专利名称：一种全硅集成流量传感器及其制造方法
技术领域：
本发明是关于集成流量传感器，特别是关于以硅热偶堆为温度检测元，以多孔单晶硅阱为热隔离底座，以及以硅为主要制材的集成流量传感器。
流量传感器的应用是很广泛的。工业用的天然气和水都需用流量传感器计测供应量，并由此计费。在汽车工业中，流量传感器也是关键的传感元件，发动机的控制和排放，油料的流动和消耗都离开不了它。此外，环保控制，生物仪器，空调系统，石油化工等也都是流量传感器应用场所。
以集成电路技术为基础发展起来的集成流量传感器的优点是显而易见的，这些优点主要是适合规模生产，因而成本低廉，容易与信号处理电路结合，因而性能优异。
集成流量传感器的工作原理与传统的流量传感器没有太大区别，也是通过流体带走传感器加热元所发出的部分热量，而在其周边产生温度梯度，由传感器测温元测出局部区域的温度差，即可推算出流体流过的平均速度。
集成流量传感器的设计，大体上基于两种考虑，一是尽力减少加热元的热导损耗，以突显流体的传热作用，二是尽力提高测温元的灵敏度，以便在较少的加热功耗下测出温度的变化。
在前者考虑引导下的设计，是使用微制造技术在硅片中形成挖空的腔体，并在其上方架构介质薄膜桥。该设计的缺点是结构强度差，容易在流体中掺杂的固体微粒冲击下遭到损坏。
在后者考虑引导下的设计，是用集成的热偶堆作测温元，比如铝/多晶硅热偶堆就用得比较多。但如结合采用介质薄膜桥，机械强度差的问题并未解决。如果直接制作在用一般氧化硅层覆盖的硅片上，由于其热导作用过大，使得热偶堆所具有的优势难以显现。
本发明的目的，总体说来就是要为上述集成流量传感器中存在的问题提出一个全面解决的方案。具体说来就是要实现如下目标一是尽可能使用高赛贝克(Seebeck)系数的热电材料，以形成具有更高热电转换效率的热偶堆，从而得以在较低加热功率消耗的情况下测出流体流动引起的较小温度梯度的变化；二是使用无需底部挖空，而且比较厚的低热导材料层为热隔热支持底座，以取代脆弱的薄膜微桥支持结构，从而使传感器得以经受未经过滤的流体冲击；三是革除微制造的加工步骤，以比较单纯的集成电路技术制造传感器，从而简化制造过程，免除对特殊设备的需求，较大程度地降低生产成本。
有人对与铂配对形成热偶的热电材料进行广泛的测量，测量时泠结处于0摄氏度，热结处于100摄氏度。测量结果表明，n-形硅相对于铂的赛贝克系数最高可达450微伏(电压)/每度(温度)，仅低于n-型锗，其赛贝克系数最高可达的548微伏电压/每摄氏度，p-型硅的赛贝克系数最高可达450微伏电压/每摄氏度，在所有已知的p-型热电材料中处于最高位。
但硅材料也是优良的热导体，这却限制了硅热偶堆直接形成于硅体内的可能性，因为很难降低硅热偶的泠热结之间的热流通过硅体传输而造成的损失。这种损失阻碍在两结之间建立起足够大的温差，因而难以获得足够大的电信号。
本发明为了摆脱这一困境，使用阳极氧化技术，在硅单晶衬底中选择性地形成多孔单晶硅阱，从而得以从硅衬底中形成由极低热导的多孔单晶硅所围绕的单晶硅条。用这种热隔离的单晶硅条制作传感器热偶堆的配对材料，则其高赛贝克系数优点得以充分利用，而其优良导体的缺点又得以消除，因而可以获得性能极佳的硅热偶堆。
多孔单晶硅是硅单晶材料经阳极氧化所形成的含大量微孔的单晶硅材料。多孔单晶硅很容易高温热氧化转变成氧化多孔硅，因而有人用氧化多孔硅制作流量传感器的隔热支持座。但这种高温热氧化多孔硅具有很大的内应力，随着氧化多孔硅层厚度增加，其应变也不断增大，最后会使其表面弯曲，以致于最终破裂损坏。因此可以实际利用的氧化多孔硅层的厚度是很有限的，亦即其隔热效果的改进也不是很明显的。
