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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen
eines Strukturelements in einer Ätzschicht, die eine Dicke
von mehr als 2 Mikrometer aufweist, wobei das Strukturelement in
der Ätzschicht eine laterale Strukturelementposition und
an einer Grenzfläche zwischen der Grenzschicht und einer
Substratschicht eine kritische laterale Ausdehnung aufweist.
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STAND DER TECHNIK
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US 2005/0068608 beschreibt
einen Prozess zum selektiven Ätzen einer Ätzschicht
in Form einer Materialschicht. Der Prozess wird bei der Herstellung von
Bauelementen eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) verwendet.
In einer Schichtstruktur mit Submikrometerdicke werden Strukturelemente
in Form eines Durchgangslochs geätzt.
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Beim Ätzen
von dicken Schichten mit einer Dicke von mehr als 2 Mikrometer mit
einem Plasmaätzprozess oder einem Nassätzprozess
wird die Kontrolle über kritische laterale Ausdehnungen
am Boden der Ätzschicht, d. h. an der Grenzfläche
zwischen der Ätzschicht und dem Substrat, reduziert. Folglich
beobachtet man eine Variation der erwähnten kritischen
lateralen Ausdehnung des Strukturelements über einen einzigen
Wafer und auch von Wafer zu Wafer.
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Dieses
Problem kann bei der Herstellung von MEMS-Strukturen sehr kritisch
sein. Zum Beispiel kann die kritische laterale Ausdehnung ein Durchmesser
von Löchern sein, die in einer Metallbrücke gebildet
werden, die sich über einer Elektrode in einem MEMS-Bauelement
befindet. Die Metallbrücke kann verlagert werden, um ihre
Distanz von der Elektrode zu variieren. Bei dieser beispielhaften
Konfiguration hängt die Kapazität zwischen der
Metallbrücke und der Bodenelektrode u. a. von dem Flächeninhalt auf
der Unterseite der Metallbrücke, die der Elektrode zugewandt
ist, ab. Der Flächeninhalt der Unterseite der Metallbrücke
hängt von der Fläche der Löcher ab, die
als Strukturelemente mit kritischer lateraler Ausdehnung auf der
Unterseite der Metallbrücke bereitgestellt werden. Variationen
der Größe der Löcher auf der Unterseite
der Metallbrücke sind deshalb für Variationen
der Kapazität des MEMS-Bauelements dieses Anschauungsbeispiels
verantwortlich.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Verbesserung
der Kontrolle einer kritischen lateralen Ausdehnung an einer Grenzfläche zwischen
einer dicken Ätzschicht und der darunterliegenden Substratschicht.
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Gemäß der
Erfindung wird ein Verfahren zum Ätzen eines Strukturelements
in einer Ätzschicht, die eine Dicke von mehr als 2 Mikrometern von
einer Anfangskontaktseite für ein Ätzmittel zu
einer gegenüberliegenden Unterseite der Ätzschicht aufweist,
bereitgestellt. Das Verfahren dient zum Ätzen des Strukturelements
mit einer kritischen lateralen Ausdehnung auf der Unterseite der Ätzschicht und
an einer lateralen Strukturelementeposition. Das Verfahren umfasst
die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen
einer Substratschicht;
- – Herstellen eines Maskenstrukturelements aus einem
Maskenschichtmaterial an der lateralen Struktur elementeposition
auf der Substratschicht, wobei das Maskenstrukturelement die kritische
laterale Ausdehnung aufweist;
- – Abscheiden der Ätzschicht aus einem Ätzschichtmaterial
bis auf eine Dicke von mehr als 2 Mikrometern auf dem Maskenstrukturelement
und auf der Substratschicht, wobei das Ätzschichtmaterial
relativ zu dem Maskenschichtmaterial selektiv ätzbar ist;
und
- – Ätzen des Strukturelements in der Ätzschicht
an der ersten lateralen Position mit einer lateralen Ausdehnung,
die größer als die kritische laterale Ausdehnung
ist, unter Verwendung eines Ätzmittels, das das Ätzschichtmaterial
relativ zu dem Maskenschichtmaterial selektiv entfernt.
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Das
Verfahren der Erfindung erlaubt die Herstellung des Strukturelements
in der Ätzschicht mit einer kritischen lateralen Ausdehnung
auf der Unterseite der Ätzschicht mit besonders hoher Genauigkeit
und Unempfindlichkeit gegenüber Prozessschwankungen während
des Ätzschritts. Die kritische laterale Ausdehnung des
Strukturelements auf der Unterseite wird für Strukturelemente
auf einem einzigen Wafer und für Strukturelemente auf verschiedenen
Wafern präzise reproduziert. Der Ausdruck „Ätzschicht” soll
hier eine Schicht bedeuten, die zur Herstellung des Strukturelements
geätzt wird. Der Name „Ätzschicht” für
diese Schicht bedeutet keine weitere Einschränkung.
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Der
Ausdruck „Strukturelement” bedeutet hier vielfältige
Strukturen, die durch Ätzung hergestellt werden können.
Andererseits sind solche Strukturen zum Beispiel Durchgangslöcher
oder Löcher oder Gräben. Andererseits können
Strukturelemente auch die Form erhöhter Strukturen auf
der Substratschicht annehmen, wie zum Beispiel Säulen oder
Linien, Platten oder dergleichen. Es sind auch Kombinationen der
oben erwähnten Strukturen möglich, wie etwa perforierte
Platten.
