一種mems壓阻式拉壓力晶片及傳感器的製作方法
2023-05-19 18:46:46
專利名稱：一種mems壓阻式拉壓力晶片及傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造領域，特別涉及一種MEMS壓阻式拉壓力晶片及傳感器的製作方法。
背景技術：
目前，普遍採用壓阻式拉壓力傳感器測量水平方向所受拉壓力。壓阻式拉壓力傳感器組成結構包括兩大部分彈性敏感元件和電阻壓變片。其中，彈性敏感元件是敏感元件，可根據被測參數來設計或選擇結構和形式；電阻壓變片的作用是將水平方向所受的拉壓力轉換成電阻變化的轉換元件；電阻壓變片是壓阻式拉壓力傳感器的核心元件。彈性敏感元件在水平方向拉壓力的作用下表面產生應變。導致粘貼在彈性敏感元件表面的電阻壓變片的電阻值發生變化。從而通過測量電阻壓變片的電阻值變化，確定被測量參數的大小。 電阻壓變片按照材料類型可分為金屬絲、箔金屬壓變片和半導體壓變片等。電阻壓變片作為電阻式壓變片拉壓力傳感器的最關鍵組成部分。現有技術中多用箔金屬壓變片，但由於箔金屬壓變片的加工工藝複雜，甚至需要手工處理，所以使用箔金屬壓變片的壓阻式拉壓力傳感器存在生產難度大，成本較高，無法實現低成本大批量生產。隨著半導體技術的發展，微電子機械系統(MEMS)壓力傳感器應運而生，主要分為MEMS壓阻式壓力傳感器和MEMS 電容式壓力傳感器，兩者都是在具有矽襯底的晶片上生成的微機械電子傳感器，MEMS壓阻式壓力傳感器具有的輸出信號大，後續處理簡單，晶片體積小，易於大批量生產和成本低廉等優點，逐漸被廣泛應用。現有技術中，MEMS壓阻式拉壓力傳感器中最關鍵的電阻壓變片部分是由半導體材料製作的半導體壓變片，又稱為MEMS壓阻式拉壓力晶片，其為長方形結構，包括一個方形感應膜和周圍的支撐部分，感應膜的中心區域具有的四個壓敏電阻組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路，如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。採用惠斯頓電橋的MEMS壓阻式拉壓力傳感器，較高的測量精度、較低的功耗和極低的成本。感應膜和壓敏電阻是用半導體工藝在矽襯底上製作而成，矽襯底是半導體材料的晶體，當感應膜在晶軸方向上受到外力作用會產生應力，矽襯底內部的載流子在應力作用下發生載流子遷移率改變，因為載流子遷移率決定了矽襯底上壓敏電阻的電阻值，從而通過壓敏電阻組成電橋的電阻值變化測量水平方向所受拉壓力。現有技術中，先在提供的導電類型為電子的N型矽襯底100的晶片器件面形成氧化層101作為絕緣層，然後採用擴散工藝將導電類型為空穴的P型雜質擴散到氧化層101 下方的矽襯底100中，形成一層極薄的P型導電層102作為壓敏電阻，然後在P型導電層 103上方刻蝕引線孔後，在引線孔中濺射金屬鋁製成電極103，再從電極103上方用超聲波或熱壓焊法焊接引出導線104，最終製成如圖1所示的MEMS壓阻式拉壓力晶片的剖面結構示意圖。這種MEMS壓阻式拉壓力晶片的優點是穩定性好，機械滯後和蠕變小，電阻溫度係數也比一般半導體應變片小一個數量級，但是缺點是由於擴散工藝在矽襯底中形成壓敏電阻的一致性差、漏電流難於控制等問題限制了 MEMS壓阻式拉壓力傳感器的應用。
發明內容
有鑑於此，本發明解決的技術問題是提供一種MEMS壓阻式拉壓力晶片及其傳感器的製作方法，提高壓敏電阻的一致性、減小漏電流，解決批量生產中的一致性問題。為解決上述問題，本發明的技術方案具體是這樣實現的—種MEMS壓阻式拉壓力晶片的製作方法，提供一具有N型矽襯底的晶片，該方法包括在晶片的晶片器件面和背面生長氧化層；晶片器件面的所述氧化層下方的矽襯底中離子注入形成壓敏電阻；所述壓敏電阻周圍擴散形成ρ型區；腐蝕晶片背面的所述氧化層和矽襯底，形成感應膜；刻蝕位於所述ρ型區上方的晶片器件面的氧化層形成引線孔後，在引線孔中濺射金屬製成導線，所述導線電連接所述壓敏電阻形成惠斯頓電橋；劃片分離出MEMS壓阻式拉壓力晶片。所述矽襯底為(100)晶面。