Мікроелектронні сенсори на основі КНІ-структур з рекристалізованим шаром полікремнію

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Мікроелектронні сенсори на основі КНІ-структур з рекристалізованим шаром полікремнію

Ховерко Ю.М.

05.27.01 - твердотільна електроніка

Львів 2003

Анотація

Ховерко Ю.М. “Мікроелектронні сенсори на основі КНІ-структур з рекристалізованим шаром полікремнію” . - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка. - Національний університет “Львівська політехніка”. Львів, 2003.

Дисертація присвячена розробленні мікроелектронних сенсорів на основі КНІ-структур з рекристалізованим шаром полікремнію. Проведено дослідження щодо створення КНІ-структур з прогнозованими характеристиками шарів полікремнію та впливу лазерної рекристалізації на їх властивості. Подано результати досліджень електрофізичних та п'єзорезистивних властивостей полікремнійових шарів в КНІ-структурах у широкому інтервалі температур, у т.ч. кріогенному. Визначено механізми перенесення носіїв заряду в рекристалізованих шарах полікремнію для різних інтервалів температур і ступенів легування вихідного матеріалу. Показано вплив магнітного поля на електропровідність шарів полікремнію в КНІ-структурах. Розроблено рекомендації щодо використання полікремнійових шарів, рекеристалізованих лазерним випромінюванням, у мікроелектронних сенсорах для різних інтервалів температур.

Розроблено технологію виготовлення мікроелектронних сенсорів тиску та тиску-температури. Встановлено особливості процесу формування мембран чутливих елементів сенсорів з використанням оригінальної методики анізотропного травлення. Виготовлено мікроелектронні п'єзорезистивні сенсори тиску на основі КНІ-структур для аеродинамічних досліджень, медико-біологічного призначення, сенсори зусилля та ємнісні сенсори тиску, а також багатофункційні сенсори для одночасного вимірювання тиску і температури на основі КНІ-структур і досліджено їх характеристики та параметри.

Ключові слова: КНІ-структура, полікремній, лазерна рекристалізація, п'єзоопір, коефіцієнт тензочутливості, мікроелектронний сенсор, сенсор тиску.

Аннотация

Ховерко Ю.М. “Микроэлектронные сенсоры на основе КНИ-структур с рекристаллизованым слоем поликремния”. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01.- твердотельная электроника. - Национальный университет “Львовская политехника”. Львов, 2003.

Диссертация посвящена разработке микроэлектронных сенсоров на основе КНИ-структур с рекристаллизованым слоем поликремния. На основе проведенных исследований усовершенствовано технологический процесс изготовления рекристаллизованных слоев поликремния в КНИ-структурах, а также установлено корреляцию между технологическими условиями лазерной рекристаллизации и электрофизическими, пьезорезистивными свойствами слоев поликремния в КНИ-структурах. Определены механизмы переноса носителей заряда в рекристаллизованых слоях поликремния в широком интервале температур в зависимости от степени легирования исходного материала. Представлено результаты электрофизических и пьезорезистивных исследований в широком интервале температур. Установлено, что для применения в пьезорезистивных сенсорах механических величин в температурном интервале 4,2 300 К нужно использовать резисторы на основе сильнолегированного поликремния после лазерной рекристаллизации; для таких резисторов чувствительность сопротивления к деформации слабо зависит от температуры. Показано влияние магнитного поля (до 14 Тл) на электропроводимость слоев поликремния в КНИ-структурах. В нерекристаллизованых поликремниевых резисторах наблюдаем явление негативного магнитосопротивления в слабых магнитных полях, которое при увеличении напряженности магнитного поля переходит в позитивное магнитосопротивление. В поликремниевых образцах, рекристаллизованых лазерным излучением, свойства которых приближаются к монокристаллическому кремнию, наблюдалось только позитивное магнитосопротивление. В таких образцах изменение сопротивления, сравнительно с нерекристаллизированым поликремнием, не превышает 1%, т.е. такие сттруктуры стабильны к влиянию сильных магнитных полей.

С целью обеспечения и контроля воспроизводимости геометрической формы, размеров, толщины мембраны, качества поверхности упругого элемента микроэлектронного сенсора исследовано процессы анизотропного и изотропного травления как нетипичные методы в технологи изготовления ИС. На основе проведенных исследований было выбрано оптимальные условия и определено скорость процесса анизотропного травления кремния, а также создана установка, которая учитывает все технологические предостережения (постоянство температуры, однородность состава и концентрации раствора травителя), которые необходимы для получения качественной мембраны заданной толщины. Установлено закономерности процесса формирования мембран чувствительных элементов сенсоров с использованием оригинальной методики анизотропного травления в условиях противодавления для защиты планарной стороны КНИ-структуры. На основе усовершенствованой методики, за счет прецизионности процесса анизотропного травления, изготовлены соответствующие толщины мембран чувствительных элементов микроэлектронных сенсоров для заданных диапазонов давлений.

Для получения оптимальных напряжений и деформаций в мембране чувствительного элемента сенсора было проведено моделирование сенсорной структуры с использованием программного продукта ANSYS, который базируется на методе конечных элементов. Оптимизировано геометрию мембраны сенсора (толщину, площадь поверхности), что обеспечит достаточную величину выходного сигнала при условии сохранения сенсорной структуры в целом.

Разработано технологию создания микроэлектронных сенсоров давления и давления-температуры на основе слоев поликремния на изоляторе, в которую введен дополнительный процесс, связанный с формированием поликремниевых терморезисторов. Сравнительно с формированием поликремниевых пьезорезисторов, которые используются в сенсорах давления, терморезисторы отличаются степенем легирования исходного материала.

Изготовлены микроэлектронные пьезорезистивные сенсоры для аэродинамических исследований, медико-биологического предназначения, емкостные сенсоры, сенсоры усилия и исследовано их характеристики. В одном технологическом цикле создано экспериментальные партии новых типов двохфункциональных сенсоров для одновременного измерения давления и температуры на основе КНИ-структур и исследовано их характеристики.

Ключевые слова: КНИ-структура, поликремний, лазерная рекристаллизация, пьезосопротивление, коэффициент тензочувствительности, микроэлектронный сенсор, сенсор давления.

