DE4421337A1 - Multi-stage etching procedure for micromechanical semiconductor element - Google Patents

Multi-stage etching procedure for micromechanical semiconductor element

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Abstract

A method of manufacturing a monocrystalline cantilever beam (7) in a silicon semiconductor wafer (1a) for application as eg. an acceleration or pressure sensor employs a wafer having (111) type orientation for the formation of the cantilever structure (7). A multi-stage etching operation performed from one side of the wafer (1a) only is undertaken in conjunction with protective lacquer masks (3) or layers (5) in order to divert the forming of the beam (7) separated from the main mass (1a) by an extension of the channel (10) in Fig. 3. The process ensures that any previously formed integrated electronic components (2) remain undisturbed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ätzverfahren zur Herstellung von quasiplanaren, freitragenden Strukturen in monokri­ stallinem Silizium nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an etching process for production of quasi-planar, self-supporting structures in monocri stallinem silicon according to the generic term of Claim 1.

Zur Herstellung mikromechanischer Elemente in Silizium, beispielsweise zur Herstellung von Beschleunigungssen­ soren und Drucksensoren, wurden in der Vergangenheit verschiedene Ätzverfahren entwickelt und optimiert. Diese Ätzverfahren dienen dazu, mikromechanische (dreidimensionale) Strukturen in monokristallinem Sili­ zium zu erzeugen, um diese Strukturen sodann aufgrund ihrer ausschließlich mechanischen oder sowohl mechani­ schen als auch elektrischen Eigenschaften beispiels­ weise als Sensor oder Aktuator zu nutzen.For the production of micromechanical elements in silicon, for example for the production of acceleration sensors sensors and pressure sensors have been used in the past developed and optimized various etching processes. These etching processes are used for micromechanical (Three-dimensional) structures in monocrystalline sili to generate zium, then due to these structures their exclusively mechanical or both mechani and electrical properties, for example wise to use as a sensor or actuator.

Insbesondere sind zur Herstellung von Zungenstrukturen in monokristallinem Silizium zwei Verfahren bekannt.In particular, are used to manufacture tongue structures two methods are known in monocrystalline silicon.

Beim ersten Verfahren wird, definiert durch eine Mas­ kierung, eine Grube in die Rückseite einer Halbleiter­ scheibe aus (100)-Material geätzt. Als Ätzlösung ver­ wendet man vorzugsweise alkalische Lösungen, wie zum Beispiel Kalilauge. Diese Ätzlösungen haben die Eigen­ schaft, daß bestimmte Kristallebenen, zum Beispiel die (100)-Ebene, besonders schnell geätzt werden, während andere Kristallebenen, zum Beispiel die (111)-Ebene nur sehr langsam geätzt werden (anisotropes Ätzverfahren). Damit bei einem derartigen Ätzvorgang auf der Vorder­ seite eine dünne Membrane zurückbleibt, muß der Ätzvor­ gang nach definierter Zeit unterbrochen werden. Eine Verbesserung dieses Ätzverfahrens bringt die Verwendung eines mit einer elektrischen Sperrspannung beaufschlag­ ten PN-Übergangs, da der Ätzvorgang automatisch im Be­ reich der Raumladungszone endet. In einem weiteren Ar­ beitsschritt wird die Halbleiterscheibe im Bereich der Membrane, also von der Vorderseite, durch chemische Verfahren oder durch einen Plasmaätzschritt struk­ turiert, wodurch Stege oder Zungen entstehen.In the first method, defined by a mas tion, a pit in the back of a semiconductor disc made of (100) material etched. Ver as an etching solution is preferably used alkaline solutions such as Example potash lye. These etching solutions have their own that certain crystal planes, for example the (100) plane, can be etched particularly quickly while  other crystal planes, for example the (111) plane only be etched very slowly (anisotropic etching process). So with such an etching process on the front If a thin membrane remains behind, the etch must be interruption after a defined time. A The use brings improvement to this etching process one with an electrical reverse voltage th PN transition, since the etching process automatically in the loading region of the space charge zone ends. In another ar Step is the semiconductor wafer in the area of Membrane, i.e. from the front, through chemical Method or by a plasma etching step turiert, which creates webs or tongues.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß die gesamte Dicke der Halbleiterscheibe durchätzt werden muß. Auf­ grund des kristallographisch vorgegebenen Ätzwinkels benötigt dieses Verfahren zudem teure Siliziumfläche. Weiterhin ist nachteilig, daß mit beidseitig wirkenden Strukturierungsmethoden gearbeitet werden muß.The disadvantage of this method is that the entire Thickness of the semiconductor wafer must be etched through. On due to the crystallographically specified etching angle this process also requires expensive silicon area. Another disadvantage is that with double-acting Structuring methods must be worked on.

