[发明专利]硅压力芯片结构设计及工艺

说明书

技术领域

本发明涉及到压力传感器领域，具体的说，特别涉及到一种多层硅结构压力芯片和工艺。

背景技术

微电子机械技术又称MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System）技术是一种将机械电子器件微型化的高新技术，特别适用于用于大规模制造高性能微型机械电子器件，如微型压力传感器， 微型加速度计，微型陀螺仪等。这些微电子机械器件将集成电路和机械结构结合在一起，具有功能强大，精度高，可靠性高的特点。

MEMS压力传感器是依靠一层压力膜来感应外界介质压力，处于压力膜上的压阻元件在受到从压力膜传来的压力时，其电学性能发生变化，表现为电阻值发生改变。通过对电阻值变化的监测，可以判断压力的大小，并通过电路将压力的大小转化为电信号输出到外围电路控制系统。

传统上， MEMS压力芯片压力膜是靠湿法腐蚀或刻蚀工艺实现的，压力膜的厚度控制依赖于腐蚀或刻蚀的时间。由于目前6英寸及以上的硅片本身面积大，厚度偏差大以及腐蚀和刻蚀工艺的不可控性，导致MEMS压力芯片压力膜厚度的偏差较大，以至于对每一个压力芯片要进行单独的补偿，生产效率低。同时腐蚀和刻蚀工艺不可避免的对硅压力膜产生损伤，降低了压力膜的机械强度，从而导致器件可靠性的降低。另外压力芯片和外围电路的连接是靠外接引线完成的。这些引线暴露在压力传感器外部，在动态环境中，如震动环境中，容易失效。目前普遍采用的一种补救方案是用特殊胶水将引线固定。这种方案对胶水提出了严格的要求，即高弹性，能传递压力，抗高温，寿命长。在高温条件下，特别是温度大于200度，目前的胶水尚不能完全达到这些要求。

因此，急需要一种新的制作高温高精度MEMS压力芯片的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供采用多层硅结构的压力芯片的设计以及将其加工为压力芯片的工艺，针对现有技术的不足，有效地提高应压力芯片的一致性和在高温环境中输出信号的温度稳定性，具有高稳定、性能优化和高可靠性的特点。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种硅-绝缘层-硅-绝缘层-硅的多层（三层）硅结构，所述第一层硅具有若干力敏压阻元件，所述若干力敏压阻元件组成全桥惠斯通电桥，用于将压力信号转化成电信号；所述第二层硅设置于第一硅材料层的下方，用做压力膜来感受压力的变化，并将其传导给第一层硅的力敏压阻元件；在第一层硅和第二层硅之间设有用于隔离两者之间电连接的第一层绝缘层；所述第三层硅设置于第二层硅的下方，用于构造压力芯片的支撑结构以及压力膜的岛型结构，在第二层硅和第三层硅设有第二绝缘层。

一种多层硅结构加工为压力芯片的工艺，包括如下步骤：

（1）在上述多层（三层）硅结构的第一层硅上设置全桥压阻元件、连接点和硅密封条；采用离子刻蚀或者腐蚀的方法在压阻元件和连接点的周围形成沟槽，该沟槽贯穿第一层硅，沟槽的底部位于第一层硅内；

（2）多层（三层）硅结构的第三层硅上设置支撑结构和岛型结构；采用等离子干法刻蚀，刻蚀工艺自动停止于第二绝缘层；

（3）选择一片常规SOI，包括两层硅和位于两层硅之间的绝缘层，并在第一层硅上设置硅密封条和硅连接柱；

（4）采用硅-硅健合技术将多层（三层）硅结构和常规SOI应变片健合在一起，以形成多层（5层）硅结构；

（5）将常规SOI片的第二层硅材料层机械减薄；

（6）在常规SOI片的第二层硅上开通孔，该孔贯穿第二层硅和绝缘层，停止于第一层硅材料层；

（7）在常规SOI片的第二层硅材料层的表面和通孔内壁上淀积绝缘层；

（8）在上述通孔处淀积导电材料，形成电连接点。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）压阻元件之间依靠沟槽完全实现物理隔离，并且压阻元件与第二层硅压力膜之间依靠第一层绝缘层实现完全电隔离。这样完全消除了依靠PN结节性电隔离所带来的高温漏电流过大的影响，使压力芯片能在高温下稳定工作。

2）第二层绝缘层，用作腐蚀/刻蚀阻挡层，保证了第二层硅压力膜的性能和厚度不受腐蚀影响，提高了压力芯片的稳定性和一致性。

3）压力芯片的密封采用硅-硅健合密封，由于密封材料为同一种材料（硅），消除了不同材料热膨胀系数不同造成的热不匹配现象，提高了压力芯片在高温工作的稳定性。

4）电连接采用无引线方式，可避免使用胶水固定引线，提高了压力芯片的可靠性。

附图说明

图1为本发明所述的多层（三层）硅结构的示意图。