CN115901078A - 电容式压差传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

电容式压差传感器及其制造方法，该传感器由上、中、下三层结构构成，其制备方法包括：对上中下三层晶圆分别进行加工，之后对三层晶圆进行键合，通过磁控溅射形成引线焊盘，最后切割，实现压差传感器的制备。该传感器通过控制掺杂的面积来减小固定电容，提升灵敏度；该传感器通过干法刻蚀SOI晶圆的衬底层，实现了岛膜比可控的膜片，提升传感器灵敏度；传感器通过连接金属，实现了由SOI晶圆所制造的中间层结构的器件层特定部分与衬底层的导电，进而使中间层结构上下表面都带电，与上下电极形成上下电容；该传感器可以通过对一个表面的金属溅射，制备三个电极的引线焊盘，也实现了传感器单面引线，既节省了成本，也降低了封装难度。

Description

电容式压差传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及其制造方法，尤其是涉及一种电容式压差传感器、制造方法及其应用，属于电子元器件制备领域。

背景技术

压差传感器在工业测量技术中常用于测量作用于压差传感器上的两个流体之间的压力差。对于压差传感器的制造，可以通过MEMS半导体工艺低成本地以晶片复合件来制造。

作用于压差传感器的两个流体被中间层膜片隔开。中间层膜片是压差传感器用来感知压力差的结构。受两侧流体压力差作用，中间层膜片发生形变，进而改变传感器的电阻、电容或频率等参数，将力学信号转换为电信号。目前市面上常用的压差传感器多是压阻式或电容式压差传感器，此外，还有少数谐振式压差传感器。就性能及制备工艺的角度来说，谐振式压差传感器制备工艺复杂，制备难度大，压阻式压差传感器温度敏感性较差，正负压差输出信号的对称性不好。因此，电容式压差传感器是各类压差传感器中综合考评较优的一种。

电容式压差传感器的原理为将两侧流体的压力差转化为电容变化。电容式压差传感器由上、中、下三层电极组成，其中，中电极位于中间层膜片，上电极与中电极组成电容C_上，中电极与下电极组成电容C_下，两侧流体分别充满电容C_上与电容C_下的电极间隙。在实际过程中，中间层膜片两侧压力差使中间层膜片发生形变，中间层膜片会向压力弱侧偏移，与压力弱侧的电极的间距缩短，与压力强侧的电极的间距增加。进而，压力弱侧电容的电容值增加，压力强侧电容的电容值减小。

电容式压差传感器所包含的上下两个电容，均各包含两部分电容。一部分是可以随中间层活动膜片的偏移而变化的可变电容，另一部分是不随中间层活动膜片的偏移而变化的固定电容。两个电极构成了一个电容，其电容的大小由两个电极的正对面积、间距以及电极间的介电常数决定。对实际电容式压差传感器的两个电容来说，每个电容两个电极正对面积的一部分之间的间距，是可以随压差的改变而改变的，这部分正对面积所产生的电容为可变电容的主要组成。而另外一部分两电极的正对面积之间的距离是不会受流体压力作用而改变的，这一部分正对面积所产生的电容为可变电容的主要组成部分。当固定电容过大时，会造成可变电容的变化量所占上电容总电容量的比例较小，测量精确度较小。因此，在器件设计中，为提高传感器输出信号的准确度，常通过减少固定电容部分电极的正对面积，降低固定电容的电容值，提高可变电容所占总电容量的比例。

在实际测量时，电容的电容量变化百分比为△C_上可变/(C_上可变+C_上固定)，当固定电容过大时，会造成可变电容的变化量所占上电容总电容量的比例较小，测量精确度较小。因此，在器件设计中，为提高传感器输出信号的准确度，常通过减少固定电容部分电极的正对面积，降低固定电容的电容值，提高可变电容所占总电容量的比例。

专利CN106471350A采用掺杂硅作为各电极，用二氧化硅作为绝缘层，通过刻蚀中间层膜片形成沟槽，减少了中电极的正对面积，降低了固定电容。但是由于键合面积是由实际工艺决定的，固定电容部分电极的正对面积很难实际大幅减少。此外，中间层膜片(中电极)与上下电极的间隙只是二氧化硅层的厚度(几百纳米)，使得固定电容部分电极的间隙过小，因此固定电容很难实际减少太多。专利CN114459666A每一版传感器使用了两片价格昂贵的SOI晶圆，且每一版的加工需要经过多轮金属溅射工艺，因此，其制造成本极高，不适用于实际生产与销售。

发明内容

本发明提出了一种简单构建、便于封装、可低成本生产的硅基电容式压差传感器，该传感器使用SOI晶圆作为传感器中间层材料，并实现了器件层与衬底层的电连接，相比于一般电容压差传感器精确度更高(固定电容值占比小、可变化电容占比大)。本发明所述的电容式压差传感器可以通过一个表面的金属溅射，制备三个电极的引线焊盘，节省了成本。最后，本专利给出其加工制作该电容式压差传感器的方法。针对于制造者库存SOI晶圆类型的不同，本发明还给出了第二种电容式压差传感器结构设计方案。

下面我们具体阐述种电容式压差传感器的器件设计方案：

一、电容式压差传感器结构特征如下：

(1)电容式压差传感器由上、中、下三层结构构成，相邻的两层结构的端面紧密连接。

(2)下层结构材料选取为双面氧化抛光的硅晶圆，下层结构包括下电极14、下电极引线焊盘19、下导压孔15、凹槽27及下薄硅层17。本发明通过对下层结构所选用材料的硅部分进行掺杂形成下电极14，通过下电极引线焊盘19将下电极接入外部电路

(3)中间层结构材料选取为SOI晶圆。中间层结构设置在下层结构的上端面，中间层结构下端面与下层结构上端面紧密连接。中间层结构部分包括连接金属5、中间层掺杂部分10、岛结构13、薄硅层11(制备中间层结构所用SOI的器件层部分)、键合部分的衬底硅12、环状凹槽26、制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分20、下氧化层18、中电极引线焊盘9、下接触点16以及下电极引线孔22位于中间层结构的部分。中间层掺杂部分10、连接金属5以及岛结构13构成中电极，中电极通过中电极引线焊盘接入外部电路。

