CN114184309B - 一种压阻式mems传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压阻式MEMS传感器及其制备方法，包括SOI晶圆，SOI晶圆由依次设置的体硅层、埋氧层和器件硅层组成，器件硅层上生长有一层金属薄膜，金属薄膜上通过作图案化构造有压敏电阻,压敏电阻外还沉积一层顶部绝缘层，顶部绝缘层上作图案化形成有连通至压敏电阻的通孔，顶部绝缘层上还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，压敏电阻通过导电金属层连接形成惠斯通电桥，体硅层上刻蚀形成有压力敏感薄膜。以解决压阻式MEMS压力传感器的灵敏度与膜厚之间的折中问题。属于MEMS传感技术领域。

Description

一种压阻式MEMS传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种压阻式MEMS传感器及其制备方法，属于MEMS传感技术领域。
背景技术
MEMS传感器因为能够利用半导体工艺制作，具有体积小、成本低、易集成等的特点被广泛使用。常用的MEMS压力传感器有压阻式、变电容式、压电式。MEMS压阻式的压力传感器是一种利用压阻效应来检测压力的传感器，它的可靠性强，制作非常简单，灵敏度也很高，所以占据的MEMS压力传感器市场份额达90％以上。
在例如航空航天、汽车驾驶、农业应用等方面，压强是一个至关重要的物理参数。理想的传感器不仅测压精度高，而且能够承受的压强范围大。但是对于常用的方形或者圆形的压力敏感膜来说，要么膜很厚来承受大范围的压强；要么薄膜被减薄来提高灵敏度，此时压强变化的范围非常小。因此，我们往往是根据不同的应用场景对压力传感器的精度或者测压范围做出折中处理。目前，对一款灵敏度高并且承压范围大的传感器的需要很迫切。
发明内容
本发明的目在于：提供一种压阻式MEMS传感器及其制备方法，以解决压阻式MEMS压力传感器的灵敏度与膜厚之间的折中问题。
为达到上述目的，拟采用这样一种压阻式MEMS传感器，包括SOI晶圆，SOI晶圆由依次设置的体硅层、埋氧层和器件硅层组成，器件硅层上生长有一层金属薄膜，金属薄膜上通过作图案化构造有压敏电阻,压敏电阻外还沉积一层顶部绝缘层，顶部绝缘层上作图案化形成有连通至压敏电阻的通孔，顶部绝缘层上还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，压敏电阻通过导电金属层连接形成惠斯通电桥，体硅层上刻蚀形成有压力敏感薄膜。
前述压阻式MEMS传感器中，所述压力敏感薄膜的形态为规则的类多角星型压力敏感膜，且该类多角星型压力敏感膜的外角处均为截断的断角结构；
前述压阻式MEMS传感器中，所述类多角星型压力敏感膜断角处夹角α1为100°～160°，类多角星型压力敏感膜内角α2为200°～270°。
前述压阻式MEMS传感器中，所述压力敏感薄膜的形态为规则的类四角星型压力敏感膜，所述压敏电阻共有四个，四个压敏电阻分别正对设置于类四角星型压力敏感膜的四个内角处；
前述压阻式MEMS传感器中，SOI晶圆中的埋氧层的材料为二氧化硅，厚度为0.2μm～0.5μm；
前述压阻式MEMS传感器中，顶部绝缘层的材料为二氧化硅或者氮化铝，厚度为0.4μm～0.7μm；
前述压阻式MEMS传感器中，压敏电阻的材料为金属或者参杂的多晶硅，厚度为0.2μm～0.5μm
上述压阻式MEMS传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：准备SOI晶圆；
步骤2：使用化学气相沉积(PVD)在SOI晶圆上沉积金属薄膜，厚度为0.2μm～0.5μm；
步骤3：利用光刻和刻蚀将步骤2沉积的金属薄膜图形化为压敏电阻；
