способ формирования элементов из каталитических металлов на поверхности сенсора

Формула изобретения

1. Способ формирования элементов из каталитических металлов на поверхности сенсора, включающий осаждение на поверхности подложки сенсора слоя поликремния или лэнгмюровского слоя поверхностно-активного термостойкого полимерного соединения, формирование маски из осажденного слоя, очищение свободной поверхности подложки методом сухого травления, нанесение каталитического металла при температуре подложки 400-600°С при отношении толщины осажденного слоя к толщине металла не менее двух, а формирование элементов из каталитических металлов осуществляют методом взрывной фотолитографии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение каталитического металла осуществляют методом магнетронного напыления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано для изготовления датчиков перемещения движущихся сред, газовых анализаторов, термометров и т.д. методами микроэлектронной технологии.

Каталитические металлы (Pt, Pd) считаются лучшими материалами для изготовления сенсоров по микроэлектронной технологии, где приходится осаждать металлы на диэлектрические слои полупроводниковых пластин, при этом возникают большие трудности с адгезией каталитических металлов, которые не удается преодолеть способами, используемыми для традиционных металлов золота и алюминия.

Известен способ осаждения каталитических металлов с использованием подслоя титана. Адгезионные свойства комбинации титан-платина действительно выше, чем у чистой платины, но существенным недостатком данного способа является то, что дальнейшие технологические операции, связанные с применением травителей, не реагирующих с платиной, приводит к «взрыву» платины вследствие подтравливания титана. Кроме того, в МДП-структурах с каталитическими затворами возникают проблемы с зарядовыми состояниями подзатворных областей, т.е. нестабильностью C-V характеристик МДП-структур, что недопустимо в сенсорах [1].

Наиболее близким техническим решением является способ осаждения каталитических металлов методом взрывной фотолитографии, в котором используется двойная маска, состоящая из фоторезиста и дополнительного слоя, в качестве которого используется Cu, As₂S₃ , Si₃N₄, Mo, SiO₂, поликремний, MgO, AlN, С [2]. В ближайшем прототипе в качестве дополнительного слоя использован поликремний [3], а основным слоем служит фоторезист. Основным недостатком данного способа является наличие фоторезиста в процессе изготовления сенсоров, не позволяющего вести процесс осаждения каталитических металлов при высоких температурах подложек (400-600°С). Высокая температура подложек служит основным фактором удаления с их поверхности радикалов типа ОН и СООН, ответственных за деградацию слоев каталитических металлов с образованием т.н. «блистеров» [4]. Кроме того, фоторезист не позволяет почистить поверхность подложек методом сухого травления непосредственно перед нанесением металла из-за сильного задубливания фоторезиста.

Технический результат изобретения состоит в том, что предложенный способ формирования элементов из каталитических металлов на поверхности сенсоров позволяет получить хорошую адгезию металлов к поверхности и стабильные C-V-характеристики МДП-структур, что обеспечивает повышение надежности и долговечности сенсоров.

В предложенном изобретении задача решается благодаря тому, что в способе формирования рисунка методом взрывной фотолитографии с использованием двойной маски из фоторезиста и дополнительного слоя из поликремния исключается фоторезистивный слой, а толщина дополнительного слоя увеличивается до величины суммы толщин дополнительного и вспомогательного слоев, а осаждение металла осуществляется при температуре подложки 400-600°С с предварительной очистки поверхности подложки методом сухого травления. Кроме того, в качестве дополнительного слоя вместо известных вышеуказанных элементов и соединений предлагается использовать ленгмюровские пленки поверхностно-активного термостойкого (до 700°С) кремнийорганического полимерного соединения. Ленгмюровские слои чувствительны к глубокому ультрафиолету, что позволяет исключить из технологического процесса трудноудаляемый из-за задубливания фоторезист.

Способ формирования рисунка металла на поверхности подложки прототипа изобретения представлен на фиг.1. На подложку (1) с диэлектрическим слоем (2) нанесен слой дополнительного материала, например поликремния (3) и фоторезиста (4), фиг.1,a. Суммарная толщина фоторезиста и поликремния h больше толщины наносимого металла, по крайней мере, в два раза. Стандартными методами формируется рисунок (5), фиг.1,б, под нанесение каталитического металла. При этом методами сухого травления удалить следы фоторезиста, групп ОН и СООН (6), фиг.1,б, с поверхности (2) в области формирования рисунка (5) не удается из-за задубливания фоторезиста и невозможности его удаления в процессе взрыва. Далее наносится слой каталитического металла (7), фиг.1,в, при температуре не более 100°С. Температура ограничена условиями задубливания фоторезиста. В последующем процессе взрыва удаляются слои поликремния (3) и фоторезиста (4), фиг.1,в, и металла (7), лежащего на этих слоях, и остается на поверхности сенсора часть слоя (7), фиг.1,г, образующего рисунок. При дальнейшей операции отжига металла при температуре 650-800°С возникает вспучивание металла (8), фиг.1,д из-за наличия на поверхности (2) следов фоторезиста, групп ОН и СООН.

В предлагаемом способе формирования рисунка (фиг.2) на поверхности подложки (1), фиг.1,a, с диэлектрическим слоем (2) осаждается слой (3) из поликремния или ленгмюровской пленки толщиной h, превышающей толщину наносимого металла, по крайней мере, в два раза. Далее наносится слой фоторезиста (4), фиг.2,б, и стандартными методами формируется рисунок (5) в слоях (4) и (3). В случае использования ленгмюровской пленки в слое (3) фоторезист можно не использовать для формирования рисунка, а вести экспозицию по пленке глубоким ультрафиолетом (250 нм). Методом сухого травления очищается поверхность в области формирования рисунка (5), фиг.2,в, и наносится каталитический металл (7), фиг.2,г, например, методом магнетронного напыления. Нанесение металла осуществляется при температуре подложки 400-600°С. Далее осуществляется взрыв с удалением поликремниевого или ленгмюровского слоев (3) и металла (7) на слоях. На поверхности подложки сенсора остается металлический рисунок (7), фиг.2,г. Далее следует отжиг при температуре 650-800°С с образованием стабильной структуры металлической пленки с хорошей адгезией к поверхности.

Предложенный способ нанесения каталитических металлов на поверхности подложек сенсоров позволяет избавиться от дополнительных операций нанесения подслоев и слоев и получить надежную адгезию каталитических металлов к подложкам с качественной границей раздела металл-диэлектрик, что особенно важно для сенсоров с активными элементами на МДП-структурах с каталитическими затворами. При этом надежность и долговечность сенсоров, а также стабильность параметров в процессе эксплуатации существенно возрастают.

Литература

1. I.Lundstrom, С.Svensson. Gas-Sensitive Metal Gate Semiconductor Devices. Solid State ChemikatSensors. Academic Press INC. New York, 1985.

2. У.Моро. Микролитография, М.: Мир, 1990, ч.1 и 2.

3. U.S. Patent 4,315,984 (1982), Hitachi.

4. S.Y.Choig, et al. No Blister Formation Pt/Pt Double Metal GateNlSFET Hydrogen Sensors, IEEE Electron. Dev. Let., EDL-5, МОЛ, 1984.