集成溫度的高性能壓力傳感器芯片及制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種集成溫度的高性能壓力傳感器芯片及制造方法，制造方法，包括對(duì)SOI硅片熱氧化，形成薄氧化層，然后LPCVD淀積低應(yīng)力氮化硅；在SOI硅片背面進(jìn)行光刻，濕法腐蝕出壓力敏感膜，并在壓力敏感膜區(qū)域處形成空腔；去除SOI硅片上的氮化硅和氧化硅；對(duì)單晶硅襯底硅片進(jìn)行熱氧化，并在背面上光刻、腐蝕出對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，去除氧化層；對(duì)SOI硅片和單晶硅襯底進(jìn)行硅硅鍵合，使SOI硅片上的空腔形成密閉空腔；對(duì)SOI硅片頂層硅進(jìn)行離子注入，并進(jìn)行光刻、刻蝕，形成8個(gè)摻雜單晶硅體電阻；濺射金屬，并光刻、腐蝕，形成金屬導(dǎo)線，連接各體電阻，形成測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量壓力與溫度，而且克服壓力傳感器在高溫下PN結(jié)反向漏電流造成器件性能惡化的缺點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】集成溫度的高性能壓力傳感器芯片及制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體地，涉及一種集成溫度的高性能壓力傳感器芯片及 制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 高性能壓力傳感器是在航空航天、工業(yè)自動(dòng)化控制、汽車(chē)系統(tǒng)、航海、環(huán)境監(jiān)控和 測(cè)量以及生物醫(yī)療診斷等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是，很多應(yīng)用情況下，在測(cè)壓力的同 時(shí)，還需測(cè)量溫度。
[0003] 與其他類型的壓力傳感器相比，壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn)在于加工簡(jiǎn)單，信號(hào)易 于測(cè)量。但是由于壓敏電阻本身的溫度特性，使得傳感器產(chǎn)生很大的溫度漂移，在較大溫度 變化范圍內(nèi)工作的傳感器必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。此外，隨著溫度的提高，PN結(jié)漏電流增加，使 傳感器的性能較為離散，穩(wěn)定性變差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種集成溫度的高性能壓力傳感器芯片 及制造方法，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量壓力與溫度，而且克服壓力傳感器在高溫PN結(jié)反向漏電流造 成器件性能惡化的優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種集成溫度的高性能壓力傳感器芯片制造方法，包括以下步驟： 步驟101、對(duì)SOI硅片進(jìn)行熱氧化，形成薄氧化層，然后進(jìn)入LPCVD淀積低應(yīng)力氮化硅； 步驟102、在SOI硅片上進(jìn)行光刻，定義出壓力敏感膜圖形，并在SOI硅片底部壓力敏感 膜區(qū)域處形成空腔； 步驟103、去除硅片SOI底層的氮化硅和二氧化硅層； 步驟104、對(duì)單晶硅襯底硅片進(jìn)行熱氧化，并在單晶硅襯底硅片上光刻并腐蝕出對(duì)準(zhǔn)標(biāo) 記，去除氧化層； 步驟105、對(duì)SOI硅片和單晶硅襯底進(jìn)行硅硅鍵合，使SOI硅片上的空腔形成密閉空 腔； 步驟106、在S0I硅片頂層硅上注入硼離子、推進(jìn)，形成單晶硅電阻膜并通過(guò)光刻、刻蝕 形成8個(gè)摻雜單晶硅體電阻； 步驟107、在摻雜單晶硅體電阻兩端光刻并刻蝕引線孔，然后濺射金屬，光刻、刻蝕金屬 層形成金屬導(dǎo)線，并對(duì)傳感器芯片的上表面進(jìn)行劃片。
[0006] 優(yōu)選的，所述步驟102中空腔的形成采用濕法腐蝕或干法刻蝕的方法。
