一种高灵敏度压阻敏感单元及其制造方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及敏感单元及其制备，具体为一种高灵敏度压阻敏感单元及其制造方法。

背景技术

基于压阻效应的压阻式传感器，由于其低频特性好、分辨率高、频率响应高等优点广泛应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。

一般意义上压阻式传感器的敏感单元是利用MEMS工艺通过传统的离子注入或扩散的方式形成的方块电阻，其工作机制是应变引起的晶格形变，进而引起多子迁移率的变化产生电阻率的变化。但由于多子迁移率的变化量有限，而且MEMS工艺的特征尺寸在微米量级，生产的敏感单元一致性和频率响应都较差，所以通过MEMS工艺制备的敏感单元具有灵敏度低的缺点。而基于巨压阻效应的压阻式传感器的工作机制是应变引起表面势的变化，进而引起多子浓度的变化产生电阻率的变化。多子浓度的变化相比于多子迁移率的变化可以高出几个量级，所以基于巨压阻效应的压阻式传感器具有很高的灵敏度。因此如何制备一种基于巨压阻效应的敏感单元是目前需要克服的难题。

发明内容

为解决传统压阻式传感器灵敏度低的问题，本发明提供了一种高灵敏度压阻敏感单元及其制造方法。

本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种高灵敏度压阻敏感单元，包括半导体衬底、N阱和至少一块LDD超浅结，半导体衬底向上延伸有外延层，外延层进行轻的P型杂质掺杂，N阱位于外延层上，LDD超浅结位于N阱上，LDD超浅结的两端设有p+有源区，外延层表面覆盖有氧化层，氧化层上开有暴露p+有源区的窗口，窗口处暴露的p+有源区通过合金层连接有金属引线。覆盖氧化层是为了保护表面外延层免受沾污，阻止注入过程对硅片的过度损伤，作为氧化物屏蔽层有助于控制注入过程中杂质的注入深度。

由于表面势的存在，LDD超浅结上下表面处的本征费米能级弯曲形成空间电荷区。LDD超浅结硅纳米膜上下表面之间的距离小于上下表面产生的空间电荷区的宽度，也就是空间电荷区贯穿整个纳米膜，此时敏感单元处于完全耗尽状态，敏感单元产生巨压阻效应，即应变引起表面势的变化，进而引起多子浓度的变化产生电阻率的变化。相比于常规压阻效应，多子浓度的变化相比于多子迁移率的变化可以高出几个量级，所以敏感单元具有更高的灵敏度。

本发明解决其技术问题还提供了：一种高灵敏度压阻敏感单元的制造方法，包括以下步骤：

S1、在半导体衬底上向上生长外延层并在外延层进行轻的P型杂质掺杂；

S2、在外延层表面生长一层氧化层；

S3、在氧化层上设置用于制作N阱的第一掩膜版，第一掩膜版的未覆盖区域为N阱所在区域，在外延层的未覆盖区域中高能注入N型杂质形成N阱；之后再进行去胶处理，清洗后进行高温退火；

S4、接着在氧化层上设置用于制作LDD超浅结的第二掩膜版，第二掩膜版的未覆盖区域位于N阱之内，利用轻掺杂漏注入的方式在未覆盖区域中注入BF

S5、继续在氧化层上设置用于制作p+有源区的第三掩膜版，第三掩膜版的未覆盖区域位于LDD超浅结的两端上，在未覆盖区域注入P型杂质形成p+有源区，之后进行去胶处理，清洗后进行快速退火处理；

