一種雙soi結構mems壓力傳感器芯片的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及MEMS設計和加工領域，具體為一種雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片及其制備方法。
【背景技術】
[0002]MEMS傳感器作為一種新型傳感器技術，成本顯著減低，2014年硅基MEMS器件市場規(guī)模達到1100多億美元；隨著智能手機、平板電腦、可穿戴設備的興起，以及較為成熟的汽車電子和工業(yè)控制領域的巨大市場需求，MEMS產業(yè)發(fā)展進入快車道，其中，MEMS壓力傳感器是應用最為廣泛的傳感器之一。
[0003]壓力傳感器從技術原理上主要分為壓阻式，電容式，應變式等，種類分為陶瓷壓力傳感器、MEMS壓力傳感器、微溶壓力傳感器、應變壓力傳感器、濺射膜壓力傳感器等，MEMS壓力傳感器憑借其尺寸小、量程覆蓋范圍廣、可大批量生產、成本低等優(yōu)勢領跑MEMS壓力傳感器市場。
[0004]而MEMS壓力傳感器主要分為電容式和壓阻式，電容式由于工藝復雜，工藝穩(wěn)定性要求高，尚未大批量得到生產和應用，全球90%以上MEMS壓力傳感器都為硅壓阻式，及常說的擴散硅壓阻式壓力傳感器。該傳感器能滿足大部分民用需求，但由于其PN結隔離方式，導致其無法應用于高溫場合，如某些工控、軍工、汽車等領域。
[0005]本實用新型涉及的雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片在SOI襯底上通過低溫淀積工藝生產一層α -硅薄膜，形成雙SOI結構。本實用新型涉及的雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片尺寸小、成本低、性能優(yōu)良，可在350°C環(huán)境下工作，制備方法簡單，無需長時間的濕法腐蝕工藝，可精確控制壓力敏感膜厚，靈敏度一致性好。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型提供了一種雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片，該壓力傳感器采用SOI襯底與表層SOI結構相結合的方法，利用SOI襯底的自停止腐蝕能力和ICP刻蝕工藝，減小傳感器芯片的尺寸，降低成本，同時精確控制傳感器靈敏度的一致性；利用表層SOI結構，大大提高傳感器的工作溫度范圍，實現(xiàn)高溫壓力傳感器應用。具體地，本實用新型的方案如下:
[0007]一種雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片，其特征在于:所述MEMS壓力傳感器芯片包括第一 SOI結構、第二 SOI結構、壓力參考腔8，其中所述第一 SOI結構包括襯底硅片1、依次形成在所述襯底硅片I上的第一絕緣隔離介質層2和單晶硅壓力敏感膜3，所述第二 SOI結構包括單晶硅壓力敏感膜3、依次形成在所述單晶硅壓力敏感膜3上的第二絕緣隔離介質層4和α -娃薄膜電阻層5。
[0008]進一步地，其中α -硅薄膜電阻層5經刻蝕形成惠斯通電橋。
[0009]進一步地，還包括形成在α-硅薄膜電阻層5上的互連引線6。
[0010]進一步地，還包括形成在第二絕緣隔離介質層4與α -硅薄膜電阻層5上的保護層7ο
[0011]進一步地，還包括鍵合在第一 SOI結構襯底硅片I上的玻璃片9、以形成絕壓壓力傳感器芯片結構。
[0012]本實用新型的有益效果是，采用SOI襯底制備壓力傳感器避免長時間的濕法腐蝕，使芯片體積更小，成本大大降低；利用減薄、拋光工藝控制壓力敏感膜的厚度，提高了芯片輸出信號的一致性；采用絕緣隔離介質層加α -硅薄膜技術形成表層SOI結構，大大提高了傳感器的工作溫度范圍，殘余應力小，無PN結漏電，傳感器穩(wěn)定性好。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型其中一實施例涉及的雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片表壓結構截面圖；
[0014]圖2為本實用新型其中一實施例涉及的雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片絕壓結構截面圖；
[0015]其中:1為P型或N型襯底硅片，2為第一絕緣隔離介質層，同時作為ICP刻蝕的自停止層，3為單晶硅壓力敏感膜，4為第二絕緣隔離介質層，5為α -硅薄膜電阻層，6為互連引線，7為保護層，8為壓力參考腔，9為玻璃片。
【具體實施方式】
[0016]為了使本領域技術人員更好的理解本實用新型的技術方案，下面結合附圖1-2進行詳細描述本實用新型的【具體實施方式】。
[0017]實施例1
[0018]本實用新型提出一種雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片，參見圖1，包括:S0I襯底硅片，該SOI襯底硅片包括底層P型或N型襯底硅片1，第一絕緣隔離介質層2和單晶硅壓力敏感膜3 ;該絕緣隔離介質層2例如為熱氧化生成氧化層；對單晶硅壓力敏感膜3拋光后，生長第二絕緣隔離介質層4，該第二絕緣隔離介質層4可為氧化層或者氮化層；在第二絕緣隔離介質層4上沉積低溫α-硅薄膜，經離子注入摻雜后，刻蝕成α-硅薄膜電阻層5，作為橋路電阻，經1000-1100°C退火；其中，單晶硅壓力敏感膜3、第二絕緣隔離介質層4、α -硅薄膜電阻層5構成頂層SOI結構；該α-硅薄膜電阻層的厚度為0.4?I微米；在α -硅薄膜電阻層5上還包括保護層7、例如為氮化硅鈍化層；還包括形成在鈍化層上與橋路電阻接觸的互連引線6，還包括形成在襯底硅片I中的壓力參考腔8。
[0019]實施例2
[0020]本實用新型還提出一種絕壓雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片，參見圖2，與實施例I相同的結構和部件不再贅述，區(qū)別在于:通過ICP深刻蝕工藝，在襯底硅片I上形成表壓芯片壓力參考腔8之后，在SOI襯底背面鍵合玻璃片9，形成絕壓壓力傳感器芯片結構。
[0021]實施例3
[0022]本實用新型提出的一種雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片制作方法，包括以下步驟:
[0023](I)根據壓力量程要求確定芯片及敏感膜尺寸，通過理論計算確定壓力敏感膜上的線性應力區(qū)，布置α -硅電阻及金屬互連并制作光刻版，完成設計；
[0024](2)P型或N型〈100〉晶向硅片熱氧化，再進行鍵合，形成SOI襯底硅片，該SOI襯底硅片包括P型或N型襯底硅片1、SOI結構的絕緣隔離介質層2、單晶硅壓力敏感膜3 ;
[0025](3)對SOI襯底硅片的頂層單晶硅壓力敏感膜3進行減薄、拋光工藝，減薄至根據理論計算得到的符合要求的單晶硅壓力敏感膜厚度，其膜厚由傳感器的量程決定；
[0026](4)單晶硅壓力敏感膜3上進行熱氧化生成氧化層或采用LCP工藝生長氮化硅，作為第二絕緣隔離介質層4，作為頂層SOI結構的絕緣隔離介質層；
[0027](5)在第二絕緣隔離介質層4上通過540_580°C、例如560°C低溫工藝淀積α -硅薄膜，該α-硅薄膜的厚度為0.4?I微米，與步驟(4)中的第二絕緣隔離介質層4的厚度比為1:2?4左右，以形成良好的應力匹配；采用離子注入進行摻雜，再刻蝕后形成α -硅薄膜電阻層5，作為橋路電阻，經1000-1100°C退火；
[0028](6)離子注入形成歐姆接觸濃硼區(qū)，淀積金屬層，刻蝕形成互連引線6 ;
[0029](7)在金屬層上淀積一層氮化硅，形成保護層7，保護芯片受到污染；
[0030]⑶SOI襯底背面通過ICP工藝刻蝕，制作壓力參考腔，形成表壓或差壓壓力傳感器芯片結構；
[0031](9)通過在SOI襯底背面鍵合玻璃片9，形成絕壓壓力傳感器芯片結構。
[0032]本實用新型提出一種雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片及其制備方法，所述壓力傳感器芯片的包括第一 SOI結構，構成壓力傳感器的襯底和壓力敏感膜，第二 SOI結構為表層SOI結構，包括通過生長絕緣隔離介質，在絕緣介質上淀積摻雜α -硅作為壓敏電阻材料，通過刻蝕組成惠斯通電橋結構，該第二 SOI結構，取代常規(guī)的PN結隔離模式，提高了傳感器芯片的工作溫度范圍。本實用新型涉及的雙SOI結構高溫MEMS壓力傳感器芯片適合大批量生產，一致性好，量程精確、芯片尺寸小、耐高溫、可靠性高、成本低。
【主權項】
1.一種雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片，其特征在于:所述MEMS壓力傳感器芯片包括第一 SOI結構、第二 SOI結構、壓力參考腔(8)，其中所述第一 SOI結構包括襯底硅片(I)、依次形成在所述襯底硅片(I)上的第一絕緣隔離介質層(2)和單晶硅壓力敏感膜(3)，所述第二 SOI結構包括單晶硅壓力敏感膜(3)、依次形成在所述單晶硅壓力敏感膜(3)上的第二絕緣隔離介質層(4)和α-硅薄膜電阻層(5)。2.根據權利要求1所述的雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片，其特征在于:其中α-硅薄膜電阻層(5)經刻蝕形成惠斯通電橋。3.根據權利要求1所述的雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片，其特征在于:還包括形成在α-硅薄膜電阻層(5)上的互連引線(6)。4.根據權利要求1或2所述的雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片，其特征在于:還包括形成在第二絕緣隔離介質層(4)與α-硅薄膜電阻層(5)上的保護層(7)。5.根據權利要求1所述的雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片，其特征在于:還包括鍵合在第一 SOI結構襯底硅片(I)上的玻璃片(9)，以形成絕壓壓力傳感器芯片結構。
【專利摘要】本實用新型提出一種雙SOI結構MEMS壓力傳感器芯片，所述壓力傳感器芯片包括第一SOI結構，構成壓力傳感器的襯底和壓力敏感膜，第二SOI結構為表層SOI結構，包括通過生長絕緣隔離介質，在絕緣介質上淀積摻雜α-硅作為壓敏電阻材料，通過刻蝕組成惠斯通電橋結構，該第二SOI結構，取代常規(guī)的PN結隔離模式，提高了傳感器芯片的工作溫度范圍。本實用新型涉及的雙SOI結構高溫MEMS壓力傳感器芯片適合大批量生產，一致性好，量程精確、芯片尺寸小、耐高溫、可靠性高、成本低。
【IPC分類】G01L1/18, G01L9/06
【公開號】CN204855051
【申請?zhí)枴緾N201520438406
【發(fā)明人】劉同慶
【申請人】無錫芯感智半導體有限公司
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年6月24日