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.