CN112510144A - 一种具有应力加强筋的压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有应力加强筋的压力传感器及其制备方法，方法包括：分别提供SOI晶圆、硅晶圆和衬底；在SOI晶圆正面形成压敏单元；图形化SOI晶圆背面以获得第一通孔，第一通孔与压敏单元相连接；将硅晶圆背面与SOI晶圆正面键合；图形化衬底正面以获得第二通孔和空腔，第二通孔与第一通孔相对应；将图形化后的衬底正面与SOI晶圆背面键合，以使第二通孔与第一通孔连通；金属化第一通孔和第二通孔以获得导电通道，导电通道与压敏单元电连接；在硅晶圆正面形成应力加强筋，应力加强筋与压敏单元相对应，得到压力传感器。本发明以应力加强筋作为应力集中区，应力集中优势明显，制作简单，可靠性高，大大提高器件的线性度和灵敏度。

Description

一种具有应力加强筋的压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种具有应力加强筋的压力传感器及其制备方法。

背景技术

压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

传统的压力传感器，部分采用正面薄层介质层作为应力集中区，以提高器件的线性度和灵敏度。另外，传统的压力传感器通常是在器件表面排布铝导线，利用引线键合、引线焊接来实现其与外部信号的连接，体积大，成本高，可靠性差。同时，传统的压力传感器一般采用铝等金属制成的金属引线，在高温和一定复杂酸碱环境中，可靠性低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种具有应力加强筋的压力传感器及其制备方法。

本发明的一个方面，提供一种具有应力加强筋的压力传感器的制备方法，所述方法包括：

分别提供SOI晶圆、硅晶圆和衬底；

在所述SOI晶圆的正面形成压敏单元；

图形化所述SOI晶圆的背面，以获得第一通孔，所述第一通孔与所述压敏单元相连接；

将所述硅晶圆的背面与所述SOI晶圆的正面进行键合；

图形化所述衬底的正面，以获得第二通孔和空腔，所述第二通孔与所述第一通孔相对应；

将所述图形化后的衬底的正面与所述SOI晶圆的背面进行键合，以使所述第二通孔与所述第一通孔连通；

金属化所述第一通孔和所述第二通孔，以获得导电通道，所述导电通道与所述压敏单元电连接；

在所述硅晶圆的正面形成应力加强筋，所述应力加强筋与所述压敏单元相对应，制备得到所述压力传感器。

在一些可选地实施方式中，所述在所述硅晶圆的正面形成应力加强筋，包括：

在所述硅晶圆的正面形成微孔腔体，以获得所述应力加强筋，其中，所述微孔腔体包括多个预定深度的微孔。

在一些可选地实施方式中，所述应力加强筋的深度范围为5μm~500μm；和/或，所述微孔的深度范围为2μm~100μm；和/或，所述微孔的直径范围为2μm~20μm。

在一些可选地实施方式中，所述应力加强筋在所述空腔上的正投影落在所述空腔内。

在一些可选地实施方式中，所述应力加强筋的边缘与所述空腔边缘之间的距离范围为25μm~35μm。

在一些可选地实施方式中，所述衬底采用玻璃衬底，以使得所述导电通道为TGV导电通道、所述空腔为玻璃空腔。

在一些可选地实施方式中，所述在所述SOI晶圆的正面形成压敏单元，包括：

通过离子注入工艺在所述SOI晶圆的正面形成压敏电阻；

通过离子注入工艺在所述SOI晶圆的正面形成重掺杂导线，所述重掺杂导线与所述压敏电阻电连接。

本发明的另一个方面，提供一种具有应力加强筋的压力传感器，所述压力传感器包括：

SOI晶圆；

压敏单元，所述压敏单元设置在所述SOI晶圆的正面；

硅晶圆，所述硅晶圆的背面键合于所述SOI晶圆的正面；

衬底，所述衬底的正面设置有空腔，所述衬底的正面键合于所述SOI晶圆的背面；

导电通道，所述导电通道贯穿所述衬底并延伸至所述压敏单元，所述导电通道与所述压敏单元电连接；

应力加强筋，所述应力加强筋设置在所述硅晶圆的正面，所述应力加强筋与所述压敏单元相对应。

在一些可选地实施方式中，所述衬底为玻璃衬底，以使得所述导电通道为TGV导电通道、所述空腔为玻璃空腔。

在一些可选地实施方式中，所述压敏单元包括：

压敏电阻；

重掺杂导线，所述重掺杂导线与所述压敏电阻电连接。

相比于传统地压力传感器采用正面薄层介质层作为应力集中区，本发明提供的具有应力加强筋的压力传感器及其制备方法，通过在硅晶圆的正面形成应力加强筋，以应力加强筋作为压力传感器的应力集中区，应力集中优势明显，制作简单，可靠性高，大大提高了器件的线性度和灵敏度。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种具有应力加强筋的压力传感器的制备方法的流程图；

