專利名稱：寬應力區硅壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于硅壓阻式壓力傳感器芯片技術領域。
背景技術：
由于半導體傳感器具有體積小、重量輕、精度高、溫度特性好、制造工藝與半導體集成電路平面工藝兼容等特點，現在已經被應用到非常廣闊的領域——汽車，醫學，航天，環境等。
壓力傳感器有很多種，其中最簡單，最容易量產的就是壓阻式壓力傳感器。壓阻式傳感器具有穩定性高，靈敏度高，零點輸出小，溫漂小等優點。
硅壓阻式壓力傳感器具有一個硅杯結構，包括一個感壓膜和其周圍的支撐部分，并在感壓膜邊界內的最大應變區制作了四個壓敏電阻，組成惠斯通電橋來感應壓力的變化。
從壓阻式壓力傳感器的原理(圖1)知道橋臂電阻的變化量ΔR/R與膜的應力σ成正比，所以σ越大，靈敏度越高。圖2示出了現有的壓阻式壓力傳感器的壓敏電阻(橋臂)R分布在膜內的高應力區位置的示意圖。
但隨著傳感器集成度的提高、芯片面積的縮小，膜內面積越來越小，膜內高應力區的面積也越來越小，無法提供制造壓敏電阻所需要的區域，致使嚴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。
發明內容
本發明的目的在于提供一種寬應力區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，通過利用膜外高應力區，增大應力區面積，達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，使各個電阻都分布在邊界兩邊的高應力區內；垂直于所述甘油膜編輯的壓敏電阻的這樹多于平行于所述感壓膜邊界的壓敏電阻的折數，以便更符合高應力區的形狀；所述感壓膜的厚寬比盡可能大，以滿足設定的對該膜邊界外的高應力區寬度的要求。
試驗結果如下對于薄膜邊長為370μm，厚度為30μm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構，不同的是芯片1的壓敏電阻完全制作在膜內，芯片2跨在膜的兩側部分制作在體硅區。兩種芯片的靈敏度分別為12.9mV/V·FS和15.5mV/V·FS。結果顯示，采用跨膜邊界分布壓敏電阻的芯片具有更高的靈敏度。
對于薄膜邊長為970μm，厚度為30μm，壓敏電阻均制作在膜內的芯片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，結果顯示，增加垂直壓敏電阻的折數的芯片具有更高的靈敏度。
圖1恒壓源供電的電橋原理圖。
圖2現有的壓阻式壓力傳感器壓敏電阻放在膜內位置的示意圖。
圖3硅杯結構的應力分布圖(a)不同膜厚的應力分布圖-○-50μm；-△-40μm；-●-30μm；-△-20μm；-□-10μm；(b)30μm膜厚的應力分布云圖。
圖4本發明的寬應力區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本發明壓力傳感器改進的壓敏電阻的形狀。
圖中1——壓敏電阻；2——膜邊界；3——高應力區；4——高度注入區。
具體實施例方式
為了克服傳感器集成度提高、芯片面積的縮小，膜內面積越來越小，膜內高應力區的面積也越來越小，無法提供制造壓敏電阻所需要的區域，致使嚴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有壓阻式壓力傳感器所存在的問題，我們利用上述的模擬結果，設計了一種新型大應力區高靈敏度硅壓力傳感器芯片結構，如圖4所示。
該設計有以下特點一是應變膜采用了較大的厚寬比，使得邊界外的應力區大大展寬，二是為了充分利用應力區，電阻有一部分跨越了膜的邊界，三是電阻使用不同的折數，使垂直于膜邊界的電阻的形狀更加符合高應力區的形狀。雖然這種不同折數的電阻不容易做到等值，從而引起大的零點輸出，但因為零點是一個定值，可以在后面的應用中予以校正。
為了使設計對零點輸出影響盡可能的小，我們對電阻的形狀進行了進一步的改進，如圖5所示。主要改進的地方首先是在電阻條轉折的地方把電阻的條寬做的非常大，使其遠遠大于正常條寬；其次在這些區域進行高劑量注入。這兩個措施主要是減少轉角處的電阻值，使其與整個電阻相比可以忽略不計，而使兩種形狀的電阻達到較好的匹配。
膜的應力與膜的厚度和面積有著密切的關系，通過模擬我們發現高應力區不僅限制在膜邊界內，而且延伸到膜邊界外，膜的厚寬比越大，應力區越大，即膜越厚，應力區向外延伸的范圍越寬。
