CN115014595A - 压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压力传感器及其制备方法。根据SOI衬底中的第一氧化硅层的应力类型，在SOI衬底上设置应力类型相匹配的第二氧化硅层，有效平衡了含有压敏电阻的应变薄膜层其两侧的应力差异，提高应变薄膜层对压力的感应灵敏度，进而可实现小量程检测的目的。同时，硅基盖板还可以和SOI衬底上的第二氧化硅层实现硅‑氧化硅键合，提高键合强度，并且硅基盖板和SOI衬底之间的键合内应力较低，进一步优化了器件的小量程检测的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器是一种常用的传感器，其广泛应用于众多行业中。按照工作原理不同，压力传感器可分为压阻式、电容式、压电式、声表面波式和霍尔效应式等等，其中压阻式压力传感器以其高灵敏度、低成本而得到广泛应用。具体而言，压阻式压力传感器通常是利用压敏电阻的压阻效应，将其所受到的压力以电信号的形式输出，进而可由检测到的电信号得到对应的力的变化。然而，目前的压力传感器的检测灵敏度仍有待提高，并且受到其检测灵敏度的限制导致对小量程的压力检测难以实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压力传感器及其制备方法，以解决现有的压力传感器的检测灵敏度不佳且难以实现小量程检测的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种压力传感器，包括：SOI衬底，所述SOI衬底的第一表面形成有压敏电阻，所述SOI衬底的第二表面形成有第一腔体，所述第一腔体暴露出SOI衬底中的第一氧化硅层；第二氧化硅层，形成在所述SOI衬底的第一表面上并覆盖所述压敏电阻，所述第二氧化硅层的应力类型和所述第一氧化硅层的应力类型相同；以及，硅基盖板，所述硅基盖板中形成有第二腔体，所述硅基盖板以所述第二腔体朝向所述SOI衬底的方向键合在所述第二氧化硅层上。
可选的，所述第二氧化硅层和所述第一氧化硅层均为拉应力层；或者，所述第二氧化硅层和所述第一氧化硅层均为压应力层。
可选的，所述SOI衬底的第一表面还形成有导线，所述导线连接所述压敏电阻。
可选的，所述压敏电阻包括形成在所述SOI衬底中的第一离子掺杂区，所述导线包括形成在所述SOI衬底中的第二离子掺杂区，所述第二离子掺杂区和所述第一离子掺杂区部分重叠以相互连接。
可选的，所述导线还延伸至所述第二腔体的投影区域之外，以及在所述SOI衬底的第一表面上还形成有导电连接件，所述导电连接件连接所述导线。
可选的，所述第二氧化硅层包括下层氧化硅层和上层氧化硅层，所述导电连接件包括接触柱和接触垫；其中，所述下层氧化硅层覆盖所述SOI衬底的第一表面，所述接触柱贯穿所述下层氧化硅层至所述导线，所述接触垫形成在所述下层氧化硅层的表面上并覆盖所述接触柱；以及，所述上层氧化硅层形成在所述下层氧化硅层上，并至少部分覆盖所述导电连接件。
可选的，所述压力传感器还包括互连结构，所述互连结构贯穿所述硅基盖板并连接所述导电连接件。
可选的，所述压力传感器还包括绝缘介质层，所述绝缘介质层覆盖所述硅基盖板的表面，并位于所述互连结构和所述硅基盖板之间。
本发明还提供了一种压力传感器的制备方法，包括：提供SOI衬底，所述SOI衬底中具有第一氧化硅层，并在所述SOI衬底的第一表面形成压敏电阻；根据所述第一氧化硅层的应力类型，在所述SOI衬底的第一表面上形成相同应力类型的第二氧化硅层；将所述SOI衬底和一硅基盖板键合，所述硅基盖板中形成有第二腔体，所述硅基盖板以所述第二腔体朝向所述SOI衬底的方向键合在所述第二氧化硅层上；以及，对所述SOI衬底的第二表面执行刻蚀工艺，以形成第一腔体，所述第一腔体暴露出所述第一氧化硅层。
可选的，所述第二氧化硅层的形成方法包括低压化学气相沉积或者等离子增强化学气相淀积。
可选的，制备所述第二氧化硅层的反应源包括正硅酸乙酯和氧气；其中，所述第一氧化硅层为拉应力层，则调整沉积工艺中TEOS和氧气的流量比为(0.3～0.8)：1，以形成具备拉应力的第二氧化硅层；或者，所述第一氧化硅层为压应力层，则调整沉积工艺中TEOS和氧气的流量比为1：(1～1.5)，以形成具备压应力的第二氧化硅层。
可选的，所述压敏电阻的制备方法包括：执行第一离子注入工艺，以形成第一离子掺杂区在所述SOI衬底中。
可选的，在形成所述第二氧化硅层之前还包括：执行第二离子注入工艺，以在所述SOI衬底中形成第二离子掺杂区，所述第二离子掺杂区构成导线，并且所述第二离子掺杂区和所述第一离子掺杂区部分重叠，以使所述导线连接所述压敏电阻。
