SOI技术在高温压力传感器制造上的应用优势与前景

SOI（Silicon On Insulator）高温压力传感器具有耐高温，低功耗，抗辐照能力优异等特点，在未来具有广阔的市场前景。如何制作与生产适宜高温环境下应用的压力传感器，一直受到国内外众多生产企业与用户的关注。SOI高温压力传感器从原理上说是一种硅压阻式压力传感器。利用SOI的单晶硅膜制备的压敏电阻条，其灵敏度较多晶硅电阻条高，且在高温下仍具有较好的压阻效应；在相同尺寸下，SOI结构的漏电流比硅PN结低3个数量级，因此SOI材料适合研制高温压力传感器。

多晶硅高温压力传感器是目前传感器市场上用于在高温压力测量领域中替代扩散硅压力传感器理想产品，但多晶硅在结构上存在长程无序性，使多晶硅电阻膜的灵敏度要低于单晶硅电阻膜的灵敏度。如果用单晶硅电阻膜替代多晶硅电阻膜，可以获得良好的高温性能和更高的灵敏度。

利用单晶硅(Single-crystalline silicon)取代多晶硅有两种可行的方式。第一是量产微机械加工(Bulk micromachining)，利用深层蚀刻技术将量产晶圆与基板区隔开来；这种技术适合应用在垂直高度大于100mm的材料结构。然而这种作法面临的挑战则是须精准地控制蚀刻深度，且在MEMS结构底下进行横向的蚀刻，其作业难度会更高。第二种方法则是使用SOI，这种技术提供单晶硅的所有优点，加上固定的薄膜厚度确保能针对移动零件生产出精准的振荡频率。基于这种想法，天津大学姚素英教授等人，目前正对单晶硅SOI高温压力传感器的可行性以及制作工艺进行深入的研究。该传感器用单晶硅材料做应变电阻，并以一层SiO₂薄膜将硅衬底与应变电阻层隔离，形成单晶硅SOI结构。其制作方法是，用硅片直接键合减薄的单晶硅SOI材料，衬底为高电阻率P型单晶硅，然后对单晶硅进行高浓度B扩散，并用等离子体干法刻蚀电阻条，用LPCVD法双面淀积Si₃N₄保护膜，背面光刻腐蚀窗口，各向异性腐蚀硅杯；最后光刻引线孔，并做多层金属化。上述步骤完成后，再对芯片进行静电封接、压焊、封装等后道工序。

SOI技术最初是用来针对军事与太空领域研发与生产高可靠度的电子零件，但如今则应用在主流市场的高效能IC，如超高速的微处理器。就像各种电子应用，SOI很快就吸引了MEMS、光学MEMS、微光电型电路、及其它需要应用类似材料设计者的目光。在SOI结构中，单晶硅薄膜与单晶硅基板之间透过埋入式非固定型二氧化硅(buried amorphous SiO2)加以隔离，因此SiO₂架构在这类应用中能提供许多优点。大量铸造SOI晶圆主要是运用Smart Cut技术。氢布植的能量会决定单晶硅层的厚度与均匀度，而单硅晶层是从一个「种子」晶圆转换成「生产」晶圆的。种子晶圆可重复循环回收，供日后生产之用。埋入氧化层(Buried oxide)是传统的热氧化层(thermal oxide)，运用标准的布植工具可生产出厚度为1.5mm、均匀度低于5% (3s)的硅薄膜。将离子能量提高至>200keV可提高薄膜厚度，但业者通常在SOI晶圆上采用更简单的传统磊晶长成技术，将薄膜厚度提高至数微米。这种技术的好处是不会受限于SOI。MEMS产业在这方面采用的多层式材料包括熔融石英层上覆硅，或石英、玻璃层上覆硅、氧化硅上覆碳化硅(SiC)、氧化硅上覆磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs)等材料。与多晶硅压力传感器相比，单晶硅做应变电阻材料，具有较高的灵敏度，单晶硅材料具有相同高的纵向和横向灵敏因子，有利于设计优良的压阻电桥，保证传感器有最大的输出；应变电阻与衬底之间用SiO₂介质层隔离，减小了漏电流，显著提高了传感器的工作温度范围；由于Si与SiO₂之间的直接键合，接触面很匹配，没有其它过滤层，避免了附加应力的产生，提高了传感器的电学与力学特性；同时，单晶硅SOI传感器的制作工艺与传统的CMOS制作工艺兼容，易于实现集成化。所以这是一种性能理想的高温压力传感器。微机电系统(MEMS)目前正经历一场大革命。愈来愈多的业者从量产型硅晶圆转移至绝缘层上覆硅(Silicon-on-insulator，SOI)─这波革命背后最主要的推动力量，是因为芯片制造商愈来愈了解到SOI能提升效能与功能，并能解决各种功耗问题。

目前，美国Kulite公司采用BESOI（Back-etching SOI）技术研发了XTEH-10LAC-190（M）系列高温表压传感器，实现了无引线封装，可在480℃下长期稳定工作，代表了目前SOl压力传感器的最高水平。2009年，马里兰大学-巴尔迪默分校的Guo Shuwen等人研制了基于极薄重掺杂压阻膜的SOI高温压力传感器，在将压阻膜厚度减小到0.34um、载流子浓度提高到2×l0¹⁸cm3时，传感器短时间最高工作温度达到600℃；传感器在500℃高温下连续工作50个小时后，满量程输出偏离小于0.19%。除此以外，意大利Gefan公司和法国的LET1研究所研制的SOI高温压力传感器均能在400℃下稳定工作。国内西安交通大学采用SIMOX（Separation by Implantation of Oxygen）技术成功研发出能在250℃下工作的压力传感器产品，天津大学、中北大学也进行了相关的研究，目前仍处于原理样机阶段，主要指标及长期稳定性较Kulite的产品仍有较大差距，高温压力传感器制备工艺相对成熟，也是目前市场上最常见的一种高温压力产品。但受高温下硅压阻系数退化、高温漏电流增大以及硅高温蠕变等因素的限制，传感器难以在500℃或更高温度的环境下长期工作。本文源自泽天传感，转载请保留出处。