基于4H-SiC的振动-温度集成传感器及其制备方法

本发明属于mems传感器制备，特别是涉及基于4h-sic的振动-温度集成传感器及其制备方法。

背景技术：

1、基于微机电系统(micro-electro-mechanical system，简称mems)技术的微型化传感器已经成为当前传感器技术领域中最为重要且极具发展空间的传感器类型，由于其微型化、可集成化、批量化生产等特点，现在正在逐步取代传统意义上的传感器。但是在mems传感器发展过程中，由于受到当前主体材料硅的限制，在一些特定的应用场合，如高温、高腐蚀、高辐射等环境下难以应用。其中最为典型的如高温环境，硅材料在超过500℃环境中将产生不可逆的塑化蠕变效应，由硅材料作为主要材料制成的传感器器件将无法在这样的恶劣环境中正常工作，因此能够忍受更高温度和可承受条件更为恶劣的第三代半导体材料碳化硅开始作为mems器件的主体材料来进行传感器的制备和加工。碳化硅材料相对于硅材料来说，本身衬底有着显著的耐高温特性，同时在制作基于pn结的传感器时其pn结的耐温性能也更加优异，在高温下也不会产生明显的漏电现象，再者其目前是和微电子工艺集成度较好的第三代半导体材料，因此在高温领域的传感器制造方面有着天然的优势。

2、当前基于全碳化硅材料的mems振动和温度传感器分别有相应的技术方案。碳化硅mems振动传感器大多基于压阻式原理方案，利用体碳化硅工艺加工形成质量块-悬臂结构，利用产生的惯性力造成的悬臂应力，使布置在敏感区域的碳化硅压敏电阻电阻率发生变化，从而形成电信号的输出，利用惯性力和电压信号之间的线性关系，形成振动传感器。碳化硅温度传感器有基于热电阻、肖特基二极管以及pn结二极管的方案，其中pn结二极管的方案，相对于热电阻方案来说具有更高的灵敏度和线性度，相对于肖特基二极管具有更高的应用温度和可靠性，且结构简单，是集成制造的首选方案。mems振动-温度集成传感器在一块碳化硅衬底上集成制造基于体碳化硅工艺的振动传感器和基于表面工艺的温度传感器，形成一块芯片，同时完成温度和振动信号的提取，便于高温振动场信号的分析以及传感器的反馈校准等过程。但是目前将基于体碳化硅结构的mems振动传感器和表面碳化硅工艺的温度传感器集成在一体的方案仍未出现。

3、目前的碳化硅振动-温度集成传感器采用的都是用碳化硅来制备振动传感器部分，然后采用不同于碳化硅的异质金属材料来制备温度传感器，如利用合金形成热电偶、用金电阻丝、铂电阻丝形成热电阻。这种金属异质材料布置在碳化硅衬底上的结构，一方面由于金属异质材料与碳化硅基底的热膨胀系数不匹配或者工艺过程质量控制不足，在高温环境下容易出现金属异质材料剥离失效、热膨胀造成形变失准的问题。另一方面，在工艺兼容性上，由于是在工艺过程中单独增加了温度传感器的制备过程，因此需要增加工艺步骤，增加了工艺的复杂性和过程的不可控性，同时由于微型热电阻的加工尺寸精度要求较高，因此工艺精度控制的难度较高，批量化制备的器件一致性较难控制，因此从工艺角度来说整体的成本较高，不利于实际生产。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于4h-sic的振动-温度集成传感器及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了基于4h-sic的振动-温度集成传感器的制备方法，包括：

3、s1.备片及清洗，即在4h-sic晶圆衬底上生成外延层，并对整体晶圆进行清洗；

4、s2.正面电阻刻蚀形成；即进行表面工艺，完成晶圆上表面的压敏电阻的制备，同时留下温度传感模块的n型接触区，打开p型接触区制备金属掩膜等待光刻；

5、s3.热氧化绝缘，即在暴露出n型电阻和接触区域后，在晶圆上表面沉积氧化层，对表面进行绝缘，这样可以避免p型区和n型区在金属布线时产生串扰；

6、s4.打开介质孔，即将需要进行刻蚀的区域和需要进行金属电极接触的区域的氧化层打开，以使金属接触，同时便于后续的深槽刻蚀；

7、s5.正面深槽刻蚀，即通过体加工工艺，由于振动传感模块需要释放质量块，同时需要保证弹性梁的厚度，因此本发明通过正反两面配合刻蚀的方式，实现弹性梁的厚度控制，同时释放质量块；

