DE10230252B4 - Verfahren zur Herstellung integrierter Mikrosysteme - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung integrierter Mikrosysteme (1), die Silizium-Germanium-Funktionsschichten (5), Germanium-Opferschichten (6) und offene Metallflächen (7) aufweisen, wobei die Germanium-Opferschichten (6) in einer Ätzlösung teilweise entfernt werden, wobei vor dem Ätzprozess der Opferschichten (6) keine Schutzschichten auf den offenen Metallflächen (7) aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert der Ätzlösung mit einem Puffer um einen pH-Wert von wenigstens annähernd 7 stabilisiert wird, wobei eine Veränderung des pH-Wertes der Ätzlösung durch während des Ätzprozesses entstehende Ätzprodukte von dem Puffer verhindert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung integrierter Mikrosysteme nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
  • Die Herstellung integrierter Mikrosysteme wird unter anderem mit Silizium-Germanium-Verbindungen und Germanium durchgeführt, wie dies in Franke, A. E.; Jiao, Y.; Wu, T.; King, T. -J.; Howe, R. T.: Post-CMOS modular integration of poly-SiGe microstructures using poly-Ge sacrificial layers. Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, S. C.: June 2000, S. 18–21 beschrieben wird.
  • Die US 6210988 B1 offenbart polykristalline Siliium-Germanium-Schichten zur Herstellung von mikroelektromechanischen Systemen.
  • Bei integrierten Mikrosystemen handelt es sich in der Regel um elektronische Systeme oder um eine Kombination aus elektronischen und mechanischen Systemen, wie beispielsweise Resonatoren, Beschleunigungs- oder Drehratensensoren.
  • Zu deren Herstellung wird auf einem Wafer mit elektronischen Schaltkreisen über eine Elektronikpassivierung zunächst eine Leiterbahnebene aus Silizium-Germanium oder Aluminium aufgebracht und strukturiert. Zur Strukturierung wird auf die Silizium-Germanium-Schicht oder die Aluminium-Schicht eine Photolackschicht aufgebracht, welche anschließend belichtet wird. Durch die Belichtung wird definiert, an welchen Stellen der zuvor aufgetragene Photolack stehen bleibt, wobei sich an die Belichtungsphase eine sogenannte Entwicklungsphase anschließt. Daran anschließend wird der Wafer bzw. die Silizium-Germanium-Schicht oder Aluminium-Schicht in einem Ätzverfahren geätzt, wobei die nicht maskierten Teile, d. h. die nicht mit dem belichteten und entwickelten Photolack passivierten Teile, wahrend des Atzprozesses abgetragen werden.
  • Auf die Silizium-Germanium-Schicht oder Aluminium-Schicht, welche beispielsweise eine Verbindung zwischen elektronischen und mechanischen Komponenten eines Mikrosystemes darstellt, wird üblicherweise eine sogenannte Opferschicht abgeschieden und strukturiert, welche beispielsweise aus Germanium oder germaniumreichem Silizium-Germanium besteht, wobei bei letztgenannten Materialien ein Germaniumanteil vorzugsweise 80% beträgt.
  • Über dieser Opferschicht wird die eigentliche SiGe-Funktionsschicht aufgebracht und strukturiert, wobei vor dem Aufbringen der SiGe-Funktionsschicht eine Strukturierung der Opferschicht, beispielsweise mittels eines reaktiven Plasmas, vorgesehen sein kann. Die SiGe-Funktionsschicht weist einen geringeren Germaniumanteil als die Opferschicht auf, wobei ein Germaniumanteil der SiGe-Funktionsschicht beispielsweise kleiner als 80% vorgesehen sein kann. Über einer germaniumreichen SiGe-Opferschicht oder einer Germanium-Opferschicht ist somit eine SiGe-Funktionsschicht mit einem geringeren Germaniumanteil vorgesehen, die in die Geometrie der Sensorelemente mittels an sich bekannter RIE-Verfahren strukturiert wird.