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Der
Ausdruck „Substratschicht” wird mit einer allgemeinen
Bedeutung verwendet, um eine beliebige Art von Substrat zu bezeichnen,
auf dem das Maskenstrukturelement abgeschieden wird. Die Maskenschicht
kann die Form eines Wafers oder einer Schicht annehmen, die zuvor
auf einem Wafer abgeschieden wurde. Die Substratschicht kann auch ein
Opfersubstrat sein, das während späterer Verarbeitungsphasen
entfernt wird.
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Die
kritische laterale Ausdehnung des Strukturelements auf der Unterseite
wird so bezeichnet, um anzuzeigen, dass Kontrolle dieser lateralen
Ausdehnung von besonderer Wichtigkeit ist. Die kritische laterale
Ausdehnung kann eine laterale Ausdehnung sein, die besonders klein
und nahe bei einer Auflösungsgrenze einer verwendeten Verarbeitungstechnologie
ist. Dieser Fall wird jedoch als eine Ausführungsform von
mehreren Ausführungsformen aufgefasst. Im Allgemeinen bedeutet
der Ausdruck „kritische laterale Ausdehnung” nicht,
dass die laterale Ausdehnung des betrachteten Strukturelements auf der
Unterseite der Ätzschicht nahe bei der Auflösungsgrenze
einer verwendeten Technologie liegen muss. Innerhalb des Kontexts
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist die kritische laterale
Ausdehnung des Strukturelements in der Ätzschicht die laterale
Ausdehnung, für die das Verfahren verbesserte Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit bereitstellt.
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Die
Verarbeitung der Erfindung hat den Vorteil, dass die begrenzte Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit des Ätzprozesses in der dicken Ätzschicht für
die Erzielung der gewünschten höheren Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit in der kritischen lateralen Ausdehnung des
zu ätzenden Strukturelements praktisch irrelevant werden.
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen des Verfahrens der Erfindung
beschrieben. Wenn nichts Anderes ausgesagt wird, können
die Ausführungsformen miteinander kombiniert werden.
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Die
Erfindung basiert auf dem Konzept des Definierens der kritischen
lateralen Ausdehnung des zu ätzenden Strukturelements mittels
eines Maskenstrukturelements. Das Maskenstrukturelement besitzt
vorzugsweise im Vergleich mit der Ätzschicht reduzierte
Dicke. Die Dicke des Maskenstrukturelements wird durch die Anforderung
definiert, dass sie eine reproduzierbare Herstellung des Maskenstrukturelementen
mit der kritischen lateralen Ausdehnung aus einer Maskenschicht
mit einer herkömmlichen Strukturierungstechnik erlaubt.
Der konkrete Dickewert für die Maske hängt von
Verarbeitungsbedingungen ab, wie etwa Materialwahl, Ätzprozess
usw. Das Finden der richtigen Dicke des Maskenstrukturelements für
eine gewünschte hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
ist jedoch nur eine Frage des Prüfens verschiedener Dickewerte
für das Maskenstrukturelement unter den gewünschten
Verarbeitungsbedingungen. Bei bestimmten Ausführungsformen
beträgt die Dicke des Maskenstrukturelements 20% oder weniger
der Gesamtschichtdicke. Die Gesamtschichtdicke ist die Summe der
Dickewerte der Ätzschicht und der Maskenschicht. Bei anderen
Ausführungsformen ist die Dicke des Maskenstrukturelements
jedoch größer als 20% der Gesamtschichtdicke.
Typischerweise besitzt die Maskenschicht eine Dicke von weniger
als 50% zur Gesamtschichtdicke.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen umfasst der Schritt des Herstellens
des Maskenstrukturelements das Herstellen einer Maskenöffnung
in einer Maskenschicht auf der Substratschicht an der lateralen
Strukturelementeposition und mit der kritischen lateralen Ausdehnung.
Diese Ausführungsform eignet sich zur Herstellung von Strukturelementen
in Form von Durchgangslöchern oder Löchern oder Gräben
in der Ätzschicht. Die vorliegende Ausführungsform
umfasst typischerweise das Abscheiden der Maskenschicht auf der
Substratschicht. Die Maskenschicht wird jedoch bei einer anderen
Ausführungsform als Teil einer vorfabrizierten Struktur
bereitgestellt.
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Eine
nützliche Ausführungsform verwendet eine Maskenschicht,
die aus TiW besteht, und eine Ätzschicht, die aus Al besteht.
Diese Materialkombination der Maskenschicht und der Ätzschicht
stellt die erforderliche Selektivität während
des Schritts des Ätzens des Strukturelements in der Ätzschicht bereit.
