RU2143678C1 - Полупроводниковый газовый сенсор и способ его изготовления - Google Patents

Abstract

Использование: в микроэлектронике, в частности в технологии изготовления интегральных газовых сенсоров с тонкими диэлектрическими мембранами (1-5 мкм). Сущность изобретения состоит в том, что полупроводниковый газовый сенсор представляет собой устройство, включающее диэлектрическую мембрану, области нагревателя, чувствительного слоя, электродов, контактных площадок и специальную плату с рабочим окном и контактными площадками. При этом диэлектрическая мембрана расположена над платой таким образом, что области нагревателя и чувствительного слоя находятся напротив рабочего окна, а контактные площадки, расположенные на диэлектрической мембране, непосредственно электрически связаны с контактными площадками специальной платы. Практическая реализация заключается в том, что в начале проводят разделение пластины на кристаллы, осуществляют посадку кристалла на специальную плату с рабочим окном, расположенным напротив области нагревателя, а затем проводят полное травление кремния. Техническим результатом изобретения является снижение мощности потребления и исключение механического повреждения мембраны на этапе разделения пластины на кристаллы. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии изготовления полупроводниковых структур, являющихся элементной базой функциональной микроэлектроники и может быть использовано в технологии изготовления интегральных газовых сенсоров с тонкими диэлектрическими мембранами (1-5 мкм).

Известно, что мощность потребления полупроводникового газового сенсора определяется выражением, являющимся решением одномерного дифференциального уравнения теплопроводности и представляющим собой решение задачи Дирихле для кольца с постоянными значениями искомой функции на внутренней и внешней окружностях [1]:
Q = q₁ + 2q₂ (1)
где q₁= 2πλ_ox•t_oxΔU/ln(R₁/R₂);
q₂= 2λ_mW_mt_mΔU/(R₁-R₂);
Q - мощность потребления сенсора,
q₁ - мощность, рассеиваемая диэлектрической мембраной;
q₂ - мощность, рассеиваемая металлическими электродами;
λ_ox; λ_м - коэффициенты теплопроводности диэлектрика и металла, соответственно, λ_ox = 2,5 Вт/(м•град); λ_м = 150 Вт/(м•град).

t_ox, t_m - толщины диэлектрической мембраны и металла, соответственно, t_ox = 5-7 мкм, t_m = 0,5 мкм;
Δ U - разность температур между областью нагревателя и "холодной" (периферийной) областью сенсора, 300-400^oC;
R₁, R₂ - диаметр (размер) области диэлектрической мембраны и области нагревателя, соответственно;
W_m - ширина металлических электродов к области нагревателя.

В работе [2] представлено техническое решение, касающееся изготовления полупроводникового газового сенсора, где с целью снижения мощности потребления электрические подводы (электроды) к области нагревателя сенсора выполнены на кремниевых балочных выводах. При этом мощность потребления сенсора определяется длиной, поперечным сечением, теплопроводностью данных балочных выводов и составляет менее 200 мВт при температуре нагревателя 350^oC. Технология изготовления такого сенсора заключается в следующем: вначале, проводят легирование областей балочных выводов и формирование резистивных элементов нагревателя, газочувствительного элемента и контактных площадок на лицевой поверхности полупроводниковой пластины. Методом анизотропного травления в растворе KOH или этилендиамина селективно удаляют кремний. Затем проводят разделение пластины на кристаллы и посадку кристалла в корпус. При этом формируется структура сенсора, которую условно можно разделить:
1) на внешнюю кремниевую рамку (периферию), с расположенными на ней контактными площадками ("холодная" область, температура рамки в рабочем режиме сенсора не превышает 30^oC), являющуюся каркасом, обеспечивающим целостность мембраны сенсора, при разделении пластины на кристаллы,
2) на рабочую область сенсора (нагреватель), обеспечивающую рабочую температуру сенсора до 450^o C,
3) на области, обеспечивающие крепление рабочей области к внешней рамке, подвод электрической энергии к нагревателю, съем полезного сигнала с чувствительного слоя (в данной конструкции - кремниевые балочные выводы).

К достоинствам данной конструкции можно отнести высокую механическую прочность балочных выводов, обеспечивающих целостность кристаллов при разделении пластины на кристаллы. Основным недостатком является высокая мощность потребления (200 мВт), за счет высокой теплопроводности кремниевых балочных выводов ( λ_Si = 140 Вт/(м•град)). Дальнейшее снижение мощности потребления сенсора в такой конструкции возможно только за счет увеличения длины балочных выводов, что возможно при увеличении геометрических размеров кристалла или уменьшении ширины внешней рамки. И тот и другой вариант неприемлем, так как в первом случае резко снижается съем кристаллов с пластины, во втором - снижается механическая прочность кристалла.

Известно техническое решение, представленное в работе [3], в которой рассматривается устройство и способ изготовления полупроводникового газового сенсора с диэлектрической мембраной. От вышеприведенной конструкции ее отличает то, что вместо кремниевых балочных выводов используется тонкая, сплошная диэлектрическая мембрана. Низкая теплопроводность материала мембраны (оксинитрид, λ_ох = 2,5 Вт/(м•град)) позволяет снизить мощность потребления до 120/140 мВт при той же рабочей температуре, что и в [2]. Способ изготовления такого сенсора следующий: вначале на кремниевой пластине формируют диэлектрический слой для диэлектрической мембраны, на поверхности которого последовательно с применением процессов фотолитографии формируют нагреватель, газочувствительный элемент, контактные площадки, электрически связанные электродами с нагревателем и газочувствительным элементом. Формируют диэлектрическую мембрану путем анизотропного селективного травления кремния под рабочей областью нагревателя, до диэлектрического слоя мембраны, являющейся стопором от дальнейшего травления. Таким образом, образуются диэлектрическая мембрана и внешняя кремниевая рамка по краю кристалла - периферия подложки. Затем проводят разделение пластины на кристаллы, посадку кристалла (на периферию подложки) в корпус и разварку выводов. При этом нагреватель связан с контактными площадками, расположенными на периферии подложки ("холодная" область), электродами, располагающимися на области диэлектрической мембраны. Мощность потребления такого сенсора Q определяется как сумма мощностей рассеивания на области диэлектрической мембраны q₁ и на электродах q₂. Недостатком устройства является затруднения, связанные с дальнейшим снижением мощности потребления сенсора за счет уменьшения ширины внешней периферии подложки, что связано с запасом прочности кремниевой рамки - периферии подложки, необходимой на операции разделения пластины на кристаллы. Недостатком способа является наличие большой вероятности повреждения диэлектрической мембраны, из-за ее низкой механической прочности (толщина мембраны составляет 5-7 мкм), при разделении пластины на кристаллы и деформации мембраны за счет перепада давления на рабочей стороне сенсора и его обратной стороне в корпусе.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому изобретению является сенсор для определения концентрации компонентов в газовой смеси [4]. Сенсор включает диэлектрическую мембрану, области нагревателя, чувствительного слоя, электроды, контактные площадки и плату с рабочим окном. Газочувствительный и термочувствительный элементы отделены от нагревательного элемента вторым диэлектрическим слоем и расположены в тепловой зоне, причем нагревательный, термочувствительный и газочувствительный элементы образуют чувствительную часть сенсора. Контактные площадки элементов чувствительной части расположены за ее пределами и соединены с ними токопроводящими элементами - электродами. В подложке со стороны, противоположной рабочей, выполнено травлением глухое мембранообразующее отверстие под чувствительной частью сенсора, образующее диэлектрическую мембрану, так, что вся чувствительная часть сенсора находится на этой диэлектрической мембране. Кристалл сенсора расположен на плате (буферном теплостойком слое), в которой под диэлектрической мембраной равным ей по размеру выполнено сквозное отверстие, а со стороны, прилегающей к подложке, в плате выполнены компенсационные пазы, формирующие выступы, причем размеры и расположение выступов совпадают с проекцией контактных площадок на плату. Эти пазы позволяют выравнивать давление в воздушной полости под диэлектрической мембраной и над газочувствительным элементом, расположенным с рабочей стороны диэлектрической мембраны, что препятствует деформации мембранной многослойной структуры и обеспечивает возможность дополнительного снижения ее толщины для уменьшения мощности потребления. Температурный перегрев нагревателя относительно периферии многослойной структуры снижает рабочую температуру последней, что ограничивает тепловые утечки на подложку в плоскости теплового контакта диэлектрического слоя мембраны с рабочей стороны подложки, которые, в свою очередь, ограничиваются снижением площади теплового контакта до общей площади контактных площадок в плоскости соединения подложки с платой и увеличением теплового сопротивления. Плата (буферный теплостойкий слой) увеличивает локальный перегрев не менее, чем на 100 градусов. Резистивный термочувствительный элемент обеспечивает слежение за температурой подложки в зоне газочувствительного элемента, тем самым поддерживая рабочий температурный диапазон сенсора.

Недостатком такого сенсора является наличие периферийной зоны кристалла, что приводит к увеличению мощности потребления сенсора за счет увеличения рассеиваемой мощности на периферии подложки (эффект радиатора). Кроме этого, проблема повреждения мембраны при разделении пластины на кристаллы после формирования глухого мембранообразующего отверстия остается.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является дальнейшее снижение мощности потребления сенсора и устранение механического повреждения диэлектрической мембраны при разделении пластины на кристаллы и деформации диэлектрической мембраны при работе.

Решение поставленной задачи достигается тем, что полупроводниковый газовый сенсор, включающий диэлектрическую мембрану, выполненную полным стравливанием материала подложки (включая периферию), со стороны, противоположной диэлектрическому слою мембраны, на рабочей стороне которой последовательно сформированы нагреватель, второй диэлектрический слой, газочувствительный элемент, контактные площадки, расположенные на втором диэлектрическом слое, электрически связанные электродами с нагревателем, газочувствительным элементом и непосредственно электрически связанные с контактными площадками, расположенными на рабочей стороне платы, и сквозным отверстием, выполненным в плате, и расположенным напротив нагревателя. Совокупность признаков предлагаемого сенсора позволяет снизить мощность потребления, так как слой подложки удаляется полностью, включая периферию кристалла, и потери мощности связаны только с теплопередачей по электродам, осуществляющим электрическую связь между контактными площадками нагревателя и газочувствительного элемента. Практическая реализация заключается в том, что, сформировав на пластине кремния диэлектрический слой мембраны и на нем последовательно области нагревателя, второго диэлектрического слоя, газочувствительного элемента, электроды и контактные площадки, вначале проводят разделение пластины на кристаллы, осуществляют посадку кристалла на плату со сквозным отверстием, расположенным напротив области нагревателя, а затем проводят полное стравливание кремния подложки до диэлектрического слоя - мембраны. За счет этого исключается механическое повреждение диэлектрической мембраны при разделении пластины на кристаллы, так как еще не проводилось травление кремния при посадке на плату кристалла, а диэлектрическая мембрана еще не сформирована и защищена от повреждения слоем кремниевой подложки. К тому же такой полупроводниковый газовый сенсор не создает деформацию диэлектрической мембраны в процессе работы, так как диэлектрическая мембрана имеет воздушный поток с двух сторон, а именно, полностью открыта с обратной стороны и имеет непосредственный контакт с воздушной средой с рабочей стороны через сквозное отверстие в плате, а между контактными площадками диэлектрической мембраны и платы при соединении образуются пазы для свободного протекания воздуха. В дополнение ко всему сказанному, такой полупроводниковый газовый сенсор может рассматриваться как микросборка, где плата играет роль корпуса.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где приняты следующие обозначения: 1 - диэлектрическая мембрана со сформированной на ней структурой газового сенсора, 2 - нагреватель, 3 - второй диэлектрический слой, 4 - электроды, 5 - газочувствительный элемент, 6 - контактные площадки, 7 - плата, 8 - сквозное отверстие в плате, 9 - контактные площадки на плате, и состоит в том, что полупроводниковый газовый сенсор представляет собой устройство, включающее диэлектрическую мембрану (1), выполненную полным стравливанием материала подложки, включая периферию, со стороны, противоположной первому диэлектрическому слою мембраны, на рабочей стороне которой последовательно сформированы нагреватель (2), второй диэлектрический слой (3), электроды (4), газочувствительный элемент (5), контактные площадки (6), и плату (7) со сквозным отверстием (8) и контактными площадками (9), расположенными на плате. При этом рабочая сторона диэлектрической мембраны (1) расположена над рабочей стороной платы (7) таким образом, что области нагревателя (2) и газочувствительного элемента (5) находятся напротив сквозного отверстия (8), а контактные площадки (6), расположенные на диэлектрической мембране непосредственно электрически связаны с контактными площадками (9) платы (7). Контакт между площадками (6), расположенными на диэлектрическом слое (3) и контактными площадками (9) платы (7) может осуществляется через шариковые выводы, токопроводящий клей или припой методом "перевернутого кристалла", образует в такой конструкции выступы, между которыми свободно циркулирует воздух. Электрическое питание нагревателя и газочувствительного элемента осуществляется через контактные площадки (9), расположенные на плате (7). При подаче напряжения на контактные площадки нагревателя (2), повышается температура нагревателя и газочувствительного элемента (5). При достижении газочувствительным элементом (5) рабочей температуры, температура которого контролируется по изменению сопротивления нагревателя (2), повышение напряжения на нагревателе (2) прекращается. При определенной рабочей температуре на поверхности газочувствительного элемента (5) происходит термокаталитическое окисление различных газов. При этом изменяется величина сопротивления газочувствительного элемента (5) пропорционально концентрации газа, находящегося в воздушной среде. Изменение сопротивления газочувствительного элемента (5) в виде электрического сигнала снимается с контактных площадок (9), расположенных на плате (7). Тепловое поле сенсора локализовано в области нагревателя (2) и газочувствительного элемента (5). Температура контактных площадок (6, 9) превышает температуру окружающей среды не более чем на 20 градусов, что связано с высокой теплопроводностью металлических электродов (4). Однако при минимальном сечении электродов (0,2 на 10 мкм) и длине 450 мкм тепловые потери не превышают 10 мВт. Радиационные тепловые потери определяются размерами нагревателя (2). При размере нагревателя 100 на 100 мкм величина потерь не превышает 3 мВт. Другие радиационные тепловые потери практически отсутствуют, так как отсутствует периферийная область подложки. Сквозное отверстие (8), выполненное в плате (7), обеспечивает контакт газовой среды с поверхностью газочувствительного элемента (5). Плата (7) может быть использована не только для размещения мембраны (1) и обеспечения электрическим питанием нагревателя (2) и газочувствительного элемента (5), но и для размещения системы первичной обработки информации, снимаемой с газочувствительного элемента (5), а также системы управления температурой нагревателя (2).

Способ изготовления полупроводникового газового сенсора с низкой мощностью потребления заключается в нижеследующем. Пример: вначале на кремниевой пластине с диэлектрическим мембранным слоем (1) из оксинитрида толщиной в 5-7 мкм формируют последовательно структуру газового сенсора: нагреватель (2), второй диэлектрический слой (3), электроды (4), газочувствительный элемент (5), контактные площадки (6). Проводят разделение пластины на кристаллы любым из известных способов. Устанавливают кристалл, представляющий собой подложку со структурой газового сенсора, на плату (7) методом "перевернутого кристалла" так, что рабочая сторона диэлектрической мембраны (1) располагается над платой (7) таким образом, что области нагревателя (2) и газочувствительного элемента (5) находятся напротив сквозного отверстия (8), а контактные площадки (6), расположенные на диэлектрической мембране (1), непосредственно электрически связаны с контактными площадками (9) платы (7). При этом диэлектрический слой мембраны (1) со структурой сенсора находится на подложке и защищен от механических нагрузок, возникающих на этапах разделения и установки на плату (7). Затем проводят полное травление кремния подложки с оборота до диэлектстрической мембраны (1). При этом травление кремния можно проводить, погружая плату (7), выполненную из алюмооксида или ситалла, с установленным на ней кристаллом, представляющим подложку, на которой сделана структура сенсора, целиком в раствор подогретого этилендиамина или гидразингидрата. Наличие сквозного отверстия (8) в плате (7), позволяет проводить формирование газочувствительного элемента (5) и после проведения травления кремния подложки, путем напыления, в этом случае проводят отжиг газочувствительного слоя нагревателем сенсора. Рассмотрим, на сколько снижается мощность потребления данного полупроводникового газового сенсора по сравнению с сенсором, использованным в прототипе. Полупроводниковый газовый сенсор прототипа имеет мембранообразующую область, на которой расположены области нагревателя, электродов и газочувствительного элемента. Выполнено селективное травление кремния подложки с образованием по периметру кристалла периферии из кремния - кремниевой рамки. Кроме того, оставлен для механической прочности некоторый слой кремния в области мембранообразующего отверстия. Затем произведено разделение пластины на кристаллы и соединение подложки с платой (буферным теплостойким слоем), в которой под мембранообразующим отверстием в подложке выполнено сквозное отверстие и компенсационные пазы. При этом в рабочем режиме за счет толщины диэлектрической мембраны и ее размера получается теплоканализационный эффект, увеличивающий перегрев элементов в тепловой зоне относительно периферии не менее, чем на 50 процентов. Воздушная полость в мембранообразующем отверстии, компенсационные пазы в плате уменьшают тепловые утечки и препятствуют деформации диэлектрической мембраны. А плата увеличивает температурный перегрев еще не менее чем на 100 градусов. Если взять для примера следующие размеры: размер кристалла 3000 на 3000 мкм, области нагревателя 100 на 100 мкм, области диэлектрической мембраны, образованной травлением кремния в мембранообразующей области до диэлектрического слоя мембраны, 900 на 900 мкм. Расстояние от края нагревателя до периферии подложки 400 мкм, от края нагревателя до контактной площадки - 1200 мкм. Кристалл после травления кремния подложки в области мембраны и разделения на кристаллы устанавливается в корпус на периферию подложки. При температуре окружающей среды в 20^oC расчетная мощность потребления данного сенсора согласно формуле [1] составит 80 мВт, что соответствует экспериментальным измерениям аналогичных конструкций с точностью до 10 процентов. Аналогичные расчеты для сенсора без периферии подложки из кремния, при расстоянии от края нагревателя до холодной части (контактные площадки) в 1200 мкм, показывают снижение мощности потребления в 1,5 раза.

Способ получения заявленного полупроводникового газового сенсора следующий: вначале на кремниевую пластину методом осаждения диэлектрика из газовой фазы при пониженном давлении наносится диэлектрический мембранный слой (1) из оксинитрида толщиной 5-7 мкм, после чего на нем методами фотолитографии и напыления формируют платиновый нагреватель (2). Затем на область нагревателя (2) проводят низкотемпературное плазмохимическое осаждение двуокиси кремния - диэлектрический слой (3). Методами фотолитографии и напыления платины проводят формирование платиновых электродов (4) к областям нагревателя (2) и газочувствительного элемента (5). Толщина платинового слоя электродов и нагревателя 0.1 мкм. Методом фотолитографии вскрывают окна к нагревателю (2). На данном этапе изготовления возможно формирование газочувствительного элемента (5), при необходимости формирование газочувствительного слоя можно проводить после установки кристалла на плату, используя сквозное отверстие (8) в плате (7) в качестве маски при напылении чувствительного слоя. Затем проводят разделение пластины на кристаллы и посадку кристалла на плату (7) методом "перевернутого кристалла" так, что соответствующие контактные площадки (6), расположенные на втором диэлектрическом слое (3), и контактные площадки (9) платы (7) соединяются между собой за счет шариковых выводов. Плата (7) представляет собой ситалловую подложку, в которой методом травления выполнено сквозное отверстие (8). Методами напыления и фотолитографии выполнены никелевая разводка и контактные площадки (9), совмещенные со сквозным отверстием (8). Контактные площадки (9) платы (7) расположены напротив контактных площадок сенсора (6), расположенных на втором диэлектрическом слое (3), а сквозное отверстие (8) расположено напротив области нагревателя (2). Установку кристалла на плату (7) можно производить не только на облуженные медные шарики, но и на токопроводящий клей или припой, предварительно нанесенный на контактные площадки (9) платы (7). Затем проводят полное травление слоя кремния подложки путем травления кремния в растворе этилендиамина, подогретым до температуры 100-110^oC. Плата (7) с установленным кристаллом погружается целиком в раствор. После травления проводят контроль электрических характеристик полупроводникового газового сенсора, включая мощность потребления. Поставленная задача снижения мощности потребления и исключения механического повреждения мембраны на этапе разделения пластины на кристаллы, а также выравнивания давления с двух сторон диэлектрической мембраны в процессе работы решена в предложенном полупроводниковом сенсоре и способе его изготовления.

Источники информации
1. Н.С. Пискунов. Дифференциальное и интегральное исчисления. М.: Наука, 1970, глава XVIII, с. 400-401.

2. A. Grisel, V.Demarne. Fabrication of Integrated Thin Film Semiconductor Gas Sensors. In T. Seiyama (ed.). Chemical Sensor Technology, Vol. 2, Elsevier, Amsterdam/ Kodansha, Tokyo, 1989, pp. 43-57.

3. Sensors and Actuators, 13, 1988, pp. 301-313. V.Demarne, A.Grisel. An Integrated low-power thin -film CO Gas Sensor on Silicon.

4. RU 2093821 C1, G 01 N 27/12, 20.10.97. Датчик для определения концентрации компонентов в газовой смеси - прототип.

Claims (2)

1. Полупроводниковый газовый сенсор, включающий диэлектрическую мембрану, области нагревателя, чувствительного слоя, электроды, контактные площадки, плату с рабочим окном и контактными площадками, отличающийся тем, что диэлектрическая мембрана расположена над платой таким образом, что области нагревателя и чувствительного слоя находятся напротив рабочего окна платы, а контактные площадки, расположенные на диэлектрической мембране, непосредственно электрически связаны с контактными площадками платы.

2. Способ изготовления полупроводникового газового сенсора, включающий формирование на кремниевой пластине диэлектрического слоя мембраны, областей нагревателя, чувствительного слоя, электродов и контактных площадок методом фотолитографии, травления кремния и разделения на кристаллы, отличающийся тем, что разделение кремниевой пластины на кристаллы производят перед травлением кремния, проводят установку каждого кристалла на плату с рабочим окном и контактными площадками так, что соответствующие контактные площадки кристалла и платы непосредственно электрически связаны друг с другом, а чувствительный слой кристалла располагается над рабочим окном платы, затем проводят травление кремния до диэлектрического слоя мембраны.