一種雙soi結(jié)構(gòu)mems壓力傳感器芯片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS設(shè)計(jì)和加工領(lǐng)域，具體為一種雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS傳感器作為一種新型傳感器技術(shù)，成本顯著減低，2014年硅基MEMS器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1100多億美元；隨著智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備的興起，以及較為成熟的汽車電子和工業(yè)控制領(lǐng)域的巨大市場(chǎng)需求，MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車道，其中，MEMS壓力傳感器是應(yīng)用最為廣泛的傳感器之一。
[0003]壓力傳感器從技術(shù)原理上主要分為壓阻式，電容式，應(yīng)變式等，種類分為陶瓷壓力傳感器、MEMS壓力傳感器、微溶壓力傳感器、應(yīng)變壓力傳感器、濺射膜壓力傳感器等，MEMS壓力傳感器憑借其尺寸小、量程覆蓋范圍廣、可大批量生產(chǎn)、成本低等優(yōu)勢(shì)領(lǐng)跑MEMS壓力傳感器市場(chǎng)。
[0004]而MEMS壓力傳感器主要分為電容式和壓阻式，電容式由于工藝復(fù)雜，工藝穩(wěn)定性要求高，尚未大批量得到生產(chǎn)和應(yīng)用，全球90%以上MEMS壓力傳感器都為硅壓阻式，及常說(shuō)的擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器。該傳感器能滿足大部分民用需求，但由于其PN結(jié)隔離方式，導(dǎo)致其無(wú)法應(yīng)用于高溫場(chǎng)合，如某些工控、軍工、汽車等領(lǐng)域。
[0005]本發(fā)明涉及的雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片在SOI襯底上通過(guò)低溫淀積工藝生產(chǎn)一層α-硅薄膜，形成雙SOI結(jié)構(gòu)。本發(fā)明涉及的雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片尺寸小、成本低、性能優(yōu)良，可在350°C環(huán)境下工作，制備方法簡(jiǎn)單，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間的濕法腐蝕工藝，可精確控制壓力敏感膜厚，靈敏度一致性好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片及其制備方法，該壓力傳感器采用SOI襯底與表層SOI結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法，利用SOI襯底的自停止腐蝕能力和ICP刻蝕工藝，減小傳感器芯片的尺寸，降低成本，同時(shí)精確控制傳感器靈敏度的一致性；利用表層SOI結(jié)構(gòu)，大大提高傳感器的工作溫度范圍，實(shí)現(xiàn)高溫壓力傳感器應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的有益效果是，采用SOI襯底制備壓力傳感器避免長(zhǎng)時(shí)間的濕法腐蝕，使芯片體積更小，成本大大降低；利用減薄、拋光工藝控制壓力敏感膜的厚度，提高了芯片輸出信號(hào)的一致性；采用絕緣隔離介質(zhì)層加α -硅薄膜技術(shù)形成表層SOI結(jié)構(gòu)，大大提高了傳感器的工作溫度范圍，殘余應(yīng)力小，無(wú)PN結(jié)漏電，傳感器穩(wěn)定性好。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為本發(fā)明其中一實(shí)施例涉及的雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片表壓結(jié)構(gòu)截面圖；
[0009]圖2為本發(fā)明其中一實(shí)施例涉及的雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片絕壓結(jié)構(gòu)截面圖；
[0010]其中:1為P型或N型襯底硅片，2為襯底SOI結(jié)構(gòu)的絕緣隔離介質(zhì)層，同時(shí)作為ICP刻蝕的自停止層，3為單晶硅壓力敏感膜，4為頂層SOI的絕緣隔離介質(zhì)層，5為α -硅電阻，6為金屬電極，7為氮化硅，8為壓力參考腔，9為鍵合玻璃片。
【具體實(shí)施方式】
[0011]為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖1-2進(jìn)行詳細(xì)描述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0012]實(shí)施例1
[0013]本發(fā)明提出一種雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片，參見(jiàn)圖1，包括:SOI襯底硅片，該SOI襯底硅片包括底層P型或N型襯底硅片1，SOI絕緣隔離介質(zhì)層2和單晶硅壓力敏感膜3 ;該絕緣隔離介質(zhì)層2例如為熱氧化生成氧化層；對(duì)單晶硅壓力敏感膜3拋光后，生長(zhǎng)絕緣隔離介質(zhì)層4，改絕緣隔離介質(zhì)層4可為氧化層或者氮化層；在絕緣隔離介質(zhì)層4上沉積低溫α -硅薄膜，經(jīng)離子注入摻雜后，刻蝕成橋路電阻5，經(jīng)1000-1100°C退火；單晶硅層3、絕緣隔離介質(zhì)層4、α -硅薄膜層5構(gòu)成頂層SOI結(jié)構(gòu)；該α -硅薄膜層的厚度為0.4?I微米；在α -硅薄膜橋路電阻5上還包括保護(hù)層7、例如為氮化硅鈍化層；還包括形成在鈍化層上與橋路電阻接觸的互連引線6，還包括形成在襯底硅片I中的壓力參考腔8。
[0014]實(shí)施例2
[0015]本發(fā)明還提出一種絕壓雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片，參見(jiàn)圖2，與實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)和部件不再贅述，區(qū)別在于:通過(guò)ICP深刻蝕工藝，在襯底硅片I上形成表壓芯片壓力參考腔8之后，在SOI襯底背面鍵合玻璃片9，形成絕壓壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)。
[0016]實(shí)施例3
[0017]本發(fā)明提出的一種雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片制作方法，包括以下步驟:
[0018](I)根據(jù)壓力量程要求確定芯片及敏感膜尺寸，通過(guò)理論計(jì)算確定壓力敏感膜上的線性應(yīng)力區(qū)，布置α-硅電阻及金屬互連并制作光刻版，完成設(shè)計(jì)；
[0019](2)Ρ型或N型〈100〉晶向硅片熱氧化，再進(jìn)行鍵合，形成SOI襯底硅片，該SOI襯底硅片包括P型或N型襯底硅片1、SOI結(jié)構(gòu)的絕緣隔離介質(zhì)層2、單晶硅壓力敏感膜型3 ；
[0020](3)對(duì)SOI襯底硅片的頂層單晶硅3進(jìn)行減薄、拋光工藝，減薄至根據(jù)理論計(jì)算得到的符合要求的單晶硅壓力敏感膜厚度，其膜厚由傳感器的量程決定；
[0021](4)單晶硅3上進(jìn)行熱氧化生成氧化層或采用LCP工藝生長(zhǎng)氮化硅，作為頂層SOI結(jié)構(gòu)的絕緣隔離介質(zhì)層4;
[0022](5)在絕緣隔離介質(zhì)層4上通過(guò)540_580°C、例如560°C低溫工藝淀積α -硅薄膜，該α-硅薄膜的厚度為0.4?I微米，與步驟(4)中的絕緣隔離介質(zhì)層4的厚度比為1:2?4左右，以形成良好的應(yīng)力匹配；采用離子注入進(jìn)行摻雜，再刻蝕后形成橋路電阻5，經(jīng) 1000-1100。。退火；
[0023](6)離子注入形成歐姆接觸濃硼區(qū)，淀積金屬層，刻蝕形成互連引線6 ;
[0024](7)在金屬層上淀積一層氮化硅7，形成鈍化層，保護(hù)芯片受到污染；
[0025](8) SOI襯底背面通過(guò)ICP工藝刻蝕，制作壓力參考腔，形成表壓或差壓壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)；
[0026](9)通過(guò)在SOI襯底背面鍵合玻璃片9，形成絕壓壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)。
[0027]本發(fā)明提出一種雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片及其制備方法，所述壓力傳感器芯片的包括第一 SOI結(jié)構(gòu)，構(gòu)成壓力傳感器的襯底和壓力敏感膜，第二 SOI結(jié)構(gòu)為表層SOI結(jié)構(gòu)，包括通過(guò)生長(zhǎng)絕緣隔離介質(zhì)，在絕緣介質(zhì)上淀積摻雜α -硅作為壓敏電阻材料，通過(guò)刻蝕組成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，該第二 SOI結(jié)構(gòu)，取代常規(guī)的PN結(jié)隔離模式，提高了傳感器芯片的工作溫度范圍。本發(fā)明涉及的雙SOI結(jié)構(gòu)高溫MEMS壓力傳感器芯片適合大批量生產(chǎn)，一致性好，量程精確、芯片尺寸小、耐高溫、可靠性高、成本低。