一種壓阻式壓力傳感器及其制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種壓阻式壓力傳感器及其制造方法。本發(fā)明提供了一種基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器，所述的傳感器具有第一鍵合玻璃-硅基-第二鍵合玻璃三明治結(jié)構(gòu)；所述硅基通過(guò)采用表面微加工技術(shù)與體微加工技術(shù)制造帶有淡硼擴(kuò)散壓阻的膈膜作為壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)，并且利用二次陽(yáng)極鍵合技術(shù)進(jìn)行圓片級(jí)封裝，第一次陽(yáng)極鍵合采用硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，第二次陽(yáng)極鍵合利用非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合技術(shù)的封裝解決了傳統(tǒng)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合過(guò)程中容易擊穿硅表面PN結(jié)和產(chǎn)生離子污染等缺點(diǎn)；本發(fā)明壓力傳感器結(jié)構(gòu)新穎、重量輕、體積小、穩(wěn)定性好、抗污染能力強(qiáng)、可靠性好，在航空航天、軍事、汽車(chē)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種壓阻式壓力傳感器及其制造方法 (一）

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及MEMS (微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器領(lǐng)域中的壓力傳感器及其制造方法，具體 涉及一種基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器及其制造方法。 (二）

【背景技術(shù)】
[0002] MEMS壓力傳感器由于體積小、質(zhì)量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、環(huán)境 監(jiān)測(cè)、軍事、汽車(chē)等領(lǐng)域備受關(guān)注，尤其對(duì)器件體積、質(zhì)量及可靠性有很高要求的航空航天 及兵器科學(xué)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。MEMS壓阻式壓力傳感器體積小，線(xiàn)性好，測(cè)量壓力的范 圍也寬，直接輸出電壓信號(hào)，相比電容式壓力傳感器，不需要復(fù)雜的電路接口，大批量生產(chǎn) 時(shí)價(jià)格低廉，可重復(fù)生產(chǎn)性好，可直接測(cè)量連續(xù)的壓力和穩(wěn)態(tài)壓力。然而，應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜 和惡劣導(dǎo)致MEMS壓力傳感器的可靠性逐漸成為器件設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的問(wèn)題之一，傳感器 長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性對(duì)于器件應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常重要?；诖?，有必要發(fā)明一種MEMS壓阻式壓 力傳感器芯片，以保證壓力傳感器在應(yīng)用時(shí)的穩(wěn)定性與可靠性。 (三）


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種基于陽(yáng)極鍵合封裝技術(shù)、表面微加工、體微加工工藝的 MEMS壓阻式壓力傳感器芯片，以保證壓力傳感器在應(yīng)用時(shí)的可靠性。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器，所述的傳感器具有第一鍵合 玻璃-硅基-第二鍵合玻璃三明治結(jié)構(gòu)；所述的硅基內(nèi)部形成有壓阻式壓力傳感器膈膜，硅 基的正面形成有壓阻式壓力傳感器的壓阻區(qū)域，所述壓阻式壓力傳感器的壓阻區(qū)域位于壓 阻式壓力傳感器膈膜的上表面，并且注入有淡硼形成4根淡硼擴(kuò)散壓阻，同時(shí)淡硼擴(kuò)散壓 阻的內(nèi)部注入有濃硼形成濃硼歐姆接觸區(qū)，所述壓阻式壓力傳感器壓阻區(qū)域的上方沉積有 二氧化娃層，二氧化娃層上方沉積有氮化娃層，所述的二氧化娃層和氮化娃層一起作為絕 緣鈍化層，所述的絕緣鈍化層開(kāi)有引線(xiàn)孔，利用金屬導(dǎo)線(xiàn)連通壓阻區(qū)域，并且壓阻式壓力傳 感器壓阻區(qū)域的4根淡硼擴(kuò)散壓阻通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成惠斯頓全橋連接，所述絕緣鈍化層的 上方沉積有非晶硅，所述的非晶硅與第一鍵合玻璃陽(yáng)極鍵合；所述硅基的正面還形成有濃 硼導(dǎo)線(xiàn)，所述濃硼導(dǎo)線(xiàn)的上方連接有金屬管腳，濃硼導(dǎo)線(xiàn)將傳感器工作區(qū)與金屬管腳連通， 所述硅基的背面與第二鍵合玻璃陽(yáng)極鍵合，所述的第二鍵合玻璃帶有通氣孔，并且所述的 通氣孔位于壓阻式壓力傳感器膈膜的下方。
[0006] 本發(fā)明MEMS壓阻式壓力傳感器，優(yōu)選所述的硅基為η型（100)硅片；優(yōu)選所述絕 緣鈍化層的上方沉積的非晶硅的厚度為2?4 μ m。
[0007] 本發(fā)明MEMS壓阻式壓力傳感器的工作原理如下：本發(fā)明MEMS壓阻式壓力傳感器 主要基于硼摻雜后單晶硅的壓阻特性，壓阻式壓力傳感器懸臂梁上的淡硼擴(kuò)散壓阻受到力 的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過(guò)惠斯頓全橋可以得到正比于力變化的電信號(hào)輸出，通過(guò)測(cè) 量電信號(hào)輸出就能知道所測(cè)物理量的大小。本發(fā)明中我們向η型（100)晶向硅片注入硼來(lái) 實(shí)現(xiàn)P型壓阻，利用PN結(jié)實(shí)現(xiàn)壓阻的隔絕，由于壓阻的壓阻系數(shù)的各向異性，不同方向的 應(yīng)力對(duì)壓阻有不同的影響，為了盡可能增加靈敏度，本發(fā)明所述的MEMS壓阻式壓力傳感器 壓阻區(qū)域的淡硼擴(kuò)散壓阻的排布方式為：縱向沿硅基的（1，1，〇)晶向方向、橫向沿硅基的 (1，-1，〇)晶向方向分布，縱向壓阻系數(shù)、橫向壓阻系數(shù)分別為71. 8, -66. 3。
[0008] 本發(fā)明壓阻式壓力傳感器采用長(zhǎng)方膜設(shè)計(jì)，4根淡硼擴(kuò)散壓阻平行排布，充分利用 橫向壓阻效應(yīng)，這樣的壓阻式壓力傳感器具有橋臂阻值分布均勻，輸出線(xiàn)性度和一致性較 好的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然，根據(jù)不同的靈敏度需要，所述的淡硼擴(kuò)散壓阻可以采用不同的分布方式。 本發(fā)明壓阻式壓力傳感器的4根淡硼擴(kuò)散壓阻通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)連接構(gòu)成惠斯頓全橋，并且， 壓阻式壓力傳感器金屬管腳的一種連接方式為：第一管腳接壓阻式壓力傳感器輸出正，第 二管腳接地，第三管腳接壓阻式壓力傳感器輸出負(fù)，第四管腳接電源正極。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的壓阻式壓力傳感器的制造方法， 所述的制造方法按如下步驟進(jìn)行：
[0010] a)取娃片作為娃基，雙面拋光，清洗，先雙面沉積一層二氧化娃，再雙面沉積一層 氮化硅；
[0011] b)正面干法刻蝕氮化硅、二氧化硅至硅基頂面；
[0012] c)正面熱氧長(zhǎng)一層二氧化硅保護(hù)層，正面光刻膠作掩膜光刻出壓阻式壓力傳感器 的壓阻區(qū)域，然后注入淡硼，形成淡硼擴(kuò)散壓阻，去除光刻膠；