图2为本发明另一实施例的一种具有应力加强筋的压力传感器的结构示意图；

图3为图2中所示的一种具有应力加强筋的压力传感器的俯视图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的一个方面，如图1所示，提供一种具有应力加强筋的压力传感器的制备方法S100，方法S100包括：

S110、分别提供SOI晶圆、硅晶圆和衬底。

示例性的，一并结合图2，提供一SOI晶圆110、硅晶圆120和衬底130。SOI晶圆110从正面至背面依次包括顶层硅111、埋氧层112、底层硅113。顶层硅111和底层硅113作为硅器件层，其电阻率范围可以是1Ω.cm~100Ω.cm，掺杂类型可以是N型，晶向可以为100，厚度范围可以是200nm~2μm。或者，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他电阻率范围、掺杂类型、晶向和其他厚度范围，本实施例对此并不限制。

S120、在所述SOI晶圆的正面形成压敏单元。

示例性的，在本步骤之前，如图2所示，可以先在SOI晶圆110的顶层硅111上沉积形成氧化层（图中并未示出），该氧化层的厚度范围可以是10nm~50nm，后在顶层硅111中形成压敏单元。这样在形成压敏单元时，可以利用氧化层保护顶层硅111，避免顶层硅111出现晶格损伤。

S130、图形化所述SOI晶圆的背面，以获得第一通孔，所述第一通孔与所述压敏单元相连接。

示例性的，一并结合图2，在本步骤中，图形化SOI晶圆110的背面获得第一通孔120a可以采用以下方式：首先在SOI晶圆110的底层硅113形成第一掩膜层并图形化，之后，以所述图形化的第一掩膜层为掩膜，刻蚀SOI晶圆110的背面至埋氧层112，形成第一通孔120a。第一掩膜层的材料可以是光刻胶，也可以根据实际需要选择其他材料，本实施例对此并不限制。

S140、将所述硅晶圆的背面与所述SOI晶圆的正面进行键合。

示例性的，一并结合图2，可以利用硅硅键合技术将硅晶圆120的背面与SOI晶圆110的正面进行键合，使硅晶圆120与SOI晶圆110成为一个整体，硅晶圆120的正面即为该整体的正面，SOI晶圆110的背面即为该整体的背面。

优选地，在步骤S140之前，如图2所示，可以先将硅晶圆120进行双面热氧化，从而在硅晶圆120正面和背面分别形成了第一氧化层121和第二氧化层122。第一氧化层121和第二氧化层122的厚度范围可以是200nm~2000nm，硅晶圆120的厚度范围可以是200μm ~500μm，本领域技术人员也可以根据实际需要进行设置，本实施例对此并不限制。不难理解，在硅晶圆120的背面设置有第二氧化层122时，则将硅晶圆120的第二氧化层122与SOI晶圆110的正面进行键合。

此外，在将硅晶圆120的背面与SOI晶圆110的正面进行键合之后，如果硅晶圆120的厚度尺寸过大，则为了降低后续工艺难度，可以对硅晶圆120的正面进行减薄处理，考虑到在减薄处理后，硅晶圆120的正面可能并不平整，此时，可以利用化学机械抛光等工艺对硅晶圆120的正面进行平坦化处理，处理后硅晶圆120的厚度可以所需的应力加强筋的目标厚度为准。

S150、图形化所述衬底的正面，以获得第二通孔和空腔，所述第二通孔与所述第一通孔相对应。

示例性的，一并结合图2，在本步骤中，图形化衬底130的正面获得第二通孔130a和空腔131可以采用以下方式：首先在衬底130的正面形成第二掩膜层并图形化，之后，以所述图形化后的第二掩膜层为掩膜，刻蚀衬底130的正面，形成空腔131和第二通孔130a，该第二通孔130a与第一通孔120a相对应。第二掩膜层的材料可以是光刻胶，也可以根据实际需要选择其他材料，本实施例对此并不限制。

S160、将所述图形化后的衬底的正面与所述SOI晶圆的背面进行键合，以使所述第二通孔与所述第一通孔连通。

示例性的，一并结合图2，在本步骤中，可以利用阳极键合技术将图形化后的衬底130的正面与SOI晶圆110的背面进行键合，以使第二通孔130a与第一通孔120a连通。或者，本领域技术人员也可以利用其他方法将图形化后的衬底130的正面与SOI晶圆110的背面进行键合，以使第二通孔130a与第一通孔120a连通，本实施例对此并不限制。