S6、继续在氧化层上设置用于制作p+有源区窗口的第四掩膜版，第四掩膜版的未覆盖区域为p+有源区所在区域，利用各向异性刻蚀氧化层形成暴露p+有源区的窗口；

S7、之后进行去胶处理，再进行磁控溅射钛；

S8、溅射处理后，先清洗后进行快速热退火处理，退火过程中，钛与p+有源区的半导体形成合金层；再通过化学方法将p+有源区窗口之外的钛进行清理腐蚀；

S9、再对氧化层进行磁控溅射铝铜合金；

S10、溅射处理后，在铝铜合金表面设置用于制作金属引线的第五掩膜版，第五掩盖版的覆盖区域为金属引线所在区域；对未覆盖区域进行铝铜合金刻蚀处理，处理后形成金属引线；最终得到高灵敏度敏感单元。

本发明所述制造方法，在制备压阻敏感单元时不是采用常规高能离子注入形成方块电阻，而是采用CMOS工艺通过轻掺杂漏注入的方法在N阱上进行低能离子注入，使之产生LDD超浅结硅纳米膜，利用硅纳米膜的巨压阻效应敏感机制，可以大幅提高传感器的灵敏度。

优选的，S3中，N阱的制备是在高能离子注入机中进行的，且N型杂质为磷杂质，注入能量为200 KeV，退火的温度为950℃，时间为25~30min。这是为了使杂质在阱张工充分推进。

优选的，S4中，LDD超浅结的制备是在低能离子注入机中进行的，且注入能量为5~10KeV。这是为了使LDD超浅结结深小于N阱。

优选的，S5中，p+有源区的制备是在中能离子注入机中进行的，P型杂质为硼杂质，注入能量为100~120KeV；退火温度为1000~1200℃，时间为4~5s。在p+有源区使用中能离子注入并进行快速热退火处理，在修复晶格损伤的同时保持硅纳米膜的结深。这是为了在修复晶格损伤的同时保持硅纳米膜的结深。

优选的，S7中溅射钛的厚度为200Å，S8中退货温度为600~800℃，时间为10 s；所述化学方法是采用NH

本发明的有益效果是：本发明中利用CMOS工艺通过轻掺杂漏注入的方法在N阱上形成P型LDD超浅结硅纳米膜；在p+有源区使用中能离子注入并进行快速热退火处理，在修复晶格损伤的同时保持硅纳米膜的结深；与现有技术相比，形成LDD超浅结硅纳米膜，利用硅纳米膜的巨压阻效应敏感机制，可以大幅提高传感器的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述外延层生长并进行轻掺杂后的器件结构示意图；

图2为本发明生长氧化层后的器件结构示意图；

图3为高能离子注入形成N阱并退火处理后的器件结构示意图；

图4为轻掺杂漏注入形成LDD超浅结纳米膜后的器件结构示意图；

图5为形成p+有源区并快速退火处理后的器件结构示意图；

图6为溅射金属钛并快速退火处理形成合金并图形化后的器件结构示意图

图7为溅射铝铜合金并刻蚀形成金属引线后的最终形成敏感单元的器件结构示意图。

图8为本发明所述一种高灵敏度压阻敏感单元的俯视结构示意图（去除氧化层和金属引线）。

图9为本发明所述一种高灵敏度压阻敏感单元的俯视结构示意图（去除氧化层且保留金属引线）。

图10为本发明所述本发明提供了一种高灵敏度压阻敏感单元的制造方法的流程示意图。

图中：1、半导体衬底；2、外延层；3、氧化层；4、N阱；5、LDD超浅结；6、p+有源区；7、合金层；8、金属引线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “设置”应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种高灵敏度压阻敏感单元的制造方法，如图1-10所示，包括以下步骤：

S1、选择晶向为<100>，电阻率为1~20Ω•cm的P型单晶硅作为半导体衬底1，在半导体衬底1上向上生长5~6um的外延层2并在外延层2进行轻的P型杂质掺杂；P型杂质为硼杂质，也可以为其他符合条件的P型杂质；

S2、置于1000℃高温炉中，在外延层2表面氧化生长一层大约150Å的氧化层3；其目的是：保护表面外延层2免受沾污，阻止注入过程对硅片的过度损伤，作为氧化物屏蔽层有助于控制注入过程中杂质的注入深度；