[0013] d)正面光刻膠作掩膜光刻出濃硼導(dǎo)線(xiàn)區(qū)域，并在淡硼擴(kuò)散壓阻區(qū)域光刻出濃硼歐 姆接觸區(qū)域，然后注入濃硼，形成硅基內(nèi)部的濃硼導(dǎo)線(xiàn)，以及在淡硼擴(kuò)散壓阻內(nèi)部形成濃硼 歐姆接觸區(qū)，去除光刻膠，退火；
[0014] e)先雙面沉積一層二氧化硅，再雙面沉積一層氮化硅，正面的二氧化硅層和氮化 娃層一起作為絕緣鈍化層；
[0015] f)正面光刻膠作掩膜光刻出分片槽區(qū)域，干法反應(yīng)離子刻蝕（RIE)氮化硅、二氧 化硅至硅基頂面，露出分片槽區(qū)域硅基；
[0016] g)正面沉積一層非晶硅，在分片槽區(qū)域非晶硅與硅基直接接觸；
[0017] h)正面光刻膠作掩膜光刻出傳感器工作區(qū)域以及金屬管腳區(qū)域圖形，RIE刻蝕非 晶硅至氮化硅層，去除光刻膠；
[0018] i)正面光刻膠作掩膜光刻出引線(xiàn)孔，干法RIE刻蝕氮化硅、二氧化硅層至硅基頂 面，去除光刻膠，形成引線(xiàn)孔；
[0019] j)正面沉積金屬導(dǎo)線(xiàn)層，正面光刻膠作掩膜光刻出金屬導(dǎo)線(xiàn)及金屬管腳圖形，腐 蝕沒(méi)有光刻膠覆蓋區(qū)域的金屬，去除光刻膠，合金化處理，形成金屬導(dǎo)線(xiàn)及金屬管腳；
[0020] k)背面光刻膠作掩膜光刻出腐蝕硅窗口，RIE刻蝕氮化硅、二氧化硅至硅基底面， 去除光刻膠；
[0021] 1)氮化硅、二氧化硅層作掩膜濕法腐蝕硅基形成壓阻式壓力傳感器背腔；
[0022] m)干法RIE刻蝕背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極 鍵合；
[0023] η)正面進(jìn)行非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合；
[0024] 〇)劃片，實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片的封裝，劃片分兩次完成：第一次劃片，去除金屬管腳上方 玻璃；第二次劃片劃去分片槽中結(jié)構(gòu)，分離單個(gè)芯片，完成封裝。
[0025] 本發(fā)明基于陽(yáng)極鍵合封裝的壓阻式壓力傳感器的制造方法，步驟m)中，推薦背面 進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的工藝參數(shù)為：電壓300?500V，電流15?20mA，溫度300?400°C， 壓力2000?3000N，時(shí)間5?lOmin。
[0026] 本發(fā)明基于陽(yáng)極鍵合封裝的壓阻式壓力傳感器的制造方法，步驟η)中，推薦正面 進(jìn)行非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的工藝參數(shù)為：電壓450?1000V，電流15?25mA，溫度300? 400°C，壓力 2000 ?3000N，時(shí)間 15 ?25min。
[0027] 本發(fā)明所述的陽(yáng)極鍵合技術(shù)是一種現(xiàn)有技術(shù)，該技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知 的，其工作原理為：將直流電源正極接硅片，負(fù)極接玻璃片，由于玻璃在一定高溫下的性 能類(lèi)似于電解質(zhì)，而硅片在溫度升高到300°C?400°C時(shí)，電阻率將因本征激發(fā)而降至 0. 1Ω ·πι，此時(shí)玻璃中的導(dǎo)電粒子（如Na+)在外電場(chǎng)作用下漂移到負(fù)電極的玻璃表面，而 在緊鄰硅片的玻璃表面留下負(fù)電荷，由于Na+的漂移使電路中產(chǎn)生電流流動(dòng)，緊鄰硅片的玻 璃表面會(huì)形成一層極薄的寬度約為幾微米的空間電荷區(qū)（或稱(chēng)耗盡層）。由于耗盡層帶負(fù) 電荷，硅片帶正電荷，所以硅片與玻璃之間存在著較大的靜電吸引力，使兩者緊密接觸，并 在鍵合面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成牢固結(jié)合的Si-Ο共價(jià)鍵，將硅與玻璃界面牢固地連接在 一起。
[0028] 根據(jù)所述的原理，陽(yáng)極鍵合技術(shù)并不適合在注入硼的η型硅與玻璃的鍵合中使 用，原因在于：注入硼的η型硅實(shí)質(zhì)上是個(gè)ΡΝ結(jié)，在陽(yáng)極鍵合過(guò)程中強(qiáng)電壓在通過(guò)硅基的同 時(shí)輕而易舉就能將其反向擊穿，導(dǎo)致其漏電，破壞器件的電學(xué)性能。在硅-玻璃鍵合面附近 存在ΡΝ結(jié)或其他對(duì)高壓比較敏感的電路結(jié)構(gòu)時(shí)，鍵合過(guò)程中500?1500V的高壓容易擊穿 MEMS器件中尤其是鍵合區(qū)域附近的電路，影響器件的性能。
[0029] 針對(duì)上述現(xiàn)有的陽(yáng)極鍵合技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明第二次鍵合工藝?yán)梅蔷Ч?作為硅基、玻璃之間的導(dǎo)通層，使鍵合電流盡可能的沿硅-非晶硅-玻璃方向通過(guò)，使所述 ΡΝ結(jié)避開(kāi)強(qiáng)電場(chǎng)，最終實(shí)現(xiàn)上層非晶硅與玻璃的陽(yáng)極鍵合，實(shí)驗(yàn)證明，這種非晶硅-玻璃陽(yáng) 極鍵合依舊能保證接近硅-玻璃的鍵合強(qiáng)度和氣密性。
[0030] 所述基于陽(yáng)極鍵合封裝的壓阻式壓力傳感器的封裝需要經(jīng)過(guò)兩次陽(yáng)極鍵合，第一 次鍵合是背面硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，第二次鍵合是正面非晶硅與玻璃的 陽(yáng)極鍵合，相對(duì)比較困難，可以適當(dāng)加強(qiáng)鍵合電壓，增加鍵合時(shí)間。本發(fā)明中，利用非晶硅與 玻璃鍵合還有一個(gè)非常大的優(yōu)點(diǎn)，所述鍵合方法避免了玻璃與硅的直接接觸，杜絕了本來(lái) 玻璃與硅鍵合表面可能會(huì)產(chǎn)生的Na+等離子的污染。
[0031] 本發(fā)明壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)中，正面非晶硅-玻璃鍵合過(guò)程中，利用非晶硅作 為臺(tái)階形成壓阻式壓力傳感器真空腔體，這種設(shè)計(jì)使第一鍵合玻璃不需要進(jìn)行開(kāi)槽加工直 接就能進(jìn)行鍵合，節(jié)約了鍵合成本。本發(fā)明壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)中，真空腔體的厚度直接 取決于非晶硅沉積的厚度，由于非晶硅沉積得過(guò)厚其致密度、粘附性都會(huì)受到影響，并且會(huì) 加大下步光刻的難度，所以為了避免在鍵合過(guò)程中玻璃與氮化硅直接鍵合，同時(shí)保證非晶 娃良好的性能，本發(fā)明傳感器中的非晶娃厚度可以取2?4μ m。
[0032] 本發(fā)明是利用陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器，該傳感器具有第一鍵合 玻璃-硅基-第二鍵合玻璃三明治結(jié)構(gòu)，推薦用η型（100)硅片作硅基，采用表面微加工技 術(shù)與體微加工技術(shù)制造帶有淡硼擴(kuò)散壓阻的壓力膈膜作為壓力傳感器結(jié)構(gòu)，并且利用二次 陽(yáng)極鍵合技術(shù)進(jìn)行圓片級(jí)封裝，第一次陽(yáng)極鍵合采用硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，第二次陽(yáng)極鍵合 利用非晶硅層作為中間層使鍵合電流不通過(guò)PN結(jié)，保護(hù)傳感器PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)非晶硅-玻璃陽(yáng) 極鍵合。利用非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合技術(shù)的封裝解決了傳統(tǒng)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合過(guò)程中容易 擊穿硅表面PN結(jié)和產(chǎn)生離子污染等缺點(diǎn)。本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)新穎、重量輕、體積小、穩(wěn)定性 好、抗污染能力強(qiáng)、可靠性好。本發(fā)明傳感器在航空航天、軍事、汽車(chē)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有 一定的應(yīng)用前景。 (四）

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1為本發(fā)明壓阻式壓力傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2為本發(fā)明壓阻式壓力傳感器的俯視圖；
[0035] 圖3?圖17為本發(fā)明壓阻式壓力傳感器的制造工藝流程剖面示意圖：
[0036] 圖3為雙面沉積二氧化硅、氮化硅層的示意圖；
[0037] 圖4為正面干法刻蝕氮化硅、二氧化硅至硅基頂面的示意圖；
[0038] 圖5為形成淡硼擴(kuò)散壓阻的示意圖；
[0039] 圖6為形成濃硼導(dǎo)線(xiàn)以及濃硼歐姆接觸區(qū)的示意圖；
[0040] 圖7為形成為絕緣鈍化層的示意圖；
[0041] 圖8為正面刻蝕出分片槽區(qū)域的示意圖；
[0042] 圖9為正面沉積非晶硅的示意圖；
[0043] 圖10為形成傳感器工作區(qū)域以及金屬管腳區(qū)域圖形的示意圖；
[0044] 圖11形成引線(xiàn)孔的示意圖；
[0045] 圖12為形成金屬導(dǎo)線(xiàn)及金屬管腳的示意圖；
[0046] 圖13為背面形成腐蝕硅窗口的示意圖；
[0047] 圖14為形成壓阻式壓力傳感器背腔的示意圖；
[0048] 圖15為背面進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的示意圖；
[0049] 圖16為正面進(jìn)行非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的示意圖；
[0050] 圖17為劃片完成封裝的示意圖。
[0051] 圖1?圖17中：1 一淡硼擴(kuò)散壓阻內(nèi)部的濃硼歐姆接觸區(qū)、2 -淡硼擴(kuò)散壓阻、3 - 正面絕緣鈍化層中的二氧化硅層、3 ' 一背面第二二氧化硅層、4 一正面絕緣鈍化層中的氮化 硅層、4' 一背面第二氮化硅層、5 -金屬導(dǎo)線(xiàn)、6 -第一鍵合玻璃、7 -非晶硅、8 -濃硼導(dǎo)線(xiàn)、 9 一金屬管腳、10 -硅基、11 一第二鍵合玻璃、12 -通氣孔、13 -壓阻式壓力傳感器膈膜、 14 一正面第一二氧化娃層、14' 一背面第一二氧化娃層、15 -正面第一氮化娃層、15' 一背 面第一氮化娃層、16 -分片槽，并且，圖2中9a?9d依次表不第一?第四管腳；
[0052] 圖18為本發(fā)明壓阻式壓力傳感器的管腳定義；
[0053] 圖18中管腳定義：①一第一管腳接壓阻式壓力傳感器輸出正、②一第二管腳接 地、③一第三管腳接壓阻式壓力傳感器輸出負(fù)、④一第四管腳接電源正極；圖中，17 -壓 阻。 (五）

【具體實(shí)施方式】
[0054] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此。
[0055] 如圖1所示，本發(fā)明壓阻式壓力傳感器，采用了第一鍵合玻璃-硅基-第二鍵合玻 璃三明治結(jié)構(gòu)，所述的傳感器主要包括：硅基（10)、用于測(cè)量壓力（流體壓力）的壓阻式壓 力傳感器膈膜（13)、濃硼導(dǎo)線(xiàn)（8)、金屬管腳（9)、與硅基（10)進(jìn)行陽(yáng)極鍵合的第二鍵合玻 璃（11)以及與非晶硅⑵進(jìn)行陽(yáng)極鍵合的第一鍵合玻璃（6)。
[0056] 其中，用于測(cè)量壓力（流體壓力）的壓阻式壓力傳感器膈膜（13)的上表面注入了 淡硼作為壓阻式壓力傳感器的淡硼擴(kuò)散壓阻（2)，并在淡硼擴(kuò)散壓阻內(nèi)部注入濃硼形成濃 硼歐姆接觸區(qū)（1)，壓阻式壓力傳感器的壓阻區(qū)域上方沉積有二氧化硅層（3)與氮化硅層 (4)作為絕緣鈍化層，絕緣鈍化層上開(kāi)有引線(xiàn)孔并利用金屬導(dǎo)線(xiàn)（5)連通壓阻區(qū)域。壓阻 式壓力傳感器的壓阻區(qū)域包含4根淡硼擴(kuò)散壓阻，4根淡硼擴(kuò)散壓阻平行排布并通過(guò)金屬 導(dǎo)線(xiàn)（5)構(gòu)成惠斯頓全橋連接，當(dāng)存在一個(gè)垂直于器件表面的壓力后，壓阻式壓力傳感器 膈膜變形，位于壓阻式壓力傳感器膈膜上表面的壓阻受到力的作用，電阻率發(fā)生變化，如圖 2所示壓阻式壓力傳感器膈膜上表面中間兩根壓阻和外側(cè)兩根壓阻分別位于惠斯頓全橋的 兩個(gè)對(duì)橋，通過(guò)惠斯頓全橋可以得到正比于力變化的電信號(hào)輸出，通過(guò)測(cè)量電信號(hào)輸出就 能知道所測(cè)壓力的大小。利用惠斯頓全橋的設(shè)計(jì)提高了本發(fā)明中壓阻式壓力傳感器部分的 靈敏度并且能保證良好的線(xiàn)性。
[0057] 芯片的封裝采用二次陽(yáng)極鍵合技術(shù)。第一次陽(yáng)極鍵合是芯片背面第二鍵合玻璃 (11)與硅基（10)的硅-玻璃陽(yáng)極鍵合；第二次陽(yáng)極鍵合采用非晶硅層作為中間層使鍵合 電流不通過(guò)PN結(jié)，保護(hù)傳感器PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)正面非晶硅（7)與第一鍵合玻璃（6)的陽(yáng)極鍵合， 第二次陽(yáng)極鍵合沒(méi)有采用硅-玻璃鍵合的原因在于：硅-玻璃陽(yáng)極鍵合鍵合面上存在著PN 結(jié)，鍵合時(shí)的強(qiáng)電壓容易擊穿PN結(jié)，破壞電路的電學(xué)性能。
[0058] 為了避免非晶硅（7)與第一鍵合玻璃（6)鍵合面的不平整性，保證封裝的氣密性， 所述的壓阻式壓力傳感器并沒(méi)有采用金屬導(dǎo)線(xiàn)連接芯片工作區(qū)與金屬管腳，而是利用濃硼 導(dǎo)線(xiàn)（8)作為內(nèi)部導(dǎo)線(xiàn)將傳感器工作區(qū)與金屬管腳相連。
[0059] 如圖3?圖17所示，本發(fā)明所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的壓阻式壓力傳感器的制造 工藝包括如下步驟：
[0060] a)如圖3所示：取硅片作為硅基（10)，雙面拋光，清洗，先雙面沉積一層0.8 μ m厚 的二氧化硅層（14)、（14'），再雙面沉積一層0. 2 μ m厚的氮化硅層（15)、（15'）；所述的硅 片為η型（100)娃片；
[0061] b)如圖4所示：正面干法刻蝕氮化硅（15)、二氧化硅（14)至硅基（10)頂面；
[0062] c)如圖5所示：正面熱氧長(zhǎng)一層80nm厚的二氧化硅作為注入前的保護(hù)層，正面光 刻膠作掩膜光刻出壓阻式壓力傳感器的壓阻區(qū)域，然后進(jìn)行硼離子注入（淡硼），形成淡硼 擴(kuò)散壓阻（2)，去除光刻膠；
[0063] d)如圖6所示：正面光刻膠作掩膜光刻出濃硼導(dǎo)線(xiàn)區(qū)域，并在淡硼擴(kuò)散壓阻（2) 區(qū)域光刻出濃硼歐姆接觸區(qū)域，然后進(jìn)行硼離子注入（濃硼），形成濃硼導(dǎo)線(xiàn)（8)，以及在淡 硼擴(kuò)散壓阻（2)內(nèi)部形成濃硼歐姆接觸區(qū)（1)，去除光刻膠，退火；
[0064] e)如圖7所示：先雙面沉積一層0· 2 μ m厚的二氧化硅層（3)、（3'），再雙面沉積 一層0.2μπι厚的氮化硅層（4)、（4'），正面的二氧化硅層（3)和氮化硅層（4) 一起作為絕 緣鈍化層；
[0065] f)如圖8所示：正面光刻膠作掩膜光刻出分片槽區(qū)域，干法RIE刻蝕氮化硅（4)、 二氧化硅（3)至硅基（10)頂面，露出分片槽區(qū)域硅基；
[0066] g)如圖9所示：正面沉積一層3μπι厚的非晶硅層（7)，在分片槽區(qū)域非晶硅（7) 與硅基（10)直接接觸；
[0067] h)如圖10所示：正面光刻膠作掩膜光刻出傳感器工作區(qū)域以及金屬管腳（6)區(qū) 域圖形，RIE刻蝕非晶硅（7)至氮化硅層（4)，去除光刻膠；
[0068] i)如圖11所示：正面光刻膠作掩膜光刻出引線(xiàn)孔，干法RIE刻蝕氮化硅（4)、二氧 化硅⑶至硅基（10)頂面，去除光刻膠，形成引線(xiàn)孔；
[0069] j)如圖12所示：正面磁控濺射一層1 μ m厚的鋁，正面光刻膠作掩膜光刻出金屬 鋁導(dǎo)線(xiàn)（5)及金屬管腳（9)圖形，腐蝕沒(méi)有光刻膠覆蓋區(qū)域的鋁，去除光刻膠，合金化處理， 形成金屬鋁導(dǎo)線(xiàn)（5)及金屬管腳（9);
[0070] k)如圖13所示：背面光刻膠作掩膜光刻出腐蝕硅窗口，RIE刻蝕氮化硅（4'）、 (15'），二氧化硅（3'）、（14'）至硅基（10)底面，去除光刻膠；
[0071] 1)如圖14所示：氮化硅（4,）、（15,），二氧化硅層（3,）、（14,）作掩膜，40wt% Κ0Η水溶液濕法腐蝕硅基（10)形成壓阻式壓力傳感器背面腔體；
[0072] m)如圖15所示：干法RIE刻蝕背面剩余的氮化硅（4'）、（15'），二氧化硅（3'）、 (14'）至硅基（10)底面，背面進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合；
[0073] η)如圖16所示：正面進(jìn)行非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合；
[0074] 〇)如圖17所示：劃片，實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片的封裝，劃片分兩次完成：第一次劃片，去除 金屬管腳（9)上方玻璃（6);第二次劃片劃去分片槽中結(jié)構(gòu)，分離單個(gè)芯片，完成封裝。
[0075] 進(jìn)一步地，為了保證兩次陽(yáng)極鍵合的質(zhì)量，通過(guò)多次試驗(yàn)，本發(fā)明給出了所述壓阻 式壓力傳感器的最優(yōu)鍵合參數(shù)，如表1，2所示。
[0076] 表1第一次陽(yáng)極鍵合（硅-玻璃）參數(shù)
[0077]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器，其特征在于所述的傳感器具有 第一鍵合玻璃-硅基-第二鍵合玻璃三明治結(jié)構(gòu)；所述的硅基內(nèi)部形成有壓阻式壓力傳感 器膈膜，硅基的正面形成有壓阻式壓力傳感器的壓阻區(qū)域，所述壓阻式壓力傳感器的壓阻 區(qū)域位于壓阻式壓力傳感器膈膜的上表面，并且注入有淡硼形成4根淡硼擴(kuò)散壓阻，同時(shí) 淡硼擴(kuò)散壓阻的內(nèi)部注入有濃硼形成濃硼歐姆接觸區(qū)，所述壓阻式壓力傳感器壓阻區(qū)域的 上方沉積有二氧化硅層，二氧化硅層上方沉積有氮化硅層，所述的二氧化硅層和氮化硅層 一起作為絕緣鈍化層，所述的絕緣鈍化層開(kāi)有引線(xiàn)孔，利用金屬導(dǎo)線(xiàn)連通壓阻區(qū)域，并且壓 阻式壓力傳感器壓阻區(qū)域的4根淡硼擴(kuò)散壓阻通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成惠斯頓全橋連接，所述絕 緣鈍化層的上方沉積有非晶娃，所述的非晶娃與第一鍵合玻璃陽(yáng)極鍵合；所述娃基的正面 還形成有濃硼導(dǎo)線(xiàn)，所述濃硼導(dǎo)線(xiàn)的上方連接有金屬管腳，濃硼導(dǎo)線(xiàn)將傳感器工作區(qū)與金 屬管腳連通，所述硅基的背面與第二鍵合玻璃陽(yáng)極鍵合，所述的第二鍵合玻璃帶有通氣孔， 并且所述的通氣孔位于壓阻式壓力傳感器膈膜的下方。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器，其特征在于所 述的壓阻式壓力傳感器壓阻區(qū)域的淡硼擴(kuò)散壓阻的排布方式為：縱向沿硅基的（1，1，〇) 晶向方向、橫向沿硅基的（1，_1，〇)晶向方向分布，縱向壓阻系數(shù)、橫向壓阻系數(shù)分別為 71. 8λ -66. 3〇
3. 如權(quán)利要求1所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器，其特征在于所 述的壓阻式壓力傳感器采用長(zhǎng)方膜設(shè)計(jì)，壓阻式壓力傳感器壓阻區(qū)域的4根淡硼擴(kuò)散壓阻 平行排布。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器，其特征在于所述 的金屬管腳有4個(gè)，第一管腳接壓阻式壓力傳感器輸出負(fù)，第二管腳接地，第三管腳接壓阻 式壓力傳感器輸出正，第四管腳接電源正極。
5. 如權(quán)利要求1?4所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器，其特征在于 所述的娃基為η型（100)娃片。
6. 如權(quán)利要求1?4所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器，其特征在于 所述的絕緣鈍化層上方沉積的非晶硅的厚度為2?4 μ m。
7. 如權(quán)利要求1所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器的制造方法，其特 征在于所述的制造方法按如下步驟進(jìn)行： a) 取娃片作為娃基，雙面拋光，清洗，先雙面沉積一層二氧化娃，再雙面沉積一層氮化 硅； b) 正面干法刻蝕氮化硅、二氧化硅至硅基頂面； c) 正面熱氧長(zhǎng)一層二氧化硅保護(hù)層，正面光刻膠作掩膜光刻出壓阻式壓力傳感器的壓 阻區(qū)域，然后注入淡硼，形成淡硼擴(kuò)散壓阻，去除光刻膠； d) 正面光刻膠作掩膜光刻出濃硼導(dǎo)線(xiàn)區(qū)域，并在淡硼擴(kuò)散壓阻區(qū)域光刻出濃硼歐姆接 觸區(qū)域，然后注入濃硼，形成硅基內(nèi)部的濃硼導(dǎo)線(xiàn)，以及在淡硼擴(kuò)散壓阻內(nèi)部形成濃硼歐姆 接觸區(qū)，去除光刻膠，退火； e) 先雙面沉積一層二氧化娃，再雙面沉積一層氮化娃，正面的二氧化娃層和氮化娃層 一起作為絕緣鈍化層； f) 正面光刻膠作掩膜光刻出分片槽區(qū)域，干法RIE刻蝕氮化硅、二氧化硅至硅基頂面， 露出分片槽區(qū)域硅基； g) 正面沉積一層非晶硅，在分片槽區(qū)域非晶硅與硅基直接接觸； h) 正面光刻膠作掩膜光刻出傳感器工作區(qū)域以及金屬管腳區(qū)域圖形，RIE刻蝕非晶硅 至氮化硅層，去除光刻膠； i) 正面光刻膠作掩膜光刻出引線(xiàn)孔，干法RIE刻蝕氮化硅、二氧化硅層至硅基頂面，去 除光刻膠，形成引線(xiàn)孔； j) 正面沉積金屬導(dǎo)線(xiàn)層，正面光刻膠作掩膜光刻出金屬導(dǎo)線(xiàn)及金屬管腳圖形，腐蝕沒(méi) 有光刻膠覆蓋區(qū)域的金屬，去除光刻膠，合金化處理，形成金屬導(dǎo)線(xiàn)及金屬管腳； k) 背面光刻膠作掩膜光刻出腐蝕硅窗口，RIE刻蝕氮化硅、二氧化硅至硅基底面，去除 光刻膠； l) 氮化硅、二氧化硅層作掩膜濕法腐蝕硅基形成壓阻式壓力傳感器背腔； m) 干法RIE刻蝕背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵 合； η)正面進(jìn)行非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合； 〇)劃片，實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片的封裝，劃片分兩次完成：第一次劃片，去除金屬管腳上方玻 璃；第二次劃片劃去分片槽中結(jié)構(gòu)，分離單個(gè)芯片，完成封裝。
8. 如權(quán)利要求7所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器的制造方法，其特 征在于步驟m)中背面進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的工藝參數(shù)為：電壓300?500V，電流15? 20mA，溫度 300 ?400°C，壓力 2000 ?3000N，時(shí)間 5 ?lOmin。
9. 如權(quán)利要求7所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式壓力傳感器的制造方法，其特 征在于步驟η)中正面進(jìn)行非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的工藝參數(shù)為：電壓450?1000V，電流 I5 ?25mA，溫度 3〇0 ?400°C，壓力 2〇00 ?3〇ΟΟΝ，時(shí)間 I5 ?25min。
【文檔編號(hào)】G01L9/06GK104062045SQ201410264486
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】蔣恒, 孫笠, 董健 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)