DE4336774A1 - Verfahren zur Herstellung von Strukturen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Struk­ turen, insbesondere von Sensoren oder Aktoren bekannt, bei dem soge­ nannte SOI-Wafer (Silicon on Insulator) für die Herstellung von Sen­ soren genutzt werden. Derartige Silizium-Wafer weisen ein massives Siliziumsubstrat auf, auf dem eine Siliziumoxidschicht und darauf eine einkristalline Siliziumschicht angeordnet ist. Durch Einbringen von Gräben in die obere einkristalline Siliziumschicht, wobei diese Gräben bis zur Isolationsschicht reichen, werden Strukturen in der oberen Siliziumschicht erzeugt. Durch Beaufschlagen dieses Wafers mit einem Flußsäurehaltigen Ätzmedium werden dann einzelne Bereiche der Strukturen der oberen einkristallinen Siliziumschicht unterätzt. Um diese Unterätzung zu beschleunigen sind schon zusätzliche Ätz­ öffnungen in den oberen Siliziumstrukturen vorgeschlagen worden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine schnelle Un­ terätzung erzielt wird, ohne daß zusätzliche Ätzöffnungen in den oberen Siliziumstrukturen eingebracht werden müssen. Das Design der oberen Siliziumstrukturen wird daher durch keinerlei Anforderungen, die durch den Unterätzprozeß gestellt werden können, beeinträchtigt. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders einfach wird die Isola­ tionsschicht als Siliziumoxidschicht ausgebildet und mit einem Fluß­ säurehaltigen Medium unterätzt. Das Einbringen der Gräben kann nach dem Erzeugen der Siliziumoxidschicht erfolgen. Alternativ ist es möglich, in einem Silizium-Wafer Gräben einzubringen und dann diesen Silizium-Wafer zu oxidieren. Besonders einfach erfolgt die Ausbil­ dung des SOI-Wafers, indem ein erster Silizium-Wafer mit einer Oxid­ schicht mit einem zweiten Silizium-Wafer mit einer Epitaxieschicht gebondet wird. Wenn dabei zwischen der Epitaxieschicht und dem Rest des zweiten Wafers eine stark dotierte Siliziumschicht angeordnet ist, kann die Dicke der Siliziumschicht, in der die Struktur ausge­ bildet wird, besonders genau eingestellt werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1, zwei Silizium-Wafer, die miteinander verbunden werden, Fig. 2 einen dadurch gebildeten SOI-Wafer mit eingebrachter Struktur, Fig. 3 den SOI-Wafer nach dem Unterätzen der Struktur, Fig. 4 eine Aufsicht auf die Fig. 3, Fig. 5 ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung, Fig. 6 eine Aufsicht auf die Fig. 5, Fig. 7 die unterätzte Struktur der Fig. 5 und die Fig. 8 und 9 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist ein erster Silizium-Wafer 1 und ein zweiter Sili­ zium-Wafer 2 gezeigt. Wie durch die Pfeile gezeigt wird, werden die­ se beiden Silizium-Wafer miteinander verbunden. Das Verbinden der beiden Silizium-Wafer 1, 2 erfolgt durch sogenanntes Silizium-Di­ rekt-Bonden, bei dem die Silizium-Wafer 1 und 2 aufeinandergelegt werden und einer Temperaturbehandlung unterzogen werden. Durch Auf­ heizen auf Temperaturen in der Größenordnung von 800°C und dar­ über wird so eine feste Verbindung der beiden Silizium-Wafer 1 und 2 erreicht. Der Silizium-Wafer 1 ist aus einer unteren Silizium­ schicht 3 und einer oben liegenden Siliziumoxidschicht 5 aufgebaut. Der Silizium-Wafer 2 besteht aus einem Substrat 20, einer darauf an­ geordneten hoch dotierten Schicht 21 und darauf weiterhin einer zweiten Siliziumschicht 4. Die zweite Siliziumschicht 4 ist als Epi­ taxieschicht auf dem Substrat 20 bzw. der stark dotierten Schicht 21 aufgebracht. Nach dem Verbinden der beiden Silizium-Wafer 1, 2 ent­ steht so ein Schichtaufbau mit einer ersten Siliziumschicht 3, einer darauf