一種單片集成SiCMEMS壓力傳感器及其製備方法
2023-06-26 14:43:41 3
專利名稱：一種單片集成SiC MEMS壓力傳感器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種SiC MEMS電容式壓力傳感器及其讀出電路的集成方案，屬於微機 電系統領域。
背景技術：
近年來，隨著MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)技術的不斷發展和成 熟，各類MEMS器件和系統在汽車、消費電子、生物醫療等領域的應用中大放異彩，成為高科 技領域的研究熱點和產業生力軍，獲得了廣泛的關注。而矽基MEMS更是取得了巨大成功。壓力傳感器是MEMS最成功的產品之一，它已被廣泛應用到汽車、工業加工、醫療 事業和航天航空中。但是近年來，由於矽材料本身特性的限制，矽基器件在高溫、高壓、強腐 蝕性的環境下很難應用(Thin Solid Films 355-356 (1999) 518-524)。SiC材料以其優異的 電學、力學性能，以及化學穩定性，成為了矽材料的很好的替代品(Sensors andActuators 82(2000)210-218)。目前，在半導體工業中採用的SiC的製備方案主要有兩種，一種是高溫製備，另一 種是低溫製備。高溫製備以LPCVD (低壓化學氣相澱積)為代表，製備溫度通常在800°C以 上，產生的SiC多為多晶結構，其力學電學性能都很高，化學性能也很穩定(IEEE SENSORS JOURNAL,VOL. 4，NO. 4(2004)464-470 ； IEEE SENSORS JOURNAL,VOL. 6，NO. 2(2006)316-324 ； IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 49, NO. 12(2002)2323-2332)；而低溫制 備的SiC主要採用PECVD(等離子體增強化學氣相澱積)，製備溫度通常在400°C以下， 加工出來的SiC力學電學性也不錯，同時保持了化學穩定性(Sensors and Actuators A 67 (1998) 175-180 ； J.Micromech. Microeng. 17 (2007) 775-780 ； J.Micromech. Microeng. 17(2007)426-431)。相比之下，高溫SiC的性能和穩定性更好，適合於高溫高壓 等惡劣環境下應用，而低溫SiC的優勢在於生成溫度低，工藝兼容性更好，可以直接在後續 或之前的加工中引入傳統微加工所需要的材料和工藝，同時加工出來的器件可以與處理電 路集成，從而大大提高器件的精度和可靠性，並降低加工成本。到目前為止，許多商用的壓力傳感器大多是矽基的，不能適用於腐蝕性環境，而以 高溫SiC為材料的器件，很難與處理電路集成。
發明內容
本發明的目的在於提供一種抗腐蝕的單片集成SiC MEMS壓力傳感器，將低溫澱積 的PECVD SiC與壓力傳感器相結合得到SiC電容式壓力傳感器，並實現CMOS處理電路與 SiC電容式壓力傳感器的單片集成。為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案一種單片集成SiC MEMS壓力傳感器，包括第一襯底、CMOS處理電路、電容感應薄 膜、第二襯底和下電極，其中在第二襯底上開有壓力腔；壓力腔表面覆蓋有下電極；電容 感應薄膜覆蓋在第二襯底的上表面，懸浮於壓力腔上，該薄膜由兩層PECVD SiC薄膜夾一金屬層組成，所述金屬層為上電極；第一襯底位於電容感應薄膜之上，第一襯底在壓力腔的上 方開有深槽，露出上層的PECVD SiC薄膜；CMOS處理電路嵌置於第一襯底的下表面，位於深 槽的旁邊，並與上電極接通。