CN116839771A - 一种单轴敏感的集成应力传感器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单轴敏感的集成应力传感器及其设计方法，属于半导体传感器以及集成电路封装技术领域，通过在SOI晶圆的(100)晶面上制备惠斯通电桥实现，惠斯通电桥包括首尾依次通过传输接口连接的第一线形电阻R1、第一L形电阻R2、第二线形电阻R1和第二L形电阻R2；以[110]晶向为x1轴，晶向为x2轴，第一线形电阻R1和第二线形电阻R1平行，且与x1轴呈45°夹角；第一L形电阻R2和第二L形电阻R2均由相垂直的电阻条a和电阻条b构成，二者的电阻条a与x1轴或x2轴平行。本发明无需对输出信号进行解算求解应力分量，只需通过简单标定应力与输出电压的关系，便可实现对单向应力大小和方向的测量。
Description
技术领域
本发明属于半导体传感器以及集成电路封装技术领域，具体涉及一种单轴敏感的集成应力传感器及其设计方法。
背景技术
随着集成电路晶体管密度越来越接近物理极限，单纯依靠提高加工精度来提升集成电路性能变得越来越困难。同时考虑成本问题，将多颗不同工艺的芯片在同一封装下集成的微系统，已成为解决电子系统微小型化、集成化的有效途径。
随着微系统集成度的提升，由封装、发热等因素导致系统内应力增大，进而导致芯片失效的情况越发显著，为保证微系统内芯片的正常工作，需要对芯片内关键部位的应力参数进行监测。目前应用于微系统的应力传感器结构较为复杂，加工成本较高，且应力传感器需要对输出信号进行解算，不便于应用。
目前，用于测量微区应力的方法主要有金属薄膜应力传感器和半导体薄膜应力传感器两类；其中，金属薄膜应力传感器通常利用应变体积变化引起的金属或者合金电阻变化测量应力，具有稳定性好，适用温度范围广等优点，但灵敏度系数偏低，此外为获得较大的输出电阻需要大量绕制金属电阻，导致其集成度不高；半导体薄膜应力传感器利用应变引起的电阻率变化测量应力，灵敏度系数高，易于集成和批量化生产，但制备工艺较为复杂，且信号处理不便。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种单轴敏感的集成应力传感器及其设计方法，可用于微系统内微区单/双轴应力的精确测量和应力分布检测。
本发明所采用的技术方案如下：
一种单轴敏感的集成应力传感器，其特征在于，通过在SOI(绝缘衬底上的硅)晶圆的(100)晶面上制备惠斯通电桥实现，所述惠斯通电桥包括首尾依次通过传输接口连接的第一线形电阻R1、第一L形电阻R2、第二线形电阻R1和第二L形电阻R2；以[110]晶向为x1轴，[110]晶向为x2轴，第一线形电阻R1和第二线形电阻R1平行，且与x1轴呈45°夹角；第一L形电阻R2和第二L形电阻R2均由相垂直的电阻条a和电阻条b构成，二者的电阻条a与x1轴或x2轴平行。
进一步地，所述惠斯通电桥为对称结构。
进一步地，所述第一线形电阻R1、第一L形电阻R2、第二线形电阻R1和第二L形电阻R2均为P型掺杂的电阻。
进一步地，所述惠斯通电桥的初始输出为0，即要求任意相邻两个电阻在无外加应力时的阻值相等，具体为：第一线形电阻R1和第一L形电阻R2在无外加应力时的阻值相等；第一L形电阻R2和第二线形电阻R1在无外加应力时的阻值相等；第二线形电阻R1和第二L形电阻R2在无外加应力时的阻值相等；第二L形电阻R2和第一线形电阻R1在无外加应力时的阻值相等。
进一步地，所述第一线形电阻R1和第二线形电阻R1在x1轴和x2轴的压阻系数均为(π11+π12)/2；所述第一L形电阻R2和第二L形电阻R2通过调节电阻条a和电阻条b的长度比例，使其在x1轴或x2轴的等效压阻系数值等于(π11+π12)/2。
进一步地，当x2轴的等效压阻系数值等于(π11+π12)/2时，所述集成应力传感器的x1轴敏感，x2轴不敏感，仅对x1轴方向所施加的应力产生输出；当x1轴的等效压阻系数值等于(π11+π12)/2时，所述集成应力传感器的x2轴敏感，x1轴不敏感，仅对x2轴方向所施加的应力产生输出。
进一步地，通过在微区组合使用x1轴敏感的集成应力传感器和x2轴敏感的集成应力传感器，实现微区内双向应力的检测。
进一步地，x1轴敏感的集成应力传感器的设计方法包括以下步骤：
步骤A1、将第一线形电阻R1和第二线形电阻R1记为电阻条c；根据恒压电压源对集成应力传感器阻值的要求，确定电阻条a、电阻条b和电阻条c的初始长度分别为l1、l2和l3，进而测得第一线形电阻R1和第二线形电阻R1的初始阻值r1，以及第一L形电阻R2和第二L形电阻R2的初始阻值r2；
步骤A2、对惠斯通电桥在x2轴方向施加一个恒定应力，测得第一线形电阻R1和第二线形电阻R1的应力阻值r1′，以及第一L形电阻R2和第二L形电阻R2的应力阻值r2′；
步骤A3、为了实现x1轴敏感，要求满足：(r1′-r1)/r1＝(r2′-r2)/r2；进而基于第一线形电阻R1和第二线形电阻R1在x1轴和x2轴的压阻系数(π11+π12)/2，固定电阻条b的初始长度l2，参数化扫描电阻条a的长度，得到满足(r1′-r1)/r1＝(r2′-r2)/r2条件所对应的电阻条a的最终长度l1′；
步骤A4、固定电阻条a的最终长度l1′和电阻条b的初始长度l2，对电阻条c的长度进行微调，使得惠斯通电桥的初始输出为0，即要求任意相邻两个电阻在无外加应力时的阻值相等，进而获得电阻条c的最终长度l3′。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种单轴敏感的集成应力传感器，通过将线形电阻与L形电阻结合构建惠斯通电桥，实现了仅在x1轴或x2轴敏感的集成应力传感器，无需对输出信号进行解算求解应力分量，只需通过简单标定应力与输出电压的关系，便可通过电压输出实现对单向应力大小和方向的测量；此外，还可以在微区组合使用x1轴敏感和x2轴敏感的集成应力传感器，实现微区内双向应力的检测；本发明的结构和制备工艺简单，使用便捷，可便于批量生产和阵列化应用，可应用于芯片的集成应变测试、晶圆级封装测试等领域。
附图说明
图1为实施例1提出的x1轴敏感的集成应力传感器的俯视结构示意图；
图2为实施例1中线形电阻R1和L形电阻R2的结构示意图；
图3为实施例1中惠斯通电桥的原理示意图；
图4为实施例1中惠斯通电桥的传输接口剖面图；
附图中各标记的说明如下：
1：第一恒压源供电接口；2：第一输出接口；3：第二恒压源供电接口；4：第二输出接口；5：L形电阻；6：线形电阻；7：金属过孔；8：衬底硅；9：SiO2；10：P+掺杂硅；11：P++掺杂硅；12：Ti；13：AlCu。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种x1轴敏感的集成应力传感器，结构如图1所示，通过在SOI晶圆的(100)晶面上制备惠斯通电桥实现。
如图3所示，所述惠斯通电桥为对称结构，包括首尾依次连接的第一线形电阻R1、第一恒压源供电接口1、第一L形电阻R2、第一输出接口2、第二线形电阻R1、第二恒压源供电接口3、第二L形电阻R2、第二输出接口4；其中，第一线形电阻R1和第二线形电阻R1平行且尺寸相同，二者统称为线形电阻6；第一L形电阻R2和第二L形电阻R2结构相同，均由相垂直的电阻条a和电阻条b构成，二者统称为L形电阻5；线形电阻6和L形电阻5均为P型掺杂的电阻，线形电阻6和L形电阻5的宽度均为2μm，载流子浓度为1019[1/cm3]。
如图2所示，以[110]晶向为x1轴，晶向为x2轴，线形电阻6与x1轴呈45°夹角；L形电阻5的电阻条a与x2轴平行。
