專(zhuān)利名稱(chēng)：寬應(yīng)力區(qū)硅壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于硅壓阻式壓力傳感器芯片技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景由于半導(dǎo)體傳感器具有體積小、重量輕、精度高、溫度特性好、制造工藝與半導(dǎo)體集成 電路平面工藝兼容等特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用到非常廣闊的領(lǐng)域——汽車(chē)，醫(yī)學(xué)，航天，環(huán)境等。壓力傳感器有很多種，其中最簡(jiǎn)單，最容易量產(chǎn)的就是壓阻式壓力傳感器。壓阻式傳感 器具有穩(wěn)定性高，靈敏度高，零點(diǎn)輸出小，溫漂小等優(yōu)點(diǎn)。硅壓阻式壓力傳感器具有一個(gè)硅杯結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)感壓膜和其周?chē)闹尾糠?，并在?壓膜邊界內(nèi)的最大應(yīng)變區(qū)制作了四個(gè)壓敏電阻，組成惠斯通電橋來(lái)感應(yīng)壓力的變化。從壓阻式壓力傳感器的原理(圖l)知道橋臂電阻的變化量AR/R與膜的應(yīng)力o成正比， 所以cj越大，靈敏度越高。圖2示出了現(xiàn)有的壓阻式壓力傳感器的壓敏電阻(橋臂)R分布 在膜內(nèi)的高應(yīng)力區(qū)位置的示意圖。但隨著傳感器集成度的提高、芯片面積的縮小，膜內(nèi)面積越來(lái)越小，膜內(nèi)高應(yīng)力區(qū)的面 積也越來(lái)越小，無(wú)法提供制造壓敏電阻所需要的區(qū)域，致使嚴(yán)重降低了傳感器的靈敏度，影 響了成品率。而如果采用縮小線條的辦法，又要大大增加工藝難度，反而加大加工成本。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種寬應(yīng)力區(qū)高靈敏度硅壓力傳感器芯片，在傳感器集成度 提高、芯片面積縮小、不縮小線條、不增加工藝難度的情況下，通過(guò)利用膜外高應(yīng)力區(qū)，增 大應(yīng)力區(qū)面積，達(dá)到提高傳感器的靈敏度和成品率的目的。其特征在于所述壓敏電阻有一 部分跨越了該感壓膜的邊界，分布在體硅上，使各個(gè)電阻都分布在邊界兩邊的高應(yīng)力區(qū)內(nèi)；垂直于所述甘油膜編輯的壓敏電阻的這樹(shù)多于平行于所述感壓膜邊界的壓敏電阻的折數(shù)，以便更符合高應(yīng)力區(qū)的形狀；所述感壓膜的厚寬比盡可能大，以滿(mǎn)足設(shè)定的對(duì)該膜邊界外的高 應(yīng)力區(qū)寬度的要求。 試驗(yàn)結(jié)果如下對(duì)于薄膜邊長(zhǎng)為37(Hrni，厚度為30pm的芯片1和2，兩者的壓敏電阻形狀相同，平行和 垂直壓敏電阻均分別采用兩折和四折結(jié)構(gòu)，不同的是芯片1的壓敏電阻完全制作在膜內(nèi)，芯 片2跨在膜的兩側(cè)部分制作在體硅區(qū)。兩種芯片的靈敏度分別為12.9mV/V.FS和 15.5mV/V.FS。結(jié)果顯示，采用跨膜邊界分布?jí)好綦娮璧男酒哂懈叩撵`敏度。對(duì)于薄膜邊長(zhǎng)為970pm，厚度為30^im，壓敏電阻均制作在膜內(nèi)的芯片3和芯片4，其中 芯片3的壓敏電阻分別是四折和一折，芯片4的壓敏電阻都是兩折。兩種芯片的靈敏度為 70.4mV/V.FS和56.8mV/V.FS，結(jié)果顯示，增加垂直壓敏電阻的折數(shù)的芯片具有更高的靈敏 度。


圖l恒壓源供電的電橋原理圖。圖2現(xiàn)有的壓阻式壓力傳感器壓敏電阻放在膜內(nèi)位置的示意圖。圖3硅杯結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖(a)不同膜厚的應(yīng)力分布圖-o-5(Him;-厶-40^111; -*-30拜； -A-20nm; -olOum; (b) 3(Hrni膜厚的應(yīng)力分布云圖。圖4本實(shí)用新型的寬應(yīng)力區(qū)高靈敏度壓力傳感器的壓敏電阻位置與形狀的示意圖。 圖5本實(shí)用新型壓力傳感器改進(jìn)的壓敏電阻的形狀。圖中1——壓敏電阻；2——膜邊界；3——高應(yīng)力區(qū)；4~~高度注入?yún)^(qū)。
