CN114152360A - 一种mems温湿压三合一传感器芯片及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种MEMS温湿压三合一传感器芯片及其制造工艺，包括SOI晶圆，SOI晶圆包括体硅层、埋氧层和器件硅层，SOI晶圆上生长有一层金属薄膜，金属薄膜上通过作图案化构造有测温电阻和测压电阻,金属薄膜外还沉积一层SiO2层作为温度补偿层和内层介质，SiO2层上作图案化形成有通孔，SiO2层上沉积一层导电金属层，导电金属层上作图形化形成有金属焊盘和金属连接线，以将压敏电阻连接成惠斯通电桥，该导电金属层上还图形化作出有测湿用叉指式结构，SOI晶圆衬底背部刻蚀有腔体结构。以解决现有传感器不利于部分场景下智能产品的整体尺寸控制，缺少复合温湿压测量功能的便捷设计，部分带有复合测量功能的设计不能有效减少寄生电容等问题。属于传感器技术领域。

Description

一种MEMS温湿压三合一传感器芯片及其制造工艺
技术领域
本发明涉及一种MEMS温湿压三合一传感器芯片及其制造工艺，属于传感器技术领域。
背景技术
压力传感器、温度传感器、湿度传感器在工业农业上的运用越来越多，但目前这些传感器的封装适用性较差。首先，这些传感器尺寸过大，不利于部分场景下智能产品的整体尺寸控制；其次，缺少复合温湿压测量功能的便捷设计；最后，部分带有复合测量功能的设计不能有效减少寄生电容，导致器件性能下降。
发明内容
本发明的目在于：提供一种MEMS温湿压三合一传感器芯片及其制造工艺，以解决现有传感器尺寸过大，不利于部分场景下智能产品的整体尺寸控制，缺少复合温湿压测量功能的便捷设计，以及部分带有复合测量功能的设计不能有效减少寄生电容，导致器件性能下降等问题。
为达到上述目的，拟采用这样一种MEMS温湿压三合一传感器芯片，包括SOI晶圆，SOI晶圆包括体硅层、埋氧层和器件硅层，SOI晶圆上生长有一层金属薄膜，金属薄膜上通过作图案化构造有测温电阻和测压电阻,金属薄膜外还沉积一层SiO2层作为温度补偿层和内层介质，SiO2层上作图案化形成有通孔，SiO2层上沉积一层导电金属层，导电金属层上作图形化形成有金属焊盘和金属连接线，以将压敏电阻连接成惠斯通电桥，该导电金属层上还图形化作出有测湿用叉指式结构，SOI晶圆衬底背部刻蚀有腔体结构。
前述传感器芯片中，SOI晶圆上生长有一层保护层，保护层外再生长金属薄膜；
前述传感器芯片中，测温电阻为四块蛇形结构的电阻丝；
前述传感器芯片中，体硅层厚度为300μm，埋氧层厚度0.2μm，器件硅层厚度30μm；
前述传感器芯片中，所述保护层为ALN保护层；
前述传感器芯片中，所述金属薄膜为金属Mo，厚度0.2μm；
前述传感器芯片中，SiO2层厚度为0.5um；
前述传感器芯片中，导电金属层为AL；
本发明还提供一种MEMS温湿压三合一传感器芯片的制备方法：
准备SOI晶圆，包括体硅层、埋氧层和器件硅层；
SOI晶圆上生长有一层ALN作保护层，再生长一层金属薄膜，利用光刻和刻蚀在金属薄膜上作图案化，构造测温电阻和测压电阻；
再利用化学气相沉积方法沉积SiO2层作为温度补偿层和内层介质，并用光刻和刻蚀在SiO2层作图案化形成通孔；
利用PVD沉积一层厚度为0.5μm的导电金属层(可用Al)，并在导电金属层作图形化形成金属焊盘和金属连接线，将压敏电阻连接成惠斯通电桥，同时该导电金属层图形化作出测湿用叉指式结构；
采用化学机械抛光(CMP)机械减薄；
将SOI晶圆的衬底背部通过深度反应离子刻蚀(DRIE)技术刻蚀出腔体结构。
与现有技术相比，本发明利用MEMS工艺将三种传感器集成在微小芯片上，在小巧结构上实现了多种传感器功能，在完成多种测试需求的同时，还能有效减小器件尺寸，提高集成度，大大简化后续芯片封装步骤，产生的寄生电容也远远小于传统器件，优化了灵敏度，选用Mo金属材料来兼容CMOS工艺，同时具有与Pt金属相似的热温度系数，能很好地实现温度传感功能，所作Mo金属层的位置能起到遮蔽电极作用，减小湿度传感器的寄生电容，提升了湿度传感器的效果；在生产上有助于实现器件的批量化生产，提升生产效率，本发明制备方法复合了多种功能，在工业农业可适用范围更加广泛且便捷小巧。
附图说明
图1是SOI晶圆上生长保护层和金属薄膜后的结构示意图；
图2是图1中金属薄膜上作图案化后的结构示意图；
图3是图2中沉积SiO2层并作图案化后的结构示意图；
图4是图3中沉积导电金属层并作图案化后的结构示意图；
图5是测温电阻的示意图；
图6是电容式湿度传感器叉指式结构等效模型。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
参照图1至图6，本实施例提供一种MEMS温湿压三合一传感器芯片，包括SOI晶圆，SOI晶圆包括体硅层1厚度为300μm，埋氧层2厚度0.2μm，器件硅层3厚度30μm，SOI晶圆上生长有一层ALN作为保护层4，保护层4外再生长一层金属薄膜5，厚度为0.2um，如图1所示，在这里我们采用金属Mo，因为Mo的电阻温度系数与Pt的电阻温度系数相似的同时还能够与CMOS兼容，可以有效应用在MEMS芯片上。利用光刻和刻蚀在金属薄膜5上作图案化，如图2所示，构造测温电阻和测压电阻，测温电阻为四块蛇形结构的电阻丝,如图5所示，能够更好地在不大的芯片上起到加热作用。测温电阻还能起到加热层作用，对叉指式湿度电容器起到加热作用，加快脱湿度，起到减小湿滞增大灵敏度作用。
