Способ соединения кремниевых пластин микроэлектромеханических систем с изоляционным слоем диоксида кремния между ними
METHOD OF JOINING SILICON WAFERS OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS WITH AN INSULATING LAYER OF SILICON DIOXIDE BETWEEN THEM

Настоящее изобретение относится к области микроэлектронной техники и касается способа изготовления многослойных микроэлектромеханических систем (МЭМС) на кремниевых изолированных друг от друга подложках (кремниевых пластинах, далее - пластины), в том числе при изготовлении МЭМС акселерометров и гироскопов. В частности, рассматривается способ соединения пластин с устранением паразитической проводимости оксида в многослойных МЭМС приборах.
МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1-100 мкм, тогда как размеры кристалла МЭМС-микросхемы имеют размеры от 1 до 20 мм.
Кремний является материалом, используемым для создания большинства интегральных схем, используемых в потребительской электроникe в современном мире. Распространённость, доступность дешёвых высококачественных материалов и способность к применению в электронных схемах делает кремний привлекательным для применения его при изготовлении МЭМС. Кремний также имеет значительные преимущества перед другими материалами благодаря своим физическим свойствам. Монокристалл кремния почти идеально подчиняется закону Гука. Это означает, что при деформации он не подвержен гистерезису и, следовательно, энергия деформации практически не рассеивается. Также кремний очень надежен при сверхчастых движениях, так как он обладает очень малой усталостью и может работать в диапазоне от миллиардов до триллионов циклов без разрушения.
Основные методы получения всех МЭМС-устройств на основе кремния: осаждение слоев материала, структурирование этих слоев с помощью фотолитографии и травления для создания требуемой формы.
Многие МЭМС приборы представляют собой многослойную сборку. Типичным примером является трёхслойная сборка «крышка - чувствительный элемент - крышка». Каждый слой является частью отдельной кремниевой пластины после частичной обработки, после которой отдельные пластины сращиваются между собой в многослойную структуру. Такая сборка может проходить затем дополнительную технологическую обработку, после чего нарезается на чипы, которые и представляют собой итоговый МЭМС прибор.
Из US2013168803 известен способ изготовления устройства полупроводник на изоляторе (SOI) который включает в себя формирование функционального слоя устройства на передней стороне кремниевой пластины-заготовки, связывание первой пластины-носителя с передней стороной пластины-заготовки, обработку полупроводникового слоя на задней стороне пластины-заготовки и связывания второй пластины-носителя с обработанной поверхностью. В некоторых аспектах способ может дополнительно включать в себя удаление первой пластины-носителя с передней стороны, чтобы обнажить функциональный слой устройства.
Из US7883991B1 известно использование пластины-носителя при утончении пластины-заготовки.
В US2019252575 описан способ обработки пластины-заготовки, включающий нанесение жертвенного материала на поверхность пластины-носителя, прилипание поверхности пластины пластины-заготовки к противоположной поверхности пластины-носителя, выравнивание открытой поверхности жертвенного материала путем удаления только части его толщина и выравнивание противоположной поверхности пластины-заготовки. Фиксация заготовки на носителе возможна с помощью фоторезиста. Снятие заготовки с пластины-носителя возможно с помощью растворителя.
В RU2137259 (H01L31/18, опубл.10.09.1999 г.) описан способ изготовления высокочувствительного многоэлементного твердотельного преобразователя изображения, который включает этап изготовления приборной пластины, этап соединения приборной пластины с пластиной-носителем, этап обработки обратной стороны приборной пластины, этап вскрытия контактных окон, этап разделения на чипы и формирования внешних выводов. Для травления слоя диэлектрика, как правило, используют метод реактивного ионного (плазмохимического) травления. Указывается, что при влиянии неблагоприятных факторов внешней среды реальная величина поверхностного сопротивления диэлектрика может оказаться существенно ниже указанного минимально допустимого порога.
Это решение принято в качестве прототипа.
Также в этом документе описан способ изготовления высокочувствительных многоэлементных твердотельных преобразователей изображения (ТПИ) с освещением с обратной стороны подложки, включающий следующие последовательные этапы:
- изготовление полупроводниковой (обычно, кремниевой) пластины с кристаллами ТПИ (далее называемой "приборная пластина"), включающее, в свою очередь, создание на поверхности полупроводника слоя подзатворного диэлектрика;
- соединение приборной пластины и пластины-носителя методом так называемого адгезионного бондинга с использованием в качестве адгезива полимерного связующего или стеклянной фритты (при этом лицевая сторона приборной пластины обращена в сторону пластины-носителя);
- обработка обратной стороны пластины, включающая утонение обратной стороны приборной пластины методами механической обработки (шлифовки и полировки) и химического травления до финишной толщины, лежащей, как правило, в интервале 10-50 мкм;
- разделение пластины, соединенной с пластиной-носителем, на отдельные кристаллы.
