СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПЛАТИНЫ Российский патент 1998 года по МПК H01L21/33 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к процессам формирования пленочных элементов микроэлектронных устройств, например пленочных термометров сопротивления или электродных структур датчиков различного функционального назначения.

Известен способ формирования пленочных структур на основе платины, включающий последовательное нанесение на алюмооксидную (сапфировую) подложку слоев: Ti (50 нм) - W (200 нм) - Mo ( 100 нм) - Ti ( 200 нм) - Rt (500 нм)I1I.

Элементы используются в термоионных интегральных схемах, работающих при температурах 800 - 1000^oC. Недостатком данного способа является относительно большое количество используемых материалов, в т.ч. тугоплавких, что вызывает необходимость использования многофункциональных и многопозиционных устройств для их нанесения, а также вызывает затруднения при фрагментаризации слоев (сложные процессы с использованием токсичных веществ). Кроме того, данная структура применима в основном к подложке из кислородосодержащего материала.

Известен способ изготовления металлических тонкопленочных резисторов на основе платины, включающий напыление в вакууме тонкой пленки Ta, Ti или Zr, напыление второго слоя Ta и Pt, напыление третьего слоя Ta и Rt в смеси Ar+10%O с получением защитного слоя Ta₂O₅-Rt, термообработку в вакууме и на воздухе (300^oC, 10-30 мин), при которой частицы платины диффундируют во второй слой 121. Полученные таким образом резистивные пленки имеют повышенную стойкость к истиранию за счет присутствия оксидного слоя, однако при этом повышается удельное сопротивление пленки.

Наиболее близким к предлагаемому способу является техническое решение 131, включающее нанесение на кремниевую подложку с изолирующим покрытием Si₃N₄ тонкого адгезивного слоя оксида металла (Cr, Ti, Ta, Ni, Al), слоя платины, второго оксидного слоя поверх платины и пассивирующего слоя Si₃N₄ и фотолитографическое выполнение конфигурации элементов. Оксид металла и платины осаждаются методами ионно-плазменного напыления, формирование конфигурации элементов осуществляется с использованием ионного травления. Такой способ позволяет компенсировать механические напряжения в пленке платины в широком диапазоне температур, однако не обеспечивает омического контакта с функциональными слоями, например, полупроводниковым слоем в датчиках состава газа адсорбционного типа. Кроме того, применение ионного травления увеличивает массу безвозвратных потерь драгметалла, а жидкостное травление ввиду наличия переходного слоя, представляющего собой преимущественно механическую смесь платины и диоксида титана (или оксида соответствующего металла), которые трудно поддаются химической обработке, что ограничивает применимость способа.

Целью изобретения является повышение качества элементов при использовании жидкостного травления, заключающееся в повышении точности выполнения размеров и отсутствии нестравленных участков, приводящих к полному или частичному замыканию соседних элементов.

Цель достигается тем, что предложен способ формирования элементов на основе платины, включающий нанесение на подложку с бескислородным диэлектрическим покрытием металлооксидного адгезионного слоя и слоя платины, фотолитографическое выполнение конфигурации элементов, при этом адгезионный слой наносят распылением титана в кислородсодержащей плазме, начиная при соотношении давлений PO₂/p = 0,3-0,4 и заканчивая при PO₂/p ≤ 0,2, где PO₂ - давление кислорода, p - общее давление смеси, после нанесения слоя платины производят отжиг в вакууме до восстановления диоксида платины до платины и низших окислов, а после формирования конфигурации элементов подложку подвергают отжигу в кислородсодержащей среде.

Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы в предлагаемом техническом решении является то, что адгезионный подслой наносят распылением титана в кислородсодержащeй плазме, начиная при соотношении давлений PO₂/p = 0,3-0,4 и заканчивая при PO₂/p ≤0,2, где PO₂ - давление кислорода, p - общее давление смеси, после нанесения слоя платины производят отжиг в вакууме до восстановления диоксида платины до платины и низших окислов, а после формирования конфигурации элементов подложку подвергают отжигу в кислородсодержащей среде.

Технический результате достигается благодаря тому, что Z - сцепление слоя пластины с нижележащими слоями осуществляется преимущественно по типу металлической связи с образованием однородного слоя Ti+10%Pt и в дальнейшем слоя Ti₃Pt на границе раздела твердого раствора, который сцепляется с диоксидом титана химической связью, что позволяет снизить концентрацию нерастворимого в "царской водке" диоксида платины ("царская водка" - единственный практический раствор для травления Pt, представляющий смесь концентрированных HNO₃ и HCl в отношении 1:3);
- снижаются термомеханические напряжения между слоем платины и подложкой за счет более плавного изменения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР); ТКЛР составляют соответственно для Si₃N₄ - (3-4)•10^-6K^-1; TiO₂ - 6•10^-6K^-1; Ti 8•10^-6K^-1; Pt -9•10^-6 K^-1;
- при жидкостном химическом травлении в "царской водке" платина и низшие окислы переходят в раствор, которые в дальнейшем утилизируют добавлением NH₄Cl и выделением (NH₄)₂ [PtCl₂], которую разлагают при температуре около 800^oC и восстанавливают в водороде до Pt.

На окисленную кремниевую подложку со слоем Si₃N₄, нагретую до температуры 180-200^oC, методом реактивного магнетронного ВЧ-распыления титановой мишени наносят адгезионный подслой. Для этого откачивают рабочую камеру до давления не более 1•10^-5 мм рт.ст., нагревают подложку, производят напуск аргона и кислорода до давления порядка 10^-2 мм рт.ст при соотношении давления кислорода (PO₂) и общего давления смеси (p) в диапазоне PO₂/p = 0,4 - 0,3, подают напряжение разряда, возбуждают ВЧ-плазму и производят осаждение материала подслоя. В процессе осаждения путем регулирования подачи аргона и кислорода в камеру изменяют состав осаждаемой пленки. При соотношении давлений PO₂/p ≤ 0,2 происходит осаждение титана. Напыление платины производили магнетронным ВЧ-распылением платиновой мишени в атмосфере аргона при давлении 2•10^-2 мм рт.ст. при токе смещения 40 мА и напряжении на мишени 2,4 2,6 кВ со скоростью 30 нм/мин. Сформированные слои подвергали отжигу в вакууме при температуре 350-380 ^oC в течение 1 ч и 440-460^oC в течение 1 ч, при котором происходило восстановление диоксида платины до платины и низших окислов, растворимых в "царской водке".

На пластинах формировали фоторезистивную маску на основе позитивного фоторезиста ФП-051 МК толщиной 0,8-0,9 мкм и производили травление пленочной структуры: платины- в "царской водке" (раствор концентрированных HNO₃ и HCl в отношении 1:3), титана - в растворе HF:H₂O=1:9.

После травления фоторезистивную маску удаляли в кислородной плазме и пластины подвергали отжигу на воздухе или в кислородсодержащей атмосфере при температуре в диапазоне 420-450^oC в течение 6-8 ч с целью доокисления проводящих низших окислов титана до изолирующей двуокиси титана.

Пример 1. (прототип) на окисленную пластину кремния марки КДБ-12 со слоями Si₃N₄ последовательно наносили магнетронным распылением слой TiO₂ толщиной 100 нм при постоянном соотношении давления кислорода и аргона PO₂/p = 0,4-0,3 (скорость осаждения 0,25 нм/с), слой платины толщиной 0,3 мкм магнетронным распылением в атмосфере аргона при скорости осаждения 0,5 нм/с. Пластину подвергали двуступенчатому отжигу в вакууме. Формировали фоторезистивную маску и производили обработку в травителе платины. Время обработки 4 мин. Производили отжиг на воздухе при температуре 420-450^oC в течение 6-8 ч. Производили визуальный и электрический контроль сформированных структур. Подтрав элементов размером 10 мкм составлял 2 мкм, неровность края 0,7-0,8 мкм, удельное сопротивление изоляции в зазоре длиной 0,01 мм и шириной 20 мм составило не более 6•10⁸ Ом/□ .

