CN108663155A - 一种压力传感器敏感密封腔的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种压力传感器敏感密封腔的制备方法，属于压力传感器制备领域。本发明解决了采用硅‑玻璃键合工艺制备压力传感器存在的体积大、不耐高温、电学性能差及硅‑硅键合方法存在的制备精度低的问题。本发明主要采用双层多孔硅(大孔径多孔硅层和小孔径多孔硅层)中的大孔径多孔硅层作为牺牲层，单晶硅外延层密封大孔径多孔硅层形成的敏感空腔制备敏感密封腔。本发明主要用于制备压力传感器敏感密封腔。
Description
技术领域
本发明属于压力传感器制备领域。
背景技术
现有SOI压力传感器敏感密封腔的制备主要有两种方法：
第一种是采用硅-玻璃键合工艺制备的压力传感器，键合工艺前需进行硅杯加工，硅杯加工采用KOH各向异性腐蚀工艺制作，由于各向异性腐蚀存在54.7°夹角，导致器件制作过程中，为了达到一定厚度的敏感膜，器件尺寸至少2mm*2mm，且器件厚度至少1mm，体积较大；且传感器中采用的玻璃在200℃以上变软，导致传感器无法使用；另外，由于硅与玻璃材质不同，其热膨胀系数不同，在不同的温度环境中，由于硅与玻璃的热膨胀系数不匹配，在硅与玻璃之间产生不同的应力，影响传感器的电学性能。
第二种是采用硅-硅键合后进行减薄的方法制备压力传感器，虽然改善了异质问题，但是通常器件厚度在800μm以上，且在制备过程中需要采用双面对准，两个硅片键合后对其中的一个硅片进行减薄实现的，因而存在着减薄损伤、需要双面对准导致制备精度低、工艺复杂等问题。
因此，亟需提供一种解决采用硅-玻璃键合工艺制备压力传感器体积大、不耐高温、电学性能差及采用硅-硅键合方法存在的制备精度低的新型制备方法。
发明内容
本发明是为了解决采用硅-玻璃键合工艺制备压力传感器存在的体积大、不耐高温、电学性能差及硅-硅键合方法存在的制备精度低的问题，本发明提供了一种压力传感器敏感密封腔的制备方法。
一种压力传感器敏感密封腔的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：采用P型单晶硅片作为衬底基片1，并对衬底基片1进行清洗；
步骤二：在清洗后的衬底基片1上生长出氧化层2；
步骤三：在氧化层2上生长出钝化层3；
步骤四：对钝化层3和氧化层2进行光刻，使其在钝化层3和氧化层2上形成两个N型重掺杂注入窗口4；
步骤五：在两个N型重掺杂注入窗口4内注入n+离子，形成两个N型重掺杂区5；
步骤六：在两个N型重掺杂区5上依次生长有氧化层2和钝化层3；
步骤七：对两个N型重掺杂区5之间所对应的氧化层2和钝化层3进行光刻形成P型重掺杂注入窗口6；
步骤八：在P型重掺杂注入窗口6内注入p+离子，形成P型重掺杂区7；
步骤九：利用电化学腐蚀方式对P型重掺杂区7和P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1进行电化学腐蚀，使P型重掺杂区7形成小孔径多孔硅层9，P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1形成大孔径多孔硅层8；
步骤十：采用氢氧化钾或氢氟酸腐蚀大孔径多孔硅层8，使大孔径多孔硅层8变为敏感空腔10；
步骤十一：对衬底基片1上剩余的氧化层2和钝化层3进行腐蚀，腐蚀完成后，采用外延工艺在小孔径多孔硅层9上外延生长出单晶硅外延层11，实现了对敏感空腔10的密封，从而完成了对压力传感器敏感密封腔的制备。
优选的是，所述步骤二中，在清洗后的衬底基片1上生长出氧化层2的具体过程为：
对清洗后的衬底基片1进行热氧化，从而在清洗后的衬底基片1上生长出氧化层2。
优选的是，所述步骤三中，在氧化层2上生长出钝化层3的具体过程为：
在氧化层2上利用低压化学气相沉积方式生长出钝化层3。
优选的是，所述步骤十中，氢氧化钾或氢氟酸的质量百分比浓度为1％至10％。
优选的是，步骤十一中，对衬底基片1上剩余的氧化层2和钝化层3进行腐蚀所采用腐蚀方式为：湿法腐蚀。
优选的是，所述的湿法腐蚀所使用的溶液为质量百分比浓度是40％的氢氟酸。
优选的是，步骤九中，利用电化学腐蚀方式对P型重掺杂区7和P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1进行电化学腐蚀，使P型重掺杂区7形成小孔径多孔硅层9，P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1形成大孔径多孔硅层8的具体过程为：
