Способ изготовления микроприбора

Изобретение относится к технологии изготовления микросхем и микроэлектромеханических приборов. Сущность изобретения: способ изготовления микроприбора включает процедуры, в которых структуру прибора или его части формируют в одном материале, а затем преобразуют (конвертируют) этот материал в другой материал путем химического или структурного преобразования. Предложен, например, способ изготовления микроприборов на основе карбида кремния путем создания приборов в кремнии и последующей конвертации кремния в карбид кремния. Изобретение обеспечивает упрощение и удешевление способа создания микроприбора на основе материалов, трудных в обработке. 14 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к технологии изготовления микросхем и микроэлектромеханических приборов, в т.ч. и в интегральном исполнении, и, в частности, к способам изготовления приборов на карбиде кремния.

Общеизвестны многочисленные способы создания электронных и микроэлектромеханических приборов на основе различных полупроводниковых материалов. Особенно развита технология создания приборов на основе кремния. Приборы (электронные, электрооптические, микроэлектромеханические) на основе широкозонных полупроводников, например, на основе карбида кремния, имеют ряд существенных преимуществ перед кремниевыми (значительно более высокие предельные значения температуры, исключительно малые обратные токи p-n-переходов, более широкий спектр возможных примесных уровней, более высокая радиационная стойкость, более высокие механические характеристики и т.п.) [Ю.Шретер, Ю.Ребане, В.Зыков. Широкозонные полупроводника. Н., 2001 г.].

Одним из недостатков их является необходимость использования при их изготовлении технологических приемов, режимов, химических реагентов и оборудования, отличных от используемых в кремниевой технологии. Цена использования таких технологий становится слишком высокой при малом количестве выпускаемых приборов. Изготовление в одном кристалле приборов на основе разных материалов также значительно повышает их стоимость.

Известны также способы получения одних материалов из других без изменения агрегатного состояния первых [U.S.Pat. No. 5880491; I.H.Khan. Proc. Int. Conf. Silicon Carbide. Pennsylvania (1968). P.285; R.W.Bartlett, R.A.Mueller. Ibid. P.341; I.H.han, R.N.Summergrad. Appl. Phys. Lett. 11, 12 (1967); W.Von Munch, U.Ruhnau. J. Cryst. Growth 158, 491 (1996); R.Rupp, P.Lanig, D.Stephani, J.Volkl. J.Cryst. Growth 146, 37 (1995); B.B.Зеленин, М.Л.Корогодский, А.А.Лебедев. ФТП 35, 1169 (2001); N.Herbots, P.Ye, Н.Jacobsson, J.Xiang, S.Hearne. N.Cave. Appl. Phys. Lett. 68, 782 (1996)].

Целью предлагаемого изобретения является расширение возможностей технологии за счет использования при производстве приборов, изготавливаемых на основе одного материала, достижений, имеющихся в технологии, развитой для изготовления приборов и узлов на основе другого материала.

Указанная цель достигается в предлагаемом изобретении тем, что, кроме прочих известных процедур, структуру прибора или его части формируют в одном материале (первый материал), а затем преобразуют (конвертируют) этот материал в другой материал (второй материал).

Остальные процедуры - те же, что и в общепринятой технологии производства интегральных схем и микроэлектромеханических приборов (резки, шлифовки, травления, фотолитографии, окисления, диффузии, напыления, разводки, корпусирования и т.п.)

Преобразование (конвертация) материала может заключаться как в химическом преобразовании путем введения конвертирующего вещества (диффузией, ионной имплантацией и т.п.) или путем осуществления преобразования изомерии, так и в структурном преобразовании: например, путем облучения или ионной бомбардировки и последующего отжига может быть изменен политип карбида кремния, а разными режимами последующего отжига (или исключением отжига) могут быть получены структуры различной степени разупорядоченности [ФТП, т.21, в.5, с.920-922, (1987); J. Appl. Phys., v.49, 5, pp.2717-2724, (1978)]. Конвертирующим материалом, например, при конвертации кремния в карбид кремния может быть углерод.

Первый и/или второй материалы могут быть полупроводниковыми.

Например, у одного из наиболее перспективных материалов для изготовления микроприборов, карбида кремния, коэффициент диффузии примесей настолько меньше, чем у кремния, что практически исключает промышленное применение диффузионных методов для его легирования, а чрезвычайно высокая твердость (9,2-9,3 по Моосу) затрудняет предварительную механическую обработку. Поэтому, проведя, в соответствии с предлагаемым изобретением, требуемую механическую обработку кремния и диффузию необходимых примесей с требуемой топологией в кремний, а затем, подвергнув его конвертации в карбид кремния либо путем химической конверсии в потоке углеводорода, либо путем ионной имплантации, либо ионной бомбардировкой в газовом разряде в углеводородсодержащей среде с последующим отжигом, либо другим известным методом, можно получить решающий выигрыш во времени и в энергозатратах. При этом упомянутыми выше необходимыми примесями могут быть, например, алюминий или бор, если требуется получить карбид кремния p-типа, и азот - для получения карбида кремния n-типа. Примеси могут быть и другими, но при введении их в первый материал (например, кремний) надо учитывать, что после конвертации их влияние на свойства материала станет, возможно, иным, т.к. они станут примесями во втором материале (например, в карбиде кремния). В большинстве способов конвертацию кремния в карбид кремния проводят при высокой температуре, поэтому можно в этих случаях не осуществлять диффузию примеси в кремний (разгонку) до его конвертации, а лишь создать поверхностные источники легирующих примесей (загонку).

