一种悬臂梁结构的SiC温度传感器及其制造方法与流程

本发明属于宽禁带半导体器件制备技术领域，涉及一种温度传感器制备方法，具体涉及一种悬臂梁结构的sic温度传感器及其制造方法。

背景技术：

半导体集成传感器具有功能专一、测量误差小、响应速度快、体积小、微功耗、无需非线性校准等特点。但现有的半导体集成传感器多以si基为主，由于si的带隙较窄(～1.12ev)，耐高温、辐射性能较差，无法适应高温工作环境，因此市面上si基传感器最高工作温度在125℃左右。此外si在恶劣环境下会与其他物质发生反应，易被氧化或腐蚀；高温条件下si的机械性能易发生退化，因此si基温度传感器已经不能胜任复杂恶劣的工作环境。

随着人们对恶劣环境的探索，特别是在温度高于350℃的高温测量领域，对温度传感器的耐高温性能有了更高的要求，而sic材料具有宽带隙、高热导率、高熔点、力学性能优异、抗辐射、抗腐蚀、高热稳定性、大压电系数、高饱和电子漂移率以及低介电常数等优良的材料性能，是制作耐高温传感器的理想材料。

常见的半导体集成温度传感器有铂电阻式、热敏电阻式、热电偶式、pn结式等。随着mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)技术的出现，又发展出了压阻式、压电式、电感式、谐振式、多晶硅微桥式等mems温度传感器。由于压阻式传感器的灵敏度好，输出阻抗小，且输出线性度高，因此采用压阻式传感器对非电量参数的测量十分有效。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种悬臂梁结构的sic温度传感器，以确保在恶劣环境下工作的集成温度传感器可靠性更高、寿命更长、灵敏度以及线性度更好。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种悬臂梁结构的sic温度传感器，其特征在于：包括自下而上的sic底层、复合硅化合物中间层以及顶部金属层，所述sic底层的si面上通过离子注入工艺注入掺杂形成惠斯通电桥检测电路，未掺杂区域为绝缘保护区域，在sic底层上沉积与惠斯通电桥检测电路的电极电连通的导电金属，形成金属焊盘，所述复合硅化合物中间层用于缓冲热应力，复合硅化合物中间层由多个低热膨胀系数、高介电常数、高绝缘性、热膨胀后能产生不同方向应力的硅化合物薄层堆叠形成，通过选择复合硅化合物中间层的沉积面积使得金属焊盘露出，所述顶部金属层与复合硅化合物中间层最上层同面积沉积在复合硅化合物中间层最上层上，所述sic底层的的c面中部刻蚀有空腔，在空腔底部刻蚀有贯穿顶部金属层的图形，形成mems悬臂梁结构。

进一步地，所述惠斯通电桥检测电路由压阻区域、电连接线路区域组成，所述电连接线路区域包括电极和连接电路，压阻区域和电极通过连接电路互连形成惠斯通电桥检测电路，所述压阻区域包括四个压敏电阻条，四个压敏电阻条为一对纵向压敏电阻条和一对横向压敏电阻条，所述连接电路用于将四个压敏电阻条首尾相连，所述电极有四个，分布于相邻两个压敏电阻条之间的连接电路上。所述纵向压敏电阻条与悬臂结构平行，横向压敏电阻条与悬臂结构垂直，横、纵向压敏电阻条为n型或p型sic，均采用离子注入掺杂工艺由sic底层的表层结构加工而成，优选的，可采用磷离子作为离子注入材料。

所述电连接线路区域包括电极和连接电路，采用离子注入的重掺杂方式形成导电电路，注入离子种类与压阻区域相同，形成同种类型n型或p型半导体。所述电极共有四个，均匀布置在温度传感器四周，优选的，可采用矩形图案，且至少有一边边长大于300μm，以便于实现与外部引线的互连。所述未掺杂区域为未掺杂的sic底层，可对惠斯通电桥检测电路起到绝缘与保护作用。

所述复合硅化合物中间层由多个低热膨胀系数、高介电常数、高绝缘性、热膨胀后能产生不同方向应力的硅化合物薄层堆叠形成，具有抗热冲击的作用，实现对sic底层的保护，同时作为绝缘层将顶部金属层与sic底层上的惠斯通电桥检测电路分隔开，实现对电路的保护。

优选的，所述多个硅化合物薄层堆叠而成的复合硅化合物中间层可采用两层硅化合物，硅化合物可采用sio2层和si3n4层，厚度分别为0.3±0.05μm和0.2±0.02μm。sio2层热膨胀后产生压应力，si3n4层热膨胀后产生张应力，因此采用这两种材料可缓解复合硅化合物中间层的应力集中现象。所述sio2层的边长与sic底层的边长相等，si3n4层的边长小于sio2层的边长300±10μm，为金属焊盘预留尺寸余量，以实现金属焊盘与外部电路结构的连接，sio2层分布有四个通孔结构用于沉积金属焊盘，通孔位于电极正上方，且通孔略大于电极边长3～5μm。

进一步地，所述四个压敏电阻条为通过离子注入工艺对sic底层局部区域进行轻掺杂或中掺杂制备而成，掺杂类型为n型或p型，所述电极和连接电路为通过离子注入工艺对sic底层局部区域进行与压敏电阻条同型的重掺杂制备而成的sic。

进一步地，所述四个压敏电阻条中任意相邻的两个在延长线上相互垂直，四个压敏电阻条单向排列形成放射状。

进一步地，所述金属焊盘共有四个，均匀分布在温度传感器的四周，所述金属焊盘包括焊盘底部金属层和焊盘顶部金属层，焊盘底部金属层置于电极上方并与之形成欧姆接触，焊盘顶部金属层置于焊盘底部金属层上方并与之形成电接触，焊盘顶部金属层通过引线结构连接金属焊盘与外部电路，且焊盘顶部金属层高度耐氧化。

进一步地，所述焊盘底部金属层采用金属镍、金属铝或钛制成，所述焊盘顶部金属层采用具有高度耐氧化特性的金属铂制成；所述焊盘底部金属层采用金属镍或钛制成，所述焊盘顶部金属层采用具有高度耐氧化特性的金属铂制成，厚度为0.05±0.01μm，当电极采用n型掺杂时，所述焊盘底部金属层可采用金属镍ni等材料，当电极采用p型掺杂时，所述焊盘底部金属层可采用金属钛ti等材料，厚度为0.25±0.02μm。

进一步地，所述复合硅化合物中间层包括热膨胀后应力相反的sio2层和si3n4层，所述sio2层沉积在金属焊盘四周的sic底层上，所述si3n4层沉积在sio2层上。

进一步地，所述顶部金属层采用具有高热膨胀系数、高弹性性能和延展性好的金属材料制成。优选的，所述顶部金属层可以是金属铜cu，厚度为0.5～5μm。

一种悬臂梁结构的sic温度传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过飞秒激光对sic底层的c面中部进行sic深腔刻蚀，以形成带有腔体的sic薄膜，便于后期制作mems悬臂梁；

步骤2、在sic底层的si面上制作用于制备压敏电阻条的掩膜一，采用离子注入工艺对掩膜一图形区域的sic底层进行轻掺杂或中掺杂，去除掩膜一后，形成四个压敏电阻条；

步骤3、在sic底层的si面上制作用于制备电极和连接电路的掩膜二，采用离子注入工艺对掩膜二图形区域的sic底层进行重掺杂，去除掩膜二后，形成电极和连接电路，完成sic底层上惠斯通电桥检测电路制备；

步骤4、在sic底层的si面上制作用于制备金属焊盘的掩膜三，之后通过蒸发镀膜或溅射镀膜的工艺在掩膜三和掩膜三的图形区域沉积导电金属，去除掩膜三后，形成金属焊盘，金属焊盘位于相应电极正上方；

步骤5、在步骤4中的金属焊盘上制作掩膜四，在掩膜四和掩膜四的图形区域沉积sio2薄膜，去除掩膜四后，形成沉积于sic底层上的sio2层；

步骤6、在sio2层上制备掩膜五，在掩膜五和掩膜五的图形区域沉积si3n4薄膜，去除掩膜五后，形成沉积于sio2层上的si3n4层，通过控制掩膜五的形状，使得si3n4层面积小于sio2层，从而使得金属焊盘露在外部。

步骤7、在sio2层上制备掩膜六，在掩膜六和掩膜六的图形区域沉积导电金属薄膜，去除掩膜六后，形成面积与si3n4层同样大小的顶部金属层；

步骤8、通过飞秒激光对sic底层的腔体底部区域进行图形化刻蚀，在sic底层形成悬臂梁结构；

步骤9、在顶部金属层上表面制备形状与步骤8中sic底层刻蚀的图形对应的掩膜七，采用湿法腐蚀依次将顶部金属层、复合硅化合物中间层图形化与sic底层的图形贯穿形成悬臂梁结构，然后去除掩膜七，制成sic温度传感器毛坯；

步骤10、对sic温度传感器毛坯进行高温退火，使焊盘底部金属层与电极之间形成欧姆接触，完成悬臂梁结构的sic温度传感器制造。

进一步地，在步骤1深腔刻蚀之前，根据所制备sic温度传感器的量程需要对sic底层的c面进行减薄处理。

进一步地，所述步骤8中图形化刻蚀在惠斯通电桥检测电路围成的内部区域进行，刻蚀出的图形为王字形。

本发明悬臂梁结构的sic温度传感器，其工作原理如下：由于sic底层、复合硅化合物中间层以及顶部金属层的热膨胀系数不同且相差较大，当外部环境温度变化引起mems悬臂梁的温度变化时，mems悬臂梁中的各层结构之间会产生热应力。在热应力的作用下，mems悬臂梁会发生变形，向上或向下弯曲，sic底层中的压敏电阻条也会随之向上或向下弯曲。随着外部环境温度的升高或降低，所述mems悬臂梁的弯曲程度会随之增大或减小，压敏电阻条的弯曲程度也会随之增大或减小。由于sic半导体材料压阻效应的存在，压敏电阻条的电阻率会发生变化，且其电阻率的变化与mems悬臂梁的弯曲程度呈正相关，由于纵向压敏电阻条和横向压敏电阻条在工作时的形变程度不同，其电阻率变化亦不同，打破了惠斯通电桥的平衡，因此惠斯通电桥检测电路能够成功将电路中的电阻变化转变为电流或电压值的变化并向外输出。根据此原理可使用所述传感器将环境的温度信号转变为电信号，经过数据处理之后可将温度值与电信号值形成一一对应的函数关系，以此实现温度的测量。

有益效果

1.与现有的si基集成传感器相比，本发明的技术方案选用了sic作为传感器基体材料，在恶劣的环境，特别是高温、强腐蚀性的环境中工作时，具有更高的可靠性、更长的寿命、更稳定的灵敏度、更好的线性度以及更短的响应时间。

2.与现有si基压阻式温度传感器相比，本发明的技术方案采用离子注入工艺在sic底层中形成电连接电路，避免了传统si基压阻式传感器采用引线连接四个压敏电阻条形成惠斯通电桥的方式，不仅降低了因引线连接失效而引起传感器失效的概率，而且降低了信号在惠斯通电桥中的损失，提高了传感器的灵敏度。

3.与现有的si基压阻式温度传感器相比，本发明的技术方案创新性的增加了复合硅化合物中间层，该层具有抗热冲击的作用，实现对sic底层的保护，同时作为绝缘层将顶部金属层与sic底层上的惠斯通电桥检测电路分隔开，实现对电路的保护。

附图说明

图1为本发明实施例提供的悬臂梁结构的sic温度传感器的三维结构示意图。

图2为本发明实施例提供的悬臂梁结构的sic温度传感器的剖面图。

图3为本发明实施例步骤3中制作掩膜图形的掩膜一后结构示意图。

图4为本发明实施例步骤3中形成压阻区域、去除掩膜一后的结构示意图。

图5为本发明实施例步骤4中制作掩膜图形的掩膜二后结构示意图。

图6为本发明实施例步骤4中形成电连接线路区域，去除掩膜二后结构示意图。

图7为本发明实施例步骤5中制作掩膜图形的掩膜三后结构示意图。

图8为本发明实施例步骤6中沉积金属焊盘、去除掩膜三后的结构示意图。

图9为本发明实施例步骤7中制作掩膜图形的掩膜四后结构示意图。

图10为本发明实施例步骤8中沉积sio2层、去除掩膜四后结构示意图。

图11为本发明实施例步骤9中制作掩膜图形的掩膜五后结构示意图。

图12为本发明实施例步骤10中沉积si3n4层、去除掩膜五后结构示意图。

图13为本发明实施例步骤11中制作掩膜图形的掩膜六后结构示意图。

图14为本发明实施例步骤12中沉积顶部金属层、去除掩膜六后结构示意图。

图15为本发明实施例步骤14中制作掩膜图形的掩膜七后结构示意图。

图16为本发明悬臂梁结构的sic温度传感器局部剖视图。

1-mems悬臂梁，2-惠斯通电桥检测电路，21-压阻区域，211-纵向压敏电阻条，212-横向压敏电阻条，22-电连接线路区域，221-电极，222-连接电路，3-金属焊盘，31-焊盘底部金属层，32-焊盘顶部金属层，4-sic底层，41-未掺杂区域，5-复合硅化合物中间层，51-sio2层，52-si3n4层，6-顶部金属层，71-掩膜一，72-掩膜二，73-掩膜三，74-掩膜四，75-掩膜五，76-掩膜六，77-掩膜七。

具体实施方式

下面结合附图对本发明涉及的一种悬臂梁结构sic温度传感器及其制造方法的具体实施方案做更进一步的解释。

本发明提供了一种悬臂梁结构的sic温度传感器，该温度传感器包括mems悬臂梁1、惠斯通电桥检测电路2以及金属焊盘3，所述具有多层结构的mems悬臂梁1自下而上共有三层，分别为sic底层4、复合硅化合物中间层5以及顶部金属层6；所述sic底层4包括三部分：压阻区域21、电连接线路区域22以及未掺杂区域41；所述压阻区域21为惠斯通电桥检测电路2中的四个压敏电阻条，其中包含一对纵向压敏电阻条211与一对横向压敏电阻条212，所述电连接线路区域22为惠斯通电桥检测电路2中实现压敏电阻条互连的电线路，所述未掺杂区域41为未掺杂的sic底层4，起到对惠斯通电桥检测电路2的绝缘与保护作用；所述复合硅化合物中间层5为多个硅化合物薄层堆叠形成的复合中间层，本实施例中采用sio2与si3n4自下而上堆叠的硅化合物复合层，厚度分别为0.3±0.05μm和0.2±0.02μm。sio2层51热膨胀后产生压应力，si3n4层52热膨胀后产生张应力，因此采用这两种材料可缓解复合硅化合物中间层5在使用过程中因温度变化而产生的应力集中现象；所述sio2层51的边长与sic底层4的边长相等，si3n4层52的边长小于sio2层51的边长300±10μm，为金属焊盘3预留尺寸余量，以实现金属焊盘3与外部电路结构的连接，sio2层51分布有四个通孔结构用于沉积金属焊盘3，通孔位于电极221正上方，且通孔略大于电极221边长3～5μm。所述顶部金属层6为具有高热膨胀系数、高弹性性能、高延展性能等特性的金属层，本实施例中采用金属铜cu，当然也可以采用如金属银ag、金au、铝al等。。

所述惠斯通电桥检测电路2由压阻区域21、电连接线路区域22组成，所述电连接线路区域22包括电极221和连接电路222，压阻区域21和电极221通过连接电路222互连形成惠斯通电桥检测电路2，本实施例中，所述四个压敏电阻条中任意相邻的两个在延长线上相互垂直，四个压敏电阻条单向排列形成放射状；本实施例中惠斯通电桥检测电路2均采用离子注入工艺注入磷离子掺杂而成，压阻区域21采用轻掺杂或中掺杂而成，电连接电路222采用重掺杂而成。

所述金属焊盘3包括焊盘底部金属层31和焊盘顶部金属层32，焊盘底部金属层31置于电极221上方并与之形成欧姆接触，焊盘顶部金属层32置于焊盘底部金属层31上方并与之形成电接触，且焊盘顶部金属层32具有高度耐氧化特性，通过引线结构连接金属焊盘3与外部电路，实现温度传感器的电信号输出；本实施例中焊盘底部金属层31采用金属镍ni，焊盘顶部金属层32采用金属铂pt。

本实施例的一种悬臂梁结构的sic温度传感器的制造方法，它包括以下步骤：

步骤1.根据测量量程需要，通过磨削和抛光工艺对sic底层4的c面进行减薄操作，将sic底层4减薄至所需测量量程的厚度。

步骤2.在步骤1的基础上，通过飞秒激光对sic底层4的c面进行sic深腔刻蚀，以形成带腔体的sic薄膜，便于后期制作mems悬臂梁1。

步骤3.在步骤2的基础上，在sic底层4的si面上制作用于制备压敏电阻条的掩膜一71，用于离子注入时控制压阻区域21的形状与尺寸，掩膜一71形状如图3所示。对掩膜一71的图形区域的sic底层4进行轻掺杂或中掺杂，形成压阻区域21，然后去除掩膜一71，形成四个压敏电阻条，如图4所示结构。

步骤4.在步骤3的基础上，在sic底层4的si面上制作用于制备电连接线路区域22的掩膜二72，用于离子注入时控制电连接线路区域22的形状与尺寸，掩膜二72形状如图5所示。对掩膜二72的图形区域的sic底层4进行重掺杂，形成电连接线路区域22。然后去掩膜二72，形成电连接线路区域22，如图6所示结构。

步骤5.在步骤4的基础上，在sic底层4的si面上制作掩膜三73，用于控制金属焊盘3的形状与尺寸，掩膜三73形状如图7所示。

步骤6.在步骤5的基础上，通过蒸发镀膜或溅射镀膜的工艺在掩膜三73的图形区域沉积用于制作金属焊盘3的导电金属，优选的，焊盘底部金属层31材料可采用金属镍ni，厚度为0.25±0.02μm，焊盘顶部金属层32材料可采用金属铂pt，厚度为0.05±0.01μm。然后去除掩膜三73，在sic底层4上形成与电极221电连通的金属焊盘3，如图8所示结构。

步骤7.在步骤6的基础上，在金属焊盘3的上表面制作掩膜四74，用于沉积sio2层51并控制其形状与尺寸，掩膜四74形状如图9所示。

步骤8.在步骤7的基础上，通过化学气相沉积(cvd)工艺在掩膜四74和掩膜四74的图形区域沉积sio2薄膜，优选的，sio2薄膜厚度为0.3±0.03μm。然后去除掩膜四74，形成沉积于sic底层4上的sio2层51，如图10所示结构。

步骤9.在步骤8的基础上，在sio2层51上表面制作掩膜五75，用于沉积si3n4层52并控制其形状与尺寸，掩膜五75形状如图11所示。

步骤10.在步骤9的基础上，通过化学气相沉积(cvd)工艺在掩膜五75和掩膜五75的图形区域沉积si3n4薄膜，优选的，si3n4薄膜厚度为0.2±0.02μm。然后去除掩膜五75，形成沉积于sio2层51上的si3n4层52，如图12所示结构。

步骤11.在步骤10的基础上，在sio2层51上表面制作掩膜六76，用于沉积顶部金属层6并控制其形状与尺寸，掩膜六76形状如图13所示结构。

步骤12.在步骤11的基础上，通过蒸发镀膜或溅射镀膜的工艺在掩膜六76和掩膜六76的图形区域沉积金属薄膜，优选的，金属薄膜的材料可采用金属铜cu，厚度为0.3～5μm。然后去除掩膜六76，形成沉积于si3n4层52上的顶部金属层6，如图14所示结构。

步骤13.在步骤12的基础上，通过飞秒激光对sic底层4薄膜的c面进行刻蚀，刻出王字图形区域，使sic底层4形成悬臂梁结构。

步骤14.在步骤13的基础上，在顶部金属层6上表面制作与sic底层4王字图形一样的掩膜七77，用于图形化形成悬臂梁结构并控制其形状与尺寸，掩膜七77形状如图15所示结构；采用湿法腐蚀依次将顶部金属层6、复合硅化合物中间层5图形化与sic底层4的王字图形贯穿，形成悬臂梁结构，然后去除掩膜七77，制成sic温度传感器毛坯，形状如图1所示结构。

步骤15.在步骤14的基础上，对sic温度传感器毛坯进行高温退火，使焊盘底部金属层31与电极221之间形成欧姆接触，至此，悬臂梁结构的sic温度传感器制造完成。

需要指出的是本发明实施例中，为了形成悬臂梁结构所刻蚀的图形不限于王字形，可以是任何其他形状，只要使得在sic底层4上惠斯通电桥检测电路2区域内形成悬臂即可，本发明实施例中提供的王字形仅为一种针对实施例中惠斯通电桥检测电路2形状相配的最优实施例，不代表对悬臂图形形状的限定。

还需要指出的是，本发明制备惠斯通电桥检测电路2时采用离子注入工艺在sic底层4上掺杂形成，本实施例中提供的为注入磷离子，实际上不限于磷离子，磷离子仅为一种举例说明。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的一种悬臂梁结构sic温度传感器及其制造方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。另外，文中未详述内容均为现有技术。