CN1970434A - 在soi硅片上制造压阻式微悬臂梁传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于微加工技术和微型检测器件范围的一种在SOI硅片上制造压阻式微悬臂梁传感器的方法。其特征在于：所述传感器采用SOI(绝缘体上硅)硅片制备，即在所述SOI硅片的上层硅中制备单晶硅压阻敏感器件，采用硅的横向干法刻蚀工艺从正面释放所述微悬臂梁使其悬空。本发明采用SOI硅片、利用各向同性干法刻蚀工艺从正面释放微悬臂梁结构，制作工艺简单易行，成品率高；由SOI硅片上层硅制备单晶硅材料的压阻敏感器件，压阻系数大，可显著提高传感器的灵敏度。

Description

在SOI硅片上制造压阻式微悬臂梁传感器的方法
技术领域
本发明属于微加工技术和微型检测器件范围，特别涉及一种采用微加工技术的在SOI硅片上制造压阻式微悬臂梁传感器的方法。
背景技术
近年来，基于微悬臂梁结构的微机械传感器成为一个广泛关注的研究热点。该类传感器具有微型化、成本低、灵敏度高和可批量生产等优点，在物理、化学和生物传感领域有广阔的应用前景。该类传感器的基本工作原理是将质量、电场、磁场、温度和应力等参量转换成为微悬臂梁的弯曲或谐振频率的变化，从而实现对微观表面形貌、磁场、加速度、化学分子的结合、生物分子的结合等信号的检测。
测量微悬臂梁的弯曲和谐振频率的方法称为读出方法。常用的读出方法有光学和电学方法。光学读出灵敏度高，但系统复杂、不易操作且难以集成，而电学方法如压阻式、电容式、压电式读出等虽然灵敏度相对较低，但具有操作简单、易于集成的优点。在电学读出方法中，压阻式读出方法因容易实现而使用最为广泛。
压阻式读出的基本原理是：将压阻敏感器件制作在微悬臂梁上，当微悬臂梁在外界物理量作用下发生弯曲时，由于硅的压阻效应，压阻敏感器件的电学特性会发生相应变化，如压敏电阻的电阻值会发生变化，MOSFET的源漏电流会发生变化；测量该电阻值或源漏电流的变化，就可以实现对微悬臂梁弯曲量的测量，从而实现对外界物理量的传感作用。为提高压阻式读出方法灵敏度，关键在于提高压阻材料的压阻系数。
微悬臂梁结构的释放，即形成悬空结构，是制造工艺中的关键步骤。现有的释放工艺过程较为复杂，需要保护硅片正面，从背面释放结构，导致释放效果差，成品率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用微加工技术在SOI硅片上制造压阻式微悬臂梁传感器的方法，其特征在于，按制造顺序包括以下步骤：
1)以SOI硅片作制备传感器的衬底材料，该SOI硅片由下层硅基体、原有氧化层和上层硅构成；
2)对所述SOI硅片进行光刻，采用离子注入方式在所述SOI硅片的上层硅中形成作为敏感器件的压敏电阻，采用反偏P-N结将所述压敏电阻与所述SOI硅片的上层硅绝缘；或者利用集成电路制造工艺在所述SOI硅片上层硅中制作MOSFET(金属—氧化物—半导体场效应晶体管)作为敏感器件；
3)淀积二氧化硅作为绝缘层，在硅片表面溅射金属，经光刻和刻蚀形成所述敏感器件的金属连线，并淀积氧化硅作为钝化层；
4)对硅片进行光刻，依次刻蚀表面形成微悬臂梁图形，露出SOI硅片的下层硅基体表面；
5)采用各向同性反应离子刻蚀工艺对步骤4)中的露出SOI硅片的下层硅基体进行横向刻蚀，从硅片正面释放微结构使其悬空，即形成所述微悬臂梁。
所述上层硅为100、111或110晶向；
所述MOSFET为N型、P型、硅栅或铝栅型。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：
1.在现有用普通硅片制造的压阻式微悬臂梁传感器的方法中，压敏电阻为多晶硅材料，其压阻系数较低。本发明采用集成电路制造工艺，在SOI硅片上层硅中制备的压敏电阻或MOSFET为单晶硅材料，其压阻系数远大于多晶硅材料，可显著提高所述传感器的灵敏度。
2.采用各向同性反应离子刻蚀工艺从硅片正面释放微悬臂梁，工艺简单易行，成品率高，有效避免了常用的KOH湿法刻蚀工艺从硅片背面释放过程中的正面保护及微悬臂梁与衬底粘连的问题。
附图说明
图1(a)～(g)为本发明采用压敏电阻作敏感器件的实施例的工艺流程示意图。
图2所示为本发明采用硅栅MOSFET作敏感器件的微悬臂梁传感器的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种简单易行、成品率高的采用微加工技术在SOI硅片上制造的压阻式微悬臂梁传感器的方法。下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但并不限于该实施例。
图1所示为本发明采用压敏电阻作敏感器件的微悬臂梁传感器的实施例工艺流程示意图，按制造顺序包括以下步骤：
1)采用SOI硅片作为制备所述微悬臂梁传感器的衬底材料，SOI硅片由下层硅基体11、原有氧化层12和上层硅13构成(如图1a所示)，其中上层硅13可以是100、111或110晶向；
2)对所述SOI硅片进行光刻，形成压敏电阻图形；采用离子注入工艺，向所述SOl硅片的上层硅13中注入与上层硅13掺杂类型相反的杂质离子，形成作为敏感器件的压敏电阻2(如图1b所示)，采用反偏P-N结将压敏电阻2与SOI硅片的上层硅13绝缘；即若上层硅13掺杂类型为N型，则注入P型杂质；若上层硅13掺杂类型为P型，则注入N型杂质；
3)采用等离子增强化学气相淀积工艺在所述SOI硅片表面形成氧化硅，作为即将制作的金属连线与上层硅13之间的电绝缘层3(如图1c所示)；然后光刻，在硅片电绝缘层3表面刻蚀形成金属连线接触孔，再在硅片电绝缘层3表面采用溅射工艺形成金属铝，经光刻和刻蚀形成金属铝连线4(如图1d所示)；采用等离子增强化学气相淀积在硅片电绝缘层3和金属铝连线4表面形成氧化硅钝化层5(如图1e所示)；
4)对硅片进行光刻，形成所述微悬臂梁图形；依次刻蚀氧化硅钝化层5、氧化硅电绝缘层3、SOI硅片的上层硅13和SOI硅片的原有氧化层12，形成待释放的微悬臂梁图形，露出SOI硅片的下层硅基体11表面(如图1f所示)；
5)采用六氟化硫(SF6)或二氟化氙(XeF2)等各向同性反应离子刻蚀工艺，对步骤4)中露出SOI硅片的下层硅基体11进行横向刻蚀，从硅片正面释放微结构，即形成所述微悬臂梁0(如图1g所示)。
图2所示为本发明采用硅栅MOSFET作敏感器件的微悬臂梁传感器的实施例结构示意图，其工艺流程按制造顺序包括以下步骤：
1)采用SOI硅片作为制备所述微悬臂梁传感器的衬底材料，SOI硅片由下层硅基体11、原有氧化层12和上层硅13构成，其中上层硅13可以是100、111或110晶向；
2)采用等离子增强化学气相淀积工艺在所述SOI硅片表面形成氧化硅，经光刻和刻蚀形成即将制作的金属连线与上层硅13之间的电绝缘层3；将硅片进行热氧化，形成MOSFET的栅氧化层21；采用低压化学气相淀积工艺在硅片表面形成多晶硅，经光刻和刻蚀形成MOSFET的硅栅22；对硅片进行光刻，形成MOSFET源、漏电极区图形，并采用离子注入工艺向所述SOI硅片的上层硅13中注入与上层硅13掺杂类型相反的杂质离子，形成MOSFET源、漏电极23；即若上层硅13掺杂类型为N型，则注入P型杂质；若上层硅13掺杂类型为P型，则注入N型杂质；
3)在硅片的电绝缘层3和MOSFET器件表面采用溅射工艺形成金属铝，经光刻和刻蚀形成金属铝连线4；再接着采用等离子增强化学气相淀积在硅片电绝缘层和金属铝连线4表面形成氧化硅钝化层5；
4)对硅片进行光刻，形成所述微悬臂梁图形；依次刻蚀氧化硅钝化层5、氧化硅电绝缘层3、SOI硅片的上层硅13和SOI硅片的原有氧化层12，形成待释放的微悬臂梁图形，露出SOI硅片的下层硅基体11表面；
5)采用六氟化硫(SF6)或二氟化氙(XeF2)等各向同性反应离子刻蚀工艺，对步骤4)中露出SOI硅片的下层硅基体11进行横向刻蚀，从硅片正面释放微结构，即形成所述微悬臂梁0(如图2所示)。
将通过上述实施例的工艺流程制造的压阻式微悬臂梁应用于实际检测中时，由于压阻效应，微悬臂梁的弯曲会导致压敏电阻值或MOSFET敏感器件源漏电流的变化，通过检测该变化量，即可实现对微悬臂梁弯曲量的测量，从而实现对外界物理量的传感作用。

Claims (5)

1.一种在SOI硅片上制造压阻式微悬臂梁传感器的方法，其特征在于，按制造顺序包括以下步骤：
1)以SOI硅片作制备传感器的衬底材料，该SOI硅片由下层硅基体、原有氧化层和上层硅构成；
2)对所述SOI硅片进行光刻，采用离子注入方式在所述SOI硅片的上层硅中形成作为敏感器件的压敏电阻，采用反偏P-N结将所述压敏电阻与所述SOI硅片的上层硅绝缘；或者利用集成电路制造工艺在所述SOI硅片上层硅中制作MOSFET(金属—氧化物—半导体场效应晶体管)作为敏感器件；
