CN1027519C

CN1027519C - 一种硅膜压阻压力传感器的制造方法及其传感器

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Publication number: CN1027519C
Application number: CN 90104145
Authority: CN
Inventors: 涂相征; 李韫言
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-06-08
Filing date: 1990-06-08
Publication date: 1995-01-25
Anticipated expiration: 2005-06-08
Also published as: CN1057336A

Abstract

本发明提供了一种正面加工硅膜压阻压力传感器及其制造方法，该传感器的特点是硅膜下的空腔是从衬底硅体内镂空形成的空腔腔体，它的形成步骤a、在衬底硅膜设计区的下方及两侧进行重掺杂，形成连通的低阻区；b、采用阳极氧化技术，使低阻区的硅转变成多孔硅；c、用腐蚀液腐蚀多孔硅；d、用淀积物填平硅膜两侧腐蚀多孔硅后形成的腔体开口。采用这种方法使器件成本低、性能可靠、易于集成和大批量生产。

Description

本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种正面加工硅膜压阻压力传感器及其制作方法。

如图1所示的现有硅膜压阻压力传感器（IShiharartal，“CMOS integrated silicon pressure sensor”，IEEE Journal of solidstate Circuits，Vol.Sc-22，No.2，P.151，1987），都是从硅片的背面进行化学腐蚀以形成硅杯，通常用的化学腐蚀方法有两种：一是在硅片里形成一个高掺硼（近似1×10²⁰/cm³）的P⁺夹层，夹层下面的衬底部分用EDP（乙二胺、焦儿茶酚和水）腐蚀，保留夹层及其以上部分（R.M.Finne and D.L.Klein，“A Water-amine-complexing agent system for etching silicon”，J.Electrochem.Soc.，Vol.114，P.965，1967）;二是在N/P处延片的n-型外延层上加偏压，用热碱性溶液或联氨水溶液选择腐蚀掉P型衬底保存n-型外延层（H.A.Waggener，“Electro-chemically Controlled thinning of silicon”Bell Syst.Tech.J.，Vol.50，P.473，1970）。这两种腐蚀方法都不能严格控制硅片的横向腐蚀，并且不能产生很薄的硅膜，此外，为形成密封腔体，产生器件工作所需的参考压力，硅片的背面还要与特殊的玻璃片焊接。所有这些都是简化工艺、提高产量、降低成本、改善性能的严重障碍。

本发明的目的就是为了克服这些严重障碍，提供一种低成本高性能且适宜大批量生产的正面加工的硅膜压阻压力传感器及其制造方法。

本发明为一种在硅膜上表面制作压阻电阻器的硅膜压阻压力传感器，其特点是该传感器的硅膜下的空腔是在衬底硅体内镂空，从硅片的正面形成的腔体。紧靠硅膜两侧且与硅膜相连的空腔腔体开口由物理或化学气相淀积的淀积物填平，空腔在硅体内为一密闭的空腔腔体。

本发明所采用的硅衬底为n-型硅，其载流子浓度为10¹⁵-10¹⁶/cm³，该传感器的硅膜及空腔腔体的形状和尺寸是根据器件的要求而选定设计的。

本发明的硅膜压阻压力传感器的制造方法，其特征在于该传感器的硅膜和硅膜下的空腔腔体是在硅片正面加工形成的，其主要步骤为：a.在衬底的硅膜设计区的下方及两侧进行重掺杂形成连通的低阻区;b.采用阳极氧化技术，使阳极电流流过这一低阻区，使低阻区的硅转变为多孔硅;c.用腐蚀液腐蚀多孔硅;使硅膜设计区的下方和两侧的多孔硅全部腐蚀掉形成连通的空腔;d.用淀积物填平硅膜两侧腐蚀多孔硅后形成的空腔腔体开口，则形成了密闭的空腔腔体，腔体上面的硅便构成了可制作压阻电阻器的硅膜。

