CN110589755A - 一种嵌入多晶硅电阻的双面自对准刻蚀硅悬臂梁阵列热电变换器 - Google Patents
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Abstract
采用正面刻蚀深槽，深槽底面和侧面采用先进的倾斜离子注入工艺掺杂浓硼刻蚀终止层。结合晶向刻蚀选择特性，实现刻蚀自对准。并在单晶硅悬臂梁的根部区域制作了应力感应测试多晶硅电阻。硅悬臂梁比其它材料有更大的形变应力特性。将待测电功率输入制作在悬臂梁应力敏感区域的多晶硅加热电阻，该电阻将把输入电功率转换成相应量值的热量，引起悬臂梁温度升高，导致悬臂梁产生谐振，并在其根部区域表现出极大的应力变化特性，引起多晶硅导电载流子迁移率的变化，导致多晶硅电阻阻值变化，通过检测流过该电阻电流的变化信息测算导致应力变化和谐振频率变化的温度参数，间接测量输入加热电阻电功率的值，实现高精度的热电转换功能。
Description
技术领域
悬臂梁微机械结构是微电子机械系统（MEMS）中广泛使用的结构，本发明属于悬臂梁微机械系统与微电子新工艺有机结合的研究领域。利用全自对准的集成电路工艺制作硅悬臂梁的同时，在悬臂梁表面制作嵌入式多晶硅应力感应测量电阻。即把半导体自对准刻蚀技术与体硅微机械结构设计相结合研究新型热电转换器。目的是对传统型热电转换器进行结构和工艺创新，实现高精度的热电转换技术。进一步涉及一种一种嵌入多晶硅电阻的双面自对准刻蚀硅悬臂梁阵列热电变换器。
背景技术
传统的热电转换器由加热电阻和紧密接触但热绝缘的测温元件组成。其研究始于上世纪50年代，技术较为成熟。但这种传统热电转换器结构受限于响应频带窄，速度慢以及动态特性差和过载特性不足的缺点。随着现代微电子工艺技术的进步和微机械结构制造技术的不断完善，研究新型热电转换器是重要的发展方向。本发明把体硅深槽制作及浓硼掺杂双面刻蚀自对准工艺应用于制作硅悬臂梁器件，且在硅悬臂梁表面制作了嵌入式多晶硅电阻应力感应测量元件，该电阻同时具有接受输入电功率和测量硅悬臂梁温度升高的双重作用。由于悬臂梁温度升高引起悬臂梁谐振，导致悬臂梁根部区域发生形变并产生极大地应力变化，该应力变化将导致多晶硅体内导电载流子迁移率的变化，从而引起多晶硅电阻阻值的变化。在输入电功率一定的条件下，多晶硅电阻的输出电流值将发生变化。检测、比较和运算该电流变化信息，可以间接测量悬臂梁应力变化及悬臂梁温度变化信息，进而测算输入加热电阻电功率的量值，是热电转换方法和微机械结构及制作工艺方面的创新发明。
发明内容
本发明的目的是利用现今集成电路的先进制造技术，即硅本身不同晶向刻蚀速率的差别以及重掺杂p型硅的刻蚀选择特性，实现硅片正面和背面自对准刻蚀技术，设计制作一种嵌入多晶硅电阻加热器兼作应力感测元件的硅悬臂梁阵列热电转换器件，简化了器件制作工艺和掩膜版的数量，降低了器件的制作成本同时提高了器件制作工艺精度。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种嵌入多晶硅电阻的双面自对准刻蚀硅悬臂梁阵列热电变换器，其特征在于，包括以下步骤。
1.选p型硅衬底（1）。附图顶视图以及a_a’剖面图和b_b’剖面图所显示的阴影区域（说明：由于图纸幅面的限制，附图中阴影区域显示的衬底硅片厚度看似不同，实际上是相同的），附图顶视图显示一个完整独立的包含4个硅悬臂梁阵列器件的热电转换器单元，在一个如4英寸直径的硅片上可以制作很多这样的热电转换器单元。
2.光刻1#版，通过掩蔽膜（13）离子注入掺杂浓硼（B）（2），附图a_a’剖面图（a_1）及b_b’剖面图（b_1）。而没有注入浓硼（B）的区域，背面刻蚀时会全部刻去，实现硅悬臂梁（Si-Cantilever beam）阵列之间的相互分离。
