CN107830966B - Mems气体压力敏感元件及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种MEMS气体压力敏感元件，包括衬底、电容器上极板、电容器下极板、上极板上电极和下极板上电极，所述衬底上具有一SiO2绝缘层，此SiO2绝缘层上表面具有所述电容器下极板和间隔分布的上极板导电层、下极板导电层；Si3N4绝缘薄层开有上极板导电柱通孔、上极通孔和下极通孔，一上极板导电柱下端位于上极板导电柱通孔内上极板导电柱上端与电容器上极板连接，所述上极板上电极覆盖于上极通孔底部和侧壁并与上极板下电极电接触，且上极板上电极延伸至位于上极通孔周边的Si3N4绝缘薄层区域。本发明MEMS气体压力敏感元件具有较高的测量精度和较低的功耗、机械结构稳定性好，且其体积小，成本低，与硅半导体制造工艺兼容。

Description

MEMS气体压力敏感元件及其制造工艺
技术领域
本发明涉及微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）技术领域，特别涉及一种MEMS气体压力敏感元件及其制造工艺。
背景技术
相对于传统的机械传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小、控制精度更高、制作工艺与硅半导体技术兼容，因而性价比大幅度提高。基于MEMS工艺制作的压力传感器已广泛应用于医疗、化工、电子等各行各业。例如，医疗领域中的胎压计，血压计，健康秤等；工业领域中的数字压力表、数字流量表等；汽车电子领域的发动机机油压力传感器、刹车系统空气压力传感器、胎压监测系统的压力传感器、发动机进气管压力传感器、座椅舒适度传感器、侧面碰撞传感器等。随着科学技术的不断进步和经济水平的不断发展，MEMS压力传感器应用的领域越来越广，目前已成为微电子行业不可缺少的一种电子元器件。
发明内容
本发明提供一种MEMS气体压力敏感元件，此MEMS气体压力敏感元件具有较高的测量精度和较低的功耗、机械结构稳定性好，且其体积小，成本低，与硅半导体制造工艺兼容；同时提供一种用于制备上述的MEMS气体压力敏感元件的制造工艺。
为达到上述目的，本发明采用的第一技术方案是：一种MEMS气体压力敏感元件，包括衬底、电容器上极板、电容器下极板、上极板上电极和下极板上电极，所述衬底上具有一SiO2绝缘层，此SiO2绝缘层上表面具有所述电容器下极板和间隔分布的上极板导电层、下极板导电层，所述上极板导电层由电导通的上极板导电条和上极板下电极组成，所述下极板导电层由电导通的下极板导电条和下极板下电极组成，所述电容器下极板与下极板导电层电连接；
一Si3N4绝缘薄层覆盖于上极板导电层、电容器下极板、下极板导电层各自表面，所述电容器上极板位于Si3N4绝缘薄层上方，且电容器上极板的边缘区域与Si3N4绝缘薄层之间间隔地设置有若干个上极板支撑柱，从而在电容器上极板与位于电容器下极板表面的Si3N4绝缘薄层区域之间形成一空腔；
所述Si3N4绝缘薄层开有上极板导电柱通孔、上极通孔和下极通孔，一上极板导电柱下端位于上极板导电柱通孔内上极板导电柱上端与电容器上极板连接，所述上极板上电极覆盖于上极通孔底部和侧壁并与上极板下电极电接触，且上极板上电极延伸至位于上极通孔周边的Si3N4绝缘薄层区域，所述下极板上电极覆盖于下极通孔底部和侧壁并与下极板下电极电接触，且下极板上电极延伸至位于下极通孔周边的Si3N4绝缘薄层区域，一密封环包覆上极板支撑柱并位于电容器上极板边缘区与Si3N4绝缘薄层之间。
上述技术方案中进一步的改进技术方案如下：
1. 上述方案中，所述上极板导电柱通孔位于上极板导电层与电容器下极板之间的间隙内。
2. 上述方案中，所述电容器上极板、电容器下极板、上极板上电极和下极板上电极材料为金属、掺杂多晶硅或者掺杂砷化镓。
3. 上述方案中，所述衬底为硅衬底、玻璃衬底、锗衬底或者砷化镓衬底。
4. 上述方案中，所述电容器上极板、电容器下极板、上极板上电极和下极板上电极采用溅射或者电镀工艺获得。
5. 上述方案中，所述SiO2绝缘层和Si3N4绝缘薄层采用CVD或LPCVD方法制备获得。
6. 上述方案中，所述SiO2绝缘层和Si3N4绝缘薄层采用CVD或LPCVD方法制备获得。
本发明采用的第二技术方案是：一种用于上述的MEMS气体压力敏感元件的制造工艺，包括以下步骤：
步骤一、在衬底表面高温氧化生长一层SiO2绝缘层，用于隔离衬底和元件；
步骤二、在SiO2绝缘层上溅射一层Cu薄膜，厚度为0.5 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀形成电容器下极板、下极板导电条、下极板下电极、上极板下电极和上极板导电条；
步骤三、采用LPCVD方法生长一层厚度为0.2 μm的Si3N4绝缘薄层，并在相应位置刻蚀掉Si3N4层形成窗口以露出下极板下电极、上极板下电极和上极板导电条，Si3N4绝缘薄层的作用是防止电容器上极板在气体压力作用下形变与下极板接触而短路；
步骤四、涂布一层厚度为1 μm的BPSG牺牲层，刻蚀出四个上极板支撑柱通孔和1个上极板导电柱通孔；其中上极板支撑柱通孔刻蚀至露出Si3N4绝缘薄层，而上极板导电柱通孔刻蚀至露出上极板导电条；
步骤五、在BPSG牺牲层上电镀一层Cu薄膜，厚度为0.5 μm，并刻蚀出圆片状的电容器上极板；
步骤六、去除BPSG牺牲层后，显示出四根上极板支撑柱和1根上极板导电柱。四根支撑柱的作用是支撑上极板边缘使之成为圆周固支中间架空的结构，此外四根支撑柱之间存在空隙，牺牲层去除液容易渗透进去并去除掉上极板下方的牺牲层，使得在电容器上极板和Si3N4绝缘薄层之间形成空腔结构；
步骤七、涂布2 μm厚度的 LTO层，通过曝光、显影、刻蚀等工艺在电容器上极板圆周环套一个LTO密封环，密封环的作用是使得上极板5和Si3N4绝缘薄层之间的空腔密封并使之保持一个固定数值的参考压强；
步骤八、在Si3N4绝缘薄层的窗口上溅射厚度为0.5 μm的Cu薄膜并刻蚀出上极板上电极和下极板上电极，即得到所述MEMS气体压力敏感元件。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明MEMS气体压力敏感元件及其制造工艺，当外界所测气体的压强和元件内部空腔的参考压强形成压差时，使得电容器的一个极板发生形变，进而将电容值的改变转化为电压信号输出，该气体压力敏感元件具有较高的精度和较低的功耗，体积小，成本低，制作工艺简单而且与硅半导体工艺兼容，可实现大规模产生。
附图说明
图1 为本发明MEMS气体压力敏感元件的三维立体结构图；
图2 为本发明MEMS气体压力敏感元件的垂直半剖图；
图3~9本发明MEMS气体压力敏感元件的工艺流程图。
以上附图中：1、衬底；2、SiO2绝缘层；3、Si3N4绝缘薄层；4、LTO密封环；5、电容器上极板；5a、上极板上电极；5b、上极板下电极；5c、上极板导电条；5d、上极板导电柱；5e、上极板支撑柱；6、电容器下极板；6a、下极板上电极；6b、下极板下电极；6c、下极板导电条；7、BPSG牺牲层；7a、上极板支撑柱通孔；7b、上极板导电柱通孔；8、空腔；9、上极板导电层；10、下极板导电层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：一种MEMS气体压力敏感元件，包括衬底1、电容器上极板5、电容器下极板6、上极板上电极5a和下极板上电极6a，所述衬底1上具有一SiO2绝缘层2，此SiO2绝缘层2上表面具有所述电容器下极板6和间隔分布的上极板导电层9、下极板导电层10，所述上极板导电层9由电导通的上极板导电条5c和上极板下电极5b组成，所述下极板导电层10由电导通的下极板导电条6c和下极板下电极6b组成，所述电容器下极板6与下极板导电层10电连接；
一Si3N4绝缘薄层3覆盖于上极板导电层9、电容器下极板6、下极板导电层10各自表面，所述电容器上极板5位于Si3N4绝缘薄层3上方，且电容器上极板5的边缘区域与Si3N4绝缘薄层3之间间隔地设置有若干个上极板支撑柱5e，从而在电容器上极板5与位于电容器下极板6表面的Si3N4绝缘薄层3区域之间形成一空腔8；