Beim zweiten Verfahren erzeugt man die Zungenstrukturen ebenfalls durch anisotropes Ätzen, ausgehend von der Oberseite einer Halbleiterscheibe. Die Zungen sind mit einer ätzresistenten Schicht, meist aus Siliziumnitrid oder -oxid geschützt oder hochbordotiert. Sie sind da­ bei nicht in den Hauptrichtungen des Kristalles ausge­ richtet, wodurch es zu einer Unterätzung kommen kann. Damit die Zungen selbst nicht vom Ätzmedium angegriffen werden, müssen diese hoch dotiert sein. Als Ergebnis entstehen Zungen, die in eine Grube hineinragen.The second method creates the tongue structures also by anisotropic etching, starting from the Top of a semiconductor wafer. The tongues are with an etch-resistant layer, usually made of silicon nitride or oxide protected or highly borne. You are there when not in the main directions of the crystal judges, which can lead to an undercut. So that the tongues themselves are not attacked by the etching medium must be highly endowed. As a result tongues arise that protrude into a pit.

Nachteilig ist hierbei, daß sich in den mit Bor hochdo­ tierten Zungen (< 3 × 10²⁰ cm-3) keine elektronischen Bauelemente, wie zum Beispiel Widerstände oder Tran­ sistoren, integrieren lassen. The disadvantage here is that no electronic components, such as resistors or transistors, can be integrated in the tongues with boron hochdo (<3 × 10² Bor cm -3 ).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung monokristalliner Zungen in Silizium an­ zugeben, bei dem eine einseitige Bearbeitung der Halb­ leiterscheibe ausreichend ist und bei dem auf der frei­ tragenden Struktur elektronische Bauelemente integrier­ bar sind.The invention has for its object a method for the production of monocrystalline tongues in silicon admit that one-sided processing of the half conductor disc is sufficient and at which on the free load-bearing structure to integrate electronic components are cash.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.This object is characterized by in claim 1 Features resolved.

Hiernach wird zur Herstellung der mechanischen Zungen­ strukturen in monolithischem Silizium auf einem Halb­ leiterkörper mit (111)-Orientierung der Bereich, in dem eine Zungenstruktur ausgebildet werden soll, mit einer ätzresistenten Schicht geschützt. Danach wird die Kon­ tur der Zungenstruktur mit einem vertikalgerichteten, isotropen Ätzverfahren geätzt. Anschließend muß die Flanke der Zungenstruktur entsprechend der Zungendicke ätzresistent geschützt werden. Im nächsten Schritt muß die ätzresistente Schicht und das darunterliegende Si­ lizium auf die gewünschte Grabentiefe anisotrop im Be­ reich des vorher definierten Ätzbodens weitergeätzt werden, wodurch die Flanke der freitragenden Struktur geschützt bleibt. Abschließend wird die Struktur in ei­ ner anisotrop wirkenden, alkalischen Ätzlösung mit überwiegend horizontaler Ätzrichtung ausgebildet.After that, the manufacture of the mechanical tongues structures in monolithic silicon on one half conductor body with (111) orientation the area in which a tongue structure is to be formed with a etch-resistant layer protected. Then the Kon the tongue structure with a vertical, etched isotropic etching process. Then the Flank of the tongue structure according to the tongue thickness be protected against etching. The next step is the etch-resistant layer and the underlying Si silicon to the desired trench depth anisotropically in the loading etched further from the previously defined etched base be creating the flank of the cantilever structure remains protected. Finally, the structure in egg ner anisotropically acting, alkaline etching solution predominantly horizontal etching direction.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß nicht die gesamte Dicke der Halb­ leiterscheibe durchätzt werden muß und daß keine beid­ seitig wirkenden Strukturierungsmethoden verwendet wer­ den müssen. Dadurch werden in beträchtlichem Maße Fertigungskosten eingespart. Noch bedeutender bei dem er­ findungsgemäßen Ätzverfahren ist der Vorteil, daß sich in den auszubildenden Zungenstrukturen elektronische Bauelemente integrieren lassen.The advantages achieved with the invention are special in that not the entire thickness of the half conductor disc must be etched through and that neither structurally effective methods used who have to. This significantly reduces manufacturing costs saved. Even more important with him The etching process according to the invention has the advantage that  electronic in the tongue structures to be trained Have components integrated.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims marked.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im folgenden näher beschrie­ ben.An embodiment of the invention is in the Figures shown and will be described in more detail below ben.

