Оптимизация технологии изготовления полупроводниковых чувствительных элементов на структуре «Кремний-на-диэлектрике»

Баринов И.Н. , Цибизов П.Н. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРЕ «КРЕМНИЙ-НА-ДИЭЛЕКТРИКЕ»

Предложена технология изготовления полупроводниковых чувствительных элементов с помощью готовых структур «кремний-на-диэлектрике». Рассмотрен вариант оптимизации данной технологии по повышению воспроизводимости значений тензорезисторов.

Важнейшим параметром, подлежащим измерению на различных этапах отработки и испытаний авиационной и ракетно-космической техники, а также при ее эксплуатации, является давление, измеряемое с помощью датчиков давлений. К датчикам давлений, которые устанавливаются на авиационных и ракетных двигателях, отличающихся на различных этапах отработки и эксплуатации воздействием температур до (500-600) °С,

ионизирующих излучений и жестких электромагнитных помех, предъявляются высокие метрологические и эксплуатационные требования.

Температурный диапазон большинства выпускаемых датчиков давлений отечественного и зарубежного производства не превышает значений от минус 150 до 300 °С, что не удовлетворяет возросшим требованиям Федерального космического агентства и Министерства обороны по оснащению наиболее современными, надежными, высокоточными средствами измерений соответствующих изделий.

Для стендовой отработки и штатной эксплуатации изделий авиационной и ракетно-космической техники требуются датчики давлений со следующими обобщенными характеристиками:

диапазон измерений - от 0,01 до 100,0 МПа;

выходной сигнал при максимальном давлении - от 50 до 100 мВ;

погрешность линейности, вариации - не более ± 0,1 % от Рмакс;

температурное смещение нуля и изменение чувствительности - не более 0,02 %/0С;

изоляция всех элементов схемы от корпуса (сопротивление изоляции не менее 10 ГОм при напряжении 100

В);

рабочий диапазон температур - от минус 100 до 500 0С;

диаметр - не более 20 мм;

масса не - более 50 г.

Отечественные и зарубежные датчики давлений, полностью удовлетворяющие совокупности необходимых требований, отсутствуют.

Одна из причин - использование при проектировании датчиков устаревших базовых конструктивнотехнологических решений. Например, в датчиках давлений с полупроводниковыми чувствительными элементами (ПЧЭ) на основе объемного кремния наличие p-n перехода не позволяет функционировать средствам измерений при температурах свыше 160 °С; в датчиках давлений с ПЧЭ на основе поликристаллического кремния, за

счет меньших значений основных коэффициентов тензосопротивления, недостатком является малая амплитуда выходного сигнала; в датчиках давлений с ПЧЭ на основе структуры «кремний-на-сапфире» недостатками являются: трудность профилирования сапфира; различие кристаллических решеток кремния и сапфира; невозможность применения групповой технологии изготовления чувствительного элемента; высокая стоимость сапфира.

В то же время современными тенденциями в микроэлектронике является использование структуры «кремний-на-диэлектрике» (КНД) для создания изделий электронной компонентной базы (микропроцессоров, элементов памяти и др.), когда элементы схемы выполнены из монокристаллического кремния с изоляцией от подложки слоем двуокиси кремния. На основе данной структуры, когда осуществляется полная диэлектрическая изоляция приборного слоя от подложки, возможно создание систем, обладающих непревзойденными характеристиками. Ведущие зарубежные фирмы, специализирующиеся на выпуске систем измерения давлений ("Kulite" (США), "Honeywell", (США) "Auxitrol" (Франция), "Omega" (США) и др.), приступили к изготовлению датчиков с ПЧЭ на основе КНД-структуры, что в ближайшем будущем позволит им достичь вышеуказанных обобщенных характеристик.

Подобные датчики давлений и их разработки в нашей стране пока отсутствуют. Кроме того, отсутствуют реальные промышленно освоенные разработки по изготовлению КНД-структур и ПЧЭ на их основе. Имеющиеся технологии создания КНД-структур (а нередко происходит непосредственная закупка готовых пластин у зарубежных производителей) в основном направлены на изготовление элементов электронной техники, что не удовлетворяет требованиям по формированию ПЧЭ датчиков давлений в части параметров изолирующего и приборного слоев.

Одним из возможных вариантов изготовления ПЧЭ на КНД-структуре является метод прямого сращивания, когда происходит соединение двух пластин - опорной и приборной, с дальнейшим проведением «стоп»-травления по выявлению измерительной схемы [1,2].

Недостаток данного метода - низкий процент выхода годных кристаллов, обусловленный высокими требованиями по качеству пластин кремния в части разброса по толщине и шероховатости. Например, разброс по

толщине кремниевой пластины должен быть не более Ah=±2 мкм, а шероховатость поверхности Ra менее 1 нм.

Большинство стандартных кремниевых пластин имеют средний разброс Ah=±(4...6) мкм, а шероховатость нахо-

дится в интервале от 0,2 до 0,3 нм [3].

В [4] предлагается характеризовать качество соединения посредством так называемого параметра сцепления поверхностей 0:

в. * №,

wV Л

где E - модуль упругости соединяемых материалов; o(h) - стандартное отклонение разброса высоты; w

- энергия связи; А - длина волны поверхностных структур.