  • Nach dem Aufbringen dieser SiGe-Funktionsschicht wird die Opferschicht mit einem Oxidationsmittel wenigstens teilweise entfernt, wobei typischerweise unter der Opferschicht sowohl Bereiche mit einer Passivierung elektronischer Schaltkreise als auch offene Bondpads und Vias, eventuell sogar offene Leiterbahnen, die in der Regel aus Aluminium, Aluminium-Silizium oder Aluminium-Silizium-Kupfer bestehen, angeordnet sind. Bei dem sogenannten Opferschichtätzen werden diese metallischen Gebiete freigelegt, so daß die metallischen Gebiete mit der Ätzlosung in direkten Kontakt und somit in Wechselwirkung mit dieser treten können.
  • Als Ätzlösung wird, wie auch in DE 38 74 411 T2 beschrieben, beispielsweise Wasserstoffperoxid verwendet, welches die Elektronikpassivierung nicht angreift, weshalb keine speziellen Vorkehrungen zum Schutz der Passivierung erforderlich sind.
  • Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist jedoch, daß beim Ätzen der Opferschichten eine Reaktion zwischen der Ätzlösung, beispielsweise Wasserstoffperoxid, und eventuell offenen Leiterbahnen und Bondkontakten aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen auftritt, welche teilweise sogar eine komplette Zerstorung von Bondpads und anderen offenen metallischen Bereichen zur Folge hat, bevor die abzutragende Opferschicht vollstandig entfernt ist. Die Beschädigung oder Zerstörung der Bondpads bzw. Leiterbahnen ist unter Umständen mit der Zerstörung des gesamten integrierten Mikrosystems gleichzusetzen. Der Ätzangriff resultiert aus der Tatsache, daß bei einem Auflösen der Ge-Opferschicht oder der SiGe-Opferschicht saure Reaktionsprodukte gebildet werden, die den ph-Wert der H2O2-Lösung so stark erniedrigen und derart in den sauren Bereich verschieben, daß auch die erwähnten Metallstrukturen angegriffen werden. Eine reine H2O2-Lösung ohne Aufladung durch saure Reaktionsprodukte hat nicht den unerwünschten Ätzangriff der Metallstukturen zur Folge.
  • Um einen derartigen Angriff bzw. eine derartige Zerstörung der Bondpads bzw. Leiterbahnen eines Mikrosystems zu vermeiden, wird in der Praxis versucht, die Bondpads bzw. die Leiterbahnen mit Passivierungsschichten zu versehen, was jedoch zusätzliche Prozeßschritte erfordert, die zu einer Erhöhung der Herstellkosten führen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Mit dem Verfahren nach der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 zur Herstellung integrierter Mikrosysteme, mittels welchem ein pH-Wert der Ätzlösung während des Ätzverfahrens einer Opferschicht mit einem Puffer wenigstens annähernd neutral gehalten wird, wird vorteilhafterweise erreicht, daß offene Metallflächen bzw. Leiterbahnen des Mikrosystems von der Ätzlösung nicht angegriffen und zerstört werden. Dabei wird insbesondere bei der Verwendung von offenen Leiterbahnen aus Aluminiumverbindungen, welche ein amphoteres Verhalten aufweisen und deshalb sowohl von Basen als auch von Sauren angegriffen werden, eine Zerstörung derartiger Leiterbahnen mit Ätzlosungen, deren pH-Wert im neutralen Bereich liegt und trotz saurer Reaktionsprodukte, wie beispielsweise H2Ge(OH)6, auch dort gehalten wird, vorteilhafterweise vermieden.
  • Des weiteren ist mit dem Verfahren nach der Erfindung gewährleistet, daß während des Ätzprozesses auftretende Ätzprodukte, welche einen pH-Wert der Ätzlösung in saure Bereiche verschieben würden, von dem Puffer aufgefangen werden und der pH-Wert der Ätzlosung während des gesamten Ätzprozesses um den pH-Wert 7 stabilisiert wird.
  • Mit dem Verfahren nach der Erfindung werden insbesondere Vorkehrungen uberflüssig, die einen Schutz offener, nicht durch Passivierungsschichten bedeckter Metallschichten eines Mikrosystems, z. B. durch Aufbringen von Schutzschichten vor einem Ätzverfahren von Opferschichten, bieten, wodurch eine Fertigung solcher Mikrosysteme vereinfacht wird.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung entnehmbar.
