SOI高温压力传感器结构设计及仿真

中北大学2013届毕业设计说明书第1页共31页1绪论11研究的目的和意义新科技革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在众多传感器品种中，压力传感器所占的比重最大，在传感器市场中约占50的市场份额，广泛应用于石化、化工、电力和国防等领域，而且近年来有着明显的上升趋势。随着微电子技术的发展，利用半导体材料的压阻效应和良好的加工工艺，采用集成电路加工技术和硅微加工技术研制出的半导体压力传感器，具有体积小、重量轻、灵敏度高的优点。目前市场上的扩散硅压力传感器，其应变电桥采用P型扩散电阻，而应变膜是N型硅衬底，两者之间是自然的PN结隔离1。当工作温度超过120，应变电阻与衬底间的PN结漏电加剧，使传感器特性严重恶化以至失效，因而不能在较高温度下进行压力测量。目前国内生产的半导体压力传感器绝大多数都属于常温压力传感器，工作温度高于100的极不多见。研制高温半导体压力传感器的主要目的是为了解决高温环境下的压力测量问题。随着新材料、新工艺的不断出现，人们在解决常规扩散硅压力传感器无法胜任高温环境测压的要求这一难题时，提出了多种高温压力传感器。其中采用半导体材料制作的压阻式压力传感器就包括多种类型的新型传感器，如多晶硅压力传感器、SOS（SILICONONSAPPHIRE,蓝宝石上硅）压力传感器、SOI压力传感器、SIC压力传感器等。而其中，SOI高温压力传感器是一种新型的半导体高温压力传感器，具有耐高温、抗辐射、稳定性好等优点，能够解决石油、汽车、航空、航天等领域对高温压力传感器的迫切需求，在高温领域有很大的潜力。12国内外SOI高温压力传感器研究现状国外方面，法国LETI研究所目前正在开发工作温度达400的SOI高温压力传感器。LETI研究所和斯伦贝格公司等单位开发一种真空腔体从外部进行保护的中北大学2013届毕业设计说明书第2页共31页硅压阻式传感器。经在500下对压力测量的测试，SOI传感器电阻对温度的变化首次达到了令人满意的结果。德国柏林技术大学正在采用SOI衬底开发3CSIC压力传感器额定压力等于10BAR，最高工作温度高于400，灵敏度系数05MV/VBAR，采用ICP刻蚀晶片来控制传感器的膜片厚度。传感器主要用于控制发动机。加利福尼亚大学采用SOI技术开发出了微米悬臂梁DNA传感器悬臂梁长522M，宽025M，厚05M，压阻式电阻厚01M，长348M。准确度可达到1108DNA分子2。国内方面，在1998年中国电子学会敏感技术学术年会上，中国科学院上海冶金研究所传感技术国家重点实验室提出了由硅片直接键合技术得到的SOI材料制作出了SOI微型高温压力传感器在11MPA的压力测试下非线性度优于05，灵敏度温度系数为1113103FS/，灵敏度为721MV/V，零点时间漂移处于001MV量级，基本上满足了设计要求。天津大学采用单晶硅材料做应变电阻，并以一层SIO2薄膜将硅衬底与应变电阻层隔离，形成单晶硅SOI结构，在此基础上制作出了单晶硅SOI高温压力传感器。传感器的压力量程为01MPA，最高使用温度为220，满量程输出70MV。上海复旦大学采用由智能剥离技术得到的SOI材料成功研制出了双岛梁膜结构的SOI压力传感器。测得传感器的灵敏度为63MV/MPA5V，灵敏度温度系数为14104/，预计能工作在300以上的高温3。中北大学2013届毕业设计说明书第3页共31页2SOI技术原理及应用21SOI技术简介SOI是指绝缘层上的硅，SOI材料研究已有20多年的历史，发展了多种SOI圆片制造技术，其中包括BONDING、激光再结晶、注氧隔离（SIMOX,SEPARATIONBYIMPLANTEDOXYGEN）、智能剥离（SMARTCUT）以及最近发展起来的等离子浸没式离子注入技术（PIII）。注氧隔离是目前最成熟的SOI制造技术，也是目前研究最多的SOI材料4。SOISILICONONINSULATOR是一种用于集成电路制造的新型原材料，替代目前大量应用的体硅BULKSILICON。SOI有三层组成，表面是一层薄薄的单晶硅TOPSILICON,从200埃到几微米，取决与不同的应用，用于制造器件；下面是一层依托在体硅上的绝缘材料见图21。这种绝缘体材料和硅越接近越好，所以绝缘层通常用二氧化硅制造，称为氧化埋层（BOX，BURIEDOXIDE，大约10004000埃）。SOI材料具有体硅无法比拟的优点可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、拓宽器件工作温度范围，工艺简单、提高抗辐射性能、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，被国际上公认为是“二十一世纪的微电子技术”和“新一代硅”，将成为今后集成电路制造的主流技术5。图21体硅和SOI材料22SOI材料器件结构和特点我们从一个CMOS反相器剖面图来看一下SOI器件的特点，图22和图23是体硅和SOI上的CMOS器件的剖面图，CMOS集成电路的核心是由一对互补的MOS晶体管连接组成的反相器，在体硅圆片上，MOS晶体管被制造在一对掺杂的N阱和P阱上；在SOI圆片上，MOS晶体管直接制造在顶层硅上，被BOX隔离6。中北大学2013届毕业设计说明书第4页共31页图22CMOSINVERTERONBULK图23CMOSINVERTERONSOIMOS晶体管从源极到漏极的电流受栅极电压的控制，对于体硅上制造的MOS晶体管，在信号转换时源极和漏极周围区域的局部电荷必需耗尽，转换速度下降。在SOI圆片上加工的MOS晶体管，整个晶体管被氧化层隔离，源极和漏极周围被耗尽的区域较小，信号转换速度得到提高，驱动电压可以降低6。同时，体硅中的晶体管和硅接触的区域会聚集大量的电荷，形成输入电容和杂散电容，这样会导致器件工作频率的降低7。SOI晶体管和二氧化硅接触的区域不再有电荷出现，整个芯片的工作效率也随之提高。当反相器工作时，体硅圆片上的晶体管的漏电流从电源端VDD流向衬底VSS（图22）；而在SOI的情况下，电流只能通过器件流动（图23）。SOI材料的特殊结构使它克服了传统体硅材料的不足，是研究和开发高速、低功耗、高集成度超大规模集成电路和高性能MEMS的基础材料。它具有以下优点（1）SOI器件由于采用绝缘介质隔离，器件与衬底之间不存在电流通道，消除中北大学2013届毕业设计说明书第5页共31页了体硅电路中常见的闩锁效应，提高了电路的可靠性。（2）SOI器件具有良好的抗腐蚀特性。这是因为当射线粒子入射到体硅器件中时，沿粒子运动的轨迹，硅原子被电离，产生电子空穴对。轨迹附近反偏PN结耗尽区发生瞬时塌陷，并且使耗尽区电场的等位面变形。电离产生的电子将被推至耗尽区中，而空穴向下移动并产生衬底电流。在SOI器件中，虽然射线粒子也将沿入射轨迹使硅原子电离。但由于器件区于衬底之间存在绝缘层，衬底产生的电荷无法进入器件区，只有顶层硅膜内产生的电荷才能被收集，由于瞬时辐射顶层硅膜产生电子空穴对的有效辐射体积与体硅相比减少了三个数量级，所以顶层硅膜中产生的载流子很少，以至于对器件的性能影响不大，因此SOI电路具有天然抗辐射能力。（3）SOI技术可以抑制或消除体硅器件因特征尺寸减小而产生的各种不良反应。（4）由于SOI材料的特殊结构，SOI电路各器件之间相互隔离，这样就可以大大缩短器件间的距离，降低器件互联的复杂程度，提高电路的集成度和速度，改善电路的可靠性8。23不同半导体材料的SOI结构SIGEOI（GESIONINSULATOR）结构是另外一种近年来人们感兴趣的SOI材料。SIGEHBT比族化合物具有更大的优点，它被称为第二代硅新技术。近年来，由于MBE，CBE，及CVD技术的发展，使人们能够在硅衬底上生长GESI合金，形成SI/SIGE异质结。在GESIOI结构中，由于SIGE具有绝缘衬底，因而兼有SOI技术和SIGE技术的优越性，能改善MOS器件性能，对制造高性能、低功耗器件是非常理想的。另外，一层或多层器件层可生长在SIGEOI平台上，如应变硅，应变锗，应变硅，这些结构可在电子与光电子中得到广泛的应用。应变硅具有比体硅更高的电子和空穴迁移率，在未来CMOS工艺中拥有很广阔的应用前景。但是，体硅衬底上的应变硅CMOS同样受到体硅CMOS器件结电容、漏电流、短沟道效应等方面的影响。因此，提出了绝缘体上的应变硅，SIGEMOSFET来消除这些障碍9。应变SOIMOSFET顶层很薄的硅通过注入形成全耗尽结构，可以获得高载流子迁移率，同时消除短沟道效应和阈值电压漂移，在亚01微米CMOS工艺中具中北大学2013届毕业设计说明书第6页共31页有很大的应用前景。除了高载流子迁移率以及SOI器件共有的优势之外，它还具有三方面优点（1）抑制由于空穴通过硅锗PN结产生的浮体效应；（2）薄的SIGE层可以减少自加热效应；（3）可以减少SIGE外延层的位错密度10。24不同绝缘埋层的SOI结构在标准的SOI材料中由于SIO2绝缘埋层的低热导率，因而存在着自加热问题。因为自加热效应的影响，造成了器件迁移率、阈值电压、亚阈值以及泄漏电流退变。用其它绝缘材料来取代SOI中的埋氧层。这样的SOI结构将开辟新的应用领域并提高CMOS器件的性能11。一个解决自加热效应的很好方案就是用ALN，AL2O3或其它绝缘材料来取代常规SOI中的埋氧层，因为它们具有更高的热传导率。这种材料仍旧是类SOI结构，即薄SI层，高K介电材料，SI衬底。3压力传感器的芯片设计31压阻效应原理材料的压阻效应是指受到应力时，其电阻或电阻率发生明显变化的物理现象。设金属丝长为L，截面积为S，电阻系数为，则其阻值为RLS31当导线两端受到拉力F的作用时，其长度L伸长DL，截面积S减小DS，电阻系数变化D，从而金属丝电阻值增加DR。