Verfahren zur Bearbeitung von Silizium mittels Ätzprozessen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Ätzen eines Sili- ziumschichtkörpers nach der Gattung des Haupzanspruchs .
Die Offenlegungsschrift DE 195 37 814 AI offenbart ein Verfahren zur Herstellung von SiliziumschichtSystemen, mit dem oberflä- chenmikromechanische Sensoren hergestellt werden können. Dazu wird auf einem Siliziu substrat zunächst eir. thermisches Oxid abgeschieden, auf das eine dünne Schicht hochdotierten Po- lysiliziums zur Verwendung als vergrabene Leiterbahn aufgebracht wird. Daraufhin wird auf der Polysiliziumschicht eine weitere Oxidschicht und hierauf beispielsweise eine dicke Epipo- lysiliziumschicht abgeschieden. Zuletzt erfolgt die Abscheidung und Strukturierung einer oberflächlichen Aiuminiummetallisie- rung. Anschließend werden die freizulegenden Sensorstrukturen, vorzugsweise mit einem in der Patentschrift DE 42 41 045 beschriebenen fluorbasierten Siliziumtiefenätzverfahren herausge- ätzt. Die Freilegung des Ξensorelementes geschieht mittels einer Opferschichtätzung, bei der durch flußsäurehaltige Medien über ein Dampfätzverfahren das Oxid unter den Ser.sorbereichen entfernt wird. Nachteilig bei dieser Unterätz-echnik ist, daß das Oxid nicht nur unter dem freizulegenden Ser.sorbereich entfernt
wird, sondern auch über und teilweise auch unter den Polysilizi- umleiterbahnen, so daß die Gefahr von Nebenschlüssen und Kriechströmen besteht. Ein Schutz der Oxidbereiche, deren Unterätzung verhindert werden soll, etwa durch Schutzlacke ist nur mit erheblichem Aufwand möglich, da dampfförmige Flußsäure nahezu alle praktikablen polymeren Schutzschichten sehr schnell durchdringt und überdies stark korrosiv wirken kann.
Ein Trockenätzverfahren in Silizium zur Herstellung von Sensor- Strukturen durch Kombination von anisotroper und isotroper
Plasmaätztechnik wird in DE 44 20 962 AI offenbart. Ein nachträglicher Naßätzschriet oder ein Ätzen in der Dampfphase ist dabei nicht erforderlich. Alle Prozeßschritte können in einer einzigen Plasmaätzanlage durchgeführt werden. Dazu wird zunächst mit Hilfe des in der DE 42 41 045 beschriebenen anisotropen Tie- fenätzverfahrens die Sensorstruktur mit vertikalen Wänden erzeugt. Dabei wechseln Depositionsschritte, bei denen auf der Seitenwand ein teflonartiges Polymer abgeschieden wird, und an sich isotrope, fluorbasierte Ätzschritte, die durch Vorwärts- treiben des Seitenwandpolymers während der Ätzung lokal anisotrop gemacht werden, einander ab. Anschließend wird mit einem fluorbasierten Ätzschritt das Siliziumsubstrat so lange isotrop eingeätzt, bis die Siliziumstruktur für das Sensorelement vollständig freigelegt isz . Dieses Verfahren hat jedoch zwei gra- vierende Nachteile. Einerseits kommt es infolge des sogenannten „Microloading-Effektes" dazu, daß schmale Ätzgräben langsamer als breite Ätzgräben geätzt werden, was dann auch für die Geschwindigkeit der nachfolgenden lateralen Unterätzung gilt, d.h. die Unterätzung schreitet bei schmalen Gräben langsamer voran als bei breiten Gräben. Zum anderen werden die freizulegenden Strukturen auch von ihrer Unterseite bzw. Boden angegriffen. Dies hat zur Folge, daß Strukturen, die von breiten Trenchgraben umgeben sind, eine geringere Resthöhe haben als Strukturen, die
