CN108981982A - 一种mems压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS压力传感器及其制作方法，压力传感器一种MEMS压力传感器，采用SOI结构；所述SOI结构由下至上依次包括第一硅层、第一氧化物层、第二硅层；在所述第二硅层之上刻蚀有四个电阻；所述四个电阻连接为惠斯通电桥；所述四个电阻为单晶体硅电阻，其电阻值由第二硅层自身尺寸和掺杂浓度决定的。通过本发明的技术和制作方法所研制的MEMS压力传感器，稳定性好，耐温高，整体的性能更佳。
Description
技术领域
本发明涉及半导体元件及其制作技术，具体涉及一种MEMS压力传感器及其制作方法。
背景技术
MEMS压力传感器是利用半导体的压阻效应制成的一种压力敏感元件，压阻效应是半导体晶体材料在某一方向受力产生变形时材料的电阻率发生变化的现象。在压力传感器的膜区制成由四个电阻组成的惠斯通电桥，在压力作用下，膜产生形变，导致组成惠斯通电桥的四个电阻的阻值产生改变，输出和压力相对应的电信号，在现有技术中，普遍采用扩散或离子注入的方法改变基底材料(单晶硅)的表面电阻率，从而得到合适的电阻值，其缺点是扩散或掺杂工艺难度大，一致性差的缺点，并且由于没有绝缘层做隔离，在高温时会有漏电现象，导致信号输出不稳定。
还有采用多晶SOI扩散硅工艺，是在单晶硅基底通过氧化工艺，在其表面生成氧化层，然后再氧化层上面再用化学气相沉积法生长一层多晶硅，再此多晶硅表面再通过扩散法得到所需的表面电阻率，用于制备惠斯通电桥。虽解决了高温漏电的问题，但灵敏度却大大降低了，并且同样存在工艺难度高、一致性差的缺点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种MEMS压力传感器及其制作方法。
本发明的技术方案如下：
一种MEMS压力传感器，采用SOI结构；所述SOI结构由下至上依次包括第一硅层、第一氧化物层、第二硅层；在所述第二硅层之上刻蚀有四个电阻；所述四个电阻连接为惠斯通电桥；所述四个电阻为单晶体硅电阻，其电阻值由第二硅层自身尺寸和掺杂浓度决定的，如下所示：
R＝ρL/S
上式中，R为电阻值，ρ为掺杂浓度，L为第二硅层的厚度，S为第二硅层的截面积。
其进一步的技术方案为，所述第一硅层底部制作有压力腔；还包括弹性膜区；所述弹性膜区在压力腔与第一氧化物层之间。
其进一步的技术方案为，还包括与第一硅层相独立的第三硅层；所述第三硅层在所述第一硅层的上层，且所述第三硅层和所述第一硅层之间是第二氧化物层。
一种制作如上所述的MEMS压力传感器的方法，包括以下步骤：
步骤1、制备所述衬底，第一硅层是单晶硅片，第二硅层是经过掺杂处理的单晶硅片；制备衬底的过程是，在拉单晶时对第二硅层进行掺杂，然后进行氧化键合，将第一硅层与第二硅层合在一起形成SOI结构；
步骤2、在第二硅层上通过光刻及刻蚀工艺制作四个电阻；使四个电阻连接成为惠斯通电桥；
步骤3、在第一硅层底部通过光刻及刻蚀工艺制备压力腔和弹性膜区。
一种制作如上所述的MEMS压力传感器的方法，包括以下步骤：
步骤1、制备所述衬底，第一硅层是单晶硅片，第二硅层是经过掺杂处理的单晶硅片；第三硅层是单晶硅片；制备衬底的过程是，先将第一硅层与第三硅层通过进行氧化键合在一起，然后第二硅层再与第三硅层上表面通过进行氧化键合进行氧化形成SOI结构衬底；
步骤2、在第二硅层上通过光刻及刻蚀工艺制作四个电阻；使四个电阻连接成为惠斯通电桥；
步骤3、在第一硅层底部通过光刻及刻蚀工艺制备压力腔和第三硅层,在对压力腔进行刻蚀工艺中，刻蚀到第二氧化物层时，刻蚀工艺自终止，得到厚度均匀的弹性膜区。
本发明的有益技术效果是：
本发明所公开的压力传感器，体电阻单晶硅层，是在拉单晶时就制备好的高掺杂浓度(低电阻率)单晶硅，通过此方法获得的体电阻是硅片自身的电阻率以及电阻的物理尺寸(长度、宽度以及硅片厚度)决定的，而区别于目前扩散掺杂所获得的表面电阻，使得体电阻无论是杂质浓度还是厚度均匀性都更好，且这样的结构制作的器件中的电阻，是独立一层，并完全通过氧化层隔离开，绝缘性良好，相对于现有技术的PN节隔离更加适合高温环境使用。
本发明使用了SOI结构，衬底背部在刻蚀压力腔时，刻蚀到氧化层时，刻蚀过程自终止，更获得了均匀性良好的弹性膜区。
附图说明
图1是本发明的截面图。
图2是本发明的正视图。
图3是本发明的优化方案的示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明采用SOI结构。SOI结构由下至上依次包括第一硅层1、第一氧化物层2、第二硅层3。第二硅层3也即体电阻层，为低阻的单晶硅。第一氧化物层2为二氧化硅。这样的SOI结构也使得在第二硅层3上制作的体电阻均匀而且绝缘性好。
在第二硅层3之上刻蚀有四个电阻3.1。四个电阻3.1是孤立分隔开的岛状硅四个电阻，并由金属层将四个电阻3.1连接为惠斯通电桥电路。
