一种DSOI微压传感器的制作方法

本实用新型涉及微压传感器领域，尤其涉及一种稳定性高、灵敏度高、不易损坏的微压传感器。

背景技术：

微压传感器通常是指小于10Kpa量程的压力传感器。这类传感器要求灵敏度很高。即在很小压强作用下就要有很大的电信号输出。例如用作呼吸传感器时，就要把人体微弱的呼吸信号检测出来。为了达到这个目的，微压传感器中的核心部份-弹性硅膜制作得很薄。把厚度为600微米的圆片经过集成电路平面工艺，在背面光刻出腐蚀窗口，正面保护，放在硅单晶腐蚀液中腐蚀，使窗口内硅单晶厚度从600微米减小到仅10微米左右。因此在工艺制作上难度很高，传统的工艺制作，产出率也低，成本高，卖价也就较其它大量程传感器高。

目前，国际或国内市场销售的微压传感器有二种结构型式：一种称为C型结构（或称硅杯式结构），即正面也用平面工艺在特定区域制作四个P型电阻和铝引线，形成一个惠斯顿电桥。当正面或背面受压时，惠斯顿电桥中二个电阻变大，二个电阻变小，产生与压强成正比的电信号输出。这种结构的最大缺点是当传感器量程小到一定程度时，硅膜必须很薄，才能保证足够高的灵敏度，这时弹性膜的大绕度效应成为突出的矛盾，使传感器的非线性指标变大，测量精度迅速下降。通常在2～3%左右。这种传感器只能用在要求不高的场合。

为了克服这种弊病，产生了第二种E型结构（又称岛膜结构），即在背面形成一个大岛。岛的顶面与边框平面低5-10微米。由于岛是一个坚硬结构，当传感器弹性膜受压时岛不会变形，因此认为背岛区域内应力不发生变化，而在岛的周围弹性膜区域内应变量形成一个线性变化，保证桥路在应力作用下产生线性的电信号输出。这种结构不仅有非线性内补偿作用，而且背岛有过载限位作用。因此成为目前国际上微压传感器的主打产品。但是这种结构还存在如下几方面缺点：(1) 桥路电阻是用B⁺离子注入或硼杂质热扩散掺杂的方法制作，在N-Si衬底的特定区域制作四个P型电阻，形成惠斯特桥路电阻。由于桥路电阻之间的电性能隔离是靠P-N结的反向阻抗实现，而硅的P-N结反向电流I_r主要是由P-N结势垒区中的产生电流I_g和表面漏电流I_s组成。当温度升高时，P-N结势垒区中的价电子因热激发，从价带跃迁到导带，变成电子-空穴对。在P-N结势垒区的反向电压作用下，电子被电场扫向N区，空穴被电场扫向P区，与外电路的反向电源连接，形成P-N结反向电流I_r。由晶体管原理得到，产生电流I_g∝e^－Eg/2kT，式中E_g是硅的禁带宽度，约1.12ev；k是玻尔兹曼常数；T是温度变化值。所以硅P-N结反向电流I_r是随温度按e^－Eg／2kT增加。

图1是硅P-N结反向电流随温度的变化曲线。对于一些制造不良的硅P-N结，其表面漏电流是主要的，因此在温度不太高时，其反向电流随温度变化缓慢，只有当温度升高，以致使产生电流大于表面漏电流以后，表现出如图1所示的温度变化规律。

由此可见，在结构方面：（1）用硅P-N结扩散电阻作桥路电阻的传感器，在环境温度超过110℃时，传感器中两个桥路电阻之间的反向电流I_r是常温反向电流I_r(27℃)的200倍以上。这里还不包括因制造工艺不良而引起的漏电流变大造成传感器稳定性变坏的因素。

（2）采用各向异性腐蚀方法形成的背岛是一个梯形结构，四个侧面是晶面，与底面形成54.74度的底角，背岛将占据很大的面积。尤其在圆片厚度很厚时，矛盾更为突出。例如圆片厚度为600微米时，晶面所占的宽度为W=600um/TAN(54.74⁰)=600um/1.414443=424.2um。背岛两个晶面共占宽度为848.4um。如果计入边框的两个晶面所占宽度848.4um，则传感器芯片面积有1.7×1.7=2.89mm²被损耗掉了，使产出率大大变低。

(3) 当弹性膜厚度小于10um时，与弹性膜一体的背岛自重效应己不能忽略。背岛的重力作用在周边弹性膜的压敏电阻上，形成一个较大的固有零点输出信号。当传感器位置发生变化时，零位输出电压也跟着发生变化。这给测量带来很大的不稳定性。

（4）当正面压力超过量程时，整个弹性膜一直移动，弹性膜容易破坏。

在工艺方面：(5)微压传感器芯片与玻璃进行阳极键合时，背岛顶部与玻璃间隙仅5-10微米，会产生很大的静电库仑力，把岛拉向玻璃表面，造成岛与玻璃键合在一起，使器件失效。

(6)在腐蚀微压传感器芯片时，由于6寸晶圆片的厚度误差为±10um，所以很难保证在6寸晶圆上每个芯片的弹性膜厚度都能达到所要求的技术指标。常常出现一半达到膜厚要求时，而另一半的芯片膜厚会出现过厚或过薄的现象。所以很难控制硅膜厚度，造成产出率低，不适宜大规模生产。

本实用新型就是针对上述缺点提出新的改进结构。

技术实现要素：

针对现有的微压传感器存在背岛结构不合理、弹性膜容易损坏的问题，本实用新型提供一种DSOI微压传感器。

一种DSOI微压传感器，其解决问题的技术方案是：岛设置在正面中心位置；在岛的四周设置有四个梁区；梁区设置在该传感器的边沿到岛的应力中心位置；在岛的正下方设置有过载限位区，该过载限位区正下方设置有大气平衡孔；大气平衡孔与方形窗口联通；所述的梁区和岛的周围设置有膜区，膜区的厚度为岛的一半。

本实用新型的有益效果是：本实用新型免去背岛结构，采用正面梁—膜—岛结构，使微压传感器的零点稳定性大大提高；膜区的厚度仅为梁区和岛区的二分之一。其作用具有应力集中效应，提高了传感器的灵敏度；通过过载限位区的保护，保证器件不受破坏。

附图说明

图1为硅P-N结反向电流随温度的变化曲线。

图2为本实用新型平面图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为惠斯特全桥电路图。

其中，1.基片；2.氧化层I；3. 过载限位区；4.器件膜；5.氧化层II；6.P型浓硼区；7.电阻；8.铝压脚；9.梁区；10.膜区；11.岛；12.大气平衡孔；13.方形窗口；14.氮化硅层；15.背大膜。

具体实施方式

一种DSOI微压传感器，其解决问题的技术方案是：岛11设置在正面中心位置；在岛11的四周设置有四个梁区9；梁区9设置在该传感器的边沿到岛11的应力中心位置；在岛11的正下方设置有过载限位区3，该过载限位区3正下方设置有大气平衡孔12；大气平衡孔12与方形窗口13联通；所述的梁区9和岛11的周围设置有膜区10，膜区10的厚度为岛11的一半。

所述的 一种DSOI微压传感器，还包括：基片1、氧化层I、背大膜、器件膜4、氧化层II5、P型浓硼区6、电阻7和铝压脚8，其中，基片1的两侧设置氧化层I2，位于上平面的氧化层I2设置背大膜15，背大膜15上设置氧化层I2，氧化层I2上设置器件膜4，器件膜4上设置氧化层II5，氧化层II5上设置有P型浓硼区6；P型浓硼区6上设置四个电阻7和四个铝压脚8，形成惠斯特全桥电路；所述的梁区9、膜区10和岛11位于背大膜15的上表面。

所述的P型浓硼区6的厚度为2～5微米。

所述的过载限位区3的间隙为5~8mm。

所述的位于下侧的氧化层I 2下方还设置有氮化硅层14。

所述岛 11为正方形，岛11的厚度与梁区9相同，但其宽度比梁区9的宽度要大很多。这种结构大大减小了大绕度效应，提高了线性度。同时又避免了E型结构中的背岛自重效应，使微压传感器的零点稳定性大大提高了。

所述的膜区10的厚度仅为梁区9和岛11的二分之一。其作用具有应力集中效应，提高敏感电阻的应变量，从而提高了传感器的灵敏度。调节膜区10的厚度可以调节传感器的灵敏度。通过ICP干法刻蚀工艺，调节膜区10的厚度，便可以方便调节传感器的灵敏度。

所述的过载限位区3的间隙约5～8微米。当正面压力超过量程时，弹性区的中心点首先与大气平衡孔12相接触。弹性区的中心点为岛11的中心点，当正面压力超过量程时，整个弹性区将与过载限位区3的底部相接触，使弹性膜不再移动，保证弹性膜不受破坏。这种结构的过载限位能力可以达到300倍以上。

一种制备DSOI微压传感器的工艺，包括：在厚度约600微米硅基片1表面热生长氧化层I2，通过光刻工艺正面开出背大膜15窗口，湿法或干法刻蚀窗口内单晶硅，深度约6～8微米，再热生长氧化层I2，和另一片硅基片采用SBD工艺键合一起，再经减薄抛光形成器件膜4，再热生长氧化层II5，在氧化层II5上面再和另一片硅基片采用SBD工艺键合一起，再经减薄抛光形成厚度为2～5微米的P型浓硼区6。然后在该P型浓硼区6表面，采用集成电路平面工艺，在特定区域制作四个P型电阻7和铝压脚8组成一个惠斯顿电桥，在该P型浓硼区6表面，利用光刻工艺和ICP干法刻蚀工艺，在背大膜15的上表面形成梁区9、膜区10和岛11，在硅基片1背面通过光刻工艺开出方形窗口13，用40％浓度的KOH腐蚀液腐蚀窗口内单晶硅，直至腐蚀到氧化层I2，终止腐蚀。再用干法刻蚀工艺把大气平衡孔12上的氧化层I2去掉，形成高稳定、高灵敏的DSOI微压传感器新结构。