TWI447365B - Single crystal silicon thermal sensor and its preparation method - Google Patents

Description

單晶矽熱感測器及其製法

本發明是一種熱感測器，特別是指一種單晶矽熱感測器。

請參考圖6所示，係揭示一美國專利第6144285號之熱感測器，該熱感測器包含有一基板30，該基板30上形成兩相對設置的金屬支柱31，該兩金屬支柱31上設有一熱吸收層32，並使該熱吸收層32懸空在該基板30上方。使用時，可將熱感測器接近一待測體，若熱吸收層32與待測體有溫度差異而改變熱吸收層32的溫度，進而使熱吸收層32本身電阻值改變；藉由電性量測該熱吸收層的阻值變化，即可得知待測體的溫度；其中，因熱吸收層32懸浮在該基板30上方，使熱吸收層32未直接與該基板30構成熱接觸，避免造成熱能的損失。

惟已知的熱感測器具有以下缺點：

1.該熱吸收層32之材料為氧化釩(VOx)，氧化釩為非晶矽材料，因該等材料非為目前半導體代工製程常用的材料，無法在一般工廠裡以廉價的標準製程製作，而必須導入特殊的材料製程，以致製程成本提高。

2.因元件材料為非晶結構，操作時雜訊較高。

3.因基板30、金屬支柱31與熱吸收層32選用材料不同，三者熱膨脹係數亦不同，故基板30、熱吸收層32與金屬支柱31界面形成熱應力，可能導致熱吸收層32形變，甚至損壞。

4.對於該熱感測器的製程而言，利用表面微加工技術以金屬支柱31將熱吸收層32支撐在基板30上方的結構，其製程良率較差。

因此本發明的主要目的是提供一種單晶矽熱感測器，不使用金屬支柱將熱吸收層設置在基板上方，使熱感測器的製程相容於半導體標準製程，以節省製程成本並提高良率。

為達前揭目的，本發明所採用的技術手段是令前述單晶矽熱感測器包含有：一單晶矽基板，其具有一開口朝上的空穴，且其結晶方向為<111>；兩電極，形成在該單晶矽基板上且為相對設置，各電極包含有一本體，該本體於空穴上方延伸形成一橋接部；一單晶矽片，係被夾持在該兩電極的橋接部之間而懸浮於該空穴上方，且該單晶矽片與該兩電極構成電性接觸；以及兩導電層，形成在該單晶矽基板表面，且分別電連接該兩電極。

本發明的另一目的是提供一種單晶矽熱感測器的製法，其包含以下步驟：提供一低濃度雜質的單晶矽基板；於該單晶矽基板上高濃度雜質摻雜形成兩相對設置的電極，並使各電極包含一橋接部；於該單晶矽基板表面形成兩導電層，並使各導電層分別電連接各電極；在單晶矽基板上對應橋接部的旁側蝕刻形成溝槽；蝕刻該單晶矽基板中溝槽所圍區域；利用前述方法可構成如前述的單晶矽熱感測器。

藉由前述構造及製法，本發明之熱感測器及製法具有以下功效：

1.本發明之熱感測器選用常見於電晶體製程的材料(如單晶矽)，於半導體代工廠中即可以廉價的標準製程製作，且因半導體製造技術已相當成熟，製程良率較高。

2.因元件材料為單晶結構，操作時雜訊較低。

3.本發明之熱感測器係於一單晶矽基板經過數道步驟而製成，故單晶矽基板、電極與單晶矽片彼此間的膨脹係數相近，故形成的熱應力相對較小，避免單晶矽片因熱應力產生形變，甚至損壞。

本發明之單晶矽感測器製程如下述：

如圖1A至圖1C所示，首先提供一低濃度雜質(雜質濃度小於10¹⁷ cm^-3 ，其中雜質可選自三族元素或五族元素)的單晶矽基板20，於該單晶矽基板20上高濃度雜質掺雜形成兩相對設置的電極21；本實施例中，係由離子佈植手段對該單晶矽基板20進行掺雜，可由離子(選自三族元素或五族元素)植入該單晶矽基板20中，且雜質濃度大於 10¹⁹ cm^-3 ；其中各電極21包含一本體210與自該本體210側向延伸的橋接部211。

請參考圖2A至2C所示，於該單晶矽基板20表面形成兩導電層22，並使各導電層22分別電連接各電極21的本體210。

請參考圖3A至圖3C所示，可先於該單晶矽基板20上形成一圖案化的阻擋層，透過阻擋層對該單晶矽基板20乾式蝕刻(如電漿蝕刻)，以在單晶矽基板20上對應各電極21橋接部211的一側邊或兩側邊分別蝕刻形成溝槽200，並於溝槽200形成後，移除阻擋層。

請參考圖4A與圖4B所示，將該單晶矽基板20浸入蝕刻液中進行濕式蝕刻，因單晶矽基板20的結晶特性，令蝕刻液在單晶矽基板20表面往下蝕刻的速率遠低於蝕刻液其在溝槽200中往橋接部211所圍區域腐蝕單晶矽基板20的速率，進而使單晶矽基板20形成一空穴201，且該兩橋接部211作為蝕刻阻擋層，使兩橋接部211之間形成一單晶矽片212懸浮在該空穴201上方，其厚度小於5微米(um)。藉由上述步驟，即完成熱感測器之製作。

