CN1040577C - 一种集成硅膜热流量传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成硅膜热流量传感器及其制造方法，该传感器的特点是采用隔热作用的硅膜，硅膜悬在将硅片局部挖空而形成的空腔上，并由腔体壁所支撑，用作加热器的硅电阻器和热探测器的Si/Al热偶堆分别制作在硅膜上。硅膜是采用扩散或离子注入、硅外延、阳极氧化、腐蚀多孔硅、物理或化学气相淀积绝缘介质等技术制备的。本方法制作的器件，灵敏度高，响应速度快且有利于集成、降低成本和大批量生产。
Description
本发明涉及一种集成硅膜热流量传感器及其制造方法，属集成传感器领域。
置于流体中的加热面的热损失随流体的流速增大而增加，测量加热面的热损失即可求出流速及与此有关的流体参数。集成热流量传感器具有对低流速灵敏度高、响应快和体积小、成本低与信号处理电路兼容性好和可靠性高等优点。现在通用的集成热流量传感器多数未采用热隔离结构(B.W.Van Dudheusden，J.M.De Bruijn，P.J.Hoogeboom，D.Beaufort and J.H.Huijsing，Sensors and Actuators18(1989)259-267)，由于未采用热绝缘结构而不能充分体现灵敏度高、响应时间快的优点。采用薄膜结构的集成热流量传感器是在薄膜上制作加热器和热探测器，在薄膜外的硅衬底上制作加热电流控制电路和讯号放大电路，这种结构的集成热流量传感器在灵敏度和响应速度方面都有很大改善，但其薄膜均是诸如氮化硅、二氧化硅的电介质，这种薄膜不能用来制作有源器件，而且制造工艺复杂，与集成电路工艺的兼容性差。((1)K.Petersen，J.Brown and W.Renken，Proc.Int.Conf.Solid-State Sensors Actuators，PP.361-363，1985，(2)R.G.Johnson，R.E.Higashi，P.J.Bohrer and R.W.Gehman，Proc.Int.Conf.Solid-State Sensors Actuators，PP358-360，1985(3)Osamu Jabata，Hazime Inagaki and Isemi Igarashi，IEEETransactions on Electron Devioes，Vol.，Ed-34，No.12.PP.2456-2461，1987)。
本发明的目的就是为了解决上述存在的问题，提供一种易集成、易生产并具有良好热隔离性能的集成硅膜热流量传感器及其制造方法。
本发明的集成热流量传感器，其中包括在硅衬底上制备的具有隔热作用的薄膜，在薄膜上制作的加热器和热探测器以及在薄膜边缘的硅衬底上制作的加热电流控制电路和讯号放大电路，其特点是本发明的传感器的薄膜为具有隔热作用，并可在其上制作半导体元器件的硅膜，在薄膜上制作的加热器和探测器分别为在硅膜上制作的硅电阻器和Si/Al热偶堆，硅膜悬在将硅片局部挖空而形成的空腔上，并由腔体壁所支撑。
本发明所采用的硅衬底为n型硅，其载流子浓度为1×1015-5×1016/cm3，该传感器的硅膜和腔体的规格尺寸视器件的要求而选定设计。
这种集成硅膜热流量传感器的制造方法，包括在硅衬底上制备薄膜，在薄膜上制作加热器和热探测器，以及在薄膜边缘的硅衬底上制作加热电流控制电路和讯号放大电路，其特点是本发明的传感器的薄膜为悬空在将硅片局部挖空而形成的空腔上面的硅膜，作为加热器的硅电阻器和热探测器的硅铝热偶堆制作在硅膜上，其硅膜和空腔的形成的主要步骤为：a.在n型硅衬底的硅膜设计区进行扩散或离子注入形成低阻的n+埋层区；b.进行硅外延生长制作硅膜的n型外延层；c.在紧靠n+埋层区的一对边的边缘处进行扩散或离子注入形成与n+埋层区相连通的低阻n+槽；d.采用阳极氧化技术，使阳极电流流过低阻区，将低阻区的硅转变成多孔硅；e.用腐蚀液腐蚀多孔硅形成硅膜和空腔；f.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的大部分。
