CN117699734A - 一种温度及压力传感器芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温度及压力传感器芯片及其制作方法，温度及压力传感器芯片包括：第一衬底、位于第一衬底的正面的第二衬底、生长于第二衬底的背面的外延层、贯穿外延层并延伸至第二衬底内以将外延层分隔成压敏区和测温区的P++区、形成于测温区的测温结构、形成于压敏区的压阻结构、设置于所述第一衬底中并与所述压敏区相对的第一腔体。与现有技术相比，本发明的测温区的外延层、P++区和压敏区的外延层形成NPN型三极管，此三极管基极为低电平，所以三极管截止，使得测温区和压敏区的外延层的可同时保持电位不同但互不干扰，从而解决以往技术中MEMS压力传感器芯片温度采集不准确的问题。

Description

一种温度及压力传感器芯片及其制作方法

【技术领域】

本发明涉及传感器技术和微机电系统技术领域，尤其涉及一种温度及压力传感器芯片及其制作方法。

【背景技术】

随着社会智能化的发展需求，压力传感器的应用领域越来越广，精度要求越来越高；MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)压阻式压力传感器以其低成本、高灵敏度、高分辨率受到市场的青睐。MEMS压阻式压力传感器的精度受温度影响较大，这需要调理芯片实时采集MEMS压力传感器芯片的温度数据，并进行实时的温度补偿。

现有技术方案中，MEMS压力传感器芯片衬底和测温二极管阴极是同极性的，二者只可以交替工作(压敏部件工作时，衬底为高电平，测温二极管工作时，衬底是低电平)，例如Frist Sensor的High Stability Line STARe系列压力传感器。由于现有MEMS压力传感器芯片上的压敏部件和测温二极管不可同时工作，导致MEMS压力传感器芯片温度采集不准确。

因此，有必要提出一种技术方案来克服上述问题。

【发明内容】

本发明的目的之一在于提供一种温度及压力传感器芯片及其制作方法，其可以解决以往技术中MEMS压力传感器芯片温度采集不准确的问题。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种温度及压力传感器芯片，其包括：

第一衬底，其具有正面和背面；第二衬底，其具有正面和背面，所述第二衬底位于所述第一衬底的正面，且所述第二衬底的正面与所述第一衬底的正面相邻；

外延层，其生长于所述第二衬底的背面；P++区，其自所述外延层远离所述第一衬底的一侧表面贯穿所述外延层并延伸至所述第二衬底内，所述P++区将所述外延层分隔成压敏区和测温区；测温结构，其形成于所述测温区；压阻结构，其形成于所述压敏区；第一腔体，其设置于所述第一衬底中并与所述压敏区相对。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种温度及压力传感器芯片的制作方法，其包括：提供具有正面和背面的第一衬底，并自所述第一衬底的正面向所述第一衬底内刻蚀形成第一腔体；提供具有正面和背面的第二衬底；将刻蚀有所述第一腔体的所述第一衬底的正面与所述第二衬底的正面键合，使得所述第一衬底和第二衬底结合成一个整体；自所述第二衬底的背面减薄所述第二衬底；自减薄后的所述第二衬底的背面生长外延层；在所述外延层远离所述第一衬底的一侧表面图形化P型重掺杂以形成P++区，所述P++区贯穿所述外延层并延伸至减薄后的所述第二衬底内，所述P++区将所述外延层分隔成压敏区和测温区，所述压敏区与所述第一腔体相对；在所述压敏区形成压阻结构，在所述测温区形成测温结构。

与现有技术相比，本发明使得同一温度及压力传感器芯片上的压敏部件(或压敏结构)和测温二极管(或测温三极管)在衬底上隔离开来，实现了压敏部件和测温二极管(或测温三极管)同时工作互不干扰，从而解决以往技术中MEMS压力传感器芯片温度采集不准确的问题。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明在第一个实施例中的温度及压力传感器芯片的制作方法的流程示意图；

图2-图12为本发明在一个实施例中如图1所示的各步骤对应的结构的纵剖面图；

图13为本发明在第一个实施例中的温度及压力传感器芯片的纵剖面图；

图14为本发明在第二个实施例中的温度及压力传感器芯片的纵剖面图；

图15为本发明在第三个实施例中的温度及压力传感器芯片的纵剖面图；

图16为本发明在一个实施例中的温度及压力传感器芯片的俯视图；

图17为本发明在第二个实施例中的温度及压力传感器芯片的制作方法的流程示意图；

图18-图28为本发明在一个实施例中如图17所示的各步骤对应的结构的纵剖面图；

图29为本发明在第四个实施例中的温度及压力传感器芯片的纵剖面图；

图30为本发明在第五个实施例中的温度及压力传感器芯片的纵剖面图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

请参考图1所示，其为本发明在第一个实施例中的温度及压力传感器芯片的制作方法的流程示意图；请参考图2-图12所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的各步骤对应的结构的纵剖面图。图1所示的温度及压力传感器芯片的制作方法包括如下步骤。

步骤A1、如图2所示，提供具有正面和背面的第一衬底210，并自第一衬底210的正面向第一衬底210内刻蚀形成第一腔体212。其中，第一腔体212的腔体深度可以为2～10um。

步骤A2、如图3所示，提供具有正面和背面的第二衬底220，并在第二衬底220的正面进行氧化处理形成第一绝缘层230。

步骤A3、如图4所示，将刻蚀有第一腔体212的第一衬底210的正面和第一绝缘层230键合，使得第一衬底210和第二衬底220结合成一个整体。在一个具体的实施例中，第一衬底210的正面和第一绝缘层230的键合为真空键合，第一腔体212为真空腔体。

