CN108931321A - 梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种梁‑岛‑膜一体化谐振式压力传感器结构及制造方法。本发明的目的是提供一种梁‑岛‑膜一体化谐振式压力传感器结构及制造方法。本发明的技术方案是：一种梁‑岛‑膜一体化谐振式压力传感器结构，具有谐振梁、感压膜片和位于感压膜片上的两个硅岛，所述谐振梁悬置于两个硅岛之间，该谐振梁上形成有激励电阻和压敏电阻；所述感压膜片、硅岛和谐振梁由一块(100)面硅片经各向异性腐蚀液腐蚀后形成；硅片在各向异性腐蚀液中腐蚀形成感压膜片和硅岛的同时，从(111)面腐蚀谐振梁下方的硅释放沿<110>晶向的谐振梁，获得一体化的梁岛膜结构；所述硅片的电阻率小于0.1Ω.cm，掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度。本发明适用于微电子机械系统(MEMS)领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构及制造方法。适用于微电子机械系统(MEMS)领域。
背景技术
谐振式压力传感器是基于谐振器的谐振频率随压力变化而改变的一类传感器。被测压力引起谐振器等效刚度变化，从而改变谐振器的谐振频率，通过测量谐振频率的变化获得被测压力的大小。作为谐振式压力传感器核心元件的谐振器工作于机械谐振状态，输出的频率信号不受电路噪声的影响，信噪比和分辨率高、抗干扰能力强，易于与现场总线连接，可以省去价格昂贵的A/D转换装置，减小由此引入的测量误差。谐振式压力传感器是目前精度最高的压力传感器之一，非常适合对精度和长期稳定性要求较高的航空、航天、军事、工业自动控制、气象监测等精密压力测量领域。
早期的谐振式压力传感器(如谐振弦、谐振筒、谐振膜、谐振弯管)由精密合金制成，尺寸较大，结构复杂，谐振频率和灵敏度较低。随后出现的石英谐振式压力传感器是目前精度最高、稳定性最好的压力传感器之一。然而石英材料加工困难，不能用于静压测量，限制了其在压力测量领域的广泛应用。随着微电子技术和微机械加工技术的发展，硅微机械谐振式压力传感器引起了普遍关注。
硅微机械谐振式压力传感器由感压膜片和谐振梁组成，感压膜片感受流体压力而产生的应力通过谐振梁的固支端传递到谐振梁上使其谐振频率发生变化，只要检测出谐振频率的变化就可以测量出压力的变化。硅微机械谐振式压力传感器的谐振梁与待测介质隔离，振动不受待测介质影响，有利于获得较高的品质因数。
为了检测谐振梁的固有频率，需要选取适当的激励和检测方式。MEMS谐振梁常用的激励/检测方式有静电激励/电容检测、电磁激励/电磁检测、电热激励/压阻检测、光热激励/光信号检测、逆压电激励/压电检测等。按照谐振梁和压力敏感膜的组成方式，谐振式压力传感器的结构分为梁-膜分体结构和梁-膜一体化结构。分体结构的谐振式压力传感器采用两个硅片分别制作感压膜片和谐振梁，然后将二者键合在一起，其键合面存在较大应力。梁-膜一体化结构谐振式压力传感器采用同一硅片制作感压膜片和谐振梁，是谐振式压力传感器的发展方向。
梁(谐振梁)-岛(立柱)-膜(感压薄膜)一体化结构是一种特殊的梁-膜一体化结构，谐振梁悬置于感压膜片上的双岛之间。在待测压力作用下，压力敏感膜片上下表面因存在压力差发生变形，硅岛顶部之间距离发生变化，通过硅岛的传递与放大，谐振梁感受到轴向应力的作用，使其谐振频率发生变化，达到压力检测的目的。梁-岛-膜一体化结构的硅岛对膜片的变形具有放大作用，放大倍数随岛高度的增加而增加，可以显著提高谐振式压力传感器的测量灵敏度。
