микромеханический прибор и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Микромеханический прибор, содержащий тензорезисторный чувствительный элемент, выполненный в полупроводниковой структуре легированного карбида кремния на подложке с диэлектрической поверхностью, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковой структуры используют карбид кремния, легированный из расчета соотношения активных и дефектных примесных центров 1 : (2-20), при этом в полупроводниковой структуре дополнительно сформирован терморезисторный чувствительный элемент.

2. Способ изготовления микромеханического прибора, предусматривающий осаждение на подложку полупроводникового слоя, содержащего легирующую примесь, под управляющим воздействием по парциальному давлению или скорости подачи газа с последующим нанесением слоя диэлектрика и формированием чувствительных элементов в полученной полупроводниковой структуре с помощью избирательного травления, отличающийся тем, что осаждают полупроводниковый слой на основе карбида кремния, при этом управляющее воздействие осуществляют из расчета соотношения активных и дефектных примесных центров в полупроводниковом слое 1 : (2 - 20), а чувствительные элементы формируют не содержащими потенциальных барьеров.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для его осуществления в оптимальном режиме отбирают образцы промежуточного продукта -полупроводниковой структуры легированного карбида кремния, полученной при различных значениях режимных параметров, определяют удельное сопротивление, тензо- и термочувствительность образцов и устанавливают значения управляющих воздействий на стадии осаждения полупроводникового слоя из условия максимума обобщенной функции оптимальности Харрингтона



где Q - обобщенная функция оптимальности Харрингтона;

y₁, y₂ и y₃ - удельное сопротивление (Омсм), тензочувствительность и термочувствительность (К^-1) образца соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к микроэлектронике и касаются конструкции и технологии изготовления мультисенсорного микроэлектронного микромеханического прибора. Наиболее эффективно их использовать при изготовлении мультисенсорных датчиков давления и температуры, работающих в условиях высоких температур, вибраций и радиационных воздействий.

Известен микромеханический прибор, содержащий перекристаллизованный кремниевый слой, в котором сформирован тензочувствительный элемент, и контактные площадки для подключения к внешней электрической цепи (SU 1783595, H 01 L 21/28, 1992).

Известен также микромеханический прибор для измерения давления, содержащий подложку с изоляционным покрытием, пьезоэлектрический элемент, расположенный на лицевой стороне подложки, и мембрану, вытравленную на обратной стороне подложки соосно с пьезоэлектрическим элементом (JP 5-251714, H 01 L 29/84, G 01 L 9/04, 1993).

Такие приборы обладают низкой надежностью работы при высоких уровнях температуры и радиации. Кроме того, данные приборы не могут быть выполнены как мультисенсорные из-за разнородных требований к их чувствительности по различным измеряемым воздействиям.

Известен также микромеханический прибор, содержащий тензорезисторный чувствительный элемент, выполненный в полупроводниковой эпитаксиальной структуре карбида кремния (SiC), легированного ионной имплантацией бора, на подложке с диэлектрической поверхностью (RU 98103183/25, H 01 L 21/00, 49/00, 1998 - прототип устройства).

Однако такой прибор требует температурной компенсации тензоизмерений (Ballandovich V.S., Bogachev S.V., II"in V.A., Korlyakov A.V., Kostromin S. V. , Luchinin V.V., Petrov A.A. Realization of silicon carbide sensors for measurements on gaseous working fluids. - "Materials science & engineering", B 46, 1977, 383-386). Кроме того, как и другие аналоги, данное техническое решение не может быть выполнено в мультисенсорном исполнении из-за разнородных требований к чувствительности по различным измеряемым воздействиям.

Известный способ изготовления рассматриваемого класса приборов предусматривает нанесение на подложку пленки из проводящего монокристаллического кремния, отделенного от подложки слоем диэлектрика, с последующим вытравливанием участков пленки и слоя диэлектрика до подложки для формирования измерительного узла, созданием электрических контактов для средств измерения и частичным удалением слоя диэлектрика для освобождения подвижных элементов измерительного узла (FR 2700065, H 01 L 49/02, G 01 P 15/08, 15/125, 1994).

Однако приборы, изготавливаемые данным способом, обладают низкой механической, температурной и радиационной стойкостью.

Известен также способ изготовления микромеханических приборов, предусматривающий эпитаксиальное нанесение пленки из SiC, легированного ионной имплантацией бора, на подложку с диэлектрической поверхностью с последующим вытравливанием участков пленки до подложки для формирования измерительного узла и освобождения подвижных элементов и созданием электрических контактов для средств измерения (RU 98103183/25, H 01 L 21/00, 49/00, 1998).

Однако использование данного способа не позволяет получать микромеханические приборы, особенно мультисенсорные, с требуемой чувствительностью к различным физическим воздействиям.

С целью устранения отмеченного недостатка при конструировании микромеханических мультисенсорных приборов наносят чувствительные к различным физическим воздействиям полупроводниковые многослойные кремнийсодержащие структуры на разные участки общей подложки с последующим формированием на этих участках соответствующих чувствительных элементов (JP 5-1873, H 01 L 21/203, 1993).

Однако такое техническое решение нетехнологично, трудоемко и материалоемко.

Наиболее близкий к заявляемому по принципу действия способ изготовления микромеханического прибора предусматривает осаждение на подложку по меньшей мере четырех полупроводниковых субслоев, содержащих легирующую примесь, при управляющем воздействии по парциальному давлению или скорости подачи газа с последующим нанесением слоя диэлектрика и формированием чувствительных элементов в полученной полупроводниковой структуре с помощью избирательного травления (US 5298436, H 01 L 21/20, 1994 - прототип способа).

Однако использование данного способа не обеспечивает стабильного изготовления микромеханического, особенно мультисенсорного, прибора с требуемой чувствительностью к различным физическим воздействиям, поскольку в описании способа раскрыты лишь управляющие воздействия, но не указаны критерии управления, их значения в зависимости от используемого полупроводникового материала, а также значения управляющих воздействий.

Техническая задача предлагаемых изобретений - обеспечение управляемости характеристиками тензо- и термочувствительности изготавливаемых микромеханических приборов.

Решение указанной технической задачи в рамках объекта "устройство" объективизируется тем, что в конструкцию микромеханического прибора, содержащего тензорезисторный чувствительный элемент, выполненный в полупроводниковой структуре легированного карбида кремния на подложке с диэлектрической поверхностью, внесены следующие изменения:

- в качестве полупроводниковой структуры используют карбид кремния, легированный из расчета соотношения активных и дефектных примесных центров 1: (2-20);

- в полупроводниковой структуре дополнительно сформирован терморезисторный чувствительный элемент.

В рамках объекта "способ" при изготовлении микромеханического прибора путем осаждения на подложку полупроводникового слоя, содержащего легирующую примесь, под управляющим воздействием по парциальному давлению или скорости подачи газа с последующим нанесением слоя диэлектрика и формированием чувствительных элементов в полученной полупроводниковой структуре с помощью избирательного травления вносятся следующие дополнения:

- на подложку осаждают полупроводниковый слой на основе карбида кремния;

- управляющее воздействие процессом осаждения осуществляют из расчета соотношения активных и дефектных примесных центров в полупроводниковом слое 1:(2-20);

- все чувствительные элементы формируют не содержащими потенциальных барьеров, т.е. резисторными (тензорезистор, терморезистор и т.п.).

В качестве лигандов могут использоваться бор, азот, алюминий и др.

Для осуществления способа в оптимальном режиме отбирают образцы промежуточного продукта - полупроводниковой структуры легированного карбида кремния, полученной при различных значениях режимных параметров, определяют удельное сопротивление, тензо- и термочувствительность образцов и устанавливают значения управляющих воздействий на стадии осаждения полупроводникового слоя из условия максимума обобщенной функции оптимальности Харрингтона



где Q - обобщенная функция оптимальности Харрингтона;

y₁ - удельное сопротивление образца, Oмсм;

y₂ - тензочувствительность образца;

y₃ - термочувствительность образца, К^-1.

Этот вариант способа целесообразно выполнять при изменении материала подложки и режимных параметров стадии осаждения.

Принцип действия предлагаемых технических решений основан на впервые установленной авторами закономерности неравномерного уменьшения тензо- и термочувствительности полупроводниковой структуры SiC по мере увеличения концентрации лигандов выше предела растворимости, о чем можно судить по изменению соотношения активных и дефектных примесных центров. Последние, по-видимому, заметно меняют характер проводимости носителей зарядов, что сказывается при поступлении разных по природе внешних воздействий. Кроме того, дефектные примесные центры увеличивают удельное сопротивление полупроводниковой структуры, тем самым позволяют нормировать приборы по данному параметру. Эти обстоятельства в наибольшей степени влияют на непосредственное - резисторное - исполнение чувствительных элементов.

При технической реализации способа соотношение активных и дефектных примесных центров в полупроводниковой структуре определяют с помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) путем подсчета амплитуд соответствующих сигналов на резонансных частотах этих центров (Вейнгер А.И., Ильин В.А. , Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Исследование термодефектов в карбиде кремния методом ЭПР. - ФТП, 1979, 13, 2366-2370).

Удельное сопротивление образца полупроводниковой структуры (y₁) целесообразно определять по четырехзондовой мостиковой схеме или с помощью эффекта Холла (Грищенко А.Ф. Ионное легирование в микроэлектронике. - "Высшая школа", М., 1985, с. 43-45).

Тензочувствительность образца (y₂) устанавливают по формуле

y₂= (R/R):(l/l), (2)

где R/R - относительное изменение сопротивления;

1/1 - соответствующая относительная деформация образца.

Термочувствительность образца (y₃) устанавливают по формуле

y₃= (R/R):T, (3)

где Т - соответствующее изменение температуры, К.

На фиг. 1 приведен график функции Харрингтона для оценки выходных параметров способа. Его использование упрощает расчеты по формуле (1) и обеспечивает их наглядность.

График построен следующим образом. Сложная функция (1) содержит следующие частные харрингтоновы функции оптимальности:

q₁= exp[-exp(|2,5y₁-7,5|-6)], (4)

где q₁ - частная функция оптимальности удельного сопротивления образца;

q₂ = exp[-exp(3-0,1y₂)], (5)

где q₂ - частная функция оптимальности в отношении тензочувствительности;

q₃= exp[-exp(|5y₃10³-7,5|-6)], (6)

где q₃ - частная функция оптимальности в отношении термочувствительности.

Функции q₁, q₂ и q₃ изображены на фиг. 1 путем соответствующего изменения масштаба по оси абсцисс, как это принято для обобщенных харрингтоновых функций. По данному графику определяют значения частных функций оптимальности q₁, q₂ и q₃. Тогда, как следует из формулы (1), обобщенная функция оптимальности Q определяется как среднее геометрическое данных функций

Q = (q₁q₂q₃)^1/3. (7)

В табл. 1-3 приведены технические характеристики полупроводниковой структуры SiC для изготовления микромеханических приборов к приведенным далее примерам.

На фиг. 2 приведена схема мультисенсорного варианта предлагаемого микромеханического прибора.