3.去除硅表面选择注入硼（B）的掩蔽膜。热氧化生长二氧化硅（SiO2）缓冲层（3），缓解氮化硅（Si3N4）薄膜的应力。低压化学气相淀积（Low Pressure Chemical VaporDeposition: LPCVD）氮化硅（Si3N4）薄膜（4），附图a_a’剖面图（a_2）。
4.光刻2#版，刻深槽（Trench）（5），附图a_a’剖面图（a_2）。
5.深槽底面和内侧面采用倾斜离子注入掺杂浓硼（B）（2），附图a_a’剖面图（a_2）。并热氧化制作二氧化硅（SiO2）绝热膜。
6.光刻3#版，刻蚀并去除多晶硅电阻图形区域的氮化硅（Si3N4）和二氧化硅（SiO2）（6），附图a_a’剖面图（a_2）。
7.低压化学气相淀积（LPCVD）多晶硅（Poly-Si）薄膜并同时填充深槽。离子注入磷（P）对多晶硅掺杂，由惠斯通电桥桥臂电阻的取值确定掺杂多晶硅的方块电阻大小。同时，掺磷N型多晶硅与其下浓硼P型硅衬底自动实现电隔离。
8.氮化硅（Si3N4）硬掩膜自对准反刻多晶硅（Poly-Si）至氮化硅（Si3N4）膜终止，只保留了深槽区域和4个惠斯通电桥电阻区域的多晶硅，即填充深槽并制作出多晶硅电阻（7），附图a_a’剖面图（a_3）。
9.因氮化硅（Si3N4）薄膜应力大，去除硅表面全部氮化硅（Si3N4）膜，二氧化硅（SiO2）膜保留。这时，深槽填充区域和4个惠斯通电桥电阻区域的多晶硅就高出二氧化硅（SiO2）膜平面近似氮化硅（Si3N4）薄膜厚度的高度，附图a_a’剖面图（a_3）。
10.去除表面氮化硅（Si3N4）膜后，再热氧化生长二氧化硅（SiO2）膜（附图a_a’和b_b’剖面图均未显示），满足表面铝线互连时电绝缘的要求。
11.光刻4#版，制作多晶硅电阻即惠斯通电桥桥臂电阻的欧姆接触孔（顶视图上画了孔，但在附图a_a’和b_b’剖面图均未显示）。采用物理汽相淀积（physical vapordeposition：PVD）的磁控溅射法制作金属铝（Al）导电膜。
12.光刻5#版，制作金属铝引线和电极引出压点（顶视图上画了覆盖孔的铝连线，但在附图a_a’和b_b’剖面图均未显示）
13.划片，把制作在整个硅片上的各个独立的热电转换器分割开来。
14.正面用光刻胶保护，背面自对准刻蚀未掺杂或轻掺杂硼（B）的衬底硅（1）。这里需要说明两点，其一，利用了硅材料不同晶向刻蚀速率不同的特性，相当于硅材料晶向具有一定刻蚀选择比。对于刻蚀面积很小的区域，刻蚀时，由于硅晶向的刻蚀选择特性，刻蚀进程中自动形成了刻蚀终止图形（8）, 附图a_a’剖面图（a_4）及b_b’剖面图（b_2）。其二，工艺中利用了浓硼（B）掺杂硅（Si）层自身的刻蚀选择特性，且具有高的刻蚀选择比。所有浓硼（B）掺杂区域的硅，不会被刻蚀，反之，没有浓硼（Ｂ）掺杂或轻掺杂硼(B)区域的硅都被刻蚀掉。因此，对于刻蚀面积大的区域，在理论上也会形成像（８）一样的刻蚀终止图形，但该刻蚀终止图形对应的深度超过了硅片衬底的厚度，所以我们能看到的是刻蚀终止于硅表面预先注入了浓硼（Ｂ）掺杂硅（Si）层（２）的下表面（９），即p++_Si刻蚀终止面。或者在没有浓硼（B）掺杂硅（Si）层终止面的区域，刻蚀终止于二氧化硅（SiO2）缓冲层（3）的下表面（10），附图a_a’剖面图（a_4）。
15.最后，再刻蚀去除二氧化硅（SiO2）缓冲层（3），释放所制作的硅悬臂梁，即把硅悬臂梁阵列中的各个独立悬臂梁从硅衬底材料上分离（11），附图a_a’剖面图（a_5）及b_b’剖面图（b_2），只保留硅悬臂梁根部注入了浓硼（B）区域的硅及其表面的二氧化硅（SiO2）（12），用以支撑硅悬臂梁，顶视图及b_b’剖面图（b_2）。最终获得了嵌入式多晶硅电阻构成惠斯通电桥检测系统的硅悬臂梁阵列（Si_Cantilever Beam Array）热电转换器。横向尺寸大小如顶视图部分所示，纵向结构见附图a_a’剖面图（a_5）及b_b’剖面图（b_2）。
16.测试步骤：第一步，分别比较梁1和梁2测量信号，及梁3和梁4测量信号，消除因制作工艺引起的几何尺寸和工艺均匀性方面的误差。第二步，在实际测量操作中，把梁1,2阵列作为参考器件阵列，通入标准直流信号并使其温度保持恒定；而把梁3,4阵列作为待测信号检测器件阵列，通入待测交流信号，并检测其温度变化信息。因梁1,2,3,4阵列器件距离很近，所处环境几乎相同，环境温度对梁阵列器件的影响也近似相等。通过检测和比较参考器件阵列和检测器件阵列的输出信号，并对其进行差分运算，从而消除环境温度的影响。
本发明集先进性、可实施性及实用性于一体，提出了一种嵌入多晶硅电阻的双面自对准刻蚀硅悬臂梁阵列热电变换器，器件选用硅衬底材料，采用全自对准工艺制作，提高了器件的热电转换灵敏度，是微桥悬臂梁热电转换器结构及制作技术和方法的创新。
附图说明
附图是本发明一种嵌入多晶硅电阻的双面自对准刻蚀硅悬臂梁阵列热电变换器的示意图。含俯视图、a_a’剖面图和b_b’剖面图。
图1 为本发明附图总图（含俯视图和X、Y两个方向的剖视图）。
图2为本发明的器件结构示意图即俯视图。
图3为本发明在X方向的剖视图（A-A剖视图）（含图A-1到图A-5）。
图4为本发明在Y方向的剖视图（B-B剖视图）（含图B-1到图B-2）。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明，以下结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。具体实施方式：参见附图1。依本发明的技术方案，本发明一种嵌入多晶硅电阻的双面自对准刻蚀硅悬臂梁阵列热电变换器，包括以下工艺过程和步骤。
1.选p型硅衬底（1）。附图顶视图以及a_a’剖面图和b_b’剖面图所显示的阴影区域（说明：由于图纸幅面的限制，附图中阴影区域显示的衬底硅片厚度看似不同，实际上是相同的），附图顶视图显示一个完整独立的包含4个硅悬臂梁阵列器件的热电转换器单元，在一个如4英寸直径的硅片上可以制作很多这样的热电转换器单元。
2.光刻1#版，离子注入掺杂浓硼（B）（2），附图a_a’剖面图（a_1）及b_b’剖面图（b_1）。而没有注入浓硼（B）的区域，背面刻蚀时会全部刻去，实现硅悬臂梁（Si-Cantileverbeam）阵列之间的相互分离。
3.去除硅表面选择注入硼（B）的掩蔽膜。热氧化生长二氧化硅（SiO2）缓冲层（3），缓解氮化硅（Si3N4）薄膜的应力。低压化学气相淀积（Low Pressure Chemical VaporDeposition: LPCVD）氮化硅（Si3N4）薄膜（4），附图a_a’剖面图（a_2）。
4.光刻2#版，刻深槽（Trench）（5），附图a_a’剖面图（a_2）。
5.深槽底面和内侧面采用倾斜离子注入掺杂浓硼（B）（2），附图a_a’剖面图（a_2）。并热氧化制作二氧化硅（SiO2）绝热膜。
6.光刻3#版，刻蚀并去除多晶硅电阻图形区域的氮化硅（Si3N4）和二氧化硅（SiO2）（6），附图a_a’剖面图（a_2）。
7.低压化学气相淀积（LPCVD）多晶硅（Poly-Si）薄膜并同时填充深槽。离子注入磷（P）对多晶硅掺杂，由惠斯通电桥桥臂电阻的取值确定掺杂多晶硅的方块电阻大小。同时，掺磷N型多晶硅与其下浓硼P型硅衬底自动实现电隔离。
8.氮化硅（Si3N4）硬掩膜自对准反刻多晶硅（Poly-Si）至氮化硅（Si3N4）膜终止，只保留了深槽区域和4个惠斯通电桥电阻区域的多晶硅，即填充深槽并制作出多晶硅电阻（7），附图a_a’剖面图（a_3）。
9.因氮化硅（Si3N4）薄膜应力大，去除硅表面全部氮化硅（Si3N4）膜，二氧化硅（SiO2）膜保留。这时，深槽填充区域和4个惠斯通电桥电阻区域的多晶硅就高出二氧化硅（SiO2）膜平面近似氮化硅（Si3N4）薄膜厚度的高度，附图a_a’剖面图（a_3）。
