基于電學(xué)修正多晶硅納米薄膜的壓力傳感器*

陸學(xué)斌孫 偉于 斌

(1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院物流與信息工程學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 湖州 313000；3.哈爾濱理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

在石油鉆機和一些汽車工業(yè)領(lǐng)域中，高溫壓力傳感器的需求依然存在。由于離子注入壓敏電阻和襯底之間的PN結(jié)不可避免地存在反向電流泄漏[1-2]，傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器已失去了使用空間。多晶硅作為一種多用途材料，近些年已被廣泛應(yīng)用于微電子、集成電路和微電子機械系統(tǒng)(MEMS)[3-6]。自從1974年第一個多晶硅壓力傳感器被發(fā)明以來[7]，已有多種多晶硅壓力傳感器被研究報道[8-12]。在這些研究中，傳感器的壓敏電阻通常由微米級厚度的多晶硅膜(普通多晶硅薄膜)制成。這些壓力傳感器在一定程度上可以同時實現(xiàn)低溫度系數(shù)和高靈敏度。

作為一種尺度在納米級別的薄膜材料，納米材料通常表現(xiàn)出獨有或優(yōu)良的特性[13-14]。和普通多晶硅薄膜相比較，納米尺度的多晶硅薄膜(多晶硅納米薄膜)表現(xiàn)出了高應(yīng)變系數(shù)和低溫度系數(shù)的特性[15-16]。電學(xué)修正是在壓敏電阻上逐步施加增量直流電流而使其電阻發(fā)生變化的一種方法，電學(xué)修正后的壓敏電阻穩(wěn)定性更高，利用電學(xué)修正可以進(jìn)一步提高傳感器制造封裝后壓敏電阻的穩(wěn)定性和匹配性[17-19]。

利用80 nm厚的多晶硅納米薄膜作為壓敏電阻，設(shè)計制作了一種壓力傳感器，封裝后利用電學(xué)修正方法對壓敏電阻進(jìn)行了微調(diào)匹配。對壓力傳感器的制作過程進(jìn)行了完整描述，對傳感器的壓力和溫度特性進(jìn)行了測量和分析。

1 實驗材料和方法

1.1 多晶硅納米薄膜樣品制備

選擇＜111＞晶向的單晶硅(厚度為510μm)作為襯底，然后通過熱氧化生長出厚度為0.86μm的氧化層。在620℃下，采用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)在氧化層上沉積了80 nm厚的多晶硅納米薄膜樣品。低壓化學(xué)氣相沉積的能量為20 keV、硼離子注入摻雜劑量為3.5×1015cm-2。根據(jù)硼離子在硅中的固溶性，可以估算樣品的摻雜濃度為3.0×1020cm-3。為了對硼離子進(jìn)行電激活，在1 080℃高溫和氮氣保護(hù)條件下，樣品退火30 min。采用光刻和濕法刻蝕技術(shù)制備了長為400μm、寬為100μm的多晶硅納米薄膜壓敏電阻。利用蒸鍍技術(shù)將鋁膜蒸發(fā)到襯底上形成電極。最后通過光刻獲得了帶有多晶硅納米薄膜壓敏電阻的懸臂梁。懸臂梁的最終尺寸長26 mm、寬4 mm。使用懸臂梁上的多晶硅納米薄膜電阻樣品測量壓阻、溫度和電學(xué)修正特性。

