DE2951938A1 - Semiconductor selective electrochemical etching equipment - giving two different anode potentials to allow control of etching rate and angle - Google Patents

Semiconductor selective electrochemical etching equipment - giving two different anode potentials to allow control of etching rate and angle

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Abstract

Selective electrochemical etching equipment consists of a supply of current, a cathode, means for connecting the workpiece as anode and provision for covering the surface to be etched with electrolyte. The supply (7) and connections (5,6; 12,16,13,17) are arranged so that there are two potentials at the workpiece (1,10,20), one of which is at least as positive as and the other more positive than the cathode potential. The equipment is specified for use in etching semiconductor material, including intrinsic Si, p- and n-doped Si, Ge and GaAs. It is used in the determn. of depth of penetration and doping profiles and in the prodn. of oxide-filled insulating grooves and V-grooves for very dense packing of semiconductor elements. Planar surfaces, inclined at various angles to the original surface, can be produced and p- and n-doped material can be etched equally rapidly if suitable radiation is employed during etching.

Description

Verfahren zum elektrochemischen Ätzen von N- und P-dotiertemProcess for electrochemical etching of N- and P-doped

Silicium Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Ätzen von N- und P-dotiertem Silicium nach Patentanmeldung P 29 17 654.3, bei dem die zu ätzende Fläche während des Ätzens mit nahem Infrarotlicht bestrahlt wird.Silicon The invention relates to a method for electrochemical Etching of N- and P-doped silicon according to patent application P 29 17 654.3, in which the area to be etched is irradiated with near infrared light during the etching.

Bei dem in der Patentanmeldung P 29 17 654.3 beschriebenen Verfahren wird Silicium elektrochemisch geätzt, indem die Siliciumprobe als Anode geschaltet, die zu ätzende Oberfläche mit dem bevorzugt aus 5-gewichtsprozentiger wässriger Flußsäure bestehenden Elektrolyten, in welchen eine Platinkathode eintaucht, benetzt und eine durchschnittliche (über 2 die zu ätzende Fläche) Stromdichte von < 200 mA/cm eingestellt wird. Es wurde dabei gefunden, daß es günstig ist, wenn während des Ätzens die zu ätzende Fläche mit Licht, welches einen hohen Anteil im nahen infraroten Bereich aufweist, bestrahlt wird. Eine solche Bestrahlung ist insbesondere beim Ätzen von N-dotiertem Silicium wichtig und ist beim Ätzen von schwach N-dotiertem Silicium notwendig, da diesem Material ohne die Bestrahlung die Löcher-Leitfähigkeit fehlt, was zur Folge hat, daß beim Ätzen von schwach N-dotiertem Silicium das Material nicht homogen abgetragen wird. Wurde dagegen mit nahem Infrarotlicht bestrahlt, so waren die Ergebnisse beim Ätzen von N-dotiertem Silicium genau so günstig, wie beim Ätzen von P-dotiertem Silicium. Bei allen dabei durchgeführten Versuchen wurde außerdem festgestellt, daß, wenn während des Ätzens bestrahlt wurde, P- und N-dotiertes Silicium mit derselben Geschwindigkeit abgetragen wurden. Bei späteren Versuchen wurde jedoch festgestellt, daß dies offenbar nicht in jedem Fall zutrifft, sondern es wurden zum Teil unerklärliche Schwankungen der Ätzgeschwindigkeiten gefunden und die Geschwindigkeiten mit der P- und N-dotiertes Silicium abgetragen wurden, waren auch nicht mehr in allen Fällen gleich.In the method described in patent application P 29 17 654.3 silicon is electrochemically etched by connecting the silicon sample as an anode, the surface to be etched with the preferably 5% by weight aqueous Hydrofluoric acid wets existing electrolytes in which a platinum cathode is immersed and an average (over 2 the area to be etched) current density of <200 mA / cm is set. It has been found to be beneficial if during of etching the surface to be etched with light, which has a high proportion in the near having infrared range, is irradiated. Such irradiation is particular important when etching N-doped silicon and is important when etching lightly N-doped silicon Silicon is necessary because this material has the hole conductivity without the irradiation is absent, with the result that when etching weakly N-doped silicon, the material is not removed homogeneously. If, on the other hand, was irradiated with near infrared light, so the results when etching N-doped silicon were just as favorable as when etching P-doped silicon. In all of the tests carried out, also found that if irradiated during etching, P- and N-doped Silicon with the same Speed were worn away. At later Experiments have shown, however, that this does not seem to be the case in every case, but in some cases inexplicable fluctuations in the etching speeds were found and the velocities at which P- and N-doped silicon were ablated, were also no longer the same in all cases.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum selektiven elektrochemischen Ätzen von N- und P-dotiertem Silicium anzugeben, bei dem sich die Geschwindigkeiten, mit welchen P- und N-dotiertes Silicium geätzt werden, definiert einstellen lassen.It is therefore the object of the invention to provide a method for selective indicate electrochemical etching of N- and P-doped silicon, in which defines the speeds at which P- and N-doped silicon are etched have it adjusted.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art mit dem Merkmal des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.This task is carried out with a method of the type mentioned at the beginning solved with the feature of the characterizing part of claim 1.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich festgelegte Geschwindigkeiten, mit denen P- und N-dotiertes Silicium geätzt werden sollen, recht genau einstellen. Dabei ist es möglich, über die die Abtragungsgeschwindigkeit beeinflussenden Parameter, zu denen nun auch noch die Bestrahlungsstärke kommt, die Abtragungsgeschwindigkeiten von P- und N-dotiertem Silicium in weiten Grenzen definiert zu variieren. Da bei einer Änderung der Bestrahlungsstärke -anders als bei einer Änderung der anderen Parameter - die Abtragungsgeschwindigkeiten von P- und N-dotiertem Silicium unterschiedlich beeinflußt werden, ist es über eine Änderung der Bestrahlungsstärke möglich, das Verhältnis der Abtragungsgeschwindigkeit von P-dotiertem Silicium zu der von N-dotiertem Silicium definiert einzustellen. Da die Bestrahlungsstärke, mit welcher die zu ätzende Fläche bestrahlt wird, von der Lampenleistung, dem Abstand der Lampe von der zu ätzenden Fläche und von der Schichtdicke des Elektrolyten zwischen der Lampe und der zu ätzenden Fläche abhängt, ist es einfach eine gewünschte Bestrahlungsstärke einzustellen.By means of the method according to the invention, fixed speeds, with which P- and N-doped silicon are to be etched, set quite precisely. It is possible to use the parameters influencing the removal rate, to which now also comes the irradiance, the removal rates of P- and N-doped silicon to vary in a defined manner within wide limits. Included a change in irradiance - different from a change in the others Parameters - the removal rates of P- and N-doped silicon are different be influenced, it is possible to change the irradiance Ratio of the removal rate of P-doped silicon to that of N-doped silicon Set silicon in a defined manner. Since the irradiance with which the to be etched The area is irradiated, by the lamp power, the distance of the lamp from the to corrosive surface and the thickness of the electrolyte between the lamp and depends on the area to be etched it simply a desired irradiance to adjust.

