一种基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片及制作方法
专利汇可以提供一种基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片及制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种基于表面微 机械加工 的绝对压 力 传感器 芯片及制作方法，其特征是采用由低 应力 的氮化 硅 薄膜 作为 压力传感器 芯片的核心结构层， 多晶硅 薄膜形成力敏 电阻 条。将低应力的氮化硅薄膜膜区设计为长矩形，根据膜区的 应力分布 ，充分利用多晶硅电阻条的纵向压阻效应，以及尽量利用膜上张应力的区域，将一对电阻条的一部分放到了薄膜的外面，另外两个电阻条布置在膜的中心 位置 。并将每个电阻条的打折的弯 角 部分开 接触 孔淀积金属将其导通。采用与IC工艺兼容 表面微机械加工 工艺，可以制作量程从1KPa～1MPa高灵敏度， 稳定性 佳，高 精度 的绝对压力传感器芯片。，下面是一种基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片及制作方法专利的具体信息内容。
1、一种基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片，其特征是采用由低应力的氮化硅薄膜作为压力传感器芯片的结构层，多晶硅薄膜淀积在低应力的氮化硅薄膜上；多晶硅薄膜形成力敏电阻条；低应力氮化硅薄膜的膜区设计为长矩形，利用多晶硅电阻条的纵向压阻效应，将一对电阻条的一部分放到了薄膜的外面，四个等值的电阻条构成惠斯登检测电路。
2、 按权利要求l所述的基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片，其 特征在于所述的四个等值的电阻条中两个电阻条分布在长矩形膜区的长边 上，处于张应力区域，另外两个电阻条布置在膜区的中心位置，处在膜区的 压应力区域。
3、 按权利要求1或2所述的基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片， 其特征在于每个电阻条的打折的弯曲部分的应力与电阻条所受的应力相反。
4、 按权利要求3所述的基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片，其 特征在于在电阻条的打折的弯曲处通过开接触孔的方式，并在孔中淀积金属 将其导通，提高灵敏度。
5、 制作如权利要求l、 2或3所述的基于表面微机械加工的绝对压力传感 器芯片的制作方法，其特征在于与IC工艺兼容，采用LPCVD淀积的低应力氮 化硅薄膜作为芯片的结构层，在上面用LPCVD淀积多晶硅薄膜，硼扩散或离 子注入，高温退火后激活杂质，干法腐蚀后在低应力氮化硅的敏感位置形成 力敏电阻条，再由金属引线形成惠斯登检测电路；具体包括以下步骤：① 构建牺牲层在高温氧化和氮化后的硅片上，相继采用LPCVD方法淀积 LTO和PSG，腐蚀后形成牺牲层，其中PSG作为腐蚀通道；② 然后定义多晶硅力敏电阻条，用LPCVD淀积LS SiN薄膜作为压力传感 器芯片的结构层，在LSSiN薄膜上用LPCVD淀积多晶硅薄膜，通过硼扩散或 硼离子注入使得多晶硅掺杂，高温退火使掺杂物激活后，腐蚀形成四个突出 的多晶硅的力敏电阻条，布置在LSSiN结构层的压力敏感位置；(D形成绝对压力测试的真空参考腔，在LS SiN结构层上用反应离子刻蚀 的方法，腐蚀出释放牺牲层的腐蚀孔，将硅片浸泡在浓氢氟酸溶液中，控制 时间，完全腐蚀掉LTO和PSG的牺牲层，使其位置变成空腔。再用LPCVD淀 积由四乙氧基硅烷为硅源分解生成的氧化硅封住腐蚀孔，25。C时，密闭的腔体内气压接近于绝对压力传感器的真空参考腔；©铝布线，在多晶硅的力敏电阻条上用LPCVD中淀积薄的LS SiN作为绝缘层，开接触孔后，溅射金属层，腐蚀后通过合金化完成金属引线； ⑤最后划片，贴片和检测，封装；所述的LPCVD为低压化学气相沉积，LTO为低温氧化硅，PGS为掺磷的 低温氧化硅，LSSiN为低应力氧化硅。
