DE102008042450A1 - Verfahren zum Strukturieren von Siliziumcarbid mittels fluorhaltiger Verbindungen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen von Siliziumcarbid, wobei auf einer Siliziumcarbid-Schicht eine Maske erzeugt wird, wobei nicht maskierte Bereiche der Siliziumcarbid-Schicht mit einer fluorhaltigen Verbindung, die ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Interhalogenverbindungen des Fluors und/oder Xenondifluorid, geätzt werden. Sie betrifft weiterhin die Verwendung von Chlortrifluorid, Chlorpentafluorid und/oder Xenondifluorid zum Strukturieren von mit Siliziumdioxid und/oder Siliziumoxidcarbid umfassenden Masken abgedeckten Siliziumcarbid-Schichten, eine strukturierte Siliziumcarbid-Schicht, erhalten durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, sowie mikrostrukturiertes elektromechanisches Bauteil oder mikroelektronisches Bauteil, umfassend eine durch ein Verfahren gemäß der Erfindung erhaltene strukturierte Siliziumcarbid-Schicht.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen von Siliziumcarbid, wobei auf einer Siliziumcarbid-Schicht eine Maske erzeugt wird. Sie betrifft weiterhin die Verwendung von Chlortrifluorid, Chlorpentafluorid und/oder Xenondifluorid zum Strukturieren von mit Siliziumdioxid und/oder Siliziumoxidcarbid umfassenden Masken abgedeckten Siliziumcarbid-Schichten, eine strukturierte Siliziumcarbid-Schicht, erhalten durch ein erfindungsgemäßes Verfahren sowie mikrostrukturiertes elektromechanisches Bauteil oder mikroelektronisches Bauteil, umfassend eine durch ein Verfahren gemäß der Erfindung erhaltene strukturierte Siliziumcarbid-Schicht.
  • Siliziumcarbid (SiC) ist im Aufbau und den Eigenschaften ähnlich zu Diamant, da sich Silizium und Kohlenstoff in derselben Hauptgruppe und benachbarten Perioden des Periodensystems befinden und die Atomdurchmesser in einer ähnlichen Größenordnung liegen. Der Vorteil der Beständigkeit aufgrund der Verwandtschaft zum Diamant ist aber auch eine Herausforderung bei der Strukturierung des Werkstoffs SiC. Gleichwohl rückt eben aufgrund der hohen Temperaturbeständigkeit und chemischen Beständigkeit das Material in den Fokus neuer innovativer Technologien.
  • Für die Strukturierung von SiC sind gegenwärtig verschiedene Methoden verfügbar, bei denen es sich zumeist um angepasste Techniken der Siliziumtechnologie handelt. Größtenteils wird dabei ein physikalischer Effekt wie bei der Ionenstrahlstrukturierung oder ein kombinierter chemisch/physikalischer Effekt wie bei einigen Plasmaprozessen (reactive ion etching, RIE) mit fluororganischen Verbindungen eingesetzt.
  • So offenbart beispielsweise US 2006/0102589 A1 Plasmaätzverfahren, umfassend die Schritte der Bildung eines Ätzgasplasmas und das Ätzen einer SiC-Schicht auf einem Gegenstand, wobei das Ätzgas NF3, Ar und He enthält. In dem Plasmaätzverfahren kann der Gegenstand eine SiOC-Schicht aufweisen und die SiC-Schicht wird selektiv gegenüber der SiOC-Schicht geätzt. Hierbei bildet die SiOC-Schicht eine Ätzmaske.
  • Nachteilig hieran ist jedoch, dass zum Ätzen des SiC ein Gasplasma generiert werden muss. Dieses bedingt einen hohen apparativen Aufwand. Wünschenswert wären daher alternative Prozesse zur Strukturierung von SiC ohne Gasplasma.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird daher ein Verfahren zum Ätzen von Siliziumcarbid (SiC), wobei auf einer Siliziumcarbid-Schicht eine Maske erzeugt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass nicht maskierte Bereiche der Siliziumcarbid-Schicht mit einer fluorhaltigen Verbindung, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Interhalogenverbindungen des Fluors und/oder Xenondifluorid, geätzt werden.
  • Das Ätzen des SiC unter Verwendung einer Ätzmaske kann auch als Strukturieren bezeichnet werden. Die SiC-Schicht kann Bestandteil eines komplexeren Schichtenverbundes sein, beispielsweise als Teil einer Schichtenfolge auf einem Siliziumwafer. Sie kann beispielsweise mittels Verfahren der Plasma-unterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD), Niederdruck-chemischen Gasphasenabscheidung (LPCVD), Epitaxie-Abscheidung oder Sputter-Prozessen erhalten werden. Die Dicke der SiC-Schicht kann hierbei in einem Bereich von ≥ 10 nm bis ≤ 100 μm liegen.
  • Als Maske ist grundsätzlich jedes Material verwendbar, in welchem sich die zu übertragenden Strukturen darstellen lassen und gegenüber welchem das Ätzgas weniger reaktiv ist als gegenüber dem zu ätzenden SiC. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, eignen sich hierfür oxidische oder nitridische Werkstoffe. Generell kann das Maskenmaterial beispielsweise erst ganzflächig auf der SiC-Schicht abgeschieden werden und dann mittels Photolithographie in einem der verfügbaren Verfahren strukturiert werden.
  • Ohne auf eine Theorie festgelegt zu sein, wird angenommen, dass die Interhalogenverbindungen des Fluors oder das Xenondifluorid sowohl das Silizium als auch den Kohlenstoff der SiC-Schicht angreifen und in flüchtige Verbindungen überführen. Dieses wird durch die Stärke der neu gebildeten Si-F-Bindungen unterstützt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingen beispielsweise, je nach Verfahrensführung, Ätzraten im SiC von ≥ 1 μm/min bis ≤ 20 μm/min. Vorteilhaft am erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere, dass es plasmafrei abläuft, also dass kein Ätzgasplasma eingesetzt werden muss.
  • Als Anlage zur Durchführung des Verfahrens können beispielsweise ein Single-Reaktor, welcher nur einen Wafer aufnehmen kann, als auch ein Batchreaktor wie beispielsweise ein LPCVD-Reaktor verwendet werden. Letzterer stellt hinsichtlich Temperatur- und Druckregelung alle notwendigen Voraussetzungen zur Verfügung. Darüber hinaus können bei diesem Anlagentyp bei geeigneter Gasführung bis zu 200 Wafer gleichzeitig strukturiert werden.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren kann das Ätzen beispielsweise bei einer Temperatur von ≥ 293 K bis ≤ 1000 K oder von ≥ 300 K bis ≤ 800 K durchgeführt werden. Der Druck in der Gasphase während des Ätzens kann beispielsweise in einem Bereich von ≥ 0,001 Torr bis ≤ 760 Torr oder von ≥ 0,01 Torr bis ≤ 500 Torr liegen. Durch Variation von Druck, Temperatur und Ätzmittelkonzentration lassen sich Ätzrate und Isotropie oder Anisotropie der Ätzung einstellen.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Interhalogenverbindung des Fluors ausgewählt aus der Gruppe umfassend Chlortrifluorid (ClF3) und/oder Chlorpentafluorid (ClF5). Diese Gase sind ausreichend reaktiv gegenüber SiC. Insbesondere bei ClF3 wurde festgestellt, dass der Ätzvorgang spontan abläuft.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird während des Ätzens weiterhin Chlorgas (Cl2) hinzugefügt. Das Chlorgas liegt also während des Ätzens zusätzlich in der Gasphase vor. Auf diese Weise kann die Selektivität des Ätzprozesses weiter eingestellt werden. Vorteilhafterweise wird dann Chlorgas hinzugefügt, wenn das Ätzgas eine Chlor/Fluorverbindung wie ClF3 oder ClF5 ist. Das Chlorgas kann beispielsweise in einem molaren Verhältnis von ≥ 1:100 bis ≤ 1:1, von ≥ 1:90 bis ≤ 1:20 oder von ≥ 1:50 bis ≤ 1:10 zur Gesamtmenge der eingesetzten fluorhaltigen Verbindungen vorliegen.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens liegt die fluorhaltige Verbindung gasförmig vor und in der Gasphase des Reaktionsraumes in einer Konzentration von ≥ 10 Gewichts-% bis ≤ 100 Gewichts-%. Hierunter ist der Gewichtsanteil der Verbindung an der Gesamtmenge der in der Gasphase vorhandenen Gase gemeint. Für den Fall, dass die Gasphase nicht vollständig aus der fluorhaltigen Verbindung aufgebaut ist, können übrige Gase beispielsweise Inertgase wie Stickstoff oder Argon sein oder aber auch das vorstehend beschriebene Chlorgas. Der Anteil der fluorhaltigen Verbindung kann auch in einem Bereich von ≥ 20 Gewichts-% bis ≤ 90 Gewichts-% oder von ≥ 30 Gewichts-% bis ≤ 80 Gewichts-% liegen.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Maske auf der Siliziumcarbid-Schicht Material, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Siliziumdioxid (SiO2), Siliziumoxidcarbid (SiOC), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxidnitrid (SiON), Graphen, Metalle, Metalloxide und/oder Photolacke. Photolacke können dort eingesetzt werden, wo niedrige Verfahrenstemperaturen herrschen. Metall und Metalloxide können durch chemische Gasphasenabscheidung mit gegebenenfalls nachfolgender Oxidation oder mittels anderer Epitaxieverfahren dargestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Maske Siliziumdioxid, welches erhalten wird, indem mittels Tetraethoxysilan-(TEOS-)Oxidation, Plasma-unterstützter chemischer Gasphasenabscheidungs-(PECVD-)Oxidation oder mittels eines Niederdruck-chemischen Gasphasenabscheidungsprozesses (LPCVD-Prozess) eine Siliziumdioxid umfassende Oxidschicht aufgebaut wird, diese Oxidschicht mittels Photolithographie strukturiert wird und anschließend die Maske in den Bereichen geöffnet wird, in denen die SiC-Schicht strukturiert werden soll. Beispielsweise kann der LPCVD-Prozess eine Hochtemperaturoxidation (HTO) oder eine Niedrigtemperaturoxidation (LTO) sein.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Maske Siliziumoxid und/oder Siliziumoxidcarbid, welches durch die thermische Oxidation der Siliziumcarbidschicht erhalten wird, wobei weiterhin diese Oxidschicht mittels Photolithographie strukturiert wird und anschließend die Maske in den Bereichen geöffnet wird, in denen die SiC-Schicht strukturiert werden soll. Sowohl das Siliziumoxid als auch das Siliziumoxidcarbid lassen sich durch die thermische Oxidation der Siliziumcarbidschicht erhalten.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Chlortrifluorid ClF3, Chlorpentafluorid ClF5 und/oder Xenondifluorid XeF2 zum Strukturieren von mit SiO2 und/oder SiOC umfassenden Masken abgedeckten SiC-Schichten. Die Vorteile dieses Vorgehens wurden bereits vorstehend beschrieben.
  • Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine strukturierte SiC-Schicht, welche durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erhalten wurde.
  • Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mikrostrukturiertes elektromechanisches Bauteil oder mikroelektronisches Bauteil, umfassend eine durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erhaltene strukturierte Siliziumcarbid-Schicht. Beispiele hierfür sind mikroelektromechanische Systeme (MEMS), welche als Sensoren eingesetzt werden können. Dieses können MEMS-Inertialsensoren, MEMS-Sensoren für Druck, Beschleunigung oder Drehrate sein. Mikroelektronische Bauteile können beispielsweise Feldeffekt-Transistoren sein wie MOSFET, MISFET oder ChemFET, bei denen die Siliziumcarbidschicht in einer Deckschicht enthalten ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen weiter erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1a–1e die Strukturierung einer mit SiO2 maskierten SiC-Schicht
  • 2a–2g die Strukturierung einer SiC-Schicht, welche mit einer auf dem SiC gewachsenen thermischen Oxidschicht maskiert wurde
  • 1a zeigt die Ausgangssituation für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Auf einem Wafer 1 mit nicht näher detailliertem Schichtunterbau ist zunächst eine Si3N4-Schicht 2 angeordnet. Auf dieser Nitridschicht befindet sich eine zu strukturierende SiC-Schicht 3.
  • 1b zeigt die Situation, nachdem auf der SiC-Schicht mittels PECVD-Verfahren eine SiO2-Schicht 4 abgeschieden wurde. Anschließend wurden die zu erzeugenden Strukturen auf der Oxidschicht 4 mittels eines nicht abgebildeten Photolithographieschrittes abgebildet. Die Maskierschicht und das PECVD-Oxid wurden mittels üblicher Oxidstrukturierungsmethoden strukturiert. So wurden Zugänge 5 für die Strukturierung der SiC-Schicht 3 geschaffen.
  • 1c zeigt den Ätzangriff von ClF3 auf die SiC-Schicht 3, Die Ätzrate und die Isotropie oder Anisotropie können durch die Wahl der Verfahrensparameter entsprechend eingestellt werden. Hier ist dargestellt, wie die herausgeätzten Bereiche 6 die Maskierschicht 4 unterwandern.
  • In 1d ist die Ätzung der SiC-Schicht 3 abgeschlossen. 1e schließlich zeigt die fertig strukturierte SiC-Schicht nach dem Entfernen des Maskieroxids.
  • 2a zeigt die Ausgangssituation für ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren. Auch hier ist zunächst auf einem Wafer 1 mit nicht näher definiertem Schichtaufbau eine Si3N4-Schicht 2 angeordnet. Auf dieser Nitridschicht befindet sich eine zu strukturierende SiC-Schicht 3. Durch thermische Oxidierung wurde auf der SiC-Schicht 3 eine SiOC umfassende Schicht 7 erzeugt. Diese Oxidschicht 7 dient als Maske für die spätere Strukturierung der SiC-Schicht 3.
  • 2b zeigt, wie ein Fotolack 8 aufgetragen wurde und danach die abzubildenden Strukturen mittels eines Photolithographieschrittes hierin erzeugt wurden. So wurden Zugänge 9 für die Öffnung der thermisch erzeugten Oxidschicht 7 erzeugt.
  • 2c zeigt die Situation, nachdem über die Zugänge 9 die thermische Oxidschicht 7 durch Oxidstrukturierungsverfahren an den zugänglichen Stellen geöffnet wurde und so Zugänge 10 für die Strukturierung der SiC-Schicht 3 erhalten wurden. Insgesamt wurden also die Strukturen des Fotolacks in die Oxidschicht 7 übertragen.
  • In 2d wurde nun der Fotolack entfernt. Falls erforderlich, kann an dieser Stelle auch ein Waferreinigungsprozess durchgeführt werden.
  • 2e zeigt den Ätzangriff von ClF3 auf die SiC-Schicht 3. Die Ätzrate und die Isotropie oder Anisotropie können durch die Wahl der Verfahrensparameter entsprechend eingestellt werden. Hier ist dargestellt, wie die herausgeätzten Bereiche 11 die Oxidmaske 7 unterwandern.
  • In 2f ist die Ätzung der SiC-Schicht 3 abgeschlossen. 2g schließlich zeigt die fertig strukturierte SiC-Schicht nach dem Entfernen der Oxidmaske 7.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 2006/0102589 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ätzen von Siliziumcarbid, wobei auf einer Siliziumcarbid-Schicht eine Maske erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nicht maskierte Bereiche der Siliziumcarbid-Schicht mit einer fluorhaltigen Verbindung, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Interhalogenverbindungen des Fluors und/oder Xenondifluorid, geätzt werden.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Interhalogenverbindung des Fluors ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Chlortrifluorid und/oder Chlorpentafluorid.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei während des Ätzens weiterhin Chlorgas hinzugefügt wird.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die fluorhaltige Verbindung gasförmig vorliegt und wobei sie in der Gasphase des Reaktionsraumes in einer Konzentration von ≥ 10 Gewichts-% bis ≤ 100 Gewichts-% vorliegt.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Maske auf der Siliziumcarbid-Schicht Material umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Siliziumdioxid, Siliziumoxidcarbid, Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid, Graphen, Metalle, Metalloxide und/oder Photolacke.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Maske Siliziumdioxid umfasst, welches erhalten wird, indem mittels Tetraethoxysilan-Oxidation, Plasma-unterstützter chemischer Gasphasenabscheidungs-Oxidation oder mittels eines Niederdruck-chemischen Gasphasenabscheidungsprozesses eine Siliziumdioxid umfassende Oxidschicht aufgebaut wird, diese Oxidschicht mittels Photolithographie strukturiert wird und anschließend die Maske in den Bereichen geöffnet wird, in denen die SiC-Schicht strukturiert werden soll.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Maske Siliziumoxid und/oder Siliziumoxidcarbid umfasst, welches durch die thermische Oxidation der Siliziumcarbidschicht erhalten wird, wobei weiterhin diese Oxidschicht mittels Photolithographie strukturiert wird und anschließend die Maske in den Bereichen geöffnet wird, in denen die SiC-Schicht strukturiert werden soll.
  8. Verwendung von Chlortrifluorid, Chlorpentafluorid und/oder Xenondifluorid zum Strukturieren von mit Siliziumdioxid und/oder Siliziumoxidcarbid umfassenden Masken abgedeckten Siliziumcarbid-Schichten.
  9. Strukturierte Siliziumcarbid-Schicht, erhalten durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
  10. Mikrostrukturiertes elektromechanisches Bauteil oder mikroelektronisches Bauteil, umfassend eine durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 erhaltene strukturierte Siliziumcarbid-Schicht.
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