Bei der Einstellung einer bestimmten Bestrahlungsstärke geht man am besten so vor, daß man den Abstand zwischen Lampe und zu ätzende Fläche und die Schichtdicke konstant läßt und dann einen Wert der Lampenleistung einstellt, welcher aus einer zuvor erstellten Kalibrierkurve entnommen wird, in welcher Bestrahlungsstärken gegen Lampenleistungen aufgetragen sind. Zum Bestrahlen empfiehlt sich beispielsweise eine Halogenlampe mit Goldreflektor, welche von der Firma Osram unter der Typennummer 64635 angeboten wird.When setting a certain irradiance you go on best so that you can measure the distance between the lamp and the surface to be etched and the Leaves the layer thickness constant and then sets a value for the lamp power, which from a previously created calibration curve is taken in which irradiance levels are plotted against lamp powers. For example, it is recommended for irradiation a halogen lamp with gold reflector, which is made by Osram under the type number 64635 is offered.

s ist vorteilhaft, wenn bei Bestrahlungsstärken im Bereich zwischen > etwa 25 und < etwa 150 mW/cm2 geätzt wird, wobei sich diese Angabe auf den Wellenlängenbereich von 720 bis 800 nm bezieht, wobei eine Lampe verwendet wird, welche mindestens im Wellenlängenbereich von 700 bis 1300 nm kontinuierlich emittiert. Die entsprechenden Verteilungstemperaturen der Lampe liegen dabei zwischen etwa 2550 und 3400 0K und die Schichtdicke des Elektolyten beträgt 25 mm. Auch alle folgenden Angaben der Bestrahlungsstärke beziehen sich auf den genannten Wellenlängenbereich. Bei Bestrahlungsstärken < ungefähr 25 mW/cm2 erhält man beim Ätzen von N-dotiertem Silicium keinen homogenen Abtrag mehr, vielmehr weist die geätzte Fläche dann Bereiche, welche praktisch nicht angegriffen worden sind, neben sehr tiefen Gräben auf. Bei Bestrahlungsstärken > ungefähr 150 mW/cm2 ist das Ätzen von N-dotiertem Silicium nicht mehr gut reproduzierbar.s is advantageous when with irradiance in the range between > about 25 and <about 150 mW / cm2 is etched, this information being based on the Refers to the wavelength range from 720 to 800 nm, using a lamp, which emits continuously at least in the wavelength range from 700 to 1300 nm. The corresponding distribution temperatures of the lamp are between approximately 2550 and 3400 0K and the layer thickness of the electrolyte is 25 mm. Also all of the following Details of the irradiance relate to the specified wavelength range. At irradiance levels <approx. 25 mW / cm2, etching of N-doped material is obtained Silicon no longer has a homogeneous removal, rather the etched surface then has areas which have practically not been attacked, next to very deep trenches. at Irradiance levels> approximately 150 mW / cm2 is the result of etching N-doped silicon no longer easily reproducible.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer Bestrahlungsstärke von ungefähr 70 mW/cm­ gearbeitet wird. Bei dieser Bestahlungsstärke ist der Abtrag nicht nur besonders reproduzierbar (< + 5 %), sondern es werden auch P- und N-dotiertes Silicium mit gleicher Geschwindigkeit abgetragen. Ein Ätzgeschwindigkeitenverhältnis von 1:1 ist nicht bei allen Anwendungen erforderlich, (oft genügt es, wenn das Verhältnis ausreichend genau definiert ist), jedoch werden fast alle Ätzanwendungen, bei denen es auf definierte Abtragungen ankommt, dadurch wesentlich vereinfacht. Ein Ätzgeschwindigkeitenverhältnis von 1:1 ist erforderlich, wenn beispielsweise bei der Herstellung von integrierten Schaltungen in Siliciummaterial, welches nebeneinander P-und N-dotierte Bereiche aufweist, Isolationswannen geätzt werden sollen, welche alle gleich tief sind und deren Böden vollständig flach und parallel zur Oberfläche, von der ausgegangen worden ist, sind. Ein anderer Fall, in welchem es unbedingt erforderlich ist, daß P- und N-dotiertes Silicium gleich schnell geätzt werden, ist der, in welchem in ein Halbleitersubstrat, welches an seiner Oberfläche mehrere beispielsweise mittels Epitaxie aufgebrachte Schichten unterschiedlichen Leitungstyps aufweist eine geneigte, die Schichten schneidende Fläche, welche in sich eben und einheitlich steil ist, geätzt werden soll.It is particularly advantageous if at an irradiance of about 70 mW / cm is worked. At this level of irradiation is the removal not only particularly reproducible (<+ 5%), but also P- and N-doped Silicon removed at the same rate. An etch speed ratio of 1: 1 is not required for all applications (it is often sufficient if the ratio is sufficiently precisely defined), however, almost all etching applications in which it is based on defined erosion arrives, which makes it much easier. An etch rate ratio of 1: 1 is required if, for example in the manufacture of integrated circuits in silicon material, which is side by side Has P- and N-doped regions, which insulation wells are to be etched all are equally deep and their bottoms are completely flat and parallel to the surface, which has been assumed are. Another case in which it is absolutely necessary it is necessary that P- and N-doped silicon are etched at the same speed, is the one in which in a semiconductor substrate which has several on its surface For example, layers of different conductivity types applied by means of epitaxy has an inclined surface which intersects the layers and which is inherently flat and is uniformly steep, is to be etched.

Um eine Siliciumoberfläche gleichmäßig, d. h. so abzutragen, daß die Ätzung parallel zur Oberfläche, von der ausgegangen wird, fortschreitet, ist es am vorteilhaftesten, wenn an die zu ätzende Fläche nur ein Potential gelegt wird. Dies wird bei der in der Patentanmeldung P 29 17 654.3 beschriebenen Anordnung verwirklicht, indem dasselbe Potential an die Leiterzüge 12 und 13 gelegt wird. Es ist in diesem Fall auch empfehlenswert, eine einfachere Anordnung als diejenige, welche in der Patentanmeldung P 29 17 654.3 bevorzugt eingesetzt wird, anzuwenden. Eine solche vereinfachte Anordnung würde beispielsweise mit nur einem Anschluß an die zu ätzende Fläche auskommen.To make a silicon surface uniform, i. H. to be removed so that the Etching parallel to the surface that is assumed to progress, it is most advantageous if only one potential is applied to the surface to be etched. This is realized in the arrangement described in patent application P 29 17 654.3, by applying the same potential to the conductor tracks 12 and 13. It is in this A simpler arrangement than the one in the case is also recommended Patent application P 29 17 654.3 is preferably used to apply. Such simplified arrangement would, for example, with only one connection to the one to be etched Area.

Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben.The invention is based on exemplary embodiments illustrated by drawings described.

Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine im Querschnitt gezeigte Ausführung einer in der Patentanmeldung P 29 17 654.3 beschriebenen Anordnung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann; Fig. 2 ein Diagramm, in welchem abgetragene Schichtdicken von N- und P-dotiertem Silicium bei einer festgelegten Ätzdauer und einer festgelegten Stromdichte über der Bestrahlungsstärke aufgetragen sind und Fig. 3 einen Schnitt durch ein P-dotiertes Siliciumplättchen, auf welches N- und P-dotierte Schichten aufgebracht sind und welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren geätzt worden ist.The figures show: FIG. 1 in a schematic representation, one in cross section shown embodiment of an arrangement described in patent application P 29 17 654.3, with which the method according to the invention can be carried out; Fig. 2 a Diagram showing the layer thicknesses of N- and P-doped silicon at a specified etching duration and a specified current density as a function of the irradiance and FIG. 3 shows a section through a P-doped silicon wafer, on which N- and P-doped layers are applied and which according to the invention Procedure has been etched.

Die in der Fig. 1 gezeigte Anordnung dient zum selektiven Ätzen der Oberfläche eines Siliciumplättchens 1. Zu der Anordnung gehört ein zur Aufnahme des Elektrolyten 3 bestimmter Behälter 2, welcher aus einem Material besteht, welches von dem Elektrolyten nicht angegriffen wird. Ein geeignetes Material, welches gegenüber sehr vielen Elektrolyten, beispielsweise auch gegenüber der zum Ätzen von Silicium benutzten Flußsäure, ätzbeständig ist, ist Teflon. Der Behälter 2 hat im Boden eine Öffnung 9, welche mit dem zu ätzenden Siliciumplättchen 1 verschlossen wird. Die Dichtung zwischen dem Behälter 2 und dem Siliciumplättchen 1 wird mittels eines nicht gezeigten Rings aus Viton, einem linearen Copolymer aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen, gewährleistet. In den Elektrolyten taucht eine Kathode 4 ein, welche aus einem leitfähigen Material besteht, welches vom Elektrolyten nicht angegriffen wird. Ein Material, welches in den meisten Fällen dieser Anforderung gerecht wird, ist Platin. Die Kathode muß nicht in irgendeiner besonderen Weise geformt sein. Beispielsweise kann die Kathode aus einem dünnen Draht bestehen. Die Kathode ist mit einer Stromquelle 7 verbunden, mit der auch das Siliciumplättchen 1 über clie Verbindungen 5 und 6 leitend verbunden ist. In der Fig. 1 ist die Stromversorgung in einem Betriebszustand gezeigt, in dem das Kathodenpotential und das an der Verbindung 5 liegende Potential dasselbe Niveau haben. Die Stromversorgung 8 kann aber auch, indem der Schalter (siehe Fig. 1) in der Stromversorgung umgelegt wird, so betrieben werden, daß die an der Kathode 4 und an den Verbindungen 5 und 6 liegenden Potentiale voneinander verschieden sind. In jedem Fall muß sichergestellt sein, daß an der Verbindung 6 das positivste Potential liegt. Die üblicherweise rechteckige Fläche auf dem Siliciumplättchen 1, welche geätzt wird, ist begrenzt entweder durch den Vitonring oder durch eine die nicht zu ätzenden Bereiche abdeckende Maskierung aus einem vorzugsweise isolierenden und gegenüber dem Elektrolyten resistenten Material oder - und das ist der üblichste Fall - auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten durch sehr gut leitende und mit den Siliciumplättchen 1 leitend verbundene Bereiche, an denen über Leitungen zu den Verbindungen 5 und 6 je eines der Anodenpotentiale liegt und welche auch maskierend wirken, und im übrigen durch Bereiche aus dem vorzugsweise isolierenden, ätzresistenten Maskenmaterial. Die sehr gut leitenden Bereiche und die sehr gut leitenden Leitungen zwischen diesen Bereichen und Stellen, an denen die Verbindungen 5 und 6 mit dem Halbleiterplättchen verbunden sind, werden bevorzugt hergestellt, indem ganzflächig ein ätzresistentes Metall, z. B. Gold, auf das Siliciumplättchen aufgedampft wird und anschließend mittels eines sehr unkritischen photolithographischen Verfahrens die Bereiche und die Leitungen erzeugt werden.The arrangement shown in Fig. 1 is used for the selective etching of Surface of a silicon wafer 1. The arrangement includes a receptacle of the electrolyte 3 certain container 2, which consists of a material which is not attacked by the electrolyte. A suitable material, which opposite a lot of electrolytes, for example compared to those used for etching silicon The hydrofluoric acid used, which is etch-resistant, is Teflon. The container 2 has one in the bottom Opening 9, which is closed with the silicon wafer 1 to be etched. the Sealing between the container 2 and the silicon wafer 1 is by means of a Ring, not shown, made of Viton, a linear copolymer of vinylidene fluoride and Hexafluoropropylene, guaranteed. A cathode 4 is immersed in the electrolyte, Which consists of a conductive material that is not attacked by the electrolyte will. A material that meets this requirement in most cases, is platinum. The cathode need not be shaped in any particular way. For example, the cathode can consist of a thin wire. The cathode is connected to a power source 7, with which the silicon wafer 1 via clie Connections 5 and 6 is conductively connected. In Fig. 1 is the power supply shown in an operating state in which the cathode potential and that at the connection 5 lying potentials have the same level. The power supply 8 can also operated by the switch (see Fig. 1) in the power supply is operated that the potentials at the cathode 4 and at the connections 5 and 6 are different from each other. In any case, it must be ensured that the Connection 6 has the most positive potential. The usually rectangular area on the silicon wafer 1, which is etched, is limited by either the Viton ring or by masking the areas that are not to be etched a material that is preferably insulating and resistant to the electrolyte or - and this is the most common case - on two opposite sides by areas that are very conductive and are conductively connected to the silicon wafers 1, where one of the anode potentials is connected via lines to the connections 5 and 6 and which also have a masking effect, and otherwise by areas from the preferably insulating, etch-resistant mask material. The very conductive areas and the very good conductive lines between these areas and places where connections 5 and 6 connected to the die are preferred produced by an etch-resistant metal, z. B. gold, on the silicon wafer is evaporated and then by means of a very uncritical photolithographic Process the areas and the lines are generated.