在进行电化学腐蚀的过程中改变电流密度，首先，使电流密度以20mA/cm2对P型重掺杂区7进行腐蚀，使P型重掺杂区7形成小孔径多孔硅层9，操作完成后，使电流密度由20mA/cm2直接增加到40mA/cm2，通过控制腐蚀时间对P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1进行腐蚀，使P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1形成厚度可控的大孔径多孔硅层8。
优选的是，所述步骤十一中，外延工艺中使用三氯氢硅和硅烷，在小孔径多孔硅层9上外延生长出单晶硅外延层11，实现了对敏感空腔10的密封。
本发明带来的有益效果是，本发明通过控制电化学腐蚀技术制备不同孔径多孔硅层，通过控制电化学腐蚀中电流密度实现敏感空腔10的制备，再通过外延技术实现单晶硅外延层11的制备，可以精确控制敏感空腔10深度及单晶硅外延层11厚度，本发明不受硅片各向异性腐蚀夹角的限制，能够将传感器器件尺寸减小到1mm*1mm，器件厚度减小到400um，使整个器件体积大大减小，且整个压力传感器敏感密封腔的制备过程是对P型单晶硅片进行加工，本身材料耐高温；同时，由于采用外延技术制备的单晶硅外延层11，没有异质材料的参与，其可以承受500℃的高温；其不存在热膨胀系数差异，电学性能提高了30％以上；本发明方法制备的传感器不需要进行双面对准工艺，不存在减薄损伤问题，工艺过程简单，可与IC工艺兼容。通过本发明方法可使传感器达到高温环境下的精确测量。
采用本发明方法制备的压力传感器具有应力小、体积小、质量轻、抗干扰、耐高温和可靠性高等优点，并且具有易于制备、集成化和批量生产性。
附图说明
图1为压力传感器敏感密封腔的工艺流程图；其中，LPCVD的英文全称为：low-pressure chemical vapor deposition，中文翻译为：低压化学气相沉积；p-Si表示P型单晶硅片；
图2为本发明所述压力传感器敏感密封腔的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种压力传感器敏感密封腔的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：采用P型单晶硅片作为衬底基片1，并对衬底基片1进行清洗；
步骤二：在清洗后的衬底基片1上生长出氧化层2；
步骤三：在氧化层2上生长出钝化层3；
步骤四：对钝化层3和氧化层2进行光刻，使其在钝化层3和氧化层2上形成两个N型重掺杂注入窗口4；
步骤五：在两个N型重掺杂注入窗口4内注入n+离子，形成两个N型重掺杂区5；
步骤六：在两个N型重掺杂区5上依次生长有氧化层2和钝化层3；
步骤七：对两个N型重掺杂区5之间所对应的氧化层2和钝化层3进行光刻形成P型重掺杂注入窗口6；
步骤八：在P型重掺杂注入窗口6内注入p+离子，形成P型重掺杂区7；
步骤九：利用电化学腐蚀方式对P型重掺杂区7和P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1进行电化学腐蚀，使P型重掺杂区7形成小孔径多孔硅层9，P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1形成大孔径多孔硅层8；
步骤十：采用氢氧化钾或氢氟酸腐蚀大孔径多孔硅层8，使大孔径多孔硅层8变为敏感空腔10；
步骤十一：对衬底基片1上剩余的氧化层2和钝化层3进行腐蚀，腐蚀完成后，采用外延工艺在小孔径多孔硅层9上外延生长出单晶硅外延层11，实现了对敏感空腔10的密封，从而完成了对压力传感器敏感密封腔的制备。
本实施方式，本发明采用双层多孔硅(大孔径多孔硅层和小孔径多孔硅层)中的大孔径多孔硅层作为牺牲层，单晶硅外延层11密封大孔径多孔硅层形成的敏感空腔10制备敏感密封腔，本发明取代硅-玻璃键合工艺，实现压力传感器敏感密封腔的制备。同时，本发明制备的压力传感器具有应力小、体积小、质量轻、抗干扰、耐高温和可靠性高等优点，并且具有易于制备、集成化和批量生产性。
本实施方式中，N型重掺杂区5作为自停止腐蚀区，P型重掺杂区7作为制备小孔径多孔硅区。
步骤五：在两个N型重掺杂注入窗口4内注入n+离子，形成两个N型重掺杂区5；实现了电化学自停止腐蚀功能，电化学腐蚀不腐蚀N型重掺杂区5。
本实施方式中，选用P型单晶硅片作为衬底，保证大孔径多孔硅的制备。
步骤八中：在P型重掺杂注入窗口6内注入p+离子，形成P型重掺杂区7；重点为小孔径多孔硅的制备做准备。
具体实施方式二：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法的区别在于，所述步骤二中，在清洗后的衬底基片1上生长出氧化层2的具体过程为：
对清洗后的衬底基片1进行热氧化，从而在清洗后的衬底基片1上生长出氧化层2。
本实施方式，采用热氧化法制备氧化层，为钝化层3做准备。
具体实施方式三：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法的区别在于，所述步骤三中，在氧化层2上生长出钝化层3的具体过程为：
在氧化层2上利用低压化学气相沉积方式生长出钝化层3。
本实施方式，采用热氧化和低压化学气相沉积方制备控制钝化层3厚度偏差，为P型重掺杂区7做准备。
具体实施方式四：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法的区别在于，所述步骤十中，氢氧化钾或氢氟酸的质量百分比浓度为1％至10％。
本实施方式，采用质量百分比浓度为1％至10％的氢氧化钾或氢氟酸只腐蚀大孔径多孔硅层8，保留小孔径多孔硅层9，为敏感空腔10及单晶硅外延层11做准备。
步骤五：在两个N型重掺杂注入窗口4内注入n+离子，形成两个N型重掺杂区5；实现了电化学自停止腐蚀功能，电化学腐蚀、氢氧化钾及氢氟酸不腐蚀N型重掺杂区。
具体实施方式五：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法的区别在于，步骤十一中，对衬底基片1上剩余的氧化层2和钝化层3进行腐蚀所采用腐蚀方式为：湿法腐蚀。
本实施方式，采用湿法腐蚀法腐蚀去除氧化层2和钝化层3为单晶硅外延层11做准备。
具体实施方式六：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法的区别在于，所述的湿法腐蚀所使用的溶液为百分比浓度是40％的氢氟酸。
本实施方式，采用百分比浓度为40％的高浓度氢氟酸湿法腐蚀去除氧化层2和钝化层3，保留小孔径多孔硅层9为单晶硅外延层11做准备。
具体实施方式七：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法的区别在于，所述步骤九中，利用电化学腐蚀方式对P型重掺杂区7和P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1进行电化学腐蚀，使P型重掺杂区7形成小孔径多孔硅层9，P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1形成大孔径多孔硅层8的具体过程为：：
在进行电化学腐蚀的过程中改变电流密度，首先，使电流密度以20mA/cm2对P型重掺杂区7进行腐蚀，使P型重掺杂区7形成小孔径多孔硅层9，操作完成后，使电流密度由20mA/cm2直接增加到40mA/cm2，通过控制腐蚀时间对P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1进行腐蚀，使P型重掺杂区7下方所对应的P型单晶硅片1形成厚度可控的大孔径多孔硅层8。
本实施方式，采用电化学腐蚀法，电流密度为20mA/cm2腐蚀P型重掺杂区7时，只能形成出小孔径多孔硅层9，为单晶硅外延层11做准备；将电流密度直接增加到40mA/cm2时，使P型单晶硅片上只能形成大孔径多孔硅层。通过控制腐蚀时间，使控制小孔径多孔硅层9厚度可控为敏感空腔10做准备。
具体实施方式八：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法的区别在于，所述步骤十一中，外延工艺中使用三氯氢硅和硅烷，在小孔径多孔硅层9上外延生长出单晶硅外延层11，实现了对敏感空腔10的密封。
本实施方式中，采用外延工艺，使用三氯氢硅和硅烷在小孔径多孔硅层9上外延生长出厚度可控且与P型单晶硅片1晶向一致的单晶硅外延层11。
本发明所述一种压力传感器敏感密封腔的制备方法的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。
Claims (8)
1.一种压力传感器敏感密封腔的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：采用P型单晶硅片作为衬底基片(1)，并对衬底基片(1)进行清洗；
步骤二：在清洗后的衬底基片(1)上生长出氧化层(2)；
步骤三：在氧化层(2)上生长出钝化层(3)；
步骤四：对钝化层(3)和氧化层(2)进行光刻，使其在钝化层(3)和氧化层(2)上形成两个N型重掺杂注入窗口(4)；
步骤五：在两个N型重掺杂注入窗口(4)内注入n+离子，形成两个N型重掺杂区(5)；
步骤六：在两个N型重掺杂区(5)上依次生长有氧化层(2)和钝化层(3)；
步骤七：对两个N型重掺杂区(5)之间所对应的氧化层(2)和钝化层(3)进行光刻形成P型重掺杂注入窗口(6)；
步骤八：在P型重掺杂注入窗口(6)内注入p+离子，形成P型重掺杂区(7)；
步骤九：利用电化学腐蚀方式对P型重掺杂区(7)和P型重掺杂区(7)下方所对应的P型单晶硅片(1)进行电化学腐蚀，使P型重掺杂区(7)形成小孔径多孔硅层(9)，P型重掺杂区(7)下方所对应的P型单晶硅片(1)形成大孔径多孔硅层(8)；
步骤十：采用氢氧化钾或氢氟酸腐蚀大孔径多孔硅层(8)，使大孔径多孔硅层(8)变为敏感空腔(10)；
步骤十一：对衬底基片(1)上剩余的氧化层(2)和钝化层(3)进行腐蚀，腐蚀完成后，采用外延工艺在小孔径多孔硅层(9)上外延生长出单晶硅外延层(11)，实现了对敏感空腔(10)的密封，从而完成了对压力传感器敏感密封腔的制备。
2.根据权利要求1所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，在清洗后的衬底基片(1)上生长出氧化层(2)的具体过程为：
对清洗后的衬底基片(1)进行热氧化，从而在清洗后的衬底基片(1)上生长出氧化层(2)。
3.根据权利要求1或2所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，在氧化层(2)上生长出钝化层(3)的具体过程为：
在氧化层(2)上利用低压化学气相沉积方式生长出钝化层(3)。
4.根据权利要求1或2所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法，其特征在于，所述步骤十中，氢氧化钾或氢氟酸的质量百分比浓度为1％至10％。
5.根据权利要求1所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法，其特征在于，步骤十一中，对衬底基片(1)上剩余的氧化层(2)和钝化层(3)进行腐蚀所采用腐蚀方式为：湿法腐蚀。
6.根据权利要求5所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法，其特征在于，所述的湿法腐蚀所使用的溶液为质量百分比浓度是40％的氢氟酸。
7.根据权利要求1所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法，其特征在于，步骤九中，利用电化学腐蚀方式对P型重掺杂区(7)和P型重掺杂区(7)下方所对应的P型单晶硅片(1)进行电化学腐蚀，使P型重掺杂区(7)形成小孔径多孔硅层(9)，P型重掺杂区(7)下方所对应的P型单晶硅片(1)形成大孔径多孔硅层(8)的具体过程为：
在进行电化学腐蚀的过程中改变电流密度，首先，使电流密度以20mA/cm2对P型重掺杂区(7)进行腐蚀，使P型重掺杂区(7)形成小孔径多孔硅层(9)，操作完成后，使电流密度由20mA/cm2直接增加到40mA/cm2，通过控制腐蚀时间对P型重掺杂区(7)下方所对应的P型单晶硅片(1)进行腐蚀，使P型重掺杂区(7)下方所对应的P型单晶硅片(1)形成厚度可控的大孔径多孔硅层(8)。
8.根据权利要求1所述的一种压力传感器敏感密封腔的制备方法，其特征在于，所述步骤十一中，外延工艺中使用三氯氢硅和硅烷，在小孔径多孔硅层(9)上外延生长出单晶硅外延层(11)，实现了对敏感空腔(10)的密封。
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