[发明专利]基于牺牲层技术的纳米膜压力传感器及其制造方法

说明书

技术领域

 本发明主要涉及一种基于牺牲层技术的纳米膜压力传感器及其制造方法，属于微机电系统（MEMS）领域。

背景技术

随着微电子技术的发展，利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性，用集成电路工艺和硅微机械加工技术研制出了半导体压力传感器。由于具有体积小、重量轻和灵敏度高的优点，半导体压力传感器在环境控制、交通工具、医学检查、航空、石化、电力等方面应用广泛。

半导体压力传感器按加工工艺分为体硅微机械和表面微机械加工技术两种。体硅微机械是采用单晶硅各向异性腐蚀技术在硅衬底刻蚀底面形成感压膜，在感压膜上制造力敏电阻。该工艺特点是工艺成熟，但不易小型化和集成化。表面微机械加工技术（也称牺牲层技术）一般以多晶硅为结构层，二氧化硅为牺牲层,通过选择性腐蚀去掉牺牲层形成密闭空腔，以多晶硅为感压膜并在膜上制造力敏电阻。该工艺特点是成本低、易集成和小型化。因此，表面微机械压力传感器发展前景广阔。

表面微机械半导体压力传感器按结构分为平坦型和台阶型两种。平坦型压力传感器密闭空腔是由对单晶硅衬底刻蚀的凹槽与平坦的多晶硅膜构成，台阶型压力传感器密闭空腔是由单晶硅衬底与凸型（感压面与支撑面构成）的多晶硅膜构成。平坦型工艺比台阶型工艺复杂。

表面微机械加工的半导体压力传感器力敏电阻一般采用多晶硅电阻，多晶硅压力传感器造价低、高温特性好，但灵敏度较扩散硅压力传感器低，由于普通多晶硅电阻一般厚度在一微米左右，对几个微米厚度的压感膜力学性能影响不可忽略。因此，多晶硅电阻制约了表面微机械半导体压力传感器优越结构性能。

为了提高表面微机械结构压力传感器性能，发明人提出了中国专利公开号CN1149931A，名称为 “半导体压力传感器及其制造方法”的发明专利，其特征是在SOI芯片上，以外延生长单晶硅为结构层，以SOI的二氧化硅为牺牲层，扩散硅为力敏电阻制造压力传感器。但由于采用SOI芯片，成本比单晶硅芯片大幅增加。

当前，表面微机械压力传感器存在如下问题：

（1）表面微机械工艺成本低，但技术要求高。存在多晶硅内应力和膜片与衬底黏附等问题需要解决，以便提高传感器性能；

（2）表面微机械压力传感器采用多晶硅力敏电阻，与扩散硅相比，温度特性好但灵敏度比低。

本发明旨在解决上述问题。

多晶硅纳米薄膜是膜厚接近或小于100纳米的多晶硅纳米薄膜。实验发现这种材料具有良好的压阻特性，突出体现为灵敏度高、温度特性好、成本低。

本发明正是基于这种现状进行的。

发明内容

发明目的

本发明是一种测量绝压的表面微机械结构压力传感器及其制造方法，目的是提高传感器温度稳定性、提高灵敏度、减小芯片面积、降低成本、扩大工作温度范围。

技术方案

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于牺牲层技术的纳米膜压力传感器，其特征在于：包括单晶硅衬底，在单晶硅衬底上设置剖面为台阶型的感压膜，感压膜与单晶硅衬底相连并在二者之间构成密闭空腔，感压膜台阶下边缘设置有腐蚀孔，在感压膜上面设有四个应变电阻，四个应变电阻通过金属导线连接成惠斯通电桥，将压力转换成电压输出。

感压膜上方还设有绝缘层，绝缘层上方设有钝化层。

在空腔中形成近似真空。

感压膜为多晶硅，其俯视形状为矩形或圆形。

应变电阻为多晶硅纳米膜电阻。

一种如上所述基于牺牲层技术的纳米膜压力传感器的制造方法，其特征在于：制造工艺步骤如下：

（1）在单晶硅衬底上淀积氧化层做为牺牲层；

（2）淀积第一层多晶硅并退火，刻蚀腐蚀孔；

（3）通过腐蚀孔，选择性湿法刻蚀牺牲层并干燥；

（4）淀积第二层或多层多晶硅，密封腐蚀孔，并与第一层多晶硅形成感压膜；

（5）在感压膜上淀积或氧化形成绝缘层作为隔离层，再淀积多晶硅纳米薄膜，离子注入杂质，刻蚀完成4个多晶硅纳米薄膜电阻；

（6）刻引线孔，溅射金属，完成电气连接；

（7）划片，封装，完成传感器制造。

优点及效果

本发明具有如下优点及有益效果：

本发明提供的一种多晶硅纳米薄膜压力传感器由于采用表面微机械结构，使传感器的成本低、量程范围宽、易集成和小型化；采用多晶硅纳米薄膜作为应变电阻提高了灵敏度和温度稳定性。

附图说明

图1是本发明传感器俯视图；

图2是本发明传感器剖面图；