CN112357877B - 一种mems soi压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS SOI压力传感器及其制备方法，压力传感器包括体硅层、埋氧层、衬底、压敏电阻、钝化层、电极层。压敏电阻为对SOI片的器件层进行光刻和离子注入得到，钝化层为对SOI片进行退火处理形成的SiO2，退火气氛为纯O2、O2/H2O混合气、O2/NO混合气、O2/HCl混合气、O2/CHF3混合气的一种，并通过退火处理消除光刻形成压敏电阻时由于过刻蚀对埋氧层表面造成的损伤，并抑制钝化层的体与界面缺陷及其俘获电荷引起的传感器稳定性问题。在压敏电阻下方正对的埋氧层和体硅层处开孔形成沟槽，有助于抑制因掺杂杂质进入压敏电阻下方的埋氧层所产生的缺陷，并有助于提高传感器的灵敏度。

Description

一种MEMS SOI压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及MEMS SOI压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器在工业生产、环境监测、航空航天等众多域得到广泛应用。MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）压力传感器具有体积小、精度高及易集成等特点，因此，受到人们的广泛青睐。根据工作原理，MEMS压力传感器主要分为压阻式、压电式、电容式及谐振式等类型。其中，MEMS压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成的器件，具有结构和制备简单、成本低、综合性能佳的优点。
近年来还出现了MEMS SOI压阻式压力传感器（SOI-Silicon On Insulator），由器件层、埋氧层与体硅层构成。典型的MEMS SOI压阻式压力传感器中，压敏电阻设置在器件层，并通过埋氧层与体硅层（基底）之间实现介质隔离。较之传统MEMS压阻式传感器的压敏电阻与基底间采用的pn结隔离方式，MEMS SOI压阻式传感器的压阻与基底间采用的介质隔离方式有助于抑制传感器的漏电问题，因此非常适合应用于高温、高辐照等恶劣环境。
需指出的是，设置在器件层中的压敏电阻往往被刻蚀形成岛状以消除压阻间的漏电与串扰，接着再对呈岛状的压敏电阻进行掺杂以降低压阻阻值并与电极形成欧姆接触。上述制备工艺流程会对传感器的性能产生两点负面影响：1）为了确保压敏电阻以外的器件层被完全刻蚀，往往需要采用过刻蚀，然而，过刻蚀会对暴露的埋氧层表面造成损伤，导致埋氧层表面产生缺陷并俘获电荷；2）在对压敏电阻进行掺杂的过程中，掺杂的杂质容易穿过压敏电阻进入正下方的埋氧层，从而在正对压敏电阻的埋氧层中引入缺陷并俘获电荷。以上造成的俘获电荷在不同激励或工作条件下会发生漂移，进而引起传感器性能漂移，因此，现有的MEMS SOI压阻式压力传感器存在稳定性问题。此外，现有的MEMS SOI压阻式压力传感器的灵敏度也仍需提高，以进一步提升器件性能并降低接口电路的设计难度。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种MEMS SOI压力传感器及其制备方法，改善MEMS SOI压阻式压力传感器的稳定性能和灵敏度。
技术方案：一种MEMS SOI压力传感器，包括体硅层、埋氧层、衬底、压敏电阻、钝化层、电极层；所述体硅层位于衬底上表面，所述埋氧层位于所述体硅层上表面，所述体硅层内部设有空腔，所述空腔正上方的所述体硅层与所述埋氧层共同形成压力敏感薄膜；所述压敏电阻位于所述埋氧层上表面，所述钝化层包裹所述压敏电阻的上表面以及周侧，在所述钝化层的顶部中央设有电极连接孔；所述电极层位于所述钝化层的上表面，并通过所述电极连接孔与所述压敏电阻连接；其中，所述压敏电阻为对SOI片的器件层进行光刻和离子注入后得到，所述钝化层为对SOI片进行热退火处理形成的SiO2，退火气氛为纯O2、O2/H2O混合气、O2/NO混合气、O2/HCl混合气、O2/CHF3混合气的一种，并通过所述热退火处理恢复光刻形成所述压敏电阻时由于过刻蚀对所述埋氧层表面造成的损伤；在所述压敏电阻下方正对的埋氧层和体硅层处开孔形成沟槽。
进一步的，所述压力传感器包括设置在所述埋氧层上表面的共四个所述压敏电阻，四个所述压敏电阻分别设置在所述空腔四边的中点正上方位置；四个所述压敏电阻采用惠斯通电桥方式连接。
进一步的，所述钝化层的厚度为100-1000nm。
进一步的，在所述压敏电阻的长度和宽度方向上，所述沟槽的边缘与压敏电阻的边缘间距在3-20μm。
进一步的，所述压力敏感薄膜的厚度为2-20μm。
进一步的，所述衬底的材料为单晶硅或玻璃，厚度为200-2000μm。
一种制备所述MEMS SOI压力传感器的方法，包括如下步骤：
