КОНСТРУКЦИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ НА КНИ-СТРУКТУРЕ
DESIGN OF SENSITIVE ELEMENT OF PRESSURE CONVERTER BASED ON SILICON-ON-INSULATOR STRUCTURE

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интегральным преобразователям давления, и может быть использовано как в интегральных датчиках давления, так и в сенсорах давления, изготовленных на основе гибридной и микромодульной технологии.
Известна конструкция чувствительного элемента миниатюрного преобразователя давления, имеющая основание из стекла, выемку в основании, пластину из монокристаллического кремния, закрепленную на основании, герметичную камеру, образованную основанием и пластиной из монокристаллического кремния в месте выемки в стекле, утоненную область в пластине из монокристаллического кремния, по размерам и положению совпадающую с выемкой в стекле, тензорезисторы, расположенные на утоненной области в пластине из монокристаллического кремния, контакты к тензорезисторам [1]. Действие чувствительного элемента заключается в изгибе на утоненной области в пластине из монокристаллического кремния под давлением, который приводит к возникновению внутренних механических напряжений в тензорезисторах и изменению величины их сопротивления (явление тензоэффекта). Недостатками такой конструкции чувствительного элемента являются большие габаритные размеры кристалла и ограниченный температурный диапазон из-за сильной зависимости утечек между диффузионными тензорезисторами от температуры.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является конструкция чувствительного элемента миниатюрного преобразователя давления, имеющего основание из монокристаллического кремния, первый слой нитрида кремния, покрывающий основание, слой поликристаллического кремния с окном в нем, покрывающий первый слой нитрида кремния, второй слой нитрида кремния, покрывающий слой поликристаллического кремния и имеющий окно по размеру меньшее, чем окно в слое поликристаллического кремния, тензорезисторы из поликристаллического кремния, расположенные на втором слое нитрида кремния, частично внутри периметра окна в слое поликристаллического кремния, частично вне его, третий слой нитрида кремния, покрывающий тензорезисторы и вместе со вторым слоем нитрида кремния полностью изолирующий тензорезисторы, и имеющий окно, совпадающее по положению и размерам с окном во втором слое нитрида кремния, слой толстого, обогащенного кремнием, нитрида кремния, расположенного на третьем слое нитрида кремния и перекрывающего по периметру окно в слое поликристаллического кремния, герметичную камеру на месте окна в слое поликристаллического кремния, образованную первым слоем нитрида кремния, слоем поликристаллического кремния, вторым слоем нитрида кремния и слоем толстого, обогащенного кремнием, нитрида кремния и контакты к тензорезисторам. Действие чувствительного элемента заключается в изгибе толстого, обогащенного кремнием, нитрида кремния под нагрузкой, который приводит к возникновению внутренних механических напряжений в тензорезисторах и изменению величины их сопротивления (явление тензоэффекта) [2]. Такая конструкция чувствительного элемента имеет малые габаритные размеры кристалла и широкий температурный диапазон за счет изоляции тензорезисторов слоями нитрида кремния, однако обладает низкой чувствительностью из-за использования тензорезисторов из поликристаллического кремния и толстого слоя нитрида кремния, расположенного на части тензорезисторов, расположенной внутри периметра окна в слое поликристаллического кремния.
Задачей данного изобретения является получение миниатюрного чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре, имеющего высокую чувствительность и повышенную воспроизводимость начального выходного сигнала.
Сущность изобретения заключается в следующем. Чувствительный элемент преобразователя давления на КНИ-структуре содержит основание из монокристаллического кремния, первый изолирующий слой с окном в нем, слой упругого материала, второй изолирующий слой, по крайней мере, один тензорезистор и контакты к тензорезистору. Окно в первом изолирующем слое по всему периметру окружено первым изолирующим слоем. Слой упругого материала расположен на первом изолирующем слое и перекрывает окно в первом изолирующем слое по всему его периметру. Основание, первый изолирующий слой и слой упругого материала в месте расположения окна образуют герметичную камеру. Тензорезистор расположен частично между первым изолирующим слоем и слоем упругого материала, частично на поверхности слоя упругого материала над окном. Второй изолирующий слой разделяет тензорезистор и слой упругого материала. Тензорезистор выполнены из монокристаллического кремния рабочего слоя КНИ-структуры. На части тензорезистора, расположенного на поверхности слоя упругого материала над окном и не покрытой вторым изолирующим слоем, расположен третий изолирующий слой, толщина которого составляет не более 0,2 и не менее 0,01 от толщины тензорезистора.
