[发明专利]一种嵌入多晶硅电阻的双面自对准刻蚀硅悬臂梁阵列热电变换器

说明书

采用正面刻蚀深槽，深槽底面和侧面采用先进的倾斜离子注入工艺掺杂浓硼刻蚀终止层。结合晶向刻蚀选择特性，实现刻蚀自对准。并在单晶硅悬臂梁的根部区域制作了应力感应测试多晶硅电阻。硅悬臂梁比其它材料有更大的形变应力特性。将待测电功率输入制作在悬臂梁应力敏感区域的多晶硅加热电阻，该电阻将把输入电功率转换成相应量值的热量，引起悬臂梁温度升高，导致悬臂梁产生谐振，并在其根部区域表现出极大的应力变化特性，引起多晶硅导电载流子迁移率的变化，导致多晶硅电阻阻值变化，通过检测流过该电阻电流的变化信息测算导致应力变化和谐振频率变化的温度参数，间接测量输入加热电阻电功率的值，实现高精度的热电转换功能。

技术领域

悬臂梁微机械结构是微电子机械系统（MEMS）中广泛使用的结构，本发明属于悬臂梁微机械系统与微电子新工艺有机结合的研究领域。利用全自对准的集成电路工艺制作硅悬臂梁的同时，在悬臂梁表面制作嵌入式多晶硅应力感应测量电阻。即把半导体自对准刻蚀技术与体硅微机械结构设计相结合研究新型热电转换器。目的是对传统型热电转换器进行结构和工艺创新，实现高精度的热电转换技术。进一步涉及一种一种嵌入多晶硅电阻的双面自对准刻蚀硅悬臂梁阵列热电变换器。

背景技术

传统的热电转换器由加热电阻和紧密接触但热绝缘的测温元件组成。其研究始于上世纪50年代，技术较为成熟。但这种传统热电转换器结构受限于响应频带窄，速度慢以及动态特性差和过载特性不足的缺点。随着现代微电子工艺技术的进步和微机械结构制造技术的不断完善，研究新型热电转换器是重要的发展方向。本发明把体硅深槽制作及浓硼掺杂双面刻蚀自对准工艺应用于制作硅悬臂梁器件，且在硅悬臂梁表面制作了嵌入式多晶硅电阻应力感应测量元件，该电阻同时具有接受输入电功率和测量硅悬臂梁温度升高的双重作用。由于悬臂梁温度升高引起悬臂梁谐振，导致悬臂梁根部区域发生形变并产生极大地应力变化，该应力变化将导致多晶硅体内导电载流子迁移率的变化，从而引起多晶硅电阻阻值的变化。在输入电功率一定的条件下，多晶硅电阻的输出电流值将发生变化。检测、比较和运算该电流变化信息，可以间接测量悬臂梁应力变化及悬臂梁温度变化信息，进而测算输入加热电阻电功率的量值，是热电转换方法和微机械结构及制作工艺方面的创新发明。

发明内容

本发明的目的是利用现今集成电路的先进制造技术，即硅本身不同晶向刻蚀速率的差别以及重掺杂p型硅的刻蚀选择特性，实现硅片正面和背面自对准刻蚀技术，设计制作一种嵌入多晶硅电阻加热器兼作应力感测元件的硅悬臂梁阵列热电转换器件，简化了器件制作工艺和掩膜版的数量，降低了器件的制作成本同时提高了器件制作工艺精度。

为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种嵌入多晶硅电阻的双面自对准刻蚀硅悬臂梁阵列热电变换器，其特征在于，包括以下步骤。

1.选p型硅衬底（1）。附图顶视图以及a_a’剖面图和b_b’剖面图所显示的阴影区域（说明：由于图纸幅面的限制，附图中阴影区域显示的衬底硅片厚度看似不同，实际上是相同的），附图顶视图显示一个完整独立的包含4个硅悬臂梁阵列器件的热电转换器单元，在一个如4英寸直径的硅片上可以制作很多这样的热电转换器单元。

2.光刻1#版，通过掩蔽膜（13）离子注入掺杂浓硼（B）（2），附图a_a’剖面图（a_1）及b_b’剖面图（b_1）。而没有注入浓硼（B）的区域，背面刻蚀时会全部刻去，实现硅悬臂梁（Si-Cantilever beam）阵列之间的相互分离。

3.去除硅表面选择注入硼（B）的掩蔽膜。热氧化生长二氧化硅（SiO₂）缓冲层（3），缓解氮化硅（Si₃N₄）薄膜的应力。低压化学气相淀积（Low Pressure Chemical VaporDeposition: LPCVD）氮化硅（Si₃N₄）薄膜（4），附图a_a’剖面图（a_2）。

4.光刻2#版，刻深槽（Trench）（5），附图a_a’剖面图（a_2）。