CN103011057A

CN103011057A - 一种微电子机械系统电容式气压传感器的制备方法

Info

Publication number: CN103011057A
Application number: CN2012105098806A
Authority: CN
Inventors: 聂萌; 黄庆安
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种微电子机械系统电容式气压传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤1）在N型硅衬底的上部，各向异性深反应离子刻蚀形成硅腐蚀孔；步骤2）在硅衬底上各向同性深反应离子刻蚀形成空腔；步骤3）在硅衬底的上方外延生长单晶硅层，形成外延单晶硅层；步骤4）注入磷离子，形成磷离子重掺杂扩散区；步骤5）化学气相淀积氧化层并进行图形化；步骤6）在氧化层的上方，溅射金属层并图形化；步骤7）在金属层上方，化学气相淀积钝化层并图形化；步骤8）采用缓释氢氟酸腐蚀液去除部分氧化层，得到下电容极板与上电容极板之间的电容间隙腔，从而制成电容式气压传感器。该制备方法与CMOS标准工艺兼容，可批量化、大规模生产电容式气压传感器。

Description

一种微电子机械系统电容式气压传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种气压传感器的制备方法，具体来说，涉及一种微电子机械系统（微电子机械系统，英文为Micro-Electronic-Mechanical Systems，文中简称MEMS）电容式气压传感器的制备方法。

技术背景

气压传感器在气象预报、气候分析、环境检测、航空航天等方面发挥着越来越重要的作用。尤其是近年来频繁发生的天气自然灾害使得气压传感器在气象预报和气候分析方面凸显重要性。

气压传感器应用需求巨大，由于MEMS技术的进步，基于MEMS技术有望提高气压传感器性能、降低成本，因此成为国内外研究机构、高校的主要研究与开发的一类器件。但是，硅电容式气压传感器目前仍存在如下主要问题：第一，目前常用多晶硅膜作为变形极板，但是多晶硅的力学特性和长期稳定性远不如单晶硅；第二，真空腔一般由硅片背面腐蚀形成，双面对准误差及由此需要利用带电极的玻璃静电键合形成电容结构时的对准误差均会引起同批传感器性能的不一致性问题。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种微电子机械系统电容式气压传感器的制备方法，该制备方法与CMOS（CMOS对应英文全称为Complementary Metal Oxide Semiconductor）标准工艺兼容，可批量化、大规模生产电容式气压传感器，工艺简单，一致性、可靠性高。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种微电子机械系统电容式气压传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤1）在N型硅衬底的上部，采用各向异性深反应离子刻蚀形成硅腐蚀孔；

步骤2）通过步骤1）制备的硅腐蚀孔，在硅衬底上各向同性深反应离子刻蚀形成空腔，该空腔位于硅腐蚀孔的下方；

步骤3）在硅衬底的上方外延生长单晶硅层，形成外延单晶硅层，并且该外延单晶硅层填充到硅腐蚀孔中，形成下电容极板，同时作为气压传感器的可动敏感薄膜，空腔为真空密封腔；

步骤4）在外延单晶硅层的一区域中注入磷离子，形成磷离子重掺杂扩散区；

步骤5）在外延单晶硅层的上方，化学气相淀积氧化层并进行图形化；

步骤6）在氧化层的上方，溅射金属层并图形化，得到上电容极板、上电容极板电引出、腐蚀透气孔和下电容极板电引出；

步骤7）在金属层上方，化学气相淀积钝化层并图形化；

步骤8）通过腐蚀透气孔，采用缓释氢氟酸腐蚀液去除部分氧化层，得到下电容极板与上电容极板之间的电容间隙腔，从而制成电容式气压传感器。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）可批量化、大规模生产。本发明采用外延单晶硅层作为气压传感器的下电容极板、金属层作为上电容极板，制成电容式气压传感器。通过各向异性深反应离子刻蚀形成硅腐蚀孔，通过硅腐蚀孔，在衬底硅上各向同性反应离子刻蚀形成空腔，外延生长单晶硅，形成下电容极板和真空密封腔。该电容式压力传感器敏感膜采用外延单晶硅，并避免了背面腐蚀所需要的双面对准工艺，同时不需要静电键合形成密封腔。以上全部工艺均可与CMOS标准工艺兼容，因此可实现MEMS气压传感器的批量化，大规模生产。

（2）制备的器件精度高，对准误差小。本发明的步骤1）至步骤3），利用MEMS深反应离子刻蚀工艺，包括各向异性和各向同性刻蚀，得到传感器空腔，并避免了背面腐蚀所需要的双面对准工艺，减小对准误差。另外，步骤3）中，利用外延单晶硅工艺得到电容下极板和真空密封腔，不需要静电键合形成密封腔，从而减小键合对准误差。