aufgebrachten Siliziumoxidschicht 5, darauf eine weitere Si­ liziumschicht 4 und weiterhin einer stark dotierten Schicht 21 und einem Substrat 20. Durch weitere Bearbeitungsschritte wird nun das Substrat 20 und die stark dotierte Schicht 21 entfernt. Dazu können verschiedene Prozesse genutzt werden. Um den größeren Teil des Sub­ strats 20 abzutragen kann beispielsweise eine mechanische Bearbei­ tung durch Schleifen erfolgen. Durch nachfolgende Polierschritte kann dann weiterhin Silizium abgetragen werden, bis das Substrat 20 und die stark dotierte Schicht 21 entfernt sind. Alternativ kann das Abtragen der Schichten 20 und 21 auch durch dotierungsselektive che­ mische Ätzprozesse erfolgen. Durch Ätzen mit einem Gemisch von Ammoniak, Wasser und Wasserstoffperoxid kann das schwach dotierte Substrat 20 abgetragen werden. Dieses Ätzmittel greift stark dotierte Schichten wie die Schicht 21 nicht an, so daß die Ätzung des Substrats 20 an der stark dotierten Schicht 21 gestoppt wird. Bei diesem Ätzprozeß sind die weiteren Siliziumschichten 3 und 4 vor dem Angriff der Ätzlösung ge­ schützt. Zum Abtragen der stark dotierten Schicht 21 wird dann ein Gemisch von Flußsäure, Salpetersäure und Essigsäure verwendet. Eine derartige Ätzlösung ätzt stark dotiertes Silizium wesentlich schnel­ ler als schwach dotiertes Silizium. Die Ätzung stoppt somit weitge­ hend, wenn die schwach dotierte zweite Siliziumschicht 4 erreicht wird.

In der Fig. 2 wird ein so gebildeter SOI-Wafer 6 (Silicon on Insu­ lator) gezeigt, der nunmehr eine erste Siliziumschicht 3, eine dar­ auf angeordnete Siliziumoxidschicht 5 und zu oberst eine zweite Si­ liziumschicht 4 aufweist. Durch die Siliziumoxidschicht 5 sind die beiden Siliziumschichten 3, 4 gegeneinander isoliert. Ein derartiger SOI-Wafer läßt sich vorteilhaft zur Herstellung von Sensoren einset­ zen. Dazu werden in die Oberseite des SOI-Wafers 6 Strukturgräben 7 eingebracht, die vollständig durch die obere Siliziumschicht 4 hin­ durch reichen. Wird dann der SOI-Wafer 6 mit einem Flußsäurehaltigem Medium (Lösung, Dampf) beaufschlagt, so wird die in der oberen Sili­ ziumschicht 4 ausgebildete Struktur unterätzt. Dies wird in der Fig. 3 dargestellt. Unterhalb eines Teils der oberen Siliziumschicht 4 hat sich durch die Flußsäure eine Unterätzung 8 ausgebildet, so daß nun ein Teil der oberen Siliziumschicht 4 nicht mehr über die Siliziumoxidschicht 5 mechanisch fest mit der unteren Silizium­ schicht 3 verbunden ist. In der Fig. 4 wird eine Aufsicht auf die so beschaffene Struktur gezeigt. Der Strukturgraben ist dabei derart ausgebildet, daß ein Sensorelement bestehend aus einer seismischen Masse 10 und einem Biegebereich 11 gebildet ist. Die so hergestellte Struktur ist beispielsweise als Beschleunigungssensor verwendbar. Durch die große seismische Masse 10 wirken relativ große Kräfte auf den Biegebereich 11, wenn eine Beschleunigung in eine Achse senkrecht zur Oberfläche des SOI-Wafer 6 auftritt, so daß der Biegebereich 11 verformt wird. Diese Verformung kann beispielsweise anhand des Piezoelements 9 nachgewiesen werden. Alternativ kann auch die gute Isolation zwischen der oberen Siliziumschicht 4 und der un­ teren Siliziumschicht 3 genutzt werden, um eine Änderung der Kapazi­ tät zwischen diesen Schichten zu messen. Durch die Verformung des Biegebereichs 11 änderte sich der Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und der unteren Siliziumschicht 3, so daß sich auch die Ka­ pazität zwischen der oberen Siliziumschicht 4 und der unteren Sili­ ziumschicht 3 ändert. Die Fig. 3 stellt einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 4 dar.

