СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ Российский патент 1999 года по МПК H01L21/203 

Изобретение относится к микроэлектронике и касается технологии изготовления микромеханических приборов, в частности, микрогироскопов, микроакселерометров, микродатчиков давления, из кремнийсодержащих полупроводниковых структур.

Известен способ изготовления микромеханических приборов путем взрывного травления тонкой эпитаксиальной пленки и последующего эпитаксиального выращивания пленок на подложке с нанесенным на ней вспомогательным слоем, формирования в эпитаксиальной пленке рисунка элементов приборного слоя с открытыми сторонами, покрытия этих сторон несущим слоем, стравливания вспомогательного слоя, отделения несущего слоя с приборным слоем от подложки, а затем удаления несущего слоя в промежуточной среде и переноса приборного слоя из промежуточной среды на стационарную подложку (патент США N 5244818, H 01 L 31/18, 1993). При изготовлении подвижной микроструктуры на подложку наносят временный слой и избирательно удаляют участки этого слоя, вскрывая отверстия в слое для создания столбиков в составе микроструктуры. На подложку и временный слой осаждают второй материал, из которого выполняют создаваемую микроструктуру избирательным травлением с последующим удалением отдельных участков временного слоя. Далее на подложку, временный слой и второй слой осаждают фоточувствительный полимер (ФП), заполняющий при этом зазоры во втором слое и временном слое. После избирательного удаления участков ФП некоторое количество этого полимера оставляют в зазорах временного слоя для образования столбиков между подложкой и вторым слоем. Затем временный слой и неиспользованный ФП удаляют (патент США N 5314572, H 01 L 21/306, В 44 С 1/22, В 29 С 37/00, C 03 C 15/00, 1994).

Эти способы сложны и обладают низкой надежности из-за возможности повреждения микроструктуры при многочисленных обработках, особенно при переносе приборного слоя с исходной подложки на стационарную. Кроме того, здесь возникает проблема закрепления приборного слоя на стационарной подложке.

Для повышения технологичности изготовления микромеханических элементов на подложку осаждают слой нитрида алюминия (AIN), распыляя алюминиевую мишень в вакуумной камере, заполненной азотом и реакционным газом. Затем на слой нитрида алюминия осаждают слой диэлектрика и с помощью фотолитографии формируют в слое диэлектрика контактные окна, вскрывающие поверхность нитрида алюминия, который используют как стол-слой травления. В заключение удаляют слой нитрида алюминия из контактных окон (патент США N 5270263, H 01 L 21/465, С 23 С 14/00, 1993).

Недостатком данного способа является невозможность формирования токопроводящей конфигурации формируемого приборного слоя.

Известен также способ изготовления микромеханических приборов на примере полупроводникового датчика давления путем эпитаксиального наращивания кремниевой пленки на подложке из монокристаллического сапфира с последующим формированием на пленке диффузионного резистора. Используя кремниевую пленку в качестве стоп-слоя, избирательным травлением нагретой фосфорной кислотой удаляют участок подложки, соответствующий только диффузионному резистору, формируя таким образом мембранную структуру. В качестве маски для травления используют пленку из диоксида кремния (патент Японии N 5-10830, H 01 L 29/84, 1993).

Однако данный способ обладает низкой точностью воспроизведения геометрических размеров микромеханических элементов, формируемых глубоким вытравливанием сапфира. Кроме того, травление подложки снижает прочность конструкции и требует герметизации образовавшихся полостей при сборке изделия.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления микромеханических приборов на примере изготовления микроакселерометра, предусматривающий нанесение на подложку пленки из проводящего монокристаллического кремния, отделенного от подложки слоем диэлектрика, с последующим вытравливанием участков пленки и слоя диэлектрика до подложки для формирования измерительного узла, созданием электрических контактов для средств измерения и частичным удалением слоя диэлектрика для освобождения подвижных элементов измерительного узла (патент Франции N 2700065, H 01 L 49/02, G 01 P 15/08, 15/125, 1994).

Однако приборы, изготавливаемые данным способом, обладают низкой механической, температурной и радиационной стойкостью.

Задача предлагаемого способа - повышение механической, температурной и радиационной стойкости изготавливаемых изделий.

Решение указанной задачи заключается в том, что в способе изготовления микромеханических приборов, предусматривающем нанесение на подложку пленки из проводящего монокристаллического кремнийсодержащего материала, отделенного от подложки слоем диэлектрика, с последующим вытравливанием участков пленки для формирования измерительного узла, удалением слоя диэлектрика для освобождения подвижных элементов измерительного узла и созданием электрических контактов для средств измерения, в качестве пленки из проводящего монокристаллического кремнийсодержащего материала на подложку наносят эпитаксиальную пленку карбида кремния (SiC), отделенного от подложки эпитаксиальным слоем диэлектрика - нитрида алюминия, образующих полупроводниковую сэндвич-структуру.

Причинно-следственная связь внесенных технологических изменений с улучшением качества изготавливаемых изделий заключается в том, что среди значительного числа возможных пар материалов токопроводящих эпитаксиальных пленок и эпитаксиальных слоев диэлектриков, обладающих высокими износостойкостью, механической прочностью и близкими коэффициентами температурного расширения (что важно для исключения деформации микромеханических элементов) пара "карбид кремния - нитрид алюминия" обладает наилучшей кристаллохимической совместимостью, что обеспечивает надежное получение их сэндвич-структуры.

При технической реализации предлагаемого способа целесообразно удаление участков нитрида алюминия производить травлением в нагретой концентрированной ортофосфорной кислоте. Этот травитель является наиболее избирательным при обработке используемой сэндвич-структуры, не вызывает газовыделения и не образует балластных соединений, искажающих формируемые структуры.

При формировании элементов микромеханического прибора, требующих повышенной точности воспроизведения элементов конструкции, наиболее приемлемым является вариант способа, дополнительно предусматривающий формирование изолированного тестового участка обрабатываемой сэндвич-структуры с линейными размерами из расчета всплывания полупроводниковой пленки тестового участка при травлении расположенного под ним участка слоя диэлектрика в момент, гарантирующий достижение заданных размеров формируемых элементов прибора. В этот момент травление диэлектрика прекращают.

Данный вариант способа является наиболее приемлемым при формировании опоры чувствительного элемента микрогироскопа, поскольку недостаточно глубокое травление резко снижает чувствительность измерений, а передержка травления может привести к отрыву чувствительного элемента от подложки.

Слой AIN может быть выполнен с окнами для контактирования требуемых участков слоя SiC формируемой микроструктуры непосредственно с подложкой.

На фиг. 1 приведена схема микромеханического датчика давления к примеру 1.

На фиг. 2 приведена схема микромеханического акселерометра к примеру 2.

На фиг. 3 приведена схема микромеханического гироскопа к примеру 3.

На фиг. 4 приведена схема изолированного тестового участка для определения времени травления слоя AIN к примеру 3.

Способ поясняется следующими примерами.

Пример 1. Изготовление микромеханического датчика давления
На подложку 1 (фиг. 1) из кремния ориентации (III) наносят слои 2 из AIN и пленку 3 из SiC последовательным осаждением в установке магнетронного распыления при постоянном токе разряда 0,65 А и мощности 210 Вт из мишени с перемещаемыми рабочими зонами. В первой рабочей зоне находится алюминиевая пластина, а во второй - карбидокремниевая мишень.

Осаждение производят при 5%-ном избытке потоков Al и Si соответственно. Каждый слой осаждают в течение 30 мин под вакуумом при температурах подложки в диапазоне от 900 до 950^oC. При этом сначала на подложке 1 осаждают слой 2 AIN из первой рабочей зоны мишени в азото-аргоновой среде, затем перекрывают подачу азота в камеру установки и осаждают пленку 3 SiC из второй рабочей зоны мишени и т.д. Получают эпитаксиальную сэндвич-структуру SiC (8 мкм) на AIN (1 мкм).

На внешнюю поверхность пленки 3 из SiC наносят фоторезистивную маску, с помощью которой плазмохимически вытравливают в этой пленке сквозные окна 4 размером 3х3 мкм. Затем маску удаляют растворением в диметилформамиде и производят вытравливание части слоя AIN, находящегося в зоне окон, с помощью подогретого до 75^oC водного раствора КОН (33 мас.%), поступающего в зону травления через окна 4, выполненные в пленке SiC. Травление вакуумируемой мембранной полости 5 в слое 4 AIN производят в течение 45 мин. Продукты реакции и непрореагировавшие ингредиенты удаляют промывкой в деионизированной воде и высушивают обрабатываемую структуру в сушильном шкафу в течение 3 ч при 50^oC.

Далее на внешнюю поверхность пленки 3 из SiC наносят 3 мкм слой 6 никеля с помощью термического распыления в вакууме. При этом подложку располагают под углом 45^o к направлению потока распыляемого металла для исключения попадания его в сформированную мембранную полость в слое AIN через окна в пленке. В результате данной операции происходит герметизация мембранной полости 5, при этом нанесенный герметизирующий токопроводящий слой 6, контактируя со сформированной над полостью 5 гибкой мембраной из SiC, служит одной из обкладок сформированного мембранного емкостного датчика давления. Второй контакт 7 напыляют снаружи на кремниевую подложку 1, служащую другой обкладкой емкостного датчика. Контакты подключают ко входу измерителя емкости, проградуированного в единицах давления. Подаваемое сверху датчика давление воспринимается мембранной полостью, изменяя емкость датчика за счет изменения расстояния между его обкладками. Полученный микродатчик обладает следующими техническими характеристиками:
- диапазон измеряемых давлений - от 0 до 500 кПа;
- погрешность - 0,5%.

