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)02-0014-06

SOI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：A

The Research Status of SOI High-temperature Pressure Sensor

ZHANG 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 Information

Engineering,Tianjin University,Tianjin300072,China)

Abstract：High temperation SOI(silicon on insulator)pressure Sensor is a novel senmiconductor pressure sensor,it

has 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 high

temperature field.In this paper,we discuss the preparation methods of SOI materials-especially in silicon direct bonding

method.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 film

0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<1