DE102019134847A1 - Verfahren zum strukturieren eines siliziumoxid-siliziumnitridsiliziumoxid-stapels und mit diesem verfahren hergestellte strukturen - Google Patents

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Yuan-Chih Hsieh
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Abstract

Über einem Leitfähiges-Material-Teil, das auf einem Substrat angeordnet ist, wird ein Schichtstapel hergestellt. Der Schichtstapel enthält eine erste Siliziumoxidschicht, eine Siliziumnitridschicht, die durch chemische Aufdampfung hergestellt wird, und eine zweite Siliziumoxidschicht. Über dem Schichtstapel wird eine strukturierte Ätzmaskenschicht mit einer Öffnung hergestellt. Ein Durchkontaktierungshohlraum, der sich durch den Schichtstapel und nach unten bis zu dem Leitfähiges-Material-Teil erstreckt, wird durch isotropes Ätzen von Teilen des Schichtstapels unter der Öffnung in der strukturierten Ätzmaskenschicht mit einem isotropen Ätzprozess erzeugt. Mit einem Ätzprozess unter Verwendung einer gepufferten Oxid-Ätzlösung, in dem die Ätzrate der Siliziumnitridschicht niedriger als die Ätzrate der ersten Siliziumoxidschicht ist, aber ausreichend hoch ist, können gerade konische Seitenwände auf der Siliziumnitridschicht bereitgestellt werden. Es kann eine optische Vorrichtung mit einem strukturierten Schichtstapel bereitgestellt werden.

Description

  • Hintergrund
  • Die vorliegende Erfindung ist auf Mikrofabrikationsverfahren und insbesondere auf Verfahren zum Strukturieren eines Siliziumoxid-Siliziumnitrid-Siliziumoxid-Stapels und mit diesem Verfahren hergestellte Strukturen gerichtet.
  • Mikroskopisch kleine Bauelemente kommen in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz, wie etwa Personal Computern, Mobiltelefonen, digitalen Kameras und anderen elektronischen Geräten. In vielen Fällen können diese mikroskopisch kleinen Bauelemente optische Bauelemente umfassen. Diese mikroskopisch kleinen Bauelemente werden normalerweise dadurch hergestellt, dass verschiedene Materialschichten nacheinander über einem Substrat abgeschieden werden und die Materialschichten anschließend mit lithografischen Strukturierungsprozessen und Ätzprozessen strukturiert werden. Mikrofabrikationsprozesse können zum Verbessern der Integrationsdichte verschiedener Komponenten durch ständige Verringerungen der kleinsten Strukturbreite verwendet werden, wodurch mehr Komponenten auf einer gegebenen Fläche integriert werden können.
  • Ein Siliziumoxid-Siliziumnitrid-Siliziumoxid-Stapel kann als ein optischer Filter verwendet werden, der die Unterschiede der Brechzahlen der verschiedenen Schichten ausnutzt. Außerdem kann ein solcher Siliziumoxid-Siliziumnitrid-Siliziumoxid-Stapel zum Bereitstellen einer Passivierung über einer leitfähigen Struktur durch Blockieren der Diffusion von Feuchte, Ionen-Dotierungsstoffen und Wasserstoffatomen und zum Verbessern der Zuverlässigkeit und Lebensdauer der leitfähigen Struktur verwendet werden.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Übersichtlichkeit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 ist eine vertikale Schnittansicht einer beispielhaften Struktur nach Herstellung eines Teils aus einem leitfähigen Material und eines Schichtstapels, der von unten nach oben eine erste Siliziumoxidschicht, eine Siliziumnitridschicht und eine zweite Siliziumoxidschicht enthält, über einem Substrat, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach Herstellung einer strukturierten Ätzmaskenschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach einem ersten Schritt eines isotropen Ätzprozesses, in dem die zweite Siliziumoxidschicht durchgeätzt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4A ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach einem zweiten Schritt des isotropen Ätzprozesses, in dem die Siliziumnitridschicht durchgeätzt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4B ist eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs B, der in 4A gezeigt ist.
    • 5 ist ein Diagramm, in dem Ätzraten und Brechzahlen eines PECVD-TEOS-Oxids (PECVD: plasmaunterstützte chemische Aufdampfung), eines PECVD-Siliziumnitrids und eines PVD-Siliziumnitrids verglichen werden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 6 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach einem dritten Schritt des isotropen Ätzprozesses, in dem die erste Siliziumoxidschicht durchgeätzt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 7 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Entfernen der strukturierten Ätzmaskenschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 8 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen einer metallischen Kontaktstruktur in einem Durchkontaktierungshohlraum gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 9 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Montieren eines Halbleiter-Dies gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 10 ist ein Ablaufdiagramm, das ein beispielhaftes Mikrofabrikationsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so hergestellt werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
  • In 1 ist eine beispielhafte Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, die ein Substrat 10, ein Leitfähiges-Material-Teil 20, das auf einer Vorderseite des Substrats 10 angeordnet ist, und einen Schichtstapel aufweisen kann, der von unten nach oben eine erste Siliziumoxidschicht 30, eine Siliziumnitridschicht 40 und eine zweite Siliziumoxidschicht 50 enthält. Das Substrat 10 kann ein dielektrisches Material, ein leitfähiges Material und/oder ein Halbleitermaterial sein. Bei einer Ausführungsform kann das Substrat 10 ein transparentes dielektrisches Material, wie etwa Kieselglas, Quarz und Glas, aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann das Substrat 10 eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 10 x W/(m - K) haben. Zum Beispiel haben Kieselglas, Quarz und Glas eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1,3 x W/(m • K). Das Substrat 10 kann ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 0,1 x W/(m • K) haben. Das Substrat 10 kann eine ausreichende Dicke haben, um eine mechanische Abstützung für das Leitfähiges-Material-Teil 20 und den Schichtstapel (30, 40, 50) bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform kann das Substrat 10 eine Dicke von 10 µm bis 3 mm haben, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Über der Vorderseite des Substrats 10 kann mindestens ein Leitfähiges-Material-Teil 20 hergestellt werden. Jedes Leitfähiges-Material-Teil 20 weist mindestens ein leitfähiges Material auf, das mindestens ein metallisches Material oder mindestens ein transparentes leitfähiges Material (wie etwa ein leitfähiges Metalloxid-Material) sein kann. Bei einer Ausführungsform kann jedes Leitfähiges-Material-Teil 20 ein elementares Metall, wie etwa Kupfer, Wolfram, Tantal, Titan, Ruthenium oder Cobalt, eine intermetallische Legierung aus mindestens zwei elementaren Metallen und/oder ein leitfähiges metallisches Metallnitrid-Material aufweisen, wie etwa Wolframnitrid, Tantalnitrid oder Titannidrid. Alternativ oder zusätzlich kann jedes Leitfähiges-Material-Teil 20 ein leitfähiges Metalloxid-Material, wie etwa dotiertes Zinkoxid, Indiumzinnoxid, Cadmiumzinkoxid (Cd2SnO4), Zinkstannat (Zn2SnO4) und dotiertes Titandioxid (TiO2) aufweisen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Beispielhafte dotierte Zinkoxid-Materialien sind Bor-dotiertes Zinkoxid, Fluor-dotiertes Zinkoxid, Galliumdotiertes Zinkoxid und Aluminium-dotiertes Zinkoxid. Andere geeignete Materialien liegen ebenfalls innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung. Das leitfähige Material des mindestens einen Leitfähiges-Material-Teils 20 kann durch chemische Aufdampfung (CVD), physikalische Aufdampfung (PVD), Elektroplattierung, stromlose Plattierung oder eine Kombination davon abgeschieden werden. Jedes Leitfähiges-Material-Teil 20 kann wie folgt hergestellt werden: Strukturieren des leitfähigen Materials zum Beispiel durch Aufbringen und lithografisches Strukturieren einer Fotoresistschicht über dem leitfähigen Material, und Übertragen der Struktur in der Fotoresistschicht durch den abgeschiedenen Leitfähiges-Material-Teil mit einem Ätzprozess unter Verwendung der strukturierten Fotoresistschicht als eine Ätzmaske. Der Ätzprozess kann ein anisotroper Ätzprozess, wie etwa ein reaktiver Ionenätzprozess, und/oder ein isotroper Ätzprozess, wie etwa ein Nassätzprozess, sein. Die Dicke jedes Leitfähiges-Material-Teils 20 kann 50 nm bis 3000 nm, z. B. 100 nm bis 1000 nm, betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden. Das Leitfähiges-Material-Teil 20 kann transparente leitfähige Schichten (TCFs), wie etwa transparentes leitfähiges Oxid (TCO), transparente leitfähige Polymere, ultradünne Metallschichten usw., aufweisen. Andere geeignete Materialien zur Verwendung als das Leitfähiges-Material-Teil liegen ebenfalls innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung.
  • Anschließend kann der Schichtstapel aus der ersten Siliziumoxidschicht 30, der Siliziumnitridschicht 40 und der zweiten Siliziumoxidschicht 50 über dem mindestens einen Leitfähiges-Material-Teil 20 hergestellt werden. Die erste Siliziumoxidschicht 30 kann durch Abscheiden eines ersten Siliziumoxid-Materials mit einem ersten CVD-Prozess hergestellt werden. Das erste Siliziumoxid-Material kann eine Ätzrate haben, die die gleiche Größenordnung wie die für thermisches Siliziumoxid in einem Nassätzprozess unter Verwendung einer gepufferten Oxid-Ätzlösung hat, die ein Gemisch aus 40 Vol.-% NH4F in Wasser und 49 Vol.-% HF in Wasser bei Raumtemperatur mit einem Volumen-Mischungsverhältnis von 6 : 1 ist (die nachstehend als eine „6:i-BOE-Lösung“ bezeichnet wird). Im Allgemeinen hat das gesamte abgeschiedene Siliziumoxid-Material eine Ätzrate in Ätzmitteln auf Fluorwasserstoffsäure-Basis, die nicht niedriger als die Ätzrate von thermischem Oxid in dem gleichen Ätzmittel ist. Thermisches Siliziumoxid bezieht sich auf Siliziumoxid, das durch thermische Oxidation von Silizium hergestellt wird. Alle hier verwendeten Ätzraten werden bei Raumtemperatur (20 °C) gemessen, wenn nicht anders angegeben. Bei einer Ausführungsform kann das erste Siliziumoxid-Material eine Ätzrate in einer 6:1-BOE-Lösung bereitstellen, die niedriger als das 3,0-fache der Ätzrate von thermischem Siliziumoxid in einer 6:1-BOE-Lösung ist. Bei einer Ausführungsform kann die Ätzrate des ersten Siliziumoxid-Materials in der 6:1-BOE-Lösung niedriger als das 2,0-fache oder niedriger als das 1,25-fache der Ätzrate von thermischem Siliziumoxid in der 6: 1-BOE-Lösung sein. Alle Ätzraten werden bei Raumtemperatur, d. h. bei 20 °C, gemessen.
  • Bei einer Ausführungsform wird in dem ersten CVD-Prozess ein Siliziumoxid-Vorläufergas zersetzt, um das erste Siliziumoxid-Material der ersten Siliziumoxidschicht 30 abzuscheiden. Der erste CVD-Prozess kann ein thermischer CVD-Prozess sein, in dem das Siliziumoxid-Vorläufergas thermisch zersetzt werden, oder er kann ein plasmaunterstützter CVD-Prozess sein, in dem das Siliziumoxid-Vorläufergas in einer Plasma-Umgebung zersetzt wird. Bei einer Ausführungsform weist die erste Siliziumoxidschicht ein erstes Siliziumoxid-Material auf, das durch thermische Zersetzung oder Plasma-Zersetzung von Tetraethylorthosilicat (TEOS) hergestellt wird. Bei einer Ausführungsform kann das erste Siliziumoxid-Material ein undotiertes Silicatglas-Material sein, d. h., ein Silicatglas-Material, das keine p-Dotanden (wie etwa Bor) oder n-Dotanden (wie etwa Phosphor oder Arsen) aufweist. Bei einer Ausführungsform kann das undotierte Silicatglas-Material der ersten Siliziumoxidschicht 30 im Wesentlichen aus Siliziumatomen, Sauerstoffatomen oder Kohlenstoffatomen mit einer Atomkonzentration von 0,005 % (d. h., 50 ppm) bis 0,1 % (d. h., 1000 ppm) und Wasserstoffatomen mit einer Atomkonzentration von 0,01 % (100 ppm) bis 1,0 % (10.000 ppm), z. B. von 0,05 % (500 ppm) bis 0,5 % (5000 ppm), bestehen. Bei einer Ausführungsform kann das undotierte Silicatglas-Material der ersten Siliziumoxidschicht 30 anschließend vor oder nach der Abscheidung der zweiten Siliziumoxidschicht 30 getempert werden, um Feuchte und Wasserstoffgas auszutreiben, wodurch die Ätzrate in der 6:1-BOE-Lösung reduziert wird.
  • Alternativ kann das erste Siliziumoxid-Material ein dotiertes Silicatglas-Material sein, wie etwa Phosphorsilicatglas, Borsilicatglas, Fluorsilicatglas, Arsensilicatglas oder Borphosphorsilicatglas. Die Konzentration der Dotanden in dem dotierten Silicatglas-Material kann so gewählt werden, dass die Ätzrate des ersten Siliziumoxid-Materials in der 6:1-BOE-Lösung nicht größer als das 3,0-fache der Ätzrate von thermischem Siliziumoxid in der 6:1-BOE-Lösung ist. Die Dicke der ersten Siliziumoxidschicht 30 kann 100 nm bis 1000 nm, z. B. 200 nm bis 500 nm, betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden. Die Dicke der ersten Siliziumoxidschicht 30 wird nachstehend als erste Dicke t1 bezeichnet. Bei einer Ausführungsform kann das dotierte Silicatglas-Material der ersten Siliziumoxidschicht 30 im Wesentlichen aus Siliziumatomen, Sauerstoffatomen, Dotandenatomen (wie etwa Boratomen, Phosphoratomen, Arsenatomen und/oder Fluoratomen) und Kohlenstoffatomen mit einer Atomkonzentration von 0,005 % (d. h., 50 ppm) bis 0,1 % (d. h., 1000 ppm) und Wasserstoffatomen mit einer Atomkonzentration von 0,01 % (100 ppm) bis 1,0 % (10.000 ppm), z. B. von 0,05 % (500 ppm) bis 0,5 % (5000 ppm), bestehen. Wenn die erste Siliziumoxidschicht 30 ein undotiertes oder ein dotiertes Silicatglas aufweist, das mit einem plasmaunterstützten CVD-Prozess unter Verwendung von TEOS als ein Vorläufergas hergestellt wird, kann die erste Siliziumoxidschicht 30 eine Brechzahl von 1,40 bis 1,55, z. B. von 1,43 bis 1,50\ haben.
  • Die Siliziumnitridschicht 40 kann durch Abscheiden eines Siliziumnitrid-Materials direkt auf einer Oberseite der ersten Siliziumoxidschicht 30 mit einem zweiten CVD-Prozess hergestellt werden. Das Siliziumnitrid-Material der Siliziumnitridschicht 40 kann ein stöchiometrisches Siliziumnitrid-Material sein, bei dem ein Atomverhältnis von Siliziumatomen zu Stickstoffatomen exakt oder nahezu 3 : 4 beträgt, d. h., ein Siliziumnitrid-Material mit der chemischen Zusammensetzung Si3N4. Mit anderen Worten, das Siliziumnitrid-Material der Siliziumnitridschicht 40 ist nicht siliziumreich, sondern während des zweiten CVD-Prozesses wird eine ausreichende Menge stickstoffhaltiges Gas (wie etwa Ammoniak oder Stickstoff) bereitgestellt, um die stöchiometrische Zusammensetzung des Siliziumnitrid-Materials der Siliziumnitridschicht 40 sicherzustellen.
  • Weiterhin kann das Siliziumnitrid-Material der Siliziumnitridschicht 40 mit einem plasmaunterstützten CVD-Prozess bei einer relativ niedrigen Temperatur, z. B. niedriger als 300\C, hergestellt werden. Ein Siliziumnitrid-Material, das in einem plasmaunterstützten CVD-Prozess abgeschieden wird, kann eine niedrigere Brechzahl als Siliziumnitrid-Materialien haben, die durch thermische CVD bei einer Temperatur von mehr als 700 °C abgeschieden werden oder als Zerstäubungstargets verwendet werden. Zum Beispiel können thermische Siliziumnitrid-Materialien oder Siliziumnitrid-Materialien, die als ein Zerstäubungstarget (PVD-Target) verwendet werden, eine Brechzahl von 1,99 bis 2,22 bei einer Wellenlänge von 632,8 nm (der Laser-Wellenlänge bei üblichen Dickenmessgeräten) haben. Im Gegensatz dazu kann ein Siliziumnitrid-Material, das in einem plasmaunterstützten CVD-Prozess abgeschieden wird, eine Brechzahl von 1,88 bis 1,95 bei einer Wellenlänge von 632,8 nm haben. Die Verringerung der Brechzahl des in einem plasmaunterstützten CVD-Prozess abgeschiedenen Siliziumnitrid-Materials kann auf die niedrigere Dichte des Siliziumnitrid-Materials zurückzuführen sein, die von dem Vorhandensein einer höheren Volumenfraktion, die von Hohlräumen eingenommen wird, und/oder der Verwendung von Prozessgasen (wie etwa Stickstoff oder Argon) in dem Siliziumnitrid-Material verursacht werden kann, das in dem plasmaunterstützten CVD-Prozess abgeschieden wird.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials der Siliziumnitridschicht 40 in einer n:1-BOE-Lösung, wobei n 3 bis 12 ist, 1/10 bis 1/2 der Ätzrate des ersten Siliziumoxid-Materials der ersten Siliziumoxidschicht 30 in der n:1-BOE-Lösung betragen. Bei einer Ausführungsform kann die Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials der Siliziumnitridschicht 40 in einer 6:1-BOE-Lösung 1/10 bis 1/2 der Ätzrate des ersten Siliziumoxid-Materials der ersten Siliziumoxidschicht 30 in der 6:1-BOE-Lösung betragen.
  • In der Regel kann ein Verhältnis von Silizium zu Stickstoff in einem Siliziumnitrid-Material einen signifikanten Einfluss auf die Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials in einer verdünnten oder gepufferten Fluorwasserstoffsäure haben. Die Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials in einer verdünnten oder gepufferten Fluorwasserstoffsäure nimmt mit sinkendem Verhältnis von Silizium zu Stickstoff zu. Somit ist die Ätzrate eines stöchiometrischen Siliziumnitrid-Materials mit einem Silizium-Stickstoff-Verhältnis von 3 : 4, also 0,75, höher als die Ätzrate eines siliziumreichen Siliziumnitrid-Materials. Die Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials in der Siliziumnitridschicht 40 in einer 6:1-BOE-Lösung kann durch Anpassen von Prozessparametern erhöht werden. Zum Beispiel kann durch Erhöhen der Abscheidungsgeschwindigkeit des Siliziumnitrid-Materials die Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials in einer Lösung auf Fluorwasserstoffsäure-Basis erhöht werden.
  • In dem zweiten CVD-Prozess werden ein Silizium-Vorläufergas und ein Stickstoff-Vorläufergas gemeinsam zum Herstellen eines stöchiometrischen Siliziumnitrid-Materials verwendet. Bei einer Ausführungsform können in dem zweiten CVD-Prozess Silan oder Dichlorsilan als ein siliziumhaltiges Vorläufergas und Ammoniak oder Stickstoff als ein stickstoffhaltiges Vorläufergas verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann der zweite CVD-Prozess einen plasmaunterstützten CVD-Prozess unter Verwendung eines siliziumhaltiges Vorläufergases (wie etwa Silan oder Dichlorsilan) und eines stickstoffhaltigen Vorläufergases (wie etwa Ammoniak oder Stickstoff) umfassen. Bei einer Ausführungsform kann der zweite CVD-Prozess einen thermischen CVD-Prozess unter Verwendung eines siliziumhaltigen Vorläufergases (wie etwa Silan oder Dichlorsilan) und eines stickstoffhaltigen Vorläufergases (wie etwa Ammoniak) umfassen. Die Dicke der Siliziumnitridschicht 40 kann 50 nm bis 500 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden. Die Dicke der Siliziumnitridschicht 40 wird nachstehend als Dicke t2 bezeichnet.
  • Die zweite Siliziumoxidschicht 50 kann durch Abscheiden eines zweiten Siliziumoxid-Materials mit einem dritten CVD-Prozess hergestellt werden. Das zweite Siliziumoxid-Material kann eine Ätzrate haben, die mit der Ätzrate von thermischem Siliziumoxid in einem Nassätzprozess unter Verwendung einer im Verhältnis 100 : 1 verdünnten Fluorwasserstoffsäure bei Raumtemperatur vergleichbar ist. Bei einer Ausführungsform kann das zweite Siliziumoxid-Material eine Ätzrate in der 6:1-BOE-Lösung bereitstellen, die niedriger als das 3,0-fache der Ätzrate von thermischem Siliziumoxid in der 6:i-BOE-Lösung ist.
