CN106768517A - 一种高可靠高温压力传感器及其制造方法 - Google Patents

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杨静
张富强
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Abstract

本发明公开了一种高可靠高温压力传感器及其制造方法，高温压力传感器包括衬底、隔离层、四个压敏电阻、金属引线和PAD点，隔离层设置在衬底正面，衬底通过背面制作空腔形成敏感薄膜层。四个压敏电阻放置在敏感薄膜层对应区域，通过金属引线构成惠斯通电桥，惠斯通电桥通过PAD点与外部电路连接。其制作步骤为：在衬底上依次外延出P型和N型外延层，通过对外延层刻蚀制作压敏电阻；在衬底背面制作空腔，从而形成薄膜层；制作氧化硅介质层，腐蚀氧化硅形成引线孔；在外延层上制作金属引线和PAD点。本发明高温压力传感器金属欧姆接触性能好，能有效提高器件在高温环境下工作时的可靠性。

Description

一种高可靠高温压力传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)器件及其制造方法，尤其涉及一种高可靠高温压力传感器及其制造方法，属于微电子领域。
背景技术
微电子机械系统(MEMS)的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。正是由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点，MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
耐高温的压力传感器已经成为微机电领域(MEMS)主要产品之一。商业化的传统MEMS压力传感器以硅材料作为主体材料。由于硅材料本身加工工艺相对成熟、生产成本相对低廉且器件性能相对优异，使得其在微器件加工制造领域有着广阔的应用前景。然而，受P-N结温度限制，硅器件在高于200℃温度下工作时，传感器性能将会受到较大影响，甚至失效。当温度上升到500℃时，硅材料会产生电流泄露，甚至蠕变变形，导致硅膜片压敏结构产生不可逆转变化和信号调理电路失调。远远不能达到汽车电子、火箭卫星等高温领域的测量要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高可靠高温压力传感器及其制造方法，该压力传感器采用SiC衬底和多层金属引线结构，极大提高了高温环境下器件的可靠性，且制造工艺简单。
本发明的技术解决方案是：一种高可靠高温压力传感器，包括衬底、隔离层、第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻、第四压敏电阻、金属引线和PAD点；
隔离层设置在衬底正面；衬底背面开有空腔，使衬底位于空腔上方的部分形成敏感薄膜层；第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻)和第四压敏电阻设置在与敏感薄膜层位置相对应的隔离层上表面，且均为一字型结构，第一压敏电阻和第三压敏电阻、第二压敏电阻和第四压敏电阻分别关于敏感薄膜层的中心对称；
第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻以及第四压敏电阻两端均制作有引线孔；所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻、第四压敏电阻通过连接在引线孔之间的金属引线构成惠斯通电桥；
所述第一压敏电阻和第二压敏电阻之间、第二压敏电阻和第三压敏电阻之间、第三压敏电阻和第四压敏电阻之间、第四压敏电阻和第一压敏电阻之间设置有PAD点，用于实现惠斯通电桥与外部电路的连接。
所述衬底为N型SiC片。
所述隔离层为P型，用于形成PN结。
所述薄膜层的形状为方形或圆形。
所述金属引线为多层结构，第一层的材料为Ti，第二层的材料为TiN，第三层的材料为Pt，且第一层靠近隔离层。
制造高可靠高温压力传感器的方法，包括如下步骤：
1)选择N型SiC作为衬底；
2)将SiC衬底减薄至背腔工艺可行的厚度；
3)在N型SiC衬底上外延P型外延层；
4)在P型外延层上继续外延N型外延层；
5)利用微加工光刻、刻蚀工艺在N型外延层上同时制作第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻的压阻条区；
6)在衬底背面制作空腔，使空腔上方的衬底形成敏感薄膜层，且保证第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻位于该敏感薄膜层对应区域；
7)在经过步骤6)处理后的衬底正面制作介质层；
8)在介质层上，在每个压敏电阻两端制作引线孔；
9)在经过步骤8)处理后的衬底正面制作金属层，在该金属层上同时腐蚀出金属引线和PAD点；
10)高温退火，完成高可靠高温压力传感器的制作。
所述步骤3)中P型外延层掺杂浓度为1～3×1018cm-3，厚度为1um～5um；
所述步骤4)中N型外延层掺杂浓度为0.1～2×1019cm-3，厚度为1um～5um。
