CC BY
84
УДК 621.315.592:546.28 Баринов И. Н., к.т.н.
ОАО НИИ физических измерений, г. Пенза
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ «КРЕМНИЙ-НА-ДИЭЛЕКТРИКЕ» МЕТОДОМ ПРЯМОГО СРАЩИВАНИЯ
Аннотация. Рассмотрена технология создания полупроводникового чувствительного элемента датчика давления на структуре «кремний-на-диэлектрике». Показаны преимущества метода прямого сращивания
Ключевые слова: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, "КРЕМНИЙ-НА-ДИЭЛЕКТРИКЕ", МЕТОД
ПРЯМОГО СРАЩИВАНИЯ
В полупроводниковых чувствительных элементах (ПЧЭ) датчиков давлений существуют следующие недостатки: в ПЧЭ, изготовленных на основе объемного кремния, наличие p-n-переходов не позволяет функционировать средствам измерений при температурах свыше 100 °С и иметь стабильные параметры (ток утечки, сопротивление изоляции, сопротивление тензорезисторов и т. д.); в ПЧЭ на основе поликремния с изоляцией тензорезисторов пленкой двуокиси кремния из-за низкой тензочув-ствительности поликремния средства измерений на основе таких ПЧЭ имеют малую амплитуду выходного сигнала; в ПЧЭ на основе структур «кремний-на-сапфире» (КНС) недостатками являются трудность профилирования сапфира, различие кристаллических решеток кремния и сапфира, невозможность применения групповой технологии изготовления ПЧЭ, высокая стоимость сапфира.
Указанные недостатки снижают метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков давлений, используемых в РКТ. В тоже время применение в ПЧЭ структуры «кремний-на-диэлектрике» (КНД) обеспечивает работоспособность средств измерений давлений в экстремальных условиях (повышенные и криогенные температуры, ионизирующее излучение, электромагнитные поля и токи источников естественного и искусственного происхождения и т.д.) и стабильность их параметров в процессе длительной эксплуатации.
В настоящее время существует множество методов формирования КНД-структур для использования их при изготовлении ПЧЭ датчиков давления; например, методы рекристаллизации, эпитаксиального наращивания, анодного соединения. Но наиболее используемыми методами являются следующие [1,2]: имплантационный метод - Silicon Implanted by Oxygen - SIMOX, когда происходит внедрение в глубину кристалла ионов кислорода c последующим синтезом скрытого окисла при отжиге;
метод водородного переноса кремния с окислом - Smart-Cut SOI, когда облученная водородом окисленная пластина кремния соединяется с опорной подложкой. Далее происходит почти полное удаление окисленной пластины путем ее скола имплантированным водородом; метод рекристаллизации поликремния на диэлектрике.
Общим недостатком КНД-структур, полученных методами 1 и 2 применительно к изготовлению на их основе ПЧЭ датчиков давления, является их высокая стоимость, обусловленная применением сложного технологического оборудования и длительностью обработки, что является фактором, ограничивающим использование данных методов при производстве ПЧЭ на КНД-структуре. Кроме того, ПЧЭ, выполненные на SIMOX-КНД-структуре, неработоспособны при температурах выше 150оС из-за несовершенства строения имплантированного (по сравнению с термическим) слоя двуокиси кремния, теряющего при повышенных температурах свои изолирующие свойства.
К недостаткам метода 3 относятся большие затраты времени на обработку одной пластины и тепловые потери, диффузия загрязняющих примесей, а также низкая временная стабильность из-за наличия дислокаций.
Для ПЧЭ на КНД-структуре было предложено использование метода прямого сращивания без предварительной имплантации одной из пластин, когда происходит соединение двух пластин - опорной и приборной [3].
Данная технология, не требующая применения специального дорогостоящего оборудования и реализуемая на стандартном оборудование предприятий, производящих изделия микроэлектронной промышленности, является наиболее приемлемой для создания ПЧЭ на КНД-структуре.
