DE102019116019A1

DE102019116019A1 - Herstellung von Bauelementen in Substraten über einen mehrstufigen Ätzprozess

Info

Publication number: DE102019116019A1
Application number: DE102019116019.7A
Authority: DE
Inventors: Sophia Dempwolf; Christian Kuhnt
Original assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Current assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-17

Abstract

Prozessstrategien und zugehörige Bauelemente, in denen Vertiefungen 15 mit einem Aspektverhältnis größer fünf in modularer Weise hergestellt werden, dies durch Anwendung mehrerer Ätzprozesse, wobei deren jeweilige Unabhängigkeit dadurch erreicht wird dass jeweilige Schutzschichten 8, 13 in zumindest einem, bevorzugt mehreren nachfolgenden Ätzprozessen wirken.

Description

Die Offenbarung sowie die dazugehörigen Ansprüche betreffen die Herstellung von Strukturen in einem Trägersubstrat, insbesondere in einem Halbleitermaterial aufweisendem Substrat, wobei Vertiefungen in Form von Durchgangslöchern, Kavitäten, oder anderen Öffnungen mit großem Aspektverhältnis in dem Substrat herzustellen sind.
In vielen Bereichen der Technik und insbesondere bei der Verarbeitung von Halbleitermaterialien müssen häufig Öffnungen bzw. Vertiefungen in Form von Gräben, Sacklöchern, Kavitäten, und dergleichen in einem Substratmaterial, in der Folge einfach kurz als Substrat bezeichnet, hergestellt werden. Dazu sind in der Halbleiterindustrie zahlreiche Verfahren entwickelt worden, um derartige Strukturelemente in Form von Vertiefungen herzustellen.
Beispielsweise werden tiefe Strukturen, etwa Siliziumstrukturen, und andere Strukturen mit großem Aspektverhältnis, beispielsweise einem Aspektverhältnis von größer fünf, mit unterschiedlichen Geometrien, etwa in Form von Durchkontaktierungen, Sacklöchern, Kavitäten, und dergleichen hergestellt, wobei dazu ein tiefes reaktives lonenätz-Verfahren (Englisch: deep reactive ion etching, DRIE) eingesetzt wird. Als Aspektverhältnis wird dabei das Verhältnis einer Erstreckung einer entsprechenden Struktur in einer Tiefenrichtung, also einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats gerichtet ist, zu einer effektiven lateralen Abmessungen, beispielsweise einem Durchmesser einer Sacklochöffnung oder einer minimalen lateralen Abmessungen beispielsweise eines Grabens verstanden.
Bei der Herstellung entsprechender Strukturen mit großem Aspektverhältnis werden typischerweise gut etablierte Prozessstrategien in Verbindung mit etablierten Prozessrezepten angewendet, um zunächst eine für die laterale Strukturierung erforderliche Maskierungsschicht auf oder über dem Substrat herzustellen. Eine entsprechende Maskierungsschicht wird typischerweise in Form einer Lackmaske oder einer „harten“ Maske in Form eines geeigneten relativ beständigen Materials, beispielsweise eines Oxidmaterials, und dergleichen durch geeignete Prozessverfahren aufgebracht. Wenn beispielsweise eine relativ wenig wärmebeständige Maske in Form eines Polymermaterials, beispielsweise des Lackmaterials, für die nachfolgende Strukturierung ausreichend ist, so kann die entsprechende Maske durch einen Lithographie-Vorgang durch Strukturieren des Lackmaterials selbst bereitgestellt werden. Bei aufwändigeren Maskenmaterialien wird eine entsprechende Schicht durch bekannte Verfahren abgeschieden und dann mittels Lithographie strukturiert, sodass geeignete laterale Abmessungen für die nachfolgend herzustellende Vertiefung festgelegt werden. Nach Fertigstellung der Maske wird der DRIE-Ätzprozess ausgeführt, wobei geeignete Prozessparameter, die typischerweise in einem Ätzrezept zusammengefasst sind, entsprechend ausgewählt werden, um den Bedingungen des Verfahrens sowie dem gewünschten Ergebnis für die Vertiefung Rechnung zu tragen. Als Prozessparametern für die Ausführung eines entsprechenden Ätzprozesses sind insbesondere die zu verwendende Chemie, Bedingungen in der entsprechenden Ätzatmosphäre, gegebenenfalls entsprechende Angaben für die Erzeugung eines Plasmas, und dergleichen in geeigneter Weise zu ermitteln, um ein entsprechendes Endergebnis des tiefen Ätzprozesses zu erhalten.
Nach dem Ende des Ätzverfahrens schließen sich typischerweise ein oder mehrere weitere Prozesse an, die der Nachbehandlung der erzeugten Struktur, d.h. der Vertiefung, dienen.
1 zeigt eine typische Prozessabfolge, die als Basis für die Herstellung tiefer Strukturen in einem geeigneten Halbleitersubstrat angewendet wird.
Demgemäß wird im Schritt S1 das Substrat bereitgestellt, wobei dies je nach Anwendungsfall bereits eine mehr oder minder ausgeprägte Vorprozessierung erfahren haben kann. Beispielsweise können bei Bedarf bereits weitere Strukturelemente im oder auf dem Substrat hergestellt worden sein.
Es beginnt dann die eigentliche Herstellung der Struktur bzw. der Vertiefung in dem Substrat, das eine Vorprozessierung erfahren haben kann oder auch nicht, wie in S2 angegeben ist.
Bei S3 beginnt die eigentliche Prozessabfolge für die Herstellung eines Strukturelements in dem Substrat, die hier generell als Vertiefung bezeichnet wird.
In S4 wird eine geeignete Materialschicht als Maskierungsschicht aufgebracht, wobei dies durch gut bekannte Verfahren, beispielsweise Aufschleudern von Polymermaterialien, chemische Dampfabscheidung (CVD), und dergleichen erfolgen kann. Wie zuvor angegeben, kann die Art der Maskenschicht von der Art der anzuwendenden Ätzchemie und der weiteren einzustellenden Prozessparameter abhängen, da in der Regel ein relativ großer Ätzwiderstand der Maskierungsschicht anzustreben ist.
Im Schritt S5 wird die Maskierungsschicht in geeigneter Weise strukturiert, typischerweise durch einen Lithographieprozess, um damit die gewünschten lateralen Abmessungen der zu erzeugenden Vertiefung festzulegen, wobei anzumerken ist, dass insbesondere die lateralen Abmessungen an unterschiedlichen Tiefen während des nachfolgenden Strukturierungsprozesses variieren können, wie nachfolgend auch detaillierter erläutert ist.
Im Schritt S6 wird eine geeignete Ätzatmosphäre geschaffen, in der die Parameter speziell an den auszuführenden Prozessverlauf und die damit erhaltene Form der Vertiefung angepasst sind, wobei jedoch typischerweise Kompromisse für die Parameterwerte vorzusehen sind, da nicht alle Anforderungen bezüglich Prozessverlauf und Prozessergebnis gleichzeitig erfüllt werden können. Insbesondere werden durch die Ätzparameter gewisse Eigenschaften der zu erzeugenden Vertiefung, etwa die Seitenwandgeometrie, die Seitenwandbeschaffenheit, und dergleichen wesentlich beeinflusst und auch die erreichbare Ätztiefe wird durch das verwendete Ätzrezept in Verbindung mit der tatsächlich wirksamen Ätzzeit festgelegt. Die den Ätzprozess charakterisierenden Parameter und deren tatsächlich eingestellten Werte können dabei zu einander konkurrierenden Effekten führen, die typischerweise eine genaue Anpassung der Parameter auf die spezielle Art der Vertiefung und andere Prozesserfordernisse notwendig machen. Beispielsweise muss häufig im Hinblick auf ökonomische Gesichtspunkte die Gesamtprozesszeit für die Erzeugung der betrachteten Struktur unterhalb einer gewissen maximalen Grenze liegen, sodass insbesondere die die Ätzzeit beeinflussenden Parameter entsprechend eingestellt werden müssen, um dieses Erfordernis zu erfüllen. Diese Auswahl der Ätzparameterwerte hat jedoch in der Regel gleichzeitig Auswirkungen auf andere wichtige Aspekte des Ätzvorgangs, etwa die Seitenwandgeometrie, die Oberflächenbeschaffenheit der Seitenwände, und dergleichen.
Im Schritt S7 wird gegebenenfalls eine Nachbearbeitung ausgeführt, etwa in Form einer Reinigung, d.h. eine Entfernung von Ätznebenprodukten, und/oder in Form einer Entfernung der Maskierungsschicht, falls erforderlich.