步骤1：准备SOI片，所述SOI片由体硅层、埋氧层和器件层构成；
步骤2：通过对SOI片的器件层进行光刻和离子注入，形成压敏电阻；
步骤3：对SOI片进行清洗，然后对SOI片进行氧气气氛下热退火处理，退火气氛为纯O2、O2/H2O混合气、O2/NO混合气、O2/HCl混合气、O2/CHF3混合气的一种，退火温度在850-950摄氏度，通过所述热退火处理恢复光刻形成所述压敏电阻时由于过刻蚀对所述埋氧层表面造成的损伤，并在所述压敏电阻表面形成一层SiO2作为钝化层；
步骤4：通过光刻在所述钝化层的顶部中央形成电极连接孔；
步骤5：通过磁控溅射和光刻在所述钝化层表面和所述电极连接孔内部形成金属作为电极层；
步骤6：对体硅层的下表面进行光刻，形成开放腔体；
步骤7：通过双面对准与光刻在所述压敏电阻的正下方形成沟槽；
步骤8：准备一片衬底，通过键合使衬底和SOI片底部贴合，形成空腔，完成所述MEMS SOI压力传感器的制备。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、与现有技术相比，本发明的传感器在刻蚀形成岛状的压敏电阻之后，通过氧气气氛下热退火处理，可有效恢复埋氧层表面的刻蚀损伤，进而提升传感器的稳定性能。与此同时，氧气气氛下退火还会在压敏电阻表面形成一层高致密的SiO2作为钝化层，避免了需引入额外的工艺制备压敏电阻的钝化层，因此，简化了传感器的制备流程。此外，当前普遍采用物理或化学气相沉积形成的SiO2或SiN作钝化层，与现有技术中采用的钝化层相比，本发明的热氧化形成的SiO2作钝化层的体缺陷更少、品质更高、与压敏电阻的界面质量更优，可有效抑制现有技术中钝化层的体与界面缺陷及其俘获电荷引起的传感器稳定性问题，这亦有助于提升传感器的稳定性能。
2、与现有技术相比，本发明的传感器的压敏电阻下方设置沟槽，这既有助于抑制现有技术中因掺杂杂质进入压敏电阻下方的埋氧层所产生的缺陷及其引起的传感器稳定性问题，因此，有助于进一步提升传感器的稳定性；又会在压敏电阻区域产生应力集中效应，因此，本发明的传感器具有更高的灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例的MEMS SOI压力传感器的俯视结构示意图；
图2为沿图1中A-A’线的剖面图；
图3为沿图1中B-B’线的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至图3所示，一种MEMS SOI压力传感器，包括体硅层1、埋氧层2、衬底9、压敏电阻3、钝化层4、电极层5。体硅层1位于衬底9上表面，埋氧层2位于体硅层1上表面。体硅层1内部设有空腔8，空腔8正上方的体硅层1与埋氧层2共同形成压力敏感薄膜。
四个压敏电阻3位于埋氧层2上表面，并分别设置在空腔8四边的中点正上方位置，该位置在形变的条件下可以产生大的应力和应变，有利于提高传感器的灵敏度。每个压敏电阻3单独设置有钝化层4和电极层5。具体的，钝化层4包裹压敏电阻3的上表面以及周侧，在钝化层4的顶部中央设有电极连接孔6。电极层5位于钝化层4的上表面，并通过电极连接孔6与压敏电阻3连接。四个压敏电阻3采用惠斯通电桥方式连接。
其中，压敏电阻3为对SOI片的器件层进行光刻和离子注入后得到，钝化层4为对SOI片进行热退火处理形成的SiO2，退火气氛为纯O2、O2/H2O混合气、O2/NO混合气、O2/HCl混合气、O2/CHF3混合气的一种，并通过热退火处理恢复光刻形成压敏电阻3时由于过刻蚀对埋氧层2表面造成的损伤。在压敏电阻3下方正对的埋氧层2和体硅层1处开孔形成沟槽10。
上述MEMS SOI压力传感器中，衬底9的材料为单晶硅或玻璃，厚度为200-2000μm。压力敏感薄膜的厚度为2-20μm。钝化层4的厚度为100-1000nm。在压敏电阻3的长度和宽度方向上，沟槽10的边缘与压敏电阻的边缘间距在3-20μm，这既有助于降低沟槽10与压敏电阻3之间的对准难度和制备难度，又确保压敏电阻3正下方的埋氧层大部分被移走，从而抑制因掺杂杂质进入压敏电阻下方的埋氧层所产生的缺陷及其引起的传感器稳定性问题，还确保了设置在沟槽10上方的压敏电阻3产生可观的应力集中效应并获得良好的机械强度。电极层5的材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cr、Cu、Pt的一种。
本发明的MEMS SOI压力传感器的工作原理如下：
压力敏感膜在外界压力的作用下产生形变并导致压力敏感膜上的四个压敏电阻3产生应变，基于压阻效应，四个压敏电阻3的阻值发生相应的变化，通过惠斯通电桥进行阻值变化量的测量，从而实现环境压力信号到电学信号的转换。
上述MEMS SOI压力传感器的制备方法包括如下步骤：
步骤1：准备N型(100)SOI片，SOI片由体硅层1、埋氧层2和器件层构成。
步骤2：通过对SOI片的器件层进行光刻和离子注入，形成压敏电阻3。
步骤3：对SOI片进行清洗，然后对SOI片进行氧气气氛下热退火处理，退火气氛为纯O2、O2/H2O混合气、O2/NO混合气、O2/HCl混合气、O2/CHF3混合气的一种，退火温度在850-950摄氏度。通过热退火处理恢复光刻形成压敏电阻3时由于过刻蚀对埋氧层2表面造成的损伤，并在压敏电阻3表面形成一层SiO2作为钝化层4，退火温度设置在850-950摄氏度既确保获得高质量的SiO2，又能够避免高温退火导致的SOI片开裂的问题。
步骤4：通过光刻在钝化层4的顶部中央形成电极连接孔6。
步骤5：通过磁控溅射和光刻在钝化层4表面和电极连接孔6内部形成金属作为电极层5。
步骤6：对体硅层1的下表面进行光刻，形成开放腔体。
步骤7：通过双面对准与光刻在压敏电阻3的正下方形成沟槽10。
步骤8：准备一片衬底9，通过键合使衬底9和SOI片底部贴合，形成空腔8，完成MEMSSOI压力传感器的制备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种MEMS SOI压力传感器，其特征在于，包括体硅层（1）、埋氧层（2）、衬底（9）、压敏电阻（3）、钝化层（4）、电极层（5）；所述体硅层（1）位于衬底（9）上表面，所述埋氧层（2）位于所述体硅层（1）上表面，所述体硅层（1）内部设有空腔（8），所述空腔（8）正上方的所述体硅层（1）与所述埋氧层（2）共同形成压力敏感薄膜；所述压敏电阻（3）位于所述埋氧层（2）上表面，所述钝化层（4）包裹所述压敏电阻（3）的上表面以及周侧，在所述钝化层（4）的顶部中央设有电极连接孔（6）；所述电极层（5）位于所述钝化层（4）的上表面，并通过所述电极连接孔（6）与所述压敏电阻（3）连接；其中，所述压敏电阻（3）为对SOI片的器件层进行光刻和离子注入后得到，所述钝化层（4）为对SOI片进行热退火处理形成的SiO2，退火气氛为纯O2、O2/H2O混合气、O2/NO混合气、O2/HCl混合气、O2/CHF3混合气的一种，并通过所述热退火处理恢复光刻形成所述压敏电阻（3）时由于过刻蚀对所述埋氧层（2）表面造成的损伤；在所述压敏电阻（3）下方正对的埋氧层（2）和体硅层（1）处开孔形成沟槽（10）。
2.根据权利要求1所述的MEMS SOI压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括设置在所述埋氧层（2）上表面的共四个所述压敏电阻（3），四个所述压敏电阻（3）分别设置在所述空腔（8）四边的中点正上方位置；四个所述压敏电阻（3）采用惠斯通电桥方式连接。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS SOI压力传感器，其特征在于，所述钝化层（4）的厚度为100-1000nm。
4.根据权利要求1或2所述的MEMS SOI压力传感器，其特征在于，在所述压敏电阻（3）的长度和宽度方向上，所述沟槽（10）的边缘与压敏电阻的边缘间距在3-20μm。
5.根据权利要求1或2所述的MEMS SOI压力传感器，其特征在于，所述压力敏感薄膜的厚度为2-20μm。
6.根据权利要求1或2所述的MEMS SOI压力传感器，其特征在于，所述衬底（9）的材料为单晶硅或玻璃，厚度为200-2000μm。
7.一种制备如权利要求1-6任一所述MEMS SOI压力传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：准备SOI片，所述SOI片由体硅层（1）、埋氧层（2）和器件层构成；
步骤2：通过对SOI片的器件层进行光刻和离子注入，形成压敏电阻（3）；
步骤3：对SOI片进行清洗，然后对SOI片进行氧气气氛下热退火处理，退火气氛为纯O2、O2/H2O混合气、O2/NO混合气、O2/HCl混合气、O2/CHF3混合气的一种，退火温度在850-950摄氏度，通过所述热退火处理恢复光刻形成所述压敏电阻（3）时由于过刻蚀对所述埋氧层（2）表面造成的损伤，并在所述压敏电阻（3）表面形成一层SiO2作为钝化层（4）；
步骤4：通过光刻在所述钝化层（4）的顶部中央形成电极连接孔（6）；
步骤5：通过磁控溅射和光刻在所述钝化层（4）表面和所述电极连接孔（6）内部形成金属作为电极层（5）；
步骤6：对体硅层（1）的下表面进行光刻，形成开放腔体；
步骤7：通过双面对准与光刻在所述压敏电阻（3）的正下方形成沟槽（10）；
步骤8：准备一片衬底（9），通过键合使衬底（9）和SOI片底部贴合，形成空腔（8），完成所述MEMS SOI压力传感器的制备。
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