CN107421662B - 一种mems电容式压力传感器的敏感结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于单片式MEMS电容式压力传感器的新型敏感结构，具体是一种基于MEMS微加工技术形成的平板电容结构，该电容结构的一部分和信号处理电路一起加工完成，电容结构的另外一部分通过体硅工艺单独加工，最后通过键合工艺组装在一起。该新型结构设计有两大优势，一个是电容结构的可动极板部分分开单独制造，工艺控制简单，第二是该电容结构可以非常方便的和信号处理电路芯片进行片上集成，不会引入两片式组装通常会产生的过大的寄生电容。该新型敏感结构可以非常方便的和处理微弱电容变化的信号处理电路集成而不需要重新设计电路，同时相对于传统的基于表面工艺的单片式MEMS电容压力传感器大大减小了总的工艺加工难度，具有很大实用价值。
Description
技术领域
MEMS是Micro-Electro-Mechanical system的缩写，一般称为微机电系统，是通过微纳米加工技术在各种衬底上（最多的是硅片材料）加工出各种微型结构的技术，是在传统IC（Integrated Circuit）制造技术上发展起来的一种技术，用于实现各种微米纳米量级的精细结构，来实现各种物理量检测、部件运动、微细管道等的功能。常见的采用MEMS技术的产品有加速度传感器、陀螺仪、压力传感器、喷墨打印头、投影仪用的DLP(Digital LightProcessing)芯片等等。其中MEMS压力传感器主要包括压阻式、电容式和谐振式三种，压阻式压力传感器是最常见的产品，电容式比较方便和IC信号处理电路集成，谐振式测量精度最高。
背景技术
MEMS压力传感器最常见的就是采用压阻式测量原理进行制造的，在硅片上腐蚀出厚度大约数十微米左右的膜片，然后在膜片上通过扩散或者离子注入的方式形成四个电阻，四个电阻连接成惠斯通电桥的形式，当膜片上承受压力时，其中两个电阻的阻值增加，另外两个电阻的阻值减小，从而电桥输出一个和膜片上压力成正比的一个电压值，从而实现了压力的检测。而电容式压力传感器是采用MEMS技术来制造一个随外加压力变化电容值的电容，通过信号处理电路检测该微弱的电容变化来测量压力。较为常见的就是通过表面牺牲层技术来制造可变电容，表面牺牲层技术的大概过程如图1所示：首先在衬底上淀积一层牺牲层，比如PSG（phosphorus silicate glass，高磷掺杂氧化层），如图1（a）所示；然后通过光刻过程形成腐蚀窗口，利用腐蚀液去除窗口位置的PSG，如图1（b）所示；然后淀积一层高掺杂多晶硅，多晶硅通过前面腐蚀形成的窗口和衬底接触，如图1（c）所示；然后在光刻之后刻蚀多晶硅形成腐蚀孔，如图1（d）所示；之后放入腐蚀液中腐蚀，将多晶硅电容极板下面的PSG腐蚀干净，如图1（e）所示；最后在真空环境中，在多晶硅上淀积一层氧化膜将多晶硅上的腐蚀孔盖住，从而完成多晶硅极板的制作，如图1（f）所示。通过该方法制作电容有如下几个缺点：（1）多晶硅的应力是变化的，不同批次间多晶硅应力的不同会造成初始电容值的较大偏差；（2）多晶硅的弹性性能没有单晶硅好，对长期稳定性不利；（3）在腐蚀牺牲层的时候需要对电路部分进行保护。总之，该工艺过程复杂，同时多晶硅薄膜作为电容极板存在应力控制偏差和弹性性能弱于单晶硅的缺点。
发明内容
本发明提出了一种MEMS电容式压力传感器的敏感结构，采用单晶硅作为感应压力的可动电容极板，同时采用键合的工艺将该可动极板和衬底上的固定极板对准，从而形成完整的电容结构，通过该方式非常容易实现和IC信号处理电路芯片的片上集成，同时得到了性能优越的单晶硅薄膜电容。本发明提出的结构的剖面图如图2（a）所示，该电容结构包括两部分，电容的上极板为可动极板，是单晶硅薄膜，通过上下两次各向异性湿法腐蚀得到，下极板为固定极板，是高掺杂的衬底。可动极板部分为高掺杂硅，相当于是导体，通过硅硅键合工艺和高掺杂的衬底形成导电接触。固定极板是通过高掺杂杂质扩散到下面的埋层，通过埋层将电信号引出。图2（b）是IC信号处理电路芯片的俯视图，可以清楚看到两个电容极板的信号通路，其中5对应连接可动极板，8为固定极板的信号通路，引出到表面则为区域7。
