CN115901029A - 一种压力芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压力芯片及其制作工艺，压力芯片包括：器件层，其上表层内集成有压力检测电路，压力检测电路通过金属电极与外部电连接，压力检测电路包括压阻元件；固定贴合于器件层上侧表面的保护层，其上设置有供金属电极上下侧贯穿的接触孔；固定贴合于器件层下表面的隔离连接层；及固定贴合于隔离连接层下表面的支撑层，其内设置有第一腔体，压阻元件位于第一腔体的正上方；第一腔体的下端延伸至隔离连接层的下表面而形成压力导入口，第一腔体的上端延伸至隔离连接层的下表面。本发明通过对芯片材料中的残留气体的吸收，能够稳定参考压力腔内的压力。

Description

一种压力芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种压力芯片及其制作方法。

背景技术

由MEMS(Micro Electro Mechanical System，微电子机械系统)技术制造的压阻式压力传感器体积小，易于集成，性能可靠、可实现非电信号到电信号的转换等优势，已经常用于汽车，航空航天、石化和生物医疗等领域中进行压力测量。其核心元件为压力芯片，压力芯片的制作方法通常为：在硅晶圆上制备出压敏电阻结构，并使用金属引线区域或重掺杂硅引线区域将压敏电阻连接成惠斯通电桥结构，再在晶圆背面制备出腔体，使硅晶圆具有一层感压膜层。压敏电阻一般位于膜层的边缘，感压膜在承受压力变形时，感压膜层边缘处产生的应力最大，从而使压敏电阻的阻值发生改变，惠斯通电桥的输出电压也会根据阻值的改变而变化。

如图1所示，在现有技术中，压力芯片的背面腔体通常通过湿法蚀刻制作而成，其在制作时使硅片沿特定晶向布置。因此在使用湿法蚀刻时，背面腔体的侧壁与晶片平面有固定的角度α，这使得压力芯片的平面尺寸较大，因此晶圆的利用率仍有提升空间。

另一方面，对于绝对压力传感器而言，还需要在感压材料的正面设置用于参考压力腔(通常为真空腔)。由于压力芯片在制造过程中会在很多情况下不可避免地使用氢气作为工艺气或反应气，因此压力芯片中的部分残留氢气会缓慢积聚于参考压力腔内；另外在芯片的键合过程中，也会残留部分水汽、氮气等。这些残留气体会在使用过程中缓慢释放。这会使得参考压力腔内的压力增大，最终使测量结果发生偏差。

本部分中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息并且可以不构成现有技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种压力芯片及其制作方法，以对芯片材料中的残留氢气进行吸收，从而稳定参考压力腔内的压力。

为实现上述目的，本发明提供了一种压力芯片，其包括：

器件层，其上表层内集成有压力检测电路，压力检测电路通过金属电极与外部电连接，压力检测电路包括压阻元件；

固定贴合于器件层上侧表面的保护层，其上设置有供金属电极上下侧贯穿的接触孔；

固定贴合于器件层下表面的隔离连接层；

及固定贴合于隔离连接层下表面的支撑层，其内设置有第一腔体，压阻元件位于第一腔体的正上方；第一腔体的下端延伸至隔离连接层的下表面而形成压力导入口，第一腔体的上端延伸至隔离连接层的下表面。

优选地，保护层的上表面设有盖，盖与保护层之间形成密封的参考压力腔，压阻元件位于参考压力腔的正下方。

优选地，参考压力腔内布设有气体吸收剂。

优选地，所述气体吸收剂为气体吸收膜；盖对应于参考压力腔的一侧表面朝内凹陷形成第一凹槽，气体吸收膜布设于第一凹槽底部。

优选地，所述气体吸收膜的材质为储氢合金。

优选地，器件层的上表面中部朝内凹陷形成第二凹槽，器件层的上表面边缘相对凸起形成第三凸缘；保护层的上表面朝内凹陷形成安装槽，保护层的上表面边缘相对凸起形成第四凸缘；接触孔设置于第四凸缘上；盖连接于安装槽内。

