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专利名称：一种绝对压力传感器芯片及其制作方法
技术领域：
本发明涉及硅微机械传感器领域，特别是涉及一种绝对压力传感器芯片及其制作方法。
背景技术：
压阻效应由C. S. Smith在1954年首次发现，压阻式压力传感器就是根据这一机理设计加工而成的微传感器。典型的压阻式压力传感器结构采用电化学或者选择性掺杂、各向异性腐蚀等加工技术制作成平面薄膜。最初的压力传感器采用金属膜片作为敏感元件，在其上布置娃应变电阻条。微电子机械系统(Micro Electro Mechanical systems,MEMS)技术的成功应用促使人们利用硅的良好机械性能来制作微型的传感器与执行器，金属薄膜被单晶硅材料代替，应变电阻条也改为硅扩散电阻条。首先问世的硅压力传感器用单晶硅 制作成半导体应变片，使灵敏度得到了极大的提高。由于其制造工艺简单，线性度好，占据了 MEMS压力传感器的主流市场。单晶硅材料与金属相比，具有优秀的机械性能。这样就可以采用硅加工技术来设计、加工薄膜，例如硼离子注入，各向异性腐蚀，重掺杂自停止化学腐蚀，PN结自停止腐蚀，硅-玻璃键合以及硅_硅键合等等。采用硅微加工技术，传感器的尺寸得到了降低，可以批量加工，并且降低了成本。目前，通过硅微加工技术制造绝对压力传感器的常规工艺存在某些缺点。首先，传统的硅压阻式压力传感器采用扩散或离子注入方法形成敏感电阻，其对温度很敏感，灵敏度相对较低，无法适用于对传感器稳定性和灵敏度要求更高的场合。此外，传统的硅压阻式压力传感器制造工艺与标准CMOS工艺兼容性差，要实现传感器芯片的单片集成的成本高昂，故无法满足高端市场的需求。因此人们尝试采用其他的敏感方式，比如电容式、压电式、谐振式来制作绝对压力传感器。MEMS电容式压力传感器具有高灵敏度，低功耗，更好的温度性能，无开启温度漂移，坚实的结构，受外应力的影响更小等特点，作为新一代压力传感器的前景广阔。

发明内容
基于此，有必要提供一种基于CMOS标准制造工艺、性能可靠的电容式绝对压力传感器芯片。一种绝对压力传感器芯片，其包括绝对压力传感器集成在所述CMOS芯片上；所述绝对压力传感器包含压力敏感单元，所述压力敏感单元包括含有浮栅的场效应管，和嵌入了多晶硅或金属材料作栅极用以感应绝对压力变化的振动膜，所述浮栅嵌入CMOS芯片的介质层中，所述振动膜形成有空腔并被密封。在其中一个实施例中，所述CMOS芯片所在的掺杂娃衬底的背面形成电气连接焊盘。在其中一个实施例中，所述振动膜为金属层与介质层材料(如氧化娃)的复合层。在其中一个实施例中，所述振动膜上覆盖有保护膜。
在其中一个实施例中，所述保护膜为聚合物薄膜。此外，还提供一种绝对压力传感器芯片的制作方法，包括如下步骤步骤一、提供CMOS标准集成电路工艺制造的半成品，所述半成品以掺杂硅为衬底，所述衬底生成有集成电路CMOS芯片；步骤二、在振动膜上形成腐蚀孔，同时牺牲层暴露出来；步骤三、通过腐蚀孔去除所述牺牲层，使振动膜与下极板之间形成空腔；步骤四、在振动膜上覆盖保护膜，封闭所述腐蚀孔。 在其中一个实施例中，步骤一中，在所述CMOS芯片所在的掺杂硅衬底的背面形成电气连接焊盘。在其中一个实施例中，所述振动膜为金属层与介质层材料(如氧化娃)的复合层。在其中一个实施例中，采用湿法腐蚀或干法反应离子刻蚀去除所述牺牲层，进而形成所述空腔。在其中一个实施例中，所述保护膜为物理气相沉淀或化学气相沉淀工艺形成的聚合物薄膜。在其中一个实施例中，所述场效应管为N型场效应管，直接内置于衬底上。由于栅极悬空，降低了栅极泄露电流和亚阈值电流造成的噪声，从而提高输出电流并保持低的噪声。上述电容式绝对压力传感器芯片及其制作方法中，系在CMOS标准制造工艺的集成电路的金属导电层上制作牺牲层及可导电的振动膜，并用聚合物薄膜材料密封振动膜上的腐蚀孔，最终制成传感器微单元，不改变现有CMOS工艺，兼容性好，可靠性高；传感器压力敏感单元包括含有浮栅的场效应管，和嵌入了多晶硅或金属材料作栅极用以感应绝对压力变化的振动膜，振动膜的振动，从而引起浮栅与金属栅极间耦合电容的变化，导致场效应管的漏极电流变化，通过测量电流就可以获知压力信息，具有极高的灵敏度。


