一种MEMS温压复合芯片及其制备方法与流程

本发明涉及mems器件，尤其涉及一种mems温压复合芯片及其制备方法。

背景技术：

1、温压复合芯片将压力传感器与温度传感器集成于同一芯片。mems（微机电系统，micro-electro-mechanical system，简称mems）压阻式压力传感器的输出特性随温度漂移，需结合温度数据进行标定与补偿。压力膜的实际温度与环境温度存在差异，因此温度传感器承担双重测温任务：一是监测环境温度，此类监测对传感器在芯片上的位置没有要求；二是监测压力膜的实际温度，为压力传感器的标定提供依据，这要求温度传感器贴近压力膜——离膜越近，热传导越快、效率越高，越能表征膜的真实温度；但温度传感器又不能直接设于压力膜上，否则将破坏膜层结构。

2、现有温压复合芯片的常规制备方法是在soi衬底上通过光刻和离子注入分别形成温度传感器二极管与压敏电阻（含重掺杂接触区），退火并制作金属布线后，刻蚀衬底空腔、释放压力膜区域。为实现两器件之间的电隔离，通常采用深沟槽隔离，即在两器件之间挖槽以隔断电信号；或者采用离子注入隔离，即以高能离子注入在两器件之间形成高阻区。

3、上述隔离手段存在如下缺陷：其一，沟槽隔离会改变器件的应力结构，而压力膜对应力高度敏感，挖槽直接干扰压力膜的工作状态；若为避免影响而拉大两器件间距，则温度传感器无法表征压力膜的真实温度，且增大芯片面积。其二，沟槽在隔断电信号的同时，也切断了温度传感器到压力膜的热传导路径，使温度传感器无法快速感知并表征膜的真实温度，与温压复合芯片的测温用途直接冲突。其三，在两器件距离较近时进行离子注入隔离，高能离子对两侧器件各自的电路性能破坏较大。即，现有技术无法同时满足：在实现电信号隔离的前提下，使温度传感器贴近压力膜，同时不干扰压力膜的应力结构、且保持两者之间热传导路径的连续。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种mems温压复合芯片及其制备方法，以解决在实现电信号隔离的前提下，使温度传感器贴近压力膜，同时不干扰压力膜的应力结构、且保持两者之间热传导路径的连续的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种mems温压复合芯片，包括：

3、衬底层；

4、下硅层，设于所述衬底层上，所述下硅层中形成有温度传感器；

5、氧化层，设于所述下硅层上；

6、上硅层，设于所述氧化层上；

7、腔体，所述腔体位于所述温度传感器的正投影区域之外，且与所述温度传感器的正投影区域相邻设置；所述腔体贯穿所述衬底层和下硅层，并与所述氧化层下表面相接，使所述上硅层和氧化层中对应所述腔体的部分悬空形成压力膜；所述上硅层中形成有压敏电阻；其中，所述氧化层将所述压敏电阻与所述温度传感器电隔离；

8、所述上硅层至少覆盖所述温度传感器正上方的区域以及压力膜区域；其中，所述压力膜的热量经由所述上硅层传导至所述温度传感器的上方，并经所述氧化层传导至所述温度传感器。

9、在一种可能的实现方式中，所述下硅层为形成于所述衬底层上的外延硅层；或者，所述下硅层为soi结构中的器件硅层，所述衬底层与所述下硅层之间还设有埋氧层。

10、在一种可能的实现方式中，所述温度传感器为二极管式温度传感器，包括设于所述下硅层中的p型掺杂区和n型掺杂区，所述p型掺杂区与所述n型掺杂区相接形成pn结。

11、在一种可能的实现方式中，所述腔体贯通所述衬底层背离所述下硅层的一侧表面，所述腔体与外部大气连通，所述mems温压复合芯片为表压式芯片。

12、在一种可能的实现方式中，所述压力膜区域的上硅层中形成有两个压敏电阻；所述温度传感器正上方的区域的上硅层中形成有两个压敏电阻；四个所述压敏电阻构成惠斯通电桥。