所述壓敏電阻按照晶向分為兩組，一組為沿W1-1]晶向或其等效晶向組成晶族的壓敏電阻，另一組為沿W11]晶向或其等效晶向組成晶族的壓敏電阻。所述離子注入的物質是硼離子或其他第III主族元素的離子，所述離子注入劑量是2E18原子/平方釐米。所述擴散形成ρ型區是擴散硼離子，所述擴散的劑量是5E19原子/平方釐米。一種MEMS壓阻式拉壓力傳感器的製作方法，提供一具有N型矽襯底的晶片，pcb電路板和長方形結構的金屬基底，該方法包括在晶片的晶片器件面和背面生長氧化層；晶片器件面的所述氧化層下方的矽襯底中離子注入形成壓敏電阻；所述壓敏電阻周圍擴散形成ρ型區；腐蝕晶片背面的所述氧化層和矽襯底，形成感應膜；刻蝕位於所述ρ型區上方的晶片器件面的氧化層形成引線孔後，在引線孔中濺射金屬製成導線，所述導線電連接所述壓敏電阻形成惠斯頓電橋；劃片分離出MEMS壓阻式拉壓力晶片；所述金屬基底上粘接所述MEMS壓阻式拉壓力晶片；將所述pcb電路板粘接到所述金屬基底，將MEMS壓阻式拉壓力晶片的導線與pcb 電路板電連接；對外露的MEMS壓阻式拉壓力晶片部分進行灌封防護，將PCB電路板的導線引出。所述矽襯底為(100)晶面。所述壓敏電阻的個數為四個，兩個所述壓敏電阻沿W1-1]晶向或其等效晶向組成晶族平行，另外兩個所述壓敏電阻沿W11]晶向或其等效晶向組成晶族平行。所述離子注入的物質是硼離子或其他第III主族元素的離子，所述離子注入劑量是2E18原子/平方釐米。所述擴散形成ρ型區是擴散硼離子，所述擴散的劑量是5E19原子/平方釐米。由上述的技術方案可見，本發明提出的MEMS壓阻式拉壓力晶片及傳感器製作方法，大幅改善壓敏電阻的一致性，減小上述壓敏電阻組成的惠斯頓電橋的零點輸出和零點溫度漂移；以具有上述惠斯頓電橋的感應膜作為半導體應變片，解決了 MEMS壓阻式拉壓力晶片及其傳感器的一致性差、穩定性低以及漏電流難於控制的問題，也提高了 MEMS壓阻式拉壓力晶片及其傳感器的製作成品率。
圖1為現有技術中MEMS壓阻式拉壓力晶片的剖面結構示意圖；圖2為本發明MEMS壓阻式拉壓力晶片的製作步驟流程圖；圖3為本發明MEMS壓阻式拉壓力晶片中四個壓敏電阻組成惠斯頓電橋的電路示意圖；圖4為本發明MEMS壓阻式拉壓力傳感器的製作步驟流程圖；圖5為本發明MEMS壓阻式拉壓力傳感器結構圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案、及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例， 對本發明進一步詳細說明。本發明提出了一種MEMS壓阻式拉壓力晶片及其傳感器的製作方法，下詳細說明圖2所示的本發明MEMS壓阻式拉壓力晶片的製作步驟流程圖步驟200、MEMS壓阻式拉壓力晶片的版圖設計，通過仿真找出感應膜上的壓敏電阻的最佳位置；現有技術的MEMS壓阻式拉壓力晶片的結構包括在具有矽襯底的晶片上製作的感應膜、四個壓敏電阻、連接壓敏電阻的導線以及感應膜周圍的支撐部分，其中，四個壓敏電阻位於感應膜上，由導線電連接成惠斯頓電橋.步驟201、矽襯底的晶片器件面和背面生長氧化層；本步驟中，提供一具有N型矽襯底的尺寸為4英寸的晶片，現有技術中，將晶片上生長半導體器件的一面成為器件面，將器件面的相對面稱為背面。在矽襯底的(100)晶面上對晶片器件面和背面進行雙面拋光和清洗後，將矽襯底放入爐管中，向爐管中通入氧氣的同時加熱爐管，在矽襯底的晶片器件面和背面同時生長氧化層，通過調整爐管的加熱溫度、氧氣流量和加熱時間控制氧化層的厚度、該步驟為現有技術，不再贅述。步驟202、離子注入工藝在矽襯底中形成四個壓敏電阻；本步驟中，壓敏電阻位於矽襯底中晶片器件面的氧化層下方，離子注入的物質是硼離子或其他第III主族元素的離子，離子注入劑量為2E18原子/平方釐米，離子注入的能量由步驟201中生長的氧化層的厚度決定，使得離子注入形成的壓敏電阻位於晶片器件面的氧化層的下方；需要注意的是，本步驟中製作的壓敏電阻按照晶向分為兩組，如圖3所示，一組為沿W1-1]晶向或其等效晶向組成晶族的壓敏電阻301，另一組為沿
