一種具有屏蔽層的壓力傳感器工藝仿真與設(shè)計(jì)

廖啟超，孫濤，徐昊，喬威

（中國(guó)兵器工業(yè)第214研究所，安徽蚌埠，233000）

0 引言

壓力傳感器作為汽車中應(yīng)用最多的傳感器，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展市場(chǎng)規(guī)模逐年攀升，未來(lái)至少有18 個(gè)汽車應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋龠M(jìn)壓力傳感器的增長(zhǎng)，包括輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)TPMS（Tire pressure monitoring system）、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)ESC（Electronic Speed Controller）、進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力MAP（Manifold Absolute Pressure）側(cè)面氣囊，以及與排放標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的引擎控制，大氣壓力與廢氣再循環(huán)壓力等等。因此面對(duì)汽車電子系統(tǒng)和電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，高可靠性、高精度、低成本的汽車應(yīng)用需求，研制具有屏蔽特性的壓力傳感芯片意義重大。

為了解決壓力傳感器使用過(guò)程中壓敏電阻穩(wěn)定性的問(wèn)題，目前已有方案是將摻雜多晶硅作為屏蔽層，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題。首先，多晶硅薄層的引入額外增加了傳感器膜片厚度，不利于提高靈敏度；其次，多晶硅和硅的膨脹系數(shù)不同，會(huì)增加器件的非線性和遲滯；最后，沉積過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)影響器件的性能，同時(shí)額外的薄層還會(huì)引入圖形化工藝（光刻、刻蝕、去膠等），增加了制造成本。

基于壓力傳感器存在的以上問(wèn)題，本文從提高器件性能、降低制造成本以及兼顧屏蔽特性等角度出發(fā)，擬引入離子注入制備PN 結(jié)型屏蔽層代替多晶硅屏蔽層，提高壓敏電阻穩(wěn)定性，進(jìn)而提升壓力傳感器的穩(wěn)定性。

1 壓敏電阻設(shè)計(jì)

壓力傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，受限于硅材料晶向?qū)毫?yīng)變和壓阻系數(shù)分布的影響，常規(guī)壓力傳感器采用P 型硅（摻雜硼）制備壓敏電阻[2]。為了在器件表面形成PN 結(jié)，本文選用N 型硅（摻雜磷）作為屏蔽層，通過(guò)合理調(diào)整硼、磷注入的劑量、能量、擴(kuò)散和激活條件來(lái)制備出滿足要求的壓敏電阻和屏蔽層。

壓敏電阻的摻雜濃度不僅決定壓敏電阻的電阻率，而且影響壓敏電阻的壓阻系數(shù)以及壓阻系數(shù)溫漂。Yozo Kanda[3]和 O.N.Tufte[4]研究了壓阻系數(shù)與摻雜濃度和溫度的關(guān)系。對(duì)于P 型硅在摻雜濃度較低(＜1×1018cm-3)時(shí)，壓阻系數(shù)不受摻雜濃度影響，會(huì)隨著溫度的升高而降低，壓敏電阻的壓阻系數(shù)最大，溫度漂移比較大；當(dāng)摻雜濃度增加(＞1×1018cm-3)時(shí)，壓阻系數(shù)受溫度影響較小，會(huì)隨著摻雜濃度的升高而迅速降低，壓敏電阻的壓阻系數(shù)較小，同時(shí)溫度漂移也比較小；當(dāng)摻雜濃度繼續(xù)增加(＞5×1019cm-3)，壓阻系數(shù)會(huì)降低且趨于極小的定值，此時(shí)不受溫度影響?？傮w而言，壓力傳感器的壓阻系數(shù)與溫度漂移二者此消彼長(zhǎng)，需要根據(jù)實(shí)際需求做出權(quán)衡。

本文采用溫度漂移優(yōu)先的策略，即壓敏電阻選取較高摻雜濃度，設(shè)定為 1×1018cm-3。壓敏電阻端子和金屬需要形成良好的歐姆接觸，要求載流子濃度大于1×1019cm-3，同時(shí)N 型屏蔽層也需要有良好的導(dǎo)電性，要求載流子濃度大于1×1018cm-3[5]。

2 工藝仿真

為了盡可能模擬真實(shí)的工藝制備流程，在仿真時(shí)引入了注入前掩蔽層、勻膠、曝光、去膠以及刻蝕等細(xì)節(jié)步驟，具體的工藝內(nèi)容以及關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1

依據(jù)以上工藝條件，使用Synopsys 公司Sentaurus TCAD 軟件的Sprocess 模塊進(jìn)行工藝仿真，工藝仿真模型自上而下對(duì)應(yīng)實(shí)際晶圓由表及里的方向，仿真結(jié)果為模型縱向剖面圖。

如圖1、2 所示，橫坐標(biāo)為模型的寬度，縱坐標(biāo)為模型的深度（單位：μm）；色帶圖為模型內(nèi)部?jī)糨d流子（單位：cm-3）濃度的分布情況，濃度數(shù)值的符號(hào)僅用以區(qū)分載流子類型，顏色越深表示濃度越高，藍(lán)色表示空穴濃度，紅色表示電子濃度。圖1 中屏蔽層上的金屬鋁電極主要作用是模擬外界電場(chǎng)干擾，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中是不存在的。對(duì)比圖1、2 可看出，帶屏蔽層的壓敏電阻方案在P 型電阻區(qū)域注入磷離子后形成了約0.5μm 的N 型屏蔽層，使得電阻區(qū)域形成縱向PN 結(jié)。當(dāng)器件受到外界電場(chǎng)干擾時(shí)會(huì)優(yōu)先作用到屏蔽層上，形成縱向PN 結(jié)的偏置，從而削弱電場(chǎng)對(duì)壓敏電阻的影響。

圖1 帶屏蔽層的壓敏電阻剖面圖

圖2 無(wú)屏蔽層的壓敏電阻剖面圖

為了進(jìn)一步確認(rèn)壓敏電阻區(qū)域的縱向載流子濃度分布情況，在模型中心位置處（wide=20μm）進(jìn)行濃度參數(shù)提取，得到縱向深度和凈載流子濃度的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 模型縱向濃度分布示意圖

圖3 中橫坐標(biāo)為模型縱向深度（單位：μm），縱坐標(biāo)為模型內(nèi)部?jī)糨d流子濃度(單位：cm-3)。由圖1和圖2 可知接觸區(qū)域的凈載流子大于3×1019cm-3，帶屏蔽層方案中屏蔽層峰值濃度為1.126×1018cm-3，屏蔽層的縱向尺寸為0.488μm，壓敏電阻峰值濃度為1.043×1018cm-3，電阻的縱向尺寸為2.561μm；無(wú)屏蔽層方案中壓敏電阻峰值濃度為1.5×1018cm-3，電阻的縱向尺寸為3.038μm。通過(guò)軟件提取帶屏蔽層和無(wú)屏蔽層方案中壓敏電阻的方塊電阻值分別是521.6Ω/口和294.1Ω/口，接觸區(qū)的方塊電阻值分為19.24Ω/口和18.19Ω/口，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 屏蔽層作用仿真

■3.1 電場(chǎng)屏蔽特性

汽車電子領(lǐng)域作為壓力傳感器最大的應(yīng)用領(lǐng)域，器件使用的電磁環(huán)境極為復(fù)雜，而能夠?qū)鞲衅鳟a(chǎn)生影響的主要是電場(chǎng)，其來(lái)源既有器件外部因素，如車體靜電、點(diǎn)火系統(tǒng)、負(fù)載突變以及感性負(fù)載工作等[6]，也有器件內(nèi)部因素，如氧化層中的固定電荷、可動(dòng)電荷、陷阱電荷以及界面態(tài)等[7]。但對(duì)于壓力傳感器而言，兩類電場(chǎng)的影響并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，因此本文將二者進(jìn)行合并考慮，實(shí)際仿真時(shí)主要通過(guò)在壓敏電阻區(qū)域的鋁金屬層施加一定的電壓來(lái)模擬電場(chǎng)的影響。

為了觀察不同大小的金屬層電壓對(duì)壓敏電阻的影響，在金屬層上分別施加0～50V 的電壓，而壓敏電阻端子的電壓保持不變，使用Sdevice 模塊計(jì)算I-V 特性曲線，通過(guò)的電流的變化來(lái)觀察影響情況，同時(shí)提取金屬層電壓和壓敏電阻變化的關(guān)系圖。

圖4、5 中縱坐標(biāo)軸是流過(guò)壓敏電阻的電流（單位：A），橫坐標(biāo)軸是施加在壓敏電阻兩端的電壓（單位：V）。圖6中縱坐標(biāo)軸是壓敏電阻的阻值（單位：Ω），次縱坐標(biāo)是壓敏電阻值相對(duì)于金屬層不加電壓時(shí)的增量，橫坐標(biāo)是金屬層施加的電壓值（單位：V）。在無(wú)屏蔽層的方案中（如圖5 所示），壓敏電阻端施加電壓不變的前提下，流過(guò)的電流隨著金屬層上的電壓增加而減小，即壓敏電阻值隨之增加，金屬層電壓每增加5V 對(duì)應(yīng)的電阻值增加0.7%。典型壓力傳感器的壓敏電阻阻值在4～6kΩ，而汽車車身與空氣摩擦產(chǎn)生的靜電電場(chǎng)最高可達(dá)100V/m[8]，極端情況下引入的電阻阻值變化為0.56～0.84kΩ。而在有掩蔽層的方案中（如圖4 所示），隨金屬層施加電壓的變化壓敏電阻的I-V 曲線基本重合，即電阻值保持不變，說(shuō)明屏蔽層的存在有效地降低了電場(chǎng)對(duì)壓敏電阻阻值的影響。

圖4 帶屏蔽層方案的壓敏電阻I—V 曲線

圖5 無(wú)屏蔽層方案的壓敏電阻I—V 曲線

圖6 金屬層電壓值和壓敏電阻阻值變化關(guān)系

■3.2 溫度系數(shù)改善

電阻溫度系數(shù)TCR（temper ature coefficient of resistance）是表針溫度改變1℃時(shí)電阻阻值相對(duì)變化的物理量，單位為ppm/℃，其定義式如下：

對(duì)公式（1）進(jìn)行移項(xiàng)整理得公式（2）

為了平衡熱端和冷端溫度系數(shù)的差異，同時(shí)提高仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，引入一階溫度系數(shù)α和二階溫度系數(shù)β來(lái)代替原有的溫度系數(shù)TCR，最終溫度系數(shù)的擬合模型如下：

公式（3）中，R(T)是壓敏電阻在T溫度時(shí)的電阻值，R0是壓敏電阻在0℃（T=273.15K）時(shí)的電阻值，單位均為Ω；T為溫度，單位為K。

為了對(duì)比兩個(gè)設(shè)計(jì)方案中壓敏電阻溫度系數(shù)的差異，使用Sdevice 模塊在-50℃～150℃（223.15K～423.15K）的仿真環(huán)境中計(jì)算壓敏電阻的I-V 特性曲線，電阻端電壓仍為5V 保持不變，通過(guò)電流的變化來(lái)觀察測(cè)試環(huán)境溫度的影響，同時(shí)提取仿真環(huán)境溫度和壓敏電阻阻值變化的關(guān)系圖。

將從Sdevice 模塊中得到的壓敏電阻-測(cè)試環(huán)境溫度關(guān)系數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab 軟件，按照公式（3）的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行曲線擬合，其擬合優(yōu)度R2均接近1，說(shuō)明數(shù)學(xué)模型和仿真數(shù)據(jù)鍥合度較好，最終結(jié)果如圖7 所示。與此同時(shí)，將計(jì)算得到的帶有屏蔽層和無(wú)屏蔽層的壓敏電阻參數(shù)分別列舉在表2 中。

圖7 壓敏電阻阻值變化和仿真溫度關(guān)系

表2 壓敏電阻設(shè)計(jì)方案溫度系數(shù)對(duì)比表

帶有屏蔽層的壓力傳感器的壓敏電阻的一階、二階溫度系數(shù)比無(wú)屏蔽層的對(duì)應(yīng)參數(shù)要小，說(shuō)明屏蔽層起到了提高壓力傳感器溫度穩(wěn)定性的作用。

4 總結(jié)

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，N 型屏蔽層能阻止外界電場(chǎng)直接作用在P 型壓敏電阻上，同時(shí)形成的縱向PN 結(jié)結(jié)構(gòu)能發(fā)揮二極管特性提高電阻的穩(wěn)定性。此外，引入N 型屏蔽層改變了壓敏電阻區(qū)域的縱向濃度分布，使得壓敏電阻溫度系數(shù)有所降低，溫度穩(wěn)定性有所提升。