DE10326787A1 - Halbleiterelement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine neue Möglichkeit zur Realisierung von Leiterbahnen und Widerständen in einem Halbleiterelement vorgeschlagen, das mindestens eine leitende Schicht (4) umfasst. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die leitende Schicht (4) dazu bereichsweise durchoxidiert, so dass mindestens ein Bereich der leitenden Schicht (4) durch die oxidierten Bereiche (7) gegenüber den übrigen Bereichen der leitenden Schicht (4) elektrisch isoliert ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement mit mindestens einer leitenden Schicht, in der mindestens eine Leiterbahn und/oder mindestens ein Widerstand ausgebildet ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterelements.
  • Zur Realisierung von Leiterbahnen und Widerständen auf Halbleiterelementen wird in der Regel zunächst eine leitende Schicht auf der Oberfläche des Halbleiterelements erzeugt. Dabei kann es sich um eine dünne Metallschicht handeln, beispielsweise aus Aluminium, Nickel, Platin oder Gold, oder auch um eine polykristalline oder monokristalline Siliziumschicht. Aus dieser leitenden Schicht wird dann mit Hilfe von Fotolithografieprozessen und Ätzprozessen die gewünschte Anordnung von Leiterbahnen und Widerständen herausstrukturiert. Durch Abscheiden eines Isolators, wie z.B. Siliziumoxid SiO2, wird diese Anordnung dann elektrisch isoliert.
  • Des Weiteren ist aus der Praxis ein Verfahren zur lokalen Oxidation von Siliziumschichten bekannt. Dieses LOCOS (local oxidation of silicon)-Verfahren wird beispielsweise bei der Herstellung von Mikrochips mit MOS-Transistoren eingesetzt, um einen Feldoxidbereich in der Umgebung des Gateoxids zu erzeugen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird eine neue Möglichkeit zur Realisierung von Leiterbahnen und Widerständen in einem Halbleiterelement vorgeschlagen.
  • Erfindungsgemäß wird die leitende Schicht des Halbleiterelements dazu bereichsweise durchoxidiert, so dass mindestens ein Bereich der leitenden Schicht, nämlich die Anordnung der Leiterbahnen und Widerstände, durch die oxidierten Bereiche gegenüber den übrigen Bereichen der leitenden Schicht elektrisch isoliert ist.
  • Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass sich das LOCOS-Verfahren auch zur Herstellung von Leiterbahn- und Widerstandsanordnungen in einer leitenden Schicht eignet, da bei diesem Verfahren gezielt einzelne Bereiche der leitenden Schicht durchoxidiert und damit gegenüber den übrigen Bereichen der leitenden Schicht elektrisch isoliert werden können. Von besonderem Vorteil ist, dass mit Hilfe dieses Verfahrens auch auf bzw. in dünnen, schlecht wärmeleitenden Membranen Leiterbahnen und Widerstände erzeugt werden können, beispielsweise zur Realisierung von Heizerstrukturen und Piezowiderständen. Die dicken Oxidbereiche tragen in diesem Fall in vorteilhafter Weise zur Stabilität der Membran bei und führen außerdem zu einer guten Wärmeisolation.
  • Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements, insbesondere was die Beschaffenheit der leitenden Schicht betrifft. Wesentlich ist, dass das Material der leitenden Schicht durchoxidiert werden kann und dass das dabei entstehende Oxid einen guten elektrischen Isolator bildet.
  • In einer vorteilhaften Variante dient eine polykristalline Siliziumschicht als leitende Schicht. Polykristalline Siliziumschichten können sehr einfach mit aus der Halbleitertechnik bekannten Verfahren erzeugt werden. Alternativ zu einer polykristallinen Siliziumschicht kann auch eine monokristalline Siliziumschicht als leitende Schicht dienen. Bei dieser Variante kann das Bauelement in vorteilhafter Weise mit einem SOI (silicon on insulator)-Wafer realisiert werden. SOI-Wafer bestehen aus einem Substrat, auf dem mindestens eine Isolatorschicht angeordnet ist. Darüber befindet sich eine dünne monokristalline Siliziumschicht, in der mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr einfach eine Anordnung von Leiterbahnen und Widerständen ausgebildet werden kann. Zudem können Siliziumschichten vor oder auch nach der lokalen Oxidation mit einer p- und/oder n-Dotierung beliebiger Dotierstoffkonzentration und Dotierstofftiefe versehen werden, was sich insbesondere bei der elektrischen Dimensionierung von Widerständen als vorteilhaft erweist. Dabei kann der Dotierstoff vollflächig oder auch lokal begrenzt in die Siliziumschicht eingebracht werden. Für die Dotierung der Siliziumschicht können ebenfalls bekannte Verfahren, wie z.B. Implantieren oder thermisches Diffundieren, eingesetzt werden.
  • Als leitende Schicht kommen auch dünne Metallschichten in Frage, wenn sich das Metall durchoxidieren lässt, wie z.B. Aluminium und Titan. In diesem Fall bewirken die entsprechenden Metalloxide die elektrische Isolation der Leiterbahn- und Widerstandsanordnung gegenüber den übrigen Bereichen der leitenden Schicht.
  • Wie die Leiterbahn- und Widerstandsanordnung in der leitenden Schicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterelements erzeugt wird, hängt nicht nur vom Material und der Beschaffenheit des Ausgangssubstrats ab sondern auch von der zu erzeugenden Bauelementstruktur bzw. der Funktion des Halbleiterelements. Dementsprechend kommen viele Varianten für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Frage. Wesentlich ist, dass die leitende Schicht bereichsweise durchoxidiert wird, so dass mindestens ein Bereich der leitenden Schicht durch die oxidierten Bereiche gegenüber den übrigen Bereichen der leitenden Schicht elektrisch isoliert ist. Die Definition der Leiterbahn- und Widerstandsanordnung in der leitenden Schicht erfolgt vorteilhafter Weise mit Hilfe einer Maskierschicht, die über der leitenden Schicht erzeugt und anschließend strukturiert wird. Dabei werden die zu oxidierenden Bereiche der leitenden Schicht freigelegt, so dass sie dann im Rahmen einer thermischen Oxidation durchoxidiert werden können.
  • Zeichnungen
  • Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
  • 1 zeigt den Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterelement, in dem eine Membran mit Heizstruktur ausgebildet ist,
  • 2 zeigt das in 1 dargestellte Halbleiterelement nach dem Entfernen der Maskierschicht,
  • 3 zeigt das in 1 dargestellte Halbleiterelement, das als Gassensorelement konfiguriert worden ist,
  • 4 zeigt das in 2 dargestellte Halbleiterelement, das als Gassensor konfiguriert worden ist,
  • 5 zeigt den Querschnitt durch ein Halbleiterelement, das als Strömungssensorelement konfiguriert worden ist.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Als Ausgangssubstrat für die Herstellung der in den 1 bis 4 dargestellten Halbleiterelemente wurde ein oxidierter Siliziumwafer 1 verwendet. Auf der Siliziumoxidschicht 2 wurde eine Siliziumnitridschicht 3 und darauf eine Polysiliziumschicht 4 abgeschieden, die die leitende Schicht des jeweils dargestellten Halbleiterelements bildet. Diese Polysiliziumschicht 4 kann – abhängig von der Funktion des Halbleiterelements – lokal oder auch vollflächig p- und/oder n-dotiert sein. Durch Implantation oder Diffusion lassen sich zudem Bereiche mit unterschiedlichen Dotierstoffen und Dotierstoffkonzentrationen erzeugen. Ein etwaig resultierender Stress in der Bauelementstruktur kann durch geeignete zusätzliche Deckschichten, beispielsweise aus Oxiden, Nitriden, SiC, etc., eingestellt werden, was hier allerdings nicht dargestellt ist.
  • Die in den 1 bis 4 dargestellten Halbleiterelemente können aber auch auf der Basis eines SOI-Wafers hergestellt werden. SOI-Wafer sind mit einer monokristallinen Siliziumschicht versehen, die durch eine Siliziumnitridschicht Si3N4 und/oder eine Siliziumoxidschicht SiO2 gegen das Siliziumsubstrat isoliert ist. Bei Verwendung eines SOI-Wafers dient die monokristalline Siliziumschicht als leitende Schicht. Sie wird genauso wie die Polysiliziumschicht 4 behandelt, was nachfolgend näher erläutert wird.
  • Auf der Polysiliziumschicht 4 wurde, beispielsweise durch thermische Oxidation, eine dünne Siliziumoxidschicht SiO2 5 erzeugt, auf der dann eine Siliziumnitridschicht Si3N4 6 als Maskierschicht abgeschieden wurde. Die Maskierschicht 6 wurde entsprechend der zu realisierenden Leiterbahn- und Widerstandsanordnung strukturiert. Dabei wurden die in der Polysiliziumschicht 4 zu oxidierenden Bereiche freigelegt. Diese freigelegten Bereiche wurden im Rahmen einer thermischen Oxidation aufoxidiert, wobei die Oxidationsbedingungen und insbesondere die Dauer so gewählt wurden, dass die Polysiliziumschicht 4 vollständig durchoxidiert wurde. Die Siliziumnitridschicht 3 dient dabei als Oxidationsstoppschicht. Bei diesem Oxidationsschritt entstanden in der Polysiliziumschicht 4 die aufoxidierten Bereiche 7, durch die die Leiterbahnen gegenüber den übrigen Bereichen der Polysiliziumschicht 4 elektrisch isoliert werden. Die Siliziumoxidschicht 5 dient in erster Linie der Stresskompensation unterhalb der Maskierschicht 6 und kann je nach Prozessanforderungen auch entfallen. Während des Oxidationsschritts, in dem die Polysiliziumschicht 4 bereichsweise durchoxidiert wurde, entstand auch auf dem Siliziumnitrid der Maskierschicht 6 eine Oxidschicht 9, die als Reox-Schicht bezeichnet wird.
  • Die elektrische Anbindung zwischen Aluminium-Bondlands 10 und den in der Polysiliziumschicht 4 ausgebildeten Leiterbahnen 8 erfolgt bei dem in 1 dargestellten Halbleiterelement über ein Kontaktloch 11, das nachträglich in die Reox-Schicht 9, die Maskierschicht 6 und die Siliziumoxidschicht 5 eingebracht wurde. Bei dem in 2 dargestellten Halbleiterelement wurden die Reox-Schicht 9 und die Maskierschicht 6 entfernt, bevor ein Kontaktloch 11 in die Siliziumoxidschicht 5 eingebracht wurde.
  • Schließlich wurde die Membran 12 freigelegt, indem z.B. mit Hilfe von KOH eine Kaverne 13 in die Waferrückseite eingeätzt wurde. Auf diese Weise wurde im Bereich der Heizleiterstruktur eine geringe Wärmeabfuhr erzielt. Die Siliziumnitridschicht 3 dient beim Ätzen der Kaverne 13 als Ätzstoppschicht. Auf diese Weise lassen sich sehr gut Membranen mit einer definierten Zieldicke realisieren. Die Siliziumnitridschicht 3 übernimmt also sowohl die Funktion einer Oxidationsstoppschicht beim lokalen Durchoxidieren der Polysiliziumschicht 4 als auch die Funktion der Ätzstoppschicht beim Ätzen der Kaverne 13. Außerdem kann über die Siliziumnitridschicht 3 die Membranspannung eingestellt werden.
  • Die in den 1 und 2 dargestellten Halbleiterelemente können für den Einsatz in einem Gassensor konfiguriert werden, was in den 3 und 4 dargestellt ist. Dazu wurde auf der Membran 12 eine Platinschicht 15 ausgebildet. Anstelle der Platinschicht hätte auch eine andere Metallschicht erzeugt werden können. Aus dieser Platinschicht 15 wurden einzelne Pt-Leiterbahnen 16 herausstrukturiert, die auf den Heizleiterbahnen 8 der Membran 12 angeordnet sind. Über der Platinschicht 15 wurde eine Isolationsschicht 17 aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxinitrid abgeschieden, die im Bereich der Heizleiterstruktur teilweise oberhalb der Pt-Leiterbahnen 16 entfernt wurde. Stattdessen wurde über der Heizleiterstruktur und den Pt-Leiterbahnen 16 eine gassensitive Schicht 18 aufgebracht. Bei Gasbeaufschlagung ändert sich der elektrische Widerstand dieser gassensitiven Schicht 18, was mit Hilfe der Pt-Leiterbahnen 16 erfasst wird. Durch Aufheizen mit Hilfe der Heizleiterstruktur kann die chemische Reaktivität der gassensitiven Schicht erhöht werden.
  • 5 zeigt ein Halbleiterelement, bei dem die Reox-Schicht und die Oxidationsmaske entfernt worden sind, das für den Einsatz in einem Strömungssensor konzipiert ist. Auch hier wurden auf einem aufoxidierten Bereich 7 in der Membran 12 Pt-Leiterbahnen 16 erzeugt. Die Größe des aufoxidierten Bereichs 7 kann beliebig gewählt werden. Die Isolationsschicht 17 erstreckt sich hier jedoch über die gesamte Halbleiterelementfläche mit Ausnahme der Kontaktlöcher 11. Die Pt-Leiterbahnen 16 dienen hier zur Temperaturerzeugung und zum Messen der Temperaturverteilung in der Membran 12. Da die Symmetrie der Temperaturverteilung durch eine Gasströmung über der Membran 12 verändert wird, lassen sich durch Erfassen der Temperaturverteilung Aussagen über die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungsrichtung machen.
  • Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens der lokalen Oxidation von leitenden Schichten auch Bauelemente mit anderen Funktionen herstellen lassen, wie z.B. IR-Quellen, Fresnel-Linsen, Mikrofilter, Thermopiles etc..
    • 1
    Siliziumwafer
    2
    Siliziumoxidschicht
    3
    Siliziumnitridschicht – Oxidations- und Ätzstoppschicht
    4
    Polysiliziumschicht
    5
    Siliziumoxidschicht
    6
    Siliziumnitridschicht – Maskierschicht/Oxidationsmaske
    7
    aufoxidierte Bereiche
    8
    Leiterbahn/Heizleiterbahn/-struktur
    9
    Reox-Schicht
    10
    Aluminium-Bondlands
    11
    Kontaktloch
    12
    Membran
    13
    Kaverne
    14
    Kaverne
    15
    Platinschicht
    16
    Pt-Leiterbahn
    17
    Isolationsschicht
    18
    gassensitive Schicht

Claims (12)

  1. Halbleiterelement mit mindestens einer leitenden Schicht (4), in der mindestens eine Leiterbahn (8) und/oder mindestens ein Widerstand ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (8) und/oder der Widerstand durch oxidierte Bereiche (7) in der leitenden Schicht (4) gegenüber den übrigen Bereichen der leitenden Schicht (4) elektrisch isoliert ist.
  2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht aus einem halbleitenden Material, wie Germanium, SiGe, SiC oder diamond like carbon besteht.
  3. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht (4) aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium besteht.
  4. Halbleiterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Siliziumschicht (4) zumindest bereichsweise p- und/oder n-dotiert ist.
  5. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium oder Titan, besteht.
  6. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn und/oder der Widerstand zumindest teilweise durch mindestens eine Isolationsschicht geschützt ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements mit mindestens einer leitenden Schicht (4), in der mindestens eine Leiterbahn (8) und/oder mindestens ein Widerstand ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leiterbahn (8) und/oder mindestens ein Widerstand ausgebildet wird, indem die leitende Schicht (4) bereichsweise durchoxidiert wird, so dass mindestens ein Bereich der leitenden Schicht (4) durch die oxidierten Bereiche (7) gegenüber den übrigen Bereichen der leitenden Schicht (4) elektrisch isoliert ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass über der leitenden Schicht (4) eine Maskierschicht (6) erzeugt wird, dass die Maskierschicht (6) strukturiert wird, wobei die zu oxidierenden Bereiche der leitenden Schicht (4) freigelegt werden und dass diese Bereiche der leitenden Schicht (4) dann im Rahmen einer thermischen Oxidation durchoxidiert werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die leitenden Schicht durch eine monokristalline oder polykristalline Siliziumschicht (4) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Siliziumnitridschicht (Si3N4) (6) als Maskierschicht dient.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Membran (12), die eine Heizleiterstruktur (8) umfasst, wobei die Bauelementstruktur in einem Siliziumsubstrat (1), Metallsubstrat, Glassubstrat oder Keramiksubstrat ausgebildet wird, das eine Ätzstoppschicht (2 und/oder 3) umfasst, über der eine leitende monokristalline oder polykristalline Siliziumschicht (4) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, – dass über der leitenden Siliziumschicht (4) eine Maskierschicht (6) aufgebracht wird, – dass die Maskierschicht (6) entsprechend der in der leitenden Siliziumschicht (4) zu erzeugenden Heizleiterstruktur (8) strukturiert wird und dass dabei Oberflächenbereiche der leitenden Siliziumschicht (4) freigelegt werden, – dass die leitende Siliziumschicht (4) ausgehend von den freigelegten Oberflächenbereichen durchoxidiert wird, so dass die Heizleiterstruktur (8) gegenüber den übrigen Bereichen der leitenden Siliziumschicht (4) elektrisch isoliert ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Bauelementstruktur in einem Siliziumsubstrat (1) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der der leitenden Siliziumschicht (4) gegenüberliegenden Seite des Siliziumsubstrats (1) im Bereich der Heizleiterstruktur (8) eine Kaverne (13) in das Substrat (1) geätzt wird, wobei die Ätzstoppschicht (2 und/oder 3) den Ätzprozess begrenzt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei mehrere Leiterbahn- und Widerstandslagen erzeugt werden.
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