一种敏感电阻压力传感器芯片及加工方法与流程

本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种以金刚石为敏感电阻压力传感器芯片的加工方法。采用以金刚石为敏感电阻的压力传感器稳定性好，可探测高温下的压力，同时由于金刚石优异的性质，可以应用于极端条件下的高温压力探测。

背景技术：

扩散硅压力传感器芯片由于输出信号大,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芯片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芯片存在着探测温度低（<150℃）的问题，即使选择了soi材料，其敏感电阻依然是硅材料，极限探测温度不会超过300℃。其他材料如sic材料虽然可以达到更高的探测温度，但是其灵敏度较低。金刚石作为压阻系数最高的材料，同时有着更高的禁带宽度，其制成的传感器压阻灵敏度高于sic压力传感器芯片。在437k下，sic的最大压阻灵敏因子为30，而金刚石则为700。另外金刚石不与任何的酸碱反应，可以用于极端条件下的高温压力测量。此外，对比文献报道的金刚石压力传感器芯片，由于文献中的金刚石压力传感器芯片均使用金刚石作为膜片，敏感电阻生长在膜片上，这种结构容易引起敏感电阻应力聚集损坏，同时金刚石作为膜片，因其巨大的杨氏模量，形变量不足导致了输出较小。本发明采用硅作为膜片，金刚石敏感电阻生长在膜片内，避免了应力的过分聚集，也保证了形变量，制备的压力传感器芯片输出更高，线性程度更好，更适合实际应用。

技术实现要素：

针对现有扩散硅压力传感器芯片的问题，本发明的目的在于提供一种以金刚石为敏感电阻压力传感器芯片及加工方法，该传感器稳定性好，可探测高温下的压力，同时由于金刚石优异的性质，可以应用于极端条件下的高温压力探测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种敏感电阻压力传感器芯片，它包括有：在单晶硅衬底层所加工成的硅膜片，敏感电阻及压焊点，其特征在于：在硅膜片的内部设置有金刚石敏感电阻，硅膜片与金刚石敏感电阻的侧壁间隔一层用于金刚石敏感电阻与衬底之间绝缘的氧化层；金刚石敏感电阻下方与硅膜片之间的连接层为用于敏感电阻与硅膜片隔离本征金刚石。

本结构包括：在单晶硅衬底表面覆盖有一氮化硅层。

本结构还包括：在金刚石敏感电阻上方连接一层用于导电的钛金电极，压焊点处的截面结构与金刚石敏感电阻区域的结构一致。

一种敏感电阻压力传感器芯片的加工方法，其特征在于：其加工过程为：

（1）以100晶面的单晶硅为衬底，通过低压力化学气相沉积（lpcvd）或者等离子体增强化学气相沉积(pecvd)生长一层0.5-2um的氮化硅层；

（2）光刻，利用常规光刻技术，刻出阻条及压焊点器件图形；

（3）刻蚀，利用干法或湿法刻蚀实现光刻图形，刻蚀深度为3-6um，若采用湿法刻蚀，得到2-5um的横向刻蚀深度，若用干法刻蚀，应注意调整工艺保留横向刻蚀，使横向刻蚀深度达到1-2um；

（4）氧化，热氧生长一层氧化硅，厚度为2-3um，使底部和侧壁均生长一层氧化层；

（5）刻蚀，利用干法刻蚀，刻蚀掉压焊点和阻条底部的氧化层，保留侧壁的氧化层；

（6）生长金刚石，利用微波等离子体化学气相沉积（mwcvd）或者热丝化学气相沉积（cvd）生长一层本征金刚石，其厚度为2-6um，由于其他氧化层和氮化硅位置以金刚石为敏感电阻本不形核，故该生长为选区生长，只在刻蚀区域生长金刚石；

（7）继续生长金刚石，利用微波等离子体化学气相沉积或者热丝生长一层硼掺杂的金刚石，其厚度为1-2um，电阻率为1*10^-3~1*10²欧姆·cm，由于其他氧化层位置以金刚石为敏感电阻本不形核，故该生长为选区生长，只在金刚石区域生长金刚石，制成的四个电阻组成惠斯通电桥；

（8）去氮化硅层，用磷酸去掉之前生长的氮化硅；

（9）重新氮化硅沉积，利用低压力化学气相沉积或者等离子体增强化学气相沉积生长一层氮化硅对芯片进行保护；

（10）刻蚀氮化硅，利用等离子体刻蚀技术，刻蚀出电极区域；

（11）电极制作，利用磁控溅射沉积ti/au或者ti/pt/au作为电极，利用lift-off技术制备电极；厚度为ti：1000-5000a，au：1000-5000a，pt：1000-5000a，在600-750℃下退火20-60分钟；

