专利摘要

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。

权利要求

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1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1、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LS SiN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LS SiN结构层的压力敏感位置；

③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℃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；

④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，LS SiN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LS SiN，再在LPCVD炉中淀积LTO；

c)第一次光刻LTO，后在38℃缓冲的BOE溶液中，腐蚀LTO，后在120℃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℃缓冲的BOE溶液中腐蚀PSG，后在120℃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LS SiN上所需要位置留下多晶硅力敏电阻条，后在120℃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40％HF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℃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；

4.铝布线

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LS SiN，然后溅射铝Al薄膜，第七次光刻Al，具体是在Al腐蚀液中腐蚀Al，后用去离子水冲洗10～20分钟，烘干；再在合金炉中在450℃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950-1200℃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1Kpa-1Mpa。

说明书

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，在随后微机械加工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 micromachining of silicon，P IEEE，1998，86(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100℃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，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450μm的标准四英寸的硅片，为获得100×100μm的压力传感器的敏感薄膜，对体微机械加工而言需要占用800×800μm硅片面积；而对表面微机械而言仅仅需要100×100μm的区域就够了。[Lin LW，Yun W J.Design，optimization andfabrication of surface micromachined pressure sensors，Mechatronics，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(LS SiN)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LS SiN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LS SiN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LS SiN膜区的中心位置，全部处在膜区的压应力区域，电阻条受压，被压缩，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℃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淀积由四乙氧基硅烷(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℃时为53.2Pa)，这样常温如25℃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；④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～1MPa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；10代表第二层低应力氮化硅；11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h为1.2μm，长矩形膜区的长边2b为360μm，短边2a为48μm，如图1(a)所示。多晶硅电阻厚度为0.4μm，阻值为5000欧姆，牺牲层厚度为2μm。

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)0.1～1μm；后进入低压汽相化学沉积(LPCVD)炉淀积低应力氮化硅(LS SiN)0.1～1μm，再在LPCVD炉中淀积低温氧化硅(LTO)1.0～2.0μm。第一次光刻LTO，后在38℃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℃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)0.1～1μm。再第二次光刻定义PSG的形状，在38℃BOE溶液中腐蚀PSG，后在120℃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 SiN1.2μm，然后再在LPCVD炉中淀积多晶硅薄膜(Poly)，厚度为0.4μm，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950℃～1200℃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120℃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40％HF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℃BOE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。烘干。

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 SiN0.1μm～0.2μm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0.6μm～1.2μm，第七次光刻Al，在Al腐蚀液中腐蚀Al，后用去离子水冲洗10～20分钟。烘干。在合金炉中高温450℃，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。

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购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。