CN1142438C - 深沟侧壁扩散和电绝缘薄膜填充制造压阻加速度传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在深反应离子(DRIE)形成的深沟侧面进行半导体杂质扩散来形成加速度敏感梁两个侧面上的压阻敏感电阻的加速度传感器及制造方法。属于硅微机械传感器技术领域。其特征在于为实现电阻间的电绝缘，还采用了在DRIE形成的绝缘深沟内进行绝缘薄膜填充的方法。这种制作方法可以实现硅片内方向挠曲的加速度敏感梁上最大应力的检测从而实现较高灵敏度。同时还克服了(1)采用硅片倾斜方向离子注入的繁琐和不适合批量制造；(2)为实施倾斜离子注入预留的过宽沟槽从而影响敏感梁接触过载保护性能二个缺点。具有制造工艺简单、构思巧妙并适合批量生产各种量程的加速度传感器，同时可以应用到多种压阻惯性传感器技术中，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合各种量程范围的横摆梁结构压阻加速度传感器和制作方法。更确切地说是这类硅微加速度传感器采用梁侧面扩散形成压阻效应敏感电阻和采用深槽填充绝缘薄膜形成电阻与外部电绝缘的器件结构及制造方法。属于硅微机械惯性传感器技术领域。
背景技术
随着硅微机械加工工艺的日益成熟，硅微机械加速度传感器由于具有体积小、价格低和适合批量生产的优势，被广泛地应用于各种运动量的测量应用领域中，在军民两方面都有大量的需求。该类传感器的检测核心部件为硅微机械敏感梁—质量块结构。其中压阻效应等电敏感方式被用来实现电信号读出。采用各向异性腐蚀等传统体微机械工艺制造的敏感梁结构往往都是在垂直于硅片平面方向挠动的，这样敏感电阻可以直接制作在梁的上表面上。近年来随着深反应离子刻蚀(DRIE)技术的日益成熟，可以制作在硅片平面内挠动的敏感梁结构。这样制作的器件的优点是灵敏度和谐振频率都与刻蚀深度无关而只与光刻精度有关。对于在硅片平面内摆动的高深宽比力学梁而言，电阻再制作在梁的上表面就不是很合适了。一方面梁的两个侧面的弯曲应力比上表面更大，更有利于传感器灵敏度的提高，同时梁的上表面是很窄的，使制作电阻出现困难。
一种已有的在梁的侧面制作敏感电阻的方法在如下文献中给出：A.Partridge，J.Reynolds，B.Chui，E.Chow，A.Fitagerald，L.Zhang，N.Maluf，T.Kenny，A high performance planar piezoresistive accelerometer，Journal ofmicroelectromechanical Systems，Vol.9，No.1，2000，pp.58-66。作者利用离子注入工艺。由于离子注入无法在垂直的侧壁上进行，因此需要将硅片倾斜一定的角度来进行，离子倾斜地注入到硅中。如果要在梁的另一个侧面上也制作电阻，则要在将硅片向另一侧倾斜，再注入一次。这样的工艺在杂质浓度控制上直接受倾斜角度的影响，显然不适合批量生产。另外采用这种工艺在较深刻蚀的梁侧面上倾斜离子注入时，必须使刻蚀槽较宽以免使槽对面不挡住离子束。这样梁的侧面与槽对面的侧壁相距较远，无法利用它们的间距实现梁挠动的过载保护机构。由此可见，该种制造方法无论在保证器件性能和制造可靠性方面都有缺欠，至少可以说它不是一种很先进的制造方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合批量制造的横摆梁压阻加速度传感器及制造方法。在梁的两个侧面用杂质扩散的方法制作敏感电阻。采用深刻蚀隔离深沟内填充绝缘薄膜来实现不同电阻间的电绝缘。这样的制作方法既能实现横摆梁两侧面形成敏感元件来实现高灵敏度，又适合微机械传感器的批量生产。