(4)上层结构材料选取为双面氧化抛光的硅晶圆，上层结构包括上电极引线焊盘3、上氧化层7、上层结构低电阻率硅部分1、上接触点6、上导压孔4、凹槽23、中氧化层21、中电极引线孔8以及下电极引线孔22的位于上层结构的部分。上层结构所选用材料的低电阻率硅部分作为上电极1，通过上电极引线焊盘3将上电极接入外部电路。

(5)对中间层结构器件层进行掺杂，形成中间层掺杂部分10，通过连接金属5，将中间层掺杂部分10与岛13实现了电导通。

(6)通过控制中间层掺杂部分10的面积，调整上电容C_上两个电极间的正对面积，进进而减小C_上固定占上电容C_上的比例，提升传感器精确度。

(7)通过控制下层晶圆凹槽27积，调整掺杂和所形成的下电极14的面积，调整下电容C_下两个电极间的正对面积，进而减小C_下固定占下电容C_下的比例，提升传感器精确度。

二、电容式压差传感器的加工方法如下：

其关键特征有：

(1)首先分别对上、中、下三层晶圆进行加工，将加工后的三层晶圆键合，再通过磁控溅射形成引线焊盘，最后再进行切割，实现压差传感器的制备。

(2)上层结构包括上电极引线焊盘3、上氧化层7、上层结构低电阻率硅部分1、上接触点6、上导压孔4、凹槽23、中氧化层21、中电极引线孔8以及下电极引线孔22的位于上层结构的部分；上氧化层7与上电极引线焊盘3位于上层结构低电阻率硅部分1的上表面，上层结构低电阻率硅部分1作为上电极，通过上电极引线焊盘3接入外部电路。上接触点6分布于凹槽23的底面，可以预防中间层结构与上层结构出现粘连。上导压孔4位于凹槽23的中心。

对于上层晶圆的加工，其工艺步骤包括：准备双面氧化抛光的低电阻率硅片；使用LPCVD双面沉积表面致密的氮化硅800nm；上下表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用RIE刻蚀上下表面露出氮化硅，使用BOE溶液腐蚀上下表面露出的二氧化硅；使用ICP干法刻蚀晶圆下表面，刻蚀深度1-3um，形成凹槽23，去除光刻胶；在晶圆下表面PECVD沉积二氧化硅，在晶圆上下表面重新旋涂光刻胶并图形化，使用BOE溶液腐蚀下表面露出的二氧化硅，形成上接触点6；使用ICP干法刻蚀晶圆上表面形成通孔，去除光刻胶；使用热磷酸腐蚀氮化硅，为键合做准备

(3)所述中间层结构设置在下层结构的上端面，该中间层结构下端面与下层结构上端面紧密连接；所述中间层结构部分包括连接金属5、中间层掺杂部分10、岛结构13、薄硅层11、键合部分的衬底硅12、环状凹槽26、制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分20、下氧化层18、中电极引线焊盘9、下接触点16以及下电极引线孔22位于中间层结构的部分；制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分20上表面紧贴薄硅层11下表面；岛结构13与键合部分的衬底硅12的上表面紧贴制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分20的下表面；下氧化层18的上表面紧贴键合部分的衬底硅12的下表面；中间层掺杂部分10包括凹槽25属于薄硅层11的内表面以及凹槽25周围薄硅层11的部分上表面；中电极引线焊盘9附着在位于凹槽25周围薄硅层11的部分上表面的中间层掺杂部分10的上表面；下接触点16分布于岛结构13的下表面，可以预防中间层结构与下层结构出现粘连；环状凹槽26将岛结构13与键合部分的衬底硅12分隔开；连接金属5附着在凹槽25的内表面，将中间层掺杂部分10与岛结构13跨过了制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分20实现了电导通，使中间层结构可以作为一个整体电极；中间层掺杂部分10、连接金属5以及岛结构13构成中电极，中电极通过中电极引线焊盘9接入外部电路。通过控制中间层掺杂部分10的面积，进而控制上电极与中电极的正对面积，提升传感器精度；对于中间层结构的设计，由于实际加工制备过程中，环状凹槽26通过干法刻蚀形成，相比于以往的通过湿法腐蚀形成岛膜，干法刻蚀工艺简单，且槽宽尺寸可控，可实现岛膜比可控的膜片，进而提升传感器灵敏度，使传感器性能达到最佳。

中间层结构设置在下层结构的上端面，该中间层结构下端面与下层结构上端面紧密连接；所述中间层结构部分包括连接金属5、中间层掺杂部分10、岛结构13、薄硅层11、键合部分的衬底硅12、环状凹槽26、制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分20、下氧化层18、中电极引线焊盘9、下接触点16以及下电极引线孔22位于中间层结构的部分；制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分20上表面紧贴薄硅层11下表面；岛结构13与键合部分的衬底硅12的上表面紧贴制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分20的下表面；下氧化层18的上表面紧贴键合部分的衬底硅12的下表面；中间层掺杂部分10包括凹槽25属于薄硅层11的内表面以及凹槽25周围薄硅层11的部分上表面；中电极引线焊盘9附着在位于凹槽25周围薄硅层11的部分上表面的中间层掺杂部分10的上表面；下接触点16分布于岛结构13的下表面，可以预防中间层结构与下层结构出现粘连；环状凹槽26将岛结构13与键合部分的衬底硅12分隔开；连接金属5附着在凹槽25的内表面，将中间层掺杂部分10与岛结构13跨过了制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分20实现了电导通，使中间层结构可以作为一个整体电极；中间层掺杂部分10、连接金属5以及岛结构13构成中电极，中电极通过中电极引线焊盘9接入外部电路。通过控制中间层掺杂部分10的面积，进而控制上电极与中电极的正对面积，提升传感器精度；对于中间层结构的设计，由于实际加工制备过程中，环状凹槽26通过干法刻蚀形成，相比于以往的通过湿法腐蚀形成岛膜，干法刻蚀工艺简单，且槽宽尺寸可控，可实现岛膜比可控的膜片，进而提升传感器灵敏度，使传感器性能达到最佳。

对于中间层晶圆的加工，其工艺步骤包括：准备器件层电阻率高且双面抛光的SOI晶圆；干法热氧化，使得晶圆上表面生成二氧化硅，再利用LPCVD工艺，对晶圆上下表面沉积氮化硅；上下表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用RIE刻蚀上下表面露出氮化硅，使用BOE溶液腐蚀下表面露出的二氧化硅，形成下接触点16，去除光刻胶；对晶圆上表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用ICP干法刻蚀形成凹槽24与凹槽25，刻蚀深度3um左右，去除光刻胶；对晶圆上下表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，此时凹槽25及其周围150um以内的区域均未被光刻胶覆盖，再次对上表面进行ICP干法刻蚀，观察刻蚀进程，在凹槽24与凹槽25下表面露出二氧化硅后停止刻蚀，此时凹槽25上宽下窄；使用BOE溶液腐蚀凹槽24与凹槽25底部露出的二氧化硅，控制腐蚀进程，防止二氧化硅出现过多侧向腐蚀；再次对上表面进行ICP干法刻蚀，使得凹槽25从器件层到二氧化硅层再到衬底层之间的侧壁形成弧面过度，使得金属溅射时连接金属5不会出现间断，导致中间层掺杂部分25与衬底层绝缘，去除光刻胶；使用等离子体浸没注入，对未被氮化硅与二氧化硅覆盖的硅表面掺杂，退火；对下表面旋涂光刻胶，使用ICP干法刻蚀对晶圆下表面进行刻蚀，直至凹槽24成为通孔，形成岛13结构；使用热磷酸腐蚀晶圆表面的氮化硅，准备键合。

(4)所述下层结构包括下电极14、下电极引线焊盘19、下导压孔15、凹槽27及下薄硅层17；下薄硅层17为下层结构的主体部分，下电极14包含凹槽27的上表面及侧壁以及下层结构部分上表面，下电极引线焊盘19附着在位于下层结构部分上表面的下电极14的上表面，下导压孔15位于凹槽27的中心。下电极14通过下电极引线焊盘19接入外部电路。通过控制下电极14的面积，也就是掺杂的面积，进而控制下电极与中电极的正对面积，提升传感器精度。

对于下层晶圆的加工，其工艺步骤包括：准备下层晶圆，选用的双面氧化抛光的低电阻率硅片掺杂类型为N型，厚度为800um，电阻率为1000ohm·cm；上下表面旋涂S1813光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用BOE溶液腐蚀上下表面露出的二氧化硅，去除光刻胶；上表面旋涂AZ4620光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用ICP干法刻蚀晶圆上表面形成凹槽27除光刻胶；通过热扩散，对晶圆没有被覆盖的部位进行掺杂；上下表面再次选图光刻胶，完成光刻胶的图形化，对上表面刻蚀，控制凹腔27被掺杂的面积，形成下电极14，对下表面刻蚀，形成下导压孔15，去除光刻胶；退火，使用BOE溶液腐蚀晶圆表面二氧化硅层，等待键合。

(5)在分别完成三层晶圆的加工后，使用硅硅直接键合工艺，将上层晶圆、中间层晶圆与下层晶圆依次键合成为一体。之后，使用磁控溅射技术，结合溅射掩模版，对键合后的三层晶圆结构的上表面进行图形化金属溅射，形成上电极引线焊盘3、中电极引线焊盘9、下电极引线焊盘19以及连接金属5。最后，进行切割，得到多个如图1所示的电容式压差传感器。也就是说，本发明所述的电容式压差传感器可以通过一个表面的金属溅射，制备三个电极的引线焊盘，节省了成本。

三、第二种电容式压差传感器的器件设计方案

如果制造商库存的SOI晶圆为器件层与衬底层都为低电阻率的高掺杂硅，本发明也给出了与前文所述第一种电容式压差传感器技术思路类似的结构设计方案，如图7所示。第二种电容式压差传感器与前文所述传感器在结构上的不同主要分为六点：

(1)选用双面氧化抛光的高电阻率硅片用于制作上层结构，还需要对上层晶圆下表面进行掺杂；

(2)第二种电容式压差传感器通过刻蚀形成下层结构上表面凹槽(图7中31)和上层结构下表面凹槽(图7中33)，减小固定电容正对面积，进而减小固定电容所占总电容的比例。

(3)第二种电容式压差传感器采用中间层结构属于SOI晶圆器件层的部分(图7中35)，与连接金属(图7中29)以及岛结构(图7中32)共同组成中电极；

(4)第二种电容式压差传感器上电极(图7中的30)的引线焊盘需要从传感器下表面引线；

(5)第二种电容式压差传感器上接触点(图7中28)设置于中间层结构上表面；

(6)第二种电容式压差传感器上表面与下表面均设置有二氧化硅或氮化硅等绝缘层。

本发明公开一种基于上述的电容式压差传感器的制造方法所制备的电容式压差传感器，可作为压差变送器的传感器核心元件，应用于石油化工等涉及流体压力、压差、流量等行业中。当检测到传感器自身两个电容的差值发生变化，便可得到两侧流体的压力差值，进而推算得到流速、流量等物理学参数。本发明所述电容式压差传感器的三个电极可完全实现从传感器的上表面引线(如图1所示上电极引线焊盘3、中电极引线焊盘9、下电极引线焊盘19)，这极大地简化了需要从传感器上下两个表面引入流体的压差变送器的封装工作。

有益效果

本发明上、中、下三层结构采用硅硅直接键合技术连接在一起，使得整个传感器结构整体以硅为材料，相较于上下层结构为玻璃的电容式压差传感器，其温度漂移性更好。由于采用图形化掺杂控制电极面积，因此本专利所述传感器显著降低了固定电容。

本发明连接金属5、岛13与中间层掺杂部分10组成中电极，中电极分别于上电极1与下电极14组成上电容C_上和下电容C_下。两侧流体分别通过传感器上下表面的上导压孔4与下导压孔15进入上下电容的间隙，并作用于中间层膜片。受两侧流体压差作用，中间层膜片2(图1虚线框内区域)变形，与上电极1和下电极14的间距发生变化，进而使上电容C_上与下电容C_下发生变化，输出电信号。上电极1通过上电极引线焊盘3接入外部电路，中电极通过中电极引线焊盘9接入外部电路，下电极14通过下电极引线焊盘19接入外部电路，图1所示传感器三个电极均从上表面引线，便于封装。通过控制中间层掺杂部分10与下电极14的面积，提升传感器的精确度。

附图说明

图1为实施例1电容式压差传感器的平面结构示意图；

图2为实施例1与实施例2电容式压差传感器各材料对应的图例说明图；

图3为实施例1电容式压差传感器上层晶圆的制备工艺流程图；

图4为实施例1电容式压差传感器中间层晶圆的制备工艺流程图；

图5为实施例1电容式压差传感器中间层结构的上表面俯视图

图6为实施例1电容式压差传感器下层晶圆的制备工艺流程图；

图7为实施例1电容式压差传感器下层结构的上表面俯视图

图8为实施例1电容式压差传感器键合与磁控溅射的工艺流程图；

图9为实施例2电容式压差传感器的平面结构示意图；

附图标记：

1-上层结构；

2-中间层膜片；

3-上电极引线焊盘；

4-上导压孔；

5-连接金属；

6-上接触点；

7-上氧化层；

8-中电极引线孔；

9-中电极引线焊盘；

10-中间层掺杂部分；

11-薄硅层(制备中间层结构所用SOI的器件层部分)；

12-键合部分的衬底硅；

13-岛结构；

14-下层结构包括下电极；

15-下导压孔；

16-下接触点；

17-下薄硅层；

18-下氧化层；

19-下电极引线焊盘；

20-制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分；

21-中氧化层；

22-下电极引线孔；

23-凹槽；

24-凹槽；

25-凹槽；

26-环状凹槽；

27-凹槽；

28-第二种电容式压差传感器上接触点

29-第二种电容式压差传感器连接金属

30-第二种电容式压差传感器上电极

31-第二种电容式压差传感器凹槽

32-第二种电容式压差传感器岛结构

33-第二种电容式压差传感器凹槽

34-第二种电容式压差传感器上电极引线焊盘

35-第二种电容式压差传感器中间层结构属于SOI晶圆器件层

的部分

具体实施方式

从晶圆材料上来说，制备上层结构的上层晶圆优选为双面氧化抛光的低电阻率硅片。制备中间层结构的中间层晶圆优选为器件层高电阻率，衬底层低电阻率，埋氧层1微米以下的SOI晶圆。从材料分布来看，市面上常见的SOI晶圆从下到上依次分为下表面的二氧化硅层、衬底层、埋氧层以及器件层。制备下层结构的下层晶圆优选为表面带有二氧化硅层的双面抛光的硅片。

从结构上来说，属于上层结构的部分为上电极引线焊盘3、上氧化层7、上层结构低电阻率硅部分1、上接触点6、上导压孔4、凹槽23、中氧化层21、中电极引线孔8以及下电极引线孔22的位于上层结构的部分。属于中间层结构部分为连接金属5、中间层掺杂部分10、岛结构13、薄硅层11(制备中间层结构所用SOI的器件层部分)、键合部分的衬底硅12、环状凹槽26、制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分20、下氧化层18、中电极引线焊盘9、下接触点16以及下电极引线孔22位于中间层结构的部分。中间层膜片2为图1所示的虚线框内的部分，也就是中间层结构没有键合可以活动的部分。下层结构包括下电极14、下电极引线焊盘19、下导压孔15、凹槽27下薄硅层17。本发明所描述的电容式压差传感器，以上层结构所选用材料的低电阻率硅部分作为上电极1，通过上电极引线焊盘3将上电极接入外部电路。本发明通过对下层结构所选用材料的硅部分进行掺杂形成下电极14，通过下电极引线焊盘19将下电极接入外部电路。本发明通过对中间层结构所选用的材料的器件层掺杂形成中间层掺杂部分10，中间层掺杂部分10通过连接金属5，与由衬底层加工而来的岛结构13实现电导通，进而由中间层掺杂部分10、连接金属5以及岛结构13构成中电极，中电极通过中电极引线焊盘接入外部电路。位于上层结构的上电极3与位于中间层结构的中电极形成上电容C_上，上电容C_上两电极的正对面积为中间层掺杂部分10的面积，通过控制中间层掺杂部分10的面积，可以使得固定电容C_上固定大大减小。位于下层结构的下电极14与位于中间层结构的中电极形成下电容C_下，下电容C_下两电极的正对面积为下电极14的面积，可以使得固定电容C_下固定大大减小。在传感器实际工作时，一侧流体通过上导压孔4作用于中间层膜片2，一侧流体通过下导压孔15作用于中间层膜片2，中间层膜片2受两侧压差作用，发生形变，与上电极1、下电极14的间距发生变化，进而上电容C_上与下电容C_下发生变化。上接触点6与下接触点16材料为二氧化硅或氮化硅，在传感器出现过载等情况时，中间层膜片会与上层结构或者下层结构接触并出现粘连，进而导致传感器失效。上氧化层7是为了防止引线时出现误触，方便封装，中氧化层21是为了使得上层结构与中间层结构绝缘，下氧化层18是为了使得中间层结构与下层结构绝缘。下电极引线孔22与中电极引线孔8均为上窄下宽，是为了防止溅射时通孔侧壁与下电极19、中电极9导电。

从制造方法来说，电容式压差传感器三层结构的叠加是基于MEMS多层键合技术。在实际操作过程中，需要对上、中、下三层晶圆分别进行加工，形成各自的通孔、凹槽等微结构，使用键合工艺将三层晶圆键合在一起，然后磁控溅射金属形成引线焊盘，再对多层晶圆进行切割，形成多个单独的如图1所示的电容式压差传感器

对于上层晶圆的加工，其工艺步骤包括：准备双面氧化抛光的低电阻率硅片；使用LPCVD双面沉积表面致密的氮化硅800nm；上下表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用RIE刻蚀上下表面露出氮化硅，使用BOE溶液腐蚀上下表面露出的二氧化硅；使用ICP干法刻蚀晶圆下表面，刻蚀深度1-3um，形成凹槽23，去除光刻胶；在晶圆下表面PECVD沉积二氧化硅，在晶圆上下表面重新旋涂光刻胶并图形化，使用BOE溶液腐蚀下表面露出的二氧化硅，形成上接触点6；使用ICP干法刻蚀晶圆上表面形成通孔，去除光刻胶；使用热磷酸腐蚀氮化硅，为键合做准备。

对于中间层晶圆的加工，其工艺步骤包括：准备器件层电阻率高且双面抛光的SOI晶圆；干法热氧化，使得晶圆上表面生成二氧化硅，再利用LPCVD工艺，对晶圆上下表面沉积氮化硅；上下表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用RIE刻蚀上下表面露出氮化硅，使用BOE溶液腐蚀下表面露出的二氧化硅，形成下接触点16，去除光刻胶；对晶圆上表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用ICP干法刻蚀形成凹槽24与凹槽25，刻蚀深度3um左右，去除光刻胶；对晶圆上下表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，此时凹槽25及其周围150um以内的区域均未被光刻胶覆盖，再次对上表面进行ICP干法刻蚀，观察刻蚀进程，在凹槽xx下表面露出二氧化硅后停止刻蚀，此时凹槽25上宽下窄；使用BOE溶液腐蚀凹槽24与凹槽25底部露出的二氧化硅，控制腐蚀进程，防止二氧化硅出现过多侧向腐蚀；再次对上表面进行ICP干法刻蚀，使得凹槽25从器件层到二氧化硅层再到衬底层之间的侧壁形成弧面过度，使得金属溅射时连接金属5不会出现间断，导致中间层掺杂部分25与衬底层绝缘，去除光刻胶；使用等离子体浸没注入，对未被氮化硅与二氧化硅覆盖的硅表面掺杂，退火；对下表面旋涂光刻胶，使用ICP干法刻蚀对晶圆下表面进行刻蚀，直至凹槽24成为通孔，形成岛13结构；使用热磷酸腐蚀晶圆表面的氮化硅，准备键合。

对于下层晶圆的加工，其工艺步骤包括：准备下层晶圆，选用的双面氧化抛光的低电阻率硅片掺杂类型为N型，厚度为800um，电阻率为1000ohm·cm；上下表面旋涂S1813光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用BOE溶液腐蚀上下表面露出的二氧化硅，去除光刻胶；上表面旋涂AZ4620光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用ICP干法刻蚀晶圆上表面形成凹槽27除光刻胶；通过热扩散，对晶圆没有被覆盖的部位进行掺杂；上下表面再次选图光刻胶，完成光刻胶的图形化，对上表面刻蚀，控制凹腔27被掺杂的面积，形成下电极14，对下表面刻蚀，形成下导压孔15，去除光刻胶；退火，使用BOE溶液腐蚀晶圆表面二氧化硅层，等待键合。

在分别完成三层晶圆的加工后，使用硅硅直接键合工艺，将上层晶圆、中间层晶圆与下层晶圆依次键合成为一体。之后，使用磁控溅射技术，结合溅射掩模版，对键合后的三层晶圆结构的上表面进行图形化金属溅射，形成上电极引线焊盘3、中电极引线焊盘9、下电极引线焊盘19以及连接金属5。最后，进行切割，得到多个如图1所示的电容式压差传感器。也就是说，本发明所述的电容式压差传感器可以通过一个表面的金属溅射，制备三个电极的引线焊盘，节省了成本。

如果制造商库存的SOI晶圆为器件层与衬底层都为低电阻率的高掺杂硅，本专利也给出了与前文所述第一种电容式压差传感器技术思路类似的结构设计方案，如图9所示。第二种电容式压差传感器与前文所述传感器在结构上的不同主要分为六点：(1)选用双面氧化抛光的高电阻率硅片用于制作上层结构，还需要对上层晶圆下表面进行掺杂；(2)第二种电容式压差传感器通过刻蚀形成下层结构上表面凹槽(图9中31)和上层结构下表面凹槽(图9中33)，减小固定电容正对面积，进而减小固定电容所占总电容的比例。(3)第二种采用中间层结构属于SOI晶圆器件层的部分(图9中35)，与连接金属(图9中29)以及岛结构(图9中32)共同组成中电极；(4)第二种电容式压差传感器上电极(图9中的30)的引线焊盘需要从传感器下表面引线；(5)第二种电容式压差传感器上接触点(图9中28)设置于中间层结构上表面；(6)第二种电容式压差传感器上表面与下表面均设置有二氧化硅或氮化硅等绝缘层。

实施例一

一种电容式压差传感器器件设计方案，并给出对应的加工方案：

在晶圆材料的选择上：制备上层结构的晶圆选用的双面氧化抛光的低电阻率硅片厚度为800um，电阻率为0.001～0.002ohm·cm，掺杂类型为N型。制备中间层结构的SOI晶圆的器件层掺杂类型为N型，电阻率为1000ohm·cm，厚度25um，制备中间层结构的SOI晶圆的埋氧层厚度为300nm，制备中间层结构的SOI晶圆的衬底层掺杂类型为P型，电阻率为0.001～0.002ohm·cm，厚度300um。制备下层结构的下层晶圆选用的双面氧化抛光的低电阻率硅片掺杂类型为N型，厚度为800um，电阻率为1000ohm·cm。

在结构尺寸上：上导压孔22与下导压孔15的半径为0.4mm；中电极引线孔8与下电极引线孔22的上段半径为1mm，下端半径为1.2mm，这样防止溅射金属形成电极时，引线孔的侧壁会出现金属；凹槽23与凹槽27均为3um，半径3mm；岛13半径2.7mm；环状凹槽26外径2.95mm；上接触点6与下接触点16每个点的直径均为8um；凹槽25上段直径0.5mm，下段直径0.2mm。

1、上层结构的加工流程(如图3)

步骤一：准备双面氧化抛光的低电阻率硅片，硅片厚度为800um，电阻率为0.001～0.002ohm·cm，掺杂类型为N型；

步骤二：使用LPCVD双面沉积表面致密的氮化硅800nm；

步骤三：上下表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用RIE刻蚀上下表面露出氮化硅，使用BOE溶液腐蚀上下表面露出的二氧化硅；

步骤四：使用ICP干法刻蚀晶圆下表面，刻蚀深度1-3um，形成凹槽23，去除光刻胶；

步骤五：在晶圆下表面PECVD沉积二氧化硅，在晶圆上下表面重新旋涂光刻胶并图形化，使用BOE溶液腐蚀下表面露出的二氧化硅，形成上接触点6；

步骤六：使用ICP干法刻蚀晶圆上表面形成通孔，去除光刻胶；使用热磷酸腐蚀氮化硅，为键合做准备

2、中间层结构的加工流程(如图4)

步骤一：准备器件层电阻率高且双面抛光的SOI晶圆。SOI晶圆的器件层掺杂类型为N型，电阻率为1000ohm·cm，厚度25um，制备中间层结构的SOI晶圆的埋氧层厚度为300nm，制备中间层结构的SOI晶圆的衬底层掺杂类型为P型，电阻率为0.001～0.002ohm·cm，厚度300um。

步骤二：干法热氧化，使得晶圆上表面生成0.25-0.4um的二氧化硅，再利用LPCVD工艺，对晶圆上下表面沉积氮化硅，沉积厚度800um；

步骤三：上下表面旋涂AZ4620光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用RIE刻蚀上下表面露出氮化硅，使用BOE溶液腐蚀下表面露出的二氧化硅，形成下接触点16，去除光刻胶；

步骤四：对晶圆上表面旋涂S1813光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用ICP干法刻蚀形成凹槽24与凹槽25，刻蚀深度3um左右，去除光刻胶；

步骤五：对晶圆上下表面AZ4620旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，此时凹槽25及其周围150um以内的区域均未被光刻胶覆盖，再次对上表面进行ICP干法刻蚀，观察刻蚀进程，在凹槽24下表面露出二氧化硅后停止刻蚀，此时凹槽25上宽下窄；使用BOE溶液腐蚀凹槽24与凹槽25底部露出的二氧化硅，控制腐蚀进程，防止二氧化硅出现过多侧向腐蚀；

步骤六：再次对上表面进行ICP干法刻蚀，使得凹槽25从器件层到二氧化硅层再到衬底层之间的侧壁形成弧面过度，使得金属溅射时连接金属5不会出现间断，导致中间层掺杂部分25与衬底层绝缘，去除光刻胶；使用等离子体浸没注入，对未被氮化硅与二氧化硅覆盖的硅表面掺杂，退火；

步骤七：对下表面旋涂光刻胶，使用ICP干法刻蚀对晶圆下表面进行刻蚀，直至凹槽24成为通孔，形成岛13结构；

步骤八：使用热磷酸腐蚀晶圆表面的氮化硅，准备键合，此时，下层结构上表面如图5所示。

3、下层结构的加工流程(如图6)

步骤一：准备下层晶圆，选用的双面氧化抛光的低电阻率硅片掺杂类型为N型，厚度为800um，电阻率为1000ohm·cm；

步骤二：上下表面旋涂S1813光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用BOE溶液腐蚀上下表面露出的二氧化硅，去除光刻胶；

步骤三：上表面旋涂AZ4620光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用ICP干法刻蚀晶圆上表面形成凹槽27除光刻胶；

步骤四：通过热扩散，对晶圆没有被覆盖的部位进行掺杂；

步骤五：上下表面再次选图光刻胶，完成光刻胶的图形化，对上表面刻蚀，控制凹腔27被掺杂的面积，形成下电极14，对下表面刻蚀，形成下导压孔15，去除光刻胶；

步骤六：退火，使用BOE溶液腐蚀晶圆表面二氧化硅层，等待键合，此时，下层结构上表面如图7所示。

4、整体加工(如图8)

在分别完成三层晶圆的加工后，使用硅硅直接键合工艺，将上层晶圆、中间层晶圆与下层晶圆依次键合成为一体。之后，使用磁控溅射技术，结合溅射掩模版，对键合后的三层晶圆结构的上表面进行图形化金属溅射，溅射金属铝300纳米，形成上电极引线焊盘3、中电极引线焊盘9、下电极引线焊盘19以及连接金属5。最后，进行切割，得到多个如图1所示的电容式压差传感器。也就是说，本发明所述的电容式压差传感器可以通过一个表面的金属溅射，制备三个电极的引线焊盘，节省了成本。

实施例二(如图9)

如果制造商库存的SOI晶圆为器件层与衬底层都为低电阻率的高掺杂硅，本专利也给出了与前文所述实施例一电容式压差传感器技术思路类似的结构设计方案，如图9所示。第二种电容式压差传感器与前文所述传感器在结构上的不同主要分为六点：

(1)选用双面氧化抛光的高电阻率硅片用于制作上层结构，还需要对上层晶圆下表面进行掺杂；

(2)第二种电容式压差传感器通过刻蚀形成下层结构上表面凹槽(图9中31)和上层结构下表面凹槽(图9中33)，减小固定电容正对面积，进而减小固定电容所占总电容的比例。