研制梁-岛-膜一体化结构谐振式压力传感器的难点在于谐振梁的释放工艺。由于梁、岛、膜是一体化结构，不能从谐振梁的背面腐蚀谐振梁下面的硅材料，只能从侧面腐蚀。从侧面腐蚀的方法有二种：凸角削角和<100>晶向腐蚀。前者适合于谐振梁尺寸较小的情况，这种谐振梁的激励和检测信号之间的耦合干扰较大。后者要求谐振梁沿<100>晶向，不利于安排压敏电阻。目前，梁-岛-膜一体化结构谐振式压力传感器采用静电激励/电容检测模式，当感压膜片受压变形时会引起激励电容、检测电容的电极间隙发生变化，从而使激励力和检测信号产生非线性变化，增加了闭环控制的难度。采用新的激励/检测原理和谐振梁释放工艺是研制这种高灵敏度梁-岛-膜一体化结构谐振式压力传感器关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构及制造方法。
本发明所采用的技术方案是：一种梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构，其特征在于：具有谐振梁、感压膜片和位于感压膜片上的两个硅岛，所述谐振梁悬置于两个硅岛之间，该谐振梁上形成有激励电阻和压敏电阻；
所述感压膜片、硅岛和谐振梁由一块(100)面硅片经各向异性腐蚀液腐蚀后形成；硅片在各向异性腐蚀液中腐蚀形成感压膜片和硅岛的同时，从(111)面腐蚀谐振梁下方的硅释放沿<110>晶向的谐振梁，获得一体化的梁岛膜结构；
所述硅片的电阻率小于0.1Ω.cm，掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度。
所述谐振梁由硅层、二氧化硅薄膜、低压化学气相沉积法淀积的Si3N4薄膜和等离子增强化学气相沉积法淀积的SixNy薄膜中的任意2～4种组成。
所述硅片掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度的70％。
所述的各向异性腐蚀液为氢氧化钾或四甲基氢氧化铵基腐蚀液。
所述的压敏电阻为多晶硅电阻、单晶硅电阻或金属应变电阻。
所述硅岛的高度至少达到50微米。
一种梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构的制造方法，其特征在于：
硅片为(100)面、电阻率小于0.1Ω.cm，掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度的低阻硅片；
硅片经热氧化法生长二氧化硅薄膜；
经低压化学气相沉积法淀积多晶硅薄膜，硅片正面扩散或离子注入工艺掺杂，光刻并刻蚀多晶硅薄膜形成激励电阻和压敏电阻；
通过低压化学气相沉积淀积Si3N4薄膜；
硅片正面光刻并刻蚀接触孔中的Si3N4薄膜，剥离工艺制作引线和焊盘，合金化；
采用等离子增强化学气相沉积法淀积在硅片正面淀积SixNy薄膜；
硅片正面光刻感压膜片的掩膜图形，保留所述硅岛和谐振梁上的掩膜，刻蚀SixNy薄膜、Si3N4薄膜和二氧化硅薄膜；
硅片背面光刻感压膜片的掩膜图形，刻蚀背面的Si3N4薄膜和二氧化硅薄膜，形成背腐蚀窗口；
在各向异性腐蚀液中双面腐蚀硅片形成感压膜片的同时，从(111)面腐蚀硅释放谐振梁。
腐蚀结束后去除焊盘上的SixNy薄膜或者去除正面所有的SixNy薄膜。
硅片为SOI硅片，其器件层为轻掺杂单晶硅；衬底层单晶硅的电阻率小于0.1Ω.cm，掺杂浓度小于各向异性腐蚀液中的自停止腐蚀浓度；
硅片经热氧化法生长二氧化硅薄膜；
硅片正面光刻激励电阻和压敏电阻的掩膜图形，腐蚀掩膜图形区中的二氧化硅薄膜，扩散或离子注入工艺掺杂，形成激励电阻和压敏电阻；
通过低压化学气相沉积淀积Si3N4薄膜；
硅片正面光刻并刻蚀接触孔中的Si3N4薄膜，剥离工艺制作引线和焊盘，合金化；
采用等离子增强化学气相沉积法在硅片正面淀积SixNy薄膜；
硅片正面光刻感压膜片的图形，保留所述硅岛和谐振梁上的掩膜，依次刻蚀SixNy薄膜、Si3N4薄膜、器件层单晶硅和二氧化硅埋层(102)；
硅片背面光刻感压膜片的掩膜图形，刻蚀背面的Si3N4薄膜和二氧化硅薄膜；
在各向异性腐蚀液中双面腐蚀硅片形成感压膜片的同时，从(111)面腐蚀硅释放谐振梁。
腐蚀结束后去除焊盘上的SixNy薄膜或者去除正面所有的SixNy薄膜。
本发明的有益效果是：本发明利用硅片掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度时，提高硅片的掺杂浓度，(100)面的腐蚀速率基本不变，而(111)面的腐蚀速率显著提高的特点，在腐蚀形成感压膜片的同时，从(111)面腐蚀两硅岛之间区域，释放沿<110>晶向的谐振梁，获得一体化的梁-岛-膜结构。
本发明采用梁-岛-膜一体化的谐振式压力传感器，双岛结构支撑电热激励、压阻检测谐振梁以提高检测灵敏度。
本发明中基于电热激励/压阻检测谐振器的谐振式压力传感器的感压膜片受压变形只会改变谐振梁的轴向应力，而不会破坏闭环自激检测系统的稳定性。
附图说明
图1为实施例1的剖视图。
图2为实施例1的工艺流程图。
图3为实施例1中谐振梁和硅岛的掩膜图形。
图4为实施例2的剖视图。
图5为实施例2的工艺流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例为一种梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构，具有谐振梁9、感压膜片8和位于感压膜片8上的两个硅岛13，硅岛13的高度至少达到50微米，两硅岛13之间悬置有谐振梁9。本例中谐振梁9上形成有激励电阻3和压敏电阻4，采用电热激励模式驱动谐振梁9振动，采用压敏电阻4检测谐振梁9的振动。
本实施例中感压膜片8、硅岛13和谐振梁9由一块(100)面硅片经各向异性腐蚀液(氢氧化钾或四甲基氢氧化铵基腐蚀液)腐蚀后形成。本例中硅片的电阻率小于0.1Ω.cm，掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度的70％。本例利用硅片掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度时，提高硅片的掺杂浓度，(100)面的腐蚀速率基本不变，而(111)面的腐蚀速率显著提高的特点，在腐蚀形成感压膜片8和硅岛13的同时，从(111)面腐蚀谐振梁下方的硅，从而释放沿<110>晶向的谐振梁9，获得一体化的梁-岛-膜结构。
本例中谐振梁9由二氧化硅薄膜2和Si3N4薄膜5组成，利用具有张应力Si3N4薄膜5补偿二氧化硅薄膜2的压应力。
本实施例的制作工艺步骤如下(见图2)：
原始硅片是(100)面、电阻率等于0.01Ω.cm的低阻硅片；
硅片经1100℃热氧化生长二氧化硅薄膜2，厚度0.6μm；
低压化学气相沉积法淀积多晶硅薄膜，厚度为0.6μm，并离子注入硼，氮气环境中、950℃激活30分钟；光刻激励电阻3和压敏电阻4的图形，刻蚀电阻区域外的多晶硅薄膜，形成激励电阻3和压敏电阻4；
通过低压化学气相沉积法淀积Si3N4薄膜5，厚度为0.3μm；
光刻并刻蚀接触孔中的Si3N4薄膜5，剥离工艺制作Ti/Au引线6和焊盘，合金化，温度400℃，时间20min；
硅片正面采用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)淀积SixNy薄膜7，保护Ti/Au激励电阻3、压敏电阻4和引线6；
