MEMS压力传感器及其制备方法与流程

本申请涉及mems微机械加工，尤其是涉及一种mems压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、在国内，mems压力传感器行业经历了快速发展，其广泛应用于汽车、工业自动化、消费电子、医疗设备等领域，mems压力传感器分为硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器等，其中，mems硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的，其采用周边固定的圆形应力杯硅薄膜内壁，直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力直接变换成电量，实现压力测量，然而目前的mems硅压阻式压力传感器存在应力大的问题，特别是离子注入层上方的绝缘层和保护层之间的应力问题，从而降低了mems硅压阻式压力传感器的膜层结构的稳定性，使得器件的性能和可靠性变差，影响测量的灵敏度和响应特性，进而导致mems硅压阻式压力传感器的使用寿命降低。

技术实现思路

1、鉴于背景技术中存在的问题，本申请提供一种mems压力传感器及其制备方法，该mems压力传感器以及制备方法可以显著提高mems压力传感器的性能、稳定性和可靠性。

2、根据本发明的一个方面，提供一种mems压力传感器，包括：基底；硅片杯状结构层，所述硅片杯状结构层覆盖所述基底上表面，所述硅片杯状结构层朝向基底一侧形成应力腔，背离基底的一侧的表层形成离子注入区块掺杂层；第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖所述硅片杯状结构层和所述离子注入区块掺杂层，所述第一绝缘层设有使所述离子注入区块掺杂层的部分上表面裸露的第一通孔；缓冲层，所述缓冲层覆盖所述第一绝缘层，所述缓冲层设有与所述第一通孔相通的第二通孔；第一保护层，所述第一保护层覆盖所述缓冲层，所述第一保护层设有与所述第二通孔相通的第三通孔；金属层，所述金属层覆盖所述第一保护层并填满所述第一通孔、第二通孔和第三通孔；第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖所述金属层，所述第二绝缘层设有使所述金属层的部分上表面裸露的第四通孔；第二保护层，所述第二保护层覆盖所述第二绝缘层，所述第二保护层设有与所述第四通孔相通的第五通孔。

3、在本发明的一些实施方式中，所述第一绝缘层选自sio2绝缘层，所述第一保护层选自sin保护层，所述缓冲层选自al2o3缓冲层。

4、在本发明的一些实施方式中，所述第一绝缘层和第一保护层的厚度分别独立的为1000a-1500a，所述缓冲层的厚度为1000a-2000a。

5、在本发明的一些实施方式中，所述第一保护层与所述第二绝缘层之间设置有磷掺多晶硅层，所述磷掺多晶硅层覆盖于所述第一保护层的部分表面且所述磷掺多晶硅层的部分表面裸露于所述第四通孔。

6、在本发明的一些实施方式中，所述磷掺多晶硅层的厚度为1500a-2000a。

7、根据本发明的另一方面，提供一种上述的mems压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

8、提供硅片和基底，在硅片表面对应离子注入n+、对应离子注入p+、对应离子注入p-形成离子注入区块掺杂层；

9、离子注入完成后，依次在硅片的离子注入区块掺杂层一侧生长第一绝缘层、缓冲层和第一保护层；

10、然后光刻图像化，刻蚀第一保护层、缓冲层和第一绝缘层得到连通的第三通孔、第二通孔和第一通孔；

11、之后在第一保护层上生长金属层并填满第三通孔、第二通孔和第一通孔；

12、金属层生长结束后，光刻图形化，刻蚀出金属层的线路图，然后在金属层上依次生长第二绝缘层和第二保护层；

13、然后光刻图像化，刻蚀第二保护层和第二绝缘层得到连通的第五通孔和第四通孔；

14、硅片正面的结构层制造完成后，对硅片背面进行刻蚀形成应力腔；

15、将硅片带有应力腔的一侧与基底结合。

16、在本发明的一些实施方式中，在所述第一保护层生长结束后，首先生长磷掺多晶硅层，磷掺多晶硅层生长完成后，光刻图像化并刻蚀，以作为pad底下结构支撑层，然后再光刻图像化并刻蚀第一保护层、缓冲层和第一绝缘层。

17、在本发明的一些实施方式中，所述基底选自玻璃，所述硅片与基底进行阳极键合。

18、在本发明的一些实施方式中，所述刻蚀第一保护层、缓冲层和第一绝缘层得到连通的第三通孔、第二通孔和第一通孔，最小cd 10±2μm。

19、在本发明的一些实施方式中，所述对应离子注入n+，注入phos剂量4e15 cm-2，能量80kev，倾斜角度5°，注入结深30-50μm；所述对应离子注入p+，注入boron剂量1e16 cm-2，能量60kev，倾斜角度5°，注入结深20-30μm；所述对应离子注入p-，注入boron剂量2e14 cm-2，能量40kev，倾斜角度5°，注入结深10-20μm。

20、本发明通过在离子注入层上方的sio2绝缘层和sin保护层之间插入al2o3缓冲层，使得①减小界面缺陷：al2o3层表面光滑可以改善sin和sio2之间的界面质量，减少界面处的粗糙度和缺陷，从而减少界面应力集中；②提升粘附性：al2o3具有优良的附着力，有助于增强sin和sio2之间的粘附强度，从而减少界面失效的风险；③机械过渡层：尽管al2o3的热膨胀系数较高，但它的弹性模量介于sin和sio2之间，使其作为机械过渡层，能够缓解两者之间的应力差异；④热应力缓解：虽然al2o3的热膨胀系数较高，但在多层结构中，al2o3层的存在可以帮助分散和重新分布热应力，尽管不完全消除，但能减少对sin和sio2界面的直接影响，大大减小了应力。

21、从而因应力减小使得（1）膜层结构的稳定性增强：减小sio2和sin层之间的应力可以降低层间的应力集中程度，从而减少因应力集中导致的膜层破裂或损坏的风险，确保长期稳定的器件运行；（2）器件的性能和可靠性提升：稳定的膜层结构让器件在不同环境条件下的性能更加可靠。压力传感器需要在各种工作条件下提供准确和一致的输出，尤其重要；（3）传感器的灵敏度和响应特性改善：减小层间应力可以改善传感器的响应特性，对匹配快速响应和高灵敏度的应用；（4）器件的使用寿命增加：稳定的膜层结构可以延长器件的使用寿命，减少维护和更换的频率，降低整体运营成本。

22、因此，本发明通过在sio2和sin层之间引入al2o3层来减小应力，显著提高了mems压力传感器的性能、稳定性和可靠性。

1.一种mems压力传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的mems压力传感器，其特征在于，所述第一绝缘层选自sio2绝缘层，所述第一保护层选自sin保护层，所述缓冲层选自al2o3缓冲层。

3.根据权利要求2所述的mems压力传感器，其特征在于，所述第一绝缘层和第一保护层的厚度分别独立的为1000a-1500a，所述缓冲层的厚度为1000a-2000a。

4.根据权利要求1-3任一所述的mems压力传感器，其特征在于，所述第一保护层与所述第二绝缘层之间设置有磷掺多晶硅层，所述磷掺多晶硅层覆盖于所述第一保护层的部分表面且所述磷掺多晶硅层的部分表面裸露于所述第四通孔。

5.根据权利要求4所述的mems压力传感器，其特征在于，所述磷掺多晶硅层的厚度为1500a-2000a。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的mems压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述第一保护层生长结束后，首先生长磷掺多晶硅层，磷掺多晶硅层生长完成后，光刻图像化并刻蚀，以作为pad底下结构支撑层，然后再光刻图像化并刻蚀第一保护层、缓冲层和第一绝缘层。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述基底选自玻璃，所述硅片与基底进行阳极键合。

9. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀第一保护层、缓冲层和第一绝缘层得到连通的第三通孔、第二通孔和第一通孔，最小cd 10±2μm。

10. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述对应离子注入n+，注入phos剂量4e15 cm-2，能量80kev，倾斜角度5°，注入结深30-50μm；所述对应离子注入p+，注入boron剂量1e16 cm-2，能量60kev，倾斜角度5°，注入结深20-30μm；所述对应离子注入p-，注入boron剂量2e14 cm-2，能量40kev，倾斜角度5°，注入结深10-20μm。