一种MEMS电容式压力传感器芯片及其制造工艺的制作方法

本发明涉及压力传感器技术领域，特别涉及一种mems压力传感器芯片及其制造工艺。

背景技术：

电容式压力传感器与电阻式、电感式等传感器的相比具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好、容易实现非接触测量并且具有一定平均效应，一般以无机材料作为绝缘支撑，因此能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、大过载等。

目前的mems电容式压力传感器的主要结构形式是利用两个硅基的电容极板，分别是可动板和固定板，可动板既作为电容极板又作为感压膜，这种结构设计比较简单、易加工的特点，但也有很明显的缺陷。首先，可动板既作为电容极板又作为感压膜，可动极板与固定极板之间形成的电容易受外界环境干扰，尤其是被测介质如果是带电介质或者导电介质，耦合电容干扰难以消除；其次，在恶劣环境下，传感器的可动极板直接与被测介质接触，易导致可动极板结构被破坏；最后，这种结构设计决定了其压力芯片的封装形式多为引线键合的方式，这种封装方式使得传感器的介质兼容性大大受限，传感器很难在具有腐蚀性、导电性的液体或气体介质中工作。所以现有技术很难克服mems电容式压力传感器的环境适应性较差的问题，需要从设计和制作的角度来解决这个问题。

技术实现要素：

针对背景技术中所存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种mems压力传感器芯片及其制造工艺，采用全隔离式结构的设计及背面通孔互连的电气连接方式，实现了电容极板、电气连接与压力介质的完全隔离的效果，大大提高了传感器的环境适应性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种mems电容式压力传感器芯片，包括：

第一晶圆，包括相互键合连接的第一结构层和可动电极层，所述的可动电极层通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第一封闭环、参考电容极板和可动电容极板，所述的参考电容极板和可动电容极板上分别设有第一接触电极，所述第一结构层的顶部开设有凹腔，所述可动电容极板位于所述凹腔正下方；

第二晶圆，包括相互键合连接的固定电极层和第二结构层，所述的固定电极层通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第二封闭环和固定电容极板，所述的固定电容极板上设有第二接触电极，固定电容极板顶部开设有浅腔，所述的第二封闭环在两第一接触电极对应的位置上分别开设有用于背部引线的第一通孔，所述的第二结构层在所述第二接触电极以及两个第一通孔对应的位置上分别开设有用于背部引线的第二通孔；

所述的固定电极层和可动电极层相互键合连接，所述浅腔位于所述可动电容极板正下方。

优选地，所述第一结构层在远离可动电极层的一侧表面形成有保护层。

其中，所述的保护层为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化铝薄膜、二氧化碳硅薄膜中的一种或复合膜系。

优选地，所述第二结构层远离固定电极层的一侧表面、第一通孔的侧壁面和第二通孔的侧壁面上分别形成有绝缘层。

其中，所述的绝缘层为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜中的一种或复合膜系。

优选地，所述的第一接触电极和第二接触电极为al膜、ta膜、w膜、cr膜、au膜、cu膜、ti膜、pt膜的一种或复合膜系。

优选地，为了更方便地实现背部引线，所述的第二通孔由内至外呈倒锥形或柱形。

优选地，所述浅腔的深度为5～20μm。

优选地，所述第一结构层、可动电极层和固定电极层的材质为单晶硅、多晶硅、碳化硅、金属薄膜中的一种。

优选地，所述第二结构层的材质为单晶硅、多晶硅、碳化硅、玻璃中的一种。

本发明还公开了上述mems电容式压力传感器芯片的制造工艺，包括如下步骤：

s1、准备第一soi晶圆，在第一soi晶圆的顶层刻蚀形成未穿透第一soi晶圆顶层的凹腔，底层通过整体穿透刻蚀形成相互物理电气隔离的第一封闭环、参考电容极板和可动电容极板；

s2、准备第二soi晶圆，将第二soi晶圆的顶层整体穿透刻蚀形成相互物理电气隔离的第二封闭环和固定电容极板，在第二封闭环上整体穿透刻蚀形成第一通孔，在固定电容极板顶部刻蚀形成浅腔，在第二soi晶圆的底层相应位置上整体穿透刻蚀形成第二通孔；

s3、分别对第一soi晶圆和第二soi晶圆进行热氧化，在第一soi晶圆底面和第二soi晶圆顶面分别形成氧化层；

s4、将第一soi晶圆和第二soi晶圆进行对准键合，使得浅腔位于可动电容极板的正下方，完成晶圆级封装；

s5、通过刻蚀工艺，对需要做第一接触电极和第二接触电极的区域先进行光刻图形化，再通过刻蚀完全去除第一接触电极和第二接触电极区域的表面氧化层，完成开窗刻蚀；

s6、通过薄膜沉积工艺，在第一接触电极和第二接触电极的开窗区域上制作导电薄膜；

s7、对制作好导电薄膜的键合晶圆进行热处理，形成欧姆接触，最后划片形成单个mems电容式压力传感器芯片。

优选地，还包括在所述第一soi晶圆的顶面通过薄膜沉积工艺制作保护层的步骤。

优选地，所述步骤s3中还包括分别在所述第二soi晶圆的底面、第一通孔的内壁面以及第二通孔的内壁面通过薄膜沉积工艺形成绝缘层。

本发明还公开了上述mems电容式压力传感器芯片的另一种制造工艺，包括如下步骤：

q1、准备soi晶圆，在soi晶圆的顶层刻蚀形成未穿透soi晶圆顶层的凹腔，底层通过整体穿透刻蚀形成相互物理电气隔离的第一封闭环、参考电容极板和可动电容极板；

q2、准备si晶圆，通过刻蚀工艺在si晶圆顶部分别刻蚀出浅腔、盲槽和盲孔；

q3、将制作好的soi晶圆和si晶圆进行热氧化，在soi晶圆的底面、si晶圆的顶面以及深孔的内壁面分别形成氧化层；

q4、将热氧化后的soi晶圆和si晶圆进行对准键合，对键合后的晶圆进行减薄，直至si晶圆的盲槽和盲孔穿透，si晶圆被分隔成由外至内依次设置的第二封闭环和固定电容极板；

q5、通过刻蚀工艺，对需要做第一接触电极和第二接触电极的区域先进行光刻图形化，再通过刻蚀完全去除第一接触电极和第二接触电极区域的表面氧化层，完成开窗刻蚀；

q6、通过薄膜沉积工艺，在第一接触电极和第二接触电极的开窗区域上制作导电薄膜；

q7、准备玻璃晶圆，在玻璃晶圆上制作穿透的第二通孔；

q8、将步骤q6所制得的晶圆与步骤q7所制得的玻璃晶圆进行键合，完成晶圆级封装，最后划片形成单个mems电容式压力传感器芯片。

优选地，还包括在所述第一soi晶圆的顶面通过薄膜沉积工艺制作保护层的步骤。

本发明具有如下有益效果：1、本发明设计的mems电容式压力传感器芯片结构实现了电容电极与外界介质隔离的效果，同时具备隔离外界电磁干扰的能力；2、本发明设计的mems电容式压力传感器芯片结构采用差分电容的设计，使得芯片具备消除由于外界温度、湿度和电磁环境等因素产生的共模干扰的能力，通过电容差分结构，消除了因键合而产生的较大电容占比，提升了芯片对压力的灵敏度；3、本发明设计的mems电容式压力传感器芯片结构让通孔结构设置在芯片背面，有利于通过tsv或tgv等背部引线先进芯片封装技术将信号引出，并且容易实现隔离引线与外界环境；4、本发明的芯片结构设计及制造工艺制造的mems电容式压力芯片能够在高温、高压、强辐射、强电磁干扰、强腐蚀性等恶劣环境下测量气压或液压，相比于传统的mems电容式压力传感器更具有极强的环境适应性。

附图说明

图1为本发明的mems电容式压力传感器芯片的结构示意图。

图2为本发明的mems电容式压力传感器芯片的电路原理图。

图3为本发明的mems电容式压力传感器芯片的可动电极层的平面图。

图4为本发明的mems电容式压力传感器芯片的固定电极层的a面平面图。

图5为本发明的mems电容式压力传感器芯片的固定电极层的b面平面图。

图6为本发明的mems电容式压力传感器芯片的第二结构层的平面图。

图7为本发明实施例一的mems电容式压力传感器芯片的制造工艺流程图。

图8为本发明实施例二的mems电容式压力传感器芯片的制造工艺流程图。

主要组件符号说明：1、第一晶圆；10、第一绝缘层；100、保护层；11、第一结构层；110、凹腔；12、可动电极层；120、第一接触电极；121、第一封闭环；122、参考电容极板；123、可动电容极板；124、第一隔离槽；2、第二晶圆；20、第二绝缘层；200、绝缘层；21、固定电极层；210、第二接触电极；211、第二封闭环；212、固定电容极板；213、第二隔离槽；214、浅腔；215、第一通孔；22、第二结构层；221、第二通孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

实施例一

如图1-6所示，一种mems电容式压力传感器芯片，包括：

第一晶圆1，包括相互键合连接的第一结构层11和可动电极层12，第一结构层11和可动电极层12之间设有第一绝缘层10。可动电极层12通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第一封闭环121、参考电容极板122和可动电容极板123，第一封闭环121、参考电容极板122和可动电容极板123之间通过两条第一隔离槽124相互隔开。参考电容极板122和可动电容极板123上分别设有第一接触电极120，第一结构层11的顶部开设有未贯穿第一结构层11的凹腔110，可动电容极板123位于凹腔110正下方。

第二晶圆2，包括相互键合连接的固定电极层21和第二结构层22，固定电极层21和第二结构层22之间设有第二绝缘层20。固定电极层21通过整体刻蚀穿透形成相互物理电气隔离的第二封闭环211和固定电容极板212，第二封闭环211和固定电容极板212之间通过第二隔离槽213相互隔开。固定电容极板212上设有第二接触电极210，固定电容极板212顶部开设有浅腔214，优选地，浅腔214的深度为5～20μm。第二封闭环211在两第一接触电极120对应的位置上分别开设有用于背部引线的第一通孔215，第二结构层22在第二接触电极210以及两个第一通孔215对应的位置上分别开设有用于背部引线的第二通孔221。优选地，第二通孔221由内至外呈倒锥形或柱形。固定电极层21和可动电极层12相互键合连接，浅腔214位于可动电容极板123正下方。

优选地，第一结构层11在远离可动电极层12的一侧表面形成有保护层100。其中，保护层100为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化铝薄膜、二氧化碳硅薄膜中的一种或复合膜系。

优选地，第二结构层22远离固定电极层21的一侧表面、第一通孔215的侧壁面和第二通孔221的侧壁面上分别形成有绝缘层200。优选地，绝缘层200为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜中的一种或复合膜系。

优选地，第一接触电极120和第二接触电极210为al膜、ta膜、w膜、cr膜、au膜、cu膜、ti膜、pt膜的一种或复合膜系。

优选地，第一结构层11、可动电极层12和固定电极层21的材质为单晶硅、多晶硅、碳化硅、金属薄膜中的一种。优选地，第二结构层22的材质为单晶硅、多晶硅、碳化硅、玻璃中的一种。

如图7所示，本实施例的制造工艺包括如下步骤：

分别准备soi晶圆soi-a和soi-b，由于soi晶圆的独特的三层结构，利用soi-a的三层结构分别制作第一结构层11、可动电极层12和第一绝缘层10，利用soi-b的三层结构分别制作固定电极层21、第二结构层22和第二绝缘层20。

第一步、通过湿法刻蚀工艺在soi-a上制作未穿透soi-a顶层的凹腔110，在soi-b上制作出三个第二通孔221；

第二步、在soi-a的可动电极层12上通过干法刻蚀工艺将可动电极层12整体刻蚀穿透，形成第一封闭环121、参考电容极板122、可动电容极板123和第一隔离槽124结构；

第三步、在soi-b的固定电极层21上通过干法刻蚀工艺将固定电极层21整体刻蚀穿透，分别制作出第二封闭环211、固定电容极板212、第二隔离槽213和两个第一通孔215；

第四步、在soi-b的固定电极层21上的固定电容极板212中心通过干法刻蚀工艺，刻蚀出浅腔214，浅腔214深度5～10μm；

第五步、对soi-a和soi-b进行热氧化，在晶圆的表面和通孔(215/216)的侧壁表面上形成氧化层；

第六步、将soi-a和soi-b进行对准键合，完成晶圆级封装；

第七步、在可动电极层12和固定电极层21上，对需要做金属接触电极(120/210)的区域先进行光刻图形化，再通过干法刻蚀或湿法刻蚀完全去除金属接触电极(120/210)区域的表面氧化层，露出si层，完成开窗刻蚀；

第八步、通过金属薄膜沉积工艺，在金属接触电极(120/210)的开窗区域制作上ti/pt金属薄膜；

第九步、对制作好金属薄膜的键合晶圆进行热处理，形成欧姆接触，最后划片形成单个mems电容式压力传感器芯片。

本实施例的mems电容式压力传感器芯片的工作原理：外界介质压力作用在第一结构层11上，导致凹腔110处的薄板向下发生变形，进而导致可动电容电极123向下变形，则可动电容极板123与固定电容极板212之间的间距减小，由二者构成电容的电容值(cp)增大，通过对电容值的测量可以反映外界压力的大小；通过同时测量参考电容电极122与固定电容极板212之间的电容值(cr)，因为122与212之间的间距和面积都不会随着外界压力变化而产生变化，所以cr不会发生变化，但温度等其他因素会导致cp和cr同时发生变化，通过将cp和cr做差值或比值，可以消除温度等其他因素导致的电容变化，达到消除共模干扰的效果。另外，在结构上，凹腔110未贯穿整个第一结构层11，通过预留一定厚度，可以将可动电容极板123与外界环境隔离，可动电容极板123、参考电容极板122和固定电容极板212分别通过第一隔离槽124和第二隔离槽213隔离外界介质和电磁干扰。

实施例二

如图8所示，本实施例的mems电容式压力传感器芯片的结构及工作原理均与实施例一相同，本实施例的制造工艺包括如下步骤：

分别准备soi晶圆、si晶圆和玻璃晶圆，由于soi晶圆的独特的三层结构，利用soi晶圆的三层结构制作第一结构层11、可动电极层12和第一绝缘层10，利用si晶圆制作固定电极层21，利用玻璃晶圆制作第二结构层22。

第一步、通过湿法刻蚀工艺在soi晶圆上制作未穿透soi晶圆顶层的凹腔110；

第二步、在soi晶圆的可动电极层12上通过干法刻蚀工艺将可动电极层12整体刻蚀穿透，形成第一封闭环121、参考电容极板122、可动电容极板123和第一隔离槽124结构；

第三步、在si晶圆的固定电极层21上通过干法刻蚀工艺，刻蚀出浅腔214，浅腔214深度5～10μm；

第四步、在si晶圆的固定电极层21上通过干法刻蚀制作深槽和深孔，不穿透固定电极层21，后续分别用于制作出第二封闭环211、固定电容极板212、第二隔离槽213和第一通孔215；

第五步、对制作好图形的soi晶圆和si晶圆进行热氧化，在晶圆的表面和通孔(215/216)的侧壁表面上形成氧化层；

第六步、将soi晶圆与si晶圆进行对准键合；

第七步、对soi晶圆和si晶圆键合后的晶圆，进行减薄，减薄至固定电极层21预先刻蚀的盲槽和盲孔穿透；

第八步、在第七步制作的晶圆上对需要做金属接触电极(120/210)的区域先进行光刻图形化，再通过干法刻蚀或湿法刻蚀完全去除金属接触电极(120/210)区域的表面氧化层，露出si层，完成开窗刻蚀；

第九步、通过金属薄膜沉积工艺，在金属接触电极(120/210)的开窗区域制作上ti/pt金属薄膜；

第十步、采用喷砂工艺，在玻璃晶圆上制作三个第二通孔221；

第十一步、将第九步工艺制作的键合晶圆与第十步制作的带孔玻璃晶圆进行键合，完成晶圆级封装，最后划片形成单个mems电容式压力传感器芯片。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。