8、s6.欧姆接触，即进行金属导线和表面半导体的欧姆接触；

9、s7.金属布线；

10、s8.正面临时键合，由于正面工艺进行结束后上表面众多敏感电阻、接触电极、金属导线等细微结构，因此在进行背面工艺之前将正面进行合理保护，即采用高温蜡进行临时键合，将晶圆整体键合在蓝宝石托片上；

11、s9.背面深槽刻蚀，从背面完成深槽刻蚀，释放质量块和弹性梁；

12、s10.进行芯片分离和释放，得到所述集成传感器。

13、进一步，所述s1中，所述外延层自上而下分别为：n型掺杂电阻层、p型掺杂隔离层、n型掺杂buffer层；

14、进一步，所述s2具体为：在晶圆上表面电镀ni掩膜，同时旋涂光刻胶，进行显影曝光后将金属ni掩膜图形化，遮挡需要保留的n型区域，暴露出其余位置，之后采用干法刻蚀，通过刻蚀深度的控制，去除多余区域的n型sic，暴露出p型层，为了防止刻蚀深度不足导致的n型层残余，刻蚀深度需要稍大于n型外延层原有的厚度，刻至p型层内部；

15、采用磁控溅射设备制备金属ni掩膜，采用5点膜厚测试法，保证掩膜均一性在3％以内。

16、进一步，所述s5具体为：首先从正面保护梁的区域不被刻蚀，其余穿透位置刻蚀深度和梁的厚度保持一致，之后从背面整体刻蚀至穿透，此时梁得以保留，同时质量块得以释放。

17、进一步，所述s6具体为：采用ti/ni/au金属系实现欧姆接触，通过lift off工艺实现金属系的制备和图案化，在打开的介质孔的接触区覆盖金属系，经过高温退火形成欧姆接触；

18、欧姆接触光刻胶采用正胶，避免由于样品段差较大产生的光刻胶缺陷，利用正胶可以得到更加良好的覆盖性；

19、进一步，所述s7具体为：进行金属导线的制备，形成引电电极及导线连接，金属布线采用ti/au，au层下方以ti作为黏附层，提高金属导线的粘附性，通过lift off工艺实现金属布线图形化。

20、进一步，所述s9具体为：从背面整体进行刻蚀，将深槽位置按照统一深度进行刻蚀，刻蚀区域为图9中深色填充区域，直至将除了弹性梁的位置刻穿为止。

21、另一方面，本发明提供了基于4h-sic的振动-温度集成传感器，其特征在于，

22、传感器整体结构制备于一整块4h-sic晶圆衬底上，采用全碳化硅材料搭配高温金属引电结构实现整体器件制造；

23、进一步，温度传感器设计采用碳化硅表面工艺，采用pn结二极管实现；

24、振动传感器设计采用碳化硅体加工工艺，采用质量块搭配弹性梁结构；

25、振动传感器弹性梁厚度远小于边框厚度及质量块厚度，通过正反面多次干法icp刻蚀工艺完成弹性梁厚度控制，从而提升传感器工作灵敏度及稳定性；

26、进一步，弹性梁根部设计凹槽结构与圆角结构，通过圆角结构分散传感器悬臂梁根部的应力集中区域，避免过量程产生的应力集中导致传感器弹性梁根部断裂出现失效。根部增加圆角导致弹性梁灵敏度下降，因此局部开槽，局部延长弹性梁，在不牺牲整体强度的基础上，保证弹性梁的运动灵敏度；

27、在弹性梁根部布置压敏电阻，四个压敏电阻构成一组惠斯通电桥结构，通过根部拉压应力的不同导致电阻产生不同变化，形成惠斯通电桥的全桥结构，提升传感器输出灵敏度，输入输出采用四个电极，一个芯片上形成两组电桥输出结构，有效避免传感器加工过程中的失效，同时实现器件性能的本地校验；

28、在芯片表面整体布置八个对应的温度传感器，分别测试距离引电电极、压敏电阻较近的区域温度，一方面可以实现传感器附近温度场的精准测试，一方面可以分辨传感表面自身温度分布情况，便于对传感器进行后续的温度补偿工作。

29、本发明的技术效果为：

30、本发明可以实现以体碳化硅工艺为基础的振动传感器和以表面碳化硅工艺为基础的温度传感器的一体集成，从而实现在高温环境下的振动-温度信号的同时提取，碳化硅材料的应用可以实现600℃以上的测试工况，使得在高温下工作的集成传感器性能更加稳定。进一步，采用以pn结原理的碳化硅温度传感器，可以避免金属热电偶、热电阻以及肖特基温度传感器存在的异质材料可靠性问题和电气连接可靠性问题。进一步，通过采用同质材料构成传感器系统，减少了工艺制备步骤，压缩了传感器的加工制造成本，提高了产品实现的成品率。