本发明在硅膜的下方及两侧进行重掺杂形成低阻区是先在n-型硅衬底的硅膜设计区进行n⁺埋层离子注入或扩散，形成重掺杂埋层区，然后进行n型外延，使外延的厚度近似等于所需的硅膜厚度，再在紧靠硅膜设计区的两侧用离子注入或扩散方法进行重掺杂，使得与埋层区相连通形成低阻区，其离子注入或扩散要满足，低阻区的n型杂质浓度大于1×10⁷/cm³。

本发明在硅膜的下方及两侧进行重掺杂形成低阻区，还可采用二次高能离子注入的方法，即是在n-型硅衬底里先注入氮离子，注入剂量为10¹³-10¹⁵/cm²，注入结深近似等于所需的硅膜厚度，后注入质子，注入剂量为10¹⁴-10¹⁶/cm³，注入结深近似等于所需硅膜与空腔腔体高之和，注入后在400-500℃下于惰性气体中进行退火，一般是在氮气或氮氢混合气体中进行，退火时间为10-40分钟。

本发明所采用的阳极氧化是在氢氟酸溶液中进行，氢氟酸的浓度为10-50%，稀释剂为水或乙醇，阳极电压一般控制在4-10V，阳极电流为20-100mA/cm²，腐蚀多孔硅的腐蚀液为稀碱性溶液，如氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化铵等，其浓度为2-10%。填平硅膜两侧的腔体开口的淀积物为多晶硅、二氧化硅、氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃等所述物质中的任意一种，淀积物可用物理或化学气相淀积方法制备。

本发明的优点是：

1.由于硅膜和腔体的形状和尺寸由离子注入或扩散所控制，因此加工精度高，重复性好。

2.由于硅膜的厚度由同质外延层厚度或氮离子注入结深决定，因此硅膜可以制得足够薄，有利提高灵敏度。

3.为形成腔体所需腐蚀掉的硅量极微，不影响硅片的机械强度，有利于提高成品率、改善可靠性。

4.因腔体在硅片内形成，封装简单、成本降低、可靠性好。

5.硅膜的所有加工工艺都与集成电路制作兼容，因此容易实现集成和大批量生产。即是可以在该压阻压力传感器的硅膜边缘的硅片上制备周边电路，包括CMOS运算放大器，电压参考电路和驱动电路构成单片集成硅膜压阻压力传感器。很显然上述两部分也可以分别在两个硅片上制作，然后组装在一起（混合集成）构成集成硅膜压阻压力传感器。

