一种集成硅膜热流量传感器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种集成硅膜热流量传感器及其制造方法，该传感器的特点是采用隔热作用的硅膜，硅膜悬在将硅片局部挖空而形成的空腔上，并由腔体壁所支撑，用作加热器的硅电阻器和热探测器的Ｓｉ／Ａｌ热偶堆分别制作在硅膜上。硅膜是采用扩散或离子注入、硅外延、阳极氧化、腐蚀多孔硅、物理或化学气相淀积绝缘介质等技术制备的。本方法制作的器件，灵敏度高，响应速度快且有利于集成、降低成本和大批量生产。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属集成传感器领域。置于流体中的加热面的热损失随流体的流速增大而增加，测量加热面的热损失即可求出流速及与此有关的流体参数。集成热流量传感器具有对低流速灵敏度高、响应快和体积小、成本低与信号处理电路兼容性好和可靠性高等优点。现在通用的集成热流量传感器多数未采用热隔离结构(B.W.Van Dudheusden，J.M.De Bruijn，P.J.Hoogeboom，D.Beaufort and J.H.Huijsing，Sensors and Actuators18(1989)259-267)，由于未采用热绝缘结构而不能充分体现灵敏度高、响应时间快的优点。采用薄膜结构的集成热流量传感器是在薄膜上制作加热器和热探测器，在薄膜外的硅衬底上制作加热电流控制电路和讯号放大电路，这种结构的集成热流量传感器在灵敏度和响应速度方面都有很大改善，但其薄膜均是诸如氮化硅、二氧化硅的电介质，这种薄膜不能用来制作有源器件，而且制造工艺复杂，与集成电路工艺的兼容性差。((1)K.Petersen，J.Brown and W.Renken，Proc.Int.Conf.Solid-State Sensors Actuators，PP.361-363，1985.(2)R.G.Johnson，R.E.Higashi，P.J.Bohrer and R.W.Gehman，Proc.Int.Conf.Solid-State Sensors Actuators，PP358-360，1985(3)Osamu Jabata，Hazime Inagaki and Isemi Igarashi，IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.Ed-34，No.12.PP.2456-2461，1987)。本专利技术的目的就是为了解决上述存在的问题，提供一种易集成、易生产并具有良好热隔离性能的集成硅膜热流量传感器及其制造方法。本专利技术的集成热流量传感器，其中包括在硅衬底上制备的具有隔热作用的薄膜，在薄膜上制作的加热器和热探测器以及在薄膜边缘的硅衬底上制作的加热电流控制电路和讯号放大电路，其特点是本专利技术的传感器的薄膜为具有隔热作用，并可在其上制作半导体元器件的硅膜，在薄膜上制作的加热器和探测器分别为在硅膜上制作的硅电阻器和Si/Al热偶堆，硅膜悬在将硅片局部挖空而形成的空腔上，并由腔体壁所支撑。本专利技术所采用的硅衬底为n型硅，其载流子浓度为1×1015-5×1016/cm3，该传感器的硅膜和腔体的规格尺寸视器件的要求而选定设计。这种集成硅膜热流量传感器的制造方法，包括在硅衬底上制备薄膜，在薄膜上制作加热器和热探测器，以及在薄膜边缘的硅衬底上制作加热电流控制电路和讯号放大电路，其特点是本专利技术的传感器的薄膜为悬空在将硅片局部挖空而形成的空腔上面的硅膜，作为加热器的硅电阻器和热探测器的硅铝热偶堆制作在硅膜上，其硅膜和空腔的形成的主要步骤为a.在n型硅衬底的硅膜设计区进行扩散或离子注入形成低阻的n+埋层区;b.进行硅外延生长制作硅膜的n型外延层;c.在紧靠n+埋层区的一对边的边缘处进行扩散或离子注入形成与n+埋层区相连通的低阻n+槽;d.采用阳极氧化技术，使阳极电流流过低阻区，将低阻区的硅转变成多孔硅;e.用腐蚀液腐蚀多孔硅形成硅膜和空腔;f.用淀积物填平硅膜两侧腐蚀多孔硅后形成的空腔腔体开口的大部分。上述低阻的n+埋层区和n+槽的浓度一般在1017/cm3-1021/cm3，n型外延层的浓度为1×1015-5×1016/cm3，厚度为1-3μm，n+埋层深度为5-20μm，n+槽深度一般大于外延层厚度2μm之上。