测量表明，未氧化的多孔单晶硅的热导系数通常比单晶硅低2至3个数量级，即单晶硅的热导系数为156瓦/每米每度，而未氧化的多孔单晶硅的热导系数为0.3至2.7瓦/每米每度，其最低值已经小于通常用作隔热材料的氧化硅的热导系数1.1瓦/每米每度。测量还表明，刚形成的多孔单晶硅的内应力一般为负1千万帕，比热氧化硅的内应力低2个数量级。热处理会使多孔单晶硅的内应力发生变化，300摄氏度的氧化处理，其内应力变为正2千万兆帕。如在氮气中进行处理，且温度控制在450摄氏度以内，其内应力有可能降低为0。由于隔热效果随着厚度增加而增强，本发明采用经过这种处理的厚多孔单晶硅层制作传感器加热元的热隔离支持座，厚度范围可以从几十微米至几百微米。
微制造技术虽然与集成电路技术有较大的兼容性，但究竟还是需要增添一些特殊的制造设备和建立一些特殊的加工工艺。如上所述，本发明的流量传感器的测温元为硅热偶堆，隔热底座为多孔单晶硅阱，这就意味着传感器的主要器件元都由硅加工而成，不需要实施额外的微制造步骤。集成电路制造工艺大部分也是围绕着对硅片进行加工，因此可以借用成熟的集成电路生产线进行传感器的生产，以最大限度降低传感器的生产费用。
下面对本发明的全硅流量传感器的附图作简要描述。


图1为本发明的全硅流量传感器的正面构造透视图。
图2表示的为沿图1所示全硅流量传感器正面AA线切开的横截面图。
图3表示的为沿图1所示全硅流量传感器正面BB线切开的部分横截面图。
图4为本发明的全硅流量传感器的测量电路方块图。
图5为本发明的全硅流量传感器在形成n-型掺杂单晶硅条时的横截面图。
图6为本发明的全硅流量传感器在进而形成多孔单晶硅阱时的横截面图。
图7为本发明的全硅流量传感器在进而形成n-型掺杂多晶硅条等器件元时的横截面图。
图8为本发明的全硅流量传感器在最后形成无定形碳化硅钝化层时的横截面图。
本发明的全硅集成流量传感器的完整构造如图1，图2和图3所示。图1表示的是传感器的正面构造。由此可见，传感器的组成包括一块单晶硅衬底101，上游热偶堆102A及其散热片105A，下游热偶堆102B及其散热片105B，加热元103，上游测温元104，以及若干压焊块106。图中的箭头所指表示流体流动的方向。
图2表示的是沿图1所示传感器表面的AA线切割下来的横截面。该图显示，传感器的单晶硅衬底中101中嵌入一只多空硅阱108，阱中嵌入组成热偶堆的单晶硅条109A和109B，阱面布置有组成热偶堆的多晶硅条111A和111B，两多晶硅条的相对端部的下表面与单晶硅条上表面直接接触形成中心结或热结110A和110B，多晶硅条与其下单晶硅条的大部分区域由氧化硅112层隔离，两多晶硅条之间布置有由氧化硅层112隔离的加热元103，上游散热片105A的外部布置有由氧化硅112层隔离的上游测温元104，所有器件元上面都覆盖有钝化层113。
图3表示的是沿图1所示传感器表面的BB线切割下来的部分横截面。该图要表现的是传感器下游热偶堆边端的构造，即单晶硅条109B和多晶硅条114B的边端部位都朝相对的方向加宽，使其形成直接接触结或冷结114B，相邻的单晶硅条109B由多孔单晶硅阱108隔离，相邻的多晶硅条109B由氧化硅层112隔离，多晶硅条109B的上面由钝化层113覆盖。上游热偶堆边端的构造与此相同，即也有单晶硅条109A和多晶硅条114A之间形成的直接接触结或冷结114A，只是图上没有画出来。
可以选用的制作加热元的材料有很多种，但值得优先考虑的是掺杂多晶硅。上游测温元也可用很多种材料形成，不过最方便的材料还是多晶硅。钝化膜应优先选用无定形碳化硅，因为其抗酸硷腐蚀的能力极强，可以让传感器经受各种恶劣环境的考验。也可以用氮化硅作代用品，因其制程比较普及，实施起来容易些。
