CN114136528B - 一种soi压力敏感芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SOI压力敏感芯片，SOI衬底硅正面设有倒梯形的微腔构成的感压膜片，其特征在于：衬底硅背面制有顶层硅围堰（1），感压膜片区域（4）制有敏感桥阻R1—R4；感压膜片区域对角制有一字型顶层硅互连线（2），其端部的Z字型互联线（5）两端对应的敏感桥阻连接，顶层硅互连线外端部制有焊盘（3）；感压膜片区域制有X字型顶层硅互连线（6），其两个内端与敏感桥阻另一端连接。本发明采用中心对称构造,利用芯片正/反向压力感传对称的特征,使得SOI压力敏感芯片线性压阻灵敏度双向对称一致。本发明兼容静态压力和动态压力测量，可覆盖高性能的低中高压力传感器量程规格和适应560℃以下的高宽温度压力测量环境。
Description
技术领域
本发明属于硅基微结构压力传感器领域，具体涉及一种SOI压力敏感芯片。
背景技术
微结构硅压阻式压力传感器自问世以来，已经成为最流行的压力传感器。但现有的硅压阻敏感芯片设计，通常忽略硅芯片弹性膜片平坦正面与背面固支边界或硬芯边界的结构差异，由此忽略被测压力施加方向不同引起芯片弹性膜片相应区域的应力幅值和应变幅度明显差异，导致芯片正面测压与背面测压的线性和灵敏度的非对称一致且不可补偿，造成负压（表压）线性和灵敏度出现极点、差压传感器静压误差大。
以敏感电桥面作为压力测量腔硅压阻压力敏感芯片，除上述结构局限性外，因芯片与被测介质和环境隔离封装采用液体或胶质材料附加的劣化作用和影响，会增大传感器热漂移、热迟滞、阻尼和体积，制约传感器动态频响、较高或较低的温度和冲击环境适应性、体积微小型化。
发明内容
发明的目的就是为了解决现有的SOI压力敏感差压传感器静压误差大的缺陷，提供的一种线性压阻灵敏度双向对称一致的SOI压力敏感芯片。
本发明采用了如下技术方案：
一种SOI压力敏感芯片，包括SOI芯片晶圆衬底硅，衬底硅正面设有倒梯形的微腔，倒梯形的微腔底部区域构成的感压膜片，其特征在于：
1) 衬底硅背面制有将衬底硅包围的顶层硅围堰，所述感压膜片处于顶层硅围堰中心区域，顶层硅围堰上面制有二氧化硅层；
2）衬底硅背面感压膜片区域制有四个横向平行的条形敏感桥阻R1—R4，敏感桥阻均呈现为以感压膜片区域中心对称设置，每个敏感桥阻上面制有二氧化硅层；
3）衬底硅背面位于感压膜片区域中，沿着感压膜片区域4两个斜对称角分别制有一个一字型顶层硅互连线，一字型顶层硅互连线与敏感桥阻间的夹角为45度，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区内的端部制有Z字型互联线，Z字型互联线的两端分别与相邻的对应的敏感桥阻的一端连接，一字型顶层硅互连线及其Z字型互联线上面制有二氧化硅层，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区外的端部制有焊盘，焊盘穿过二氧化硅层与一字型顶层硅互连线相连；
4）在两个一字型顶层硅互连线两侧对称的感压膜片区域内，分别制有一个对称的X字型顶层硅互连线，X字型顶层硅互连线的两个内端分别与两个间隔的对应的敏感桥阻另一端连接，X字型顶层硅互连线的两个外端分别通过过度引线在感压膜片区域外汇聚成连接端，X字型顶层硅互连线及其过度引线上面制有二氧化硅层，连接端制有焊盘，焊盘穿过二氧化硅层与过度引线连接端相连。
所述顶层硅围堰、顶层硅互连线以及敏感桥阻采用高浓度掺杂硅制成。
在上述技术方案的基础上，可以有以下进一步的技术方案：
所述Z字型互联线的中部通过L型过渡线与一字型顶层硅互连线内端部连接，L型过渡线上面制有二氧化硅层；
所述顶层硅围堰1和所有焊盘外环表面二氧化硅层上连接背封玻璃，背封玻璃与感压膜片区域对应部分设有微凹腔，微凹腔构成芯片压力参考腔，背封玻璃与每个焊盘对应处设有通孔。
为了消除和改善上述硅压阻压力敏感芯片特性的先天缺陷，本发明通过更贴近硅压阻压力敏感芯片真实结构的数学模型分析，采用中心对称的元件构造,利用芯片正/反向压力感传对称的特征,开发线性压阻灵敏度双向对称一致的SOI压力敏感芯片晶圆。即无论是被测压力施加在芯片压力测量腔端面还是压力测量参考腔的端面,芯片压阻效应的高线性和灵敏度具有双向对称一致的特征。本发明芯片具有最宽泛适用性，根据不同的芯片封装结构，兼容静态压力和动态压力测量，可以覆盖高性能的表压（包括负压）、绝压、差压三类型的低、中、高压力传感器量程规格和适应560℃以下的高宽温度压力测量环境。
本发明有益效果为：
1.避开芯片感压膜片衬底硅根切边界和顶层硅厚度，对感压膜片应力应变关系的附加影响，结合无折弯的桥阻结构，使得无论被测压力作用在芯片正反任何一面，芯片背面感压与正面感压线性和灵敏度的对称一致性优于0.1%FS，负压、差压传感器线性灵敏度、静压误差获得明显改善，同一规格的芯片可覆盖表压（包括负压）、绝压、差压三种压力传感器的敏感芯片使用需求；
2.芯片电桥端面与背封玻璃封接的微腔作为被测压力参考腔,感压膜片衬底硅端面作为被测测量腔，可以直接接触与硅和玻璃兼容的气、液被测压力介质，使传感器封装无须用充液隔离结构。保持微结构芯片固有频率高优势，更易于微型化和轻量化；
3.背封玻璃凹腔微深度的适度控制，可以成倍提高芯片额定过载和破碎压力能力上限；
4.“中国结”和“之字”形排布的桥阻互连线，其相对的引线电阻的对称性，可以相互抵消其对敏感电桥零点输出附加影响；
5.芯片焊盘直接与管座电极插针键合的背封倒装芯片，不仅兼容动态、静态压力测量通用，可扩展传感器高宽温度、振动冲击等苛刻环境的适应范围。
附图说明
图1为本发明的一种SOI压力敏感芯片剖视图；
图 2为图1的俯视图；
图 3为图1所示的一种SOI压力敏感芯片背面加上背封玻璃的结构示意图；
图 4为本发明的一种SOI压力敏感芯片半剖透视图。
具体实施方式：
一.如附图1和图2所示,
本发明提供的一种SOI压力敏感芯片，包括设有绝缘层30的SOI芯片晶圆衬底硅10，衬底硅10上面设有顶层硅40，衬底硅正面设有倒梯形的微腔20，倒梯形的微腔底部和顶层硅40矩形区域构成感压膜片4。通过化学湿法腐蚀SOI芯片晶圆绝缘层30和衬底硅10，获得倒梯形的微腔20。微腔底面矩形边长度界定了芯片的感压膜片4特定的长宽比，保证感压膜片4形变的应力应变关系避开了微腔周边根切边界的影响，具有足够的正反向应力应变对称一致的区域,供敏感桥阻的排布。
1、衬底硅背面顶层硅40上制有将衬底硅包围的顶层硅围堰1，所述感压膜片4处于顶层硅围堰中心区域，顶层硅围堰上面制有二氧化硅层8。
衬底硅背面感压膜片区域制有四个横向平行的条形敏感桥阻R1—R4，条形的敏感桥阻均呈现为以感压膜片区域中心对称设置，每个敏感桥阻上面制有有二氧化硅层8，四个横向排列的条形敏感桥阻，处于前述的正反向被测压力感传线性和灵敏度对称一致的区域,平行于芯片长边并行分布，其中两个敏感桥阻位于拉伸（正）应力区，另外两个敏感桥阻位于压缩（负）应力区。无论被测压力施加方向是正向还是反向，保证芯片敏感电桥正向与反向输出的线性和灵敏度高度对称一致。
2、衬底硅背面位于感压膜片4的区域中，沿着感压膜片区域4两个斜对称角部分别制有一个一字型顶层硅互连线2，一字型顶层硅互连线并与条形敏感桥阻间的夹角为45度，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区内端部制有Z字型互联线5，左边的Z字型互联线的两端分别与对应的敏感桥阻R1、R2的下上端连接，右边边的Z字型互联线的两端分别与对应的敏感桥阻R3、R4的下上端连接，一字型顶层硅互连线及其Z字型互联线上面制有二氧化硅层，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区外端部制有焊盘3，焊盘传过二氧化硅层与一字型顶层硅互连线相连，所述Z字型互联线的中部通过L型过渡线2a与一字型顶层硅互连线内端部连接，L型过渡线2a上面制有二氧化硅层。
3、在两个一字型顶层硅互连线两侧感压膜片区中的对称区域，分别制有一个对称的X字型顶层硅互连线6，左上边的X字型顶层硅互连线的两个内端分别与敏感桥阻R1、R3的上端连接，右下边的X字型顶层硅互连线的两个内端分别与敏感桥阻R2、R4的下端连接， 每个X字型顶层硅互连线的两个外端分别通过过度引线7在感压膜片区外汇聚成连接端，所述X字型顶层硅互连线和两个过度引线7相连的形状构成中国结的形状，X字型顶层硅互连线及其过度引线上面制有二氧化硅层8，连接端制有焊盘3，焊盘穿过二氧化硅层与过度引线连接端相连。
4、所有顶层硅互连线、围堰以及敏感桥阻，均采用高浓度掺杂硼的顶层硅以替代金属膜, 位于感压膜片区域中的互连线与桥阻各桥阻轴向间的夹角为45度，可视为无压阻效应，与正向与反向测压的敏感电桥输出的线性和灵敏度高度对称一致无关。桥阻的互连线“中国结”和“之字”形的排布，是为了消除其串联电阻的非对称性，从而减少对敏感电桥零点输出附加影响。
5、顶层硅的厚度选择和控制要求精准，过高的桥阻凸起结构会造成芯片敏感电桥正反向线性和灵敏度对称一致性的偏差，过薄的厚度会增加芯片晶圆制备工艺控制的难度；
6、焊盘采用圆形形状，兼容芯片正面或倒装的封装工艺。
二.如附图3和图4所示, 本发明还提供了芯片气密刚性背封倒装式的芯片压力参考腔
1.背向封接芯片是指芯片顶层硅围堰1和焊盘3外环表面二氧化硅层8上与碱性的背封玻璃50表面气密型封接成一体，背封玻璃与感压膜片4的区域对应的中部设有微凹腔51构成芯片压力参考腔。玻璃平均热线膨胀系数顶层硅相匹配，接触面平整度和光洁度达到光学“胶合”程度。密封界面中间无任何添加介质，保证压力参考腔的具有理想的结构刚度和封接界面的气密性耐压强度大于芯片感压膜片的额定过载能力；
2.芯片背封玻璃微凹腔结构尺度选择和控制要求精准，不仅兼容芯片敏感电桥正反向线性和灵敏度对称一致性，而且可作为芯片感压膜片的过载挠度的限位面；
3).表压（包括负压）、差压芯片的背封玻璃微凹腔带有与环境大气导通的毛细通孔，绝压芯片的背封玻璃微凹腔与环境大气不导通；
4).背封玻璃电极通孔52，其圆心与芯片焊盘同心，作为焊盘与外部电连接通道。喇叭形的通孔端易于粉料或坯料的填充或放入，也易于孔内壁金属化沉积；
5). 通过背封玻璃未金属化的通孔的导电粉料或坯料填充与熔融实现芯片金属焊盘与外电极的欧姆接触。
三、本发明还提供了一种制备SOI压力敏感芯片的方法，包括下列步骤：
1)外延工艺精准控制SOI圆片顶层硅最终厚度及均匀性和一致性；
2) SOI压力敏感芯片晶圆和背封玻璃图形化版图设计；
