一种MEMS电容式压力传感器芯片及其制造工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种MEMS电容式压力传感器芯片，包括第一晶圆和第二晶圆。第一晶圆包括相互键合的第一结构层和可动电极层，可动电极层通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第一封闭环、参考电容极板和可动电容极板。第一结构层顶部开设有凹腔，可动电容极板位于凹腔下方；第二晶圆包括相互键合的固定电极层和第二结构层，固定电极层通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第二封闭环和固定电容极板。固定电极层和可动电极层相互键合连接。本发明专利技术还公开了该芯片的制造工艺。本发明专利技术的芯片实现了电容电极与外界介质隔离的效果，采用差分电容设计，使得芯片具备消除由于外界温度、湿度和电磁环境等因素产生的共模干扰能力，具有极强的环境适应性。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS电容式压力传感器芯片及其制造工艺
本专利技术涉及压力传感器
，特别涉及一种MEMS压力传感器芯片及其制造工艺。
技术介绍
电容式压力传感器与电阻式、电感式等传感器的相比具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好、容易实现非接触测量并且具有一定平均效应，一般以无机材料作为绝缘支撑，因此能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、大过载等。目前的MEMS电容式压力传感器的主要结构形式是利用两个硅基的电容极板，分别是可动板和固定板，可动板既作为电容极板又作为感压膜，这种结构设计比较简单、易加工的特点，但也有很明显的缺陷。首先，可动板既作为电容极板又作为感压膜，可动极板与固定极板之间形成的电容易受外界环境干扰，尤其是被测介质如果是带电介质或者导电介质，耦合电容干扰难以消除；其次，在恶劣环境下，传感器的可动极板直接与被测介质接触，易导致可动极板结构被破坏；最后，这种结构设计决定了其压力芯片的封装形式多为引线键合的方式，这种封装方式使得传感器的介质兼容性大大受限，传感器很难在具有腐蚀性、导电性的液体或气体介质中工作。所以现有技术很难克服MEMS电容式压力传感器的环境适应性较差的问题，需要从设计和制作的角度来解决这个问题。
技术实现思路
针对
技术介绍
中所存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种MEMS压力传感器芯片及其制造工艺，采用全隔离式结构的设计及背面通孔互连的电气连接方式，实现了电容极板、电气连接与压力介质的完全隔离的效果，大大提高了传感器的环境适应性。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种MEMS电容式压力传感器芯片，包括：第一晶圆，包括相互键合连接的第一结构层和可动电极层，所述的可动电极层通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第一封闭环、参考电容极板和可动电容极板，所述的参考电容极板和可动电容极板上分别设有第一接触电极，所述第一结构层的顶部开设有凹腔，所述可动电容极板位于所述凹腔正下方；第二晶圆，包括相互键合连接的固定电极层和第二结构层，所述的固定电极层通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第二封闭环和固定电容极板，所述的固定电容极板上设有第二接触电极，固定电容极板顶部开设有浅腔，所述的第二封闭环在两第一接触电极对应的位置上分别开设有用于背部引线的第一通孔，所述的第二结构层在所述第二接触电极以及两个第一通孔对应的位置上分别开设有用于背部引线的第二通孔；所述的固定电极层和可动电极层相互键合连接，所述浅腔位于所述可动电容极板正下方。优选地，所述第一结构层在远离可动电极层的一侧表面形成有保护层。其中，所述的保护层为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化铝薄膜、二氧化碳硅薄膜中的一种或复合膜系。优选地，所述第二结构层远离固定电极层的一侧表面、第一通孔的侧壁面和第二通孔的侧壁面上分别形成有绝缘层。其中，所述的绝缘层为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜中的一种或复合膜系。优选地，所述的第一接触电极和第二接触电极为Al膜、Ta膜、W膜、Cr膜、Au膜、Cu膜、Ti膜、Pt膜的一种或复合膜系。优选地，为了更方便地实现背部引线，所述的第二通孔由内至外呈倒锥形或柱形。优选地，所述浅腔的深度为5～20μm。优选地，所述第一结构层、可动电极层和固定电极层的材质为单晶硅、多晶硅、碳化硅、金属薄膜中的一种。优选地，所述第二结构层的材质为单晶硅、多晶硅、碳化硅、玻璃中的一种。本专利技术还公开了上述MEMS电容式压力传感器芯片的制造工艺，包括如下步骤：S1、准备第一SOI晶圆，在第一SOI晶圆的顶层刻蚀形成未穿透第一SOI晶圆顶层的凹腔，底层通过整体穿透刻蚀形成相互物理电气隔离的第一封闭环、参考电容极板和可动电容极板；S2、准备第二SOI晶圆，将第二SOI晶圆的顶层整体穿透刻蚀形成相互物理电气隔离的第二封闭环和固定电容极板，在第二封闭环上整体穿透刻蚀形成第一通孔，在固定电容极板顶部刻蚀形成浅腔，在第二SOI晶圆的底层相应位置上整体穿透刻蚀形成第二通孔；S3、分别对第一SOI晶圆和第二SOI晶圆进行热氧化，在第一SOI晶圆底面和第二SOI晶圆顶面分别形成氧化层；S4、将第一SOI晶圆和第二SOI晶圆进行对准键合，使得浅腔位于可动电容极板的正下方，完成晶圆级封装；S5、通过刻蚀工艺，对需要做第一接触电极和第二接触电极的区域先进行光刻图形化，再通过刻蚀完全去除第一接触电极和第二接触电极区域的表面氧化层，完成开窗刻蚀；S6、通过薄膜沉积工艺，在第一接触电极和第二接触电极的开窗区域上制作导电薄膜；S7、对制作好导电薄膜的键合晶圆进行热处理，形成欧姆接触，最后划片形成单个MEMS电容式压力传感器芯片。优选地，还包括在所述第一SOI晶圆的顶面通过薄膜沉积工艺制作保护层的步骤。优选地，所述步骤S3中还包括分别在所述第二SOI晶圆的底面、第一通孔的内壁面以及第二通孔的内壁面通过薄膜沉积工艺形成绝缘层。本专利技术还公开了上述MEMS电容式压力传感器芯片的另一种制造工艺，包括如下步骤：Q1、准备SOI晶圆，在SOI晶圆的顶层刻蚀形成未穿透SOI晶圆顶层的凹腔，底层通过整体穿透刻蚀形成相互物理电气隔离的第一封闭环、参考电容极板和可动电容极板；Q2、准备Si晶圆，通过刻蚀工艺在Si晶圆顶部分别刻蚀出浅腔、盲槽和盲孔；Q3、将制作好的SOI晶圆和Si晶圆进行热氧化，在SOI晶圆的底面、Si晶圆的顶面以及深孔的内壁面分别形成氧化层；Q4、将热氧化后的SOI晶圆和Si晶圆进行对准键合，对键合后的晶圆进行减薄，直至Si晶圆的盲槽和盲孔穿透，Si晶圆被分隔成由外至内依次设置的第二封闭环和固定电容极板；Q5、通过刻蚀工艺，对需要做第一接触电极和第二接触电极的区域先进行光刻图形化，再通过刻蚀完全去除第一接触电极和第二接触电极区域的表面氧化层，完成开窗刻蚀；Q6、通过薄膜沉积工艺，在第一接触电极和第二接触电极的开窗区域上制作导电薄膜；Q7、准备玻璃晶圆，在玻璃晶圆上制作穿透的第二通孔；Q8、将步骤Q6所制得的晶圆与步骤Q7所制得的玻璃晶圆进行键合，完成晶圆级封装，最后划片形成单个MEMS电容式压力传感器芯片。优选地，还包括在所述第一SOI晶圆的顶面通过薄膜沉积工艺制作保护层的步骤。本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术设计的MEMS电容式压力传感器芯片结构实现了电容电极与外界介质隔离的效果，同时具备隔离外界电磁干扰的能力；2、本专利技术设计的MEMS电容式压力传感器芯片结构采用差分电容的设计，使得芯片具备消除由于外界温度、湿度和电磁环境等因素产生的共模干扰的能力，通过电容差分结构，消除了因键合而产生的较大电容占比，提升了芯片对压力的灵敏度；3、本专利技术设计的MEMS电容式压力传感器芯片结构让通孔结构设置在芯片背面，有利于通过TSV或TGV等背部引线先进芯片封装技术将信号引出，并且容易实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS电容式压力传感器芯片，其特征在于，包括：/n第一晶圆，包括相互键合连接的第一结构层和可动电极层，所述的可动电极层通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第一封闭环、参考电容极板和可动电容极板，所述的参考电容极板和可动电容极板上分别设有第一接触电极，所述第一结构层的顶部开设有凹腔，所述可动电容极板位于所述凹腔正下方；/n第二晶圆，包括相互键合连接的固定电极层和第二结构层，所述的固定电极层通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第二封闭环和固定电容极板，所述的固定电容极板上设有第二接触电极，固定电容极板顶部开设有浅腔，所述的第二封闭环在两第一接触电极对应的位置上分别开设有用于背部引线的第一通孔，所述的第二结构层在所述第二接触电极以及两个第一通孔对应的位置上分别开设有用于背部引线的第二通孔；/n所述的固定电极层和可动电极层相互键合连接，所述浅腔位于所述可动电容极板正下方。/n

【技术特征摘要】
1.一种MEMS电容式压力传感器芯片，其特征在于，包括：
第一晶圆，包括相互键合连接的第一结构层和可动电极层，所述的可动电极层通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第一封闭环、参考电容极板和可动电容极板，所述的参考电容极板和可动电容极板上分别设有第一接触电极，所述第一结构层的顶部开设有凹腔，所述可动电容极板位于所述凹腔正下方；
第二晶圆，包括相互键合连接的固定电极层和第二结构层，所述的固定电极层通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第二封闭环和固定电容极板，所述的固定电容极板上设有第二接触电极，固定电容极板顶部开设有浅腔，所述的第二封闭环在两第一接触电极对应的位置上分别开设有用于背部引线的第一通孔，所述的第二结构层在所述第二接触电极以及两个第一通孔对应的位置上分别开设有用于背部引线的第二通孔；
所述的固定电极层和可动电极层相互键合连接，所述浅腔位于所述可动电容极板正下方。


2.如权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器芯片，其特征在于：所述第一结构层在远离可动电极层的一侧表面形成有保护层。


3.如权利要求2所述的一种MEMS电容式压力传感器芯片，其特征在于：所述的保护层为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化铝薄膜、二氧化碳硅薄膜中的一种或复合膜系。


4.如权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器芯片结构，其特征在于：所述第二结构层远离固定电极层的一侧表面、第一通孔的侧壁面和第二通孔的侧壁面上分别形成有绝缘层。


5.如权利要求4所述的一种MEMS电容式压力传感器芯片，其特征在于：所述的绝缘层为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜中的一种或复合膜系。


6.如权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器芯片，其特征在于：所述的第一接触电极和第二接触电极为Al膜、Ta膜、W膜、Cr膜、Au膜、Cu膜、Ti膜、Pt膜的一种或复合膜系。


7.如权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器芯片，其特征在于：所述的第二通孔由内至外呈倒锥形或柱形。


8.如权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器芯片，其特征在于：所述浅腔的深度为5～20μm。


9.如权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器芯片，其特征在于：所述第一结构层、可动电极层和固定电极层的材质为单晶硅、多晶硅、碳化硅、金属薄膜中的一种。


10.如权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器芯片，其特征在于：所述第二结构层的材质为单晶硅、多晶硅、碳化硅、玻璃中的一种。


11.一种如权利要求1-10中任一项所述的MEMS电容式压力传感器芯片的制造工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、准备第一SOI晶圆，在第一SOI晶圆的顶层刻蚀形成未穿透第一SOI晶圆顶层的凹腔，底层通过整体穿透刻蚀形成相互物理电气隔离的第一封闭环...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：厦门市敬微精密科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35