CMOS微机械加工温度传感器所用多晶硅层的特性研究

1、 cmos微机械加工温度传感器所用多晶硅层的特性研究 摘要：cmos器件是现代微电子发展的重要基础，正是基于cmos器件，使得沟道内电流可以得到有效调控，从而使得芯片以及集成电路得以实现，可以说当前计算机信息技术的发展与繁荣，cmos器件在其中发挥着至关重要的作用。而在其微机械加工环节中，为了使得各项技术参数控制的更加准确，并保证最终器件的质量，需要使用到优越的温度传感器作为判断的依据来源，而对温度传感器中使用到的多晶硅层特性进行研究与分析也是相当有必要的。基于此，本文选择了不同种类的多晶硅层，并借助一定的实验研究其电阻与温度之间的关系，从而得出材料的重要物理参数如基准温度电阻、电阻温度系数等

2、等，这些参数也是确定温度传感器使用范围的重要依据，根据此可以得出在怎样的临界温度下工作。基于上述实验，得到更加适合cmos微机械加工温度传感器的多晶硅层，以供相关人士参考。关键词：cmos；微机械加工；温度传感器；多晶硅层芯片以及其他集成电路设计与研究中需要使用到cmos器件，而基于硅片进行的生产大多是基于微电子机械加工系统实现的，作为在硅片上存在的微机电元件，发挥着重要的作用。而微电子机械加工系统（mems）也包括很多种类，如色谱仪，多晶硅谐振梁、微钳、压力膜、转动元件、微齿轮、曲轴、棘轮等都属于此范畴。而利用微电子机械加工系统生产cmos器件的研究也早在1987年就被加拿大的研究中实现，通

3、过将cmos工艺与微电子机械加工系统有效结合，可以更好的进行硅片的刻蚀工作，从而得到研究更为需要的元件。正是因为实现了coms与mems的有效相容，使得整个设备的处理过程更加的节省成本，并且在元件生产中无需控制更多的参数。但是二者的相容也使得设计者设计难度增加，如cmos生产中的整个元件厚度以及掺杂浓度都是十分关键的，对最终的器件性能有着十分明显的影响，但是cmos与mems相容使得这些参数的控制难度增加。而在微机电元件生产过程中，需要进行精确的温度控制，因此需要使用到温度传感器，这就需要选择电阻随温度变化明显的材料作为温度传感器的主要材料，多晶硅成为了行业内更为倾向的选择，这就使得多晶硅的电

4、阻值可以有效反映其温度相关物理参数的变化以及引起温度变化的各种物理过程也可以进行监测，在对温度传感器的多晶硅层特性进行研究时，主要集中于电阻值、电阻温度系数以及温度稳定性等参数，本文对多晶硅层特性进行研究时，也集中于上述各项物理参数的测定，来判断其是否适合作为cmos微机械加工温度传感器之中。1. 多晶硅层的电学性能研究1.1 电阻-温度关系多晶硅这一材料的电阻会随着温度的变化而发生变化，我们首先在基准温度通常选择常温测得的电阻值作为基准电阻，用r0进行表示，而随着温度变化最终在特定温度下的电阻用rt进行表示，t表示相应的温度，t0是基准温度存在如下的电阻温度关系，即根据这样的函数关系，我们可

5、以在不同的温度下通过测试相应的多晶硅电阻值，根据多个rt和t就可以进行二者关系的拟合，从而得出r0以及t0。1.2 检测模式基于多晶硅生产的温度传感器发挥作用进行检测时，有小电流检测和大电流检测两种模式，当采用小电流检测模式时，完全可以忽略其中电阻产生的焦耳热。cmos微机械加工温度传感器的尺寸通常较小，当其足够小时，环境温度便可以确定电阻的温度，当采用大电流检测模式时，电阻上产生的焦耳热处在与环境不断温度交换的过程中，因此测得的温度只能是电阻的平均温度，由于其与环境不断热交换，器件的形状、检测电流以及工艺散热的控制就与测得的温度有一定的联系。硅片上沉积多晶硅层可以实现较好的散热，而当对器件进

6、行刻蚀之后，绝热温度就会明显增高，这时焦耳热产生的作用就更为明显。在我们此次的研究中，同样包括大电流和小电流两种检测模式，其中大电流介意达到毫安级别，而小电流只有一个微安。2. 实验过程2.1 器件设计过程本次实验选择的温度传感器模型为悬板电阻温度传感器模型，中心部分面积为114m2，为了使其更加稳定的工作，在其四个方向设置了玻璃笔悬挂的夹芯玻璃悬板，在器件生产过程中，多晶硅电阻在玻璃中间座位夹芯存在。并且在此基础上采用两条铝线将电阻牵引并焊接到焊盘之上，电阻层部分长500m，宽6m。2.2 器件的后处理过程为了进一步完善器件并优化其性能，需要对其进行后处理，包括刻蚀工艺和基片引线的超声焊接等

7、等，而进行腐蚀使用有机溶剂乙二胺邻苯二酚进行，同时四甲基氢氧化铵也是较为常见的腐蚀剂，起到多晶硅下层的腐蚀作用。需要注意的是，使用有机溶剂进行腐蚀后处理过程时需要认真观察颜色的变化，如果观察到的颜色是深橘色，证明硅依旧在地下附着，需要进一步的腐蚀。而超市焊接需要使用用耐高温良好的普通电工室温硫化硅橡胶把基片粘到陶瓷插座上。当使用各向异性腐蚀液时，铝焊盘可能会受到一定程度的破坏，而我们可以通过提高超声焊机的功率来保证器件的质量。2.3 数据采集与处理对多个多晶硅温度传感器进行电阻-温度关系测量之后，得出相应的测试结果。m itel poly1材料的电阻-温度关系重复性较好，并且实验测试点的离散程

8、度也较小，证明电阻温度关系良好的重复性，这样的测试结果说明了m itel poly1多晶硅作为温度传感器材料时有很好的可靠性。而mitel hsr poly 2多晶硅的电阻温度关系显示器件在高温条件下，电阻会随着温度的上升而向下降再上升，即超过一定的临界温度之后，二者的关系不再存在，这就证明了该材料在应用到较高温度的检测时不再适用。ehsr poly2多晶硅层的电阻温度关系升温过程与降温过程可以实现较好的重合，同时在温度为200-300之间时，二者不再满足线性关系，会出现较为急剧的下降过程。3. 结语综上所述，cmos微机械加工生产工艺对于温度传感器的性能有着较高的要求，而由于电阻温度之间存在的联系，多晶硅也是作为温度传感器设计生产的主要材料，我们队多个多晶硅层进行了温度-电阻关系的测试研究，得到其是否适用于cmos-mems温度传感器的结果。参考文献：1 徐德辉, 熊斌, 王跃林. cmos兼容的微机械热电堆红外探测器阵列研究j. 浙江大学学报（工学版）, 2011, 45(6): 1043-1047, 1107.2 高璇, 郭涛, 欧文, 明安杰, 刘谨. cmos兼容的微机械热电堆红外探测器的设计j. 红外技术, 2012, (9): 5