Summary

Khoverko Y.M. “Microelectronic sensors on the basis of SOI structures with recrystallized polysilicon layer”.- Manuscript.

Thesis for a doctor's degree by speciality 05.27.01-solid state electronics. Lviv Polytechnic National University. Lviv, 2003.

The dissertation is devoted to the development of microelectronic sensors on the basis of SOI structures with recrystallized polysilicon layer. The studies on creating of SOI structures with forecast characteristics of polysilicon layers and the influence of laser recrystallization on their properties were carried out. The results of investigation of electrophysical and piezoresistive properties of polysilicon layers in SOI structures in the wide temperature range, including cryogenic temperatures, are presented. The mechanism of carrier transport in recrystallized polysilicon layers for different temperature ranges and doping level of intrinsic material is determinate. The influence of magnetic field on the electrical conductivity of polysilicon layers in SOI structures is shown. Recommendations about using of laser recrystallized polysilicon layers in microelectronic sensors for different temperature ranges are maked.

Fabrication technology of microelectronic pressure sensors and pressure-temperature sensors was developed. The especiallities of forming the sensors diaphragm using original anisotropic etching were established. Microelectronic piezoresistive pressure sensors on the basis of SOI structures for aerodynamic investigations, for medical application, force sensors and capacitive pressure sensors were fabricated as well as multi-functional sensors to measure pressure and temperature simultaneously. Technical performances of developed sensors were investigated.

Key words: SOI structures, polysilicon, laser recrystallization, piezoresistance, gauge factor, microelectronic sensor, pressure sensor

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний розвиток науки і техніки вимагає високого рівня сенсорних пристроїв для вимірювання, контролю та управління фізичними процесами, що використовують у виробництві, екології, медицині, космічній техніці та ін. Створення таких приладів неможливе без розроблення мікроелектронних сенсорів. Науково-дослідні роботи з розроблення сенсорів на основі кремнію з використанням нових технологій здійснюються у спеціалізованих наукових центрах та провідних університетах розвинених країн.

Поряд з традиційним використанням кремнію в сучасній мікроелектроніці, ведуться інтенсивні наукові пошуки інших матеріалів і структур, зокрема роботи щодо створення мікроелектронних приладів, у т.ч. сенсорів на основі структур “кремній на ізоляторі” (КНІ). Застосування полікристалічного кремнію в технології виготовлення мікроелектронних приладів відкриває шлях до створення багатошарових структур. Однією з переваг є можливість отримувати шари, величина питомого опору яких змінюється в дуже широких межах (декілька порядків). Однак полікремнію властиві й деякі недоліки: стани на міжзеренних границях (МЗГ) можуть діяти як пасткові центри, а також центри рекомбінації та розсіювання. Підвищене розсіювання знижує рухливість носіїв заряду, що погіршує функціонування мікроелектронних приладів; також це проявляється при захопленні носіїв заряду пастками. Ці негативні впливи можна звести до мінімуму за допомогою лазерної рекристалізації полікремнійового шару.

Створення мікроелектронних сенсорів на основі КНІ-структур з рекристалізованим полікремнійом дає можливість, порівняно з відомими дифузійними структурами, розширити інтервал робочих температур і покращити їх характеристики, а порівняно з КНС-структурами, підвищити технологічність процесу виготовлення сенсорів та знизити їх собівартість. Мікрозонна лазерна рекристалізація активних елементів мікроелектронних сенсорів (полікремнійових резисторів, п'єзорезисторів) дає змогу ефективно модифікувати їх електрофізичні властивості, а електрична ізоляція від базової пластини за допомогою шару двооксиду кремнію відкриває можливості розширення інтервалу робочих температур приладів на основі КНІ-структур. Цей напрям вважають найбільш перспективним як з технологічної точки зору, так і в плані розширення функціональних можливостей сенсорів.

На початку виконання дисертаційної роботи окремі дослідження полікремнію на діелектричних підкладках були недостатніми для створення сенсорів, працездатних в широкому діапазоні температур, та розширення їх функціональних можливостей. Електрофізичні дослідження при кріогенних температурах та в сильних магнітних полях при гелійових температурах підтверджують сподівання щодо стабільності роботи мікроелектронних сенсорів з рекристалізованим полікремнійовим шаром у широкому інтервалі температур. Тому актуальність таких досліджень продиктована вимогами, які висуваються щодо надійності роботи мікроелектронних сенсорів на основі КНІ-структур в екстремальних умовах. Передбачається, що такі сенсори, завдяки своїй мініатюрності, високій чутливості, широкому інтервалу робочих температур, температурній стабільності в поєднанні з серійною технологією їх виготовлення, знайдуть широке застосування в різних галузях народного господарства України, зокрема в машинобудуванні, автомобільній промисловості, енергетиці, медицині тощо.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до напрямків наукової діяльності кафедри напівпровідникової електроніки Національного університету ”Львівська політехніка” за темами Міністерства освіти і науки України: "Розробка напівпровідникових сенсорів фізичних величин на основі структур кремній-на-ізоляторі та мікрокристалів Si та Ge" (номер держреєстрації 0198U002349, 1998-1999 рр.); “Розробка фізичних і технологічних основ створення сенсорів фізичних величин нового покоління для різних температурних діапазонів на основі КНІ-структур і напівпровідникових мікрокристалів”, (номер держреєстрації 0100U000499, 2000-2001 рр.); “Розробка фізичних і технологічних основ створення елементної бази сенсорів фізичних величин, працездатних в складних умовах”, (номер держреєстрації 0102U001197, 2002-2003 рр.) та міжнародного науково-технічного співробітництва (Республіка Польща): “Створення шарів кремнію шляхом мікрозонної лазерної рекристалізації (МЛР) та дослідження їх характеристик”, (номер держреєстрації 0100U006123, 2000-2001 рр.).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення КНІ-структур зі заданими властивостями полікремнійового шару та розроблення на їх основі мікроелектронних сенсорів для застосування в широкому інтервалі температур, а також дослідження їх характеристик та параметрів.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- удосконалити технологічний процес виготовлення КНІ-структур та оптимізувати умови їх створення зі заданими властивостями полікремнійового шару;

- виявити вплив лазерної рекристалізації на властивості шарів полікремнію в КНІ-структурах та встановити кореляцію між характеристиками матеріалу залежно від розмірів зерен та концентрації домішки;

- провести дослідження електрофізичних та п'єзорезистивних властивостей полікремнію в КНІ-структурах у широкому інтервалі температур, включаючи кріогенні, для створення мікроелектронних сенсорів, у т.ч. двофункційних;

- розробити технологію виготовлення мікроелектронних сенсорів різного призначення на основі КНІ-структур;

- дослідити характеристики та параметри розроблених мікроелектронних сенсорів на основі КНІ-структур.

