专利名称：一种压力传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种压力传感器及其制备方法。
背景技术：
自从人们发现了半导体硅的压阻效应以来，压阻型压力传感器 得到了迅速的发展和推广。压阻效应指的是在材料受到压力作用时，其电阻或电阻率发生明显变化的物理现象。目前广泛使用的一种压力传感器的剖面图如图I所示，其中标号101指的是Si3N4,标号102指的是SiO2，标号103指的是Al，标号104指的是Si衬底。该压力传感器的核心是位于密封空腔上方的包括压阻电桥电路的薄膜结构。该压力传感器的压敏结构和电路均制作于器件上方，并且带有感知外界压力功能的薄膜结构不能倒置，使得这种结构的压力传感器只能通过引线键合的方式向外引出电信号。而对于现代电子产品的封装而言，由于引线键合技术具有互连延时长、电感大、封装效率低、与圆片级封装不兼容等缺点而不利于这种结构的压力传感器的制备。另一种压力传感器结构是通过倒装键合的方式来引出压力传感器的电信号，其虽然避免了引线键合对压力传感器器件尺寸和封装的负面的影响，但是其仍然需要在系统版上集成压力信号处理电路，并且其制备工艺较长，需要引入硅-硅键合等。
发明内容
本发明针对现有技术中的压力传感器结构的上述缺陷，提供一种能够克服上述缺陷的压力传感器结构。本发明提供一种压力传感器，该压力传感器包括衬底、压敏元件及其引出电极和硅通孔，其中，所述压敏元件及其引出电极位于所述衬底的一侧，所述硅通孔贯穿所述衬底并且所述硅通孔的一端与所述压敏元件的引出电极互连，所述硅通孔的另一端作为所述压力传感器的输出端，所述压力传感器还包括位于所述压敏元件(200)下方的密封空腔
(40)，并且所述压敏元件(200)与所述密封空腔(40)之间形成压敏薄膜。本发明还提供一种制备压力传感器的方法，该方法包括提供衬底；在衬底的一侧上制备压敏元件及其引出电极，并进行图形化；在所述衬底的形成有所述压敏元件的一侧制备所述压敏元件引出电极的电连接孔；将所述衬底的未形成有所述压敏元件的一侧减薄至露出所述电连接孔从而形成娃通孑L ；在所述衬底的未形成所述压敏元件的一侧上，在所述硅通孔上制备金属凸点；在所述压敏元件下方形成密封空腔以及位于所述压敏元件与所述密封空腔之间的压敏薄膜。
由于根据本发明的压力传感器是通过硅通孔来弓丨出压力传感器的压力信号，所以与现有技术中的引线键合和倒装键合技术相比，能够降低压力传感器的尺寸并与圆片级封装相兼容。
图I现有技术中的一种压力传感器结构图；图2是根据本发明的压力传感器的剖面图；图3是根据本发明的压力传感器的另一剖面图；图4是根据本发明的压力传感器的制备流程图；图5-图14是根据本发明的压力传感器的具体流程剖面图。
具体实施例方式下面结合附图来详细描述根据本发明的压力传感器及其制备方法。如图2所示，根据本发明的压力传感器包括衬底100、压敏元件200及其引出电极和硅通孔50，其中，所述压敏元件200及其引出电极位于所述衬底100的一侧，所述硅通孔50贯穿所述衬底100并且所述硅通孔50的一端与所述压敏元件200的引出电极互连，所述硅通孔50的另一端作为所述压力传感器的输出端，所述压力传感器还包括位于所述压敏元件200下方的密封空腔40，并且所述压敏元件200与所述密封空腔40之间形成压敏薄膜。图2示出的衬底100为绝缘体上娃(SOI)衬底,其包括绝缘层10以及位于绝缘层10两侧的第一硅层IOa和第二硅层10b。应当理解的是，所使用的衬底100并不局限于图2所示的SOI衬底，还可以使用其他类型的衬底。另外，图2所示的压敏元件200包括压敏电阻、引出电极、钝化层等。下文稍后将结合压力传感器的制备方法来对压敏元件200的结构进行描述。本领域技术人员应当理解，本发明并不局限于图2所示的压敏元件200结构，其他的压敏元件结构也是可用的。另外，图2中的标号70是作为压力传感器的输出端的金属凸点。当然，压力传感器中还可以集成对压力信号进行处理的处理元件1，以便更有利于电子系统的小型化和功能的多样性。集成有处理元件I的压力传感器的剖面图如图3所示。如图3中所示，处理元件I也是通过硅通孔结构来引出电信号的。这样可以利于电子系统的小型化。在图3中，可以用有机填料(例如，聚合物胶)60在所形成的最终压力传感器芯片周围进行填充，以保证密封空腔40的气密性。当然也可以通过金属间化合物键合结构(例如，Au-Sn键合结构)来形成密封空腔40。但是，本领域技术人员将意识到，上面描述的密封方式仅是示例而非用于限制本发明的保护范围，实际上，其他密封方式也是可行的，只要能够确保密封空腔40的气密性即可。下面结合图4来描述根据本发明的压力传感器的制备流程。如图4所示，根据本发明的压力传感器的制备流程包括S41、提供衬底100。其中，该衬底100可以是任何类型的衬底，包括SOI衬底、硅衬底等。S42、在衬底100的一侧上制备压敏元件200及其引出电极，并进行图形化；
S43、在所述衬底100的形成有所述压敏元件200的一侧制备所述压敏元件200引出电极的电连接孔50 ；S44、将所述衬底100的未形成有所述压敏元件200的一侧减薄至露出所述电连接孔从而形成硅通孔50 ；S45、在所述衬底100的未形成所述压敏元件200的一侧上，在所述硅通孔50上制备金属凸点70 ；S46、在所述压敏元件200下方形成密封空腔以及位于所述压敏元件200与所述密封空腔之间的压敏薄膜。下面以衬底为绝缘体上硅(SOI)衬底为例，结合图5-图13来具体说明根据本发明的压力传感器的制备流程。如图5所示，首先在SOI衬底100上制备压敏元件200，例如压敏电阻。其中，图5 中的标号10指的是SOI衬底100的绝缘层，标号IOa和IOb分别指的是SOI衬底100的第
一娃层和第二娃层。之后，如图6所示，对所形成的压敏元件200进行金属化布线，从而形成金属布线层3。之后，如图7所示，在金属布线层3上形成钝化层4，并且在需要在随后步骤中制备硅通孔50的位置处留出开口 9。该钝化层4可以通过化学汽相淀积工艺形成，并且该钝化层4的材料可以是氧化硅或氮化硅。之后，如图8所示，在未淀积钝化层4的金属布线层3上形成金属保护层5。该金属保护层5可以通过化学汽相淀积或物理汽相淀积或者其他工艺形成。同样地，需要在随后步骤中制备硅通孔50的位置处留出开口 9。并且该金属保护层5的材料可以是Ti或TiW。之后，如图9所示，在预计制备硅通孔50的位置形成孔，并在该孔底部和侧壁上形成绝缘层和扩散阻挡层。可以采用深度反应离子刻蚀(DRIE)工艺或者其他刻蚀工艺来形成该孔50。该孔50是深宽比高的孔。根据压力传感器单元尺寸的要求，该孔50的直径可以位于5微米到50微米的范围内，该孔50的深度可以位于80微米到200微米的范围内。之后，如图10所示，将该SOI衬底100的未形成压敏元件200的一侧与临时键合圆片30进行键合(例如，通过键合胶30a进行键合)，并对该SOI衬底100进行背面减薄，直至露出之前形成的孔从而形成硅通孔50。之后，如图11所示，在硅通孔50中形成种子层，并之后在该硅通孔50中填充导电材料，例如铜、钨、多晶硅、导电聚合物、金属-聚合物复合材料等。当然，也可以在图10中在将带有压敏元件200的衬底100与临时键合圆片30进行键合之前，先在临时键合圆片30上形成种子层，并之后在图11中，通过自临时键合圆片30向带有压敏元件200的衬底100的方向，通过电镀工艺来填充导电材料。之后，如图11所示，在硅通孔50上制作金属凸点70。之后，如图12所示，去除压敏元件200下方的部分SOI衬底100，直至露出绝缘层10，从而形成了位于压敏元件200下方的压敏薄膜。其中，可以通过采用ICP干法刻蚀的方法来去除所述部分SOI衬底。这样，通过采用SOI衬底，能够严格控制压敏薄膜的均匀性。之后，如图13所示，去除临时键合圆片30，并对图12中所形成的空间进行密封从而形成密封空腔40。其中，可以通过在图12中所形成的空间中填充填料来形成密封空腔40，其中，填料可以是聚合物胶或者其他材料。当然，除了通过填充填料60形成密封空腔40这种方式之外，还可以通过在所形成的每个压力传感器芯片周围设计金属密封环(未示出)来形成密封空腔40,或者通过将绝缘体上娃衬底100的未形成压敏元件200的一侧与另一芯片进行键合来形成密封空腔40。但是，本并发明并不局限于这里描述的密封方式，其他密封方式也是可行的，只要能够确保密封空腔40的气密性即可。当然，为了在压力传感器中集成压力信号处理电路，还可以如图14所示，将与对压力信号进行处理的处理电路I与带有压敏元件200的衬底100进行键合，其中前述流程中的临时键合圆片30应当在处理电路I与衬底100键合之后才被去掉，以保护前述流程中形成的压敏元件200不受到损坏。