CN101692016A - 一种与cmos工艺兼容的气压传感器及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种与CMOS工艺兼容的气压传感器，包括玻璃，在玻璃上键合衬底硅，在衬底硅上有氧化层，其特征在于在衬底硅设有下电容极板，在下电容极板的下方设有真空封闭腔，在第六氧化层上设有上电容极板，在下、上电容极板之间设有电容间隙，在上电容极板上设有与电容间隙相通的腐蚀透气孔，下电容极板的引线由金属引线、极板引出线、通孔实现。制备方法如下：首先用CMOS标准工艺制备气压传感器所需的各层结构及引线，然后利用缓释氢氟酸腐蚀液湿法去除上、下电容极板间的氧化层，形成电容间隙，接着用四甲基醇胺溶液对衬底硅背面进行掏腔，释放出下电容极板，最后，将衬底硅背面与Pyrex7740玻璃进行真空阳极键合，形成真空密闭空腔。

Description

一种与CMOS工艺兼容的气压传感器及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种与CMOS工艺兼容的气压传感器及其制备方法，尤其涉及一种可批量生产的与标准CMOS工艺兼容的MEMS电容式气压传感器及其制备方法。

技术背景

气压传感器在气象预报、气候分析、环境检测、航空航天等方面发挥着越来越重要的作用。尤其是近年来频繁发生的天气自然灾害使得气压传感器在气象预报和气候分析方面凸显重要性。

气压传感器应用需求巨大，由于MEMS技术的进步，基于MEMS技术有望提高气压传感器性能、降低成本，因此成为国内外研究机构、高校的主要研究与开发的一类器件。但是，硅电容式气压传感器目前仍存在如下主要问题：第一，目前常用多晶硅膜作为变形极板，但是多晶硅的力学特性和长期稳定性远不如单晶硅；第二，利用带电极的玻璃静电键合形成电容结构时，对准误差会引起同批传感器性能的不一致性问题；第三，由于电容极板间隙的存在，对下极板的引线引出带来制造工艺问题，而添加的工艺又会改变标准CMOS工艺，使单片集成困难。

本发明针对以往硅电容式气压传感器存在的问题，提出了一种将基于标准CMOS工艺流程，在不改变CMOS工艺条件和工艺次序的条件下，用N阱作为气压传感器的下级板、金属引线层作为上极板，从而完成电容式气压传感器的结构设计的方案，并且通过MEMS后处理工艺完成对气压传感器的研制，其结构可与标准CMOS工艺兼容。该传感器有利于MEMS气压计的低成本、大批量生产的实现。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种与CMOS工艺兼容的气压传感器及其制备工艺，本发明在不改变CMOS工艺条件和工艺次序的条件下，完成电容式气压传感器的结构设计，再利用MEMS后处理的关键工艺，制造出气压传感器。

技术方案：

本发明所述的一种与CMOS工艺兼容的气压传感器，包括玻璃，在玻璃上键合有衬底硅，在衬底硅上设有栅氧化层、第五氧化层和第六氧化层，在衬底硅设有下电容极板，在下电容极板的下方设有真空封闭腔，在第六氧化层上设有上电容极板，在下电容极板与上电容极板之间设有电容间隙，在上电容极板上设有与电容间隙相通的腐蚀透气孔，在第六氧化层上还设有下电容极板的金属引线，在第五氧化层上设有下电容极板的极板引出线，在下电容极板的金属引线上连接有第五通孔且第五通孔与下电容极板的极板引出线连接，在下电容极板上连接有第二通孔且第二通孔与下电容极板的极板引出线连接。

本发明所述的一种与CMOS工艺兼容的气压传感器的制备方法：

步骤1)在衬底硅上热生长第一氧化层，再化学气相淀积氮化硅层；

步骤2)在衬底硅上选定作为制备下电容极板区域的N阱区域，在N阱区域两侧的第一氧化层和氮化硅层及硅衬底上进行光刻并刻蚀，得到第一沟道和第二沟道，再化学气相淀积第二氧化层，利用化学机械抛光技术进行平坦化处理，去除多余的第二氧化层；用热磷酸去除氮化硅层及其下部的第一氧化层，露出N阱区域；

