应力传感器和用于求取梯度补偿的机械应力分量的方法技术

本文描述的创新方案涉及一种基于晶体管的应力传感器，具有带有第一和第二MOS晶体管装置的半导体衬底。第一MOS晶体管装置可以具有第一和第二MOS晶体管，分别带第一和第二源极漏极沟道区，其中第一和第二MOS晶体管相互取向成使得第一源极漏极沟道区中的电流流动方向与第二源极漏极沟道区中的电流流动方向相反。第二MOS晶体管装置可以具有第三和第四MOS晶体管，分别带第三和第四源极漏极沟道区，其中第三和第四MOS晶体管相互取向成使得第三源极漏极沟道区中的电流流动方向与第四源极漏极沟道区中的电流流动方向相反。基于晶体管的应力传感器提供梯度补偿的输出信号，输出信号用于确定作用在半导体衬底上的机械应力分量。量。量。

Stress sensor and method for obtaining mechanical stress component of gradient compensation

【技术实现步骤摘要】
应力传感器和用于求取梯度补偿的机械应力分量的方法


[0001]本文描述的创新方案涉及一种布置在半导体衬底上的基于晶体管的应力传感器。该基于晶体管的应力传感器用于确定作用在半导体衬底上的机械应力分量。由于基于晶体管的应力传感器内的各个晶体管具有本文描述的创新布置，可以完全或至少部分地补偿可能影响确定应力分量的参量梯度。因此，本文描述的基于晶体管的应力传感器能够实现对机械应力分量的梯度补偿的确定。本文描述的创新方案还涉及一种用于借助这种基于晶体管的应力传感器来梯度补偿地求取机械应力分量的方法。

技术介绍

[0002]应力传感器被设计成求取机械应力分量，例如机械剪应力、机械总应力或机械微分应力。本文描述的应力传感器是具有多个晶体管的基于晶体管的应力传感器。根据基于晶体管的应力传感器的输出信号，可以求取机械应力分量。
[0003]该输出信号可以被不期望的效应叠加，所述不期望的效应可能导致在确定应力分量时的不精确性。不随时间变化的静态效果可以用相对简单的手段来补偿。相反，时间上可变的效应(其大小随时间变化)明显更难补偿。因此，在电子电路元件中随着不断老化经常出现所谓的老化效应，所述老化效应可能导致不期望的特性。然而，这种老化效应只能被困难地校准或补偿。
[0004]特定参量的时间变化可以用梯度来描述。梯度例如可以说明相应参量的相应时间变化的方向和数值。例如，热源随着电流供应的增加而产生增加的热量。这种增加的热量可以用热梯度表示。
[0005]该时间上可变的基于梯度的效应以不期望的方式影响应力传感器的输出信号，也就是说，使应力传感器的输出信号失真。更一般地说，应力传感器的输出信号在存在一个或多个梯度的情况下通过相应的梯度的方向和/或数值不期望地被影响或失真。因此，例如在热梯度存在的情况下随着热量增加获得应力传感器的越来越失真的输出信号。
[0006]因此期望提供一种应力传感器，该应力传感器提供梯度补偿的输出信号，使得输出信号基本无梯度。待补偿的梯度优选是一阶梯度。
[0007]这种基于梯度的效应可能具有不同的原因。热梯度例如可以根据可变的加热功率改变。但是也存在布局梯度，布局梯度可以根据电路在半导体衬底上的相应布局而改变。可能由于塑料壳体中的变化的全局应力而出现的变化的不均匀应力效应也不期望地影响确定机械应力分量。对此包括例如可变的全局应力，全局应力可能由于封装过程本身、由于潮湿或者由于焊接而引起。
[0008]基于晶体管的应力传感器可以优选地是集成到半导体衬底中作为电路装置一部分的电路。集成电路装置或集成电路(IC＝集成电路)通常安装在壳体中，以保护敏感的集成电路装置免受环境影响。然而在此作为不期望的副作用观察到的是，将集成电路装置安置和安装在壳体中已经能将显著的机械应力施加到半导体材料上、并且因此施加到集成电路装置的半导体衬底上。这尤其适用于低成本的、设计为批量产品的壳体形状，例如对于适
用于这样的壳体形状：其中集成电路装置由浇注料注塑包封。
[0009]通过在半导体材料中的不同的压电效应，例如通过压阻效应、压电MOS效应、压电结效应、压电霍尔效应和压电隧道效应，通过集成电路装置的起作用的机械应力也影响集成电路装置的重要电气参数或电子参数。在此，在进一步说明的上下文中，“压电效应”一般被称为：在半导体材料中的机械应力的影响下，集成在半导体材料中的电路装置的电气参数或者电子参数的改变。
[0010]半导体材料中的机械应力导致电荷载流子的性质关于电荷载流子传输方面而改变，该性质诸如是迁移率、碰撞时间、散射因子、霍尔常数等。一般而言，压阻效应表明在机械应力的影响下相应半导体材料的电阻率。此外，由压电结效应引起二极管和双极晶体管的特征曲线变化。压电霍尔效应描述半导体材料的霍尔常数与半导体材料中的机械应力状态的相关性。压电隧道效应发生在反向驱动、高掺杂、平坦的横向pn结处。该电流由带间隧道效应主导并且同样与应力相关。压阻效应和有时在文献中出现的表达“压电MOS效应”可以归类为相同的，因为在压电MOS效应的情况下基本与在压阻效应的情况下完全一样的是：在集成电路芯片的半导体材料中的机械应力的影响下，MOS场效应晶体管的MOS沟道中的电荷载流子的迁移率发生变化。
[0011]因此明显的是，由于在集成电路装置的半导体材料中存在机械应力，集成电路装置的电气或电子特性不能以可预测的方式改变或受到影响。在许多情况下，集成电路装置的性能(表现或参数)的降低可以例如以控制范围、分辨率、带宽、电流消耗或精度等减退的形式来观察。
[0012]尤其，上面所说明的压阻效应说明了相应的半导体材料的比欧姆电阻在机械应力张量和压阻系数的影响下表现如何。在集成电路装置(IC)中，相应的电流I，例如控制电流、参考电流等，通过半导体芯片上的集成电路装置的电路元件来产生。在此，基本在具有电阻值R的集成电阻上产生限定的电压U，并且将电流I耦联输出。因此，电流I通常可以在每个电阻元件处产生，例如也可以在处于线性运行范围中的MOS场效应晶体管处产生。电压U例如可以通过已知的带隙原理关于半导体材料中的机械应力相对恒定地产生(除了对所产生的带隙电压的相对小的压电结效应外)。然而，电阻值R经受压阻效应。由于半导体材料中的机械应力通过集成电路装置的壳体以很难控制的方式对半导体电路芯片产生作用，所以用于产生电流I的电阻值R以及由此产生的电流I以不期望和不可预测的方式改变。
[0013]关于前述的压电效应，应注意，定义在半导体材料中出现的机械应力的系数是所谓的“张量”，这意味着，电阻元件的电阻值R不仅通过在半导体材料中的机械应力的强度、而且也通过在半导体材料中的应力的方向而改变。半导体材料中机械应力的方向相关性适用于大多使用的用于p掺杂和n掺杂的电阻Rp、Rn的{100}硅材料。此外应注意，{100}晶片和{001}晶片出于对称原因在立方晶体中彼此对应。
[0014]下面现在简短地阐述，至今为止如何尝试减小上述干扰性的压电影响。例如，在{100}硅材料中，如果可能，可以通过使用p掺杂电阻代替n掺杂电阻来降低集成电阻的机械应力相关性，因为p掺杂集成电阻通常具有较小的压电系数。
[0015]此外，两个名义上大小相等的电阻可以在布局中彼此垂直并且以彼此间的小距离布置、并且以串联或并联的方式电连接(所谓的L布局)。由此，总电阻尽可能与半导体材料中的机械应力的方向无关并且因此尽可能可再现。同时，这种布置的压电灵敏度对于机械
应力的任意方向也变得最小。
[0016]此外，正在努力设计IC壳体，以使得半导体电路芯片上的机械应力变得更可再现。为此，要么可以使用更昂贵的陶瓷壳体，要么将壳体部件、也就是说半导体电路芯片、连接线框架(引线框架)、浇注料、粘合剂材料或焊料材料的机械参数彼此协调成，使得不同壳体部件的影响在最大程度上得到补偿、或者关于集成电路装置在运行期间的无安装和应力负荷至少尽可能恒定。但是应当清楚的是，壳体部件的机械参数的协调是极其耗费成本的，并且此外处理流程的最小改变又导致不同壳体部件的影响改变。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于晶体管的应力传感器(10)，具有：半导体衬底(20)，具有第一MOS晶体管装置(11)和第二MOS晶体管装置(12)，其中所述第一MOS晶体管装置(11)具有带有第一源极漏极沟道区(23)的第一MOS晶体管(1)和带有第二源极漏极沟道区(33)的第二MOS晶体管(2)，其中所述第一MOS晶体管(1)和所述第二MOS晶体管(2)相互取向成使得所述第一源极漏极沟道区(23)中的电流流动方向(24)与所述第二源极漏极沟道区(33)中的电流流动方向(34)相反，并且其中所述第二MOS晶体管装置(12)具有带有第三源极漏极沟道区(43)的第三MOS晶体管(3)和带有第四源极漏极沟道区(53)的第四MOS晶体管(4)，其中所述第三MOS晶体管(3)和所述第四MOS晶体管(4)相互取向成使得所述第三源极漏极沟道区(43)中的电流流动方向(44)与所述第四源极漏极沟道区(53)中的电流流动方向(54)相反，其中所述基于晶体管的应力传感器(10)提供梯度补偿的输出信号，所述输出信号用于确定作用在所述半导体衬底(20)上的至少一个机械应力分量。2.根据权利要求1所述的基于晶体管的应力传感器(10)，其中在所述第一源极漏极沟道区(23)中的电流流动方向(24)以相对于所述半导体衬底(20)的初级平面的法线的第一角度(Φ1)延伸，并且其中在所述第三源极漏极沟道区(43)中的电流流动方向(44)以相对于所述半导体衬底(20)的初级平面的法线的第二角度(Φ2)延伸，其中所述第一角度(Φ1)和所述第二角度(Φ2)彼此垂直。3.根据权利要求2所述的基于晶体管的应力传感器(10)，其中所述第一角度(Φ1)是+45
°
，并且其中所述第二角度(Φ2)是
‑
45
°
，并且其中所述基于晶体管的应力传感器(10)被设计成确定作用在所述半导体衬底(20)上的机械剪应力分量(σ
XY
、σ
YZ
、σ
XZ
)。4.根据权利要求3所述的基于晶体管的应力传感器(10)，其中所述第一MOS晶体管装置(11)的MOS晶体管(1、2)和所述第二MOS晶体管装置(12)的MOS晶体管(3、4)分别是n沟道型。5.根据权利要求2所述的基于晶体管的应力传感器(10)，其中所述第一角度(Φ1)是90
°
，并且其中所述第二角度(Φ2)是0
°
，并且其中所述基于晶体管的应力传感器(10)被设计成确定作用在所述半导体衬底(20)上的机械应力分量差(σ
XX
‑
σ
YY
)。6.根据权利要求5所述的基于晶体管的应力传感器(10)，其中所述第一MOS晶体管装置(11)的MOS晶体管(1、2)和所述第二MOS晶体管装置(12)的MOS晶体管(3、4)分别是p沟道型。7.根据前述权利要求中任一项所述的基于晶体管的应力传感器(10)，其中所述第一MOS晶体管装置(11)在所述衬底平面中与所述第二MOS晶体管装置(12)点对称地布置。8.根据前述权利要求中任一项所述的基于晶体管的应力传感器(10)，其中所述第一MOS晶体管装置(11)的MOS晶体管(1、2)的漏极端子(22、32)互相连接，并且其中所述第二MOS晶体管装置(12)的MOS晶体管(3、4)的漏极端子(42、52)互相连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的基于晶体管的应力传感器(10)，其中所述第一MOS晶体管装置(11)具有第五MOS晶体管(5)，所述第五MOS晶体管与所述第一MOS晶体管(1)共享共同的漏极区(22)，以及第六MOS晶体管(6)，所述第六MOS晶体管与所述第二MOS晶体管(2)共享共同的漏极区(32)，以及其中所述第二MOS晶体管装置(12)具有第七MOS晶体管(7)，所述第七MOS晶体管与所述第三MOS晶体管(3)共享共同的漏极区(42)，以及第八MOS晶体管(8)，所述第八MOS晶体管与所述第四MOS晶体管(4)共享共同的漏极区(52)。10.根据权利要求1至8中任一项所述的基于晶体管的应力传感器(10)，其中所述第一MOS晶体管(1)与第一级联晶体管(1k)连接成第一级联电路(N1)，其中所述第二MOS晶体管(2)与第二级联晶体管(2k)连接成第二级联电路(N2)，其中所述第三MOS晶体管(3)与第三级联晶体管(3k)连接成第三级联电路(N3)，并且其中所述第四MOS晶体管(4)与第四级联晶体管(4k)连接成第四级联电路(N4)。11.根据权利要求10所述的基于晶体管的应力传感器(10)，其中所述第一级联电路(N1)与第五级联电路(N5)在共同的漏极端子(drain15)处连接，其中所述第二级联电路(N2)与第六级联电路(N6)在共同的漏极端子(drain26)处连接，其中所述第三级联电路(N3)与第八级联电路(N8)在共同的漏极端子(dr...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：