优选地，盖的下端外缘与安装槽的底部边缘吻合。

本发明还提供了一种压力芯片的制作方法，其包括步骤：

将支撑层和器件层分别制作于隔离连接层的上、下两侧，并在器件层的上表面制作遮蔽层；

通过离子注入工艺，在器件层的表层制作压力检测电路；

通过蚀刻等工艺去除表面的遮蔽层；

在器件层的上表面通过外延生长制作出保护层；

通过图案化蚀刻在保护层上制作接触孔；

通过PVD工艺在保护层上制作金属层；

通过图案化蚀刻在金属层上保留接触孔对应的部分，从而形成出金属电极；

将盖密封连接于保护层的上表面，使两者之间形成第二腔体；

将盖的多余部分通过DRIE工艺去除，露出金属电极；并通过湿法蚀刻工艺在支撑层的下表面形成第一腔体。

优选地，盖由如下方法制得：

在盖的下表面通过DRIE工艺制作出第一凹槽和让位槽；

在盖的下表面制作由金属质储氢材料制作的气体吸收膜；

对气体吸收膜进行金属蚀刻以使第二凸缘露出。

附图说明

图1为现有技术中的压力芯片的示意图；

图2为本发明第一实施例的压力芯片的结构示意图；

图3～图13为本发明第一实施例的压力芯片的组成部分在分步制作时的结构示意图；

图14为本发明第二实施例的压力芯片的结构示意图；

图15为本发明第三实施例的压力芯片的结构示意图；

图中：1、支撑层；1a、第一腔体；1b、第一凸缘；1c、腔壁；2、隔离连接层；3、器件层；3a、电阻；3b、导体；3c、接触电极；4、遮蔽层；5、保护层；5a、接触孔；5c、安装槽；5d、第四凸缘；6、金属层；6a、金属电极；6b、金属电极；7、盖；70、基体；7a、第一凹槽；7b、第二凸缘；7c、让位槽；7d、第二腔体；8、气体吸收膜；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。下列的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。在以下描述中，相同的标记用于表示相同或等效的元件，并且省略重复的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

另外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还应当进一步理解，在本发明说明书和对应的权利要求书中使用的术语“和/或”是指所列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合。

如图2所示。在本发明的第一实施例中，压力芯片包括横向延伸的隔离连接层2，隔离连接层2的上表面贴合有器件层3，隔离连接层2的下表面贴合有支撑层1。

其中，支撑层1的背面中部凹陷形成第一腔体1a，支撑层1的边缘部分相对形成第一凸缘1b。第一凸缘1b用于安装于外部结构(例如陶瓷基板)上。第一腔体1a的腔壁1c倾斜于隔离连接层2。

器件层3的表层可通过离子注入方式形成多个电阻3a(即压阻元件)和用于电连接上述电阻3a的导体3b。其中，上述的多个电阻3a通过导体3b连接形成检测电路。一般地，可以将四个电阻3a与导体3b连接的惠斯通电桥。器件层3的上表面固定贴合有对上述电阻3a和导体3b进行绝缘保护的保护层5。

其中，上述的四个电阻3a朝下正对第一腔体1a，即电阻3a沿纵向均投影至第一腔体1a内。保护层5的上表面固定有盖7。

保护层5与盖7的相邻一侧共同界定一第二腔体7d。上述的四个电阻3a朝上正对第一腔体1a，即电阻3a沿纵向也均投影至第一腔体1a内。这样，第一腔体1a与第二腔体7d均位于器件层3两侧，对其进行作用，进而测量电路其于两侧压力差产生测量电信号。保护层5上还设有上下贯穿保护层5的接触孔5a、5b。导体3b通过金属电极6a、6b向外部电连接以输出测量电信号。

在本实施例中，第二腔体7d中布设有气体吸收剂。其中气体吸收剂可以为膜状材料。例如，盖7包括基体70，基体70的下表面中部朝内凹陷形成第一凹槽7a，第一凹槽7a与保护层5的上表面共同界定第二腔体7d(参考压力腔)。第一凹槽7a的内壁顶部贴合一层可吸收氢气的气体吸收膜8。上述的气体吸收剂，其能够吸收氢气、水汽、氮气中的一种或多种。较佳地，气体吸收膜8可以由已知的储氢材料制得。同时，为了基体70的对应于金属电极6a、6b的部分朝内凹陷形成用于给金属电极6a、6b朝上凸出的部分(其厚度为金属层6的厚度)进行让位，并在后续工艺中对其进行保护。在一些变化的实施例中，气体吸收膜8可以是Ti或者Zr，这样还可以同时吸收部分氢气和水汽。