  • Bei einer Ausführungsform wird in dem zweiten CVD-Prozess ein Siliziumoxid-Vorläufergas zersetzt, um das zweite Siliziumoxid-Material der zweiten Siliziumoxidschicht 50 abzuscheiden. Der zweite CVD-Prozess kann ein thermischer CVD-Prozess sein, in dem das Siliziumoxid-Vorläufergas thermisch zersetzt wird, oder er kann ein plasmaunterstützter CVD-Prozess sein, in dem das Siliziumoxid-Vorläufergas in einer Plasma-Umgebung zersetzt wird. Bei einer Ausführungsform weist die zweite Siliziumoxidschicht 50 ein zweites Siliziumoxid-Material auf, das durch thermische Zersetzung oder Plasma-Zersetzung von Tetraethylorthosilicat (TEOS) hergestellt wird. Bei einer Ausführungsform kann das zweite Siliziumoxid-Material ein undotiertes Silicatglas-Material sein. Bei einer Ausführungsform kann das undotierte Silicatglas-Material der zweiten Siliziumoxidschicht 50 im Wesentlichen aus Siliziumatomen, Sauerstoffatomen und Kohlenstoffatomen mit einer Atomkonzentration von 0,005 % (d. h., 50 ppm) bis 0,1 % (d. h., 1000 ppm) und Wasserstoffatomen mit einer Atomkonzentration von 0,01 % (100 ppm) bis 1,0 % (10.000 ppm), z. B. von 0,05 % (500 ppm) bis 0,5 % (5000 ppm), bestehen. Bei einer Ausführungsform kann das undotierte Silicatglas-Material der zweiten Siliziumoxidschicht 50 anschließend getempert werden, um Feuchte und Wasserstoffgas auszutreiben, wodurch die Ätzrate in der 6:1-BOE-Lösung reduziert wird. Alternativ kann das zweite Siliziumoxid-Material ein dotiertes Silicatglas-Material sein, wie etwa Phosphorsilicatglas, Borsilicatglas, Fluorsilicatglas, Arsensilicatglas oder Borphosphorsilicatglas. Die Konzentration der Dotanden in dem dotierten Silicatglas-Material kann so gewählt werden, dass die Ätzrate des zweiten Siliziumoxid-Materials in der 6:1-BOE-Lösung nicht größer als das 3,0-fache der Ätzrate von thermischem Siliziumoxid in der 6:1-BOE-Lösung ist. Die Dicke der zweiten Siliziumoxidschicht 50 kann 100 nm bis 500 nm, z. B. 100 nm bis 250 nm, betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden. Die Dicke der zweiten Siliziumoxidschicht 50 wird nachstehend als eine dritte Dicke t3 bezeichnet. Bei einer Ausführungsform kann das dotierte Silicatglas-Material der zweiten Siliziumoxidschicht 50 im Wesentlichen aus Siliziumatomen, Sauerstoffatomen, Dotandenatomen (wie etwa Boratomen, Phosphoratomen, Arsenatomen und/oder Fluoratomen) und Kohlenstoffatomen mit einer Atomkonzentration von 0,005 % (d. h., 50 ppm) bis 0,1 % (d. h., 1000 ppm) und Wasserstoffatomen mit einer Atomkonzentration von 0,01 % (100 ppm) bis 1,0 % (10.000 ppm), z. B. von 0,05 % (500 ppm) bis 0,5 % (5000 ppm), bestehen. Wenn die zweite Siliziumoxidschicht 50 ein undotiertes oder ein dotiertes Silicatglas aufweist, das mit einem plasmaunterstützten CVD-Prozess unter Verwendung von TEOS als ein Vorläufergas hergestellt wird, kann die zweite Siliziumoxidschicht 50 eine Brechzahl von 1,40 bis 1,55, z. B. von 1,43\bis 1,50, haben.
  • Bei einer Ausführungsform können das erste Siliziumoxid-Material und das zweite Siliziumoxid-Material undotierte Silicatglas-Materialien sein. Bei einer Ausführungsform hat das zweite Siliziumoxid-Material eine Ätzrate, die das \\80- bis 1,25-fache der Ätzrate der ersten Siliziumoxidschicht 30 in der 6:1-BOE-Lösung beträgt. Bei einer Ausführungsform kann das zweite Siliziumoxid-Material die gleiche Ätzrate in der 6:1-BOE-Lösung wie das erste Siliziumoxid-Material haben. Bei einer Ausführungsform kann das zweite Siliziumoxid-Material das Gleiche wie das erste Siliziumoxid-Material sein.
  • In 2 kann eine strukturierte Ätzmaskenschicht 57 über einer Oberseite der zweiten Siliziumoxidschicht 50 hergestellt werden. Bei einer Ausführungsform kann die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 eine strukturierte Fotoresistmaterialschicht umfassen. Bei einer Ausführungsform kann die strukturierte Fotoresistmaterialschicht ein MUV-Fotoresistmaterial (MUV: mittleres Ultraviolett) oder ein DUV-Fotoresistmaterial (DUV: tiefes Ultraviolett) aufweisen, und sie kann ein positives Fotoresistmaterial oder ein negatives Fotoresistmaterial aufweisen. Ein positives Fotoresistmaterial ist ein Fotoresistmaterial, bei dem Polymermoleküle durch Belichtung entnetzt werden und das daher durch Entfernen von lithografisch belichteten Teilen und Maskieren von Teilen, die nicht belichtet werden, strukturiert werden kann. Ein negatives Fotoresistmaterial ist ein Fotoresistmaterial, bei dem eine Vernetzung zwischen Monomermolekülen durch Belichtung bewirkt wird und das daher durch Entfernen von Teilen, die nicht lithografisch belichtet werden, strukturiert werden kann.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 eine strukturierte Fotoresistmaterialschicht umfasst, kann die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 durch Aufbringen eines Fotoresistmaterials, lithografisches Belichten des Fotoresistmaterials und Entwickeln des Fotoresistmaterials hergestellt werden. Das Fotoresistmaterial kann durch Entfernen von lithografisch belichteten Teilen (bei einem positiven Fotoresistmaterial) oder von lithografisch unbelichteten Teilen (bei einem negativen Fotoresistmaterial) entwickelt werden. In dem Fotoresistmaterial kann mindestens eine Öffnung erzeugt werden, um die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 herzustellen. Eine Öffnung durch die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 kann eine horizontale Querschnittsform eines Rechtecks, eines Kreises, einer Ellipse oder eines Ovals, eines abgerundeten Rechtecks oder eines anderen Polygons oder eines anderen Polygons mit abgerundeten Ecken haben. Bei einer Ausführungsform kann die Öffnung durch die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 ein paralleles Paar gerade Seitenwände haben, die sich seitlich entlang einer horizontalen Richtung erstrecken (siehe z. B. 2). Bei einer anderen Ausführungsform kann die Öffnung durch die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 eine runde oder elliptische horizontale Querschnittsform haben. Jede Öffnung durch die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 kann sich vertikal bis zu einer Oberseite eines darunter befindlichen Leitfähiges-Material-Teils 20 erstrecken. Eine Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 kann unter einer Öffnung in der strukturierten Ätzmaskenschicht 57 physikalisch freiliegen.
  • In 3 kann ein isotroper Ätzprozess durchgeführt werden, um Teile des Schichtstapels (30, 40, 50) zu ätzen, die sich unter jeder Öffnung durch die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 befinden. Bei einer Ausführungsform kann ein einziger isotroper Ätzprozess verwendet werden, um die gesamte Dicke des Schichtstapels (30, 40, 50), d. h., t1 + t2 + t3, durchzuätzen und einen jeweiligen darunter befindlichen Teil des Leitfähiges-Material-Teils 20 physikalisch freizulegen. Bei einer Ausführungsform können die Chemikalien des einzigen isotropen Ätzprozesses so gewählt werden, dass die einzelnen Materialien des Schichtstapels (30, 40, 50) mit vergleichbaren Ätzraten durchgeätzt werden, die sich voneinander um Faktoren unterscheiden, die nicht größer als 6,0 sind. Bei einer Ausführungsform kann der isotrope Ätzprozess ein Nassätzprozess sein, in dem Teile der zweiten Siliziumoxidschicht 50, der Siliziumnitridschicht 40 und der ersten Siliziumoxidschicht 30 nacheinander geätzt werden.
  • Bei einer Ausführungsform kann der isotrope Ätzprozess ein einzelner Nassätzprozess unter Verwendung einer gepufferten Ätzlösung sein, die ein Gemisch aus 40 Vol.-% NH4F in Wasser und 49 Vol.-% HF in Wasser mit einem Volumen-Mischungsverhältnis von n : 1 ist. Die Zahl n kann 3 bis 12 sein, z. B. 4 bis 10 und/oder 5 bis 7,5. Als ein erläuterndes Beispiel kann die Anzahl n 6 sein. Der Nassätzprozess kann bei Raumtemperatur, d. h., bei 20 °C, durchgeführt werden. In den 3 bis 6 können in dem einzigen Nassätzprozess nacheinander ein Teil der zweiten Siliziumoxidschicht 50 unter der Öffnung durch die strukturierte Ätzmaskenschicht 57, ein Teil der Siliziumnitridschicht 40 unter der Öffnung durch die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 und ein Teil der ersten Siliziumoxidschicht 30 unter der Öffnung durch die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 durchgeätzt werden, um einen Durchkontaktierungshohlraum 59 zu erzeugen. Unterschiedliche Zeiträume des einzigen isotropen Ätzprozesses können als unterschiedliche Schritte des einzigen isotropen Ätzprozesses bezeichnet werden, die sequentielle Segmente eines zusammenhängenden Zeitraums während des einzigen isotropen Ätzprozesses sind. Zum Beispiel wird hier der Zeitraum, in dem eine unterste Fläche des Durchkontaktierungshohlraums 59 eine Oberfläche der zweiten Siliziumoxidschicht 50 ist, als ein erster Schritt des isotropen Ätzprozesses bezeichnet; der Zeitraum, in dem die unterste Fläche des Durchkontaktierungshohlraums 59 eine Oberfläche der Siliziumnitridschicht 40 ist, wird hier als ein zweiter Schritt des isotropen Ätzprozesses bezeichnet; und der Zeitraum, in dem die unterste Fläche des Durchkontaktierungshohlraums 59 eine Oberfläche der ersten Siliziumoxidschicht 30 ist, wird hier als ein dritter Schritt des isotropen Ätzprozesses bezeichnet.
