CN100439235C - 一种压力传感器硅芯片制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超微压压力传感器硅芯片的制作方法，利用硅的平面工艺和体微机械加工技术结合，采用集成电路平面工艺技术和硅的各向异性腐蚀，结合压力传感器芯片设计中梁膜结构与平膜双岛结构的优点，采用双岛-梁-膜结构充分集中了应力，在保证高线性精度下，研制了高灵敏度超低微压压力传感器硅微芯片。该方法主要包括氧化-双面光刻对准记号-氧化-光刻背部大膜和光刻正面梁区-背部大膜和正面梁区腐蚀-氧化-光刻背面应力匀散区-背面应力匀散区腐蚀-背面胶保护正面漂净SiO2层-氧化-光刻电阻区-力敏电阻区硼掺杂-光刻浓硼区-浓硼扩散形成欧姆区-正反面淀积氮化硅-光刻引线孔-光刻背小岛、光刻背大岛-正面镀铝层、反刻铝引线、合金化-进入腐蚀工艺流程等步骤。

Description

一种压力传感器硅芯片制作方法
技术领域
本发明属于电子信息领域，尤其涉及一种压力传感器硅芯片制作方法。
背景技术
测控技术的发展，要求压力传感器量程越来越小，分辨率越来越高，使得压力传感器在科学实验、工业自动化控制、空气动力学、计量学等领域越来越重要。如科学实验中的高分辨率的测试，空气动力学研究中飞机、导弹、运动机械的动态特性研究和高层建筑楼宇风洞设计等，工控中新型热工锅炉的二次进风系统、空调、超净过滤系统、煤矿瓦斯监控系统等，计量市场的石油天然气、液化气计量等，都需要量程在数百帕的高精度的压力传感器，因此毫米级外形尺寸、微米级加工精度的高灵敏度压力传感器，有着极大的应用领域和市场份额，标志着一个国家计量测试技术的水平。
早期的硅压力传感器一般采用圆形平膜，在低量程传感器芯片制作中，则需减小硅膜厚度。当硅膜厚度减到一定的程度，一方面性能恶化，非线性误差增加；另一方面硅电阻结深难以控制，导致一致性和成品率下降，成本上升，为此国内外都在寻求新型结构硅芯片来制作超微压压力传感器。
Shimazoe等(Shimazoe M，Matsuka Y，Yasukawa A，et al.A specialsilicon diaphragm pressure sensor with high output and high accuracy.Sensors and Actuators，1982，2：275～282)提出了背面带有圆岛的岛膜结构，力敏电阻制作在环形的薄膜上，用来制作低压高精度的压力传感器，但此结构的膜上应力变化大，对电阻定位要求高，器件尺寸也难以微型化，不利于批量生产。Hein等(Hein S，Schlichting V，Obermerier E.Piezoresistivesilicon sensor for very low pressure based on the concept of the stressconcentration.Transducers’93，Yokohama，Japan，1993)采用了由正面浅的选择腐蚀形成的梁膜结构，在膜的中心处有一个方块，方块的四面中心各有一个梁，梁的形状和尺寸可以有多种选择，力敏电阻制作在应力梁上。其主要特点是利用从正面腐蚀形成的梁与从背面腐蚀的膜相叠加，由于硅膜的刚度系数与膜厚的立方成正比，因此梁区的硅比膜区的硅厚一倍，梁区的刚度系数即为膜区的刚度系数的8倍，显然已有足够的应力集中效应。同时，梁膜结构还可以利用梁的宽度的变化得到进一步的应力集中效应。与玻璃静电键合后的传感器芯片封装后Hein等研制了最小量程为300Pa的压阻式压力传感器，采用2mA恒流源激励，测试温区为-35～85℃，满量程300Pa输出为15mV，非线性误差低于0.2％。到目前为止，国外尚未有关量程低于300Pa的压阻式压力传感器的报道，商品化处于领先地位的是Honeywell公司，其产品目录中最低量程为1000Pa。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种压力传感器硅芯片制作方法，该方法可以获得高灵敏度压力传感器硅芯片。
为解决本发明所要解决的问题，本发明利用硅的平面工艺和体微机械加工技术结合，采用集成电路平面工艺技术和硅的各向异性腐蚀，结合压力传感器芯片设计中梁膜结构与平膜双岛结构的优点，采用双岛-梁-膜结构充分集中了应力，在保证高线性精度下，研制了高灵敏度超低微压压力传感器硅微芯片，具体说，本发明压力传感器硅芯片制作方法包括以下步骤：
(1)、氧化：将严格清洗后的原材料硅片放入氧化炉，通氧气对硅片双面氧化，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化30分钟；
(2)、双面光刻对准记号：对氧化后的硅片双面光刻，形成双面对准记号，其中背面涂胶，前烘温度为80℃，时间为5分钟，正面涂胶，前烘温度80℃，时间为10分钟；
(3)、氧化：对经双面光刻对准记号的硅片再次氧化以使边框背面形成1微米左右的SiO2层，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化2小时30分钟；
(4)、光刻背部大膜和光刻正面梁区；
(5)、背部大膜和正面梁区腐蚀：在1∶10稀HF酸中漂洗10秒，用冷去离子水冲洗后吹干；在浓度为25％的TMAH(四甲基氢氧化铵)中腐蚀70分钟，温度为50℃；
(6)、氧化：通氧气对硅片双面氧化，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化30分钟；
(7)、光刻背面应力匀散区，正面光刻胶保护，保留正面氧化层；
(8)、背面应力匀散区腐蚀：在25％的TMAH中腐蚀，大约140分，温度为50℃，腐蚀深度约为12微米，该深度根据硅片原始厚度适当予以调整，在硅膜厚度小于10微米时，边框边缘出现缓变的园角台阶；
(9)、背面胶保护，正面漂净SiO2层：背面用光刻胶保护，在光刻腐蚀液中，漂净正面的SiO2层；
(10)、氧化：通氧气对硅片双面氧化，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化30分钟；
(11)、光刻电阻区；
(12)力敏电阻区硼掺杂：电阻区采用离子束注入，涂二次光刻胶，并保留电阻区以外的光刻胶，作为离子束掺杂时的掩蔽层；用四探针测量备片方块电阻为Rs＝280Ω/方～300Ω/方；
(13)、光刻浓硼区：背面光刻胶保护，保留背面SiO2层；
(14)、浓硼扩散形成欧姆区：予淀积时温度为980℃，时间为30分钟，测试电阻Rs＝40Ω/方±10Ω/方；予淀积以后用1∶10的HF酸漂净表面硼硅层大约10秒，经去离子水冲洗烘干待用；再做硼的再分布，温度为1150℃，时间为10分钟干氮气和5分钟的干氧化；用四探针测量备片方块电阻Rs＝15Ω/方±5Ω/方；
(15)、正反面淀积氮化硅，厚度1500埃；
(16)、光刻引线孔，背面胶保护：等离子刻蚀氮化硅，光刻腐蚀液漂净引线孔内SiO2层；
(17)、光刻背小岛，正面胶保护后光刻背大岛：等离子刻蚀广大区氮化硅层，保留广大区的SiO2层；正面胶保护，刻去背面梁区和膜区的SiO2层；
(18)、正面镀铝层，反刻铝引线，合金化：正面真空镀铝层，厚度为1微米±0.2微米；反刻铝引线；合金化，温度为510℃，时间为20分钟，通氧气干氧化，在显微镜下观测铝层表面，出现黑色合金点；
(19)、初测：桥路电阻R＝5KΩ±0.5kΩ；电阻区之间硬击穿，BV≥70V；失调电压V0＜100mv为合格；
(20)、进入腐蚀工艺流程，所述的腐蚀工艺流程包括：
(20.1)、正面保护，背面腐蚀：首先正面涂胶，涂两遍光刻胶，前烘温度为80℃，时间为10分钟，坚膜温度为180℃，时间为30分钟；然后用熔融的黑蜡将硅片正面粘在石英板上，用NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5组成的溶液煮至沸腾，用冷的去离子水冲洗硅表面约5分钟，在1∶10的稀HF酸中腐蚀数秒，用去离子水清洗后吹干硅片表面；放入温度为50℃，浓度为40％的KOH溶液中，腐蚀140微米；
(20.2)、正面保护，背面漂净大岛表面和应力匀散区表面的SiO2层：用光刻腐蚀液漂净大岛顶端表面的SiO2层；
(20.3)、正面保护，背面大岛和应力匀散区进行无掩膜腐蚀：在温度为50℃，浓度为40％的KOH溶液中，继续腐蚀背大岛和背面底部的梁区和膜区，直到硅膜厚度＜10微米；用光刻腐蚀液漂净边框表面的SiO2层，保留小岛顶端的氮化硅和SiO2层，将硅片从石英板上取下，放在乙醚和二甲苯中洗净硅片表面的黑蜡，用等离子体干法去胶，去除硅片正面的光刻胶；
(20.4)初测，记录合格压力传感器硅芯片。
本发明所选用的原始材料为双面抛光(100)晶面的N型单晶硅片，电阻率为0.5～5.0Ω·cm，硅片的原始厚度为220±20μm，(110)晶面切边很清楚，可以区分单晶硅片的正反面。
本发明有益效果是：1、采用本发明的制作方法可以获得高灵敏度压力传感器硅微芯片：封装后样品灵敏度≥1.6mV/V/100Pa，非线性误差小于≤0.09％FS，不重复性误差≤0.09％FS，迟滞误差≤0.09％FS，热零位漂移为-0.6×10-4℃·FSO左右，热灵敏度漂移为-1.0×10-4℃·FSO左右，总精度为0.16％，过载能力≥100倍满量程。
附图说明
附图为本发明压力传感器硅芯片制作方法一种实施例的流程图。
图面说明：(1)氧化，(2)、双面光刻对准记号，(3)、氧化，(4)、光刻背部大膜和光刻正面梁区，(5)、背部大膜和正面梁区腐蚀，(6)、氧化，(7)、光刻背面应力匀散区，正面光刻胶保护，(8)、背面应力匀散区腐蚀，(9)、背面胶保护，正面漂净SiO2层，(10)、氧化，(11)、光刻电阻区，(12)、力敏电阻区硼掺杂，(13)、光刻浓硼区，(14)、浓硼扩散形成欧姆区，(15)、正反面淀积氮化硅，(16)、光刻引线孔背面胶保护，(17)、光刻背小岛，正面胶保护后光刻背大岛，(18)、正面镀铝层，反刻铝引线，合金化，(20.1)、正面保护，背面腐蚀，(20.2)、正面保护，背面漂净大岛和应力匀散区表面的SiO2层，(20.3)、正面保护，背面大岛和应力匀散区进行无掩膜腐蚀；a、对准记号，b、梁区，c、背大膜，d、背面应力均散区，e、电阻窗口，f、硼扩区，g、淡硼区，h、浓硼区，i、引线孔，j、大岛区，k、小岛区，l、SiO2，m、Al电极，n、应力均散区，o、Si3N4，p、膜区，q、应力均散，r、边框，s、大岛，t、小岛。
具体实施方式
如附图所示的流程图，本发明所选用的原始材料为双面抛光(100)晶面的N型单晶硅片，电阻率为0.5～5.0Ω·cm，硅片的原始厚度为220±20μm，具体制作方法包括以下步骤：
(1)、氧化：将严格清洗后的硅片放入氧化炉，通氧气对硅片双面氧化，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化30分钟。
(2)、双面光刻对准记号：对氧化后的硅片双面光刻，形成双面对准记号，其中背面涂胶，前烘温度为80℃，时间为5分钟，正面涂胶，前烘温度80℃，时间为10分钟。
(3)、氧化：对经双面光刻对准记号的硅片再次氧化以使边框背面形成1微米左右的SiO2层，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化2小时30分钟。
(4)、光刻背部大膜和光刻正面梁区。
(5)、背部大膜和正面梁区腐蚀：在1∶10稀HF酸中漂洗10秒，用冷去离子水冲洗后吹干；在浓度为25％的TMAH(四甲基氢氧化铵)中腐蚀70分钟，温度为50℃。
(6)、氧化：通氧气对硅片双面氧化，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化30分钟。
(7)、光刻背面应力匀散区，正面光刻胶保护，保留正面氧化层。
(8)、背面应力匀散区腐蚀：在25％的TMAH中腐蚀，大约140分，温度为50℃，腐蚀深度约为12微米，该深度根据硅片原始厚度适当予以调整，在硅膜厚度小于10微米时，边框边缘出现缓变的园角台阶；值得一提的是本工艺特殊的背面应力匀散区腐蚀形成技术保证了超微压传感器超强的抗过载能力，是超微压传感器实用化的关键保证。
(9)、背面胶保护，正面漂净SiO2层：背面用光刻胶保护，在光刻腐蚀液中，漂净正面的SiO2层。
(10)、氧化：通氧气对硅片双面氧化，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化30分钟。
(11)、光刻电阻区。
(12)力敏电阻区硼掺杂：电阻区采用离子束注入，涂二次光刻胶，并保留电阻区以外的光刻胶，作为离子束掺杂时的掩蔽层；四探针测量备片方块电阻为Rs＝280Ω/方～300Ω/方。
(13)、光刻浓硼区：背面光刻胶保护，保留背面SiO2层。
(14)、浓硼扩散形成欧姆区：予淀积时温度为980℃，时间为30分钟，测试电阻Rs＝40Ω/方±10Ω/方；予淀积以后用1∶10的HF酸漂净表面硼硅层大约10秒，经去离子水冲洗烘干待用；再做硼的再分布，温度为1150℃，时间为10分钟干氮气和5分钟的干氧化；用四探针测量备片方块电阻Rs＝15Ω/方±5Ω/方。
(15)、正反面淀积氮化硅，厚度1500埃。
(16)、光刻引线孔，背面胶保护：等离子刻蚀氮化硅，光刻腐蚀液漂净引线孔内SiO2层。
(17)、光刻背小岛，正面胶保护后光刻背大岛：等离子刻蚀广大区氮化硅层，保留广大区的SiO2层；正面胶保护，刻去背面梁区和膜区的SiO2层；值得一提的是：背岛形成大小岛双层结构，大岛薄而轻，满足了应力集中的要求而减小了加速度效应；尖而小的小岛有利于静电键合封装后的高过载限位。小岛尖端的绝缘层有利于减小静电键合力的不利影响。
(18)、正面镀铝层，反刻铝引线，合金化：正面真空镀铝层，厚度为1微米±0.2微米；反刻铝引线；合金化，温度为510℃，时间为20分钟，通氧气干氧化，在显微镜下观测铝层表面，出现黑色合金点。
(19)、初测：桥路电阻R＝5KΩ±0.5kΩ；电阻区之间硬击穿，BV≥70V；失调电压V0＜100mv为合格。
(20)、进入腐蚀工艺流程。所述的腐蚀工艺流程包括：
(20.1)、正面保护，背面腐蚀：首先正面涂胶，涂两遍光刻胶，前烘温度为80℃，时间为10分钟，坚膜温度为180℃，时间为30分钟；然后用熔融的黑蜡将硅片正面粘在石英板上，用NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5组成的溶液煮至沸腾，用冷的去离子水冲洗硅表面约5分钟，在1∶10的稀HF酸中腐蚀数秒，用去离子水清洗后吹干硅片表面；放入温度为50℃，浓度为40％的KOH溶液中，腐蚀140微米。
(20.2)、正面保护，背面漂净大岛表面和应力匀散区表面的SiO2层：用光刻腐蚀液漂净大岛顶端表面的SiO2层。
(20.3)、正面保护，背面大岛和应力匀散区进行无掩膜腐蚀：在温度为50℃，浓度为40％的KOH溶液中，继续腐蚀背大岛和背面底部的梁区和膜区，直到硅膜厚度＜10微米；用光刻腐蚀液漂净边框表面的SiO2层，保留小岛顶端的氮化硅和SiO2层，将硅片从石英板上取下，放在乙醚和二甲苯中洗净硅片表面的黑蜡，用等离子体干法去胶，去除硅片正面的光刻胶。
(20.4)初测，记录合格压力传感器硅芯片。

Claims (2)

1、一种压力传感器硅芯片的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、氧化：将严格清洗后的原材料硅片放入氧化炉，通氧气对硅片双面氧化，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化30分钟；
(2)、双面光刻对准记号：对氧化后的硅片双面光刻，形成双面对准记号，其中背面涂胶，前烘温度为80℃，时间为5分钟，正面涂胶，前烘温度80℃，时间为10分钟；
(3)、氧化：对经双面光刻对准记号的硅片再次氧化以使边框背面形成1微米左右的SiO2层，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化2小时30分钟；
(4)、光刻背部大膜和光刻正面梁区；
(5)、背部大膜和正面梁区腐蚀：在1∶10稀HF酸中漂洗10秒，用冷去离子水冲洗后吹干；在浓度为25％的TMAH中腐蚀70分钟，温度为50℃；
(6)、氧化：通氧气对硅片双面氧化，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化30分钟；
(7)、光刻背面应力匀散区，正面光刻胶保护，保留正面氧化层；
(8)、背面应力匀散区腐蚀：在25％的TMAH中腐蚀，大约140分，温度为50℃，腐蚀深度约为12微米，该深度根据硅片原始厚度适当予以调整；
(9)、背面胶保护，正面漂净SiO2层：背面用光刻胶保护，在光刻腐蚀液中，漂净正面的SiO2层；
(10)、氧化：通氧气对硅片双面氧化，温度为1150℃，首先是干氧化10分钟，然后通水蒸汽湿氧化30分钟；
(11)、光刻电阻区；
(12)力敏电阻区硼掺杂：电阻区采用离子束注入，涂二次光刻胶，并保留电阻区以外的光刻胶，作为离子束掺杂时的掩蔽层；用四探针测量备片方块电阻为Rs＝280Ω/方～300Ω/方；
(13)、光刻浓硼区：背面光刻胶保护，保留背面SiO2层；
(14)、浓硼扩散形成欧姆区：予淀积时温度为980℃，时间为30分钟，测试电阻Rs＝40Ω/方±10Ω/方；予淀积以后用1∶10的HF酸漂净表面硼硅层大约10秒，经去离子水冲洗烘干待用；再做硼的再分布，温度为1150℃，时间为10分钟干氮气和5分钟的干氧化；用四探针测量备片方块电阻Rs＝15Ω/方±5Ω/方；
(15)、正反面淀积氮化硅，厚度1500埃；
(16)、光刻引线孔，背面胶保护：等离子刻蚀氮化硅，光刻腐蚀液漂净引线孔内SiO2层；
(17)、光刻背小岛，正面胶保护后光刻背大岛：等离子刻蚀广大区氮化硅层，保留广大区的SiO2层；正面胶保护，刻去背面梁区和膜区的SiO2层；
(18)、正面镀铝层，反刻铝引线，合金化：正面真空镀铝层，厚度为1微米±0.2微米；反刻铝引线；合金化，温度为510℃，时间为20分钟，通氧气干氧化，在显微镜下观测铝层表面，出现黑色合金点；
(19)、初测：桥路电阻R＝5KΩ±0.5kΩ；电阻区之间硬击穿，BV≥70V；失调电压V0＜100mv为合格；
(20)、进入腐蚀工艺流程，所述的腐蚀工艺流程包括：
(20.1)、正面保护，背面腐蚀：首先正面涂胶，涂两遍光刻胶，前烘温度为80℃，时间为10分钟；坚膜温度为180℃，时间为30分钟；然后用熔融的黑蜡将硅片正面粘在石英板上，用NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5组成的溶液煮至沸腾，用冷的去离子水冲洗硅表面约5分钟，在1∶10的稀HF酸中腐蚀数秒，用去离子水清洗后吹干硅片表面；放入温度为50℃，浓度为40％的KOH溶液中，腐蚀140微米；
(20.2)、正面保护，背面漂净大岛表面和应力匀散区表面的SiO2层：用光刻腐蚀液漂净大岛顶端表面的SiO2层；
(20.3)、正面保护，背面大岛和应力匀散区进行无掩膜腐蚀：在温度为50℃，浓度为40％的KOH溶液中，继续腐蚀背大岛和背面底部的梁区和膜区，直到硅膜厚度＜10微米；用光刻腐蚀液漂净边框表面的SiO2层，保留小岛顶端的氮化硅和SiO2层，将硅片从石英板上取下，放在乙醚和二甲苯中洗净硅片表面的黑蜡，用等离子体干法去胶，去除硅片正面的光刻胶；
(20.4)初测，记录合格压力传感器硅芯片。
2、据权利要求1所述的压力传感器硅芯片制作方法，其特征在于所述原材料硅片为双面抛光(100)晶面的N型单晶硅片，电阻率为0.5～5.0Ω·cm，硅片的原始厚度为220±20μm。
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基于MEMS技术的超微压压力传感器研究进展. 薛伟等.农业机械学报，第37卷第3期. 2006
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