(3)第二种电容式压差传感器采用中间层结构属于SOI晶圆器件层的部分(图9中35)，与连接金属(图9中29)以及岛结构(图9中32)共同组成中电极；

(4)第二种电容式压差传感器上电极(图9中的30)的引线焊盘需要从传感器下表面引线；

(5)第二种电容式压差传感器上接触点(图9中28)设置于中间层结构上表面；

(6)第二种电容式压差传感器上表面与下表面均设置有二氧化硅或氮化硅等绝缘层。

在本发明所给出的实施例一中，电容式压差传感器由上、中、下三层结构构成，其制备方法包括：对上中下三层晶圆分别进行加工，之后对三层晶圆进行键合，通过磁控溅射形成引线焊盘，最后切割，实现压差传感器的制备。该传感器通过控制掺杂的面积来减小固定电容，提升灵敏度；该传感器通过干法刻蚀SOI晶圆的衬底层，实现了岛膜比可控的膜片，提升传感器灵敏度；传感器通过连接金属，实现了由SOI晶圆所制造的中间层结构的器件层特定部分与衬底层的导电，进而使中间层结构上下表面都带电，与上下电极形成上下电容；该传感器可以通过对一个表面的金属溅射，制备三个电极的引线焊盘，也实现了传感器单面引线，既节省了成本，也降低了封装难度。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种电容式压差传感器，包括上、中、下三层结构，相邻的两层结构的端面紧密连接；其特征为：

所述下层结构包括下电极、下电极引线焊盘、下导压孔、凹槽及下薄硅层；下薄硅层为下层结构的主体部分，下电极包含凹槽的上表面及侧壁以及下层结构部分上表面，下电极引线焊盘附着在位于下层结构部分上表面的下电极的上表面，下导压孔位于凹槽的中心；下电极通过下电极引线焊盘接入外部电路。通过控制下电极的面积，也就是掺杂的面积，进而控制下电极与中电极的正对面积；

所述中间层结构设置在下层结构的上端面，该中间层结构下端面与下层结构上端面紧密连接；所述中间层结构部分包括连接金属、中间层掺杂部分、岛结构、薄硅层、键合部分的衬底硅、环状凹槽、制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分、下氧化层、中电极引线焊盘、下接触点以及下电极引线孔位于中间层结构的部分；制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分上表面紧贴薄硅层下表面；岛结构与键合部分的衬底硅的上表面紧贴制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分的下表面；下氧化层的上表面紧贴键合部分的衬底硅的下表面；中间层掺杂部分包括凹槽属于薄硅层的内表面以及凹槽周围薄硅层的部分上表面；中电极引线焊盘附着在位于凹槽周围薄硅层的部分上表面的中间层掺杂部分的上表面；下接触点分布于岛结构的下表面；环状凹槽将岛结构与键合部分的衬底硅分隔开；连接金属附着在凹槽的内表面，将中间层掺杂部分与岛结构跨过了制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分实现了电导通，使中间层结构可以作为一个整体电极；中间层掺杂部分、连接金属以及岛结构构成中电极，中电极通过中电极引线焊盘接入外部电路；通过控制中间层掺杂部分的面积，进而控制上电极与中电极的正对面积；

所述上层结构包括上电极引线焊盘、上氧化层、上层结构低电阻率硅部分、上接触点、上导压孔、凹槽、中氧化层、中电极引线孔以及下电极引线孔的位于上层结构的部分；上氧化层与上电极引线焊盘位于上层结构低电阻率硅部分的上表面，上层结构低电阻率硅部分作为上电极，通过上电极引线焊盘接入外部电路；上接触点分布于凹槽的底面，可以预防中间层结构与上层结构出现粘连；上导压孔位于凹槽的中心。

2.根据权利要求1所述的电容式压差传感器，其特征为：所述上、下层结构材料选取为双面氧化抛光的硅晶圆；所述中间层结构材料选取为SOI晶圆。

3.根据权利要求1所述的电容式压差传感器，其特征为：所述中间层掺杂部分、连接金属以及岛结构构成中电极，中电极通过中电极引线焊盘接入外部电路；对中间层结构器件层进行掺杂，形成中间层掺杂部分，通过连接金属将中间层掺杂部分与岛实现了电导通。

4.根据权利要求1所述的电容式压差传感器，其特征为：通过对中间层结构所选用的材料的器件层掺杂形成中间层掺杂部分，中间层掺杂部分通过连接金属，与由衬底层加工而来的岛结构实现电导通，进而由中间层掺杂部分、连接金属以及岛结构构成中电极，中电极通过中电极引线焊盘接入外部电路；位于上层结构的上电极与位于中间层结构的中电极形成上电容C_上，上电容C_上两电极的正对面积为中间层掺杂部分的面积，通过控制中间层掺杂部分的面积，使得固定电容C_上固定大大减小；位于下层结构的下电极与位于中间层结构的中电极形成下电容C_下，下电容C_下两电极的正对面积为下电极的面积，以使得固定电容C_下固定大大减小。

5.一种电容式压差传感器的制造方法，包括上述权利要求1-4任一所述的电容式压差传感器，其特征为：

步骤1：分别对上、中、下三层晶圆进行加工；

步骤2：将加工后的三层晶圆键合；

步骤3：通过磁控溅射形成引线焊盘；

步骤4：进行切割，实现压差传感器。

6.根据权利要求5所述的电容式压差传感器的制造方法，其特征为：对于上层晶圆的加工，其工艺步骤包括：准备双面氧化抛光的低电阻率硅片；使用LPCVD双面沉积表面致密的氮化硅800nm；上下表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用RIE刻蚀上下表面露出氮化硅，使用BOE溶液腐蚀上下表面露出的二氧化硅；使用ICP干法刻蚀晶圆下表面，刻蚀深度1-3um，形成凹槽，去除光刻胶；在晶圆下表面PECVD沉积二氧化硅，在晶圆上下表面重新旋涂光刻胶并图形化，使用BOE溶液腐蚀下表面露出的二氧化硅，形成上接触点；使用ICP干法刻蚀晶圆上表面形成通孔，去除光刻胶；使用热磷酸腐蚀氮化硅，为键合做准备。