步骤4：利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在器件硅层和压敏电阻上沉积顶部绝缘层，厚度为0.4μm～0.7μm；
步骤5：利用光刻和刻蚀将步骤4中的顶部绝缘层图形化，形成连通压敏电阻的通孔；
步骤6：利用PVD沉积一层厚度为0.5μm～0.7μm的导电金属层；
步骤7：将步骤6中的导电金属层图形化形成金属焊盘和金属连接线，将步骤5中的压敏电阻连接成惠斯通电桥。
步骤8：利用深反应离子刻蚀(DRIE)将体硅层刻蚀，释放形成压力敏感薄膜。
与现有技术相比，本发明提出了一种含有新型压力敏感薄膜形状的压阻式MEMS压力传感器，这种新型压力敏感膜能够将整个薄膜平面上的应变对称地聚焦在长边L2交界点附近的局部区域(压力敏感膜内角处)，而这样的局部区域有四个，惠斯通电桥的四个压敏电阻分别位于这四个应变最大的局部区域，所以尽管压力敏感薄膜较厚，但灵敏度高，这样很好的解决了压阻式MEMS压力传感器的灵敏度与膜厚之间的折中问题。
附图说明
图1为压阻式MEMS压力传感器的俯视图；
图2为压力敏感膜两条长边L2的交界；
图3为压阻式MEMS压力传感器的截面图；
图4为压阻式MEMS压力传感器的三维示意图；
图5为压阻式MEMS压力传感器的惠斯通电桥与金属焊盘的示意图；
图6为压阻式MEMS压力传感器制备步骤1对应的结构示意图；
图7为压阻式MEMS压力传感器制备步骤2对应的结构示意图；
图8为压阻式MEMS压力传感器制备步骤3对应的结构示意图；
图9为压阻式MEMS压力传感器制备步骤4对应的结构示意图；
图10为压阻式MEMS压力传感器制备步骤5对应的结构示意图；
图11为压阻式MEMS压力传感器制备步骤6对应的结构示意图；
图12为压阻式MEMS压力传感器制备步骤7对应的结构示意图。
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12，本实施例提供一种压阻式MEMS传感器，包括SOI晶圆，SOI晶圆由依次设置的体硅层4、埋氧层20和器件硅层30组成，埋氧层20的材料为二氧化硅，厚度为0.2μm～0.5μm，器件硅层30上生长有一层金属薄膜，该金属薄膜为金属钼，厚度为0.2μm～0.5μm，金属薄膜上通过作图案化构造有压敏电阻2,压敏电阻2外还沉积一层顶部绝缘层40，顶部绝缘层40的材料为二氧化硅或者氮化铝，厚度为0.4μm～0.7μm，顶部绝缘层40上作图案化形成有连通至压敏电阻2的通孔，顶部绝缘层40上还沉积一层导电金属层50，导电金属层50上作图形化形成有金属焊盘和金属连接线，压敏电阻2通过导电金属层50连接形成惠斯通电桥，体硅层4上刻蚀形成有压力敏感薄膜1。
压力敏感薄膜1的形态为规则的类四角星型压力敏感膜，且该类四角星型压力敏感膜的外角处均为截断的断角结构，截断边长为L1，形成两个截断处夹角α1，α1为100°～160°，类四角星型压力敏感膜相邻两长边L2夹角为α2(类四角星型的内角)，内角α2为200°～270°，所述压敏电阻2共有四个，四个压敏电阻2分别正对设置于类四角星型压力敏感膜的四个内角处；
该MEMS压力传感器的工作原理如下：
如图5，在相邻的两个电阻端点A、D加上恒定的电压，然后从芯片背面施加压强，压力敏感膜1发生形变，基于压阻效应，压敏电阻2的阻值发生改变，通过测量B、C两个金属焊盘的电压差，这样就得出了压强-电压差之间的函数关系曲线。压强-电压差函数斜率更大，表示本发明中引入的新型薄膜结构的灵敏度更高。
该压阻式MEMS传感器芯片的制备方法如下：
步骤1：准备SOI晶圆，体硅层4厚度为300μm，埋氧层20厚度0.2μm，器件硅层30厚度30μm，如图6所示；
步骤2：使用化学气相沉积(PVD)在SOI晶圆上沉积金属薄膜，厚度为0.2μm，如图7所示；
