CN101349602B

CN101349602B - 高掺杂点电极soi压阻式压力传感器及制造方法

Info

Publication number: CN101349602B
Application number: CN2008101371130A
Authority: CN
Inventors: 田雷; 金建东; 齐虹; 于海超; 尹延昭; 李海博; 王永刚; 付博; 寇文兵; 王江
Original assignee: CETC 49 Research Institute
Current assignee: CETC 49 Research Institute
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: CN101349602A

Abstract

高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器及制造方法。本发明涉及压阻式压力传感器。它解决了使金属电极的长度较长，对于高温使用使产品的可靠性降低问题。它由硅衬底、第一二氧化硅层和高掺杂层构成SOI膜片；其外部从内向外依次有薄二氧化硅层、第二二氧化硅层和氮化硅层；电极透过上部三层与高掺杂层键和，硅衬底和下部三层腐蚀形成底部凹槽。其步骤依次如下制造：首先对SOI膜片浓硼注入，并刻蚀形成高掺杂区Q和敏感电阻R，再进行二次氧化和生长氮化硅，之后制作引线和腐蚀底部凹槽，最后常规工艺达到完成。采用高掺杂工艺制作敏感电阻和引线，在电极引出处不需要单独进行高掺杂做欧姆接触，同时减少了一步退火工艺，降低了成本，提高了产品的可靠性。

Description

高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器及制造方法

技术领域

本发明涉及一种压阻式压力传感器。

背景技术

现有的压阻式压力传感器主要采用单晶硅材料制造而成，其中的压力敏感电阻同衬底之间采用PN结进行隔离，由于PN结本身固有的性质决定了它的使用温度范围较窄，限制了该类传感器的使用范围，另外，由于PN结的存在，不可避免的存在一定的漏电流，使传感器的稳定性变差。对于取消PN结的SOI压阻式压力传感器如果采用低掺杂工艺制作，在电极引出处还需要进行高掺杂做欧姆接触，同时也增加了退火工艺，增加了工艺步骤，提高了成本，降低了产品的可靠性，这种传感器只能采用金属作为引线，使金属电极的长度较长，对于高温使用使产品的可靠性降低。

发明内容

本发明为了解决使用的金属电极的长度较长，对于高温使用使产品的可靠性降低问题，而提出了一种高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器及制造方法。

本发明的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器由硅衬底、第一二氧化硅层、薄二氧化硅层、第二二氧化硅层、氮化硅层、电极、高掺杂层、下部薄二氧化硅层、下部第二二氧化硅层和下部氮化硅层组成；所述的硅衬底、第一二氧化硅层和高掺杂层依次从下往上构成SOI膜片；所述的SOI膜片外部从内向外依次氧化和生长有薄二氧化硅层或下部薄二氧化硅层、第二二氧化硅层或下部第二氧化硅层、氮化硅层或下部氮化硅层；所述高掺杂层和其上部的薄二氧化硅层刻蚀为高掺杂区Q和敏感电阻R的图形，电极透过第二二氧化硅层、氮化硅层和薄二氧化硅层与高掺杂层键和，硅衬底、下部薄二氧化硅层、下部第二二氧化硅层和下部氮化硅层腐蚀形成截面为杯形的底部凹槽。

本发明的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器制造的步骤如下：

步骤一：对由硅衬底、第一二氧化硅层和器件层构成的SOI膜片上下表面均进行清洗和一次氧化，分别生成薄二氧化硅层和下部薄二氧化硅层；

步骤二：通过大束流注入机对器件层注入浓硼，形成高掺杂层；

步骤三：对高掺杂层和薄二氧化硅层进行光刻和刻蚀形成高掺杂区Q和敏感电阻R的图形；

步骤四：使用干氧+湿氧+干氧的方法对步骤三完成的整体进行上下表面的二次氧化，分别生成第二二氧化硅层，氧化温度为1050℃；

步骤五：采用LPCVD方法分别对第二二氧化硅层所裸露的上下表面进行氮化硅层的生长；

步骤六：先对上部氮化硅层进行光刻，再通过刻蚀方法去除上部氮化硅层、上部第二二氧化硅层和上部薄二氧化硅层制作出电极的嵌入窗口，在其上表面蒸发铝，并加以刻蚀形成电极；

步骤七：首先对下部氮化硅层进行光刻，之后使用湿法对光刻出窗口的下部氮化硅层、下部第二二氧化硅层和下部薄二氧化硅层进行刻蚀，最后在真空条件下进行合金，形成良好的欧姆接触；合金温度为480℃，合金保持时间为30min；