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片，其特征在于:所述MEMS壓力傳感器芯片包括第一 SOI結(jié)構(gòu)、第二 SOI結(jié)構(gòu)、壓力參考腔(8)，其中所述第一 SOI結(jié)構(gòu)包括襯底硅片(I)、第一絕緣隔離介質(zhì)層(2)、單晶硅壓力敏感膜(3)，所述第二 SOI結(jié)構(gòu)包括單晶硅壓力敏感膜(3)、第二絕緣隔離介質(zhì)層(4)、α -硅薄膜電阻層(5)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片，其特征在于:其中α-硅薄膜電阻層(5)經(jīng)刻蝕形成惠斯通電橋。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片，其特征在于:還包括形成在α-硅薄膜電阻層(5)上的互連引線(6)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片，其特征在于:還包括形成在第二絕緣隔離介質(zhì)層(4)與α-硅薄膜電阻層(5)上的保護(hù)層(7)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片，其特征在于:還包括鍵合在第一 SOI結(jié)構(gòu)襯底硅片(I)上的玻璃片(9)，以形成絕壓壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)。6.一種制備雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)制備第一SOI結(jié)構(gòu)； (2)制備第二SOI結(jié)構(gòu)，所述制備第二 SOI結(jié)構(gòu)，包括在第一 SOI結(jié)構(gòu)的頂層單晶硅壓力敏感膜(3)制備第二絕緣隔離介質(zhì)層(4)，在所述第二絕緣隔離介質(zhì)層(4)上沉積α -硅薄膜電阻層(5); (3)對(duì)α-硅薄膜電阻層(5)進(jìn)行離子注入摻雜，并刻蝕形成惠斯通電橋； (4)制備互連引線(6); (5)對(duì)第一SOI結(jié)構(gòu)進(jìn)行背面刻蝕，制備壓力參考腔(8)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片的方法，其特征在于，還包括: 根據(jù)壓力量程要求確定芯片及敏感膜尺寸，通過(guò)理論計(jì)算確定壓力敏感膜上的線性應(yīng)力區(qū)，布置α-硅電阻及金屬互連并制作光刻版的設(shè)計(jì)步驟。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片的方法，其特征在于，所述制備第一 SOI結(jié)構(gòu)包括: 對(duì)P型或N型〈100〉晶向硅片熱氧化，再進(jìn)行鍵合，形成第一 SOI結(jié)構(gòu)，該第一 SOI結(jié)構(gòu)包括P型或N型襯底硅片(I)、第一絕緣隔離介質(zhì)層(2)、單晶硅壓力敏感膜(3)。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片的方法，其特征在于，所述沉積α-硅薄膜電阻層(5)包括:在第二絕緣隔離介質(zhì)層(4)上通過(guò)540_580°C低溫工藝淀積α -硅薄膜，該α -硅薄膜的厚度為0.4?I微米。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片的方法，其特征在于，還包括在第一 SOI結(jié)構(gòu)背面鍵合玻璃片(9)的步驟。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種雙SOI結(jié)構(gòu)MEMS壓力傳感器芯片及其制備方法，所述壓力傳感器芯片包括第一SOI結(jié)構(gòu)，構(gòu)成壓力傳感器的襯底和壓力敏感膜，第二SOI結(jié)構(gòu)為表層SOI結(jié)構(gòu)，包括通過(guò)生長(zhǎng)絕緣隔離介質(zhì)，在絕緣介質(zhì)上淀積摻雜α-硅作為壓敏電阻材料，通過(guò)刻蝕組成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，該第二SOI結(jié)構(gòu)，取代常規(guī)的PN結(jié)隔離模式，提高了傳感器芯片的工作溫度范圍。本發(fā)明涉及的雙SOI結(jié)構(gòu)高溫MEMS壓力傳感器芯片適合大批量生產(chǎn)，一致性好，量程精確、芯片尺寸小、耐高溫、可靠性高、成本低。
【IPC分類】G01L1/18, G01L9/06
【公開(kāi)號(hào)】CN104931163
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510353518
【發(fā)明人】劉同慶
【申請(qǐng)人】無(wú)錫芯感智半導(dǎo)體有限公司
【公開(kāi)日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年6月24日