In S8 ist die Prozessabfolge für die Herstellung des Strukturelements bzw. der Vertiefung in dem Substrat beendet und es schließen sich weitere Prozessschritte an, wie dies im Schritt S9 angedeutet ist, um gegebenenfalls weitere Strukturelemente zu erzeugen.
Für die Herstellung sehr tiefer Strukturen mit einem großen Aspektverhältnis, beispielsweise von zumindest fünf und deutlich größer, beispielsweise zumindest zehn und größer, kann beim Ätzen von „vertikalen“ Strukturen, z. B einer Durchkontaktierung in einem Halbleitermaterial, in bevorzugt Silizium, die zuvor beschriebene gut etablierte und bewährte Prozessabfolge ausgeprägte technische Probleme mit sich bringen. Für die Funktionalität und die Leistungsfähigkeit derartiger Strukturen im Volumen eines Substrats, beispielsweise einer Siliziumscheibe, ist die Beschaffenheit der durch das Herstellungsverfahren erzeugten Seitenwand von großer Bedeutung. Aufgrund der Prozesseigenschaften typischer DRIE-Rezepte, in denen häufig wechselnde Prozessschritte (alternierende Prozesse) mit unterschiedlichen Parametern angewendet werden, sind die Seitenwände nicht glatt, sondern sie weisen eine typische Wellenform auf. Durch den Aufbau des Rezeptes, also die Zusammensetzung der Prozessgase und die Wahl der Werte für die Prozessparameter, kann theoretisch die Ausprägung der Wellen an der Seitenwand verringert werden, also die Beschaffenheit der Seitenwand und damit ihre Rauheit kann gemäß den Anforderungen hinsichtlich der Funktion der zu erzeugenden Struktur so eingestellt werden, dass verbesserte Eigenschaften erreicht werden.
Da die Beschaffenheit der Seitenwand, beispielsweise bei einer Silizium-Durchkontaktierung, die elektrischen Eigenschaften der fertig gestellten Struktur wesentlich mitbestimmt, wird für die Herstellung von Durchkontaktierungen mit großem Aspektverhältnis ein Ätzprozess angestrebt, der eine sehr geringe Seitenwandrauheit hinterlässt. Andererseits sind, wie zuvor erwähnt ist, auch die Erfordernisse der Wirtschaftlichkeit für einen Prozess zu betrachten und es ist generell von Vorteil, eine möglichst schnelle Prozessausführung mit hohen Ätzraten zu verwirklichen. Typischerweise stehen diese Anforderungen, u.a. verbesserte Eigenschaften der Seitenwände der Vertiefung und hoher Durchsatz beim Ätzprozess, in direktem Widerspruch, da beispielsweise ein höherer Prozessdruck als einer der Prozessparameter in einem Ätzprozess, der zur Erhöhung der Ätzrate führen würde, auch gleichzeitig die Rauheit der Seitenwände erhöhen würde. Dies trifft in besonderem Maße auf Strukturen bzw. Vertiefungen mit großem Aspektverhältnis zu, da der obere bis mittlere Tiefenbereich der Struktur der Einwirkung des Ätzprozesses während der gesamten Zeitdauer unterliegt, die für das Erreichen der gesamten Strukturtiefe erforderlich ist.
In typischen Anwendungsfällen wird daher zur Vermeidung der Beeinträchtigung der Funktion und zur Beibehaltung eines gewissen gewünschten Fertigungsdurchsatzes eine kostenintensive und zeitintensive Entwicklungsphase für den Rezeptaufbau derartiger Prozesse durchlaufen. Es zeigt sich jedoch, dass trotz dieses hohen Aufwandes häufig gewisse Anforderungen für die Spezifizierung, beispielsweise hinsichtlich der Strukturgeometrie, den Prozessbedingungen, den Produktionsbedingungen, den Vorgaben für die elektrische Funktion, den Prozesskosten und den Entwicklungszeiten, nicht wunschgemäß eingehalten werden können.
Es ist daher eine Aufgabe der (beanspruchten) Erfindung, technische Wege anzugeben, mit denen die zuvor genannte Problematik bei der Herstellung von Strukturelementen in Form von Vertiefungen zumindest teilweise behoben werden kann, um damit geeignete Strukturelemente mit effizienterer Ausbeute und geringerer Bearbeitungszeit zu erhalten.
Erfindungsgemäß wird das zuvor genannte Problem durch die Erfindungen gelöst, die in den unabhängigen Ansprüchen 1, 12 oder 20 genannt sind.
Dabei wird das grundlegende erfindungsgemäße Konzept umgesetzt, dass die konventionelle Prozessabfolge zur Herstellung von Strukturen mit großen Aspektverhältnis, wie sie beispielsweise zuvor im einleitenden Teil beschrieben ist, in mindestens zwei voneinander unabhängige (oder eigenständige) Ätzsequenzen aufgespaltet wird. Durch dieses Vorgehen wird die herzustellende Struktur, insb. Vertiefung in zwei oder mehr Tiefenbereiche unterteilt, die aufgrund des Vorsehens einer Schutzschicht auf zuvor erzeugten Tiefenbereichen zu einer Unabhängigkeit eines Ätzergebnisses eines oder mehrerer zuvor ausgeführter Ätzprozesse von einem als nächstes auszuführenden Ätzprozess führt. Es werden definierte Abschnitte für einzelne Ätzschritte festgelegt, sodass die Ätzwirkung in jeder unabhängigen Ätzsequenz ausschließlich in dem für sie ausgewählten Tiefenbereich zur Entfaltung kommt. Somit werden bereits hergestellte Strukturanteile während des weiteren Ätzverlaufs nicht oder nur sehr wenig beeinflusst.
Beispielsweise wird gemäß Anspruch 1 eine Vertiefung in einem Substratmaterial durch einen ersten Prozess hergestellt und es wird hernach eine Schutzschicht an der oder den Seitenwänden der Vertiefung erzeugt. Die Vertiefung wird in einem weiteren Ätzprozess weiter behandelt, bis der Boden der Vertiefung eine Tiefe erreicht, die tiefer als die erste Tiefe liegt. Die Anwesenheit der Schutzschicht entfaltet während des zweiten Ätzprozesses eine gewünschte schützende Wirkung für die bereits während des ersten Ätzprozesses erzeugten Seitenwände, sodass diese kaum oder nicht durch den weiteren Ätzprozess beeinflusst werden.
Die Schutzschicht kann dabei in geeigneter Weise an der oder den Seitenwänden so hergestellt werden, dass nach Entfernung oder Reduzierung der Schichtdicke der Schutzschicht an dem Boden der Vertiefung vor dem zweiten Ätzprozess die Schutzschicht an der oder den Seitenwänden selbst kaum abgetragen wird. Dazu kann die Schutzschicht ein Material mit hohem Ätzwiderstand oder als Ätzstoppmaterial in Bezug auf den zweiten Ätzprozess enthalten. Dadurch wirkt die Schutzschicht als eine Ätzmaske für die weitere Materialentfernung am Boden der Vertiefung während des zweiten Ätzprozesses. Die anfänglichen lateralen Abmessungen der Vertiefung während des ersten Prozesses, die beispielsweise durch das Vorsehen eine entsprechende Ätzmaske festgelegt wird, können dabei so abgestimmt werden, dass die Anwesenheit der Schutzschicht während des zweiten Ätzprozesses berücksichtigt ist. Wenn also während des zweiten Ätzprozesses nur wenig Materialabtrag der Schutzschicht erfolgt, kann der Innendurchmesser der Schutzschicht zur Steuerung der lateralen Abmessungen der Vertiefung während des zweiten Ätzprozesses angewendet werden. Insbesondere wenn die Schutzschicht nach der Herstellung der vollständigen Vertiefung während der weiteren Bearbeitung nicht entfernt wird, kann damit ein gewünschter kontinuierlicher Verlauf der Innenabmessungen und der Form der Vertiefung nach dem Ende des zweiten Ätzprozesses erreicht werden.
In anderen Ausführungsformen wird die Schutzschicht an einer geeigneten Stelle im gesamten Prozessablauf entfernt, sodass sich gegebenenfalls in den Bereichen der Vertiefung, in denen die Schutzschicht während eines oder mehrerer nachfolgender Ätzprozesse wirksam war, ein größerer Querschnitt ergeben kann. Somit kann die Schutzschicht selbst zur aktiven Geometriebildung der Vertiefung eingesetzt werden, sodass mit der Schutzschicht und den Schutzschichten, wenn mehr als zwei Ätzprozesse zur Anwendung kommen, sich nicht nur die Unabhängigkeit der einzelnen Ätzprozesse ergeben, sondern sie auch ein Gestaltungsmittel zur Einstellung der gewünschten Geometrie ist.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren können Strukturen, die eine Vertiefung in einem Ausgangsmaterial bzw. Substratmaterial benötigen, mit höherer Präzision, besserer Flexibilität in Bezug auf zu verwendende Rezepte, sowie mit hoher Produktivität hergestellt werden, wobei insbesondere Strukturen mit hohem Aspektverhältnis effizient erzeugt werden können.
Die Verwendung zweier oder mehrerer Ätzprozesse, wobei der oder die weiteren Ätzprozesse nach dem anfänglichen Ätzprozess auf der Grundlage einer entsprechenden zumindest lateralen Schutzschicht ausgeführt werden, kommt auch im zweiten Aspekt gemäß z.B. dem Anspruch 12 zum Tragen.
Der erste Ätzprozess oder die anfängliche Ätzsequenz beginnt beispielsweise in Ausführungsformen mit der Herstellung einer Maskierungsschicht, die auf das Substrat aufgebracht und unter Verwendung von Standardverfahren der Halbleitertechnik strukturiert wird. Dabei kann das Substrat vorverarbeitet oder noch relativ unbearbeitet sein. Durch die Bereitstellung einer Maskierungsschicht, die anschließend strukturiert wird, können die lateralen Abmessungen und die Formen der jeweiligen Strukturelemente bzw. Vertiefungen zumindest im oberen Bereich festgelegt werden. Der erste Ätzprozess bzw. das anfängliche Ätzen erfolgt unter Anwendung eines DRIE-Prozesses, sodass die laterale Struktur der Maskierungsschicht in das Substratmaterial übertragen wird, wobei jedoch in Abhängigkeit von den gewählten Prozessparametern für den ersten Ätzprozess bzw. den anfänglichen Ätzprozess eine gewisse Flexibilität für die Einstellung von Form und Seitenwandbeschaffenheit bleiben. Anders als bei der konventionellen Prozessabfolge wird dabei nicht die letztlich gewollte oder erforderliche volle Tiefe (Endtiefe) des Strukturelements hergestellt, sondern dieser erste Ätzprozess oder der anfängliche Ätzprozess wird nur speziell für diesen Abschnitt mit speziell gewählten Prozessparametern ausgeführt, sodass die erste Tiefe erhalten wird, die nicht der gewünschten Endtiefe entspricht. D.h., der Prozessablauf, der in konventionellen Prozessen kontinuierlich ausgeführt wird, bis die Solltiefe erreicht ist, wird erfindungsgemäß unterbrochen, und es wird nach der ersten Ätzsequenz eine Schutzschicht erzeugt, die aus einem beliebigen, aber geeigneten Material, z. B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, oder dergleichen aufgebaut ist.
Die Schutzschicht wird vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das sich von dem Material des Substrats unterscheidet, sodass ein erhöhter Ätzwiderstand erhalten wird (z.B. Anspruch 2, Anspruch 11, Anspruch 12, Anspruch 25).
Materialien für die Schutzschicht(en) sind ein Oxidmaterial, ein metallisches Material, zum Beispiel Aluminium, oder ein metallischer Hartstoff, wie TiN. Auch hier nicht genannte Werkstoffe können Anwendung finden.
Die Schutzschicht kann am temporären Boden der Vertiefung, also dem Boden des aktuellen Tiefenabschnitts, in ihrer Schichtdicke reduziert oder von dem Boden vollständig entfernt werden, wozu ein geeigneter Ätzprozess mit stark anisotropen Verhalten eingesetzt wird, beispielsweise in Form eines plasmaunterstützten Ätzprozesses, in welchem die Parameter so gewählt sind, dass vorzugsweise der Ätzabtrag in der Tiefenrichtung erfolgt und die gewünschte Ätzraten erreicht wird, während der Materialverlust in lateraler Richtung gering ist. Auf diese Weise wird das Material der Schutzschicht an den bislang erzeugten Seitenwänden der Vertiefung im Wesentlichen beibehalten, während andererseits am Boden der bislang erzeugten Vertiefung ein weitergehendes effizientes Ätzen möglich ist, ohne starke Einwirkungen auf die von der Schutzschicht abgedeckten Seitenwandbereiche hervorzurufen. Die zuvor erhaltenen Eigenschaften der bislang erzeugten Seitenwände werden weitestgehend erhalten.
Soweit von Seitenwänden (im Plural) gesprochen wird, sind bei einer Struktur, insbes. Vertiefung, mit zum Beispiel einem runden Querschnitt Seitenwandabschnitte gemeint. Alternativ bei polygonalen Querschnittsformen sind die mehreren geradlinigen Seitenwandstücke als Seitenwände gemeint, zum Beispiel diejenigen eines Höhenbereichs einer Struktur. Werden mehrere Strukturelemente parallel gefertigt, sind naturgemäß mehrere Seitenwände in den mehreren Strukturen vorhanden.
Der zweite Ätzprozess bzw. die weitere Prozesssequenz wird nach der Erzeugung der Schutzschicht mit einem DRIE-Ätzprozess fortgesetzt, wobei dieser Vorgang so ausgeführt werden kann, dass dabei entweder die angestrebte Endtiefe der Struktur erreicht wird, oder aber eine noch weitere Prozesssequenz durchgeführt wird, um die Solltiefe des Strukturelements zu erreichen. Es können dabei mehrere Prozesssequenzen aneinandergereiht werden, sodass nach Abschluss der letzten Prozesssequenz die gewünschte Tiefe erreicht ist (Solltiefe, Endtiefe).
In einigen Ausführungsformen folgen dabei die sequenziellen Ätzschritte bzw. Prozesssequenzen ohne weitere Unterbrechung nacheinander, sodass erst nach Erreichen der Endtiefe der Vertiefung weitere Fertigungsprozesse durchgeführt werden, die beispielsweise der Weiterverarbeitung der hergestellten Vertiefung und/oder der Erzeugung weiterer Strukturelemente dienen.
In anderen Varianten wird die erfindungsgemäße Strategie auf unterschiedliche Prozessabschnitte des Gesamtprozessablaufs zur Herstellung eines Bauelements aufgeteilt, sodass beispielsweise nach dem Aufbringen der einen oder mehreren Schutzschichten weitere Prozessschritte folgen können, die nicht zur weiteren Strukturierung des bereits hergestellten Abschnitts der Vertiefung dienen, da gegebenenfalls produktionsspezifische Gegebenheiten es effizienter erscheinen lassen, zunächst andere Prozesse auszuführen. Durch das Vorsehen der Schutzschicht kann dabei die Unversehrtheit des bislang hergestellten Teils der Vertiefung erreicht werden. An einer geeigneten Stelle des Gesamtablaufs für die Herstellung von sprechenden Bauelementen kann auf der Grundlage der zuvor erzeugten Schutzschicht die Strukturierung der Vertiefung fortgesetzt werden, wie dies auch zuvor beschrieben ist. Insbesondere können derartige längere Unterbrechungen, in denen Prozesse für andere Strukturelemente ausgeführt werden, wiederholt genutzt werden, wenn die in Betracht stehende Tiefe ohnehin in drei oder mehr Prozesssequenzen zu strukturieren ist.
Das Auftrennen des Strukturierungsvorgangs für Vertiefungen, insbesondere für Vertiefungen mit großem Aspektverhältnis, in mindestens zwei voneinander unabhängige Ätzprozesse bietet für die Herstellung derartiger Strukturen in der Halbleiterfertigung wesentliche Vorteile. Generell wird die Komplexität des jeweiligen Vorgangs deutlich reduziert, d.h., der Aufwand für die Erstellung eines entsprechenden Ätzrezepts wird deutlich entschärft, da entsprechende Ätzbedingungen nur über einen begrenzten Bereich der gesamten Erstreckungstiefe bei der Strukturierung eingehalten werden müssen. Damit können bereits wesentliche Einschränkungen, die sich diesbezüglich durch den konventionellen „einstufigen“ Ätzprozess ergeben, behoben werden.
Somit ist es erfindungsgemäß möglich, einen entsprechenden zeitlichen Abschnitt des Strukturierungsvorgangs, d.h. eines jeweiligen Ätzprozesses, nur auf den für ihn bestimmten Tiefenbereich der Struktur abzustimmen, sodass die ausgewählten Tiefenbereiche unabhängig voneinander und entsprechend den gewünschten Spezifikationen bearbeitet werden können.
Dabei können die während einer Ätzsequenz erzeugten Seitenwände mit ihren Eigenschaften während der weiteren Strukturierung der Vertiefung beibehalten werden, da insbesondere die für das tiefe reaktive lonenätzen typischen parasitären Effekte, wie loneneinschläge an der Seitenwand, vermieden werden.
Durch die Möglichkeit der unabhängigen Wahl der Parameter der einzelnen Ätzprozesse können somit Prozesse mit höherer Ätzrate und niedriger Ätzrate miteinander kombiniert werden, ohne dass bei jeweiligen Ätzrezepten Vorkehrungen für den Schutz von bereits erzeugten Seitenwänden in umfangreicher Weise getroffen werden müssen, wie dies in konventionellen Vorgehensweisen der Fall ist. Dadurch können in der Regel Vorteile im Hinblick auf die Gesamtstrukturierungszeit gegenüber konventionellen Strategien erreicht werden, sodass der Durchsatz ansteigt, ohne dass dabei ein Kompromiss bezüglich der Qualität der Seitenwände, zumindest in bestimmten Bereichen der Vertiefung, in Kauf genommen werden müssen.
Durch das erfindungsgemäße Konzept ergeben sich auch Vorteile im Hinblick auf eine höhere Prozessstabilität, einer Universalität und Sicherheit einer Fertigungsumgebung, was insbesondere für Auftragsarbeiten im Rahmen der Herstellung von Halbleiterbauelementen äußerst wichtig ist. Es kann also gewährleistet werden, dass ein hohes Maß an Kontinuität für die Strukturierung von Vertiefungen zugesagt werden kann, selbst wenn sehr viele unterschiedliche Produkte in einer Fertigungsanlage zu verarbeiten sind und/oder wenn längere Zwischenräume zwischen der Herstellung ähnlicher Produkte aufgrund der Auftragslage auftreten. Diese Kontinuität ist insbesondere wichtig, wenn sich die Art der Produkte ständig ändert, sodass beispielsweise Spezifikationen der zu strukturierenden Vertiefungen selbst geändert werden, so das Aspektverhältnis, oder auch sich generell die Ätzbedingungen verändern, da beispielsweise die „Dichte“ der Vertiefungen auf der Trägerscheibe zu ändern ist, sodass sich ein anderer Anteil an „offenen“ Bereichen während des Ätzprozesses ergibt.
Die erhöhte Kontinuität, d.h. die verbesserte Prozessstabilität, die Universalität und die Sicherheit bzw. Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Strukturierungsprozesses ist besonders vorteilhaft für Fertigungsumgebungen, in denen häufig verschiedene Anlagen für das DRIE-Ätzen für gleiche oder ähnliche Produkte einzusetzen sind, da typischerweise sehr unterschiedliche Anforderungen im Hinblick auf die Verarbeitung von Produkten und die Verfügbarkeit von Anlagen und dergleichen zu berücksichtigen sind. Generell bietet der „modulare“ Aufbau des Ätzprozesses bis zur endgültigen Fertigstellung der entsprechenden Strukturelemente bzw. Vertiefungen generell Vorteile im Hinblick auf die Anlagenausnutzung sowie auch auf Reaktionsmöglichkeiten im Hinblick auf Reparaturen, und dergleichen, da gegebenenfalls auch andere Prozesse in den erfindungsgemäßen Strukturierungsprozess „eingefügt“ werden können, bevor die endgültige Tiefe der Strukturelemente erreicht ist, wie zuvor dargelegt.
Zu weiteren Vorteilen gehören auch die bessere Homogenität von Substrat zu Substrat sowie auch innerhalb einzelner Substrate, da typischerweise die einzelnen steuerbaren Prozessabschnitte eine deutlich geringere Variabilität zeigen als ein einzelner, langer, kontinuierlicher Ätzprozess des konventionellen Verfahrens. Bei Auftreten entsprechender Prozessabweichungen kann ferner wesentlich flexibler reagiert werden, indem ein oder mehrere Parameter eines Abschnitts oder mehrere Abschnitte entsprechend gesteuert werden, ohne dabei große Auswirkungen auf das Endergebnis befürchten zu müssen. Wenn beispielsweise eine unangemessene Abweichung der Endtiefe beobachtet wird, können entsprechende Steuerungsmaßnahmen auf mehrere Ätzschritte aufgeteilt werden, die jeweils für sich besser steuerbar und generell weniger anfällig für Prozessschwankungen sind.
Ein Bauelement, das gemäß den zuvor genannten Strategien hergestellt ist, hat eine Vertiefung mit einem Aspektverhältnis von insbesondere fünf oder größer (Anspruch 18). Es können Seitenwandbereiche vorgesehen sein, die von keiner, einer oder mehreren Schutzschichten bedeckt sind. Ein Seitenwandbereich kann keine Schutzschicht aufweisen, insbesondere der näher am Boden der Endtiefe liegende.
Dieses erfindungsgemäße Bauelement kann beispielsweise als eine Durchkontaktierung in einem Halbleiterbauelement ausgebildet sein, wobei aufgrund des zuvor beschriebenen Konzepts verbesserte Eigenschaften der entsprechenden Durchkontaktierung und somit auch des elektrischen Verhaltens aufgrund der besser definierbaren Eigenschaften der Seitenwände erreicht werden.
In anderen Aspekten können entsprechende Vertiefungen in Form von Kavitäten oder Sacklöchern vorgesehen werden, die ebenfalls aufgrund der effizienteren Strukturierung, wie sie zuvor beschrieben ist, auch strukturell verbesserte Eigenschaften haben, insbesondere in Form der reduzierten bzw. gut steuerbaren Seitenwandrauheit.
Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten sind auch den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Die Ausführungsformen der Erfindung sind anhand von Beispielen dargestellt und nicht auf eine Weise, in der Beschränkungen aus den Figuren in die Patentansprüche übertragen oder hineingelesen werden. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren geben ähnliche Elemente an.

1 ist ein Ablaufdiagramm eines konventionellen Prozessablaufs zur Erzeugung tiefer Strukturen in einem Substrat unter Anwendung eines einzelnen, kontinuierlichen DRIE-Ätzprozesses.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Vertiefungen in einem Substrat unter Anwendung von zwei oder mehr Ätzprozessen mit einer oder mehreren Schutzschichten.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Bauelements 100, das unter Anwendung eines mehrstufigen Ätzverfahrens gestellt wird.
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Bauelements 100 bei der Herstellung einer Durchkontaktierung auf der Grundlage mindestens zweier unabhängiger Ätzprozesse.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 weitere Ausführungen detaillierter beschrieben, wobei - bei Bedarf - auch auf den konventionellen Prozess, der in 1 gezeigt ist, verwiesen wird.
2 zeigt einen Ablauf in schematischer Weise, in welchem die Strukturierung einer Vertiefung, insbesondere einer Vertiefung mit großem Aspektverhältnis von fünf und größer, in mindestens zweistufiger Weise ausgeführt wird.
S bezeichnet Schritte oder Stufen der Bearbeitung.
Bei S21 erfolgt die Bereitstellung eines Substrats, beispielsweise eines Substrats, das ein Halbleitermaterial aufweist, in welchem ein oder mehrere Strukturelemente in Form von Vertiefungen zu erzeugen sind. Das Substrat kann dabei als ein insbesondere im Wesentlichen unbearbeitetes Substrat bereitgestellt werden, wenn dies für die gesamte Bearbeitung des Substrats und die daraus zu erzeugenden Bauelemente geeignet ist. In anderen Fällen kann eine Vorverarbeitung an dem Substrat bereits erfolgt sein, beispielsweise können andere Elemente in Form von elektronischen Komponenten bereits zu einem gewissen Grade auf dem Substrat fertiggestellt sein. Wenn beispielsweise das Substrat ein Halbleitersubstrat repräsentiert, in und auf welchem unter anderem Transistorelemente hergestellt werden, für die eine geeignete Kontaktierung herzustellen ist, die beispielsweise durch das Substrat oder zumindest einen gewissen Abschnitt erfolgt, können entsprechende Transistorelemente unter Anwendung einer geeigneten Prozesstechnik, beispielsweise einer CMOS-Technik hergestellt bzw. bis zu einem anfänglichen Fertigungsgrad hergestellt werden.
Bei S22 beginnt die eigentliche Herstellung der Strukturelemente in dem Substrat, in Form von Vertiefungen, die beispielsweise für die Erzeugung von Kontaktdurchführungen dienen. Aber auch alle anderen Arten von Vertiefungen oder Öffnungen können repräsentiert sein, wobei insbesondere Strukturelemente mit einem hohen Aspektverhältnis, beispielsweise von 5 oder größer, vorteilhaft auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Konzepts hergestellt werden können.
Bei S23 beginnt die Prozessabfolge, beispielsweise durch Transport der entsprechenden Substrate zu einer geeigneten Prozessanlage.
Bei S24 beginnt eine erste Ätzsequenz, die in vorteilhaften Ausführungsformen die Herstellung einer Maskierungsschicht bei S25 beinhaltet, die dann durch geeignete Strategien bei S26 strukturiert wird. Wie beispielsweise zuvor im Zusammenhang mit der 1 beschrieben ist, können die Schritte S25 und S26 unter Anwendung etablierter Prozessstrategien durchgeführt werden.
Nach der Festlegung der lateralen Abmessungen des zu erzeugenden Strukturelements bzw. der Vertiefung durch die Strukturierung der Maskierungsschicht im Schritt S26 wird das Substrat im Schritt S27 einem tiefen reaktiven lonenätzen (DRIE) unterzogen, wobei die Ätzparameter so ausgewählt sind, dass sie ein gewünschtes Ergebnis bezüglich der Seitenwandqualität, der Ätzraten und dergleichen zur Folge haben. Es ist eine erste Tiefe zu erreichen, die nicht der Endtiefe der in Rede stehenden Vertiefung entspricht. Während dieses Ätzvorgangs können die Ätzparameter so ausgewählt werden, dass sie für das Erreichen einer ersten, vorläufigen Tiefe geeignet sind und dabei auch andere Eigenschaften, beispielsweise Rauheit der Seitenwände, und dergleichen in ausreichender Weise berücksichtigt werden.
Durch die Begrenzung des Ätzprozesses auf eine erste Tiefe, die kleiner als die Endtiefe als zweite Tiefe ist, kann eine Optimierung bezüglich Seitenwandeigenschaften, Ätztiefe, Prozesszeit, effizienter und mit deutlich geringerem Aufwand erfolgen als in konventionellen Prozessen, wie sie zuvor im Rahmen der 1 beschrieben sind.
Im Schritt S28 ist der erste Ätzprozess beendet, sodass die erste Tiefe t₁ erreicht ist und eine vorläufige Qualität der entsprechenden Seitenwände erhalten wird.
Im Schritt S29 beginnt die nächste Prozesssequenz n+1, die ein Aufbringen einer Schutzschicht im Schritt S210 sowie einen weiteren tiefen reaktiven lonenätzprozess im Schritt S212 beinhaltet. Das Aufbringen der Schutzschicht kann dabei durch konventionelle Abscheideprozesse, z. B. durch CVD, erfolgen, wobei typischerweise Material auf horizontalen und vertikalen Flächen, d.h. auf Seitenwänden und einem Boden der zuvor erzeugten Vertiefung, abgeschieden wird.
Entsprechende Prozessrezepte für das Abscheiden von geeigneten Materialien, so Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Materialien mit großer Dielektrizitätskonstante, Materialien mit kleiner Dielektrizitätskonstante, von leitenden Materialien, und dergleichen sind gut bekannt und können entsprechend den gewünschten Eigenschaften der entsprechende Vertiefungen verwendet werden.
In vorteilhaften Ausführungsformen hat dabei das Material der gebildeten Schutzschicht eine hohe Ätzwiderstandsfähigkeit. Die Schicht ist ausgebildet als (laterale) Ätzstoppschicht, also als Stoppschicht für einen horizontalen Materialabtrag während des nachfolgenden Ätzvorgangs.
Somit können Materialzusammensetzung und auch die Schichtdicke der Schutzschicht den Erfordernissen angepasst werden, sodass ein hohes Maß an Flexibilität besteht, um auf vorgegebene Erfordernisse zu reagieren. Beispielsweise kann die Schichtdicke variiert werden, wenn im weiteren Verlauf eine größere oder kleinere laterale Abmessung der zu erzeugenden Vertiefung gewollt ist, wenn sich beispielsweise während der Prozessüberwachung zeigt, dass eine Korrektur für nachfolgend zu bearbeitende Substrate erforderlich ist.
In bevorzugten Anführungsformen erfolgt nach dem Aufbringen der Schutzschicht auf Seitenwandbereiche der Vertiefung ein Materialabtrag am Boden der entsprechenden Vertiefung, wie dies im Schritt S211 gezeigt ist. Dazu wird beispielsweise eine reaktive Ionenätzung auf der Grundlage eines Plasmas ausgeführt, sodass sich ein gerichteter Materialabtrag durch eine voranschreitende Ätzfront erreichen lässt. Beispielsweise wird die physikalische Komponente, d.h., der lonenbeschuss auf die horizontale Fläche, beim Materialabtrag entsprechend erhöht, sodass vorzugsweise Material am Boden abgetragen wird, während der Materialabtrag der Schutzschicht an den Seitenwänden relativ gering ist. Diesbezüglich sind ebenfalls gut etablierte Prozessrezepte anwendbar.
Im Schritt S23 ist die Prozesssequenz beendet und es können sich optionale Nachbearbeitungsprozesse anschließen, wie dies im Schritt S214 gezeigt ist. Beispielsweise kann eine Reinigung erfolgen, die Maskierungsschicht kann entfernt werden oder es kann eine Entfernung oder eine Materialreduzierung der Schutzschicht erfolgen.
Im Schritt S215 ist der Strukturierungsvorgang für das Element in Form einer Vertiefung abgeschlossen, wenn die gesamte Strukturierungssequenz darauf abgestimmt ist, die Endtiefe der Vertiefung in zwei unabhängigen Ätzprozessen zu erreichen.
Es können sich dann weitere Fertigungsprozesse anschließen, wie Schritt S216 zeigt.
Wenn es für das Erreichen der gewünschten Eigenschaften und der gewünschten Tiefe des Strukturelements in dem Substrat besser geeignet ist, dass mehr als zwei Ätzprozesse ausgeführt werden, können je nach Planung ein oder mehrere weitere Prozesssequenzen S212b ausgeführt werden, die beispielsweise die Schritte S210, S211, S212 enthalten, wie S212a' als Beginn der Wiederholung S212a zeigt.
Schritt S212a fragt ab, ob die spezifizierte Tiefe erreicht wurde. Ist sie erreicht (y) führt der Prozess bei S213 fort, er endet also. Sonst (n) folgt eine weitere Prozesssequenz S212b mit den dargelegten Schritten S210 bis S212.
Auf diese Weise lassen sich auch relativ komplexe Vertiefungen mit gewünschten Seitenwandeigenschaften und gewünschter Endtiefe in modularer Weise strukturieren, wobei die einzelnen Module 212a, d.h., die Schritte S210, S211, S212, in einfacher Weise anpassbar bzw. auswählbar sind, sodass die gewünschten Endergebnisse erreicht werden, wie zuvor erklärt.
Es sollte beispielsweise zumindest einer der Ätzprozesse mit hoher Ätzrate ausführbar sein, dagegen ein weiterer Ätzprozess mit relativ geringer Rate ausgeführt werden, um beispielsweise in höherem Maße die Eigenschaften der Seitenwände in den entsprechenden Tiefenabschnitten einstellen zu können.
Auch wenn mehrere Prozesssequenzen mit unterschiedlichen Prozessparametern ausgeführt werden, ergibt sich durch die Modularisierung des gesamten Strukturierungsvorgangs ein besseres Gesamtverhalten, da die Ätzparameter eines Ätzprozesses keine Auswirkungen auf das Ätzergebnis des vorhergehenden Prozesses haben. Ferner kann eine verbesserte Prozesssteuerung dadurch erfolgen, dass gegebenenfalls ein Prozessparameter in einem nachfolgenden Prozess leicht variiert wird, um insgesamt die Variabilität der fertig gestellten Vertiefungen zu verringern.
Mit Verweis auf 3 und 4 werden weitere Ausführungsbeispiele beschrieben, in denen Bauelemente auf Halbleiterbasis auf der Grundlage der zuvor beschriebenen Prozessstrategie hergestellt werden.
3 zeigt ein vereinfacht dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 im Querschnitt, in welchem ein Strukturelement 15 in Form einer Vertiefung in einem Substrat 1 auf der Grundlage dreier unabhängiger oder eigenständiger Ätzprozesse hergestellt wird. Beispielsweise kann das Strukturelement 15 für diverse medizinische Anwendungen ausgebildet sein oder werden, wobei Gestaltung und Aufbau der funktionalen Schichten auf einer Vorderseite 2 (unten im Bild) des Substrats 1 anwendungsabhängig variiert werden können.
Wie gezeigt, wird die Vertiefung 15 ausgehend von einer Rückseite 3 (oben im Bild) des Substrats 1 mit einer Solltiefe bzw. Endtiefe t₁₄ hergestellt, wobei dies durch im Beispiel drei aufeinander folgende Ätzprozesse bewerkstelligt wird.