步骤A4、如图5所示，自第二衬底220的背面减薄抛光键合后的第二衬底220。其中，减薄后的第二衬底220的厚度小于第一衬底210的厚度。

步骤A5、如图6所示，自减薄后的第二衬底220的背面生长外延层240，外延层240的厚度可以为2～20um。

步骤A6、如图7所示，在外延层240远离第一衬底210的一侧表面图形化P型重掺杂以形成P++区250，P++区250贯穿外延层240并延伸至减薄后的第二衬底220内(也可以说，P++区250纵向贯穿外延层240且与减薄后的第二衬底220形成电联通)，P++区250将外延层240分隔成压敏区242和测温区244。其中，压敏区242与第一腔体212相对。

步骤A7、在外延层240的压敏区242形成压阻结构(未标识)，在外延层240的测温区244形成测温二极管(未标识)。

其中，步骤A7具体包括：

步骤A71、如图8所示，在分隔有压敏区242和测温区244的外延层240的远离第一衬底210的一侧表面分别进行图形化(或分别有选择的进行)N型浓掺杂和P型掺杂(掺杂先后顺序不定但都在保护范围内)，以在压敏区242形成相互间隔的第一N+有源区261和P+层266；以在测温区244形成相互间隔的第二N+有源区262和第一P+有源区265，从而在测温区244形成测温二极管；

步骤A72、如图9所示，对外延层240远离第一衬底210的一侧表面有选择的进行刻蚀，以将P+层266刻蚀成P+凸起结构263，其中，P+凸起结构263凸出于压敏区242远离第一衬底210的一侧表面，从而在压敏区242形成电桥压阻结构；使得第二N+有源区262和第一P+有源区265凸出于测温区244远离第一衬底210的一侧表面；使得P++区250凸出于外延层240远离第一衬底210的一侧表面。在另一个实施例中，具体可参见图15所示，第一N+有源区261可以不需要凸出于压敏区242远离第一衬底210的一侧表面；P++区250可以不需要凸出于外延层240远离第一衬底210的一侧表面；第二N+有源区262和第一P+有源区265可以不需要凸出于测温区244远离第一衬底210的一侧表面。也就是说，在测温区244形成的测温二极管可以为凸起结构也可以为平面结构。

换句话说，步骤A72，至少对压敏区242远离第一衬底210的一侧表面有选择的进行刻蚀，将P+层266刻蚀成P+凸起结构263，以在压敏区242形成压阻结构。

步骤A8、如图10和图11所示，在形成有测温二极管和压阻结构的外延层240的远离第一衬底210的一侧表面形成第二绝缘层270，并在第二绝缘层270上有选择的刻蚀出贯穿第二绝缘层270的导电窗口272。具体的，在第二绝缘层270上与第一N+有源区261、第二N+有源区262、P+凸起结构263、第一P+有源区265和P++区250的对应位置处分别设置有对应的贯穿第二绝缘层270的导电窗口272。

步骤A9、如图11所示，在形成有导电窗口272的第二绝缘层270上生长并刻蚀形成金属互连层280，进而形成电路结构。金属互连层280包括相互间隔的第一电源电极282、第一接地电极284、第二电源电极286、第二接地电极288、电桥输出电极(未画出)和金属互联线(未画出)，其中，第一电源电极282经对应的导电窗口272与第一N+有源区261和P+凸起结构263的一端电连接；第一接地电极284经对应的导电窗口272与P+凸起结构263的另一端电连接；第二电源电极286经对应的导电窗口272与第一P+有源区265电连接；第二接地电极288经对应的导电窗口272与第二N+有源区262和P++区250电连接。

值得注意的是，截止到步骤A9，制得的温度及压力传感器芯片为绝压型；若制作差压型可增加步骤A10，如图12所示，在形成金属互连层280后，自第一衬底210的背面向第一衬底210内进行深硅刻蚀形成第二腔体214，第二腔体214将第一腔体212和外界连通。其中，第二腔体214在第一衬底210的正面的投影区域位于第一腔体212在第一衬底210的正面的投影区域内，也就是说，第二腔体214在第一衬底210的正面的投影区域小于等于第一腔体212在第一衬底210的正面的投影区域。

需要特别说明的是，第一绝缘层230对于温度及压力传感器芯片来说是非必须结构，故步骤A3也可以是，将刻蚀有第一腔体212的第一衬底210的正面与第二衬底220的正面键合，使得第一衬底210和第二衬底220结合成一个整体。第一N+有源区261不属于压阻结构，此结构从功能上来说是非必须结构，但是它的设置可使得凸起压阻结构工作更稳定。

需要特别说明的是，在图2-图12所示的实施例中，第一衬底210为P-型单晶硅晶圆；第二衬底220为P-型单晶硅晶圆；外延层240为N-型单晶硅；第一N+有源区261和第二N+有源区262的掺杂浓度＞外延层240的掺杂浓度；第一衬底210和第二衬底220的掺杂浓度＜P+凸起结构263和第一P+有源区265的掺杂浓度＜P++区250的掺杂浓度。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种温度及压力传感器芯片。请参考图13所示，其为本发明在第一个实施例中的温度及压力传感器芯片的纵剖面图。图13所示的温度及压力传感器芯片采用图1所示的温度及压力传感器芯片的制作方法中的步骤A1-步骤A9制得。

