научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДЕФОРМАЦИИ ОТ ПОДЛОЖКИ К РЕЗИСТОРУ В ВИДЕ МЕЗАСТРУКТУРЫ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДЕФОРМАЦИИ ОТ ПОДЛОЖКИ К РЕЗИСТОРУ В ВИДЕ МЕЗАСТРУКТУРЫ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 5, с. 351-358

ТОНКИЕ ПЛЕНКИ

УДК 621.3.049.76

ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДЕФОРМАЦИИ ОТ ПОДЛОЖКИ К РЕЗИСТОРУ В ВИДЕ МЕЗАСТРУКТУРЫ

© 2007 г. В. М. Лшбимский

Новосибирский государственный технический университет E-mail: lubvlm@ngs.ru Поступила в редакцию 20.12.2006 г.

Получены аналитические выражения, связывающие деформации подложки, зависящие от координат, с деформацией резистора в виде мезаструктуры, отделенного от подложки промежуточным слоем. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов показало хорошее их согласие.

ВВЕДЕНИЕ

Резисторы и тензорезисторы являются важнейшими компонентами современных интегральных схем. В настоящее время в микроэлектронике наблюдается тенденция применения структур с диэлектрической изоляцией и уменьшения геометрических размеров компонент электрических схем. Введение диэлектрической изоляции привело к конструктивной реализации резисторов и тензорезисторов в форме мезаструктур, контактирующих с подложкой по одной плоскости, при этом уменьшение геометрических размеров резисторов влияет на их электрофизические характеристики [1-7].

Особенности передачи деформации от подложки к мезатензорезистору рассматривались в основном применительно к структурам кремний-на-сапфире (КНС) [4] и, еще ранее, в связи с анализом передачи деформации с подложки на приклеиваемый тензорезистор [5, 6]. В работе [6] был развит общий подход к нахождению деформаций приклеиваемого тензорезистора, который исходит из условия минимума упругой энергии системы тензорезистор - клеевая подложка.

К настоящему времени, помимо КНС структур, для построения сенсоров механических величин применяются структуры поликристаллический кремний - 8Ю2 - кремний [8] и монокристаллический кремний - 8Ю2 - кремний, полученный, например, методом прямого сращивания [9]. В отличие от КНС - это структуры, где кремниевая подложка играет роль упругого элемента, а слой двуокиси кремния обеспечивает не только ди-

электрическую изоляцию, но и передачу деформации от подложки к тензорезистору.

Однако в [5, 6] из-за большой разницы между модулями Юнга клея и кремния не учитывались сдвиговые деформации в клее.

Подход, предложенный в [6] может быть применен для анализа системы тензорезистор-ди-электрический слой с учетом жесткостей обоих слоев. В данной работе рассмотрены особенности передачи деформации от подложки к мезатензо-резистору на основе модели, предложенной в [6] с учетом сдвиговых деформаций в слое, передающем деформацию, а также влияние геометрических размеров тензорезистора на его тензочув-ствительность.

ТЕОРИЯ

На рис. 1 приведено схематическое изображение мезатензорезистора с диэлектрической изоляцией. Будем считать, что смещения точек 1 и 2 слоев линейно зависят от расстояния от поверхности подложки или соседнего слоя (слои достаточно тонкие).

При деформации подложки перемещения точек рассматриваемой системы можно записать в виде:

и1 = и0 (х) + а1 (х) г,

и2 = ио(х) + ах (х)Нц+ а2(х)(г - И^), где и0(х) - перемещение точек упругого элемента при г = 0, а ах(х) и а2(х) - коэффициенты, подлежащие определению.

С учетом (1) компоненты матрицы деформации в плоскости хог принимают вид:

0(i) = 0(i) _ dU1 01 "0l1 d

dU0( x) da1 (x)

dx

dx

= 0o

-zal (x),

(1) dU1

05 = 2 013 = d" = a1 (x),

0 < z <-

,(2) = dU0 1 dx

da 1( x) '1 — + (Z

1)

da2 (x) dx

= 0o + h a1 (x) + (z - h 1 )a2( x),

j 2) = U

'5 dz

= a2(x), h < z

2

где индексы (1) и (2) соответствуют областям 1 и 2 рис. 1.

Упругая энергия системы тензорезистор-диэлектрик определяется интегралом

П =

( Р(1)2 Р0П

~2~" + £1"Т

где

Е1 и G1 =

Е1

1 2 (1+ VI)

- модуль Юнга и модуль сдвига 1 слоя,

ёУ-

( р(2)2 р(2)2Л

51

^Т + Е2-

V

ёУ,

у

Е2 и в2 = —---

2 2 2 (1 + V2)

- модуль Юнга и модуль сдвига 2 слоя, V1, V2 - коэффициенты Пуассона 1 и 2 слоев. У1 и У2 - объемы 1 и 2 слоев.

После интегрирования (3) по координатам у и г упругая энергия может быть представлена в виде:

Ы2

П =

Ь | а1, а1, а2, а2, х)ёх,

-Ы2

где Ь, Ь - длина и ширина резистора.

Неизвестные коэффициенты а1(х) и а2(х), входящие в (1), (2), определяются из условия минимума упругой энергии (3). Тогда

С Ь/2

5П = 5

Ь | а1; а'1; а2, а2, х)ёх

Ч- -Ь/2

= 0

и функция а ь а1, а2, а2, х) должна удовлетворять уравнениям Эйлера

ё_(Э/Л - Э£ = 0

ёх\да1) да1 £( - = 0

ёх\да2) да2

и естественным краевым условиям (рис. 1) [10]

Э£

да\

■ = Ь/2

х = -Ь/2

= 0, |£

да2

■ = Ь/2

= 0.

х = -Ь/2

Уравнения (4) могут быть преобразованы к виду:

(4)

[а'/- Ь„ а1 + Ь12 а2 = у и [а2- Ь21 а1 + Ь22а2 = у2Ц0',

(5)

2

г

2

и2

Н1 / Л

их . ^ 1 * | / | ^ /

и

Ц2

Рис. 1. Структура тензорезистора с диэлектрической изоляцией: 1 - диэлектрическая изоляция, 2 - тензорезистор.

где

ь„ =

к3к 6

к!к 6 к2к 5

Ьц =

У1 =

к 1 =

к2к7 ¿21 = кз к5 ¿22 = к1 к7

к 1к 6 - к2 к5 к1к6 - к2 к5 к 1к 6 - к2 к5

к 2 к 8 — к4 к6 к 1к 6 - к2 к5 У 2 = к к8 к 4 к 5 к1 к6 - к 2 к 5

= Е>2 ( ^2-, )2, к3 = 2G1h1, к4 = Е^ + 2 Е2 ^2- ),

к5 = к2, кб = 2Е2, к7 = 2С2(й2- ^), к8 = £2(й2 - ^ )2.

Общее решение системы неоднородных уравнений (5) имеет вид:

«1(*) =

У1

7^2

ехр(а2 х) 2а2

|ехр(-а2х)(и0¥ + ¿22^0')ёх -

ехр (-а2 х) 2а2

| ехр (а2 х)(и0¥ + ¿22 и0') ёх

У1

ехр(а1 х)

—|ехр(-а1 х)(и0¥ + ¿22 и0')ёх - -^а""1"^!ехр(а1 х)(и0¥ + ¿22 и0')ёх

- У 2

[( ^12-4 ¿22 ) - В1( В1+4 ¿22 )]

__(а1(ехр(а2х)!ехр(-а2х)и'ёх - ехр(-а2х)!ехр(а2х)и'ёх) +

8 ¿21VВ12 а1а2

+ а2(ехр(-а1 х)|ехр(а1 х)и0ёх- ехр(а1 х)|ехр(-а 1 х)и0йх)) + С1ехр(а2х) + С2ехр(-а2х) +

+ С3ехр (а1 х) + С4ехр (-а1 х),

«2( х ) =

- У 1 Ь 2 1 е хр ( а2 х )

-В 2а2(а2 + ¿22)

У 1& 21 ехр (а1 х)

| ехр (-а2 х)(и0¥ + 6 22 и0') ёх +

У1 ¿21 ехр (-а2 х)

х

^2 а2 (а2 + Ь

22

х|ехр(а2х)(и0¥ + ¿22и0'—сл-^М-^—|ехр(_а1 х)(и0¥ + ¿22и0')ёх + ^ (_2

х ! ехр (а1 х) (и0¥ + ¿22 и0') ёх

а1 (а2 + ¿22 Г

4 У1 ¿21

У 1 ¿21 ехр (—а 2 х) х (6) д/В^а! (а2 + ¿22)

■и0' +

У 2

((В1 + 2Ь22)2 - В12) 4^2«В1 + 2¿22)2 - В12)

х

0

х

2 B 12 ( а2 + b 22 ) + VB2 ( B + 2b 22 ) 2 - ( B + 2 b22 ) 3 а2

(exp (а2x)|exp (-а2x) U0dx -

( )f ( )r , ^ 2 В12(а2 + b22 ) -JB" (B1 + 2b 22 )2 - ( B1 + 2 b22 )3 x exp(-а2x)J exp(а2x) U0dx) +-а-x

x exp (-а1 x)|exp (а1 x) U0'dx - exp (а1 x)| exp (-а 1 x) U0'dx )

[ C3exp (а1 x) + C4exp (-а1 x)],

b21 b21 —2-[ Qexp (а2 x) + C2exp (-а2 x)]--2-

(а2 + b22 ) (а!+ b22 )

JJ''_ d U0 ttIV _ d U0

U 0 . 2 , U 0

d4 U

dx

dx

4 •

а, =

а2 =

7+4^ = 1V2 B1-2JB12,

^n^+i^ 11+ b22 )2 + 4 bub~21 = B1+2JB12,

B1 = b„- b22, B12 = (b„+ b22) +4b12b

21

Сь С2, С3, С4 - константы. Полученные выражения для коэффициентов

При выборе начала отсчета оси х в середине а1(х) и а2(х) п°зв°ляют рассчитывать деформации резистора (рис. 1) краевые условия преобразуют- резистора при любом виде деформации подложки.

ся к виду:

a1 = Y 1U0|

= ±L /2'

a2 = Y2 U01

; = ±L /2

В случае однородной деформации (U0 = о0 = = const) C2 = -C1, C4 = -C3 и выражения для a1(x) и a2(x) упрощаются:

a1 (x) = 2C1sinh (а2 x) + 2 C3sinh (а1 x), a2( x) = -

2 b21( C1sinh (а2 x)) 2b21 (C3sinh (а1 x))

а2 + b2

а1 + b22

(7)

C1 =

(а2 + b22 )(Y 1 b 21 + Y 2 (а2 + b22 ))o,

2а^л/B^ b21Cosh f

V 2

0 C =(а? + b22 )(Y 1 b21+ Y 2 (а2 + b22 ))00

2 а^VB^b2lCoshí

V 2

и деформации в слоях 1 и 2 равны:

о11) = о0 + 2 (C1 a2cosh(a2 x) + C3а1cosh (а1 x)) z, о12) = о0 + 2( C 1а2cosh (а2 x) + C3 а1cosh(а1 x)) h1-

-4 b

12

а 1 C3 (co^^ ( xc ) + o;2 C1 (co^^ (а2x)

. J2(а2 + b22) J2(а2 + b22) .

(z - h 1), o51) = a1 (x) = 2 Qsinh^ x) + 2 C3sinh (а1 x),

(8)

o(2) _ ( , 2b21 (C1sinh(а2x)) 2b21 (C3sinh(а1 x))

05 a2 ( x ) "

(а2 + b22 )

(а1 + b22)

а

Поскольку деформации 1 и 2 слоев зависят от координат, то и средние деформации этих слоев отличаются от деформации подложки. Так средние

355

деформации е5:), е52) в слоях 1 и 2, как видно из (8), равны нулю. Деформации во втором слое, усредненные соответственно по г и г, х равны:

<е(12)> = £ 0 + 2 С( а2со8Ь (а2 х)

Ь\2 (И2-И()

1

а2 + £22 У

+ 2 С3а(со8Ь (а( х)

Ь ( 2 (И 2 - И ( )

д/2(а( + £22 )>

(9)

<<£((2)>> = £о +

|а2 —

4 С(81пЬ1 — —

Ь (2 (И 2 - И ( )

^2(а2 + £22 )>

л 4С381пЬ| — ^

I

Ь(2(И2-И( )

(10)

Зависимости (£((2)>/£0 от координаты х для трех значений — приведены на рис. 2. Из рисунка видно, что у краев резистора деформация меньше, чем в подложке и на самых краях имеет противоположный знак, что связано с наклоном торцов слоев при деформации.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для экспериментального исследования передачи деформации от подложки к тензорезистору через слой диэлектрика (8102) были проведены определения коэффициентов продольной и попе-

речной тензочувствительности поликремниевых тензорезисторов различной ширины на тестовых элементах в виде консольных балок, имеющих линейные размеры 22 х 6 х 0.38 мм. Толщины слоев двуокиси кремния и поликремния равнялись соответственно 0.4 и 0.5 мкм. Двуокись кремния получалась термическим окислением кремниевых пластин. Линейные размеры тензорезисторов приведены в таблице.

Для анализа передачи деформации от подложки к тензорезистору определим средние деформации продольного резистора, расположенного вдоль длинной оси балки, и поперечного резистора, расположенного поперек этой оси.

1. Продольный резистор:

а) вдоль резистора б) поперек резистора

£( = — £0( Jf2( х( ) ^х(5 £2 = (£02 Jfг( х2 ) <^х2-

— Ь

1. Поперечный резистор:

а) вдоль резистора б) поперек резистора

£2 =(£02^г(х2)^х2, £( = (£0( ^(х( )

где £)(), £)((, £)2), £)2) - деформации подложки вдоль и поперек оси балки под продольным (I) и поперечным (,) резисторами, — - длина резистора, Ь - ширина резистора.

Тогда относительные изменения сопротивлений продольного и поперечного резисторов могут быть записаны в виде:

А Я— ~Я~

= К— £

(—)

■К, £2—),

А Я,

—дТ = К—£2) + Кí £(

-.(*)

(11)

где КЬ и К( - продольный и поперечный коэффициенты тензочувствительности.

К,

,0 АЯ,

[ ~тЬ 1

АЯ, Ь( * Л

т 2 )

(о(^)о( ,) С(1 )С(*)) (Ь 1 Ь1 - Ь2 Ь2 )

Ширина резистора, мкм 7.9 10.4 18.8 50 77

Длина резистора, мкм 117 98 98 104 156

Из (11) следуют выражения для продольного и поперечного коэффи

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