压力传感器及其制备方法与流程

1.本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.压力传感器是微机电系统最早出现及应用的产品之一，按照原理分类可分为压阻式、电容式及压电式等。其中，压阻式压力传感器以其高灵敏度、后续处理简单及适合大批量生产等优点，被广泛应用于消费电子、医疗、汽车和工业控制等领域。
3.压力传感器的一个重要的指标是灵敏度，其与敏感膜的厚度的一致性密切相关。目前有两种典型的加工方法，一种是利用碱性溶液从硅片的背面进行腐蚀，通过控制腐蚀时间控制压阻膜的厚度，但是缺点是不能保证压阻薄膜厚度的一致性，且尺寸大；另一种是采用绝缘衬底上的硅(即silicon on insulator，soi)进行加工，其敏感膜的厚度即为soi上器件层厚度，但是成本高。
4.因此，有必要提供一种新型的压力传感器及其制备方法以解决现有技术中存在的上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种压力传感器及其制备方法，能够有效提高压力传感器的灵敏度一致性和线性度，提高了压力传感器的性能。
6.为实现上述目的，本发明的所述一种压力传感器，其特征在于，包括：
7.衬底层；
8.第一外延层，设置在所述衬底层的上方；
9.内部腔室，设置在所述衬底层上方，且其顶端所在高度不高于所述第一外延层顶端所在高度；
10.第二外延层，设置在所述内部腔室上方；
11.岛状结构，设置在所述衬底层内部中心区域且独立于所述衬底层；
12.连通深槽，设置在所述岛状结构与所述衬底层之间，用于将所述内部腔室与外部气体。
13.本发明所述压力传感器的有益效果在于：本发明的压力传感器中，由于背腔通过连通深槽与内部腔室导通连接，而内部腔室位于所述第二外延层下表面，因此第二外延层的厚度决定压力传感器的敏感膜的厚度，可以通过控制第二外延层厚度，使得压力传感器获得更优的灵敏度，当外部气压通过背腔进入到压力传感器内部之后，分别对外延层和岛状结构产生压力作用并产生形变，岛状结构对进入的气体起到缓冲作用，从而使得压力传感器产生更加线性的信号输出，有效提高了整个压力传感器的灵敏度和准确性。
14.可选的，所述岛状结构位于所述第一外延层相对所述衬底层的一侧，所述岛状结构在所述第一外延层所在平面的投影形状包括圆形、椭圆形、多边形中的至少一种。
15.可选的，所述岛状结构与所述衬底层的材质相同。
16.可选的，所述第一外延层内部设置有若干个沟槽，所述沟槽的一端与所述第二外延层相对所述第一外延层的一面连接，另一端与所述内部腔室导通连接。
17.可选的，所述沟槽在所述第一外延层所在平面的投影形状包括圆形、椭圆形、多边形中的至少一种。
18.可选的，所述内部腔室上方设有硅迁移层，所述硅迁移层位于所述第二外延层下方。
19.可选的，所述第二外延层上设有电路器件，所述电路器件包括压敏电阻、导线和焊盘，所述导线电连接所述压敏电阻和焊盘。
20.可选的，所述压敏电阻和所述导线设置在所述第二外延层内部，所述焊盘设置在所述第二外延层表面。
21.可选的，所述衬底层设有背腔，所述背腔用于通过所述连通深槽与所述内部腔室导通连接。
22.可选的，所述岛状结构和所述连通深槽在所述第一外延层所在平面的投影位于所述背腔在所述第一外延层所在平面的投影内。
23.本发明还公开了一种压力传感器的制备方法，包括：
24.提供衬底材料作为衬底层；
25.在所述衬底层上刻蚀形成连通深槽，并在所述衬底层上方形成第一外延层、内部腔室和第二外延层，所述内部腔室位于所述第二外延层下方，所述第一外延层位于所述第二外延层下方；
26.刻蚀所述衬底层以形成位于所述第一外延层下方的岛状结构，以使得所述连通深槽与所述内部腔室导通连接。
27.本发明所述的压力传感器的制备方法的有益效果在于：通过上述方法制备的压力传感器，由于背腔通过连通深槽与内部腔室导通连接，而内部腔室位于所述第二外延层下表面，因此第二外延层的厚度决定压力传感器的敏感膜的厚度，可以通过控制第二外延层的厚度，使得压力传感器获得更优的灵敏度，而当外部气压通过背腔进入到压力传感器内部之后，分别对外延层和岛状结构产生压力作用并产生形变，而岛状结构对进入背腔的气体起到缓冲作用，从而使得压力传感器产生更加线性的信号输出，有效提高了整个压力传感器的灵敏度和准确性。
28.可选的，所述在所述衬底层上方形成第一外延层、内部腔室和第二外延层，包括：
29.通过所述掩膜层刻蚀所述第一外延层，在所述第一外延层表面形成若干个沟槽，并在所述第一外延层表面形成第二凸起部件和若干个第一凸起部件；
30.通过所述沟槽刻蚀所述衬底层，以在所述衬底层内部形成与所述连通深槽导通连接的内部腔室，在所述第一外延层表面外延一层第二外延层。
31.可选的，所述通过所述沟槽刻蚀所述衬底层，以在所述衬底层上表面和所述第一外延层下表面形成与所述连通深槽导通连接的内部腔室，包括：
32.去除所述掩膜层，沿着所述沟槽，采用各向异性刻蚀和各向同性刻蚀的方式刻蚀所述第一外延层，以在所述衬底层内部形成与所述连通深槽导通连接的所述内部腔室。
33.可选的，所述在所述衬底层上方形成第一外延层、内部腔室和第二外延层包括：
34.在所述第一外延层表面外延形成一层第二外延层；
35.对所述第二外延层进行快速退火处理，以在所述第二外延层下表面形成迁移层，并形成与所述连通深槽导通的内部腔室。
36.可选的，在所述第二外延层上表面依次形成压敏电阻、导线和焊盘，其中，所述压敏电阻通过所述导线与所述焊盘连接。
37.本发明所述的压力传感器的制备方法由于采用硅外延工艺制备第二外延层，而第二外延层的厚度决定了敏感膜的厚度，从而决定了制备的压力传感器的灵敏度，在实际操作中，第二外延层厚度的控制可控制在
±
0.5微米，与非碱性溶液腐蚀控制敏感膜厚相比，本方案的方法制备的压力传感器灵敏度高，且制备的外延层尺寸尺寸更小；另一方面由于采用非soi硅片作为衬底并直接在硅衬底上作业，工艺简单且成本更低，另外，在形成背腔的同时，形成岛状结构，通过岛状结构对输入的气体进行缓冲，能够有效提升压力传感器输出信号的线性度。
附图说明
38.图1为本发明实施例所述压力传感器的结构示意图；
39.图2为本发明实施例所述压力传感器的另一种结构示意图；
40.图3为本发明实施例所述压力传感器的沟槽横截面为长条形时衬底层的横截面结构示意图；
41.图4为本发明实施例所述压力传感器的沟槽横截面为圆形时衬底层的横截面结构示意图；
42.图5为本发明实施例所述压力传感器的沟槽横截面为多边形时衬底层的横截面结构示意图；
43.图6为本发明实施例所述压力传感器的制备方法的流程图；
44.图7为本发明实施例所述压力传感器的制备方法衬底层刻蚀形成连通深槽后的结构示意图；
45.图8为本发明实施例所述压力传感器的制备方法衬底层在刻蚀形成连通深槽后的俯视结构示意图；
46.图9为本发明实施例所述压力传感器的制备方法在图8的基础上外延形成第一外延层后的结构示意图；
47.图10为本发明实施例所述压力传感器的制备方法采用各向异性刻蚀和各向同性刻蚀形成内部腔室后得到的结构示意图；
48.图11为本发明实施例所述压力传感器的制备方法在图10的基础上外延形成第二外延层后的结构示意图；
49.图12为本发明实施例所述压力传感器的制备方法在图9的基础上外延一层第二外延层后的结构示意图；
50.图13为本发明实施例所述压力传感器的制备方法在图12的基础上通过快速退火处理形成内部腔室后的结构示意图；
51.图14为本发明实施例所述压力传感器为图1的结构时内部气路流动示意图。
具体实施方式
52.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
53.针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种压力传感器，如图1所示，包括：
54.衬底层1；
55.第一外延层2，设置在所述衬底层1的上方；
56.内部腔室5，设置在所述衬底层1上方，且其顶端所在高度不高于所述第一外延层2顶端所在高度；
57.第二外延层3，设置在所述第一外延层2上方；
58.岛状结构6，设置在所述衬底层1内部中心区域且独立于所述衬底层；
59.连通深槽7，设置在所述岛状结构6与所述衬底层1之间，用于将所述内部腔室5与外部气体导通。