  • Der Zeitpunkt, zu dem das vertikale Querschnittsprofil der beispielhaften Struktur in 3 dargestellt ist, entspricht einem Zeitpunkt, zu dem der erste Schritt des einzigen isotropen Ätzprozesses (wie etwa eines Nassätzprozesses unter Verwendung einer n:1-BOE-Lösung) endet und der zweite Schritt des einzigen isotropen Ätzprozesses beginnt. Während des ersten Schritts des isotropen Ätzprozesses wird das Material der zweiten Siliziumoxidschicht 50 (d. h., das zweite Siliziumoxid-Material) isotrop mit einer Unterätzung unter der strukturierten Ätzmaskenschicht 57 geätzt, während ein verbliebener Teil der zweiten Siliziumoxidschicht 50 die Siliziumnitridschicht 40 unter der strukturieren Ätzmaskenschicht 57 bedeckt. Auf Grund des isotropen Charakters des Ätzprozesses, wie etwa eines Nassätzprozesses unter Verwendung einer n:1-BOE-Lösung, d. h., einer gepufferten Oxid-Ätzlösung, die ein Gemisch aus 40 Vol.-% NH4F in Wasser und 49 Vol.-% HF in Wasser mit einem Volumen-Mischungsverhältnis von n : 1 ist, können die Seitenwände der zweiten Siliziumoxidschicht 50 konkave Flächen sein. Ein Krümmungsradius Rc_o der konkaven Seitenwände der zweiten Siliziumoxidschicht 50 am Ende des ersten Schritts des isotropen Ätzprozesses kann gleich der dritten Dicke t3 sein, die die Dicke der zweiten Siliziumoxidschicht 50 ist.
  • In den 4A und 4B kann der einzige isotrope Ätzprozess mit einem zweiten Schritt weitergehen, in dem der Teil der Siliziumnitridschicht 40, der sich unter der Öffnung in der strukturierten Ätzmaskenschicht 57 befindet, mit dem isotropen Ätzmittel isotrop geätzt werden kann, wobei Teile der zweiten Siliziumoxidschicht 50, die sich unter proximalen Teilen der strukturierten Ätzmaskenschicht 57 um jede Öffnung durch diese Schicht befinden, zusätzlich geätzt werden können.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials der Siliziumnitridschicht 40 in einer n:1-BOE-Lösung, wobei n 3 bis 12 ist, 1/10 bis 1/2 der Ätzrate des zweiten Siliziumoxid-Materials der zweiten Siliziumoxidschicht 50 in der n:1-BOE-Lösung betragen. Bei einer Ausführungsform kann die Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials der Siliziumnitridschicht 40 in einer 6:1-BOE-Lösung 1/10 bis 1/2 der Ätzrate des zweiten Siliziumoxid-Materials der zweiten Siliziumoxidschicht 50 in der 6:1-BOE-Lösung betragen.
  • In der Regel kann das Siliziumnitrid-Material der Siliziumnitridschicht 40 mit einer niedrigeren Ätzrate als der Ätzrate der zweiten Siliziumoxidschicht 50 geätzt werden. Das Verhältnis der Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials der Siliziumnitridschicht 40 zu der Ätzrate des zweiten Siliziumoxid-Materials der zweiten Siliziumoxidschicht 50 kann unter Verwendung eines stöchiometrischen Siliziumoxids, das durch chemische Aufdampfung der Siliziumnitridschicht 40 hergestellt wird, möglichst hoch gehalten werden.
  • In 5 ist ein Diagramm dargestellt, in dem Ätzraten und Brechzahlen eines PECVD-TEOS-Oxids, eines PECVD-Siliziumnitrids und eines PVD-Siliziumnitrids verglichen werden, die unter Laborbedingungen ermittelt worden sind. Das PECVD-TEOS-Oxid wurde mit einem plasmaunterstützten CVD-Prozess bei 280 °C unter Verwendung von Tetraethylorthosilicat (TEOS) als ein Siliziumoxid-Vorläufergas hergestellt. Das PECVD-Siliziumnitrid wurde mit einem plasmaunterstützten CVD-Prozess bei 275 °C unter Verwendung von Silan als ein siliziumhaltiges Vorläufergas und von Stickstoffgas als ein stickstoffhaltiges Vorläufergas hergestellt. Das PVD-Siliziumnitrid wurde durch Sputtern eines Silizium-Stickstoff-Materials von einem Zerstäubungstarget bei 25 °C abgeschieden. Das Verhältnis der Ätzrate des PECVD-Siliziumnitrids in der 6:1-BOE-Lösung zu der Ätzrate des PECVD-Siliziumoxids in der 6:1-BOE-Lösung betrug etwa 0,28, während das Verhältnis der Ätzrate des PVD-Siliziumnitrids in der 6:1-BOE-Lösung zu der Ätzrate des PECVD-Siliziumoxids in der 6:1-BOE-Lösung etwa 0,03 betrug. Somit ist der Unterschied der Ätzraten zwischen dem PECVD-Siliziumnitrid und dem PECVD-Siliziumoxid kleiner als zwischen dem PVD-Siliziumnitrid und dem PECVD-Siliziumoxid.
  • Bei einer Ausführungsform kann während des einzigen Nassätzprozesses die Ätzrate der Siliziumnitridschicht 40 in einer n:1-BOE-Lösung (wobei n 3 bis 12 ist) 1/10 bis 1/2 der Ätzrate der zweiten Siliziumoxidschicht 50 in der n:1-BOE-Lösung betragen. Ebenso kann während des einzigen Nassätzprozesses die Ätzrate der Siliziumnitridschicht 40 in der n:1-BOE-Lösung 1/10 bis 1/2 der Ätzrate der ersten Siliziumoxidschicht 30 in der n:1-BOE-Lösung betragen.
  • Bei einer Ausführungsform kann das Siliziumnitrid-Material der Siliziumnitridschicht 40 mit einem plasmaunterstützten CVD-Prozess hergestellt werden, und es kann eine Brechzahl von 1,88 bis 1,95 bei einer Wellenlänge von 632,8 nm haben. Im Gegensatz dazu hat ein thermisches Siliziumnitrid-Material, das in einem thermischen CVD-Prozess bei einer Temperatur von mehr als 700 °C abgeschieden wird, oder ein aufgestäubtes Siliziumnitrid-Material, das in einem PVD-Prozess von einem Zerstäubungstarget abgeschieden wird, eine Brechzahl von 1,99 bis 2,02. Die Mikrostruktur des Siliziumnitrid-Materials, das in einem plasmaunterstützten CVD-Prozess abgeschieden wird, bewirkt eine Reduzierung der Brechzahl in Bezug zu der Brechzahl des thermischen Siliziumnitrid-Materials oder des aufgestäubten Siliziumnitrid-Materials. Bei einer Ausführungsform hat das Siliziumnitrid-Material der Siliziumnitridschicht 40 eine Brechzahl von1,88 bis 1,95 bei einer Wellenlänge von 632,8 nm.
  • Kommen wir wieder zu den 4A und 4B zurück. Die Ätzrate der ersten Siliziumoxidschicht 30 in der n:1-BOE-Lösung kann mindestens das 3-fache der Ätzrate der Siliziumnitridschicht 40 in dem isotropen Ätzprozess betragen. Da alle physikalisch freigelegten Flächen der Siliziumnitridschicht 40 für das isotrope Ätzmittel (wie etwa die n:1-BOE-Lösung) physikalisch freigelegt sind, wird der vertikale Ätzabstand der Siliziumnitridschicht 40 an ihren Seitenwänden von dem seitlichen Versatzabstand jedes Punkts auf den Seitenwänden der Siliziumnitridschicht 40 von vertikalen Ebenen bestimmt, die die Seitenwände der strukturierten Ätzmaskenschicht 57 enthalten. Somit können die Seitenwände der Siliziumnitridschicht 40 gerade konische Seitenwände sein, die sich an dem Ende des zweiten Schritts des einzigen isotropen Ätzprozesses von der unteren Peripherie einer jeweiligen konkaven Seitenwand der zweiten Siliziumoxidschicht 50 bis zu einer Oberseite der ersten Siliziumoxidschicht 30 erstrecken.
  • Das zweite Siliziumoxid-Material der zweiten Siliziumoxidschicht 50 kann mit konkaven Ätzflächen seitlich ausgespart werden, die einen größer werdenden Krümmungsradius in dem gesamten Ätzschritt haben, in dem die Siliziumnitridschicht 40 durchgeätzt wird. Das isotrope Ätzmittel kann ständig zu unteren Rändern der konkaven Seitenwände des Siliziumnitridbelags 40 geleitet werden, um eine neue konzentrische Ätzfront zum Ätzen des Materials des Siliziumnitridbelags 40 bereitzustellen. Die niedrigere Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials der Siliziumnitridschicht 40 in Bezug zu der Ätzrate des zweiten Siliziumoxid-Materials der zweiten Siliziumoxidschicht 50 kann dazu führen, dass eine Reihe von runden Ätzfronten (ef_o, ef-1, ef_2) entsteht, deren Radius im Zeitverlauf zunimmt und die eine überlappende Fläche in der Form einer konischen zweidimensionalen Ebene mit einem Kegelwinkel α in Bezug zu der vertikalen Richtung bereitstellen. Es ist klar, dass eine geätzte Fläche in einem isotropen Ätzprozess entlang einer Fläche schwindet, die von einer Überlappung einer unbegrenzten Anzahl von Ätzfronten gebildet wird. Außerdem ist klar, dass der Ätzprozess nur an Segmenten der Fläche erfolgt, die von der Überlappung der Ätzfronten gebildet wird, die sich mit dem geätzten Material überlappen.
  • Jede runde Ätzfront (ef_o, ef_1, ef_2) hat einen jeweiligen geometrischen Mittelpunkt in einer horizontalen Ebene, die die Grenzfläche zwischen der Siliziumnitridschicht 40 und der zweiten Siliziumoxidschicht 50 enthält. Punkte (P_o, P_1, P_2) entsprechen den geometrischen Mittelpunkten der runden Ätzfronten (ef_o, ef_1, ef_2). Wenn die Siliziumnitridschicht 40 durchgeätzt wird und eine Oberseite der ersten Siliziumoxidschicht 30 physikalisch freigelegt wird, wird eine vorderste Ätzfront ef_o, die an einem Ätzstartpunkt P_o zentriert ist, der sich an einem unteren Rand einer konkaven Oberfläche der zweiten Siliziumoxidschicht 50 befindet, zu einem Ausgangspunkt der vordersten Ätzfront ef_o. Das isotrope Ätzmittel initiiert die Ätzung des Siliziumnitrid-Materials der Siliziumnitridschicht 40, da die vorderste Ätzfront ef o von einem Punkt zu einem Kreis mit einem endlichen Radius wächst. Der Ätzabstand d_0 der vordersten Ätzfront ef o nimmt zu, wenn der isotrope Ätzprozess voranschreitet, und der Ätzabstand d_o erreicht den Wert der zweiten Dicke t2, wenn die Siliziumnitridschicht 40 durchgeätzt ist. Andere Ätzfronten entstehen, da der untere Rand der konkaven Oberfläche der zweiten Siliziumoxidschicht 50 seitlich zurückweicht, und das isotrope Ätzmittel beginnt, neu freigelegte Oberseitensegmente der Siliziumnitridschicht 40 zu ätzen. Es kann zwar eine unbegrenzte Anzahl von Ätzfronten während des isotropen Ätzprozesses erzeugt werden, aber es sind nur zwei Ätzfronten (ef_1, ef_2) dargestellt. Die erste Ätzfront ef_1 kann isotrop wachsen, nachdem ein erster Ätzfront-Mittelpunkt P_1 für das isotrope Ätzmittel physikalisch freigelegt worden ist, da der untere Rand der konkaven Ätzfläche der zweiten Siliziumoxidschicht 50 durch den ersten Ätzfront-Mittelpunkt P_1 geht. Die erste Ätzfront ef_i kann isotrop in einer runden Form wachsen, da der erste Ätzabstand d_1 zwischen der ersten Ätzfront ef_1 und dem ersten Ätzfront-Mittelpunkt P_1 im Zeitverlauf zunimmt. Ebenso kann eine zweite Ätzfront ef_2 isotrop wachsen, wenn ein zweiter Ätzfront-Mittelpunkt P_2 physikalisch für das isotrope Ätzmittel freigelegt wird, da der untere Rand der konkaven Ätzfläche der zweiten Siliziumoxidschicht 50 durch den zweiten Ätzfront-Mittelpunkt P_2 geht. Die zweite Ätzfront ef_2 wächst isotrop in einer runden Form, da der zweite Ätzabstand d_2 zwischen der zweiten Ätzfront ef_2 und dem zweiten Ätzfront-Mittelpunkt P_2 im Zeitverlauf zunimmt.
  • Der Kegelwinkel α der geraden konischen Seitenwände der Siliziumnitridschicht 40, der in Bezug zu einer vertikalen Richtung gemessen wird, die senkrecht zu der Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 ist, kann der Arcustangens des Verhältnisses der Ätzrate der zweiten Siliziumoxidschicht 50 in dem isotropen Ätzmittel zu der Ätzrate der Siliziumnitridschicht 40 in dem isotropen Ätzmittel sein. Die geraden konischen Seitenwände der Siliziumnitridschicht 40 können in einer jeweiligen zweidimensionalen (euklidischen) Ebene liegen. Außerdem können die geraden konischen Seitenwände der Siliziumnitridschicht 40 auch nach einer Überätzung in einer jeweiligen zweidimensionalen (euklidischen) Ebene bleiben, da die Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials während der Überätzung isotrop ist. In einem erläuternden Beispiel kann in dem Fall, dass das isotrope Ätzmittel eine 6:i-BOE-Lösung ist, die zweite Siliziumoxidschicht 50 eine Ätzrate von 8,2 nm/s in der 6:1-BOE-Lösung hat und die Siliziumnitridschicht 40 eine Ätzrate von 2,3 nm/s in der 6:1-BOE-Lösung hat, der Kegelwinkel α der geraden konischen Seitenwände der Siliziumnitridschicht 40 ungefähr ein Arcustangens von [(8,2 nm/s) / (2,3 nm/s)] ≈ 1,30 rad ≈ 74,3° sein. Die Oberseite der ersten Siliziumoxidschicht 30 ist am Ende des zweiten Schritts des einzigen isotropen Ätzprozesses, das mit dem Beginn des dritten Schritts des einzigen isotropen Ätzprozesses zusammenfällt, physikalisch freigelegt. Ein verbliebener Teil der Siliziumnitridschicht 40 bedeckt zu diesem Zeitpunkt die erste Siliziumoxidschicht 30 unter der strukturierten Ätzmaskenschicht 57.
  • In 6 beginnt ein dritter Ätzschritt des isotropen Ätzprozesses, wenn der zweite Ätzschritt des isotropen Ätzprozesses endet. Die Materialien der ersten Siliziumoxidschicht 30 und der zweiten Siliziumoxidschicht 50 können geätzt werden, wobei konkave Oberflächen entstehen, und das Material der Siliziumnitridschicht 40 kann geätzt, wobei sich die geraden konischen Seitenwände der Siliziumnitridschicht 40 seitlich nach außen verschieben, ohne dass konkave Oberflächen entstehen. Wie vorstehend dargelegt worden ist, betragen die Ätzraten der ersten Siliziumoxidschicht 30 und der zweiten Siliziumoxidschicht 50 während des isotropen Ätzprozesses mindestens das Dreifache der Ätzrate der Siliziumnitridschicht 40. Daher verschieben sich die geraden konischen Seitenwände der Siliziumnitridschicht 40 während des dritten Schritts des isotropen Ätzprozesses seitlich nach außen. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 physikalisch freigelegt wird, wie in 6 gezeigt ist, kann ein Krümmungsradius Rc_f der konkaven Oberflächen der ersten Siliziumoxidschicht 30 gleich der ersten Dicke t1, d. h., der Dicke der ersten Siliziumoxidschicht 30, sein. Der dritte Schritt des isotropen Ätzprozesses kann nach dem physikalischen Freilegen der Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 einen verlängerten Teil umfassen, der ein Überätzungssegment des dritten Schritts des isotropen Ätzprozesses ist. Der Krümmungsradius der konkaven Oberflächen der ersten Siliziumoxidschicht 30 kann während einer Überätzung, die über den in 6 erfassten Zeitpunkt hinaus verlängert wird, größer als die Dicke der ersten Siliziumoxidschicht 30 werden.
  • Unter jeder Öffnung in der strukturierten Ätzmaskenschicht 57 wird ein Durchkontaktierungshohlraum 59 erzeugt, der sich durch den Schichtstapel (30, 40, 50) nach unten bis zu einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 erstreckt. Der Durchkontaktierungshohlraum 59 kann Unterätzungsbereiche UC in jeder Schicht des Schichtstapels (30, 40, 50) aufweisen. Die Unterätzungsbereiche UC entsprechen einem Volumen, das sich unter der strukturierten Ätzmaskenschicht 57 befindet, d. h., einem Volumen mit einer flächigen Überlappung mit der strukturierten Ätzmaskenschicht 57 in einer Top-Down-Ansicht entlang einer vertikalen Abwärtsrichtung. Jede Seitenwand des Schichtstapels (30, 40, 50) kann sich außerhalb der vertikalen Ebene befinden, die die Seitenwände der strukturierten Ätzmaskenschicht 57 enthält, die eine jeweilige Öffnung durch die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 definieren. Eine Breite w des Durchkontaktierungshohlraums 59 nimmt streng mit einem vertikalen Abstand vd von einer horizontalen Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 zu.
  • In 7 kann die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 selektiv für die Materialien des Leitfähiges-Material-Teils 20 und des Schichtstapels (30, 40, 50) entfernt werden. Wenn die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 zum Beispiel ein Fotoresistmaterial aufweist, kann die strukturierte Ätzmaskenschicht 57 durch Ablösen oder durch Auflösen in einem organischen Lösungsmittel entfernt werden.
  • Die Seitenwände der ersten Siliziumoxidschicht 30, der Siliziumnitridschicht 40 und der zweiten Siliziumoxidschicht 50 können sich seitlich (zum Beispiel entlang einer Richtung, die senkrecht zu der Ebene der vertikalen Schnittansicht von 7 ist) mit einem gleichmäßigen Querschnittsprofil erstrecken. Alternativ können die Seitenwände der ersten Siliziumoxidschicht 30, der Siliziumnitridschicht 40 und der zweiten Siliziumoxidschicht 50 um eine im Wesentlichen kreisförmige Öffnung mit einer kreisförmigen horizontalen Querschnittsform angeordnet sein. Im Allgemeinen kann die beispielhafte Struktur von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine erste konkave Seitenwand der ersten Siliziumoxidschicht 30 mit einem ersten Krümmungsradius Rc_1 haben, der mindestens so groß wie die erste Dicke t1 ist. Außerdem kann die beispielhafte Struktur von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine zweite konkave Seitenwand der zweiten Siliziumoxidschicht 50 mit einem zweiten Krümmungsradius Rc_2 haben, der mindestens die Summe aus der dritten Dicke t3, der ersten Dicke t1 und dem Produkt aus der zweiten Dicke t2 und dem Verhältnis der Ätzrate des Materials der zweiten Siliziumoxidschicht 50 während des isotropen Ätzprozesses zu der Ätzrate des Materials der Siliziumnitridschicht 40 während des isotropen Ätzprozesses beträgt. Darüber hinaus kann die beispielhafte Struktur von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerade konische Seitenwände aufweisen, die sich von einem unteren Rand der zweiten konkaven Seitenwand der zweiten Siliziumoxidschicht 50 bis zu einem oberen Rand der ersten Siliziumoxidschicht 30 mit einem Kegelwinkel α erstrecken, der 62° bis 84° betragen kann.
  • In 8 kann eine metallische Kontaktstruktur (60, 80) in dem Durchkontaktierungshohlraum 59 direkt auf der Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 hergestellt werden. Die metallische Kontaktstruktur (60, 80) kann eine Kombination aus einem Bondpad 60 und einem Lotmaterial-Teil 80 umfassen. Bei einer Ausführungsform kann eine Mehrzahl von Durchkontaktierungshohlräumen 59 durch den Schichtstapel (30, 40, 50) erzeugt werden, und eine Mehrzahl von metallischen Kontaktstrukturen (60, 80) kann hergestellt werden. Als ein erläuterndes Beispiel kann das Bondpad 60 dadurch hergestellt werden, dass Metallschichten, wie etwa ein Al/Ni/Au-Stapel, ein Al/Ni/Cu-Stapel, ein Cu/Ni/Au-Stapel, ein Cu/Ni/Pd-Stapel, ein Ti/Ni/Au-Stapel, ein Ti/Cu/Ni/Au-Stapel, ein Ti-W/Cu-Stapel, ein Cr/Cu-Stapel oder ein Cr/Cu/Ni-Stapel, oder ein anderer UBM-Stapel (UBM: Metallisierung unter dem Kontakthügel), der auf dem Fachgebiet bekannt ist, abgeschieden und strukturiert werden. Das Lotmaterial-Teil 80 weist ein Lotmaterial auf, wie etwa eine Sn-Ag-Legierung oder eine andere Zinn-basierte Legierung. Eine Querabmessung (wie etwa ein Durchmesser) des Lotmaterial-Teils 80 kann 5 µm bis 100 µm betragen, aber es können auch kleinere und größere Querabmessungen verwendet werden. Ein Durchschnittsfachmann dürfte erkennen, dass weitere und/oder alternative metallische Kontaktstrukturen (60, 80) in Verbindung mit dem Siliziumoxid-Siliziumnitrid-Siliziumoxid-Stapel hergestellt werden können, der mit den hier offenbarten neuartigen Verfahren hergestellt werden kann.
