CN201034757Y - 宽应力区硅压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于半导体压力传感器技术领域，其特征在于：所述传感器包括应力区展宽了的感压膜和其周围的支撑部分，压敏电阻制作在跨越感压膜边界的大应力区内，组成惠斯通电桥，把压力变化转换成电信号输出；所述压敏电阻其垂直于感压膜边界的折数要大于平行于边界的压敏电阻的折数，以符合高应力区的形状；在电阻转折处的电阻条宽大于正常的电阻条宽，同时进行高浓度离子注入，以减小转折处的电阻值；所述感压膜的厚宽比尽可能大，以满足对边界外高应力区宽度的要求。本实用新型在芯片面积缩小、不缩小线条的条件下，利用膜外高应力区，增大应力区面积，以达到提高传感器的灵敏度和降低废品率的目的。

Description

宽应力区硅压力传感器

技术领域

本实用新型属于硅压阻式压力传感器芯片技术领域。

背景技术

由于半导体传感器具有体积小、重量轻、精度高、温度特性好、制造工艺与半导体集成电路平面工艺兼容等特点，现在已经被应用到非常广阔的领域——汽车，医学，航天，环境等。

压力传感器有很多种，其中最简单，最容易量产的就是压阻式压力传感器。压阻式传感器具有稳定性高，灵敏度高，零点输出小，温漂小等优点。

硅压阻式压力传感器具有一个硅杯结构，包括一个感压膜和其周围的支撑部分，并在感压膜边界内的最大应变区制作了四个压敏电阻，组成惠斯通电桥来感应压力的变化。

从压阻式压力传感器的原理(图1)知道桥臂电阻的变化量ΔR/R与膜的应力σ成正比，所以σ越大，灵敏度越高。图2示出了现有的压阻式压力传感器的压敏电阻(桥臂)R分布在膜内的高应力区位置的示意图。

但随着传感器集成度的提高、芯片面积的缩小，膜内面积越来越小，膜内高应力区的面积也越来越小，无法提供制造压敏电阻所需要的区域，致使严重降低了传感器的灵敏度，影响了成品率。而如果采用缩小线条的办法，又要大大增加工艺难度，反而加大加工成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种宽应力区高灵敏度硅压力传感器芯片，在传感器集成度提高、芯片面积缩小、不缩小线条、不增加工艺难度的情况下，通过利用膜外高应力区，增大应力区面积，达到提高传感器的灵敏度和成品率的目的。其特征在于：所述压敏电阻有一部分跨越了该感压膜的边界，分布在体硅上，使各个电阻都分布在边界两边的高应力区内；垂直于所述甘油膜编辑的压敏电阻的这树多于平行于所述感压膜边界的压敏电阻的折数，以便更符合高应力区的形状；所述感压膜的厚宽比尽可能大，以满足设定的对该膜边界外的高应力区宽度的要求。

试验结果如下：

对于薄膜边长为370μm，厚度为30μm的芯片1和2，两者的压敏电阻形状相同，平行和垂直压敏电阻均分别采用两折和四折结构，不同的是芯片1的压敏电阻完全制作在膜内，芯片2跨在膜的两侧部分制作在体硅区。两种芯片的灵敏度分别为：12.9mV/V·FS和15.5mV/V·FS。结果显示，采用跨膜边界分布压敏电阻的芯片具有更高的灵敏度。

对于薄膜边长为970μm，厚度为30μm，压敏电阻均制作在膜内的芯片3和芯片4，其中芯片3的压敏电阻分别是四折和一折，芯片4的压敏电阻都是两折。两种芯片的灵敏度为：70.4mV/V·FS和56.8mV/V·FS，结果显示，增加垂直压敏电阻的折数的芯片具有更高的灵敏度。

附图说明

图1恒压源供电的电桥原理图。

图2现有的压阻式压力传感器压敏电阻放在膜内位置的示意图。

图3硅杯结构的应力分布图：(a)不同膜厚的应力分布图：-○-50μm；-△-40μm；-●-30μm；-△-20μm；-□-10μm；(b)30μm膜厚的应力分布云图。

图4本实用新型的宽应力区高灵敏度压力传感器的压敏电阻位置与形状的示意图。

图5本实用新型压力传感器改进的压敏电阻的形状。

图中：1——压敏电阻；2——膜边界；3——高应力区；4——高度注入区。

具体实施方式

为了克服传感器集成度提高、芯片面积的缩小，膜内面积越来越小，膜内高应力区的面积也越来越小，无法提供制造压敏电阻所需要的区域，致使严重降低了传感器的灵敏度，影响了成品率；而如果采用缩小线条的办法，又要大大增加工艺难度，反而加大加工成本等现有压阻式压力传感器所存在的问题，我们利用上述的模拟结果，设计了一种新型大应力区高灵敏度硅压力传感器芯片结构，如图4所示。

该设计有以下特点：一是应变膜采用了较大的厚宽比，使得边界外的应力区大大展宽，二是为了充分利用应力区，电阻有一部分跨越了膜的边界，三是电阻使用不同的折数，使垂直于膜边界的电阻的形状更加符合高应力区的形状。虽然这种不同折数的电阻不容易做到等值，从而引起大的零点输出，但因为零点是一个定值，可以在后面的应用中予以校正。

为了使设计对零点输出影响尽可能的小，我们对电阻的形状进行了进一步的改进，如图5所示。主要改进的地方首先是在电阻条转折的地方把电阻的条宽做的非常大，使其远远大于正常条宽；其次在这些区域进行高剂量注入。这两个措施主要是减少转角处的电阻值，使其与整个电阻相比可以忽略不计，而使两种形状的电阻达到较好的匹配。

膜的应力与膜的厚度和面积有着密切的关系，通过模拟我们发现高应力区不仅限制在膜边界内，而且延伸到膜边界外，膜的厚宽比越大，应力区越大，即膜越厚，应力区向外延伸的范围越宽。

图3(a)表示面积同为500×500um2，膜厚度分别为10、20、30、40、50um的ANSYS模拟应力归一化分布图。图3(b)示出30μm膜厚的应力分布云图。从图3可以看出：高应力区不仅限制在膜边界内，而且延伸到膜边界外，并且膜越厚，向外延伸的范围越宽。

通过ANSYS应力模拟得到跨越膜边界应力分布的高应力区，采用(100)硅片，把惠斯通电桥的四个桥臂电阻分别放置在四个高应力区，电阻沿(110)方向分布，如图4。

该设计有如下几个特点：电阻有一部分延伸膜的外面，并且平行于膜边和垂直电阻采用不同的形状。充分利用应力区的形状，尽量使电阻完全分布在高应力区内。为了使设计对零点输出影响尽可能的小，在电阻条转折的地方把电阻的条宽做的非常大，使其远远大于正常条宽；同时在这些区域进行高剂量注入。

利用MEMS实验线进行了传感器的流片实验，下面是工艺流程的主要步骤。

(1)氧化双面抛光的(100)晶向N型硅片，然后用LPCVD方法淀积一层Si₃N₄；

(2)刻蚀Si₃N₄，进行体硅腐蚀，制备出硅杯结构，剩余膜厚30um；

(3)离子注入，电阻部分采用注入剂量6×10¹⁴cm^-2，能量100keV，接触孔及拐角高注入剂量8×10¹⁵cm^-2，注入能量150keV。

(4)退火，温度1050℃，先在纯N₂环境下退火25分钟，然后再在纯O₂环境中退火40分钟；

(5)刻蚀接触孔，然后溅铝，刻蚀出铝引线；

(6)采用离子溅射的方法在已经清洗干净的硅杯面溅射一层薄薄的钛膜(500)，然后再溅射一层金膜(5000)；

(7)预键合，将溅射过金薄膜的硅杯面和另一干净硅片紧密地贴在一起，同时注意两硅片的晶向对准；

(8)将预键合好的硅片放在键合台上，压紧，然后对键合台抽真空，当真空度达到要求时，开始加温直到450℃，然后保持5min，完成压力参考腔的键合。

(9)中测、划片。

Claims (6)

1.宽应力区硅压力传感器，具有一个硅杯结构，包括一个感压膜和其周围的作为支撑部分的厚体硅，以及组成惠斯通电桥的感应压力变化的四个压敏电阻，其特征在于：所述压敏电阻有一部分跨越了该感压膜的边界，分布在体硅上，使各个电阻都分布在边界两边的高应力区内；垂直于所述感压膜边界的压敏电阻的折数多于平行于所述感压膜边界的压敏电阻的折数，以便更符合高应力区的形状；所述感压膜的厚宽比在满足灵敏度的前提下尽可能大，以满足设定的对该膜边界外的高应力区宽度的要求。

2.根据权利要求1所述的宽应力区硅压力传感器，其特征在于：所述压敏电桥的四个电阻均跨越感压膜的边界，或由该膜边界两边的电阻连接而成。

3.根据权利要求1所述的宽应力区硅压力传感器，其特征在于：在所述各压敏电阻的转折处，电阻条沿纵向的宽度尽可能大于相应各压敏电阻的正常条宽，并在这些区域进行高剂量离子注入，以便使各压敏电阻在转折处的电阻值达到设定的要求。

4.根据权利要求1所述的宽应力区硅压力传感器，其特征在于：所述感压膜的形状是方形、或圆形、或矩形、或多边形。

5.根据权利要求1所述的宽应力区硅压力传感器，其特征在于：所述压敏电阻至少等于或大于一个。

6.根据权利要求1所述的宽应力区硅压力传感器，其特征在于：所述压敏电阻由硅单晶、或多晶硅、或非晶硅、或压敏金属材料构成。

Images