DE102021120199A1

DE102021120199A1 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102021120199A1
Application number: DE102021120199.3A
Authority: DE
Inventors: Ivar Tangring
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2023-02-09
Also published as: WO2023012091A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer funktionellen Halbleiterschichtenfolge mit einer Oberfläche. Auf der einem Teilbereich der Oberfläche ist eine Schicht aufgebracht, die einen ersten Teilbereich und einen den ersten Teilbereich umschließenden zweiten Teilbereich umfasst. Der erste Teilbereich hat eine definierte Dicke mit einer im wesentlichen planparallele Oberfläche zur Oberfläche der funktionellen Schichtenfolge; eine Dicke des zweiten Teilbereichs nimmt ausgehend von dem ersten Teilbereich, insbesondere stetig, ab.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelement sowie ein Halbleiterbauelement.
HINTERGRUND
Moderne Halbleiterbauelemente umfassen in einigen Anwendungen neben einer funktionalen Halbleiterschichtenfolge auch zusätzliche Materialien auf ihrer jeweiligen Oberfläche, die bestimmten Randbedingungen genügen müssen. Neben der Verwendung von verschiedenen Metallen zur Erzeugung von Kontaktflächen und ähnlichem gehören zu auch Materialien, die beispielsweise Spiegelflächen, Filter o. ä. ausbilden sollen. Gerade im Fall von optoelektronischen Halbleiterbauelementen werden derartige Materialien als Schichten oder strukturierte Schichten auf der Licht emittierenden Oberseite des Bauelements aufgebracht.
Zu diesem Zweck wird üblicherweise nach der Herstellung der funktionalen Schichtenfolge das Halbleiterbauelement mit einer Fotomaske bedeckt, diese strukturiert und anschließend das notwendige Material beispielsweise ein Metall, ein Metalloxid oder auch einer anderen metallhaltigen Verbindung aufgesputtert, aufgedampft oder anderweitig abgeschieden. Dabei hat sich in einigen Anwendungen herausgestellt, dass das verwendete Material zwar für die jeweilige Anwendung besonders geeignet ist, der Herstellungsvorgang jedoch durch die Eigenschaften des Materials erschwert wird. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von Magnesiumfluorid, MgF₂, welches zum einen eine hohe Abscheidetemperatur benötigt, um die notwendige Schicht Qualität zu erreichen und Risse im aufgebrachten Material zu vermeiden. Daneben ist MgF₂ ein Material, welches sich nur schwer weiter strukturieren lässt.
Die hohen Temperaturen während des Abscheidens derartiger Materialien erschweren die Auswahl möglicher Stoffe für die Fotomaske und deren anschließende Strukturierung. Daneben hat sich herausgestellt, dass insbesondere Materialien mit einer hohen Abscheidetemperatur Schwierigkeiten bei einem späteren ablösen der Fotomaske durch einen entsprechenden Prozess zeigen.
Es besteht daher das Bedürfnis, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements vorzuschlagen, das geeignet ist, auch Materialien mit höherer Abscheidetemperatur ausreichend gut verarbeiten zu können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diesem Bedürfnis wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche Rechnung getragen. Weiterbildungen der Maßnahmen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfinder hat erkannt, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mehrere verschiedene Aspekte in sich vereinen muss, um die gewünschte Vorteile zu realisieren. Entsprechend schlägt er vor, eine funktionelle Halbleiterschichtenfolge auf einem Trägersubstrat bereitzustellen. Unter dem Begriff einer „funktionellen Halbleiterschichtenfolge“ wird im Folgenden eine Halbleiterschichtenfolge verstanden, in der eine oder mehrere Schaltungen bzw. auch Funktionen integriert sind. Dies können beispielsweise Transistoren oder andere Bauelemente sein. Eine derartige funktionelle Halbleiterschichtenfolge kann neben verschieden dotierten Schichten, auch metallische, dielektrische oder undotierte Schichten umfassen. Insbesondere können an der Oberfläche zum Schutz vor Oxidation dielektrische Schichten vorhanden sein. Im Fall optoelektronischer Halbleiterbauelemente umfasst eine funktionale Halbleiterschichtenfolge eine aktive Zone, die zur Lichtemission oder auch zur Lichtdetektion geeignet ausgeführt ist. Dabei kann die Lichtemission oder -Detektion primär entlang einer Oberseite bzw. Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge erfolgen, sodass man hier von einem sogenannten Oberflächenemitter (im Fall einer Leuchtdiode) spricht. Ebenso kann in einigen Ausgestaltungen eine funktionelle Halbleiterschichtenfolge derart ausgebildet sein, dass sie bei einem späteren Bauelement Licht zu allen Seiten imitiert, welches im Wesentlichen als Volumenemitter bezeichnet wird. In der Herstellung wird nach dem Bereitstellen der funktionellen Halbleiterschichtenfolge eine erste Hartmaskenschicht insbesondere flächig auf der funktionellen Schichtenfolge aufgebracht.
Das Aufbringen der ersten Hartmaskenschicht kann auf verschiedene Weisen beispielsweise mittels Sputtern, Bedampfen chemischer oder physikalischer Gasphasenabscheidung und ähnlichem. Andere Möglichkeiten sind auch ein Abscheiden der ersten Maskenschicht mittels amorphen Dünnfilmen. Dabei ist es möglich, bereits während des Aufbringen der ersten Hartmaskenschicht diese zu strukturieren, sofern dies erforderlich ist. Unter dem Begriff einer Hartmaskenschicht wird eine nichtorganische Maskenschicht verstanden.
Anschließend wird eine zweite Hartmaskenschicht auf der ersten Hartmaskenschicht aufgebracht. Dies kann auf die gleichen Arten wie bereits bei der ersten Hartmaske beschrieben erfolgen. Erfindungsgemäß zeichnet sich die zweite Hartmaskenschicht gegenüber der ersten Hartmaskenschicht dadurch aus, dass sie selektiv mit wenigstens einem Prozess ätzbar ist. „Selektiv ätzbar“ heißt in diesem Zusammenhang, eine bestimmte Hartmaskenschicht von einem bestimmte Ätzprozess angegriffen wird, die jeweils andere Hartmaskenschicht aber von diesem Prozess nicht oder nur unwesentlich angegriffen wird. Mit anderen Worten ist eine Schicht oder ein Material sehr stark inert gegenüber einem Ätzprozess, wenn es von diesem nicht oder deutlich weniger angegriffen wird. „selektives Ätzen“ einer Schicht bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Ätzstoff lediglich die Schicht angreift, aber eventuell keine benachbarte Schicht aus einem anderen Material Mit anderen Worten werden in einigen Aspekten die Hartmaskenschichten so ausgewählt, dass sie mit entsprechenden Ätzprozessen jeweils für sich genommen geätzt werden können, die dabei verwendeten Ätzprozesse jedoch die jeweils andere Hartmaskenschicht nicht wesentlich beeinflussen.
Nach dem Aufbringen der zweiten Hartmaskenschicht wird nun eine strukturierte Fotomaske auf die zweite Hartmaskenschicht aufgebracht. Das Strukturieren der Fotomaske erfolgt in zwei oder mehr Schritten, wobei in einem ersten Schritt das Material der Fotomaske aufgeschleudert, aufgedampft aus der Gasphase chemisch oder physikalisch abgeschieden, aufgesputtert oder anderweitig aufgebracht wird und in einem zweiten Schritt mittels lithographischer Verfahren das so aufgebrachte Material der Fotomaske strukturiert wird.
Anschließend erfolgt ein Strukturieren der zweiten Hartmaskenschicht mit dem wenigstens einen Ätzprozess, wobei Teile der zweiten Hartmaskenschicht durch den Prozess entfernt werden. Durch die Selektivität des verwendeten Ätzprozesses greift jedoch dieser die darunterliegende erste Hartmaskenschicht nicht bzw. nur unwesentlich an. Die erste Hartmaskenschicht wird nun mit wenigstens einem zweiten Prozess strukturiert, der wiederum selektiv gegen die zweite Hartmaskenschicht wirkt.
In einigen Aspekten kann ein Ätzstoff für die Strukturierung der zweiten Hartmaskenschicht benutzt werden, der auch imstande ist die erste Hartmaskenschicht zu ätzen. Beispielsweise kann hierfür ein Plasmaätzprozess verwendet werden, der beide Hartmaskenschichten ätzt und somit unselektiv wirkt.
In jedem Fall erfolgt weiterhin zum Ätzen der ersten Hartmaskenschicht ein zweiter Ätzprozess, der selektiv lediglich die erste Hartmaskenschicht ätzt, aber nicht oder nur unwesentlich die zweite Hartmaskenschicht ätzt. Dabei bewirkt der zweite Ätzprozess eine Unterätzung der zweiten Hartmaskenschicht, sodass sich eine T-förmige Struktur einstellt. Mit anderen Worten werden in einigen Aspekten die beiden Hartmaskenschichten somit durch einen oder zwei unterschiedliche selektive Ätzprozesse geätzt, wobei im Endergebnis eine teilweise Unterätzung unter die zweite Hartmaskenschicht im Bereich der strukturierten zweiten Hartmaskenschicht stattfindet.
In einem Aspekt kann der Ätzprozess für die erste Hartmaske unterschiedlich selektiv sein, d.h. er ätzt die erste Hartmaske deutlich schneller, z.B. 3 bis 5 mal so schnell wie die erste Hartmaske.
Anschließend kann die strukturierte Fotomaske durch verschiedene Verfahren wieder entfernt werden. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht nun darin, dass die erste und zweite Hartmaskenschicht gegenüber den folgenden Verfahrensschritten im wesentlichen temperaturunabhängig bzw. gegenüber einer gewöhnlich verwendeten Fotomaske deutlich temperaturstabiler ist. Dadurch können nun auch Materialien auf der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge abgeschieden werden, die mit herkömmlichen fotolithografischen Verfahren nicht abgeschieden werden können.
Durch die vorhandene Unterätzung kann zudem das nunmehr abzuscheidende Material mit einer vorgegebenen Form ausgestaltet werden. Entsprechend wird weiter vorgeschlagen, ein Material auf die strukturierte zweite Hartmaskenschicht aufzubringen, wobei das Material auch in den strukturierten Bereich und damit auf der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge gelangt. Erfindungsgemäß ist der wenigstens eine erste und auch der wenigstens eine zweite Ätzprozess unselektiv gegenüber diesem Material. Mit anderen Worten wird das Material durch die Ätzprozesse, mit der die erste und zweite Hartmaskenschicht geätzt werden können, nicht oder kaum angegriffen.
In einem letzten Schritt erfolgt ein Entfernen wenigstens einer der ersten oder zweiten Hartmaskenschicht mit dem wenigstens einen zweiten oder dem wenigstens einen ersten Ätzprozess. Durch diesen Ätzprozess verbleibt das vorher abgeschiedene Material auf der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge und die Hartmasken können entsprechend entfernt werden.
In einem Aspekt des Verfahrens erfolgt der Schritt des Abscheidens des Materials bei einer Verarbeitungstemperatur von >150 °C und insbesondere von > 250°C. Damit können auch Materialien auf der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge abgeschieden werden, die mit herkömmlichen fotolithographischen Verfahren und herkömmlich verwendeten Fotomaskenmaterialien nicht oder nur schwer aufgebracht werden können. Typische Materialien, die eine hohe Verarbeitungstemperatur von größer 200° bzw. sogar größer als 300° C erfordern können, sind Magnesiumfluorid, MgF₂, Titanoxid, TiO₂ oder auch Saphir, Al₂O₃. Strukturen, welche auf der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge aus diesen Materialien bestehen, lassen sich auf die erfindungsgemäße vorgeschlagene Weise einfach in der gewünschten Größe und mit der gewünschten Schichtdicke erzeugen.
Durch die vorgenommene Unterätzung in einigen Aspekten kann sowohl die zweite Hartmaskenschicht mit dem ersten Ätzprozess als auch die erste Hartmaskenschicht mit dem wenigstens einen zweiten Ätzprozess selektiv entfernt werden. In einigen Aspekten kann dabei vorgesehen sein, den wenigstens einen zweiten Ätzprozess selektiv zu verwenden, um damit die erste Hartmaskenschicht zu entfernen, sodass sich die zweite Hartmaskenschicht und das auf der zweiten Hartmaskenschicht abgeschiedene Material abnehmen lassen.
Für die jeweiligen Prozesse können sowohl nass-chemische Prozesse als auch Plasmaätzprozesse oder trockenchemische bzw. Gasphasenätzprozesse verwendet werden. Wesentlich ist dabei, dass die Prozesse untereinander selektiv sind, d. h. die beiden Hartmaskenschichten sind mit entsprechenden Materialien ausgeführt, die gegenüber dem jeweils anderen Ätzprozess inert sind, d.h. nicht oder nur unwesentlich angegriffen werden. Als Materialien eignen sich unter anderem Glas sowie verschiedene Metalle, da diese durch unterschiedliche Prozesse selektiv angegriffen werden.
Ein weiterer Aspekt beschäftigt sich mit der Schichtdicke der verschiedenen Hartmaskenschichten und der daraus resultierenden Schichtdicken des abgeschiedenen Materials auf der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge. In einem Aspekt ist vorgesehen, dass eine Schichtdicke der ersten Hartmaskenschicht größer ist als die Hälfte der Schichtdicke des benachbarten auf der funktionellen Halbleiterschichtenfolge abgeschiedenen Materials. Dadurch wird erreicht, dass der Zwischenraum im Bereich der Unterätzung weiterhin durch ein Ätzmittel, insbesondere des ersten Ätzprozesses erreichbar ist, sodass selektiv die erste Hartmaskenschicht geätzt werden kann. Ebenso wird mit dieser Ausgestaltung bewirkt, dass auch die zweite Hartmaskenschicht durch einen entsprechenden Schritt von dem existierenden Zwischenraum in der Unterätzung her geätzt werden kann. Andernfalls ließe sich eine nicht bedeckte Oberfläche der zweiten Hartmaskenschicht nicht mehr erreichen, um dort den Ätzprozess beginnen zu können.
Für diesen Zweck ist in einigen Aspekten eine Unterätzung vorgesehen, sodass ein Teil der ersten Hartmaskenschicht unterhalb der zweiten Hartmaskenschicht entfernt bzw. ausgewaschen wird. Dadurch wird ein Überhang gebildet, dessen Höhe im Wesentlichen durch die Dicke der ersten Hartmaskenschicht gegeben ist. Ein derartiger Überhang kann beispielsweise mittels eines chemischen Ätzprozesses der ersten Hartmaskenschicht erfolgen, in dem das Ätzmittel selektiv das Material der ersten Hartmaskenschicht angreift und im Bereich der strukturierten zweiten Hartmaskenschicht entfernt. Die Größe des Überhangs kann dabei durch den Ätzprozess annähernd gesteuert werden.
Bei der Verwendung eines Plasmaätzprozesses lässt sich eine Unterätzung in einigen Aspekten besser steuern, wodurch eine verbesserte Reproduzierbarkeit erreicht wird. Bei einer gerichteten Plasmaätzung als Prozess kann eine derartige Unterätzung auch entfallen, sodass sich eine mehr oder weniger senkrechte Öffnungen hinunter auf die Halbleiterschichten ergeben.
In einigen Aspekten umfasst eine laterale Ausdehnung des Überhangs mindestens die Schichtdicke der ersten Hartmaskenschicht. In weiteren Aspekten kann dieser Übergang auch 1,5 bis zum 3,5-fachen der Schichtdicke betragen, insbesondere aber mehr als das Zweifache der Schichtdicke der ersten Hartmaskenschicht sein.
Weitere Aspekte betreffen nun die Schritte des Abscheidens des Materials auf der zweiten Hartmaskenschicht und der Oberfläche der funktionellen Halbleiterschichtenfolge. Bei einem geeigneten aufgeplusterten bzw. aufgeschleuderten oder anderweitig abgeschiedenen Material kann gewährleistet werden, dass nach dem Schritt des Abscheidens ein Abstand zwischen einer Unterkante der zweiten Hartmaskenschicht und einer Oberfläche des auf der funktionellen Halbleiterschichten Folge abgeschiedenen Materials verbleibt. Durch diesen Abstand ist es möglich, den Hohlraum zwischen der zweiten Hartmaskenschicht und der Oberfläche der funktionellen Halbleiterschichtenfolge zu erreichen, wobei der Hohlraum teilweise mit dem Material verfüllt sein kann. Insofern verbleibt somit der Hohlraum weiterhin von außen zugänglich. Auf diese Weise wird die rückseitige Oberfläche der zweiten Hartmaskenschicht durch ein Ätzmittel erreichbar. In ähnlicher Weise kann auch die Seitenflanke der ersten Hartmaskenschicht mit einem Ätzmittel erreichbar sein. Mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung und insbesondere dem weiterhin zugänglichen Hohlraum wird somit die Möglichkeit geschaffen, entweder die erste bzw. auch die zweite Hartmaskenschicht selektiv zu ätzen und damit entfernen zu können.
Ein weiterer Aspekt betrifft die Ausgestaltung der Unterätzung sowie das Abscheiden des Materials in der durch den ersten und zweiten Ätzprozess erzeugten Vertiefung. Dabei wird das Material in einigen Aspekten derart abgeschieden, dass es an einer Seitenkante der ersten strukturierten Hartmaskenschicht unterhalb der zweiten Hartmaskenschicht direkt angrenzt. Ein Teilbereich der Seitenkante der ersten Hartmaskenschicht kann dabei frei bleiben. Mit anderen Worten wird in der Vertiefung so viel Material abgeschieden, dass dieses in die Unterätzung hineinreicht und direkt an der Seitenkante der ersten Hartmaskenschicht gelangt. Dies erlaubt es, eine vorgegebene Struktur und auch eine vorgegebene Begrenzung des Materials auf der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge vorzusehen. Dennoch bleibt durch die Unterätzung die Rückseite der zweiten Hartmaskenschicht einen weiteren Schritt erreichbar.
In einigen Aspekten erfolgt nun ein Entfernen der zweiten Hartmaskenschicht durch den wenigstens einen ersten Ätzprozess, sodass das auf der zweiten Hartmaskenschicht abgeschiedene Material mit entfernt wird. Übrig bleibt nun auf der Halbleiterschichtenfolge das aufgesputterte bzw. abgeschiedene Material sowie die erste Hartmaskenschicht. Diese kann in weiteren Schritten durch den zweiten Ätzprozesse noch selektiv entfernt werden, ohne dass dabei das aufgebrachte Material beeinträchtigt wird. In einigen Ausgestaltungen verläuft nun eine Grenzfläche des Materials nach einem Entfernen der ersten Hartmaskenschicht im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der funktionellen Halbleiterschichtenfolge. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Abscheiden des Materials zu einer direkten Angrenzung des Materials an die Seitenkante der ersten strukturierten Hartmaskenschicht geführt hat.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die Form der Grenzfläche von der Grenze der ersten Hartmaske nach dem Unterätzen abhängt. Wenn beispielsweise die zweite Maske geöffnet wird, ohne die erste Hartmaske zumindest teilweise anzugreifen, und die erste Hartmaske dann nasschemisch geätzt wird, wird es sehr wahrscheinlich eine abfallende Flanke geben. Hingegen wird bei einem plasmachemischen ersten Ätzprozess, bei dem beide Hartmasken angegriffen werden und einem nachfolgenden nass-chemischen Prozess eine steilere eventuell senkrechte Flanke in der Grenzfläche der ersten Hartmaske erzeugt.
Alternativ kann das abgeschiedene Material auch auslaufen, d. h. mit zunehmender Entfernung vom Mittelpunkt in seiner Dicke abnehmen.
Ein weiterer Aspekt des vorgeschlagenen Verfahrens betrifft die Möglichkeit, nun zusätzliche nicht gewünschte chemische Stoffe vor dem eigentlichen Abscheiden des Materials zu entfernen. Diese nicht gewünschten Stoffe sind insbesondere Oxide, welches die für das Abscheiden von Material vorgesehenen Oberflächen bedecken, oder Gase die im Material eingebettet sind. In einigen Aspekten wird somit vorgeschlagen, vor dem Schritt des Abscheidens die Halbleiterschichtenfolge mit den darauf angeordneten Hartmaskenschicht auszuheizen, um dabei das Oxid oder auch den Sauerstoff abzulösen.
Ein anderer Aspekt betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer funktionellen Halbleiterschichtenfolge, die eine Oberfläche aufweist. Auf einem Teilbereich der Halbleiterschichtenfolge ist eine Materialschicht aufgebracht, die einen ersten und einen zweiten Teilbereich umfasst. Der zweite Teilbereich umschließt dabei den ersten Teilbereich vollständig. Erfindungsgemäß zeichnet sich die vorhandene Materialschicht zum einen durch eine Verarbeitungstemperatur von höher als 200° und insbesondere höher als 250 °C auf und besitzt zudem in dem zweiten Teilbereich eine mit zunehmendem Abstand vom ersten Teilbereich abnehmende Dicke. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verarbeitungstemperatur eine Eigenschaft der Materialschicht ist und zwar derart, als dass eine Verarbeitung bei niedrigeren Temperaturen zu einer messbaren Änderung der qualitativen Eigenschaften der Schicht führt.
Figurenliste
Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

1A bis 1E zeigen mehrere Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
2 zeigt einen Zwischenschritt in der Herstellung eines Bauelements nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
3A bis 3C zeigen weitere Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
4 zeigt einen Ausschnitt eines Bauelements während des Herstellungsverfahrens zur Erläuterung einiger Prinzipien;
5A und 5B zeigen weitere Verfahrensschritte zur Herstellung eines Bauelements nach dem vorgeschlagenen Prinzip.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird. Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne jedoch der erfinderischen Idee zu widersprechen.
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt, und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein. Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden. Begriffe wie „oben“, „oberhalb“, „unten“, „unterhalb“, „größer“, „kleiner“ und dergleichen werden jedoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt. So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten.
1A bis 1E zeigt erste Schritte eines Verfahrens nach dem vorgeschlagenen Prinzip zur Erzeugung mehrerer Hartmasken auf einer Schichtenfolge, die für die spätere Herstellung eines andererseits nur schwer zu verarbeitenden Materials geeignet sind. Dabei wird in einem ersten Schritt, dargestellt in 1A, eine funktionelle Halbleiterschichtenfolge 10 bereitgestellt. Diese kann in einigen Aspekten unterschiedliche integrierte Bauelemente umfassen und im Fall optoelektronischer Halbleiterbauelemente auch eine aktive Zone. Die Halbleiterschichtenfolge 10 ist im Fall optoelektronischer Halbleiterbauelemente beispielsweise dazu ausgebildet, Licht entlang ihrer Oberfläche hin abzustrahlen. Auf diese Oberfläche wird nun eine erste Hartmaskenschicht flächig abgeschieden. Dies kann beispielsweise durch ein aufgesputtert, aufgeschleuderter oder auch mittels epitaktischer Verfahren, beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung oder anderweitig erfolgen. Als mögliche Materialien für diese erste Hartmaske eignen sich Dielektrika oder Metalle. Wesentlich hierbei ist, dass die erste Hartmaskenschicht 11 mit einem Ätzprozess ergänzt werden kann, der selektiv gegenüber der darunterliegenden Schichtenfolge 10 ist.
Die darunterliegende Schichtenfolge 10 ist somit inert gegenüber dem Ätzprozess, der die erste Hartmaskenschicht 11 ätzen kann und dafür verwendet wird.
Mit anderen Worten können so Teilbereiche der ersten Hartmaskenschicht 11 entfernt werden, ohne dass während des Ätzprozesses die darunterliegende Schichtenfolge 10 angegriffen wird.
In einem zweiten Schritt gemäß 1B wird nun eine zweite Hartmaskenschicht 12 flächig auf die erste Hartmaskenschicht 11 abgeschieden. Die zweite Hartmaskenschicht zeichnet sich wiederum dadurch aus, dass sie aus einem unterschiedlichen Material gegenüber der ersten Hartmaskenschicht 11 besteht. Zudem ist die Hartmaskenschicht 12 mit einem Material gebildet, welches gegenüber dem ersten Ätzprozess inert ist und wiederum durch einen zweiten Prozess geätzt werden kann, der unselektiv gegenüber der ersten Hartmaskenschicht 11 ist. Mit anderen Worten wird für die zweite Hartmaskenschicht 12 ein Material verwendet, welches durch wenigstens einen Ätzprozess ergänzt werden kann, der die darunterliegende erste Hartmaskenschicht 11 nicht angreift. Als Material für die zweite Hartmaskenschicht 12 kommen auch hier Metalle bzw. Dielektrika infrage, da sich diese durch eine hohe Resistenz gegenüber größeren Verarbeitungstemperaturen auszeichnen.
Die in der 1B dargestellten Größenverhältnisse sind nicht zwingend maßstabsgerecht. Beispielsweise kann die Dicke der ersten und zweiten Hartmaskenschicht 11 und 12 gleich groß, aber auch unterschiedlich groß gewählt sein. Die Dicke der ersten Hartmaskenschicht 11 ist in gewisser Weise von der späteren gewünschten Dicke des abzuscheidenden Materials abhängig, wie dies im Folgenden noch näher erläutert wird. Daneben spielt auch das Aspektverhältnis, d.h. die Größe einer Öffnung gegenüber der dicke der ersten und zweiten Hartmaske eine Rolle
In einem nächsten Verfahrensschritt, dargestellt in 1C wird nun das Material einer Fotomaske 13 flächig auf die zweite Hartmaskenschicht 12 aufgebracht. Das Material der Fotomaske, sowie das Abscheiden und spätere strukturierte Verfahren ist herkömmlicher Natur und dem Stand der Technik bereits bekannt und kann insbesondere organischer Natur sein.
In 1D wird nun die Fotomaske 13 strukturiert und so eine strukturierte Fotomaske 130 gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden hierzu Teilbereiche der Fotomaske entfernt, sodass die Oberfläche der darunterliegenden zweiten Hartmaskenschicht teilweise freiliegt. Dieser Vorgang kann wie bereits im Stand der Technik mehrfach beschrieben erfolgen.
In einem anschließenden Schritt in 1E dargestellt wird nun ein erster Ätzprozess durchgeführt, bei dem die freiliegenden Bereiche der zweiten Hartmaskenschicht entfernt werden. Durch den selektiven ersten Ätzprozess erfolgt das Entfernen von Teilen der Hartmaskenschicht 12 bis zur Oberfläche der ersten Hartmaskenschicht 11 hinweg. Darüber hinaus kommt es durch den verwendeten ersten Ätzprozess wie in der 1E gezeigt zu einer leichten Unterätzung unter die Fotomaske 130. Eine Unterätzung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass wie dargestellt auch Material der zweiten Hartmaskenschicht geätzt wird, welches sich unterhalb der strukturierten Fotomaske 130 befindet. Mit anderen Worten wächst somit der Durchmesser der in der zweiten Hartmaskenschicht 12 gebildeten Öffnung leicht an. Dies ist dem verwendeten ersten Ätzprozess geschuldet, im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen nass-chemischen Prozess dargestellt. Wird hingegen ein anderer Ätzprozess beispielsweise ein Plasmaätzprozess verwendet, würde dieser zu einer geringeren bzw. nicht vorhandenen Unterätzung führen, sodass sich das einstellende Ergebnis besser kontrollierbar ist.
In einem folgenden zweiten Ätzprozess dargestellt in 2 wird nun die erste Hartmaskenschicht strukturiert, indem der Bereich der ersten Hartmaskenschicht angrenzend zu dem strukturierten Bereich der zweiten bereits strukturierten Hartmaskenschicht 120 entfernt wird. Auf diese Weise wird eine erste strukturierte Hartmaskenschicht 110 gebildet. Auch dieser Schritt erfolgte mit einem Ätzprozess, der jedoch gegenüber der zweiten Hartmaskenschicht 120, und auch der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 10 nicht selektiv ist und somit die zweite Hartmaskenschicht 120 und die Schichtenfolge 10 nicht angreift. Hartmaskenschicht 120 und Schichtenfolge 10 sind gegenüber diesem Ätzprozess inert. Wie dargestellt erfolgt der Ätzprozess derart, dass nicht nur die Oberfläche 101 Halbleiterschichtenfolge 10 freigelegt wird, sondern darüber hinaus auch noch eine Unterätzung unter die zweite Hartmaskenschicht 120 in benachbarte Bereiche 102 stattfindet. Diese Bereiche bilden somit einen Überhang bzw. spätere Zwischenräume aus. Basierend auf Höhe h der ersten Hartmaskenschicht 110 kann der Überhang und damit die tiefe d eine Funktion des verwendeten Ätzprozesses beispielsweise der Konzentration des Stoffes sein.
Auch hier kann durch eine Veränderung der Parameter des Ätzprozesses oder ein anderer Ätzprozess beispielsweise ein Plasmaätzen oder ein trockenchemisches Ätzen einerseits der Überhang gesteuert und damit die entstehende Vertiefung kontrolliert werden.
3A bis 3C zeigen die nächsten Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens. In 3A wird die Fotomaske 130 entfernt, sodass die Oberfläche 121 der zweiten Hartmaskenschicht 120 freigelegt wird. Alternativ kann das Entfernen der Fotomaske 130 auch vor dem Schritt des Strukturierens der ersten Hartmaskenschicht 110 erfolgen. Dies ist möglich, da der verwendete Ätzprozess für die Strukturierung der Hartmaskenschicht 110 die bereits strukturierte zweite Hartmaskenschicht 120 nicht angreift.
Anschließend wird das Material 14 abgeschieden. Wie dargestellt erfolgt das Abscheiden des Materials 14 isotrop, d. h. möglichst gleichmäßig über den ganzen Bereich. Entsprechend lagert sich das Material 14 sowohl an der Oberseite 121 der zweiten Hartmaskenschicht 120 ab, als auch auf der Oberseite 101 der freigelegt funktionellen Schichtenfolge 10 und an den Seitenrändern der zweiten Hartmaskenschicht. Dort bildet es den Überhang 143. Das Aufsputtern des Materials 14 erfolgt gleichmäßig, sodass sich ein Teil des Materials in der durch die vorangegangenen Strukturierungsschritte erzeugten Öffnung ablagert. Dort bildet es eine mehr oder weniger planparallele Oberfläche mit der Höhe H. Zu erkennen ist jedoch, dass zum Rand hin, d. h. zu der Seitenkante der Hartmaskenschicht 120, die Höhe H geringer wird, wobei die Dicke des abgeschiedenen Materials auf der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 10 bereits noch innerhalb der Öffnung beginnt und sich über die Kante der zweiten Hartmaskenschicht 120 hinweg fortsetzt.
Ein Teil des abgeschiedenen Materials gelangt somit unter den Überhang und lagert sich dort ab. Die Materialmenge ist jedoch so gewählt, dass zwischen der Oberseite des Materials 14 auf der Halbleiterschichtenfolge 10 und der unteren Seitenkante der zweiten Hartmaskenschicht 120, ein Spalt verbleibt, sodass der durch den Überhang gebildete Zwischenraum 102 weiterhin zugänglich ist. Dies ist erforderlich, da andernfalls das Ätzmittel für die zweite Hartmaskenschicht 120 oder auch für die erste Hartmaskenschicht 110 nicht mehr angreifen kann und ein Ablösen der Hartmaskenschichten 120 bzw. 110 dadurch nicht mehr möglich ist.
Der Abfall der Schichtdicke des auf der Oberfläche 101 abgeschiedenen Materials ist unter anderem von der Größe der Öffnung in der zweiten strukturierten Hartmaskenschicht 120 abhängig. Zusätzlich ist erkennbar, dass der Abstand zwischen der zweiten Hartmaskenschicht 120 und dem Material auf der Oberfläche von der Schichtdicke H insgesamt abhängt. Bei einer zunehmenden Schichtdicke H wird auch dieser Abstand geringer. Als Daumenregel hat sich dabei erwiesen, die Dicke h der ersten Hartmaskenschicht 110 so zu wählen, dass sie mindestens die Hälfte der gewünschten Schichtdicke H des abgeschiedenen Materials entspricht. Dadurch wird gewährleistet, dass der in 3B dargestellte Spalt verbleibt und damit der Zugang unter den Überhang möglich ist.
Darüber hinaus ist auch die Länge d des Überhangs und damit des Zwischenraum 102 von Bedeutung. Im vorgesehenen Ausführungsbeispiel ist die Länge d so gewählt, dass das auf der Oberfläche 101 der Schichtenfolge 10 abgeschiedene Material lediglich einen Teilbereich der Oberfläche unterhalb des Überhangs bedeckt. Die laterale Ausdehnung des Überhangs kann somit geeignet gewählt werden, damit zum einen die Seitenkante des ersten Hartmaskenschicht 110 von Material frei bleibt, sodass hier der Ätzprozess ansetzen kann.
In 3C ist schließlich der Zustand des erfindungsgemäßen Bauelements gezeigt, nachdem die zweite Hartmaskenschicht 120 durch den ersten Ätzprozess vollständig entfernt wurde. Aufgrund der Selektivität greift der erste Ätzprozess lediglich die Hartmaskenschicht 120, nicht jedoch die Hartmaskenschicht 110, die Halbleiterschichtenfolge 10 oder das abgeschiedene Material 14 an.
Das abgeschiedene Material 14 bildet nun eine im wesentlichen planparallele Oberfläche 141 in einem ersten Teilbereich 140? aus. Dieser erste Teilbereich ist von einem zweiten Teilbereich 142 umschlossen, dessen Dicke mit zunehmender Entfernung vom ersten Teilbereich stetig abnimmt. Dieses Verhalten kann durch das aufgesputterte und aufgebrachte Material sowie die verschiedenen Prozessparameter gesteuert werden.
4 und 5 zeigen diesbezüglich ein Ausführungsbeispiel, bei der der Überhang entsprechend kleiner ausfällt. In 4 ist der Zustand nach dem Abscheiden des Materials 14 dargestellt. Wie bereits beschrieben ist das Material 14 sowohl auf der Oberseite der zweiten Hartmaskenschicht und dessen Seitenkante als auch als Material 15 auf der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 10 aufgebracht. In den vorangegangenen Prozessschritten wurde jedoch eine Strukturierung der ersten und der zweiten strukturierten Hartmaskenschicht 110 bzw. 120 derart vorgenommen, dass der resultierende Übergang in seiner lateralen Abmessung im Wesentlichen der Höhe h der ersten strukturierten Hartmaskenschicht 110 entspricht. Bei einem gleichmäßigen aufgesputterten Material 14 auf die Oberfläche führt dies dazu, dass sich Material im Teilbereich 142 an der Seitenkante der ersten Hartmaskenschicht 110 ansammelt.
Im Gegensatz zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel besitzt dieser Teilbereich 142 nun keine stetig abfallende Dicke mehr, sondern diese nimmt erst etwas ab und bleibt dann konstant bis sie mit einer geringeren Dicke, an die Seitenkante dieser Hartmaskenschicht angrenzt. Auf diese Weise lässt sich eine definierte Grenzfläche des abgeschiedenen Materials auf der Oberseite der Halbleiterschichtenfolge 10 erreichen. Zudem kann auch der Dickenabfall des Materials über die gesamte laterale Ausdehnung besser bestimmt und kontrolliert werden. Die 5A und 5B zeigen nun die weiteren Prozessschritte in einem derartigen Ausführungsbeispiel.
In einem ersten Schritt wird durch den ersten Ätzprozess die zweite Hartmaskenschicht 120 und das darauf abgeschiedene Material 14 vollständig entfernt. Damit liegt die Oberfläche der ersten Hartmaskenschicht 110 frei. Wenn, wie in einigen Ausführungsbeispielen möglich die erste Hartmaskenschicht 110 zudem auch als isolierende Grenzschicht und als Schutzschicht verwendbar ist, kann diese auf der Oberfläche der funktionellen Halbleiterschichtenfolge 10 verbleiben. Alternativ ist es wie in 5B dargestellt auch möglich, in einem weiteren zweiten Ätzprozess die erste strukturierte Maske 110 vollständig zu entfernen. Damit verbleibt lediglich das durch den ersten und zweiten Ätzprozesse nicht angreifbare Material an der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 10, wobei die Grenzfläche dieses Materials zum einen fest definiert und zum anderen im Wesentlichen senkrecht verläuft oder der vorangegangenen Form der ersten Hartmaskenschicht folgt.
Durch die Verwendung anorganischer Materialien als erste und zweite Hartmaskenschichten wird es möglich, höhere Verarbeitungstemperaturen für auf der Oberfläche abzuscheidende Materialien zu erreichen. Zudem können Materialien verwendet werden, die sich selektiv ätzen lassen, sodass auch ein selektives Strukturieren und Entfernen der einzelnen Hartmaskenschicht nach dem Abscheiden des aufgebrachten Materials möglich bleibt. Die Verwendung anorganischer Materialien erlaubt es zudem Hochtemperaturausheilungsprozesse bzw. Veraschungsprozesse vor dem Abscheiden des Materials vorzunehmen, ohne dabei die einzelnen Masken zu beschädigen. Beispielsweise lässt sich auf diese Weise Sauerstoff von der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge entfernen, bevor Materialien auf vorher oxidierten Oberflächen ausgebildet werden.
Als Materialien für die unterschiedlichen Hartmaskenschichten kommen beispielsweise Siliziumdioxid, Aluminium, Silber oder andere Metalle infrage. Diese lassen sich selektiv nass-chemisch aber auch trocken-chemisch oder durch Plasmaätzen voneinander entfernen. Mit Vorteil kann sich ein Material der Hartmaskenschichten von verschiedenen Ätzprozessen selektiv ätzen, so dass es eine umfangreiche Auswahl möglicher Ätzprozesse gibt. Auf diese Weise sind auch Materialien abscheidbar, die besonders hohe Verarbeitungstemperaturen benötigen. Ebenso können Materialien zum Abscheiden auf die Schichtenfolge benutzt werden, die sich mechanisch nur schwer entfernen lassen. bzw. gegenüber herkömmlichen Ätzprozessen kaum angreifbar sind. Ein Beispiel hierfür Magnesiumfluorid MgF₂, welche von einer Verarbeitungstemperatur von 300° profitieren kann. Zudem lässt sich man Magnesiumfluorid nur sehr schwer durch Prozesse entfernen, ohne dass darunterliegende Schichten bzw. benachbarte Schichten mit angegriffen werden. Die Verwendung mehrerer Hartmaskenschichten, die zudem unempfindlich gegen die Verarbeitungstemperatur sind, erlauben es auch derartige Materialien auf den Oberflächen mit hoher Qualität aufbringen zu können.
Neben den hier dargestellten Prozess mit zwei Hartmaskenschichten sind auch weitere Hartmaskenschichten aus verschiedenen Metallen möglich. Wesentlich ist, dass zwei benachbarte Hartmaskenschichten dabei lediglich mit unterschiedlichen Prozessen geätzt werden können, um eine unbeabsichtigte Beschädigung zu vermeiden. Eine derartige Schichtenfolge kann sich auch abwechseln, sodass mehrere Maskenschichten von sich periodisch abwechselnden Materialien erst aufgebracht und anschließend strukturiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Halbleiterschichtenfolge
11: erste Hartmaskenschicht
12: zweite Hartmaskenschicht
13: Photolackschicht
14, 15: Material
101, 121: Oberfläche
102: Überhang, Hohlraum
110: erste strukturierte Hartmaskenschicht
120: zweite strukturierte Hartmaskenschicht
122: Überhang
130: strukturierte Photolackschicht
140: Oberfläche
141: erster Teilbereich
142: zweiter Teilbereich

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Bauelements, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer funktionellen Halbleiterschichtenfolge auf einem Trägersubstrat; - Aufbringen einer ersten Hartmaskenschicht auf der funktionellen Schichtenfolge; - Aufbringen einer zweiten Hartmaskenschicht auf der ersten Hartmaskenschicht, wobei optional die zweite Hartmaskenschicht mit wenigstens einem ersten Ätzprozess selektiv gegenüber der ersten Hartmaskenschicht ätzbar ist; - Aufbringen einer strukturierten Photomaske auf die zweite Hartmaskenschicht; - Strukturieren der zweiten Hartmaskenschicht mit dem wenigsten einen ersten Ätzprozess; - Strukturieren der ersten Hartmaskenschicht mit wenigstens einem zweiten Ätzprozess, der nicht selektiv gegenüber der zweiten Hartmaskenschicht ist; wobei der zweite Ätzprozess eine Unterätzung der zweiten Hartmaskenschicht bewirkt; - Entfernen der strukturierten Photomaske; - Abscheiden eines Materials auf die strukturierte zweite Hartmaske, wobei das Material nicht oder nur unwesentlich von dem wenigstens einen zweiten Ätzprozess und/oder dem wenigsten einen ersten Ätzprozess angegriffen wird; - Entfernen wenigstens einer der ersten oder zweiten Hartmaske mit dem wenigsten einen zweiten oder dem wenigsten einen ersten Ätzprozess.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welcher der Schritt des Abscheidens des Materials bei einer Temperatur von größer als 150°C und insbesondere größer als 250° C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem der wenigstens eine erste Ätzprozess ein nass-chemischer Ätzprozess oder ein Plasmaätzprozess ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zweite Ätzprozess ein nass-chemischer oder ein gasphasen-Ätzprozess ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Schichtdicke der ersten Hartmaske größer ist als die Hälfte einer Schichtdicke des benachbarten auf der funktionellen Halbleiterschichtenfolge abgeschiedenen Materials.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während des Strukturierens der ersten Hartmaskenschicht ein Teil der ersten Hartmaske unterhalb der zweiten Hartmaske entfernt wird, so dass ein Überhang gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine laterale Ausdehnung des Überhangs mindestens der Schichtdicke der ersten Hartmaske entspricht, insbesondere mindestens dem 1,5 bis 3,5-fachen der Schichtdicke entspricht und insbesondere mehr als dem 2-fachen der Schichtdicke der ersten Hartmaske entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach dem Schritt des Abscheidens des Materials ein Abstand zwischen einer Unterkante der zweiten Hartmaske und einer Oberfläche des auf der funktionellen Halbleiterschichtenfolge abgeschiedenen Materials verbleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach dem Schritt des Abscheidens des Materials ein von außen zugänglicher Hohlraum zwischen der zweiten Hartmaske und der Oberfläche der funktionellen Halbleiterschichtenfolge verbleibt, der insbesondere teilweise mit dem Material verfüllt sein kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Abscheiden eines Materials auf die strukturierte zweite Hartmaske umfasst: - Abscheiden des Materials derart, dass es an einer Seitenkante der ersten strukturierten Hartmaske, insbesondere unterhalb der zweiten Hartmaske, direkt angrenzt, wobei zumindest ein Teilbereich der Seitenkante frei bleibt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine Grenzfläche des Materials nach einem Entfernen der ersten Hartmaske im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der funktionellen Halbleiterschichtenfolge verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend ein Ausheizen vor dem Schritt des Abscheidens, so dass insbesondere ein Oxid oder Sauerstoff von einer für das Abscheiden von Material vorgesehenen Oberfläche entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Entfernen wenigstens einer der ersten oder zweiten Hartmaske ein Ätzen der ersten Hartmaske umfasst, so dass die zweite Hartmaske abgelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Entfernen der strukturierten Photomaske vor dem Schritt des Strukturierens der ersten Hartmaskenschicht durchgeführt wird.
Halbleiterbauelement, aufweisend: - eine funktionelle Halbleiterschichtenfolge mit einer Oberfläche; - eine auf einem Teilbereich der Oberfläche aufgebrachte Schicht, die einen ersten Teilbereich und einen den ersten Teilbereich umschließenden zweiten Teilbereich umfasst; wobei - der erste Teilbereich eine Dicke mit einer im wesentlichen planparallele Oberfläche zur Oberfläche der funktionellen Schichtenfolge aufweist; und eine Dicke des zweiten Teilbereichs ausgehend von dem ersten Teilbereich, insbesondere stetig, abnimmt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, wobei eine Außenseitenkante des zweiten Teilbereiches im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der funktionellen Halbleiterschichtenfolge steht.