CN114414110A - 一种微压mems压力传感器芯片及制备方法 - Google Patents

一种微压mems压力传感器芯片及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微压MEMS压力传感器芯片及制备方法，属于敏感元件与传感器领域。所述芯片包括：SOI硅基体，在所述SOI硅基体的下表面刻蚀背腔形成方形压力隔膜，所述压力隔膜的上表面与下表面设有相同的凸起，上下表面的凸起结构形成所述压力隔膜上的岛结构，并通过所述压力隔膜上表面的单梁结构连接。本发明通过单梁多岛的结构设计，解决了现有微压传感器芯片灵敏度和线性度较差的问题，经过与现有技术的对比，结果证明，本发明的微压传感器可以在较小的芯片面积下，同时得到更高的灵敏度和线性度；且本发明在尺寸设计上更加灵活，更易于集成，有利于缩减制备成本。

Description

一种微压MEMS压力传感器芯片及制备方法
技术领域
本发明涉及一种微压MEMS压力传感器芯片及制备方法，属于敏感元件与传感器领域。
背景技术
压力传感器，又称压力变送器，是一种将外界压力信号转化为电信号输出的装置，随着硅基微制造技术和器件加工工艺的进步，基于微机电系统(MEMS，MicroelectroMechanical Systems)工艺制备的硅MEMS压力传感器应用范围越来越广泛，在传感器市场上销量占比越来越高越高。
按照传感器工作原理，可以将硅MEMS压力传感器细分为压阻式、电容式、谐振式等，其中，压阻式压力传感器由于其体积小、电路简单、批量制造能力强、价格低廉，而被广泛研究，并应用于汽车、航空航天、石油化工、生物医药、消费电子等领域。
而传统平膜结构的硅压阻式压力传感器，应变范围不集中，损失了大量的应变能量，造成传感器的灵敏度较低，难以适用于压力量程在10KPa以内的微压领域。
为了得到高灵敏度的微压MEMS压力传感器芯片，研究者们在最初平膜结构的基础上，对隔膜结构进行优化。
专利CN202110742903.7，一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法中提出了双梁结构，在传统平膜结构的芯片正面分布两根细长的正交分布的梁，梁的末端接近隔膜边缘处的应力得以集中，将压敏电阻置于此应力集中区，可以有效的提升传感器芯片的灵敏度，但会造成隔膜受压时挠度提升，降低传感器的线性度。
专利CN201510317403.3，硅岛膜结构的MEMS压力传感器及其制作方法中提出了岛结构，这种结构在平膜压力隔膜的下表面中央通过刻蚀得到一个方形的凸起，可以有效的降低隔膜受压时的挠度，提升传感器的线性度，但会造成灵敏度的轻微下降。
专利CN202011061201.4，一种十字岛梁膜高温微压传感器芯片及制备方法提出了一种单岛双梁结构，其中双梁结构在芯片正面正交分布，单岛结构在隔膜的下表面中央处，其灵敏度和线性度均介于双梁或单岛结构之间，仍有待进一步的提升。
发明内容
为了进一步提升微压压力传感器的性能，同时得到高灵敏度和线性度，本发明提供了一种微压MEMS压力传感器芯片，其特征在于，所述芯片包括：
SOI硅基体，在所述SOI硅基体的下表面刻蚀背腔形成方形压力隔膜，所述压力隔膜的下表面刻有两个或两个以上的、互不相连的凸起；
所述压力隔膜的上表面在与下表面的凸起对应的位置设有相同的凸起，上下表面的凸起结构形成所述压力隔膜上的岛结构，并通过所述压力隔膜上表面的单梁结构连接。
可选的，所述岛结构的数量为两个或两个以上，分布在所述方形压力隔膜边框相对边中心点的连接线上，所述单梁结构贯穿各岛结构的中心。
本发明还提供一种微压MEMS压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：以SOI硅片为基底，离子注入第一离子注入区，形成第一导电区；
步骤二：离子注入第二离子注入区，形成压阻条，所述压阻条通过所述第一导电区连接；所述第二离子注入区的离子注入浓度低于所述第一离子注入区的离子注入浓度，退火激活离子掺杂效果；
步骤三：沉积氧化硅、氮化硅，形成介质层；
步骤四：沉积或溅射金属层，刻蚀得到金属互联线和金属垫；
步骤五：刻蚀芯片背面，控制岛结构的深度，所述岛结构为：所述压力传感器芯片压力隔膜的下表面上的两个或两个以上的、互不相连的凸起，所述压力隔膜的上表面在与下表面的凸起对应的位置设有相同的凸起，上下表面的凸起结构形成所述压力隔膜上的岛结构；
步骤六：刻蚀芯片背腔，形成方形压力隔膜和岛结构，压力隔膜位置刻蚀达到所述SOI硅片中的二氧化硅层时停止，岛结构所在位置将被光刻胶或介质层保护而不再被刻蚀；所述岛结构为所述压力隔膜表面的互不相连的凸起；
步骤七：刻蚀芯片正面，形成单梁结构，所述单梁结构用于连接所述岛结构。
可选的，所述SOI硅片为N型、(100)晶向SOI硅片。
可选的，所述岛结构的个数为两个或两个以上，方形压力隔膜边框相对边中心点的连接线上，所述单梁结构贯穿各岛结构的中心。
可选的，所述第一离子注入区和所述第二离子注入区注入的是硼离子。
可选的，所述步骤三中的沉积方式为化学气相淀积LPCVD或等离子增强化学气相淀积PECVD。
可选的，所述步骤四的金属层为铝金属层，通过干法或湿法刻蚀得到金属互联线。
可选的，所述刻蚀芯片背腔和正面的方法为湿法或干法。
本发明有益效果是：
通过单梁多岛的结构设计，解决了现有微压传感器芯片灵敏度和线性度较差的问题，经过与现有技术的对比，结果证明，本发明的微压传感器可以在较小的芯片面积下，同时得到更高的灵敏度和线性度。
另外，本发明可以采用长方形形状的隔膜图案，相较于正方形形状的隔膜图案，在尺寸设计上更加灵活，可以更加方便的与其他MEMS传感器，例如加速度传感器、温度传感器进行集成，同时还可以减小集成后芯片的总体尺寸，缩减成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明压力传感器芯片的加工工艺流程图。
图2是本发明实施例二的正面结构示意图。
图3是本发明实施例三的正面结构示意图。
图4是本发明实施例四的正面结构示意图。
1、顶硅 2、二氧化硅 3、基体硅 4、重掺杂区域 5、轻掺杂压阻条 6、介质层 7、金属层 8、岛结构 9、梁结构 10、隔膜 11、应力集中区域以及压阻条摆放区域。
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实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种微压MEMS压力传感器芯片的制备方法，所述方法包括：
步骤一：以N型、(100)晶向SOI硅片为基底，顶硅、二氧化硅、基体硅的厚度分别为10μm，1μm，300μm；
硼离子注入第一离子注入区，形成重掺杂导电区，用于连接芯片的压阻条和金属电极，注入能量60KeV，剂量1×1016/cm2；
步骤二：硼离子注入第二离子注入区，形成轻掺杂压阻条，注入能量100KeV，剂量5×1014/cm2；
退火以激活离子掺杂效果，提升离子注入区域的表面电导率，在本实施例中，退火温度为1050℃，30分钟，氮气氛围；
步骤三：采用LPCVD或PECVD方式沉积氧化硅、氮化硅，形成介质层，用于隔离掺杂区和金属层，氧化硅、氮化硅的厚度为300nm，100nm；
步骤四：沉积或溅射金属层，刻蚀得到金属互联线和金属垫；
选择铝作为金属层，采用PVD或溅射的方式获得1-2微米厚的铝层，然后通过干法或湿法刻蚀得到金属互联线；
步骤五：采用干法(DRIE)深硅刻蚀芯片背面，用以控制步骤六中岛结构的深度，刻蚀深度依据岛结构尺寸而定，可选刻蚀深度为200微米。
步骤六：采用干法(DRIE)深硅刻蚀芯片背腔，形成方形压力隔膜和岛结构，刻蚀深度为300微米，达到所述SOI硅片中的二氧化硅层时停止，岛结构所在位置将被光刻胶或介质层保护而不再被刻蚀；所述岛结构为所述压力隔膜表面的互不相连的凸起；
步骤七：采用干法(DRIE)或湿法(KOH或TMAH)刻蚀芯片正面，形成单梁结构，刻蚀深度为5微米，所述单梁结构用于连接所述岛结构。
实施例二：
本实施例提供一种微压MEMS压力传感器芯片，如图2所示，采用实施例一记载的方法制备：
芯片包括：SOI硅基体，在所述SOI硅基体的下表面刻蚀背腔形成正方形压力隔膜，尺寸设置为1000×1000×5微米，正方形压力隔膜的下表面刻有两个互不相连的凸起；
正方形压力隔膜的上表面在与下表面的凸起对应的位置设有相同的凸起，上下表面的凸起结构形成所述压力隔膜上的双岛结构，并通过所述压力隔膜上表面的梁结构连接；
岛结构分布在正方形压力隔膜边框一组相对边中心点的连接线上，单梁结构，贯穿各岛结构的中心。
其中，构成惠斯通电桥的四个压阻条，其中两个分布在靠近隔膜边缘中点处的梁上，两个分布在靠近隔膜中央处的梁上。
实施例三：
本实施例与实施例二的区别在于，本实施例采用长方形压力隔膜，尺寸为800×1200×5微米，同样采用双岛结构，如图3所示。
其中，构成惠斯通电桥的四个压阻条，其中两个分布在靠近隔膜边缘中点处的梁上，两个分布在靠近隔膜中央处的梁上。
实施例四：
本实施例与实施例二的区别在于，本实施例采用长方形压力隔膜，尺寸为800×1200×5微米，采用三岛结构，如图4所示。
其中，构成惠斯通电桥的四个压阻条，依次分布在由三个岛分割梁而产生的四个应力集中区域内。
为了进一步说明本发明的有益效果，对比了本发明的三个实施例与常见的平膜、单岛、双梁、单岛双梁等结构的有限元分析结果。
其中，常见的结构与本发明实施例二的隔膜图案均为正方形，隔膜尺寸设置为1000×1000×5微米，本发明实施例三、四的隔膜图案为长方形，隔膜尺寸设置为稍小的800×1200×5微米。
其中，最大挠度表示隔膜在受到载荷形变时的最大变形量，最大差应力表示隔膜上横向应力和纵向应力之差最大时的差值。
在同样的500Pa外界载荷，以及同样5μm隔膜厚度条件下，传感器芯片的最大差应力值越大，表明应力越集中，芯片的灵敏度越高；传感器芯片的最大挠度越小，外界载荷、基体应变、压阻效应的传递越趋近于理想情况，芯片的线性度越好。
表1 对比分析结果
Figure BDA0003491339200000051
结果表明，本发明的实施例二采用的正方形隔膜，虽然在线性度上没有优势，但是最大差应力，即灵敏度高于现有技术；实施例三和四采用的是长方形隔膜，芯片面积相比于现有技术减小，实施例三采用的单梁双岛结构，大大降低了最大挠度和提升了最大差应力，即同时优化了线性度和灵敏度；实施例四的单梁三岛结构虽然灵敏度不如实施例二、实施例三的单梁双岛结构，但线性度较实施例二、实施例三更佳，而且相比于现有技术，实施例四的线性度和灵敏度上的优势也较为明显。
综上所述，本发明设计的传感器芯片，尤其是隔膜图案为长方形的实施例三、实施例四，可以在芯片面积较小的情况下，得到较高的灵敏度，以及较好的线性度。
另外，长方形形状的隔膜图案，相较于正方形形状的隔膜图案，在尺寸设计上更加灵活，可以更加方便的与其他MEMS传感器，例如加速度传感器、温度传感器进行集成，同时还可以减小集成后芯片的总体尺寸，缩减成本。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微压MEMS压力传感器芯片，其特征在于，所述芯片包括：
SOI硅基体，在所述SOI硅基体的下表面刻蚀背腔形成方形压力隔膜，所述压力隔膜的下表面刻有两个或两个以上的、互不相连的凸起；
所述压力隔膜的上表面在与下表面的凸起对应的位置设有相同的凸起，上下表面的凸起结构形成所述压力隔膜上的岛结构，并通过所述压力隔膜上表面的单梁结构连接。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述岛结构的数量为两个或两个以上，分布在所述方形压力隔膜边框的一组相对边中心点的连接线上，所述单梁结构贯穿各岛结构的中心。
3.一种微压MEMS压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：以SOI硅片为基底，离子注入第一离子注入区，形成第一导电区；
步骤二：离子注入第二离子注入区，形成压阻条，所述压阻条通过所述第一导电区连接；所述第二离子注入区的离子注入浓度低于所述第一离子注入区的离子注入浓度，退火激活离子掺杂效果；
步骤三：沉积氧化硅、氮化硅，形成介质层；
步骤四：沉积或溅射金属层，刻蚀得到金属互联线和金属垫；
步骤五：刻蚀芯片背面，控制岛结构的深度，所述岛结构为：所述压力传感器芯片压力隔膜的下表面上的两个或两个以上的、互不相连的凸起，所述压力隔膜的上表面在与下表面的凸起对应的位置设有相同的凸起，上下表面的凸起结构形成所述压力隔膜上的岛结构；
步骤六：刻蚀芯片背腔，形成方形压力隔膜和岛结构，压力隔膜位置刻蚀达到所述SOI硅片中的二氧化硅层时停止，岛结构所在位置将被光刻胶或介质层保护而不再被刻蚀；所述岛结构为所述压力隔膜表面的互不相连的凸起；
步骤七：刻蚀芯片正面，形成单梁结构，所述单梁结构用于连接所述岛结构。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述SOI硅片为N型、(100)晶向SOI硅片。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述岛结构的个数为两个或两个以上，位于方形压力隔膜边框相对边中心点的连接线上，所述单梁结构贯穿各岛结构的中心。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一离子注入区和所述第二离子注入区注入的是硼离子。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤三中的沉积方式为低压化学气相淀积LPCVD或等离子增强化学气相淀积PECVD。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤四的金属层为铝金属层，通过干法或湿法刻蚀得到金属互联线。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述刻蚀芯片背腔和正面的方法为湿法或干法刻蚀。
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