一种基于MEMS工艺的压力传感器芯片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片及其制备方法，所述压力传感器芯片在制备过程由表面微机械加工工艺决定产品量程，对于相同的表面工艺，可选择是否需要后工序，以分别制作密封表压、表压和绝压压力传感器芯片；对于高量程产品，芯片尺寸可以做到0.6mm；压敏电阻采用多晶硅电阻，具有低温漂和耐高温特性；敏感膜上设计质量块，可防止释放粘连现象，同时可提高压力传感器过载能力，质量块位于压敏电阻应力匹配区域，可提高压力传感器灵敏度和线性度。本发明专利技术涉及的基于MEMS工艺的压力传感器芯片工艺简单、芯片尺寸小、成本低、生产效率高、温度特性好、耐静电击穿能力强、可用于各种耐高温领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及MEMS设计和半导体加工领域，具体为一种基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片及其制备方法。
技术介绍
中国产业信息网发布的《2014-2019年中国传感器市场深度调查及投资前景评估询报告》指出：近年来，全球传感器市场一直保持快速增长，2009年和2010年增长速度达20％以上，2011年受全球经济下滑的影响，传感器市场增速比2010年下滑5％，市场规模为828亿美元。随着全球市场的逐步复苏，2012年全球传感器市场规模已达到952亿美元，2013年约为1055亿美元。未来，随着经济环境的持续好转，市场对传感器的需求将不断增多，据预测，未来几年全球传感器市场将保持20％以上的增长速度，2015年市场规模将突破1500亿美元。而目前来看，流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，其中，压力传感器占到市场份额的18％左右。硅压阻式压力传感器是压力传感器的一种，目前大多数硅压阻式压力传感器都采用MEMS体微机械加工工艺制备，即在硅片表面通过氧化、光刻、离子注入等平面IC工艺制备出压力敏感电阻与金属互连引线后，从硅片背面进行各向异性湿法腐蚀，通过调整腐蚀速率及时间来控制压力敏感膜的厚度，腐蚀完成后需用玻璃进行键合，作为芯片的支撑结构。采用上述工艺制备的压力传感器压力敏感膜的厚度均匀性差，芯片体积大，成品率低、性能不稳定、成本高。本专利技术涉及的压力传感器采用表面微机械加工工艺制备，可避免体硅深刻蚀即可制备密封表压压力传感器芯片，加上ICP和硅-玻璃键合工艺可在同一设计上实现表压和绝压芯片的制备；采用LPCVD淀积的多晶硅作为压敏电阻，可提高工作温度范围。本专利技术涉及的压力传感器工艺实现上更加简单，利于传感器与后续信号检测电路的集成，实现机电一体化，且有助于传感器成本的降低。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片及其制备方法，同一套版图可同时实现密封表压、表压和绝压三种压力形式的芯片制备；4层复合膜通过适当的膜厚匹配和退火处理，可降低压力敏感膜的残余应力；敏感膜上制备质量块，防止释放粘连现象，并提高传感器过载能力和线性度；多晶硅电阻制作在复合膜的顶层氮化硅上，氮化硅可起到屏蔽带电离子的作用，并形成SOI结构，提高了芯片的工作温度范围。具体地，本专利技术的技术方案如下：一种基于MEMS工艺压力传感器芯片，其特征在于：包括多层压力敏感膜，形成该多层压力敏感膜上方的压敏电阻11，所述压敏电阻11形成惠斯通电桥结构；形成在所述多层压力敏感膜下方的质量块6，该质量块防止粘连现象，并提高所述压力传感器的过载能力和线性度。进一步地，所述的多层压力敏感膜包括氮化硅层5、多晶硅层8、氧化硅层9、氮化硅绝缘层10。进一步地，还包括形成在压敏电阻11上的互连12。进一步地，还包括形成在所述压敏电阻11表面的保护层。进一步地，还包括键合在衬底硅片1背面的玻璃片14。本专利技术还提出一种基于MEMS工艺的压力传感器芯片制造方法，包括以下步骤：(1)在衬底上腐蚀出压力参考腔2；(2)淀积牺牲层3，所述牺牲层3覆盖所述压力参考腔2；(3)在牺牲层3上刻蚀半孔4；(4)在牺牲层3上沉积氮化硅层5，所述氮化硅填满牺牲层上半孔4，以形成质量块6；(5)释放牺牲层3；(6)在氮化硅层5上沉积多晶硅层8、氧化硅层9、氮化硅绝缘层10，以构成多层压力敏感膜；(7)沉积多晶硅薄膜，离子注入掺杂，并刻蚀出压敏电阻11，形成惠斯通电桥结构；(8)制备互连引线12。进一步地，在步骤(1)之前，还包括依据压力传感器量程要求确定芯片及压力敏感膜尺寸，采用有限元分析软件确定多层复合膜的应力分布，布置多晶电阻及质量块位置的步骤。进一步地，所述腐蚀出压力参考腔2包括对P型或N型抛光硅片1进行氧化，光刻并湿法腐蚀出6-8um左右深度的浅硅杯。进一步地，所述半孔4包括多个，具有2-4微米的深度、1-2微米的孔径。进一步地，还包括在衬底背面键合玻璃片14，以形成绝压压力传感器芯片。附图说明图1为本专利技术其中一实施例涉及的基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片密封表压型截面图；图2为本专利技术其中一实施例涉及的基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片表压截面图；图3为为本专利技术其中一实施例涉及的基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片绝压截面图；图4为本专利技术其中一实施例涉及的基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片及其制备方法工艺流程图。其中：1为P型或N型衬底硅片，2为浅硅杯，3为PSG牺牲层，4为半孔，5为氮化硅层，6为氮化硅质量块，7为牺牲层释放通孔，8为多晶硅，9为热氧化层，10为氮化硅绝缘层，11为多晶电阻，12为金属互连，13为表压芯片压力参考腔，14为键合玻璃片。具体实施方式为了使本领域技术人员更好的理解本专利技术的技术方案，下面结合附图1-4进行详细描述本专利技术的具体实施方式。实施例1本专利技术提出一种密封表压MEMS压力传感器芯片，参见图1，包括P型或N型衬底硅片1，形成在衬底硅片1上的浅硅杯2，该浅硅杯2的深度为6-8微米，浅硅杯2中沉积有牺牲层3、例如为PSG牺牲层，牺牲层3释放后形成压力参考腔。该压力传感器芯片包括4层复合膜形成的压力敏感膜，该复合膜包括氮化硅膜5、多晶硅膜8、热氧化膜9、氮化硅绝缘层10，在压力敏感膜朝向浅硅杯一侧，形成有多个质量块6；质量块6的设计有利于防止释放粘连现象，质量块位于压敏电阻应力匹配区域，可提高压力传感器灵敏度和线性度；在复合膜的顶层氮化硅绝缘层10上制备多晶硅电阻层，并经离子注入、刻蚀形成多晶硅压敏电阻11，以形成惠斯通电桥结构。压敏电阻分布在压力敏感膜上张应力与压应力的对称区域；多晶硅电阻制作在复合膜的顶层氮化硅上，氮化硅可以起到屏蔽带电离子的作用，并形成SOI结构，提高了芯片的工作温度范围。还包括离子注入形成欧姆接触浓硼区，淀积金属互连引线12。还包括形成在多晶硅压敏电阻11表面的钝化保护层。实施例2本专利技术提出一种表压MEMS压力传感器芯片，参见图2，与实施例1相同的结构和部件不再赘述，区别在于：通过ICP深刻蚀工艺，在衬底硅片1上形成表压芯片压力参考腔13，制备表压压力传感器芯片，其中：氮化硅4为ICP刻蚀阻挡层，实现腐蚀自停止。实施例3本专利技术提出一种绝压MEMS真空压力传感器芯片，参见图3，在表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MEMS工艺压力传感器芯片，其特征在于：包括多层压力敏感膜，形成在该多层压力敏感膜上方的压敏电阻(11)，所述压敏电阻(11)形成惠斯通电桥结构；形成在所述多层压力敏感膜下方的质量块(6)，该质量块防止粘连现象，并提高所述压力传感器的过载能力和线性度。

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS工艺压力传感器芯片，其特征在于：包括多层压力敏
感膜，形成在该多层压力敏感膜上方的压敏电阻(11)，所述压敏电阻(11)形
成惠斯通电桥结构；形成在所述多层压力敏感膜下方的质量块(6)，该质量块
防止粘连现象，并提高所述压力传感器的过载能力和线性度。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺压力传感器芯片，其特征
在于：所述的多层压力敏感膜包括第一氮化硅层(5)、多晶硅层(8)、氧化硅
层(9)、第二氮化硅层(10)。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺压力传感器芯片，其特征
在于：还包括形成在压敏电阻(11)上的互连(12)。
4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺压力传感器芯片，其特征
在于：还包括形成在所述压敏电阻(11)表面的保护层。
5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺压力传感器芯片，其特征
在于：还包括键合在衬底硅片(1)背面的玻璃片(14)。
6.一种基于MEMS工艺的压力传感器芯片制造方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上腐蚀出压力参考腔(2)；
(2)淀积牺牲层(3)，所述牺牲层(3)覆盖所述压力参考腔(2)；
(3)在牺牲层(3)上刻蚀半孔(4)；
(4)在牺牲层(3)上沉积第一氮化硅层(5)，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘同庆，
申请(专利权)人：无锡芯感智半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32