（12）背面硅杯的制作，先对背面进行光刻硅杯图形，刻蚀掉硅杯处的氧化层，随后用氢氧化钾或者四甲基氢氧化铵溶液进行各向异性腐蚀，在单晶硅衬底上得到硅膜片厚度为30-100um。

所述步骤3-5所得到的是侧壁的氧化层，该氧化层用于金刚石敏感电阻与单晶硅衬底之间的绝缘。

本发明所述步骤6-7所加工的金刚石在硅膜片内部，该方法可以有效的保护金刚石电阻，防止因为应力过于聚集而损坏，也保证了有充足的形变量，制备的传感器有更大的输出。

本发明包括：所述步骤1和步骤9所加工的氮化硅膜，若用lpcvd生长，其温度在700-850℃，氨气流量为500-5000立方厘米/分钟，硅烷（sih4）流量为500-5000sccm，n2流量为1000-8000sccm；若用pecvd生长，则高频功率为1000-1500瓦特（w），不加低频功率，sih4流量为200-700sccm，nh3流量为1000-5000sccm，n2流量为2000-8000sccm，极板间距为8-30毫米（mm）。

本发明还包括：所述步骤5刻蚀过程中，选择刻蚀剂为cf4，流量为50-500sccm，极板间距为8-30mm，高频功率为100-800瓦。

本发明所述步骤6生长的本征金刚石膜，若用热丝cvd生长，热丝温度为1700-2200℃，样品放在热丝下6-15厘米，压力为5-30千帕，工艺气体为丙酮+氢气混合气体，丙酮的浓度为1~10%；若用mwcvd生长，气体压力为1-10kpa，工艺气体为甲烷+h2的混合气体，甲烷的比例为1%~10%，微波功率为3-50千瓦。

本发明所述步骤7生长的本征金刚石膜，若用热丝cvd生长，热丝温度为1700-2200℃，样品放在热丝下6-15厘米，压力为5-30千帕；工艺气体为丙酮+氢气混合气体，丙酮的浓度为1~10%，掺杂剂用硼烷或者三甲基硼；若用mwcvd生长，气体压力为1-10kpa，工艺气体为甲烷（ch4）+氢气的混合气体，甲烷的比例为1%~10%，微波功率为3-50千瓦（kw），掺杂剂用硼烷或者三甲基硼。

本发明有益效果及设计原理如下

有益效果：

1：探测温度更高

由于金刚石具有更宽的禁带宽度（5.45ev），高的迁移率和击穿场强，以及其稳定的物理化学性质，更加适合制备高温压力传感器芯片，其探测温度可以超过600℃，远远高于普通的扩散硅压力传感器芯片。而且金刚石掺杂后在1000℃下都基本不会出现杂质扩散，具有很好的高温应用潜力。

2:灵敏度更高

在制作高温压力传感器芯片上面，金刚石比sic更有优势，在437k下，sic的灵敏系数为30，而金刚石则为700。单晶金刚石的压阻因子可以达到3000,多晶金刚石的压阻因子1000，而硅的压阻因子只有120-170，其在低温下的灵敏度也高于硅。

此外，早期文献报道的金刚石压力传感器芯片，其膜片本身为金刚石，敏感电阻生长在金刚石膜片上，由于金刚石的杨氏模量很高，会导致在压力下金刚石膜片的形变量不足，故敏感电阻的形变量也不足，灵敏度下降。本发明下，金刚石敏感电阻生长在si膜片上，充分保证了敏感电阻的形变量，得到了高灵敏度的金刚石压力传感器芯片。

3：极端条件下应用

传统的扩散硅压力传感器芯片由于使用了单晶硅作为敏感电阻，不能用于强酸强碱等极端环境中，而金刚石可以耐强酸强碱，高温下依然十分稳定，其化学稳定性也强与sic（sic在高温下可以被koh腐蚀）。

设计原理：本发明的设计原理基于传感器原理-掺杂金刚石的压阻效应，用金刚石作为敏感电阻，替代了原有的单晶硅，金刚石的压阻系数大，灵敏度高，具有很宽的禁带宽度，可以在高温下测试压力。同时由于金刚石优异的物理化学性质，其可以在极端条件下测试高温压力，属于高端芯片。由于掺杂金刚石具有较大的压阻效应，且金刚石材料有着很宽的禁带宽度，且化学性质极其稳定，故有着良好的温度特性，适合做高温压力传感器芯片，也可以探测极端条件下的高温环境压力。另外，与文献报道的金刚石压力传感器不同，本发明的膜片依然选择了单晶硅来保证充足的形变量，而敏感电阻生长在膜片内部，避免了应力的过分聚集，也保证了形变量，制备的压力传感器芯片输出更高，线性程度更好，更适合实际应用。

