CN102556942B - 基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，该方法首先在单晶硅片表面形成氧化层和低应力氮化硅层；然后在低应力氮化硅层上制作多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻；再制作金属互连线形成加速度传感器输出电路；腐蚀单晶硅片形成凹腔，释放悬臂梁；并用BCB胶键合盖板硅片形成密闭空腔，完成加速度传感器芯片。本发明采用LPCVD淀积的低应力氮化硅薄膜作为加热电阻和温度敏感电阻的支撑层，并采用LPCVD淀积和掺杂工艺制作多晶硅加热电阻和多晶硅温度敏感电阻，所制作的热对流加速度传感器芯片具有检测精度高，可靠性好，稳定性佳等优点，制作工艺与IC工艺兼容，有利于实现芯片微型化和低成本化。

Description

基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法

技术领域

本发明涉及一种热对流加速度传感器芯片的制作方法，尤其是一种基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，属于硅微机械传感器技术领域。

背景技术

基于硅微机械加工技术制作的加速度计具有体积小、重量轻、性能高和批量制作带来的成本低等优点，现在已经应用在很多测试场合，如汽车安全气囊、碰撞测试、消费类电子产品、地震波检测、军用惯性技术导航等。爆炸、冲击测试以及侵彻弹引信是其中一种非常特殊的应用，需要检测的加速度可以高达几万g甚至几十万g，要求加速度计不仅要具有高的灵敏度，还要具有高的谐振频率和较大的带宽，从而可以快速准确地响应被测冲击加速度。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。

热对流式加速度传感器[Luo XB，Yang YJ，Zheng F，et al..An OptimizedMicromachined Convective Accelerometer with No Proof Mass，J.Micromech.Microeng.，2001，11：504～508]基于标准的CMOS制造工艺，使其圆片加工工序的成品率大大提高，全线成品率达到90％以上，使得产品的总体制造成本远远低于电容式加速度传感器，已经可以满足消费类电子产品低成本的要求。热对流加速度传感器的质量块是气体，气态的质量块同传统的实体质量块相比具有很大的优势，如抵抗冲击的能力强，同时能抵抗50000g的冲击；采用表面微机械加工，易于与CMOS兼容，满足单片集成，可以实现微型化和低成本化等。

申请号为：03143287.5的中国专利《微型热流加速度计及其制造方法》就公开了一种单轴或双轴热对流式加速度传感器，可以测量某一坐标轴或同时测量两个坐标轴方向的加速度。它的加热丝和温度传感器悬固在硅腔体上面，加热丝产生的热场在有加速度时发生改变，通过检测电路检测温度传感器的温度变化从而测量出加速度值。然而，该加速度计的加热丝和温度传感器通过普通的二氧化硅或氮化硅作为支撑，悬空于单晶硅片构成的内腔体之上，并封装于管壳和壳帽形成的外腔体内，这种结构设计使气体热对流发生在内、外两个腔体之间；并且还需要在管壳外将各个温度传感器的管脚连接成比较复杂的检测电路。

因此，为了进一步提高这种热对流加速度计的检测精度、可靠性和稳定性，实有必要进一步优化这种热对流加速度计的芯片结构设计及其制造工艺。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于提供一种基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，该方法制作的热对流加速度传感器芯片具有检测精度高，可靠性好，稳定性佳等优点，制作工艺与IC工艺兼容，有利于实现芯片微型化和低成本化。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、在单晶硅片表面利用干法热氧化形成一层氧化层，并利用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺在所述氧化层上形成第一氮化硅层；

步骤二、利用低压化学气相沉积工艺在所述第一氮化硅层上沉积多晶硅层并进行硼离子注入，然后刻蚀所述多晶硅层，形成多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻；再次利用低压化学气相沉积工艺在所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻上形成第二氮化硅层；

步骤三、在所述第二氮化硅层上开设接触孔，使所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻部分露出；然后在其上形成金属层，并通过光刻和刻蚀工艺使金属层形成金属互连线，所述金属互连线将所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻连接形成加速度传感器输出电路；