von schmalen Trenchgraben umgeben sind, was häufig zu irreproduziblen und unbefriedigenden mechanischen Eigenschaften der hergestellten Sensorelemente führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ätzen von Silizium oder Siliziumschichten bereitzustellen, mit dem in einer Siliziumschicht zunächst über eine Ätzmaske definierte Trenchgraben anisotrop geätzt werden können. Dabei soll die in den Trenchgraben erreichte Ätztiefe nicht von der Breite der Trenchgraben abhängig sein, sondern lediglich von der Ätzzeit. Außerdem soll eine definierte Unterätzung, insbesondere freistehender, durch Trenchgraben eingeschlossener Strukturen, beispielsweise zur Herstellung von Sensorelementen, ermöglicht werden. Während der Unterätzung soll zudem eine Ätzung des Bodens der freistehenden Strukturen unterbleiben.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merk- malen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß definierte Unterätzungen möglich sind, die es erlauben, freistehende Strukturen reproduzierbar und definiert herzustellen, wobei alle mikromechanischen Struk- turierungsschritte in einer Ätzkammer ausgeführt werden kön- nen, ohne daß der Siliziumkörper zwischendurch ausgeschleust werden muß. Ein Ätzangriff auf die freistehenden Strukturen, ausgehend von deren Boden oder den Seitenwänden, erfolgt nicht. Überdies wird erreicht, daß alle Strukturen eine definierte Höhe aufweisen, die durch die Dicke der aufgebrach- ten Siliziumschicht definiert wird, unabhängig von Microloa- ding-Effekten, Trenchgrabenbreiten und dem Grad einer isotropen Unterätzung.
Daneben werden durch das erfindungsgemäße Verfahren Korrosionsprobleme beispielsweise durch Flußsäuredämpfe und elektrische Nebenschlüsse durch Unterätzen von Leiterbahnen vermieden. Vergrabene Leitschichten können vollständig durch eine ausreichend dicke Siliziumdioxidschicht eingeschlossen werden, um sie vor Unterätzungen und Ätzangriffen zu schützen.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist auch, daß tiefe Un- terätzungen realisiert werden können und damit große Abstände zwischen Struktur und Siliziumsubstracschicht möglich sind. Dies reduziert bei einem Sensor beispielsweise die Gefahr eines ungewollten Aufschiagens der Sensorelemente auf die darunter befindliche Schicht im Überlastfall mit an- schließendem irreversiblen Ankleben aneinander (sog. „stik- king") . Der Abstand zwischen Sensorelement und Siliziumschicht kann dabei so groß gewählt werden, daß diese sich auch im Überlastfall niemals berühren.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sehr vorteilhaft in bestehenden Siliziumtiefenätzanlagen gemäß DE 42 41 045 durchgeführt werden, so daß keine zusätzlichen Investitionskosten anfallen. Dabei können mit diesem zunächst anisotropen Plas- matrockenätzverfahren durch das Ausschalten der Ionenbe- schleunigung zum Substrat während eines Ätzschrittes Siliziumstrukturen auch isotrop eingeätzt werden, um so ein Unterätzen der freizulegenden Siliziumstrukturen zu erreichen.
Da die während der Atzprozesse aufgebrachte Ätzmaskierung bei- spielsweise in Form einer Photolackmaske auf der Siliziumschicht erst nach Abschluß aller Ätzungen entfernt wird, sind beispielsweise Aluminiumkontaktflächen an der Oberfläche der Siliziumschicht während der Ätzungen vollständig vor Korrosion ge-
schützt, die ansonsten bei fluorhaltigen Ätzgasen häufig unvermeidlich ist. Damit kann in besonders vorteilhafter Weise auch eine Systemintegration erreicht werden, d.h. eine Herstellung eines Sensorelementes mit integrierter Schaltung auf ein und demselben Chip . Überdies ist das erfindungsgemäße
Verfahren beispielsweise zur Herstellung von Sensorelementen zu Verfahrensschritten in der IC-Integrationstechnik voll kompatibel .
Da ein Unterätzen von Leitschichten und eine unkontrollierte Entstehung von Ätztaschen in der geätzten Siliziumschicht durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden wird, ist auch eine Einschwem ung von Partikeln in diese Taschen, die ansonsten kaum wieder zu entfernen sind und die zu mechanischen und elektrischen Fehlern in Sensorelementen führen, verfahrenstechnisch bereits unterbunden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen aufgeführ- ten Maßnahmen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich- nungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Siliziumschichtkörpers mit einer Ätzmaskierung, Figur 2 den Siliziumschichtkörper nach Figur 1 mit Trenchgraben und Figur 3 den Siliziumschichtkörper nach Figur 1 und 2 mit einer Un- terätzung ausgehend vom freiliegenden Bereich der Trenchgraben. Figur 4 zeigt den Aufbau eines Siliziumschichtkörpers mit einer vollständig eingeschlossen Zwischenschicht als Opferschicht, Figur 5 den Siliziumschichtkörper nach Figur 4
mit geätzten Trenchgraben, Figur 6 den Siliziumschichtkörper nach Figur 4 bzw. 5 mit einer Unterätzung ausgehend vom freiliegenden Bereich der Trenchgraben, die durch Trennschichten lateral und vertikal begrenzt ist, und Figur 7 eine Variante des Aufbaus des Siliziumschichtkörpers entsprechend Figur 6, wobei die Trennschicht mit einer darin eingeschlossenen strukturierten dünnen Leitschicht durchgehend ausgebildet ist. Die Figuren 8 bis 11 erläutern ein weiteres Ausführungsbeispiel als Weiterbildung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 7, wobei eine Unterätzung ausgehend von einer Zwischenschicht in freistehende Strukturen hinein durch Unterbrechung der Trennschicht gezielt zugelassen wird.
Ausführungsbeipiele
Die Figur 1 zeigt einen Siliziumschichtkörper mit einer Siliziumschicht, die im folgenden als weitere Siliziumschicht 17 bezeichnet wird, auf der eine Trennschicht aufgebracht ist, die selbst aus mehreren Trennschichtabschnitten 12, 14, 16 besteht. Ein erster Trennschichtabschnitt 12 besteht aus thermisch oxi- diertem Silizium (sogenanntes Siliziumdioxid) . Auf diesem befindet sich bereichsweise eine dünne, gegebenenfalls strukturierte Leitschicht 13 aus leitfähigem hochdotierten Polysilizium, der ein zweiter Trennschichtabschnitt 16 aus
Siliziumdioxid folgt, das über eine Abscheidung von Silanen aus der Gasphase erzeugt wurde. In den von der Leitschicht 13 freien Bereichen, die gemäß Figur 1 von einem dritten Trennschichtabschnitt 14 eingenommen werden, erfolgte eine vollständige Rückätzung des ersten und zweiten
Trennschichtabschnittes 12, 16 bis auf die weitere Siliziumschicht 17 und ein anschließendes Aufwachsen des dritten Trennschichtabschnittes 14 mit einer Dicke von lediglich 10 nm bis
100 nm an gleicher Stelle, der aus Siliziumdioxid besteht. Oberhalb der Trennschichtabschnitte 12, 14, 16 befindet sich eine erste Siliziumschicht 15 aus Epipolysilizium. Die erste Siliziumschicht 15 ist oberflächlich metallisiert und mit einer Ätz- maskierung 10 zur Definition lateraler Aussparungen 21 strukturiert .
Figur 2 verdeutlicht das Ergebnis eines ersten anisotropen Plasmaätzprozesses mit alternierenden Depositions- und Ätzschritten, der im Bereich der lateralen Aussparungen 21 Trenchgraben 21' ätzt, wobei sich an den Seitenwänden der Trenchgraben 21' ein teflonartiger Film 20 aufbaut. Beim Erreichen der Trennschichtabschnitte 12, 14, 16 kommt der erste Ätzprozeß nahezu vollständig zum Erliegen, da dieser eine sehr hohe Selektivität für Silizium gegenüber Siliziumdioxid aufweist und somit Siliziumdioxid nahezu nicht geätzt wird. Die erreichte Tiefe der Trenchgraben 21' wird somit jeweils durch die Tiefe der vergrabenen Trennschichtabschnitte 12, 14, 16 d.h. die Dicke der ersten Siliziumschicht 15 definiert. Am Boden der Trenchgraben 21' befinden sich freiliegende Bereiche 23 bzw. 24.
