專利名稱：溫漂自補(bǔ)償soi壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，尤其是一種溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，屬于MEMS 傳感器的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用硅的壓阻效應(yīng)制造的壓力傳感器，就是采用集成電路工藝中的離子注入及擴(kuò)散工藝在硅片表面形成一組阻值幾乎相等的擴(kuò)散電阻，各電阻之間形成金屬互聯(lián)，連接成惠斯通電橋。當(dāng)彈性敏感膜片在外部壓力作用下發(fā)生形變從而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其上的橋路電阻即隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化，傳感器輸出一個(gè)與外部壓力成比例的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對壓力的測量。壓阻式微壓力傳感器是最早被研究并產(chǎn)業(yè)化的MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)產(chǎn)品，大部分壓阻式壓力傳感器都采用PN結(jié)隔離的形式，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是溫度漂移過大；另外工作溫度高于125°C時(shí)，由于PN結(jié)的漏電迅速增大，導(dǎo)致傳感器失效。高溫壓力傳感器是指在高于125°C環(huán)境下能正常工作的壓力傳感器，以其優(yōu)良的高溫工作能力在壓力傳感器中一直受到高度重視，是傳感器研究的重要領(lǐng)域之一，也是各國政府努力掌握的高科技技術(shù)之一。高溫壓力傳感器在石油、化工、冶金、工業(yè)過程控制、兵器工業(yè)甚至食品工業(yè)中都起著重要作用，許多環(huán)境條件下的檢測都離不開高溫壓力傳感器，尤其在武器系統(tǒng)中高溫壓力傳感器是動(dòng)力系統(tǒng)所不可缺少的。另外，由于電阻是溫度敏感器件，未補(bǔ)償之前的壓力傳感器其零點(diǎn)和靈敏度隨著溫度的變化而改變，極大的影響了傳感器的精度，通常都要對其進(jìn)行溫漂的補(bǔ)償。而目前壓力傳感器補(bǔ)償分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種，前者需要大量的人力，對每只芯片在使用溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償前的溫漂測試，然后選擇不同的器件，比如二極管、熱敏電阻等進(jìn)行補(bǔ)償，一致性較差，工作量大；而軟件補(bǔ)償成本高昂，目前國內(nèi)多為進(jìn)口 ASIC芯片進(jìn)行補(bǔ)償， 價(jià)格高，也限制了國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)溫漂自補(bǔ)償，降低成本，穩(wěn)定性高，大幅度的提高了工作溫度范圍，一致性好，適合批量生產(chǎn)，適應(yīng)范圍廣，安全可靠。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，包括SOI襯底，所述SOI襯底上設(shè)有用于配置成惠斯通電橋的橋路電阻，且SOI襯底對應(yīng)設(shè)置橋路電阻的表面設(shè)置用于對惠斯通電橋進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電阻，所述補(bǔ)償電阻及橋路電阻上設(shè)置電連接的互連引線；橋路電阻及補(bǔ)償電阻間通過絕緣隔離層及鈍化層相隔離，絕緣隔離層覆蓋于SOI襯底上，鈍化層覆蓋于絕緣隔離層上；刻蝕對應(yīng)于設(shè)置橋路電阻另一側(cè)的SOI襯底以形成壓力腔及壓力敏感膜，所述壓力腔及壓力敏感膜位于橋路電阻的正下方。所述SOI襯底包括襯底，所述襯底上淀積有絕緣介質(zhì)層，所述絕緣介質(zhì)層上淀積
