[发明专利]硅硅键合的绝缘体上硅的高温压力传感器芯片及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅硅键合的绝缘体上硅(SOI)的高温压力传感器芯片及制作方法，属于传感器芯片领域。

背景技术

硅基压力传感器作为商业化最为成功的MEMS器件，过去几十年在石油、航天、医疗器械以及汽车电子等领域都获得了广泛的应用和技术的进步。但是由于传统体硅压力传感器采用pn结作为电学隔离手段，在125℃以上的环境由于反向漏电流的增大而最终失效(Diem等人发表在Sensors andActuators A 46-47(1995)8页上的SOI‘SIMOX’from bulk to surfacemicromaching，a new age for silicon sensors and actuators.一文)。采用SOI材料对压力传感器高温性能的改进可以起到显著的作用，相对于传统的体硅压力传感器，SOI压力传感器利用绝缘埋氧层隔离取代了pn结隔离，使得器件忍耐高温的能力大大增强。此外，与多晶硅压力传感器相比，由于SOI的顶层是单晶硅材料，力学性能甚优于多晶硅压力传感器，灵敏度得到极大的提高。

普通SOI高温压力传感器(如Q.Wang等人发表在Sensors and Actuators A120(2005)468页上的Fabrication and temperature coefficient compensationtechnology of low cost high temperature pressure sensor一文)采取长时间的各向异性腐蚀形成硅杯结构作为制作应力膜的工艺手段，这样便难以保证膜的不同位置以及不同批次制备的应力膜之间的均匀性，使得工艺稳定性不高。而本发明拟通过预先腐蚀好浅槽的硅片和倒扣的SOI片键合的方法，采用SOI片原本的顶层硅作为应力膜，不仅工艺可靠性增强，而且由于膜的厚度由SOI原材料所决定，因此工艺稳定性和器件的一致性都能得到保证。结合成熟的研磨和化学机械抛光技术，在SOI背面磨片、抛光剩余的薄层单晶硅上制作与应力膜绝缘隔离的力敏电阻，从而有望可同时解决高于125℃高温下的应用以及非线性问题，还能够同时带来工艺稳定性和器件微型化的便利，通过适当设定腐蚀的浅槽的深度同样可以实现过压保护，进一步提高了器件的实用性，从而引导出本发明的目的。

发明内容

本发明提出的一种硅硅键合的绝缘体上硅(SOI)的高温压力传感器芯片及制作方法。所提供的压力传感器芯片如图1所示，器件包括各向异性腐蚀的支撑硅衬底和对SOI微机械加工形成的敏感元件。支撑硅衬底为n型或p型，对硅衬底正面各向异性腐蚀形成浅槽2，背面同样由各向异性深腐蚀形成导气孔4；采用的SOI片为p型。对带有浅槽和导气孔的支撑硅衬底与倒扣的SOI片键合之后进行磨片和抛光。浅槽之上在SOI结构上制备有应力膜1、通过二氧化硅埋层6实现绝缘隔离的力敏电阻5，通过金属引线和引出电极7实现力敏电阻之间的电学连接。

本发明所述的硅硅键合的绝缘体上硅的高温压力传感器芯片，在膜的横向尺寸确定的条件下，量程由厚度决定，量程范围通常为0.1MPa～100MPa，膜的厚度为20μm～200μm，衬底硅上的浅槽的深度为1μm～20μm。

通过SOI的氧化埋层将MEMS压力传感器的应用温度范围拓展到200℃以上，如图4为本发明所述的基于SOI圆片和硅硅键合技术的MEMS高温压力传感器芯片在室温和200℃下的测试曲线。通过初始SOI的顶层硅厚度可以更加准确的的定义应力膜的厚度，保证同批器件的一致性和工艺的稳定性。采用硅硅热压键合技术能够方便的实现器件的微型化，避免长时间各向异性腐蚀造成的工艺不稳定。由于浅槽的深度一般根据应力膜在满量程压力下产生的位移来设定的，从而实现过压保护，一般只需要短时间的腐蚀，相对而言短时间的腐蚀过程更具有可控性，这些优点使得本发明提出的新结构的SOI基MEMS高温压力传感器更具有实用价值。