專利名稱：一種絕對壓力傳感器芯片及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及硅微機械傳感器領域，特別是涉及一種絕對壓力傳感器芯片及其制作方法。
背景技術：
壓阻效應由C. S. Smith在1954年首次發(fā)現(xiàn)，壓阻式壓力傳感器就是根據(jù)這一機理設計加工而成的微傳感器。典型的壓阻式壓力傳感器結構采用電化學或者選擇性摻雜、各向異性腐蝕等加工技術制作成平面薄膜。最初的壓力傳感器采用金屬膜片作為敏感元件，在其上布置娃應變電阻條。微電子機械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical systems,MEMS)技術的成功應用促使人們利用硅的良好機械性能來制作微型的傳感器與執(zhí)行器，金屬薄膜被單晶硅材料代替，應變電阻條也改為硅擴散電阻條。首先問世的硅壓力傳感器用單晶硅 制作成半導體應變片，使靈敏度得到了極大的提高。由于其制造工藝簡單，線性度好，占據(jù)了 MEMS壓力傳感器的主流市場。單晶硅材料與金屬相比，具有優(yōu)秀的機械性能。這樣就可以采用硅加工技術來設計、加工薄膜，例如硼離子注入，各向異性腐蝕，重摻雜自停止化學腐蝕，PN結自停止腐蝕，硅-玻璃鍵合以及硅_硅鍵合等等。采用硅微加工技術，傳感器的尺寸得到了降低，可以批量加工，并且降低了成本。目前，通過硅微加工技術制造絕對壓力傳感器的常規(guī)工藝存在某些缺點。首先，傳統(tǒng)的硅壓阻式壓力傳感器采用擴散或離子注入方法形成敏感電阻，其對溫度很敏感，靈敏度相對較低，無法適用于對傳感器穩(wěn)定性和靈敏度要求更高的場合。此外，傳統(tǒng)的硅壓阻式壓力傳感器制造工藝與標準CMOS工藝兼容性差，要實現(xiàn)傳感器芯片的單片集成的成本高昂，故無法滿足高端市場的需求。因此人們嘗試采用其他的敏感方式，比如電容式、壓電式、諧振式來制作絕對壓力傳感器。MEMS電容式壓力傳感器具有高靈敏度，低功耗，更好的溫度性能，無開啟溫度漂移，堅實的結構，受外應力的影響更小等特點，作為新一代壓力傳感器的前景廣闊。

發(fā)明內容
基于此，有必要提供一種基于CMOS標準制造工藝、性能可靠的電容式絕對壓力傳感器芯片。一種絕對壓力傳感器芯片，其包括絕對壓力傳感器集成在所述CMOS芯片上；所述絕對壓力傳感器包含壓力敏感單元，所述壓力敏感單元包括含有浮柵的場效應管，和嵌入了多晶硅或金屬材料作柵極用以感應絕對壓力變化的振動膜，所述浮柵嵌入CMOS芯片的介質層中，所述振動膜形成有空腔并被密封。在其中一個實施例中，所述CMOS芯片所在的摻雜娃襯底的背面形成電氣連接焊盤。在其中一個實施例中，所述振動膜為金屬層與介質層材料(如氧化娃)的復合層。在其中一個實施例中，所述振動膜上覆蓋有保護膜。
在其中一個實施例中，所述保護膜為聚合物薄膜。此外，還提供一種絕對壓力傳感器芯片的制作方法，包括如下步驟步驟一、提供CMOS標準集成電路工藝制造的半成品，所述半成品以摻雜硅為襯底，所述襯底生成有集成電路CMOS芯片；步驟二、在振動膜上形成腐蝕孔，同時犧牲層暴露出來；步驟三、通過腐蝕孔去除所述犧牲層，使振動膜與下極板之間形成空腔；步驟四、在振動膜上覆蓋保護膜，封閉所述腐蝕孔。 在其中一個實施例中，步驟一中，在所述CMOS芯片所在的摻雜硅襯底的背面形成電氣連接焊盤。在其中一個實施例中，所述振動膜為金屬層與介質層材料(如氧化娃)的復合層。在其中一個實施例中，采用濕法腐蝕或干法反應離子刻蝕去除所述犧牲層，進而形成所述空腔。在其中一個實施例中，所述保護膜為物理氣相沉淀或化學氣相沉淀工藝形成的聚合物薄膜。在其中一個實施例中，所述場效應管為N型場效應管，直接內置于襯底上。由于柵極懸空，降低了柵極泄露電流和亞閾值電流造成的噪聲，從而提高輸出電流并保持低的噪聲。上述電容式絕對壓力傳感器芯片及其制作方法中，系在CMOS標準制造工藝的集成電路的金屬導電層上制作犧牲層及可導電的振動膜，并用聚合物薄膜材料密封振動膜上的腐蝕孔，最終制成傳感器微單元，不改變現(xiàn)有CMOS工藝，兼容性好，可靠性高；傳感器壓力敏感單元包括含有浮柵的場效應管，和嵌入了多晶硅或金屬材料作柵極用以感應絕對壓力變化的振動膜，振動膜的振動，從而引起浮柵與金屬柵極間耦合電容的變化，導致場效應管的漏極電流變化，通過測量電流就可以獲知壓力信息，具有極高的靈敏度。


圖I為一實施方式的絕對壓力傳感器芯片的制作方法的流程圖；圖2及圖3為圖I所示制作方法步驟SllO提供的半成品的剖面結構示意圖；圖4為圖I所示制作方法步驟S120產生的器件的剖面結構示意圖；圖5為圖I所示制作方法步驟S130產生的器件的剖面結構示意圖；圖6為圖I所示制作方法步驟S140產生的器件的剖面結構示意圖；圖7為圖6所示結構的等效電路圖。
具體實施例方式以下結合具體實施例對絕對壓力傳感器芯片及其制作方法進行詳細描述。請參考圖6，本實施方式的絕對壓力傳感器芯片100，包括摻雜硅襯底111。用以生成基于CMOS標準工藝的集成電路芯片，本實施方式以I層多晶硅5層金屬(1P5M)標準CMOS工藝舉例說明。在設計好的多晶硅層118(作為浮柵電極)圖形上覆蓋有可導電的振動膜130，振動膜130上覆蓋有保護膜150，以封閉振動膜130上的腐蝕孔129。保護膜150為聚合物薄膜，如聚對二甲苯。保護膜150封閉振動膜130形成空腔140。保護膜150同時覆蓋了芯片其他區(qū)域。摻雜硅襯底111的背面按照設計圖案形成電氣連接焊盤126。振動膜140為金屬層與介質層材料(如氧化硅或氮化硅)的復合層。上述絕對壓力傳感器芯片100系在已經完成的CMOS標準工藝制造的集成電路的半成品上進行電容式傳感器微單元的加工，不改變現(xiàn)有CMOS工藝，兼容性好，且可以在CMOS芯片上方便地集成多個陣列設置的傳感器微單元，降低了電容式傳感器芯片的單片集成的成本，利于大規(guī)模推廣。生產傳感器壓力敏感單元時，是直接形成于CMOS標準制程的結構層上，其包括含有浮柵的場效應管，和嵌入了多晶硅或金屬材料作柵極用以感應絕對壓力變化的振動膜，振動膜的振動，從而引起浮柵與金屬柵極間耦合電容的變化，導致場效應管的漏極電流變 化，通過測量電流就可以獲知壓力信息，具有極高的靈敏度。此外，電氣連接焊盤118設計在傳感器芯片100的背部，利于提聞芯片的集成度。另外，采用聚合物薄膜材料密封腐蝕孔129，沒有任何可能損害其長時間機械穩(wěn)定性的破裂和孔，較佳地保護了振動膜130與整個傳感器微單元，并形成密封真空環(huán)境。如圖I所示的超聲傳感器芯片的制作方法，包括如下步驟SI 10、提供CMOS標準集成電路工藝制造的半成品如圖2和圖3所示的半成品110，以摻雜硅制作摻雜硅襯底111。摻雜硅襯底111用以生成基于CMOS標準工藝的集成電路。如圖2所示，為簡化圖示，前述集成電路僅以金屬氧化物半導體場效應晶體管為例進行說明。由標準CMOS工藝形成的晶體管器件包括淺溝槽隔離結構(Shallow TrenchIsolation, STI)112、P MOS晶體管與N MOS晶體管(包括N阱112、P+源漏摻雜區(qū)113、P阱114、N+源漏摻雜區(qū)115、柵氧化層(未標號)、多晶硅柵118、絕緣側墻119、金屬硅化物120 (通常為Salicide)、阻擋層121 (通常為鈦或者氮化鈦)、接觸通孔122 (通常為鎢栓))、金屬導電層123、金屬犧牲層124、介質絕緣層125、鈍化層126等。在制作集成電路的同時設計好多晶硅層118，作為絕對壓力傳感器的電容的一極。如圖3所示，在摻雜硅襯底111的背面按照設計圖案通過硅通孔(ThroughSilicon Via, TSV)技術形成電氣連接焊盤127。S120、將金屬犧牲層暴露出來如圖4所示，采用光刻工藝旋涂光刻膠128，腐蝕孔129可通過光刻然后選擇性蝕刻來形成。利用干法反應離子刻蝕去除金屬導電層123上的介質絕緣層125與鈍化層126，暴露出預設計位置的金屬犧牲層124。腐蝕孔129 —般為圓形或近似圓形，其孔徑一般控制在不大于5微米。S130、通過腐蝕孔去除犧牲層，在犧牲層上形成可導電的振動膜如圖5所示，腐蝕液或腐蝕氣體自腐蝕孔129進入以去除金屬犧牲層124，使多晶硅背極板118與振動膜130之間出現(xiàn)空腔140，進而形成浮柵結構。在一個實施例中，振動膜130為采用標準CMOS工藝形成的金屬層與介質層(如氧化硅)材料的復合層。S140、在振動膜上覆蓋保護膜
如圖6所示，在振動膜130上覆蓋一層保護膜150，以封閉腐蝕孔129。保護膜150可為采用物理氣相沉淀或化學氣相沉淀工藝形成的聚合物薄膜，如聚對二甲苯。上述絕對壓力傳感器芯片的制作方法，系在已經完成的CMOS標準工藝制造的集成電路的半成品上進行傳感器微單元的加工，不改變現(xiàn)有CMOS工藝，兼容性好。生產傳感器壓力敏感單元時，是直接形成于CMOS標準制程的結構層上，其包括含有浮柵的場效應管，和嵌入了多晶硅或金屬材料作柵極用以感應絕對壓力變化的振動膜，振動膜的振動，從而引起浮柵與金屬柵極間耦合電容的變化，導致場效應管的漏極電流變化，通過測量電流就可以獲知壓力信息，具有極高的靈敏度，其工作原理電路圖如圖7所示。此外，電氣連接焊盤127設計在傳感器芯片100的背部，利于提高芯片的集成度。以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保 護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種絕對壓力傳感器芯片，其特征在于，包括絕對壓力傳感器集成在所述CMOS芯片上；所述絕對壓力傳感器包含壓力敏感單元，所述壓力敏感單元包括含有浮柵的場效應管，和嵌入了多晶硅或金屬材料作柵極用以感應絕對壓力變化的振動膜，所述浮柵嵌入CMOS芯片的介質層中，所述振動膜形成有空腔并被密封。
2.根據(jù)權利要求I所述的絕對壓力傳感器芯片，其特征在于，所述CMOS芯片的背面形成電氣連接焊盤。
3.—種絕對壓力傳感器芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一、提供CMOS標準集成電路工藝制造的半成品，所述半成品以摻雜硅為襯底，所述襯底生成有集成電路CMOS芯片； 步驟二、在振動膜上形成腐蝕孔，同時犧牲層暴露出來； 步驟三、通過腐蝕孔去除所述犧牲層，使振動膜與下極板之間形成空腔； 步驟四、在振動膜上覆蓋保護膜，封閉所述腐蝕孔。
4.根據(jù)權利要求3所述的絕對壓力傳感器芯片的制作方法，其特征在于，步驟一中，在所述CMOS芯片所在的摻雜硅襯底的背面形成電氣連接焊盤。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的絕對壓力傳感器芯片的制作方法，其特征在于，所述振動膜為為金屬層與介質層材料(如氧化娃)的復合層。
6.根據(jù)權利要求3或4所述的絕對壓力傳感器芯片的制作方法，其特征在于，采用濕法腐蝕或干法反應離子刻蝕去除所述犧牲層，進而形成振動膜與下極板之間的空腔。
7.根據(jù)權利要求3或4所述的絕對壓力傳感器芯片的制作方法，其特征在于，所述保護膜為物理氣相沉淀或化學氣相沉淀工藝形成的聚合物薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種絕對壓力傳感器芯片，包括絕對壓力傳感器集成在所述CMOS芯片上；所述絕對壓力傳感器包含壓力敏感單元，所述壓力敏感單元包括含有浮柵的場效應管，和嵌入了多晶硅或金屬材料作柵極用以感應絕對壓力變化的振動膜，所述浮柵嵌入CMOS芯片的介質層中，所述振動膜形成有空腔并被密封。所述絕對壓力傳感器芯片中，系在CMOS標準制造工藝的集成電路的金屬導電層上制作犧牲層及可導電的振動膜，最終制成壓力傳感器微單元，不改變現(xiàn)有CMOS工藝，兼容性好。此外，還涉及一種絕對壓力傳感器芯片的制作方法。
文檔編號G01L9/12GK102967407SQ20121042821
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權日2012年10月23日
發(fā)明者俞挺, 彭本賢, 于峰崎 申請人:深圳先進技術研究院