[发明专利]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

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，在随后微机械加上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。