步骤3)利用光刻胶保护硅芯片的非N阱区域，对硅芯片进行磷离子注入，得到下电容极板；热生长第三氧化层，对下电容极板两端部上方的第三氧化层区域进行光刻和反应离子刻蚀，露出需要制备磷离子重掺杂的区域，在露出需要制备磷离子重掺杂的区域上进行磷离子注入，形成磷离子重掺杂扩散区，用于下电容极板的电引出；

再热生长第四氧化层，在第一沟道和第二沟道外侧的第四氧化层上进行光刻和反应离子刻蚀，露出需要制备硼离子重掺杂的区域，在露出需要制备硼离子重掺杂的区域上进行硼离子注入，形成硼离子重掺杂扩散区，用于衬底硅的电引出；

用缓释氢氟酸腐蚀液湿法腐蚀去除衬底硅表面第三、第四氧化层，此后，再热生长栅氧化层，在栅氧化层上化学气相淀积多晶硅，再对多晶硅进行光刻和刻蚀，在下电容极板的两端部上方保留并形成“回”字形多晶硅，用于控制电容区域的边界与对腐蚀液的阻挡，同时去除其余多晶硅，然后，化学气相淀积第五氧化层；

利用光刻和刻蚀技术在第五氧化层上制备出与硼离子重掺杂扩散区连接的第一通孔、与磷离子重掺杂扩散区连接的第二通孔及与多晶硅连接的第三通孔，其中第一通孔用于硅衬底背面自停止腐蚀所用电极引出，第二通孔用于下级板电极引出，第三通孔用于控制电容区域的边界与释放电容间隙时阻挡缓释氢氟酸腐蚀液；

溅射第一金属铝层，并对第一层金属铝进行光刻和刻蚀，在保留与第一通孔连接的第一通孔连接金属、与第二通孔连接的第二通孔连接金属及与第三通孔连接的第三通孔连接金属的同时，去除其余的金属铝；再化学气相淀积第六氧化层；

利用光刻和刻蚀技术在第六氧化层上制备出与第一通孔连接金属连接的第四通孔、与第二通孔连接金属连接的第五通孔及与第三通孔连接金属连接的第六通孔，其中，第四通孔用于硅衬底背面自停止腐蚀所用电极引出，第五通孔用于下电容极板的电极引出，第六通孔用于控制电容区域的边界与释放电容间隙时阻挡缓释氢氟酸腐蚀液。

溅射第二金属铝层，并对第二金属铝层进行光刻和刻蚀，保留与第四通孔连接的第四通孔连接金属、与第五通孔连接的第五通孔连接金属、与第六通孔连接的第六通孔连接金属及位于下电容极板上方的作为上电容极板的金属铝，并去除其余的金属铝，同时制备出腐蚀透气孔；此后，淀积钝化层并利用光刻和刻蚀技术去除第四通孔连接金属、第五通孔连接金属、第六通孔连接金属以及腐蚀透气孔上方的钝化材料；

步骤4)利用缓释氢氟酸腐蚀液通过腐蚀透气孔湿法去除上电容极板下方且被“回”字形多晶硅包围的栅氧化层、第五氧化层部分和第六氧化层部分，形成下电容极板与上电容极板之间设有电容间隙；

步骤5)用四甲基醇胺溶液对衬底硅背面进行掏腔PN结自停止腐蚀，释放出下电容极板，最后，将衬底硅背面与Pyrex7740玻璃进行真空阳极键合，形成真空密闭空腔。

本发明将基于标准CMOS工艺流程，在不改变CMOS工艺条件和工艺次序的条件下，用N阱作为气压传感器的下电容极板、第二金属铝层作为上电容极板，从而完成电容式气压传感器的结构设计；通过金属引线层网状结构的设计和模拟，设计出性能符合行业标准的气压传感器，通过CMOS结构中氧化层腐蚀、PN结自停止腐蚀和静电键合工艺，制造出气压传感器。包括以下特点：

