專利名稱：在soi硅片上制造壓阻式微懸臂梁傳感器的方法
技術領域：
本發明屬于微加工技術和微型檢測器件范圍，特別涉及一種采用微加工技術的在SOI硅片上制造壓阻式微懸臂梁傳感器的方法。
背景技術：
近年來，基于微懸臂梁結構的微機械傳感器成為一個廣泛關注的研究熱點。該類傳感器具有微型化、成本低、靈敏度高和可批量生產等優點，在物理、化學和生物傳感領域有廣闊的應用前景。該類傳感器的基本工作原理是將質量、電場、磁場、溫度和應力等參量轉換成為微懸臂梁的彎曲或諧振頻率的變化，從而實現對微觀表面形貌、磁場、加速度、化學分子的結合、生物分子的結合等信號的檢測。
測量微懸臂梁的彎曲和諧振頻率的方法稱為讀出方法。常用的讀出方法有光學和電學方法。光學讀出靈敏度高，但系統復雜、不易操作且難以集成，而電學方法如壓阻式、電容式、壓電式讀出等雖然靈敏度相對較低，但具有操作簡單、易于集成的優點。在電學讀出方法中，壓阻式讀出方法因容易實現而使用最為廣泛。
壓阻式讀出的基本原理是將壓阻敏感器件制作在微懸臂梁上，當微懸臂梁在外界物理量作用下發生彎曲時，由于硅的壓阻效應，壓阻敏感器件的電學特性會發生相應變化，如壓敏電阻的電阻值會發生變化，MOSFET的源漏電流會發生變化；測量該電阻值或源漏電流的變化，就可以實現對微懸臂梁彎曲量的測量，從而實現對外界物理量的傳感作用。為提高壓阻式讀出方法靈敏度，關鍵在于提高壓阻材料的壓阻系數。
微懸臂梁結構的釋放，即形成懸空結構，是制造工藝中的關鍵步驟。現有的釋放工藝過程較為復雜，需要保護硅片正面，從背面釋放結構，導致釋放效果差，成品率較低。
發明內容
本發明的目的是提供一種采用微加工技術在SOI硅片上制造壓阻式微懸臂梁傳感器的方法，其特征在于，按制造順序包括以下步驟1)以SOI硅片作制備傳感器的襯底材料，該SOI硅片由下層硅基體、原有氧化層和上層硅構成；2)對所述SOI硅片進行光刻，采用離子注入方式在所述SOI硅片的上層硅中形成作為敏感器件的壓敏電阻，采用反偏P-N結將所述壓敏電阻與所述SOI硅片的上層硅絕緣；或者利用集成電路制造工藝在所述SOI硅片上層硅中制作MOSFET(金屬—氧化物—半導體場效應晶體管)作為敏感器件；3)淀積二氧化硅作為絕緣層，在硅片表面濺射金屬，經光刻和刻蝕形成所述敏感器件的金屬連線，并淀積氧化硅作為鈍化層；4)對硅片進行光刻，依次刻蝕表面形成微懸臂梁圖形，露出SOI硅片的下層硅基體表面；5)采用各向同性反應離子刻蝕工藝對步驟4)中的露出SOI硅片的下層硅基體進行橫向刻蝕，從硅片正面釋放微結構使其懸空，即形成所述微懸臂梁。
所述上層硅為100、111或110晶向；所述MOSFET為N型、P型、硅柵或鋁柵型。
本發明由于采用以上技術方案，具有以下優點1.在現有用普通硅片制造的壓阻式微懸臂梁傳感器的方法中，壓敏電阻為多晶硅材料，其壓阻系數較低。本發明采用集成電路制造工藝，在SOI硅片上層硅中制備的壓敏電阻或MOSFET為單晶硅材料，其壓阻系數遠大于多晶硅材料，可顯著提高所述傳感器的靈敏度。
2.采用各向同性反應離子刻蝕工藝從硅片正面釋放微懸臂梁，工藝簡單易行，成品率高，有效避免了常用的KOH濕法刻蝕工藝從硅片背面釋放過程中的正面保護及微懸臂梁與襯底粘連的問題。