Технологический маршрут изготовления ПЧЭ на КНД-структуре методом прямого сращивания включает в себя следующие этапы (рисунок 1) [3,4] :
формирование партии из двух пластин - приборной и опорной;
формирование на опорной пластине высоколегированного р+ слоя кремния с концентрацией носителей не менее 6^1019 см-3;
формирование на опорной пластине слоя двуокиси кремния толщиной, равной толщине этого диэлектрика в конечной структуре поверх высоколегированного слоя;
формирование на приборной пластине тензорезистивной мостовой измерительной схемы Уитстона меза-типа глубиной не менее 4 мкм;
формирование тонкого слоя боросиликатного стекла (БСС) на поверхности приборной пластины с целью обеспечения лучшего качества соединения;
проведение этапов химической обработки двух пластин с целью удаления поверхностных органических и неорганических загрязнений, макрочастиц, а также увеличения содержания гидроксильных групп на поверхностях пластин, включающих в себя обработку в кислотно-перекисном и перекисно-аммиачном растворах, растворе фтористоводородной кислоты (последняя только для опорной пластины);
соединение двух пластин в деионизованной воде с ориентацией по базовому срезу и их сушка центрифугированием с целью обеспечения их предварительного связывания при комнатной температуре за счет Ван-дер-Ваальсовых сил и дипольного взаимодействия адсорбированных на поверхности радикалов;
проведение операции отжига двух соединенных пластин; при этом происходит образование сильных ковалентных связей между двумя пластинами по границе сращивания из-за реакции дегидратации, в результате которой образовавшиеся на поверхностях ОН-группы превращаются в связи Si-O-Si, обеспечивая прямое связывание поверхностей;
проведение операции «стоп»-травления двух сращенных пластин в 25% водном растворе этилендиамина до выявления схемы, представляющей теперь зеркальное отражение первоначальной и расположенной на опорной пластине;
фотолитография по формированию слоя двуокиси кремния, расположенного только под тензорези-сторами и коммутационными шинами;
формирование слоя нелегированного поликристаллического кремния толщиной не менее высоты тен-зорезисторов;
формирование профилированной мембраны с концентраторами механических напряжений на непланарной стороне пластины;
формирование защитного слоя двуокиси кремния на поверхности тензорезисторов; формирование контактной металлизации; разделение пластины на кристаллы.
1 - приборная пластина; 2 - защитный слой двуокиси кремния; 3 - опорная пластина; 4 - высоколегированный р+ слой; 5 - изоляционный слой двуокиси кремния; 2 - тензорезисторы; 7 - слой боросиликатного стекла; 8 - тензорезисторы после травления; 9 - мембрана; 10 - профиль; 11 -слой нелигированного поликристаллического кремния; 12 - защитный слой двуокиси кремния; 13 -контактная металлизация
Рисунок 1 - Этапы технологического маршрута изготовления ПЧЭ датчика давления на КНД-структуре
По результатам изготовления экспериментальных образцов ПЧЭ различных конструкций на основе КНД-структур были проведены предварительные испытания изготовленных ПЧЭ. Проводился контроль толщины и качества слоя двуокиси кремния, сопротивлений тензорезисторов. Сопротивление между кремниевой подложкой и элементами схемы составило значение порядка 109Ом при напряжении 100 В. (при толщине пленки окисла 1,6 мкм). Значение тока утечки - менее 0,1 мкА при напряжении 40 В. Разброс значений номиналов тензорезисторов - не более 5%. На настоящий момент проводятся рабо-
ты по дальнейшему испытанию полученной структуры. Они включают в себя контроль тензочувстви-тельности ЧЭ, а также контроль сопротивления и тока утечки при температуре 300оС.
На основании полученных предварительных результатов можно сделать вывод, что разработанное технологическое решение формирования ПЧЭ позволяет изготавливать датчики давления нового поколения с ожидаемыми параметрами, не уступающими параметрам приборов таких известных фирм как "Kulite" и "Endevco".
ЛИТЕРАТУРА
1. Баринов И.Н. Высокотемпературные чувствительные элементы датчиков давления со структурой «кремний на диэлектрике» // Датчики и системы.-2007.-№ 1.-С. 36-38.
2. Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization / Mark J. Madou. - 2nd
ed. - CRC Press, 2002;
3. Патент РФ №2284613 / Баринов И.Н., Козин С.А.
4. Баринов И.Н., Волков В.С. Повышение долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений // Приборы.-2010.-№3.-С. 9-15.
5. С.И.Торгашин, А.Г.Дмитриенко, И.И.Кочегаров «Информационная модель интеллектуального
датчика» Труды международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» Выпуск 14, Пенза, Изд. ПГТА, 2011 С.77-83
