SOI技術在高溫壓力傳感器制造上的應用優勢與前景

SOI（Silicon On Insulator）高溫壓力傳感器具有耐高溫，低功耗，抗輻照能力優異等特點，在未來具有廣闊的市場前景。如何制作與生產適宜高溫環境下應用的壓力傳感器，一直受到國內外眾多生產企業與用戶的關注。SOI高溫壓力傳感器從原理上說是一種硅壓阻式壓力傳感器。利用SOI的單晶硅膜制備的壓敏電阻條，其靈敏度較多晶硅電阻條高，且在高溫下仍具有較好的壓阻效應；在相同尺寸下，SOI結構的漏電流比硅PN結低3個數量級，因此SOI材料適合研制高溫壓力傳感器。

多晶硅高溫壓力傳感器是目前傳感器市場上用于在高溫壓力測量領域中替代擴散硅壓力傳感器理想產品，但多晶硅在結構上存在長程無序性，使多晶硅電阻膜的靈敏度要低于單晶硅電阻膜的靈敏度。如果用單晶硅電阻膜替代多晶硅電阻膜，可以獲得良好的高溫性能和更高的靈敏度。

利用單晶硅(Single-crystalline silicon)取代多晶硅有兩種可行的方式。第一是量產微機械加工(Bulk micromachining)，利用深層蝕刻技術將量產晶圓與基板區隔開來；這種技術適合應用在垂直高度大于100mm的材料結構。然而這種作法面臨的挑戰則是須精準地控制蝕刻深度，且在MEMS結構底下進行橫向的蝕刻，其作業難度會更高。第二種方法則是使用SOI，這種技術提供單晶硅的所有優點，加上固定的薄膜厚度確保能針對移動零件生產出精準的振蕩頻率。基于這種想法，天津大學姚素英教授等人，目前正對單晶硅SOI高溫壓力傳感器的可行性以及制作工藝進行深入的研究。該傳感器用單晶硅材料做應變電阻，并以一層SiO₂薄膜將硅襯底與應變電阻層隔離，形成單晶硅SOI結構。其制作方法是，用硅片直接鍵合減薄的單晶硅SOI材料，襯底為高電阻率P型單晶硅，然后對單晶硅進行高濃度B擴散，并用等離子體干法刻蝕電阻條，用LPCVD法雙面淀積Si₃N₄保護膜，背面光刻腐蝕窗口，各向異性腐蝕硅杯；最后光刻引線孔，并做多層金屬化。上述步驟完成后，再對芯片進行靜電封接、壓焊、封裝等后道工序。

SOI技術最初是用來針對軍事與太空領域研發與生產高可靠度的電子零件，但如今則應用在主流市場的高效能IC，如超高速的微處理器。就像各種電子應用，SOI很快就吸引了MEMS、光學MEMS、微光電型電路、及其它需要應用類似材料設計者的目光。在SOI結構中，單晶硅薄膜與單晶硅基板之間透過埋入式非固定型二氧化硅(buried amorphous SiO2)加以隔離，因此SiO₂架構在這類應用中能提供許多優點。大量鑄造SOI晶圓主要是運用Smart Cut技術。氫布植的能量會決定單晶硅層的厚度與均勻度，而單硅晶層是從一個「種子」晶圓轉換成「生產」晶圓的。種子晶圓可重復循環回收，供日后生產之用。埋入氧化層(Buried oxide)是傳統的熱氧化層(thermal oxide)，運用標準的布植工具可生產出厚度為1.5mm、均勻度低于5% (3s)的硅薄膜。將離子能量提高至>200keV可提高薄膜厚度，但業者通常在SOI晶圓上采用更簡單的傳統磊晶長成技術，將薄膜厚度提高至數微米。這種技術的好處是不會受限于SOI。MEMS產業在這方面采用的多層式材料包括熔融石英層上覆硅，或石英、玻璃層上覆硅、氧化硅上覆碳化硅(SiC)、氧化硅上覆磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs)等材料。與多晶硅壓力傳感器相比，單晶硅做應變電阻材料，具有較高的靈敏度，單晶硅材料具有相同高的縱向和橫向靈敏因子，有利于設計優良的壓阻電橋，保證傳感器有最大的輸出；應變電阻與襯底之間用SiO₂介質層隔離，減小了漏電流，顯著提高了傳感器的工作溫度范圍；由于Si與SiO₂之間的直接鍵合，接觸面很匹配，沒有其它過濾層，避免了附加應力的產生，提高了傳感器的電學與力學特性；同時，單晶硅SOI傳感器的制作工藝與傳統的CMOS制作工藝兼容，易于實現集成化。所以這是一種性能理想的高溫壓力傳感器。微機電系統(MEMS)目前正經歷一場大革命。愈來愈多的業者從量產型硅晶圓轉移至絕緣層上覆硅(Silicon-on-insulator，SOI)─這波革命背后最主要的推動力量，是因為芯片制造商愈來愈了解到SOI能提升效能與功能，并能解決各種功耗問題。

目前，美國Kulite公司采用BESOI（Back-etching SOI）技術研發了XTEH-10LAC-190（M）系列高溫表壓傳感器，實現了無引線封裝，可在480℃下長期穩定工作，代表了目前SOl壓力傳感器的最高水平。2009年，馬里蘭大學-巴爾迪默分校的Guo Shuwen等人研制了基于極薄重摻雜壓阻膜的SOI高溫壓力傳感器，在將壓阻膜厚度減小到0.34um、載流子濃度提高到2×l0¹⁸cm3時，傳感器短時間最高工作溫度達到600℃；傳感器在500℃高溫下連續工作50個小時后，滿量程輸出偏離小于0.19%。除此以外，意大利Gefan公司和法國的LET1研究所研制的SOI高溫壓力傳感器均能在400℃下穩定工作。國內西安交通大學采用SIMOX（Separation by Implantation of Oxygen）技術成功研發出能在250℃下工作的壓力傳感器產品，天津大學、中北大學也進行了相關的研究，目前仍處于原理樣機階段，主要指標及長期穩定性較Kulite的產品仍有較大差距，高溫壓力傳感器制備工藝相對成熟，也是目前市場上最常見的一種高溫壓力產品。但受高溫下硅壓阻系數退化、高溫漏電流增大以及硅高溫蠕變等因素的限制，傳感器難以在500℃或更高溫度的環境下長期工作。本文源自澤天傳感，轉載請保留出處。