3有導(dǎo)電材料，以形成SOI襯底。所述SOI襯底對應(yīng)于形成壓力腔的一側(cè)鍵合有玻璃片，所述玻璃片與SOI襯底及壓力腔對應(yīng)配合，且玻璃片封堵SOI襯底上的壓力腔。所述玻璃片上設(shè)有貫通玻璃片的玻璃孔，所述玻璃孔與壓力腔相連通。所述補(bǔ)償電阻包括恒壓供電補(bǔ)償電阻或恒流供電補(bǔ)償電阻。所述絕緣介質(zhì)層的材料為二氧化硅、氮化硅或二氧化硅與氮化硅的復(fù)合。所述絕緣隔離層包括氮化硅層。所述鈍化層包括氮化硅層。所述互連引線的材料包括鋁或金。所述導(dǎo)電材料為多晶硅或納米硅，所述導(dǎo)電材料通過LPCVD或PECVD淀積于絕緣介質(zhì)層上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)壓力傳感器的襯底采用SOI襯底，大大提高了傳感器的穩(wěn)定性以及工作溫度范圍，得以應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域，特別是一些高溫環(huán)境；對于壓力傳感器來說，溫漂是一個(gè)不容易解決的問題，通過在SOI襯底上設(shè)置恒壓供電補(bǔ)償電阻及恒流供電補(bǔ)償電阻，根據(jù)需要選擇恒壓供電補(bǔ)償電阻或恒流供電補(bǔ)償電阻與橋路電阻配置成的惠斯通電橋相連，實(shí)現(xiàn)對壓力傳感器的溫度自補(bǔ)償；自補(bǔ)償之后零點(diǎn)溫漂和靈敏度溫漂都能有效控制，可以滿足消費(fèi)電子以及工業(yè)控制類需求；由于是集成工藝，因此成本極低；采用半導(dǎo)體工藝，適合批量生產(chǎn)，產(chǎn)品一致性好，靈敏度高，可應(yīng)用于微壓、低壓、中壓以及高壓等各種環(huán)境。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖纊圖7為本發(fā)明具體實(shí)施工藝步驟剖視圖，其中 圖2為形成SOI襯底的剖視圖。圖3為形成橋路電阻及補(bǔ)償電阻后的剖視圖。圖4為淀積絕緣隔離層并刻蝕出引線孔后的剖視圖。圖5為形成互連引線后的剖視圖。圖6為形成鈍化層后的剖視圖。圖7為形成壓力感應(yīng)膜后的剖視圖。圖8為鍵合玻璃片形成絕壓傳感器后的剖視圖。圖9為形成表壓傳感器后的剖視圖。圖10為本發(fā)明封裝后的俯視圖。附圖標(biāo)記說明1-襯底、2-絕緣介質(zhì)層、3-橋路電阻、4-恒壓供電補(bǔ)償電阻、5-恒流供電補(bǔ)償電阻、6-絕緣隔離層、7-互連引線、8-鈍化層、9-壓力腔、10-壓力敏感膜、 11-玻璃片及12-玻璃孔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示為了提高壓力傳感器的測量精度及溫度適應(yīng)范圍，所述壓力傳感器包括SOI襯底，所述SOI襯底上淀積導(dǎo)電材料并得到用于配置成惠斯通電橋的橋路電阻3， 且為了降低溫漂影響，所述SOI襯底上設(shè)有補(bǔ)償電阻，所述補(bǔ)償電阻包括恒壓供電補(bǔ)償電阻4或恒流供電補(bǔ)償電阻5，SOI襯底上同時(shí)設(shè)置了恒壓供電補(bǔ)償電阻4及恒流供電補(bǔ)償電阻5，根據(jù)需要選擇恒壓供電補(bǔ)償電阻4或恒流供電補(bǔ)償電阻5，能夠降低溫度對惠斯通電橋輸出檢測信號(hào)的影響。SOI襯底上設(shè)置四個(gè)橋路電阻3，四個(gè)橋路電阻3分別形成惠斯通電橋的橋臂。為了能夠?qū)蚵冯娮?、恒壓供電補(bǔ)償電阻4及恒流供電補(bǔ)償電阻5引出，所述橋路電阻3、恒壓供電補(bǔ)償電阻4及恒流供電補(bǔ)償電阻5上設(shè)有電連接的互連引線7。