Referencia OEPM: P9601571.-- Fecha de solicitud: 12/07/1996.-- Titular: Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).Placa homogeneizadora de temperatura para microdispositivos térmicamente aislados (ver figura en archivo de texto adjunto). El objeto de la presente invención es el desarrollo de una microestructura térmicamente aislada con zonas de temperatura muy homogénea y controlada. Dichas estructuras son la base de distintos tipos de sensores microelectrónicos ya existentes, en los que un cierto material o elemento sensible se deposita sobre una estructura térmica que debe trabajar a una
temperatura conocida. Es aplicable a sistemas de medida microelectrónica basados en microsensores de silicio.Peer reviewe

Cané Ballart, Carles

Gràcia Tortadès, Isabel

Götz, Andreas

Lora-Tamayo D’Ocón, Emilio

Digital.CSIC

k19 OFICINA ESPA~NOLA DEPATENTES Y MARCASESPA~NAk11 Numero de publicacion: 2 118 041k21 Numero de solicitud: 9601571k51 Int. Cl.6: G01N 27/12G01N 33/00//G01F 1/692G01K 7/18G01J 5/20k12 PATENTE DE INVENCION B1k22 Fecha de presentacion: 12.07.96 k73 Titular/es:Consejo Superior de Investigaciones CientcasSerrano, 11728006 Madrid, ESk43 Fecha de publicacion de la solicitud: 01.09.98Fecha de concesion: 22.02.99 k72 Inventor/es: Go¨tz, Andreas;Cane Ballart, Carles;Gracia Tortades, Isabel yLora-Tamayo D’Ocon, Emiliok45 Fecha de anuncio de la concesion: 16.04.99k45 Fecha de publicacion del folleto de patente:16.04.99k74 Agente: No constak54 Ttulo: Placa homogeneizadora de temperatura para microdispositivos termicamente aislados.k57 Resumen:Placa homogeneizadora de temperatura para micro-dispositivos termicamente aislados.El objeto de la presente invencion es el desarrollo deuna microestructura termicamente aislada con zonasde temperatura muy homogenea y controlada. Di-chas estructuras son la base de distintos tipos desensores microelectronicos ya existentes, en los queun cierto material o elemento sensible se deposita so-bre una estructura termica que debe trabajar a unatemperatura conocida. Es aplicable a sistemas demedida microelectronica basados en microsensoresde silicio.Aviso: Se puede realizar consulta prevista por el art 37.3.8 LP.Venta de fascculos: Ocina Espa~nola de Patentes y Marcas. C/Panama, 1 { 28036 MadridES2118041B11 ES 2 118 041 B1 2DESCRIPCIONPlaca homogeneizadora de temperatura paramicrodispositivos termicamente aislados.Dentro del campo de los microsensores inte-grados en silicio, uno de los tipos de microsiste-mas cuyas aplicaciones reales o potenciales sobre-pasan su actual nivel de desarrollo es el de losmultisensores de gases, gracias a su aplicacion di-recta al control industrial, el medio ambiente ola seguridad en el hogar. Idealmente estos siste-mas constan de varios dispositivos sensores quepermiten detectar la presencia en una atmosferaconcreta de ciertos gases contaminantes tipo CO,NO, SO2. Los sensores habitualmente desarro-llados para esta nalidad suelen consistir en dis-positivos de pelcula delgada cuyo material sensi-ble al gas es un oxido metalico tipo SnO2, WOx,TiO2. Estos materiales presentan una sensibili-dad a cada gas que depende principalmente desu composicion estequiometrica y de su tempera-tura de trabajo, por lo que para evitar sensibi-lidades indeseadas a otros gases es especialmenteimportante disponer de dispositivos en los que di-cha temperatura este perfectamente determinaday sea lo mas uniforme posible.Mediante la combinacion de tecnologas mi-croelectronicas convencionales y tecnicas especia-les para la obtencion de sensores de capa na, esposible fabricar microsensores de gases compues-tos por una capa de material sensible que cam-bia su resistencia en funcion de la presencia delgas a medir. La fabricacion siguiendo tecnologasmicroelectronicas y otras tecnicas compatibles,permite obtener microsensores sobre substratosde silicio que se pueden producir a gran escala,con unas dimensiones muy peque~nas en el rangode algunos mm2, un bajo coste y un alto rendi-miento. En este caso tambien es posible fabricaren un mismo circuito integrado el dispositivo sen-sor junto con circuitera electronica para el trata-miento de la se~nal, permitiendo mejorar las espe-cicaciones del sensor de forma muy ostensible.Puesto que la temperatura ideal de trabajo de di-chos dispositivos esta en el rango 250-400C, elmaterial sensor debe depositarse sobre una placacalefactora que este termicamente aislada. Estapatente muestra una nueva tecnica para obtenerplacas o estructuras termicas perfectamente aisla-das del resto del circuito, optimizando el consumode potencia necesario para mantener el sensor ala temperatura de trabajo deseada. La estructurapropuesta se basa en la combinacion de membra-nas de materiales termina y electricamente aislan-tes junto con otras capas termicamente conduc-toras que aseguran la homogeneidad en tempera-tura de la zona sensible del dispositivo.Si bien una de las principales aplicaciones delas placas termicamente aisladas reside en la fa-bricacion de sensores de gases para el control in-dustrial o aplicaciones de medio ambiente o se-guridad, dichas estructuras tambien son amplia-mente utilizados en otros tipos de microsensorestales como los sensores de temperatura, de flujode gases o de medida de radiaciones infrarrojas,en los que es necesario disponer de zonas a distin-tas temperaturas de trabajo sobre de un mismosubstrato.5101520253035404550556065Sector de la tecnicaDispositivo para sistemas de medida microe-lectronicos basado en microsensores de silicio. Es-tructura termica para sensores integrados de apli-caciones medioambientales.Estado de la tecnicaSe pueden encontrar en la literatura distin-tas formas de fabricar estructuras termicamenteaisladas para su aplicacion al campo de los micro-sensores. Todas ellas se basan en la deposicion deuna membrana de un material aislante, sobre unsubstrato de silicio que realiza la funcion de so-porte fsico. El espesor del material aislante debeasegurar suciente rigidez mecanica as como ais-lamiento termico lateral y vertical hacia el siliciodel substrato, que es un material termicamenteconductor. Sobre la zona central de la membranaaislante se deposita un elemento calefactor quesuele consistir en una resistencia de platino o po-lisilicio que permite conseguir la temperatura ade-cuada por efecto Joule, a base de suministrar lapotencia necesaria a dicha resistencia. Para con-seguir una temperatura homogenea es preciso op-timizar el dise~no de la resistencia de manera quese abra el area activa. Esto se realiza medianteel dise~no de la resistencia en forma de meandro oen forma de lazo dentro del area.Un ejemplo de realizacion de una estructuratermicamente aislada igual a la descrita fue pre-sentada por Demarne y Grisel (An integrated low-power thin-lm CO gas sensor on silicon. Sensorsand Actuators, 13, 1988, 301-313). En este caso,la fabricacion de una membrana de material ais-lante se consigue mediante la deposicion de unacapa de SiO2 y el posterior grabado del siliciobajo la membrana mediante un proceso de ataqueanisotropico por la parte posterior del substrato.Los autores tambien presentan una estructura consilicio bajo la membrana del mismo espesor que elsubstrato. Este caso no presenta ninguna mejoradada la gran masa termica de dicho bloque de si-licio, con lo que se requiere una potencia muchomayor.Una alternativa consiste en la fabricacion delelemento calefactor sobre una membrana aislanteno completamente anclada por su permetro sinocolgada por cuatro brazos del mismo material ais-lante. Dicha estructura presentada por Cavic-chi et al. (Micro-hotplate temperature controlfor sensor fabrication, study and operation. TheFifth International Meeting on Chemical Sensors.Rome, 11-14 July 1994, 1136-1139), permite dis-minuir la potencia necesaria para calentar la es-tructura a la temperatura deseada puesto que elaislamiento lateral es mejor. La estructura se fa-brico grabando el silicio del substrato por la partesuperior del dispositivo y esto solo se puede reali-zar mediante tecnicas de grabajo con EDP (Ethy-lene Diamine Pyrocatechol) y TMAH+Si (Tetra-methyl Ammonium Hydroxide), que son muchomas complejas que el grabajo anisotropico del sili-cio con KOH por la parte posterior del substrato.Asimismo, debe destacarse que el EDP es un ma-terial potencialmente cancergeno, por lo que esdeseable evitar su uso en el caso de produccion agran escala.La fabricacion de membranas aislantes colgan-tes de cuatro puentes por sus esquinas, presenta23 ES 2 118 041 B1 4el inconveniente de la fragilidad de la estructura,por lo que en algun caso dicha estructura se harealizado dejando una na membrana de siliciodebajo del material aislante para conseguir ma-yor rigidez (Integrated Semiconductor Gas Sen-sor. Patente No. 8706635). La existencia delsilicio actua como un camino de perdida de calordesde la parte central de la membrana hacia elsubstrato, por lo que tampoco se consigue obte-ner una temperatura homogenea.Finalmente, Mo¨ller et al., (Material and de-sign considerations for low-power microheatermodules for gas-sensor applications, Sensors andActuators B 24-25, 1995, 343-346), recientementepropusieron la incorporacion de capas de nuevosmateriales tales como el diamante o el carburode silicio para cubrir parcialmente la zona centralde la membrana aislante y as conseguir una ma-yor homogeneidad en temperatura sobre el ma-terial sensible. Si bien los autores no presentanninguna realizacion, mediante tecnicas de simu-lacion permiten determinar cuantitativamente di-cha mejora. El principal inconveniente de dicharealizacion reside en la incorporacion de nuevosmateriales que deben fabricarse de forma costosay de forma no totalmente compatible con tecno-logas microelectronicas tradicionales.Explicacion de la invencionLa estructura de placa calefactora que aqu sepresenta, combina el uso de materiales dielectri-cos para fabricar membranas aislantes con unacapa de silicio que permite obtener una perfectahomogeneidad en temperatura, evitando la apa-ricion de puntos calientes en la resistencia cale-factora, siguiendo una tecnica totalmente compa-tible con una tecnologa microelectronica CMOS,mediante la incorporacion de una etapa de ata-que selectivo de silicio por la parte posterior delsubstrato.Descripcion detallada de los dibujosFigura 1: Esquema en planta y seccion de laplaca calefactora realizada con silicio altamentedopado con boro bajo una membrana aislante.Figura 2: Graca comparativa de los perlesde temperaturas conseguidos sobre la membranadielectrica de una estructura termicamente ais-lada, en la seccion de corte central. En lnea dis-contnua se presenta el perl de una estructura sinplaca de silicio y en lnea contnua se presenta conplaca de silicio. La T temperatura normalizada yD distancia (mm).Descripcion detallada de la invencionEn la gura 1, se presenta el esquema enplanta y seccion de la estructura propuesta parauna placa calecfactora realizada sobre una mem-brana aislante totalmente anclada por sus lados.Sobre una oblea de silicio (1) pulida por las doscaras se crece una capa dieletrica (2) de 2 mmde SiO2 o bien de 100 a 300 nm de Si3N4. So-bre dicha capa dielectrica se dene la resistenciacalefactora (3) de polisilicio o platino que cubreuna zona central de 500x500 nm donde se deposi-tan los elementos sensores. Debajo de dicha arease dene una placa de silicio (4) aislada del restode material del susbtrato. Dicho aislamiento serealiza durante el ataque anisotropico del siliciopor la parte posterior de la oblea. El grabado se-lectivo del silicio se consigue mediante el dopado5101520253035404550556065con boro de la zona de silicio de la placa con unaconcentracion superior a 1E20 cm−3. El KOH nograba el silicio dopado con boro a tan alta dosis,con lo que se consigue el paro del ataque en lazona deseada.El dise~no de la placa calefactora debe contem-plar asimismo la optimizacion del espesor de laplaca homogeneizadora de silicio as como la se-paracion entre dicha placa y el borde de la mem-brana. Cuanto mayor es el espesor de silicio, eltiempo de respuesta del dispositivo aumenta ascomo la potencia a suministrar. Sin embargo,para conseguir una buena conduccion termica y lahomogeneidad en temperatura, la placa de siliciodebe tener un espesor mnimo. Mediante simula-ciones termicas se ha obtenido un buen compro-miso entre las dos especicaciones en el rango delas 5 a 20 nm de espesor, para unas capas de lasdimensiones anteriormente citadas. En cuanto ala separacion entre la zona caliente y el borde de lamembrana, mediante simulacion tambien puededeterminarse el valor mnimo a partir del cual elaislamiento lateral no mejora. Para los materia-les estudiados, dicha separacion mnima es de 200nm.En la gura 2, se muestra la mejora obtenidaen el perl de temperaturas conseguidas con laplaca homogeneizadora de silicio bajo la mem-brana aislante, respecto al caso de no utilizarsedicha placa. La placa homogeneizadora consi-gue una temperatura casi constante en toda lazona central de la membrana, mientras que en elcaso de no tener placa de silicio, las temperaturasmaximas solo se consiguen en las zonas sobre laresistencia calefactora. La gran homogeneidad entemperaturas que se consigue evita, por un lado,la aparicion de puntos calientes que pueden des-truir la propia estructura y, por otro lado, permitetener varias zonas de un chip a distintas tempe-raturas constantes, con solo dise~nar resistenciascalefactoras de distinto valor. Dicha combinacionde temperaturas actuando sobre un material sen-sible permite dise~nar f~nacilmente una matriz desensores que sean sensibles a distintos gases. Asi-mismo, la fase de dise~no de la resistencia calefac-tora se simplica puesto que la eciencia termicade la estructura con placa de silicio es muy insen-sible a la geometra