CC BY
103
УДК 621.315.592:546.28 Вергазов И.Р.
Научно-исследовательский институт физических измерений, Пенза, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ «КРЕМНИЙ-НА-ДИЭЛЕКТРИКЕ»
Давление является одной из самых важных измеряемых величин в системах управления и контроля поэтому датчики давления являются одними из наиболее широко используемых первичных преобразователей физических величин [1].
В настоящее время начинают широко применяться основанные на полупроводниковой микроэлектронике новые поколения датчиков механических величин, основой которых является использование структур «кремний-на-диэлектрике» (КНД), когда полупроводниковый чувствительный элемент (ПЧЭ) с тензорези-стивной мостовой измерительной схемой изготовлен на основе монокристаллических кремниевых тензо-резисторов, изолированных от кремниевой мембраны пленкой двуокиси кремния [2 - 6].
Одной из наиболее ответственных операций в технология изготовления ПЧЭ таких датчиков является операция анизотропного травления [7].
Для анизотропного травления используются большое разнообразие травителей. Однако для практического применения при изготовлении большинства ПЧЭ, в том числе и разработанного, включая метод «стоп-травления», используются 25-процентный водный раствор гидроксида калия (КОН) и 25процентный водный раствор этилендиамина (ЭДМ) (NH2CH2CH2NH2), обладающие различными свойствами. Все эти составы содержат окислитель, который при взаимодействии с кремнием образует SiO2 и комплексообразующий реагент, взаимодействующий с SiO2 и образующий растворимый комплексный ион и воду. Поскольку ПЧЭ содержат тензорезисторы p-типа, в процессе изготовления производится легирование кремния бором. Концентрация бора определяет относительную скорость травления (рисунок 1).
Рисунок 1 - Относительная скорость травления для плоскости (100) в 25% водном растворе ЭДМ как функция концентрации бора
Согласно разработанным конструкции и технологии изготовления ПЧЭ анизотропное травление в рамках проведения всего технологического процесса содержит в себе четыре стадии [7]:
анизотропное «стоп-травление» в ЭДМ по формированию тензорезистивной мостовой измерительной схемы меза-типа высотой h = (8...10) мкм;
анизотропное «стоп-травление» в ЭДМ по выявлению тензорезистивной мостовой измерительной схемы после соединение и отжига;
прецизионное анизотропное «стоп-травление» в ЭДМ по уменьшению высоты тензорезисторов с одновременным увеличением их сопротивления до заданного значения;
анизотропное «стоп-травление» в КОН по формированию профилированной мембраны.
Различие между стадиями (1), (2) и (3) заключается лишь в глубине травления, то есть в продол-
жительности процесса, а стадия (4) устанавливает более жесткие требования по коэффициенту травления в различных плоскостях, что достигается использованием в качестве травителя 25-процентного водного раствора КОН.
Одним из необходимых условий для прямого сращивания пластин является минимальное количество механических частиц и других посторонних включений на поверхностях сращивания двух пластин, что достигается выполнением целого ряда операций, направленных на уменьшение вероятности попадания посторонних включений на поверхность сращивания пластин [2, 7]. Для ее реализации была разработана промежуточная конструкция ПЧЭ (рисунок 2).
В соответствии с разработанной конструкцией на приборной пластине сформированная тензорези-стивная мостовая измерительная схема представляет собой структуру меза-типа, то есть р+ область выступает над поверхностью пластины на высоту h.
Высота (h) не является строгой величиной, варьируется от 8 до 10 мкм и обеспечивается технологической операцией анизотропного травления кремния на стадии (1) . Отношение к площади поверхности сращивания Si к площади поверхности S2, не соприкасающейся с поверхностью противоположной пластины во время процесса сращивания, равно
к = S1/S2 » 0,2,
то есть вероятность попадания частиц, содержащихся в атмосфере производственных помещений, на поверхность сращивания составляет не более 20 % относительно количества всех механических примесей, оседающих на поверхности пластины, что создает адекватные условия для первоначального соединения за счет межатомных и межмолекулярных сил (Ван-дер-Ваальсовы силы, электростатические силы и силы химического взаимодействия), дипольного взаимодействия адсорбированных на поверхности радикалов и дальнейшего сращивания с образованием ковалентных связей.
На стадии (3) происходит прецизионная подгонка номинала тензорезисторов путем уменьшения их высоты методом замедленного травления в ЭДМ, а значит, и увеличения их сопротивления до требуемого значения. В тензорезистивной мостовой измерительной схеме ПЧЭ датчиков давления высота тензорезисторов hRtz = (1,5... 5) мкм, что определяется режимами проведения диффузии по формированию тензорезисторов и условиями эксплуатации датчиков, а значит, максимальная величина травления тензорезисторов ЛЬтр.макс = 3,5 мкм.
При травлении на стадиях (1) и (2) общее максимальное время воздействия ЭДМ на тензорезисторы составляет 11 мин. (7,5 мин для стадии (1) и 3,5 мин. для стадии (2)) при скорости травления нелегированных областей 1,2 мкм/мин. То есть, в случае концентрации N = 7^1019 см-3 общее максимальное паразитное уменьшение высоты Ьпар. маКс. = 0,3 мкм (см. рисунок 2) .
При концентрации же NRtz ^ 8^1019 см-3 и более практически не имеет место паразитное подтравлива-ние тензорезисторов, но в этом случае становится невозможным проведение операции стадии (3) по прецизионному травлению тензорезисторов.
Таким образом, концентрация бора в тензорезисторах может быть определена как NRtz = 7^1019 см-3, а концентрация в р+ слое мембраны Np+ = 1020 см-3, что будет являться определяющим при проведении операций диффузии бора и отжига.
ЛИТЕРАТУРА
1. Е.А. Мокров, И.Н. Баринов, П.Н. Цибизов Полупроводниковые пьезочувствительные элементы микроэлектронных датчиков давлений. Основы проектирования и разработки: учеб. пособие - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - 104 с.
2. Баринов И.Н. Конструктивно-технологические решения полупроводниковых преобразователей давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» // Технологии приборостроения.-2006.-№4.-С. 28-33.
3. Волков, В. С. Применение высокоомных кремниевых тензорезисторов для повышения долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений / И. Н. Баринов, В. С. Волков // Надежность и качество: Труды международного симпозиума, Т. 2. Пенза: ИИЦ, 2011. - с. 243-245.
4. Баринов И.Н., Волков В. С. Повышение долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений // Приборы.-2010.-№3.-С. 9-15.
5. Баринов И.Н., Волков В.С. Высокотемпературные полупроводниковые датчики давления с повышенной временной стабильностью // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-2011.-№8 . -С. 51-55.
6. Волков, В. С. Снижение температурной зависимости начального выходного сигнала высокотемпературного полупроводникового датчика давления на структуре «поликремний - диэлектрик» // Надежность и качество - 2013: труды международного симпозиума: в 2 т. / под .ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд - во ПГУ, 2013, - 1 т. - с. 75 - 77.
7. Баринов И. Н. Полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний-на-дилектрике» для высокотемпературного датчика давления. - Датчики и системы, 2004, № 12, с. 39-42.
