空腔薄膜压阻式压力传感器及其制造方法

摘要

本发明提供一种空腔薄膜压阻式压力传感器及其制造方法，该传感器包括：P型掺杂的硅衬底；形成于所述硅衬底内的N阱，该N阱包围的区域内嵌有空腔；单晶薄膜，位于所述空腔上方并封闭该空腔，该单晶薄膜靠近所述空腔的一侧包含有N型掺杂的网格结构，该网格结构的边缘与所述N阱相接。本发明无需通过传统的键合封装工艺形成空腔，直接将空腔嵌入至硅衬底内，工艺简单、可满足小型化、低成本、大批量生产的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS传感器技术，尤其涉及一种空腔薄膜压阻式压力传感器及 其制造方法。

背景技术

压阻式压力传感器出现于20世纪60年代，随着技术的不断发展，微机电系 统(MEMS)加工技术的日趋成熟，压阻式压力传感器实现了生产的批量化、低成 本化，在压力传感器领域占有主导地位。压阻式压力传感器较其他压力传感器，比 如电容式、谐振式压力传感器等具有明显优势，其具有灵敏度高、响应速度快、可 靠性高、功耗低、体积小等一系列优点。

当前压力传感器主要是利用体硅技术微机械加工而成，压力膜片主要是方形 或者圆形，膜片上的压敏电阻通过惠斯通电桥实现对外部压力变化的检测。目前， 一种比较典型的方法是通过硅-玻璃或者硅-硅键合的方式形成压力空腔与支撑结 构。但是，这种结构的压力传感器尺寸较大，制造成本高并且工艺复杂。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种空腔薄膜压阻式压力传感器及其制造方法，无 需通过传统的键合封装工艺形成空腔，直接将空腔嵌入至硅衬底内，工艺简单、可 满足小型化、低成本、大批量生产的需求。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种空腔薄膜压阻式压力传感器，包括：

P型掺杂的硅衬底；

形成于所述硅衬底内的N阱，该N阱包围的区域内嵌有空腔；

单晶薄膜，位于所述空腔上方并封闭该空腔，该单晶薄膜靠近所述空腔的一 侧包含有N型掺杂的网格结构，该网格结构的边缘与所述N阱相接。

根据本发明的一个实施例，所述N阱的深度大于所述空腔的深度。

根据本发明的一个实施例，所述传感器还包括：

单晶压阻，位于所述空腔上方且位于所述单晶薄膜远离该空腔的一侧内；

绝缘层，覆盖所述单晶薄膜，该绝缘层内具有接触孔，该接触孔的底部露出 所述单晶压阻；

位于所述接触孔内的金属电极，该金属电极与所述单晶压阻电接触。

根据本发明的一个实施例，所述硅衬底的电阻率小于10Ω·cm。

根据本发明的一个实施例，所述硅衬底的电阻率为5-10Ω·cm。

根据本发明的一个实施例，所述硅衬底的晶向为<100>。

根据本发明的一个实施例，所述N阱的深度为3-10μm。

根据本发明的一个实施例，所述空腔的深度为3-10μm。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种空腔薄膜压阻式压力传感器的制造 方法，包括：

提供P型掺杂的硅衬底，该硅衬底包括空腔形成区域；

在所述硅衬底内形成N阱，所述N阱包围所述空腔形成区域；

对所述空腔形成区域内的硅衬底进行离子注入，形成N型掺杂的网格结构， 该网格结构的边缘与所述N阱相接；

对所述空腔形成区域内的硅衬底进行电化学腐蚀，所述空腔形成区域内的硅 衬底在所述电化学腐蚀中发生反应形成多孔硅，所述N型掺杂的网格结构在所述 电化学腐蚀中不发生反应；