较佳地，上述储氢材料可以是金属材料，例如稀土系、钛系、锆系和镁系储氢合金。这些金属材料可以很方便地以真空蒸镀或者物理气相沉积等方式制作于盖7或保护层5上。这些合金目前用于氢能源的储存，但在应用于本发明中时，能够吸收少量的氢气即可。特别地，上述第二腔体7d可以为真空腔，此时，在能够吸收少量的氢气时，就可以很大程度降低测量结果偏差。

对于一般的半导体材料硅而言，上述的支撑层1和器件层3可以为硅，隔离连接层2和保护层5可以为氧化硅或氮化硅。

如图3～13图所示，在本实施例中，以硅半导体材料为例说明上述压力芯片的制作方法：

(Ⅰ)将支撑层1(硅层)和器件层3(硅层)分别制作于隔离连接层2(氧化硅层)的上、下两侧，并在器件层3的上表面制作遮蔽层4(氧化硅层)，以形成SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)结构，如图3所示；

其中，上述的SOI结构可通过SIMOX(Seperation by Implant of Oxygen)技术，或者键合技术(WB，WaferBonding)，或者智能剥离技术(Smart-cut)进行制作。其中，Smart-cut技术已经成为制作SOI结构的最具竞争力的一项技术，其通过氢气进行晶层的剥离，因此在使注氢片从粒子注入层完整分裂的过程中，也会引入氢气。

(Ⅱ)通过离子注入工艺，在器件层3的表层的第一区域进行P型掺杂制作电阻3a，再对第一区域的部分区域再进行P型掺杂制作出导体3b；通过离子注入工艺，在器件层3的表层制作出与导体3b连接的接触电极3c，如图4所示；其中，导体3b也可以直接通过重掺杂形成；

(Ⅲ)通过蚀刻等工艺去除表面的遮蔽层4，如图5所示；

(Ⅳ)在器件层3的上表面通过外延生长制作出保护层5，如图6所示；

(Ⅴ)通过图案化蚀刻在保护层5上制作接触孔5a、5b，如图7所示；

(Ⅵ)通过PVD(物理气相沉积)工艺在保护层5上制作金属层6，如图8所示；

(Ⅶ)通过图案化蚀刻在金属层6上保留接触孔5a、5b对应的部分，从而形成出金属电极6a、6b，如图9所示；

(Ⅷ)将盖7通过熔接等方法密封连接于保护层5的上表面，以形成上述的第二腔体7d，如图10所示。

其中，盖7可由硅片制作而来：首先在盖7的下表面通过DRIE(深度反应离子蚀刻)工艺制作出第一凹槽7a和让位槽7c，如图11所示；然后在盖7的下表面制作由储氢合金制作的气体吸收膜8，如图12所示；接着通过对气体吸收膜8进行金属蚀刻使其露出第二凸缘7b，以与保护层进行接合，如图13所示；

(Ⅸ)将盖7的多余部分通过DRIE工艺去除，露出金属电极6a、6b；另外通过湿法蚀刻工艺在支撑层1的下表面形成倾斜侧壁的第一腔体1a，得到如图2所示的压力芯片。

其中，图案化蚀刻是在光刻等掩膜技术的条件下以设定图案进行的蚀刻。

如图14所示，在第一实施例的基础上，在本发明的第二实施例中，可使第一腔体1a也通过DRIE工艺进行制作，由于DRIE工艺的各向异性，因此能够而制作出具有纵向延伸的腔壁1c的第一腔体1a。这样就可以在保证能够将支撑层1有效地安装于外部基体上的最低限度的前提下，显著降低支撑层1的横向尺寸(宽度)，从而提高晶圆的利用率；其中，由于盖7还可以与支撑层1进行类似的DRIE工艺处理，从而节约了设备采购成本。

如图15所示，在以上各实施例的基础上，在本发明的第三实施例中，器件层3的上表面中部朝内凹陷形成第二凹槽，器件层3的上表面边缘相对凸起形成第三凸缘，第二凹槽可用DRIE工艺制作而成。相应地，保护层5的上表面朝内凹陷形成安装槽5c，保护层5的上表面边缘相对凸起形成第四凸缘5d。接触孔5a、5b设置于第四凸缘5d上。盖7连接于安装槽5c内。这样，可以降低盖7顶部凸出于保护层5上表面的高度，从而降低装配或使用时盖7的脱落风险。更佳地，盖7的下端外缘与安装槽5c的底部边缘吻合，从而方便定位。