13、在一种可能的实现方式中，所述温度传感器的正投影区域的边缘与所述压力膜区域的边缘之间的间距不大于50μm。

14、在一种可能的实现方式中，所述衬底层为硅衬底层。

15、第二方面，本发明实施例提供了一种mems温压复合芯片的制备方法，所述方法包括：衬底层上形成有下硅层，在所述下硅层中形成温度传感器；

16、在所述下硅层上形成氧化层，所述氧化层至少覆盖所述温度传感器；

17、在所述氧化层上形成上硅层，并在上硅层中形成压敏电阻；其中，所述上硅层为连续完整的硅层，在俯视方向上所述上硅层至少覆盖温度传感器的正投影区域；

18、以所述氧化层作为刻蚀停止层，从所述衬底层背离所述下硅层的一侧刻蚀所述衬底层和所述下硅层，形成腔体；其中，所述腔体位于所述温度传感器的正投影区域之外，且与所述温度传感器的正投影区域相邻设置；所述刻蚀止于所述氧化层的下表面，使所述上硅层和所述氧化层中对应所述腔体的部分悬空形成压力膜；其中，所述氧化层将所述压敏电阻与所述温度传感器电隔离，所述压力膜的热量经由所述上硅层传导至所述温度传感器的上方，并经所述氧化层传导至所述温度传感器。

19、在一种可能的实现方式中，所述在所述氧化层上形成上硅层，包括：提供硅晶圆；将所述硅晶圆键合于所述氧化层上；对键合后的所述硅晶圆进行减薄，剩余的硅层形成所述上硅层。

20、在一种可能的实现方式中，所述在所述氧化层上形成上硅层，包括：在所述氧化层上淀积多晶硅层，所述多晶硅层形成所述上硅层。

21、本发明实施例提供的mems温压复合芯片，具有如下技术效果：

22、其一，实现压敏电阻与温度传感器之间的电隔离。氧化层覆盖温度传感器，并夹置于上硅层与下硅层之间；氧化层为介电材料，阻断上下两层之间的电信号，从而将位于上硅层中的压敏电阻与位于下硅层中的温度传感器电隔离，避免两器件同时加电时的信号串扰。

23、其二，不干扰压力膜的应力状态。腔体自衬底层一侧刻蚀形成，且刻蚀以氧化层为刻蚀停止层，无需在上硅层中进行横向挖槽，也无需在两器件之间实施近距离离子注入；压力膜由上硅层和氧化层中对应腔体的部分悬空形成，压力膜区域对应的上硅层为未被破坏的完整硅层，因而压力膜整层的应力承载结构未受隔离手段的干扰。

24、其三，温度传感器与压力膜之间保持连续的热传导路径。腔体位于温度传感器正投影区域之外且与之相邻设置，上硅层至少覆盖温度传感器正上方的区域以及压力膜区域，故压力膜的热量经由上硅层横向传导至温度传感器的上方，再经氧化层垂直传导至下硅层中的温度传感器；该传导路径自压力膜至温度传感器全程连续，中间不存在沟槽等隔断。温度传感器由此既相邻压力膜，又保有完整的传热通道，可快速感知并真实表征压力膜的实际温度，为压力传感器的标定提供准确的温度依据。

25、其中，位于温度传感器正上方的上硅层与压力膜区域的上硅层为同一层连续完整的硅层：该硅层既作为压力膜未被破坏的应力承载结构，又作为压力膜至温度传感器之间的连续传热通道，同一材料层同时承担两项功能。温度传感器与压力传感器在空间上贴近而无需占用横向间距，芯片面积不因隔离需求而增大。

26、综上，本发明实施例在实现压敏电阻与温度传感器电隔离的前提下，同时做到温度传感器相邻压力膜、压力膜的应力结构不被隔离手段干扰、以及两者之间热传导路径的连续。