CN1334918A - 半导体压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种半导体压力传感器,包括:带膜片(10)的硅基底(1),所述膜片随压力而产生变形;应变片(5a、5b、5c、5d),它们设在膜片(10)上,并由扩散电阻器形成;PN结区域,它设在应变片(5a、5b、5c、5d)附近,并被加给反向偏压。
Description
技术领域
本发明涉及半导体压力传感器，具体地说，本发明针对一种使用在硅膜片上形成之应变片这种类型的半导体压力传感器。
背景技术
通常，采用应变片的半导体压力传感器是公知的，压力传感器在硅基底上形成对压力敏感的膜片。通过在压力敏感膜片上设置由扩散电阻器层所组成的传感器元件(压敏电阻器件)。通过检测膜片的变形测量压力的变化。
图7是使用常规应变片的半导体压力传感器的透视图。压力传感器的一部分由剖面表示。如图7所示，传感器芯片由硅基底101制成，硅基底上有膜片110和膜片110上的传感元件，除周围部分外，膜片110以薄膜形式设在硅基底101的整个中心区域。由扩散电阻器制成的应变片105a-105d、金属导线103和接线端104a-104d组成惠斯登电桥电路113。
图8是表示根据图7惠斯登电桥电路113的电路图。如该图所示，由扩散电阻制成的应变片105a-105d分别与金属导线103连接。接线端104a-104d设在各应变片之间。接线端104a与电源相连(高电位侧)，而接线端104c接“地”(低电位侧)。所以，通过图7中膜片110的变形实现应变片105a-105d中电阻的变化，接线端104b与104d之间的电压值改变。压力的改变可通过检测电压的改变来测量。
同时，将传感器芯片200固定在比如硼硅酸耐热玻璃(TM)类的底座111上。传感器芯片200与硅密封液一起被密封在一个外壳中。底座111给出通孔112，用以抽去空气。贴上传感器芯片200，可使通孔112被覆盖。硅密封液(未示出)保留在膜片110上。膜片110上的传感器元件(每个元件都包含惠斯登电桥电路113)与外场绝缘。因此，经硅密封液，将压力的变化传递到传感器元件。
发明内容
上面表示的压力传感器需要对硅基底进行精细的图型处理，以形成所述的膜片和扩散电阻器，并且这种压力传感器是由制造半导体的过程制得的，而所述过程必须考虑充分地防尘。但是，即使现有的洁净室提供防尘的手段，仍会有微量金属杂质进入晶片，或者在过程的中途产生所述的杂质。结果，这种金属杂质可能造成传感器输出的波动。
一般来说，在制成诸如MOSFET等各类半导体器件时，通过在晶片制造过程中俘获金属杂质，实现排除对器件等的影响。这被称为吸气。根据不同的原理，它可分为EG(外部吸气)方法和IG(内部吸气)方法。EG方法是用砂磨等方法使晶片背面粗糙，将杂质收集在粗糙的表面。IG方法是通过氧气的沉积，在晶片内部造成许多微缺陷，将杂质俘获在微缺陷中。
但是，具有在膜片上设置应变片结构的半导体压力传感器蚀刻大部分硅基底的背面，以形成所述的膜片。由于这个原因，即使用EG方法和IG方法进行吸气，在形成所述膜片的同时，吸气的中心会有所减少。因而，难于充分俘获杂质，而需要另外的吸气处理。还有一个问题是效果随不同的晶片(裸基底、SOI(绝缘体上的硅)基底、外延基底等)而有所不同。
本发明的提出就是为了解决这个问题。本发明的目的在于提供一种半导体压力传感器，其中，难于发生传感器输出的波动。
根据本发明，一种半导体压力传感器包括：带膜片10的硅基底1，所述膜片随压力而产生变形；应变片5a、5b、5c、5d，它们设在膜片10上，并由扩散电阻器形成；PN结区域，它设在应变片5a、5b、5c、5d附近，被加给反向偏压。
所述PN结区域可由硅基底1与设在硅基底1中的扩散层8之间的界面组成。
扩散层8可被局部地设在应变片5a、5b、5c、5d附近。
可置多对应变片5a、5b、5c、5d。
多个应变片5a、5b、5c、5d可形成惠斯登电桥电路。
可将PN结区域只设在应变片5c中，在惠期登电桥电路的高电位接线端4a与低电位接线端4c中间，与基底电位有较大电位差的一侧。
扩散层8可由多个长而窄的图形组合形成，与以锐角朝向应变片5a、5b、5c、5d。
附图说明
图1是表示本发明实施例1半导体压力传感器的顶视图；
图2A是沿图1中A-A′线所取的剖面图；
图2B是沿图1中B-B′线所取的剖面图；
图3是表示本发明实施例2半导体压力传感器的顶视图；
图4是表示本发明实施例3半导体压力传感器的顶视图；
图5是表示本发明实施例4半导体压力传感器的顶视图；
图6A、6B和6C是表示本发明实施例5半导体压力传感器的顶视图；
图7是表示常规半导体压力传感器的透视图；
图8是表示在图7的膜片上形成的惠斯登电桥的电路图。
具体实施方式
以下将详细说明本发明的各优选实施例。
本申请的发明人进行各种实验，研发没有输出波动的半导体压力传感器。结果，本发明人发现：传感器输出的波动是由大量金属杂质中的Fe(铁)原子引起的。也即发现传感器芯片中的Fe原子被拉向比如扩散电阻器那样的PN结，引致产生漏电流并改变电阻值。如果以Fe原子表示的金属杂质以活性Si(硅)的形式存在，就会出现容易使带的间隔变窄以激励电子的情况。另外，当在高温下加给偏压的条件下引入比如移动的Na(钠)离子时，会促进电子的运动，这会引起波动。
因此，传感器输出波动的条件如下：(1)存在比如Fe原子的金属杂质；(2)存在比如移动的钠离子；(3)温度为125℃或更高；(4)加给偏置电位。在满足这四个条件的情况下，就产生所述的波动。
然而，在通常用的CZ(切克劳斯基)晶片中几乎不含Fe原子。在晶片中形成器件时，Fe原子被认为进入晶片中。在制造装置时，铁和SUS(不易沾污的合金)被用于所有零部件，甚至一个小箝夹也用SUS制造。所以，在各种过程中，认为铁原子在各种热处理中被粘附到晶片上，并扩散到晶片内部。当然，一般地说，在晶片的热处理之前，会在熔炉中进行精细净化，但要完全除去是困难的。对于Na原子也是如此。它们有可能从所有的地方侵入，例如人的皮肤表面和出汗。完全除去是困难的。
因此，本发明人在研发带有用于俘获金属杂质之吸气层的半导体压力传感器时，考虑了上述事实。[实施例1]
图1是表示本发明实施例1半导体压力传感器的平面图。如图1所示，传感器芯片20由n型硅基底1制成。硅基底1除了周围部分以外，整个中心区域由薄膜10组成。膜片10设置有由P型扩散电阻器制成的应变片5a-5d、由P+型扩散电阻器形成的引线部分6、金属导线3和金属制成的接线端4a-4d。以此，由上述各部件形成惠斯登电桥电路。当硅基底1是n型基底时，通过热扩散或者通过离子注入硼等的来形成扩散电阻器。
图2A是沿图1的A-A′线的剖面图，图2是沿图1的B-B′线的剖面图。如图2A所示，硅基底1的主表面设有由P型扩散层制成的应变片5a、由靠近应变片5a的P+型扩散层制成的引线部分6、由靠近引线部分6的P+型扩散层制成的吸气层8。
在硅基底1的主表面上设置由SiO2制成的层绝缘膜2。在层绝缘薄片2上设置金属导线3、接线端等，它们组成惠斯登电桥电路的一部分。引线部分6与应变片5a电连接。另外，引线部分6通过层绝缘薄片2中所设的通孔电极7与金属导线3连接。再有，如图2B所示，吸气层8通过设在层绝缘薄片2中的通孔电极9与金属导线3连接。通过接线端4c将反向偏压加给吸气层8。
因此，在本实施例中，吸气层8设在应变片5a-5d附近，它具有PN反向偏置电位。所以，硅基底1中的金属杂质(Fe原子、Na原子等)被俘获至PN结区域。这样，得以防止在应变片5a-5d中滋生电阻率变化和漏电流。[实施例2]
图3是表示本发明实施例2半导体压力传感器的顶视图。吸气层8被制成有如图中所示呈网格状的布局。由于P+型吸气层与n型硅基底1之间的接触面积增加，也就是说PN结区域扩大，所以吸气效果有所改善。[实施例3]
图4是表示本发明实施例3半导体压力传感器的顶视图。如图4所示，只在应变片5a-5d的外围局部地设置吸气层8。虽然图1和3中遍及硅基底1的主表面设置吸气层8，但这种结构使漏电流增大，因而有可能使整个芯片的功率消耗增加。所以，吸气层8被局部地设在应变片5a-5d的外围，就如同本实施例中那样。当然，每个吸气层通过通孔电极9与接线端4c电连接，任何吸气层都被加给PN反向偏压。
此外，在图4中，虽然每个吸气层用同一个扩散层连接，但也可在硅基底1上设置金属导线，代替由扩散层连接。再有，虽然吸气层8的布局被做成网格形状，但本发明也包括不做成网格形状的吸气层布局，比如实施例1中那样。[实施例4]
图5是表示本发明实施例4半导体压力传感器的顶视图。如图5所示，吸气层8只设在应变片5c和5d外围靠近“地”的那侧。金属杂质比如铁是正离子，所以容易将它们拉到对基底电位具有较大反向偏压的部分，也就是“地”那边的传感器元件。如果像上面所说的那样，设置多于所需的吸气层8，就会引起一些问题，例如漏电流增大。因此，通过在“地”那侧(低电位侧)设置最少所需的吸气层，可防止整个芯片的功率消耗增加。
此外，虽然将吸气层8的布局做成网格状，但本发明也包括不做成网格状的吸气层布局，比如实施例1中那样。[实施例5]
图6A、6B和6C是表示本发明实施例5半导体压力传感器的顶视图。在图6A、6B和6C中，吸气层具有多个长而窄的图型，它们以锐角朝向应变片。发现可将Fe原子拉引到扩散电阻器的边缘，也就是PN结区域。因此，如果像图6A、6B和6C所示的那样，将吸气层8的布局做得使PN结区域大于应变片，那是有效果的。
有如所述五个实施例中所说明的，本发明能俘获硅基底中的金属杂质，通过设在所述膜片中的PN结区域的作用，避免产生漏电流。
Claims (7)
1.一种半导体压力传感器，其特征在于，包括：
带膜片(10)的硅基底(1)，所述膜片随压力而产生变形；
应变片(5a、5b、5c、5d)，它们设在膜片(10)上，并由扩散电阻器形成；
PN结区域，它设在应变片(5a、5b、5c、5d)附近，被加给反向偏压。
2.根据权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，其中：
所述PN结区域由所述硅基底(1)与设在硅基底(1)中的扩散层(8)之间的界面组成。
3.根据权利要求2所述的半导体压力传感器，其特征在于，其中：
所述扩散层(8)被局部地设在所述应变片(5a、5b、5c、5d)附近。
4.根据权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，其中：
设置多个应变片(5a、5b、5c、5d)。
5.根据权利要求4所述的半导体压力传感器，其特征在于，其中：
所述多个应变片(5a、5b、5c、5d)形成惠斯登电桥电路。
6.根据权利要求5所述的半导体压力传感器，其特征在于，其中：
将所述PN结区域只设在应变片(5c)中，在惠期登电桥电路的高电位接线端(4a)与低电位接线端(4c)中间，与基底电位有较大电位差的一侧。
7.根据权利要求2所述的半导体压力传感器，其特征在于，其中：
所述扩散层(8)由多个长而窄的图型组合形成，它以锐角朝向应变片(5a、5b、5c、5d)。
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