6、按权利要求5所述的基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片的制 作方法，其特征在于[1. 构建牺牲层a) 对初始的双抛或单抛面的硅片，进行清洗，后用去离子水冲洗10~20 分钟并用甩干机脱水、烘干；b) 将步骤a处理后的硅片放在氧化炉中热氧化；后进入LPCVD炉淀积 LSSiN，再在LPCVD炉中淀积LTO;c) 第一次光刻LTO ，后在38'C缓冲的BOE溶液中，腐蚀LTO ，后在 12(TC的浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，经清洗后，用去离子水冲洗10〜20 分钟，烘干后进入LPCVD炉中生长PSG;d) 再第二次光刻定义PSG的形状，在38。C缓冲的BOE溶液中腐蚀PSG， 后在120。C的浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，再标准清洗，用去离子水冲 洗10~20分钟；[2. 定义多晶硅力敏电阻条a) 将步骤1清洗烘干后的硅片进入LPCVD炉中生长LS SiN，然后再 在LPCVD炉中淀积多晶硅薄膜，通过硼扩散或硼离子注入使多晶硅薄膜掺 杂并激活；b) 第三次光刻形成多晶硅电阻条的形状，是采用干法电感耦合的等离子 体刻蚀工艺在LSSiN上所需要位置留下多晶硅力敏电阻条，后在12(TC的浓 硫酸中去胶，去离子水冲洗后，经清洗后，用去离子水冲洗10〜20分钟；[3. 形成绝对压力测试的真空参考腔a)将步骤2烘干后的硅片第四次光刻定义腐蚀孔，采用反应离子腐蚀方 法刻蚀LS SiN ，再在体积百分浓度为40XHF中，牺牲层腐蚀5分钟〜30 分钟，用去离子水冲洗10〜20分钟；并在去离子水中浸泡10小时〜20小时，经清洗后，用去离子水冲洗10〜20分钟；b) 烘干后进入LPCVD炉中生长由四乙氧基硅烷为硅源分解的氧化硅封 住腐蚀孔；c) 第五次光刻定义硅源分解的氧化硅栓，在38"C缓冲的BOE溶液中腐 蚀硅源分解的氧化硅，最后用去离子水冲洗10〜20分钟，经清洗后，用去离 子水冲洗10〜20分钟。烘干；形成接近绝对压力传感器的真空参考腔； a) 将步骤4烘干后的片子进入LPCVD炉中生长LS SiN绝缘层；b) 第六次光刻定义接触孔，用反应离子刻蚀方法刻蚀LSSiN ，然后溅 射铝A1薄膜，第七次光刻A1，具体是在A1腐蚀液中腐蚀A1，后用去离子水 冲洗10〜20分钟，烘干；再在合金炉中在450。C和氮气保护下合金化；所述的缓冲BOE溶液是体积比为7:1的氨水和氢氟酸的溶液。
7、 按权利要求5或6所述的基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片的 制作方法，其特征在于在步骤3形成绝对压力测试的真空参考腔中接近绝对压 力的真空参考腔的气压小于15Pa。
8、 按权利要求5或6所述的基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片的 制作方法，其特征在于掺杂物的激活条件是950-120(TC氮气保护下，退火 40- 60分钟。
9、 按权利要求5或6所述的基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片的 制作方法，其特征在于制备的绝对压力传感器芯片的量程为lKpa-lMpa。
一种基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片及制作方法 技术领域
本发明涉及提供一种基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片及制作 方法，更确切地说提供一种以低应力氮化硅薄膜作为结构层，多晶硅薄膜形 成力敏电阻而采用表面微机械加工的绝对压力传感器芯片及制作方法，属于 硅微机械传感器技术领域。 背景技术
压阻式压力传感器出现于上世纪六十年代，在随后微机械加丄技术的发 展使得敏感元件微型化，传感器生产批量化、低成本化，确立了在压力测量 领域的主导地位，较之传统的膜合电位计式，力平衡式，变电感式，变电容 式，金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进得多，具有灵敏度高、 响应速度快、可靠性好、精度较高、低功耗、易于微型化与集成化等一系列 优点。在以大规模集成电路和计算机软件技术介入为特色的智能传感器中， 由于它能做成单片式多功能复合敏感元件而构成智能传感器的基础。
传统的压阻式压力传感器采用扩散或离子注入的方法，掺杂获得4个硅 应变电阻，在单晶硅片正面上构成惠斯顿电桥的应力敏感检测模式，电阻和 衬底之间一般形成pn结隔离。为了满足测试量程的需要，背面一般采用氢氧 化钾腐蚀减薄，也就是常称为体微机械加工。为制作绝对压力传感器，必须 先采用两块硅片预加工后，经高温键合形成真空腔，然后抛光减薄至所需要 的厚度，再在键合体的正面通过体微机械加工，形成所需要的图形，以构成 检测电路[Kovacs GTA， Maluf NI, Petersen KE . Bulk micromachming of silicon P/五肌7戰86( 8 ): 1536〜1551】。
然而，所述的基于体微机械加工的绝对压力传感器芯片制作上有如下的 缺点：首先：通电后的电阻和硅衬底之间是pn结隔离，当器件温度在10(TC 以上时，pn结漏电流很大，使器件无法工作，因此无法满足中高温度环境下
压力测试的使用。其二：为获得绝对压力测试的真空参考腔，必须两块硅片
预加工后，在真空环境下高温键合，并必须再抛光减薄，因此初始成本高，
5工序繁多。其三：体微机械加工的压力传感器，必须对硅片背部进行各向异 性湿法深腐蚀，减薄后满足低量程测试的需求，这样浪费了硅片上大量的面 积，使得硅片的利用面积远远小于表面微机械加工。例如：对一片厚度为
45(Him的标准四英寸的硅片，为获得100x100pm的压力传感器的敏感薄膜， 对体微机械加工而言需要占用800x800iam硅片面积；而对表面微机械而言仅 仅需要100x lOOjam的区域就够了 。 [Lin LW, Yun W J. Design, optimization and fabrication of surface micromachined pressure sensors, Mec/z"/row/c-?， 1998, 8:505 — 519， 1998]。其四：体微机械加工的压力传感器芯片为满足封装的需 要，还必须和专用的玻璃（例如，型号为Pyrex 7740)进行静电键合以增加 封装强度，才能满足实际测试需要；而表面微机械加工的压力传感器芯片面 积可以很小，更兼容于现有的微电子封装技术，如倒装焊接（Flip chip)等 贴片封装，使得无论是芯片制作成本，还是后期的封装成本都远远小于体微 机械加工的压力传感器芯片。最为重要的是：体微机械加工的压力传感器的 工艺与现有的集成电路（IC)工艺不兼容，因此芯片无法与信号调节电路， 微处理器等集成在一起，而表面微机械加工的压力传感器芯片工艺与IC工 艺相兼容，可以将信号调节电路，微处理器等集成在一起，而且可以将其他 测试功能用同样的工艺集成在一起，如加速度测试，温度测试等，使得芯片 多功能化，更符合目前测试系统集成化，小型化和低成本化的发展要求。 发明内容
基于上面所述的基于体微机械加工的绝对压力传感器芯片制作上的缺 点，本发明的目的在于提供一种基于表面微机械加工的压力传感器芯片以及 制作方法。
具体地说，本发明采用由低应力的氮化硅（LSSiN)薄膜作为压力传感 器芯片的核心结构层，多晶硅薄膜淀积在LSSiN薄膜上，通过结构和位置的 优化设计，干法腐蚀制作形成力敏电阻条。
