CN101551403B - 一种测试加速度,压力和温度的集成硅芯片及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测试加速度，压力和温度的集成硅芯片及制作方法，其特征是同一套微加工工艺将热电堆的加速度传感器、压力传感器和温度传感器制作在一个芯片上。采用热对流式的加速度传感器，是用多晶硅电阻作为加热器，用两对金属(铝、钛钨金等)和P型多晶硅或N型构成热电堆检测由加速度引起的密封空腔内的温度差，来检测加速度。用低应力的氮化硅薄膜作为压力传感器芯片的核心结构层，多晶硅薄膜形成力敏电阻条，在LPCVD炉中用TEOS栓形成真空参考腔，制作出高精度的绝对压力传感器。同时用多晶硅热敏电阻来检测温度变化，构成温度传感器。此集成芯片实现微型化和低成本化，具有精度高，可靠性好，稳定性佳等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试加速度，压力和温度的集成硅芯片及制作方法，更确切地说，提供一种用同一套微加工工艺将基于热电堆加速度传感器(加速度计)、压力传感器和温度传感器制作在一个芯片上，属于硅微机械传感器技术领域。
背景技术
在航空航天、工业自动化控制、汽车电子、航海以及消费电子等领域中，需同时测量加速度、压力、温度等参数。如在汽车轮胎压力检测系统中，利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。同时增加加速度传感器，加速度传感器检测汽车是否正在行驶，传感器模块中增加了加速度传感器，利用其对运动的敏感性，实现汽车移动即时开机，进入系统自检、自动唤醒。汽车高速行驶时按运动速度自动智能确定检测时间周期，用软件设定安全期、敏感期和危险期，以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力、大大地降低系统功耗。利用芯片上的温度传感器来检测轮胎中温度变化，从而在温度过高时，提供预警信号，防止爆胎等事故的发生。
传统的压阻式压力传感器采用扩散或离子注入的方法，掺杂获得4个硅应变电阻，在单晶硅片正面上构成惠斯顿电桥的应力敏感检测模式，电阻和衬底之间一般形成pn结隔离。为了满足测试量程的需要，背面一般采用氢氧化钾腐蚀减薄，也就是常称为体微机械加工。为制作绝对压力传感器，必须先采用两块硅片预加工后，高温键合形成真空腔，然后抛光减薄到所需要的厚度，再在键合体的正面通过体微机械加工，形成所需要的图形，以构成检测电路[徐敬波，赵玉龙，蒋庄德，孙剑.一种集成三轴加速度计、压力、温度的硅传感器，仪器仪表学报，2007，28(8)：1294-1297]。
基于体微机械加工的绝对压力传感器芯片制作上有如下的缺点：首先：通电后的电阻和硅衬底之间是pn结隔离，当器件温度在100℃以上时，pn结漏电流很大，使器件无法工作，因此无法满足中高温度环境下压力测试的使用。其二：为获得绝对压力测试的真空参考腔，必须两块硅片预加工后，在真空环境下高温键合，并必须再抛光减薄，因此初始成本高，工序繁多。其三：体微机械加工的压力传感器，必须对硅片背部进行各向异性湿法深腐蚀，减薄后满足低量程测试的需求，这样浪费了硅片上大量的面积，使得硅片的利用面积远远小于表面微机械加工。例如：对一片厚度为450μm的标准四英寸的硅片，为获得100×100μm的压力传感器的敏感薄膜，对体微机械加工而言需要占用800×800μm硅片面积；而对表面微机械而言仅仅需要100×100μm的区域就够了。[Lin LW，Yun W J.Design，optimization andfabrication of surface micromachined pressure sensors，Mechatronics，1998，8：505-519，1998]。