Об'єкт дослідження. Структури типу “кремній на ізоляторі” з рекристалізованим полікремнійовим шаром, а також сенсорні структури та сенсори на їх основі.

Предмет дослідження. Тестові елементи на основі полікремнійових шарів у КНІ-структурах під дією зовнішніх факторів - деформації, магнітного поля, температури.

Методи дослідження:

- вимірювання електрофізичних та п'єзорезистивних характеристик полікремнійових шарів у КНІ-структурах з використанням сучасних метрологічних засобів;

- дослідження основних параметрів сенсорних структур у широкому інтервалі температур, магнітних полів і деформацій;

- комп'ютерне моделювання і розрахунок основних властивостей матеріалу і параметрів сенсорів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

на основі вдосконалення технологічного процесу виготовлення рекристалізованих шарів полікремнію в КНІ-структурах встановлено кореляцію між технологічними умовами лазерної рекристалізації та електрофізичними і п'єзорезистивними властивостями шарів полікремнію, що дає можливість прогнозувати характеристики КНІ-структур для створення на їх основі мікроелектронних сенсорів. Визначено механізм перенесення носіїв заряду в рекристалізованих шарах полікремнію для різного інтервалу температур і ступеня легування вихідного матеріалу; встановлено домінуючий характер стрибкової провідності в умовах низьких температур;

установлено кореляцію між величиною концентрації електрично активної домішки (бору) та значенням температурного коефіцієнту опору для різного інтервалу температур, що дозволило визначити рівень концентрацій домішки, при яких КНІ-структури після лазерної рекристалізації володіють найменшим значенням температурного коефіцієнту опору, що забезпечує температурну стабільність роботи мікроелектронних сенсорів;

виявлено вплив магнетного поля (до 14 Тл) на електропровідність шарів полікремнію в КНІ-структурах. Установлено, що структури з концентрацією домішки бору коло 3,910¹⁹см^-3 після лазерної рекристалізації шару полікремнію мають мінімальне значення магнетоопору в сильних магнітних полях при температурі рідкого гелію, що важливо для створення сенсорів, працездатних в умовах низьких температур;

установлено закономірності процесу формування мембран чутливих елементів сенсорів з використанням оригінальної методики прецизійного анізотропного травлення в умовах протитиску для захисту планарної сторони КНІ-структури, що важливо для збереження тензочутливої схеми мікроелектронних сенсорів при відтворюваності розмірів мембрани чутливого елементу;

в одному технологічному циклі створено експериментальні партії нових типів двофункційних сенсорів для одночасного вимірювання тиску і температури на основі КНІ-структур.

Практичне значення роботи полягає у тому, що результати досліджень використано для створення сенсорів механічних величин та двофункційних сенсорів.

1. Удосконалено технологічний процес виготовлення рекристалізованих шарів полікремнію в КНІ-структурах.

2. Удосконалено методику процесу анізотропного травлення, що дозволяє значно покращити якість мікрорельєфу виготовлення мембран чутливих елементів мікроелектронних сенсорів.

3. Розраховано оптимальні напруження та деформації в мембрані мікроелектронного сенсора з використання методу скінчених елементів за допомогою програми ANSYS.

4. Розроблено технологію створення мікроелектронних сенсорів тиску та тиску-температури на основі рекристалізованих шарів полікремнію на ізоляторі.

5. Створені мікроелектронні сенсори різного призначення з покращеними характеристиками та продемонстровано їх області застосування.

Сенсори механічних величин використані у ВАТ “Родон” (м. Івано-Франківськ) в стендах перевірки медичних пульсоманометрів (тонометрів). Крім цього, такі сенсори використовували для виконання наукових досліджень в НДРТІ (м.Львів) та НДЦ “Кристал” (НУ ”Львівська політехніка”), а також у навчальному процесі кафедри напівпровідникової електроніки.

Особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів. Особиста участь автора полягає в обгрунтуванні задач та методів досліджень, підготовці та проведенні експериментальних досліджень, у тому числі створенні оригінальних експериментальних методик, участі в розробленні конструкції сенсорів та дослідженні їх характеристик, узагальненні результатів, розробленні практичних рекомендацій, підготовці публікацій та участі в міжнародних і республіканських конференціях. Постановка задач та інтерпретація результатів проведені зі співавторами наукових праць.

Апробація основних результатів досліджень. Основні результати дисертації доповідались та обговорювались на наступних наукових конференціях: V Мiжн. конференції з фiзики i технології тонких плiвок, Iвано-Франкiвськ, Україна, 1995; 41 Int. Wissensch. Kolloquium. Vortragsreihen. Techn. University, Ilmenau, Germany, 1996; Second Int. School-Conference "Physical Problems in Material Science of Semiconductors", Chernivtsi, Ukraine, 1997; VI Мiжн. конференції з фiзики i технології тонких плiвок, Iвано-Франкiвськ, Україна, 1997; 5^th Nexuspan Workshop "Thermal Aspects in Microsystem Technology", Budapest, Hungary, 1998; V Konferencii Naukowoi "Czujniki Optoelektroniczne i Elektroniczne", Jurata, Polska, 1998; 2-nd Int. Symp. "Microelectronics Technologies and Microsystem", Lviv, Ukraine, 1998; NATO Advanced Research Workshop “Perspective, science and technologies for novel silicon on insulator devices”, Kyiv, Ukraine, 1998; Third Int. School-Conference "Physical Problems in Material Science of Semiconductors", Chernivtsi, Ukraine, 1999; International Semiconductor Conference (CAS'99), Sinaia, Romania, 1999; 1-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (за міжнародною участю), Одеса, Україна, 2002; научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. СИЭТ - 2003, Одесса, Украина, 2003.

2. Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, розглянуто стан проблеми, визначено її мету та основні завдання досліджень, відзначено наукову новизну та практичне значення. Дано відомості про апробацію роботи, особистий внесок дисертанта, публікації, об'єм та структуру дисертації.

Перший розділ присвячений стану вивчення проблеми щодо створення мікроелектронних сенсорів на основі КНІ-структур та постановці задач дисертаційних досліджень. Проаналізовано властивості полікремнійових шарів та підходи до їх моделювання з урахуванням впливу потенціальних бар'єрів міжзеренних границь на механізми протікання струму в таких шарах. Розглянуто методи створення структур кремній на ізоляторі. Показано, що лазерна рекристалізація - один з перспективних методів створення структур кремній на ізоляторі для застосування в сенсорах. Установлено, що зменшення кількості дефектів структури при лазерній рекристалізації вихідного полікремнію дає змогу значно підвищити рухливість носіїв заряду в шарі, що робить можливим створення на основі КНІ-структур мікроелектронних приладів і сенсорів фізичних величин з високою швидкодією, підвищеним ступенем інтеграції та радіаційної стійкості, а також створити зінтегровані схеми з тривимірною інтеграцією елементів для оброблення сигналів в інтелектуальних сенсорах. Показано, що створення сенсорів механічних величин на основі структур кремній на ізоляторі є складною комплексною проблемою, що включає ряд вимог, таких як високі метрологічні характеристики, простоту конструкції, технологічність, широкий інтервал робочих температур та розширення функціональних можливостей приладів. Огляд літературних джерел обґрунтовує актуальність поставленої задачі.

У другому розділі акцентовано на створенні кні-структур з рекристалізованим полікремнійовим шаром та прогнозування їх характеристик. Описана методика створення КНІ-структур з рекристалізованим полікремнійовим шаром та визначено оптимальні умови технологічного процесу лазерної рекристалізації полікремнійового шару в КНІ-структурах.

Лазерна рекристалізація КНІ-структур провадилась шляхом сканування лазерного променя ( = 1,06 мкм) по поверхні пластин кремнію діаметром 100 мм, кристалографічної орієнтації (100), попередньо термічно оксидованих до товщини 1,0 мкм, на яку з газової фази в реакторі зниженого тиску при температурі 625^оС осаджували шари полiкремнiю завтовшки 0,5 мкм. Для створення заданого температурного профілю в зоні термічного впливу випромінювання використовували комбіноване покриття з шарів SiO₂ та Si₃N₄. В оптимальних умовах лазерної рекристалiзацiї шарiв полікремнію (вихідна потужність - 28 Вт; ширина перекривання смуг сканування - 35 %; швидкість сканування лазерного променя - 15 см/с; температура стаціонарного підігріву КНI-структур - 640^оС) отримані зерна з розміром до 20 500 мкм.

Оскільки під час виготовлення КНI-структур виникають дефекти у вигляді забруднень, агломерацiї, вiдсутностi чітко вираженої кристалографiчної орієнтації, утворення клинуватого профілю рекристалізованого шару полікремнію, тому для вдосконалення процесу лазерної рекристалізації запропоновано введення додаткового термiчного окиснення рекристалiзованого полiкремнiю, що суттєво покращує планарнiсть його поверхнi шляхом проокиснення кремнiєвих мiкровиступiв, а пiсля зтравлювання цього оксиду очищається поверхня рекристалiзованого полiкремнiю вiд дефектів i, тим самим, пiдвищується якiсть отримуваних структур. Також виявлено, що за рахунок введення V-подiбних канавок досягається зменшення напружено деформованих станiв в КНI-структурi після лазерної рекристалізації. Додаткове введення у вихiдну КНI-структуру перiодично повторюваних канавок змiнює профiль рекристалiзованої поверхнi полiкремнiю на пiдкладцi. Крім того, V-подiбнi канавки, які введенi в зону роздiлення на кристали, є також оптимальними з точки зору скрайбування пiдкладки, її складання, монтажу, оскiльки зупиняють поширення сколiв i трiщин до активних областей приладiв у рекристалiзованiй плiвцi КНI-структури в процесi скрайбування. Запропоновані вдосконалення технологічного процесу лазерної рекристалізації полікремнію в КНІ-струткурах захищені патентами України.

Для прогнозування характеристик матеріалу, придатного для виготовлення на його основі мікроелектронних сенсорів, застосовували моделювання впливу лазерної рекристалізації на властивості полікремнійових шарів у КНІ-структурах. Проведено розрахунок температурних залежностей рухливості носіїв заряду, питомого опору, поздовжнього коефіцієнта п'єзоопору та температурного коефіцієнту опору для зразків полікремнію на ізоляторі з різними розмірами зерна: для нерекристалізованого полікремнію (L = 0,02 мкм), для рекристалізованого (L = 1; 10; 100 мкм). Досліджували механізми перенесеня носіїв у полікремнії в широких діапазонах концентрацій домішок і температур, у тому числі за наявності деформації, а також зміну внесків цих механізмів під дією лазерного випромінення. Основна увага приділялась зразкам полікремнію, легованих бором до концентрації акцепторної домішки N_B = 1 10¹⁸ 1 10²⁰cм^-3 до і після лазерної рекристалізації.

Розглянуто два конкуруючих механізми перенесення носіїв заряду через область потенціального бар'єра: термоелектронну емісію і дифузію. Внесок цих механізмів визначається співвідношенням ширини бар'єра і довжини вільного пробігу носіїв заряду. Лазерна рекристалізація зумовлює зростання концентрації вільних носіїв заряду завдяки зменшенню сумарної поверхні границь зерен і пасивації вловлювачів. Отже, лазерна рекристалізація збільшує внески дифузійного та тунельного механізмів перенесення носіїв заряду в електропровідність границь зерен, що підтверджувалось результатами розрахунків. Загальний питомий опір та повздовжній коефіцієнт тензочутливості полікристалічного кремнію розраховували за формулами:

, (1)

де - товщина границі зерна, L - середній розмір зерна, w - ширина області збіднення поблизу МЗГ, _g і _b - питомий опір зерна та границі зерна відповідно

, (2)

де _Lg, _Lb - поздовжні коефіцієнти п'єзоопору об'єму зерна і МЗГ; S_ii' - зведені пружні модулі.