所述Si3N4绝缘薄层3开有上极板导电柱通孔7b、上极通孔和下极通孔，一上极板导电柱5d下端位于上极板导电柱通孔7b内上极板导电柱5d上端与电容器上极板5连接，所述上极板上电极5a覆盖于上极通孔底部和侧壁并与上极板下电极5b电接触，且上极板上电极5a延伸至位于上极通孔周边的Si3N4绝缘薄层3区域，所述下极板上电极6a覆盖于下极通孔底部和侧壁并与下极板下电极6b电接触，且下极板上电极6a延伸至位于下极通孔周边的Si3N4绝缘薄层3区域，一密封环4包覆上极板支撑柱5e并位于电容器上极板5边缘区与Si3N4绝缘薄层3之间。
上述上极板导电柱通孔7b位于上极板导电层9与电容器下极板6之间的间隙内。
上述电容器上极板5、电容器下极板6、上极板上电极5a和下极板上电极6a材料为金属。
上述衬底1为硅衬底底；上述电容器上极板5、电容器下极板6、上极板上电极5a和下极板上电极6a采用电镀工艺获得。
上述SiO2绝缘层2和Si3N4绝缘薄层3采用CVD方法制备获得。
上述SiO2绝缘层2和Si3N4绝缘薄层3采用CVD方法制备获得。
实施例2：一种MEMS气体压力敏感元件，包括衬底1、电容器上极板5、电容器下极板6、上极板上电极5a和下极板上电极6a，所述衬底1上具有一SiO2绝缘层2，此SiO2绝缘层2上表面具有所述电容器下极板6和间隔分布的上极板导电层9、下极板导电层10，所述上极板导电层9由电导通的上极板导电条5c和上极板下电极5b组成，所述下极板导电层10由电导通的下极板导电条6c和下极板下电极6b组成，所述电容器下极板6与下极板导电层10电连接；
一Si3N4绝缘薄层3覆盖于上极板导电层9、电容器下极板6、下极板导电层10各自表面，所述电容器上极板5位于Si3N4绝缘薄层3上方，且电容器上极板5的边缘区域与Si3N4绝缘薄层3之间间隔地设置有若干个上极板支撑柱5e，从而在电容器上极板5与位于电容器下极板6表面的Si3N4绝缘薄层3区域之间形成一空腔8；
所述Si3N4绝缘薄层3开有上极板导电柱通孔7b、上极通孔和下极通孔，一上极板导电柱5d下端位于上极板导电柱通孔7b内上极板导电柱5d上端与电容器上极板5连接，所述上极板上电极5a覆盖于上极通孔底部和侧壁并与上极板下电极5b电接触，且上极板上电极5a延伸至位于上极通孔周边的Si3N4绝缘薄层3区域，所述下极板上电极6a覆盖于下极通孔底部和侧壁并与下极板下电极6b电接触，且下极板上电极6a延伸至位于下极通孔周边的Si3N4绝缘薄层3区域，一密封环4包覆上极板支撑柱5e并位于电容器上极板5边缘区与Si3N4绝缘薄层3之间。
上述电容器上极板5、电容器下极板6、上极板上电极5a和下极板上电极6a材料为掺杂多晶硅。
上述衬底1为锗衬底；上述电容器上极板5、电容器下极板6、上极板上电极5a和下极板上电极6a采用溅射工艺获得。
上述SiO2绝缘层2和Si3N4绝缘薄层3采用LPCVD方法制备获得。
上述SiO2绝缘层2和Si3N4绝缘薄层3采用LPCVD方法制备获得。
上述实施例的MEMS气体压力敏感元件进一步阐释如下：主体结构包括一组圆片形电容器上极板5和电容器下极板6，并且在上、下极板的边缘环套一个圆环状的LTO密封环4，密封环的作用是使得上、下极板之间的空腔8密封，并使之保持一个固定数值的参考压强。所述电容器下极板6位于Si衬底1表面高温氧化形成的SiO2绝缘层2的上表面，且在电容器下极板6正对电容器上极板5的那一面覆盖Si3N4绝缘薄层3，在Si3N4绝缘薄层3和上极板之间是保持一定参考气压的密封空腔8。Si3N4绝缘薄层3的作用是：当外界气压高于空腔的参考气压时，电容器上极板5在压力作用下向下凹陷，Si3N4绝缘薄层的存在能防止电容器上极板5接触到电容器下极板6形成的短路现象。