Das Bauelement 100 weist in dem gezeigten Fertigungsstadium die Vertiefung 15 mit einer ersten lateralen Schutzschicht 8 und einer zweiten lateralen Schutzschicht 13 auf. Die Schutzschichten 8 und 13 sind jeweils aus einem oder mehreren Materialien aufgebaut, die sich in bevorzugten Ausführungsformen von dem Material des Substrats 1 unterscheiden, sodass die Materialien des Schutzschichten 8, 13 ein anderes Ätzverhalten erbringen als das Material des Substrats 1, das durch entsprechende Ätzprozesse abzutragen ist. Insbesondere werden die Materialien der Schutzschichten 8 und 13 als Materialien mit einem hohen Ätzwiderstand in Bezug auf die angewendeten Ätzrezepte vorgesehen, beispielsweise ein Oxidmaterial. Andere Materialien für die Schutzschichten 8 oder 13 sind ein metallisches Material, zum Beispiel Aluminium, oder ein metallischer Hartstoff, wie TiN. Auch hier nicht genannte Werkstoffe können Anwendung finden.
Ferner ist eine Maskierungsschicht 5 vorgesehen, die eine Öffnung 5A aufweist (vor Abscheiden der Schutzschichten 8, 13), die somit im Wesentlichen die laterale Form und die Abmessungen der Vertiefung 15 festlegt, wobei die lateralen Abmessungen je nach Tiefenbereich auch durch die Schutzschicht 8 und/oder durch die Schutzschicht 13 festgelegt sind, insbesondere wenn diese Schutzschichten nicht mehr vollständig im weiteren Verlauf entfernt werden.
Die Maskierungsschicht 5 ist in dem gezeigten Beispiel ein Maskenmaterial, das relativ beständig ist, sodass darauf die Schutzschichten 8, 13 abgeschieden werden können. In anderen Varianten ist in dieser Fertigungsphase die Maskierungsschicht 5 bereits wieder entfernt, wenn sie beispielsweise in Form eines Polymermaterials vorgesehen ist.
Die Vertiefung 15 wird hergestellt, indem zunächst die Maskierungsschicht 5 auf die Rückseite 3 des Substrats 1 aufgebracht wird, wozu bekannte Verfahren angewendet werden können. Beispielsweise wird die Schicht 5 als ein geeignetes Maskenmaterial abgeschieden, z. B. durch CVD, Aufschleuder-Techniken, oder dergleichen. Es erfolgt eine Strukturierung des Maskenmaterials selbst, auf der Grundlage eines Lithographie-Vorgangs, oder es wird eine weitere Maske in Form eines Lacks aufgebracht, die nachfolgend durch Lithographie strukturiert und zur Strukturierung der Maskierungsschicht 5 verwendet wird.
Anschließend wird erster DRIE-Prozess angewendet, dessen Prozessparameter so ausgewählt sind, dass sich eine gewünschte erste Beschaffenheit von Seitenwänden 6 ergibt und eine erste Tiefe 7 erreicht wird (auch t₇). Ein entsprechender temporärer Boden B7 eines Vorläufers der Vertiefung 15, der im Endzustand bei der Tiefe 14 liegt (auch t₁₄), ist nach dem ersten Ätzprozess in der Tiefe 7 (auch t₇) erzeugt.
Nach dem Ende S28 der ersten Ätzsequenz wird eine weitere Prozesssequenz ausgeführt, zu deren Beginn die Schutzschicht 8 aufgebracht wird, so dass der (nicht mehr dargestellte) Boden B7 und die Seitenwände 6 durch die Schutzschicht 8 abgedeckt sind. Dabei werden typischerweise auch andere horizontale Flächenstücke über der Oberfläche 3 mit dem Material der Schutzschicht 8 bedeckt, wie abgebildet.
Die Art der Materialzusammensetzung der Schutzschicht 8 wird in Abhängigkeit von dem gewünschten weiteren Verlauf des Strukturierungsvorgangs ausgewählt und kann in Form eines ätzresistiven Materials erfolgen, wenn eine große Unversehrtheit auch der Schutzschicht 8 während des Ätzprozesses als vorteilhaft erachtet wird.
Material und Schichtdicke der Schutzschicht 8 können so ausgewählt sein, dass ein hohes Maß an Unversehrtheit der bis dahin erzeugten Seitenwände 6 in einem nachfolgenden Ätzprozess gewährleistet ist. Beispielsweise können Materialien in Form von Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, und dergleichen mit einer Dicke im Bereich von 10nm bis mehrere 100nm angewendet werden. Andere Materialien wurden weiter vorne für die Schutzschicht(en) vo rgeschlagen.
Nach der Abscheidung der Schutzschicht 8 wird typischerweise eine reaktive Ionenätzung angewendet, die stark gerichtet ist, sodass beispielsweise in 3 eine bevorzugte Ätzrichtung vertikal verläuft. Diesbezüglich gibt es eine Vielzahl geeigneter Ätzrezepte, die für ein sehr anisotropes Ätzverhalten bei einer Vielzahl von Materialien sorgen. Auf diese Weise wird das Material der Schutzschicht 8 bevorzugt an dem vorläufigen Boden B7 abgetragen, sowie auch auf horizontalen Flächen über der Oberfläche 3, während nur ein geringer Abtrag der Schutzschicht 8 an den bis dahin gebildeten ersten Seitenwänden 6 erfolgt, sodass dort eine hohe Schutzwirkung der Schicht 8 für nachfolgende Prozesse beibehalten wird.
Nach dem Strukturieren der Schutzschicht 8, also nach dem Abtragen von Material bevorzugt auf horizontalen Flächenabschnitten, insbesondere an dem aktuellen Boden B7 der Vertiefung 15, erfolgt ein zweiter Ätzprozess. Entsprechende Prozessparameter werden wiederum so ausgewählt, dass sich gewünschte Eigenschaften der nunmehr erzeugten Seitenwände 9 einstellen und eine zweite Tiefe 12 oder t₁₂ des aktuellen Bodens B12 erreicht wird, die in der aktuellen Ausführungsform jedoch nicht der Endtiefe 14 oder t₁₄ der Vertiefung 15 entspricht.
Während des zweiten Ätzprozesses (oder der zweiten Ätzsequenz) werden somit die Seitenwände 6 vor nachteiligen Auswirkungen der Ätzchemie des zweiten Ätzprozesses geschützt, während andererseits die Prozessparameter im zweiten Prozess so eingestellt sind, dass gewünschte Seitenwandeigenschaften der neu gebildeten Seitenwände 9 erreicht werden und auch die zweite Solltiefe t₁₂ erreicht wird.
Zum Erreichen der gewünschten Endtiefe t₁₄ bzw. des endgültigen Bodens B14 der Vertiefung 15 wird in diesem Ausführungsbeispiel eine weitere Prozesssequenz ausgeführt, in der zunächst eine zweite Schutzschicht 13 abgeschieden wird, wobei dies wiederum auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken erfolgen kann.
Das Material der zweiten Schutzschicht 13 kann dabei gleich dem Material der ersten Schutzschicht 8 sein oder kann eine andere Materialzusammensetzung haben, die in vorteilhaften Ausführungsformen einen hohen Ätzwiderstand in Bezug auf den dritten Ätzprozess hat, der nachfolgend auszuführen ist.
Zur Reduzierung der Schichtdicke oder zum vollständigen Entfernen des Materials der zweiten Schutzschicht 13 von dem weiterhin vorläufigen Boden B12 der Vertiefung 15 wird wiederum ein anisotroper, plasmagestützte Ätzprozess angewendet, wie dies auch zuvor bereits im Zusammenhang der Schutzschicht 8 und dem vorläufigen Boden B7 erläutert ist. D.h., während des Materialabtrags am temporären Boden B12 der Vertiefung 15 wird nur wenig Material der Schutzschicht 13 an den Seitenwänden 9 abgetragen, sodass die Seitenwände 6 und 9 praktisch unversehrt bleiben.
Daraufhin wird der dritte Ätzprozess angewendet, in welchem ebenfalls die Prozessparameter geeignet ausgewählt sind, sodass aus den von dem temporären Boden B12 in der zweiten Tiefe t₁₂ ein weiterer Materialabtrag so erfolgt, dass die an dem finalen Boden B14 angrenzenden unteren Seitenwände 16 die gewünschten Eigenschaften haben und der Boden B14 in der Endtiefe t₁₄ liegt (auch: angezielte Tiefe). Bei diesem abschließenden Ätzprozess bleiben die Eigenschaften der Seitenwände 6 und 9 aufgrund der Anwesenheit der Schutzschichten 8 und 13 praktisch erhalten.
In Ausführungsformen kann die Schutzschicht 8 durch einen schonenden Ätzvorgang entfernt oder in ihrer Schichtdicke reduziert werden, bevor die Schutzschicht 13 aufgebracht wird, wenn dies beispielsweise im Hinblick auf die weitere Bearbeitung und/oder im Hinblick auf die erreichbaren lateralen Abmessungen als vorteilhaft erachtet wird. Beispielsweise können nasschemische Ätzrezepte angewendet werden, in denen die Schutzschicht 8 selektiv zu dem Material des Substrats 1 entfernt wird, und infolge die Schutzschicht 13 abgeschieden wird.
An die Ausbildung der Vertiefung 15 auf der Grundlage dreier tiefer, reaktiver Ätzprozesse können sich bei Bedarf Nachbearbeitungen des Substrats anschließen, z. B. das vollständige oder teilweise Entfernen der ersten Schutzschicht 8, wenn nicht bereits entfernt, und der zweiten Schutzschicht 13, und/oder es können Reinigungsprozesse ausgeführt werden.
Nach Abschluss der Strukturierung der Vertiefung 15 können weitere Fertigungsprozesse ausgeführt werden, die für das Bauelement 100 geplant oder vorgesehen sind.
In anderen Ausführungsformen kann, wie dies bereits zuvor erläutert ist, eine Unterbrechung zum Ausführen anderer Fertigungsprozesse nach dem ersten und/oder dem zweiten Ätzprozess, d.h. nach dem Erreichen der ersten Tiefe t₇ und/oder nach dem Erreichen der zweiten Tiefe t₁₂, vorzugsweise nach dem Abscheiden der jeweiligen Schutzschichten 8, 13, vorgenommen werden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 das unter Anwendung der mit Verweis auf 2 beschriebenen Prozessstrategie hergestellt ist, wobei zwei unabhängige Ätzsequenzen zur Strukturierung einer Vertiefung angewendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine elektrische Durchkontaktierung mit großer Tiefe und daher großem Aspektverhältnis hergestellt.
Das Bauteil 100 weist in diesem Fertigungszustand auf einer Vorderseite 2 des Substrats 1 eine oder mehrere Komponenten 4 auf, die in einem mehr oder minder fertig gestellten Zustand sind. Beispielsweise können die Komponenten 4 beliebige funktionale Elemente repräsentieren, die durch eine geeignete Prozessortechnik hergestellt sind, beispielsweise unter Anwendung von CMOS-Prozessen, wenn entsprechende CMOS-Transistoren und andere Bauelemente vorzusehen sind.
Von der Rückseite 3 des Substrats 1 aus erstreckt sich eine Vertiefung 15 durch das Substrat 1 bis zu einer Tiefe 14', sodass ein Kontakt zu einer Materialschicht einer oder mehrerer der Komponenten 4 hergestellt wird. Beispielsweise wird mittels einer funktionalen Schicht 11 in Verbindung mit einer Isolationsschicht 10 eine leitende Verbindung zu einer Schicht 4B der funktionalen Komponente 4 hergestellt, durch eine entsprechende Isolationsschicht 4A hindurch, sodass ein elektrischer Kontakt entsteht, der von der Rückseite 3 des Substrats 1 zu der funktionalen Komponenten 4 verläuft und sie erreicht.
Die Vertiefung 15 in Form dieser Durchkontaktierung umfasst in diesen Zustand eine Schutzschicht 8, die sich bis zu einer ersten Tiefe 7 erstreckt und liegt an Seitenwänden 6 an, die eine gewünschte Beschaffenheit haben. Ferner sind in einem unteren Bereich der Vertiefung 15 Seitenwände 9 ausgebildet, die sich von der ersten temporären Tiefe 7 zu der Endtiefe 14 erstrecken und ebenfalls gewünschte Eigenschaften besitzen.
Das Bauelement 100 der 4 kann hergestellt werden, indem zunächst die funktionalen Komponenten 4 durch eine geeignete Prozesstechnik hergestellt werden oder bis zu einem bestimmten Grade fertig gestellt werden. Die Bearbeitung erfolgt in der Regel von der vorderen Oberfläche 2 des Substrats 1 aus.
In einer geeigneten Prozessphase des Bauelements 100 wird auf der Oberfläche 3 eine Maskierungsschicht 5 hergestellt, wobei dies in ähnlicher Weise bewerkstelligt werden kann, wie dies zuvor im Rahmen der 1 erläutert ist. D.h., die durch die Maskierung der Schicht 5 erhaltene Öffnung 5A wird verwendet, um im Wesentlichen die lateralen Abmessungen und deren Formen als Struktur, hier Vertiefung 15, festzulegen.
Anschließend wird ein erster DRIE-Prozess ausgeführt, um auf der Grundlage der Maskierungsschicht 5 bis zu der ersten Tiefe 7 zu gelangen, sodass die Seitenwände 6 und ein temporärer Boden B7 erzeugt werden, wobei die Prozessparameter so gewählt sind, dass die gewünschten Eigenschaften, beispielsweise im Hinblick auf Ätzzeit, Seitenwandbeschaffenheit, oder dergleichen erhalten werden. In der dargestellten Ausführungsform liegt die erste Tiefe 7 bei ungefähr 80 % der Endtiefe 14, sodass beispielsweise im Hinblick auf einen hohen Durchsatz ein Ätzrezept mit hoher Ätzrate eingesetzt wird, da diese Phase der Struktur bzw. Vertiefung 15 einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtprozesszeit ausübt. Dabei können aber, im Gegensatz zu konventionellen einstufigen Ätzverfahren, dennoch Prozessparameter geeignet so ausgewählt werden, dass der Zustand der Seitenwände 6 weiterhin noch konform ist mit den Anforderungen für beispielsweise eine Durchkontaktierung.
Anschließend wird die Schutzschicht 8 als geeignetes Material abgeschieden und bedeckt somit die zuvor erzeugten Seitenwände 6 und den Zwischenboden B7 der noch nicht fertig gestellten Vertiefung 15.
Ebenso wie bereits zuvor erläutert, wird Material der Schutzschicht 8 am Boden B7 durch einen äußerst anisotropen Ätzprozess entfernt, während ein wesentlicher Anteil der Schutzschicht 8 an den Seitenwänden 6 beibehalten wird.
Dazu sollte ferner beachtet werden, dass während dieses Ätzprozesses auch ein wesentlicher Anteil des Materials der Schutzschicht 8 auf horizontalen Gebieten über der Oberfläche 3 abgetragen werden kann, sodass dort gegebenenfalls nur ein Rest verbleibt. Typischerweise ist die Materialdicke der Schutzschicht 8 über horizontalen Bereichen der Oberfläche 3 größer als an den Seitenwänden 6 oder dem Zwischenboden B7.
Daraufhin wird ein zweiter Ätzprozess als DRIE-Prozess angewendet, um die Tiefe 14' zu erreichen. Typischerweise wird dieser zweite Ätzvorgang unter Anwendung anderer Ätzparameter ausgeführt als der vorhergehende Ätzprozess, wobei diese Ätzparameter ausgewählt werden können im Hinblick auf das Erreichen des gewünschten Zustands der Seitenwände 9, ohne dass die Beschaffenheit der Seitenwände 6 zu berücksichtigen ist, da diese weiterhin von der Schutzschicht 8 abgedeckt sind.
Nachdem der Boden B14 in der Endtiefe 14' gebildet wurde, können sich weitere Nachbearbeitungsprozesse anschließen, z. B. das Entfernen eines Teils oder des gesamten Materials der Schutzschicht 8 durch schonende, vorzugsweise nasschemische Ätzprozesse, und/oder es können sich Reinigungsprozesse, und dergleichen anschließen.
Im weiteren Verlauf wird zur Herstellung einer elektrisch leitfähig Durchkontaktierung auf Grundlage der nach obigen Rezepten gebildeten Vertiefung 15 die Isolationsschicht 10 hergestellt, die ein beliebiges geeignetes Material oder Materialien aufweisen kann und durch geeignete Abscheidetechniken aufgebracht wird. Anschließend wird die Boden-Isolationsschicht 10 an dem Boden B14' entfernt, wobei auch durch die Schicht 4A geätzt werden kann, die beispielsweise eine Isolationsschicht ist, um eine elektrisch leitfähige Schicht 4B der funktionalen Komponente 4 freizulegen. Daraufhin wird die funktionale Schicht 11 in Form eines leitfähigen Materials abgeschieden, um zumindest eine leitende Schicht herzustellen, wenn ein vollständiges Füllen der Vertiefung 15 nicht vorgesehen ist. Auf diese Weise wird ein leitfähiger Kontakt zwischen der Oberfläche 3 des Bauelements 100 und den in der Tiefe gelassenen funktionalen Komponenten 4 hergestellt.