Al kann mit Bezug auf TiW selektiv geätzt werden, indem
man als Ätzmittel zum Beispiel eine wässrige Lösung
von H3PO4/HNO3 verwendet. Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass die TiW-Maskenschicht auch Schutz vor Oberflächenaufrauung auf
der Unterseite der Al-Ätzschicht bereitstellt, wenn die
Substratschicht später entfernt wird, wie zum Beispiel
durch Unterätzung. Man beachte, dass es möglich
ist, dass die Ätzschicht und die Maskenschicht aus demselben
Material, zum Beispiel aus Al, bestehen. Eine natürliche
Oxidschicht auf dem Al-Maskenstrukturelement bildet in diesem Fall
eine Ätzbarriere, wenn die Al-Ätzschicht in einer
auf Chlor basierenden Isotropieplasmaätzung geätzt
wird.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform, die die Herstellung einer
Maskenöffnung in einer Maskenschicht auf der Substratschicht
ausnutzt, wird die folgende zusätzliche Verarbeitung eingehalten:
- – das Herstellen des Maskenstrukturelements umfasst
das Herstellen einer Opferätzstoppkappe aus einem Ätzstoppmaterial
in der Maskenöffnung, wobei das Ätzstoppmaterial
relativ zu dem Maskenschichtmaterial und dem Ätzschichtmaterial
selektiv ätzbar ist;
- – das Ätzschichtmaterial ist zusätzlich
relativ zu dem Ätzstoppmaterial selektiv ätzbar;
und
- – das Ätzen des Strukturelements in der Ätzschicht
umfasst einen ersten selektiven Ätzschritt, bei dem die Ätzschicht
relativ zu der Ätzstoppkappe selektiv entfernt wird, und
einen zweiten selektiven Ätzschritt, bei dem die Ätzstoppkappe
relativ zu der Ätzschicht und zu der Maskenschicht selektiv
entfernt wird.
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Die
vorliegende Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil,
dass sie die Verwendung identischer Materialien für die Ätzschicht
und die Maskenschicht erlaubt. Dies vermeidet Probleme der Verwendung
zweier verschiedener Metalle für die Ätzschicht
und die Maskenschicht. Bei Verwendung in einem mechanischen Bauelement,
könnten zwei solche verschiedene Metalle zu einem unerwünschten Bimetalleffekt
führen. Eine Schichtstruktur aus verschiedenen Metallen,
die bei zunehmenden Temperaturen verschiedene Wärmeausdehnungsgeschwindigkeiten
aufweisen, führt bekanntlich zu Anspannung, die typischerweise
zu einer Deformierung der Schichtstruktur führt. Dieser
Effekt kann mit der vorliegenden Ausführungsform vermieden
werden. Die Opfermaskenkappe, die in einer Zwischenstufe dieser
Ausführungsform verwendet wird, um die Maskenöffnung
abzudecken, bildet einen Ätzstopp für das Ätzmittel
während des ersten selektiven Ätzschritts.
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Bei
einer Form dieser Ausführungsform ist das Material der Ätzschicht
(und der Maskenschicht) ein Metall und das Ätzstoppmaterial
der Ätzstoppkappe ist nichtmetallisch. Eine geeignete Materialkombination
ist zum Beispiel die Verwendung von Al für die Ätzschicht
und die Maskenschicht und die Verwendung von SiO2 für
die Ätzstoppkappe.
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In
diesem Beispiel ist es vorteilhaft, die Ätzstoppkappe in
der Form des Großbuchstaben T herzustellen. Der vertikale
Balken des „T” füllt die Maskenöffnung.
Der horizontale Balken bedeckt Teile der Maskenschicht. Ohne den
Schutz durch die horizontalen T-Balkenteile der Ätzstoppkappe
könnten die Maskenschichtteile darunter bei der Ätzung
der Ätzschicht angegriffen werden. Dieses Beispiel ist
nicht nur für den Fall von Al als das gemeinsame Material für
die Maske und die Ätzschichten nützlich, sondern für
jede Material- und Prozesswahl, bei der nicht gleichzeitig das Ätzschichtmaterial
selektiv mit Bezug auf das Maskenschichtmaterial und das Ätzstoppmaterial
geätzt wird.
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Bei
einer von zwei alternativen Formen dieser Ausführungsform
ist das Ätzstoppmaterial nicht relativ zu der Substratschicht
selektiv ätzbar. Dadurch werden Materialanforderungen gelockert, wenn
die Substratschicht eine Opferschicht ist, die während
der folgenden Verarbeitung entfernt wird. In diesem Fall ist keine
Selektivität notwendig, weil die Substratschicht vorteilhafterweise
in demselben Ätzschritt wie die Ätzstoppschicht
geätzt werden könnte. Bei der anderen der beiden
alternativen Formen dieser Ausführungsform ist das Ätzstoppmaterial
jedoch relativ zu der Substratschicht selektiv ätzbar.
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Obwohl
die oben beschriebenen Ausführungsformen eine Maskenschicht
benutzen, um eine Maskenöffnung der kritischen lateralen
Ausdehnung darin zu bilden, umfasst eine alternative Ausführungsform
im Schritt des Herstellens des Maskenstrukturelements einen Schritt
des Abscheidens einer Maskenschicht aus einem Maskenschichtmaterial
auf der Substratschicht. Er umfasst ferner das Entfernen der Maskenschichtteile,
die außerhalb der kritischen lateralen Ausdehnung an der
lateralen Strukturelementeposition angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform
umfasst das Ätzen des Struk turelements in der Ätzschicht
einen ersten selektiven Ätzschritt, bei dem die Ätzschicht
relativ zu dem Maskenstrukturelement selektiv entfernt wird, und
einen zweiten selektiven Ätzschritt, bei dem das Maskenstrukturelement
relativ zu der Ätzschicht selektiv entfernt wird. Man beachte,
dass der Einheitlichkeit der Terminologie halber in der vorliegenden
Ausführungsform das Maskenstrukturelementmaterial dasselbe
wie das Maskenschichtmaterial ist, weil das Maskenstrukturelement
eine erhöhte Struktur ist, die aus Maskenschicht gebildet
wird.
