CN214621548U - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压力传感器，压力传感器包括衬底结构、顶层结构以及敏感膜层结构，顶层结构包括第一硅层、设于第一硅层背面的第一绝缘层、设于第一绝缘层背面的压阻层以及设于第一硅层正面的顶层第一下绝缘层；顶层结构上形成有贯穿顶层第一下绝缘层、第一硅层及第一绝缘层的淀积孔及梁孔，淀积孔的孔壁上形成有孔壁绝缘层；衬底结构的上表面向下凹陷形成键合槽，顶层结构倒置与衬底结构上，顶层第一下绝缘层的正面朝向衬底结构，淀积孔与键合槽连通；敏感膜层结构形成于孔壁绝缘层的内壁且向下延伸并包覆键合槽的内壁与顶层结构的下表面。该压力传感器形成梁‑膜应力集中结构，达到测量微小压力的目的。

Description

压力传感器

技术领域

本实用新型涉及压力传感器技术领域，特别是涉及一种压力传感器。

背景技术

随着物联网等行业的兴起，MEMS(Micro electro Mechanical Systems，微机电系统)传感器由于其体积小、功耗低、重量轻及响应快等优点，有着巨大的应用前景。尤其是MEMS压力传感器，在汽车电子、消费类产品及工业控制等领域有巨大的应用。目前，MEMS压力传感器多采用普通双面抛光晶圆或单层SOI晶圆制成。

对于由普通双面抛光晶圆制成的压力传感器，虽然可以同时形成“梁-膜-岛”应力集中结构，但其压阻只能采用PN结型实现互相电学隔离，限制了使用温度范围，不能满足在大于150℃环境温度下的测量需求，此外，现有技术中，由普通双面抛光晶圆制成的压力传感器的梁、膜以及岛结构的厚度都是由刻蚀深度决定，其取决于刻蚀速率与刻蚀时间，很难保证批量加工器件的一致性。

对于由单层SOI晶圆制成的压力传感器，为了满足高温测量的要求，其采用SOI晶圆的顶层硅作为压阻，采用物理隔离方式实现高温测量。但是，这种方式虽然满足可高温测试需求，却无法加工梁结构，只能采用“膜-岛”一次应力集中结构，相比于“梁-膜-岛”两次应力集中结构，降低了器件的灵敏度。

实用新型内容

基于此，本实用新型提供一种压力传感器，形成梁-膜应力集中结构，达到测量微小压力的目的。

一种压力传感器，包括衬底结构、顶层结构以及敏感膜层结构，所述顶层结构包括第一硅层、设于所述第一硅层背面的第一绝缘层、设于所述第一绝缘层背面的压阻层以及设于所述第一硅层正面的顶层第一下绝缘层；所述顶层结构上形成有贯穿所述顶层第一下绝缘层、所述第一硅层及所述第一绝缘层的淀积孔及梁孔，所述淀积孔的孔壁上形成有孔壁绝缘层；

所述衬底结构的上表面向下凹陷形成键合槽，所述顶层结构倒置与所述衬底结构上，所述顶层第一下绝缘层的正面朝向所述衬底结构，所述淀积孔与所述键合槽连通；

所述敏感膜层结构形成于所述孔壁绝缘层的内壁且向下延伸并包覆所述键合槽的内壁与所述顶层结构的下表面。

上述压力传感器，采用所述第一硅层作为梁-膜应力集中结构中的“梁”层，利用形成于所述孔壁绝缘层的内壁且向下延伸并包覆所述键合槽的内壁与所述顶层结构的下表面的敏感膜层结构制作梁-膜应力集中结构中的“膜”层，该压力传感器能够加工出薄的压力敏感膜，用来测量微小压力，同时又很好的利用晶圆的特性，使得压阻结构(压阻层)没有PN结，可以耐高温(大于150℃)工作。

在其中一个实施例中，所述敏感膜层结构包括压力敏感膜以及敏感膜绝缘层，所述压力敏感膜形成于所述孔壁绝缘层的内壁且向下延伸并包覆所述键合槽的内壁与所述顶层结构的下表面，所述敏感膜绝缘层形成在所述压力敏感膜上并包覆所述压力敏感膜。

在其中一个实施例中，所述顶层结构还包括形成在所述顶层第一下绝缘层正面的厚半导体材料层以及包覆所述厚半导体材料层的顶层第二下绝缘层，所述厚半导体材料层用作岛结构；所述厚半导体材料层键合于所述键合槽内并与所述键合槽形成间隙。

在其中一个实施例中，所述顶层结构还包括淀积在所述第一绝缘层的上表面并包覆所述压阻层的绝缘保护层，所述绝缘保护层上形成有与所述压阻层对应的至少一个导电接触孔；

所述压力传感器还包括对应设置在所述导电接触孔处并于所述压阻层电导通的金属块，每个所述导电接触孔对应设置有至少一个所述金属块。

在其中一个实施例中，所述压力传感器上形成有贯穿所述衬底结构及所述敏感膜层结构的进气口，所述进气口与所述键合槽的内腔连通。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的压力传感器的纵向剖面示意图；

图2至图17为图1所示的压力传感器的工艺流程图；

图18为本实用新型实施例二的压力传感器的纵向剖面示意图；

图19为本实用新型实施例三的压力传感器的纵向剖面示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

实施例一

如图1所示，其为本实用新型的一种实施例的基于具有双层“绝缘层上的硅”结构的晶圆(Double-SOI，DSOI)制作的压力传感器，该压力传感器包括：衬底结构1、顶层结构2以及敏感膜层结构3，所述顶层结构2包括第一硅层21、设于所述第一硅层21背面的第一绝缘层22、设于所述第一绝缘层22背面的压阻层231、设于所述第一硅层21正面的顶层第一下绝缘层24、形成在所述顶层第一下绝缘层正面24的厚半导体材料层25以及包覆所述厚半导体材料层25的顶层第二下绝缘层26；所述顶层结构2上形成有贯穿所述顶层第一下绝缘层24、所述第一硅层21及所述第一绝缘层22的淀积孔201及梁孔202，所述淀积孔201的孔壁上形成有孔壁绝缘层27。

所述衬底结构1的上表面向下凹陷形成键合槽10，所述顶层结构2倒置与所述衬底结构1上，所述顶层第一下绝缘层24的正面朝向所述衬底结构1，所述淀积孔201与所述键合槽10连通。

所述敏感膜层结构3形成于所述孔壁绝缘层27的内壁且向下延伸并包覆所述键合槽10的内壁与所述顶层结构2的下表面。可以理解地，所述敏感膜层结构3包覆所述顶层结构2的下表面具体指：所述敏感膜层结构3包覆所述厚半导体材料层25，若所述顶层第一下绝缘层24对应所述键合槽10的位置的下表面有部分露出于所述厚半导体材料层25及顶层第二下绝缘层26的露出部分，所述敏感膜层结构3也将对该露出部分进行包覆。

该压力传感器，采用所述第一硅层21作为梁-膜-岛应力集中结构中的“梁”层，利用形成于所述孔壁绝缘层27的内壁且向下延伸并包覆所述键合槽10的内壁与所述顶层结构2的下表面的敏感膜层结构3作为梁-膜-岛应力集中结构中的“膜”层，并利用形成在所述顶层第一下绝缘层24正面的厚半导体材料层25作为梁-膜-岛应力集中结构中的“岛”层。该压力传感器能够加工出薄的压力敏感膜，用来测量微小压力，同时又很好的利用晶圆的特性，使得压阻结构(压阻层231)没有PN结，可以耐高温(大于150℃)工作。

在一个实施例中，如图1所示，所述第一硅层21的掺杂类型可根据实际需要进行自由选择，以使压力传感器在高温(一般指大于150度)条件下，提高传感器输出的稳定性，降低压力传感器失效几率，使压力传感器可在高于150℃的环境中工作。在一具体实施例中，所述第一硅层21为N型掺杂。

在一个实施例中，如图1所示，所述第一绝缘层22为氧化硅层。

在一个实施例中，如图1所示，所述厚半导体材料层25由多晶硅材料制成，以实现所述压力传感器的内部电路的电导通。

在一个实施例中，如图1所示，所述敏感膜层结构3包括压力敏感膜31以及敏感膜绝缘层32，所述压力敏感膜31形成于所述孔壁绝缘层27的内壁且向下延伸并包覆所述键合槽10的内壁与所述顶层结构2的下表面，所述敏感膜绝缘层32形成在所述压力敏感膜31上并包覆所述压力敏感膜31。

在一个实施例中，如图1所示，所述顶层结构2还包括淀积在所述第一绝缘层22的上表面并包覆所述压阻层231的绝缘保护层28，所述绝缘保护层28上形成有与所述压阻层231对应的至少一个导电接触孔281，以用于对所述压力传感器进行通电。

所述压力传感器还包括对应设置在所述导电接触孔281处并于所述压阻层231电导通的金属块4，每个所述导电接触孔281对应设置有至少一个所述金属块4，以便于所述压力传感器的通电。

