CN219823665U - 一种压力传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
本申请属于压力传感器技术领域，具体涉及一种压力传感器芯片，主要包括n型单晶硅衬底、二氧化硅氧化层、n型碳化硅敏感电阻、金属电极和金属导线。其中，二氧化硅氧化层位于衬底正面，n型碳化硅敏感电阻位于二氧化硅氧化层正面，金属电极和金属导线均位于所述二氧化硅氧化层正面，金属导线与n型碳化硅敏感电阻和金属电极电性连接。上述压力传感器芯片通过使用碳化硅作为敏感电阻，利用碳化硅压阻的优越性能，使得压力传感器芯片能够在高温、高辐射环境下稳定运行；同时，结合使用单晶硅衬底，单晶硅衬底的加工工艺更加成熟和简单，成本也低廉，适合大批量生产，解决了现有碳化硅压力传感器芯片制造成本高的问题。
Description
技术领域
本申请属于压力传感器技术领域，具体涉及一种压力传感器芯片。
背景技术
微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)是基于半导体制造技术发展的新型传感器技术，MEMS具备微型化、集成化、智能化、成本低、性能高、可大批量生产等优点。硅压阻式压力传感器作为第一种批量生产的MEMS传感器，已经广泛应用于消费电子、生物医疗、航空航天和国防军工等多个领域。相较于其他MEMS传感原理，如压电式、电容式和谐振式，压阻式压力传感器具备结构简单可靠、精度高、响应快、抗电磁干扰强等特点。
目前市场上MEMS压阻式压力传感器以硅基为主，硅作为最常用的半导体材料，其加工工艺成熟高效。但硅压阻也受到材料性质的限制，硅的禁带较窄，在高温下会加剧PN结漏电流，影响高温下性能；而且硅的导热性能较差，长时间运行会导致压阻温度升高；硅的压阻系数受温度影响较大，高温下灵敏度下降很多。压阻式压力传感器的主要结构分为两部分：承受压力的敏感膜片和膜片上的压敏电阻(简称压阻)，当压力作用在敏感膜片上时，膜片产生形变并对压阻施加应力，通过电桥电路测量压阻的变化来得到压力的大小。
碳化硅作为第三代半导体材料，具备化学性质稳定、导热系数高、热膨胀系数小、禁带宽、电子迁移率大和耐辐照等优良特点，是制造压阻式压力传感器的理想材料。但碳化硅的加工难度远大于硅，无论是碳化硅晶圆的制造还是刻蚀，因此导致使用碳化硅制造的压力传感器芯片成本居高不下。
发明内容
本申请提供一种压力传感器芯片，用于解决现有碳化硅压力传感器芯片制造成本高的问题。
本申请提供了一种压力传感器芯片，包括：
衬底，所述衬底为n型单晶硅衬底；
二氧化硅氧化层，位于所述衬底正面；
n型碳化硅敏感电阻，位于所述二氧化硅氧化层正面；
金属电极，位于所述二氧化硅氧化层正面；
金属导线，位于所述二氧化硅氧化层正面，与所述n型碳化硅敏感电阻和所述金属电极电性连接。
上述压力传感器芯片通过使用碳化硅作为敏感电阻，利用碳化硅压阻具备耐高温、耐高辐射的优越性能，使得制作的压力传感器芯片能够在高温、高辐射环境下稳定运行；同时，结合使用单晶硅衬底，单晶硅衬底的加工工艺更加成熟和简单，成本也低廉，适合大批量生产，解决了现有碳化硅压力传感器芯片制造成本高的问题。
在一实施例的技术方案中，所述压力传感器芯片还包括氮化硅钝化层，所述氮化硅钝化层位于所述二氧化硅氧化层和n型碳化硅敏感电阻正面；所述氮化硅钝化层在所述n型碳化硅敏感电阻正面开设有接触窗口，所述金属导线通过所述接触窗口与所述n型碳化硅敏感电阻电性连接。
在一实施例的技术方案中，所述衬底背面开设有凹槽，所述凹槽中心位置具有凸起的硅岛，所述硅岛与所述凹槽构成的环形空腔对应的衬底为敏感膜片。
在一实施例的技术方案中，所述衬底为正方形，所述凹槽位于衬底中心位置；所述凹槽的槽底和槽口均为正方形，所述槽口正方形面积大于所述槽底正方形面积，所述槽底正方形在所述槽口正方形上的正投影与所述槽口正方形共内切圆圆心；所述硅岛的底面和顶面均为正方形，所述底面正方形大于所述顶面正方形面积，所述顶面正方形在所述底面正方形上的正投影与所述底面正方形共内切圆圆心。
在一实施例的技术方案中，所述衬底的正面和背面均具有二氧化硅氧化层。
在一实施例的技术方案中，所述压力传感器芯片包括四个所述n型碳化硅敏感电阻和四个所述金属电极，四个所述n型碳化硅敏感电阻和四个所述金属电极之间通过金属导线交叉连接成闭合电路；四个所述n型碳化硅敏感电阻分布在敏感膜片处，四个所述金属电极分别位于所述衬底的四个角处。
附图说明
本申请中附图是用于示出优选实施方式，便于本领域普通技术人员对各种其他的优点和益处清楚明了的认识，并不能认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。
图1为本申请一实施例中压力传感器芯片的立体示意图。
图2为本申请一实施例中压力传感器芯片的截面示意图。
图3为本申请一实施例中压力传感器芯片制造方法工序1的示意图。
图4为本申请一实施例中压力传感器芯片制造方法工序3的示意图。
图5为本申请一实施例中压力传感器芯片制造方法工序4的示意图。
图6为本申请一实施例中压力传感器芯片制造方法工序5的示意图。
图7为本申请一实施例中压力传感器芯片制造方法工序6的示意图。
图8为本申请一实施例中压力传感器芯片制造方法工序7的示意图。
图9为本申请一实施例中压力传感器芯片制造方法工序8的示意图。
图10为本申请一实施例中压力传感器芯片制造方法工序9的示意图。
附图标号说明：
1、衬底；2、二氧化硅氧化层；3、n型碳化硅敏感电阻；4、金属电极；5、金属导线；6、氮化硅钝化层；7、凹槽；8、硅岛；9、敏感膜片；10、接触窗口。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在本申请实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”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申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。
在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
参见图1-10，本申请实施例提供了一种压力传感器芯片，应用于压力传感器。该压力传感器芯片包括衬底1、二氧化硅氧化层2、n型碳化硅敏感电阻3、金属电极4和金属导线5。衬底1为n型单晶硅衬底，二氧化硅氧化层2位于衬底1正面，n型碳化硅敏感电阻3位于二氧化硅氧化层2正面，金属电极4和金属导线5均位于二氧化硅氧化层2正面，金属导线5与n型碳化硅敏感电阻3和金属电极4电性连接。该压力传感器芯片通过使用碳化硅作为敏感电阻，利用碳化硅压阻具备耐高温、耐高辐射的优越性能，使得制作的压力传感器芯片能够在高温、高辐射环境下稳定运行；同时，结合使用单晶硅衬底，单晶硅衬底的加工工艺更加成熟和简单，成本也低廉，适合大批量生产，解决了现有碳化硅压力传感器芯片制造成本高的问题。
参见图7-9，在一些实施例中，在二氧化硅氧化层2和n型碳化硅敏感电阻3正面沉积一层氮化硅钝化层6，氮化硅钝化层6在n型碳化硅敏感电阻3正面开设有接触窗口10，金属导线5通过接触窗口10与n型碳化硅敏感电阻3电性连接。通过设置氮化硅钝化层6可以防止压力传感器芯片的氧化，延迟使用寿命。
参见图2，在一些实施例中，衬底1背面开设有凹槽7，凹槽中心位置具有凸起的硅岛8，硅岛8与凹槽7构成的环形空腔对应的衬底1为敏感膜片9，n型碳化硅敏感电阻3位于敏感膜片9处。通过在凹槽7内设置硅岛8，降低敏感膜片9的面积，使得应力分布更为集中，利于增强传感器的灵敏度和线性度。
具体到图2所示实施方式中，衬底1为正方形，凹槽7位于衬底1中心位置。凹槽7的槽底和槽口均为正方形，槽口正方形面积大于槽底正方形面积，槽底正方形在槽口正方形上的正投影与槽口正方形共内切圆圆心；硅岛8的底面和顶面均为正方形，底面正方形大于顶面正方形面积，顶面正方形在底面正方形上的正投影与底面正方形共内切圆圆心。
具体到图1所示实施方式中，压力传感器芯片具体包括四个n型碳化硅敏感电阻3和四个金属电极4，四个n型碳化硅敏感电阻3和四个金属电极4之间通过金属导线5交叉连接成闭合电路；四个n型碳化硅敏感电阻3分布在敏感膜片9处，四个金属电极4分别位于衬底1的四个角处。
参见图3-10，在一些实施例中，压力传感器芯片制造方法包括以下工序：
工序1：备片
硅片备料：n型单晶硅晶圆作为n型单晶硅衬底，厚度350μm，测量硅片厚度并检查硅片的质量问题。
工序2：清洗
将n型单晶硅晶圆浸入120℃的Piranha溶液中20分钟，去除有机物和金属。然后进行标准RCA清洗，进一步的去除颗粒、有机物和金属玷污。
工序3：热氧化(Thermal Oxidation)
使用石英舟将n型单晶硅晶圆驶入氧化扩散炉，在1150℃下使n型单晶硅晶圆表面生成厚度约为0.4μm的二氧化硅氧化层2，顶层的二氧化硅氧化层2作为缓冲绝缘层，底层的二氧化硅氧化层2可以作为背面刻蚀的掩膜。
工序4：沉积器件层
使用PECVD设备(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)在顶层的二氧化硅氧化层2上沉积厚度约为1.2μm的n型碳化硅层。n型碳化硅层的氮掺杂浓度约为5×1018cm-3。
工序5：光刻及刻蚀
在n型碳化硅层上涂胶后，利用设计的掩膜版(根据敏感电阻的形状设计)，对准曝光，最后进行显影得到掩膜层。再使用ICP设备(Inductively Coupled Plasma，电感耦合等离子体)刻蚀n型碳化硅层，刻蚀深度为1200nm，刻蚀速率220nm/min，在n型碳化硅层上形成设计形状的n型碳化硅敏感电阻3，如图1所示。
工序6：沉积钝化层
使用PECVD设备在晶圆上层沉积400nm厚的氮化硅作为钝化层，即氮化硅钝化层6。
工序7：背面光刻及刻蚀
根据凹槽7和硅岛8的形状使用氢氟酸缓冲溶液腐蚀硅片背面的二氧化硅层，再使用四甲基氢氧化铵腐蚀出背部凹槽7和硅岛8。
工序8：光刻及刻蚀
使用氢氟酸缓冲溶液蚀刻n型碳化硅敏感电阻3对应处的钝化层，释放欧姆接触窗口10。
工序9：导路
通过蒸发镀膜在顶层依次沉积Ni(厚150nm)、Ti(厚100nm)和Au(厚50nm)金属层，通过剥离成型出图1所示的金属电极4和金属导线5，至此压力传感器芯片制造完成。为了获得良好的欧姆接触，还可以在1000℃氩气氛中进行20分钟快速热退火。
该压力传感器芯片的制造工艺，选用碳化硅作为敏感电阻，利用碳化硅压阻具备耐高温、耐高辐射的优越性能，使得制作的压力传感器芯片能够在高温、高辐射环境下稳定运行；同时，结合使用单晶硅衬底，单晶硅衬底的加工工艺更加成熟和简单，成本也低廉，适合大批量生产，解决了现有碳化硅压力传感器芯片制造成本高的问题。
工序10：封装
将压力传感器芯片键合在一块玻璃基板上，玻璃基板上开有背孔，与凹槽7连通，最后整体进行封装并连接电桥电路，即完成压力传感器的制作。
综上所述，本申请主要结合了硅膜片易于加工和碳化硅压阻稳定性强的优势，提出一种能易于加工的用于高温的高性能压阻式压力传感器，既利于大批量生产，又提升了灵敏度和非线性度。
综上所述，凹槽7是通过湿法腐蚀形成，目的是将厚硅片减薄为灵敏度更高的薄膜(敏感膜片9)。增加硅岛8相比于无硅岛的普通薄膜，其提高了膜片(敏感膜片9)的局部刚度并改变了应力集中区的位置，使敏感膜片9的挠度与测量压力更易保持线性关系(相同压力下，刚度大的薄膜挠度更小，由“小挠度理论small deflection theory”可知薄膜处在线性变形区)。此外，压阻分置在硅岛8两侧的应力集中区(硅岛改变了应力分布，因此压阻的布局与无硅岛的普通薄膜不同)，其受到加工误差的影响更小，因此硅岛8对传感器的线性输出有极大的提升。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在矛盾冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (6)
1.一种压力传感器芯片，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底为n型单晶硅衬底；
二氧化硅氧化层，位于所述衬底正面；
n型碳化硅敏感电阻，位于所述二氧化硅氧化层正面；
金属电极，位于所述二氧化硅氧化层正面；
金属导线，位于所述二氧化硅氧化层正面，与所述n型碳化硅敏感电阻和所述金属电极电性连接。
2.根据权利要求1所述的压力传感器芯片，其特征在于，所述压力传感器芯片还包括氮化硅钝化层，所述氮化硅钝化层位于所述二氧化硅氧化层和n型碳化硅敏感电阻正面；所述氮化硅钝化层在所述n型碳化硅敏感电阻正面开设有接触窗口，所述金属导线通过所述接触窗口与所述n型碳化硅敏感电阻电性连接。
3.根据权利要求1所述的压力传感器芯片，其特征在于，所述衬底背面开设有凹槽，所述凹槽中心位置具有凸起的硅岛，所述硅岛与所述凹槽构成的环形空腔对应的衬底为敏感膜片。
4.根据权利要求3所述的压力传感器芯片，其特征在于，所述衬底为正方形，所述凹槽位于衬底中心位置；所述凹槽的槽底和槽口均为正方形，所述槽口正方形面积大于所述槽底正方形面积，所述槽底正方形在所述槽口正方形上的正投影与所述槽口正方形共内切圆圆心；所述硅岛的底面和顶面均为正方形，所述底面正方形大于所述顶面正方形面积，所述顶面正方形在所述底面正方形上的正投影与所述底面正方形共内切圆圆心。
5.根据权利要求1所述的压力传感器芯片，其特征在于，所述衬底的正面和背面均具有二氧化硅氧化层。
6.根据权利要求1所述的压力传感器芯片，其特征在于，所述压力传感器芯片包括四个所述n型碳化硅敏感电阻和四个所述金属电极，四个所述n型碳化硅敏感电阻和四个所述金属电极之间通过金属导线交叉连接成闭合电路；四个所述n型碳化硅敏感电阻分布在敏感膜片处，四个所述金属电极分别位于所述衬底的四个角处。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |