一种压力计芯片结构及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子机械系统（MEMS)传感器设计领域，涉及一种压力计芯片结构 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] MEMS(Micro Electro Mechanical System)即微电子机械系统，是新兴的跨学科 的高新技术研宄领域。基于MEMS技术制造压阻式压力传感器由于其出色的精准度和可靠 度以及相对便宜的制造成本在现代的市场中得到广泛的应用。自从20世纪50年代中期 发现了硅材料的压阻特性，硅基的压阻式压力传感器就被广泛的应用。压阻式传感器的工 作原理是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中 区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯顿电桥。当有外界压力施加在硅应变膜 上，压敏电阻区域由于应变膜弯曲产生应力，通过压敏电阻的压阻特性，将应力转换为电阻 值的变化，最后通过惠斯顿电桥将电阻值的变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力 值进行标定可以实现对压力的测量。典型的压阻式压力传感器的结构主要包含硅应变膜、 玻璃底座以及硅应变膜和玻璃底座之间的密闭空腔，在（110)晶面的硅片上通过各向异性 湿法腐蚀的方式进行制作硅应变膜和空腔，并与玻璃通过阳极键合完成空腔的密闭，空腔 的侧面为（111)晶面。上述压力计传感器结构具有工艺简单、技术成熟以及易于批量化生 产的优点，并因此得到了广泛的应用。上述结构存在的缺点是空腔的侧面与硅应变膜存在 54. 7度的倾角，空腔底部所需要的尺寸远远大于硅应变膜的尺寸，芯片实际尺寸受到上述 问题的限制无法做到非常小；同时芯片的厚度受到硅片厚度的限制无法变薄到理想厚度， 限制了压阻式压力传感器在芯片一些厚度敏感领域的应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于针对上述问题，提出一种新式压阻式压力计芯片结构及其制备 方法，优选采用TSV(through Siliconvia-娃通孔）后通孔技术实现。该结构的压力计芯 片结构相比典型器件结构具有芯片尺寸小、自封装的优点；该设计加工工艺流程与常规微 纳加工技术兼容，器件加工成本低，具有较高的成品率；该结构的压力计芯片结构拥有较薄 的芯片厚度而且同时适用于芯片正面向上的压焊封装方式和芯片正面向下的倒装焊封装 方式，具有较广阔的应用领域。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0005] 一种压力计芯片结构，包括：压敏电阻、重掺杂接触区、键合面金属引线、金属填 充孔、芯片表面金属引线，硅应变膜、玻璃底座以及硅应变膜和玻璃底座之间的密封空腔， 所述硅应变膜为与玻璃底座键合并在非键合面上进行了减薄处理的硅片，所述空腔为位于 玻璃底座内并通过玻璃底座与硅应变膜的阳极键合形成的密封空腔，所述压敏电阻位于硅 应变膜的键合面上并密封在上述空腔内，所述键合面金属引线位于硅应变膜键合面上并通 过重掺杂接触区与压敏电阻实现电信号连接，所述键合面金属引线表面存在一层绝缘介质 层，所述金属填充孔是硅应变膜中由金属填充的通孔，所述芯片表面金属引线位于芯片表 面，并通过金属填充孔实现与键合面金属引线的电连接。
[0006] 进一步地，所述减薄处理包括CMP工艺或者湿法腐蚀（各向同性腐蚀和各向异性 腐蚀）工艺。
[0007] 进一步地，所述绝缘介质层是在完成键合面金属引线制作后，通过PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition-等离子体增强化学气相沉积）方式淀积并通过 CMP (chemical mechanical polishing-化学机械抛光）工艺进行平整化处理得到。
[0008] 进一步地，所述金属填充孔是利用TSV后通孔技术完成通孔制作后，通过电镀的 方式完成金属在通孔内的填充得到，通孔以外的金属通过CMP工艺去除并同时完成芯片表 面平整化处理。
[0009] 进一步地，所述TSV后通孔技术是指在硅片与玻璃底座阳极键合、硅片减薄处理 完成后再利用DRIE (De印Reactive Ion Etching-深反应离子刻蚀）工艺或者激光打孔工 艺在硅应变膜中制作通孔的技术。
[0010] 进一步地，所述硅应变膜键合面上具有引线孔，所述键合面金属引线位于引线孔 中。
[0011] 一种压力计芯片结构的制备方法，其步骤包括：
[0012] 1)在硅片正面制作压敏电阻以及重掺杂接触区；
[0013] 2)在硅片正面制作引线孔和金属引线，形成键合面金属引线，然后在硅片正面淀 积绝缘介质层并通过CMP工艺进行平整化处理；
[0014] 3)在玻璃片正面制作空腔；
[0015] 4)将硅片的正面与玻璃片的正面进行对准阳极键合，形成硅玻璃键合片，所述压 敏电阻密封在空腔内；
[0016] 5)对硅片的非键合面进行减薄处理，并在减薄后的硅面上淀积绝缘介质层；
[0017] 6)在淀积有绝缘介质层的硅面光刻及刻蚀通孔，直至露出键合面金属引线，然后 在娃面、通孔内淀积一层绝缘介质层；
[0018] 7)干法刻蚀绝缘介质层直至露出键合面金属引线；
[0019] 8)在硅面、通孔内淀积金属扩散隔离层和种子层；
[0020] 9)在通孔内填充金属，并制作芯片表面金属引线；
[0021] 10)划片，芯片制作完成。
[0022] 上述步骤1)中，通过离子注入或者杂质扩散的方式在硅片正面制作压敏电阻以 及重掺杂接触区。
[0023] 上述步骤2)、5)和6)中，可以采用PECVD的方式淀积绝缘介质层，绝缘介质层可 以是SiO2、低应力Si 3N4或者有机材料绝缘层等。
[0024] 上述步骤3)中，可以通过干法刻蚀或者湿法腐蚀的方式在所述玻璃片正面制作 空腔。
[0025] 上述步骤5)中，可以通过湿法腐蚀（各向同性腐蚀和各向异性腐蚀）或者化学机 械抛光的方式对硅片的非键合面进行减薄处理。
[0026] 上述步骤8)中，金属扩散隔离层和种子层可以采用金属Ti或者Ta。
[0027] 上述步骤9)中，可以采用电镀的方式在通孔内填充金属。
[0028] 上述步骤9)中还包括：在通孔内填充金属后，通过CMP方式去除硅片表面金属、种 子层和扩散隔离层并完成表面平整化处理。
[0029] 本发明为MEMS领域的设计和工艺人员提供了一种基于TSV后通孔技术的压力计 芯片结构及其利记博彩app，这种方法加工的压力传感器具有稳定的性能、较高的工艺可靠性， 更小的芯片尺寸和芯片成本以及更广阔的应用领域。具体来说，本发明具有以下优势：
[0030] 1)本发明的压力计芯片结构在完成空腔密封的同时保证了压敏电阻区域与外界 环境隔离，节约了封装成本还使芯片能够在严苛的环境下工作；
[0031] 2)本发明的压力计芯片结构，由于空腔制作于玻璃片上，不受硅片晶向的限制，不 存在由于硅片各向异性腐蚀照成的芯片尺寸增大的问题，该芯片结构能够有效降低芯片尺 寸，降低芯片的成本；
[0032] 3)本发明压力计芯片的厚度不受硅片厚度的影响，芯片较薄而且由于引出电极位 于芯片表面使得该芯片同时适用于芯片正面向上的压焊封装方式和芯片正面向下的倒装 焊封装方式，具有较广阔的应用领域；
[0033] 4)本发明采用了硅玻璃阳极键合，不存在硅硅高温键合工艺中的高温度、键合界 面高平整度的要求。阳极键合设备具有较高普及率，键合温度低而且对键合界面的平整度 和颗粒污染要求不尚，能够有效提尚芯片的工艺成品率；
[0034] 5)本发明的压力计芯片结构在完成键合面金属引线的制备后利用CMP工艺对待 键合硅面做平整化处理，可以有效的提高硅玻璃阳极键合的气密性和强度，提高芯片长期 可靠性；
[0035] 6)本发明的压力计芯片结构通过键合界面绝缘介质层的制备有效避免了阳极键 合过程中的高能离子对键合面金属引线的损耗，可以有效提高金属电信号连接的可靠性。
【附图说明】
[0036] 图1为具体实施例中压力计芯片结构工艺流程示意图，其中：
[0037] 图I (a)为表面存在>氧化娃层的基片的不意图；
[0038] 图I (b)为在硅基片上完成压敏电阻制作的示意图；
[0039] 图1(c)为在硅基片上完成重掺杂接触区制作的示意图；
[0040] 图1(d)为在硅基片上制作金属接触孔和金属引线的示意图；
[0041] 图I (e)为硅片表面淀积二氧化硅层并完成化学机械抛光的示意图；
[0042] 图1(f)为玻璃片完成空腔腐蚀的示意图；
[0043] 图1(g)为硅片正面和玻璃片正面阳极键合的示意图；
[0044] 图1(h)为硅片减薄示意图；
[0045] 图l(i)为在硅面表面淀积二氧化硅层钝化层示意图；
[0046] 图l(j)为在硅面光刻、刻蚀通孔的示意图；
[0047] 图l(k)为在硅面的通孔内填充二氧化硅层隔离层示意图；
[0048] 图1(1)为刻蚀硅面通孔底部二氧化硅层示意图；
[0049] 图l(m)为在通孔内淀积金属扩散隔离层和种子层示意图