同時(shí)， 橋路電阻3、恒壓供電補(bǔ)償電阻4及恒流供電補(bǔ)償電阻5通過絕緣隔離層6及鈍化層8進(jìn)行隔離，所述絕緣隔離層6覆蓋于SOI襯底上，并覆蓋于相應(yīng)的橋路電阻3、恒壓供電補(bǔ)償電阻 4及恒流供電補(bǔ)償電阻5上；鈍化層8淀積覆蓋于絕緣隔離層6上。SOI襯底對應(yīng)于設(shè)置橋路電阻3的另一側(cè)設(shè)置壓力腔9，為了形成壓力腔9，對SOI襯底進(jìn)行濕法腐蝕或干法-濕法腐蝕相結(jié)合的工藝，壓力腔9從SOI襯底的表面向內(nèi)延伸，且壓力腔9的向內(nèi)延伸的距離小于SOI襯底的厚度，以形成壓力敏感膜10，壓力敏感膜10的厚度由壓力傳感器的靈敏度等參數(shù)決定。壓力腔9及壓力敏感膜10位于橋路電阻3的正下方。如圖8和圖9所示可以根據(jù)不同的需要，在SOI襯底上對應(yīng)形成壓力腔9的一側(cè)鍵合玻璃片11，所述玻璃片11與SOI襯底及壓力腔9相對應(yīng)配合；從而能夠形成作表壓壓力傳感器和絕壓壓力傳感器。當(dāng)作為表壓壓力傳感器時(shí)，在玻璃片11上打有玻璃孔12，所述玻璃孔12與壓力腔9相連通。當(dāng)作為絕壓壓力傳感器時(shí)，玻璃片11封堵壓力腔9。如圖2 圖7所示為了得到上述結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，可以通過下述工藝步驟實(shí)現(xiàn)
(1)、根據(jù)傳感器的參數(shù)要求，確定襯底材料的厚度、摻雜類型、電阻率，芯片以及敏感膜的尺寸等，通過理論計(jì)算確定壓力敏感膜10上的線性應(yīng)力區(qū)，布置橋路電阻、補(bǔ)償電阻及金屬互連；由于不同的供電方式，溫漂補(bǔ)償方式也會(huì)不同，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以將恒壓供電的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和恒流供電的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)集成在同一款芯片上，以制成通用芯片，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行連線即可；最終完成設(shè)計(jì)并制作光刻版；
(2)、如圖2所示所述襯底1的上表面淀積有絕緣介質(zhì)層2，所述絕緣介質(zhì)層2可為二氧化硅、氮化硅或二氧化硅與氮化硅復(fù)合形成，作為SOI結(jié)構(gòu)的絕緣隔離介質(zhì)層；
(3)、通過LPCVD (低壓化學(xué)汽相淀積)或者 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)沉積技術(shù)，在絕緣介質(zhì)層2上淀積多晶硅或生長納米硅，以形成SOI襯底；由于多晶硅和納米硅的特性不一樣，生產(chǎn)出來的傳感器性能也有一定的差別；
(4)、由于橋路電阻3與補(bǔ)償電阻的參數(shù)不一樣，需要對頂層的多晶硅或納米硅采用不同的離子注入濃度進(jìn)行摻雜以及退火工藝，并對多晶硅或納米硅進(jìn)行刻蝕，以分別形成橋路電阻3和恒壓供電補(bǔ)償電阻4、恒流供電補(bǔ)償電阻5，橋路電阻3和恒壓供電補(bǔ)償電阻4、 恒流供電補(bǔ)償電阻5的參數(shù)由第一步的理論設(shè)計(jì)決定，并受到注入濃度以及刻蝕精度等工藝的影響，并最終影響到傳感器的零點(diǎn)輸出以及溫漂等性能；如圖3所示
(5)、淀積絕緣隔離層6，如圖4所示，作為金屬化的隔離層，所述絕緣隔離層6可為氮化硅；在橋路電阻3、恒壓供電補(bǔ)償電阻4、恒流供電補(bǔ)償電阻5對應(yīng)的端部進(jìn)行光刻引線孔、離子注入形成歐姆接觸濃硼區(qū)；通過在引線孔內(nèi)淀積金屬互連引線7，如圖5所示；所述互連引線7的金屬可為鋁或金等(包括多層金屬)，對于高溫壓力傳感器芯片來說，用金做引線，可使用的溫度范圍更寬，最高可在350° C的溫度下使用，而鋁通常只能在180° C以內(nèi)的溫度范圍內(nèi)使用；
(6)、反刻引線和壓焊塊，合金化處理，如圖5所示；
(7)、如圖6所示，淀積鈍化層8，所述鈍化層8的材料可為氮化硅，作為傳感器的鈍化層，還可以再淀積導(dǎo)電材料用作屏蔽層，對鈍化層和屏蔽層進(jìn)行刻蝕，露出壓焊區(qū)域，即露出互連引線7對應(yīng)的區(qū)域；
(8 )、如圖7所示，對SOI襯底的背面進(jìn)行深刻蝕，通常采用濕法腐蝕或者干法-濕法腐蝕相結(jié)合的工藝，腐蝕出一定深度的壓力腔9，壓力腔9上面保留一定厚度的襯底材料，以形成傳感器的壓力敏感膜10，壓力敏感膜10的厚度由傳感器的靈敏度等參數(shù)決定；
(9)、根據(jù)不同的應(yīng)用，決定是否需要鍵合玻璃片11，玻璃片11分為打孔玻璃片和不打孔玻璃片，可分別制作表壓壓力傳感器和絕壓壓力傳感器；如圖8和圖9所示，分別為絕壓產(chǎn)品和表壓產(chǎn)品，11為硅-玻璃鍵合工藝中用到的玻璃片，12為表壓產(chǎn)品中打孔玻璃的玻璃孔；
(10)、劃片、封裝、測試，完成壓力傳感器的制備。如圖1和圖10所示使用時(shí)，所述橋路電阻3通過相對應(yīng)的電極7分別與對應(yīng)的外部接線端連接；在零壓力下，理論上4只橋臂電阻的阻值應(yīng)該一樣，電橋處于平衡狀態(tài)， 壓力傳感器的輸出為0 ；當(dāng)有壓力作用于壓力敏感膜10上時(shí)，壓力會(huì)引起壓力敏感膜10的形變，當(dāng)壓力敏感膜10發(fā)生對應(yīng)的形變后，橋路電阻3的阻抗值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，電橋不再平衡，通過檢測壓力傳感器的外部接線端相對應(yīng)的輸出信號(hào)，能夠得到壓力傳感器的靈敏度，即能實(shí)現(xiàn)外部壓力信號(hào)的檢測。根據(jù)需要選擇恒壓供電補(bǔ)償電阻4或恒流供電補(bǔ)償電阻5通過互連引線7與橋路電阻3配置成的惠斯通電橋相連，恒流供電補(bǔ)償電阻5通過并聯(lián)進(jìn)行補(bǔ)償，恒壓供電補(bǔ)償電阻4通過串聯(lián)進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，通過恒壓供電補(bǔ)償電阻4的分壓或恒流供電補(bǔ)償電阻5的分流來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，提高壓力傳感器輸出的精度。本發(fā)明壓力傳感器的襯底采用SOI襯底，大大提高了傳感器的穩(wěn)定性以及工作溫度范圍，得以應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域，特別是一些高溫環(huán)境；對于壓力傳感器來說，溫漂是一個(gè)不容易解決的問題，通過在SOI襯底上設(shè)置恒壓供電補(bǔ)償電阻4及恒流供電補(bǔ)償電阻5，根據(jù)需要選擇恒壓供電補(bǔ)償電阻4或恒流供電補(bǔ)償電阻5與橋路電阻3配置成的惠斯通電橋相連，實(shí)現(xiàn)對壓力傳感器的溫度自補(bǔ)償；自補(bǔ)償之后零點(diǎn)溫漂和靈敏度溫漂都能有效控制，可以滿足消費(fèi)電子以及工業(yè)控制類需求；由于是集成工藝，因此成本極低；采用半導(dǎo)體工藝，適合批量生產(chǎn)，產(chǎn)品一致性好，靈敏度高，可應(yīng)用于微壓、低壓、中壓以及高壓等各種環(huán)境。
權(quán)利要求
