CN1731115A - 单片硅基soi高温低漂移压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属力敏传感器技术领域，具体涉及一种单片硅基SOI高温低漂移压力传感器。其中组成惠斯顿电桥的四个力敏电阻采用SOI材料制作；采用SOI电阻网络的内补偿和局部内电阻的外补偿技术，使零点温漂下降到1×10^－6Vs/℃以下；采用梁－膜－岛结构提高传感器的灵敏度和线性度；采用在掺浓硼的多晶硅引线表面覆盖铝引线组成传感器的内引线，避免铝引线与多晶硅力敏电阻连接时因“台阶”引起的断裂现象；采用浓硼自终止技术制作超薄硅膜的高灵度高温低漂移压力传感器。本发明提出的单片硅基SOI高温低漂移压力传感器，制作工艺简单，成品率接近100％，生产成本低，适宜于大规模生产。

Description

单片硅基SOI高温低漂移压力传感器

技术领域

本发明属传感技术领域，具体涉及一种单片硅基SOI高温低漂移压力传感器及其制作方法。

背景技术

目前一般的单晶硅压力传感器，由于采用P-N结隔离，存在P-N结漏电而导致成品率低，输出温度漂移大，且不能工作到250℃以上。利用多晶硅或其他SOI技术制成的压力传感器，由于采用了介质隔离，其工作温度可达300℃以上，可以满足工作温度的要求，但存在零点漂移太大仍不能满足实际应用的要求。

由于工艺上的原因，微机械硅压力传感器总存在一定的失调电压。这个失调电压一般在50mV到100mV之间。原则上讲，失调电压可以通过并联、串联或并串联的办法加以消除。但实际上都不能解决问题。并联或串联补偿可以在一定的温度下实现调零，但会引起很大的附加温漂，补偿引起的附加温漂一般可以达到1～2×10^-5VS/℃，相当于工作温度变化200℃引起的附加温漂是满量程输出的50％以上，无法实用。而串—并补偿对用于补偿的电阻的温度系数有严格的要求，无法实际应用。

为了满足车用和船用柴油机技术改造的迫切需求，本发明研制了微机械SOI高温低漂移压力传感器。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制作精度要求低、输出零点温漂小、成品率高、适宜于大规模生产的高温低移漂压力传感器及其制作方法。

本发明提出的高温低漂移压力传感器是一种单片硅基SOI的压力传感器，其结构如图1所示，其芯片包括一个N^-型或P^-型硅衬底1；在硅衬底的两面覆盖绝缘层2(例如二氧化硅层和氮化硅层)；绝缘层2的表面淀积有多晶硅层(包括用SIMOX SOI和SmartCut SOI制作的单晶硅层)，用氧化光刻技术，在绝缘层表面生成有四个SOI多晶硅力敏电阻3和内补偿的四个SOI多晶硅网络电阻4，并有SOI掺浓硼的多晶硅内引线5与上述电阻连接；在多晶硅内引线5表面覆盖有铝引线6；力敏电阻3制作在中心梁区7和边梁区8上；内补偿网络电阻4制作在边框9的表面，不受力的作用；芯片背面具有方形开口10，开口内制作有两个矩形背岛11；背岛的深度由传感器测量范围决定，量程越大，岛浅硅膜厚，反之岛深硅膜薄；在边框与背岛之间形成边梁8，背岛与背岛之间形成中心梁7；在岛和梁的周围为硅膜12。

本发明中，压力传感器的电路设计如图7所示。其中，电阻R₁、R₂、R₃和R₄组成桥路电阻，即SOI多晶硅力敏电阻3，串联在桥路中的4个小电阻r₁、r₂、r₃和r₄即为用于内补偿的4个SOI多晶硅网络电阻4，电路中有8个电阻和8个引脚。该力敏电阻3中，电阻R₁和R₄制作在芯片的边梁8内，电阻R₂和R₃制作在芯片的中心梁9内。正面受到正压强时，R₁和R₄增大，R₂和R₃减小，使电桥失去平衡，产生与压强成正比的电信号。

