CN110161282B - 基于son结构的压阻式加速度传感器的制作方法 - Google Patents

基于son结构的压阻式加速度传感器的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作方法，属于微电子制作技术领域。该方法包括在硅衬底上淀积外延硅锗层；在硅锗层制作空腔范围图形和腐蚀阻挡沟槽；在腐蚀阻挡沟槽内形成SiO2氧化层；淀积非晶硅层得到敏感膜；在非晶硅层制作腐蚀通孔；淀积形成二氧化硅层和氮化硅层；在硅锗层形成矩形腐蚀空腔；去除非晶硅层的二氧化硅层和氮化硅层；向非晶硅层注入P+离子和P‑离子形成力敏电阻；淀积氧化硅介质层；在氧化硅介质层表面形成金属导线和金属PAD点；对应矩形腐蚀孔腔的两个长边的内侧形成敏感膜释放结构；可以明显降低压阻式加速度传感器在测量过程中的阻尼效应；达到了提高压阻式加速度传感器的测量精度的效果。

Description

基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作方法
技术领域
本发明实施例涉及微电子制作技术领域，特别涉及一种基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作方法。
背景技术
MEMS加速度传感器根据工作原理不同，一般可分为压电式、压阻式、电容伺服式等，不同种类的MEMS加速度传感器的制作流程也各不相同。
常规的MEMS压阻式加速度传感器在制作时，敏感层需要进行硅硅键合完成，但硅硅键合不可避免地会产生键合应力，会导致压阻式加速度传感器在测量时出现误差。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作方法。该技术方案如下：
第一方面，提供了一种基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作方法，该方法包括：
在硅衬底上淀积外延硅锗层；
采用光刻工艺在硅锗层制作空腔范围图形，采用刻蚀工艺在硅锗层制作腐蚀阻挡沟槽；
在硅锗层的腐蚀阻挡沟槽内形成SiO2氧化层；
淀积非晶硅层，得到敏感膜；
通过光刻工艺和刻蚀工艺在非晶硅层制作腐蚀通孔；腐蚀通孔的位置与腐蚀阻挡沟槽的位置不对应；
采用LPCVD工艺在非晶硅层表面淀积形成二氧化硅层和氮化硅层，非晶硅层和氮化硅层之间为二氧化硅层；
从腐蚀通孔利用腐蚀溶液腐蚀硅锗层腐蚀阻挡沟槽矩形区域内的硅锗层，形成矩形腐蚀空腔；
去除非晶硅层表面和侧壁上的二氧化硅层和氮化硅层；
向非晶硅层注入P+离子和P-离子，形成力敏电阻和电阻连接块；
在非晶硅层的表面淀积氧化硅介质层；
在氧化硅介质层制作引线孔，以及形成金属导线和金属PAD点；
在非晶硅层，对应矩形腐蚀孔腔的两个长边的内侧通过光刻工艺和刻蚀工艺形成敏感膜释放结构。
可选的，在硅锗层的腐蚀阻挡沟槽内形成SiO2氧化层，包括：
采用PECVD工艺淀积SiO2氧化层；
去除硅锗层表面的SiO2氧化层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过SON结构制备压阻式加速度传感器，下部是SON结构，上部是MEMS加速度传感器结构，利用下部的空腔结构保证了上部敏感膜结构的形变空间，避免现有压阻式加速度传感器中硅硅键合产生的键合应力，可以明显降低压阻式加速度传感器在测量过程中的阻尼效应；达到了消除压阻式加速度传感器的零点误差，提高测量精度的效果。此外，该种制作工艺可以令压阻式加速度传感器的敏感部分与底部的SON结构之间具有良好的力学性能，制造工艺标准化程度高，一致性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品图；
图2是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品图；
图3是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品图；
图4是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品图；
图5是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品俯视图；
图6是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品图；
图7是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品图；
图8是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品俯视图；
图9是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品图；