在一个实施例中，如图1所示，所述衬底结构1包括中部硅材料层11以及形成在所述中部硅材料层11的上表面的衬底上绝缘层12。

如图2至图14所示，其为本实用新型的一种实施例的压力传感器的制造方法，其包括步骤：

S1、选取如图2所示的第一硅晶圆a，并在所述第一硅晶圆a的正面生长顶层第一下绝缘层24、厚半导体材料层25以及顶层第二下绝缘层26，得到顶层初结构。如图2所示，所述第一硅晶圆a为具有双层“绝缘层上的硅”结构的晶圆(Double-SOI，DSOI)，所述第一硅晶圆a包括依次层叠覆盖的第一硅层21、第一绝缘层22、第二硅层23、第二绝缘层29以及第三硅层210，所述第一硅层21背向所述第三硅层210的一侧表面为所述第一硅层21的正面，即所述第一硅晶圆a的正面。

优选地，所述第一硅层21与所述第二硅层23及所述第三硅层210进行同类型掺杂，以使压力传感器在高温(一般指大于150度)条件下，提高传感器输出的稳定性，降低压力传感器失效几率，使压力传感器可在高于150℃的环境中工作。进一步地，所述第一硅层21与所述第二硅层23及所述第三硅层210的掺杂浓度以及晶向可以根据实际需要自由选择，在本实施例中，所述第一硅层21与所述第二硅层23及所述第三硅层210均采用(100)晶向及N型掺杂。

进一步地，所述第一绝缘层23及所述第二绝缘层26均为氧化硅层。

在一个实施例中，所述S1中，所述在所述第一硅晶圆a的正面生长顶层第一下绝缘层24、厚半导体材料层25以及包覆所述厚半导体材料层25的顶层第二下绝缘层26，包括：

首先，在所述第一硅晶圆a的正面及背面分别生长正面绝缘层203及背面绝缘层204，并在所述第一硅晶圆a的正面及背面分别生长厚半导体材料(如图3)，如外延生长的多晶硅材料。所述厚半导体材料的厚度可以根据压力传感器的设计需求而加工。

之后，刻蚀掉所述第一硅晶圆a的背面的厚半导体材料，并将所述第一硅晶圆a的正面的厚半导体材料图形化，形成用作岛结构的厚半导体材料层25；

最后，去除S1中生长的正面绝缘层203，并在所述第一硅晶圆a的正面重新生成顶层第一下绝缘层24，同时在第一硅晶圆a的正面重新生成包覆所述厚半导体材料层25的顶层第二下绝缘层26(如图5)，得到顶层初结构。优选的，所述顶层第一下绝缘层24及顶层第二下绝缘层26均采用氧化硅材料生成。

优选地，所述顶层第一下绝缘层24与所述顶层第二下绝缘层26部分相接，以形成整个顶层下绝缘层。

S2、形成衬底结构1，所述衬底结构1上形成有键合槽10以及衬底上绝缘层。

具体地，步骤S2中，形成所述衬底结构1的方式为：

首先，选取第二硅晶圆b，并以第二硅晶圆b作为中部硅材料层11，在第二硅晶圆11的上表面及下表面分别形成衬底绝缘层101。

然后，对所述第二硅晶圆b及形成在所述第二硅晶圆b的上表面的衬底绝缘层101图形化，形成所述键合槽10(如图6)。

之后，去除所述第二硅晶圆b的上表面的衬底绝缘层101，并在所述第二硅晶圆b的上表面101重新生成覆盖第二硅晶圆b的上表面101及键合槽10内壁的衬底上绝缘层12(如图7)，得到所述衬底结构1。

S3、如图8所示，将所述顶层初结构倒置键合在所述衬底结构1上，使所述顶层第一下绝缘层24的正面朝向所述衬底结构1，并使所述厚半导体材料层25键合在所述键合槽10内，所述厚半导体材料层25与所述键合槽10之间形成间隙。

S4、去除多余层结构。

具体地，步骤S4中，所述去除多余层结构包括：

将所述顶层初结构的背面绝缘层204、第三硅层210及第二绝缘层29去除，同时将形成在所述第二硅晶圆b的下表面的衬底绝缘层101去除(如图9)。

在完成步骤S4的去除多余层结构后，可进行以下步骤：

在所述第二硅层23的上表面形成第一辅助绝缘层205，在所述衬底结构1的下表面形成第二辅助绝缘层102。需要说明的是，在图未示出的其他实施例中，也可依照实际情况，不额外设置所述第一辅助绝缘层及第二辅助绝缘层。可以理解地，若不设置所述第一辅助绝缘层及第二辅助绝缘层，则无需再在后续制造过程中对其进行去除。

