一種mems多晶硅納米膜壓力傳感器芯片及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種傳感器芯片及其制作方法，特別是涉及一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片及其制作方法。
【背景技術】
[0002]MEMS(微機電系統)壓力傳感器是利用半導體材料的壓阻效應和良好的彈性，用集成電路工藝和微機械加工技術制備的傳感器。具有體積小和靈敏度高的優點，是應用最為廣泛的傳感器之一。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，工藝穩定性要求高，因此，全球90%以上MEMS壓力傳感器都為硅壓阻式。
[0003]硅壓阻式壓力傳感器按加工工藝分為體硅微機械和面微機械加工技術兩種。體硅微機械(也稱擴散硅)技術特點是工藝成熟，但不易小型化和集成化。表面微機械加工技術(也稱犧牲層技術)特點是成本低、易集成和小型化。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控制領域的巨大市場對小型和集成化傳感器的需求，面微機械壓力傳感器蓬勃發展。
[0004]通常，面微機械壓力傳感器按結構分為平坦型和臺階型兩種。平坦型壓力傳感器密閉空腔是由對單晶硅襯底刻蝕的凹槽與平坦的多晶硅膜構成，臺階型壓力傳感器密閉空腔是由單晶硅襯底與凸型(感壓面與支撐面構成)的多晶硅膜構成。平坦型線性度好，臺階型靈敏度高。
[0005]面微機械加工的壓力傳感器力敏電阻一般采用普通多晶硅薄膜電阻(膜厚大于
0.3μπι)，該電阻溫度特性好，但靈敏度較擴散硅壓力傳感器低，因此，普通多晶硅薄膜制約了面微機械半導體壓力傳感器優越結構性能。
[0006]多晶硅納米膜是膜厚接近或小于lOOnm的多晶硅薄膜。厚度為80nm?lOOnm多晶硅納米薄膜在摻雜濃度為3X102() cm—3附近時具有顯著的隧道壓阻效應，表現出比常規多晶硅納米薄膜更優越的壓阻特性，應變因子可達到34，比普通多晶硅薄膜高25%以上；電阻溫度系數可小于10—4/°C，比普通薄膜小接近一個數量級；應變因子溫度系數可小于10—3/°C，比普通薄膜小一倍以上。該材料在體硅壓力傳感器中應用比普通多晶硅薄膜比較靈敏度明顯改善。
[0007]為了提高傳感器靈敏度，人們采用在SOI芯片上，以外延生長單晶硅為結構層，以S0I的二氧化硅為犧牲層，擴散硅為力敏電阻制造壓力傳感器。但由于采用S0I芯片，成本比單晶硅芯片大幅增加。
[0008]當前，面微機械壓力傳感器存在如下問題:
(1)由于面微機械壓力傳感器體積小和感壓膜薄，線性度稍差；
(2)面微機械壓力傳感器通常采用普通多晶硅薄膜為力敏電阻，與擴散硅相比，溫度特性好但靈敏度比低。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于提供一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片及其制作方法，本發明采用平坦型面微機械結構使傳感器的成本低、線性度高;采用多晶硅納米薄膜作為力敏電阻提高了靈敏度和溫度特性好;制備工藝與集成電路完全兼容，易集成化;采用合適腔體高度，提高過載能力;采用絕緣介質隔離擴大了工作溫度范圍。
[0010]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，所述芯片包括單晶硅襯底，在單晶硅襯底上設置剖面為平坦型的感壓膜，感壓膜與單晶硅襯底相連并在二者之間構成密閉空腔，感壓膜邊緣外四周設置有腐蝕孔，在感壓膜上面設有四個力敏電阻，四個力敏電阻通過金屬導線連接成惠斯通電橋，將壓力轉換成電壓輸出。
[0011]所述的一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，所述感壓膜、力敏電阻與金屬導線之間設有絕緣層。
[0012]所述的一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，所述空腔中形成真空。
[0013]所述的一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，所述力敏電阻為P型多晶硅納米膜電阻。
[0014]所述的一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，所述感壓膜為多晶硅，其俯視形狀為矩形或圓形。
[0015]—種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片制作方法，所述方法包括以下制備過程:
(1)采用熱氧化后腐蝕的方法在硅襯底上形成凹槽，在凹槽中淀積二氧化硅為犧牲層；
(2)淀積第一層多晶硅并退火，刻蝕腐蝕孔；
(3)通過腐蝕孔，選擇性濕法腐蝕去除犧牲層并干燥；
(4)淀積第二層多晶硅，密封腐蝕孔，并與第一層多晶硅形成感壓膜；
(5)在感壓膜上淀積或氧化形成絕緣層作為隔離層，再淀積多晶硅納米薄膜，硼離子離子注入雜質和退火，刻蝕完成4個多晶硅納米薄膜電阻；
(6 )刻引線孔，濺射金屬，刻蝕完成電氣連接。
[0016]本發明的優點與效果是:
1.對于本發明壓力傳感器，采用平坦型面微機械結構使傳感器的成本低、線性度高;采用多晶硅納米薄膜作為力敏電阻提高了靈敏度和溫度特性好;制備工藝與集成電路完全兼容，易集成化;采用合適腔體高度，提高過載能力;采用絕緣介質隔離擴大了工作溫度范圍。
[0017]2.本發明采用平坦型面微機械結構提高線性度和小型化，采用多晶硅納米膜為力敏電阻提高靈敏度，采用集成電路兼容工藝實現傳感器易集成。
[0018]3.本發明傳感器的主要結構由硅襯底、感壓膜、腔體、腐蝕孔和力敏電阻構成。感壓膜由多晶硅構成，腔體采用面微機械加工技術，即犧牲層技術，用氫氟酸通過腐蝕孔去掉二氧化硅犧牲層而成，用多晶硅封閉腐蝕孔，感壓膜和硅襯底構成封閉腔體，近似為真空。在感壓膜上淀積二氧化硅為絕緣層，然后，在感壓膜的邊緣和中心各設置兩個P型多晶硅納米薄膜力敏電阻，并連接成惠斯通電橋，電路采用恒壓源或恒流源供電。當壓力作用時，傳感器膜片都發生彎曲，膜片應變作用于力敏電阻產生壓阻效應，電橋輸出差動電壓信號與壓力值對應。當壓力在傳感器量程范圍時，傳感器輸出與壓力成線性關系的電壓值，當壓力超過量程達某一值時，傳感器的感壓膜與襯底接觸，減緩膜片應力隨壓力變化趨勢，保證大壓力下膜片不斷裂，提高過載能力。通過改變本發明傳感器膜片厚度和膜片尺寸，可設計出各種量程的壓力傳感器。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明傳感器俯視圖；
圖2是本發明傳感器剖面圖；
圖3是本發明第一次熱氧化工藝剖面圖；
圖4是本發明第二