DE102020202814A1 - Method for etching a semiconductor component and corresponding device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ätzen eines Halbleiter-Bauelements und eine entsprechende Vorrichtung. Das Verfahren umfasst die Schritte:Bereitstellen eines Substrates (1), auf dessen Oberseite (O) eine Ätzmaske (M) aufgebracht ist, welche zu ätzende Bereiche des Substrats (1) freilegt; Durchführen eines ersten Ätzprozesses in einer ersten Ätzkammer (EK1), wobei eine Mehrzahl von Halbleiter-Bauelementen (C1-C4) lokal verteilt auf der Oberseite (O) des Substrats (1) unter der Ätzmaske (M; M') gebildet wird, die jeweils ein oder mehrere Strukturelemente (S1-S4) aufweisen; wobei die Strukturelemente (S1-S4) lokale Abweichungen (Δ1-Δ4) hinsichtlich eines ersten lateralen Strukturabtrages des ersten Ätzprozesses aufweisen; und Durchführen eines zweiten Ätzprozesses in einer zweiten Ätzkammer (EK2), wobei die Strukturelemente (S1-S4) lokal isotrop nachgeätzt werden, um die lokalen Abweichungen (Δ1-Δ4) hinsichtlich eines ersten lateralen Strukturabtrages des ersten Ätzprozesses zu vermindern, wobei der zweite Ätzprozess durch ein vorbestimmtes Korrekturprogramm (KP) gesteuert wird, welches den lokalen zweiten lateralen Strukturabtrag des zweiten Ätzprozesses vorgibt.The present invention provides a method for etching a semiconductor component and a corresponding device. The method comprises the steps of: providing a substrate (1), on the top side (O) of which an etching mask (M) is applied, which exposes areas of the substrate (1) to be etched; Carrying out a first etching process in a first etching chamber (EK1), a plurality of semiconductor components (C1-C4) being formed locally distributed on the top side (O) of the substrate (1) under the etching mask (M; M '), which each have one or more structural elements (S1-S4); wherein the structure elements (S1-S4) have local deviations (Δ1-Δ4) with regard to a first lateral structure removal of the first etching process; and performing a second etching process in a second etching chamber (EK2), the structure elements (S1-S4) being locally isotropically post-etched in order to reduce the local deviations (Δ1-Δ4) with regard to a first lateral structure removal of the first etching process, the second etching process is controlled by a predetermined correction program (KP), which specifies the local second lateral structure removal of the second etching process.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen eines Halbleiter-Bauelements und eine entsprechende Vorrichtung.The present invention relates to a method for etching a semiconductor component and a corresponding device.
Obwohl auf beliebige Strukturen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik in Bezug auf mikromechanische Bauelemente in Silizium erläutert, bei denen Opferschichten entfernt werden.Although applicable to any structures, the present invention and the problems on which it is based are explained in relation to micromechanical components in silicon in which sacrificial layers are removed.
Stand der TechnikState of the art
Mikromechanische Bauelemente auf Siliziumbasis, wie beispielsweise Sensoren oder Mikrospiegel, bestehen in der Regel aus einer oder mehreren leitfähigen strukturierten Funktionsschichten aus Silizium. Die durch Ätzverfahren strukturierten Bereiche der Funktionsschichten, die den beweglichen Teil des MEMS darstellen, befinden sich direkt auf einer Opferschicht. Unter den nicht-beweglichen Bereichen wird die Opferschicht teilweise nicht entfernt bzw. die Funktionsschichten sind direkt auf dem Substrat angebunden. Über eine geeignete Aufhängung sind bewegliche und feste Bereiche miteinander verbunden. Am Ende des Herstellungsprozesses wird die Opferschicht mittels eines geeigneten isotropen Ätzverfahrens wenigstens teilweise selektiv entfernt, wodurch das Bauteil funktionsfähig wird.Micromechanical components based on silicon, such as sensors or micromirrors, generally consist of one or more conductive, structured functional layers made of silicon. The areas of the functional layers structured by etching processes, which represent the movable part of the MEMS, are located directly on a sacrificial layer. The sacrificial layer is partially not removed under the non-movable areas or the functional layers are attached directly to the substrate. Movable and fixed areas are connected to one another via a suitable suspension. At the end of the manufacturing process, the sacrificial layer is at least partially selectively removed by means of a suitable isotropic etching process, as a result of which the component becomes functional.
Der Trend geht zu immer kleineren und leistungsfähigeren Halbleiter-Bauelementen. Hierzu wird der funktionale Kern immer weiter verkleinert. Mit zunehmender Verkleinerung der Strukturen werden jedoch geringe Fertigungstoleranzen und die mechanische Robustheit des Mikrosystems immer wichtiger. Die Fertigungstoleranzen sind in erster Linie bestimmt durch die Abweichung des Ätzmaßes der Strukturen über das Substrat. Diese Abweichung ist bedingt durch die plasmarheologischen Eigenschaften der jeweiligen Ätzkammer.
Die mechanische Robustheit/Bruchfestigkeit von schwingfähigen Strukturen kann von der Beschaffenheit (insbesondere der Rauigkeit) der Ätzwände abhängen.The trend is towards ever smaller and more powerful semiconductor components. For this purpose, the functional core is being made smaller and smaller. As the structures get smaller and smaller, however, low manufacturing tolerances and the mechanical robustness of the microsystem become more and more important. The manufacturing tolerances are primarily determined by the deviation of the etching dimension of the structures over the substrate. This deviation is due to the plasma rheological properties of the respective etching chamber.
The mechanical robustness / breaking strength of structures that can vibrate can depend on the nature (especially the roughness) of the etched walls.
Für photonische Sensoren mit mehreren Wellenleitern ist die Phasenbeziehung zwischen den Wellenleitern von großer Bedeutung. Diese ergibt sich u. a. aus den geometrischen Maßen der Wellenleiter, z.B. den lateralen Abmessungen.For photonic sensors with multiple waveguides, the phase relationship between the waveguides is of great importance. This results inter alia. from the geometric dimensions of the waveguide, e.g. the lateral dimensions.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ätzen eines Halbleiter-Bauelements nach Anspruch 1 und eine entsprechende Vorrichtung nach Anspruch 11.The present invention provides a method for etching a semiconductor device according to claim 1 and a corresponding device according to claim 11.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred developments are the subject of the respective subclaims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht im Durchführen eines zweiten Ätzprozesses in einer zweiten Ätzkammer, wobei die Strukturelemente lokal isotrop nachgeätzt werden, um die Abweichungen hinsichtlich eines ersten lateralen Strukturabtrages des ersten Ätzprozesses zu vermindern, wobei der zweite Ätzprozess durch ein vorbestimmtes Korrekturprogramm gesteuert wird, welches den lokalen zweiten lateralen Strukturabtrag des zweiten Ätzprozesses vorgibt.The idea on which the present invention is based consists in carrying out a second etching process in a second etching chamber, the structure elements being subsequently isotropically etched locally in order to reduce the deviations with regard to a first lateral structure removal of the first etching process, the second etching process being controlled by a predetermined correction program, which specifies the local second lateral structure removal of the second etching process.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Fertigung von optischen und mechanischen Halbleiter-Bauelementen, insbesondere mit beweglichen Elementen, mit geringen Fertigungstoleranzen, welche daher sehr leistungsfähig sind. Inertialsensoren können beispielweise wesentlich kleiner gebaut werden bzw. wesentlich empfindlicher bei gleicher Baugröße.The method according to the invention thus enables the production of optical and mechanical semiconductor components, in particular with movable elements, with low production tolerances, which are therefore very efficient. Inertial sensors can, for example, be made much smaller or much more sensitive with the same size.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Ätzprozesses ein Plasmaätzprozess, insbesondere ein (D)RIE-Ätzprozess, d.h. DRIE- oder RIE-Ätzprozess, bei dem sämtliche Halbleiter-Bauelemente eines Substrates parallel bearbeitet werden.According to a preferred embodiment, the first etching process is a plasma etching process, in particular a (D) RIE etching process, i.e. DRIE or RIE etching process, in which all semiconductor components of a substrate are processed in parallel.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Ätzprozess ein Ätzprozess mit einem reaktiven lonenstrahl. So lässt sich ein präziser lateral begrenzter Strukturabtrag erreichen.According to a further preferred embodiment, the second etching process is an etching process with a reactive ion beam. In this way, a precise, laterally limited structure removal can be achieved.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der zweite Ätzprozess mit einem halogenhaltigen Ätzgemisch durchgeführt, insbesondere mit SF6 und/oder NF3 und/oder CF4 gegebenenfalls in Kombination mit O2.According to a further preferred embodiment, the second etching process is carried out with a halogen-containing etching mixture, in particular with SF 6 and / or NF 3 and / or CF 4, optionally in combination with O 2 .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Ionen des lonenstrahls eine Einfallsenergie von unterhalb 1 keV auf. Durch die Wahl einer derart geringen Beschleunigungsspannung sinkt der physikalische Anteil des Ätzabtrages, während der chemische Ätzabtrag steigt, da die Ionen längere Verweilzeiten in Strukturnähe haben.According to a further preferred embodiment, the ions of the ion beam have an incident energy of below 1 keV. By choosing such a low acceleration voltage, the physical proportion of the etching removal decreases, while the chemical etching removal increases, since the ions have longer dwell times in the vicinity of the structure.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der lonenstrahl einen Durchmesser FWHM von einem Zehntel der Substratgröße auf oder kleiner. Dies erlaubt eine gute lokale Bearbeitung, wobei Ätzmaßgradienten ausgeglichen werden, ohne lange Prozesszeiten für einzelne Substrate zu benötigen. Mit diesem lonenstrahl das Substrat rasterförmig abgefahren, wobei die Halbleiter-Bauelemente eines Substrates nur lokal im Bereich des Strahles bearbeitet werden.According to a further preferred embodiment, the ion beam has a diameter FWHM of one tenth of the substrate size or smaller. This allows good local processing, with etching gradients being compensated without requiring long process times for individual substrates. With this ion beam, the substrate is traversed in a grid pattern, the semiconductor components of a substrate being processed only locally in the area of the beam.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Substrat ein Wafersubstrat, eine auf dem Wafersubstrat aufgebrachte Opferschicht und eine auf der Opferschicht aufgebrachte mikromechanische Funktionsschicht auf.According to a further preferred embodiment, the substrate has a wafer substrate, a sacrificial layer applied to the wafer substrate and a micromechanical functional layer applied to the sacrificial layer.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das vorbestimmte Korrekturprogramm durch positionsbezogene elektrische Messungen mindestens eines Bauelementparameters an der Mehrzahl von Halbleiter-Bauelementen auf dem Substrat ermittelt wird. So lässt sich das Korrekturprogramm präzise über die gewünschte elektrische Funktion des Bauelements bestimmen.According to a further preferred embodiment, the predetermined correction program is determined by position-related electrical measurements of at least one component parameter on the plurality of semiconductor components on the substrate. In this way, the correction program can be precisely determined via the desired electrical function of the component.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Strukturelemente elastische Aufhängefedern und träge Massen des jeweiligen Halbleiter-Bauelements, wobei die elektrischen Messungen die Eigenfrequenz des jeweiligen Halbleiter-Bauelements erfassen.According to a further preferred embodiment, the structural elements are elastic suspension springs and inert masses of the respective semiconductor component, the electrical measurements detecting the natural frequency of the respective semiconductor component.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird aus den Eigenfrequenzen die laterale Breite der jeweiligen elastische Aufhängefedern ermittelt und werden aus der jeweiligen Breite die lokalen Abweichungen hinsichtlich eines ersten lateralen Strukturabtrages des ersten Ätzprozesses aus dem Bauelementmodell ermittelt und wird aus den lokalen Abweichungen der notwendige lokale zweite laterale Strukturabtrag des zweiten Ätzprozesses ermittelt.According to a further preferred embodiment, the lateral width of the respective elastic suspension springs is determined from the natural frequencies and the local deviations with regard to a first lateral structure removal of the first etching process are determined from the component model from the respective width and the necessary local second lateral structure removal is determined from the local deviations of the second etching process.
FigurenlisteFigure list
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele exemplarisch an Hand eines mikromechanischen Inertial-Baulementes näher erläutert, jedoch ist sie auch auf andere Halbleiter-Bauelemente wie photonische Schaltungen usw. übertragbar.The present invention is explained in more detail below using the exemplary embodiments specified in the schematic figures of the drawings using a micromechanical inertial component, but it can also be transferred to other semiconductor components such as photonic circuits, etc.
Es zeigen
-
1 eine schematische Draufsicht auf ein Wafersubstrat mit einer Mehrzahl von Halbleiter-Bauelementen, die lokal verteilt auf der Oberseite des Substrats unter einer Maske gebildet sind zum Erläutern des Ausgangspunktes der vorliegenden Erfindung; -
2 eine Querschnittsansicht des StrukturelementsS1 von1 ; -
3a), b ) eine jeweilige schematische Draufsicht auf das Wafersubstrat von1 mit einer Mehrzahl von Halbleiter-Bauelementen, die lokal verteilt auf der Oberseite des Substrats gebildet sind zum Erläutern des Ermittelns des vorbestimmten Korrekturprogramms; -
4 eine Querschnittsansicht des StrukturelementsS1 von1 nach erfolgtem Nachätzen unter Verwendung des vorbestimmten Korrekturprogramms; -
5 einen mikromechanischen Inertialsensor, bei dessen Herstellung das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist; -
6 einen mikromechanischen Sensor mit Opferschicht, bei dessen Herstellung das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist; -
7 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Ätzen eines Halbleiter-Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
8 ein Blockdiagramm zum Erläutern einer Vorrichtung zum Ätzen eines Halbleiter-Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 a schematic plan view of a wafer substrate with a plurality of semiconductor components which are formed locally distributed on the upper side of the substrate under a mask for explaining the starting point of the present invention; -
2 a cross-sectional view of the structural elementS1 from1 ; -
3a), b ) a respective schematic plan view of the wafer substrate from FIG1 a plurality of semiconductor components which are formed locally distributed on the upper side of the substrate for explaining the determination of the predetermined correction program; -
4th a cross-sectional view of the structural elementS1 from1 after re-etching has taken place using the predetermined correction program; -
5 a micromechanical inertial sensor, in the production of which the method according to the invention can be used; -
6th a micromechanical sensor with a sacrificial layer, in the production of which the method according to the invention can be used; -
7th a flowchart for explaining a method for etching a semiconductor component according to a first embodiment of the present invention; and -
8th a block diagram for explaining an apparatus for etching a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, identical reference symbols denote identical or functionally identical elements.
In
In
In
Die Halbleiter-Bauelemente
In
Zur Minderung derartiger lokaler Abweichungen wird bei einer nachstehend beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein zweiter Ätzprozess in einer zweiten Ätzkammer durchgeführt, wobei die Strukturelemente
Zur Ermittlung des Korrekturprogramms ist es erforderlich, den in der ersten Ätzkammer erzeugten sogenannten Ätzmaß-Fingerabdruck zu ermitteln. Dies geschieht insbesondere nach Fertigstellung an einem fertigen Kalibrationssubstrat.To determine the correction program, it is necessary to determine the so-called etching dimension fingerprint generated in the first etching chamber. This happens in particular after completion on a finished calibration substrate.
Beispielsweise kann dies bei mikromechanischen Drehratensensoren als Halbleiter-Bauelementen
Aus den lokal ermittelten Eigenfrequenzen f1 bis f4 der Bauelemente
Aus den Differenzen Δ1 bis Δ4 der elektrisch ermittelten Konturbreiten der Strukturelemente
Mit Kenntnis des gewünschten lokalen zusätzlichen Abtrags für den lokalen und isotropen zweiten Ätzprozess, beispielsweise einem lonenstrahl-Ätzprozess, lässt sich dann die Verfahrgeschwindigkeit des Substrats
Das so aus dem Kalibrationssubstrat ermittelte Korrekturprogramm für den zweiten Ätzprozess kann anschließend auf alle über die erste Ätzkammer mit dem ersten Ätzprozess laufenden Substrate
Wie in
In
In
Auch bei diesem Beispiel lassen sich vor Entfernen der Opferschicht die lateralen Strukturbreiten auf die lateralen Sollstrukturbreiten durch das lokale isotrope Nachätzen im zweiten Ätzprozess einstellen. Daran anschließend wird dann zur Freistellung der Strukturelemente S10a bis S10d die Opferschicht in bekannter Weise durch einen Opferschichtätzprozess entfernt.In this example, too, before removing the sacrificial layer, the lateral structure widths can be set to the lateral nominal structure widths by the local isotropic post-etching in the second etching process. Subsequently, to expose the structure elements S10a to S10d, the sacrificial layer is then removed in a known manner by a sacrificial layer etching process.
In Schritt
Anschließend wird in Schritt
In Schritt
Der erste Ätzprozess ist beispielsweise ein Plasmaätzprozess, z.B. ein DRIE(Deep Reactive Ion Etching)-Ätzprozess, wie im Stand der Technik wohlbekannt. Ein DRIE-Ätzprozess erfolgt typischerweise durch alternierendes Ätzen mit SF6 (Schwefelhexafluorid) und Passivieren mit C4F8 (Tetrakohlenstoffoctofluorid). Dabei erzeugt die erste Ätzkammer über das Substrat
Im Anschluss an Schritt
Im Anschluss daran erfolgt in Schritt
Gegebenenfalls kann die Ätzmaske M entweder vor oder nach dem zweiten Ätzprozess entfernt werden. Im vorliegenden Beispiel erfolgt dies in Schritt
Der lonenstrahl beim lonenstrahl-Ätzprozess hat bevorzugt eine Einfallsenergie von unterhalb 1 keV. Durch die Wahl einer geringeren Beschleunigungsspannung besitzen die Ionen weniger Einfallsenergie, und damit sinkt der physikalische Anteil des Abtrages, während der chemische Anteil des Ätzabtrages ansteigt, weil die Ionen längere Verweilzeiten in der Nähe der Strukturelemente
Schließlich in Schritt
In
Das Nachätzen durch den zweiten Ätzprozess erfolgt in der zweiten Ätzkammer
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt. Bei dem Halbleiter-Bauelement kann es sich beispielsweise um einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor, einen Resonator, ein Filterbauelement, einen RF-Schalter, einen Mikrospiegel oder ein photonisches Bauelement handeln. Insbesondere bei mechanisch schwingenden mikromechanischen Bauelementen ist eine enge laterale Strukturbreitenverteilung entscheidend für die Vermeidung von Modeninterferenzen und wichtig für hohe Ausbeuten bei hoher Leistungsfähigkeit der Halbleiter-Bauelemente.Although the present invention has been described on the basis of preferred exemplary embodiments, it is not restricted thereto. The semiconductor component can be, for example, an acceleration sensor, a rotation rate sensor, a resonator, a filter component, an RF switch, a micromirror or a photonic component. In the case of mechanically oscillating micromechanical components in particular, a narrow lateral structure width distribution is decisive for avoiding mode interference and important for high yields with high performance of the semiconductor components.
Für bestimmte Bauelemente mit großen Federauslenkungen, wie z.B. Mikrospiegel, sind zudem möglichst glatte laterale geätzte Seitenwände von großem Vorteil für die Robustheit des Mikrosystems, da Oberflächenrauigkeiten die Nukleation von Rissen stark begünstigen und die Belastbarkeit der derartigen Halbleiter-Bauelemente begrenzen. Dies lässt sich durch den zweiten Ätzprozess entsprechend steuern.For certain components with large spring deflections, such as micromirrors, lateral etched side walls that are as smooth as possible are also of great advantage for the robustness of the microsystem, since surface roughness greatly promotes the nucleation of cracks and limits the load-bearing capacity of such semiconductor components. This can be controlled accordingly by the second etching process.
Für photonische Bauelemente ist die Wellenleitergeometrie entscheidend für die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Phasenkohärenz über das photonische Bauelement.For photonic components, the waveguide geometry is decisive for the propagation speed and thus the phase coherence over the photonic component.
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- DE 102015204478 A1 [0006]DE 102015204478 A1 [0006]
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