图I为一实施方式的绝对压力传感器芯片的制作方法的流程图；图2及图3为图I所示制作方法步骤SllO提供的半成品的剖面结构示意图；图4为图I所示制作方法步骤S120产生的器件的剖面结构示意图；图5为图I所示制作方法步骤S130产生的器件的剖面结构示意图；图6为图I所示制作方法步骤S140产生的器件的剖面结构示意图；图7为图6所示结构的等效电路图。
具体实施例方式以下结合具体实施例对绝对压力传感器芯片及其制作方法进行详细描述。请参考图6，本实施方式的绝对压力传感器芯片100，包括掺杂硅衬底111。用以生成基于CMOS标准工艺的集成电路芯片，本实施方式以I层多晶硅5层金属(1P5M)标准CMOS工艺举例说明。在设计好的多晶硅层118(作为浮栅电极)图形上覆盖有可导电的振动膜130，振动膜130上覆盖有保护膜150，以封闭振动膜130上的腐蚀孔129。保护膜150为聚合物薄膜，如聚对二甲苯。保护膜150封闭振动膜130形成空腔140。保护膜150同时覆盖了芯片其他区域。掺杂硅衬底111的背面按照设计图案形成电气连接焊盘126。振动膜140为金属层与介质层材料(如氧化硅或氮化硅)的复合层。上述绝对压力传感器芯片100系在已经完成的CMOS标准工艺制造的集成电路的半成品上进行电容式传感器微单元的加工，不改变现有CMOS工艺，兼容性好，且可以在CMOS芯片上方便地集成多个阵列设置的传感器微单元，降低了电容式传感器芯片的单片集成的成本，利于大规模推广。生产传感器压力敏感单元时，是直接形成于CMOS标准制程的结构层上，其包括含有浮栅的场效应管，和嵌入了多晶硅或金属材料作栅极用以感应绝对压力变化的振动膜，振动膜的振动，从而引起浮栅与金属栅极间耦合电容的变化，导致场效应管的漏极电流变 化，通过测量电流就可以获知压力信息，具有极高的灵敏度。此外，电气连接焊盘118设计在传感器芯片100的背部，利于提闻芯片的集成度。另外，采用聚合物薄膜材料密封腐蚀孔129，没有任何可能损害其长时间机械稳定性的破裂和孔，较佳地保护了振动膜130与整个传感器微单元，并形成密封真空环境。如图I所示的超声传感器芯片的制作方法，包括如下步骤SI 10、提供CMOS标准集成电路工艺制造的半成品如图2和图3所示的半成品110，以掺杂硅制作掺杂硅衬底111。掺杂硅衬底111用以生成基于CMOS标准工艺的集成电路。如图2所示，为简化图示，前述集成电路仅以金属氧化物半导体场效应晶体管为例进行说明。由标准CMOS工艺形成的晶体管器件包括浅沟槽隔离结构(Shallow TrenchIsolation, STI)112、P MOS晶体管与N MOS晶体管(包括N阱112、P+源漏掺杂区113、P阱114、N+源漏掺杂区115、栅氧化层(未标号)、多晶硅栅118、绝缘侧墙119、金属硅化物120 (通常为Salicide)、阻挡层121 (通常为钛或者氮化钛)、接触通孔122 (通常为钨栓))、金属导电层123、金属牺牲层124、介质绝缘层125、钝化层126等。在制作集成电路的同时设计好多晶硅层118，作为绝对压力传感器的电容的一极。如图3所示，在掺杂硅衬底111的背面按照设计图案通过硅通孔(ThroughSilicon Via, TSV)技术形成电气连接焊盘127。S120、将金属牺牲层暴露出来如图4所示，采用光刻工艺旋涂光刻胶128，腐蚀孔129可通过光刻然后选择性蚀刻来形成。利用干法反应离子刻蚀去除金属导电层123上的介质绝缘层125与钝化层126，暴露出预设计位置的金属牺牲层124。腐蚀孔129 —般为圆形或近似圆形，其孔径一般控制在不大于5微米。S130、通过腐蚀孔去除牺牲层，在牺牲层上形成可导电的振动膜如图5所示，腐蚀液或腐蚀气体自腐蚀孔129进入以去除金属牺牲层124，使多晶硅背极板118与振动膜130之间出现空腔140，进而形成浮栅结构。在一个实施例中，振动膜130为采用标准CMOS工艺形成的金属层与介质层(如氧化硅)材料的复合层。S140、在振动膜上覆盖保护膜
如图6所示，在振动膜130上覆盖一层保护膜150，以封闭腐蚀孔129。保护膜150可为采用物理气相沉淀或化学气相沉淀工艺形成的聚合物薄膜，如聚对二甲苯。上述绝对压力传感器芯片的制作方法，系在已经完成的CMOS标准工艺制造的集成电路的半成品上进行传感器微单元的加工，不改变现有CMOS工艺，兼容性好。生产传感器压力敏感单元时，是直接形成于CMOS标准制程的结构层上，其包括含有浮栅的场效应管，和嵌入了多晶硅或金属材料作栅极用以感应绝对压力变化的振动膜，振动膜的振动，从而引起浮栅与金属栅极间耦合电容的变化，导致场效应管的漏极电流变化，通过测量电流就可以获知压力信息，具有极高的灵敏度，其工作原理电路图如图7所示。此外，电气连接焊盘127设计在传感器芯片100的背部，利于提高芯片的集成度。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种绝对压力传感器芯片，其特征在于，包括绝对压力传感器集成在所述CMOS芯片上；所述绝对压力传感器包含压力敏感单元，所述压力敏感单元包括含有浮栅的场效应管，和嵌入了多晶硅或金属材料作栅极用以感应绝对压力变化的振动膜，所述浮栅嵌入CMOS芯片的介质层中，所述振动膜形成有空腔并被密封。
2.根据权利要求I所述的绝对压力传感器芯片，其特征在于，所述CMOS芯片的背面形成电气连接焊盘。
3.—种绝对压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤一、提供CMOS标准集成电路工艺制造的半成品，所述半成品以掺杂硅为衬底，所述衬底生成有集成电路CMOS芯片； 步骤二、在振动膜上形成腐蚀孔，同时牺牲层暴露出来； 步骤三、通过腐蚀孔去除所述牺牲层，使振动膜与下极板之间形成空腔； 步骤四、在振动膜上覆盖保护膜，封闭所述腐蚀孔。
4.根据权利要求3所述的绝对压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，步骤一中，在所述CMOS芯片所在的掺杂硅衬底的背面形成电气连接焊盘。
5.根据权利要求3或4所述的绝对压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述振动膜为为金属层与介质层材料(如氧化娃)的复合层。
6.根据权利要求3或4所述的绝对压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，采用湿法腐蚀或干法反应离子刻蚀去除所述牺牲层，进而形成振动膜与下极板之间的空腔。
7.根据权利要求3或4所述的绝对压力传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述保护膜为物理气相沉淀或化学气相沉淀工艺形成的聚合物薄膜。
全文摘要
本发明涉及一种绝对压力传感器芯片，包括绝对压力传感器集成在所述CMOS芯片上；所述绝对压力传感器包含压力敏感单元，所述压力敏感单元包括含有浮栅的场效应管，和嵌入了多晶硅或金属材料作栅极用以感应绝对压力变化的振动膜，所述浮栅嵌入CMOS芯片的介质层中，所述振动膜形成有空腔并被密封。所述绝对压力传感器芯片中，系在CMOS标准制造工艺的集成电路的金属导电层上制作牺牲层及可导电的振动膜，最终制成压力传感器微单元，不改变现有CMOS工艺，兼容性好。此外，还涉及一种绝对压力传感器芯片的制作方法。
文档编号G01L9/12GK102967407SQ20121042821
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者俞挺, 彭本贤, 于峰崎 申请人:深圳先进技术研究院