Beim Beaufschlagen des SOI-Wafers der Fig. 2 mit Flußsäure wird die Siliziumoxidschicht 5 in alle Richtungen mit gleicher Geschwindig­ keit geätzt. Um die seismische Masse 10 vollständig zu unterätzen, ist somit eine lange Ätzzeit vorzusehen. Weiterhin müssen die son­ stigen Bereiche, mit denen die obere Siliziumschicht 4 über die Si­ liziumoxidschicht 5 mit der unteren Siliziumschicht 3 verbunden ist, entsprechend groß vorgesehen werden, so daß diese Bereiche nicht vollständig unterätzt werden. Von der zur Verfügung stehenden Fläche kann somit ein großer Teil nicht genutzt werden. Es können nun zu­ sätzliche Ätzlöcher in der seismischen Masse 10 vorgesehen werden, durch die der Angriff der Flußsäure unter der seismischen Masse 10 an vielen Punkten gleichzeitig erfolgt, so daß die Unterätzung der seismischen Masse 10 besonders schnell erfolgt. Nachteilig ist daran jedoch, daß durch diese zusätzlichen Ätzlöcher die Masse der seis­ mischen Masse verringert wird. Außerdem erlaubt es diese Methode nicht, eine seismische Masse oder andere Struktur herzustellen, die über große Bereiche keine zusätzlichen Ätzlöcher aufweist.

In den Fig. 2-4 wird ein Silizium-Wafer gezeigt, bei dem nur ein einziger Sensor ausgebildet wird. In der Regel sind jedoch auf einem SOI-Wafer eine Vielzahl von Sensoren vorgesehen, die in einem letzten Prozeßschritt vereinzelt werden. Bei einer solchen Vielzahl von Sensoren auf einem Silizium-Wafer kann auch im Randbereich des Silizium-Wafers eine gewisse Unterätzung der Siliziumoxidschicht 5 toleriert werden. Falls jedoch der Randbereich des Silizium-Wafers oft zur Herstellung von Sensoren genutzt werden soll, sind bei­ spielsweise durch eine entsprechende Verpackung des Wafers beim Ät­ zen Vorkehrungen zu treffen, die ein Ätzen der Siliziumoxidschicht 5 vom Randbereich des Wafers her vermeidet.

In den Fig. 5 und 6 wird nun eine Ausgestaltung der Siliziumoxid­ schicht 5 gezeigt, die eine schnellere Unterätzung der in der oberen Siliziumschicht 4 ausgebildeten Strukturen erlaubt. In der Fig. 6 ist dabei eine Aufsicht auf die Siliziumoxidschicht 5 entlang der Linie VI-VI der Fig. 5 gezeigt. In die Oberseite der Siliziumoxid­ schicht 5 sind dabei Gräben 12 eingebracht, die in Kontakt mit den Strukturgräben 7 stehen. Durch die Strukturgräben 7 wird die Silizi­ umoxidschicht 5 des SOI-Wafers 6 mit einem Ätzmedium, für Silizium­ oxid in der Regel Flußsäure, beaufschlagt. Durch die Unterätzgrä­ ben 12 wird eine schnelle Verteilung dieses Ätzmediums überall un­ terhalb der seismischen Masse 10 gewährleistet. Wie in der Fig. 6 zu sehen ist, sind dabei die Gräben 12 derart angeordnet, daß nur der Bereich unterhalb der seismischen Masse 10 mit den Unterätzgra­ ben 12 versehen ist. Im Bereich dieser Ätzgräben 12 erfolgt somit eine besonders schnelle Unterätzung der oberen Siliziumschicht 4. Da zwischen den Ätzgräben 12 die obere Siliziumschicht 4 noch fest mit der Siliziumoxidschicht 5 verbunden ist, sind die in der oberen Schicht 4 ausgebildeten Strukturen vor dem Unterätzen noch mecha­ nisch ausreichend verankert, so daß der SOI-Wafer 6 in diesem Stadium noch problemlos handhabbar ist, ohne daß es dabei zu über­ mäßig großen Kräften auf die Strukturen kommt. Die Unterätzgräben 12 brauchen nur eine geringe Tiefe aufweisen, um die hier gewünschte Beschleunigung der Unterätzung unter die seismische Masse 10 zu be­ wirken. Aufgrund von Kapillarkräften reicht eine Tiefe von einigen zehn Nanometern, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Ebenso gut können die Gräben 12 jedoch auch sehr tief ausgestaltet sein, so daß die Siliziumoxidschicht 5 vollständig durchdrungen wird. Anstelle des in der Fig. 6 gezeigten Musters mit einem Zentralgraben und da­ von abgehenden Seitengräben 12 ist ebenso gut auch ein Netzwerk von­ einander mit rechten Winkel überlappenden Gräben 12 denkbar.