60.通过上述结构组成的压力传感器，当外部的气流经过连通深槽7进入到内部腔室5内部，使得整个气路能够分别对岛状结构6和第二外延层3产生压力作用，不仅可以通过压力作用使得第二外延层3产生形变，也能够通过对岛状结构6施加的压力使得第二外延层3产生形变，从而使得设置在压力传感器上的电路器件产生电信号输出，而且采用外延工艺，外延膜均匀性好，使得压力传感器灵敏度一致性高，同时压力传感器内部的岛状结构6有效提高了整个压力传感器的线性度，使得压力传感器的性能有效提高。
61.在一些实施例中，所述岛状结构6位于所述第一外延层2相对所述衬底层1的一侧，所述岛状结构6在所述第一外延层2所在平面的投影形状包括圆形、椭圆形、多边形中的至少一种。
62.具体的，所述连通深槽7设置在所述岛状结构6周围，以便于在气流被岛状结构6阻挡后进入到连通深槽7。
63.需要说明的是，所述岛状结构6的形状包括圆形、椭圆形、多边形中的任意一种，本方案对此不作限定，此处不再赘述。
64.其中，所述岛状结构6和所述衬底层1的材质相同，所述岛状结构6既可以是通过所述衬底层1刻蚀得到，也可以是在所述衬底层1上生长得到，此处不再赘述。
65.在另外一些实施例中，所述衬底层上设置有背腔8，所述内腔8用于通过所述连通深槽7与所述内部腔室5导通连接，以便于将外部气流通过背腔8，依次传输到连通深槽7和内部腔室5之中。
66.具体的，所述背腔8设置在所述衬底层1内部并贯穿所述衬底层1的下表面，且背腔8分别与所述连通深槽7和所述内部腔室5导通连接，背腔采用icp深硅刻蚀，相较于传统碱性溶液腐蚀形成的背腔，可以减小芯片尺寸。
67.在本实施例中，所述衬底层1采用非soi硅片的硅衬底，成本低，制作工艺简单。
68.在一些实施例中，所述第一外延层2内部设置有若干个沟槽503，所述沟槽503的一端与所述第二外延层3相对所述第一外延层2的一面连接，另一端与所述内部腔室5导通连接，
69.具体的，内部腔室5部分在所述第一外延层2下表面，另一部分设置在所述衬底层1上表面，所述内部腔室5包括传导腔体501，所述传导腔体501上表面连接有若干个第一凸起部件502，所述第一凸起部件502顶端穿过所述第一外延层2并与所述第二外延层3接触连接，相邻的所述第一凸起部件502之间设置有沟槽503，所述沟槽503底部与所述传导腔体501连接，所述沟槽503顶部正对所述第二外延层3。
70.在本实施例中，由于相邻的第一凸起部件502之间的沟槽503顶端与所述第二外延层3接触，而沟槽503底端与传导腔体501导通连接，从而当外部气路进入到压力传感器内部的背腔8之后，对岛状结构6产生压力作用后，气路沿着连通深槽7进入到传导腔体501，并通过传导腔体501上的沟槽503对第二外延层3产生压力作用，从而使得第二外延层3作为敏感膜能够产生形变，以提高压力传感器的灵敏度一致性。
71.在一些实施例中，所述第一外延层2中心处设置有第二凸起部件504，所述第二凸起部件504顶端与所述第二外延层3连接，所述第二凸起部件504底端与所述岛状结构6连接，通过第二凸起部件504与岛状结构6连接在一起，使得岛状结构6在根据气压产生形变的同时，能够带动第二凸起部件504顶端的第二外延层3产生形变，进一步提高整个压力传感器的灵敏度一致性。
72.在一些实施例中，图2为本发明实施例所述的内部腔室的另一种结构示意图，参阅图2，所述内部腔室5上表面设置有硅迁移层505，所述硅迁移层505上表面与所述第二外延层3接触。
73.在本实施例中，由于内部腔室5上表面设置有硅迁移层505，而硅迁移层505顶端与第二外延层3接触，从而在气路通过背腔8之后，从连通深槽7进入到内部腔室5之后，气路的气压能够通过硅迁移层505对第二外延层3产生挤压作用，从而保证第二外延层3能够快速产生形变作用，以提高整个压力传感器的灵敏度一致性。
74.在一些实施例中，参阅图1，所述第二外延层上设有电路器件4，所述电路器件4包括压敏电阻401、导线402和焊盘403，所述导线402电连接所述压敏电阻401和所述焊盘403。
