一种高温压力传感器及其加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微电子机械加工领域，尤其涉及一种高温压力传感器及其加工方法。
【背景技术】
[0002] 基于微电子机械加工技术制造的耐高温传感器在航空航天、工业生产等高温极端 环境中有非常广泛的应用。传统的压力传感器难以在高温环境中工作的一个原因是，传统 的压阻式压力传感器是以单晶硅为基片，在N型硅衬底上制作P型扩散电阻，依靠反偏PN 结隔离，当环境温度超过120°C时，PN结漏电流加剧，隔离失效；制约压力传感器最高工作 温度的另一个重要因素是传统的电极结构在高温环境中会因为金属层扩散而电阻率明显 升高，难以在400°C?500°C长期工作；封装材料及工艺对压力传感器的高温性能也有非常 显著的影响。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种高温压力传感器及其加工方法，解决传统的硅基传感 器难以在高温环境中长期工作的问题。
[0004] 本发明提供了一种高温压力传感器及其加工方法，所述压力传感器包括：硅敏感 膜片，底座，TO管壳。所述加工方法包括：硅敏感膜片加工步骤：采用SOI单晶硅圆片作为 基片，在器件层加工电阻及引线互连组成惠斯登电桥，在衬底层进行各向异性腐蚀形成所 述对压力敏感的膜片结构；键合步骤：以玻璃片或单晶硅圆片为基片，加工所述底座；封装 步骤：以所述TO型金属管壳为外壳实现芯片级封装。
[0005] 上述高温压力传感器的加工方法，优选硅敏感膜片加工步骤包括：电阻加工步骤： 选取N型（100)双面抛光的SOI单晶硅圆片，在器件层表面进行P型重掺杂并退火，提高 掺杂浓度可以有效提高硅电阻的本征激发温度；电阻图形化及隔离步骤：刻蚀基片的器件 层形成惠斯登电桥的桥臂电阻，用低压化学气相淀积的方法在基片表面淀积二氧化硅/氮 化硅钝化层，电阻被钝化层和SOI片的埋氧层包裹隔离起来，消除高温时的漏电流；金属层 生长步骤：用磁控溅射的方法在电阻上溅射多层耐高温欧姆接触电极及互连线，多层电极 结构自下而上依次为：硅/二硅化钛欧姆接触，钛粘附层，氮化钛阻挡层，铂粘附层，金导电 层，图形化所述金属电极及互连线的方法是剥离。背腔腐蚀步骤：基片正面旋涂保护胶，基 片背面以二氧化硅/氮化硅钝化层为掩膜，对窗口区域的硅衬底进行各向异性腐蚀，形成 对压力敏感的膜片结构，硅腐蚀剂为氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液。
[0006] 上述高温压力传感器的加工方法，优选键合加工步骤包括：硅玻璃键合步骤：选 取应变温度在500°C?550°C以上且含有钠离子的硼硅玻璃片为基片与所述硅敏感膜片背 面的硅衬底进行阳极键合。硅硅键合步骤：当采用单晶硅圆片加工底座时，用焊料键合的方 法将硅敏感膜片与底座键合，焊料键合的加工方法可以是玻璃焊料键合也可以是基于瞬态 液相扩散技术的金属焊料键合，所采用的金属焊料或玻璃焊料应该能够在500°C?550°C 以上保持良好的气密性和封接强度。
[0007] 上述高温压力传感器的加工方法，优选封装加工步骤包括：芯片与管壳封装步骤： 选取定制的耐高温TO管壳，选用耐高温玻璃焊料或金属焊料将芯片底座与管壳的管座封 接。管座与盖帽封装步骤：管壳的管座和管壳的盖帽之间可以用储能焊封接。
[0008] 相对于现有技术，本发明具有如下优点：
[0009] 第一，用SOI圆片的埋氧层和淀积的二氧化硅/氮化硅钝化层将硅电阻包裹隔离， 消除高温时的漏电流；
[0010] 第二，溅射生长二硅化钛/钛/氮化钛/铂/金多层耐高温欧姆接触电极结构，二 硅化钛/硅欧姆接触具有良好的热稳定性，氮化钛阻挡层能够有效阻挡高温环境中各层之 间的相互扩散；
[0011] 第三，选用应变温度高的硼硅玻璃基片为底座与硅敏感膜片进行阳极键合，提高 器件的工作温度；
[0012] 第四，选用耐高温TO管壳，实现压力传感器的耐高温芯片级封装。
【附图说明】：
[0013] 图1(a)?（h)为本发明所加工的高温压力传感器的主要加工工艺的示意图；
[0014] 图2为本发明所加工的硅敏感膜片正面电阻和金属互连线的版图；
[0015] 图3(a)?（b)为本发明所加工的高温压力传感器的两种封装方案；
[0016] 图4为工作环境温度500°C时本发明所加工的高温压力传感器的输出电压随气压 变化的正反行程曲线；
【具体实施方式】：
[0017] 为使本发明的上述目的，特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图及具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0018] 图1 (a)?图1 (h)为本发明所加工的高温压力传感器的主要加工工艺的示意图；
[0019] 图1 (a)所示为加工本发明所述高温压力传感器使用的双面抛光的SOI单晶硅圆 片，器件层1为N(100)单晶硅，埋氧层2厚度为4000A,衬底层3厚度为400um。
[0020] 如图1(b)所示，进行硼离子注入并退火，刻蚀基片的器件层形成惠斯登电桥的桥 臂电阻4。由于提高掺杂浓度可以有效提高硅电阻的本征激发温度，因此应尽量选择较高的 掺杂浓度。
[0021] 如图1 (c)所示，用低压化学气相淀积的方法在基片表面淀积二氧化硅5/氮化硅6 钝化层，电阻4被钝化层5/6和SOI片的埋氧层2包裹隔离起来，消除高温时的漏电流，钝 化层的厚度以2000?5000A/ 1000~2000A为宜。
[0022] 如图1 (d)所示，分别用干法刻蚀和湿法腐蚀的方法去掉欧姆接触区域表面的氮 化硅、二氧化硅露出器件层的硅7，二氧化硅腐蚀剂为缓冲氢氟酸。
[0023]如图1(e)所示，用磁控溅射的方法在基片表面溅射多层耐高温欧姆接触电极及 互连线8,多层电极结构自下而上依次为二硅化钛/钛/氮化钛/铂/金，其中钛层起到粘 附的作用，厚度以200?500A为宜；氮化钛阻挡层是所述电极中的关键结构，如果薄膜的厚度 不够难以达到阻挡效果，如果薄膜厚度过厚在多层结构中的应力过大，根据不同器件工作 性能的