CN102338681B - 平面型硅压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面型硅压力传感器，其由下至上依次为：硅衬底、氮化膜、硅传感薄膜、密封氮化膜；在部分硅衬底和部分氮化膜内设有一个空腔；在硅传感薄膜内设有释放孔，该释放孔与空腔垂直连通。此外，本发明还公开了上述平面型硅压力传感器的制造方法。本发明平面型硅压力传感器的释放孔开在硅传感薄膜的内部，并与空腔结构垂直连通，无需定锚的支撑，力学性能更加稳定，有利于湿法刻蚀氧化膜牺牲层的去除，工艺简单、成本低。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路制造领域，涉及一种压力传感器，尤其涉及一种平面型硅压力传感器；此外，本发明还涉及该平面型硅压力传感器的制造方法。
背景技术
压力传感器是一类普通的微机电系统(MEMS)器件。简单来讲是将压力转换为电信号的一种器件。通常，压力传感器本身是嵌有电阻的微机械薄膜，压阻用来检测压力。
硅薄膜有良好的机械性，目前有很多用于化学腐蚀或IC(集成电路)工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS压力传感器件。体微机械加工和表面微机械加工是制造薄膜的两种主要方法。在体微机械加工中，选择性的去除硅片上的体硅材料，直至留下一层单晶硅薄膜。使用腐蚀自停止技术来控制薄膜厚度。表面微机械加工是先将薄膜淀积在牺牲层上，然后再选择性湿法刻蚀牺牲层，最后形成薄膜。
从器件结构来讲，将硅薄膜和压阻应力计或应变计集成在一起。压阻应力计或应变计被简单地注入或扩散在薄膜上表面。将这些压阻放置在薄膜上合适的位置，并且用惠斯通电桥(又称单臂电桥，是一种可以精确测量电阻的仪器)连接在一起，这样，这些压阻就能输出足够强的电信号。
另外，薄膜也可以作为电容器的一个电极。薄膜的应力和挠度都取决于施加于其上的差压，也就是薄膜上表面的压力和薄膜下表面的压力。如果薄膜的下表面是某个真空腔的一部分，那么这就是绝对压力传感器。
在微机电系统(MEMS)的一种压敏传感器件制程中，常用的结构是台阶型结构(见图1)。具体做法为在晶圆的表面刻蚀出一个空腔(cavity)作为传感薄膜的伸缩空间。在空腔形成之后向空腔填充牺牲层，经CMP(化学机械抛光)平坦化之后在空腔周围的牺牲层刻蚀一圈环绕空腔的通孔用来填充固定传感薄膜的定锚。之后进行定锚通孔填充和传感薄膜5淀积，然后刻蚀出传感薄膜5形状，再通过湿法刻蚀的方法把所有牺牲层刻蚀干净。最后淀积一层保护层6把压敏传感器件密封。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种平面型硅压力传感器，其释放孔开在硅传感薄膜的内部，并与空腔结构垂直连通，无需定锚的支撑，力学性能更加稳定，有利于湿法刻蚀氧化膜牺牲层的去除，工艺简单、成本低。为此，本发明还提供该平面型硅压力传感器的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种平面型硅压力传感器，其由下至上依次为：硅衬底、氮化膜、硅传感薄膜、密封氮化膜；在部分硅衬底和部分氮化膜内设有一个空腔，所述部分氮化膜被侧向回刻；在硅传感薄膜内设有释放孔，该释放孔与空腔垂直连通；该释放孔形成于所述氮化膜侧向回刻的位置上方的硅传感薄膜内。
所述释放孔是单层或多层单元的阵列，单个释放孔单元形状是圆形、正方形或矩形；所述释放孔为多层阵列时，相邻两层的对应释放孔平行或交错；单个释放孔单元的最小尺寸指圆孔直径或正方形、矩形的最小边长的尺寸为0.1～5微米。
此外，本发明还提供一种上述平面型硅压力传感器的制造方法，包括如下步骤：
(1)在硅衬底上依次淀积氮化膜和牺牲氧化膜；
(2)刻蚀形成空腔；
(3)氮化膜侧向回刻，以牺牲氧化膜为阻挡层；
(4)去除牺牲氧化膜；
(5)氧化膜填充空腔；
(6)采用化学机械抛光工艺表面平坦化，以氮化膜为阻挡层去除表面多余的氧化膜；
(7)淀积硅传感薄膜；
(8)刻蚀部分硅传感薄膜形成释放孔；
(9)湿法刻蚀去除氧化膜；
(10)淀积密封氮化膜。
步骤(1)中，所述在硅衬底上依次淀积氮化膜和牺牲氧化膜采用常压化学气相淀积工艺、低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺，所述氮化膜的厚度为所述牺牲氧化膜的厚度为
步骤(2)中，采用各向异性干法刻蚀工艺刻蚀部分硅衬底、氮化膜和牺牲氧化膜形成空腔，该空腔的深度为1～10微米，该空腔作为后续步骤(7)形成的硅传感薄膜的伸缩空间。
步骤(3)中，所述氮化膜回刻采用各向同性的湿法刻蚀工艺，刻蚀量为1～10微米。
步骤(4)中，所述去除牺牲氧化膜采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺。
步骤(5)中，所述氧化膜填充空腔采用常压化学气相淀积工艺、半常压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺，该氧化膜的厚度范围为
步骤(7)中，所述淀积硅传感薄膜采用低压化学气相淀积工艺、半常压化学气相淀积工艺或外延工艺，该硅传感薄膜的厚度范围为
步骤(8)中，所述刻蚀部分硅传感薄膜形成释放孔具体为：采用各向异性的干法刻蚀工艺在氧化膜上的部分硅传感薄膜位置进行刻蚀，即步骤(3)中氮化膜侧向回刻的位置进行刻蚀，形成的释放孔与空腔垂直连通。
步骤(9)中，所述湿法刻蚀采用的刻蚀药液为稀释氢氟酸或缓冲氢氟酸，体积含量浓度为0.1～49％。
步骤(10)中，所述淀积密封氮化膜采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺，该密封氮化膜的厚度范围为
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的平面型硅压力传感器结构可应用于带有空腔的压力传感器，无需定锚的支撑，力学性能更加稳定。此外，由于释放孔与空腔结构垂直连通，而对于台阶型的结构则是从定锚的间距从侧面流入空腔，相比台阶型结构，本发明平面型结构更有利于湿法刻蚀氧化膜牺牲层的去除。在具体实施过程中，台阶型结构的形成需要空腔，定锚，硅传感薄膜的三次光刻工艺。而平面型结构由于释放孔开在硅传感薄膜的内部，释放孔与硅传感薄膜的光刻可以在一步完成，从而节约制作成本。
附图说明
图1是传统的台阶型硅压力传感器的结构示意图；
图2是本发明平面型硅压力传感器的结构示意图；
图3是本发明方法的流程示意图；
图4A是本发明方法中步骤3氮化膜侧向回刻完成后的示意图；
图4B是本发明方法中步骤6化学机械抛光完成后的示意图；
图4C是本发明方法中步骤7硅传感薄膜淀积完成后的示意图；
图4D是本发明方法中步骤8释放孔形成后的示意图；
图4E是本发明方法中步骤9湿法刻蚀氧化膜完成后的示意图；
图4F是本发明方法中步骤10密封氮化膜淀积完成后的示意图；
图5是本发明的单层释放孔的结构示意图；图5A表示矩形释放孔，图5B表示圆形释放孔。
其中，1是硅衬底I，2是氮化膜，3是牺牲氧化膜，4是氧化膜，5是硅传感薄膜，6是密封氮化膜，A是空腔，B是释放孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
相比传统的硅压力传感器的台阶型结构(见图1)，本发明平面型硅压力传感器结构(见图2)的硅传感薄膜5是直接搭在硅衬底1上面的氮化膜2，无需定锚的支撑，力学性能更加稳定。此外，释放孔B开在硅传感薄膜5的内部，由于释放孔B与空腔A结构垂直连通，而对于台阶型的结构则是从定锚的间距从侧面流入空腔A，相比台阶型结构，本发明平面型结构更有利于湿法刻蚀氧化膜牺牲层的去除。在具体实施过程中，台阶型结构的形成需要空腔A，定锚，硅传感薄膜5的三次光刻工艺。而本发明的平面型结构由于释放孔B开在硅传感薄膜5的内部，释放孔B与硅传感薄膜5的光刻可以在一步完成，从而节约制作成本。其中，本发明平面型硅压力传感器的释放孔的结构可以是单层或多层单元的阵列，单个释放孔单元形状可以是圆形，正方形，矩形。如为多层阵列，相邻两层的对应释放孔可以平行或交错。图5为单层释放孔的图示，单个释放孔单元形状可以是圆形(见图5B)，正方形，矩形(见图5A)。一维最小尺寸大小为0.1～5um(微米)。这里的一维最小尺寸指圆孔直径及正方形、矩形的最小边长的尺寸为0.1～5um(微米)。
如图3和图4所示，本发明一种平面型硅压力传感器的制造方法，具体包含以下步骤：
1.在硅衬底1上依次淀积氮化膜2和牺牲氧化膜3；淀积氮化膜2和牺牲氧化膜3可采用APCVD(常压化学气相淀积)工艺、LPCVD(低压化学气相淀积)工艺、或PECVD(等离子增强化学气相淀积)工艺，包括位于下方的厚度为的氮化硅作为氮化膜2、位于上方的厚度为的氧化硅作为牺牲氧化膜3；
2.刻蚀部分硅衬底1、氮化膜2和牺牲氧化膜3形成沟槽，即形成空腔A(cavity)，该空腔A作为后续步骤7形成的硅传感薄膜5的伸缩空间；空腔A形成采用各向异性干法刻蚀，空腔A深度为1～10um(微米)；
3.氮化膜2侧向回刻(pull back)，以牺牲氧化膜3为阻挡层，氮化膜2侧向回刻后见图4A；氮化膜回刻采用各向同性的湿法刻蚀工艺，刻蚀量为1～10um(微米)；
4.牺牲氧化膜3去除；采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺去除牺牲氧化膜3；
5.氧化膜4填充空腔；该步骤采用APCVD(常压化学气相淀积)工艺、SACVD(半常压化学气相淀积)工艺或PECVD(等离子增强化学气相淀积)工艺，氧化膜4的厚度范围为
6.采用化学机械抛光工艺表面平坦化，以氮化膜2为阻挡层去除表面多余的氧化膜4，化学机械抛光后见图4B；
7.硅传感薄膜5淀积，见图4C；该步骤采用LPCVD(低压化学气相淀积)工艺、SACVD(半常压化学气相淀积)工艺或外延工艺，硅传感薄膜5的厚度范围为
8.刻蚀部分硅传感薄膜5(在氧化膜4上的部分硅传感薄膜5位置进行刻蚀，即步骤3中氮化膜2侧向回刻的位置进行刻蚀)，释放孔B(release hole)形成(形成的释放孔B与空腔A垂直连通)，见图4D；该步骤采用各向异性的干法刻蚀；
9.湿法刻蚀以去除氧化膜4，见图4E；刻蚀药液为稀释氢氟酸或缓冲氢氟酸，浓度为0.1～49％；
10.密封氮化膜6淀积，密封氮化膜6作为保护层把压敏传感器件密封，见图4F。该步骤采用LPCVD(低压化学气相淀积)工艺或PECVD(等离子增强化学气相淀积)工艺，密封氮化膜6的厚度范围为
Claims (12)
1.一种平面型硅压力传感器，其特征在于，其由下至上依次为：硅衬底、氮化膜、硅传感薄膜、密封氮化膜；在部分硅衬底和部分氮化膜内设有一个空腔，所述部分氮化膜被侧向回刻；在硅传感薄膜内设有释放孔，该释放孔与空腔垂直连通；该释放孔形成于所述氮化膜侧向回刻的位置上方的硅传感薄膜内。
2.如权利要求1所述的平面型硅压力传感器，其特征在于，所述释放孔是单层或多层单元的阵列，单个释放孔单元形状是圆形、正方形或矩形；所述释放孔为多层阵列时，相邻两层的对应释放孔平行或交错；单个释放孔单元的最小尺寸指圆孔直径或正方形、矩形的最小边长的尺寸为0.1～5微米。
3.一种如权利要求1或2所述的平面型硅压力传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在硅衬底上依次淀积氮化膜和牺牲氧化膜；
(2)刻蚀形成空腔；
(3)氮化膜侧向回刻，以牺牲氧化膜为阻挡层；
(4)去除牺牲氧化膜；
(5)氧化膜填充空腔；
(6)采用化学机械抛光工艺表面平坦化，以氮化膜为阻挡层去除表面多余的氧化膜；
(7)淀积硅传感薄膜；
(8)刻蚀部分硅传感薄膜形成释放孔；
(9)湿法刻蚀去除氧化膜；
(10)淀积密封氮化膜。
4.如权利要求3所述的平面型硅压力传感器的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，所述在硅衬底上依次淀积氮化膜和牺牲氧化膜采用常压化学气相淀积工艺、低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺，所述氮化膜的厚度为所述牺牲氧化膜的厚度为
5.如权利要求3所述的平面型硅压力传感器的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，采用各向异性干法刻蚀工艺刻蚀部分硅衬底、氮化膜和牺牲氧化膜形成空腔，该空腔的深度为1～10微米，该空腔作为后续步骤(7)形成的硅传感薄膜的伸缩空间。
6.如权利要求3所述的平面型硅压力传感器的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，所述氮化膜回刻采用各向同性的湿法刻蚀工艺，刻蚀量为1～10微米。
7.如权利要求3所述的平面型硅压力传感器的制造方法，其特征在于，步骤(4)中，所述去除牺牲氧化膜采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺。
8.如权利要求3所述的平面型硅压力传感器的制造方法，其特征在于，步骤(5)中，所述氧化膜填充空腔采用常压化学气相淀积工艺、半常压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺，该氧化膜的厚度范围为
9.如权利要求3所述的平面型硅压力传感器的制造方法，其特征在于，步骤(7)中，所述淀积硅传感薄膜采用低压化学气相淀积工艺、半常压化学气相淀积工艺或外延工艺，该硅传感薄膜的厚度范围为
10.如权利要求3所述的平面型硅压力传感器的制造方法，其特征在于，步骤(8)中，所述刻蚀部分硅传感薄膜形成释放孔具体为：采用各向异性的干法刻蚀工艺在氧化膜上的部分硅传感薄膜位置进行刻蚀，即步骤(3)中氮化膜侧向回刻的位置进行刻蚀，形成的释放孔与空腔垂直连通。
11.如权利要求3所述的平面型硅压力传感器的制造方法，其特征在于，步骤(9)中，所述湿法刻蚀采用的刻蚀药液为稀释氢氟酸或缓冲氢氟酸，体积含量浓度为0.1～49％。
12.如权利要求3所述的平面型硅压力传感器的制造方法，其特征在于，步骤(10)中，所述淀积密封氮化膜采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺，该密封氮化膜的厚度范围为
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