75.具体的，所述压敏电阻401和所述导线402设置在所述第二外延层3内部，所述焊盘403设置在所述第二外延层3表面，所述压敏电阻401通过所述导线402与所述焊盘403电连接，通过上述的电路结构，在压力传感器的第二外延层3作为敏感膜产生形变时，保证压敏电阻401也能够根据外部的压力变化而产生信号，提高整个压力传感器的检测灵敏度。
76.在一些实施例中，所述岛状结构6和所述连通深槽7在所述第一外延层2所在平面的投影位于所述背腔8在所述第一外延层2所在平面的投影内，从而使得外部的气路进入到背腔8之后，更加容易进入到连通深槽7内部。
77.具体的，所述背腔8在水平方向的宽度超过所述连通深槽7在水平方向的宽度，通过将背腔8的宽度设置超过连通深槽7的宽度，使得外部的气路进入到背腔8之后，更加容易进入到连通深槽7内部，从而使得进入连通深槽7内部的气路能够使得压力传感器更容易产生形变，以进一步提高压力传感器的灵敏度。
78.在一些实施例中，参阅图1，所述连通深槽7的外部侧面与所述衬底层1内部表面接触，所述连通深槽7的内部侧面与所述岛状结构6外表面接触，通过将连通深槽7设置成上述的结构，使得外部的气路在进入连通深槽7的时候，一部分气体直接对岛状结构6施加压力以使得岛状结构6带动第二外延层3形变，同时气体压力也直接对第二外延层3施加压力而导致第二外延层3产生形变，进一步提高压力传感器的灵敏度。
79.在其它一些实施例中，所述沟槽503在所述第一外延层所在平面的投影形状包括圆形、椭圆形、多边形中的至少一种，可以根据具体的制作工艺进行选择，本方案对沟槽503的形状不作限定，此处不再赘述。
80.具体的，所述沟槽503的沿着与所述第一外延层2的下表面所在平面平行的面所得截面为圆形、椭圆形或多边形。
81.需要说明的是，在本实施例中，由于所述沟槽503的数量为多个，对于多个沟槽503的形状既可以相同，也可以不相同，此处不再赘述。
82.具体的，图3为本发明实施例所述沟槽503的水平横截面为长条形时衬底层的横截面示意图，参照图3，沟槽503为长条形，第一凸起部件502为沟槽503之间的结构。
83.具体的，图4为本发明实施例所述沟槽的横截面为水平圆形时衬底层的横截面示意图，参照图4，沟槽503为圆形，第一凸起部件502为沟槽503之间的结构。
84.具体的，图5为本发明实施例所述沟槽的横截面为多边形时衬底层的横截面示意图，参照图5，沟槽503为多边形，第一凸起部件502为沟槽503之间的结构。
85.本发明还提供了一种压力传感器的制备方法，参照图6，包括如下步骤：
86.s601、提供衬底材料作为衬底层。
87.在本实施例中，所述衬底层1采用非soi硅片的硅衬底，成本低，制作工艺简单。
88.s602、在所述衬底层上刻蚀形成连通深槽，并在所述衬底层上方形成第一外延层、内部腔室和第二外延层，所述内部腔室位于所述第二外延层下方，所述第一外延层位于所述第二外延层下方。
89.具体的，图7为本发明的衬底层刻蚀形成连通深槽后的结构示意图，图8为本发明的衬底层在刻蚀形成连通深槽后的俯视结构示意图，参照图7和图8，对衬底层1进行刻蚀之后，在衬底层1内部形成一个方形的连通深槽7。
90.在又一些实施例中，首先在衬底层1上表面外延一层第一外延层2，得到的结构如图9所示，之后的处理过程包括：
91.在所述第一外延层表面生长一层掩膜层；
92.通过所述掩膜层刻蚀所述第一外延层，在所述第一外延层表面形成若干个沟槽，并在所述第一外延层表面形成第二凸起部件和若干个第一凸起部件；
93.通过所述沟槽刻蚀所述衬底层，以在所述衬底层上表面和第一外延层下表面形成与所述连通深槽导通连接的内部腔室。
94.在第一外延层2上表面生成一层掩膜层201之后，通过掩膜层201的形状刻蚀第一外延层2，从而使得第一外延层2表面形成若干个沟槽503，而相邻的沟槽503之间形成第二凸起部件504和若干个第一凸起部件502，同时在衬底层1内部刻蚀得到内部腔室5。
95.在一些实施例中，通过所述沟槽刻蚀所述衬底层，以在所述衬底层上表面和第一外延层下表面形成与所述连通深槽导通连接的内部腔室的过程，包括：