Unterscheiden sich die an der Kathode 4 und an den Punkten 5 und 6 liegenden Potentiale, so erfolgt beim Ätzen auf der (gesamten, dem Elektrolyt ausgesetzten Fläche eine Abtragung, wobei an der an dem positiveren Potential liegenden Seite der zu ätzenden Fläche die Abtragung am stärksten und dort wo das andere Potential anliegt am geringsten ist. Da zwischell den angelegten Potentialen innerhalb der zu ätzenden Fläche ein Spannungsabfall stattfindet, nimmt die Abtragungsgeschwindigkeit - jedenfalls dann, wenn das Material eine einheitliche Ätzcharakteristik hat - linear zu. Das Ergebnis der Ätzung ist deshalb eine bezüglich der ursprünglichen Siliciumoberfläche linear abfallende Fläche.Are those at cathode 4 and at points 5 and 6 different lying potentials, when etching takes place on the (entire exposed to the electrolyte Surface an erosion, with the side lying on the more positive potential the area to be etched, the greatest amount of removal and there where the other potential is the least. Since between the applied potentials within the If a voltage drop occurs on the surface to be etched, the rate of removal decreases - at least when the material has a uniform etching characteristic - linear to. The result of the etching is therefore one with respect to the original silicon surface linearly sloping surface.

Liegen das Kathodenpotential und eines der an dem Siliciumplättchen liegende Potentiale auf dem gleichen Niveau, so sind die Verhältnisse nur insofern anders, als dort, wo das Potential der Kathode an der zu ätzenden Fläche anliegt, nicht einmal eine geringe sondern überhaupt keine Abtragung stattfindet. Auch hier erhält man also - sofern die oben angegebene Bedingung erfüllt ist - eine bezüglich der ursprünglichen Siliciumoberfläche linear abfallende Fläche, wobei keine Stufe zwischen der ursprünglichen Siliciumoberfläche und der linear abfallenden Fläche vorhanden ist, wie es der Fall ist, wenn die drei Potentiale unterschiedlich sind.Are the cathode potential and one of the on the silicon wafer If potentials are on the same level, the relationships are only insofar different than where the potential of the cathode is applied to the surface to be etched, there is not even a slight but no erosion at all. Here too one thus obtains - provided the condition given above is fulfilled - a regarding linearly sloping surface of the original silicon surface, with no step between the original silicon surface and the linearly sloping surface is present, as is the case when the three potentials are different.

Liegen das Kathodenpotential und eines der am Siliciumplättchen liegenden Potentiale auf demselben Niveau, so ist der Neigungswinkel der linear abfallenden Fläche allein durch die Menge des abgetragenen Materials bestimmt. Wird eine Abtragung parallel zur ursprünglichen Siliciumoberfläche gewünscht, so müssen - bei Anwendung der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung - beide an den Siliciumplättchen liegenden Potentiale gleich sein. Im allgemeinen wird es in diesem Fall einfacher sein, eine Anordnung zu benutzen, in welcher nur eine Verbindung zwischen Stromversorgung und dem zu ätzenden Siliciumplättchen vorgesehen ist. Die (nicht gezeigte) Lampe ist bei der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung so über dem Elektrolytbehalter angebracht, daß die Strahlung etwa senkrecht von oben auf die zu ätzende Fläche auftrifft.Are the cathode potential and one of the ones on the silicon wafer? Potentials at the same level, the angle of inclination is the linearly decreasing one Area determined solely by the amount of material removed. Will be an ablation desired parallel to the original silicon surface, so must - when using the arrangement shown in Fig. 1 - both lying on the silicon wafers Potentials be the same. In general, in this case it will be easier to find a Use arrangement in which only one connection between power supply and the silicon wafer to be etched is provided. The lamp (not shown) is in the arrangement shown in Fig. 1 so attached above the electrolyte container, that the radiation strikes the surface to be etched approximately vertically from above.

Beim Ätzen von Silicium wird als Elektrolyt Flußsäure verwendet, wobei mit einer ungefähr 5 gewichtsprozentigen Flußsäure besonders gute Ergebnisse erzielt werden. Es wird bei Zimmertemperatur geätzt. Unter Einhaltung von weiter unten aufgeführten Bedingungen werden bei durchschnittlichen Strom-2 dichten von < 200 mA/cm gute Ergebnisse, d. h. Flächen mit einem einheitlichen Neigungswinkel zur ursprünglichen Siljciumoberfläche bzw. Flächen, welche genau parallel zur ursprünglichen Oberfläche ausgerichtet sind, und mit guter Oberflächenqualität erhalten. Bei einer Stromdichte oberhalb 200 mA/cm2 ist die Ätzung nicht sehr gut kontrollierbar. Bei einer Stromdichte von 200 mA/cm2 und unter Bestrahlung mit einer Stärke im optimalen Bereich beträgt die Ätzgeschwindigkeit von Silicium in die Tiefe größenordnungsmäßig 0,06 um pro Sekunde. Da die zu ätzenden Vertiefungen oft Tiefen in der Größenordnung von 1 pin haben, d. h. die Ätzdauern in der Größenordnung von 17 Sekunden liegen, leuchtet es ein, daß es wegen der Abhängigkeit der Ätztiefe von der Ätzdauer schwierig ist, Vertiefungen mit festgelegter Tiefe reproduzierbar zu erzeugen, wenn so vorgegangen wird, daß der Strom einmal ein- und nach 15 bis 20 Sekunden wieder abgeschaltet wird. Aus diesem Grund wird bevorzugt gepulst, geätzt. Die Pulsdauern können bei der verwendeten Stromversorgung zwischen 0,1 und 1,5 Sekunden liegen. Durch das gepulste Ätzen wird auch ein übermäßiges Erwärmen des Elektrolyten während des Ätzens vermieden.When etching silicon, hydrofluoric acid is used as the electrolyte, whereby achieved particularly good results with about 5 percent by weight hydrofluoric acid will. It is etched at room temperature. In compliance with those listed below Conditions are good at average current densities of <200 mA / cm Results, d. H. Surfaces with a uniform angle of inclination to the original Silicon surface or areas which are exactly parallel to the original surface are aligned and preserved with a good surface quality. At a current density above 200 mA / cm2 the etching cannot be controlled very well. At a current density of 200 mA / cm2 and under irradiation with a strength in the optimal range the etch rate of silicon in depth is on the order of 0.06 µm per Second. Since the depressions to be etched are often on the order of 1 pin have, d. H. the etching times are on the order of 17 seconds, lights up it is difficult because of the dependence of the etching depth on the etching time, Generate recesses with a defined depth reproducibly, if so proceeded that the current is switched on once and then switched off again after 15 to 20 seconds will. For this reason, pulsed and etched are preferred. The pulse durations can be of the power supply used are between 0.1 and 1.5 seconds. By the pulsed etching will also cause excessive heating of the electrolyte during the etching avoided.

Der Einfluß der Bestrahlung auf das Ätzen soll anhand der Fig. 2 erläutert werden. Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in der durch elektrochemisches Ätzen abgetragene Schichtdicken von P- und N-dotiertem Material über den Bestrahlungsstärken, denen das P- und N-dotierte Silicium während des Ätzens ausgesetzt waren, aufgetragen sind. Beim Ätzen wurde so vorgegangen, daß an dem zu ätzenden Material jeweils nur ein Potential anlag, so daß das Material gleichmäßig abgetragen wurde, d. h., daß beim Ätzen Vertiefungen mit zur Oberfläche, von der ausgegangen wurde, parallelen Böden entstanden. Zum Bestrahlen der zu ätzenden Proben wurde eine ilalogenlampe mit Goldreflektor, welche von der Firma Osram unter der Typennummer 64635 vertrieben wird, verwendet. Die Lampe ist vorteilhaft, da in ihrem Licht der Anteil, dessen Wellenlänge einer Energie entspricht, welche etwas geringer als die Bandlücke ist, hoch ist. Die Bandlücke des Siliciums liegt bei ungefähr 1,1 eV, was einer Wellenlänge von ungefähr 1,3 pm entspricht. Die Lampe hatte von der zu ätzenden Probe ein Abstand von 5,0 cm und die Schichtdicke des aus 5-gewichtsprozentiger Flußsäure bestehenden Elektrolyten über der zu ätzenden Probe betrug 2,5 cm. In dem Elektrolyten wird längerwelliges Infrarotlicht stark absorbiert. Geätzt wurden jeweils 0,5 mm2 große Flächen, indem sie bei einer Stromdichte von 100 mA/cm 15 Sekunden lang mit dem Elektrolyten behandelt wurden. Die Lampenleistung wurde im Bereich zwischen 0 und 150 Watt (entsprechend einer Bestrahlungsstärke von 0 bis etwa 150 mW/cm2) variiert.The influence of the irradiation on the etching is explained with reference to FIG will. Fig. 2 shows a diagram in which removed by electrochemical etching Layer thicknesses of P- and N-doped material above the irradiance levels, which exposed to the P- and N-doped silicon during the etch are. In the case of etching, the procedure was that on the material to be etched only a potential was applied so that the material was removed evenly, d. i.e. that during the etching, depressions with the surface from which it was started, parallel Soils emerged. An analog lamp was used to irradiate the samples to be etched with gold reflector, which is sold by Osram under the type number 64635 is used. The lamp is advantageous because in its light the part of its Wavelength corresponds to an energy which is slightly smaller than the band gap, is high. The band gap of silicon is around 1.1 eV, which is one wavelength of about 1.3 pm. The lamp was at a distance from the sample to be etched of 5.0 cm and the thickness of the layer consisting of 5 percent by weight hydrofluoric acid Electrolyte over the sample to be etched was 2.5 cm. In the electrolyte becomes Long-wave infrared light strongly absorbed. Each 0.5 mm2 in size was etched Surfaces by using the Electrolytes have been treated. The lamp power was in the range between 0 and 150 watts (corresponding to an irradiance from 0 to around 150 mW / cm2).