Для сравнения изготавливают микромеханические датчики давления, включающие пленку SiC, отделенную от подложки слоем AIN, где в качестве подложки используют высокотемпературную оксидно- бериллиевую керамическую пластину марки БВ-100-1 (для контроля существенности признака эпитаксиальной структуры, поскольку на керамическую подложку эпитаксиальное напыление невозможно). Кроме того, изготавливают датчики из эпитаксиальных структур SiC/Al₂O₃/Si, Si/AlN/Al₂O₃ (патент Франции N 2700065) и неэпитаксиальной структуры SiO₂/AlN/Si (патент США N 5270263).

Учитывают процент изготовления годных изделий в отношении геометрических параметров формы и размеров и вакуумирования мембранной полости (под микроскопом), дрейф электрической характеристики и чувствительность измерения.

Годные датчики подвергают термическому испытанию путем выдерживания при температуре 700^oC в течение 3 ч и радиационной обработке из расчета 1,4•10¹⁵ нейтр/см² и выявляют процент сохранения годных изделий в отношении вышеуказанных характеристик. Результаты по данным 20-300 испытаний приведены в табл. 1 (см. в конце описания).

Как видно из таблицы, выход годных микромеханических датчиков давления в предлагаемом способе составляет 30%, а в прототипном - 27,7% (различие статистически недостоверно). В то же время датчики, полученные предлагаемым способом, обладают значительно более высокими эксплуатационными характеристиками, что подтверждается 84%-ным сохранением их работоспособности после термообработки против 37% в прототипном способе и 95%-ным сохранением работоспособности против 48% после радиационной обработки. Достигнутые значения данных показателей качества превышают также соответствующие значения других способов.

Пример 2. Изготовление микромеханического акселерометра
На подложку 1 (фиг. 2) из сапфира эпитаксиально наносят слой 2 нитрида алюминия и пленку 3 карбида кремния, в которой вытравливают сквозные технологические окна 4, как в примере 1. При этом в пленке 3 вытравливают также внешний контур формируемого гибкого навесного элемента прибора, согласно нанесенному рисунку фоторезистивной маски. Далее в пленке 3 в зоне максимума изгибающих напряжений (находится около места закрепления формируемого навесного элемента) создают тензорезистивную мостовую схему 5 методом ионной имплантации бора с последующим напылением никель-титановых контактов 6 для присоединения к измерительному преобразователю. Затем через вытравленные в пленке 3 окна 4 и контур формируемого подвижного элемента производят травление части слоя 2 AlN для образования балочной конструкции подвижного элемента с полостью 7.

Травление участков слоя AlN в различных партиях изготавливаемых приборов объемом от 50 до 200 изделий производят в течение 30-120 мин при температуре от 60 до 95^oC с помощью следующих реактивов: концентрированных ортофосфорной, фтористо-водородной и азотной кислот, КОН (33%-ный раствор), перекиси водорода. Сравнительные результаты их использования приведены в табл. 2 (см. в конце описания). Как видно из таблицы, травление участков слоя AlN подогретой концентрированной ортофосфорной кислотой обеспечивает максимальный выход годных изделий (32%). Остальные испытанные реагенты повреждают либо сапфировую подложку 1, либо чувствительные элементы прибора, что резко снижает выход годных изделий. При этом фтористо-водородная кислота слой AlN практически не травит.

Изделия герметизируют в защитном керамическом корпусе.

Под действием ускорения, приложенного перпендикулярно подложке 1, подвижный элемент прогибается, что фиксируется с помощью тензорезистивной схемы 5.

Технические характеристики изготовленных микромеханических акселерометров:
- диапазон измерения - от 0 до 100 м/с²;
- погрешность - 0,5% от диапазона измерений.

В результате термического и радиационного испытаний годных изделий в режимах примера 1 работоспособность сохраняют 83 и 89% приборов соответственно.

Пример 3. Изготовление микромеханического гироскопа
На подложку 1 (фиг. 3) из сапфира, металлизированную обкладками 2, служащими также токосъемными элементами, эпитаксиально наносят слой 3 нитрида алюминия и пленку 4 карбида кремния, в которой вытравливают сквозные технологические окна 5, как в примере 1. При этом в пленке 4 вытравливают также внешний контур формируемого подвесного чувствительного элемента микрогироскопа, согласно нанесенному рисунку фоторезистивной маски, предусматривающий формирование емкостного моста между обкладками подвижного элемента и неподвижного основания. Затем через вытравленные в пленке 4 окна 5 и контур формируемого подвижного элемента производят травление части слоя 3 AIN для образования конструкции подвижного элемента с полостью 6 и центральной опорой, образованной невытравленным участком слоя 3.

В связи с технологической трудностью точного соблюдения установленной формы и размеров опоры чувствительного элемента микрогироскопа для установления момента окончания операции травления AlN в пленке 4 SiC дополнительно формируют изолированный тестовый участок (фиг. 4) с линейными размерами из расчета всплывания полупроводниковой пленки тестового участка при травлении расположенного под ним слоя диэлектрика в момент, гарантирующий достижение заданных размеров опоры. Для этого на двух свободных участках исходной структуры фотолитографически формируют тест-объекты в виде блоков с квадратными (фиг. 4а) и круглыми (фиг. 4б) основаниями. Целесообразность выполнения тест-объекта в виде блока геометрических фигур заключается в визуализации его всплывания и усреднении времени отрыва от подложки.

Предварительно определяют характерные размеры оснований А (стороны квадратного или диаметра круглого основания). В данном примере оптимальным является А= 50 мкм (табл. 3), обеспечивающий максимальный выход годных изделий (24%). При А<50 мкм происходит недотравливание участка опоры, а при А>50 мкм происходит перетравливание AlN на данном участке, вплоть до обрыва чувствительного элемента.

Травление участков слоя AlN прекращают в момент всплывания тестового участка, обнаруживаемый по изменению цвета в месте отрыва пленки, поскольку открывшийся участок подложки из сапфира отличается от темной пленки SiC.

Прибор герметизируют, как в примере 2.

При изменении угловой скорости по крену и/или тангажу происходит изменение кориолисовых сил, действующих на обкладки подвижного элемента, вибрирующего в плоскости подложки, что приводит к изменению соотношения емкостей в разных плечах сформированного моста и учитывается измерителем-преобразователем, подключенным к обкладкам.

Технические характеристики изготовленного микромеханического гироскопа:
- диапазон измерения угловой скорости - от 0 до 100 ^o/с;
- точность - 1%.

В результате термического и радиационного испытаний годных изделий в режимах примера 1 работоспособность сохраняют 82 и 92% приборов соответственно против 30 и 33% в прототипном способе.

Из приведенных примеров видно, что предлагаемый способ по сравнению с известными позволяет повысить точность изготовления и прочность микромеханических приборов, что позволяет их эксплуатировать в экстремальных режимах, характеризуемых высокими значениями температуры (700^oC) и радиации (1,4•10¹⁵ нейтр/см²).

Использование: в технологии изготовления микромеханических приборов, в частности микрогироскопов, микроакселерометров, микродатчиков давления, из кремнийсодержащих полупроводниковых структур. Способ предусматривает изготовление микромеханических приборов из кремнийсодержащей полупроводниковой структуры, предусматривающий нанесение на подложку пленки из проводящего монокристаллического кремнийсодержащего материала, отделенного от подложки слоем диэлектрика, с последующим вытравливанием участков пленки для формирования измерительного узла, удалением слоя диэлектрика для освобождения подвижных элементов измерительного узла и созданием электрических контактов для средств измерения. В качестве исходного материала используют эпитаксиально выращенную полупроводниковую сэндвич-структуру, содержащую пленку из карбида кремния, отделенную от подложки слоем нитрида алюминия. Для установления момента окончания операции травления диэлектрика в пленке полупроводника дополнительно формируют изолированный тестовый участок с линейными размерами из расчета всплывания полупроводниковой пленки тестового участка при травлении расположенного под ним слоя диэлектрика в момент, гарантирующий достижение заданных размеров оставшихся частей изготавливаемого изделия. Технический результат изобретения - повышение механической, температурной и радиационной стойкости микромеханических приборов. 2 з.п.ф-лы, 3 табл., 4 ил.

1. Способ изготовления микромеханических приборов из кремнийсодержащей полупроводниковой структуры, предусматривающий нанесение на подложку пленки из проводящего монокристаллического кремнийсодержащего материала, отделенного от подложки слоем диэлектрика, с последующим вытравливанием участков пленки для формирования измерительного узла, удалением участков слоя диэлектрика для освобождения подвижных элементов измерительного узла и созданием электрических контактов для средств измерения, отличающийся тем, что в качестве пленки из проводящего монокристаллического кремнийсодержащего материала на подложку наносят эпитаксиальную пленку карбида кремния, отделенного от подложки эпитаксиальным слоем диэлектрика - нитрида алюминия, образующих полупроводниковую сэндвич-структуру. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление участков нитрида алюминия производят травлением в нагретой концентрированной ортофосфорной кислоте. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для установления момента окончания операции удаления участков слоя диэлектрика в пленке полупроводника дополнительно формируют изолированный тестовый участок с линейными размерами из расчета всплывания полупроводниковой пленки тестового участка при удалении расположенного под ним слоя диэлектрика в момент, гарантирующий достижение заданных размеров оставшихся частей изготавливаемого изделия.