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Die
vorliegende Ausführungsform hat gegenüber der
vorherigen Ausführungsform, die eine Opfermaskenkappe benutzte,
den Vorteil, dass keine lithografische Verarbeitung erforderlich
ist, um die Maskenkappe auf der Maskenschicht herzustellen. Deshalb
kann ein lithografischer Maskenschritt, d. h. Resistabscheidung,
Bereitstellung einer lithografischen Maske, Maskenbelichtung, Resistentwicklung, Resiststrukturierung,
Schichtabscheidung, Resistentfernung) gespart werden. Dennoch wird
die kritische laterale Ausdehnung mit guter Zuverlässigkeit hergestellt,
und ohne eine Schichtstruktur aus zwei Schichten in der Endstruktur
verwenden zu müssen. Das Maskenstrukturelement ist bei
der vorliegenden Ausführungsform auch ein Opfermaskenstrukturelement
und wird in dem zweiten selektiven Ätzschritt entfernt.
Ein Beispiel für eine geeignete Materialkombination für
die Ätzschicht und die Maskenschicht ist wieder Al (Ätzschicht)
und SiO2 (Maskenstrukturelement). Andere
Materialkombinationen sind möglich und werden später
beschrieben.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen umfasst der Schritt des Herstellens
des Maskenstrukturelements das Abscheiden einer Maskenschicht auf
der Substratschicht und das Strukturieren der Maskenschicht mit
einem lithografischen Prozess, um das Maskenstrukturelement zu bilden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den
abhängigen Ansprüchen definiert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun ausführlicher mit Bezug auf die Zeichnungen
erläutert. Es zeigen:
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1 und 2 ein
erstes Beispiel für eine Schichtstruktur in einer Querschnittsansicht
in zwei verschiedenen Phasen während der Herstellung eines
Strukturelements durch Ätzung gemäß dem Stand
der Technik;
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3 und 4 ein
zweites Beispiel für eine Schichtstruktur in einer Querschnittsansicht
in zwei verschiedenen Phasen während der Herstellung eines
Strukturelements durch Ätzung gemäß dem Stand
der Technik;
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5 bis 8 eine
erste Ausführungsform eines Ätzverfahrens durch
Querschnittsansichten einer Schichtstruktur während verschiedener
Verarbeitungsphasen;
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9 bis 12 eine
zweite Ausführungsform eines Ätzverfahrens durch
Querschnittsansichten einer Schichtstruktur während verschiedener
Verarbeitungsphasen;
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13 bis 15 eine
dritte Ausführungsform eines Ätzverfahrens durch
Querschnittsansichten einer Schichtstruktur während verschiedener
Verarbeitungsphasen; und
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16 eine
Querschnittsansicht einer kapazitiven MEMS-Struktur gemäß dem
Verfahren der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden wird parallel auf 1 bis 4 Bezug
genommen. 1 und 2 zeigen ein
erstes Beispiel für eine Schichtstruktur 100 in
einer Querschnittsansicht in zwei verschiedenen Phasen während
der Herstellung eines Strukturelements durch Ätzen gemäß dem
Stand der Technik. 3 und 4 zeigen
ein erstes Beispiel für eine Schichtstruktur 300 in
einer Querschnittsansicht in zwei verschiedenen Phasen während
der Herstellung eines Strukturelements durch Ätzen gemäß dem Stand
der Technik.
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Die
in 1 gezeigte Schichtstruktur 100 umfasst
einen Wafer 102, eine Ätzschicht 104 und eine
Resistschicht 106, die mittels einer fotolithografischen
Technik strukturiert worden ist. Die Strukturierung hat zu einer Öffnung 108 an
einer vordefinierten lateralen Position und mit einer kritischen
lateralen Ausdehnung CD geführt, die in 2 angegeben
ist. Die Ätzschicht 104 besitzt eine Dicke, die
größer als 2 Mikrometer ist. Ein Strukturelement 110 in
Form eines Durchgangslochs wird dann durch einen Plasmaätzprozess
oder einen Nassätzprozess durch die Öffnung 108 geätzt.
Das Durchgangsloch reicht von der Oberseite zu der Unterseite der Ätzschicht 104 und
besitzt somit eine Ausdehnung von mehr als 2 Mikrometern. Die Form
des Durchgangslochs ähnelt der eines Trichters, sowie es
bei Plasma- oder Nassätzprozessen in Schichten einer Dicke
von mehr als 2 Mikrometern typisch ist.
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Die
in 3 gezeigte Schichtstruktur 300 umfasst
ein Substrat 302, eine Ätzschicht 304 und eine
Resistschicht 306, die mittels einer fotolithografischen
Technik strukturiert worden ist. Die Strukturierung hat zu einem
erhöhten Resistschichtsegment 308 an einer vordefinierten
lateralen Position und mit einer kritischen lateralen Ausdehnung
CD geführt, die in 4 angegeben
ist. Die Ätzschicht 304 besitzt eine Dicke von
mehr als 2 Mikrometern. Dann wird mit Hilfe des Resistschichtsegments 308 durch einen
Plasmaätzprozess oder einen Nassätzprozess ein
Strukturelement 310 in Form einer Linie geätzt. Der
Querschnitt der Linie 310 hat in der Schnittansicht von 4 die
Form eines umgedrehten Trichters.
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Die
mit Bezug auf 1 bis 4 beschriebenen Ätzprozesse
haben das Problem, dass die Kontrolle der kritischen lateralen Ausdehnung
CD der Strukturelemente sich mit zunehmender Dicke verschlechtert.
