Технология изготовления сенсоров (Раздел дипломной работы)

4.  Технология изготовления сенсоров.

4.1. Базовый технологический процесс

изготовления кристалла микросенсора.

Полупроводниковые газовые микросенсоры изготавливаются  на пластинах монокремния с проводимостью n-типа групповыми методами. Одновременно на каждой  кремниевой пластине формируется более 1400 кристаллов по унифицированному базовому технологическому процессу.

В основу технологического процесса изготовления кристалла микросенсора положены преимущественно стандартные процессы планарной технологии. В дальнейших главах ключевые процессы будут рассмотрены подробно, а в данном рассматривается общее построение техпроцесса изготовления сенсора.

Схема технологического процесса:

I-й блок операций.

Формирование нагревательного элемента.

-окисление пластин в кислородной атмосфере - формирование изолирующего слоя  SiO₂ толщиной около 0,8 мкм – стандартная технологическая операция, выполняется на диффузионной установке “Центроник 2000-Европа” при температуре 1100⁰С в комбинированной кислородной среде:

15 минут сухой О₂ – 100 минут влажный О₂ – 15 минут сухой О₂;

-нанесение слоя поликремния  толщиной около 0,5 мкм  путем разложения моносилана Si₃H₄ из газовой фазы при пониженном давлении (55 Па), реакция протекает при температуре 620-640⁰С 60-65 минут, используемое оборудование – установка

“ Elmatec Electronics LTD” (рис.4.1.а);

-формирование на пластинах стекловидной пленки – источника диффузианта -  фосфора на центрифуге с дальнейшей термообработкой пластин при температуре ~800⁰С в кислороде в течение ~15 мин.

-диффузионное введение фосфора в слой поликремния –операция производится на установке “Центроник 2000-Европа” при температуре 940⁰С-960⁰С в азоте, время процесса  ~45 минут;

-удаление фосфоросиликатного стекла – операция производится на установке химической обработки, состав травителя: 40%фтористоводородная кислота (1 объемная часть) и деионизированная вода (10 объемных частей), время протекания реакции

1-3 мин.

-фотолитографическая обработка – формирование топологического рисунка нагревателя. Осуществляется на стандартном оборудовании, применяется позитивный фоторезист ФП9120, который наносится на установке нанесения фоторезиста в слой, толщиной 1,5 мкм, после совмещения и экспонирования, фоторезист проявляется в 0.5% растворе КОН, далее фоторезист задубливается при температуре 120-130⁰С в течение ~ 30 минут;

-плазмохимическое травление поликремния – осуществляется на установке плазмохимической обработки Р 702. Поликремний травится в смеси фреона 14 (СF₄) и 4% кислорода, мощность разряда 400 Вт, рабочее давление ~200 Па, время протекания процесса ~30 минут (рис.4.1.б);

            -плазмохимическое удаление фоторезиста – осуществляется на той же установке, что и плазмохимическое травление поликремния, травится в синтетическом воздухе, давление и время травления, как и в предыдущей операции;

II-й блок операций.

Формирование изоляционных слоев.

-окисление поликремния, толщина образующегося слоя SiO₂ около 0,2 мкм,  процесс проводится на установке  “Центроник 2000-Европа” в комбинированной кислородной среде при температуре 940-960⁰С, время процесса – 65-75 минут (15 минут сухой О₂ – 40 минут влажный О₂ – 15 минут сухой О₂);

-нанесение слоя Si₃N₄ толщиной около 0,15 мкм – используется как второй изоляционный слой между нагревательным и газочувствительным элементами, получают  из газовой фазы  путем разложения моносилана SiH₄ при реакции с аммиаком NH₃ при пониженном давлении (55 Па), реакция протекает при температуре 870-890⁰С 40-50 минут, используемое оборудование – установка “ Elmatec Electronics LTD”;

Формирование третьего изолирующего слоя Та₂О₅ складывается из следующих операций:

-термовакуумное напыление слоя Та – осуществляется на установке вакуумного напыления 01 НЭ-7-004. При рабочем давлении не больше 6.65*10^-3 Па, при рабочем напряжении 7-9 кВ и токе испарения Та ~0.4 А, толщина слоя составляет ~0.05 мкм;

