CN110440960A - 一种压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压力传感器及其制造方法，在压力敏感膜中形成了掺杂的压阻条，该压阻条的旁侧的压力敏感膜中形成有凹陷区，这样，使得压阻条与同一平面上的压力敏感膜分隔开，在纵向上仅形成压阻条与衬底之间的理想平行平面PN结，阻止压阻条与横向的压力敏感膜形成PN结，从而，降低或避免由该横向非理想的PN结导致的漏电，提高传感器的稳定性及长期可靠性。

Description

一种压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及微机电系统及其制造领域，特别涉及一种压力传感器及其制造方法。

背景技术

微机电系统(MEMS，Micro Electromechanical System)是基于半导体制造技术，其融合了光刻、腐蚀、沉积、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的电子机械器件。

MEMS的压阻式压力传感器得到了广泛的应用，其具有工艺简单、应用广泛以及可靠性好等特性。压阻式压力传感器是通过离子注入的方法，在压力敏感膜上形成压敏电阻条，当外界压力发生变化时，使得压力敏感膜发生拉伸或者压缩应力，导致压敏电阻条的阻值发生变化，从而，可以通过检测到电阻条的阻值变化值，而获得外界压力的变化值。

然而，利用掺杂的压阻条的电学绝缘性能较低，尤其是在高温条件下，压阻条容易向硅衬底漏电，而产生漏电流，这会大大降低传感器的稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种压力传感器及其制造方法，减少压阻条的漏电，提高传感器的稳定性。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种压力传感器，包括：

支撑结构，所述支撑结构中设置有参考压力腔；

所述支撑结构上的半导体层，所述参考压力腔之上的半导体层为压力敏感膜；

位于所述压力敏感膜上的掺杂的压阻条；

位于所述压阻条旁侧的压力敏感膜中的凹陷区。

可选地，还包括：

覆盖所述压阻条表面的绝缘层；

覆盖所述绝缘层的导电层。

可选地，还包括：

与所述半导体层电连接的引出层。

可选地，所述引出层沿所述支撑结构的边缘延伸。

可选地，所述压阻条为多个，多个压阻条用于形成惠斯通电桥。

可选地，所述压阻条与所述压力敏感膜为一体的半导体结构且具有相反的掺杂类型，所述压阻条突出于所述压力敏感膜表面。

可选地，在压力敏感膜中还设置有减薄开口。

可选地，还包括分别与所述压阻条的两端连接的连线层，以及与所述连线层连接的焊垫，所述焊垫位于参考压力腔的外围区域之上。

可选地，所述参考压力腔为密闭真空腔；或者，所述参考压力腔为大气压力腔。

可选地，所述凹陷区的高度大于掺杂的压阻条的深度。

一种压力传感器的制造方法，包括：

提供衬底堆叠，所述衬底堆叠包括依次层叠的第一衬底以及第二半导体衬底，所述第一衬底中设置有空腔，所述第一衬底为支撑结构，所述空腔之上的第二半导体衬底为压力敏感膜；

在所述压力敏感膜的表层中形成掺杂的压阻条以及在压阻条旁侧的压力敏感膜中形成凹陷区。

可选地，还包括：

形成覆盖所述凹陷区表面以及压阻条表面的绝缘层；

形成覆盖所述绝缘层的导电层。

可选地，还包括：

形成与所述第二半导体衬底电连接的引出层。

可选地，在所述压力敏感膜的表层中形成掺杂的压阻条以及在压阻条旁侧的压力敏感膜中形成凹陷区，包括：

在所述第二半导体衬底上形成掩膜层，所述掩膜层具有压阻条的图案；

以所述掩膜层为掩蔽，进行掺杂工艺，以在所述压力敏感膜的表层中形成掺杂的压阻条；

去除所述压阻条旁侧部分厚度的压力敏感膜，以形成凹陷区。

可选地，还包括：

形成贯穿所述第一衬底至所述空腔的参考压力腔。

可选地，还包括：在压阻条的旁侧的压力敏感膜中形成减薄开口。

本发明实施例提供的压力传感器及其制造方法，在压力敏感膜中形成了掺杂的压阻条，该压阻条的旁侧的压力敏感膜中形成有凹陷区，这样，使得压阻条与同一平面上的压力敏感膜分隔开，在纵向上形成压阻条与压力敏感膜之间理想的平行平面PN结，阻止压阻条与横向的压力敏感膜形成PN结，从而，降低或避免由该非理想的PN结导致的漏电，提高传感器的稳定性。

