压力传感器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种压力传感器及其制造方法，压力传感器包括衬底结构以及顶层结构，顶层结构包括第一硅层、设于第一硅层背面的第一绝缘层、设于第一绝缘层背面的压阻层、设于第一硅层正面的顶层第一下绝缘层、形成在顶层第一下绝缘层的正面的厚半导体材料层以及包覆厚半导体材料层的顶层第二下绝缘层；第一硅层用作压力敏感膜；厚半导体材料层用作岛结构；压阻层包括至少一个压阻；衬底结构的上表面向下凹陷形成键合槽，厚半导体材料层键合于键合槽内并与键合槽形成间隙。该压力传感器在第一硅层的正面形成用作岛结构的厚半导体材料层，达到有效控制压力敏感膜的厚度一致性以及平面尺寸一致性的目的。

【技术实现步骤摘要】
压力传感器及其制造方法
本专利技术涉及压力传感器
，特别是涉及一种压力传感器及其制造方法。
技术介绍
随着物联网等行业的兴起，MEMS(MicroelectroMechanicalSystems，微机电系统)传感器由于其体积小、功耗低、重量轻及响应快等优点，有着巨大的应用前景。尤其是MEMS压力传感器，在汽车电子、消费类产品及工业控制等领域有巨大的应用。传统的MEMS压力传感器多基于传统单层SOI晶圆采用背面湿法腐蚀的方案刻蚀敏感膜与背岛结构，敏感膜的厚度由湿法刻蚀的刻蚀速率与刻蚀时间决定。但是，硅的湿法刻蚀通常采用加热(85℃)KOH溶液或者TMAH溶液的方式来操作，在加热过程中，由于水的蒸发和腐蚀液与硅的反应，KOH或TMAH溶液的浓度会随着反应的时间持续而发生变化，因此较难精确的控制腐蚀深度。同时由于硅的各向异性，采用KOH或TMAH从背面湿法腐蚀硅衬底时，开口图形必然产生上小、下大的横截面为梯形的图样。这使得产品本身的平面尺寸远大于实际需要的压力敏感膜平面尺寸，产品难以小型化。为避免上述硅的各向异性湿法腐蚀产生的尺寸变大问题，现有技术中采用基于传统单层SOI晶圆的硅的干法刻蚀技术。理论上，硅的深反应离子刻蚀可以让刻蚀图样的侧边接近90°，这样可以缩小芯片开口处的平面尺寸，避免了背面腐蚀开孔过大的问题。不过在实际工艺过程中，硅的深反应离子刻蚀很难保证刻蚀角度的一致性，对于8寸晶圆业界一般只能保证82°-92°的刻蚀精度。而考虑到侧向刻蚀等问题，采用硅的深反应离子刻蚀，对于顶层压阻结构与背岛的对准与刻蚀补偿问题就很复杂。理论上只有压阻结构与背岛的边界(应力集中处)对准，才能保证压力传感器的性能(例如灵敏度、非线性度及耐压力过载等)，一旦有偏差，压力传感器性能变化会与设计值产生很大的偏差。此外，由于采用的是传统单层SOI晶圆，其刻蚀深度依然由刻蚀速率与刻蚀时间决定，刻蚀深度一致性低。针对上述问题，现有技术中还有采用双层SOI晶圆(DSOI)进行背面刻蚀实现压力传感器制造，在背面深反应离子刻蚀时，利用硅与氧化硅的高选择比，刻蚀可以在氧化硅处自停止，可以相对比较好的解决刻蚀深度一致性问题。但是，刻蚀的带电离子将在氧化硅处富集，随着过刻时间的增加，在刻蚀底部会产生明显的侧向刻蚀效应(notchingeffect，也叫floatingeffect)，从而影响压力传感器的敏感膜平面尺寸、影响顶层压阻与背岛的位置对准等。此外，由于采用背面刻蚀，无法解决深反应离子刻蚀侧边的角度偏差带来的横向尺寸偏差问题(刻蚀500um，即使1°的角度偏差，也会产生横向500um×tan1°＝9um的偏差)。
技术实现思路
基于此，本专利技术提供一种压力传感器及其制造方法，在第一硅层的正面形成用作岛结构的厚半导体材料层，达到有效控制压力敏感膜的厚度一致性以及平面尺寸一致性的目的。一种压力传感器，包括衬底结构以及顶层结构，所述顶层结构包括第一硅层、设于所述第一硅层背面的第一绝缘层、设于所述第一绝缘层背面的压阻层、设于所述第一硅层正面的顶层第一下绝缘层、形成在所述顶层第一下绝缘层的正面的厚半导体材料层以及包覆所述厚半导体材料层的顶层第二下绝缘层；所述第一硅层用作压力敏感膜；所述厚半导体材料层用作岛结构；所述压阻层包括至少一个压阻；所述衬底结构的上表面向下凹陷形成键合槽，所述厚半导体材料层键合于所述键合槽内并与所述键合槽形成间隙。上述压力传感器，在第一硅层的正面形成有用作岛结构的厚半导体材料层，该厚半导体材料层键合于衬底结构的键合槽内并与所述键合槽形成间隙，既可有效控制压力敏感膜(即第一硅层)的厚度一致性以及平面尺寸一致性，还可利用压力敏感膜的正面感压技术，避免密封材料产生漏气或被高压推开的现象的发生，同时可降低压力敏感膜的非线性度，增加可测量压力的范围。在其中一个实施例中，所述顶层结构还包括设于所述第一绝缘层背面且包覆所述压阻层的顶层上绝缘层，所述顶层上绝缘层上设置有使所述压阻层露出的导电接触孔，所述导电接触孔用于使所述压阻层部分露出于所述顶层上绝缘层；所述压力传感器还包括对应设置在所述导电接触孔处并与所述压阻层电导通的金属块并与。在其中一个实施例中，每个所述压阻对应设置有至少一个所述导电接触孔，每个所述导电接触孔对应设置有至少一个所述金属块。在其中一个实施例中，所述压阻设置有多个，所述压阻层还包括用于对多个所述压阻进行连接的导电连接线；每个所述压阻或每个所述导电连接线对应设置有至少一个所述导电接触孔，每个所述导电接触孔对应设置有至少一个所述金属块。在其中一个实施例中，所述衬底结构上形成有贯穿所述衬底结构的进气口，所述进气口与所述键合槽的槽底连通。本专利技术还提供一种压力传感器的制造方法，其包括步骤：S1、选取第一硅晶圆，并在第一硅晶圆的正面及背面分别生长正面绝缘层及背面绝缘层；所述第一硅晶圆为具有双层绝缘层上的硅结构的晶圆(DoubleSilicon-on-Insulator，DSOI)，所述第一硅晶圆包括依次层叠覆盖的第一硅层、第一绝缘层、第二硅层、第二绝缘层以及第三硅层，所述第一硅层背向所述第三硅层的一侧表面为所述第一硅层的正面；S2、在所述第一硅层的正面形成用作岛结构的厚半导体材料层；S3、去除S1中生长的正面绝缘层，并在所述第一硅晶圆的正面重新生成顶层第一下绝缘层，同时在第一硅晶圆的正面重新生成包覆所述厚半导体材料层的顶层第二下绝缘层，得到顶层初结构；S4、形成衬底结构，所述衬底结构上形成有键合槽；S5、将所述顶层初结构倒置，并使所述厚半导体材料层键合在所述键合槽内，所述厚半导体材料层与所述键合槽之间形成间隙；S6、去除多余层结构，包括：将所述顶层初结构的背面绝缘层、第三硅层及第二绝缘层去除；S7、对所述第二硅层进行掺杂，并对掺杂后的所述第二硅层进行图形化，形成压阻层，所述压阻层形成有至少一个压阻；S8、得到压力传感器。在其中一个实施例中，所述S7中，所述形成压阻层之后，还包括：对所述顶层上绝缘层图形化，形成导电接触孔；其中，所述导电接触孔用于使所述压阻层部分露出于所述顶层上绝缘层；在所述导电接触孔处形成与所述压阻层电导通的金属块。在其中一个实施例中，所述每个所述压阻对应形成有至少一个所述导电接触孔，每个所述导电接触孔对应形成有至少一个所述金属块。在其中一个实施例中，在所述S7中，所述压阻层还形成有用于对多个所述压阻进行连接的导电连接线；每个所述压阻或每个所述导电连接线对应形成有至少一个所述导电接触孔，每个所述导电接触孔对应形成有至少一个所述金属块。在其中一个实施例中，所述S7之后，还包括：在所述衬底结构上形成有贯穿所述衬底结构的进气口，并使所述进气口与所述键合槽的槽底连通。附图说明图1为本专利技术一实施例的压力传感器的纵向剖面示意图；图2至图13为图1所示的压力传感器的工艺流程图。具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压力传感器，其特征在于：包括衬底结构以及顶层结构，所述顶层结构包括第一硅层、设于所述第一硅层背面的第一绝缘层、设于所述第一绝缘层背面的压阻层、设于所述第一硅层正面的顶层第一下绝缘层、形成在所述顶层第一下绝缘层的正面的厚半导体材料层以及包覆所述厚半导体材料层的顶层第二下绝缘层；所述第一硅层用作压力敏感膜；所述厚半导体材料层用作岛结构；所述压阻层包括至少一个压阻；/n所述衬底结构的上表面向下凹陷形成键合槽，所述厚半导体材料层键合于所述键合槽内并与所述键合槽形成间隙。/n

【技术特征摘要】
1.一种压力传感器，其特征在于：包括衬底结构以及顶层结构，所述顶层结构包括第一硅层、设于所述第一硅层背面的第一绝缘层、设于所述第一绝缘层背面的压阻层、设于所述第一硅层正面的顶层第一下绝缘层、形成在所述顶层第一下绝缘层的正面的厚半导体材料层以及包覆所述厚半导体材料层的顶层第二下绝缘层；所述第一硅层用作压力敏感膜；所述厚半导体材料层用作岛结构；所述压阻层包括至少一个压阻；
所述衬底结构的上表面向下凹陷形成键合槽，所述厚半导体材料层键合于所述键合槽内并与所述键合槽形成间隙。


2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述顶层结构还包括设于所述第一绝缘层背面且包覆所述压阻层的顶层上绝缘层，所述顶层上绝缘层上设置有与所述压阻层对应的导电接触孔，所述导电接触孔用于使所述压阻层部分露出于所述顶层上绝缘层；
所述压力传感器还包括对应设置在所述导电接触孔处并与所述压阻电导通的金属块并与。


3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：每个所述压阻对应设置有至少一个所述导电接触孔，每个所述导电接触孔对应设置有至少一个所述金属块。


4.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：所述压阻设置有多个，所述压阻层还包括用于对多个所述压阻进行连接的导电连接线；
每个所述压阻或每个所述导电连接线对应设置有至少一个所述导电接触孔，每个所述导电接触孔对应设置有至少一个所述金属块。


5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述衬底结构上形成有贯穿所述衬底结构的进气口，所述进气口与所述键合槽的槽底连通。


6.一种压力传感器的制造方法，其特征在于，包括步骤：
S1、选取第一硅晶圆，并在第一硅晶圆的正面及背面分别生长正面绝缘层及背面绝缘层；所述第一硅晶圆为具有双层绝缘层上的硅结构的晶圆(DoubleSilicon-on-Insulator，DSOI)，所述第一硅晶圆包括依次层叠覆盖的第一硅层、第一绝缘层、第二硅层、第二绝缘层以及第三...

【专利技术属性】
技术研发人员：周志健，余伦宙，熊娟，赵怿，
申请(专利权)人：慧石上海测控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31