一种压力传感器制造方法与流程

本发明涉及mems压力传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器制备方法。

背景技术：

硅压阻式压力传感器是利用硅的压阻效应制成的传感器，具有灵敏度高，线性度好，信号易于测量，易于小型化，便于批量生产等特点，现已广泛应用于工业控制、航空航天、军事、生物医疗等诸多领域。而在压力传感器的制造中，随着微机械加工技术的飞速发展，相比于硅-玻璃键合技术，硅-硅键合技术以同质材料替代异质材料，以其优异的温度性能逐渐成为高性能压力传感器的关键技术。

硅硅键合技术是指通过化学和物理作用将两片具有平整抛光镜面的硅片紧密粘接在一起形成一个整体的方法。目前，大多数压力传感器中硅硅键合采用的是硅硅直接键合即熔融键合技术，需要将抛光硅片清洗活化后在室温下贴合到一起，再经过数小时的高温处理形成良好的键合。硅硅直接键合是高温键合过程，典型的高温处理温度达到1000℃左右。由于高温退火过程能够诱发内部元件的热应力，导致掺杂元素的有害扩散，损坏温度敏感元件，降低器件可靠性等等，很大程度上限制了晶圆键合技术在微机电系统的制造和晶圆级封装等方面的应用。此外，长时间的高温处理也会造成一定的能源浪费。因此，与传统的硅硅直接键合技术相比，室温下的硅硅键合技术有着无法比拟的优势。表面活化键合就是一种可靠的室温键合技术，主要依赖于原子级清洁的表面具有极高的活性，极易在室温下发生键合的原理。其过程是在高真空环境中，压力小于＜10^-5pa的条件下，利用氩原子或氩离子轰击晶圆表面，去除表面氧化膜及污染物，使表面活化，然后施加一定压力使两硅片紧密接触，在室温下实现原子尺度上的紧密结合。整个过程无需后续的退火处理就能达到良好的键合强度，因此消除了键合过程中高温对器件性能产生的影响，同时也更加节能。

表面活化键合技术要求预键合表面必须是平整、光滑、洁净的表面，对清洁度和粗糙度有着极高的要求，已经通过实验证明预键合表面的粗糙度ra小于0.2nm时能够实现具有良好键合强度的室温键合。本发明在去除硅器件层背面保护层后与硅衬底进行键合，键合面具有极低的粗糙度，粗糙度小于0.2nm，实现了硅硅室温键合。

硅压阻式压力传感器对于背腔的腐蚀绝大多数都是采用湿法腐蚀。湿法腐蚀刻蚀速度受晶体晶向影响，腐蚀坑有54.74°的倾斜侧壁，使得芯片尺寸较大，腐蚀出的腔体受硅晶体的晶向约束，不能随意刻蚀想要的图形。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种压力传感器制备方法，实现室温下的硅硅键合，消除了键合过程中高温处理给器件带来的影响，提高器件的可靠性。

