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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen des Schichtaufbaus eines Halbleiterbauelements ausgehend von einem Grundsubstrat. Der Schichtaufbau soll mindestens eine Siliziumschicht umfassen, auf der mindestens eine erste Schicht aus einem anderen Material als Silizium erzeugt und strukturiert wird. Bei dieser Strukturierung wird das Schichtmaterial bereichsweise vollständig entfernt, so dass die darunterliegende Siliziumschicht im Bereich der so erzeugten mindestens einen Öffnung in der ersten Schicht freigelegt wird. Im Zuge der Herstellung des Schichtaufbaus wird dann über der so strukturierten ersten Schicht mindestens eine Deckschicht aufgebracht, die sich zumindest über eine Öffnung in der ersten Schicht erstreckt.
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Die Strukturierung einzelner Schichten während der Herstellung des Schichtaufbaus eines Halbleiterbauelements führt zur Ausbildung einer Topographie mit unterschiedlichen Höhenniveaus in darauffolgenden Schichtebenen. Die Niveauunterschiede hängen von der Dicke der jeweiligen Schichten ab und können im Falle eines MEMS-Bauelements mehrere µm betragen. Topographiestufen dieser Größenordnung erschweren das Aufbringen weiterer Schichten mit einer ganzflächig gleichmäßigen Schichtdicke, da an den Topographiekanten unter anderem Kanteneffekte und Schichtdickensprünge auftreten. Auch die Strukturierung der weiteren Schichten verkompliziert sich. So erfordert beispielsweise der Einsatz von Fotolackmasken im Strukturierungsprozess eine im Wesentlichen ebene, topographiefreie Schichtoberfläche, um eine hinreichend gleichmäßige Fotolackdicke für kontrollierte Abbildungs- und Ätzverhältnisse zu erzielen. Außerdem kann es an den Topographiekanten zu einem Lackabriss kommen. Auch der Belichtungsprozess, mit dem das Maskenlayout in die Fotolackschicht übertragen wird, liefert bei Unebenheiten in der Fotolackschicht keine hinreichend definierten Ergebnisse. Deshalb umfasst der Schichtaufbau vieler Halbleiterbauelemente Zwischenschichten oder Schichtbereiche, die in erster Linie der Nivellierung der Oberfläche des Schichtaufbaus während des Herstellungsprozesses dienen, aber für die eigentliche Funktion des Halbleiterbauelements keine Rolle spielen. Die Herstellung derartiger Zwischenschichten bzw. Schichtbereiche erweist sich in der Praxis als relativ aufwendig.
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Ein bekannter Ansatz sieht vor, große Niveauunterschiede in der Oberfläche des Schichtaufbaus durch eine laterale Schichtabstufung im Kantenbereich anzugleichen. Eine derartige Stufenstruktur erfordert zum einen mehrere Abscheidungs- und Strukturierungsprozesse und zum anderen immer auch zusätzliche Chipfläche, deren Größe von der Größe des anzugleichenden Niveauunterschieds abhängt.
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Des Weiteren ist es bekannt, Niveauunterschiede in der Oberfläche des Schichtaufbaus durch ganzflächiges Abscheiden einer Deckschicht zu kompensieren, die zumindest so dick ist, wie die auszugleichenden Niveauunterschiede. Diese Deckschicht wird dann in einem anschließenden CMP(chemical mechanical polishing)-Schritt soweit abgeschliffen, bis ihre Oberfläche plan ist. Diese Vorgehensweise ist allerdings bereits bei Niveauunterschieden von wenigen µm sehr aufwendig und hinsichtlich der Restdicke der Deckschicht ungenau.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden prozesstechnisch einfache Maßnahmen zur Nivellierung der Oberfläche des Schichtaufbaus eines Halbleiterbauelements vorgeschlagen, die auch zum Erzeugen einer Topographie mit definierten Niveauunterschieden in der Oberfläche des Schichtaufbaus genutzt werden können.
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Dies wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines Epitaxieprozesses nach dem Strukturieren der mindestens einen ersten Schicht und vor dem Erzeugen der Deckschicht erreicht. In diesem Epitaxieprozess wird Siliziummaterial selektiv auf den freiliegenden Siliziumoberflächen im Bereich der offenen Bereiche in der ersten Schicht epitaktisch aufgewachsen. Dadurch wird eine definierte Topographie für das Erzeugen weiterer Schichten des Schichtaufbaus geschaffen.
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Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass Silizium bei geeigneter Prozessführung im Wesentlichen nur auf freiliegenden Siliziumoberflächen epitaktisch aufwächst, während es sich auf Oberflächen aus anderen Materialien nicht absetzt. Dadurch kann Siliziummaterial sehr einfach, d.h. ohne zusätzliche Maskierungsmaßnahmen, selektiv im Bereich der Öffnungen in einer Nicht-Siliziumschicht auf einer Siliziumschicht aufgewachsen werden. Auf diese Weise lassen sich nicht nur Niveauunterschiede zwischen dieser Nicht-Siliziumschicht und der darunterliegenden Siliziumschicht ausgleichen. Es können auch definierte und von der Dicke der Nicht-Siliziumschicht unabhängige Topographien in der Oberfläche des Schichtaufbaus erzeugt werden. Schließlich sei hier noch erwähnt, dass die erfindungsgemäße Vorgehensweise nicht auf Halbleiterbauelemente beschränkt ist, bei denen der Siliziumschicht und der darüber liegenden strukturierten Nicht-Siliziumschicht des Schichtaufbaus elektrische und/oder mechanische Bauelementfunktionen zukommen. Bei der Herstellung des Schichtaufbaus eines Halbleiterbauelements können auch gezielt Siliziumschichten und Nicht-Siliziumschichten erzeugt werden, denen weder eine elektrische noch eine mechanische Bauelementfunktion zukommt, sondern die lediglich als Ausgangsschichten zum selektiven Aufwachsen von Siliziummaterial als Nivellierungsmaßnahme oder zur Realisierung einer definierten Topographie in der Bauelementoberfläche dienen.
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Von besonderem Vorteil ist es, dass das Siliziummaterial bei entsprechender Wahl der Prozessparameter des Epitaxieprozesses in der Kristallform der darunterliegenden Siliziumschicht aufgewachsen werden kann, nämlich monokristallin, wenn es sich bei der Siliziumschicht um eine monokristalline Siliziumschicht handelt, also beispielsweise um einen monokristallinen Siliziumwafer als Grundsubstrat, oder polykristallin, wenn es sich bei der Siliziumschicht um eine polykristallin abgeschiedene Siliziumschicht handelt.
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Die Aufwachshöhe lässt sich direkt über die Dauer des Epitaxieprozesses regeln. So kann der Epitaxieprozess – je nach angestrebter Zieltopographie – so lange fortgesetzt werden, bis das Höhenniveau des aufgewachsenen Siliziummaterials im Wesentlichen der Schichtdicke der Nicht-Siliziumschicht entspricht, oder so lange, bis ein definierter Niveauunterschied zwischen dem aufgewachsenen Silizium und der Nicht-Siliziumschicht besteht.
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Wenn eine Nivellierung bzw. Glättung der Oberfläche des Schichtaufbaus angestrebt wird, dann kann die Oberfläche des Schichtaufbaus auch nach dem selektiven epitaktischen Aufwachsen des Siliziummaterials und vor dem Aufbringen weiterer Schichtmaterialien noch zusätzlich in einem CMP(chemical mechanical polishing)-Prozess geglättet werden. Bei geeigneter Wahl der Dicke der selektiv epitaktisch gewachsenen Siliziumschicht ist in diesem Fall nur ein vergleichsweise geringer Materialabtrag erforderlich, um eine sehr plane Oberfläche zu erhalten.
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Von besonderer Bedeutung sind die hier vorgeschlagenen Maßnahmen für die Herstellung von MEMS-Bauelementen mit vergleichsweise dicken Funktionsschichten und/oder Bauelementstrukturen mit einem hohen Aspektverhältnis. Der Schichtaufbau derartiger Halbleiterbauelemente umfasst häufig ein Siliziumgrundsubstrat oder eine Siliziumfunktionsschicht, auf dem bzw. auf der sich eine dicke Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschicht als Opfer- oder Ätzstoppschicht oder auch als dielektrische Trägerschicht befindet. Diese Situation wird nachfolgen anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
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1a, 1b veranschaulichen, wie die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Nivellierung der Oberfläche eines Schichtaufbaus eingesetzt werden können.
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2a, 2b veranschaulichen, wie die erfindungsgemäßen Maßnahmen zum Erzeugen einer definierten Topographie in der Oberfläche eines Schichtaufbaus eingesetzt werden können.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die einzelnen Figuren zeigen jeweils nur einen Ausschnitt aus dem Schichtaufbau eines Halbleiterbauelements während der Herstellung, und zwar einen Abschnitt einer Siliziumschicht 1, die mit einer strukturierten weiteren Schicht 2 aus einem anderen Material als Silizium versehen worden ist.
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Die Siliziumschicht 1 kann monokristallin sein, beispielsweise wenn es sich dabei um das Grundsubstrat des Halbleiterbauelements in Form eines monokristallinen Siliziumwafers oder eines SOI-Wafers mit einer monokristallinen Silizium-Funktionsschicht handelt. Ebenso kann die Siliziumschicht 1 polykristallin sein, wenn sie beispielsweise über einer Keimschicht aus polykristallinem Silizium oder einer Nicht-Siliziumschicht des Schichtaufbaus abgeschieden worden ist. Bei der weiteren Schicht 2 handelt es sich in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen jeweils um eine Oxidschicht, die beispielsweise als Opferschicht oder Ätzstoppschicht fungieren kann oder auch als dielektrische Trennschicht zur elektrischen Isolation einzelner Funktionselemente des Halbleiterbauelements. In der Oxidschicht 2 sind Öffnungen 3 ausgebildet, die bis auf die darunterliegende Siliziumschicht 1 reichen. D.h. das Oxidmaterial wurde im Bereich dieser Öffnungen 3 vollständig entfernt.