在本发明提供的压力传感器中，根据SOI衬底中的第一氧化硅层的应力类型，在SOI衬底上设置应力类型相匹配的第二氧化硅层，有效降低了含有压敏电阻的应变薄膜层其两侧的应力差异，实现应变薄膜层两侧的应力平衡，有利于提高应变薄膜层对压力的感应灵敏度，如此即可进一步实现小量程检测的目的。
进一步的，本发明中采用硅基材料的盖板封装形成第二腔体，使得硅基盖板和SOI衬底之间具有较低的键合内应力，进一步优化器件的小量程检测的性能。以及，硅基盖板还可以和SOI衬底上的第二氧化硅层实现硅-氧化硅键合，提高键合强度。在此基础上，还有利于将器件的连接端口引导至硅基盖板背离SOI衬底的表面上，避免了与检测电路直接连接的导电连接件暴露出而受到腐蚀的问题，提高了器件的使用寿命，并可拓宽器件的使用环境。
附图说明
图1为本发明一实施例中的压力传感器的结构示意图。
图2为本发明一实施例中的压力传感器的制备方法的流程示意图。
图3-图9为本发明一实施例中的压力传感器在其制备过程中的结构示意图。
其中，附图标记如下：
100-SOI衬底；
100a-第一腔体；
110-硅基底；
120-第一氧化硅层；
130-半导体层；
210-压敏电阻；
220-导线；
300-硅基盖板；
300a-第二腔体；
400-第二氧化硅层；
410-下层氧化硅层；
420-上层氧化硅层；
500-导电连接件；
600-互连结构；
700-绝缘介质层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的压力传感器及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。应当认识到，附图中所示的诸如“上方”，“下方”，“顶部”，“底部”，“上方”和“下方”之类的相对术语可用于描述彼此之间的各种元件的关系。这些相对术语旨在涵盖除附图中描绘的取向之外的元件的不同取向。例如，如果装置相对于附图中的视图是倒置的，则例如描述为在另一元件“上方”的元件现在将在该元件下方。
图1中示意出了本发明一实施例中的压力传感器的结构示意图。如图1所示，本实施例中的压力传感器包括：SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)衬底100(该SOI衬底100中具有第一氧化硅层120)、形成在所述SOI衬底100上的第二氧化硅层400、以及键合在所述第二氧化硅层上的硅基盖板300。其中，所述SOI衬底100的厚度例如为5um-200um。
其中，所述SOI衬底100的第一表面(例如正面)形成有至少一个压敏电阻210，所述SOI衬底100的第二表面(例如背面)形成有第一腔体100a，所述第一腔体100a暴露出所述SOI衬底100中的第一氧化硅层120。
具体而言，所述SOI衬底100包括由第二表面至第一表面的方向依次堆叠设置的硅基底110、第一氧化硅层120和半导体层130。所述第一空腔100a从所述SOI衬底100的第二表面贯穿所述硅基底110，并暴露出所述第一氧化硅层120。以及，所述压敏电阻210形成在所述半导体层130上，并对应在所述第一腔体100a的投影区域内，此处所述的“投影区域”具体是：第一腔体100a沿着SOI衬底的厚度方向投影至SOI衬底上的投影区域。
可以理解的是，所述第一空腔100a所对应的区域是压力传感器对待测压力的压力感应区，待测介质的压力作用于SOI衬底100由第一腔体100a暴露出的背面(本实施例中，待测介质的压力作用于SOI衬底100中的第二氧化硅层120的背面)，从而引起压敏电阻210发生形变，压敏电阻210由于形变而发生阻值变化，由此即可得到因为压力而引起的电信号变化，进而检测出对应的压力值。
本实施例中，所述压敏电阻210包括第一离子掺杂区，所述第一离子掺杂区形成在所述半导体层130中，在一具体示例中所述第一离子掺杂区例如为P型掺杂区。
继续参考图1所示，在所述SOI衬底100上还形成有导线220，所述导线220用于连接所述压敏电阻210，具体可通过所述导线220连接半导体层130中的多个压敏电阻210以形成检测电路(例如，将多个压敏电阻210以惠斯通电桥连接)。具体示例中，所述导线220例如包括形成在所述半导体层130中的第二离子掺杂区，所述第二离子掺杂区和所述压敏电阻210的第一离子掺杂区部分重叠以实现相互连接。本实施例中，所述第二离子掺杂区和第一掺杂区的顶部重叠，进而实现相互连接。
其中，所述第二离子掺杂区和所述第一离子掺杂区的掺杂类型相同，且所述第二离子掺杂区的离子掺杂浓度高于所述第一离子掺杂区的离子掺杂浓度。例如，所述第二离子掺杂区为重掺杂的P型掺杂区，其离子掺杂浓度为1E15atom/cm3-9E16atom/cm3；以及，所述第一离子掺杂区为轻掺杂的P型掺杂区，其离子掺杂浓度为1E14 atom/cm3-9E15 atom/cm3。