7.根据权利要求5所述的电容式压差传感器的制造方法，其特征为：对于中间层晶圆的加工，其工艺步骤包括：准备器件层电阻率高且双面抛光的SOI晶圆；干法热氧化，使得晶圆上表面生成二氧化硅，利用LPCVD工艺，对晶圆上下表面沉积氮化硅；上下表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用RIE刻蚀上下表面露出氮化硅，使用BOE溶液腐蚀下表面露出的二氧化硅，形成下接触点，去除光刻胶；对晶圆上表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用ICP干法刻蚀形成凹槽与凹槽，刻蚀深度3um左右，去除光刻胶；对晶圆上下表面旋涂光刻胶，完成光刻胶的图形化，此时凹槽及其周围150um以内的区域均未被光刻胶覆盖，再次对上表面进行ICP干法刻蚀，观察刻蚀进程，在凹槽与凹槽下表面露出二氧化硅后停止刻蚀，此时凹槽上宽下窄；使用BOE溶液腐蚀凹槽与凹槽底部露出的二氧化硅，控制腐蚀进程，防止二氧化硅出现过多侧向腐蚀；再次对上表面进行ICP干法刻蚀，使得凹槽从器件层到二氧化硅层再到衬底层之间的侧壁形成弧面过度，使得金属溅射时连接金属不会出现间断，导致中间层掺杂部分与衬底层绝缘，去除光刻胶；使用等离子体浸没注入，对未被氮化硅与二氧化硅覆盖的硅表面掺杂，退火；对下表面旋涂光刻胶，使用ICP干法刻蚀对晶圆下表面进行刻蚀，直至凹槽24成为通孔，形成岛13结构；使用热磷酸腐蚀晶圆表面的氮化硅，准备键合。

8.根据权利要求5所述的电容式压差传感器的制造方法，其特征为：对于下层晶圆的加工，其工艺步骤包括：准备下层晶圆，选用的双面氧化抛光的低电阻率硅片掺杂类型为N型，厚度为800um，电阻率为1000ohm·cm；上下表面旋涂S1813光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用BOE溶液腐蚀上下表面露出的二氧化硅，去除光刻胶；上表面旋涂AZ4620光刻胶，完成光刻胶的图形化，使用ICP干法刻蚀晶圆上表面形成凹槽除光刻胶；通过热扩散，对晶圆没有被覆盖的部位进行掺杂；上下表面再次选图光刻胶，完成光刻胶的图形化，对上表面刻蚀，控制凹腔被掺杂的面积，形成下电极，对下表面刻蚀，形成下导压孔，去除光刻胶；退火，使用BOE溶液腐蚀晶圆表面二氧化硅层，等待键合。

9.一种电容式压差传感器的器件，包括上、中、下三层结构，相邻的两层结构的端面紧密连接；所述上、下层结构材料选取为双面氧化抛光的硅晶圆；所述中间层结构材料选取为SOI晶圆；其特征为：

选用双面氧化抛光的高电阻率硅片用于制作上层结构，对上层晶圆下表面进行掺杂；通过刻蚀形成下层结构上表面凹槽和上层结构下表面凹槽；

采用中间层结构属于SOI晶圆器件层的部分，与连接金属以及岛结构共同组成中电极；上电极的引线焊盘需要从传感器下表面引线；

电容式压差传感器上接触点设置于中间层结构上表面；

电容式压差传感器上表面与下表面均设置有二氧化硅或氮化硅等绝缘层。

10.一种电容式压差传感器，包括上、中、下三层结构，相邻的两层结构的端面紧密连接；其特征为：

所述下层结构包括下电极、下电极引线焊盘、下导压孔、凹槽及下薄硅层；下薄硅层为下层结构的主体部分，下电极包含凹槽的上表面及侧壁以及下层结构部分上表面，下电极引线焊盘附着在位于下层结构部分上表面的下电极的上表面，下导压孔位于凹槽的中心；下电极通过下电极引线焊盘接入外部电路；通过控制下电极的面积，也就是掺杂的面积，进而控制下电极与中电极的正对面积；

所述中间层结构设置在下层结构的上端面，该中间层结构下端面与下层结构上端面紧密连接；所述中间层结构部分包括连接金属、中间层掺杂部分、岛结构、薄硅层、键合部分的衬底硅、环状凹槽、制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分、下氧化层、中电极引线焊盘、下接触点以及下电极引线孔位于中间层结构的部分；制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分上表面紧贴薄硅层下表面；岛结构与键合部分的衬底硅的上表面紧贴制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分的下表面；下氧化层的上表面紧贴键合部分的衬底硅的下表面；中间层掺杂部分包括凹槽属于薄硅层的内表面以及凹槽周围薄硅层的部分上表面；中电极引线焊盘附着在位于凹槽周围薄硅层的部分上表面的中间层掺杂部分的上表面；下接触点分布于岛结构的下表面，可以预防中间层结构与下层结构出现粘连；环状凹槽将岛结构与键合部分的衬底硅分隔开；连接金属附着在凹槽的内表面，将中间层掺杂部分与岛结构跨过了制备中间层结构所用SOI的埋氧层部分实现了电导通，使中间层结构可以作为一个整体电极；中间层掺杂部分、连接金属以及岛结构构成中电极，中电极通过中电极引线焊盘接入外部电路；通过控制中间层掺杂部分的面积，进而控制上电极与中电极的正对面积；

所述上层结构包括上电极引线焊盘、上氧化层、上层结构低电阻率硅部分、上接触点、上导压孔、凹槽、中氧化层、中电极引线孔以及下电极引线孔的位于上层结构的部分；上氧化层与上电极引线焊盘位于上层结构低电阻率硅部分的上表面，上层结构低电阻率硅部分作为上电极，通过上电极引线焊盘接入外部电路；上接触点分布于凹槽的底面，可以预防中间层结构与上层结构出现粘连；上导压孔位于凹槽的中心。

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