一种单片集成SiCMEMS压力传感器及其制备方法

专利名称：一种单片集成SiC MEMS压力传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种SiC MEMS电容式压力传感器及其读出电路的集成方案，属于微机 电系统领域。
背景技术：
近年来，随着MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)技术的不断发展和成 熟，各类MEMS器件和系统在汽车、消费电子、生物医疗等领域的应用中大放异彩，成为高科 技领域的研究热点和产业生力军，获得了广泛的关注。而硅基MEMS更是取得了巨大成功。压力传感器是MEMS最成功的产品之一，它已被广泛应用到汽车、工业加工、医疗 事业和航天航空中。但是近年来，由于硅材料本身特性的限制，硅基器件在高温、高压、强腐 蚀性的环境下很难应用(Thin Solid Films 355-356 (1999) 518-524)。SiC材料以其优异的 电学、力学性能，以及化学稳定性，成为了硅材料的很好的替代品(Sensors andActuators 82(2000)210-218)。目前，在半导体工业中采用的SiC的制备方案主要有两种，一种是高温制备，另一 种是低温制备。高温制备以LPCVD (低压化学气相淀积)为代表，制备温度通常在800°C以 上，产生的SiC多为多晶结构，其力学电学性能都很高，化学性能也很稳定(IEEE SENSORS JOURNAL,VOL. 4，NO. 4(2004)464-470 ； IEEE SENSORS JOURNAL,VOL. 6，NO. 2(2006)316-324 ； IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 49, NO. 12(2002)2323-2332)；而低温制 备的SiC主要采用PECVD(等离子体增强化学气相淀积)，制备温度通常在400°C以下， 加工出来的SiC力学电学性也不错，同时保持了化学稳定性(Sensors and Actuators A 67 (1998) 175-180 ； J.Micromech. Microeng. 17 (2007) 775-780 ； J.Micromech. Microeng. 17(2007)426-431)。相比之下，高温SiC的性能和稳定性更好，适合于高温高压 等恶劣环境下应用，而低温SiC的优势在于生成温度低，工艺兼容性更好，可以直接在后续 或之前的加工中引入传统微加工所需要的材料和工艺，同时加工出来的器件可以与处理电 路集成，从而大大提高器件的精度和可靠性，并降低加工成本。到目前为止，许多商用的压力传感器大多是硅基的，不能适用于腐蚀性环境，而以 高温SiC为材料的器件，很难与处理电路集成。

发明内容
本发明的目的在于提供一种抗腐蚀的单片集成SiC MEMS压力传感器，将低温淀积 的PECVD SiC与压力传感器相结合得到SiC电容式压力传感器，并实现CMOS处理电路与 SiC电容式压力传感器的单片集成。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种单片集成SiC MEMS压力传感器，包括第一衬底、CMOS处理电路、电容感应薄 膜、第二衬底和下电极，其中在第二衬底上开有压力腔；压力腔表面覆盖有下电极；电容 感应薄膜覆盖在第二衬底的上表面，悬浮于压力腔上，该薄膜由两层PECVD SiC薄膜夹一金属层组成，所述金属层为上电极；第一衬底位于电容感应薄膜之上，第一衬底在压力腔的上 方开有深槽，露出上层的PECVD SiC薄膜；CMOS处理电路嵌置于第一衬底的下表面，位于深 槽的旁边，并与上电极接通。