CN109545953A - 一种高温压力传感器芯片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微型传感器技术领域，涉及一种高温压力传感器芯片的制备方法。该方法采用两次硅硅键合技术分别将压阻层与压力敏感膜、压力敏感膜和衬底硅连接起来，形成一个整体。其中压阻层采用高温硼扩散掺杂方式制备，与压力敏感膜采用氧化绝缘层隔离。本发明的方法采用硼扩散辅助键合方式，在制备压阻的同时，实现压阻层与压力敏感膜可靠键合。同时避免了传统直接用SOI片扩散制备高温压力传感器，可能存在硼原子进入氧化层而带来的漏电流增加，稳定性变差的风险，有效实现高温压力传感器的高稳定性。

Description

一种高温压力传感器芯片的制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS(微机电系统)技术的高温压力传感器芯片的制备方法，尤其涉及一种基于硼扩散辅助键合的高温压力传感器芯片的制备方法。

背景技术

高温压力传感器是指能够在高于125℃的环境下正常工作的压力传感器，在航空、航天发动机测试及兵器工业领域的压力测量中，几乎所有的点火过程试验与研究都需要高温压力传感器的参与。高温压力传感器按其敏感机理与敏感材料可分为：溅射薄膜应变式高温压力传感器、硅-蓝宝石压阻式高温压力传感器、多晶硅薄膜高温压力传感器、碳化硅(SiC)薄膜高温压力传感器、金刚石薄膜高温压力传感器以及SOI(绝缘体上硅：silicon oninsulator)高温压力传感器等，其中SOI高温压力传感器是最常见的高温压力传感器。

目前由于国产传感器普遍存在精度低、稳定性差、耐温性能差等问题，再加之石油、航空发动机等领域对稳定性和免维护的要求较高，因此稳定性是制约高温压力传感器推广应用的主要指标。引起高温压力传感器稳定差的主要因素有：芯片应力、材料缺陷、电荷积累、以及封装应力等，其中材料缺陷是因此高精度芯片稳定性差的主要因素。

目前，硅压力传感器的制造方法主要有体硅加工工艺和表面加工工艺两种，从本质上讲，这两种技术都依赖于某种刻蚀或者添加材料，有一定的局限性。随着微机械加工技术的飞速发展，硅硅键合技术以其优异的温度性能逐渐成为高性能传感器的关键技术。硅硅键合技术是指通过化学和物理作用将两种材料紧密结合在一起，形成可靠的物理连接，该技术是制备复杂可靠硅结构的重要方法。

硅压力传感器常采用离子注入的方法制备压阻，离子注入时会将硅晶格损伤，再经过后期的退火处理，很难完全将硅晶格修复。高温扩散方法是一种采用缓慢扩散的方式使杂质原子进入硅衬底中，对原有硅结构损伤较小，因此可以制备更低缺陷的压阻。但是传统的先减薄再扩散的方式，会导致扩散原子进入衬底氧化层，导致氧化层缺陷增加，影响传感器稳定性。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种高温压力传感器芯片的制备方法，以提高高温压力传感器的制造可靠性，有效提升高温压力传感器的稳定性。

本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的：

一种高温压力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选取N型硅片，采用硼扩散方法在其表面进行掺杂，得到重掺杂薄层，去除表面的扩散杂质层，并将硅片进行高温退火；

步骤2：将退火之后的硅片与另一片带氧化绝缘层的硅片进行硅硅键合；

步骤3：将步骤2中键合后的带氧化绝缘层的硅片进行减薄，形成压力敏感膜；

步骤4：将另一片单晶硅片进行氧化，在表面刻蚀浅槽，之后去除氧化层，得到衬底硅；

步骤5：将带浅槽的衬底硅和压力敏感膜进行第二次硅硅键合；

步骤6：单面刻蚀步骤5得到的结构中的N型硅片的未掺杂面，最终刻蚀至重掺杂薄层；

步骤7：采用干法刻蚀重掺杂薄层，制备压阻条，最终在表面沉积氮化硅绝缘层，制备金属电极，完成高温压力传感器芯片制备。

进一步的，步骤1中所述掺杂薄层的硼原子浓度为6×10¹⁹cm^-3～2×10²⁰cm^-3。

进一步的，步骤1中的扩散杂质层的去除是采用20％(质量)浓度的氢氟酸进行的；高温退火条件为1100～1160℃，15～30min，氮气氛围保护。

进一步的，步骤3中的减薄采用机械研磨抛光的方式，减薄后形成的压力敏感膜的厚度为30～100μm。

进一步的，步骤4中浅槽的深度为20μm～30μm。

进一步的，在步骤5的硅硅键合前，用等离子体活化键合表面，最终在850～950℃条件下退火3～5h，使之形成牢固化学键。

本发明的有益效果：采用两次硅硅键合技术，使得高温压力传感器敏感膜厚度精确可控，减少湿法刻蚀制备敏感膜产生的刻蚀缺陷；同时采用硼扩散技术制备压阻，利用扩散过程中形成的硼硅玻璃实现硅硅键合，最终使得该高温压力传感器具有更优异的温度性能和超高稳定性。

附图说明

图1示意图解说明采用本发明的方法制备高温压力传感器芯片的主要过程。

图2是采用本发明的方法制备的高温压力传感器芯片的结构示意图。

图3是高温压力传感器芯片的正面示意图。

图中：1-衬底硅、2-刻蚀浅槽、3-压力敏感膜、4-氧化绝缘层、5-氮化硅绝缘层、6-压阻条、7-金属电极。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

采用先扩散，然后硅硅键合，再进行背面减薄的方式，能够可靠地制备高掺杂SOI片。硼扩散表面在经过高温退火时会在表面形成一层硼硅玻璃，该玻璃在超过800℃会软化，利用该特性实现一种硼扩散辅助键合硅硅键合技术，在制备压阻的同时，形成一层有助于硅硅键合的硼硅玻璃。同时这种方式可以保证压阻层底下的氧化绝缘层具有更少缺陷，更小的漏电流，这样可以有效提升高温压力传感器输出稳定性。

图1示意图解说明采用本发明的方法制备高温压力传感器芯片的主要过程。图2是采用本发明的方法制备的高温压力传感器芯片的结构示意图。图3是高温压力传感器芯片的正面示意图。

如图所示，本发明的方法包括以下步骤：

步骤1：选取N型硅片，将硅片在扩散炉中进行硼源扩散掺杂，在N型硅片表面形成重掺杂薄层，掺杂浓度为6×10¹⁹cm^-3～2×10²⁰cm^-3，如图1(1-a)所示。掺杂之后的硅片采用浓度为20％(质量)的氢氟酸处理表面，去除表面的扩散杂质层。然后将该硅片在退火炉中进行高温退火，退火条件为1160℃，30min，氮气氛围保护。退火完成之后扩散硅片，从而会在表面形成一层硼硅玻璃，该硼硅玻璃层在高于800℃温度会软化，有助于硅硅键合。

步骤2：将退火之后的硅片与另一片带氧化绝缘层4的硅片(氧化绝缘层4厚度在1～2um)进行硅硅键合。实施方式为：采用标准清洗液(RCA1和RCA2)进行清洗，然后采用氧等离子体活化，之后进行键合，并在1100℃氮气保护氛围退火30min，使之形成牢固化学键，如图1(1-b)所示。

步骤3：将步骤2中键合好的带氧化绝缘层4的硅片进行减薄，优选采用机械研磨抛光的方式，形成压力敏感膜3，压力敏感膜厚度一般为30～100μm，如图1(1-c)所示。

步骤4：将单晶硅片进行氧化，氧化厚度大于利用光刻的方式在其表面图形化，之后利用湿法刻蚀的方式刻蚀浅槽2，刻蚀深度20μm～30μm，如图1(2-a)所示。之后去除氧化层，得到带浅槽2的衬底硅1(如图1(2-b))所示，等待第二次硅硅键合。

步骤5：将带浅槽2的衬底硅1与压力敏感膜3进行硅硅键合，实施方式参考步骤2，此次键合需要采用等离子活化，最终在900℃条件下退火5h，使之形成牢固键合键，并形成压力腔，如图1(3-a)所示。

步骤6：将步骤5加工的结构在EPW溶液(溶液配比：H₂O:邻苯二酚:乙二胺＝360ml:180g:1000ml)中进行单面刻蚀，刻蚀步骤1中N型硅片未扩散面(保护衬底硅1)，最终刻蚀至浓硼扩散区，即形成所谓的压阻层，如图1(3-b)所示。由于EPW溶液刻蚀高掺杂硅片速率很低，因此在刻蚀中有自停止能力，保证重掺杂薄层不会被刻蚀。

步骤7：将重掺杂薄层进行图形化，之后用干法刻蚀方法制备压阻条6(如图1(3-c)所示)。之后按照沉积氮化硅绝缘层5，刻蚀引线孔，沉积金属电极7，最终退火合金化，形成高温压力传感器芯片结构，如图1(3-d)所示。

Claims (6)

1.一种高温压力传感芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选取N型硅片，采用硼扩散方法在N型硅片表面行掺杂，得到重掺杂薄层，然后去除表面的扩散杂质层，并将硅片进行高温退火；

步骤2：将退火之后的硅片与另一带氧化绝缘层(4)的硅片进行硅硅键合；

步骤3：将步骤2中键合后的带氧化绝缘层(4)的硅片进行减薄，形成压力敏感膜(3)；

步骤4：将另一片单晶硅片进行氧化，在表面刻蚀浅槽(2)，之后去除氧化层，得到衬底硅(1)；

步骤5：将带浅槽(2)的衬底硅(1)和压力敏感膜(3)进行第二次硅硅键合；

步骤6：单面刻蚀步骤5得到的结构中的N型硅片的未掺杂面，最终刻蚀至重掺杂薄层；

步骤7：采用干法刻蚀重掺杂薄层，制备压阻条(6)，最终在表面沉积氮化硅绝缘层(5)，制备金属电极(7)，完成高温压力传感器芯片制备。

2.按照权利要求1所述的方法，其中步骤1中所述掺杂薄层的硼原子浓度为6×10¹⁹cm^-3～2×10²⁰cm^-3。

3.按照权利要求1所述的方法，其中步骤1中的扩散杂质层的去除是采用质量百分比浓度20％的氢氟酸进行的；高温退火条件为1100～1160℃，15～30min，氮气氛围保护。

4.按照权利要求1所述的方法，其中步骤3中的减薄采用机械研磨抛光的方式，减薄后形成的压力敏感膜(3)的厚度为30～100μm。

5.按照权利要求1所述的方法，其中浅槽(2)的深度为20μm～30μm。

6.按照权利要求1所述的方法，其中在步骤5的硅硅键合前，用等离子体活化键合表面，最终在850～950℃条件下退火3～5h，以形成牢固化学键。