ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей малых давлений.

Известен интегральный полупроводниковый преобразователь давления, который содержит мембрану из полупроводникового материала одного типа проводимости, со сформированными на ней тензорезисторами и коммутационными дорожками другого типа проводимости [1] .

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся тем, что в профилированном кристалле на мембране сформированы элементы жесткости, повышающие чувствительность преобразователя [2] .

Недостатком известного устройства и способа является низкая чувствительность к измерению малых давлений, т. к. при использовании известных методов травления кремния, например анизотропного, в растворе щелочи невозможно получать групповым методом на пластине мембраны толщиной 2. . . 5 мкм.

Изобретение направлено на повышение чувствительности преобразователя и улучшение технологичности способа.

Согласно изобретению в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем чувствительный элемент из кремния n-типа проводимости, в котором на основании в виде рамки через утоньшенные участки мембраны закреплен жесткий центр, тензорезисторы p-типа проводимости сформированы на балках, имеющих толщину, превышающую толщину утоньшенных участков мембраны, и соединенных с рамкой и жестким центром, а на рамке расположены металлические контактные площадки, электрически связанные коммутационными шинами с тензорезисторами, утоньшенные участки мембраны выполнены из высоколегированного бором кремния с концентрацией бора не менее 5˙10¹⁹ см^-3 толщиной 2-5 мкм.

Кроме того, согласно способу изготовления полупроводникового преобразователя давления, включающего ступенчатое рельефное травление через защитные маски с непланарной стороны пластины кремния n-типа проводимости в областях профиля до формирования утоньшенных участков мембраны, балок и жесткого центра мембраны, формирование на балках тензорезисторов p-типа проводимости легированием бором, формирование коммутационных шин и металлических контактных площадок, наносят на пластину кремния защитную пленку SiO₂, на планарной поверхности пластины формируют в пленке SiO₂ окна под коммутационные шины, удаляя при этом SiO₂ с планарной поверхности пластины за исключением областей балок и контактных площадок, проводят ионное легирование бором в коммутационные шины и в открытую от SiO₂ поверхность пластины с дозой 3˙10³-9˙10³ мккл/см², отжигают пластину при температуре 1100-1200^оС в течение 60-180 мин до получения в открытой от SiO₂ поверхности пластины и коммутационных шинах концентрации бора не менее 5˙10¹⁹ см^-3 на глубине 2-5 мкм, стравливают защитную пленку с непланарной поверхности пластины в областях утоньшенных участков мембраны полностью, а в областях балок на 0,5-0,8 и исходной толщины, причем ширина областей оставшейся пленки выбирается превышающей ширину балки на удвоенную величину бокового подтрава кремния, получаемую при вытравливании балок, а в процессе ступенчатого рельефного травления кремния с непланарной поверхности первоначально травят кремний в растворе этилендиамина в областях утоньшенных участков мембраны на глубину, соответствующую толщине балок, затем удаляют защитную пленку с областей балок и травят кремний в областях утоньшенных участков мембраны до Стоп-слоя с концентрацией бора не менее 5˙10¹⁹ см^-3 и в областях балок до требуемой толщины.

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

На фиг. 1, 2, 3 изображен преобразователь, содержащий чувствительный элемент из кремния n-типа проводимости, в котором на основании в виде рамки (1) через утоньшенные участки мембраны (2) закреплен жесткий центр (3). Тензорезисторы p-типа проводимости (4) расположены на балках (5) и соединены с металлическими контактными площадками (6) с помощью коммутационных шин (7). Утоньшенные участки мембраны выполнены из высоколегированного кремния p-типа проводимости с концентрацией бора не менее 5˙10¹⁹ см^-3 и имеют толщину 2. . . 5 мкм.

Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Измеряемое давление, попадая на мембрану и воздействуя на жесткий центр, деформирует балки и тензорезисторы. Под воздействием давления утоньшенные участки мембран на основе "p⁺" слоев изгибаются в большей мере, чем балки и центр, что обеспечивает повышение чувствительности за счет концентрации механических напряжений в участках балок, примыкающих к рамке и центру. Выбор концентрации кремния не менее 5˙10¹⁹ см^-3 позволяет методами Стоп-травления формировать тонкие мембраны с толщиной 2. . . 5 мкм. Толщина мембраны, равная 2 мкм, обусловлена технологическими ограничениями: при толщине менее 2 мкм резко повышается вероятность разрушения структур. При толщине мембран более 5 мкм снижается чувствительность преобразователя.

На фиг. 4 изображена пластина (8) с нанесенной на обе поверхности защитной пленкой SiO₂ (9), в которой сформированы окна под коммутационные шины (10) и удален SiO₂ с поверхности (11), кроме областей балок и контактных площадок.

На фиг. 5 изображена пластина после проведения ионного легирования и отжига бора в коммутационные шины (12) и в открытую от SiO₂ поверхность пластины до концентрации не менее 5˙10¹⁹ см^-3 на глубине 2. . . 5 мкм. Т. о. при формировании на мембране "p⁺стоп" слоев одновременно создаются высоколегированные коммутационные шины с величиной удельного поверхностного сопротивления R_s= 2. . . 3,5 Ом/ . Необходимый уровень концентрации не достигается при загонке бора с дозой менее 3˙10³ мккл/см², а реализация дозы более 9˙10³ мккл/см² требует значительного времени и нецелесообразна. Глубина залегания примеси концентрацией 5˙10 см^-3, равная 2. . . 5 мкм, достигается отжигом в диапазонах температур 1100. . . 1200^оС и времени 60. . . 180 мин.

На фиг. 6, 7 изображена пластина после формирования с планарной поверхности тензорезисторов (14) и контактных площадок (15) и с непланарной поверхности окон в защитной пленке до кремния в областях утоньшенных участков мембран (17) и на 0,5. . . 0,8 исходной толщины защитной маски (h_исх) в областях балок (16). Локальное утоньшение пленки в областях балок необходимо для временной защиты при реализации ступенчатого травления кремния. Утоньшение защитной пленки на глубину более 0,8 h_исх не обеспечит защиту областей балок на первом этапе травления кремния, а утоньшение на глубину менее 0,5 h_исх с последующим общим травлением защитной пленки с непланарной поверхности до момента вскрытия кремния в областях балок не обеспечит защиту кремния в области рамки на втором этапе травления. Ширина маски в областях под балки (b_м) выбирается с учетом превышения после вытравливания балки ширины нелегированной области балки (19) с планарной поверхности (b_бн). При вытравливании балки по граням (20) должна получаться с планарной поверхности ширина балки (b_б), превышающая ширину нелегированной части балки, т. е. балка заходит с каждой стороны на утоньшенные участки мембраны (на p⁺ слои) на величину (18), большую величины . Вышеотмеченное исключает при травлении кремния образование сквозных отверстий в стыке утоньшенных участков мембран на p⁺-слоях и балок.

На фиг. 8, 9 изображена пластина после проведения первого этапа ступенчатого травления кремния в областях мембран (22) на глубину, соответствующую толщине балок, и удаления остатков защитного окисла с областей балок (21). Защита планарной поверхности пластин на эскизах не показана.

На фиг. 10, 11 изображена пластина с преобразователями после завершения травления кремния до утоньшенных участков мембран на "p⁺слое" (23) и балок (24) требуемой толщины (h_б).

П р и м е р. Кремниевый преобразователь габаритами 8х8 мм содержит рамку шириной 1 мм, жесткий центр размером 3,0х3,0 мм, утоньшенные участки мембраны между рамкой и центром шириной 1,5 мм и балки шириной 0,3 мкм, закрепленные на мембране. Толщины элементов: рамки и центра - 0,4 мм, мембраны - 0,004 мм и балки - 0,008. . . 0,02 мм.

На кремниевой пластине марки КЭФ4,5 (100) методом термического окисления при температуре 1150^оС в парах воды в течение 360 мин на обеих поверхностях выращивают пленку SiO₂ толщиной 1,4 мкм. Фотолитографией вскрывают на планарной поверхности окна под коммутационные шины и окна в областях мембран. Проводят ионное легирование бора в окна при ускоряющем напряжении 80. . . 100 КэВ с дозой 3˙10³. . 9˙10³ мккл/см² и отжигают пластину при температуре 1150^оС в течение 120 мин в атмосфере инертного газа. Фотолитографией вскрывают окна под тензорезисторы и ионы бора проводят загонку примеси с дозой 50 мккл/см². Разгоняют примесь при температуре 1150^оС в окислительной среде в течение 60 мин до поверхностной концентрации в тензорезисторах 2˙10¹⁸ см^-3. После проведения термических операций концентрация бора не менее 5˙10¹⁹ см^-3 достигалась на глубине 4 мкм. Затем последовательными фотолитографиями вскрывают в SiO₂ с планарной стороны окна под контакт с металлизацией, а с непланарной стороны - окна в областях утоньшенных участков мембраны до кремния и в областях балок травят SiO₂ на 0,8 мкм, оставляя 0,6 мкм. Напылением алюминия и фотолитографией формируют контактные площадки, наносят на планарную поверхность защитный слой меди и травят в 25% -ном водном растворе этилендиамина кремний в открытых окнах на глубину 20 мкм, стравливают SiO₂ с областей балок и травят кремний до "p⁺слоя" и до получения толщины балки 20 мкм. Удаляют защитную пленку меди и разделяют пластины на отдельные преобразователи.

Использование: в измерительной технике при разработке и изготовлении полупроводниковых преобразователей малых давлений. Цель: повышение чувствительности преобразователя и технологичности способа изготовления. Сущность изобретения: на утоньшенных участках мембраны из высоколегированного бором кремния с концентрацией примеси от 5·10¹⁹cм^-3 толщиной 2 - 5 мкм (2) закреплены балки (5), на которых сформированы тензорезисторы (4). При изготовлении на кремниевой пластине формируют защитную пленку двуокиси кремния, создают в ней окна под коммутационные шины и утоньшенные участки, легируют открытые области кремния бором с дозой (3-9)·10³мккл/см², отжигают пластину при 1100 - 1200С 1 - 3 ч. Стравливают маску в областях утоньшенных участков до кремния и на 0,5 - 0,8 исходной толщины в областях балок, травят кремний в растворе этилендиамина сначала в областях утоньшенных участков, после удаления маски с областей балок травят кремний до "Стоп"-слоя. Положительный эффект: повышение чувствительности преобразователя, выхода годных. 2 с. п. ф-лы, 11 ил.

1. Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий чувствительный элемент из кремния n-типа проводимости, в котором на основании в виде рамки через утоньшенные участки мембраны закреплен жесткий центр, тензорезисторы p-типа проводимости сформированы на балках, имеющих толщину, превышающую толщину утоньшенных участков мембраны, и соединенных с рамкой и жестким центром, а на рамке расположены металлические контактные площадки, электрически связанные коммутационными шинами с тензорезисторами, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в нем утоньшенные участки мембраны выполнены из высоколегированного бором кремния с концентрацией бора не менее 5 · 10¹⁹ см^-3 толщиной 2 - 5 мкм. 2. Способ изготовления полупроводникового преобразователя давления, включающий ступенчатое рельефное травление через защитные маски с непланарной стороны пластины кремния n-типа проводимости в областях профиля до формирования утоньшенных участков мембраны, балок и жесткого центра мембраны, формирование на балках тензорезисторов p-типа проводимости легированием бором, формирование коммутационных шин и металлических контактных площадок, отличающийся тем, что, с целью улучшения технологичности, наносят на пластину кремния защитную пленку SiO₂, на планарной поверхности пластины формируют в пленке SiO₂ окна под коммутационные шины, удаляя при этом SiO₂ с планарной поверхности пластины за исключением областей балок и контактных площадок, проводят ионное легирование бором в коммутационные шины и в открытую от SiO₂ поверхность пластины с дозой 3 · 10³ - 9 · 10³ мккл/см², отжигают пластину при температуре 1100 - 1200^oС в течение 60 - 180 мин до получения в открытой от SiO₂ поверхности пластины и коммутационных шинах концентрации бора не менее 5 · 10¹⁹ см^-3 на глубине 2 - 5 мкм, стравливают защитную пленку с непланарной поверхности пластины в областях утоньшенных участков мембраны полностью, а в областях балок на 0,5 - 0,8 ее исходной толщины, причем ширина областей оставшейся пленки выбирается превышающей ширину балки на удвоенную величину бокового подтрава кремния, получаемую при вытравливании балок, а в процессе ступенчатого рельефного травления кремния с непланарной поверхности первоначально травят кремний в растворе этилендиамина в областях утоньшенных участков мембраны на глубину, соответствующую толщине балок, затем удаляют защитную пленку с областей балок и травят кремний в областях утоньшенных участков мембраны до "стоп"-слоя с концентрацией бора не менее 5 · 10¹⁹ см^-3 и в областях балок до требуемой толщины.