Es zeigen: Fig. 1 bis 4 einen Halbleiterkörper und die aufeinanderfolgenden Arbeitsschritte zur Herstel­ lung einer erfindungsgemäßen Zungenstruktur, Fig. 5 eine Variante davon und Fig. 6 einen Beschleunigungs­ sensor als Anwendungsbeispiel der Erfindung.In the drawings: Figures 1 to 4 a semiconductor body and the successive working steps for the manufacture of a tongue lung structure according to the invention, Figure 5 shows a variant thereof, and Figure 6 is an acceleration sensor as an application example of the invention....

Zur Herstellung der Zungenstrukturen nach Fig. 1 bis 4, wobei nur die Oberseite einer Halbleiterscheibe 1a bearbeitet werden muß, benötigt man Siliziumscheiben mit einer (111)-Orientierung. Im Bereich der späteren Zunge 7 können sich bereits elektronische Bauelemente 2, wie zum Beispiel Widerstände oder Transistoren, be­ finden. Die Herstellung dieser elektronischen Bauele­ mente ist hier nicht näher beschrieben. In einem ersten Schritt (Fig. 1) wird mit Hilfe einer Lackmaske 3 die Kontur der späteren Zunge in Form einer Ätzgrube 4 mit definierter Tiefe angeätzt. Die Ätzung erfolgt mittels einer geeigneten Plasmaätzanlage. Im nächsten Arbeits­ gang, gemäß Fig. 2, wird die Oberfläche der Halblei­ terscheibe 1a mit einer ätzresistenten Schicht 5 be­ deckt. Als Beschichtungsmaterialien können Silizium­ nitrid, Siliziumoxid, Oxynitrid oder auch Siliziumkar­ bid Verwendung finden. Das Verfahren wird im allgemei­ nen als PECVD-Beschichtung bezeichnet. For the preparation of the tongue structures according to FIGS. 1 to 4, wherein only the upper surface of a semiconductor wafer 1 a must be machined, one needs silicon wafers having a (111) orientation. In the area of the future tongue 7 , electronic components 2 , such as resistors or transistors, can already be found. The production of these electronic components is not described here. In a first step ( FIG. 1), the contour of the later tongue in the form of an etching pit 4 is etched to a defined depth with the aid of a lacquer mask 3 . The etching is carried out using a suitable plasma etching system. In the next step, according to FIG. 2, the surface of the semiconductor disk 1 a is covered with an etch-resistant layer 5 be. Silicon nitride, silicon oxide, oxynitride or silicon carbide can be used as coating materials. The process is generally called PECVD coating.

Im darauffolgenden Arbeitsgang wird in der Mitte der bereits erzeugten Ätzgrube 4 ein Ätzgraben 6 durch einen Plasmaätzschritt unter Zuhilfenahme einer Lack­ maske 3 erzeugt. Danach wird die Halbleiterscheibe 1a in eine alkalische Lösung getaucht, zum Beispiel 30 prozentige Kalilauge mit einer Temperatur von 80°C. Diese Ätzlösung, wie in Fig. 3 dargestellt, unterätzt die Zungenstruktur 7. Da die bevorzugte Ätzrichtung ho­ rizontal, d. h. senkrecht zur (111)-Kristallebene ver­ läuft, wird die (111)-Ebene hierbei nur sehr gering (ungefähr im Verhältnis 1 : 150) geätzt.In the subsequent operation, an etching trench 6 is generated in the middle of the etching pit 4 already created by a plasma etching step with the aid of a paint mask 3 . Then the semiconductor wafer 1 a is immersed in an alkaline solution, for example 30 percent potassium hydroxide solution at a temperature of 80 ° C. This etching solution, as shown in FIG. 3, undercuts the tongue structure 7 . Since the preferred etching direction runs horizontally, ie perpendicular to the (111) crystal plane, the (111) plane is only very slightly etched (approximately in a ratio of 1: 150).

Fig. 4 zeigt das Entstehen von Stegen oder Zungen 7, deren Länge, Breite und Formgebung nach Belieben vari­ iert und durch eine Maske vorgegeben werden können. Die Dicke der Zunge 7, sowie die Tiefe des darunterliegen­ den Grabens 6 liegen bevorzugt im Mikrometerbereich, weshalb man das hier beschriebene Verfahren auch als "quasiplanares Verfahren" bezeichnet. Fig. 4 shows the formation of webs or tongues 7 , the length, width and shape of which can be varied as desired and can be predetermined by a mask. The thickness of the tongue 7 and the depth of the trench 6 lying underneath are preferably in the micrometer range, which is why the process described here is also referred to as the "quasi-planar process".

In Fig. 5 wird eine Variante des Ätzverfahrens darge­ stellt. Nach dem Herstellen der Ätzgrube 4 (Fig. 1) wird in die Bereiche 8 ihrer Seitenwände eine hohe Bor-Dotierung (N ≈ 10²⁰ cm-3) eingebracht, so daß diese von einer Ätzlösung nicht mehr angegriffen werden. Nach diesem Dotierungsvorgang, der vorteilhaft in einem Do­ tierungsofen erfolgt, wird die Ätzgrube 4 mittels eines Ätzvorganges so weit vertieft, bis ihre Tiefe der Summe aus Dicke der Zunge 7 und Höhe des darunterliegenden Hohlraums 10 (Fig. 6) entspricht. Anschließend erfolgt wie beim vorher beschriebenen Verfahren die Unterätzung der späteren Zunge 7 (Fig. 6), ausgehend von den nicht hochdotierten Bereichen 9 der Ätzgrube 4.In Fig. 5 a variant of the etching process is Darge presents. After the etching pit 4 ( FIG. 1) has been produced, a high boron doping (N ≈ 10 2 -3 cm -3 ) is introduced into the areas 8 of its side walls, so that these are no longer attacked by an etching solution. After this doping process, which advantageously takes place in a doping furnace, the etching pit 4 is deepened by means of an etching process until its depth corresponds to the sum of the thickness of the tongue 7 and the height of the cavity 10 underneath ( FIG. 6). Subsequently, as in the previously described method, the later tongue 7 ( FIG. 6) is undercut, starting from the areas 9 of the etching pit 4 which are not highly doped.

Fig. 6 zeigt als Anwendungsbeispiel der Erfindung einen Beschleunigungssensor. Zum Schutz des empfindli­ chen Steges 7 wird eine zweite Halbleiterscheibe 1b auf die erste Halbleiterscheibe 1a aufgesetzt. Eine von au­ ßen einwirkende Beschleunigungskraft lenkt die Zunge 7 nach oben oder unten aus. Die in der Zunge 7 inte­ grierten elektronischen Bauelemente 2 detektieren diese Auslenkung.6 shows an acceleration sensor as an application example of the invention. To protect the sensitive web 7 , a second semiconductor wafer 1 b is placed on the first semiconductor wafer 1 a. An acceleration force acting from the outside deflects the tongue 7 upwards or downwards. The integrated in the tongue 7 integrated electronic components 2 detect this deflection.

