一种低量程高灵敏度mems压力传感器及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种低量程高灵敏度MEMS压力传感器，包括：背面具有凹腔的单晶硅层(1)；形成于该单晶硅层(1)背面凹腔中的多孔硅/硅复合膜结构(6)；形成于该单晶硅层(1)正面的多孔硅压敏电阻(7)；以及在该多孔硅压敏电阻(7)上淀积的作为金属互联的金属层(8)。本发明同时公开了一种制作低量程高灵敏度MEMS压力传感器的方法。由于多孔硅材料具有优越的压阻性能和机械性能，采用此结构的多孔硅MEMS压力传感器可以在保持线性度的同时提高灵敏度，同时通过灵活的结构设计可以实现在超低压力范围的应用。
【专利说明】一种低量程高灵敏度MEMS压力传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于MEMS压力传感器制造【技术领域】，具体涉及到一种基于双面多孔硅材料的低量程高灵敏度MEMS压力传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]MEMS压力传感器克服了传统机械式压力传感器的缺陷，具有微型化、灵敏度高、稳定性好、成本低及易于集成化和智能化的突出优势。灵敏度和非线性是压力传感器最重要的技术参数。其敏感机理是基于被测压力引起感压薄膜的机械变形和应力，典型形式有压阻式、电容式和谐振式三种类型。相对于电容式和谐振式来说，压阻式压力传感器制造工艺和信号处理电路简单，输入输出存在较好的线性关系，因而应用最广泛。
[0003]压阻式MEMS硅微压传感器的发展主要围绕转换元件和感圧元件，一方面将压敏电阻应变做的更精确和更稳定；另一方面，则是对感圧薄膜的结构和加工技术进行改造。商业化的平膜压阻式压力传感器通常用来制作中高量程的压力传感器，对于低压传感器，为了增加灵敏度，需要将膜做的非常薄(IOum甚至5um以下)，使得器件的非线性性能恶化(即“气球效应”)，在IkPa左右时超过了 10%。感压薄膜的制备发展了自停止腐蚀技术、静电键合等微机械加工技术，对于感压薄膜的结构，则从应力集中的原则经历了平膜结构、岛膜结构、粱膜结构或梁岛膜组合结构等。复杂的感压膜结构可以实现kPa量程下的较好的线性度，但要进一步降低量程，非线性性能会快速恶化，同时更为复杂的结构会进一步增加制备的工艺难度，降低成品率。
[0004]对于低压或超低压压力传感器来说，采用压阻性能优异的新型材料来代替传统硅膜，实现应用于低量程范围的高灵敏度的压力传感器性能，是目前MEMS/NEMS【技术领域】中研究的热点。例如在基于单壁和多壁碳纳米管的压阻性能的研究基础上制备的碳纳米管低压传感器应用于触摸屏或柔性显示方面，碳纳米管与器件制备工艺的兼容是一难点，且距离大面积和批量制备的实用化要求尚有距离。相对于体硅材料来说，理论模拟和实验研究表明p型和n型硅纳米线具有高的压阻系数。多孔硅是近年来一种新型的纳米半导体光电材料，多孔硅的光学和电学特性及在气敏传感、湿度传感、生物传感等领域研究广泛。目前，多孔硅应用于MEMS器件，具有高的比表面积，类似于纳米晶量子线的特性，且与半导体硅器件工艺及IC工艺兼容，易于实用化。
[0005]针对多孔硅的压阻特性和机械特性近年来有一定的研究工作，特定孔隙率的多孔硅，其压阻系数比单晶硅要高出I倍以上；在机械性能方面，多孔硅相对于体硅具有低的杨氏模量，使得多孔硅/硅复合膜系结构在压力作用下变形更灵敏。这些基础特性的研究，表明了多孔硅材料应用于MEMS低量程压力传感器中具有潜在的优势。例如可以通过控制多孔硅层的厚度或孔隙率参数，一方面大大提高器件的灵敏度，另一方面也可以减小感压膜厚度从而应用于超低压力传感器。
【发明内容】
[0006](一)要解决的技术问题
[0007]本发明的目的在于提供一种基于双面多孔娃材料的低量程高灵敏度MEMS压力传感器及其制作方法，以利用多孔硅材料优异的压阻性能和机械性能来提高器件的灵敏度和非线性等特性。