继续参考图1所示，所述硅基盖板300中形成有第二腔体300a，所述硅基盖板300以其第二腔体朝向所述SOI衬底100的方向键合在所述SOI衬底100的第一表面上。具体而言，所述第二腔体300a所围绕出的腔体即构成了参考压力腔，其在所述SOI衬底100的第一表面上产生参考压力，所述参考压力腔所产生的参考压力例如为0.001mbar-1.01325bar。
即，本实施例中的压力传感器其进行检测的检测原理例如是：待测介质通过第一腔体100a对SOI衬底施加的外界压力相对于参考压力腔对SOI衬底的第一表面施加的参考压力之间的压力差值，该压力差值进一步引起SOI衬底中的压敏电阻210发生形变，压敏电阻210由于形变而发生阻值变化，由此即可得到对应的电信号变化，进而可检测出待测介质相对于参考压力腔的压力差，或者可进一步得到待测介质的具体压力值。
继续参考图1所示，在所述SOI衬底100的第一表面上还形成有第二氧化硅层400，所述第二氧化硅层400覆盖所述压敏电阻210，此时，所述第二腔体300a所对应的参考压力即作用在所述第二氧化硅层400上。可以认为，含有压敏电阻210的半导体层130、位于半导体层130两侧的第一氧化硅层120和第二氧化硅层400即构成了应变薄膜层，所述应变薄膜层的两侧分别受到参考压力和待测介质的压力作用，两者的压力差使得所述应变薄膜层产生相应的形变量。
进一步的，所述第二氧化硅层400的应力类型和所述第一氧化硅层120的应力类型相同。例如，所述第二氧化硅层400和所述第一氧化硅层120均具有拉应力；或者，所述第二氧化硅层400和所述第一氧化硅层120均具有压应力。在实际应用中，所述第二氧化硅层400的应力类型即可根据所述SOI衬底中的第一氧化硅层120的应力类型而对应调整，以使得所述第二氧化硅层400和所述第一氧化硅层120的应力类型相匹配。
如上所述，所述应变薄膜层的两侧分别受到参考压力和待测介质的压力作用，并基于两者的压力差使得所述应变薄膜层产生相应的形变量。针对这一检测原理，本发明的发明人发现，若应变薄膜层两侧已然出现较大的应力差异时，将会导致应力薄膜层的零点偏移电压和迟滞变大、非线性度变差、灵敏度降低，不利于实现高精度的压力检测。在经过进一步的研究后发现，针对应变薄膜层两侧的应力差异的这一问题，其主要来自于SOI衬底100中的第一氧化硅层120。即，含有压敏电阻的半导体层130和第一氧化硅层120所构成的应变薄膜层，其容易出现两侧的应力不平衡的问题。为此，本实施例中，在所述SOI衬底100的第一表面上再额外设置和第一氧化硅层120应力类型相同的第二氧化硅层400，有效降低了应变薄膜层两侧的应力差异，有利于实现应变薄膜层两侧的应力平衡，提高了应变薄膜层对压力的感应灵敏度，如此，还有利于进一步实现小量程的检测目的。
具体示例中，可以在第二氧化硅层400的应力类型和第一氧化硅层120的应力类型一致的基础上，进一步调整第二氧化硅层400的应力值，以使得第二氧化硅层400的应力能够更接近甚至等于第一氧化硅层120的应力值，最大限度的消除应变薄膜层两侧的应力差异。例如，可通过改变第二氧化硅层400的制备工艺而调整第二氧化硅层400的应力类型和应力值；和/或，调整第二氧化硅层400的厚度以控制第二氧化硅层400的应力类型和应力值等。
需要说明的是，本实施例中，所述第一腔体100a停留在第一氧化硅层120上而未贯穿第一氧化硅层120，避免了半导体层130被暴露出，从而可利用第一氧化硅层120实现对半导体层130背面的绝缘覆盖。以及，在半导体层130正面上覆盖第二氧化硅层400，从而可利用第二氧化硅层400对半导体层130的正面进行绝缘覆盖，确保了半导体层130内的压敏电阻及其检测电路的性能稳定性。
此外，所述第二氧化硅层400还用于实现SOI衬底100和所述硅基盖板300之间的键合连接。具体而言，所述硅基盖板300和所述第二氧化硅层400之间可以实现硅-氧化硅键合，有利于降低健合内应力并提高键合强度，并可以实现第二腔体300a在SOI衬底100上具有较佳的气密性封装。
继续参考图1所示，本实施例中，所述压敏电阻210被封盖在所述第二腔体300a的投影区域内。以及，所述导线220连接所述压敏电阻210并进一步延伸至所述第二腔体300a的投影区域之外，从而可利用所述导线220实现检测电路的电性引出。
具体而言，在所述SOI衬底100上还形成有导电连接件500，所述导电连接件500电连接所述导线220，以用于电性引出含压敏电阻的检测电路。其中，所述导电连接件500例如为金属连接件。