附图说明
图1是传统的电容式压力传感器的敏感结构的加工流程图；
图2是本发明的电容式压力传感器的示意图，其中，图2（a）是本发明电容式压力传感器的结构剖面示意图；图2（b）是本发明的电容式压力传感器的俯视图；
图3是本发明的新型电容敏感结构的加工流程图；
图4是本发明的电容式压力传感器的工艺流程示意图。
1——掺杂多晶硅 2——氧化膜 3——PSG牺牲层 4——硅衬底
5——重掺杂键合环 6——埋层氧化层 7——高掺杂导电通路 8——重掺杂埋层
9——硅衬底 10——重掺杂硅层 11——腐蚀阻挡层
具体实施方式
本发明所提出的敏感结构包括可动极板和固定极板两部分，其中可动极板的一种具体实现方法如图3所示。首先选择六英寸N型（100）硅圆片，厚度625um，正面通过B+离子注入（或高B掺杂扩散）形成一层高掺杂层，然后在高温1000摄氏度下推结约2小时，如图3（a）,虚线位置的掺杂浓度为1019/cm3，虚线位置的深度大约为3um。将图3（a）所示的硅片和一表面已经生长了0.5um厚度氧化层的硅片进行高温键合，键合后将硅片的其中一面进行单独减薄到5um，如图3(b)所示。正反面同时淀积一层SiO2/SiN阻挡层，厚度分别为50/100nm，然后将其中一面光刻并刻蚀出腐蚀窗口，如图3（c）所示。将硅片放入20%浓度，80℃的KOH腐蚀液中进行腐蚀，由于高B掺杂浓度的硅腐蚀速度相对比低掺杂浓度硅要慢很多，可以认为腐蚀将在图3（d）中的虚线位置处停止。去除两面的腐蚀阻挡层，使用的方法包括热磷酸溶液浸泡去除SiN，然后用稀释的HF溶液去除SiO2层，结果如图3（e）所示。在硅片两面同时再淀积一层SiO2/SiN阻挡层，厚度分别为50/100nm，然后将其中一面光刻并刻蚀出腐蚀窗口，如图3（f）所示。将硅片放入20%浓度，80℃的KOH腐蚀液中进行腐蚀，直到腐蚀到氧化层为止，如图3（g）所示。用前面同样的方法去除SiO2/SiN腐蚀阻挡层，如图3（h）所示。
IC信号处理电路芯片上固定极板的制作工艺要和IC电路的工艺结合到一起，其单独的工艺序列如图4所示。首先在N型（100）硅片表面通过高B扩散或者B+离子注入引入高掺杂的埋层，如图4（a）所示。在硅片上外延5um厚度的N型硅层，如图4（b）所示，厚度根据电路需要可以额外调整。在硅片正面光刻注入B+离子，如图4（c）所示。在高温1000℃，持续3小时，将B杂质推进到埋层位置，如图4（d）所示。然后在衬底上再光刻并注入B+离子，如图4（e）所示。
最后将图3（g）的硅片和图4（e）的硅片在440℃左右的温度下，进行低温硅硅键合，就成为图2(a)所示的最终的敏感结构。
Claims (4)
1.一种MEMS电容式压力传感器的敏感结构，其特征在于所述的敏感结构为一平板电容，其上极板为高掺杂的导电单晶硅薄膜，下极板为衬底上的平板导体；通过键合工艺将上极板和下极板所在硅片键合起来，从而形成完整的平板电容结构；所述导电单晶硅薄膜系经过B+离子注入形成高掺杂层，所述高掺杂层作为刻蚀停止层；
所述下极板的制作方法为：在N型硅片表面通过高B扩散或者B+离子注入引入重掺杂埋层，在硅片上外延N型硅层；然后在硅片正面光刻注入B+离子，将B杂质推进到埋层位置，形成与重掺杂埋层连接的高掺杂导电通路；再在衬底上光刻并注入B+离子，形成重掺杂键合环。
2.如权利要求1所述的MEMS电容式压力传感器的敏感结构，其特征是所述键合工艺是硅硅键合工艺。
3.如权利要求1或2所述的MEMS电容式压力传感器的敏感结构，其中上极板为高掺杂的导电单晶硅薄膜，该薄膜的形成通过在单晶硅圆片上通过两次各向异性湿法腐蚀工艺制作而成。
4.如权利要求1或2所述的MEMS电容式压力传感器的敏感结构，该平板电容的下极板通过衬底下面的重掺杂埋层将电极引出到键合腔体之外。
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