Один из вариантов предлагаемого способа заключается в том, что слой конвертируемого материал подвергают ионной, нейтронной или иной корпускулярной бомбардировке, нарушающей структуру материала, на глубину требуемой конвертации с дозой и энергиями ионов, достаточными для обеспечения эффективной диффузии конвертирующей примеси и/или для последующей перестройки структуры, а затем проводят отжиг, заживляющий дефекты и активирующий легирующие примеси. Ионную бомбардировку, в вариантах способа, производят ионами конвертирующего материала, или ионами легирующей примеси, или ионами первого (конвертируемого) материала, или комбинацией перечисленных ионов.

Предлагаемым способом конвертируют слой, глубина (толщина) которого больше размера создаваемого микроприбора в этом направлении. Другими словами, микроприбор или его часть формируют сначала в слое первого материала, толщина которого должна находиться в пределах, определяемых возможностями выбранного способа конвертации, а затем материал этого слоя конвертируют во второй материал.

В другом варианте способа, например, для изменения характеристик микроприборов, глубину конвертации выбирают в соответствии с требуемыми механическими параметрами прибора, и она может составлять лишь часть толщины его и/или его элементов. Например, ряд микроприборов (акселерометры, гироскопы, зеркала развертки и т.п.) содержат микроскопические элементы, рассчитанные на кручение, изгиб, колебания и т.д. Дозированная по глубине конвертация материала этих элементов, являющихся лишь частью всего прибора, может существенно улучшить характеристики микроэлектромеханического прибора. Например, если конвертировать материал в приповерхностной части или во всем объеме упомянутого упругого элемента из кремния в карбид кремния, имеющий модуль Юнга в 40 раз больший, чем у кремния, значительно возрастет частота собственных колебаний элемента, увеличится коэффициент упругости и возрастет химическая стойкость, а остальная часть прибора останется кремниевой. Аналогично, изменение таким способом свойств отдельного, например, p-n-перехода, может значительно улучшить характеристики интегральной микросхемы, остающейся в остальном выполненной из первого (не конвертированного) материала.

Механические напряжения, возникающие в материалах при применении предлагаемого способа, могут регулироваться подбором их толщин. При создании дискретных микроприборов дополнительным приемом для уменьшения или снятия этих напряжений может служить способ, при котором конвертируемый слой разделяют разрезами (бороздами) на участки, размеры которых определяют по прогнозируемым механическим напряжениям, а также по конструкции формируемых приборов.

Преимуществом предлагаемого способа является упрощение и удешевление создания микроприборов на основе материалов, трудных в обработке. Он позволяет, добавив лишь операцию конвертации материала, использовать существующие хорошо отработанные технологии и существующее оборудование для изготовления приборов из материалов, для которых технология еще не отработана до такой степени. Он также удобен, когда разработка технологии и создание или приобретение оборудования для изготовления какого-либо микроприбора обходятся слишком дорого при малой потребности в изделии: не нужно менять все режимы, операции, реагенты и оборудование, не нужно переучивать персонал. Он также позволяет изготавливать отдельные микроприборы и их интегральные исполнения, которые невозможно осуществить другими способами. Например, позволяет конвертировать материал лишь части элементов интегральной схемы на кремнии в карбид кремния (для уменьшения обратных токов, для получения коротковолнового излучателя света, для увеличения частоты колебания кантилевера и т.д.), оставив остальную схему кремниевой.

1. Способ изготовления микроприбора, включающий процедуры, в которых структуру прибора или части прибора формируют в одном материале (первый материал), а затем преобразуют (конвертируют) этот материал в другой материал (второй материал).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первый материал для его конвертации вводят конвертирующий материал.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что конвертирующий материал вводят диффузией или ионным внедрением.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первый материал вводят легирующие примеси.

5. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что первый и второй материалы используют полупроводниковые, а до конвертации вводят в первый материал легирующую примесь или легирующие примеси, являющиеся донорными или/и акцепторными для второго материала.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что до конвертации формируют поверхностные источники легирующей примеси (проводят загонку), а дальнейшее распределение легирующей примеси (разгонку) совмещают с процессом конвертации.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что конвертируемый материал подвергают ионной или иной корпускулярной бомбардировке на глубину требуемой конвертации с дозой и энергиями ионов или других частиц, достаточными для обеспечения эффективной диффузии конвертирующей примеси и/или для последующей перестройки структуры, и проводят отжиг.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что после ионной бомбардировки проводят диффузию конвертирующей примеси или конвертирующей и легирующей примесей, и проводят отжиг.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что ионную бомбардировку производят ионами конвертирующего материала, или ионами легирующей примеси, или ионами первого материала, или комбинацией перечисленных ионов.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что микроприбор формируют в слое первого материала, толщина которого находится в пределах, достижимых при выбранном способе конвертации.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что конвертируют слой толщиной меньше толщины микроприбора или его элемента.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что конвертируемый слой разделяют разрезами (бороздами) на участки, размеры которых определяют по прогнозируемым механическим напряжениям, а также по конструкции формируемых приборов.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что первым материалом является кремний, а вторым - карбид кремния.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что конвертацию кремния в карбид кремния производят в среде, содержащей органическое вещество или смесь органического и кремнийорганического веществ.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что конвертацию производят путем ионного внедрения углерода, или углерода и кремния, или углерода и легирующей примеси, или их комбинации и последующего отжига.