Способ изготовления наносенсора
Владельцы патента RU 2359359:
Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к микро- и наноэлектронике и может быть использовано в производстве интегральных кремниевых химических и биосенсоров для автоматизированного контроля окружающей среды, в экологии, в химическом производстве, в биологии и медицине. Изобретение направлено на снижение размеров наносенсора, снижение дефектности, повышение чувствительности, воспроизводимости и эффективности, достижение совместимости со стандартной промышленной технологией СБИС. В способе изготовления наносенсора, заключающемся в том, что на кремниевой подложке создают диэлектрический слой, на поверхности которого формируют слой кремния, из которого через маску травлением формируют нанопроволоку с омическими контактами, травление для формирования нанопроволоки с омическими контактами заданных размеров проводят в парах дифторида ксенона со скоростью 36÷100 нм/мин, при температуре 5÷20°С, в течение 0,3÷1,3 мин, слой кремния, из которого травлением формируют нанопроволоку с омическими контактами, создают толщиной 11÷45 нм, а в качестве маски для травления используют маску полимера полиметилметакрилата толщиной 50÷150 нм. 3 ил.
Изобретение относится к микро- и наноэлектронике, наносенсорике и может быть использовано в производстве интегральных кремниевых химических и биосенсоров для автоматизированного контроля окружающей среды, в экологии, в химическом производстве, в биологии и медицине.
Известен способ изготовления наносенсора (Z.Li, Y.Chen, X.Li, T.I.Kamins, К.Nauka, R.S.Williams, "Sequence-Specific Label-Free DNA Sensors Based on Silicon Nanowires". - NANO LETTERS, Vol.4, No.2, (2004) pp.245-247), заключающийся в том, что основной чувствительный элемент наносенсора - кремниевая нанопроволока с омическими контактами на диэлектрическом слое на кремниевой подложке формируется методом электронной литографии и реактивного ионного травления, что является дефектообразующей процедурой для кремния, из которого формируется нанопроволока.
К недостаткам известного технического решения относится следующее.
Во-первых, реактивное ионное травление кремниевых нанопроволок приводит к дефектообразованию в кремнии (латеральной аморфизации кристалла кремния в нанопроволоке), что снижает чувствительность наносенсоров и ограничивает минимальный размер работоспособных наносенсоров (50 нм ширина нанопроволоки).
Во-вторых, получаемые наносенсоры отличаются низкой чувствительностью и высокими шумами, обусловленными, по-видимому, особенностями процесса реактивного ионного травления кремния нанопроволок, сопровождаемого по всей вероятности аморфизацией кремния в нанопроволоках. В результате данное обстоятельство не позволяет снизить ширину получаемых нанопроволок до необходимых значений (менее 10÷30 нм).
В-третьих, реактивное ионное травление кремниевых нанопроволок в структурах кремний-на-изоляторе отличается низкой селективностью по отношению к травлению нижележащего слоя заглубленного окисла кремния и приводит к накоплению подвижного электрического заряда в заглубленном окисле кремния и увеличению токов утечки через заглубленный окисел.
Другим известным техническим решением является способ изготовления наносенсора (Eric Stern, James F. Klemic, David A. Routenberg, Pauline N. Wyrembak, Daniel B. Turner-Evans, Andrew D. Hamilton, David A. La Van, Tarek M. Fahmy, Mark A. Reed, Label-free immunodetection with CMOS-compatible semiconducting nanowires. - Nature, Vol.445, No.7127 (2007), pp.519-522), заключающийся в том, что основной чувствительный элемент наносенсора - кремниевая нанопроволока с омическими контактами на диэлектрическом слое на кремниевой подложке - формируется жидкостным химическим травлением кремния в гидроксиде тетраметиламмония через маску диэлектрической двуокиси кремния.
К недостаткам известного технического решения относится следующее.
Во-первых, в связи с особенностями данного способа, по-видимому, обусловленными анизотропным жидкостным травлением кристалла кремния, при котором грань (111) травится в 100 раз медленнее других граней минимальная ширина кремниевых нанопроволок с трапецевидным сечением варьируется от 50 нм до 100 нм (ширина верхней грани).
Во-вторых, особенности жидкостного травления кремния в углеродсодержащем органическом травителе предьявляют повышенные требования к дефектности маски и слоя кремния, а также дефектности заглубленного окисла в структурах кремний-на-изоляторе и не позволяют из-за капиллярных эффектов и гидродинамики жидкого травителя воспроизводимо снизить ширину получаемых кремниевых нанопроволок до необходимых значений (менее 10÷30 нм).
В-третьих, проблематичность использования данного способа в стандартной промышленной технологии СБИС из-за углеродсодержащего органического травителя кремния, низкой управляемости и воспроизводимости жидкостного травления в нанометровом диапазоне размеров, низкого соответствия требованиям экологичности и санитарно-гигиеническим нормам.
Техническим результатом изобретения является:
- снижение размеров наносенсора, соответственно повышение чувствительности;
- снижение дефектности, повышение воспроизводимости и эффективности;
- достижение совместимости со стандартной промышленной технологией СБИС за счет медленного газового травления слоя кремния нанометровой толщины в парах дифторида ксенона.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления наносенсора, заключающемся в том, что на кремниевой подложке создают диэлектрический слой, на поверхности которого выращивают слой кремния, из которого травлением через маску формируют нанопроволоку с омическими контактами, причем травление до заданных размеров нанопроволки с омическими контактами проводят в парах дифторида ксенона.
Слой кремния, из которого травлением формируют нанопроволоку с омическими контактами, наносят методом DELICUT в слой толщиной 11÷45 нм, а его травление в парах дифторида ксенона проводят со скоростью 36÷100 нм/мин при температуре 5÷20°С в течение 0,3÷1,3 мин.
В качестве маски для травления используют маску полимера полиметилметакрилата толщиной 50÷150 нм.
Газовое химическое травление кремния в парах дифторида ксенона отличается очень высокой селективностью (>1000, <100000) по отношению к травлению нижележащего слоя диэлектрика диоксида кремния.
Для формирования нанопроволоки с омическими контактами слой кремния травят в парах дифторида ксенона со скоростью 36÷100 нм/мин. При скорости травления меньше 36 нм/мин происходит не травление слоя кремния, а формирование низших дифторидов кремния с пассивацией поверхности слоя кремния. При скорости травления больше 100 нм/мин наблюдается сильная неровность края нанопроволок. При температуре травления ниже 5°С на поверхность слоя кремния осаждается атмосферная вода, которая гидролизует SiF4, образуется HF и происходит деградация нижележащего слоя диэлектрика диоксида кремния. При температуре травления выше 20°С скорость травления слоя кремния уменьшается. При времени травления меньше 0,3 мин остаются непротравленные островки слоя кремния. При времени травления больше 1,3 мин происходит боковой растрав слоя кремния и разрыв нанопроволок. При использовании маски для травления из полимера полиметилметакрилата толщиной менее 50 нм наблюдаются отверстия в маске, которые приводят к растраву слоя кремния под маской полимера полиметилметакрилата. При толщине маски для травления более 150 нм нельзя получить нанопроволоки необходимой ширины (10÷30 нм).
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На фиг.1 показано изображение нанопроволоки кремния с омическими контактами на диэлектрическом слое на кремниевой подложке, полученное в оптическом микроскопе, где 1 - кремниевая нанопроволока, 2 - омические контакты, 3 - диэлектрический слой на кремниевой подложке.
На фиг.2 показано изображение фрагмента нанопроволоки кремния, полученное в растровом электронном микроскопе, где 4 - фрагмент кремниевой нанопроволоки шириной ~30 нм.
На фиг.3 показан измеренный эффект поля в проводимости кремниевой нанопроволоки наносенсора при использовании подложки в качестве нижнего затвора, что характеризует высокую чувствительность нанопроволоки ко внешним электрическим воздействиям, где 5 - вольтамперная характеристика (ВАХ) кремниевой нанопроволоки в зависимости тока от напряжения на омических контактах при различных напряжениях на кремниевой подложке (20÷50 В).
Для реализации предлагаемого способа изготовления наносенсора слой кремния нанометровой толщины травится в потоке пара дифторида ксенона:
Для проведения данной операции экспериментальным путем было подобрано травление в парах дифторида ксенона с нижеизложенными соответствующими режимами. В качестве маски для травления использовался полимер полиметилметакрилат.
Толщину слоя кремния наряду с оптической плотностью слоя кремния контролируют методом эллипсометрических измерений. Глубину травления слоя кремния контролируют с помощью растрового электронного микроскопа, позволяющего получать изображение поверхности изготовленной предлагаемым способом нанопроволоки и глубину газового травления слоя кремния. В предлагаемом способе эта величина составила 11÷45 нм.
