SOI高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀

1、第34卷第2期河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報 2005年4月V ol.34No.2JOURNAL OF HEBEIUNIVERSITY OF TECHNOLOGYApril 2005 文章編號：1007-2373（2005 02-0014-06SOI高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀張書玉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，能夠解決石油、汽車、航空、航天等領(lǐng)域?qū)Ω邷貕毫鞲衅鞯?

2、迫切需求，在高溫領(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 ,簡單介 紹了 SOI壓力傳感器的優(yōu)勢、制作工藝以及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 晶片中圖分類號：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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 Mater

3、ial Institute, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2. School of Electronics and InformationEngineering, Tianjin University, Tianjin 300072, ChinaAbstract : High temperation SOI (silicon on insulator pressure Sensor is a novel senmiconductor pressure sensor , ithas the advantages o

4、f resisting high temperature, radiation and good stability.can meet the needs 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

5、 materials-especially in silicon direct bondingmethod.and simply reports the predominance , 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年代開始應(yīng)用在空間和微型測量系統(tǒng)中的硅氧化物絕緣體1(siliconon in

6、sulator , SOI技術(shù)經(jīng)過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內(nèi)外研究的 重點.目前，利用SOI晶片開發(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)計不久的將來將會出現(xiàn)更多的新產(chǎn)品，并加快產(chǎn)業(yè)化的速度.本文簡單介紹了 SOI材料的制備方法及其特點、壓力傳感器的制作工藝和SOI壓力傳感器的優(yōu)勢以及發(fā)展趨勢.1SOI制造工藝及特點縱觀SOI技術(shù)發(fā)展史，

7、制作SOI的方法大致可以分為3大類24:第一大類 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，一般來說，這些方法所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，絕緣層上硅單晶的質(zhì)量也會隨著氧化物的形成而下降.第三大類方法就 是硅片直接鍵合（SDB收稿日期：2004-10-25作者簡介：張書玉（1981-）,男（漢族），碩士生.15張書玉，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

8、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.當(dāng)然此法也存在 不利因素，其潛在的缺點是將來制作立體器件時，立體交叉布線有困難.從 SOI 技術(shù)的最新發(fā)展來看，這3大類方法并不是在孤立地發(fā)展，而是有相互滲透、相互 結(jié)合的趨勢.所謂的硅片直接鍵合是將兩片硅片經(jīng)過一定的處理直接鍵合在一起，這種技術(shù) 稱為硅直接鍵合（SDB技術(shù)，也有人稱為硅熔融鍵合（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即 可實現(xiàn)兩片硅片之間的鍵合，且工藝簡單.硅片直接鍵合工藝如圖1所示.要粘合的片子必須經(jīng)過拋光，用含有氫氧根離子的溶液浸泡，使這些表面被附 上一

9、至兩層的水分子，成為親水的表面.粘合的過程必須在10級或10級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 面貼和在一起.將貼合好的硅片在氧氣或氮氣的環(huán)境中經(jīng)過數(shù)小時的高溫處理就形成的良好的鍵合.先在低溫下（200c左右）恒溫一段時間，使界面處的羥基發(fā)生 初步的脫水反應(yīng)，再升高溫度（800c左右）保持一段時間，使之完成全部的脫水 反應(yīng)，最后在高溫下（1000C,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) S

10、OI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)濃度梯度來實現(xiàn)的.SOI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)報第34卷2SOI壓力傳感器的技術(shù)優(yōu)勢半導(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

11、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)勢主要體 現(xiàn)在以下幾個方面9.1） SOI材料各種特性優(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了 SOI材料，但是制備困難尤其是高性能 的SiC材料（如6H-SiC的制備就更加困難.至于 SOS材料，價格因素基本上限制 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

12、壓力傳感器在常規(guī)用途中，性價比上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，但多晶硅壓 力傳感器制作過程中須采用LPCVD法生長一層多晶硅薄膜.薄膜的生長工藝條件 對多晶硅薄膜各種特性的影響很大，因此對 LPCVD和退火工藝的重復(fù)性與穩(wěn)定性 有很高的要求，實現(xiàn)起來相對困難；另一方面，由于多晶硅材料結(jié)構(gòu)的特殊性，對 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 期穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步驗證.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，尚有待開展 深入的研究工作.3） MEMS （微電子機(jī)械系統(tǒng)）是各類傳感器發(fā)展

13、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，形成一個能夠獨立完成某項功 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)合起來制作高性能的SOI MEMS是其一大優(yōu)勢.多晶硅壓力傳感器的結(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

14、感器的1/f噪聲要遠(yuǎn)小于多晶硅材料.這表明在微壓測量領(lǐng)域， SOI壓力傳感器具有較大的優(yōu)勢.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壓力傳感器的制作工藝在絕緣襯底上生長一層硅薄膜(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，無體閂鎖效應(yīng)等特 點，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 (SD

15、B )、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)行器國際學(xué)術(shù)會議上報道了 利用CMOS工藝制作的測壓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，信號處理電路，A/D17張書玉，等：SOI高溫壓力傳感器