硅片正面光刻感压膜片8的图形，保留对应谐振梁9和硅岛13的掩膜，刻蚀PECVDSixNy薄膜7、LPCVD Si3N4薄膜5、二氧化硅薄膜2；如图3所示，谐振梁9与其两端硅岛13的掩膜为哑铃型；
硅片背面光刻感压膜片8，刻蚀背面LPCVD Si3N4薄膜5、二氧化硅薄膜2；
硅片在25％TMAH中腐蚀形成感压膜片8和硅岛13的同时，从(111)面腐蚀硅释放沿<110>晶向的谐振梁9；腐蚀后，对应谐振梁9的掩膜悬空，对应硅岛13的掩膜边缘悬空(见图3)；
腐蚀结束后去除焊盘上的SixNy薄膜7或者去除正面所有的SixNy薄膜7，以获得更高的品质因数。
实施例2：如图4所示，本实施例的结构与实施例1基本相同，不同之处仅在于本实施例中感压膜片8和两个硅岛13由SOI硅片10经各向异性腐蚀液(氢氧化钾或四甲基氢氧化铵基腐蚀液)腐蚀形成，该SOI硅片的器件层103为轻掺杂单晶硅，衬底层101单晶硅的电阻率小于0.1Ω.cm，掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度的70％。
本例中谐振梁9由二氧化硅埋层102、器件层103单晶硅和Si3N4薄膜5组成，利用具有张应力Si3N4薄膜5补偿二氧化硅埋层102的压应力。
本实施例的制作工艺步骤如下(见图5)：
硅片为SOI硅片10，其器件层103为轻掺杂单晶硅；衬底层101单晶硅的电阻率等于0.01Ω.cm；
硅片经热氧化法生长二氧化硅薄膜2；
硅片正面光刻激励电阻3和压敏电阻4的掩膜图形，腐蚀掩膜图形区中的二氧化硅薄膜2，扩散或离子注入工艺掺杂，形成激励电阻3和压敏电阻4；
通过低压化学气相沉积淀积Si3N4薄膜5；
硅片正面光刻并刻蚀接触孔中的Si3N4薄膜5，剥离工艺制作引线6和焊盘，合金化；
采用等离子增强化学气相沉积法在硅片正面淀积SixNy薄膜7；
硅片正面光刻感压膜片8的图形，保留对应谐振梁9和硅岛13上的掩膜，依次刻蚀SixNy薄膜7、Si3N4薄膜5、器件层103单晶硅和二氧化硅埋层102；
硅片背面光刻感压膜片8的掩膜图形，刻蚀背面的Si3N4薄膜5和二氧化硅薄膜2；
在各向异性腐蚀液中双面腐蚀硅片形成感压膜片8和硅岛13的同时，从(111)面腐蚀硅释放谐振梁9；
腐蚀结束后去除焊盘上的SixNy薄膜7或者去除正面所有的SixNy薄膜7，，以获得更高的品质因数。
显然，上述说明并非是本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构，其特征在于：具有谐振梁(9)、感压膜片(8)和位于感压膜片(8)上的两个硅岛(13)，所述谐振梁(9)悬置于两个硅岛(13)之间，该谐振梁上形成有激励电阻(3)和压敏电阻(4)；
所述感压膜片(8)、硅岛(13)和谐振梁(9)由一块(100)面硅片经各向异性腐蚀液腐蚀后形成；硅片在各向异性腐蚀液中腐蚀形成感压膜片(8)和硅岛(13)的同时，从(111)面腐蚀谐振梁下方的硅释放沿<110>晶向的谐振梁(9)，获得一体化的梁岛膜结构；
所述硅片的电阻率小于0.1Ω.cm，掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度。
2.根据权利要求1所述的梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构，其特征在于：所述谐振梁(9)由硅层、二氧化硅薄膜(2)、低压化学气相沉积法淀积的Si3N4薄膜(5)和等离子增强化学气相沉积法淀积的SixNy薄膜(7)中的任意2～4种组成。
