RU2650793C1 - Method of manufacturing sensitive elements of gas sensors - Google Patents

Abstract

FIELD: microelectronics.

SUBSTANCE: invention relates to microelectronics, namely to the technology of manufacturing semiconductor structures that are the element base of functional microelectronics, and can be used in the technology of manufacturing of integral sensing elements of gas sensors with dielectric membranes. Aim of invention is to increase the yield of suitable crystals and increase the profitability of the product by increasing the mechanical strength of the structure as a whole due to release of membrane by one operation of etching the substrate at the end of the technological route and by reducing the mechanical stresses in the membrane due to the use of alternating layers.

EFFECT: increase the yield of suitable crystals and increase profitability of the product.

1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии изготовления полупроводниковых структур, являющихся элементной базой функциональной микроэлектроники, и может быть использовано в технологии изготовления интегральных чувствительных элементов газовых датчиков с диэлектрическими мембранами.The invention relates to the field of microelectronics, in particular, to the technology of manufacturing semiconductor structures, which are the elemental base of functional microelectronics, and can be used in the technology of manufacturing integral sensitive elements of gas sensors with dielectric membranes.

Известен способ изготовления чувствительных элементов датчиков концентрации газа на основе диэлектрической мембраны, выполненной на кремниевой подложке. Способ включает нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика-нагревателя, чувствительного слоя и контактных площадок и создание тонкой диэлектрической мембраны методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны. Причем после формирования на поверхности подложки диэлектрического слоя и структуры датчика, перед этапом одностороннего анизотропного травления, подложки разделяют на отдельные кристаллы, которые устанавливают методом "перевернутого кристалла" в ячейки на заранее заготовленных ситалловых платах при помощи токопроводящего клея или припоя. Затем производят вытравливание кремния до образования мембран [1]. Способ отличается большой трудоемкостью, т.к. обработку каждого кристалла проводят индивидуально.A known method of manufacturing sensitive elements of gas concentration sensors based on a dielectric membrane made on a silicon substrate. The method includes applying a dielectric film on the front side of the silicon substrate, forming on the film the structural elements of the sensor-heater, the sensitive layer and contact pads and creating a thin dielectric membrane by anisotropic etching of the silicon substrate from the back side. Moreover, after the dielectric layer and the sensor structure are formed on the substrate surface, before the one-side anisotropic etching step, the substrates are separated into separate crystals, which are installed by the “inverted crystal” method in the cells on pre-prepared glass plates with conductive glue or solder. Then, silicon is etched to form membranes [1]. The method is very labor intensive, because the processing of each crystal is carried out individually.

Наиболее близок по сути к изобретению - способ изготовления универсальных датчиков концентрации газа на основе диэлектрических мембран, выполненных на кремниевой подложке. Способ включает нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика и создание тонкопленочной диэлектрической мембраны анизотропным травлением кремниевой подложки с обратной стороны. Анизотропное травление проводят в два этапа, причем первый - до нанесения диэлектрической пленки, а второй - после завершения всех операций формирования элементов структуры датчика, с предварительной защитой лицевой стороны подложки от травителя, при этом одновременно формируют разделительные полосы между кристаллами глубиной от 30 до 40% от толщины подложки [2]. В этом способе не приводят составы растворов травителей и режимы проведения процессов травления как для первого, так и для второго этапов анизотропного травления.The closest to the invention is essentially a method of manufacturing universal gas concentration sensors based on dielectric membranes made on a silicon substrate. The method includes applying a dielectric film to the front side of the silicon substrate, forming the sensor structure elements on the film, and creating a thin film dielectric membrane by anisotropic etching of the silicon substrate from the back side. Anisotropic etching is carried out in two stages, the first one before applying a dielectric film, and the second after completing all the operations of forming elements of the sensor structure, with preliminary protection of the front side of the substrate from the etchant, and at the same time dividing strips between crystals with a depth of 30 to 40% are formed from the thickness of the substrate [2]. In this method, the compositions of the etchant solutions and the modes of conducting etching processes for both the first and second stages of anisotropic etching are not given.

К недостаткам изобретения можно отнести большую величину внутренних механических напряжений в однослойной диэлектрической мембране, что негативно влияет на подложку, а именно уменьшает радиус кривизны образца. Причина заключается в использовании однослойной диэлектрической пленки (SiO₂, Si₃N₄, SiON). Таким образом, в мембране толщиной d₀ формируются механические напряжения σ₀ либо растяжения, либо сжатия.The disadvantages of the invention include a large amount of internal mechanical stresses in a single-layer dielectric membrane, which negatively affects the substrate, namely, reduces the radius of curvature of the sample. The reason is the use of a single layer dielectric film (SiO ₂ , Si ₃ N ₄ , SiON). Thus, in a membrane of thickness d ₀ , mechanical stresses σ _{0 of} either tension or compression are formed.

Кроме того, предложенный способ травления кремния имеет ряд недостатков. При жидкостном травлении происходит боковой подтрав под маску. Удаление материала происходит в течение длительного времени. В технологическом процессе описано, что операция травления кремниевой подложки с обратной стороны проводится в два этапа. После первого этапа травления кремния с обратной стороны формируются области с малой механической прочностью. Поэтому высока вероятность деформации структуры. Под действием механических напряжений уменьшается планарность поверхности (образец начинает изгибаться), что негативно отражается на точности проведения литографии. Как известно, взрывная литография используется для формирования элементов малых размеров. Таким образом, точность совмещения является одним из ключевых параметров при изготовлении нагревательных элементов и резистивных датчиков температур.In addition, the proposed method of etching silicon has several disadvantages. With liquid etching, side etching occurs under the mask. Material removal takes place over time. In the technological process it is described that the etching operation of the silicon substrate on the reverse side is carried out in two stages. After the first stage of silicon etching, regions with low mechanical strength are formed on the reverse side. Therefore, a high probability of deformation of the structure. Under the influence of mechanical stresses, the planarity of the surface decreases (the sample begins to bend), which negatively affects the accuracy of lithography. As is known, explosive lithography is used to form small elements. Thus, the accuracy of the combination is one of the key parameters in the manufacture of heating elements and resistive temperature sensors.

Перед проведением второго этапа травления кремниевой подложки с обратной стороны выполняется герметичная защита поверхности с лицевой стороны от жидкостного травителя. После проведения операции подложку извлекают из защитного устройства. Несмотря на то что операции являются групповыми для кристаллов на кремниевой пластине, из-за использования двухэтапного процесса формирования мембраны и применения защитного устройства, способ является достаточно трудоемким и дорогостоящим.Before carrying out the second stage of etching the silicon substrate on the reverse side, hermetic surface protection from the front side from the liquid etchant is performed. After the operation, the substrate is removed from the protective device. Despite the fact that operations are group operations for crystals on a silicon wafer, due to the use of a two-stage process of membrane formation and the use of a protective device, the method is quite laborious and expensive.

Задачей изобретения является повышение выхода годных кристаллов и увеличения рентабельности изделия за счет увеличения механической прочности структуры в целом благодаря освобождению мембраны одной операцией травления подложки в конце технологического маршрута и за счет уменьшения механических напряжений в мембране благодаря использованию чередующихся слоев.The objective of the invention is to increase the yield of suitable crystals and increase the profitability of the product by increasing the mechanical strength of the structure as a whole due to the release of the membrane by one operation of etching the substrate at the end of the technological route and by reducing mechanical stresses in the membrane due to the use of alternating layers.

Поставленная задача решается способом, при котором изготавливают чувствительные элементы газовых датчиков, включающим нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика и создание тонкопленочной диэлектрической мембраны с заданным значением толщины d₀ и механических напряжений σ₀ методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны с защитой лицевой стороны подложки, отличающимся тем, что анизотропное травления подложки проводят в один этап плазмохимическим способом без использования защитного устройства лицевой стороны пластины, а диэлектрические мембраны формируются из набора диэлектрических слоев с толщинами d₁ и d₂ и разными механическими напряжениями σ₁ ^- и σ₂ ⁺, согласно формулам:The problem is solved by a method in which sensitive elements of gas sensors are manufactured, including applying a dielectric film to the face of a silicon substrate, forming sensor structure elements on the film and creating a thin-film dielectric membrane with a given value of thickness d ₀ and mechanical stresses σ ₀ by anisotropic etching of the silicon substrate on the reverse side with protection of the front side of the substrate, characterized in that the anisotropic etching of the substrate is carried out in one of these n by a plasma-chemical method without using a protective device of the front side of the plate, and dielectric membranes are formed from a set of dielectric layers with thicknesses d ₁ and d ₂ and different mechanical stresses σ ₁ ^- and σ ₂ ⁺ , according to the formulas:

d₀=Σd₁+Σd₂,d ₀ = Σd ₁ + Σd ₂ ,

σ₀=Σσ₁ ^-+Σσ₂ ⁺,σ ₀ = Σσ ₁ ^- + Σσ ₂ ⁺ ,

где суммирование ведется по количеству слоев i толщиной d₁ с сжимающимися напряжениями σ₁ ^- от i=1 до i=n₁ и по количеству слоев j толщиной d₂ с растягивающими напряжениями σ₂ ⁺ от j=1 до j=n₂.where the summation is over the number of layers i of thickness d ₁ with compressive stresses σ ₁ ^- from i = 1 to i = n ₁ and the number of layers j of thickness d ₂ with tensile stresses σ ₂ ⁺ from j = 1 to j = n ₂ .

Природа возникновения механических напряжений многогранна. Разница в коэффициентах температурного расширения - одна из многих причин возникновения механических напряжений. Поэтому необходимо использовать комбинацию слоев со сжимающими и растягивающими напряжениями, чтобы минимизировать по модулю результирующее значение механических напряжений в мембране. Как и в прототипе, формируется диэлектрический слой на лицевой стороне, который является нижним слоем диэлектрической мембраны. Но затем наносят слой с противоположным по знаку значением механических напряжений. Далее, наносят слой со значением напряжений, как и первоначальный. И так далее, до получения необходимой суммарной толщины многослойной диэлектрической мембраны. Кроме того, для минимизации механических напряжений в мембране достаточно пропорционально увеличивать количество слоев и уменьшать толщину каждого.The nature of the occurrence of mechanical stresses is multifaceted. The difference in thermal expansion coefficients is one of the many causes of mechanical stress. Therefore, it is necessary to use a combination of layers with compressive and tensile stresses in order to minimize the absolute value of the resulting value of mechanical stresses in the membrane. As in the prototype, a dielectric layer is formed on the front side, which is the lower layer of the dielectric membrane. But then a layer is applied with the opposite sign of the value of mechanical stress. Next, a layer is applied with the stress value, as well as the initial one. And so on, until the required total thickness of the multilayer dielectric membrane is obtained. In addition, to minimize mechanical stresses in the membrane, it is sufficient to proportionally increase the number of layers and reduce the thickness of each.

Использование сухого плазмохимического анизотропного травления (Bosch-процесс) позволяет уменьшить количество стандартных базовых операций. Предлагаемый способ позволяет не использовать защитное устройство лицевой стороны образца перед травлением подложки с обратной стороны после завершения всех операций формирования структуры чувствительных элементов. Достаточно расположить структуру лицевой стороной к подложкодержателю, то есть перевернуть образец. Также нет необходимости в первоначальной операции - формирования маскирующего слоя (толстого термического оксида кремния). В дополнение, не надо подтравливать термический оксид перед нанесением диэлектрической мембраны. Кроме того, данный подход позволит сократить количество дорогостоящих операций литографии, т.к. разделительные полосы формируются одновременно с формированием полости под диэлектрической мембраной в течение одного этапа. Этим достигается повышение рентабельности изделия.The use of dry plasma-chemical anisotropic etching (Bosch process) can reduce the number of standard basic operations. The proposed method allows not to use a protective device of the front side of the sample before etching the substrate from the back side after completion of all operations of forming the structure of sensitive elements. It is enough to place the structure face to the substrate holder, that is, turn the sample over. Also, there is no need for the initial operation - the formation of a masking layer (thick thermal silicon oxide). In addition, it is not necessary to etch the thermal oxide before applying the dielectric membrane. In addition, this approach will reduce the number of expensive lithography operations, as dividing strips are formed simultaneously with the formation of a cavity under the dielectric membrane in one step. This is achieved by increasing the profitability of the product.

На фиг. 1-7 представлен разработанный способ изготовления чувствительных элементов газовых датчиков, где: 1 - кремниевая подложка, 2 - диэлектрическая пленка, 3 - фоторезист, 4 - металл, 5 - резистивные нагревательные элементы, 6 - резистивные датчики температуры, 7 - контактные площадки, 8 - изолирующий диэлектрик, 9 - чувствительные слои, 10 - полость, 11 - разделительные полосы.In FIG. 1-7, the developed method for manufacturing sensitive elements of gas sensors is presented, where: 1 - a silicon substrate, 2 - a dielectric film, 3 - a photoresist, 4 - metal, 5 - resistive heating elements, 6 - resistive temperature sensors, 7 - contact pads, 8 - insulating dielectric, 9 - sensitive layers, 10 - cavity, 11 - dividing strips.

Способ осуществляется следующим образом. На фиг. 1 показана кремниевая подложка с осажденным набором пленок методом плазмохимического осаждения из газовой фазы диэлектрических чередующихся наноразмерных слоев оксида кремния с напряжениями сжатия σ₁ ^- толщиной d₁ и нитрида кремния с напряжениями растяжения σ₂ ⁺ толщиной d₂.The method is as follows. In FIG. Figure 1 shows a silicon substrate with a deposited set of films by plasma-chemical vapor deposition of dielectric alternating nanosized layers of silicon oxide with compression stresses σ ₁ ^- thickness d ₁ and silicon nitride with tensile stresses σ ₂ ⁺ thickness d ₂ .

Затем наносят, экспонируют и проявляют фоторезист. Следующим шагом напыляют слой металла, что представлено на фиг. 2. Опускают пластину в жидкостной травитель для фоторезиста. Металл, который располагался на фоторезисте, удаляется вместе с фоторезистом. Таким образом, остается металл, который контактировал с диэлектрической пленкой. Пространственно-геометрическое расположение металлических элементов на пластине представляет собой чувствительные нагревательные элементы, резистивные датчики температуры и контактные площадки к чувствительным слоям. Результат показан на фиг. 3.Then apply, exhibit and exhibit photoresist. As a next step, a metal layer is sprayed, as shown in FIG. 2. Dip the plate in a liquid etch for photoresist. The metal that was located on the photoresist is removed along with the photoresist. Thus, there remains a metal that has been in contact with the dielectric film. The spatial-geometric arrangement of metal elements on the plate represents sensitive heating elements, resistive temperature sensors and contact pads to sensitive layers. The result is shown in FIG. 3.

Затем выполняют пассивацию поверхности посредством осаждения изолирующего диэлектрика, например нитрида кремния (фиг. 4). Следующим шагом делают операцию фотолитографии по слою изолирующего диэлектрика, удаляют область диэлектрика незащищенную маской. Таким образом, вскрывают окна к контактным площадкам (фиг. 5). После этого проводят операции осаждения, литографии и травления чувствительных слоев (фиг. 6). Материал чувствительного слоя зависит от типа определяемого газа.Then passivation of the surface is carried out by deposition of an insulating dielectric, for example silicon nitride (Fig. 4). The next step is the operation of photolithography over an insulating dielectric layer, and the dielectric region is removed by an unprotected mask. Thus, open the windows to the pads (Fig. 5). After that, operations are carried out deposition, lithography and etching of the sensitive layers (Fig. 6). The material of the sensitive layer depends on the type of gas being detected.

Далее, проводят литографии с обратной стороны пластины, причем пластину не разделяют на кристаллы. Выполняют единожды сухое плазмохимическое анизотропное травление подложки (Bosch-процесс) с обратной стороны образца до нижней пленки набора диэлектрических слоев. Итоговая структура показана на фиг. 7.Next, lithography is carried out on the back of the plate, and the plate is not divided into crystals. Dry plasmochemical anisotropic etching of the substrate (Bosch process) is performed once from the back of the sample to the lower film of the set of dielectric layers. The final structure is shown in FIG. 7.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

Используют кремниевую подложку 1 КДБ-12 с кристаллографической ориентацией (100). Методом плазмохимического осаждения из газовой фазы формируют набор диэлектрических чередующихся наноразмерных слоев 2 оксида кремния с напряжениями сжатия и нитрида кремния с напряжениями растяжения.Use a silicon substrate 1 KDB-12 with a crystallographic orientation of (100). Using a plasma-chemical vapor deposition method, a set of alternating dielectric nanosized layers of silicon oxide 2 with compression stresses and silicon nitride with tensile stresses is formed.

Затем наносят, экспонируют и проявляют фоторезист 3. Следующим шагом напыляют слой металла 4, например слой платины, опускают пластину в жидкостной травитель для фоторезиста. Металл, который располагался на фоторезисте, удаляется вместе с фоторезистом. Таким образом, остается металл, который контактировал с диэлектрической пленкой. Пространственно-геометрическое расположение металлических элементов на пластине представляет собой резистивные нагревательные элементы 5, резистивные датчики температуры 6 и контактные площадки 7 к чувствительным слоям.Then a photoresist 3 is applied, exposed and developed. The next step is to spray a metal layer 4, for example a platinum layer, lower the plate into a liquid etchant for photoresist. The metal that was located on the photoresist is removed along with the photoresist. Thus, there remains a metal that has been in contact with the dielectric film. The spatial-geometric arrangement of the metal elements on the plate is a resistive heating elements 5, resistive temperature sensors 6 and contact pads 7 to the sensitive layers.

После этого выполняют пассивацию поверхности изолирующим диэлектриком 8 нитридом кремния. Следующим шагом проводят вскрытие в слое изолирующего диэлектрика окон к контактным площадкам. Затем проводят операции осаждения, литографии и травления чувствительных слоев 9. Далее, проводят литографию с обратной стороны пластины, причем пластину не разделяют на кристаллы. Выполняют сухое анизотропное травление подложки (Bosch-процесс) с обратной стороны образца до нижней пленки набора диэлектрических слоев. Область диэлектрической пленки над полостью 10 называется мембраной. Разделительные полосы 11 служат для разделения пластины на кристаллы.After that, passivation of the surface by insulating dielectric 8 by silicon nitride is performed. The next step is to open the windows in the insulating dielectric layer to the pads. Then, deposition, lithography and etching of the sensitive layers 9 are carried out. Next, lithography is performed on the back of the plate, and the plate is not divided into crystals. Dry anisotropic etching of the substrate (Bosch process) is performed from the back of the sample to the lower film of the set of dielectric layers. The region of the dielectric film above the cavity 10 is called a membrane. Dividing strips 11 serve to separate the plate into crystals.

Таким образом, заявляемый способ изготовления чувствительных элементов газовых датчиков по сравнению с прототипом позволяет повысить выход годных кристаллов и увеличить рентабельность изделия.Thus, the claimed method of manufacturing the sensitive elements of gas sensors in comparison with the prototype allows to increase the yield of suitable crystals and increase the profitability of the product.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ 2143678.1. RF patent 2143678.

2. Патент РФ 2449412 – прототип.2. RF patent 2449412 - prototype.

Claims (4)

Способ изготовления чувствительных элементов газовых датчиков, включающий нанесение диэлектрической пленки на лицевую сторону кремниевой подложки, формирование на пленке элементов структуры датчика и создание тонкопленочной диэлектрической мембраны с заданным значением толщины d₀ и механических напряжений σ₀ методом анизотропного травления кремниевой подложки с обратной стороны с защитой лицевой стороны подложки, отличающийся тем, что анизотропное травления подложки проводят в один этап плазмохимическим способом без использования защитного устройства лицевой стороны пластины, а диэлектрические мембраны формируются из набора диэлектрических слоев с толщинами d₁ и d₂ и разными механическими напряжениями σ₁ ^- и σ₂ ⁺, согласно формулам:A method of manufacturing sensitive elements of gas sensors, including applying a dielectric film to the front side of a silicon substrate, forming elements of a sensor structure on a film and creating a thin-film dielectric membrane with a given value of thickness d ₀ and mechanical stresses σ ₀ by anisotropic etching of the silicon substrate from the back with face protection side of the substrate, characterized in that the anisotropic etching of the substrate is carried out in one step by a plasma-chemical method without using a protective device of the front side of the plate, and dielectric membranes are formed from a set of dielectric layers with thicknesses d ₁ and d ₂ and different mechanical stresses σ ₁ ^- and σ ₂ ⁺ , according to the formulas: d₀=∑d₁+∑d₂,d ₀ = ∑d ₁ + ∑d ₂ , σ₀=∑σ₁ ^-+∑σ₂ ⁺,σ ₀ = ∑σ ₁ ^- + ∑σ ₂ ⁺ , где суммирование ведется по количеству слоев i толщиной d₁ с сжимающимися напряжениями σ₁ ^- от i=1 до i=n₁ и по количеству слоев j толщиной d₂ с растягивающими напряжениями σ₂ ⁺ от j=1 до j=n₂.where the summation is over the number of layers i of thickness d ₁ with compressive stresses σ ₁ ^- from i = 1 to i = n ₁ and the number of layers j of thickness d ₂ with tensile stresses σ ₂ ⁺ from j = 1 to j = n ₂ .

Images