автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка, изготовление и исследование основных конструктивных элементов бинарного матричного тактильного датчика

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ '1ЕХШ11Ш (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Сг. а-

се о

СЧ/

На правах рукописи Экз. »

ГОДОВИЦЫН ИГОРЬ ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ БИНАРНОГО МАТРИЧНОГО ТАКТИЛЬНОГО ДАТЧИКА

Специальность OS.27.Oi - Твердотельная электроника,

микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997 г.

Работа выполнена в Московском Государственном институте электронной техники

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Парыенов Ю.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Мочалкина O.P., МИФИ, кандидат физико-математических наук, доцент Филиппов Е.И., НИИ ФИ

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт Молекулярной электроники

Защита диссертации состоится ___1997г.

на заседании диссертационного совета Д 053.02.02 Московского Государственного института электронной техники по адресу: 103489, г. Москва, К-489, МГИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ Автореферат разослан *_*_1997г

Учений секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор____В Л. Врлков

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации. Современное автоматизированное производство предъявляет высокие требования к гибкости робототехнических систем. Одним из способов повышения гибкости является корректировка действий производственного робота на основе информации об обрабатываемом объекте, получаемой с помощью систем искусственного восприятия: визуального, тактильного, теплового и др. Оснащение роботов тактильным восприятием осуществляется путем использования тактильных датчиков - в том числе матричных тактильных датчиков (МТД), которые предназначаются для получения информации о рельефе поверхности. Развитие интегральной кремниевой технологии сделало возможным реализацию МТД на основе интегральной схемы. Основными преимуществами интегральных МТД являются простота монтажа, обусловленная ог-раниченностьо числа внешних выводов, хорошая совместимость с ком-пыотерными системами обработки данных, возможность регулировки временных и динамических параметров. На основе интегрального МТД может быть создана система оперативного снятия и обработки отпечатков пальцев. Интегральный МТД вместе с обрабатывающей ИС и схемой памяти может быть использован в конструкции дверного, сейфового, автомобильного или другого замка, который будет реагировать только на рисунок пальца владельца. Аналогичная схема может быть вмонтирована в огнестрельное оружие с целью предотвращения несчастного случая или несанкционированного применения. Интегральный МТД может также применятся при исследовании морфологии поверхности и в дефектоскопии.

Однако при разработке конструкции и технологии изготовления интегральных МТД возникает ряд проблем:

Во-первых, несмотря на значительное количество разработанных и изготовленных конструкций чувствительных элементов (ЧЭ) и МТД, основной параметр МТД - величина пространственного разре-

шения - пока не удовлетворяет требованиям, предъявляемым большинством применений. Лучшее значение пространственного разрешения МТД на основе интегральной схемы в данное время составляет 0.25 мм.

Во-вторых, технология изготовления большинства предложенных ЧЭ плохо совмещаются с технологией изготовления интегральных схем - главным образом из-за необходимости применения нестандартных материалов и операций, а также операций индивидуальной обработки.

В-третьих, конструкции ЧЭ, технология изготовления которых совмещается с технологией изготовления интегральной схемы, в силу своего принципа действия имеют недостаточные возможности уменьшения размеров ЧЭ, что ограничивает пространственное разрешение МТД.

В-четвертых, для интегральных МТД не решена задача формирования защитного покрытия, обладающего одновременно хорошими защитными свойствами и высоким коэффициентом пропускания механического сигнала.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке конструкции и технологии изготовления бинарного МТД высокого уровня пространственного разрешения на основе кристалла интегральной схемы.

Целью диссертационной работы являлась разработка конструкции и технологии изготовления интегрального бинарного МТД высокого уровня пространственного разрешения с характеристиками, не уступающими лучшим мировым разработкам, и возможностью реализации на стандартном отечественном оборудовании Планерной кремниевой технологии.

Научная новизна работы определяется следующим:

1. Проведен анализ конструктивно-технологических решений, реализованных в интегральных МТД, и показана принципиальная

возможность изготовления без существенного усложнения стандартного технологического маршрута интегральной схемы, содержащей-наряду со структурами р- и п-МНОЛ-транзисторов структуры п-МНОП-баротранзисторов с шагом расположения 35-40 мкм.

2. Установлены экспериментальные зависимости величины и градиента встроенных механических напряжений в пленках поликремния, получаемых на установке осаждения "И30ТР0Н-4" от основных параметров режимов осаждения и отжига.

3. Установлены закономерности изменения электро-физичес-ких параметров п-МНОП-транзистора с "открытым" каналом при проведении технологических операций и обработок заключительного этапа формирования интегральной структуры кристалла МТД.

4. Разработаны критерии выбора защитного покрытия МТД. Проведен анализ материалов и показано, что в наибольшей степени данным критериям удовлетворяют полиэтилентерефталатные пленки.

5. Исследован процесс термокомпрессионного приваривания полиэти^энтерефталатной пленки к основным типам материалов, используемым в интегральных схемах, и установлены эксперимен-та-ры-ше зависимости величины адгезии от параметров процесса.

Практическая ценность работы.

1. Разработана конструкция и технология изготовления бинарного МТД высокого уровня пространственного разрешения на основе кристалла интегральной схемы.

2. Проведены экспериментальные исследования встроенных механических напряжений в пленках поликремния, получаемых на промышленных установках "Изотрон-4", и получены пленки с минимальной величиной встроенных механических напряжений. Изготовлены поверхностные поликремниевые микромеханические структуры консольного, балочного и мембранного типов.

3. Проведены экспериментальные исследования влияния ос-

hobhux технологических обработок на электро-физические параметры п-МНОП-транзистора с "открытым" каналом.

4. Разработан процесс формирования защитного покрытия кристалла МТД из полизтилентерефталатной пленки квазигрупповым способом.

5. Проведена экспериментальная оптимизация режимов термокомпрессионного приваривания полизтилентерефталатной пленки к слоям поликремния, нитрида кремния и окисла кремния.

Автор защищает:

1. Конструкцию бинарного МТД высокого уровня пространственного разрешения на основе кристалла интегральной схемы.

2. Технологический маршрут формирования интегральной структуры кристалла МТД и результаты численного моделирования.

3. Результаты изготовления и экспериментального исследования основных элементов конструкции n-МНОП-баротранзистора с поликремниевым затвором.

4. Конструкцию и технологию формирования защитного покрытия кристалла ЫТД на основе полизтилентерефталатной пленки.

5. Результаты исследования процесса термокомпрессионного приваривания полизтилентерефталатной пленки к основным материалам, используемым в интегральных схемах.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации доложены на Межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика-96", март 1996, г.Москва, И1-ем международном семинаре "Микросистемы для экологического мониторинга" (Illrd NEXUSPAN Workshop on Microsystems in Environmental Monitoring), декабрь 1996, г. Москва и отражены в публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 171 страницу, включая 84 рисунка и фотографии и 64 библиографические ссылки.

- 7 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулирована цель работы и приведено краткое содержание диссертации.

Первая глава посвящена обзору работ, содержащих описание различных конструктивных принципов технологий изготовления ЧЭ и МТД. Рассмотрен принцип действия и области потенциального применения МТД. Проанализированы конструктивные особенности МТД и сформулированы основные требования к параметрам и конструкции МТД. Рассмотрена зависимость параметров МТД от типа ЧЭ и способы адаптации МТД для конкретного применения. Проведен анализ конструкций ЧЭ по величине пространственного и силового разрешения и технологической совместимости с технологией ИС и показано, что наиболее перспективными с точки зрения использования в конструкции ЧЭ ячейки МТД являются поверхностные микромеханические структуры (ПМС), обладающие высокой механической чувствительностью и широкими возможностями уменьшения геометрических размеров и использующие стандартные процессы и материалы интегральной технологии. Установлено, что в конструкциях ЧЭ. известных на настоящий момент времени, в основном исполь-зухгся ПМС двух типов:

" - микромембрана или микробалка, которая является верхней 'обкладкой конденсатора с воздушным зазором;

- микромембрана, на которой из слоя поликристаллического кремния сформирован мост тензорезисторов.

Рассмотрены основные направления разработок конструкций ЧЭ и влияние использования интегральной схемы на стоимость МТД. На основании результатов анализа литературных источников сформулированы конкретные цели исследований и разработок.

Вторая глава посвящена разработке конструкции и технологии изготовления бинарного МТД высокого уровня пространственного разрешения на основе кристалла интегральной схемы.

Основным недостатком вышеописанных конструкций ЧЭ является ограниченная возможность уменьшения размеров мембранной ПМС - в первом случае из-за необходимости сохранения рабочей величины емкости, минимальная детектируемая разница которой составляет доли фемтофарада, во втором - из-за относительно больших размеров резисторов и необходимости-формирования на мембране элементов металлизации. Кроме того, обе вышеописанные конструкции ЧЭ имеют пассивный выходной сигнал, требующий для обработки преобразования в активный.

Для получения ЧЭ с высоким уровнем пространственного разрешения, высокой механической чувствительностью и активным выходным сигналом была разработана ячейка ЧЭ на основе п-МНОП-баротранзистора. Ячейка представляет собой п-МНОП-транзистор, затвор которого выполнен в виде мембранной ПМС. Микромембрана образует над областью канала пространство, изолированное от окружающей среды и играющее роль диэлектрического слоя переменной толщины. Микромембрана имеет электрический контакт со стоком п-МНОП- баротранзистора; при подаче потенциала на затвор п-МНОП-баротранзистор переходит в режим насыщения. Приложение механической нагрузки к микромембране приводит к уменьшению толщины воздушного зазора, модуляции проводимости канала и протеканию тока через баротранзистор. Баротранзистор считается открытым, когда величина выходного тока составляет не менее 10 мкА и закрытым в противоположном случае и функционирует как ключ, регистрируя наличие или отсутствие нагрузки.

Ла основе п-МНОП-баротранзистора была разработана организация ЧЭ бинарного МТД (рис.1). Затвор каждого баротранзистора в ряду соединяется с адресной шиной, исток каждого транзистора в столбце - с разрядной. Считывание информации с баротранзистора с координатами (Х,У) производится путем подачи высокого потенциала на адресную шину У и регистрации состояния разрядной шины X.

Рис. 1.

Процесс опроса матрицы ЧЭ аналогичен считыванию информации в ИС памяти.

В известной на настоящий момент реализации п-МОП-баротран-зистора микромембрана состоит из двух слоев плазмохимического низкотемпературного нитрида кремния, между которыми заключен алюминиевый электрод затвора. Недостатком данной конструкции являются ограниченные возможности уменьшения размеров микро-мембранц из-за относительно большой площади электрода затвора и неоднородной жесткости мембраны. Анализ конструкции и топо-. локш баротранзистора показывает, что для уменьшения размеров ячейки ЧЭ до нескольких десятков микрометров микромембрана должна обладать как упругими, так и проводящими свойствами. На основании результатов анализа и расчета чувствительности квадратной мембраны в качестве материала микромембраны был выбран легированный поликристаллический кремний.

С целью получения дополнительных возможностей уменьшения размеров ячейки электрический контакт, между поликремниевым затвором и стоком баротранзистора был внесен непосредственно в ячейку ЧЭ. Это позволило избежать использования металлизации в ячейке ЧЭ и упростить технологический цикл ее формирования. Ад-

ресные шины ЧЭ образуются соединенными между собой микромембранами из легированного поликремния. Функцию разрядной шины выполняет диффузионная область истока, являющаяся общей для баротранзисторов в одном столбце. Соединение адресной и разрядной шин с шинами металлизации осуществляется вне области матрицы.

Структура и технологический цикл формирования ячейки ЧЭ на основе п-МНОП-баротранзистора имеют следующие особенности и ограничения:

- наличие электрического контакта между затвором и высоколегированной области истока;

- отсутствие самосовмещения областей стока-истока с затвором;

- использование жидкостного вытравливания опорного слоя с высокой селективностью к слоям подзатворного диэлектрика и затвора;

- увеличенное расстояние между контактом к затвору п-МНОП-баротранзистора и контактами к области истока.

В силу того, что ячейка ЧЭ построена на основе п-МНОП-баротранзистора и имеет цифровую форму выходного сигнала, для построения схемы обработки был выбран КМОП-базис. В качестве основы технологического цикла формирования интегральной структуры МТД был использован технологический цикл изготовления КМОП БМК 1515ХМ1. На основании конструктивно-технологического анализа структур п-МНОП-баротранзистора и п- и р-МОП-транзисторов было проведено технологическое и маршрутное совмещение циклов изготовления транзисторов и сформирована последовательность операций формирования интегральной структуры МТД. Основными отличительными чертами разработанной интегральной структуры МТД (рис. 2) являются:

- подзатворнш"! диэлектрик, состоящий из слоев термического

БЮг и получаемого высокотемпературным химическим осаждением 31зН4;

- несанесовмещенные относительно затвора области стока-истока транзисторов;

- контакт поликремниевого затвора к стоку п-МНОП-баротран-зистора в ячейке ЧЭ.