图10是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品图；
图11是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品图；
图12是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品俯视图；
图13是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品图；
图14是根据一示例性实施例示出的基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作过程中的产品俯视图。
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实施方式作进一步地详细描述。
本申请提供了一种基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作方法，该基于SON结构的压阻式加速度传感器属于MEMS器件，制备流程基于MEMS工艺平台。该基于SON结构的压阻式加速度传感器包括位于下部的SON(Silicon-on-Nothing)空腔结构，和在上部的MEMS加速度传感器结构；上部的MEMS加速度传感器结构中设有敏感膜和力敏电阻，当MEMS加速度传感器结构被施加加速度时，敏感膜结构发生形变，力敏电阻产生阻值变化，通过惠斯通电桥改变输出电压，形成测试单元，下部的SON空腔结构保证了敏感膜的形变空间，避免了因键合应力而产生的测量误差。
该基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作方法，包括如下步骤：
1、在硅衬底上淀积外延硅锗层。
选择双抛硅片作为硅衬底。可选的，硅衬底材料选择为6英寸N<100>/8-12Ω·CM的晶圆片，并进行激光标号，备注批次号及片号。
对硅衬底进行超净清洗，有效去除硅衬底表面自然形成的氧化层。
如图1所示，在硅衬底11上采用CVD(化学气相淀积)设备淀积外延硅锗层12。淀积的外延硅锗层12主要用作牺牲层。
在进行CVD工艺时，将工艺温度设置为700℃，功率设置为200W，淀积的硅锗层的厚度为20um。
2、采用光刻工艺在硅锗层制作空腔范围图形，采用刻蚀工艺在硅锗层制作腐蚀阻挡沟槽。
该步骤是为了形成硅锗层湿法腐蚀终止保护层，令腐蚀溶液只腐蚀特定区域，形成矩形腐蚀腔。
采用RIE刻蚀工艺制作腐蚀阻挡沟槽。RIE刻蚀工艺的功率为150W，刻蚀深度为20um，腐蚀阻挡沟槽的宽度为10um。
如图2所示，硅锗层12上形成腐蚀阻挡沟槽13。
3、在硅锗层的腐蚀阻挡沟槽内形成SiO2氧化层。
采用PECVD(等离子体增强CVD)在图2所示的产品的表面淀积SiO2氧化层，然后去除硅锗层12表面的SiO2氧化层，只保留腐蚀阻挡沟槽内的SiO2氧化层。
如图3所示，硅锗层12的表面、硅锗层12的腐蚀阻挡沟槽13内镀淀积有SiO2氧化层；去除硅锗层12表面的SiO2氧化层后，仅腐蚀阻挡沟槽13内有SiO2氧化层14，如图4所示。
腐蚀阻挡沟槽13内的SiO2氧化层14作为填充阻挡层，可以有效防止腐蚀溶液对硅锗层12的侧壁过度腐蚀。
4、淀积非晶硅层，得到敏感膜。
采用CVD设备在图4所述的产品的表面淀积非晶硅层，制作加速度传感器的敏感膜，如图6所示。
可选的，非晶硅层的厚度为30um。
需要说明的是，加速度传感器中非晶硅层的厚度与加速度传感器的量程有关，可以根据实际需要的加速度传感器的量程调整加速度传感器中非晶硅层的厚度，本发明实施例对非晶硅层的厚度不作限定，仅为示例性说明。非晶硅层的厚度可以通过ANSYS仿真确定。
5、通过光刻工艺和刻蚀工艺在非晶硅层制作腐蚀通孔，腐蚀通孔的位置与腐蚀阻挡沟槽的位置不对应。
可选的，刻蚀深度为30um；刻蚀深度与非晶硅层的厚度相同。
该步骤是为了令腐蚀溶液能够通过腐蚀通孔流过非晶硅层，腐蚀硅锗层。
如图7所示，非晶硅层15上的腐蚀通孔16的位置位于腐蚀阻挡沟槽13之间。
可选的，腐蚀通孔16有4个，如图8所示。
6、采用LPCVD(低压CVD)工艺在非晶硅层15的表面淀积形成二氧化硅层17和氮化硅层18，非晶硅层15和氮化硅层18之前为二氧化硅层17。
淀积的二氧化硅层17和氮化硅层18用于保护非晶硅层15，由于氮化硅层18直接生长在非晶硅表面会对非晶硅层18顶层的硅造成应力损伤，因此，在非晶硅层15和氮化硅层18之间生成一层二氧化硅层17来抵消氮化硅层的应力。
氮化硅和二氧化硅在生长过程中汇覆盖非晶硅层15的表面及非晶硅层15上腐蚀通孔16的侧壁，如图9所示；二氧化硅层17和氮化硅层18还可以作为硅片在整体流片工艺过程中的保护层，防止各工艺步骤间的传片划伤。
LPCVD工艺中二氧化硅层的厚度为
Figure BDA0002067948540000051