进一步地，在该凹陷区以及压阻条的表面上依次形成有绝缘层和导电层，从而可以构成由导电层、绝缘层以及半导体层组成的MOS电容，通过压力传感器上电工作时，当MOS电容的导电层接地，而半导体敏感膜接电源电压时，该MOS电容在压力敏感膜中将形成的耗尽层，可以进一步抑制压阻条向压力敏感膜的漏电。

进一步地，还可以设置与压力敏感膜电连接的引出层，这样，还可以给 MOS电容的导电层施加不同的电压、甚至是负电压，进一步增加MOS电容在敏感膜中的耗尽层，从而抑制压阻条向压力敏感膜的漏电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了根据本发明实施例的压力传感器的俯视结构示意图；

图2示出了图1中的AA向剖面示意图；

图3示出了根据本发明实施例的另一压力传感器的俯视结构示意图；

图4-13示出了根据本发明实施例的制造方法形成压力传感器的过程中的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术中的描述，MEMS的压阻式压力传感器中，通过离子注入的方法，在压力敏感膜上形成压敏电阻条，在压力传感器上电工作时PN结不可避免地产生漏电，尤其是在高温条件下，压阻条与硅衬底之间的漏电流会更大，这会大大降低传感器的稳定性。基于此，本申请提出一种压力传感器及其制造方法，以减少压阻条与敏感膜所在衬底之间的漏电，提高传感器的稳定性。

参考图1和图2所示，其中，图1是本申请实施例的压阻式压力传感器的俯视结构示意图，图2为图1沿AA方向的剖面示意图，该压阻式压力传感器包括：

支撑结构100，所述支撑结构100中设置有参考压力腔120；

所述支撑结构100上的半导体层200，所述参考压力腔120之上的半导体层200为压力敏感膜202；

位于所述压力敏感膜202上的掺杂的压阻条204；

位于所述压阻条204旁侧的压力敏感膜202中的凹陷区210。

在本申请实施例中，支撑结构100用于传感器件的支撑，同时，支撑结构100中还形成有参考压力腔120，以提供参考压力，支撑结构与其上的传感器件电隔离。在一些应用中，支撑结构100本身可以为绝缘材料，例如氧化硅或树脂材料等，在另一些应用中，支撑结构100可以由半导体衬底提供，在支撑结构100与其上的传感器件之间可以通过绝缘层110隔离，该绝缘层 110可以为介质材料，例如可以为氧化硅、氮化硅或他们的叠层等。

支撑结构100中的参考压力腔120可以为密闭真空腔，参考图13所示，以提供真空的参考压力，密闭真空腔的数量可以为多个，还可以为大气压力腔，即该参考压力腔120具有开口，可以与大气相通，参考图2所示，可以应用于压差传感器中。

半导体层200可以为任意具有压变特性的半导体材料，典型地，该半导体层200的材料可以为硅。当外界压力发生变化时，位于参考压力腔120之上的半导体层200发生拉伸或者压缩应力，可以作为为压力敏感膜202。在压力敏感膜202的上形成有掺杂的压阻条204，也就是说，该压阻条204可以通过在压力敏感膜202表层进行掺杂而获得，掺杂的方式可以为离子注入或扩散，掺杂的离子可以为硼，在压力敏感膜202受到外界压力时，压阻条204 的阻值发生变化，进而可以通过电阻条阻值的变化获得外界压力的变化值。

在本申请实施例中，参考图1所示，压阻条204与压力敏感膜202可以是一体结构且具有相反的掺杂类型，可以通过干法刻蚀压力敏感膜202形成，置于凹陷的压力敏感膜上面突出的压阻条204，在具体的应用中，可以包括一个或多个依次连接的置于凹陷的压力敏感膜上面突出的压阻条，通过干法刻蚀可以精确控制压阻条的尺寸，减小芯片面积。在同样芯片面积下提高传感器的灵敏度。在具体的应用中，可以根据具体的需要来设置压阻条的数量，在一些实施例中，压阻条的数量可以为多个，例如可以为4个，这些压阻条可以用于形成惠斯通电桥，通过惠斯通电桥可以实现压力值测量。

压阻条204的旁侧的压力敏感膜202中形成有凹陷区210，该凹陷区210 可以形成在压阻条204的一侧或多侧或者将压阻条204包围，凹陷区210的底面低于压阻条204的表面，更进一步地，凹陷区210的底面低于压阻条204 的下表面，也就是说，凹陷区210一直延伸至压阻条204之下。

压阻条204是通过掺杂形成，在平面方向上，该压阻条204与旁侧的压力敏感膜202形成平面的PN结，而该是PN结是不希望其存在的，这会导致传感器产生额外的漏电，本申请中，通过在压阻条204与旁侧设置凹陷区210，将压阻条204与同一平面上的压力敏感膜分隔开，阻止压阻条与旁侧的压力敏感膜形成PN结，从而，降低或避免由该非理想的PN结导致的漏电，提高传感器的稳定性。

此外，在压阻条204表面上还覆盖有绝缘层212以及在绝缘层212上覆盖的导电层214，该导电层214用于接入偏置电压，其中，绝缘层212可以为氧化物或氮化物或他们的叠层等，导电层214可以为多晶硅、金属材料等。在导电层214上可以设置接地结构，用于引入接地的偏置信号。通过在压阻条204上设置绝缘层212以及导电层214，使得导电层214与其下的压力敏感膜202在垂直方向上形成MOS电容，通过压力传感器上电工作时，当MOS 电容的导电层接地，而半导体敏感膜接电源电压时，该MOS电容在敏感膜中形成的耗尽层，可以进一步抑制压阻条向压力敏感膜的漏电。

进一步地，还可以给MOS电容的导电层施加不同的电压、甚至是负电压例如将半导体敏感膜接电源电压，进一步增加MOS电容在敏感膜中的耗尽层，从而抑制压阻条向压力敏感膜的漏电。

压阻条204表面覆盖的绝缘层212以及在绝缘层212上覆盖的导电层214，可以一并形成于凹陷区210的内表面上并一直延伸至外围区域的边缘处，这样，有利于导电层214的焊垫的布局并降低制造工艺的复杂度。

此外，半导体层200还电连接有引出层230，该引出层230可以使半导体层200始终处于电源电压，这样，可以确保压阻条204与半导体层200始终处于的反偏置状态，确保压力传感器正常工作。在具体的实施例中，该引出层230可以形成在支撑结构的边缘区域上，边缘区域为外围区域，即非传感器件区域，该引出层230可以直接形成于外围区域的半导体层200上，也可以在外围区域的半导体层200中形成槽口，并在槽口中形成该引出层230，有利于与半导体层200的有效接合。此外，该引出层230可以沿着支撑结构的边缘延伸，可以是沿支撑结构的部分或所有边缘延伸。进而，可以在引出层 230上设置焊垫252，用于偏置信号的介入，引出层230上焊垫252的数量可以为多个。

在压力敏感膜202中还设置有减薄开口220，该减薄开口220可以设置于压阻条204所在区域的旁侧区域，减薄开口220使得该区域的压力敏感膜202 厚度大大减小，从而，可以将应力集中于压阻条204所在区域，使得压阻条 204处于应力集中区。可以根据具体的设计来设置该减薄开口220，在一个实施例中，参考图1所示，压阻条204为四个，这四个压阻条204两两相对且呈中心对称分布，在压阻条204所在中心对称轴的中部区域以及四个象限所在区域中，都分别设置有减薄开口220，从而，使得各压阻条204都处于应力集成区域。