其四：体微机械加工的压力传感器芯片为满足封装的需要，还必须和专用的玻璃(型号：Pyrex 7740)进行静电键合以增加封装强度，才能满足实际测试需要；而表面微机械加工的压力传感器芯片面积可以很小，更兼容于现有的微电子封装技术，如倒装焊接(Flip chip)等贴片封装，使得无论是芯片制作成本，还是后期的封装成本都远远小于体微机械加工的压力传感器芯片。最为重要的是：体微机械加工的压力传感器的工艺与现有的集成电路(IC)工艺不兼容，因此芯片无法与信号调节电路，微处理器等集成在一起，而表面微机械加工的压力传感器芯片工艺与IC工艺相兼容，可以将信号调节电路，微处理器等集成在一起，而且可以将其他测试功能用同样的工艺集成在一起，如加速度测试，温度测试等，使得芯片多功能化，更符合目前测试系统集成化，小型化和低成本化的发展要求。
硅微机械加速度计常用的有压阻式和电容式两种，压阻式加速度计一般由悬臂梁和质量块构成，将力敏电阻制作在悬臂梁上，有加速度时质量块运动，使得悬臂梁变形，从而引起电阻变化，来检测加速度。同样电容式加速度计也有质量块，在加速度作用时，引起质量块运动，与电容器的另外一个电极间距离发生变化，从而通过检测电容的变化来获得输入的加速度值。二者都通过体微机械加工，为提高灵敏度，需具有较大的质量块。因此不易微型化，以及不能与IC工艺兼容。压阻式加速度计有温度漂移的缺点，而电容式加速度计极板间存在粘附等失效问题。采用基于热电堆的加速度计，取消了质量块，代之是热对流的小气团，使得体积大为缩小，同时能抵抗50000g以上的冲击，而且微加工工艺与IC兼容，使得可以大批量制作，成本低廉。
发明内容
基于上面所述的基于体微机械加工的集成硅芯片制作上的缺点，本发明的目的在于提供一种测试加速度，压力和温度的集成硅芯片及制作方法。
本发明特征在于所述的集成硅芯片上包括基于热电堆加速度传感器、绝对压力传感器和温度传感器，采用LPCVD沉积的低应力氮化硅薄膜同时作为压力传感器的结构层、热电堆加速度传感器和温度传感器的支撑层，其中所述的热电堆的加速度传感器，采用热对流式，是用多晶硅电阻作为加热器的，悬于密封腔的中间，通电后电阻自身发热，在加速度为零时，在腔内形成等温的对流场；在有加速度计时，引起小气流团自由对流，在腔体内形成温度梯度场。两对金属(铝或钛钨金等)和P型多晶硅和N型多晶硅组成的热电堆等距离对称地放置在加热器的两侧，由于两侧热电堆的温度不同，使得热电堆有电压输出，从而可以检测两侧的温度差。由于温度差和加速度成正比，因此通过检测两点的温度差，就可以测量加速度。
所述的绝对压力传感器的设计由低应力的氮化硅(LS SiN)薄膜作为压力传感器芯片的核心结构层，多晶硅薄膜淀积在LS SiN薄膜上，通过结构和位置的优化设计，干法腐蚀制作形成力敏电阻条。用氢氟酸腐蚀牺牲层，后在低压化学汽相淀积(LPCVD)炉中密封腔，形成真空参考腔。
所述的温度传感器采用掺杂的多晶硅电阻自身的热敏效应，即受温度变化的影响，在一定的温度范围内，电阻线性的变化值来检测温度变化值。
此三种传感器集成在一个芯片上，用同一套微加工工艺在一个硅片上，通过8次光刻工艺完成的，工艺步骤是首先构建牺牲层，定义多晶硅力敏电阻、热电堆加速度传感器的热电偶和温度传感器热敏电阻，如图2(a)所示，考虑在高温氧化和氮化后的硅片上，相继采用低压化学汽相淀积(LPCVD)方法淀积低温氧化硅(LTO)和掺磷的低温氧化硅(PSG)，腐蚀后两层薄膜作为牺牲层，其中PSG的厚度远小于LTO的厚度，且在氢氟酸中腐蚀速率快，被用作腐蚀通道，而且由于PSG厚度薄有利于薄膜封住腐蚀孔。
用LPCVD淀积低应力的氮化硅(LS SiN)薄膜作为压力传感器芯片的核心结构层、加速度计的热电堆和温度传感器热敏电阻的支撑层，在其上用LPCVD淀积多晶硅薄膜，通过硼扩散或硼离子注入使得多晶硅掺杂，高温退火使得杂质激活后，腐蚀形成四个突出的压力传感器多晶硅的力敏电阻，精确地布置在LS SiN结构层的压力敏感位置。同时形成加速度计的热电偶、加热器和温度传感器热敏电阻。
