Полупроводниковый преобразователь давления

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. Полупроводниковый преобразователь давления содержит мембрану с утолщенным периферийным основанием, с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов. Мембрана выполнена из кремния, легирована бором и имеет толщину, равную высоте тензорезисторов с поверхностью, покрытых слоем двуокиси кремния. Тензорезисторы сформированы на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполнены из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, объединены с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему и имеют соединенные с ними металлизированные контактные площадки. Слой двуокиси кремния расположен только под тензорезисторами и коммутационными шинами, а поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта слоем нелегированного поликристаллического кремния. Техническим результатом изобретения является повышение надежности преобразователя, прочности мембраны, стабильности параметров, чувствительности. 1 ил.

 

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.

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 тензочувтсвительности 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 являются низкая чувствительность к измерению малых давлений, обусловленная ограничениями формирования малых толщин мембран.

Известен преобразователь давления, характеризующийся 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 [3].

Недостатками известного устройства являются низкая чувствительность к измерению малых давлений при сохранении собственной резонансной частоты, низкая прочность мембраны, малый диапазон линейного преобразования, обусловленные наличием однородной по толщине мембраны.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полупроводниковый преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану с утолщенным периферийным основанием, имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния, причем мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, а поверхность тензорезисторов покрыта слоем двуокиси кремния [4].

Недостатками известного устройства являются низкая надежность, низкая прочность мембраны, высокая погрешность аппроксимации преобразователя из-за высоких механических напряжений, обусловленных различием коэффициентов термического расширения слоев многослойной мембраны и сплошного слоя двуокиси кремния, расположенного на ее поверхности. Кроме того, чувствительность тензопреобразователя меньше максимально возможной из-за неполной передачи деформации от подложки к тензорезисторам, выполненных в виде структур меза-типа.

Изобретение направлено на повышение надежности преобразователя, повышение прочности мембраны, повышение стабильности параметров, повышение чувствительности.

Согласно изобретению в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем мембрану с утолщенным периферийным основанием, с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3, и имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов с поверхностью, покрытых слоем двуокиси кремния, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана и объединенных с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему, и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, слой двуокиси кремния расположен под тензорезисторами и коммутационными шинами, а поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта слоем нелегированного поликристаллического кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов.

Введение предложенной конструкции, исключающей наличие сплошного слоя двуокиси кремния на мембране, позволяет снизить уровень механических напряжений, обусловленных различием свойств двуокиси кремния и высоколегированного бором слоя кремния (мембраны). Преобразователь давления [4], предложенный в качестве прототипа, представляет собой систему, состоящую из слоев, обладающих различными физическими и механическими свойствами. Коэффициент термического расширения двуокиси кремния равен а для высоколегированного бором слоя кремния To есть коэффициенты термического расширения двух слоев отличаются друг от друга приблизительно в 10 раз. Учитывая, что слои занимают эквивалентную площадь и непосредственно соприкасаются друг с другом, в данном преобразователе давления при работе в широком диапазоне температур (от минус 70 до 300°С) будут иметь место значительные механические напряжения, вызванные помимо различия коэффициентов термического расширения двуокиси кремния и высоколегированного слоя кремния, усадочными явлениями материалов этих слоев, несовершенством проведения технологических процессов, неоднородностью пластической деформации, несоответствием параметров решетки слоев и т.д. [7].

В предложенной конструкции слой двуокиси кремния располагается под тензорезисторами и коммутационными шинами, то есть контактирует не более чем с 20% площади высоколегированного слоя кремния, расположенного на мембране. Таким образом, предложенная конструкция позволяет снизить механические напряжения в мембране не менее чем в 5 раз, что приведет к повышению прочности мембраны в процессе эксплуатации преобразователя. При этом будет обеспечиваться надежная электрическая изоляция между тензорезисторами и подложкой. Учитывая, что механические напряжения вызывают деформацию мембраны, особенно при эксплуатации преобразователя при повышенных температурах, что приводит к временному и температурному дрейфам параметров, то снижение механических напряжений одновременно приведет к повышению стабильности параметров (ток утечки, сопротивление изоляции, сопротивление тензорезисторов и др.).

Кроме того, введение в конструкцию преобразователя со стороны слоя нелегированного поликристаллического кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов позволяет, во-первых, повысить прочность мембраны за счет наличия добавочного слоя, обладающего сходными с высоколегированным слоем кремния (то есть мембраной) коэффициентом термического расширения и другими физическими свойствами, что одновременно не будет являться источником механических напряжений, что приведет к повышению надежности преобразователя. Во-вторых, наличие вокруг тензорезисторов слоя из нелегированного поликремния позволит снизить эффект уменьшения тензочувствительности тензорезисторов меза-типа из-за неполной передачи деформации от подложки к тензорезистору, то есть повысить чувствительность преобразователя, когда деформация от мембраны будет полностью передаваться тензорезисторам через слой поликристаллического кремния. Кроме того, нелегированный поликристаллический кремний, являясь материалом с высоким электрическим сопротивлением, не будет являться причиной неудовлетворительной изоляции между тензорезисторами и подложкой.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом.

На чертеже 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 двуокиси кремния (5) тензорезисторами (6), покрытыми слоем двуокиси кремния (7) и соединенными с контактными площадками (8) с помощью коммутационных шин (9). Слой двуокиси кремния (5) расположен под тензорезисторами (6) и коммутационными шинами (9). Поверхность мембраны (2) со стороны тензорезисторов (6) покрывает слой нелегированного поликристаллического кремния (10) вокруг тензорезисторов (6) толщиной не менее высоты тензорезисторов (6).

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Измеряемое давление, воздействуя на мембрану с жестким центром, через слои двуокиси кремния и нелегированного поликристаллического кремния деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. Наличие слоя двуокиси кремния под тензорезисторами и коммутационными шинами позволяет снизить уровень механических напряжений за счет уменьшения не менее чем в 5 раз площади соприкосновения двух материалов с различными коэффициентами термического расширения. А наличие на поверхности мембраны со стороны тензорезисторов слоя нелегированного поликристаллического кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов, позволяет повысить прочность мембраны за счет наличия добавочного слоя, сходного по своим физическим свойствам с материалом подложки, а также повысить чувствительность преобразователя за счет достижения максимально возможной передачи деформации от подложки к тензорезисторам.

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

повышение надежности преобразователя;

повышение прочности мембраны;

повышение стабильности параметров;

повышение чувствительности.

Источники информации

1. SAE Techn.Par.Ser, 1986, № 860473, p. 71-77: Экспресс-информация ИПиС, № 9, 1987.

2. Патент США № 4400869, кл. H01L 21/225, 1984.

3. Авторское свидетельство СССР № 1732199, кл. G01L 9/04, 1990.

4. Патент РФ № 2271523, кл. G01L 9/04.

5. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982. -240 с.

6. Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микроэлектронике. М.: Энергия, 1978. - 280 с.

7. В.С. Сергеев, О.А. Кузнецов, Н.П. Захаров, В.А. Летагин. Напряжения и деформации в элементах микросхем. М.: Радио и связь, 1987. - 88 с.: ил.

Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3, и имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов с поверхностью, покрытых слоем двуокиси кремния, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, и объединенных с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему, и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, отличающийся тем, что слой двуокиси кремния расположен только под тензорезисторами и коммутационными шинами, а поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта слоем нелегированного поликристаллического кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов.