Материалы для микроэлектронных датчиков Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621. 865. 8

Михайлов П.Г., Сергеев Д.А.

Материалы для микроэлектронных датчиков

Статья посвящена использованию функциональных материалов в датчиках, изготавливаемых с использованием микроэлектронных технологий.

Задачи измерения физических процессов в условиях повышенных температур становятся все более актуальными по мере развития технологий, освоения новой продукции. Высокотемпературные датчики (ВТД) широко используются в ракетно-космической технике, авиации, металлургии, химической промышленности. Температура измеряемой среды может достигать 1500 оС. Следует отметить, что при создании ВТД необходим комплексный подход к разработке конструкции, технологии и технологическому оснащению. При этом особое внимание следует уделять выбору конструктивных и функциональных материалов [1, 2].

К функциональным материалам относят те материалы, которые непосредственно участвуют в процессе функционального преобразования входной измеряемой величины в выходную. Процесс преобразования заключается в использовании определенных физических эффектов, присущих данному материалу (пьезорезистивный, терморезистивный,

магнитоэлектрический и проч.) для однозначной идентификации входной величины, путем модуляции параметров материала (сопротивления, заряда, термо-ЭДС и т.п.).

К наиболее используемым в датчиках функциональным материалам относятся:

- кремний;

- тензорезистивные сплавы;

- пьезокерамика;

- кварц;

- пьезопленки.

Такие материалы, как кремний и кварц могут совмещать и силовые и преобразовательные функции, одновременно выполняя роль как упругого (силового) материала, так и функционального. Следует подчеркнуть, чтобы кремний и кварц выполняли двойную задачу, они подвергаются модификации: в частности, кремний легируется определенными примесями, изменяющими его локальную проводимость. Кварц для ЧЭ (силовой материал) может иметь аморфную структуру, в то время как для пьезоакустических ЧЭ (функциональный материал) он должен быть монокристаллическим. Такое сочетание может быть достигнуто, например, перекристаллизацией кварца лазерным лучем.

Для современных микроэлектронных датчиков (МЭД) неэлектрических величин характерно применение монокристаллического кремния (МК), который в наибольшей мере согласуется с существующими микроэлектронными технологиями. В тоже время, для использования в высокотемпературных датчиках роль МК, как функционального материала в

значительной мере сужена.

Это объясняется несколькими причинами, основной из них является недостаточная температурная стабильность, которая объясняется его сравнительно узкой запрещенной зоной, составляющей 1,1 эВ при 300 оК, что не позволяет использовать кремний при больших температурах и значительных уровнях электромагнитных и радиационных воздействий.

Указанного недостатка можно избежать, используя в качестве функциональных материалов широкозонные полупроводники и полупроводниковые соединения.

Следует отметить, что единственным представителем широкозонных монокристаллических полупроводников является алмаз, у которого ширина запрещенной зоны составляет 5,5 эВ при 300 оК.

К другой группе относятся двойные и тройные полупроводниковые соединения:

- карбид кремния (b - политип) - b - SiC, Eg=2,4эВ;

- арсенид галлия (GaAs), Eg=1,43эВ;

- фосфид галлия (GaP), Eg=2,24эВ;

- фосфат цинка (ZnP2), Eg=2,05эВ (тетрагональная фаза);

- MgSiP2, Eg=3,^;

- ZnSiAs2, Eg=2,15эВ;

- CdSiP2, Eg=2^.

Из всех вышеперечисленных материалов практический интерес для использования в ВТД представляют только алмаз, карбид кремния и арсенид галлия. Остальные материалы представляют для ВТД больше научный, чем практический интерес из-за значительных технологических трудностей получения кристаллов достаточной площади, малой технологичности процессов формирования чувствительных элементов (ЧЭ) ВТД. Поэтому тройные полупроводниковые соединения в основном используются в качестве функциональных материалов для источников и приемников оптических излучений.

Что касается арсенида галлия, имеющего кроме широкой запрещенной зоны еще и высокую подвижность дырок и электронов, позволяющих получать приборы с высокими граничными частотами и температурами, то следует отметить, что технология формирования GaAs-структур в значительной степени отличается от кремниевой: она более сложная, менее управляемая и дорогая. Кроме того, в отличие от МК на поверхности GaAs практически невозможно создать самопассивирующие окисные пленки, а при термообработке он может выделять соединения мышьяка и галлия, которые даже в очень малых дозах крайне ядовиты для человека. Попытки создания ВТД на основе GaAs ограничились пока лабораторными образцами.

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 оС, 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. Что касается алмазных пленок, получаемых газофазным осаждением, то они имеют значительную дефектность и высокую степень поликристалличности, что затрудняет их использование в электронных приборах.

Основными трудностями проведения технологических операций и процессов с алмазами является их природная инертность, в том числе по отношению к термодиффузионным процессам. Поэтому для легирования кристаллов алмаза используется исключительно ионная имплантация пучками больших энергий (от 100 кэВ до 1 МэВ). Имплантация ионов He+, N+, O+, Ne+, Si+, Ni+, Cr+, Zn+, C+, B+ и др. позволяет создавать слои и области с «p» и «п»-типами проводимости.

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). 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 ВТД на основе алмаза.

Еще одним перспективным функциональным материалом для высокотемпературных и радиационно устойчивых датчиков является карбид кремния (SiC). Значительная энергия связи между Si и С обеспечивает высокую термическую, радиационную и химическую стойкость как самого материала, так и приборов на его основе. SiC имеет несколько основных (четыре) политипов (модификаций), различающихся строением кристаллической ячейки (а всего известных форм SiC более сотни). Наиболее используемым в датчиках политипом является 6H (или b-SiC). Из SiC изготовляют высокотемпературные (рабочая температура 600 оС 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.

Одной из особенностей SiC является то, что из-за своей высокой твердости он способен обрабатываться только алмазом или карбидом бора, но при этом на его поверхности возникают микротрещины, которые могут быть удалены химическим или плазмохимическим травлением во фторсодержащей кислородной плазме. Химическое травление проводится либо в газовой смеси «хлор - кислород» при температуре свыше 1000 оС, либо в расплавах щелочей при температуре свыше 400 оС. Несмотря на указанные недостатки SiC является перспективным материалом для ВТД, которые работают в

экстремальных условиях. Поэтому по мере отработки технологии он будет все больше использоваться в качестве функционального материала для ВТД.

Альтернативными материалами для карбида кремния и алмаза могут быть структуры на основе кремния на диэлектрике (КНД) и кремний на кремнии (КНК). Основным материалом из группы КНД, наиболее широко используемым в ВТД, является кремний на сапфире (КНС). Достоинствами КНС-структур являются:

- высокая температура эксплуатации, вплоть до 300...350°С 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 ВТД с чувствительными элементами 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 ВТД, а также не позволяют выпускать их в массовом количестве по приемлемым ценам.

Значительный интерес для высокотемпературных ВТД представляет поликристаллический кремний (ПК), который в отличие от МК изотропен по своим электрофизическим характеристикам (ЭФХ). Изотропия ЭФХ ПК объясняется тем, что ориентация кристаллов (зерен) в объеме ПК -произвольная, поэтому основные характеристики ПК определяются наличием межзеренных границ (МЗГ) и объемных зарядов, образующихся в области МЗГ. 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 200.250 оС. Изменяя концентрацию легирующих примесей в ПК (модификация ПК), можно получить практически нулевое значение ТКС резисторов [4.6]. Проводимость ПК регулируется технологическими методами путем изменения дозы легирующей примеси, а также 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 электрофизических характеристиках. При этом на одной подложке можно сформировать тензо-и терморезисторы, фото-и магниточувствительные структуры, проводящие шины, контактные группы, изолирующие области (рисунок 1)

б

Рисунок 1-Фрагменты конструкций ЧЭ (а) и платы (б), изготовленных с использованием поликремниевой технологии: 1-подложка из МК; 2-изолирующая пленка из SiO2; 3-Al - экран; 4-ПК тензорезистор; 5-ПК коммутационная шина; 6- Al - контактная площадка; 7-ПК резистор; 8-подслой ванадия; 9-Ni контактная площадка

В ЧЭ поликремниевые тензорезисторы имеют два преимущества перед монокристаллическими. Поликремний осаждается обычно на пленку двуокиси кремния, которая предварительно создается на поверхности кремниевой пластины. Двуокись кремния - отличный изолятор, поэтому поликремниевые тензорезисторы могут работать при значительно более высоких температурах, чем тензорезисторы с изоляцией «p-n»-переходами. В качестве верхней границы рабочего диапазона температур в литературе указывается 300 °С.

Другое важное преимущество поликремниевых тензорезисторов состоит в возможности их создания на предварительно покрытой диэлектриком металлической поверхности упругого элемента. Применение металлических

упругих элементов упрощает конструкцию механических сенсоров и повышает их надежность.

Недостатком поликремниевых тензорезисторов является их меньшая (примерно в 1,5-2 раза) чувствительность, чем у монокристаллических.

Сопротивление поликремниевых пленок можно представить в виде суммы

E-R^R^ (1)

где Rr и R5- суммарные сопротивления кристаллов и областей обеднения (барьеров).

Деформация ПК приводит к изменению сопротивления как кристаллитов, так и областей обеднения вблизи границ кристаллитов. Поэтому общая тензочувствительность имеет две составляющие:

R. „ . Rб - (2)

S

R + R,

■■ S +

R + R,

■S

б

где S к = 1

1 dR

S

S =

R к dR,

d є

тензочувствительность кристаллита,

R6 de 1 dR

- тензочувствительность барьера,

-тензочувствительность пленки.

