CN112834106A - 压阻式表压压力传感器的制造方法 - Google Patents

压阻式表压压力传感器的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压阻式表压压力传感器的制造方法；在SOI衬底的正面利用深反应离子刻蚀法形成用于制作空腔时的腐蚀停止层的环形结构的深槽一；SOI衬底内设有中间埋氧层；埋氧层用于制作空腔时的腐蚀停止层；在深槽一内填充氧化硅，然后除去表面的氧化硅层以SOI衬底的顶层作为种子层，生长外延硅层；在外延硅层上制作压力传感器的四个压阻并形成惠斯通电桥结构；正面完成后，利用双面光刻法和深反应离子刻蚀法形成用于制作空腔的深槽二；在深槽二内填充氧化硅，并利用干法刻蚀法选择性的去除深槽二底部的氧化硅；用硅的湿法腐蚀液形成最终的腔体。本技术方案，解决了工艺偏差引起的零点漂移问题，制造出的传感器的比传统工艺制作的传感器品质更高。

Description

压阻式表压压力传感器的制造方法
技术领域
本发明涉及压力传感器的制备方法，尤其涉及一种压阻式表压压力传感器的制造方法。
背景技术
目前主流的电学响应型压力传感器都是通过将器件在压力作用下产生的形变转化为传感器电学性能参数的变化来实时响应压力的大小。其中，压阻型压力传感器制备工艺简单、响应稳定性高、抗干扰能力强，灵敏度高、线性度好、后续处理电路简单易行而得到了广泛应用，成为当前柔性压力传感器领域的研究热点。
压阻式压力传感器包括三个主要组成部分：压敏电阻、应力薄膜和硅岛。其中由四个压敏电阻构成惠斯通电桥，将作用在传感器上压力，通过薄膜的应力变化转换成压敏电阻阻值的变化，再经相应的测量电路检测出这个变化的阻值，最后，度量出作用在薄膜上的被测压力的大小。
由于压阻效应的大温度系数及传统方法制作的电阻失配较大使得压阻型压力传感器往往具有大的灵敏度漂移、零点输出及零点漂移。这些不利因素致使压阻式压力传感器在高端、精确测量压力的应用场合受到限制。自20实际80年代以来，本领域技术人员针对零点输出及其漂移展开了广泛研究，研究发现影响零点漂移主要因素有版图误差、加工工艺过程中的偏移误差和扩散电阻的不规则性等。
如何能够很好地解决由工艺偏差引起的零点漂移问题，制造出高品质的压阻型压力传感器是申请人致力于解决和想要克服的课题。
发明内容
为了解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种压阻式表压压力传感器的制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种压阻式表压压力传感器的制造方法；其特征在于：包括
步骤1：在SOI衬底的正面利用深反应离子刻蚀法形成用于制作空腔时的腐蚀停止层的环形结构的深槽一；其中、SOI衬底内设有中间埋氧层；埋氧层用于制作空腔时的腐蚀停止层；
步骤2：在深槽一内填充氧化硅，然后除去表面的氧化硅层；
步骤3：以SOI衬底的顶层作为种子层，生长外延硅层；
步骤4：在外延硅层上制作压力传感器的四个压阻并形成惠斯通电桥结构；
步骤5：正面完成后，利用双面光刻法和深反应离子刻蚀法形成用于制作空腔的深槽二；在深槽二内填充氧化硅，并利用干法刻蚀法选择性的去除深槽二底部的氧化硅；用硅的湿法腐蚀液形成最终的腔体。
进一步的改进，深槽一的开口尺寸为0.5至1.5um。
进一步的改进，环形结构为圆环形或多边形环。
进一步的改进，SOI衬底的顶层为单晶硅。
进一步的改进，步骤2还包括利用干法刻蚀法去除深槽一内的顶硅层和埋氧层，再利用深反应离子刻蚀法刻蚀深槽一内的SOI衬底的硅基底；深槽一的刻蚀深度大于10um。
进一步的改进，步骤2为：通过氧化工艺在深槽一的侧壁和底部填充氧化保护层；完成填充后，去除SOI衬底表面的氧化层。
进一步的改进，步骤3的外延层深度由压力传感器的量程决定。
进一步的改进，步骤5为：S51、利用干法深刻蚀SOI衬底的底面，形成用于制作腔体的深槽二；S52、在深槽二的侧壁与底部淀积阻挡层；S53、利用各项异性刻蚀法去除深槽二的底部的阻挡层，保留深槽二的侧壁以形成侧壁保护层；S54、以深槽二的侧壁保护层为掩模，继续利用各项异性湿法刻蚀最终形成腔体。
进一步的改进，深槽二采用孔形设计，其尺寸小于深槽一的内环尺寸。
进一步的改进，在湿法蚀刻时，SOI衬底的中间埋氧层、深槽一侧壁的氧化层和深槽二侧壁的氧化层都是湿法蚀刻的自停止阻挡层。
采用本申请的技术方案后，腔体边缘位置(即深槽一的内径形成的腔体边界)与压阻的位置之间的偏差是通过正面光刻对准能力来控制的。传统的压阻式表压压力传感器的背腔是通过背面光刻工艺对准正面光刻标记来定位的，因此传统工艺中，腔体边缘位置与压阻位置之间的误差包含了背面光刻工艺和正面光刻工艺之间的套准误差以及湿法腐蚀背腔后的工艺误差的总和。
通常的半导体加工工序中，正面光刻都是采用同型号设备之间的后层套准前层，其前后层的套准精度非常高，一般都控制在0.5um以下。而正反面光刻对准的精度，由于受到不同光刻机型号和能力的影响一般控制在5um以下，较大的光刻对准误差会影响4个压阻电阻和感应膜边界的距离，这是导致引起压力传感器的零位漂移的重要原因。
