一種矽膜電容壓力傳感器及其製造方法

2023-12-07 10:30:31

專利名稱：一種矽膜電容壓力傳感器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種電容壓力傳感器，特別是涉及一種平面嵌入式矽膜電容壓力傳感器及其製造方法。
如

圖1所示的現有矽膜電容壓力傳感器，都以矽片的背面腐蝕工藝為基礎，首先從矽片的兩面進行腐蝕以形成矽膜，然後將此矽片焊接到玻璃或另一矽片上，以形成密封的腔體，電容器的電極製作在矽膜和玻璃(或另一矽片)上，(1.Wen H.Ko，et al，lEEE Transactions on Electron Devices，Vol.ED-29，No.1，P.48，1982;2.Yong S.Lee and Kensall D.Wise，lEEE Transaction on Electron Devices，Vol.ED-29，No.1，P.42，1982)。這種傳感器及製造方法存在如下嚴重問題1、背面腐蝕工藝造成對結構的限制，例如矽膜背面的腔體側壁總是向外傾斜的，這使得晶片面積遠遠大於有效的矽膜面積;2、將矽片與玻璃或另一矽片焊接帶來熱膨脹的不匹配，焊接層的疲勞和蠕變，裝配方法複雜和困難，焊接不穩定和費用高昂等問題;3、因要對矽片的兩面進行加工，需要雙面對準裝置，並且容易造成對準偏差;4、與平面加工工藝的兼容性差，不易實現集成電路化。
本發明的目的就是為了克服上述存在的問題，提供一種矽片單面進行加工製作的矽膜電容壓力傳感器及其製造方法。
本發明為一種平面嵌入式矽膜電容壓力傳感器，其特徵是該傳感器的矽膜下面的空腔是從矽片正面掏空矽體形成的密封腔體，電容器上下電極分別作在腔體內矽膜下表面和腔體的底面上，緊靠矽膜周圍腔體開口由物理或化學氣相澱積的絕緣介質填平，電容器的上下電極和矽膜分別由此絕緣介質所隔離和支撐。
本發明的平面嵌入式矽膜電容壓力傳感器的製造方法，包括在矽片裡形成矽膜、製作電容器電極、構成密封腔體，其特點是製作矽膜、電容器的電極、密封腔體都是在矽片的正面進行加工而成的，其主要工藝包括在矽襯底的矽膜設計區，採用擴散或離子注入方法形成高濃度的n+埋層;外延生長製作矽膜的n型外延層;在緊靠n+埋層邊緣處，通過擴散或離子注入方法形成高濃度的n+陽極氧化通道槽;採用陽極氧化技術，使n+埋層和n+槽的高濃度區的矽轉變成多孔矽;用腐蝕液腐蝕多孔矽形成空腔腔體，上面的矽變成了矽膜;用化學氣相澱積方法在腔體內製備電容器的上、下電極;用物理或化學氣相澱積方法澱積絕緣介質填平腔體開口。
上面所說的本發明的主要製造工藝可按下述二種流程步驟進行製備矽膜電容壓力傳感器，其一種為a.在矽襯底的矽膜設計區，採用擴散或離子注入方法形成高濃度的n+埋層;b.外延生長製作矽膜的n型外延層;c.在緊靠n+埋層邊緣處，通過擴散或離子注入方法形成高濃度的n+陽極氧化通道槽Ⅰ;d.採用陽極氧化技術，使n+埋層和n+槽Ⅰ的高濃度區的矽轉變成多孔矽;e.用腐蝕液腐蝕多孔矽形成空腔腔體，腔體上面的矽變成了矽膜;f.用化學氣相澱積方法在腔體內製備電容器的上、下電極;g.用物理或化學氣相澱積方法澱積絕緣介質填平腔體開口;h.在緊靠n+埋層的其餘邊緣處擴散或離子注入形成高濃度n+槽Ⅱ;i.採用陽極氧化技術，使上面n+槽Ⅱ的高深度區的矽轉變成多孔矽;j.用腐蝕液腐蝕多孔矽形成n+空槽;k.用物理或化學氣相澱積方法澱積絕緣介質填平這一n+空槽。
另一種製備矽膜電容壓力傳感器的工藝流程可將上面一種工藝流程步驟f步的用化學氣相澱積方法在腔體內製備電容器上下電極移到j步的用腐蝕液腐蝕多孔矽形成n+槽之後進行，而其他工藝步驟順序不變。
上述n型矽襯底的雜質濃度為1×1015-5×1016/cm3，晶向為100，高濃度的n+槽的n型雜質濃度一般為1017/cm3-1021/cm3，n+埋層深度等於矽膜電容壓力傳感器所要求的腔體高度，n+槽的深度大於外延層厚度。n型外延層的濃度為1×1015-5×1016cm3，厚度等於傳感器所要求的矽膜厚度。
本發明所說的陽極氧化的電介質溶液為氫氟酸溶液，其濃度為10-50%，稀釋劑為水或乙醇，陽極氧化所控制的陽極電壓為3-10V，其電流密度為20-100mA/cm2。腐蝕多孔矽的腐蝕液為稀鹼性溶液，可為氫氧化鉀、氫氧化鈉或氫氧化銨等，其濃度為2-10%。電容器的上下電極為鎢電極，用化學氣相澱積法在236℃-243℃下，以氬氣或氮氣為攜帶氣體，在矽體內進行WF6的還原反應而形成的。其總壓強為150-260m Torr，WF6流量1Sccm-18Sccm，攜帶氣體流量為320SCCm-550Sccm.
本發明的優點是1、由於採用單面加工，提高了與平面工藝的兼容性，有利於實現集成電路化，有利於降低成本大批量生產;
2、電容器的上下電極都製作在矽片裡，不需要為形成電容器的腔體而進行焊接，從而消除了由焊接所帶來的一系列問題;
3、矽膜和腔體的幾何尺寸都由微電子加工技術所限定，因此加工精度高、重複性好，易實現微型化;
4、腔體的體積極其微小，對管芯的機械強度毫無損害;
5、連接腔體的空槽由蒸發、濺射或CVD澱積的二氧化矽或氮化矽填平，因此氣密性好，參考壓強選擇範圍大。
下面結合附圖對本發明給以說明圖1為現有技術製作的矽膜電容壓力傳感器的示意圖。
圖2為用本發明方法製造的矽膜電容壓力傳感器的示意圖。
其中圖2-1是傳感器的平面圖，圖2-2、圖2-3為圖2-1的剖面圖。圖3為本發明方法製造的矽膜電容壓力傳感器的主要工序芯面圖。
圖3-1為熱氧化生長二氧化矽、光刻n+埋層注入區;
圖3-2為n+埋層注入;
圖3-3為n+埋層注入推進;
圖3-4為n型矽外延生長;
圖3-5x與圖3-5y分別為熱生長二氧化矽、LPCVD澱積氮化矽和多晶矽、光刻n+陽極氧化通道槽Ⅰ擴散區的橫向與縱向剖面圖;
圖3-6x與圖3-6y分別為n+陽極氧化通道槽Ⅰ擴散的橫向與縱向剖面圖;
圖3-7x與圖3-7y分別為陽極氧化生成多孔矽的橫向與縱向剖面圖;
圖3-8x與圖3-8y分別為腐蝕多孔矽橫向與縱向剖面圖;
圖3-9x與圖3-9y分別為LPCVD澱積鎢的橫向與縱向剖面圖;
圖3-10x與圖3-10y分別為澱積二氧化矽或氮化矽填平陽極氧化通道槽Ⅰ的橫向與縱向剖面圖;
圖3-11x與圖3-11y分別為光刻n+陽極氧化通道槽Ⅱ擴散區的橫向與縱向剖面圖;
圖3-12x與圖3-12y分別為n+陽極氧化通道槽Ⅱ擴散的橫向與縱向剖面圖;
圖3-13x與圖3-13y分別為陽極氧化通道槽Ⅱ的矽轉變為多孔矽的橫向與縱向剖面圖;
圖3-14x與圖3-14y分別腐蝕多孔矽的橫向與縱向剖面圖;
圖3-15x與圖3-15y分別為澱積二氧化矽或氮化矽填平通道槽Ⅱ的橫向與縱向剖面圖;
圖3-16x與圖3-16y分別為蒸鋁、光刻鋁條的橫向與縱向剖面圖;