3)淀积二氧化硅作为绝缘层，并光刻刻蚀出金属连线接触孔，在硅片绝缘层表面溅射金属，经光刻和刻蚀形成所述敏感器件的金属连线，并淀积氧化硅作为钝化层；
4)对硅片进行光刻，依次刻蚀表面形成微悬臂梁图形，露出SOI硅片的下层硅基体表面；
5)采用各向同性反应离子刻蚀工艺对步骤4)中的露出SOI硅片的下层硅基体进行横向刻蚀，从硅片正面释放微结构使其悬空，即形成所述微悬臂梁。
2.根据权利要求1所述在SOI硅片上制造压阻式微悬臂梁传感器的方法，其特征在于，所述上层硅为100、111或110晶向。
3.根据权利要求1所述在SOI硅片上制造压阻式微悬臂梁传感器的方法，其特征在于，所述MOSFET为N型、P型、硅栅或铝栅型。
4.根据权利要求1所述在SOI硅片上制造压阻式微悬臂梁传感器的方法，其特征在于，采用压敏电阻作敏感器件的微悬臂梁传感器的工艺流程步骤：
1)采用SOI硅片作为制备所述微悬臂梁传感器的衬底材料，SOI硅片由下层硅基体(11)、原有氧化层(12)和上层硅(13)构成，其中上层硅(13)可以是100、111或110晶向；
2)对所述SOI硅片进行光刻，形成压敏电阻图形；采用离子注入工艺，向所述SOI硅片的上层硅(13)中注入与上层硅(13)掺杂类型相反的杂质离子，形成作为敏感器件的压敏电阻(2)，采用反偏P-N结将压敏电阻(2)与SOI硅片的上层硅(13)绝缘；即若上层硅(13)掺杂类型为N型，则注入P型杂质；若上层硅(13)掺杂类型为P型，则注入N型杂质；
3)采用等离子增强化学气相淀积工艺在所述SOI硅片表面形成氧化硅，作为即将制作的金属连线与上层硅(13)之间的电绝缘层(3)；然后光刻，在硅片电绝缘层(3)表面刻蚀形成金属连线接触孔，再在硅片电绝缘层(3)表面采用溅射工艺形成金属铝，经光刻和刻蚀形成金属铝连线(4)；采用等离子增强化学气相淀积在硅片电绝缘层(3)和金属铝连线(4)表面形成氧化硅钝化层(5)：
4)对硅片进行光刻，形成所述微悬臂梁图形；依次刻蚀氧化硅钝化层(5)、氧化硅电绝缘层(3)、SOI硅片的上层硅(13)和SOI硅片的原有氧化层(12)，形成待释放的微悬臂梁图形，露出SOI硅片的下层硅基体(11)表面；
5)采用六氟化硫(SF6)或二氟化氙(XeF2)等各向同性反应离子刻蚀工艺，对步骤4)中露出SOI硅片的下层硅基体(11)进行横向刻蚀，从硅片正面释放微结构，即形成所述微悬臂梁(0)。
5.根据权利要求1所述在SOI硅片上制造压阻式微悬臂梁传感器的方法，其特征在于，采用硅栅MOSFET作敏感器件的微悬臂梁传感器的工艺流程步骤：
1)采用SOI硅片作为制备所述微悬臂梁传感器的衬底材料，SOI硅片由下层硅基体(11)、原有氧化层(12)和上层硅(13)构成，其中上层硅(13)可以是100、111或110晶向；
2)采用等离子增强化学气相淀积工艺在所述SOI硅片表面形成氧化硅，经光刻和刻蚀形成即将制作的金属连线与上层硅(13)之间的电绝缘层(3)；将硅片进行热氧化，形成MOSFET的栅氧化层(21)；采用低压化学气相淀积工艺在硅片表面形成多晶硅，经光刻和刻蚀形成MOSFET的硅栅(22)；对硅片进行光刻，形成MOSFET源、漏电极区图形，并采用离子注入工艺向所述SOI硅片的上层硅(13)中注入与上层硅(13)掺杂类型相反的杂质离子，形成MOSFET源、漏电极(23)；即若上层硅(13)掺杂类型为N型，则注入P型杂质；若上层硅13)掺杂类型为P型，则注入N型杂质；
3)在硅片的电绝缘层(3)和MOSFET器件表面采用溅射工艺形成金属铝，经光刻和刻蚀形成金属铝连线(4)；再接着采用等离子增强化学气相淀积在硅片电绝缘层(3)和金属铝连线(4)表面形成氧化硅钝化层(5)；
4)对硅片进行光刻，形成所述微悬臂梁图形；依次刻蚀氧化硅钝化层(5)、氧化硅电绝缘层(3)、SOI硅片的上层硅(13)和SOI硅片的原有氧化层(12)，形成待释放的微悬臂梁图形，露出SOI硅片的下层硅基体(11)表面；
5)采用六氟化硫(SF6)或二氟化氙(XeF2)等各向同性反应离子刻蚀工艺，对步骤4)中露出SOI硅片的下层硅基体(11)进行横向刻蚀，从硅片正面释放微结构，即形成所述微悬臂梁(0)。
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