CMOS工艺下微压力传感器设计方案

1、CMOS工艺下微压力传感器设计方案CMOS工艺下微压力传感器设计方案目 录引言1第一章 绪论21.1压力传感器概述21.2 传感器制造工艺概述21.2.2 MEMS工艺概述31.2.3 CMOS和MEMS工艺结合31.3研究现状41.4课题研究意义61.5本论文的主要工作6第二章CMOS工艺下压力传感器的原理分析72.1 MOSFET管的理论分析72.2应力82.3压阻效应92.3 本章小结10第三章 CMOS压力传感器的仿真与分析113.1传感器电路原理分析113.2压力特性的仿真与分析123.2.1传感器在压力下的形变123.2.2 传感器在压力下应力的分布133.2.3 压力特性仿真的误

2、差来源分析163.3电路特性的仿真与分析163.4本章小结19第四章 版图设计204.1版图设计流程204.2版图设计规则与技巧214.2.1版图设计的基本元器件214.2.2版图设计规则224.2.3 版图设计的注意事项234.3版图的绘制与验证244.3.1 版图244.3.2 设计规则检查（DRC）254.3.3 版图与电路图的一致性检查（LVS）254.4后仿真254.6本章小结27第五章 芯片加工工艺的讨论285.1 CMOS加工工艺讨论285.2 MEMS加工工艺讨论285.2.1光刻工艺285.2.2刻蚀工艺295.2.3除胶工艺295.2.4 MEMS加工失败原因分析305.3

3、 本章小节31第六章 总结与工作展望326.1 结论326.2工作展望32参考文献34摘 要CMOS结合MEMS制作的压力传感器容易在芯片上集成，且具有体积小、功耗低、性能高等优点。本文研究了一种基于CMOS工艺与MEMS工艺结合制造的微压力传感器。并对传感器的工作原理、版图设计、加工工艺等方面进行了研究。利用MOS管沟道区域的压阻效应、MOS管电学特性等理论知识，设计了压力传感器的结构，本次设计的压力传感器结构简单、体积小、具有较好的灵敏度。本文还对传感器的力学特性和电学特性进行了仿真，通过仿真得到传感器灵敏度为185mV/Mpa。最后根据传感器的原理设计了版图，在芯片制造厂商进行了流片，并

4、对传感器制作过程中所涉及到了基本工艺进行了探讨，设计了MEMS加工所需的掩膜版。关键字 压阻效应 压力传感器 CMOS MEMSA Micro Pressure Sensor Based On CMOSABSTRACT CMOS combined with MEMS pressure sensor is easy to integrated on chip.It has small volume, low power consumption and high performance.This paper research on a CMOS and MEMS compatible inregr

5、ated pressure sensor.This paper describes the work theory,structure design,fabrication process of pressure sensor.The main contents of the paper are about a pressure that based on the piezoresistive effect of MOSFET channel region, the electrical characteristics of the MOSFET.The pressure sensor is

6、small ,simple and has a good sensitivity.The mechanical properties and electrical characteristics of the sensor are simulated,and The sensitivity of the sensor is 185mV/Mpa.According to the principle of the sensor,we design the necessary map.we make chips in the chip manufactures.The key parts of se

7、nsors production process involved in the MEMS and CMOS technology are explores in theoretical aspects. And we design the necessary lithograthy mask design map.Keywords piezoresistive effect pressure sensor CMOS MEMS引言传感器与生活中的各行各业有着紧密的联系。在现代医学领域，医学传感器得到了广泛的应用，如在图像处理、临床化学检验、生命体征参数的监护检测、心血管疾病的诊断和治疗等方面传

8、感器已经十分普及。在环境检测、军事等方面传感器也有着很多的应用。传感器的种类很多，以传感器的功能来说可以分为速度传感器、温度传感器、压力传感器等。其中压力传感器具有体积小、灵敏度高、成本低、便于集成等优点，被广泛应用于医疗卫生、工业过程监控、生物、航空、环境监测等各个领域。压力传感器的大部分材料是硅，后来又由于硅集成工艺的发展，以硅衬底为材料的压力传感器更是得到了惊人的发展。采用硅压力传感器具有体积小、重量轻、精度高等特点。硅传感器制造工艺还与集成电路工艺相兼容，满足了传感器向智能化方向发展的要求。在传感器的制造技术方面，广泛采用的是CMOS技术。从上个世纪八十年代起，已经有人开始研究利用标准

9、CMOS工艺技术来制作各种传感器，如电容式传感器、压阻式传感器、光电式传感器、场效应晶体管式传感器等。CMOS技术由于其固定的工艺流程有利于批量生产，很多半导体制造厂商都会提供CMOS工艺加工。但是对于有结构有特殊要求的传感器CMOS工艺往往不能满足其要求，这时就可以通过MEMS工艺来制作传感器。MEMS相对于CMOS来说可以集成更多器件类型和结构功能，现在MEMS技术制造的传感器在我们生活中也得到了很多的应用。当今传感器制造还有一个探究重点就是将MEMS技术和CMOS技术结合。采用两种技术制造的传感器，既可以实现传感器的批量生产，也可以实现芯片的多样性，已经在各个领域得到了越来越多的应用，未

10、来的的市场也相当可观。第一章 绪论1.1压力传感器概述 传感器的作用就是将自然界中存在的各种非电量信息转化成可测的电信号，为人们探知和控制提供必要的条件和依据1。随着现代测量、控制和自动化的技术不断发展，传感器技术越来越为人们所重视，已成为制造自动化和信息化的基础2。传感器技术同计算机科学技术与通信技术被称为信息技术的三大产业3，其发展是一个代表国家工业现代化水平的重要标志。在各种功能的传感器中，压力传感器具有体积小、灵敏度高、成本低、便于集成等优点，被广泛应用于医疗卫生、工业过程监控、生物、航空、环境监测等各个领域145，可以说是工业实践中最为常用的一种传感器。自1954年Smith等人开始

11、研究半导体的压阻效应开始，基于压阻效应制作的压力传感器就开始得到了实际的应用，又由于硅集成工艺的发展，以硅衬底为材料的压力传感器更是得到了惊人的发展6。采用硅压力传感器具有体积小、重量轻、精度高等特点，特别是半导体传感器制造工艺与集成电路工艺相兼容，满足了传感器向智能化方向发展的要求7 。1.2 传感器制造工艺概述1.2.1 CMOS工艺概述在很多领域微型计算机使用的越来越广泛，这就要求压力传感器更加小、更加准确，并且能与集成电路相兼容。这对制造技术是一个很大的考验。现在传感器的制造技术广泛采用的是CMOS工艺。CMOS工艺是指将NMOS和PMOS制作在同一硅衬底上的工艺。从上个世纪八十年代起

12、，已经有人开始研究利用标准CMOS工艺技术来制作各种传感器，如电容式传感器、压阻式传感器、光电式传感器，场效应晶体管式传感器等2。CMOS具有它具有极低的静态功耗密度、抗干扰性好、工作电源电压范围宽、输入阻抗高、电容设计容差大等优点8。而且CMOS标准工艺上所需的材料的种类，材料的加工流程，加工参数都是固定的，其使用非常广泛，很多厂商都会提供CMOS工艺加工，如国内台积电、华润上华、华晶，国外的MOSIS公司等。CMOS工艺的这些特点非常有利于大规模的生产制造集成电路和传感器的产量化。1.2.2 MEMS工艺概述由于CMOS工艺很多工艺流程都是固定不变的，对于一些结构有特殊要求的传感器来说CM

13、OS工艺可能满足不了其制作要求。尤其是微型传感器，其外界物理量、化学量对传感器检测量的改变很小，这对于CMOS工艺的兼容来说一个很大的挑战。此时采用MEMS工艺技术则是一个很好的选择910。MEMS是指可批量制作的，集微型机构，微型传感器、微型执行器以及信号处理电路、通信和电源为一体的微型器件或系统5。MEMS技术是作为力学，声学，光学和化学等领域与电子电路沟通的桥梁1011，是一个多学科交叉的前沿研究领域。其特点是体积小、性能好、效率高、便于集成12。相对于CMOS工艺来说，MEMS工艺能集成更多的器件类型和结构功能。以MEMS工艺制造的压力传感器，在我们生活中也得到了越来越多的应用，如有学

14、者研究一种MEMS压力传感器可以对义齿进行检测、在高端运动手表里面有很多采用MEMS技术制造的压力传感器。运用MEMS加工技术制作的压力传感器凭借其体积小、功耗低、灵敏度高、重量轻、易于集成以及耐恶劣工作环境等优点 16，将有很大的发展空间。1.2.3 CMOS和MEMS工艺结合由于大多数MEMS器件所需的独特制造工艺，使其不能得到广泛的发展，所以当今传感器还有一个探究重点就是将标准CMOS加工工艺和MEMS加工工艺结合。在早期，CMOS和MEMES的结合存在很大的困难。如MEMS包含一些可动的机械构件，不能采用CMOS传统方法进行封装。还有CMOS和MEMS设计思路也不相同，CMOS是从上往

15、下设计，而MEMS是从下往上设计。但是随着MEMS器件研究的发展和应用领域的拓宽，MEMS迫切需要量产和走入市场，MEMS工艺和标准CMOS工艺结合的制造工艺也得到了发展。采用CMOS工艺和MEMS工艺结合的制造工艺。根据CMOS和MEMS工艺的加工顺序可分为pre-CMOS、post-CMOS、intermediate-CMOS三种形式1。由于CMOS和与MEMS结合的技术尚不完全成熟，每种加工形式都有自己的优点和缺点。post-CMOS是先完成CMOS工艺的加工，然后在根据设计需要在MEMS后加工过程中完成传感的部分，不需要和CMOS工艺流程绑定在一起，但是后加工时容易受到温度或刻蚀的影响

16、，对芯片造成损坏。pre-CMOS可以避免温度或刻蚀的影响，但是CMOS电路制作时很难保证表面的光滑。在实际传感器的制作过程中，需要根据传感器的不同需求选用不同方法。1.3国内外研究现状以CMOS与MEMS结合制造的传感器凭借其易于集成，成本低廉等优点，已经被广泛应用于各个领域的研究。已经有很多学者利用CMOS工艺和MEMS工艺结合来研究制作传感器，其中包括压力传感器、速度传感器、湿度传感器等。王阳设计了一种与CMOS工艺兼容的梳状电极结构的集成微电容传感器。在这个传感器中，敏感电容与信号读出电路集成在同一个芯片上，实现了传感器的微型化、低成本、高性能生产的特点。但是存在的不足有不能预测微小电

17、容的变化，对后期加工、测试造成了一定的影响2。周闵新设计了一种兼容CMOS工艺的电路，可用于集成电容式传感器的设计和加工。他还提出了一种固体电容式传感器，这种传感器可以作为MEMS传感器的一个基本单元13。刘娜，黄庆安等人采用一种新型的CMOS工艺结合MEMS工艺研制出了一种电容式绝对压力传感器（如图1-2）。其传感器是由导体和介质层组成可变电容。这种电容绝对压力传感器，具有更大的初始固有电容，并且能抑制寄生电容21。图1-2 刘娜设计的电容式绝对压力传感器Pradeep Kumar Rathore等人设计出一种基于COMS和MEMS工艺的桥梁式结构的压力传感器（如图1-3），其中采用的是标准

18、5m的CMOS工艺。其原理主要是基于压阻效应，当压力改变时，MOSFET里面的载流子迁移率发生改变，从而改变电路的输出电压。最后优化后传感器的灵敏度为1.61V/Mpa，这种结构适用于在医疗和生物医学等相关领域 14。图1-3 Pradeep Kumar Rathore设计的桥梁式压力传感器李凌宇针对市场和科研的需求设计了一种基于MEMS和CMOS加工的SOI基纳米硅薄膜的压阻式压力传感器（图1-4）。这种传感器填补了国内超微压、高精度传感器的空白，虽然工艺实现有所不足，但是对MEMS压力传感器研究打下了一定基础15。图1-4李凌宇设计的压阻式压力传感器Zhao-Hua Zhang等人设计了一

19、种MEMS压力传感器（图1-5），其中用两个MOSFET和两个压敏电阻组成惠斯顿电桥作为传感器的敏感元件，与传统的压阻式压力传感器相比，该传感器的灵敏度更高，制造成本更加低廉，而且能与标准的IC工艺兼容。这种芯片可用于研究汽车电子领域的压力检测系统17。图1-5 Zhao-Hua Zhang设计的MEMS压力传感器Sun等人采用CMOS和MEMS结合的工艺研制出了一种三轴微加速度传感器。其采用的是post-CMOS工艺，先通过标准CMOS 0.35m工艺加工出整体结构，在通过MEMS 干法刻蚀加工其余微结构18。陈燕等人研究出了一种基于0.5m标准CMOS工艺的新型L型负阻器件。这种器件功耗较

20、低，同时能够节省器件数目，减小芯片占用面积，降低成本19。Qiu等人基于标准0.6 m CMOS工艺研制了一种电容式湿度传感器。完成CMOS工艺后利用MEMS工艺制作了一层感湿薄膜，并将感湿薄膜和读出记录集成在一个芯片上。这种传感器有利于提高集成度和灵敏度20。万求真基于0.18m CMOS工艺设计了两种高性能的混频器。利用CMOS工艺让混频器尺寸更小、成本更低、功耗更低22。CMOS工艺和MEMS工艺结合制造的传感器由于其灵敏度高、利于集成等优点，成为了学者的研究重点。其中post-CMOS加工技术相较于其余两种技术工艺更加简单，更是受到了研究者的青睐，如Sun、Qiu、周闵新、万求真等学者

21、都是采用这种工艺研制传感器，他们研制的传感器都有着较好的性能。综上所述，本文使用CMOS工艺和MEMS工艺结合研制了一种基于MOS管沟道区域压阻效应的压力传感器，并针对这种结构设计了一种压力-电压信号读出电路，将传感器随着外界压力的变化转化成便于后期处理的电压量。1.4课题研究意义压力传感器是各类传感器中技术最成熟、性价比最高、性能最好的一类传感器，在现代测量事业的发展中具有非常重要的地位。用CMOS工艺制造压力传感器可以实现传感器的量产化，而MEMS技术可以制造出种类更多、用途更广的压力传感器。采用MEMS工艺和CMOS工艺结合的工艺制造压力传感器，可以实现传感器结构的多样性，产品的量产化2

22、。现在两种技术结合已经在各个领域得到了越来越多的应用，虽然两种工艺不能现在还不能完全的兼容，但是随着MEMS器件的量产化需求，CMOS与MEMS相结合的传感器是未来发展的大趋势，未来的市场发展也相当可观。1.5本论文的主要工作第一章对压力传感器做了概述，介绍了CMOS工艺和MEMS工艺以及其结合后的优势，介绍了有关CMOS工艺及MEMS工艺下传感器的研究现状，探讨了课题的研究意义。第二章提出了此次研究的压力传感器的基本原理，包括的饱和状态下的MOSFET管的电学特性分析、应力和压阻效应的理论分析。第三章提出了的压力传感器结构和电路原理图，并对其特性进行仿真，包括用COMSOL对传感器的结构进行

23、压力特性的仿真，用Tspice对电路特性进行仿真。第四章主要是根据电路结构进行版图的设计。分析的内容主要包括设计规则、器件选型、寄生参数的分析和版图校验，并根据提取的寄生参数对实验进行了后仿真。第五章分析和讨论了芯片加工的后续工艺。包括标准的CMOS工艺、MEMS工艺。并设计了MEMS加工所需的掩膜版。第六章给出了全文的结论和后续工作的建议。第二章CMOS工艺下压力传感器的原理分析2.1 MOSFET管的理论分析在MOSFET管中，某一点的电流密度J可以表示为 J=QVd（2-1）其中Q表示导体中某点单位体积的空穴电量， Vd表示载流子平均漂移速度。而平均漂移速度Vd又可表示为|E|，其中表示

24、载流子的平均迁移速度。则对于n型半导体材料有 J=Q|E|（2-2）根据欧姆定律的微分形式 J=|E|（2-3）其中表示电导率。根据电流密度J的两个表达式（2-2）和（2-3）可以得到 =Q （2-4）若MOSFET的栅极宽度为W，x点的电压为V(x)，则x点附近的单位面积的空穴电荷可以表示为 Q(x)=Cox（|VGS|-|Vtn|-|V(x)|） （2-5）其中Cox表示单位面积的电容。沟道长度为dx的电阻dR可以表示为dR=dxQ（x）W （2-6）若漏极电流为ID,则沿沟道X方向的电压降 dV(x)=ID*dR= ID*dxQ（x）W （2-7）对公式(2-7)从0到L积分可以得到 I

25、D=-C0xWL2VGS-VtnVDS-VDS22 （2-8）当MOS管处于饱和状态时有|VDS|VGS|-|Vtn|。当漏源电压增大时，沟道漏极的导电层会变薄。而当漏源电压增大到和|VGS|-|Vtn|相等时，沟道就会发生夹断。此时，若继续增大|VDS|,夹断点会向源端移动。而沟道两端的电压不变，漏极电流也不变。增加的电压落在了夹断的耗尽层区内。此时根据公式（2-8），漏极电流的表达式可以表示为23： ID=-C0xWL(|VGS|-|Vtn|)22（2-9）2.2应力当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称之为应变。此时，材料内部产生了和外力相反的作用抵抗

26、外力，我们把内力在一点的集度称之为应力24。如图2-1所示，在物体的的一点Q中，取正方体做单元体。其棱平行于直角坐标系的三个轴。在单元体中取三个互相垂直的表面作为微分面。则可以用质点在三个微分面上的应力来完整地描述此单元体的应力状态。在三个微分面上的应力可以按照坐标方向分为三个分量，在这三个分量中与微分面垂直的分量称为正应力分量，其余两个则为剪应力分量。图2-1 应力分量而表示应力状态的九个应力分量构成的一个二阶张量称为应力张量。可用张量符号ij表示。由于应力张量的切应力互等，所以二阶张量是二阶对称张量。可以表示为：ij=xxxyxzxyyyyzxzyzzz（2-10）表2-1 主应力和最大切

27、应力、最大正应力的关系lmn切应力正应力012122-322+32120123-121+32121201-221+22通过受力物理的一点，可以作做无限个截面，在其中总有三个截面其剪切应力为0，我们将其截面称为主平面，其主平面上的正应力称为主应力。三个主平面上的主应力我们用1，2，3表示，其中123。通过三个主应力可以的得到任意平面上的正应力和切应力。对于主应力1，2，3都不为0的情况，其最大剪切力和主应力对应的关系如表2-1所示，其中l，m，n分别代表最大切应力平面在在三个主平面的方向余弦。2.3压阻效应压阻效应是指半导体受到应力作用时，电阻率（或电阻）发生变化的现象。它是C.S史密斯在195

28、4年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。压阻效应是各向异性的，压阻效应用级数展开的形式表示为ij=0ij+ijklkl+ijklmnklmn（2-11）其中0ij表示外界没有压力时的电阻率分量，ijkl和ijklmn表示诱导电阻率发生变化的四阶、六阶和更高分量的分量。kl，mn则表示应力张量。在一般应力比较小的情况下，只用到低阶部分，电阻率和应力的关系可以表示为 ij=0ij+ijklkl（2-12）则电阻率的变化可以表示为 ij=ijklkl （2-13）由表达式可以看出kl是二阶应力张量，对应有xx，xy，xz，yx，yy，yz，zx，zy，zz共9个分量，而9个分量对应了81个压

29、阻系数分量。将压阻系数的下标做如下简化XX:1 ,YY:2,ZZ:3,YZ:4,ZX:5,XY:6后电阻的变化率可以表示为如下矩阵方程 123456=111213141516212223242526313233343536414243444546515253545555616263646566123456（2-14）根据公式（2-13）可以看出电阻率分量ij和应力分量ij的线性变化关系相同。又根据公式（2-10）可以得出结论ijkl=jikl。同样，在ij中存在ij=ji，及ijkl=ijlk。所以在81个压阻系数分量重只剩下36个分量。对于立方晶体来说，有压阻效应是对称的、剪切应力只能在剪切

30、平面产生压阻效应等特性。经过简化后的矩阵方程可以表示为25 123456=111212000121112000121211000000440000004400000044123456 （2-15）其中11是指纵向压阻系数，12是指横向压阻系数，44是指剪切压阻系数。对于下的室温n型单晶硅来说纵压阻系数11=-102.2*10-11Pa-1，横向压阻系数12=53.4*10-11Pa-1，剪切系数44=-13.6*10-11Pa-1。在计算时只取横向压阻系数和纵向压阻系数。需要注意的是公式（2-15）所表示的三个系数都是相对于晶轴坐标系的。其任意晶向压阻系数和晶轴方向的压阻系数换算关系如下： l

31、=11-2(11-12-44)(l12m12+ m12n12+ l12n12)（2-16） t=12-2(11-12-44)(l12l22+ m12m22+ n12n22)（2-17）其中（l1，m1，n1），(l2，m2，n2)分别代表了纵向压阻和横向压阻在主晶轴坐标系下的方向余弦。2.3 本章小结本小节对此次设计的压力传感器所涉及到的原理进行了分析，包括饱和状态下MOS管漏极电流公式的推导，单晶硅压阻系数的理论推导，主应力和各个平面的剪切应力的理论推导。第三章 CMOS压力传感器的仿真与分析3.1传感器电路原理分析本次设计的压力传感器信号读出电路原理图如图3-1所示，传感器的结构图如图3-

32、2所示。电路图中的M1为参考MOS管，不会受到外力作用。M2、M3将会受到外力作用，其中M2代表结构图中沟道区域靠近传感器边缘的MOS管，M3代表沟道区域位于传感器中间的MOS管。通过调整电路参数，使3个MOS管处于饱和状态。此时，若有压力作用于M2或者M3时，由于MOS管的沟道区域存在压阻效应，沟道区域的电阻率会发生变化，根据公式（2-4）可以得知，电阻率变化以后MOS管的沟道迁移率会发生相应的变化。根据公式（2-9），可以知道迁移率变化后MOS管漏极电流 ID =-()C0xWL(|VGS|-|Vtn|)22（3-1）电阻RD可以把漏极电流的变化转化成相应的电压的变化。所以通过M2、M3漏

33、端电压的变化，可以反应在M2或M3上压力的大小。通过压力和输出电压的对应关系进行分析可以得到此传感器的灵敏度等参数。图3-1 电流镜式压力传感器电路原理图在图3-1所示的电路中，M2、M3的参数需要完全一致。因为这两个MOS管是分别用来感应传感器不同位置的压力，最后输出电压是通过M2、M3漏端电压的计算得到的，保持参数一致才能排除器件参数对数据分析的影响。在本次设计的电路中，栅源极电压需要大于MOS管的阈值电压，其作用是使MOS管处于饱和状态，从而满足公式（2-9）的计算条件。在图3-1所示的电路中M1、M2、M3三个MOS管的栅极通过M1漏极的电阻连接到高电平，使3个MOS管的栅源电压相同。

34、这样做有几个好处，一是通过调节M1的电路参数可以使3个MOS管同时处于饱和状态。二是由于M1在传感器中不会受到外力的作用，其漏端电压也不会因为传感器受到的压力的变化而发生改变，从而保证了测量压力过程中MOS管栅极电压保持不变，根据公式（3-1），在栅源电压不变的情况下，沟道迁移率是影响漏极电流的唯一因素。三是简化了电路和版图设计。图3-2 压力传感器结构原理图3.2压力特性的仿真与分析本文研究所用的传感器类似桥式结构，其结构图3-2所示。当在传感器上施加压力时，芯片被减薄的区域会发生发生形变。沟道区域位于形变区域的MOS管会受到压力产生的应力，从而产生相应的沟道迁移率的变化。本小节将要仿真压力

35、变化对传感器带来的影响。3.2.1传感器在压力下的形变本小节仿真主要是用CMOSOL力学模块分析传感器在压力下的形变。传感器在压力下的形变可以直观对压力传感器的抗压能力有一定的了解，对后续封装等工艺的选择也有一定的参考意义。由图3-2可以看出，传感器的芯片有一部分是被减薄的。在实际加工出的芯片中，被减薄部分的厚度大约为2.5m，而未减薄的部分大约有300m。所以在芯片上施加压力时，未被减薄的部分可以近似认为没有发生形变，在仿真时只需模拟形变部分。此次仿真采取的方案是将发生形变的区域提取出来，未发生形变的区域等效为固定端。在COMSOL的固体力学模块中，可以采用对边的固定约束，代替未减薄区域对形