Aus dem Diagramm ersieht man in erster Linie, daß - wie schon gesagt - die Geschwindigkeit, mit der sowohl N-dotiertes Silicium als auch P-dotiertes Silicium abgetragen wird, von der Bestrahlungsstärke abhängen, daß es eine Bestrahlungsstärke gibt, bei der N- und P-dotiertes Silicium etwa mit derselben Geschwindigkeit geätzt werden und die etwa die obere Grenze eines größeren Bestrahlungsstärkenbereiches bildet, in welchem die Ätzgeschwindigkeiten beim Abtragen von P- und N-dotiertem Material nicht sehr voneinander verschieden sind und außerdem relativ wenig von der Bestrahlungsstärke abhängig sind. Die genannte Bestrahlungsstärke liegt bei 70 mW/cm2 (entsprechend einer Lampenleistung von 80 Watt). Außerdem ist der Fig. 2 zu entnehmen, daß bei Bestrahlungsstärken w 150 mW/cm2 (ensprechend einer Lampenleistung von a 150 Watt), die Geschwindigkeit, mit welcher N-dotiertes Silicium geätzt wird, schlecht reproduzierbar ist, und daß bei Bestrahlungsstärken < 25 mW/cm2 (entsprechend einer Lampenleistung von ungefähr < 50 Watt) die Geschwindigkeit, mit welcher N-dotiertes Silicium abgetragen wird, sehr stark von der Bestrahlungsstärke abhängt. Wie festgestellt wurde, ist die schlechte Reproduzierbarkeit des Ätzens bei kleinen Bestrahlungsstärken darauf zurückzuführen, daß dabei kein paralleler Schichtabtrag erfolgt, sondern eine Oberfläche erhalten wird, die neben Bereichen, welche kaum angegriffen sind, sehr tiefe Gräben aufweist.From the diagram you can see in the first place that - as already said - the rate at which both N-doped and P-doped silicon Silicon is removed, depend on the irradiance that there is an irradiance there, at the N- and P-doped Silicon at about the same speed are etched and which is approximately the upper limit of a larger irradiance range forms in which the etching speeds when removing P- and N-doped Material are not very different from each other and also relatively little of the irradiance are dependent. The mentioned irradiance is included 70 mW / cm2 (corresponding to a lamp power of 80 watts). In addition, Fig. 2 it can be seen that at irradiance levels w 150 mW / cm2 (corresponding to a lamp power of a 150 watt), the speed with which N-doped silicon is etched, is poorly reproducible, and that at irradiance levels <25 mW / cm2 (corresponding to a lamp power of approximately <50 watts) the speed with which N-doped silicon is removed, depends very much on the irradiance. The etching reproducibility has been found to be poor for small ones Irradiance levels can be attributed to the fact that there is no parallel layer removal takes place, but a surface is obtained, which in addition to areas which hardly are attacked, has very deep trenches.

Die der Fig. 2 zugrundeliegenden Messungen wurden an Proben aus P- und N-dotiertem Silicium, welche jeweils ungefähr 7 x 1015 Dotierungsatome/cm³ enthielten, in der Fig. 2 aufgezeigten Ergebnisse sind jedoch repräsentativ für einen großen Bereich sowohl der N- als auch der P-Dotierungskonzentration.The measurements on which FIG. 2 is based were carried out on samples from P- and N-doped silicon, each containing approximately 7 x 1015 doping atoms / cm³, however, the results shown in Fig. 2 are representative of a large one Range of both N and P doping concentrations.

Dies wurde anhand von Versuchen festgestellt, bei welchen 3 Proben aus P-dotiertem Silicium, deren Dotierungskonzentrationen zwischen 1 x 1015 und 1 x 1019 Dotierungsatomen/cm3 lagen und 7 Proben N-dotiertem Silicium, deren Dotierungskonzentration zwischen 1 x 1015 und 5 x 1019 Dotierungsatomen /cm3 lagen, geätzt wurden. Bei allen Versuchen wurde mit derselben Bestrahlungsstärke und auch sonst bei gleichen Bedingungen geätzt. Es wurde gefunden, daß bei den Proben vom gleichen Leitfähigkeitstyp innerhalb der Meßgenauigkeit die Abtragungsgeschwindigkeit konstant, d. h.This has been determined through tests in which 3 samples made of P-doped silicon, whose doping concentrations between 1 x 1015 and 1 x 1019 doping atoms / cm3 and 7 samples of N-doped silicon, their doping concentration between 1 x 1015 and 5 x 1019 doping atoms / cm3 layers, etched became. In all experiments, the same irradiance and otherwise etched under the same conditions. The samples were found to be the same Conductivity type within the measuring accuracy the removal rate constant, d. H.

