CN116878702A - 抗电磁干扰的mems压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器及其制备方法，涉及压力传感器技术领域，包括硅衬底、硅应变膜、空腔、压敏电阻、重掺杂接触区、金属通孔、膜间通孔、金属PAD、多晶硅屏蔽层；硅衬底的表面沉积有第一二氧化硅层，空腔位于第一二氧化硅层表面中央，硅应变膜覆盖在所述空腔的上方；压敏电阻和所述重掺杂接触区设置在硅应变膜表面；金属PAD与重掺杂接触区通过金属通孔形成电连接；多晶硅屏蔽层覆盖在所述压敏电阻和空腔上方，膜间通孔位于金属PAD上。本发明通过在器件表面沉积多晶硅屏蔽层，利用膜间通孔使硅应变膜与多晶硅屏蔽层保持相同电位，达到抗电磁干扰的屏蔽效果，提高了器件稳定的效果。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，更具体的说是涉及一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器及其制备方法。
背景技术
MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的缩写，即微电子机械系统。它在微电子制造技术基础上发展起来，融合了多种微细加工技术，能够实现多种信息量(力、热、电磁、光、化学等)的获取、处理、控制以及执行。压力传感器依托微系统结构将难以测量的外界压力信号转化为容易测量和处理的电信号。根据不同的信号检测方式可以将MEMS压力传感器分为压阻式、电容式以及谐振式三种。MEMS压阻式压力传感器以半导体的压阻效应为工作原理。MEMS压力传感器作为最早也是最广泛应用与各类设备中的微传感器类型之一，广泛应用与汽车电子、航空航天、生物医疗、工业机器人、船舶系统、工业检测和控制等各个领域的压力测量、压力监控以及压力控制。其中，基于硅扩散的MEMS压阻式压力传感器具有灵敏度高、精度高、可靠性能好、非线性和回滞性好，动态响应快、易于集成等特点。这使他成为新的研究热点。
压阻式压力传感器采用MEMS工艺可实现对各类环境中气压的测量，主要利用硅的压阻效应实现，通过离子注入和离子扩散的微纳加工技术在硅膜上形成多块均匀扩散电阻，也可通过注入P+离子来实现类似金属导线的功能，将膜片上的电阻连接成惠斯通电桥。在外力的作用下，硅膜发生应变，在压阻效应的影响下，相应桥路上的电阻也将发生变化，利用惠斯通电桥的特性，可以测量出电桥两端的电压差，得益于这种特性的良好线性度和回滞性，得以输出一个与外部压力成正比的电压信号。缺点是受到温度影响大，需要利用IC电路对其输出进行温度补偿。
然而，由于在含有大量导线和电源的环境中，传统的结构在通过惠斯通电桥输出压差时容易受到电磁干扰的影响，外部导电介质会将一个电网络上的信号耦合到另一个网络上，在有电磁场伴随电压、电流的作用下降低器件的可靠性。这类现象主要发生在电车设备应用上，譬如电池包压力监测系统(BPS)中，电池包中大量高速PCB和交流电导线等都有可能变成具有天线特性的辐射干扰源，会发射电磁波影响其他系统的正常工作。
发明内容
有鉴于此，为解决上述技术在强电磁辐射环境中应用时存在的降低器件检测精度的技术问题，本发明提供了一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器及其制备方法，解决了传感器在强电磁干扰下性能不稳定，测量误差大的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器，包括硅衬底、硅应变膜、空腔、压敏电阻、重掺杂接触区、金属通孔、膜间通孔、金属PAD、多晶硅屏蔽层；
其中，所述硅衬底的表面沉积有第一二氧化硅层，所述空腔位于第一二氧化硅层表面中央，所述硅应变膜覆盖在所述空腔的上方；
所述压敏电阻和所述重掺杂接触区设置在所述硅应变膜表面；所述重掺杂接触区以惠斯通电桥形式连接压敏电阻；
所述金属PAD与重掺杂接触区通过金属通孔形成电连接；
所述多晶硅屏蔽层覆盖在所述压敏电阻和空腔上方，所述膜间通孔位于金属PAD上，用于使多晶硅屏蔽层与硅应变膜形成欧姆接触。
可选的，所述硅衬底为N型<100>晶面硅片。
可选的，所述硅应变膜为SOI硅片键合带空腔的硅衬底后，再次腐蚀抛光后所形成。
可选的，所述压敏电阻设置有4组，分布在所述硅应变膜表面，垂直方位位于所述空腔的四边。
可选的，所述压敏电阻由若干个压敏电阻条串并联组成。
可选的，所述多晶硅屏蔽层是由LPCVD工艺沉积后刻蚀得到的。
可选的，所述金属通孔由TSV技术形成，被导电金属填满，形成金属引线。
可选的，所述金属引线为Al、Cr/Au、Ti/Au材料中的至少一种。
一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、取N型<100>晶面硅片作为硅衬底，在硅衬底表面沉积第一二氧化硅层，并进行刻蚀形成空腔；
S2、制备一块SOI硅片，将SOI硅片翻转后利用阳极键合技术与S1中制备的带空腔硅衬底在真空中进行键合，形成密闭空腔；
S3、腐蚀研磨SOI硅片的硅衬底部分至SOI硅片的第二二氧化硅层，形成硅应变膜，在第二二氧化硅层上旋涂覆盖光刻胶后光刻出压敏电阻的图案；
S4、沿所述图案正面刻蚀掉表面的第二二氧化硅层，离子注入B+，退火得到压敏电阻；
S5、沉积二氧化硅后进行抛光，覆盖光刻胶后光刻出重掺杂接触区的图案，刻蚀掉表面二氧化硅后离子注入B+，退火得到重掺杂接触区；
