一种PN结压阻式扩散硅压力传感器的制作方法

本实用新型涉及微电子技术领域，具体涉及一种pn结压阻式扩散硅压力传感器，该传感器为制备pn结压阻式扩散硅压力传感器及soi压阻式扩散硅压力传感器。

背景技术：

扩散硅压力传感器由于输出信号大,处理电路简单,而且可以测量压力、差压多面参数而受工业界的重视,近十年来迅速发展,在传感器和变送器市场占有相当大的份额,国外发达国家依靠强大的半导体工业基础对于扩散硅压力传感器机理和应用进行了深入研究,取得了大量成果。但是，现有的扩散硅压力传感器的制作过程中，对于阻条的制作都选用注入再扩散的方法，由于注入后还需要严格条件的退火，退火后存在着横向扩散等问题，给设计增加了难度。此外，由于注入工艺的限制，器件的保护层非常薄，对器件的保护能力不佳；同时，由于注入后形成的pn结形状固定，表面容易击穿，这些都影响了器件的可靠性和制作良率。

技术实现要素：

本实用新型目的是针对现有扩散硅压力传感器的问题，本实用新型的目的在于提供一种结构简单，可靠性高的pn结压阻式扩散硅压力传感器。

本实用新型的pn结压阻式扩散硅压力传感器，其结构包括有晶圆片，其特征在于：在晶圆片上分布有凸起的阻条器件及压焊点，在阻条器件的顶部还覆盖有电极，在晶圆片及压焊点的外表面还设置有一氧气层或氮化层。

本实用新型所述的阻条器件为蛇型式结构。

本实用新型所述阻条器件的边沿形状为避免尖端放电的圆角结构，从而进一步提升了器件的击穿性能。

本实用新型有益效果及设计原理如下：

有益效果

1:制备过程结构简单，工艺窗口大；

（1）本实用新型由于用外延代替了注入，不存在横向扩散的问题，取消进行精确的扩散工艺，在设计上和工艺上都降低了制备的难度。常规制备流程下，注入后需要退火再扩散，该步骤必须精确控制温度和时间，工艺窗口很窄，同时扩散后不可避免的会出现横向扩散，其同样受到退火温度和时间的较大影响。由于存在横向扩散，在设计上就必须留出扩散余量，给设计上提出了更高的难度。

（2）对于设计方面，采用外延代替注入可以更简单的实现低浓度设计。目前扩散硅压力传感器的注入浓度分为高浓度和低浓度两种设计，高浓度设计上，注入和退火的工艺简单，但是灵敏度低，需要长的阻条，低浓度设计上，注入和退火的工艺要求很高，且需要三次注入，但是光刻及相关工艺相对简单，灵敏度较高。

2：产品可靠性高；

（1）本实用新型器件层掺杂浓度为匀质分布，器件表现更稳定。注入后的杂质是呈高斯分布，存在一个最大的掺杂浓度，必须经过再扩散才能使其尽量的平均分布，退火再扩工艺非常关键，若其存在一点波动，产品性能就会受到影响。而外延后的杂质浓度本身就是均匀分布，没有这方面风险。

（2）本实用新型器件层的保护更佳。用外延制作的阻条器件，上方可以用较厚的氧化层或者氮化层进行保护，可以做到1-2um，而注入得到的阻条器件上方只能有1000a左右的氧化层进行保护，故本实用新型制作的传感器可靠性更高，如图3所示。

（3）本实用新型器件层的抗击穿特性更好。由于传统工艺下，pn结面积大，形状固定，尤其在表面处容易击穿，本实用新型由于不使用注入，可以调节pn结的形状避免尖端放电从而提升击穿特性。此外，由于本实用新型阻条器件大部分都被氧化层保护，pn结面积大大降低，传统工艺下容易击穿的表面已经被氧化层保护，故进一步提升了击穿特性。

（4）本实用新型器件层单晶质量更好。由于传统的器件层是由注入得到，高能量的注入必然会带来大量的晶格缺陷，虽然经过修复，但是也难以修复至单晶状态，影响器件性能和可靠性。本实用新型用外延代替注入，生长的是单晶层作为器件，其可靠性和灵敏度优于传统结构。

设计原理

本实用新型的设计原理基于传感器原理-掺杂硅的压阻效应，为了得到满足要求的压力传感器，阻条的掺杂浓度需要精确控制。传统的方法是用注入扩散的方法，但是注入扩散有着诸多问题。本实用新型用外延的方法同样精确控制掺杂浓度，避免了传统注入方法带来的问题。

附图说明

图1为本实用新型中压力传感器的制备工艺过程简图；

图2为本实用新型的传感器压力特性对比曲线图；

图3为本实用新型下的pn结剖面结构示意简图；

图4为本实用新型图3中的a向廓示放大示意简图；

图5为本实用新型图3中沿着b虚线的截面示意图；

图中主要图号说明：图1中：1为晶圆片；2为外延层；3为压焊点；4为阻条器件；5为起保护作用的氧化层或氮化层；6为压焊点区域光刻留下的光刻胶；7为电极。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。

实施例1

本实用新型为一种工艺简单，可靠性高的pn结压阻式扩散硅压力传感器制作方法，经过外延，光刻，刻蚀，氧化，金属化等工艺制程，工艺流程如图1所示，具体过程如下

（1）外延，先选取电阻率为1-20ω*cm的n型晶圆片1为来片衬底，在1000-1150℃高温下生长一层0.5-4um的si外延层2；该外延层2与n型晶圆片1为反型，生长p型，衬底选择n型，形成匀质的pn结，生长压力为10-760托，三氯甲烷流量为3500-1000立方厘米每分钟，所生长外延层的掺杂浓度为2~4.5*10¹⁷cm-3；

（2）光刻，将上述pn结利用旋凃方法，转速为1500-4000转/分钟进行涂胶，随后热板烘烤30-120s，烘烤后曝光15-60s，显影时间为10-90s，坚膜时间25-60分钟，刻出边缘圆滑的阻条器件4及器件的压焊点3；

（3）刻蚀，将上述光刻过的pn结利用刻蚀实现光刻得到的图形，刻蚀深度为1-4.5um，选用湿法或干法刻蚀，选用湿法刻蚀时，刻蚀剂选择hno3+hf按照3:1~1:4的比例，刻蚀3-15分钟；选用干法刻蚀时，选择cl2为刻蚀剂，形成了三维台面的pn结；

（4）将上述三位台面pn结去除光刻胶后氧化或氮化，选用氧化时，将上述三维台面的pn结利用干氧-湿氧-干氧的氧化条件生长一层1-2um起保护作用的氧化层5，温度为850-1150℃，o2流量为50-430立方厘米/分钟，水气流量为60-350立方厘米/分钟；选用氮化时，采用lpcvd（低压化学气相沉积）或者采用pecvd（等离子体增强化学气象沉积）生长一层氮化硅用于器件保护作用的氮化层；若采用lpcvd生长氮化硅，温度为500-850℃，nh3流量为100~500立方厘米/分钟，sih4流量为50~400立方厘米/分钟；若采用pevd生长，rf高频功率为100~600w，低频功率为200~500w，nh3流量为100~300立方厘米/分钟，sih4流量为50~400立方厘米/分钟，n2流量为3000~8000立方厘米/分钟；

（5）器件保护后光刻压焊点，选择负胶，转速为1500-4000转/分钟进行涂胶，随后热板烘烤30-120s，烘烤后曝光15-60s，显影时间为10-90s，坚膜时间25-60分钟，将压焊点区域光刻留下的光刻胶6图形，后去除该区域氧化层；

（6）将上述去除氧化层区域的压焊点沉积金属电极，电极材料为al/cr-ni-au，后放入去胶液中去胶，溶解掉在光刻胶区域上的金属，压焊点区域的电极7得到保留，al/cr-ni-au金属的厚度为0.8-2um；

（7）合金，将沉积金属后的整片晶圆片放入400-750℃退火20-60min进行合金，得到欧姆接触；

（8）制作薄al/导电多晶硅，将合金后的晶圆片正面沉积薄al/导电多晶硅覆盖在阻条上，保持阻条上下电位一致；

（9）背面各向异性腐蚀硅杯，将上述的晶圆片背面用氢氧化钾或者四甲基氢氧化铵为刻蚀剂进行硅杯腐蚀，腐蚀液浓度为10~45%，刻蚀后与玻璃静电封接，即为扩散硅压力传感器成品，静电封接温度为300~500℃，电压为100~500v。

本实用新型所形成的pn结压阻式扩散硅压力传感器，其结构成品包括有晶圆片1，在晶圆片1上分布有凸起的阻条器件4及压焊点3，该阻条器件在晶圆片上为蛇型式结构；在阻条器件的顶部还覆盖有电极7，在晶圆片1及压焊点3的外表面还设置有一氧气层或氮化层5。

实施例2

1：首先来片选择n型晶圆片1，电阻率为1-4ω*cm，1000-1150℃外延生长一层p型外延层2，掺杂浓度为4*10¹⁹cm^-3，厚度为0.5-4um，生长压力为55托，三氯甲烷流量为95立方厘米每分钟，所生长外延层的掺杂浓度为，3-5.5*10¹⁹cm-3。

其余步骤及结构与实施例1相同，故省略。

实施效果

由图3可以看出，本实用新型所制成的压力传感器在压力输出上与传统工艺制程的压力传感器的压力线性输出特性均满足要求，但是本实用新型下的灵敏程度更高，这是因为注入后的硅片存在较多的晶格损伤，在之后的退火修复没有完全修复，依然在器件区域有着部分缺陷。而缺陷则降低了灵敏度。本实用新型下，由于用外延代替了注入，器件层是外延生长的单晶，缺陷大大降低，故本实用新型灵敏度更高。

由图3和图4和图5可以看出，用本实用新型制成的器件，结构为三维台面pn结，轮廓避免了尖角，该结构可以提升pn结的击穿特性，使器件更加稳定。

在良率方面，本实用新型下良率得到了很明显的提升，且更加稳定，这是由于以下几个方面的原因：

（1）阻条器件保护效果更好。由于传统的注入方法只能有1000a的氧化层对器件进行保护，其保护能力较差，对外界抗干扰能力不强，在产品制程中存在着保护不足导致器件失效的风险。而本实用新型可以用1-2um的氧化层进行保护，抗干扰能力很强，不存在保护不足的风险。

（2）工艺更加简单。由于传统的注入工艺必须在注入后进行退火扩散，其温度和时间必须非常精确的控制，若控制有波动则会导致阻条器件掺杂浓度变化和阻条尺寸的变化，导致器件失效；此外，作为注入遮蔽层的氧化层的要求也是非常高的，若遮蔽层厚度变化则会直接影响pn结的结深，影响性能。而本实用新型下，并没有这样要求非常严格的工艺，产品加工起来更简单，制作窗口大，良率自然会更高。

击穿电压提升，pn结更加稳定。传统结构下的pn结是注入退火形成，其形状固定，存在尖端放电的问题，且击穿位置往往在表面。而本实用新型制成的器件pn结的形状可以由光刻工艺进行控制，且周边被氧化层保护，避免了尖端放电和表面击穿的问题，使产品良率进一步提升。