Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Технический результат изобретения: повышение чувствительности преобразователя при сохранении собственной резонансной частоты, повышение его надежности, повышение диапазона линейного преобразования, повышение стабильности характеристик при работе в широком интервале температур, повышение точности преобразования и улучшение технологичности способа. Сущность: полупроводниковый преобразователь давления содержит мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки. Мостовая измерительная схема содержит терморезистор, выполненный из кремния. Мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, а поверхности тензорезисторов и терморезистора покрыты слоем двуокиси кремния. Также предложен способ изготовления полупроводниковых преобразователей давления упомянутой выше конструкции. 2 н.п. ф-лы, 11 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Известен преобразователь давления, содержащий кремниевый профилированный кристалл, на котором сформирована тензорезистивная мостовая схема из поликристаллического кремния, изолированная от подложки диоксидом кремния [1].

Недостатком данного преобразователя является низкая чувствительность, обусловленная малой величиной тензочувствительности поликремния.

Известен преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся тем, что тензорезисторы из высоколегированного кремния через диэлектрический слой нанесены на профилированную кремниевую мембрану [2].

Недостатком известных устройства и способа является низкая чувствительность к измерению малых давлений, обусловленная ограничениями формирования малых толщин мембран.

Известен способ соединения методом сплавления для использования в производстве полупроводниковых приборов, характеризующийся тем, что после формирования тензорезистивной мостовой измерительной схемы меза-типа на поверхности приборной пластины, нанесения тонкого слоя боросиликатного стекла на поверхность приборной пластины производят соединение приборной пластины с окисленной опорной пластиной и дальнейший высокотемпературный отжиг полученной структуры с последующим выявлением тензорезистивной мостовой измерительной схемы с использованием техники анизотропного "стоп-травления" [3].

Недостатком известного способа является низкая чувствительность к измерению малых давлений, обусловленная ограничениями формирования малых толщин мембран при использовании известных методов травления кремния.

Наиболее близкими по технической сущности к изобретению являются преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся тем, что мембрана со слоем диэлектрика, на которой сформированы тензорезисторы, легирована бором до того же уровня концентрации, что и тензорезисторы, при этом толщина мембраны под слоем диэлектрика равна толщине тензорезисторов [4].

Недостатками известного устройства и способа являются низкая чувствительность к измерению малых давлений при сохранении собственной резонансной частоты, низкая прочность мембраны, малый диапазон линейного преобразования, значительный уровень погрешностей измерений, высокая погрешность измерений при работе в интервале температур от минус 100°С до 300°С, невозможность получения качественной структуры при условии проведения работ вне чистой комнаты, а также невозможность получения терморезистора, изолированного от подложки пленкой двуокиси кремния.

Изобретение направлено на повышение чувствительности преобразователя при сохранении собственной резонансной частоты, повышение его надежности, повышение диапазона линейного преобразования, стабильности характеристик при работе в широком интервале температур, точности преобразования и улучшение технологичности способа.

Согласно изобретению в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, мостовая измерительная схема содержит терморезистор, выполненный из кремния, причем мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, а поверхности тензорезисторов и терморезистора покрыты слоем двуокиси кремния.

Кроме того, согласно способу изготовления полупроводникового преобразователя давления, включающего формирование в первой и во второй пластинах кремния первого слоя, легированного бором с концентрацией не менее 5·10¹⁹ см^-3, формирование мембраны с утолщенным периферийным основанием путем локального травления кремния в щелочном растворе, скрепление пластин со стороны слоя, легированного бором, через слой диэлектрика, утонение кремния первой и второй пластин до толщины слоя, легированного бором путем травления в щелочном растворе, формирование тензорезисторов и проводников, нанесение на проводники металлизированных контактных площадок, формирование тензорезисторов и проводников проводят на второй пластине, после чего на ней формируют структуры меза-типа до высоты тензорезисторов и проводников, выступающих над поверхностью пластины на высоту не менее 2 мкм, а скрепление пластин проводят в деионизованной воде с дальнейшим высокотемпературным отжигом, затем тензорезисторы и проводники утоняют до заданного значения сопротивления тензорезисторов, мембрану формируют профилированной на непланарной стороне первой пластины, а на планарной ее стороне формируют терморезистор, после чего проводят окисление поверхностей тензорезисторов и терморезистора.