步骤四、刻蚀部分第二氮化硅层、第一氮化硅层及氧化层，形成悬臂梁结构，并露出下方的部分单晶硅片；然后利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺腐蚀单晶硅片，使单晶硅片形成凹腔，所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻通过其下第一氮化硅层及氧化层构成的悬臂梁结构支撑悬空于该凹腔之上，从而完成器件硅片的制作；

步骤五、制作具有深坑的盖板硅片，并利用BCB(Benzocyc lobuene)胶将所述盖板硅片与器件硅片粘贴起来，使盖板硅片的深坑与器件硅片的凹腔对接形成密闭空腔，完成加速度传感器芯片。

作为本发明的优选方案，步骤一中，利用干法热氧化形成所述氧化层的温度为900-1100℃，形成所述氧化层的厚度为0.30-0.40μm。

作为本发明的优选方案，步骤一中，利用低压化学气相沉积工艺形成的第一氮化硅层厚度为1.1-1.3μm。

作为本发明的优选方案，步骤二中，利用低压化学气相沉积工艺沉积多晶硅层的温度为600-650℃，形成的多晶硅层的厚度为0.3-0.5μm。

作为本发明的优选方案，步骤二中，对多晶硅层并进行硼离子注入的硼源为三氟化硼(BF₃)，注入能量为50-70KeV，剂量为3-5×10¹⁵/cm²。进一步地，硼离子注入后，在氮气保护下对多晶硅层进行退火，退火条件优选为：退火温度为950-1100℃，时间为20-40min。

作为本发明的优选方案，步骤二中，利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺刻蚀所述多晶硅层，反应气体为C₄F₈和SF₆。

作为本发明的优选方案，步骤二形成了四个多晶硅温度敏感电阻和一个多晶硅加热电阻，其中，四个多晶硅温度敏感电阻分为两对多晶硅温度敏感电阻，且每对多晶硅温度敏感电阻分别对称地放置在多晶硅加热电阻的两侧。

作为本发明的优选方案，步骤三中，利用反应离子刻蚀(RIE)工艺开设接触孔，反应气体为CHCl₃和SF₆。

作为本发明的优选方案，步骤三中，形成的金属层为Al层或TiW/Au堆栈层；刻蚀所述金属层时采用湿法腐蚀，并对形成的金属互连线在氮气保护下退火使之合金化。

作为本发明的优选方案，步骤四中，利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺腐蚀单晶硅片时，先垂直向下腐蚀，再改用SF₆作为反应气体各向同性腐蚀。

作为本发明的优选方案，在步骤三形成金属互连线同时制作焊盘，在步骤五中的盖板硅片上制作有通孔，使盖板硅片与器件硅片粘贴后所述通孔将所述焊盘露出。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器的制作方法采用LPCVD淀积的低应力氮化硅薄膜作为热对流加速度传感器加热器电阻和温度敏感电阻的支撑层，并采用LPCVD淀积和掺杂工艺制作的多晶硅加热电阻和多晶硅温度敏感电阻，利用光刻引线孔、金属布线直接将多晶硅温度敏感电阻连接成惠斯登电桥，这样制作的热对流加速度传感器芯片具有精度高，可靠性好，稳定性佳等优点，该芯片的整个制作流程易于控制，制作方法与IC工艺兼容，可以与信号调节电路，微处理器，以及其他测试功能集成在一起，有利于大批量生产，实现芯片微型化和低成本化，从而满足消费类电子产品的市场化需求。

附图说明

图1是实施例中基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的电路原理图；

图2a-2g是实施例中基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片制作工艺流程示意图；

图3是实施例中基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的SEM图。

其中各附图标记说明如下：

8代表单晶硅片；

9代表氧化层；

10代表第一氮化硅层；

11代表温度敏感电阻R_D4；

12代表温度敏感电阻R_D2；

13代表加热电阻R_H；

14代表温度敏感电阻R_D3；

15代表温度敏感电阻R_D1；

16代表第二氮化硅层；

17代表金属互连线；

18代表器件硅片的凹腔；

19代表盖板硅片；

20代表BCB胶；

21代表低应力氮化硅悬臂梁。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例制作的热对流加速度传感器基于温度敏感电阻，采用四个多晶硅温度敏感电阻，热源(加热器)由多晶硅加热电阻构成，加热电阻悬于密封腔的中间，通电后电阻自身发热，加速度为零时，在腔内形成等温的对流场；有加速度时，引起小气流团自由对流，在腔体内形成温度梯度场。两对多晶硅温度敏感电阻分别等距离对称地放置在加热器的两侧(同轴)，并连接成惠斯登检测电桥。由于两侧温度敏感电阻所受温度不同，使得温度敏感电阻发生不同的变化，从而惠斯登电桥有电压输出，来检测两侧的温度差。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。

如图1所示，四个桥臂电阻都是多晶硅温度敏感电阻，阻值相等，R_D1与R_D4距离加热电阻R_H对称布置，R_D2与R_D3距离加热电阻R_H对称布置，这样可以使热对流加速计获得较高的灵敏度和较好的线性度。

在适当的温度范围内，电阻的变化为

R_T＝R₀[1+ξ(T-T₀)]    (1)

加速度计输出为

$V_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{in}}\mathrm{\ξ\δT}=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{in}}\mathrm{\ξ}(T_1+T_4-T_2-T_3)---\left(2\right)$

式中V_in为供电电压。ξ为多晶硅电阻的温度系数，LPCVD制备的多晶硅电阻，在硼离子掺杂剂量为5×10¹⁵cm^-2时ξ为6.25×10^-4/K。δT为对称布置的温度检测电阻的温度差，其为

$\mathrm{\δT}=K\·\mathrm{Gr}=K\·\frac{a{\mathrm{\ρ}}^2\mathrm{\β\ΔT}{l}^3}{{\mathrm{\μ}}^2}---\left(3\right)$

式中K为系数，由FEM分析求出δT。a是加速度；ρ是流体的密度；β是体积膨胀系数；ΔT是热源和其周围温度差，1是腔体特征尺寸，一般认为是加热器的宽度；μ是动力粘性系数。加速度计的输出灵敏度和响应时间分别为

$S=\frac{V_{\mathrm{out}}}{a}---\left(4\right)$

$\mathrm{\τ}\∝\frac{l}{\mathrm{\λ}{l}^2}\frac{\mathrm{\ρ}{l}^3}{C_p}=\frac{\mathrm{\ρ}{C}_p}{\mathrm{\λ}}{l}^2---\left(5\right)$

式中ρ为气体密度，c_p，λ分别为比热和热传导率。

参见图2a-2g，本发明制作这种基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的优选实施步骤如下：

步骤一、支撑层的形成

如图2a所示，先将双抛的单晶硅片8(厚度为420μm，电阻率为3～8Ω·cm)严格清洗后，高温干法热氧化形成一层氧化层9，其厚度可以为0.30-0.40μm，优选为0.35μm，高温干法热氧化的温度可以为900-1100℃，优选为1000℃。如图2b所示，再进入LPCVD淀积第一氮化硅层10，形成的该第一氮化硅层10为低应力氮化硅(LS SiN)，厚度为1.1-1.3μm，本实施例优选为1.2μm。制作低应力的氮化硅作为支撑层，可使器件性能更加稳定，可靠性更高。

步骤二、多晶硅电阻的形成

进入LPCVD淀积多晶硅层，其厚度可以为为0.3-0.5μm，优选为0.4μm，淀积温度可以为600-650℃，优选为630℃。对多晶硅层进行硼离子注入，硼源为三氟化硼(BF₃)，注入能量可以为50-70KeV，剂量可以为3-5×10¹⁵/cm²，本实施例优选注入能量为60KeV，剂量为4×10¹⁵/cm²。由于离子注入会将原子撞击出晶格结构而损伤硅片晶格。如果注入剂量很大，被注入层将变成非晶。另外，被注入离子基本上不占据硅的晶格点，而是停留在晶格间隙位置。这些间隙杂质只有通过高温退火过程才能被激活。退火能够加热被注入硅片，修复晶格缺陷；还能使杂质原子移动到晶格点，将其激活。修复晶格缺陷大约需要500℃，激活杂质原子需要约950℃。杂质的激活与时间和温度有关：时间越长，温度越高，杂质激活越充分。因此掺杂后将多晶硅层放入氧化炉中，通氮气保护，在950-1100℃下退火20-40min，本实施例优选在1000℃下退火30min。

然后进行第一次光刻，版图为M01Poly，用STS公司的电感耦合等离子体反应器STS，ICP干法腐蚀多晶硅层，反应气体为C₄F₈和SF₆；分别形成多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻。本实施例如图2c所示，形成了四个多晶硅温度敏感电阻(即温度敏感电阻R_D411、温度敏感电阻R_D212、温度敏感电阻R_D314和温度敏感电阻R_D115)以及一个多晶硅加热电阻R_H13，这四个多晶硅温度敏感电阻分为两对(R_D411与R_D115以及R_D212与R_D314)，且每对多晶硅温度敏感电阻分别对称地放置在多晶硅加热电阻R_H13的两侧。去胶后，标准清洗，烘干后进入LPCVD炉中，淀积0.1μm厚度的第二氮化硅层16，即LS SiN绝缘层，如图2d所示。

步骤三、引线孔及金属合金化

如图2e所示，第二次光刻腐蚀孔，版图为M02 etch hole，用反应离子刻蚀(RIE)干法刻蚀第二氮化硅层16露出多晶硅，反应气体为CHCl₃和SF₆，开接触孔后，溅射金属层，金属层优选为或TiW/Au堆栈层；本实施例采用Al层，厚度优选为0.8μm。第三次光刻金属层，版图为M03 Al。在铝腐蚀液(H₃PO₄∶HNO₃∶CH₃COOH∶H₂O∶湿化剂＝16∶1∶1∶2)中腐蚀铝，速率为0.4μm/min，后在丙酮中去胶，并清洗，烘干，形成金属互连线17。若采用TiW/Au堆栈层可以在Au腐蚀液中腐蚀Au，在双氧水中腐蚀TiW。之后在氮气保护下，450℃高温下使金属互连线17合金化45min。所述金属互连线17将所述多晶硅温度敏感电阻连接成惠斯登电桥并将所述多晶硅加热电阻的两端引出，形成如图1所示的加速度传感器输出电路。优选地，在制作金属互连线同时制作焊盘。

步骤四、深腐蚀腔

如图2f所示，进行第四次光刻，版图为M04 STS ICP，涂4620厚胶7μm，先进入离子束刻蚀(IBE)腐蚀部分第二氮化硅层16、第一氮化硅层10及氧化层9，即腐蚀支撑层LS SiN材料至少1.2μm，并露出下方的部分单晶硅片8，以形成初始的低应力氮化硅悬臂梁结构。不去胶，再次进入STS公司的电感耦合等离子体反应器中深腐蚀单晶硅片8，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SF₆ etch的程序各向同性腐蚀100μm释放悬臂梁，使单晶硅片8形成凹腔18，温度敏感电阻R_D411、温度敏感电阻R_D212、温度敏感电阻R_D314、温度敏感电阻R_D115以及多晶硅加热电阻R_H13通过其下的第一氮化硅层及氧化层(悬臂梁结构)的支撑悬空于该凹腔18之上，从而完成器件硅片的制作。最终凹腔18深度为300μm左右。然后直接在凹腔18中等离子体去除厚胶。

步骤五、BCB键合

如图2g选用有机BCB胶20(Benzocyclobuene)将盖板硅片19与器件硅片粘结起来，从而形成所需要的密闭空腔，其中，盖板硅片19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(KOH)溶液中各向异性腐蚀形成。用BCB胶20把器件硅片和盖板硅片19粘结起来后，形成所需的空腔；而盖板硅片19上的通孔将器件硅片上的焊盘暴露出来，压焊后可实现电路的互连。

最后，划片、贴片和打线。键后的双层硅片在划片机上分成每个单元，单个集成器件的大小是0.25mm×0.25mm，厚度是两层硅片0.84mm。再用绿胶粘到管壳上，打线后完成初步封装。

如图3所示的是本发明一优选实施例的热对流加速度传感器在未键合前图形面的扫描电镜照片。可见，加热电阻R_H13悬于中间，温度敏感电阻R_D115和温度敏感电阻R_D411等距离对称的悬于加热电阻R_H13两侧，温度敏感电阻R_D314和温度敏感电阻R_D212也等距离对称的悬于加热电阻R_H13两侧，由第一氮化硅层及氧化层构成的低应力氮化硅悬臂梁21使加热电阻R_H13和各温度敏感电阻悬空于器件硅片凹腔18上。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (12)

1.一种基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在单晶硅片表面利用干法热氧化形成一层氧化层，并利用低压化学气相沉积工艺在所述氧化层上形成第一氮化硅层；

步骤二、利用低压化学气相沉积工艺在所述第一氮化硅层上沉积多晶硅层并进行硼离子注入，然后刻蚀所述多晶硅层，形成多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻；再次利用低压化学气相沉积工艺在所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻上形成第二氮化硅层；

步骤三、在所述第二氮化硅层上开设接触孔，使所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻部分露出；然后在其上形成金属层，并通过光刻和刻蚀工艺使金属层形成金属互连线，所述金属互连线将所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻连接形成加速度传感器输出电路；

步骤四、刻蚀部分第二氮化硅层、第一氮化硅层及氧化层，形成悬臂梁结构，并露出下方的部分单晶硅片；然后利用电感耦合等离子体刻蚀工艺腐蚀单晶硅片，使单晶硅片形成凹腔，所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻通过其下第一氮化硅层及氧化层构成的悬臂梁结构支撑悬空于该凹腔之上，从而完成器件硅片的制作；

步骤五、制作具有深坑的盖板硅片，并利用BCB胶将所述盖板硅片与器件硅片粘贴起来，使盖板硅片的深坑与器件硅片的凹腔对接形成密闭空腔，完成加速度传感器芯片；

其中，步骤二形成了四个多晶硅温度敏感电阻和一个多晶硅加热电阻，四个多晶硅温度敏感电阻分为两对多晶硅温度敏感电阻，且每对多晶硅温度敏感电阻分别对称地放置在多晶硅加热电阻的两侧；步骤三中，所述金属互连线将四个多晶硅温度敏感电阻连接成惠斯登电桥。

2.根据权利要求1所述基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于：步骤一中，利用干法热氧化形成所述氧化层的温度为900-1100℃，形成所述氧化层的厚度为0.30-0.40μm。

3.根据权利要求1所述基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于：步骤一中，利用低压化学气相沉积工艺形成的第一氮化硅层厚度为1.1-1.3μm。

4.根据权利要求1所述基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于：步骤二中，利用低压化学气相沉积工艺沉积多晶硅层的温度为600-650℃，形成的多晶硅层的厚度为0.3-0.5μm。

5.根据权利要求1所述基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于：步骤二中，对多晶硅层并进行硼离子注入的硼源为三氟化硼，注入能量为50-70KeV，剂量为3-5×10¹⁵/cm²。

6.根据权利要求5所述基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于：步骤二还包括在硼离子注入后，在氮气保护下对多晶硅层进行退火的步骤，退火温度为950-1100℃，时间为20-40min。

7.根据权利要求1所述基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于：步骤二中，利用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述多晶硅层，反应气体为C₄F₈和SF₆。

8.根据权利要求1所述基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于：步骤三中，利用反应离子刻蚀工艺开设接触孔，反应气体为CHCl₃和SF₆。

9.根据权利要求1所述基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于：步骤三中，形成的金属层为Al层或TiW/Au堆栈层。

10.根据权利要求1所述基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于：步骤三中，刻蚀所述金属层时采用湿法腐蚀，并对形成的金属互连线在氮气保护下退火使之合金化。

11.根据权利要求1所述基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于：步骤四中，利用电感耦合等离子体刻蚀工艺腐蚀单晶硅片时，先垂直向下腐蚀，再改用SF6作为反应气体各向同性腐蚀。

12.根据权利要求1所述基于温度敏感电阻的热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于：步骤三中形成金属互连线时制作焊盘，步骤五中在盖板硅片上制作通孔，使盖板硅片与器件硅片粘贴后所述通孔将所述焊盘露出。