unabhängig von der Dotierungskonzentration war.was independent of the doping concentration.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, ist es, wie die eben besprochenen Messungen zeigen, möglich,P- und N-dotiertes Silicium elektrochemisch mit genau definierter Abtragungsgeschwindigkeit zu ätzen. Insbesondere ist es möglich, durch eine entsprechende Einstellung der Bestrahlungsstärke P- und N-dotiertes Material mit derselben Geschwindigkeit abzutragen. Dadurch werden viele Anwendungen, bei denen P- und N-dotierte Siliciumbereiche entweder gleichzeitig oder nacheinander geätzt werden, wesentlich vereinfacht oder sogar erst ermöglicht. Soll beispielsweise in ein Siliciumplättchen, welches aus einem P-dotiertem Substrat besteht, auf welchem mittels des bekannten Epitaxieverfahrens der Reihe nach eine N-, eine P- und schließlich noch einmal eine N-dotierte Siliciumschicht aufgebracht worden ist, so geätzt werden, daß eine Vertiefung entsteht, wie sie die Fig. 3 im Querschnitt wiedergibt, so ist es notwendig, wenn beim Ätzen eine geneigte Fläche mit einheitlichem Neigungswinkel a erhalten werden soll, daß die N- und die P-dotierten Schichten gleich schnell abgetragen werden. Im einzelnen geht man bei der Herstellung der in der Fig. 3 gezeigte Struktur so vor, daß auf der Oberfläche 11 des Siliciumsubstrats 10, welche geätzt werden soll, Leiterzüge 12 und 13 beispielsweise durch die Anwendung der Photolithographie auf eine aufgedampfte Metallschicht erzeugt werden. Die so vorbereitete Oberfläche 11 wird mit dem Elektrolyten benetzt, in welchen auch die Kathode eintaucht, und daraufhin wird an den Leiterzug 13 dasselbe Potential wie an die Kathode und an den Leiterzug 12 ein gegenüber der Kathode positiveres Potential gelegt. Gleichzeitig wird die Oberfläche 11 erfindungsgemäß mit einer Bestrahlungsstärke von 70 mW/cm2 bestrahlt. Da unter diesen Bedingungen die Ätzgeschwindigkeit nur noch von der Stromdichte abhängt, asird das Silicium zwischen den Leiterzügen 12 und 13 derart geätzt, daß die Ätzgeschwindigkeit senkrecht zu den Leiterzügen 12 und 13 linear zunimmt, wobei in unmittelbarer Nähe des Leiterzugs 13 die Ätzgeschwindigkeit null ist.With the method according to the invention, it is like those just discussed Measurements show possible P- and N-doped silicon with electrochemical accuracy to etch a defined removal rate. In particular, it is possible through a corresponding setting of the irradiance of P- and N-doped material to be removed at the same speed. This enables many uses at which P- and N-doped silicon regions either simultaneously or sequentially be etched, significantly simplified or even made possible in the first place. Should for example into a silicon wafer, which consists of a P-doped substrate, on which by means of the known epitaxy method one after the other an N, a P and finally an N-doped silicon layer has been applied again, so it is etched that a depression arises as it is shown in cross section in FIG. 3 it is necessary when etching an inclined surface with a uniform angle of inclination a should be obtained that the N- and the P-doped layers have the same speed be removed. In detail, one proceeds in the manufacture of that shown in FIG. 3 Structure so that on the surface 11 of the silicon substrate 10, which is etched is to be, conductor tracks 12 and 13, for example, through the use of photolithography can be generated on a vapor-deposited metal layer. The surface prepared in this way 11 is wetted with the electrolyte, in which the cathode is also immersed, and then the Conductor 13 has the same potential as to the Cathode and on conductor track 12 a potential which is more positive than the cathode placed. At the same time, according to the invention, the surface 11 is provided with an irradiance irradiated by 70 mW / cm2. Because under these conditions the etching rate only still depends on the current density, the silicon between the conductor tracks 12 is produced and 13 etched in such a way that the etching speed is perpendicular to the conductor tracks 12 and 13 increases linearly, the etching speed in the immediate vicinity of the conductor line 13 is zero.

Es wird dann solange geätzt, bis der gewünschte Winkel a erzeugt worden ist.It is then etched until the desired angle α has been produced is.

Auch dann, wenn das im eben besprochenen Beispiel benutzte Siliciumplättchen so selektiv geätzt werden soll, daß eine gleichmäßige Abtragung, d. h. eine Abtragung parallel zur Oberfläche 11, erfolgen soll, (dies wird erreicht, indem beim Ätzen an den Leiterzügen 12 und 13 dasselbe Potential liegt), ist es vorteilhaft, wenn die N- und die P-dotierten Schichten einerseits mit definierter und andererseits mit derselben Geschwindigkeit abgetragen werden. Nur dann nämlich, wenn die Abtragungsgeschwindigkeit bekannt ist und für P- und N-dotiertes Silicium gleich ist, läßt sich durch einfache Versuche beispielsweise an einheitlich dotierten Testplättchen die Zeitdauer ermitteln, welche erforderlich ist, um die Epitaxieschicht bis zum P-dotierten Substrat selektiv wegzuätzen.Even if the silicon wafer used in the example just discussed is to be etched selectively so that a uniform removal, d. H. an ablation parallel to surface 11, (this is achieved by, when etching the same potential is applied to the conductor tracks 12 and 13), it is advantageous if the N- and the P-doped layers on the one hand with defined and on the other hand can be removed at the same speed. Only if the removal rate is known and is the same for P- and N-doped silicon, can be simply Tests, for example on uniformly spiked test plates, determine the time which is required to selectively move the epitaxial layer down to the P-doped substrate to etch away.

Dieselbe Abtragungsgeschwindigkeit beim Ätzen von P- und N-Silicium oder wenigstens eine Abtragungsgeschwindigkeit, welche für die beiden Materialien eindeutig definiert ist, ist auch notwendig, wenn bei der Messung des vertikalen Dotierungsprofils in einem Halbleitersubstrat, in welchem Bereiche, wie z. B. der Emitter- und ein Teil des Basisbereichs in einem Bipolartransistor, übereinanderliegen, wel- che sich im Leitfähigkeitstyp unterscheiden, so vorgegangen wird, daß das Halbleitermaterial Schicht um Schicht abgetragen wird und nach jeder Abtragung einer Schicht der Schichtwiderstand (R5) gemessen wird. Wenn dabei nicht genau bekannt ist, wie dick die bei jedem Abtragungsschritt abgetragenen Schichten sind, so ist die Ermittlung des Diffusionsprofils, d. h. die Kurve, welche erhalten wird, wenn die Dotierungskonzentration über den zugehörigen Abstand zur Substratoberfläche aufgetragen wird, nicht möglich.The same removal rate when etching P- and N-silicon or at least one removal rate suitable for the two materials is clearly defined, is also necessary when measuring the vertical Doping profile in a semiconductor substrate, in which areas such. B. the Emitter and part of the base area in a bipolar transistor are superimposed, wel- If the conductivity type differs, proceed as follows is that the semiconductor material is removed layer by layer and after each Removal of a layer of the sheet resistance (R5) is measured. If not It is known exactly how thick the layers removed in each removal step are the determination of the diffusion profile, i. H. the curve which received when the doping concentration exceeds the associated distance to the substrate surface is not possible.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet Anwendung bei Prozeßkontrollen in der Halbleiterfertigung und auch bei der Herstellung von integrierten Schaltungen.The method according to the invention is used in process controls in semiconductor manufacturing and also in the manufacture of integrated circuits.

