[发明专利]一种集成硅膜热流量传感器及其制造方法

说明书

本发明涉及一种集成硅膜热流量传感器及其制造方法，属集成传感器领域。

置于流体中的加热面的热损失随流体的流速增大而增加，测量加热面的热损失即可求出流速及与此有关的流体参数。集成热流量传感器具有对低流速灵敏度高、响应快和体积小、成本低与信号处理电路兼容性好和可靠性高等优点。现在通用的集成热流量传感器多数未采用热隔离结构(B.W.Van Dudheusden，J.M.De Bruijn，P.J.Hoogeboom，D.Beaufort and J.H.Huijsing，Sensors and Actuators18(1989)259-267)，由于未采用热绝缘结构而不能充分体现灵敏度高、响应时间快的优点。采用薄膜结构的集成热流量传感器是在薄膜上制作加热器和热探测器，在薄膜外的硅衬底上制作加热电流控制电路和讯号放大电路，这种结构的集成热流量传感器在灵敏度和响应速度方面都有很大改善，但其薄膜均是诸如氮化硅、二氧化硅的电介质，这种薄膜不能用来制作有源器件，而且制造工艺复杂，与集成电路工艺的兼容性差。((1)K.Petersen，J.Brown and W.Renken，Proc.Int.Conf.Solid-State Sensors Actuators，PP.361-363，1985，(2)R.G.Johnson，R.E.Higashi，P.J.Bohrer and R.W.Gehman，Proc.Int.Conf.Solid-State Sensors Actuators，PP358-360，1985(3)Osamu Jabata，Hazime Inagaki and Isemi Igarashi，IEEETransactions on Electron Devioes，Vol.，Ed-34，No.12.PP.2456-2461，1987)。

本发明的目的就是为了解决上述存在的问题，提供一种易集成、易生产并具有良好热隔离性能的集成硅膜热流量传感器及其制造方法。

本发明的集成热流量传感器，其中包括在硅衬底上制备的具有隔热作用的薄膜，在薄膜上制作的加热器和热探测器以及在薄膜边缘的硅衬底上制作的加热电流控制电路和讯号放大电路，其特点是本发明的传感器的薄膜为具有隔热作用，并可在其上制作半导体元器件的硅膜，在薄膜上制作的加热器和探测器分别为在硅膜上制作的硅电阻器和Si/Al热偶堆，硅膜悬在将硅片局部挖空而形成的空腔上，并由腔体壁所支撑。

本发明所采用的硅衬底为n型硅，其载流子浓度为1×10¹⁵-5×10¹⁶/cm³，该传感器的硅膜和腔体的规格尺寸视器件的要求而选定设计。

这种集成硅膜热流量传感器的制造方法，包括在硅衬底上制备薄膜，在薄膜上制作加热器和热探测器，以及在薄膜边缘的硅衬底上制作加热电流控制电路和讯号放大电路，其特点是本发明的传感器的薄膜为悬空在将硅片局部挖空而形成的空腔上面的硅膜，作为加热器的硅电阻器和热探测器的硅铝热偶堆制作在硅膜上，其硅膜和空腔的形成的主要步骤为：a.在n型硅衬底的硅膜设计区进行扩散或离子注入形成低阻的n⁺埋层区；b.进行硅外延生长制作硅膜的n型外延层；c.在紧靠n⁺埋层区的一对边的边缘处进行扩散或离子注入形成与n⁺埋层区相连通的低阻n⁺槽；d.采用阳极氧化技术，使阳极电流流过低阻区，将低阻区的硅转变成多孔硅；e.用腐蚀液腐蚀多孔硅形成硅膜和空腔；f.用淀积物填平硅膜两侧腐蚀多孔硅后形成的空腔腔体开口的大部分。

上述低阻的n⁺埋层区和n⁺槽的浓度一般在10¹⁷/cm³-10²¹/cm³，n型外延层的浓度为1×10¹⁵-5×10¹⁶/cm³，厚度为1-3μm，n⁺埋层深度为5-20μm，n⁺槽深度一般大于外延层厚度2μm之上。外延埋层厚度和浓度、n⁺埋层和n⁺槽的深度和浓度都可用改变制备工艺条件来调整。