З іншого боку, внесок самих границь зерен у загальний питомий опір полікристалічного кремнію, як видно з формули (1), сильно залежить від середнього розміру зерна L. У дрібнозернистому полікремнії другий доданок формули (1) є суттєвим для всього досліджуваного інтервалу температур і концентрацій домішки і, отже, потенціальні бар'єри на границях зерен є фактором, який обмежує електропровідність матеріалу навіть за високих концентрацій домішки. Після лазерної рекристалізації об'єм зерен домінує в питомому опорі полікристалічного матеріалу.

Помічено якісну подібність концентраційних залежностей ефективної рухливості та коефіцієнта тензочутливості, який розраховувався за формулою 2, з максимумами _eff i K поблизу N = 1 10¹⁹ см^-3. Така подібність випливає з того, що коефіцієнт тензочутливості залежить від рухливості носіїв заряду і є тим більший, чим більшою є їх середня рухливість. Внаслідок конкуренції внесків об'єму зерна та міжзеренних границь у питомий опір та п'єзоопір полікремнію концентраційна залежність поздовжнього коефіцієнту тензочутливості має максимум при N (13) 10¹⁹ см^-3 залежно від середнього розміру зерна. Винятком є дрібнозернистий полікремній, для якого залежність К від концентрації домішки є слабкою і не проявляє помітного максимуму. Тому концентрації (15) 10¹⁹ см^-3 є найбільш прийнятними в практичному відношенні для створення п'єзорезистивних сенсорів механічних величин з полікремнійовими тензорезисторами.

Для найбільших розмірів зерна питомий опір та ефективна рухливість носіїв заряду мають типові для монокристалічного напівпровідника температурні залежності, тоді як дрібнозернистий матеріал демонструє температурну поведінку, що визначається властивостями потенціальних бар'єрів на МЗГ. Зокрема, від'ємний температурний коефіцієнт опору (ТКО), характерний для вироджених носіїв заряду при заданому рівні легування, змінює знак у дрібнозернистому полікремнії на додатній, що узгоджується з опублікованими експериментальними даними.

Результати досліджень використані для оптимізації процесу лазерної рекристалізації полікремнійових шарів на діелектричних підкладках з метою отримання матеріалу, придатного для виготовлення на його основі мікроелектронних приладів, у т.ч. п'єзорезистивних сенсорів тиску.

Третій розділ присвячений дослідженню електрофізичних та п'єзорезистивних властивостей рекристалізованих шарів полікремнію у широкому інтервалі температур, у т.ч. кріогенних. Для дослідження електрофізичних та п'єзорезистивних властивостей полікремнійових шарів в КНІ-структурах як чутливих елементів мікроелектронних сенсорів були розроблені і виготовлені тестові елементи - експериментальні зразки з різною концентрацією домішки (бору) (2,4*10¹⁸ см^-3 та 3,9*10¹⁹ см^-3). Після лазерної рекристалізації згідно з результатами досліджень коефіцієнту Холла концентрація носіїв заряду полікремнійових зразків становила 4,4*10¹⁸ см^-3 і 1,7*10²⁰ см^-3 відповідно.

Експериментальні дослідження температурних та деформаційних властивостей КНІ-структур підтвердили, що використовуючи рекристалізовані лазером полікремнійові резистори з концентраціями електрично активних домішок (бору) 1*10¹⁸ - 5*10¹⁸ см^-3, можна створити п'єзорезистивні сенсори механічних величин з оптимальними характеристиками в інтервалі температур -40 ... +140^оС, а саме, з достатньо високою чутливістю до вимірюваного параметра, термостабільними п'єзорезисторами в інтервалі температур +20 ... +140^оС (зміна опору рекристалізованих зразків полікремнію для поздовжнього напрямку лазерного сканування становить менше 1%). Показано, що нерекристалізований полікремній з концентрацією акцепторів 2,4*10¹⁸ см^-3 проявляє сильну температурну залежність опору і може бути рекомендований як терморезистор для застосування в широкому інтервалі температур.

Щодо більш високого рівня легування вихідних шарів полікремнію, то малий від'ємний температурний коефіцієнт опору (ТКО_нр 2,2*10^-4 град.^-1) нерекристалізованих зразків з концентрацією носіїв заряду 3,9*10¹⁹ см^-3 після лазерної рекристалізаціїї змінює свій знак і значно збільшується до значення +1,7*10^-3 град.^-1 в інтервалі температур +20...+120^оС. Вимірювання п'єзоопору рекристалізованих лазером зразків полікремнію для таких високих рівнів легування не дало помітного збільшення коефіцієнту тензочутливості. Це пояснюється значним збільшенням (майже на порядок) концентрації носіїв заряду після лазерної рекристалізації, що своєю чергою зменшує зростання коефіцієнту тензочутливості внаслідок збільшення розмірів зерна в рекристалізованому матеріалі. Одержані експериментальні значення питомого опору зразків полікремнію до і після лазерної рекристалізації добре узгоджуються з розрахованими значеннями при 20^оС для відповідних розмірів зерна L = 120 нм (нерекристалізований) і L = 10мкм (після лазерної рекристалізації).

При кріогенних температурах Вимірювання опору зразків при кріогенних температурах проводились у Міжнародній лабораторії сильних магнітних полів та низьких температур (Вроцлав, Республіка Польща)., коли очікується значне виморожування носіїв заряду, їх кількість в об'ємі зерна стає дуже малою, за винятком випадку високого рівня легування (металевий тип електропровідності). Тому за основний механізм перенесення носіїв заряду треба розглядати квантовий механізм перенесення по станах на границях зерен. Різниця у висоті бар'єрів на границях зерен призводить до випадкового потенціального рельєфу, зумовленого викривленням енергетичних зон біля границь зерен. Тому цю систему треба розглядати як дуже сильно легований і компенсований напівпровідник, де стани на границях зерен відіграють роль компенсівних домішок. Чим нижча температура, тим більший внесок в електричні властивості квантового механізму перенесення і його можна описати за допомогою теорії протікання носіїв заряду. Ефективну електропровідність можна записана так:

(3)

де _g і _b - електропровідність по зернах і надбар'єрна провідність; - ширина границі зерен; r_о -ефективний розмір зерна.

Дослідження залежностей питомого опору в інтервалі температур 4,2 - 300 К дали змогу визначити механізми перенесення носіїв заряду для різного інтервалу температур і ступеня легування вихідного матеріалу. На основі досліджень температурної залежності електропровідності та магнетоопору полікремнійових шарів на діелектричних підкладках установлено домінуючий характер стрибкової провідності при низьких температурах (рис.5), яка описується законом Мотта:

, (4)

де n = 1/3 при Т < 10 К; n = 1/4 при Т = 10 - 25 К; Т_о - температура Мотта.

Отримані експериментальні ВАХ і результати розрахунків свідчать про радикальну зміну шляхів протікання струму в рекристалізованих плівках полікремнію при зниженні температури від кімнатної до гелійової. Так в області відносно високих температур (Т ~ 180 … 300 К) протікання струму пов'язане з рухом дірок по об'єму зерен; при низьких температурах (Т ~ 4,2 … 30 К) провідність зумовлена рухом носіїв заряду вздовж границь зерен і характеризується досить низьким значенням енергії активації.

Установлено, що для застосування в п'єзорезистивних сенсорах механічних величин в інтервалі температур 4,2 300К потрібно використовувати резистори на основі сильнолегованого полікремнію (N>110¹⁹ см^-3) після лазерної рекристалізації; для таких резисторів чутливість опору до деформації слабо залежить від температури.

Одночасно такі шари є найбільш стабільними до впливу сильних магнітних полів. У нерекристалізованих полікремнійових резисторах, для яких концентрація електрично активних домішок відповідає діелектричному боку переходу метал-діелектрик в кремнії, спостерігаємо явище від'ємного магнетоопору в слабких магнітних полях, який при збільшенні напруженості магнітного поля переходить в додатній магнетоопір. У полікремнійових зразках, рекристалізованих лазерним випромінюванням, властивості яких наближаються до монокристалічного кремнію, спостерігається тільки додатній магнітоопір. Це дозволяє трактувати появу від'ємного магнітоопору в полікремнійових резисторах особливостями перенесення носіїв заряду, пов'язаного з потенціальними бар'єрами на границях зерен у полікристалічному матеріалі. У сильно легованих бором зразках полікремнію (N = 3,9 10¹⁹ см^-3) після лазерної рекристалізації магнітоопір є малим порівняно з нерекристалізованим полікремнійом, і зміна опору в магнітному полі до 14 Тл не перевищує 1% , тобто такі структури є стабільними до впливу сильних магнітних полів.

У четвертому розділі проаналізовано методи формування чутливих елементів сенсора на основі КНІ-структур з рекристалізованим полікремнійовим шаром. На основі аналізу топологічних і технологічних методів формування чутливих елементів сенсора на основі КНІ-структур з рекристалізованим полікремнійовим шаром тензочутливу схуму формували у вигляді моста Уїтсона з чотирьох тензорезисторів, розташованих в площині (100). Мембрану квадратної форми формували анізотропним травленням монокристалічної кремнієвої підкладки. Тензорезистори розташовували на мембрані чутливого елементу сенсора в області дії найбільших деформацій вздовж напрямку [110].

Для отримання розподілу оптимальних напружень та деформацій у мембрані чутливого елемента мікроелектронного сенсора проведено моделювання сенсорної структури за допомогою програмного продукту ANSYS, що базується на методі скінченних елементів. Оптимізовано геометрію мембрани сенсора (її товщину, площу поверхні), що забезпечує достатню величину вихідного сигналу за збереження міцності мембрани і сенсорної структури в цілому.

Для забезпечення i контролю вiдтворюваностi геометричної форми, розмірів, товщини мембрани, якості поверхні пружного елементу мікроелектронного сенсора досліджено процеси анізотропного та ізотропного травлення. Вибрано оптимальні умови і визначено швидкість процесу анізотропного травлення кремнію, а також створена установка, яка враховує всі основні технологічні застереження (постiйнiсть температури, однорідність складу та концентрації травника), що необхідні для одержання якісної мембрани заданої товщини. При використанні як анізотропного травника (30 % водний розчин КОН) температура травлення коло 100^оС, що відповідає швидкості травлення V₍₁₀₀₎ ?2,6 мкм/хв. Установлено закономірності процесу формування мембран чутливих елементів сенсорів з використанням оригінальної методики анізотропного травлення в умовах протитиску для захисту планарної сторони КНІ-структури. На основі вдосконаленої методики і прецизійності процесу анізотропного травлення виготовлено мембрани чутливих елементів мікроелектронних сенсорів для заданих діапазонів тисків.

Досліджено процеси анодного зварювання. Встановлено, що найбільш придатним матеріалом для з'єднання є скло марки С 35 - аналог скла "Пірекс". Визначено оптимальні режими для герметичного з'єднання між чутливим елементом сенсора і склом.

Розроблено технологію створення мікроелектронних сенсорів тиску та тиску-температури на основі рекристалізованих шарів полікремнію на ізоляторі, в яку введений додатковий процес, пов'язаний з формуванням полікремнійових терморезисторів. Порівняно з формуванням полікремнійових п'єзорезисторів, що використовуються в сенсорах тиску, терморезистори відрізняються ступенем легування бором вихідного матеріалу.

Розглянуто конструкцію експериментальних мікроелектронних ємнісних сенсорів тиску, яка базується на модифікованому варіанті приладів типу "упаковки для таблеток". Комплексне використання процесів анізотропного та ізотропного травлення дало змогу виготовити порожнину для переміщення електрода, який є мембраною чутливого елемента сенсора. Розроблено основні етапи технології виготовлення мікроелектронних ємнісних сенсорів тиску на основі полікремнійових шарів на діелектричних підкладках.

П'ятий розділ присвячений дослідженню вихідних характеристик і параметрів мікроелектронних сенсорів на основі КНІ-структур.

