СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР
METHOD TO MANUFACTURE NANOSIZED WIRE SILICON STRUCTURES

Изобретение относится к области технологии изготовления кремниевых микро- и наноэлектронных устройств в виде проволок, поперечные размеры которых много меньше их длины (в 100-1000 раз). Способ можно использовать при производстве различных электронных устройств, например микро- и наноразмерных биосенсоров и датчиков, определяющих наличие химических веществ, на основе существующих технологий кремниевых интегральных микросхем (ИС) для химической, медицинской, радиоэлектронной и других областей современной промышленности.
Известен способ получения наноразмерных кремниевых структур в виде нанопроволок (1), в котором для получения наноразмерных кремневых (Si) проволок (Si-нанопроволок или Si-NanoWire или Si-NW) используют подложки КНИ (кремний на изоляторе) и изотропное селективное к скрытому оксиду кремния травление рабочего слоя кремния под фоторезистивную маску. На первом этапе на поверхности кремния в областях размещения Si проволоки формируется фотолитографическая маска, затем селективно к скрытому оксиду удаляется кремний с незакрытых маской поверхностей и проводится боковое травление кремния под маску до необходимых размеров. Одним из недостатков данного способа является то, что размер проволоки зависит от точности воспроизведения фотолитографической маски и от возможности проведения контролируемого процесса травления кремния под маску. При массовом производстве весьма проблематично обеспечить воспроизводимость размеров данных структур по пластине и от процесса к процессу.
Известны способы (2, 3) получения нанопроволок из кремния, при которых местоположение и размеры проволок задаются с помощью электронно-лучевой литографии и анизотропного реактивно-ионного травления. Этот способ не пригоден для массового производства, так как он имеет очень низкую производительность и для его осуществления требуется дорогое оборудование.
Известен способ (4 - прототип) получения размеров элементов меньше минимального литографического размера, в котором для формирования наноразмерных проволочных структур из кремния проводят анизотропное травление через маску, образованную «спейсером». Суть этого способа поясняется на чертеже Фиг.1-3 и сводится к следующему. На исходную кремниевую поверхность наносится опорный слой, из которого методами фотолитографии и ионно-плазменным травлением формируется желаемый рельеф с вертикальными стенками в местах будущего расположения наноразмерных элементов (Фиг.1). Затем на полученный рельеф конформно осаждается слой материала «спейсера» толщиной 20-100 нм, который анизотропным травлением удаляется с горизонтальных поверхностей, при этом остается его часть - «спейсер», то есть часть, прилегающая к вертикальным стенкам рельефа в опорном слое (Фиг.2). Далее селективно к кремнию и материалу «спейсера» удаляется опорный слой и на поверхности кремния остается «спейсер», который используется в качестве маски при анизотропном травлении кремниевых проволок (Фиг.3). При этом способе можно добиться поперечных размеров кремниевых элементов 20-100 нм. Но способ трудоемкий, необходимо осаждать и травить два дополнительных слоя, причем материалы опорного слоя и «спейсера» должны удаляться с большой селективностью друг к другу и к кремнию.
Техническая задача изобретения - снижение затрат и увеличение производительности процесса получения наноразмерных проволочных кремниевых структур путем упрощения формирования маски для травления кремниевых слоев на окисленной поверхности исходной подложки на имеющемся типовом оборудовании и с помощью известных технологических приемов.
2
Техническая задача изобретения решается тем, что способ изготовления наноразмерных проволочных кремниевых структур заключается в том, что на кремниевой подложке последовательно создают слой SiO, слой кремния и затем опорный слой, на котором методами фотолитографии и ионно-плазменным травлением формируют рельеф с вертикальными стенками в местах будущего расположения наноразмерных элементов, на полученном рельефе конформно создают слой материала для формирования спейсера, который анизотропным травлением удаляют с горизонтальных поверхностей, а его часть, прилегающую к вертикальным стенкам рельефа, используют в качестве маски при анизотропном травлении наноразмерных кремниевых структур, причем в качестве опорного слоя используют рельеф с вертикальными стенками в кремнии, конформный слой создают термическим окислением поверхности кремния, а в качестве маски при травлении наноразмерных кремниевых структур используют окисленную вертикальную поверхность рельефа конформного слоя на кремнии.
Предложенный способ соответствует возможностям известных технологических приемов и типового технологического оборудования, используемым в технологии создания КМОП ИС, что делает возможным массовое производство биосенсоров, датчиков химических веществ и других изделий микроэлектроники, работа которых основана на использовании свойств кремниевых нанопроволок, и может производиться на существующем технологическом оборудовании без принципиального изменения технологического процесса.
Существенным отличием предложенного способа от прототипа является использование в качестве опорного слоя вертикального рельефа в слое кремния, а качестве «спейсера» - вертикальной части окисленного слоя кремния, что снижает затраты и увеличивает производительность способа.
На Фиг.1-3 показано формирование в способе-прототипе наноразмерной кремниевой структуры через маску, образованную «спейсером». На Фиг.1 - то же, формирование опорного слоя. На Фиг.2 - то же, формирование спейсера. На Фиг.3 - то же, формирование наноразмерной кремниевой структуры.
2
2
На Фиг.4-6 показано формирование Si-нанопроволоки методом окисления кремния и использования анизотропных процессов травления. На Фиг.4 - то же, фотолитография и анизотропное травление рельефа в Si. На Фиг.5 - то же, окисление поверхности кремния для создания конформного слоя и анизотропное травление SiO с горизонтальных областей. На Фиг.6 - то же, анизотропное травление Si селективно к SiO и получение кремниевой нанопроволоки.
На Фиг.7 приведена РЭМ фотография фрагмента наноразмерного кремниевого канала Si-NW МОП транзистора с остатками маскирующего окисла кремния после операции анизотропного ионно-плазменного травления в хлорсодержащей плазме.
2
Для получения наноразмерных проволочных кремниевых структур сначала на кремниевых подложках формируется верхний слой из окиси кремния, затем на него наносится рабочий слой кремния (монокристаллический, поликристаллический или аморфный) толщиной от 50 до 200 нм. Далее методами фотолитографии и анизотропным ионно-плазменным травлением формируется рельеф (вертикальные ступеньки в рабочем слое кремния, см. Фиг.4). Затем вся поверхность кремния термически окисляется для создания конформного слоя (в том числе и на вертикальных стенках рельефа), который окисляют на толщину 10-50 нм, и проводится анизотропное сухое травление оксида на толщину окисления (Фиг.5). При этом на вертикальной стенке рельефа остается полоска оксида кремния шириной, равной толщине окисления, и высотой, равной высоте рельефа на кремнии, который называется спейсером. Далее, используя оставшийся окисел в качестве маски, проводится анизотропное селективное к SiO травление кремния до окисла подложки (Фиг.6). В результате получаем наноразмерные полоски (проволоки) кремния толщиной, равной толщине окисления (10-50 нм), лежащие на окисле. Преимущество предложенного способа изготовления наноразмерных проволочных кремниевых структур состоит в том, что размер структуры задается толщиной выращенного на рельефе окисла и высотой рельефа на кремнии, которые достаточно точно воспроизводятся технологическими параметрами процесса, и не зависит от разрешающей способности и других возможностей фотолитографического оборудования.
Далее, в качестве примера реализации способа приводится последовательность технологических операций изготовления чувствительного элемента кремниевого датчика химических веществ, основанного на работе Si-нанопроволочных (Si-NanoWire) КМОП транзисторов. Этот тип транзистора имеет сток - истоковые области, соединенные полупроводящим каналом из кремниевой нанопроволоки, а затвором служит анализируемая среда (жидкая или газообразная), которая окружает наноразмерный канал. В зависимости от предварительной обработки поверхности канала необходимыми поверхностно-активными веществами из анализируемой среды на поверхность канала избирательно адсорбируются молекулы анализируемого вещества и в зависимости от их количества изменяется проводимость канала транзистора, что является сигналом наличия молекул определяемого вещества. Этот сигнал усиливается и обрабатывается с помощью КМОП интегральных схем (ИС), которые изготавливаются в одном технологическом цикле с нанопроволочными чувствительными элементами (Si-NW КМОП транзисторы).
2
Наиболее простое решение получается при использовании в качестве исходных пластин - подложек кремний на изоляторе (КНИ) с уже сформированным слоем кремния на окисле, в данном случае толщина слоя скрытого SiO составляет 0,38 мкм, а толщина лежащего на нем слоя Si - 0,18 мкм.
4
6
2
2
4
6
На первом этапе методами фотолитографии формируется фоторезистивная маска в местах расположения нанопроволочных элементов и проводится анизотропное травление кремния на глубину 130 нм в смеси ССl+SF при давлении парогазовой смеси 10 Па и ВЧ-мощности 0,7 киловатт. После удаления фоторезистивной маски для получения конформного слоя окисла проводят термическое окисление поверхности кремния на толщину 20 нм в кислородной среде при температуре 1000°С. На следующей операции проводят процесс анизотропного плазменного травления 20 нм слоя окисла в хладоне-218 при давлении парогазовой смеси 10Па и ВЧ-мощности 0,7 киловатт. После этой операции на вертикальных стенках рельефа на кремнии остаются спейсеры из SiO, которые используются в качестве маски при травлении наноразмерных кремниевых проволочных структур. На следующем этапе создают фотолитографический рисунок изолирующих областей, затем в одном анизотропном плазменном процессе травят кремний селективно к окислу через маску, образованную спейсерами из SiO (в местах формирования нанопроволок), и фоторезистивную маску (в местах формирования изоляции). Для этого используется процесс реактивного ионно-плазменного травления кремния, селективный к окислу кремния. Процесс проводится в смеси CCL+SF при давлении парогазовой смеси 10Па и ВЧ-мощности 0,5 киловатт до полного удаления кремния в местах, не защищенных масками (окисным спейсером и фоторезистом). После удаления фоторезистивной маски на пластинах остаются наноразмерные проволочные кремниевые элементы будущего датчика с остатками окисного спейсера на поверхности, соединяющие кремниевые контактные площадки, разделенные скрытым окислом (толщина 0,38 мкм).
После травления остатков спейсера в растворе плавиковой кислоты в воде (1:10) и химической обработки, используя последовательность стандартных технологических операций, формировали чувствительный элемент датчика. Проводили легирование контактных (сток-истоковых) областей; осаждали межслойную изоляцию из слоя окисла кремния 600 нм, в которой вскрывали контактные окна к контактным областям. Напыляли слой алюминия 600-800 нм и формировали металлическую разводку и пассивирующий слой из оксида толщиной 800 нм и нитрида толщиной 200 нм при температуре 380°С.
На заключительном этапе проводили травление окна к нанопроволочному кремниевому элементу в слоях пассивации, межслойной изоляции и слое скрытого окисла подложки, расположенного под нанопроволокой. В результате этих операций окончательно формируется чувствительный элемент датчика - нанопроволока, подвешенная между стоком и истоком. Процесс подвешивания проволок можно проводить двумя способами: стандартным жидкостным травлением в разбавленных растворах плавиковой кислоты (1:10) или «сухим» способом на установке газофазного травления в парах HF и этилового спирта. Процесс газофазного травления исключает «залипание» проволок, которое возможно при обработке в жидкостях при травлении, отмывке или сушке пластин.
Таким образом, предложенный способ позволяет формировать наноразмерные кремниевые МОП структуры. Для его осуществления не требуется дополнительных затрат в виде дорогих установок и трудоемких процессов и он полностью совместим с промышленными технологиями производства КМОП ИС.
Источники информации
1. Патент России RU 2359359 (С1).
2. Опубликованная заявка США US 20070287238 (A1).
3. Опубликованная заявка США US 20060261409 (А1).
4. Giovanni De Micheli, Yusuf Leblebici.Martin Gijs, Janos Voros «Nanosystems Design and Technology», Springer, 2009, pp 46-47. (Прототип.)