Способ изготовления чувствительных элементов газовых датчиков

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии изготовления полупроводниковых структур, являющихся элементной базой функциональной микроэлектроники, и может быть использовано в технологии изготовления интегральных чувствительных элементов газовых датчиков с диэлектрическими мембранами.

Известен способ изготовления чувствительных элементов датчиков концентрации газа на основе диэлектрической мембраны, выполненной на кремниевой подложке. Способ включает нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика-нагревателя, чувствительного слоя и контактных площадок и создание тонкой диэлектрической мембраны методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны. Причем после формирования на поверхности подложки диэлектрического слоя и структуры датчика, перед этапом одностороннего анизотропного травления, подложки разделяют на отдельные кристаллы, которые устанавливают методом "перевернутого кристалла" в ячейки на заранее заготовленных ситалловых платах при помощи токопроводящего клея или припоя. Затем производят вытравливание кремния до образования мембран [1]. Способ отличается большой трудоемкостью, т.к. обработку каждого кристалла проводят индивидуально.

Наиболее близок по сути к изобретению - способ изготовления универсальных датчиков концентрации газа на основе диэлектрических мембран, выполненных на кремниевой подложке. Способ включает нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика и создание тонкопленочной диэлектрической мембраны анизотропным травлением кремниевой подложки с обратной стороны. Анизотропное травление проводят в два этапа, причем первый - до нанесения диэлектрической пленки, а второй - после завершения всех операций формирования элементов структуры датчика, с предварительной защитой лицевой стороны подложки от травителя, при этом одновременно формируют разделительные полосы между кристаллами глубиной от 30 до 40% от толщины подложки [2]. В этом способе не приводят составы растворов травителей и режимы проведения процессов травления как для первого, так и для второго этапов анизотропного травления.

К недостаткам изобретения можно отнести большую величину внутренних механических напряжений в однослойной диэлектрической мембране, что негативно влияет на подложку, а именно уменьшает радиус кривизны образца. Причина заключается в использовании однослойной диэлектрической пленки (SiO₂, Si₃N₄, SiON). Таким образом, в мембране толщиной d₀ формируются механические напряжения σ₀ либо растяжения, либо сжатия.

Кроме того, предложенный способ травления кремния имеет ряд недостатков. При жидкостном травлении происходит боковой подтрав под маску. Удаление материала происходит в течение длительного времени. В технологическом процессе описано, что операция травления кремниевой подложки с обратной стороны проводится в два этапа. После первого этапа травления кремния с обратной стороны формируются области с малой механической прочностью. Поэтому высока вероятность деформации структуры. Под действием механических напряжений уменьшается планарность поверхности (образец начинает изгибаться), что негативно отражается на точности проведения литографии. Как известно, взрывная литография используется для формирования элементов малых размеров. Таким образом, точность совмещения является одним из ключевых параметров при изготовлении нагревательных элементов и резистивных датчиков температур.

Перед проведением второго этапа травления кремниевой подложки с обратной стороны выполняется герметичная защита поверхности с лицевой стороны от жидкостного травителя. После проведения операции подложку извлекают из защитного устройства. Несмотря на то что операции являются групповыми для кристаллов на кремниевой пластине, из-за использования двухэтапного процесса формирования мембраны и применения защитного устройства, способ является достаточно трудоемким и дорогостоящим.

Задачей изобретения является повышение выхода годных кристаллов и увеличения рентабельности изделия за счет увеличения механической прочности структуры в целом благодаря освобождению мембраны одной операцией травления подложки в конце технологического маршрута и за счет уменьшения механических напряжений в мембране благодаря использованию чередующихся слоев.

Поставленная задача решается способом, при котором изготавливают чувствительные элементы газовых датчиков, включающим нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика и создание тонкопленочной диэлектрической мембраны с заданным значением толщины d₀ и механических напряжений σ₀ методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны с защитой лицевой стороны подложки, отличающимся тем, что анизотропное травления подложки проводят в один этап плазмохимическим способом без использования защитного устройства лицевой стороны пластины, а диэлектрические мембраны формируются из набора диэлектрических слоев с толщинами d₁ и d₂ и разными механическими напряжениями σ₁^- и σ₂⁺, согласно формулам:

d₀=Σd₁+Σd₂,

σ₀=Σσ₁^-+Σσ₂⁺,

где суммирование ведется по количеству слоев i толщиной d₁ с сжимающимися напряжениями σ₁^- от i=1 до i=n₁ и по количеству слоев j толщиной d₂ с растягивающими напряжениями σ₂⁺ от j=1 до j=n₂.

Природа возникновения механических напряжений многогранна. Разница в коэффициентах температурного расширения - одна из многих причин возникновения механических напряжений. Поэтому необходимо использовать комбинацию слоев со сжимающими и растягивающими напряжениями, чтобы минимизировать по модулю результирующее значение механических напряжений в мембране. Как и в прототипе, формируется диэлектрический слой на лицевой стороне, который является нижним слоем диэлектрической мембраны. Но затем наносят слой с противоположным по знаку значением механических напряжений. Далее, наносят слой со значением напряжений, как и первоначальный. И так далее, до получения необходимой суммарной толщины многослойной диэлектрической мембраны. Кроме того, для минимизации механических напряжений в мембране достаточно пропорционально увеличивать количество слоев и уменьшать толщину каждого.

