CN118419851A - 一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温MEMS绝压压力传感器芯片加工技术领域，特别涉及一种高温Cavity‑SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺。包括如下步骤：提供N型<110>晶向的双抛硅衬底片；将上述衬底片在炉管中淀积二氧化硅层；对淀积有二氧化硅层的衬底片进行深硅槽孔阵列结构的光刻；干法刻蚀二氧化硅层，形成深硅槽孔阵列结构刻蚀的HardMask层；去除光刻胶，以二氧化硅层为HardMask层，干法刻蚀深硅槽孔阵列，刻蚀深度为10μm～50μm；湿法BOE去除衬底片表面的二氧化硅层，腐蚀速率为100nm/min～1000nm/min。本发明解决了高温MEMS绝压压力传感器芯片的真空腔体硅硅键合Cavity‑SOI工艺外协加工周期长、成本昂贵、工艺不可控等问题。
Description
技术领域
本发明涉及高温MEMS绝压压力传感器芯片加工技术领域，特别涉及一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺。
背景技术
目前市面上高温MEMS绝压压力传感器芯片的真空腔体是通过硅硅键合Cavity-SOI工艺形成的，硅硅键合工艺多数通过外协到SOI晶圆加工厂实现，加工周期长、加工成本昂贵。目前市面上还有一种通过SON工艺实现MEMS绝压压力传感器芯片真空腔体的方法，该方法可以在外延设备内高温退火将干法刻蚀的深硅槽孔阵列间隔的硅发生迁移，进而形成真空腔体，但是形成的真空腔体不是Cavity-SOI形式的，真空腔体上方应力膜层没有氧化层做为自停止层，所以该绝压产品无法使用在高温场景。
本发明通过“SON工艺-炉管氧化工艺-外延单晶硅层工艺”实现高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺，解决了高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构需要进行外协加工周期长、成本昂贵、工艺不可控等问题；改善了传统基于SON工艺的绝压压力传感器芯片无法高温使用的缺陷；本发明提高高温MEMS绝压压力传感器芯片的流通速度，提升产品生产产能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1：提供N型<110>晶向的双抛硅衬底片；
步骤2：将上述衬底片在炉管中淀积二氧化硅层；
步骤3：对淀积有二氧化硅层的衬底片进行深硅槽孔阵列结构的光刻；
步骤4：干法刻蚀二氧化硅层，形成深硅槽孔阵列结构刻蚀的HardMask层；
步骤5：去除光刻胶，以二氧化硅层为HardMask层，干法刻蚀深硅槽孔阵列，刻蚀深度为10μm～50μm；
步骤6：湿法BOE去除衬底片表面的二氧化硅层，腐蚀速率为100nm/min～1000nm/min；
步骤7：放置外延设备中进行高温退火处理，形成SON真空腔体结构；
步骤8：在炉管内淀积二氧化硅层，形成Cavity-SOI的BOX氧化层，二氧化硅层厚度为500nm～1000nm，炉管温度为700℃～1200℃；
步骤9：外延设备中生长一定厚度的单晶硅层，外延生长单晶硅层的温度为1000℃～1300℃。
优选的，所述步骤2中淀积二氧化硅层的厚度为650nm，其炉管温度为700℃～1200℃。
优选的，所述步骤3中光刻的槽孔为正方形、圆形、六边形或八边形对称规则结构，其槽孔宽度为0.4μm～1.2μm，槽孔阵列间距为0.4μm～1.2μm。
优选的，所述步骤4中干法刻蚀气体采用三氟甲烷气体，蚀刻控制工作压力为100mTorr～200mTorr，功率为400W～600W。
优选的，所述步骤5中干法深槽刻蚀的工艺采用硅与二氧化硅高选择比为150:1～220:1之间的深反应离子刻蚀，刻蚀气体选用六氟化硫气体，蚀刻控制工作压力为35mTorr～8Torr，功率为1800W～2400W。
优选的，所述步骤6中当检查衬底片表面出现脱水状态，表明二氧化硅层被去除干净。
优选的，所述步骤7中退火温度高于1000℃～1300℃，反应气体为氢气。
优选的，所述步骤9中单晶硅层的厚度取决于MEMS绝压压力传感器产品压力量程。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明解决了高温MEMS绝压压力传感器芯片的真空腔体硅硅键合Cavity-SOI工艺外协加工周期长、成本昂贵、工艺不可控等问题。
2、本发明改善了传统SON工艺绝压压力传感器不可以高温使用的局限性。
3、本发明提高高温MEMS绝压压力传感器芯片的流通速度，工艺步骤简单，所有步骤都采用常规工艺，操作简单，提升产品生产产能。
附图说明
图1是本发明N<100>双抛片示意图。
图2是本发明炉管淀积SiO2层示意图。
图3是本发明深硅槽孔阵列光刻工艺示意图。
图4是本发明SiO2层干法刻蚀示意图。
图5是本发明深硅槽孔阵列干法刻蚀示意图。
图6是本发明湿法漂SiO2层示意图。
图7是本发明外延炉高温退火，形成真空腔体结构示意图。
图8是本发明炉管淀积SiO2层示意图。
图9是本发明外延单晶硅层，形成Cavity-SOI绝压压力传感器腔体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明实施例提供了一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺，包括如下步骤：