Verschiedene Strukturelemente auf demselben Wafer werden mit unerwünschten
verschiedenen kritischen lateralen Ausdehnungen hergestellt. Außerdem
besitzen verschiedene Strukturelemente auf verschiedenen Wafern
unerwünschte verschiedene kritische laterale Ausdehnungen
CD. Die Unterschiede zwischen den kritischen Ausdehnungen CD ergeben
sich aus einer Ungleichförmigkeit des verwendeten Ätzprozesses.
Eine solche Ungleichförmigkeit nimmt zu, wenn die Dicke
der zu ätzenden Schichten zunimmt. Bei der Herstellung
von MEMS-Strukturen kann dieses Problem sehr kritisch sein.
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5 bis 8 zeigen
eine erste Ausführungsform eines Ätzverfahrens
durch Querschnittsansichten einer Schichtstruktur 500 während
verschiedener Verarbeitungsphasen. Wie in 5 gezeigt,
umfasst die Schichtstruktur 500 eine Substratschicht, zum
Beispiel einen Siliziumwafer 502, eine Maskenschicht 504 und
eine Resistschicht 506, die durch eine lithografische Technik
strukturiert wurden. Die Strukturierung hat zu einer Öffnung 508 in
der Resistschicht 506 an einer gewünschten lateralen Position
und mit einer gewünschten kritischen lateralen Ausdehnung
geführt. Die Öffnung erstreckt sich zu einer Oberfläche 510 der
Maskenschicht 504. Die Maskenschicht besteht bei der vorliegenden
Ausführungsform aus TiW. Es sind jedoch auch andere Materialwahlen
möglich, wie nachfolgend weiter erläutert werden
wird. Die Maskenschicht 504 besitzt eine Dicke von weniger
als 20% der Gesamtdicke der durch die Maskenschicht und die Ätzschicht
gebildeten abgeschiedenen Schichtstruktur.
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Bei
nachfolgenden Verarbeitungsschritten erfolgt eine Maskenöffnung 514 durch Ätzen.
Die Maskenöffnung 514 besitzt eine gewünschte
kritische laterale Ausdehnung CD eines in der Ätzschicht 516 herzustellenden
Strukturelements. Die Ätzschicht 516 wird in dem
nächsten Schritt auf der Maskenschicht 504 abgeschieden
und überdeckt auch die Maskenöffnung 512.
In dem vorliegenden Beispiel besteht die Ätzschicht aus
Al. Es sind jedoch andere Materialwahlen möglich, wie nachfolgend weiter
erläutert werden wird.
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Danach
wird die Ätzschicht mit einer Resistschicht 518 überdeckt.
Die Resistschicht 518 wird durch einen in der Technik wohlbekannten
Prozess strukturiert, um sie mit einer Resistöffnung 520 an derselben
lateralen Position wie der der gerade überdeckten Maskenöffnung 512 in
der Maskenschicht 504 auszustatten. Die Resistöffnung 520 besitzt
auch die kritische laterale Ausdehnung CD der Maskenöffnung 512.
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Danach
wird die Ätzschicht 516 durch die Resistöffnung 520 durch
einen Plasmaätzprozess oder einen Nassätzprozess
selektiv geätzt. Ein geeignetes Ätzmittel greift
selektiv nur das Ätzschichtmaterial der Ätzschicht 516 an,
und nicht das Maskenschichtmaterial der Maskenschicht 504.
Ein Beispiel für ein geeignetes Ätzmittel ist
H3PO4/HNO3 (aq.). Die Wahl des Ätzmittels
richtet sich nach der gewählten Kombination des Ätzschichtmaterials
und des Maskenschichtmaterials. Von einem anderen Standpunkt aus
gesehen, sollten das Ätzschichtmaterial und das Maskenschichtmaterial
im Hinblick auf existierende Ätzmittel für einen
selektiven Ätzprozess ausgewählt werden. Man beachte,
dass es möglich ist, dass die Ätzschicht 516 und
die Maskenschicht 504 aus demselben Material, zum Beispiel aus
Al, bestehen. Eine natürliche Oxidschicht auf Al 504 bildet
eine Ätzbarriere, wenn Al 516 in einer auf Chlor
basierenden Isotropieplasmaätzung geätzt wird.
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Der Ätzprozess
führt zu einem gewünschten Strukturelement eines
trichterförmigen Durchgangslochs, wie bereits für
die Ausführungsform von 1 und 2 beschrieben
wurde. Die Resistschicht 518 wird nach dem Ätzprozess
entfernt. Dies führt zu der in 8 gezeigten
Struktur, die ein Strukturelement in Form eines in die Ätzschicht 516 geätzten
Durchgangslochs 522 aufweist. Durch die Anwesenheit der Maskenschicht 504 mit
der kritischen lateralen Ausdehnung CD wird eine hohe Reproduzierbarkeit
der kritischen lateralen Ausdehnung am Boden anderer Durchgangslöcher über
den gesamten Wafer 502 hinweg erzielt und auch über
verschiedene Wafer hinweg. Die Anwesenheit der TiW-Maskenschicht
ist auch vorteilhaft, weil sie eine glatte Oberfläche bereitstellt
und die Oberfläche der Al-Ätzschicht 516 vor Aufrauung
geschützt wird.
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9 bis 12 zeigen
eine zweite Ausführungsform eines Ätzverfahrens
durch Querschnittsansichten einer Schichtstruktur 900 während
verschiedener Verarbeitungsphasen. Wie in 9 gezeigt,
umfasst die Schichtstruktur 900 eine Substratschicht, zum
Beispiel einen Siliziumwafer 902, und eine Maskenschicht 904.
