一种电容式微电子气压传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单晶硅外延封腔工艺的电容式微电子气压传感器及其制备方法，具体是一种基于MEMS微加工技术的电容式气压传感器，由于外延单晶硅工艺成熟，其所形成的硅微结构机械性能良好，尤其利用外延单晶硅所形成的腔体结构密封性能十分优异。由此形成的电容式气压传感器电容值主要由薄膜体厚度决定，并受环境温度及压力影响。基于介电伸缩效应原理，电容介电材料介电常数值随所受压力的变化而变化，并且呈现明显的单调性，该特性可以实现压力或者气压等数据检测。结合MEMS微加工技术，该电容式气压传感器体积小，功耗低，响应时间短。

Capacitive microelectronic pressure sensor and preparation method thereof

The invention discloses a preparation method of silicon epitaxial process seal cavity capacitive pressure sensor and its system based on microelectronics, in particular to a capacitive pressure sensor based on micro processing technology based on MEMS, the epitaxial silicon technology is mature, the performance of silicon micro mechanical structure formation is good, especially the cavity structure formed by epitaxial silicon the sealing performance is excellent. The capacitance of the capacitive pressure sensor is mainly determined by the thickness of the film body and is affected by the ambient temperature and pressure. Based on the principle of dielectric expansion effect, the dielectric constant of capacitive dielectric material varies with the change of pressure, and shows obvious monotonicity. This characteristic can be used to detect the pressure or barometric pressure. Combined with MEMS micro fabrication technology, the capacitive pressure sensor has the advantages of small size, low power consumption and short response time.

【技术实现步骤摘要】
一种电容式微电子气压传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种电容式微电子气压传感器及其制备方法，尤其是一种基于MEMS微加工技术的电容式微电子气压传感器及其制备方法，属于微电子机械系统

技术介绍
常规气压传感器的敏感原理主要包括电阻感应和电容感应两种。电阻感应的原理是被测气体的压力变化时，薄膜形变带动顶针，导致膜上电阻的阻值发生变化。电容感应的原理是被测气体的压力变化时，电容的可动电极产生一定的位移，电容的间距产生变化，导致电容的值产生变化。这两种气压传感器的主要缺陷是：（1）对于电阻式气压传感器来说，首先保证电阻的阻值大小、形状以及摆放的位置均符合要求，其次保证形成惠斯通电桥的四个电阻阻值完全相等，所以对此类气压传感器的制作工艺有极高的要求；（2）对于常规电容式气压传感器来说，由于存在一个可动电极，引出电极比较困难，且传感器后期封装也比较困难，密封工艺要求高，导致此类气压传感器的可靠性比较差。
技术实现思路
目的：为解决现有技术的不足，提供一种电容式微电子气压传感器及其制备方法，器件加工工艺简单，具有结构稳定，低成本等特点，且与CMOSIC工艺有较好的兼容性。基本方法：采用MEMS微加工技术，通过单晶硅外延密封腔体工艺在硅片内形成空腔，并且在密封空腔上形成空腔敏感电容从而实现气压传感器的功能。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种电容式微电子气压传感器，其特征在于：包括单晶硅密封腔体和基于上下两电极间距离变化量的电容式气压传感器；以单晶硅作为衬底，通过单晶硅外延封腔工艺形成密封腔体结构；通过溅射，光刻，腐蚀工艺，在密封腔上表面的依次生长电容器下电极、牺牲层、上电极；最后在对电容器上电极、电容器下电极进行保护的同时，对牺牲层进行各向同性的腐蚀，去除牺牲层；在单晶硅衬底上设置有金属焊盘和引线用来分别引出电容器的上电极、下电极。作为优选方案，所述单晶硅衬底上表面依次生长有氧化硅和氮化硅，并光刻、腐蚀形成接触孔。作为优选方案，所述电容器下电极、上电极、引线及焊盘的材质均为金属。作为优选方案，所述电容器下电极、上电极、引线及焊盘的材质均为Al。作为优选方案，所述牺牲层的材质为磷硅玻璃。作为优选方案，所述的电容式微电子气压传感器，其特征在于：单晶硅衬底中的密封腔体高度为4-6μm。本专利技术还提供所述的电容式微电子气压传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1）、采用N型单晶硅作为衬底，通过各向异性反应离子刻蚀工艺在单晶硅衬底上刻蚀浅槽；步骤2）、在对单晶硅衬底浅槽侧壁进行保护的同时，对单晶硅衬底进行各向同性腐蚀，为接下来的外延单晶硅封腔工艺做准备；步骤3）、外延生长单晶硅，在单晶硅衬底内部形成密封腔体；步骤4）、在单晶硅衬底上表面依次生长氧化硅和氮化硅，并光刻、腐蚀形成接触孔；步骤5）、在氮化硅表面溅射第一层金属，光刻、腐蚀形成焊盘、电互连线以及电容器下电极；步骤6）、在氮化硅和第一层金属上溅射牺牲层材料，光刻、腐蚀形成牺牲层；步骤7）、在氮化硅和牺牲层上溅射第二层金属，光刻、腐蚀形成焊盘、电互连线以及电容器上电极，并在电容器上电极上开设有多个方格通孔，作为腐蚀电容器上下电极间牺牲层的窗口；步骤8）、在对电容器上电极、电容器下电极进行保护的同时，对牺牲层进行各向同性的腐蚀，露出电容器下极板的引线及焊盘。有益效果：本专利技术提供的电容式微电子气压传感器，建立在单晶硅的密封腔体结构基础上，器件结构简单，且该密封腔体结构是通过单晶硅外延生长工艺形成的。相对于通过键合或者表面牺牲层工艺形成的密封腔体结构，建立在单晶硅外延密封腔体工艺上的气压传感器结构具有制造工艺简单，结构稳定性高，器件机械性能良好等特点。并且利用正面溅射和刻蚀工艺就可以完成对电容式气压传感器器件的加工，加工工艺及步骤简单可靠。整个加工过程不会影响硅片正面已有的CMOS电路，例如温度传感器可以采用CMOS加工工艺进行加工，从而进一步的实现芯片的单片智能化，同时减小了芯片的尺寸，降低了芯片的成本。附图说明图1是本专利技术制作的流程示意图；图2是本专利技术结构的主视图；图3是本专利技术结构的俯视图；图中：衬底1、氧化硅2、氮化硅3、电容器下电极4、牺牲层5、电容器上电极6、密封腔体7、焊盘8。具体实施方式下面结合实例对本专利技术做具体说明：实施例1：如图1至图3所示，本专利技术提供的电容式微电子气压传感器通过以下步骤制备：（a）采用N型（100）单晶硅作为衬底1，通过各向异性反应离子刻蚀RIE工艺在单晶硅衬底1上刻蚀1-10μm浅槽；（b）在对单晶硅衬底1浅槽侧壁进行保护的同时，对单晶硅衬底进行各向同性腐蚀，为接下来的外延单晶硅封腔工艺做准备；（c）外延生长单晶硅，在单晶硅衬底内部形成了密封腔体7，腔体高约5μm；（d）在单晶硅衬底1上表面依次生长氧化硅2和氮化硅3，并光刻、腐蚀形成接触孔；（e）在氮化硅3表面溅射第一层金属Al，光刻、腐蚀形成焊盘8、电互连线以及电容器下电极4；（f）在氮化硅3和第一层金属上溅射牺牲层材料（如磷硅玻璃），光刻、腐蚀形成牺牲层5；（g）在氮化硅3和牺牲层5上溅射第二层金属Al，光刻、腐蚀形成焊盘8、电互连线以及电容器上电极6，并在电容器上电极6上开设有多个方格通孔，其作为腐蚀电容器上下电极间牺牲层的窗口；（h）在对电容器上电极6、电容器下电极4进行保护的同时，对牺牲层5进行各向同性的腐蚀，露出电容器下极板4的引线及焊盘8。以上已以较佳实施例公开了本专利技术，然其并非用以限制本专利技术，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容式微电子气压传感器，其特征在于：包括单晶硅密封腔体和基于上下两电极间距离变化量的电容式气压传感器；以单晶硅作为衬底，通过单晶硅外延封腔工艺形成密封腔体结构；通过溅射，光刻，腐蚀工艺，在密封腔上表面的依次生长电容器下电极、牺牲层、上电极；最后在对电容器上电极、电容器下电极进行保护的同时，对牺牲层进行各向同性的腐蚀，去除牺牲层；在单晶硅衬底上设置有金属焊盘和引线用来分别引出电容器的上电极、下电极。

【技术特征摘要】
1.一种电容式微电子气压传感器，其特征在于：包括单晶硅密封腔体和基于上下两电极间距离变化量的电容式气压传感器；以单晶硅作为衬底，通过单晶硅外延封腔工艺形成密封腔体结构；通过溅射，光刻，腐蚀工艺，在密封腔上表面的依次生长电容器下电极、牺牲层、上电极；最后在对电容器上电极、电容器下电极进行保护的同时，对牺牲层进行各向同性的腐蚀，去除牺牲层；在单晶硅衬底上设置有金属焊盘和引线用来分别引出电容器的上电极、下电极。2.根据权利要求1所述的电容式微电子气压传感器，其特征在于：所述单晶硅衬底上表面依次生长有氧化硅和氮化硅，并光刻、腐蚀形成接触孔。3.根据权利要求1所述的电容式微电子气压传感器，其特征在于：所述电容器下电极、上电极、引线及焊盘的材质均为金属。4.根据权利要求1所述的电容式微电子气压传感器，其特征在于：所述电容器下电极、上电极、引线及焊盘的材质均为Al。5.根据权利要求1所述的电容式微电子气压传感器，其特征在于：所述牺牲层的材质为磷硅玻璃。6.根据权利要求1所述的电容式微电子气压传感器，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡春华，朱念芳，齐本胜，谈俊燕，华迪，曹元，王海滨，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32