本实施例中，所述导电连接件500掩埋在所述第二氧化硅层400中。具体的，所述导电连接件500包括相互连接的接触柱和接触垫，所述接触柱的底部延伸至所述导线220，所述接触垫至少部分从所述第二氧化硅层400中暴露出。
具体示例中，所述第二氧化硅层400包括下层氧化硅层410和上层氧化硅层420。其中，所述下层氧化硅层410覆盖所述半导体层130的表面，所述导电连接件500的接触柱贯穿所述下层氧化硅层410而连接所述导线220，所述导电连接件500的接触垫延伸至所述下层氧化硅层410的表面上。所述上层氧化硅层420形成在所述下层氧化硅层410上，并且所述导电连接件500的接触垫至少部分从所述上层氧化硅层420暴露出，以用于和硅基盖板300上的互连结构600连接。
进一步的，所述上层氧化硅层420的顶表面高于所述导电连接件500的顶表面，并且所述上层氧化硅层420为平坦化后的氧化硅层而具备平坦的表面，从而可以和所述硅基盖板300之间形成均匀稳定的键合。
继续参考图1所示，所述硅基盖板300中具有位于所述导电连接件500上方的通孔，所述通孔贯穿所述硅基盖板300至所述导电连接件500。以及，在所述通孔内还形成有互连结构600，所述互连结构600和所述导电连接件500连接，以通过所述互连结构600实现检测电路的电性引出。
需要说明的是，本实施例中采用硅基盖板300进行键合以形成参考压力腔，其可以有效降低硅基盖板300和SOI衬底100之间的键合内应力，进一步优化器件的小量程检测的性能。并且，基于所述硅基盖板300即可以执行硅通孔工艺(Through Silicon Via，TSV)，使得导电连接件500可以被引到硅基盖板300背离SOI衬底的表面上，从而直接在硅基盖板300的表面上实现电性引出(即，互连结构500可延伸设置在硅基盖板300的表面上)。
而在传统技术中，通常是采用玻璃盖板进行键合形成参考压力腔，此时玻璃盖板和衬底之间的键合内应力比较大，只适合大量程且对压力精度要求低的环境使用。并且，在电信号引出时需要将连接检测电路的焊盘暴露在玻璃盖板之外，并采用引线键合技术引出，此时裸露出的焊盘的抗腐蚀能力差，不适用于比较苛刻的工作环境中。与传统技术相比，本实施例中的压力传感器具备更高的检测灵敏度，能够实现小量程检测的目的，并且还有利于提高器件的抗腐蚀能力，提高器件的使用寿命，拓宽器件的使用环境。
进一步的方案中，在所述硅基盖板300上还形成有绝缘介质层700，所述绝缘介质层700至少设置在所述互连结构600和所述硅基盖板300之间，以使得所述互连结构600和所述硅基盖板300之间绝缘设置。本实施例中，所述互连结构600形成在所述通孔内并延伸至所述硅基盖板300背离SOI衬底的表面上，此时，即可使所述绝缘介质层700至少覆盖所述通孔的侧壁和对应的硅基盖板的表面，以使互连结构600未直接接触所述硅基盖板300。当然，在具体示例中，所述绝缘介质层700还可完全覆盖所述硅基盖板300暴露出的表面，以实现对硅基盖板300的绝缘保护。
针对如上所述的压力传感器，以下对其制备方法进行说明。具体可参考图2所示，所述压力传感器的制备方法可包括如下步骤。
步骤S100，提供SOI衬底，所述SOI衬底中具有第一氧化硅层，并在所述SOI衬底的第一表面形成压敏电阻。
步骤S200，根据所述第一氧化硅层的应力类型，在所述SOI衬底的第一表面上形成相同应力类型的第二氧化硅层。
步骤S300，将所述SOI衬底和一硅基盖板键合，所述硅基盖板中形成有第二腔体，所述硅基盖板以所述第二腔体朝向所述SOI衬底的方向键合在所述第二氧化硅层上。
步骤S400，对所述SOI衬底的第二表面执行刻蚀工艺，以形成第一腔体，所述第一腔体暴露出所述第一氧化硅层。
下面结合图3-图9，对本实施例中的压力传感器的制备方法的各个步骤进行详细说明。
在步骤S100中，具体参考图3和图4所示，提供SOI衬底100，所述SOI衬底100中具有第一氧化硅层120，并在所述SOI衬底100的第一表面上形成压敏电阻210。
具体的，所述SOI衬底100包括由第二表面至第一表面的方向依次堆叠设置的硅基底110、第一氧化硅层120和半导体层130。以及，所述压敏电阻210可形成在所述半导体层130中。
继续参考图4所示，所述压敏电阻210的制备方法可包括：执行第一离子注入工艺，以在所述SOI衬底100中形成第一离子掺杂区，所述第一离子掺杂区例如为P型掺杂区。
进一步的，在所述SOI衬底100中还形成有导线220，所述导线220连接所述压敏电阻210以形成检测电路(例如，可将半导体层130内的多个压敏电阻以惠斯通电桥连接)。具体示例中，所述导线220也可采用离子注入工艺形成，例如，可通过第二离子注入工艺在所述SOI衬底100中形成第二离子掺杂区以构成所述导线220。其中，所述第二离子注入区具有和所述第一离子注入区重叠的部分(例如，所述第二离子注入区具有和第一离子注入区的顶部重叠的部分)，以使所述导线220连接所述压敏电阻210，以及所述第二离子注入区的掺杂浓度均高于所述第一离子掺杂区的掺杂浓度。