步骤3：利用光刻和刻蚀将步骤2沉积的金属薄膜图形化为压敏电阻2，如图8所示；
步骤4：利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在器件硅层30和压敏电阻2上沉积顶部绝缘层40，厚度为0.5μm，如图9所示；
步骤5：利用光刻和刻蚀将步骤4中的顶部绝缘层40图形化，形成连通压敏电阻2的通孔，如图10所示；
步骤6：利用PVD沉积一层厚度为0.5μm的导电金属层50，如图11所示；
步骤7：将步骤6中的导电金属层50图形化形成金属焊盘和金属连接线，将步骤5中的压敏电阻2连接成惠斯通电桥，如图12所示。
步骤8：利用深反应离子刻蚀(DRIE)，按照图1所示的薄膜形状，此时L1＝424μm、L2＝1054μm、短边L1与长边L2之间的夹角α1＝125°、长边L2之间的夹角α2＝217°；将体硅层刻蚀，释放形成压力敏感薄膜(1)，截面图如图2所示。
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 (5)

1.一种压阻式MEMS传感器，其特征在于，包括SOI晶圆，SOI晶圆由依次设置的体硅层(4)、埋氧层(20)和器件硅层(30)组成，器件硅层(30)上生长有一层金属薄膜，金属薄膜上通过作图案化构造有压敏电阻(2),压敏电阻(2)外还沉积一层顶部绝缘层(40)，顶部绝缘层(40)上作图案化形成有连通至压敏电阻(2)的通孔，顶部绝缘层(40)上还沉积一层导电金属层(50)，导电金属层(50)上作图形化形成有金属焊盘和金属连接线，压敏电阻(2)通过导电金属层(50)连接形成惠斯通电桥，体硅层(4)上刻蚀形成有压力敏感薄膜(1)；所述压力敏感薄膜(1)的形态为规则的类多角星型压力敏感膜，且该类多角星型压力敏感膜的外角处均为截断的断角结构；所述类多角星型压力敏感膜断角处夹角α1为100°~160°，类多角星型压力敏感膜内角α2为200°~270°；所述压力敏感薄膜(1)的形态为规则的类四角星型压力敏感膜，所述压敏电阻(2)共有四个，四个压敏电阻(2)分别正对设置于类四角星型压力敏感膜的四个内角处。
2.根据权利要求1所述一种压阻式MEMS传感器，其特征在于：SOI晶圆中的埋氧层(20)的材料为二氧化硅，厚度为0.2μm~0.5μm。
3.根据权利要求1所述一种压阻式MEMS传感器，其特征在于：顶部绝缘层40的材料为二氧化硅或者氮化铝，厚度为0.4μm~0.7μm。
4.根据权利要求1所述一种压阻式MEMS传感器，其特征在于：压敏电阻(2)的材料为金属或者参杂的多晶硅，厚度为0.2μm~0.5μm。
5.一种如权利要求1-4中任一所述压阻式MEMS传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：准备SOI晶圆；
步骤2：使用化学气相沉积在SOI晶圆上沉积金属薄膜，厚度为0.2μm~0.5μm；
步骤3：利用光刻和刻蚀将步骤2沉积的金属薄膜图形化为压敏电阻(2)；
步骤4：利用等离子体增强化学气相沉积方法在器件硅层(30)和压敏电阻(2)上沉积顶部绝缘层(40)，厚度为0.4μm~0.7μm；
步骤5：利用光刻和刻蚀将步骤(4)中的顶部绝缘层(40)图形化，形成连通压敏电阻2的通孔；
步骤6：利用PVD沉积一层厚度为0.5μm~0.7μm的导电金属层(50)；
步骤7：将步骤6中的导电金属层(50)图形化形成金属焊盘和金属连接线，将步骤5中的压敏电阻(2)连接成惠斯通电桥；
步骤8：利用深反应离子刻蚀将体硅层(4)刻蚀，释放形成压力敏感薄膜(1)。
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