Розглянуто конструктивні особливості та характеристики мікроелектронних сенсорів тиску з полікремнійовими п'єзорезисторами для аеродинамічних досліджень в інтервалі тисків: 0 ... 160 кПа і 0 ... 250 кПа (0 ... 1,6 бар і 0 ... 2,5 бар). Максимальний вихідний сигнал при температурі 20^оС становить коло 100 мВ. Чутливість розроблених сенсорів до вимірюваного параметру становила 4 10 мВ/(В*бар).

Наведено властивості мікроелектронних сенсорів тиску медико-біологічного призначення. Характеристики виготовлених сенсорів досліджували в інтервалі тисків 0 ... 5 10⁴ Па (0 ... 0,5 бар) в температурному інтервалі +20 ... +60^оС. Вихідний сигнал розроблених сенсорів при 20^оС дорівнює 50 ± 5 мВ, а чутливість становить коло 10 мВ/(В*бар). Такі сенсори можна використати в приладі для вимірювання артеріального тиску крові.

На основі розроблених КНІ-структур з полікремнійовими п'єзорезисторами виготовлено базові чутливі елементи сенсорів зусилля. Вимірювана чутливість сенсора зусилля становить 3,1 мВ/(ВН). За розробленою технологією виготовлені експериментальні зразки мікроелектронних сенсорів тиску на основі ємнісного ефекту. Чутливість отриманих зразків сенсорів тиску становить коло 10^-2пФ/мм Hg для діапазону вимірюваних тисків 0 - 300 мм Hg.

Досліджено експериментальні зразки мікроелектронних сенсорів тиску - температури для різних діапазонів тисків (0 ... 1,6*10⁵ Па; 0 ... 2,4*10⁵ Па) і температур (-40 ... +60^о С; 20 ... +150^оС). Чутливість мікроелектронних сенсорів тиску-температури до тиску 5 - 15 мВ/(Вбар); температурний коефіцієнт опору термочутливого елементу становить коло -0,386 % град^-1.

У додатку наведено документи про використання результатів дисертаційної роботи.

Висновки

1. На основі вдосконалення технологічного процесу виготовлення рекристалізованих шарів полікремнію в КНІ-структурах шляхом введенення додаткового термічного окиснення та V-подібних канавок одержані структури з покращеними електрофізичними параметрами і встановлено кореляцію між технологічними умовами лазерної рекристалізації та електрофізичними та п'єзорезистивними властивостями полікремнію в КНІ-структурах. Оптимізовано умови формування крупнозернистих шарів полікремнію заданої кристалографічної орієнтації з локалізацією границь зерен при рекристалізації під дією скануючого лазерного випромінювання.

2. Для прогнозування характеристик матеріалу, придатного для створення мікроелектронних сенсорів на основі КНІ-структур, проведено моделювання впливу лазерної рекристалізації на характеристики полікремнійових шарів в КНІ-структурах (питомого опору, рухливості, повздовжнього коефіцієнту п'єзоопору та температурного коефіцієнту опору) залежно від розміру зерен та концентрації домішки. Установлено, що концентраційна залежність повздовжнього коефіцієнту п'єзоопору має максимум при концентрації домішки у вихідному матеріалі в інтервалі (1 - 5) 10¹⁸ см^-3 залежно від середнього розміру зерна і в поєднанні зі значним зменшенням температурного коефіцієнту опору для цього інтервалу концентрацій дає можливість рекомендувати лазерну рекристалізацію полікремнійових шарів на діелектричних підкладках як метод покращання параметрів вихідного матеріалу, придатного для виготовлення на його основі мікроелектронних сенсорів тиску.

3. На основі експериментальних досліджень електрофізичних і п'єзорезистивних властивостей шарів полікремнію в КНІ-структурах показано, що використовуючи рекристалізовані лазером полікремнійові резистори в КНІ-структурах з концентраціями електрично активних домішок (бору) у вихідному матеріалі 1*10¹⁸ -5*10¹⁸см^-3, можна створити п'єзорезистивні сенсори механічних величин з оптимальними характеристиками в інтервалі температур -40...+140^оС, а саме, з достатньо високою чутливістю до вимірюваного параметру, термостабільними п'єзорезисторами в інтервалі температур +20...+140^оС. Встановлено, що нерекристалізований полікремній з концентрацією акцепторів коло 10¹⁸ см^-3 проявляє сильну температурну залежність опору і може бути рекомендований як терморезистор для застосування в широкому інтервалі температур.

4. На основі електрофізичних та п'єзорезистивних досліджень властивостей полікремнійових шарів на діелектричних підкладках в інтервалі температур 4,2 - 300 К показано, що для застосування в п'єзорезистивних сенсорах механічних величин придатними є структури на основі полікремнію з концентрацією N > 1 10¹⁹ см^-3 після лазерної рекристалізації. Одночасно такі шари є найбільш стабільними до впливу сильних магнітних полів. Дослідження залежностей питомого опору в області температур 4,2 - 300 К дало змогу визначити механізми перенесення носіїв заряду для різного інтервалу температур і ступеня легування вихідного матеріалу. Встановлено домінуючий характер стрибкової провідності в умовах низьких температур.

5. Моделювання сенсорної структури за допомогою програмного продукту ANSYS дало змогу отримати розподіл оптимальних напружень та деформацій в мембрані чутливого елемента мікроелектронного сенсора і оптимізувати геометрію мембрани (її товщину, площу поверхні), забезпечивши при цьому достатню величину вихідного сигналу.

6. Удосконалено методику процесу анізотропного травлення, що дало змогу значно покращити якість мікрорельєфу при виготовленні мембран чутливих елементів мікроелектронних сенсорів. Установлено закономірності процесу формування мембран чутливих елементів сенсорів з використанням оригінальної методики анізотропного травлення в умовах протитиску для захисту планарної сторони КНІ-структури. На основі вдосконаленої методики і прицезійності процесу анізотропного травлення виготовлено мембрани чутливих елементів мікроелектронних сенсорів для заданих діапазонів тисків.

7. Розроблено технологію створення мікроелектронних сенсорів тиску та тиску-температури на основі п'єзорезистивного ефекту та сенсорів тиску на основі ємнісного ефекту в мікроелектронних сенсорах. Наведено основні етапи технологічного процесу створення сенсорів.