3)精密控制消耗SOI圆片顶层硅厚度的二氧化硅层的热生长；
4)顶层硅表层全域的一次浓硼杂质离子注入，扩散电阻温度系数可与压阻效应温度系数近似抵消的；；
5) 除敏感桥阻外的顶层硅区域的近固体溶解度的高浓硼杂质离子注入；
6)顶层硅浓硼和高浓硼杂质无氧化氛围的高温热激活处理；
7)LPCVD方法淀积二氧化硅层；
8)依次干法过刻蚀顶层硅上二氧化硅层、刻蚀敏感电桥和背封围堰图形、焊盘引线孔图形；
9) PCVD方法淀积高宽温区使用的耐高温合金焊盘多层薄膜或单层铝焊盘薄膜；
10)干法刻蚀金属薄膜焊盘图形；
11)干法刻蚀衬底硅上的二氧化硅层和二氧化硅，制作倒梯形感压膜片的化学湿法腐蚀窗口图形；
12) 氢氧化钾液各向异性腐蚀衬底硅，倒梯形腔体底面根切边界界定感压膜片表面尺度；
13)光学冷加工背封玻璃圆片的微凹腔、电极和大气环境通孔阵列和光洁表面；
14) 静电键合封接芯片、焊盘周边顶层硅与玻璃圆片间的接触界面，形成芯片压力参考腔，背封倒装压力敏感芯片晶圆制备流程完成；
15)将芯片晶圆划片分割成背封倒装压力敏感芯片。
Claims (4)
1.一种SOI压力敏感芯片，包括SOI芯片晶圆衬底硅（10），衬底硅正面设有倒梯形的微腔（20），倒梯形的微腔底部区域构成的感压膜片（4），其特征在于：
1) 衬底硅背面制有将衬底硅包围的顶层硅围堰（1），所述感压膜片（4）处于顶层硅围堰中心区域，顶层硅围堰上面制有二氧化硅层（8）；
2）衬底硅背面感压膜片区域（4）制有四个横向平行的条形敏感桥阻R1—R4，敏感桥阻均呈现为以感压膜片区域中心对称设置，每个敏感桥阻上面制有二氧化硅层（8）；
3）衬底硅背面位于感压膜片区域中，沿着感压膜片区域（4）两个斜对称角分别制有一个一字型顶层硅互连线（2），一字型顶层硅互连线与敏感桥阻间的夹角为45度，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区内的端部制有延伸的 Z字型互联线（5），Z字型互联线的两端分别与相邻的对应的敏感桥阻的一端连接，一字型顶层硅互连线及其Z字型互联线上面制有二氧化硅层，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区外的端部制有焊盘（3），焊盘穿过二氧化硅层与一字型顶层硅互连线相连；
4）在两个一字型顶层硅互连线两侧对称的感压膜片区域内，分别制有一个对称的X字型顶层硅互连线（6），X字型顶层硅互连线的两个内端分别与两个间隔的对应的敏感桥阻另一端连接，X字型顶层硅互连线的两个外端分别通过延伸的过渡引线（7）在感压膜片区域外汇聚成连接端，X字型顶层硅互连线及其过渡引线上面制有二氧化硅层（8），连接端制有焊盘（3），焊盘穿过二氧化硅层与过渡引线连接端相连。
2.根据权利要求1所述的一种SOI压力敏感芯片，其特征在于：所述Z字型互联线的中部通过L型过渡线（2a）与一字型顶层硅互连线内端部连接，L型过渡线（2a）上面制有二氧化硅层。
3.根据权利要求1或2所述的一种SOI压力敏感芯片，其特征在于：顶层硅围堰、顶层硅互连线以及敏感桥阻采用高浓度掺杂硅制成。
4.根据权利要求3所述的一种SOI压力敏感芯片，其特征在于：所述顶层硅围堰（1）和所有焊盘（3）外环表面二氧化硅层（8）上连接背封玻璃（50），背封玻璃与感压膜片区域对应部分设有微凹腔（51），微凹腔（51）构成芯片压力参考腔，背封玻璃与每个焊盘对应处设有通孔。
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