CC BY
118
Цибизов П.Н., Скотников В.В., Тютюников Д.А.
ФГУП ФНПЦ ПО «Старт», г. Заречный
ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВДЛЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ДАТЧИКОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ
Всовременных датчикахфизических величин характерно применение монокристаллического кремния (МК), который в наибольшей мере согласуется с существующими микроэлектронными технологиями. В тоже время использование МК в ВД ограничено. Это объясняется несколькими причинами, основными из них являются [1]:
-недостаточная температурная стабильность кремния, которая объясняется в основном сравнительно узкой запрещенной зоной, составляющей 1,1 эВ при 300оК, что не позволяет его использовать при больших температурах и значительных уровнях электромагнитного и радиационного фона;
-рост количества дефектов (термических, радиационных) порожденных термоударами, радиацией и механическими деформациями приводит к деградации характеристик датчиков и росту токов утечки.
Указанных явлений можно избежать, используя в качестве функционального материала широкозонные полупроводники и полупроводниковые соединения.
Следует отметить, что единственным представителем широкозонных монокристаллических полупроводников является алмаз, у которого ширина запрещенной зоны составляет (Eg) 5,5эВ при 300оК.
К другой группе относятся двойные и тройные полупроводниковые соединения:
карбид кремния (р - политип) - р - SiC, Ед=2,4эВ;
арсенид галлия (GaAs), Ед=1,43эВ;
фосфид галлия (GaP), Ед=2,24эВ;
фосфат цинка (ZnP2), Ед=2,05эВ (тетрагональная фаза);
MgSiP2, Ед=3,1эВ;
ZnSiAs2, Ед=2,15эВ;
CdSiP2, Ед=2,2эВ.
Из всех вышеперечисленных материалов практический интерес для использования в ВД представляют только алмаз, карбид кремния и арсенид галлия. Остальные материалы представляют для ВД больше научный, чем практический интерес из-за значительных технологических трудностей получения кристаллов достаточной площади, малой технологичности процессов формирования элементов и структур датчиков. Поэтому тройные полупроводниковые соединения в основном используются в качестве функциональных материалов для источников и приемников оптических излучений.
Перспективным материалом для высокотемпературных и работающих в агрессивных условиях датчиков является синтетический алмаз [3]. Благодаря таким свойствам, как высокая теплопроводность, термостабильность и стойкость практически к любым агрессивным средам и радиоактивным излучениям, возможно создание различных приборов с уникальными характеристиками, недостижимыми для аналогичных приборов, изготовленных из МК и GaAs. В частности, радиационная стойкость алмаза к нейтронам в 100 раз выше, чем у МК, рабочая температура может достигать 1000^1200°С, рабочее напряжение до 1 кВ, а теплопроводность выше, чем у Si в 14 раз. Основным препятствием на пути применения алмаза в приборостроении является то, что в настоящее время пока еще не получены алмазные пластины достаточной площади, да и сама технология получения даже небольших кристаллов остается очень сложной и дорогостоящей.
В последнее время ускоренно развивается направление синтеза тонких алмазных пленок на поверхности различных материалов, в том числе на кремнии и на металлах.
Поликристаллические алмазные пленки получают методом газофазного осаждения различных углеродосодержащих газов (метана в смеси с водородом, ацетилена, бензола и ряда других). Активация процесса синтеза пленок осуществляется тлеющим или СВЧ разрядами.
Принципиально возможным способом модификации алмазных пленок является легирование их различными примесями, что позволяет создавать тонкопленочные активные и пассивные электронные приборы, а также чувствительные элементы (ЧЭ) на основе поликристаллических алмазных пленок. По мере совершенствования технологии легирования монокристаллического алмаза и поликристаллических пленок, нанесения на них контактной металлизации, профилирования пластин, а также получения пластин достаточной площади и приемлемой цены будут, несомненно, разрабатываться и ВД на основе алмаза.
Еще одним перспективным функциональным материалом для высокотемпературных и радиационноустойчивых датчиков является карбид кремния (SiC) [4] . Значительная энергия связи между Si и С обеспечивает высокую термическую, радиационную и химическую стойкость как самому материалу, так и приборов на его основе. Карбид кремния имеет четыре основных политипов (модификаций), различающихся строением кристаллической ячейки (а всего известных форм SiC более сотни). Наиболее используемым в датчиках политипом является 6H (или р-SiC). Из SiC изготовляют высокотемпературные (рабочая температура 600оС и выше) термометры сопротивления, тензорезисторы, транзисторы и диоды. Как и для алмаза, для SiC традиционная кремниевая технология практически не пригодна, поэтому для него необходима разработка новых технологий формирования сенсорных элементов и структур. Так, для диффузии примесей используется ионная имплантация, а для формирования диэлектрических и проводящих пленок - газофазное осаждение и термовакуумное напыление и т. д. При этом в ограниченной мере возможно легирование с целью создания p-n-переходов термодиффузией при высокой температуре и только при использовании диффузиантов - бора и бериллия. Весьма перспективна - ионная имплантация ионами A1+.
Для профилирования SiC ЧЭ используется химическое травление или в газовой смеси хлор - кислород при температуре свыше 1000оС, либо в расплавах щелочей при температуре свыше 400оС. В отличие от кремния, SiC не травится в большинстве щелочных, кислотных и сложных травителях. Очевидными недостатками, ограничивающими использование SiC в ВД, сложность и дороговизна технологии и самого монокристаллического SiC. Несмотря на указанные недостатки, SiC является перспективным материалом для ВД, которые работают в экстремальных условиях.
Альтернативными материалам для карбида кремния и алмаза могут быть структуры на основе кремния на диэлектрике (КНД) и кремния на кремнии (КНК) [5].
Основным материалом из группы КНД, наиболее широко используемым в ВД, является кремний на сапфире (КНС), у которого слой кремния легируется необходимой примесью как изначально (при газофазной эпитаксии), так и в процессе формирования ЧЭ (термодиффузией или ионной имплантацией). Выбирая необходимый уровень легирования и соответствующую примесь, получают высоколегированные (низкоомные) и низколегированные (высокоомные) области. Для тензоструктур используют, как правило, высоколегированные структуры, которые имеют минимальный температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и достигается эффект автокомпенсации (равенство ТКС и температурного коэффициента чувствительности (ТКЧ) при питании стабилизированным током).
Структуры КНС являются основой для изготовления ЧЭ датчиков неэлектрических параметров, используемых в различных отраслях промышленности.
Достоинствами КНС структур являются:
высокая температура эксплуатации, вплоть до 3 0 0...3 5 0оС без охлаждения;
возможность достижения при определенных уровнях легирования кремниевой пленки эффекта самокомпенсации температурных погрешностей;
стойкость к агрессивным средам и радиации.
Основными недостатками КНС структур являются их дороговизна, практическая невозможность их профилирования и высокий уровень структурных напряжений в Si - пленке из-за значительной разницы в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) кремния и сапфира. Кроме того, у ВД с ЧЭ из КНС существует временная нестабильность характеристик из-за релаксационных процессов, происходящих в пленке Si в процессе эксплуатации датчика. Все эти недостатки сужают область применения таких ВД, а также не позволяет выпускать их в массовом количестве по приемлемым ценам.
Значительный интерес для высокотемпературных ВД представляет поликристаллический кремний (ПК)
[б], который в отличие от МК изотропен по своим электрофизическим характеристикам (ЭФХ).
Основным преимуществом ПК по сравнению с МК является возможность формирования из него ЧЭ, не содержащих p-n переходы, что позволяет повысить рабочую температуру датчиков до 200.250оС. Изменяя концентрацию легирующих примесей в ПК (модификация ПК), можно получить практически нулевое значение ТКС резисторов [7-9].