图1为采用本发明方法形成传感器的结构示意图。它由如下几部分组成：
1.用来敏感横向加速度的硅悬臂梁；
2.梁的根部支撑框架；
3.两只扩散敏感电阻；
4.用来进行不同电阻区域间和电阻与其它不相干扩散区域间的电绝缘深沟；
5.被绝缘沟电隔绝在外的与电阻相隔绝的其它扩散区域；
6.深刻蚀形成的加速度过载保护间隙结构。
将压阻敏感电阻制作在横摆敏感梁的两个侧面对比于在梁上表面上制作压阻，可以提高器件的灵敏度。由于硅的深刻蚀技术杂质扩散工艺相当成熟且很好控制，二者结合起来十分便利且有利于批量制造。利用深刻蚀同时形成的电隔离窄沟槽用二氧化硅等薄膜的淀积来填充形成不同电阻间和电阻与其它区域间的电绝缘。同一次深刻蚀还形成了悬臂梁的形状和梁与结构外框间的摆动过载保护机构。所以扩散电阻、电绝缘区和过载保护区域都构造于同一次深刻蚀形成的高深宽比沟槽中。
图2为传感器的制作流程示意图。
(1)首先对N型硅片表面局部进行浓硼扩散，目标是使扩散方块电阻小于20欧姆，形成电阻引线的接触区。
(2)在氧化层上刻出深刻蚀区域。氧化层本身作为深刻蚀的掩模。
(3)然后使用硅的深刻在硅片上向下蚀刻到设计深度，形成悬臂梁形状、过载保护间隙结构、梁侧壁电阻制作区和相对很窄(宽度小于2微米)的电隔离沟槽。利用气相化学方法在硅片上淀积沟槽宽度一半以上厚度的二氧化硅薄膜，窄沟被填充满之后构成起电隔绝作用的结构。在接下来将电阻制作区域沟槽内的氧化层腐蚀掉时，因为电隔离沟内被二氧化硅填充满，所以那里的氧化层不会被去除而保留下来。
(4)之后进行深沟内的压阻敏感电阻横向硼杂质扩散(目标是使方块电阻值约250欧姆)。电阻在横向扩散(厚度约1到2微米)的同时与表面的电接触扩散区域连接在一起。因为电隔离窄沟槽已经被绝缘层填充满，所以在那里杂质不会扩散进硅中，所以实现了PN结和电绝缘膜双重电隔离。在不同位置用一个以上隔离沟槽可以实现不同电阻间和电阻与其它区域间的隔离。
(5)然后在电接触浓硼区开出引线孔，采用铝金属化工艺实现电的外连接。最后从硅片背面进行KOH湿法腐蚀形成悬臂梁的厚度并释放悬臂梁制成传感器。
由此可见，本发明具有工艺简单、构思巧妙并适合批量生产各种量程的加速度传感器，同时可以应用到多种压阻惯性传感器技术中，具有广泛的应用前景。它克服了现有技术中二个问题：
(1)采用硅片倾斜方向离子注入的繁琐和不适合批量制造；
(2)为实施倾斜离子注入预留的过宽沟槽从而影响敏感梁接触过载保护性能。
附图说明
图1是本发明制作形成的传感器结构示意图。
图中：
1-横向摆动加速度敏感悬臂梁 2-梁的根部支撑框架
3-扩散敏感电阻 4-二氧化硅填充电隔离深沟
5-与电阻电隔绝的其它扩散区 6-深沟过载保护间隙结构
图2是本发明制作形成的传感器工艺流程示意图。左面A表示垂直于梁的方法，右面B表示平行于梁的方向。(1)、(2)、(3)、(4)、(5)对应于说明书中工艺流程。
图中：
6-N型硅衬底 7-二氧化硅薄膜层
8-电欧姆接触浓硼扩散区 9-敏感电阻硼扩散区
10-电联接薄膜铝线
具体实施方式
实施例1
设计满量程为10万g的加速度传感器。经设计，悬臂梁长度为446微米，厚度为12微米，宽度为50微米。两只敏感电阻分布于梁根部靠两侧位置来感受应力的变化，经惠斯通电桥连接后输出电信号。分布在梁两侧的敏感电阻比在梁上表面布置电阻的灵敏度高。在10万g加速度作用下，在5伏电桥供电下半桥敏感输出可以达到60至70毫伏。梁最远端静态位移为5.5微米，依据此数据可以设计过载保护沟槽宽度。该传感器结构是单片集成的，十分有利于批量生产和器件封装。
传感器的主要制作步骤如下：
(1)首先对N型硅片表面局部进行浓硼扩散，形成电阻引线的接触区；
(2)在氧化层上刻出深刻蚀区域；
(3)使用硅的深刻在硅片上向下蚀刻到设计深度，形成悬臂梁形状、过载保护间隙结构、梁侧壁电阻制作区和电隔离窄沟槽。气相化学方法在硅片上淀积沟槽宽度一半以上厚度的二氧化硅薄膜，窄沟被填充满之后构成起电隔绝作用的结构。
(4)深沟内的压阻敏感电阻横向硼扩散。扩散区与表面的电接触扩散区域连接在一起。电隔离窄沟槽被绝缘层填充满，实现PN结和电绝缘膜双重电隔离。
(5)在电接触浓硼区开出引线孔，金属化工艺实现电连接。从硅片背面腐蚀形成悬臂梁的厚度并释放悬臂梁制成传感器。
Claims (8)
1.一种采用深沟侧面扩散和电绝缘薄膜填充方法制作的加速度传感器，包括悬臂梁(1)、硅支撑框架(2)、梁侧面的敏感电阻(3)，其特征在于它由不同电阻区域间和电阻与其它不相干扩散区域间的电绝缘深沟(4)、过载保护间隙(6)以及被绝缘沟(4)电隔绝在外的与电阻区域相隔绝的其它扩散区域(5)所构成。
2.按权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于电绝缘深沟(4)在不同位置用一个以上隔离窄沟实现不同电阻区域间和电阻区域与扩散区域间电隔离。
3.按权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于过载保护区域(6)位于深沟中与压阻区域相对的另一个侧面上。
4.按权利要求1所述的制作压阻加速度传感器的方法，其特征在于：
(1)首先对N型硅片表面局部进行浓硼扩散，形成电阻引线的接触区；
(2)在氧化层上刻出深刻蚀区域，氧化层本身作为深刻蚀的掩模；
(3)然后使用硅的深刻在硅片上向下蚀刻到设计深度，形成悬臂梁形状、过载保护间隙结构、梁侧壁电阻制作区和相对很窄的电隔离沟槽，利用气相化学方法在硅片上淀积沟槽宽度一半以上厚度的二氧化硅薄膜，窄沟被填充满之后构成起电隔绝作用的结构；再将电阻制作区域沟槽内的氧化层腐蚀时，电隔离沟内的氧化层仍被保留；
(4)之后进行深沟内的压阻敏感电阻横向硼杂质扩散，电阻在横向扩散的同时与表面的电接触扩散区域连接在一起，从而实现了PN结和电绝缘膜双重电隔离；形成在不同位置用一个以上隔离沟槽实现不同电阻间和电阻与其它区域间的隔离；
(5)然后在电接触浓硼区开出引线孔，采用铝金属化工艺实现电的外连接，最后从硅片背面进行KOH湿法腐蚀形成悬臂梁的厚度并释放悬臂梁制成成传感器。
5.按权利要求4所述的制作压阻加速度传感器的方法，其特征在于所述的扩散压阻区、电绝缘区和过载保护间隙结构都构造于同一次深反应离子刻蚀形成的高深宽比的沟槽中。
6.按权利要求4所述的制作压阻加速度传感器的方法，其特征在于所述N型硅片表面局部进行浓硼扩散是使目标方块电阻值小于20欧姆。
7.按权利要求4所述的制作压阻加速度传感器的方法，其特征在于所述深沟内的压阻敏感电阻横向硼扩散是使目标方块电阻值为250欧姆；电阻横向扩散厚度为1-2微米。
8.按权利要求4所述的制作压阻加速度传感器的方法，其特征在于电隔离结构是采用氧化层电绝缘薄膜对深沟内填充满形成的。
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