圖1(a)～(g)為本發明采用壓敏電阻作敏感器件的實施例的工藝流程示意圖。
圖2所示為本發明采用硅柵MOSFET作敏感器件的微懸臂梁傳感器的結構示意圖。
具體實施例方式
本發明提供一種簡單易行、成品率高的采用微加工技術在SOI硅片上制造的壓阻式微懸臂梁傳感器的方法。下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明，但并不限于該實施例。
圖1所示為本發明采用壓敏電阻作敏感器件的微懸臂梁傳感器的實施例工藝流程示意圖，按制造順序包括以下步驟1)采用SOI硅片作為制備所述微懸臂梁傳感器的襯底材料，SOI硅片由下層硅基體11、原有氧化層12和上層硅13構成(如圖1a所示)，其中上層硅13可以是100、111或110晶向；2)對所述SOI硅片進行光刻，形成壓敏電阻圖形；采用離子注入工藝，向所述SOl硅片的上層硅13中注入與上層硅13摻雜類型相反的雜質離子，形成作為敏感器件的壓敏電阻2(如圖1b所示)，采用反偏P-N結將壓敏電阻2與SOI硅片的上層硅13絕緣；即若上層硅13摻雜類型為N型，則注入P型雜質；若上層硅13摻雜類型為P型，則注入N型雜質；3)采用等離子增強化學氣相淀積工藝在所述SOI硅片表面形成氧化硅，作為即將制作的金屬連線與上層硅13之間的電絕緣層3(如圖1c所示)；然后光刻，在硅片電絕緣層3表面刻蝕形成金屬連線接觸孔，再在硅片電絕緣層3表面采用濺射工藝形成金屬鋁，經光刻和刻蝕形成金屬鋁連線4(如圖1d所示)；采用等離子增強化學氣相淀積在硅片電絕緣層3和金屬鋁連線4表面形成氧化硅鈍化層5(如圖1e所示)；4)對硅片進行光刻，形成所述微懸臂梁圖形；依次刻蝕氧化硅鈍化層5、氧化硅電絕緣層3、SOI硅片的上層硅13和SOI硅片的原有氧化層12，形成待釋放的微懸臂梁圖形，露出SOI硅片的下層硅基體11表面(如圖1f所示)；5)采用六氟化硫(SF6)或二氟化氙(XeF2)等各向同性反應離子刻蝕工藝，對步驟4)中露出SOI硅片的下層硅基體11進行橫向刻蝕，從硅片正面釋放微結構，即形成所述微懸臂梁0(如圖1g所示)。
圖2所示為本發明采用硅柵MOSFET作敏感器件的微懸臂梁傳感器的實施例結構示意圖，其工藝流程按制造順序包括以下步驟1)采用SOI硅片作為制備所述微懸臂梁傳感器的襯底材料，SOI硅片由下層硅基體11、原有氧化層12和上層硅13構成，其中上層硅13可以是100、111或110晶向；2)采用等離子增強化學氣相淀積工藝在所述SOI硅片表面形成氧化硅，經光刻和刻蝕形成即將制作的金屬連線與上層硅13之間的電絕緣層3；將硅片進行熱氧化，形成MOSFET的柵氧化層21；采用低壓化學氣相淀積工藝在硅片表面形成多晶硅，經光刻和刻蝕形成MOSFET的硅柵22；對硅片進行光刻，形成MOSFET源、漏電極區圖形，并采用離子注入工藝向所述SOI硅片的上層硅13中注入與上層硅13摻雜類型相反的雜質離子，形成MOSFET源、漏電極23；即若上層硅13摻雜類型為N型，則注入P型雜質；若上層硅13摻雜類型為P型，則注入N型雜質；3)在硅片的電絕緣層3和MOSFET器件表面采用濺射工藝形成金屬鋁，經光刻和刻蝕形成金屬鋁連線4；再接著采用等離子增強化學氣相淀積在硅片電絕緣層和金屬鋁連線4表面形成氧化硅鈍化層5；4)對硅片進行光刻，形成所述微懸臂梁圖形；依次刻蝕氧化硅鈍化層5、氧化硅電絕緣層3、SOI硅片的上層硅13和SOI硅片的原有氧化層12，形成待釋放的微懸臂梁圖形，露出SOI硅片的下層硅基體11表面；5)采用六氟化硫(SF6)或二氟化氙(XeF2)等各向同性反應離子刻蝕工藝，對步驟4)中露出SOI硅片的下層硅基體11進行橫向刻蝕，從硅片正面釋放微結構，即形成所述微懸臂梁0(如圖2所示)。
將通過上述實施例的工藝流程制造的壓阻式微懸臂梁應用于實際檢測中時，由于壓阻效應，微懸臂梁的彎曲會導致壓敏電阻值或MOSFET敏感器件源漏電流的變化，通過檢測該變化量，即可實現對微懸臂梁彎曲量的測量，從而實現對外界物理量的傳感作用。
權利要求
1.一種在SOI硅片上制造壓阻式微懸臂梁傳感器的方法，其特征在于，按制造順序包括以下步驟1)以SOI硅片作制備傳感器的襯底材料，該SOI硅片由下層硅基體、原有氧化層和上層硅構成；2)對所述SOI硅片進行光刻，采用離子注入方式在所述SOI硅片的上層硅中形成作為敏感器件的壓敏電阻，采用反偏P-N結將所述壓敏電阻與所述SOI硅片的上層硅絕緣；或者利用集成電路制造工藝在所述SOI硅片上層硅中制作MOSFET(金屬—氧化物—半導體場效應晶體管)作為敏感器件；3)淀積二氧化硅作為絕緣層，并光刻刻蝕出金屬連線接觸孔，在硅片絕緣層表面濺射金屬，經光刻和刻蝕形成所述敏感器件的金屬連線，并淀積氧化硅作為鈍化層；4)對硅片進行光刻，依次刻蝕表面形成微懸臂梁圖形，露出SOI硅片的下層硅基體表面；5)采用各向同性反應離子刻蝕工藝對步驟4)中的露出SOI硅片的下層硅基體進行橫向刻蝕，從硅片正面釋放微結構使其懸空，即形成所述微懸臂梁。
2.根據權利要求1所述在SOI硅片上制造壓阻式微懸臂梁傳感器的方法，其特征在于，所述上層硅為100、111或110晶向。
3.根據權利要求1所述在SOI硅片上制造壓阻式微懸臂梁傳感器的方法，其特征在于，所述MOSFET為N型、P型、硅柵或鋁柵型。
4.根據權利要求1所述在SOI硅片上制造壓阻式微懸臂梁傳感器的方法，其特征在于，采用壓敏電阻作敏感器件的微懸臂梁傳感器的工藝流程步驟1)采用SOI硅片作為制備所述微懸臂梁傳感器的襯底材料，SOI硅片由下層硅基體(11)、原有氧化層(12)和上層硅(13)構成，其中上層硅(13)可以是100、111或110晶向；2)對所述SOI硅片進行光刻，形成壓敏電阻圖形；采用離子注入工藝，向所述SOI硅片的上層硅(13)中注入與上層硅(13)摻雜類型相反的雜質離子，形成作為敏感器件的壓敏電阻(2)，采用反偏P-N結將壓敏電阻(2)與SOI硅片的上層硅(13)絕緣；即若上層硅(13)摻雜類型為N型，則注入P型雜質；若上層硅(13)摻雜類型為P型，則注入N型雜質；3)采用等離子增強化學氣相淀積工藝在所述SOI硅片表面形成氧化硅，作為即將制作的金屬連線與上層硅(13)之間的電絕緣層(3)；然后光刻，在硅片電絕緣層(3)表面刻蝕形成金屬連線接觸孔，再在硅片電絕緣層(3)表面采用濺射工藝形成金屬鋁，經光刻和刻蝕形成金屬鋁連線(4)