Способ формирования активных структур для микроэлектронных устройств и микроэлектронное устройство, содержащее активные структуры

Изобретение относится к электронике, в частности к области изготовлений чувствительных элементов микроэлектронных устройств, в которых чувствительные элементы представляют собой активные структуры. Способ формирования активных структур для микроэлектронных устройств на кремниевой подложке согласно изобретению содержит этапы, на которых осуществляют подготовку подложки КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), формируют медную разводку в межслойном диэлектрике, выполняют углубление в слое оксида кремния методом фотолитографии и плазмохимического травления, причем углубление содержит внутренние стенки и донную поверхность, примыкающую к медной разводке, осуществляют нанесение адгезионного слоя TaN и слоя благородного металла на внешнюю часть подложки вблизи углубления, внутренние стенки и донную поверхность углубления, осуществляют нанесение жертвенного слоя на слой благородного металла, выполняют химико-механическую полировку жертвенного слоя, слоя благородного металла и слоя TaN, осуществляют жидкостное травление жертвенного слоя с сохранением слоя благородного металла на внутренних стенках и донной поверхности углубления. Изобретение обеспечивает исключение повреждения слоя благородного металла активной структуры за счет нанесения жертвенного слоя на поверхность чувствительного слоя благородного металла. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к электронике, в частности к области изготовлений чувствительных элементов микроэлектронных устройств, в которых чувствительные элементы представляют собой активные структуры.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Такой тип устройств как диагностический чип представляет собой структуру на основе микроскопических матриц, содержащих биологически-активные (чувствительные) вещества. Диагностические чипы производятся с применением технологических процессов микроэлектроники (фотолитография, осаждение тонких слоев, химическое и плазменное травление и т.д.). Можно выделить несколько основных применений био-чипов:

• Микроанализаторы: клинический анализ (экспресс-анализ крови), токсикологический анализ, контроль качества препаратов, анализ физиологических проб, чип-анализатор;

• Микросенсорика: контроль окружающей среды, датчики, био/хемосенсоры, молекулярное распознавание, защита от химического оружия;

• Микрореакторы для смешивания, проведения химических реакций, синтеза различной сложности;

• Сепарация частиц и молекул ДНК, анализ ДНК/РНК, полимеразная цепная реакция (ПЦР).

[0003] Общая схема изготовления диагностических чипов на кремниевых пластинах 300 мм содержит последовательность действий, включающих в себя следующие шаги: изготовление фотолитографических шаблонов для выбранной топологии чипа, подготовка подложки КМОП, формирование многоуровневой металлизации, формирование системы колодцев в оксиде кремния методом фотолитографии и плазмохимического травления с последующим физическим осаждением серебра из газовой фазы и его полировкой, формирование верхнего гидрофобного слоя.

[0004] Из уровня техники известны подходы в формировании активных структур в виде колодцев, выполняемых в подложке диэлектрика для формирования чувствительных слоев на сенсорах микроэлектронных устройств. Пример такого подхода известен из заявки US 20170153201 A1 (Life Technologies Corp, 01.06.2017). В данном решении формируются колодцы, представляющие собой матрицу активных элементов, формируемые с помощью травления диэлектрика с последующим нанесением чувствительного слоя, например, благородного металла, такого как серебро, платина или золото в колодец и пассивирующего слоя поверх чувствительного.

[0005] Недостатком известного подхода является то, что полировка толстых слоев благородного металла на пластинах имеющих топологию достаточно продолжительный процесс (порядка 4-5 минут), что приводит к химическому разрушению чувствительного слоя внутри активных структур и вызывает эрозию слоя на поверхности и в объеме, что особенно сильно проявляется для высоко зернистого слоя чувствительного благородного металла.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы, связанной с формированием активных структур при проведении химико-механической полировки (ХМП) чувствительных слоев, обеспечивая исключение их эрозии и ускорение технологического процесса создания микроэлектронных устройств.

[0007] Технический результат совпадает с решаемой технической проблемой и заключается в исключении повреждения слоя благородного металла активной структуры за счет нанесения жертвенного слоя на поверхность чувствительного слоя благородного металла.

[0008] Заявленный технический результат достигается за счет способа формирования активных структур для микроэлектронных устройств на кремниевой подложке, содержащего этапы, на которых:

- осуществляют подготовку подложки КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник);

- формируют медную разводку в межслойном диэлектрике;

- выполняют изготовление матрицы активных структур в виде углублений в слое оксида кремния методом фотолитографии и плазмохимического травления, причем углубление содержит внутренние стенки и донную поверхность, примыкающую к медной разводке;

- осуществляют нанесение адгезионного слоя TaN и слоя благородного металла на внешнюю часть подложки вблизи углубления, внутренние стенки и донную поверхность углубления;

- осуществляют нанесение жертвенного слоя на слой благородного металла;

- выполняют ХМП (химико-механическая полировка) жертвенного слоя, слоя благородного металла и слоя TaN;

- осуществляют жидкостное травление жертвенного слоя с сохранением слоя благородного металла на внутренних стенках и донной поверхности углубления.

[0009] В одном из частных примеров осуществления способа форма углубления представляет собой колодец.

[0010] В другом частном примере осуществления способа форма колодца выбирается из группы: кубическая, усеченная пирамида, цилиндрическая, шестиугольная.

[0011] В другом частном примере осуществления способа нанесение слоя благородного металла осуществляется напылением из газовой фазы толщиной 0.1-1.5 мкм.

[0012] В другом частном примере осуществления способа слой сформирован из диэлектрического материала, способного к растворению в растворе кислоты, селективной к благородному металлу.

[0013] В другом частном примере осуществления способа жертвенный слой сформирован из низкотемпературного оксида кремния или нитрида кремния.

[0014] В другом частном примере осуществления способа толщина жертвенного слоя 500-1000 А.

[0015] В другом частном примере осуществления способа жидкостное травление осуществляется в растворе плавиковой кислоты HF концентрацией 1:500.

[0016] В другом частном примере осуществления способа благородный металл выбирается из благородных металлов VIII-IX Групп периодической системы химических элементов.

[0017] Заявленное изобретение также осуществляется с помощью создания микроэлектронного устройства, содержащего активные структуры, выполненные по любому из пп. 1-8.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0018] Фиг. 1 иллюстрирует КМОП микроэлектронного устройства.

[0019] Фиг. 2 иллюстрирует КМОП со сформированным углублением активной структуры.

[0020] Фиг. 3А иллюстрирует этап нанесения адгезивного слоя и слоя благородного металла.

[0021] Фиг. 3Б иллюстрирует этап нанесения жертвенного слоя.

[0022] Фиг. 3В иллюстрирует этап полировки жертвенного слоя, слоя благородного металла и адгезивного слоя с поверхности диэлектрика.

[0023] Фиг. 3Г иллюстрирует итоговый вид активной структуры после ХМП и травления жертвенного слоя.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0024] На Фиг. 1 представлена подложка (10) КМОП микроэлектронного устройства, состоящая из диэлектрика (100), например, оксид кремния (SiO), в слое которого выполнена многоуровневая медная металлизация (101). Диэлектрический слой (100) также может изготавливаться из оксида кремния (TEOS, USG, FSG) и нитрида кремния, Low-k материалов (low K оксид (SiOCH) и нитрид (SiCN)) - материалов с небольшой относительной диэлектрической проницаемостью относительно диоксида кремния.

[0025] Как показано на Фиг. 2, в слое диэлектрика (100) над последним слоем медной металлизации (101) выполняется углубление (102), множество которых будет формировать матрицу активных структур. Структуры (102) формируются в слое диэлектрика (100) методом фотолитографии и плазмохимического травления с образованием структур (102) в виде углублений заданной формы. Структуры (102) представляют собой колодец, форма которого может различаться исходя из применяемой технологии, например, структуры (102) могут иметь кубическую форму, форму усеченной пирамиды, цилиндрическую или шестиугольную форму.

[0026] Структура (102) ограничена верхней поверхностью (1021), боковыми стенками (1022) и донной поверхностью (1023). При этом внешняя поверхность (1021) и боковые (1022) стенки являются слоем диэлектрика оксида кремния (100), а донная поверхность (1023) сопряжена со слоем медной разводки (101).

[0027] На Фиг. 3А представлен этап нанесения адгезионного слоя нитрида тантала TaN (103), поверх которого наносится слой благородного металла (104). Адгезионный слой (103) наносится на поверхность подложки, тем самым покрывая внешнюю поверхность подложки (1021) вблизи углубления (102), боковые стенки (1022) и донную поверхность углубления (1023). Слой благородного металла (104) наносится поверх адгезионного слоя (103) и может представлять собой любой благородный метал из VIII-IX Групп периодической системы химических элементов, в частности, серебро (Ag), золото (Au), рутений (Ru), осмий (Os), родий (Rh), иридий (Ir), палладий (Pd), платина (Pt). Слой (104) благородного металла наносится с помощью напыления из газовой фазы толщиной 0.1-1.5 мкм.

[0028] На Фиг. 3Б показано нанесение жертвенного слоя (105). С целью получения активных ячеек без дефектов поверхность на поверхность слоя металла (104) наносится тонкий жертвенный слой оксида кремния (SiO) толщиной 500-1000 А.

[0029] Жертвенный слой (105) сформирован из диэлектрического материала, способного к растворению в растворе кислоты, селективной к благородному металлу, например, низкотемпературный оксид кремния или нитрид кремния.

[0030] Материал, формирующий жертвенный слой (105), осаждается методом газофазного плазмохимического осаждения при температуре подложкодержателя 200°С. Применение данного материала обусловлено тем фактором, что при использовании некоторых металлов в качестве чувствительного слоя (104), например, Ag, при нагреве его зернистость увеличивается, что приводит к повышению эрозии слоя (104) в процессе ХМП. Соответственно, чем ниже температура осаждения диэлектрика, тем меньше зернистость слоя (104) и тем меньше эрозия.