В этом патенте описан классический способ получения многослойных МЭМС, который основан на следующем алгоритме (фиг. 1):
- на каждую из противоположно расположенных сторон кремниевой пластины 1 методом термического окисления выращивают слой диоксида кремния;
- затем на одной поверхности размещенной на опорной поверхности кремниевой пластины производят плазмохимическое травление кремниевой пластины со стороны нанесенного слоя диоксида кремния для получения рисунка 2 травления (при этом слой 3 на обратной стороне пластины, размещенной с опиранием на столик установки травления, несет на себе частицы загрязнений от этого столика, показано жирной черной линией);
- затем переворачивают указанную пластину 1 и устанавливают ее на опорную поверхность стороной с полученным рисунком 3 травления и производят плазмохимическое травление кремниевой пластины со стороны нанесенного слоя диоксида кремния для получения заданного рисунка 4 травления, при этом травление проводят по слою диоксида кремния, несущего загрязнения, которые выделены жирной черной линией; в этом процессе столиком установки травления также загрязняется слой 2;
- затем осуществляют методом термического сращивания соединение указанной кремниевой пластины 1 с проработанными травлением сторонами с другой кремниевой пластиной 5, между которыми изоляционный слой 6 несет в себе загрязнения.
2
При изготовлении многослойных МЭМС для функциональных целей требуется электрическая изоляция между отдельными слоями. Самым популярным изолятором является слой диоксида кремния SiO (далее - оксид), который формируется на стороне пластины-слоя, которая будет сращиваться с другой пластиной.
Однако при сохранении традиционных технологий образования многослойных МЭМС возникает серьезная классическая проблема – наличие или образование паразитической проводимости диоксида кремния, которая возникает в процессе технологической обработки пластин в присоединяемом слое 6 диоксида кремния, если в качестве сращивания используется термическое сращивание оксид-кремний. В результате, когда пластина своим оксидом сращивается с другой пластиной, между ними нет должной электрической изоляции. Корнем проблемы является термическая диффузия частиц загрязнений в слой оксида во время высокотемпературных процессов. Частицы загрязнений попадают на пластину во время её контакта со столиками производственных установок, в которых пластины проходят технологическую обработку. Сам процесс термического сращивания пластин производится при высокой температуре (более 900°С).
2
x
В статье "Эффект переключения электрической проводимости в структурах металл–диэлектрик–металл на основе нестехиометрического оксида кремния" (авторы П. С. Захаров, А. Г. Итальянцев, Московский физико-технический институт (государственный университет), ОАО "НИИМЭ и Микрон", ТРУДЫ МФТИ, 2015, Том 7, № 2) описано, что обратимый переход пленки SiO к проводящему состоянию обусловлен нарушением ее стехиометрического состава и образованием проводящих микроканалов в поперечном направлении пленки. Это предположение было подтверждено в исследованиях, описанных в статьях Mehonic A. [et al.] Resistive switching in silicon suboxide films // Appl. Phys. 2012. V. 111, P. 074507(1–9); Wang Y. [et al.] Resistive switching mechanism in silicon highly rich SiO (x<0, 75) filmsbased on silicon dangling bonds percolation mode // App. Phys. Lett. 2013. V. 102. P. 042103(1–5), где структуры имели в своей основе оксид кремния заданного нестехиометрического состава.
2
Таким образом, для исключения проявления паразитической проводимости изоляционного слоя на основе диоксида кремния SiOнеобходимо, чтобыперед сращиванием в слоистую конструкцию кремниевые пластины быть чистыми, то есть не содержали на своей поверхности инородные частицы любого природного происхождения.
В описанных примерах пластина обработка ее одной стороны (термическим окислением и плазмохимическим травлением) заключается в том, что эта пластина закреплена (находится) на столике производственной обработки. И после обработки одной ее стороны переворачивается и снова укладывается на этот же столик или другой столик обработанной стороной для последующей обработки другой ее стороны. В результате на слое диоксида кремния, которым пластина примыкает к поверхности столика, остаются элементы загрязнения. Классическим способом снятия загрязнений является мойка пластин в жидкой химии. В некоторых случаях это не представляется возможным вследствие того, что очищаемая пластина может содержать тонкие подвижные микроструктуры, которые будут повреждены силой поверхностного натяжения жидкости. Вдобавок, часто мойка поверхности не удаляет загрязнения достаточно хорошо, чтобы предотвратить порчу изоляционных свойств диоксида кремния при термическом сращивании. Применение различных способов механической очистки этих загрязнений на этой стадии нежелательны, так как приводят к повреждению поверхностей слоя диоксида кремния и самого кремния. Поэтому при сращивании кремниевых пластин через слой диоксида кремния при высоких температурах происходит диффузия частиц загрязнений в микротрещины с образованием электропроводящих микромостиков, образующих в многослойной конструкции МЭМС паразитические наводки, влияющие на функционирование электро- или электромеханической схемы на каждой кремниевой пластине.
Также необходимо пронимать, что пленка из диоксида кремния, выращенная на кремниевых подложках, имеет пористую структуру, независимо от способа получения этой пленки (см. RU2127927, RU2033660). Естественно, чем меньше пористость, тем выше изоляционные свойства такой пленки в случае ее применения в качестве изоляционного слоя. Однако технически получение слоя диоксида кремния с малой или максимально малой пористостью представляет собой трудоемкий и затратный по времени технологический процесс. Поэтому при серийном или массовом выпуске время и трудоемкость процесса наложения оксида на кремниевую подложку оптимизированы. Но это приводит к тому, что в слое диоксида кремния уже имеются поры, то есть микропустоты.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении функциональной надежности многослойных МЭМС за счет исключения паразитической проводимости изоляционного слоя диоксида кремния.
Указанный технический результат заключается в том, что в способе соединения кремниевых пластин микроэлектромеханических систем с изоляционным слоем диоксида кремния между ними, заключающийся в том, что на каждой из противоположно расположенных сторон кремниевой пластины методом термического окисления выращивают слои диоксида кремния, затем размещают кремниевую пластину на опорную поверхность и  на одной поверхности кремниевой пластины производят плазмохимическое травление кремниевой пластины со стороны нанесенного слоя диоксида кремния, затем переворачивают указанную пластину и устанавливают ее на опорную поверхность стороной с полученным рисунком травления и производят плазмохимическое травление кремниевой пластины со стороны нанесенного слой диоксида кремния, а затем осуществляют методом термического сращивания соединение указанной кремниевой пластины с проработанными травлением сторонами с другой кремниевой пластиной, после плазмохимического травления одной стороны кремниевой пластины к этой протравленной стороне кремниевой пластины прикрепляют дополнительную кремниевую пластину и после этого осуществляют переворот кремниевых пластин и их размещение на опорной поверхности с опиранием на последнюю через дополнительную пластину, а перед термическим сращиванием дополнительную пластину удаляют, а поверхность контакта с ней кремниевой пластины с рисунком травления очищают растворителем N-метил-2-пирролидон, а при сращивании указанную кремниевую пластину с проработанными травлением сторонами соединяют с другой кремниевой пластиной со стороны имевшего контакт с дополнительной пластиной слоя диоксида кремния.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не являются единственным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - блок-схема процесса получения многослойной микроэлектромеханической системы, уровень техники;
фиг. 2 - блок-схема процесса получения многослойной микроэлектромеханической системы согласно нестоящего изобретения.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новый способ соединения кремниевых пластин микроэлектромеханических систем с изоляционным слоем диоксида кремния между ними с целью создания многослойных конструкций, в которой микроэлектронный функционал на каждой кремниевой пластине мог бы обеспечивать решение логической или прикладной задачи без наводок и паразитных связей от микроэлектронного функционала на каждой присоединенной к ней кремниевой пластине в многослойной конструкции.
В общем случае, этот способ заключается в том, что на каждую из противоположно расположенных сторон кремниевой пластины методом термического окисления наносят слои диоксида кремния и затем размещают кремниевую пластину на опорную поверхность для производства на одной поверхности этой кремниевой пластины плазмохимического травления кремниевой пластины со стороны одного нанесенного слоя диоксида кремния.
Затем необходимо провести травление другой стороны этой же кремниевой пластины. Для этого необходимо перевернуть указанную пластину и снова установить ее на опорную поверхность стороной с полученным рисунком травления. Но в целях исключения прилипания и адгезионного схватывания с частицами загрязнений к этой протравленной стороне кремниевой пластины прикрепляют дополнительную кремниевую пластину и только после этого осуществляют переворот скрепленных кремниевых пластин и их размещение на опорной поверхности с опиранием на последнюю через дополнительную пластину. Таким образом, в контакт с опорной поверхностью вступает дополнительная кремниевая пластина, а протравленная сторона получается изолированной за счет перекрытия ее площадью дополнительной пластины.
Затем производят плазмохимическое травление кремниевой пластины с другой стороны нанесенного слой диоксида кремния. При этом понимается, что этот протравленный слой имеет загрязнения, но которые не оказывают влияния на микроэлектронный функционал, смонтированный на этой стороне кремниевой пластины в силу того, что непротравленные участки слоя диоксида кремния на этой стороне выполняют исключительно функцию разделителей токопроводящих элементов микросхемы. Кроме того, в слоистой конструкции эта сторона обращена наружу.
