[发明专利]一种压力传感器制作方法及其结构

说明书

技术领域

本发明属于微机械压力传感器设计与检测技术领域，涉及一种压力传感器，特别是涉及一种工作在差压下微机械压力传感器结构及其制作方法。

背景技术

微机械硅基压力传感器由于借助了成熟的微电子工艺，其制作成本得到进一步降低，并易于实现传感器和电路的集成，其发展也最为迅速。微机械硅基压力传感器已实现在消费电子、工业电子、医疗和汽车电子等各传感领域的大规模应用。新一代医疗和工业领域需要更小的、更精确的压力传感器，另外这些压力传感器需要更低成本以合理的价格提供给仪器和设备使用。

微机械硅基压力传感器一个共同的形式包括一个硅半导体芯片，该芯片包含有一个薄弹性膜，弹性膜有两个面，相对于另一个主平面的面由腐蚀一个腔形成。一个或多个压力敏感电阻在弹性膜上形成，当弹性膜受到压力时，压力敏感电阻可以敏感弹性膜上的应力变化。对于表压或差压压力传感器，弹性膜两边的压力独立变化，两边的压力差被测量。

微机械硅基表压或差压压力传感器在完成制造时，硅片上的腔必须打开，以便提供一个达到弹性膜背面的通道。该通道是必须要有的，以使压力传感器可以测量表压或差压。如果在压力传感器制造过程中打开腔，则制造过程中产生的灰尘或残渣会残留在腔中，影响器件的正常工作。并且，腔暴露在后续的工艺过程中，会因为后续加工工艺对腔和弹性膜的腐蚀作用，导致弹性膜的厚度发生减薄变化，影响器件设计的预期值。同时，弹性膜厚度的变化也会导致压力测量精度的降低。过薄的弹性膜会导致破裂，可靠性降低。另外，支撑弹性膜的腔体形状决定了弹性膜的形状（长和宽），腔体的形状在后续的工艺中会被改变，如果支撑弹性膜的腔体部分被腐蚀改变，则压力传感器的精度和可靠性会受到影响。

图1a显示了理想的一种表压压力传感器的矩形断面结构，以使整个传感器尺寸小型化。一种微机械加工的表压压力传感器使用背面各向异性腐蚀工艺腐蚀单片硅，形成硅框架支撑的弹性膜，如图1b所示。在弹性膜的正面采用典型工艺如离子注入和扩散形成压阻。

然而，背面腐蚀形成弹性膜的方法，存在弹性膜膜厚及膜长宽尺寸的控制问题。由于硅各向异性腐蚀，腔的形状不是矩形而是由外向内的梯型，如图1b所示。因此芯片的尺寸和理想结构（图1a）相比会相应的增加。当硅片的厚度不同时，虽然腐蚀开口的尺寸相同，也会导致弹性膜膜厚及膜长宽尺寸的不同。

一种改进的制造方法可以减小和消除因上述各向异性腐蚀引起的弹性膜膜厚及膜尺寸问题（silicon fusion bonding for pressure sensors,Proceedings of IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop,Hilton Head,N.C.,1988,p144）。该方法采用硅/硅直接真空键合的方式，将上硅片键合在上表面具有腐蚀腔的下硅片上，形成封闭压力参考腔，再将上硅片减薄，形成硅弹性膜，在弹性膜上制作硅压阻，制造绝压压力传感器（图2所示）。采用该方法，也可最后通过对硅片背面进行机械或化学腐蚀减薄的方法，产生压力导入口，制作表压或差压压力传感器。该方法制作的表压压力传感器结构剖面图如图3所示。此方法制作表压压力传感器存在一些问题。如果在器件制造前期生成压力通入口，则在后续的工艺中，会导致灰尘或残渣会残留在腔中，影响器件的正常工作。要避免该问题，必须在完成所有正面硅膜上的工艺后，再减薄硅片背面，进行生成压力导入口的工艺。然而，在完成所有正面硅膜上的工艺后，再减薄硅片背面，进行生成压力导入口的工艺，又会产生另一个问题，在小量程高灵敏度表压压力传感器制造中，封闭压力腔承受环境一个大气压的压力，由于弹性膜很薄，在高温工艺时，弹性膜受到的应力超过硅的屈服强度，会发生塑性形变，导致器件制造问题，引起压力传感器性能改变。

大尺寸的表压压力传感器器件，可以对工艺造成弹性膜厚度及长宽尺寸变化有一定的容忍度，但对于更小尺寸表压压力传感器的制造，对工艺容差的要求更高，以保证可接受的成品率和精度。总之，为了克服上述的问题，需要提出一种新的制造方法和结构。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种表压压力传感器及其制备方法，用于解决现有技术中器件制造一致性差、器件尺寸大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种压力传感器制备方法，至少包括以下步骤：

1）提供一硅衬底，自其正面向下形成压力腔定位环，所述压力腔定位环包括内圈和外圈；所述外圈围成压力腔区域；

2）提供另一硅片结构；其包括顶层硅以及位于所述顶层硅上的氧化硅层；