CN116202661B - 压力传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及MEMS压力传感器及其制作方法技术领域。压力传感器，包括：衬底，衬底为单晶硅晶向<100>晶圆，或者为绝缘体上硅晶向<100>晶圆，包括第一压敏电阻和第二压敏电阻，第一压敏电阻和第二压敏电阻形制和阻值相同，第一压敏电阻和第二压敏电阻构成惠斯通电桥半桥，在衬底的背面与正面分别设有平行排布的第一腔体和第二腔体，第一压敏电阻位于衬底正面正向第一腔体的中心，第二压敏电阻位于衬底背面反向第二腔体的中心。由于压力传感器中的两组敏感单元具有几乎相同的参数与膜上应力分布，此压力传感器输出电压/压力曲线具有高线性度。

Description

压力传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及MEMS压力传感器相关技术领域。
背景技术
传统压阻式压力传感器依靠两纵向、两横向压敏电阻在压力敏感膜受压时阻值分别升高与降低来构成一惠斯通电桥全桥，并且其敏感膜与腔体类型多采用正方形膜单腔体结构。虽然此类设计具有较高输出灵敏度，但是其线性度会受横竖压阻结构差异和膜上非线性应力分布的影响。另外，当考虑实际背腔刻蚀过程中的误差，传统设计的输出灵敏度因此会有很大出入。主要是因为背腔刻蚀尺寸的误差带来的压阻条位置的不确定性。
发明内容
为了解决目前传统结构的压力传感器线性度方面的问题，本发明提供压力传感器及其制作方法。
为了解决以上技术问题，本发明第一方面提供压力传感器，压力传感器，包括：衬底，所述衬底为单晶硅晶向<100>晶圆，或者为绝缘体上硅晶向<100>晶圆，其特征在于：包括第一压敏电阻和第二压敏电阻，第一压敏电阻和第二压敏电阻形制和阻值相同，所述第一压敏电阻和第二压敏电阻构成惠斯通电桥半桥，在衬底的背面与正面分别设有平行排布的第一腔体和第二腔体，所述第一压敏电阻位于衬底正面正向第一腔体的中心，第二压敏电阻位于衬底背面反向第二腔体的中心。
在一些实施例中，所述压力传感器的应用压力范围为5～200MPa，第一腔体和第二腔体相对于相应的刻蚀面呈倒棱台型。
在一些实施例中，第一压敏电阻和第二压敏电阻通过硅通孔工艺串联形成第一串联电路；压敏电阻为轻掺电阻。
在一些实施例中，所述第一压敏电阻和第二压敏电阻通过重掺杂区域与金属引线实现电连接；重掺杂区域位于压敏电阻同一层，掺杂剂量和能量高于压敏电阻掺杂，重掺杂区域一端与轻掺压敏电阻重合，另一端与金属引线形成欧姆接触。
在一些实施例中，当衬底为N型，重掺杂为P型掺杂，轻掺压敏电阻为P型掺杂；当衬底为P型，重掺杂为N型掺杂，轻掺压敏电阻为N型掺杂。
在一些实施例中，还包括绝缘层，所述绝缘层包括二氧化硅或/和氮化硅，覆盖衬底上的轻掺压敏电阻和重掺杂区域，开孔露出部分重掺杂端口与金属引线形成欧姆接触电连接。
在一些实施例中，还包括焊盘，两个压敏电阻的三个端口，主要作为压阻电气信号的接入与接出，第一压敏电阻与第二压敏电阻串联形成第一串联电路，所述第一串联电路一端用于连接电源电压，作为第一端口，另一端用于接地，作为第二端口；第一压敏电阻与第二压敏电阻之间节点作为输出电压端子，作为第三端口，所述焊盘分别连接三个端口，所述第一压敏电阻和第二压敏电阻通过重掺杂区域与金属引线欧姆接触，金属引线连接所述焊盘。
在一些实施例中，还包括钝化层，所述钝化层包括二氧化硅或/和氮化硅，覆盖金属引线和金属电极，露出焊盘部分。
在一些实施例中，还包括玻璃键合层，用作压力传感器形成真空绝压腔体，玻璃键合层位于衬底上部或衬底下部，玻璃为预制腔体通过玻璃键合层与硅衬底构成绝压腔。
为了解决以上技术问题，本发明另一方面还提供了压力传感器的制作方法，包括，
步骤1：对单晶硅或绝缘体上硅衬底采用丙酮和/或异丙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗，甩干机甩干衬底表面水；
步骤2：使用氧化炉系统进行硅热氧化工艺，氧化温度1000
～1200℃，生成厚度为5～30nm SiO2阻挡层；
步骤3：晶圆正面旋涂光刻胶，光刻显影形成压敏电阻图形，带胶注入，注入剂量为1E14～5E14cm-2，能量为60～100KeV，完成注入后去胶；
步骤4：晶圆反面旋涂光刻胶，光刻显影形成压敏电阻图形，带胶注入，注入剂量为1E14～5E14cm-2，能量为60～100KeV，正反面注入剂量和能量保持一致，完成注入后去胶；
步骤5：在晶圆正面旋涂光刻胶，光刻显影形成重掺电连接区域图形，带胶注入，注入剂量为8E15～2E16cm-2，能量为80～120KeV，完成注入后去胶；
步骤6：在晶圆反面旋涂光刻胶，光刻显影形成重掺电连接区域图形，带胶注入，注入剂量为8E15～2E16cm-2，能量为80～120KeV，正反面注入剂量和能量保持一致，完成注入后去胶；
步骤7：高温退火激活硼离子注入，使用炉管或者快速退火炉，退火温度950～1100℃；
步骤8：采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)对晶圆正反面沉积绝缘层SiO2或SiNx，厚度200～1000nm，正反面旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成重掺杂区域开孔，去胶；
步骤9：使用光刻胶旋涂至10～20μm，光刻显影形成硅通孔图形化，采用博世工艺进行深硅刻蚀，形成硅通孔，去胶；
步骤10：磁控溅射Cu种子层，旋涂光刻胶，光刻显影形成电镀磨具图形，电镀Cu将硅通孔填实，去除电镀磨具；
步骤11：旋涂光刻胶，光刻显影形成硅通孔图形，采用铜腐蚀液其中醋酸：双氧水：水的比例为1：1:20去除铜薄膜种子层，去胶；
步骤12：对晶圆正反面在绝缘层薄膜上采用磁控溅射或者蒸镀厚度为500～1200nm金属电极，电极材料选择Au/Al/AlCu/Cu/Ni/Pt金属材料，涂胶光刻显影，刻蚀出引线和焊盘，去胶；
步骤13：退火合金化，使用炉管或者快速退火炉，退火温度400～450℃；
步骤14：对晶圆正反面钝化层SiO2或SiNx沉积，厚度200～1000nm；旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀晶圆反面形成焊盘区域和正面阳极键合区域开孔，去胶；
或者旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀晶圆正面形成焊盘区域和反面阳极键合区域开孔，去胶；
步骤15：对晶圆的正反面旋涂抗氢氧化钾或四甲基氢氧化铵保护胶；
步骤16：采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液同时腐蚀正反面的双腔刻蚀开口至20～80μm深度；
步骤18：去除正反面保护胶；
步骤19：玻璃与晶圆正面阳极键合区之间进行阳极键合，形成真空绝压腔体；
或者玻璃与晶圆反面阳极键合区之间进行阳极键合，形成真空绝压腔体。
本新型传感器设计中，两压阻传感器为尺寸、工艺相同的两组纵向应力压阻传感器，其压力敏感膜的大小尺寸也相同。组成惠斯通电桥半桥的两个压力敏感单元具有高对称性，两组敏感单元仅通过相反应力带来的电阻增大与减小的原理构成一惠斯通电桥半桥。由于传感器中的两组敏感单元具有几乎相同的参数与膜上应力分布，此传感器输出电压/压力曲线具有高线性度。此传感器的两个压敏电阻具有相同几何特征与相同工艺，并且两个压力敏感腔体具有相同几何特征。相较于传统设计中，横竖压敏电阻参数存在差异和方形膜上应力分布存在非线性等对输出曲线的不利影响，此新型压阻压力传感器从设计端确保了输出曲线的高线性度。另外，此设计也考虑到实际生产中腔体尺寸误差带来的影响，通过将压敏电阻置于敏感膜中心，最大程度的弱化了因误差带来的输出差异。因为压敏电阻部分都被置于膜中心，压力敏感膜尺寸的微小变化几乎可以被忽略。
附图说明
图1是本发明提出的压力传感器的原理示意图；
图2是本发明提出压力传感器的剖面示意图；
图3是本发明提出的压力传感器制作方法步骤1流程示意图；
图4是本发明提出的压力传感器制作方法步骤2流程示意图；
图5是本发明提出的压力传感器制作方法步骤3流程示意图；
图6是本发明提出的压力传感器制作方法步骤4流程示意图；
图7是本发明提出的压力传感器制作方法步骤5流程示意图；
图8是本发明提出的压力传感器制作方法步骤6流程示意图；
图9是本发明提出的压力传感器制作方法步骤8流程示意图；
图10是本发明提出的压力传感器制作方法步骤9流程示意图；
图11是本发明提出的压力传感器制作方法步骤10流程示意图；
图12是本发明提出的压力传感器制作方法步骤12流程示意图。
图13是本发明提出的压力传感器制作方法步骤14流程示意图。
图14是本发明提出的压力传感器制作方法步骤16流程示意图。
