CN113340486A - 一种mems压阻式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压阻式压力传感器及其制备方法，其中，压力传感器包括具有栅齿结构和梁膜结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线和玻璃底座，硅应变膜为硅衬底的正面经过刻蚀和背面经过背腔腐蚀工艺后形成的具有正面梁膜、背腔结构的硅膜，栅齿结构位于硅应变膜的正面，压敏电阻位于栅齿结构的端部，金属引线和重掺杂接触区在硅应变膜的正面形成欧姆接触，玻璃底座为与硅应变膜背面进行键合的打孔玻璃。本发明通过采用在硅衬底的正面设置具有栅齿结构和梁膜结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线以及玻璃底座所形成的压阻式压力传感器，使得栅齿梁膜结构在保证压力传感器灵敏度的同时又能提高传感器线性度。

Description

一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子机械系统传感器技术领域，具体涉及一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法。
背景技术
MEMS压阻式压力传感器是基于单晶硅压阻效应将外界压力变化转变为相应的电信号，通过四个等值电阻组成惠斯通电桥实现对外界压力的测量。MEMS压阻式压力传感器主要应用于工业控制、汽车电子、消费电子、医疗电子和航空航天等相关领域。MEMS压阻式压力传感器采用MEMS技术进行设计和工艺开发，其内部由采用硅晶圆得到的硅膜片作为力敏元件、通过掺杂、刻蚀等MEMS工艺制作的四对等值电阻和低阻值的互连线、蒸发沉积的金属引线等多种材料集成的多功能层所组成。
此外，MEMS压阻式压力传感器结构主要以平膜式(如图1所示)和梁膜式(如图2所示)为主，为了追求高灵敏度的性能要求，平膜结构压力传感器芯片的应变膜片设计的越来越薄，而较薄的应变膜片会导致较大的膜挠度，使得膜片最大位移值超过一般设计标准(梁膜厚度五分之一原则)，从而导致传感器线性度降低；而梁膜结构压力传感器虽然具有优异的线性度，但流片制造过程中涉及到深硅刻蚀，目前大尺寸深硅刻蚀径向深度误差较大(±10％)，使得正面梁膜刻蚀后平膜层厚度均一性得不到保障，增大了传感器应变膜片破片的风险；对于压阻式压力传感器来说，应变膜片的厚度最为关键，厚度不均导致同一批传感器性能差异较大，增大了后续调试补偿的难度，增大了制造成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种MEMS压阻式压力传感器，解决了现有技术中的MEMS压阻式压力传感器的线性度差、容易破片且梁膜厚度不均所导致的性能差异大、后期调试补偿难度大的问题。
本发明的目的还在于提供一种上述MEMS压阻式压力传感器的制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种MEMS压阻式压力传感器，包括具有栅齿结构和梁膜结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线和玻璃底座，所述硅应变膜为硅衬底的正面经过刻蚀和背面经过背腔腐蚀工艺后形成的具有正面梁膜、背腔结构的硅膜，所述栅齿结构位于硅应变膜的正面非梁膜区域内，所述压敏电阻位于栅齿结构的端部，所述金属引线和重掺杂接触区在硅应变膜的正面形成欧姆接触，所述玻璃底座为与硅应变膜背面进行键合的打孔玻璃。
优选地，所述硅衬底为N型100晶面的SOI硅片或N型硅晶圆。
优选地，所述梁膜结构为十字形，且位于硅应变膜的中心区域。
优选地，所述梁膜结构包括十字梁，且所述梁膜结构由所述十字梁与圆形凸台或正方形凸台组成。
优选地，所述栅齿结构由横向和/或纵向等间距设置的岛状梁块构成。
