CN114608728A - 一种电容式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式压力传感器及其制备方法，属于传感器技术领域，包括第一电极和第二电极；第一电极为掺杂后的硅片；第二电极为在掺杂后的硅片上悬空后形成的膜层；第一电极和第二电极之间设置绝缘区。本发明的一种电容式压力传感器的制备方法，在硅迁移后的悬空的膜层上进行热氧化绝缘的处理，利用第一电极掺杂后的硅片、第二电极膜层，通过利用于氧化硅的绝缘性在单片硅片上形成上下两个电极以及一个绝缘的腔体，构成特殊结构的两层硅作为压力传感器，具备高绝缘性的同时简化了传统的制备工艺。

Description

一种电容式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种电容式压力传感器及其制备方法。

背景技术

电容式压力传感器(Capacitive Type Pressure Transducer)，采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。

传统电容式压力传感器在其制备过程中，需要花较长时间刻蚀出背面的腔体，以及较为复杂的正面薄膜电极的沉积工艺，制备工艺较为复杂。

发明内容

发明目的：本发明提供一种电容式压力传感器；本发明的另一目的在于提供一种电容式压力传感器的制备方法，降低工艺复杂程度。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明提供一种电容式压力传感器，包括第一电极和第二电极；

所述第二电极为在所述第一电极上悬空后形成的膜层；

所述第一电极和所述第二电极通过绝缘区电绝缘，所述绝缘区包括氧化物。

在一些实施例中，所述氧化物通过热氧化得到。

在一些实施例中，所述氧化物通过热氧化第一电极得到。

在一些实施例中，所述热氧化为硅热氧化。

在一些实施例中，所述氧化物为二氧化硅。

在一些实施例中，在所述第一电极和所述第二电极之间设置腔体，所述第一电极和所述第二电极通过所述腔体隔开。

在一些实施例中，所述绝缘区设置在所述第二电极的外周。

在一些实施例中，所述绝缘区为环形区域。

在一些实施例中，在所述第一电极上设置第一金属区，所述第一电极和所述第一金属区欧姆接触；在所述第二电极上设置第二金属区，所述第二电极和所述第二金属区欧姆接触。

在一些实施例中，所述第一金属区和所述第二金属区电绝缘。

在一些实施例中，一种电容式压力传感器的制备方法，包括：

提供第一电极；

在所述第一电极上形成悬空的膜层，作为第二电极；

在所述第一电极和所述第二电极之间形成绝缘区，所述绝缘区包括氧化物。

在一些实施例中，所述绝缘区通过热氧化形成。

在一些实施例中，所述第一电极为掺杂后的硅片，所述第二电极为掺杂后的硅片形成的膜层。

在一些实施例中，在所述第一电极上沉积第一金属区，所述第一电极和所述第一金属区欧姆接触；在所述第二电极上沉积第二金属区，所述第二电极与所述第二金属区欧姆接触；所述第一金属区和所述第二金属区电绝缘。

在一些实施例中，在所述第一电极上形成悬空的膜层，具体为：在掺杂后的硅片上刻蚀出槽体，得到刻蚀后的硅片，对刻蚀后的硅片进行退火，得到硅原子迁移后形成的膜层和位于所述膜层下方的腔体。

在一些实施例中，在所述膜层上沉积第一保护层，在所述第一保护层上沉积第二保护层。

在一些实施例中，所述第一保护层为氧化硅，第二保护层为氮化硅。

在一些实施例中，在所述绝缘区形成后，剥离所述第一保护层和所述第二保护层。

在一些实施例中，对所述第二保护层和第一保护层进行刻蚀，形成延伸入所述第一电极的环形槽。

在一些实施例中，所述环形槽延伸入所述第一电极中的深度等于所述第二电极厚度的二分之一。

在一些实施例中，所述环形槽的宽度小于等于设定的绝缘区的宽度。

在一些实施例中，所述环形槽刻蚀完毕后，将整体器件进行热氧化处理，将刻蚀环形槽区域暴露出来的硅氧化，形成的氧化层作为绝缘区。所述氧化层为氧化硅层。

在一些实施例中，所述第一保护层的厚度为30nm；第二保护层的厚度为90nm。

在一些实施例中，环形槽刻蚀完毕后，将整体器件进行热氧化处理，将刻蚀环形槽区域暴露出来的硅氧化，形成氧化硅层，氧化硅层作为绝缘区。由于第一电极暴露出来的硅厚度接近于膜层厚度的二分之一，因此氧化后的氧化硅层大约一个膜层的厚度，也即绝缘区将环形槽基本填平。通过氧化硅层的绝缘性，将掺杂后的硅片和膜层隔开，第一电极和第二电极电绝缘。

发明原理：利用P-N结绝缘实现的电容结构在高于150℃时，会产生纳安(nA)级别的漏电流，在作为电容式压力传感器时，会影响测量可靠性；本发明的一种电容式压力传感器的制造方法，在硅迁移后的悬起薄膜上进行绝缘的处理，利用上下两层硅作为压力传感器，利用绝缘层的绝缘性在单片硅片上形成上下两个电极以及一个绝缘的腔体，形成一种电容式压力传感器；本发明中绝缘层是氧化物，区别于利用P-N结绝缘的方式，所述电容式压力传感器通过氧化物绝缘，产生高绝缘性，而高绝缘性电容此时几乎不产生漏电电流。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种电容式压力传感器，包括第一电极和第二电极，第二电极为在第一电极上悬空后形成的膜层，第一电极和第二电极之间通过绝缘区电绝缘，具备高绝缘性，几乎不产生漏电电流，适用的温度范围更广；本发明的一种电容式压力传感器的制备方法，在硅迁移后的悬空的膜层上进行绝缘处理，利用第一电极形成第二电极，通过利用氧化硅的绝缘性在单片硅片上形成上下两个电极以及一个绝缘的腔体，构成特殊结构的两层硅作为压力传感器，以此结果形成一种电容式压力传感器，简化了传统的电容式压力传感器的制备工艺的同时具备高绝缘性，提升传感器在高温下的工作特性。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为一种电容式压力传感器的结构示意图；

图2为掺杂后的硅片的结构示意图；

图3为在硅片上刻蚀出槽体的切面图；

图4为下方为腔体，上方为膜层的结构示意图；

图5为沉积保护层的结构示意图；

图6为热氧化后形成绝缘区的结构示意图；

附图标记：100-第一电极、101-绝缘区、102-金属区、1021-第一金属区、1022-第二金属区、103-槽体、104-第二电极、105-腔体、106-第一保护层、107-第二保护层和108-环形槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

一种电容式压力传感器，包括第一电极100和第二电极104；第二电极104为在第一电极100上悬空后形成的膜层；第一电极100和第二电极104之间通过热氧化形成的绝缘区101电绝缘。

在一些实施例中，第一电极100为掺杂后的硅片。

在一些实施例中，第一电极100为重掺杂硅片。其中，重掺杂的半导体中，掺杂物和半导体原子的浓度比约是千分之一，而轻掺杂则可能会到十亿分之一的比例。

在一些实施例中，在第一电极100和第二电极104之间形成腔体105，用于悬空形成的膜层。

在一些实施例中，金属区102包括第一金属区1021和第二金属区1022；在第一电极100上沉积第一金属区1021，第一电极100和第一金属区1021欧姆接触；在第二电极104上沉积第二金属区1022，第二电极104和第二金属区1022欧姆接触；第一金属区1021和第二金属区1022电绝缘。金属区102用作引线和pad。

在一些实施例中，绝缘区101设置在膜层的外周。绝缘区101为环形区域。绝缘区101为氧化硅覆盖的区域。

在一些实施例中，一种电容式压力传感器的制备方法，包括：

提供第一电极100；

在第一电极100上形成悬空的第二电极104；

在第一电极100和第二电极104之间通过热氧化形成绝缘区101，绝缘区101为氧化硅层。

在一些实施例中，第一电极100是通过硅迁移得到；对掺杂后的硅片进行掩模光刻，在掺杂后的硅片上刻蚀出槽体103的阵列，得到硅原子迁移后的硅片，然后退火，形成膜层和腔体105，腔体105将第一电极100和膜层隔离形成双层硅结构的电容器。

在一些实施例中，在膜层上沉积第一保护层106，在第一保护层106上沉积第二保护层107。

在一些实施例中，第一保护层106为氧化硅，第二保护层107为氮化硅。

在一些实施例中，第一保护层106的厚度为30nm；第二保护层107的厚度为90nm。

在一些实施例中，绝缘区101形成后，剥离第一保护层106和第二保护层107。

在一些实施例中，对第二保护层107和第一保护层106进行刻蚀，形成伸入体硅的环形槽108。

在一些实施例中，第一电极100中，环形槽108的深度接近于膜层厚度的二分之一。此处的刻蚀深度通过时间控制，刻蚀深度约为膜层厚度的二分之一。

在一些实施例中，环形槽108的宽度小于等于设定的绝缘区101的宽度。

在一些实施例中，环形槽108刻蚀完毕后，将整体器件进行热氧化处理，将刻蚀后环形槽108区域暴露出来的硅氧化，形成氧化硅层，氧化硅层作为绝缘区101。由于第一电极100暴露出来的硅厚度接近于膜层厚度的二分之一，因此氧化后的氧化硅层大约一个膜层的厚度，也即绝缘区101将环形槽108基本填平。通过氧化硅层的绝缘性，将掺杂后的硅片和膜层隔开，第一电极100和第二电极104电绝缘。

在一些实施例中，一种电容式压力传感器的制备方法，包括：

对普通硅片进行掩模光刻，在硅片上刻蚀出槽体103的阵列，得到刻蚀后的硅片；

将刻蚀后的硅片去胶后退火，得到硅原子迁移后形成的第一电极100，同时，在第一电极100上形成膜层和腔体105；膜层作为第二电极104；

在第二电极104上依次沉积第一保护层106和第二保护层107，然后在第二电极104的外周定义绝缘区101，绝缘区101将悬空的第二电极104与第一电极100进行电绝缘；绝缘区101形成后，剥离第一保护层106和第二保护层107；在绝缘区101形成过程中，要特别注意刻蚀的时间，刻蚀的深度会影响最终传感器的结构；

在掺杂后的硅片上沉积第一金属区1021和第二金属区1022，将上述悬空的第二电极104与第二金属区1022欧姆接触；将第一电极100与第一金属区1021欧姆接触，形成一种电容式压力传感器。

如图1所示，基于硅原子迁移的高绝缘性电容式压力传感器的结构示意图，包括掺杂后的硅片和膜层，其中，掺杂后的硅片作为第一电极100，硅原子迁移形成的膜层作为第二电极104。

在一些实施例中，腔体105作为绝缘层，在上述膜层的外周定义绝缘区101，绝缘区101隔开第二电极104和第一电极100形成绝缘的绝缘区101。绝缘区101设置在腔体105上方。

在一些实施例中，绝缘区101是通过热氧化得到。

在一些实施例中，绝缘区101为覆盖氧化硅层的绝缘区101。

在一些实施例中，一种电容式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)准备常规硅片(普通硅片，无掺杂要求)，如图2所示；

2)对常规硅片进行掩模光刻，在常规硅片上刻蚀出如图3所示的槽体103的阵列，得到刻蚀后的硅片；

3)将刻蚀后的硅片去胶后放入高温退火炉中进行退火，形成膜层和腔体105，如图4所示；

4)如图5所示，在上述膜层上依次沉积第一保护层106和第二保护层107，然后在膜层上的外周定义绝缘区101，如图6所示，绝缘区101将悬空膜层与掺杂后的硅片进行电绝缘；绝缘区101形成后，剥离第一保护层106和第二保护层107；在绝缘区101形成过程中，要特别注意刻蚀的时间，刻蚀的深度会影响最终传感器的结构；

5)将上述悬空的膜层与第二金属区1022相连；第一电极100与第一金属区1021相连的电极(第一电极100掺杂后的硅片)，通过上述两个电极形成电容器，形成一种电容式压力传感器。

在一些实施例中，步骤2)中，光刻出刻蚀孔后，经过DRIE(Deep Reactive IonEtching)深硅刻蚀工艺，在硅片上刻蚀出如图3所示的槽体103的阵列。

在一些实施例中，对常规硅片光刻出刻蚀孔，刻蚀孔呈周期性阵列排布。

在一些实施例中，常规硅片刻蚀后，常规硅片所在的界面包括刻蚀孔和刻蚀孔之间的连接区，连接区是不刻蚀的区域。

在一些实施例中，刻蚀完毕后，刻蚀孔的阵列为矩形。

在一些实施例中，刻蚀孔的孔径为微米级，间距为微米级，在微米级别的尺寸都可以实现。

在一些实施例中，刻蚀孔为孔径为0.7μm，间距为0.6μm的圆孔阵列。

在一些实施例中，刻蚀完毕后，刻蚀孔最终延伸入硅片形成的槽体103，槽体103呈周期性阵列排布，槽体103的深度为4μm。

在一些实施例中，步骤3)中，退火温度为1150℃，时间为10min，通过自发的硅原子的表面迁移，形成如图4所示的形貌，为一个悬空的薄膜，作为膜层。

在一些实施例中，膜层为一层。

在一些实施例中，在膜层上依次覆盖第一保护层106和第二保护层107，第一保护层106为氧化硅，第二保护层107为氮化硅。

在一些实施例中，第一保护层106的厚度为30nm；第二保护层107的厚度为90nm。

在一些实施例中，第一保护层106和第二保护层107是通过沉积工艺覆盖在上述膜层上，进而在后续工艺中对膜层上进行保护，避免热氧化过程中对被覆盖区域的膜层造成影响。

在一些实施例中，在膜层上的外周定义绝缘区101，在绝缘区101形成过程中，要特别注意刻蚀每一层的时间；在刻蚀第二保护层107的时候，停止层是第二保护层107；在刻蚀第一保护层106的时候，停止层是第一保护层106；在继续向下刻蚀的时候，停止刻蚀的时机的控制直接影响到后续的结构。

在一些实施例中，第一电极100中，环形槽108延伸入第一电极100的深度等于或者接近于膜层厚度的二分之一。

在一些实施例中，环形槽108的宽度小于等于设定的绝缘区101的宽度。

在一些实施例中，环形槽108刻蚀完毕后，将整体器件进行热氧化处理，将环形槽108区域暴露出来的硅氧化，形成氧化硅层，通过氧化硅层的绝缘性，将掺杂后的硅片和膜层隔开。

在一些实施例中，步骤5)中，通过施加于膜层上的压力改变膜层弯曲度，进而改变电容器的电容。

一种电容式压力传感器的制造方法，在硅迁移后的悬空的膜层上进行绝缘的处理，利用氧化硅的绝缘性在单片硅片上形成上下两个电极以及一个绝缘的腔体105，构成特殊结构的两层硅作为压力传感器，本发明中以此结果形成一种电容式压力传感器。而利用上下两层硅的p-n结绝缘的方式制备的硅迁移压力传感器，在高温下工作漏电很大，本发明的电容式压力传感器具备高绝缘性。

用此种两层膜的结构制造的一种电容式压力传感器，有效的简化了制备压力传感器的工艺，对比于传统工艺能有效减小制备工艺的复杂度；利用硅迁移工艺制备的膜和下方的空腔在1微米左右的大小对于电容式压力传感器有高的性能提升。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本发明实施例所提供的一种电容式压力传感器进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。

Claims (18)

1.一种电容式压力传感器，其特征在于：包括第一电极(100)和第二电极(104)；

所述第二电极(104)为在所述第一电极(100)上悬空后形成的膜层；

所述第一电极(100)和所述第二电极(104)通过绝缘区(101)电绝缘，所述绝缘区(101)包括氧化物。

2.根据权利要求1所述的一种电容式压力传感器，其特征在于：所述氧化物通过热氧化得到。

3.根据权利要求1所述的一种电容式压力传感器，其特征在于：所述第一电极(100)和所述第二电极(104)之间设置腔体(105)，所述第一电极(100)和所述第二电极(104)通过所述腔体(105)隔开。

4.根据权利要求1所述的一种电容式压力传感器，其特征在于：所述绝缘区(101)设置在所述第二电极(104)的外周的环形区域。

5.根据权利要求1所述的一种电容式压力传感器，其特征在于：在所述第一电极(100)上设置第一金属区(1021)，所述第一电极(100)和所述第一金属区(1021)欧姆接触；在所述第二电极(104)上设置第二金属区(1022)，所述第二电极(104)和所述第二金属区(1022)欧姆接触。

6.根据权利要求5所述的一种电容式压力传感器，其特征在于：所述第一金属区(1021)和所述第二金属区(1022)电绝缘。

7.一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：包括：

提供第一电极(100)；

在所述第一电极(100)上形成悬空的膜层，作为第二电极(104)；

在所述第一电极(100)和所述第二电极(104)之间形成绝缘区(101)，所述绝缘区(101)包括氧化物。

8.根据权利要求7所述的一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：所述绝缘区(101)通过热氧化形成。

9.根据权利要求7所述的一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：所述第一电极(100)为掺杂后的硅片，所述第二电极(104)为掺杂后的硅片形成的膜层。

10.根据权利要求7所述的一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：在所述第一电极(100)上沉积第一金属区(1021)，所述第一电极和所述第一金属区(1021)欧姆接触；在所述第二电极(104)上沉积第二金属区(1022)，所述第二电极(104)与所述第二金属区(1022)欧姆接触；所述第一金属区(1021)和所述第二金属区(1022)电绝缘。

11.根据权利要求7所述的一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：在所述第一电极(100)上形成悬空的膜层，具体为：在硅片上刻蚀出槽体(103)，得到刻蚀后的硅片，对所述刻蚀后的硅片退火，得到硅原子迁移后形成的膜层和位于所述膜层下方的腔体(105)。

12.根据权利要求7所述的一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：在所述膜层上沉积第一保护层(106)，在所述第一保护层(106)上沉积第二保护层(107)。

13.根据权利要求12所述的一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：所述第一保护层(106)为氧化硅，所述第二保护层(107)为氮化硅。

14.根据权利要求12所述的一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：在所述绝缘区(101)形成后，剥离所述第一保护层(106)和所述第二保护层(107)。

15.根据权利要求12所述的一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：对所述第二保护层(107)和所述第一保护层(106)进行刻蚀，形成延伸入所述第一电极(100)的环形槽(108)。

16.根据权利要求15所述的一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：所述环形槽(108)延伸入所述第一电极(100)中的深度等于所述第二电极(104)厚度的二分之一。

17.根据权利要求15所述的一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：所述环形槽(108)的宽度小于等于所述绝缘区(101)的宽度。

18.根据权利要求15所述的一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：所述环形槽(108)刻蚀完毕后，进行热氧化处理，形成的氧化层作为绝缘区(101)。

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