吴佐飞， 齐 虹， 张 岩， 尚瑛琦， 刘嘉铭, 岳 宏

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引 言

绝缘体上硅 ( silicon on insulator，SOI) 压力敏感芯片以底层硅(Si)作为支撑结构，中间SiO2绝缘层作为隔离层，顶层硅作为敏感结构层，弥补了传统的体硅压阻式传感器的PN结隔离方式的温度限制，在航空、航天、海洋、化工等领域已经得到了广泛应用，为这些领域重要参数的精确检测和测量提供了可靠的数据支持[1～4]。

敏感电阻条作为SOI压力敏感芯片的力学感知结构，其制作过程会影响敏感芯片的性能。SOI压力敏感芯片电阻条制作通常采用的是反应离子刻蚀(reactive ion etching,RIE)工艺，RIE是在电场中反映气体离子的化学反应同时伴有离子轰击的物理反应，虽然在电场的作用下其纵向的刻蚀能力非常强，具有较好的各项异性，但在刻蚀过程当中仍然会有部分离子轰击侧壁，会对敏感电阻条侧壁表面载流子分布以及晶格结构造成损伤，这对器件层Si厚度仅为1 μm的SOI材料来说影响是较为明显的，会影响SOI压力敏感芯片的稳定性。[5]

为了提高SOI压力敏感芯片的稳定性从敏感电阻条的刻蚀工艺(刻蚀功率、气体流量)优化设计入手，控制刻蚀过程中的等离子体能量和数量，减少等离子体对敏感电阻条的损伤[6,7]。

1 实 验

实验采用美国Trion公司的MINILOCK II系列的等离子刻蚀机，以SF6/O2作为刻蚀气体对SOI硅片上顶层硅进行加工，制作如图1所示的SOI压力芯片。

图1 SOI压力芯片示意

制作完成后采用扫描电镜测试敏感电阻条的形貌；在恒温25 ℃时，通过探针台对SOI压力芯片进行1 mA恒流源供电测试，采集输出信号，每隔10 h进行一次数据采集，共进行50 h，测试期间传感器保持上电工作状态，测试其稳定性。结合之前的实验数据结果，在初步实验的基础上进行本次实验，对刻蚀功率和SF6/O2气体流量的变化进行了分析，见表1～表3，分析刻蚀结果选出最优参数进行刻蚀。

表1 刻蚀功率影响

表2 气体流量影响

表3 腔室压力影响

2 结果与讨论

2.1 刻蚀功率对敏感电阻条形貌和芯片稳定性影响

对图2进行对比发现，在腔室压力、气体流量等工艺参数一定的情况下，随着刻蚀功率的增加，对SEM的敏感电阻条截面图分析发现，在刻蚀功率为180 W时，敏感电阻条侧壁垂直度和光滑度最优，说明增大刻蚀功率，提高了等离子体的方向性，使刻蚀的各向异性增大，提高了侧壁的垂直度和光滑度，减少了等离子体对敏感电阻条侧壁的损伤。继续增大刻蚀功率，会使到达底部的等离子体能量增大，增大了等离子体的反溅射能力，反溅射作用增强，对电阻条造成一定损伤，对敏感电阻条的侧壁光滑度造成一定损伤。

图2 不同功率下敏感电阻条截面图

对SOI压力芯片稳定性测试，结果如表4所示， 50 h内芯片零点输出，在刻蚀功率为180 W时，零点输出漂移最小为0.020 mV, 刻蚀功率为140 W时，零点输出漂移最大为0.102 mV。

表4 不同刻蚀功率下SOI压力芯片稳定性测试数据

2.2 气体流量对敏感电阻条形貌和芯片稳定性影响

对图3进行对比发现，工艺中通入少量氧气可使敏感电阻条侧壁变得光滑， 原因是由于氧等离子的加入会使得氟化物沉积变少，从而改善了侧壁的光滑度。

图3 不同氧气流量下敏感电阻条截面

对SOI压力芯片稳定性测试，结果如表5所示， 50 h内芯片零点输出，少量氧气的通入会提高芯片的零点输出稳定性，氧气流量继续增加会降低芯片的零点输出稳定性。

表5 不同氧气比例下SOI压力芯片稳定性测试数据

2.3 腔室压强对敏感电阻条刻蚀速率的影响

通过2.1节和2.2节的试验，已经找出合适的功率、氧气流量参数，能够提高芯片的稳定性，有效降低了等离子体刻蚀对芯片电阻条侧壁的损失。但是，影响干法刻蚀效果的工艺参数还有腔室压强，从刻蚀原理分析，随着腔室压力増加，刻蚀速率会增大，选择合适的腔室压强，能够得到最大的刻蚀速率。这样能够有效降低制造成本以及等离子体对芯片电阻条造成的损伤。

如图4所示，随着腔内压强的上升，电阻条的刻蚀速率也在增加，但是当压强增加到一定值，也就是25 Pa时，Si的刻蚀速率达到最大值，为900 nm/min左右。继续增加压强，反而会降低刻蚀速率。这是由于反应腔室的压强主要是改变离子的能量和离子对Si材料的轰击方向，因为压强增大了，即压力增大了，等离子体的物理特性、能量、活性，以及化学反应的速度，样片受到的压力等都将发生变化。

图4 不同腔室压强刻蚀速率曲线

Si的刻蚀速率达到极限的主要原因是刻蚀气体SF6与Si的化学反应达到了饱和。压强的增加使得等离子碰撞的概率上升，因此离子的能量减少了，方向性也变差了。压强增加的同时，气体的挥发性也受到抑制，这最终也会制约刻蚀速率。

3 结 论

研究了刻蚀功率和气体流量对SOI压力芯片敏感电阻刻蚀的影响，发现适当增大刻蚀功率，会提高等离子体的方向性，使刻蚀的各向异性增大，减少等离子体对敏感电阻条侧壁的损伤，提高SOI压力芯片的稳定性。少量氧气可使敏感电阻条侧壁变得光滑。而为了减少等离子体对电阻条的刻蚀时间，又研究了腔室压强对刻蚀速率的影响，选择出最优的腔室压强值。