[0031] На Фиг. 3В показана ХМП толстого слоя благородного металла (104) напыленного на поверхность подложки (100) из оксида кремния с вытравленной структурой (102), в частности с формированием поверхностей (1021). Данный процесс включает обработку пластины (100) полировальником в присутствии суспензии в три этапа: полирование жертвенного слоя (105) оксида кремния, полирование толстого слоя благородного металла (104) и полирование слоя нитрида тантала (103).

[0032] На первом этапе полирование проводят со скоростью 30-40 нм/мин при давлении 24,48-25,21 кПа и при скорости подачи суспензии 300 мл/мин, при этом используют полирующую щелочную суспензию, содержащую, диоксид кремния аморфный и неорганический гидроксид и воду, в которую добавляют Н₂О₂ до достижения концентрации Н₂О₂ 3-3,3 мас. % и рН 9,5-11,2.

[0033] На втором этапе полирование проводят со скоростью 300-400 нм/мин, при давлении 7,8-18,27 кПа и при скорости подачи суспензии 250 мл/мин, при этом используют полирующую кислотную суспензию, содержащую диоксид кремния аморфный, 3 - amino - 1, 2, 4 Triazole и воду, в которую добавляют H2O2 до достижения концентрации 4,5-5,5 мас. % и рН 4-4,5.

[0034] На третьем этапе проводят полирование нитрида тантала с той же суспензией, что и на первом этапе, но при меньшем давлении 15,17-17,93 Кпа. Скорость удаления нитрида тантала 70-80 нм/мин.

[0035] Данный подход позволяет использовать химически активные суспензии с высокой скоростью ХМП слоя благородного металла (104).

[0036] На Фиг. 3Г показан результат проведенной полировки жертвенного слоя (105), слоя благородного металла (104) и слоя адгезионного слоя (103) и дальнейшего удаления жертвенного слоя. В процессе ХМП жертвенный слой (105) защищает поверхность слоя (104) металла внутри структуры (102) и препятствует взаимодействию суспензии со слоем активного металла (104). После ХМП осуществляется жидкостное травление жертвенного слоя (105) с сохранением слоя благородного металла (104) и адгезионного слоя (103) на внутренних стенках (1022) и донной поверхности (1023) углубления (102).

[0037] Жидкостное травление осуществляется в слабом растворе плавиковой кислоты HF концентрацией 1:500 с целью удаления жертвенного слоя (105) оксида кремния с поверхности слоя (104), а также продуктов реакции процесса ХМП из структуры (102).

[0038] Устройство со сформированными активными структурами по предложенному способу представляет собой массив ячеек, которые могут иметь размеры от нанометров до десятков микрометров. Внутренние поверхности ячейки покрываются благородным металлом (Ag, Au, Pt), формируя электрод. Каждая ячейка соединена медным проводом с алюминиевой контактной площадкой.

[0039] Представленные материалы заявки раскрывают предпочтительные примеры реализации технического решения и не должны трактоваться как ограничивающие иные, частные примеры его воплощения, не выходящие за пределы испрашиваемой правовой охраны, которые являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.

1. Способ формирования активных структур для микроэлектронных устройств на кремниевой подложке, содержащий этапы, на которых

- осуществляют подготовку подложки КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник);

- формируют многоуровневую медную металлизацию в межуровневом диэлектрике подложки;

- выполняют углубления в слое оксида кремния методом фотолитографии и плазмохимического травления, причем углубления содержат внутренние стенки и донные поверхности, примыкающие к медной разводке;

- осуществляют нанесение адгезионного слоя TaN и слоя благородного металла на внешнюю часть подложки вблизи углубления, боковые стенки и донную поверхность углубления;

- осуществляют нанесение жертвенного слоя на слой благородного металла;

- выполняют ХМП (химико-механическая полировка) жертвенного слоя, слоя благородного металла и слоя TaN;

- осуществляют жидкостное травление жертвенного слоя с сохранением слоя благородного металла на внутренних стенках и донной поверхности углубления.

2. Способ по п. 1, в котором форма углублений представляет собой колодец.

3. Способ по п. 2, в котором форма колодца выбирается из группы: кубическая, усеченная пирамида, цилиндрическая, шестиугольная.

4. Способ по п. 1, в котором нанесение слоя благородного металла осуществляется напылением из газовой фазы толщиной 0.1-1.5 мкм.

5. Способ по п. 1, в котором жертвенный слой сформирован из диэлектрического материала, способного к растворению в растворе кислоты, селективной к благородному металлу.

6. Способ по п. 5, в котором диэлектрический материал представляет собой низкотемпературный оксид кремния или нитрид кремния.

7. Способ по п. 5, в котором толщина жертвенного слоя 500-1000 А.

8. Способ по п. 1, в котором жидкостное травление осуществляется в растворе плавиковой кислоты HF концентрацией 1:500.

9. Способ по п. 1, в котором благородный металл выбирается из благородных металлов VIII-IX Групп периодической системы химических элементов.

10. Микроэлектронное устройство, содержащее активные структуры, выполненные по любому из пп. 1-9.