图15是本发明提出的压力传感器制作方法步骤18流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施案例中的技术方案进行进一步完整的描述，应理解，附图和下述实施方式是本发明一部分实施例，仅用于说明本发明，而非限制本发明。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
参见图1和图2，图1是本发明实施例提出的正反双腔式高压压力传感器的原理示意图，该压力传感器100包括：衬底为N型，所述衬底为单晶硅晶向<100>晶圆，或者为绝缘体上硅晶向<100>晶圆，所述压力传感器的应用压力范围为5～200Mpa。还包括：两个P型轻掺压敏电阻，即第一压敏电阻和第二压敏电阻，第一压敏电阻和第二压敏电阻形制和阻值相同，第一压敏电阻111和第二压敏电阻112构成惠斯通电桥半桥，第一压敏电阻111和第二压敏电阻112连接为串联电路，第一压敏电阻和第二压敏电阻通过硅通孔工艺串联形成第一串联电路；在衬底的背面与正面分别设有平行排布的第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体相对于相应的刻蚀面呈倒棱台型。所述第一压敏电阻位于衬底正面正向第一腔体的中心，第二压敏电阻位于衬底背面反向第二腔体的中心。由第一压敏电阻111与第二压敏电阻112组成的第一串联电路中，所述第一串联电路一端用于连接电源电压，作为第一端口，另一端用于接地，作为第二端口；第一压敏电阻与第二压敏电阻之间节点作为输出电压端子，作为第三端口。
参见图2，压力传感器结构包括具有双腔115,116的单晶硅101、两个压敏电阻111,112、重掺杂区域103、绝缘层102、金属引线104、钝化层105、玻璃键合层106，金属焊盘107。所述第一压敏电阻和第二压敏电阻通过重掺杂区域与金属引线实现电连接；重掺杂区域103位于压敏电阻同一层，为P型掺杂，掺杂剂量和能量高于压敏电阻掺杂，重掺杂区域103一端与轻掺压敏电阻111重合，另一端与金属引线104形成欧姆接触。所述绝缘层包括二氧化硅或/和氮化硅，绝缘层102覆盖衬底上的第一压敏电阻111、第二压敏电阻112和重掺杂区域103，开孔露出部分重掺杂端口与金属引线形成欧姆接触电连接。所述钝化层包括二氧化硅或/和氮化硅，钝化层105覆盖金属引线和金属电极，露出焊盘部分。玻璃键合层106，它为压力传感器形成真空绝压腔体，玻璃键合层位于衬底上部，玻璃需形成预制腔体而通过玻璃键合层与硅衬底形成绝缘腔，压力传感器为背部感压。在一些实施例中，玻璃键合层也可以位于衬底下部。焊盘则开于衬底的上部。所述金属焊盘107分别连接三个端口，所述第一压敏电阻和第二压敏电阻通过重掺杂区域103与金属引线104欧姆接触，金属引线104连接所述金属焊盘107。两个压敏电阻的三个端口主要作为压阻电气信号的接入与接出，第一压敏电阻与第二压敏电阻串联形成第一串联电路，所述第一串联电路一端用于连接电源电压，作为第一端口，另一端用于接地，作为第二端口；第一压敏电阻与第二压敏电阻之间节点作为输出电压端子，作为第三端口。
在一些实施例中，当衬底为P型，重掺杂为N型掺杂，轻掺压敏电阻为N型掺杂。
实施例二
本发明提供压力传感器的制作方法，包括：
步骤1：对N型晶向<100>单晶硅或绝缘体上硅衬底(SOI衬底)分别丙酮和/或异丙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗，晶圆甩干机甩干衬底表面水，图3示；
步骤2：使用氧化炉系统进行硅热氧化工艺，氧化温度1000～1200℃，生成厚度为5～30nm SiO2阻挡层，图4示；
步骤3：晶圆正面旋涂光刻胶，光刻显影形成压敏电阻图形，带胶注入，注入剂量为1E14～5E14cm-2，能量为60～100KeV，完成注入后去胶，图5示；
步骤4：晶圆反面旋涂光刻胶，光刻显影形成压敏电阻图形，带胶注入，注入剂量为1E14～5E14cm-2，能量为60～100KeV，正反面注入剂量和能量保持完全一致，完成注入后去胶，图6示；
步骤5：在晶圆正面旋涂光刻胶，光刻显影形成重掺电连接区域图形，带胶注入，注入剂量为8E15～2E16cm-2，能量为80～120KeV，完成注入后去胶，图7示；
步骤6：在晶圆反面旋涂光刻胶，光刻显影形成重掺电连接区域图形，带胶注入，注入剂量为8E15～2E16cm-2，能量为80～120KeV，正反面注入剂量和能量保持完全一致，完成注入后去胶,图8示；
步骤7：高温退火激活硼离子注入，使用炉管或者快速退火炉，退火温度950～1100℃；