圖3(a)表示面積同為500×500um2，膜厚度分別為10、20、30、40、50um的ANSYS模擬應力歸一化分布圖。圖3(b)示出30μm膜厚的應力分布云圖。從圖3可以看出高應力區不僅限制在膜邊界內，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ANSYS應力模擬得到跨越膜邊界應力分布的高應力區，采用(100)硅片，把惠斯通電橋的四個橋臂電阻分別放置在四個高應力區，電阻沿(110)方向分布，如圖4。
該設計有如下幾個特點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。充分利用應力區的形狀，盡量使電阻完全分布在高應力區內。為了使設計對零點輸出影響盡可能的小，在電阻條轉折的地方把電阻的條寬做的非常大，使其遠遠大于正常條寬；同時在這些區域進行高劑量注入。
利用MEMS實驗線進行了傳感器的流片實驗，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，進行體硅腐蝕，制備出硅杯結構，剩余膜厚30um；(3)離子注入，電阻部分采用注入劑量6×1014cm-2，能量100keV，接觸孔及拐角高注入劑量8×1015cm-2，注入能量150keV。
(4)退火，溫度1050℃，先在純N2環境下退火25分鐘，然后再在純O2環境中退火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清洗干凈的硅杯面濺射一層薄薄的鈦膜(500)，然后再濺射一層金膜(5000)；(7)預鍵合，將濺射過金薄膜的硅杯面和另一干凈硅片緊密地貼在一起，同時注意兩硅片的晶向對準；(8)將預鍵合好的硅片放在鍵合臺上，壓緊，然后對鍵合臺抽真空，當真空度達到要求時，開始加溫直到450℃，然后保持5min，完成壓力參考腔的鍵合。
(9)中測、劃片。
權利要求
1.寬應力區硅壓力傳感器，具有一個硅杯結構，包括一個感壓膜和其周圍的作為支撐部分的厚體硅，以及組成惠斯通電橋的感應壓力變化的四個壓敏電阻，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，使各個電阻都分布在邊界兩邊的高應力區內；垂直于所述感壓膜邊界的壓敏電阻的折數多于平行于所述感壓膜邊界的壓敏電阻的折數，以便更符合高應力區的形狀；所述感壓膜的厚寬比在滿足靈敏度的前提下盡可能大，以滿足設定的對該膜邊界外的高應力區寬度的要求。
2.根據權利要求1所述的寬應力區硅壓力傳感器，其特征在于所述壓敏電橋的四個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.根據權利要求1所述的寬應力區硅壓力傳感器，其特征在于在所述各壓敏電阻的轉折處，電阻條沿縱向的寬度盡可能大于相應各壓敏電阻的正常條寬，并在這些區域進行高劑量離子注入，以便使各壓敏電阻在轉折處的電阻值達到設定的要求。
4.根據權利要求1所述的寬應力區硅壓力傳感器，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.根據權利要求1所述的寬應力區硅壓力傳感器，其特征在于所述壓敏電阻至少等于或大于一個。
6.根據權利要求1所述的寬應力區硅壓力傳感器，其特征在于所述壓敏電阻由硅單晶、或多晶硅、或非晶硅、或壓敏金屬材料構成。
全文摘要
本發明屬于半導體壓力傳感器技術領域，其特征在于所述傳感器包括應力區展寬了的感壓膜和其周圍的支撐部分，壓敏電阻制作在跨越感壓膜邊界的大應力區內，組成惠斯通電橋，把壓力變化轉換成電信號輸出；所述壓敏電阻其垂直于感壓膜邊界的折數要大于平行于邊界的壓敏電阻的折數，以符合高應力區的形狀；在電阻轉折處的電阻條寬大于正常的電阻條寬，同時進行高濃度離子注入，以減小轉折處的電阻值；所述感壓膜的厚寬比盡可能大，以滿足對邊界外高應力區寬度的要求。本發明在芯片面積縮小、不縮小線條的條件下，利用膜外高應力區，增大應力區面積，以達到提高傳感器的靈敏度和降低廢品率的目的。
文檔編號G01L1/18GK101034021SQ20071006414
公開日2007年9月12日 申請日期2007年3月2日 優先權日2007年3月2日
發明者劉理天, 林惠旺, 張兆華, 任天令 申請人:清華大學