SOI高温压力传感器的研究现状

第34卷第2期河北工业大学学报2005年4月V ol.34No.2JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY April2005文章编号：1007-2373(2005)02-0014-06SOI高温压力传感器的研究现状张书玉1，张维连1，张生才2，姚素英2（1.河北工业大学半导体材料研究所，天津300130；2.天津大学微电子研究所，天津300072）摘要：SOI(silicon on insulator)高温压力传感器是一种新型的半导体高温压力传感器，具有耐高温、抗辐射、稳定性好等优点，能够解决石油、汽车、航空、航天等领域对高温压力传感器的迫切需求，在高温领域有很大的潜力．本文论述了SOI材料的制备方法-特别是硅片直接键合技术(SDB)，简单介绍了SOI压力传感器的优势、制作工艺以及SOI压力传感器的发展现状．关键词：压力传感器；SOI；SiO2层；各向异性腐蚀；硅片直接键合；硅单晶片中图分类号：TP212文献标识码：AThe Research Status of SOI High-temperature Pressure SensorZHANG Shu-yu1，ZHANG Wei-lian1，ZHANG Sheng-cai2，YAO Su-ying2(1.Semiconductor Material Institute,Hebei University of Technology,Tianjin300130,China;2.School of Electronics and InformationEngineering,Tianjin University,Tianjin300072,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 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 predominance,the fabrication processes and development status of SOI pressure sensor.Key words：pressure sensor；SOI；SiO2layer；anisotropic etching；SDB；silicon film0引言20世纪60年代开始应用在空间和微型测量系统中的硅氧化物绝缘体[1](silicon on insulator，SOI)技术经过40多年发展，应用范围已从微电子元器件扩展到军事、通讯、生命科学以及信息科学等广泛的重要领域．利用SOI制作性能更加优良、稳定性更好、可靠性更高和技术上更加先进的新型传感器已成为国内外研究的重点．目前，利用SOI晶片开发的新型传感器有力学量中的加速度、压力、扭矩、微重力等传感器，化学传感器、光学传感器、磁传感器等新的研究成果．一部分产品已经批量化生产，预计不久的将来将会出现更多的新产品，并加快产业化的速度．本文简单介绍了SOI材料的制备方法及其特点、压力传感器的制作工艺和SOI压力传感器的优势以及发展趋势．1SOI制造工艺及特点纵观SOI技术发展史，制作SOI的方法大致可以分为3大类[2~4]：第一大类是在已经形成好的氧化物层上制作硅单晶，例如激光再结晶法、卤素灯或条形加热器再结晶法，固相横向外延法等，一般来说，这些方法所形成的绝缘层上的硅单晶质量比本体硅要差很多．第二大类是在已经存在的硅单晶层下面形成氧化物层，例如氧化多孔硅法，N+或O+注入法等，一般地，这些方法将导致较差质量的氧化层，同时，绝缘层上硅单晶的质量也会随着氧化物的形成而下降．第三大类方法就是硅片直接键合(SDB)收稿日期：2004-10-25作者简介：张书玉（1981-），男（汉族），硕士生．15张书玉，等：SOI 高温压力传感器的研究现状第2期的方法，此法形成的绝缘层质量和绝缘层上单晶硅的质量都很好，因此具有较大优势．当然此法也存在不利因素，其潜在的缺点是将来制作立体器件时，立体交叉布线有困难．从SOI 技术的最新发展来看，这3大类方法并不是在孤立地发展，而是有相互渗透、相互结合的趋势．所谓的硅片直接键合是将两片硅片经过一定的处理直接键合在一起，这种技术称为硅直接键合(SDB )技术，也有人称为硅熔融键合(SFB )技术，或直接硅片键合(DWB )技术．采用这种技术在两片硅片之间不需要任何粘结剂也不需要外加电场即可实现两片硅片之间的键合，且工艺简单．硅片直接键合工艺如图1所示．要粘合的片子必须经过抛光，用含有氢氧根离子的溶液浸泡，使这些表面被附上一至两层的水分子，成为亲水的表面．粘合的过程必须在10级或10级以上的超净空间中进行，以避免粒子粘污的影响．