一种硅膜压阻压力传感器的制造方法及其传感器技术

本发明专利技术提供了一种正面加工硅膜压阻压力传感器及其制造方法，该传感器的特点是硅膜下的空腔是从衬底硅体内镂空形成的空腔腔体，它的形成步骤ａ、在衬底硅膜设计区的下方及两侧进行重掺杂，形成连通的低阻区；ｂ、采用阳极氧化技术，使低阻区的硅转变成多孔硅；ｃ、用腐蚀液腐蚀多孔硅；ｄ、用淀积物填平硅膜两侧腐蚀多孔硅后形成的腔体开口。采用这种方法使器件成本低、性能可靠、易于集成和大批量生产。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压力传感器，特别涉及一种正面加工硅膜压阻压力传感器及其制作方法。如附图说明图1所示的现有硅膜压阻压力传感器(IShiharartal，“CMOS integrated silicon pressure sensor”，IEEE Journal of Solid-state Circuits，Vol.Sc-22，No.2，P.151，1987)，都是从硅片的背面进行化学腐蚀以形成硅杯，通常用的化学腐蚀方法有两种一是在硅片里形成一个高掺硼(近似1×1020/cm3)的P+夹层，夹层下面的衬底部分用EDP(乙二胺、焦儿茶酚和水)腐蚀，保留夹层及其以上部分(R.M.Finne and D.L.Klein，“A Water-amine-complexing agent system for etching silicon”，J.Electrochem.Soc.，Vol.114，P.965，1967);二是在N/P外延片的n-型外延层上加偏压，用热碱性溶液或联氨水溶液选择腐蚀掉P型衬底保存n-型外延层(H.A.Wa-ggener，“Electro-chemically Controlled thinning of silicon”Bell Syst.Tech.J.，Vol.50，P.473，1970)。这两种腐蚀方法都不能严格控制硅片的横向腐蚀，并且不能产生很薄的硅膜，此外，为形成密封腔体，产生器件工作所需的参考压力，硅片的背面还要与特殊的玻璃片焊接。所有这些都是简化工艺、提高产量、降低成本、改善性能的严重障碍。本专利技术的目的就是为了克服这些严重障碍，提供一种低成本高性能且适宜大批量生产的正面加工的硅膜压阻压力传感器及其制造方法。本专利技术为一种在硅膜上表面制作压阻电阻器的硅膜压阻压力传感器，其特点是该传感器的硅膜下的空腔是在衬底硅体内镂空，从硅片的正面形成的腔体。紧靠硅膜两侧且与硅膜相连的空腔腔体开口由物理或化学气相淀积的淀积物填平，空腔在硅体内为一密闭的空腔腔体。本专利技术所采用的硅衬底为n-型硅，其载流子浓度为1015-1016/cm3，该传感器的硅膜及空腔腔体的形状和尺寸是根据器件的要求而选定设计的。本专利技术的硅膜压阻压力传感器的制造方法，其特征在于该传感器的硅膜和硅膜下的空腔腔体是在硅片正面加工形成的，其主要步骤为a.在衬底的硅膜设计区的下方及两侧进行重掺杂形成连通的低阻区;b.采用阳极氧化技术，使阳极电流流过这一低阻区，使低阻区的硅转变为多孔硅;C.用腐蚀液腐蚀多孔硅，使硅膜设计区的下方和两侧的多孔硅全部腐蚀掉形成连通的空腔;d.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，则形成了密闭的空腔腔体，腔体上面的硅便构成了可制作压阻电阻器的硅膜。本专利技术在硅膜的下方及两侧进行重掺杂形成低阻区是先在n-型硅衬底的硅膜设计区进行n+埋层离子注入或扩散，形成重掺杂埋层区，然后进行n型外延，使外延的厚度近似等于所需的硅膜厚度，再在紧靠硅膜设计区的两侧用离子注入或扩散方法进行重掺杂，使得与埋层区相连通形成低阻区，其离子注入或扩散要满足，低阻区的n型杂质浓度大于1×1017/cm3。本专利技术在硅膜的下方及两侧进行重掺杂形成低阻区，还可采用二次高能离子注入的方法，即是在n-型硅衬底里先注入氮离子，注入剂量为1013-1015/cm2，注入结深近似等于所需的硅膜厚度，后注入质子，注入剂量为1014-1016/cm2，注入结深近似等于所需硅膜与空腔腔体高之和，注入后在400-500℃下于惰性气体中进行退火，一般是在氮气或氮氢混合气体中进行，退火时间为10-40分钟。