Пример 2. На окисленную пластину кремния марки КДБ-12 со слоем Si₃N₄ магнетронным распылением наносили слой TiO_x, где x изменяется от 2 до 0. Толщина адгезионного подслоя составляла 100 нм. Распыление начинали при соотношении давления кислорода PO₂/p = 0,4-0,3 и скорости осаждения 0,25 нм/с. Затем с помощью регулятора расхода газа уменьшали концентрацию кислорода до нуля путем прекращения подачи кислорода из баллона, поддерживая общее давление в камере в пределах (1,5-3)•10^-2 мм рт.ст; скорость осаждения на этом этапе составляла 2-2,5 нм/с. Процесс напыления прекращали при достижении значения толщины подслоя 100 нм. Производили осаждение слоя платины толщиной 0,3 мкм, затем пластину отжигали в вакууме. Формировали фоторезистивную маску и производили обработку в травителях платины и титана соответственно. Время травления платины 2 мин, титана 7 с. Производили отжиг пластины с сформированной структурой на воздухе при температуре 420-450^oC в течение 6-8 ч. Подтрав элементов размером 10 мкм составлял до 2 мкм, неровность края элементов 0,3-0,45 мкм, удельное сопротивление изоляции в зазоре составило более 2•10¹²Oм/□. .

Пример 3. На окисленную пластину кремния марки КДБ 12 со слоем Si₃N₄ реактивным магнетронным распылением титановой мишени наносили при соотношении давления кислорода PO₂/p = 0,3-0,4 слой TiO₂ толщиной 50-70 нм. Затем в атмосфере инертного (аргон) газа производили осаждение титана толщиной 30 нм, а затем осаждение слоя платины толщиной 0,3 мкм. Пластину отжигали в вакууме, формировали топологический рисунок, отжигали на воздухе. Подтрав элементов размером 10 мкм не превышал 1 мкм, неровность края элементов - до 0,25 мкм, удельное сопротивление изоляции в зазоре превышало 2•10¹²Oм/□. .

Таким образом, по сравнению с известным техническим решением предлагаемый способ обеспечивает более высокое качество формируемого рисунка (точность выполнения элементов, неровность края, и что наиболее существенно, отсутствие нестравленных участков в межэлементном промежутке), что подтверждает его эффективность и достижение технического результата.

Использование: электронная техника, в процессах формирования пленочных элементов микроэлектронных устройств. Сущность изобретения: при формировании пленочных элементов на основе платины производят нанесение на подложку с бескислородным диэлектрическим покрытием металлооксидного адгезионного слоя и слоя платины, фотолитографическое выполнение конфигурации элементов. Адгезионный слой наносят распылением титана в кислородсодержащей плазме, начиная при соотношении давлений PO₂ / p = 0,3 - 0,4 и заканчивая при PO₂ / p < 0,2, где PO₂ - давление кислорода, p - общее давление смеси. После нанесения слоя платины производят отжиг в вакууме до восстановления диоксида платины до платины и низших окислов, а после формирования конфигурации элементов подложку подвергают отжигу в кислородсодержащей среде.

Способ формирования пленочных элементов на основе платины, включающий последовательное нанесение на подложку с бескислородным диэлектрическим покрытием металлооксидного адгезионного слоя и слоя платины, фотолитографическое выполнение конфигурации элементов, отличающийся тем, что адгезионный слой наносят распылением титана в кислородсодержащей плазме, начиная при соотношении давлений и заканчивая при , где - давление кислорода, р - общее давление смеси, после нанесения слоя платины производят отжиг в вакууме до восстановления диоксида платины до платины и низших окислов, а после формирования конфигурации элементов подложку подвергают отжигу в кислородсодержащей среде.