Механические напряжения в структуре кремниевых чувствительных элементов датчиков давления

Цибизов П.Н., Баринов И.Н.

МЕХАНИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В СТРУКТУРЕ КРЕМНИЕВЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Чувствительные элементы (ЧЭ), используемые в микроэлектронных датчиках давления, представляют собой многослойную мембрану со слоями, имеющими разные коэффициенты температурного расширения. Под действием измеряемого давления все элементы структуры чувствительного элемента изменяют свои электрофизические характеристики. Внутренние напряжения оказывают влияние на большинство метрологических и эксплуатационных характеристик чувствительных элементов датчиков давления. Поэтому исследование внутренних напряжений ЧЭ с целью их анализа и минимизации является актуальной задачей.

Указанное влияние может проявляться следующим образом:

деформируются обратные ветви вольтамперных характеристик протяженных «р-п» переходов;

увеличиваются токи утечки и снижаются пробивные напряжения;

уменьшается тензочувствительность и наблюдается дрейф характеристик;

увеличивается шумовая составляющая выходного сигнала;

деформируются тонкие перемычки.

По данным литературных источников, около 50% отказов микроэлектронной аппаратуры вызвано механическими воздействиями, возникающими в процессе производства, испытания и эксплуатации [1, 2, 3].

Используя новые конструктивно-технологические решения ЧЭ, можно добиться снижения уровня механических напряжений.

Причиной такого рода отказов являются механические напряжения (МН), возникающие в ЧЭ, при этом напряжения присутствуют на всех стадиях производства, начиная с операций изготовления кремниевых пластин и заканчивая операциями сборки. Значение и градиент МН могут быть такими, что при проведении высокотемпературных физико-термических операций (диффузия, окисление, эпитаксия и т.д.), они могут привести к деградации характеристик или к разрушению отдельных ЧЭ.

В информационно - энергетическом плане действие МН проявляется в возникновении дополнительных погрешностей, имеющих аддитивный и мультипликативный характер.

При разработке датчиков давления необходимо учитывать деформационные явления, происходящие в структурах ЧЭ, и разрабатывать конструктивно-технологические решения, позволяющие уменьшать влияние МН на характеристики датчиков.

С целью выявления МН, и возможной их компенсацией в определенном температурном диапазоне, рассмотрим напряжения, возникающие в структуре кремниевого ЧЭ.

Внутренние механические напряжения (о ), возникающие в полупроводниковых структурах ЧЭ, обуславлива-

М

ются структурными

и температурными

напряжениями:

Структурные напряжения возникают в процессе формирования диффузионных тензорезисторов, контактной металлизации, изолирующих пленок; их размер и знак зависят от материала элемента и пластины, условий формирования, структуры материала. В данном случае используется моно- и поликристаллический кремний, а также двуокись кремния.

Значение и характер температурных напряжений зависят от условий (разницы температур) формирования и эксплуатации ЧЭ, материалов подложки и формируемых слоев, а также конфигурации элементов ЧЭ.

Рассмотрим составляющие МН для структур ЧЭ:

а) структурные напряжения Ос:

- для пленочных структур используем формулу Стоуни в двух формах [2]:

6 (1 )1/Яс

4

°с =~ с 3

(

<»л

1 і С

где

соответственно толщины подложки и пленки;

Яс- радиус изгиба структуры; d - диаметр структуры (подложки).

- для локальных диффузионных, в данном случае тензорезистивных областей:

°с =У

с

1 -и

ет/с

ЖсС

где у - коэффициент сжатия (растяжения) решетки диффузантом; В - коэффициент диффузии; Cs - поверхностная концентрация; З - толщина пластины; t - время диффузии.

- для эпитаксиальных структур напряжение в подложке o^\Z\:

т1 И=-с

ни

Н + Н2 (Н + Н) V н

а напряжение в пленке &2\%\ :

1--

Н2

Н ~ Н

--6-

ни

1-

Н2

Н ~ Н

аоз -

ЕР(с1 - с2) 1 -и

где С1 и с2 - концентрация атомов примеси соответственно в подложке и в эпитаксиальном слое; р=(Аа/а)с - коэффициент деформации решетки примесью; а - параметр решетки (для монокремния а = 0,542 нм).

Из (2.5 - 2.7) следует, что характер напряжений в структурах зависит от знака множителя р(С1-С2):

а

ам= ос+ат.

С

если р(с1-О2)>0, то напряжения будут сжимающими в подложке и растягивающими в пленке;

если р(С1-С2)<0, то напряжения будут сжимающими в пленке и растягивающими в подложке.