1.2 多晶硅納米薄膜壓力傳感器

利用Tanner L-edit軟件完成多晶硅納米薄膜壓力傳感器的版圖設(shè)計，如圖1所示。該版圖包含多晶硅電阻層、金屬層、硅杯層和鈍化掩膜層。

圖1 壓力傳感器版圖

完整的多晶硅納米薄膜壓力傳感器制作工藝流程如下:①選擇厚度為400μm的(110)單晶硅片作為襯底；②采用熱氧化法在襯底兩側(cè)生長SiO2層作為電學(xué)隔離層；③利用LPCVD方法在襯底背面制備氮化硅層，該氮化硅作為KOH蝕刻硅杯的掩蔽膜；④利用LPCVD方法，在620℃條件下，在硅片正面沉積了厚度為80 nm的多晶硅納米薄膜；⑤通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)方法在多晶硅納米薄膜上沉積SiO2層，該SiO2層用于調(diào)節(jié)多晶硅納米薄膜壓敏電阻的摻雜濃度；⑥通過離子注入硼對樣品進(jìn)行摻雜；摻雜濃度估算為3.0×1020cm-3；⑦為了電激活硼離子并使摻雜均勻，樣品在1 100℃下在氮氣保護(hù)下退火0.5 h；⑧去除PECVD生成的SiO2層，然后利用光刻獲得多晶硅納米薄膜壓敏電阻，共計8個；⑨利用蒸鍍工藝，將金屬鋁膜蒸發(fā)到硅片上，然后通過光刻方法形成金屬連線，該金屬連線將多晶硅納米電阻條連接成惠斯通電橋形式；⑩采用KOH定時刻蝕方法，通過各向異性刻蝕形成厚度為60μm的2∶1矩形硅膜片；○1硅片在真空條件下鍵合在Pyrex玻璃上；○12采用PECVD方法在襯底正面沉積了一層氮化硅薄膜進(jìn)行表面鈍化；○13壓力傳感器采用固態(tài)封裝隔離技術(shù)進(jìn)行封裝，隔離液為不可壓縮無機硅油；○14最后利用電學(xué)修正技術(shù)對惠斯通電橋中的多晶硅納米薄膜電阻進(jìn)行修正。

制備完成的多晶硅納米薄膜壓力傳感器的照片如圖2所示。在圖2(a)中，有四組惠斯通半橋電橋，通過選擇合適的半橋并在封裝后進(jìn)行電學(xué)修正，可以保證惠斯通電橋中的四個壓敏電阻精確匹配。

圖2 壓力傳感器實物圖

2 實驗結(jié)果

2.1 多晶硅納米薄膜壓阻、溫度和電學(xué)修正特性

為了獲得多晶硅納米薄膜壓敏電阻的壓阻和溫度特性，在25℃到200℃之間對樣品進(jìn)行測試。應(yīng)變系數(shù)、歸一化電阻和測試溫度之間的關(guān)系如圖3所示。對圖3中的測量結(jié)果進(jìn)行最小二乘擬合，可計算出應(yīng)變系數(shù)的溫度系數(shù)(Temperature Coefficient of Gauge Factor，TCGF)和電阻的溫度系數(shù)(Temperature Coefficient of Resistance，TCR)分別為-0.10%/℃和0.009 7%/℃。

圖3 應(yīng)變系數(shù)、歸一化電阻和測試溫度之間的關(guān)系

利用電學(xué)修正可以調(diào)整惠斯通電橋中的多晶硅納米薄膜壓敏電阻。為了進(jìn)行電學(xué)修正，對多晶硅納米薄膜電阻施加持續(xù)30 s的直流電流，直流電流的幅度以10 mA的步長逐步增加。每次電學(xué)修正后，使用Keithley 2000數(shù)字萬用表測量壓敏電阻的阻值。多晶硅納米薄膜壓敏電阻的電學(xué)修正特性如圖4所示。由圖4可知，對多晶硅納米薄膜壓敏電阻施加超過一定閾值的直流電流，壓敏電阻的阻值幾乎線性減小，修正范圍可在10%以內(nèi)。

圖4 多晶硅納米薄膜壓敏電阻的電學(xué)修正特性

利用LPCVD方法制備的多晶硅納米薄膜在每個晶圓上的一致性可達(dá)到2%，在不同批次晶圓之間的一致性約在5%[20]。利用LPCVD方法制備的多晶硅納米薄膜的匹配度較高，電學(xué)修正可以使多晶硅納米薄膜電阻之間進(jìn)一步匹配。

2.2 多晶硅納米薄膜壓力傳感器特性

使用精密壓力源(Mensor PCS400)對多晶硅納米薄膜壓力傳感器施加范圍為0～0.6 MPa的壓力。穩(wěn)壓直流電源(KENWOOD PW36-1.5ADP)為惠斯通電橋提供5 V恒定電壓。在每個施加的壓力下，通過數(shù)字萬用表(Keithley 2000)測量惠斯通電橋的輸出。測試溫度由溫度控制箱(ESPE EG-04AGP)控制。在本文中，測試溫度點分別為25℃、50℃、100℃、150℃和200℃。不同溫度下壓力傳感器的輸入—輸出曲線如圖5所示，其中每條曲線中的數(shù)據(jù)為三次循環(huán)行程的算術(shù)平均值。

圖5 不同溫度下壓力傳感器的輸入—輸出特性曲線

對圖5的測試結(jié)果進(jìn)行最小二乘法擬合，得到傳感器的靈敏度和失調(diào)與測試溫度之間的關(guān)系，如圖6所示。在圖6中，在25℃、50℃、100℃、150℃和200℃攝氏度時，靈敏度分別為22.19(mV/V)/MPa、21.24 (mV/V)/MPa、20.41 (mV/V)/MPa、19.52(mV/V)/MPa、18.30(mV/V)/MPa，靈敏度的溫度系數(shù)為-0.10%/℃；失調(diào)分別為1.653 mV、1.648 mV、1.633 mV、1.621 mV和1.615 mV，失調(diào)的溫度系數(shù)為-0.013%/℃。

圖6 靈敏度和失調(diào)與溫度的關(guān)系

3 分析與討論

四個多晶硅納米薄膜壓敏電阻連接成惠斯通電橋形式。使用直流電壓源供電，供電電壓為VB(恒定)，則電橋輸出VO為:

式中:R i(i＝1，2，3，4)為惠斯通電橋電阻。

在式(1)中，當(dāng)R1R3等于R2R4時，失調(diào)為零。通常情況下，R1R3不等于R2R4，壓力傳感器的失調(diào)為:

式中:S0＝R1R3-R2R4，K0＝(R1＋R2)(R3＋R4)。

失調(diào)的溫度系數(shù)為:

式中:αi(i＝1，2，3，4)為電阻的溫度系數(shù)，為參考溫度下電阻初始值。

由式(3)可知，電阻之間的匹配和電阻溫度系數(shù)之間的匹配對于降低傳感器的失調(diào)及失調(diào)溫度系數(shù)至關(guān)重要。通常電阻的溫度系數(shù)比較小，所以傳感器失調(diào)的溫度系數(shù)幾乎可以忽略不計。本文中，電阻的溫度系數(shù)為0.009 7%/℃，傳感器失調(diào)的溫度系數(shù)為-0.013%/℃。

壓阻式壓力傳感器的靈敏度和壓敏電阻的應(yīng)變系數(shù)成正比。對于恒定電壓供電的壓力傳感器，靈敏度的溫度系數(shù)(Temperature Coefficient of Sensitivity，TCS)為:

式中:S為靈敏度，GF為壓敏電阻的應(yīng)變系數(shù)。

實驗測得壓力傳感器靈敏度的溫度系數(shù)為-0.10%/℃，該數(shù)據(jù)和壓敏電阻應(yīng)變系數(shù)的溫度系數(shù)(-0.10%/℃)是吻合的。

將本文制備的壓力傳感器和之前制備的壓力傳感器[21]進(jìn)行性能比較，如表1所示。通過表1可知，二者具有幾乎相同的靈敏度，但由于本文制備的壓力傳感器中的多晶硅納米薄膜壓敏電阻進(jìn)行了電學(xué)修正，所以表現(xiàn)出更低的溫度系數(shù)和失調(diào)。

表1 未電學(xué)修正和電學(xué)修正壓力傳感器的性能比較

4 結(jié)論

本文設(shè)計并制備了一款壓力傳感器，其中的壓敏電阻由多晶硅納米薄膜制備而成。傳感器封裝后，利用電學(xué)修正技術(shù)達(dá)到壓敏電阻之間的精確匹配。由于經(jīng)過電學(xué)修正的多晶硅納米薄膜電阻具有較好的壓阻和溫度特性，壓力傳感器表現(xiàn)出高靈敏度、低溫度系數(shù)和低失調(diào)。