阅读说明：本技术 一种实现可靠性测试及阻值偏差补偿的压阻式传感器 (Piezoresistive sensor for realizing reliability test and resistance value deviation compensation ) 是由 黄晓东 张鹏飞 王广猛 熊强 李宇翱 张志强 于 2021-10-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种实现可靠性测试及阻值偏差补偿的压阻式传感器,包括压力敏感薄膜、压敏电阻、隧穿层,电荷存储层设置在隧穿层的上表面,并位于压敏电阻的上方,且部分覆盖压敏电阻；阻挡层完全覆盖隧穿层和电荷存储层的上表面；压阻电极设置在阻挡层的上表面,并穿过隧穿层和阻挡层上的通孔与压敏电阻电连接；调控电极设置在阻挡层的上表面,与压阻电极相间隔,并部分覆盖电荷存储层。其中,压敏电阻、隧穿层、电荷存储层、阻挡层与调控电极构成电荷型非易失性存储器结构,该结构能够实现定量调控电荷存储层中的俘获电荷数目以及通过俘获的电荷调控压敏电阻的载流子浓度进而调整压敏电阻的阻值,从而实现压敏电阻的有效修正与补偿。(The invention discloses a piezoresistive sensor for realizing reliability test and resistance value deviation compensation, which comprises a pressure sensitive film, a piezoresistor and a tunneling layer, wherein a charge storage layer is arranged on the upper surface of the tunneling layer, is positioned above the piezoresistor and partially covers the piezoresistor; the blocking layer completely covers the upper surfaces of the tunneling layer and the charge storage layer; the piezoresistive electrode is arranged on the upper surface of the blocking layer and penetrates through the tunneling layer and the through hole in the blocking layer to be electrically connected with the piezoresistor; the regulating electrode is arranged on the upper surface of the barrier layer, is spaced from the piezoresistive electrode and partially covers the charge storage layer. The structure can realize quantitative regulation of the number of trapped charges in the charge storage layer and regulation of the carrier concentration of the piezoresistor through the trapped charges so as to adjust the resistance value of the piezoresistor, thereby realizing effective correction and compensation of the piezoresistor.)

一种实现可靠性测试及阻值偏差补偿的压阻式传感器

技术领域

本发明涉及一种压阻式传感器及制备方法。

背景技术

MEMS压阻式传感器包括压阻式压力传感器、压阻式惯性传感器以及压阻式流量传感器等多种类型，现已广泛应用于工业生产、航空航天、动力机械以及生物医疗等领域，为了了解传感器的状态和寿命，需要对其可靠性进行评估。压阻式传感器的可靠性通常可以分为机械可靠性和电学可靠性。一直以来，对压阻式传感器可靠性的关注大多都集中在其结构的应力、应变以及强度等机械可靠性上，而对其电学可靠性关注较少。事实上，由于传感器的钝化层普遍存在电荷缺陷，这些缺陷会俘获电荷，钝化层中俘获的电荷会影响压敏电阻的载流子浓度进而导致传感器性能发生漂移，另一方面，钝化层中的电荷缺陷及其俘获的电荷数目难以调控与测量，导致其引起的传感器电学可靠性问题不易进行定量研究。除此之外，传统的MEMS压阻式传感器的压敏电阻在制备完成后，其阻值很难改变，从而难以对压敏电阻的实际阻值与设计阻值之间的偏差进行修正与补偿。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种实现可靠性测试及阻值偏差补偿的压阻式传感器，解决压阻式传感器电学可靠性难以定量研究以及压敏电阻制备过程中产生的阻值偏差难以补偿问题。

技术方案：一种实现可靠性测试及阻值偏差补偿的压阻式传感器，包括衬底、压敏电阻、隧穿层、电荷存储层、阻挡层、压阻电极、调控电极、压力敏感薄膜；在所述衬底背面加工腔体后形成所述压力敏感薄膜；压敏电阻设置在所述压力敏感薄膜中央；隧穿层完全覆盖所述衬底以及压敏电阻的上表面；电荷存储层设置在所述隧穿层的上表面，并位于所述压敏电阻的上方，且部分覆盖所述压敏电阻；阻挡层完全覆盖所述隧穿层和电荷存储层的上表面；压阻电极设置在所述阻挡层的上表面，并穿过所述隧穿层和阻挡层上的通孔与所述压敏电阻电连接；调控电极设置在所述阻挡层的上表面，与所述压阻电极相间隔，并覆盖所述电荷存储层；所述压敏电阻、隧穿层、电荷存储层、阻挡层与调控电极构成电荷型非易失性存储器结构。

进一步的，所述隧穿层为通过热氧化方式生长的SiO₂，厚度为3-10nm。

进一步的，所述电荷存储层为通过物理气相沉积或化学气相沉积方式生长的电荷存储薄膜，厚度为10-50nm。

进一步的，所述阻挡层为通过原子层沉积方式生长的Al₂O₃，厚度为10-50nm。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明结构可定量调控电荷存储层中的俘获电荷数目，为定量研究俘获电荷对压阻式传感器电学可靠性能的影响提供了前提和保障。

