RU2058604C1

RU2058604C1 - Semiconductor temperature-sensitive resistor

Info

Publication number: RU2058604C1
Application number: RU93031956A
Authority: RU
Inventors: К.А. Тузовский; В.М. Андреев; Д.В. Зиновьев; А.А. Гришаев
Original assignee: Московский институт электронной техники
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 1996-04-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: invention is intended for precision measurements of temperature. Semiconductor temperature-sensitive resistor is manufactured in the form of monocrystalline silicon resistor with contact to it. In plan view it has shape of square. It is placed into groove formed in substrate made from high-resistance polysilicon and is insulated from it by silicon oxide layer. For decrease of sluggishness there is cavity under entire area of resistor. High resistance provides for low measurement currents and reduced level of inherent noises which makes it possible to use this semiconductor temperature-sensitive resistor for measurements within range from - 100 up to + 600 C with accuracy of tenth fraction of degree. EFFECT: expanded range and increased accuracy of temperature measurements. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в приборах для измерения температуры, расходов, скоростей, состава газов и жидкостей. The invention relates to semiconductor technology and can be used in devices for measuring temperature, flow, speed, composition of gases and liquids.

Промышленно выпускаемые терморезисторы представляют собой керамические таблетки, спеченные из порошков оксидов. Industrial thermistors are ceramic tablets sintered from oxide powders.

Эти устройства просты по конструкции, дешевы, но в измерительных целях их применение ограничено, так как они обладают низкой стабильностью и точностью измерений, их параметры плохо воспроизводимы, а инерционность высока. Эти недостатки являются следствием объемной конструкции и зависимости свойств от многих параметров величины и формы зерен исходного порошка, температуры и продолжительности спекания, пористости, однородности химического состава. These devices are simple in design, cheap, but for measuring purposes their use is limited, as they have low stability and accuracy of measurements, their parameters are poorly reproducible, and the inertia is high. These disadvantages are a consequence of the volumetric design and the dependence of properties on many parameters of the size and shape of the grains of the initial powder, temperature and duration of sintering, porosity, and uniformity of the chemical composition.

От этих недостатков свободны монокристаллические терморезистивные элементы (ТЭ), свойства которых предсказуемы и однозначны, а чувствительность может достигать нескольких процентов изменения сопротивления на градус. Single-crystal thermoresistive elements (TE) are free from these shortcomings, the properties of which are predictable and unambiguous, and the sensitivity can reach several percent changes in resistance per degree.

Однако планарная конструкция кремниевых резисторов, широко используемых в интегральных схемах, формируется путем легирования кремния методами диффузии или ионной имплантации (так как изоляция осуществляется p-n-переходами), поэтому невозможно использовать собственный кремний, имеющий наивысшее значение температурного коэффициента удельного сопротивления. However, the planar design of silicon resistors, widely used in integrated circuits, is formed by doping silicon with diffusion or ion implantation methods (since isolation is carried out by p-n junctions), so it is impossible to use intrinsic silicon, which has the highest temperature coefficient of resistivity.

Известна конструкция ТЭ в виде бруска монокристаллического кремния, на противоположные концы которого нанесены металлические контакты. В этой конструкции снимается ограничения, связанные с диффузией или ионной имплантацией. Эта конструкция является ближайшим аналогом и принимается за прототип. A known design of TE in the form of a bar of single-crystal silicon, on the opposite ends of which are made metal contacts. This design removes the limitations associated with diffusion or ion implantation. This design is the closest analogue and is taken as a prototype.

Главный недостаток ее состоит в том, что брусок вследствие хрупкости кремния не может иметь большое отношение длины к поперечным размерам, поэтому обладает низким электрическим сопротивлением, а следовательно, и малой чувствительностью (доли Ом/град). Так, брусок сечением 2х2 мм² и длиной 8 мм (весьма трудный в изготовлении) имеет сопротивление не более 100 Ом. Поэтому измерительный ток, протекающий через резистор, разогревает его, что приводит к снижению точности измерений. К тому же измерения сопротивлений на столь низком уровне требуют прецизионный аппаратуры, а вклад сопротивлений контактов и проводов велик и отрицательно сказывается на точности.Its main disadvantage is that the bar, due to the brittleness of silicon, cannot have a large ratio of length to transverse dimensions, therefore, it has low electrical resistance and, therefore, low sensitivity (fractions of Ohm / deg). So, a bar with a section of 2x2 mm ² and a length of 8 mm (very difficult to manufacture) has a resistance of not more than 100 Ohms. Therefore, the measuring current flowing through the resistor heats it, which reduces the accuracy of the measurements. In addition, measurements of resistances at such a low level require precision equipment, and the contribution of the resistances of contacts and wires is large and adversely affects accuracy.

Само по себе изготовление кремниевых брусков операция, не обеспечивающая точности геометрических размеров, требующая затрат ручного труда, а объемная конструкция резистора обусловливает высокую инерционность. By itself, the manufacture of silicon bars is an operation that does not provide accuracy of geometric dimensions, requiring manual labor, and the volumetric design of the resistor causes high inertia.

Была поставлена задача объединить преимущества планарной и объемной конструкций резисторов и создать ТЭ, обладающий высокой чувствительностью, а следовательно, и высокой точностью измерений температуры при одновременном снижении инерционности, требований к аппаратуре, измерительной схеме, затрат труда. The task was set to combine the advantages of planar and volumetric designs of resistors and create a fuel cell with high sensitivity and, consequently, high accuracy of temperature measurements while reducing inertia, hardware requirements, measuring circuit, labor costs.

Поставленная задача повышения чувствительности достигнута за счет того, что в полупроводниковом терморезисторе, содержащем резистивный элемент из монокристаллического кремния и контакты, резистивный элемент размещен на подложке из высокоомного поликремния в канавке, выполненной в форме меандра, и изолирован от подложки слоем оксида кремния. The task of increasing the sensitivity was achieved due to the fact that in a semiconductor thermistor containing a resistive element made of single-crystal silicon and contacts, the resistive element is placed on a high-resistance polysilicon substrate in a groove made in the shape of a meander and isolated from the substrate by a layer of silicon oxide.

Для снижения инерционности устройства в подложке выполнена полость под резистивным элементом, благодаря чему чувствительность возрастает примерно до 5 Ом/град, что позволяет проводить измерения с точностью до 0,1 град. To reduce the inertia of the device, a cavity is made in the substrate under the resistive element, so that the sensitivity increases to about 5 Ohm / deg, which allows measurements to be made with an accuracy of 0.1 deg.

Для снижения инерционности до предельно низких значений под площадью меандра сформирована полость, так что толщина термочувствительного слоя может быть сведена до 20-30 мкм. To reduce inertia to extremely low values, a cavity is formed under the square of the meander, so that the thickness of the heat-sensitive layer can be reduced to 20-30 microns.

Не известно техническое решение, в котором предлагались бы высокоомные, высокочувствительные и малоинерционные планарные ТЭ. Предлагаемая конструкция оригинальна и имеет изобретательский уровень. No technical solution is known in which high-resistance, highly sensitive, and low-inertial planar fuel cells are proposed. The proposed design is original and has an inventive step.

На фиг. 1 и 2 представлена конструкция предлагаемого терморезистора, где 1 подложка из высокоомного поликремния, 2 монокристаллический кремниевый резистивный элемент, 3 канавка, 4 изолирующий слой оксида кремния, 5 полость, 6 контакты; на фиг. 3 представлены температурная зависимость удельного сопротивления терморезистора. In FIG. 1 and 2 show the design of the proposed thermistor, where 1 substrate of high resistance polysilicon, 2 single-crystal silicon resistive element, 3 groove, 4 insulating layer of silicon oxide, 5 cavity, 6 contacts; in FIG. 3 shows the temperature dependence of the resistivity of a thermistor.

Для изготовления терморезистора выбран кремний марки КЭФ 4, 5, ориентации (100), диаметром 76 мм с температурной зависимостью согласно фиг. 3. Методом фотолитографии по оксиду кремния сформирован меандр. Затем путем химического травления в растворе КОН была сформирована канавка 3 глубиной порядка 30 мкм. Далее термическим окислением получают изолирующий слой 4 и выращивают поликремний 1 толщиной порядка 400 мкм. После сошлифовки монокремния получают искомую конструкцию. Для получения полости 5 с обратной стороны подложки проводят травление по поликремнию 1, при этом слой SiO₂ является индикатором окончания травления.For the manufacture of a thermistor, KEF grade 4, 5 silicon, orientation (100), and a diameter of 76 mm with a temperature dependence according to FIG. 3. A meander was formed by photolithography on silica. Then, by chemical etching in a KOH solution, a groove 3 was formed with a depth of about 30 μm. Next, by thermal oxidation, an insulating layer 4 is obtained and polysilicon 1 is grown with a thickness of about 400 microns. After grinding monosilicon get the desired design. To obtain a cavity 5, the polysilicon 1 is etched on the reverse side of the substrate, and the SiO ₂ layer is an indicator of the end of etching.

Толщина резистивного элемента 2 может варьировать в пределах 20-50 мкм и ширина 50 мкм т более так, что число квадратов меандра достигает нескольких тысяч на площади 1 мм² (фиг. 1 и 2). Благодаря этому в формуле полного сопротивления R= ρ_sK можно варьировать в широких пределах (до 10⁷ Ом) как удельным сопротивлением (0,00.1000 Ом см), так и числом квадратов (более 1000).The thickness of the resistive element 2 can vary between 20-50 μm and a width of 50 μm t more so that the number of squares of the meander reaches several thousand on an area of 1 mm ² (Fig. 1 and 2). Due to this, in the impedance formula R = ρ _s K, it can be varied over a wide range (up to 10 ⁷ Ohms) both by specific resistance (0.00.1000 Ohm cm) and by the number of squares (more than 1000).

Терморезистор надежно защищен от механических повреждений, а химическая стабильность кремния гарантирует длительную его работу даже без тщательной герметизации. The thermistor is reliably protected from mechanical damage, and the chemical stability of silicon guarantees its long-term operation even without careful sealing.

Испытания показали, что изменение сопротивления меандра, имеющего при комнатной температуре сопротивление 1 МОм, составляет в диапазоне +100.-100^оС 5 кОм/град, в диапазоне +150.+500^оС около 10 кОм/град.Tests have shown that the change in the resistance of a meander having a resistance of 1 MΩ at room temperature is in the range + 100.-100 ^о С 5 kOhm / deg, in the range + 150. + 500 ^о С about 10 kOhm / hail.

Благодаря столь большой чувствительности при токе 1 мкА обеспечивается крутизна 5-10 мВ на градус, что на три порядка превышает уровень собственных шумов измерительных приборов и позволяет вести измерение температуры с точностью до сотых долей градуса. Due to such a high sensitivity at a current of 1 μA, a steepness of 5-10 mV per degree is ensured, which is three orders of magnitude higher than the level of intrinsic noise of measuring devices and allows temperature measurements to be carried out to the nearest hundredths of a degree.

Claims

1. SEMICONDUCTOR THERMOR RESISTOR containing a resistive element made of single-crystal silicon and contacts, characterized in that the resistive element is placed on a substrate of high resistance polysilicon in a groove made in the shape of a meander and isolated from the substrate by a layer of silicon oxide.

2. The thermistor according to claim 1, characterized in that a cavity is made in the substrate under the resistive element.