圖中1-n型矽襯底 2-熱氧化生長的二氧化矽3-n+埋層 4-n型外延層5-氮化矽 6-多晶矽
7-n+陽極氧化通道槽Ⅰ 8-多孔矽9-電極 10-LPCVD澱積的二氧化矽11-n+陽極氧化通道槽Ⅱ 12-鋁13-矽膜 14-腔體15-玻璃 16-支撐體實施例製作方形矽膜電容壓力傳感器，矽膜邊長800μm，厚10μm，電容器上下電極之間間隔(腔體高度)為2μm。
製作矽膜電容壓力傳感器的主要工藝步驟(1)熱氧化載流子濃度為3×1015/cm3的(100)n型矽片(1)在1100℃下，溼氧氧化105分鐘，生長二氧化矽(2);
(2)在(100)n型矽片上光刻800μm×800μm的埋層注入區;
工藝步驟(1)-(2)如圖3-1所示。
(3)在SiO2的掩蔽下進行n+埋層注入形成埋層注入區(3)，在100kev下注入As+，注入劑量為1×1015/cm2;
這一工藝步驟如圖3-2所示。
(4)在O2、N2的氣氛下進行n+埋層推進，其條件為1200℃，O2∶N2＝0.2∶0.8，推進160分鐘，結深為2μm;
這一工藝步驟如圖3-3所示。
工藝步驟(3)、(4)也可由Sb擴散取代，擴散條件雙溫區擴散，溫度分別為950℃和1250℃，Sb2O3源量為22克，再擴散時間為25分鐘，O2流量為3l/min，預澱積20分鐘，擴散結深2μm;
(5)除掉矽表面上所有的SiO2後，在整個表面上進行n型矽外延生長，外延層(4)的厚度10μm，濃度大約為3×1015/cm3;
生長條件H2260l/min，SiCl46.4-7g/min，PH3100PPm，0.15-0.18l/min，溫度為1160℃，生長時間為20分鐘;
這一工藝步驟如圖3-4所示。
(6)在1100℃溼氧氧化105分鐘;
(7)低壓化學氣相澱積(LPCVD)氮化矽(5)、厚為2500A°;
(8)LPCVD澱積多晶矽(6)，厚為5400A°;
(9)光刻n+陽極氧化通道槽Ⅰ擴散區;
工藝步驟(6)-(9)如圖3-5x與圖3-5y所示。
(10)n+陽極氧化通道槽Ⅰ擴散形成高濃度的n+槽Ⅰ(7)並與埋層區相連通;採用雙溫區銻擴散，溫度分別為950℃和1250℃，Sb2O3源量為22克，再擴散時間為350分鐘，O2流量為3L/min，預澱積20分鐘，結深為12μm;
這一工藝步驟如圖3-6x與圖3-6y所示。
(11)陽極氧化陽極氧化使得高濃度的n+槽Ⅰ與埋層區的矽轉變成多孔矽(8)，其電介質溶液組分為HF∶C2HOH＝2∶1(也可選用HF∶C2HOH＝2∶2.或1∶2等)陽極電壓為7V(也可選用4V、10V等)，電流密度為40mA/cm2，(也可選用20mA/cm、80mA/cm2等);
這一工藝步驟如圖3-7x圖3-7y所示。
(12)腐蝕多孔矽(8)採用5%KOH溶液在室溫下腐蝕(也可選用其他濃度如3%、8%等。也可選用NaOH等溶液);
這一工藝步驟如圖3-8x與圖3-8y所示。
(13)LPCVD澱積鎢(9)，厚度為200-400A°，其條件溫度為240℃在氬氣流量為400Sccm攜帶下，WF6流量為10Sccm;
這一工藝步驟如圖3-9x與圖3-9y所示。
(14)LPCVD澱積二氧化矽絕緣介質(10)源為四乙氧基矽烷(TEOS)，溫度為650-800℃，TEOS分壓為30Pa-40Pa，澱積二氧化矽厚12μm;
