CN101290255B - 0-50Pa单片硅基SOI超低微压传感器的制备方法 - Google Patents

0-50Pa单片硅基SOI超低微压传感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为0-50Pa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，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。其芯片包括硅衬底(1)，在硅衬底的两面覆盖有绝缘层(2)，绝缘层(2)表面约0.3微米的单晶硅薄膜生成电阻(3)，内引线(4)与电阻(3)连接；芯片背面的开口内制作有背岛(7)或无背岛的平膜；在背岛和边框之间为氮化硅和二氧化硅复合弹性膜(8)。取单晶硅作衬底(1)，然后在衬底背面刻出开口(6)；对硅片正面进行氧离子注入、对硅片进行退火处理，形成二氧化硅绝缘层和单晶硅薄膜，在正面热生长氧化层、P型导电层、然后在硅片正面形成电阻区(3)和内引线热压脚区(4)，而正面其它区域的单晶硅薄膜被腐蚀掉，暴露出二氧化硅层；让硅片正反面淀积的氮化硅薄膜与正面的二氧化硅组成互补的复合膜绝缘层。

Description

0-50Pa单片硅基SOI超低微压传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及力敏传感器技术领域，具体为一种0-50pa单片硅基SOI超低微压传感器。
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。现在业内专家也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。而业内研究生产的300pa微压传感器是采用体微机械加工技术生产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。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了0-50pa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0-50pa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：
0-50pa单片硅基SOI超低微压传感器的制备方法，其特征在于：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(6)，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口(6)中硅表面，深度为5-10微米；
采用150Kev高能量离子束机对硅片正面进行氧离子注入，注入深度0.3微米；
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2小时，在退火同时，注入到单晶硅表面0.3微米的深层处的氧离子与硅原子结合，形成二氧化硅绝缘层；同时在正面形成厚度为0.3微米的单晶硅薄膜；
在1000度高温氧化炉内，用干燥氧气作保护气体，正面热生长氧化层60纳米-80纳米；
正面单晶硅薄膜采用离子束机注入硼原子，能量100Kev，剂量4.2×1014，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，使反映正面单晶硅薄膜杂质浓度的表面方块电阻达到240欧姆；
用光刻加上TMAH湿法腐蚀技术或RIE干法刻蚀技术，在硅片正面形成单晶硅力敏电阻区(3)和单晶硅内引线热压脚区(4)，而正面其它区域的单晶硅薄膜被腐蚀或刻蚀掉，暴露底部的所述二氧化硅绝缘层；
用LPCVD技术，让硅片正反面淀积150纳米的氮化硅薄膜，与正面暴露的所述二氧化硅绝缘层组成应力互补的复合膜绝缘层；
对与所述单晶硅内引线热压脚区相连接的力敏电阻端头形成欧姆电极的 引线孔区(4)进行光刻，用F4C等离子体刻蚀孔内氮化硅，用光刻腐蚀液漂去孔内氧化层，暴露硅表面，然后在引线孔区(4)内进行浓硼扩散，形成欧姆接触区；
背面光刻方形开口(6)中的背岛，正面蒸镀铝膜反刻形成铝内引线，使四个单晶硅力敏电阻(3)之间形成惠斯顿电桥，在边框上引出五个压焊脚，其中二个开口的压焊脚作为调节失调电压时使用；
对衬底背面方形开口区(6)进行湿法腐蚀，直至所述二氧化硅绝缘层产生腐蚀时终止，最后形成0-50pa单片硅基SOI超低微压传感器芯片。
通过上述工艺制作0-50pa单片硅基SOI超低微压传感器，由于采用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，而在掺浓硼的单晶硅引线表面覆盖铝层组成传感器的内引线，避免了内引线与单晶硅力敏电阻连接时因台阶引起的断裂现象；由于力敏电阻采用单晶硅作材料，所以压阻系数比多晶硅或其它非晶材料大好几倍，在相同结构参数条件下，构成压力传感器的灵敏度大3倍以上。同时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350度高温下仍能稳定工作，保证具有很低的零点漂移，工艺简单、一致性好，芯片间电学特性离散性很小，所以适宜于大规模生产。
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方框图。
具体实施方式
见图1、图2，本发明的芯片包括一个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表面约0.3微米的单晶硅薄膜生成有四个SOI力敏电阻3，力敏电阻3的材质为单晶硅；掺浓硼的单晶硅内引线4与电阻3连接；力敏电阻3和单晶硅内引线4是依附于二氧化硅绝缘层表面，且再覆盖氮化硅绝缘层；在单晶硅内引线4表面覆盖铝引线5；SOI单晶硅力敏电阻3设置于中心梁和边梁；芯片背面具有方形开口6，开口内制作有两个矩形背岛7，或一个矩形背岛，或无背岛的平膜；在背岛和边框之间为氮化硅和二氧化硅复合弹性 膜8。
0-50pa单片硅基SOI超低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6，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口6中硅表面，深度为5-10微米；
采用150Kev高能量离子束机对硅片正面进行氧离子注入，注入深度约0.3微米左右；
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2小时，在退火同时，注入到单晶硅表面0.3微米的深层处的氧离子与硅原子结合，形成二氧化硅绝缘层；同时在正面形成厚度为0.3微米的单晶硅薄膜。
在1000度高温氧化炉内，用干燥氧气作保护气体，正面热生长氧化层60纳米-80纳米；
正面单晶硅薄膜采用离子束机注入硼原子，能量100Kev，剂量4.2×1014，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，使反映正面单晶硅薄膜杂质浓度的表面方块电阻达到240欧姆左右；
用光刻和TMAH湿法腐蚀或RIE干法刻蚀技术，在硅片正面形成单晶硅力敏电阻区3和单晶硅内引线热压脚区4，而正面其它区域的单晶硅薄膜被腐蚀或刻蚀掉，暴露底部的二氧化硅层；
用LPCVD技术，让硅片正反面淀积150纳米的氮化硅薄膜，与正面暴露的二氧化硅组成应力互补的复合膜绝缘层；
对力敏电阻端头形成欧姆电极的引线孔区4进行光刻，用F4C等离子体刻蚀孔内氮化硅，用光刻腐蚀液漂去孔内氧化层，暴露硅表面，然后在引线孔区4内进行浓硼扩散，形成欧姆接触区；
背面光刻方形开口6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3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6进行湿法腐蚀，直至二氧化硅层产生腐蚀自终止，最后形成0-50pa单片硅基SOI超低微压传感器芯片。

Claims (1)

1.0-50pa单片硅基SOI超低微压传感器的制备方法，其特征在于：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(6)，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口(6)中硅表面，深度为5-10微米；
采用150Kev高能量离子束机对硅片正面进行氧离子注入，注入深度0.3微米；
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2小时，在退火同时，注入到单晶硅表面0.3微米的深层处的氧离子与硅原子结合，形成二氧化硅绝缘层；同时在正面形成厚度为0.3微米的单晶硅薄膜；
在1000度高温氧化炉内，用干燥氧气作保护气体，正面热生长氧化层60纳米-80纳米；
正面单晶硅薄膜采用离子束机注入硼原子，能量100Kev，剂量4.2×1014 ，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，使反映正面单晶硅薄膜杂质浓度的表面方块电阻达到240欧姆；
用光刻加上TMAH湿法腐蚀技术或RIE干法刻蚀技术，在硅片正面形成单晶硅力敏电阻区(3)和单晶硅内引线热压脚区(4)，而正面其它区域的单晶硅薄膜被腐蚀或刻蚀掉，暴露底部的所述二氧化硅绝缘层；
用LPCVD技术，让硅片正反面淀积150纳米的氮化硅薄膜，与正面暴露的所述二氧化硅绝缘层组成应力互补的复合膜绝缘层；
对与所述单晶硅内引线热压脚区相连接的力敏电阻端头形成欧姆电极的引线孔区(4)进行光刻，用F4C等离子体刻蚀孔内氮化硅，用光刻腐蚀液漂去孔内氧化层，暴露硅表面，然后在引线孔区(4)内进行浓硼扩散，形成欧姆接触区；
背面光刻方形开口(6)中的背岛，正面蒸镀铝膜反刻形成铝内引线，使四个单晶硅力敏电阻(3)之间形成惠斯顿电桥，在边框上引出五个压焊脚，其中二个开口的压焊脚作为调节失调电压时使用；
对衬底背面方形开口区(6)进行湿法腐蚀，直至所述二氧化硅绝缘层产生腐蚀时终止，最后形成0-50pa单片硅基SOI超低微压传感器芯片。
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