Die Maskenschicht besteht bei der vorliegenden Ausführungsform
aus Al. Es sind jedoch auch andere Materialwahlen möglich, wie
nachfolgend weiter erläutert werden wird. Die Verarbeitung,
die der in 9 gezeigten Phase vorausgeht,
entspricht der im Kontext der vorherigen Ausführungsform
mit Bezug auf 5 und 6 beschriebenen.
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Tatsächlich
entspricht die Verarbeitungsphase von 9 der von 6.
Eine Maskenöffnung 906 wurde mit einer gewünschten
kritischen lateralen Ausdehnung CD eines später in einer Ätzschicht 916 herzustellenden
Strukturelements hergestellt. Es wird jedoch zuerst eine Opferätzstoppkappe 910 hergestellt,
die einen Oberflächenteil 908 der Substratschicht 902 in
der Öffnung 906 überdeckt. Zu diesem Zweck
wird eine Ätzstoppschicht abgeschieden und dann strukturiert.
Nach dem Strukturierungsprozess verbleibt die Ätzstoppkappe 912.
Sie hat die Form des Buchstaben T. Der vertikale Balken des T füllt
die Maskenöffnung 906, während sich äußere
Teile des horizontalen Balkens des T auf der Maskenschicht 904 in
der Umgebung der Maskenöffnung erstrecken. Der Zweck dieser
Teile ist das Schützen der Maskenschicht 904 vor
Angriff durch das Ätzmittel, das das Ätzschichtmaterial
entfernt/angreift. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, wenn das
Maskenschichtmaterial dasselbe wie das Ätzschichtmaterial
ist. Die Ätzstoppkappe besteht in dem vorliegenden Beispiel aus
SiO2.
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Danach
wird die Ätzschicht 916 auf der Maskenschicht 904 und
auch auf der Ätzstoppkappe 912 abgeschieden. Bei
dem vorliegenden Beispiel besteht die Ätzschicht aus Al.
Es sind jedoch auch andere Materialwahlen möglich, wie
nachfolgend weiter erläutert werden wird.
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Danach
wird die Ätzschicht mit einer Resistschicht 918 überdeckt.
Die Resistschicht 918 wird durch einen in der Technik wohlbekannten
Prozess strukturiert, um sie mit einer Resistöffnung 920 an derselben
lateralen Position wie der der gerade überdeckten Maskenöffnung 906 in
der Maskenschicht 904 auszustatten. Die Resistöffnung 920 ist
nur schematisch dargestellt. Betrachtungen bezüglich der
lateralen Ausdehnung der Resistöffnung 920 werden nachfolgend
ausführlicher erläutert.
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Die
laterale Ausdehnung der Resistöffnung hängt von
den spezifischen Parametern der verarbeiteten Schichtstruktur und
den Eigenschaften des Ätzprozesses ab. Wenn ein Isotropieätzprozess
verwendet wird, ist die laterale Ausdehnung der Resistöffnung 920 typischerweise
kleiner als die der Öffnung 906 in der Maskenschicht.
Folglich besteht eine laterale Overlay-Differenz zwischen der Resistöffnung 920 und
der Öffnung 906 in der Maskenschicht 904. Es
muss Sorgfalt walten gelassen werden, damit der Ätzprozess
einerseits die Oberflächenätzstoppkappe 912 freilegt
und dass andererseits eine laterale Unterätzung der Resistschicht 918 nicht
bis unter die laterale Ausdehnung des horizontalen T-Balkens der T-förmigen Ätzstoppkappe
reicht und die Maskenschicht angreift.
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Die
laterale Overlay-Differenz kann unter Verwendung von Simulationen
des Ätzprozesses für eine gewünschte
Schichtstruktur optimiert werden. Ein Beispiel verwendet eine Maskenschicht
aus Al mit 1 Mikrometer Dicke, eine Ätzschicht aus Al mit
4 Mikrometer Dicke und eine Ätzstoppkappe mit einer lateralen Überlappung
von 4 Mikrometern ihres horizontalen T-Balkens mit der Maskenschicht
und einen Isotropieätzprozess. In diesem Beispiel kann
die laterale Overlay-Differenz zwischen dem Rand der Resistöffnung
und dem Rand der Maskenöffnung geeigneterweise zum Beispiel
3,2 Mikrometer auf jedem Rand betragen. Das heißt, die
Resistöffnung besitzt eine laterale Ausdehnung, die um
6,4 Mikrometer kleiner als die Öffnung 906 in
der Maskenschicht ist.
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Nach
dem Strukturieren der Resistschicht 918 wird die Ätzschicht 916 in
einem ersten selektiven Ätzschritt durch die Resistöffnung 920 durch
einen Plasmaätzprozess oder einen Nassätzprozess selektiv
geätzt. Ein geeignetes Ätzmittel greift selektiv
nur das Ätzschichtmaterial der Ätzschicht 916 an, und
nicht das Ätzstoppmaterial der Ätzstoppkappe 912.
Ein Beispiel für ein geeignetes Ätzmittel ist H3PO4/HNO3 (aq.).
Die Wahl des Ätzmittels richtet sich nach der gewählten
Kombination des Ätzschichtmaterials und des Ätzstoppmaterials.
Von einem anderen Standpunkt aus gesehen, sollten das Ätzschichtmaterial
und das Ätzstoppmaterial im Hinblick auf existierende Ätzmittel
für einen selektiven Ätzprozess, natürlich
angesichts der Einschränkungen der gewünschten
Schichtstruktur für eine bestimmte Anwendung, ausgewählt
werden.
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Der
erste selektive Ätzprozess führt zu einem trichterförmigen
Durchgangsloch 922, wie zuvor für die Ausführungsform
von 5 bis 9 beschrieben wurde. Die Resistschicht 918 wird
nach dem ersten selektiven Ätzprozess entfernt. Danach wird
ein zweiter selektiver Ätzprozess durchgeführt, der
die Opferätzstoppkappe 912 selektiv entfernt.
In diesem Beispiel ist NH4F/HF (aq.) ein
geeignetes Ätzmittel für den zweiten selektiven Ätzschritt.
Die Form der Ätzstoppkappe führt zu kleinen vertikalen
Seitenwandteilen 924 und 926 in dem Durchgangsloch 922.
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Die
resultierende Schichtstruktur 900 von 12 teilt
sich die Vorteile der Ausführungsform von 5 bis 9.
Zusätzlich hat die Schichtstruktur 900 den Vorteil
der Verwendung desselben Materials in der Maskenschicht und in der Ätzschicht.
Dies vermeidet unerwünschte mechanische Anspannung und
Deformierungen, die in einer Struktur auftreten können,
die Schichten aus verschiedenen Metallen enthält. Eine
solche Anspannung kann durch eine Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten
der verschiedenen Metalle verursacht werden.
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13 bis 15 zeigen
eine dritte Ausführungsform eines Ätzverfahrens
durch Querschnittsansichten einer Schichtstruktur 1300 während
verschiedener Verarbeitungsphasen. In einer Zwischenverarbeitungs phase,
die in 13 gezeigt ist, umfasst die
Schichtstruktur 1300 eine Substratschicht, zum Beispiel
einen Siliziumwafer 1302, und ein Maskenstrukturelement
in Form eines Verkappungssegments 1304. Die Verkappung
besteht bei der vorliegenden Ausführungsform aus Al und
wird durch eine natürliche Aluminiumoxidschicht überdeckt,
die in 13 und 14 durch
einen dickeren Umriss des Verkappungssegments dargestellt ist. Es
sind jedoch andere Materialwahlen möglich, wie nachfolgend weiter
erläutert werden wird. Die der in 13 gezeigten
Phase vorausgehende Verarbeitung umfasst die Abscheidung und Strukturierung
einer Al-Maskenschicht auf dem Wafer 1302 zur Bildung des
Verkappungssegments.
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Ein
Maskenstrukturelement in Form eines Verkappungssegments 1304 wurde
mit einer gewünschten kritischen lateralen Ausdehnung CD
zwischen seinen lateralen Seiten 1306 und 1308 hergestellt.
Die kritische laterale Ausdehnung CD ist die des später
in einer Ätzschicht 1310 herzustellenden gewünschten
Strukturelements.
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Die Ätzschicht 1310 wird
auf der Substratschicht 1302 und dem Verkappungssegment 1304 abgeschieden.
In dem vorliegenden Beispiel besteht die Ätzschicht aus
Al. Es sind jedoch auch andere Materialwahlen möglich,
wie nachfolgend weiter erläutert werden wird.
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Danach
wird die Ätzschicht 1310 mit einer Resistschicht 1312 überdeckt.
Die Resistschicht 1312 wird durch einen in der Technik
wohlbekannten Prozess strukturiert, um sie mit einer Resistöffnung 1314 an
derselben lateralen Position wie der des gerade überdeckten
Verkappungssegments 1304 auszustatten. Die Resistöffnung 920 besitzt
auch die kritische laterale Ausdehnung CD des Verkappungssegments 1304.
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Hiernach
wird die Ätzschicht 1316 durch einen Plasmaätzprozess
oder einen Nassätzprozess in einem ersten selektiven Ätzschritt
selektiv durch die Resistöffnung 1314 geätzt.
Ein geeignetes Ätzmittel greift selektiv nur das Ätzschichtmaterial
der Ätzschrit 1310 an, und nicht das Material
des Maskenstrukturelements, d. h. des Verkappungssegments 1304.
Die Funktion des Verkappungssegments 1304 entspricht somit
der der Ätzstoppkappe 912 der vorherigen Ausführungsform.
Gleichzeitig bildet das Verkappungssegment jedoch das Maskenstrukturelement,
das die zuverlässige Reproduktion eines Strukturelements
mit einer kritischen lateralen Ausdehnung sicherstellt.
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Ein
Beispiel für ein geeignetes Ätzmittel ist H3PO4/HNO3 (aq.).
Die Wahl des Ätzmittels richtet sich nach der gewählten
Kombination des Ätzschichtmaterials und des Materials des
Verkappungssegments (des Maskenschichtmaterials). Von einem anderen
Standpunkt aus gesehen, sollten das Ätzschichtmaterial
und das Ätzstoppmaterial im Hinblick auf existierende Ätzmittel
für einen selektiven Ätzprozess ausgewählt
werden.
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Der
erste selektive Ätzprozess führt zu einem trichterförmigen
Durchgangsloch 1316, wie zuvor für die Ausführungsform
von 9 bis 12 beschrieben wurde. Die Resistschicht 1312 wird nach
dem ersten selektiven Ätzprozess entfernt. Danach wird
ein zweiter selektiver Ätzprozess durchgeführt,
der selektiv das Verkappungssegment entfernt. In diesem Beispiel
ist NH4F/HF (aq.) ein geeignetes Ätzmittel
für den zweiten selektiven Ätzschritt.
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Die
Verarbeitung der vorliegenden Ausführungsform hat den Vorteil,
einen lithografischen Maskenschritt weniger als die Ausführungsform
von 9 bis 12 zu erfordern. Sie teilt sich
jedoch weiterhin die Vorteile der Ausführungsform von 9 bis 12. 16 zeigt
eine Querschnittsansicht einer kapazitiven MEMS-Struktur 1600 gemäß dem Verfahren
der Erfindung. Die MEMS-Struktur 1600 besitzt eine untere
Elektrode 1602, eine dielektrische Schicht 1604 und
eine obere Elektrode 1606. Die obere Elektrode besteht
aus Metall, zum Beispiel Al. Sie umfasst Löcher 1608 bis 1612,
die sich von einer oberen Oberfläche der oberen Elektrode
zu ihrer unteren Oberfläche 1607 erstrecken. Die
Löcher weisen eine kritische laterale Ausdehnung CD auf,
die beispielsweise für das Loch 1612 gezeigt ist.
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Die
obere Elektrode der MEMS-Struktur 1600 wurde durch einen
Prozess gemäß einer der Verarbeitungsausführungsformen
nach 9 bis 12 oder 13 bis 15 des
hier beschriebenen Verfahrens der Erfindung hergestellt. Die obere Elektrode 1606 entspricht
der Ätzschicht der vorherigen Ausführungsformen.
Zusätzlich wurde die Substratschicht nach der Bildung der
Löcher 1608 bis 1612 entfernt, die als
die Strukturelemente in der Ätzschicht bei der Verarbeitung
gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt
wurden. Elektrische Feldlinien sind durch Pfeile dargestellt, die
sich zwischen der oberen und unteren Elektrode erstrecken.
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Die
MEMS-Struktur 1600 besitzt Löcher mit einer genau
reproduzierten kritischen lateralen Ausdehnung CD an der Unterseite 1607 der
oberen Elektrode. Dies stellt einen genauen und reproduzierbaren
Kapazitätswert der MEMS-Struktur in verschiedenen auf demselben
Wafer gebildeten MEMS-Strukturen sicher, und in verschiedenen MEMS-Strukturen,
die in verschiedenen Wafern gebildet werden. Denn die Kapazität
der MEMS-Struktur wird durch die Gesamtfläche der Unterseite 1607 der
oberen Elektrode 1606 beeinflusst. Da die kritischen lateralen
Ausdehnungen der Löcher 1608 bis 1612 gut
reproduzierbar sind, beobachtet man keine Schwankungen der Kapazität
in durch den Prozess der Erfindung hergestellten verschiedenen MEMS-Anordnungen.
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Obwohl
die Erfindung in den Zeichnungen und der obigen Beschreibung ausführlich
dargestellt und beschrieben wurde, sollen diese Darstellung und Beschreibung
nicht einschränken, sondern veranschaulichend oder beispielhaft
sein; die Erfindung wird nicht auf die offenbarten Ausführungsformen
beschränkt.
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Fachleute
auf dem Gebiet der Ausübung der beanspruchten Erfindung
können aus dem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung
und der angefügten Ansprüche andere Varianten
der offenbarten Ausführungsformen verstehen und bewirken.
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In
den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend” nicht
andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „ein” oder „eines” schließt nicht
eine Vielzahl aus. Der bloße Umstand, dass bestimmte Maßnahmen
in sich untereinander unterscheidenden abhängigen Ansprüchen
aufgeführt werden, zeigt nicht an, dass nicht vorteilhaft
eine Kombination dieser Maßnahmen verwendet werden kann.
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Jegliche
Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht als Beschränkung
des Schutzumfangs aufgefasst werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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ÄTZVERFAHREN MIT
VERBESSERTER KONTROLLE DER KRITISCHEN AUSDEHNUNG EINES STRUKTURELEMENTS
AN DER UNTERSEITE DICKER SCHICHTEN
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen
eines Strukturelements in einer Ätzschicht, die eine Dicke
von mehr als 2 Mikrometern von einer Anfangskontaktseite für
das Ätzmittel zu einer gegenüberliegenden Unterseite
der Ätzschicht aufweist, an einer lateralen Strukturelementeposition in
der Ätzschicht und mit einer kritischen lateralen Ausdehnung
auf der Unterseite. Das Verfahren umfasst das Herstellen eines Maskenstrukturelements aus
einem Maskenschichtmaterial an der lateralen Strukturelementeposition
auf der Substratschicht, wobei das Maskenstrukturelement die kritische
laterale Ausdehnung aufweist. Die Ätzschicht wird bis auf eine
Dicke von mehr als 2 Mikrometern auf dem Maskenstrukturelement und
auf der Substratschicht aus einem Ätzschichtmaterial abgeschieden,
das selektiv relativ zu dem Maskenschichtmaterial ätzbar
ist. Dann wird das Strukturelement in der Ätzschicht an der
ersten lateralen Position mit einer lateralen Ausdehnung von mehr
als der kritischen lateralen Ausdehnung unter Verwendung eines Ätzmittels
geätzt, das das Ätzschichtmaterial relativ zu
dem Maskenschichtmaterial selektiv entfernt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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