CN103985811B

CN103985811B - 一种场效应管片上阵列热电转换器及其全自对准制造工艺

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Publication number: CN103985811B
Application number: CN201410233557.XA
Authority: CN
Inventors: 袁寿财; 谢晓春; 韩建强; 袁新娣; 廖昱博
Original assignee: GAN NAN NORMAL COLLEGE
Current assignee: GAN NAN NORMAL COLLEGE
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: CN103985811A

Abstract

本发明属体硅微机械制造技术与硅栅自对准CMOS集成电路工艺相结合的技术领域，具体涉及一种场效应管片上阵列热电转换器及其全自对准制造工艺。为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种场效应管片上阵列热电转换器，包括有P型硅衬底、硅岛、浓硼掺杂硅层、深槽、深槽内浓硼掺杂硅层、多晶硅、场区氧化层，P型硅衬底上加工有两个硅岛，P型硅衬底对应于硅岛区域的底部注入有浓硼掺杂硅层，P型硅衬底四周边缘加工有方形深槽，深槽中注入有浓硼掺杂硅层，多晶硅填充在深槽内，深槽与硅岛、硅岛与硅岛通过场区氧化层连接在一起。本发明达到了响应速度快，测量频带宽、动态和过负载特性优良、结构新颖的效果。

Description

一种场效应管片上阵列热电转换器及其全自对准制造工艺

技术领域

本发明属体硅微机械制造技术与硅栅自对准CMOS集成电路工艺相结合的技术领域，具体涉及一种场效应管片上阵列热电转换器及其全自对准制造工艺。

背景技术

传统的热电转换器将电压电流乘积产生的待测电功率，通过加热电阻将该电功率转换成焦耳热。再由热电偶类测温元件感测加热电阻温度的变化并输出电压信号。这种热电转换器形式多样，转换原理符合电功率的原始定义，检测过程具有补偿原理，精度优于0.1%。这种传统的热电转换器，虽然在其结构中可选用具有各种不同特性的材料来制作加热电阻。但加热电阻结构复杂，要综合考虑温度稳定性和加热电阻结构优化多方面因素。

长期以来，这种传统热电转换模式饱受频带窄、响应速度慢以及动态特性差和过载能力不足、加工工艺复杂、成本高的困扰。因此有必要研究出一种响应频带宽、速度快，动态特性和过负载特性也更为优良、结构新颖、加工工艺简单、成本低的新型热电转换器。

发明内容

（1）要解决的技术问题

本发明为了克服现有热电转换模式频带窄、响应速度慢以及动态特性差和过载能力不足、加工工艺复杂和成本高的缺点，本发明要解决的技术问题是提供一种频带宽、响应速度快以及动态特性和过负载特性也更为优良、结构新颖、加工工艺简单、成本低的场效应管片上阵列热电转换器及其全自对准制造工艺。

（2）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种场效应管片上阵列热电转换器，包括有P型硅衬底、硅岛、浓硼掺杂硅层、深槽、多晶硅、场区氧化层、刻蚀槽，P型硅衬底上加工有两个硅岛，P型硅衬底对应于硅岛区域的底部注入有浓硼掺杂硅层，P型硅衬底四周边缘加工有方形深槽，左边深槽旁还加工有一道与其平行的深槽，深槽中注入有浓硼掺杂硅层，多晶硅填充在深槽浓硼掺杂硅层内，深槽与硅岛、两硅岛之间通过场区氧化层支撑并连接在一起。

优选地，所述每个硅岛上加工有两个多晶硅栅极和两个MOSFET热电转换器件，在两个MOSFET热电转换器件中间加工有半导体PN结温度传感器件。

优选地，所述MOSFET热电转换器件分别引出栅极、漏极和源极三个电极，所述半导体PN结温度传感器件分别引出正极和负极两个电极。

优选地，本发明还提供了一种场效应管片上阵列热电转换器的全自对准制造方法，包括如下步骤：

a.选p型硅衬底。

b.光刻1#版,即光刻硅岛区域,离子注入掺杂浓硼，形成浓硼掺杂硅层。

c.去除硅表面选择注入硼的掩蔽膜，热氧化生长二氧化硅缓冲层，低压化学气相淀积（LowPressureChemicalVaporDeposition:LPCVD）氮化硅薄膜。

d.光刻2#版，刻蚀深槽（Deep-Trench）。

e.槽底面和侧面采用倾斜离子注入掺杂浓硼，在深槽形成浓硼掺杂硅层。

f.低压化学气相淀积（LPCVD）制作多晶硅并同时填充深槽，氮化硅（Si₃N₄）硬掩膜自对准反刻多晶硅至氮化硅薄膜终止。

g.光刻3#版，即光刻有源区，进行场区氧化，形成场区氧化层。场区氧化工艺结束后，先去胶，再去除覆盖有源区的氮化硅薄膜，整个硅片表面通过热氧化工艺生长二氧化硅（SiO₂）栅介质膜，并在二氧化硅（SiO₂）栅介质膜表面通过低压化学气相淀积（LPCVD）工艺制作多晶硅薄膜。

h.光刻4#版，制作出多晶硅栅极。

i.按照传统硅栅自对准CMOS工艺完成硅片表面有源区内MOSFET热电转换器件和半导体PN结温度传感器件的制作。

j.表面钝化后划片，把制作在整个硅片上的各个独立的热电转换器分割开来。

k.正面用光刻胶保护，背面刻蚀未掺杂或轻掺杂硼的衬底硅。刻蚀工艺终止于浓硼掺杂硅层或场区氧化层的下表面。

优选地，所述b步骤中，注入所述掺杂浓硼的深度距硅片表面7-10μm。

优选地，所述d步骤中，所述深槽的深度为350-370μm。

优选地，所述i步骤中，传统硅栅自对准CMOS工艺完成硅片表面有源区内MOSFET热电转换器件和半导体PN结温度传感器件的制作步骤为：

i1.光刻5#版，进行MOSFET源、漏区和PN结n_区掺杂，离子注入磷，形成磷掺杂硅层。

i2.光刻5#反版，进行MOSFET衬底连接区和PN结p_区掺杂，离子注入硼，形成硼掺杂硅层。

i3.光刻6#版，制作欧姆接触孔。物理气相淀积（physicalvapordeposition:PVD）即磁控溅射工艺制作金属铝膜。

i4.光刻7#版，制作铝连线及电极引出压点。

工作原理：本发明选用P型硅衬底结构，采用单面光刻实现双面自对准刻蚀。工艺中采用在距离硅表面下7-10μm深度局部离子注入掺杂浓硼，形成浓硼掺杂硅层，同时，在衬底正面刻蚀深槽，深槽底面和侧面也采用先进的倾斜离子注入工艺掺杂浓硼，在深槽中形成浓硼掺杂硅层，浓硼掺杂硅层具有高的刻蚀选择比特性，再结合硅材料晶向刻蚀时也具有的刻蚀选择特性，形成本发明背面自对准刻蚀时的刻蚀终止层，对于刻蚀面积很小的区域，刻蚀时，刻蚀过程中自动形成了刻蚀槽，对于背面刻蚀面积大的区域，在理论上也会形成像刻蚀槽一样的刻蚀终止图形，但该刻蚀终止图形对应的深度超过了硅衬底的厚度，因此背面刻蚀自动终止于浓硼掺杂硅层的下表面，没有浓硼掺杂区域的硅，刻蚀终止于场区氧化层的下表面，实现由场效应管组成的阵列热电转换器全自对准制作工艺。工艺中制作出由绝热特性极高的场区氧化层支撑的单晶硅器件区（岛），在每个硅岛上制作两个MOSFET热电转换器件和一个半导体PN结温度传感器件。MOSFET漏源电压和漏源电流的乘积即输入待测电功率的值，该输入电功率在MOSFET体内被直接转换成热量，该热量由集成于片上紧邻MOSFET热电转换器件的半导体PN结温度传感器件检测并输出直流电压信号。由于，每个硅岛由绝热二氧化硅支撑，因此从MOSFET体内转换出的热量散失极小，同时，温度检测传感器紧邻MOSFET，感应更灵敏。所以，相比于传统的热电转换模式，这种新型单片式热电转换器省去了从热电转换到温度测量的中间过渡环节，提高了热电转换精度，实现高精度片上热电转换功能。另外，MOSFET和PN结半导体器件的响应速度极快，频带也更宽，动态特性也更为优良，且MOSFET还具有负的温度特性，有自保护功能，不易损坏，因此，过负载能力很强。

（3）有益效果

本发明解决了现有热电转换模式频带窄、响应速度慢以及动态特性差和过载能力不足的缺点，本发明由于采用片上集成的MOSFET和PN结半导体器件，因此，达到了响应速度快，测量频带宽、以及动态特性和过负载特性也更为优良、结构新颖的效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2A、图2B、图2C为本发明加工过程中的b-b剖视图。

图3A、图3B为本发明加工过程中的a-a剖视图。

附图中的标记为：1-p型硅衬底，2-浓硼掺杂硅层，3-二氧化硅缓冲层，4-氮化硅薄膜，5-深槽，6-多晶硅，7-有源区，8-场区氧化层，9-多晶硅栅极，10-磷掺杂硅层，11-硼掺杂硅层，12-刻蚀槽，13-硅岛，14-MOSFET热电转换器件，15-PN结温度传感器件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种场效应管片上阵列热电转换器，如图1、图2A、图2B、图2C、图3A、图3B所示，包括有P型硅衬底1、硅岛13、浓硼掺杂硅层2、深槽5、多晶硅6、场区氧化层8、刻蚀槽12，P型硅衬底1上加工有两个硅岛13，P型硅衬底1对应于硅岛13区域的底部注入有浓硼掺杂硅层2，P型硅衬底1四周边缘加工有方形深槽5，左边深槽5旁还加工有一道与其平行的深槽5，深槽5中注入有浓硼掺杂硅层2，多晶硅6填充在深槽5浓硼掺杂硅层2内，深槽5与硅岛13、两硅岛13之间通过场区氧化层8支撑并连接在一起。

所述每个硅岛13上加工有两个多晶硅栅极9和两个MOSFET热电转换器件14，在两个MOSFET热电转换器件14中间加工有半导体PN结温度传感器件15。

所述MOSFET热电转换器件14分别引出栅极、漏极和源极三个电极，所述半导体PN结温度传感器件15分别引出正极和负极两个电极。

本发明还提供了一种场效应管片上阵列热电转换器的全自对准制造方法，包括如下步骤：

a.选p型硅衬底1。

b.光刻1#版,即光刻硅岛13区域,离子注入掺杂浓硼，形成浓硼掺杂硅层2。

c.去除硅表面选择注入硼的掩蔽膜，热氧化生长二氧化硅缓冲层3，低压化学气相淀积（LowPressureChemicalVaporDeposition:LPCVD）氮化硅薄膜4。

d.光刻2#版，刻蚀深槽5（Deep-Trench）。

e.槽底面和侧面采用倾斜离子注入掺杂浓硼，在深槽5形成浓硼掺杂硅层2。

f.低压化学气相淀积（LPCVD）制作多晶硅6并同时填充深槽5，氮化硅（Si₃N₄）硬掩膜自对准反刻多晶硅6至氮化硅薄膜4终止。

g.光刻3#版，即光刻有源区7，进行场区氧化，形成场区氧化层8。场区氧化工艺结束后，先去胶，再去除覆盖有源区7的氮化硅薄膜4，整个硅片表面通过热氧化工艺生长二氧化硅（SiO₂）栅介质膜，并在二氧化硅（SiO₂）栅介质膜表面通过低压化学气相淀积（LPCVD）工艺制作多晶硅薄膜。

h.光刻4#版，制作出多晶硅栅极9。

i.按照传统硅栅自对准CMOS工艺完成硅片表面有源区7内MOSFET热电转换器件14和半导体PN结温度传感器件15的制作。

k.正面用光刻胶保护，背面刻蚀未掺杂或轻掺杂硼的衬底硅。刻蚀工艺终止于浓硼掺杂硅层2或场区氧化层8的下表面。

所述b步骤中，注入所述掺杂浓硼的深度距硅片表面7μm。

所述d步骤中，所述深槽5的深度为350μm。

所述i步骤中，传统硅栅自对准CMOS工艺完成硅片表面有源区7内MOSFET热电转换器件14和半导体PN结温度传感器件15的制作步骤为：

i1.光刻5#版，进行MOSFET源、漏区和PN结n_区掺杂，离子注入磷，形成磷掺杂硅层10。

i2.光刻5#反版，进行MOSFET衬底连接区和PN结p_区掺杂，离子注入硼，形成硼掺杂硅层11。

i4.光刻7#版，制作铝连线及电极引出压点。

工作原理：本发明选用P型硅衬底1结构，采用单面光刻实现双面自对准刻蚀。工艺中采用在距离硅表面下7-10μm深度局部离子注入掺杂浓硼，形成浓硼掺杂硅层2，同时，在衬底正面刻蚀深槽5，深槽5底面和侧面也采用先进的倾斜离子注入工艺掺杂浓硼，在深槽5中形成浓硼掺杂硅层2，浓硼掺杂硅层2具有高的刻蚀选择比特性，再结合硅材料晶向刻蚀时也具有的刻蚀选择特性，形成本发明背面自对准刻蚀时的刻蚀终止层，对于刻蚀面积很小的区域，刻蚀时，刻蚀过程中自动形成了刻蚀槽12，对于背面刻蚀面积大的区域，在理论上也会形成像刻蚀槽12一样的刻蚀终止图形，但该刻蚀终止图形对应的深度超过了硅衬底的厚度，因此背面刻蚀自动终止于浓硼掺杂硅层2的下表面，没有浓硼掺杂区域的硅，刻蚀终止于场区氧化层8的下表面，实现由场效应管组成的阵列热电转换器全自对准制作工艺。工艺中制作出由绝热特性极高的场区氧化层8支撑的单晶硅器件区（岛），在每个硅岛13上制作两个MOSFET热电转换器件14和一个半导体PN结温度传感器件15。MOSFET漏源电压和漏源电流的乘积即输入待测电功率的值，该输入电功率在MOSFET体内被直接转换成热量，该热量由集成于片上紧邻MOSFET热电转换器件14的半导体PN结温度传感器件15检测并输出直流电压信号。由于，每个硅岛13由绝热二氧化硅支撑，因此从MOSFET体内转换出的热量散失极小，同时，温度检测传感器紧邻MOSFET，感应更灵敏。所以，相比于传统的热电转换模式，这种新型单片式热电转换器省去了从热电转换到温度测量的中间过渡环节，提高了热电转换精度，实现高精度片上热电转换功能。另外，MOSFET和PN结半导体器件的响应速度极快，频带也更宽，动态特性也更为优良，且MOSFET还具有负的温度特性，有自保护功能，不易损坏，因此，过负载能力很强。

实施例2

a.选p型硅衬底1。

d.光刻2#版，刻蚀深槽5（Deep-Trench）。

h.光刻4#版，制作出多晶硅栅极9。

所述b步骤中，注入所述掺杂浓硼的深度距硅片表面10μm。

所述d步骤中，所述深槽5的深度为370μm。

i4.光刻7#版，制作铝连线及电极引出压点。

工作原理：本发明选用P型硅衬底1结构，采用单面光刻实现双面自对准刻蚀。工艺中采用在距离硅表面下7-10μm深度局部离子注入掺杂浓硼，形成浓硼掺杂硅层2，同时，在衬底正面刻蚀深槽5，深槽5底面和侧面也采用先进的倾斜离子注入工艺掺杂浓硼，在深槽5中形成浓硼掺杂硅层2，浓硼掺杂硅层2具有高的刻蚀选择比特性，再结合硅材料晶向刻蚀时也具有的刻蚀选择特性，形成本发明背面自对准刻蚀时的刻蚀终止层，对于刻蚀面积很小的区域，刻蚀时，刻蚀过程中自动形成了刻蚀槽12，对于背面刻蚀面积大的区域，在理论上也会形成像刻蚀槽12一样的刻蚀终止图形，但该刻蚀终止图形对应的深度超过了硅衬底的厚度，因此背面刻蚀自动终止于浓硼掺杂硅层2的下表面，没有浓硼掺杂区域的硅，刻蚀终止于场区氧化层8的下表面，实现由场效应管组成的阵列热电转换器全自对准制作工艺。工艺中制作出由绝热特性极高的场区氧化层8支撑的单晶硅器件区（岛），在每个硅岛13上制作两个多晶硅栅极9和两个MOSFET热电转换器件14和一个半导体PN结温度传感器件15。MOSFET漏源电压和漏源电流的乘积即输入待测电功率的值，该输入电功率在MOSFET体内被直接转换成热量，该热量由集成于片上紧邻MOSFET热电转换器件14的半导体PN结温度传感器件15检测并输出直流电压信号。由于，每个硅岛13由绝热二氧化硅支撑，因此从MOSFET体内转换出的热量散失极小，同时，温度检测传感器紧邻MOSFET，感应更灵敏。所以，相比于传统的热电转换模式，这种新型单片式热电转换器省去了从热电转换到温度测量的中间过渡环节，提高了热电转换精度，实现高精度片上热电转换功能。另外，MOSFET和PN结半导体器件的响应速度极快，频带也更宽，动态特性也更为优良，且MOSFET还具有负的温度特性，有自保护功能，不易损坏，因此，过负载能力很强。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种场效应管片上阵列热电转换器，其特征在于，包括有P型硅衬底（1）、硅岛（13）、浓硼掺杂硅层（2）、深槽（5）、多晶硅（6）、场区氧化层（8）、刻蚀槽（12），P型硅衬底（1）上加工有两个硅岛（13），P型硅衬底（1）对应于硅岛（13）区域的底部注入有浓硼掺杂硅层（2），P型硅衬底（1）四周边缘加工有方形深槽（5），左边深槽（5）旁还加工有一道与其平行的深槽（5），深槽（5）中注入有浓硼掺杂硅层（2），多晶硅（6）填充在深槽（5）浓硼掺杂硅层（2）内，深槽（5）与硅岛（13）、两硅岛（13）之间通过场区氧化层（8）支撑并连接在一起，P型硅衬底（1）背面自对准刻蚀形成刻蚀槽（12）。

2.根据权利要求1所述的一种场效应管片上阵列热电转换器，其特征在于，所述每个硅岛（13）上加工有两个多晶硅栅极（9）和两个MOSFET热电转换器件（14），在两个MOSFET热电转换器件（14）中间加工有半导体PN结温度传感器件（15）。

3.根据权利要求2所述的一种场效应管片上阵列热电转换器，其特征在于，所述MOSFET热电转换器件（14）分别引出栅极、漏极和源极三个电极，所述半导体PN结温度传感器件（15）分别引出正极和负极两个电极。

4.一种场效应管片上阵列热电转换器的全自对准制造工艺，包括如下步骤：

a.选p型硅衬底（1）;

b.光刻1#版,即光刻硅岛（13）区域,离子注入掺杂浓硼，形成浓硼掺杂硅层（2）;

c.去除硅表面选择注入硼的掩蔽膜，热氧化生长二氧化硅（SiO₂）缓冲层（3），低压化学气相淀积生成氮化硅（Si₃N₄）薄膜（4）;

d.光刻2#版，刻蚀深槽（5）;

e.槽底面和侧面采用倾斜离子注入掺杂浓硼，在深槽（5）形成浓硼掺杂硅层（2）;

f.低压化学气相淀积制作多晶硅（6）并同时填充深槽（5），氮化硅（Si₃N₄）硬掩膜自对准反刻多晶硅（6）至氮化硅薄膜（4）终止;

g.光刻3#版，即光刻有源区（7），进行场区氧化，形成场区氧化层（8）;场区氧化工艺结束后，先去胶，再去除覆盖有源区（7）的氮化硅薄膜（4），整个硅片表面通过热氧化工艺生长二氧化硅栅介质膜，并在二氧化硅栅介质膜表面通过低压化学气相淀积工艺制作多晶硅薄膜;

h.光刻4#版，制作出多晶硅栅极（9）;

i.按照传统硅栅自对准CMOS工艺完成硅片表面有源区（7）内MOSFET热电转换器件（14）和半导体PN结温度传感器件（15）的制作;

j.表面钝化后划片，把制作在整个硅片上的各个独立的热电转换器分割开来;

k.正面用光刻胶保护，背面刻蚀未掺杂或轻掺杂硼的衬底硅,刻蚀工艺终止于浓硼掺杂硅层（2）或场区氧化层（8）的下表面。

5.根据权利要求4所述的一种场效应管片上阵列热电转换器的全自对准制造工艺，其特征在于，所述b步骤中，注入所述掺杂浓硼的深度距硅片表面7-10μm。

6.根据权利要求4所述的一种场效应管片上阵列热电转换器的全自对准制造工艺，其特征在于，所述d步骤中，所述深槽（5）的深度为350-370μm。

7.根据权利要求4所述的一种场效应管片上阵列热电转换器的全自对准制造工艺，其特征在于，所述i步骤中，传统硅栅自对准CMOS工艺完成硅片表面有源区（7）内MOSFET热电转换器件（14）和半导体PN结温度传感器件（15）的制作步骤为：

i1.光刻5#版，进行MOSFET源、漏区和PN结n_区掺杂，离子注入磷，形成磷掺杂硅层（10）；

i2.光刻5#反版，进行MOSFET衬底连接区和PN结p_区掺杂，离子注入硼，形成硼掺杂硅层（11）；

i3.光刻6#版，制作欧姆接触孔,物理气相淀积即磁控溅射工艺制作金属铝膜；

i4.光刻7#版，制作铝连线及电极引出压点。