S170、金属化所述第一通孔和所述第二通孔，以获得导电通道，所述导电通道与所述压敏单元电连接。

示例性的，在本步骤中，可以利用通孔填充技术，对第一通孔120a和第二通孔130a进行金属填充，填充的金属优选铜锡合金，填充完成后进行高温回流，同时完成合金化，以获得导电通道150，导电通道150与压敏单元140电连接。

传统的压力传感器通常采用在器件表面排布铝导线，利用引线焊接的方式来实现与外部信号的连接，体积大，成本高，可靠性差，而本实施例由于采用了垂直方向的内部导电通道，使得器件的尺寸大大减小，同时抗干扰能力强，可靠性高。

优选的，在获得导电通道150后，还可以在导电通道150的底部形成焊球160，使得焊球160与导电通道150电连接。形成焊球160的工艺可以是植球、印刷、电镀、化学镀等工艺，也可以是其他工艺，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，本实施例对此并不限制。本实施例通过在导电通道底部设置焊球，可以将器件直接贴片压焊在印制电路板等基板上，大大简化下封装工艺，降低了封装成本，提高了器件的可靠性。

S180、在所述硅晶圆的正面形成应力加强筋，所述应力加强筋与所述压敏单元相对应，制备得到所述压力传感器。

示例性的，如图2和图3所示，在所述硅晶圆120的正面与压敏单元相对应的位置，对所述硅晶圆120的正面进行刻蚀，形成应力加强筋180。

相比于传统地压力传感器采用正面薄层介质层作为应力集中区，本实施例的压力传感器制备方法，通过在硅晶圆的正面形成应力加强筋，以应力加强筋作为压力传感器的应力集中区，应力集中优势明显，制作简单，可靠性高，大大提高了器件的线性度和灵敏度。

优选的，在步骤S180之后，还包括：

在所述应力加强筋的四周形成凹槽，以露出部分所述压敏电阻。

示例性的，如图3所示，对应力加强筋180的四周进行刻蚀，将部分压敏电阻141露出，得到凹槽190，从而可以在后续的充油封装中，使液体能够直接接触到压敏电阻表面，受力均匀。

优选的，所述在所述硅晶圆的正面形成应力加强筋，包括：

在所述硅晶圆的正面形成微孔腔体，以获得所述应力加强筋，其中，所述微孔腔体包括多个预定深度的微孔。

示例性的，如图2和图3所示，可以利用深硅刻蚀技术，在硅晶圆120的正面刻蚀出多个预定深度的微孔170，从而形成微孔腔体，该微孔腔体即为应力加强筋180。

本实施例在应力加强筋上开有微孔，可以使外接压力均匀分布在敏感薄膜上。

优选的，应力加强筋180的深度范围为5μm~500μm。本实施例的应力加强筋具有高深宽比，可以根据不同的量程选择不同的腔深，应力集中优势明显，制作简单，可靠性高，大大提高了器件的线性度和灵敏度。

优选的，微孔170的深度范围为2μm~100μm。

优选的，微孔170的直径范围为2μm~20μm。

优选的，应力加强筋180在空腔131上的正投影落在空腔131内。本实施例通过将应力加强筋在空腔上的正投影落在空腔内，可以提高压敏系数，从而提高器件的灵敏度。

优选的，所述应力加强筋的边缘与所述空腔边缘之间的距离范围为25μm~35μm。也就是说，应力加强筋180在空腔131上的正投影的边缘与空腔131边缘之间的距离范围为25μm ~35μm。本实施例的应力加强筋的边缘与空腔边缘之间留有一定的距离，该距离的范围在30μm左右，可以使压阻系数达到最大。

优选的，所述衬底采用玻璃衬底，以使得所述导电通道为TGV导电通道、所述空腔为玻璃空腔。

示例性的，如图2所示，衬底130采用玻璃衬底，导电通道150即为TGV导电通道，空腔131即为玻璃空腔。相比于传统的利用引线焊接来实现与外部信号连接的方式，本实施例的TGV导电通道采用了垂直方向的内部导电通道，使得器件的尺寸大大减小，同时抗干扰能力强，可靠性高。另外，和传统的硅空腔相比，本实施例的玻璃空腔可以大大降低工艺难度，降低成本，可靠性高。优选的，衬底130采用硼硅玻璃衬底，比如，可以采用BF33玻璃，当然，本领域技术人员也可以根据实际需要选择其他硼硅玻璃衬底，本实施例对此并不限制。

