CN1020526C - 一种硅膜电容压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种平面嵌入式硅膜电容压力传感器及其制造方法。本发明的传感器的硅膜下面的空腔是从硅片的正面掏空硅体而形成的密封腔体，电容器的电极分别做在腔体内硅膜的下表面和腔体的底面上，电容器的上下电极和硅膜由绝缘介质所隔离和支撑。它是采用扩散或离子注入、外延，阳极氧化、腐蚀多孔硅、物理或化学气相淀积等技术制备的。其制备工艺与平面工艺兼容，易于集成与大批量生产，且成本低，器件性能好。
Description
本发明涉及一种电容压力传感器，特别是涉及一种平面嵌入式硅膜电容压力传感器及其制造方法。
如图1所示的现有硅膜电容压力传感器，都以硅片的背面腐蚀工艺为基础，首先从硅片的两面进行腐蚀以形成硅膜，然后将此硅片焊接到玻璃或另一硅片上，以形成密封的腔体，电容器的电极制作在硅膜和玻璃（或另一硅片）上，（1.Wen H.Ko，et al，lEEE Tran-sactions on Electron Devices，Vol.ED-29，No.1，P.48，1982;2.Yong S.Lee and Kensall D.Wise，lEEE Transaction on Electron Devices，Vol.ED-29，No.1，P.42，1982）。这种传感器及制造方法存在如下严重问题：1、背面腐蚀工艺造成对结构的限制，例如硅膜背面的腔体侧壁总是向外倾斜的，这使得芯片面积远远大于有效的硅膜面积;2、将硅片与玻璃或另一硅片焊接带来热膨胀的不匹配，焊接层的疲劳和蠕变，装配方法复杂和困难，焊接不稳定和费用高昂等问题;3、因要对硅片的两面进行加工，需要双面对准装置，并且容易造成对准偏差;4、与平面加工工艺的兼容性差，不易实现集成电路化。
本发明的目的就是为了克服上述存在的问题，提供一种硅片单面进行加工制作的硅膜电容压力传感器及其制造方法。
本发明为一种平面嵌入式硅膜电容压力传感器，其特征是该传感器的硅膜下面的空腔是从硅片正面掏空硅体形成的密封腔体，电
容器上下电极分别作在腔体内硅膜下表面和腔体的底面上，紧靠硅膜周围腔体开口由物理或化学气相淀积的绝缘介质填平，电容器的上下电极和硅膜分别由此绝缘介质所隔离和支撑。
本发明的平面嵌入式硅膜电容压力传感器的制造方法，包括在硅片里形成硅膜、制作电容器电极、构成密封腔体，其特点是制作硅膜、电容器的电极、密封腔体都是在硅片的正面进行加工而成的，其主要工艺包括：在硅衬底的硅膜设计区，采用扩散或离子注入方法形成高浓度的n+埋层;外延生长制作硅膜的n型外延层;在紧靠n+埋层边缘处，通过扩散或离子注入方法形成高浓度的n+阳极氧化通道槽;采用阳极氧化技术，使n+埋层和n+槽的高浓度区的硅转变成多孔硅;用腐蚀液腐蚀多孔硅形成空腔腔体，上面的硅变成了硅膜;用化学气相淀积方法在腔体内制备电容器的上、下电极;用物理或化学气相淀积方法淀积绝缘介质填平腔体开口。
上面所说的本发明的主要制造工艺可按下述二种流程步骤进行制备硅膜电容压力传感器，其一种为：a.在硅衬底的硅膜设计区，采用扩散或离子注入方法形成高浓度的n+埋层;b.外延生长制作硅膜的n型外延层;c.在紧靠n+埋层边缘处，通过扩散或离子注入方法形成高浓度的n+阳极氧化通道槽Ⅰ;d.采用阳极氧化技术，使n+埋层和n+槽Ⅰ的高浓度区的硅转变成多孔硅;e.用腐蚀液腐蚀多孔硅形成空腔腔体，腔体上面的硅变成了硅膜;f.用化学气相淀积方法
在腔体内制备电容器的上、下电极;g.用物理或化学气相淀积方法淀积绝缘介质填平腔体开口;h.在紧靠n+埋层的其余边缘处扩散或离子注入形成高浓度n+槽Ⅱ;i.采用阳极氧化技术，使上面n+槽Ⅱ的高深度区的硅转变成多孔硅;j.用腐蚀液腐蚀多孔硅形成n+空槽;k.用物理或化学气相淀积方法淀积绝缘介质填平这一n+空槽。
另一种制备硅膜电容压力传感器的工艺流程可将上面一种工艺流程步骤f步的用化学气相淀积方法在腔体内制备电容器上下电极移到j步的用腐蚀液腐蚀多孔硅形成n+槽之后进行，而其他工艺步骤顺序不变。
上述n型硅衬底的杂质浓度为1×1015-5×1016/cm3，晶向为<100>，高浓度的n+槽的n型杂质浓度一般为1017/cm3-1021/cm3，n+埋层深度等于硅膜电容压力传感器所要求的腔体高度，n+槽的深度大于外延层厚度。n型外延层的浓度为1×1015-5×1016cm3，厚度等于传感器所要求的硅膜厚度。
本发明所说的阳极氧化的电介质溶液为氢氟酸溶液，其浓度为10-50%，稀释剂为水或乙醇，阳极氧化所控制的阳极电压为3-10V，其电流密度为20-100mA/cm2。腐蚀多孔硅的腐蚀液为稀碱性溶液，可为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化铵等，其浓度为2-10%。电容器的上下电极为钨电极，用化学气相淀积法在236℃-243℃下，以氩气或氮气为携带气体，在硅体内进行WF6的还原反应而形成的。其总压强为150-260m Torr，WF6流量1Sccm-18Sccm，携带气体流量为
320SCCCm-550Sccm.