步骤8：采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)对晶圆正反面沉积绝缘层SiO2或SiNx，厚度200～1000nm，正反面旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成重掺杂区域开孔，去胶，图9示；
步骤9：使用光刻胶旋涂至10～20μm，光刻显影形成硅通孔图形化，采用博世工艺进行深硅刻蚀，形成硅通孔，去胶，图10示；
步骤10：磁控溅射Cu种子层，旋涂光刻胶，光刻显影形成电镀磨具图形，电镀Cu将硅通孔填实，去除电镀磨具，图11示；
步骤11：旋涂光刻胶，光刻显影形成硅通孔图形，采用铜腐蚀液(醋酸：双氧水：水＝1：1:20)去除铜薄膜种子层，去胶；
步骤12：对晶圆正反面在绝缘层薄膜上采用磁控溅射或者蒸镀厚度为500～1200nm金属电极，电极材料可选择Au/Al/AlCu/Cu/Ni/Pt等金属材料，涂胶光刻显影，刻蚀出引线和焊盘，去胶，图12示；
步骤13：退火合金化，使用炉管或者快速退火炉，退火温度400～450°C；
步骤14：对晶圆正反面钝化层SiO2或SiNx沉积，厚度200～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀晶圆反面形成焊盘区域和正面阳极键合区域开孔，去胶，图13示；
步骤15：对晶圆的正反面旋涂抗氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)保护胶；
步骤16：采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液同时腐蚀正反面的双腔刻蚀开口至20～80μm深度，图14示；
步骤17：去去除正反面保护胶；
步骤18：玻璃与晶圆正面阳极键合区之间进行阳极键合，形成真空绝压腔体，图15示。
实施例三
与实施例二不同之处在于：步骤14：对晶圆正反面钝化层SiO2或SiNx沉积，厚度200～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀晶圆正面形成焊盘区域和反面阳极键合区域开孔，去胶；
步骤18：玻璃与晶圆反面阳极键合区之间进行阳极键合，形成真空绝压腔体。

Claims (10)

1.压力传感器，包括：衬底，所述衬底为单晶硅晶向<100>晶圆，或者为绝缘体上硅晶向<100>晶圆，其特征在于：包括第一压敏电阻和第二压敏电阻，第一压敏电阻和第二压敏电阻形制和阻值相同，所述第一压敏电阻和第二压敏电阻构成惠斯通电桥半桥，第一压敏电阻和第二压敏电阻通过硅通孔工艺串联形成第一串联电路；在衬底的背面与正面分别设有平行排布的第一腔体和第二腔体，所述第一压敏电阻位于衬底正面正向第一腔体的中心，第二压敏电阻位于衬底背面反向第二腔体的中心。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述压力传感器的应用压力范围为5～200MPa，第一腔体和第二腔体相对于相应的刻蚀面呈倒棱台型。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：压敏电阻为轻掺电阻。
4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于：所述第一压敏电阻和第二压敏电阻通过重掺杂区域与金属引线实现电连接；重掺杂区域位于压敏电阻同一层，掺杂剂量和能量高于压敏电阻掺杂，重掺杂区域一端与轻掺压敏电阻重合，另一端与金属引线形成欧姆接触。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于：当衬底为N型，重掺杂为P型掺杂，轻掺压敏电阻为P型掺杂；当衬底为P型，重掺杂为N型掺杂，轻掺压敏电阻为N型掺杂。
6.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于：还包括绝缘层，所述绝缘层包括二氧化硅或/和氮化硅，覆盖衬底上的轻掺压敏电阻和重掺杂区域，开孔露出部分重掺杂端口与金属引线形成欧姆接触电连接。
