DE3805752A1 - Anisotropes aetzverfahren mit elektrochemischem aetzstop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein anisotropes Ätzverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Anisotrope Ätzverfahren weisen für verschiedene Kristall­ richtungen unterschiedliche Ätzraten auf. Mit Hilfe des Ätzstop wird der Ätzvorgang an vorgebbaren Stellen zum Stillstand gebracht.

Anisotrope Ätzverfahren werden zur Bildung definierter Strukturen mit scharfen Kanten und Ecken in halbleitenden Materialien eingesetzt. Damit kann eine Vielzahl mikrome­ chanischer Vorrichtungen wie Masken, Sensoren oder Membra­ nen hergestellt werden.

Solche Ätzverfahren 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. Wise: "An Electrochemical P-N Junction Etch-Stop for the Formation of Silicon Microstructures" (IEEE Electron Device letters, Vol 2, (1981), S. 44 f.)

Bei diesem Verfahren wird der Ätzprozeß an einem halblei­ tenden p-n-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. Allerdings verwenden alle bisherigen anisotropen Ätzverfahren mit elektrochemischem 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 Ätzbe­ standteile geduldet werden können und eine hohe Staubfrei­ heit herrschen muß. Darüber hinaus müssen bisher Ätzappa­ raturen aus Materialien verwendet werden, die den aggres­ siven Lösungen standhalten. Beim Umgang mit diesen Ätzme­ dien ist größte Sorgfalt geboten, weil sie sehr gesund­ heitsschädlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die Wahl eines alkalimetallionenfreien Ätzmediums einen Ätzprozeß anzugeben, der mit den Fertigungsmethoden der Halbleiterin­ dustrie kompatibel ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ätzmedium aus einer Mischung aus NH₄OH, H₂O und einem Alko­ hol zusammengesetzt ist.

Als besonders effektiv erweist sich ein Mischungsverhältnis nach Anspruch 3 von 10 bis 15% NH₄OH, 1-10% Alkohol und die übrigen Teile Wasser. Eine vorteilhafte Variante des Ver­ fahrens verwendet nach Anspruch 4 die Alkohole Iso-Isopanol oder Ethylenglykol.

Eine weitere Möglichkeit des Ätzstops ist im Nebenanspruch 2 gekennzeichnet. Dort wird die Abhängigkeit der Ätzge­ schwindigkeit von der Borkonzentration ausgenützt, wie bei­ spielsweise von L. Csepregi, K. Kühl, N. Nießl und H. Seide im "Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben NT 2604" (BMFT, 1984) beschrieben. Auch diese Variante des anisotropen Ätzverfahrens mit Ätzstop, die vorzugsweise zur Herstellung von Membranen für die Lithographie Verwendung findet, wird erfindungsgemäß mit dem Ätzmedium, bestehend aus einer Mi­ schung aus NH₄OH, Alkohol und Wasser betrieben.

Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß sie auf eine zusätzliche Elektrode und Zuführungen verzichten kann und damit technisch einfacher zu realisieren ist. Aller­ dings ist die hoch-Bor-dotierte Schicht für verschiedene Anwendungsfälle, z.B. für sehr dünne Membranen weniger ge­ eignet.

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 Vorrichtun­ gen und integrierte Schaltungen im industriellen Maßstab auf derselben Halbleiteroberfläche nebeneinander zu inte­ grieren.

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 ist, daß das verwendete Ätzmedium nur geringe An­ forderungen an die chemische Stabilität der Materialien für die Ätzapparatur stellt und wegen der geringeren Toxizität einfach handhabbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel des Ätzverfahrens ist in der Fig. 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt die Verfahrensschritte des anisotropen Ätzverfahrens mit Ätzstop.

• a) Zu Beginn des Prozesses wird ein Silizium-wafer (1) der gewünschten Kristallorientierung und Dotierung mit einer andersdotierten Epitaxieschicht (2) versehen. Dabei entsteht ein p-n-Übergang zwischen Epitaxie­ schicht und Substrat.
• b) Im nächsten Schritt wird eine passivierende Schutz­ schicht (3) (z.B. Si₃N₄ oder SiO₂) aufgebracht und mit Hilfe der Lithographie werden die gewünschten Struktu­ ren auf der Rückseite definiert und die zu entfernen­ den Bereiche der Epitaxieschicht in die Dotierung des Wafersubstrates überführt.
• c) Dann erfolgt die anisotrope Ätzung des Substratmateri­ als in einer Mischung aus 10 bis 15% NH₄OH, 1-10% Al­ kohol und den restlichen Teilen H₂O bei einer Tempe­ ratur von ungefähr 100 Grad C. Dabei wird der Wafer in diesem Ätzmedium elektrisch so kontaktiert, daß der p-n-Übergang in Sperrichtung geschaltet wird. Zwischen dem Halbleiter und einer ätzresistenten Gegenelektrode wird eine Spannung von einigen Volt angelegt. Der Sub­ stratabtrag bei der Ätzung erfolgt durch eine chemi­ sche Oxidation und eine anschließende Auflösung des entstandenen Oxids. Während dieses Prozesses fließt zwischen der Gegenelektrode und dem Halbleiter nur ein sehr kleiner Strom. Beim Erreichen des p-n-Überganges 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 Gegenelektro­ de erniedrigt das elektrochemische Potential an der Grenze Ätzoberfläche-Ätzmedium. Nach kurzer Zeit nimmt der Stromfluß stark ab und der Ätzvorgang wird durch die Ausbildung einer Oxidschicht auf der Oberfläche beendet. Der geätzte Wafer wird aus dem Ätzmedium ge­ nommen, die Schutzschicht entfernt.

Bei Verwendung von hoch-Bor-dotierten Epitaxieschich­ ten (mit einer Dotierung von etwa 1,3×10²⁰ Atome pro cm³) stoppt der Ätzvorgang beim Erreichen der Epita­ xieschicht von selbst. Das Anlegen eines Pontentials zwischen Wafer und Gegenelektrode ist in diesem Fall nicht notwendig.

Claims (5)

1. Anisotropes Ätzverfahren zur Ätzung von halbleitenden Materialien, bei welchem ein Halbleiter mit Bereichen einer ersten Leitfähigkeit und Bereichen einer zweiten Leitfähigkeit in ein erhitztes Ätzmedium getaucht wird und zwischen dem Halbleiter und einer Gegenelektrode eine Spannung anliegt, die zu einem Ätzstopp führt, wenn der Bereich der ersten Leitfähigkeit weggeätzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzmedium aus einer Mischung aus NH₄OH, H₂O, und einem Alkohol zusammengesetzt ist.

2. Anisotropes Ätzverfahren zur Ätzung von halbleitenden Materialien, bei welchem ein Halbleiter mit Bereichen hoher Bor-Dotierung in ein erhitztes Ätzmedium ge­ taucht wird und der Ätzvorgang selbständig an den Be­ reichen hoher Bor-Dotierung stoppt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ätzmedium aus einer Mischung aus NH₄OH, H₂O und einem Alkohol zusammengesetzt ist.

3. Anisotropes Ätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile des Ätzmediums im Verhältnis 10 bis 15% NH₄OH, 1 bis 10% Alkohol und die übrigen Teile H₂O zusammengesetzt sind.

4. Anisotropes Ätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkohole Iso-Propanol oder Ethylen-Glykol verwendet werden.

5. Anisotropes Ätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 4, gekennzeichnet, durch folgende Verfah­ rensschritte:

• 5.1 auf die Oberfläche eines Halbleiters der ersten Leit­ fähigkeit wird epitaktisch eine Halbleiterschicht der zweiten Leitfähigkeit aufgetragen;
• 5.2 eine passivierende Schutzschicht (z.B. Si₃ N₄ oder Si O₂) wird aufgebracht;
• 5.3 durch Lithographieschritte werden die freizuätzenden Strukturen auf die Epitaxieschicht übertragen;
• 5.4 die freizuätzenden Bereiche der Epitaxieschicht werden durch Ionenimplantation in Bereiche der ersten Leitfä­ higkeit überführt;
• 5.5 der Halbleiter wird dem Ätzmedium ausgesetzt und die Spannung wird angelegt, bis nach Abtragen der Bereiche der ersten Leitfähigkeit der Ätzvorgang selbständig stoppt.