上述組成電容感應薄膜的兩層SiC薄膜是通過PECVD技術澱積的SiC薄膜，其中 上電極之上的為結構層，一般厚0. 2 μ m 5 μ m ；上電極之下的為介電層，一般厚0. 1 μ m 1 μ m。上電極的厚度一般為0. 1 μ m 1 μ m。優選的，上述第二襯底是玻璃襯底；壓力腔深0.5μπι ΙΟμπι;下電極是一金屬 Μ，) 0. 1 μ m 1 μ m。優選的，上述第一襯底是矽襯底。所述CMOS處理電路是用CMOS工藝在矽片上加 工出來的。進一步的，為了便於CMOS處理電路與外部的連接，在CMOS處理電路下方的電容感 應薄膜部分設有隔離槽，這樣最後劃片時去除隔離槽下方的第二襯底部分就可以實現CMOS 處理電路與外部的連接。本發明的單片集成SiC MEMS壓力傳感器中，在傳感器方面採用了電容式傳感原 理，即在壓力作用下引起薄膜形變，改變器件電容，從而反映壓力大小。這種傳感方式相比 於傳統的壓阻感應方式的優勢在於溫度漂移小，但由於器件的電容變化量小，寄生電容大， 所以在處理電路方面優選將電容的變化轉化為電壓的變化進行處理，利用連續時間電壓讀 出電路(CTV)進行電容的測量。上述CTV電路包括C-V轉化模塊、放大器模塊、解調模塊和濾波模塊四個主要部 分，如圖3所示。C-V轉化模塊將電容C的變化轉化為電壓的變化，放大器將C-V模塊的微 弱電壓量進行放大，並通過解調模塊和濾波模塊得到輸出。C-V轉化模塊是由四個電容組成的非平衡交流電橋，如圖4所示，其中被測電容Cs 和其他三個固定電容Cl、C2、Cr分別位於電橋的四個臂上，在四臂搭成的菱形結構的對角 線AB之間加載一定頻率的載波信號，在另一對角線XY兩端引出輸出線，X、Y兩端得到電壓 差值就表示了 Cs的大小，假設Cl = C2 = Cr = C，可以簡化得到
^ Us + 2U^Cs =-C
Us-2U其中，C1、C2代表平衡電容，Cr代表參考電容，Cs代表傳感器電容，Us代表交流信 號的幅值，U表示X和Y兩點幅值之差。從上式可以看到，知道X、Y兩點之間的電壓差，就可以得到傳感器電容Cs的大小。C-V轉化模塊的輸出X、Y分別與差分放大器的輸入端+極和-極連接，如圖3所
示 ο圖3中所示的放大器採用的是差分結構，因為差分結構可以更好的抑制共模噪聲 和電源噪聲，同時，由於傳感器的差分結構，這樣可以方便的實現二者的連接。本發明優選採用全差分放大器作為圖3中的放大器模塊，例如圖5所示全差分放 大器，該放大器主要由兩級放大結構、源跟隨器和誤差放大器三部分組成。源跟隨器和誤差 放大器構成了這個放大器的共模反饋結構。此放大器採用了兩級放大結構，這主要是因為 對電容式傳感器來說，需要放大器提供一個大的增益，以提高電路的線性度；同時為了使放 大器的輸入級與傳感器匹配，第一級的增益不能太大，因此需要第二級放大結構提供一個大的增益。第一級放大結構的電路由MOS管M1、M2、M3、M4組成，其中Ml和M2是PMOS管， 作為輸入管。因為PMOS管的Ι/f噪聲要遠小於NMOS管，同時PMOS管可以單獨置於N阱 中，固定N阱的電位，可以有效的屏蔽來自襯底的噪聲，所以為了減小噪聲，選擇PMOS管作 為輸入管。第一級電路相當於用二極體連接的MOS管M3、M4作為負載的差動放大器。第二 級放大結構的電路由MOS管M5-M12組成，這8個MOS管組成一個套筒式的共源共柵結構的 運放，套筒式結構能夠提供大的增益，同時功耗低，噪聲也低，這對於傳感器處理電路來說， 是至關重要的。關於全差分套筒式共源共柵運放的極點，由於全差分結構避免了鏡像極點和MOS 管M5、M6漏端的極點，因此該運放僅有一個非主極點位於MOS管M11、M12漏端。而且Mil、 M12為NMOS管，由於NMOS管高跨導，這個非主極點位於較高的頻率處。因此，這個電路很容 易穩定的工作，也就不需要引入零點來消除這個極點，或者加入電容來使這個極點往更高 頻率處移動，也就節省了晶片的面積，更重要的是這樣不會引入額外的噪聲和寄生電容，也 就不至於影響電路的解析度。差分結構的電路需要有共模反饋電路，以穩定輸出端的共模輸出電壓。在該放大 器中，共模反饋電路由兩部分組成源跟隨器和誤差放大器。MOS管M15-M18、兩個電容C 和兩個電阻R構成了源跟隨器，M15和M16檢測輸出端的共模電壓，並且提供一個低阻輸出， 以便能將源跟隨器與和兩個電阻連接到輸出，以精確的消除差模信號。左邊部分的誤差放 大器將平均輸出電壓與參考電壓進行比較，並將誤差返回共源共柵結構。本發明還提供了上述單片集成SiC MEMS壓力傳感器的製備方法，包括以下步驟1)採用CMOS工藝在第一襯底上製備出CMOS處理電路；2)採用等離子體增強化學氣相澱積(PECVD)技術在第一襯底帶有CMOS處理電路 的一面澱積一層SiC薄膜作為結構層，並在該結構層SiC薄膜覆蓋CMOS處理電路的位置形 成一通孔作為電極接口；3)在結構層SiC薄膜表面濺射一層金屬作為上電極；4)在上電極表面採用PECVD技術澱積另一層SiC薄膜作為介質層；5)在第二襯底上刻蝕出壓力腔；6)覆蓋壓力腔在第二襯底表面澱積一層金屬形成下電極；7)將第一襯底帶有介質層SiC薄膜的一面和第二襯底帶有下電極的一面鍵合在 一起，其中CMOS處理電路位於壓力腔的旁邊；8)對鍵合後的第一襯底進行刻蝕，在壓力腔上方形成深槽，露出結構層SiC薄膜。進一步的，上述方法中第一襯底優選採用矽襯底，第二襯底優選採用玻璃襯底。在步驟2)中可採用ICPanductively Coupled Plasma，感應耦合等離子體)技術 刻蝕結構層SiC薄膜形成電極接口。在步驟7)採用靜電鍵合的方法。在步驟8)溼法腐蝕第一襯底形成深槽。優選的，為了便於CMOS處理電路與外部連接，在步驟4)介質層形成後，刻蝕介質 層、上電極和結構層形成隔離槽，露出部分CMOS處理電路，這樣在器件製作完成時劃片暴 露隔離槽，完成單片集成SiC MEMS壓力傳感器與外部器件的連接。本發明的單片集成壓力傳感器的優點主要有(1)結合CMOS工藝，完成了 CMOS電路與SiC電容式壓力傳感器的post-CMOS集成，提高了器件的精度和穩定性；(2)電路部分 和傳感器部分分開加工，電路部分則可以在任意標準IC生產線上進行加工，從而提高了電 路的可靠性和成品率；C3)以PECVD SiC為薄膜的電容式壓力傳感器，適用於腐蝕性環境， 降低了器件的封裝成本。此外，本發明優選採用一種全新的放大器(如圖5所示)來放大 C-V轉化電路產生的電壓，該放大器具有較高的增益，理想的噪聲表現，很高的閉環速度。
圖1為本發明單片集成SiC MEMS電容式壓力傳感器的結構示意圖。圖2a_圖池為顯示本發明實施例1製備單片集成SiC MEMS電容式壓力傳感器流 程的結構示意圖。圖3為本發明所設計的連續時間電壓讀出電路的模塊圖。圖4為本發明所設計的CMOS處理電路中C-V轉化模塊即非平衡交流電橋的示意 圖。圖5為本發明所設計的的CMOS處理電路的全差分放大器的結構示意圖。圖6為本發明實施例2採用的電容-電壓轉換處理電路的示意圖。圖7為本發明實施例2的測試數據圖(a)及數據局部放大圖(b)。圖8為本發明實施例3的測試數據圖。