利用化学气相沉积(PECVD)方法沉积一层SiO2层6作为温度补偿层和内层介质，厚度为0.5um，并用光刻和刻蚀在SiO2层6作图案化形成通孔，如图3所示；
利用PVD沉积一层厚度为0.5μm的导电金属层7(可用Al/Au)，并在导电金属层7作图形化形成金属焊盘和金属连接线，将压敏电阻连接成惠斯通电桥，同时该导电金属层7图形化作出测湿用叉指式结构；
采用化学机械抛光(CMP)机械减薄；
将SOI晶圆的衬底背部通过深度反应离子刻蚀(DRIE)技术刻蚀出腔体结构8。
在外部压力变化时，传感器的谐振频率随之发生变化，根据频率与压强的关系，测得压力值。而湿度测量采用图案化的金属叉指电极条，在上面旋涂生长一层感湿薄膜，当湿度变化时，旋涂感湿薄膜的金属叉指条的电容随之变化，根据电容与湿度的关系，测得湿度值。而测温则根据Mo层测温电路电阻与温度关系测得。
另一方面Mo金属层能起到减小湿度传感器寄生电容作用，电容式湿度传感器叉指式结构等效模型如图6所示，C1为湿度传感器的敏感电容，即理想输出电容，C2为电场线穿过二氧化硅层所产生的寄生电容，C3为电场线穿过硅基底层所产生的寄生电容。影响寄生电容大小的因素主要是穿过绝缘层和硅基底的电场线的多少，而设计的这一Mo金属薄膜5能起到遮蔽作用，减少穿过二氧化硅层的电场线数量，从而减少寄生电容对性能的影响，对整体传感器的性能起到优化作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种MEMS温湿压三合一传感器芯片，其特征在于：包括SOI晶圆，SOI晶圆包括体硅层(1)、埋氧层(2)和器件硅层(3)，SOI晶圆上生长有一层金属薄膜(5)，金属薄膜(5)上通过作图案化构造有测温电阻和测压电阻,金属薄膜(5)外还沉积一层SiO2层(6)作为温度补偿层和内层介质，SiO2层(6)上作图案化形成有通孔，SiO2层(6)上沉积一层导电金属层(7)，导电金属层(7)上作图形化形成有金属焊盘和金属连接线，以将压敏电阻连接成惠斯通电桥，该导电金属层(7)上还图形化作出有测湿用叉指式结构，SOI晶圆衬底背部刻蚀有腔体结构(8)。
2.根据权利要求1所述一种MEMS温湿压三合一传感器芯片，其特征在于：SOI晶圆上生长有一层保护层(4)，保护层(4)外再生长金属薄膜(5)。
3.根据权利要求1所述一种MEMS温湿压三合一传感器芯片，其特征在于：测温电阻为四块蛇形结构的电阻丝。
4.根据权利要求1所述一种MEMS温湿压三合一传感器芯片，其特征在于：体硅层(1)厚度为300μm，埋氧层(2)厚度0.2～0.5μm，器件硅层(3)厚度25～35μm。
5.根据权利要求1所述一种MEMS温湿压三合一传感器芯片，其特征在于：所述保护层(4)为ALN保护层。
6.根据权利要求1所述一种MEMS温湿压三合一传感器芯片，其特征在于：所述金属薄膜(5)为金属Mo，厚度0.2～0.5μm。
7.根据权利要求1所述一种MEMS温湿压三合一传感器芯片，其特征在于：SiO2层(6)厚度为0.4～0.7um。
8.根据权利要求1所述一种MEMS温湿压三合一传感器芯片，其特征在于：导电金属层(7)为AL。
9.权利要求1-8中任一权利要求所述MEMS温湿压三合一传感器芯片的制造工艺，其特征在于，具体方法如下：
准备SOI晶圆，包括体硅层(1)、埋氧层(2)和器件硅层(3)；
SOI晶圆上生长有一层ALN作保护层(4)，再生长一层金属薄膜(5)，利用光刻和刻蚀在金属薄膜(5)上作图案化，构造测温电阻和测压电阻；
再利用化学气相沉积方法沉积SiO2层(6)作为温度补偿层和内层介质，并用光刻和刻蚀在SiO2层(6)作图案化形成通孔；
利用PVD沉积一层厚度为0.5μm的导电金属层(7)，并在导电金属层(7)作图形化形成金属焊盘和金属连接线，将压敏电阻连接成惠斯通电桥，同时该导电金属层(7)图形化作出测湿用叉指式结构；
采用化学机械抛光机械减薄；
将SOI晶圆的衬底背部通过深度反应离子刻蚀技术刻蚀出腔体结构(8)。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114838761A (zh) * 2022-03-29 2022-08-02 电子科技大学 一种新型温湿度mems传感器及其制备方法
CN117613033A (zh) * 2023-11-23 2024-02-27 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种含温度和应变传感的硅基微模组结构及制备方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7368312B1 (en) * 2004-10-15 2008-05-06 Morgan Research Corporation MEMS sensor suite on a chip
CN102798403A (zh) * 2012-08-21 2012-11-28 江苏物联网研究发展中心 Mems薄膜电容式多参数传感器结构及其集成制造方法
CN104034454A (zh) * 2014-06-13 2014-09-10 江苏多维科技有限公司 一种用于多物理量测量的传感器芯片及其制备方法
CN105236348A (zh) * 2015-09-24 2016-01-13 江苏物联网研究发展中心 基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法
CN105444931A (zh) * 2016-01-08 2016-03-30 沈阳工业大学 基于牺牲层技术的soi压力敏感芯片及其制造方法
CN105502282A (zh) * 2015-11-30 2016-04-20 上海集成电路研发中心有限公司 一种mems湿度传感器的制造方法
US20160209344A1 (en) * 2015-01-15 2016-07-21 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Complex sensor and method of manufacturing the same
CN107356637A (zh) * 2017-06-09 2017-11-17 上海申矽凌微电子科技有限公司 环境传感器的制造方法及使用该方法制造的环境传感器
CN107500244A (zh) * 2017-08-15 2017-12-22 河北美泰电子科技有限公司 Mems流量传感器的制造方法
CN107748299A (zh) * 2017-10-16 2018-03-02 河南汇纳科技有限公司 一种单芯片集成多环境兼容性传感器
CN109573941A (zh) * 2018-11-15 2019-04-05 中国科学院半导体研究所 一种cmos-mems集成芯片的规模化制造方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7368312B1 (en) * 2004-10-15 2008-05-06 Morgan Research Corporation MEMS sensor suite on a chip
CN102798403A (zh) * 2012-08-21 2012-11-28 江苏物联网研究发展中心 Mems薄膜电容式多参数传感器结构及其集成制造方法
CN104034454A (zh) * 2014-06-13 2014-09-10 江苏多维科技有限公司 一种用于多物理量测量的传感器芯片及其制备方法
US20160209344A1 (en) * 2015-01-15 2016-07-21 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Complex sensor and method of manufacturing the same
CN105236348A (zh) * 2015-09-24 2016-01-13 江苏物联网研究发展中心 基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法
CN105502282A (zh) * 2015-11-30 2016-04-20 上海集成电路研发中心有限公司 一种mems湿度传感器的制造方法
CN105444931A (zh) * 2016-01-08 2016-03-30 沈阳工业大学 基于牺牲层技术的soi压力敏感芯片及其制造方法
CN107356637A (zh) * 2017-06-09 2017-11-17 上海申矽凌微电子科技有限公司 环境传感器的制造方法及使用该方法制造的环境传感器
CN107500244A (zh) * 2017-08-15 2017-12-22 河北美泰电子科技有限公司 Mems流量传感器的制造方法
CN107748299A (zh) * 2017-10-16 2018-03-02 河南汇纳科技有限公司 一种单芯片集成多环境兼容性传感器
CN109573941A (zh) * 2018-11-15 2019-04-05 中国科学院半导体研究所 一种cmos-mems集成芯片的规模化制造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114838761A (zh) * 2022-03-29 2022-08-02 电子科技大学 一种新型温湿度mems传感器及其制备方法
CN117613033A (zh) * 2023-11-23 2024-02-27 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种含温度和应变传感的硅基微模组结构及制备方法

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