專利名稱:半導(dǎo)體壓力感測計及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明是有關(guān)一種感測計,尤指一種通過電阻值的改變來測量壓力的半導(dǎo)體壓力感測計。
背景技術(shù):
在微細加工技術(shù)所制造的元件中,壓力感測計應(yīng)用極為廣泛,壓力感測計已大量應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、工業(yè)測量、自動控制及各種電子產(chǎn)品上。
目前,應(yīng)用于半導(dǎo)體中的硅質(zhì)壓力感測元件最常用的方法是利用擴散法或離子植入法于單晶硅晶格中形成p-n接面,此p-n接面即為壓阻元件,當(dāng)該p-n型壓阻元件受到外界施力作用時,自身電阻會產(chǎn)生改變,而這個改變的電阻值ΔR/R便可以用來測量壓力的變化。
請參閱圖1所示,其為一現(xiàn)有由p-n型壓電材料2所制成的半導(dǎo)體壓力感測元件荷重規(guī)(Load cell)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)視圖,當(dāng)對其施加力F后,改變阻值,造成Vo間電壓或電流大小的改變,這是壓阻材料受到外界施力,其物理性質(zhì)改變的結(jié)果,我們利用這個特性就可以測量壓力的變化。
然而,傳統(tǒng)半導(dǎo)體壓力感測計的p-n型壓阻元件受到外界施力作用時,其壓阻變化ΔR/R極小,因此信號反應(yīng)并不明顯,其靈敏度便不夠精密,對于現(xiàn)在的半導(dǎo)體封裝等高精度技術(shù)領(lǐng)域已不適用。
因而需設(shè)計一種新型半導(dǎo)體壓力感測計,以適應(yīng)當(dāng)今高精密應(yīng)力感測需求的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體壓力感測計,其可以明顯的提高測量的精密度。
為實現(xiàn)前述目的,本發(fā)明半導(dǎo)體壓力感測計,其包括半導(dǎo)體基板,該半導(dǎo)體基板具有有效表面及與所述有效表面相反的背面,該背面上形成凹入部分,從而在半導(dǎo)體基板上產(chǎn)生薄膜,該薄膜上形成氧化層及氧化層上的金屬層,從而形成半導(dǎo)體壓力感測元件,根據(jù)半導(dǎo)體壓力感測元件的電阻變化來測量壓力。同時本發(fā)明還涉及一制造上述半導(dǎo)體壓力感測計的方法。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明半導(dǎo)體壓力感測計的超薄硅基板在機械應(yīng)力施加時有較佳的彈性,能承受較大的形變而不產(chǎn)生斷裂,且其漏電流會隨著因承受機械應(yīng)力而產(chǎn)生的形變大小而有顯著的增減,其敏感度遠高于傳統(tǒng)壓力感測計所使用的p-n型壓電材料,可適應(yīng)于半導(dǎo)體封裝等高精度技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展需求。
圖1為現(xiàn)有的由p-n型壓電材料所制成的半導(dǎo)體壓力感測計的感測元件荷重規(guī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)視圖。
圖2為符合本發(fā)明半導(dǎo)體壓力感測計的一種實施例的示意性平面視圖。
圖3為與圖2所示的半導(dǎo)體壓力感測計內(nèi)的惠斯登橋等效電路圖。
圖4為位于被包括于圖2所示的硅基板(Si Wafer)有效表面上的晶軸視圖。
圖5為本發(fā)明半導(dǎo)體壓力感測計的感測元件荷重規(guī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)視圖。
具體實施例請參閱圖2、圖3及圖5所示,本發(fā)明半導(dǎo)體壓力感測計S1包括由硅制成的半導(dǎo)體硅基板(Si Wafer)10,該硅基板10具有有效表面11及與所述有效表面11相反的背面12,且該有效表面11及背面12都具有<110>方向的晶面。荷重規(guī)1即電阻R1、R2、R3和R4及金屬布線21、金屬墊22位于有效表面11上,金屬布線21及金屬墊22與布線擴散區(qū)域15電連接,用于將布線擴散區(qū)域及電阻R1、R2、R3和R4電連接在一起。參閱圖5所示,利用半導(dǎo)體制程方法對硅基板10的背面12進行異向蝕刻形成凹入部分13,通過形成凹入部分13,使硅基板10變薄形成薄膜14。在硅基板10的薄膜14上形成一二氧化硅層16,再于所述二氧化硅16層上形成一金屬鋁層17,從而便形成所述電阻R1、R2、R3和R4。從中可以看出,所述電阻R1、R2、R3和R4即荷重規(guī)1是采用MOS(Metal Oxide Semiconductor)結(jié)構(gòu)。如圖2及圖3所示,電阻R1、R2、R3和R4以惠斯登電橋(Wheatstone bridge)4的方式連接形成于所述硅基板10的薄膜14上。參閱圖3所示,前述金屬布線21及金屬墊22與布線擴散區(qū)域15電連接,將布線擴散區(qū)域電連接在一起,形成兩個端子Ia及Ib,在該兩個端子間施加直流恒壓Vin,從形成于硅基板10上的橋電路拾取第一電位Pa及第二電位Pb間之電位差Vout。通過被連接到金屬墊22上的焊線(未圖示),將橋電路與外部電路相連。當(dāng)要被檢測的壓力F施加于薄膜14上側(cè)時,電阻R1、R2、R3和R4之電阻相應(yīng)于薄膜14上產(chǎn)生之應(yīng)變而改變,與所述電阻變化相關(guān)的電位差Vout被輸出。通過金屬墊22將電位差Vout輸出到外部電路中。外部電路對所述電位差Vout進行處理,提供用于檢測壓力的最終輸出訊號。
請參閱圖3及圖4所示,電阻R1、R2、R3和R4串聯(lián)在一起形成一封閉電路。電阻R1、R2、R3和R4基本上沿著與其所處的硅基板10的有效表面11的<110>方向的晶軸延伸,由于沿<110>方向的晶軸的硅的壓阻系數(shù)比其它任何方向的晶軸的硅的壓阻系數(shù)都大。當(dāng)在要測量的壓力作用于壓力感測計時,荷重規(guī)1的電阻就會發(fā)生相應(yīng)的改變,根據(jù)電阻的改變檢測壓力,其中電阻R1和R4比電阻R2和R3更容易發(fā)生應(yīng)變,即針對要被測量的壓力,電阻R1和R4比電阻R2和R3變化更靈敏。并且如圖3所示,當(dāng)壓力感測計受壓力引起應(yīng)變時,電阻R1與電阻R2間的第一電位Pa與電阻R3與電阻R4間的第二電位Pb沿相反方向變化,即當(dāng)Pa與Pb中一個增加時,另一個下降。因此第一電位Pa和第二電位Pb之間的電位差Vout相應(yīng)于所施加的壓力而變化。
請繼續(xù)參閱圖3所示,惠斯登電橋4的電阻與電壓關(guān)系滿足下式Vout=(R1R4-R2R3)Vin/(R1+R2)(R3+R4)(1)若R1=R2=R3=R4=R,當(dāng)壓力感測計因壓力的變化產(chǎn)生ΔR之微小變化時,(1)式可化簡如下Vout=(R+RΔR-R)Vin/(2R+ΔR)2RΔRVin/4R(2)由(2)式可看出,當(dāng)壓阻變化ΔR/R越大時,Vout的改變量隨之變化也越大,則測量的精密度便越高。
請參閱圖5所示,本發(fā)明半導(dǎo)體壓力感測元件荷重規(guī)1采用超薄MOS(Metal Oxide Semiconductor)結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由p-n型壓電材料2所制成的半導(dǎo)體壓力感測計的感測元件荷重規(guī)。制造該MOS結(jié)構(gòu)第一步使用半導(dǎo)體制程方法制造作為基底的超薄硅基板10,并于該超薄硅基板10上形成薄膜14,該超薄硅基板10在機械應(yīng)力施加時有較佳的彈性,能承受較大的形變而不產(chǎn)生斷裂;第二步在上述作為基底的超薄硅基板10的薄膜14上成長一層厚度約15-20的二氧化硅層16;第三步在上述步驟后使用半導(dǎo)體制程方法于前述二氧化硅層16再蒸鍍上一層金屬鋁層17當(dāng)作電極使用,用于信號檢出。
請繼續(xù)參閱圖5所示,當(dāng)其采用本發(fā)明的MOS(Metal Oxide Semicon-ductor)結(jié)構(gòu)的壓力感測元件荷重規(guī)1被施加力F后,MOS結(jié)構(gòu)因承受機械應(yīng)力而產(chǎn)生形變時,二氧化硅層16與超薄硅基板10的接觸界面處的鍵結(jié)角度發(fā)生扭轉(zhuǎn),使二氧化硅層的能帶隙(Bandgap)降低,電子穿過能障的機率大增,從而使漏電流增加數(shù)百甚至數(shù)千倍。根據(jù)電特性R=V/I可知,本發(fā)明MOS結(jié)構(gòu)的電阻變化ΔR/R隨著漏電流增加而明顯改變,從而所形成的半導(dǎo)體壓力感測計可達到很高的測量精度。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體壓力感測計,其包括半導(dǎo)體基板,該半導(dǎo)體基板具有有效表面及與所述有效表面相反的背面,該背面上形成凹入部分,從而在半導(dǎo)體基板上產(chǎn)生薄膜,其特征在于該薄膜上形成有氧化層及氧化層上的金屬層,從而形成半導(dǎo)體壓力感測元件,根據(jù)半導(dǎo)體壓力感測元件的電阻變化來測量壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓力感測計,其特征在于前述壓力感測元件為荷重規(guī),其是采用MOS(Metal Oxide Semiconductor)結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓力感測計,其特征在于前述氧化層為二氧化硅層。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓力感測計,其特征在于前述氧化層的厚度約為15-20。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓力感測計,其特征在于前述金屬層是蒸鍍在前述氧化層上。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓力感測計,其特征在于前述金屬層為鋁。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體壓力感測計,其特征在于薄膜上形成多于三個的半導(dǎo)體壓力感測元件,每四個半導(dǎo)體壓力感測元件被用于形成惠斯登電橋。
8.一種制造半導(dǎo)體壓力感測計的方法,其特征在于第一步是使用半導(dǎo)體制程方法制造作為基底的硅基板,并在所述硅基板上形成薄膜;第二步是對上述硅基板上的薄膜進行氧化形成二氧化硅層;第三步是使用半導(dǎo)體制程方法在前述二氧化硅層上再鍍一層金屬鋁層。
9.如權(quán)利要求8所述的制造半導(dǎo)體壓力感測計的方法,其特征在于前述二氧化硅層的厚度約為15-20。
10.如權(quán)利要求8所述的制造半導(dǎo)體壓力感測計的方法,其特征在于前述金屬鋁層是蒸鍍在前述二氧化硅層上。
全文摘要
一種半導(dǎo)體壓力感測計,其包括半導(dǎo)體基板,該半導(dǎo)體基板具有有效表面及與所述有效表面相反的背面,該背面上形成凹入部分,從而在半導(dǎo)體基板上產(chǎn)生薄膜,該薄膜上形成氧化層及氧化層上的金屬層,從而形成半導(dǎo)體壓力感測元件。同時本發(fā)明還涉及一制造上述半導(dǎo)體壓力感測計的方法。藉此,該半導(dǎo)體壓力感測計可以明顯的提高測量的精密度,以適應(yīng)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。
文檔編號G01L1/20GK1704741SQ200410044889
公開日2005年12月7日 申請日期2004年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月31日
發(fā)明者廖偉見, 李欣和 申請人:富士康(昆山)電腦接插件有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司