Введение предложенной конструкции, содержащей профилированную мембрану с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, которая представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, позволяет получить чувствительность полупроводниковых преобразователей давления менее 100 кПа при сохранении собственной резонансной частоты, повышает линейность и расширяет диапазон линейного преобразования, а введение терморезистора повышает стабильность выходных характеристик в интервале температур от минус 100°С до 300°С за счет термокомпенсации выходного сигнала. Кроме того, защитный слой двуокиси кремния на поверхности тензорезисторов и терморезистора повышает временную и температурную стабильности их характеристик и уменьшает уровень погрешностей измерений за счет того, что наличие данного защитного покрытия препятствует проникновению на поверхность тензорезисторов нежелательных примесей из внешней среды.

Кроме того, введение предложенного способа изготовления, включающего процессы формирования тензорезисторов и проводников меза-типа и скрепления двух пластин перед высокотемпературным сращиванием в деионизованной воде, позволяет получать качественные структуры при проведении работ вне чистой комнаты из-за снижения вероятности попадания механических частиц и других посторонних включений, содержащихся в атмосфере производственных помещений, на границу сращивания, а введение процесса утонения тензорезисторов и проводников после утонения кремния первой и второй пластин до толщины слоя, легированного бором, позволяет путем уменьшения высоты тензорезисторов получать требуемые их номиналы, на порядок выше минимального значения. Кроме того, введение процесса формирования терморезистора после утонения кремния первой пластины до толщины слоя, легированного бором, позволяет повысить технологичность способа и известными методами получать требуемые номиналы в широком диапазоне сопротивлений.

Предлагаемое устройство и способ его изготовления поясняются на фиг.1-11.

На фиг.1, 2 изображен преобразователь, содержащий чувствительный элемент из кремния (1) с легированной бором мембраной (2) с профилем (3) и утолщенным периферийным основанием (4) со сформированными на ней через слой диэлектрика (5) тензорезисторами (6) и терморезистором (7), покрытыми слоем двуокиси кремния (8), объединенными в мостовую измерительную схему и соединенными с контактными площадками (9) с помощью проводников (10).

На фиг.3 изображена первая пластина (11), на которой через p+ слой (12), выполненный диффузией бора в кремний и имеющий концентрацию носителей не менее 5·10¹⁹ см^-3, сформирован слой диэлектрика (5). На фиг.4 изображена вторая пластина (13), в которой сформированы тензорезисторы (14) и проводники (15) с концентрацией носителей не менее 5·10¹⁹ см^-3. На фиг.5 изображена вторая пластина (13) со сформированными тензорезисторами (14) и проводниками (15), представляющая структуру меза-типа высотой не менее 2 мкм. На фиг.6 изображена структура, представляющая собой скрепленные первую пластину (11), содержащую p+ слой (12), слой диэлектрика (5) и вторую пластину (13), содержащую тензорезисторы меза-типа (14) и проводники меза-типа (15), причем скрепление пластин осуществляют в деионизованной воде. На фиг.7 изображена первая пластина (11), на которой через p+ слой (12) на слое диэлектрика (5) методом утонения кремния второй пластины (13) до толщины слоя, легированного бором, путем травления в щелочном растворе, сформированы тензорезисторы (6) и проводники (10), представляющие зеркальное отражение тензорезисторов (14) и проводников (15). На фиг.8 изображена первая пластина (11) с тензорезисторами (6) и проводниками (10) после прецизионной подгонки их высоты методом травления. На фиг.9 изображена структура со сформированной методами фотолитографии и анизотропного "стоп-травления" профилированной мембраной (2), содержащей профиль (3) с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов (6). На фиг.10 изображена структура со сформированным терморезистором (7). На фиг.11 изображена структура с профилированной мембраной (2), сформированными тензорезисторами (6), проводниками (10) и терморезистором (7), причем на поверхность тензорезисторов и терморезистора нанесен слой двуокиси кремния (8), а на поверхностях проводников (10) сформированы металлизированные контактные площадки (9).

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Измеряемое давление, воздействуя на мембрану с жестким центром, деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. Выбор концентрации кремния не менее 5·10¹⁹ см^-3 и наличие профилированной мембраны с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов позволяет методами стоп-травления формировать тонкие мембраны толщиной 2-6 мкм без разрушения структуры. Сама мембрана представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров. Таким образом, данная конструкция позволяет получать чувствительность полупроводниковых преобразователей давления менее 100 кПа при сохранении собственной резонансной частоты. В связи с тем, что поверхность тензорезисторов покрыта слоем двуокиси кремния, то за счет наличия данного защитного покрытия, препятствующего проникновению на поверхность тензорезисторов нежелательных примесей из внешней среды, повышается временная и температурная стабильности их характеристик и уменьшается уровень погрешностей измерений, а наличие в мостовой измерительной схеме терморезистора позволяет осуществлять температурную компенсацию выходного сигнала и таким образом уменьшать погрешность, вызванную температурными изменениями окружающей среды.

Способ изготовления полупроводникового преобразователя давления поясняется на примере.

Пример. На первой пластине методами диффузии и отжига создают высоколегированный p+ слой толщиной 2-5 мкм и концентрацией носителей не менее 5·10¹⁹ см^-3. Поверх этого слоя методом высокотемпературного окисления создают слой двуокиси кремния толщиной 0,4-1,6 мкм. На второй кремниевой пластине методами окисления, фотолитографии, травления, диффузии бора, создают тензорезисторы и проводники, представляющие собой мостовую измерительную схему с концентрацией носителей не менее 5-10¹⁹ см^-3. Далее методом анизотропного "стоп-травления" на второй пластине создают структуру меза-типа до высоты тензорезисторов и проводников, выступающих над поверхностью пластины на высоту не менее 2 мкм. После соединения пластин между собой в деионизованной воде с ориентацией по базовому срезу проводят их термическую обработку при температуре 1200°С в течение 5-6 часов в атмосфере водяного пара. Далее проводят одностороннее утонение травлением полученной структуры в 25-50% водном растворе этилендиамина при температуре не менее 90°С со стороны второй пластины до выявления высоколегированного слоя, представляющего собой зеркальное отражение тензорезистивной мостовой измерительной схемы. При необходимости проводят травление тензорезисторов и проводников с целью уменьшения их высоты и соответственно юстировки сопротивления тензорезисторов до заданного значения. Далее методами фотолитографии, травления, анизотропного "стоп-травления" до высоколегированного слоя в 25-50% водном растворе этилендиамина при температуре не менее 90°С формируют профилированную мембрану с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов. Затем методами осаждения поликремния, фотолитографии, травления поликремния, ионного легирования формируют терморезистор, расположенный, как и тензорезисторы и проводники, на изоляционной пленке двуокиси кремния.

После чего проводят окисление тензорезисторов и терморезистора с целью защиты их поверхностей. Далее, методами напыления алюминия, фотолитографии, травления проводят формирование металлизации на поверхности проводников и формирование металлизированных контактных площадок.

Технико-экономическими преимуществами предлагаемого преобразователя по сравнению с известными являются:

возможность создания полупроводниковых преобразователей давления на диапазоны менее 100 кПа, работоспособных в интервале температур от минус 100°С до 300°С;

повышение надежности, линейности, временной и температурной стабильностей характеристик преобразователя;

расширение диапазона линейного преобразования;

уменьшение уровня погрешностей измерений в интервале температур от минус 100°С до 300°С;

возможность получения известными способами терморезистора в широком диапазоне сопротивлений;

возможность получения качественных структур при проведении работ вне чистой комнаты;

возможность получения номиналов тензорезисторов на порядок выше минимального значения;

повышение технологичности способа.

Источники информации

1. SU № 788926,15.02.1998.

2. US № 4400869, 1984.

3. US № 5286671, 1996.

4. SU № 1732199, 1990.

1. Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, отличающийся тем, что в нем мостовая измерительная схема содержит терморезистор, выполненный из кремния, причем мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, а поверхности тензорезисторов и терморезистора покрыты слоем двуокиси кремния.

2. Способ изготовления полупроводникового преобразователя давления, включающий формирование в первой и во второй пластинах кремния первого слоя, легированного бором с концентрацией не менее 5·10¹⁹ см^-3, формирование мембраны с утолщенным периферийным основанием путем локального травления кремния в щелочном растворе, скрепление пластин со стороны слоя, легированного бором, через слой диэлектрика, утонение кремния первой и второй пластин до толщины слоя, легированного бором путем травления в щелочном растворе, формирование тензорезисторов и проводников, нанесение на проводники металлизированных контактных площадок, отличающийся тем, что формирование тензорезисторов и проводников проводят на второй пластине, после чего на ней формируют структуры меза-типа до высоты тензорезисторов и проводников, выступающих над поверхностью пластины на высоту не менее 2 мкм, а скрепление пластин проводят в деионизованной воде с дальнейшим высокотемпературным отжигом, затем тензорезисторы и проводники утоняют до заданного значения сопротивления тензорезисторов, мембрану формируют профилированной на непланарной стороне первой пластины, а на планарной ее стороне формируют терморезистор, после чего проводят окисление поверхностей тензорезисторов и терморезистора.