S3、在氧化层3上设置用于制作N阱4的第一掩膜版，第一掩膜版的未覆盖区域为N阱4所在区域，在硅片上旋涂光刻胶并光刻，将除N阱4所在区域之外的所有区域全部保护起来，免于离子注入，在高能离子注入机中，向外延层2的未覆盖区域中高能注入N型杂质形成深度为1um左右 的N阱4，N型杂质为磷杂质，或者其他符合条件的N型杂质，注入能量为200KeV；之后在氧基等离子反应器中进行去胶处理，清洗后进行高温退火，退火温度为950℃，时间为25~30min，其目的是：使杂质向硅中移动，修复注入引入的损伤，修复晶格结构；

S4、接着在氧化层3上设置用于制作LDD超浅结5的第二掩膜版，第二掩膜版的未覆盖区域位于N阱4之内，在硅片上旋涂光刻胶并光刻，将除LDD超浅结5所有区域之外的区域全部保护起来，免于离子注入，在中能离子注入机中，利用轻掺杂漏注入的方式在未覆盖区域中注入BF

S5、继续在氧化层3上设置用于制作p+有源区6的第三掩膜版，第三掩膜版的未覆盖区域位于LDD超浅结5的两端上，旋涂光刻胶并光刻，将除p+有源区6以外的所有区域全部保护起来免于离子注入，在在中能离子注入机中向未覆盖区域注入P型杂质形成深度为500Å的p+有源区6，注入能量为100~120KeV，P型杂质为硼杂质，也可以为其他符合条件的P型杂质，之后氧基等离子反应器中进行去胶处理，清洗后快速退火炉中进行高温退火，退火温度为1000~1200℃，时间为4~5s；

S6、继续在氧化层3上设置用于制作p+有源区6窗口的第四掩膜版，第四掩膜版的未覆盖区域为p+有源区6所在区域，旋涂光刻胶并光刻，将除p+有源区6外所有区域全部保护起来免于离子注入，在等离子体刻蚀机中刻蚀150Å的二氧化硅，即利用各向异性刻蚀氧化层3形成暴露p+有源区6的窗口；

S7、之后放入氧基等离子反应器中进行去胶处理，再放入磁控溅射仪中进行磁控溅射200Å的金属钛；

S8、溅射处理后，先清洗后进行放入快速退火炉退火处理，退火温度为600~800℃，时间为8~10 s，退火过程中，钛与p+有源区6的半导体形成合金层7；再通过NH

S9、在磁控溅射仪中再对氧化层3进行磁控溅射铝5000~6000Å的铜合金；铜合金中铝为96~99.5%，铜为0.5~4%；

S10、溅射处理后，在铝铜合金表面设置用于制作金属引线8的第五掩膜版，第五掩盖版的覆盖区域为金属引线8所在区域，旋涂光刻胶并光刻，将金属引线8所在区域保护起来免于金属刻蚀；放入将等离子刻蚀机中对未覆盖区域进行铝铜合金刻蚀处理，处理后形成金属引线8；最终得到高灵敏度敏感单元。

本发明所述制造方法，采用CMOS工艺中的超浅结漏注入方式在压阻区进行低能离子注入，使之产生LDD超浅结5硅纳米膜，利用硅纳米膜的巨压阻效应敏感机制，可以大幅提高传感器的灵敏度。

通过上述方法即可得到一种高灵敏度压阻敏感单元，如图1-图9所示，包括半导体衬底1、N阱4和至少一块LDD超浅结5，半导体衬底1采用晶向为<100>，电阻率为1~20Ω·cm的P型单晶硅制成，半导体衬底1向上延伸有厚度为5um的外延层2，外延层2进行轻的硼杂质掺杂，N阱4位于外延层2上，N阱4是通过向外延层2中注入磷杂质而形成的，N阱4的深度为1um， LDD超浅结5位于N阱4上，LDD超浅结5是通过向N阱4注入BF

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。