1 - разрядная шина; стоком баротранзистора;

2 - канал травления; 6 - адресная шина;

3 - воздушный зазор; 7 - п-МНОП-транзистор;

4 - мембрана баротранзистора; 8 - р-МНОП-транзистор;

5 - контакт между затвором и 9 - контактная площадка.

Рис. 2.

/Разработанный технологический маршрут изготовления интегральной структуры МТД на кремнии КЭФ-4.5 (100) имеет следующие ' отличительные особенности;

- формирование изоляции LOCOS с заглублением;

- подлегирование областей канала n-МНОП-баротранзистора и р-МНОП-транзистора;

- формирование с использованием отдельных фотолитографических операций контактного окна к стоку п-МНОП-баротранзисто-ра и опорной структуры;

- совмещенное формирование затворов МНОП-транзисторов и п-МНОП-баротранзистора;

- одновременное вскрытие контактных площадок и области

матрицы после осаждение пассивирующего слоя ФСС;

- удаление опорного слоя и "запечатывание" микромембран;

- вскрытие контактных площадок и области матрицы. Результаты совмещения технологических маршрутов формирования баротранзистора и схемы обработки приведены в таблице 1.

Таблица 1. .

Кол-во операций ф/л Технологический маршрут формирования

КМНОП ИС п-МНОП-баротр-р ИС мтд

всего 11 12 17

кгитичные 3 5 • . 6 -

Величина порогового напряжения (Ут) п-МНОП- баротранзистора имеет линейную зависимость от величины воздушного зазора (рис. 3), которая определяется величиной порогового напряжения баротранзистора при нулевом воздушном зазоре (Чт) и наклоном прямой у. При использовании стандартного напряжения питания (5 В) начало инверсии проводимости в канале определяется порого-

Рис. 3.

вой толщиной воздушного зазора (с1т), при которой станет равным 5 В. Для уменьшения силы электростатического притяжения между затвором и областью канала и создания максимального запаса по перегрузке микромембраны величина <1,. должна быть максимальна, Р то же время значение V- должно быть технологически воспроиз-

• - 13 -

водимым. Проведенные с учетом данных ограничений расчеты показали, что оптимальная величина УТо лежит в интервале 0.3-0.5 3. Анализ влияния разброса физических параметров структуры п-МНОП-баротранзистора на УТо показал, что для регулировки значения VTíl наиболее приемлемо использование легирования области канала малой дозой фосфора. Оптимизированные параметры структуры п-МНОП-баротранзистора приведены в таблице 2.

Таблица 2.

ут». В Ма, см'3 Бр, мкКл Е мкм N55, см'2 с!т, мкм

0.41 1.01016 0.05 • 425 0.12 5-10ю 0.1980

С учетом технологического разброса процесса осаждения йЮ2, используемого в качестве опорного слоя, чувствительность баро-транзистора определяется величиной нагрузки, необходимой для изменения величины воздушного зазора на 530 А (от 1980 до 1460 А). На рис, 4 приведена зависимость тока п-МНОП-баротранзистора ячейки МТД от величины воздушного зазора при И/Ь-6: '

Состояние равновесия микромембраны баротранзистора под нагрузкой описывается следующим выражением:

£о • V,;2

Ё51. ' ь . 0.0152 • а2 • [1 - V2]

(<*о " *) -

р • а +

(1)

2 • (х + с1а)2

где Егь и у - соответственно модуль Юнга и коэффициент Пуассона поликристаллического кремния, Ег1.-1.67-10п Н/м2, у-0.3; Ь, а - соответственно толщина и сторона мембраны, м; <30 - начальная величина воздушного зазора, м; р - прикладываемое давление, Па; Бк - площадь области канала, м2; Уа - напряжение на затворе, В;

- приведенная толщина слоев БЮг и 6^-^/^+62/^2, м.

1т, мкА 100

V то«« 0.41 В

80

60

40

20

О

О 0.1 0.2 0.3 0.4 с*, мкм Рис. 4.

Второй член в правой части выражения (1) описывает силу электростатического притяжения между областью канала и микромембраной; для ее уменьшения площадь канала должна быть минимальна. Требование минимальных геометрических размеров канала накладывается также необходимостью расположения канала в области наименьшего размера под центром мембраны. В то же время отношение И/Ц определяющее . крутизну баротранзистора, должно быть максимальным для достижения высокой механической чувствительности и широкого диапазона нагрузки. При выборе формы и размеров области канала в качестве основного технологического ограничения рассматривалась боковая диффузия примеси из областей стоков и истоков при проведении подзатворного окисления. Г-образная конфигурация области канала с И/Ь равным 5 была признана оптимальной; расчетная длина канала баротранзистора составила 1.5 мкм.

На рис. 5 приведена разработанная топология ячейки МТД. Размеры ячейки МТД в нормах контактной и проекционной фотолитографии составили соответственно 38*38 мкм2 и 34*34 мкм2.

Расчет электрофизических параметров МНОП-транзисторов проводился с помощью программы технологического моделирова-

ния FAKT, В таблице 3 приведены некоторые электрофизические параметры транзисторов и данные по режимам их формирования.

Рис. 5.

Таблица 3.

п-ЫНОП- п-МНОП- р-МНОП-

баротран- транзис- транзис-

зистор тор тор

Доза легирования канала, мкКл 0.05, фосфор 0.02, бор

Пороговое напряжение, В 0.41 (VTn) 1.08 -1.04

Глубина областей стока и 0.93 0.93 1.1

истока, мкм

Величина боковой диффузии 0.65 0.65 0.77

примеси, мкм

На рис. 6 представлена разработанная функциональная схема ТД. Счетчики СЧ„+1 и СЧЛ имеют разрядность соответственно п+1 и т предназначены для синхронизации процессов опроса матрицы и аредачи данных. Последовательный и параллельный регистры ПСР ПР имеют п разрядов и предназначены для хранения данных, чвиговый регистр СР имеет т разрядов и предназначен для выбора пресной шины (АШ) и подачи на нее высокого потенциала. Буферные

каскады БК предназначены для усиления сигнала. На Сч„»1 подается тактовая частота, опрос матрицы происходит за (п+1) ш импульсов. Для обнуления информации к разрядным шинам подключены п-МНОП-транзисторы, управляемые импульсом выбора строки. Во внешнее устройство передаются импульсы кадра, строки и данных.

Рис. 6.

Кристалл МТД имеет 6 контактных площадок: "земля", "питание", тактовая частота, канал передачи данных, канал импульса строки и канал импульса кадра. Разработанная конструкция МТД на основе кристалла интегральной схемы имеет следующие особенности:

- бескорпусной монтаж кристалла;

- наличие у ЧЭ защитного покрытия;

- минимальный рельеф выводов над поверхностью ЧЭ.

На рис. 7 приведен разработанный конструктивный вариант МТД. С целью снижения стоимости и трудоемкости сборки формирование защитного покрытия проводится квазигрупповым способом -

на каждом кристалле на пластине. Цикл сборки МТД состоит из следующих основных этапов

- формирование защитного покрытия кристаллов МТД;

- разделение пластины на кристаллы;

- монтаж кристалла на подложку;

• - соединение кристалла электродными выводами с металлическими шинами подложки (разварка);

- защита электродных выводов.

, „ защитное контактная

схема обработки матрица ЧЭ покрытие площадка проводник шина

____^ ^ /

подложка кристалл МТД фиксирующая композиция Рис. 7.

Защитное покрытие должно обладать хорошими защитными свойствами, высокой механической гибкостью и технологичностью. На основании разработанных критериев выбора материала для защитного покрытия было показано, что вышеприведенным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют полимерные пленки. Для формирования защитного покрытия МТД с помощью термокомпрессионного приваривания был разработан технологический цикл, включающий следующие основные этапы:

- создание под пленкой, наложенной на пластину с кристаллами, пониженного давления;

- термокомпрессионное приваривание пленки к поверхности пластины в области ЧЭ кристалла;

- удаление неприваренной части пленки.

Третья глава посвящена изготовлению и исследованию основных конструктивных элементов н-МНОП-баротранзистора.

Наиболее важным элементом n-МНОП-баротранзистора является поликремниевая микромембрана. Формирование микромембраны производится в одном технологическом цикле с формированием затворов МНОП-транзисторов. Для получения заданных механических и электрических параметров n-МНОП-баротранзистора пленка поликремния, из которой формируется микромембрана, должна удовлетворять следующим требованиям:.