-фотолитографическая обработка – формирование топологического рисунка изоляционного слоя. Применяется позитивный фоторезист ФП9120, который наносится на установке нанесения фоторезиста в слой, толщиной 1,5 мкм, после совмещения и экспонирования, фоторезист проявляется в 0.5% растворе КОН, далее фоторезист задубливается при температуре 120-130⁰С в течение ~ 30 минут;

-химическое травление слоя Та – осуществляется на установке химической обработки, состав травителя: 72%HNO₃(100мл)+ NH₄F(10г);

-плазмохимическое удаление фоторезиста – осуществляется на установке плазмохимической обработки Р 702. Фоторезист травится в синтетическом воздухе, мощность разряда 400 Вт, рабочее давление ~200 Па, время протекания процесса ~30 минут;

-окисление слоя Та – производится на диффузионной установке  “Центроник 2000-Европа” при температуре 550⁰С в течение 120 минут, в результате окисления получают  слой Ta₂O₅ толщиной около 0,05 мкм, который используется как третий изолирующий слой между нагревательным и газочувствительным элементом (рис.4.1.в);

III-й блок операций.

Формирование чувствительных элементов.

При формировании чувствительных элементов применяется метод “взрывной” фотолитографии, в качестве негативного защитного рельефа используется слой поликремния:

-нанесение слоя поликремния  толщиной  0,5-0,6 мкм  путем разложения моносилана SiH₄ из газовой фазы при пониженном давлении (55 Па), реакция протекает при температуре 625-635⁰С 70-80 минут, используемое оборудование – установка

“Elmatec Electronics LTD”, слой поликремния в дальнейшем используется как “жертвенный” слой при обратной фотолитографии для формирования топологического рисунка газочувствительного элемента сенсора (рис.4.1.г);

-фотолитографическая обработка – формирование топологического рисунка  маски для “взрывной” фотолитографии газочувствительного слоя. Применяется позитивный фоторезист ФП9120, который наносится на установке нанесения фоторезиста в слой, толщиной 1,5 мкм, после совмещения и экспонирования, фоторезист проявляется в 0.5% растворе КОН, далее фоторезист задубливается: 1 стадия -при температуре 120-130⁰С в течение ~ 30 минут, 2 стадия - при температуре 150-160⁰С в течение ~ 30 минут;

-химическое травление слоя поликремния – осуществляется на установке химической обработки, состав травителя: 72%HNO₃(400мл)+ CH₃COOH(130мл)+ HF(10мл)+H₂O (60мл) (рис.4.1.д).

-химическое удаление фоторезистивного слоя – производится на установке химической обработки в 98% азотной кислоте (HNO₃).

-вакуумное напыление слоя SnO₂- толщина слоя примерно 0,1 мкм, операция производится на установке вакуумного напыления 01 НЭ-7-004 при рабочем давлении не больше 6.65*10^-3 Ра. Рабочее напряжение составляет 3-5 кВ, ток испарения ~0.1 А, толщина слоя составляет ~0.1 мкм. Далее осуществляется термообработка пластин  при температуре ~650⁰С в течение ~180 минут в синтетическом воздухе (рис.4.1.е);

-нанесение на пластины пленкообразующего раствора с сурьмой и гадолинием на центрифуге с дальнейшей термообработкой пластин при температуре ~800⁰С в кислороде в течение ~15 мин;

-диффузионное введение сурьмы и гадолиния в слой SnO₂ –операция производится на установке “Центроник 2000-Европа” при температуре 940⁰С-960⁰С в синтетическом воздухе, время процесса  ~180 минут;

-химическое травление жертвенного слоя поликремния – осуществляется для формирования топологии газочувствительного элемента на установке химической обработки, состав травителя: 72%HNO₃(400мл)+ CH₃COOH(130мл)+ HF(10мл)

+H₂O (60мл) (рис.4.1.ж);

IV -й блок операций.

Формирование металлизации и межсоединений: