SOI高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀

1、第34卷第2期April 2005文章編號(hào)：1007-2373(2005 02-0014-06SOI 高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀張書(shū)玉1，張維連1，張生才2，姚素英2（1. 河北工業(yè)大學(xué)半導(dǎo)體材料研究所，天津300130；2. 天津大學(xué)微電子研究所，天津300072）摘要：SOI (silicon on insulator 高溫壓力傳感器是一種新型的半導(dǎo)體高溫壓力傳感器，具有耐高溫、抗輻射、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠解決石油、汽車(chē)、航空、航天等領(lǐng)域?qū)Ω邷貕毫鞲衅鞯钠惹行枨螅诟邷仡I(lǐng)域有很大的潛力本文論述了SOI 材料的制備方法-特別是硅片直接鍵合技術(shù)(SDB ，簡(jiǎn)單介紹了SOI 壓力傳感器的優(yōu)勢(shì)、制

2、作工藝以及SOI 壓力傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀關(guān)鍵詞：壓力傳感器；SOI ；SiO 2層；各向異性腐蝕；硅片直接鍵合；硅單晶片中圖分類(lèi)號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AThe Research Status of SOI High-temperature Pressure SensorZHANG Shu-yu 1，ZHANG Wei-lian 1，ZHANG Sheng-cai 2，YAO Su-ying 2(1. Semiconductor Material Institute, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2. Schoo

3、l of Electronics and InformationEngineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China Abstract ：High temperation SOI (silicon on insulator pressure Sensor is a novel senmiconductor pressure sensor , ithas the advantages of resisting high temperature, radiation and good stability.can meet the needs

4、in some harsh enviroment,such as in the oil refining industry, automotive industry, aviation and space engineering , it has great potential in hightemperature field. In this paper, we discuss the preparation methods of SOI materials-especially in silicon direct bondingmethod.and simply reports the p

5、redominance , the fabrication processes and development status of SOI pressure sensor.Key words ：pressure sensor ；SOI ；SiO 2layer ；anisotropic etching ；SDB ；silicon film0引言20世紀(jì)60年代開(kāi)始應(yīng)用在空間和微型測(cè)量系統(tǒng)中的硅氧化物絕緣體1(silicon on insulator ，SOI 技術(shù)經(jīng)過(guò)40多年發(fā)展，應(yīng)用范圍已從微電子元器件擴(kuò)展到軍事、通訊、生命科學(xué)以及信息科學(xué)等廣泛的重要領(lǐng)域利用SOI 制作性能更加優(yōu)良、穩(wěn)定性更

6、好、可靠性更高和技術(shù)上更加先進(jìn)的新型傳感器已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)目前，利用SOI 晶片開(kāi)發(fā)的新型傳感器有力學(xué)量中的加速度、壓力、扭矩、微重力等傳感器，化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、磁傳感器等新的研究成果一部分產(chǎn)品已經(jīng)批量化生產(chǎn)，預(yù)計(jì)不久的將來(lái)將會(huì)出現(xiàn)更多的新產(chǎn)品，并加快產(chǎn)業(yè)化的速度本文簡(jiǎn)單介紹了SOI 材料的制備方法及其特點(diǎn)、壓力傳感器的制作工藝和SOI 壓力傳感器的優(yōu)勢(shì)以及發(fā)展趨勢(shì)1SOI 制造工藝及特點(diǎn)縱觀SOI 技術(shù)發(fā)展史，制作SOI 的方法大致可以分為3大類(lèi)24：第一大類(lèi)是在已經(jīng)形成好的氧化物層上制作硅單晶，例如激光再結(jié)晶法、鹵素?zé)艋驐l形加熱器再結(jié)晶法，固相橫向外延法等，一般來(lái)說(shuō)，這些方法所

7、形成的絕緣層上的硅單晶質(zhì)量比本體硅要差很多第二大類(lèi)是在已經(jīng)存在的硅單晶層下面形成氧化物層，例如氧化多孔硅法，N +或O +注入法等，一般地，這些方法將導(dǎo)致較差質(zhì)量的氧化層，同時(shí)，絕緣層上硅單晶的質(zhì)量也會(huì)隨著氧化物的形成而下降第三大類(lèi)方法就是硅片直接鍵合(SDB 收稿日期：2004-10-25作者簡(jiǎn)介：張書(shū)玉（1981-），男（漢族），碩士生15張書(shū)玉，等：SOI 高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀第2期的方法，此法形成的絕緣層質(zhì)量和絕緣層上單晶硅的質(zhì)量都很好，因此具有較大優(yōu)勢(shì)當(dāng)然此法也存在不利因素，其潛在的缺點(diǎn)是將來(lái)制作立體器件時(shí)，立體交叉布線(xiàn)有困難從SOI 技術(shù)的最新發(fā)展來(lái)看，這3大類(lèi)方法并不是在孤立

8、地發(fā)展，而是有相互滲透、相互結(jié)合的趨勢(shì)所謂的硅片直接鍵合是將兩片硅片經(jīng)過(guò)一定的處理直接鍵合在一起，這種技術(shù)稱(chēng)為硅直接鍵合(SDB 技術(shù)，也有人稱(chēng)為硅熔融鍵合(SFB 技術(shù)，或直接硅片鍵合(DWB 技術(shù)采用這種技術(shù)在兩片硅片之間不需要任何粘結(jié)劑也不需要外加電場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)兩片硅片之間的鍵合，且工藝簡(jiǎn)單硅片直接鍵合工藝如圖1所示要粘合的片子必須經(jīng)過(guò)拋光，用含有氫氧根離子的溶液浸泡，使這些表面被附上一至兩層的水分子，成為親水的表面粘合的過(guò)程必須在10級(jí)或10級(jí)以上的超凈空間中進(jìn)行，以避免粒子粘污的影響然后在室溫下將這兩片硅片的拋光面面對(duì)面貼和在一起將貼合好的硅片在氧氣或氮?dú)獾沫h(huán)境中經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)的高溫處理就

9、形成的良好的鍵合先在低溫下（200左右）恒溫一段時(shí)間，使界面處的羥基發(fā)生初步的脫水反應(yīng)，再升高溫度（800左右）保持一段時(shí)間，使之完成全部的脫水反應(yīng)，最后在高溫下（1000，約30min ）讓生成的水汽擴(kuò)散到硅的外表面并生成氧化層，同時(shí)界面處的原子相互擴(kuò)散和橫向遷移，使原子間達(dá)到緊密接觸并實(shí)現(xiàn)鍵合在鍵合處理完成后，正面的硅片必須從幾百微米減到幾微米或更薄，以適應(yīng)SOI 器件制造的需要首先進(jìn)行粗磨粗磨雖不精細(xì)但能迅速減薄硅片，它可以用來(lái)去除鍵合硅片頂部絕大部分硅而只留下二氧化硅上面幾微米厚的硅層在粗磨之后采用有腐蝕終點(diǎn)顯示的化學(xué)腐蝕方法腐蝕終止是由在上層硅片的下表面上建立雜質(zhì)濃度梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)的SO

10、I 材料是指具有圖2結(jié)構(gòu)的材料襯底硅作為機(jī)械支撐（厚度約為幾百微米），表面單晶硅用于制造器件（厚度116河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第34卷2SOI 壓力傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)半導(dǎo)體高溫壓力傳感器制作的關(guān)鍵在于高溫下應(yīng)變電阻之間以及應(yīng)變電阻與襯底間的電絕緣、穩(wěn)定性、重復(fù)性以及工藝的簡(jiǎn)單性與其他壓阻式壓力傳感器8如擴(kuò)散硅壓力傳感器、多晶硅壓力傳感器、SOS 壓力傳感器和SiC 壓力傳感器相比較，SOI 壓力傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面91）SOI 材料各種特性?xún)?yōu)異，制備方法多盡管SiC 材料的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)特性也十分優(yōu)越，在某些方面甚至超過(guò)了SOI 材料，但是制備困難尤其是高性能的SiC 材料(如6H

11、-SiC 的制備就更加困難至于SOS 材料，價(jià)格因素基本上限制了它的發(fā)展2）由于硅集成電路技術(shù)的發(fā)展，為SOI 材料的加工制備提供了先進(jìn)的技術(shù)支撐，使其制備工藝愈來(lái)愈成熟SOI 傳感器襯底硅加工通常采用成熟的微機(jī)械加工技術(shù)，如各向同向異性腐蝕技術(shù)；頂層硅膜中的器件制作則采用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路平面工藝，確保了傳感器的性能盡管多晶硅壓力傳感器在常規(guī)用途中，性?xún)r(jià)比上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，但多晶硅壓力傳感器制作過(guò)程中須采用LPCVD 法生長(zhǎng)一層多晶硅薄膜薄膜的生長(zhǎng)工藝條件對(duì)多晶硅薄膜各種特性的影響很大，因此對(duì)LPCVD 和退火工藝的重復(fù)性與穩(wěn)定性有很高的要求，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)困難；另一方面，由于多晶硅材料結(jié)構(gòu)的特殊

12、性，對(duì)其各種特性的了解遠(yuǎn)不如單晶硅材料透徹，缺乏大量參數(shù)的具體數(shù)據(jù)，傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步驗(yàn)證SiC 壓力傳感器和SOS 壓力傳感器由于材料結(jié)構(gòu)的特殊性，目前加工手段匱乏，因此產(chǎn)品的質(zhì)量以及不同批次產(chǎn)品的重復(fù)性和穩(wěn)定性都難以保證，尚有待開(kāi)展深入的研究工作3）MEMS （微電子機(jī)械系統(tǒng)）是各類(lèi)傳感器發(fā)展的必然方向所謂MEMS 就是將敏感元件和各種處理電路集成在同一芯片上，形成一個(gè)能夠獨(dú)立完成某項(xiàng)功能的復(fù)雜系統(tǒng)由于SOI 材料自身良好的特性，適合制作各種高性能集成電路，如高溫、高速、抗輻射和低功效電路等，因此可以與SOI 傳感器結(jié)合起來(lái)制作高性能的SOI MEMS 是其一大優(yōu)勢(shì)多晶硅壓力傳

13、感器的結(jié)構(gòu)與工藝只適合與體硅集成電路結(jié)合，制作出的MEMS 性能顯然無(wú)法與SOI MEMS 相比SiC 材料雖然也可應(yīng)用于高性能集成電路的制作，但由于理論水平和加工手段的限制，目前的SiC 材料的應(yīng)用還僅限于分立元器件4）壓力傳感器利用材料的壓阻效應(yīng)制作最新研究成果顯示10，單晶硅材料制作的壓力傳感器的1/f噪聲要遠(yuǎn)小于多晶硅材料這表明在微壓測(cè)量領(lǐng)域，SOI 壓力傳感器具有較大的優(yōu)勢(shì)在SOI 襯底上制造的高溫壓力傳感器，單晶硅電阻膜與襯底之間采用SiO 2隔離，形成單晶硅SOI 結(jié)構(gòu)，使得p-n 結(jié)漏電流減少，從而獲得良好的高溫性能和更高的靈敏度，因此適合在高溫下應(yīng)用3SOI 壓力傳感器的制作

14、工藝在絕緣襯底上生長(zhǎng)一層硅薄膜(SOI 是解決p-n 結(jié)隔離引起高溫漏電的最佳方法，該結(jié)構(gòu)抗輻射，耐腐蝕，自隔離，體漏電小，寄生電容小，無(wú)體閂鎖效應(yīng)等特點(diǎn)，可應(yīng)用在惡劣環(huán)境下SOI 結(jié)構(gòu)中的絕緣層既可以作為腐蝕停止層，也可以作為力敏電阻的介質(zhì)隔離層SOI 形成技術(shù)主要有硅-硅直接鍵合11（SDB ）、氧離子注入隔離技術(shù)12（SIMOX ）、智能剝離技術(shù)13（SMART-CUT ）、多孔硅氧化隔離14（FIPOS ）等技術(shù)使用不同的SOI 形成技術(shù)可以形成不同的SOI 結(jié)構(gòu)利用這些結(jié)構(gòu)可以制作性能優(yōu)良的高溫壓力傳感器這里介紹一種可行的SOI 壓力傳感器的制作方案，如圖3所示4SOI 壓力傳感器的

15、研究現(xiàn)狀4.1提高傳感器性能、可靠性及工作溫度1997年Motorola 公司在IEEE 舉辦的傳感器與執(zhí)行器國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上報(bào)道了利用CMOS 工藝制作的測(cè)壓MEMS 系統(tǒng)該系統(tǒng)集成了壓阻式壓力傳感器，溫度傳感器，8位微控制器，信號(hào)處理電路，A/D17張書(shū)玉，等：SOI 高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀第2期和D/A轉(zhuǎn)換器，2K 字節(jié)的EPROM 及數(shù)字通訊接口電路，采用SOI 技術(shù)制造，微處理器和信號(hào)處理電路分布在壓阻式壓力傳感器的四周將MCU 及信號(hào)處理電路和壓力傳感器進(jìn)行單片集成，一方面是傳感器系統(tǒng)在智能化的基礎(chǔ)上更加小型化，方便了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，減少了維護(hù)；另一方面減少了原來(lái)各功能單元之間的連接，

16、提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性法國(guó)LETI 研究所目前正在開(kāi)發(fā)工作溫度達(dá)400的SOI 高溫壓力傳感器LETI 研究所和斯倫貝格公司等單位開(kāi)發(fā)一種真空腔體從外部進(jìn)行保護(hù)的硅壓阻式傳感器經(jīng)在500下對(duì)壓力測(cè)量的測(cè)試，SOI 傳感器電阻對(duì)溫度的變化首次達(dá)到了令人滿(mǎn)意的結(jié)果LETI 和NORWEGIAN 公司合作研制的達(dá)到微型化的管狀結(jié)構(gòu)的傳感器，直徑小于60，長(zhǎng)度只有幾微米，該產(chǎn)品減小了封裝的影響溫度達(dá)到300時(shí)，測(cè)量壓力可達(dá)到1500bar (1bar =105Pa ，產(chǎn)品主要應(yīng)用在汽車(chē)工業(yè)15德國(guó)柏林技術(shù)大學(xué)正在采用SOI 襯底開(kāi)發(fā)3C-SiC壓力傳感器額定壓力=0.5mV/(V -SiC-on-

17、SOI 壓力傳感器測(cè)試的結(jié)果表明：溫度在673K 時(shí)電隔離可靠室溫靈敏度） ，多晶硅熱敏電阻器的溫度系數(shù)116烏克蘭綜合技術(shù)大學(xué)利用多晶硅和SOI 襯底制作了醫(yī)用壓力傳感器它采用了激光再結(jié)晶工藝，提高多晶硅電阻晶體結(jié)構(gòu)的性能它們使用的摻硼硅具有的載流子濃度范圍1101851018/cm -3，利用激光再結(jié)晶技術(shù)，提高了壓阻式電阻的應(yīng)變系數(shù)和溫度穩(wěn)定性17Birkelund 采用融合鍵合工藝制作了高壓壓力傳感器設(shè)計(jì)量程為351500bar ，溫度范圍18Kasten 等人開(kāi)發(fā)出了用于高溫、帶有單塊集成CMOS 讀出電路的電容式壓力傳感器該產(chǎn)品的工作溫度已達(dá)到250輸出單元的CMOS 電路采用了離

18、子注入型的SIMOX 襯底讀出電路編程，并且對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性、漂移和輸出量程的校準(zhǔn)在沒(méi)有補(bǔ)償?shù)那闆r下，滿(mǎn)量程熱靈敏度漂移低于0.03%/(20圖3SOI 壓力傳感器的制作方案Fig. 3The fabricate programme of SOI preesure sensor SDB SOI -LPCVD Si 3N 4Si-Glass靜電封接傳感器封裝18河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第34卷150范圍內(nèi) ；在150250時(shí)低于0.09%/相應(yīng)的非線(xiàn)性誤差低于0.4%19在1998年中國(guó)電子學(xué)會(huì)敏感技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了由硅片直接鍵合技術(shù)得到的SOI 材料制作出了SOI 微型高溫壓力傳感器在11MPa 的壓力測(cè)試下非線(xiàn)性度優(yōu)于0.5%，靈敏度溫度系數(shù)為1.11.3105V ，靈敏度溫度系數(shù)為1.410m 厚的SOI 襯底上敏感元件采用13 m ，寬0.25m ，壓阻式電阻厚0.1m 準(zhǔn)確度可達(dá)到1108DNA 分子 5結(jié)束語(yǔ)SOI 高溫壓力傳感器是一種新型的半導(dǎo)體壓力傳感器它比擴(kuò)散硅壓力傳感器具有更高的工作溫度，比多晶硅高溫壓力