CC BY
67
ВолковВ.С., к.т.н., БариновИ.Нк.т.н., ДарвинВ.Ю.
Пензенский государственный университет;
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЙ
При финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук МК-472.2011.8.
Совершенствование систем контроля давления возможно за счет улучшения характеристик известных средств измерения, к которым относятся полупроводниковые датчики давления (ПДД). Соответственно возросшие требования к элементной базе со стороны систем измерения и контроля авиационной и ракетно-космической техники выдвинули научную проблему по созданию высокотемпературных ПДД с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающими комплексу предъявляемых требований.
С развитием «интеллектуализации» средств измерений на первый план выходит проблема обеспечения стабильности датчиков, и в первую очередь - преобразователей. Всю совокупность погрешностей, возникающих при эксплуатации датчиков давлений,возможно частично или даже полностью исключить процессорной обработкой выходного сигнала во всем температурном диапазоне эксплуатации.Исключения составляют так называемые прогрессирующие, или дрейфовые погрешности - непредсказуемые погрешности, медленно изменяющиеся во времени. Прогрессирующие погрешности требуют непрерывного повторения коррекции и тем более частой, чем меньше должно быть их остаточное значение. Другая особенность прогрессирующих погрешностей состоит в том, что их изменение во времени представляет собой нестационарный случайный процесс [1]. Учитывая непредсказуемость корреляции прогрессирующих погрешностей от времени, единственным методом исключения или уменьшения данного вида погрешностей является создание стабильных преобразователей датчиков давлений на этапе разработки их конструктивно -технологических решений.
В чувствительных элементах (ЧЭ) ПДД основным компонентом, привносящим долговременный дрейф, являются легированные участки микромеханических кремниевых систем, в качестве которых могут вы-ступатьтензорезисторы, тонкие мембраны, балки, кантилеверыи др., созданные методами диффузии и ионной имплантации. Во внутренней структуре таких участков существует большое количество дефектов, являющиеся причиной деградации характеристик полупроводника, а значит и ЧЭ в целом, из-за наличия объемной диффузии в условиях и режимах эксплуатации ЧЭ.Практика показала, что отказы одних и тех же ЧЭ, обусловленные процессами объемной диффузии, проявляются как в ранние периоды времени, так и по истечении десятка тысяч часов эксплуатации [2]. Наибольшее влияние на долговечность ЧЭ оказывают дефекты упаковки и дисклокации в связи с их большой протяженностью и способностью двигаться и размножаться, а так же порождать новые дефекты. Образовавшиеся дислокации служат источниками ускоренной диффузии примеси в нормальных условиях работы ЧЭ [2].
Внутренние дислокации возникают при диффузии легирующих элементов, например, таких как фосфор и бор, из источников с высокой концентрацией примесей. При локальной диффузии бора сетки дислокаций образуются при N^e^ (2...3) • 1019 см-2, тогда как при сплошной диффузии - при Ыдов^1^ 1020 см-2, а плотность дислокаций в диффузионных окнах примерно на порядок превышает плотность дислокаций при сплошной диффузии [3].
Несмотря на большое количество публикаций, посвященных дефектам в структурах, механизм их образования и развития в зависимости от методов легирования и условий эксплуатации до сих пор до конца неисследован [2] . Но можно утверждать, что наиболее перспективным методом устранения таких дефектов, а значит и уменьшения дрейфа, является либо полное исключение легированных участков, либо значительное снижение уровня легирования материала.
Кроме легированных участков микромеханических кремниевых систем дополнительным компонентом, привносящим долговременный дрейф в ЧЭ ПДД, является наличие p-n перехода между тензо- и терморезисторами и подложкой, что обуславливает локальные упругие напряжения, которые релаксируют как во времени, так и в условиях изменения параметров окружающей среды; высокие токи утечки через p-n переход; невозможность функционирования ЧЭ при температуре свыше 120°С и др.
Исключить наличие p-n перехода возможно с помощью использования в ЧЭ ПДД структуры «кремний-на-диэлектрике» (КНД) (см. рисунок 1), обладающей неоспоримыми преимуществами по сравнению с объ-
емным кремнием [4].
1 - Кремниевая подложка; 2 - изоляционный слой; 3 - тензорезисторы из монокристаллического кремния; 4 - контактная металлизация Рисунок 1 - Структура ЧЭ ПДД на КНД-структуре
Рассмотрим базовую конструкциюЧЭ ПДД, построенную на основе КНД-структуры с тензорезисторамииз монокристаллического кремния с удельным сопротивлением не менее 5 Ом^см.При таком сопротивлении концентрациялегирующих примесей не превышает значение 5^1015 см- , что значительно снижает вероятность образования и развития дефектов, а значит и долговременный дрейф, так как при данной концентрации не происходит генерирование дислокаций под действием возникающих напряжений[2]. А наличие КНД-структуры исключает негативное влияние p-n перехода на стабильность метрологических характеристик ПДД.