采用湿法腐蚀将所述多孔硅移除，以形成空腔；

进行单晶外延，所述网格结构包含的空洞在单晶外延过程中闭合以形成封闭 该空腔的单晶薄膜。

根据本发明的一个实施例，所述N阱的深度大于所述空腔的深度。

根据本发明的一个实施例，所述制造方法还包括：

对所述单晶薄膜进行离子注入，以形成单晶压阻；

沉积绝缘层，该绝缘层覆盖所述单晶薄膜；

对该绝缘层进行图形化以形成接触孔，所述接触孔的底部露出所述单晶压阻；

在所述接触孔中形成金属电极，该金属电极与所述单晶压阻电接触。

根据本发明的一个实施例，在所述硅衬底中形成N阱包括：

在所述硅衬底上形成第一掩膜层；

对所述第一掩膜层进行图形化，定义出所述N阱的窗口图形；

以图形化后的第一掩膜层为掩膜进行离子注入，以形成所述N阱；

去除所述第一掩膜层。

根据本发明的一个实施例，对所述空腔形成区域内的硅衬底进行离子注入， 形成N型掺杂的网格结构包括：

在所述硅衬底上形成第二掩膜层；

对所述第二掩膜层进行图形化，将所述空腔形成区域内的第二掩膜层去除以 定义出所述空腔形成区域的窗口图形；

形成光刻胶层并对其进行图形化，形成所述网格结构的图形；

以图形化后的光刻胶层为掩膜，对所述空腔形成区域内的硅衬底进行离子注 入，以形成所述N型掺杂的网格结构；

去除所述光刻胶层。

根据本发明的一个实施例，所述电化学腐蚀是以图形化后的所述第二掩膜层 为掩膜进行的。

根据本发明的一个实施例，所述电化学腐蚀采用的腐蚀液为HF与C₂H₅OH的 混合溶液，其中，HF与C₂H₅OH的体积比为1：1。

根据本发明的一个实施例，采用湿法腐蚀将所述多孔硅移除时采用的腐蚀液 为SC1溶液或TMAH溶液。

根据本发明的一个实施例，进行单晶外延时使用的气源为SiH₂Cl₂，单晶外延 的温度为900℃～1100℃。

根据本发明的一个实施例，所述硅衬底的电阻率小于10Ω·cm。

根据本发明的一个实施例，所述硅衬底的电阻率为5-10Ω·cm。

根据本发明的一个实施例，所述硅衬底的晶向为<100>。

根据本发明的一个实施例，所述N阱的深度为3-10μm。

根据本发明的一个实施例，所述空腔的深度为3-10μm。

为了解决上述问题，本发明还提供了另一种空腔薄膜压阻式压力传感器的制 造方法，包括：

提供P型掺杂的硅衬底，该硅衬底包括空腔形成区域；

在所述硅衬底内形成N阱，所述N阱包围所述空腔形成区域；

对所述空腔形成区域内的硅衬底进行离子注入，形成N型掺杂的网格结构， 该网格结构的边缘与所述N阱相接；

对所述空腔形成区域内的硅衬底进行电化学腐蚀，所述空腔形成区域内的硅 衬底在所述电化学腐蚀中发生反应形成多孔硅，所述N型掺杂的网格结构在所述 电化学腐蚀中不发生反应；