要求结构致密，氮化硅厚度为
Figure BDA0002067948540000052
采用低速率生长工艺，保证氮化硅成膜质量。
7、从腐蚀通孔利用腐蚀溶液腐蚀硅锗层腐蚀阻挡沟槽矩形区域内的硅锗层，形成矩形腐蚀空腔。
腐蚀溶液的配比为：HF：H2O2：CH3COOH＝1:2:3；其中，各溶液选择HF(6％)，H2O2(30％)，CH3COOH(99.8％)。
腐蚀溶液从腐蚀通孔16流下后接触硅锗层12，随着放置时间的增长，硅锗层12不断被腐蚀，由于硅锗层12的腐蚀阻挡沟槽13内有SiO2氧化层14作为填充阻挡层，硅锗层12的腐蚀只在腐蚀阻挡沟槽13之间的区域进行，当形成矩形腐蚀空腔后，停止腐蚀，进行清洗。
如图10所示，硅锗层12上形成矩形腐蚀空腔19，矩形腐蚀空腔19位于非晶硅层15的下方。矩形腐蚀空腔19为敏感膜结构提供可动空间。
8、去除非晶硅层表面和侧壁上的二氧化硅层和氮化硅层。
去除非晶硅层15表面和侧壁上的二氧化硅层17和氮化硅层18，非晶硅层15裸露，可以在非晶硅层15上制作力敏电阻。
9、向非晶硅层注入P+离子和P-离子，形成力敏电阻和电阻连接块。
如图11所示，非晶硅层15注入了P+离子(图中未示出)和P-离子21。P-离子形成力敏电阻，由于P+离子良好的欧姆接触性，可以作为力敏电阻与引线之间的连接部分，即电阻连接块。
可选的，在该工艺步骤中，P+离子注入剂量为8E16/CM2，能量为50KeV；P-离子注入剂量为2E15/CM2，能量为30KeV。
非晶硅层15是敏感膜结构，该步骤是在敏感膜结构上制作力敏电阻，里面电阻可以测量加速度的物理特性，并转换为模拟信号输出。
10、在非晶硅层的表面淀积氧化硅介质层。
在图11所示的产品上淀积氧化硅介质层22，氧化硅介质层22作为非晶硅层15与金属导线层之间的隔离绝缘层，防止出现漏电的情况。
可选的，氧化硅介质层22的厚度为200nm。需要说明的是，可以根据实际需要增加或减少氧化硅介质层22的厚度。
11、在氧化硅介质层制作引线孔，以及形成金属导线和金属PAD点。
如图13所示，在氧化硅介质层22上的力敏电阻两端光刻并刻蚀出引线孔；溅射形成金属导线层，通过光刻和腐蚀金属层，形成金属导线23和金属PAD点24。引线孔用于令金属导线23与P+离子注入区形成欧姆接触。
可选的，溅射形成金属层时，通常采用Al或Au，厚度为100nm。
12、在非晶硅层，对应矩形腐蚀空腔的两个长边的内侧通过光刻和刻蚀工艺形成敏感膜释放结构25，如图14所示。
可选的，刻蚀工艺为DIP刻蚀工艺，刻蚀宽度为20um。
敏感膜释放结构25可以提高加速度传感器的测试灵敏度。
综上所述，本发明实施例通过SON结构制备压阻式加速度传感器，下部是SON结构，上部是MEMS加速度传感器结构，利用下部的空腔结构保证了上部敏感膜结构的形变空间，避免现有压阻式加速度传感器中硅硅键合产生的键合应力，解决了现有的压阻式加速度传感器在测量加速度时有误差的问题；可以明显降低压阻式加速度传感器在测量过程中的阻尼效应达到了消除压阻式加速度传感器的零点误差，提高测量精度的效果。此外，该种制作工艺可以令压阻式加速度传感器的敏感部分与底部的SON结构之间具有良好的力学性能，制造工艺标准化程度高，一致性好。
需要说明的是：上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于SON结构的压阻式加速度传感器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在硅衬底上淀积外延硅锗层；
采用光刻工艺在硅锗层制作空腔范围图形，采用刻蚀工艺在硅锗层制作腐蚀阻挡沟槽；
在硅锗层的表面和腐蚀阻挡槽内淀积有SiO2氧化层，然后去除硅锗层表面的SiO2氧化层，在硅锗层的腐蚀阻挡沟槽内形成SiO2氧化层；
淀积非晶硅层，得到敏感膜；
通过光刻工艺和刻蚀工艺在非晶硅层制作腐蚀通孔；所述腐蚀通孔的位置与所述腐蚀阻挡沟槽的位置不对应；
采用LPCVD工艺在非晶硅层表面淀积形成二氧化硅层和氮化硅层，非晶硅层和氮化硅层之间为二氧化硅层；
从腐蚀通孔利用腐蚀溶液腐蚀硅锗层腐蚀阻挡沟槽矩形区域内的硅锗层，形成矩形腐蚀空腔；
去除非晶硅层表面和侧壁上的二氧化硅层和氮化硅层；
向非晶硅层注入P+离子和P-离子，形成力敏电阻和电阻连接块；
在非晶硅层的表面淀积氧化硅介质层；
在氧化硅介质层制作引线孔，以及形成金属导线和金属PAD点；
在非晶硅层，对应矩形腐蚀孔腔的两个长边的内侧通过光刻工艺和刻蚀工艺形成敏感膜释放结构。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在硅锗层的腐蚀阻挡沟槽内形成SiO2氧化层，包括：
采用PECVD工艺淀积SiO2氧化层；
去除硅锗层表面的SiO2氧化层。
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