CN102491260A

CN102491260A - 采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法

Info

Publication number: CN102491260A
Application number: CN2011104585171A
Authority: CN
Inventors: 薛维佳; 张艳红; 张挺
Original assignee: Shanghai Advanced Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shanghai Advanced Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明提供一种采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法，包括步骤：提供硅衬底，采用离子注入法在其中形成腐蚀停止层；在硅衬底上淀积电热层；对电热层作图形化，在硅衬底上形成加热装置、测温装置和电极；在硅衬底上淀积保护层，保护层覆盖加热装置和测温装置；通过半导体光刻技术，在流量传感器正对面的反面对硅衬底进行湿法腐蚀，在硅衬底中形成背面空腔。如此可以高效率、低成本地获得加热装置和测温装置所处特定区域下方厚度可控的硅基底窗口。本发明采用自停止的腐蚀方法，制造出的流量传感器具有良好的片中器件的均匀性、片间器件的可重复性，很好地解决了现有技术中存在的问题，适合大批量的生产，且制造出的流量传感器的品质更高。

Description

采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，具体来说，本发明涉及一种采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法。

背景技术

在某些与温度相关半导体传感器的结构中，有时需要在传感器处于一个厚度较薄的悬空基底上，基底的厚度较薄，在封装后，传感器下方的基底不与封装的基座接触，而是悬空与空气或者真空接触，达到降低外界环境温度干扰的目的。

从上述传感器的应用方面来说，传感器的精度与器件下方基底材料的厚度紧密相关，为了实现较高的精度，悬空上方的基底厚度较薄，当然另一方面也需要考虑较薄基底对器件的支撑作用，厚度越厚，传感器结构越牢固，因此最终需要综合考虑上述几方面的因素，选定合适的表层硅厚度。

对于半导体工艺来说，通过低成本的背面腐蚀工艺获得精确的表层硅厚度难度很高，主要通过时间的精确控制，与所采用腐蚀溶液的纯度、浓度、温度息息相关，在尺寸较大、批次较多的半导体工厂里面加工的时候，片中器件的均匀性、片间器件的可重复性问题就更加显露。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法，具有良好的片中器件的均匀性、片间器件的可重复性，适合大批量生产。

为解决上述技术问题，本发明提供一种采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法，包括步骤：

提供硅衬底，采用离子注入法在所述硅衬底中形成腐蚀停止层；

在所述硅衬底上淀积电热层；

对所述电热层作图形化，在所述硅衬底上形成加热装置、测温装置和电极；

在所述硅衬底上淀积保护层，所述保护层覆盖所述加热装置和所述测温装置；

通过半导体光刻技术，在所述流量传感器正对面的反面对所述硅衬底进行湿法腐蚀，在所述硅衬底中形成背面空腔。

可选地，所述腐蚀停止层为P+重掺杂层或者埋氧绝缘层。

可选地，所述P+重掺杂层中的掺杂元素为B或In。

可选地，所述P+重掺杂层的掺杂浓度范围为1×10¹⁹/cm³至1×10²¹/cm³。

可选地，所述P+重掺杂层的掺杂浓度范围为1.5×10²⁰/cm³至7×10²⁰/cm³。

可选地，所述埋氧绝缘层的厚度为50～500nm。

可选地，在所述硅衬底中形成腐蚀停止层包括步骤：

使用高能离子注入机将高浓度氧原子注入到所述硅衬底中；

通过高温退火使注入的所述氧原子与硅发生反应，在所述硅衬底表面下形成连续的SiO₂层。

可选地，所述高能离子注入机的注入能量范围为120KeV至200KeV。

可选地，所述高温退火的温度范围为1000℃至1300℃。

可选地，所述电热层为含金属的材料。

可选地，所述电热层为单层的或者多层的结构。

可选地，所述含金属的材料为温阻材料。

可选地，所述温阻材料包括铂或金。

可选地，所述加热装置和所述测温装置的形状、布局、线条尺寸、厚度和圈数根据不同的需要是可调整的。

可选地，所述保护层为单层的或者多层的结构。

可选地，对所述硅衬底进行湿法腐蚀的腐蚀溶液对于硅腐蚀具有各向异性，并且对于硅/氧化硅具有良好选择比。

可选地，所述腐蚀溶液包括KOH、NaOH、EPW和/或TMAH。

可选地，所述背面空腔的形状和尺寸根据正面关键区域的形状是可调整的。

可选地，所述方法在所述硅衬底中形成背面空腔之后还包括步骤：

去除所述背面空腔底部残留的埋氧绝缘层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用自停止的腐蚀方法，制造出的流量传感器具有良好的片中器件的均匀性、片间器件的可重复性，很好地解决了现有技术中存在的问题，适合大批量的生产，且制造出的流量传感器的品质更高。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明一个实施例的采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法流程示意图；

图2至图8为本发明一个实施例的采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的过程剖面结构示意图；

图9至图16为本发明另一个实施例的采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的过程剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

本发明涉及一种温度传感器，具体是一种利用温度来测量流体的流量的装置。图1为本发明一个实施例的采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法流程示意图。如图1所示，该制造流量传感器的方法可以包括：

执行步骤S101，提供硅衬底，采用离子注入法在硅衬底中形成腐蚀停止层；

执行步骤S102，在硅衬底上淀积电热层；

执行步骤S103，对电热层作图形化，在硅衬底上形成加热装置、测温装置和电极；

执行步骤S104，在硅衬底上淀积保护层，保护层覆盖加热装置和测温装置；

执行步骤S105，通过半导体光刻技术，在流量传感器正对面的反面对硅衬底进行湿法腐蚀，在硅衬底中形成背面空腔。

采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法实施例一

图2至图8为本发明一个实施例的采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的过程剖面结构示意图。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图2所示，提供硅衬底101，首先采用离子注入法对硅基底101进行P+重掺杂，形成P+重掺杂层102(掺杂元素通常选用B或In)，作为腐蚀停止层。掺杂浓度范围在1×10¹⁹/cm³至1×10²¹/cm³，优先选取1.5×10²⁰/cm³至7×10²⁰/cm³。由于离子注入的浓度分布随注入深度呈高斯分布，因此通过调节离子注入参数，可以精确控制P+重掺杂层102在硅衬底101表层下的位置。

如图3所示，在硅衬底101上淀积电热层103，该电热层103可以为含金属的材料，可以是单层的也可以是多层的结构。所淀积的含金属的材料的特征在于在通电的情况下能够作为电热装置的材料，并且随着温度的变化，材料表现出电阻率随着温度变化的特性。该含金属的材料可以是铂(Pt)或者金等温阻材料。

如图4所示，对电热层103作图形化，通过图形化，在硅衬底101上形成含金属的材料的各类图形。在此仅是示意图，表示在硅衬底101上形成不仅包括加热装置104，也还包括测温装置105等；以此为例，图4的俯视图如图5所示。可以看到，在硅衬底101上形成了加热装置104和测温装置105，此外还包括电极106。在此需要明确指出，本实施例涉及的加热装置104和测温装置105的形状、布局、线条尺寸、厚度和圈数都不限制本发明的内容，根据不同的需要是可以进行调整(adjustable)。图5中沿A-A方向的投影，如图4所示。

如图6所示，在硅衬底101上淀积保护层107，保护层107覆盖加热装置104和测温装置105。该保护层107可以是单层或者多层的结构。

在图6得到的结构的基础上也可以进行封装，然而，因为传感器组件通过导热性较好的基底与封装的基板将会直接接触，因此，传感器的温度将受到外界环境温度的干扰。如此，将给流量和温度的测量引入背景噪声，造成测量的不准确。因此，需要将传感器装置悬空。

如图7所示，通过半导体光刻技术，在流量传感器正对面的反面对硅衬底101进行湿法腐蚀，在硅衬底101中形成背面空腔108。在本实施例中，采用一种对硅腐蚀具有各向异性的腐蚀溶液，常用的有KOH、NaOH、EPW(乙二胺、邻苯二酚和水的腐蚀液)和/或TMAH(四甲基氢氧化氨水溶液)等。在各向异性腐蚀过程中，若选用以上提及的几种腐蚀溶液对硅进行腐蚀时，当腐蚀溶液碰到P+重掺杂层102时，其腐蚀速率将显著下降。这是由于重掺杂P+区与腐蚀溶液的相互作用生成了一层纳米钝化层，阻挡了腐蚀的进行，利用这一点可以达到自动中止腐蚀的目的。通过离子注入法可以精确地控制P+重掺杂层102的厚度，这样便解决了悬空上方薄层厚度无法精确控制的问题。在设备的采用上，也无需采用高性能、精确地机台，采用普通的腐蚀机台即能够圆满完成任务。最终形成的结构如图7所示，因为P+重掺杂层102的阻挡，在硅衬底101中精确地形成了背面空腔108，可见，传感器装置下方的支撑材料厚度由P+重掺杂层102的厚度精确控制。

此时的俯视图如图8所示，虚线108所示即是背面空腔108的边缘，显然背面空腔1058的形状和尺寸根据正面关键区域的形状是可以进行调整的(adjustable)。

采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法实施例二

图9至图16为本发明另一个实施例的采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的过程剖面结构示意图。本实施例沿用前述实施例的部分元件标号与内容，其中采用相同的标号一般表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，本实施例不再重复赘述。

如图9所示，提供硅衬底101，使用高能离子注入机(如注入能量范围为120KeV至200KeV的氧注入机)将高浓度氧原子注入到硅衬底101中，随后通过高温退火(高温退火的温度范围如1000℃至1300℃)使注入的氧原子与硅发生反应，在硅衬底101表面下形成连续的埋氧绝缘层，即SiO₂层(图10中102层)，作为腐蚀停止层。这层埋氧绝缘层102的厚度一般为50至500nm厚。通过高浓度氧原子注入的方法，形成了硅/埋氧/硅这样一种结构。由于在离子注入时高能杂质离子轰击硅原子将对晶体结构产生损伤(图9中103层)，高温退火能修复氧化层上硅层的晶格损伤(图10中103层)。在氧化层的上方是表面硅层103，表面硅层103的厚度取决于制造流量传感器的要求。

如图11所示，在硅衬底101的表面硅层103上淀积电热层104，该电热层104可以为含金属的材料，可以是单层的也可以是多层的结构。所淀积的含金属的材料的特征在于在通电的情况下能够作为电热装置的材料，并且随着温度的变化，材料表现出电阻率随着温度变化的特性。该含金属的材料可以是铂(Pt)或者金等温阻材料。

如图12所示，对电热层104作图形化，通过图形化，在硅衬底101的表面硅层103上形成含金属的材料的各类图形。在此仅是示意图，表示在硅衬底101上形成不仅包括加热装置105，也还包括测温装置106等；以此为例，图12的俯视图如图13所示。可以看到，在表面硅层103上形成了加热装置105和测温装置106，此外还包括电极107。在此需要明确指出，本实施例涉及的加热装置105和测温装置106的形状、布局、线条尺寸、厚度和圈数都不限制本发明的内容，根据不同的需要是可以进行调整(adjustable)。图13中沿A-A方向的投影，如图12所示。

如图14所示，在硅衬底101上淀积保护层108，保护层108覆盖加热装置105和测温装置106。该保护层108可以是单层或者多层的结构。

在图14得到的结构的基础上也可以进行封装，然而，因为传感器组件通过导热性较好的基底与封装的基板将会直接接触，因此，传感器的温度将受到外界环境温度的干扰。如此，将给流量和温度的测量引入背景噪声，造成测量的不准确。因此，需要将传感器装置悬空。

如图15所示，通过半导体光刻技术，在流量传感器正对面的反面对硅衬底101进行湿法腐蚀，在硅衬底101中形成背面空腔109。在本实施例中，采用一种高效的对于硅/氧化硅有良好选择比的腐蚀溶液进行腐蚀，即能够很快地腐蚀硅却不容易腐蚀氧化硅，最终通过这种具有良好选择比的腐蚀开出窗口。因为腐蚀溶液不容易腐蚀氧化硅，所以将会自动停在氧化硅上，解决了表层硅无法精确控制的问题。并且，因为埋氧绝缘层102的存在，可以适当地过腐蚀，如此很好地解决单片上不同区域的腐蚀不均匀问题，在提高表层硅控制精度的同时还增强了均匀性，又稳定了不同批次产品直接的可重复性。在设备的采用上，也无需采用高性能、精确地机台，采用普通的腐蚀机台既能够圆满完成任务。最终形成的结构如图15所示，因为埋氧绝缘层102的阻挡，精确地形成了背面空腔109，可见，传感器装置下方的支撑材料厚度由埋氧绝缘层102和表面硅层103的厚度精确控制。在不同的应用中，还可以考虑在上述形成背面空腔109的工艺之后，再去除背面空腔109底部残留的埋氧绝缘层102。

此时的俯视图如图16所示，虚线109所示即是背面空腔109的边缘，显然背面空腔的形状和尺寸根据正面关键区域的形状都是可以调整的(adjustable)。

上述实施例一和实施例二都是利用离子注入的方法在硅表层下形成一层抗腐蚀阻挡层，起到了背面空腔腐蚀自停止的作用，从而可以有效精确地控制背面空腔上方薄层的厚度。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims

1.一种采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法，包括步骤：

在所述硅衬底上淀积电热层；

2.根据权利要求1所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述腐蚀停止层为P+重掺杂层或者埋氧绝缘层。

3.根据权利要求2所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述P+重掺杂层中的掺杂元素为B或In。

4.根据权利要求3所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述P+重掺杂层的掺杂浓度范围为1×10¹⁹/cm³至1×10²¹/cm³。

5.根据权利要求4所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述P+重掺杂层的掺杂浓度范围为1.5×10²⁰/cm³至7×10²⁰/cm³。

6.根据权利要求5所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述埋氧绝缘层的厚度为50～500nm。

7.根据权利要求6所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，在所述硅衬底中形成腐蚀停止层包括步骤：

使用高能离子注入机将高浓度氧原子注入到所述硅衬底中；

8.根据权利要求7所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述高能离子注入机的注入能量范围为120KeV至200KeV。

9.根据权利要求8所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述高温退火的温度范围为1000℃至1300℃。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述电热层为含金属的材料。

11.根据权利要求10所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述电热层为单层的或者多层的结构。

12.根据权利要求11所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述含金属的材料为温阻材料。

13.根据权利要求12所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述温阻材料包括铂或者金。

14.根据权利要求13所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述加热装置和所述测温装置的形状、布局、线条尺寸、厚度和圈数根据不同的需要是可调整的。

15.根据权利要求14所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述保护层为单层的或者多层的结构。

16.根据权利要求15所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，对所述硅衬底进行湿法腐蚀的腐蚀溶液对于硅腐蚀具有各向异性，并且对于硅/氧化硅具有良好选择比。

17.根据权利要求16所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述腐蚀溶液包括KOH、NaOH、EPW和/或TMAH。

18.根据权利要求17所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述背面空腔的形状和尺寸根据正面关键区域的形状是可调整的。

19.根据权利要求18所述的制造流量传感器的方法，其特征在于，所述方法在所述硅衬底中形成背面空腔之后还包括步骤：

去除所述背面空腔底部残留的埋氧绝缘层。