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Bei dem in den 1a, 1b dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Oxidschicht 2 relativ dick, so dass der Versatz in der Oberfläche des Schichtaufbaus im Bereich des Öffnungsrands, also zwischen der freigelegten Siliziumschicht 1 und der Oxidschicht 2, entsprechend groß ist. Im vorliegenden Fall soll dieser Niveauunterschied vor dem Abscheiden einer Deckschicht möglichst ausgeglichen werden.
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Erfindungsgemäß wird dazu ein Epitaxieprozess verwendet, mit dem Siliziummaterial selektiv nur auf Siliziumoberflächen aufgewachsen wird, hier also nur im Bereich der Öffnung 3 in der Oxidschicht 2, wo die darunterliegende Siliziumschicht 1 freigelegt wurde. Dabei entsteht eine Silizium-Kompensationsschicht 14, die dieselbe Kristallstruktur wie die darunterliegende Siliziumschicht 1 aufweist. D.h. die Kompensationsschicht 14 ist monokristallin oder polykristallin, je nachdem ob die Siliziumschicht 1 monokristallin oder polykristallin ist. Die Dicke dieser Kompensationsschicht 14 hängt maßgeblich von der Dauer des Epitaxieprozesses ab. Dieser wurde bei dem in den 1a und 1b dargestellten Fall solange fortgeführt, bis die Dicke der Kompensationsschicht 14 im Wesentlichen der Schichtdicke der Oxidschicht 3 entsprach, um die Topographiestufe zu minimieren. 1b veranschaulicht, dass zwischen der Kompensationsschicht 14 und der Oxidschicht 2 bei geeigneter Wahl der Kompensationsschicht nur mehr ein sehr kleiner Versatz 5 besteht. Nach dem Epitaxieprozess wurde eine Deckschicht 6 auf dem Schichtaufbau abgeschieden, die sich ganzflächig über die strukturierte Oxidschicht 2 und die Kompensationsschicht 14 in den Öffnungen 3 in der Oxidschicht 2 erstreckt. Der Versatz 5 in der darunterliegenden Schichtebene 2/14 hat zu einer entsprechenden Topographiestufe in der Oberfläche der Deckschicht 6 geführt (siehe Bezugszeichen 5 am oberen Rand der Schicht 6). Da diese Abstufung hier sehr klein ist im Vergleich zur Dicke der Deckschicht 6, kann die Deckschicht 6 einfach planarisiert werden, um eine topographiefreie Oberfläche für die Abscheidung weiterer Schichten des Schichtaufbaus zu schaffen. Dabei muss nur vergleichsweise wenig Material der Deckschicht 6 abgetragen werden. Die Planarisierung kann beispielsweise in einem CMP-Verfahren erfolgen.
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In Fällen, in denen nur eine relativ dünne Deckschicht über der strukturierten Oxidschicht und der Kompensationsschicht erzeugt werden soll, empfiehlt es sich, die Oberfläche des Schichtaufbaus bereits nach dem Epitaxieschritt und vor dem Abscheiden der Deckschicht zu planarisieren.
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Die 2a, 2b veranschaulichen eine weitere Einsatzmöglichkeit für das erfindungsgemäße Verfahren. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Oxidschicht 2 relativ dünn und der Versatz zwischen der freigelegten Siliziumschicht 1 und der Oxidschicht 2 dementsprechend klein. Das erfindungsgemäße Verfahren soll hier nicht zum Ausgleich dieses Niveauunterschieds in der Oberfläche des Schichtaufbaus eingesetzt werden, sondern zum Erzeugen einer Topographie mit definierten, deutlich höheren Topographiestufen.
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Dazu wird auch hier ein Epitaxieprozess verwendet, mit dem Siliziummaterial selektiv nur auf Siliziumoberflächen aufgewachsen wird, hier also nur im Bereich der Öffnung 3 in der Oxidschicht 2, wo die darunterliegende Siliziumschicht 1 freigelegt wurde. Dabei entsteht eine Silizium-Topographieschicht 24, die – je nach Kristallform der darunterliegenden Siliziumschicht 1 – entweder monokristallin oder polykristallin ist. Der Epitaxieprozess wurde im Fall der 2a, 2b solange fortgesetzt, bis die Topographieschicht 24 eine vorgegebene Zieldicke erreicht hatte bzw. bis der angestrebte Niveauunterschied 7 zwischen der Topographieschicht 24 und der Oxidschicht 2 vorlag. Die nach dem Epitaxieprozess auf dem Schichtaufbau abgeschiedene Deckschicht 6 weist eine entsprechende Zieltopographie auf (siehe Bezugszeichen 7 am oberen Bereich der Schicht 6).
