CN101005098A

CN101005098A - 供高温力学量传感器用的纳米多晶硅－氮化铝隔膜－硅单晶衬底基片

Info

Publication number: CN101005098A
Application number: CN 200610013089
Authority: CN
Inventors: 井叶之; 潘国峰; 孙以材
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-01-21
Filing date: 2006-01-21
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2026-01-21
Also published as: CN101005098B

Abstract

本发明的要点是在力学量传感器中，利用氮化铝作为力敏电阻和[001]晶向硅单晶弹性膜之间的绝缘隔离膜。氮化铝的热膨胀系数与硅的十分接近，因此不会引入大的热应力。力敏电阻可以直接制备在AlN膜上，不用通常硼扩散法制备在n型硅上。因无p－n结，大大改进了传感器的热漂移和电漂移，传感器可在高温下使用。本发明仍应用硅单晶做弹性膜材质。这比蓝宝石陶瓷材质弹性好，机械滞后小，热匹配好，制造工艺简单。利用反应溅射在[001]晶向单晶硅基片上制成氮化铝膜，用铝诱导技术可将溅射在氮化铝膜上的非晶硅转化成纳米多晶硅。多晶硅经光刻后便形成力敏电阻条。力学量传感器的其它制备工艺与普通硅力学量传感器相同。

Description

供高温力学量传感器用的纳米多晶硅-氮化铝隔膜-硅单晶衬底基片

技术领域：

本发明所涉及产品为纳米多晶硅-氮化铝隔膜-硅单晶衬底基片。此产品可供制造高温力学量传感器。其要点是在力敏电阻条与硅弹性膜之间利用氮化铝进行绝缘隔离。氮化铝与硅的热膨胀系数接近，附着力高，耐击穿性好。由于无p-n结，力敏电阻无反向漏电，因此用本发明的产品制造的力学量传感器的特性好(电漂移小、热漂移小、非线性小)。

技术背景：

目前普通扩散硅压力传感器基本上都采用[001]硅单晶做弹性体，用各向异性腐蚀法制备硅杯。其优点在于硅的机械强度高，弹性好，机械滞后小，制备方法简单。普通扩散硅压力传感器中弹性膜面上的P型力敏电阻条利用硼扩散法依靠p-n结隔离形成。利用p-n结隔离的力敏电阻主要缺点是(1)电阻的电非线性造成零点的电漂移；(2)这种传感器只能适用于120℃以下。温度升高，反相漏电便明显增加，超过150℃后p-n结隔离便失效。因此要提高压力传感器高温性能的最佳途径是废除p-n结。近年来多晶硅-蓝宝石高温压力传感器就采用多晶硅做力敏电阻，用蓝宝石陶瓷材料做弹性体。因为无p-n结，因而热漂移和电漂移小，工作温度可高达300℃。但是用陶瓷片作弹性体时机械滞后大，制杯工艺难度大，且与硅热匹配差。拟设法改进。

发明内容：

本发明仍利用硅单晶做弹性体，这比陶瓷材质弹性好，机械滞后小，制造工艺简单。又用与硅的热膨胀系数极为接近的氮化铝将力敏电阻与硅单晶弹性体绝缘隔离，因为无p-n结，因此本发明的产品可供制造高温力学量传感器。其中力敏电阻由多晶硅层经光刻后制成。这要求先用溅射法得到非晶硅层，再采用Al诱导的方法进行600℃退火，使非晶硅转化成纳米多晶硅。用溅射法制备非晶硅的方法成本低，工艺简单。

AlN属六方纤锌矿结构，具有宽的带隙，高的电阻率，高的抗击穿电压(10⁶V/cm)，高硬度(HV1500)，高的声波传播速度，低的损耗，可用做绝缘隔离膜，又具有高热导率，高化学稳定性，对于压力传感器的电桥散热特别有利，可解决压力传感器启动时的零点时漂。本发明专利提出，可在硅单晶片上溅射出AlN膜。用氮化铝做绝缘隔膜时，由于AlN的热膨胀系数(2.58×10^-6/℃)比Al₂O₃(5.6×10^-6/℃)、SiO₂(0.5×10^-6/℃)更接近于硅(2.6×10^-6/℃)(Al₂O₃＞＞AlN≈Si＞＞SiO₂)，热应力更小，更有利于提高传感器的性能。

具体实施方式：

1、利用直流磁控溅射仪在市售的(001)硅单晶圆片上反应溅射氮化铝薄膜。靶为纯铝(99.9％)材质。硅单晶圆片为n型或p型，掺杂浓度或电阻率以适合各向异性腐蚀为宜，一般n型选择几个欧姆.厘米以下，p型选择几个欧姆.厘米以上。溅射时，反应室通入氩气和氮气(体积比为4∶1，总压强4×10^-1帕斯卡，由气体流量控制器控制)。氩为溅射气体，氮为反应气体。溅射时应加热基板150℃以上(在热的硅单晶圆片上成膜有利于提高氮化铝薄膜的附着力)。

反应溅射得到的氮化铝薄膜应是一绝缘膜，其绝缘性可以用万用表直接检测，应表现为高阻特性，但要防止表笔端划破氮化铝膜面而暴露出膜下的单晶硅，从而表现出低阻特性。在显微镜(×80)下观察氮化铝膜面时不应出现针孔。这是由于溅射时电压过高，靶与基片之间发生放电，使氮化铝击穿而致。因此，溅射时宁可减小溅射速率而避免过高的溅射电压和溅射电流。

2、在硅单晶圆片上沉积氮化铝膜(厚约0.5μm)后，将其放入退火炉，加热到700℃，保温1小时后缓冷。图1所示为经过700℃热处理后，硅衬底上的AlN膜的XRD谱(x射线衍射谱)。除了2θ＝28.4°，d＝3.142的硅(111)峰外，还出现2θ＝31.5°，d＝2.7的AlN的(100)峰。

3、在上述溅射氮化铝薄膜的硅单晶圆片上再溅射一层铝膜(厚约0.1μm)，溅射时关闭氮气，只通入氩气。在上述溅射有铝膜和氮化铝膜的硅单晶圆片上再溅射一层非晶硅(1μm)，然后送入退火炉在600℃保温1小时，在铝诱导下，使非晶硅晶化，同时使硼原子恢复电活性。图2所示为Al诱导非晶硅600℃退火后样品的X射线衍射谱。2θ＝28.4°处出现硅(111)的尖锐衍射峰，说明晶化成功。证明溅射的非晶硅可以在退火的条件下依靠铝诱导法转化为纳米晶硅。

4、非晶硅晶化时，铝有可能扩散至表面，可用磷酸去除。非晶硅溅射所用的靶材为P型硅，其电阻率为0.7Ω.cm，溅射时关闭氮气，只通入氩气。

5、在上述溅射有非晶硅、氮化铝的硅单晶圆片上再溅射氮化硅膜(厚度300nm)，用作钝化层。此时靶材仍为P型单晶硅。反应室中同时通入氩气和氮气，其比例为(Ar∶N₂＝4∶1)。

6、图3所示为供高温压力传感器用的本发明专利纳米多晶硅-氮化铝隔膜-硅单晶衬底基片的结构示意图。如上述溅射有氮化硅钝化层、晶化的多晶硅层、氮化铝隔膜的硅圆片用作力学量传感器的衬底片，则在背面再溅射一层氮化硅膜用作硅杯制作腐蚀时的掩膜。

当上述各步完成之后，表明已生产出可供高温力学量传感器用的纳米多晶硅-氮化铝隔膜-硅单晶衬底片。此后，可用与普通力学量传感器基本相同的工艺制造出力学量传感器。图4所示为本发明专利产品拟供制造的高温力学量传感器的推荐结构。

附图说明：

图1是经过700℃热处理后，硅衬底上的AlN膜的XRD谱(x射线衍射谱)。除了2θ＝28.4°，d＝3.142的硅(111)峰外，还出现2θ＝31.5°，d＝2.7的AlN的(100)峰。

图2是Al诱导非晶硅600℃退火后样品的X射线衍射谱。2θ＝28.4°处出现硅(111)的尖锐衍射峰，说明晶化成功。证明溅射的非晶硅可以在退火的条件下依靠铝诱导法转化为纳米晶硅。

图3是供高温压力传感器用的本发明专利纳米多晶硅-氮化铝隔膜-硅单晶衬底基片的结构示意图。

图4是本发明专利产品拟供制造的高温力学量传感器的推荐结构。

Claims

1.本发明所涉及产品为由纳米多晶硅-氮化铝绝缘隔膜-硅单晶所构成的衬底基片。其主要特征是具有“三明治”单层或多层夹层结构。它可供制造高温力学量传感器或其它半导体器件、集成电路。多晶硅经光刻后可构成力学量传感器中的力敏电阻。硅单晶可加工成弹性膜。力敏电阻依靠氮化铝膜与硅弹性膜绝缘隔离。氮化铝膜用反应溅射法或CVD法制备在硅弹性膜上。纳米多晶硅可由溅射法所制得的非晶硅依靠铝诱导技术转化而得。

2.如权利1所述的力学量传感器应包括力、压力、加速度及热学量、力学量复合传感器，以及凡具有“三明治”单层或多层结构的其它半导体器件或集成电路。

3.如权利1所述的硅弹性薄膜包括平板膜、杯型膜、E字形膜、C字形膜。

4.如权利1所述的力敏电阻也包括非力敏电阻，利用溅射在氮化铝膜上的非晶硅依靠铝诱导技术，在500-750℃下退火转化成纳米多晶硅后光刻形成。

5.如权利4所述的氮化铝膜上的非晶硅利用硅靶(P型，电阻率0.1-1Ω.cm)溅射而成。也可以用化学汽相淀积(CVD)法生成。

6.如权利1所述的力敏电阻与弹性硅膜之间的氮化铝膜也可以是热膨胀系数与硅接近的其它薄膜或是复合膜、多层膜。

7.如权利1所述的具有“三明治”结构的衬底基片表面可生长一层氮化硅膜。用溅射法或CVD法将它沉积在纳米多晶硅上，起钝化和掩膜作用。也可用其它钝化膜如二氧化硅、磷硅玻璃代替之。