对式31微分得到DRRDDLLDSS32因为SR2,R为金属丝半径，所以有DSS2DRR33由材料力学可知DRRDLL34式中为泊松比，0A00368610114取量程P2MPA，边长A1000M,得H293M。条件2抗过载能力由公式得方形膜边中点处应力差最大值。丨丨123PA212H2（324）已知MAX45108PA，得H1587M综合条件1和条件2，所以在一定测量压力量程条件下，为了使硅片既能在线性范围内工作，又能满足一定的过载能力，可选硅薄膜的厚度为H30M。342方形膜片的ANSYS仿真由341确定方形膜片的尺寸为边长A1000M，厚度H30M。利用ANSYS建模得到图32图32方膜片的网格化将A500M,H30M,P01MPA代入式|X|XA3PA24H2得到1XYZ0906024129LIQINGZHUAPR132013154006ELEMENTS中北大学2013届毕业设计说明书第12页共31页|X|MAX|Y|MAX028108PA将方膜片四周施加约束，并在平面施加一个标准大气压,运算后得到方膜片的位移云图如图33图33方膜片的位移云图和应力云图可以看到，膜片越靠近中心处，位移越大。方膜片的应力云图如图33。图中可以看到，四个膜边中心应力最大，验证了33节得出的结论。而膜片沿X方向和Y方向的应力云图分别如图34所示。图34X和Y方向的应力云图可以看到，在X轴方向膜两边X方向应力最大，在Y轴方向膜两边的Y方向应力最大，且|X|MAX|Y|MAX033108PA与计算得到的理论值028108PA相近，证明设计结果符合要求。343传感器的结构模型设计为了达到低压高灵敏度的要求，而且控制好硅压敏电阻结深深度，得到合理的线性输出，国内外都在寻求新型结构。基于上述目的，参考国内外文献，本文讨论1MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU0359E07719E07108E06144E06180E06216E06252E06287E06323E06APR152013143043NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1USUMAVGRSYS0DMX323E06SMX323E061MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU38217331E07658E07985E07131E08164E08197E08229E08262E08295E08APR152013143135NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SEQVAVGDMX323E06SMN38217SMX295E081MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU333E08259E08185E08111E08371E07369E07111E08185E08259E08333E08APR152013143207NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SXAVGRSYS0DMX323E06SMN333E08SMX333E081MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU333E08259E08185E08111E08371E07369E07111E08185E08259E08333E08APR152013143223NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SYAVGRSYS0DMX323E06SMN333E08SMX333E08中北大学2013届毕业设计说明书第13页共31页E型和C型两种结构，测量的量程为01MPA。在仿真时，我们分别取十组数据（01MPA,02MPA）得到它们的相关应力云图和位移云图，进而分析两种结构的性能。图35是C型结构和E型结构的截面图。图35C型结构和E型结构如图36为我们设计的C型结构。它的有效膜尺寸边长A1000M，厚度H30M，而边上的支撑高度为80M。图36C型结构网格化以后，对结构施加约束,并在平面上分别施加110个标准大气压的应力进行分析，结构在一个大气压下和满量程1MPA下的位移云图如图37。图37一个大气压和十个大气压下C型结构位移云图1XYZ0906024129LIQINGZHUAPR212013150705VOLUMESTYPENUM1MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU0396E07792E07119E06158E06198E06237E06277E06317E06356E06APR212013161958NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1USUMAVGRSYS0DMX356E06SMX356E061MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU0396E06792E06119E05158E05198E05237E05277E05317E05356E05APR212013163135NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1USUMAVGRSYS0DMX356E05SMX356E05中北大学2013届毕业设计说明书第14页共31页由图中数据得到，当施加满量程1MPA时，结构中心最大位移为356M，远小于当初设计的边界支撑高度80M，所以设计符合要求。图38是在一个标准大气压和满量程十个标准大气压下的传感器的应力云图。图38一个大气压和十个大气压下C型结构应力云图由图中信息可知道应力集中在四个膜边中心处。图39，310分别为1个标准大气压和满量程下传感器的X和Y方向的应力云图。图39一个大气压下X，Y方向应力云图图310十个大气压下X，Y方向应力云图1MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU0261E07521E07782E07104E08130E08156E08183E08209E08235E08APR212013162012NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SEQVAVGDMX356E06SMX235E081MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU0261E08521E08782E08104E09130E09156E09183E09209E09235E09APR212013163148NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SEQVAVGDMX356E05SMX235E091MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU328E08264E08200E08136E08719E07784482562E07120E08184E08248E08APR212013162023NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SXAVGRSYS0DMX356E06SMN328E08SMX248E081MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU328E08264E08200E08136E08718E07777873563E07120E08184E08248E08APR212013162035NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SYAVGRSYS0DMX356E06SMN328E08SMX248E081MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU328E09264E09200E09136E09719E08784E07562E08120E09184E09248E09APR212013163203NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SXAVGRSYS0DMX356E05SMN328E09SMX248E091MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU328E09264E09200E09136E09718E08778E07563E08120E09184E09248E09APR212013163215NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SYAVGRSYS0DMX356E05SMN328E09SMX248E09中北大学2013届毕业设计说明书第15页共31页由图中可以得到，在X轴方向两边膜中心处|X|最大，在Y轴方向两边膜中心处|Y|最大。还可以得到一个大气压下，|X|MAX|Y|MAX0248108PA与理论值028108PA相差很小，在施加1MPA时，|X|MAX|Y|MAX0248109PA，与理论值028109PA的误差也较小，证明设计符合要求，性能良好。图311是E型结构的传感器，它的有效膜尺寸边长A1000M，厚度H30M。而边上的支撑高度为110M。中间质量块的边长是B200M，厚度C40M。图311E型结构网格化网格化以后，对结构施加约束,并在平面上分别施加110个标准大气压的应力进行分析，结构在一个大气压下和1MPA下的位移云图如图313。图312一个大气压和十个大气压下E型结构位移云图由图中数据可以得到，当施加十个大气压时，传感器中心最大位移处的位移为279M。这个数值远小于当初设计的边界支撑高度80M。图314是在一个标准大气压和十个标准大气压下传感器的应力云图。1XYZ0906024129LIQINGZHUAPR162013173308ELEMENTS1MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU0310E07619E07929E07124E06155E06186E06217E06248E06279E06APR212013154726NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1USUMAVGRSYS0DMX279E06SMX279E061MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU0310E06619E06929E06124E05155E05186E05217E05248E05279E05APR212013161028NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1USUMAVGRSYS0DMX279E05SMX279E05中北大学2013届毕业设计说明书第16页共31页图313一个大气压和十个大气压下E型结构应力云图由图中信息可知道应力集中在四个膜边中心处。图314和315分别为1个标准大气压和10个大气压下传感器的X和Y方向的应力云图。图314一个大气压下X，Y方向应力云图图315满量程下X，Y方向应力云图由图中可以得到，在X轴方向两边膜中心处|X|最大，在Y轴方向两边膜中心1MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU0327E07655E07982E07131E08164E08196E08229E08262E08295E08APR212013154740NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SEQVAVGDMX279E06SMX295E081MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU0327E08655E08982E08131E09164E09196E09229E09262E09295E09APR212013161047NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SEQVAVGDMX279E05SMX295E091MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU315E08253E08191E08130E08682E07666324549E07116E08178E08240E08APR212013154823NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SXAVGRSYS0DMX279E06SMN315E08SMX240E081MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU314E08252E08191E08129E08678E07621803553E07117E08178E08240E08APR212013154843NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SYAVGRSYS0DMX279E06SMN314E08SMX240E081MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU315E09253E09191E09130E09682E08666E07549E08116E09178E09240E09APR212013161059NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SXAVGRSYS0DMX279E05SMN315E09SMX240E091MNMXXYZ0906024129LIQINGZHU314E09252E09191E09129E09678E08622E07553E08117E09178E09240E09APR212013161106NODALSOLUTIONSTEP1SUB1TIME1SYAVGRSYS0DMX279E05SMN314E09SMX240E09中北大学2013届毕业设计说明书第17页共31页处|Y|最大。将方平膜的小挠度模型与C型的最大横向应力在10组压力下作对比，列出表格31表31方形膜片和C型横向应力对比施加的应力理论值C型结构01MPA0280108PA0248108PA02MPA0560108PA0497108PA03MPA0840108PA0745108PA04MPA0112109PA0993108PA05MPA0140109PA0124109PA06MPA0168109PA0149109PA07MPA0196109PA0174109PA08MPA0224109PA0199109PA09MPA0252109PA0224109PA1MPA0280109PA0248109PA表32是C型结构和E型结构受到应力时膜中心位移。表32C型和E型最大挠度对比施加的应力C型结构E型结构01MPA036M028M02MPA071M056M03MPA107M084M04MPA142M111M05MPA178M139M06MPA214M167M07MPA249M195M08MPA285M223M09MPA312M251M1MPA356M259M中北大学2013届毕业设计说明书第18页共31页由表31和表32得到，C型结构和E型结构的中心挠度都符合要求，而E型结构的中心挠度更小，性能更好。综上，本文所设计的C型传感器和E型传感器，无论应力值，还是中心挠度都与理论值相近，符合设计要求且性能良好。其中，E型结构的中心挠度更小。35压敏电阻设计351电阻设计在相同的腐蚀工艺条件下，（100）面的腐蚀速率大于（110）面，远大于（111）面，且工艺条件比较成熟。所以本文研究（100）面，其压阻系数分布图如图316图316100面的压阻系数分布图根据图得，压阻系数最大值出现在011和011晶向上，001和010晶向上没有压阻效应，所以011和011是制作传感器的最佳晶向13。352版图设计由图310得到，在沿X方向的两边中心|X|最大，在沿Y方向的两边|Y|最大，且值相等。所以掺杂形成电阻的版图如图317图317掺杂电阻示意图这样一来，R2和R4电阻的纵向应力L最大，R1和R3电阻的横向应力T最中北大学2013届毕业设计说明书第19页共31页大。由式RRTTLL，得到获取四个电阻R1R2R3R4R,相邻两个电阻的变化量R/R大小相等符号相反，相对两个电阻的变化量R/R完全相等，所以符合惠斯通全桥原理。将四个电阻连接成惠斯通电桥，根据式（325），保证输入VIN不变，受到应力后，由于压阻效应电阻值发生变化，则VOUT变化，从而完成传感器功能14。VOUTVINRR（325）353电阻计算方阻是指膜厚一定，长度和宽度相同的膜材料的电阻。方阻就是方块电阻，又称面电阻，指一个正方形的薄膜导电材料边到边“之”间的电阻。方块电阻有一个特性，即任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的，不管边长是1米还是01米，它们的方阻都是一样，这样方阻仅与导电膜的厚度等因素有关。方块电阻的计算公式RT326其中，是材料的电阻率，T是材料的厚度。通过查阅资料，本课题设定掺杂浓度为31018CM3，通过公式计算后，确定电阻R45K。由之前的理论得出，单晶硅有三个独立的压阻系数，它们的值列为表33表33单晶硅的压阻系数导电类型电阻率111244P7866111381N117102253136由表格可知，对于P型硅，剪切压阻效应为主，忽略正向和横向压阻效应；对于N型硅，正向压阻效应为主，考虑横向压阻效应，忽略剪切压阻效应。本文采用掺杂P型电阻的方法制作传感器，所以忽略正向和横向压阻效应，在011和011晶向上，将数值代入式312中，得到式326L1244，T1244326RRTTLL1244MAX327中北大学2013届毕业设计说明书第20页共31页保证输入电压VIN5V，将仿真得到的值代入式（325）和327中，求出VOUT，得到表34。表34不同应力作用下的输出电压施加的应力C型结构E型结构01MPA8562MV8286MV02MPA17159MV16537MV03MPA25721MV24823MV04MPA34283MV33110MV05MPA42811MV41430MV06MPA51442MV49716MV07MPA60074MV58002MV08MPA68705MV66288MV09MPA77336MV74574MV1MPA85620MV82860MV整理数据得到C型结构和E型结构应力与输出电压的曲线如图317，318，319。两个结构的曲线的线性度非常好，证明此设计符合要求，性能良好。通过计算得到两组数据的拟合直线方程。Y8579909X0182328Y8289164X0278329图317C型结构中北大学2013届毕业设计说明书第21页共31页图318E型结构图319C型结构与E型结构对比4工艺流程SOI高温压力传感器芯片的工艺流程为图41。图41SOI高温压力传感器芯片工艺流程传感器的制造工艺过程为（A）硅片为CZ法制作的P型（100）晶向的硅片，经过切片、磨片和抛光清中北大学2013届毕业设计说明书第22页共31页洗后直接键合作成SOI晶片，整个厚度大约为550M。（B）在扩散炉中对单晶膜进行高浓度B扩散。（C）等离子干法刻蚀电阻条图形。（D）LPCVD法对SOI双面淀积SI3N4保护膜。（E）背面光刻腐蚀窗口，各项异性腐蚀硅杯。（F）光刻引线孔，金属化。下面就传感器制作工艺中的几个关键性问题作进一步的探讨。41掺杂工艺掺杂是指用人为的方法将所需的杂质按要求的浓度与分布，掺入到半导体等材料中，以达到改变材料电学性质，形成半导体器件的目的的方法。利用掺杂技术可以制备PN结、电阻器、欧姆接触和互连线等。掺入杂质的种类、数量及其分布对器件性能的影响极大，因此必须加以精确控制，特别是在大规模集成电路中，对控制精度的要求就更为严格。在IC制造中主要采用以下三种方式，一般地，高浓度深结掺杂采用热扩散，而浅结高精度掺杂应当采用离子注入。杂质掺杂到半导体中的方法通常有三种熔体掺杂法从单晶制备过程中，把杂质元素如III、V族元素掺入到半导体熔体中，这种方法得到的杂质呈均匀分布。扩散法从高温半导体表面掺入杂质以改变体内杂质的浓度分布，所得到的杂质分布呈非均匀分布。离子注入法离子注入是一种新的掺杂技术，它的基本原理是把掺杂原子离子化，然后带电离子被加速，以较高的能量注入半导体中，经高温退火后，注入的离子活化，起施主或受主的作用，离子注入掺杂的优点是它可以在较宽的范围内精确的控制掺杂的浓度及其分布，均匀性、重复性好，属于低温工艺，适用于大生产等。411扩散原理扩散工艺是制造锗、硅等半导体器件的一项重要工艺。扩散形式分别有替位式扩散和间隙式扩散。替位式扩散是指杂质离子占据硅原子的位。一般要在很高的温度9501280中北大学2013届毕业设计说明书第23页共31页下进行，如图42。间隙式扩散是指杂质离子位于晶格间隙。间隙式扩散的扩散系数要比替位式大67个数量级。如图43。图42替位式扩散图43间隙式扩散扩散运动规律可用扩散方程来描述，根据FICK定律，杂质的扩散流方程NTD2NX241其中N为杂质浓度，D为扩散系数，是描述杂质扩散运动快慢的物理量，它与扩散温度、杂质种类、扩散气氛、衬底晶向等多种因素相关，它是表征扩散行为的重要参量。扩散系数是温度的函数DD0EXPEAKT42可以看出扩散系数与温度是指数关系，因此扩散工艺应严格控制温度以保证扩散的质量15。费克扩散方程的物理意义在热扩散过程中，扩散由浓度梯度的存在而引发。在浓度梯度的作用下，将引起某位置点杂质的积累或丢失。它们之间的相互制约关系均反映在扩散方程中。对应于不同的初始条件、边界条件，将会对扩散的动态变化有不同的描述，则会得到不同的扩散方程的解。中北大学2013届毕业设计说明书第24页共31页412固态硼的扩散固态硼扩散又可分为气一固扩散和固一固扩散两种方法。硼重掺杂可以采用气一固扩散中的片状源扩散方式，扩散源为硼微晶玻璃，衬底为100P型双面抛光单晶硅片。片状源的大小通常和硅圆片直径差不多，通常和硅片一起平行直立放在扩散炉内，在扩散时需要通入惰性气体如氮气保护。在氮气保护下，在石英扩散管中进行高温扩散。根据需要，选择不同的扩散时间、扩散温度以及气氛。扩散后用四探针测量扩散层方块电阻。在半导体晶圆中应用固态扩散工艺SOLIDSTATEDIFFUSION，通常采用两步扩散法在恒定表面浓度下的预扩散和在杂质总量不变情况下的再分布，两步都是在水平或垂直的炉管中进行16。第一步预扩散或预淀积，采用恒定表面源扩散方式，温度低时间短，因而扩散的很浅，可以认为杂质淀积在一薄层内，可以很好控制杂质总量Q。杂质按余误差函数形式分布。第二步主扩散或再分布，是将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在高温下进行扩散，可以控制表面浓度和扩散深度。杂质按高斯函数形式分布。扩散工序1清洗。去除硅片表面有机物和无机物，用去离子水冲洗，然后用稀HF漂去表面的二氧化硅薄层，最后用去离子水冲洗，甩干；2将硅片装入石英舟，装入扩散炉；3预扩散；4出舟与进舟过程相反；5用稀HF漂去表面杂质与硅形成的玻璃及高杂质含量的二氧化硅薄层，最后用去离子水冲洗，甩干。用四探针测量试片的方块电阻；6装片，进舟；7再分布及氧化；8出舟，稀HF清洗，测量试片方块电阻，关闭气源。42热分解法淀积二氧化硅在SOI压力传感器的制造过程中，硅片表面需要淀积一层氮化硅做保护层。但是氮化硅与硅晶格匹配不理想，不宜直接淀积到单晶硅表面。而二氧化硅和氮化硅中北大学2013届毕业设计说明书第25页共31页的表面匹配效果要好很多，所以在硅表面淀积氮化硅保护膜之前，先淀积一层二氧化硅，一般生长厚度为3000A。热分解淀积与热氧化不同，在热分解淀积中，由于衬底不参与反应，所以不会因产生二氧化硅层而消耗单晶硅。这对于SOI压力传感器的制作室一种理想的方式。和热氧化法相比，热分解淀积法的优点还有淀积温度低（700800），对扩散结推移的影响小，适用范围大（对金属、陶瓷衬底都可以使用）和能淀积较厚的氧化层等。一般在光刻工艺中容易形成针孔时，用热分解淀积法来填充针孔，对器件的成品率是十分有效的。热分解淀积法的缺点是，塔索淀积的氧化层的紧密程度差，对杂质的掩蔽能力较差。所以在做这一步工艺之后，可以进行快速退火工艺，以增加加掩蔽层的致密性，或者采用成本较高的淀积氧化铝的方法，形成致密的掩蔽层。一般来说，3000A的二氧化硅就可以保证实验的精确和稳定。43光刻光刻是加工制造集成电路图形结构以及微结构的关键工艺之一。光刻工艺就是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合腐蚀方法在各种薄膜或硅上制备出合乎要求的图形，以实现制作各种电路元件、选择掺杂、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。光刻工艺主要包括晶片清洗、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等步骤。腐蚀图形的好坏与光刻工艺过程中每一个步骤均相关。图44是光刻的一般步骤17。图44光刻步骤中北大学2013届毕业设计说明书第26页共31页431预处理目的是改变晶圆表面的性质，使其能和光刻胶（PR）粘连牢固。主要方法就是涂HMDS，在密闭腔体内晶圆下面加热到120，上面用喷入氮气加压的雾状HMDS，使得HMDS和晶圆表面的OH健发生反应以除去水汽和亲水健结构，反应充分后在23冷板上降温。该方法效果远比传统的热板加热除湿好。432涂胶涂胶在甩胶台上进行，在硅片表面涂覆一层粘附性好，厚度适当，厚薄均匀的光刻胶。涂胶时由于转盘转速很高，抗蚀剂中的有机溶剂和空气中的水分会逐渐凝聚，形成小颗粒析出，当光致抗蚀剂作为固体抗蚀剂膜附着在硅片上时，已形成的微小水滴就形成针孔。情况严重时，会造成显影和腐蚀时浮胶，因此必须严格控制抗蚀剂和空气中的水分，这可采取将抗蚀剂作为脱水剂，较低空气相对湿度的方法解决。433前烘前烘是在一定温度下，使胶膜里的溶剂缓慢地挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。前烘的温度和时间随胶的种类和膜厚不同而有所差别，温度和时间的控制至关重要。温度过高，可能会发生感光性树脂的热交联，显影时留下底模，造成增感剂升华挥发而使灵敏度下降，还会导致抗蚀剂翘曲硬化甚至发黑，造成显影和腐蚀后胶膜减薄而增加针孔密度。一般进行的温度为80，时间为1015分钟。434曝光曝光是对已涂光致抗蚀剂的硅片进行选择性曝光，是曝光的部分发生光化学反应，从而改变曝光部分在显影液中的溶解度。435显影显影就是把曝光后的硅片，用显影液去除应去掉的那部分光致抗蚀剂。显影液的选择对显影效果的影响是极其重要的。显影液选择的原则有应对需要去掉部分的抗蚀剂溶解的快，溶解度大，而对需要保留的抗蚀剂溶解度极小；要求显影液内杂质少,毒性小。中北大学2013届毕业设计说明书第27页共31页436坚膜坚膜是除去显影时胶膜吸收的显影液和水分，改善粘附性，增强胶膜抗腐蚀能力。坚膜时间过短会导致掩膜抗蚀性差，容易掉胶；坚膜时间过长会导致掩膜难以去除，或开裂。44腐蚀441腐蚀原理腐蚀技术是加工传感嚣的是基础、最关键的技术，它通常有两种干法腐蚀和湿法腐蚀。硅的湿法腐蚀是先将材料氧化，然后通过化学反应使一种或多种氧化物溶解，包括湿法化学腐蚀和湿法电化学腐蚀。干法腐蚀技术，包括物理作用为主的反应离子溅射腐蚀，以化学反应为主的等离子体腐蚀，以及兼有物理、化学作用的反应溅射腐蚀。442腐蚀剂的选择根据腐蚀剂的不同，硅的化学湿法腐蚀可分为与晶格方向无关的各向同性湿法腐蚀和与晶格方向相关的各向异性湿法腐蚀各向同性腐蚀是指硅在各个晶向有相同的腐蚀速率，因而适用于圆形结构的加工。各向异性腐蚀是指硅的不同晶向具有不同的腐蚀速率，基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构，如悬臂梁、齿轮等，它是小型三维结构硅微机械加工的关键技术。造成这两种现象的原因取决于蚀刻液的选择，一般来说，各向同性湿法腐蚀液多为强酸，如氢氟酸HF或是再加上硝酸及醋酸所混合的HNA等；各向异性湿法腐蚀液则为强碱或有机类，如氢氧化钾、四甲基氢氧化铵TMAH等。各向异性腐蚀就是基于硅单晶的不同晶向的物理化学性质不同而使某些化学腐蚀液对不同晶向硅的腐蚀速