多晶硅纳米薄膜牺牲层压力敏感结构设计

　　引言

　　半导体压力传感器在检测和现代工业控制领域中用途广泛^[1]。目前,最成功的商用半导体压力传感器是采用硅杯结构的扩散硅压力传感器,这种传感器工艺成熟、造价低、灵敏度高,但工作温度低、温漂大。硅杯结构的弹性膜片厚度一般为几十μm,很难做到10μm以下,不利于灵敏度的提高,而且硅杯的尺寸也相对较大,因此芯片利用率低,不利于传感器的集成化^[2]。针对这些弱点的研究一直为人们所关注,一般采用SOI(绝缘层上的硅)单晶薄膜或多晶硅薄膜作应变电阻来改善温度特性^[3],采用牺牲层技术提高传感器灵敏度、减小器件尺寸^[4]。用牺牲层技术制做压力敏感结构,弹性膜片厚度可以做到μm级,并且不需要双面加工和阳极键合封装,更有利于传感器的集成化。

　　SOI单晶硅薄膜压力传感器具有良好的温度特性,但成本高,而且很难实现牺牲层压力敏感结构。采用普通多晶硅薄膜作应变电阻来改善温度特性,需要提高掺杂浓度,这就使应变因子显著变小,导致传感器灵敏度降低。为此,文中利用多晶硅纳米薄膜作应变电阻,来设计牺牲层压力敏感结构。多晶硅纳米薄膜是膜厚接近或小于100 nm的多晶硅薄膜,最新研究结果表明这种薄膜具有显著的隧道压阻效应,表现出比常规多晶硅薄膜更优越的压阻特性^[5],重掺杂条件下其应变因子仍可达到34,具有负应变因子温度系数,数值小于1×10^-3/℃,电阻温度系数可小于2×10^-4/℃^[6].因此,牺牲层结构多晶硅纳米薄膜压力传感器的研究对发展高灵敏、低温漂、宽工作温度范围的低成本压力传感器具有重要意义。

　　1　压力敏感结构的结构设计

　　文中将多晶硅纳米薄膜与牺牲层技术相结合,给出了一种压力传感器力敏结构芯片的设计方法。其主要设计参数:多晶硅纳米薄膜电阻R0=3 200Ω;量程为0~0·2 MPa;灵敏度S≥50 mV/(MPa·V);零点温漂系数≤1×10^-3FS/℃;灵敏度温漂系数数值(电路补偿前)≤1×10^-3FS/℃.

　　多晶硅纳米薄膜牺牲层压力敏感结构如图1所示,其中图1(a)为牺牲层压力敏感结构俯视图,图1(b)为牺牲层压力敏感结构剖面图。在结构设计中,通过有限元分析确定多晶硅弹性膜片参数和敏感电阻分布,在多晶硅膜片上制作4个多晶硅纳米薄膜应变电阻组成惠斯登电桥输出信号。

　　采用传统的微电子工艺便可制作这种牺牲层压力敏感结构。首先用PECVD(等离子增强化学气相淀积)法淀积SiO2层,经光刻腐蚀出如图2 (a)所示的牺牲层结构。在牺牲层上用LPCVD(低压化学气相淀积)法淀积多晶硅结构层,经过光刻形成刻蚀孔,如图2 (b)所示。牺牲层腐蚀掉后,再淀积一层LPCVD多晶硅,对刻蚀孔进行密封,形成密封腔。之后,淀积多晶硅纳米薄膜用来制作应变电阻,并且对多晶硅进行退火处理,蒸铝、光刻、钝化后形成牺牲层压力敏感结构,如图1 (b)所示：