为提高输出灵敏度，将LS SiN薄膜的膜区设计为长矩形，如图1所示。根 据膜区的应力分布图，如图2所示，充分利用多晶硅电阻条的纵向压阻效应， 尽量利用LS SiN膜上张应力的部分，将一对电阻条的一部分放到了LS SiN薄 膜的外面，这样既保证了四个等值的电阻条构成惠斯登检测试电路，又使得 两个电阻条分布在LSSiN膜区的长边上，全部处于张应力区域，受到张应力作用使得电阻条被拉长，电阻变大。另外两个电阻条布置在LSSiN膜区的中 心位置，全部处在膜区的压应力区域，电阻条受压，被压縮，长度变短从而 电阻变小，这样当膜区受到外在压力作用时，产生变形，引起一对电阻条阻 值变大，另外一对电阻条阻值变小，在电压的激励下，输出端有电压差，通 过检测输出的电压可以检测出外部压力大小。同时由于每个电阻条的打折的 弯角处的应力与电阻条所受的应力相反，降低了信号输出；为了提高输出灵
敏度，在制作加工时，通过开接触孔的方式淀积金属将其导通，这样灵巧的
设计大大提高了输出灵敏度，如图3和4所示。
本发明听歌的压力传感器芯片是采用与IC工艺兼容的表面微机械加工 的方法制作，具体是①首先构建牺牲层，在高温氧化和氮化后的硅片上，相 继采用低压化学汽相淀积（LPCVD)方法淀积低温氧化硅（LTO)和掺磷的 低温氧化硅（PSG)，腐蚀后形成牺牲层，其中PSG作为腐蚀通道；②然后 定义多晶硅力敏电阻条，用LPCVD淀积低应力的氮化硅（LS SiN)薄膜作 为压力传感器芯片的核心结构层，在其上用LPCVD淀积多晶硅薄膜，通过 硼扩散或硼离子注入使得多晶硅掺杂，高温退火使得掺杂物激活后，腐蚀形 成四个突出的多晶硅的力敏电阻，精确地布置在LS SiN结构层的压力敏感 位置；掺杂物高温激活的条件为950-1200"C氮气保护下，退火40-60分钟； ③形成绝对压力测试的真空参考腔，如图5 (c)所示，在LS SiN结构层上 用反应离子刻蚀（RIE)的方法，腐蚀出释放牺牲层的腐蚀孔，将硅片浸泡 在浓氢氟酸溶液中，精确地控制时间，完全腐蚀掉LTO和PSG的牺牲层， 使其位置变成空腔；再用LPCVD淀积由四乙氧基硅垸（Si(OC2H5)4)为硅 源分解生成的氧化硅 （TEOS)封住腐蚀孔，由于LPCVD生长TEOS时炉 管中的气压很低（720"C时为53.2Pa)，这样常温如25"C时，密闭的腔体内 气压小于15Pa，接近于绝对压力传感器的真空参考腔；©铝布线，在多晶硅 电阻上用LPCVD中淀积薄的LS SiN作为绝缘层，开接触孔后，溅射金属层， 腐蚀后通过合金化完成金属引线；⑤最后划片，贴片和检测，封装。
综上所述，本发明提供的一种基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯 片及制作方法，可以提供高灵敏度，稳定性佳，高精度的绝对压力传感器芯 片，通过对敏感膜区结构的关键尺寸进行适当的修改，可以获得量程从 1KPa〜lMPa的绝对压力传感器芯片，其制作方法与IC工艺兼容，可以和信号调节电路，微处理器，以及其他测试功能集成在一起，大批量低成本制作，
其特征是采用LPCVD淀积的低应力氮化硅薄膜作为结构薄膜，LPCVD淀积 的多晶硅电阻作为力敏电阻，构成惠斯登检测电路，避免了体微机械加工的 压力传感器芯片电阻和衬底pn结隔离而造成的漏电流现象等，使得传感器性 能更加稳定，精度更高，成本更小更容易集成等优点。 附图说明
图1给出的是长矩形薄膜的结构示意图（a)俯视图，（b)长矩形薄膜的 结构的一部分
图2给出的是长矩形薄膜应力分布图
图3是所设计的压力传感器芯片电阻布置图
图4是所设计的压力传感器芯片电阻的应力变化
图5给出的是基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片制作工艺流程
图
图6所制作的压力传感器芯片照片
图中1代表金属引线；2代表多晶硅电阻打折的弯角部分；3代表长矩形 低应力氮化硅薄膜；4代表多晶硅电阻条；5代表原始硅片；6代表高温氧化 硅；7代表第一层低应力氮化硅；8代表掺磷的低温氧化硅；9代表低温氧化 硅；IO代表第二层低应力氮化硅；ll代表多晶硅电阻条；12代表真空腔；13 代表第二层低应力氮化硅；14代表金属连线；15代表四乙氧基硅烷 (Si(OC2H5)4)为硅源分解生成的氧化硅（TEOS); 16代表位移处牺牲层 而开的腐蚀孔，后由TEOS堵塞；17代表电阻的打折弯角，用金属导通；18 代表多晶硅电阻；19代表低应力氮化硅薄膜。 具体实施方式
下面通过具体实施进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但本 发明决非仅仅限于所述的实施例。
量程为450KPa的基于表面微机械加工的绝对压力传感器芯片及制作方 法：所设计LS SiN结构层厚度/z为1.2pm，长矩形膜区的长边26为360pm， 短边2"为48pm，如图l (a)所示。多晶硅电阻厚度为0.4|_tm，阻值为5000 欧姆，牺牲层厚度为2pm。 具体实施步骤是：1. 构建牺牲层，
如图5 (a)所示，由于表面微机机械加工仅仅在单面加工，初始硅 片是双抛或单抛面的硅片都可以，对厚度和晶向没有要求，首先对所用硅
片进行标准清洗，后用去离子水冲洗10〜20分钟并用甩干机中脱水，烘干。 在氧化炉中热氧化（Oxide) 0.1~lpm;后进入低压汽相化学沉积 (LPCVD)炉淀积低应力氮化硅（LSSiN) 0.1〜1(im，再在LPCVD炉中 淀积低温氧化硅（LTO) 1.0~2.0pm。第一次光刻LTO ，后在38"C缓冲的 氢氟酸（BOE，氨水与氢氟酸的体积比为7:1)腐蚀LTO ，后在120°C 的浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，再标准清洗，用去离子水冲洗10〜20 分钟，烘干后进入LPCVD炉中生长掺磷的低温氧化硅（PSG) 0.1〜l|im。 再第二次光刻定义PSG的形状，在38°CBOE溶液中腐蚀PSG，后在120 。C的浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，再标准清洗，用去离子水冲洗10〜20 分钟，。
2. 定义多晶硅力敏电阻
如图5(b)所示，将清洗烘干后的硅片进入LPCVD炉中生长LS SiN 1.2pm，然后再在LPCVD炉中淀积多晶硅薄膜（Poly)，厚度为0.4pm， 通过硼扩散或硼离子注入使多晶硅薄膜掺杂，为激活杂质和消除扩散或注 入引起的缺陷，并使杂质均匀分布，将硅片在高温95(TC〜120(TC氮气保 护下，退火40分钟〜60分钟。第三次光刻Poly硅力敏电阻条的形状，采 用干法电感耦合的等离子体刻蚀ICP在LS SiN上所需要位置留下Poly硅 的力敏电阻条，后在12(TC的浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，再标准清 洗后，用去离子水冲洗10〜20分钟。
3. 形成绝对压力测试的真空参考腔
如图5 (c)所示，将烘干后的硅片第四次光刻定义腐蚀孔，采用活 动离子腐蚀RIE刻蚀LS SiN ，再在40XHF牺牲层腐蚀5分钟〜30分 钟，用去离子水冲洗10〜20分钟，并在去离子水中浸泡10小时〜20小时， 再标准清洗后，用去离子水冲洗10〜20分钟。烘干后进入LPCVD炉中生 长由四乙氧基硅烷（Si(OC2H5)4)为硅源分解的TEOS封住腐蚀孔。第五 次光刻定义TEOS栓，在38'CBOE腐蚀TEOS，后用去离子水冲洗10〜20 分钟，再标准清洗后，用去离子水冲洗10〜20分钟。烘千。4. 铝布线
如图5 (d)所示，将烘干后的片子进入LPCVD炉中生长LS SiN 0.1pm〜0.2)im绝缘层。第六次光刻定义接触孔，用RIE刻LS SiN ，后 溅射铝Al薄膜0.6^im〜1.2pm，第七次光刻Al，
在A1腐蚀液中腐蚀A1，后用去离子水冲洗10〜20分钟。烘干。在合金炉 中高温45(TC，氮气保护下合金化；
5. 划片，贴片和检测。划片后的芯片照片如图6所示。
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