所述步骤7)中介质层6为氧化硅或PSG,厚度300nm～800nm。
所述步骤9)中金属层采用溅射工艺制作，且金属层中Ti厚度30nm～70nm，TiN厚度30nm～70nm，Pt厚度80nm～150nm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明的高温压力传感器选择SiC作为衬底，相较于传统的硅材料衬底，耐高温性能得到明显提升。
(2)本发明通过SiC外延层上的四个压敏电阻形成惠斯通电桥，压敏电阻的欧姆接触采用了接触层Ti、扩散阻挡层TiN和引线互连层Pt形式，进一步提高了高温环境下器件的可靠性。
(3)本发明制造方法与目前普遍应用的Si制造工艺兼容度高，具有工艺简单、方式有效、成本低的优点，适合批量生产。
附图说明
图1为本发明高可靠高温压力传感器剖面图；
图2为本发明高可靠高温压力传感器俯视图；
图3为本发明高可靠高温压力传感器制造方法流程图；
图4为本发明高可靠高温压力传感器衬底减薄片剖面图；
图5本发明高可靠高温压力传感器制作完P型外延层和N型外延层后的剖面图；
图6本发明高可靠高温压力传感器制作完压阻条的剖面图；
图7本发明高可靠高温压力传感器制作完背腔的剖面图；
图8本发明高可靠高温压力传感器完成氧化工艺的剖面图；
图9本发明高可靠高温压力传感器制作完引线孔的剖面图；
图10本发明高可靠高温压力传感器制作完金属引线层的剖面图。
具体实施方式
在高温环境中传统压力传感器的金属欧姆接触都会有所退化，导致金属/半导体表面性能不稳定，从而接触失效。本发明针对该问题提出一种高可靠高温压力传感器以及该压力传感器的制造方法。该传感器采用传统的薄膜结构，四个压敏电阻(第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻)合理的分布在薄膜的应力集中区，每个压敏电阻设计为一字型压敏电阻。相邻的两个压敏电阻之间设计一个PAD点，金属引线通过压敏电阻的引线孔进行连接，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻、第四压敏电阻和四个PAD点形成惠斯通电桥。当高温压力传感器受到外界压力作用时，压敏电阻的变化引起惠斯通电桥输出信号，从而检测输入的压力。
本发明的具体结构如图1所示，包括衬底1、隔离层2、第一压敏电阻8a、第二压敏电阻8b、第三压敏电阻8c、第四压敏电阻8d、金属引线和PAD点。
隔离层2设置在衬底1正面；衬底1背面开有空腔4，使衬底1位于空腔4上方的部分形成敏感薄膜层5；第一压敏电阻8a、第二压敏电阻8b、第三压敏电阻8c和第四压敏电阻8d设置在与敏感薄膜层5位置相对应的隔离层2上表面，且均为一字型结构，第一压敏电阻8a和第三压敏电阻8c、第二压敏电阻8b和第四压敏电阻8d分别关于敏感薄膜层5的中心对称。每个压敏电阻两端均制作有引线孔，四个压敏电阻通过连接在引线孔之间的金属引线构成惠斯通电桥。相邻两个压敏电阻之间设置有PAD点，用于实现惠斯通电桥与外部电路的连接。
如图2所示，第一压敏电阻8a、第二压敏电阻8b、第三压敏电阻8c、第四压敏电阻8d位于敏感薄膜层5的对应区域，并且靠近敏感薄膜层边缘应力变化较大的区域。压敏电阻和PAD点的连接方式为：第一压敏电阻8a的两端分别通过金属引线连结至PAD点12a和PAD点12d；第二压敏电阻8b的两端分别通过金属引线连结至PAD点12a和PAD点12b；第三压敏电阻8c的两端分别通过金属引线连结至PAD点12b和PAD点12c；第四压敏电阻8d的两端分别通过金属引线连结至PAD点12c和PAD点12d。
制造时，在N型SiC衬底上依次外延出P型和N型外延层，通过对外延层刻蚀制作压敏电阻；在衬底背面制作空腔，从而形成薄膜层；制作氧化硅介质层，腐蚀氧化硅形成引线孔；在外延层上制作金属引线和PAD点；划片，完成高可靠高温压力传感器的制作。制造方法流程图如图3所示。
下面按照本发明方法给出一个制造压力传感器的具体实施例。
实施例：
(1)材料选择：如图4，选取<111晶向的N型SiC材料作为衬底材料，SiC总厚度为450μm；
(2)减薄：将SiC衬底减薄至200μm；
(3)外延隔离层：如图5所示，在N型SiC衬底上外延P型外延层2，外延层2厚度为2μm，掺杂浓度为2e18cm-3；
(4)外延压敏电阻层：如图5所示，在P型外延层上继续外延N型外延层3，N型外延层3厚度为3μm，掺杂浓度为1e19cm-3；
(5)制作压阻区：如图6所示，利用微加工光刻工艺在N型外延层上光刻出压敏电阻条区域，通过刻蚀工艺在N型外延层上同时制作第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻的压阻条区；
(6)制作背腔：如图7所示，在衬底背面通过刻蚀工艺，制作出空腔4，空腔深度180μm，使空腔上方的衬底形成厚度为20μm的敏感薄膜层5，且第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻位于敏感薄膜层的对应区域；
(7)氧化：如图8所示，对整个SiC衬底进行氧化工艺，使SiC衬底表面覆盖一层厚度为500nm的氧化硅介质层，工艺条件为1150℃，5小时；