  • In 9 ist die beispielhafte Struktur nach dem Bonden einer optischen Struktur 800, die das Substrat 10, das Leitfähiges-Material-Teil 20 und den Schichtstapel (30, 40, 50) umfasst, an einen Halbleiterchip 900 gezeigt, der ein optisches Halbleiter-Bauelement 920 aufweist. Das optische Halbleiter-Bauelement 920 kann ein Halbleiter-Bauelement sein, das ankommende optische Signale oder optische Bilder einfangen oder verarbeiten kann, die über die optische Struktur 800 übertragen werden. Der Halbleiterchip 900 kann mit vorderen Bondpads 890 versehen werden, an die die Lotmaterial-Teile 80 gebondet werden. Optional kann ein lichtdurchlässiges Füllmaterial-Teil 880 zwischen der optischen Struktur 800 und dem Halbleiterchip 900 vorgesehen werden, um eine Kondensation und/oder Verunreinigung zu vermeiden.
  • In einem erläuternden Beispiel kann das optische Halbleiter-Bauelement 920 einen CMOS-Bildsensor (CMOS: komplementärer Metalloxidhalbleiter), ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD), eine optische Sensoranordnung für eine LIDAR-Anwendung (LIDAR: light detection and ranging) oder eine geeignete Halbleiter-basierte optische Signal-Erkennungsvorrichtung aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann die optische Struktur 800 einen optischen Filter aufweisen, der Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlässt oder blockiert. Die Dicke jeder Schicht in dem Schichtstapel (30, 40, 50) kann so gewählt werden, dass ein geeigneter Durchlässigkeits-Wellenlängenbereich bereitgestellt wird, in dem Licht durchgelassen wird, während die Lichtdurchlässigkeit außerhalb des Durchlässigkeits-Wellenlängenbereichs unterdrückt wird.
  • In einem anderen Beispiel kann die optische Struktur 800 einen Strahlenteiler aufweisen, der einen einfallenden Strahl partiell reflektiert und partiell durchlässt. In einem noch weiteren Beispiel kann die optische Struktur 800 einen optischen Spiegel für einen breiten Wellenlängenbereich oder für einen bestimmten Wellenlängenbereich aufweisen. Optional kann der Halbleiterchip 900 über Bondstrukturen (970, 980, 990), die zum Beispiel chipseitige Bondpads 970, Lotkugeln 980 und leiterplattenseitige Bondpads 990 umfassen können, mit einer gedruckten Leiterplatte 999 verbunden werden.
  • Im Allgemeinen kann die optische Struktur 800 der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Lotmaterial-Teilen, einer leitfähigen Paste und/oder eines Haftmaterials (wie etwa Epoxid) an dem Halbleiterchip 900 oder einer anderen optischen Vorrichtung (wie etwa einer Kamera, einer optischen Signalübertragungsvorrichtung oder einem optischen Sensor) befestigt werden. Hier werden ausdrücklich Ausführungsformen in Betracht gezogen, bei denen der Halbleiterchip 900 von 9 durch eine andere optische Komponente ersetzt wird, die bei Integration mit der optischen Struktur 800 ein optisches Modul bildet.
  • In 10 ist ein Mikrofabrikationsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Ablaufdiagramm 1000 dargestellt. In einem Schritt 1010 kann ein Schichtstapel, der eine erste Siliziumoxidschicht 30, eine Siliziumnitridschicht 40 und eine zweite Siliziumoxidschicht 50 umfasst, über einem Leitfähiges-Material-Teil 20 auf einem Substrat 10 mit den vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Es kann eine Struktur bereitgestellt werden, die einen Schichtstapel, der von unten nach oben die erste Siliziumoxidschicht 30, die Siliziumnitridschicht 40 und die zweite Siliziumoxidschicht 50 enthält, und das Leitfähiges-Material-Teil 20 unter dem Schichtstapel (30, 40, 50) und über dem Substrat 10 umfasst. In einem Schritt 1020 kann eine strukturierte Ätzmaskenschicht 57 (wie etwa eine strukturierte Fotoresistschicht), die eine Öffnung aufweist, über dem Schichtstapel (30, 40, 50) hergestellt werden.
  • In einem Schritt 1030 kann ein Durchkontaktierungshohlraum 59, der sich durch den Schichtstapel (30, 40, 50) und nach unten bis zu einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 erstreckt, durch isotropes Ätzen von Teilen der zweiten Siliziumoxidschicht 50, der Siliziumnitridschicht 40 und der ersten Siliziumoxidschicht 30 während eines einzigen Nassätzprozesses erzeugt werden. Bei einer Ausführungsform kann ein einziger Nassätzprozess unter Verwendung einer gepufferten Oxid-Ätzlösung verwendet werden, die ein Gemisch aus 40 Vol.-% NH4F in Wasser und 49 Vol.-% HF in Wasser mit einem Volumen-Mischungsverhältnis von n : 1 ist, wobei n 3 bis 12 ist. Eine Ätzrate der Siliziumnitridschicht 40 kann 1/10 bis 1/2 der Ätzrate der ersten Siliziumoxidschicht 30 betragen.
  • Das erfindungsgemäße Mikrofabrikationsverfahren (d. h., ein Verfahren zum Herstellen von Strukturen, die mindestens eine Abmessung haben, die kleiner als 1 µm ist) ermöglicht ein Strukturieren eines Schichtstapels, der eine erste Siliziumoxidschicht 30, eine Siliziumnitridschicht 40 und eine zweite Siliziumoxidschicht 50 umfasst, mit einem einzigen Ätzprozess, der ein isotroper Ätzprozess, wie etwa ein Nassätzprozess, sein kann, um einen Durchkontaktierungshohlraum 59 zu erzeugen. Für den Nassätzprozess kann zum Beispiel eine n: 1-BOE-Lösung verwendet werden. Ein solcher Nassätzprozess ist ein kostengünstiger Prozess, für den preiswerte Nassätzchemikalien verwendet werden. In einem solchen Nassätzprozess kommen außerdem häufig verwendete Nassätzanlagen zum Einsatz, die normalerweise für andere Mikrofabrikationsverfahren verwendet werden, und daher braucht keine neue Prozessanlage erworben zu werden. Darüber hinaus wird nur eine strukturierte Ätzmaskenschicht 57, wie etwa eine strukturierte Fotoresistschicht, für das Mikrofabrikationsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet. Somit kann eine Kombination aus einem einzigen lithografischen Strukturierungsprozess und einem einzigen isotropen Ätzprozess zum Strukturieren des Schichtstapels mit der ersten Siliziumoxidschicht 30, der Siliziumnitridschicht 40 und der zweiten Siliziumoxidschicht 50 verwendet werden, um den Durchkontaktierungshohlraums 59 zu erzeugen. Außerdem kann durch das Weggelassen des Trockenätzprozesses zugunsten eines Nassätzprozesses die Gefahr einer Fotoresistmaskenverbrennung beseitigt werden. Die verschiedenen Vorzüge der offenbarten Ausführungsformen ermöglichen signifikante Kosteneinsparungen und einen höheren Durchsatz während des Mikrofabrikationsprozesses.
  • Um einen einzigen isotropen Ätzprozess zu realisieren, mit dem der Schichtstapel mit der ersten Siliziumoxidschicht 30, der Siliziumnitridschicht 40 und der zweiten Siliziumoxidschicht 50 geätzt wird, können die Ätzraten der ersten Siliziumoxidschicht 30 und der zweiten Siliziumoxidschicht 50 in einem isotropen Ätzmittel (wie etwa einer n:1-BOE-Lösung) möglichst niedrig gehalten werden, und die Ätzrate der Siliziumnitridschicht 40 kann möglichst stark erhöht werden. Zum Beispiel können das Abscheidungsverfahren und die Materialzusammensetzung für das erste und das zweite Siliziumoxid-Material so gewählt werden, dass die Ätzraten der ersten Siliziumoxidschicht 30 und der zweiten Siliziumoxidschicht 50 das 1,0- bis 1,25-fache der Ätzrate von thermischem Siliziumoxid betragen. Die Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials in der Siliziumnitridschicht 40 kann durch Abscheiden eines stöchiometrischen Siliziumnitrid-Materials mit einem plasmaunterstützten CVD-Prozess erhöht werden. Durch Halten des Verhältnisses der Ätzraten der Siliziumoxid-Materialien der ersten und der zweiten Siliziumoxidschicht 30 und 50 in dem isotropen Ätzmittel zu der Ätzrate des Siliziumnitrid-Materials der Siliziumnitridschicht 40 in dem Bereich von 2 bis 10 kann ein Durchkontaktierungshohlraum 59 durch den Schichtstapel (30, 40, 50) mit einem vorstehend beschriebenen Seitenwandprofil erzeugt werden. Eine metallische Kontaktstruktur 60 kann in dem Durchkontaktierungshohlraum 59 auf dem Leitfähiges-Material-Teil 20 hergestellt werden.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein kostengünstiges Verfahren zum Strukturieren eines Schichtstapels mit einer ersten Siliziumoxidschicht 30, einer Siliziumnitridschicht 40 und einer zweiten Siliziumoxidschicht 50 bereit, um einen Durchkontaktierungshohlraum 59 zu erzeugen. Außerdem stellen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine strukturierte Struktur bereit, in der ein großer Kegelwinkel α an den geraden konischen Seitenwänden der Siliziumnitridschicht 40 die Kontaktfläche zwischen der metallischen Kontaktstruktur 60 und dem Leitfähiges-Material-Teil 20 begrenzen kann. Das Leitfähiges-Material-Teil 20 kann ein metallisches Material, wie etwa ein Metallpad oder eine Metallleitung, oder ein transparentes leitfähiges Oxidmaterial aufweisen. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung können für ein Substrat 10 mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen Lichtdurchlässigkeit, wie etwa Kieselglas, Quarz oder Glas, verwendet werden. Somit können verschiedene beispielhafte Verfahren für verschiedene optische Komponenten verwendet werden, die ein Substrat 10 mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit nutzen.
