CN104330195A - 基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺 - Google Patents

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本发明基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，尤其涉及一种耐高温高压、敏感度高、输出信号稳定的新型宽禁带半导体电子器件的制造方法，属于宽禁带半导体器件制备技术领域。本发明包括：准备重掺杂4H-SiC衬底；制备压阻条；制备种子层；制备掩膜层；制备感应膜片；制备SiO2扩散阻挡层；制备接触窗口；制备AlN绝缘层；制备电极；制备欧姆接触；制备保护层和引线层等步骤。本发明不用使用CVD等设备外延高掺杂浓度的p型和n型SiC外延层，减少了半导体工艺流程，提高成品率，降低生产成本。本发明制备的碳化硅高温压力传感器，能够满足高温、高压、高辐射等恶劣环境下对传感器的苛刻要求。

Description

基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺
技术领域
本发明涉及宽禁带半导体器件制备技术领域，尤其涉及一种耐高温高压、敏感度高、输出信号稳定的新型宽禁带半导体电子器件的制造技术。
背景技术
传感器是非电量转化为电量测量的元、器件。1856年，LordKelvin首先发现了压阻效应，它是一种广泛应用的传感器原理。简单的说，当电阻受到应变和形变时，其阻值会发生变化。这种效应为机械能和电能之间提供了一种简单、直接的能量与信号转换机制。1954年贝尔实验室的C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应并首先获得了半导体压阻方面的专利授权。20世纪50年代末期，KuliteSemiconductor公司引入了硅压阻式应变计。Kulite Semiconductor公司的应变计代表了第一代商用的分立式MEMS器件。从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥，制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器。这种新型传感器的优点是：①频率响应高(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上)，适于动态测量；②体积小(例如有的产品外径可达0.25毫米)，适于微型化；③精度高，可达0.1～0.01％；④灵敏度高，比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；⑤无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大(有时需进行温度补偿)、应用温度范围狭小(难以应用在250℃以上的高温环境)、不可在高辐射环境中应用等。
在半导体产业中，Si材料作为占据统治地位的半导体器件已经发展了近半个世纪，而用半导体硅集成电路工艺制备压力传感器也已有30多年历史了。世界发达国家已将传感器列为21世纪的核心技术，优先研究、开发和应用。压力传感器是传感器中最成熟的技术，就市场销售额来说居传感器之首，年增长率达20％，具有广阔的应用前景。国外的压力传感器已系列化和标准化。我国压力传感器在90年代已有较大的提高，但与国外传感器相比，科研水平和生产技术水平还有不小的差距，而且产量低、品种不全，尚未完全系列化、标准化，不能完全满足国内市场需求，特别是在高温高压工作环境。而对以SiC为代表的第三代宽禁带半导体的研究更是屈指可数，材料的特性研究方面有很多困难，对材料的工艺加工也是一个难点，尤其是深刻蚀方面。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺失和不足，提出了一种基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器的制造工艺，优化了现有技术中宽禁带半导体器件制备工艺流程，设计了双面多层结构。
本发明的一种基于重掺杂的4H-SiC体材料为衬底的高温压力传感器研制方法，尤其是n型重掺杂4H-SiC衬底的，通过控制衬底清洗工艺；通过ICP深刻蚀形成感应膜片；通过RIE浅刻蚀形成压阻条(应变片)，热氧化形成SiO2扩散阻挡层，减小漏电，提高击穿场强；刻蚀接触窗口，使用RIE，通过Ar高能离子轰击粗糙衬底表面，来降低金属半导体接触势垒高度，减小耗尽层宽度；由高真空磁控溅射将Ti/Ta/Si/Pt沉积在Si面上，由双离子束溅射AlN沉积在C面上，经快速热处理，再溅射Au保护层引线层，对Au层进行图形化处理。该发明不使用CVD等设备外延高掺杂浓度的p型和n型SiC外延层，减少了半导体工艺流程，提高成品率，降低生产成本。本发明制备的碳化硅高温压力传感器，达到在高温、高压、高辐射等恶劣环境下工作的苛刻要求。
附图说明
图1为本发明基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器的制备流程框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述
本发明所述的一种基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器的制备流程，尤其是n型重掺杂4H-SiC衬底的(如图1所示)，包括以下步骤：
步骤1，准备4H-SiC衬底：所述衬底为SiC晶圆片，双面抛光，进行RCA清洗。
步骤2，制备压阻条：通过光刻对衬底进行图形化，磁控溅射Ni，剥离光刻胶实现图形转移，RIE(反应离子刻蚀)浅刻蚀2μm，在Ni腐蚀液中浸泡10min，去离子水冲洗，N2吹干。
步骤3，制备种子层：使用光刻对衬底进行图形化，使用超高真空磁控溅射设备，射频靶位，75W，25℃，Ar流量30sccm,，沉积室压强0.35Pa，衬底转速30rad/min，1800s，沉积一层Ni层，60nm左右；同样设备工作条件下，1200s，沉积一层Au层，厚度为100nm左右。
步骤4，制备掩膜层：配制电镀液(参照附表1)，控制条件(参照附表2)，电镀时间为15min。
步骤5，制备感应膜片：将电镀好的衬底放入RIE腔室中进行深刻蚀，先通入O2进行表面清理，然后通入N2，流量为50sccm，功率为250W，刻蚀时间为12h。
步骤6，制备SiO2扩散阻挡层：在正气压氛围中，使用高温氧化炉，温度设定为1200℃，O2流量为500sccm，氧化时间为3h，得到Si面厚度为50nm左右，C面为30nm左右。
步骤7，制备接触窗口：对衬底Si面使用光刻进行图形化，使用RIE刻蚀150s，刻蚀气体为SF6,，流量为30sccm。
步骤8，制备AlN绝缘层：使用双离子束沉积，对衬底加热到500℃，Ar流量30sccm，N2流量30sccm，沉积时间为1h。
步骤9，制备电极：对衬底Si面进行二次光刻(通过对准标记对准)，使用磁控溅射依次沉积Ti(50nm)/Ta(40nm)/Si(200nm)/Pt(35nm)，对应的功率分别为150W、75W、150W、150W，对应的建设时间分别为12min、30min、24min、1h，保护气体为Ar，流量为30sccm。
步骤10，制备欧姆接触：使用高温退火炉，通Ar，流量为1.5sccm，1000℃，3min。
步骤11，制备保护层和引线层：对已制备的电极通过光刻进行图形化处理，磁控溅射沉积Au层，功率为75W，保护气为Ar，流量为30sccm，时间为1h。
附表1
附表2
综上所述，本发明的一种基于重掺杂的4H-SiC体材料为衬底的高温压力传感器研制方法，尤其是n型重掺杂4H-SiC衬底的，通过控制衬底清洗工艺；通过ICP深刻蚀形成感应膜片；通过反应离子刻蚀(RIE)浅刻蚀形成压阻条(应变片)，热氧化形成SiO2扩散阻挡层，减小漏电，提高击穿场强；刻蚀接触窗口，使用RIE，通过Ar高能离子轰击粗糙衬底表面，来降低金属半导体接触势垒高度，减小耗尽层宽；由超高真空磁控溅射将Ti/Ta/Si/Pt沉积在Si上，由双离子束溅射AlN沉积在C上，经快速热处理，再淀积Au保护层引线层，对Au层进行图形化处理。本发明不用使用CVD等设备外延高掺杂浓度的p型和n型SiC外延层，减少了半导体工艺流程，提高成品率，降低生产成本。本发明制备的碳化硅高温压力传感器，能够满足高温、高压、高辐射等恶劣环境下对传感器的苛刻要求。

Claims (12)

1.一种基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，尤其是n型重掺杂4H-SiC衬底，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1准备4H-SiC衬底；
步骤2制备压阻条；
步骤3制备种子层；
步骤4制备掩膜层；
步骤5制备感应膜片；
步骤6制备SiO2扩散阻挡层；
步骤7制备接触窗口；
步骤8制备AlN绝缘层；
步骤9制备电极；
步骤10制备欧姆接触；
步骤11制备保护层和引线层。
2.根据权利要求1所述的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其特征在于，所述步骤1衬底为SiC晶圆片，双面抛光，进行半导体RCA工艺清洗。
3.根据权利要求1所述的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其特征在于，所述步骤2制备压阻条，通过光刻对衬底进行图形化，磁控溅射Ni，剥离光刻胶实现图形转移，RIE浅刻蚀2μm，在Ni腐蚀液中浸泡10min，去离子水冲洗，N2吹干。
4.根据权利要求1所述的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其特征在于，所述步骤3制备种子层：使用光刻对衬底进行图形化，使用超高真空磁控溅射设备，射频靶位，75W，25℃，Ar流量30sccm,，沉积室压强0.35Pa，衬底转速30rad/min，1800s，沉积一层Ni层，60nm左右；同样设备工作条件下，1200s，沉积一层Au层，厚度为100nm左右。
5.根据权利要求1所述的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其特征在于，所述步骤4制备掩膜层：配制电镀液：氨基磺酸镍105～110g/L,镍(Ⅱ)-溴0～5g/L,硼酸40mL/L，全氟化的烷基硫酸钠10mL/L，邻磺酰苯酰亚胺钠0～20g/L，控制条件为工作电流为稳流，频率为1050Hz，正向占空比为40％，电镀时间为15min。
6.根据权利要求1所述的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其特征在于，所述步骤5制备感应膜片：将电镀好的衬底放入RIE腔室中进行深刻蚀，先通入O2进行表面清理，然后通入N2，流量为50sccm，功率为250W，刻蚀时间为12h。
7.根据权利要求1所述的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其特征在于，所述步骤6制备SiO2扩散阻挡层：在正气压氛围中，使用高温氧化炉，温度设定为1200℃，O2流量为500sccm，氧化时间为3h，得到Si面厚度约为50nm，C面约为30nm。
8.根据权利要求1所述的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其特征在于，所述步骤7制备接触窗口：对衬底Si面使用光刻进行图形化，使用RIE刻蚀150s，刻蚀气体为SF6，流量为30sccm。
9.根据权利要求1所述的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其特征在于，所述步骤8制备AlN绝缘层：使用双离子束沉积，对衬底加热到500℃，Ar流量30sccm，N2流量30sccm，沉积时间为1h。
10.根据权利要求1所述的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其特征在于，所述步骤9制备电极：对衬底Si面进行二次光刻，使用磁控溅射依次沉积Ti(50nm)/Ta(40nm)/Si(200nm)/Pt(35nm)，对应的功率分别为150W、75W、150W、150W，对应的溅射时间分别为12min、30min、24min、1h，保护气体为Ar，流量为30sccm。
11.根据权利要求1所述的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其特征在于，所述步骤10欧姆接触制备：使用高温退火炉，通Ar，流量为1.5sccm，1000℃，3min。
12.根据权利要求1所述的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其特征在于，所述步骤11制备保护层和引线层：对已制备的电极通过光刻进行图形化处理，磁控溅射沉积Au层，功率为75W，保护气为Ar，流量为30sccm，时间为1h，厚度约为300nm。
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