本实施例中，所述压敏电阻210形成在压力感测区内，所述导线220在所述压力感测区内连接所述压敏电阻210并进一步延伸出所述压力感测区。
在步骤S200中，具体参考图5所示，根据所述第一氧化硅层120的应力类型，在所述SOI衬底100的第一表面上形成相同应力类型的第二氧化硅层400。本实施例中，所述第二氧化硅层400即形成在所述半导体层130上并覆盖所述压敏电阻210。
具体示例中，所述第二氧化硅层400可采用沉积工艺形成，例如，低压化学气相沉积(LPCVD)或者等离子增强化学气相淀积(PECVD)，以及化学气相沉积中例如可采用TEOS(正硅酸乙酯)和氧气作为反应源。进一步的，可通过调整沉积工艺中TEOS和氧气的供应比例，以进一步控制所形成的第二氧化硅层400的应力类型。例如，当所述第一氧化硅层120为拉应力层，此时在利用沉积工艺形成所述第二氧化硅层400时，可调整沉积工艺中TEOS和氧气的流量比为(0.3～0.8)：1，以使得所制备的第二氧化硅层400具备拉应力。或者，所述第一氧化硅层120为压应力层，此时可调整TEOS和氧气的流量比为1：(1～1.5)，以使得所制备的第二氧化硅层400具备压应力。此外，在调控所形成的第二氧化硅层400的应力类型时，还可结合沉积工艺中的射频功率进行调整，例如，当需要形成具有拉应力的第二氧化硅层时，可调整沉积工艺中的射频功率为450W-500W；以及，当需要形成具有压应力的第二氧化硅层时，则可调整沉积工艺中的射频功率为350W-400W。
进一步的，还可根据SOI衬底100中的第一氧化硅层120的应力值，对应调整第二氧化硅层400的厚度等，以使第二氧化硅层400的应力值和第一氧化硅层的应力值更接近。例如，所述SOI衬底100中的第一氧化硅层120其最终保留下的膜层厚度介于0um-1um之间，其应力值为-300MPa-+300MPa之间，此时可使所形成的第二氧化硅层400的厚度介于0um-1um之间，其应力值也为-300MPa-+300MPa之间。
继续参考图5所示，在制备所述第二氧化硅层400的过程中还包括：在所述SOI衬底100的第一表面上形成导电连接件500，所述导电连接件500连接所述导线220，并且所述导电连接件500可掩埋在所述第二氧化硅层400。
具体示例中，所述导电连接件500和所述第二氧化硅层400的制备过程包括：首先，在所述SOI衬底100的第一表面上形成下层氧化硅层410，所述下层氧化硅层410覆盖所述半导体层130的表面；接着，制备所述导电连接件500，所述导电连接件500包括相互连接的接触柱和接触垫，所述接触柱贯穿所述下层氧化硅层410至所述导线220，所述接触垫延伸至所述下层氧化硅层410的表面上；接着，形成上层氧化硅层420，所述上层氧化硅层420覆盖所述下层氧化硅层410和所述导电连接件500。本实施例中，还包括对所述上层氧化硅层420执行平坦化工艺，以平整化所述上层氧化硅层420的顶表面使其具有平坦表面，有利于实现后续和硅基盖板的相互键合。
在步骤S300中，具体参考图6所示，将所述SOI衬底100和一硅基盖板300键合，所述硅基盖板300中形成有第二腔体300a，所述硅基盖板300以所述第二腔体300a朝向所述SOI衬底100的方向键合在所述第二氧化硅层400上。
其中，可通过刻蚀工艺刻蚀所述硅基盖板300，以形成所述第二腔体300a。需要说明的是，刻蚀硅基盖板以形成具有第二腔体300的硅基盖板300的执行步骤与如上所述的步骤S100和步骤S200的先后顺序不做限制，例如可以先于如上所述的步骤S100和步骤S200，而优先对硅基盖板进行刻蚀形成带有第二腔体300的硅基盖板300；或者，也可以在如上所述的步骤S100和步骤S200执行完毕之后，再刻蚀硅基盖板以形成具有第二腔体300的硅基盖板300；又或者，刻蚀硅基盖板以形成具有第二腔体300的硅基盖板300的执行步骤和如上所述的步骤S100和步骤S200可同步进行。
本实施例中，所述硅基盖板300和所述SOI衬底100之间的键合过程，其具体是基于硅基盖板300和第二氧化硅层400之间的硅-氧化硅键合工艺而实现的。此外，由于所述第二氧化硅层400覆盖所述压敏电极210、导线220和导电连接件500，使得导电连接件500、压敏电极210和导线220能够和硅基盖板300之间相互绝缘，避免了出现短路的问题。
