CN101289160A - 0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器及其加工方法 - Google Patents

0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明为0～100pa单片硅基SOI超低微压传感器。其具有较高的灵敏度和线性度，耐高温、工艺简单，工艺一致性好，生产成本低、适宜于大规模生产，为此，本发明还提供了传感器的加工方法。其芯片包括一个N型或P型硅衬底(1)，在硅衬底的两面覆盖有绝缘层(2)，绝缘层(2)表面淀积多晶硅层(3)；在多晶硅层表面为二氧化硅层(4)；二氧化硅层(4)表面为多晶硅薄膜层；多晶硅薄膜层生成多晶硅力敏电阻(5)，掺浓硼的多晶硅内引线(6)与电阻(5)连接；在多晶硅内引线(6)表面覆盖铝引线(7)；芯片背面具有方形开口(10)；取单晶硅作衬底(1)，然后在衬底通过光刻、淀积、离子束机注入、退火处理、通干氧－湿氧－干氧、光刻和TMAH湿法腐蚀或RIE干法刻蚀技术、光刻、浓硼扩散、正面蒸镀铝膜、引出焊脚、湿法腐蚀等工艺加工。

Description

0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器及其加工方法
(一)技术领域
本发明涉及力敏传感器技术领域，具体为0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器及其加工方法。
(二)背景技术
目前国内超低微压传感器非常紧缺，价格昂贵，几乎全部由国外进口。国内学者曾于2000年完成国家九五科技攻关“96-748传感器技术”研究项目“硅微压力传感器”。(分专题96-748-02-01-/02)完成的技术指标是：量程0-300pa，NL＜0.5％，精度1.0％，VFS＞30mv，VCC6伏，过载破坏压强＞140倍。并经科技查新(1999年12月22日)(查新中心站管理编号：SJTU99-037)，查新结果：该成果达到九十年代国际同类器件的领先水平。目前市场上能买到美国、德国、丹麦的微压传感器，量程均在2kpa以上，过载破坏压强是量程的2-5倍。现在业内在实验室小批量生产1kpa量程的微压传感器，但由于受到设备条件的限制，无法形成规模生产。而业内发明的300pa微压传感器，是采用体微机械加工技术的扩散硅压力传感器，桥路电阻之间采用PN结隔离，所以受温度影响很明显，其零点稳定性远没有SOI结构好。
(三)发明内容
针对上述问题，本发明提供了0～100pa单片硅基SOI超低微压传感器，其具有较高的灵敏度和线性度，耐高温、工艺简单易操作，工艺一致性好，生产成本低，芯片间电学特性离散性很小，适宜于大规模生产，为此，本发明还提供了0～100pa单片硅基SOI超低微压传感器的加工方法。
其技术方案是这样的：
一种0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器，其特征在于：其芯片包括一个N型或P型硅衬底1，在硅衬底的两面覆盖有绝缘层2，正面绝缘层是采用二氧化硅和氮化硅组成的复合膜；绝缘层2表面淀积2微米左右的多晶硅层3；在多晶硅层表面生长200纳米的二氧化硅层4；再在二氧化硅层4表面淀积600纳米多晶硅薄膜层；多晶硅薄膜层生成有四个SOI多晶硅力敏电阻5，掺浓硼的多晶硅内引线6与电阻5连接；在多晶硅内引线6表面覆盖铝引线7；SOI多晶硅力敏电阻5制作在中心梁8和边梁9内；芯片背面具有方形开口7，开口内制作有两个矩形背岛，或一个矩形背岛，或无背岛的平膜；在背岛和边框之间为二氧化硅/氮化硅/多晶硅复合弹性膜。
其进一步特征在于：力敏电阻(5)的材质为多晶硅薄膜；力敏电阻5和多晶硅内引线6是依附于二氧化硅/氮化硅/多晶硅/二氧化硅多层复合弹性膜表面，且正面再覆盖二氧化硅绝缘层；
传感器的弹性膜是由二氧化硅/氮化硅/多晶硅/二氧化硅复合膜制成。
所述的力敏电阻5的结构分别是：正面做力敏电阻背面仅是方形开口的平膜C型结构或正面做力敏电阻背面在方形开口中仅做一个硅单晶岛平膜E型结构或正面做力敏电阻背面在方形开口中做二个硅单晶岛平膜双岛型结构，使得传感器的灵敏度和线性度得以提高。
一种0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤，取一片厚度为0.3～1毫米双面抛光100晶向的单晶硅作衬底(1)，采用常规的氧化光刻工艺，在衬底两面先形成双面光刻对准记号，然后继续氧化并在衬底背面光刻出方形开口7，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口7中硅表面，深度为5-10微米，采用LPCVD在方形开口7淀积多晶硅2微米左右，在1100度的高温氧化炉内用氮气作保护气体，对多晶硅进行退火处理2小时，以减小多晶硅层的晶粒间隙，然后通氧气形成200纳米二氧化硅绝缘层，在200纳米二氧化硅绝缘层表面，采用LPCVD淀积多晶硅0