采用本发明的制作方法，利用正面光刻的同型号同工艺能力的高度一致性，大大降低了由于工艺偏差引起零点漂移问题。制造出的压阻式表压压力传感器较传统制作工艺的压阻式表压压力传感器具有良好的片中器件的均匀性、片间器件的可重复性，更适合大批量的生产。
附图说明
图1是压阻式压力传感器结构的平面结构示意图。
图2是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图一。
图3是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图二。
图4是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图三。
图5是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图四。
图6是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图五。
图7是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图六。
图8是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图七。
图9是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图八。
图10是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图九。
图11是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图十。
图12是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图十一。
图13是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图十二。
图14是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图十三。
图15是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图十四。
图16是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图十五。
图17是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图十六。
图18是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图十七。
图19是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图十八。
图20是压阻式表压压力传感器的制造过程的剖面结构示意图十九。
具体实施方式
下面结合附图对本发明优选的方案作进一步的阐述，以便能够能好地理解本申请的技术方案。
一种压阻式表压压力传感器的制造方法，包括步骤1：在内部设有中间埋氧层的SOI衬底的正面利用深反应离子刻蚀法形成用于制作空腔时的腐蚀停止层的环形结构的深槽一；中间埋氧层在制作空腔时起到腐蚀停止层的作用。深槽一采用闭合的环形结构的设计，深槽一定义了压力传感器腔体的横向尺寸。然后利用干法刻蚀法去除深槽一内的顶硅层和中间埋氧层，再利用深反应离子刻蚀法刻蚀深槽一内的SOI衬底的硅基底；深槽一的刻蚀深度大于10um。
关于SOI衬底，目前市面上应用最多工艺最成熟的SOI衬底是通过SIMOX或smartcut技术制备的，其顶层硅厚度一般在0.1um至0.2um，而中间埋氧层厚度范围在0.1um至2um，其典型值为0.5um。但是本发明可以采用的SOI衬底的厚度显然不限于此，本领域技术人员可以根据实际的需要进行相应得调整。
图1显示了压阻式表压压力传感器制作工艺中最关键层次和结构在SOI衬底上包括形成空腔的正面深槽一和背面深槽二和电桥电阻。由图1可知，深槽一的投影是四边形环，另外、深槽一的投影也可以是圆形环形或者其他形状的对边环形结构。另外、深槽一的形状和/或深度根据实际需要是可调节的(adjustable)。值得注意的是深槽一的结构是环形的，其环形尺寸是随压力芯片的大小而设计的；深槽一的开口尺寸的典型值在0.5至1.5um(开口尺寸不宜过大，是便于后续工艺中对深槽一进行填充)。为了更好地说明深槽一的形成制作过程，请参考图2至图5，,图2为带中间埋氧层的SOI衬底，图3至图5是深槽一开始、穿过中间埋氧层和终止的三种状态。
步骤2：在深槽一内填充氧化硅，然后除去表面的氧化硅层。
请参考附图6，图6是向深槽一过氧化工艺在深槽一的侧壁和底部填充氧化保护层(保护层决定了深槽一可作为后续背面湿法腐蚀时的阻挡层)，完成填充后，去除SOI衬底表面的氧化层，表面的氧化层的可以通过湿法腐蚀工艺(BOE或HF)、干法刻蚀工艺或化学机械抛光工艺去除(图7所示)。
