一种硅压阻式压力传感芯片及其制备方法

技术领域

本申请属于压力传感器技术领域，具体而言，涉及一种硅压阻式压力传感芯片及其制备方法。

背景技术

目前，传统的普通压阻式压力传感芯片在使用工程中，待测量的气体或液体等压力源直接作用于单晶硅敏感电阻产生形变，从而完成对压力的测试。在这种情况下，芯片的最大工作温度为125℃，导致芯片在高温下工作漏电流情况严重。此外，用于测试的压力敏感电阻元件也容易发生变形或被某些液体压力源腐蚀，导致芯片失效。为了解决这一问题，仅仅通过改变压力敏感电阻的耐久性来增强芯片的寿命和有效性并不理想，还会大大增加研制成本。

SOI晶圆是在顶层硅和衬底之间引入了一层埋氧化层，使得顶层硅与衬底之间实现了绝缘，提高了器件的可靠性。另外，由于SOI晶圆的高温特性使得其成为制备高温压力传感器的理想材料。高能氧离子注入技术(SIMOX)是制造SOI材料的主流方法，它是通过将氧离子注入到衬底，与硅发生反应形成二氧化硅绝缘层，得到SOI晶圆结构。这种方法虽然能形成比较均匀的埋层氧化物，但厚度通常不超过240nm，耐高温性能一般。而且由于注入能量很高，容易损坏二氧化硅绝缘层，使器件失效，从而影响芯片的良品率，增加成本。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺点，本申请的目的在于提供一种硅压阻式压力传感芯片及其制备方法，以克服现有压力传感器存在寿命不长、不耐高温、在高温下工作漏电流情况严重等问题。