  • Bei dem Strukturierungsverfahren verschiedener Ausführungsformen werden nur eine strukturierte Ätzmaskenschicht 57 und nur ein isotroper Ätzprozess (der ein Nassätzprozess sein kann) verwendet. Im Gegensatz dazu werden bei herkömmlichen Verfahren zum Erzeugen eines Durchkontaktierungshohlraums durch den Oxid-Nitrid-Oxid(ONO)-Schichtstapel normalerweise mehrere Ätzprozesse verwendet. Zum Beispiel können bei einem herkömmlichen Verfahren mindestens drei Ätzprozesse (nass - trocken - nass) verwendet werden, für die mindestens zwei Masken zum Einsatz kommen. Ein Durchschnittsfachmann dürfte die Vielzahl von Vorzügen, die sich aus der Verwendung eines einzigen isotropen Ätzprozesses ergeben, der hier in den verschiedenen Ausführungsformen offenbart wird, gegenüber den herkömmlichen Verfahren erkennen, bei denen mehrere Ätzprozesse verwendet werden. Zum Beispiel können durch Verwenden eines einzigen isotropen Ätzprozesses statt mehrerer Ätzprozesse bei den hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen die Gesamt-Bearbeitungskosten und die Gesamt-Bearbeitungsdauer signifikant reduziert werden. Diese Kosten- und Zeit-Einsparungen können erzielt werden, weil jeder zusätzliche Ätzprozess zusätzliche Kosten und zusätzliche Bearbeitungszeit verursacht. Außerdem können durch Reduzieren der Bearbeitungsschritte auf einen einzigen isotropen Ätzprozess, in dem eine einzige Maskenschicht verwendet wird, die hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen die Gesamt-Bearbeitungskosten und die Gesamt-Bearbeitungsdauer weiter reduzieren, da jede zusätzliche Ätzmaskenschicht, die bei einem herkömmlichen Verfahren verwendet wird, das Aufbringen und Strukturieren einer Fotoresistschicht in einer lithografischen Anlage erfordert. Darüber hinaus können, wie vorstehend dargelegt worden ist, bei herkömmlichen Verfahren drei Ätzprozesse, die einen Nassätzprozess, einen Trockenätzprozess und einen weiteren Ätzprozess umfassen, verwendet werden. In dem Strukturierungsverfahren der verschiedenen Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, kann ein einziger Nassätzprozess verwendet werden und somit eine mögliche Beschädigung der zweiten Siliziumoxidschicht 50 vermieden werden, die während eines Trockenätzprozesses (wie etwa eines reaktiven Ionenätzprozesses) erfolgen kann.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können somit ein mikroskopisch kleines Bauelement bereitstellen, das ein Substrat 10, ein Leitfähiges-Material-Teil 20 und einen Schichtstapel (30, 40, 50) aufweist, der von unten nach oben eine erste Siliziumoxidschicht 30, eine Siliziumnitridschicht 40 und eine zweite Siliziumoxidschicht 50 umfasst. Insbesondere kann bei verschiedenen Ausführungsformen das mikroskopisch kleine Bauelement ein optisches Bauelement sein. Bei diesen Ausführungsformen kann das Substrat 10 ein lichtdurchlässiges Substrat sein, wie etwa Kieselglas, Quarz oder Glas. Das Leitfähiges-Material-Teil 20 kann ein transparentes leitfähiges Material (wie etwa ein transparentes Oxidmaterial) oder ein Metall aufweisen, das lichtundurchlässig ist. Bei einer Ausführungsform kann ein erstes optisches Bauelement, das auf dem Substrat 10 hergestellt ist, ein transparentes leitfähiges Material als das jeweilige Leitfähiges-Material-Teil 20 aufweisen, und ein zweites optisches Bauelement, das auf dem Substrat 10 hergestellt ist, kann ein Metall (ein lichtundurchlässiges Material) als das jeweilige Leitfähiges-Material-Teil 20 aufweisen. Das optische Bauelement, das durch das Mikrofabrikationsverfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann einen optischen Filter und/oder einen optischen Spiegel und/oder einen Strahlenteiler und/oder andere optische Bauelemente umfassen, die durch Anpassen der Dicken der einzelnen Schichten in dem Schichtstapel mit der ersten Siliziumoxidschicht 30, der Siliziumnitridschicht 40 und der zweiten Siliziumoxidschicht 50 abgeleitet werden können. Außerdem kann mit jedem der Leitfähiges-Material-Teile 20 in den optischen Bauelementen, die auf dem Substrat 10 hergestellt sind, ein elektrischer Kontakt hergestellt werden.
  • In allen Zeichnungen und gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine Struktur bereitgestellt, die Folgendes aufweist: ein Leitfähiges-Material-Teil 20, das auf einem Substrat 10 angeordnet ist; einen Schichtstapel (30, 40, 50), der von unten nach oben eine erste Siliziumoxidschicht 30, eine Siliziumnitridschicht 40 mit einer Brechzahl von 1,88 bis 1,95 bei einer Wellenlänge von 632,8 nm und eine zweite Siliziumoxidschicht 50 umfasst und der über dem Leitfähiges-Material-Teil 20 angeordnet ist; und einen Durchkontaktierungshohlraum 59, der sich durch den Schichtstapel (30, 40, 50) erstreckt, wobei Seitenwände des Durchkontaktierungshohlraums 59 erste konkave Seitenwände der ersten Siliziumoxidschicht 30, die an eine Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 angrenzen, gerade konische Seitenwände der Siliziumnitridschicht 40, die an ein jeweiliges oberes Ende der ersten konkaven Seitenwände angrenzen, und zweite konkave Seitenwände der zweiten Siliziumoxidschicht 50 umfassen, die an ein jeweiliges oberes Ende der geraden konischen Seitenwände angrenzen, sodass eine Breite w des Durchkontaktierungshohlraums 59 streng mit einem vertikalen Abstand vd von einer horizontalen Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 zunimmt. Eine strenge Zunahme einer Größe mit einem Parameter bedeutet, dass eine Zunahme des Werts der Größe auf eine Zunahme des Werts des Parameters erfolgt.
  • Wie vorstehend dargelegt worden ist, kann der Kegelwinkel α der geraden konischen Seitenwände der Siliziumnitridschicht 40 durch das Verhältnis der Ätzrate des zweiten Siliziumoxid-Materials der zweiten Siliziumoxidschicht 50 in einer n:1-BOE-Lösung (wobei n 3 bis 12 ist) zu der Ätzrate der Siliziumnitridschicht 40 in der n:1-BOE-Lösung bestimmt werden. Das Verhältnis der Ätzraten kann 2 bis 10 betragen. Bei einer Ausführungsform können die geraden konischen Seitenwände der Siliziumnitridschicht 40 einen Kegelwinkel α von 62° (ungefähr der Winkel, der dem Arcustangens 2 entspricht) bis 84° (ungefähr der Winkel, der dem Arcustangens 10 entspricht) in Bezug zu einer vertikalen Richtung haben, die senkrecht zu einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 ist.
  • Bei einer Ausführungsform weist das Substrat 10 ein transparentes dielektrisches Material, das aus der Gruppe Kieselglas, Quarz und Glas gewählt ist, auf, und/oder das Substrat 10 besteht im Wesentlichen daraus, und das Leitfähiges-Material-Teil 20 weist ein Material, das aus der Gruppe metallisches Material und transparentes leitfähiges Oxidmaterial gewählt ist, auf, und/oder es besteht im Wesentlichen daraus.
  • Bei einer Ausführungsform hat das Substrat 10 eine Dicke von 10 µm bis 3 mm, die erste Siliziumoxidschicht 30 hat eine erste Dicke t1 von 100 nm bis 1000 nm, die Siliziumnitridschicht 40 hat eine zweite Dicke t2 von 50 nm bis 500 nm, und die zweite Siliziumoxidschicht 50 hat eine dritte Dicke t3 von 50 nm bis 500 nm.
  • Bei einer Ausführungsform weist die Struktur eine metallische Kontaktstruktur 60 auf, die in dem Durchkontaktierungshohlraum 59 auf einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 angeordnet ist.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Mikrofabrikationsverfahren bereitgestellt, das die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer Struktur, die einen Schichtstapel (30, 40, 50), der von unten nach oben eine erste Siliziumoxidschicht 30, eine Siliziumnitridschicht 40 und eine zweite Siliziumoxidschicht 50 enthält, und ein Leitfähiges-Material-Teil 20 unter dem Schichtstapel (30, 40, 50) und über einem Substrat 10 umfasst; Herstellen einer strukturierten Ätzmaskenschicht 57, die eine Öffnung durch diese Schicht aufweist, über dem Schichtstapel (30, 40, 50); und Herstellen eines Durchkontaktierungshohlraums 59, der sich durch den Schichtstapel (30, 40, 50) und nach unten bis zu einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 erstreckt, durch isotropes Ätzen von Teilen der zweiten Siliziumoxidschicht 50, der Siliziumnitridschicht 40 und der ersten Siliziumoxidschicht 30 mit einem isotropen Ätzprozess, in dem eine Ätzrate der Siliziumnitridschicht 40 1/10 bis 1/2 der Ätzrate der ersten Siliziumoxidschicht 30 beträgt. Bei einer Ausführungsform kann das Mikrofabrikationsverfahren der vorliegenden Erfindung zum Herstellen einer optischen Struktur verwendet werden, die einen optischen Filter, einen optischen Spiegel oder einen Strahlenteiler umfassen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Strukturieren einer Struktur bereitgestellt, das die folgenden Schritte aufweist: Herstellen eines Schichtstapels (30, 40, 50), der eine erste Siliziumoxidschicht 30, eine Siliziumnitridschicht 40 und eine zweite Siliziumoxidschicht 50 umfasst, über einem Leitfähiges-Material-Teil 20 auf einem Substrat 10; Herstellen einer strukturierten Ätzmaskenschicht 57, die eine Öffnung aufweist, über dem Schichtstapel (30, 40, 50); und Erzeugen eines Durchkontaktierungshohlraums 59, der sich durch den Schichtstapel (30, 40, 50) und nach unten bis zu einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 erstreckt, durch isotropes Ätzen von Teilen der zweiten Siliziumoxidschicht 50, der Siliziumnitridschicht 40 und der ersten Siliziumoxidschicht 30 während eines einzigen Nassätzprozesses unter Verwendung einer gepufferten Oxid-Ätzlösung, die ein Gemisch aus 40 Vol.-% NH4F in Wasser und 49 Vol.-% HF in Wasser mit einem Volumen-Mischungsverhältnis von n : 1 aufweist, wobei n 3 bis 12 ist. Bei einer Ausführungsform kann das Strukturierungsverfahren der vorliegenden Erfindung zum Herstellen einer optischen Struktur verwendet werden, die einen optischen Filter, einen optischen Spiegel oder einen Strahlenteiler umfassen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Struktur bereitgestellt, die Folgendes aufweist: ein Leitfähiges-Material-Teil 20, das auf einem Substrat 10 hergestellt ist; einen Schichtstapel (30, 40, 50), der eine erste Siliziumoxidschicht 30, eine Siliziumnitridschicht 40 und eine zweite Siliziumoxidschicht 50 umfasst und über dem Leitfähiges-Material-Teil 20 angeordnet ist; und einen Durchkontaktierungshohlraum 59, der sich durch den Schichtstapel (30, 40, 50) und nach unten bis zu einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 erstreckt, wobei Seitenwände des Durchkontaktierungshohlraums 59 erste konkave Seitenwände der ersten Siliziumoxidschicht 30, die an eine Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 angrenzen, gerade konische Seitenwände der Siliziumnitridschicht 40, die an ein jeweiliges oberes Ende der ersten konkaven Seitenwände angrenzen, und zweite konkave Seitenwände der zweiten Siliziumoxidschicht 50 umfassen, die an ein jeweiliges oberes Ende der geraden konischen Seitenwände angrenzen, sodass eine Breite w des Durchkontaktierungshohlraums 59 streng mit einem vertikalen Abstand vd von einer horizontalen Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils 20 zunimmt. Die Siliziumnitridschicht 40 kann eine Brechzahl von 1,88 bis 1,95 bei einer Wellenlänge von 632,8 nm haben. Bei einer Ausführungsform kann die Struktur der vorliegenden Erfindung eine optische Struktur sein, die einen optischen Filter, einen optischen Spiegel oder einen Strahlenteiler umfassen kann.
  • Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (20)

  1. Mikrofabrikationsverfahren mit den folgenden Schritten: Bereitstellen einer Struktur, die einen Schichtstapel, der von unten nach oben eine erste Siliziumoxidschicht, eine Siliziumnitridschicht und eine zweite Siliziumoxidschicht enthält, und ein Leitfähiges-Material-Teil unter dem Schichtstapel und über einem Substrat umfasst; Herstellen einer strukturierten Ätzmaskenschicht, die eine Öffnung durch diese Schicht aufweist, über dem Schichtstapel; und Herstellen eines Durchkontaktierungshohlraums, der sich durch den Schichtstapel und nach unten bis zu einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils erstreckt, durch isotropes Ätzen von Teilen der zweiten Siliziumoxidschicht, der Siliziumnitridschicht und der ersten Siliziumoxidschicht mit einem isotropen Ätzprozess, in dem eine Ätzrate der Siliziumnitridschicht 1/10 bis 1/2 der Ätzrate der ersten Siliziumoxidschicht beträgt.
  2. Mikrofabrikationsverfahren nach Anspruch 1, wobei der isotrope Ätzprozess einen Nassätzprozesses unter Verwendung einer gepufferten Oxid-Ätzlösung umfasst, die ein Gemisch aus 40 Vol.-% NH4F in Wasser und 49 Vol.-% HF in Wasser mit einem Volumen-Mischungsverhältnis von n : 1 aufweist, wobei n 3 bis 12 ist.
  3. Mikrofabrikationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Siliziumnitridschicht durch chemische Aufdampfung hergestellt wird, bei der ein Silizium-Vorläufergas und ein Stickstoff-Vorläufergas gemeinsam zum Herstellen eines Siliziumnitrid-Materials verwendet werden.
  4. Mikrofabrikationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Siliziumnitridschicht eine Brechzahl von 1,88 bis 1,95 bei einer Wellenlänge von 632,8 nm hat.
  5. Mikrofabrikationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Siliziumoxidschicht ein erstes Siliziumoxid-Material aufweist, das durch Zersetzung von Tetraethylorthosilicat hergestellt wird, und die zweite Siliziumoxidschicht ein zweites Siliziumoxid-Material aufweist, das durch Zersetzung von Tetraethylorthosilicat hergestellt wird.
  6. Mikrofabrikationsverfahren nach Anspruch 5, wobei: das erste Siliziumoxid-Material und das zweite Siliziumoxid-Material undotierte Silicatglas-Materialien sind, und das zweite Siliziumoxid-Material eine Ätzrate hat, die das 0,80- bis 1,25-fache der Ätzrate der ersten Siliziumoxidschicht beträgt.
  7. Mikrofabrikationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der isotrope Ätzprozess Folgendes umfasst: einen ersten Schritt, in dem ein Material der zweiten Siliziumoxidschicht mit einer Unterätzung unter der strukturieren Ätzmaskenschicht isotrop geätzt wird, während ein verbliebener Teil der zweiten Siliziumoxidschicht die Siliziumnitridschicht unter der strukturierten Ätzmaskenschicht bedeckt; einen zweiten Schritt, in dem ein Material der Siliziumnitridschicht mit einer niedrigeren Ätzrate als einer Ätzrate der zweiten Siliziumoxidschicht geätzt wird, während gerade konische Seitenwände durch die Siliziumnitridschicht hergestellt werden und ein verbliebener Teil der Siliziumnitridschicht die erste Siliziumoxidschicht unter der strukturierten Ätzmaskenschicht bedeckt; und einen dritten Schritt, in dem Materialien der ersten Siliziumoxidschicht und der zweiten Siliziumoxidschicht geätzt werden, wobei konkave Oberflächen entstehen, und das Material der Siliziumnitridschicht geätzt wird, wobei die geraden konischen Seitenwände seitlich nach außen verschoben werden, ohne dass konkave Oberflächen entstehen.
  8. Mikrofabrikationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin ein Herstellen einer metallischen Kontaktstruktur in dem Durchkontaktierungshohlraum auf einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils umfasst.
  9. Mikrofabrikationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein transparentes dielektrisches Material aufweist, das aus der Gruppe Kieselglas, Quarz und Glas gewählt ist, und eine Dicke von \10 µm bis 3 mm hat.
  10. Mikrofabrikationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leitfähiges-Material-Teil ein Material aufweist, das aus der Gruppe metallisches Material und transparentes leitfähiges Oxidmaterial gewählt ist, die erste Siliziumoxidschicht eine erste Dicke von 100 nm bis 1000 nm hat, die Siliziumnitridschicht eine zweite Dicke von 50 nm bis 500 nm hat, und die zweite Siliziumoxidschicht eine dritte Dicke von 50 nm bis 500 nm hat.
  11. Verfahren zum Strukturieren einer Struktur mit den folgenden Schritten: Herstellen eines Schichtstapels, der eine erste Siliziumoxidschicht, eine Siliziumnitridschicht und eine zweite Siliziumoxidschicht umfasst, über einem Leitfähiges-Material-Teil auf einem Substrat; Herstellen einer strukturierten Ätzmaskenschicht, die eine Öffnung durch diese Schicht aufweist, über dem Schichtstapel; und Erzeugen eines Durchkontaktierungshohlraums, der sich durch den Schichtstapel und nach unten bis zu einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils erstreckt, durch isotropes Ätzen von Teilen der zweiten Siliziumoxidschicht, der Siliziumnitridschicht und der ersten Siliziumoxidschicht während eines einzigen Nassätzprozesses unter Verwendung einer gepufferten Oxid-Ätzlösung, die ein Gemisch aus 40 Vol.-% NH4F in Wasser und 49 Vol.-% HF in Wasser mit einem Volumen-Mischungsverhältnis von n : 1 aufweist, wobei n 3 bis 12 ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schichtstapel wie folgt hergestellt wird: Herstellen der ersten Siliziumoxidschicht durch Abscheiden eines ersten Siliziumoxid-Materials in einem ersten CVD-Prozess (CVD: chemische Aufdampfung); Herstellen der Siliziumnitridschicht durch Abscheiden eines Siliziumnitrid-Materials in einem zweiten CVD-Prozess; und Herstellen der zweiten Siliziumoxidschicht durch Abscheiden eines zweiten Siliziumoxid-Materials in einem dritten CVD-Prozess.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei eine Ätzrate der Siliziumnitridschicht 1/10 bis 1/2 der Ätzrate der ersten Siliziumoxidschicht während des einzigen Nassätzprozesses beträgt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei: das Substrat ein transparentes dielektrisches Material aufweist, das aus der Gruppe Kieselglas, Quarz und Glas gewählt ist, und das Leitfähiges-Material-Teil ein Material aufweist, das aus der Gruppe metallisches Material und transparentes leitfähiges Oxidmaterial gewählt ist.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, das weiterhin ein Herstellen einer metallischen Kontaktstruktur in dem Durchkontaktierungshohlraum auf einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils durch Abscheiden und Strukturieren eines leitfähigen Materials umfasst.
  16. Struktur mit: einem Leitfähiges-Material-Teil, das auf einem Substrat angeordnet ist; einem Schichtstapel, der von unten nach oben eine erste Siliziumoxidschicht, eine Siliziumnitridschicht mit einer Brechzahl von 1,88 bis 1,95 bei einer Wellenlänge von 632,8 nm und eine zweite Siliziumoxidschicht umfasst und über dem Leitfähiges-Material-Teil angeordnet ist; und einem Durchkontaktierungshohlraum, der sich durch den Schichtstapel erstreckt, wobei Seitenwände des Durchkontaktierungshohlraums erste konkave Seitenwände der ersten Siliziumoxidschicht, die an eine Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils angrenzen, gerade konische Seitenwände der Siliziumnitridschicht, die an ein jeweiliges oberes Ende der ersten konkaven Seitenwände angrenzen, und zweite konkave Seitenwände der zweiten Siliziumoxidschicht, die an ein jeweiliges oberes Ende der geraden konischen Seitenwände angrenzen, umfassen, sodass eine Breite des Durchkontaktierungshohlraums streng mit einem vertikalen Abstand von einer horizontalen Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils zunimmt.
  17. Struktur nach Anspruch 16, wobei die geraden konischen Seitenwände der Siliziumnitridschicht einen Kegelwinkel von 72° bis 85° in Bezug zu einer vertikalen Richtung haben, die senkrecht zu einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils ist.
  18. Struktur nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Substrat ein transparentes dielektrisches Material aufweist, das aus der Gruppe Kieselglas, Quarz und Glas gewählt ist, und das Leitfähiges-Material-Teil ein Material aufweist, das aus der Gruppe metallisches Material und transparentes leitfähiges Oxidmaterial gewählt ist.
  19. Struktur nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei: das Substrat eine Dicke von 10 µm bis 3 mm hat, die erste Siliziumoxidschicht eine Dicke von 100 nm bis 1000 nm hat, die Siliziumnitridschicht eine Dicke von 50 nm bis 500 nm hat, und die zweite Siliziumoxidschicht eine Dicke von 50 nm bis 500 nm hat.
  20. Struktur nach einem der Ansprüche 16 bis 18, die weiterhin eine metallische Kontaktstruktur aufweist, die in dem Durchkontaktierungshohlraum auf einer Oberseite des Leitfähiges-Material-Teils angeordnet ist.
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