CN202305094U - Soi结构高温压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种SOI结构高温MEMS压力传感器，该装置采用双面抛光硅片作为衬底片，所述衬底片上表层通过热氧化形成一热氧化层，并通过采用干法刻蚀或湿法腐蚀形成一浅硅杯状的压力参考腔；所述衬底片上设有一与该衬底片键合的顶层硅片；所述顶层硅片为一双面抛光的单晶硅，该单晶硅通过减薄、抛光形成一压力敏感膜；所述压力敏感膜上表层通过热氧化形成一热氧化层，在该氧化层上低压化学汽相淀积(LPCVD)多晶硅薄膜，同时采用离子注入进行掺杂形成压敏电阻膜，并通过选择性刻蚀之后，形成多晶型桥路电阻。本实用新型利用硅硅键合技术减小传感器的尺寸，降低成本，同时能够精确控制传感器灵敏度的一致性。

Description

SOI结构高温压力传感器

技术领域：

本实用新型涉及微传感器领域，具体为一种SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)结构高温压力传感器。

背景技术：

利用硅的压阻效应制造的压力传感器，就是采用集成电路工艺中的离子注入及扩散工艺在硅片表面形成一组阻值几乎相等的扩散电阻，各电阻之间形成金属互联，连接成惠斯通电桥。当弹性敏感膜片在外部压力作用下发生形变从而产生应力时，其上的桥路电阻即随之产生相应的变化，传感器输出一个与外部压力成比例的电信号，从而实现对压力的测量。

压阻式微压力传感器是最早被研究并产业化的MEMS(微机电系统)技术产品，大部分压阻式压力传感器都采用pn结隔离的形式，这种结构的缺点是温度漂移过大，另外工作温度高于120℃时，由于pn结的漏电迅速增大，导致传感器失效。高温压力传感器是指在高于125℃环境下能正常工作的压力传感器，以其优良的高温工作能力在压力传感器中一直受到高度重视，是传感器研究的重要领域之一，也是各国政府努力掌握的高科技技术之一。高温压力传感器在石油、化工、冶金、工业过程控制、兵器工业甚至食品工业中都起着重要作用，许多环境条件下的检测都离不开高温压力传感器，尤其在武器系统中高温压力传感器是动力系统所不可缺少的。

实用新型内容：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种SOI结构高温MEMS压力传感器，该压力传感器采用硅硅键合技术与多晶硅淀积工艺相结合的方法，利用硅硅键合技术减小传感器的尺寸，降低成本，同时能够精确控制传感器灵敏度的一致性；利用绝缘层上多晶硅淀积工艺形成SOI结构，大大提高传感器的工作温度。

本实用新型的具体技术方案如下：

SOI结构高温压力传感器，其特征在于，所述装置采用双面抛光硅片作为衬底片，所述衬底片上表层通过热氧化形成一热氧化层，并通过采用干法刻蚀或湿法腐蚀形成一浅硅杯状的压力参考腔；所述衬底片上设有一与该衬底片键合的顶层硅片；所述顶层硅片为一双面抛光的单晶硅，该单晶硅通过减薄、抛光形成一压力敏感膜；所述压力敏感膜上表层通过热氧化形成一热氧化层，在该氧化层上低压化学汽相淀积(LPCVD)多晶硅薄膜，同时采用离子注入进行掺杂形成压敏电阻膜，并通过选择性刻蚀之后，形成多晶型桥路电阻。

上述方案中，所述衬底片与顶层硅片在真空条件下键合。保证压力参考腔内处于接近真空状态。

上述方案中，所述对减薄、抛光后的单晶硅厚度的偏差在±0.5μm之内。

上述方案中，所述多晶型桥路电阻的结构为包裹在压力敏感膜的氧化层与氮化硅层之间的多晶型电阻，并在多晶型电阻上部设有金属电极。

本实用新型的有益效果是，采用硅硅直接键合加工工艺制备压力传感器避免长时间的湿法腐蚀，使芯片体积更小，成本大大降低；利用减薄、抛光工艺控制压力敏感膜的厚度，提高了芯片的灵敏度一致性；采用热氧化层作为绝缘介质，再利用LPCVD(低压化学汽相淀积)淀积多晶硅技术形成SOI结构，大大提高了传感器的工作温度，可在200℃环境下工作。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为本实用新型涉及的SOI结构高温MEMS压力传感器截面图。

