基于金硅原電池保護電容加速度計的制作

王 輝，吳燕紅，楊 恒

（1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所傳感技術聯合國家重點實驗室微系統技術重點實驗室，上海 200050;2.中國科學院研究生院，北京 100049）

0 引言

微機械加速度計是重要的慣性器件，在汽車安全氣囊、導彈制導和航天航空定位等領域具有廣泛的應用［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小、功耗低等優點。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用［2］。

體硅微機械加速度計很容易制作大的質量塊，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械技術加工。三明治式加速度計是典型的體硅微機械加速度計［3］。

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

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

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實現腐蝕自停止技術［6］來代替濃硼自停止技術，避免濃硼摻雜引入的應力問題。此技術避免了傳統硅電化學腐蝕自停止需要外接電源的缺點。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構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在于該技術對漏電流極為敏感，PN結隔離實現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技術和擊穿之前絕緣性好、擊穿之后導電的反熔絲技術［8］制作電容式加速度計的新工藝方法。為了驗證工藝的可行性，基于雙層SoI硅片設計電容式加速度計結構，再結合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構。

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腐蝕去除梁區域以下的襯底硅實現質量塊的釋放。在TMAH腐蝕過程中，采用金硅原電池保護實現對梁和表面極板的保護。為了降低漏電流對原電池保護的影響，采用反镕絲實現梁與質量塊間的電學連接。在TMAH腐蝕完成前，反镕絲保持斷開狀態，腐蝕完成后，擊穿反镕絲形成導通狀態。

用SoI的頂層硅制作梁和表面極板，襯底硅制作質量塊，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的釋放孔和調節阻尼系數的阻尼孔所使用。

圖1 三明治結構加速度計Fig 1 Structure of sandwich accelerometer

采用正面釋放技術完成質量塊與框架的釋放，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構在封裝過程中損壞，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氧樹脂貼到制作有金電極的陶瓷基板上，壓焊實現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。再結合TMAH各向異性腐蝕去除梁以下的硅實現質量塊與框架的釋放。

圖2 深反應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腐蝕液腐蝕實現質量塊與框架的釋放時，采用金硅原電池保護梁和表面極板在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的影響，則需要實現腐蝕區域（襯底硅）和不被腐蝕區域（頂層硅）的電學隔離。由于采用PN結隔離易出現較大的反向漏電流，釋放時容易出現全部腐蝕或者全部都不腐蝕的現象，所以，采用未擊穿的反熔絲實現襯底硅和頂層硅的電學隔離。質量塊與框架的釋放分離后，通過擊穿反熔絲，實現梁與質量塊的電學連接，完成質量塊的電學引出。

2 工藝制作

2.1 關鍵工藝研究

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，說明此區域發生硅鈍化現象。硅電極在60℃的鈍化電壓為－1.089 V。此時硅電極表面發生氧化反應生長一層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，金電極表面發生水的還原反應。

在60℃TMAH腐蝕液中，當暴露面積為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域。當硅暴露面積增大時，硅極化曲線整體抬升，與金極化曲線的交點進入非鈍化區。顯然，60℃25%TMAH溶液中實現原電池保護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證Fig 3 Verification of Au/Si galvanic cell etch-stop

2.1.2 反熔絲制作和測試

實驗研究了反镕絲的結構與擊穿特性。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）結構所示。

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，反镕絲的漏電流在－9～7 pA范圍內，已達到HP4156C的電流測試極限，如圖4（b）所示。將HP4156C的截止電流設置為10 mA，從0～100 V對10個反熔絲樣品進行擊穿，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構。部分SoI硅片由于界面鍵合質量不好，埋層SiO2的側向鉆蝕速率遠遠高于熱氧化SiO2的腐蝕速率，腐蝕速率比甚至高達50:1，不適合用于本加工技術。實驗中采用OKMETIC公司的SoI硅片，該SoI硅片埋層的側向鉆蝕速率與熱氧化SiO2腐蝕速率基本相當。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 反熔絲結構和電學特性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構金屬電極。PECVD淀積500 nm的SiNx圖形化制作電學電極側壁保護結構。

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構的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）表面極板和梁結構制作: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構。

6）質量塊的釋放:10%HF去除SiO2掩模后劃片，將芯片用環氧樹脂貼到制作有金電極的陶瓷基板上。壓焊實現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實現質量塊與框架的釋放。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個串聯的反镕絲擊穿，實現梁與質量塊的電學連接。

8）器件釋放:用40%的HF腐蝕去除電極和梁下2 μm的埋層SiO2，實現電極和梁—質量塊結構的釋放。

3 電容加速度計制作結果

圖5（a）為待釋放的樣品SEM照片，凸角補償保證質量塊在TMAH腐蝕過程中不出現銷角現象。將圖5（a）的實驗樣品用環氧樹脂貼到制作了金電極的陶瓷基板上。壓焊實現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，表面極板和梁結構均沒有發生腐蝕，凸角補償塊和梁區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實現器件的釋放之后的SEM照片為圖5（c），可以看出凸角補償效果良好。圖5（d）為釋放后的加速度計結構的側視圖。

圖5 加速度計的SEM照片Fig 5 SEM photos of accelerometer

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

圖6 梁結構的寬度Fig 6 The width of beam

將HP4156C的截止電流設置為10 mA，從0 V掃描至200 V對電容加速度計結構的2個串聯反熔絲進行擊穿。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，擊穿后的反熔絲I-V特性曲線為PN結的特性曲線，在0～10 V區間內的2個反镕絲的串聯電阻在20～100kΩ之間。由于在使用中，2個反镕絲為并聯連接，兩反熔絲電阻并聯之后最大的電阻為5～25 kΩ之間，并且可以通過進一步并聯4個擊穿后的反熔絲降低電阻。并聯后反镕絲電阻遠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 結論

本文提出了以金硅原電池腐蝕保護技術為基礎，結合反熔絲和先部分封裝再完全釋放制作電容加速度計結構的工藝方法。通過測量60℃25%TMAH腐蝕溶液中金電極和硅電極的極化曲線，得到實現原電池保護的金/硅面積比閾值在5∶1左右。實驗成功制作出具有單面極板的加速度計結構，驗證了工藝的可行性。測量得到釋放前后梁的寬度都是在9.4～10 μm之間，表明梁結構在TMAH腐蝕溶液中在金硅原電池的保護下沒有發生腐蝕。加速度計的反熔絲擊穿前的漏電在－9～7 pA范圍內，具有良好的絕緣特性。將2個串聯反熔絲擊穿之后測得的2個串聯反熔絲導通電阻為20～100 kΩ之間，并聯連接的反镕絲導通電阻為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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