Проводимость ПК регулируется технологическими методами путем изменения дозы легирующей примеси, а так же энергией легирующих ионов и температурой подложки. Таким образом, модифицируя ПК путем легирования различными примесями и дозами, термообработкой, рекристаллизацией и т. д. можно получить области и элементы, имеющие значительную разницу в ЭФХ. При этом на одной подложке можно сформировать, тензо-и терморезисторы, фото-имагниточувствительныеструктуры, проводящие шины,
контактные группы, изолирующие области.
Применительно к ЧЭ микроэлектронных датчиков рассмотрим основные методы модификации ПК структур и получаемые при этом результаты [8].
При легировании поликремниевых пленок (ПКП) ионами бора до уровней концентраций (1019.1020) см-3 их удельное сопротивление (р) снижается до 0,01 Ом-см. Аморфная структура легированных ПКП дает возможность формировать из них пленочную коммутацию микронных и субмикронных размеров. После термообработки ПК - коммутационных шин, на них формируется пленка SiO2 с высокими изоляционными свойствами, которая позволяет формировать второй слой коммутации.
Недостаток ПК-шин - разница в коэффициентах терморасширения (а) у поликремния и монокремния: у ПК а=3,82-10-6, у МК а=2,33-10-6, что не так существенно для интегральных схем, работающих в нормальных условиях, но критично для ВД, эксплуатирующихся в широком диапазоне температур. Важным свойством ПКП является возможность изменения кристаллической структуры с помощью лазерного излучения, при воздействии которого происходит рекристаллизация пленки.
Структура ПКП сильно зависит от вида легирующей примеси, температуры осаждения и термообработки пленки после формирования. Как показали исследования, ПКП, осаждаемые при температуре менее 575оС - аморфные, а при температуре более 625оС становятся поликристаллическими и имеют столбчатую структуру. Кристаллизация и рост ПК зерен происходит при термоотжиге аморфного или мелкокристаллического ПК. Для высокотемпературных ВД на основе ПКП важной технологической операцией является перекристаллизация ПКП, которая происходит при нагреве структур. Изменяя состав и концентрацию примесей, можно управлять свойствами ПКП. Было обнаружено, что примеси O2, N2, C стабилизируют аморфное состояние ПК до боТж>1000°С, а мышьяк обеспечивает устойчивую столбчатую структуру до 990оС .
Использование в ЧЭ ВД поликремниевыхтензорезисторовпозволяет получитьзначительные преимущества по сравнению с диффузионнымимонокристаллическими:
-ПК осаждается обычно на пленку двуокиси кремния, которая предварительно создается на поверхности кремниевой пластины. Двуокись кремния - отличный изолятор, поэтому поликремниевыетензорези-сторы могут работать при значительно более высоких температурах, чем тензорезисторы с изоляцией p-n-переходами. В качестве верхней границы рабочего диапазона температур в литературе указывается 300оС.
-ПК тензорезисторы могут формироваться на покрытой диэлектриком металлической поверхности упругого элемента. Применение металлических упругих элементов упрощает конструкцию ЧЭ, повышает их надежность и расширяет сферы применения.
Основным методом повышения тензочувствительности ПК тензорезистивных структур является лазерная рекристаллизация ПКП (РПК),заключающаяся в регулируемом нагреве с помощью лазерного луча ПКП до температуры плавления кремния и последующего охлаждения ПКП. В результате термообработки образуется структура МКSi-SiO2-МКSi.
Для ВД силовых параметров, действие которых основано на пьезорезистивном эффекте, экспериментально измерены коэффициенты тензочувствительности для различных политипов кремния.
Так для тензоструктур, легированных бором до концентраций 1020см-3, значения продольного (ni) и поперечного (nt)пьезорезистивных коэффициентов составляют:
ni для МК = 60, для ПК = 30, для (ЛРПК) = 40;
nt для МК = 60, для ПК = минус 4, для ЛРПК = минус 6.
Фундаментальные пьезорезистивные коэффициенты для ПК, легированного бором до 1,8•1020, имеют следующие значения:
Пц= + 11,8 • 10-11Па , П12 = -6,7 • 10-11Па, П44 = + 18,6 • 10-11Па .
Для ПКП, легированных фосфором, тензорезисторы обладают только геометрическим тензоэффектом, а пьезорезистивная составляющая эффекта отсутствует.