Bei der Prozeßkontrolle wird das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet, um einerseits Flächen zu ätzen, welche in sich eben sind und mit der Substratoberfläche einen spitzen Winkel bilden und andererseits - wie schon erwähnt, um Halbleitermaterial Schicht für Schicht homogen, d. h. in der Weise, daß die Ätzfront parallel zur Substratoberfläche in das Substrat eindringt, abzutragen. Die geneigte, geätzte Fläche kann einerseits mittels einer Anfärbemethode zur Ermittlung der Eindringtiefen von P/N-Ubergängen benutzt werden und andererseits, indem entlang der Linie größter Steilheit punktweise der Ausbreitungswiderstand gemessen wird, zur Bestimmung der vertikalen Dotierungsprofile verwendet werden. Die schichtweise, d. h. die zur ursprünglichen Oberfläche parallele Abtragung des Halbleitermaterials wird - worauf schon hingewiesen wurde - auch zur Bestimmung von Dotierungsprofilen eingesetzt.In process control, the method according to the invention is used to on the one hand to etch surfaces that are inherently flat and with the substrate surface Form an acute angle and on the other hand - as already mentioned, to semiconductor material Layer by layer homogeneous, d. H. in such a way that the etching front is parallel to the substrate surface penetrates into the substrate to remove. The inclined, etched surface can on the one hand by means of a staining method to determine the penetration depths of P / N transitions and on the other hand, by pointwise along the line of greatest steepness the resistance to propagation is measured to determine the vertical doping profiles be used. The layer by layer, d. H. the one parallel to the original surface Removal of the semiconductor material is - as has already been pointed out - also for Determination of doping profiles used.

Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen kann das erfindungsgemäße Verfahren einerseits zum Ätzen von Isolationswannen, welche ebene, zur Substratoberfläche parallele Böden aufweisen und außerdem zum Ätzen von Vertiefungen, welche ein Profil in Form eines unsymmetrischen V's - wie es die Fig. 3 zeigt -, verwendet werden. Auf der dabei erzeugten geneigten Fläche können aktive Elemente, wie z. B.In the production of integrated circuits, the inventive Process on the one hand for etching insulation wells which are flat to the substrate surface parallel Have floors and also for etching depressions, which has a profile in the form of an asymmetrical V - as shown in Fig. 3 -, be used. Active elements, such as B.

Feldeffekttransistoren, platzsparend erzeugt werden. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere deshalb vorteilhaft, weil es - wie im Zusammenhang mit Besprechung der Fig. 3 erläutert wurde - möglich ist, auch dann vollständig ebene, geneigte Flächen mit genau definierten Abmessungen herzustellen, wenn dabei Bereiche vom P- und N-Typ geätzt werden müssen.Field effect transistors, can be generated in a space-saving manner. Here is that Method according to the invention, particularly advantageous because it - as in the context was explained with discussion of FIG. 3 - is possible, even then completely make flat, inclined surfaces with well-defined dimensions, if doing so P- and N-type areas need to be etched.

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Claims (4)

PATENTANSPRUCHE ~1 Verfahren zum elektrochemischen Ätzen von N- und P-dotiertem Silicium nach Patentanmeldung P 29 17 654.3, bei dem die zu ätzende Fläche während des Ätzens mit nahem Infrarotlicht bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeiten, mit welchen P- und N-dotiertes Silicium geätzt werden, außer über bekannte Parameter, wie die Stromdichte, zusätzlich über die Bestrahlungsstärke, mit welcher die zu ätzende Fläche bestrahlt wird, gesteuert wird. PATENT CLAIMS ~ 1 Process for electrochemical etching of N- and P-doped silicon according to patent application P 29 17 654.3, in which the Surface is irradiated with near infrared light during etching, characterized in that that the speeds at which P- and N-doped silicon are etched, apart from known parameters such as the current density, additionally via the irradiance, with which the area to be etched is irradiated is controlled. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ätzen mit einer mindestens im Wellenlängenbereich von 700 bis 1300 nm kontinuierlich emittierenden Lampe mit einer Bestrahlungsstärke bestrahlt wird, welche im Wellenlängenbereich von 720 bis 800 nm zwischen etwa 25 und etwa 150 mW/cm2 liegt, wobei die entsprechenden Verteilungstemperaturen der Lampe zwischen etwa 2550 und etwa 3400 0K liegen, und die Schichtdicke des Elektrolyten 25 mm beträgt. 2. The method according to claim 1, characterized in that the etching with a continuously emitting at least in the wavelength range from 700 to 1300 nm Lamp is irradiated with an irradiance which is in the wavelength range from 720 to 800 nm is between about 25 and about 150 mW / cm2, the corresponding Distribution temperatures of the lamp are between about 2550 and about 3400 0K, and the layer thickness of the electrolyte is 25 mm. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ätzen mit einer mindestens im Wellenlängenbereich von 700 bis 1300 nm kontinuierlich emittierenden Lampe mit einer Bestrahlung stärke bestrahlt wird, welche im Wellenlängenbereich von 720 bis 800 nm bei etwa 70 mW/cm2 liegt, wobei die entsprechende Verteilungstemperatur der Lampe bei ungefähr 3030 0K liegt, und die Schichtdicke des Elektrolyten 25 mm beträgt. 3. The method according to claim 2, characterized in that the etching with a continuously emitting at least in the wavelength range from 700 to 1300 nm Lamp with an irradiation strength is irradiated, which in the wavelength range from 720 to 800 nm is around 70 mW / cm2, the corresponding distribution temperature of the lamp is around 3030 0K, and the layer thickness of the electrolyte is 25 mm amounts to. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die zu ätzende Fläche nur 1 Potential gelegt wird. 4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized characterized in that only 1 potential is applied to the area to be etched.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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