经济型高精度硅压力传感器芯片及加工方法与流程

1.本发明涉及微电子技术领域，具体涉及经济型高精度硅压力传感器芯片及加工方法。用该方法制成的压力传感器芯片尺寸更小，成本大大降低，精度更高，过载能力更佳。


背景技术：

2.扩散硅压力传感器芯片由于输出信号大, 处理电路简单，而且可以测量压力、差压多面参数而受工业界的重视,近十年来迅速发展,在传感器和变送器市场占有相当大的份额, 国外发达国家依靠强大的半导体工业基础对于扩散硅压力传感器芯片机理和应用进行了深入研究,取得了大量成果。但是，压力传感器的应用领域还在拓宽，当前的芯片尺寸和成本依然限制了它的应用。此外，对于某些高精度的压阻式压力传感器的需求，当前普遍采用的硅-玻璃阳极键合也已经难以满足需求。硅硅直接键合往往要求硅表面有很好的粗糙度，但是当芯片加工达到最后一步时，硅片表面的粗糙度已经增大，难以满足键合要求，若要强行键合，需要增加很大的压力，这进一步增加了成本，降低了良率。传统的硅压力传感器芯片在制作硅膜片的时候，使用koh各向异性腐蚀，腐蚀产生的斜坡浪费了较大的硅片面积，使之不能得到最大化的利用，故很难将其尺寸做的太小，成本也很难进一步降低。因此在集成度要求很高的领域，虽然需求很大，但符合要求的传感器依然很少。若用深硅刻蚀技术，虽然避免了111晶面的斜坡，但是由于深硅刻蚀工艺的均匀性所限制，需要用到soi晶圆，无论是深硅刻蚀技术还是soi晶圆都会增加成本，而且过载能力没有任何提高，所以成本降低效果有限。


技术实现要素：

3.针对现有扩散硅压力传感器芯片所存在的问题，本发明的目的在于提供一种成本更低、芯片精度更高、芯片尺寸更小且过载能力突出的经济型高精度硅压力传感器芯片及加工方法。
4.为实现上述目的，本发明采用的结构技术方案是：经济型高精度硅压力传感器芯片，它包括有：在单晶硅衬底层所加工成的压力传感器芯片的硅膜片，电极，硅片层，其特征在于：在硅片层的上表面刻蚀有压力传感器的空腔，在硅片层及压力传感器空腔上部设置有一层感受压力的硅膜片，在硅膜片上嵌入有硅片注入层，在该硅片注入层上部还设置有电极，而成为敏感电阻及硅膜片-腔体结构。
5.该技术要点是：本发明传感器芯片用直接硅硅键合技术，膜片采用了键合后减薄的方法，避免了传统芯片多数采用硅-玻璃键合导致材料应力大的问题，也避免了koh各向异性腐蚀带来的斜坡。
6.本发明所述硅膜片的厚度为5-100um
±
0.5um。
7.本发明还包括：整个芯片结构为硅硅直接键合，从而保证了芯片的高精度。
8.本发明的一种经济型高精度硅压力传感器芯片加工方法，其特征在于：其加工过程为：
(1) 选择一片100晶面的n型单晶硅片，进行氧化，氧化层厚度为0.2-3um，记为a片；(2) 选择另一片100晶面的n型单晶硅片为衬底，通过光刻技术，在单晶硅表面光刻出敏感电阻以及电极区域，等待注入，该片记为b片；(3) b片注入，注入硼离子，剂量为1e15-1e16，注入能量为20-90kev；(4) b片去胶后正面与a片进行si-si直接键合，使用专用的键合机，退火温度为800-1100℃，时间为0.1-2h；(5) 硅片减薄，利用 dfg8761或同类设备对b片背面进行减薄，使得b片的厚度为5-100um
±
0.5um，该部分为最终芯片的硅膜片；(6) 选择另一片硅片c，可选单抛单晶硅片，在c片正面进行光刻，图形为正方形或者圆形或者长方形，等待刻蚀；(7) c片用干法刻蚀技术刻蚀出1-5um的硅坑，该坑是最终芯片的空腔部分，随后去除光刻胶；(8) b片减薄面与c片正面进行si-si直接键合，使用专用的键合机，退火温度为800-1100℃，时间为0.1-2h；(9) 去掉a片，将键合后的wafer整体去掉a片的部分，可以选择干法刻蚀或者湿法腐蚀去掉硅；(10) 去掉键合面氧化层，去掉硅后还会在表面留下a片的氧化层，需要将其去掉，留下膜片-腔体结构；(11) 采用常规工艺制作电极区域，将制作好的膜片-腔体结构硅片清洗后进行光刻，露出电极区域，随后用金属制作出电极，电极选择铝电极，以及cr-ni-au、cr-ni、ti-pt、ti-pt-au、ti-ni或ti-au的复合电极，随后经过退火后形成欧姆接触。
9.本发明所述的硅膜片借助于硅片减薄设备制作，而不是用干法/湿法刻蚀。
10.本发明有益效果及设计原理如下机理：该传感器芯片整体为硅硅直接键合，利用键合工艺配合高精度硅片减薄设备，制作出均匀性非常一致的膜片以及一致性非常高的传感器空腔，避免了传统方法各向异性腐蚀产生的斜坡，提高了硅片的利用率。由于膜片可以做到非常薄，且避免了湿法腐蚀留下的斜坡，故芯片尺寸更小，经济型更好，成本降低60%~80%，芯片尺寸降低70%-90%，此外传感器的过载性能比传统的硅压力传感器可提升2-8倍。由于是硅硅直接键合，本发明制成的传感器芯片为高精度硅压力传感器芯片，静压误差和传感器精度可提升60%以上。在制作流程方面，应用了氧化、光刻、刻蚀、键合、注入、溅射等工艺，保证了器件制作95%以上的良率。
11.有益效果：有益效果包括但不限于以下 过载尺寸静压误差传统芯片4-7倍过载1.5mm*1.5mm-7.5mm*7.5mm0.5%-1%本发明10-30倍过载0.5mm*0.5mm-7.5mm*7.5mm小于0.05%1：成本大大降低，芯片尺寸更小由于传统的硅压力传感器在制作硅膜片时使用硅各向异性腐蚀技术，在腐蚀之后
会在压力腔的侧壁内留下腐蚀的斜坡，为111晶向的硅，由于斜坡的存在，使得压力传感器有效使用面积大大减少，芯片尺寸较大，芯片成本难以继续下降。若用干法深硅刻蚀的方法，虽然可以避免斜坡，但是其刻蚀的均匀性难以达到需求，且深硅刻蚀的成本较高。在芯片的正面，电路排布所需尺寸非常小，对尺寸不敏感。
12.对于已经存在的深硅刻蚀方法制作的压力传感器芯片，虽然避免了斜坡，但是由于深硅刻蚀工艺的均匀性较差，需要使用soi晶圆利用自停止的方法才能实现其功能，由于soi晶圆和深硅刻蚀的成本均较高，故用深硅刻蚀的方法，即使尺寸更小，成本降低也有限。