进行单晶外延，所述多孔硅在单晶外延过程中塌陷形成空腔，所述网格结构 包含的空洞在单晶外延过程中闭合以形成封闭该空腔的单晶薄膜。

根据本发明的一个实施例，所述N阱的深度大于所述空腔的深度。

根据本发明的一个实施例，所述制造方法还包括：

对所述单晶薄膜进行离子注入，以形成单晶压阻；

沉积绝缘层，该绝缘层覆盖所述单晶薄膜；

对该绝缘层进行图形化以形成接触孔，所述接触孔的底部露出所述单晶压阻；

在所述接触孔中形成金属电极，该金属电极与所述单晶压阻电接触。

根据本发明的一个实施例，在所述硅衬底中形成N阱包括：

在所述硅衬底上形成第一掩膜层；

对所述第一掩膜层进行图形化，定义出所述N阱的窗口图形；

以图形化后的第一掩膜层为掩膜进行离子注入，以形成所述N阱；

去除所述第一掩膜层。

根据本发明的一个实施例，对所述空腔形成区域内的硅衬底进行离子注入， 形成N型掺杂的网格结构包括：

在所述硅衬底上形成第二掩膜层；

对所述第二掩膜层进行图形化，将所述空腔形成区域内的第二掩膜层去除以 定义出所述空腔形成区域的窗口图形；

形成光刻胶层并对其进行图形化，形成所述网格结构的图形；

以图形化后的光刻胶层为掩膜，对所述空腔形成区域内的硅衬底进行离子注 入，以形成所述N型掺杂的网格结构；

去除所述光刻胶层。

根据本发明的一个实施例，所述电化学腐蚀是以图形化后的所述第二掩膜层 为掩膜进行的。

根据本发明的一个实施例，所述电化学腐蚀采用的腐蚀液为HF与C₂H₅OH的 混合溶液，其中，HF与C₂H₅OH的体积比为1：1。

根据本发明的一个实施例，进行单晶外延时使用的气源为SiH₂Cl₂，单晶外延 的温度为900℃～1100℃。

根据本发明的一个实施例，所述硅衬底的电阻率小于10Ω·cm。

根据本发明的一个实施例，所述硅衬底的电阻率为5-10Ω·cm。

根据本发明的一个实施例，所述硅衬底的晶向为<100>。

根据本发明的一个实施例，所述N阱的深度为3-10μm。

根据本发明的一个实施例，所述空腔的深度为3-10μm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的空腔薄膜压阻式压力传感器直接将空腔嵌入至硅衬底内，在N 型掺杂的网格结构基础上外延得到的单晶薄膜将该空腔封闭，从而有利于实现传感 器的小型化。

本发明实施例的空腔薄膜压阻式压力传感器的制造方法中，采用N型掺杂的 N阱定义出空腔形成区域，并在空腔形成区域内通过离子注入形成N型掺杂的网 格结构，之后通过电化学腐蚀将空腔形成区域内的硅衬底反应形成多孔硅，而网格 结构不发生反应转化，通过腐蚀将多孔硅去除以形成空腔，在采用单晶外延使得网 格结构的空洞闭合从而在空腔上方形成单晶薄膜。该方法工艺简单，可以直接将空 腔嵌入硅衬底内，避免了采用传统体硅加工技术带来的不足，能够满足小型化、低 成本、大批量生产的需求。

另外，根据本发明另一实施例的空腔薄膜压阻式压力传感器的制造方法，在 形成多孔硅之后，可以直接进行单晶外延而不移除该多孔硅，在单晶外延过程中， 多孔硅将塌陷形成空腔。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的空腔薄膜压阻式压力传感器的制造方法的流 程示意图；

图2至图12是根据本发明第一实施例的空腔薄膜压阻式压力传感器的制造方 法中各步骤对应的器件剖面结构示意图；

图13是根据本发明第二实施例的空腔薄膜压阻式压力传感器的制造方法的流 程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发 明的保护范围。

参考图1，第一实施例的空腔薄膜压阻式压力传感器的制造方法包括如下步 骤：

步骤S11，提供P型掺杂的硅衬底，该硅衬底包括空腔形成区域；

步骤S12，在所述硅衬底内形成N阱，所述N阱包围所述空腔形成区域；

步骤S13，对所述空腔形成区域内的硅衬底进行离子注入，形成N型掺杂的 网格结构，该网格结构的边缘与所述N阱相接；

步骤S14，对所述空腔形成区域内的硅衬底进行电化学腐蚀，所述空腔形成区 域内的硅衬底在所述电化学腐蚀中发生反应形成多孔硅，所述N型掺杂的网格结 构在所述电化学腐蚀中不发生反应；

步骤S15，采用湿法腐蚀将所述多孔硅移除，以形成空腔；

步骤S16，进行单晶外延，所述网格结构包含的空洞在单晶外延过程中闭合以 形成封闭该空腔的单晶薄膜。

下面结合图2至图12对第一实施例的制造方法进行详细说明。

参考图2，提供P型掺杂的硅衬底100。作为一个非限制性的例子，该硅衬底 100的晶向为<100>，电阻率优选为小于10Ω·cm，更加优选地，硅衬底100的电阻 率为5-10Ω·cm。

之后，在该硅衬底100上形成第一掩膜层101。作为一个非限制性的例子，该 第一掩膜层101为SiO₂层，其厚度可以是

参考图3，对第一掩膜层101进行图形化，定义出N阱1001的窗口图形。例 如，可以在第一掩膜层101的表面通过匀胶、光刻、显影和刻蚀形成N阱1001的 窗口图形。

之后，以图形化后的第一掩膜层101为掩膜进行离子注入，注入的离子类型 是N型，例如磷离子。在离子注入之后，可以进行高温退火，以形成相对重掺杂 (N+)的N阱1001。该N阱1001的深度大于预计要形成的空腔的深度，N阱1001 的深度例如可以是3-10μm。