传感器运作时，须将其置于流体通过的管道中，使其正面与流体的前进方向平行，且其上游热偶堆处于流体的上游，下游热偶堆处于流体的下游，流体的流线沿着热偶堆热偶的长度方向，垂直穿越上游测温元和两热偶堆之间的加热元。对传感器的加热元通电加热，并维持加热功率的稳定，以使加热元两侧附近的区域升温到一定的数值。如果没有流体流过，传感器表面上方的温度场应该是以加热元为中心向两边递减，但须严格遵从轴对称分布，此时上下游热偶堆测出的温差应该一样的。
流体流过的影响是使温度分布的对称轴线向下游方向移动。流体会带走加热元附近区域的一部分热能，并将其中的一部分热能传递给下游热偶堆的热结和冷结，因此上下游热偶堆测出的温差会发生变化，上游热偶测出温差变小，下游热偶堆测出的温差变大。这种温差变化的数值与流体的平均流速相关，因而可以根据这种测量推导出流体的平均流速。
流量传感器测出的电信号可以采用一级Sigma-Delta模数转换器进行处理。一级Sigma-Delta模数转换器已广泛用传感器测量电路，其原因是电路结构简单，元件价格便宜，噪音水平低，功率消耗省等诸多优点。
图4是这种测量电路实施方案的方块图。该电路主要包括流量传感器的热偶堆201，前置放大器202，比较器(Comparator)或一位量化器(Quantizer)204，双向模拟开关(Transfergate)205，低频数字滤波器206，反相器(Inverter)207，非与门(NAND)208，以及电荷泵或单位数模转换(D/A)器209等。
流量传感器的热偶堆将流速改变转换成电压输出。前置放大器对这个电压信号进行放大，然后输送到比较器。比较器由两只串连的反相器组成，用来比较放大的热偶堆信号和转换器的反馈信号。比较器的输出通过非与门后，对电荷泵进行激励。双向模拟开关对比较器的输出脉冲起延迟作用，并允许输出脉冲为后置的电容器所储存。
电路运行由两相非重叠的时钟信号Φ1和Φ2同步。在动作I时(Φ1处于低位)，晶体管P6关闭。在动作II时(Φ2处于低位)，双向模拟开关开启，比较器的输出传送到非与门。与此同时，晶体管P5开启，电容器Cp充电至供电电压值。在动作III时(Φ2走高)，比较器的输出被琐存到存储电容器Cs上，与此同时晶体管P5关闭。在动作IV时(Φ1升高)，如果电容器Cint上的反馈电压Vcint低于放大后的热偶堆电压Vth，偏压Vb将被加到晶体管P6的珊极。此时Cp通过晶体管P6放电，泵送一定量的电荷到电容器Cint，并且让这个过程重复进行下去，直至电压Vcint大于电压Vth为止。经过低频数字滤波器滤波后输出的时钟脉冲数的平均值，直接跟踪热偶堆的输出电压值，从而将热偶堆的模拟信号转变成能供微处理器处理的数字信号。
本发明的全硅流量传感器的制造过程如图4至图7所示，这些图表示的是芯片的横截面，芯片横向范围正好包含一只传感器的横向跨度。
参考图1，用来制造传感器的衬底材料为p-型掺杂的单晶硅衬底301，其晶向没有特别要求，其电阻率可以从低阻到中阻，但最好不要超过10欧姆-厘米。制程开始是在硅衬底301上表面通过热氧化生成1微米厚的氧化硅层302，然后进光刻腐蚀加工，以形成扩散窗口掩蔽图案。扩散窗口为窄长条形状，其宽1-2微米，长50-200微米。共有两组，每组含12-48条，等间隔平行排列，间距2-3微米。两组并列排布，中间分隔40-60微米。以图案化的氧化硅层为掩蔽进行n-型掺杂热扩散，在硅衬底301中形成薄层电阻为3-20欧姆/方块和厚度0.5-3微米的n-型掺杂的单晶硅扩散条303A和303B。
参考图5，用稀氢氟酸溶液腐蚀去除硅衬底301表面的氧化硅层302，然后通过低压化学气相沉积，在硅衬底表面形成厚度2000-4000埃的氮化硅层304。对氮化硅层304进行光刻腐蚀，使氮化硅层304变成包括矩形开口的掩蔽图案。矩形开口须将两组n-型掺杂的单晶硅扩散条排列303A和303B包括其中，排列沿长边方向布置，且排列的外端端顶可以与长边边缘齐平，或稍微往前超出20-30微米，排列的头尾与短边边缘保持50-200微米的分隔距离。
