[发明专利]电容式压力传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容式压力传感器及其制造方法，属于微机电系统(MEMS) 传感器领域。

背景技术

压力传感器是将压力信号转化为电学信号的换能器，是商业化的传感器中的重要组成部分。与其它电子元器件一样，随着应用的普及及需求量的增加，压力传感器的发展趋势是体积小、灵敏度高、功耗小、价格低、可靠性高等。

而目前MEMS技术正推动着半导体界“超越摩尔定律”的变革，在国内外得到了迅猛的发展。世界正经过昨天的真空电子管时代，跨越现在的固体电子时代进入明天的MEMS时代。MEMS做为近年来高速发展的一项高新技术，它采用先进的半导体制备工艺，批量实现MEMS器件的制备。与对应传统压力传感器相比，采用MEMS技术制备的压力传感器在体积、功耗、重量以及价格等方面有十分明显的优势。所以，采用先进MEMS技术制作的压力传感器是未来主流的技术发展方向。

按照工作原理的不同，压力传感器主要分为压阻式、电容式以及压电式等。目前，压阻式压力传感器由于其制造工艺与半导体工艺兼容性高，制造工艺简单，接口电路简单等优点，是目前压力传感器的主流技术。但是压阻式压力传感器却有着温度特性差，灵敏度低，功耗大等缺点，并不适合一些低功耗及精度高的应用领域。

而随着MEMS加工工艺的成熟，加上电容式压力传感器本身尺寸小，成本低，温度特性好、精度高、功耗低等诸多优点，使得电容式压力传感器技术得到越来越多的关注。

电容式压力传感器是将压力信号变成电容信号的换能器。其工作原理为可变电容，其中可变电容的一个或两个电极由压力敏感膜形成，在外界压力作用下，作为电容电极的压力敏感膜产生变形导致电容间隙发生改变，从而导致电容值发生改变。此电容值的改变通过后续电路的处理变成电压或者电流信号。

国外有一些公司采用绝缘衬底上的硅SOI材料来制作电容式压力传感器。其主要思路为通过腐蚀掏空SOI氧化硅埋层形成电容的真空间隙，而用SOI材料上下的硅材料作为电容的上、下电极板。此制造方法避免了上述多晶硅来做压力敏感膜的一系列问题，从而提高了器件的可制造性，提高了良率。但是，此制造方法利用SOI的氧化硅埋层作为牺牲层，所以有着较多的工艺限制。首先，氧化硅的厚度即为最终电容间隙的厚度，通常SOI氧化硅埋层的厚度较薄，这样就限制了电容式压力传感器的一些设计灵活性；其次，由于SOI氧化硅埋层没有腐蚀自停止边界，所以整个长时间的腐蚀释放牺牲层氧化硅工艺只能通过时间控制，从而使工艺较难控制进而导致最终器件离散性较大，降低了成品率；再次，此工艺依然需要将释放孔密封形成真空腔的工艺，增加了工艺复杂性。所以，虽然此制造方法有部分公司采用，但是并未成为工业界的主流工艺。

为解决上述问题，部分公司采用预先在硅衬底表面形成凹槽来作为电容间隙的方式，通过晶圆级硅硅键合技术，将两片硅衬底键合在一起，两片硅衬底分别作为电容的两个电极，来制作电容式压力传感器。此方法避免了复杂的氧化硅牺牲层掏空工艺以及将释放孔密封形成真空腔的工艺，大大提高了工艺可制造性。此外，在硅片的键合面还可设有防止压力敏感膜过度变形的止挡块，通过止挡块的设计限制了感压薄膜的最大位移，以实现传感器常压保存与过载保护的功能。但是，此方法却有着较大的寄生电容，大大降低了器件的性能，此外，此方法制造成本也比较昂贵，目前也并未成为工业界的主流制作方法。

综上所述，进行工艺简单、体积小、精度高、低功耗及低成本的电容式压力传感器及其制备方法的研究对整个压力传感器技术领域的进步和相关产业的发展具有积极的推动作用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种低成本、工艺简单的电容式压力传感器及其制造方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案: 一种电容式压力传感器的制造方法，其包括如下步骤：

a) 在衬底上进行重掺杂，得到重掺杂层作为电容式压力传感器的下极板，随后在所述下极板上淀积氧化硅以形成牺牲层；

b) 在所述牺牲层上淀积第一多晶硅层，并在该第一多晶硅层上形成牺牲层释放孔；

c) 将所述牺牲层从牺牲层释放孔处进行掏空，以形成电容间隙；

d) 在所述第一多晶硅层上淀积第二层多晶硅以密封住所述牺牲层释放孔，从而将所述电容间隙变成密闭空腔，所述第二层多晶硅作为所述电容式压力传感器的上极板，所述第一层多晶硅及所述第二层多晶硅组成压力敏感膜；

e) 将上述压力敏感膜进行光刻及刻蚀，形成将电容间隙与外部气体连通的导气孔；