附图图面说明

图1为现有技术制作的硅膜压阻压力传感器的示意图。

其中图1-a为其顶视图，图1-b为其剖视图，图1-c为其桥式电路图。

图2为本发明制作的硅膜压阻压力传感器的示意图。

其中图2-a为其顶视图，图2-b为其剖视图，图3-c为其桥式电路图。

图3为实施例1中制作硅膜压阻压力传感器的主要工序芯面图。

图3-a为热氧化、光刻、n⁺埋层注入。

图3-b为n⁺埋层注入推进。

图3-c为n-型硅外延生长。

图3-d为热氧化、光刻、n⁺阳极氧化通道注入。

图3-e为n⁺阳极氧化通道注入推进。

图3-f为P⁺压阻电阻器区注入。

图3-g为淀积Si₃N₄和多晶硅、光刻腐蚀阳极氧化窗口。

图3-h为阳极氧化生成多孔硅。

图3-i为腐蚀多孔硅。

图3-j为淀积多晶硅填充腔体开口。

图3-k为引线和钝化。

图4为实施例2中制作硅膜压阻压力传感器的主要工序芯面图。

图4-a为压阻电阻器注入。

图4-b为氮离子注入。

图4-c为淀积氮化硅、多晶硅。

图4-d为质子注入。

图4-e为光刻和腐蚀阳极氧化窗口。

图4-f为阳极氧化生成多孔硅。

图4-g为腐蚀多孔硅。

图4-h为淀积多晶硅填充腔体开口。

图4-i为引线和钝化。

图中：

1-n-型硅 2-二氧化硅 3-n⁺埋层

4-n-型外延层 5-n⁺注入区 6-P⁺注入区

7-氮化硅 8-多晶硅 9-多孔硅

10-硼磷硅玻璃 11-Al-Si 12-3%磷硅玻璃

13-氮离子注入区 14-质子注入形成 15-压焊块的低阻区

下面结合附图对本发明的实施例加以具体描述：

实施例1：

制作硅膜压阻压力传感器，具有芯片面积为0.5×0.5mm²、硅膜面积为0.2×0.2mm²、硅膜厚为6.5μm、空腔腔体高4μm，四个两对压阻电阻器分别制作在硅膜的四边，一对垂直于<110>硅膜边方向。

主要制作工艺流程步骤：

（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105min，生长二氧化硅层（2）;

（2）在（100）n-型硅片上光刻0.2×0.2mm²的n⁺埋层注入区;

（3）腐蚀掉埋层注入区的SiO₂;

（4）在SiO₂的掩蔽下进行n⁺埋层注入As⁺形成埋层区（3），在100Kve下注入，注入剂量为1×10¹⁴/cm²，

上述工艺流程步骤（1）-（4）如图3-a所示。

（5）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900min;

这一工艺步骤如图3-b所示。

（6）除掉硅表面上所有的SiO₂后，在整个硅的新表面上进行n型外延生长，外延层（4）厚度为6.5μm，杂质浓度为3×10¹⁵/cm³，生长条件为：H₂：260L/min，SiCl₄：6.4-7g/min，PH₃：100PPM，0.15-0.18L/min，1160℃，13min;

这一工艺步骤如图3-c所示。

（7）在1100℃下，湿氧氧化105min;

（8）光刻n⁺窗口注入区;

（9）腐蚀n⁺窗口注入区上的SiO₂;

（10）在SiO₂掩蔽下，通过窗口进行As⁺注入形成n⁺注入区（5），注入条件为100Kev，注入剂量为4×10¹⁴/cm²;

上述工艺流程步骤（7）-（10）如图3-d所示。

（11）n⁺注入区（5）推进：在1200℃，O₂∶N₂＝0.2∶0.8的条件下，进行n⁺窗口注入区（5）的推进，时间为900min;

n⁺注入区的推进，使得推进后与n⁺埋层区相连通构成连通的低阻区，这一工艺步骤为阳极氧化通道注入的推进，如图3-e所示。

（12）光刻P⁺（P型掺杂）电阻器注入区;

（13）P⁺（P型掺杂）电阻器注入：注入B⁺，条件为40KeV，注入剂量为2×10¹⁵/cm²，形成P⁺电阻器注入区（6）;

（14）淀积Si₃N₄（7）：LPCVD，600A°;

（15）淀积多晶硅（8）;LPCVD，5000A°;

（16）光刻阳极氧化窗口;

（17）腐蚀多晶硅，Si₃N₄、SiO₂;

工艺步骤（14）-（17）如图3-g所示。

（18）阳极氧化：阳极氧化使得低阻区的硅转变成多孔硅（9），其电介质组分为HF∶C₂H₅OH＝2∶1（也可用HF∶C₂H₅OH＝1∶1或HF∶C₂H₅OH＝1∶2等），阳极电压为7V，电流为40mA/cm²，阳极氧化大约30分钟;

这一工艺步骤如图3-h所示。

（19）腐蚀阳极氧化所形成的多孔硅（9），在室温下，采用5%的KOH溶液将多孔硅全部腐蚀掉构成连通的空腔;

这一工艺步骤如图3-i所示。

（20）淀积多晶硅（8）填平腐蚀多孔硅后在硅膜两侧形成的空腔腔体开口，使得硅膜下的空腔变为密闭的腔体，淀积多晶硅是用硅烷作源，在700℃，LPCVD淀积，厚度为7.5μm;

这一工艺步骤如图3-J所示。

（21）光刻多晶硅腐蚀区;

（22）腐蚀多晶硅;

（23）硼磷硅玻璃（PBSG）（10）淀积，7500A恪

（24）BPSG流动：950℃，15min，N₂;

（25）光刻接触孔;

（26）腐蚀BPSG、Si₃N₄、SiO₂;

（27）BPSG回流：950℃，30min，N₂;

（28）腐蚀SiO₂;

（29）Al-Si（11）蒸发，1μm;

（30）光刻Al-Si互连;

（31）腐蚀Al-Si;

（32）淀积3%PSG（12）1μm;

（33）光刻压焊块;

（34）腐蚀PSG、BPSG;

工艺步骤（23）-（34）为引线和纯化，如图3-K所示。

实施例2：

制作的硅膜压阻压力传感器具有芯片面积为0.5×0.5mm²、硅膜面积为0.14×0.14mm²、硅膜厚度为2μm，腔体高为4μm，四个两对压阻电阻器分别制作在硅膜的四边，一对垂直于<110>硅膜边方向，另一对平行于此方向。

主要制作工艺流程步骤：

（1）在载流子浓度为5×10¹⁵/cm³（100）n-型硅片上热氧化;条件为在1000℃下湿氧氧化105分钟，生长二氧化硅层（2）;

（2）光刻P⁺电阻器注入区;

（3）P⁺（P型掺杂）注入;注入B⁺形成P⁺电阻器注入区（6），条件为40KeV，剂量为2×10¹⁵/cm²;

这一工艺步骤如图4-a所示。

（4）光刻硅膜注入区;

（5）硅膜注入：注入N⁺，条件为650KeV，剂量为2×10¹⁴/cm²，形成氮离子注入区（13）;

这一工艺步骤如图4-b所示。

（6）淀积Si₃N₄（7）：LPCVD.600A°;

（7）淀积多晶硅（8）：LPCVD，5000A°;

工艺步骤（6）-（7）如图4-C所示。

（8）光刻阳极氧化注入区;

（9）阳极氧化区注入：注入H⁺形成质子注入区（14），注入条件为500KeV，剂量为3×10¹⁵/cm²;

这一工艺步骤如图4-d所示。

（10）退火：条件为450℃，20分钟在N₂气氛中进行;

（11）光刻阳极氧化窗口;

（12）腐蚀阳极氧化窗口的多晶硅、Si₃N₄、SiO₂;

工艺步骤（11）-（12）如图4-e所示。

（13）阳极氧化二次注入形成的低阻区的硅，使得转变为多孔硅（9），其阳极氧化电介质组合为HF∶C₂H₅OH＝1∶1（也可用HF∶C₂HOH＝2∶1或HF∶C₂H₅OH＝1∶2等），阳极电压控制在7V（或用4V，10V等），电流为30mA/cm²（也可用40A/cm²或60mA/cm²等），大约氧化30分钟;

这一工艺步骤如图4-f所示。

（14）腐蚀多孔硅（9）使得多孔硅全部腐蚀掉，在硅膜的下方和两侧形成连通的空腔，采用8%的NaOH的溶液腐蚀;

这一工艺步骤如图4-g所示。

（15）淀积多晶硅（8）填平硅膜两侧的空腔腔体开口，使得硅膜下的空腔变为密闭的腔体，采用硅烷作源在700℃，LPCVD，多晶硅厚为6μm;

这一工艺步骤如图4-h所示。

（16）光刻多晶硅腐蚀区;

（17）腐蚀多晶硅;

（18）淀积BPSG（10），厚度为7500A°;

（19）BPSD流动：950℃，15min，N₂;

（20）光刻接触孔;

（21）腐蚀BPSG、Si₃N₄、SiO₂;

（22）BPSG回流：950℃，15min，N₂;

（23）腐蚀SiO₂;

（24）Al-Si（11）蒸发：厚度为1μm;

（25）光刻Al-Si（11）互连;

（26）腐蚀Al-Si;

（27）3%PSG（12）淀积;

（28）光刻压焊块、硅膜暴露区;

（29）腐蚀PSG、BPSG。

工艺步骤（18）-（29）如图4-i所示。

本发明的这种硅膜压阻压力传感器的制造工艺与CMOS集成电路工艺完全兼容，也就是说在该传感器的硅膜边缘上，采用CMOS电路工艺制备周边电路构成单片集成硅膜压阻压力传感器是很容易实现的，这里的CMOS电路的制备工艺，对该技术领域的技术人员是显而易见的。同时根据本文的具体描述，在发明的构思和范围内的各种变化和改进，对那些该技术领域内的熟练的技术人员来说也是显而易见的。

Claims

1、一种硅膜压阻压力传感器的制造方法，该传感器包括在硅膜上表面制作压阻电阻器以及在硅膜下边形成空腔，其特征在于该传感器的硅膜和硅膜下边的空腔是在硅片的正面加工形成的，其主要步骤为：

a.在衬底的硅膜设计区的下方和两侧进行重掺杂形成连通的低阻区；

b.采用阳极氧化技术，使阳极电流流过这一低阻区，使低阻区的硅转变成多孔硅；

c.用腐蚀液腐蚀多孔硅；

d.用淀积物填平硅膜两侧腐蚀多孔硅后形成的空腔腔体开口。

2、根据权利要求1所述的硅膜压阻压力传感器的制造方法，其特征在于所说的a步在衬底的硅膜设计区的下方及两侧进行重掺杂工艺是先在n-型硅衬底的硅膜设计区进行离子注入或扩散，形成重掺杂的n⁺埋层区，然后进行n型外延，使外延层厚度近似等于所需硅膜厚度，再在紧靠硅膜设计区的两侧用离子注入或扩散方法进行重掺杂，使得与埋层区相连通形成低阻区，其离子注入或扩散要满足低阻区的n型杂质浓度大于1×10¹⁷/cm³。

3、根据权利要求1所述的硅膜压阻压力传感器的制造方法，其特征在于所说的a步在衬底的硅膜设计区的下方及两侧进行重掺杂工艺是采用二次高能离子注入的方法，它是在n-型硅衬底里先注入氮离子，注入剂量为10¹³-10¹⁵/cm²，注入结深近似等于所需硅膜厚度，后注入质子，注入剂量为10¹⁴-10¹⁶/cm²，注入结深近似等于所需硅膜厚度与空腔腔体高之和，注入后在400-500℃下于隋性气体中退火。

4、根据权利要求1所述的硅膜压阻压力传感器的制造方法，其特征在于所说的b步阳极氧化是在氢氟酸溶液中进行，氢氟酸溶液浓度为10-50%，稀释剂为水或乙醇。

5、根据权利要求4所述的硅膜压阻压力传感器的制造方法，其特征在于在氢氟酸溶液中进行阳极氧化的电压控制在4-10V，阳极电流为20-100mA/cm²。

6、根据权利要求1所述的硅膜压力阻压力传感器的制造方法，其特征在于所说的c步多孔硅的腐蚀液为稀碱性溶液。

7、根据权利要求6所述的硅膜压阻压力传感器的制造方法，其特征在于稀碱性溶液为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化铵溶液，其浓度为2-10%。

8、根据权利要求1所述的硅膜压阻压力传感器的制造方法，其特征在于所说的d步填平硅膜两侧腔体开口的淀积物为多晶硅、氮化硅、二氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃，淀积物可用物理或化学气相淀积方法制备。

9、一种采用由权利要求1所述的硅膜压阻压力传感器的制造方法所制造的硅膜压阻压力传感器，该传感器包括在硅膜上表面制作的压阻电阻器以及在硅膜下边的空腔，其特征在于所说的空腔是在衬底硅体内镂空，从硅片的正面形成的腔体，填平硅膜两侧腔体开口的为用物理或化学气相淀积方法制备的多晶硅、氮化硅、二氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃等淀积物。

10、根据权利要求9所述的硅膜压阻压力传感器，其特征在于衬底硅为n-型硅，其载流子浓度为10¹⁵-10¹⁶/cm²。