一种硅压阻式压力传感器芯片及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种硅压阻式压力传感器芯片及其制备方法，属于敏感元件与传感器领域。背景技术：2.硅压阻式压力传感器芯片，采用微机电系统(microelectro mechanical systems，mems)工艺制备而成，由于其具有易于工业化大批量制备，成本较低，非线性度好、可靠性高等优点，因而被广泛地应用于工业控制、消费电子、医疗设备、石油矿业等各个领域中。3.在硅压阻式压力传感器芯片的应用过程中，为了保障芯片的可靠性，需要将硅基体上的电路部分与硅基体进行电气隔离，防止电流经由基体流出，形成旁路。芯片的基体材料是半导体材料硅，虽然纯硅材料的电导率较低，但只要在其中引入少量的杂质原子，电导率就会大幅度提升，因此不可以用硅基体本身直接作电气隔离。4.业界常规的解决方案是，对硅压阻式压力传感器芯片采用pn结进行隔离，例如，将压敏电阻采用p型掺杂，而硅基体采用n型掺杂，但这种pn结隔离手段在温度超过120℃的条件下，会因为硅本征激发加剧而失效，从而造成较大的漏电流，影响传感器的性能。5.为了解决常规压力传感器芯片不耐高温的问题，专利cn202110036056.2提出一种mems soi压力传感器及其制备方法，该方案采用soi结构硅片制备芯片，将绝缘体二氧化硅作为隔离层，彻底切断芯片电路与硅基体之间的电连接通路。该方案可以耐受300℃甚至更高的温度，不过想要获得soi结构硅片，需要采用高能氧离子注入或者两片晶圆键合的方法，这会使得单张晶圆的成本提升5-10倍，极大地增加芯片成本。6.此外，soi结构虽然可以实现高温应用，但单层soi结构难以控制背腔刻蚀深度，容易造成刻蚀不足或过度刻蚀的情况，专利cn201510353518.8提出一种双soi结构mems压力传感器芯片及其制备方法，该方案采用可以控制刻蚀深度的双层soi结构，但涉及到两次soi层的构建，单张晶圆成本又将进一步的大幅度提升。技术实现要素：7.为了提升现有的硅压阻式压力传感器芯片的耐高温性能，同时降低成本，本发明提供了一种硅压阻式压力传感器芯片，所述芯片结构从背腔到正面依次包括：硅基体、第一离子注入区、第二离子注入区、第三离子注入区、介质层、金属层；8.所述第二离子注入区和所述第三离子注入区相连，并位于所述第一离子注入区的上表面的内部，所述第一离子注入区、第二离子注入区、第三离子注入区上表面齐平；所述第二离子注入区采用p型重掺杂离子注入，所述第三离子注入区采用p型轻掺杂离子注入，所述第一离子注入区采用n型重掺杂离子注入；9.所述介质层用于隔离所述第一离子注入区和所述金属层，并在离子注入区上方设有引线孔；10.所述金属层用于构成金属电极和金属连接线，并通过所述引线孔与所述离子注入区连接。11.可选的，所述第一离子注入区的掺杂源为磷或砷的化合物。12.可选的，所述第二离子注入区的掺杂源为硼的化合物。13.可选的，所述第三离子注入区的掺杂源为硼的化合物。14.本发明还提供一种硅压阻式压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：15.步骤一：在(100)晶向硅片正面进行n型重掺杂离子注入，形成第一离子注入区；16.步骤二：在硅片正面、第一离子注入区上方进行p型重掺杂离子注入，形成第二离子注入区，用于连接芯片的压阻条和金属连接线；17.步骤三：在硅片正面、所述第一离子注入区上表面、紧靠所述第二离子注入区进行p型轻掺杂离子注入，形成第三离子注入区，用于构成芯片的压阻条；18.步骤四：沉积介质层，用于隔离离子注入区和金属层；19.步骤五：在所述介质层上刻蚀引线孔；20.步骤六：制备金属层，包括：金属电极和金属连接线；21.步骤七：刻蚀背腔。22.可选的，所述n型重掺杂离子注入的掺杂源为磷或砷的化合物。23.可选的，所述p型重掺杂离子注入的掺杂源为硼的化合物。24.可选的，p型轻掺杂离子注入的掺杂源为硼的化合物。25.可选的，所述压阻条为4组，连接形成惠斯通电桥结构，每组压阻条数量为2-5个，压阻条分布位置为方形隔膜四条边的中点。26.可选的，所述方法采用koh或tmah湿法刻蚀背腔。27.本发明有益效果是：28.本发明采用向硅片正面进行n型重掺杂离子注入，构成的n型区域载流子浓度比现有的n型硅片大幅降低，且受温度的影响小，从而可以有效地减小漏电流，提高传感器信号的精度，使传感器可以在高达150℃的环境下正常使用；刻蚀背腔时，由于本发明的n型重掺杂区域的存在，当湿法刻蚀在达到n型重掺杂区域时，刻蚀速率会显著下降，刻蚀停止，可以有效避免过度刻蚀的问题。附图说明29.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。