优选的，所述在所述SOI晶圆的正面形成压敏单元，包括：

通过离子注入工艺在所述SOI晶圆的正面形成压敏电阻。

示例性的，如图2所示，可以首先对SOI晶圆110的顶层硅111光刻形成P型压敏电阻注入区，之后带胶进行离子注入，离子浓度范围优选3*10¹⁸~5*10¹⁸/cm³，注入完成后去胶清洗，形成压敏电阻141。

通过离子注入工艺在所述SOI晶圆的正面形成重掺杂导线，所述重掺杂导线与所述压敏电阻电连接。

示例性的，如图2所示，可以首先对SOI晶圆110的顶层硅111光刻形成N型重掺杂导线区，之后带胶进行离子注入，离子浓度范围优选1*10¹⁹~5*10²⁰/cm³，注入完成后去胶清洗，形成重掺杂导线142，使得重掺杂导线142与压敏电阻141电连接，重掺杂导线142与压敏电阻141共同组成压敏单元140。

相比于传统地压力传感器采用铝等金属引线，本实施例采用离子注入的方法，在本征器件层上对导线区域进行重掺杂注入，制作简单，可靠性高，大大提高了器件的一致性，降低了成本，提高封装效率。

优选的，在形成重掺杂导线142之后，还可以进行炉管高温推进，推进温度优选1050℃，推进时间可以根据器件层的厚度进行设置，本实施例对此并不限制。

本发明的另一个方面，如图2所示，提供一种具有应力加强筋的压力传感器100，该压力传感器100可以采用前文记载的制备方法制作形成，具体可以参考前文相关记载，在此不作赘述。该压力传感器100包括SOI晶圆110、硅晶圆120、衬底130、压敏单元140、导电通道150以及应力加强筋180。

示例性的，如图2所示，SOI晶圆110从正面至背面依次包括顶层硅111、埋氧层112、底层硅113。其中，顶层硅111和底层硅113作为硅器件层，其电阻率范围可以是1Ω.cm~100Ω.cm，掺杂类型可以是N型，晶向可以为100，厚度范围可以是200nm~2μm。或者，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他电阻率范围、掺杂类型、晶向和其他厚度范围，本实施例对此并不限制。

示例性的，如图2所示，压敏单元140设置在SOI晶圆110的正面。比如，压敏单元140可以设置在顶层硅111中。硅晶圆120包括沿其厚度方向相对设置的正面和背面，硅晶圆120的背面键合于SOI晶圆110的正面。衬底130的正面设置有空腔131，衬底130的正面键合于SOI晶圆110的背面。

示例性的，如图2所示，导电通道150 贯穿衬底130并延伸至压敏单元140，导电通道150与压敏单元140电连接。导电通道150中填充的金属优选铜锡合金。

传统的压力传感器通常采用在器件表面排布铝导线，利用引线焊接的方式来实现与外部信号的连接，体积大，成本高，可靠性差，而本实施例由于采用了垂直方向的内部导电通道，使得器件的尺寸大大减小，同时抗干扰能力强，可靠性高。

优选的，压力传感器100还包括设置在导电通道150底部的焊球160，焊球160与导电通道150电连接。通过在导电通道底部设置焊球，可以将器件直接贴片压焊在印制电路板等基板上，大大简化下封装工艺，降低了封装成本，提高了器件的可靠性。

示例性的，如图2所示，应力加强筋180设置在硅晶圆120的正面，应力加强筋180与压敏单元140相对应。

相比于传统地压力传感器采用正面薄层介质层作为应力集中区，本实施例的压力传感器，通过在硅晶圆的正面形成应力加强筋，以应力加强筋作为压力传感器的应力集中区，应力集中优势明显，制作简单，可靠性高，大大提高了器件的线性度和灵敏度。

优选的，压力传感器100还包括设置在应力加强筋180四周的凹槽190，凹槽190将部分压敏电阻141露出，从而可以在后续的充油封装中，使液体能够直接接触到压敏电阻表面，受力均匀。

优选的，如图2和图3所示，应力加强筋180包括多个预定深度的微孔170。本实施例的应力加强筋上设置有多个预定深度的微孔，可以使外接压力均匀分布在敏感薄膜上。

优选的，应力加强筋180的深度范围为5μm~500μm。本实施例的应力加强筋具有高深宽比，可以根据不同的量程选择不同的腔深，应力集中优势明显，制作简单，可靠性高，大大提高了器件的线性度和灵敏度。