[0007] 優(yōu)選的，上述步驟101中，S0I硅片中頂層硅厚度0. 5μ-- -Ι.Ομ--，隔離氧化層厚 度 0· 5 μ m -1. 0 μ m，底層娃厚度 300 μ m -500 μ m。
[0008] 優(yōu)選的，上述SOI硅片經(jīng)過(guò)步驟101處理后形成的氧化層厚度為200nm，氮化硅厚 度為100nm。
[0009] 優(yōu)選的，上述步驟104中單晶硅襯底硅片形成的氧化層厚度為500nm。
[0010] 優(yōu)選的，所述步驟106中對(duì)SOI硅片和單晶硅襯底進(jìn)行硅硅鍵合具體為：對(duì)SOI硅 片和單晶硅襯底進(jìn)行兆聲波清洗，對(duì)SOI硅片和單晶硅襯底的表面進(jìn)行處理，然后進(jìn)行鍵 合對(duì)準(zhǔn)，并利用鍵合機(jī)進(jìn)行預(yù)鍵合，預(yù)鍵合完成后，放置在高溫退火爐中。
[0011] 優(yōu)選的，上述高溫退火爐中退火溫度1KKTC，時(shí)間1小時(shí)。
[0012] 優(yōu)選的，上述步驟107中濺射金屬的金屬材料包括鋁或金，且金屬厚度為0. 5μπι -〇. 8 μ m〇
[0013] 同時(shí)本發(fā)明技術(shù)方案公開(kāi)一種集成溫度的高性能壓力傳感器芯片，包括單晶硅襯 底和底部具有空腔的SOI硅片，所述單晶硅襯底和SOI硅片空腔構(gòu)成密閉空腔，并形成壓力 敏感膜，S0I硅片頂層硅上設(shè)有八個(gè)摻雜單晶硅體電阻，且該八個(gè)摻雜單晶硅體電阻與壓力 敏感膜之間采用氧化層隔離，八個(gè)摻雜單晶硅體電阻中的四個(gè)摻雜單晶硅體電阻分布在壓 力敏感膜上，通過(guò)金屬導(dǎo)線連接成惠斯通電橋，另外四個(gè)摻雜單晶硅體電阻分布在非應(yīng)力 敏感區(qū)域，并通過(guò)金屬導(dǎo)線連接。
[0014] 本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果： 本發(fā)明的技術(shù)方案，將溫度傳感器、壓力傳感器集成一個(gè)芯片上，同時(shí)檢測(cè)壓力和溫 度。為保證傳感器的高性能，采用S0I材料進(jìn)行加工，利用S0I硅片頂層硅并采用等離子刻 蝕技術(shù)制作單晶硅敏感電阻，利用氧化硅層作為絕緣層，極大的提高了器件的電隔離性，解 決了器件在高溫條件下漏電的問(wèn)題；采用S0I硅片頂層硅的厚度來(lái)制作敏感體電阻，保證 了體電阻的厚度均勻一致，從而保證器件的性能一致性。同時(shí)，本發(fā)明技術(shù)方案采用硅硅直 接鍵合的方法來(lái)形成壓力敏感膜和密閉空腔，具有更好的力學(xué)特性。達(dá)到了同時(shí)測(cè)量壓力 與溫度，而且克服壓力傳感器在高溫PN結(jié)反向漏電流造成器件性能惡化的目的。
[0015] 且本發(fā)明技術(shù)方案中的壓力傳感器芯片的結(jié)構(gòu)牢固，性能優(yōu)良，可以滿足汽車(chē)、航 空航天等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軌毫鞲衅鞯男枨蟆２⒕哂兄圃旃に嚭?jiǎn)單，相對(duì)成本低，生產(chǎn)效率高 的特點(diǎn)，顯著提高在惡劣條件下測(cè)量的高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。
[0016] 下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述的集成溫度的高性能壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1所示的壓力傳感器芯片的俯視圖； 圖3a是S0I硅片熱氧化后淀積氮化硅示意圖； 圖3b是S0I硅片底層硅光刻、腐蝕示意圖； 圖3c是S0I娃片雙面去除氣化娃的不意圖； 圖3d是單晶硅襯底熱氧后，光刻、刻蝕對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，去除氧化層示意圖； 圖3e是S0I硅片與單晶硅襯底直接硅硅鍵合示意圖； 圖3f是S0I硅片頂層硅上離子注入、退火，形成單晶硅電阻膜，并通過(guò)光刻、刻蝕形成 8個(gè)摻雜單晶硅體電阻示意圖； 圖3g是S0I硅片頂層硅刻蝕引線孔，濺射金屬并光刻、刻蝕形成電極及導(dǎo)線的示意圖。