可选的方案中，所述硅基盖板300和所述第二氧化硅层400之间的键合过程可包括：对所述硅基盖板300和所述第二氧化硅层400进行预键合，该预键合具体可以在常温环境下进行，此时所述硅基盖板300和第二氧化硅层400之间可基于分子间作用力而相互结合(例如，可基于硅基盖板和第二氧化硅层中的羟基而形成氢键)；接着，执行退火工艺，以增加键合结合力，所述退火工艺的退火温度例如介于300℃-450℃之间，以及退火时间例如介于60min-300min之间。具体而言，通过退火工艺可使键合界面上的原子排列发生重组，例如，通过退火工艺使得键合界面脱水而形成硅氧键，进而形成牢固的共价键。
进一步的方案中，具体参考图7和图8所示，所述压力传感器的制备方法还包括：刻蚀所述硅基盖板300以形成通孔610，所述通孔610贯穿所述硅基盖板300并暴露出所述导电连接件500；以及，形成互连结构600，所述互连结构600至少形成在所述通孔内并和所述导电连接件500连接。本实施例中，所述互连结构600还进一步延伸至所述硅基盖板300的表面上。
继续参考图8所示，本实施例中，在形成所述互连结构600之前，还包括：形成绝缘介质层700，所述绝缘介质层700至少设置在所述互连结构600和所述硅基盖板300之间，以使得所述互连结构600和所述硅基盖板300之间绝缘设置。本实施例中，所述绝缘介质层700覆盖所述通孔的侧壁并延伸至所述硅基盖板300背离SOI衬底的表面上，以实现对硅基盖板300的绝缘保护。具体示例中，所述绝缘介质层700的材料可选自氧化硅和/或氮化硅，以及所述绝缘介质层700可采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)制备，也可以选择亚常压化学气相沉积(SACVD)制备。
在步骤S400中，具体参考图9所示，对所述SOI衬底100的第二表面执行刻蚀工艺，以形成第一腔体100a，所述第一腔体100a暴露出所述第一氧化硅层120。
其中，所述第一腔体100a和所述第二腔体300a分别位于应变薄膜层的两侧，所述第一腔体100a用于感测外界压力并和第二腔体300a的参考压力共同作用于所述应变薄膜层上，以使得所述应变薄膜层可以根据外界压力相对于参考压力的压力差而产生对应的形变，进而通过电性号的方式被检测出。
综上所述，本实施例提供的压力传感器中，通过在SOI衬底上设置特定应力的第二氧化硅层，有效平衡了含有压敏电阻的应变薄膜层其两侧的应力差异，提高应变薄膜层对压力的感应灵敏度，进而可实现小量程检测的目的。
进一步的，采用硅基材料的盖板封装形成第二腔体，其可以有效降低盖板和SOI衬底之间的键合内应力，进一步优化器件的小量程检测的性能。并且，硅基盖板还可以和SOI衬底上的第二氧化硅层实现硅-氧化硅键合，提高键合强度。此外，还可将器件的连接端口(例如，互连结构)引导至硅基盖板背离SOI衬底的表面上，避免了与检测电路直接连接的导电连接件暴露出而受到腐蚀的问题，提高了器件的使用寿命，并可拓宽器件的使用环境。
需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。
Claims (13)
1.一种压力传感器，其特征在于，包括：
SOI衬底，所述SOI衬底的第一表面形成有压敏电阻，所述SOI衬底的第二表面形成有第一腔体，所述第一腔体暴露出SOI衬底中的第一氧化硅层；
第二氧化硅层，形成在所述SOI衬底的第一表面上并覆盖所述压敏电阻，所述第二氧化硅层的应力类型和所述第一氧化硅层的应力类型相同；以及，
硅基盖板，所述硅基盖板中形成有第二腔体，所述硅基盖板以所述第二腔体朝向所述SOI衬底的方向键合在所述第二氧化硅层上。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第二氧化硅层和所述第一氧化硅层均为拉应力层；或者，所述第二氧化硅层和所述第一氧化硅层均为压应力层。
3.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述SOI衬底的第一表面还形成有导线，所述导线连接所述压敏电阻。
4.如权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述压敏电阻包括形成在所述SOI衬底中的第一离子掺杂区，所述导线包括形成在所述SOI衬底中的第二离子掺杂区，所述第二离子掺杂区和所述第一离子掺杂区部分重叠以相互连接。
5.如权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述导线还延伸至所述第二腔体的投影区域之外，以及在所述SOI衬底的第一表面上还形成有导电连接件，所述导电连接件连接所述导线。
6.如权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，所述第二氧化硅层包括下层氧化硅层和上层氧化硅层，所述导电连接件包括接触柱和接触垫；
