高精度可定制化CMOS-MEMS压阻式压力传感器的晶圆厂全流程制造技术

本研究针对传统压阻式压力传感器集成度低、性能调控受限等问题，通过优化UNITED NOVA TECHNOLOGY（UNT）0.18 μm CMOS工艺中的P型离子注入组合与逻辑运算表应用（LOTA），实现了灵敏度、电阻温度系数（TCR）和灵敏度温度系数（TCS）的可调谐设计，最终获得精度达0.5% FSO的传感器。创新性引入阳极键合垫（anode bonding pads）降低后道工艺对CMOS电路的干扰，为工业量产提供了高可靠性、低成本的单片集成解决方案。

　　

在工业测量、生物医学和海洋监测等领域，压力传感器的需求日益增长，其中压阻式传感器因体积小、成本低等优势占据主导地位。然而，传统分立式传感器存在寄生电容大、可靠性低的问题，而现有单片集成方案又面临工艺兼容性差、掺杂参数固定导致性能不可调的瓶颈。更棘手的是，标准CMOS工艺中压阻元件未被纳入参数化单元（Pcell）库，设计自由度严重受限。

针对这些挑战，北京大学集成电路学院的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表研究，提出了一种由晶圆厂全流程制造的高精度可定制CMOS-MEMS压阻式压力传感器。该研究通过优化UNITED NOVA TECHNOLOGY（UNT）0.18 μm 1P3M标准CMOS工艺中的六种P型离子注入（PW/PLL/PLH/SP/HRP/ESD）组合，实现了对TCR、TCS和灵敏度的精准调控；创新开发逻辑运算表应用（LOTA）解决压阻与CMOS电路的掩模冲突；采用阳极键合垫技术将后道工艺对MOS管性能影响降低至0.8%以内。

关键技术包括：1）基于Sentaurus TCAD模拟63种离子注入组合的掺杂分布；2）通过COMSOL仿真验证C型结构在1.5 MPa压力下的最大应力（45.44 MPa）仅为硅断裂强度的10%；3）设计四阶弯折式压阻布局，将互连区薄层电阻降至6.933 Ω/sq；4）采用带共模反馈的三级仪表放大器，实现7倍增益与74 dB CMRR。

主要研究结果
系统设计与仿真验证
通过COMSOL模拟证实，900 μm边长的方形应变膜在70 μm厚度下，最大挠度2.34 μm满足小挠度理论。压阻采用<110>晶向的四弯折布局，利用π₄₄=138.1×10^-11 Pa^-1的剪切压阻系数提升灵敏度。

工艺集成创新
优化LOTA实现PLH/PLL/ESD掩模的精准生成：对PLH植入采用"(SP×NW×DG)+PLH"逻辑运算，对PLL植入引入LDDBLK阻挡层。阳极键合垫设计使键合过程（400°C/600V）对MOS管阈值电压影响<0.8%。

性能调控机制
SP单步注入的压阻灵敏度达12.4 mV/V/MPa，而PW+PLH+HRP组合将TCR控制在-0.08%/°C。仪表放大器在1.8V供电下噪声仅4.2 μV/√Hz，增益误差<0.3%。

结论与意义
该研究突破了标准CMOS工艺固定掺杂参数的局限，通过离子注入组合实现了-0.15%~+0.08%/°C的TCR可调范围，所有传感器均达到0.5% FSO精度。创新的LOTA优化方案为PDK库扩展压阻元件提供了通用方法，而阳极键合垫设计解决了高电压键合对CMOS电路的可靠性威胁。这项技术为工业界提供了一条兼容8英寸晶圆量产的高性价比技术路径，在汽车电子和医疗设备等领域具有广泛应用前景。