РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ КРИСТАЛЛА НА КНИ-СТРУКТУРЕ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ

Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0245, уникальный идентификатор ПРИЭР RFMEFI57717X0245).

В работе использовалось оборудование ЦКП "Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники" (ЦКП НПК "Технологический центр").

АННОТАЦИЯ

Использование структуры "кремний-на-изоляторе" (КНИ) дает возможность создавать кремниевые преобразователи давления с увеличенным значением предельной верхней рабочей температуры. В статье проведена разработка технологии и изготовление кристалла на КНИ-структуре для чувствительного элемента (ЧЭ) высокотемпера­турного преобразователя давления. Технологически процесс изготовления кристалла включает 4 фотолитографии. Для обеспечения высоких измерительных характеристик преобразователя используется мембрана сложной профилированной формы, которая образуется в результате глубокого анизотропного жидкостного травления кремния в растворе КОН. Обсуждаются проблемы достижения точности совмещения рисунков лицевой и обратной стороны пластины, необходимой для обеспечения воспроизводимости характеристик преобразователя. Показано, что основные этапы технологического маршрута кристалла мембраны на КНИ-структуре незначительно отличаются от таковых при изготовлении кристалла мембраны на обычной пластине, используемой в серийном ЧЭ, что существенно облегчает выполнение этапов разработки конструкции преобразователя. Проводится обсуждение полученных результатов.

Ключевые слова: высокотемпературный кремниевый преобразова­тель давления, КНИ-структура, АЖХТ кремния.

За последнее десятилетие существенно вырос интерес к приборам, позволяющим проводить измерение давления при повышенной (более 150º С) температуре. Потребность в проведение таких измерений существует в нефтегазовой отрасли, нефтехимической промышленности (изготовление пластмассовых изделий), автомобильном, авиационном и космическом транспорте [1-3]. Данная задача чаще всего решается с помощью высокотемпературных кремниевых преобразователей давления. Отличительной особенностью данных преобразователей являются высокие метрологические характеристики и низкая себестоимость изготовления.

Основная задача при создании высокотемпературного преобразо­вателя давления состоит в разработке и изготовлении высокотемпе­ратурного чувствительного элемента (ЧЭ). КНИ-структура обладает целым рядом важных достоинств, позволяющих решить эту задачу. Изготовление КНИ-структуры осуществляется с помощью спекания двух окисленных кремниевых пластин и шлифовки одной из них до требуемой толщины (bonded SOI). Изготовленная таким образом КНИ-структура служит исходным материалом для формирования МЭМС-приборов [4-6] и, в частности, преобразователей давления. Изоляция тензорезисторов обеспечивается толстым диэлектрическим слоем, а не p-n-переходом, как диффузионных тензорезисторов, что позволяет избежать резкого роста токов утечки при повышении температуры и тем самым увеличить верхнюю рабочую температуру преобразователя давления.

В данной работе проведены разработка технологии и изготовление кристалла на КНИ-структуре для ЧЭ высокотемпературного преобра­зователя давления. При разработке технологии использован многолетний опыт НПК "Технологический центр" в области создания кремниевых преобразователей давления.

Эскиз конструкции кристалла на КНИ-структуре приведен на рисунке 1. Предложенная конструкция кристалла на КНИ-структуре имеет ряд характерных особенностей. В качестве основы использован кристалл, применяемый в датчиках давления серии ИПД5.

Рисунок 1. Основные этапы изготовления КНИ-структуры [7]

а – исходные пластины, б – окисление пластины Б, в – соединение пластин А и Б, г – утонение пластины А, д – готовая КНИ-структура

Данный кристалл имеет сложно-профилированную форму, для получения которой используется глубокое анизотропное жидкостное травление кремния. Сформированные в результате травления пирамидки из монокристаллического кремния обеспечивают достижение максимального уровня механических напряжений в заданных точках мембраны. Размеры пирамидок определяются с помощью расчета выходных характеристик ЧЭ. Наиболее удобным методом расчета является конечно-элементное моделирование, которое позволяет учесть детали геометрии кристалла, а также анизотропию тензорезистивных и упругих свойств монокристаллического кремния.

Таблица 1.

Параметры структуры кристалла на КНИ-структуре

Рисунок 2. Эскиз конструкции кристалла на КНИ-структуре

1 – исходная КНИ-структура; 2 – профилирование кремниевого основания; 3 – изолирующий слой термического окисла; 4 – кремниевые тензорезисторы

Модуль упругости и коэффициент Пуассона монокристаллического кремния задается с учетом анизотропии свойств. Упругие свойства кристаллов с кубической симметрией (к которым относится кремний) описываются всего тремя коэффициентами упругости [8]. Также с учетом анизотропии свойств задаются тензорезистивные коэффициенты монокристаллического кремния, необходимые для расчета измерения сопротивления тензорезисторов.