具體實施例方式下面結合附圖，通過實施實例對本發明作進一步描述，但不以任何方式限制本發 明的範圍。實施例1電容式壓力傳感器的製備原始材料雙面拋光的N型矽片10，電阻率2 4Q-cm，晶向，矽片厚度為 400μ ；7740 玻璃。如圖1所示，該單片集成電容式壓力傳感器包括作為第一襯底的矽片1，CM0S處理 電路2，作為結構層的SiC薄膜3，上電極5，作為介質層的SiC薄膜6，作為第二襯底的玻璃 8，下電極10，以及壓力腔9和深槽11，其製備過程如下1、用CMOS工藝在矽片1上製造CMOS處理電路2，如圖加所示。2、用PECVD (等離子增強化學氣相沉積)技術在矽片1上澱積0. 2 μ m 5 μ m厚 的SiC薄膜3，並在其上腐蝕形成一個通孔4作為電極接口，如圖2b所示。其中，PECVD澱積SiC薄膜的條件為壓力700 1200mTorr，溫度200 400°C， SiH4流量20 6Osccm, CH4流量200 400sccm，Ar流量200 400sccm，腔內能量頻率採 用高低頻交替方式，其中高頻頻率為12 15MHz，持續時間為10 20s，低頻頻率為300 500KHz，持續時間為20 30s，兩者的功率為200 400W。通孔4的形成是通過光刻定義出電極的圖形，然後ICP刻蝕SiC薄膜3形成通孔4。3、在SiC薄膜3表面濺射一層金屬作為上電極5，如圖2c所示，濺射的條件為壓力 0 5. Opa,功率為200 400W。4、在上電極的表面PECVD澱積0. 1 μ m 1 μ m厚的SiC薄膜6作為介質層，然後光刻定義出隔離槽的圖形，然後ICP刻蝕介質層SiC薄膜6，腐蝕上電極金屬層5，ICP刻蝕 結構層SiC薄膜3，形成隔離槽7，如圖2d所示。其中，PECVD的條件如上述步驟2所述。5、在玻璃8上光刻定義出壓力腔圖形，然後刻蝕0. 5 μ m 10 μ m深的槽，形成壓 力腔9，如圖&所示；6、在該玻璃8上澱積一層金屬，並圖形化，形成下電極10，如圖2f所示；7、將矽片1和玻璃8進行靜電鍵合，如圖2g所示；8、在矽片1的外表面對準光刻，然後用KOH腐蝕矽，在壓力腔上方形成深槽11，露 出SiC薄膜3，形成電容結構，如圖ai所示。實施例2我們首先用BD031集成電路(如圖6所示)來檢測上述集成的壓力傳感器的器件 部分(不包括CMOS處理電路)的性能。此集成電路是基於開關電容網絡來實現將電容轉 化為電壓功能的。圖6中，Vout是輸出信號，Vb是2. 25伏的參考電壓，Cl和C2是輸入電 容，其中Cl是傳感器電容，C2是固定電容，Cf是反饋電容。通過PCB (印刷電路板)將BD031集成電路和傳感器相連放入壓力腔中，用商用的 PPC2+壓力校準器來控制壓力腔中的氣壓，用安捷倫34401A萬用表來測量電壓變化，這兩 種儀器通過與電腦相連來控制電壓數據和氣壓數據的實時性。測量溫度在25°C到125°C之 間，加載氣壓從30kPa到450kPa。圖7顯示了在50°C下的測量數據，其中(b)是(a)中數據的局部放大圖。其中 在IOOkPa到300kPa是近似的線性變化，線性度為2. 35%，遲滯為1. 35%。電壓改變了 399. 5mV，靈敏度為1. 984mV/kPa。在25°C到125°C之間其他溫度下測試數據類似，熱靈敏度 漂移為0.037% FS/K。可見，本發明以PECVD SiC為薄膜的電容式壓力傳感器精度高，穩定 性好。實施例3基於圖4所示的電容器的電橋連接方式我們設計了 一套針對整個集成傳感器(器 件部分和CMOS處理電路)的測試方案，具體功能也是把不同的電容信號轉化為電壓信號。 電路的原理圖如圖3所示。部分外接元件通過PCB板與集成傳感器連接起來。同樣用PPC2+ 壓力校準器和安捷倫34401A萬用表來測試。圖8是常溫下的測量結果。由圖8可知在IlOkPa到3001tfa之間數據有較好的線 性度，這之間的線性度為4. 0%，靈敏度為0. 1585mV/kPa。
權利要求
1.一種單片集成SiC MEMS壓力傳感器，包括第一襯底、CMOS處理電路、電容感應薄膜、 第二襯底和下電極，其中在第二襯底上開有壓力腔；壓力腔表面覆蓋有下電極；電容感應 薄膜覆蓋在第二襯底的上表面，懸浮於壓力腔上，該薄膜由兩層PECVD SiC薄膜夾一金屬層 組成，所述金屬層為上電極；第一襯底位於電容感應薄膜之上，第一襯底在壓力腔的上方開 有深槽，露出上層的PECVD SiC薄膜；CMOS處理電路嵌置於第一襯底的下表面，位於深槽的 旁邊，並與上電極接通。
2.如權利要求1所述的單片集成SiCMEMS壓力傳感器，其特徵在於，上層的PECVD SiC 薄膜厚0. 2μπι 5μπι ；下層的PECVD SiC薄膜厚0. 1 μ m 1 μ m。
3.如權利要求1所述的單片集成SiCMEMS壓力傳感器，其特徵在於，所述壓力腔深 0. 5 μ m 10 μ m0
4.如權利要求1所述的單片集成SiCMEMS壓力傳感器，其特徵在於，所述第一襯底是 矽襯底，所述第二襯底是玻璃襯底。
5.如權利要求1所述的單片集成SiCMEMS壓力傳感器，其特徵在於，所述CMOS處理 電路為連續時間電壓讀出電路，包括C-V轉化模塊、放大器模塊、解調模塊和濾波模塊，其 中C-V轉化模塊將電容變化轉化為電壓變化，放大器將C-V模塊的微弱電壓量進行放大，並 通過解調模塊和濾波模塊得到輸出；所述C-V轉化模塊是由四個電容組成的非平衡交流電 橋，被測電容和三個固定電容分別位於電橋的四個臂上，在四臂搭成的菱形結構的一對角 線之間加載一定頻率的載波信號，在另一對角線兩端引出輸出線，輸入到放大器模塊的輸 入端。
6.如權利要求5所述的單片集成SiCMEMS壓力傳感器，其特徵在於，所述放大器模塊 是全差分放大器。
7.如權利要求6所述的單片集成SiCMEMS壓力傳感器，其特徵在於，所述全差分放大 器主要由兩級放大結構、源跟隨器和誤差放大器三部分組成，其中源跟隨器和誤差放大器 構成了該放大器的共模反饋結構。
8.如權利要求7所述的單片集成SiCMEMS壓力傳感器，其特徵在於，所述兩級放大結 構中第一級放大結構是輸入管為PMOS管，用二極體連接的NMOS管作為負載的差動放大器； 第二次放大結構是由8個MOS管組成的套筒式的共源共柵結構的運放。
9.權利要求1 8任一所述單片集成SiCMEMS壓力傳感器的製備方法，包括以下步驟1)採用CMOS工藝在第一襯底上製備出CMOS處理電路；2)採用等離子體增強化學氣相澱積技術在第一襯底帶有CMOS處理電路的一面澱積一 層SiC薄膜作為結構層，並在該結構層SiC薄膜覆蓋CMOS處理電路的位置形成一通孔作為 電極接口 ；3)在結構層SiC薄膜表面濺射一層金屬作為上電極；4)在上電極表面採用等離子體增強化學氣相澱積技術澱積另一層SiC薄膜作為介質層；5)在第二襯底上刻蝕出壓力腔；6)覆蓋壓力腔在第二襯底表面澱積一層金屬形成下電極；7)將第一襯底帶有介質層SiC薄膜的一面和第二襯底帶有下電極的一面鍵合在一起，其中CMOS處理電路位於壓力腔的旁邊；8)對鍵合後的第一襯底進行刻蝕，在壓力腔上方形成深槽，露出結構層SiC薄膜。
10.如權利要求9所述的製備方法，其特徵在於，在步驟4)介質層形成後，刻蝕介質層、 上電極和結構層形成隔離槽，露出部分CMOS處理電路。
全文摘要
本發明公開了一種單片集成SiC MEMS壓力傳感器及其製備方法。該壓力傳感器包括嵌置了CMOS處理電路的第一襯底、開有壓力腔的第二襯底和兩襯底之間的電容感應薄膜；該薄膜由兩層PECVD SiC薄膜夾上電極組成，懸浮於壓力腔上；壓力腔表面覆蓋有下電極；壓力腔上方的第一襯底部分開有深槽，露出上層的PECVD SiC薄膜；CMOS處理電路位於深槽的旁邊，並與上電極接通。該傳感器以低溫澱積的SiC作為感應薄膜，器件性能好且適用於腐蝕性環境。同時，本發明採用post-CMOS方法加工，實現了傳感器與處理電路的集成，從而提高了器件的整體精度和穩定性。
文檔編號B81C1/00GK102062662SQ201010537800
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月5日 優先權日2010年11月5日
發明者劉雷, 唐偉, 張海霞, 鄭百祥, 陳哲 申請人:北京大學