具體實(shí)施方式
為了克服傳感器集成度提高、芯片面積的縮小，膜內(nèi)面積越來(lái)越小，膜內(nèi)高應(yīng)力區(qū)的面 積也越來(lái)越小，無(wú)法提供制造壓敏電阻所需要的區(qū)域，致使嚴(yán)重降低了傳感器的靈敏度，影 響了成品率；而如果采用縮小線條的辦法，又要大大增加工藝難度，反而加大加工成本等現(xiàn)有壓阻式壓力傳感器所存在的問(wèn)題，我們利用上述的模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種新型大應(yīng)力區(qū)高靈敏度硅壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)，如圖4所示。該設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn) 一是應(yīng)變膜采用了較大的厚寬比，使得邊界外的應(yīng)力區(qū)大大展寬，二是為了充分利用應(yīng)力區(qū)，電阻有一部分跨越了膜的邊界，三是電阻使用不同的折數(shù)，使垂 直于膜邊界的電阻的形狀更加符合高應(yīng)力區(qū)的形狀。雖然這種不同折數(shù)的電阻不容易做到等 值，從而引起大的零點(diǎn)輸出，但因?yàn)榱泓c(diǎn)是一個(gè)定值，可以在后面的應(yīng)用中予以校正。 為了使設(shè)計(jì)對(duì)零點(diǎn)輸出影響盡可能的小，我們對(duì)電阻的形狀進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，如圖5所示。主要改進(jìn)的地方首先是在電阻條轉(zhuǎn)折的地方把電阻的條寬做的非常大，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 于正常條寬；其次在這些區(qū)域進(jìn)行高劑量注入。這兩個(gè)措施主要是減少轉(zhuǎn)角處的電阻值，使 其與整個(gè)電阻相比可以忽略不計(jì)，而使兩種形狀的電阻達(dá)到較好的匹配。膜的應(yīng)力與膜的厚度和面積有著密切的關(guān)系，通過(guò)模擬我們發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)不僅限制在膜 邊界內(nèi)，而且延伸到膜邊界外，膜的厚寬比越大，應(yīng)力區(qū)越大，即膜越厚，應(yīng)力區(qū)向外延伸 的范圍越寬。
圖3 (a)表示面積同為500x500um2，膜厚度分別為10、 20、 30、 40、 50um的ANSYS 模擬應(yīng)力歸一化分布圖。圖3 (b)示出3(Hun膜厚的應(yīng)力分布云圖。從圖3可以看出高應(yīng) 力區(qū)不僅限制在膜邊界內(nèi)，而且延伸到膜邊界外，并且膜越厚，向外延伸的范圍越寬。通過(guò)ANSYS應(yīng)力模擬得到跨越膜邊界應(yīng)力分布的高應(yīng)力區(qū)，采用(100)硅片，把惠斯 通電橋的四個(gè)橋臂電阻分別放置在四個(gè)高應(yīng)力區(qū)，電阻沿(110)方向分布，如圖4。該設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)特點(diǎn)電阻有一部分延伸膜的外面，并且平行于膜邊和垂直電阻采用 不同的形狀。充分利用應(yīng)力區(qū)的形狀，盡量使電阻完全分布在高應(yīng)力區(qū)內(nèi)。為了使設(shè)計(jì)對(duì)零 點(diǎn)輸出影響盡可能的小，在電阻條轉(zhuǎn)折的地方把電阻的條寬做的非常大，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常 條寬；同時(shí)在這些區(qū)域進(jìn)行高劑量注入。利用MEMS實(shí)驗(yàn)線進(jìn)行了傳感器的流片實(shí)驗(yàn)，下面是工藝流程的主要步驟。(1) 氧化雙面拋光的(100)晶向N型硅片，然后用LPCVD方法淀積一層Si3N4 ;(2) 刻蝕Si3N4，進(jìn)行體硅腐蝕，制備出硅杯結(jié)構(gòu)，剩余膜厚30um;(3) 離子注入，電阻部分采用注入劑量6xl014011—2,能量100keV,接觸孔及拐角高注入劑 量8xi015 cm—2 ，注入能量150keV。