然后在室温下将这两片硅片的抛光面面对面贴和在一起．将贴合好的硅片在氧气或氮气的环境中经过数小时的高温处理就形成的良好的键合．先在低温下（200℃左右）恒温一段时间，使界面处的羟基发生初步的脱水反应，再升高温度（800℃左右）保持一段时间，使之完成全部的脱水反应，最后在高温下（1000℃，约30min ）让生成的水汽扩散到硅的外表面并生成氧化层，同时界面处的原子相互扩散和横向迁移，使原子间达到紧密接触并实现键合．在键合处理完成后，正面的硅片必须从几百微米减到几微米或更薄，以适应SOI 器件制造的需要．首先进行粗磨．粗磨虽不精细但能迅速减薄硅片，它可以用来去除键合硅片顶部绝大部分硅而只留下二氧化硅上面几微米厚的硅层．在粗磨之后采用有腐蚀终点显示的化学腐蚀方法．腐蚀终止是由在上层硅片的下表面上建立杂质浓度梯度来实现的．SOI 材料是指具有图2结构的材料．衬底硅作为机械支撑（厚度约为几百微米），表面单晶硅用于制造器件（厚度<116河北工业大学学报第34卷2SOI压力传感器的技术优势半导体高温压力传感器制作的关键在于高温下应变电阻之间以及应变电阻与衬底间的电绝缘、稳定性、重复性以及工艺的简单性．与其他压阻式压力传感器[8]如扩散硅压力传感器、多晶硅压力传感器、SOS压力传感器和SiC压力传感器相比较，SOI压力传感器的技术优势主要体现在以下几个方面[9]．1）SOI材料各种特性优异，制备方法多．尽管SiC材料的力学、电学和热学特性也十分优越，在某些方面甚至超过了SOI材料，但是制备困难尤其是高性能的SiC材料(如6H-SiC)的制备就更加困难．至于SOS材料，价格因素基本上限制了它的发展．2）由于硅集成电路技术的发展，为SOI材料的加工制备提供了先进的技术支撑，使其制备工艺愈来愈成熟．SOI传感器衬底硅加工通常采用成熟的微机械加工技术，如各向同向异性腐蚀技术；顶层硅膜中的器件制作则采用标准的集成电路平面工艺，确保了传感器的性能．尽管多晶硅压力传感器在常规用途中，性价比上具有相当的优势，但多晶硅压力传感器制作过程中须采用LPCVD法生长一层多晶硅薄膜．薄膜的生长工艺条件对多晶硅薄膜各种特性的影响很大，因此对LPCVD和退火工艺的重复性与稳定性有很高的要求，实现起来相对困难；另一方面，由于多晶硅材料结构的特殊性，对其各种特性的了解远不如单晶硅材料透彻，缺乏大量参数的具体数据，传感器的长期稳定性也有待进一步验证．SiC压力传感器和SOS压力传感器由于材料结构的特殊性，目前加工手段匮乏，因此产品的质量以及不同批次产品的重复性和稳定性都难以保证，尚有待开展深入的研究工作．3）MEMS（微电子机械系统）是各类传感器发展的必然方向．所谓MEMS就是将敏感元件和各种处理电路集成在同一芯片上，形成一个能够独立完成某项功能的复杂系统．由于SOI材料自身良好的特性，适合制作各种高性能集成电路，如高温、高速、抗辐射和低功效电路等，因此可以与SOI传感器结合起来制作高性能的SOI MEMS是其一大优势．多晶硅压力传感器的结构与工艺只适合与体硅集成电路结合，制作出的MEMS性能显然无法与SOI MEMS相比．SiC材料虽然也可应用于高性能集成电路的制作，但由于理论水平和加工手段的限制，目前的SiC材料的应用还仅限于分立元器件．4）压力传感器利用材料的压阻效应制作．最新研究成果显示[10]，单晶硅材料制作的压力传感器的1/f噪声要远小于多晶硅材料．这表明在微压测量领域，SOI压力传感器具有较大的优势．在SOI衬底上制造的高温压力传感器，单晶硅电阻膜与衬底之间采用SiO2隔离，形成单晶硅SOI结构，使得p-n结漏电流减少，从而获得良好的高温性能和更高的灵敏度，因此适合在高温下应用．3SOI压力传感器的制作工艺在绝缘衬底上生长一层硅薄膜(SOI)是解决p-n结隔离引起高温漏电的最佳方法，该结构抗辐射，耐腐蚀，自隔离，体漏电小，寄生电容小，无体闩锁效应等特点，可应用在恶劣环境下．SOI结构中的绝缘层既可以作为腐蚀停止层，也可以作为力敏电阻的介质隔离层．SOI形成技术主要有硅-硅直接键合[11]（SDB）、氧离子注入隔离技术[12]（SIMOX）、智能剥离技术[13]（SMART-CUT）、多孔硅氧化隔离[14]（FIPOS）等技术．使用不同的SOI形成技术可以形成不同的SOI结构．利用这些结构可以制作性能优良的高温压力传感器．这里介绍一种可行的SOI压力传感器的制作方案，如图3所示．4SOI压力传感器的研究现状4.1提高传感器性能、可靠性及工作温度1997年Motorola公司在IEEE举办的传感器与执行器国际学术会议上报道了利用CMOS工艺制作的测压MEMS系统．该系统集成了压阻式压力传感器，温度传感器，8位微控制器，信号处理电路，A/D17张书玉，等：SOI 高温压力传感器的研究现状第2期和D/A 转换器，2K 字节的EPROM 及数字通讯接口电路，采用SOI 技术制造，微处理器和信号处理电路分布在压阻式压力传感器的四周．