- минимальный уровень встроенных механических напряжений и градиента напряжений по толщине пленки;

- низкое поверхностное сопротивление.

Исследование встроенных механических напряжений в пленках поликремния, получаемых с помощью промышленной установки осаждения' "ИЗОТРОН-4", проводилось на базе тестового кристалла, предназначенного для отработки технологии формирования ПМС. Цикл формирования поликремниевых ПМС включал следующие основные этапы:

- осаждение слоя Si3N4 (0.15 мкм) и вскрытие контактных окон;

- осаждение слоя Si02 (1.0 мкм) ' и формирование опорных структур и -контактных окон;

- осаждение слоя поликремния (1.0 мкм), легирование и формирование рисунка структур;

- вытравливание опорного слоя окисла.

Для предотвращения "прилипания" поликремниевых ПМС к подложке использовалась отмывка пластин в разбавленном фоторезисте; в качестве разбавителя использовался ацетон. Величина и градиент встроенных механических напряжений рассчитывалась по прогибу ПМС балочного и консольного типов; выражения для о и о/h приведены ниже:

о - 2 • ESl. •

Л1 +

6 • f

'(Ï

dx - L

/ L [МПа],

где L и f - соответственно длина и величина прогиба середины балки, м;

о / h - 2 ■ а ■ 2Esi' у • — J / h [МПа/мкм], { а + 1 2)

где 1 и h - соответственно длина и толщина консоли, мкм;

а - величина изгиба консоли, мкм.

Осаждение поликремния проводилось при давлении 30 Па, расходе силана 25 л/час и температурах 580, 605, 610, 620, 630 и 645°С. Отжиг ПМС после формирования проводился в атмосфере азота. Исследование зависимости о и a/h от температуры осаждения показало наличие в пленке во всем температурном диапазоне сжимающих напряжений порядка 200 МПа. Величина градиента механических напряжений имела переход через нуль при температурах 580-590°С, и составила 31 МПа/мкм при температуре осаждения 630°С. Результаты исследования зависимости величины механических напряжений от положения пластины в реакторе согласовывались с температурной зависимостью.

Исследование зависимости a и a/h от температуры отжига после осаждения показало значительное уменьшение уровня встроенных механических напряжений за счет рекристаллизации поликремния и "стягивания" пленки (рис. fi). Зависимость a от времени отжига имела насыщение. Устранение сжимающих напряжений было достигнуто после отжига при температуре 1150°С в течение 15 мин; величина остаточного градиента напряжений, обусловленного неоднородным строением пленки в объеме и в интерфейсном слое, составила при данном отжиге 3.2 МПа/мкм. С использованием высокотемпературного отжига были сформированы ПМС балочного типа цлиной от 350 до 600 мкм и шириной от 4.5 до 12 мкм и ПМС кон-:ольного типа длиной до 150 мкм с минимальным' уровнем встроен-!ых механических напряжений.

о -50 -100 -150 -200< -250

900 950 1000 1050 1100 1150 1200 W°C Рис. 8.

С целью получения пленок голикремния с низким уровнем напряжений при более низких температурах отжига было исследовано влияние времени внутриреакторного отжига на величину и градиент встроенных напряжений. Величина напряжений после отжига при температуре 630°С в течение 4-х часов составила 17 МПа, градиент напряжений - 49 МПа/мкм; зависимость о от времени отжига имеет асимптотический характер. Данный результат объясняется более активным протеканием рекристаллизации при пониженном давлении и отсутствии окисляющей среды; это подтверждается так-же-увеличением градиента напряжений.

Исследование влияния степени легирования поликремния на величину и градиент механических напряжений проводилось с использованием ионной имплантации фосфора и диффузионного легирования. Исследования показали, что диффузионное легирование приводит к значительному повышению уровня механических напряжений в пленке поликремния; использование высокотемпературного отжига не приводило к устранению напряжений. Данный результат объясняется увеличением удельной атомной плотности пленки. Легирование поликремния большими дозами фосфора (1000 и 2000

мкКл) приводило к аналогичным результатам. В результате оптимизации доза легирования составила 30-50 мкКл. На основании экспериментальных результатов был сформирован технологический микроцикл обработки пленки поликремния для получения микромембранных структур:

- осаждение поликремния, dSl,-0.45-0.5 мкм;

- отжиг в реакторе, Т«630°С, 4 часа;

- ионная имплантация фосфора, D-50 мкКл, Е-60 кэВ;

- отжиг, Т-950°С, t-ЗО мин, N2.

Отжиг после имплантации фосфора проводился для активации примеси и снижения величины градиента механических напряжений; слоевое сопротивление пленки поликремния после обработки составляло 1.0-1.5 кОм/кв. На рис. 9 приведена микрофотография мембранной структуры с размерами 25*25 мкм2.

Также были проведены исследования температурной ста-илыюсти встроенного заряда в пленках и влияния основных ехнологических обработок на электрофизические параметры трап истора с "открытым" каналом. В качестве объекта исследования

использовались тестовые структуры п-МНОП-транзисторов с затворами в виде поликремниевых ПМС консольного типа. Последовательность формирования данных структур аналогична последовательности формирования п-МНОП-баротранзистора с мембранным ЧЭ, в то же время использование консольных структур сокращает время подготовки образцов.

Изготовление транзисторных структур показало наличие в пленке Б^зЫл встроенного заряда величины -9-10и см'2, приводящего к смещению порогового напряжения. На рис. 10 приведена зависимость порогового напряжения п-МНОП-транзисторов с двумя типами подзатворных диэлектриков - ЗЮ2/31зН4 - 450 А/0.15 мкм ("закры-

Рис. 10.

тый" канал)' - иТ1 и БЮг^з^/ЗЮг - 450 А/0.15 мкм/0.4 мкм ("открытый" канал) - иТ2> отношение 200/20 - от температуры отжига в атмосфере азота. Из рисунка видно, что заряд имеет хорошую стабильность в диапазоне температур 850°С-1000°С, в котором проводится отжиг пленки поликремния при формировании интегральной структуры МТД.

Легирование канала транзисторов малыми дозами фосфора

фиводило к снижению КТ1 до 1.0-1.3 В, 11Г; до 1215 В. Изготовление 'естовых структур показало, что жидкостное вытравливание опор-юго окисла вносит отклонение в среднее значение порогового тпряжения и влияет на разброс порогового напряжения транаис-■оров с "открытым" каналом, предположительно, за счет наличия >статков травителя на поверхности 31зН4 в области канала. Варна■ 1ИЯ иТг после вытравливания составила 41%. Увеличение времени ■тмывки в деионизованной воде до 3-х часов приводило к сниже-:ию вариации 11т, до 9.1%. Использование отмывки в горячен еионизованной воде (50°С) также приводило к уменьшению разбра а; вариация иТ;1 составляла 7.5%.

Исследование влияния обработки в кислородной плазме на ороговое напряжение п-МНОП-транзисторов с "открытым" каналом оказало смещение величины порогового напряжения и уменьшение азброса; после обработки вариации иТ2 составляла 6.3%. Данный ффект был объяснен перераспределением заряда по поверхности в области канала под воздействием плазмы и повышенной тем-ературы.

Отжиг п-МНОП-транзисторов с "открытым" каналом При темпера-д?е 450°С в атмосфере азота также приводил к смещению порсго-эго напряжения и уменьшению величины разброса. Характер зави-амости и1аот времени отжига определялся процессами релаксации »ряда на поверхности 31зМ4 при быстром отжиге и внесением зоря-1 за счет диффузии азота при длительном отжиге. Эксперименты эказали, что последовательная плазменная и термическая обра-зтка пластин позволяет регулировать пороговое напряжение п-гЮП-транзисторов с "открытым" каналом.

В результате п-МНОП-транзисторы, прошедшие полный цикл зрмирования структур с "открытым" каналом, имели значение иТг (вное 0.9 В и вариацию распределения 7.2% при исходной 5.5%.

Четвертая глава посвящена исследованию и оптимизации процесса термокомпрессионного приваривания полиэтилентерефталат-ной пленки.

Для проведения термокомпрессионного приваривания был разработан и изготовлен макет установки, состоящей из опоры, направляющих, груза и термоэлемента. Приваривание выполнялось путем помещения термоэлемента на пластину с пленкой и создания на нем давления с помощьр груза. Температура термоэлемента измерялась с помощью термопары. Для приваривания использовались образцы пленок размером 10*50-100 мм2. Величина адгезии между приваренной пленкой и подложкой измерялась путем нагружения свободного конца пленки до отрыва.

Предварительные эксперименты, проведенные с пленками из полиэтилена высокой плотности, полиэтилентерефталата (лавсана) и фторопластов Ф-3, -4 и -62, показали, что оптимальным набором защитных и технологических свойств обладают лавсановые пленки. Исследования термокомпрессионного приваривания лавсановой пленки толщиной 20 мкм показали, что величина адгезии пленки определяется динамикой передачи и рассеяния тепла в процессе приваривания. В силу этого адгезия пленки к слоям поликремния хуже, чем к слоям, поликремния хуже, чем к слоям Si02 и Si3N4, и величина адгезии имеет более сильную зависимость от давления приваривания, чем от температуры. Эксперименты также показали, что наличие рельефа на поверхности пластины уменьшает величину адгезии; в то же время из-за деформации пленки происходит приваривание в местах заглублений. В результате оптимизации получен следующий режим приваривания: температура 235°С, давление 2.5 кг/см2, время 10. с. Величина адгезии пленки к слоям Si02, Si3N4 и поликремния при этом составила 170, 135 и 50 г/см соответственно. Исследование процесса приваривания при повышенной температуре подложки показало, что, несмотря на начальное увеличение

адгезии, при нагревании пленки более 1-2 мин происходит потеря ее адгезионных свойств и прекращение приваривания. На рис. 11 приведена микрофотография среза лавсановой пленки, приваренной к рельефу поликремния.

■ - _ : . .. , ' 16 сшм*

Рис. 11.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана конструкция и технология изготовления интегрального бинарного МТД, на порядок превосходящего по уровню пространственного разрешения лучшие мировые образцы и реализуемого на стандартном отечественном оборудовании пленарной <ремниевой технологии.

2. Проведено моделирование, изготовление и исследование >сновных конструктивных элементов интегральной структуры би-шрного МТД: поликремниевого микромембранного чувствительного ■лемента и п-МНОП-транзисторов с "открытым" и "закрытым" кана-юм.

3. Проведены исследования встроенных механических напря-ений в пленках поликремния, используемых в качестве материала атворов в КМОП ИС и получаемых На установках промышленного

типа "Изотрон-4".

4. Разработаны критерии выбора материала защитного покрытия кристалла МТД и технологический цикл формирования защитного покрытия кристалла МТД на основе полиэтилентерефталатной пленки квазигрупповым способом, позволяющим максимально использовать возможности стандартного сборочного оборудования, процессов и материалов.

5. Проведены исследования процесса термокомпрессионного приваривания полиэтилентерефталатной пленки, используемой в качестве защитного покрытия кристалла МТД, к основным диэлектрическим слоям, используемым в интегральных схемах.

Главным результатом диссертационной работы является разработка конструкции и технологии изготовления интегрального бинарного МТД, на порядок превосходящего по уровню пространственного разрешения лучшие мировые образцы и реализуемого на стандартном отечественном оборудовании планарной кремниевой технологии.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Годовицын И.В., Матричные тактильные датчики: применение и технологии, Микроэлектроника и информатика'96, Межвузовская научно-техническая конференция, Москва, 1996, тезисы докладов, стр. 26.

2. Годовицын И.В., Парменов Ю.А., Матричные тактильные датчики: применение и технологии, Зарубежная электронная техника, №4,1996, стр. 104-110.

3. Годовицын И.В., Шелепин H.A., Парменов Ю.А., Способ изготовления интегрального датчика, заявка на изобретение №96120054/25 от 21.08 96.

4. Годовицын ИВ., Шелепин Н.А, Парменов Ю.А., Чувствительный элемент матричного тактильного датчика, заявка на изобретение

№96117020/25 от 7.10 06.

5. I.V.Godovitsyn, N.A.Shelepin, Fabrication of polysjlicoii sur-face-micromachined structures using standard CMOS-tcchnoJogy processes, proc. of Illrd NEXUSPAN Workshop, Moscow, 199G, p. 53-54.

6. Годовиццц И.В., Шелепин H.А., Лнжеикова Г.И., Формирование поверхностных микромеханических структур из пленок поликрем ния, Известия ВУЗОВ: Электроника, №3, 1996, стр. 49-54.

ЗАКАЗ № 1?6 ТИРАХ W ОТПЕЧАТАЮ В ТИПОГРАФИИ МГИЭТ