.6微米左右；正面多晶硅薄膜采用离子束机注入硼原子，能量100Kev，剂量1.6×1015，使其成为P型导电层；在1100度的高温氧化炉内用氮气作保护气体，对硅片进行退火处理0.5小时，然后通过通干氧-湿氧-干氧时间的调节，使反映正面多晶硅薄膜杂质浓度的表面方块电阻达到80-100欧姆左右，用光刻和TMAH湿法腐蚀或RIE干法刻蚀技术，在硅片正面形成多晶硅力敏电阻区5和多晶硅内引线热压脚区6，而正面其它区域的多晶硅薄膜被腐蚀或刻蚀掉，暴露0.6微米多晶硅薄膜下面的二氧化硅层；对多晶硅力敏电阻端头形成欧姆电极的引线孔区6进行光刻，暴露多晶硅表面，然后在引线孔区6内进行浓硼扩散，形成欧姆接触区；背面光刻方形开口7和背岛；正面蒸镀铝膜反刻形成铝内引线，使四个单晶硅力敏电阻5之间形成惠斯顿电桥，在边框上引出五个压焊脚，其中二个开口的压脚作为调节失调电压时使用，对衬底背面方形开口区7进行体微机械加工湿法腐蚀，当腐蚀到二氧化硅层，会产生腐蚀自终止，此时腐蚀结束。最后形成0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器芯片。
通过上述工艺制作0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器，采用平膜C型、平膜E型、平膜双岛型三种结构，用以提高传感器的灵敏度和线性度；又由于力敏电阻之间用二氧化硅绝缘层作隔离层，与常规的扩散硅压力传感器相比，不存在PN结反向漏电流问题，因此耐高温，可在200度高温下仍能稳定工作，保证具有很低的零点漂移、制作工艺简单，成品率达90％以上，生产成本低，适宜于大规模生产。
(四)附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的加工流程图。
(五)具体实施方式
见图2，本发明芯片包括一个N型或P型硅衬底1，在硅衬底的两面覆盖有绝缘层2，正面绝缘层是采用二氧化硅和氮化硅组成的复合膜；绝缘层2表面淀积2微米左右的多晶硅层3；在多晶硅层表面生长200纳米的二氧化硅层4；再在二氧化硅层4表面淀积600纳米多晶硅薄膜层；多晶硅薄膜层生成有四个SOI多晶硅力敏电阻5，力敏电阻5的材质为多晶硅薄膜；掺浓硼的多晶硅内引线6与电阻5连接；力敏电阻5和多晶硅内引线6是依附于二氧化硅/氮化硅/多晶硅/二氧化硅多层复合弹性膜表面，且正面再覆盖二氧化硅绝缘层；在多晶硅内引线6表面覆盖铝引线；SOI多晶硅力敏电阻5制作在中心梁和边梁内；芯片背面具有方形开口7，开口内制作有两个矩形背岛，或一个矩形背岛，或无背岛的平膜(见图1)；在背岛和边框之间为二氧化硅/氮化硅/多晶硅复合弹性膜。
传感器的弹性膜是由二氧化硅/氮化硅/多晶硅/二氧化硅复合膜制成。
力敏电阻5的结构分别是：正面做力敏电阻背面仅是方形开口的平膜C型结构、正面做力敏电阻背面在方形开口中仅做一个硅单晶岛平膜E型结构、正面做力敏电阻背面在方形开口中做二个硅单晶岛平膜双岛型结构，使得传感器的灵敏度和线性度得以提高。
一种0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器的制备方法，包括以下步骤，取一片厚度为0.3～1毫米双面抛光100晶向的单晶硅作衬底(1)，采用常规的氧化光刻工艺，在衬底两面先形成双面光刻对准记号，然后继续氧化并在衬底背面光刻出方形开口(7)，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口(7)中硅表面，深度为5-10微米，采用LPCVD在方形开口(7)淀积多晶硅2微米左右，在1100度的高温氧化炉内用氮气作保护气体，对多晶硅进行退火处理2小时，以减小多晶硅层的晶粒间隙，然后通氧气形成200纳米二氧化硅绝缘层，在200纳米二氧化硅绝缘层表面，采用LPCVD淀积多晶硅0.6微米左右；正面多晶硅薄膜采用离子束机注入硼原子，能量100Kev，剂量1.6×1015，使其成为P型导电层；在1100度的高温氧化炉内用氮气作保护气体，对硅片进行退火处理0.5小时，然后通过通干氧-湿氧-干氧时间的调节，使反映正面多晶硅薄膜杂质浓度的表面方块电阻达到80-100欧姆左右，用光刻和TMAH湿法腐蚀或RIE干法刻蚀技术，在硅片正面形成多晶硅力敏电阻区和多晶硅内引线热压脚区，而正面其它区域的多晶硅薄膜被腐蚀或刻蚀掉，暴露0.6微米多晶硅薄膜下面的二氧化硅层；对多晶硅力敏电阻端头形成欧姆电极的引线孔区进行光刻，暴露多晶硅表面，然后在引线孔区内进行浓硼扩散，形成欧姆接触区；背面光刻方形开口(7)和背岛；正面蒸镀铝膜反刻形成铝内引线，使四个单晶硅力敏电阻(5)之间形成惠斯顿电桥，在边框上引出五个压焊脚，其中二个开口的压脚作为调节失调电压时使用，对衬底背面方形开口区(7)进行体微机械加工湿法腐蚀，当腐蚀到二氧化硅层，会产生腐蚀自终止，此时腐蚀结束。最后形成0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器芯片。

Claims (6)

1、0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器，其特征在于：其芯片包括一个N型或P型硅衬底(1)，在硅衬底的两面覆盖有绝缘层(2)，正面绝缘层是采用二氧化硅和氮化硅组成的复合膜；绝缘层(2)表面淀积2微米左右的多晶硅层(3)；在多晶硅层表面生长200纳米的二氧化硅层(4)；再在二氧化硅层(4)表面淀积600纳米多晶硅薄膜层；多晶硅薄膜层生成有四个SOI多晶硅力敏电阻(5)，掺浓硼的多晶硅内引线(6)与电阻(5)连接；在多晶硅内引线(6)表面覆盖铝引线(7)；SOI多晶硅力敏电阻(5)制作在中心梁(8)和边梁(9)内；芯片背面具有方形开口(10)，开口内制作有两个矩形背岛(11)，或一个矩形背岛，或无背岛的平膜；在背岛和边框之间为二氧化硅/氮化硅/多晶硅复合弹性膜(12)。
2、根据权利要求1所述0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器，其特征在于：力敏电阻(5)的材质为多晶硅薄膜。
3、根据权利要求1所述0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器，其特征在于：力敏电阻(5)和多晶硅内引线(6)是依附于二氧化硅/氮化硅/多晶硅/二氧化硅多层复合弹性膜表面，且正面再覆盖二氧化硅绝缘层。
4、根据权利要求1所述0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器，其特征在于：传感器的弹性膜是由二氧化硅/氮化硅/多晶硅/二氧化硅复合膜制成。
5、根据权利要求1所述0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器，其特征在于：所述的力敏电阻(5)的结构分别是：正面做力敏电阻背面仅是方形开口的平膜C型结构或正面做力敏电阻背面在方形开口中仅做一个硅单晶岛平膜E型结构或正面做力敏电阻背面在方形开口中做二个硅单晶岛平膜双岛型结构，使得传感器的灵敏度和线性度得以提高。
6、
Figure A2008100241920002C1
0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤，取一片厚度为0.3～1毫米双面抛光100晶向的单晶硅作衬底(1)，采用常规的氧化光刻工艺，在衬底两面先形成双面光刻对准记号，然后继续氧化并在衬底背面光刻出方形开口(10)，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口(10)中硅表面，深度为5-10微米，采用LPCVD在方形开口(10)淀积多晶硅2微米左右，在1100度的高温氧化炉内用氮气作保护气体，对多晶硅进行退火处理2小时，以减小多晶硅层的晶粒间隙，然后通氧气形成200纳米二氧化硅绝缘层，在200纳米二氧化硅绝缘层表面，采用LPCVD淀积多晶硅0.6微米左右；正面多晶硅薄膜采用离子束机注入硼原子，能量100Kev，剂量1.6×1015，使其成为P型导电层；在1100度的高温氧化炉内用氮气作保护气体，对硅片进行退火处理0.5小时，然后通过通干氧-湿氧-干氧时间的调节，使反映正面多晶硅薄膜杂质浓度的表面方块电阻达到80-100欧姆左右，用光刻和TMAH湿法腐蚀或RIE干法刻蚀技术，在硅片正面形成多晶硅力敏电阻区(5)和多晶硅内引线热压脚区(6)，而正面其它区域的多晶硅薄膜被腐蚀或刻蚀掉，暴露0.6微米多晶硅薄膜下面的二氧化硅层；对多晶硅力敏电阻端头形成欧姆电极的引线孔区(6)进行光刻，暴露多晶硅表面，然后在引线孔区(6)内进行浓硼扩散，形成欧姆接触区；背面光刻方形开口(10)和背岛(11)；正面蒸镀铝膜反刻形成铝内引线，使四个单晶硅力敏电阻(5)之间形成惠斯顿电桥，在边框上引出五个压焊脚，其中二个开口的压脚作为调节失调电压时使用，对衬底背面方形开口区(10)进行体微机械加工湿法腐蚀，当腐蚀到二氧化硅层，会产生腐蚀自终止，此时腐蚀结束。最后形成0-100pa单片硅基SOI高温低漂移微压传感器芯片。
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