8. Виготовлено мікроелектронні сенсори тиску на основі КНІ-структур та досліджено їх характеристики:

для аеродинамічних досліджень. Максимальний вихідний сигнал - 100 20 мВ. Чутливість розроблених сенсорів до вимірюваного параметра становить 410 мВ/(В*бар);

медико-біологічного призначення. Вихідний сигнал розроблених сенсорів 50 ± 5 мВ, чутливість становить 10 мВ/(В*бар).

сенсори тиску на основі ємнісного ефекту. Чутливість отриманих зразків сенсорів тиску становить 10^-2 пФ/мм Hg для діапазону вимірюваних тисків 0... 300 мм Hg.

Виготовлено базові чутливі елементи сенсорів зусилля. Вимірювана чутливість сенсора зусилля складала 3,1 мВ/(ВН).

9. За розробленою технологією створено мікроелектронні сенсори тиску - температури для різних діапазонів тисків (0 ... 1,6*10⁵ Па; 0 ... 2,4*10⁵ Па) і температур (-40 ... +60^оС; 20 ... +150^оС). Чутливість сенсорів до тиску 5 - 15 мВ/(Вбар), а температурний коефіцієнт опору термочутливого елемента становить - -0,386 % град^-1.

полікремній мікроелектронний сенсор

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Druzhinin A., Lavitska Е., Maryamova I., Kogut І., Khoverko Y. On possibility to extend the operation temperature range of SOI sensors with polysilicon piezoresistors // J. of Telecom. and Inform. Techn.- 2001. - No 1. - P. 40-45.

2. Druzhinin А., Lavitska E., Maryamova I., Khoverko Y. Laser recrystallized SOI layers for sensor applications at cryogenic temperatures // F. Balestra et al. (eds.) Progress in SOI structures and Devices Operating at Extreme Conditions. Kluwer Acad. Publ. Printed in the Netherlands.- 2002. - P. 233-237.

3. Druzhinin A., Pankevich I., Khoverko Y. Recrystallized polysilicon on insulater substrates as a material for optoelectronics sensors // Proc. of SPIE. - 1999. - Vol. 3730. - P. 47-50.

4. Дружинін А.О., Когут I.Т., Литвин I.С., Тиханський М.В., Ховерко Ю.М. Дослідження фотоелектричних властивостей структур типу КНД // Вiсн. Держ. ун-ту “Львівська політехніка” "Елементи теорії та прилади твердотiльної електронiки". - 1998. - № 325. - С. 53-57.

5. Панков Ю.М., Ховерко Ю.М., Когут I.Т., Георгiєва I.А. Мiкроелектроннi ємнiснi сенсори тиску на основi структур кремнiй на iзоляторi // Вiсн. Держ. ун-ту “Львівська політехніка”, "Теорiя i проектування напiвпровiдникових та радiоелектронних пристроїв. - 1998. - № 326. - С. 95-99.

6. Ховерко Ю.М., Сень О.В. Особливостi анiзотропного травлення при виготовленнi мiкроелектронних сенсорiв тиску // Вiсн. Держ. ун-ту “Львівська політехніка” "Елементи теорiї та прилади твердотiльної електронiки". - 1998. - № 325. - С. 140-143.

7. Дружинін А.О., Лавитська О.М., Панков Ю.М., Мар'ямова І.Й., .Ховерко Ю.М. Мікроелектронні сенсори на основі шарів КНІ, рекристалізованих лазерним опроміненням // Вiсн. Держ. ун-ту “Львівська політехніка” "Елементи теорії та прилади твердотiльної електронiки". - 2000. - № 393. - С. 7-12.

8. Дружинін А.О., Мар'ямова І.Й., Лавитська О.М., Кутраков О.П., Панков Ю.М., Ховерко Ю.М. П'єзорезистивні сенсори механічних величин на основі напівпровідникових ниткоподібних кристалів і КНІ-структур // Вісн. Нац. ун-ту "Львівська політехніка" "Електроніка”. - 2002. - № 459. - С. 75-91.

9. Дружинін А.О., Лавитська О.М., Мар'ямова І.Й., Ховерко Ю.М. Дослідження властивостей шарів полі-Si для створення на їх основі сенсорів працездатних при кріогенних температурах // Вісн. Нац. ун-ту "Львівська політехніка" "Електроніка". - 2002. - № 455. - С. 134-141.

10. Патент України №32784А, 6H01L27/12. Спосіб виготовлення “кремній-на-ізоляторі”- структур / Дружинін А.О., Когут І.Т., Ховерко Ю.М.; Заявл.10.04.98р; Опубл.15.02.2001 р., бюл №1. С.4.

11. Патент України №34721А, 6H01L27/12. Спосіб виготовлення структур кремній-на-ізоляторі / Дружинін А.О., Когут І.Т., Ховерко Ю.М.; Заявл. 17.06.99р; Опубл. 15.03.2001 р., бюл. №2. С.4.

12. Budjak Y., Druzhinin A., Pankevich I., Khoverko Y. Improving of temperature stability of polysilicon layer's parameters by laser recrystallization // 41. Intern.Wissensch. Kolloquium. 23-26.09.1996. Vortragsreihen. Ban 3.Technische Univ., Ilmenau (Germany). - 1996. - P. 678-681.

13. Дружинін А.О., Когут I.Т., Панкевич I.М., Ховерко Ю.М. Структура та властивостi шарiв полiкремнiю на iзолюючих пiдкладках, рекристалiзованих лазерним випромінюванням // Труди Українського Вакуумного Товариства, Харків (Україна). - 1997. - Т.3. - С. 271-274.

14. Druzhinin A., Maryamova I., Lavitska E. and Khoverko Y. Effect of the Laser Recrystallization on the Temperature-Dependent Characteristics of SOI Piezoresistors // Proc. of 5^th Nexuspan Workshop "Thermal Aspects in Microsystem Technology", Budapest (Hungary ). - 1998. - P. 63-65.

15. Druzhinin A., Lavitska E., Maryamova I., Khoverko Y. Modification of the electrical and piezoresistive properties of polysilicon layers by the laser recrystallization // Труды III Междунар. симпоз. "Вакуумные технологии и оборудование", Харьков (Украина).- 1999. - Т.1. - С. 148-152.