СПОСОБ АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H01L21/308 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к технологии изготовления дискретных приборов и интегральных схем. Оно может быть использовано для формирования рельефа с заданной геометрией на поверхности структур при изготовлении кристаллографически ограненных канавок, лунок, мезаструктур, мембран и других трехмерных топологических элементов.

Известен способ создания микроструктур на основе кремния, включающий формирование анодной обработкой кремния в растворе фтористоводородной кислоты областей пористого кремния заданной трехмерной топологии и последующее вытравливание пористого кремния в растворах NaOH или KOH [1]. Необходимую топологию областей пористого кремния получают с помощью фотолитографии по маскирующим слоям диоксида или нитрида кремния, локального легирования кремния акцепторными примесями или эпитаксиальным наращиванием пленок кремния различного типа проводимости. Таким способом изготавливают микроструктуры типа мембран и консольных балок, используемых в качестве элементов датчиков ускорения, давления и т.д.

Недостатком способа [1] является низкая точность воспроизведения малых размеров (на уровне 1 - 10 мкм) формируемого рельефа микроструктур.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ анизотропного травления кристаллов кремния путем обработки рабочей поверхности в химических растворах, скорость растворения кремния в которых зависит от кристаллографического направления [2] . В качестве анизотропных травителей используют водные, водно-спиртовые растворы KOH, гидразин-гидрат, водно-этилендиаминовые растворы пирокатехина и др. Для получения заданного топологического профиля на поверхности кристаллов анизотропное травление осуществляют через вскрытые методом фотолитографии в защитных покрытиях (пленки SiO₂, Si₃N₄ и др.) окна, образующие необходимый рисунок.

Недостатком способа [2] является микрошероховатость граней вытравливаемого рельефа, проявляющаяся в виде локальных мелких лунок и бугорков. Их образование связано с экранированием травящейся поверхности пузырьками водорода и локальным селективным травлением структурных дефектов, имеющихся в кристалле.

Для устранения негативного влияния на качество формируемой поверхности пузырьков водорода кристалл обычно травят в вертикальном положении с медленным перемешиванием раствора. Однако подавить селективное травление структурных дефектов этими приемами нельзя. Наличие локальных неоднородностей рельефа формируемой поверхности является одной из причин разрушения или деградации активных пленочных элементов и маскирующих, защитных слоев, наносимых на грани рельефа при изготовлении микроструктур.

Техническим результатом заявляемого способа является улучшение качества поверхности граней рельефа, формируемого при анизотропном травлении.

Технический результат достигается тем, что формируют на рабочей стороне подложки маску, затем нерабочую сторону подложки облучают ионами гелия с энергией не менее 100 кэВ, а дозу облучения определяют на рабочей стороне контрольного образца по изменению значения периода кристаллической решетки кристалла, когда его величина перестает зависеть от дозы, обрабатывают подложку в анизотропно травящих растворах.

Новым, необнаруженным при анализе научно-технической и патентной литературы в заявляемом способе является то, что перед тарвлением нерабочую сторону облучают ионами гелия с энергией не менее 100 кэВ, а дозу облучения определяют на рабочей стороне контрольного образца по изменению значения периода кристаллической решетки кристалла, когда его величина перестает зависеть от дозы.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что облучение ионами гелия сопровождается неконсервативной перестройкой структурных дефектов, проявляющейся в очищении (геттерировании) от дефектов областей кристалла вблизи его рабочей стороны. Процесс очищения связан с растворением микродефектов и перемещением дислокационных отрезков с краевой компонентой вектора Бюрргеса в зависимости от ее ориентации к поверхности с выходом на нее или в объем кристалла к нерабочей стороне. Перестройка дефектов обусловлена их взаимодействием с неравновесными точечными дефектами и упругими волнами, возникающими в зоне торможения ионов гелия. Высокие энергии (не менее 10 кэВ) и малая масса ионов обуславливают их глубокое проникновение в кремний и генерацию высокой концентрации неравновесных собственных точечных дефектов, а также возникновение интенсивного поля упругих волн вдоль треков торможения. Перестройка дефектов во время облучения приводит к изменению внутренних полей механических напряжений, связанных с дефектами, что проявляется в изменении периода решетки приповерхностной зоны вблизи рабочей стороны кристалла. Регистрация этих изменений рентгенодифрактометрическим методом по мере набора дозы облучения и фиксация дозы, при которой период решетки стабилизируется, позволяет контролировать процесс очищения кристаллов от дефектов и своевременно прекращать облучения ионами гелия, т.е. без непроизводительных энергозатрат подготавливать кристаллы к следующей операции анизотропного травления.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. На исходных кристаллах выбирают или задают с помощью специальной обработки рабочую (на которой анизотропным травлением будут формировать микроструктуры) и нерабочую стороны. Далее на рабочую сторону наносят маскирующие покрытия SiO₂, Si₃N₄, ХСЛ, фоторезист и др., в которых фотолитографически вскрывают участки поверхности кремния, где будет проводиться анизотропное травление. После этого кристаллы облучают на ускорителе или от радионуклидного источника ионами гелия с энергией не менее 100 кэВ. До облучения и во время облучения рентгеновским методом, например на рентгеновских двух- или трехкристальных спектрометрах, измеряют изменение периода кристаллической решетки в приповерхностных слоях кристалла вблизи его рабочей стороны. Облучение прекращают при достижении дозы, при которой значение периода кристаллической решетки стабилизируется и перестает зависеть от дозы. При обработках больших партий пластин из однотипного кремния целесообразно определить необходимую дозу облучения предварительно за кристаллах-спутниках. Облучению могут подвергаться кристаллы и без нанесенных на рабочую сторону маскирующих слоев при условии, что при последующем формировании таких слоев в кристалле не будут генерироваться дополнительные структурные дефекты, как это происходит, например, при термическом окислении кремния, когда в приповерхностной области возникают окислительные дефекты упаковки. В последнем случае облучение ионами гелия необходимо проводить после окисления. После облучения кристаллы обрабатывают в любом из известных анизотропных травителей [2] и получают на рабочей стороне рельеф с заданной топологией.

Режимы облучения ионами гелия были определены экспериментально на кристаллах кремния марок КДБ-12(001) и КЭФ-4,5(001) при формировании на них мембран толщиной 10 - 30 мкм для производства газовых сенсоров. Толщина исходных пластин составляла 350 - 420 мкм. Топологию мембран формировали методом фотолитографии по маскирующим слоям SiO₂ - Si₃N₄. Облучение ионами гелия с варьируемой плотностью потока от 10⁹ до 10¹² см^-2 с^-1 и энергиями от 50 кэВ до 4,5 МэВ проводили на имплантере Лада-30 и установке с радионуклидным источником на основе полония - 210 с применением алюминиевых поглотителей. Приращения периода кристаллической решетки на рабочей стороне кристаллов измеряли на рентгеновском трехкристалльном спектрометре до облучения и периодически прерывая облучение. После набора дозы, при которой период кристаллической решетки стабилизировался, кристаллы травили в щелочном растворе изопропилового спирта (ИПС) KOH - H O - ИПС с концентрацией ИПС 80 - 85 % и 8 - 11 г/л KOH [2].

Температура травителя не превышала 70± 3^oC. Качество поверхности получаемых мембран контролировали на металлографическом микроскопе МИМ-7. Эксперименты показали, что на поверхности мембран, протравленных на необлученных кристаллах присутствуют микробугорки и микровпадины с размерами 3 - 10 мкм и плотностью до 10⁴ - 10⁵ см^-2. Облучение нерабочей стороны ионами гелия снижает плотность бугорков и ямок на поверхности мембран, если энергия ионов составляет величину не менее 100 кэВ, дозы облучения, стабилизирующие изменение периода решетки кристалла вблизи его рабочей стороны, заключены в интервале 10¹² - 10¹⁵ см^-2. Такие режимы облучения позволяют получать мембраны с поверхностью, на которой практически отсутствуют локальные микронеровности рельефа при условии, что во время травления покачиванием образцов или медленным перемешиванием травителя удаляются пузырьки газообразных продуктов реакций (водорода). При энергиях ионов гелия менее 100 кэВ эффект уменьшения плотности бугорков и ямок на протравленной поверхности выражен слабее и для его достижения требуются дозы облучения, превышающие 10¹⁶ см^-2, т.е. необходимые высокие энергозатраты на облучение.

Пример практической реализации заявляемого способа.

На кристаллах кремния КДБ-12(001) толщиной 420 мкм изготавливали мембраны толщиной 30 мкм и площадью 5х5 мм² анизотропным травлением в щелочном растворе изопропилового спирта с концентрацией реагентов, указанных выше. В качестве маскирующих слоев использовали двухслойную композицию SiO₂ - Si₃N₄, в которой литографически формировали квадратное отверстие с ориентацией сторон вдоль направлений <100>. Внутренние грани образовывали плоскости [111].

Влияние предварительного облучения кристаллов ионами гелия с нерабочей стороны на качество поверхности мембран, которое оценивали по плотности локальных микронеровностей рельефа на боковых и планарной сторонах мембран, иллюстрируют результаты, представленные в таблице. В таблице приведены также дозы облучения, при которых фиксировалась стабилизация приращения периода решетки, измерявшегося с рабочей стороны на рентгеновском трехкристальном спектрометре. При облучении ионами с энергией 50 - 80 кэВ вплоть до дозы 1,2•10¹⁶ см^-2 стабилизация периода решетки не наблюдалась.

Как видно из таблицы, заявляемый способ позволяет существенно снизить плотность ямок и бугорков травления на поверхности анизотропно протравленных кристаллов кремния по сравнению со способом-прототипом. Важным позитивным результатом использования заявляемого способа является также и то, что очищение кристаллов от структурных дефектов при облучении способствует улучшению электрофизических и функциональных свойств изготавливаемых на них полупроводниковых приборов, т.е. датчиков физико-химических параметров внешней среды.

Использование: в технологии изготовления дискретных приборов и интегральных схем, в частности для формирования рельефа с заданной геометрией на поверхности структур при изготовлении кристаллографически ограненных канавок, лунок, мезаструктур, мембран и других трехмерных топологических элементов. Сущность изобретения: в способе анизотропного травления кристаллов кремния формируют на рабочей стороне подложки маску, затем нерабочую сторону подложки облучают ионами гелия с энергией не менее 100 кэВ, а дозу облучения определяют на рабочей стороне контрольного образца по изменению значения периода кристаллической решетки кристалла, когда его величина перестает зависеть от дозы, обрабатывают подложку в анизотропно травящих растворах. 1 табл.

Способ анизотропного травления кристаллов кремния, включающий формирование на рабочей стороне подложки маски и обработку в анизотропно травящих растворах, отличающийся тем, что перед травлением нерабочую сторону облучают ионами гелия с энергией не менее 100 кэВ, причем дозу облучения определяют на рабочей стороне контрольного образца по изменению значения периода кристаллической решетки кристалла, когда его величина перестает зависеть от дозы.