30.图1是本发明的工艺流程图。31.图2是本发明n型重掺杂离子注入后的芯片结构图。32.图3是本发明p型重掺杂离子注入后的芯片结构图。33.图4是本发明p型轻掺杂离子注入后的芯片结构图。34.图5是本发明沉积介质层后的芯片结构图。35.图6是本发明刻蚀引线孔后的芯片结构图。36.图7是本发明制备金属层后的芯片结构图。37.图8是本发明刻蚀背腔后的芯片结构图。38.1、硅基体，2、第一离子注入区，3、第二离子注入区，4、第三离子注入区，5、介质层，6、引线孔，7、金属层，8、背腔。具体实施方式39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。40.实施例一：41.本实施例提供一种硅压阻式压力传感器芯片，芯片结构从背腔到正面依次包括：硅基体、第一离子注入区、第二离子注入区、第三离子注入区、介质层、金属层；42.所述第二离子注入区和所述第三离子注入区相连，并位于所述第一离子注入区的上表面的内部，所述第一离子注入区、第二离子注入区、第三离子注入区上表面齐平；所述第二离子注入区采用p型重掺杂离子注入，所述第三离子注入区采用p型轻掺杂离子注入，所述第一离子注入区采用n型重掺杂离子注入；43.所述介质层用于隔离所述第一离子注入区和所述金属层，并在离子注入区上方设有引线孔；44.所述金属层用于构成金属电极和金属连接线，并通过所述引线孔与所述离子注入区连接。45.实施例二：46.本实施例提供一种硅压阻式压力传感器芯片的制备方法，参见图1，所述方法包括：47.步骤一：在(100)晶向硅片正面进行n型重掺杂离子注入，形成第一离子注入区；48.在普通(100)晶向硅片正面进行n型重掺杂离子注入，掺杂源为磷或砷的化合物，依据注入深度确定注入能量，依据注入深度和预期掺杂体浓度确定注入剂量。49.n型重掺杂区域的深度定义了隔膜的厚度，通常为5-30μm。50.掺杂体浓度为1×1019/cm3-1×1020/cm3，常规n型硅片的掺杂体浓度为1×1015/cm3-1×1016/cm3。51.采用常规n型硅片做pn结隔离，其在高温下的失效原因是：当温度升高时，硅本征激发载流子浓度升高，而少子浓度与掺杂体浓度近似成反比，与硅本征激发载流子浓度的平方近似成正比。因此，随着温度升高，pn结隔离区域的少子浓度升高，进而导致漏电流过大，影响传感器信号的精度。52.在同样温度下，本实施例的n型掺杂区域载流子浓度约比常规n型硅片低3-4个数量级，可以大幅降低漏电流，使得传感器在高达150℃的环境下，pn结隔离不失效，芯片仍可以正常使用。53.步骤二：在硅片正面、第一离子注入区上方进行p型重掺杂离子注入，形成第二离子注入区，用于连接芯片的压阻条和金属连接线，形成欧姆接触区，掺杂体浓度为1×1019/cm3-1×1020/cm3，离子注入深度为0.5-2μm。54.步骤三：在硅片正面、所述第一离子注入区上表面、紧靠所述第二离子注入区进行p型轻掺杂离子注入，形成第三离子注入区，用于构成芯片的压阻条；55.掺杂体浓度为1×1018/cm3-1×1019/cm3，离子注入深度为0.5-2μm。压力传感器部分的压阻条为4组，连接形成惠斯通电桥结构，每组压阻条数量优选为2-5个。压力传感器部分的压阻条分布位置为方形隔膜四条边的中点附近，此处在受压应变时应力最高，有利于提高传感器的灵敏度。56.步骤四：沉积介质层，用于隔离离子注入区和金属层；57.方法可选pecvd、lpcvd,如果后续采用tmah刻蚀背腔，介质层材料可以只选择氧化硅，厚度为300-500纳米，如果采用koh刻蚀，因为koh对氧化硅的刻蚀速率较高，需要用氧化硅、氮化硅作为介质层，厚度分别为300-500纳米，100-400纳米。58.步骤五：在所述介质层上刻蚀引线孔；59.由于掺杂过后的硅和金属层都导电，因此需要介质隔离层将硅和金属层隔开，然后在介质层上刻蚀、开孔再与金属线相连接。60.步骤六：制备金属层，包括：金属电极和金属连接线；61.可采用pvd、溅射等方法制备，金属电极材料可选择铝、铬金、钛铂金，在pvd或溅射后，通过金属刻蚀机得到金属连接线。之后通过退火，实现与硅重掺杂区域的欧姆接触，金属层厚度为0.5-1.5微米。62.步骤七：刻蚀背腔。63.通过湿法刻蚀得到背腔。有n型重掺杂区域存在，koh或tmah湿法刻蚀在达到n型重掺杂区域时，刻蚀速率会显著下降，可以以此设置刻蚀停止信号，从而有效避免过度刻蚀。64.本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。65.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。