在第一硅层1底部制作有压力腔4。在压力腔4上最终刻蚀出所需厚度的弹性膜区5。弹性膜区5在压力腔4与第一氧化物层2之间。
优选的，四个电阻3.1为体电阻。其电阻值由第二硅层3自身尺寸和掺杂浓度决定的，如下所示：
R＝ρL/S
上式中，R为电阻值，ρ为掺杂浓度，L为第二硅层3的厚度，S为第二硅层3的截面积。
四个电阻3.1可以为呈弯曲的长条状。这样可以在保证电阻值的情况下，最大限度的减小空间。
图3是本发明的优化方案的示意图。如图3所示，作为进一步的优化SOI结构，还包括与第一硅层1相独立的第三硅层。第三硅层7在第一硅层1的上层，且第三硅层7和第一硅层1之间是第二氧化物层6。
在此结构中，第三硅层7起到了弹性膜区的作用，与第一硅层1通过第二氧化物层6进行隔离，第三硅层7的厚度的均匀性得到保障，同时，增加了的第二氧化物层6，实现了刻蚀工艺的自终止。
本发明还公开了一种MEMS压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、制备所述衬底，第一硅层1是单晶硅片，第二硅层3是经过掺杂处理的单晶硅片，然后进行氧化键合，将第一硅层1与第二硅层3合在一起形成SOI结构；
步骤2、在第二硅层3上通过光刻及刻蚀工艺制作四个电阻3.1；使四个电阻3.1连接成为惠斯通电桥；
步骤3、在第一硅层1底部通过光刻及刻蚀工艺制备压力腔4和弹性膜区5。
针对上述图3所示的优化方案，本发明还公开了一种制作MEMS压力传感器的方法，包括以下步骤：
步骤1、制备衬底，第一硅层1是单晶硅片，第二硅层3是经过掺杂处理的单晶硅片；第三硅层7是单晶硅片；制备衬底的过程是，先将第一硅层1与第三硅层7通过进行氧化键合在一起，然后第二硅层3再与第三硅层7上表面通过进行氧化键合进行氧化形成SOI结构衬底。
步骤2、在第二硅层3上通过光刻及刻蚀工艺制作四个电阻3.1；使四个电阻3.1连接成为惠斯通电桥；
步骤3、在第一硅层1底部通过光刻及刻蚀工艺制备压力腔4和弹性膜区7,在对压力腔4进行刻蚀工艺中，刻蚀到第二氧化物层6时，刻蚀工艺自终止，形成厚度均匀的弹性膜区7。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种MEMS压力传感器，其特征在于，采用SOI结构；所述SOI结构由下至上依次包括第一硅层(1)、第一氧化物层(2)、第二硅层(3)；在所述第二硅层(3)之上刻蚀有四个电阻(3.1)；所述四个电阻(3.1)连接为惠斯通电桥；所述四个电阻(3.1)为单晶体硅电阻，其电阻值由第二硅层(3)自身尺寸和掺杂浓度决定的，如下所示：
R＝ρL/S
上式中，R为电阻值，ρ为掺杂浓度，L为第二硅层(3)的厚度，S为第二硅层(3)的截面积。
2.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一硅层(1)底部制作有压力腔(4)；还包括弹性膜区(5)；所述弹性膜区(5)在压力腔(4)与第一氧化物层(2)之间。
3.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，还包括与第一硅层(1)相独立的第三硅层(7)；所述第三硅层(7)在所述第一硅层(1)的上层，且所述第三硅层(7)和所述第一硅层(1)之间是第二氧化物层(6)。
4.一种制作如权利要求2所述的MEMS压力传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备所述衬底，第一硅层(1)是单晶硅片，第二硅层(3)是经过掺杂处理的单晶硅片；制备衬底的过程是，在拉单晶时对第二硅层(3)进行掺杂，然后进行氧化键合，将第一硅层(1)与第二硅层(3)合在一起形成SOI结构；
步骤2、在第二硅层(3)上通过光刻及刻蚀工艺制作四个电阻(3.1)；使四个电阻(3.1)连接成为惠斯通电桥；
步骤3、在第一硅层(1)底部通过光刻及刻蚀工艺制备压力腔(4)和弹性膜区(5)。
5.一种制作如权利要求3所述的MEMS压力传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备所述衬底，第一硅层(1)是单晶硅片，第二硅层(3)是经过掺杂处理的单晶硅片；第三硅层(7)是单晶硅片；制备衬底的过程是，先将第一硅层(1)与第三硅层(7)通过进行氧化键合在一起，然后第二硅层(3)再与第三硅层(7)上表面通过进行氧化键合进行氧化形成SOI结构衬底；
步骤2、在第二硅层(3)上通过光刻及刻蚀工艺制作四个电阻(3.1)；使四个电阻(3.1)连接成为惠斯通电桥；
步骤3、在第一硅层(1)底部通过光刻及刻蚀工艺制备压力腔(4)和第三硅层(7),在对压力腔(4)进行刻蚀工艺中，刻蚀到第二氧化物层(6)时，刻蚀工艺自终止，得到厚度均匀的弹性膜区(7)。
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