СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ 3D МИКРОСТРУКТУР КРЕМНИЯ МЕТАЛЛ-СТИМУЛИРОВАННЫМ ТРАВЛЕНИЕМ
METHOD OF FORMING SILICON MICROSTRUCTURES 3D METAL-STIMULATED ETCHING

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии создания 3D микроструктур кремния, являющихся элементной базой функциональной микроэлектроники, металл-стимулированным травлением с использованием локально расположенных масок Ni.
Известен способ, согласно которому кремниевые углубления получают способом, который включает две стадии, на первой из которых выдержку подложки кремния длительностью от 10 до 30 минут осуществляют в водном растворе фтористоводородной кислоты и соли металла при содержании, способном химически осаждать металл на поверхность кремния, а на второй, следующей за первой, во втором растворе, содержащем фтористоводородную кислоту 6,6 vol. % и перекись водорода 2,4 vol. % длительностью от 10 до 30 минут [1].
Недостатком данного метода является необходимость удаления нанонитей кремния.
2
2
Известен способ, по которому проводят металл-стимулированное травление кремния в растворе НО, HF и деионизованной воды с использованием тонкой пленки никеля, нанесенной на поверхности пирамид Si методом магнетронного распыления для создания черного кремния [2].
Недостатком данного способа является необходимость формирования пирамид Si.
2
2
Наиболее близким является способ, заключающийся в том, что на подложке монокристаллического кремния р-типа-проводимости с кристаллографической ориентацией поверхности (100) с удельным сопротивлением 7 Ом⋅см методом «взрывной» литографии осаждают маски металла Pt/Ti различной формы, включая точки, сетки, линии и т.д. в диапазоне размеров от 10 до 100 нм. Покрытая металлом пластина погружается в раствор HO-HF на 15-60 секунд [3]. Недостатком данного способа является высокая стоимость маски металла Pt/Ti, осаждаемой на поверхность полупроводника.
Задачей изобретения является уменьшение стоимости технологии создания 3D структур кремния с использованием метода металл-стимулированного травления.
2
2
2
Способ формирования 3D структур кремния металл-стимулированным травлением заключается в формировании локально расположенных пустот в кремнии травлением длительностью от 5 до 60 минут при температурах от 20 до 80°С монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией поверхности пластины (100) р-типа-проводимости в местах, покрытых никелем, в растворе, содержащем плавиковую кислоту, перекись водорода, отличается от прототипа тем, что удельное сопротивление пластин р-типа-проводимости, покрытых локально расположенной маской Ni, находится в диапазоне от 0,001 Ω⋅см до 1 Ω⋅см, раствор для травления содержит деионизованную воду, объем которой составляет 10/13 часть раствора для травления HF : HO : НО с соотношением компонентов 2:1:10 соответственно.
-5
-2
-5
+
2
2
Локально расположенные пленки никеля толщиной 50 нм и площадью 50×50 мкм, 100×100 мкм и 500×500 мкм являются необходимым условием для решения задачи, поскольку замена Ti/Pt на Ni способствует снижению стоимости и возможности формирования 3D структур кремния с аспектным соотношением от 4,56⋅10 до 5,2⋅10. Толщина пленки Ni, равная 50 нм, способствует формированию пустот в кремнии глубиной от 22,8 при Т=25°С до 2,6 мкм при Т=75°С. Уменьшение толщины пленки Ni позволит сформировать пустоты меньшей глубины. Удельное сопротивление пластины кремния в диапазоне от 0,001 Ω⋅см до 1 Ω⋅см является необходимым условием для решения задачи, поскольку при значениях ρ, превышающих 1 Ω⋅см, аспектное соотношение будет ниже 4,56⋅10, вследствие меньшей концентрации основных носителей заряда h. Добавка 10/13 части воды в раствор способствует уменьшению концентрации НО и HF, вследствие чего обеспечивается равномерное растворение кремния.
2
2
Способ выполняется следующим образом. Очищенную по стандартной методике подложку кремния р-типа-проводимости с кристаллографической ориентацией поверхности (100) с удельным сопротивлением от 0,001 до 1 Ω⋅см и с локально расположенной маской Ni помещают во фторопластовую ячейку для жидкостного химического травления в растворе следующего состава: 2 части плавиковой кислоты HF (40%); 1 часть перекиси водорода НО (30%); 10 частей деионизованной воды до образования пустот в кремнии глубиной от 22,8 до 560 нм при температуре обработки 25°С, от 1,77 до 2,6 мкм при температуре обработки 75°С вследствие протекания окислительно-восстановительных реакций на поверхности Si. После этого пластина кремния промывается в этиловом спирте и высушивается на воздухе.
-5
-2
2
2
2
2
2
2
Пример конкретного выполнения. Данный способ позволяет формировать 3D структуры кремния с аспектным соотношением от 4,56⋅10 до 5,2⋅10, заключается в том, что на пластине кремния, легированной бором, с кристаллографической ориентацией поверхности (100) с удельным сопротивлением от 0,001 до 1 Ом⋅см методом металл-стимулированного травления с использованием Ni площадью 50×50 мкм, 100×100 мкм, 500×500 мкм толщиной 50 нм в растворе HF : HO : HO (2:1:10), при температуре от 20 до 80°С в течение времени от 5 до 60 мин формируется слой кремниевых нитей, растворяемых с ростом длительности и температуры травления, вследствие протекающих окислительно-восстановительных реакций на поверхности Si, причем аспектное соотношение строго определяется толщиной пленки Ni.
Процесс травления с использованием никеля является экономически выгодным процессом, так как позволяет заменить дорогостоящие благородные металлы и удешевить технологию создания кремниевых 3D структур.
Источники информации
[1] Патент США 8,193,095 В2, опубликован 05.06.2012.
[2] Патент Китая 102931277 А, опубликован 13.02.2013.
[3] Патент США 8,486,843 В2, опубликован 16.07.2013.