7.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于：还包括焊盘，两个压敏电阻的三个端口，主要作为压阻电气信号的接入与接出，第一压敏电阻与第二压敏电阻串联形成第一串联电路，所述第一串联电路一端用于连接电源电压，作为第一端口，另一端用于接地，作为第二端口；第一压敏电阻与第二压敏电阻之间节点作为输出电压端子，作为第三端口，所述焊盘分别连接三个端口，所述第一压敏电阻和第二压敏电阻通过重掺杂区域与金属引线欧姆接触，金属引线连接所述焊盘。
8.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于：还包括钝化层，所述钝化层包括二氧化硅或/和氮化硅，覆盖金属引线和金属电极，露出焊盘部分。
9.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：还包括玻璃键合层，用作压力传感器形成真空绝压腔体，玻璃键合层位于衬底上部或衬底下部，玻璃为预制腔体通过玻璃键合层与硅衬底构成绝压腔。
10.根据权利要求1至9中任意一项权利要求所述的压力传感器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1：对单晶硅或绝缘体上硅衬底采用丙酮和/或异丙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗，甩干机甩干衬底表面水；
步骤2：使用氧化炉系统进行硅热氧化工艺，氧化温度1000～1200℃，生成厚度为5～30nm SiO2阻挡层；
步骤3：晶圆正面旋涂光刻胶，光刻显影形成压敏电阻图形，带胶注入，注入剂量为1E14～5E14cm-2，能量为60～100KeV，完成注入后去胶；
步骤4：晶圆反面旋涂光刻胶，光刻显影形成压敏电阻图形，带胶注入，注入剂量为1E14～5E14cm-2，能量为60～100KeV，正反面注入剂量和能量保持一致，完成注入后去胶；
步骤5：在晶圆正面旋涂光刻胶，光刻显影形成重掺电连接区域图形，带胶注入，注入剂量为8E15～2E16cm-2，能量为80～120KeV，完成注入后去胶；
步骤6：在晶圆反面旋涂光刻胶，光刻显影形成重掺电连接区域图形，带胶注入，注入剂量为8E15～2E16cm-2，能量为80～120KeV，正反面注入剂量和能量保持一致，完成注入后去胶；
步骤7：高温退火激活硼离子注入，使用炉管或者快速退火炉，退火温度950～1100℃；
步骤8：采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)对晶圆正反面沉积绝缘层SiO2或SiNx，厚度200～1000nm，正反面旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成重掺杂区域开孔，去胶；
步骤9：使用光刻胶旋涂至10～20μm，光刻显影形成硅通孔图形化，采用博世工艺进行深硅刻蚀，形成硅通孔，去胶；
步骤10：磁控溅射Cu种子层，旋涂光刻胶，光刻显影形成电镀磨具图形，电镀Cu将硅通孔填实，去除电镀磨具；
步骤11：旋涂光刻胶，光刻显影形成硅通孔图形，采用铜腐蚀液其中醋酸：双氧水：水的比例为1：1:20去除铜薄膜种子层，去胶；
步骤12：对晶圆正反面在绝缘层薄膜上采用磁控溅射或者蒸镀厚度为500～1200nm金属电极，电极材料选择Au/Al/AlCu/Cu/Ni/Pt金属材料，涂胶光刻显影，刻蚀出引线和焊盘，去胶；
步骤13：退火合金化，使用炉管或者快速退火炉，退火温度400～450℃；
步骤14：对晶圆正反面钝化层SiO2或SiNx沉积，厚度200～1000nm；旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀晶圆反面形成焊盘区域和正面阳极键合区域开孔，去胶；
或者旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀晶圆正面形成焊盘区域和反面阳极键合区域开孔，去胶；
步骤15：对晶圆的正反面旋涂抗氢氧化钾或四甲基氢氧化铵保护胶；
步骤16：采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液同时腐蚀正反面的双腔刻蚀开口至20～80μm深度；
步骤18：去除正反面保护胶；
步骤19：玻璃与晶圆正面阳极键合区之间进行阳极键合，形成真空绝压腔体；
或者玻璃与晶圆反面阳极键合区之间进行阳极键合，形成真空绝压腔体。
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