CN105241587B

CN105241587B - 压力传感器及其制作方法

Info

Publication number: CN105241587B
Application number: CN201510624159.5A
Authority: CN
Inventors: 季锋; 闻永祥; 刘琛; 孙伟
Original assignee: Hangzhou Silan Microelectronics Co Ltd; Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Silan Microelectronics Co Ltd; Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2019-02-22
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: CN105241587A

Abstract

本发明提供了一种压力传感器及其制作方法，通过电化学腐蚀的方法在第一硅衬底表面形成一多孔硅层，然后通过外延的方式在第一硅衬底的多孔硅层表面生长一层单晶硅层，并将第一硅衬底与第二硅衬底键合构成一空腔，再腐蚀多孔硅层以分离第一硅衬底与第二硅衬底，从而将第一硅衬底上的单晶硅层转移至第二硅衬底上，随后平坦化单晶硅层的表面，最后通过常规半导体工艺方法构成压力传感器，该方法与CMOS工艺兼容，避免了传统体硅工艺的缺点，形成的压力传感器的膜层均匀，参数一致性好，可实现小型化、低成本和大规模生产的要求。

Description

压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域，特别涉及一种压力传感器及其制作方法。

背景技术

压阻式压力传感器出现于上世纪60年代，随着技术的不断发展，MEMS(微机电系统)加工技术的日趋成熟，压阻式压力传感器实现了生产的批量化、低成本化，在压力传感器领域占有主导地位。较其他压力传感器比如电容式、谐振式压力传感器具有明显优势，例如，具有灵敏度高、响应速度快、可靠性高、功耗低、微型等一系列优点。

当前压力传感器主要是利用体硅技术微机械加工而成，压力膜片主要是方形或者圆形，在膜片上的压敏电阻通过惠斯通电桥实现对外部压力变化的检测。比较典型的一种方法是通过硅-玻璃或者硅-硅键合方式形成压力空腔与支撑结构。然而，传统压力传感器都是从硅片背面腐蚀减薄硅片来加工压力膜片，由于硅片厚度不可能一致，并且KOH等与CMOS工艺不兼容的湿法刻蚀方法速率不能做到各处相同，加工后的膜片均匀性是非常棘手的工艺难题，该种膜片的不均现象将导致压力传感器的灵敏度和成品率等很难提高，并且制造成本高，工艺复杂。再者，为了保证不碎片，硅片的厚度不能太薄，而厚度较大的硅片从背面腐蚀形成开口以构成空腔时，开口的尺寸势必较大，导致该种方法实现的压力传感器尺寸偏大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种压力传感器及其制作方法，以解决压力传感器膜层不均匀导致的灵敏度和成品率低的问题，并可实现小型化、低成本和大规模生产的要求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种压力传感器制作方法，包括：

提供第一硅衬底；

对所述第一硅衬底进行电化学腐蚀以形成多孔硅层；

通过外延方式在所述多孔硅层表面生长单晶硅层；

在所述单晶硅层上形成第一绝缘层，并图形化所述第一绝缘层形成第一凹槽；

将所述第一硅衬底与一第二硅衬底键合，所述第二硅衬底上形成有第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽相对应构成一空腔；

腐蚀所述多孔硅层以分离所述第一硅衬底与第二硅衬底；

平坦化所述单晶硅层；

在所述空腔上方的单晶硅层上形成压敏电阻；

在所述单晶硅层上形成第三绝缘层，并图形化所述第三绝缘层形成暴露所述压敏电阻的接触孔；以及

在所述第三绝缘层上形成金属布线层。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，采用氢氟酸与乙醇的混合溶液进行电化学腐蚀形成所述多孔硅层。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，通过外延方式在所述多孔硅层表面生长单晶硅层之前，还包括：

在所述多孔硅层表面形成二氧化硅层；以及

去除所述多孔硅层上部的二氧化硅层。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，将所述第一硅衬底与第二硅衬底键合的步骤包括：

对所述第一硅衬底与第二硅衬底的表面进行激活；

将所述第一硅衬底与第二硅衬底放入键合设备，使所述第一硅衬底与第二硅衬底相互接触形成弱键合；以及

对所述第一硅衬底与第二硅衬底进行退火，使所述第一衬底和第二衬底熔融键合。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，对所述第一硅衬底与第二硅衬底的表面进行激活之前，还包括：对所述第一硅衬底与第二硅衬底的表面进行清洁以及激活。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，对所述第一硅衬底与第二硅衬底进行退火的温度为800℃～1180℃。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，采用氨水与双氧水的混合溶液腐蚀所述多孔硅层。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，采用氢氟酸与双氧水的混合溶液腐蚀所述多孔硅层。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，采用四甲基氢氧化铵溶液腐蚀所述多孔硅层。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，通过氢气退火方式平坦化所述单晶硅层。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，通过化学机械研磨的方式平坦化所述单晶硅层。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，所述第一绝缘层和第三绝缘层的材料是二氧化硅。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，所述第一绝缘层的表面平整度小于1nm。

可选的，在所述的压力传感器的制作方法中，所述多孔硅层的厚度为5μm～15μm，孔隙率为10％～80％。

本发明还提供一种压力传感器，包括：

第二硅衬底，所述第二硅衬底中形成有第二凹槽；

形成于所述第二硅衬底上的第二绝缘层以及形成于所述第二绝缘层上的第一绝缘层，所述第一绝缘层中形成有第一凹槽，所述第一凹槽与第二凹槽共同构成一空腔；

形成于所述第一绝缘层上的单晶硅层；

形成于所述空腔上方的单晶硅层上的压敏电阻；

形成于所述单晶硅层上的第三绝缘层，所述第三绝缘层中形成有暴露所述压敏电阻的接触孔；以及

形成于所述第三绝缘层上的金属布线层。

可选的，在所述的压力传感器中，所述金属布线层的材料是金属铝，所述第一绝缘层和第三绝缘层的材料是二氧化硅。

可选的，在所述的压力传感器中，所述第一绝缘层的表面平整度小于1nm。

在本发明提供的压力传感器的制作方法中，通过电化学腐蚀的方法在第一硅衬底表面形成一多孔硅层，然后通过外延的方式在第一硅衬底的多孔硅层表面生长一层单晶硅层，并将第一硅衬底与第二硅衬底键合构成一空腔，再腐蚀多孔硅层以分离第一硅衬底与第二硅衬底，从而将第一硅衬底上的单晶硅层转移至第二硅衬底上，随后平坦化单晶硅层的表面，最后通过常规半导体工艺方法形成压力传感器。该方法与CMOS工艺兼容，避免了传统体硅工艺的缺点，形成的膜层均匀，参数一致性好，并且，本发明是图形化所述第一绝缘层形成第一凹槽，并在第二硅衬底上形成第二凹槽，由第一硅衬底上的第一凹槽与第二硅衬底上的第二凹槽相对应构成一空腔，第一凹槽和第二凹槽的尺寸较易控制，可实现小型化、低成本和大规模生产的要求。

附图说明

图1是本发明实施例的压力传感器制作方法的流程示意图；

图2至图13是本发明实施例的压力传感器制作方法过程中各步骤对应的剖面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的压力传感器的制作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参考图1，本实施例的压力传感器的制作方法包括如下步骤：

步骤S10，提供第一硅衬底；

步骤S11，对所述第一硅衬底进行电化学腐蚀以形成多孔硅层；

步骤S12，通过外延方式在所述多孔硅层表面生长单晶硅层；

步骤S13，在所述单晶硅层上形成第一绝缘层，并图形化所述第一绝缘层形成第一凹槽；

步骤S14，将所述第一硅衬底与一第二硅衬底键合，所述第二硅衬底上形成有第二凹槽和第二绝缘层，所述第一硅衬底上的第一凹槽与所述第二硅衬底上的第二凹槽相对应构成一空腔；

步骤S15，腐蚀所述多孔硅层以分离所述第一硅衬底与第二硅衬底；

步骤S16，平坦化所述单晶硅层；

步骤S17，在所述空腔上方的单晶硅层上形成压敏电阻；

步骤S18，在所述单晶硅层上形成第三绝缘层，并图形化所述第三绝缘层形成暴露所述压敏电阻的接触孔；

步骤S19，在所述第三绝缘层上形成金属布线层。

下面参考图2至图13对本实施例的压力传感器制作方法进行更详细的说明。

参考图2，执行步骤S10，提供第一硅衬底101。该第一硅衬底101例如是晶向为<100>的硅衬底，利于形成质量较佳的单晶硅层。该第一硅衬底101优选是P型硅衬底，便于发生电化学反应形成多孔硅层。当然，亦可考虑采用N型硅衬底，后续欲发生电化学反应时进行光照以产生空穴即可。该第一硅衬底101例如是电阻率可以为5-10Ω.cm，但并不限于此。

参考图3，执行步骤S11，对该第一硅衬底101进行电化学腐蚀，以在其上部形成多孔硅层102，本实施例中所述多孔硅层102中形成有纳米孔。作为一个非限制性的例子，可以在氢氟酸(HF)以及乙醇(C2H5OH)的混合溶液中进行电化学腐蚀，以形成该多孔硅层102。当然，形成所述多孔硅层102的溶液还可以是氢氟酸和甲醇、氢氟酸和丙醇、氢氟酸和异丙醇等。该多孔硅层102的典型厚度为5～15μm，孔隙率为10～80％，但并不限于此。