Таким образом, наиболее перспективными с точки зрения близости к электрофизическим характеристикам МК, являются структуры РПК^^2-МК, в которых пленка ЛРПК отделена от основного материала слоем SiO2 толщиной 0,1-0,2 мкм. Такая структура аналогична выше рассмотренной КНС-структуре, но, в отличие от последней, позволяет профилировать структуры с помощью щелочных или кислотных трави-телей, получая ЧЭ на необходимый диапазон измерения. Рабочая температура ВД с использованием РПК, составляет 250.270оС. Достигнутая на практике тензочувствительность РПК структур составляет от 70 до 80% от тензочувствительности МК. Используя в процессе лазерной рекристаллизации окисную маску, защищающую выбранные элементы от нагрева, можно получить гибридные структуры: РПК-ПК, ПКэлементы которых, могут служить высокоомными резисторами, подгоночными элементами и термокомпенсационными элементами. Использование такой технологии позволяет изготовить полностью кремниевый ВД, в котором силовые, функциональные и регулировочные элементы, а также защитные материалы (вплоть до корпуса) изготовлены из модификаций кремния (МК и ПК) и его соединений (SiO2, Si3^). Такое конст-
руктивно-технологическое решение приводит к резкому снижению тепловых деформаций благодаря идентичности применяемых материалов.
Отличительной особенностью данных пьезочувствительных структур является то, что наряду с активными элементами и пленочной металлизации на основе алюминия, формируются поликремниевые настроечные резисторы и коммутационные шины, имеющие различную концентрацию внедренной легирующей примеси и разный температурный коэффициент сопротивления [8].
При модификации ПК структур с помощью ионной имплантации легирующих примесей (доза и концентрация ), изменяются основные ЭФХ, от которых зависят характеристики ЧЭ ВД.Такими характеристиками, которые важны для датчиков, являются: удельное сопротивление, коэффициент тензочувствительно-сти, ТКС и проч., поэтому, регулируя дозу имплантируемой примеси, можно управлять свойствами чувствительных элементов и измерительных модулей микроэлектронных датчиков[8, 9].
На основе проведенных исследований, можно рекомендовать применение пьезорезистивных ЧЭ, выполненных на основе рекристаллизованного поликристаллического кремния, для использования их в датчиках, работающих в условиях наличия ионизирующих излучений, высоких температур и прочих дестабилизирующих факторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баринов И.Н., Цибизов П.Н, Волков В.С. Результаты исследования высокотемпературных полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давления на основе структуры «кремний- на-диэлектрике». Авиакосмическое приборостроение. Журнал № 8, Москва: 2007, С.24-27.
2. Цибизов П.Н., Михайлов П.Г., Маринина Л.А. Модификация материалов микроэлектронных датчиков // Новые промышленные технологии. М, 2003-№ 6 С. 65-68
3. Алмаз в электронной технике / Сборник статей под ред. В. Б. Кваскова. - М.: Энергоатомиздат,
1990.
4. Водаков Ю.А., Остроумов А.Г. Карбид кремния - материал для твердотельной электроники // Измерение Контроль Автоматизация № 2, 1987.
5. Корляков А.В., Лучинин В.В., Мальцев П.П. Микроэлектромеханические структуры на основе композиции «карбид кремния - нитрид алюминия» // Микроэлектроника, 1999, т.28, № 3.
6. Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применение / под ред. Г. Харбеке -М.: Мир, 1989.
7. Цибизов П.Н., Михайлов П.Г., Маринина Л.А. Исследования по созданию высокотемпературных сенсорных элементов и структур. Микросистемная техника. М, 2004-№ 8 С. 38-44
8. Михайлов П.Г. Управление свойствами материалов сенсорных элементов микроэлектронных датчиков //
Микросистемная техника. - 2003. № 5.
9. Михайлов П.Г. Модификация материалов микроэлектронных датчиков // Приборы и Системы. Управление, Контроль, Диагностика. - 2003. № 5.