当所述的MEMS气体压力敏感元件置于待测气体中，外界气体和元件内部空腔8存在压力差时，电容器上极板5的圆周边缘固支不动但架空的中间部分在力的作用下会产生鼓起或凹陷的形变，使得电容值变化。为测量电容器上下极板间的电容值，所述电容器上极板5依次通过导电柱5d、导电条5c、下电极5b和上电极5a；电容器下极板6依次通过导电条6c、下电极6b和上电极6a。隶属于电容器上、下极板的一对上电极5a和6a裸露于整个敏感元件的上表面，以便于后期封装时焊接引线与外接信号调理电路连接。电容器上极板5的形变引起的电容值变化，通过信号调理电路放大，从而实现外界气体压力和电信号之间的转变。
一种用于制备上述的MEMS气体压力敏感元件的制造工艺，包括以下步骤：
步骤一、如图3所示，在Si衬底1表面高温氧化生长一层SiO2绝缘层2，用于隔离Si衬底和元件；
步骤二、如图4所示，在SiO2绝缘层2上溅射一层Cu薄膜，厚度为0.5 μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀形成电容器下极板6，下极板导电条6c，下极板下电极6b，上极板下电极5b，上极板导电条5c；
步骤三、如图5所示，采用LPCVD方法生长一层厚度为0.2 μm的Si3N4隔离薄层3，并在相应位置刻蚀掉Si3N4层形成窗口以露出下极板下电极6b，上极板下电极5b和上极板导电条5c，Si3N4绝缘薄层的作用是防止电容器上极板在气体压力作用下形变与下极板接触而短路；
步骤四、如图6所示，涂布一层厚度为1 μm的BPSG牺牲层7，刻蚀出四个上极板支撑柱通孔7a（附图6是垂直半剖图，仅显示出2个通孔）和1个上极板导电柱通孔7b；其中上极板支撑柱通孔7a刻蚀至露出Si3N4隔离薄层3，而上极板导电柱通孔7b刻蚀至露出上极板导电条5c；
步骤五、如图7所示，在BPSG牺牲层7上电镀一层Cu薄膜，厚度为0.5 μm，并刻蚀出圆片状的电容器上极板5；
步骤六、如图8所示，去除BPSG牺牲层7后，显示出四根上极板支撑柱5e和1根上极板导电柱5d。四根支撑柱的作用是支撑上极板边缘使之成为圆周固支中间架空的结构，此外四根支撑柱之间存在空隙，牺牲层去除液容易渗透进去并去除掉上极板下方的牺牲层，使得在电容器上极板5和Si3N4绝缘薄层3之间形成空腔结构；
步骤七、如图9所示，涂布2 μm厚度的 LTO层，通过曝光、显影、刻蚀等工艺在电容器上极板5圆周环套一个LTO密封环，密封环的作用是使得上极板5和Si3N4绝缘薄层3之间的空腔8密封并使之保持一个固定数值的参考压强；
步骤八、在Si3N4绝缘薄层3的窗口上溅射厚度为0.5 μm的Cu薄膜并刻蚀出上极板上电极5a和下极板上电极6a，即得到本发明所属的MEMS气体压力敏感元件。如图2所示，这样，电容器下极板6依次通过下极板导电条6c、 下极板下电极6b、下极板上电极6a，而电容器上极板5依次通过上极板导电柱5d、上极板导电条5c、上极板下电极5b、上极板上电极5a，最后从两个上电极引出引线至外接信号调理电路。
采用上述MEMS气体压力敏感元件及其制造工艺时，其当外界所测气体的压强和元件内部空腔的参考压强形成压差时，使得电容器的一个极板发生形变，进而将电容值的改变转化为电压信号输出，该气体压力敏感元件具有较高的精度和较低的功耗，体积小，成本低，制作工艺简单而且与硅半导体工艺兼容，可实现大规模产生。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种MEMS气体压力敏感元件，其特征在于：包括衬底(1)、电容器上极板(5)、电容器下极板(6)、上极板上电极(5a)和下极板上电极(6a)，所述衬底(1)上具有一SiO2绝缘层(2)，此SiO2绝缘层(2)上表面具有所述电容器下极板(6)和间隔分布的上极板导电层(9)、下极板导电层(10)，所述上极板导电层(9)由电导通的上极板导电条(5c)和上极板下电极(5b)组成，所述下极板导电层(10)由电导通的下极板导电条(6c)和下极板下电极(6b)组成，所述电容器下极板(6)与下极板导电层(10)电连接；
