CN112174085A - 一种高温压力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温压力传感器芯片及其制备方法，高温压力传感器芯片包括顶层硅结构和底层SOI结构；底层SOI结构由上至下依次分布的信号处理层硅、绝缘层氧化硅和感压层硅，顶层硅结构上设置有信号引出孔和位于下表面的压力腔，感压层硅的下表面设置有引压腔；信号处理层硅包括四个惠斯通电桥桥臂电阻R1、R2、R3、R4、四个惠斯通电桥电极E1、E2、E3、E4以及隔离键合层，信号处理层硅用于将压力信号转换为电信号。本发明提供的压力传感器基于SOI基底制成，使用氧化硅代替PN结作为其绝缘层，其最高使用温度达到500℃。

Description

一种高温压力传感器芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统领域，尤其涉及一种高温压力传感器芯片及其制备方法。

背景技术

压力传感器是在现代工业生产过程中经常用来检测设备和产品的性能及参数等，其广泛应用于各种工业生产、航空航天等各行业，其中硅压阻式压力传感器由于制作工艺简单、成本低、可靠性高等优点是目前应用最为广泛的一类压力传感器。

压力传感器芯片是传感器中直接感受到压力的器件，是传感器的核心部件。目前最为常用的PN结压阻压力传感器，而当工作温度超过120℃，压力芯片中的硅材料由于本征激发，其PN结会在高温下反向导电，所以不能在高于120℃的环境下进行压力测量。随着现代工业生产和航空航天及军事的应用领域的发展，高温环境下压力测量显得尤为是重要，常规的压阻压力传感器已经不能满足于这些领域的要求。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种高温压力传感器芯片及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种高温压力传感器芯片，包括顶层硅结构和底层SOI结构；所述底层SOI结构由上至下依次分布的信号处理层硅、绝缘层氧化硅和感压层硅，所述顶层硅结构上设置有信号引出孔和位于下表面的压力腔，所述感压层硅的下表面设置有引压腔；所述信号处理层硅包括四个惠斯通电桥桥臂电阻R1、R2、R3、R4、四个惠斯通电桥电极E1、E2、E3、E4以及隔离键合层，信号处理层硅用于将压力信号转换为电信号。

根据一种可能的设计，顶层硅结构采用硅晶圆或者玻璃晶圆制成。

根据一种可能的设计，隔离键合层为氮化硅的绝缘薄膜或者氧化硅。

根据本发明的另一个方面，提供了一种高温压力传感器芯片的其制备方法，包括步骤S101，清洗硅晶圆或者玻璃晶圆，以及SOI晶圆；步骤S102，热氧化，将硅晶圆或玻璃晶圆，SOI晶圆进行双面热氧化；步骤S103，制备惠斯通桥臂电阻；步骤S104，SOI正面平坦化；步骤S105，制备底层SOI结构背面的引压腔；步骤S106，制备金属电极；步骤S107，制备压力腔；步骤S108，制备信号引出孔；步骤S109，键合；步骤S110，划片；步骤S111，贮存。

根据一种可能的设计，所述步骤S101具体包括：使用丙酮及酒精分别将硅晶圆或者玻璃晶圆，以及SOI晶圆超声清洗干净，并用氮气吹干。

根据一种可能的设计，所述步骤S103包括：将底层SOI结构正面，进行重掺杂形成，掺杂后顶层硅要求为5Ω/□～20Ω/□；掺杂完成后，对其正面进行图形化，使用ICP的方式刻蚀顶层硅，要求刻蚀到绝缘层氧化硅处。

根据一种可能的设计，所述步骤S105具体包括：将底层SOI结构背面图形化，使用腐蚀液对硅背面进行腐蚀，形成引压腔。

根据一种可能的设计，所述步骤S107具体包括：将硅晶圆背面图形化，使用腐蚀液对硅背面进行腐蚀，形成压力腔。

根据一种可能的设计，所述步骤S108具体包括：将硅晶圆正面图形化，使用ICP进行深硅刻蚀，形成信号引出孔。

本发明提供的压力传感器基于SOI基底制成，使用氧化硅代替PN结作为其绝缘层，其最高使用温度达到500℃。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种压阻芯片结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种压阻芯片电桥示意图；

附图标记说明：

11-顶层硅结构，12-底层SOI结构；

111-信号引出孔，112-压力腔；

121-信号处理层硅，122-绝缘层氧化硅，123-感压层硅，1231-引压腔。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1-2，本发明实施例提供一种高温压力传感器芯片，包括顶层硅结构11和底层SOI结构12，所述底层SOI结构12由上至下依次分布的信号处理层硅121、绝缘层氧化硅122和感压层硅123，所述顶层硅结构11上设置有信号引出孔111和位于下表面的压力腔112，所述感压层硅123的下表面设置有引压腔1231。

所述信号处理层硅121包括四个惠斯通电桥桥臂电阻R1、R2、R3、R4、四个惠斯通电桥电极E1、E2、E3、E4以及隔离键合层29。采用ICP刻蚀的方式形成惠斯通电桥，在刻蚀过程要求刻蚀至氧化硅绝缘层122处。所述感压层硅123的下表面设置有引压腔1231。感压层硅123是直接感受压力的部分，引压腔1231直接感受压力，绝缘层氧化硅122将信号处理层硅121和感压层硅123隔离开，起到电绝缘的作用，代替传统压阻芯片结构的PN结绝缘层结构，信号处理层硅121用于将压力信号转换为电信号。

因为惠斯通电桥是采用刻蚀工艺形成，刻蚀后信号处理层硅表面处于凹凸不平状态，因此在顶层硅结构和底层SOI结构键合形成绝压腔之前,需要对信号处理层硅上进行平坦化处理。惠斯通电桥刻蚀完成后，采用CVD方法在SOI上表面沉积氧化硅，氧化硅厚度要大于SOI顶层硅厚度，然后对SOI上表面进行减薄，CMP抛光，使SOI上表面的平面度及粗糙度能够达到键合的要求。最后，将SOI与顶层硅进行键合形成绝压腔。

在一个示例中，顶层硅结构11采用硅晶圆或者玻璃晶圆制成，如果采用玻璃晶圆其键合方式可采用阳极键合方式。

本发明实施例还提供一种高温压力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤S101，清洗。选用4寸或者6寸的硅晶圆或者玻璃晶圆，以及SOI晶圆，其中，硅晶圆或者玻璃晶圆用于制备顶层硅结构11，SOI晶圆用于制备底层SOI结构12，SOI晶圆要求其信号处理层硅121为P(100)型，厚度范围为1～2μm之间，绝缘层氧化硅122的厚度范围为1～2μm之间，使用丙酮及酒精分别将其超声清洗干净，并用氮气吹干。

步骤S102，热氧化。将硅晶圆或玻璃晶圆，SOI晶圆进行双面热氧化，氧化层厚度范围为47-53nm，优选的，氧化层厚度为50nm。

步骤S103，制备惠斯通桥臂电阻。将底层SOI结构12正面，进行重掺杂形成，掺杂后顶层硅要求为5Ω/□～20Ω/□。掺杂完成后，对其正面进行图形化，使用ICP的方式刻蚀顶层硅，要求刻蚀到绝缘层氧化硅122处。

步骤S104，SOI正面平坦化。使用PECVD在底层SOI结构12正面沉积低应力氧化硅，氧化硅的厚度要求大于信号处理层硅121的厚度，且氧化硅的厚度与信号处理层硅121的厚度差值在2μm以上，氧化硅沉积完成后，首先进行减薄，然后使用CMP对其进行抛光，保证SOI正面的平面度及粗糙度能够达到键合要求，即形成隔离键合层29。

步骤S105，制备底层SOI结构12背面的引压腔1231。将底层SOI结构12背面图形化，使用腐蚀液对硅背面进行腐蚀，形成引压腔1231。

步骤S106，制备金属电极。将顶层硅结构11的正面图形化，采用物理真空沉积的方法沉积,依次沉积Cr、Pt薄膜，形成Pt金属电极，其中Cr的厚度范围为30～50nm，Pt的厚度范围为100～300nm。金属电极制备完成后在真空环境先对其进行退火，使其和信号处理层硅121之间形成欧姆接触。

步骤S107，制备压力腔。将硅晶圆背面图形化，使用腐蚀液对硅背面进行腐蚀，形成压力腔112。

步骤S108，制备信号引出孔。将硅晶圆正面图形化，使用ICP进行深硅刻蚀，形成信号引出孔111。

步骤S109，键合。将硅晶圆和SOI晶圆在真空的环境下进行键合。

步骤S110，划片。键合完成后使用划片机进行划片，将整个晶圆切割成单个的高温压阻芯片。

步骤S111，贮存。将划片完成的芯片，存放于干燥柜或氮气柜中备用。

在一个示例中，惠斯通电桥之间的隔离键合层29可以使用氧化硅的绝缘薄膜，也可以使用氮化硅的绝缘薄膜。

在一个示例中，压力腔和信号引出孔用的晶圆不仅可以采用硅晶圆，也可以采用玻璃晶圆，如果采用玻璃晶圆其键合方式可采用阳极键合方式；

在一个示例中，惠斯通电桥不仅可以采用全桥的方式也可以采用开桥的方式；

在一个示例中，芯片即可以无温补偿结构，也可以在芯片上制备温补电阻，形成具有温补功能的高温压阻芯片。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高温压力传感器芯片，其特征在于，包括顶层硅结构(11)和底层SOI结构(12)；

所述底层SOI结构(12)由上至下依次分布的信号处理层硅(121)、绝缘层氧化硅(122)和感压层硅(123)，所述顶层硅结构(11)上设置有信号引出孔(111)和位于下表面的压力腔(112)，所述感压层硅(123)的下表面设置有引压腔(1231)；

所述信号处理层硅(121)包括四个惠斯通电桥桥臂电阻R1、R2、R3、R4、四个惠斯通电桥电极E1、E2、E3、E4以及隔离键合层(29)，信号处理层硅(121)用于将压力信号转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的高温压力传感器芯片，其特征在于，顶层硅结构(11)采用硅晶圆或者玻璃晶圆制成。

3.根据权利要求1所述的高温压力传感器芯片，其特征在于，隔离键合层(29)为氮化硅或者氧化硅的绝缘薄膜。

4.一种如权利要求1-3任一所述的高温压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括：

步骤S101，清洗硅晶圆或者玻璃晶圆，以及SOI晶圆；

步骤S102，热氧化，将硅晶圆或玻璃晶圆，SOI晶圆进行双面热氧化；

步骤S103，制备惠斯通桥臂电阻；

步骤S104，SOI正面平坦化；

步骤S105，制备底层SOI结构(12)背面的引压腔(1231)；

步骤S106，制备金属电极；

步骤S107，制备压力腔(112)；

步骤S108，制备信号引出孔(111)；

步骤S109，键合；

步骤S110，划片；

步骤S111，贮存。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S101具体包括：

使用丙酮及酒精分别将硅晶圆或者玻璃晶圆，以及SOI晶圆超声清洗干净，并用氮气吹干。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S103包括：

将底层SOI结构(12)正面，进行重掺杂形成，掺杂后顶层硅要求为5Ω/□～20Ω/□；

掺杂完成后，对其正面进行图形化，使用ICP的方式刻蚀顶层硅，要求刻蚀到绝缘层氧化硅(122)处。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S105具体包括：

将底层SOI结构(12)背面图形化，使用腐蚀液对硅背面进行腐蚀，形成引压腔(1231)。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S107具体包括：

将硅晶圆背面图形化，使用腐蚀液对硅背面进行腐蚀，形成压力腔(112)。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S108具体包括：

将硅晶圆正面图形化，使用ICP进行深硅刻蚀，形成信号引出孔(111)。

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