另外，在以上各实施例的基础上，在本发明的第四实施例中，盖7内省略气体吸收剂，因此在制作上述压力芯片时，可相应地省略制作气体吸收膜与和金属蚀刻的步骤。

本公开内容的范围不是由详细描述限定，而是由权利要求及其等同方案限定，并且在权利要求及其等同方案范围内的所有变型都解释为包含在本公开内容中。

Claims (9)

1.一种压力芯片，其特征在于，包括：

器件层(3)，其上表层内集成有压力检测电路，压力检测电路通过金属电极(6a、6b)与外部电连接，压力检测电路包括压阻元件；

固定贴合于器件层(3)上侧表面的保护层(5)，其上设置有供金属电极(6a、6b)上下侧贯穿的接触孔(5a、5b)；

固定贴合于器件层(3)下表面的隔离连接层(2)；

及固定贴合于隔离连接层(2)下表面的支撑层(1)，其内设置有第一腔体(1a)，压阻元件位于第一腔体(1a)的正上方；第一腔体(1a)的下端延伸至隔离连接层(2)的下表面而形成压力导入口，第一腔体(1a)的上端延伸至隔离连接层(2)的下表面。

2.根据权利要求1所述的压力芯片，其特征在于，保护层(5)的上表面设有盖(7)，盖(7)与保护层(5)之间形成密封的参考压力腔，压阻元件位于参考压力腔的正下方。

3.根据权利要求2所述的压力芯片，其特征在于，参考压力腔内布设有气体吸收剂。

4.根据权利要求3所述的压力芯片，其特征在于，所述气体吸收剂为气体吸收膜(8)；盖(7)对应于参考压力腔的一侧表面朝内凹陷形成第一凹槽(7a)，气体吸收膜(8)布设于第一凹槽(7a)底部。

5.根据权利要求4所述的压力芯片，其特征在于，所述气体吸收膜(8)的材质为Ti、Zr或者储氢合金。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的压力芯片，其特征在于，器件层(3)的上表面中部朝内凹陷形成第二凹槽，器件层(3)的上表面边缘相对凸起形成第三凸缘；保护层(5)的上表面朝内凹陷形成安装槽(5c)，保护层(5)的上表面边缘相对凸起形成第四凸缘(5d)；接触孔(5a、5b)设置于第四凸缘(5d)上；盖(7)连接于安装槽(5c)内。

7.根据权利要求6所述的压力芯片，其特征在于，盖(7)的下端外缘与安装槽(5c)的底部边缘吻合。

8.一种压力芯片的制作方法，其特征在于，包括步骤：

将支撑层(1)和器件层(3)分别制作于隔离连接层(2)的上、下两侧，并在器件层(3)的上表面制作遮蔽层(4)；

通过离子注入工艺，在器件层(3)的表层制作压力检测电路；

通过蚀刻等工艺去除表面的遮蔽层(4)；

在器件层(3)的上表面通过外延生长制作出保护层(5)；

通过图案化蚀刻在保护层(5)上制作接触孔(5a、5b)；

通过PVD工艺在保护层(5)上制作金属层(6)；

通过图案化蚀刻在金属层(6)上保留接触孔(5a、5b)对应的部分，从而形成出金属电极(6a、6b)；

将盖(7)密封连接于保护层(5)的上表面，使两者之间形成第二腔体(7d)；

将盖(7)的多余部分通过DRIE工艺去除，露出金属电极(6a、6b)；并通过湿法蚀刻工艺在支撑层(1)的下表面形成第一腔体(1a)。

9.如权利要求8所述的压力芯片的制作方法，其特征在于，盖(7)由如下方法制得：

在盖(7)的下表面通过DRIE工艺制作出第一凹槽(7a)和让位槽(7c)；

在盖(7)的下表面制作由金属质储氢材料制作的气体吸收膜(8)；

对气体吸收膜(8)进行金属蚀刻以使第二凸缘(7b)露出。

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