晶向或其等效晶向組成晶族的壓敏電阻302。本發明的壓敏電阻採用離子注入方法製作，由於離子注入工藝的注入劑量的控制精度遠遠高於傳統的擴散工藝，因此可以大幅改善壓敏電阻的一致性，減小零點輸出和零點溫度漂移。步驟203、壓敏電阻周圍擴散硼離子形成ρ型區；
本步驟中採用傳統的擴散工藝，擴散硼離子的劑量為5E19原子/平方釐米，相比步驟202的離子注入劑量本步驟中硼離子的劑量更大，因此本步驟中形成的ρ型區的載流子濃度更大，電阻更小，壓敏電阻周圍的P型區可以作為壓敏電阻的連接區，後續步驟205 在P型區上方刻蝕引線孔並濺射金屬形成導線後，通過P型區電連接壓敏電阻和導線。在步驟202之後步驟203之前或者步驟203之後步驟204之前，還可以在相鄰壓敏電阻之間的矽襯底中擴散磷元素的離子形成η+隔離區，用於壓敏電阻之間的隔離。步驟204、腐蝕晶片背面形成感應膜；本步驟中，用氫氧化鉀(KOH)溶液腐蝕晶片背面的氧化層和矽襯底，減薄氧化層和矽襯底形成感應膜。本步驟完成之後，為了保證對腐蝕後形成的感應膜質量，還需要進一步檢查感應膜厚度。步驟205、感應膜上刻蝕引線孔後，在引線孔中濺射金屬製作導線，完成壓敏電阻的電氣連接；本步驟中，在P型區上方的氧化層中刻蝕引線孔，刻蝕引線孔和濺射金屬的方法為現有技術，此不再贅述，需要注意的是，如圖3所示濺射金屬形成合金製成的導線分為兩類內連導線303和外連導線304，其中，兩條內連導線303將晶向相同的兩個同組壓敏電阻的一端分別與具有不同晶向的一個壓敏電阻的首尾兩端相連，另外兩條內連導線303將上述晶向相同的兩個同組壓敏電阻的另一端分別與具有不同晶向的另一個壓敏電阻的首尾兩端相連；再分別從四條內連導線上引出與其相連的四條外連導線304，將外連導線304 分為兩組，其中，連接不同壓敏電阻的兩條內連導線上引出兩條外連導線304為一組，一組作為測量橋臂電阻時的輸出端，另一組作為輸入端；將四個壓敏電阻以及內連、外連導線組成的閉合迴路稱為惠斯頓電橋。步驟206、劃片分離出MEMS壓阻式拉壓力晶片。半導體製作工藝能夠在一個晶片上會同時製作多個MEMS壓阻式拉壓力晶片結構，因此需要劃片分離出每個獨立的MEMS壓阻式拉壓力晶片。至此，MEMS壓阻式拉壓力晶片的製作步驟完成。下面結合圖5所示的MEMS壓阻式拉壓力傳感器結構，說明圖4中MEMS壓阻式拉壓力傳感器的製作過程，具體步驟如下。步驟401、採用長方型結構的金屬基底501，在金屬基底501上粘接MEMS壓阻式拉壓力晶片503 ；本步驟中，MEMS壓阻式拉壓力晶片503是上述步驟200到步驟206製作的MEMS壓阻式拉壓力晶片503，其製作步驟不再贅述。步驟402、粘接轉接pcb電路板502至金屬基底501，引接MEMS壓阻式拉壓力晶片的導線與pcb電路板502電連接；步驟403、對外露的MEMS壓阻式拉壓力晶片503部分進行灌封防護，將pcb電路板上的導線504引出；本步驟中，需要注意的是，灌封防護不易過厚或過薄，以保證製成MEMS壓阻式拉壓力傳感器的一致性。至此，MEMS壓阻式拉壓力傳感器製作完畢。為了檢查MEMS壓阻式拉壓力傳感器是否能夠準確測量拉壓力，還需要對其進行器件檢測，例如步驟404的檢查惠斯頓電橋橋臂電阻和零點輸出。步驟404、檢測惠斯頓電橋橋臂電阻和零點輸出；本步驟中，MEMS壓阻式拉壓力傳感器使用的MEMS壓阻式拉壓力晶片中，四個壓敏電阻組成的惠斯頓電橋，其橋臂電阻和零點輸出的檢測方法為現有技術，此不再贅述，步驟405、完成MEMS壓阻式拉壓力傳感器的最終檢測後，將MEMS壓阻式拉壓力傳感器裝盒併入庫。本發明提出一種MEMS壓阻式拉壓力晶片及傳感器的製作方法，該方法採用離子注入方法在矽襯底中製作壓敏電阻，用該方法製作的壓敏電阻所組成的惠斯頓電橋，由於離子注入工藝的注入劑量的控制精度遠遠高於傳統的擴散工藝，所以大幅改善壓敏電阻的一致性，減小上述壓敏電阻組成的惠斯頓電橋的零點輸出和零點溫度漂移；以具有上述惠斯頓電橋的感應膜作為半導體應變片，從而解決了 MEMS壓阻式拉壓力晶片及其傳感器的一致性差、穩定性低以及漏電流難於控制的問題，也提高了 MEMS壓阻式拉壓力晶片及其傳感器的製作成品率。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的範圍之內。
權利要求
1.一種MEMS壓阻式拉壓力晶片的製作方法，提供一具有N型矽襯底的晶片，其特徵在於，該方法包括在晶片的晶片器件面和背面生長氧化層；晶片器件面的所述氧化層下方的矽襯底中離子注入形成壓敏電阻； 所述壓敏電阻周圍擴散形成P型區； 腐蝕晶片背面的所述氧化層和矽襯底，形成感應膜；刻蝕位於所述P型區上方的晶片器件面的氧化層形成引線孔後，在引線孔中濺射金屬製成導線，所述導線電連接所述壓敏電阻形成惠斯頓電橋； 劃片分離出MEMS壓阻式拉壓力晶片。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述矽襯底為(100)晶面。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述壓敏電阻按照晶向分為兩組，一組為沿W1-1]晶向或其等效晶向組成晶族的壓敏電阻，另一組為沿W11]晶向或其等效晶向組成晶族的壓敏電阻。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述離子注入的物質是硼離子或其他第 III主族元素的離子，所述離子注入劑量是2E18原子/平方釐米。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述擴散形成ρ型區是擴散硼離子，所述擴散的劑量是5E19原子/平方釐米。
6.一種MEMS壓阻式拉壓力傳感器的製作方法，提供一具有N型矽襯底的晶片，pcb電路板和長方形結構的金屬基底，其特徵在於，該方法包括在晶片的晶片器件面和背面生長氧化層；晶片器件面的所述氧化層下方的矽襯底中離子注入形成壓敏電阻； 所述壓敏電阻周圍擴散形成P型區； 腐蝕晶片背面的所述氧化層和矽襯底，形成感應膜；刻蝕位於所述P型區上方的晶片器件面的氧化層形成引線孔後，在引線孔中濺射金屬製成導線，所述導線電連接所述壓敏電阻形成惠斯頓電橋； 劃片分離出MEMS壓阻式拉壓力晶片； 所述金屬基底上粘接所述MEMS壓阻式拉壓力晶片；將所述pcb電路板粘接到所述金屬基底，將MEMS壓阻式拉壓力晶片的導線與pcb電路板電連接；對外露的MEMS壓阻式拉壓力晶片部分進行灌封防護，將PCB電路板的導線引出。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述矽襯底為(100)晶面。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述壓敏電阻的個數為四個，兩個所述壓敏電阻沿Wi-i]晶向或其等效晶向組成晶族平行，另外兩個所述壓敏電阻沿Wll]晶向或其等效晶向組成晶族平行。
9.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述離子注入的物質是硼離子或其他第 III主族元素的離子，所述離子注入劑量是2E18原子/平方釐米。
10.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述擴散形成ρ型區是擴散硼離子，所述擴散的劑量是5E19原子/平方釐米。
全文摘要
本發明提供了一種MEMS壓阻式拉壓力晶片製作方法，該方法包括提供具有矽襯底的晶片，雙面氧化所述矽襯底後，在晶片器件面的氧化層下方的矽襯底中離子注入形成四個壓敏電阻並組成惠斯頓電橋，腐蝕所述矽襯底的背面形成感應膜並製作導線形成MEMS壓阻式拉壓力晶片。採用本發明方法製作的MEMS壓阻式拉壓力晶片及傳感器，大幅改善壓敏電阻的一致性，減小上述壓敏電阻組成的惠斯頓電橋的零點輸出和零點溫度漂移；以具有上述惠斯頓電橋的感應膜作為半導體應變片，解決了MEMS壓阻式拉壓力晶片及其傳感器的一致性差、穩定性低以及漏電流難於控制的問題，也提高了MEMS壓阻式拉壓力晶片及其傳感器的製作成品率。
文檔編號G01L1/18GK102359836SQ201110230498
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月9日 優先權日2011年8月9日
發明者張威, 沈唯真 申請人:浙江雙友物流器械股份有限公司