2、本发明结构即使在制备完成后仍然可以通过俘获的电荷调控压敏电阻的载流子浓度进而调整压敏电阻的阻值，从而实现压敏电阻的有效修正与补偿。

3、本发明结构可以通过MEMS工艺进行高精度、高一致性、低成本制备，可应用于多种类型的压阻式传感器，用途广泛。

附图说明

图1为本发明的压阻式传感器剖面结构示意图；

图2为本发明结构制备方法步骤1后的结构示意图；

图3为本发明结构制备方法步骤2后的结构示意图；

图4为本发明结构制备方法步骤3后的结构示意图；

图5为本发明结构制备方法步骤4后的结构示意图；

图6为本发明结构制备方法步骤5后的结构示意图；

图7为本发明结构制备方法步骤6后的结构示意图；

图8为本发明结构制备方法步骤7后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种实现可靠性测试及阻值偏差补偿的压阻式传感器，包括衬底1、压敏电阻2、隧穿层3、电荷存储层4、阻挡层5、压阻电极6、调控电极7、压力敏感薄膜8。

在衬底1背面加工腔体后形成压力敏感薄膜8；压敏电阻2设置在压力敏感薄膜8中央；隧穿层3完全覆盖衬底1以及压敏电阻2的上表面；电荷存储层4设置在隧穿层3的上表面，并位于压敏电阻2的上方，且部分覆盖压敏电阻2；阻挡层5完全覆盖隧穿层3和电荷存储层4的上表面；压阻电极6设置在阻挡层5的上表面，并穿过隧穿层3和阻挡层5上的通孔与压敏电阻2电连接；调控电极7设置在阻挡层5的上表面，与压阻电极6相间隔，并覆盖电荷存储层4；压敏电阻2、隧穿层3、电荷存储层4、阻挡层5与调控电极7构成电荷型非易失性存储器结构。

其中，衬底1的材料为单晶硅，厚度为200-2000μm。压力敏感薄膜8的厚度为5-20μm。隧穿层3为通过热氧化方式生长的SiO₂，以减小隧穿层中的电荷缺陷，厚度为3-10nm。电荷存储层4的材料包括多晶硅、Si₃N₄、HfO₂、ZrO₂等，优选通过物理气相沉积或化学气相沉积方式生长，这有利于提高电荷存储层的电荷缺陷数目，从而提高电荷存储数目，厚度为10-50nm。阻挡层5为通过原ALD(Atomic layer deposition，原子层沉积)生长的Al₂O₃，以保证在低温条件下生长出电荷缺陷少的高质量阻挡层，厚度为10-50nm。压阻电极6与调控电极7的材料为金属，优选为 Al、Ti、Au、Cu、Pt 的至少一种，厚度为100-500nm。

以上结构中，隧穿层3与阻挡层5的复合结构构成了压敏电阻2的钝化层，此钝化层的电荷缺陷少，能够有效抑制钝化层中的电荷缺陷对压敏电阻2电气可靠性的影响。

本发明的一种实现可靠性测试及阻值偏差补偿的压阻式传感器的工作原理如下：

压敏电阻2、隧穿层3、电荷存储层4、阻挡层5与调控电极7构成了电荷型非易失性存储器结构，通过在调控电极7上施加电压，可调控电荷存储层4中的俘获电荷数目，隧穿层3与阻挡层5防止了俘获在电荷存储层4的电荷丢失。俘获在电荷存储层4中的电荷数目可通过施加在调控电极7上的电压大小及极性进行调控，且可根据电荷型非易失性存储器结构构成的电容平带电压漂移定量获取，因此，本结构为定量研究俘获电荷对压阻式传感器电学可靠性能的影响提供了前提和保障。

此外，俘获在电荷存储层4中的电荷不会丢失，因此可作为内建电源使用，俘获在电荷存储层4中的电荷数目可根据压敏电阻实际阻值与设计阻值之间的偏差进行动态调整。通过俘获在电荷存储层4的电荷作为内建电源可调控压敏电阻2的载流子浓度进而调整压敏电阻2的阻值，从而实现压敏电阻2阻值偏差修正与补偿。

本发结构的制备方法包括如下步骤：

步骤1：选用300微米厚的N型(100)硅片作为衬底1，如图2所示；

步骤2：通过光刻和离子注入，在衬底1上制备P型压敏电阻2，如图3所示；

步骤3：通过热氧化方式在衬底1的上表面生长一层厚度为5nm的SiO₂作为隧穿层3，如图4所示；

步骤4：通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)和光刻在隧穿层3上表面制备厚度为10nm的Si₃N₄作为电荷存储层4，如图5所示；

步骤5：通过ALD在隧穿层3和电荷存储层4的上表面制备厚度为50nm的Al₂O₃作为阻挡层5，如图6所示；

步骤6：通过光刻和RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)在隧穿层3和阻挡层5中形成通孔，如图7所示；

步骤7：通过电子束蒸镀与光刻剥离，在阻挡层5的上表面制备厚度为200nm的铝作为压阻电极6与调控电极7，如图8所示；

步骤8：通过KOH对衬底1背面进行深刻蚀，形成开放腔体与厚度为10mm的压力敏感膜8，并完成器件的制备，如图1所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。