参考图4，执行步骤S12，通过外延的方式在多孔硅层102表面生长一层单晶硅层103。

图5A至图5C所示为多孔硅层局部放大结构的剖面示意图。优选方案中，在多孔硅层102表面生长单晶硅层103之前，如图5A所示，先在所述多孔硅层102表面形成二氧化硅层102-1，例如，可在300～500℃的干氧条件热生长该二氧化硅层102-1；然后，如图5B所示，去除多孔硅层102上部的二氧化硅层102-1，暴露出硅表面；最后，如图5C所示，将所述第一硅衬底101送入外延炉中进行氢气(H2)退火及外延生长单晶硅层103。

需要说明的是，本实施例首先在多孔硅层102表面形成二氧化硅层102-1，再去除多孔硅层102上部的二氧化硅层102-1，之后再经由氢气退火和外延工艺来形成单晶硅层103，这样多孔硅层102结构稳定、不易发生迁移。本领域技术人员应当理解，也可以直接通过外延的方式在多孔硅层102表面生长一层单晶硅层103。

参考图6和图7所示，执行步骤S13，在单晶硅层103上形成一第一绝缘层104，所述第一绝缘层104可通过热生长或者淀积的方式形成，所述第一绝缘层104例如是二氧化硅层，该第一绝缘层104的表面平整度优选小于1nm。然后，图形化所述第一绝缘层104形成第一凹槽104a，可通过常规半导体工艺图形化该第一绝缘层104。

参考图8，执行步骤S14，将第一硅衬底101与第二硅衬底105键合，具体的，所述第二硅衬底105上形成有第二凹槽和第二绝缘层105’，所述第二绝缘层105’用于与第一硅衬底101上的第一绝缘层104键合，第一硅衬底101上的第一凹槽104a与第二硅衬底105上的第二凹槽相对应构成一空腔105a。所述第二绝缘层105’的材质可以与第一绝缘层104的材质相同，例如均为二氧化硅层。

优选方案中，先对第一硅衬底101与第二硅衬底105表面进行清洁以及激活，所述激活过程例如包括氧气等离子体处理(O₂plasma)、氢氟酸浸泡(HF dip)，使得所述第一硅衬底101与第二硅衬底105表面出现大量OH键，然后将第一硅衬底101与第二硅衬底105放入键合设备，使所述第一硅衬底101与第二硅衬底105相互接触形成弱的键合(例如通过OH键的方式实现弱键合)，再将第一硅衬底101与第二硅衬底105置于800～1180℃的环境中进行退火，进行熔融(fusion)键合，提高键合强度。

参考图9，执行步骤S15，腐蚀所述多孔硅层102以分离所述第一硅衬底101与第二硅衬底105，从而第一硅衬底101上的单晶硅层103转移到了第二硅衬底105上。较佳的，采用氨水与双氧水混合溶液(NH₄OH/H₂O₂/H₂O，SC1)或者氢氟酸与双氧水的混合溶液(HF/H₂O₂/H₂O，SC2)腐蚀所述多孔硅层102，当然，还可采用四甲基氢氧化铵(TMAH)等碱性腐蚀液腐蚀所述多孔硅层102。

参考图10，执行步骤S16，平坦化所述单晶硅层103。可通过氢气退火方式使多孔硅层发生迁移，进而实现平坦化单晶硅层103的目的。或者，通过化学机械研磨(CMP)的方式平坦化单晶硅层103。

参考图11，执行步骤S17，通过光刻、注入、退火等常规半导体工艺方法在所述空腔上方的单晶硅层103上形成压敏电阻109。

参考图12，执行步骤S18，通过淀积的方式在单晶硅层103上形成第三绝缘层106，然后再通过常规半导体工艺方式在第三绝缘层106中形成暴露所述压敏电阻109的接触孔106a。

参考图13，执行步骤S19，在第三绝缘层106上形成金属布线层107，可通过常规半导体工艺方法形成布线。例如，可以在金属层上形成光刻胶层，该光刻胶层的厚度可以是1～3μm；之后通过光刻和腐蚀工艺对金属层进行图形化，形成压力传感器布线；之后可以采用氧气等离子体方式去除该光刻胶层。此为本领域技术人员所熟知的内容，在此不再赘述。作为一个非限制性的例子，该金属布线层107的材料可以是铝，其厚度约为1μm，其形成方法可以是溅射。当然，本领域技术人员应当理解，该金属布线层107的材料还可以是其他适当的导电材料。

仍然参考图13，结合图2至图12所示，至此，本实施例形成的压力传感器包括：

第二硅衬底105，所述第二硅衬底105中形成有第二凹槽；

形成于第二硅衬底105上的第二绝缘层105’以及形成于所述第二绝缘层105’上的第一绝缘层104，所述第一绝缘层104中形成有第一凹槽104a，所述第一凹槽104a与第二凹槽共同构成一空腔105a；

形成于第一绝缘层104上的单晶硅层103；

形成于所述空腔上方的单晶硅层103中的压敏电阻109；

形成于单晶硅层103上的第三绝缘层106，所述第三绝缘层106中形成有暴露所述压敏电阻109的接触孔106a；以及

形成于第三绝缘层106上的金属布线层107。

关于该压力传感器的更多信息，请参考前述实施例中关于该压力传感器的形成方法的相关描述，这里不再赘述。

综上所述，在本发明提供的压力传感器的制作方法中，通过电化学腐蚀的方法在第一硅衬底表面形成一多孔硅层，然后通过外延的方式在第一硅衬底的多孔硅层表面生长一层单晶硅层，并将第一硅衬底与第二硅衬底键合构成一空腔，再腐蚀多孔硅层以分离第一硅衬底与第二硅衬底，从而将第一硅衬底上的单晶硅层转移至第二硅衬底上，随后平坦化单晶硅层的表面，最后通过常规半导体工艺方法形成金属布线层，构成压力传感器。该方法与CMOS工艺兼容，避免了传统体硅工艺的缺点，形成的膜层均匀，参数一致性好，有利于提高压力传感器的灵敏度和成品率。并且，本发明是图形化所述第一绝缘层形成第一凹槽，并在第二硅衬底上形成第二凹槽，由第一硅衬底上的第一凹槽与第二硅衬底上的第二凹槽相对应构成一空腔，此种情况下，第一凹槽和第二凹槽的尺寸较易控制，可满足器件小型化、低成本和大规模生产的要求。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种压力传感器的制作方法，其特征在于，包括：

提供第一硅衬底；

对所述第一硅衬底进行电化学腐蚀以形成多孔硅层；

通过外延方式在所述多孔硅层表面生长单晶硅层；

将所述第一硅衬底与一第二硅衬底键合，所述第二硅衬底上形成有第二凹槽和第二绝缘层，所述第一凹槽与所述第二凹槽相对应构成一空腔；

腐蚀所述多孔硅层以分离所述第一硅衬底与第二硅衬底；

平坦化所述单晶硅层；

在所述空腔上方的单晶硅层上形成压敏电阻；

在所述第三绝缘层上形成金属布线层。

2.如权利要求1所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，电化学腐蚀形成所述多孔硅层采用的溶液是：氢氟酸与乙醇的混合溶液，或者，氢氟酸与甲醇的混合溶液，或者，氢氟酸与丙醇的混合溶液，或者，氢氟酸与异丙醇的混合溶液。

3.如权利要求1所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，通过外延方式在所述多孔硅层表面生长单晶硅层之前，还包括：

在所述多孔硅层表面形成二氧化硅层；以及

去除所述多孔硅层上部的二氧化硅层。

4.如权利要求1所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，将所述第一硅衬底与第二硅衬底键合的步骤包括：

对所述第一硅衬底与第二硅衬底的表面进行激活；

对所述第一硅衬底与第二硅衬底进行退火，使所述第一硅衬底和第二硅衬底熔融键合。

5.如权利要求4所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，对所述第一硅衬底与第二硅衬底的表面进行激活之前，还包括：对所述第一硅衬底与第二硅衬底的表面进行清洁以及激活。

6.如权利要求4所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，对所述第一硅衬底与第二硅衬底进行退火的温度为800℃～1180℃。

7.如权利要求1所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，腐蚀所述多孔硅层以分离所述第一硅衬底与第二硅衬底所采用的溶液是：氨水与双氧水的混合溶液，或者，氢氟酸与双氧水的混合溶液，或者，四甲基氢氧化铵溶液。

8.如权利要求1所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，通过氢气退火方式平坦化所述单晶硅层。

9.如权利要求1所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，通过化学机械研磨的方式平坦化所述单晶硅层。

10.如权利要求1所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，所述第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层的材料是二氧化硅。

11.如权利要求1所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，所述第一绝缘层的表面平整度小于1nm。

12.如权利要求1所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，所述多孔硅层的厚度为5μm～15μm，孔隙率为10％～80％。

13.一种利用权利要求1至12中任意一项所述的方法形成的压力传感器，其特征在于，包括：

第二硅衬底，所述第二硅衬底中形成有第二凹槽；

形成于所述第二硅衬底上第二绝缘层以及形成于所述第二绝缘层上的第一绝缘层，所述第一绝缘层中形成有第一凹槽，所述第一凹槽与第二凹槽共同构成一空腔；

形成于所述第一绝缘层上的单晶硅层；

形成于所述空腔上方的单晶硅层上的压敏电阻；

形成于所述第三绝缘层上的金属布线层。

14.如权利要求13所述的压力传感器，其特征在于，所述第一绝缘层和第三绝缘层的材料是二氧化硅。

15.如权利要求14所述的压力传感器，其特征在于，所述第一绝缘层的表面平整度小于1nm。