3.根据权利要求1所述的梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构，其特征在于：所述硅片掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度的70％。
4.根据权利要求1或3所述的梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构，其特征在于：所述的各向异性腐蚀液为氢氧化钾或四甲基氢氧化铵基腐蚀液。
5.根据权利要求1所述的梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构，其特征在于：所述的压敏电阻(4)为多晶硅电阻、单晶硅电阻或金属应变电阻。
6.根据权利要求1所述的梁-岛-膜一体化谐振式压力传感器结构，其特征在于：所述硅岛(13)的高度至少达到50微米。
7.一种权利要求1～6任意一项所述传感器结构的制造方法，其特征在于：
硅片为(100)面、电阻率小于0.1Ω.cm，掺杂浓度小于自停止腐蚀浓度的低阻硅片(1)；
硅片经热氧化法生长二氧化硅薄膜(2)；
经低压化学气相沉积法淀积多晶硅薄膜，硅片正面扩散或离子注入工艺掺杂，光刻并刻蚀多晶硅薄膜形成激励电阻(3)和压敏电阻(4)；
通过低压化学气相沉积淀积Si3N4薄膜(5)；
硅片正面光刻并刻蚀接触孔中的Si3N4薄膜(5)，剥离工艺制作引线(6)和焊盘，合金化；
采用等离子增强化学气相沉积法淀积在硅片正面淀积SixNy薄膜(7)；
硅片正面光刻感压膜片(8)的掩膜图形，保留所述硅岛(13)和谐振梁(9)上的掩膜，刻蚀SixNy薄膜(7)、Si3N4薄膜(5)和二氧化硅薄膜(2)；
硅片背面光刻感压膜片(8)的掩膜图形，刻蚀背面的Si3N4薄膜(5)和二氧化硅薄膜(2)，形成背腐蚀窗口；
在各向异性腐蚀液中双面腐蚀硅片形成感压膜片(8)的同时，从(111)面腐蚀硅释放谐振梁(9)。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：腐蚀结束后去除焊盘上的SixNy薄膜(7)或者去除正面所有的SixNy薄膜(7)。
9.一种权利要求1～6任意一项所述传感器结构的制造方法，其特征在于：
硅片为SOI硅片(10)，其器件层(103)为轻掺杂单晶硅；衬底层(101)单晶硅的电阻率小于0.1Ω.cm，掺杂浓度小于各向异性腐蚀液中的自停止腐蚀浓度；
硅片经热氧化法生长二氧化硅薄膜(2)；
硅片正面光刻激励电阻(3)和压敏电阻(4)的掩膜图形，腐蚀掩膜图形区中的二氧化硅薄膜(2)，扩散或离子注入工艺掺杂，形成激励电阻(3)和压敏电阻(4)；
通过低压化学气相沉积淀积Si3N4薄膜(5)；
硅片正面光刻并刻蚀接触孔中的Si3N4薄膜(5)，剥离工艺制作引线(6)和焊盘，合金化；
采用等离子增强化学气相沉积法在硅片正面淀积SixNy薄膜(7)；
硅片正面光刻感压膜片(8)的图形，保留所述硅岛(13)和谐振梁(9)上的掩膜，依次刻蚀SixNy薄膜(7)、Si3N4薄膜(5)、器件层(103)单晶硅和二氧化硅埋层(102)；
硅片背面光刻感压膜片(8)的掩膜图形，刻蚀背面的Si3N4薄膜(5)和二氧化硅薄膜(2)；
在各向异性腐蚀液中双面腐蚀硅片形成感压膜片(8)的同时，从(111)面腐蚀硅释放谐振梁(9)。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：腐蚀结束后去除焊盘上的薄SixNy膜(7)或者去除正面所有的SixNy薄膜(7)。
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