上述组成电容感应薄膜的两层SiC薄膜是通过PECVD技术淀积的SiC薄膜，其中 上电极之上的为结构层，一般厚0. 2 μ m 5 μ m ；上电极之下的为介电层，一般厚0. 1 μ m 1 μ m。上电极的厚度一般为0. 1 μ m 1 μ m。优选的，上述第二衬底是玻璃衬底；压力腔深0.5μπι ΙΟμπι;下电极是一金属 Μ，) 0. 1 μ m 1 μ m。优选的，上述第一衬底是硅衬底。所述CMOS处理电路是用CMOS工艺在硅片上加 工出来的。进一步的，为了便于CMOS处理电路与外部的连接，在CMOS处理电路下方的电容感 应薄膜部分设有隔离槽，这样最后划片时去除隔离槽下方的第二衬底部分就可以实现CMOS 处理电路与外部的连接。本发明的单片集成SiC MEMS压力传感器中，在传感器方面采用了电容式传感原 理，即在压力作用下引起薄膜形变，改变器件电容，从而反映压力大小。这种传感方式相比 于传统的压阻感应方式的优势在于温度漂移小，但由于器件的电容变化量小，寄生电容大， 所以在处理电路方面优选将电容的变化转化为电压的变化进行处理，利用连续时间电压读 出电路(CTV)进行电容的测量。上述CTV电路包括C-V转化模块、放大器模块、解调模块和滤波模块四个主要部 分，如图3所示。C-V转化模块将电容C的变化转化为电压的变化，放大器将C-V模块的微 弱电压量进行放大，并通过解调模块和滤波模块得到输出。C-V转化模块是由四个电容组成的非平衡交流电桥，如图4所示，其中被测电容Cs 和其他三个固定电容Cl、C2、Cr分别位于电桥的四个臂上，在四臂搭成的菱形结构的对角 线AB之间加载一定频率的载波信号，在另一对角线XY两端引出输出线，X、Y两端得到电压 差值就表示了 Cs的大小，假设Cl = C2 = Cr = C，可以简化得到
^ Us + 2U^Cs =-C
Us-2U其中，C1、C2代表平衡电容，Cr代表参考电容，Cs代表传感器电容，Us代表交流信 号的幅值，U表示X和Y两点幅值之差。从上式可以看到，知道X、Y两点之间的电压差，就可以得到传感器电容Cs的大小。C-V转化模块的输出X、Y分别与差分放大器的输入端+极和-极连接，如图3所
示 ο图3中所示的放大器采用的是差分结构，因为差分结构可以更好的抑制共模噪声 和电源噪声，同时，由于传感器的差分结构，这样可以方便的实现二者的连接。本发明优选采用全差分放大器作为图3中的放大器模块，例如图5所示全差分放 大器，该放大器主要由两级放大结构、源跟随器和误差放大器三部分组成。源跟随器和误差 放大器构成了这个放大器的共模反馈结构。此放大器采用了两级放大结构，这主要是因为 对电容式传感器来说，需要放大器提供一个大的增益，以提高电路的线性度；同时为了使放 大器的输入级与传感器匹配，第一级的增益不能太大，因此需要第二级放大结构提供一个大的增益。第一级放大结构的电路由MOS管M1、M2、M3、M4组成，其中Ml和M2是PMOS管， 作为输入管。因为PMOS管的Ι/f噪声要远小于NMOS管，同时PMOS管可以单独置于N阱 中，固定N阱的电位，可以有效的屏蔽来自衬底的噪声，所以为了减小噪声，选择PMOS管作 为输入管。第一级电路相当于用二极管连接的MOS管M3、M4作为负载的差动放大器。第二 级放大结构的电路由MOS管M5-M12组成，这8个MOS管组成一个套筒式的共源共栅结构的 运放，套筒式结构能够提供大的增益，同时功耗低，噪声也低，这对于传感器处理电路来说， 是至关重要的。关于全差分套筒式共源共栅运放的极点，由于全差分结构避免了镜像极点和MOS 管M5、M6漏端的极点，因此该运放仅有一个非主极点位于MOS管M11、M12漏端。而且Mil、 M12为NMOS管，由于NMOS管高跨导，这个非主极点位于较高的频率处。因此，这个电路很容 易稳定的工作，也就不需要引入零点来消除这个极点，或者加入电容来使这个极点往更高 频率处移动，也就节省了芯片的面积，更重要的是这样不会引入额外的噪声和寄生电容，也 就不至于影响电路的分辨率。差分结构的电路需要有共模反馈电路，以稳定输出端的共模输出电压。在该放大 器中，共模反馈电路由两部分组成源跟随器和误差放大器。MOS管M15-M18、两个电容C 和两个电阻R构成了源跟随器，M15和M16检测输出端的共模电压，并且提供一个低阻输出， 以便能将源跟随器与和两个电阻连接到输出，以精确的消除差模信号。左边部分的误差放 大器将平均输出电压与参考电压进行比较，并将误差返回共源共栅结构。本发明还提供了上述单片集成SiC MEMS压力传感器的制备方法，包括以下步骤1)采用CMOS工艺在第一衬底上制备出CMOS处理电路；2)采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术在第一衬底带有CMOS处理电路 的一面淀积一层SiC薄膜作为结构层，并在该结构层SiC薄膜覆盖CMOS处理电路的位置形 成一通孔作为电极接口；3)在结构层SiC薄膜表面溅射一层金属作为上电极；4)在上电极表面采用PECVD技术淀积另一层SiC薄膜作为介质层；5)在第二衬底上刻蚀出压力腔；6)覆盖压力腔在第二衬底表面淀积一层金属形成下电极；7)将第一衬底带有介质层SiC薄膜的一面和第二衬底带有下电极的一面键合在 一起，其中CMOS处理电路位于压力腔的旁边；8)对键合后的第一衬底进行刻蚀，在压力腔上方形成深槽，露出结构层SiC薄膜。进一步的，上述方法中第一衬底优选采用硅衬底，第二衬底优选采用玻璃衬底。在步骤2)中可采用ICPanductively Coupled Plasma，感应耦合等离子体)技术 刻蚀结构层SiC薄膜形成电极接口。在步骤7)采用静电键合的方法。在步骤8)湿法腐蚀第一衬底形成深槽。优选的，为了便于CMOS处理电路与外部连接，在步骤4)介质层形成后，刻蚀介质 层、上电极和结构层形成隔离槽，露出部分CMOS处理电路，这样在器件制作完成时划片暴 露隔离槽，完成单片集成SiC MEMS压力传感器与外部器件的连接。本发明的单片集成压力传感器的优点主要有(1)结合CMOS工艺，完成了 CMOS电路与SiC电容式压力传感器的post-CMOS集成，提高了器件的精度和稳定性；(2)电路部分 和传感器部分分开加工，电路部分则可以在任意标准IC生产线上进行加工，从而提高了电 路的可靠性和成品率；C3)以PECVD SiC为薄膜的电容式压力传感器，适用于腐蚀性环境， 降低了器件的封装成本。此外，本发明优选采用一种全新的放大器(如图5所示)来放大 C-V转化电路产生的电压，该放大器具有较高的增益，理想的噪声表现，很高的闭环速度。


图1为本发明单片集成SiC MEMS电容式压力传感器的结构示意图。图2a_图池为显示本发明实施例1制备单片集成SiC MEMS电容式压力传感器流 程的结构示意图。图3为本发明所设计的连续时间电压读出电路的模块图。图4为本发明所设计的CMOS处理电路中C-V转化模块即非平衡交流电桥的示意 图。图5为本发明所设计的的CMOS处理电路的全差分放大器的结构示意图。图6为本发明实施例2采用的电容-电压转换处理电路的示意图。图7为本发明实施例2的测试数据图(a)及数据局部放大图(b)。图8为本发明实施例3的测试数据图。
具体实施例方式下面结合附图，通过实施实例对本发明作进一步描述，但不以任何方式限制本发 明的范围。实施例1电容式压力传感器的制备原始材料双面抛光的N型硅片10，电阻率2 4Q-cm，晶向<100>，硅片厚度为 400μ ；7740 玻璃。如图1所示，该单片集成电容式压力传感器包括作为第一衬底的硅片1，CM0S处理 电路2，作为结构层的SiC薄膜3，上电极5，作为介质层的SiC薄膜6，作为第二衬底的玻璃 8，下电极10，以及压力腔9和深槽11，其制备过程如下1、用CMOS工艺在硅片1上制造CMOS处理电路2，如图加所示。2、用PECVD (等离子增强化学气相沉积)技术在硅片1上淀积0. 2 μ m 5 μ m厚 的SiC薄膜3，并在其上腐蚀形成一个通孔4作为电极接口，如图2b所示。其中，PECVD淀积SiC薄膜的条件为压力700 1200mTorr，温度200 400°C， SiH4流量20 6Osccm, CH4流量200 400sccm，Ar流量200 400sccm，腔内能量频率采 用高低频交替方式，其中高频频率为12 15MHz，持续时间为10 20s，低频频率为300 500KHz，持续时间为20 30s，两者的功率为200 400W。通孔4的形成是通过光刻定义出电极的图形，然后ICP刻蚀SiC薄膜3形成通孔4。3、在SiC薄膜3表面溅射一层金属作为上电极5，如图2c所示，溅射的条件为压力 0 5. Opa,功率为200 400W。4、在上电极的表面PECVD淀积0. 1 μ m 1 μ m厚的SiC薄膜6作为介质层，然后光刻定义出隔离槽的图形，然后ICP刻蚀介质层SiC薄膜6，腐蚀上电极金属层5，ICP刻蚀 结构层SiC薄膜3，形成隔离槽7，如图2d所示。其中，PECVD的条件如上述步骤2所述。5、在玻璃8上光刻定义出压力腔图形，然后刻蚀0. 5 μ m 10 μ m深的槽，形成压 力腔9，如图&所示；6、在该玻璃8上淀积一层金属，并图形化，形成下电极10，如图2f所示；7、将硅片1和玻璃8进行静电键合，如图2g所示；8、在硅片1的外表面对准光刻，然后用KOH腐蚀硅，在压力腔上方形成深槽11，露 出SiC薄膜3，形成电容结构，如图ai所示。实施例2我们首先用BD031集成电路(如图6所示)来检测上述集成的压力传感器的器件 部分(不包括CMOS处理电路)的性能。此集成电路是基于开关电容网络来实现将电容转 化为电压功能的。图6中，Vout是输出信号，Vb是2. 25伏的参考电压，Cl和C2是输入电 容，其中Cl是传感器电容，C2是固定电容，Cf是反馈电容。通过PCB (印刷电路板)将BD031集成电路和传感器相连放入压力腔中，用商用的 PPC2+压力校准器来控制压力腔中的气压，用安捷伦34401A万用表来测量电压变化，这两 种仪器通过与电脑相连来控制电压数据和气压数据的实时性。测量温度在25°C到125°C之 间，加载气压从30kPa到450kPa。图7显示了在50°C下的测量数据，其中(b)是(a)中数据的局部放大图。其中 在IOOkPa到300kPa是近似的线性变化，线性度为2. 35%，迟滞为1. 35%。电压改变了 399. 5mV，灵敏度为1. 984mV/kPa。在25°C到125°C之间其他温度下测试数据类似，热灵敏度 漂移为0.037% FS/K。可见，本发明以PECVD SiC为薄膜的电容式压力传感器精度高，稳定 性好。实施例3基于图4所示的电容器的电桥连接方式我们设计了 一套针对整个集成传感器(器 件部分和CMOS处理电路)的测试方案，具体功能也是把不同的电容信号转化为电压信号。 电路的原理图如图3所示。部分外接元件通过PCB板与集成传感器连接起来。同样用PPC2+ 压力校准器和安捷伦34401A万用表来测试。图8是常温下的测量结果。由图8可知在IlOkPa到3001tfa之间数据有较好的线 性度，这之间的线性度为4. 0%，灵敏度为0. 1585mV/kPa。
权利要求
1.一种单片集成SiC MEMS压力传感器，包括第一衬底、CMOS处理电路、电容感应薄膜、 第二衬底和下电极，其中在第二衬底上开有压力腔；压力腔表面覆盖有下电极；电容感应 薄膜覆盖在第二衬底的上表面，悬浮于压力腔上，该薄膜由两层PECVD SiC薄膜夹一金属层 组成，所述金属层为上电极；第一衬底位于电容感应薄膜之上，第一衬底在压力腔的上方开 有深槽，露出上层的PECVD SiC薄膜；CMOS处理电路嵌置于第一衬底的下表面，位于深槽的 旁边，并与上电极接通。
2.如权利要求1所述的单片集成SiCMEMS压力传感器，其特征在于，上层的PECVD SiC 薄膜厚0. 2μπι 5μπι ；下层的PECVD SiC薄膜厚0. 1 μ m 1 μ m。
3.如权利要求1所述的单片集成SiCMEMS压力传感器，其特征在于，所述压力腔深 0. 5 μ m 10 μ m0
4.如权利要求1所述的单片集成SiCMEMS压力传感器，其特征在于，所述第一衬底是 硅衬底，所述第二衬底是玻璃衬底。
5.如权利要求1所述的单片集成SiCMEMS压力传感器，其特征在于，所述CMOS处理 电路为连续时间电压读出电路，包括C-V转化模块、放大器模块、解调模块和滤波模块，其 中C-V转化模块将电容变化转化为电压变化，放大器将C-V模块的微弱电压量进行放大，并 通过解调模块和滤波模块得到输出；所述C-V转化模块是由四个电容组成的非平衡交流电 桥，被测电容和三个固定电容分别位于电桥的四个臂上，在四臂搭成的菱形结构的一对角 线之间加载一定频率的载波信号，在另一对角线两端引出输出线，输入到放大器模块的输 入端。
6.如权利要求5所述的单片集成SiCMEMS压力传感器，其特征在于，所述放大器模块 是全差分放大器。
7.如权利要求6所述的单片集成SiCMEMS压力传感器，其特征在于，所述全差分放大 器主要由两级放大结构、源跟随器和误差放大器三部分组成，其中源跟随器和误差放大器 构成了该放大器的共模反馈结构。
8.如权利要求7所述的单片集成SiCMEMS压力传感器，其特征在于，所述两级放大结 构中第一级放大结构是输入管为PMOS管，用二极管连接的NMOS管作为负载的差动放大器； 第二次放大结构是由8个MOS管组成的套筒式的共源共栅结构的运放。
9.权利要求1 8任一所述单片集成SiCMEMS压力传感器的制备方法，包括以下步骤1)采用CMOS工艺在第一衬底上制备出CMOS处理电路；2)采用等离子体增强化学气相淀积技术在第一衬底带有CMOS处理电路的一面淀积一 层SiC薄膜作为结构层，并在该结构层SiC薄膜覆盖CMOS处理电路的位置形成一通孔作为 电极接口 ；3)在结构层SiC薄膜表面溅射一层金属作为上电极；4)在上电极表面采用等离子体增强化学气相淀积技术淀积另一层SiC薄膜作为介质层；5)在第二衬底上刻蚀出压力腔；6)覆盖压力腔在第二衬底表面淀积一层金属形成下电极；7)将第一衬底带有介质层SiC薄膜的一面和第二衬底带有下电极的一面键合在一起，其中CMOS处理电路位于压力腔的旁边；8)对键合后的第一衬底进行刻蚀，在压力腔上方形成深槽，露出结构层SiC薄膜。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)介质层形成后，刻蚀介质层、 上电极和结构层形成隔离槽，露出部分CMOS处理电路。
全文摘要
本发明公开了一种单片集成SiC MEMS压力传感器及其制备方法。该压力传感器包括嵌置了CMOS处理电路的第一衬底、开有压力腔的第二衬底和两衬底之间的电容感应薄膜；该薄膜由两层PECVD SiC薄膜夹上电极组成，悬浮于压力腔上；压力腔表面覆盖有下电极；压力腔上方的第一衬底部分开有深槽，露出上层的PECVD SiC薄膜；CMOS处理电路位于深槽的旁边，并与上电极接通。该传感器以低温淀积的SiC作为感应薄膜，器件性能好且适用于腐蚀性环境。同时，本发明采用post-CMOS方法加工，实现了传感器与处理电路的集成，从而提高了器件的整体精度和稳定性。
文档编号B81C1/00GK102062662SQ201010537800
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者刘雷, 唐伟, 张海霞, 郑百祥, 陈哲 申请人:北京大学