In der Fig. 7 ist in Analogie zur Fig. 3 eine Unterätzung gezeigt, wobei hierbei jedoch von der Fig. 5, d. h. von einer Siliziumoxid­ schicht 5 mit Unterätzgräben 12 ausgegangen wurde. Bei gleicher Aus­ gestaltung der Strukturgräben 7 ist im Vergleich zur Fig. 3 eine deutlich geringere Unterätzung 8 zu erkennen. Es muß somit ein deut­ lich geringerer Vorhalt für die seitliche Unterätzung unter die Schicht 4 vorgesehen werden. Bei gleicher Größe der gewünschten Struktur können somit auf einem Silizium-Wafer viel mehr Strukturen realisiert werden oder aber auf einem Wafer eine gleiche Anzahl von deutlich größeren Strukturen realisiert werden. Zur Herstellung der in den Fig. 5 und 6 gezeigten SOI-Wafer 6 sind zwei unterschied­ liche Wege gangbar. Beim ersten Weg wird von einem Silizium-Wafer 1, wie er in der Fig. 1 gezeigt wird, ausgegangen. In die Silizium­ oxidschicht 5 werden dann die entsprechenden Gräben 12 eingebracht, indem die Oberseite des Silizium-Wafers 1 mit einem Photolack be­ deckt, eine Struktur für die Gräben 12 in den Photolack eingebracht wird und dann eine Ätzung durch diese Photolackmaske hindurch er­ folgt. Die weitere Verarbeitung erfolgt dann wie zu den Fig. 1-4 beschrieben. In der Fig. 8 wird der zweite Weg für die Herstellung eines Silizium-Wafers 1 mit einer unteren Siliziumschicht 3 und einer Siliziumoxidschicht 5 mit Unter­ ätzgräben 12 beschrieben. Dieses Verfahren geht aus von einem Silizium-Wafer 1, wobei in die Oberfläche des Silizium-Wafers 1 Gräben 13 eingebracht werden, die in ihrer geometrischen Ausge­ staltung den Unterätzwerten 12 entsprechen. Wird dann die Oberseite dieses Silizium-Wafers 1 durch Abscheiden oder durch eine thermische Oxidation mit einer Siliziumoxidschicht 5 versehen, so bilden sich an der Oberfläche dieser Siliziumoxidschicht 5 entsprechend zu den Gräben 13 in der Siliziumschicht 3 Gräben 12 aus. Die weitere Ver­ arbeitung dieses Silizium-Wafers 1 erfolgt in analoger Weise wie zu den Fig. 1-4 beschrieben.