附图说明

图1为本发明中压力传感器芯片的主要工艺过程；

图2为本发明下的器件整体图；

图3为本发明图2中的沿a向剖面图。

附图中主要部件说明：0为单晶硅衬底；1为氮化硅层；2为刻出阻条；3为压焊点；4为氧化层；5为金刚石；6为电阻区域；7为压焊点区域；8为氮化硅层；9为电极。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的实施例，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。

具体实施方式

由图3所示，图中的0为单晶硅衬底，在单晶硅衬底层0加工有硅膜片，7为压焊点区域；在硅膜片的内部设置有金刚石敏感电阻5，硅膜片与金刚石敏感电阻的侧壁间隔一层用于金刚石敏感电阻与衬底之间绝缘的氧化层4；金刚石敏感电阻5下方与硅膜片之间的连接层为用于敏感电阻与硅膜片隔离本征金刚石5。在单晶硅衬底表面还覆盖有一氮化硅层8。

在金刚石敏感电阻6上方连接一层用于导电的钛金电极9，压焊点区域7处的截面结构与金刚石敏感电阻6区域的结构一致。

上述敏感电阻压力传感器芯片的加工方法，如图1、2所示，具体过程如下：

（1）以单晶硅（100晶面）为衬底0，选择lpcvd或者pecvd生长一层2um的氮化硅层1。若采用lpcvd生长，其温度在700-850℃，氨气流量为500-5000立方厘米/分钟，硅烷（sih4）流量为500-5000sccm，n2流量为1000-8000sccm；

（2）光刻，利用常规光刻技术，刻出阻条2及压焊点3等器件图形；

（3）刻蚀，利用湿法刻蚀实现光刻图形，刻蚀深度为4um；

（4）氧化，热氧生长一层氧化硅，厚度为2um，使底部和侧壁均生长一层氧化层4

（5）刻蚀，利用干法刻蚀，刻蚀掉压焊点和阻条底部的氧化层，保留侧壁的氧化层4；选择刻蚀剂为cf4，流量为50-500sccm，极板间距为8-30mm，高频功率为100-800。

（6）生长金刚石，利用mwcvd或者热丝cvd生长一层本征金刚石5，其厚度为3um，由于其他氧化层和氮化硅位置以金刚石为敏感电阻本不形核，故该生长为选区生长，只在刻蚀区域生长金刚石。若用热丝cvd生长，热丝温度为1700-2200℃，样品放在热丝下6-15厘米，压力为5-30千帕，工艺气体为丙酮+氢气混合气体，丙酮的浓度为1~10%；若用mwcvd生长，气体压力为1-10kpa，工艺气体为甲烷+h2的混合气体，甲烷的比例为1%~10%，微波功率为3-50千瓦。

（7）继续生长金刚石，利用mwcvd或者热丝cvd生长一层棚掺杂的金刚石，其厚度为1um，电阻率为4.5*10^-2欧姆·cm，电阻区域6为敏感电阻，压焊点区域7为后期电极制作。由于其他氧化层和氮化硅位置以金刚石为敏感电阻本不形核，故该生长为选区生长，只在金刚石区域生长金刚石，制成的四个电阻组成惠斯通电桥。若用热丝cvd生长，热丝温度为1700-2200℃，样品放在热丝下6-15厘米，压力为5-30千帕；工艺气体为丙酮+氢气混合气体，丙酮的浓度为1~10%，掺杂剂用硼烷或者三甲基硼；若用mwcvd生长，气体压力为1-10kpa，工艺气体为甲烷（ch4）+氢气的混合气体，甲烷的比例为1%~10%，微波功率为3-50千瓦（kw），掺杂剂用硼烷或者三甲基硼。

（8）去氮化硅层，用磷酸去掉之前生长的氮化硅

（9）重新氮化硅沉积，利用pecvd生长一氮化硅层8对芯片进行保护，厚度为2000埃米；采用lpcvd生长，其温度在700-850℃，氨气流量为500-5000立方厘米/分钟，硅烷（sih4）流量为500-5000sccm，n2流量为1000-8000sccm。

（10）刻蚀氮化硅，利用等离子体刻蚀技术，刻蚀出电极区域；

（11）电极制作，利用磁控溅射沉积ti/au作为电极9，利用lift-off技术制备电极。厚度为ti：1000a，au：5000a，在750℃下退火50分钟；

（12）背面硅杯的制作，先对背面进行光刻硅杯图形，刻蚀掉硅杯处的氧化层，随后用koh或者tmah溶液进行各向异性腐蚀，在单晶硅衬底上得到硅膜片厚度为45um。