綜合以上所述，請參考圖5所示，本發明熱感測器的較佳實施例包含一單晶矽基板10、兩電極11、一單晶矽片12與兩導電層13。

本實施例中，該單晶矽基板10之結晶的方向為<111>，且該單晶矽基板10具有一開口朝上的空穴100。

該兩電極11形成在該單晶矽基板10中且為相對設置，各電極11包含有一本體110，該本體110於空穴100上方延伸形成一橋接部111；本實施例中，該兩橋接部111之間構成一略呈六邊形的邊框。

該單晶矽片12係被夾持在該兩電極11橋接部111之間而懸浮於該空穴100上方，且該單晶矽片12與該兩電極11構成電性接觸；本實施例中，該單晶矽片12形成六邊形，其相鄰兩邊構成一第一端120，而相對的相鄰兩邊構成一第二端121，且各端分別電連接各電極11。

該兩導電層13形成在該單晶矽基板10表面，且分別電連接該兩電極11的本體110。

使用時，可在該兩導電層13連接一外部的測試裝置，當單晶矽片12因溫度變化而導致其本身電阻值改變時，由外部測試裝置對單晶矽片12施以檢測信號，並讀取單晶矽片12的反應信號，即可檢知單晶矽片12的電阻值，並由其電阻值的變化判斷出溫度的變化，達到溫度檢測的目的。

因此，本發明之熱感測器所選用的材料與常見電晶體製程材料相同(如單晶矽的基板或是離子佈植使用的硼離子)，故本發明熱感測器與一般半導體代工廠製程的相容性高，故可以較低的成本在半導體代工廠生產製造，且因目前半導體代製程技術成熟，使本發明之熱感測器具有高良率；又，本發明採用單晶矽基板，其通電作動時產生的雜訊相對於非晶矽較低，且單晶矽片與單晶矽基板係相同材質，其應力相近，降低熱感測器可能因熱漲冷縮而損壞的風險。

10．．．單晶矽基板

100．．．空穴

11．．．電極

110．．．本體

111．．．橋接部

12．．．單晶矽片

120．．．第一端

121．．．第二端

13．．．導電層

20．．．單晶矽基板

200．．．溝槽

201．．．空穴

21．．．電極

210．．．本體

211．．．橋接部

212．．．單晶矽片

22．．．導電層

30．．．基板

31．．．金屬支柱

32．．．熱吸收層

圖1A~圖1C：本發明之較佳實施例階段成品示意圖。

圖2A~圖2C：本發明之較佳實施例階段成品示意圖。

圖3A~圖3C：本發明之較佳實施例階段成品示意圖。

圖4A~圖4B：本發明之較佳實施例階段成品示意圖。

圖5：本發明之較佳實施例平面示意圖。

圖6：已知熱感測器立體外觀圖。

10．．．單晶矽基板

100．．．空穴

11．．．電極

110．．．本體

111．．．橋接部

12．．．單晶矽片

120．．．第一端

121．．．第二端

13．．．導電層

Claims (7)

1. 一種單晶矽熱感測器，其包含有：一低濃度雜質掺雜的單晶矽基板，其具有一開口朝上的空穴，且其結晶方向為<111>，其中該單晶矽基板之雜質濃度小於10¹⁷ cm^-3 ；兩電極，以高濃度雜質掺雜而形成在該單晶矽基板上且為相對設置，各電極包含有一本體，該本體於空穴上方延伸形成一橋接部，其中該電極之雜質濃度大於10¹⁹ cm^-3 ；一單晶矽片，係被夾持在該兩電極的橋接部之間而懸浮於該空穴上方，且該單晶矽片與該兩電極構成電性接觸，其中該單晶矽片之雜質濃度小於10¹⁷ cm^-3 ；以及兩導電層，形成在該單晶矽基板表面，且分別電連接該兩電極的本體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之單晶矽熱感測器，該單晶矽片厚度小於5微米。
3. 如申請專利範圍第1項所述之單晶矽熱感測器，該單晶矽基板與該單晶矽片之雜質選自三族元素或五族元素。
4. 如申請專利範圍第1項所述之單晶矽熱感測器，該電極之雜質選自三族元素或五族元素。
5. 一種單晶矽熱感測器的製法，包含以下步驟：提供一低濃度雜質的單晶矽基板，該單晶矽基板的結晶方向為<111>，其中該單晶矽基板之雜質濃度小於10¹⁷ cm^-3 ； 於該單晶矽基板上高濃度雜質掺雜形成兩相對設置的電極，各電極包含一本體與從該本體延伸出的一橋接部，其中該兩電極之雜質濃度大於10¹⁹ cm^-3 ；於該單晶矽基板表面形成兩導電層，並使各導電層分別電連接各電極；在單晶矽基板上對應橋接部的旁側蝕刻形成溝槽；蝕刻液在該單晶矽基板表面往下蝕刻的速率低於該單晶矽基板在溝槽中往橋接部所圍區域腐蝕的速率，以蝕刻該單晶矽基板中溝槽所圍區域而形成一開口朝上的空穴，其中該兩電極的橋接部之間形成一單晶矽片懸浮在該空穴上方。
6. 如申請專利範圍第5項所述單晶矽熱感測器的製法，於該單晶矽基板上高濃度雜質掺雜形成兩相對設置的電極之步驟中，係由離子佈植手段在單晶矽基板上雜質掺雜以形成電極。
7. 如申請專利範圍第6項所述單晶矽熱感測器的製法，在單晶矽基板上對應橋接部的旁側蝕刻形成溝槽的步驟，係先在單晶矽基板形成圖案化的阻擋層，再進行乾式蝕刻形成溝槽。