Основной вклад в изменение сопротивления тензорезистора дает главный тензорезистивный коэффициент π44, который зависит от типа и концентрации примеси и от температуры. Традиционно тензорезисторы легируются бором до концентрациеи 5·10¹⁸ см^-3. Данный уровень легирования обеспечивает высокий коэффициент π44 и низкую температурную чувствительность сопротивления тензорезисторов [8].

Основные этапы технологического маршрута изготовления кристалла на КНИ-структуре незначительно отличаются от таковых при изготовлении кристалла с диффузионными тензорезисторами, используемого в серийном ЧЭ. Схожесть основных этапов изготовления позволяет использовать набор одинаковых процессов, что существенно облегчает реализацию этапов разработки и исследования. Кроме того, одинаковые технологические маршруты позволяют проводить обоснованную оценку количественных характе­ристик кристалла.

На первом этапе на КНИ-пластину наносятся защитные диэлектри­ческие слои, играющие роль защитной маски при травлении, на обратной стороне выполняется фотолитография, вскрываются окна к кремнию и проводится глубокое травление кремния с помощью концентрированного раствора КОН (рисунок 3а). В результате формируются выступы из монокристаллического кремния, имеющие форму правильной пирамидки с квадратным основанием – жесткие центры (рисунок 3б). Они расположены на мембране симметрично относительно центра и обеспечивают максимальную величину механических напряжений на участках мембраны, расположенных между ними.

Далее защитные слои удаляются, и с лицевой стороны пластины проводится фотолитография тензорезисторов и плазмохимическое травление монокристаллического кремния. В результате формируется мостовая схема преобразователя (рисунок 3в). Тензорезисторы и шины разводки легируются бором. Доза легирования шин разводки выбирается исходя из необходимости снижения сопротивления, то есть достижения концентрации (5-8)·10¹⁹ см^-3. Полученная структура из монокристаллического кремния окисляется до толщины окисла 0,1-0,2 мкм. В окисле формируются контактные окна и контактные площадки из металла, стойкого к высокой температуре, например, золота или платины.

а)

б)

в)

Рисунок 3. Основные технологические этапы изготовления кристалла мембраны

Фотография кристалла на КНИ-структуре приведена на рисунке 4. В дополнение к тензорезистивному мосту на кристалле размещены преобразователь температуры в виде резистора номиналом 30 кОм и тестовые элементы для измерения слоевого сопротивления тензо­резисторов и шин разводки. Золотые контактные площадки сформированы с помощью процесса напыления в вакууме через жесткую маску.

На рисунке 5 приведена инфракрасная микрофотография фрагмента кристалла на КНИ-структуре, показывающая взаимное расположение жестких центров и тензорезисторов. Как можно видеть, технология изготовления обеспечивает высокую точность совмещения тензорезисторов относительно жестких центров.

Рисунок 4. Кристалл на КНИ-структуре

Рисунок 5. Инфракрасная микрофотография фрагмента кристалла на КНИ-структуре

Список литературы:

1. Li S. et al, A novel SOI pressure sensor for high temperature application // 2015 J. Semicond. 36 014014.
2. Jiang X., High-Temperature Piezoelectric Sensing, Sensors 2014, 14, pp. 144-169.
3. Niu Z., Zhao Y., and Tian B., Design optimization of high pressure and high temperature piezoresistive pressure sensor for high sensitivity // Review Of Scientific Instruments 85, 015001 (2014).
4. Maszara W.P., SOI by Wafer Bonding: A Review // International Symposium on SOI Technology and Devices, Montreal, 1990.
5. Auberton-Herve A.J., SOI: materials to systems, Proc. of International Electron Devices Meeting, 1996. IEDM '96, pp.3-10.
6. Hofmann L., Dempwolf S., Reuter D., Ecke R., Gottfried K., Schulz S.E., Knechtel R., Geßner T., 3D integration approaches for MEMS and CMOS sensors based on a Cu through-silicon-via technology and wafer level bonding // Proceedings Volume 9517, Smart Sensors, Actuators, and MEMS VII; and Cyber Physical Systems; 951709 (2015); doi: 10.1117/12.2178598.
7. Auberton-Herve A.J., SOI: materials to systems, Proc. of International Electron Devices Meeting, 1996. IEDM '96, pp.3-10.
8. Ваганов В.И., Интегральные тензопреобразователи, М., Энергоатомиздат, 1983, 136 с.