專利名稱：一種集成硅膜熱流量傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成硅膜熱流量傳感器及其制造方法，屬集成傳感器領(lǐng)域。
置于流體中的加熱面的熱損失隨流體的流速增大而增加，測量加熱面的熱損失即可求出流速及與此有關(guān)的流體參數(shù)。集成熱流量傳感器具有對(duì)低流速靈敏度高、響應(yīng)快和體積小、成本低與信號(hào)處理電路兼容性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在通用的集成熱流量傳感器多數(shù)未采用熱隔離結(jié)構(gòu)(B.W.Van Dudheusden，J.M.De Bruijn，P.J.Hoogeboom，D.Beaufort and J.H.Huijsing，Sensors and Actuators18(1989)259-267)，由于未采用熱絕緣結(jié)構(gòu)而不能充分體現(xiàn)靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)。采用薄膜結(jié)構(gòu)的集成熱流量傳感器是在薄膜上制作加熱器和熱探測器，在薄膜外的硅襯底上制作加熱電流控制電路和訊號(hào)放大電路，這種結(jié)構(gòu)的集成熱流量傳感器在靈敏度和響應(yīng)速度方面都有很大改善，但其薄膜均是諸如氮化硅、二氧化硅的電介質(zhì)，這種薄膜不能用來制作有源器件，而且制造工藝復(fù)雜，與集成電路工藝的兼容性差。((1)K.Petersen，J.Brown and W.Renken，Proc.Int.Conf.Solid-State Sensors Actuators，PP.361-363，1985.(2)R.G.Johnson，R.E.Higashi，P.J.Bohrer and R.W.Gehman，Proc.Int.Conf.Solid-State Sensors Actuators，PP358-360，1985(3)Osamu Jabata，Hazime Inagaki and Isemi Igarashi，IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.Ed-34，No.12.PP.2456-2461，1987)。
本發(fā)明的目的就是為了解決上述存在的問題，提供一種易集成、易生產(chǎn)并具有良好熱隔離性能的集成硅膜熱流量傳感器及其制造方法。
本發(fā)明的集成熱流量傳感器，其中包括在硅襯底上制備的具有隔熱作用的薄膜，在薄膜上制作的加熱器和熱探測器以及在薄膜邊緣的硅襯底上制作的加熱電流控制電路和訊號(hào)放大電路，其特點(diǎn)是本發(fā)明的傳感器的薄膜為具有隔熱作用，并可在其上制作半導(dǎo)體元器件的硅膜，在薄膜上制作的加熱器和探測器分別為在硅膜上制作的硅電阻器和Si/Al熱偶堆，硅膜懸在將硅片局部挖空而形成的空腔上，并由腔體壁所支撐。
本發(fā)明所采用的硅襯底為n型硅，其載流子濃度為1×1015-5×1016/cm3，該傳感器的硅膜和腔體的規(guī)格尺寸視器件的要求而選定設(shè)計(jì)。
這種集成硅膜熱流量傳感器的制造方法，包括在硅襯底上制備薄膜，在薄膜上制作加熱器和熱探測器，以及在薄膜邊緣的硅襯底上制作加熱電流控制電路和訊號(hào)放大電路，其特點(diǎn)是本發(fā)明的傳感器的薄膜為懸空在將硅片局部挖空而形成的空腔上面的硅膜，作為加熱器的硅電阻器和熱探測器的硅鋁熱偶堆制作在硅膜上，其硅膜和空腔的形成的主要步驟為a.在n型硅襯底的硅膜設(shè)計(jì)區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散或離子注入形成低阻的n+埋層區(qū);b.進(jìn)行硅外延生長制作硅膜的n型外延層;c.在緊靠n+埋層區(qū)的一對(duì)邊的邊緣處進(jìn)行擴(kuò)散或離子注入形成與n+埋層區(qū)相連通的低阻n+槽;d.采用陽極氧化技術(shù)，使陽極電流流過低阻區(qū)，將低阻區(qū)的硅轉(zhuǎn)變成多孔硅;e.用腐蝕液腐蝕多孔硅形成硅膜和空腔;f.用淀積物填平硅膜兩側(cè)腐蝕多孔硅后形成的空腔腔體開口的大部分。
上述低阻的n+埋層區(qū)和n+槽的濃度一般在1017/cm3-1021/cm3，n型外延層的濃度為1×1015-5×1016/cm3，厚度為1-3μm，n+埋層深度為5-20μm，n+槽深度一般大于外延層厚度2μm之上。外延埋層厚度和濃度、n+埋層和n+槽的濃度和濃度都可用改變制備工藝條件來調(diào)整。
本發(fā)明所采用的陽極氧化技術(shù)，其電介質(zhì)溶液為氫氟酸溶液，濃度為10-50%，稀釋劑為水或乙醇，陽極氧化電壓一般控制在3-10V，電流密度為20-100mA/cm2。腐蝕多孔硅的腐蝕液為稀堿性溶液，如氫氧化鉀、氫氧化鈉或氫氧化銨等溶液，其濃度為2-10%。填平腐蝕多孔硅后形成腔體的大部分開口的淀積物為氮化硅或二氧化硅，它們是采用物理或化學(xué)氣相淀積方法制備的，剩余部分開口或令其敝開，或用脂類填充，以維持腔體內(nèi)外壓力平衡。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、硅膜可以制得足夠薄，因而具有良好的熱隔離性能;
2、硅膜為低電子濃度的n型硅，可供制作硅器件;
3、硅膜的形成工藝與集成電路工藝兼容，因而易集成，適合于低成本大批量生產(chǎn)。
4、傳感器具有平面外形，很適合以邊界層方法工作的熱流量傳感器。
下面結(jié)合


本發(fā)明及
具體實(shí)施例方式圖1為本發(fā)明的集成硅膜熱流量傳感器的示意圖。
其中圖1-a為其正視圖，圖1-b為局部橫剖面圖。
圖2為本發(fā)明的集成硅膜熱流量傳感器制備的主要工藝流程芯面圖。流程芯面圖中不包括CMOS電路的制作步驟。
圖2-1為熱氧化生長二氧化硅、光刻n+埋層。
圖2-2為n+埋層的擴(kuò)散或離子注入。
圖2-3為外延生長n型硅層。
圖2-4為熱氧化生長二氧化硅、光刻n+槽區(qū)。
圖2-5為n+槽擴(kuò)散或離子注入。
圖2-6為熱氧化生長薄氧化層。
圖2-7為磷離子注入制作Si/Al熱偶堆硅臂。
圖2-8為磷離子注入制作加熱電阻器。
圖2-9為淀積多晶硅、光刻陽極氧化窗口。
圖2-10為陽極氧化生成多孔硅。
圖2-11為腐蝕多孔硅。
圖2-12為淀積氮化硅。
圖2-13為淀積二氧化硅。
圖2-14為淀積硼磷硅玻璃。
圖2-15為蒸鋁、光刻Si/Al熱偶堆的鋁臂。
圖2-16為淀積3%磷硅玻璃。
圖中
1-n型硅 2-熱氧化生長的二氧化硅3-n+埋層 4-n型外延層5-n+槽 6-薄氧化層7-Si/Al熱偶堆的P型硅臂 8-加熱電阻器9-多晶硅 10-多孔硅11-氮化硅 12-化學(xué)氣相淀積的二氧化硅13-硼磷硅玻璃 14-鋁條15-3%磷硅玻璃 16-硅膜17-腔體 18-尚未淀積的3%磷硅玻璃19-脂類填料 20-集成電路實(shí)施例制作集成硅膜熱流量傳感器，其硅膜為矩形，長1500μm，寬500μm，厚2μm，Si/Al熱偶堆由長1400μm，寬20μm，間隔20μm的八對(duì)熱偶組成，沿矩形硅膜的長度方向分兩組對(duì)稱分布，兩組熱偶近端相隔100μm，寬20μm的加熱電阻器條從兩組熱偶的間隔穿過，對(duì)硅膜的中心部分進(jìn)行加熱，硅膜中部和遠(yuǎn)離加熱電阻器的硅膜邊緣襯底上的溫差由熱偶堆檢測，測量流體溫度的敏感電路，訊號(hào)放大電路和提供加熱電阻器電流的控制電路均制作在矩形硅膜的長邊一側(cè)，整個(gè)芯片面積為2000μm×1000μm。下面為主要的制作步驟，其中不包括電路的制作，電路的制作采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝。
主要工藝步驟如下(1) 熱氧化載流子濃度為3×1015/cm3的(100)n型硅片(1)在1100℃下，濕氧氧化105分鐘，生長二氧化硅層(2);
(2) 在(100)n型硅片(1)上光刻1500μm×500μm的矩形埋層注入?yún)^(qū);
(3) 腐蝕掉埋層注入?yún)^(qū)的二氧化硅;
(4) 上述工藝流程步驟(1)-(3)如圖2-1所示。
(4) n+埋層擴(kuò)散形成n+埋層區(qū)(3)雙溫區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散溫度分別為950°和1250℃，Sb2O3源量為22克，氧氣流量為3L/min，予淀積時(shí)間為20分鐘，再擴(kuò)散時(shí)間為270分鐘，結(jié)深為10μm，埋層結(jié)深(腔體高度)隨擴(kuò)散條件改變而改變，如在本實(shí)施例中只改變擴(kuò)散時(shí)間也可改變埋層結(jié)深，如擴(kuò)散時(shí)間為84分鐘或350分鐘，則埋層結(jié)深可為5μm或15μm;
這一工藝步驟如圖2-2所示。
(5) 腐蝕掉硅片上所有的二氧化硅后，在整個(gè)硅片表面上進(jìn)行n型外延生長，外延層(4)厚度為2μm，電阻率為1-歐姆-厘米。
生長條件為H2260l/MIN，SiCl46.4-7g/min，PH3100PPm，0.15-0.18L/min，T1170℃，時(shí)間為4分鐘;
這一工藝步驟如圖2-3所示。
(6) n+槽擴(kuò)散掩蔽氧化在1100℃下，濕氧氧化105分鐘;
(7) 光刻n+槽擴(kuò)散區(qū)，即在緊靠n+埋層區(qū)的一對(duì)長邊的邊緣處向外光刻，槽寬20-50μm，本實(shí)施例槽寬為20μm，長度為1500μm;
(8) 腐蝕n+槽擴(kuò)散區(qū)的SiO2;
工藝步驟(6)-(7)如圖2-4所示。
(9)n+槽擴(kuò)散形成n+槽(5)與埋層區(qū)(3)相連通的低阻區(qū);
擴(kuò)散條件雙溫區(qū)銻擴(kuò)散，擴(kuò)散溫度分別為950℃和1250℃，Sb2O3源量為22克，氧氣流量為3L/min，予淀積時(shí)為20分鐘，再擴(kuò)散時(shí)間為60分鐘，結(jié)深為4μm;
這一工藝步驟如圖2-5所示。
(10) 腐蝕二氧化硅;
(11) 薄氧化在875℃下，濕氧氧化30分鐘，生長薄氧化層(6);
工藝步驟(10)-(11)如圖2-6所示。
(12) 光刻Si/Al熱偶推的P型硅臂注入?yún)^(qū);
在矩形埋層區(qū)長邊方向的硅膜設(shè)計(jì)區(qū)，分兩組對(duì)稱分布8對(duì)熱偶堆的P型硅，其長為1400μm，寬為20μm，間隔20μm，兩組熱偶近端相隔100μm;如圖1-a中所示。
(13) 硼離子注入形成Si/Al熱偶堆的P型硅臂(7);
注入條件可為離子注入劑量為1013-1015/cm2，注入能量為100kev-150kev，方塊電阻為90-2500Ω/□。本實(shí)施例采用離子注入劑量為1×1014/cm2，注入能量為100kev，方塊電阻為500Ω/□。
這一工藝步驟如圖2-7所示。
(14) 光刻加熱電阻器注入?yún)^(qū);加熱電阻器線條寬20μm，長1060μm，從兩組熱偶的間隔中穿過;
(15)硼離子注入形成加熱電阻器(8);
注入條件可為注入劑量為3-5×1015/cm2，注入能量100kev，方塊電阻20-30Ω/□，本實(shí)施例中注入劑量為4×1015/cm2，注入能量為100kev，方塊電阻25Ω/□。
這一工藝步驟如圖2-8所示。
(16) 淀積多晶硅(9)低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)5400A°;
(17) 光刻陽極氧化窗口;
(18) 腐蝕多晶硅、二氧化硅;
工藝步驟(16)-(18)如圖2-9所示。
(19) 陽極氧化陽極氧化使低阻區(qū)的硅轉(zhuǎn)變成多孔硅(10);其電介質(zhì)為氫氟酸溶液，濃度為10-50%，稀釋劑為乙醇或水，陽極電壓可控制在3-10v，電流密度可為20-100mA/cm2，氧化時(shí)間為30-60分鐘，在本實(shí)施例中采用30%的氫氟酸水溶液，陽極電壓為5V，電流密度為75mA/cm2，氧化時(shí)間為30分鐘;
這一工藝步驟如圖2-10所示。
(20) 腐蝕陽極氧化所形成的多孔硅(10)形成硅膜(16)、空腔腐蝕液可采用2-10%的氫氧化鉀，氫氧化鈉或氫氧化銨水溶液，在本實(shí)施例中采用6%氫氧化鉀水溶液，室溫下腐蝕。
這一工藝步驟如圖2-11所示。
(21) 淀積氮化硅(11)LPCVD淀積氮化硅厚度為2500A°;
這一工藝步驟如圖2-12所示。
(22) 填槽用四乙氧基硅烷(TEOS)的熱分解反應(yīng)淀積二氧化硅(12)填平腐蝕多孔硅后形成的空腔腔體開口(n+空槽)的大部分，形成腔體(17)，淀積溫度為650-750℃。本實(shí)施例所填槽寬為20μm，長為1460μm，淀積溫度為750℃。
剩余部分開口(即槽的兩端長20μm，寬為20μm的區(qū)域)或令其敝開或用酯類填充，本實(shí)施例中剩余部分開口是用酯類填充。
這一工藝步驟如圖2-13所示。
(23) 光刻二氧化硅腐蝕區(qū);
(24) 腐蝕SiO2;
(25) 硼磷硅玻璃(BPSG)(13)淀積LPCVD，7500A°;
這一工藝步驟如圖2-14所示。
(26) BPSG流動(dòng)950℃，15分鐘，氮?dú)?
(27) 光刻接觸孔;
(28) 腐蝕BPSG、Si3N4、SiO2;
(29) BPSG回流950℃，30分鐘，氮?dú)?
(30) 腐蝕SiO2;
(31) Al(14)蒸發(fā)厚為1μ;
(32) 光刻Al互連和Si/Al熱偶堆的鋁臂;
(33) 腐蝕Al;
(34) 3%PSG(15)淀積，1μ;
(35) 光刻壓焊塊;
(36) 腐蝕PSG。
本發(fā)明的集成硅膜熱流量傳感器的溫度敏感、訊號(hào)放大和加熱電流控制電路的制備工藝均采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝，電路部分的制作對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員是很熟知的，故本文不再加以描述。根據(jù)本發(fā)明及具體描述，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施，在構(gòu)思和工藝條件等某些范圍內(nèi)可做些改變，這對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員來說也是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種集成熱流量傳感器，其中包括在硅襯底上制備的具有隔熱作用的薄膜，在薄膜上制作的加熱器和熱探測器，以及在薄膜邊緣的硅襯底上制作的加熱電流控制電路和訊號(hào)放大電路，其特征在于本發(fā)明的傳感器的薄膜為具有隔熱作用，并可在其上制作半導(dǎo)體元器件的硅膜，在薄膜上制作的加熱器和熱探測器分別為在硅膜上制作的硅電阻器和Si/Al熱偶堆，硅膜懸在將硅片局部挖空而形成的空腔上，并由腔體壁所支撐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于硅襯底為n型硅，其載流子濃度為1×1015-5×1016/cm3。
3.一種如權(quán)利要求1所述的集成熱流量傳感器的制造方法，包括在硅襯底上制備薄膜和在薄膜上制作加熱器和熱探測器，以及在薄膜邊緣的硅襯底上制作加熱電流控制電路和訊號(hào)放大電路，其特征在于本發(fā)明的傳感器的薄膜為懸在將硅片局部挖空而形成的空腔上面的硅膜，作為加熱器的硅電阻器和熱探測器的硅鋁熱偶堆制作在硅膜上，其硅膜和空腔形成的主要步驟為a.在n型硅襯底的硅膜設(shè)計(jì)區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散或離子注入形成低阻n+埋層區(qū);b.進(jìn)行硅外延生長制作硅膜的n型外延層;c.在緊靠n+埋層區(qū)的一對(duì)邊的邊緣處進(jìn)行擴(kuò)散或離子注入形成與n+埋層區(qū)相連通的低阻n+槽;d.采用陽極氧化技術(shù)，使陽極電流流過低阻區(qū)，將低阻區(qū)的硅轉(zhuǎn)變成多孔硅;e.用腐蝕液腐蝕多孔硅形成硅膜和空腔;f.用淀積物填平硅膜兩側(cè)腐蝕多孔硅后形成的空腔腔體開口的大部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器的制造方法，其特征在于所說的低阻區(qū)的n+埋層和n+槽的濃度為1017/cm3-1021/cm3，n型外延層的濃度為1×1015-5×1016/cm3，厚度為1-3μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器的制造方法，其特征在于所說的陽極氧化是在氫氟酸溶液中進(jìn)行的，其濃度為10-50%。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的傳感器的制造方法，其特征在于陽極氧化所控制的電壓為3-10V，電流密度為20-100mA/cm2。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的傳感器的制造方法，其特征在于腐蝕多孔硅的腐蝕液為稀堿性溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器的制造方法，其特征在于所說的腐蝕多孔硅的稀堿性溶液為氫氧化鉀、氫氧化鈉或氫氧化銨溶液，其濃度為2-10%。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器的制造方法，其特征在于填平腐蝕多孔硅后形成的腔體開口的淀積物為二氧化硅或氮化硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求3和9所述的傳感器的制造方法，其特征在于淀積物二氧化硅和氮化硅是采用物理或化學(xué)氣相淀積方法制備的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成硅膜熱流量傳感器及其制造方法，該傳感器的特點(diǎn)是采用隔熱作用的硅膜，硅膜懸在將硅片局部挖空而形成的空腔上，并由腔體壁所支撐，用作加熱器的硅電阻器和熱探測器的Si/Al熱偶堆分別制作在硅膜上。硅膜是采用擴(kuò)散或離子注入、硅外延、陽極氧化、腐蝕多孔硅、物理或化學(xué)氣相淀積絕緣介質(zhì)等技術(shù)制備的。本方法制作的器件，靈敏度高，響應(yīng)速度快且有利于集成、降低成本和大批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01F1/68GK1058647SQ90104888
公開日1992年2月12日 申請(qǐng)日期1990年8月1日 優(yōu)先權(quán)日1990年8月1日
發(fā)明者涂相征, 李韞言 申請(qǐng)人:涂相征, 李韞言