CN108147361A - 浓硼掺杂硅纳米线压阻式mems压力传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在单晶硅衬底上做掺杂，形成高浓度硼掺杂层；步骤2：在高浓度硼掺杂层上光刻、刻蚀，定义出硅纳米线压敏电阻；步骤3：热氧化，调节压敏电阻的硅纳米线尺寸，同时形成钝化保护层；步骤4：光刻、刻蚀，在压敏电阻的硅纳米线两端制作出电学接触孔，形成基片；步骤5：在基片的表面淀积金属层，使金属沉积在电学接触孔内，形成欧姆接触、电学互联引线和压焊焊盘；步骤6：在背面深刻蚀制作出背腔，获得感压薄膜，形成结构层；步骤7：将一玻璃层与结构层的背腔面对准键合，划片成分离压力传感器芯片。

Description

浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及微纳电子加工、MEMS及压力测量领域，尤其涉及一种浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法。

背景技术

在体硅中扩散或注入，形成p-n结隔离的压阻条，已被广泛使用在多种传感器中。基于压阻效应的MEMS压力传感器，是MEMS技术在传感器领域应用最成功的器件之一。硅压阻式MEMS压力传感器已在工业自动控制、汽车、消费电子、医疗保健、生物化工等不同的领域得到了广泛应用。随着传感器进一步向更小体积、小功耗、高集成和智能化发展，需要将压阻条做到更小和更灵敏，纳米尺度硅的压阻性能研究已经吸引了广泛的研究兴趣。文章报道利用化学气相沉积生长得到具有不同取向、尺寸和掺杂浓度的硅纳米线，用四点弯曲法测量它们压阻系数。发现硅纳米线直径小于 300nm，压阻系数较体硅均增大，最大增加近2个量级；掺杂浓度越大，压阻系数增大幅度越小，硅纳米线在<110>方向的压阻系数随直径减小而增大、随掺杂浓度的增大而减小。文章归纳了硅纳米线电阻率变化与所受应力的关系，统计发现，重掺杂较大直径的硅纳米线电阻率随应力变化线性度较好，轻掺杂小直径硅纳米线电阻率对张应力非常敏感，但压应力下非线性明显。表面修饰同样影响硅纳米线压阻，氢氟酸处理能增大硅纳米线的压阻系数，硝酸处理减小压阻系数。作者认为，硅纳米线压阻效应的机理与体硅类似，应力作用于硅纳米线，导致能带边缘和载流子有效质量的变化，改变了载流子浓度和迁移率，最终导致压阻系数的变化。另一报道用蒙特卡罗法模拟p型硅纳米线在<110>方向的压阻系数，发现压阻系数随尺寸减小增大，随掺杂浓度增大而减小。

另一方面的报道认为硅纳米线没有巨压阻效应，压阻系数基本与体硅材料一致。例如，一篇发表在Appl.Phys.Lett.上的文章用顶层硅为340nm 的SOI片制作的20-40nm宽硅纳米线，用四点弯曲法测得在<110>方向的压阻系数与体硅接近，p、n型硅纳米线的压阻系数均在20-40×10^-11Pa^-1范围内。另一研究组在Phys.Rev.Lett.上发表文章认为，由于电子和空穴在硅纳米线表面不断被陷阱态束缚，电阻测量具有随机变化的特点，有时表现出巨大的压阻效应。他们通过大量测量不同掺杂型及尺寸的<110> 方向硅纳米线，发现压阻系数与体硅较一致，且压阻系数与构型尺寸没有明显关系。

到目前为止，国内的研究对硅纳米线压阻系数的测量还存有异议，掺杂浓度、晶体取向、工作温度对压阻性能的影响还没有系统研究。本发明利用浓硼扩散硅层，制作具有多参量变化的硅纳米线压阻，并集成到MEMS 压力传感器中，准确测量硅纳米线尺寸、取向、掺杂与压阻系数的定量关系，制作出高灵敏度、小尺寸的硅纳米线压阻MEMS压力传感器。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，其可制作出高灵敏度、小尺寸的硅纳米线压阻MEMS压力传感器。

本发明提供一种浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，该方法包括：

步骤1：在单晶硅衬底上做掺杂，形成高浓度硼掺杂层；

步骤2：在高浓度硼掺杂层上光刻、刻蚀，定义出硅纳米线压敏电阻；

步骤3：热氧化，调节压敏电阻的硅纳米线尺寸，同时形成钝化保护层；

步骤4：光刻、刻蚀，在压敏电阻的硅纳米线两端制作出电学接触孔，形成基片；

步骤5：在基片的表面淀积金属层，使金属沉积在电学接触孔内，形成欧姆接触、电学互联引线和压焊焊盘；

步骤6：在背面深刻蚀制作出背腔，获得感压薄膜，形成结构层；

步骤7：将一玻璃层与结构层的背腔面对准键合，划片成分离压力传感器芯片。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的制备方法是采用光刻工艺、刻蚀工艺和薄膜工艺，可以有效与CMOS工艺兼容，可以批量生产。

2.本发明可以准确测量具有不同构型尺寸、晶格取向、掺杂浓度的硅纳米线的压阻系数，解决基础研究中一直悬而未决的争议。

3.本发明的制备方法可以制作出小尺寸、高灵敏硅纳米线压阻式MEMS 压力传感器，进一步拓展MEMS压力传感器的应用。

附图说明

为进一步描述本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的制备流程图；

图2-图8是本发明各制备步骤的结构示意图，其中左侧是横截面图，右侧是俯视图，图4是在纳米线压阻上横切的，其它在焊盘位置横切；图 2-6是正面俯视，图7-8为背面俯视。

具体实施方式

请参阅图1并结合参阅图2-图8所示，本发明提供一种浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在单晶硅衬底100上做掺杂，形成高浓度硼掺杂层101，所述的单晶硅衬底100为N型的、未掺杂的或高阻型的，目的是与表面高浓度硼掺杂层101形成pn结，电学隔离开，限制电流只在表面高浓度硼掺杂层101内流动；单晶硅衬底100的晶面可以为任意方向晶面，通过本发明都可以制作出具有不同性能的器件；因此，本发明制作的器件可用于测量具有不同晶格取向的硅纳米线压阻系数；所述的在单晶硅衬底100上做掺杂，是采用高温扩散或离子注入的方法，形成高浓度硼掺杂层101，其厚度范围为50nm至30μm；掺杂层硼浓度范围为1E19cm^-3至1E21cm^-3；

步骤2：在高浓度硼掺杂层101上光刻、刻蚀，定义出硅纳米线压敏电阻102，所述的光刻、刻蚀是干法刻蚀、湿法腐蚀或它们的组合；硅纳米线压敏电阻的尺寸及位置由光刻定义，可以采用紫外光刻或电子束曝光，或它们的组合；调节硅纳米线压敏电阻102的尺寸，是采用光刻的临近效应、过曝光技术、各向同性刻蚀、各向异性刻蚀或过刻蚀技术；压阻条的宽度和高度控制在一般为1∶1，大约在1-2μm；

步骤3：热氧化，调节压敏电阻102的硅纳米线尺寸，同时形成钝化保护层103，所述热氧化包括干氧、湿氧及它们的组合，是通过加入三氯乙烯提高热氧质量，形成钝化保护层103，其厚度为100-1000nm；钝化保护层作用在于使得硅纳米线压阻条得到完全的电气隔离保护；形成1μm热氧需要消耗0.46μm单晶硅，热氧过程还能用于调节硅纳米线压阻条最终的尺寸，如果希望得到更细小的硅纳米线，可以用氢氟酸溶解除去二氧化硅，再做一次热氧，由于硅的消耗，纳米线的尺寸再次减小，反复使用该工艺，即可获得设计尺寸的硅纳米线；

步骤4：光刻、刻蚀，在压敏电阻102的硅纳米线两端制作出电学接触孔104，形成基片；电学接触孔的作用是将硅纳米线压阻条电学互联，施加电学信号，同时测量随压力变化的电学信号，实现机电转换。电学接触孔的尺寸及位置由光刻定义，通过干法或湿法刻蚀二氧化硅到硅表面完成制作；

步骤5：在基片的表面淀积金属层105，使金属沉积在电学接触孔104 内，形成欧姆接触、电学互联引线和压焊焊盘，所述金属层105的材料是 Ti、Ni、Al、Au、Si、Pt、Pd、Mo、W或Ta，或其中几种组合；金属层105 是通过电子束蒸发或磁控溅射制备，最上层的金属是Al或Au，便于金丝压线互联；金属层用光刻、刻蚀定义尺寸和位置；通过退火合金工艺，使得金属层与硅纳米线压阻形成欧姆接触；金属层厚度一般500-1000nm，刻蚀可以是干法或湿法；

步骤6：在背面深刻蚀制作出背腔106，获得感压薄膜106’，形成结构层，所述感压薄膜106’的形状是长方形、正方形、或圆形，作用在于将膜上感受到的压力成比例地传到硅纳米线压阻条上；感压膜的尺寸、形状决定了压力传感器的量程、灵敏度、非线性等性能指标；背面深刻蚀的掩模可以是介质层、或金属层，位置尺寸用光刻、刻蚀定义；背腔深刻蚀可以用干法、或湿法、或它们的组合；

步骤7：将一玻璃层107与结构层的背腔面对准键合，划片成分离压力传感器芯片，所述背面玻璃层107与背腔面键合，形成一个稳定的压力参考环境；该玻璃层107分为有孔或无孔两种情况，当玻璃层107为无孔时，背腔处于真空，形成绝压芯片；当玻璃层107为有孔时，构成差压芯片；晶圆制作完成后，一般两面贴膜或甩胶保护，再采用砂轮划片得到分离的独立芯片。

实施例：

1.采用双抛N型(100)单晶硅为衬底，其电阻率为3-7Ω·cm。采用两步固态高温扩散工艺，在硅片表面形成一层浓硼掺杂层。浓硼掺杂层的厚度约1.8μm，掺杂浓度为6E19cm^-3。

2.通过定义光刻版，改变压阻条的晶格取向，压阻条与[110]方向夹角为0度，压阻条与[110]方向夹角为45度，每3度定义一新取向的压阻条，共16种晶格取向的压阻条。这种设计可以测量不同晶格取向的硅纳米线压阻条的压阻系数。采用于法刻蚀刻蚀，得到的初步的硅纳米线压阻条宽度为1.1μm。

3.热氧化形成1μm二氧化硅层，完全隔离钝化保护压阻条。由于消耗硅约460nm，剩余的硅纳米线尺寸约500nm。

4.光刻定义出电学接触孔位置及尺寸，以光刻胶为掩膜，采用干法刻蚀二氧化硅，停止在硅表面，形成电学接触孔。

5.利用电子束蒸发淀积1000nmAl金属层，光刻定义出电学引线形状及尺寸，用光刻胶为掩膜，干法刻蚀金属Al，形成电学互联及压焊pad。在混有氢气的氮气保护下，管式炉中450℃保温15分钟，形成欧敏接触。

6.在背面光刻，以光刻胶为掩模，干法刻蚀1μm的二氧化硅作为硅深刻蚀的掩膜层。正面涂胶保护后，用干法刻蚀和TMAH湿法腐蚀相结合的工艺，制作出背腔，形成感压薄膜。感压薄膜尺寸600×600μm²，感压膜厚度约为40μm。

7.干法刻蚀去除背面二氧化硅，采用硅玻璃阳极键合工艺，将玻璃片键合到芯片背面，形成真空的压力测试参考腔。芯片涂胶保护后，用砂轮划片机将功能芯片分成独立的单个芯片。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在单晶硅衬底上做掺杂，形成高浓度硼掺杂层；

步骤2：在高浓度硼掺杂层上光刻、刻蚀，定义出硅纳米线压敏电阻；

步骤3：热氧化，调节压敏电阻的硅纳米线尺寸，同时形成钝化保护层；

步骤4：光刻、刻蚀，在压敏电阻的硅纳米线两端制作出电学接触孔，形成基片；

步骤5：在基片的表面淀积金属层，使金属沉积在电学接触孔内，形成欧姆接触、电学互联引线和压焊焊盘；

步骤6：在背面深刻蚀制作出背腔，获得感压薄膜，形成结构层；

步骤7：将一玻璃层与结构层的背腔面对准键合，划片成分离压力传感器芯片。

2.根据权利要求1所述的浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，其中所述的单晶硅衬底为N型的、未掺杂的或高阻型的，目的是与表面高浓度硼掺杂层电学隔离开，限制电流只在表面高浓度硼掺杂层内流动；单晶硅衬底的晶面为任意方向晶面。

3.根据权利要求1所述的浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，其中所述的在单晶硅衬底上做掺杂，是采用高温扩散或离子注入的方法，形成高浓度硼掺杂层，其厚度范围为50nm至30μm；掺杂层硼浓度范围为1E19cm^-3至1E21cm^-3。

4.根据权利要求1所述的浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，其中步骤2的光刻、刻蚀是干法刻蚀、湿法腐蚀或它们的组合；调节硅纳米线压敏电阻的尺寸，是采用光刻的临近效应、过曝光技术、各向同性刻蚀、各向异性刻蚀或过刻蚀技术。

5.根据权利要求1所述的浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，其中步骤3所述热氧化包括干氧、湿氧及它们的组合，是通过加入三氯乙烯提高热氧质量，形成钝化保护层，其厚度为100-1000nm。

6.根据权利要求1所述的浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，其中金属层的材料是Ti、Ni、Al、Au、Si、Pt、Pd、Mo、W或Ta，或其中几种；金属层是通过电子束蒸发或磁控溅射制备，最上层的金属是Al或Au，便于金丝压线互联。

7.根据权利要求1所述的浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，其中所述感压薄膜的形状是长方形、正方形、或圆形，作用在于将膜上感受到的压力成比例地传到硅纳米线压阻条上。

8.根据权利要求1所述的浓硼掺杂硅纳米线压阻式MEMS压力传感器的制备方法，其中所述背面玻璃层与背腔面键合，形成一个稳定的压力参考环境；该玻璃层分为有孔或无孔两种情况，当玻璃层为无孔时，背腔处于真空，形成绝压芯片；当玻璃层为有孔时，构成差压芯片。