步骤八：底部凹槽采用在温度恒定在78～82℃之间、浓度为35％氢氧化钾的腐蚀液进行腐蚀；

步骤九：将腐蚀好的芯片，最后进行封装、分离、电路调试和性能测试，最终完成。

用SOI基片制作的压力传感器优点是传感器自身体积小、灵敏度高、精度高、动态特性好，并且具有良好的重复性和可以批量生产性，由于SOI膜片的压阻式传感器的桥路电阻之间完全分开，注入的电阻与硅衬底之间有一层SiO₂隔离，去除了传统扩散硅压阻式传感器中的P-N隔离结，因而具有良好的高低温重复特性和高低温稳定性，而且减小了漏电流，显著提高了传感器的工作温度范围；由于Si与SiO₂之间的直接键合，接触面很匹配，没有其它过滤层，避免了附加应力的产生，提高了传感器的电学与力学特性；同时，SOI压阻式传感器的制作工艺与传统的CMOS制作工艺兼容，易于实现集成化，而且由于该种传感器的衬底为硅材料，易于利用湿法或干法进行体加工出各种形状的压力敏感膜，所以这是一种性能理想的汽车压力传感器。

采用高掺杂工艺制作敏感电阻和引线，在电极引出处不需要单独进行高掺杂做欧姆接触，同时减少了一步退火工艺，降低了成本，提高了产品的可靠性，该传感器采用浓硼高掺杂层作为引线，只在内引线引出部分使用点电极用一小块金属作为压焊点，使金属电极的尺寸极小(200微米×200微米)，采用高掺杂敏感制作电阻和引线及点电极的另外一个优点是：可以用高温氧化层将敏感电阻和引线部分保护住，取消了通常采用的PECVD低温钝化工艺，在减少工艺步骤的同时，避免了低温钝化层酥松、保护效果差的弊病，提高了产品的可靠性。

该种传感器可以使使用温度扩展到-55℃～300℃的范围内。

附图说明

图1是本发明的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器的俯视图；图2是本发明制造方法中步骤一的结构示意图；图3是本发明制造方法中步骤二的结构示意图；图4是本发明制造方法中步骤三的结构示意图；图5是本发明制造方法中步骤四的结构示意图；图6是本发明制造方法中步骤五的结构示意图；图7是本发明制造方法中步骤六的结构示意图；图8是本发明制造方法中步骤七的结构示意图；图9是本发明制造方法中步骤八的结构示意图；图10是高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器的等效电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图9说明本实施方式，本实施方式的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器由硅衬底1、第一二氧化硅层2、薄二氧化硅层3、第二二氧化硅层4、氮化硅层5、电极6和高掺杂层7组成；所述的硅衬底1、第一二氧化硅层2和高掺杂层7依次从下往上构成SOI膜片；所述的SOI膜片外部从内向外依次氧化和生长有薄二氧化硅层3、第二二氧化硅层4和氮化硅层5；所述高掺杂层7和上部薄二氧化硅层3刻蚀为高掺杂区Q和敏感电阻R的图形，电极6透过上部第二二氧化硅层4、上部氮化硅层5和上部薄二氧化硅层3与高掺杂层7键和，硅衬底1、下部薄二氧化硅层3、下部第二二氧化硅层4和下部氮化硅层5腐蚀形成截面为杯形的底部凹槽8。

具体实施方式二：结合图2至图9说明本实施方式，高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器制造的步骤如下：

步骤一：对由硅衬底1、第一二氧化硅层2和器件层9构成的SOI膜片进行清洗和一次氧化，生成厚度为50nm的薄二氧化硅层3；第一二氧化硅层2作为浓硼注入的缓冲层；清洗采用半导体平面工艺的标准清洗工艺进行清洗；

步骤二：如图3所示；通过大束流注入机对器件层9注入浓度为2×10²⁰cm^-3、注入能量为80kev的浓硼，形成高掺杂层7；

步骤三：如图4所示；对高掺杂层7和薄二氧化硅层3进行光刻和刻蚀形成高掺杂区Q和敏感电阻R的图形，其中光刻要求对弦，图形与硅衬底1的弦平行；刻蚀是使用RIE对硅进行刻蚀，刻蚀中应保证将高掺杂层7刻蚀透并不损伤下面的第一二氧化硅层2；

步骤四：如图5所示；使用干氧+湿氧+干氧的方法对步骤三完成的整体进行上下表面的二次氧化，分别生成厚度为200nm～250nm的第二二氧化硅层4，氧化温度为1050℃；该步骤将浓硼注入后的退火工艺和敏感电阻R的保护层和为一步完成，在减少工艺步骤的同时提高了产品的可靠性；

步骤五：如图6所示；采用LPCVD方法分别对第二二氧化硅层4所裸露的上下表面进行氮化硅层5的生长，氮化硅层5厚度为100nm～150nm；该步骤中的氮化硅层5的上表面氮化硅层5主要是补偿氧化层的应力，而下表面氮化硅层5作为湿法腐蚀的保护层；

步骤六：如图7所示；先对上部氮化硅层5进行光刻，再通过刻蚀方法去除上部氮化硅层5、上部第二二氧化硅层4和上部薄二氧化硅层3制作出电极6的嵌入窗口，在其上表面蒸发厚度为1.2μm的铝；并加以刻蚀形成电极6；形成的电极6的尺寸为200μm×200μm；刻蚀铝是采用湿法标准工艺；所述光刻采用对准精度优于±1μm的光刻机进行光刻，表面要求涂胶保护，再进行湿法刻蚀；