[0008]( 二 )技术方案
[0009]为达到上述目的，本发明提供了一种低量程高灵敏度MEMS压力传感器，包括:背面具有凹腔的单晶硅层I ;形成于该单晶硅层I背面凹腔中的多孔硅/硅复合膜结构6 ;形成于该单晶硅层I正面的多孔硅压敏电阻7 ;以及在该多孔硅压敏电阻7上淀积的作为金属互联的金属层8。
[0010]上述方案中，所述单晶硅层I背面的凹腔，其形状是平膜结构、单岛膜结构、双岛膜结构或多岛膜结构。所述单岛膜结构、双岛膜结构或多岛膜结构中的岛状结构9为方形岛、矩形岛或圆形岛结构。
[0011]上述方案中，所述多孔娃/娃复合膜结构6包括凹腔本身的娃和娃表面生长的多孔硅膜，其中多孔硅膜的厚度为I?50iim。
[0012]上述方案中，所述多孔硅压敏电阻7由生长在该单晶硅层I正面的多孔硅膜形成，该多孔硅膜分布在该单晶硅层I正面对应感压薄膜变形最大处。所述多孔硅压敏电阻7是一个压敏电阻或是由4个压敏电阻构成惠斯通电桥。
[0013]上述方案中，所述金属层8与该多孔硅压敏电阻7形成欧姆接触，形成的该欧姆接触作为引出电极。
[0014]为达到上述目的，本发明还提供了一种制作低量程高灵敏度MEMS压力传感器的方法，包括:
[0015]选取双抛的硅衬底，氧化该硅衬底在该硅衬底正反两面形成氧化硅层；
[0016]采用低压化学气相沉积方法在形成有氧化层的硅衬底正反两面淀积氮化硅膜；
[0017]在硅片背面通过光刻定义掩膜窗口，利用干法刻蚀技术刻蚀掉掩膜窗口区域内的氮化娃膜和氧化娃层；
[0018]通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法对露出的硅区域进行硅腐蚀，在硅片背面形成凹腔结构；
[0019]采用湿法腐蚀方法在凹腔结构内生长多孔硅膜；
[0020]在硅片正面通过光刻定义多孔硅压敏电阻位置，然后利用干法刻蚀技术刻蚀掉窗口区域的氮化硅膜和氧化硅层；
[0021]采用湿法腐蚀方法在硅片正面露出硅的区域生长多孔硅膜，形成多孔硅压敏电阻；
[0022]采用干法刻蚀或湿法腐蚀方法去除硅片正面和背面的氮化硅膜和氧化硅层；
[0023]在硅片正面淀积金属Al，通过光刻和湿法腐蚀Al技术形成正面Al电极互连图形；以及
[0024]利用快速退火炉，通过控制退火温度和时间在多孔硅压敏电阻上形成欧姆接触。
[0025]上述方案中，所述采用湿法腐蚀方法在凹腔结构内生长多孔硅膜的步骤中，是通过调节腐蚀液比例、腐蚀温度及腐蚀时间来控制多孔硅膜的厚度和孔隙率。
[0026]上述方案中，所述采用湿法腐蚀方法在硅片正面露出硅的区域生长多孔硅膜形成多孔硅压敏电阻的步骤中，是通过调节腐蚀液比例、腐蚀温度及腐蚀时间来控制多孔硅层的厚度和孔隙率。
[0027](三)有益效果
[0028]本发明提供的基于双面多孔硅材料的低量程高灵敏度MEMS压力传感器及其制作方法，将多孔硅材料应用于MEMS压力传感器中，一方面在保证器件线性度的同时进一步提高灵敏度，另一方面可以将量程拓展到低压或超低压领域。同时多孔硅MEMS压力传感器工艺简单器件制造成本低，同硅基工艺可以兼容易于实现批量化。低压传感器在生物医学、空间探索、半导体加工与测量等领域有着广泛的应用前景，因此本发明将会产生可观的经济和社会效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明，其中:
[0030]图1是依照本发明第一实施例的基于双面多孔硅材料的低量程压力传感器的示意图；
[0031]图2是依照本发明第二实施例的基于双面多孔硅材料的低量程压力传感器的示意图；
[0032]图3是依照本发明第三实施例的基于双面多孔硅材料的低量程压力传感器的示意图；
[0033]图4-1至图4-9是制作本发明第一实施例的基于双面多孔硅材料的低量程压力传感器的工艺流程图。
[0034]图5是图4-7中形成四个压敏电阻构成惠斯通电桥的俯视图；
[0035]图6是图4-9中形成金属互联的俯视图。
【具体实施方式】
[0036]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0037]请参阅图1-图3所示，本发明提供一种多孔硅低量程MEMS压力传感器结构，包括:
[0038]背面具有凹腔的单晶硅层1，所述凹腔形状可以是平膜结构(如图1)，单岛膜结构(如图2)，双岛膜结构(如图3)或多岛膜结构(未图示)，所述的岛状结构9可以为方形岛、矩形岛或圆形岛结构；
[0039]形成于该单晶娃层I背面凹腔中的多孔娃/娃复合膜结构6,该多孔娃/娃复合膜结构6包括凹腔本身的娃和娃表面生长的多孔娃膜,其中多孔娃膜的厚度可以为I?50um,可以仅覆盖薄膜区，也可以整个覆盖薄膜和岛区域，分别如图1-3所示；
[0040]形成于该单晶硅层I正面的多孔硅压敏电阻7，该多孔硅压敏电阻7由生长在该单晶硅层I正面的多孔硅膜形成，可以是一个压敏电阻或由4个压敏电阻构成惠斯通电桥的形式；该多孔硅膜分布在该单晶硅层I正面感圧薄膜的变形敏感区，即分布于该单晶硅层I正面对应感压薄膜变形最大处；[0041 ] 在该多孔硅压敏电阻7上淀积的作为金属互联的金属层8，该金属层8与该多孔硅压敏电阻7形成欧姆接触，形成的该欧姆接触作为引出电极。
[0042]本发明的实施方式总体上是在硅MEMS压力传感器的结构和工艺基础上，在背面构筑多孔硅/硅的复合膜作为压力传感器的感压结构，在正面制备多孔硅压敏电阻并通过电学引出得到由于压力变化引起的电学信号输出。这种基于双面多孔娃材料的娃MEMS压力传感器综合利用了多孔硅材料优异的机械性能和压阻性能，来实现应用于低量程范围的高灵敏度MEMS压力传感器芯片。
[0043]实施例
[0044]如图1结构的一个实施例，结合如图4-1至图4-9所述的工艺过程，具体如下:
[0045](I)如图4-1所示，选取双抛的硅衬底I，进行高温氧化，在硅衬底正反两面形成氧化娃层2。
[0046](2)如图4-2所示，采用低压化学气相沉积(LPCVD)方法在上述带有氧化层2的硅衬底I正反两面淀积氮化硅膜3，通过合理调节反应时Si源和N源的比例，来实现低应力且抗腐蚀的氮化娃(SiNx)层。
[0047](3)如图4-3所示，在硅片背面通过光刻定义掩膜窗口，利用干法刻蚀技术刻蚀掉窗口区域的氮化硅膜3和氧化硅层2。
[0048](4)如图4-4所示，通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法对露出的硅区域进行硅腐蚀，根据膜片的厚度要求控制腐蚀的深度，在硅片背面形成凹腔结构。
[0049](5)如图4-5所示，采用湿法腐蚀方法在硅片凹腔结构内生长多孔硅膜6，通过调节腐蚀液比例、腐蚀温度及腐蚀时间等参数来控制多孔硅的厚度和孔隙率。
[0050](6)如图4-6所示，在硅片正面通过光刻定义多孔硅压敏电阻位置，然后利用干法刻蚀技术刻蚀掉窗口区域的氮化娃层和氧化娃掩膜层。
[0051](7)如图4-7所示，采用湿法腐蚀方法在硅片正面露出硅的区域生长多孔硅膜，通过调节腐蚀液比例、腐蚀温度及腐蚀时间等参数来控制多孔硅层的厚度和孔隙率，形成多孔硅压敏电阻7，四个压敏电阻构成惠斯通电桥，其俯视图如图5所示。
[0052](8)如图4-8所示，采用干法刻蚀或湿法腐蚀方法去除硅片正面和背面的氮化硅(SiNx)层和氧化硅掩膜层。
[0053](9)如图4-9所示，在硅片正面淀积金属Al，通过光刻和湿法腐蚀Al技术形成正面Al电极互连图形,其俯视图如图6所示。
[0054](10)利用快速退火炉，通过控制退火温度和时间在多孔硅压敏电阻上形成欧姆接触。
[0055]如图2和图3的多孔硅/硅复合膜形成的单岛膜和多岛膜结构，从器件整体结构来说，其基本工艺流程与上面所描述的实施例类似，仅在岛的制备时稍有不同，这里就不再赘述。
[0056]以上所述的具体实施例，对本发明的目的和技术方案进行了进一步的详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施而已，并不用于限制本发明，实际可以根据性能要求来灵活设计器件结构，采用硅与多孔硅的兼容工艺制作出多种多孔硅MEMS压力传感器。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，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种低量程高灵敏度MEMS压力传感器，其特征在于，包括: 背面具有凹腔的单晶硅层(I); 形成于该单晶硅层(I)背面凹腔中的多孔硅/硅复合膜结构(6)； 形成于该单晶硅层(I)正面的多孔硅压敏电阻(7);以及 在该多孔硅压敏电阻(7)上淀积的作为金属互联的金属层(8)。
2.根据权利要求1所述的低量程高灵敏度MEMS压力传感器，其特征在于，所述单晶硅层(I)背面的凹腔，其形状是平膜结构、单岛膜结构、双岛膜结构或多岛膜结构。
3.根据权利要求2所述的低量程高灵敏度MEMS压力传感器，其特征在于，所述单岛膜结构、双岛膜结构或多岛膜结构中的岛状结构(9)为方形岛、矩形岛或圆形岛结构。
4.根据权利要求1所述的低量程高灵敏度MEMS压力传感器，其特征在于，所述多孔硅/娃复合膜结构(6)包括凹腔本身的娃和娃表面生长的多孔娃膜，其中多孔娃膜的厚度为I ~50 u m0
5.根据权利要求1所述的低量程高灵敏度MEMS压力传感器，其特征在于，所述多孔硅压敏电阻(7)由生长在该单晶硅层(I)正面的多孔硅膜形成，该多孔硅膜分布在该单晶硅层(I)正面对应感压薄膜变形最大处。
6.根据权利要求5所述的 低量程高灵敏度MEMS压力传感器，其特征在于，所述多孔硅压敏电阻(7)是一个压敏电阻或是由4个压敏电阻构成惠斯通电桥。
7.根据权利要求1所述的低量程高灵敏度MEMS压力传感器，其特征在于，所述金属层(8)与该多孔硅压敏电阻(7)形成欧姆接触，形成的该欧姆接触作为引出电极。
8.一种制作权利要求1至7中任一项所述的低量程高灵敏度MEMS压力传感器的方法，其特征在于，包括: 选取双抛的硅衬底，氧化该硅衬底在该硅衬底正反两面形成氧化硅层； 采用低压化学气相沉积方法在形成有氧化层的硅衬底正反两面淀积氮化硅膜； 在硅片背面通过光刻定义掩膜窗口，利用干法刻蚀技术刻蚀掉掩膜窗口区域内的氮化娃膜和氧化娃层； 通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法对露出的硅区域进行硅腐蚀，在硅片背面形成凹腔结构； 采用湿法腐蚀方法在凹腔结构内生长多孔硅膜； 在硅片正面通过光刻定义多孔硅压敏电阻位置，然后利用干法刻蚀技术刻蚀掉窗口区域的氮化硅膜和氧化硅层； 采用湿法腐蚀方法在硅片正面露出硅的区域生长多孔硅膜，形成多孔硅压敏电阻； 采用干法刻蚀或湿法腐蚀方法去除硅片正面和背面的氮化硅膜和氧化硅层； 在硅片正面淀积金属Al，通过光刻和湿法腐蚀Al技术形成正面Al电极互连图形；以及 利用快速退火炉，通过控制退火温度和时间在多孔硅压敏电阻上形成欧姆接触。
9.根据权利要求8所述的制作低量程高灵敏度MEMS压力传感器的方法，其特征在于，所述采用湿法腐蚀方法在凹腔结构内生长多孔硅膜的步骤中，是通过调节腐蚀液比例、腐蚀温度及腐蚀时间来控制多孔硅膜的厚度和孔隙率。
10.根据权利要求8所述的制作低量程高灵敏度MEMS压力传感器的方法，其特征在于，所述采用湿法腐蚀方法在硅片正面露出硅的区域生长多孔硅膜形成多孔硅压敏电阻的步骤中，是通过调节腐蚀液 比例、腐蚀温度及腐蚀时间来控制多孔硅层的厚度和孔隙率。
【文档编号】G01L9/02GK103644999SQ201310706910
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】赵永梅, 季安, 张明亮, 杨香, 宁瑾, 王晓东, 杨富华 申请人:中国科学院半导体研究所