第一，传感器的所有结构层都利用标准CMOS工艺中的材料，传感器电容的下极板用CMOS工艺中的N阱，金属引线层作为传感器电容的上极板。

第二，利用MEMS正面腐蚀牺牲层工艺，释放上电容极板网状第二金属铝层。

第三，利用PN结自停止各向异性腐蚀硅片背面，得到下电容极板N阱薄膜层。

第四，利用硅片背面与玻璃圆片级静电键合形成密封腔，完成气压传感器的结构。

第五，上、下电容极板引线用CMOS工艺中的两层金属层分别引出；

第六，PN结自停止各向异性腐蚀过程中，利用夹具进行正面电路保护。

本发明获得如下效果：

1.本发明完全采用CMOS工艺的标准流程，在不改变CMOS工艺次序和条件的情况下，设计出气压传感器，通过后处理工艺即可制备出该类器件，从而为利用CMOS加工线研制气压传感器探索出一条较为可行的路径；

2.本发明利用CMOS中的N阱作为下电容级板，下电容极板的引出是通过在第六氧化层上设有下电容极板的金属引线，由第二金属铝层构成，在第五氧化层上设有下电容极板的极板引出线，由第一金属铝层构成，在下电容极板的金属引线上连接有第五通孔且第五通孔与下电容极板的极板引出线连接，在下电容极板上连接有第二通孔且第二通孔与下电容极板的极板引出线连接，由此实现下电容极板的引线；

3.本发明中上电容极板的释放，采用的是MEMS后处理工艺，对第二金属铝层进行刻蚀，形成腐蚀刻蚀孔，正面腐蚀二氧化硅层，悬空上电容极板，事实上，上电容极板是特殊的网状结构，其形状及大小与电容值有密切关系；

4.本发明利用PN结自停止各向异性腐蚀，腐蚀硅片背面得到下电容极板N阱薄膜层。利用N阱作为变形极板，N阱的厚度由CMOS工艺决定，且PN结自停止腐蚀工艺保证了N阱的厚度，因此提高了气压传感器的一致性；

5.本发明上、下电容极板对准精度取决于CMOS工艺线，因此远比传统静电键合中玻璃电容极板的对准精度高，提高了气压传感器的性能；

6.本发明在制作封闭腔时采用的静电键合，属于传感器圆片级键合。键合片玻璃的大小与硅圆片大小完全相同。这种圆片级键合的形式，一方面能够大大降低MEMS器件的成本，另一方面又能够较大程度的保证传感器制作过程中造成偏差的一致性，能够较大降低传感器后端信号调理的成本。

7.本发明中的封闭腔与电容间隙分离，在下电容极板为封闭腔体，在上、下电容极板中间为形成电容间隙的腔体，解决下电容极板的引线引出问题。

8.本发明中夹具的利用，可解决PN结自停止各向异性腐蚀过程中正面结构及电路的保护问题，使得MEMS后处理工艺可与CMOS工艺兼容。

附图说明

图1步骤1中的热生长第一氧化层的示意图。

图2步骤1中的化学气相淀积氮化硅层的示意图。

图3步骤2中的选定下电容极板区域的N阱区域及两个沟道的示意图。

图4步骤2中的化学气相淀积第二氧化层的示意图。

图5步骤2中的去除多余的第二氧化层的示意图。

图6步骤2中的露出的N阱区域的示意图。

图7步骤3中的制备出的下电容极板的示意图。

图8步骤3中的热生长第三氧化层及露出磷离子重掺杂的区域的示意图。

图9步骤3中的制备磷离子重掺杂扩散区的示意图。

图10步骤3中的热生长第四氧化层及露出硼离子重掺杂的区域的示意图。

图11步骤3中的制备硼离子重掺杂扩散区的示意图。

图12步骤3中的去除衬底硅表面第三、第四氧化层的示意图。

图13步骤3中的热生长栅氧化层的示意图。

图14步骤3中的制备“回”字形多晶硅的示意图。

图15步骤3中的化学气相淀积第五氧化层的示意图。

图16步骤3中的制备第一通孔、第二通孔及第三通孔的示意图。

图17步骤3中的溅射第一金属铝层，并进行光刻和刻蚀的示意图。

图18步骤3中的化学气相淀积第六氧化层的示意图。

图19步骤3中的制备第四通孔、第五通孔及第六通孔的示意图。

图20步骤3中的溅射第二金属铝层，并进行光刻和刻蚀的示意图。

图21步骤3中的淀积钝化层并进行光刻和刻蚀的示意图。

图22步骤4中的制备电容间隙的示意图。

图23步骤5中的对衬底硅3背面进行掏腔，释放出下电容极板的示意图。

图24步骤5中的衬底硅背面与Pyrex7740玻璃真空阳极键合，形成真空密闭空腔，最终实现的与CMOS工艺兼容的气压传感器结构的示意图。

具体实施方式

实施例1

一种与CMOS工艺兼容的气压传感器的制备方法：

步骤1)在衬底硅3上热生长第一氧化层1，见图1，再化学气相淀积氮化硅层2，见图2；

步骤2)在衬底硅3上选定作为制备下电容极板区域的N阱区域4’，在N阱区域4’两侧的第一氧化层1和氮化硅层2及硅衬底3上进行光刻并刻蚀，得到第一沟道3’和第二沟道3”，见图3，再化学气相淀积第二氧化层5，见图4，利用化学机械抛光技术进行平坦化处理，去除多余的第二氧化层5，见图5；用热磷酸去除氮化硅层2及其下部的第一氧化层1，露出N阱区域4’，见图6；

步骤3)利用光刻胶保护硅芯片的非N阱区域4’，对硅芯片进行10¹³/cm³的磷离子注入，得到下电容极板4，见图7；热生长第三氧化层6，对下电容极板4两端部上方的第三氧化层6区域进行光刻和反应离子刻蚀，露出需要制备磷离子重掺杂的区域7’，见图8，在露出需要制备磷离子重掺杂的区域7’上进行10¹⁵/cm³的磷离子注入，形成磷离子重掺杂扩散区7，用于下电容极板4的电引出，见图9；

再热生长第四氧化层8，在第一沟道3’和第二沟道3”外侧的第四氧化层8上进行光刻和反应离子刻蚀，露出需要制备硼离子重掺杂的区域9’，见图10，在露出需要制备硼离子重掺杂的区域9’上进行10¹⁵/cm³的硼离子注入，形成硼离子重掺杂扩散区9，用于衬底硅3的电引出，见图11；

用缓释氢氟酸腐蚀液湿法腐蚀去除衬底硅3表面第三、第四氧化层6、8，见图12，此后，再热生长栅氧化层10，见图13，在栅氧化层10上化学气相淀积多晶硅，再对多晶硅进行光刻和刻蚀，在下电容极板4的两端部上方保留并形成“回”字形多晶硅11，用于控制电容区域的边界与对腐蚀液的阻挡，同时去除其余多晶硅，见图14，然后，化学气相淀积第五氧化层12，见图15；

利用光刻和刻蚀技术在第五氧化层12上制备出与硼离子重掺杂扩散区9连接的第一通孔13、与磷离子重掺杂扩散区7连接的第二通孔14及与多晶硅11连接的第三通孔15，见图16，其中第一通孔13用于硅衬底3背面自停止腐蚀所用电极引出，第二通孔14用于下级板4电极引出，第三通孔15用于控制电容区域的边界与释放电容间隙31时阻挡缓释氢氟酸腐蚀液；

溅射第一金属铝层，并对第一层金属铝进行光刻和刻蚀，见图17，在保留与第一通孔13连接的第一通孔连接金属16、与第二通孔14连接的第二通孔连接金属17及与第三通孔15连接的第三通孔连接金属18的同时，去除其余的金属铝；再化学气相淀积第六氧化层19，见图18；

利用光刻和刻蚀技术在第六氧化层19上制备出与第一通孔连接金属16连接的第四通孔20、与第二通孔连接金属17连接的第五通孔21及与第三通孔连接金属18连接的第六通孔22，见图19，其中，第四通孔20用于硅衬底3背面自停止腐蚀所用电极引出，第五通孔21用于下电容极板4的电极引出，第六通孔22用于控制电容区域的边界与释放电容间隙29时阻挡缓释氢氟酸腐蚀液；

溅射第二金属铝层，并对第二金属铝层进行光刻和刻蚀，见图20，保留与第四通孔20连接的第四通孔连接金属23、与第五通孔21连接的第五通孔连接金属24、与第六通孔22连接的第六通孔连接金属25及位于下电容极板4上方的作为上电容极板26的金属铝，并去除其余的金属铝，同时制备出腐蚀透气孔27；此后，淀积钝化层28并利用光刻和刻蚀技术去除第四通孔连接金属23、第五通孔连接金属24、第六通孔连接金属25以及腐蚀透气孔27上方的钝化材料，见图21；

步骤4)利用缓释氢氟酸腐蚀液通过腐蚀透气孔27湿法去除上电容极板26下方且被“回”字形多晶硅11包围的栅氧化层10、第五氧化层12部分和第六氧化层19部分，形成下电容极板4与上电容极板26之间设有电容间隙29，见图22；

步骤5)用四甲基醇胺溶液对衬底硅3背面进行掏腔PN结自停止腐蚀，释放出下电容极板4，见图23，最后，将衬底硅3背面与Pyrex7740玻璃30进行真空阳极键合，形成真空密闭空腔31，见图24。

实施例2

一种与CMOS工艺兼容的气压传感器，见图24，包括玻璃30，在玻璃30上键合有衬底硅3，在衬底硅3上设有栅氧化层10、第五氧化层12和第六氧化层19，在衬底硅3设有下电容极板4，在下电容极板4的下方设有真空封闭腔31，在第六氧化层19上设有上电容极板26，在下电容极板4与上电容极板26之间设有电容间隙29，在上电容极板26上设有与电容间隙29相通的腐蚀透气孔27，在第六氧化层19上还设有下电容极板4的金属引线24，在第五氧化层12上设有下电容极板4的极板引出线17，在下电容极板4的金属引线24上连接有第五通孔21且第五通孔21与下电容极板4的极板引出线17连接，在下电容极板4上连接有第二通孔14且第二通孔14与下电容极板4的极板引出线17连接。

本发明是一种实现与标准CMOS工艺兼容的气压传感器结构设计与后处理工艺的研究的方案，完全采用CMOS工艺的标准流程，在不改变CMOS工艺次序和条件的情况下，设计出气压传感器，通过后处理工艺即可制备出该类器件。本发明利用CMOS中的N阱作为下电容级板4，第二金属铝层作为上电容极板26，上、下电容极板对准精度取决于CMOS工艺线，因此远比传统静电键合中玻璃电容极板的对准精度高；提高了气压传感器的性能；利用N阱作为变形极板，N阱的厚度由CMOS工艺决定，且PN结自停止腐蚀工艺保证了N阱的厚度，因此提高了气压传感器的一致性。

Claims (2)

1.一种与CMOS工艺兼容的气压传感器，包括玻璃(30)，在玻璃(30)上键合有衬底硅(3)，在衬底硅(3)上设有栅氧化层(10)、第五氧化层(12)和第六氧化层(19)，其特征在于在衬底硅(3)设有下电容极板(4)，在下电容极板(4)的下方设有真空封闭腔(31)，在第六氧化层(19)上设有上电容极板(26)，在下电容极板(4)与上电容极板(26)之间设有电容间隙(29)，在上电容极板(26)上设有与电容间隙(29)相通的腐蚀透气孔(27)，在第六氧化层(19)上还设有下电容极板(4)的金属引线(24)，在第五氧化层(12)上设有下电容极板(4)的极板引出线(17)，在下电容极板(4)的金属引线(24)上连接有第五通孔(21)且第五通孔(21)与下电容极板(4)的极板引出线(17)连接，在下电容极板(4)上连接有第二通孔(14)且第二通孔(14)与下电容极板(4)的极板引出线(17)连接。

2.一种权利要求1所述与CMOS工艺兼容的气压传感器的制备方法，其特征在于：

步骤1)在衬底硅(3)上热生长第一氧化层(1)，再化学气相淀积氮化硅层(2)；

步骤2)在衬底硅(3)上选定作为制备下电容极板区域的N阱区域(4’)，在N阱区域(4’)两侧的第一氧化层(1)和氮化硅层(2)及硅衬底(3)上进行光刻并刻蚀，得到第一沟道(3’)和第二沟道(3”)，再化学气相淀积第二氧化层(5)，利用化学机械抛光技术进行平坦化处理，去除多余的第二氧化层(5)；用热磷酸去除氮化硅层(2)及其下部的第一氧化层(1)，露出N阱区域(4’)；

步骤3)利用光刻胶保护硅芯片的非N阱区域(4’)，对硅芯片进行磷离子注入，得到下电容极板(4)；热生长第三氧化层(6)，对下电容极板(4)两端部上方的第三氧化层(6)区域进行光刻和反应离子刻蚀，露出需要制备磷离子重掺杂的区域(7’)，在露出需要制备磷离子重掺杂的区域(7’)上进行磷离子注入，形成磷离子重掺杂扩散区(7)，用于下电容极板(4)的电引出；

再热生长第四氧化层(8)，在第一沟道(3’)和第二沟道(3”)外侧的第四氧化层(8)上进行光刻和反应离子刻蚀，露出需要制备硼离子重掺杂的区域(9’)，在露出需要制备硼离子重掺杂的区域(9’)上进行硼离子注入，形成硼离子重掺杂扩散区(9)，用于衬底硅(3)的电引出；

用缓释氢氟酸腐蚀液湿法腐蚀去除衬底硅(3)表面第三、第四氧化层(6)、(8)，此后，再热生长栅氧化层(10)，在栅氧化层(10)上化学气相淀积多晶硅，再对多晶硅进行光刻和刻蚀，在下电容极板(4)的两端部上方保留并形成“回”字形多晶硅(11)，用于控制电容区域的边界与对腐蚀液的阻挡，同时去除其余多晶硅，然后，化学气相淀积第五氧化层(12)；

利用光刻和刻蚀技术在第五氧化层(12)上制备出与硼离子重掺杂扩散区(9)连接的第一通孔(13)、与磷离子重掺杂扩散区(7)连接的第二通孔(14)及与多晶硅(11)连接的第三通孔(15)，其中第一通孔(13)用于硅衬底(3)背面自停止腐蚀所用电极引出，第二通孔(14)用于下级板(4)电极引出，第三通孔(15)用于控制电容区域的边界与释放电容间隙(31)时阻挡缓释氢氟酸腐蚀液；

溅射第一金属铝层，并对第一层金属铝进行光刻和刻蚀，在保留与第一通孔(13)连接的第一通孔连接金属(16)、与第二通孔(14)连接的第二通孔连接金属(17)及与第三通孔(15)连接的第三通孔连接金属(18)的同时，去除其余的金属铝；再化学气相淀积第六氧化层(19)；

利用光刻和刻蚀技术在第六氧化层(19)上制备出与第一通孔连接金属(16)连接的第四通孔(20)、与第二通孔连接金属(17)连接的第五通孔(21)及与第三通孔连接金属(18)连接的第六通孔(22)，其中，第四通孔(20)用于硅衬底(3)背面自停止腐蚀所用电极引出，第五通孔(21)用于下电容极板(4)的电极引出，第六通孔(22)用于控制电容区域的边界与释放电容间隙(29)时阻挡缓释氢氟酸腐蚀液；

溅射第二金属铝层，并对第二金属铝层进行光刻和刻蚀，保留与第四通孔(20)连接的第四通孔连接金属(23)、与第五通孔(21)连接的第五通孔连接金属(24)、与第六通孔(22)连接的第六通孔连接金属(25)及位于下电容极板(4)上方的作为上电容极板(26)的金属铝，并去除其余的金属铝，同时制备出腐蚀透气孔(27)；此后，淀积钝化层并利用光刻和刻蚀技术去除第四通孔连接金属(23)、第五通孔连接金属(24)、第六通孔连接金属(25)以及腐蚀透气孔(27)上方的钝化材料；

步骤4)利用缓释氢氟酸腐蚀液通过腐蚀透气孔(27)湿法去除上电容极板(26)下方且被“回”字形多晶硅(11)包围的栅氧化层(10)、第五氧化层(12)部分和第六氧化层(19)部分，形成下电容极板(4)与上电容极板(26)之间设有电容间隙(29)；

步骤5)用四甲基醇胺溶液对衬底硅(3)背面进行掏腔PN结自停止腐蚀，释放出下电容极板(4)，最后，将衬底硅(3)背面与Pyrex7740玻璃(30)进行真空阳极键合，形成真空密闭空腔(31)。

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