第一步：本产品结构是在厚度不限、N<100>双抛衬底材料片上进行加工制造，如图1；
第二步：将上述N<100>双抛衬底材料片在炉管中淀积650nm厚度的二氧化硅层(SiO2)。炉管温度为700℃～1200℃。如图2。
第三步：对淀积了650nm厚度的二氧化硅层的衬底材料片进行深硅槽孔阵列结构的光刻工艺，孔阵列为正方形、圆形、六边形、八边形等对称规则结构，宽度一般为0.4μm～1.2μm，间距一般为0.4μm～1.2μm，如图3。
第四步：干法刻蚀650nm二氧化硅层，形成深硅槽孔阵列刻蚀的HardMask。干法刻蚀气体采用三氟甲烷(CHF3)气体，蚀刻控制工作压力为100mTorr～200mTorr，功率为400W～600W，干法刻蚀650nm二氧化硅层设备可以选择本领常用的设备，并不局限于某一型号。如图4。
第五步：光刻胶去胶后，以二氧化层为HardMask，干法刻蚀深硅槽孔阵列，刻蚀深度一般为10μm～50μm。干法深槽刻蚀工艺采用(Si to SiO2)高选择比为(150:1～220:1)的深反应离子刻蚀(DRIE)，刻蚀气体选用气体六氟化硫(SF6)，蚀刻控制工作压力为35mTorr～8Torr，功率为1800W～2400W，深反应离子刻蚀设备可以选择本领常用的设备，并不局限于某一型号。如图5。
第六步：湿法BOE去除圆片表面二氧化硅层，腐蚀速率100nm/min～1000nm/min，检查原片表面出现脱水状态，表明二氧化硅层被去除干净，如图6。
第七步：外延设备中进行高温退火处理，形成SON真空腔体结构。一般退火温度高于1000℃～1300℃，反应气体为氢气(H2)。外延设备可以选择本领常用的设备，并不局限于某一型号。如图7。
第八步：在炉管内淀积二氧化硅层，形成Cavity-SOI的BOX氧化层，二氧化硅层厚度500nm～1000nm。炉管温度为700℃～1200℃。如图8。
第九步：外延设备中长一定厚度的单晶硅层，外延生长单晶硅层的温度为1000℃～1300℃。单晶硅层的厚度取决于MEMS绝压压力传感器产品压力量程。如图9。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (8)
1.一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：提供N型<110>晶向的双抛硅衬底片；
步骤2：将上述衬底片在炉管中淀积二氧化硅层；
步骤3：对淀积有二氧化硅层的衬底片进行深硅槽孔阵列结构的光刻；
步骤4：干法刻蚀二氧化硅层，形成深硅槽孔阵列结构刻蚀的HardMask层；
步骤5：去除光刻胶，以二氧化硅层为HardMask层，干法刻蚀深硅槽孔阵列，刻蚀深度为10μm～50μm；
步骤6：湿法BOE去除衬底片表面的二氧化硅层，腐蚀速率为100nm/min～1000nm/min；
步骤7：放置外延设备中进行高温退火处理，形成SON真空腔体结构；
步骤8：在炉管内淀积二氧化硅层，形成Cavity-SOI的BOX氧化层，二氧化硅层厚度为500nm～1000nm，炉管温度为700℃～1200℃；
步骤9：外延设备中生长一定厚度的单晶硅层，外延生长单晶硅层的温度为1000℃～1300℃。
2.如权利要求1所述的一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺，其特征在于，所述步骤2中淀积二氧化硅层的厚度为650nm，其炉管温度为700℃～1200℃。
3.如权利要求1所述的一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺，其特征在于，所述步骤3中光刻的槽孔为正方形、圆形、六边形或八边形对称规则结构，其槽孔宽度为0.4μm～1.2μm，槽孔阵列间距为0.4μm～1.2μm。
4.如权利要求1所述的一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺，其特征在于，所述步骤4中干法刻蚀气体采用三氟甲烷气体，蚀刻控制工作压力为100mTorr～200mTorr，功率为400W～600W。
5.如权利要求1所述的一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺，其特征在于，所述步骤5中干法深槽刻蚀的工艺采用硅与二氧化硅高选择比为150:1～220:1之间的深反应离子刻蚀，刻蚀气体选用六氟化硫气体，蚀刻控制工作压力为35mTorr～8Torr，功率为1800W～2400W。
6.如权利要求1所述的一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺，其特征在于，所述步骤6中当检查衬底片表面出现脱水状态，表明二氧化硅层被去除干净。
7.如权利要求1所述的一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺，其特征在于，所述步骤7中退火温度高于1000℃～1300℃，反应气体为氢气。
8.如权利要求1所述的一种高温Cavity-SOI绝压压力传感器芯片真空腔体结构的制备工艺，其特征在于，所述步骤9中单晶硅层的厚度取决于MEMS绝压压力传感器产品压力量程。
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