In der Fig. 9 wird eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der Aufbau in der Fig. 9 geht von der Ausge­ staltung nach der Fig. 5 aus. Eine zweite Siliziumschicht 4 ist über eine Isolationsschicht 5 auf einer ersten Siliziumschicht 3 angeordnet. Durch Einbringen von Strukturgräben 7 wird in der zweiten Siliziumschicht 4 wieder eine Struktur erzeugt, wie sie bei­ spielsweise in der Fig. 4 gezeigt wird. Unterhalb der seismischen Masse 10 sind wieder Unterätzgräben 12 eingebracht, wie sie bei­ spielsweise aus der Fig. 6 bekannt sind. Zusammen mit den Struktur­ gräben 7 werden weiterhin Ätzöffnungen 32 in die seismische Masse 10 eingebracht. Durch Abscheiden einer weiteren Ätzschicht 30 wird dann die zweite Siliziumschicht 4 unter die darin erzeugten Strukturen abgedeckt. Der Abscheideprozeß für die weitere Ätzschicht 30 wird dabei so gewählt, daß sowohl die Strukturgräben 7 wie auch die Durchätzöffnungen 32 mit dem Material der weiteren Ätzschicht 30 gefüllt werden. Das Material der weiteren Ätzschicht 30 wird dabei so gewählt, daß es vom Ätzmedium für die Isolationsschicht 5 eben­ falls ätzbar ist. Wenn beispielsweise für die Isolationsschicht 5 ein thermisches Siliziumoxid verwendet wird, so läßt sich für die weitere Ätzschicht 30 beispielsweise ein Siliziumoxid nutzen, welches aus einem Plasma oder aus einem chemischen Dampf abge­ schieden wird. In einem weiteren Prozeßschritt wird danach die Ober­ fläche der weiteren Ätzschicht 30 mit einer Deckschicht 31, z. B. polykristallines Silizium versehen. In einem weiteren Struk­ turierungsschritt werden weitere Öffnungen 33, vorzugsweise an den Strukturrändern, in diese Schicht eingebracht, so daß z. B. ein ge­ schlossener Deckel entsteht. Wird nun dieser Aufbau mit einer Ätz­ lösung beaufschlagt, welche die weitere Ätzschicht 30 und die Iso­ lationsschicht 5 ätzt, so werden diese beiden Schichten geätzt. Durch die Ätzstreben 12 erfolgt dabei die Unterätzung in der Iso­ lationsschicht 5 besonders schnell. Durch die Durchätzgräben 32 kann dann die Ätzlösung auch an vielen Stellen oberhalb der Strukturen der zweiten Siliziumschicht 4 an der weiteren Ätzschicht 30 an­ greifen. Das Freiätzen sowohl unterhalb wie auch oberhalb der Struk­ turen erfolgt somit besonders schnell. Durch einen weiteren Ab­ scheideschritt kann die weitere Öffnung 33 in der Deckschicht 31 verschlossen werden. Es können so voll verkapselte Strukturen hergestellt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Siliziumstrukturen, insbesondere von Sensoren oder Aktoren, bei dem ein erster Silizium-Wafer (1) mit einer erster Siliziumschicht (3) und einer Isolationsschicht (5) mit einem zweiten Silizium-Wafer (2) mit einer zweiten Siliziumschicht (4) verbunden wird, bei dem Strukturen in der oberen Silizium­ schicht (4) eingebracht werden und danach unter einen Teil der Strukturen die Isolationsschicht (5) unterätzt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Isolationsschicht (5) Strukturen (12) einge­ bracht sind, die die Geschwindigkeit, mit der die Unterätzung (8) eingebracht werden kann, erhöhen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isola­ tionsschicht aus Siliziumoxid besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätz­ mittel zum Einbringen der Unterätzung (8) Flußsäure als Lösung oder als Dampf verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Strukturen zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Unterätzung (8) Gräben (12) vorgesehen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den ersten Wafer (1) eine Siliziumschicht (3) mit einer Siliziumoxid­ schicht (5) versehen wird und dann Unterätzgräben (12) in die Sili­ ziumoxidschicht (5) eingeätzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung des ersten Silizium-Wafers (1) eine Siliziumschicht (3) mit Gräben (13) versehen wird und dann eine Siliziumoxidschicht (5) aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß der zweite Wafer (2) ein Substrat (20), eine darauf aufgebrachte hoch dotierte Schicht (21) und darauf die zweite Siliziumschicht (4) aufweist, wo­ bei die Dotierung des Substrats (20) und der zweiten Silizium­ schicht (4) gering ist gegen die hoch dotierte Schicht (21) und daß nach dem Verbinden der beiden Wafer (1, 2) das Substrat (20) und die hoch dotierte Schicht (21) wieder entfernt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ent­ fernen des Substrats (20) mit einer Ätzlösung, bestehend aus Ammoni­ ak, Wasser und Wasserstoffperoxid, und das Entfernen der stark do­ tierten Schicht (21) mit einem Ätzgemisch aus Flußsäure, Salpetersäure und Essigsäure erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strukturen in der zweiten Siliziumschicht (4) von einer weiteren Ätzschicht (30) und einer Deckschicht (31) bedeckt werden, und das in den Strukturen der zweiten Siliziumschicht (4) Durchätzlöcher (32) vorgesehen sind, die von der Isolationsschicht (5) zur weiteren Ätzschicht (30) reichen.