一Si3N4绝缘薄层(3)覆盖于上极板导电层(9)、电容器下极板(6)、下极板导电层(10)各自表面，所述电容器上极板(5)位于Si3N4绝缘薄层(3)上方，且电容器上极板(5)的边缘区域与Si3N4绝缘薄层(3)之间间隔地设置有若干个上极板支撑柱(5e)，从而在电容器上极板(5)与位于电容器下极板(6)表面的Si3N4绝缘薄层(3)区域之间形成一空腔(8)；
所述Si3N4绝缘薄层(3)开有上极板导电柱通孔(7b)、上极通孔和下极通孔，一上极板导电柱(5d)下端位于上极板导电柱通孔(7b)内上极板导电柱(5d)上端与电容器上极板(5)连接，所述上极板上电极(5a)覆盖于上极通孔底部和侧壁并与上极板下电极(5b)电接触，且上极板上电极(5a)延伸至位于上极通孔周边的Si3N4绝缘薄层(3)区域，所述下极板上电极(6a)覆盖于下极通孔底部和侧壁并与下极板下电极(6b)电接触，且下极板上电极(6a)延伸至位于下极通孔周边的Si3N4绝缘薄层(3)区域，一密封环(4)包覆上极板支撑柱(5e)并位于电容器上极板(5)边缘区与Si3N4绝缘薄层(3)之间，所述上极板导电柱通孔(7b)位于上极板导电层(9)与电容器下极板(6)之间的间隙内，所述电容器上极板(5)、电容器下极板(6)、上极板上电极(5a)和下极板上电极(6a)材料为金属、掺杂多晶硅或者掺杂砷化镓。
2.根据权利要求1所述的MEMS气体压力敏感元件，其特征在于：所述衬底(1)为硅衬底、玻璃衬底、锗衬底或者砷化镓衬底。
3.根据权利要求1所述的MEMS气体压力敏感元件，其特征在于：所述电容器上极板(5)、电容器下极板(6)、上极板上电极(5a)和下极板上电极(6a)采用溅射或者电镀工艺获得。
4.根据权利要求1所述的MEMS气体压力敏感元件，其特征在于：所述SiO2绝缘层(2)和Si3N4绝缘薄层(3)采用CVD或LPCVD方法制备获得。
5.根据权利要求1所述的MEMS气体压力敏感元件，其特征在于：所述SiO2绝缘层(2)和Si3N4绝缘薄层(3)采用CVD或LPCVD方法制备获得。
6.一种用于制备权利要求1所述的MEMS气体压力敏感元件的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、在衬底(1)表面高温氧化生长一层SiO2绝缘层(2)，用于隔离衬底(1)和元件；
步骤二、在SiO2绝缘层(2)上溅射一层Cu薄膜，厚度为0.5μm，涂光刻胶，经曝光、显影、刻蚀形成电容器下极板(6)、下极板导电条(6c)、下极板下电极(6b)、上极板下电极(5b)和上极板导电条(5c)；
步骤三、采用LPCVD方法生长一层厚度为0.2μm的Si3N4绝缘薄层(3)，并在相应位置刻蚀掉Si3N4层形成窗口以露出下极板下电极(6b)、上极板下电极(5b)和上极板导电条(5c)，Si3N4绝缘薄层(3)的作用是防止电容器上极板在气体压力作用下形变与下极板接触而短路；
步骤四、涂布一层厚度为1μm的BPSG牺牲层(7)，刻蚀出四个上极板支撑柱通孔(7a)和1个上极板导电柱通孔(7b)；其中上极板支撑柱通孔(7a)刻蚀至露出Si3N4绝缘薄层(3)，而上极板导电柱通孔(7b)刻蚀至露出上极板导电条(5c)；
步骤五、在BPSG牺牲层(7)上电镀一层Cu薄膜，厚度为0.5μm，并刻蚀出圆片状的电容器上极板(5)；
步骤六、去除BPSG牺牲层(7)后，显示出四根上极板支撑柱(5e)和1根上极板导电柱(5d)，四根支撑柱支撑上极板边缘使之成为圆周固支中间架空的结构，此外四根支撑柱之间存在空隙，牺牲层去除液容易渗透进去并去除掉上极板下方的牺牲层，使得在电容器上极板(5)和Si3N4绝缘薄层(3)之间形成空腔(8)结构；
步骤七、涂布2μm厚度的LTO层，通过曝光、显影、刻蚀等工艺在电容器上极板(5)圆周环套一个LTO密封环，密封环的作用是使得上极板5和Si3N4绝缘薄层(3)之间的空腔(8)密封并使之保持一个固定数值的参考压强；
步骤八、在Si3N4绝缘薄层(3)的窗口上溅射厚度为0.5μm的Cu薄膜并刻蚀出上极板上电极(5a)和下极板上电极(6a)，即得到所述MEMS气体压力敏感元件。
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