在本申请的实施例中，可以将支撑结构的外围区域可以用于焊垫的布局，参考图3所示，可以将压阻条204的焊垫250设置于该外围区域上，在一些应用中，可以将压阻条204的两端分别连接到连线层240，该连线层240延伸至外围区域上，进而，设置与连线层240连接的焊垫250，该种方式连线层的布局简单且芯片面积小，后续，可以通过焊垫250连接外接连线，实现压阻条204测量电路。在另一些应用中，可以通过一层或多层的连线层实现压阻条204之间的互连，直接形成压阻条204测量电路。

以上对本申请实施例的压力传感器进行了详细的描述，此外，本申请还提供了上述压力传感器的制造方法，以下将结合附图3-13对具体的实施例进行详细的描述。

在步骤S01，提供衬底堆叠，所述衬底堆叠包括依次层叠的第一衬底100 以及第二半导体衬底200，所述第一衬底100中设置有空腔102，所述第一衬底100为支撑结构，所述空腔102之上的第二半导体衬底200为压力敏感膜 202，参考图7所示。

该第一衬底100用于提供支撑以及形成参考压力腔，该第一衬底可以为介质材料或者具有绝缘层的半导体衬底。

在本实施例中，所述第一衬底100为具有绝缘层的硅衬底，可以采用如下方法形成该衬底堆叠。

首先，在硅衬底的第一衬底100的表面上形成第一介质层1101，参考图4所示。可以在对第一衬底100进行抛光之后，通过热氧化形成氧化硅的第一介质层1101。

而后，进行第一衬底100的图案化，通过刻蚀该第一介质层1101以及部分厚度的第一衬底100，在第一衬底100中形成空腔102，参考图4所示。

接着，提供第二半导体衬底200，该衬底也可以为硅衬底，并在该第二半导体衬底200上形成第二介质层1102，参考图5所示。可以在对第二衬底200 进行抛光之后，通过热氧化形成氧化硅的第二介质层1102。

之后，通过第一介质层1101和第二介质层1102，可以将第一衬底100和第二半导体衬底200键合在一起，形成衬底堆叠，参考图6所示，同时，也将第一衬底100中的空腔102密封起来，形成密闭腔室。

最后，可以从第二半导体衬底200的背面进行减薄，减薄至压力敏感膜所需的厚度，参考图7所示。此外，还可以进行正面开窗工艺，暴露出对准标记，以便进行后续工艺。

在步骤S02，在所述压力敏感膜202的表层中形成掺杂的压阻条204以及在压阻条204旁侧的压力敏感膜中形成凹陷区210，参考图9所示。

在具体的实现中，可以采用合适的工艺和步骤形成该压阻条204以及凹陷区210。在本实施例中，可以先形成掺杂的压阻条204，而后，形成凹陷区210。

具体的，首先，对第二半导体衬底200的表面进行氧化，形成氧化物层 206。

接着，在该氧化物层206上形成掩膜层(图未示出)，掩膜层中具有压阻条的图案。该掩膜层可以为光刻胶层，利用光刻工艺可以将压阻条的图案转移至光刻胶层中，进一步可以利用刻蚀工艺，将光刻胶层中的图案转移至氧化物层206中，参考图8所示。

而后，以该掩膜层为掩蔽，采用离子注入或扩散方式进行掺杂，掺杂粒子例如硼，注入时的次数可以为多次，参考图8所示，在压力敏感膜202的表层中形成掺杂的压阻条204，在本实施例中，压阻条204的数量为多个，分布在第二半导体衬底200的不同区域。

之后，去除所述压阻条204旁侧部分厚度的压力敏感膜202，以形成凹陷区210，参考图9所示。可以采用干法刻蚀工艺，通过控制工艺时间，去除部分厚度的压力敏感膜202，去除部分的厚度可以大于压阻条204的掺杂深度。

