專利名稱：高穩(wěn)定高靈敏單片硅基微壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
高穩(wěn)定高靈敏單片硅基微壓傳感器本實(shí)用新型屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高穩(wěn)定高靈敏單片硅基微壓傳感
O微壓傳感器通常是指小于IOKpa量程的壓力傳感器。這類傳感器要求靈敏度很高。即在很小壓強(qiáng)作用下就要有很大的電信號(hào)輸出。例如用作呼吸傳感器時(shí)，就要把人體微弱的呼吸信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。為了達(dá)到這個(gè)目的，微壓傳感器中的核心部份-彈性硅膜制作得很薄。把厚度為400微米的圓片經(jīng)過(guò)集成電路平面工藝，在背面光刻出腐蝕窗口，正面保護(hù)，放在硅單晶腐蝕液中腐蝕，使窗口內(nèi)硅單晶厚度從400微米減小到僅2-30微米左右。因此在工藝制作上難度較高，傳統(tǒng)的工藝制作，產(chǎn)出率也低，成本高，賣價(jià)也就較其它大量程傳感器高。目前國(guó)際或國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售的微壓傳感器有二種結(jié)構(gòu)型式一種稱為C型結(jié)構(gòu)，即正面也用平面工藝在特定區(qū)域制作四個(gè)P型電阻和鋁引線，形成一個(gè)惠斯頓電橋。當(dāng)正面或背面受壓時(shí)，電橋中電阻二個(gè)變大，二個(gè)變小，產(chǎn)生與壓強(qiáng)成正比的電信號(hào)輸出。如圖2 所示，這種結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是當(dāng)傳感器量程小到一定程度時(shí)，硅膜必須很薄，才能保證足夠高的靈敏度，這時(shí)這種結(jié)構(gòu)的大繞度效應(yīng)成為突出的矛盾，使傳感器的非線性指標(biāo)變大，測(cè)量精度迅速下降。這種傳感器只能用在要求不高的場(chǎng)合。為了克服這種弊病，產(chǎn)生了第二種E型結(jié)構(gòu)。如圖3所示，即在背面形成一個(gè)大島。島的頂面與邊框平面低5-10微米。由于島是一個(gè)堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)，當(dāng)傳感器彈性膜受壓時(shí)島不會(huì)變形，因此認(rèn)為背島區(qū)域內(nèi)應(yīng)力不發(fā)生變化，而在島的周圍彈性膜區(qū)域內(nèi)應(yīng)力形成一個(gè)線性變化，保證橋路在應(yīng)力作用下產(chǎn)生線性的電信號(hào)輸出。這種結(jié)構(gòu)不僅有非線性內(nèi)補(bǔ)償作用，而且背面有過(guò)載限位作用。因此成為目前國(guó)際上微壓傳感器的主打產(chǎn)品。但是這種結(jié)構(gòu)還存在如下三方面缺點(diǎn)其一是背島因側(cè)面存在形成一個(gè)梯形結(jié)構(gòu)，底角為74°，所以背島將占據(jù)很大面積。尤其在園片厚度很厚時(shí)，矛盾更為突出。使微壓傳感器芯片面積很大，產(chǎn)出率變低。其二是背島的自重效應(yīng)不能忽略。背島的重力作用在周邊彈性膜的壓敏電阻上，形成一個(gè)較大的固有零點(diǎn)輸出信號(hào)。當(dāng)傳感器位置發(fā)生變化時(shí)，零位輸出電壓也跟著發(fā)生變化。這給測(cè)量帶來(lái)很大的不穩(wěn)定性。