具体实施方式：

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，本实用新型所述的SOI结构高温压力传感器。该装置采用双面抛光硅片(P型或N型衬底硅片)10作为衬底片，衬底片上表层通过热氧化形成一热氧化层11，并通过采用干法刻蚀或湿法腐蚀形成一浅硅杯状的压力参考腔12。为了保证压力参考腔12内处于接近真空状态，在衬底片10上设有一与该衬底片在真空条件下键合的顶层硅片；该顶层硅片为一双面抛光的单晶硅，该单晶硅通过减薄、抛光形成一压力敏感膜20。这种压力敏感膜20通过减薄、抛光后厚度的偏差在±0.5μm之内。而压力敏感膜20上表层通过热氧化形成一热氧化层21，在该氧化层21上低压化学汽相淀积(LPCVD)多晶硅薄膜，同时采用离子注入进行掺杂形成压敏电阻膜，并通过选择性刻蚀之后，形成多晶型桥路电阻。这种多晶型桥路电阻的结构为包裹在压力敏感膜的氧化层21与氮化硅层24之间的多晶型电阻22，并在多晶型电阻22上部设有金属电极23。

以下为本实用新型提出的SOI结构高温MEMS压力传感器具体制备步骤：

(1)根据压力量程要求确定芯片及敏感膜尺寸，通过理论计算确定压力敏感膜上的线性应力区，布置多晶电阻及金属互连并制作光刻版，完成设计；

(2)P型或N型<100>晶向双面抛光硅片作为衬底片，进行热氧化，采用干法刻蚀或湿法腐蚀形成浅硅杯，作为压力参考腔；

(3)将另外一片双面抛光片与衬底片在真空环境下进行键合；

(4)对顶层硅片进行减薄、抛光工艺，减薄至根据理论计算得到的符合应力要求的硅膜厚度；

(5)单晶硅膜上进行热氧化生成氧化层，作为绝缘隔离介质；

(6)在热氧化生成的氧化层上LPCVD(低压化学汽相淀积)淀积多晶硅膜，采用离子注入进行掺杂，多晶刻蚀后形成桥路电阻；

(7)离子注入形成欧姆接触浓硼区，淀积金属互连引线；

(8)划片、封装、测试，完成压力传感器制备。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.SOI结构高温压力传感器，其特征在于，所述装置采用双面抛光硅片作为衬底片，所述衬底片上表层通过热氧化形成一热氧化层，并通过采用干法刻蚀或湿法腐蚀形成一浅硅杯状的压力参考腔；所述衬底片上设有一与该衬底片键合的顶层硅片；所述顶层硅片为一双面抛光的单晶硅，该单晶硅通过减薄、抛光形成一压力敏感膜；所述压力敏感膜上表层通过热氧化形成一热氧化层，在该氧化层上低压化学汽相淀积多晶硅薄膜，同时采用离子注入进行掺杂形成压敏电阻膜，并通过选择性刻蚀之后，形成多晶型桥路电阻。

2.根据权利要求1的SOI结构高温压力传感器，其特征在于，所述衬底片与顶层硅片在真空条件下键合。

3.根据权利要求1的SOI结构高温压力传感器，其特征在于，所述对减薄、抛光后的单晶硅厚度的偏差在±0.5μm之内。

4.根据权利要求1的SOI结构高温压力传感器，其特征在于，所述多晶型桥路电阻的结构为包裹在压力敏感膜的氧化层与氮化硅层之间的多晶型电阻，并在多晶型电阻上部设有金属电极。

Images