Кроме того, в окне в первом изолирующем слое между слоем упругого материала и основанием может быть расположена область из диэлектрика.
Кроме того, герметичная камера может быть вакуумирована.
Кроме того, внешняя граница первого изолирующего слоя может совпадать с границей основания.
Кроме того, внешняя граница слоя упругого материала может совпадать с границей основания.
Предлагаемая конструкция позволяет достичь большей величины изменения сопротивления тензорезистора при приложении давления и, соответственно, большей чувствительности чувствительного элемента за счет формирования тензорезистора из монокристаллического кремния рабочего слоя КНИ-структуры. Это обусловлено более высоким значением основного тензорезистивного коэффициента монокристаллического кремния по сравнению со значением основного тензорезистивного коэффициента поликристаллического кремния при одинаковой концентрации бора. Отношение значений основного тензорезистивного коэффициента монокристаллического кремния и поликристаллического кремния в зависимости от концентрации примеси составляет 2-4 раза. Кроме того, монокристаллический кремний обладает анизотропией тензоэффекта. Поликристаллический кремний не обладает анизотропией тензоэффекта. Это также увеличивает величину изменения сопротивления тензорезистора при приложении давления. В предлагаемой конструкции тензорезистор выполнен из легированного бором монокристаллического кремния рабочего слоя КНИ-структуры. В результате, величина изменения сопротивления тензорезистора при приложении давления увеличивается и, следовательно, увеличивается чувствительность чувствительного элемента.
Предлагаемая конструкция также позволяет достичь большей величины изменения сопротивления тензорезистора при приложении давления и, соответственно, большей чувствительности чувствительного элемента за счет изолирующего слоя, расположенного на части тензорезистора, расположенной внутри герметичной камеры и не покрытой вторым изолирующим слоем, толщина которого составляет не более 0,2 и не менее 0,01 от толщины тензорезистора. Это обусловлено более высокой деформацией части тензорезистора, расположенной на слое упругого материала, играющего роль мембраны, при приложении давления. Величина механических напряжений на краю мембраны, закрепленной по периметру, имеет следующую зависимость от ее геометрических параметров
где a - размер мембраны, h - толщина мембраны.
Использование тонкого диэлектрического слоя на части тензорезистора, расположенной внутри герметичной камеры и не покрытой вторым изолирующим слоем, позволяет уменьшить толщину мембраны h в месте расположения тензорезистора. Уменьшение толщины мембраны h в месте расположения тензорезистора приводит к увеличению величины механических напряжений в тензорезисторе и, соответственно, к увеличению величины изменения сопротивления тензорезистора при приложении давления. В результате, величина изменения сопротивления тензорезистора при приложении давления увеличивается и, следовательно, увеличивается чувствительность чувствительного элемента.
Минимальная величина тонкого диэлектрического слоя на части тензорезистора, расположенной внутри герметичной камеры и не покрытой вторым изолирующим слоем, выбирается исходя из требований обеспечения электрической изоляции тензорезистора, но не менее 0,01 от толщины тензорезистора.
Предлагаемая конструкция также позволяет достичь повышенной воспроизводимости начального выходного сигнала за счет изолирующего слоя, расположенного на части тензорезистора, расположенной на поверхности слоя упругого материала над окном и не покрытой вторым изолирующим слоем, толщина которого составляет не более 0,2 и не менее 0,01 от толщины тензорезистора. Это обусловлено меньшим воздействием механических напряжений в изолирующем слое при уменьшении его толщины на деформацию мембраны при отсутствии приложенного давления. Уменьшение деформации мембраны при отсутствии приложенного давления приводит к уменьшению механических напряжений в тензорезисторе и, соответственно, к уменьшению отклонения сопротивления тензорезистора от заданного и, соответственно, к уменьшению отклонения начального выходного сигнала чувствительного элемента от заданного, что повышает воспроизводимость начального выходного сигнала.
На фиг.1 показана конструкция чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре, где цифрами обозначены: 1 - основание, 2 - первый изолирующий слой, 3 - окно в первом изолирующем слое, 4 - слой упругого материала, 5 - второй изолирующий слой, 6 - тензорезисторы, 7 - контакты к тензорезисторам, 8 - герметичная камера, 9 - третий изолирующий слой.
На фиг.2 показана конструкция чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре по п.2, где цифрами обозначены: 10 - область из диэлектрика.
На фиг.3 показана конструкция чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре по п.3, где цифрами обозначены: 11 - вакуумированная герметичная камера.
На фиг.4 показана конструкция чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре по п.4, где цифрами обозначены: 12 - первый изолирующий слой, внешняя граница которого совпадает с границей основания.
На фиг.5 показана конструкция чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре по п.5, где цифрами обозначены: 13 - слой упругого материала, внешняя граница которого совпадает с границей основания.
На фиг.6 (а-з) показаны основные этапы способа формирования чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре, где цифрами обозначены: 14 - рабочий слой КНИ-структуры, 15 - слой поликристаллического кремния, 16 - отверстие, 17 - диэлектрический слой.
На основании 1, в качестве которого используют подложку КНИ-структуры, формируют первый изолирующий слой 2, в качестве которого используют разделительный слой КНИ-структуры, далее из рабочего слоя КНИ-структуры формируют тензорезисторы 6, тензорезисторы легируют бором с помощью, например, ионной имплантации, проводят высокотемпературный отжиг тензорезисторов, далее из нитрида кремния, получаемого с помощью, например, осаждения, формируют второй изолирующий слой 5, далее проводят осаждение слоя поликристаллического кремния 15, далее в слое поликристаллического кремния 12 формируют отверстие 16, достигающее первого изолирующего слоя 2, далее с помощью селективного травления через отверстие 16 проводят частичное удаление первого изолирующего слоя 2 и формируют окно в первом изолирующем слое 3 таким образом, что граница окна 3 в первом изолирующем слое 2 пересекает тензорезисторы 6, далее с помощью высокотемпературного окисления формируют третий изолирующий слой 9, далее с помощью осаждения при пониженном давлении диэлектрического слоя 17, например, поликристаллического кремния, герметично закрывают окно 16 и формируют камеру 8, затем с помощью плазмохимического травления удаляют диэлектрический слой 17 с поверхности слоя поликристаллического кремния 12 таким образом, что окно 16 остается герметично закрытым диэлектрическим слоем 17, далее в слое поликристаллического кремния 12 и первого изолирующего слоя 2 формируют отверстия, достигающие тензорезисторов 6, затем из нанесенного слоя металла, например, алюминия, формируют контакты к тензорезисторам 7.
В прототипе [2] толщина H1 мембраны из диэлектрика составляет 1,3 мкм, толщина Н2 тензорезистора из поликристаллического кремния составляет 0,2 мкм, толщина Н3 толстого изолирующего слоя на нижней стороне части тензорезисторов, расположенной на мембране, составляет 0,1 мкм. Внешний радиус мембраны R1 составляет 50 мкм. Чувствительность преобразователя составляет 2,0 мВ/В/атм.
В предлагаемой конструкции толщина поликремниевой мембраны Н4 составляет, например, 1,3 мкм, толщина Н5 тензорезистора из монокристаллического кремния составляет, например, 0,2 мкм, толщина Н6 изолирующего слоя на нижней стороне части тензорезисторов, расположенной на мембране, составляет, например, 0,01 мкм и внешний радиус мембраны R2 составляет, например, 50 мкм. Тогда отношение чувствительности предлагаемого преобразователя и прототипа можно оценить с использованием выражения (1)
где k - отношение главных тензорезистивных коэффициентов монокристаллического и поликристаллического кремния.
После упрощения выражения (2) получаем
Подставляя значения толщины, приведенные выше, пренебрегая разницей в механических свойствах материалов, и с учетом того, что отношение значений основного тензорезистивного коэффициента монокристаллического кремния и поликристаллического кремния в зависимости от концентрации примеси составляет 2-4 раза, получаем
Таким образом, предлагаемая конструкция имеет чувствительность в 2,23÷4,45 раза больше, чем прототип. В абсолютных цифрах чувствительность предлагаемой конструкции составляет от 4,45 до 8,9 мВ/В/атм.
Источники
1. Патент США US 3918019, Miniature absolute pressure transducer assembly and method, 1975, заявитель The board of trustees of the Leeland Stanford Junior University, Stanford, California.
2. M.Esashi, S.Sugiyama, K.Ikeda, Y.Wang and H.Miyashita, Vacuum-Sealed Silicon Micromachined Pressure Sensors // Proceedings of the IEEE, 86, 1998, pp.1627-1639 - прототип.