图13所示的温度及压力传感器芯片包括第一衬底210、第二衬底220、第一绝缘层230、外延层240、P++区250、第一腔体212、测温二极管(未标识)和压阻结构(未标识)。

其中，第一衬底210具有正面和背面；第二衬底220具有正面和背面；第一绝缘层230夹持在第一衬底210的正面和第二衬底220的正面之间；外延层240生长于第二衬底220的背面，外延层240的厚度可以为2～20um；P++区250自外延层240远离第一衬底210的一侧表面贯穿外延层240并延伸至第二衬底220内(也可以说，P++区250纵向贯穿外延层240且与第二衬底220形成电联通)，P++区250将外延层240分隔成压敏区242和测温区244；测温二极管(未标识)形成于测温区244；压阻结构(未标识)形成于压敏区242；第一腔体212设置于第一衬底210中并与压敏区242相对。

在图13所示的实施例中，压阻结构(未标识)包括自压敏区242远离第一衬底210的一侧表面向压敏区242内有选择地形成的第一N+有源区261和P+凸起结构263，且第一N+有源区261和P+凸起结构263相互间隔。测温二极管(未标识)包括自测温区244远离第一衬底210的一侧表面向测温区244内有选择地形成的第二N+有源区262和第一P+有源区265，且第二N+有源区262和第一P+有源区265相互间隔。

在图13所示的具体实施例中，第一衬底210为P-型单晶硅晶圆；第二衬底220为P-型单晶硅晶圆；外延层240为N-型单晶硅；第一N+有源区261和第二N+有源区262的掺杂浓度＞外延层240的掺杂浓度；第一衬底210和第二衬底220的掺杂浓度＜P+凸起结构263和第一P+有源区265的掺杂浓度＜P++区250的掺杂浓度；第二衬底220的厚度小于第一衬底210的厚度。

在图13所示的具体实施例中，第一N+有源区261和P+凸起结构263凸出于压敏区242远离第一衬底210的一侧表面；第二N+有源区262和第一P+有源区265凸出于测温区244远离第一衬底210的一侧表面；P++区250凸出于外延层240远离第一衬底210的一侧表面。

图13所示的温度及压力传感器芯片还包括第二绝缘层270，第二绝缘层270覆盖于形成有测温二极管和压阻结构的外延层240的远离第一衬底210的一侧表面上；第二绝缘层270上有选择的刻蚀有贯穿第二绝缘层270的导电窗口272。具体的，在第二绝缘层270上与第一N+有源区261、第二N+有源区262、P+凸起结构263、第一P+有源区265和P++区250的对应位置处分别设置有对应的贯穿第二绝缘层270的导电窗口272。

图13所示的温度及压力传感器芯片还包括金属互连层280，金属互连层280形成于设置有导电窗口272的第二绝缘层270上。金属互连层280包括相互间隔的第一电源电极282、第一接地电极284、第二电源电极286、第二接地电极288、电桥输出电极(未画出)和金属互联线(未画出)，其中，第一电源电极282经对应的导电窗口272与第一N+有源区261和P+凸起结构263的一端电连接；第一接地电极284经对应的导电窗口272与P+凸起结构263的另一端电连接；第二电源电极286经对应的导电窗口272与第一P+有源区265电连接；第二接地电极288经对应的导电窗口272与第二N+有源区262和P++区250电连接。

值得注意的是，图13所示的温度及压力传感器芯片为绝压型，第一腔体212自第一衬底210的正面延伸至第一衬底210内，第一腔体212为真空腔体。请参考图14所示，其为本发明在第二个实施例中的温度及压力传感器芯片的纵剖面图，其为差压型。与图13相比，图14所示的温度及压力传感器芯片还包括第二腔体214，第二腔体214自第一衬底210的背面延伸至第一衬底210内，第二腔体214将第一腔体212和外界连通；第二腔体214在第一衬底210的正面的投影区域位于第一腔体212在第一衬底210的正面的投影区域内，也就是说，第二腔体214在第一衬底210的正面的投影区域小于等于第一腔体212在第一衬底210的正面的投影区域。

请参考图15所示，其为本发明在第三个实施例中的温度及压力传感器芯片的纵剖面图，与图13相比，在图15所示的温度及压力传感器芯片中，仅P+凸起结构263凸出于压敏区242远离第一衬底210的一侧表面；第一N+有源区261未凸出于压敏区242远离第一衬底210的一侧表面；第二N+有源区262和第一P+有源区265也未凸出于测温区244远离第一衬底210的一侧表面；P++区250也未凸出于外延层240远离第一衬底210的一侧表面。也就是说，在测温区244形成的测温二极管可以为凸起结构也可以为平面结构；至少P+凸起结构263凸出于压敏区242远离第一衬底210的一侧表面。

请参考图16所示，其为本发明在一个实施例中的温度及压力传感器芯片的俯视图。在图16所示的实施例中，P++区250将外延层240分隔成压敏区242和测温区244，且P++区250互连成一个整体。

针对图13-16所示的温度及压力传感器芯片需要特别说明的是，第一绝缘层230对于温度及压力传感器芯片来说是非必须结构，故也可以说，第二衬底220位于第一衬底210的正面，且第二衬底220的正面与第一衬底210的正面相邻。第一N+有源区261不属于压阻结构，此结构从功能上来说是非必须结构，但是它的设置可使得凸起压阻结构工作更稳定。

