CN105526983B - 一种气体流量传感器的结构及其制造方法 - Google Patents

一种气体流量传感器的结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于MEMS制造工艺技术领域，公开了一种气体流量传感器的结构及其制造方法，其包括具有第三离子掺杂浓度的加热器电阻，具有第二离子掺杂浓度的第一组上、下游半导体热电极，具有第一离子掺杂浓度的第二组上、下游半导体热电极，其中，第二离子掺杂浓度以及第三离子掺杂浓度大于第一离子掺杂浓度。本发明提供了一种气体流量传感器的结构及其制造方法，在传统器件结构上增加一组上、下游热电偶，在气流的上下游分别形成两组不同离子掺杂浓度的上、下游半导体热电极，通过电压差计算，基本抵消半导体材料塞贝克系数随温度变化的影响，使参考数据随温度差呈线性变化，有利于提高气体温度以及流量的检测灵敏度以及准确性。

Description

一种气体流量传感器的结构及其制造方法
技术领域
本发明属于MEMS制造工艺技术领域，涉及一种气体流量传感器的结构及其制造方法。
背景技术
气体流量传感器是流量计的一种，目前在各行各业已有广泛应用，应用领域涵盖汽车电子、能源计量、科学实验、节能环保等方面。经过多年的技术发展，气体流量传感器越来越趋向于小型化、功能化，其检测性能也不断提高。气体流量传感器按能量转换的方式可以分为压电式、热电偶、光电式等类型，其中基于热电偶测温原理的热式气体流量传感器是主流类型之一，热式气体流量传感器使用热电偶测温检测气体流量。
为适应器件小型化趋势，出现了基于MEMS加工工艺的微型气体流量传感器，芯片基本结构包括一个加热电阻以及位于其两侧的一对测温部件。当气体流过传感器芯片时，温度场因为流体介质带走热量导致局部温度重新分布，局部温度场的变化量取决于流体介质的质量及流速，通过对此温度分布进行测量、校准，可测出实际的气体流量。
为适于MEMS加工工艺，热电偶热电极材料常选用半导体材料，但与金属材料相比，半导体材料的塞贝克系数随温度变化明显，对测温结果有较大影响，现有应对措施为加测器件的环境温度，通过集成芯片计算进行补偿，但该措施会增加模块成本和集成的复杂性。专利号公开号为US8640552的美国专利提出了一种增加附加电路进行测量修正的方法，解决了上述问题，但解决问题的过程较为复杂，且成本较高。因此，本领域技术人员亟需提供一种气体流量传感器的结构及其制造方法，抵消半导体材料塞贝克系数随温度变化的影响，提高气体温度以及流量的检测灵敏度以及准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种气体流量传感器的结构及其制造方法，抵消半导体材料塞贝克系数随温度变化的影响，提高气体温度以及流量的检测灵敏度以及准确性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种制造气体流量传感器结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤S01，提供一半导体衬底，并在所述衬底上形成绝缘薄膜层；
步骤S02，在所述绝缘薄膜层上形成半导体薄膜层；
步骤S03，对所述半导体薄膜层进行全片离子注入，其离子注入具有第一离子掺杂浓度；
步骤S04，对所述半导体薄膜层上的第一组上、下游半导体热电极区域以及加热器电阻区域进行分区域离子注入；其中，所述第一组上、下游半导体热电极区域具有第二离子掺杂浓度，所述加热器电阻区域具有第三离子掺杂浓度，所述第二离子掺杂浓度以及第三离子掺杂浓度大于所述第一离子掺杂浓度；
步骤S05，对所述半导体薄膜层进行图形化，以形成第一组上、下游半导体热电极，加热器电阻以及第二组上、下游半导体热电极；
步骤S06，在所述第一组上、下游半导体热电极以及第二组上、下游半导体热电极上形成金属薄膜层，并对所述金属薄膜层图形化，以形成金属热电极和电极的引脚；
步骤S07，在所述半导体薄膜层上形成释放孔，并将第一组上、下游半导体热电极，加热器电阻以及第二组上、下游半导体热电极下方的半导体衬底进行刻蚀以获得空腔结构，然后在其表面沉积钝化层，以形成气体流量传感器的结构。
优选的，步骤S01中，所述绝缘薄膜层为复合结构，从下往上依次包括底层二氧化硅层、氮化硅层以及上层二氧化硅层。
优选的，步骤S01中，采用热氧化工艺形成所述底层二氧化硅层，采用等离子气相沉积工艺形成所述氮化硅层，采用等离子气相沉积工艺形成所述上层二氧化硅层。
优选的，步骤S02中，所述半导体薄膜层的材料为多晶硅，采用等离子气相沉积工艺形成所述半导体薄膜层，所述半导体薄膜层的厚度为5000～
优选的，步骤S03中，对所述半导体薄膜层进行全片离子注入的元素为磷或砷，注入剂量为2×1015atom/cm2，第一离子掺杂浓度为4×1019atom/cm3。
优选的，步骤S04中，第二离子掺杂浓度为1×1020atom/cm3，第三离子掺杂浓度为4×1020atom/cm3。
优选的，步骤S05中，第一组上、下游半导体热电极以及第二组上、下游半导体热电极的线宽为9～11μm，加热器电阻的线宽为30～50μm。
优选的，步骤S06中，所述金属薄膜层的厚度为2000～所述金属热电极的线宽为3～7μm。
优选的，步骤S07中，所述钝化层的材料为二氧化硅层以及氮化硅层的复合结构，二氧化硅层的厚度为0.8～1.2μm，氮化硅层的厚度为0.2～0.4μm。
本发明还提供一种气体流量传感器的结构，所述气体流量传感器的结构包括：
加热器电阻，其具有第三离子掺杂浓度；
第一组上、下游半导体热电极，包括第一上游半导体热电极以及第一下游半导体热电极，所述第一上游半导体热电极以及第一下游半导体热电极分别位于所述加热器电阻的两侧，所述第一组上、下游半导体热电极具有第二离子掺杂浓度，所述第二离子掺杂浓度大于所述第一离子掺杂浓度；
第二组上、下游半导体热电极，包括第二上游半导体热电极以及第二下游半导体热电极，所述第二上游半导体热电极以及第二下游半导体热电极分别位于所述加热器电阻的两侧，所述第二组上、下游半导体热电极具有第一离子掺杂浓度。
本发明提供了一种气体流量传感器的结构及其制造方法，在传统器件结构上增加一组上、下游测温部件，在气流的上下游分别形成两组不同离子掺杂浓度的上、下游半导体热电极，通过电压差计算，基本抵消半导体材料塞贝克(seebeck)系数随温度变化的影响，使参考数据随温度差呈线性变化，有利于提高气体温度以及流量的检测灵敏度以及准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的气体流量传感器结构的制造方法的流程示意图；
图2a-图2c为本发明提出的工艺步骤S04～S06的平面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图对本发明提出的气体流量传感器的结构及其制造方法进行详细说明。图1为本发明提出的气体流量传感器结构的制造方法的流程示意图；图2a-图2c为本发明提出的工艺步骤S04～S06的平面结构示意图。
请参阅图2b，本发明提供了一种气体流量传感器的结构，其包括具有第三离子掺杂浓度的加热器电阻5，具有第二离子掺杂浓度的第一组上、下游半导体热电极3，以及具有第一离子掺杂浓度的第二组上、下游半导体热电极4。其中，第一组上、下游半导体热电极3包括第一上游半导体热电极以及第一下游半导体热电极，第一上游半导体热电极以及第一下游半导体热电极分别位于加热器电阻5的两侧，第二离子掺杂浓度大于第一离子掺杂浓度；第二组上、下游半导体热电极4包括第二上游半导体热电极以及第二下游半导体热电极，第二上游半导体热电极以及第二下游半导体热电极分别位于加热器电阻5的两侧，第三离子掺杂浓度大于第一离子掺杂浓度。
本发明一方面在传统器件结构上增加一组上、下游半导体热电极，另一方面在气流的上下游分别形成两组不同离子掺杂浓度的上、下游半导体热电极，通过电压差计算，抵消半导体材料的塞贝克系数随温度变化的影响，使参考数据随温度差呈线性变化，有利于提高气体温度以及流量的检测灵敏度以及准确性。
本发明所公开的气体流量传感器的结构可以通过许多方法制作，以下所述的是本发明所提出的一个实施例的工艺流程。如图1所示，本发明的实施例提供一种制造气体流量传感器的结构的方法，包括以下步骤：
步骤S01，提供一半导体衬底，并在衬底上形成绝缘薄膜层。
具体的，本步骤中，半导体衬底优选为硅衬底，在其表面形成绝缘薄膜层，绝缘薄膜层优选为复合结构，从下往上依次包括底层二氧化硅层、氮化硅层以及上层二氧化硅层；其中，优选采用热氧化工艺形成底层二氧化硅层，底层二氧化硅层的厚度优选为1500～本实施例中为采用等离子气相沉积工艺形成氮化硅层，氮化硅层的厚度优选为2500～本实施例中为采用等离子气相沉积工艺形成上层二氧化硅层，上层二氧化硅层的厚度优选为1200～本实施例中为
步骤S02，在绝缘薄膜层上形成半导体薄膜层。
具体的，本步骤中，半导体薄膜层的材料优选为多晶硅，可采用等离子气相沉积工艺形成半导体薄膜层，半导体薄膜层的厚度优选为5000～本实施例中为该半导体薄膜层在后续步骤中形成气体流量传感器的加热器电阻及半导体热电极之一，是器件结构的核心膜层。
步骤S03，对半导体薄膜层进行全片离子注入，其离子注入具有第一离子掺杂浓度。
具体的，本步骤中，对半导体薄膜层进行全片离子注入的元素为磷或砷，本实施例中采用磷，注入剂量为2×1015atom/cm2，第一离子掺杂浓度为4×1019atom/cm3。本步骤为全片掺杂，后续还需对部分区域分别进行区域掺杂，以获得加热器区域较低的电阻和半导体热电极合适的塞贝克系数。
步骤S04，请参阅图2a，对半导体薄膜层上的第一组上、下游半导体热电极区域1以及加热器电阻区域2进行分区域离子注入；其中，第一组上、下游半导体热电极区域1具有第二离子掺杂浓度，加热器电阻区域2具有第三离子掺杂浓度，第二离子掺杂浓度以及第三离子掺杂浓度大于第一离子掺杂浓度。
具体的，本步骤中，第一组上、下游半导体热电极区域1累积掺杂浓度，即第二离子掺杂浓度为1×1020atom/cm3，加热器电阻区域2累积掺杂浓度，即第三离子掺杂浓度为4×1020atom/cm3。此时，衬底的不同区域的掺杂浓度有三种不同水平。以上所述步骤通过图形化的光刻胶实现分区域注入，为本领域的公知常识，在此不再赘述。
步骤S05，请参阅图2b，对半导体薄膜层进行图形化，以形成第一组上、下游半导体热电极3，加热器电阻5以及第二组上、下游半导体热电极4。
具体的，本步骤中，第一组上、下游半导体热电极3以及第二组上、下游半导体热电极4的线宽为9～11μm，本实施例中为10μm；加热器电阻5的线宽为30～50μm，本实施例中为40μm。本实施例中的第一组上、下游半导体热电极3与第二组上、下游半导体热电极4图形相同，每组半导体热电极可设置16对热电偶串联(图中对数为示意)。
步骤S06，请参阅图2c，在第一组上、下游半导体热电极3以及第二组上、下游半导体热电极4上形成金属薄膜层，并对金属薄膜层图形化，以形成金属热电极和各电极的引脚，其中，图中附图标记6为半导体热电极与金属热电极的接触点，金属覆盖于半导体之上。
具体的，本步骤中，金属薄膜层的厚度为2000～本实施例中为材料优选为铝，金属热电极的线宽优选为3～7μm，本实施例中为6μm。
步骤S07，在半导体薄膜层上形成释放孔，并将第一组上、下游半导体热电极，加热器电阻以及第二组上、下游半导体热电极下方的半导体衬底进行刻蚀以获得空腔结构，然后在其表面沉积钝化层，以形成气体流量传感器的结构。
具体的，本步骤中，为增强半导体热电极对气流的敏感程度，对半导体衬底进行刻蚀以获得空腔结构，然后在器件表面沉积钝化层以保护所形成的器件结构，钝化层的材料优选为二氧化硅层以及氮化硅层的复合结构，二氧化硅层的厚度为0.8～1.2μm，氮化硅层的厚度为0.2～0.4μm,本实施例中的二氧化硅层的厚度为1μm，氮化硅层的厚度为0.3μm，该步骤为本领域的常规工艺，在此不再赘述。
传统的热式气体流量传感器仅设置一组上下游测温组件，输出电动势为Vout＝n(αs-αm)ΔT；其中，n为串联的热电偶对数，αs、αm分别为半导体热电极、金属热电极的塞贝克系数，金属材料的塞贝克系数随温度变化较小，而半导体材料的塞贝克系数则波动较大，影响不可忽略。如磷掺杂浓度为1×1020atom/cm3的多晶硅层在20～100℃区间温升为0.64μV/℃，由此导致输出电动势与热电偶冷热端的温度差不成线性变化，给流量的计算带来难度。
在本实施例中，对于上(下)游区域均有两组测温部件，其中半导体热电极的掺杂浓度不同，由于对于同种元素掺杂，不同掺杂浓度下塞贝克系数的温升(斜率)基本接近，因此αsd1(T)-αsd2(T)基本上是一个常量。对于上游(或下游)区域，两组测温组件输出两个温差电动势数据：Vout1＝n(αsd1-αm)ΔT，Vout2＝n(αsd2-αm)ΔT；其差值ΔVout＝n(αsd1-αsd2)ΔT＝ΔT*Constant即正比于温度差。本发明考察输出电动势差值即可规避半导体材料的塞贝克系数温升带来的影响，实现温度差的线性输出，有利于气体流量的便捷测量，并拓宽了气体流量的量程。
基于上述结构调整，结合上下游的电动势测量值，还可以评估器件的测量可信度。以下为输出的4个电动势值：
Vout1up＝n(αsd1-αm)ΔTup，Vout2up＝n(αsd2-αm)ΔTup，Vout1down＝n(αsd1-αm)ΔTdown，Vout2＝n(αsd2-αm)ΔTdown；比较Vout1up/Vout1down、Vout2up/Vout2down两个数据是否一致，即可判断器件工作的准确性。
综上所述，本发明提供了一种气体流量传感器的结构及其制造方法，在传统器件结构上增加一组上、下游测温部件，在气流的上下游分别形成两组不同离子掺杂浓度的上、下游半导体热电极，通过电压差计算，基本抵消半导体材料塞贝克(seebeck)系数随温度变化的影响，使参考数据随温度差呈线性变化，有利于提高气体温度以及流量的检测灵敏度以及准确性。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种制造气体流量传感器结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01，提供一半导体衬底，并在所述衬底上形成绝缘薄膜层；
步骤S02，在所述绝缘薄膜层上形成半导体薄膜层；
步骤S03，对所述半导体薄膜层进行全片离子注入，其离子注入具有第一离子掺杂浓度；
步骤S04，对所述半导体薄膜层上的第一组上、下游半导体热电极区域以及加热器电阻区域进行分区域离子注入；其中，所述第一组上、下游半导体热电极区域具有第二离子掺杂浓度，且第一离子掺杂和第二离子掺杂的掺杂元素为同种元素；所述加热器电阻区域具有第三离子掺杂浓度，所述第二离子掺杂浓度以及第三离子掺杂浓度大于所述第一离子掺杂浓度；
步骤S05，对所述半导体薄膜层进行图形化，以形成第一组上、下游半导体热电极，加热器电阻以及第二组上、下游半导体热电极；
步骤S06，在所述第一组上、下游半导体热电极以及第二组上、下游半导体热电极上形成金属薄膜层，并对所述金属薄膜层图形化，以形成金属热电极和电极的引脚；
步骤S07，在所述半导体薄膜层上形成释放孔，并将第一组上、下游半导体热电极，加热器电阻以及第二组上、下游半导体热电极下方的半导体衬底进行刻蚀以获得空腔结构，然后在其表面沉积钝化层，以形成气体流量传感器的结构。
2.根据权利要求1所述的气体流量传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤S01中，所述绝缘薄膜层为复合结构，从下往上依次包括底层二氧化硅层、氮化硅层以及上层二氧化硅层。
3.根据权利要求2所述的气体流量传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤S01中，采用热氧化工艺形成所述底层二氧化硅层，采用等离子气相沉积工艺形成所述氮化硅层，采用等离子气相沉积工艺形成所述上层二氧化硅层。
4.根据权利要求1所述的气体流量传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤S02中，所述半导体薄膜层的材料为多晶硅，采用等离子气相沉积工艺形成所述半导体薄膜层，所述半导体薄膜层的厚度为
5.根据权利要求1所述的气体流量传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤S03中，对所述半导体薄膜层进行全片离子注入的元素为磷或砷，注入剂量为2×1015atom/cm2，第一离子掺杂浓度为4×1019atom/cm3。
6.根据权利要求1所述的气体流量传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤S04中，第二离子掺杂浓度为1×1020atom/cm3，第三离子掺杂浓度为4×1020atom/cm3。
7.根据权利要求1所述的气体流量传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤S05中，第一组上、下游半导体热电极以及第二组上、下游半导体热电极的线宽为9～11μm，加热器电阻的线宽为30～50μm。
8.根据权利要求1所述的气体流量传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤S06中，所述金属薄膜层的厚度为所述金属热电极的线宽为3～7μm。
9.根据权利要求1所述的气体流量传感器结构的制造方法，其特征在于，步骤S07中，所述钝化层的材料为二氧化硅层以及氮化硅层的复合结构，二氧化硅层的厚度为0.8～1.2μm，氮化硅层的厚度为0.2～0.4μm。
10.一种气体流量传感器的结构，其特征在于，所述气体流量传感器的结构包括：
加热器电阻，其具有第三离子掺杂浓度；
第二组上、下游半导体热电极，包括第二上游半导体热电极以及第二下游半导体热电极，所述第二上游半导体热电极以及第二下游半导体热电极分别位于所述加热器电阻的两侧，所述第二组上、下游半导体热电极具有第一离子掺杂浓度；
第一组上、下游半导体热电极，包括第一上游半导体热电极以及第一下游半导体热电极，所述第一上游半导体热电极以及第一下游半导体热电极分别位于所述加热器电阻的两侧，所述第一组上、下游半导体热电极具有第二离子掺杂浓度，所述第二离子掺杂浓度大于所述第一离子掺杂浓度，且第一离子掺杂和第二离子掺杂的掺杂元素为同种元素。
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