[0018] 結(jié)合附圖，本發(fā)明實(shí)施例中附圖標(biāo)記如下： 1-單晶硅襯底；101-對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；2-S0I硅片；201-密閉空腔；202-壓力敏感膜；203-氧 化層；204-頂層娃；205-氮化娃；206-底層娃；207-氧化層；3-摻雜單晶娃體電阻；4-金 屬導(dǎo)線；5_氧化硅；6-非應(yīng)力敏感區(qū)域；7-底層氮化硅和二氧化硅層。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí) 施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020] 如圖1、圖2所示，一種集成溫度的高性能壓力傳感器芯片，包括一個(gè)單晶硅襯底 1 ;一個(gè)底部具有空腔的SOI硅片2 ;單晶硅襯底1和SOI硅片空腔構(gòu)成密閉空腔201，并形 成壓力敏感膜202 ;S0I硅片頂層硅204上設(shè)有八個(gè)摻雜單晶硅體電阻3,摻雜單晶硅體電 阻3與壓力敏感膜202之間采用氧化層203隔離；其中四個(gè)摻雜單晶硅體電阻3分布在壓 力敏感膜202上，通過(guò)金屬導(dǎo)線4連接成惠斯通電橋；另外四個(gè)摻雜單晶硅體電阻3分布 在壓力敏感膜旁的非應(yīng)力敏感區(qū)域6,并通過(guò)金屬導(dǎo)線4連接。
[0021] 而相應(yīng)的一種集成溫度的高性能壓力傳感器芯片制造方法，包括以下步驟： 步驟101、對(duì)SOI硅片進(jìn)行熱氧化，形成薄氧化層207,然后進(jìn)入LPCVD淀積低應(yīng)力氮化 硅 205 ; 步驟102、在SOI硅片上進(jìn)行光刻，定義出壓力敏感膜圖形，并在SOI硅片底部壓力敏感 膜區(qū)域處形成空腔； 步驟103、去除硅片S0I底層的氮化硅和二氧化硅層7 ; 步驟104、對(duì)單晶硅襯底硅片進(jìn)行熱氧化，并在單晶硅襯底硅片上光刻并腐蝕出對(duì)準(zhǔn)標(biāo) 記101，去除氧化層； 步驟105、對(duì)S0I硅片和單晶硅襯底進(jìn)行硅硅鍵合，使S0I硅片上的空腔形成密閉空 腔； 步驟106、在S0I硅片頂層硅上注入硼離子、推進(jìn)，形成單晶硅電阻膜并通過(guò)光刻、刻蝕 形成8個(gè)摻雜單晶硅體電阻； 步驟107、在摻雜單晶硅體電阻兩端光刻并刻蝕引線孔，然后濺射金屬，光刻、刻蝕金屬 層形成金屬導(dǎo)線，并對(duì)傳感器芯片的上表面進(jìn)行劃片。
[0022] 優(yōu)選的，步驟102中空腔的形成采用濕法腐蝕或干法刻蝕的方法。
[0023] 優(yōu)選的，步驟101中，如圖3a所示，S0I硅片中頂層硅204厚度0. 5μπι -Ι.Ομπι， 隔離氧化層203厚度0. 5 μ m -1. 0 μ m，底層硅206厚度300 μ m -500 μ m。
[0024] 優(yōu)選的，SOI硅片經(jīng)過(guò)步驟101處理后形成的氧化層207厚度為200nm，氮化硅 205厚度為100nm。
[0025] 優(yōu)選的，步驟104中單晶硅襯底硅片形成的氧化層厚度為500nm。
[0026] 優(yōu)選的，步驟106中對(duì)SOI硅片和單晶硅襯底進(jìn)行硅硅鍵合具體為：對(duì)SOI硅片和 單晶硅襯底進(jìn)行兆聲波清洗，對(duì)S0I硅片和單晶硅襯底的表面進(jìn)行處理，然后進(jìn)行鍵合對(duì) 準(zhǔn)，并利用鍵合機(jī)進(jìn)行預(yù)鍵合，預(yù)鍵合完成后，放置在高溫退火爐中。使用SUSS公司的BA6 進(jìn)行鍵合對(duì)準(zhǔn)，利用SB6e鍵合機(jī)進(jìn)行預(yù)鍵合。
[0027] 優(yōu)選的，高溫退火爐中退火溫度1KKTC，時(shí)間1小時(shí)。
[0028] 優(yōu)選的，步驟107中濺射金屬的金屬材料包括鋁或金，且金屬厚度為0. 5μπι -〇. 8 μ m〇
[0029] 具體工作原理為：壓力傳感器芯片中的敏感電阻采用單晶硅體電阻，以二氧化硅 作為絕緣層。壓力傳感器采用單晶硅體電阻的壓敏特性，利用惠斯通電橋進(jìn)行壓力測(cè)量。溫 度傳感器采用單晶硅體電阻的熱敏特性，電阻線性的變化值來(lái)檢測(cè)溫度變化。
[0030] 最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明， 盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可 以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種集成溫度的高性能壓力傳感器芯片制造方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟101、對(duì)SOI硅片進(jìn)行熱氧化，形成薄氧化層，然后進(jìn)入LPCVD淀積低應(yīng)力氮化硅； 步驟102、在SOI硅片上進(jìn)行光刻，定義出壓力敏感膜圖形，并在SOI硅片底部壓力敏感 膜區(qū)域處形成空腔； 步驟103、去除硅片SOI底層的氮化硅和二氧化硅層； 步驟104、對(duì)單晶硅襯底硅片進(jìn)行熱氧化，并在單晶硅襯底硅片上光刻并腐蝕出對(duì)準(zhǔn)標(biāo) 記，去除氧化層； 步驟105、對(duì)SOI硅片和單晶硅襯底進(jìn)行硅硅鍵合，使SOI硅片上的空腔形成密閉空 腔； 步驟106、在SOI硅片頂層硅上注入硼離子、推進(jìn)，形成單晶硅電阻膜并通過(guò)光刻、刻蝕 形成8個(gè)摻雜單晶硅體電阻； 步驟107、在摻雜單晶硅體電阻兩端光刻并刻蝕引線孔，然后濺射金屬，光刻、刻蝕金屬 層形成金屬導(dǎo)線，并對(duì)傳感器芯片的上表面進(jìn)行劃片。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成溫度的高性能壓力傳感器芯片制造方法，其特征在于， 所述步驟102中空腔的形成采用濕法腐蝕或干法刻蝕的方法。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的集成溫度的高性能壓力傳感器芯片制造方法，其特征 在于，上述步驟101中，SOI硅片中頂層硅厚度0. 5 μ m -1. 0 μ m，隔離氧化層厚度0. 5 μ m -1· 0 μ m，底層娃厚度 300 μ m -500 μ m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成溫度的高性能壓力傳感器芯片制造方法，其特征在于， 上述SOI硅片經(jīng)過(guò)步驟101處理后形成的氧化層厚度為200nm，氮化硅厚度為100nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的集成溫度的高性能壓力傳感器芯片制造方法，其特征在于， 上述步驟104中單晶硅襯底硅片形成的氧化層厚度為500nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的集成溫度的高性能壓力傳感器芯片制造方法，其特征在于， 所述步驟106中對(duì)SOI硅片和單晶硅襯底進(jìn)行硅硅鍵合具體為：對(duì)SOI硅片和單晶硅襯底 進(jìn)行兆聲波清洗，對(duì)SOI硅片和單晶硅襯底的表面進(jìn)行處理，然后進(jìn)行鍵合對(duì)準(zhǔn)，并利用鍵 合機(jī)進(jìn)行預(yù)鍵合，預(yù)鍵合完成后，放置在高溫退火爐中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的集成溫度的高性能壓力傳感器芯片制造方法，其特征在于， 上述高溫退火爐中退火溫度1KKTC，時(shí)間1小時(shí)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成溫度的高性能壓力傳感器芯片制造方法，其特征在于， 上述步驟107中濺射金屬的金屬材料包括鋁或金，且金屬厚度為0. 5 μ m -0. 8 μ m。
9. 一種集成溫度的高性能壓力傳感器芯片，其特征在于，包括單晶硅襯底和底部具有 空腔的SOI硅片，所述單晶硅襯底和SOI硅片空腔構(gòu)成密閉空腔，并形成壓力敏感膜，SOI硅 片頂層硅上設(shè)有八個(gè)摻雜單晶硅體電阻，且該八個(gè)摻雜單晶硅體電阻與壓力敏感膜之間采 用氧化層隔離，八個(gè)摻雜單晶硅體電阻中的四個(gè)摻雜單晶硅體電阻分布在壓力敏感膜上， 通過(guò)金屬導(dǎo)線連接成惠斯通電橋，另外四個(gè)摻雜單晶硅體電阻分布在非應(yīng)力敏感區(qū)域，并 通過(guò)金屬導(dǎo)線連接。
【文檔編號(hào)】G01L1/18GK104089727SQ201410329796
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】殷宗平 申請(qǐng)人:龍微科技無(wú)錫有限公司