После проведения плазмохимического травления осуществляют удаление дополнительной пластины, после чего поверхность контакта с ней кремниевой пластины с рисунком травления очищают растворителем N-метил-2-пирролидон.
Затем наступает операция сращивания методом термического сращивания кремниевой пластины с проработанными травлением сторонами с другой кремниевой пластиной. При этом сращивание указанной кремниевой пластины с проработанными травлением сторонами с другой кремниевой пластиной осуществляют путем присоединения другой кремниевой пластины к стороне имевшего контакт с дополнительной пластиной слоя диоксида кремния. В результате этот сращенный слой диоксида кремния имеет высокую чистоту без загрязнений. что обеспечивает высокую изоляционную способность изоляционного слоя соединения, не формирующего паразитическую проводимость.
Способ соединения кремниевых пластин микроэлектромеханических систем с изоляционным слоем диоксида кремния между основан на следующем алгоритме (фиг. 2):
- на каждой из противоположно расположенных сторон кремниевой пластины 1 методом термического окисления выращивают слои диоксида кремния;
- затем на одной поверхности размещенной на опорной поверхности кремниевой пластины 1 производят плазмохимическое травление кремниевой пластины со стороны нанесенного слоя диоксида кремния для получения рисунка 2 травления (при этом слой 3 на обратной стороне пластины, размещенной с опиранием на столик несет на себе частицы загрязнений от предыдущих обработок, показано жирной черной линией);
- затем к стороне кремниевой пластины, несущей рисунок 2 травления, прикрепляют дополнительную кремниевую пластину 7 и после этого осуществляют переворот соединенных кремниевых пластин 1 и 7 и их размещение на опорной поверхности с опиранием на последнюю через дополнительную пластину 7.
- затем производят плазмохимическое травление кремниевой пластины со стороны нанесенного слоя диоксида кремния для получения заданного рисунка 4 травления, при этом травление проводят по слою диоксида кремния, несущего загрязнения, которые выделены жирной черной линией;
- затем дополнительную пластину 7 удаляют, а поверхность контакта с ней кремниевой пластины 1 со слоем 2 с рисунком травления очищают растворителем N-метил-2-пирролидон;
- затем осуществляют методом термического сращивания соединение указанной кремниевой пластины 1 с проработанными травлением сторонами с другой кремниевой пластиной 5, между которыми расположен незагрязненный изоляционный слой 8.  При сращивании указанную кремниевую пластину 1 с проработанными травлением сторонами соединяют с другой кремниевой пластиной 7 со стороны имевшего контакт с дополнительной пластиной слоя 2 диоксида кремния.
-4
-1
Данный способ создания многослойных МЭМС разработан для технологического процесса, используемого, в частности, при изготовлении многослойных чувствительных элементов акселерометров и гироскопов, в рамках которого сращиваемая сторона кремниевой пластины должна устанавливаться на столик установки (в заявка назван как опорная поверхность) при ее загрузке в камеру установки. Таким образом, сращиваемая сторона не контактирует со столиком производственных установок. Дополнительная пластина представляет собой обычную кремниевую пластину. Ключевым элементом метода устранения паразитической проводимости является процесс закрепления и снятия заготовки с дополнительной пластины (пластины-носителя). Процесс фиксации кремниевой пластины 1 на носителе (дополнительной пластине 7) проводится с помощью промышленной установки для сращивания пластин (wafer bonder) и обычного фоторезиста. Снятие с дополнительной пластины 7 производится в растворителе N-метил-2-пирролидон (NMP). Тип установки для закрепления: промышленная установка сращивания пластин (wafer bonder). Для закрепления дополнительной пластины 7 на основной кремниевой пластине 1 используется адгезионный состав - фоторезист SPR700-1.2, образующий адгезионный слой 9 (фиг. 2). При закреплении дополнительной пластины адгезионный слой толщиной 2,3 мм наносится методом центрифугирования. Процесс сращивания кремниевых пластин 1 и 7 проводится в установке сращивания пластин при температуре 120-180°C в течение 4-10 мин, сила прижима 300-450 Н и давление в камере 10 - 10 мбар. После плазмохимического травления, разделение пластин 1 и 7 происходит в NMP при комнатной температуре в течение 1-3 часов (использование в качестве растворителя N-метил-2-пирролидона для снятие фоторезиста известно из RU 2551841, US 2013075739). После этого обрабатываемая пластина дополнительно отмывается в NMP.
При использовании заявленного способа обеспечивается техническая чистота слоя диоксида кремния в месте сращивания пластин, который работает исключительно в качестве изоляционного слоя без проявления паразитической проводимости.
Настоящее изобретение промышленно применимо и позволяет повысить функциональную надежность многослойных МЭМС за счет исключения паразитической проводимости изоляционного слоя диоксида кремния.