优选的，微孔170的深度范围为2μm~100μm。

优选的，微孔170的直径范围为2μm~20μm。

优选的，应力加强筋180在空腔131上的正投影落在空腔131内。本实施例通过将应力加强筋在空腔上的正投影落在空腔内，可以提高压敏系数，从而提高器件的灵敏度。

优选的，所述应力加强筋的边缘与所述空腔边缘之间的距离范围为25μm~35μm。也就是说，应力加强筋180在空腔131上的正投影的边缘与空腔131边缘之间的距离范围为25μm ~35μm。本实施例的应力加强筋的边缘与空腔边缘之间留有一定的距离，该距离的范围在30μm左右，可以使压阻系数达到最大。

优选的，衬底130为玻璃衬底，以使得导电通道150为TGV导电通道、空腔131为玻璃空腔。相比于传统的利用引线焊接来实现与外部信号连接的方式，本实施例的TGV导电通道采用了垂直方向的内部导电通道，使得器件的尺寸大大减小，同时抗干扰能力强，可靠性高。另外，和传统的硅空腔相比，本实施例的玻璃空腔可以大大降低工艺难度，降低成本，可靠性高。优选的，衬底130采用硼硅玻璃衬底，比如，可以采用BF33玻璃，当然，本领域技术人员也可以根据实际需要选择其他硼硅玻璃衬底，本实施例对此并不限制。

优选的，压敏单元140包括压敏电阻141和重掺杂导线142，重掺杂导线142与压敏电阻141电连接。如图2所示，压敏电阻141和重掺杂导线可以均设置在顶层硅111中，压敏电阻141优选为P型，重掺杂导线142优选为N型。

相比于传统地压力传感器采用铝等金属引线，本实施例的重掺杂导线采用离子注入的方法形成，在本征器件层上对导线区域进行重掺杂注入，制作简单，可靠性高，大大提高了器件的一致性，降低了成本，提高封装效率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有应力加强筋的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

分别提供SOI晶圆、硅晶圆和衬底；

在所述SOI晶圆的正面形成压敏单元；

图形化所述SOI晶圆的背面，以获得第一通孔，所述第一通孔与所述压敏单元相连接；

将所述硅晶圆的背面与所述SOI晶圆的正面进行键合；

图形化所述衬底的正面，以获得第二通孔和空腔，所述第二通孔与所述第一通孔相对应；

将所述图形化后的衬底的正面与所述SOI晶圆的背面进行键合，以使所述第二通孔与所述第一通孔连通；

金属化所述第一通孔和所述第二通孔，以获得导电通道，所述导电通道与所述压敏单元电连接；

在所述硅晶圆的正面形成应力加强筋，所述应力加强筋与所述压敏单元相对应，制备得到所述压力传感器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述硅晶圆的正面形成应力加强筋，包括：

在所述硅晶圆的正面形成微孔腔体，以获得所述应力加强筋，其中，所述微孔腔体包括多个预定深度的微孔。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述应力加强筋的深度范围为5μm~500μm；和/或，所述微孔的深度范围为2μm~100μm；和/或，所述微孔的直径范围为2μm~20μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应力加强筋在所述空腔上的正投影落在所述空腔内。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述应力加强筋的边缘与所述空腔边缘之间的距离范围为25μm~35μm。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底采用玻璃衬底，以使得所述导电通道为TGV导电通道、所述空腔为玻璃空腔。

7.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述在所述SOI晶圆的正面形成压敏单元，包括：

通过离子注入工艺在所述SOI晶圆的正面形成压敏电阻；

通过离子注入工艺在所述SOI晶圆的正面形成重掺杂导线，所述重掺杂导线与所述压敏电阻电连接。

8.一种具有应力加强筋的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括：

SOI晶圆；

压敏单元，所述压敏单元设置在所述SOI晶圆的正面；

硅晶圆，所述硅晶圆的背面键合于所述SOI晶圆的正面；

衬底，所述衬底的正面设置有空腔，所述衬底的正面键合于所述SOI晶圆的背面；

导电通道，所述导电通道贯穿所述衬底并延伸至所述压敏单元，所述导电通道与所述压敏单元电连接；

应力加强筋，所述应力加强筋设置在所述硅晶圆的正面，所述应力加强筋与所述压敏单元相对应。

9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底，以使得所述导电通道为TGV导电通道、所述空腔为玻璃空腔。

10.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，所述压敏单元包括：

压敏电阻；

重掺杂导线，所述重掺杂导线与所述压敏电阻电连接。

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