96.去除所述掩膜层201，沿着所述沟槽503，采用各向异性刻蚀和各向同性刻蚀的方式刻蚀所述第一外延层2，以在所述衬底层1上表面和第一外延层2下表面形成与所述连通深槽7导通连接的所述内部腔室5。
97.参考图10，由于沿着沟槽503采用各向异性刻蚀和各向同性刻蚀对第一外延层2进行刻蚀，使得沟槽503和第一凸起部件502变短，并在衬底层1内部形成内部腔室5，直至形成的内部腔室5与连通深槽7之间导通，从而完成刻蚀过程，在衬底层1内部形成与连通深槽7导通的内部腔室5。
98.进一步的，在上述所得结构上外延形成第二外延层3，所得结构如图11所示。
99.在一些实施例中，在所述衬底层上方形成第一外延层、内部腔室和第二外延层，包括：
100.在所述第一外延层2表面外延形成一层第二外延层3；
101.对所述第二外延层3进行快速退火处理，以在所述第二外延层3下表面形成迁移层505，并形成与所述连通深槽7导通的内部腔室5。
102.首先去除掩膜层201之后，在所述第一外延层2上表面外延形成一层第二外延层3，所得结构如图12所示，之后，对第二外延层3进行快速退火处理，在高温作用下，由于硅的迁移作用，在第二外延层3的下表面会形成一定厚度的迁移层505，并形成与连通深槽7导通的内部腔室5，从而完成处理过程，经过上述处理之后所得结构如图13所示。
103.在一些可选的实施例中，对第二外延层3进行快速退火处理过程包括在温度1100℃-1200℃和氢气条件下进行快速退火处理。可选的，快速退火处理的温度为1150℃。
104.在一些实施例中，在第二外延层上表面形成电路器件，其过程包括：
105.在所述第二外延层3内部设置压敏电阻401和导线402，并在所述第二外延层3表面设置焊盘403，并通过所述导线402将所述压敏电阻401与所述焊盘403连接。
106.在一些实施例中，压敏电阻401是通过轻掺杂硼离子形成，导线402是通过重掺杂硼离子形成，焊盘403的金属材料为铝、金、铂金中的任意一种，也包括其它能够适用于本方案的金属材料，由于上述电路器件4的形成过程为现有技术的内容，此处不再赘述。
107.可选的，所述第二外延层3外表面还形成一层介质层(图中未画出)以起到保护作用，所述介质层包括氧化硅、氮化硅或者两者的组合。
108.s603、刻蚀所述衬底层以形成位于所述第一外延层下方的岛状结构，以使得所述连通深槽与所述内部腔室导通连接。
109.通过对衬底层1下表面进行刻蚀，从而在衬底层1下表面形成背腔8，直至背腔8与连通深槽7导通之后，在衬底层1内部形成与第二凸起部件504连接的岛状结构6，从而得到最终结构的压力传感器。
110.需要说明的是，由于在压力传感器的形成过程中，内部腔室5可以选择两种不同的制作工艺，因此最终的压力传感器的结构也有区别，具体的，当采用图10中的各向同性刻蚀的方式形成内部腔室5之后，最终所得压力传感器的结构如图1所示；而当采用图13中的快速退火方式形成内部腔室5之后，最终所得压力传感器的结构如图2所示。
111.在上述制备工艺中，由于整个压力传感器是采用硅外延工艺，而第二外延层3的厚度决定了敏感膜的厚度，从而决定了整个压力传感器的灵敏度，通过上述方法的外延工艺能够准确控制外延层的厚度在
±
0.5微米，与非碱性溶液腐蚀控制膜厚相比，其灵敏度高、
尺寸小，而且采用非soi硅片作为衬底层，直接在硅衬底上作业，成本低、工艺简单。
112.通过工艺制作形成的压力传感器，由于背腔8通过连通深槽7与位于第二外延层3下表面的内部腔室5导通连接，以图1中的压力传感器的结构为例，参照图14，外部的气路沿着图中的箭头方向通过背腔8进入到压力传感器内部之后，经过连通深槽7进入到内部腔室5内部，使得整个气路能够分别对岛状结构6和第二外延层3产生压力作用，以使得第二外延层3直接因为压力作用产生形变的同时，也能够通过对岛状结构6施加的压力进一步促使第二外延层3能够产生形变，以提高整个压力传感器的灵敏度，同时压力传感器内部的岛状结构6对输入的气体压力进行缓冲，有效提高了整个压力传感器输出信号的线性度，使得压力传感器的性能有效提高。
113.虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。