本专利技术所采用的阳极氧化是在氢氟酸溶液中进行，氢氟酸的浓度为10-50%，稀释剂为水或乙醇，阳极电压一般控制在4-10V，阳极电流为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，其浓度为2-10%。填平硅膜两侧的腔体开口的淀积物为多晶硅、二氧化硅、氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃等所述物质中的任意一种，淀积物可用物理或化学气相淀积方法制备。本专利技术的优点是1.由于硅膜和腔体的形状和尺寸由离子注入或扩散所控制，因此加工精度高，重复性好。2.由于硅膜的厚度由同质外延层厚度或氮离子注入结深决定，因此硅膜可以制得足够薄，有利提高灵敏度。3.为形成腔体所需腐蚀掉的硅量极微，不影响硅片的机械强度，有利于提高成品率、改善可靠性。4.因腔体在硅片内形成，封装简单、成本降低、可靠性好。5.硅膜的所有加工工艺都与集成电路制作兼容，因此容易实现集成和大批量生产。即是可以在该压阻压力传感器的硅膜边缘的硅片上制备周边电路，包括CMOS运算放大器，电压参考电路和驱动电路构成单片集成硅膜压阻压力传感器。很显然上述两部分也可以分别在两个硅片上制作，然后组装在一起(混合集成)构成集成硅膜压阻压力传感器。附面说明图1为现有技术制作的硅膜压阻压力传感器的示意图。其中图1-a为其顶视图，图1-b为其剖视图，图1-c为其桥式电路图。图2为本专利技术制作的硅膜压阻压力传感器的示意图。其中图2-a为其顶视图，图2-b为其剖视图，图3-c为其桥式电路图。图3为实施例1中制作硅膜压阻压力传感器的主要工序芯面图。图3-a为热氧化、光刻、n+埋层注入。图3-b为n+埋层注入推进。图3-c为n-型硅外延生长。图3-d为热氧化、光刻、n+阳极氧化通道注入。图3-e为n+阳极氧化通道注入推进。图3-f为P+压阻电阻器区注入。图3-g为淀积Si3N4和多晶硅、光刻腐蚀阳极氧化窗口。图3-h为阳极氧化生成多孔硅。图3-i为腐蚀多孔硅。图3-j为淀积多晶硅填充腔体开口。图3-k为引线和钝化。图4为实施例2中制作硅膜压阻压力传感器的主要工序芯面图。图4-a为压阻电阻器注入。图4-b为氮离子注入。图4-c为淀积氮化硅、多晶硅。图4-d为质子注入。图4-e为光刻和腐蚀阳极氧化窗口。图4-f为阳极氧化生成多孔硅。图4-g为腐蚀多孔硅。图4-h为淀积多晶硅填充腔体开口。图4-i为引线和钝化。图中1-n-型硅 2-二氧化硅 3-n+埋层4-n-型外延层 5-n+注入区 6-p+注入区7-氮化硅 8-多晶硅 9-多孔硅10-硼磷硅玻璃 11-Al-Si 12-3%磷硅玻璃13-氮离子注入区 14-质子注入形成 15-压焊块的低阻区下面结合附图对本专利技术的实施例加以具体描述实施例1制作硅膜压阻压力传感器，具有芯片面积为0.5×0.5mm2、硅膜面积为0.2×0.2mm2、硅膜厚为6.5μm、空腔腔体高4μm，四个两对压阻电阻器分别制作在硅膜的四边，一对垂直于〈110〉硅膜边方向，另一对平行于〈110〉硅膜边方向。主要制作工艺流程步骤(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105min，生长二氧化硅层(2);(2)在(100)n-型硅片上光刻0.2×0.2mm2的n+埋层注入区;(3)腐蚀掉埋层注入区的SiO2;(4)在SiO2的掩蔽下进行n+埋层注入As+形成埋层区(3)，在100Kev下注入，注入剂量为1×1014/cm2;上述工艺流程步骤(1)-(4)如图3-a所示。(5)在O2、N2的气氛下进行n+埋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅膜压阻压力传感器，该传感器包括在硅膜上表面制作的压阻电阻器以及在硅膜下边的空腔，其特征在于所说的空腔是在衬底硅体内镂空，从硅片的正面形成的腔体。

【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]