一种多层浮雕和岛膜结构的碳化硅压力传感器芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多层浮雕和岛膜结构的碳化硅压力传感器芯片及其制备方法，该芯片结构包括从下到上依次堆叠的芯片基体、碳化硅浮雕层、绝缘浮雕层和金属浮雕层；其中的碳化硅浮雕层通过设置较窄的隔离沟道将碳化硅桥路浮雕层与碳化硅外框浮雕层和碳化硅内框浮雕层分隔开，绝缘浮雕层和金属浮雕层的结构均依托于该碳化硅浮雕层，绝缘浮雕层的结构和碳化硅浮雕层结构相同，金属浮雕层的结构和碳化硅桥路浮雕层的结构相同。绝缘浮雕层将碳化硅浮雕层和金属浮雕层在除接触口之外的区域全部进行绝缘电隔离，使电信号在指定的接触口内才能得以导通，然后通过接触点金属层实现与碳化硅桥路浮雕层的电连接。硅桥路浮雕层的电连接。硅桥路浮雕层的电连接。

【技术实现步骤摘要】
一种多层浮雕和岛膜结构的碳化硅压力传感器芯片及其制备方法


[0001]本专利技术属于微机电系统(MEMS)压力传感器制造
，具体涉及一种多层浮雕和岛膜结构的碳化硅压力传感器芯片及其制备方法。

技术介绍

[0002]耐高温压力传感器作为微机电系统(MEMS)的重要产品在民用工业和国防军工等领域有着广阔的应用需求。目前商品化的MEMS压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器，其工艺成熟且性能优异，但受PN结耐温限制，当温度超过120℃时，传感器的性能会严重恶化甚至失效，在500℃时硅扩散型传感器芯片会发生塑性变形和电流泄漏，不能满足航空航天、石油化工、汽车电子等领域高温环境下的压力测量。
[0003]碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料，具有高击穿电压、高热导率、高机械强度、高温稳定性、高耐腐蚀性和抗辐射等特点，能在高温恶劣的环境中稳定工作，在高达600℃的高温下仍具有压阻效应。且SiC与集成电路IC工艺兼容，在极端环境的微机电系统应用中成为替代Si的首选材料。常见的半导体压力传感器主要包括三种类型：压阻式、电容式和光纤式。其中，光纤式传感器耐温性能优异，但解调电路较复杂；电容式传感器灵敏度高、温度稳定性好，但寄生电容的存在严重影响了其输出性能；压阻式传感器由于结构形式简单、工艺成熟度高和灵敏度高而被广泛应用。
[0004]许多学者与研发人员都在研究碳化硅作为传感器芯片的相关技术，如专利CN201410550475.8公开的基于重掺杂4H
‑
SiC衬底的高温压力传感器工艺，但其采用传统的MEMS工艺对4H
‑
SiC衬底进行加工，需要采用电镀工艺制造厚金属掩膜，并进行长达12h的RIE干法刻蚀，效率低能耗大，不利于碳化硅压力传感器制造技术的推广应用；如专利CN201910654802.7公开的一种基于MEMS工艺的高温压力传感器芯片，其碳化硅敏感膜片采用圆形平膜结构，其抗过载能力有限，在高温下的灵敏度较低，且同样需要对碳化硅进行大面积干法刻蚀制备压阻元件和连接支架以及进行深腔干法刻蚀制备传感器敏感薄膜；专利201910053826.7公开的无引线封装的SiC高温压力传感器及其制造方法，需要进行大面积干法刻蚀制备敏感电阻条，其余外延的n
‑
SiC全部刻蚀。
[0005]随着高温压力传感器制造技术的不断发展和进步，其应用温度也在不断提升。因此在高温下的压力测量领域，以碳化硅作为传感器芯片的现有产品和技术还存在以下亟待解决的问题：
①
随着工作温度的升高，碳化硅的压阻系数会下降，导致传感器的灵敏度降低。而当为了提高传感器的灵敏度指标而减薄传感器敏感膜片的厚度时，会引起敏感膜片的大挠度效应，使传感器的线性度降低；
②
在高温环境下，压力传感器芯片的输出会存在零点温度漂移和灵敏度温度漂移，而压力传感器芯片的闭环惠斯通电桥结构无法进行硬件外接，难以实现串并联电阻温度补偿；
③
常规的MEMS工艺(湿法腐蚀、干法刻蚀)对于碳化硅单晶的刻蚀速率非常有限(文献中所能获得的最大刻蚀速率仅为1.35μm/min)，尤其是对于深腔、大面积结构的加工速率极低，直接限制了碳化硅压力传感器的制造效率。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多层浮雕和岛膜结构的碳化硅压力传感器芯片及其制备方法，以解决现有技术中碳化硅传感器芯片制备过程中大面积刻蚀效率低，碳化硅压力传感器的制造效率低，制备出传感器的线性度易于随着工作温度的升高而降低，以及压力传感器芯片在高温环境下难以实现串并联电阻温度补偿的技术问题。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0008]一种多层浮雕和岛膜结构的碳化硅压力传感器芯片，包括从下到上依次堆叠的芯片基体、碳化硅浮雕层、绝缘浮雕层和金属浮雕层；
[0009]所述碳化硅浮雕层包括碳化硅内框浮雕层，所述碳化硅内框浮雕层被碳化硅桥路浮雕层环绕，所述碳化硅桥路浮雕层被碳化硅外框浮雕层环绕；所述碳化硅内框浮雕层和碳化硅桥路浮雕层之间被内隔离沟槽分割，所述碳化硅桥路浮雕层和碳化硅外框浮雕层之间被外隔离沟槽分开；
[0010]所述碳化硅桥路浮雕层包括四个碳化硅浮雕电阻，每一个碳化硅浮雕电阻设置在两个碳化硅浮雕电极之间，每一个碳化硅浮雕电阻的外端部通过两个碳化硅浮雕引线分别和其两侧的碳化硅浮雕电极连接；所述碳化硅浮雕电极设置有五个，其中有两个碳化硅浮雕电极相邻设置，相邻设置的两个碳化硅浮雕电极各自连接有一个碳化硅浮雕电阻；
[0011]所述绝缘浮雕层包括绝缘桥路浮雕层、绝缘外框浮雕层和绝缘内框浮雕层，所述绝缘桥路浮雕层和碳化硅桥路浮雕层的结构及尺寸相同，所述绝缘外框浮雕层和碳化硅外框浮雕层的结构及尺寸相同，所述绝缘内框浮雕层和碳化硅内框浮雕层的结构及尺寸相同；所述绝缘桥路浮雕层、绝缘外框浮雕层和绝缘内框浮雕层分别设置在碳化硅桥路浮雕层、碳化硅外框浮雕层和碳化硅内框浮雕层的上部；所述绝缘桥路浮雕层中开设有若干个接触口，所述接触口开设在碳化硅浮雕电阻的上部；
[0012]所述金属浮雕层包括互连金属层，互连金属层和绝缘桥路浮雕层的结构和形状相同，互连金属层的下部连接有八个接触点金属层，一个接触口中嵌入有一个接触点金属层，接触点金属层和接触口的形状和尺寸相同；互连金属层中开设有缺口，所述缺口开设在碳化硅浮雕电阻上部的绝缘桥路浮雕的上方。
[0013]本专利技术的进一步改进在于，
[0014]优选的，所述芯片基体的反面开设有凹槽，所述凹槽的中间设置有岛体，所述凹槽的侧壁和岛体之间的底部为岛膜；
[0015]所述岛体和岛膜的形状一致且同轴线，所述岛体为圆形或正方形。
[0016]优选的，四个碳化硅浮雕电阻包括两个第一碳化硅浮雕电阻和两个第二碳化硅浮雕电阻，两个第一碳化硅浮雕电阻沿X方向设置，两个第二碳化硅浮雕电阻沿Y方向设置；
[0017]每一个碳化硅浮雕电阻由两个平行且外端部连接的电阻条组成，所述第一碳化硅浮雕电阻的两个电阻条相对于X方向中心线对称，所述第二碳化硅浮雕电阻的两个电阻条相对于Y方向中心线对称。
[0018]优选的，所述第一碳化硅浮雕电阻内端部所在的平面和凹槽的侧壁面相邻；所述第二碳化硅浮雕电阻的内端部所在平面和岛体的侧壁面相邻。
[0019]优选的，所述绝缘桥路浮雕层中开设八个接触口，每一个碳化硅浮雕电阻的上部
设置有两个接触口。
[0020]优选的，所述碳化硅浮雕电极包括四个本体浮雕电极和一个旁侧浮雕电极，四个本体浮雕电极设置在碳化硅浮雕层的四个角，任意一个本体浮雕电极的旁侧设置有一个旁侧浮雕电极；
[0021]所述旁侧浮雕电极和其相邻的本体浮雕电极各自连接一个碳化硅浮雕电阻。
[0022]优选的，所述芯片基体为导电型4H碳化硅，所述芯片基体的上表面设置有浓度为1
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‑3的p型4H碳化硅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层浮雕和岛膜结构的碳化硅压力传感器芯片，其特征在于，包括从下到上依次堆叠的芯片基体(1)、碳化硅浮雕层(2)、绝缘浮雕层(3)和金属浮雕层(4)；所述碳化硅浮雕层(2)包括碳化硅内框浮雕层(203)，所述碳化硅内框浮雕层(203)被碳化硅桥路浮雕层(201)环绕，所述碳化硅桥路浮雕层(201)被碳化硅外框浮雕层(202)环绕；所述碳化硅内框浮雕层(203)和碳化硅桥路浮雕层(201)之间被内隔离沟槽(2041)分割，所述碳化硅桥路浮雕层(201)和碳化硅外框浮雕层(202)之间被外隔离沟槽(2042)分开；所述碳化硅桥路浮雕层(201)包括四个碳化硅浮雕电阻(2012)，每一个碳化硅浮雕电阻(2012)设置在两个碳化硅浮雕电极(2011)之间，每一个碳化硅浮雕电阻(2012)的外端部通过两个碳化硅浮雕引线(2013)分别和其两侧的碳化硅浮雕电极(2011)连接；所述碳化硅浮雕电极(2011)设置有五个，其中有两个碳化硅浮雕电极(2011)相邻设置，相邻设置的两个碳化硅浮雕电极(2011)各自连接有一个碳化硅浮雕电阻(2012)；所述绝缘浮雕层(3)包括绝缘桥路浮雕层(301)、绝缘外框浮雕层(302)和绝缘内框浮雕层(303)，所述绝缘桥路浮雕层(301)和碳化硅桥路浮雕层(201)的结构及尺寸相同，所述绝缘外框浮雕层(302)和碳化硅外框浮雕层(202)的结构及尺寸相同，所述绝缘内框浮雕层(303)和碳化硅内框浮雕层(203)的结构及尺寸相同；所述绝缘桥路浮雕层(301)、绝缘外框浮雕层(302)和绝缘内框浮雕层(303)分别设置在碳化硅桥路浮雕层(201)、碳化硅外框浮雕层(202)和碳化硅内框浮雕层(203)的上部；所述绝缘桥路浮雕层(301)中开设有若干个接触口(304)，所述接触口(304)开设在碳化硅浮雕电阻(2012)的上部；所述金属浮雕层(4)包括互连金属层(402)，互连金属层(402)和绝缘桥路浮雕层(301)的结构和形状相同，互连金属层(402)的下部连接有八个接触点金属层(401)，一个接触口(304)中嵌入有一个接触点金属层(401)，接触点金属层(401)和接触口(304)的形状和尺寸相同；互连金属层(402)中开设有缺口(4024)，所述缺口(4024)开设在碳化硅浮雕电阻(2012)上部的绝缘桥路浮雕(301)的上方。2.根据权利要求1所述的一种多层浮雕和岛膜结构的碳化硅压力传感器芯片，其特征在于，所述芯片基体(1)的反面开设有凹槽(104)，所述凹槽(104)的中间设置有岛体(102)，所述凹槽(104)的侧壁和岛体(102)之间的底部为岛膜(101)；所述岛体(102)和岛膜(101)的形状一致且同轴线，所述岛体(102)为圆形或正方形。3.根据权利要求2所述的一种多层浮雕和岛膜结构的碳化硅压力传感器芯片，其特征在于，四个碳化硅浮雕电阻(2012)包括两个第一碳化硅浮雕电阻(20121)和两个第二碳化硅浮雕电阻(20122)，两个第一碳化硅浮雕电阻(20121)沿X方向设置，两个第二碳化硅浮雕电阻(20122)沿Y方向设置；每一个碳化硅浮雕电阻(2012)由两个平行且外端部连接的电阻条组成，所述第一碳化硅浮雕电阻(20121)的两个电阻条相对于X方向中心线对称，所述第二碳化硅浮雕电阻(20122)的两个电阻条相对于Y方向中心线对称。4.根据权利要求3所述的一种多层浮雕和岛膜结构的碳化硅压力传感器芯片，其特征在于，所述第一碳化硅浮雕电阻(20121)内端部所在的平面和凹槽(104)的侧壁面相邻；所述第二碳化硅浮雕电阻(20122)的内端部所在平面和岛体(102)的侧壁面相邻。5.根据权利要求1所述的一种多层浮雕和岛膜结构的碳化硅压力传感器芯片，其特征
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉龙，王鲁康，赵友，杨玉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：