随后在浓氢氟酸溶液中进行阳极氧化，使在氧化硅掩蔽层的矩形开口内的p-型单晶硅区域发生阳极氧化反应，将其转变成多孔单晶硅阱305。阳极氧化用的氢氟酸溶液含一份49％的氢氟酸和一份无水乙醇，阳极氧化电流密度控制在60-80毫安/平方厘米。在此条件下得到的多孔单晶硅的生长速率为3-4微米/分钟，孔隙率为60-80％。
由于阳极氧化反应对单晶硅的掺杂类型和掺杂浓度具有选择性，并且这种选择性还可以通过限定施加电压的数值得到进一步突显。因此可以在生成p-型多孔单晶硅的过程中保持n-型掺杂的单晶硅扩散条303A和303B不发生阳极氧化反应，也不会转变成多孔单晶硅。因此如图5所示，单晶硅扩散条303A和303B处于已陷入多孔单晶硅阱305之中，其底部及周边都由多孔单晶硅所围绕，将其与硅衬底分隔开。
形成的多孔单晶硅阱要求深为40-80微米，其向周围横向扩张的宽度大约20-40微米，整个阱体像是倒置的锥形平台。需要注意，由于多孔单晶硅的横向生长，此时的n-型掺杂单晶硅扩散条排列的外端端顶已处于多孔单晶硅阱内，并与阱边保持一定的间隔，亦即n-型掺杂单晶硅扩散条的边端侧面也由多孔单晶硅所围绕。生成的多孔单晶硅阱表面，用肉眼看来应是光亮平滑，如同未进行阳极氧化的硅衬底表面。
经过阳极氧化，硅衬底301上氮化硅掩蔽膜的厚度会变薄，但还残留一定的厚度。须在稀氢氟酸溶液中继续进行腐蚀，将其彻底去除。然后在室温下用氮气将阳极氧化后的硅片吹干，并随即进行低温热氧化处理。氧化温度为300摄氏度，氧化气氛为干氧，氧化时间为1小时。在经过这种处理后，多孔单晶硅的内孔表面会生厚约20埃的氧化硅层，并且因此多孔单晶硅阱305的表面会较原平面提高2000-5000埃。
参考图6，在硅衬底301表面，包括多孔单晶硅阱305表面和掺杂单晶硅条303A和303B表面低温化学气相沉积厚度约5000埃的氧化硅层306。然后再用低温化学气相沉积技术形成p-型掺杂多晶硅层。多晶硅层的厚度为0.5-2微米，掺杂表面方块电阻为5-20欧姆/方块。接着对多晶硅层进行光刻腐蚀加工，以形成由多晶硅条组成的图案。该图案包括与n-型掺杂单晶硅条构成熟电偶堆的p-型掺杂多晶硅条307A和307B，两组热偶的散热片309A和309B，加热元310和测温元311。由图可见，多晶硅条覆盖其下的单晶硅条，其两端端部区域的下表面与其下的单晶硅条的相对应的上表面直接接触形成热偶堆的热结和冷结。图中能看到的只有靠近加热元的热结308A和308B，而靠近散热片的冷结因不处在横截面上而显示不出来。
参考图7，先进行金属化，即形成金属连线和压焊块，以为硅衬底上形成的器件元包括热偶堆，加热元和测温元提供外电路连接的通道。为此，须用电子束蒸发或离子束溅射技术形成厚约1微米的金属薄膜，比如铝薄膜。然后进行光刻腐蚀加工，形成所需的铝条和铝方块。接着进行顶脱(lift-off)工艺，即先形成光刻胶图案，使光刻胶只覆盖压焊块区域，其它的器件元区域都须暴露出来。然后用离子束增强气相沉积技术形成厚2000-5000埃的无定形碳化硅层。在光刻胶的溶解液中去除光刻胶，从而去除压焊块区域上的无定形碳化硅层，其它无光刻胶的区域均覆盖有无定形碳化硅层。至此就完成了本发明全硅流量传感器的全部芯片制造过程。
上述说明只限于阐述本发明的全硅流量传感器的基本结构以及实施方案。在此说明的指导下，熟悉本专业的技术人员是很容易进行局部补充，修改和调整，但都还在本发明的权利要求所涉及的范围。
权利要求
