压力传感器的制备方法和压力传感器与流程

1.本技术涉及半导体制备工艺技术领域，更具体地，涉及一种压力传感器的制备方法和压力传感器。


背景技术：

2.压力传感器是基于微机电系统(micro electro mechanical system，mems)发展起来的微型器件，是在工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器。压力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
3.压阻式压力传感器，具有高精度以及较好的线性特性，在压力传感器的使用中倍受青睐。采用现有技术中大的制备方法制备的压力传感器通常通过检测压阻组成的电桥输出判断其是否符合要求，但无法实现准确的自检功能。


技术实现要素：

4.本技术的一个目的是提供一种压力传感器的制备方法和压力传感器的新技术方案。
5.根据本技术的第一方面，提供了一种压力传感器的制备方法，包括：
6.提供一双层半导体结构，其中，上层半导体作为衬底层，下层半导体作为基底层，并在所述衬底层与所述基底层之间设置第一绝缘层，在所述基底层的第一表面设置压力空腔；
7.在所述衬底层开设连接所述基底层的连接槽，在所述连接槽的侧壁设置隔离层，并在所述连接槽内填充导电材料，形成一电连接通道；
8.在所述衬底层制备压阻结构，并在所述衬底层上覆盖保护层；
9.在所述保护层内制备多个导电结构，所述导电结构的一部分露出于所述保护层，形成外接引脚。
10.可选地，在所述连接槽的侧壁设置隔离层时，包括：
11.在所述衬底层采用干法刻蚀的方式形成连接槽；
12.在所述衬底层的表面以及所述连接槽内沉积绝缘材料；
13.采用光刻法分别去除位于所述衬底层的表面上以及所述连接槽的底壁上的绝缘材料。
14.可选地，在所述衬底层的边缘处形成所述连接槽。
15.可选地，所述衬底层、所述基底层和所述导电材料均采用相同类型的硅材料制成。
16.可选地，在填充导电材料时，包括：
17.在所述连接槽的底部填充轻掺杂硅材料，使所述轻掺杂硅材料与所述基底层接触；在所述连接槽的顶部填充重掺杂硅材料，使所述重掺杂硅材料与所述连接槽的槽口平齐。
18.可选地，采用与所述基底层不同类型的轻掺杂硅材料制备多个所述压阻结构；并采用与所述基底层不同类型的重掺杂硅材料制备用于连接多个所述压阻结构的金属导线。
19.可选地，在制备所述导电结构时；
20.在所述衬底层的表面覆盖介质层，并在所述介质层开设穿设所述介质层的多个过孔；
21.在每个所述过孔内沉积金属材料，形成所述导电结构；
22.在所述介质层的表面设置钝化层，并使所述导电结构的一部分露出于所述钝化层，所述介质层与所述钝化层形成所述保护层；
23.在所述基底层的第二表面形成第二绝缘层。
24.可选地，所述制备方法还包括，在所述基底层的第二表面开设连通至所述压力空腔的通孔。
25.可选地，在开设所述通孔时，包括：
26.在所述基底层的第二表面上，采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方式形成一梯形槽；
27.在所述梯形槽的底壁上，采用干法刻蚀形成所述通孔。
28.根据本技术的第二方面，提供了一种压力传感器，采用第一方面所述的制备方法制备而成。
29.根据本技术的一个实施例，采用本技术的制备方法制备的压力传感器，其在实际应用中，衬底层形成压力传感器的压力敏感膜，而基底层的压力空腔通过通孔与外部空气连通。在对基底层施加电压后，衬底层与基底层发生静电吸引，使得压力敏感膜发生形变，形成一可变电容，导致衬底层内设置的压阻结构的阻值发生变化，进而使产生的输出信号发生改变以实现晶圆级的自检测功能，能够准确识别出压力敏感膜有损伤但压阻结构保持完整的情况，降低了压力传感器的检测成本，提高了自检侧的准确性。同时，本技术提供的制备方法简单，易实现。
30.通过以下参照附图对本技术的示例性实施例的详细描述，本技术的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
31.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本技术的原理。
32.图1是本技术提供的一种压力传感器的制备方法的流程图。
33.图2是图1中步骤a的示意图。
34.图3至图6是图1中步骤b的示意图。
35.图7至图8是图1中步骤c的示意图。
36.图9至图13是图1中步骤d的示意图，即制备得到的压力传感器。
37.图14是基底层开设有通孔的压力传感器的结构示意图。
38.图15是图14的俯视图。
39.图16是本技术提供的一种在基底的第二表面开设通孔的步骤示意图。
40.1、衬底层；11、压阻结构；2、基底层；21、压力空腔；22、通孔；23、梯形槽；3、第一绝缘层；4、电连接通道；5、导电结构；51、第一引脚；52、第二引脚；53、第三引脚；6、第二绝缘
层；7、保护层；71、介质层；72、钝化层；73、过孔。
具体实施方式
41.现在将参照附图来详细描述本技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。
42.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。
43.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
44.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
45.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
46.如图1至图16所示，本技术提供了一种压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
47.如图1所示提供一双层半导体结构，其中，上层半导体作为衬底层1，下层半导体作为基底层2，并在所述衬底层1与所述基底层2之间设置第一绝缘层3，在所述基底层2的第一表面设置压力空腔21；在所述衬底层1开设连接所述基底层2的连接槽，在所述连接槽的侧壁设置隔离层，并在所述连接槽内填充导电材料，形成一电连接通道4；在所述衬底层1制备压阻结构11，并在所述衬底层1上覆盖保护层7；在所述保护层7内制备多个导电结构5，所述导电结构5的一部分露出于所述保护层7，形成外接引脚。
48.具体地，所述双层半导体结构，可以采用以下方式制备：
49.提供一半导体基底层2，形成覆盖所述基底层2的第一绝缘层3和覆盖所述第一绝缘层3的衬底层1，在所述基底层2上设置所述压力空腔21，并键合所述基底层2和所述衬底层1，得到所述双层半导体结构。具体也可采用其它方式制备，本技术对此不做限制。参考图1中的步骤a以及图2。
50.在衬底层1开设连接所述基底层2的连接槽，可采用刻蚀法形成。在形成的连接槽的侧壁设置隔离层，以对避免后续填充的导电材料使衬底层1与基底层2导通，实现了绝缘的作用，隔离层的设置可采用沉积法实现。隔离层设置好以后，在连接槽内填充导电材料，形成一能够连接基底层2的电连接通道4。参考图1中的步骤b以及图3至图6。
51.在衬底层1上采用半导体材料制备压阻结构11，例如，采用轻掺杂的硅材料制备。压阻结构11的制备可采用离子注入法。另外，压阻结构11的数量也可根据实际需求进行选择，本技术对此不做限制。压阻结构11制备完成后，可在衬底层1上覆盖一层保护层7，一方面对压阻结构11形成保护，另一方面对衬底层1也形成保护，提高压力传感器的使用寿命。参考图1中的步骤c以及图7至图8。
52.在制备压阻结构11或保护层7的同时，也可制备导电结构5。在实际应用中，衬底层1、基底层2和压阻结构11需要分别通过不同的导电结构5与外部电路形成连接，使得压力传感器能够通过在对基底层2施加压力后，与衬底层1形成静电力，吸引衬底层1(即压力敏感膜)发生形变，衬底层1和基底层2形成一个可变电容，从而导致压阻结构11的电阻值发生变
化，进而产生出信号的变化，可对压力传感器实现晶圆级的自检功能。参考图1中的步骤d以及图9至图13。
53.采用上述制备方法制备的压力传感器在自检过程中能够准确识别出压力敏感膜是否有损伤，并且在实际应用中，可通过调整压力空腔21的尺寸大小，对压力敏感膜的变形实现一定的限制作用，避免压力传感器过载，提高了压力传感器的可靠性。参考图15。
54.在上述制备过程中，可根据实际情况调整各步骤的顺序，本技术对此不做限制。
55.可选地，如图3至图6所示，在所述连接槽的侧壁设置隔离层时，包括：在所述衬底层1采用干法刻蚀的方式形成连接槽；在所述衬底层1的表面以及所述连接槽内沉积绝缘材料；采用光刻法分别去除位于所述衬底层1的表面上以及所述连接槽的底壁上的绝缘材料。
56.具体地，干法刻蚀包括物理性刻蚀、化学性刻蚀、物理化学性刻蚀。在本实施例中，采用干法刻蚀的方式形成连接槽，能够提高去除速度，提高工艺效率。另外，采用沉积法形成的绝缘材料较为均匀，避免隔离层失效，提高了压力传感器自检侧的可靠性。另外，利用光刻法能够精准地去除位于衬底层1的表面上以及连接槽的底壁上的绝缘材料，避免损伤衬底层1或位于所述连接槽的底壁处的基底层2，提高了制备的良品率。
57.可选地，如图15所示，在所述衬底层1的边缘处形成所述连接槽。
58.在具体应用中，连接槽位于衬底层1的边缘处，能够避免电连接通道4与压阻结构11或与压阻结构11连接的导电结构5形成干涉，提高了压力传感器的可靠性。
59.可选地，所述绝缘材料为氧化硅和/或氮化硅材料。
60.具体地，硅材料一般有p型和n型，在本实施例中，衬底层1与基底层2采用的硅材料的类型相同，即衬底层1和基底层2均采用p型硅材料或n型硅材料。采用相同类型的硅材料可以简化制备工艺，降低生产成本。在一种实施例中，基底层2和衬底层1均采用n型硅材料制成。
61.可选地，所述衬底层1、所述基底层2和所述导电材料均采用相同类型的硅材料制成，即若基底层2和衬底层1均采用n型硅材料制成，那么导电材料也采用n型硅材料制成，实现基底层2与导电结构5的连接。
62.可选地，在填充导电材料时，包括以下步骤：
63.在所述连接槽的底部填充轻掺杂硅材料，使所述轻掺杂硅材料与所述基底层2接触；在所述连接槽的顶部填充重掺杂硅材料，使所述重掺杂硅材料与所述连接槽的槽口平齐。
64.具体地，重掺杂硅材料即通常指掺入杂质质量较多的硅材料，具有良好的导电性能。轻掺杂硅材料通常指掺入杂质质量较少的硅材料，具有良好的压阻性能。在本实施例中，在连接槽的顶部填充采用重掺杂硅材料的导电材料，在连接槽的底部采用轻掺杂硅材料的导电材料，轻掺杂硅材料与掺杂硅材料形成欧姆接触，提高基底层2与导电结构5连接的可靠性。
65.可选地，采用与所述基底层2不同类型的轻掺杂硅材料制备多个所述压阻结构11；并采用与所述基底层2不同类型的重掺杂硅材料制备用于连接多个所述压阻结构11的金属导线。
66.具体地，压阻结构11之间采用金属导线连接，形成电桥。其中，压阻结构11可以采用轻掺杂的p型硅材料，而金属导线则可采用重掺杂的p型硅材料，以使压阻结构11与外部
电路形成可靠连接。
67.可选地，如图9至图13所示，在制备所述导电结构5时；在所述衬底层1的表面覆盖介质层71，并在所述介质层71开设穿设所述介质层71的多个过孔73；在每个所述过孔73内沉积金属材料，形成所述导电结构5；在所述介质层71的表面设置钝化层72，并使所述导电结构5的一部分露出于所述钝化层72，所述介质层71与所述钝化层72形成所述保护层7；在所述基底层2的第二表面形成第二绝缘层6。
68.具体地，在本实施例中，保护层7可以包括介质层71和钝化层72，在制备完压阻结构11后，在衬底层1的表面形成介质层71，介质层71可采用氧化硅制备。在介质层71上，分别位于压阻结构11处、电连接结构处以及衬底层1的连接位置处均开设穿设介质层71的过孔73，并通过在过孔73中沉积金属材料，形成导电结构5。每个过孔73中的导电结构5露出于最外部的钝化层72，以形成压力传感器连接外部电路的外接引脚。参考图13和图15，其中第一引脚51连接压阻结构11，第二引脚52连接衬底层1，第三引脚53通过电连接通道4连接基底层2。另外，在基底层2的第二表面设置第二绝缘层6，以与保护层7一起对整个压力传感器形成保护，提高其寿命。
69.可选地，如图14所示，所述制备方法还包括，在所述基底层2的第二表面开设连通至所述压力空腔21的通孔22。
70.具体地，在基底层2开设连通至压力空腔21的通孔22，得到压差型压力传感器。在对基底层2施加电压以后，衬底层1与基底层2发生静电吸引形成一个可变电容，从而导致压阻结构11的阻值发生变化，进而产生出信号的变化，可对压力传感器实现晶圆级的自检功能。
71.可选地，如图16所示，在开设所述通孔22时，包括：在所述基底层2的第二表面上，采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方式形成一梯形槽23；在所述梯形槽23的底壁上，采用干法刻蚀形成所述通孔22。
72.具体地，为了保证通孔22在连通空腔部与外部空气形成压差的敏感性，通孔22的尺寸需要设置的较小，但过小的通孔22在较厚的基底层2上具有一定的加工难度。在本实施例中，先通过在基底层2的第一表面利用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方式形成一梯形槽23，再采用干法刻蚀在梯形槽23的底壁形成所述通孔22，提高了加工的便捷性。
73.根据本技术的第二方面，如图14和图15所示，提供了一种压力传感器，采用本技术第一方面所述的制备方法制备而成。
74.具体地，通过第一方面制备的压力传感器包括相互绝缘的基底层2和衬底层1，其中，衬底层1作为压力传感器的压力敏感膜。基底层2设置有压力空腔21部，为压力敏感膜提供变形空间。在本实施例中，基底层2通过导电结构5能够与外部电路连接，在对基底层2施加电压后，基底层2与衬底层1之间发生静电吸引，使得压力敏感膜发生形变，导致压阻结构11的电阻发生变化。此时，电阻结构对外的输出信号即发生变化，通过对比电阻结构的对外输出信号与预定的输出信号是否有变化，即可识别出压力敏感膜是否发生损伤或破损，得到具有晶圆级的自检侧功能的压差压力传感器，提高了压力传感器结构的完整性和检测的可靠性，降低了检测成本。
75.上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
76.虽然已经通过例子对本技术的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本技术的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本技术的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本技术的范围由所附权利要求来限定。