Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anisotropen Ätzen von halbleitenden Materialien, bei welchem der Ätzprozeß ge¬ zielt abgebrochen wird.

Verfahren zum anisotropen Ätzen weisen für verschiedene Kristallrichtungen unterschiedliche Ätzraten auf. Sie werden zur Ausbildung definierter Strukturen mit scharfen Kanten und Ecken in halbleitenden Materialien eingesetzt. Damit kann eine Vielzahl mikromechanischer Vorrichtungen wie Mas¬ ken, Sensoren oder Membranen hergestellt werden.

Zur Herstellung solcher mikromechanischer Elemente ist es weiter wichtig, daß der Ätzvorgang an gewünschter Stelle zum Stillstand gebracht wird. Hierfür werden Ätzverfahren mit Ätzstop eingesetzt.

Stand der Technik

Ätzverfahren mit Ätzstop werden beispielsweise beschrieben von M. Hirata, S. Suwazono und H. Tanigawa: "Diaphragm Thickness Control in Silicon Pressure Sensors Using an Anodic Oxidation-Etch-Stop" (J. Electrochem. Soc. : Solid- State Science and Technology, (1987), S. 2037-2041) und von T. N. Jackson, M.A. Tischler und K.D. ise: "An Electro- chemical P-N Junction Etch-Stop for the Formation of Silicon Microstructures" (IEEE Electron Device letters, Vol 2, (1981) , S. 44 f.)

Bei diesen Verfahren wird der Ätzprozeß an einem halblei¬ tenden pn-übergang durch eine Oxidschicht gestoppt, die elektrochemisch mit Hilfe einer angelegten Spannung auf der Oberfläche der n-leitenden Schicht gebildet wird, nachdem die p-leitende Schicht weggeätzt ist.

Eine weitere Möglichkeit eines Ätzstops wird beispielsweise von L. Csepregi, K. Kühl, N. Nießl und H. Seidel im "Ab¬ schlußbericht zum Forschungsvorhaben NT 2604 "(BMFT, 1984) beschrieben.

Bei diesem Verfahren wird die Abhängigkeit der Ätzgeschwin¬ digkeit einiger Ätzmedien von der Konzentration an Bor-Ionen im Halbleiter ausgenützt. An einer Grenze zwischen Bereichen niedriger und hoher Bor-Konzentration stoppt das Ätzverfah¬ ren, wenn das Material niedriger Konzentration abgetragen ist.

Allerdings verwenden alle bisherigen anisotropen Ätzverfah¬ ren mit Ätzstop sehr aggressive Ätzmedien wie Hydrazin oder EDP (Ethylendiamin, Pyrocatechol und Wasser) oder KOH, die nicht in der Halbleiterfertigung eingesetzt werden können, da dort keine alkalimetallhaltigen Ätzbestandteile geduldet werden können, oder weil sie extrem giftig sind, oder den hohen Anforderungen an die Staubfreiheit nicht genügen. Darüber hinaus müssen bisher Ätzapparaturen aus Materialien verwendet werden, die den aggressiven Lösungen standhalten. Beim Umgang mit diesen Ätzmedien ist größte Sorgfalt geboten, weil sie sehr gesundheitsschädlich sind.

Der Bedarf an Verfahren zum anisotropen Ätzen mit elektro¬ chemischem Ätzstop, die mit Herstellungsprozessen für inte¬ grierte Schaltkreise verträglich sind, wurde mehrfach geäu¬ ßert. Zum Beispiel von Gealer . L. , Karsten H. K. und Ward

S. M. in "The Effect of an Interfacial P-N Junction on the Electrochemical Passivation of Silicon in Aqueous Ethylenediamine - Pyrocatechol", Journal of the Electro¬ chemical Society, Vol 135, Nr. 5, 1988, S. 1180 - 1183 (hier S. 1181). Trotzdem konnte bisher noch kein Verfahren angegeben werden, das voll reinraumko patibel ist. Zwar ist das von Gealer u. a. angegebene Ätzmedium EDP frei von alkalimetallhaltigen Bestandteilen, doch zählt es zu den aggressiven und gesundheitsschädlichen Substanzen und führt in Reinräumen leicht zu Kontiminationen durch Tröpfchenbil¬ dung.

Insbesondere für die Herstellung von monolithischen Chips, bei denen sowohl mikromechanische Elemente als auch elek¬ tronische Schaltkreise auf einer Oberfläche integriert wer¬ den, sind die bisher bekannten Verfahren ungeeignet, da sie entweder mit den Prozessen unverträglich sind oder eine Gefährdung, für die mit den Prozessen befaßten Personen, darstellen.

Darstellung: der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum anisotropen Ätzen halbleitender Materialien mit Ätzstop zur Verfügung zu stellen, das durch die Wahl eines geeigneten Ätzmediums die Vorteile der in der Mikrostrukturtechnik üb¬ lichen Verfahren wie exakte Materialbearbeitung in kleinsten Dimensionen aufweist, und das zur gleichzeitigen Integration von mikromechanischen Bauelementen und elektronischen Schaltkreisen geeignet ist und keine gesundheitsschädigende Wirkung ausübt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verfahren in konventionelle Herstellungsprozesse der Mikro¬ elektronik integrierbar ist und daß das Ätzmedium aus einer Mischung aus NH OH, H O und einem Alkohol zusammengesetzt ist.

Nach Anspruch 2 kann das der Erfindung zugrunde liegende Ätzmedium auch herangezogen werden, wenn die zweite oben erwähnte Variante des Ätzstops Verwendung findet, bei der die Abhängigkeit der Ätzgeschwindigkeit von der Konzentra¬ tion der Bor-Ionen im Silizium ausgenutzt wird.

Die Vorteile diese Verfahrens bestehen darin, daß auf Elek¬ troden und Zuführungen verzichtet werden kann. Sie ist damit technisch besonders einfach zu realisieren. Allerdings ist die erforderliche hohe Bor-Dotierung für verschiedene An¬ wendungsfälle, z. B. für sehr dünne Membranen, weniger ge¬ eignet.

Auch für die Integration elektronischer Schaltungen stellt die hohe Bor-Dotierung eine einschränkende Bedingung dar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un¬ teransprüchen gekennzeichnet.

Als besonders effektiv erweist sich nach Anspruch 3 ein Mi¬ schungsverhältnis des Ätzmediums von 2 bis 10% NH.OH, 1-10% Alkohol und die übrigen Teile Wasser. Eine vorteilhafte Va¬ riante des Verfahrens verwendet nach Anspruch 4 die Alkohole Iso-Isopanol oder Ethylenglykol.

Die Geschwindigkeit des Ätzprozesses kann nach Anspruch 5 durch geringe Mengen von Fluor, z. B. in der Form von Ammo- niumfluorid (NH F) oder Fluorwasserstoff erhöht werden. Da¬ bei genügt bereits ein Zusatz im Bereich von ppm (parts per million) , so daß die Reinraumkompatibilität auch bei dieser Weiterbildung gewährleistet ist.

Im Anspruch 6 ist eine Fortbildung der Erfindung gekenn¬ zeichnet, bei der die Oberfläche nach der Ätzung besonders glatt ist. Das anodische Potential wird so gewählt, daß es ausreicht, die Schicht aus dem Material mit der zweiten Leitfähigkeit zu passivieren, nicht jedoch das Substrat aus dem Material der ersten Leitfähigkeit. Nach Abtrag des Sub¬ strates stoppt der Ätzprozeß unter diesen Bedingungen be¬ sonders exakt.

Bei der Verwendung von nur zwei Elektroden (Elektrode, die mit der Schicht der zweiten Leitfähigkeit verbunden ist und Gegenelektrode) ist es schwierig, das Potential der Elek¬ trode gegenüber dem Ätzmedium genau zu kontrollieren, da es stark vom Stromfluß durch das Ätzmedium abhängt. Wie bei elektrochemischen Verfahren üblich, wird deshalb als Refe¬ renzelektrode eine dritte Elektrode, eine gesättigte Calomel Elektrode, verwendet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson¬ dere darin, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ätzmediums das anisotrope Ätzverfahren mit elektrochemischen Ätzstop in den industriellen Halbleiterprozeß integriert werden kann. Dadurch wird es möglich, mikromechanische Vorrichtungen und integrierte Schaltungen im industriellen Maßstab auf der¬ selben Halbleiteroberfläche nebeneinander zu integrieren.

Durch den exakten Ätzstop eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders zur Herstellung extrem dünner mikrome¬ chanischer Elemente, wie großflächige ultradünne Membranen.

Eine vorteilhafte Anwendung des Verfahrens resultiert dar¬ aus, daß es reinraumtauglich ist und die Bestandteile mit hoher Staubfreiheit im Handel erhältlich sind und unproble¬ matisch während des Prozesses filterbar sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das verwendete Ätzmedium nur ge¬ ringe Anforderungen an die chemische Stabilität der Mate¬ rialien für die Ätzapparatur stellt und wegen der geringeren Toxizität einfach handhabbar ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung;

Ein Ausführungsbeispiel des Ätzverfahrens wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Die Figur 1 zeigt die Schritte des Verfahrens zum aniso¬ tropen Ätzen von Halbleitermaterialien mit Ätzstop.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Ätzverfahren mit elektrochemischem Ätzstop. Das Potential an der pn- Schicht wird mit Hilfe einer üblichen Zwei- oder Dreielek¬ trodenanordnung angelegt. Die Bezugszeichen der Beschreibung beziehen sich auf die Fig. 1 a, b und c.

a) Zu Beginn des Prozesses wird ein Siliziu -wafer (1) der gewünschten Kristallorientierung und Dotierung mit ei¬ ner andersdotierten Epitaxieschicht (2) versehen. Dabei entsteht ein pn-übergang zwischen Epitaxieschicht und Substrat.

b) Im nächsten Schritt wird eine passivierende Schutz¬ schicht (3) (z.B. Si_N. oder SiO_) aufgebracht und mit Hilfe der Lithographie werden die gewünschten Strukturen auf der Rückseite definiert.

Falls zur Herstellung des mikromechanischen Elemen¬ tes auch Bereiche der Epitaxieschicht entfernt wer¬ den sollen, werden diese Bereiche zum Beispiel mit Hilfe der Ionenimplantation in die Dotierung des Wafersubstrates überführt. (In Fig. 1 b bleibt die gesamte Epitaxieschicht erhalten.)

c) Dann erfolgt die anisotrope Ätzung des Substratma¬ terials in einer Mischung aus 2 bis 10% NH.OH, 1- 10% Alkohol und den restlichen Teilen H_0 bei einer Tem¬ peratur von ungefähr 100 Grad C. Dabei wird der Wafer in diesem Ätzmedium elektrisch so kontaktiert, daß der pn-übergang in Sperrichtung geschaltet wird. Zwischen dem Halbleiter und einer atzresistenten Gegenelektrode wird eine Spannung von einigen Volt angelegt.

Zur Optimierung des Verfahrens wird ein Potential angelegt, das dem Passivierungspotential der Epi¬ taxieschicht entspricht. Mit Hilfe einer Referenz¬ elektrode wird das Potential kontrolliert.

Der Substratabtrag bei der Ätzung erfolgt durch eine chemische Oxidation und eine anschließende Auflösung des entstandenen Oxids. Während dieses Prozesses fließt zwischen der Gegenelektrode und dem Halblei¬ ter nur ein sehr kleiner Strom. Beim Erreichen des pn-ϋberganges zwischen Substrat und Epitaxieschicht

wird durch das Wegätzen des Übergangs die bis dahin existierende Sperrschicht für den Strom entfernt und der dadurch auftretende Stromfluß zwischen Wafer und Gegenelektrode erniedrigt das elektrochemische Po¬ tential an der Grenze Ätzoberfläche-Ätzmedium. Nach kurzer Zeit nimmt der Stromfluß stark ab und der Ätzvorgang wird durch die Ausbildung einer Oxid¬ schicht auf der Oberfläche beendet. Der geätzte Wafer wird aus dem Ätzmedium genommen, die Schutz¬ schicht entfernt.

Bei Verwendung von hoch-Bor-dotierten Epitaxie- schichten (mit einer Dotierung von etwa 1,3 x 10 20

Atome pro cm 3) stoppt der Atzvorgang beim Erreichen der

Epitaxieschicht von selbst. Das Anlegen eines Potentials zwischen Wafer und Gegenelektrode ist in diesem Fall nicht notwendig.