耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片及其製作方法

2023-07-28 09:25:26 2

專利名稱：耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種耐高溫傳感器測量晶片及其製作方法，具體的說，涉及一種用於力敏傳感器的固態壓阻式平膜力敏晶片及其製作方法。
背景技術：
目前，力敏傳感器所用的測量元件有單個金屬應變片、橋式金屬應變片、矽壓阻橋式應變片及體矽固態壓阻晶片。
現有傳感器採用單個金屬應變片作為測量元件時，常需要與其它單個應變片或外圍電路相匹配才能構成測量單元，這樣就存在著不一致性，從而導致零位輸出過大，同時其測量精度和靈敏度較低。
橋式金屬應變片是把四個單個金屬應變片作為惠斯登電橋上的四個電阻條的一種應變片，因金屬應變效應，它存在著體積大、測量靈敏度低、零位誤差大等缺點，不能對一些微小構件、微弱應變進行檢測。
傳統的體矽壓力傳感器晶片的惠斯登測量電橋的四個電阻條是利用矽平面離子注入工藝或矽平面擴散工藝，通過矽片表面的SiO2作為注入或擴散掩膜，把待摻雜的元素從SiO2掩膜窗口注入擴散到矽片內，在上層P型半導體電阻條與基底N型矽形成PN結。這種PN結結構的傳感器工藝簡單，適合在常溫下工作，但當溫度升高到120℃以上時，PN結漏電流很大，而使該種力敏晶片無法工作。

發明內容
本發明的目的在於提供一種用於耐高溫固態壓阻式平膜力敏傳感器的測量晶片及其製作方法，以解決傳統金屬應變片體積過大、靈敏度低、零位誤差大以及矽壓阻橋式應變片的零位誤差和溫度漂移大的缺點。
為實現上述目的，本發明提供一種耐高溫矽應變固態壓阻式平膜力敏晶片及其製作方法，該力敏晶片是由在矽基底上加入0.3μm～0.4μm的二氧化矽隔離層，在二氧化矽隔離層上加入1.2μm～2μm矽測量電路層，以及在矽測量電路層上加入0.1μm～0.2μm氮化矽應力匹配層組成。在製作過程中，應用高能氧離子注入技術(SIMOX)在矽晶片表面下一定深度形成一定厚度的隔離層(SOI)，在矽晶片表面上用氣相澱積(CVD)技術外延一定厚度單晶矽，採用低壓氣相澱積(LPCVD)技術在已澱積的單晶矽層上外延一層應力匹配層氮化矽，在晶片表面上(001)晶面沿[110]晶向和[110]晶向光刻出惠斯登電橋的四個電阻R1、R2、R3和R4，再用等離子體刻蝕(RIE)技術刻掉電阻條圖形以外的氮化矽和單晶矽，得到凸出晶片表面的電阻條的測量電路。通過鈦-鉑-金梁式引線方法將刻出的惠斯登電橋四個電阻R1、R2、R3和R4連接起來組成惠斯登測量電路，之後將傳感器晶片的背面減薄，最後經過劃片切片得到所設計的SOI耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片。
採用SIMOX技術形成的均勻一致的二氧化矽絕緣層，將上層的單晶矽惠斯登測量電路與基底矽隔離開，避免了測量電路層與矽基底之間因環境溫度升高而造成的漏電流。採用鈦-鉑-金梁式引線技術，即與矽電阻條接觸的金屬為鈦，中間的阻擋擴散金屬為鉑，外界梁金屬為金，採用鈦-鉑-金梁式引線解決了力敏晶片的高溫引線技術問題，因此由SOI耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片封裝而成的傳感器具有耐高溫的特性。
該晶片的優點就在於能夠保證較高測量靈敏度的同時，滿足高溫環境下的測量要求。


圖1表示本發明矽隔離SOI微應變固態壓阻傳感器製作方法圖2表示本發明所述的力敏晶片組成結構圖，其中圖2(a)為力敏晶片的電路結構圖；圖2(b)為凸出於矽面的「浮雕式」電阻條測量電路；圖3表示本發明具體使用範圍及方式，其中圖3(a)為力敏晶片使用在彈性梁上；圖3(b)為力敏晶片作用在彈性元件上。
具體實施例方式
本發明通過實施例結合附圖加以說明，並詳述本發明的實施方案。
參照圖1，本發明是由在矽基底1上加入0.3μm～0.4μm的二氧化矽隔離層2，在二氧化矽隔離層2上加入1.2μm～2μm矽測量電路層3，以及在矽測量電路層3上加入0.1μm～0.2μm氮化矽應力匹配層4組成。
本發明包括在一(001)晶面的矽膜的二氧化矽絕緣層2上布置四個電阻條，其中電阻條R1和R4沿著矽膜[110]晶向布置，電阻條R2和R3沿[110]晶向平行並列布置，惠斯登電橋結構呈蝶形。其中電阻條的寬度為10μm～20μm，電阻條長度為600μm～1200μm。
電阻條R1和R2通過一公共的壓焊塊6連接，電阻條R3和R4通過一公共的壓焊塊7連接；壓焊塊5、8、9、10分別與電阻條R1、R4、R3和R2的另一端相連，壓焊塊的作用是實現晶片內與晶片外的引線。由電阻條R1、R2、R3和R4組成惠斯登測量電路時，壓焊塊5和9短接在一起至電源正極5V，壓焊塊4和10短接在一起與電源地連接，焊接塊6和7為電橋的輸出端。
參照圖2，說明本發明的耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片的製作方法1)、在N型(001)單晶矽片上，用高能氧離子注入(SIMOX)技術在矽表面0.1μm～0.2μm下形成約0.3μm～0.4μm厚的二氧化矽隔離層；2)、在二氧化矽隔離層的矽表面用氣相澱積技術澱積厚度約為1.2μm～2μm厚的單晶矽測量電路層；3)、用低壓氣相澱積(LPCVD)技術澱積0.1μm～0.2μm的一層應力匹配層氮化矽；4)、在(001)晶面沿[110]晶向和[110]晶向光刻出惠斯登電橋的四個電阻R1、R2、R3和R4，採用等離子體刻蝕(RIE)技術刻掉電阻條圖形以外的氮化矽和單晶矽，得到凸出於矽面的「浮雕式」電阻條測量電路；5)、通過鈦-鉑-金梁式引線工藝將四個電阻條連接起來組成惠斯登測量電路，6)、為提高傳感器晶片的測量靈敏度，傳感器的背面減薄至0.18～0.2mm，經過劃片即得到所設計的SOI耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片。
由於經過SIMOX工藝形成均勻一致的絕緣層二氧化矽，將上層的單晶矽惠斯登測量電路與基底矽隔離開，避免了測量電路層與矽基底之間因環境溫度升高而造成的漏電流。為保證壓焊塊與電阻條之間有良好的歐姆接觸和傳感器晶片在高溫環境下外引線的可靠性，壓焊塊採用鈦-鉑-金梁式引線技術，即與矽電阻條接觸的金屬為鈦，鈦與矽具有很小的接觸電阻，容易形成良好的歐姆接觸；中間的阻擋擴散金屬為鉑，具有好的抗腐蝕性；外界梁金屬為金，因金梁容易鍵合，容易製造，且有較高的耐蝕性，鈦-鉑-金的厚度比為500∶500∶5000(單位)，採用鈦-鉑-金梁式引線解決了力敏晶片的高溫引線技術問題，所以由SOI耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片封裝而成的傳感器具有耐高溫的特性。固態壓阻式平膜力敏晶片的優點就在於在測量時能夠保證較高靈敏度的同時，能夠滿足高溫環境下的測量要求。
應用該力敏晶片可製作出多種不同作用機理上的傳感器，如拉力、張力、位移、扭矩、壓力等傳感器，被測量體通過SOI矽力敏晶片可直接轉換成電阻的變化，但要達到對被測量體方便而準確的檢測，必須藉助一定的彈性元件和電路形式，當應用平膜力敏晶片製作成拉力、張力、位移、扭矩、壓力等傳感器時，通常需要SOI耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片與金屬彈性元件之間通過玻璃粉燒結等工藝固結在一起，其中金屬彈性元件要求其熱脹係數儘量與矽的一致，以減小熱失配應力的影響，矽膜片上的受力沿晶向[110]或[110]方向，即SOI矽膜片(001)工作晶面上惠斯登電橋的兩臂電阻R1、R4置於[110]晶向，另兩臂電阻R2、R3置於[110]晶向。
參照圖3(a)，測量力、位移、加速度時，將本發明的力敏晶片11帖在懸臂梁12的一端，外界力、位移或加速度作用於傳感器懸臂梁12的另一端，引起懸臂梁的變形，並在懸臂梁的表面產生一定的應變，SOI敏感元件11在恆定電源激勵下，即可將此應變轉換成一定的電壓信號，達到測量力、位移、加速度的目的。
參照圖3(b)，測量拉力、張力時，被測拉力、張力作用在彈性元件13上，使彈性元件13發生變形，在彈性元件表面產生相應的應變，SOI耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片11可將此應變轉換成與之對應的電壓信號，從而達到測量拉力、張力的目的。
