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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen
einer porösen Schicht auf der Vorderseite eines leicht
p-dotierten Halbleiterträgers. Der sich aufgrund der p-Dotierung
ergebende spezifische Widerstand p des Halbleiterträgers
liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1 Ωcm und 10 Ωcm.
Die Porosität wird in einem elektrochemischen Ätzvorgang
erzeugt, bei dem die Vorderseite und die Rückseite des
Halbleiterträgers mit einem als Ätzmedium dienenden
Elektrolyten in Kontakt stehen. Der Elektrolyt auf der Vorderseite
des Halbleiterträgers ist mit dem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden,
während der Elektrolyt auf der Rückseite mit dem
Pluspol der Spannungsquelle verbunden ist.
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Halbleiterträger,
insbesondere Siliziumwafer mit einer porösen Schicht finden
vielfältige Anwendungen in der Mikrosystemtechnik. So dient
poröses Silizium beispielsweise als Opferschicht bei der
Herstellung von oberflächenmikromechanischen Drucksensoren.
Die Integration eines derartigen Sensorelements in einen Smartpower-Prozess
bedingt die Verwendung von schwach p-dotiertem, sogenannten p0-dotiertem Silizium, das unter CMOS-kompatiblen Bedingungen
elektrochemisch oxidiert werden muss.
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In
der Praxis werden dazu sowohl die Vorderseite als auch die Rückseite
des Siliziumwafers mit einem Elektrolyten kontaktiert, der meist
Flusssäure(HF)-haltig ist. Die HF/p0-Si
Grenzfläche verhält sich elektrisch wie ein Schottky-Kontakt.
Bei anodischer Oxidation der Vorderseite befindet sich die Rückseite
des Siliziumwafers auf kathodischem Potential, so dass sich die
HF/p0-Si Grenzfläche auf der Rückseite
wie eine in Sperrrichtung geschaltete Schottky-Diode verhält
und den Stromfluss durch den Siliziumwafer verhindert. Es ist bekannt,
auf der Rückseite des Siliziumwafers einen ohmschen Kontakt,
beispielsweise in Form einer Rückseitenmetallisierung,
zu realisieren, um einen Stromfluss durch den Siliziumwafer zu ermöglichen.
Häufig wird die Rückseite des Siliziumwafers dazu
stark p-dotiert. Diese p+-Dotierung muss
jedoch unmittelbar nach Erzeugung des porösen Siliziums
wieder entfernt werden, um Autodoping während nachfolgender
Prozessschritte zu vermeiden.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem poröses Silizium
auf der Oberfläche eines dotierten Siliziumwafers erzeugt
wird, ist in der
DE 198
03 852 A1 beschrieben. Die Prozessparameter werden in Abhängigkeit
von der Dotierung des Siliziumwafers bzw. dem sich daraus ergebenden
spezifischen Widerstand p gewählt. So sieht das bekannte Verfahren
für das porös Ätzen eines schwach p-dotierten
Siliziumwafers mit beispielsweise p = 8 Ωcm eine Stromdichte
von 50 mA/cm2 vor, wobei als Elektrolyt eine Flusssäure
mit einer Konzentration von 25% bis 30% verwendet werden soll. Hier
wird eine sehr hohe Spannung angelegt, um den in Sperrrichtung geschalteten
Schottky-Kontakt auf der Waferrückseite zu überwinden.
Dadurch verläuft der Ätzprozess im schwach p-dotierten
Silizium vergleichsweise unkontrolliert, was zu starken Inhomogenitäten in
der erzeugten Porosität führt. Demnach ist es
zwar technisch möglich, das bekannte Verfahren auch auf schwach
p-dotierte Siliziumwafer anzuwenden. Es ist aber für konkrete
Produktanwendungen ungeeignet, da die mit dem bekannten Verfahren
erzeugte Porosität nicht hinreichend homogen und reproduzierbar ist.
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In
der
DE 198 03 852
A1 wird ferner eine Vorrichtung beschrieben, mit der sich
poröses Silizium auf der Oberfläche eines Siliziumwafers
erzeugen lässt. Die bekannte Vorrichtung umfasst ein Ätzbecken
mit einer Halterung für einen Siliziumwafer, die so angeordnet
ist, dass der Siliziumwafer das Ätzbecken in zwei voneinander
getrennte Teilbecken teilt. Des Weiteren umfasst die bekannte Vorrichtung
zwei Elektroden, die jeweils mit einem der beiden Pole einer Spannungsquelle
verbunden sind und jeweils in eines der beiden Teilbecken hineinragen.
Das Ätzbecken ist mit einem als Ätzmedium dienenden
Elektrolyten befüllt.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, womit die Oberfläche
eines schwach p-dotierten Halbleiterträgers unter der Randbedingung
eines beidseitigen elektrolytischen Kontakts porös geätzt
werden kann, ohne dass die Rückseite dieses Halbleiterträgers
mit einem ohmschen Kontakt versehen werden muss.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch Beleuchtung der Rückseite
des Halbleiterträgers mit Licht geeigneter Wellenlänge
und Intensität erreicht, insbesondere mit Licht, dessen
Energie größer ist, als die Bandlücke
des Halbleitermaterials des Halbleiterträgers. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung umfasst dazu mindestens eine Lichtquelle zur entsprechenden
Beleuchtung der Rückseite des Halbleiterträgers.
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Physikalisch
entspricht das erfindungsgemäße Vorgehen der Beleuchtung
einer in Sperrrichtung gepolten Photodiode. Die durch Absorption
erzeugten Elektron-Loch Paare werden durch das elektrische Feld
im Halbleiter getrennt, wodurch ein Stromfluss durch den Halbleiterträger
ermöglicht wird. Während sich die resultierenden
Elektronen zur Rückseite des Halbleiterträgers
bewegen und die Reduktion von Wasserstoff bewirken, diffundieren
die resultierenden Löcher zur Vorderseite und führen dort
zur anodischen Oxidation des Halbleitermaterials an der Grenzfläche
zum Elektrolyten. Der Stromfluss über die Potentialbarriere
am rückseitigen Elektrolyt/Halbleiter-Kontakt wird hier
also nicht durch einen ohmschen Kontakt auf der Rückseite
des Halbleiterträgers gewährleistet, sondern durch
die Photogeneration von Minoritätsladungsträgern.
Folglich entfällt bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens der Aufwand für die Realisierung eines solchen
ohmschen Kontakts, wie z. B. eine p+-Dotierung der
Rückseite und/oder eine selektive Rückseitenbelegung,
sowie der Aufwand zum Entfernen der p+-Schicht
von der Rückseite vor einer anschließenden Prozessierung
des porös geätzten Halbleiterträgers.
Durch diese Vereinfachung verringern sich auch Prozessrisiken, wie
beispielsweise inhomogene Rückseitendotierung oder Autodoping.
Mit der Erfindung wird also eine vereinfachte und deshalb auch kostengünstige
Möglichkeit zum Erzeugen einer porösen Schicht
auf der Vorderseite eines leicht p-dotierten Halbleiterträgers
vorgeschlagen.
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Wie
bereits erwähnt, sollte die Beleuchtung der Oberfläche
des Halbleiterträgers erfindungsgemäß mit
Licht erfolgen, dessen Energie größer ist, als die
Bandlücke des Halbleitermaterials. Es erweist sich zudem
als vorteilhaft, das Emissionsspektrum der Lichtquelle so zu wählen
bzw. so zu filtern, dass möglichst keine langwelligen Anteile
vorkommen, deren Energie kleiner ist, als die Bandlücke
des Halbleitermaterials. Dieses langwellige Licht durchdringt den
Halbleiterträger, wobei Elektron-Loch-Paare an der bereits
porosifizierten Oberfläche generiert werden. Dies kann
zu einer Auflösung des porösen Halbleitermaterials
führen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist deshalb vorteilhafterweise mit Mitteln zur Begrenzung des Emissionsspektrums
der Lichtquelle auf einen definierten Wellenlängenbereich
ausgestattet. Dabei kann es sich beispielsweise um eine geeignete
Filteranordnung handeln. Von besonderem Vorteil ist es, wenn sich
die Filter austauschen lassen, so dass wahlweise unterschiedliche
Emissionsspektren einstellbar sind. In diesem Fall kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung auch einfach für die Prozessierung von unterschiedlichen
Halbleitermaterialien umgerüstet werden.
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Des
weiteren werden langwellige, infrarote Lichtanteile vom Ätzmedium
absorbiert und führen zu dessen Erwärmung. Diese
Erwärmung kann die oben beschriebenen Prozesse negativ
beeinflussen. Daher ist eine Filterung dieser langwelligen, infraroten
Lichtanteile besonders empfehlenswert.
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Als
Lichtquelle kann einfach eine Halogenlampe oder Bogenlampe (z. B.
Quecksilber-Bogenlampe) eingesetzt werden. LEDs sind aufgrund ihres schmalbandigen
Emissionsspektrums besonders geeignet.
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Derzeit
kommt Siliziumwafern eine besonders große Bedeutung in
der Mikrosystemtechnik zu. Die Herstellung von porösem
Silizium stellt deshalb eine wichtige Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dar. Besonders gute Ergebnisse für Siliziumwafer können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt werden,
wenn Licht in einem Wellenlängenbereich unterhalb von 1100
nm, insbesondere zwischen 400 nm bis 800 nm, verwendet wird.
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Da
das erfindungsgemäße Verfahren vorsieht, dass
beide Oberflächen des Halbleiterträgers mit dem
Elektrolyten in Kontakt stehen, muss der Elektrolyt zumindest für
Licht in dem geeigneten Wellenlängenbereich durchsichtig
sein, damit eine hinreichende Menge an Minoritätsladungsträgern
durch Beleuchtung der Rückseite erzeugt werden. Der Elektrolyt
muss sich außerdem für die anodische Oxidation
des Halbleitermaterials auf der Vorderseite des Halbleiterträgers
eignen. Es wird deshalb die Verwendung eines Flusssäure(HF)-haltigen
Elektrolyten empfohlen. Ein HF-haltiger Elektrolyt ist insbesondere
beim Herstellen von porösem Silizium aus der Literatur
als vorteilhaft bekannt.
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Da
es sich bei dem Elektrolyten in der Regel um ein relativ aggressives
Medium handelt, empfiehlt es sich, die Lichtquelle außerhalb
des Ätzbeckens anzuordnen und dieses mit mindestens einem
Fenster zur Einkopplung des Lichts auszustatten.
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Da
die Rückseite des Halbleiterträgers möglichst
homogen beleuchtet werden sollte, ist die rückwärtige
Elektrode in einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ringförmig ausgebildet und so angeordnet, dass
die Beleuchtung der Trägerrückseite durch die
Ringöffnung der Elektrode wie durch eine Blende erfolgt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Wie
bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die Patentansprüche
und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung verwiesen.
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Die
einzige Figur zeigt die schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Herstellung von porösem Silizium auf der Oberfläche
eines Siliziumwafers.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
in der einzigen Figur dargestellte Vorrichtung 10 umfasst
ein Ätzbecken 1 mit einer Halterung 2 für
einen Siliziumwafer 20, der im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
schwach p-dotiert ist und einen spezifischen Widerstand von 1 Ωcm < p < 10 Ωcm
hat. Die Halterung 2 ist so angeordnet, dass der Siliziumwafer 20 das Ätzbecken 1 in
zwei voneinander getrennte Teilbecken 11 und 12 teilt.
In jedes der beiden Teilbecken 11 und 12 ragt
eine Elektrode 3 bzw. 4. Die Elektrode 3 ist
mit dem Minuspol 5 einer Spannungsquelle verbunden, während
die Elektrode 4 mit dem Pluspol 6 dieser Spannungsquelle
verbunden ist. Die Elektroden 3 und 4 sind so
ausgebildet und angeordnet, dass am Ort des Siliziumwafers 20 ein
homogenes elektrisches Feld besteht. Das Ätzbecken 1 ist
mit einem als Ätzmedium dienenden HF-haltigen Elektrolyten 7 befüllt,
so dass sich beide Hauptoberflächen des Siliziumwafers 20 in
direktem elektrischen Kontakt mit dem Elektrolyten 7 befinden. Die
Grenzfläche zwischen dem schwach p-dotierten Silizium des
Siliziumwafers 20 und dem HF- haltigen Elektrolyten 7 verhält
sich elektrisch wie ein Schottky-Kontakt.
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Die
porös zu ätzende Vorderseite des Siliziumwafers 20 ist
dem Teilbecken 11 zugewandt und liegt demnach auf anodischem
Potential, so dass die durch Wafervorderseite und Elektrolyt 7 gebildete Schottky-Diode
in Durchlassrichtung gepolt ist. Im Gegensatz dazu ist die durch
Waferrückseite und Elektrolyt 7 gebildete Diode
in Sperrrichtung gepolt, da die dem Teilbecken 12 zugewandte
Waferrückseite auf kathodischem Potential liegt. Deshalb
fließt im Dunkeln lediglich ein geringer Sperrstrom durch
die gesamt Anordnung, zumindest solange die Durchbruchspannung der
rückseitigen Diode nicht überschritten wird.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Vorrichtung 10 eine Lichtquelle 8 zur Beleuchtung
der Rückseite des Siliziumwafers 20, deren Emissionsspektrum
auf einen Wellenlängenbereich von unter 1100 nm, vorzugsweise
400 nm bis 800 nm, begrenzt ist. Die Lichtquelle 8 ist
hier in Form einer Halogenlampe, Bogenlampe oder LEDs realisiert
und außerhalb des Ätzbeckens 1 vor einem
Fenster 9 in der Seitenwandung des Teilbeckens 12 angeordnet.
