专利名称：一种mems压阻式拉压力芯片及传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种MEMS压阻式拉压力芯片及传感器的制作方法。
背景技术：
目前，普遍采用压阻式拉压力传感器测量水平方向所受拉压力。压阻式拉压力传感器组成结构包括两大部分弹性敏感元件和电阻压变片。其中，弹性敏感元件是敏感元件，可根据被测参数来设计或选择结构和形式；电阻压变片的作用是将水平方向所受的拉压力转换成电阻变化的转换元件；电阻压变片是压阻式拉压力传感器的核心元件。弹性敏感元件在水平方向拉压力的作用下表面产生应变。导致粘贴在弹性敏感元件表面的电阻压变片的电阻值发生变化。从而通过测量电阻压变片的电阻值变化，确定被测量参数的大小。 电阻压变片按照材料类型可分为金属丝、箔金属压变片和半导体压变片等。电阻压变片作为电阻式压变片拉压力传感器的最关键组成部分。现有技术中多用箔金属压变片，但由于箔金属压变片的加工工艺复杂，甚至需要手工处理，所以使用箔金属压变片的压阻式拉压力传感器存在生产难度大，成本较高，无法实现低成本大批量生产。随着半导体技术的发展，微电子机械系统(MEMS)压力传感器应运而生，主要分为MEMS压阻式压力传感器和MEMS 电容式压力传感器，两者都是在具有硅衬底的晶片上生成的微机械电子传感器，MEMS压阻式压力传感器具有的输出信号大，后续处理简单，芯片体积小，易于大批量生产和成本低廉等优点，逐渐被广泛应用。现有技术中，MEMS压阻式拉压力传感器中最关键的电阻压变片部分是由半导体材料制作的半导体压变片，又称为MEMS压阻式拉压力芯片，其为长方形结构，包括一个方形感应膜和周围的支撑部分，感应膜的中心区域具有的四个压敏电阻组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。采用惠斯顿电桥的MEMS压阻式拉压力传感器，较高的测量精度、较低的功耗和极低的成本。感应膜和压敏电阻是用半导体工艺在硅衬底上制作而成，硅衬底是半导体材料的晶体，当感应膜在晶轴方向上受到外力作用会产生应力，硅衬底内部的载流子在应力作用下发生载流子迁移率改变，因为载流子迁移率决定了硅衬底上压敏电阻的电阻值，从而通过压敏电阻组成电桥的电阻值变化测量水平方向所受拉压力。现有技术中，先在提供的导电类型为电子的N型硅衬底100的晶片器件面形成氧化层101作为绝缘层，然后采用扩散工艺将导电类型为空穴的P型杂质扩散到氧化层101 下方的硅衬底100中，形成一层极薄的P型导电层102作为压敏电阻，然后在P型导电层 103上方刻蚀引线孔后，在引线孔中溅射金属铝制成电极103，再从电极103上方用超声波或热压焊法焊接引出导线104，最终制成如图1所示的MEMS压阻式拉压力芯片的剖面结构示意图。这种MEMS压阻式拉压力芯片的优点是稳定性好，机械滞后和蠕变小，电阻温度系数也比一般半导体应变片小一个数量级，但是缺点是由于扩散工艺在硅衬底中形成压敏电阻的一致性差、漏电流难于控制等问题限制了 MEMS压阻式拉压力传感器的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是提供一种MEMS压阻式拉压力芯片及其传感器的制作方法，提高压敏电阻的一致性、减小漏电流，解决批量生产中的一致性问题。为解决上述问题，本发明的技术方案具体是这样实现的—种MEMS压阻式拉压力芯片的制作方法，提供一具有N型硅衬底的晶片，该方法包括在晶片的晶片器件面和背面生长氧化层；晶片器件面的所述氧化层下方的硅衬底中离子注入形成压敏电阻；所述压敏电阻周围扩散形成ρ型区；腐蚀晶片背面的所述氧化层和硅衬底，形成感应膜；刻蚀位于所述ρ型区上方的晶片器件面的氧化层形成引线孔后，在引线孔中溅射金属制成导线，所述导线电连接所述压敏电阻形成惠斯顿电桥；划片分离出MEMS压阻式拉压力芯片。所述硅衬底为(100)晶面。所述压敏电阻按照晶向分为两组，一组为沿W1-1]晶向或其等效晶向组成晶族的压敏电阻，另一组为沿W11]晶向或其等效晶向组成晶族的压敏电阻。所述离子注入的物质是硼离子或其他第III主族元素的离子，所述离子注入剂量是2E18原子/平方厘米。所述扩散形成ρ型区是扩散硼离子，所述扩散的剂量是5E19原子/平方厘米。一种MEMS压阻式拉压力传感器的制作方法，提供一具有N型硅衬底的晶片，pcb电路板和长方形结构的金属基底，该方法包括在晶片的晶片器件面和背面生长氧化层；晶片器件面的所述氧化层下方的硅衬底中离子注入形成压敏电阻；所述压敏电阻周围扩散形成ρ型区；腐蚀晶片背面的所述氧化层和硅衬底，形成感应膜；刻蚀位于所述ρ型区上方的晶片器件面的氧化层形成引线孔后，在引线孔中溅射金属制成导线，所述导线电连接所述压敏电阻形成惠斯顿电桥；划片分离出MEMS压阻式拉压力芯片；所述金属基底上粘接所述MEMS压阻式拉压力芯片；将所述pcb电路板粘接到所述金属基底，将MEMS压阻式拉压力芯片的导线与pcb 电路板电连接；对外露的MEMS压阻式拉压力芯片部分进行灌封防护，将PCB电路板的导线引出。所述硅衬底为(100)晶面。所述压敏电阻的个数为四个，两个所述压敏电阻沿W1-1]晶向或其等效晶向组成晶族平行，另外两个所述压敏电阻沿W11]晶向或其等效晶向组成晶族平行。所述离子注入的物质是硼离子或其他第III主族元素的离子，所述离子注入剂量是2E18原子/平方厘米。所述扩散形成ρ型区是扩散硼离子，所述扩散的剂量是5E19原子/平方厘米。由上述的技术方案可见，本发明提出的MEMS压阻式拉压力芯片及传感器制作方法，大幅改善压敏电阻的一致性，减小上述压敏电阻组成的惠斯顿电桥的零点输出和零点温度漂移；以具有上述惠斯顿电桥的感应膜作为半导体应变片，解决了 MEMS压阻式拉压力芯片及其传感器的一致性差、稳定性低以及漏电流难于控制的问题，也提高了 MEMS压阻式拉压力芯片及其传感器的制作成品率。
图1为现有技术中MEMS压阻式拉压力芯片的剖面结构示意图；图2为本发明MEMS压阻式拉压力芯片的制作步骤流程图；图3为本发明MEMS压阻式拉压力芯片中四个压敏电阻组成惠斯顿电桥的电路示意图；图4为本发明MEMS压阻式拉压力传感器的制作步骤流程图；图5为本发明MEMS压阻式拉压力传感器结构图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例， 对本发明进一步详细说明。本发明提出了一种MEMS压阻式拉压力芯片及其传感器的制作方法，下详细说明图2所示的本发明MEMS压阻式拉压力芯片的制作步骤流程图步骤200、MEMS压阻式拉压力芯片的版图设计，通过仿真找出感应膜上的压敏电阻的最佳位置；现有技术的MEMS压阻式拉压力芯片的结构包括在具有硅衬底的晶片上制作的感应膜、四个压敏电阻、连接压敏电阻的导线以及感应膜周围的支撑部分，其中，四个压敏电阻位于感应膜上，由导线电连接成惠斯顿电桥.步骤201、硅衬底的晶片器件面和背面生长氧化层；本步骤中，提供一具有N型硅衬底的尺寸为4英寸的晶片，现有技术中，将晶片上生长半导体器件的一面成为器件面，将器件面的相对面称为背面。在硅衬底的(100)晶面上对晶片器件面和背面进行双面抛光和清洗后，将硅衬底放入炉管中，向炉管中通入氧气的同时加热炉管，在硅衬底的晶片器件面和背面同时生长氧化层，通过调整炉管的加热温度、氧气流量和加热时间控制氧化层的厚度、该步骤为现有技术，不再赘述。步骤202、离子注入工艺在硅衬底中形成四个压敏电阻；本步骤中，压敏电阻位于硅衬底中晶片器件面的氧化层下方，离子注入的物质是硼离子或其他第III主族元素的离子，离子注入剂量为2E18原子/平方厘米，离子注入的能量由步骤201中生长的氧化层的厚度决定，使得离子注入形成的压敏电阻位于晶片器件面的氧化层的下方；需要注意的是，本步骤中制作的压敏电阻按照晶向分为两组，如图3所示，一组为沿W1-1]晶向或其等效晶向组成晶族的压敏电阻301，另一组为沿
晶向或其等效晶向组成晶族的压敏电阻302。本发明的压敏电阻采用离子注入方法制作，由于离子注入工艺的注入剂量的控制精度远远高于传统的扩散工艺，因此可以大幅改善压敏电阻的一致性，减小零点输出和零点温度漂移。步骤203、压敏电阻周围扩散硼离子形成ρ型区；
本步骤中采用传统的扩散工艺，扩散硼离子的剂量为5E19原子/平方厘米，相比步骤202的离子注入剂量本步骤中硼离子的剂量更大，因此本步骤中形成的ρ型区的载流子浓度更大，电阻更小，压敏电阻周围的P型区可以作为压敏电阻的连接区，后续步骤205 在P型区上方刻蚀引线孔并溅射金属形成导线后，通过P型区电连接压敏电阻和导线。在步骤202之后步骤203之前或者步骤203之后步骤204之前，还可以在相邻压敏电阻之间的硅衬底中扩散磷元素的离子形成η+隔离区，用于压敏电阻之间的隔离。步骤204、腐蚀晶片背面形成感应膜；本步骤中，用氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀晶片背面的氧化层和硅衬底，减薄氧化层和硅衬底形成感应膜。本步骤完成之后，为了保证对腐蚀后形成的感应膜质量，还需要进一步检查感应膜厚度。步骤205、感应膜上刻蚀引线孔后，在引线孔中溅射金属制作导线，完成压敏电阻的电气连接；本步骤中，在P型区上方的氧化层中刻蚀引线孔，刻蚀引线孔和溅射金属的方法为现有技术，此不再赘述，需要注意的是，如图3所示溅射金属形成合金制成的导线分为两类内连导线303和外连导线304，其中，两条内连导线303将晶向相同的两个同组压敏电阻的一端分别与具有不同晶向的一个压敏电阻的首尾两端相连，另外两条内连导线303将上述晶向相同的两个同组压敏电阻的另一端分别与具有不同晶向的另一个压敏电阻的首尾两端相连；再分别从四条内连导线上引出与其相连的四条外连导线304，将外连导线304 分为两组，其中，连接不同压敏电阻的两条内连导线上引出两条外连导线304为一组，一组作为测量桥臂电阻时的输出端，另一组作为输入端；将四个压敏电阻以及内连、外连导线组成的闭合回路称为惠斯顿电桥。步骤206、划片分离出MEMS压阻式拉压力芯片。半导体制作工艺能够在一个晶片上会同时制作多个MEMS压阻式拉压力芯片结构，因此需要划片分离出每个独立的MEMS压阻式拉压力芯片。至此，MEMS压阻式拉压力芯片的制作步骤完成。下面结合图5所示的MEMS压阻式拉压力传感器结构，说明图4中MEMS压阻式拉压力传感器的制作过程，具体步骤如下。步骤401、采用长方型结构的金属基底501，在金属基底501上粘接MEMS压阻式拉压力芯片503 ；本步骤中，MEMS压阻式拉压力芯片503是上述步骤200到步骤206制作的MEMS压阻式拉压力芯片503，其制作步骤不再赘述。步骤402、粘接转接pcb电路板502至金属基底501，引接MEMS压阻式拉压力芯片的导线与pcb电路板502电连接；步骤403、对外露的MEMS压阻式拉压力芯片503部分进行灌封防护，将pcb电路板上的导线504引出；本步骤中，需要注意的是，灌封防护不易过厚或过薄，以保证制成MEMS压阻式拉压力传感器的一致性。至此，MEMS压阻式拉压力传感器制作完毕。为了检查MEMS压阻式拉压力传感器是否能够准确测量拉压力，还需要对其进行器件检测，例如步骤404的检查惠斯顿电桥桥臂电阻和零点输出。步骤404、检测惠斯顿电桥桥臂电阻和零点输出；本步骤中，MEMS压阻式拉压力传感器使用的MEMS压阻式拉压力芯片中，四个压敏电阻组成的惠斯顿电桥，其桥臂电阻和零点输出的检测方法为现有技术，此不再赘述，步骤405、完成MEMS压阻式拉压力传感器的最终检测后，将MEMS压阻式拉压力传感器装盒并入库。本发明提出一种MEMS压阻式拉压力芯片及传感器的制作方法，该方法采用离子注入方法在硅衬底中制作压敏电阻，用该方法制作的压敏电阻所组成的惠斯顿电桥，由于离子注入工艺的注入剂量的控制精度远远高于传统的扩散工艺，所以大幅改善压敏电阻的一致性，减小上述压敏电阻组成的惠斯顿电桥的零点输出和零点温度漂移；以具有上述惠斯顿电桥的感应膜作为半导体应变片，从而解决了 MEMS压阻式拉压力芯片及其传感器的一致性差、稳定性低以及漏电流难于控制的问题，也提高了 MEMS压阻式拉压力芯片及其传感器的制作成品率。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种MEMS压阻式拉压力芯片的制作方法，提供一具有N型硅衬底的晶片，其特征在于，该方法包括在晶片的晶片器件面和背面生长氧化层；晶片器件面的所述氧化层下方的硅衬底中离子注入形成压敏电阻； 所述压敏电阻周围扩散形成P型区； 腐蚀晶片背面的所述氧化层和硅衬底，形成感应膜；刻蚀位于所述P型区上方的晶片器件面的氧化层形成引线孔后，在引线孔中溅射金属制成导线，所述导线电连接所述压敏电阻形成惠斯顿电桥； 划片分离出MEMS压阻式拉压力芯片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅衬底为(100)晶面。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压敏电阻按照晶向分为两组，一组为沿W1-1]晶向或其等效晶向组成晶族的压敏电阻，另一组为沿W11]晶向或其等效晶向组成晶族的压敏电阻。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子注入的物质是硼离子或其他第 III主族元素的离子，所述离子注入剂量是2E18原子/平方厘米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散形成ρ型区是扩散硼离子，所述扩散的剂量是5E19原子/平方厘米。
6.一种MEMS压阻式拉压力传感器的制作方法，提供一具有N型硅衬底的晶片，pcb电路板和长方形结构的金属基底，其特征在于，该方法包括在晶片的晶片器件面和背面生长氧化层；晶片器件面的所述氧化层下方的硅衬底中离子注入形成压敏电阻； 所述压敏电阻周围扩散形成P型区； 腐蚀晶片背面的所述氧化层和硅衬底，形成感应膜；刻蚀位于所述P型区上方的晶片器件面的氧化层形成引线孔后，在引线孔中溅射金属制成导线，所述导线电连接所述压敏电阻形成惠斯顿电桥； 划片分离出MEMS压阻式拉压力芯片； 所述金属基底上粘接所述MEMS压阻式拉压力芯片；将所述pcb电路板粘接到所述金属基底，将MEMS压阻式拉压力芯片的导线与pcb电路板电连接；对外露的MEMS压阻式拉压力芯片部分进行灌封防护，将PCB电路板的导线引出。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述硅衬底为(100)晶面。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述压敏电阻的个数为四个，两个所述压敏电阻沿Wi-i]晶向或其等效晶向组成晶族平行，另外两个所述压敏电阻沿Wll]晶向或其等效晶向组成晶族平行。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述离子注入的物质是硼离子或其他第 III主族元素的离子，所述离子注入剂量是2E18原子/平方厘米。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述扩散形成ρ型区是扩散硼离子，所述扩散的剂量是5E19原子/平方厘米。
全文摘要
本发明提供了一种MEMS压阻式拉压力芯片制作方法，该方法包括提供具有硅衬底的晶片，双面氧化所述硅衬底后，在晶片器件面的氧化层下方的硅衬底中离子注入形成四个压敏电阻并组成惠斯顿电桥，腐蚀所述硅衬底的背面形成感应膜并制作导线形成MEMS压阻式拉压力芯片。采用本发明方法制作的MEMS压阻式拉压力芯片及传感器，大幅改善压敏电阻的一致性，减小上述压敏电阻组成的惠斯顿电桥的零点输出和零点温度漂移；以具有上述惠斯顿电桥的感应膜作为半导体应变片，解决了MEMS压阻式拉压力芯片及其传感器的一致性差、稳定性低以及漏电流难于控制的问题，也提高了MEMS压阻式拉压力芯片及其传感器的制作成品率。
文档编号G01L1/18GK102359836SQ201110230498
公开日2012年2月22日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者张威, 沈唯真 申请人:浙江双友物流器械股份有限公司