36、变区域的约束。采用一定的边界载荷，来代替外界施加的压力。本此仿真采用的是100m*100m*2.5m的p型单晶硅来等效减薄区域的硅衬底。用1Mpa的边界载荷来模拟芯片表面施加1Mpa压力时芯片产生的形变。图3-3为COMSOL模拟的结果。图3-3在芯片表面施加1Mpa压力时的形变由图3-3的模拟结果可以看出，在硅片的两个固定端,也就是在在减薄区域的和未减薄区域的的交接处,芯片基本不会发生形变。由芯片的2个固定端向芯片的中间芯片形变的逐渐增大，最大的形变发生在传感器的正中间。最大形变量约为1.2m。3.2.2 传感器在压力下应力的分布 根据公式（2-13）可以看出，造成半导体电阻率发生改变的主要

37、受半导体的压阻系数和应力的影响。由于压阻系数是半导体本身特性，不会因为压力发生改变。对于本次研究的传感器来说，正是由于MOS管沟道区域受到的应力不同，其电导率也不同。所以有必要对沟道区域受到的应力进行分析。图3-4在芯片表面施加1Mpa压力时第一主应力的分布图3-4为在传感器整个表面上施加1Mpa压力下，第一主应力的分布图。从图上我们可以清晰看到最大的应力出现在传感器的两个固定端，从两个固定端到中间应力逐渐减小，在某一位置应力减小为0后，出现负值并且继续减小。这说明在传感器上施加压力，传感器不仅有正应力，还出现了负应力，而且正应力在两个固定端达到最大，负应力在正中间达到最大。为了观察应力的极值

38、，我们在芯片正应力和负应力最大的地方分别制作两个MOS管，也就是图3-1中的M2和M3。由公式（2-9）可知，在源漏电压固定的情况下，MOS管的漏极电流在压力作用下的变化主要是由于沟道载流子迁移率的变化导致的。沟道迁移率的变化率0可以表示为等效电阻的电阻变化率RR0，并且它们是成反比变化的。具体关系如公式（3-2） n-RR0 (ll+tt)（3-2）其中l，l，t，t分别代表了任意晶向的纵向压阻系数，纵向应力，横向压阻系数和横向应力。CMOS集成电路采用的是晶向的硅材料，此方向具有较高的载流子迁移率。有实验证明，其在和下的有最大横向压阻系数和纵向压阻系数。通过公式 （2-16）、（2-17）

39、和2.3小节中提供的晶轴方向上压阻系数的数据可计算出l=t24.4*10-11Pa-1。而纵向应力和横向应力则可以通过主应力计算得到。 通过图3-3中CMOSOL的仿真可以测出在不同压力下，处于MOS管沟道区域的芯片第一主应力、第二主应力、第三主应力的分布情况。表3-1和表3-2是通过CMOSOL记录的不同压力下两个MOS管沟道区域三个主应力的数据。表3-1 M2在不同压力下应力分布压力(Kpa)1（106pa）2（106pa）3（106pa）000020017667.4664003531351326005292021988007052702641000882337330通过最大压阻系数平面在

40、主平面上的投影，我们可以得到l=0 ，m=12，n=12。根据表2-1，我们可以计算出MOS管沟道区域的最大纵向应力和最大横向应力。计算结果如表3-3、表3-4所示。表3-2 M3在不同压力下应力的分布压力(Kpa)1（106pa）2（106pa）3（106pa）0000200-0.319-19.4-77.7400-0.64-38.9-155600-0.96-58.2-233800-1.28-77.7-3111000-1.6-97.1-388表3-3 M2不同压力下的纵向应力和横向应力压力（Kpa）02004006008001000纵向应力l（106pa）066.7133.5200267333

41、.5横向应力t（106pa）00.71.5233.53-4 M3不同压力下的纵向应力和横向应力压力（Kpa）02004006008001000纵向应力l（106pa）0-48.55-96.95-145.6-194.35-242.55横向应力t（106pa）029.1558.0587.4116.65145.45通过公式（3-1）、表3-3、表3-4提供的数据，我们可以得出在不同压力下的MOS管的区域沟道迁移率的变化率。其结果如表3-5、表3-6所示。表3-5 M2沟道区迁移率的变化率压力（Kpa）02004006008001000/00.0164460.032940.0492880.065880

42、.082228表3-6 M3沟道区迁移率的变化率压力（Kpa）02004006008001000/0-0.00473-0.00949-0.0142-0.01896-0.02369查阅工艺书可以得到本次研究所用MOS管的初始沟道迁移率495cm2/Vs。根据表3-5和表3-6的计算结果可以计算出在不同压力下MOS管的沟道迁移率。其结果整理如图3-5所示。通过上面仿真和理论计算，我们得到了在不同压力下，MOS管的沟道迁移率。从结果图3-5我们可以看出，随着压力的增大，位于固定端的MOS管M2的沟道迁移率成线性的增大。在外界压力改变1Mpa时，其迁移率大约改变了40cm2/Vs。而位于正中间的MOS

43、管M3的沟道迁移率线性减小。在外界压力改变1Mpa时，其迁移率大约改变了12cm2/Vs。图3-5MOS管在不同压力下的沟道迁移率3.2.3 压力特性仿真的误差来源分析通过这种方法计算出来的沟道迁移率和实际沟道迁移率理论上有一定误差，其误差来源主要有两个。一个是MOS管的沟道区域是n型硅，由于仿真无法通过合成两种材料模拟应力分布，只能用p型硅在MOS管沟道区域的应力分布来代替MOS管沟道区域的应力。第二个是MOS管沟道区域有一定厚度和宽度，但是在仿真时只取沟道区域表面的一点应力。由于MOS管沟道区域的体积相对于P型衬底的体积很小，所以实验仿真结论还是具有可信度。3.3电路特性的仿真与分析根据公

44、式（2-9）我们可以看出，对于MOS管来说，影响漏极电流的可变因素只有栅源电压和漏极电流。根据我们设计的电路图2-1可以看出M1、M2、M3的栅源电压接到了M1的漏端。在本次试验中M1的漏端电压不会发生改变及保证了M1、M2、M3的栅源电压不会变化。从而保证了沟道迁移率成为了影响漏极电流的唯一因素。本小节的内容就是通过电路仿真计算沟道迁移率的变化对漏极电流的影响。由于电路图（图3-1）可以看出,M2和M3具有对称性，区别只是在芯片不同位置所感应的应力不同，导致其沟道迁移率的变化不同。由于在3.2小节的仿真结果中已经给出了M2、M3的沟道迁移率。所以在电路仿真阶段可以将M3的电路部分去除，做图3

45、-6所示的简化。图3-6简化后的电路图 本次采用的电路仿真软件是T-spice。其基本仿真顺序是先根据芯片加工厂商提供的MOS管参数文件编写本次仿真所需要的MOS管的库文件，其文件后缀名为“.md”，其文件部分内容如图3-7所示。 图3-7MOS管部分参数接下来就是在编写电路所需的程序 。程序所需的基本内容包括MOS管库文件的加载语句、器件节点的定义、输出类型和输出节点的定义、最后需要加“.end”语句作为结束语句。本次电路图SPICE程序如图3-8所示。图3-8电路图 spice程序程序中的.print tran v(out)代表的是输出的M2 out节点的电压，也就是MOS管M2（图3-5

46、）漏极端的电压。由于无法直接改变沟道迁移率，根据公式(2-9)，只要得到迁移率的变化关系，我们可以通过改变MOS管的沟道宽长比来等效迁移率的变化。从3.2节的仿真中我们已经得到了不同压力下的沟道迁移率的数据。则漏极电流的公式可以转化成 ID=-C0x(W)L(|VGS|-|Vtn|)22(3-2)即通过计算不同迁移率下W的值，就可以得到不同迁移率下的MOS管漏极电流的值。通过图3-5中压力和沟道迁移率的关系结合本次的实验数据，压力和MOS管M2、M3漏端电压的关系整理如图3-6。图3-6 压力和漏端电压的关系从图3-6可以看出在不同压力下M2、M3两个MOS管的沟道迁移率变化方向不同，其漏端电

47、压的变化方向也不同，且都是和压力成线性变化。为了直观分析压力与电压的关系，可以将两个MOS管漏极端的电压差作为最后输出电压。图3-7 输出电压和压力的关系输出电压的整理结果如图3-7，从图3-7计算出这个传感器的灵敏度大约为185mV/Mpa。通过以上仿真可以看出本次设计的压力传感器的灵敏度主要受沟道迁移率的影响。而沟道迁移率的影响因素主要有应力和压阻系数。通过优化传感器结构，如使传感器变得更薄，可以改善传感器的应力分布。通过提高沟道区域载流子的掺杂浓度可以改善传感器的压阻系数。在制造工艺允许的情况下，优化传感器的结构，提高沟道区域的载流子浓度，传感器的灵敏度将会得到很大的提高。3.4本章小结

48、本小节给出了传感器的结构和电路原理图，并对压力传感器相关特性进行了模拟仿真，仿真内容包括压力特性的仿真和电路特性的仿真。压力特性的仿真主要是观察传感器的形变和应力分布，观察形变有助于了解传感器的承受压力能力，观察应力主要是为了计算出压力对MOS管沟道迁移率的影响。最后对传感器的电路特性进行了仿真，给出了传感器灵敏度的理论值。第四章 版图设计 版图设计是集成电路根据电路设计的结果将电路转化成一系列几何图形的过程。版图包括器件的尺寸，位置等所有的物理信息，版图和实际制造出来的电路存在对应关系，所以版图的设计必须遵守工艺规则的制约。版图设计的好坏也在很大程度上影响着电路的设计。本章节讲讨论一些关于版

49、图设计的规则、流程等。本文设计的版图遵循的是华润上华0.5m CMOS工艺规则。本次版图的设计采用的是Cadence EDA中的Virtuoso Layout Editor。4.1版图设计流程 版图设计的流程图4-1:图4-1 版图设计流程图版图设计步骤文字描述如下26（1）首先根据电路原理结构图，确定版图的整体布局，包括MOS管、焊盘、电阻等器件的位置。然后按照自顶向下，分层设计的原则，采用Virtuoso Layout Editor软件，完成从底层的子电路到整个电路版图的设计。（2）对版图进行设计规则的检查。对版图进行电学规则检查（ERC）和版图与电路图的对照验证（LVS）。（3）提取寄生

50、参数。（4）后仿真。将寄生参数反馈到原始电路中，并再次进行芯片的模拟仿真。（5）将检查无误的版图转换成GDCII格式的文件交给厂商流片。4.2版图设计规则与技巧4.2.1版图设计的基本元器件在0.5m CMOS工艺中，本次主要使用的图层和功能如图4-2所示：表4-1 主要使用图层和功能本小节主要介绍本次版图设计所用到的元器件，及其参数特性等。4.2.1.1 电阻 0.5m CMOS工艺提供了N+、P+、NWELL、P_Poly、NLDD、High Ploy2等电阻选择。不同类型的电阻，在相同阻值的情况下，尺寸有很大的差别。本文选择了High Ploy2电阻。图4-2为0.5m CMOS工艺Hi

51、gh Ploy2的电阻版图。在设计中常根据简化公式=LW来估算电阻的长度L和宽度W。本文电路采用的阻值为500，根据工艺文件的的要求其长宽比应约为2。图4-2 电阻版图4.2.1.2 MOS管 0.5m提供了标准型N/PMOS、耗尽型N/PMOS、低阈值N/PMOS三种类型的MOS管，本文采用的是标准型NMOS ，下图为MOS管的版图。本文采用的是P衬底，GT形成MOS管的栅极；N+注入和Active共同形成NMOS管的N型有源区，栅极两侧的有源区分别构成MOS管的源极和漏极。源极和漏极通过接触孔与第一层金属相连，以实现互连。图4-3 NMOS管版图4.2.2版图设计规则 由于器件的物理特性和

52、工艺的限制，芯片上物理层的尺寸对版图的设计有着特定的规则，这是根据工厂使用的工艺和技术水平制定的27。必须根据厂家提供的设计规则进行版图的设计，才能保证芯片的成品率。版图的设计规则一般包括：最小宽度规则、最小间距规则、最小交叠规则、最小延伸规则等。4.2.2.1 最小宽度规则 最小宽度规则是版图设计中的关键尺寸。它规定了版图上的几何图形的宽度必须大于一个最小值。若在违反了此规则，则可能导致断线，以至于无法保证制造出互连线。也可能导致局部出现一个大的电阻而致使工作时产生大的电流。图4-4 最小宽度规则4.2.2.2 最小间距规则 最小间距规则规定了各个图形之间的间隔。由于工艺技术的限制，常常达不

53、到跟版图一样的形状，走线之间就会出现犬牙交错的现象。最小间距规则通常是为了避免在两个器件之间发生短接。图4-5 最小间距规则4.2.2.3最小延伸规则最小延伸规则规定了一个图形在其他图型的边缘外应该还至少延长一个长度。最小延伸规则主要是防止在不同掩膜版间发生工艺漂移时引起电路误差。图4-6 最小延伸规则4.2.2.4最小交叠规则最小交叠规则规定了一个多边形和另一个多边形之间相互交叠的最小尺寸。通常是为了确保制造工艺的误差不会影响正常的连接。图4-7 最小交叠规则除了以上规则，版图设计还需要遵循一些设计规则，如最小密度规则，最大金属宽度等。具体规则需要参考工艺厂商提供的工艺文件。4.2.3 版图

54、设计的注意事项 除了遵循版图设计规则以外，还需要了解一些注意事项。以减小版图设计对电路性能产生的影响。天线效应是指在CMOS工艺中，会用到刻蚀或扩散技术，刻蚀或者扩散装置会与晶体管栅极所连接的金属线上产生感应电荷。当感应电荷积累到一定程度后会对栅极氧化层产生破坏作用。随着栅尺寸变小，天线效应对芯片的成品率影响也会越来越大。现在微型电路版图设计中，主要解决天线效应的办法有增大栅极的面积、跳线法、添加消除电荷的回路。在电路的版图中，由于工艺上或者其他一些不可避免的因素的影响，会产生一些寄生元件，最常见的包括寄生电容和寄生电阻28。这些寄生参数对电路性能影响非常显著，所以在设计时必须尽量减少寄生参数的影响。电路仿真中，在电路的各个部分的连线电阻视为0，但是版图设计中每条连线都有自己的