以下具体介绍图13-16所示的温度及压力传感器芯片的工作原理。

1.在压敏区242内，压阻结构工作时，金属互联层280的第一电源电极282上加高电平，与之电接触的第一N+有源区261与外延层240(即N-型单晶硅层)电性互联；金属互联层280的第一接地电极284上加低电平，与之电接触的P+凸起结构263的另一端与外延层240(即N-型单晶硅层)形成的PN结反向偏置断开，因此，此时压敏区242的外延层240(即N-型单晶硅层)为高电平。

2.在测温区244内，测温二极管工作时，金属互联层280的第二电源电极286上加高电平，与之电接触的第一P+有源区265与外延层240(即N-型单晶硅层)形成的PN结正向偏置；金属互联层280的第二接地电极288上加低电平，与之电接触的第二N+有源区262和外延层240(即N-型单晶硅层)电性互联；因此，此时测温区244的外延层240(即N-型单晶硅层)为低电平。

3.P++区250与金属互联层280的第二接地电极288电接触，因此，P++区250为低电平(如图16所示，P++区250在芯片内互联成一个整体)。

4.由此测温区244的外延层240(即N-型单晶硅层)、P++区250和压敏区242的外延层240(即N-型单晶硅层)形成NPN型三极管，此三极管基极(P++区250)为低电平，所以三极管截止(不导通)，测温区244和压敏区242各为低电平和高电平，互不干扰。

请参考图17所示，其为本发明在第二个实施例中的温度及压力传感器芯片的制作方法的流程示意图；请参考图18-图28所示，其为本发明在一个实施例中如图17所示的各步骤对应的结构的纵剖面图。图17所示的温度及压力传感器芯片的制作方法包括如下步骤。

步骤B1、如图18所示，提供具有正面和背面的第一衬底210，并自第一衬底210的正面向第一衬底210内刻蚀形成第一腔体212。其中，第一腔体212的腔体深度可以为2～10um。

步骤B2、如图19所示，提供具有正面和背面的第二衬底220，并在第二衬底220的正面进行氧化处理形成第一绝缘层230。

步骤B3、如图20所示，将刻蚀有第一腔体212的第一衬底210的正面和第一绝缘层230键合，使得第一衬底210和第二衬底220结合成一个整体。在一个具体的实施例中，第一衬底210的正面和第一绝缘层230的键合为真空键合，第一腔体212为真空腔体。

步骤B4、如图21所示，自第二衬底220的背面减薄抛光键合后的第二衬底220。其中，减薄后的第二衬底220的厚度小于第一衬底210的厚度。

步骤B5、如图22所示，自减薄后的第二衬底220的背面生长外延层240，外延层240的厚度可以为2～20um。

步骤B6、如图23所示，在外延层240远离第一衬底210的一侧表面图形化P型重掺杂以形成P++区250，P++区250贯穿外延层240并延伸至减薄后的第二衬底220内(也可以说，P++区250纵向贯穿外延层240且与减薄后的第二衬底220形成电联通)，P++区250将外延层240分隔成压敏区242和测温区244。其中，压敏区242与第一腔体212相对。

步骤B7、在外延层240的压敏区242形成压阻结构(未标识)，在外延层240的测温区244形成测温三极管(未标识)。

其中，步骤B7具体包括：

步骤B71、如图24所示，在分隔有压敏区242和测温区244的外延层240的远离第一衬底210的一侧表面分别进行图形化(或分别有选择的进行)N型浓掺杂、P型轻掺杂和P型浓掺杂(掺杂先后顺序不定但都在保护范围内)，以在压敏区242形成相互间隔的第一N+有源区261和P+层266；以在测温区244形成P-阱区267、第二N+有源区262、第三N+有源区268和第一P+有源区265，其中，P-阱区267和第三N+有源区268相互间隔，第一P+有源区265和第二N+有源区262相互间隔的设置于P-阱区267，从而在测温区244形成测温三极管。其中，第一N+有源区261、第二N+有源区262和第三N+有源区268为N型浓掺杂；P-阱区267为P型轻掺杂，第一P+有源区265为P型浓掺杂，即P-阱区267的掺杂浓度＜第一P+有源区265的掺杂浓度＜P++区250的掺杂浓度；P++区250的结深(或深度)＞P-阱区267的结深(或深度)＞第一P+有源区265的结深；P-阱区267的结深(或深度)＞第二N+有源区262和第三N+有源区268的结深。

步骤B72、如图25所示，对外延长240远离第一衬底210的一侧表面有选择的进行刻蚀，以将P+层266刻蚀成P+凸起结构263，其中，P+凸起结构263凸出于压敏区242远离第一衬底210的一侧表面，从而在压敏区242形成电桥压阻结构。需要说明的是，P+凸起结构263可以为P型轻掺杂或P型浓掺杂。

步骤B8、如图26所示，在形成有测温三极管和压阻结构的外延层240的远离第一衬底210的一侧表面形成第二绝缘层270，并在第二绝缘层270上有选择的刻蚀出贯穿第二绝缘层270的导电窗口272。具体的，在第二绝缘层270上与第一N+有源区261、第二N+有源区262、第三N+有源区268、P+凸起结构263和第一P+有源区265的对应位置处分别设置有对应的贯穿第二绝缘层270的导电窗口272。

步骤B9、如图27所示，在形成有导电窗口272的第二绝缘层270上生长并刻蚀形成金属互连层280，进而形成电路结构。金属互连层280包括相互间隔的第一电源电极282、第一接地电极284、第二电源电极286、第二接地电极288、电桥输出电极(未画出)和金属互联线(未画出)，其中，第一电源电极282经对应的导电窗口272与第一N+有源区261和P+凸起结构263的一端电连接；第一接地电极284经对应的导电窗口272与P+凸起结构263的另一端电连接；第二电源电极286经对应的导电窗口272与第一P+有源区265和第三N+有源区268电连接；第二接地电极288经对应的导电窗口272与第二N+有源区262电连接。