本申请为了解决上述的技术问题所采用的技术手段是：

本申请中提供一种硅压阻式压力传感芯片，包括：

锥形晶圆层；

硅弹性膜片，所述硅弹性膜片设置于所述锥形晶圆层的上方；

二氧化硅绝缘层，所述二氧化硅绝缘层安装于所述硅弹性膜片的上方；

封盖晶圆层，所述封盖晶圆层设置于所述二氧化硅绝缘层，且所述封盖晶圆层与所述二氧化硅绝缘层之间具有参考压力腔；

压力敏感单晶硅，所述压力敏感单晶硅安装于所述二氧化硅绝缘层，且所述压力敏感单晶硅位于所述参考压力腔的内部；

欧姆接触金属层，所述欧姆接触金属层安装于所述二氧化硅绝缘，且所述欧姆接触金属层位于所述参考压力腔的外部。

优选地，所述欧姆接触金属层的厚度为0.8μm-1.2μm，所述压力敏感单晶硅的厚度为0.32～0.7μm，所述二氧化硅绝缘层的厚度为1-3μm。

优选地，所述参考压力腔填充空气或者真空。

优选地，所述压力敏感单晶硅上设置有四个电阻，四个电阻形成一个惠斯敦电桥结构。

优选地，所述电阻宽度为5μm-15μm，长度为1000μm-1500μm。

本申请还提供一种如上述任一项所述的硅压阻式压力传感芯片的制备方法，包括步骤：

S1：一定剂量的H+注入到覆盖有氧化层的硅片中至所需深度，得到具有微空腔的二氧化硅绝缘层和硅衬底的两层结构；

S2：在S1步骤得到的两层结构上，将其和另一覆盖有氧化层的硅片低温键合，再得到上层硅衬底、二氧化硅绝缘层、下层硅衬底的三层结构；

S3：在S2步骤得到的三层结构上，退火剥离硅衬底至注氢位置，得到SOI晶圆结构；

S4：在S3步骤得到的SOI晶圆结构上,利用CMP抛光，得到表面光滑的SOI晶圆结构；

S5：在S4步骤得到的SOI晶圆结构上，用等离子刻蚀方法将SOI晶圆结构的压力敏感单晶硅刻成沿晶向分布的电阻条；

S6：在S5步骤得到的SOI晶圆结构上,采用KOH腐蚀法在下层硅片上腐蚀出一个方形深槽，得到硅弹性膜片，此外，锥形晶圆层也采用KOH腐蚀法形成；

S7：在S6步骤得到的SOI晶圆结构上，将SOI晶圆结构与锥形晶圆层直接键合；

S8：在S7步骤得到的SOI晶圆结构上，采用真空溅射和LIFT-OFF相结合的方法，在SOI晶圆结构上方两侧得到耐高温欧姆接触多层金属膜；

S9：在S8步骤得到的SOI晶圆结构上，把封盖晶圆片用玻璃浆料法与SOI晶圆结构键合，形成一个参考压力腔，最后通过划片得到硅压阻式压力传感芯片。

优选地，在所述S2步骤中，所述二氧化硅绝缘层的厚度在1～3μm。

与现有技术相比，本申请通过智能剥离技术得到的SOI晶圆具有厚度相对更高的二氧化硅层，从而使芯片具有更高的耐高温性能，此外，硅弹性膜片能够防止压力直接接触单晶硅敏感电阻，长时间使用导致芯片破损失效，这种结构能够有效解决芯片的寿命不长和老化的问题。

一般的压力传感器芯片的工作温度最高能达到125℃，但采用本申请的智能剥离SOI晶圆的硅压阻式压力传感芯片则可承受高达225℃的工作温度，有效防止漏电流现象发生，保护膜片，减少失效情况的产生。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本申请的硅压阻式压力传感芯片的结构示意图。

图2为本申请的智能剥离技术制备SOI晶圆的结构示意图。

图3为现有高能注氧技术制备SOI晶圆的结构示意图。

图4为现有压阻式压力传感芯片的结构示意图。

标记说明：

1、二氧化硅绝缘层；2、压力敏感单晶硅；3、参考压力腔；4、封盖晶圆层；5、欧姆接触金属层；6、硅弹性膜片；7、锥形晶圆层；8、待测压力腔；9、二氧化硅层；10、单晶硅层；11、硅衬底；12、压力敏感电阻；13、衬底；14、引脚；15、导线。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本实施例中提供一种硅压阻式压力传感芯片，包括锥形晶圆层7、硅弹性膜片6、二氧化硅绝缘层1、封盖晶圆层4、压力敏感单晶硅2和欧姆接触金属层5；所述硅弹性膜片6设置于所述锥形晶圆层7的上方；所述二氧化硅绝缘层1安装于所述硅弹性膜片6的上方；所述封盖晶圆层4设置于所述二氧化硅绝缘层1，且所述封盖晶圆层4与所述二氧化硅绝缘层1之间具有参考压力腔3；所述压力敏感单晶硅2安装于所述二氧化硅绝缘层1，且所述压力敏感单晶硅2位于所述参考压力腔3的内部；所述欧姆接触金属层5安装于所述二氧化硅绝缘，且所述欧姆接触金属层5位于所述参考压力腔3的外部。

所述硅弹性膜片6能够防止待测压力源直接接触压力敏感单晶硅2，延长所述压力传感芯片的使用时间。

其中，封盖晶圆层4与二氧化硅绝缘层1所包围的部分为参考压力腔3，由锥形晶圆层7入口进入与硅弹性膜片6接触的部分为待测压力腔8。

如图2所示，所述欧姆接触金属层5的厚度为0.8μm-1.2μm，所述压力敏感单晶硅2的厚度为0.32～0.7μm，所述二氧化硅绝缘层1的厚度为1-3μm。这种结构最大的优点就是能够形成较高厚度的二氧化硅绝缘层1，芯片的耐高温性能也得到提高。

如图3所示，图3表示高能注氧技术制备SOI晶圆的结构示意图。其中，单晶硅层10厚度为0.1μm-0.3μm，二氧化硅层9厚度为0.2μm-0.5μm，底部为硅衬底11。这种技术的使用成本很高，而且得到的SOI结构的绝缘层和顶层硅的厚度较低，与智能剥离技术制备SOI晶圆相比，耐高温性能一般。图3的二氧化硅层9即为本申请的二氧化硅绝缘层1。

所述硅压阻式压力传感芯片使用智能剥离技术制备SOI晶圆的二氧化硅绝缘层1，比高能氧离子注入技术制备的二氧化硅层9的厚度高2-6倍以上，能够耐受更高的温度。

本申请的一些优选实施例中，所述参考压力腔3填充空气或者真空。视实际情况而定，若该压力芯片用于表压测量，则参考压力腔3内填充空气；若该压力芯片用于绝压测量，则参考压力腔3内填充真空。

在图4中，图4表示普通压阻式压力传感芯片的结构示意图。其中，包括引脚14、导线15、压力敏感电阻12和衬底13。这种普通压阻式压力传感芯片工作时，待测量的气体或液体等压力源直接作用于压敏电阻，从而完成对压力的测试，在这种情况下，用于测试的电阻元件容易发生变形或被某些液体腐蚀，出现失效的状况，使用寿命不长，耐久性不高。

本申请的一些优选实施例中，所述压力敏感单晶硅2上设置有四个电阻，四个电阻形成一个惠斯敦电桥结构。电阻条处于硅弹性膜片6的边缘，当外加压力通过待测压力腔8施加于硅弹性膜片6上时，边缘处应力由负值变为正值。利用硅电阻的纵向和横向压阻效应。分别把两对电阻置于水平和垂直的弹性膜片边缘，那么两组电阻的阻值将向相反的方向变化，形成一个全桥电路。

本申请的一些优选实施例中，所述电阻宽度为5μm-15μm，长度为1000μm-1500μm。

本申请还提供一种如上述任一项所述的硅压阻式压力传感芯片的制备方法，包括步骤：

S1：一定剂量的H+注入到覆盖有氧化层的硅片中至所需深度，得到具有微空腔的二氧化硅绝缘层1和硅衬底11的两层结构；

S2：在S1步骤得到的两层结构上，将其和另一覆盖有氧化层的硅片低温键合，再得到上层硅衬底11、二氧化硅绝缘层1、下层硅衬底11的三层结构；

S3：在S2步骤得到的三层结构上，退火剥离硅衬底11至注氢位置，得到SOI晶圆结构；

S4：在S3步骤得到的SOI晶圆结构上,利用CMP抛光，得到表面光滑的SOI晶圆结构；

S5：在S4步骤得到的SOI晶圆结构上，用等离子刻蚀方法将SOI晶圆结构的压力敏感单晶硅2刻成沿晶向分布的电阻条；

S6：在S5步骤得到的SOI晶圆结构上,采用KOH腐蚀法在下层硅片上腐蚀出一个方形深槽，得到硅弹性膜片6，此外，锥形晶圆层7也采用KOH腐蚀法形成；

S7：在S6步骤得到的SOI晶圆结构上，将SOI晶圆结构与锥形晶圆层7直接键合；

S8：在S7步骤得到的SOI晶圆结构上，采用真空溅射和LIFT-OFF相结合的方法，在SOI晶圆结构上方两侧得到耐高温欧姆接触多层金属膜；

S9：在S8步骤得到的SOI晶圆结构上，把封盖晶圆片用玻璃浆料法与SOI晶圆结构键合，形成一个参考压力腔3，最后通过划片得到硅压阻式压力传感芯片。

本申请的一些优选实施例中，在所述S2步骤中，所述二氧化硅绝缘层1的厚度在1～3μm。

与现有技术相比，本申请通过智能剥离技术得到的SOI晶圆具有厚度相对更高的二氧化硅层9，从而使芯片具有更高的耐高温性能，此外，硅弹性膜片6能够防止压力直接接触单晶硅敏感电阻，长时间使用导致芯片破损失效，这种结构能够有效解决芯片的寿命不长和老化的问题。

一般的压力传感器芯片的工作温度最高能达到125℃，但采用本申请的智能剥离SOI晶圆的硅压阻式压力传感芯片则可承受高达225℃的工作温度，有效防止漏电流现象发生，保护膜片，减少失效情况的产生。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，也都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。