16、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，微處理器和信號處理電 路分布在壓阻式壓力傳感器的四周.將 MCU及信號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各功能單元之間的連接，提高了系統(tǒng)的可靠性和 穩(wěn)定性.法國LETI研究所目前正在開發(fā)工作溫度達(dá) 400c的SOI高溫壓力傳感器.LETI研究所和斯倫貝格公司等單位開發(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500c下對壓力測量的測試，SOI傳感器電阻對溫度的變化首次 達(dá)到了令人滿意的結(jié)果.L

17、ETI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,長度只有幾微米，該產(chǎn)品減小了封裝的影響.溫 度達(dá)到300c時，測量壓力可達(dá)到1500bar （1bar =105Pa,產(chǎn)品主要應(yīng)用在汽車工 業(yè)15.德國柏林技術(shù)大學(xué)正在采用SOI襯底開發(fā)3C-SiC壓力傳感器.額定壓力=0.5mV/（V-SiC-on-SOI壓力傳感器.測試的結(jié)果表明：溫度在673K時電隔離可靠.室溫靈敏度bar）,多晶硅熱敏電阻器的溫度系數(shù)1 . 7 1 0116.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，提高多品 硅電阻晶體結(jié)構(gòu)的性能.它們使用的

18、摻硼硅具有的載流子濃度范圍1M0185X018/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17 .Birkelund采用融合鍵合工藝制作了高壓壓力傳感器.設(shè)計量程為351500bar,溫度范圍m18.Kasten等人開發(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 250c.輸出單元的CMOS電路采用了離子注 入型的SIMOX襯底.讀出電路編程，并且對其進(jìn)行線性、漂移和輸出量程的校準(zhǔn).在沒有補(bǔ)償?shù)那闆r下，滿量程熱靈敏度漂移低于0.03%/C(20圖3SOI 壓力傳感器的制作方案 Fig. 3The fabricate pro

19、gramme of SOI preesure sensor SDB SOI ?e a ? e叱?oo D?飛'1 注LPCVD Si 3N 41a? io y?> ?e ?eD? 2a e?o?e Si-Glass靜電封接傳感器封裝18河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報第34卷150c范圍內(nèi)；在150250c時低于0.09%/C.相應(yīng)的非線性誤差低 于 0.4%19.在1998年中國電子學(xué)會敏感技術(shù)學(xué)術(shù)年會上，中國科學(xué)院上海冶金研究所傳 感技術(shù)國家重點實驗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的壓力測試下非線性度優(yōu)于0.5%,靈敏度溫度系 數(shù)為1

20、.11.3 105V ,靈敏度溫度系數(shù)為1.4 10m厚的SOI襯底上.敏感元件采用13m ,寬0.25m ,壓阻式電阻厚0.1m.準(zhǔn)確度可達(dá)到1M08DNA分子.5結(jié)束語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，比多晶硅高溫壓力傳感器具有更高的靈敏度.這主要得益于 它用單晶硅材料和SOI結(jié)構(gòu)作應(yīng)變電阻.單晶硅材料壓阻系數(shù)高，并且具有相當(dāng) 高的縱向和橫向靈敏度因子，因此有利于設(shè)計性能優(yōu)良的壓阻電橋，保證傳感器有 很高的靈敏度和溫度特性.如何改善壓力傳感器的靜態(tài)特性和溫度特性，保證它的 穩(wěn)定性和可靠性是人們要解決的問題.1）要想提高傳感器的靈敏度

21、可通過降低彈性膜的厚度來實現(xiàn)，但同時也降低 了傳感器的量程，膜厚降低和傳感器量程的減小之間的沖突是有待解決的一個問 題.另外由于工藝因素、設(shè)備精度老化問題也會使所研制的傳感器與實際要求之間 存在差異.2）改善傳感器的溫度特性一般有2種方法：一是選擇新的彈性膜結(jié)構(gòu)，將熱 應(yīng)力降到最低.二是選擇合適的摻雜濃度，這需要大量的實驗確定最優(yōu)摻雜濃度確 保傳感器輸出有最小的溫度漂移.3）提高穩(wěn)定性可以通過對封裝好的傳感器進(jìn)行嚴(yán)格的考核和老化試驗及時剔 除特性不良和不穩(wěn)定的器件.采用全固態(tài)封裝隔離結(jié)構(gòu)，使傳感器敏感部位從環(huán)境 中隔離出來可以提高傳感器的穩(wěn)定性.只有通過傳感器的分析結(jié)果對現(xiàn)有設(shè)計方案和工藝進(jìn)行

22、改進(jìn)，才能進(jìn)一步提高 傳感器的性能，充分發(fā)揮SOI高溫壓力傳感器的優(yōu)勢.SOI傳感器不僅在軍事、航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，其民用市場的發(fā)展前 景也非常廣闊.隨著微電子技術(shù)和 MEMS技術(shù)、設(shè)計技術(shù)和材料技術(shù)的不斷發(fā) 展，SOI傳感器將會在現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一部完善和提高，通過加速研究成果的產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，逐步滿足軍事、能源、航天、交通、工業(yè)等相關(guān)市場的需 求.第2期張書玉，SOI高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀 等：19參考文獻(xiàn)：1許文 化，張?zhí)炝x,汪紅梅，等.SOI技術(shù)的機(jī)遇與 挑戰(zhàn)J.電子 器件,2001, 24 (1: 72-78, 2 Agarwal A , Hagnes T E, Ve

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