[發(fā)明專利]一種硅圓膜壓阻傳感器、及其實(shí)現(xiàn)方法

在審

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• 申請日: 2022-03-24
• 公開（公告）號: CN114608730A
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧宇;馬霞;王軼軍;張靜;鎖正儒
• 申請（專利權(quán)）人: 天水天光半導(dǎo)體有限責(zé)任公司
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;G01L9/00;G01L9/06
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 程曉

本發(fā)明提供一種硅圓膜壓阻傳感器及其實(shí)現(xiàn)方法。該方法包括在晶向100的N型硅圓膜上通過擴(kuò)散工藝設(shè)置結(jié)深相同、構(gòu)成惠斯通平衡電橋的電阻R1、R2、R3、R4，電阻R1、R3串聯(lián)作為惠斯通平衡電橋的一臂、電阻R2、R4串聯(lián)作為惠斯通平衡電橋的另一臂；電阻R1和R2阻值相等、兩端硅晶向110分別設(shè)置在硅圓膜上的各自指定位置，電阻R3和R4阻值相等、兩端沿硅晶向設(shè)置在硅圓膜上、滿足電阻R3、R4所受到的橫向應(yīng)力與電阻R1、R2所受到的縱向應(yīng)力相等的位置。本發(fā)明提供的方法能夠改善惠斯通平衡電橋形式的壓阻傳感器壓阻變化的線性度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提供的技術(shù)方案涉及半導(dǎo)體傳感器的制造領(lǐng)域，具體涉及一種在硅圓膜上實(shí)現(xiàn)惠斯通平衡電橋形式的壓阻傳感器的方法。

背景技術(shù)

硅晶體有良好的彈性形變性能，受到力的作用后，電阻率將發(fā)生顯著的變化，具有顯著的壓阻效應(yīng)。應(yīng)用現(xiàn)代微電子技術(shù)，利用硅的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的壓阻傳感器，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測量精度高、穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬、易于小型化和批量生產(chǎn)及使用方便等特點(diǎn)，可用于測量力，壓力、加速度、載荷和扭矩等參量。

壓阻傳感器的性能與結(jié)構(gòu)和制造工藝有著密切的關(guān)系,其基本結(jié)構(gòu)的確定應(yīng)同時(shí)考慮性能和工藝可行性這兩個(gè)因素。常規(guī)的壓阻傳感器如圖1、2所示，主要利用硅壓阻效應(yīng)通過半導(dǎo)體平面工藝,在硅膜片上以一定的晶向、通過硼擴(kuò)散布局四個(gè)電阻R1-R4并連成惠斯通平衡電橋來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)硅膜片受壓力時(shí)、晶格內(nèi)部將產(chǎn)生畸變引起晶體固有電阻率變化，由于壓阻效應(yīng)和晶向位置的關(guān)系,四個(gè)電阻中R1、R3減小，R2、R4增大。通過惠斯通電橋的測量點(diǎn)位a、b的電位差反應(yīng)出硅膜片受到壓力的大小。

然而、由材料的壓阻效應(yīng)可知、對于金屬/半導(dǎo)體圓膜來說,若沿它的某一晶面加以壓力或拉力時(shí),其晶格內(nèi)部將產(chǎn)生畸變,這一畸變將導(dǎo)致晶體內(nèi)部能級構(gòu)造的變化,進(jìn)一步導(dǎo)致載流子相對能量的改變,從而引起晶體固有電阻率變化的物理現(xiàn)象。對硅片來說、電阻變化率公式可以簡化成：

其中、π_l為硅膜片的徑向壓阻系數(shù)，σ_l為電阻縱向承受的應(yīng)力，π_t為硅膜片的切向壓阻系數(shù)，σ_t為電阻橫向承受的應(yīng)力。由于壓力使圓膜片變位遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于膜片厚度,因此、它的實(shí)際變形符合固邊固支園膜片應(yīng)力分布理論。此時(shí)、對于硅圓膜、其徑向應(yīng)力系數(shù)隨徑向距離的變化、切向應(yīng)力系數(shù)隨切向距離的變化都是非線性的。壓阻傳感器中固定在硅圓膜上的電阻，其電阻值隨壓力大小的變化是非線性的，導(dǎo)致現(xiàn)有的壓阻傳感器不能應(yīng)用到某些要求壓阻傳感器具有精度高、線性度好的應(yīng)用場景。

發(fā)明內(nèi)容

為了提高壓阻傳感器的電阻值隨壓力大小的變化的線性度，本發(fā)明提供一種硅圓膜壓阻傳感器的實(shí)現(xiàn)方法。通過該方法制作的壓阻傳感器的電阻值隨壓力變化具有較好的線性度。

本發(fā)明第一方面提供的一種硅圓膜壓阻傳感器的實(shí)現(xiàn)方法。該方法包括：在晶向100的N型硅圓膜上通過硼擴(kuò)散工藝設(shè)置結(jié)深相同、構(gòu)成惠斯通平衡電橋的電阻R1、R2、R3、R4，電阻R1、R3串聯(lián)作為惠斯通平衡電橋的一臂、電阻R2、R4串聯(lián)作為惠斯通平衡電橋的另一臂；電阻R1和R2阻值相等、兩端沿硅圓膜的縱向(即硅晶向110)分別設(shè)置在硅圓膜上各自的指定位置，電阻R3、R4阻值相等、兩端沿硅圓膜的橫向(即硅晶向)分別設(shè)置在硅圓膜上各自的應(yīng)變平衡位置；當(dāng)電阻R3、R4分別設(shè)置于各自應(yīng)變平衡位置時(shí)，電阻R3、R4所受到的橫向應(yīng)力與電阻R1、R2所受到的縱向應(yīng)力相等。由于R1、R2、R3、R4各自沿特定的硅晶向設(shè)置，電阻R1、R2的電阻變化只由硅晶向110方向受到的應(yīng)力決定，電阻R3、R4的電阻變化只由硅晶向11_0方向受到的應(yīng)力決定。

進(jìn)一步地、所述應(yīng)變平衡位置對基于約束條件電阻R3、R4所受到的橫向應(yīng)力與電阻R1、R2所受到的縱向應(yīng)力相等，已知的電阻R1、R2各自的所述指定位置，硅壓阻效應(yīng)物理模型以及硅圓膜應(yīng)力分布函數(shù)構(gòu)建方程求解得到。