其中，所述下层氧化硅层覆盖所述SOI衬底的第一表面，所述接触柱贯穿所述下层氧化硅层至所述导线，所述接触垫形成在所述下层氧化硅层的表面上并覆盖所述接触柱；以及，所述上层氧化硅层形成在所述下层氧化硅层上，并至少部分覆盖所述导电连接件。
7.如权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，还包括互连结构，所述互连结构贯穿所述硅基盖板并连接所述导电连接件。
8.如权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，还包括绝缘介质层，所述绝缘介质层覆盖所述硅基盖板的表面，并位于所述互连结构和所述硅基盖板之间。
9.一种压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供SOI衬底，所述SOI衬底中具有第一氧化硅层，并在所述SOI衬底的第一表面形成压敏电阻；
根据所述第一氧化硅层的应力类型，在所述SOI衬底的第一表面上形成相同应力类型的第二氧化硅层；
将所述SOI衬底和一硅基盖板键合，所述硅基盖板中形成有第二腔体，所述硅基盖板以所述第二腔体朝向所述SOI衬底的方向键合在所述第二氧化硅层上；以及，
对所述SOI衬底的第二表面执行刻蚀工艺，以形成第一腔体，所述第一腔体暴露出所述第一氧化硅层。
10.如权利要求9所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第二氧化硅层的形成方法包括低压化学气相沉积或者等离子增强化学气相淀积。
11.如权利要求10所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，制备所述第二氧化硅层的反应源包括正硅酸乙酯和氧气；
其中，所述第一氧化硅层为拉应力层，则调整沉积工艺中TEOS和氧气的流量比为(0.3～0.8)：1，以形成具备拉应力的第二氧化硅层；或者，所述第一氧化硅层为压应力层，则调整沉积工艺中TEOS和氧气的流量比为1：(1～1.5)，以形成具备压应力的第二氧化硅层。
12.如权利要求9所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述压敏电阻的制备方法包括：执行第一离子注入工艺，以形成第一离子掺杂区在所述SOI衬底中。
13.如权利要求12所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，在形成所述第二氧化硅层之前还包括：执行第二离子注入工艺，以在所述SOI衬底中形成第二离子掺杂区，所述第二离子掺杂区构成导线，并且所述第二离子掺杂区和所述第一离子掺杂区部分重叠，以使所述导线连接所述压敏电阻。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117246973A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-19 | 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 | 微机电压力传感器及其制备方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100300207A1 (en) * | 2009-05-27 | 2010-12-02 | Temic Automotive Of North America, Inc. | Pressure sensor for harsh media sensing and flexible packaging |
| US20150260597A1 (en) * | 2014-03-12 | 2015-09-17 | Stmicroelectronics S.R.L. | Microelectromechanical sensing structure for a pressure sensor including a deformable test structure |
| US20180275000A1 (en) * | 2015-08-17 | 2018-09-27 | Institute of Geolgy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences | Mems pressure gauge sensor and manufacturing method |