再形成绝对压力传感器测试的真空参考腔和金属引线，如图1(b)所示，在LS SiN结构层上用反应离子刻蚀(RIE)的方法，腐蚀出释放牺牲层的腐蚀孔，将硅片浸泡在浓氢氟酸溶液中，精确地控制时间，完全腐蚀掉LTO和PSG的牺牲层，使其位置变成空腔。再用LPCVD淀积由四乙氧基硅烷(Si(OC2H5)4)为硅源分解生成的氧化硅(TEOS)封住腐蚀孔，由于LPCVD生长TEOS时炉管中的气压很低，沉积时温度为720℃，炉管中的气压为53.2Pa。这样常温如25℃时，密闭的腔体内气压小于15Pa，接近于绝对压力传感器的真空参考腔。再金属(可以是铝或钛钨金等)布线，在多晶硅力敏电阻上用LPCVD中淀积薄的LS SiN作为绝缘层，开接触孔后，溅射金属层，腐蚀后完成金属引线。
再深腐蚀加速度计空腔，如图2(c)所示，通过干法或湿法深腐蚀，形成热电堆加速度加速度传感器的深腔。最后BCB键合，形成封闭的腔，如图2(d)所示预先制作盖板硅片，腐蚀有深坑，同时腐蚀有通孔选用有机BCB胶(Benzocyclobuene)将盖板硅片与器件硅片粘结起来，从而形成所需要的密闭空腔。将键合后的双层硅片在划片机上分成每个单元，盖板硅上的通孔将器件硅片上的焊盘暴露出来，压焊后实现电路的互连。
综上所述，本发明提供的一种基于热电堆的加速度计，压力传感器和温度传感器集成芯片及制作方法，用同一套工艺将加速度计、绝对压力传感器和温度传感器集成在一个微小的芯片上，可以同时检测加速度、压力和温度三个参数，而且灵敏度高，稳定性好，精度佳。其制作方法与IC工艺兼容，可以和信号调节电路，微处理器，以及其他测试功能集成在一起，大批量低成本、微型化制作。
附图说明
图1为本发明提供的是一种测试加速度，压力和温度的集成硅芯片及制作方法未键合前图形面的扫描电镜照片，左上角插入的是用于加速度计部分的加热电阻和温度差检测的热电堆的放大图，右上角是压力传感器的放大图。
图2所示的是一种测试加速度，压力和温度的集成硅芯片及制作方法制作工艺流程图。
图中1代表加速度计部分用于温度差检测的热电偶；2代表加速度计部分的加热电阻；3代表基于热电堆的加速度计；4代表基于热电堆的加速度计深腔；5代表压力传感器部分；6代表压力传感器部分的力敏电阻；7代表电阻的打折弯角，用金属导通；8代表为腐蚀牺牲层而开的腐蚀孔，后由TEOS堵塞；9代表低应力氮化硅薄膜；10代表温度传感器的热敏电阻；11代表衬底硅片；12代表高温氧化层；13代表第一层低应力氮化硅；14代表低温氧化硅；15代表掺磷的低温氧化硅；16代表第二层低应力氮化硅；17代表压力传感器的多晶硅电阻条；18代表加速度计的热电堆；19代表加速度计的加热电阻；20代表压力传感器的真空腔；21代表TiW/Au金属引线；22代表四乙氧基硅烷(Si(OC2H5)4)为硅源分解生成的氧化硅(TEOS)栓；23代表第三层低应力氮化硅；24代表加速度计衬底硅片的深腔；25代表加速度计盖板硅片的深腔；26代表加速度计盖板硅片；27代表金外引线。
具体实施方式
下面通过具体实施进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅仅限于所述的实施例。
如图1所示的是一种测试加速度，压力和温度的集成硅芯片及制作方法，未键合前图形面的扫描电镜照片，左上角插入的是用于加速度计部分的加热电阻和温度检测的热电堆的放大图，右上角是压力传感器的放大图。所设计LS SiN结构层厚度h为1.2μm，多晶硅薄膜形成力敏电阻，其厚度为0.3-0.6μm，牺牲层厚度为2μm。
具体工艺实施步骤如下：
1.构建牺牲层，定义多晶硅力敏电阻、热电堆加速度传感器的热电偶和温度传感器热敏电阻
如图2(a)所示，由于表面微机机械加工仅仅在单面加工，初始硅片是双抛面或单抛面的硅片都可以，对厚度和晶向没有要求，首先对所选用的硅片进行标准清洗，后用去离子水冲洗10～20分钟并用甩干机中脱水，烘干。
在氧化炉中热氧化(Oxide)形成高温氧化层12，厚度为0.1～1μm；后进入低压汽相化学沉积(LPCVD)炉淀积低应力氮化硅13(LS SiN)，厚度为0.1～1.5μm，再在LPCVD炉中淀积低温氧化硅(LTO)14，厚度为1.0～2.0μm。第一次光刻LTO，后在38℃缓冲的氢氟酸(BOE，氨水NH4F与氢氟酸HF体积比为7∶1)腐蚀LTO，后在120℃的浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，再标准清洗，用去离子水冲洗10～20分钟，烘干后进入LPCVD炉中生长掺磷的低温氧化硅(PSG)15，厚度为0.1～0.5μm。再第二次光刻定义PSG的形状，在38℃BOE腐蚀PSG，后在120℃的浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，再标准清洗，用去离子水冲洗10～20分钟，。
将清洗烘干后的硅片进入LPCVD炉中生长第二层LS SiN 16，厚度为1.2μm，然后再在LPCVD炉中淀积多晶硅薄膜(Poly)17，厚度为0.4μm，通过硼扩散或硼离子注入使多晶硅薄膜掺杂，为激活杂质和消除扩散或注入引起的缺陷，并使杂质均匀分布，将硅片在高温950℃～1200℃氮气保护下，退火40分钟～60分钟。第三次光刻Poly电阻条的形状，采用干法电感耦合的等离子体刻蚀ICP在LS SiN上所需要位置留下Poly压力传感器电阻、加速度计热电偶18、加热器19和温度传感器热敏电阻。后在120℃的浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，再标准清洗后，用去离子水冲洗10～20分钟。
2.形成绝对压力测试的真空参考腔20和金属引线21
如图2(b)所示，将烘干后的硅片第四次光刻定义腐蚀孔，采用反应离子腐蚀RIE刻蚀LS SiN，再在40％(体积百分浓度)HF牺牲层腐蚀5分钟～30分钟，用去离子水冲洗10～20分钟，并在去离子水中浸泡10小时～20小时，再标准清洗后，用去离子水冲洗10～20分钟。烘干后进入LPCVD炉中生长由四乙氧基硅烷(Si(OC2H5)4)为硅源分解的TEOS 22封住腐蚀孔。第五次光刻定义TEOS栓，在38℃BOE腐蚀TEOS，后用去离子水冲洗10～20分钟，再标准清洗后，用去离子水冲洗10～20分钟。烘干。
将烘干后的片子进入LPCVD炉中生长LS SiN 23，厚度为0.1μm～0.2μm绝缘层。第六次光刻定义接触孔，用RIE刻LS SiN，后溅射TiW/Au双层薄膜0.3μm～0.5μm，第七次光刻TiW/Au，在Au腐蚀液中腐蚀Au，在双氧水中腐蚀TiW。后用去离子水冲洗10～20分钟。烘干。
3.深腐蚀出热电堆加速度传感器的空腔24
如图2(c)所示，第8次光刻腐蚀空腔的位置，涂4620厚胶7μm。再次进入STS公司的电感耦合等离子体反应器中深腐蚀，与刻蚀多晶硅不同的是先用Wafer Though的程序垂直向下腐蚀200μm，再改用SF6etch的程序各向同性腐蚀100μm释放悬臂梁，最终腔体深度为200～400μm左右。然后直接在腔中等离子体去除厚胶。
4.BCB键合，形成封闭的腔
如图2(d)所示预先制作盖板硅片26，腐蚀有深坑25，同时腐蚀有通孔，通过两次光刻直接在40℃氢氧化钾(KOH)溶液中各向异性腐蚀形成。选用有机BCB胶(Benzocyclobuene)将盖板硅片与器件硅片粘结起来，从而形成所需要的密闭空腔。
将键合后的双层硅片在划片机上分成每个单元，盖板硅上的通孔将器件硅片上的焊盘暴露出来，压焊后通过金外引线27实现电路的互连。
本实施例中所述的三种传感器集成在一个芯片上的位置，可以不如图1的排列方式，但本发明提供的制作方法具有普遍性。
Claims (5)
1.一种测试加速度，压力和温度的集成硅芯片，其特征在于所述的集成硅芯片上包括基于热电堆的加速度传感器、绝对压力传感器和温度传感器；采用LPCVD在硅片上淀积的低应力氮化硅薄膜同时作为绝对压力传感器的结构层、热电堆加速度传感器和温度传感器的支撑层；其中，
所述的热电堆的加速度传感器中，加热器由多晶硅电阻构成，悬于密封腔的中间，两对金属和P型多晶硅或N型多晶硅组成的热电堆等距离对称地放置在加热器的两侧；
所述的绝对压力传感器中，多晶硅薄膜淀积在低应力的氮化硅薄膜上，干法腐蚀制作形成力敏电阻条；牺牲层是由低温氧化硅和掺磷的氧化硅两层薄膜组成；
所述的温度传感器采用掺杂的多晶硅电阻自身的热敏效应，电阻线性的变化值来检测温度变化值。
2.按权利要求1所述的测试加速度，压力和温度的集成硅芯片，其特征在于采用LPCVD方法淀积的低应力氮化硅厚度为0.1-1.5μm。
3.制作由权利要求1所述的测试加速度，压力和温度的集成硅芯片的方法，其特征在于用同一套微加工工艺在硅片上通过光刻工艺完成的，工艺步骤包括：
(a)构建牺牲层，定义多晶硅力敏电阻，热电堆加速度传感器的热电偶和温度传感器热敏电阻
(i)首先对所选用的硅片进行标准清洗，后用去离子水冲洗并在甩干机中脱水，烘干；
(ii)在氧化炉中热氧化形成高温氧化层，然后进入低压化学气相沉积炉淀积低应力氮化硅，再在低压化学气相炉中淀积低温氧化硅；
(iii)第一次光刻淀积的低温氧化硅，再在缓冲的氢氟酸溶液中腐蚀淀积的低温氧化硅，后在浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，再标准清洗，用去离子水冲洗、烘干后进入LPCVD炉中生长PSG薄膜，所述的缓冲氢氟酸是由体积比为7∶1的NH4F与HF组成，所述的PSG为掺磷的低温氧化硅；
(iv)再第二次光刻定义PSG的形状，在缓冲的氢氟酸中腐蚀PSG，后在浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，再标准清洗，用去离子水冲洗两层薄膜 作为牺牲层；
(v)将清洗烘干后的硅片进入LPCVD炉中生长第二层低应力氮化硅，然后再在LPCVD炉中淀积多晶硅薄膜，通过硼扩散或硼离子注入使多晶硅薄膜掺杂，将硅片在高温950℃～1200℃氮气保护下，退火40分钟～60分钟；
(vi)第三次光刻多晶电阻条的形状，采用干法电感耦合的等离子体刻蚀，在低应力氮化硅上刻蚀出压力传感器的力敏电阻、热电堆加速度传感器的热电偶、加热器和温度传感器热敏电阻；后在浓硫酸中去胶，去离子水冲洗后，再标准清洗后，用去离子水冲洗；
(b)形成绝对压力测试的真空参考腔和金属引线
(i)烘干后的硅片第四次光刻定义腐蚀孔，采用反应离子刻蚀低应力氮化硅，再用40％HF腐蚀形成牺牲层，用去离子水冲洗，并在去离子水中浸泡后再标准清洗，用去离子水冲洗，烘干后进入LPCVD炉中生长由四乙氧基硅烷为硅源分解的TEOS封住腐蚀孔；第五次光刻定义TEOS栓，腐蚀TEOS，后用去离子水冲洗，再标准清洗后，用去离子水冲洗、烘干；
(ii)将烘干后的硅片进入LPCVD炉中生长绝缘层，第六次光刻定义接触孔，用RIE刻LS SiN，后溅射TiW/Au双层薄膜，第七次光刻TiW/Au，在Au腐蚀液中腐蚀Au，在双氧水中腐蚀TiW，后用去离子水冲洗并烘干；
(c)深腐蚀出热电堆加速度传感器的空腔
第8次光刻腐蚀空腔的位置，先涂4620厚胶，再次进入电感耦合等离子体反应器中深腐蚀，深腐蚀工艺是先用垂直向下腐蚀，再改用SF6各向同性腐蚀释放悬臂梁，最终形成深腐蚀的空腔，最后直接在腔中等离子体去除4620厚胶；
(d)BCB键合，形成封闭的腔
(i)预先制作盖板硅片，腐蚀有深坑，同时腐蚀有通孔，通过两次光刻直接在40℃氢氧化钾溶液中各向异性腐蚀形成，选用有机BCB胶将盖板硅片与器件硅片粘结起来，从而形成所需要的密闭空腔；
(ii)将键合后的双层硅片在划片机上分成每个单元，盖板硅上的通孔将器件硅片上的焊盘暴露出来，压焊后实现电路的互连。
4.按权利要求3所述的测试加速度，压力和温度的集成硅芯片的制作方法，其特征在于步骤(a)生长的PSG作为腐蚀通道，PSG的厚度为0.1-0.5μm， 低温氧化硅厚度为1.0-2.0μm。
5.按权利要求3所述的测试加速度，压力和温度的集成硅芯片的制作方法，其特征在于深腐蚀出热电堆加速度传感器的空腔深度为200-400μm。
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