Микромеханический прибор содержит подложку 1 с электроизоляционным покрытием 2, на которое нанесена полупроводниковая структура 3 карбида кремния, легированного из расчета соотношения активных и дефектных примесных центров 1: (2-20). В полупроводниковой структуре 3 сформированы тензорезисторный и терморезисторный чувствительные элементы (поз. 4 и 5 соответственно). При этом участок обратной стороны подложки 1, находящийся под тензорезисторным элементом 4, частично вытравлен с образованием мембраны 6, служащей для передачи измеряемого механического воздействия тензорезисторному чувствительному элементу 4. Чувствительные элементы 4 и 5 снабжены контактами 7 для подключения к источнику питания и к внешней измерительной схеме.

При подаче напряжения к чувствительным элементам 4 и 5 приборы внешней измерительной цепи фиксируют изменение тока, вызванное изменением тензо- или термосопротивления под действием измеряемых сил и температур.

Способ изготовления микромеханического прибора иллюстрируется следующими примерами.

ПРИМЕР 1. На подложку 1 из кремния ориентации (100) наносят электроизоляционное покрытие 2 из A1N и пленку 3 из SiC последовательным осаждением в установке магнетронного распыления при постоянном токе разряда 0,5 А и мощности 150 Вт из алюминиевой и карбидокремниевой мишеней.

Каждый слой осаждают в течение 20 мин под вакуумом при температуре подложки 900^oC. Осаждение проводят в азотоаргоновой среде, подаваемой в установку с расходом 3 л/ч. При этом на стадии осаждения SiC парциальное давление азота в газовой среде в различных партиях получаемого промежуточного продукта - полупроводниковой структуры легированного карбида кремния регулируют в диапазоне от 0,1 до 2% под контролем масс-спектрометра. Получают эпитаксиальную сэндвич-структуру SiC (1 мкм) на кремниевой подложке с диэлектрическим покрытием A1N (1 мкм). При этом слой SiC легирован азотом, входящим в состав используемой среды.

В каждой партии промежуточного продукта определяют соотношение активных и дефектных примесных центров на установке ЭПР.

В пленке 3 фотолитографически формируют тензорезисторный и терморезисторный чувствительные элементы 4 и 5, а затем формируют титано-никелевые контакты 7 для подключения этих чувствительных элементов к внешней электрической цепи. При этом участок обратной стороны подложки 1, находящийся под тензорезисторным элементом 4, частично вытравливают с образованием профилированной мембраны 6, предназначенной для передачи измеряемого механического воздействия элементу 4.

Приборы испытывают при напряжении питания 5 В в диапазоне механических нагрузок от 0 до 500 кПа и температур от 20 до 350^oC.

Средние значения основных технических характеристик полученных мультисенсорных приборов приведены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, в диапазоне соотношения активных и дефектных примесных центров от 1:2 до 1:20, который обеспечивается регулированием парциального давления азота в пределах от 0,4 до 1,8%, основные технические характеристики приборов находятся в приемлемых пределах для измерения по обоим каналам (давления и температуры) и составляют:

1) удельное сопротивление - 1,4-5,3 Омсм;

2) тензочувствительность - 12,2-20,5;

3) термочувствительность - (0,6-2,7)10^-3 К^-1.

При низком соотношении активных и дефектных примесных центров (менее 1: 2) резко возрастает термочувствительность полупроводникового слоя, и, хотя это и повышает точность измерения температуры, однако вносит значительную температурную погрешность в тензометрические измерения (до 30% от номинального значения). При соотношении данных центров 1:33 тензочувствительность и термочувствительность, а также удельное сопротивление чувствительного слоя 3 значительно снижаются. При соотношении же активных и дефектных примесных центров 1:(8-12) температурная погрешность тензометрических измерений не превышает 5%.

ПРИМЕР 2. На подложку 1 из сапфира непосредственно (поскольку материал подложки является диэлектриком) наносят полупроводниковую пленку 3 из SiC осаждением в установке газовой эпитаксии при температуре 1200^oC в потоке газовой смеси водорода (90 объем.%), силана (6 объем.%), метана (3 объем.%) и диборана (1 объем.%). В данной смеси диборан является источником лиганда - бора. Осаждение проводят в течение 40 мин. Получают партии промежуточного продукта при различных значениях скорости подачи газовой смеси, которую регулируют в пределах от 5 до 50 л/ч под контролем ротаметра. Получают полупроводниковую структуру легированного бором карбида кремния (2 мкм) на сапфире. Дальнейшие операции проводят как в примере 1.