(8)制作引线孔：如图9所示，先通过腐蚀工艺腐蚀掉侧面和背面氧化硅，在衬底正面采用光刻工艺制作出引线孔的图形区，然后通过腐蚀工艺同时制作出压敏电阻的引线孔7；
(9)制作金属层：如图10所示，在经过步骤(8)处理后的衬底正面通过溅射工艺制作Ti/TiN/Pt金属层，其中Ti层9的厚度为50nm，TiN层10的厚度为50nm，Pt层11的厚度为100nm。在金属层上通过光刻工艺将金属引线和PAD图形化，采用腐蚀工艺腐蚀出金属引线和PAD点；
(10)退火：在1000℃下高温退火1小时，完成高可靠高温压力传感器的制作。制作好的高温压力传感器如图1所示。
根据划片道进行划片，得到多个高可靠高温压力传感器。
经过上述步骤制作的高温压力传感器，经过试验，可以耐600℃高温。
本发明压力传感器采用SiC衬底和多层金属引线结构，极大提高了高温环境下器件的可靠性，且制造工艺简单，与目前普遍应用的Si制造工艺兼容度高，可以用来制造具有压阻效应的MEMS器件。
上面详细叙述了微机械加工的一种高可靠高温压力传感器的特征结构及制造方法，本领域内的技术人员可以在此基础上进行局部调整和修改，不难重复出本发明的结果，但这并不会超出本发明权利要求的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种高可靠高温压力传感器，其特征在于：包括衬底(1)、隔离层(2)、第一压敏电阻(8a)、第二压敏电阻(8b)、第三压敏电阻(8c)、第四压敏电阻(8d)、金属引线和PAD点；
隔离层(2)设置在衬底(1)正面；衬底(1)背面开有空腔(4)，使衬底(1)位于空腔(4)上方的部分形成敏感薄膜层(5)；第一压敏电阻(8a)、第二压敏电阻(8b)、第三压敏电阻(8c)和第四压敏电阻(8d))设置在与敏感薄膜层(5)位置相对应的隔离层(2)上表面，且均为一字型结构，第一压敏电阻(8a)和第三压敏电阻(8c)、第二压敏电阻(8b)和第四压敏电阻(8d)分别关于敏感薄膜层(5)的中心对称；
第一压敏电阻(8a)、第二压敏电阻(8b)、第三压敏电阻(8c)以及第四压敏电阻(8d)两端均制作有引线孔；所述第一压敏电阻(8a)、第二压敏电阻(8b)、第三压敏电阻(8c)、第四压敏电阻(8d)通过连接在引线孔之间的金属引线构成惠斯通电桥；
所述第一压敏电阻(8a)和第二压敏电阻(8b)之间、第二压敏电阻(8b)和第三压敏电阻(8c)之间、第三压敏电阻(8c)和第四压敏电阻(8d)之间、第四压敏电阻(8d)和第一压敏电阻(8a)之间设置有PAD点，用于实现惠斯通电桥与外部电路的连接。
2.如权利要求1所述的高可靠高温压力传感器，其特征在于：所述衬底(1)为N型SiC片。
3.如权利要求1所述的高可靠高温压力传感器，其特征在于：所述隔离层(2)为P型，用于形成PN结。
4.如权利要求1所述的高可靠高温压力传感器，其特征在于：所述薄膜层(5)的形状为方形或圆形。
5.如权利要求1所述的高可靠高温压力传感器，其特征在于：所述金属引线为多层结构，第一层的材料为Ti，第二层的材料为TiN，第三层的材料为Pt，且第一层靠近隔离层(2)。
6.制造权利要求1所述的高可靠高温压力传感器的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)选择N型SiC作为衬底(1)；
2)将SiC衬底减薄至背腔工艺可行的厚度；
3)在N型SiC衬底上外延P型外延层；
4)在P型外延层上继续外延N型外延层；
5)利用微加工光刻、刻蚀工艺在N型外延层上同时制作第一压敏电阻(8a)、第二压敏电阻(8b)、第三压敏电阻(8c)和第四压敏电阻(8d)的压阻条区；
6)在衬底背面制作空腔，使空腔上方的衬底形成敏感薄膜层(5)，且保证第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻位于该敏感薄膜层(5)对应区域；
7)在经过步骤6)处理后的衬底(1)正面制作介质层(6)；
8)在介质层(6)上，在每个压敏电阻两端制作引线孔(7)；
9)在经过步骤8)处理后的衬底(1)正面制作金属层，在该金属层上同时腐蚀出金属引线和PAD点；
10)高温退火，完成高可靠高温压力传感器的制作。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：所述步骤3)中P型外延层掺杂浓度为1～3×1018cm-3，厚度为1um～5um；
8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：所述步骤4)中N型外延层掺杂浓度为0.1～2×1019cm-3，厚度为1um～5um。
9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：所述步骤7)中介质层6为氧化硅或PSG,厚度300nm～800nm。
10.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：所述步骤9)中金属层采用溅射工艺制作，且金属层中Ti厚度30nm～70nm，TiN厚度30nm～70nm，Pt厚度80nm～150nm。
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