SOI耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片的電阻變化率ΔR/R的正負變化由應力差的正負變化來實現。對於R1、R4，縱向應力σl＝σy，橫向應力σt＝σx；對於R2、R3，縱向應力σl＝σx，橫向應力σt＝σy。縱向壓阻係數πl＝1/2π44，橫向壓阻係數πt＝-1/2π44，發生應變時，惠斯登電橋上各電阻阻值變化率分別為R1R1=R4R4=1244(y-x)---(1)]]>R2R2=R3R3=1244(x-y)---(2)]]>其中σy，σx分別為彈性元件測量點處縱向和橫向的應力。由四個凸出於矽面的「浮雕式」電阻組成的惠斯登電橋能靈敏地反映應力所導致地電阻變化；又能有效地消除擴散電阻本身的不均勻性及電阻溫度係數的影響。
以下是本發明經實施後得出的結果SOI耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片的外形尺寸2.0mm×2.0mm×0.18mm；靈敏度≥0.1mv/με；應變極限≥3000με；單個電阻條阻值1200Ω；電源5VDC；工作溫度-40～350℃；疲勞壽命≥107次。
權利要求
1.一種耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片，該晶片包括有矽基底[1]，其特徵是在矽基底[1]上加入0.3μm～0.4μm的二氧化矽隔離層[2]，在二氧化矽隔[2]離層上加入1.2μm～2μm矽測量電路層[3]，以及在矽測量電路層[3]上加入0.1μm～0.2μm氮化矽應力匹配層[4]。
2.根據權利要求1所述的耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片，其特徵在於在矽基底[1]上加入0.4μm的二氧化矽隔離層[2]。
3.根據權利要求1所述的耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片，其特徵在於在二氧化矽隔離層[2]加入2μm矽測量電路層[3]。
4.根據權利要求1所述的耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片，其特徵在於在矽測量電路層[3]上加入0.1μm氮化矽應力匹配層[4]。
5.一種耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片的製作方法，其特徵包括以下步驟a)、在N型(001)單晶矽片上，用高能氧離子注入法在矽表面的0.1μm～0.2μm下形成厚0.3μm～0.4μm的二氧化矽隔離層[2]；b)、在矽表面用氣相澱積技術外延厚度約為1.2μm～2μm厚的單晶矽測量電路層[3]；c)、用低壓氣相澱積技術外延0.1μm～0.2μm的一層氮化矽應力匹配層[4]；d)、在(001)晶面沿[110]晶向和[110]晶向光刻出惠斯登電橋的四個電阻R1、R2、R3和R4，採用等離子體刻蝕(RIE)技術刻掉電阻條圖形以外的氮化矽和單晶矽；e)、用鈦-鉑-金梁式引線技術將四個電阻R1、R2、R3和R4連接起來；f)、將晶片的背面減薄至0.18mm～0.2mm，然後劃片成單個晶片。
6.如權利要求5所述的耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片的製作方法，其特徵在於所說的凸出於二氧化矽絕緣層[2]表面的浮雕式電阻條的測量電路為蝶狀布置在晶片上。
全文摘要
本發明提供了耐高溫固態壓阻式平膜力敏晶片及其製作方法，經過SIMOX工藝在矽片下注入二氧化矽絕緣層，在矽面上光刻出四個電阻R
文檔編號H01L29/66GK1484319SQ0313444
公開日2004年3月24日 申請日期2003年7月31日 優先權日2003年7月31日
發明者蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波, 王立襄 申請人:西安交通大學