外延埋层厚度和浓度、n+埋层和n+槽的浓度和浓度都可用改变制备工艺条件来调整。本专利技术所采用的阳极氧化技术，其电介质溶液为氢氟酸溶液，浓度为10-50%，稀释剂为水或乙醇，阳极氧化电压一般控制在3-10V，电流密度为20-100mA/cm2。腐蚀多孔硅的腐蚀液为稀碱性溶液，如氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化铵等溶液，其浓度为2-10%。填平腐蚀多孔硅后形成腔体的大部分开口的淀积物为氮化硅或二氧化硅，它们是采用物理或化学气相淀积方法制备的，剩余部分开口或令其敝开，或用脂类填充，以维持腔体内外压力平衡。本专利技术的优点1、硅膜可以制得足够薄，因而具有良好的热隔离性能;2、硅膜为低电子浓度的n型硅，可供制作硅器件;3、硅膜的形成工艺与集成电路工艺兼容，因而易集成，适合于低成本大批量生产。4、传感器具有平面外形，很适合以边界层方法工作的热流量传感器。下面结合附图说明本专利技术及具体实施例方式图1为本专利技术的集成硅膜热流量传感器的示意图。其中图1-a为其正视图，图1-b为局部横剖面图。图2为本专利技术的集成硅膜热流量传感器制备的主要工艺流程芯面图。流程芯面图中不包括CMOS电路的制作步骤。图2-1为热氧化生长二氧化硅、光刻n+埋层。图2-2为n+埋层的扩散或离子注入。图2-3为外延生长n型硅层。图2-4为热氧化生长二氧化硅、光刻n+槽区。图2-5为n+槽扩散或离子注入。图2-6为热氧化生长薄氧化层。图2-7为磷离子注入制作Si/Al热偶堆硅臂。图2-8为磷离子注入制作加热电阻器。图2-9为淀积多晶硅、光刻阳极氧化窗口。图2-10为阳极氧化生成多孔硅。图2-11为腐蚀多孔硅。图2-12为淀积氮化硅。图2-13为淀积二氧化硅。图2-14为淀积硼磷硅玻璃。图2-15为蒸铝、光刻Si/Al热偶堆的铝臂。图2-16为淀积3%磷硅玻璃。图中1-n型硅 2-热氧化生长的二氧化硅3-n+埋层 4-n型外延层5-n+槽 6-薄氧化层7-Si/Al热偶堆的P型硅臂 8-加热电阻器9-多晶硅 10-多孔硅11-氮化硅 12-化学气相淀积的二氧化硅13-硼磷硅玻璃 14-铝条15-3%磷硅玻璃 16-硅膜17-腔体 18-尚未淀积的3%磷硅玻璃19-脂类填料 20-集成电路实施例制作集成硅膜热流量传感器，其硅膜为矩形，长1500μm，宽500μm，厚2μm，Si/Al热偶堆由长1400μm，宽20μm，间隔20μm的八对热偶组成，沿矩形硅膜的长度方向分两组对称分布，两组热偶近端相隔100μm，宽20μm的加热电阻器条从两组热偶的间隔穿过，对硅膜的中心部分进行加热，硅膜中部和远离加热电阻器的硅膜边缘衬底上的温差由热偶堆检测，测量流体温度的敏感电路，讯号放大电路和提供加热电阻器电流的控制电路均制作在矩形硅膜的长边一侧，整个芯片面积为2000μm×1000μm。下面为主要的制作步骤，其中不包括电路的制作，电路的制作采用标准的CMOS工艺。主要工艺步骤如下(1) 热氧化载流子浓度为3×1015/cm3的(100)n型硅片(1)在1100℃下，湿氧氧化105分钟，生长二氧化硅层(2);(2) 在(100)n型硅片(1)上光刻1500μm×500μm的矩形埋层注入区;(3) 腐蚀掉埋层注入区的二氧化硅;(4) 上述工艺流程步骤(1)-(3)如图2-1所示。(4) n+埋层扩散形成n+埋层区(3)双温区扩散，扩散温度分别为950°和1250℃，Sb2O3源量为22克，氧气流量为3L/min，予淀积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成热流量传感器，其中包括在硅衬底上制备的具有隔热作用的薄膜，在薄膜上制作的加热器和热探测器，以及在薄膜边缘的硅衬底上制作的加热电流控制电路和讯号放大电路，其特征在于本专利技术的传感器的薄膜为具有隔热作用，并可在其上制作半导体元器件的硅膜，在薄膜上制作的加热器和热探测器分别为在硅膜上制作的硅电阻器和Ｓｉ／Ａｌ热偶堆，硅膜悬在将硅片局部挖空而形成的空腔上，并由腔体壁所支撑。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：涂相征，李韫言，
申请(专利权)人：涂相征，李韫言，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]