Технические характеристики полупроводниковых структур SiC, получаемых в различных режимах, приведены в табл. 2. Как видно из табл. 2, в диапазоне соотношения активных и дефектных примесных центров от 1:2 до 1:19, который обеспечивается регулированием скорости подачи газовой смеси в пределах от 10 до 40 л/ч, основные технические характеристики приборов находятся в приемлемых пределах для измерения по обоим каналам (давления и температуры) и составляют:

1) удельное сопротивление - 2,8-9,2 Омсм;

2) тензочувствительность - 16,3-28,7;

3) термочувствительность - (1,6-6,8)10^-3 К^-1.

При низком соотношении активных и дефектных примесных центров (1:1) резко возрастает термочувствительность полупроводникового слоя, что вносит значительную температурную погрешность в тензометрические измерения (до 25% от номинального значения). При соотношении данных центров 1:32 тензочувствительность и термочувствительность, а также удельное сопротивление чувствительного слоя 3 значительно снижаются. При соотношении же активных и дефектных примесных центров 1:(4-8) температурная погрешность тензометрических измерений не превышает 5%.

ПРИМЕР 3. Рабочую поверхность подложки 1, выполненной из кремния ориентации (110) пассивируют выдерживанием в течение 4 ч при температуре 1000^oC в атмосфере с повышенным содержанием кислорода (70 объем.%) для образования на ней диэлектрического слоя 2 диоксида кремния. Далее на поверхность пассивированной подложки осаждают полупроводниковый слой 3 карбида кремния на высокочастотной установке магнетронного распыления при мощности разряда 1 кВт из составной мишени, содержащей карбид кремния и алюминиевый стержень, перемещаемый в зону мишени с помощью системы автоматического регулирования парциального давления паров алюминия в создаваемом корпускулярном потоке, которое измеряют с помощью масс-спектрометра. Осаждение ведут в течение 30 мин под вакуумом при температуре подложки 850^oC в аргоновой среде, расход которой поддерживают равным 3 л/ч. Изготавливают пробные образцы промежуточного продукта - полупроводниковой структуры SiC, легированного алюминием при различных значениях его парциального давления в корпускулярном потоке.

В образцах определяют соотношение активных и дефектных примесных центров на установке ЭПР. Их анализируют также в отношении удельного сопротивления, тензо- и термочувствительности, после чего по формуле (1), а для неоптимальных режимов по упрощенной методике с помощью вытекающих из этой формулы графика фиг. 1 и формул (4)-(7) рассчитывают значения частных и обобщенного харрингтоновых критериев оптимальности q₁, q₂, q₃ и Q. Результаты приведены в табл. 3. Как видно из табл. 3, режимы осаждения в строках 2, 3 и 4, в которых соотношение активных и дефектных примесных центров в SiC находится в заявленных пределах, обладают высокими значениями критерия оптимальности Q. При этом наилучшим является режим N 3, обеспечивающий соотношение активных и дефектных примесных центров 1:8. В этом режиме удельное сопротивление образца y₁ = 3,6 Омсм, тензочувствительность y₂ = 39,6, термочувствительность y₃, а значение обобщенного критерия оптимальности Q=0,85. Поэтому далее промежуточный продукт получают в выявленном оптимальном режиме. Последующие стадии изготовления микромеханических мультисенсорных приборов осуществляют, как в примере 1.

Температурная погрешность тензометрических измерений в данном примере не превышает 5%.

Как пояснено приведенными примерами, предлагаемые технические решения обеспечивают возможность оптимального управления изготовлением мультисенсорных микромеханических приборов.