In beiden Bauelementen 100 sind somit in einigen Ausführungsformen die Vertiefungen 15 so gebildet, dass in Bezug auf eine Mittelachse in vertikaler Richtung, also in Tiefenrichtung, die lateralen Abmessungen der Vertiefungen durch den Abstand der jeweiligen Seitenwände 6, 9, 16 zu der Mittelachse gegeben sind und unterschiedliche Werte aufweisen. Ferner sind in Ausführungsformen die Seitenwände in den verschiedenen Tiefenabschnitten aufgrund der jeweiligen Schutzschichten mit einer anderen Schichtfolge bedeckt.
Die skizzierten Beispiele der Erfindung(en) stellen also Prozessstrategien und daraus entstandene Bauelemente vor, in denen Vertiefungen mit großen Aspektverhältnis durch einen mehrstufigen Ätzprozess unter Anwendung einer oder mehrere Schutzschichten erzeugt werden, sodass geeignete Prozessparameter für entsprechende Tiefenabschnitte speziell und reproduzierbar eingestellt werden können, wodurch insgesamt die Robustheit des Strukturierungsprozesses für entsprechende Vertiefungen verbessert wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements in einem Substratmaterial, mit - Erzeugung einer Vertiefung (15) in dem Substratmaterial (1) durch Ausführen eines ersten Ätzprozesses, wobei die Vertiefung eine Seitenwand aufweist und einen ersten Boden (B7) hat, der in einer ersten Tiefe (t₇) liegt; - Bilden einer zumindest einer Schutzschicht (8,13) auf der Seitenwand (6); - Vertiefen oder Absenken des ersten Bodens (B7) der Vertiefung (15) durch Ausführen eines zweiten Ätzprozesses (S212) in Anwesenheit der Schutzschicht (8,13), wobei nach einem Ende des zweiten Ätzprozesses (S215) der Boden (B14) der Vertiefung in einer zweiten Tiefe (t₁₄) liegt, die tiefer ist als die erste Tiefe (t₇).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden der Schutzschicht (8,13) ein Abscheiden mindestens eines Materials mit hohem Ätzwiderstand bezüglich des zweiten Ätzprozesses auf der Seitenwand und dem Boden, und zumindest ein abschnittsweises Entfernen des Materials von dem Boden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Ätzprozess nach einem ersten Ätzrezept und der zweite Ätzprozess nach einem zweiten Ätzrezept ausgeführt wird, wobei das erste Ätzrezept sich von dem zweiten Ätzrezept unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner umfasst: Bilden einer zweiten Schutzschicht (13) über der Seitenwand nach dem zweiten Ätzprozess und Ausführen eines dritten Ätzprozesses in Anwesenheit der zweiten Schutzschicht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite Schutzschicht (13) auf der ersten Schutzschicht (8) und auf einem Abschnitt der Seitenwand gebildet wird, der durch den zweiten Ätzprozess erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei eine Dicke der ersten Schutzschicht (8) vor dem Bilden der zweiten Schutzschicht (13) reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei zum Erreichen einer Sollabmessung der Vertiefung (15) mindestens eine weitere Sequenz (S212a) mit Bilden einer weiteren Schutzschicht und Ausführen eines weiteren Ätzprozesses ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Substrat (1) ein Halbleitermaterial aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zumindest der erste Ätzprozess mit einer auf das Substrat (1) aufgebrachten Ätzmaske (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vertiefung (15) zur Herstellung einer Kontaktdurchführung entlang eines Abschnitts mit einem leitfähigen Material (11) gefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Material für die Schutzschicht(en) (8,13) ein Oxidmaterial, ein metallisches Material, insbesondere Aluminium, oder ein metallischer Hartstoff, wie TiN, ist.
Herstellverfahren für ein Strukturelement in einem Substratmaterial, das Verfahren mit - Bilden einer Ätzmaske (5,5A) auf einem Substrat; - Ausführen einer anfänglichen tiefen reaktiven Ionenätzung (S27) unter Anwendung der Ätzmaske zur Erzeugung einer Vertiefung (15) in dem Substrat; - Einstellen einer Endtiefe (t₁₄) der Vertiefung (15) durch Ausführen einer oder mehrere Prozesssequenzen (S212b), die jeweils ein Bilden einer Schutzschicht (S210) über einem Höhenabschnitt der Seitenwand (6,9) der Vertiefung (15) und Ausführen einer weiteren tiefen reaktiven Ionenätzung (S212) in Anwesenheit der Schutzschicht umfassen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bilden der Schutzschicht in einer der mehreren Prozesssequenzen umfasst: Abscheiden einer Ätzstoppschicht und Entfernen von Material der Ätzstoppschicht an einem Boden der Vertiefung (15).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Entfernen von Material der Ätzstoppschicht durch Ausführen eines anisotropen, plasma-unterstützen Ätzprozesses erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei mindestens ein Prozessparameter der weiteren tiefen reaktiven Ionenätzung anders eingestellt wird als in der anfänglichen tiefen reaktiven Ionenätzung, insbesondere anders eingestellt wird in mehreren Prozesssequenzen (S212b).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, mit einer Nachbehandlung der Vertiefung (15).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Nachbehandlung ein Ätzprozess zur Reduzierung einer Schichtdicke oder zur Entfernung mindestens einer der während der einen oder mehreren Prozesssequenzen (S212b) gebildeten Schutzschichten umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei nach der anfänglichen tiefen reaktiven Ionenätzung und/oder zwischen zwei der mehreren Prozesssequenzen (S212b) und/oder zwischen mehreren Prozesssequenzen eine Unterbrechung eingefügt wird, in der andere Strukturelemente in oder auf dem Substrat (1) hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei eine laterale Abmessung der Vertiefung (15) in einem Bereich von 100 nm bis 100 µm liegt, insbesondere oberhalb von 1 µm.
Bauelement mit einem Substrat (1), das aus einem ersten Material aufgebaut ist, und mit einer in dem Substrat (1) gebildeten Vertiefung (15) mit einem Boden (B14,B14') und Seitenwänden (6,9,16), bei einem Aspektverhältnis von mindestens fünf; einer ersten Schichtenfolge mit einer ersten Schutzschicht (8), die auf den Seitenwänden (6) eines oberen, von dem Boden (B14) entfernten Abschnitts der Vertiefung ausgebildet ist und aus mindestens einem zweiten Material aufgebaut ist, das sich von dem ersten Material unterscheidet; wobei eine Seitenwand (16) eines unteren, dem Boden (B14) nahen Bereichs der Vertiefung (15) keine Schutzschicht aufweist, sodass die Seitenwand (16) nach innen frei liegt.
Bauelement nach Anspruch 20, das ferner ein Funktionsmaterial (11) aufweist, das in der Vertiefung (15) über der ersten Schutzschicht (8) und über der Seitenwand (16) des unteren Bereichs der Vertiefung (15) ausgebildet ist, wobei das Funktionsmaterial aus einem dritten Material aufgebaut ist, das sich von dem ersten und zweiten Material unterscheidet.
Bauelement nach Anspruch 21, wobei das Funktionsmaterial (11) elektrisch leitfähig ist und die Vertiefung (15) in Verbindung mit der ersten Schutzschicht (8) und dem Funktionsmaterial (11) als Kontaktdurchführung ausgebildet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 22 bis 20, wobei mindestens eine weitere Schutzschicht (13) vorgesehen ist, die auf einem Seitenwandabschnitt in einem Bereich unter dem oberen Bereich ausgebildet ist und die Seitenwände des unteren Bereichs nicht bedeckt, und wobei sich die weitere als zweite Schutzschicht (13) von der ersten Schutzschicht (8) in einer oder mehrerer von Materialzusammensetzung, Schichtdicke und einem Abstand zu einer Längsmittelachse der Vertiefung (15) unterscheidet.
Bauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei eine laterale Abmessung der Vertiefung (15) in einem Bereich von 100 nm bis 100 µm liegt, insbesondere oberhalb von 1 µm.
Bauelement nach einem der vorigen Ansprüche, wobei als Material für die Schutzschicht(en) (8,13) ein Oxidmaterial, ein metallisches Material, insbesondere Aluminium, oder ein metallischer Hartstoff, wie TiN, gewählt ist.