其三是芯片與玻璃進(jìn)行陽(yáng)極鍵合時(shí)，島頂部與玻璃間隙僅5-10微米，會(huì)產(chǎn)生很大的靜電庫(kù)侖力，把島拉向坡璃表面，造成島與玻璃鍵合在一起，使器件失效。其四是腐蝕硅膜時(shí)沒(méi)有腐蝕自終止結(jié)構(gòu)，所以很難控制硅膜厚度。產(chǎn)出率低，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。本實(shí)用新型的目的在于提供一種高穩(wěn)定高靈敏單片硅基微壓傳感器。取代進(jìn)口芯片，節(jié)省外匯，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。解決了目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上微壓傳感器存在的問(wèn)題，無(wú)論從芯片面積、電學(xué)性能、產(chǎn)出率、生產(chǎn)工藝都優(yōu)于傳統(tǒng)的微壓傳感器。本實(shí)用新型的工藝完全與傳統(tǒng)的集成電路平面工藝兼容，沒(méi)有增添任何新設(shè)備，即可完成本實(shí)用新型的單片硅基微壓傳感器。為實(shí)現(xiàn)上述目的設(shè)計(jì)一種高穩(wěn)定高靈敏單片硅基微壓傳感器，包括一 N型硅基片，所述硅基片的兩面均設(shè)有二氧化硅層，所述硅基片正面光刻出背島窗口，所述背島窗口內(nèi)單晶硅腐蝕形成一凹坑，所述凹坑的表面生長(zhǎng)有二氧化硅層，所述凹坑內(nèi)填有多晶硅層， 所述硅基片的正面鍵合連接表面熱生長(zhǎng)二氧化硅層的單晶硅彈性薄膜層，所述單晶硅彈性薄膜層表面采用集成電路平面工藝制作有四個(gè)P型電阻和鋁引線組成一個(gè)惠斯頓電橋，所述硅基片背面光刻出方形窗口，所述方形窗口內(nèi)單晶硅直至腐蝕到二氧化硅層，所述背島窗口區(qū)形成背島結(jié)構(gòu)。所述凹坑深度為60-100微米，所述凹坑的表面二氧化硅層的厚度為6000 A，所述背島結(jié)構(gòu)的厚度為60-80微米。所述單晶硅彈性薄膜層厚度為2-30微米。本實(shí)用新型同現(xiàn)有技術(shù)相比，明顯的區(qū)別就是新結(jié)構(gòu)中的背島比現(xiàn)有微壓傳感器中的背島顯得薄而且面積小很多。其效果1、新結(jié)構(gòu)微壓傳感器與現(xiàn)有微壓傳感器在相同的彈性硅膜條件下，芯片面積小很多，同一片晶圓的差出率高很多，從而降低了成本；2、克服了自重效應(yīng)，增加了微壓傳感器的穩(wěn)定性；3、由于背島底面離玻璃表面距離很大，達(dá)300 微米以上，在與玻璃靜電鍵合時(shí)產(chǎn)生的靜電庫(kù)侖力要小很多，從而不會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象；4、在這種新結(jié)構(gòu)中，由于在彈性硅膜底部有6000埃抗腐蝕的二氧化硅層，因此具有腐蝕自終止效果。大大提高了成品率。5、彈性硅膜厚度是由硅單晶減薄拋光精密設(shè)備加工決定膜厚大小，保證了彈性硅膜厚度的一致性。這使新結(jié)構(gòu)微壓傳感器在生產(chǎn)工藝過(guò)程中，其靈敏度一致性比現(xiàn)有微壓傳感器高很多倍。


圖1為本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有的C型結(jié)構(gòu)微壓傳感器示意圖；圖3為現(xiàn)有的E型結(jié)構(gòu)微壓傳感器示意圖；圖4為本實(shí)用新型的工藝流程實(shí)施剖面圖；圖中1、氧化2、光刻背島3、腐蝕背島區(qū)4、氧化5、反外延6、減薄拋光7、 硅-硅鍵合8、氧化9、光刻電阻10、離子注入、退火兼分布11、光刻引線孔12、光刻大背膜13、蒸鋁14、光刻鋁引線15、腐蝕背大膜區(qū)，實(shí)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)21、二氧化硅層22、硅基片 23、單晶硅彈性薄膜層24、鋁引線25、橋路電阻26、背島結(jié)構(gòu)27、二氧化硅層。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作以下進(jìn)一步說(shuō)明如