值得注意的是，截止到步骤A9，制得的温度及压力传感器芯片为绝压型；若制作差压型可增加步骤B10，如图28所示，在形成金属互连层280后，自第一衬底210的背面向第一衬底210内进行深硅刻蚀形成第二腔体214，第二腔体214将第一腔体212和外界连通。其中，第二腔体214在第一衬底210的正面的投影区域位于第一腔体212在第一衬底210的正面的投影区域内，也就是说，第二腔体214在第一衬底210的正面的投影区域小于等于第一腔体212在第一衬底210的正面的投影区域。

需要特别说明的是，在图18-图28所示的实施例中，第一衬底210为P-型单晶硅晶圆；第二衬底220为P-型单晶硅晶圆；外延层240为N-型单晶硅；第一N+有源区261、第二N+有源区262和第三N+有源区268的掺杂浓度＞外延层240的掺杂浓度。

需要特别说明的是，第一绝缘层230对于温度及压力传感器芯片来说是非必须结构，故步骤B3也可以是，将刻蚀有第一腔体212的第一衬底210的正面与第二衬底220的正面键合，使得第一衬底210和第二衬底220结合成一个整体。第一N+有源区261不属于压阻结构，此结构从功能上来说是非必须结构，但是它的设置可使得凸起压阻结构工作更稳定。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种温度及压力传感器芯片。请参考图29所示，其为本发明在第四个实施例中的温度及压力传感器芯片的纵剖面图。图29所示的温度及压力传感器芯片采用图17所示的温度及压力传感器芯片的制作方法中的步骤B1-步骤B9制得。

图29所示的温度及压力传感器芯片包括第一衬底210、第二衬底220、第一绝缘层230、外延层240、P++区250、第一腔体212、测温三极管(未标识)和压阻结构(未标识)。

其中，第一衬底210具有正面和背面；第二衬底220具有正面和背面；第一绝缘层230夹持在第一衬底210的正面和第二衬底220的正面之间；外延层240生长于第二衬底220的背面，外延层240的厚度可以为2～20um；P++区250自外延层240远离第一衬底210的一侧表面贯穿外延层240并延伸至第二衬底220内(也可以说，P++区250纵向贯穿外延层240且与第二衬底220形成电联通)，P++区250将外延层240分隔成压敏区242和测温区244；测温三极管(未标识)形成于测温区244；压阻结构(未标识)形成于压敏区242；第一腔体212设置于第一衬底210中并与压敏区242相对。

在图29所示的实施例中，压阻结构(未标识)包括自压敏区242远离第一衬底210的一侧表面向压敏区242内有选择地形成的第一N+有源区261和P+凸起结构263，且第一N+有源区261和P+凸起结构263相互间隔。测温三极管(未标识)包括自测温区244远离第一衬底210的一侧表面向测温区244内有选择地形成的P-阱区267、第二N+有源区262、第三N+有源区268和第一P+有源区265，其中，P-阱区267和第三N+有源区268相互间隔，第一P+有源区265和第二N+有源区262相互间隔的设置于P-阱区267。其中，第一N+有源区261、第二N+有源区262和第三N+有源区268为N型浓掺杂；P-阱区267为P型轻掺杂，第一P+有源区265为P型浓掺杂，P++区250为P型重掺杂，即P-阱区267的掺杂浓度＜第一P+有源区265的掺杂浓度＜P++区250的掺杂浓度；P++区250的结深(或深度)＞P-阱区267的结深(或深度)＞第一P+有源区265的结深；P-阱区267的结深(或深度)＞第二N+有源区262和第三N+有源区268的结深。需要说明的是，P+凸起结构263可以为P型轻掺杂或P型浓掺杂。

在图29所示的具体实施例中，第一衬底210为P-型单晶硅晶圆；第二衬底220为P-型单晶硅晶圆；外延层240为N-型单晶硅；第一N+有源区261和第二N+有源区262的掺杂浓度＞外延层240的掺杂浓度；第二衬底220的厚度小于第一衬底210的厚度；P+凸起结构263凸出于压敏区242远离第一衬底210的一侧表面。

图29所示的温度及压力传感器芯片还包括第二绝缘层270，第二绝缘层270覆盖于形成有测温三极管和压阻结构的外延层240的远离第一衬底210的一侧表面上；第二绝缘层270上有选择的刻蚀有贯穿第二绝缘层270的导电窗口272。具体的，在第二绝缘层270上与第一N+有源区261、第二N+有源区262、第三N+有源区268、P+凸起结构263和第一P+有源区265的对应位置处分别设置有对应的贯穿所述第二绝缘层270的导电窗口272。

图29所示的温度及压力传感器芯片还包括金属互连层280，金属互连层280形成于设置有导电窗口272的第二绝缘层270上。金属互连层280包括相互间隔的第一电源电极282、第一接地电极284、第二电源电极286、第二接地电极288、电桥输出电极(未画出)和金属互联线(未画出)，其中，第一电源电极282经对应的导电窗口272与第一N+有源区261和P+凸起结构263的一端电连接；第一接地电极284经对应的导电窗口272与P+凸起结构263的另一端电连接；第二电源电极286经对应的导电窗口272与第一P+有源区265和第三N+有源区268电连接；第二接地电极288经对应的导电窗口272与第二N+有源区262电连接。