1.一种全硅集成流量传感器，其特征在于该器件组元包括一块p-型单晶硅衬底；一只矩形多孔单晶硅阱，其阱体嵌入单晶硅衬底内，其阱面与单晶硅衬底表面持平；两组热偶堆，以不同搀杂类型的硅条为其热偶配对材料，全都处于矩形多孔硅阱的上部区域，分别沿阱的长边方向相对平行排列，其中心结列占据阱区的中心部位，其边缘结列占据阱区的边缘部位；一只加热元，处于矩形多孔硅阱的上部区域，沿纵向方向排布于两组热偶堆的中心结列之间；两条散热片，分别覆盖一组热偶的边缘结列，并扩展到矩形多孔硅阱区以外的单晶硅衬底表面；一只测温元，处于硅单晶衬底表面，并且紧靠一组热偶堆的散热片；若干内部连线和压焊块，为热偶堆，加热元和测温元提供与外部电路连接的通道；以及一层钝化薄膜，覆盖所有热偶堆，加热元，散热片以及测温元，将其与流过的流体隔开。
2.按照权利要求1所述的全硅集成流量传感器，其特征在于所述的热偶堆由n-型搀杂单晶硅条和p-型搀杂多晶硅条所配对。
3.按照权利要求1所述的全硅集成流量传感器，其特征在于所述的加热元为n-型搀杂硅单晶条所形成的电阻器。
4.按照权利要求1所述的全硅集成流量传感器，其特征在于所述的加热元为p-型搀杂多晶硅条所形成的电阻器。
5.按照权利要求1所述的全硅集成流量传感器，其特征在于所述的测温元为p-型搀杂多晶条所形成的电阻器。
6.按照权利要求1所述的集成流量传感器，其特征在于所述的钝化层为无定形碳化硅层。
7.一种制造如权利要求1所述的集成流量传感器的方法，其特征制造步骤包括准备一块p-型单晶硅衬底；通过热扩散使单晶硅衬底内形成两组n-型搀杂的单晶硅条排列；在氢氟酸溶液中进行阳极氧化，以在单晶硅衬底内形成矩形多孔硅阱，阱区包括两组未形成多孔硅的n-型搀杂单晶硅条排列，每根单晶硅条的底部及其侧面都由多孔单晶硅所围绕，从而将其与单晶硅衬底分隔开，彼此之间也被分隔开；沉积氧化硅层，并对其进行光刻加工，使其覆盖整个单晶硅衬底表面，多孔单晶硅阱表面，以及每根单晶硅条除两端部以外的所有上部表面；沉积p-型搀杂多晶硅层，并对其进行光刻加工，使其至少形成两组p-型搀杂多晶硅条排列，每根p-型搀杂多晶硅条覆盖一根处于其下的n-型搀杂单晶硅条，并在其两端分别形成一个p-型搀杂多晶硅和n-型搀杂单晶硅直接接触的结面；形成一根加热电阻条，使其沿纵向方向排布于两组p-型搀杂多晶硅条排列之间；形成两条散热片，使得每条散热片与一组p-型搀杂多晶硅条排列的边端相连，并且扩展到多孔单晶硅阱区域以外的单晶硅衬底区；形成一根测温电阻条，使其靠近处于单晶硅衬底区域内的一条散热片；通过金属化形成若干内部连线和压焊块，为热偶堆，加热元以及测温元提供与外部电路连接的通道；以及沉积钝化层，使其覆盖所有热偶堆，加热元，散热片以及测温元。
8.按照权利要求7所述的制造集成流量传感器的方法，其特征在于所述的加热元为n-型搀杂单晶硅条所形成的电阻器。
9.按照权利要求7所述的制造集成流量传感器的方法，其特征在于所述的加热元为p-型搀杂多晶条所形成的电阻器。
10.按照权利要求7所述的制造集成流量传感器的方法，其特征在于所述的测温元为p-型搀杂多晶硅条所形成的电阻器。
11.按照权利要求7所述的制造集成流量传感器的方法，其特征在于所述的钝化层为无定性碳化硅层。
全文摘要
提出一种全硅集成流量传感器及其制造方法。其器件组成包括一块硅单晶衬底，其中嵌入一只多孔单晶硅阱，阱中排列两组热偶堆，由若干n－型掺杂单晶硅条和p－掺杂多晶硅条配对组成，还有p－型掺杂多晶硅加热元，p－型掺杂多晶硅测温元，以及无定形碳化硅钝化层。多孔单晶硅阱为加热元提供隔热基座，以便以较小的电功率消耗而建立起较大的温度梯度。高灵敏度的热偶堆用于检测流体平均流速改变引起的温度梯度变化。器件的主要组元均以硅为制材，因而可以用单纯的集成电路技术制造，适合规模生产，并利于降低成本。
文档编号G01F1/68GK1654927SQ200410039139
公开日2005年8月17日 申请日期2004年2月12日 优先权日2004年2月12日
发明者涂相征, 李韫言 申请人:李韫言