[发明专利]一种硅圆膜压阻传感器、及其实现方法

说明书

本发明提供一种硅圆膜压阻传感器及其实现方法。该方法包括在晶向100的N型硅圆膜上通过扩散工艺设置结深相同、构成惠斯通平衡电桥的电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R3串联作为惠斯通平衡电桥的一臂、电阻R2、R4串联作为惠斯通平衡电桥的另一臂；电阻R1和R2阻值相等、两端硅晶向110分别设置在硅圆膜上的各自指定位置，电阻R3和R4阻值相等、两端沿硅晶向设置在硅圆膜上、满足电阻R3、R4所受到的横向应力与电阻R1、R2所受到的纵向应力相等的位置。本发明提供的方法能够改善惠斯通平衡电桥形式的压阻传感器压阻变化的线性度。

技术领域

本发明提供的技术方案涉及半导体传感器的制造领域，具体涉及一种在硅圆膜上实现惠斯通平衡电桥形式的压阻传感器的方法。

背景技术

硅晶体有良好的弹性形变性能，受到力的作用后，电阻率将发生显著的变化，具有显著的压阻效应。应用现代微电子技术，利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的压阻传感器，具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化和批量生产及使用方便等特点，可用于测量力，压力、加速度、载荷和扭矩等参量。

压阻传感器的性能与结构和制造工艺有着密切的关系,其基本结构的确定应同时考虑性能和工艺可行性这两个因素。常规的压阻传感器如图1、2所示，主要利用硅压阻效应通过半导体平面工艺,在硅膜片上以一定的晶向、通过硼扩散布局四个电阻R1-R4并连成惠斯通平衡电桥来实现。当硅膜片受压力时、晶格内部将产生畸变引起晶体固有电阻率变化，由于压阻效应和晶向位置的关系,四个电阻中R1、R3减小，R2、R4增大。通过惠斯通电桥的测量点位a、b的电位差反应出硅膜片受到压力的大小。

然而、由材料的压阻效应可知、对于金属/半导体圆膜来说,若沿它的某一晶面加以压力或拉力时,其晶格内部将产生畸变,这一畸变将导致晶体内部能级构造的变化,进一步导致载流子相对能量的改变,从而引起晶体固有电阻率变化的物理现象。对硅片来说、电阻变化率公式可以简化成：

其中、π_l为硅膜片的径向压阻系数，σ_l为电阻纵向承受的应力，π_t为硅膜片的切向压阻系数，σ_t为电阻横向承受的应力。由于压力使圆膜片变位远远小于膜片厚度,因此、它的实际变形符合固边固支园膜片应力分布理论。此时、对于硅圆膜、其径向应力系数随径向距离的变化、切向应力系数随切向距离的变化都是非线性的。压阻传感器中固定在硅圆膜上的电阻，其电阻值随压力大小的变化是非线性的，导致现有的压阻传感器不能应用到某些要求压阻传感器具有精度高、线性度好的应用场景。

发明内容

为了提高压阻传感器的电阻值随压力大小的变化的线性度，本发明提供一种硅圆膜压阻传感器的实现方法。通过该方法制作的压阻传感器的电阻值随压力变化具有较好的线性度。

本发明第一方面提供的一种硅圆膜压阻传感器的实现方法。该方法包括：在晶向100的N型硅圆膜上通过硼扩散工艺设置结深相同、构成惠斯通平衡电桥的电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R3串联作为惠斯通平衡电桥的一臂、电阻R2、R4串联作为惠斯通平衡电桥的另一臂；电阻R1和R2阻值相等、两端沿硅圆膜的纵向(即硅晶向110)分别设置在硅圆膜上各自的指定位置，电阻R3、R4阻值相等、两端沿硅圆膜的横向(即硅晶向)分别设置在硅圆膜上各自的应变平衡位置；当电阻R3、R4分别设置于各自应变平衡位置时，电阻R3、R4所受到的横向应力与电阻R1、R2所受到的纵向应力相等。由于R1、R2、R3、R4各自沿特定的硅晶向设置，电阻R1、R2的电阻变化只由硅晶向110方向受到的应力决定，电阻R3、R4的电阻变化只由硅晶向11_0方向受到的应力决定。

进一步地、所述应变平衡位置对基于约束条件电阻R3、R4所受到的横向应力与电阻R1、R2所受到的纵向应力相等，已知的电阻R1、R2各自的所述指定位置，硅压阻效应物理模型以及硅圆膜应力分布函数构建方程求解得到。