本发明的优点是：
1、由于采用单面加工，提高了与平面工艺的兼容性，有利于实现集成电路化，有利于降低成本大批量生产;
2、电容器的上下电极都制作在硅片里，不需要为形成电容器的腔体而进行焊接，从而消除了由焊接所带来的一系列问题;
3、硅膜和腔体的几何尺寸都由微电子加工技术所限定，因此加工精度高、重复性好，易实现微型化;
4、腔体的体积极其微小，对管芯的机械强度毫无损害;
5、连接腔体的空槽由蒸发、溅射或CVD淀积的二氧化硅或氮化硅填平，因此气密性好，参考压强选择范围大。
下面结合附图对本发明给以说明：
图1为现有技术制作的硅膜电容压力传感器的示意图。
图2为用本发明方法制造的硅膜电容压力传感器的示意图。
其中图2-1是传感器的平面图，图2-2、图2-3为图2-1的剖面图。图3为本发明方法制造的硅膜电容压力传感器的主要工序芯面图。
图3-1为热氧化生长二氧化硅、光刻n+埋层注入区;
图3-2为n+埋层注入;
图3-3为n+埋层注入推进;
图3-4为n型硅外延生长;
图3-5x与图3-5y分别为热生长二氧化硅、LPCVD淀积氮化硅和多晶硅、光刻n+阳极氧化通道槽Ⅰ扩散区的横向与纵向剖面图;
图3-6x与图3-6y分别为n+阳极氧化通道槽Ⅰ扩散的横向与纵向剖面图;
图3-7x与图3-7y分别为阳极氧化生成多孔硅的横向与纵向剖面图;
图3-8x与图3-8y分别为腐蚀多孔硅横向与纵向剖面图;
图3-9x与图3-9y分别为LPCVD淀积钨的横向与纵向剖面图;
图3-10x与图3-10y分别为淀积二氧化硅或氮化硅填平阳极氧化通道槽Ⅰ的横向与纵向剖面图;
图3-11x与图3-11y分别为光刻n+阳极氧化通道槽Ⅱ扩散区的横向与纵向剖面图;
图3-12x与图3-12y分别为n+阳极氧化通道槽Ⅱ扩散的横向与纵向剖面图;
图3-13x与图3-13y分别为阳极氧化通道槽Ⅱ的硅转变为多孔硅的横向与纵向剖面图;
图3-14x与图3-14y分别腐蚀多孔硅的横向与纵向剖面图;
图3-15x与图3-15y分别为淀积二氧化硅或氮化硅填平通道槽Ⅱ的横向与纵向剖面图;
图3-16x与图3-16y分别为蒸铝、光刻铝条的横向与纵向剖面图;
图中：1-n型硅衬底 2-热氧化生长的二氧化硅
3-n+埋层 4-n型外延层
5-氮化硅 6-多晶硅
7-n+阳极氧化通道槽Ⅰ 8-多孔硅
9-电极 10-LPCVD淀积的二氧化硅
11-n+阳极氧化通道槽Ⅱ 12-铝
13-硅膜 14-腔体
15-玻璃 16-支撑体
实施例：
制作方形硅膜电容压力传感器，硅膜边长800μm，厚10μm，电容器上下电极之间间隔（腔体高度）为2μm。
制作硅膜电容压力传感器的主要工艺步骤：
（1）热氧化：载流子浓度为3×1015/cm3的（100）n型硅片（1）在1100℃下，湿氧氧化105分钟，生长二氧化硅（2）;
（2）在（100）n型硅片上光刻800μm×800μm的埋层注入区;
工艺步骤（1）-（2）如图3-1所示。
（3）在SiO2的掩蔽下进行n+埋层注入形成埋层注入区（3），在100kev下注入As+，注入剂量为1×1015/cm2;
这一工艺步骤如图3-2所示。
（4）在O2、N2的气氛下进行n+埋层推进，其条件为1200℃，O2：N2＝0.2：0.8，推进160分钟，结深为2μm;
这一工艺步骤如图3-3所示。
工艺步骤（3）、（4）也可由Sb扩散取代，扩散条件：双温区扩散，温度分别为950℃和1250℃，Sb2O3源量为22克，再扩散时间为25分钟，O2流量为3l/min，预淀积20分钟，扩散结深2μm;
（5）除掉硅表面上所有的SiO2后，在整个表面上进行n型硅外延生长，外延层（4）的厚度10μm，浓度大约为3×1015/cm3;
生长条件：H2：260l/min，SiCl4：6.4-7g/min，PH3：100PPm，0.15-0.18l/min，温度为1160℃，生长时间为20分钟;
这一工艺步骤如图3-4所示。
（6）在1100℃湿氧氧化105分钟;
（7）低压化学气相淀积（LPCVD）氮化硅（5）、厚为2500A°;
（8）LPCVD淀积多晶硅（6），厚为5400A°;
（9）光刻n+阳极氧化通道槽Ⅰ扩散区;
工艺步骤（6）-（9）如图3-5x与图3-5y所示。
（10）n+阳极氧化通道槽Ⅰ扩散形成高浓度的n+槽Ⅰ（7）并与埋层区相连通;采用双温区锑扩散，温度分别为950℃和1250℃，Sb2O3源量为22克，再扩散时间为350分钟，O2流量为3L/min，预淀积20分钟，结深为12μm;
这一工艺步骤如图3-6x与图3-6y所示。
（11）阳极氧化：阳极氧化使得高浓度的n+槽Ⅰ与埋层区的硅转变成多孔硅（8），其电介质溶液组分为HF：C2HOH＝2：1（也可选用HF：C2HOH＝2：2.或1：2等）阳极电压为7V（也可选用4V、10V等），电流密度为40mA/cm2，（也可选用20mA/cm、80mA/cm2等）;
这一工艺步骤如图3-7x图3-7y所示。
（12）腐蚀多孔硅（8）采用5%KOH溶液在室温下腐蚀（也可选用其他浓度如3%、8%等。也可选用NaOH等溶液）;
这一工艺步骤如图3-8x与图3-8y所示。
（13）LPCVD淀积钨（9），厚度为200-400A°，其条件温度为240℃在氩气流量为400Sccm携带下，WF6流量为10Sccm;
这一工艺步骤如图3-9x与图3-9y所示。
（14）LPCVD淀积二氧化硅绝缘介质（10）：源为四乙氧基硅烷（TEOS），温度为650-800℃，TEOS分压为30Pa-40Pa，淀积二氧化硅厚12μm;
这一工艺步骤如图3-10x与图3-10y所示。
（15）光刻n+阳极氧化通道槽Ⅱ扩散区，紧靠埋层其它边缘处（除槽Ⅰ外的埋层边缘）光刻槽Ⅱ扩散区：
这一工艺步骤如图3-11x与图3-11y所示
（16）n+阳极氧化通道槽Ⅱ扩散：双温区锑扩散，温度分别为950℃和1250℃，Sb2O3源量为22克，再扩散时间350分钟，O2流量为3l/min;预淀积时间20分钟，扩散结深为12μm
这一工艺步骤如图3-12x与图3-12y所示。
（17）阳极氧化：使氧化通道槽Ⅱ扩散区的硅转变成多孔硅（8），电介质为氢氟酸溶液，其组分为HF：C2H5OH＝1：2（也可用HF：C2HOH＝2：2或HF：C2H5OH＝2：1），阳极电压采用4V，电流密度为80mA/cm2;
这一工艺步骤如图3-13x与图3-13y所示。
（18）腐蚀多孔硅，采用5%KOH溶液，室温下腐蚀;
这一工艺步骤如图3-14x与图3-14y所示。
（19）LPCVD淀积二氧化硅（10），源为四乙氧基硅烷（TEOS），温度为650℃-800℃，TEOS分压为30Pa-40Pa，淀积二氧化硅厚12μm;
这一工艺步骤如图3-15x与图3-15y所示。
（20）蒸铝（12），光刻铝条;
这一工艺步骤如图3-16x与图3-16y所示。
本发明的这种硅膜电容压力传感器的制造工艺与CMOS集成电路工艺完全兼容，也就是说在传感器的同一硅片上可以采用CMOS电路工艺制作周边电路构成单片集成硅膜电容压力传感器，其CMOS电路制备工艺对该技术领域的技术人员是显而易见的，同时应该指出的是：根据对本发明，特别是实施例的描述，很明显本发明的工艺步骤的顺序与工艺条件的选择是可以做些调整与变化的，如电容器钨电极的制备工艺，可将实施例中的工艺步骤（13）移到工艺步骤（18）之后进行，阳极氧化和腐蚀多孔硅等工艺条件，也可根据发明的描述做些变化，做出这样类似的变化，对本技术领域内的熟练的技术人员来说也是显而易见的。
Claims (10)
1、一种硅膜电容压力传感器的制造方法，包括在硅片里形成硅膜、制作电容器电极、构成密封腔体，其特征在于制作硅膜、电容器的电极、密封腔体，都是由硅片正面加工而成的，主要制造工艺按下述步骤进行：
a.在硅衬底的硅膜设计区，采用扩散或离子注入方法形成高浓度的n+埋层；
b.外延生长制作硅膜的n型外延层；
c.在紧靠n+埋层边缘处，通过扩散或离子注入方法形成高浓度的n+阳极氧化通道槽I；
d.采用阳极氧化技术，使n+埋层和n+槽I的高浓度区的硅转变成多孔硅；
e.用腐蚀液腐蚀多孔硅形成空腔腔体，腔体上面的硅变成了硅膜；
f.用化学气相淀积方法在腔体内制备电容器的上、下电极；
g.用物理或化学气相淀积方法淀积绝缘介质填平腔体开口；
h.在紧靠n+埋层的其余边缘扩散或离子注入形成高浓度n+槽Ⅱ；
i.采用阳极氧化技术，使上面n+槽Ⅱ的高浓度区的硅转变成多孔硅；
j.用腐蚀液腐蚀多孔硅形成n+空槽；
k.用物理或化学气相淀积方法淀积绝缘介质填平这一n+空槽。
2、根据权利要求1所述的硅膜电容压力传感器的制造方法，其特征在于n+埋层和n+槽的n型杂质浓度都一般为1017-1021/cm3，n+埋层深度等于传感器所要求的腔体高度，n+槽深度大于外延层厚度。
3、根据权利要求1所述的硅膜电容压力传感器的制造方法，其特征在于n型硅外延层的杂质浓度为1X1015-5X1016/cm3、外延层厚度等于传感器所要求的硅膜厚度。
4、根据权利要求1所述的硅膜电容压力传感器的制造方法，其特征在于阳极氧化的电介质溶液为氢氟酸溶液，其浓度为10-50%。
5、根据权利要求1所述的硅膜电容压力传感器的制造方法，其特征在于所说的腐蚀多孔硅所用的腐蚀液为稀碱性溶液，如用氢氧化钾，氢氧化钠或氢氧化氨等溶液。
6、根据权利要求1所述的硅膜电容压力传感器的制造方法，其特征在于电容器的电极是氟化钨在氢或氮气等气体携带下，在硅表面进行还原反应而制得的钨电极。
7、一种如权利要求1所述的方法制造的硅膜电容压力传感器，包括硅膜、硅膜下面密封的空腔及电容器电极，其特征在于硅膜下面的密封空腔为从硅片正面掏空硅体而形成的密封的腔体，电容器的上、下电极分别位于腔体内硅膜的下表面和腔体的底面上，电容器的上、下电极和硅膜分别由绝缘介质所隔离和支撑。
8、根据权利要求7所述的硅膜电容压力传感器，其特征在于所用的硅衬底为n型硅，其载流子浓度为1X1015-5X1015/cm3。
9、根据权利要求7所述的硅膜电容压力传感器，其特征在于填平腔体开口的绝缘介质为二氧化硅或氮化硅。
10、根据权利要求7所述的硅膜电容压力传感器，其特征在于该传感器的电容器的电极为钨电极。
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