CN113371674B

CN113371674B - 一种宽量程压力传感器芯片及其单片集成制备方法

Info

Publication number: CN113371674B
Application number: CN202110593586.7A
Authority: CN
Inventors: 王高峰; 王明浩; 程瑜华
Original assignee: Hangzhou Dianzi University; Hangzhou Dianzi University Wenzhou Research Institute Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Dianzi University; Hangzhou Dianzi University Wenzhou Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2024-06-25
Anticipated expiration: 2041-05-28
Also published as: CN113371674A

Abstract

本发明公开了一种宽量程压力传感器芯片及其单片集成制备方法。现有的压力传感器芯片存在线性度和灵敏度低以及量程较窄的问题。本发明涉及压阻式压力传感器的单片微加工制备。该压力传感器主要由真空腔室、压力敏感膜以及由四个压阻形成的惠斯通电桥构成。其中，压力敏感膜由硅膜和聚酰亚胺膜构成，这种新型的硅‑聚酰亚胺复合压敏膜一方面可以通过增加膜厚来增大压力传感器的测量范围，另一方面通过刚性和柔性的结合可以提高压力传感器的灵敏度和线性度。当外界压力变化时，硅膜和聚酰亚胺膜的共同形变引起压阻的阻值变化并使得惠斯通电桥的输出电压改变。

Description

一种宽量程压力传感器芯片及其单片集成制备方法

技术领域

本发明属于MEMS传感器技术领域，具体涉及一种用于宽量程压力传感器芯片的单片集成制备方法，该芯片是通过MEMS微加工技术在SOI(绝缘体上的硅)衬底上实现压力传感器的原位集成。

背景技术

随着硅基微加工技术的发展，硅基压力传感器在工业和商业应用中得到了很好的发展和广泛的应用。近年来，随着汽车、航空航天、生物医疗、物联网以及便携式电子器件等电子器件市场的扩大，研制多功能、高可靠性、低成本、具备大规模制造能力的单片集成硅基微压力传感器芯片成为当下消费市场追逐的热点。

浙江大学的Jian Dong等人在论文“Monolithic-integrated piezoresistiveMEMS accelerometerpressure sensor with glass-silicon-glass sandwichstructure”开发一种新型单片复合MEMS传感器。该复合传感器在一块芯片上集成了压阻式压力传感器和压阻式加速度计。通过采用批量微加工工艺和阳极键合技术实现了夹层结构的多传感器芯片制备。其中，压力传感器采用矩形敏感膜结构。利用单掩模刻蚀压力传感器的压力传感膜。采用Pyrex7740玻璃和背面的硅层进行阳极键合，形成压力传感器的真空腔室。在晶片正面键合区域的周围，设计并制作了沟槽，以保证LPCVD非晶硅层与硅衬底之间的导电，在阳极键合过程中可以保护压阻不受P-N结击穿的影响。然而，这种压力传感器芯片中的敏感膜是通过湿法刻蚀制备，其重复性和一致性难以保证，这不利于进行批量化生产。最后，压力传感器的压力测量范围较小，难以适应高压环境的压力检测。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，使用SOI(绝缘体上的硅)硅片作为传感器的衬底，通过埋氧层刻蚀停止技术实现对压力敏感膜厚度的精确控制；通过在硅膜上旋涂聚酰亚胺(PI)薄膜来形成硅-PI复合压敏膜结构。这种新型的硅-PI复合压敏膜一方面可以通过增加膜厚来增大压力传感器的测量范围，另一方面通过刚性和柔性的结合可以提高压力传感器的灵敏度和线性度。

本发明一种宽量程压力传感器芯片，包括从下至上依次层叠设置的背面玻璃层、SOI底硅层、SOI埋氧层、SOI顶硅层、聚酰亚胺钝化层，共同构成传感器芯片结构；所述的背面玻璃层与SOI底硅层通过阳极键合工艺键合在一起，并形成压力传感器的真空腔室；SOI顶硅层和聚酰亚胺钝化层共同构成压力敏感膜。分布在SOI顶硅层上的四个压阻构成惠斯通电桥结构。当外界压力变化时，压力敏感膜的形变引起四个压阻的阻值发生变化并导致惠斯通电桥结构的输出电压变化。通过检测该输出电压的大小推算出外界压力的大小。

作为优选，SOI顶硅层中的压阻由低浓度的硼掺杂硅形成。背面玻璃层与SOI底硅层通过阳极键合工艺键合前，在SOI硅片的边缘通过高功率溅射一层金属铝，形成SOI硅片正反面之间的导电通路，避免阳极键合过程的失败或击穿压阻。

作为优选，各压阻之间的互连线由蒸发沉积的铝构成，通过铝与掺杂硅之间的欧姆接触来实现导通。

作为优选，压阻的长和宽分别为250微米和20微米。四个压阻分别为依次排列的压阻R1、R2、R3、R4；压阻R1与压阻R2的间距，以及压阻R3与压阻R4的间距均为140微米；压阻R2与压阻R3的间距为50微米。SOI顶硅层的长、宽、厚分别为900、450、50微米。

该宽量程压力传感器芯片的单片集成制备方法，具体步骤为：

S1：采用SOI作为衬底，利用光刻，离子注入，等离子体增强化学气相沉积，反应离子刻蚀，旋涂，蒸发沉积，湿法腐蚀以及剥离等微加工工艺，形成四个压阻，焊盘和互连线以及钝化层的平面结构；

S2：采用双面对准光刻，背面深硅刻蚀，RIE刻蚀埋氧层以及背面硅-玻璃阳极键合工艺，形成压力传感器的真空腔室。

作为优选，步骤S1的具体过程如下：

1)使用SOI硅片作为衬底，将衬底清洗、吹干并烘烤。

2)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成硼离子注入窗口。

3)硼离子注入，形成轻掺杂的压阻结构。

4)用聚酰亚胺薄膜覆盖压阻区域，采用深硅刻蚀将对准标记转移到硅衬底。

5)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成二次硼离子注入窗口。

6)硼离子注入，形成重掺杂的接触点和导线。

7)PECVD沉积一层氧化硅。

8)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成氧化硅刻蚀窗口。

9)RIE刻蚀氧化硅，暴露出离子注入区域和铝导线的接触点。

10)蒸发沉积一层金属铝作为导电金属层。

11)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成湿法腐蚀铝的掩模。

12)湿法腐蚀铝金属层，形成金属互连线和焊盘。

13)旋涂沉积一层聚酰亚胺薄膜作为聚酰亚胺钝化层。

14)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成聚酰亚胺的刻蚀窗口。

15)RIE刻蚀聚酰亚胺，暴露出铝焊盘的窗口以及SOI边缘的顶硅层。

16)蒸发沉积一层金属铝作为SOI顶层硅和底层硅的导电金属层。

作为优选，步骤S1的具体过程如下：

1)使用SOI硅片作为衬底，将衬底清洗、吹干并烘烤。

2)使用PECVD在SOI正面沉积一层氧化硅作为绝缘层。

3)使用LPCVD在SOI正面沉积一层多晶硅作为注入层。

4)硼离子注入，形成轻掺杂的多晶硅压阻结构层。

5)在SOI正面旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成多晶硅刻蚀掩模。接着，使用深硅刻蚀在SOI正面形成四个压阻和对准标记。

6)在SOI正面旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成二次硼离子注入窗口。

7)硼离子注入，形成重掺杂的接触点。

8)PECVD沉积一层氧化硅。

9)在SOI正面旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成氧化硅刻蚀窗口。

10)RIE刻蚀氧化硅，暴露出离子注入区域和铝导线的接触点。

11)蒸发沉积一层铝作为导电金属层。

12)在SOI正面旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成湿法腐蚀铝的掩模。

13)湿法腐蚀铝金属层，形成金属互连线和焊盘。

14)旋涂沉积一层聚酰亚胺薄膜作为聚酰亚胺钝化层。

15)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成聚酰亚胺的刻蚀窗口。随后，RIE刻蚀聚酰亚胺，暴露出铝焊盘的窗口以及SOI边缘的顶硅层。

作为优选，步骤S2的具体过程如下：

1)在衬底的背面旋涂一层正性光刻胶并进行双面对准光刻图形化，暴露出刻蚀区域。

2)RIE刻蚀氧化硅，DRIE刻蚀硅至埋氧层。

3)RIE刻蚀背面氧化层以及埋氧层。

4)对背面硅进行抛光后，进行背面硅-玻璃阳极键合。

5)机械切割晶圆，释放单个的压力传感器芯片。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过使用硅-PI复合膜(即叠置的SOI顶硅层与聚酰亚胺钝化层)作为压力敏感膜，通过两种不同杨氏模量的材料组合可以在保证线性度和灵敏度的前提下提高压力量程。

2、本发明使用SOI硅片作为传感器的衬底，通过埋氧层刻蚀停止技术实现对压力敏感硅膜厚度的精确控制，从而提高传感器的一致性和可重复性。

3、本发明通过在SOI边缘采用高功率溅射沉积一层金属来实现SOI正反面的导通，从而保证阳极键合过程中的电压能够有效施加到键合界面，同时也避免压阻被击穿，大大提高了器件的成品率。

附图说明

图1为本发明的正面示意图；

图2为本发明的截面示意图；

图3为本发明四个压阻与惠斯通电桥结构示意图；

图4为本发明制备方法工艺流程图；

图5为本发明制备的压力传感器在室温下的输出特性曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种宽量程压力传感器芯片的正面结构，包括压力传感器硅膜上的四个平行分布的压阻R1(1)、R2(2)、R3(3)、R4(4)，铝焊盘和互连线(5)和压力敏感膜(6)。其中，压阻R1(1)、R2(2)、R3(3)、R4(4)通过铝互连线(5)组成惠斯通全桥结构。压力敏感膜(6)主要由硅膜和聚酰亚胺薄膜两部分构成，通过两种不同杨氏模量的材料组合可以在确保线性度的前提下提高压力量程。压力敏感膜中硅膜的厚度为40-50微米，聚酰亚胺薄膜的厚度为5-10微米，压力敏感膜的长和宽分别为0.90mm和0.45mm，压敏电阻的长和宽分别为0.25mm和0.02mm。

如图2所示，一种宽量程压力传感器芯片的截面结构，包括由下至上依次层叠设置的背面阳极键合玻璃层、SOI底硅层、SOI埋氧层(9)、SOI顶硅层(8)、聚酰亚胺钝化层(7)和真空腔室共同构成传感器芯片结构。背面阳极键合玻璃层和SOI底硅层通过阳极键合工艺键合在一起，形成压力传感器的真空腔室。其中，SOI顶硅层(8)即为前述的硅膜；聚酰亚胺钝化层(7)即为前述的聚酰亚胺薄膜。

一种宽量程压力传感器芯片的工作原理是：当外界压力变化时，硅膜和聚酰亚胺膜的共同形变引起四个压阻R1(1)、R2(2)、R3(3)、R4(4)的阻值发生变化并导致电桥的输出电压变化。通过检测电桥输出电压的大小可以推算出外界压力的大小。

该宽量程压力传感器芯片采用以下两个实施例中的任意一种进行制备。

实施例1

一种宽量程压力传感器芯片的单片集成制备方法的具体步骤如下：

S1：采用SOI作为衬底，利用光刻，离子注入，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，反应离子刻蚀(RIE)，旋涂，蒸发沉积，湿法腐蚀以及剥离等微加工工艺，形成压阻(1、2、3、4)，焊盘和互连线(5)以及钝化层(7)等平面结构；

S2：采用双面对准光刻，背面深硅刻蚀，RIE刻蚀埋氧层以及背面硅-玻璃阳极键合工艺，形成压力传感器的背面腔室。

步骤S1的具体过程如下：

1)如图4-1所示，使用SOI硅片作为衬底，将SOI分别在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗5分钟、用氮气吹干后在180摄氏度热板上烘烤15分钟。

2)如图4-2所示，在SOI正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成硼离子注入窗口。接着，注入浓度为4×10¹⁴cm^-2的硼离子，形成轻掺杂的压阻结构。

3)如图4-3所示，在压阻的正面覆盖一层聚酰亚胺薄膜并进行深硅刻蚀，将光刻胶上的对准标记转移到硅衬底上。随后，撕掉聚酰亚胺薄膜并去胶。

4)如图4-4所示，在SOI正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成二次硼离子注入窗口。接着，注入浓度为2×10¹⁵cm^-2的硼离子，形成重掺杂的欧姆接触点。

5)如图4-5所示，PECVD沉积一层0.5微米厚度的氧化硅作为SOI顶硅层。

6)如图4-6所示，在SOI正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成氧化硅刻蚀窗口。接着，RIE刻蚀氧化硅，深度为0.5微米，暴露出离子注入区域和铝导线的接触点。

7)如图4-7所示，蒸发沉积一层1微米厚的金属铝作为导电金属层。接着，在SOI正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成湿法腐蚀铝的掩模。最后，采用湿法腐蚀铝金属层，形成金属互连线和焊盘。

8)如图4-8所示，旋涂沉积一层5微米厚的聚酰亚胺薄膜作为聚酰亚胺钝化层。

9)如图4-9所示，旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成聚酰亚胺的刻蚀窗口。随后，RIE刻蚀聚酰亚胺，暴露出铝焊盘的窗口以及SOI边缘的顶硅层。

步骤S2的具体过程如下：

1)如图4-10所示，在SOI正面采用高功率溅射沉积一层金属铝作为SOI顶层硅和底层硅的导电金属层。然后，在SOI背面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行双面对准光刻图形化，暴露出刻蚀区域。接着，使用RIE清除氧化硅层。

2)如图4-11所示，使用DRIE刻蚀硅至埋氧层。

3)如图4-12所示，使用RIE刻蚀背面氧化层以及埋氧层，暴露背面硅层。

4)如图4-13所示，对背面硅进行抛光后，进行背面硅-玻璃阳极键合，键合温度300℃，电压1600V，电流20mA，压力1600N，时间20min。

5)如图4-14所示，机械切割晶圆，释放单个的压力传感器芯片。

实施例2

步骤S1的具体过程如下：

16)使用SOI硅片作为衬底，将SOI分别在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗5分钟、用氮气吹干后在180摄氏度热板上烘烤15分钟。

17)使用PECVD在SOI正面沉积一层300nm厚的氧化硅作为绝缘层。

18)使用LPCVD在SOI正面沉积一层200nm厚的多晶硅作为注入层。

19)硼离子注入，注入浓度4×10¹⁴cm^-2，形成轻掺杂的多晶硅压阻结构层。

20)在SOI正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成多晶硅刻蚀掩模。接着，使用深硅刻蚀在SOI正面形成四个压阻和对准标记。

21)在SOI正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成二次硼离子注入窗口。

22)硼离子注入，注入浓度2×10¹⁵cm^-2，形成重掺杂的接触点。

23)PECVD沉积一层0.5微米厚的氧化硅作为SOI顶硅层。

24)在SOI正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成氧化硅刻蚀窗口。

25)RIE刻蚀氧化硅，深度为0.5微米，暴露出离子注入区域和铝导线的接触点。

26)蒸发沉积一层1微米厚的金属铝作为导电金属层。

27)在SOI正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成湿法腐蚀铝的掩模。

28)湿法腐蚀铝金属层，形成金属互连线和焊盘。

29)旋涂沉积一层5微米厚的聚酰亚胺薄膜作为聚酰亚胺钝化层。

30)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成聚酰亚胺的刻蚀窗口。随后，RIE刻蚀聚酰亚胺，暴露出铝焊盘的窗口以及SOI边缘的顶硅层。

步骤S2的具体过程如下：

1)在SOI正面采用高功率溅射沉积一层金属铝作为SOI顶层硅和底层硅的导电金属层。然后，在SOI背面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行双面对准光刻图形化，暴露出刻蚀区域。接着，使用RIE清除氧化硅层。

2)使用DRIE刻蚀硅至埋氧层。

3)使用RIE刻蚀背面氧化层以及埋氧层，暴露背面硅层。

4)对背面硅进行抛光后，进行背面硅-玻璃阳极键合，键合温度300℃，电压1600V，电流20mA，压力1600N，时间20min。

5)机械切割晶圆，释放单个的压力传感器芯片。

制备所得的宽量程压力传感器芯片在室温下的受压与输出电压的关系如图5所示，可以看出，该压力传感器在0-5MPa的压强范围内，压强与输出电压均能够保持良好的线性关系。

Claims

1.一种宽量程压力传感器芯片，其特征在于：包括从下至上依次层叠设置的背面玻璃层（12）、SOI底硅层（10）、SOI埋氧层（9）、SOI顶硅层（8）、聚酰亚胺钝化层（7），共同构成传感器芯片结构；聚酰亚胺钝化层（7）覆盖整个传感器芯片结构；

所述的背面玻璃层（12）与SOI底硅层（10）通过阳极键合工艺键合在一起，并形成压力传感器的真空腔室；SOI顶硅层（8）和聚酰亚胺钝化层（7）共同构成压力敏感膜；聚酰亚胺钝化层（7）通过在传感器芯片表面旋涂沉积一层5微米厚的聚酰亚胺薄膜的方式形成；分布在SOI顶硅层（8）上的四个压阻构成惠斯通电桥结构；当外界压力变化时，压力敏感膜的形变引起四个压阻的阻值发生变化并导致惠斯通电桥结构的输出电压变化；通过检测该输出电压的大小推算出外界压力的大小；各压阻之间的互连线由蒸发沉积的铝构成，通过铝与掺杂硅之间的欧姆接触来实现导通。

2.根据权利要求1所述的一种宽量程压力传感器芯片，其特征在于：SOI顶硅层（8）中的压阻由低浓度的硼掺杂硅形成；背面玻璃层（12）与SOI底硅层（10）通过阳极键合工艺键合前，在SOI硅片的边缘通过高功率溅射一层金属铝，形成SOI硅片正反面之间的导电通路，避免阳极键合过程的失败或击穿压阻。

3.根据权利要求1所述的一种宽量程压力传感器芯片，其特征在于：压阻的长和宽分别为250微米和20微米；四个压阻分别为依次排列的压阻R1、R2、R3、R4；压阻R1与压阻R2的间距，以及压阻R3与压阻R4的间距均为140微米；压阻R2与压阻R3的间距为50微米；SOI顶硅层（8）的长、宽、厚分别为900、450、50微米。

4.如权利要求1所述的一种宽量程压力传感器芯片的单片集成制备方法；其特征在于，具体步骤为：

S1：采用SOI作为衬底，利用光刻，离子注入，等离子体增强化学气相沉积，反应离子刻蚀，旋涂，蒸发沉积，湿法腐蚀以及剥离等微加工工艺，形成四个压阻，焊盘和互连线（5）以及聚酰亚胺钝化层（7）的平面结构；

S2：采用双面对准光刻，背面深硅刻蚀，RIE刻蚀埋氧层以及背面硅-玻璃阳极键合工艺，形成压力传感器的真空腔室（11）。

5.根据权利要求4所述的单片集成制备方法，其特征在于：步骤S1的具体过程如下：

1)使用SOI硅片作为衬底，将衬底清洗、吹干并烘烤；

2)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成硼离子注入窗口；

3)硼离子注入，形成轻掺杂的压阻结构；

4)用聚酰亚胺薄膜覆盖压阻区域，采用深硅刻蚀将对准标记转移到硅衬底；

5)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成二次硼离子注入窗口；

6)硼离子注入，形成重掺杂的接触点和导线；

7)PECVD沉积一层氧化硅；

8)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成氧化硅刻蚀窗口；

9)RIE刻蚀氧化硅，暴露出离子注入区域和铝导线的接触点；

10)蒸发沉积一层金属铝作为导电金属层；

11)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成湿法腐蚀铝的掩模；

12)湿法腐蚀铝金属层，形成金属互连线和焊盘；

13)旋涂沉积一层聚酰亚胺薄膜作为聚酰亚胺钝化层（7）；

14)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成聚酰亚胺的刻蚀窗口；

6.根据权利要求4所述的单片集成制备方法，其特征在于：步骤S1的具体过程如下：

1)使用SOI硅片作为衬底，将衬底清洗、吹干并烘烤；

2)使用PECVD在SOI正面沉积一层氧化硅作为绝缘层；

3)使用LPCVD在SOI正面沉积一层多晶硅作为注入层；

4)硼离子注入，形成轻掺杂的多晶硅压阻结构层；

5)在SOI正面旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成多晶硅刻蚀掩模；接着，使用深硅刻蚀在SOI正面形成四个压阻和对准标记；

6)在SOI正面旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成二次硼离子注入窗口；

7)硼离子注入，形成重掺杂的接触点；

8)PECVD沉积一层氧化硅；

9)在SOI正面旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成氧化硅刻蚀窗口；

10)RIE刻蚀氧化硅，暴露出离子注入区域和铝导线的接触点；

11)蒸发沉积一层铝作为导电金属层；

12)在SOI正面旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成湿法腐蚀铝的掩模；

13)湿法腐蚀铝金属层，形成金属互连线和焊盘；

14)旋涂沉积一层聚酰亚胺薄膜作为聚酰亚胺钝化层；

15)旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，形成聚酰亚胺的刻蚀窗口；随后，RIE刻蚀聚酰亚胺，暴露出铝焊盘的窗口以及SOI边缘的顶硅层。

7.根据权利要求4所述的单片集成制备方法，其特征在于：步骤S2的具体过程如下：

1)在衬底的背面旋涂一层正性光刻胶并进行双面对准光刻图形化，暴露出刻蚀区域；

2)RIE刻蚀氧化硅，DRIE刻蚀硅至埋氧层；

3)RIE刻蚀背面氧化层以及埋氧层；

4)对背面硅进行抛光后，进行背面硅-玻璃阳极键合；

5)机械切割晶圆，释放单个的压力传感器芯片。