步骤3：以SOI衬底的顶层的单晶硅作为种子层，生长外延硅层。如图8所示，以SOI的顶硅层作为种子层生长外延层，形成的外延层即压力传感器的压力感应膜层。压力量程越大，意味著压力传感器感应膜层的厚度要越厚，越薄的感应膜层会承受不住更高压力的作用而导致应变层破损，器件失效。本领域的技术人员应该理解到所生长的外延层的厚度是根据压力传感器的量程决定。
步骤4：在外延硅层上制作压力传感器的四个压阻并形成惠斯通电桥结构。如图9至图14所示，图9至14是在外延层上制作压阻式压力传感器的器件层的各个阶段时的参考示意图，制作过程主要包括高浓度注入形成压阻、氧化硅隔离层和接触孔、金属连线层以及钝化PAD保护层。本领域的技术人员应该认识到由于压阻式压力传感器的器件层的结构已经非常成熟，而且本专利的特点也不在器件层的结构上，所以在此不对器件层的详细工艺加以赘述，可参考本领域的常规设计和工艺参数。
步骤5：正面完成后，利用双面光刻法和深反应离子刻蚀法形成用于制作空腔的深槽二；在深槽二内填充氧化硅，并利用干法刻蚀法选择性的去除深槽二底部的氧化硅；用硅的湿法腐蚀液形成最终的腔体。
图15至20是制备深槽二和腔体的各个阶段时的参考示意图，这里的深槽二只是用于后续湿法腐蚀的通道，其与正面层次的光刻对准精度并不影响压阻位置与腔体边缘的位置偏差。具体制作过程为：S51、利用干法深刻蚀SOI衬底的底面，形成用于制作腔体的深槽二；深槽二采用孔形设计，其尺寸一般要小于深槽一的内环尺寸，S52、在深槽二的侧壁与底部淀积阻挡层；S53、利用各项异性刻蚀法去除深槽二的底部的阻挡层，保留深槽二的侧壁以形成侧壁保护层(保护层决定了深槽一可作为后续后续湿法腐蚀时的阻挡层)。S54、以深槽二的侧壁保护层为掩模，继续利用各项异性湿法刻蚀最终形成腔体。
通过上述说明，本领域的普通技术人员已经能够清楚地理解本申请了技术方案，为了更好地说明本申请的技术方案，先对本申请的原理作进一步的说明。
正面的深槽一和背面的深槽二的深度决定了压力传感器腔体的纵向尺寸。深槽一决定了压力腔体的横向尺寸，而压力腔体的横向尺寸的精度直接影响了器件的零点漂移。在湿法蚀刻时，SOI衬底的中间埋氧层、深槽一的侧壁的氧化保护层和深槽二侧壁的氧化保护层都是湿法蚀刻的阻挡层，这样可以精确地控制腔体的最终尺寸。
在此还要理解，其可以随意根据需要对传感器结构的内部各个单元进行位置的排布和调整，都是在本发明申请的保护范围之内。另外，对于本发明中深槽一、深槽二的形状、深度和压阻单元的位置、尺寸也都是可以根据需要进行任意调整的。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本阀门的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种压阻式表压压力传感器的制造方法；其特征在于：包括
步骤1：在SOI衬底的正面利用深反应离子刻蚀法形成用于制作空腔时的腐蚀停止层的环形结构的深槽一；其中、SOI衬底内设有中间埋氧层；埋氧层用于制作空腔时的腐蚀停止层；
步骤2：在深槽一内填充氧化硅，然后除去表面的氧化硅层；
步骤3：以SOI衬底的顶层作为种子层，生长外延硅层；
步骤4：在外延硅层上制作压力传感器的四个压阻并形成惠斯通电桥结构；
步骤5：正面完成后，利用双面光刻法和深反应离子刻蚀法形成用于制作空腔的深槽二；在深槽二内填充氧化硅，并利用干法刻蚀法选择性的去除深槽二底部的氧化硅；用硅的湿法腐蚀液形成最终的腔体。
2.根据权利要求1所述的压阻式表压压力传感器的制造方法，其特征在于：深槽一的开口尺寸为0.5至1.5um。
3.根据权利要求2所述的压阻式表压压力传感器的制造方法，其特征在于：环形结构为圆环形或多边形环。
4.根据权利要求1所述的压阻式表压压力传感器的制造方法，其特征在于：SOI衬底的顶层为单晶硅。
5.根据权利要求1所述的压阻式表压压力传感器的制造方法，其特征在于：步骤2还包括利用干法刻蚀法去除深槽一内的顶硅层和埋氧层，再利用深反应离子刻蚀法刻蚀深槽一内的SOI衬底的硅基底；深槽一的刻蚀深度大于10um。
6.根据权利要求1所述的压阻式表压压力传感器的制造方法，其特征在于：步骤1为：通过氧化工艺在深槽一的侧壁和底部填充氧化保护层；完成填充后，去除SOI衬底表面的氧化层。
7.根据权利要求1所述的压阻式表压压力传感器的制造方法，其特征在于：步骤3的外延层深度由压力传感器的量程决定。
8.根据权利要求1所述的压阻式表压压力传感器的制造方法，其特征在于：步骤5为：
S51、利用干法深刻蚀SOI衬底的底面，形成用于制作腔体的深槽二；
S52、在深槽二的侧壁与底部淀积阻挡层；
S53、利用各项异性刻蚀法去除深槽二的底部的阻挡层，保留深槽二的侧壁以形成侧壁保护层；
S54、以深槽二的侧壁保护层为掩模，继续利用各项异性湿法刻蚀最终形成腔体。
9.根据权利要求8所述的压阻式表压压力传感器的制造方法，其特征在于：深槽二采用孔形设计，其尺寸小于深槽一的内环尺寸。
10.根据权利要求9所述的压阻式表压压力传感器的制造方法，其特征在于：在湿法蚀刻时，SOI衬底的中间埋氧层、深槽一侧壁的氧化层和深槽二侧壁的氧化层都是湿法蚀刻的自停止的阻挡层。
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