基于金硅原電池保護(hù)電容加速度計的制作

王 輝，吳燕紅，楊 恒

（1.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049）

0 引言

微機(jī)械加速度計是重要的慣性器件，在汽車安全氣囊、導(dǎo)彈制導(dǎo)和航天航空定位等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［1］。電容加速度計相對于壓阻式等其他加速度計具有溫度系數(shù)小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。此外，電容加速度計具有很低的熱噪聲，在高性能傳感器中有廣泛應(yīng)用［2］。

體硅微機(jī)械加速度計很容易制作大的質(zhì)量塊，它具有較小的噪聲，因此，高性能加速度計一般均采用體微機(jī)械技術(shù)加工。三明治式加速度計是典型的體硅微機(jī)械加速度計［3］。

三明治式加速度計一般制作工藝存在以下難點(diǎn):1）由于可動結(jié)構(gòu)在鍵合時已成型，很容易在鍵合時破壞［4］;2）下電極與可動結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電學(xué)引出的難度高;3）制作的上下蓋板打孔困難，造成難以通過開孔實(shí)現(xiàn)對阻尼的控制，而必須采用抽真空等方式;4）傳感器的梁—質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)多采用時間控制的腐蝕技術(shù)形成，均勻性、重復(fù)性均較差。

Michigan大學(xué)的Yazdi N等人提出一種結(jié)合體微機(jī)械加工與表面微機(jī)械加工的工藝方法來解決以上難點(diǎn)［5］。該工藝采用表面微機(jī)械制作上下電極以避免鍵合引起的成品率低、電學(xué)引出和阻尼孔等制作困難。此工藝也存在著當(dāng)電極跨度較大時機(jī)械強(qiáng)度明顯不足和濃硼摻雜腐蝕自停止技術(shù)制作成的梁結(jié)構(gòu)存在比較大的應(yīng)力的問題。

French P J等人提出的一種金硅在TMAH溶液中形成的原電池效應(yīng)實(shí)現(xiàn)腐蝕自停止技術(shù)［6］來代替濃硼自停止技術(shù)，避免濃硼摻雜引入的應(yīng)力問題。此技術(shù)避免了傳統(tǒng)硅電化學(xué)腐蝕自停止需要外接電源的缺點(diǎn)。在TMAH溶液中金硅電極面積比大于閾值時，金硅在TMAH溶液中形成原電池結(jié)構(gòu)能夠提供硅鈍化所需的鈍化電流和鈍化電勢［7］。金硅原電池腐蝕自停止的主要缺點(diǎn)在于該技術(shù)對漏電流極為敏感，PN結(jié)隔離實(shí)現(xiàn)硅的選擇性腐蝕難度極大。

本文提出了一種以金硅原電池保護(hù)技術(shù)和擊穿之前絕緣性好、擊穿之后導(dǎo)電的反熔絲技術(shù)［8］制作電容式加速度計的新工藝方法。為了驗(yàn)證工藝的可行性，基于雙層SoI硅片設(shè)計電容式加速度計結(jié)構(gòu)，再結(jié)合TMAH腐蝕液對硅的各向異性腐蝕和先部分封裝再釋放的工藝方法成功制作出雙層加速度計結(jié)構(gòu)。

1 制作原理

該工藝用SoI硅片的頂層硅制作梁和表面極板，用襯底制作質(zhì)量塊。采用DRIE從正面刻蝕形成釋放孔，再通過TMAH腐蝕去除梁區(qū)域以下的襯底硅實(shí)現(xiàn)質(zhì)量塊的釋放。在TMAH腐蝕過程中，采用金硅原電池保護(hù)實(shí)現(xiàn)對梁和表面極板的保護(hù)。為了降低漏電流對原電池保護(hù)的影響，采用反镕絲實(shí)現(xiàn)梁與質(zhì)量塊間的電學(xué)連接。在TMAH腐蝕完成前，反镕絲保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，腐蝕完成后，擊穿反镕絲形成導(dǎo)通狀態(tài)。

用SoI的頂層硅制作梁和表面極板，襯底硅制作質(zhì)量塊，如圖1所示。表面極板上面制作一系列的釋放/阻尼孔，以作為去除表面極板以下的埋層SiO2的釋放孔和調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)的阻尼孔所使用。

圖1 三明治結(jié)構(gòu)加速度計Fig 1 Structure of sandwich accelerometer

采用正面釋放技術(shù)完成質(zhì)量塊與框架的釋放，即先用DRIE刻蝕穿通硅片形成釋放孔，如圖2所示。為避免釋放后的可動結(jié)構(gòu)在封裝過程中損壞，采用先部分封裝然后再釋放的方式。即把待釋放的器件用環(huán)氧樹脂貼到制作有金電極的陶瓷基板上，壓焊實(shí)現(xiàn)頂層硅與陶瓷基板上金電極的互連，陶瓷基板上金電極作為金硅原電池的金電極使用。再結(jié)合TMAH各向異性腐蝕去除梁以下的硅實(shí)現(xiàn)質(zhì)量塊與框架的釋放。

圖2 深反應(yīng)離子刻蝕刻穿襯底硅片形成釋放孔Fig 2 Fabricate the release hole with DRIE

在TMAH腐蝕液腐蝕實(shí)現(xiàn)質(zhì)量塊與框架的釋放時，采用金硅原電池保護(hù)梁和表面極板在TAMH腐蝕液中不被腐蝕。為了降低頂層硅和襯底之間的漏電流對金硅原電池保護(hù)的影響，則需要實(shí)現(xiàn)腐蝕區(qū)域（襯底硅）和不被腐蝕區(qū)域（頂層硅）的電學(xué)隔離。由于采用PN結(jié)隔離易出現(xiàn)較大的反向漏電流，釋放時容易出現(xiàn)全部腐蝕或者全部都不腐蝕的現(xiàn)象，所以，采用未擊穿的反熔絲實(shí)現(xiàn)襯底硅和頂層硅的電學(xué)隔離。質(zhì)量塊與框架的釋放分離后，通過擊穿反熔絲，實(shí)現(xiàn)梁與質(zhì)量塊的電學(xué)連接，完成質(zhì)量塊的電學(xué)引出。

2 工藝制作

2.1 關(guān)鍵工藝研究

2.1.1 金硅原電池腐蝕自停止

利用三電極系統(tǒng)測量硅和金在TMAH腐蝕液中的極化曲線，觀察硅和金在TMAH腐蝕液中不同電勢下的電化學(xué)行為［9］。圖3（a）是暴露面積為0.04 cm2的硅電極在不同溫度下的極化曲線，從圖3（a）中可以看出:鈍化電壓（對應(yīng)電流為鈍化電流）以上的極化電流迅速減小到0 A，說明此區(qū)域發(fā)生硅鈍化現(xiàn)象。硅電極在60℃的鈍化電壓為－1.089 V。此時硅電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)生長一層SiO2鈍化層。圖3（b）是暴露面積為0.2cm2的金電極在60℃的TMAH腐蝕液中的極化曲線，金電極表面發(fā)生水的還原反應(yīng)。

在60℃TMAH腐蝕液中，當(dāng)暴露面積為0.04 cm2的硅電極與暴露面積為0.2 cm2的金電極接觸時，硅電極和金電極的極化曲線在同一坐標(biāo)系里的圖形如圖3（c）所示。從圖3（c）中可以看到:硅電極的電勢Vs為－0.45 V左右，大于圖3（a）中硅電極60℃的極化電壓－1.089 V，可見硅電極表面處于鈍化區(qū)域。當(dāng)硅暴露面積增大時，硅極化曲線整體抬升，與金極化曲線的交點(diǎn)進(jìn)入非鈍化區(qū)。顯然，60℃25%TMAH溶液中實(shí)現(xiàn)原電池保護(hù)的金硅面積比閾值為5∶1左右。

圖3 金硅原電池腐蝕自停止驗(yàn)證Fig 3 Verification of Au/Si galvanic cell etch-stop

2.1.2 反熔絲制作和測試

實(shí)驗(yàn)研究了反镕絲的結(jié)構(gòu)與擊穿特性。在（100）硅片熱氧化生長300 nm SiO2作為絕緣層，圖形化制作出反熔絲窗口，反熔絲的窗口是4個70 μm長和70 μm寬的正方形，劑量為5×1014cm－3、能量40 keV為磷離子注入之后退火生長30 nm的SiO2作為反熔絲層，硅襯底作為下電極，再濺射TiW/Au，圖形化制作上電極，如圖4（a）結(jié)構(gòu)所示。

采用HP4156C測量了擊穿前反镕絲的絕緣特性。測得在－10～10 V范圍內(nèi)，反镕絲的漏電流在－9～7 pA范圍內(nèi)，已達(dá)到HP4156C的電流測試極限，如圖4（b）所示。將HP4156C的截止電流設(shè)置為10 mA，從0～100 V對10個反熔絲樣品進(jìn)行擊穿，擊穿特性曲線如圖4（c）所示，擊穿電壓在48～50 V之間，曲線重合為2條曲線，具有良好的一致性。擊穿之后的測量的電阻的分布圖為圖4（d）所示，可以看到擊穿之后的反熔絲導(dǎo)通電阻在3～7 kΩ之間。

2.2 加速度計的工藝制作過程

采用BESoI硅片制作了加速度計結(jié)構(gòu)。部分SoI硅片由于界面鍵合質(zhì)量不好，埋層SiO2的側(cè)向鉆蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱氧化SiO2的腐蝕速率，腐蝕速率比甚至高達(dá)50:1，不適合用于本加工技術(shù)。實(shí)驗(yàn)中采用OKMETIC公司的SoI硅片，該SoI硅片埋層的側(cè)向鉆蝕速率與熱氧化SiO2腐蝕速率基本相當(dāng)。SoI硅片頂層硅為20 μm、埋層SiO2厚度為2 μm和襯底為370 μm。加速度計的基本加工過程如下:

1）反熔絲窗口制作:熱氧化300 nmSiO2并且圖形化形成腐蝕窗口，腐蝕頂層硅至埋層形成制作反镕絲窗口。

圖4 反熔絲結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性Fig 4 Structure and electrical characteristics of antifuse

2）反熔絲制作:IonBeam去除頂層硅表面300 nm的SiO2和2 μm 埋層 SiO2。劑量為5×1014cm－3、能量40 keV磷離子注入。1100℃熱氧化生長100 nm SiO2反熔絲層，同時激活磷離子。采用較厚的反镕絲絕緣層是為了降低由于靜電造成反熔絲意外擊穿的可能性。

3）電學(xué)電極制作:濺射100nm的TiW，500nm的Au，圖形化制作反熔絲的金屬上電極和結(jié)構(gòu)金屬電極。PECVD淀積500 nm的SiNx圖形化制作電學(xué)電極側(cè)壁保護(hù)結(jié)構(gòu)。

4）釋放孔的制作:PECVD淀積400 nm SiO2、圖形化制作出表面極板和梁結(jié)構(gòu)的SiO2掩模層。厚膠光刻形成釋放孔圖形，依次采用 DRIE，RIE，DRIE刻穿20 μm頂層硅、2 μm埋層SiO2和370 μm襯底硅，形成釋放孔圖形。

5）表面極板和梁結(jié)構(gòu)制作:去除厚光刻膠，采用400 nm的SiO2作為掩模再次用DRIE刻蝕20 μm的頂層硅，形成梁和表面電極結(jié)構(gòu)。

6）質(zhì)量塊的釋放:10%HF去除SiO2掩模后劃片，將芯片用環(huán)氧樹脂貼到制作有金電極的陶瓷基板上。壓焊實(shí)現(xiàn)頂層硅與陶瓷板上金電極的互連。在60℃25%TMAH腐蝕液中腐蝕2.5 h實(shí)現(xiàn)質(zhì)量塊與框架的釋放。由于陶瓷板上金電極與硅暴露面積比大于5∶1，在TMAH中形成金硅原電池，保護(hù)梁和表面極板不被TMAH腐蝕液腐蝕。

7）反熔絲擊穿:在兩根梁之間施加直流電壓，將2個串聯(lián)的反镕絲擊穿，實(shí)現(xiàn)梁與質(zhì)量塊的電學(xué)連接。

8）器件釋放:用40%的HF腐蝕去除電極和梁下2 μm的埋層SiO2，實(shí)現(xiàn)電極和梁—質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的釋放。

3 電容加速度計制作結(jié)果

圖5（a）為待釋放的樣品SEM照片，凸角補(bǔ)償保證質(zhì)量塊在TMAH腐蝕過程中不出現(xiàn)銷角現(xiàn)象。將圖5（a）的實(shí)驗(yàn)樣品用環(huán)氧樹脂貼到制作了金電極的陶瓷基板上。壓焊實(shí)現(xiàn)頂層硅與陶瓷板上金電極的互連，完成金電極和硅電極的互連，放入25%TMAH腐蝕液中腐蝕完成質(zhì)量塊與框架的釋放。釋放之后的SEM照片如圖5（b），從圖中可以看到，表面極板和梁結(jié)構(gòu)均沒有發(fā)生腐蝕，凸角補(bǔ)償塊和梁區(qū)域以下的硅均被腐蝕掉。擊穿反熔絲后用40%HF腐蝕去掉埋層SiO2實(shí)現(xiàn)器件的釋放之后的SEM照片為圖5（c），可以看出凸角補(bǔ)償效果良好。圖5（d）為釋放后的加速度計結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。

圖5 加速度計的SEM照片F(xiàn)ig 5 SEM photos of accelerometer

圖6為器件釋放前后測量的梁結(jié)構(gòu)的寬度的分布圖，釋放前測量的梁結(jié)構(gòu)的寬度分布在9.4～10 μm之間，釋放之后的梁結(jié)構(gòu)的寬度也是分布在9.4～10 μm之間，可見梁結(jié)構(gòu)在TMAH腐蝕溶液中在金硅原電池的保護(hù)下沒有發(fā)生腐蝕。

圖6 梁結(jié)構(gòu)的寬度Fig 6 The width of beam

將HP4156C的截止電流設(shè)置為10 mA，從0 V掃描至200 V對電容加速度計結(jié)構(gòu)的2個串聯(lián)反熔絲進(jìn)行擊穿。擊穿之后測量這2個反熔絲之間的I-V特性曲線如圖7所示。由于離子注入之后在反熔絲窗口處形成了PN結(jié)，擊穿后的反熔絲I-V特性曲線為PN結(jié)的特性曲線，在0～10 V區(qū)間內(nèi)的2個反镕絲的串聯(lián)電阻在20～100kΩ之間。由于在使用中，2個反镕絲為并聯(lián)連接，兩反熔絲電阻并聯(lián)之后最大的電阻為5～25 kΩ之間，并且可以通過進(jìn)一步并聯(lián)4個擊穿后的反熔絲降低電阻。并聯(lián)后反镕絲電阻遠(yuǎn)小于敏感電容的容抗，不影響電容加速度計的電容檢測。

圖7 加速度計的擊穿后反熔絲特性曲線FIG 7 I-V plot of the breakdown antifuse

4 結(jié)論

本文提出了以金硅原電池腐蝕保護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合反熔絲和先部分封裝再完全釋放制作電容加速度計結(jié)構(gòu)的工藝方法。通過測量60℃25%TMAH腐蝕溶液中金電極和硅電極的極化曲線，得到實(shí)現(xiàn)原電池保護(hù)的金/硅面積比閾值在5∶1左右。實(shí)驗(yàn)成功制作出具有單面極板的加速度計結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了工藝的可行性。測量得到釋放前后梁的寬度都是在9.4～10 μm之間，表明梁結(jié)構(gòu)在TMAH腐蝕溶液中在金硅原電池的保護(hù)下沒有發(fā)生腐蝕。加速度計的反熔絲擊穿前的漏電在－9～7 pA范圍內(nèi)，具有良好的絕緣特性。將2個串聯(lián)反熔絲擊穿之后測得的2個串聯(lián)反熔絲導(dǎo)通電阻為20～100 kΩ之間，并聯(lián)連接的反镕絲導(dǎo)通電阻為5～25 kΩ之間，對加速度計電容檢測的影響可以忽略不計。

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