Способ глубокой очистки поверхности кремниевых пластин Российский патент 2021 года по МПК H01L21/306 

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых чувствительных элементов микромеханических датчиков, таких как акселерометры, датчики угловой скорости, давления и пр.

Очистка кремниевых пластин в технологии изготовления микромеханических датчиков является одной из самых важных технологических операций, напрямую влияющих на работоспособность изготавливаемых приборов. Современные датчики используются в особо важных, критичных приложениях, таких как системы управления объектами, где недопустимы отказы используемого оборудования. В этой связи поиск оптимальных вариантов технологий химической очистки кремниевых пластин является актуальной задачей.

Известен способ [Патент Российской Федерации №2586266 С2, H01L 31/18, H01L 21/306, опубл. 10.06.2016, бюл. №16] обработки поверхности пластин для формирования солнечных элементов. Способ включает травление кремния с полным удалением остатков окисла с поверхности обратной стороны кремниевой пластины, перед напылением обратной стороны, согласно способа, в качестве травителя используется раствор, в состав которого входят фтористоводородная кислотами деионизованная вода, компоненты раствора выбираются в следующем соотношении: HF:H₂O 1:30.

Недостатком указанного способа является невозможность удаления металлических атомарных примесей, содержащихся в приповерхностных слоях кремния, что ведет к повышению поверхностных токов утечек, приводя к увеличению температурной погрешности измерений.

Известен способ [Патент Российской Федерации №2419175 С2, H01L 21/306, опубл. 20.05.2011, бюл. №14] обработки подложек в жидкостном травителе. Способ включает обработку поверхности подложек травителем, в состав которого входят фтористоводородная кислота (HF), фторид аммония (NH₄F) и деионизованная вода H₂O, подложки подвергают обработке в травителе, состоящем из фтористоводородной кислоты (HF), фторида аммония (NH₄F) и деионизованной воды (H₂O) при соотношении компонентов 1:2:5 и времени, равном 4±1 мин.

Недостатком указанного способа является невозможность удаления металлических атомарных примесей, содержащихся в приповерхностных слоях кремния, что ведет к повышению поверхностных токов утечек, приводя к увеличению температурной погрешности измерений.

Известен способ [Патент Российской Федерации №2323503 С2, H01L 21/306, опубл. 27.04.2008, бюл. №12. Прототип] обработки поверхности монокристаллической пластины кремния, ориентированной по плоскости Si (100) или Si (111). Способ включает очистку указанной поверхности с последующим пассивированием атомами водорода. Очистку поверхности кремния осуществляют сначала в кипящем растворе трихлорэтилена в течение 10-20 мин - двухкратная обработка с промывкой деионизованной водой по 5-10 мин после каждой обработки, а затем в водном аммиачно-пероксидном растворе состава: 5 объемов H₂O, 1 объем H₂O₂ 30%, 1 объем NH₄OH 25% при 75-82°С или в водном соляно-пероксидном растворе состава: 6 объемов H₂O, 1 объем H₂O₂ 30%, 1 объем HCl 37% при 75-82°С с последующей ступенчатой трехкратной промывкой деионизованной водой по 5-10 мин на каждой ступени, а пассивирование атомами водорода осуществляют обработкой сначала в 5-10 мас. % растворе HF, а затем водным раствором смеси NH₄OH и NH₄F с рН 7,6-7,7 в течение 40-60 с с последующей промывкой деионизованной водой и сушкой при нормальных условиях.

Недостатком указанного способа применительно к микромеханическим датчикам является увеличение температурной погрешности измерений и снижение температурного диапазона измерений за счет повышенных токов утечек, обусловленных присутствием в приповерхностных слоях кремния металлических атомарных примесей.

Целью изобретения является снижение температурной погрешности измерений и увеличение температурного диапазона измерений микромеханических датчиков за счет снижения поверхностных токов утечек.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки поверхности монокристаллической пластины кремния, ориентированной по плоскости Si (100), включающем очистку указанной поверхности в растворе HF, в водном аммиачно-пероксидном растворе, промывку деионизованной водой и сушкой при нормальных условиях, согласно способа, перед очисткой поверхности пластины в растворе HF проводят окисление поверхности пластины кремния при температуре (950-1150)°С в течение времени не менее 90 мин, после чего поверхность пластины последовательно очищают в растворе HF, водном аммиачно-пероксидном растворе с последующей промывкой деионизованной водой и сушкой при нормальных условиях.

Окисление поверхности кремниевой пластины перед последующей очисткой имеет следующие преимущества.

Известно, что загрязнения различной природы на поверхности кремниевых пластин, предназначенных для изготовления кремниевых кристаллов микромеханических датчиков, могут возникать как в процессе хранения пластин, так и при выполнении различных технологических операций. В общем случае, поверхностные загрязнения кремниевых пластин можно условно разделить на механические, ионные и атомарные загрязнения. Механические загрязнения, такие как микрочастицы пыли, и ионные, такие как ионы натрия Na⁺ на поверхности пластин, относительно легко удаляются промывкой в традиционных для микроэлектронного производства растворах [Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь. 1991. - 528 с.]. Атомарные загрязнения в виде атомов различных металлов, привносимые на поверхность пластин при выполнении различных технологических операций (например, из-за осаждения на поверхность пластин из водных растворов реактивов, применяемых в технологическом процессе за счет гальванического эффекта), имеют высокую проникающую способность, могут диффундировать в кремниевой подложке при последующих высокотемпературных обработках, приводя к появлению центров генерации/рекомбинации в объеме кремниевой пластины, созданию неуправляемого потенциала поверхности и дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне кремния, что ведет к появлению поверхностной проводимости, увеличению поверхностных токов утечек и, как следствие, повышению температурной погрешности измерений и снижению температурного диапазона измерений.

Окисление поверхности кремниевых пластин способствует росту оксидной пленки на ее поверхности и, как следствие, переводу продиффундировавших металлических атомарных загрязнений в приповерхностные слои кремниевой пластины в пленку оксида кремния. Дальнейшая очистка в растворе HF удаляет пленку оксида кремния с металлическими примесями, непосредственно следующая за этим очистка в водном аммиачно-пероксидном растворе с последующей промывкой деионизованной водой и сушкой удаляет с поверхности кремниевых пластин металлические примеси, адсорбируемые на поверхности пластин из раствора HF, не позволяя им диффундировать вглубь пластины.

Таким образом, сама поверхность и приповерхностные слои кремниевых пластин становятся свободными от металлических атомарных примесей, без появления дополнительных энергетических уровней, приводящих к появлению поверхностных токов утечек, увеличивающих температурную погрешность измерений и снижающих температурный диапазон измерений.

Пример реализации предложенного способа.

Предварительно подготовленную к проведению технологического процесса монокристаллическую пластину кремния, ориентированную по плоскости Si (100), окисляют термическим способом при температуре (950-1150)°С в течение времени не менее 90 мин, создавая на поверхности пластин слой диоксида кремния толщиной не менее 0,1 мкм. Растущий слой окисла инкорпорирует атомарные металлические примеси из приповерхностных слоев кремния. После этого пластины последовательно очищают в растворе HF концентрации (10-20)%, при этом пленка диоксида кремния стравливается с поверхности. Далее пластины очищают в аммиачно-пероксидном растворе NH₄OH:H₂O₂:Н₂О с соотношением компонентов, находящихся в пределах 1:(1-2):(1-5) при температуре (50-70)°С в течение времени не менее 8 мин. При этих условиях между двумя химическими компонентами - NH₄OH и Н₂О₂ происходит сложное непрерывное взаимодействие - перекись водорода (Н₂О₂) окисляет кремний и образует тонкий слой оксида кремния непосредственно на поверхности пластин, аммиак (NH₄OH) подтравливает образовавшийся тонкий слой оксида. Результатом протекания указанных процессов является постоянное образование и удаление тонкого слоя оксида кремния, что способствует полному удалению загрязнений с поверхности пластин и возникновению препятствия для адсорбции и диффузии атомарных металлических примесей, неизбежно содержащихся в технологических реактивах в микроскопических количествах, вглубь кремниевой пластины. Далее пластины промывают деионизованной водой и сушат при нормальных условиях.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет снизить температурную погрешность измерений и увеличить температурный диапазон измерений микромеханических датчиков за счет снижения поверхностных токов утечек путем удаления металлических атомарных примесей в приповерхностных слоях кремниевых пластин.

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых чувствительных элементов микромеханических датчиков, таких как акселерометры, датчики угловой скорости, давления и пр. Сущность изобретения: в способе обработки поверхности монокристаллической пластины кремния, ориентированной по плоскости Si (100), включающем очистку указанной поверхности в растворе HF, в водном аммиачно-пероксидном растворе, промывку деионизованной водой и сушку при нормальных условиях, согласно способу перед очисткой поверхности пластины в растворе HF проводят окисление поверхности пластины кремния при температуре (950-1150)°С в течение времени не менее 90 мин, после чего поверхность пластины последовательно очищают в растворе HF, водном аммиачно-пероксидном растворе с последующей промывкой деионизованной водой и сушкой при нормальных условиях. Технический результат заключается в снижении температурной погрешности и увеличении температурного диапазона измерений микромеханических датчиков за счет снижения поверхностных токов утечек путем удаления металлических атомарных примесей в приповерхностных слоях кремниевых пластин.

Способ обработки поверхности монокристаллической пластины кремния, ориентированной по плоскости Si (100), включающий очистку указанной поверхности в растворе HF, в водном аммиачно-пероксидном растворе, промывку деионизованной водой и сушку при нормальных условиях, отличающийся тем, что перед очисткой поверхности пластины в растворе HF проводят окисление поверхности пластины кремния при температуре (950-1150)°С в течение времени не менее 90 мин, после чего поверхность пластины последовательно очищают в растворе HF, водном аммиачно-пероксидном растворе с последующей промывкой деионизованной водой и сушкой при нормальных условиях.