（3）下电容极板稳定性高。本发明的制备方法制备的传感器，电容的下极板采用外延单晶硅层，其力学特性和长期稳定性远高于通常所用的多晶硅材料。

附图说明

图1是本发明步骤1）制成器件的结构示意图。

图2是本发明步骤2）制成器件的结构示意图。

图3是本发明步骤3）制成器件的结构示意图。

图4是本发明步骤4）制成器件的结构示意图。

图5是本发明步骤5）制成器件的结构示意图。

图6是本发明步骤6）制成器件的结构示意图。

图7是本发明步骤7）制成器件的结构示意图。

图8是本发明步骤8）制成器件的结构示意图。

图中有：硅衬底1、硅腐蚀孔2、空腔3、外延单晶硅层4、下电容极板5、磷离子重掺杂扩散区6、氧化层7、上电容极板8、上电容极板电引出9、腐蚀透气孔10、下电容极板电引出11、钝化层12、电容间隙腔13。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的一种微电子机械系统电容式气压传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1）如图1所示，在N型硅衬底1的上部，采用各向异性深反应离子刻蚀形成硅腐蚀孔2。

步骤2）如图2所示，通过步骤1）制备的硅腐蚀孔2，在硅衬底1上各向同性深反应离子刻蚀形成空腔3，该空腔3位于硅腐蚀孔2的下方。

步骤3）如图3所示，在硅衬底1的上方外延生长单晶硅层，形成外延单晶硅层4，并且该外延单晶硅层4填充到硅腐蚀孔2中，形成下电容极板5，同时作为气压传感器的可动敏感薄膜，空腔3为真空密封腔。

步骤4）如图4所示，在外延单晶硅层4的一区域中注入磷离子，形成磷离子重掺杂扩散区6。该磷离子重掺杂扩散区6用于下电容极板5的电引出。

步骤5）如图5所示，在外延单晶硅层4的上方，化学气相淀积氧化层7并进行图形化。

步骤6）如图6所示，在氧化层7的上方，溅射金属层并图形化，得到上电容极板8、上电容极板电引出9、腐蚀透气孔10和下电容极板电引出11。

步骤7）如图7所示，在金属层上方，化学气相淀积钝化层12并图形化。钝化层12作为保护层，可以保护整个器件。

步骤8）如图8所示，通过腐蚀透气孔10，采用缓释氢氟酸腐蚀液去除部分氧化层7，得到下电容极板5与上电容极板8之间的电容间隙腔13，从而制成电容式气压传感器。

本发明采用各向异性深反应离子刻蚀形成硅腐蚀孔2，通过硅腐蚀孔2，在硅衬底1上各向同性深反应离子刻蚀形成空腔3，外延生长单晶硅，形成下电容极板5和真空密封腔，金属层作为上电容极板8，完成电容式气压传感器的制作。利用深反应离子刻蚀（深反应离子刻蚀简称：DRIE）工艺形成气压传感器所需要空腔3，在利用外延工艺形成密封腔。该制作方法与CMOS标准工艺兼容，可实现批量化、大规模生产MEMS电容式气压传感器。

本发明的制备方法制成的MEMS电容式气压传感器，包括硅衬底1，在硅衬底1上外延单晶硅层4作为下电容极板5，同时为气压传感器可动薄膜，在下电容极板5的下方设有真空封闭腔，在氧化层7上的金属层作为上电容极板8，在下电容极板5与上电容极板8之间设有电容间隙腔13，在上电容极板8上设有与电容间隙腔13相通的腐蚀透气孔10，最上层设有钝化层12保护整个器件。该电容式气压传感器是MEMS电容式气压传感器的通用典型结构。

本发明的制备方法完全与CMOS工艺的标准流程兼容，同时利用MEMS工艺即可制备出该气压传感器，从而为利用CMOS加工线研制气压传感器探索出一条较为可行的路径。

Claims

1.一种微电子机械系统电容式气压传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤1）在N型硅衬底（1）的上部，采用各向异性深反应离子刻蚀形成硅腐蚀孔（2）；

步骤2）通过步骤1）制备的硅腐蚀孔（2），在硅衬底（1）上各向同性深反应离子刻蚀形成空腔（3），该空腔（3）位于硅腐蚀孔（2）的下方；

步骤3）在硅衬底（1）的上方外延生长单晶硅层，形成外延单晶硅层（4），并且该外延单晶硅层（4）填充到硅腐蚀孔（2）中，形成下电容极板（5），同时作为气压传感器的可动敏感薄膜，空腔（3）为真空密封腔；

步骤4）在外延单晶硅层（4）的一区域中注入磷离子，形成磷离子重掺杂扩散区（6）；

步骤5）在外延单晶硅层（4）的上方，化学气相淀积氧化层（7）并进行图形化；

步骤6）在氧化层（7）的上方，溅射金属层并图形化，得到上电容极板（8）、上电容极板电引出（9）、腐蚀透气孔（10）和下电容极板电引出（11）；

步骤7）在金属层上方，化学气相淀积钝化层（12）并图形化；

步骤8）通过腐蚀透气孔（10），采用缓释氢氟酸腐蚀液去除部分氧化层（7），得到下电容极板（5）与上电容极板（8）之间的电容间隙腔（13），从而制成电容式气压传感器。