一種具有屏蔽層的壓力傳感器工藝仿真與設計

廖啟超，孫濤，徐昊，喬威

（中國兵器工業第214研究所，安徽蚌埠，233000）

0 引言

壓力傳感器作為汽車中應用最多的傳感器，隨著汽車產業的發展市場規模逐年攀升，未來至少有18 個汽車應用領域將促進壓力傳感器的增長，包括輪胎壓力檢測系統TPMS（Tire pressure monitoring system）、電子穩定控制系統ESC（Electronic Speed Controller）、進氣歧管絕對壓力MAP（Manifold Absolute Pressure）側面氣囊，以及與排放標準相關的引擎控制，大氣壓力與廢氣再循環壓力等等。因此面對汽車電子系統和電磁環境的日益復雜，高可靠性、高精度、低成本的汽車應用需求，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程中壓敏電阻穩定性的問題，目前已有方案是將摻雜多晶硅作為屏蔽層，但在實際應用中仍存在一些問題。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不同，會增加器件的非線性和遲滯；最后，沉積過程中產生的殘余應力會影響器件的性能，同時額外的薄層還會引入圖形化工藝（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，擬引入離子注入制備PN 結型屏蔽層代替多晶硅屏蔽層，提高壓敏電阻穩定性，進而提升壓力傳感器的穩定性。

1 壓敏電阻設計

壓力傳感器的設計過程中，受限于硅材料晶向對壓力應變和壓阻系數分布的影響，常規壓力傳感器采用P 型硅（摻雜硼）制備壓敏電阻[2]。為了在器件表面形成PN 結，本文選用N 型硅（摻雜磷）作為屏蔽層，通過合理調整硼、磷注入的劑量、能量、擴散和激活條件來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以及壓阻系數溫漂。Yozo Kanda[3]和 O.N.Tufte[4]研究了壓阻系數與摻雜濃度和溫度的關系。對于P 型硅在摻雜濃度較低(＜1×1018cm-3)時，壓阻系數不受摻雜濃度影響，會隨著溫度的升高而降低，壓敏電阻的壓阻系數最大，溫度漂移比較大；當摻雜濃度增加(＞1×1018cm-3)時，壓阻系數受溫度影響較小，會隨著摻雜濃度的升高而迅速降低，壓敏電阻的壓阻系數較小，同時溫度漂移也比較小；當摻雜濃度繼續增加(＞5×1019cm-3)，壓阻系數會降低且趨于極小的定值，此時不受溫度影響。總體而言，壓力傳感器的壓阻系數與溫度漂移二者此消彼長，需要根據實際需求做出權衡。

本文采用溫度漂移優先的策略，即壓敏電阻選取較高摻雜濃度，設定為 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N 型屏蔽層也需要有良好的導電性，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的工藝制備流程，在仿真時引入了注入前掩蔽層、勻膠、曝光、去膠以及刻蝕等細節步驟，具體的工藝內容以及關鍵參數見表1。

表1

依據以上工藝條件，使用Synopsys 公司Sentaurus TCAD 軟件的Sprocess 模塊進行工藝仿真，工藝仿真模型自上而下對應實際晶圓由表及里的方向，仿真結果為模型縱向剖面圖。

如圖1、2 所示，橫坐標為模型的寬度，縱坐標為模型的深度（單位：μm）；色帶圖為模型內部凈載流子（單位：cm-3）濃度的分布情況，濃度數值的符號僅用以區分載流子類型，顏色越深表示濃度越高，藍色表示空穴濃度，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干擾，實際生產過程中是不存在的。對比圖1、2 可看出，帶屏蔽層的壓敏電阻方案在P 型電阻區域注入磷離子后形成了約0.5μm 的N 型屏蔽層，使得電阻區域形成縱向PN 結。當器件受到外界電場干擾時會優先作用到屏蔽層上，形成縱向PN 結的偏置，從而削弱電場對壓敏電阻的影響。

圖1 帶屏蔽層的壓敏電阻剖面圖

圖2 無屏蔽層的壓敏電阻剖面圖

為了進一步確認壓敏電阻區域的縱向載流子濃度分布情況，在模型中心位置處（wide=20μm）進行濃度參數提取，得到縱向深度和凈載流子濃度的關系如圖3 所示。

圖3 模型縱向濃度分布示意圖

圖3 中橫坐標為模型縱向深度（單位：μm），縱坐標為模型內部凈載流子濃度(單位：cm-3)。由圖1和圖2 可知接觸區域的凈載流子大于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。通過軟件提取帶屏蔽層和無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，接觸區的方塊電阻值分為19.24Ω/口和18.19Ω/口，滿足設計目標。

3 屏蔽層作用仿真

■3.1 電場屏蔽特性

汽車電子領域作為壓力傳感器最大的應用領域，器件使用的電磁環境極為復雜，而能夠對傳感器產生影響的主要是電場，其來源既有器件外部因素，如車體靜電、點火系統、負載突變以及感性負載工作等[6]，也有器件內部因素，如氧化層中的固定電荷、可動電荷、陷阱電荷以及界面態等[7]。但對于壓力傳感器而言，兩類電場的影響并無本質區別，因此本文將二者進行合并考慮，實際仿真時主要通過在壓敏電阻區域的鋁金屬層施加一定的電壓來模擬電場的影響。

為了觀察不同大小的金屬層電壓對壓敏電阻的影響，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 模塊計算I-V 特性曲線，通過的電流的變化來觀察影響情況，同時提取金屬層電壓和壓敏電阻變化的關系圖。

圖4、5 中縱坐標軸是流過壓敏電阻的電流（單位：A），橫坐標軸是施加在壓敏電阻兩端的電壓（單位：V）。圖6中縱坐標軸是壓敏電阻的阻值（單位：Ω），次縱坐標是壓敏電阻值相對于金屬層不加電壓時的增量，橫坐標是金屬層施加的電壓值（單位：V）。在無屏蔽層的方案中（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 對應的電阻值增加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生的靜電電場最高可達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，說明屏蔽層的存在有效地降低了電場對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系

■3.2 溫度系數改善

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

對公式（1）進行移項整理得公式（2）

為了平衡熱端和冷端溫度系數的差異，同時提高仿真計算的準確性，引入一階溫度系數α和二階溫度系數β來代替原有的溫度系數TCR，最終溫度系數的擬合模型如下：

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

為了對比兩個設計方案中壓敏電阻溫度系數的差異，使用Sdevice 模塊在-50℃～150℃（223.15K～423.15K）的仿真環境中計算壓敏電阻的I-V 特性曲線，電阻端電壓仍為5V 保持不變，通過電流的變化來觀察測試環境溫度的影響，同時提取仿真環境溫度和壓敏電阻阻值變化的關系圖。

將從Sdevice 模塊中得到的壓敏電阻-測試環境溫度關系數據導入Matlab 軟件，按照公式（3）的數學模型進行曲線擬合，其擬合優度R2均接近1，說明數學模型和仿真數據鍥合度較好，最終結果如圖7 所示。與此同時，將計算得到的帶有屏蔽層和無屏蔽層的壓敏電阻參數分別列舉在表2 中。

圖7 壓敏電阻阻值變化和仿真溫度關系

表2 壓敏電阻設計方案溫度系數對比表

帶有屏蔽層的壓力傳感器的壓敏電阻的一階、二階溫度系數比無屏蔽層的對應參數要小，說明屏蔽層起到了提高壓力傳感器溫度穩定性的作用。

4 總結

仿真實驗結果表明，N 型屏蔽層能阻止外界電場直接作用在P 型壓敏電阻上，同時形成的縱向PN 結結構能發揮二極管特性提高電阻的穩定性。此外，引入N 型屏蔽層改變了壓敏電阻區域的縱向濃度分布，使得壓敏電阻溫度系數有所降低，溫度穩定性有所提升。