本发明中，所述芯片正面的硅膜区12的深度为5-50μm，具体深度取决于量程大小。

本发明在单片硅基上采用了SOI材料，形成了可在高温下工作的低飘移压力传感器。

上述单片硅基SOI高温低飘移压力传感器的制作方法，具体步骤如下：

(1)取一片厚度为0.3-1毫米双面抛光的单晶硅作衬底，采用常规的氧化光刻工艺，在衬底两面先形成双面光刻对准记号。然后继续氧化并在衬底背面光刻出方形开口，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口中硅表面，深度为5-10μm。

(2)双面氧化，并淀积氮化硅薄膜，形成绝缘层2，为SiO₂和Si₃N₄复合膜，再正面淀积多晶硅薄膜或用SIMOX SOI和SmartCut SOI技术制作单晶硅薄膜。

(3)采用离子束注入技术或热扩散技术，在多晶硅(或单晶硅)薄膜中掺入硼原子，使其成为P型导电层。再用光刻和湿法(或RIE干法)刻蚀技术，在表面形成多晶硅(或单晶硅)力敏电阻、内补偿的多晶硅(或单晶硅)网络电阻和作连接用掺浓硼的多晶硅(或单晶硅)内引线。

(4)背面光刻矩形背岛、正面光刻引线孔，并蒸镀铝膜反刻形成铝内引线，使多晶硅(或单晶硅)力敏电阻和内补偿的多晶硅(或单晶硅)网络电阻之间形成闭环的惠斯顿电桥，在边框上引出八个压焊脚。其中四个作为调节失调电压时使用。

(5)对衬底背面方形开口区进行湿法腐蚀，直至对应所需要量程的深度。

本发明的优点可以归纳为以下几点：

(1)采用SOI结构，使力敏电阻和网络内补偿电阻之间，在电学上完全处于绝缘隔离状态，即使在几百度的高温下，也不会出现漏电现象。

(2)采用相同材料制作力敏电阻和网络内补偿电阻具有相同的温度系数，精确的设计和巧妙的内补偿，使传感器在160℃的温度变化范围内，其温漂引起的失调电压仅为0.75mv，约满量输出幅度的1-2％。

(3)采用应力匀散技术，大大地提高硅膜抗过载能力。

(4)在铝引线下面制作掺浓硼的多晶硅内引线大大地提高传感器的成品率和长期高温工作的高可靠性。

(5)采用梁—膜—岛结构设计传感器芯片，使传感器获得高灵敏度和低非线性的优良特性。采用力敏电阻的取向与梁区方向平行设计，实验证明，可大大提高其灵敏度。

附图说明

附图1为本发明结构示意图。

附图2为工艺流程示意图。

图1中标号：(1)为N^-型或P^-型硅衬底，(2)为绝缘层(SiO₂和Si₃N₄复合膜)，(3)为多晶硅(或单晶硅)力敏电阻，(4)为内补偿的多晶硅(或单晶硅)网络电阻，(5)为掺浓硼的多晶硅(或单晶硅)内引线，(6)为铝引线，(7)为中心梁区，(8)为边梁区，(9)为芯片边框，(10)为方形开口，(11)为矩形背岛，(12)硅膜区。

具体实施方式

本发明采用SOI材料形成高温工作的惠斯顿桥路。

一般的扩散硅压阻式压力传感器中惠斯顿电桥的四个桥路电阻是采用热扩散或离子束掺杂办法在N型(100)硅单晶体上形成P型电阻区，电阻之间依赖背靠背P-N结进行电学性能上的绝缘。由于P-N结的反向电流是温度的函数，当压力传感器在高温(＞100℃)下工作时，其反向电流会严重影响到传感器的正常工作状态。因此，这类传感器无法高温下使用。采用硅绝缘介质隔离桥路电阻是目前国际上高温传感器的研究热点。近两年，人们成功地研制了多种SOI材料，包括多晶硅SOI，SIMOXSOI和SmartCutSOI等。本发明把这些SOI材料用来制作实用的高温压力传感器，并形成一定批量生产。其中多晶硅SOI和SmartcutSOI材料为目前成熟的SOI材料。多晶硅SOI材料是采用汽相淀积工艺在热生长氧化层和氮化硅复合膜上淀积600nm的多晶硅层。SmartcutSOI材料是采用智能剥离方法制备的SOI材料，顶层的硅厚度为600nm，埋层氧化层厚度为600nm。

本发明使用高精度和高对称性的桥路电阻。

目前国内外扩散硅压力传感器大多采用由四个阻值完全相等的桥路电阻组成的惠斯顿电桥的结构形式。其中两端加电源，两端输出压阻变化的电压信号。当受压面施加压力时，其中两个桥路电阻值增大，另外两个桥路电阻值减小，造成电桥的不平衡，从而在输出端产生与压力成线性关系的电信号。当受压面不施加任何应力时，输出端的电信号应严格地为零信号。但是实际工艺的限制，任何国内外的压力传感器都存在一定的失调电压。通过串、并联外接电阻的办法可以加以消除。但由于外电路的电阻材料与组成桥路电阻的半导体材料不一样，所以它们的温度系数不可能一致。这样，当在一定温度下实现调零了，在使用温度发生大范围变化时，已经调零的失调电压会随着使用温度的变化引起大的附加温漂，这将造成系统的测量误差。误差的大小决定于环境温度的变化幅值。因此对于高温工作的传感器，问题更为严重。为了克服这个弊病，国外采用计算机辅助激光修正办法，直接在芯片的晶体上修正内补偿调零电阻，但这种办法设备投资昂贵，生产效率低，使器件价格居高不下。本发明通过理论分析设计了一种SOI电阻网络的内补偿方案来取代昂贵的补偿办法，使零点补偿引起的附加温漂下降几十倍。

输出零点失调的补偿方法基本的有并联补偿和串联补偿法两种，分别如图3和图4所示。以图3所示的并联补偿法为例，如四个桥路电阻中，R₁＝R₃＝R₄＝R_B而左下角的电阻R₂略微偏大，可以表示成R₂＝R_B(1+β)，其中β为一个数量级为10^-2的小量。那么，只要在R₂上并联一个适当大小的电阻R_P就可以使桥路恢复平衡，使输出失调为零。并联电阻R_P的条件为：

$\frac{R_P\·R_B(1+\mathrm{\β})}{R_P+R_B(1+\mathrm{\β})}=R_B$

可以证明，在一级近似下， $R_P\≅\frac{1}{\mathrm{\β}}{R}_B.$ 例如，R_B＝5kΩ，β＝0.02，则有R_P＝250kΩ。对图2所示的串联补偿情况也类似，但串联的补偿电阻是一个小电阻，R_S＝βR_B。在β＝0.02时，R_S＝100Ω。

以上补偿方法总是在一定的温度t_o下进行的。一旦温度发生变化偏离t_o，则由于桥路电阻的电阻温度系数α_b(一般为+0.2％左右)与外界补偿电阻的温度系数α_d(接近为零)的差别，桥路又会失去平衡出现失调电压。其失调电压的温度系数为 $\mathrm{TCO}=-\frac{1}{4}({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\α}}_d){\mathrm{\βV}}_S.$ 温度为t时的失调电压为：

$V_{\mathrm{OS}}\left(t\right)=-\frac{1}{4}({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\α}}_d)\mathrm{\β}{V}_S(t-t_o)$

例如在α_b＝+0.2％，α_d＝0，β＝0.04，V_S＝5V_时有TCO＝-100μV/℃。.温度变化100℃引起的失调电压变化为V_OS＝-10mV，这对实际应用来讲是很大的了。

为了减小补偿引起的失调电压温度系数，还可以采用串并补偿的方法。如图5所示。该方法理论上可行，实际应用时要求较多的测量或计算，使用很不方便，很少实际应用。

本发明设计了一个方便而又实用的方法。该补偿方法在电路设计时除四个桥路电阻外，在回路中再串入四个用于内部初调零用的小电阻。调零时，先利用四个内部的小电阻实现初调节，使失调电压大大下降，就是使β值下降一个数量级以上，即下降到10^-3的量级。此时，惠斯顿电桥的某些桥臂已不再是一个单一的电阻了，而往往是由一个桥路电阻和一个或几个补偿用的小电阻串联组成。于是可以选取一个适当的小电阻，在这个小电阻上，并联一个外接电阻进行精细调零，如图6所示。因此，该方法可以成为部分电阻的并联调零法。图6中的左下臂由两个电阻构成，一个为桥路电阻R_B(1-α)，另一个为调节用的小电阻R_B(α+β)，其中α和β都是千分之几的量级。实际上，其他几个臂也可能是由桥路电阻和补偿电阻构成的，但为简单起见图中都画成一个单一的电阻。

根据并联调零的方法，在小电阻上并联外接电阻R_P实现调零。调零后，温度进一步变化引起的零点失调温度系数为：

$\mathrm{TCO}=-\frac{\mathrm{\α\β}}{4(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\α}}_d)V_S$

对一个特定的(α+β)值k，零点失调温度系数的最大值出现在α＝β的条件下，此时的零点失调温度系数为：

${\mathrm{TCO}}_{\max }=-\frac{k}{16}({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\α}}_d)V_S---\left(1\right)$

在α_b-α_d＝2×10^-3/℃，k＝α+β＝0.005和V_S＝5V时，我们有TCO_max＝3.1μm。该值与简单并联补偿法得到的100μm相比只有它的三十分之一。

实际压力传感器的电路设计如图7所示。考虑到管座只有8个引线，实际电阻设计中，除四个桥路电阻(R₁、R₂、R₃和R₄)外另外设计了四个内补偿用的多晶硅小电阻(r₁、r₂、r₃和r₄)。这样，一共有八个电阻和八个引出脚。其中，四个桥路电阻为40方块，上面的两个电源端调节电阻为0.9方块，供调节选用的电源端为V_-1，V_o和V₊₁。而下面地端的两个调节电阻为0.3方块，供调节选用的接地端为G_-1，G_o，和G₊₁。工艺理想的情况下，电路完全对称，选用电源端V_o和地端G_o时，桥路的输出为零。但因工艺原因电路不可能完全对称，即在选用电源端V_o和地端G_o时，桥路的输出不为零，一般在0到100mV的范围内。在此情况下，如果根据失调电压的方向选用不同的电源端和不同的地端对失调电压进行初调，就可以大大减小失调电压。对图7所示的电路初调后的失调电压一般可以减小到5mV以下。在初调后再适当的选用一个小电阻进行外接并联补偿。

假设选用0.3方块小电阻时， $k=\mathrm{\α}+\mathrm{\β}=\frac{0.3}{40}=0.0075$

并设(α_b-α_d)＝2×10^-3/℃，

根据式(1)得到 ${\mathrm{TCO}}_{\max }=-\frac{0.0075}{16}({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\α}}_d)V_S=9.4\×{10}^{-7}{V}_S,$

即TCO_max≈10^-6V_S。

在V_S＝5V时，有TCO_max＝-4.7μV/℃。即在温度变化160℃时因失调补偿引进的失调电压为ΔV_o＝7.5×10^-3V_S＝0.75mV。

通过SOI电阻网络的合理设计，附加尽可能少的引线，用电阻网络的组合进行零点的高精度内部补偿，可以以约5mV的精度覆盖75mV的原始失调。而用于并联补偿的电阻仅占桥路电阻的千分之五左右。

本发明的版图设计优化方案如下：

在(100)硅单晶体上制作压力传感器，已有成熟的技术。成功的设计有梁—膜结构、平膜双岛结构以及梁—膜—岛结构等，但是利用SOI材料制作压力传感器没有成熟的设计经验可循。由于桥路电阻是采用多晶硅材料制作在梁区的电阻条，取向与单晶不同，理论分析结果表明，如果采用同样的版图设计，其灵敏度仅是硅单晶体的三分之一左右。经过理论分析和工艺实验的反复论证，多晶硅桥路电阻的取向应与梁区平行，得到如图1所示的结构设计方案。结果表明，采用图1所示的结构设计方案，可以获得高灵敏度，低非线性的多晶硅SOI材料的高温压力传感器。同时再加以高精度的合理设计、用于零点内补偿的SOI电阻网络的配合，便能制得性能优良的高温低漂移的压力传感器。

本发明的高过载的耐压结构—芯片的应力匀散技术如下：

在柴油汽车和柴油船中使用的压力传感器都必须具备高过载的耐压结构，以预防汽缸中浪涌压力的破坏。把压力传感器的膜区边缘设计加工成缓变结构，在力敏电阻区实现应力集中的同时在非力敏电阻区实现应力匀散，可以进一步提高传感器芯片的过载能力。