(4) 退火，溫度1050'C，先在純N2環(huán)境下退火25分鐘，然后再在純02環(huán)境中退火40分 鐘；(5) 刻蝕接觸孔，然后濺鋁，刻蝕出鋁引線；(6) 采用離子濺射的方法在已經(jīng)清洗干凈的硅杯面濺射一層薄薄的鈦膜(500A)，然后再濺射一層金膜(5000 A);(7) 預(yù)鍵合，將濺射過(guò)金薄膜的硅杯面和另一干凈硅片緊密地貼在一起，同時(shí)注意兩硅片的晶向?qū)?zhǔn)；(8) 將預(yù)鍵合好的硅片放在鍵合臺(tái)上，壓緊，然后對(duì)鍵合臺(tái)抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到要求時(shí)，開(kāi)始加溫直到450'C，然后保持5min，完成壓力參考腔的鍵合。(9) 中測(cè)、劃片。
權(quán)利要求1.寬應(yīng)力區(qū)硅壓力傳感器，具有一個(gè)硅杯結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)感壓膜和其周?chē)淖鳛橹尾糠值暮耋w硅，以及組成惠斯通電橋的感應(yīng)壓力變化的四個(gè)壓敏電阻，其特征在于所述壓敏電阻有一部分跨越了該感壓膜的邊界，分布在體硅上，使各個(gè)電阻都分布在邊界兩邊的高應(yīng)力區(qū)內(nèi)；垂直于所述感壓膜邊界的壓敏電阻的折數(shù)多于平行于所述感壓膜邊界的壓敏電阻的折數(shù)，以便更符合高應(yīng)力區(qū)的形狀；所述感壓膜的厚寬比在滿(mǎn)足靈敏度的前提下盡可能大，以滿(mǎn)足設(shè)定的對(duì)該膜邊界外的高應(yīng)力區(qū)寬度的要求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的寬應(yīng)力區(qū)硅壓力傳感器，其特征在于所述壓敏電橋的四個(gè)電阻均 跨越感壓膜的邊界，或由該膜邊界兩邊的電阻連接而成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬應(yīng)力區(qū)硅壓力傳感器，其特征在于在所述各壓敏電阻的轉(zhuǎn)折處， 電阻條沿縱向的寬度盡可能大于相應(yīng)各壓敏電阻的正常條寬，并在這些區(qū)域進(jìn)行高劑量離 子注入，以便使各壓敏電阻在轉(zhuǎn)折處的電阻值達(dá)到設(shè)定的要求。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的寬應(yīng)力區(qū)硅壓力傳感器，其特征在于所述感壓膜的形狀是方形、 或圓形、或矩形、或多邊形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的寬應(yīng)力區(qū)硅壓力傳感器，其特征在于所述壓敏電阻至少等于或大 于一個(gè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的寬應(yīng)力區(qū)硅壓力傳感器，其特征在于所述壓敏電阻由硅單晶、或 多晶硅、或非晶硅、或壓敏金屬材料構(gòu)成。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于所述傳感器包括應(yīng)力區(qū)展寬了的感壓膜和其周?chē)闹尾糠郑瑝好綦娮柚谱髟诳缭礁袎耗み吔绲拇髴?yīng)力區(qū)內(nèi)，組成惠斯通電橋，把壓力變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；所述壓敏電阻其垂直于感壓膜邊界的折數(shù)要大于平行于邊界的壓敏電阻的折數(shù)，以符合高應(yīng)力區(qū)的形狀；在電阻轉(zhuǎn)折處的電阻條寬大于正常的電阻條寬，同時(shí)進(jìn)行高濃度離子注入，以減小轉(zhuǎn)折處的電阻值；所述感壓膜的厚寬比盡可能大，以滿(mǎn)足對(duì)邊界外高應(yīng)力區(qū)寬度的要求。本實(shí)用新型在芯片面積縮小、不縮小線條的條件下，利用膜外高應(yīng)力區(qū)，增大應(yīng)力區(qū)面積，以達(dá)到提高傳感器的靈敏度和降低廢品率的目的。
文檔編號(hào)G01L1/20GK201034757SQ20072010371
公開(kāi)日2008年3月12日 申請(qǐng)日期2007年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月2日
發(fā)明者任天令, 劉理天, 張兆華, 林惠旺 申請(qǐng)人:清華大學(xué)