Bei dem beschriebenen Verfahren entstehen auf einer Halbleiterscheibe mehrere tausend Elemente gleichzei­ tig.In the process described arise on a Semiconductor wafer several thousand elements at the same time tig.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von mechanischen Zungen­ strukturen (7) in monolithischem Silizium, gekennzeich­ net durch folgende Merkmale
  • a) Strukturierung der Oberfläche einer Halbleiter­ scheibe (1a) mit (111)-Orientierung entsprechend der auszubildenden Zungenstruktur (7) durch Aus­ bildung von Vertiefungen (4) mit definierter er­ ster Tiefe,
  • b) Erzeugung eines Ätzschutzes (5; 8) an den Seiten­ wänden der Vertiefungen (4),
  • c) vertikales Ausätzen der Vertiefungen (4) bis zu einer definierten zweiten Tiefe in ihrer gesamten Breite unter Ausbildung eines unteren Bereiches (9) oder in Form eines Ätzgrabens (6),
  • d) horizontales Ausätzen der Vertiefungen (4) unter Verwendung eines den Ätzschutz (5; 8) nicht angreifenden Ätzmittels, das eine im wesentlichen zur (111)-Ebene senkrechte Ätzrichtung aufweist, ausgehend vom zuvor erzeugten Ätzgraben (6) oder den ungeschützten, unteren Bereich (9) der Ätz­ grube (4).
1. Process for the production of mechanical tongue structures ( 7 ) in monolithic silicon, characterized by the following features
  • a) structuring the surface of a semiconductor wafer ( 1 a) with (111) orientation according to the tongue structure to be formed ( 7 ) by forming recesses ( 4 ) with a defined depth,
  • b) generation of an etch protection ( 5 ; 8 ) on the side walls of the recesses ( 4 ),
  • c) vertical etching of the depressions ( 4 ) to a defined second depth over their entire width, forming a lower region ( 9 ) or in the form of an etching trench ( 6 ),
  • d) horizontal etching of the depressions ( 4 ) using an etching agent which does not attack the etching protection ( 5 ; 8 ) and which has an etching direction substantially perpendicular to the (111) plane, starting from the etching trench ( 6 ) previously created or the unprotected, lower one Area ( 9 ) of the etching pit ( 4 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzschutz (5) der Seitenwände der Vertiefungen (4) durch das Aufbringen einer ätzresistenten Schutz­ schicht bewirkt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the etching protection ( 5 ) of the side walls of the depressions ( 4 ) is brought about by the application of an etching-resistant protective layer. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutz (8) der Seitenwände der Vertiefungen (4) durch das Einbringen einer Dotierung bewirkt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the protection ( 8 ) of the side walls of the depressions ( 4 ) is effected by introducing a doping. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung im oberen Bereich (8) der Vertiefun­ gen (4) eine Größe von N ≈ 10²⁰ cm-3 aufweist.4. The method according to claim 3, characterized in that the doping in the upper region ( 8 ) of the gene gene ( 4 ) has a size of N ≈ 10²⁰ cm -3 . 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte erste Tiefe der Vertiefungen (4) der Dicke der auszubildenden Zungenstruktur (7) entspricht.5. The method according to claim 1, characterized in that the defined first depth of the recesses ( 4 ) corresponds to the thickness of the tongue structure to be formed ( 7 ). 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte zweite Tiefe der Vertiefungen (4) der Summe aus definierter erster Tiefe und der Höhe des unter der Zunge (7) liegenden Hohlraumes (10) ent­ spricht.6. The method according to claim 1, characterized in that the defined second depth of the recesses ( 4 ) speaks the sum of the defined first depth and the height of the cavity ( 10 ) lying under the tongue ( 7 ) ent.
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