DE4331798A1 - Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen BauelementenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von
mikromechanischen Bauelementen nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der Patentanmeldung P 40 00 903 ist bereits ein Verfahren zur
Herstellung von mikromechanischen Beschleunigungssensoren bekannt,
bei dem aus einem zweischichtigen Träger eine Schwingungszunge in
der oberen Schicht herausgeätzt wird. Durch Anlegen eines elek
trischen Potentials kann die Biegezunge bei der Ätzung des unterhalb
der Biegezunge angeordneten Substrats vor einem Ätzangriff geschützt
werden, so daß die Biegezunge unterätzt werden kann.
Aus der WO 91/03074 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Gräben einge
bracht und die Seitenwände dieser Gräben mit einem Siliziumoxid be
deckt werden. Der Boden der Gräben ist nicht mit Oxid bedeckt, und
wird so als Ausgangspunkt für eine Unterätzung der durch die Gräben
gebildeten Strukturen genutzt.
Aus dem Artikel von Lang et al. (Application of porous Silicon as a
Sacrificial Layer, The 7th International Conference on Solid-State
Sensors and Actuators, 6/93, Seite 202) ist ein Verfahren zur
Unterätzung von Siliziumstrukturen durch Anodisieren bekannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Anodisierung von
Silizium mit vielen anderen Prozessen der Halbleiterelektronik
kompatibel ist. Infolgedessen lassen sich völlig neuartige mikro
mechanische Bauelemente erzeugen bzw. die Herstellung von bereits
bekannten mikromechanischen Bauelementen kann vereinfacht werden.
Durch die Verwendung von mehrschichtigen Substraten läßt sich eine
besonders exakte Dimensionskontrolle der unterätzten Bereiche und
der Strukturen erzielen. Durch die Dotierstoffkonzentration läßt
sich das Anodisierungsverhalten von sehr schnell anodisierend bis
fast gar nicht anodisierend beeinflussen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unab
hängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich. In Abhängigkeit
vom Anodisierungspotential kann das Silizium entweder abgetragen
oder in poröses Silizium umgewandelt werden, welches dann in einem
weiteren Verfahrensschritt entfernt wird. Es steht somit eine Viel
zahl von möglichen Ätzverfahren zur Verfügung, die jeweils in Ab
hängigkeit von den sonstigen Erfordernissen der Struktur bzw. des
Herstellungsverfahrens genutzt werden können. Besonders einfach er
folgt die Anodisierung in Flußsäure, wobei sich dieses Anodi
sierungsmittel auch problemlos in Verbindung mit Schaltungen der
Halbleiterelektronik verwenden läßt. Insbesondere ist es möglich,
bereits fertiggestellte Schaltkreise durch eine einfache Abdeckung
mit Fotolack vor dem Angriff der Flußsäure zu schützen. Mit einem
zweischichtigen Substrat lassen sich die mikromechanischen Bau
elemente besonders einfach erzeugen. Durch die
Verwendung einer weiteren Schicht lassen sich die geometrischen
Dimensionen des mikromechanischen Bauelements exakt kontrollieren.
Weiterhin sind derartige mehrschichtige Substrate auch zur Aufnahme
von standardmäßigen Schaltkreiselementen geeignet und die Prozeß
schritte zur Herstellung der Schaltkreise können auch zur Her
stellung der mikromechanischen Bauelemente genutzt werden. Dabei
können auch Mehrschichtsubstrate mit einer vergrabenen Isolations
schicht genutzt werden, die die Herstellung von besonders un
empfindlichen Schaltkreisen erlauben. Die Anodisierung kann be
sonders einfach durch Kontaktierung auf der dem Ätzmedium abge
wandten Seite des Mehrschichtsubstrats erfolgen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen die Fig. 1 bis 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des er
findungsgemäßen Verfahrens, und die Fig. 4 und 5 jeweils ein
weiteres Ausführungsbeispiel.
