DE4421337A1 - Ätzverfahren zur Herstellung von quasiplanaren, freitragenden Strukturen in Silizium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ätzverfahren zur Herstellung von quasiplanaren, freitragenden Strukturen in monokri­ stallinem Silizium nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Herstellung mikromechanischer Elemente in Silizium, beispielsweise zur Herstellung von Beschleunigungssen­ soren und Drucksensoren, wurden in der Vergangenheit verschiedene Ätzverfahren entwickelt und optimiert. Diese Ätzverfahren dienen dazu, mikromechanische (dreidimensionale) Strukturen in monokristallinem Sili­ zium zu erzeugen, um diese Strukturen sodann aufgrund ihrer ausschließlich mechanischen oder sowohl mechani­ schen als auch elektrischen Eigenschaften beispiels­ weise als Sensor oder Aktuator zu nutzen.

Insbesondere sind zur Herstellung von Zungenstrukturen in monokristallinem Silizium zwei Verfahren bekannt.

Beim ersten Verfahren wird, definiert durch eine Mas­ kierung, eine Grube in die Rückseite einer Halbleiter­ scheibe aus (100)-Material geätzt. Als Ätzlösung ver­ wendet man vorzugsweise alkalische Lösungen, wie zum Beispiel Kalilauge. Diese Ätzlösungen haben die Eigen­ schaft, daß bestimmte Kristallebenen, zum Beispiel die (100)-Ebene, besonders schnell geätzt werden, während andere Kristallebenen, zum Beispiel die (111)-Ebene nur sehr langsam geätzt werden (anisotropes Ätzverfahren). Damit bei einem derartigen Ätzvorgang auf der Vorder­ seite eine dünne Membrane zurückbleibt, muß der Ätzvor­ gang nach definierter Zeit unterbrochen werden. Eine Verbesserung dieses Ätzverfahrens bringt die Verwendung eines mit einer elektrischen Sperrspannung beaufschlag­ ten PN-Übergangs, da der Ätzvorgang automatisch im Be­ reich der Raumladungszone endet. In einem weiteren Ar­ beitsschritt wird die Halbleiterscheibe im Bereich der Membrane, also von der Vorderseite, durch chemische Verfahren oder durch einen Plasmaätzschritt struk­ turiert, wodurch Stege oder Zungen entstehen.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß die gesamte Dicke der Halbleiterscheibe durchätzt werden muß. Auf­ grund des kristallographisch vorgegebenen Ätzwinkels benötigt dieses Verfahren zudem teure Siliziumfläche. Weiterhin ist nachteilig, daß mit beidseitig wirkenden Strukturierungsmethoden gearbeitet werden muß.

Beim zweiten Verfahren erzeugt man die Zungenstrukturen ebenfalls durch anisotropes Ätzen, ausgehend von der Oberseite einer Halbleiterscheibe. Die Zungen sind mit einer ätzresistenten Schicht, meist aus Siliziumnitrid oder -oxid geschützt oder hochbordotiert. Sie sind da­ bei nicht in den Hauptrichtungen des Kristalles ausge­ richtet, wodurch es zu einer Unterätzung kommen kann. Damit die Zungen selbst nicht vom Ätzmedium angegriffen werden, müssen diese hoch dotiert sein. Als Ergebnis entstehen Zungen, die in eine Grube hineinragen.

Nachteilig ist hierbei, daß sich in den mit Bor hochdo­ tierten Zungen (< 3 × 10²⁰ cm^-3) keine elektronischen Bauelemente, wie zum Beispiel Widerstände oder Tran­ sistoren, integrieren lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung monokristalliner Zungen in Silizium an­ zugeben, bei dem eine einseitige Bearbeitung der Halb­ leiterscheibe ausreichend ist und bei dem auf der frei­ tragenden Struktur elektronische Bauelemente integrier­ bar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.

Hiernach wird zur Herstellung der mechanischen Zungen­ strukturen in monolithischem Silizium auf einem Halb­ leiterkörper mit (111)-Orientierung der Bereich, in dem eine Zungenstruktur ausgebildet werden soll, mit einer ätzresistenten Schicht geschützt. Danach wird die Kon­ tur der Zungenstruktur mit einem vertikalgerichteten, isotropen Ätzverfahren geätzt. Anschließend muß die Flanke der Zungenstruktur entsprechend der Zungendicke ätzresistent geschützt werden. Im nächsten Schritt muß die ätzresistente Schicht und das darunterliegende Si­ lizium auf die gewünschte Grabentiefe anisotrop im Be­ reich des vorher definierten Ätzbodens weitergeätzt werden, wodurch die Flanke der freitragenden Struktur geschützt bleibt. Abschließend wird die Struktur in ei­ ner anisotrop wirkenden, alkalischen Ätzlösung mit überwiegend horizontaler Ätzrichtung ausgebildet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß nicht die gesamte Dicke der Halb­ leiterscheibe durchätzt werden muß und daß keine beid­ seitig wirkenden Strukturierungsmethoden verwendet wer­ den müssen. Dadurch werden in beträchtlichem Maße Fertigungskosten eingespart. Noch bedeutender bei dem er­ findungsgemäßen Ätzverfahren ist der Vorteil, daß sich in den auszubildenden Zungenstrukturen elektronische Bauelemente integrieren lassen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im folgenden näher beschrie­ ben.

Es zeigen: Fig. 1 bis 4 einen Halbleiterkörper und die aufeinanderfolgenden Arbeitsschritte zur Herstel­ lung einer erfindungsgemäßen Zungenstruktur, Fig. 5 eine Variante davon und Fig. 6 einen Beschleunigungs­ sensor als Anwendungsbeispiel der Erfindung.

Zur Herstellung der Zungenstrukturen nach Fig. 1 bis 4, wobei nur die Oberseite einer Halbleiterscheibe 1a bearbeitet werden muß, benötigt man Siliziumscheiben mit einer (111)-Orientierung. Im Bereich der späteren Zunge 7 können sich bereits elektronische Bauelemente 2, wie zum Beispiel Widerstände oder Transistoren, be­ finden. Die Herstellung dieser elektronischen Bauele­ mente ist hier nicht näher beschrieben. In einem ersten Schritt (Fig. 1) wird mit Hilfe einer Lackmaske 3 die Kontur der späteren Zunge in Form einer Ätzgrube 4 mit definierter Tiefe angeätzt. Die Ätzung erfolgt mittels einer geeigneten Plasmaätzanlage. Im nächsten Arbeits­ gang, gemäß Fig. 2, wird die Oberfläche der Halblei­ terscheibe 1a mit einer ätzresistenten Schicht 5 be­ deckt. Als Beschichtungsmaterialien können Silizium­ nitrid, Siliziumoxid, Oxynitrid oder auch Siliziumkar­ bid Verwendung finden. Das Verfahren wird im allgemei­ nen als PECVD-Beschichtung bezeichnet.

Im darauffolgenden Arbeitsgang wird in der Mitte der bereits erzeugten Ätzgrube 4 ein Ätzgraben 6 durch einen Plasmaätzschritt unter Zuhilfenahme einer Lack­ maske 3 erzeugt. Danach wird die Halbleiterscheibe 1a in eine alkalische Lösung getaucht, zum Beispiel 30 prozentige Kalilauge mit einer Temperatur von 80°C. Diese Ätzlösung, wie in Fig. 3 dargestellt, unterätzt die Zungenstruktur 7. Da die bevorzugte Ätzrichtung ho­ rizontal, d. h. senkrecht zur (111)-Kristallebene ver­ läuft, wird die (111)-Ebene hierbei nur sehr gering (ungefähr im Verhältnis 1 : 150) geätzt.

Fig. 4 zeigt das Entstehen von Stegen oder Zungen 7, deren Länge, Breite und Formgebung nach Belieben vari­ iert und durch eine Maske vorgegeben werden können. Die Dicke der Zunge 7, sowie die Tiefe des darunterliegen­ den Grabens 6 liegen bevorzugt im Mikrometerbereich, weshalb man das hier beschriebene Verfahren auch als "quasiplanares Verfahren" bezeichnet.

In Fig. 5 wird eine Variante des Ätzverfahrens darge­ stellt. Nach dem Herstellen der Ätzgrube 4 (Fig. 1) wird in die Bereiche 8 ihrer Seitenwände eine hohe Bor-Dotierung (N ≈ 10²⁰ cm^-3) eingebracht, so daß diese von einer Ätzlösung nicht mehr angegriffen werden. Nach diesem Dotierungsvorgang, der vorteilhaft in einem Do­ tierungsofen erfolgt, wird die Ätzgrube 4 mittels eines Ätzvorganges so weit vertieft, bis ihre Tiefe der Summe aus Dicke der Zunge 7 und Höhe des darunterliegenden Hohlraums 10 (Fig. 6) entspricht. Anschließend erfolgt wie beim vorher beschriebenen Verfahren die Unterätzung der späteren Zunge 7 (Fig. 6), ausgehend von den nicht hochdotierten Bereichen 9 der Ätzgrube 4.

Fig. 6 zeigt als Anwendungsbeispiel der Erfindung einen Beschleunigungssensor. Zum Schutz des empfindli­ chen Steges 7 wird eine zweite Halbleiterscheibe 1b auf die erste Halbleiterscheibe 1a aufgesetzt. Eine von au­ ßen einwirkende Beschleunigungskraft lenkt die Zunge 7 nach oben oder unten aus. Die in der Zunge 7 inte­ grierten elektronischen Bauelemente 2 detektieren diese Auslenkung.

Bei dem beschriebenen Verfahren entstehen auf einer Halbleiterscheibe mehrere tausend Elemente gleichzei­ tig.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von mechanischen Zungen­ strukturen (7) in monolithischem Silizium, gekennzeich­ net durch folgende Merkmale

• a) Strukturierung der Oberfläche einer Halbleiter­ scheibe (1a) mit (111)-Orientierung entsprechend der auszubildenden Zungenstruktur (7) durch Aus­ bildung von Vertiefungen (4) mit definierter er­ ster Tiefe,
• b) Erzeugung eines Ätzschutzes (5; 8) an den Seiten­ wänden der Vertiefungen (4),
• c) vertikales Ausätzen der Vertiefungen (4) bis zu einer definierten zweiten Tiefe in ihrer gesamten Breite unter Ausbildung eines unteren Bereiches (9) oder in Form eines Ätzgrabens (6),
• d) horizontales Ausätzen der Vertiefungen (4) unter Verwendung eines den Ätzschutz (5; 8) nicht angreifenden Ätzmittels, das eine im wesentlichen zur (111)-Ebene senkrechte Ätzrichtung aufweist, ausgehend vom zuvor erzeugten Ätzgraben (6) oder den ungeschützten, unteren Bereich (9) der Ätz­ grube (4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzschutz (5) der Seitenwände der Vertiefungen (4) durch das Aufbringen einer ätzresistenten Schutz­ schicht bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutz (8) der Seitenwände der Vertiefungen (4) durch das Einbringen einer Dotierung bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung im oberen Bereich (8) der Vertiefun­ gen (4) eine Größe von N ≈ 10²⁰ cm^-3 aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte erste Tiefe der Vertiefungen (4) der Dicke der auszubildenden Zungenstruktur (7) entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte zweite Tiefe der Vertiefungen (4) der Summe aus definierter erster Tiefe und der Höhe des unter der Zunge (7) liegenden Hohlraumes (10) ent­ spricht.