13.基于以上，本发明提出了一种整体腐蚀的方法来制作硅膜片，该方法不受到来各向异性腐蚀带来的斜坡影响，可以进一步减小芯片的尺寸，提高产量，大大降低芯片的成本，可以满足更多领域的需求。
14.2:过载性能提升2-8倍传统的硅压力传感器过载性能只由单晶硅本身的材料特性来决定，若压力过大，膜片会因为材料无法抵御压力而破裂。本发明制作的压力传感器压力腔大小可以由刻蚀c片的深度决定，若压力过大，膜片会在最大形变量处接触到c片槽底，使得传感器的抗过载性能大大增加。
15.3：芯片精度更高传统的硅压力传感器芯片多数采用硅-玻璃阳极键合技术进行封接，但是该方法会由于材料不同而引入应力，在高精度硅压阻式压力传感器芯片方面存在精度不足，静压误差大的问题。本发明由于使用了硅硅直接键合技术，避免了由于材料不同而带来的应力，提高了传感器的精度。另外在加工方法方面，由于键合工艺处没有位于芯片制作流程的后端，故键合难度大幅降低。
附图说明
16.图1为本发明中压力传感器芯片的主要工艺过程示意简图；图2为本发明下的硅压力传感器芯片结构示意简图；附图中主要部件说明：0为单晶硅衬底；1为热氧生长的氧化层；2为第二片硅片；3为第二片硅片的注入层（实际上有图形，示意图1未表示图形，用一层表示）；4为压力传感器芯片的膜片，5为刻蚀后的第三片硅片，6为压力传感器的空腔；7为制作的电极。
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
18.实例1如图2所示，图中的7为电极，5为硅片层，在硅片层5的上表面刻蚀有压力传感器的空腔6，在硅片层5及压力传感器空腔6上部设置有一层感受压力的硅膜片4，在硅膜片4上嵌入有硅片注入层3，在该硅片注入层3上部还设置有电极7，而成为敏感电阻及硅膜片-腔体结构。
19.上述敏感电阻压力传感器芯片的加工方法，如图1、2所示，具体过程如下：
(1) 选择一片100晶面的n型单晶硅片，进行氧化。氧化层1厚度为0.2-3um，温度为800-1150℃，可以进行干氧、湿氧以及混合氧化，设备可以选择立式氧化炉，卧式氧化炉，也可以使用pecvd设备进行生长，记为a片0；(2) 选择另一片100晶面的n型单晶硅片2为衬底，通过光刻技术，曝光时间为5-100s，显影时间10-150s，在单晶硅表面光刻出敏感电阻以及电极区域3，等待注入，该片记为b片；(3) b片注入，使用离子注入机进行硼离子注入工艺，剂量为1e15-1e16，注入能量为20-90kev；(4) b片去胶，去胶可以选择湿法去胶，也可以选择等离子体去胶机进行去胶，等离子体去胶机可以选择常规射频等离子体，也可以选择微波等离子体去胶机。b片去胶后正面与a片进行si-si直接键合，使用的键合机，键合时的激活方式可以使用等离子体激活方法，也可以使用化学激活的方法，键合后退火温度为800-1100℃，时间为0.1-2h；(5) 硅片减薄，利用 dfg8761或同类设备对b片背面进行减薄，通过精确控制，使得b片的厚度为5-100um
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0.5um，减薄到最后需要进行精抛，使粗糙度控制在5nm以内，该部分为最终芯片的膜片4；(6) 选择另一片硅片c，可选单抛单晶硅片，在c片5正面进行光刻，曝光时间为5-100s，显影时间10-150s，图形为正方形或者圆形或者长方形，等待刻蚀；(7) c片用干法刻蚀技术刻蚀出1-5um的硅坑6，刻蚀一般选择f离子，刻蚀功率为300-1000w，真空在1-100torr，该坑是最终芯片的空腔部分，随后去除光刻胶，去胶可以选择湿法去胶，也可以选择等离子体去胶机进行去胶，等离子体去胶机可以选择常规射频等离子体，也可以选择微波等离子体去胶机；(8) b片减薄面与c片正面进行si-si直接键合，使用键合机，键合时的激活方式可以使用等离子体激活方法，也可以使用化学激活的方法，键合后退火温度为800-1100℃，时间为0.1-2h；(9) 去掉a片，将键合后的wafer整体去掉a片的部分，可以选择干法刻蚀或者湿法腐蚀去掉硅；(10) 去掉键合面氧化层，去掉硅后还会在表面留下a片的氧化层，需要将其去掉，选择f离子湿法刻蚀，留下膜片-腔体结构；(11) 常规工艺制作电极区域，将制作好的膜片-腔体结构硅片清洗后进行光刻，露出电极区域，随后用金属制作出电极，电极可以选择铝电极，或cr-ni-au、cr-ni、ti-pt、ti-pt-au、ti-ni、ti-au等复合电极，随后经过退火300-700℃，时间5-60min，后形成欧姆接触。