DD271777A1 - Verfahren zur herstellung vergrabener aetzstopschichten in silicium - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer vergrabenen Aetzstopschicht in minokristallinem Silicium. Die erfindungsgemaesse Loesung ist bei der Herstellung von duennen Siliciummembranen und dreidimensionalen Strukturelementen einsetzbar, z. B. bei der Herstellung von Transmissionsmasken fuer die Roentgenstrahllithografie, von Sensorelementen, besonders von Primaerwandlerelementen fuer piezoresistive und piezoelektrische Wandlerelemente sowie von Strahlungssensoren und SOI-Bauelementen. Ziel der Erfindung ist ein technisch relativ einfaches Verfahren zur Herstellung von in monokristallinem Silicium vergrabenen Aetzstopschichten hoher Homogenitaet und Selektivitaet zur Herstellung von Siliciummembranen in einem breiten Dickenbereich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein halbleitertechnologisches Verfahren vorzuschlagen, mit dem in einem monokristallinen Siliciumsubstrat eine vergrabene Schicht hergestellt werden kann, die gegenueber nasschemischen Aetzmitteln, bevorzugt anisotropen Aetzgemischen, eine geringe Aetzrate aufweist. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass durch Ionenimplantation von Sauerstoff und/oder Stickstoff vergrabene SiOx-, SixNy- oder SixNyOz-Schichten hergestellt werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung lot als automatisches Ätzstopverfahren für die Herstellung von dreidimensionalen mikromechanischen Strukturelomenten durch naßchemisches Ätzen einsetzbar, z. B. bei der Herstellung von dünnen Silicium-Membranen als Transmissionsmasken für die Röntgenstrahllithografie und als Primärwandlerelemente für Halbleitersensoren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Um beim naßchemischen Ätzen von dreidimensionalen mikromechanischen Strukturen in monokrisUllinem Silicium einen definierten Ätzatop vorzugsweise bei der vertikalen Tiefenatzung in das Halbleitersubstrat zu erzieler, sind u.a. verschiedene technologische Verfahren bekannt (K. E. Petersen: .Silicon as a mechanical material" Proc. of the IEEE 70 [1982] 5,420-45''). Bei den<echnologischen Verfahren wird bevorzugt die Abhängigkeit der Ätzrate der Ätzmittel von der Dotierungskonzentration in monokristallinem Silicium ausgenutzt. Für die am häufigsten verwendeten alkalischen anisotropen und selektiven Ätzlösungen (Ethylendyamin-Wasser· und Kaliumhydroxid-Wasser-Gemische) sinkt die Ätzrate z.B. um den Faktor 10 bei einer Erhöhung der Borkonzentration auf N₈ - 5 · 10¹⁹cm"³. Aus diesem Grunde werden zur Herstellung dünner Membranen mit definierten Membrandicken in einem Silicium-Epitaxieprozeß zuerst auf einem Silicium-Substrat eine hochdotierte p⁺-Schlcht (Bor-dotiert), die die spätere vergrabene Ätzstopschicht bildet und danach eine niedrigdotierte monokristalline Sillcium-Schlcht vorgegebener Dicke abgeschieden. Dicke der vergrabenen p⁺-Schicht und Dicke der niedrigdotierten Epitaxieschicht ergeben die Dicke der freigeätzten Membran. p⁺-Schichten für den Ätzstop erfordern sehr hohe Dotierungen mit N₈ > 5 · 10¹⁹cm^³ während des Epitaxieprozesses und hohe Anforderungen an die Prozeßführung. Die Selektivität bzw. das Ätzratenverhältnis für anisotrope Ätzer, besonders für KOK. ist auf R(<100>Si): R(p⁺) = 10...100 begrenzt, was besonders bei notwendigen großen lateralen Unterätzungen zur Zungen- und Brückenherstellung zu Problemen führt.

Praktische Bedeutung für die definierte vertikale Begrenzung geätzter Strukturen hat als zweites technologisches Verfahren der elektrochemische Ätzstop erlangt. Dabei stopt der Ätzprozeß für anisotrop wirkende Ätzgemische am pn-übergang einer Si-Scheibe. Dieses Verfahren hat gegenüber einer p⁺-Äüstopschlcht den Vorteil, daß sehr hohe Dotantenkonzentrationen nicht notwendig sind. Für extrem dünne Membranen mit d < 2 pm wird die p⁺-Schicht direkt durch Bor-Diffusion bzw. Bor-Implantation an die Oberfläche des Silicium-Substrates gelegt.

Das elektrochemische Ätzstopverfahren hat neben seinem Vorteil einer guten Kontrollierbarkeit (Strommessung) den Nachteil, daß die freigeätzten Strukturelemente (Membranen) nur als η-leitende monokristalline Si-Gebiete hergestellt werden können. Damit ist man in der Wahl der Dotierungsart (Leitungstyp) und der Dotantenkonzentration für die Membran starkeingeschränkt. Die üblicherweise verwendeten Ätzmasken in Form von SiO₂- und SiaN^lsolatorschichten können selbst ebenfalls als Ätzstopschichten bei der Membranherstellung dienen, indem das darunterliegende Substrat abgeätzt wird. In den bekannten Realisierungsbeispielen dienen die genannten Isolatorschichten als Trägermembranen für polykristalline und amorphe Halbleiterschichten sowie für eine Vielzahl von Nichthalbleiterschichten.

Bei oberflächlich mit üblichen Verfahren (Bedainpfung, CVD, Oxydation) abgeschiedenen Isolatorschichten ist die Membrandicke auf deren Dicke < ?.μσι begrenzt. Nachteilig macht sich das Fehlen perfekter monokristalliner Si-Schichten auf derartigen Membranen (SOI-Schichtstrukturen) für viele Einsatzfälle bemerkbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein technisch relativ einfaches Verfahren zur Herstellung von Ätzstopschichten hoher Homogenität und Selektivität zur Herstellung von dreidimensionalen mikromechanischen Strukturelementen, besonders von Silicium-Membranen in einem breiten Membrandickenbereich. Dabei soll über der Ätzstopschicht vor dem paßchemischen Ätzprozeß möglichst eine monokristalline Epitaxieschicht beliebigen Leitungstypes und beliebiger Dotantenkonzentration sowie vorgegebener Dicke abgeschieden werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein halbleitertechnologisches Verfahren zu schaffen, mit dem in einem monokristallinen Silicium-Substrat eine vergrabene Schicht hergestellt werden kann, die besonders gegenüber naßchemischen Ätzlösungen, bevorzugt anisotropen Ätzern, eine sehr geringe Atzrate aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch geläst, daß durch Ionenimplantation von Sauerstoff und/oder Stickstoff vergrabene SiO_x* oder Si_xN_y bzw. SixOyN.-Schichten verschiedener Schichtzusammensetzung hergestellt werden, die für die Ätzlösungen eine sehr kleine Ätzrate besitzen. Dabei werden die Ionenenergie und das Temperaturregime während der

Implantation so gewählt, daß Ober der implantierten Schicht eine weitgehende störungsfreie monokristalline Silicium-Schicht verbleibt, auf der problemlos eine epitaktische Schicht beliebigen Leitungstypes und praktiech beliebiger Dotantenkonzentration mit der geforderten Dicke abgeschieden werden kann, lonenstrahllnduzierte Substrattemperatur und Temperaturregime nach der Implantation wtrden so gewShlt, daß die implantierten Schichten amorphen Charakter besitzen, lonenimplanlierte vergrabene Stickstoff- und/oder sauerstoffreiche Schichten lassen sich als Ätzstopschichten für allo bekannten isotrope und anisotrope Ätzgemische verwenden, wobei die Selektivität für anisotrope Ätzer allgemein höher ist. lonenimplantierte Schichten zeichnen sich gegenüber anderen Schichten durch eine hohe Homogenität Ober die gesamte Substratoberfläche und sehrgenau einstellbare Schichtzusammensetzungen und Schichtprofile geringervertikaler Ausdehnung aus. Für implantierte SiOr» Si₃Nr und SixOyNi-Schichten stöchiormtrischer Zusammensetzung kann, eine gegenüber von p⁺-Schichten um den Faktor 10... 100 höhere Selektivität bzw. ein höheres Ätzratenverhältnis von R(<100>Si):R(SiO₂, SI]N₄, Si_xOyN₁) > 10³ erreicht werden. Im Dosisbereich D = 1 · 10"...1 · 10^1flcm~² ist die Ätzrate dor vergrabenen Schichten weiterhin definiert einstellbar und erreicht for stöchiometrische Schichtzusammensetzungen ihr Minimum. Die mit dem Verfahren herstellbare vertikale SOI-Struktur (SOI-silicon on insulator) in Kombination mit naßchemischen Strukturierungsverfahren kann vorteilhaft neben der einfachen Membranherstellung für die Herstellung elektrisch isolierter monokristalliner Silicium-Strukturen auf Isolatormembranen bzw. aktiver Bauelemente in monokristallinen Silicium-Schichten auf Isolatormembranen genutzt werden.

Dabei sind die durch die vergrabenen und elektrisch isolierenden stöchiometrischen SiO₂-, Si₃N₄- und Si_xO_yN,-Schichten freigeätzten monokristallinen Membranstrukturen und darin hergestellte passive und aktive Bauelemente vom Trägersubstrat elektrisch und thermisch isoliert.

Ausfuhrungsbeispiel Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Im Beispiel habe das <100>-n-Si-Substrat einen spezifischen /Viderstand von η «· 1... 10cm. Das Substrat wurde mit Stickstoffionen der Energie E = 330keV und einer Dosis D - 4 · 10¹⁷cm~^z implantiert. Die mittlere Tiefe der SixNy-Schicht beträgt 600nm und die Schichtdicke 300 nm. Die ionenstrahlinduzlerte Targettemperatur betrug 5'JO⁰C. Nach der Implantation wurde das Substrat bei T = 1000⁰C und t = 2h in trockener Stickstoffatmosphäre getempert. Bei diesen Implantations· und Temperbedingungen entsteht eine vergrabene, amorphe Si„N_y-Schicht. Auf der monokristallinen Schicht Ober der vergrabenen Si_xNy-Schicht wurde eine undotierte Epitaxieschicht der Dicke 5μηη in üblicher Welse abgeschieden. Als Ätzmaske wurde 1 pm dickes thermisch aufgewachsenes SiO₂ verwendet. Auf der Rückseite wird fotolithografisch die Ätzmaske nach vorgegebener Struktur geöffnet und die Ätzung im KOH-Wasser-Gemisch durchgeführt. Der Ätzprozeß wird in lateraler Richtung durch' die jangsamätzenden <111 >-Ebenen und vertikal durch die implantierte Si_xN_y-Schicht gestoppt. Bei der gewählten Implantationsdosis von D = 4 · 10" cm"², die nur ein Drittel der Implantationszeit bis zum Erreichen der stöchiometrischen Dosis erfordert, wurde eine Ätzratenverringerung um den Faktor 100 an der vergrabenen Si_xN₄-Schicht beobachtet. Eine derartige Erniedrigung der Ätzrate ist für viele Anwendungsbeispiele ausreichend. Es wurden 5 pm dicke Membranen bis zu einer Fläche von 10 x 10mm² hergestellt. Durch die genannten Methoden zur Herstellung der Ätzmasken und ihrer Strukturierung lassen sich definierte Strukturen in der Membran herstellen.

Die Ätzrate der vergrabenen Si_xN₄-Schichten in 40% KOH bei T = 8O⁰C läßt sich bei entsprechender Wahl der N*-Dosis im Dosisbereich D ·» (1 · 10"... 1,2 * 10^l8)cm"² definiert über mehr als drei Größenordnungen zwischen der Ätzrate in <100>Richtung des Si-Substrates (= 68Mm * tr¹) und der Ätzrate von stöchiometrischen Si₃N₄ (< 10nm * h"') einstellen.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung vergrabener Ätzstopschichten in Silicium, dadurch gekennzeichnet, daß in einer vorzugebenden Tiefe des Silicium-Targets mittels Ionenimplantation eine amorphe Schicht mit veränderter chemischer Zusammensetzung hergestellt wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Herstellung der Ätzstopschicht bevorzugt Stickstoff und/oder Sauerstoff im Energiebereich E = 60keV... 100MeV und einer Dosis D = 10¹⁷... 10¹⁹cm~² implantiert werden.