(二)技术方案

本发明提供了一种压力传感器制造方法，该方法包括：

对si衬底进行预处理；

对进行预处理后的si衬底正面进行注入掺杂；

对注入掺杂后的si衬底进行金属布线；

对完成金属布线后的si衬底进行背面光刻刻蚀，得到感压膜片；

进行硅硅室温键合，将具有感压膜片的si衬底与另一si衬底实现原子尺度的紧密结合。

上述方案中，对si衬底进行预处理，包括：

在si衬底正面干氧氧化一层sio2，之后再淀积一层sin，然后干法刻蚀掉正面的sin层，然后湿漂正面sio2层。

上述方案中，对进行预处理后的si衬底正面进行注入掺杂，包括：

对si衬底正面热氧化，之后进行p^-光刻注入；

在完成p^-光刻注入的si衬底正面进行n⁺光刻注入；

在完成n⁺隔离区的si衬底正面进行p⁺光刻注入；

对注入掺杂后的si衬底进行高温推阱操作，实现注入离子的均匀掺杂，再用缓冲氧化物刻蚀液去除注前氧化层。

其中，对si衬底正面热氧化，之后进行p^-光刻注入，包括：

对si衬底正面热氧化，之后在si衬底正面光刻p^-压阻图形，注入b离子形成p^-压阻区，去除表面上的光刻胶，完成p^-光刻注入。

其中，在完成p-光刻注入的si衬底正面进行n+光刻注入；

在完成p^-光刻注入的si衬底正面光刻n⁺隔离区图形，注入p离子形成n⁺隔离区，去除n⁺隔离区上的光刻胶，完成n⁺光刻注入。

其中，在完成n⁺光刻注入的si衬底正面进行p+光刻注入，包括：

在完成n⁺光刻注入的si衬底正面光刻p⁺低阻区图形，注入b离子形成p⁺低阻区，再去除p⁺低阻区上的光刻胶，完成p⁺光刻注入。

上述方案中，对注入掺杂后的si衬底进行金属布线，包括：

对去除氧化层的si衬底进行介质层淀积，然后在介质层上光刻接触孔图形并刻蚀接触孔；

在介质层上金属布线，蒸发淀积一层al，之后光刻金属布线图形，刻蚀al，去除光刻胶；

对刻蚀al后的si衬底正面淀积钝化层，然后光刻打线孔图形并刻蚀出打线孔，去除光刻胶；

用有机溶液对si衬底进行泡洗并合金使金属与低阻区形成欧姆接触。

上述方案中，对完成金属布线后的si衬底进行背面光刻刻蚀，得到感压膜片，包括：

对si衬底的背面光刻，依次法刻蚀背面sin、sio2，刻蚀掉背面保护层中间准备刻蚀背腔的部分，留两侧背面保护层作为之后干法刻蚀的掩膜；

以背面两侧的保护层作为掩膜，刻蚀si衬底的背腔，刻蚀后膜片图形为方形或圆形；

依次干法刻蚀si衬底的背面两侧剩余部分sin、sio2，直到将sin、sio2刻蚀干净。

上述方案中，以背面两侧的保护层作为掩膜，刻蚀si衬底的背腔步骤中，采用干法刻蚀si衬底的背腔。

上述方案中，进行硅硅室温键合，将具有感压膜片的si衬底与新的si衬底实现原子尺度的紧密结合包括：

在高真空环境下，利用氩原子或氩离子轰击具有感压膜片的si衬底的下表面和另一si衬底的上表面去除表面氧化膜及污染物，使表面活化，预键合表面粗糙度极低，然后施加压力使两个表面紧密接触，在室温下实现原子尺度上的紧密结合，完成硅硅室温键合。

(三)有益效果

1、本发明提出的压力传感器制造方法采用硅硅室温键合，消除了键合过程中高温处理给器件带来的影响，如热应力，掺杂元素的有害扩散等，提高了器件的可靠性，同时也节约了传统键合高温处理时所需的能源。

2、本发明提出的压力传感器制造方法中对背腔采用的干法刻蚀为各向异性刻蚀，刻蚀侧壁为垂直侧壁，不受晶体晶向的约束，能够刻蚀出任意想要的背腔图形，感压膜形状可控。

附图说明

图1为依照本发明实施例的压力传感器制造方法流程图；

图2为依照本发明实施例的背面保护层淀积结果图；

图3为依照本发明实例的p^-压阻光刻注入结果图；

图4为依照本发明实例的n⁺隔离区光刻注入结果图；

图5为依照本发明实例的p⁺低阻区光刻注入结果图；

图6为依照本发明实例的对si衬底进行推阱操作，实现注入离子的均匀掺杂，再用缓冲氧化物刻蚀液去除前氧化层结果图；

图7为依照本发明实例的介质层淀积及接触孔刻蚀结果图；

图8为依照本发明实例的在介质层上金属布线，即蒸发淀积一层al，之后光刻金属布线图形，刻蚀al，去除光刻胶结果图；

图9为依照本发明实例的对刻蚀al后的si衬底正面淀积钝化层，然后光刻打线孔图形并刻蚀出打线孔，去除光刻胶结果图；

图10为依照本发明实例的刻蚀中间部分背面保护层结果图；

图11为依照本发明实例的背腔刻蚀，采用干法刻蚀，刻蚀背腔拥有垂直侧壁结果图；

图12为依照本发明实例的去除背面保护层步骤，去除背面两侧作为干法刻蚀掩膜的背面保护层结果图；

图13为依照本发明实例的硅硅室温键合时高真空下采用氩原子和氩离子活化键合表面的过程图；

图14为依照本发明实例的硅硅室温键合步骤，施加压力使活化后粗糙度极低的硅片表面紧密接触，在室温下实现原子尺度上的紧密结合结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明提供的压力传感器的制造方法流程图，该方法包括：

对si衬底进行预处理；

对进行预处理后的si衬底正面进行注入掺杂；

对注入掺杂后的si衬底进行金属布线；

对完成金属布线后的si衬底进行背面光刻刻蚀，得到感压膜片；

进行硅硅室温键合，将具有感压膜片的si衬底与另一si衬底实现原子尺度的紧密结合。

具体的，对si衬底进行预处理的过程为步骤一。

步骤一，在si衬底正面干氧氧化一层sio2，之后再淀积一层sin，然后干法刻蚀掉正面的sin层，用缓冲氧化物刻蚀液湿漂正面sio2层；

如图2所示，在si衬底干氧氧化一层sio2，厚度为2000至4000a，厚度参考实际工艺需求，温度不低于1000℃，再低应力淀积一层sin，厚度为1000a；然后干法刻蚀掉正面的sin层，用缓冲氧化物刻蚀液boe湿漂正面sio2层，背面保护层保护背面防止在后续的晶圆传输过程中对背面造成损伤；