de la resistencia, por lo que noes necesaria una fase de optimizacion con costo-sos programas de simulacion de elementos nitos.Por otro lado, la completa compatibilidad de laestructura con una tecnologa CMOS, permite in-tegrar la circuitera de procesado de se~nal juntocon la matriz de sensores en un mismo chip o cir-cuito integrado, con las ventajas de bajo coste yalto valor a~nadido que ello comporta.Ejemplo de realizacion de la invencionA diferencia de otras realizaciones descritasen el apartado referente al estado de la tecnica,a continuacion se describe un proceso de fabri-cacion de la placa de termica que es totalmentecompatible con una tecnologa de fabricacion decircuitos integrados CMOS, con la sola inclusionde un modulo de post-procesado para el ataquedel silicio por la cara posterior. El proceso constade las siguientes etapas microelectronicas:- Silicio de partida tipo n pulido por las dos35 ES 2 118 041 B1 6caras.- Fotolitografa por la cara posterior con mas-cara de marcas de alineamiento de doblecara.- Crecimiento de un oxido de proteccion con-tra la implantacion, cara superior.- Fotolitografa en cara superior con alinea-miento de doble cara para denir la placade silicio dopado.- Dopado de silicio con Boro con concen-tracion superior a 1E20 cm−3- Redistribucion de impurezas a alta tempe-ratura.- Deposicion de 100 nm de Si3N4 por LP-5101520253035404550556065CVD.- Deposicion de polisilicio por LPCVD parala fabricacion de la resistencia calefactora.- Fotolitografa cara superior para la de-nicion de la geometra de la resistencia.- Deposicion de una capa de pasivacion sobrela resistencia.- Fotolitografa de la cara posterior para abrirlas zonas de grabado del silicio.- Grabado del Si3N4 en las zonas de ataquedel silicio.- Ataque anisotropico del silicio del substratopor la parte posterior de la oblea.47 ES 2 118 041 B1 8REIVINDICACIONES1. Placa homogeneizadora de temperatura pa-ra microdispositivos termicamente aislados ca-racterizada porque consta de un elemento ca-lefactor realizado por un resistencia de polisilicio.2. Placa segun reivindicacion 1, caracteri-zada por la integracion en un mismo chip o cir-cuito integrado de varios de dichos dispositivospara formar una matriz de sensores de gases quetrabajen a distinta temperatura y que sean sensi-bles a varios gases de un mismo ambiente.3. Procedimiento para fabricacion de placa5101520253035404550556065homogeneizada de temperatura segun reivindica-ciones anteriores, caracterizado porque la placase dene en el centro de una estructura termi-camente aislante por un proceso fotolitograco yse realiza por difusion de boro de muy alta con-centracion en supercie, aislando la placa del sus-trato mediante el ataque anisotropico de silicio la-teral e inferior por la cara posterior del sustrato,siguiendo un proceso fotolitograco de doble cara.4. Utilizacion de placas homogeneizadoras se-gun reivindicaciones 1 y 2 para la fabricacion desensores de gases microintegrados basados en si-licio.5ES 2 118 041 B16ES 2 118 041 B17OFICINA ESPA~NOLADE PATENTES Y MARCASESPA~NAk11 ES 2 118 041k21 N. solicitud: 9601571k22 Fecha de presentacion de la solicitud: 12.07.96k32 Fecha de prioridad:INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICAk51 Int. Cl.6: G01N 27/12, 33/00 // G01F 1/692, G01K 7/18, G01J 5/20DOCUMENTOS RELEVANTESCategora Documentos citados ReivindicacionesafectadasY PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Japanese Patent Oce, Tokyo, JP 1-4JP-08062011-A (YAZAKI CORP.) 08.03.96* Resumen; gura *Y WO-9410822-A (NAT. INST. OF STANDARDS AND TECH.) 11.05.94 1-4* Todo el documento *A EP-291462-A (CENTRE SUISSE D’ELECTRONIQUE ET DE MICROTECHNIQUE 1,3,4S.A.) 17.11.88* Todo el documento *A PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Japanese Patent Oce, Tokyo, JP 1,3JP-06084604-A (RICOH CO. LTD.) 25.03.94* Resumen; gura *A EP-421158-A (FRAUNHOFER) 10.04.91 1,3,4* Todo el documento *Categora de los documentos citadosX:Y:A:de particular relevanciade particular relevancia combinado con otro/s de lamisma categorarefleja el estado de la tecnicaO:P:E:referido a divulgacion no escritapublicado entre la fecha de prioridad y la de presentacionde la solicituddocumento anterior, pero publicado despues de la fechade presentacion de la solicitudEl presente informe ha sido realizado para todas las reivindicaciones para las reivindicaciones n:Fecha de realizacion del informe Examinador Pagina28.07.98 A. Lopez Alonso 1/1

Placa homogeneizadora de temperatura para microdispositivos térmicamente aislados

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