CN1755946A - 一种基于绝缘体上硅片的应力传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于高温力学测量以及集成电路制造、封装和测量技术领域的一种基于绝缘体上硅片的应力传感器芯片。在硅衬底上制作二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅绝缘层上制作应力敏感元件层。其优点是传感器芯片可以测量全部6个方向的应力，同时，SOI衬底制造的应力传感器不使用反向偏置的pn结作为绝缘，即在高温下仍能保持绝缘性，保证了传感器芯片工作的可靠性，传感器芯片能够工作在600度的高温环境。同时，这种用两种不同晶向的单晶硅组成的SOI制造的应力传感器芯片，在取代被测集成电路管芯对其进行应力测量时，能够再现实际集成电路芯片的应力情况，并准确测量芯片所受到的全部六个应力分量。

Description

一种基于绝缘体上硅片的应力传感器芯片

技术领域

本发明属于高温力学测量以及集成电路制造、封装和测量技术领域。特别涉及一种基于绝缘体上硅片(SOI)的应力传感器芯片。

背景技术

尽管集成电路的集成度在不断提高，但是集成电路的面积和复杂性仍旧随着对功能和性能要求的提高在不断增加。集成电路在封装以后的应力对集成电路的可靠性和性能都会产生巨大的影响，特别对于大面积、小特征尺寸或者多层和多芯片封装的情况，在封装过程中，芯片与粘合剂、粘合剂与封装衬底之间会形成应力，使得芯片在封装后产生复杂的应力分布，这些应力会对集成电路的性能(例如沟道电阻、失配)以及可靠性(例如断裂)等产生重要的影响。随着集成电路特征尺寸的缩小、芯片面积的增加以及多层和多芯片封装的使用，应力引起的问题变得越来越严重。

为了降低和消除这些应力产生的影响，必须能够准确再现并测量应力分布情况。为了测量集成电路芯片的应力，必须使用晶向和尺寸与被测量集成电路芯片完全相同的测试传感器芯片来取代被测量芯片的位置，才能使传感器芯片经历应力作用过程和应力分布与被测芯片完全相同，准确反应和再现被测芯片的应力状态。测量应力的敏感器件可以采用压敏电阻或者金属-氧化物-半导体场效应晶体(MOSFET)三极管。前者具有工艺易于实现，后续电路简单的特点，但是为了获得适当阻值的电阻，通常需要占用较大的面积，导致测量的空间分辨率较低；采用MOSFET作为应力敏感器件能够减小传感器单元占用的面积，从而提高测量的空间分辨率，对于应力变化较为迅速的区域非常有用，但是制造过程相对复杂。

由于集成电路制造中多采用基于(100)晶向的硅片作为基底，因此为了保证传感器芯片的应力分布与被测集成电路芯片相同，传感器芯片应该采用(100)晶向的硅片作为基底，并使二者有完全相同的尺寸，通过合理布置敏感元件测量芯片的应力分布。然而使用(100)晶向的硅片作为应力传感器芯片有一个重要的缺点，就是基于(100)晶向硅片的应力传感器只能测量全部6个应力分量中的四个，包括三个正应力和面内剪切应力，即另外两个剪切应力分量无法测量，导致使用(100)硅片作为传感器芯片不能实现全部应力分量的测量。基于(111)晶向硅片的应力传感器芯片，能够测量全部六个应力分量；但是如果使用(111)晶向的传感器芯片取代被测量芯片置于封装中，则会由(111)硅片与(100)硅片的力学性能不同而导致(111)传感器芯片承受的应力分布与(100)被测芯片的应力分布完全不同，因而无法准确再现实际(100)芯片的受力状态。

另外，采用体硅材料上制造的压阻或者MOSFET应力测量芯片，其使用温度受到限制。这主要是由于体硅材料上器件的绝缘主要依靠反向偏置的pn结形成隔离和绝缘，但是在高温工作环境中，反向偏置的pn结和衬底漏电漏电流显著增加，反偏pn结的绝缘能力迅速下降，严重影响传感器的性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于绝缘体上硅片的应力传感器芯片。其特征在于：所述测量硅片应力的传感器芯片为硅衬底1上制作二氧化硅绝缘层2，并二氧化硅绝缘层2上制作应力敏感元件层3。