该N阱1001包围空腔形成区域，该空腔形成区域指的是硅衬底100上将要形 成空腔的区域。

之后，可以将第一掩膜层101去除。

参考图4，在硅衬底100上形成第二掩膜层。该第二掩膜层例如可以是SiO₂层102和Si₃N₄层103的叠层结构。该SiO₂层102的厚度一般需要小于优 选的值为Si₃N₄层103的厚度一般为几千埃，优选的值为

参考图5，对SiO₂层102和Si₃N₄层103进行图形化，将N阱1001包围区域 内的SiO₂层102和Si₃N₄层103去除，从而定义出空腔形成区域的窗口图形。SiO₂层102和Si₃N₄层103的图形化过程可以包括光刻胶匀胶、光刻、显影、刻蚀等常 规步骤。

参考图6，形成光刻胶层(图中未示出)并对其进行图形化，形成网格结构的 图形；以图形化后的光刻胶层为掩膜，对N阱1001包围的空腔形成区域内的硅衬 底100进行离子注入，注入的离子类型为N型，例如磷离子。将该光刻胶层去除 后，可以进行高温退火以形成相对轻掺杂(N－)的网格结构1002。网格结构1002 包括多个相互交织的条状N型掺杂区，网格结构1002为网状，其中包含有多个空 洞。

该网格结构1002的边缘与N阱1001相接。需要注意的是，由于图6是剖面 图，其仅示出了垂直纸面方向的部分条状N型掺杂区，虽然看似其并未与N阱1001 相接，然而其向外延伸后将与环绕的N阱1001相接。

参考图7，以SiO₂层102和Si₃N₄层103为掩膜，对N阱1001包围区域内的 硅衬底100进行电化学腐蚀。在电化学腐蚀过程中，P型掺杂的硅衬底100发生反 应形成多孔硅1003，而N型掺杂的N阱1001和网格结构1002则不发生反应，依 旧保持为单晶结构。由于网格结构1002的空洞中仍然保留有P型掺杂的硅衬底 100，因此，网格结构1002的空洞内的硅衬底100也反应形成多孔硅。

电化学腐蚀的深度可以为需要形成的空腔的深度。该多孔硅1003的孔隙率等 特性可以通过控制电化学腐蚀采用的腐蚀液浓度、电流大小等实现。在适当的腐蚀 液浓度下，N型掺杂的网格结构1002不会发生破裂，优选地，腐蚀液为HF与 C₂H₅OH的混合溶液，其中，HF与C₂H₅OH的体积比为1：1。HF和C₂H₅OH的浓 度可以是常规值，例如，HF的浓度为45％～49％，C₂H₅OH的浓度为95％～99％。 当然，上述腐蚀液及其体积比、配比等参数仅仅是优选的方案，也可以采用其他适 当的腐蚀液。

参考图8，采用湿法腐蚀将多孔硅移除，从而形成空腔1004。湿法腐蚀中使 用的腐蚀液为碱性溶液。例如，可以采用SC1溶液或TMAH溶液。

空腔1004的典型深度一般为3-10μm。同时，网格结构1002的空洞内填充的 多孔硅也被移除，网格结构1002此时呈镂空状，由N阱1001支撑。

参考图9，进行单晶外延，网格结构1002的空洞在单晶外延过程中生长闭合， 从而形成单晶薄膜105。单晶薄膜105是在网格结构1002的基础上单晶外延生长 得到的，在完成单晶外延后，网格结构1002包含在单晶薄膜105靠近空腔1004 的一侧。在单晶外延过程中，外延的填充效应以及网格结构1002中的硅原子前移 共同促成了空洞的闭合以及单晶薄膜105的形成。

单晶外延使用的气源为含硅的气体，优选为SiH₂Cl₂，反应温度优选为900℃ ～1100℃。当然，上述气体以及温度仅仅是优选的方案，单晶外延中还可以采用其 他适当的气体以及工艺参数。

参考图10，对单晶薄膜105进行离子注入，在单晶薄膜105远离空腔1004 的一侧形成单晶压阻1051。例如，可以通过光刻胶匀胶、光刻、显影在单晶薄膜 105上定义出单晶压阻1051的图形；之后以单晶压阻1051的图形为掩膜进行离子 注入；将光刻胶去除后，经过高温退火之后形成单晶压阻1051。

参考图11，在单晶薄膜105上沉积绝缘层106，对该绝缘层106进行图形化 以形成接触孔，接触孔的底部露出单晶压阻1051。例如，可以通过常规的光刻胶 匀胶、光刻、显影、刻蚀等方法来形成上述接触孔。

参考图12，在接触孔中形成金属电极107，该金属电极107与单晶压阻1051 电接触。该金属电极107的材料可以是铝。例如，可以在绝缘层106上沉积铝，然 后通过光刻胶匀胶、光刻、显影、刻蚀形成金属电极107。绝缘层106上也可以形 成有金属电极107，作为单晶压阻1051的外围电路。

作为一个非限制性的例子，单晶薄膜105上形成的单晶压阻1051的数量为4 个，这4个单晶压阻1051通过金属电极107的互连构成惠斯通电桥。

至此，本实施例形成的空腔薄膜压阻式压力传感器的结构如图12所示，包括： P型掺杂的硅衬底100；形成于硅衬底100内的N阱1001，该N阱1001包围的区 域内嵌有空腔1004；单晶薄膜105，位于空腔1004上方并封闭该空腔1004，该单 晶薄膜105靠近空腔1004的一侧包含有N型掺杂的网格结构1002，该网格结构 1002的边缘与N阱1001相接；单晶压阻1051，位于空腔1004上方并且位于单晶 薄膜105远离该空腔1004的一侧内；绝缘层106，覆盖单晶薄膜105，该绝缘层 106内具有接触孔，该接触孔的底部露出单晶压阻1051；位于接触孔内的金属电极 107，该金属电极107与单晶压阻1051电接触。

上述第一实施例中，在形成多孔硅之后，通过湿法腐蚀将多孔硅移除，然后 再进行单晶外延。而在第二实施例中，可以在形成多孔硅之后，直接进行单晶外延， 而省去多孔硅的移除步骤。

参考图13，第二实施例的制造方法包括如下步骤：

步骤S21，提供P型掺杂的硅衬底，该硅衬底包括空腔形成区域；

步骤S22，在所述硅衬底内形成N阱，所述N阱包围所述空腔形成区域；

步骤S23，对所述空腔形成区域内的硅衬底进行离子注入，形成N型掺杂的 网格结构，该网格结构的边缘与所述N阱相接；

步骤S24，对所述空腔形成区域内的硅衬底进行电化学腐蚀，所述空腔形成区 域内的硅衬底在所述电化学腐蚀中发生反应形成多孔硅，所述N型掺杂的网格结 构在所述电化学腐蚀中不发生反应；

步骤S25，进行单晶外延，所述多孔硅在单晶外延过程中塌陷形成空腔，所述 网格结构包含的空洞在单晶外延过程中闭合以形成封闭该空腔的单晶薄膜。

在第二实施例中，在单晶外延过程中，先前形成的多孔硅会发生塌陷，网格 结构由于并未反应形成多孔硅，因而网格结构并不会塌陷，从而能够通过单晶外延 形成单晶薄膜以及单晶薄膜下方的空腔。而且，采用第二实施例的方法，网格结构 下方的多孔硅在单晶外延过程中也会发生硅原子的迁移，可以促进网格结构的空洞 的封闭。

关于第二实施例的制造方法的详细说明，请参照前述第一实施例的相关描述， 差别仅在于省去了腐蚀移除多孔硅的步骤。

另外需要说明的是，采用第二实施例的制造方法，由于多孔硅塌陷以后会聚 集在空腔下方而占据一部分体积，那么在电化学腐蚀形成多孔硅时，多孔硅的深度 需要大于需要形成的空腔的深度。

综上，在现有技术中，空腔薄膜压阻式传感器一般采用表面微机械工艺来制 造，但是微机械加工加工出来的膜片的厚度有限，存在膜片内的应力影响传感器性 能等问题。而本发明实施例则采用电化学腐蚀形成多孔硅、多孔硅腐蚀工艺、外延 等工艺替代传统的表面微机械技术，既克服了传统体硅微机械技工技术从硅片背面 腐蚀减薄来形成压力膜片所导致的膜厚不均以及由此造成的灵敏度不一致和成品 率难以提高等问题，又具有单一硅片单面加工、管芯尺寸更小、无需键合等工艺的 成本优势。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的 限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，只是依据本发明的技术实质 对以上实施例所做的任何简单的修改、等同的变换，均仍属于本发明技术方案 的保护范围内。