Оптимизация изотропного травления при изготовлениивысокотемпературных полупроводниковых датчиков давления Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВолковВ.С., к.т.н., БариновИ.Н., к.т.н., ДарвинВ.Ю.

Пензенский государственный университет;

ОПТИМИЗАЦИЯ ИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

При финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук МК-472.2011.8.

К датчикам давлений, которые устанавливаются на авиационных и ракетных двигателях, отличающихся на различных этапах отработки и эксплуатации воздействием температур до (500-600)°С, ионизирующих излучений и жестких электромагнитных помех, предъявляются высокие метрологические и эксплуатационные требования.

Температурный диапазон большинства выпускаемых датчиков давлений отечественного и зарубежного производства не превышает значений от минус 150 до 300°С, что не удовлетворяет возросшим требованиям по оснащению наиболее современными, надежными, высокоточными средствами измерений соответствующих изделий.

Одна из причин - использование при проектировании датчиков устаревших базовых конструктивно-технологических решений. Например, в датчиках давлений с полупроводниковыми чувствительными элементами (ПЧЭ) на основе объемного кремния наличие p-n перехода не позволяет функционировать средствам измерений при температурах свыше 160°.

В то же время современными тенденциями в микроэлектронике является использование структуры «кремний-на-диэлектрике» (КНД) для создания изделий электронной компонентной базы (микропроцессо -ров, элементов памяти и др.), когда элементы схемы выполнены из монокристаллического кремния с изоляцией от подложки слоем двуокиси кремния.

Одним из возможных вариантов изготовления ПЧЭ на КНД-структуре является метод прямого сращивания, когда происходит соединение двух пластин - опорной и приборной, с дальнейшим проведением «стоп»-травления по выявлению измерительной схемы [1,2] .

Недостаток данного метода - низкий процент выхода годных кристаллов, обусловленный высокими требованиями по качеству пластин кремния в части разброса по толщине и шероховатости. Например, разброс по толщине кремниевой пластины должен быть не более Ah=±2 мкм, а шероховатость поверхности R3 менее 1 нм. Большинство стандартных кремниевых пластин, выпускаемых в России, имеют средний разброс Ah=±(4...6) мкм, а шероховатость находится в интервале от 0,2 до 0,3 нм [3] .

В [4] предлагается характеризовать качество соединения посредством так называемого параметра сцепления поверхностей 0:

0 = * SOU,

w\ Я

гдеЕ - модуль упругости соединяемых материалов;о(h) - стандартное отклонение разброса высоты^ - энергия связи,А - длина волны поверхностных структур.

В данном параметре отражаются как геометрические величины рельефа поверхностей, так и параметры материала. Поверхности можно соединять удовлетворительно, когда 0<1. При показателе от 1 до 12 возникает соединение ограниченной прочности, а при 0>12 соединение поверхностей невозможно.

Примерное маршрутное описание технологического процесса изготовления ПЧЭ с использованием готовых пластин на КНД-структуре включает в себя следующие этапы (рисунок 1) :- химическая очистка (см. рисунок 1, а);- формирование топологии измерительной схемы Уитстона и коммутационных шин методом фотолитографии (см. рисунок 1, б);- формирование заданных значений тензорезисторов методом диффузии (ионного легирования) (см. рисунок 1, в);- формирование терморезистора методами осаждения поликремния, фотолитографии, ионного легирования (см. рисунок 1, г);- формирование мембраны методами фотолитографии и анизотропного травления (см. рисунок 1, д);- формирование контактной металлизации, коммутационных шин (см. рисунок 1, е).

L

1 - приборный слой кремния; 2 - изоляционный слой двуокиси кремния; 3 - опорная кремниевая пластина; 4 - измерительная схема Уитстона; 5 -контактная металлизация

Рисунок 1

Основной проблемой, возникающей при использовании данной технологии на пластинах с приборным слоем свыше 0,8 мкм, является подтравливание приборного слоя кремния при проведении операции фотолитографии на этапе формирования измерительной схемы. Подтравливание происходит вследствие использования буферного изотропного травителя (HF+HNO3+CH3COOH), когда профиль конечной структуры имеет вид усеченной пирамиды, с длиной основания I1 в 1,5-3 раза большим, чем длина вершины I2. (рисунок 2) .

фоторезист

Рисунок 2

Кроме того, возможно уменьшение значения I2 до нуля в случае недостаточной ширины фоторезистивной маски и большой глубины травления и, таким образом, дальнейшее сокращение объема тензоре-зистора и значительное увеличение сопротивления, в несколько раз превышающее расчетное.

С целью уменьшения данного эффекта проведены работы по выбору оптимального состава травителя. Было исследовано влияние на значение Д1= I1-I2 десяти различных вариантов травителей. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1

Состав травителя (объемн.) Д1, мкм

HF-4; HNO3 -30; CH3 COOH -10 14

HF-6 ; HNO3 -30; CH3 COOH -10 15

HF-4 ; HNO3 -30; CH3 COOH - 5 11

HF-6 ; HNO3 -30; CH3 COOH - 5 14

HF-4; HNO3 -20; CH3 COOH -10 12

HF-6; HNO3 -20; CH3 COOH -10 10

HF-4; HNO3 -20; CH3 COOH - 5 8

HF-2; HNO3 - 9 ; CH3 COOH -15 7

HF-2; HNO3 - 9 ; CH3 COOH -10 6

HF-2; HNO3 - 9 ; CH3 COOH - 4 4

Как видно из таблицы, значение Д1 прямо пропорционально концентрации плавиковой кислоты, и в то же время увеличение концентрации уксусной кислоты приводит к увеличению значения Д1 из-за увеличения общего времени процесса, обусловленного резким падением скорости травления кремния в вертикальном направлении.

По результатам работ выбран состав изотропного травителя с оптимальным соотношением «скорость травления/значение Д1», обеспечивающий минимальный разброс между расчетным и практическим значениями ширины тензорезистора.

Еще одной проблемой является создание ПЧЭ толщиной менее 120 мкм, когда происходит разрушение кремниевой пластины при использовании групповой технологии изготовления из-за возникающих механических напряжений, обусловленных несовершенством исходных пластин, содержащих множество внутренних дефектов.

Для устранения данной проблемы может быть использовано жидкостное изотропное травление кремния в качестве перспективногометода утонения ПЧЭ,для повышения их чувствительности при работе в составе датчиков.

В качестве примера рассмотрим разработанную операцию изотропного травления ПЧЭ, на которой основан метод утонения. Исходная толщина пластины со сформированными на ней ПЧЭ имеет стандартное значение 300 мкм. Задача состоит в уменьшении толщины ПЧЭ до значения 60 мкм.

После разделения пластины ПЧЭ фиксируются на любой кремниевой нерабочей пластине планарной стороной с помощью лака ХВ-784 (рисунок 3 а).

Б

а

6

Рисунок 3

После сушки лака проводится операция изотропного динамического травления в травителе состава: HF-2 мл, HNO3-15 мл, СН3СООН - 5 мл. (см. рисунокЗ б) . Скорость травления составляет значение 4 мкм/мин. Через каждые 30 минут проведения процесса происходит замена выработавшегося травителя.

Глубина травления НТр определяется начальной и конечной (заданной) толщиной ПЧЭ, и находится в диа-

пазоне от 1 до 600 мкм. В нашем случае НТр=300-60=240 мкм;Время травления

6 0 мин.

В связи с пренебрежимо малой площадью кристалла по сравнению с площадью исходной пластины, а также наличием жесткого соединения кристалла с подложкой минимальная толщина кристалла может составлять значение до 20 мкм при малой вероятности его разрушения. Кроме того, поверхность кремния после изотропного травления содержит минимальное количество дефектов, что улучшает метрологические параметры датчика в целом для малых пределов измерения.

Проверка разработаннойтехнологии утонения осуществлялась путем проведения процесса изотропного динамического травления на пластине ориентации (100), с краями [110], с использованием следующих

вариантов концентраций травител ей (объемн.):

- HNO3 - 15 мл., HF - 2 мл., CH3COOH - 5 мл.;

- HNO3 - 10 мл., HF - 5 мл., CH3COOH - 2 мл.;

- HNO3 - 20 мл., HF - 1 мл., CH3COOH - 10 мл.;

- HNO3 - 12 мл., HF - 4 мл., CH3COOH - 1 мл.

Данные концентрации травителей были выбраны из вариантов представленных в работах [6,7], как

наиболее адекватные к проведению изотропного травления с целью утонения (отсутствие маскирующих

покрытий, максимальная скорость травления, высокое качество поверхности). К качеству поверхности предъявляют особые требования, т.к. любой дефект, образованный в ходе травления может привести к концентрации напряжений в локальной области при эксплуатации элемента и, в конечном итоге, к разрушению самого ПЧЭ.

На рисунке4 представлены фотографии стороны кристалла после утонения методом изотропного травления в травителях различных концентраций.

а

в

г

а - Травитель: HNO3 - 12 мл., HF - 4 мл., CH3COOH - 1 мл.; б - HNO3 - 2 0 мл. - 10 мл.; в - HNO3 - 10 мл., HF - 5 мл., CH3COOH - 2 мл.; г - HNO3 - 15 мл.

- 5 мл.

Рисунок 4 - Внешний вид ПЧЭ после утонения методом изотропного травления в

концентраций

, HF - 1 мл., CH3COOH , HF - 2 мл., CH3COOH

травителях различных

Визуальный анализ представленных результатов показал, что для разработанного метода утонения оптимальных вариантом является травитель: HNO3 - 15 мл., HF - 2 мл., CH3COOH - 5 мл. При этом обрабатываемая поверхность соответствует рисунку 4, г.

В результате использования предложенной технологии, за счет исключения дополнительных операций по обеспечению анизотропного травления и повышения технологичности процесса, общее время изготовления кристалла сократилось на 8 часов (время проведения технологических операций напыления, осаждения меди, травления двуокиси кремния, анизотропного травления). Кроме того, за счет исключения высокой вероятности разрушения не разделенной пластины толщиной менее 150 мкм во время и после операции анизотропного травления, а также за счет повышения качества рельефа поверхности кристалла, выход годных увеличился на 5%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления / Баринов И.Н., Козин С.А. // патент RU 2284613 C1 (пр. 04.04.05) .

2. Баринов И.Н. / Конструктивно-технологические решения полупроводниковых преобразователей давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» // Технологии приборостроения. - №4. -2006. - С. 28-33.

3. ТУ 11-ЕТ0.035.206ТУ-83. Пластины монокристаллического кремния для МОП БИС.

4. Technologieentwicklung fur Kapazitive Sensoren mit Bewegten Komponenten Technische Universitat Chemnitz. S.l., 2004.-191 c.-Нем.

5. www.soitec.fr.

6. Возьмилова Л.Н., Бойкив М.М. Локальное травление кремния // Электронная техника.-Сер. 2.-

1976.-вып. 2.-С. 93-97.

7. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник - М.: Радио и связь, 1991.