所述硅衬底1为(100)晶向的SOI单晶硅，因此能够再现普通集成电路中的应力状态。

所述应力敏感元件3为压敏电阻或者MOSFET器件，采用(100)或者(111)晶向的单晶硅制作。

所述SOI硅片的二氧化硅层和应力敏感元件层的厚度在20-5000nm；

所述SOI硅片的衬底层可以进行任意浓度掺杂；应力敏感元件层为按照应力敏感元件类型而掺杂的n型或p型硅；

所述两种敏感元件按与IC工艺兼容的工艺方法制作。

本发明的特点是：它基于SOI硅片进行制造，即使在高温下仍能保持绝缘性，实现传感器芯片的高温可靠性；衬底和器件层采用不同晶向硅，如衬底为(100)晶向，应力敏感元件层为(111)晶向，传感器芯片在封装中代替被测量芯片后，可以准确的再现同样的应力分布，而应力敏感元件层采用(111)晶向硅使其上的应力敏感器件可以测量得到全部应力分量。如果应力敏感元件层也采用(100)晶向的硅，则可以实现高温环境下的4个应力分量的测量。因此，本发明兼顾了在传感器芯片上准确再现应力分布和测量全部六个应力分量的优点，并且具备了高温条件下的工作能力。

附图说明

图1为硅片的应力传感器芯片的结构示意图。

图2为(100)单晶硅上用于4个应力分量测量的压阻传感器结构示意图。

图3为(111)单晶硅上用于全部6个应力分量测量的压阻传感器结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于绝缘体上硅片的应力传感器芯片。下面结合附图说明本发明的工作原理。

图1所示为SOI硅片的应力传感器芯片的结构示意图。在图1中，在硅衬底1上制作二氧化硅绝缘层2，并二氧化硅绝缘层2上制作应力敏感元件层3。而SOI硅片通过氧化绝缘层2实现应力敏感元件层和衬底之间的绝缘，即使在高温下仍能保持绝缘性，保证了传感器芯片工作的可靠性，因此克服普通硅片上的IC通过反偏PN结实现应力敏感元件层和衬底的绝缘，温度升高时面临着反偏漏电流增大对应力敏感元件层的性能产生影响。衬底1和应力敏感元件层3采用不同晶向硅，衬底为(100)晶向，应力敏感元件层为(111)晶向，由于衬底的厚度远远大于氧化层与应力敏感元件层厚度之和，所以整个芯片可以近似认为是基于(100)硅片制造；在目前的IC制造中，绝大多数情况下使用的是(100)晶向硅片，故传感器芯片在封装中代替被测量芯片后，可以在应力敏感元件层的应力敏感器件上准确的再现同样的应力分布；实际感应应力的应力敏感元件层采用(111)晶向硅，相关的理论分析则表明在(111)晶向硅上可以测量得到全部六个应力分量，这就克服了(100)晶向硅上应力敏感器件只能测量四个应力分量的不足。

图2所示为(100)单晶硅上用于4个应力分量测量的压阻结构示意图；图3所示为(111)单晶硅上用于全部6个应力分量测量的压阻结构示意图。图2中阴影区域为p型压阻，图3中阴影区域为n型压阻。通过测量压阻的变化，可以得到相应的应力分量的数值。上述应力传感器芯片实现了全应力测量和高温测量，它利用压敏电阻阻值或MOSFET沟道电阻阻值在受到应力作用时会发生改变的特性，将SOI应力传感器芯片取代被测量芯片而置于封装中，被测芯片经受的应力分布会再现到传感器芯片上，引起压敏电阻或者MOSFET沟道电阻的变化，从而通过测量阻值实现对应力的测量。采用(100)晶向的单晶硅作为顶层时，压阻或者MOSFET制造在(100)单晶硅上，这种情况可以在高温环境下工作，测量4个应力；采用(111)顶层制造压阻或者MOSFET时，不仅可以工作在高温环境，还能够依靠(111)单晶硅实现6方向应力测量。由于SOI中的二氧化硅绝缘层被用作隔离绝缘使用，不再需要反向偏置的pn结，因此可以工作在600度以上的高温环境中。因此本发明具有灵敏度高、全应力分量测量、可工作于高温条件、与IC工艺兼容等优点。

Claims (5)

1.一种基于绝缘体上硅片的应力传感器芯片，其特征在于：所述测量硅片应力的传感器芯片为硅衬底(1)上制作二氧化硅绝缘层(2)，并二氧化硅绝缘层(2)上制作应力敏感元件层(3)。

2根据权利要求1所述基于绝缘体上硅片的应力传感器芯片，其特征在于：所述硅衬底(1)为(100)晶向的单晶硅，因此能够再现普通集成电路中的应方状态。

3根据权利要求1所述基于绝缘体上硅片的应力传感器芯片，其特征在于：所述应力敏感元件(3)为压敏电阻或者MOSFET器件，采用(100)或者(111)晶向的单晶硅制作。

4根据权利要求1所述基于绝缘体上硅片的应力传感器芯片，其特征在于：所述SOI硅片的二氧化硅层和应力敏感元件层的厚度在20-5000nm。

5根据权利要求1所述基于绝缘体上硅片的应力传感器芯片，其特征在于：所述SOI硅片的衬底层可以进行任意浓度掺杂；应力敏感元件层为按照应力敏感元件类型而掺杂的n型或p型硅。

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