所述第一线形电阻R1和第二线形电阻R1在x1轴和x2轴的压阻系数均为(π11+π12)/2；所述第一L形电阻R2和第二L形电阻R2通过调节电阻条a和电阻条b的长度比例，使其在x2轴的等效压阻系数值等于(π11+π12)/2，此时集成应力传感器的x1轴敏感，x2轴不敏感，仅对x1轴方向所施加的应力产生输出。
本实施例提出的x1轴敏感的集成应力传感器的设计方法包括以下步骤：
步骤A1、将线形电阻6记为电阻条c；理论上，集成应力传感器阻值越大越容易加工，阻值偏差越小，但集成应力传感器一般采用集成系统内恒压电压源供电，阻值过大将导致输出电压降低，因此一般根据恒压电压源需求调整，即根据恒压电压源对集成应力传感器阻值的要求，具体要求在不影响供电电压源的输出压降的情况下，使电阻条a、电阻条b和电阻条c的阻值尽量大，以确定电阻条a、电阻条b和电阻条c的初始长度分别为l1、l2和l3，进而测得线形电阻6的初始阻值r1，以及L形电阻5的初始阻值r2；
步骤A2、对惠斯通电桥在x2轴方向施加一个恒定应力，测得线形电阻6的应力阻值r1′，以及L形电阻5的应力阻值r2′；
步骤A3、为了实现x1轴敏感，要求满足：(r1′-r1)/r1＝(r2′-r2)/r2；进而基于线形电阻6在x1轴和x2轴的压阻系数(π11+π12)/2，固定电阻条b的初始长度l2，参数化扫描电阻条a的长度，得到满足(r1′-r1)/r1＝(r2′-r2)/r2条件所对应的电阻条a的最终长度l1′；
步骤A4、固定电阻条a的最终长度l1′和电阻条b的初始长度l2，对电阻条c的长度进行微调，使得惠斯通电桥的初始输出为0，即要求任意相邻L形电阻5和线形电阻6在无外加应力时的阻值相等，进而获得电阻条c的最终长度l3′。
本实施例通过上述设计方法，最终得到的尺寸参数为：电阻条a的最终长度l1′＝9.4μm，电阻条b的初始长度l2＝12μm，电阻条c的最终长度l3′＝18.5μm，第一L形电阻R2和第二L形电阻R2间的最小距离为28μm，第一线形电阻R1和第二线形电阻R1间的最小距离为74μm，集成应力传感器的敏感单元面积小于145×145μm2。
本实施例还提出了x1轴敏感的集成应力传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤B1、在SOI晶圆表面热氧化一层的SiO2保护层；
步骤B2、向SOI晶圆的顶层硅注入BF2+离子并退火，形成P+掺杂；
步骤B3、在金属过孔处注入大剂量的BF2+离子，形成P++掺杂；
步骤B4、去除第一线形电阻R1、第一恒压源供电接口1、第一L形电阻R2、第一输出接口2、第二线形电阻R1、第二恒压源供电接口3、第二L形电阻R2、第二输出接口4外的多余掺杂区，进而形成第一线形电阻R1、第一L形电阻R2、第二线形电阻R1和第二L形电阻R2；
步骤B5、通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)在步骤B4所得材料表面形成200nm厚的SiO2保护层；
步骤B6、在金属过孔处进行开孔，在金属过孔处再次注入大剂量的BF2+离子并退火，形成P++掺杂；
步骤B7、在金属过孔处制备一层Ti粘接层；
步骤B8、在步骤B7所得材料表面通过PVD(物理气相沉积)制备1μm厚的AlCu互联线，形成引出电极和焊盘，进而获得连接第一线形电阻R1、第一L形电阻R2、第二线形电阻R1和第二L形电阻R2的传输接口，如图4所示。
在1V的恒压下，本实施例对所得x1轴敏感的集成应力传感器施加不同大小的应力，分别得到x1轴单向、x2轴单向以及x1轴、x2轴双向的应力输出结果，见表1所示，可见x1轴敏感的集成应力传感器在0～150Mpa的x2单向应力输出|Vout2|小于0.13mV，其输出主要来源于设计和加工精度不一致带来的零点漂移，以及工艺偏差导致非线性误差；而在x1轴单向应力输出|Vout1|与x1轴、x2轴双向的应力输出|Vout3|差别不大，最大偏差约为1.5％，进而实现了x1轴敏感的集成应力传感器设计。