上述低阻的n+埋层区和n+槽的浓度一般在1017/cm3-1021/cm3，n型外延层的浓度为1×1015-5×1016/cm3，厚度为1-3μm，n+埋层深度为5-20μm，n+槽深度一般大于外延层厚度2μm之上。外延埋层厚度和浓度、n+埋层和n+槽的深度和浓度都可用改变制备工艺条件来调整。
本发明所采用的阳极氧化技术，其电介质溶液为氢氟酸溶液，浓度为10-50％，稀释剂为水或乙醇，阳极氧化电压一般控制在3-10V，电流密度为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溶液，其浓度为2-10％。填平腐蚀多孔硅后形成腔体的大部分开口的淀积物为氮化硅或二氧化硅，它们是采用物理或化学气相淀积方法制备的，剩余部分开口或令其敝开，或用脂类填充，以维持腔体内外压力平衡。
本发明的优点：
1、硅膜可以制得足够薄，因而具有良好的热隔离性能；
2、硅膜为低电子浓度的n型硅，可供制作硅器件；
3、硅膜的形成工艺与集成电路工艺兼容，因而易集成，适合于低成本大批量生产。
4、传感器具有平面外形，很适合以边界层方法工作的热流量传感器。
下面结合附图说明本发明及本发明的实施例：
图1为本发明的集成硅膜热流量传感器的示意图。
其中图1-a为其正视图，图1-b为局部横剖面图。
图2为本发明的集成硅膜热流量传感器制备的主要工艺流程芯面图。流程芯面图中不包括CMOS电路的制作步骤。
图2-1为热氧化生长二氧化硅、光刻n+埋层。
图2-2为n+埋层的扩散或离子注入。
图2-3为外延生长n型硅层。
图2-4为热氧化生长二氧化硅、光刻n+槽区。
图2-5为n+槽扩散或离子注入。
图2-6为热氧化生长薄氧化层。
图2-7为磷离子注入制作Si/Al热偶堆硅臂。
图2-8为磷离子注入制作加热电阻器。
图2-9为淀积多晶硅、光刻阳极氧化窗口。
图2-10为阳极氧化生成多孔硅。
图2-11为腐蚀多孔硅。
图2-12为淀积氮化硅。
图2-13为淀积二氧化硅。
图2-14为淀积硼磷硅玻璃。
图2-15为蒸铝、光刻Si/Al热偶堆的铝臂。
图2-16为淀积3％磷硅玻璃。
图中：
1-n型硅 2-热氧化生长的二氧化硅
3-n+埋层 4-n型外延层
5-n+槽 6-薄氧化层
7-Si/Al热偶堆的P型硅臂 8-加热电阻器
9-多晶硅 10-多孔硅
11-氮化硅 12-化学气相淀积的二氧化硅
13-硼磷硅玻璃 14-铝条
15-3％磷硅玻璃 16-硅膜
17-腔体 18-尚未淀积的3％磷硅玻璃
19-脂类填料 20-集成电路
实施例：
制作集成硅膜热流量传感器，其硅膜为矩形，长1500μm，宽500μm，厚2μm，Si/Al热偶堆由长1400μm，宽20μm，间隔20μm的八对热偶组成，沿矩形硅膜的长度方向分两组对称分布，两组热偶近端相隔100μm，宽20μm的加热电阻器条从两组热偶的间隔穿过，对硅膜的中心部分进行加热，硅膜中部和远离加热电阻器的硅膜边缘衬底上的温差由热偶堆检测，测量流体温度的敏感电路，讯号放大电路和提供加热电阻器电流的控制电路均制作在矩形硅膜的长边一侧，整个芯片面积为2000μm×1000μm。下面为主要的制作步骤，其中不包括电路的制作，电路的制作采用标准的CMOS工艺。
主要工艺步骤如下：
(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105分钟，生长二氧化硅层(2)；
(2)在(100)n型硅片(1)上光刻1500μm×500μm的矩形埋层注入区；
(3)腐蚀掉埋层注入区的二氧化硅；
(4)上述工艺流程步骤(1)-(3)如图2-1所示。
