ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МЕМБРАННОГО ТИПА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретения относятся к микроэлектронному приборостроению и могут быть использованы в конструкции и технологии производства широкого класса микроэлектронных приборов, оснащенных чувствительным или исполнительным элементом мембранного типа, - датчиков перемещения и давления, акселерометров, микроактюаторов, микрофонов и т.д.

Известен чувствительный элемент мембранного типа, содержащий кремниевую подложку с выполненным в ней углублением для образования мембраны и мембранной камеры, и узел съема информативного сигнала, представляющий собой тензосхему, сформированную на поверхности мембранного элемента и подключенную к внешним контактным площадкам (SU 1591776, Н01L 29/84, G01L 1/22, 1994).

Известен также чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния n-типа проводимости с базовой ориентацией (100), на тыльной стороне которой выполнено углубление, образующее квадратную в плане мембрану. На планарной стороне мембраны сформирован тензорезистивный мост Уинстона для съема информативного сигнала (RU 93027803, G01L 9/04, 1995).

Чувствительность данных изделий лимитируется толщиной монокристаллической кремниевой мембраны. По технологическим соображениям выполнить такую мембрану с толщиной менее 3 мкм не представляется возможным, в связи с чем данные изделия обладают низкой чувствительностью.

В известный уровень техники входит также чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), мембрану, изготовленную из нитрида кремния и расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования мембранной камеры, и оптический узел съема информативного сигнала, в качестве которого установлен интерферометр, регистрирующий величину прогиба мембраны под действием приложенного давления (D.Maier-Schneider, J.Maibach, E., Obermeier. Computer-aided characterization of the elastic properties of thin films // Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol.2, 1992, p.173-175).

Хотя чувствительность такого изделия выше, чем при использовании монокристаллической кремниевой мембраны, тем не менее, она остается низкой.

Наиболее близким к заявляемому является чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), двухслойную мембрану, первый слой которой сформирован из нитрида кремния, а второй (компенсирующий) слой - из карбида кремния. Мембрана расположена над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры. Целевое изделие оснащено тензометрическим или оптическим узлом съема информативного сигнала для подключения к внешней электрической цепи. Компенсирующий SiC-слой мембраны уменьшает ее начальное внутреннее напряжение, что имеет следствием повышение чувствительности целевого изделия. Данный эффект наблюдается в диапазоне толщин SiC- и Si₃N₄-пленок, обеспечивающих функционирование нанесенной композиции SiC/Si₃N₄ как мембраны. При этом последовательность расположения слоев мембраны и направление приложенного давления могут быть любыми (RU 2247443, H01L 29/84, 2005).

Однако прототипное изделие не обладает универсальностью применения, поскольку является пассивным, в связи с чем оно не может использоваться для преобразования внешнего электрического сигнала в перемещение, например, в микроактюаторах и особенно в комбинированных технических системах, в которых мембрана попеременно выполняет измерительную и исполнительную функцию.

Решаемой технической задачей устройства является обеспечение универсальности применения целевого изделия.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что в чувствительный элемент мембранного типа, содержащий подложку из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), двухслойную мембрану, первый слой которой сформирован из нитрида кремния, расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры, и узел съема информативного сигнала, вносятся следующие изменения:

1) второй слой мембраны сформирован из нитрида алюминия с преимущественной ориентацией оси текстуры <0001> по нормали к поверхности мембраны;

2) соотношение толщин слоев мембраны выполнено из расчета

где h₁ и h₂ - толщины слоев нитрида кремния и нитрида алюминия соответственно, мкм;

σ₁ и σ₂ - встроенные механические напряжения в слоях нитрида кремния и нитрида алюминия соответственно, ГПа.

Встроенными механическими напряжениями являются остаточные тепловые и структурные напряжения в слоях сформированной мембраны целевого изделия. Их значение может быть определено, например, методом рентгеновской дифракции (Бокий Г.Б., Порай-Кошиц М.А. Практический курс рентгеноструктурного анализа. Т.1. Изд. МГУ, 1951, 327 с.; Т.2, 1960, 282 с.; В.М.Виноградов. Остаточные напряжения в деталях из пластических масс // Пластические массы, 1975, №4, с.20-31). Возможно также определение σ₁ и σ₂ согласно описанию прототипа.

Принцип действия предлагаемого устройства основан на впервые установленном авторами явлении компенсации встроенных механических напряжений в системе Si₃N₄/AlN при соотношении толщин слоев Si₃N₄ и AlN, указанном в формуле (1).

Техническим результатом, производным от достигнутого, является универсальность использования целевого изделия, поскольку предложенный новый материал компенсирующего слоя - AlN - обладает пьезоэлектрическими свойствами, что дает возможность возбуждения колебаний мембраны от внешнего источника напряжения. При этом признак ориентации оси текстуры <0001> нитрида алюминия по нормали к поверхности мембраны важен для обеспечения работы целевого изделия в области оптимальных значений коэффициента преобразования электрического напряжения в деформацию или наоборот. В частности, при разориентации осей кристаллитов текстуры AlN от нормали более чем на 10° наблюдается значительное снижение пьезоотклика, вплоть до полной потери чувствительности.

Для подключения внешней электрической цепи на свободных поверхностях слоев нитрида алюминия и нитрида кремния могут быть сформированы металлические электроды. При необходимости использования целевого изделия в качестве пьезоэлектрических исполнительного механизма и/или чувствительного элемента электроды выполнены с образованием обкладок плоского конденсатора. В вариантах целевого изделия, предназначенных для определения механических воздействий, целесообразным является выполнение узла съема информативного сигнала на базе интерферометра Фабри-Перро, как это имеет место в прототипе.

На фиг.1 приведена схема варианта предлагаемого целевого изделия; на фиг.2 приведены схемы промежуточных продуктов, полученных по окончании основных стадий изготовления целевого изделия; в табл.1-4 приведены основные технические характеристики целевых изделий к примерам 1-3.

Чувствительный элемент мембранного типа (фиг.1) содержит подложку 1 из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100), двухслойную мембрану, включающую слой 2, сформированный из нитрида кремния, и компенсирующий слой 3 - из нитрида алюминия с преимущественной ориентацией оси текстуры <0001> по нормали к поверхности мембраны. Мембрана расположена над отверстием 4, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры. В данном варианте узел съема информативного сигнала (подачи управляющего напряжения) представляет собой электродную систему, в которой верхний электрод 5 и нижний электрод 6 выполнены из никеля на свободных поверхностях слоев 3 и 2 соответственно с образованием обкладок плоского конденсатора. Соотношение толщин слоев 2 и 3 мембраны выполнено в соответствии с формулой (1).

При техническом осуществлении устройства значение толщины h₁ слоя Si₃N₄ может быть выбрано как в прототипе, а именно в диапазоне от 0,1 до 0,4 мкм. Толщина же h₂ компенсирующего слоя в заявленном устройстве, устанавливаемая согласно формуле (1), существенно превышает таковую конструкции прототипа (примерно в 3÷5 раз).

При использовании варианта устройства фиг.1 в качестве чувствительного элемента электроды 5 и 6 подключают к внешней электрической измерительной цепи. Механическое воздействие на мембрану приводит к деформации пьезоэлектрического слоя 3, что вызывает изменение тока во внешней измерительной цепи, пропорциональное величине прогиба мембраны.

В режиме исполнительного механизма управляющее напряжение, поданное на электроды 5 и 6, вызывает деформацию пьезоэлектрического слоя, которая используется для перемещения мембраны.

Прототипом способа изготовления предлагаемого чувствительного элемента является патент RU 2247443, H01L 29/84, 2005, как ближайший аналог в отношении получаемого целевого изделия. Известный способ предусматривает выращивание пленки нитрида кремния толщиной 0,1÷0,4 мкм на поверхности подложки из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) пиролизом силана в атмосфере аммиака с использованием подслоя SiO₂, нанесение компенсирующей пленки SiC с помощью магнетронного распыления монокристаллической мишени из SiC и формирование подмембранной камеры со стороны нерабочей поверхности подложки жидкостным анизотропным травлением участка материала подложки (с подслоем SiO₂) до слоя Si₃N₄, и последующее формирование узла подключения целевого изделия к внешней электрической цепи.

Однако прототипный способ не позволяет получить целевое изделие с компенсирующим слоем мембраны, выполненным из нитрида алюминия. Дело в том, что при анизотропном травлении кремниевой подложки с нанесенными на нее слоями Si₃N₄ и AlN для формирования подмембранного объема общеупотребительными способами, включая прототипный, будет происходить одновременное травление слоя AlN. Кроме того, попытка формирования одного из металлических электродов между слоями мембраны приводит к ухудшению структуры наносимого далее слоя AlN.

Технической задачей способа является обеспечение возможности формирования мембраны Si₃N₄/AlN с сохранением целостности слоя нитрида алюминия, а также структуры последнего в варианте электродного исполнения.

Для решения указанной технической задачи в способ изготовления чувствительного элемента мембранного типа путем нанесения на поверхность подложки из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) слоя нитрида кремния пиролизом силансодержащего вещества в атмосфере аммиака с использованием подслоя SiO₂, а затем - компенсирующего слоя с помощью магнетронного распыления с последующим формированием подмембранной камеры с тыльной стороны подложки, предусматривающим жидкостное анизотропное травление участка материала подложки, и узла подключения целевого изделия к внешней электрической цепи вносятся следующие изменения:

1) слой нитрида кремния дополнительно выращивают на тыльной стороне подложки;

2) при формировании подмембранной камеры жидкостное анизотропное травление участка материала подложки производят с использованием слоя нитрида кремния на тыльной стороне подложки в качестве маскирующего покрытия;

3) операцию жидкостного анизотропного травления осуществляют на первой стадии формирования подмембранной камеры из расчета образования глухого отверстия в подложке по месту подмембранной камеры для предотвращения разрушения нанесенного слоя нитрида кремния при последующих операциях;

4) далее на поверхность слоя нитрида кремния наносят компенсирующий слой нитрида алюминия толщиной согласно формуле (1) магнетронным распылением алюминиевой мишени в режиме высокочастотного разряда в аргонно-азотной атмосфере;

5) затем производят вторую стадию формирования подмембранной камеры жидкостным изотропным травлением дна образовавшегося глухого отверстия в подложке до слоя нитрида кремния.

Указанные технологические операции и их последовательность обеспечивают возможность получения целевого изделия с сохранением целостности слоя нитрида алюминия, а также структуры последнего в варианте электродного исполнения.

При техническом осуществлении способа значения встроенных механических напряжений, необходимые для установления соотношения толщин слоев Si₃N₄ и AlN, могут быть определены экспериментально или рассчитаны по кривым зависимости прогиба соответствующих мембран от прикладываемого давления по формуле

где σ - встроенные механические напряжения, Па;

ΔР - шаг изменения давления при испытании мембраны, Па;

а - диаметр или длина стороны мембраны, мкм;

h - толщина мембраны, мкм;

Δw - изменение прогиба центра мембраны, вызванное изменением давления на ΔP, мкм.

При проведении операции пиролиза в качестве силансодержащего вещества наиболее целесообразно использовать дихлорсилан, что обеспечивает повышение прочности мембраны.

Для использования пьезоэлектрических свойств слоя AlN узел подключения к внешней электрической цепи формируют металлизацией внешних поверхностей слоев нитрида кремния и нитрида алюминия мембраны.

Предлагаемые технические решения и существенность их конструктивных параметров и технологических режимов изготовления иллюстрируются следующими примерами.

ПРИМЕР 1. На лицевую и тыльную поверхности подложки 1 из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) диаметром 76 мм и толщиной 380 мкм наносят слои нитрида кремния (поз.2 и 7 фиг.2а соответственно) пиролизом силана в атмосфере аммиака при температуре 890°С с использованием подслоя 8 из SiO₂. В данном примере изготавливают образцы целевых изделий с толщиной слоя Si₃H₄ h₁=0,1÷0,6 мкм. Регулирование толщины данного слоя осуществляют изменением длительности процесса осаждения. В слоях 7 и 8 с помощью установки реактивного ионно-плазменного травления формируют маску для выполняемой далее операции жидкостного анизотропного травления кремния из расчета получения мембраны размером 1,5×1,5 мм. Последнюю операцию проводят с помощью 33 мас.% раствора КОН при 85°С из расчета образования глухого отверстия 4 в подложке по месту подмембранной камеры. Оставленная при этом временно перемычка 9 на дне глухого отверстия 4 в подложке 1 предотвращает разрушение мембраны на последующих этапах технологического процесса (фиг.2б).

Затем формируют компенсирующий слой 3 из нитрида алюминия на поверхности нитрида кремния (фиг.2в) магнетронным распылением алюминиевой мишени в режиме высокочастотного разряда (частота - 13,56 МГц, напряжение смещения на мишени - 330 В) в аргонно-азотной атмосфере при соотношении Ar:N₂=1:1, суммарном давлении 3·10^-3 мм рт.ст. и температуре подложки 520°С. Длительность распыления мишени устанавливают из расчета получения толщины h₂ слоя нитрида алюминия в соответствии с формулой (1). В данном примере значения встроенных напряжений составляют: σ₁=0,9 ГПа; σ₂=0,33 ГПа. Поэтому, в частности, для образца, где h₁=0,4 мкм, номинальное значение толщины наносимого слоя AlN согласно формуле (1) равно:

.

Далее производят жидкостное изотропное травление перемычки 9 образовавшегося глухого отверстия в подложке 1 до слоя 2 нитрида кремния с помощью травителя HNA, содержащего плавиковую, азотную и уксусную кислоты. Операцию проводят при комнатной температуре. При этом происходит удаление кремниевой перемычки 9 до подслоя SiO₂, выполняющего стоп-функцию. После этого подслой SiO₂ по месту подмембранной камеры удаляют с помощью буферного ВОЕ-травителя (фиг.2в).

В данном примере целевые изделия оснащают узлом съема информационного сигнала, выполненным на базе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перро, выход которого связан с внешней электрической цепью.

Результаты испытания полученных изделий при различных значениях конструктивных и технологических параметров приведены в табл.1. Для удобства сравнения с формулой (1) значения толщины h₁ слоя AlN даны в относительных единицах, где коэффициент 0,83 при выражении h₁σ₁/σ₂ соответствует верхнему предельному значению 1,2 коэффициента пропорциональности в формуле (1), а коэффициент 1,25 табл.1 соответствует нижнему пределу (0,8) указанной формулы.

Как видно из таблицы, максимальное значение чувствительности целевого изделия лежит в пределах от 1,0 до 2,2 нм/Па при номинальном значении коэффициента пропорциональности в формуле (1), равном 1,0. При этом с уменьшением толщины слоя Si₃N₄ от 0,5 до 0,2 мкм чувствительность целевого изделия увеличивается в приведенных пределах. В то же время предельное давление до разрыва мембраны увеличивается с увеличением толщины ее слоев, составляя от 20 до 50 кПа и более. При отклонении оси текстуры <0001> от нормали к поверхности мембраны на 5° наблюдается уменьшение чувствительности целевого изделия не более чем на 20%. При запредельных значениях толщины компенсирующего слоя мембраны чувствительность резко падает из-за недокомпенсации или перекомпенсации встроенных механических напряжений в слое нитрида кремния.

ПРИМЕР 2. Целевые изделия изготавливают, как в примере 1. При этом слои нитрида кремния наносят пиролизом дихлорсилана при температуре 790°С.

Результаты испытаний целевых изделий приведены в табл.2.

Как видно из таблицы, чувствительность целевых изделий, полученных по данному варианту технологии, возросла на порядок. Максимальное значение чувствительности наблюдается при номинальном значении коэффициента пропорциональности в формуле (1) и составляет 20 нм/Па. При этом давление разрыва превышает 80 кПа.

ПРИМЕР 3. Внешние поверхности слоев нитрида кремния и нитрида алюминия чувствительных элементов, изготовленных согласно примеру 1, металлизируют нанесением 0,2 мкм слоя никеля на установке магнетронного распыления при постоянном токе 0,5 А в атмосфере аргона при давлении 10^-3 мм рт.ст. в течение 200 с. Сформированные таким образом обкладки конденсатора (слои 5 и 6 фиг.1) подключают к внешней электрической цепи, содержащей коммутируемые источник постоянного или переменного напряжения, или схему измерения напряжения. Для проведения испытаний изделия дополнительно оснащают узлом определения перемещения центра мембраны, выполненным на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перро.

Результаты испытания целевых изделий в режиме датчика давления приведены в табл.3. Как видно из таблицы, при номинальном значении коэффициента пропорциональности в формуле (1), равном 1,0, значение чувствительности целевого изделия максимально. С уменьшением толщины слоя Si₃H₄ от 0,5 до 0,2 мкм максимальная чувствительность целевого изделия с оптимальной ориентацией текстуры слоя AlN увеличивается от 1 до 5 нм/Па соответственно. Линейность выходной характеристики датчиков лежит в пределах давлений от 0 до 5500 Па. При нарушении ориентации текстуры слоя AlN чувствительность изделия не превышает 0,8 нм/Па. При запредельных значениях толщины компенсирующего слоя мембраны чувствительность также резко падает из-за недокомпенсации или перекомпенсации встроенных механических напряжений в слое нитрида кремния.

Результаты испытания целевых изделий в режиме микроактюатора при подключении источника постоянного напряжения приведены в табл.4. Как видно из таблицы, максимальное значение коэффициента преобразования изменения напряжения в прогиб мембраны наблюдается при номинальном значении коэффициента пропорциональности в формуле (1) и составляет от 6,9 до 8,4 нм/В при преимущественной ориентации оси текстуры <0001> слоя AlN по нормали к поверхности мембраны и толщине h₁ слоя Si₃H₄ 0,5 и 0,2 мкм соответственно. При существенном отклонении преимущественной ориентации оси текстуры от нормали значение коэффициента преобразования резко снижается (до 1,1÷1,4 нм/В). Изменение полярности источника питания дает практически симметричную характеристику значений прогиба мембраны от приложенного напряжения (фиг.3).

При подключении данного варианта целевого изделия к источнику переменного напряжения 27 В наблюдаются колебания мембраны с амплитудой 0,2 мкм в диапазоне частот задающего генератора от 20 Гц до 200 кГц, что позволяет использовать целевое изделие в составе аудиотехники.

Как пояснено приведенными примерами, в результате использования предлагаемых технических решений достигаются следующие виды положительного эффекта:

1) расширение диапазона используемых средств, а именно нового материала (AlN) в качестве компенсирующего слоя мембраны чувствительного элемента;

2) повышение чувствительности целевого изделия в варианте с формированием слоя Si₃N₄ мембраны пиролизом дихлорсилана;

3) обеспечение пьезоэлектрического принципа действия мембраны;

4) универсальность применения целевого изделия в отношении возможности преобразования механического воздействия на мембрану в электрический выходной сигнал или обратного преобразования, что открывает перспективу его использования в комбинированных системах не только в качестве чувствительного элемента, но и исполнительного механизма.