Длительность газового травления кремниевых нанопроволок в парах дифторида ксенона (XeF2) определяется толщиной исходного образующего слоя кремния. В предлагаемом способе этот параметр варьируют от 0,3 мин до 1,3 мин. Полноту протравливания исходного образующего слоя кремния контролируют по электрическим измерениям токов утечки между соседними нанопроволоками.
В качестве примеров реализации предлагаемого способа приводим нижеследующие примеры.
Пример 1
В качестве подложки используют полупроводниковую пластину кремния толщиной 350 мкм с выращенным на ней термическим окислом кремния толщиной 300 нм. В качестве полупроводника, являющегося материалом исходного образующего слоя, используют кремний, нанесенный методом DELICUT в слой толщиной 11 нм. Для формирования нанопроволоки с омическими контактами исходный образующий слой кремния травят в парах дифторида ксенона со скоростью 36 нм/мин, при температуре 5°С, в течение 0,3 мин через маску из полимера полиметилметакрилата толщиной 50 нм.
При этом получают нанопроволоку кремния толщиной 11 нм и шириной до 30 нм. Создаваемые нанопроволоки предлагаемым способом обладают меньшими размерами по сравнению с известными техническими решениями (см. фиг.2), минимальная ширина нанопроволок составляет ~30 нм.
Пример 2
В качестве подложки используют полупроводниковую пластину кремния толщиной 350 мкм с выращенным на ней термическим окислом кремния толщиной 300 нм. В качестве полупроводника, являющегося материалом исходного образующего слоя, используют кремний, нанесенный методом DELICUT в слой толщиной 25 нм. Для формирования нанопроволоки с омическими контактами исходный образующий слой кремния травят в парах дифторида ксенона со скоростью 60 нм/мин при температуре 15°С, в течение 0,7 мин через маску из полимера полиметилметакрилата толщиной 100 нм.
При этом получают нанопроволоку кремния толщиной 25 нм и шириной до 30 нм. Создаваемые нанопроволоки предлагаемым способом обладают меньшими размерами по сравнению с известными техническими решениями (см. фиг.2), минимальная ширина нанопроволок составляет ~30 нм.
Пример 3
В качестве подложки используют полупроводниковую пластину кремния толщиной 350 мкм с выращенным на ней термическим окислом кремния толщиной 300 нм. В качестве полупроводника, являющегося материалом исходного образующего слоя, используют кремний, нанесенный методом DELICUT в слой толщиной 45 нм. Для формирования нанопроволоки с омическими контактами исходный образующий слой кремния травят в парах дифторида ксенона со скоростью 100 нм/мин, при температуре 20°С, в течение 1,3 мин через маску полимера полиметилметакрилата толщиной 150 нм.
При этом получают нанопроволоку кремния толщиной 45 нм и шириной до 30 нм. Создаваемые нанопроволоки предлагаемым способом обладают меньшими размерами по сравнению с известными техническими решениями (см. фиг.2), минимальная ширина нанопроволок составляет ~30 нм.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления наносенсора позволяет уменьшить размеры нанопроволок, а также улучшить электрофизические свойства формируемых данным способом нанопроволок: снизить токи утечки через нижний диэлектрический слой, увеличить управляемость наносенсора за счет расширения диапазона напряжений от нижнего затвора и повысить чувствительность наносенсоров благодаря большей проводимости при меньшей концентрации носителей заряда.
С другой стороны, положительный эффект данного изобретения заключается в микроминиатюризации наносенсоров на КНИ (кремний-на-изоляторе), что приводит к повышению их надежности, быстродействия, чувствительности и степени интеграции при снижении их себестоимости и улучшении экологичности производственного процесса, соответствия санитарно-гигиеническим нормам, а также достижении полной совместимости с промышленной кремниевой технологией СБИС.
Способ изготовления наносенсора, заключающийся в том, что на кремниевой подложке создают диэлектрический слой, на поверхности которого формируют слой кремния, из которого через маску травлением формируют нанопроволоку с омическими контактами, отличающийся тем, что травление для формирования нанопроволоки с омическими контактами заданных размеров проводят в парах дифторида ксенона со скоростью 36÷100 нм/мин, при температуре 5÷20°С, в течение 0,3÷1,3 мин, слой кремния, из которого травлением формируют нанопроволоку с омическими контактами, создают толщиной 11÷45 нм, а в качестве маски для травления используют маску полимера полиметилметакрилата толщиной 50÷150 нм.