对进行预处理后的si衬底正面进行注入掺杂的过程包括步骤二至步骤五。

步骤二，对si衬底正面热氧化，之后在si衬底正面光刻p^-压阻图形，注入b离子形成p^-压阻区，最终去除p^-压阻区上的光刻胶，完成p^-光刻注入；

进行注前氧化，在si衬底正面热氧化一层较薄的sio2层，sio2层的厚度为600至1000a，防止注入时的沟道效应。之后在si衬底正面光刻p^-压阻图形，注入b离子形成p^-压阻区，如图3所示，再去除表面上的光刻胶，完成p^-光刻注入；

步骤三，在完成p^-光刻注入的si衬底正面光刻n⁺隔离区图形，注入p离子形成n⁺隔离区，再去除表面上的光刻胶，完成n⁺光刻注入；

在完成p^-光刻注入的si衬底正面光刻n⁺隔离区图形，注入p离子形成n⁺隔离区，如图4所示，去除表面光刻胶，完成n⁺光刻注入；

步骤四，在形成n⁺隔离区的si衬底正面光刻p⁺低阻区图形，注入b离子形成p⁺低阻区，去除表面光刻胶，完成p⁺光刻注入；

在形成n⁺隔离区的si衬底正面光刻p⁺低阻区图形，注入b离子形成p⁺低阻区，如图5所示，再去除表面光刻胶，完成p⁺光刻注入；

步骤五，对si衬底进行推阱操作，实现注入离子的均匀掺杂，再用缓冲氧化物刻蚀液去除前氧化层；

对si衬底进行推阱操作，实现注入离子的均匀掺杂，再用缓冲氧化物刻蚀液boe去除注前氧化层，如图6所示；

对注入掺杂后的si衬底进行金属布线过程包括步骤六至九。

步骤六，对去除注前氧化层的si衬底进行介质层淀积，然后在介质层上光刻接触孔图形并刻蚀接触孔；

在去除前氧化层的si衬底正面lpteos淀积sio2层，再淀积一层sin作为介质层，然后在介质层上光刻接触孔图形并刻蚀接触孔，如图7所示，再去除光刻胶；

步骤七，在介质层上金属布线，蒸发淀积一层al，之后光刻金属布线图形，刻蚀al，去除光刻胶。

金属布线，在介质层上蒸发淀积一层al，之后光刻金属布线图形，刻蚀al，去除光刻胶，如图8所示；

步骤八，对刻蚀al后的si衬底正面淀积钝化层，然后光刻打线孔图形并刻蚀出打线孔，去除光刻胶；

继续对刻蚀al后的si衬底正面淀积钝化层，然后光刻打线孔(pad)图形，去除光刻胶，如图9所示；

步骤九，用有机溶液对处理后的si衬底进行泡洗并合金使金属与低阻区形成欧姆接触；

丙酮、乙醇等有机溶液泡洗去除有机物，合金使金属与低阻区形成欧姆接触；

对完成金属布线后的si衬底进行背面光刻刻蚀，得到感压膜片的过程包括步骤十至十二。

步骤十，对si衬底的背面光刻，依次干法刻蚀背面sin、sio2，刻蚀掉背面保护层中间准备刻蚀背腔的部分，留两侧背面保护层作为之后干法刻蚀的掩膜；

背面光刻，依次干法刻蚀背面sin、sio2，刻蚀掉背面保护层中间准备刻蚀背腔的部分，留两侧背面保护层做下一步干法刻蚀的掩膜，如图10所示；

步骤十一，以背面两侧的保护层作为掩膜，采用干法刻蚀si衬底的背腔，刻蚀后膜片图形为圆形；

以背面两侧的保护层作为掩膜，干法刻蚀背腔，刻蚀后膜片图形为圆形，如图11所示；

步骤十二，依次干法刻蚀si衬底的背面两侧剩余部分sin、sio2，直到将sin、sio2刻蚀干净；

依次干法刻蚀si衬底的背面两侧剩余部分sin、sio2，直到将sin、sio2刻蚀干净，如图12所示；

进行硅硅室温键合，将具有感压膜片的si衬底与新的si衬底实现原子尺度的紧密结合过程包括步骤十三。

步骤十三，进行硅硅室温键合，利用氩原子或氩离子轰击具有感压膜片的si衬底的下表面和另一si衬底的上表面，去除表面氧化膜及污染物，使表面活化，然后施加一定压力使两个表面紧密接触，在室温下实现原子尺度上的紧密结合，实现良好的键合。

进行硅硅室温键合，在高真空环境中，气压小于10^-5pa，利用氩原子或氩离子轰击预键合表面，去除表面氧化膜及污染物，使表面活化，如图13所示，预键合表面粗糙度极低，施加一定压力使两硅片紧密接触，在室温下实现原子尺度上的紧密结合，实现良好的键合，如图14所示。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。