| CN109390373A (zh) * | 2017-08-08 | 2019-02-26 | 上海视涯信息科技有限公司 | 封装结构及其封装方法 |
| US20190145842A1 (en) * | 2016-06-14 | 2019-05-16 | Institute Of Geology And Geophysics, Chinese Academy Of Sciences | A dual-cavity pressure sensor die and the method of making same |
| CN112798158A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-05-14 | 江西新力传感科技有限公司 | 一种压力传感器芯片及压力传感器 |
| CN113074845A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-07-06 | 江西新力传感科技有限公司 | 一种压力传感器芯片的制造工艺 |
| CN114235232A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-25 | 东南大学 | 一种mems压力传感器及其制备方法 |
-
2022
- 2022-06-21 CN CN202210708560.7A patent/CN115014595A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100300207A1 (en) * | 2009-05-27 | 2010-12-02 | Temic Automotive Of North America, Inc. | Pressure sensor for harsh media sensing and flexible packaging |
| US20150260597A1 (en) * | 2014-03-12 | 2015-09-17 | Stmicroelectronics S.R.L. | Microelectromechanical sensing structure for a pressure sensor including a deformable test structure |
| US20180275000A1 (en) * | 2015-08-17 | 2018-09-27 | Institute of Geolgy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences | Mems pressure gauge sensor and manufacturing method |
| US20190145842A1 (en) * | 2016-06-14 | 2019-05-16 | Institute Of Geology And Geophysics, Chinese Academy Of Sciences | A dual-cavity pressure sensor die and the method of making same |
| CN109390373A (zh) * | 2017-08-08 | 2019-02-26 | 上海视涯信息科技有限公司 | 封装结构及其封装方法 |
| CN112798158A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-05-14 | 江西新力传感科技有限公司 | 一种压力传感器芯片及压力传感器 |
| CN113074845A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-07-06 | 江西新力传感科技有限公司 | 一种压力传感器芯片的制造工艺 |
| CN114235232A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-25 | 东南大学 | 一种mems压力传感器及其制备方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117246973A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-19 | 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 | 微机电压力传感器及其制备方法 |
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