Основной проблемой, возникающей при построении ЧЭ с тензорезисторами из нелегированного кремния, является обеспечение заданного сопротивления (в основном это значение составляет от 500 до 10000 Ом). При стандартных методах формирования тензорезисторов (см. рисунок 1) концентрация ле-
гирующего элемента в них составляет значение от 1^1018 до 1^1019 см-3. Соответственно, для нелегированного кремния с концентрацией носителей не более Б^1015 см-3, сопротивление тензорезисторов при стандартных конструкции и топологии будет составлять значение на два-три порядка выше, чем в случае использования методов легирования.
Для устранения данной проблемы была разработана и изготовлена конструкция ЧЭ с монолитной тен-зорамкой, представленная на рисунке 2 [5].
Рисунок 2 - Конструкция ЧЭ ПДД с монолитной тензорамкой
ЧЭ содержит монолитную тензорамку трапецеидального сечения высотой от 90 до 100 мкм с тензо-резисторами мостовой схемы, неразъемно соединённую своим широким основанием через тонкий слой стекла (типа «Pyrex») с мембраной, при этом оси симметрии мембраны и рамки совпадают с прецизионной точностью, а рамка в поперечном направлении своими длинными сторонами максимально приближена к продольной оси симметрии. Длина рамки Ьменьше линейного размера квадратной мембраны на величину:
0. 2...4.5.H - h)ctgr,
где H - высота ЧЭ с мембраной/h - толщина мембраньуу - угол, образованный кристаллографическими плоскостями {100} и {111} при анизотропном химическом травлении монокристаллического кремния.
Интервал значений 0, 2...4,5(H - h)ctgg, выбран из соображения технологической возможности (максимального разрешения), обеспечиваемой большинством современного стандартного литографического оборудования.
Совмещение осей координат мембраны и тензорамки с прецизионной точностью обеспечивает линейность преобразовательной характеристики при высокой тензочувствительности [6].
Максимальное приближение длинных сторон тензорамки к продольной оси ЧЭ, а также меньшая длина L рамки по сравнению с линейным размером стороны квадратной мембраны 2а на величину 0,2...4,5(H - h)ctgg, позволяют повысить чувствительность ПДД на основе данного ЧЭ, так как максимум чувствительности тензорезисторов, работающих на растяжение, находится вблизи контура защемления мембраны, а работающих на сжатие - вблизи продольной оси симметрии рамки, а именно в области пересечения продольной и поперечной осей симметрии рамки.В основу работы ЧЭ положено изменение значений сопротивлений тензорезисторов мостовой схемы монолитной кремниевой тензорамки в зависимости от значения внешнего механического воздействия на мембрану, вызывающего упругие деформации в мембране, отличающиеся как по величине, так и по знаку (растяжение или сжатие) в различных областях мембраны.
Расположение тензорамки на тонком слое стекла, имеющем бесконечное электрическое сопротивление и конечное тепловое сопротивление, позволяет исключить токи утечки и их зависимость от температуры, а также минимизировать перегрев тензорезисторов от температуры измеряемой среды.
Отсутствие операций диффузии или имплантации для формирования тензорезисторов исключает образование локальных упругих напряжений в мембране, а значит и релаксационные процессы, что минимизирует долговременный дрейф характеристик ПДД.
Таким образом, результаты выполнения работ позволяют перейти к изготовлению ЧЭ ПДД, с повышенной долговременной стабильностью, способных работать при температурах до 500°С, когда наступает термомеханическая и пластическая деформации кремния.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений.-2-е изд., перераб. и доп.-Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991.-304 с.: ил.
2. М.И. Горлов, В.А. Емельянов, А.В. Строгонов. Геронтология кремниевых интегральных схем. М.: Наука, 2004. - 240 с.
3. Концевой Ю.А., Филатов Д.К. Дефекты кремниевых структур и приборов. Часть 2. Основные технологические операции // Электронная техника. Справочные материалы. 1987.
4. Асеев А.Л., Попов В.П., Володин В.П., Марютин В.Н. Перспективы применения структур кремний-
на-изоляторе в микро-, наноэлектронике и микросистемной технике // Микросистемная техника. -
2002 . - №9.
5. Патент RU 2327125.
6. Sokolov L.V. Investigation and optimization from minimum nonlinearity of integral pressure transducers // Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems and Components. "SENSOR TECNO". St. Peterburg. 1993, p. 53-57.
7. Патент RU 2220475.