самым благоприятным условием для ЧЭ является равенство р(С1-С2)=0, что может быть в двух случаях, если

Р=

Из (5-7) так же следует условие максимума структурных напряжений (самый неблагоприятный случай):

Структурные напряжения можно условно считать постоянными во времени и независимыми от температуры эксплуатации ввиду постоянно идущих в полупроводниковых структурах различных физико-химических процессов (межкристаллитная диффузия, фазовые превращения, окисление и т.д.), структурные напряжения медленно релаксируют, но скорость релаксации такова, что на практике ей пренебрегают. Влиянием температуры эксплуатации структуры на структурные напряжения, пренебрегаем, так, как оно мало, (температура значитель-

но ниже температуры формирования структур и элементов ЧЭ).

б) термонапряжения Gt:

В отличие от структурных, термические напряжения напрямую зависят от температуры эксплуатации МЭДД, поэтому их влияние может привести к деградации параметров или к разрушению кристаллов ЧЭ.

Формулы расчета термических напряжений для элементов и структур ЧЭ, основываются на расчете изгиба биметаллических пластин:

r=1h[3

где h=h1+h2;

а1 и а2 - ТКР пленки и подложки;

hi, h2, E1 и E2 - толщины и модули Юнга соответственно пленки и подложки.

Для системы SiO2-Si, используемой в изоляции тензорезисторов от подложки имеем: E1& E2, а

h = h/o2 «h = hi , при этом (10) может быть значительно упрощена:

R = ----ч--,

6 (а - а) (т - T)Eh

где Т0 - температура окисления.

Напряжения, возникающие от изгиба структуры в подложке (Si) и в пленке (SiO2) , могут быть оценены по формуле (7):

Eh + E2 [h i + ^ (h1 + hi )]

^max _ 1 - Мі_____________1 - f h_______________ #

St 6RH2

Exh\ | E1 [h + ЗНі2 (h1 + hi)]

amax = 1 __________________1 -М1____________

StOi бщ (h + h) . .

Учитывая, что hl<<h2, получаем

iEh h2

3 3Я(1 -и) 2 К

Е Н2 Н2

ашах -____Е2Н2_______- с

3,02 6кн (1 - и) 1 Щ '

Используя справочные данные для кремния и окисла, находим, что с1=0,3-105 МПа, с2=0,91-105 МПа. Подставляя в выражение (11) значения аЯо2 - 0,55 • 10-6 К- , ая - 4 • 10-6К-1 , ЛТ=(14 7 3-2 93)К=118 0К,

£і=0,8-105 МПа для ^І02), Е2=1,3-105 МПа для (Si), Ці=0,18, и2=0,25 и, учитывая, что йі<<й2, получаем

к « -1 • 102 н^/н

Знак минус в (16) указывает на выпуклость композиционной структуры Si - SiO2.

Для = 1 мкм и кремниевой подложки толщиной Я31 -200 мкм, (толщины структур разработанного ЧЭ),

имеем радиус изгиба структуры |R| » 2 м.

Подставляя упрощенное выражение (16) в (14) и (15), получаем численные значения термических напряжений:

сн

а---------^— -5 МПа;

3 110-2 Н

н2

--3-10-2 МПа.

2 1-Ю 2

Исходя из полученных значений МН для структур системы 8102-31, можно утверждать, что: термонапряжения в окисной пленке - сжимающие, а в подложке - растягивающие; напряжение в Б1 растут с ростом толщины 3102;

напряжения в Б102, наоборот, уменьшаются с ростом толщины 8102.

На рисунке 1 показаны внутренние механические напряжения, возникающие в системе Б102 -31 в рассматриваемом чувствительном элементе.

Сжатие

Растяжение

-302

а,МПа

ЭЮ2

Зі

-303

[&_

ІЗІОг=2мкм

13і=200мкм

Тос=1200°С

+303

Рисунок 1 - Внутренние механические напряжения в системе 8102-31

Рассчитаем термонапряжения для системы монокремний-поликремний, являющейся в ЧЭ структурой, передающий деформацию от мембраны к тензорезисторам.

Для структуры используемой в разработанном ЧЭ, имеем:

Тоо=То осаж= 600оС, а,пк=3,82*10-6, Епк^Емк, Цпк'Ц-мк, Ьж-1,0 мкм, Ьмк=200 мкм;

По полученным данным можно сделать вывод, что в структуре монокремний-поликремний, поликремниевая пленка находится в сжатом состоянии, а монокремниевая подложка - в растянутом.

На основании приведенных расчетов можно сделать вывод, что:

- данные структуры необходимо использовать для уменьшения уровня МН в ЧЭ датчиков давления в определенном температурном диапазоне.

- варьируя технологические режимы, можно изменять значения и знак внутренних МН, как одиночных пленок, так и пленочных композиций, улучшая, таким образом, характеристики ЧЭ.

1. Виглеб. Датчики. Устройство и применение. - М.: Мир, 1989.

2. Гридчин В.А., Драгунов В.П. Физика микросистем: Учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 416 с. - (Серия «Учебники НГТУ»).

3. Полупроводниковые тензодатчики / Под ред. М. Дина. М. - Л.: Энергия, 1985. 213 с.

- -12 МПа;

- 2,5 МПа.

ЛИТЕРАТУРА