S6、沉积二氧化硅后抛光，刻蚀出金属通孔图案，沉积金属铝层，覆盖光刻胶后对金属表面进行图形化处理后，刻蚀掉多余的金属，形成金属PAD；
S7、刻蚀出连接多晶硅屏蔽层与硅应变膜的膜间通孔；
S8、化学沉积一层多晶硅，填满通孔并研磨抛光到所需厚度；
S9、对沉积完成的多晶硅覆盖光刻胶后做图形化处理，进行刻蚀，形成多晶硅屏蔽层；
S10、进行划片封装，获得抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器。
经由上述的技术方案可知，本发明提供了一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器及其制备方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明通过在器件表面沉积多晶硅屏蔽层覆盖空腔和其上方的硅应变膜及其压敏电阻所在区域，利用膜间通孔使多晶硅屏蔽层与硅应变膜形成欧姆接触，使硅应变膜与器件表面的多晶硅屏蔽层保持相同电位，以此来达到抗电磁干扰的屏蔽，提高了器件稳定的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的N型<100>晶面硅片备片减薄和氧化工艺示意图；
图2为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的空腔刻蚀示意图；
图3为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的SOI硅片的备片减薄示意图；
图4为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的SOI硅片与N型<100>晶面硅片的键合和减薄工艺示意图；
图5为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的压敏电阻制作示意图；
图6为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的重掺杂接触区图形的光刻刻蚀示意图；
图7为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的重掺杂接触区离子注入制作示意图；
图8为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的金属通孔制作示意图；
图9为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的金属引线和金属PAD制作示意图；
图10为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的连接多晶硅屏蔽层与硅应变膜的膜间通孔的制作示意图；
图11为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的多晶硅屏蔽层化学气相沉积制作示意图；
图12为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的多晶硅屏蔽层图形化刻蚀制作示意图；
图13为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器未覆盖多晶硅屏蔽层时的主视图；
图14为本发明实施例提供的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器覆盖多晶硅屏蔽层时的主视图；
其中，1为晶面硅片的硅衬底；2为第一二氧化硅层；3为SOI硅片的第一硅片；4为第二二氧化硅层；5为SOI硅片的第二硅片；6为空腔；7为压敏电阻；8为重掺杂接触区；9为金属通孔；10为金属PAD；11为膜间通孔；12为多晶硅屏蔽层。
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，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明实施例公开了一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器，包括硅衬底1、硅应变膜、空腔6、压敏电阻7、重掺杂接触区8、金属通孔9、膜间通孔11、金属PAD10、多晶硅屏蔽层12。
其中，所述硅衬底1为N型<100>晶面硅片，表面沉积有第一二氧化硅层2，所述空腔6位于第一二氧化硅层2表面中央，所述硅应变膜覆盖在所述空腔6的上方，所述硅应变膜为SOI硅片键合带空腔6的硅衬底1后，再次腐蚀抛光后所形成。
所述压敏电阻7和所述重掺杂接触区8设置在所述硅应变膜表面；所述重掺杂接触区8以惠斯通电桥形式连接压敏电阻7；所述压敏电阻7设置有4组，分布在所述硅应变膜表面，垂直方位位于所述空腔6的四边。压敏电阻7由若干个压敏电阻条串并联组成。
所述金属PAD10与重掺杂接触区8通过金属通孔9形成电连接；所述金属通孔9由TSV技术形成，被导电金属填满，形成金属引线，所述金属引线为Al、Cr/Au、Ti/Au材料中的至少一种。
所述多晶硅屏蔽层12是由LPCVD工艺沉积后刻蚀得到的，覆盖在所述压敏电阻7和空腔6上方，所述膜间通孔11位于金属PAD10上，用于使多晶硅屏蔽层12与硅应变膜形成欧姆接触。
在另一实施例中，还提供一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、取N型<100>晶面硅片并减薄至所需厚度，作为硅衬底1，在硅衬底1表面通过热氧化法生成第一二氧化硅层2，该步骤得到的结构如图1所示。并采用湿法进行刻蚀形成空腔6，参见图2；
S2、SOI硅片(包括第一硅片3、第二二氧化硅层4、第二硅片5)备片并减薄，参见图3。将SOI硅片翻转后倒扣在带空腔6的硅衬底1上，利用阳极键合技术与S1中制备的带空腔6的硅衬底1在真空中进行键合，形成密闭空腔6，并腐蚀研磨SOI硅片的硅衬底部分到第二二氧化硅层4的位置，该步骤得到的结构如图4所示，形成硅应变膜；
S3、在硅应变膜上旋涂覆盖光刻胶后光刻出压敏电阻7的图案；
S4、沿所述图案正面刻蚀掉表面的第二二氧化硅层4，离子注入B+，退火得到压敏电阻7，如图5所示；
S5、沉积二氧化硅后进行抛光，覆盖光刻胶后光刻出重掺杂接触区8的图案，刻蚀掉表面二氧化硅后离子注入B+，退火得到重掺杂接触区8，该步骤得到的结构如图6与图7所示；
S6、沉积二氧化硅后抛光，采用LPCVD工艺获得SiO2层或SiN层，光刻刻蚀得到金属通孔9，如图8所示；制作金属引线和金属PAD10，采用蒸发或者溅射等工艺淀积金属铝层，刻蚀得到金属引线和金属PAD10，退火合金化，形成欧姆接触，如图9所示；
S7、光刻刻蚀出连接多晶硅屏蔽层12与硅应变膜的膜间通孔11，如图10所示；
S8、采用LPCVD工艺化学沉积一层多晶硅，对表面进行旋转抛光，如图11所示；
S9、对沉积完成的多晶硅覆盖光刻胶后做图形化处理，刻蚀不需要的部分，保留所需区域形成多晶硅屏蔽层12，如图12所示；
S10、对得到的硅衬底进行划片封装，获得抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，包括硅衬底(1)、硅应变膜、空腔(6)、压敏电阻(7)、重掺杂接触区(8)、金属通孔(9)、膜间通孔(11)、金属PAD(10)、多晶硅屏蔽层(12)；
其中，所述硅衬底(1)的表面沉积有第一二氧化硅层(2)，所述空腔(6)位于第一二氧化硅层(2)表面中央，所述硅应变膜覆盖在所述空腔(6)的上方；
所述压敏电阻(7)和所述重掺杂接触区(8)设置在所述硅应变膜表面；所述重掺杂接触区(8)以惠斯通电桥形式连接压敏电阻(7)；
所述金属PAD(10)与重掺杂接触区(8)通过金属通孔(9)形成电连接；
所述多晶硅屏蔽层(12)覆盖在所述压敏电阻(7)和空腔(6)上方，所述膜间通孔(11)位于金属PAD(10)上，用于使多晶硅屏蔽层(12)与硅应变膜形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述硅衬底(1)为N型<100>晶面硅片。
3.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述硅应变膜为SOI硅片键合带空腔(6)的硅衬底(1)后，再次腐蚀抛光后所形成。
4.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述压敏电阻(7)设置有4组，分布在所述硅应变膜表面，垂直方位位于所述空腔(6)的四边。
5.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述压敏电阻(7)由若干个压敏电阻条串并联组成。
6.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述多晶硅屏蔽层(12)是由LPCVD工艺沉积后刻蚀得到的。
7.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述金属通孔(9)由TSV技术形成，被导电金属填满，形成金属引线。
8.根据权利要求7所述的一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述金属引线为Al、Cr/Au、Ti/Au材料中的至少一种。
9.一种抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取N型<100>晶面硅片作为硅衬底(1)，在硅衬底(1)表面沉积第一二氧化硅层(2)，并进行刻蚀形成空腔(6)；
S2、制备一块SOI硅片，将SOI硅片翻转后利用阳极键合技术与S1中制备的带空腔(6)硅衬底在真空中进行键合，形成密闭空腔(6)；
S3、腐蚀研磨SOI硅片的硅衬底部分至SOI硅片的第二二氧化硅层(4)，形成硅应变膜，在第二二氧化硅层(4)上旋涂覆盖光刻胶后光刻出压敏电阻(7)的图案；
S4、沿所述图案正面刻蚀掉表面的第二二氧化硅层(4)，离子注入B+，退火得到压敏电阻(7)；
S5、沉积二氧化硅后进行抛光，覆盖光刻胶后光刻出重掺杂接触区(8)的图案，刻蚀掉表面二氧化硅后离子注入B+，退火得到重掺杂接触区(8)；
S6、沉积二氧化硅后抛光，刻蚀出金属通孔(9)图案，沉积金属铝层，覆盖光刻胶后对金属表面进行图形化处理后，刻蚀掉多余的金属，形成金属PAD(10)；
S7、刻蚀出连接多晶硅屏蔽层(12)与硅应变膜的膜间通孔(11)；
S8、化学沉积一层多晶硅，填满通孔并研磨抛光到所需厚度；
S9、对沉积完成的多晶硅覆盖光刻胶后做图形化处理，进行刻蚀，形成多晶硅屏蔽层(12)；
S10、进行划片封装，获得抗电磁干扰的MEMS压阻式压力传感器。
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