S5、对所述顶层第一下绝缘层24、所述第一硅层21、所述第一绝缘层22、所述第二硅层23及所述第一辅助绝缘层205图形化，形成贯穿所述顶层第一下绝缘层24、所述第一硅层21、所述第一绝缘层22、所述第二硅层23及所述第一辅助绝缘层205的淀积孔201(如图10)，并在所述淀积孔201的孔壁上淀积形成孔壁绝缘层27(如图11)。

S6、淀积形成敏感膜层结构3，所述敏感膜层结构自所述孔壁绝缘层27的内壁向下延伸并包覆所述键合槽10的内壁与所述顶层结构2的下表面；其中，所述敏感膜层结构3包覆所述顶层结构2的下表面具体指：所述敏感膜层结构3包覆所述厚半导体材料层25，若所述顶层第一下绝缘层24对应所述键合槽10的位置的下表面有部分露出于所述厚半导体材料层25及顶层第二下绝缘层26的露出部分，所述敏感膜层结构3也将对该露出部分进行包覆。

在一实施例中，所述S6中，所述淀积形成敏感膜层结构3，包括：

首先，淀积形成压力敏感膜31，所述压力敏感膜31自所述孔壁绝缘层27的内壁向下延伸并包覆所述键合槽10的内壁与所述顶层结构2的下表面。优选地，所述压力敏感膜31可选用多晶硅淀积形成。

然后，在所述压力敏感膜31上生长覆盖所述压力敏感膜31的敏感膜绝缘层32，得到所述敏感膜层结构3。优选地，所述敏感膜绝缘层32可选用氧化硅生长形成。

在一具体实施例中，所述S6中，所述淀积形成敏感膜层结构3，可包括：

首先，淀积敏感膜材料，使敏感膜材料淀积在所述孔壁绝缘层27的内壁、所述键合槽10的内壁、所述顶层结构2的下表面、所述顶层结构2的上表面及所述衬底结构1的下表面，使敏感膜材料包覆所述孔壁绝缘层27的内壁、所述键合槽10的内壁、所述顶层结构2的下表面、所述顶层结构2的上表面及所述衬底结构1的下表面(如图12)。

然后，在所述压力敏感膜31上生长覆盖所述压力敏感膜31的绝缘材料(如图13)。

最后，将处于所述第二硅层23之上的第一辅助绝缘层205、敏感膜材料及绝缘材料去除，同时将处于所述衬底结构1之下的第二辅助绝缘层102、敏感膜材料及绝缘材料去除，得到由剩余敏感膜材料构成的所述压力敏感膜31以及由剩余绝缘材料构成的所述敏感膜绝缘层32(如图14)，得到所述敏感膜层结构3。

S7、对所述第二硅层23进行掺杂(如图15)，并对掺杂后的所述第二硅层23进行图形化，形成压阻层(如图16)。

所述第二硅层23掺杂的元素、浓度以及掺杂工艺可以根据需要进行选择，典型的一种方式是进行硼离子注入，并采用高温退火方式，将所述第二硅层22均匀掺杂，掺杂浓度大于1E20cm^-3。

需要说明的是在对掺杂后的所述第二硅层23进行图形化的同时，还可将处于所述第一绝缘层22之上的所述压力敏感膜31的部分敏感膜材料以及所述敏感膜绝缘层32的部分绝缘材料去除。

S8、对所述顶层第一下绝缘层24、所述第一硅层21及所述第一绝缘层22进行刻蚀，形成梁孔202。

通过形成所述梁孔202，使所述第一硅层21可作为梁-膜-岛应力集中结构中的“梁”层。

所述S8中，所述形成梁孔之后，还可包括：

先在所述第一绝缘层22的上表面淀积包覆所述压阻层231的绝缘保护层28。优选地，所述绝缘保护层28可选用氮化硅材料淀积形成。

再对所述绝缘保护层28图形化，形成与所述压阻层231对应的导电接触孔281；其中，所述导电接触孔281用于使所述压阻层231部分露出于所述绝缘保护层28。

最后，在所述导电接触孔281处形成所述压阻层231电导通的金属块4。优选地，所述金属块4可通过淀积耐高温导电金属Pad并图形化形成。

S9、得到压力传感器。

需要说明的是，在实际生产过程中，上述实施例一的压力传感器的制作方法可用于得到绝压类型的压力传感器。

实施例二

如图17所示为本实施例二提供的压力传感器的结构示意图，本实施例二与上述实施一不同的是，本实施例二可得到表压或者差压类型的压力传感器。

具体地，在本实施例二中，为得到表压或者差压类型的压力传感器，所述压力传感器上形成有贯穿所述衬底结构1及所述敏感膜层结构3的进气口100，所述进气口100与所述键合槽10的内腔连通，以满足需要表压或者差压类型的压力传感器的结构需求。

进一步地，在本实施例二提供的压力传感器的制造方法与实施例一不同的是，在实施例一的所述S8之后，所述S9之前，增加步骤：

在所述压力传感器上形成贯穿所述衬底结构1及所述敏感膜层结构3的进气口100，并使所述进气口100与所述键合槽10的内腔连通(如图13)。

具体地，该形成进气口100的过程为：

先采用硅的深反应离子在所述中部硅材料层11上刻蚀第一通孔，并利用自停止原理，使刻蚀停止在所述衬底上绝缘层12的底面，保证刻蚀一致性，并且不会由于过刻蚀而伤及所述岛结构。

再去除所述衬底上绝缘层12、所述压力敏感膜31及所述敏感膜绝缘层32上与所述第一通孔对应的位置，形成第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔连通，以得到所述进气口100。

实施例三

如图18所示为本实施例三提供的压力传感器的结构示意图，本实施例三可应用于表压或者差压类型的压力传感器，本实施例三与上述实施二不同的是，本实施例三提供的压力传感器不设置厚半导体材料层以及包覆所述厚半导体材料层的顶层第二下绝缘层。

具体地，该压力传感器的顶层结构2包括第一硅层21、设于所述第一硅层21背面的第一绝缘层22、设于所述第一绝缘层22背面的压阻层231以及设于所述第一硅层21正面的顶层第一下绝缘层24。

可以理解地，在本实施例三中，所述敏感膜层结构3包覆所述顶层结构2的下表面具体指：所述敏感膜层结构3包覆所述顶层第一下绝缘层24对应所述键合槽10的位置的下表面。

上述实施例三的压力传感器，采用所述第一硅层21作为梁-膜应力集中结构中的“梁”层，利用形成于所述孔壁绝缘层27的内壁且向下延伸并包覆所述键合槽10的内壁与所述顶层结构2的下表面的敏感膜层结构3制作梁-膜应力集中结构中的“膜”层，该压力传感器能够加工出薄的压力敏感膜，用来测量微小压力，同时又很好的利用晶圆的特性，使得压阻结构(压阻层)没有PN结，可以耐高温(大于150℃)工作。

进一步地，在本实施例三提供的压力传感器的制造方法与实施例二不同的是，取消了步骤S1中厚半导体材料层25以及顶层第二下绝缘层26的形成过程。

具体地，本实施例三中的步骤S1仅为：

选取如图2所示的第一硅晶圆a，并在所述第一硅晶圆a的正面生长顶层第一下绝缘层24，得到顶层初结构。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本实用新型的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种压力传感器，其特征在于：包括衬底结构、顶层结构以及敏感膜层结构，所述顶层结构包括第一硅层、设于所述第一硅层背面的第一绝缘层、设于所述第一绝缘层背面的压阻层以及设于所述第一硅层正面的顶层第一下绝缘层；所述顶层结构上形成有贯穿所述顶层第一下绝缘层、所述第一硅层及所述第一绝缘层的淀积孔及梁孔，所述淀积孔的孔壁上形成有孔壁绝缘层；

所述衬底结构的上表面向下凹陷形成键合槽，所述顶层结构倒置与所述衬底结构上，所述顶层第一下绝缘层的正面朝向所述衬底结构，所述淀积孔与所述键合槽连通；

所述敏感膜层结构形成于所述孔壁绝缘层的内壁且向下延伸并包覆所述键合槽的内壁与所述顶层结构的下表面。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述敏感膜层结构包括压力敏感膜以及敏感膜绝缘层，所述压力敏感膜形成于所述孔壁绝缘层的内壁且向下延伸并包覆所述键合槽的内壁与所述顶层结构的下表面，所述敏感膜绝缘层形成在所述压力敏感膜上并包覆所述压力敏感膜。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：所述顶层结构还包括形成在所述顶层第一下绝缘层正面的厚半导体材料层以及包覆所述厚半导体材料层的顶层第二下绝缘层，所述厚半导体材料层用作岛结构；所述厚半导体材料层键合于所述键合槽内并与所述键合槽形成间隙。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述顶层结构还包括淀积在所述第一绝缘层的上表面并包覆所述压阻层的绝缘保护层，所述绝缘保护层上形成有与所述压阻层对应的至少一个导电接触孔；

所述压力传感器还包括对应设置在所述导电接触孔处并于所述压阻层电导通的金属块，每个所述导电接触孔对应设置有至少一个所述金属块。

5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述压力传感器上形成有贯穿所述衬底结构及所述敏感膜层结构的进气口，所述进气口与所述键合槽的内腔连通。

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