In den Fig. 1 bis 3 wird ein erstes Ausführungsbeispiel für das
erfindungsgemäße Verfahren gezeigt. In der Fig. 1 wird ein mehr
schichtiges Substrat mit einer oberen Siliziumschicht 1 (Deck
schicht), einer unteren Siliziumschicht 2 (Substrat) und einer
weiteren Siliziumschicht 3 (Buried Layer) gezeigt. Die Herstellung
eines derartigen mehrschichtigen Substrats ist beispielsweise aus
der Herstellung von Bipolarschaltkreisen gut bekannt. Dazu werden
zunächst in einem Siliziumsubstrat 2 durch Implantation oder
Diffusion Dotierstoffe für den Buried Layer eingebracht. Durch eine
Epitaxie oder einen anderen geeigneten Prozeß wird dann auf der
Oberseite eine Deckschicht 1 erzeugt. Beispielsweise ist es auch
denkbar, für die Deckschicht 1 durch Verbindungsprozesse (Bonden)
eine dünne Siliziumplatte aufzubringen.
Durch einen geeigneten Ätzprozeß werden nun, wie in der Fig. 2 ge
zeigt, Gräben 5 eingebracht, die eine Struktur 6 definieren. Die
Strukturen 6 können jedoch auch durch additive Prozesse erzeugt
werden, bei denen auf der weiteren Siliziumschicht 3 Strukturen hin
zugefügt werden. In einem weiteren Prozeßschritt (Fig. 3) werden
nun die Strukturen 6 unterätzt, d. h. der unter den Strukturen 6 an
geordnete Buried Layer 3 wird entfernt. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird zur Freilegung, d. h. der Unterätzung der zuvor er
zeugten Siliziumstrukturen 6 Gebrauch gemacht vom elektrochemischen
Ätzverhalten verdünnter wäßriger Flußsäurelösungen, die gegebenen
falls gepuffert sein können mit Zusätzen wie Ammonium(bi)fluorid,
Ammoniumacetat, Essigsäure oder einer geeigneten Mischung aus diesen
Komponenten.
Beim Anodisieren von Silizium in wäßriger (gepufferter oder unge
pufferter) Flußsäurelösung bei verschiedenen angelegten elektrischen
Anodisierungspotentialen und daraus resultierenden Anodisierungs
stromdichten gibt es drei Bereiche mit unterschiedlichem Ätzver
halten: in einem ersten Bereich mit betragsmäßig relativ niedrigen
elektrischen Anodisierungspotentialen und einer exponentiellen
Strom-/Spannungscharakteristik wird an der mit der Ätzlösung in
Kontakt stehenden Siliziumoberfläche ganz flächig poröses Silizium
gebildet. Die Eigenschaften des beim Anodisieren erzeugten porösen
Siliziums hängen wesentlich von der
HF-Konzentration, der Anodisierungsstromdichte und der Silizium
dotierung ab. Mit betragsmäßig wachsendem angelegtem elektrischen
Potential d. h. zunehmender Stromdichte geht die Strom
dichte/Spannungscharakteristik in einen flacheren, annähernd
linearen Verlauf über. In diesem Kennlinienbereich wird die Wafer
oberfläche nur noch teilweise in poröses Silizium umgewandelt,
andere Teile der Oberfläche werden bereits "normal" geätzt. Bei noch
höheren Anodisierungspotentialen sättigt die Stromdichte und die
gesamte Waferoberfläche wird geätzt, wobei ein polierender Effekt
zutage tritt (Elektropolitur). Für niedrige HF-Konzentrationen tritt
Sättigung der Anodisierungsstromdichte und damit Elektropolitur
bereits bei kleinen Werten ein, wachsende HF-Konzentration ver
schiebt die Stromsättigung zu größeren Werten und begünstigt die
Entstehung von porösem Silizium.
Die beschriebenen Effekte sind darüber hinaus in hohem Maße abhängig
von der Siliziumdotierung. Bei identischem angelegten Anodisierungs
potential werden bevorzugt p⁺- und n⁺-Bereiche (Dotierung
<10¹⁷cm-3) in poröses Silizium verwandelt bzw. aufgelöst, deut
lich langsamer p⁻-Siliziumbereiche und extrem langsam n⁻-Bereiche
(Dotierung <10¹⁶cm-3). Damit können Opferschichten höherer
Dotierung selektiv zu Siliziumbereichen niedrigerer Dotierung oder
bevorzugt n⁻-Dotierung letztendlich aufgelöst werden.
Zum Freiätzen der Strukturen wird der Siliziumwafer rückseitig in
geeigneter Weise (über den Elektrolyten oder über einen metallischen
Kontakt) mit einem anodischen Potential kontaktiert, während die
gegebenenfalls an erforderlicher Stelle geeignet passivierte Vorder
seite (z. B. durch Photoresist) einer wäßrigen Flußsäurelösung aus
gesetzt wird, in die eine geeignete Gegenelektrode (z. B. Palladium
oder Platin) taucht.
Dabei wird die höherdotierte vergrabene Siliziumschicht bzw. die
vergrabenen höherdotierten Siliziumbereiche selektiv zu den niedrig
dotierten Bereichen darüber und darunter und besonders selektiv
gegenüber n⁻-Silizium je nach Höhe des angelegten Anodisierungs
potentials/der dadurch bewirkten Anodisierungsstromdichte bzw. der
HF-Konzentration
- - aufgelöst, die niedrigdotierten Strukturen also unmittelbar freigeätzt, oder
- - in poröses Silizium verwandelt.
Damit ist sowohl eine vertikale als auch eine laterale Dimensions
kontrolle (bei Einsatz lokal begrenzter höherer Dotierungskon
zentrationen durch maskierte Diffusion bzw. Ionenimplantation) der
aufgelösten oder umgewandelten Bereiche gegeben.
Wird das Anodisierungspotential bzw. die dadurch bewirkte Anodi
sierungsstromdichte so niedrig gewählt, daß eine Umwandlung in
poröses Silizium erfolgt, so kann letzteres anschließend sehr
schnell selektiv thermisch oxidiert werden. Der vergrabene anodi
sierte Bereich wird also in ein vergrabenes Oxid umgewandelt. Dazu
wird das Silizium bei Temperaturen von ca. 800°-1100°C einem wasser
haltigen und sauerstoffhaltigen Gas ausgesetzt. Der so behandelte
Wafer kann bei Bedarf nachfolgend noch weiteren Hochtemperatur
prozeßschritten unterworfen werden, um z. B. seine Dotierung zu ver
ändern (Hochtemperaturdiffusion). Das gebildete Oxid kann später mit
HF selektiv aufgelöst werden.
Alternativ kann das erzeugte poröse Silizium, wenn die selektive
Umwandlung unter den freizulegenden Strukturen abgeschlossen ist,
auch durch kurzzeitige Erhöhung des Anodisierungspotentials/der
Anodisierungsstromdichte bis in den Elektropoliturbereich hinein
sehr schnell aufgelöst werden.
Alternativ ist es möglich, das unter den freizulegenden Strukturen
selektiv erzeugte poröse Silizium sehr schnell und selektiv aufzu
lösen in:
- - alkalischen (NaOH, KOH) oder ammoniakalischen (NH₄OH, TMAH) wäßrigen Lösungen, die vorzugsweise kalt eingesetzt werden können
- - Lösungen von wäßriger Flußsäure (HF) und einem Oxidationsmittel wie H₂O₂ oder HNO₃ oder HClO₃, oder K₂Cr₂O₇ oder CrO₃, gegebenenfalls mit Zusatz von Puffern (z. B. CH₃COOH)
- - einem Dampfgemisch von HF und HNO₃ oder HF und H₂O₂.
Wird der Anodisierungsvorgang insgesamt bei hohem Anodisierungs
potential, d. h. im Elektropoliturbereich durchgeführt, so erfolgt
unmittelbar eine Auflösung ohne vorherige Ausbildung von porösem
Silizium bei evtl. verminderter Dotierungsselektivität.
Die angegebenen Prozeßabfolgen führen letztlich allesamt zu freien
Strukturen auf der Wafervorderseite. Besonders vorteilhaft können
dabei Strukturen aus einkristallinem Silizium hergestellt werden, so
daß die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von einkri
stallinem Silizium genutzt werden können. Weiterhin kann in eine
solche Siliziumschicht eine elektronische Schaltung integriert
werden.
Geeignete Dotierungsschichtfolgen für den beschriebenen Prozeß sind
nachfolgend aufgelistet.
Die ersten beiden Dotierungsschichtfolgen entsprechen sowohl in
ihrer Reihenfolge als auch in ihren Dotierungskonzentrationen bei
Bipolarprozessen üblichen Waferaufbauten und sind damit besonders
vorteilhaft. Bei vergrabenem n⁺-Layer in einem p-Substrat tritt
eine nahezu perfekte Begrenzung des Anodisierungsvorgangs auf die
n⁺-Gebiete ein, indem der Anodisierungsvorgang in den
n-Dotierungsausläufern mit abnehmender n-Dotierstoffkonzentration
bis zum völligen Stillstand gebremst wird (Bereich des p-n-Übergangs
stellt für den Prozeß eine unüberwindliche Barriere dar).
Das elektrische Potential wird von der Waferrückseite nicht von der
Wafervorderseite wie beim elektrochemischen Ätzen in alkalischen
Ätzmedien (pn-Ätzstopptechnik) angelegt. Der elektrische Rückseiten
kontakt kann über den Elektrolyten selbst geschehen, indem der Wafer
zwischen zwei Elektrodenplatten in die Lösung getaucht wird, oder
man verwendet eine metallisierte Waferrückseite. Im letzteren Fall
kann die metallisierte Waferrückseite mit dem elektrischen Kontakt
entweder durch polymeres Material (z. B. Photoresist) oder durch Ein
satz einer Ätzdose gegen verdünnte Flußsäurelösung zuverlässig ge
schützt werden. Der Schutz eines vorderseitigen Kontakts beim Ätzen
in alkalischen Medien nach der konventionellen Technik ist dagegen
nur schwer möglich.
Die maßgeblichen auftretenden pn-Übergange (Dioden) sind in Vor
wärtsrichtung gepolt, nicht in Sperrichtung; anders als beim
elektrochemischen Ätzstopp in alkalischen Medien schaden allfällige
Sperrschichtdefekte in den großflächigen pn-Übergängen nicht. Ins
besondere ist es mit dieser Technik möglich, vergrabene, nicht un
mittelbar einer elektrischen Kontaktierung zugängliche Opferschicht
bereiche über das entsprechend vorgespannte Substrat auf Anodi
sierungspotential zu legen.
In der Fig. 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs
gemäßen Verfahrens gezeigt. Das in Fig. 4 gezeigte
Mehrschichtsubstrat weist nur eine obere Siliziumschicht und eine
untere Siliziumschicht 2 auf. In die obere Siliziumschicht 1 sind
wiederum Gräben 5 eingebracht, die eine Struktur 6 definieren. Die
Dotierung der oberen Deckschicht 1 ist vergleichsweise gering. Wird
nun dieses mehrschichtige Substrat über die Gräben 5 mit einer
Anodisierungslösung beaufschlagt und ein entsprechendes Potential
angelegt, so wird ein Bereich 2′ unterhalb der Gräben und unterhalb
der Strukturen 6 anodisiert. Bei einem entsprechenden Potential kann
dabei der Bereich 2′ beim Anodisierungsschritt entfernt werden.
Ebensogut ist es möglich, daß der Bereich 2′ in poröses Silizium
umgewandelt wird. Dieses poröse Silizium kann dann wieder selektiv
gegen das restliche Silizium geätzt werden oder aber in ein
Siliziumoxid umgewandelt werden, welches anschließend geätzt wird.
Es ist somit auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auch bei
mehrschichtigen Substraten zu nutzen, die nur eine obere Silizium
schicht und eine untere Siliziumschicht 2 aufweisen. Wichtig ist
dabei nur, daß die obere Siliziumschicht 1 eine Dotierung von
weniger als 10¹⁶cm-3 aufweist. Ist die obere Siliziumschicht vom
p-Typ, so muß die untere Siliziumschicht eine Dotierung von mehr als
10¹⁷cm-3 aufweisen. Ist die obere Siliziumschicht vom n-Typ,
kann die untere Siliziumschicht eine p-Standarddotierung oder eine
n⁺ oder p⁺-Dotierung von mehr als 10¹⁷cm-3 oder höher auf
weisen (möglich sind hier p-p⁺; n-p; n-p⁺; n-n⁺; p-n⁺).
In der Fig. 5 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs
gemäßen Verfahrens gezeigt, das von einem mehrschichtigen Substrat,
bestehend aus einer oberen Siliziumschicht 1, einer unteren
Siliziumschicht 2, und einer zwischen diesen Siliziumschichten ange
ordneten Isolationsschicht 4 (SOI-Waferaufbau) ausgeht. In die obere
Siliziumschicht 1 wird wiederum durch Einbringen von Gräben 5 eine
Struktur 6 erzeugt. Dabei kann die Isolationsschicht 4 auch dazu
genutzt werden, die Tiefe der
eingebrachten Gräben 5 exakt zu kontrollieren. Es wird somit eine
besonders exakte Kontrolle der geometrischen Abmessungen der Struk
turen 6 erreicht. Vor der Unterätzung muß nun die Isolationsschicht
4 entfernt werden. Ein geeignetes Material für diese Isolations
schicht ist beispielsweise Siliziumoxid, welches bei der Verwendung
von Flußsäure als Anodisierungslösung von selbst beim Eintauchen des
mehrschichtigen Substrats geätzt wird, so daß ein eigener Prozeß
schritt zur Entfernung dieser Isolationsschicht 4 entfällt. Nach
oder während dem Entfernen der Isolationsschicht 4 unterhalb der
Gräben 5 erfolgt die weitere Bearbeitung analog wie bei der Fig. 4
beschrieben. Ebenso kann das in der Fig. 5 verwendete mehr
schichtige Substrat mit einer Isolationsschicht 4 auch in Verbindung
mit einem Buried Layer verwendet werden.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen, bei
dem eine Struktur (6) auf einer Siliziumschicht erzeugt wird, die
durch einen weiteren Schritt unterätzt wird, wobei zur Unterätzung
die Anodisierung von Silizium genutzt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die eingebrachte Struktur (6) mindestens teilweise aus Silizium
einer bestimmten Dotierung besteht, daß unterhalb der Struktur (6)
eine Siliziumschicht mit einer höheren Dotierung angeordnet ist und
daß überwiegend die Schicht mit der höheren Dotierung anodisiert
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dotierstoffkonzentration der schwächer dotierten Schicht geringer
als 1×10¹⁶cm-3
und die Dotierstoffkonzentration der höher
dotierten Schicht höher als 1×10¹⁷cm-3 ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Anodisierung ein Potential an das Silizium angelegt wird, so daß das
Silizium abgetragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Anodisierung ein Potential angelegt wird, so daß das Silizium in
poröses Silizium umgewandelt wird, und daß das poröse Silizium in
einem weiteren Verfahrensschritt entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse
Silizium durch einen Ätzprozeß, der poröses Silizium schneller ätzt
als massives Silizium, entfernt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse
Silizium in Siliziumoxid umgewandelt wird und dann das Siliziumoxid
entfernt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Anodisierungsmittel Flußsäure verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß das mehrschichtige Substrat (10) eine obere (1)
und eine untere (2) Siliziumschicht aufweist, daß die Struktur (6)
in die obere Siliziumschicht (1) eingebracht wird, und daß die
Unterätzung in der unteren Schicht (2) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß das mehrschichtige Substrat (10) eine obere (1) und
eine untere (2) Siliziumschicht, mit einer dazwischen angeordneten
weiteren Siliziumschicht (3) aufweist, daß die Struktur (6) in die
obere Siliziumschicht (1) eingebracht wird, und daß die Unterätzung
in der weiteren Siliziumschicht (3) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen der oberen (1) und unteren (2) Silizium
schicht eine Siliziumoxidschicht (4) angeordnet ist, die nach dem
Einbringen der Gräben (5) mindestens im Bereich der Gräben (5) ent
fernt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die oberen Siliziumschicht (1) eine n-Dotierung und
die untere Siliziumschicht (2) eine p-Dotierung aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die obere Siliziumschicht (1) einkristallin ist.
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