(4)n+埋层扩散形成n+埋层区(3)：双温区扩散，扩散温度分别为950°和1250℃，Sb2O3源量为22克，氧气流量为3L/min，予淀积时间为20分钟，再扩散时间为270分钟，结深为10μm，埋层结深(腔体高度)随扩散条件改变而改变，如在本实施例中只改变扩散时间也可改变埋层结深，如扩散时间为84分钟或350分钟，则埋层结深可为5μm或15μm；
这一工艺步骤如图2-2所示。
(5)腐蚀掉硅片上所有的二氧化硅后，在整个硅片表面上进行n型外延生长，外延层(4)厚度为2μm，电阻率为1-欧姆-厘米。
生长条件为：H2：260l/MIN，SiCl4：6.4-7g/min，PH3：100PPm，
0.15-0.18L/min，T：1170℃，时间为：4分钟；
这一工艺步骤如图2-3所示。
(6)n+槽扩散掩蔽氧化：在1100℃下，湿氧氧化105分钟；
(7)光刻n+槽扩散区，即在紧靠n+埋层区的一对长边的边缘处向外光刻，槽宽20-50μm，本实施例槽宽为20μm，长度为1500μm；
(8)腐蚀n+槽扩散区的SiO2；
工艺步骤(6)-(7)如图2-4所示。
(9)n+槽扩散形成n+槽(5)与埋层区(3)相连通的低阻区；
扩散条件：双温区锑扩散，扩散温度分别为950℃和1250℃，Sb2O3源量为22克，氧气流量为3L/min，予淀积时为20分钟，再扩散时间为60分钟，结深为4μm；
这一工艺步骤如图2-5所示。
(10)腐蚀二氧化硅；
(11)薄氧化：在875℃下，湿氧氧化30分钟，生长薄氧化层(6)；
工艺步骤(10)-(11)如图2-6所示。
(12)光刻Si/Al热偶推的P型硅臂注入区；
在矩形埋层区长边方向的硅膜设计区，分两组对称分布8对热偶堆的P型硅，其长为1400μm，宽为20μm，间隔20μm，两组热偶近端相隔100μm；如图1-a中所示。
(13)硼离子注入形成Si/Al热偶堆的P型硅臂(7)；
注入条件可为：离子注入剂量为1013-1015/cm2，注入能量为100kev-150kev，方块电阻为90-2500Ω/□。本实施例采用离子注入剂量为1×1014/cm2，注入能量为100kev，方块电阻为500Ω/□。
这一工艺步骤如图2-7所示。
(14)光刻加热电阻器注入区；加热电阻器线条宽20μm，长1060μm，从两组热偶的间隔中穿过；
(15)硼离子注入形成加热电阻器(8)；
注入条件可为：注入剂量为3-5×1015/cm2，注入能量100kev，方块电阻20-30Ω/□，本实施例中注入剂量为4×1015/cm2，注入能量为100kev，方块电阻25Ω/□。
这一工艺步骤如图2-8所示。
(16)淀积多晶硅(9)：低压化学气相淀积(LPCVD)5400A°；
(17)光刻阳极氧化窗口；
(18)腐蚀多晶硅、二氧化硅；
工艺步骤(16)-(18)如图2-9所示。
(19)阳极氧化：阳极氧化使低阻区的硅转变成多孔硅(10)；其电介质为氢氟酸溶液，浓度为10-50％，稀释剂为乙醇或水，阳极电压可控制在3-10v，电流密度可为20-100mA/cm2，氧化时间为30-60分钟，在本实施例中采用30％的氢氟酸水溶液，阳极电压为5V，电流密度为75mA/cm2，氧化时间为30分钟；
这一工艺步骤如图2-10所示。
(20)腐蚀阳极氧化所形成的多孔硅(10)形成硅膜(16)、空腔：腐蚀液可采用2-10％的氢氧化钾，氢氧化钠或氢氧化铵水溶液，在本实施例中采用6％氢氧化钾水溶液，室温下腐蚀。
这一工艺步骤如图2-11所示。
(21)淀积氮化硅(11)：LPCVD淀积氮化硅厚度为2500A°
这一工艺步骤如图2-12所示。
(22)填槽：用四乙氧基硅烷(TEOS)的热分解反应淀积二氧化硅(12)填平腐蚀多孔硅后形成的空腔腔体开口(n+空槽)的大部分，形成腔体(17)，淀积温度为650-750℃。本实施例所填槽宽为20μm，长为1460μm，淀积温度为750℃。