表1x1轴敏感的集成应力传感器在不同应力的输出值
进一步地，通过将所得x1轴敏感的集成应力传感器逆时针/顺时针旋转90度，即可得到x2轴敏感的集成应力传感器；再在微区组合使用x1轴敏感的集成应力传感器和x2轴敏感的集成应力传感器，实现微区内双向应力的检测。
上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种单轴敏感的集成应力传感器，其特征在于，通过在SOI晶圆的(100)晶面上制备惠斯通电桥实现，所述惠斯通电桥包括首尾依次通过传输接口连接的第一线形电阻R1、第一L形电阻R2、第二线形电阻R1和第二L形电阻R2；以[110]晶向为x1轴，[110]晶向为x2轴，第一线形电阻R1和第二线形电阻R1平行，且与x1轴呈45°夹角；第一L形电阻R2和第二L形电阻R2均由相垂直的电阻条a和电阻条b构成，二者的电阻条a与x1轴或x2轴平行。
2.根据权利要求1所述单轴敏感的集成应力传感器，其特征在于，所述惠斯通电桥为对称结构。
3.根据权利要求1所述单轴敏感的集成应力传感器，其特征在于，所述第一线形电阻R1、第一L形电阻R2、第二线形电阻R1和第二L形电阻R2均为P型掺杂的电阻。
4.根据权利要求1所述单轴敏感的集成应力传感器，其特征在于，所述惠斯通电桥的初始输出为0，即要求任意相邻两个电阻在无外加应力时的阻值相等。
5.根据权利要求1所述单轴敏感的集成应力传感器，其特征在于，所述第一线形电阻R1和第二线形电阻R1在x1轴和x2轴的压阻系数均为(π11+π12)/2；所述第一L形电阻R2和第二L形电阻R2通过调节电阻条a和电阻条b的长度比例，使其在x1轴或x2轴的等效压阻系数值等于(π11+π12)/2。
6.根据权利要求5所述单轴敏感的集成应力传感器，其特征在于，当x2轴的等效压阻系数值等于(π11+π12)/2时，所述集成应力传感器的x1轴敏感，x2轴不敏感，仅对x1轴方向所施加的应力产生输出；当x1轴的等效压阻系数值等于(π11+π12)/2时，所述集成应力传感器的x2轴敏感，x1轴不敏感，仅对x2轴方向所施加的应力产生输出。
7.根据权利要求6所述单轴敏感的集成应力传感器，其特征在于，通过在微区组合使用x1轴敏感的集成应力传感器和x2轴敏感的集成应力传感器，实现微区内双向应力的检测。
8.根据权利要求6所述单轴敏感的集成应力传感器，其特征在于，x1轴敏感的集成应力传感器的设计方法包括以下步骤：
步骤A1、将第一线形电阻R1和第二线形电阻R1记为电阻条c；根据恒压电压源对集成应力传感器阻值的要求，确定电阻条a、电阻条b和电阻条c的初始长度分别为l1、l2和l3，进而测得第一线形电阻R1和第二线形电阻R1的初始阻值r1，以及第一L形电阻R2和第二L形电阻R2的初始阻值r2；
步骤A2、对惠斯通电桥在x2轴方向施加一个恒定应力，测得第一线形电阻R1和第二线形电阻R1的应力阻值r1′，以及第一L形电阻R2和第二L形电阻R2的应力阻值r2′；
步骤A3、基于第一线形电阻R1和第二线形电阻R1在x1轴和x2轴的压阻系数(π11+π12)/2，固定电阻条b的初始长度l2，参数化扫描电阻条a的长度，得到满足(r1′-r1)/r1＝(r2′-r2)/r2条件所对应的电阻条a的最终长度l1′；
步骤A4、固定电阻条a的最终长度l1′和电阻条b的初始长度l2，对电阻条c的长度进行微调，使得惠斯通电桥的初始输出为0，进而获得电阻条c的最终长度l3′。
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