Использование сухого плазмохимического анизотропного травления (Bosch-процесс) позволяет уменьшить количество стандартных базовых операций. Предлагаемый способ позволяет не использовать защитное устройство лицевой стороны образца перед травлением подложки с обратной стороны после завершения всех операций формирования структуры чувствительных элементов. Достаточно расположить структуру лицевой стороной к подложкодержателю, то есть перевернуть образец. Также нет необходимости в первоначальной операции - формирования маскирующего слоя (толстого термического оксида кремния). В дополнение, не надо подтравливать термический оксид перед нанесением диэлектрической мембраны. Кроме того, данный подход позволит сократить количество дорогостоящих операций литографии, т.к. разделительные полосы формируются одновременно с формированием полости под диэлектрической мембраной в течение одного этапа. Этим достигается повышение рентабельности изделия.

На фиг. 1-7 представлен разработанный способ изготовления чувствительных элементов газовых датчиков, где: 1 - кремниевая подложка, 2 - диэлектрическая пленка, 3 - фоторезист, 4 - металл, 5 - резистивные нагревательные элементы, 6 - резистивные датчики температуры, 7 - контактные площадки, 8 - изолирующий диэлектрик, 9 - чувствительные слои, 10 - полость, 11 - разделительные полосы.

Способ осуществляется следующим образом. На фиг. 1 показана кремниевая подложка с осажденным набором пленок методом плазмохимического осаждения из газовой фазы диэлектрических чередующихся наноразмерных слоев оксида кремния с напряжениями сжатия σ₁^- толщиной d₁ и нитрида кремния с напряжениями растяжения σ₂⁺ толщиной d₂.

Затем наносят, экспонируют и проявляют фоторезист. Следующим шагом напыляют слой металла, что представлено на фиг. 2. Опускают пластину в жидкостной травитель для фоторезиста. Металл, который располагался на фоторезисте, удаляется вместе с фоторезистом. Таким образом, остается металл, который контактировал с диэлектрической пленкой. Пространственно-геометрическое расположение металлических элементов на пластине представляет собой чувствительные нагревательные элементы, резистивные датчики температуры и контактные площадки к чувствительным слоям. Результат показан на фиг. 3.

Затем выполняют пассивацию поверхности посредством осаждения изолирующего диэлектрика, например нитрида кремния (фиг. 4). Следующим шагом делают операцию фотолитографии по слою изолирующего диэлектрика, удаляют область диэлектрика незащищенную маской. Таким образом, вскрывают окна к контактным площадкам (фиг. 5). После этого проводят операции осаждения, литографии и травления чувствительных слоев (фиг. 6). Материал чувствительного слоя зависит от типа определяемого газа.

Далее, проводят литографии с обратной стороны пластины, причем пластину не разделяют на кристаллы. Выполняют единожды сухое плазмохимическое анизотропное травление подложки (Bosch-процесс) с обратной стороны образца до нижней пленки набора диэлектрических слоев. Итоговая структура показана на фиг. 7.

Пример реализации способа.

Используют кремниевую подложку 1 КДБ-12 с кристаллографической ориентацией (100). Методом плазмохимического осаждения из газовой фазы формируют набор диэлектрических чередующихся наноразмерных слоев 2 оксида кремния с напряжениями сжатия и нитрида кремния с напряжениями растяжения.

Затем наносят, экспонируют и проявляют фоторезист 3. Следующим шагом напыляют слой металла 4, например слой платины, опускают пластину в жидкостной травитель для фоторезиста. Металл, который располагался на фоторезисте, удаляется вместе с фоторезистом. Таким образом, остается металл, который контактировал с диэлектрической пленкой. Пространственно-геометрическое расположение металлических элементов на пластине представляет собой резистивные нагревательные элементы 5, резистивные датчики температуры 6 и контактные площадки 7 к чувствительным слоям.

После этого выполняют пассивацию поверхности изолирующим диэлектриком 8 нитридом кремния. Следующим шагом проводят вскрытие в слое изолирующего диэлектрика окон к контактным площадкам. Затем проводят операции осаждения, литографии и травления чувствительных слоев 9. Далее, проводят литографию с обратной стороны пластины, причем пластину не разделяют на кристаллы. Выполняют сухое анизотропное травление подложки (Bosch-процесс) с обратной стороны образца до нижней пленки набора диэлектрических слоев. Область диэлектрической пленки над полостью 10 называется мембраной. Разделительные полосы 11 служат для разделения пластины на кристаллы.

Таким образом, заявляемый способ изготовления чувствительных элементов газовых датчиков по сравнению с прототипом позволяет повысить выход годных кристаллов и увеличить рентабельность изделия.

Источники информации

1. Патент РФ 2143678.

2. Патент РФ 2449412 – прототип.