本發(fā)明涉及一種微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件及其制造方法，尤其涉及一種高可靠高溫壓力傳感器及其制造方法，屬于微電子領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強(qiáng)大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

耐高溫的壓力傳感器已經(jīng)成為微機(jī)電領(lǐng)域(MEMS)主要產(chǎn)品之一。商業(yè)化的傳統(tǒng)MEMS壓力傳感器以硅材料作為主體材料。由于硅材料本身加工工藝相對成熟、生產(chǎn)成本相對低廉且器件性能相對優(yōu)異，使得其在微器件加工制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，受P-N結(jié)溫度限制，硅器件在高于200℃溫度下工作時(shí)，傳感器性能將會受到較大影響，甚至失效。當(dāng)溫度上升到500℃時(shí)，硅材料會產(chǎn)生電流泄露，甚至蠕變變形，導(dǎo)致硅膜片壓敏結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)變化和信號調(diào)理電路失調(diào)。遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到汽車電子、火箭衛(wèi)星等高溫領(lǐng)域的測量要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高可靠高溫壓力傳感器及其制造方法，該壓力傳感器采用SiC襯底和多層金屬引線結(jié)構(gòu)，極大提高了高溫環(huán)境下器件的可靠性，且制造工藝簡單。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種高可靠高溫壓力傳感器，包括襯底、隔離層、第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻、第四壓敏電阻、金屬引線和PAD點(diǎn)；

隔離層設(shè)置在襯底正面；襯底背面開有空腔，使襯底位于空腔上方的部分形成敏感薄膜層；第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻)和第四壓敏電阻設(shè)置在與敏感薄膜層位置相對應(yīng)的隔離層上表面，且均為一字型結(jié)構(gòu)，第一壓敏電阻和第三壓敏電阻、第二壓敏電阻和第四壓敏電阻分別關(guān)于敏感薄膜層的中心對稱；

第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻以及第四壓敏電阻兩端均制作有引線孔；所述第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻、第四壓敏電阻通過連接在引線孔之間的金屬引線構(gòu)成惠斯通電橋；

所述第一壓敏電阻和第二壓敏電阻之間、第二壓敏電阻和第三壓敏電阻之間、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻之間、第四壓敏電阻和第一壓敏電阻之間設(shè)置有PAD點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)惠斯通電橋與外部電路的連接。

所述襯底為N型SiC片。

所述隔離層為P型，用于形成PN結(jié)。

所述薄膜層的形狀為方形或圓形。

所述金屬引線為多層結(jié)構(gòu)，第一層的材料為Ti，第二層的材料為TiN，第三層的材料為Pt，且第一層靠近隔離層。

制造高可靠高溫壓力傳感器的方法，包括如下步驟：

1)選擇N型SiC作為襯底；

2)將SiC襯底減薄至背腔工藝可行的厚度；

3)在N型SiC襯底上外延P型外延層；

4)在P型外延層上繼續(xù)外延N型外延層；

5)利用微加工光刻、刻蝕工藝在N型外延層上同時(shí)制作第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻的壓阻條區(qū)；

6)在襯底背面制作空腔，使空腔上方的襯底形成敏感薄膜層，且保證第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻位于該敏感薄膜層對應(yīng)區(qū)域；

7)在經(jīng)過步驟6)處理后的襯底正面制作介質(zhì)層；

8)在介質(zhì)層上，在每個(gè)壓敏電阻兩端制作引線孔；

9)在經(jīng)過步驟8)處理后的襯底正面制作金屬層，在該金屬層上同時(shí)腐蝕出金屬引線和PAD點(diǎn)；

10)高溫退火，完成高可靠高溫壓力傳感器的制作。

所述步驟3)中P型外延層摻雜濃度為1～3×10¹⁸cm^-3，厚度為1um～5um；

所述步驟4)中N型外延層摻雜濃度為0.1～2×10¹⁹cm^-3，厚度為1um～5um。

所述步驟7)中介質(zhì)層6為氧化硅或PSG,厚度300nm～800nm。

所述步驟9)中金屬層采用濺射工藝制作，且金屬層中Ti厚度30nm～70nm，TiN厚度30nm～70nm，Pt厚度80nm～150nm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明的高溫壓力傳感器選擇SiC作為襯底，相較于傳統(tǒng)的硅材料襯底，耐高溫性能得到明顯提升。

(2)本發(fā)明通過SiC外延層上的四個(gè)壓敏電阻形成惠斯通電橋，壓敏電阻的歐姆接觸采用了接觸層Ti、擴(kuò)散阻擋層TiN和引線互連層Pt形式，進(jìn)一步提高了高溫環(huán)境下器件的可靠性。

(3)本發(fā)明制造方法與目前普遍應(yīng)用的Si制造工藝兼容度高，具有工藝簡單、方式有效、成本低的優(yōu)點(diǎn)，適合批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高可靠高溫壓力傳感器剖面圖；

圖2為本發(fā)明高可靠高溫壓力傳感器俯視圖；

圖3為本發(fā)明高可靠高溫壓力傳感器制造方法流程圖；

圖4為本發(fā)明高可靠高溫壓力傳感器襯底減薄片剖面圖；

圖5本發(fā)明高可靠高溫壓力傳感器制作完P(guān)型外延層和N型外延層后的剖面圖；

圖6本發(fā)明高可靠高溫壓力傳感器制作完壓阻條的剖面圖；

圖7本發(fā)明高可靠高溫壓力傳感器制作完背腔的剖面圖；

圖8本發(fā)明高可靠高溫壓力傳感器完成氧化工藝的剖面圖；

圖9本發(fā)明高可靠高溫壓力傳感器制作完引線孔的剖面圖；

圖10本發(fā)明高可靠高溫壓力傳感器制作完金屬引線層的剖面圖。

具體實(shí)施方式

在高溫環(huán)境中傳統(tǒng)壓力傳感器的金屬歐姆接觸都會有所退化，導(dǎo)致金屬/半導(dǎo)體表面性能不穩(wěn)定，從而接觸失效。本發(fā)明針對該問題提出一種高可靠高溫壓力傳感器以及該壓力傳感器的制造方法。該傳感器采用傳統(tǒng)的薄膜結(jié)構(gòu)，四個(gè)壓敏電阻(第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻)合理的分布在薄膜的應(yīng)力集中區(qū)，每個(gè)壓敏電阻設(shè)計(jì)為一字型壓敏電阻。相鄰的兩個(gè)壓敏電阻之間設(shè)計(jì)一個(gè)PAD點(diǎn)，金屬引線通過壓敏電阻的引線孔進(jìn)行連接，第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻、第四壓敏電阻和四個(gè)PAD點(diǎn)形成惠斯通電橋。當(dāng)高溫壓力傳感器受到外界壓力作用時(shí)，壓敏電阻的變化引起惠斯通電橋輸出信號，從而檢測輸入的壓力。

本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括襯底1、隔離層2、第一壓敏電阻8a、第二壓敏電阻8b、第三壓敏電阻8c、第四壓敏電阻8d、金屬引線和PAD點(diǎn)。

隔離層2設(shè)置在襯底1正面；襯底1背面開有空腔4，使襯底1位于空腔4上方的部分形成敏感薄膜層5；第一壓敏電阻8a、第二壓敏電阻8b、第三壓敏電阻8c和第四壓敏電阻8d設(shè)置在與敏感薄膜層5位置相對應(yīng)的隔離層2上表面，且均為一字型結(jié)構(gòu)，第一壓敏電阻8a和第三壓敏電阻8c、第二壓敏電阻8b和第四壓敏電阻8d分別關(guān)于敏感薄膜層5的中心對稱。每個(gè)壓敏電阻兩端均制作有引線孔，四個(gè)壓敏電阻通過連接在引線孔之間的金屬引線構(gòu)成惠斯通電橋。相鄰兩個(gè)壓敏電阻之間設(shè)置有PAD點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)惠斯通電橋與外部電路的連接。

如圖2所示，第一壓敏電阻8a、第二壓敏電阻8b、第三壓敏電阻8c、第四壓敏電阻8d位于敏感薄膜層5的對應(yīng)區(qū)域，并且靠近敏感薄膜層邊緣應(yīng)力變化較大的區(qū)域。壓敏電阻和PAD點(diǎn)的連接方式為：第一壓敏電阻8a的兩端分別通過金屬引線連結(jié)至PAD點(diǎn)12a和PAD點(diǎn)12d；第二壓敏電阻8b的兩端分別通過金屬引線連結(jié)至PAD點(diǎn)12a和PAD點(diǎn)12b；第三壓敏電阻8c的兩端分別通過金屬引線連結(jié)至PAD點(diǎn)12b和PAD點(diǎn)12c；第四壓敏電阻8d的兩端分別通過金屬引線連結(jié)至PAD點(diǎn)12c和PAD點(diǎn)12d。

制造時(shí)，在N型SiC襯底上依次外延出P型和N型外延層，通過對外延層刻蝕制作壓敏電阻；在襯底背面制作空腔，從而形成薄膜層；制作氧化硅介質(zhì)層，腐蝕氧化硅形成引線孔；在外延層上制作金屬引線和PAD點(diǎn)；劃片，完成高可靠高溫壓力傳感器的制作。制造方法流程圖如圖3所示。

下面按照本發(fā)明方法給出一個(gè)制造壓力傳感器的具體實(shí)施例。

實(shí)施例：

(1)材料選擇：如圖4，選取<111晶向的N型SiC材料作為襯底材料，SiC總厚度為450μm；

(2)減?。簩iC襯底減薄至200μm；

(3)外延隔離層：如圖5所示，在N型SiC襯底上外延P型外延層2，外延層2厚度為2μm，摻雜濃度為2e18cm^-3；

(4)外延壓敏電阻層：如圖5所示，在P型外延層上繼續(xù)外延N型外延層3，N型外延層3厚度為3μm，摻雜濃度為1e19cm^-3；

(5)制作壓阻區(qū)：如圖6所示，利用微加工光刻工藝在N型外延層上光刻出壓敏電阻條區(qū)域，通過刻蝕工藝在N型外延層上同時(shí)制作第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻的壓阻條區(qū)；

(6)制作背腔：如圖7所示，在襯底背面通過刻蝕工藝，制作出空腔4，空腔深度180μm，使空腔上方的襯底形成厚度為20μm的敏感薄膜層5，且第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻位于敏感薄膜層的對應(yīng)區(qū)域；

(7)氧化：如圖8所示，對整個(gè)SiC襯底進(jìn)行氧化工藝，使SiC襯底表面覆蓋一層厚度為500nm的氧化硅介質(zhì)層，工藝條件為1150℃，5小時(shí)；

(8)制作引線孔：如圖9所示，先通過腐蝕工藝腐蝕掉側(cè)面和背面氧化硅，在襯底正面采用光刻工藝制作出引線孔的圖形區(qū)，然后通過腐蝕工藝同時(shí)制作出壓敏電阻的引線孔7；

(9)制作金屬層：如圖10所示，在經(jīng)過步驟(8)處理后的襯底正面通過濺射工藝制作Ti/TiN/Pt金屬層，其中Ti層9的厚度為50nm，TiN層10的厚度為50nm，Pt層11的厚度為100nm。在金屬層上通過光刻工藝將金屬引線和PAD圖形化，采用腐蝕工藝腐蝕出金屬引線和PAD點(diǎn)；

(10)退火：在1000℃下高溫退火1小時(shí)，完成高可靠高溫壓力傳感器的制作。制作好的高溫壓力傳感器如圖1所示。

根據(jù)劃片道進(jìn)行劃片，得到多個(gè)高可靠高溫壓力傳感器。

經(jīng)過上述步驟制作的高溫壓力傳感器，經(jīng)過試驗(yàn)，可以耐600℃高溫。

本發(fā)明壓力傳感器采用SiC襯底和多層金屬引線結(jié)構(gòu)，極大提高了高溫環(huán)境下器件的可靠性，且制造工藝簡單，與目前普遍應(yīng)用的Si制造工藝兼容度高，可以用來制造具有壓阻效應(yīng)的MEMS器件。

上面詳細(xì)敘述了微機(jī)械加工的一種高可靠高溫壓力傳感器的特征結(jié)構(gòu)及制造方法，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行局部調(diào)整和修改，不難重復(fù)出本發(fā)明的結(jié)果，但這并不會超出本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。