纳米多晶硅薄膜压力传感器研究图文.docx
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纳米多晶硅薄膜压力传感器研究图文
本科学生毕业论文
论文题目:
纳米多晶硅薄膜压力传感器研究学院:
电子工程学院
年级:
2009级
专业:
电子科学与技术(微电子
姓名:
学号:
20095109
指导教师:
赵晓锋
2013年5月10日
摘要
半导体压力传感器在现代社会生活中具有广泛的应用,1954年,美国贝尔实验室的C.S.Smith发现了锗与硅的压阻效应,在单晶硅衬底上基于压阻效应实现扩散硅压力传感器制作。
20世纪80年代开始,纳米量级薄膜因其特殊的晶格结构,受到广泛关注。
为进一步提高传感器特性,寻求具有显著压阻效应的新型纳米材料成为改善传感器特性的关键。
其中,纳米多晶硅薄膜是膜厚接近或小于100μm的多晶硅薄膜,研究表明纳米多晶硅薄膜表现出比其他常规多晶硅薄膜更为优越的压阻特性,应变因子可达较高;应变因子温度系数小,电阻温度系数可小。
这对发展高灵敏、宽工作温度范围、低温漂的低成本压力传感器具有极其重要的应用价值。
本文通过分析已有的采用LPCVD方法在<100>晶向单晶硅衬底上制备纳米多晶硅薄膜特性,阐述纳米多晶硅薄膜导电机理,采用有限元分析法研究薄膜厚度、硅膜形状、压敏电阻位置等参数对应变因子影响问题,给出高应变因子纳米多晶硅薄膜优化的工艺条件。
在此基础上,封装、测试采用MEMS技术在<100>晶向单晶硅衬底上设计、制作基于纳米多晶硅薄膜压力传感器,实现对外加压力检测,实验结果表明:
关键词
纳米多晶硅薄膜;压力传感器;灵敏度;应变因子
Abstract
注:
空一行
Abstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstractabstract.(英文摘要内容必须与中文摘要完全对应。
英文摘要采用TimesNewRoman小四号字书写,毕业论文、毕业设计行与行之间、段落和层次标题以及各段落之间均为1.5倍行距。
注:
1.严禁采用翻译软件直接翻译;
2.英文摘要与中文摘要内容要对应;
3.英文摘要与英文关键词之间空两行。
Keywords
注:
空一行
Keywords;keywords;keywords(英文关键词内容必须与中文关键词完全对应。
英文关键词采用TimesNewRoman小四号字书写,毕业论文、毕业设计行与行之间、段落和层次标题以及各段落之间均为1.5倍行距。
关键词与关键词之间用“;”隔开
注:
1.英文关键词与中文关键词内容要对应;
2.关键词首行缩进2字符,第一个关键词第一字母大写;其余关键词小写。
目录
摘要............................................................................................................................................IAbstract....................................................................................................................................II
第一章绪论(1
1.1传感器的现状及发展趋势(1
1.2MEMS技术(1
1.3压力传感器发展现状(2
1.4纳米多晶硅薄膜的特性(5
1.5本章小结(6
第二章纳米多晶硅薄膜压力传感器基本结构及工作原理(7
2.1半导体的压阻效应(7
2.1.1压阻效应(7
2.1.2压阻系数(8
2.2纳米多晶硅薄膜压力传感器基本结构(10
2.3纳米多晶硅薄膜压力传感器工作原理(10
2.4本章小结(13
第三章纳米多晶硅薄膜压力传感器设计与仿真(14
3.1有限元法简介(14
3.2硅膜形状(15
3.2.1圆形硅膜(15
3.2.2方形硅膜(16
3.3硅膜厚度(17
3.4电阻布局(18
3.5本章小结(21
第四章纳米多晶硅薄膜压力传感器芯片制作与封装(22
4.1纳米多晶硅薄膜压力传感器芯片制作工艺(22
4.2纳米多晶硅薄膜压力传感器芯片版图(24
4.2.1三级标题(24
4.2.2三级标题(24
4.3纳米多晶硅薄膜压力传感器芯片封装(24
4.3.1三级标题(24
4.3.2三级标题(24
4.4本章小结(24
第五章纳米多晶硅薄膜压力传感器测试结果分析(26
5.1静态特性(26
5.1.1线性度(26
5.1.2重复性(27
5.1.3迟滞(27
5.1.4准确度(27
5.1.5灵敏度(28
5.2测试系统与测试方法(28
5.3测试结果与分析(29
5.4本章小结(34
结论(35
参考文献(36
致谢(37
第一章绪论
1.1传感器的现状及发展趋势
传感器是一个能将被测物理量(力、光、声、磁和电等转换为与之有对应关系的电量信号输出,以实现信息的传输、检测、记录、显示等功能的完整的系统或装置。
传感器是人们获取各种信息的有效工具;是当代测量技术和自动化系统的重要技术,也就是说现代每项科学技术都与传感器的发展有着密切的关系。
现代传感器正逐步向微型化、智能化、集成化和高准确度方向发展。
随着新技术、新材料、新工艺的发展,传感器的制造成本逐步降低,性能指标逐步提高,应用领域不断扩大。
在我国现代化建设中传感器的应用日益广泛,在国民经济的各个领域也起到了越来越重要的角色[1]。
传感器的种类繁多,分类方法各有不同,按力敏元件的种类可分为电阻式,电感式,电容式和电压与电流式传感器。
根据工作原理及应用领域可分为:
力电传感器(将力或加速度等非电信号物理量转化成易测量的电压或电流的装置、流量传感器(将流量或速度等物理量转化成易测量的电流或电压的装置、热电传感器(通过热敏元件将温度变化转化为电压、电流变化的装置、电容式传感器(通过电容器把被测量的物理量转化为电信号的装置、光电传感器(利用光电管或光敏电阻,将光信号转换为电信号的装置。
如今,传感器技术已经发展到比较高的水平,而我国在传感器的研究和产品开发方面与世界先进水平还有一定的差距。
但坚信,随着我国科学技术的提高,一定会赶超世界先进水平。
1.2MEMS技术
MEMS(Microelectric-mechanicalSystems即微型电子机械系统,是在集成电路生产技术和专用的微机电加工技术的基础上发展起来的高新技术。
完整的MEMS一般是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统,其中微传感器用于感知外界信息,如力学、热学、光学、电磁学、化学等信号,微执行器用于控制对象[2],MEMS系统的尺寸通常在微米和毫米量级。
MEMS技术是对传统机械加工技术的一种革新,MEMS器件可以做的很小,集成度很高,可以批量生产,大大降低了机电系统的成本,可以工作在很多微小尺寸的场合;也可以嵌入大尺寸机电系统中,极大的提高系统的自动化、集成化、智能化以及可靠性水平。
MEMS类传感器是近年来广泛应用的一类传感器。
与传统的各种类型的传感器相比,MEMS传感器具有体积小、重量轻、耗能低、惯性小、可靠性高、响应时间短等优点。
另外,由于应用了十分成熟的集成电路技术和硅微加工工艺,可以制造出高集成度、高可靠性、稳定性的传感器,适合于大批量生产,大幅降低传感器的生产成本。
MEMS类传感器在航空、航天、汽车电子、生物、医疗、环境监测、工业自动化、军事等几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
1.3压力传感器发展现状
现代传感器技术,是指以硅材料为基础(因为硅既有优良的电性能,又有极好的机械性能,采用微米(1μm~1mm级的微机械加工技术和大规模集成电路工艺来实现各种仪表传感器系统的微米级尺寸化[3]。
压力传感器是使用最广泛的一种传感器。
它是把压力转换成电信号的传感器。
传统的压力测量方法,是利用弹性元件的形变和位移来表示。
他们体积大、笨重、输出非电量。
随着微电子技术的发展,利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性,用集成电路工艺和硅的微机械加工技术研制出了固态半导体压力传感器。
他们具有体积小、重量轻、灵敏度高、功耗低、便于集成等优点,发展十分迅速,应用也很广泛[4]。
半导体压力传感器按照材料和工艺主要分为:
扩散硅压力传感器、多晶硅压力传感器、SOI(SiliononInsulator单晶硅压力传感器、石英压力传感器、溅射合金薄膜压力传感器、陶瓷厚膜压力传感器和光纤压力传感器等等。
其中扩散硅压力传感器、多晶硅压力传感器、SOI单晶硅压力传感器为具有代表性的传感器。
扩散硅压力传感器采用扩散技术在硅膜片上制作力敏电阻在硅片上,并组成差动全桥电路。
该元件直接作为压力传感器承受压力的弹性膜片,又起到转换压力为电信号的作用,是硅膜片具有感受和转换压力的功能。
具有灵敏度高、生产成本低的特点。
SOI(SemiconductoronInsulator压力传感器采用绝缘体上半导体膜外延技术,在绝缘衬底上外延生长单晶硅、多晶硅薄膜作为力敏元件。
它具有介质隔离、寄生电容小和集成度高等优点。
纳米多晶硅薄膜压力传感器是采用单晶硅做衬底,首先在衬底上热氧化生长一层SiO2膜作为隔离层。
然后用LPCVD法淀积多晶硅,掺杂杂质后,制成多晶硅电阻,将四个多晶硅应变电阻连成差动全桥电路。
该种传感器具有温度特性好,生产成本低的特
点[4]
2008年,《半导体学报》报道黑龙江大学研制出纳米多晶硅薄膜压力传感器[5],图1-1给出了该传感器芯片照片。
采用LPCVD法在衬底温度620℃时制备纳米多晶硅薄膜,基于MEMS技术在方形硅膜不同位置制作由4个薄膜厚度为63.0nm的掺硼纳米多晶硅薄膜电阻构成惠斯通电桥结构,实现对外加压力的检测。
实验结果表明,当硅膜厚度75μm时,纳米多晶硅薄膜压力传感器在恒压源5.0V供电时,满量程(160kPa输出为24.235mV,灵敏度为0.151mV/kPa。
图1-1压力传感器芯片示意图
2009年,《SensorsandActuatorsA》报道LiuXiaowei等人利用多晶硅纳米膜制作压力传感器[6],其结构如图1-2所示。
通过低压化学气相沉积(LPCVD制作多晶硅纳米膜,经过一系列的测试和实验,结果表明:
由于多晶硅纳米膜良好的压阻特性和温度特性,压力传感器显示了高的灵敏度和低的温度系数,灵敏度在25℃时可以达到22.23mV/V/MPa,灵敏度温度系数和温度系数漂移分别为-0.098%/℃和0.017%/℃。
图1-2压力传感器芯片示意图
2010年,《Vacuum》报道PavelKulha等人设计出纳米金刚石压阻式传感器[7],芯片如图1-3所示。
实验结果表明,其应变因子在120℃时为8.4-8.7,在200℃时增加到10.9,此外与SOI结构压力传感器相比,纳米金刚石压阻式传感器能适应高温工作环
境。
图1-3纳米金刚石压阻传感器芯片示意图
2010年,《IEEEMEMS》报道Chia-MinLin等人设计并制作了基于碳纳米管的压力和温度传感器[8]。
采用垂直的碳纳米管作为敏感材料,以CVD法制备聚合物膜,用来束缚垂直的碳纳米管和作为弹性膜。
当外加压力时,聚合物薄膜发生弹性形变,使碳纳米管的电阻阻值发生变化,测量外界压力。
图1-4给出了该集成传感器的结构示意图。
实验结果表明,当弹性膜向下弯曲时,压力传感器灵敏度和非线性度分别为0.14/kPa和5.96%;当弹性膜向上弯曲时,压力传感器灵敏度和非线性度分别为0.017/kPa和7.58%;应变因子为20。
图1-4碳纳米管压力、温度集成传感器
2012年,《SensorsandActuatorsA》报道PilarGonzalez等人用CMOS工艺研制出Poly-SiGe压阻式和电容式压力传感器[9],基本结构如图1-6(a和(b所示。
压阻式压力传感器尺寸为200μm×200μm,Poly-SiGe膜厚度为4μm。
其传感器的灵敏度为4.6mV/V/bar。
电容式压力传感器尺寸为200μm×200μm,Poly-SiGe膜厚度为1μm,其的灵敏度为73fF/bar。
(a(b
图1-6poly-SiGe压力传感器结构图
(a压阻式压力传感器结构图(b电容式压力传感器结构图
综上所述,考虑纳米多晶硅薄膜具有很好的压阻特性,同时又解决了普通多晶硅薄膜在改善温度特性时所面临的GF减小的内在矛盾。
本课题采用LPCVD方法在<100>晶向单晶硅衬底制备高质量纳米多晶硅薄膜,研究设计、制作基于纳米多晶硅薄膜压力传感器。
1.4纳米多晶硅薄膜的特性
根据材料内部结构的微观特征,可以将硅材料分为非晶硅(a-Si、单晶硅(c-Si、多晶硅(pc-Si、微晶硅(μc-Si和纳晶硅(nc-Si等五类。
单晶硅和多晶硅现已广泛应用于各种半导体器件的研发生产中。
纳晶硅也称纳米硅,是在上世纪80年代发现并提出的一种新型纳米材料。
纳米硅的晶粒度通常在5nm左右,晶态比(晶态与非晶态的体积比为50%左右。
研究结果表明,纳米硅材料具有优良的电学特性、压阻特性和光学特性[10],是应用前景广阔的新型纳米材料。
但纳米硅薄膜的制作工艺尚不够成熟,重复性、稳定性和准确性等还待进一步改善,因此,这种材料的压阻特性还没有在实际中应用。
纳米多晶硅薄膜与多晶硅材料不同,是硅膜厚度为几十纳米量级的多晶硅薄膜[11]。
实验发现这种薄膜材料具有良好的压阻特性,是极具有发展前景的半导体功能材料。
纳米多晶硅薄膜与常规的金属或单晶硅压阻材料相比,具有以下特点:
1、与集成电路工艺兼容性好。
多晶硅生长温度一般在几百摄氏度,甚至可以降到200℃以下,不会对集成电路工艺中的杂质分布产生影响,具有与单晶硅相相似的机械特性,适合于集成敏感器件的制作[12]。
2、薄膜与衬底绝缘性好。
不存在p-n结隔离问题,具有良好的高温压阻特性[13]。
3、薄膜可淀积在金属、玻璃和陶瓷等各种衬底上,易于加工、适合批量生产、成本低,有利于扩展应用领域。
4、应变灵敏度高,应变因子(GF可达34,一般可达到单晶硅的60%左右[14]。
深度杂子掺杂下,纳米多晶硅薄膜的应变因子比单晶硅更高。
本文使用的纳米多晶硅薄膜压力传感器中的纳米多晶硅薄膜是东北微电子研究所采用LPCVD系统以高纯SiH4为气源,工作气压为48~53Pa,在100mm<100>晶向单晶硅衬底上在沉积温度为620℃,沉积厚度为63.0nm硅薄膜形成择优取向为<111>晶向的纳米硅薄膜[7]
1.5本章小结
本章主要对传感器的发展现状及发展趋势进行简要介绍,重点应看到这种发展趋势对于压力传感器的发展方向的带动作用,并简要阐述了新型纳米多晶硅薄膜材料的压阻特性,为后续研究压力传感器的特性奠定基础。