R de

Температурный коэффициент сопротивления поликремниевых пьезорезисторов также зависит от кристаллов и межзеренных границ:

1 dR = RK f 1 dR, ^ + R ■ f 1 dR „ Ї

R dT R к + R б lR к dT , R K + R б 1R б dT J

(3)

к

б

или

а = -

R

где а,

R к + R б

1 dR„

RK dT 1 dR б

R

■а .------б—аб,

к R R б

-ТКС кристаллита,

(4)

аб R dT

температурный коэффициент сопротивления области обеднения (барьера),

а =1 ■ - температурный коэффициент сопротивления пленки.

R dT

Все характеристики зависят ото уровня легирования ПК пленки «т»-типа легирующей примеси [6]. По мере роста уровня легирования пленок сопротивление кристаллитов уменьшается, при этом сопротивление областей обеднения уменьшается еще больше. При концентрации легирующей примеси (бора) большее чем 5 1019 см- удельное сопротивление поликремниевой пленки приближается к сопротивлению монокристаллического кремния, оставаясь, однако, всегда больше (таблица 1).

Таблица 1-Тензочувствительность кристаллов и барьеров

поликристаллической пленки__________________

Тензочувствительность

Элемент

а

структуры продольная поперечная

Кристаллит 51,5 -12,5 15 10 -4

Барьер 24,3 -2,3 - 5.37-10-4

В пьезоэлектрических ДФВ, и особенно в датчиках на ПАВ - структурах, в качестве функциональных материалов используются пьезоэлектрические пленки на основе двойных соединений, в частности, ZnO, AlN, а также пластины из монокристаллического кварца, ниобата лития (LiNbO3), танталата лития (LiTaO3).

Еще одной из разновидностей пьезоматериалов являются пьезопленки и пьезокомпозиты, обладающие рядом преимуществ перед пьезокерамикой -ударопрочностью, малым удельным весом, способностью принимать форму заданной поверхности. Фактически наличие значительных пьезоэлектрических свойств у некоторых синтетических полимеров, в частности у поливинилиденфторида (ПВДФ) - материала, который используется для термоусаживающейся упаковки и в качестве диэлектрика в конденсаторах, было открыто еще в 70-годах. Свойство пленки ПВДФ таково, что, будучи наэлектризованной, она длительное время может сохранять свои пьезоэлектрические свойства, хотя временная стабильность ПВДФ оставляет желать лучшего. В последнее время путем тщательного подбора режимов термообработки и электризации пленки были получены вполне удовлетворительные результаты по стабильности ее характеристик во времени.

Перспективным направлением в создании ПАВ ДФВ является использование композитных структур типа Si-SiO2-ZnO, у которых на монокристаллической окисленной кремниевой пластине сформирована тонкая пьезоэлектрическая пленка. Кремниевую пластину можно профилировать, создавая ту или иную конфигурацию под конкретный ДФВ (давления, газового состава, параметров движения и т.д.).

Библиография

1. Соколов Л.В. Основы исследования и разработки в области сенсорных МЭМС - устройств /SENSOR & SYSTEMS № 3 /1999.

2. Михайлов П.Г., Богонин М.Б., Михайлов А.П. Материалы микроэлектронных датчиков // Новые промышленные технологии. - 2003. №2 3.

3. Robert W. Bogue. The roul of materials in advansed sensor technology // Sensor Review. Vol. № 4.

4. Михайлов П.Г. Управление свойствами материалов сенсорных элементов микроэлектронных датчиков // Микросистемная техника. . - 2003. №2 5.

5. Михайлов П.Г. Модификация материалов микроэлектронных

датчиков // Приборы и Системы. Управление, Контроль, Диагностика. . - 2003.

№ 5.

6. Модификация и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными потоками под ред. Дж.Поути, М.: Машиностроение 1987.

Название

Михайлов П.Г., Сергеев Д.А. Материалы для микроэлектронных датчиков

Аннотация

Статья посвящена использованию функциональных материалов в датчиках, изготавливаемых с использованием микроэлектронных технологий.

Ключевые слова

Датчик. Поликристаллический. Кремний. Монокристаллический. Материал. Ионное легирование. Температура. Примесь. Барьер. Кристалл.

The name of the Mikhailov P.G., Sergeev D.A. Materials for microelectronic sensors

Abstract

The article is devoted to the use of functional materials in sensors, made with use of microelectronic technologies.

Keywords

Sensor. Polycrystalline. Silicon. Monocrystalline. The material. Ion doping. The temperature. Impurity. The barrier. The crystal.