在梁-膜-岛结构中，虽然有双岛限位结构，但在高过载情况下，硅膜将首先从边框边缘破裂。这是因为传统的岛膜结构都是采用常规的有掩模的各向异性湿法腐蚀，从硅片背面形成硅膜和背岛。硅膜是(100)晶面，边框和背大岛侧面都是(111)晶面，夹角为54.74°的锐角。根据力学原理，在角区存在应力集中效应，使硅膜在正面或背面受压以后，角区会具有应力集中的极值，因此破裂首先从该处发生。引入应力匀散结构以后，角区变成具有一定圆曲率的圆角区，使该区的应力极值下降。

在硅膜与边框或背岛的交界处要形成有一定曲率半经的缓变结构，采用一般的常规

各向异性湿法腐蚀是无法实现的，因为腐蚀的结果都是尖锐的角区。本发明采用已公开的发明专利<多层微机械结构的掩膜—无掩膜腐蚀技术>(专利号：ZL97106555.1，国际专利主分类号C23F1/32，证书号：第62426号)。如图8所示，在芯片的背面靠近边框或背岛处先刻出有掩膜的图形，在KOH腐蚀液中进行有掩膜腐蚀，腐蚀一定深度后去掉SiO₂，保留Si₃N₄，接着进行无掩膜腐蚀。在有掩膜腐蚀时形成的侧面是(111)晶面，在无掩膜腐蚀后，(111)面将逐渐被快腐蚀面(311)面所代替。当(311)面完全取代(111)面后，继续腐蚀(311)面与下面的(100)面的交接处，如图9中的A点，不会再是两个平面的夹角，而会出现一个低曲率半经的圆弧面。这是因为(311)面与(100)面的交接处一些慢腐蚀面逐渐暴露出来，阻挡了快腐蚀面(311)的进一步推进。

假设有掩膜腐蚀深度为ho，无掩膜腐蚀深度为d，(311)面和(111)面的腐蚀速率之比为γ₃。对于40％KOH腐蚀液而言，由于γ₃＝1.71，则推进距离S与无掩膜腐深度d之间的关系为：

$S=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{3}d}{\sin \mathrm{\&theta;}}-\frac{d}{\tan \mathrm{\&theta;}}=({\mathrm{\&gamma;}}_3\sqrt{\frac{11}{2}}-\frac{3}{\sqrt{2}})d\&cong;1.89d$

式中θ为(311)面和(111)面的夹角，等于22.5°

原则上，由上面的关系式可以精确地控制背岛腐蚀深度为d时(311)面向边框推进距离S值。根据硅膜厚度a，正面梁区腐蚀深度b，有掩膜腐蚀深度ho，背岛限位间隙C，当硅片总厚度为T时，则在版图设计时，(311)面推进到边框的距离S为：

S＝1.89[T-(a+b+c+ho)]

但实验结果告诉我们，由于(311)面在完全取代(111)面以后，与(311)面相邻的慢腐蚀面逐渐暴露出来，改变了推进速度。经验数据是有掩膜腐蚀槽的边缘离开边框或岛的距离设计值约是(311)面推进的理论计算值的0.8倍。

本发明中在铝引线下面制作SOI掺浓硼的多晶硅内引线，可以大大地提高高温压力传感器的可靠性。低漂移耐高温压力传感器中的可靠性是一个极为突出的参数。一般内引线都采用独立的铝引线或钨钛铜铝多层复合布线。由于SOI多晶硅力敏电阻具有一定的厚度，当铝引线从力敏电阻的引线孔引到边框的压焊脚时，就会经过一个“台阶”。这个“台阶”当多晶硅薄膜偏厚而铝层偏薄的情况下，就会造成铝引线在“台阶”边缘处发生断裂现象，造成器件失效。尤其是传感器经过长期高温高压工作后，很容易造成“台阶”处铝引线断裂，造成传感器失效，可靠性大大下降。本发明的特点是在制作力敏电阻和网络内补偿电阻的同时，同时制作掺浓硼的多晶硅内引线，使它们连为一体。并且从力敏电阻和网络内补偿电阻的引线孔开始至边框的压焊脚全部掺浓硼，使其成为低阻的多晶硅引线，这在工艺上不增加任何步骤，但却巧妙地介决了铝引线的断裂问题。当铝引线在其表面引出时，就不存在高低不平的任何“台阶”。保证了高温高压传感器在长期工作过程中的高可靠性。

下面是本发明压力传感器的具体制作步骤，

1.双面热生长SiO₂。

2.双面光刻，形成正反面光刻对准记号，见附图2(1)。

3.双面热生长SiO₂。

4.光刻背大膜，正面胶保护。

5.背大膜腐蚀，见图2(2)。

6.双面热生长SiO₂。

7.淀积多晶硅，见图2(3)。

8.多晶硅层掺硼杂质，形成具有一定的薄层电阻。

9.正面光刻电阻区，背面光刻背岛和分片槽。

10.腐蚀正反面暴露的多晶硅区，见图2(4)。

11.光刻引线孔区。

12.引线孔区掺入高浓硼杂质。

13.蒸镀铝层。

14.反刻铝引线，见图2(5)。

15.铝和引线孔内浓硼区合金化，形成欧姆接触。

16.用特殊夹具，对背岛和分片槽进行湿法腐蚀，直至所需深度。见图2(6)。

Claims (4)

1、一种单片硅基SOI高温低漂移压力传感器，其特征在于其芯片包括一个N^-型或P^-型硅衬底(1)，在硅衬底的两面覆盖有绝缘层(2)；绝缘层(2)表面淀积多晶硅层或制作单晶硅层，在绝缘层(2)表面用氧化光刻技术生成有四个SOI多晶硅力敏电阻(3)和内补偿的四个SOl多晶硅网络电阻(4)，并形成掺浓硼的多晶硅内引线(5)与上述电阻连接；在多晶硅内引线(5)表面覆盖铝引线(6)；SOI多晶硅力敏电阻(3)制作在中心梁(7)和边梁(8)内；内补偿多晶硅网络电阻(4)制作在边框(9)的表面，不受力的作用；芯片背面具有方形开口(10)，开口内制作有两个矩形背岛(11)，背岛的深度由传感器测量范围决定；在边框与背岛之间有边梁(8)，背岛与背岛之间有中心梁(7)；在背岛和梁的周围为硅膜(12)。

2、根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于所述力敏电阻(3)的电阻R₁和R₄制作在边梁(8)内，电阻R₂和R₃制作在中心梁(9)内；当正面受到正压强时，R₁和R₄增大，R₂和R₃减小，使电桥失去平衡，产生与压强成正比的电信号。

3、根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于所述芯片正面的硅膜区(12)的深度为5μm至50μm。

4、一种根据权利要求1所述的压力传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)取一片厚度为0.3-1毫米双面抛光的单晶硅作衬底(1)，采用常规的氧化光刻工艺，在衬底两面先形成双面光刻对准记号，然后继续氧化并在衬底背面光刻出方形开口(10)，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口中硅表面，深度为5-10μm：

(2)双面氧化并淀积氮化硅薄膜，得到绝缘层(2)，再正面淀积多晶硅薄膜或用SIMOX SOI和SmartCut SOI技术制作单晶硅薄膜；

(3)采用离子束注入技术或热扩散技术，在多晶硅或单晶硅薄膜中掺入硼原子，使其成为P型导电层，再用光刻和湿法或RIE干法刻蚀技术，在表面形成多晶硅或单晶硅力敏电阻(3)、内补偿的多晶硅或单晶硅网络电阻(4)和作连接用掺浓硼的多晶硅或单晶硅内引线(5)；

(4)背面光刻矩形背岛(11)，正面光刻引线孔，并蒸镀铝膜反刻形成铝内引线(6)，使多晶硅或单晶硅力敏电阻(3)和内补偿的多晶硅或单晶硅网络电阻(4)之间形成闭环的惠斯顿电桥，在边框(9)上引出八个压焊脚，其中四个作为调节失调电压时使用；

(5)对衬底背面方形开口区进行湿法腐蚀，直至对应所需要量程的深度。

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