将MCU 及信号处理电路和压力传感器进行单片集成，一方面是传感器系统在智能化的基础上更加小型化，方便了系统的调节，减少了维护；另一方面减少了原来各功能单元之间的连接，提高了系统的可靠性和稳定性．法国LETI 研究所目前正在开发工作温度达400℃的SOI 高温压力传感器．LETI 研究所和斯伦贝格公司等单位开发一种真空腔体从外部进行保护的硅压阻式传感器．经在500℃下对压力测量的测试，SOI 传感器电阻对温度的变化首次达到了令人满意的结果．LETI 和NORWEGIAN 公司合作研制的达到微型化的管状结构的传感器，直径小于60，长度只有几微米，该产品减小了封装的影响．温度达到300℃时，测量压力可达到1500bar (1bar =105Pa )，产品主要应用在汽车工业[15]．德国柏林技术大学正在采用SOI 衬底开发3C-SiC压力传感器．额定压力=0.5mV/(V-SiC-on-SOI 压力传感器．测试的结果表明：温度在673K 时电隔离可靠．室温灵敏度ｂａｒ），多晶硅热敏电阻器的温度系数１．７１０1[16]．乌克兰综合技术大学利用多晶硅和SOI 衬底制作了医用压力传感器．它采用了激光再结晶工艺，提高多晶硅电阻晶体结构的性能．它们使用的掺硼硅具有的载流子浓度范围1×1018~5×1018/cm -3，利用激光再结晶技术，提高了压阻式电阻的应变系数和温度稳定性[17]．Birkelund 采用融合键合工艺制作了高压压力传感器．设计量程为35~1500bar ，温度范围ｍ[18]．Kasten 等人开发出了用于高温、带有单块集成CMOS 读出电路的电容式压力传感器．该产品的工作温度已达到250℃．输出单元的CMOS 电路采用了离子注入型的SIMOX 衬底．读出电路编程，并且对其进行线性、漂移和输出量程的校准．在没有补偿的情况下，满量程热灵敏度漂移低于0.03%/℃(20~图3SOI 压力传感器的制作方案Fig.3The fabricate programme of SOI preesure sensor SDB SOI ÅðÀ©É¢¸÷ÏòÒìÐÔ¸¯Ê´¹è±-LPCVD Si 3N 4¹â¿ÌÒýÏß¿×ŨÅðÍË»ðоƬ²âÊԺϽðSi-Glass静电封接传感器封装18河北工业大学学报第34卷150℃范围内)；在150~250℃时低于0.09%/℃．相应的非线性误差低于0.4%[19]．在1998年中国电子学会敏感技术学术年会上，中国科学院上海冶金研究所传感技术国家重点实验室提出了由硅片直接键合技术得到的SOI材料制作出了SOI微型高温压力传感器．在11MPa的压力测试下非线性度优于0.5%，灵敏度温度系数为1.1~1.3×105V)，灵敏度温度系数为1.4×10m厚的SOI衬底上．敏感元件采用1~3m，宽0.25m，压阻式电阻厚0.1m．准确度可达到1×108DNA分子．5结束语SOI高温压力传感器是一种新型的半导体压力传感器．它比扩散硅压力传感器具有更高的工作温度，比多晶硅高温压力传感器具有更高的灵敏度．这主要得益于它用单晶硅材料和SOI结构作应变电阻．单晶硅材料压阻系数高，并且具有相当高的纵向和横向灵敏度因子，因此有利于设计性能优良的压阻电桥，保证传感器有很高的灵敏度和温度特性．如何改善压力传感器的静态特性和温度特性，保证它的稳定性和可靠性是人们要解决的问题．1）要想提高传感器的灵敏度可通过降低弹性膜的厚度来实现，但同时也降低了传感器的量程，膜厚降低和传感器量程的减小之间的冲突是有待解决的一个问题．另外由于工艺因素、设备精度老化问题也会使所研制的传感器与实际要求之间存在差异．2）改善传感器的温度特性一般有2种方法：一是选择新的弹性膜结构，将热应力降到最低．二是选择合适的掺杂浓度，这需要大量的实验确定最优掺杂浓度确保传感器输出有最小的温度漂移．3）提高稳定性可以通过对封装好的传感器进行严格的考核和老化试验及时剔除特性不良和不稳定的器件．采用全固态封装隔离结构，使传感器敏感部位从环境中隔离出来可以提高传感器的稳定性．只有通过传感器的分析结果对现有设计方案和工艺进行改进，才能进一步提高传感器的性能，充分发挥SOI高温压力传感器的优势．SOI传感器不仅在军事、航天领域具有重要的应用价值，其民用市场的发展前景也非常广阔．随着微电子技术和MEMS技术、设计技术和材料技术的不断发展，SOI传感器将会在现有产品和技术的基础上进一部完善和提高，通过加速研究成果的产业化的发展，逐步满足军事、能源、航天、交通、工业等相关市场的需求．19张书玉，等：SOI 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