196854. lajstromszámú szabadalom • Terjedési ellenállás hőmérsékletfüggésen alapuló, előírt névleges ellenállásértékű szilícium hőérzékelő
1 2 A találmány tárgya terjedési ellenállás hőmérsékletfüggésen alapuló, előírt névleges ellenállásértékű szilícium hőérzékélő, amely leginkább hő- és hőmérsékletérzékelő eszközként (szenzor) alkalmazható. A találmány szerinti hőrézékelőnek hőérzékelő félvezető elemnek szilícium egykristály hordozója van, és azon a hordozó vezetési típusával azonos vezetési típusú adalék diffúziójával előállított első diffúziós szigete és második diffúziós szigete van. Továbbá külön az első diffúziós szigethez és külön a második diffúziós szigethez ohmos kontaktussal kapcsolódó, a hordozó felületén kialakított, hozzávezetést képező fémrétege van, amely fémrétegek vannak az egyes kivezetésekkel összekötve. A hőérzékelő névleges ellenállásértéke az első diffúziós sziget és a második diffúziós sziget között mérhető. A terjedési ellenállás hőmérsékletfüggésen alapuló szilícium hőérzékelők félvezető elemének keresztmetszeti szerkezeti kialakítását az 1. ábra szemlélteti. Az ábrán láthatóan a hőérzékelő félvezető elemnek 1 vastagságú és rendszerint n vezetési típusú adalékkal gyengén adalékolt szilícium egykristály 10 hodrozója van, amelynek felületén szilíciumdioxid 12 védőréteg van. A 12 védőrétegben első ablak és attól meghatározott t távolságra második ablak van. Az első ablakon keresztül FI területű első 20 diffúziós sziget és a második ablakon keresztül F2 területű második 30 diffúziós sziget van a 10 hordozóban a 10 hordozó vezetési típusával azonosjelen ábra szerinti megoldásnál n vezetési típusú adalék erős, h mélységű diffúziójával előállítva. A 10 hordozó felületén az első 24 fémréteg és második 34 fémréteg van kialakítva, amely első 24 fémréteg az első ablakon át az első 20 diffúziós szigethez, a második 34 fémréteg pedig a második ablakon át a második 30 diffúziós szigethez kapcsolódik, ohmos kontaktussal. A 24 fémréteghez a hőérzékelő ábrán csak vázlatosan jelölt első A kivezetése, a 34 fémréteghez pedig a hőérzékelő ábrán csak vázlatosan jelölt második B kivezetése kapcsolódik ohmos kontaktussal. A hőérzékelő félvezető elemének hőmérsékletfüggő ellenállása a két 20, 30 diffúziós sziget, illetve azokkal galvanikusan összekötött A és B kivezetés között mérhető ellenállás, amelynek hőmérsékletfüggése az R = Ro/jfO + «-lT-ToO kifejtéssel írható le, amely kifejezésben RqAR ~ a hőérzékelő adott, rendszerint 25 °C hőmérsékleten mérhető ellenállását, Q - a hőmérséklet tényezőt, T — a viszonyítási alapként vett adott hőmérsékletet, rendszerint Tp = 25 °C-ot, T - a mindenkori hőmérsékletet és R - a hőérzékelő T hőmérsékleten mérhető ellenállását jelenti. E kifejezésben a hőmérsékleti tényező (a) értéke a szobahőmérséklet körüli hőmérséklettartományban elsősorban az elektronok mozgékonyságának hőmérsékletfüggésétől függ, amely megfelelően megválasztott alapanyag esetén csak gyengén függ az adalék koncentrációjától. Így gyártásnál egy viszonylag pontos hőmérsékleti tényező valósítható meg. Az Roab ellenállás a hőérzékelő két, 20,30 diffúziós szigete közötti terjedési ellenállás meghatározott T0, rendszerint 25 °C, hőmérsékleten mérve, amely csereszabatosság, szabványosság miatt, mint névleges ellenállás egy-egy gyártónál katalógusadat vagy szabványos érték, rendszerint 1000 ohm vagy 2000 ohm, és ezért a gyártás ezen értékre, mint előírt névleges értékre történik. Az R()Ab ellenállás a ^OAB' ^geom ' ® kifejezéssel írható le, amely kifejezésben m,e - a geometriai méretek (1, t, Fl, F2, h) nagysága által meghatározott érték és ő - az adalékolt hordozó szilícium tömb fajlagos ellenállása. A hőérzékelő félvezető elemét az egyforma félvezető eszközök tömeges gyártására előnyösen alkalmazható jól kiforrott planár technológiával gyártva és az Rqab ellenállás nagyságát a i?oeom értéket meghatározó geometriai méretek közűt egy vagy többnek, például az első és/vagy a második diffúziós sziget területének és/vagy az első és a második diffúziós sziget egymástól való távolságának a megfelelő értékre választásával beállítva, a kapott félvezető elemek meghatározott T hőmérsékletén történő mérésekor az Rqab értékben akkora szórás jelentkezik, pl. ± 25% amely csaknem elfogadhatatlanná teszi a hőérzékelő félvezető elemeknek egy kívánt általában max. 5%-os szórás mellett elfogadható kihozatallal való gyártását. E nagy értékszórással való gyárthatóság okát vizsgálva egyik okként az adalékolt szilícium hordozó fajlagos ellenállásának inhomogenitását, a S értékének szórását találtuk. A fajlagos ellenállás inhomogenitását vizsgálva azt állapítottuk meg, hogy az a hordozó alapanyagaként használt, húzott vagy zónázott szilícium egykristályban az adalék koncentrációja helyi inhomogenitásából adódik, amely már az egykristály előállításakor létrejön. Másik okként a diffúzió végrehajtásához nyitott ablak méreteinek megváltozását találtuk, amely méretváltozás a litográfiái és marási műveletek során következik be. A szilícium fajlagos ellenállásának in homogenitását a szakirodalom is mint egyik fő kihozatalt rontó tényezőt ismerteti, megoldása szokásos módjának a neutron besugárzást javasolja. A neutron besugárzás Si-P magreakciót vált ki, amely homogén sugárfluxus esetén az adalékeloszlásban is hasonlóan homogén eloszlást eredményez. Ez azonban a planár technológia műveletéhez képest egy újabb műveletet és további berendezéseket jelent, melyek költségesek és ezáltal a hőérzékelő félvezető elem előállítását drágítják. A diffúzióhoz nyitott ablakok méretének megváltozása a technológia fokozott szigorításával, a vegyszerek válogatásával és az alkalmazott berendezésekkel szembeni követelmények megnövelésével egy határig megelőzhető, de ez szintén oly mértékben megdrágítja a gyártást, hogy alkalmazásának gazdaságossága kétséges. Az előírt névleges ellenállásértékű és ismertetett kialakítású hőrézékelőnek szokásos planár technológiával történő csak nagy szórással való gyárthatósága, illetve a kisebb szórással való gyártás költségessége feladattá tette egy olyan megoldás keresését, amely lehetővé teszi a hőérzékelők 1-5%-os szórással és többlet művelet nélküli planár technológiával való gyártását anélkül, hogy az a gyártási költséget egyáltalán 196.854 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6Ö 2