其中，为了确保密封空腔的气密性，可以用有机胶材料(例如，聚合物胶)在所形成的传感器周边进行填充来形成密封结构40，当然也可以通过金属间化合物键合结构(例如，Au-Sn键合结构)来形成密封空腔40。但是，本领域技术人员将意识到，上面描述的密封方式仅是示例而非用于限制本发明的保护范围，实际上，其他密 封方式也是可行的，只要能够确保密封空腔40的气密性即可。而且，处理电路I也可以通过硅通孔结构来输出处理后的信号。而且，图14的步骤是可选的。以上结合优选实施方式对本发明进行了详细描述，应当理解，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变形，而且根据本发明的压力传感器的制备流程并不局限于上面所述的顺序，某些步骤可以相互调换或者省略。
权利要求
1.一种压力传感器，该压力传感器包括衬底(100)、压敏元件(200)及其引出电极和硅通孔(50)，其中，所述压敏元件(200)及其引出电极位于所述衬底(100)的一侧，所述硅通孔(50)贯穿所述衬底(100)并且所述硅通孔(50)的一端与所述压敏元件(200)的引出电极互连，所述硅通孔(50)的另一端作为所述压力传感器的输出端，所述压力传感器还包括位于所述压敏元件(200)下方的密封空腔(40)，并且所述压敏元件(200)与所述密封空腔(40)之间形成压敏薄膜。
2.根据权利要求I所述的压力传感器，其中，所述衬底(100)为绝缘体上硅衬底。
3.根据权利要求I所述的压力传感器，其中，所述压力传感器还包括对通过所述硅通孔(50)输出的信号进行处理的处理元件(I)，该处理元件(I)具有与所述硅通孔(5)电连接的电极。
4.一种制备压力传感器的方法，该方法包括 提供衬底； 在衬底的一侧上制备压敏元件及其引出电极，并进行图形化； 在所述衬底的形成有所述压敏元件的一侧制备所述压敏元件引出电极的电连接孔； 将所述衬底的未形成有所述压敏元件的一侧减薄至露出所述电连接孔从而形成硅通孔； 在所述衬底的未形成所述压敏元件的一侧上，在所述硅通孔上制备金属凸点； 在所述压敏元件下方形成密封空腔以及位于所述压敏元件与所述密封空腔之间的压敏薄膜。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述方法还包括 在对所述衬底进行减薄之前，在所述衬底的形成有所述压敏元件的一侧上形成保护膜；以及 在形成所述密封空腔之后去除所述保护膜。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述衬底为绝缘体上硅衬底。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述在所述压敏元件下方形成密封空腔以及位于所述压敏元件与所述密封空腔之间的压敏薄膜包括 在所述绝缘体上娃衬底未形成所述压敏元件的一侧对位于所述压敏元件下方部分进行刻蚀直到露出所述绝缘体上硅衬底的绝缘层为止； 将所述绝缘体上硅衬底的未形成所述压敏元件的一侧与另一芯片键合，从而形成所述密封空腔。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述在所述压敏元件下方形成密封空腔以及位于所述压敏元件与所述密封空腔之间的压敏薄膜包括 刻蚀位于所述压敏元件下方的所述衬底的一部分； 将所述衬底的未形成所述压敏元件的一侧与对压力信号进行处理的处理元件进行键合； 形成所述压力传感器的密封空腔。
全文摘要
本发明针对现有技术中的压力传感器结构在尺寸和封装技术方面的缺陷，提供一种能够降低尺寸并便于封装的压力传感器及其制备方法。一种压力传感器，该压力传感器包括衬底(100)、压敏元件(200)及其引出电极和硅通孔(50)，其中，所述压敏元件(200)及其引出电极位于所述衬底(100)的一侧，所述硅通孔(50)贯穿所述衬底(100)并且所述硅通孔(50)的一端与所述压敏元件(200)的引出电极互连，所述硅通孔(50)的另一端作为所述压力传感器的输出端，所述压力传感器还包括位于所述压敏元件(200)下方的密封空腔(40)，并且所述压敏元件(200)与所述密封空腔(40)之间形成压敏薄膜。
文档编号G01L1/18GK102798489SQ20111032296
公开日2012年11月28日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月21日
发明者蔡坚, 王涛, 王谦 申请人:清华大学