未来的传感器技术将更趋向于薄膜化、集成化,鉴于此,对纳米多晶硅薄膜压力传感器结构和特性的研究将有重要的意义。
第二章纳米多晶硅薄膜压力传感器基本结构及工作原理
正文
2.1半导体的压阻效应
2.1.1压阻效应
1954年,美国贝尔实验室的C.S.Smith发现了锗与硅的压阻效应,即半导体材料受到压力作用后,半导体的电阻或电阻率发生变化。
根据欧姆定律,导体或半导体材料的阻值R可表示为:
LRS
ρ
=(2-1式中ρ——材料的电阻率;
L——材料的长度;
S——材料的横截面积。
对式(2-1进行全微分后可得材料的电阻率、长度和横截面积三个参数的变化对电阻值的影响。
dRddLdSRLS
ρρ=+-(2-2一般电阻丝的横截面积为圆形,所以S=πr2(r为电阻丝的半径,dS=2πrdr
222dSrdrdrSrr
ππ==(2-3介入泊松比的概念可知
drdLrL
ν=-(2-4式中ν为泊松比(也称泊松系数。
因此
2dSdLSL
ν=-(2-5应力的变化也会引起材料电阻率的变化,则电阻率的相对变化与应力成正比
dρ
πσρ
=(2-6
式中π——材料的电阻系数;
σ——应力。
根据胡克定律,应力σ、应变ε和杨氏模量Y之间的关系式为
dLYY
L
σε==(2-7所以
ddLYL
ρπρ=(2-8将式(2-5和(2-8代入式(2-2,可知
2(12dRdLdLdLYYGRLLL
πννπεε=++=++=(2-9式中G=1+2ν+πY。
式(2-9表明材料电阻的相对变化和应变之间的比例关系,G通常称为应变因子,或是材料的灵敏系数,物理意义为材料发生单位应变时的电阻变化率。
由G的表达式可知,影响应变因子的因素有两个:
一是1+2ν,它是由材料几何尺寸的变化所引起;另一个是πY,由材料受力后电阻率发生变化所引起。
一般的金属材料,电阻率基本上与应力无关,πY值很小,可以忽略,故材料的应变因子主要取决于几何尺寸的变化。
金属材料的应变因子较小,金属材料的泊松比一般在0.25~0.5之间,G在
1.5~2之间。
而对于硅、锗等半导体材料的压阻系数很大,G值主要由πY决定,G≈πY。
半导体材料的应变因子通常在70~170之间。
由于半导体应变因子比金属高很多,利用半导体优良的压阻特性与其完美的弹性性能相结合,则构成了半导体压阻式压力传感器的基础。
2.1.2压阻系数
在外力作用下,单晶硅的压阻系数是一高阶张量。
因为单晶硅是立方晶体,当坐标轴取在晶轴方向,压阻张量只有三个独立分量,它的形式为:
111212121112121211444444000000000000000000000000πππππππππππππ⎛⎫⎪⎪⎪=⎪⎪⎪⎪⎪⎝⎭
(2-10式中π11——纵向压阻系数;
π12——横向压阻系数;
π44——剪切压阻系数。
至于任意径向的压阻系数的求法,可以把上述压阻张量从一个坐标系变换到晶体主轴坐标系。
这是一个四阶张量的坐标变换,计算很复杂。
可以简单地利用上述三个压阻系数的组合来描述压阻系数,计算材料的电阻变化率。
当电阻处于任意径向压力时,如有纵向应力σ‖沿此方向作用在单晶硅电阻上,则引起纵向压阻系数π‖;如果在电阻上同时作用有和电阻方向互相垂直的横向应力σ⊥,则引起横向压阻系数π⊥。
电阻的纵向
在晶体主轴坐标系中的方向余弦以l1,m1,n1表示,电阻的横向在晶体主轴坐标系中的方向余弦以l2,m2,n2表示,则纵向压阻系数为:
((222222111112441111112lmmnlnπππππ=---++(2-11
横向压阻系数为:
((22222212111244121212llmmnnπππππ⊥=+--++(2-12
在压阻式压力传感器中,压敏电阻常常扩散在硅薄膜上,压力引起的硅薄膜变形,产生较大的应力。
硅薄膜上的电阻在应力作用下相对变化为:
RR
πσπσ⊥⊥∆=+(2-13式中σ‖——纵向应力;
σ⊥——横向应力;
π‖——纵向压阻系数;
π⊥——横向压阻系数。
压阻系数π与不同晶向有关。
本文采用(100晶面单晶硅片,在(100晶面中,<011>晶向压阻系数比较明显。
本文所研究的纳米多晶硅薄膜压力传感器中,4个电阻均沿<011>晶向布置,根据式(2-11和式(2-12可推出[2],p型单晶硅<011>晶向压阻系数关系为:
1112444422πππππ++=
≈(2-14
1112444422πππππ⊥+-=
≈-(2-15
2.2纳米多晶硅薄膜压力传感器基本结构
如图2-1所示为纳米多晶硅薄膜压力传感器基本结构和等效电路图。
采用n型<100>晶向双面抛光高阻(ρ<100Ω·cm单晶硅片,基于MEMS技术和LPCVD法在单晶硅衬底上设计、制作基于纳米多晶硅薄膜压力传感器,在厚度为50μm的5mm×5mm方形硅膜不同位置上制作四个膜厚度为63.0nm纳米多晶硅薄膜扩散电阻构成惠斯通电桥结构。
当外加压力P作用时,惠斯通电桥桥路输出VOUT随外加压力P而发生变化,从而实现对外加压力P的检测[15]。
(a(b
图2-1纳米多晶硅薄膜压力传感器基本结构及等效电路
(a基本结构(b等效电路
2.3纳米多晶硅薄膜压力传感器工作原理
纳米多晶硅薄膜压力传感器是利用单晶硅压力敏感膜片结构的弹性形变和纳米多晶硅薄膜的压阻效应工作的。
通常在单晶硅杯上淀积SiO2绝缘层,然后在绝缘层上淀积制备四个纳米多晶硅薄膜扩散电阻,构成惠斯通电桥,如图2-2所示为惠斯通电桥结构。
Alc-Si
nano-polysiliconthinfilmsborosilicateglassSiO2n型
c-SiP
n型V1V2
图2-2惠斯通电桥结构
如图2-2中所示,R1,R2,R3,R4为阻值相同的四个压敏电阻,一般将R1、R3设计在敏感膜片正应力区,R2、R4则设计在负应力区。
当膜片受到外加压力作用时,压敏电阻阻值变化与外加压力成正比,惠斯通电桥失去平衡,产生了一个与外加压力成正比的电信号输出,从而实现对外加压力的检测。
惠斯通电桥可采用两种供电方式,即恒压源供电与恒流源供电。
下面对这两种供电方式进行详细的介绍:
1.恒压源供电
恒压源供电时,惠斯通电桥的具体连接方式如图2-3所示。
图中R1,R2,R3和R4为光刻形成的四个桥臂扩散电阻。
在零压力初始状态时,电桥的输出为:
((
132401234DDRRRRVVRRRR-=
⋅++(2-16式中VDD——电源电压;V0——输出电压(也称零位失调电压。
由上式可知,四个桥臂扩散电阻在初始零压力状态下满足关系式R1R3=R2R4,初始零压力状态输出电压V0为零。
因此,一般设计R1=R2=R3=R4=R保持电桥在零压力状态下处于平衡状态。
图2-3恒压电路原理图2-4恒流电路原理图
VDD(I0R
RV
RR
1
V0R4R3R2
R1I0V0R4
R3R2R1VDD
(1压力引起电桥输出的变化
当硅膜片两侧存在压力差时,膜片因压力不同将发生形变使得硅膜片上的四个桥臂电阻阻值发生变化。
半导体材料压阻效应具有各向异性的特性,通过适当的设计,可使得硅膜片受到压力后,R1、R2有正增量,R2、R4有负增量,即R1→R1+ΔR1,R2→R2-ΔR2,R3→R3+ΔR3,R4→R4-ΔR4。
因此,在外加压力作用下,电桥将失去平衡,产生电压输出
((((((
11332244011223344DDRRRRRRRRVVRRRRRRRR+∆+∆--∆-∆=⋅+∆+-∆+∆+-∆(2-17若R1=R2=R3=
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