剩余部分开口(即槽的两端长20μm，宽为20μm的区域)或令其敝开或用酯类填充，本实施例中剩余部分开口是用酯类填充。
这一工艺步骤如图2-13所示。
(23)光刻二氧化硅腐蚀区；
(24)腐蚀SiO2；
(25)硼磷硅玻璃(BPSG)(13)淀积：LPCVD，7500A°；
这一工艺步骤如图2-14所示。
(26)BPSG流动：950℃，15分钟，氮气；
(27)光刻接触孔；
(28)腐蚀BPSG、Si3N4、SiO2；
(29)BPSG回流：950℃，30分钟，氮气；
(30)腐蚀SiO2；
(31)Al(14)蒸发：厚为1μ；
(32)光刻Al互连和Si/Al热偶堆的铝臂；
(33)腐蚀Al；
(34)3％PSG(15)淀积，1μ；
(35)光刻压焊块；
(36)腐蚀PSG。
本发明的集成硅膜热流量传感器的温度敏感、讯号放大和加热电流控制电路的制备工艺均采用标准的CMOS工艺，电路部分的制作对本技术领域专业人员是很熟知的，故本文不再加以描述。根据本发明及具体描述，对本发明的实施，在构思和工艺条件等某些范围内可做些改变，这对本技术领域的专业人员来说也是显而易见的。
Claims (10)
1、一种集成热流量传感器，其中包括在硅衬底上制备的具有隔热作用的薄膜，在薄膜上制作的加热器和热探测器，以及在薄膜边缘的硅衬底上制作的加热电流控制电路和讯号放大电路，其特征在于本发明的上述的具有隔热作用的薄膜为在其上制作半导体元器件的硅膜，在薄膜上制作的加热器和热探测器分别为在硅膜上制作的硅电阻器和Si/Al热偶堆，硅膜悬在将硅片局部挖空而形成的空腔上，并由腔体壁所支撑。
2、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于硅衬底为n型硅，其载流子浓度为1×1015-5×1016/cm3。
3、一种如权利要求1所述的集成热流量传感器的制造方法，包括在硅衬底上制备薄膜和在薄膜上制作加热器和热探测器，以及在薄膜边缘的硅衬底上制作加热电流控制电路和讯号放大电路，其特征在于本发明的传感器的薄膜为悬在将硅片局部挖空而形成的空腔上面的硅膜，作为加热器的硅电阻器和热探测器的硅铝热偶堆制作在硅膜上，其硅膜和空腔形成的主要步骤为：a.在n型硅衬底的硅膜设计区进行扩散或离子注入形成低阻n+埋层区；b.进行硅外延生长制作硅膜的n型外延层；c.在紧靠n+埋层区的一对边的边缘处进行扩散或离子注入形成与n+埋层区相连通的低阻n+槽；d.采用阳极氧化技术，使阳极电流流过低阻区，将低阻区的硅转变成多孔硅；e.用腐蚀液腐蚀多孔硅形成硅膜和空腔；f.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的大部分。
4、根据权利要求3所述的传感器的制造方法，其特征在于所说的低阻区的n+埋层和n+槽的浓度为1017/cm3-1021/cm3，n型外延层的浓度为1×1015-5×1016/cm3，厚度为1-3μm。
5、根据权利要求3所述的传感器的制造方法，其特征在于所说的阳极氧化是在氢氟酸溶液中进行的，其浓度为10-50％。
6、根据权利要求3或5所述的传感器的制造方法，其特征在于阳极氧化所控制的电压为3-10V，电流密度为20-100mA/cm2。
7、根据权利要求3或5所述的传感器的制造方法，其特征在于腐蚀多孔硅的腐蚀液为稀碱性溶液。
8、根据权利要求7所述的传感器的制造方法，其特征在于所说的腐蚀多孔硅的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％。
9、根据权利要求3所述的传感器的制造方法，其特征在于填平腐蚀多孔硅后形成的腔体开口的淀积物为二氧化硅或氮化硅。
10、根据权利要求3或9所述的传感器的制造方法，其特征在于淀积物二氧化硅和氮化硅是采用物理或化学气相淀积方法制备的。
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