之后，还可以进一步形成覆盖所述凹陷区210表面以及压阻条204表面的绝缘层212，参考图10所示，之后，形成覆盖所述绝缘层212的导电层214，参考图11所示。可以在沉积绝缘材料，例如氧化硅之后，沉积导电材料，该导电材料例如可以为掺杂的多晶硅，并对该导电材料及绝缘材料进行图案化，这样，就在凹陷区210以及压阻条204表面上形成了导电层214和绝缘层212。

接着，参考图12所示，可以填充绝缘材料并进行平坦化，绝缘材料例如氧化硅材料，在整个第二半导体衬底200之上形成覆盖层216。

而后，可以形成与第二半导体衬底200电连接的引出层230，同时还可以形成压阻条204的连线层，之后，还可以形成引出层230以及连线层的焊垫，焊垫可以形成于压力敏感膜的外围区域。

而后，还可以进行压力敏感膜的刻蚀，形成减薄开口220，使得压阻条 204处于应力集中区。

此外，还可以从第一衬底100的背面进行刻蚀，直至贯穿至空腔102，从而形成贯通的参考压力腔，参考图13所示。

至此形成了本申请实施例的压力传感器。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。尤其，对于制造方法的实施例而言，由于其具有与传感器器件实施例相同的部分，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (16)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：

支撑结构，所述支撑结构中设置有参考压力腔；

所述支撑结构上的半导体层，所述参考压力腔之上的半导体层为压力敏感膜；

位于所述压力敏感膜上的掺杂的压阻条；

位于所述压阻条旁侧的压力敏感膜中的凹陷区。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，还包括：

覆盖所述压阻条表面的绝缘层；

覆盖所述绝缘层的导电层。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，还包括：

与所述半导体层电连接的引出层。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述引出层沿所述支撑结构的边缘延伸。

5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压阻条为多个，多个压阻条用于形成惠斯通电桥。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压阻条与所述压力敏感膜为一体的半导体结构且具有相反的掺杂类型，所述压阻条突出于所述压力敏感膜表面。

7.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，在压力敏感膜中还设置有减薄开口。

8.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，还包括分别与所述压阻条的两端连接的连线层，以及与所述连线层连接的焊垫，所述焊垫位于参考压力腔的外围区域之上。

9.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述参考压力腔为密闭真空腔；或者，所述参考压力腔为大气压力腔。

10.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述凹陷区的高度大于掺杂的压阻条的深度。

11.一种压力传感器的制造方法，其特征在于，包括：

提供衬底堆叠，所述衬底堆叠包括依次层叠的第一衬底以及第二半导体衬底，所述第一衬底中设置有空腔，所述第一衬底为支撑结构，所述空腔之上的第二半导体衬底为压力敏感膜；

在所述压力敏感膜的表层中形成掺杂的压阻条以及在压阻条旁侧的压力敏感膜中形成凹陷区。

12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，还包括：

形成覆盖所述凹陷区表面以及压阻条表面的绝缘层；

形成覆盖所述绝缘层的导电层。

13.根据权利要求11或12所述的制造方法，其特征在于，还包括：

形成与所述第二半导体衬底电连接的引出层。

14.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，在所述压力敏感膜的表层中形成掺杂的压阻条以及在压阻条旁侧的压力敏感膜中形成凹陷区，包括：

在所述第二半导体衬底上形成掩膜层，所述掩膜层具有压阻条的图案；

以所述掩膜层为掩蔽，进行掺杂工艺，以在所述压力敏感膜的表层中形成掺杂的压阻条；

去除所述压阻条旁侧部分厚度的压力敏感膜，以形成凹陷区。

15.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，还包括：

形成贯穿所述第一衬底至所述空腔的参考压力腔。

16.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，还包括：在压阻条的旁侧的压力敏感膜中形成减薄开口。