Die Begrenzung der Wellenlänge der Lichtquelle 8 erfolgt
hier durch einen optischen Filter 13, der sich zwischen der
Lichtquelle 8 und dem Fenster 9 befindet. Um die Waferrückseite
möglichst homogen beleuchten zu können, ist die
Elektrode 4 ringförmig ausgebildet und im Randbereich
des Fensters 9 angeordnet. Alternativ könnte die
Elektrode 4 auch flächig aber transparent sein.
Auf jeden Fall sollte durch die Form und Anordnung der Elektroden 3 und 4 gewährleistet sein,
dass sich der Siliziumwafer 20 in einem homogenen elektrischen
Feld befindet. Gleichzeitig muss die Waferrückseite möglichst
homogen beleuchtet werden, um eine möglichst homogene poröse
Siliziumschicht 21 auf der Vorderseite zu erzeugen.
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Bei
Beleuchtung mit Licht ausreichend hoher Energie fließt
unter dem Einfluss der zwischen den Polen 5 und 6 anliegenden
externen Spannung ein Photostrom. Die photoelektrisch erzeugten
Minoritätsladungsträger übernehmen den
Stromtransport über den – für die Majoritätsladungsträger
gesperrten – rückseitigen Silizium-Elektrolyt-Kontakt,
während die Majoritätsladungsträger den
Ladungstransport durch die Wafervorderseite gewährleisten
und die Oxidation von Si-Atomen an der Wafervorderseite bewirken,
wo dadurch poröses Silizium 21 entsteht.
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Die
Höhe dieses Photostromes und damit die Stromdichte hängt
u. a. ab vom Spektrum und der Intensität der Lichtquelle 8,
den optischen Eigenschaften der sich zwischen Lichtquelle 8 und
Siliziumoberfläche befindenden Medien, insbesondere auch
den optischen Eigenschaften des Elektrolyten 7, der externen
Spannung, dem Ladungsträgertransport im schwach p-dotierten
Siliziumwafer 20, d. h. der Diffusionslänge des
Halbleitermaterials, und der Kinetik der elektrochemischen Reaktion
an den Silizium-HF Grenzflächen, d. h. der Silizium-Oxidation
an der Vorderseite und der Wasserstoff-Reduktion an der Rückseite.
Bei gegebener Dotierung des Siliziumwafers 20 und gegebener
HF-Konzentration des Elektrolyten 7 bestimmt die Stromdichte
die Porosität des entstehenden porösen Siliziums 21.
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Da
das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer
porösen Schicht auf der Vorderseite eines schwach p-dotierten
Halbleiterträgers keine Rückseitenbearbeitung
erfordert, kann dieses Verfahren auch vorteilhaft zum Erzeugen von
porösen Schichten auf beiden Seiten eines solchen Halbleiterträgers eingesetzt
werden. Dazu ist das Ätzbecken 1 der hier beschriebenen
Vorrichtung 10 spiegelsymmetrisch aufgebaut, so dass auch
die Seitenwandung des Teilbeckens 11 mit einem Fenster 9 ausgestattet
ist, vor dem eine – hier nicht dargestellte – Lichtquelle
angeordnet werden kann. Außerdem ist auch die Elektrode 3 genauso
wie die Elektrode 4 ringförmig ausgebildet und
im Randbereich des Fensters 9 angeordnet. Dadurch können
mit der Vorrichtung 10 nacheinander oder wechselseitig
beide Hauptoberflächen eines Halbleiterträgers
porös geätzt werden, ohne dass der Halbleiterträger
dazu umgedreht werden müsste. Hierfür ist dann
lediglich ein Umpolen der Elektroden 3 und 4 erforderlich
sowie eine entsprechende Beleuchtung derjenigen Oberfläche
des Halbleiterträgers, die der anodischen Oxidation abgewandt
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19803852
A1 [0004, 0005]