這一工藝步驟如圖3-10x與圖3-10y所示。
(15)光刻n+陽極氧化通道槽Ⅱ擴散區，緊靠埋層其它邊緣處(除槽Ⅰ外的埋層邊緣)光刻槽Ⅱ擴散區;
這一工藝步驟如圖3-11x與圖3-11y所示(16)n+陽極氧化通道槽Ⅱ擴散雙溫區銻擴散，溫度分別為950℃和1250℃，Sb2O3源量為22克，再擴散時間350分鐘，O2流量為3l/min;預澱積時間20分鐘，擴散結深為12μm這一工藝步驟如圖3-12x與圖3-12y所示。
(17)陽極氧化使氧化通道槽Ⅱ擴散區的矽轉變成多孔矽(8)，電介質為氫氟酸溶液，其組分為HF∶C2H5OH＝1∶2(也可用HF∶C2HOH＝2∶2或HF∶C2H5OH＝2∶1)，陽極電壓採用4V，電流密度為80mA/cm2;
這一工藝步驟如圖3-13x與圖3-13y所示。
(18)腐蝕多孔矽，採用5%KOH溶液，室溫下腐蝕;
這一工藝步驟如圖3-14x與圖3-14y所示。
(19)LPCVD澱積二氧化矽(10)，源為四乙氧基矽烷(TEOS)，溫度為650℃-800℃，TEOS分壓為30Pa-40Pa，澱積二氧化矽厚12μm;
這一工藝步驟如圖3-15x與圖3-15y所示。
(20)蒸鋁(12)，光刻鋁條;
這一工藝步驟如圖3-16x與圖3-16y所示。
本發明的這種矽膜電容壓力傳感器的製造工藝與CMOS集成電路工藝完全兼容，也就是說在傳感器的同一矽片上可以採用CMOS電路工藝製作周邊電路構成單片集成矽膜電容壓力傳感器，其CMOS電路製備工藝對該技術領域的技術人員是顯而易見的，同時應該指出的是根據對本發明，特別是實施例的描述，很明顯本發明的工藝步驟的順序與工藝條件的選擇是可以做些調整與變化的，如電容器鎢電極的製備工藝，可將實施例中的工藝步驟(13)移到工藝步驟(18)之後進行，陽極氧化和腐蝕多孔矽等工藝條件，也可根據發明的描述做些變化，做出這樣類似的變化，對本技術領域內的熟練的技術人員來說也是顯而易見的。
權利要求
1.一種矽膜電容壓力傳感器，其特徵在於該傳感器的矽膜下面的空腔是從矽片的正面掏空矽體而形成的密封的腔體，電容器上下電極分別作在腔體內矽膜的下表面和腔體的底面上，緊靠矽膜周圍的腔體開口由物理或化學氣相澱積的絕緣介質填平，電容器的上下電極和矽膜分別由此絕緣介質所隔離和支撐。
2.根據權利要求1所述的矽膜電容壓力傳感器，其特徵在於所用的矽襯底為n型矽，其載流子濃度為1×1015-5×1015/cm3。
3.根據權利要求1所述的矽膜電容壓力傳感器，其特徵在於填平腔體開口的絕緣介質為二氧化矽或氮化矽。
4.根據權利要求1所述的矽膜電容壓力傳感器，其特徵在於該傳感器的電容器的電極為鎢電極。
5.一種如權利要求1所述的矽膜電容壓力傳感器的製造方法，包括在矽片裡形成矽膜、製作電容器電極、構成密封腔體，其特徵在於製作矽膜、電容器的電極、密封腔體，都是由矽片正面加工而成的，主要工藝包括在矽襯底的矽膜設計區，採用擴散或離子注入方法形成高濃度的n+埋層;外延生長製作矽膜的n型外延層;在緊靠n+埋層邊緣處，通過擴散或離子注入方法形成高濃度的n+陽極氧化通道槽;採用陽極氧化技術，使n+埋層和n+槽的高濃度區的矽轉變成多孔矽;用腐蝕液腐蝕多孔矽形成空腔腔體，上面的矽變成了矽膜;用化學氣相澱積方法在腔體內製備電容器的上、下電極;用物理或化學氣相澱積方法澱積絕緣介質填平腔體開口。
6.根據權利要求5所述的矽膜電容壓力傳感器的製造方法，其特徵在於所說的該傳感器的主要製造工藝按下述步驟進行a.在矽襯底的矽膜設計區，採用擴散或離子注入方法形成高濃度的n+埋層;b.外延生長製作矽膜的n型外延層;c.在緊靠n+埋層邊緣處，通過擴散或離子注入方法形成高濃度的n+陽極氧化通道槽Ⅰ;d.採用陽極氧化技術，使n+埋層和n+槽Ⅰ的高濃度區的矽轉變成多孔矽;e.用腐蝕液腐蝕多孔矽形成空腔腔體，腔體上面的矽變成了矽膜;f.用化學氣相澱積方法在腔體內製備電容器的上、下電極;g.用物理或化學氣相澱積方法澱積絕緣介質填平腔體開口;h.在緊靠n+埋層的其餘邊緣處擴散或離子注入形成高濃度n+槽Ⅱ;i.採用陽極氧化技術，使上面n+槽Ⅱ的高濃度區的矽轉變成多孔矽;j.用腐蝕液腐蝕多孔矽形成n+空槽;k.用物理或化學氣相澱積方法澱積絕緣介質填平這一n+空槽。
7.根據權利要求5所述的矽電容壓力傳感器的製造方法，其特徵在於所說的該傳感器的主要製造工藝是按下述步驟進行a.在矽襯底的矽膜設計區，採用擴散或離子注入方法形成高濃度的n+埋層;b.外延生長製作矽膜的n型外延層;c.在緊靠n+埋層邊緣處，通過擴散或離子注入方法形成高濃度的n+陽極氧化通道槽Ⅰ;d.採用陽極氧化技術，使n+埋層和n+槽Ⅰ的高濃度區的矽轉變成多孔矽;e.用腐蝕液腐蝕多孔矽形成空腔腔體，腔體上面的矽變成了矽膜;f.用物理或化學氣相澱積方法澱積絕緣介質填平腔體開口;g.在緊靠n+埋層的其餘邊緣處擴散或離子注入形成高濃度n+槽Ⅱ;h.採用陽極氧化技術，使上面n+槽Ⅱ的高濃度區的矽轉變成多孔矽;i.用腐蝕液腐蝕多孔矽形成n+空槽;j.用化學氣相澱積方法在腔體內製備電容器上、下電極;k.用物理或化學氣相澱積方法澱積絕緣介質填平這一n+空槽。
8.根據權利要求5所述的矽膜電容壓力傳感器的製造方法，其特徵在於n+埋層和n+槽的n型雜質濃度都一般為1017-1021/cm3，n+埋層深度等於傳感器所要求的腔體高度，n+槽深度大於外延層厚度。
9.根據權利要求4所述的矽膜電容壓力傳感器的製造方法，其特徵在於n型矽外延層的雜質濃度為1×1015-5×1016/cm3、外延層厚度等於傳感器所要求的矽膜厚度。
10.根據權利要求5、6或7所述的矽膜電容壓力傳感器的製造方法，其特徵在於陽極氧化的電介質溶液為氫氟酸溶液，其濃度為10-50%。
11.根據權利要求5、6或7所說的矽膜電容壓力傳感器的製造方法，其特徵在於所說的腐蝕多孔矽所用的腐蝕液為稀鹼性溶液，如用氫氧化鉀，氫氧化鈉或氫氧化銨等溶液。
12.根據權利要求5所述的矽膜電容壓力傳感器的製造方法，其特徵在於電容器的電極是氟化鎢在氫或氮氣等氣體攜帶下，在矽表面進行還原反應而製得的鎢電極。
全文摘要
本發明提供了一種平面嵌入式矽膜電容壓力傳感器及其製造方法。本發明的傳感器的矽膜下面的空腔是從矽片的正面掏空矽體而形成的密封腔體，電容器的電極分別做在腔體內矽膜的下表面和腔體的底面上，電容器的上下電極和矽膜由絕緣介質所隔離和支撐。它是採用擴散或離子注入、外延、陽極氧化、腐蝕多孔矽、物理或化學氣相澱積等技術製備的。其製備工藝與平面工藝兼容，易於集成與大批量生產，且成本低，器件性能好。
文檔編號H01L21/02GK1058298SQ9010465
公開日1992年1月29日 申請日期1990年7月19日 優先權日1990年7月19日
發明者塗相徵, 李韞言 申請人:塗相徵, 李韞言