值得注意的是，图29所示的温度及压力传感器芯片为绝压型，第一腔体212自第一衬底210的正面延伸至第一衬底210内，第一腔体212为真空腔体。请参考图30所示，其为本发明在第五个实施例中的温度及压力传感器芯片的纵剖面图，其为差压型。与图29相比，图30所示的温度及压力传感器芯片还包括第二腔体214，第二腔体214自第一衬底210的背面延伸至第一衬底210内，第二腔体214将第一腔体212和外界连通；第二腔体214在第一衬底210的正面的投影区域位于第一腔体212在第一衬底210的正面的投影区域内，也就是说，第二腔体214在第一衬底210的正面的投影区域小于等于第一腔体212在第一衬底210的正面的投影区域。

针对图29和30所示的温度及压力传感器芯片，需要特别说明的是，第一绝缘层230对于温度及压力传感器芯片来说是非必须结构，故也可以说，第二衬底220位于第一衬底210的正面，且第二衬底220的正面与第一衬底210的正面相邻。第一N+有源区261不属于压阻结构，此结构从功能上来说是非必须结构，但是它的设置可使得凸起压阻结构工作更稳定。

以下具体介绍图29和30所示的温度及压力传感器芯片的工作原理。

1.在压敏区242内，压阻结构工作时，金属互联层280的第一电源电极282上加高电平，与之电接触的第一N+有源区261与外延层240(即N-型单晶硅层)电性互联；金属互联层280的第一接地电极284上加低电平，与之电接触的P+凸起结构263的另一端与外延层240(即N-型单晶硅层)形成的PN结反向偏置断开，因此，此时压敏区242的外延层240(即N-型单晶硅层)为高电平。

2.在测温区244内，测温三极管工作时，金属互联层280的第二电源电极286上加高电平，与之电接触的第一P+有源区265(基极)和第三N+有源区268(集电极)短接；金属互联层280的第二接地电极288上加低电平，与之电接触的是第二N+有源区262(发射极)，此时，测温区244的外延层240(即N-型单晶硅层)为高电平，但测温区244的外延层240(即N-型单晶硅层)与压敏区242的外延层240(即N-型单晶硅层)同为高电平但电位不同。

3.P++区250与金属互联层280的第二接地电极288电接触，因此，P++区250为低电平(如图16所示，P++区250在芯片内互联成一个整体)。

4.由此测温区244的外延层240(即N-型单晶硅层)、P++区250和压敏区242的外延层240(即为N-型单晶硅层)形成NPN型三极管，此三极管基极(P++区250)为低电平，所以三极管截止(不导通)，测温区244和压敏区242的外延层240(即N-型单晶硅层)电位不同但互不干扰。

综上所述，本发明提供的温度及压力传感器芯片及其制作方法具有如下优点：

1、温度及压力传感器芯片上的压敏结构和测温结构(例如，测温二极管或测温三极管)可同时工作互不干扰；

2、测温结构(例如，测温二极管或测温三极管)和压敏结构工艺兼容性好，不额外增加光罩，制作简单，适于量产；

3、压敏结构和测温结构(例如，测温二极管或测温三极管)的隔离结构简单，可靠性高。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“正”、“背”、“左”、“右”、“竖直”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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装置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。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (20)

1.一种温度及压力传感器芯片，其特征在于，其包括：

第一衬底，其具有正面和背面；

第二衬底，其具有正面和背面，所述第二衬底位于所述第一衬底的正面，且所述第二衬底的正面与所述第一衬底的正面相邻；

外延层，其生长于所述第二衬底的背面；

P++区，其自所述外延层远离所述第一衬底的一侧表面贯穿所述外延层并延伸至所述第二衬底内，所述P++区将所述外延层分隔成压敏区和测温区；

测温结构，其形成于所述测温区；

压阻结构，其形成于所述压敏区；

第一腔体，其设置于所述第一衬底中并与所述压敏区相对。

2.根据权利要求1所述的温度及压力传感器芯片，其特征在于，

所述压阻结构包括自所述压敏区远离所述第一衬底的一侧表面向所述压敏区内有选择地形成的P+凸起结构；

所述测温结构为测温二极管，所述测温二极管包括自所述测温区远离所述第一衬底的一侧表面向所述测温区内有选择地形成的第二N+有源区和第一P+有源区，且所述第二N+有源区和第一P+有源区相互间隔。

3.根据权利要求2所述的温度及压力传感器芯片，其特征在于，其还包括第二绝缘层和金属互连层，

所述第二绝缘层覆盖于形成有所述测温二极管和压阻结构的所述外延层的远离所述第一衬底的一侧表面上；所述第二绝缘层上有选择的设置有贯穿所述第二绝缘层的导电窗口；

所述金属互连层形成于设置有导电窗口的所述第二绝缘层上，所述金属互连层包括相互间隔的第一电源电极、第一接地电极、第二电源电极、第二接地电极、电桥输出电极和金属互联线；