10.去除表面氮化硅（Si3N4）膜后，再热氧化生长二氧化硅（SiO2）膜（附图a_a’和b_b’剖面图均未显示），满足表面铝线互连时电绝缘的要求。
11.光刻4#版，制作多晶硅电阻即惠斯通电桥桥臂电阻的欧姆接触孔（顶视图上画了孔，但在附图a_a’和b_b’剖面图均未显示）。采用物理汽相淀积（physical vapordeposition：PVD）的磁控溅射法制作金属铝（Al）导电膜。
12.光刻5#版，制作金属铝引线和电极引出压点（顶视图上画了覆盖孔的铝连线，但在附图a_a’和b_b’剖面图均未显示）
13.电极表面钝化并划片，把制作在整个硅片上的各个独立的热电转换器分割开来。
14.正面用光刻胶保护（注意，此时涂胶保护的是已经划片分割开的独立热电转换器单元，而不是整片4英寸硅片，所以，涂胶工艺需采用特殊工艺操作方法），背面自对准刻蚀未掺杂或轻掺杂硼（B）的衬底硅（1）。这里需要说明两点，其一，利用了硅材料不同晶向刻蚀速率不同的特性，相当于硅材料晶向具有一定刻蚀选择比。对于刻蚀面积很小的区域，刻蚀时，由于硅晶向的刻蚀选择特性，刻蚀进程中自动形成了刻蚀终止图形（8）, 附图a_a’剖面图（a_4）及b_b’剖面图（b_2）。其二，工艺中利用了浓硼（B）掺杂硅（Si）层自身的刻蚀选择特性，且具有高的刻蚀选择比。所有浓硼（B）掺杂区域的硅，不会被刻蚀，反之，没有浓硼（Ｂ）掺杂或轻掺杂硼（B）区域的硅都被刻蚀掉。因此，对于刻蚀面积大的区域，在理论上也会形成像（８）一样的刻蚀终止图形，但该刻蚀终止图形对应的深度超过了硅片衬底的厚度，所以我们能看到的是刻蚀终止于硅表面预先注入了浓硼（Ｂ）掺杂硅（Si）层（２）的下表面（９），即p++_Si刻蚀终止面。或者在没有浓硼（B）掺杂硅（Si）层终止面的区域，刻蚀终止于二氧化硅（SiO2）缓冲层（3）的下表面（10），附图a_a’剖面图（a_4）。
15.最后，再刻蚀去除二氧化硅（SiO2）缓冲层（3），释放所制作的硅悬臂梁，即把硅悬臂梁阵列中的各个独立悬臂梁从硅衬底材料上分离（11），附图a_a’剖面图（a_5）及b_b’剖面图（b_2），只保留硅悬臂梁根部注入了浓硼（B）区域的硅及其表面的二氧化硅（SiO2）（12），用以支撑硅悬臂梁，顶视图及b_b’剖面图（b_2）。最终获得了嵌入式多晶硅电阻构成惠斯通电桥检测系统的硅悬臂梁阵列（Si_Cantilever Beam Array）热电转换器。横向尺寸大小如顶视图部分所示，纵向结构见附图a_a’剖面图（a_5）及b_b’剖面图（b_2）。
Claims (3)
1.选用p型硅衬底，在硅片正面刻蚀深槽（Trench）结构，并在槽底面和侧面离子注入掺杂浓硼（B），利用重掺杂p型硅刻蚀时具有的高刻蚀选择比特性，实现刻蚀终止；另外，硅材料在不同晶向，其刻蚀速率不同，也能获得一定的刻蚀选择比，并自动形成刻蚀终止图形；相比于传统采用复杂且昂贵的双面光刻套准设备制作MEMS器件；本发明实现了只正（单）面光刻，实现正面和背面（双面）自对准刻蚀工艺制作的硅悬臂梁阵列热电转换器。
2.基于权利要求1制作的硅悬臂梁表面制作嵌入式（Embedded）多晶硅电阻，组成惠斯通电桥检测电路，提高系统测量精度，消除诸如温度漂移和气体扰动造成的背景噪声导致的背景测试漂移。
3.基于权利要求1、2，多晶硅电阻通电后产生热量，使悬臂梁温度升高，从而引起硅悬臂梁应力变化，这种应力变化会直接导致半导体导电载流子迁移率的变化，迁移率变化导致多晶硅电阻阻值的变化；本发明利用多晶硅电阻阻值变化引起的电流变化信息检测硅悬臂梁应力变化量及其所对应的温度变化值。
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2019
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