优选地，所述栅齿结构为直条形状或线性渐变形状。
本发明的第二个技术方案是这样实现的：一种上述MEMS压阻式压力传感器的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
S1、在硅衬底正面制作相互连接的压敏电阻和重掺杂接触区；
S2、在所述硅衬底正面制作引线孔和金属引线；
S3、在所述硅衬底的正面通过光刻刻蚀制作梁膜结构；；
S4、在所述硅衬底的正面非十字梁区域光刻刻蚀制作栅齿结构；
S5、在所述硅衬底的背面进行背腔刻蚀，直至合适的厚度停止，制成具有栅齿结构的硅应变膜；
S6、将所述S5得到的具有栅齿结构的硅应变膜与带孔或不带开孔的玻璃键合，划片，获得栅齿结构的MEMS压阻式压力传感器。
优选地，所述S1中是通过离子注入的方式制作压敏电阻和重掺杂接触区。
优选地，所述S3中，所述金属引线选为Al、Cr/Au、Ti/Au材料中的至少一种。
与现有技术相比，本发明通过采用在硅衬底的正面设置具有栅齿结构和梁膜结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线以及玻璃底座所形成的压阻式压力传感器，使得栅齿梁膜结构在保证压力传感器灵敏度的同时又能提高传感器线性度；此外，本发明压阻式压力传感器的实用性好，后续调试补偿难度低，性价比高，值得大力推广使用。
另外，通过采用本发明先通过在硅衬底的正面制作相互连接的压敏电阻、重掺杂接触区、引线孔和金属引线，光刻刻蚀制作制作十字梁和栅齿结构，再通过在硅衬底的背面进行背腔刻蚀，这样，不仅有效的减少了大尺寸深硅刻蚀径向深度误差较大带来的应变膜片破片风险。
附图说明
图1为平膜结构压阻式压力传感器示意图；
图2为十字梁膜结构压阻式压力传感器示意图；
图3为栅齿梁膜结构压阻式压力传感器示意图；
图4为栅齿梁膜结构压阻式压力传感器剖视图；
图5为栅齿梁膜结构压阻式压力传感器主视图；
图6为栅齿梁膜结构压阻式压力传感器制作工艺流程示意图，其中：
图6a为备片、标记对准工艺示意图；
图6b为压敏电阻制作示意图；
图6c为重掺接触区制作示意图；
图6d为电极孔制作示意图；
图6e为金属引线制作示意图；
图6f为浅层梁膜结构制作示意图；
图6g为栅齿结构制作示意图；
图6h为背腔刻蚀制作图；
图6i为硅玻键合示意图示意图；
图7为不同形式的梁膜结构示意图，其中：
图7a为第一种形式的梁膜结构示意图；
图7b为第二种形式的梁膜结构示意图；
图7c为第三种形式的梁膜结构示意图；
图8为不同形式的栅齿形状示意图，其中：
图8a为第一种形式的栅齿形状示意图；
图8b为第二种形式的栅齿形状示意图。
图中：1—SOI硅片；1.1—二氧化硅；2—压敏电阻；3—重掺接触区；4—电极孔；5—金属引线；6—十字梁结构；7—栅齿结构；8—背腔；9—打孔玻璃。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器，包括具有栅齿结构和梁膜结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线和玻璃底座，所述硅应变膜为硅衬底的正面经过刻蚀和背面经过背腔腐蚀工艺后形成的具有正面梁膜、背腔结构的硅膜，所述栅齿结构位于硅应变膜的正面非梁膜区域内，所述压敏电阻位于栅齿结构的端部，所述金属引线和重掺杂接触区在硅应变膜的正面形成欧姆接触，所述玻璃底座为与硅应变膜背面进行键合的打孔玻璃。
采用上述方案后，通过采用在硅衬底的正面设置具有栅齿结构和梁膜结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线以及玻璃底座所形成的压阻式压力传感器，使得栅齿梁膜结构在保证压力传感器灵敏度的同时又能提高传感器线性度；此外，本发明压阻式压力传感器的实用性好，后续调试补偿难度低，性价比高，值得大力推广使用。
进一步地，所述硅衬底为N型100晶面的SOI硅片或N型硅晶圆。
进一步地，所述梁膜结构为十字形，且位于硅应变膜的中心区域。
进一步地，所述梁膜结构包括十字梁，且所述梁膜结构由所述十字梁与圆形凸台或正方形凸台组成。
进一步地，所述栅齿结构由横向和/或纵向等间距设置的多个岛状梁块构成。
在具体的实施过程中，多个岛状梁块的数量和间距是可以调整的，通过岛状梁块的数目及间距，不仅有效的减少了平膜厚度不均带来的风险、降低后续调试补偿的难度，而且还减少制造成本；
在具体的实施过程中，由多个岛状梁块构成的栅齿结构的厚度是可以调整的，通过调整栅齿结构的厚度，这样，不仅可以实现调节传感器的性能，同时适用于不同的量程。
进一步地，所述栅齿结构为直条形状或线性渐变形状。
本发明实施例还提供了实施例1中所述的栅齿结构的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
S1、在硅衬底正面制作相互连接的压敏电阻和重掺杂接触区；
S2、在所述硅衬底正面制作引线孔和金属引线；
S3、在所述硅衬底的正面通过光刻刻蚀制作梁膜结构；
S4、在所述硅衬底的正面非十字梁区域光刻刻蚀制作栅齿结构；
S5、在所述硅衬底的背面进行背腔刻蚀，直至合适的厚度停止，制成具有栅齿结构的硅应变膜；
S6、将所述S5得到的具有栅齿结构的硅应变膜与带孔或不带开孔的玻璃键合，划片，获得栅齿结构的MEMS压阻式压力传感器。
通过采用上述先通过在硅衬底的正面制作相互连接的压敏电阻、重掺杂接触区、引线孔和金属引线，光刻刻蚀制作制作十字梁和栅齿结构，再通过在硅衬底的背面进行背腔刻蚀，这样，不仅有效的减少了大尺寸深硅刻蚀径向深度误差较大带来的应变膜片破片风险。
进一步地，所述S1中是通过离子注入的方式制作压敏电阻和重掺杂接触区。
进一步地，所述S3中，所述金属引线选为Al、Cr/Au、Ti/Au材料中的至少一种。
下面为一具体实施例，该实施例是以图3中所述的MEMS压阻式压力传感器为例进行详细陈述本发明制备MEMS压阻式压力传感器的工艺流程：
a)备片，标记层刻蚀：N型<100>晶面SOI(Silicon-On-Insulator)硅片1作为硅衬底，且所述SOI硅片1零层对准刻蚀标记，硅片表面热氧化生长
Figure BDA0003141976680000081
二氧化硅1.1，如图6a所示；
b)光刻压敏电阻2：在SOI硅片器件层区域光刻压敏电阻图案，离子注入B+，退火得到压敏电阻，如图6b所示；
c)光刻重掺接触区3：在SOI硅片器件层区域光刻重掺接触区图案，离子注入B+，退火得到重掺杂接触区，如图6c所示；
d)开电极孔4：采用LPCVD工艺获得SiO2层或SiN层，光刻刻蚀得到电极孔，如图6d所示；
e)制作金属引线5，欧姆连接：采用蒸发或溅射等工艺淀积金属层，刻蚀得到金属引线，退火合金化，形成欧姆接触，如图6e所示；
f)十字梁膜结构6制作：正面光刻定义十字梁形状，采用浅层刻蚀的方式获得十字梁结构，厚度为d1，此厚度决定栅齿结构的厚度，如图6f所示，
g)栅齿结构7制作：在十字梁膜浅层刻蚀的基础上，进一步光刻刻蚀获得栅齿结构，厚度为d2，获得完整的栅齿结构梁膜硅应变膜片，梁膜厚度为d1+d2，栅齿厚度，为d1，如图6g所示；
h)背腔8刻蚀：正反套刻深硅刻蚀背腔，直到遇到埋氧层为止，如图6h所示；
i)打孔玻璃9键合、划片：将硅应变膜与打孔玻璃阳极键合，划片得到压力传感器，如图6i所示。
此外，在具体的实施过程中，所述梁膜结构和形状不局限于传统十字梁结构，还可以变化成其他结构，如图7a-7c所示；所述栅齿结构形状不局限于单纯横栅齿、纵栅齿、渐变式栅齿、横纵栅齿，如图8a和8b所示；所述栅齿和梁膜的分布式加工方法不局限于单一工序；所述栅齿梁膜结构不局限于普通晶圆/SOI晶圆所制作的差压/绝压传感器；所述栅齿梁膜结构还可适用于倒装结构。
本发明的突出特点在于首次提出具有栅齿结构和梁膜结构的压阻式压力传感器，并且压敏电阻位于栅齿结构的端部，使得在保证压力传感器的线性度的同时又提高了压力传感器的高灵敏度。
下表1是通过本方法制备方法获得的MEMS压阻式压力传感器与传统压阻式压力传感器的实际测试的性能对比。
表1本发明获得的MEMS压阻式压力传感器与传统压阻式压力传感器的实际性能数据对比
Figure BDA0003141976680000091
从表1中的数据可知，本发明获得的MEMS压阻式压力传感器具有较高的灵敏度和线性度。
综上所述，本发明通过采用在硅衬底的正面设置具有栅齿结构和梁膜结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线以及玻璃底座所形成的压阻式压力传感器，使得栅齿梁膜结构在保证压力传感器灵敏度的同时又能提高传感器线性度；此外，本发明压阻式压力传感器的实用性好，后续调试补偿难度低，性价比高，值得大力推广使用。
另外，通过采用本发明先通过在硅衬底的正面制作相互连接的压敏电阻、重掺杂接触区、引线孔和金属引线，光刻刻蚀制作制作十字梁和栅齿结构，再通过在硅衬底的背面进行背腔刻蚀，这样，不仅有效的减少了大尺寸深硅刻蚀径向深度误差较大带来的应变膜片破片风险；同时在制造工艺上能够弥补梁膜式的不足。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，包括具有栅齿结构和梁膜结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线和玻璃底座，所述硅应变膜为硅衬底的正面经过刻蚀和背面经过背腔腐蚀工艺后形成的具有正面梁膜、背腔结构的硅膜，所述栅齿结构位于硅应变膜的正面非梁膜区域内，所述压敏电阻位于栅齿结构的端部，所述金属引线和重掺杂接触区在硅应变膜的正面形成欧姆接触，所述玻璃底座为与硅应变膜背面进行键合的打孔玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述硅衬底为N型100晶面的SOI硅片或N型硅晶圆。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述梁膜结构为十字形，且位于硅应变膜的中心区域。
4.根据权利要求3所述的一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述梁膜结构包括十字梁，且所述梁膜结构由所述十字梁与圆形凸台或正方形凸台组成。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述栅齿结构由横向和/或纵向等间距设置的岛状梁块构成。
6.根据权利要求5所述的一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述栅齿结构为直条形状或线性渐变形状。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1、在硅衬底正面制作相互连接的压敏电阻和重掺杂接触区；
S2、在所述硅衬底正面制作引线孔和金属引线；
S3、在所述硅衬底的正面通过光刻刻蚀制作梁膜结构；
S4、在所述硅衬底的正面非十字梁区域光刻刻蚀制作栅齿结构；
S5、在所述硅衬底的背面进行背腔刻蚀，直至合适的厚度停止，制成具有栅齿结构的硅应变膜；
S6、将所述S5得到的具有栅齿结构的硅应变膜与带孔或不带开孔的玻璃键合，划片，获得栅齿结构的MEMS压阻式压力传感器。
8.根据权利要求要求7所述的一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述S1中是通过离子注入的方式制作压敏电阻和重掺杂接触区。
9.根据权利要求要求7所述的一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述S3中，所述金属引线选为Al、Cr/Au、Ti/Au材料中的至少一种。
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