В данном параметре отражаются как геометрические величины рельефа поверхностей, так и параметры материала. Поверхности можно соединять удовлетворительно, когда 0 < 1. При показателе от 1 до 12 возника-

ет соединение ограниченной прочности, а при 0 > 12 соединение поверхностей невозможно.

Таким образом, вероятность соединения пластин с образованием между ними ковалентной связи по всей площади сильно зависит, по крайнем мере, от двух параметров, которые на настоящий момент по существую-

щим стандартам не обеспечиваются в большинстве случаев.

Возможным вариантом решения проблемы является использование готовых КНД-структур, подходящих по своим параметрам для изготовления ПЧЭ датчиков давлений (минимальная толщина изолирующего слоя: hsiO2 — 0,3

мкм, толщина приборного слоя: 6 мкм > hsi > 0,8 мкм) . В случае hsiO2 ^ 0,3 мкм при эксплуатации датчиков

давлений в температурном диапазоне свыше 300 °С возможно значительное ухудшение изолирующих свойств двуокиси кремния и, как следствие, потеря стойкости к воздействиям электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения.

Примерное маршрутное описание технологического процесса изготовления ПЧЭ с использованием готовых пластин на КНД-структуре включает в себя следующие этапы (рисунок 1):

- химическая очистка (см. рисунок 1, а);

- формирование топологии измерительной схемы Уитстона и коммутационных шин методом фотолитографии (см. рисунок 1, б);

- формирование заданных значений тензорезисторов методом диффузии (ионного легирования) (см. рисунок 1, в) ;

- формирование терморезистора методами осаждения поликремния, фотолитографии, ионного легирования (см. рисунок 1, г);

- формирование мембраны методами фотолитографии и анизотропного травления (см. рисунок 1, д);

- формирование контактной металлизации, коммутационных шин (см. рисунок 1, е) .

1 - приборный слой кремния; 2 - изоляционный слой двуокиси кремния; 3 - опорная кремниевая пластина; 4 - измерительная схема Уитстона; 5 -контактная металлизация Рисунок 1

Основной проблемой, возникающей при использовании данной технологии на пластинах с приборным слоем свыше 0,8 мкм, является подтравливание приборного слоя кремния при проведении операции фотолитографии на этапе формирования измерительной схемы. Подтравливание происходит вследствие использования буферного изотропного травителя (НГ+НЫ0з+СНзС00Н) , когда профиль конечной структуры имеет вид усеченной пирамиды, с длиной основания 11 в 1,5-3 раза большим, чем длина вершины 12. (рисунок 2).

Кроме того, возможно уменьшение значения 12 до нуля в случае недостаточной ширины фоторезистивной маски и большой глубины травления и, таким образом, дальнейшее сокращение объема тензорезистора и значительное увеличение сопротивления, в несколько раз превышающее расчетное.

С целью уменьшения данного эффекта проведены работы по выбору оптимального состава травителя. Было исследовано влияние на значение Д1= 11-12 десяти различных вариантов травителей. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1

Состав травителя (объемн.) ДІ, мкм

ЯГ-4 ЯШ3-3 0; СЯ3СООЯ-1О 14

ЯГ-6 ЯШ3-3 0; СЯ3СООЯ-Ю 15

ЯГ-4 ЯШ3-3 0 ; СЯ3 СООЯ- 5 11

ЯГ-6 ЯШ3-3 0 ; СЯв СООЯ- 5 14

ЯГ-4 ЯЫО3-20; СЯ3СООЯ-Ю 12

ЯГ-6 ЯЫО3-20; СЯвСООЯ-Ю 10

ЯГ-4 ЯШ3-2 0 ; СЯ3 СООЯ- 5 8

ЯГ-2 ВЫО3-9; СЯ3СООЯ-15 7

ЯГ-2 ВЫО3-9; СЯвСООЯ-Ю 6

ЯГ-2 ВЫО3-9; СЯ3СООЯ-4 4

Как видно из таблицы, значение Д1 прямо пропорционально концентрации плавиковой кислоты, и в то же время увеличение концентрации уксусной кислоты приводит к увеличению значения Д1 из-за увеличения общего времени процесса, обусловленного резким падением скорости травления кремния в вертикальном направлении.

По результатам работ выбран состав изотропного травителя с оптимальным соотношением «скорость травления/значение Д1», обеспечивающий минимальный разброс между расчетным и практическим значениями ширины тензорезистора.

ЛИТЕРАТУРА

1 Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления / Баринов И.Н., Козин С.А. // патент RU 2284613 C1 (пр. 04.04.05).

2 Баринов И.Н. / Конструктивно-технологические решения полупроводниковых преобразователей давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» // Технологии приборостроения. - №4. - 2006. - С. 28-33.

3 ТУ 11-ЕТ0.035.2 0 6ТУ-83. Пластины монокристаллического кремния для МОП БИС.

4 Technologieentwicklung für Kapazitive Sensoren mit Bewegten Komponenten Technische Universität Chemnitz. S.l., 2004.-191 c. - Нем.