；采用等離子增強化學氣相淀積在硅片電絕緣層(3)和金屬鋁連線(4)表面形成氧化硅鈍化層(5)4)對硅片進行光刻，形成所述微懸臂梁圖形；依次刻蝕氧化硅鈍化層(5)、氧化硅電絕緣層(3)、SOI硅片的上層硅(13)和SOI硅片的原有氧化層(12)，形成待釋放的微懸臂梁圖形，露出SOI硅片的下層硅基體(11)表面；5)采用六氟化硫(SF6)或二氟化氙(XeF2)等各向同性反應離子刻蝕工藝，對步驟4)中露出SOI硅片的下層硅基體(11)進行橫向刻蝕，從硅片正面釋放微結構，即形成所述微懸臂梁(0)。
5.根據權利要求1所述在SOI硅片上制造壓阻式微懸臂梁傳感器的方法，其特征在于，采用硅柵MOSFET作敏感器件的微懸臂梁傳感器的工藝流程步驟1)采用SOI硅片作為制備所述微懸臂梁傳感器的襯底材料，SOI硅片由下層硅基體(11)、原有氧化層(12)和上層硅(13)構成，其中上層硅(13)可以是100、111或110晶向；2)采用等離子增強化學氣相淀積工藝在所述SOI硅片表面形成氧化硅，經光刻和刻蝕形成即將制作的金屬連線與上層硅(13)之間的電絕緣層(3)；將硅片進行熱氧化，形成MOSFET的柵氧化層(21)；采用低壓化學氣相淀積工藝在硅片表面形成多晶硅，經光刻和刻蝕形成MOSFET的硅柵(22)；對硅片進行光刻，形成MOSFET源、漏電極區圖形，并采用離子注入工藝向所述SOI硅片的上層硅(13)中注入與上層硅(13)摻雜類型相反的雜質離子，形成MOSFET源、漏電極(23)；即若上層硅(13)摻雜類型為N型，則注入P型雜質；若上層硅13)摻雜類型為P型，則注入N型雜質；3)在硅片的電絕緣層(3)和MOSFET器件表面采用濺射工藝形成金屬鋁，經光刻和刻蝕形成金屬鋁連線(4)；再接著采用等離子增強化學氣相淀積在硅片電絕緣層(3)和金屬鋁連線(4)表面形成氧化硅鈍化層(5)；4)對硅片進行光刻，形成所述微懸臂梁圖形；依次刻蝕氧化硅鈍化層(5)、氧化硅電絕緣層(3)、SOI硅片的上層硅(13)和SOI硅片的原有氧化層(12)，形成待釋放的微懸臂梁圖形，露出SOI硅片的下層硅基體(11)表面；5)采用六氟化硫(SF6)或二氟化氙(XeF2)等各向同性反應離子刻蝕工藝，對步驟4)中露出SOI硅片的下層硅基體(11)進行橫向刻蝕，從硅片正面釋放微結構，即形成所述微懸臂梁(0)。
全文摘要
本發明公開了屬于微加工技術和微型檢測器件范圍的一種在SOI硅片上制造壓阻式微懸臂梁傳感器的方法。其特征在于所述傳感器采用SOI(絕緣體上硅)硅片制備，即在所述SOI硅片的上層硅中制備單晶硅壓阻敏感器件，采用硅的橫向干法刻蝕工藝從正面釋放所述微懸臂梁使其懸空。本發明采用SOI硅片、利用各向同性干法刻蝕工藝從正面釋放微懸臂梁結構，制作工藝簡單易行，成品率高；由SOI硅片上層硅制備單晶硅材料的壓阻敏感器件，壓阻系數大，可顯著提高傳感器的靈敏度。
文檔編號B81C1/00GK1970434SQ200610165089
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月13日 優先權日2006年12月13日
發明者王喆垚, 周有錚, 劉理天 申請人:清華大學