所述第一电源电极经对应的所述导电窗口与所述P+凸起结构的一端电连接；

所述第一接地电极经对应的所述导电窗口与所述P+凸起结构的另一端电连接；

所述第二电源电极经对应的所述导电窗口与所述第一P+有源区电连接；

所述第二接地电极经对应的所述导电窗口与所述第二N+有源区和所述P++区电连接；

所述P++区互连成一个整体。

4.根据权利要求3所述的温度及压力传感器芯片，其特征在于，其还包括第一绝缘层和第一N+有源区，

所述第一绝缘层夹持在所述第一衬底的正面和所述第二衬底的正面之间；

所述第一N+有源区是自所述压敏区远离所述第一衬底的一侧表面向所述压敏区内有选择地形成的，且所述第一N+有源区与所述P+凸起结构相互间隔；

所述第一电源电极经对应的所述导电窗口与所述第一N+有源区电连接。

5.根据权利要求4所述的温度及压力传感器芯片，其特征在于，

所述第一衬底为P-型单晶硅晶圆；

所述第二衬底为P-型单晶硅晶圆；

所述外延层为N-型单晶硅；

所述第一N+有源区和第二N+有源区的掺杂浓度＞所述外延层的掺杂浓度；

所述第一衬底和第二衬底的掺杂浓度＜所述P+凸起结构和第一P+有源区的掺杂浓度＜所述P++区的掺杂浓度；

所述第二衬底的厚度小于所述第一衬底的厚度。

6.根据权利要求1所述的温度及压力传感器芯片，其特征在于，

所述压阻结构包括自所述压敏区远离所述第一衬底的一侧表面向所述压敏区内有选择地形成的P+凸起结构；

所述测温结构为测温三极管，所述测温三极管包括自所述测温区远离所述第一衬底的一侧表面向所述测温区内有选择地形成的P-阱区、第二N+有源区、第三N+有源区和第一P+有源区，其中，所述P-阱区和所述第三N+有源区相互间隔，所述第一P+有源区和第二N+有源区相互间隔的设置于所述P-阱区。

7.根据权利要求6所述的温度及压力传感器芯片，其特征在于，其还包括第二绝缘层和金属互连层，

所述第二绝缘层覆盖于形成有所述测温三极管和压阻结构的所述外延层的远离所述第一衬底的一侧表面；所述第二绝缘层上有选择的设置有贯穿所述第二绝缘层的导电窗口；

所述金属互连层包括相互间隔的第一电源电极、第一接地电极、第二电源电极、第二接地电极、电桥输出电极和金属互联线；

所述第一电源电极经对应的所述导电窗口与所述P+凸起结构的一端电连接；

所述第一接地电极经对应的所述导电窗口与所述P+凸起结构的另一端电连接；

所述第二电源电极经对应的所述导电窗口与所述第一P+有源区和第三N+有源区电连接；

所述第二接地电极经对应的所述导电窗口与所述第二N+有源区电连接。

8.根据权利要求7所述的温度及压力传感器芯片，其特征在于，其还包括第一绝缘层和第一N+有源区，所述第一绝缘层夹持在所述第一衬底的正面和所述第二衬底的正面之间；

所述第一N+有源区是自所述压敏区远离所述第一衬底的一侧表面向所述压敏区内有选择地形成的，且所述第一N+有源区与所述P+凸起结构相互间隔；

所述第一电源电极经对应的所述导电窗口与所述第一N+有源区电连接。

9.根据权利要求8所述的温度及压力传感器芯片，其特征在于，

所述P++区的结深＞所述P-阱区的结深＞所述第一P+有源区的结深；

所述P-阱区的结深＞所述第二N+有源区和第三N+有源区的结深；

所述P-阱区为P型轻掺杂，所述第一P+有源区为P型浓掺杂，所述P++区为P型重掺杂；

所述P+凸起结构为P型轻掺杂或P型浓掺杂；

所述第一衬底为P-型单晶硅晶圆；

所述第二衬底为P-型单晶硅晶圆；

所述外延层为N-型单晶硅；

所述第一N+有源区和第二N+有源区的掺杂浓度＞所述外延层的掺杂浓度；

所述第二衬底的厚度小于所述第一衬底的厚度。

10.根据权利要求1-9任一所述的温度及压力传感器芯片，其特征在于，

所述第一腔体自所述第一衬底的正面延伸至所述第一衬底内，所述第一腔体为真空腔体；或

所述温度及压力传感器芯片还包括第二腔体，所述第一腔体自所述第一衬底的正面延伸至所述第一衬底内；所述第二腔体自所述第一衬底的背面延伸至所述第一衬底内，所述第二腔体将所述第一腔体和外界连通；所述第二腔体在所述第一衬底的正面的投影区域位于所述第一腔体在所述第一衬底的正面的投影区域内。

11.一种温度及压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，其包括：

提供具有正面和背面的第一衬底，并自所述第一衬底的正面向所述第一衬底内刻蚀形成第一腔体；

提供具有正面和背面的第二衬底；

将刻蚀有所述第一腔体的所述第一衬底的正面与所述第二衬底的正面键合，使得所述第一衬底和第二衬底结合成一个整体；

自所述第二衬底的背面减薄所述第二衬底；

自减薄后的所述第二衬底的背面生长外延层；

在所述外延层远离所述第一衬底的一侧表面图形化P型重掺杂以形成P++区，所述P++区贯穿所述外延层并延伸至减薄后的所述第二衬底内，所述P++区将所述外延层分隔成压敏区和测温区，所述压敏区与所述第一腔体相对；

在所述压敏区形成压阻结构，在所述测温区形成测温结构。

12.根据权利要求11所述的温度及压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，

所述测温结构为测温二极管，

所述“在所述压敏区形成压阻结构，在所述测温区形成测温结构”包括：

在分隔有压敏区和测温区的所述外延层的远离所述第一衬底的一侧表面分别进行图形化N型浓掺杂和P型掺杂，以在所述压敏区形成P+层，在所述测温区形成相互间隔的第二N+有源区和第一P+有源区；

对所述外延层远离所述第一衬底的一侧表面有选择的进行刻蚀，以将所述P+层刻蚀成P+凸起结构。

13.根据权利要求12所述的温度及压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，其还包括：

在形成有测温二极管和压阻结构的所述外延层的远离所述第一衬底的一侧表面形成第二绝缘层，并在所述第二绝缘层上有选择的刻蚀出贯穿所述第二绝缘层的导电窗口；

在形成有所述导电窗口的所述第二绝缘层上生长并刻蚀形成金属互连层，其中，所述金属互连层包括相互间隔的第一电源电极、第一接地电极、第二电源电极和、第二接地电极、电桥输出电极和金属互联线；所述第一电源电极经对应的所述导电窗口与所述P+凸起结构的一端电连接；所述第一接地电极经对应的所述导电窗口与所述P+凸起结构的另一端电连接；所述第二电源电极经对应的所述导电窗口与所述第一P+有源区电连接；所述第二接地电极经对应的所述导电窗口与所述第二N+有源区和所述P++区电连接；所述P++区互连成一个整体。

14.根据权利要求13所述的温度及压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，

所述第二衬底的正面形成有第一绝缘层，将刻蚀有所述第一腔体的所述第一衬底的正面与所述第一绝缘层键合，使得所述第一衬底和第二衬底结合成一个整体；

在分隔有压敏区和测温区的所述外延层的远离所述第一衬底的一侧表面分别进行图形化N型浓掺杂和P型掺杂时，在所述压敏区除了形成所述P+层以外，还形成第一N+有源区；

所述第一电源电极经对应的所述导电窗口与所述第一N+有源区电连接。

15.根据权利要求14所述的温度及压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，

所述第一衬底为P-型单晶硅晶圆；

所述第二衬底为P-型单晶硅晶圆；

所述外延层为N-型单晶硅；

所述第一N+有源区和第二N+有源区的掺杂浓度＞所述外延层的掺杂浓度；

所述第一衬底和第二衬底的掺杂浓度＜所述P+凸起结构和第一P+有源区的掺杂浓度＜所述P++区的掺杂浓度；

减薄后的所述第二衬底的厚度小于所述第一衬底的厚度。

16.根据权利要求11所述的温度及压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，

所述测温结构为测温三极管，

所述“在所述压敏区形成压阻结构，在所述测温区形成测温结构”包括：

在分隔有压敏区和测温区的所述外延层的远离所述第一衬底的一侧表面分别进行图形化N型浓掺杂、P型轻掺杂和P型浓掺杂，以在所述压敏区形成P+层；以在所述测温区形成P-阱区、第二N+有源区、第三N+有源区和第一P+有源区，其中，所述P-阱区和所述第三N+有源区相互间隔，所述第一P+有源区和第二N+有源区相互间隔的设置于所述P-阱区；

对所述外延层远离所述第一衬底的一侧表面有选择的进行刻蚀，以将所述P+层刻蚀成P+凸起结构。

17.根据权利要求16所述的温度及压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，其还包括：

在形成有测温三极管和压阻结构的所述外延层的远离所述第一衬底的一侧表面形成第二绝缘层，并在所述第二绝缘层上有选择的刻蚀出贯穿所述第二绝缘层的导电窗口；

在形成有所述导电窗口的所述第二绝缘层上生长并刻蚀形成金属互连层；

其中，所述金属互连层包括相互间隔的第一电源电极、第一接地电极、第二电源电极、第二接地电极、电桥输出电极和金属互联线；所述第一电源电极经对应的所述导电窗口与所述P+凸起结构的一端电连接；所述第一接地电极经对应的所述导电窗口与所述P+凸起结构的另一端电连接；所述第二电源电极经对应的所述导电窗口与所述第一P+有源区和第三N+有源区电连接；所述第二接地电极经对应的所述导电窗口与所述第二N+有源区电连接。

18.根据权利要求17所述的温度及压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，

所述第二衬底的正面形成有第一绝缘层，将刻蚀有所述第一腔体的所述第一衬底的正面与所述第一绝缘层键合，使得所述第一衬底和第二衬底结合成一个整体；

在分隔有压敏区和测温区的所述外延层的远离所述第一衬底的一侧表面分别进行图形化N型浓掺杂、P型轻掺杂和P型浓掺杂时，在所述压敏区除了形成所述P+层以外，还形成第一N+有源区；

所述第一电源电极经对应的所述导电窗口与所述第一N+有源区电连接。

19.根据权利要求18所述的温度及压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，

所述P++区的结深＞所述P-阱区的结深＞所述第一P+有源区的结深；

所述P-阱区的结深＞所述第二N+有源区和第三N+有源区的结深；

所述P-阱区为P型轻掺杂，所述第一P+有源区为P型浓掺杂，所述P++区为P型重掺杂；

所述P+凸起结构为P型轻掺杂或P型浓掺杂；

所述第一衬底为P-型单晶硅晶圆；

所述第二衬底为P-型单晶硅晶圆；

所述外延层为N-型单晶硅；

所述第一N+有源区和第二N+有源区的掺杂浓度＞所述外延层的掺杂浓度；

所述第二衬底的厚度小于所述第一衬底的厚度。

20.根据权利要求11-19任一所述的温度及压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，

其还包括自所述第一衬底的背面向所述第一衬底内刻蚀形成第二腔体，所述第二腔体将所述第一腔体和外界连通；所述第二腔体在所述第一衬底的正面的投影区域位于所述第一腔体在所述第一衬底的正面的投影区域内；或

所第一腔体为真空腔体。