СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АКТИВНЫХ СТРУКТУР ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ И МИКРОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ СФОРМИРОВАННЫЕ АКТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ Российский патент 2022 года по МПК H01L21/8238 G01N27/414 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к электронике, в частности к области изготовлений чувствительных элементов микроэлектронных устройств, например диагностических чипов, в которых чувствительные элементы представляют собой активные структуры на основе сплавов благородных металлов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Такой тип устройств как диагностический чип представляет собой структуру на основе микроскопических матриц, содержащих биологически-активные (чувствительные) вещества. Диагностические чипы производятся с применением технологических процессов микроэлектроники (фотолитография, осаждение тонких слоев, химическое и плазменное травление и т.д.). Можно выделить несколько основных применений био-чипов:

• Микроанализаторы: клинический анализ (экспресс-анализ крови), токсикологический анализ, контроль качества препаратов, анализ физиологических проб, чип-анализатор;

• Микросенсорика: контроль окружающей среды, датчики, био/хемосенсоры, молекулярное распознавание, защита от химического оружия;

• Микрореакторы для смешивания, проведения химических реакций, синтеза различной сложности;

• Сепарация частиц и молекул ДНК, анализ ДНК/РНК, полимеразная цепная реакция (ПЦР).

[0003] Общая схема изготовления диагностических чипов на кремниевых пластинах 300 мм содержит последовательность действий, включающих в себя следующие шаги: изготовление фотолитографических шаблонов для выбранной топологии чипа, подготовка подложки КМОП, формирование многоуровневой металлизации, формирование системы колодцев в оксиде кремния методом фотолитографии и плазмохимического травления с последующим физическим осаждением серебра из газовой фазы и его полировкой, формирование верхнего гидрофобного слоя.

[0004] Из уровня техники известны подходы в формировании активных структур в виде колодцев, выполняемых в подложке диэлектрика для формирования чувствительных слоев на сенсорах микроэлектронных устройств. Пример такого подхода известен из заявки US 20170153201 A1 (Life Technologies Corp, 01.06.2017). В данном решении формируются колодцы, представляющие собой матрицу активных элементов, формируемые с помощью травления диэлектрика с последующим нанесением чувствительного слоя, например, благородного металла, такого как серебро, платина или золото в колодец и пассивирующего слоя поверх чувствительного.

[0005] Из заявки US 20200292490 А1 (International Business Machines Corp, 17.09.2020) известно решение по формированию активных структур, в частности, способ изготовления полупроводникового устройства, включающего в себя ионно-чувствительный полевой транзистор (ISFET) с повышенной чувствительностью, включающий формирование микролунки внутри стека слоев, содержащего чередующиеся диэлектрические слои, сформированные на полупроводниковом кристалле, соответствующем ISFET. Формирование стека включает формирование первого диэлектрического слоя, включающего первый материал, и второго диэлектрического слоя, включающего второй материал. Способ дополнительно включает травление второго диэлектрического слоя селективно по меньшей мере по отношению к первому диэлектрическому слою с использованием процесса влажного травления и формирование макролунки из микролунки, имеющей форму, определяемую травлением.

[0006] Недостатком такого подхода является отсутствие формирования выступающих частей гидрофобного слоя над лункой, заполняемой впоследствии электролитом, что может приводить к его вытеканию из нее.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Заявленное изобретение направлено на решение существующей технической проблемы в части формирования гидрофобного слоя, нависающим над активными структурами.

[0008] Технический результат заключается в повышении эффективности работы активных структур за счет препятствования вытеканию электролита из углублений активных структур.

[0009] Технический результат достигается за счет способа формирования активных структур для микроэлектронных устройств на кремниевой подложке, содержащего этапы, на которых:

осуществляют подготовку подложки КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник);

формируют многоуровневую медную металлизацию в межуровневом диэлектрике подложки;

выполняют изготовление активных структур в виде углублений в слое оксида кремния методом фотолитографии и плазмохимического травления, причем углубления содержат внутренние стенки и донную поверхность, примыкающую к медной разводке;

осуществляют нанесение слоя благородного металла на боковые стенки и донную поверхность углублений;

осуществляют процесс химико-механической полировки металла с остановкой на оксиде кремния;

осуществляют нанесение на подложку слоя ОПС (органический планаризующий слой) с заполнением углублений;

осуществляют подтравливание слоя ОПС, с остановкой на слое оксида кремния, формируя планарную поверхность над углублениями;

осуществляют нанесение гидрофобного слоя на поверхность пластины;

осуществляют формирование жесткой маски путем нанесения жертвенных слоев на сформированную планарную поверхность;

осуществляют травление слоев жесткой маски, гидрофобного слоя и слоя ОПС в углублениях, при этом травление ОПС внутри углублений осуществляется изотропно с формированием из гидрофобного слоя выступов на поверхности подложки над углублениями.

[0010] В другом частном примере реализации способа гидрофобный слой выполнен из соединения на основе кремния.

[0011] В другом частном примере реализации способа соединение представляет собой нитрид кремния или оксид кремния.

[0012] В другом частном примере реализации способа жертвенные слои включают в себя стэк слоев из антиотражающего покрытия (BARC), низкотемпературного оксида и ОПС.

[0013] В другом частном примере реализации способа процесс травления жесткой маски и слоя ОПС в углублениях выполняется с помощью плазмохимического травления.

[0014] В другом частном примере реализации способа форма углублений представляет собой колодец.

[0015] В другом частном примере реализации способа форма колодца выбирается из группы: кубическая, усеченная пирамида, цилиндрическая, шестиугольная.

[0016] В другом частном примере реализации способа нанесение слоя благородного металла осуществляется напылением из газовой фазы толщиной 0.1-1.5 мкм.

[0017] В другом частном примере реализации способа благородный металл выбирается из благородных металлов VIII-IX Групп периодической системы химических элементов.

[0018] Заявленный технический результат достигается также за счет реализации микроэлектронного устройства, содержащее активные структуры, выполненные вышеуказанным способом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0019] Фиг. 1 иллюстрирует КМОП микроэлектронного устройства.

[0020] Фиг. 2 иллюстрирует КМОП со сформированным углублением активной структуры.

[0021] Фиг. 3А иллюстрирует пример заполнения топологических структур слоем ОПС.

[0022] Фиг. 3Б иллюстрирует стравливание ОПС с поверхности пластины с остановкой на верхней поверхности диэлектрика.

[0023] Фиг. 3В иллюстрирует Нанесение поверх пластины слоя диэлектрика SiN и фотолитографических слоев, формирующих жесткую маску для травления ОПС/SiO2/ ОПС/SiO2/BARC/PR (слева).

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0024] На Фиг. 1 представлена подложка (10) КМОП микроэлектронного устройства, состоящая из диэлектрика (100), например, оксид кремния (SiO), в слое которого выполнена многоуровневая медная металлизация (101). Диэлектрический слой (100) также может изготавливаться из оксида кремния (TEOS, USG, FSG) и нитрида кремния, Low-k материалов (low K оксид (SiOCH) и нитрид (SiCN)) - материалов с небольшой относительной диэлектрической проницаемостью относительно диоксида кремния.

[0025] Как показано на Фиг. 2, в слое диэлектрика (100) над последним слоем медной металлизации (101) выполняется углубление (102), множество которых будет формировать матрицу активных структур. Структуры (102) формируются в слое диэлектрика (100) методом фотолитографии и плазмохимического травления с образованием структур (102) в виде углублений заданной формы. Структуры (102) представляют собой колодец, форма которого может различаться исходя из применяемой технологии, например, структуры (102) могут иметь кубическую форму, форму усеченной пирамиды, цилиндрическую или шестиугольную форму, прямоугольную и т.п.

[0026] Структура (102) ограничена верхней поверхностью (1021), боковыми стенками (1022) и донной поверхностью (1023). При этом внешняя поверхность (1021) и боковые (1022) стенки являются слоем диэлектрика оксида кремния (100), а донная поверхность (1023) сопряжена со слоем медной разводки (101). На поверхность углублений (102) наносится слой благородного металла (1024). Слой благородного металла может представлять собой любой благородный металл из VIII - IX Групп периодической системы химических элементов, в частности, серебро (Ag), золото (Аи), рутений (Ru), осмий (Os), родий (Rh), иридий (Ir), палладий (Pd), платина (Pt). Слой (1024) благородного металла наносится с помощью напыления из газовой фазы толщиной 0.1-1.5 мкм.

[0027] Общая схема изготовления диагностических чипов на кремниевых пластинах 300 мм выглядит следующим образом: подготовка подложки КМОП (10), изготовление фотолитографических шаблонов для выбранной топологии чипа, формирование системы углублений (102) (колодцев) в оксиде кремния методом фотолитографии и плазма-химического травления с последующим физическим осаждением слоя благородного металла (1024) из газовой фазы и его полировкой, формирование верхнего гидрофобного слоя.

[0028] Как представлено на Фиг. 3А далее происходит заполнение сформированных углублений (102) слоем ОПС (103, органический планаризующий слой / OPL) толщиной 8000А для выравнивания поверхности. После этого методом плазмо-химического травления всей поверхности подложки (100) слой ОПС (103) равномерно удалялся с поверхности, оставаясь только в углублениях (102), тем самым оголяя верх диэлектрика и оставляя поверхность подложки (100) планарной. При этом процесс плазмо-химического травления осуществляется с помощью подтравливания слоя ОПС, с остановкой на гидрофобном слое, формируя планарную поверхность над углублениями (102).

[0029] Далее, как показано на Фиг. ЗВ, на поверхность подложки (100) наносится гидрофобный слой (104), выполненный на основании соединений нитрида кремния (SiN) или оксида кремния (SiO) и жертвенные слои для формирования жесткой маски, которые наносятся на полученную планарную поверхность подложки (100).

[0030] Для получения необходимой структуры, представленной на Фиг. 3Г, был разработан процесс пошагового травления жертвенных слоев (слоев жесткой маски) через фоторезистивную маску (107) (BARC - антиотражающее покрытие (106), LTO - низкотемпературный оксид (105) и OPL - ОПС (103)), гидрофобного слоя нитрида (104), а также процесс удаления жертвенного слоя ОПС (103) изнутри углубления (102) в кислородной плазме. Причем слои ОПС (103) и слой LTO (105) наносятся дважды для выравнивания поверхности пластины (100).

[0031] Травление слоя ОПС (103) внутри углублений (102) выполняется изотропно, обеспечивая формирование из гидрофобного слоя (104) выступов на поверхности подложки (100), которые нависают над углублениями (102).

[0032] Такой способ позволяет сформировать эффективные активные структуры, обеспечивающие препятствие для вытекания электролита при их последующем заполнении.

[0033] Представленные материалы заявки раскрывают предпочтительные примеры реализации технического решения и не должны трактоваться как ограничивающие иные, частные примеры его воплощения, не выходящие за пределы испрашиваемой правовой охраны, которые являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.

Изобретение относится к электронике, в частности к области изготовлений чувствительных элементов микроэлектронных устройств, например диагностических чипов, в которых чувствительные элементы представляют собой активные структуры на основе сплавов благородных металлов. Способ формирования активных структур для микроэлектронных устройств на кремниевой подложке содержит этапы, на которых осуществляют подготовку подложки КМОП; формируют многоуровневую медную металлизацию в межуровневом диэлектрике подложки; выполняют изготовление активных структур в виде углублений в слое оксида кремния методом фотолитографии и плазмохимического травления, причем углубления содержат внутренние стенки и донную поверхность, примыкающую к медной разводке; осуществляют нанесение слоя благородного металла на боковые стенки и донную поверхность углублений; осуществляют процесс химико-механической полировки металла с остановкой на оксиде кремния; осуществляют нанесение на подложку органического планаризующего слоя (ОПС) с заполнением углублений; осуществляют подтравливание ОПС с остановкой на слое оксида кремния, формируя планарную поверхность над углублениями; осуществляют нанесение гидрофобного слоя на поверхность пластины; осуществляют формирование жесткой маски путем нанесения жертвенных слоев на сформированную планарную поверхность; осуществляют травление слоев жесткой маски, гидрофобного слоя и ОПС в углублениях, при этом травление ОПС внутри углублений осуществляется изотропно с формированием из гидрофобного слоя выступов на поверхности подложки над углублениями. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы активных структур за счет препятствования вытеканию электролита из углублений этих структур. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ формирования активных структур для микроэлектронных устройств на кремниевой подложке, содержащий этапы, на которых:

осуществляют подготовку подложки комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП);

формируют многоуровневую медную металлизацию в межуровневом диэлектрике подложки;

выполняют изготовление активных структур в виде углублений в слое оксида кремния методом фотолитографии и плазмохимического травления, причем углубления содержат внутренние стенки и донную поверхность, примыкающую к медной разводке;

осуществляют нанесение слоя благородного металла на боковые стенки и донную поверхность углублений;

осуществляют процесс химико-механической полировки металла с остановкой на оксиде кремния;

осуществляют нанесение на подложку органического планаризующего слоя (слоя ОПС) с заполнением углублений;

осуществляют подтравливание слоя ОПС с остановкой на слое оксида кремния, формируя планарную поверхность над углублениями;

осуществляют нанесение гидрофобного слоя на поверхность пластины;

осуществляют формирование жесткой маски путем нанесения жертвенных слоев на сформированную планарную поверхность;

осуществляют травление слоев жесткой маски, гидрофобного слоя и слоя ОПС в углублениях, при этом травление слоя ОПС внутри углублений осуществляется изотропно с формированием из гидрофобного слоя выступов на поверхности подложки над углублениями.

2. Способ по п.1, в котором гидрофобный слой выполнен из соединения на основе кремния.

3. Способ по п.2, в котором соединение представляет собой нитрид кремния или оксид кремния.

4. Способ по п.1, в котором жертвенные слои включают в себя стэк слоев из антиотражающего покрытия (BARC), низкотемпературного оксида и ОПС.

5. Способ по п.1, в котором процесс травления жесткой маски и слоя ОПС в углублениях выполняется с помощью плазмохимического травления.

6. Способ по п. 1, в котором форма углублений представляет собой колодец.

7. Способ по п. 6, в котором форма колодца выбирается из группы: прямоугольная, кубическая, усеченная пирамида, цилиндрическая, шестиугольная.

8. Способ по п. 1, в котором нанесение слоя благородного металла осуществляется напылением из газовой фазы толщиной 0.1-1.5 мкм.

9. Способ по п. 1, в котором благородный металл выбирается из благородных металлов VIII – IX групп Периодической системы химических элементов.

10. Микроэлектронное устройство, содержащее активные структуры, выполненные способом по любому из пп. 1-9.