1.一種溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其特征是包括SOI襯底，所述SOI襯底上設(shè)有用于配置成惠斯通電橋的橋路電阻(3)，且SOI襯底對應(yīng)設(shè)置橋路電阻(3)的表面設(shè)置用于對惠斯通電橋進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電阻，所述補(bǔ)償電阻及橋路電阻(3)上設(shè)置電連接的互連引線(7)；橋路電阻(3)及補(bǔ)償電阻間通過絕緣隔離層(6)及鈍化層(8)相隔離，絕緣隔離層(6)覆蓋于SOI襯底上，鈍化層(8)覆蓋于絕緣隔離層(6)上；刻蝕對應(yīng)于設(shè)置橋路電阻 (3)另一側(cè)的SOI襯底以形成壓力腔(9)及壓力敏感膜(10)，所述壓力腔(9)及壓力敏感膜 (10)位于橋路電阻(3)的正下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其特征是所述SOI襯底包括襯底(1 )，所述襯底(1)上淀積有絕緣介質(zhì)層(2)，所述絕緣介質(zhì)層(2)上淀積有導(dǎo)電材料， 以形成SOI襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其特征是所述SOI襯底對應(yīng)于形成壓力腔(9 )的一側(cè)鍵合有玻璃片(11)，所述玻璃片(11)與SOI襯底及壓力腔(9 )對應(yīng)配合，且玻璃片(11)封堵SOI襯底上的壓力腔(9 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其特征是所述玻璃片(11)上設(shè)有貫通玻璃片(11)的玻璃孔(12)，所述玻璃孔(12)與壓力腔(9)相連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其特征是所述補(bǔ)償電阻包括恒壓供電補(bǔ)償電阻(4 )或恒流供電補(bǔ)償電阻(5 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其特征是所述絕緣介質(zhì)層(2) 的材料為二氧化硅、氮化硅或二氧化硅與氮化硅的復(fù)合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其特征是所述絕緣隔離層(6) 包括氮化硅層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其特征是所述鈍化層(8)包括氮化硅層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其特征是所述互連引線(7)的材料包括鋁或金。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其特征是所述導(dǎo)電材料為多晶硅或納米硅，所述導(dǎo)電材料通過LPCVD或PECVD淀積于絕緣介質(zhì)層(2)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種溫漂自補(bǔ)償SOI壓力傳感器，其包括SOI襯底，所述SOI襯底上設(shè)有用于配置成惠斯通電橋的橋路電阻，且SOI襯底對應(yīng)設(shè)置橋路電阻的表面設(shè)置用于對惠斯通電橋進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電阻，所述補(bǔ)償電阻及橋路電阻上設(shè)置電連接的互連引線；橋路電阻及補(bǔ)償電阻間通過絕緣隔離層及鈍化層相隔離，絕緣隔離層覆蓋于SOI襯底上，鈍化層覆蓋于絕緣隔離層上；刻蝕對應(yīng)于設(shè)置橋路電阻另一側(cè)的SOI襯底以形成壓力腔及壓力敏感膜，所述壓力腔及壓力敏感膜位于橋路電阻的正下方。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)溫漂自補(bǔ)償，降低成本，穩(wěn)定性高，一致性好，適合批量生產(chǎn)，適應(yīng)范圍廣，安全可靠。
文檔編號(hào)G01L19/04GK102445301SQ201110375349
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者劉同慶, 王榮華 申請人:無錫芯感智半導(dǎo)體有限公司