无应变膜结构的MEMS压阻式压力传感器及其制作方法

摘要

本发明涉及一种无应变膜结构的MEMS压阻式压力传感器，包括制作于基片上并构成惠斯通电桥的四组压敏电阻，其中两组相对的压敏电阻沿晶向排列，另外两组相对的压敏电阻沿晶向排列。其制作步骤为：在基片正面采用压敏电阻所需剂量的掺杂浓度进行P型离子注入轻掺杂并高温热退火；在基片正面通过光刻定义P型重掺杂的引线接触区，通过离子注入进行重掺杂并高温热退火；制作引线孔和金属引线；通过光刻定义压敏电阻和接触区的形状，通过刻蚀的方式制作压敏电阻条；划片。本发明的压力传感器没有应变膜结构，能够降低传感器的芯片尺寸，增加抗过载能力；其制作方法与标准体硅压阻式压力传感器的工艺兼容，成本低且成品率高。

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）传感器设计领域，涉及一种MEMS压阻式压力传感器，以及采用MEMS加工工艺方法在单个圆片上制作该压力传感器的方法。

背景技术

MEMS（Micro Electro Mechanical System）即微电子机械系统，是新兴的跨学科的高新技术研究领域。基于MEMS技术制造压阻式压力传感器由于其出色的精准度和可靠度以及相对便宜的制造成本在现代的市场中得到广泛的应用。自从20世纪50年代中期发现了硅材料的压阻特性，硅基的压阻式压力传感器就被广泛的应用。典型的压阻式压力传感器工作原理是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯通电桥。当有外界压力施加在硅应变膜上，压敏电阻区域由于应变膜弯曲产生应力，通过压敏电阻的压阻特性，将应力转换为电阻值的变化，最后通过惠斯顿电桥将电阻值的变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。

传统的压阻式压力传感器的核心构成需要有一个应变膜作为应力集中结构，压阻式压力传感器测量压力的量程及灵敏度在加工工艺条件相同的情况下与该应变膜的厚度和尺寸等有关。由于应变膜的存在，受制于硅材料的断裂强度，传统压阻式压力传感器的抗过载能力有限，在高压的应用领域中的压阻式压力传感器都有抗过载能力较低的不足。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种无应变膜结构的MEMS压阻式压力传感器，以及制作该压力传感器的方法。该结构的压力传感器相比典型器件结构最大的差异在于没有了应力集中作用的应变膜，能够降低传感器的芯片尺寸，极大的增加压力计的抗过载能力；同时该加工制作方法与标准体硅压阻式压力传感器的加工工艺兼容，器件加工成本低，具有较高的成品率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种无应变膜结构的MEMS压阻式压力传感器，包括制作于基片上并构成惠斯通电桥的四组压敏电阻，其中两组相对的压敏电阻沿基片的<100>晶向排列，另外两组相对的压敏电阻沿基片的<110>晶向排列。

优选地，所述压敏电阻制作于普通单晶硅片或者SOI（silicon on insulator）硅片的(100)晶面。

上述压力传感器中，每组压敏电阻中压敏电阻条的数目为一个或由多个串联而成。

上述压力传感器中，在满足所述晶向要求并且构成惠斯通电桥的前提下，所述四组压敏电阻的位置可以任意排列，可以串联成开环或闭环，并在四组压敏电阻间的连接处设置金属pad，作为电信号输入输出接口。优选地，每组压敏电阻首尾相连组成一个平行四边形，进一步优选为菱形，其对边的两组压敏电阻沿同一晶向排列，在菱形的四个顶点处分布有金属pad（焊盘），采用这种排列方式可以最大限度的降低压力传感器芯片的尺寸。

一种制作上述MEMS压阻式压力传感器的方法，其步骤包括：

1)在基片正面采用压敏电阻所需剂量的掺杂浓度进行P型离子注入轻掺杂，然后通过高温热退火激活注入离子；

2)在基片正面通过光刻定义P型重掺杂的引线接触区，通过离子注入在该接触区进行重掺杂，然后通过高温热退火激活注入离子；

3)在基片正面制作引线孔和金属引线；

4)在基片正面通过光刻定义四组压敏电阻以及接触区等的形状，并通过刻蚀的方式制作压敏电阻条；所述四组压敏电阻构成惠斯通电桥，其中两组相对的压敏电阻沿所述基片的<100>晶向排列，另外两组相对的压敏电阻沿所述基片的<110>晶向排列；

5)划片，制成压力传感器芯片。

上述方法中，步骤1）和2）的顺序可以改变，即可以先进行步骤1），再进行步骤2），也可以先进行步骤2），再进行步骤1）。。

上述方法中，步骤4）所述刻蚀可以采用干法或湿法；干法优选采用RIE（反应离子刻蚀）刻蚀，湿法腐蚀优选为HNA溶液（HF酸、硝酸、醋酸的混合溶液）各向同性腐蚀。优选地，当采用SOI硅片作为器件加工基片时，刻蚀一直进行到露出硅片的埋氧层；当采用普通单晶硅片作为加工基片时，刻蚀需要至少进行到所注入离子的扩散深度以下(0.5μm到5μm)。

采用上述工艺能够完成无应变膜结构的MEMS压力传感器的制作，压敏电阻为长条状凸起分布于器件的表面，压敏电阻条有三个侧面能够感受外界环境的压力(气体压力或者液体压力)，组成惠斯通电桥的四组压敏电阻分别沿不同晶向，沿<110>晶向分布的压敏电阻受到侧面的压力作用使其电阻值增大；沿<100>晶向的压敏电阻由于<100>晶向的压阻系数约等于零，其阻值不变。在惠斯通电桥的作用下，电阻值的变化转换为电压电流的变化。由于该压力传感器没有应变膜，在高压环境下没有膜结构的变形，能够克服高压压力计抗过载能力不足的缺点。

本发明为MEMS领域的工艺人员提供了一种高压绝对压力传感器及其制作方法，这种方法加工的压力传感器（压力计）具有更好的性能和较高的工艺可靠性。具体来说，本发明具有以下优势：

1）本发明的MEMS压阻式压力传感器能够应用在极高压的环境下；

2）本发明的压力传感器制备方法，其工艺流程仅有四次光刻工艺，且与传统IC表面加工工艺兼容；工艺难度比较低，易获得较高的成品率；

3）本发明压力传感器其结构设计合理，制备过程中减少了不必要的台阶，降低了光刻的难度；

4）本发明设计的器件没有应变膜结构，避免了传统应变膜结构压力计加工过程中应变膜制作时由于工艺条件波动造成的应变膜厚度的波动以及进一步带来的器件性能的波动问题，提高了工艺的可靠性与器件的成品率。

附图说明

图1为具体实施例中无应变膜绝压压力计工艺流程示意图，其中：

图1(a)为芯片基片的示意图；

图1(b)为离子注入方式掺杂的示意图；

图1(c)为制作重掺杂接触区的示意图；

图1(d)为制作接触孔和金属引线的示意图；

图1(e)为正面刻蚀压敏电阻条的示意图；

图2为硅岛结构处的版图和压敏电阻分布示意图。

图3为压敏电阻构成开环结构的示意图。

图中：1基片；2P型掺杂以后的表面硅材料；3-重掺杂接触区；4氧化硅层；5-金属接触孔及金属引线；6-压敏电阻条；7—<100>晶向压敏电阻条；8—<110>晶向压敏电阻条。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明做进一步的说明。

本实施例的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，在完成P型离子注入掺杂后的基片上沿<110>晶向和<100>晶向刻蚀出两对压阻条，两对压阻条首尾相连构成一个菱形。该方法的步骤包括：

1)选择（100）晶面的单晶硅片或者（100）晶面的SOI硅片作为芯片基片；

2)在基片正面通过离子注入的方式完成P型轻掺杂；完成压敏电阻所需剂量的掺杂浓度，高温热退火激活注入离子；

3)光刻定义重掺杂接触区，并通过离子注入方式进行P型重掺杂；完成后采用高温热退火激活注入的杂质；

3)在基片正面制作引线孔和金属引线；

4)在基片正面通过光刻定义压阻条的形状，然后通过刻蚀制作压敏电阻条；

5）划片，制成压力传感器芯片。

下面提供一个具体制备实例，如图1所示，该MEMS压阻式微压压力传感器的制造工艺为：

a）备片：选择单晶硅基片作为芯片的基片1，基片厚度为400μm，如图1(a)所示；

b）采用标准压阻工艺在硅片上制作压敏电阻浓度的掺杂单晶硅2，如图1(b)所示，包括：离子注入B^＋；硼推进；

c）采用标准压阻工艺在硅片上制作重掺杂接触区3，如图1(c)所示，包括：热氧化SiO₂光刻浓硼区，RIE SiO₂离子注入B^＋；硼推进；

d）制作引线孔（即接触孔）和金属引线5，如图1(d)所示，包括：

LPCVD（低压化学气相淀积）SiO₂，其厚度为正面光刻引线孔；RIE SiO₂溅射Al，厚度为0.8-1.0μm；光刻金属引线；湿法腐蚀Al；进行Al合金化工艺；

e）正面刻蚀压阻条6，如图1(e)所示，包括：

光刻压阻条区域；刻蚀SiO₂反应离子刻蚀Si 4μm；压阻条的高度由器件的离子注入后的离子的退火深度决定可以有不同的高度（压阻条的高度必须比离子注入退火后离子的扩散深度大，否则会造成器件短路）；

f）划片：该步骤将整个硅片切割成小片，每个小片是一个完整的压力计，每个硅片根据设计的压力计的大小不同可以分割出100到200个压力计小片。

上述制备工艺中，采取先在正面制作完成金属引线后进行压阻条制作的方式，能够避免完成压阻条制作以后再进行制作金属引线时由于正面压阻条高度差可能造成曝光困难的问题。

图2为压力传感器的整体结构示意图，主要由压阻条和金属pad构成。压敏电阻呈现长条状凸起分布于基片上，组合形状呈菱形排列，菱形中的压阻条分别沿着<100>和<110>晶向排列。金属pad和重掺杂的接触区位于菱形的4个端点处。

本发明的压力传感器中，压阻条的数目不限于图2中的数目，每个方向上的压阻条可以由多个相同方向的压阻条串联构成；压阻条的连接方式不限于图2中的菱形的连接方式，在保证每组压阻条所沿晶向不变并且压阻条串联方式不变的前提下压阻条可以任意排列。

上述实施例中的惠斯通电桥选择了闭环方式的压阻条的串联结构作例子说明，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，同样可以采用开环方式的压阻条串联结构。开环方式是指电路不构成一个环路，即电路多一个金属pad，在电路工作时只需把断开的环路通过外部电路连接即可，采用开环的目的是方便测试。图3(a)和图3(b)示意了两种开环的连接方式。

本发明的突出特点是惠斯通电桥的压敏电阻直接相连串联在一起，可以最大限度的降低压力传感器芯片的尺寸。

上述实施例仅用于说明本发明的原理而非构成限制，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以针对本发明中压阻条的结构和尺寸等特征做一定的变化和修改，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。