научная статья по теме ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ МИКРОТЕХНОЛОГИЙ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ МИКРОТЕХНОЛОГИЙ»

УДК 543.27.621.3.049.77

ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ МИКРОТЕХНОЛОГИЙ

Ю. А. Воронов, А. В. Коваленко, М. Ю. Никифорова, Б. И. Подлепецкий, Н. Н. Самотаев, А. А. Васильев

Представлены конструктивно-технологические, метрологические и эксплуатационные характеристики чувствительных элементов газоаналитических датчиков, изготовленных с применением микротехнологий: стандартных для и-МОП и КМДП интегральных микросхем, МЭМС-технологий и нано-на-микротехнологий. Рассмотрены интегральные датчики водорода на основе МДП-транзисторных чувствительных элементов со структурами Р^Р1)-8Ю2-81 и Рд(Р1:)-Та205-8Ю2-$1; металл-оксидные пленочные элементы с импульсным нагревом и повышенной чувствительностью к аммиаку; МЭМС-элементы с газочувствительными наноструктурными пленками, легированными Рё(Р1:); МЭМС-"платформы" на основе пленок 8Ю2-81з^ для газочувствительных датчиков. Ключевые слова: чувствительные элементы газоаналитических датчиков, МДП-структуры, микротехнологии МДП ИМС, нано-на-микро- и ИЭИС-технологии.

ВВЕДЕНИЕ

В области разработки газоаналитических измерительных средств существует проблема создания малогабаритных переносных приборов для определения концентраций различных газов в реальном масштабе времени. Такие средства необходимы для решения важных научно-технических и социальных задач: обеспечения взрыво- и пожаробезопасности различных объектов, экологического контроля состояния окружающей среды, обнаружения наркотических и взрывоопасных веществ. Для решения этой проблемы перспективным представляется разработка интегральных датчиков и микроприборов с чувствительными элементами (ЧЭ), изготовленными на основе микротехнологий. Миниатюрность, надежность, высокая воспроизводимость характеристик и низкая стоимость признаны потенциальными достоинствами таких датчиков много лет назад. Однако на фоне быстрого внедрения новых технологий в производство интегральных микросхем наблюдаются весьма замедленные действия в направлении использования микротехнологий в разработках газочувствительных датчиков. Одной из причин такого по-

ложения являются повышенные требования к прецизионности элементов интегральных датчиков, что приводит к необходимости решать вопросы технологической, тепловой и электромагнитной совместимости элементов, использовать особо чистые материалы и специальные методы подгонки параметров элементов, исследовать действие измеряемых и влияющих величин на параметры всех элементов датчика, выбирать оптимальные схемы и электрические режимы включения элементов интегрального датчика.

Технологическая совместимость является основным требованием к элементам интегральных датчиков. Сегодня к потенциально интегрируемым ЧЭ на основе микротехнологий (с учетом гибридных технологий) можно отнести почти все известные твердотельные газочувствительные элементы [1—2]. Однако среди них наибольшую технологическую совместимость со стандартными элементами интегральных микросхем имеют ЧЭ на основе МДП-структур и резисторно-емкостные ЧЭ (работающие на эффектах зависимостей от концентрации окружающих газов зарядов в структурах и электрической проводимости соответственно). Помимо тех-

28

вепвогв & Эувгетв • № 3.2010

нологической совместимости важным аспектом при выборе элементов интегральных газочувствительных датчиков является необходимость решения вопросов теплоизоляции элементов вторичного преобразования и устройств обработки данных от основных ЧЭ, которые принципиально работают при высоких температурах. Учитывая технологические возможности, большой опыт в области изготовления МДП-приборов, пленок и МЭМС-технологий, а также потребность в новых газочувствительных датчиках, на кафедре микро- и нано-электроники МИФИ более 15 лет ведутся разработки и исследования интегральных датчиков водородсодер-жащих газов. Часть работ проводилась совместно с лабораториями кафедры физики твердого тела МИФИ, РНЦ "КИ" (г. Москва), НИИ физических измерений (г. Пенза) и ИГД (г. Люберцы). В данной статье кратко представлены обобщенные результаты работ в этом направлении.

ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ МДП-СТРУКТУР

К настоящему времени накопился большой массив экспериментальных данных по исследованию характеристик дискретных (одноэлементных) газочувствительных датчиков с конденсаторными или транзисторными ЧЭ на основе МДП-структур. Показано, что чувствительность, быстродействие, селективность, стабильность и передаточные характеристики таких ЧЭ зависят от многих факторов: типа, способа получения и толщины затворной металлической пленки и подзатворного диэлектрика; температуры кристалла чувствительного элемента; химического состава рабочей среды; типа полупроводника [3—13].

Важным этапом разработки интегрального газочувствительного датчика является выбор его элементного базиса (базовой ячейки (БЯ)) — минимального набора функционально необходимых элементов (базовых элементов) и технологии их интегрирования. Например, БЯ из трех элементов имеет основной ЧЭ, термочувствительный и нагревательный элементы. Для оптимального решения этой задачи необходимо экспериментально исследовать влияние конструктивно-технологических особенностей базовых элементов на технические характеристики датчика в целом, рассматривая различные варианты реализации тестовых кристаллов.

Рассмотрим несколько типичных примеров конструктивно-технологических решений создания интегральных датчиков водорода на основе МДП-структур. За последние годы на кафедре микро- и наноэлектро-ники МИФИ разработано и исследовано несколько серий интегральных датчиков водорода ИДВ (топологии их кристаллов представлены на рис. 1 и 2), в качестве основных ЧЭ в которых являлись палладиевые резисторы, МДП-конденсаторы и МДП-транзисторы с пал-ладиевыми и платиновыми затворами.

Первоначально были разработаны интегральные датчики водорода серии ИДВ-1 и ИДВ-2. Размеры кристаллов 2,1 х 2,2 мм2. Датчики изготавливались на кремниевой подложке р-типа с ориентацией (100) и удельным сопротивлением 10 Ом*см.

Рис. 1. Топология кристаллов ИДВ-1 и ИДВ-2:

1 — МОП-конденсатор; 2 — термочувствительный элемент; 3 — МОП-транзистор с палладиевым затвором; 4 — МОП-транзистор с алюминиевым затвором

Рис. 2. Топология кристалла ИДВ-3:

1 — палладиевый резистор; 2 — тестовый МДП-транзистор с алюминиевым затвором, термочувствительный элемент; 3 — резисторный нагреватель и 4 — ТЧЭ

На чипе ИДВ-1 содержались следующие элементы: МОП-конденсатор (Р^8Ю2-81), МОП-транзисторы с палладиевым и алюминиевым затворами, нагреватель в виде диффузионного резистора и термосенсор в виде интегрального диода. С помощью резисторного нагревателя с электрическим сопротивлением около 250 Ом поддерживается рабочая температура чипа в диапазоне 120...140 °С. В качестве основных чувствительных эле-

Е0, мВ

Рис. 3. Типичный полный отклик ЧЭ и его параметры на импульс концентрации водорода N длительностью т:

Цоо — начальное значение порогового напряжения; ДЕ) = = (Ц)—иоо) — изменение порогового напряжения; ДЦ)м — максимальное значение модуля изменения порогового напряжения (амплитуда отклика); 8Е— остаточное напряжение отклика; Т1 — время нарастания амплитуды отклика; тз — время спада амплитуды отклика

ментов на данном кристалле исследовались МОП-конденсатор и МОП-транзистор с палладиевым затвором. Пленка палладия толщиной 40...60 нм наносилась следующими способами: 1) лазерным напылением палла-диевой пленки через металлическую маску, 2) лазерным напылением палладиевой пленки через фоторезистор-ную маску с ее последующим удалением, 3) осаждением пленки палладия на всю поверхность пластины с дальнейшим ионно-плазменным травлением и 4) термическим напылением палладиевой пленки через металлическую маску. Предварительные испытания образцов ИДВ проводились измерением одноразовых импульсных переходных характеристик (полных откликов) датчиков при последовательности импульсов различных концентраций водорода N с нарастающими их значениями. Параметры полных откликов ТЧЭ представлены на рис. 3.

На основании полученных данных определялись функции преобразования АЦом = /) (передаточные характеристики), чувствительность ¿0 = AUoм/AN и быстродействие (по т^) различных ЧЭ. Исследования в воздушной атмосфере характеристик датчиков серии ИДВ-1 показали, что наибольшую амплитуду отклика (рис. 4), а следовательно и чувствительность, имели образцы, изготовленные четвертым способом, а наименьшую чувствительность — образцы, изготовленные третьим способом. Вместе с тем, наибольшим быстродействием (т1 = 6...7 с при отношении тз/т^ = 4...7) при концентрации водорода 1 об. % обладали образцы, изготовленные третьим способом. Задние фронты откликов тз для всех образцов оказались более затянутыми в сравнении с передними фронтами т^ (в 6...14 раз).

Абсолютные значения тз зависят от состава газообразной среды. Минимальные значения (тз = 20...40 с) соответствуют кислородосодержащей среде, в которой соотношение тз/т^ = 5...8. Наиболее затянутые задние

фронты (тз/т1 = 13...16) наблюдались в гелиевой среде. В вакууме величина тз может принимать значения 2...3 мин, при этом остаточное напряжение 8 и я 0,9АЦ)м. По быстродействию, воспроизводимости и стабильности характеристик транзисторный элемент оказался лучше конденсаторного, поэтому впоследствии палладие-вый МОП-конденсатор применялся в датчиках серии ИДВ-1 только для оценки толщины подзатворного диэлектрика и качества границы раздела по вольт-фарадным характеристикам.

Долговременные испытания образцов ИДВ-1 показали, что ЧЭ на основе структур обладают двумя основными недостатками: медленным временным дрейфом параметров в атмосфере водорода и разрушением палладиевой пленки при концентрациях водорода в воздухе более 1 об. %, происходящим в результате изменения постоянной решетки палладия.

С целью уменьшения дрейфа параметров датчиков из-за диффузии и дрейфа протонов в SiO2 были приняты попытки наносить на SiO2 другие диэлектрики ^N4, Л^Оз, Та205), а для предотвращения разрушения и отслаивания палладиевой пленки напылять более толстые пленки палладия (80...120 нм) либо с подслоем другого металла, либо палладия с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком