CN103438936B - 基于soi片器件层硅阳极键合的电容式温度、湿度和气压传感器集成制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SOI片器件层硅阳极键合的电容式温度、湿度和气压传感器集成制造方法，所述制造方法利用分步深硅刻蚀技术和SOI片器件层硅与玻璃阳极键合技术相结合，可同时制备集成传感器所需的薄膜结构、电极间隙极小的平板大电容结构和密封腔体结构，其特征在于实现了全电容敏感的温度、湿度和气压传感器的集成制造，即实现了低功耗集成多传感器结构。本发明可实现温度、湿度和气压传感器的片上集成，传感器集成结构的面积大大减小、互联线长度降低系统可靠性得以提高。

Description

基于SOI片器件层硅阳极键合的电容式温度、湿度和气压传感器集成制造方法

技术领域

本发明涉及一种传感器的制造方法，具体涉及一种基于SOI片器件层硅阳极键合的电容式温度、湿度和气压传感器集成制造方法。

背景技术

随着微加工技术的进步和微型智能传感系统的应用需求，多个传感器在单片上的集成将成为一种发展趋势。多个传感器的片上集成方法可以分为两大类，第一类是多个传感器分别制造后利用多芯片组装技术集成在同一基板上，这类技术相对成熟已被广泛应用。多芯片组装技术的优点是单个芯片的复杂度降低因此其研发成本降低，其缺点主要包括系统集成度低导致面积较大、互联线路较长、可靠性降低等问题，因此基于多芯片组装的多传感器集成系统的性能难以突破。第二类就是直接将多传感器在一个圆片上进行集成制造，这种方法能克服多芯片组装技术的许多缺点，其优点包括系统尺寸减小、互连线长度减少可靠性提高、批量生产成本降低等，而其缺点将是研发难度增大因此研发的费用提高。

和集成电路相比传感器的集成显得更为困难，原因是不同传感器的工作原理和结构方案差别很大。从工作原理上看，有的传感器是电阻敏感原理，有的传感器是电容敏感原理；从结构方案上看，有些需要薄膜等特殊结构，有些则需要特殊的敏感材料。因此将这些不同原理和结构的传感器进行集成制造，需要研究一套特定的加工方法。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，本发明提供一种基于SOI片器件层硅阳极键合的电容式温度、湿度和气压传感器集成制造方法，实现直接将多种传感器在一个圆片上进行集成制造。

技术方案：基于SOI片器件层硅阳极键合的电容式温度、湿度和气压传感器集成制造方法，该方法基于SOI片以及玻璃衬底实现，所述SOI片由从上至下依次设置的衬底硅、氧化埋层、器件层硅组成；利用分步深硅刻蚀技术和器件层硅与玻璃阳极键合技术相结合，同时制备薄膜结构、平板大电容结构和密封腔体结构，最终形成湿度传感器、气压传感器和温度传感器集成结构；该方法包括如下步骤：

步骤1)，干法刻蚀所述器件层硅，控制刻蚀深度分别得到气压传感器和温度传感器的硅薄膜结构；采用离子注入技术降低所述器件层硅的电阻率，生成介质层并刻蚀图形，得到湿度传感器、温度传感器和气压传感器的介电应变层；采用干法刻蚀刻穿器件层硅得到湿度传感器的梳齿电容结构和温度传感器的悬臂梁结构，同时得到湿度传感器、气压传感器和温度传感器相互电隔离的槽；

步骤2)，在所述温度传感器的介电应变层表面淀积并腐蚀图形，得到温度传感器的感温金属层；

步骤3)，在所述玻璃衬底上淀积金属层并腐蚀图形得到湿度传感器、气压传感器和温度传感器的电极；在所述湿度传感器的电极表面涂敷湿敏材料并腐蚀图形得到湿度传感器的感湿层；再在所述湿度传感器的感湿层的表面淀积金属层并腐蚀图形得到湿度传感器的上电极；

步骤4)，将所述器件层硅与所述玻璃衬底进行阳极键合得到密封键合面，并形成气压传感器密封腔体；

步骤5)，腐蚀所述SOI片衬底硅和SOI片氧化埋层释放结构，得到最终的湿度传感器、气压传感器以及温度传感器。

有益效果：(1)本发明可实现温度、湿度和气压传感器的片上集成，与分立器件组装相比，集成系统的面积大大减小、互联线长度降低系统可靠性提高；

(2)本发明利用分步深硅刻蚀技术和SOI片器件层硅与玻璃阳极键合技术相结合，可同时制备集成传感器所需的薄膜结构、电极间隙极小的平板大电容结构和密封腔体结构；

(3)本发明实现了全电容敏感的温度、湿度和气压传感器的片上集成，电容敏感传感器没有直流功耗，且电容测量时只需要使用交流小信号，因此温度、湿度和气压传感器集成结构的功耗极低。

附图说明

图1是SOI片的刻蚀、离子注入再刻蚀后结构示意图；

图2是绝缘介质层和金属层腐蚀后结构示意图；

图3是玻璃上金属层、感湿材料和金属层腐蚀后结构示意图；

图4是器件层硅与玻璃阳极键合后结构示意图；

图5是SOI片衬底硅和氧化埋层腐蚀后得到温度、湿度和气压传感器结构示意图；

图6是采用本方法得到三个传感器结构的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种基于SOI片器件层硅阳极键合的电容式温度、湿度和气压传感器集成制造方法，该方法基于SOI片以及玻璃衬底6实现，SOI片由从上至下依次设置的衬底硅1、氧化埋层2、器件层硅3组成。利用分步深硅刻蚀技术和器件层硅与玻璃阳极键合技术相结合，同时制备薄膜结构、气压传感器和温度传感器的平板大电容结构和密封腔体结构，最终形成湿度传感器、气压传感器和温度传感器集成结构。该方法包括如下步骤：

步骤1)，如图1所示，干法刻蚀所述器件层硅3，控制刻蚀深度分别得到气压传感器和温度传感器的硅薄膜结构31；采用离子注入技术降低器件层硅3的电阻率，生成介质层并刻蚀图形，得到湿度传感器、温度传感器和气压传感器的介电应变层4；再采用干法刻蚀刻穿器件层硅3得到湿度传感器的梳齿电容结构和温度传感器的悬臂梁结构，同时得到湿度传感器、气压传感器和温度传感器相互电隔离的槽32；

步骤2)，如图2所示，在温度传感器的介电应变层4表面淀积并腐蚀温度传感器的极板形状图形，得到温度传感器的感温金属层5；

步骤3)，如图3所示，在玻璃衬底6上淀积金属层并腐蚀图形得到湿度传感器、气压传感器和温度传感器的电极7；再在湿度传感器的电极7表面涂敷湿敏材料并腐蚀图形得到湿度传感器的感湿层8；再在湿度传感器的感湿层8的表面淀积金属层并腐蚀图形得到湿度传感器的上电极9；其中，湿敏材料可以采用聚酰亚胺、多孔硅。

步骤4)，如图4所示，将器件层硅3与玻璃衬底6进行阳极键合得到密封键合面10，并形成气压传感器密封腔体；

步骤5)，如图5所示，腐蚀所述SOI片衬底硅1和SOI片氧化埋层2释放结构，得到最终的湿度传感器11、气压传感器12以及温度传感器13，如图6所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于SOI片器件层硅阳极键合的电容式温度、湿度和气压传感器集成制造方法，其特征在于：该方法基于SOI片以及玻璃衬底(6)实现，所述SOI片由从上至下依次设置的衬底硅(1)、氧化埋层(2)、器件层硅(3)组成；利用分步深硅刻蚀技术和器件层硅与玻璃阳极键合技术相结合，同时制备薄膜结构、平板大电容结构和密封腔体结构，最终形成湿度传感器、气压传感器和温度传感器集成结构；该方法包括如下步骤：

步骤1)，干法刻蚀所述器件层硅(3)，控制刻蚀深度分别得到气压传感器和温度传感器的硅薄膜结构(31)；采用离子注入技术降低所述器件层硅(3)的电阻率，生成介质层并刻蚀图形，得到湿度传感器、温度传感器和气压传感器的介电应变层(4)；采用干法刻蚀刻穿器件层硅(3)得到湿度传感器的梳齿电容结构和温度传感器的悬臂梁结构，同时得到湿度传感器、气压传感器和温度传感器相互电隔离的槽(32)；

步骤2)，在所述温度传感器的介电应变层(4)表面淀积并腐蚀图形，得到温度传感器的感温金属层(5)；

步骤3)，在所述玻璃衬底(6)上淀积金属层并腐蚀图形得到湿度传感器、气压传感器和温度传感器的电极(7)；在所述湿度传感器的电极(7)表面涂敷湿敏材料并腐蚀图形得到湿度传感器的感湿层(8)；再在所述湿度传感器的感湿层(8)的表面淀积金属层并腐蚀图形得到湿度传感器的上电极(9)；

步骤4)，将所述器件层硅(3)与所述玻璃衬底(6)进行阳极键合得到密封键合面(10)，并形成气压传感器密封腔体；

步骤5)，腐蚀所述SOI片衬底硅(1)和SOI片氧化埋层(2)释放结构，得到最终的湿度传感器(11)、气压传感器(12)以及温度传感器(13)。