步骤七：如图8所示；首先对下部氮化硅层5进行光刻，之后使用湿法对光刻出窗口的下部氮化硅层5、下部第二二氧化硅层4和下部薄二氧化硅层3进行刻蚀；所述的光刻使用对准精度优于±2μm的双面光刻机进行光刻，光刻面要求涂胶保护；最后在真空条件下进行合金，形成良好的欧姆接触；合金温度为480℃，合金保持时间为30min；

步骤八：如图9所示；底部凹槽8采用在温度恒定在78～82℃之间、浓度为35％氢氧化钾的腐蚀液进行腐蚀；

高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器所采用的工作原理：

单晶硅材料受到力的作用后，其电阻率就要发生变化，这种现象称为压阻效应。高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应制成的。传感器的敏感元件是由在单晶硅上形成一个与传感器量程相应厚度的弹性膜片，再在弹性膜片上采用微电子工艺形成四个应变电阻，组成一个惠斯通电桥，当压力作用后，弹性膜片就会产生变形，形成正、负两个应变区；同时材料由于压阻效应，其电阻率就要发生相应的变化，敏感芯片上的四个电阻条组成闭合的惠斯通电桥。由四个应变电阻组成的电桥中，对一组对角点上施加输入电压V_B时，在另一组对角点上有输出电压V_O产生，其输出由下式给出：

V_{O} = \frac{(R_{1} \times R_{3} - R_{2} \times R_{4}) \times V_{i}}{(R_{1} + R_{2}) (R_{3} + R_{4})}

式中Vi——电源电压；

V_O——电桥输出电压

高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器是在SOI膜片的上层薄硅膜上制作四个应变电阻，其等效电路如图10所示，图中R₁，R₂，R₃，R₄为四个单晶硅敏感电阻条，组成惠斯顿电桥，在SOI膜片上，应力区可分为正应力区和负应力区，在设计时，将桥臂电阻(R₁，R₃)设计在正应力区，而另一对桥臂电阻(R₂，R₄)设计在负应力区。当压力作用在膜片上时，输出应变电阻的变化与压力成正比。

Claims

1.高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器，其特征在于它由硅衬底、第一二氧化硅层、薄二氧化硅层、第二二氧化硅层、氮化硅层、电极、高掺杂层、下部薄二氧化硅层、下部第二二氧化硅层和下部氮化硅层组成；所述的硅衬底、第一二氧化硅层和高掺杂层依次从下往上构成SOI膜片；所述的SOI膜片外部从内向外依次氧化和生长有薄二氧化硅层或下部薄二氧化硅层、第二二氧化硅层或下部第二二氧化硅层、氮化硅层或下部氮化硅层；所述高掺杂层和其上部的薄二氧化硅层刻蚀为高掺杂区Q和敏感电阻R的图形，电极透过第二二氧化硅层、氮化硅层和薄二氧化硅层与高掺杂层键和，硅衬底、下部薄二氧化硅层、下部第二二氧化硅层和下部氮化硅层腐蚀形成截面为杯形的底部凹槽。

2.高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器的制造方法，其特征在于它制造的步骤如下：

步骤四：使用干氧+湿氧+干氧的方法对步骤三完成的整体进行上下表面的二次氧化，分别生成第二二氧化硅层和下部第二二氧化硅层，氧化温度为1050℃；

步骤五：采用LPCVD方法分别对第二二氧化硅层和下部第二二氧化硅层所裸露的上下表面进行氮化硅层和下部氮化硅层的生长；

步骤六：先对氮化硅层进行光刻，再通过刻蚀方法去除氮化硅层、第二二氧化硅层和薄二氧化硅层制作出电极的嵌入窗口，在其上表面蒸发铝，并加以刻蚀形成电极；

3.根据权利要求2所述的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器的制造方法，其特征在于步骤一中生成薄二氧化硅层和下部薄二氧化硅层的厚度均为50nm。

4.根据权利要求3所述的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器的制造方法，其特征在于步骤二中注入的浓硼浓度为2×10²⁰cm^-3、注入能量为80kev。

5.根据权利要求4所述的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器的制造方法，其特征在于步骤三中的光刻要求对弦，图形与硅衬底的弦平行。

6.根据权利要求5所述的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器的制造方法，其特征在于步骤三中的刻蚀是使用RIE对硅进行刻蚀。

7.根据权利要求6所述的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器的制造方法，其特征在于步骤四中的第二二氧化硅层和下部第二二氧化硅层的厚度均为200mm～250nm。

8.根据权利要求7所述的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器的制造方法，其特征在于步骤五中的氮化硅层和下部氮化硅层的厚度均为100nm～150nm。

9.根据权利要求8所述的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器的制造方法，其特征在于步骤六的窗口中蒸发铝的厚度为1.2μm。

10.根据权利要求9所述的高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器的制造方法，其特征在于步骤六中的形成的电极的尺寸为200μm×200μm。