  • Die einzige Figur der Zeichnung zeigt schematisch vereinfacht ein Ausführungsbeispiel eines integrierten Mikrosystems, welches erfindungsgemäß hergestellt ist.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Bezug nehmend auf die Figur ist ein integriertes Mikrosystem 1 dargestellt, welches als ein mikroelektromechanisches System auf einem integrierten Schaltkreis ausgebildet ist. Dabei ist eine elektronische Schaltung 2 auf einem Wafer bzw. einem Substrat 3 angeordnet. Ein mechanisches System 4 ist teilweise durch einen aus Silizium-Germanium ausgebildeten Körper 5 gebildet. Der Körper 5 bzw. dessen Zusammensetzung weist einen derartig niedrigen Germanium-Anteil auf, daß ein Angriff einer Atzlösung, welche zum Entfernen einer Opferschicht 6, die zwischen der elektronischen Schaltung 2 und dem Körper 5 vor dem Ätzprozeß vorgesehen ist, unterbleibt. Der Germanium-Anteil des Körpers 5 ist vorliegend kleiner als 80%, wobei der Germanium-Anteil in einer Ausführung der Erfindung vorzugsweise kleiner als 40%, und bei einer weiteren Ausführung gleich 20% bis 30% sein kann. Mit derartigen Germanium-Anteilen wird eine Reaktion mit der Ätzlösung, die vorliegend Wasserstoffperoxid ist, sicher vermieden.
  • Die Opferschicht 6 ist hier als eine Germanium-Opferschicht ausgeführt und kann bis zu einem gewissen Anteil auch weitere Bestandteile aufweisen. Derartige Bestandteile können u. a. Silizium sein, wobei ein Silizium-Anteil nur bis zu einem Grenzwert von etwa 20% vorgesehen werden darf, um ein Ätzen nicht zu verhindern. Der Siliziumanteil sollte derart gering sein, daß das Entfernen der Opferschicht 6 bzw. das teilweise Entfernen der Opferschicht 6 während des Opferschicht-Ätzverfahrens nicht durch eine zu geringe Ätzrate der Opferschicht 6 negativ beeinflußt wird oder zum Auftreten von Siliziumrückständen führt.
  • Bei der Herstellung des Mikrosystems 1 wird zunächst die elektronische Schaltung 2 auf dem Substrat bzw. dem Wafer 3 in an sich bekannter Weise erzeugt. Das bedeutet, daß auf dem Wafer 3 zunächst eine Leiterbahnebene aus Aluminium aufgebracht und strukturiert wird. Diese stellt die elektrische Verbindung zwischen der Mechanik und der Elektronik des Mikrosystems 1 dar. Darauf wird die Opferschicht 6 aus Germanium abgeschieden und strukturiert. Auf die Germanium-Opferschicht 6 bringt man anschließend die mechanische Funktionsschicht aus Silizium-Germanium bzw. den Körper 5 auf und strukturiert diesen ebenfalls.
  • Die elektronische Schaltung 2 weist neben den Leiterbahnen Passivierungsschichten 8 und Silizium-Germanium- oder Aluminium-Schichten 9 auf, welche auf den Passivierungsschichten 8 wenigstens teilweise aufgetragen sind.
  • Schichten aus Silizium-Germanium und Germanium weisen den Vorteil auf, daß sie niedrige Abscheidetemperaturen haben und des weiteren eine sogenannte Back-End-Integration ermöglichen. Das bedeutet, daß auf einen integrierten Schaltkreis bzw. einen fertig hergestellten IC weitere sogenannte Bondpads oder mechanische Elemente additiv angebracht werden können, ohne den Wafer mit den ICs bzw. deren Funktion durch die weiteren Fertigungsschritte zu beeinflussen bzw. zu beeinträchtigen.
  • Zur Entfernung der Opferschicht 6 wird ein Opferschicht-Ätzverfahren mit einer maximal 30-%igen wässrigen Wasserstoffperoxidlösung, die einen wenigstens annähernd neutralen pH-Wert aufweist, durchgeführt. Um einen Angriff eines offenen Aluminium-Pads durch die Ätzlösung bzw. die wahrend des Ätzens entstehenden sauren Ätzprodukte zu vermeiden, wird der Ätzlösung vor dem Ätzprozeß ein Puffer zugegeben, welcher den pH-Wert der Ätzlösung während des Ätzverfahrens wenigstens annähernd neutral, d. h. auf einen Wert von etwa 7, hält.
  • Damit wird ein Ätzen amphoterer metallischer Leiterbahnen oder Metall-Pads auf einfache Art und Weise vermieden. Alternativ kann es selbstverständlich auch vorgesehen werden, den ph-Wert der Ätzlösung während des Ätzprozesses der Opferschicht 6 online über einen Sensor zu messen und bei einem unzulässigen Absinken oder Ansteigen des ph-Wertes der Ätzlösung eine Pufferlösung über eine Titration in der erforderlichen Menge zuzudosieren, um den ph-Wert der Ätzlösung in einem neutralen Bereich, d. h. vorzugsweise in einem pH-Wertbereich zwischen 6 und 8, einzustellen.
  • Die durch Zugabe des Puffers ermöglichte Stabilisierung des ph-Wertes der Ätzlösung während des Ätzprozesses der Opferschicht 6 ist insbesondere bei einer Opferschicht aus Germanium oder Silizium-Germanium von Vorteil, da auftretende Ätzprodukte wie beispielsweise H2Ge(OH)6 oder von H2Si(OH)6 die Ätzlösung in unerwünschter Weise ansäuern. Eine solche ”Ansäuerung” der Ätzlösung, welche einen Ätzangriff auf die Leiterbahnen und damit eine Zerstörung der elektronischen Schaltung 2 zur Folge hätte, wird durch die Zugabe eines geeigneten Puffers verhindert.
  • Insbesondere bei Verwendung einer Ätzlösung aus Wasserstoffperoxid muß der verwendete Puffer alkali-, erdalkali- und metallfrei ausgeführt sein, da sonst das Wasserstoffperoxid durch Gegenwart von Metall-, Alkali- oder Erdalkaliionen katalytisch rasch zu Wasser und Sauerstoff zerfallen würde. Dieser Zerfall kann insbesondere bei Verwendung von Natriumacetat oder ähnlichen alkalischen Puffern zu einer Explosion führen. Außerdem besteht bei der Halbleiterfertigung die Forderung, alkali-, erdalkali- und metallfreie Losungen zu verwenden, da derartige Stoffe Fertigungseinrichtungen kontaminieren und somit zu einem Ausfall der integrierten Schaltkreise der in denselben Anlagen gefertigten mikroelektromechanischen Systeme führen können.
  • Alternativ zu Wasserstoffperoxid können auch andere geeignete Oxidationsmittel zum Atzen der Opferschicht 6 verwendet werden, deren pH-Wert wenigstens annähernd neutral ist oder durch Zugabe von Puffern annähernd neutral eingestellt werden kann. Der pH-Wert des Oxidationsmittels stellt bei der Auswahl eines verwendeten Oxidationsmittels dahingehend eine Prämisse dar, daß ein geeignetes Oxidationsmittel bei dem geforderten, wenigstens annähernd neutralen pH-Wert stabil ist.
  • Ein derartiges Oxidationsmittel kann beispielsweise konzentrierte Salpetersäure sein, da diese in hoch konzentrierter Form in nicht dissoziierter Form vorliegt und keine Protonen aufweist. Beim Einsatz von konzentrierter Salpetersäure wird beispielsweise ein offenes Aluminium-Pad passiviert, womit ein Angriff der offenen Aluminium-Schicht 7 unterbleibt. Des weiteren kann Peroxosulfat, Peroxodisulfat oder Chlorat, letzteres beispielsweise auch als Ammoniumverbindung in Form von Ammoniumchlorat, Ammoniumchlorit oder Ammoniumhypochlorit, eingesetzt werden, da diese Substanzen sowohl ätzen als auch puffern.
  • Ist die Opferschicht 6 beispielsweise aus Germanium oder einer Silizium-Germanium-Schicht mit einem hohen Germaniumanteil, vorzugsweise mit einem Germaniumanteil größer als 80% ausgebildet, wird die Opferschicht von der konzentrierten Salpetersäure geätzt, da Germanium im Gegensatz zu Aluminium kein dichtes Oxid ausbildet. Auf jeden Fall sollte gewährleistet sein, daß bei der Verwendung von Salpetersäure diese in konzentrierter Form verwendet wird, um einen Angriff der freien Metall-Leiterbahnen des Mikrosystems 1 zu vermeiden.
  • Der verwendete Puffer kann aus Verbindungen bestehen, welche Kationen beispielsweise Ammonium-, Tetramethylammonium- oder Tetraethylammoniumionen aufweisen. Damit korrespondierend und mit den vorgenannten Kationen Verbindungen bildende Anionen können Chlorid-, Hydrogenkarbonat-, Karbonat-, Dihydrogenphosphat-, Hydrogenphosphat-, Phosphat-, Acetat-, Tartrat- oder Nitrationen sein. Das bedeutet, daß ein verwendeter Puffer eine Verbindung aus den vorgenannten Kationen und Anionen, wie beispielsweise Ammoniumacetat, Ammoniumdihydrogenphosphat oder auch Tetramethylammoniumdihydrogenphosphat sein kann.
  • Die verwendeten Konzentrationswerte des Puffers und die Zusammensetzung der Atzlösung sind auf den jeweilig vorliegenden Anwendungsfall abzustimmen, wobei insbesondere eine Kontrolle des Ätzprozesses wesentlich von der Konzentration des Oxidationsmittels in der Atzlösung abhängt. Vorliegend wird eine 30-%ige wassrige Wasserstoffperoxidlösung als Atzlösung vorgeschlagen, die mit einer Konzentration des Puffers von 1% bis 10%, wenn der Puffer ein Mol Kationen bzw. ein Mol Anionen aufweist, gepuffert wird.
  • Des weiteren wird durch die Verwendung eines vorgenannten Puffers einer zur Stabilisierung des Wasserstoffperoxids häufig vorgenommenen Zugabe von sauren Komponenten zu Wasserstoffperoxid auf einfache Art und Weise vorteilhaft entgegengewirkt, denn ohne Puffer hätte die Zugabe der sauren Komponenten eine Verschiebung des pH-Wertes zur Folge, die wiederum ein Ätzen offener metallischer Leiterbahnen eines Mikrosystems durch die Ätzlösung während eines Opferschichtverfahrens bewirken würde.
  • Einige der vorbeschriebenen Puffer weisen insbesondere beim Ätzen von Germanium-Opferschichten in Verbindung mit Aluminium als Metallisierung Vorteile auf. So bilden sich insbesondere beim Einsatz von Ammoniumacetat als Puffer auf offenen Aluminiumflächen eines Mikrosystems sogenannte Chelate bzw. Aluminiumacetat-Schichten aus, welche das Aluminium zusätzlich passivieren. Zusätzlich wird beim Einsatz von Ammoniumacetat eine Erhöhung der Ätzrate des Germaniums beim Ätzen mit Wasserstoffperoxid erzielt.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung integrierter Mikrosysteme (1), die Silizium-Germanium-Funktionsschichten (5), Germanium-Opferschichten (6) und offene Metallflächen (7) aufweisen, wobei die Germanium-Opferschichten (6) in einer Ätzlösung teilweise entfernt werden, wobei vor dem Ätzprozess der Opferschichten (6) keine Schutzschichten auf den offenen Metallflächen (7) aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert der Ätzlösung mit einem Puffer um einen pH-Wert von wenigstens annähernd 7 stabilisiert wird, wobei eine Veränderung des pH-Wertes der Ätzlösung durch während des Ätzprozesses entstehende Ätzprodukte von dem Puffer verhindert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer alkalifrei, erdalkalifrei und/oder metallfrei ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzlösung wenigstens teilweise aus angesäuertem Wasserstoffperoxid besteht.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzlösung als Oxidationsmittel Peroxosulfat, Peroxodisulfat, ein Chlorat, ein Chlorit oder Hypochlorit enthält.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferlösung Kationen aus Stickstoffverbindungen, vorzugsweise Ammonium-, Tetramethylammonium- oder Tetraethylammoniumionen, enthält.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer ein Hydrogenkarbonat, Karbonat, Tartrat und/oder Acetat enthält.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer Anionen aus Phosphorverbindungen, vorzugsweise Dihydrogenphosphat, Hydrogenphosphat oder Phosphationen, enthält.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer Nitrationen aufweist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer aus Ammoniumacetat, Ammoniumdihydrogenphosphat und/oder Tetramethylammoniumdihydrogenphosphat besteht.
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