圖1所示，本實(shí)用新型包括一個(gè)厚度為400微米的N型硅基片；在硅基片的兩面熱氧化覆蓋耐KOH腐蝕的絕緣層二氧化硅；用光刻技術(shù)在正面刻蝕背島窗口區(qū)；用TMAH四甲基氫氧化銨腐蝕液腐蝕窗口區(qū)內(nèi)暴露的單晶硅層，形成深度為60-100微米的凹坑；用熱氧化工藝，在凹坑的表面生長(zhǎng)一層6000 A厚度的二氧化硅層，用反外延工藝在二氧化硅層表面淀積厚度大于100微米的多晶硅層填滿凹坑。再用減薄拋光工藝，使硅基片表面形成平整光潔的表面。用另外一片硅基片表面熱生長(zhǎng)二氧化硅層后與上面加工后的硅基片鍵合(硅-硅鍵合工藝)，經(jīng)減薄拋光工藝后，僅留2-30微米左右厚的單晶硅彈性薄膜層。在該單晶硅彈性薄膜層表面采用集成電路平面工藝，在特定區(qū)域制作四個(gè)P型電阻和鋁引線組成一個(gè)惠斯頓電橋。在該基片背面通過(guò)光刻工藝開(kāi)出方形窗口，正面保護(hù)，背面用40%濃度的KOH腐蝕液腐蝕窗口內(nèi)單晶硅，直至腐蝕到氧化層，自然終止腐蝕。而在特定區(qū)域的背島表面均有二氧化層保護(hù)不被腐蝕，形成厚度60-80微米的背島結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施過(guò)程如下1、硅片準(zhǔn)備4英寸或6英寸雙面拋光大圓片，厚度400微米左右，晶向?yàn)?100)， 電阻率2-8 Ω-cm ；2、氧化在硅基片的兩面熱氧化覆蓋耐KOH腐蝕的絕緣層二氧化硅；3、光刻背島區(qū)背面光刻膠保護(hù)，正面用光刻技術(shù)刻蝕背島窗口區(qū)；4、腐蝕背島窗口區(qū)用TMAH四甲基氫氧化銨腐蝕液腐蝕窗口區(qū)內(nèi)暴露的單晶硅層，形成深度為60-100微米的凹坑；5、氧化用熱氧化工藝，在凹坑的表面生長(zhǎng)一層6000 A厚度的二氧化硅層；6、外延用反外延工藝在二氧化硅層表面淀積厚度大于100微米的多晶硅層填滿凹坑；7、減薄拋光用減薄拋光工藝，使硅基片表面形成平整光潔的表面；8、硅-硅鍵合用另外一片硅基片表面熱生長(zhǎng)氧化層后與上面加工后的硅基片鍵合；9、減薄拋光把鍵合上的硅基片經(jīng)減薄拋光工藝后，僅留2-30微米左右厚的單晶硅彈性薄膜層；10、氧化在2-30微米左右厚的單晶硅彈性薄膜層表面熱生長(zhǎng)二氧化硅層，厚度為 3000A;11、光刻橋路電阻區(qū)在特定區(qū)域光刻四個(gè)P型電阻區(qū)；12、離子注入在四個(gè)電阻區(qū)的窗口內(nèi)，用離子束注入P型雜質(zhì)硼離子，能量 lOOKev，劑量為 1. 4E14/cm2 ；[0029]13、退火兼再分布把離子注入后的硅片放在1000°C的高溫?cái)U(kuò)散爐內(nèi)通氮?dú)馔嘶?30分鐘，激活注入的硼離子取代硅原子晶格中的空格點(diǎn)，提供空穴載流子。再提升爐溫至 1100，通干氧進(jìn)行再分布，時(shí)間120分鐘，P型電阻區(qū)的結(jié)深達(dá)2. 8…3. 0微米，用四探針測(cè)試儀測(cè)得電阻區(qū)的薄層電阻為240Ω/ □；14、光刻引線孔在四個(gè)橋路電阻的端頭，用光刻工藝光刻出引線孔；15、濃硼擴(kuò)散在引線孔內(nèi)用離子注入或熱擴(kuò)散工藝擴(kuò)散入高濃度的硼離子，使引線孔內(nèi)的薄層電阻為8…20Ω/口 ；16、LPCVD汽相淀積氮化硅薄膜正反面同時(shí)淀積1500 A;17、光刻引線孔重新套刻引線孔表面的氮化硅和氧化層，暴露引線孔內(nèi)硅單晶硅表面；18、正面光刻膠保護(hù)，背面光刻方形開(kāi)孔區(qū)(俗稱背大膜區(qū))；19、蒸鋁在基片正面采用真空鍍膜機(jī)淀積厚度1. 2微米的鋁膜；20、光刻鋁引線把不需要的鋁層用熱磷酸腐蝕掉，把需要的鋁引線用光刻膠保護(hù)被保留下來(lái)，通過(guò)一定的聯(lián)接方式，把四個(gè)橋路電阻連接成一個(gè)完整的惠斯頓電橋；
5[0037]21、實(shí)現(xiàn)彈性硅膜和背島正面保護(hù)，背面用40%濃度的KOH腐蝕液腐蝕窗口內(nèi)單晶硅，直至腐蝕到氧化層，自然終止腐蝕，形成2-30微米左右厚的單晶硅彈性薄膜。而在特定區(qū)域的背島表面均有二氧化層保護(hù)不被腐蝕，形成厚度60-80微米的背島結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型并不受上述實(shí)施方式的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種高穩(wěn)定高靈敏單片硅基微壓傳感器，包括一 N型硅基片，所述硅基片的兩面均設(shè)有二氧化硅層，其特征在于所述硅基片正面光刻出背島窗口，所述背島窗口內(nèi)單晶硅腐蝕形成一凹坑，所述凹坑的表面生長(zhǎng)有二氧化硅層，所述凹坑內(nèi)填有多晶硅層，所述硅基片的正面鍵合連接表面熱生長(zhǎng)二氧化硅層的單晶硅彈性薄膜層，所述單晶硅彈性薄膜層表面采用集成電路平面工藝制作有四個(gè)P型電阻和鋁引線組成一個(gè)惠斯頓電橋，所述硅基片背面光刻出方形窗口，所述方形窗口內(nèi)單晶硅直至腐蝕到二氧化硅層，所述背島窗口區(qū)形成背島結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的高穩(wěn)定高靈敏單片硅基微壓傳感器，其特征在于所述凹坑深度為60-100微米，所述凹坑的表面二氧化硅層的厚度為6000 A，所述背島結(jié)構(gòu)的厚度為 60-80微米。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高穩(wěn)定高靈敏單片硅基微壓傳感器，其特征在于所述單晶硅彈性薄膜層厚度為2-30微米。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種高穩(wěn)定高靈敏單片硅基微壓傳感器，包括硅基片，所述硅基片正面光刻出背島窗口，背島窗口內(nèi)單晶硅腐蝕形成一凹坑，凹坑的表面生長(zhǎng)有二氧化硅層，凹坑內(nèi)填有多晶硅層，所述硅基片的正面鍵合連接表面熱生長(zhǎng)二氧化硅層的單晶硅彈性薄膜層，單晶硅彈性薄膜層表面制作有惠斯頓電橋，所述硅基片背面光刻出方形窗口，所述方形窗口內(nèi)單晶硅直至腐蝕到二氧化硅層，所述背島窗口區(qū)形成背島結(jié)構(gòu)；本實(shí)用新型有益效果芯片面積小，成本降低；克服了自重效應(yīng)；由于背島底面離玻璃表面距離很大，在與玻璃靜電鍵合時(shí)產(chǎn)生的靜電庫(kù)侖力要小很多，從而不會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象；在彈性硅膜底部有二氧化硅層，因此具有腐蝕自終止效果，保證了彈性硅膜厚度的一致性。
文檔編號(hào)B81B3/00GK202075068SQ201120079648
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者葉俊, 沈海峰, 沈紹群 申請(qǐng)人:上海賽素傳感器科技有限公司