Figur 3 erläutert, wie in einem zweiten, beispielsweise anisotropen Plasmaätzprozeß unter starkem lonenbeschuß freiliegende Bereiche 23 des dünnen dritten Trennschichtabschnittes 14 durch- brochen bzw. entfernt werden. Da der zweite Trennschichtabschnitt 16 oberhalb der Leitschicht 13 in den freiliegenden Bereichen 24 erheblich dicker ausgebildet ist, als der dritte Trennschichtabschnitt 14, wird der zweite Schichtabschnitt 16 beim Durchbrechen des Trennschichtabschnittes 14 lediglich ge- ringfügig abgedünnt . Dadurch bleibt die Leitschicht 13 vollständig von den Trennschichtabschnitten 12, 16 umschlossen. Nach dem Durchbrechen des dünnen dritten Trennschichtabschnittes 14 im freiliegenden Bereich 23 erfolgt eine weitere, vorzugsweise
isotrope Ätzung der weiteren Siliziumschicht 17 zur Erzeugung einer Mulde 31. Dabei kommt es zu einer Unterätzung und Erzeugung einer freistehenden Struktur 32 mit einem Boden 30, der aus dem Material des Trennschichtabschnittes 14 besteht. Dieser Bo- den 30 verhindert gegebenenfalls zusammen mit einem
Trennschichtrest 25 des dritten Trennschichtabschnittes 14 sowie mit den teflonartigen Filmen 20 eine Rückätzung und einen Strukturverlust der freistehenden Struktur 32.
Nachfolgend werden weitere Details der einzelnen Verfahrens- schritte entsprechend ihrer Reihenfolge beispielhaft erläutert.
Zunächst wird auf der weiteren Siliziumschicht 17 ein dicker erster Trennschichtabschnitt 12 abgeschieden. Der erste Trennschichtabschnitt 12 enthält vorzugsweise Siliziumdioxid, ein sonstiges Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Glas, eine Keramik oder eine Mischung davon und wird über an sich bekannte Abscheideverfahren aus der Halbleitertechnik und insbesondere durch thermische Oxidation entsprechend der Lehre der DE 195 37 814 AI abgeschieden. Die weitere Siliziumschicht 17 ist ein Siliziumwafer.
Die Dicke des Trennschichtabschnittes 12 beträgt beispielsweise
2,5 μm. Die abgeschiedene und gegebenenfalls strukturierte dünne Leitschicht 13 enthält vorzugsweise leitfähiges Polysilizium, das zur Verbesserung der Leitfähigkeit stark dotiert sein kann. Auf diesem Schichtsystem wird danach ein weiteres Oxid, vorzugsweise Siliziumdioxid, als Trennschichtabschnitt 16 abgeschieden. Diese Abscheidung erfolgt beispielsweise aus der Gasphase über Silane gemäß dem an sich aus DE 195 37 814 AI bekannten Verfahren und weist eine Schichtdicke von ca. 1,5 μm auf. Dabei wird die Leitschicht 13 bevorzugt vollständig eingeschlossen bzw. vergraben.
Nachfolgend wird im Bereich des drittes Trennschichtabschnittes 14, in dem später eine freistehende Struktur 32 durch Unterätzung erzeugt werden soll, das sich dort befindliche Oxid auf eine Dicke von ca. 10 nm bis 100 nm abgedünnt . Dies kann durch zeitkontrolliertes Rückätzen der Trennschichtabschnitte 12 und 16 erfolgen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt das Rückätzen der Trennschichtabschnitte 12 und 16 im dritten Trennschichtabschnitt 14 vollständig bis zum Erreichen der weiteren Siliziumschicht 17, um anschließend eine gewünschte
Dicke des dritten Trennschichtabschnittes 14 von beispielsweise 10 nm bis 100 nm wieder aufwachsen zu lassen. Dieses Aufwachsen des dritten Trennschichtabschnittes 14 kann entweder nur in den zuvor rückgeätzen Bereichen oder aber ganzflächig in den rückgeätzten Bereichen und auf dem verbliebenen zweiten
Trennschichtabschnitt 16 erfolgen, da die Dicke des aufgewachsenen dritten Trennschichtabschnittes 14 gegenüber der Dicke des zweiten Trennschichtabschnittes 16 nahezu vernachlässigbar ist. Bei dieser VerfahrensVariante des vollständigen Rückätzens und nachfolgenden Aufwachsens ist die Dicke des dritten Trennschichtabschnittes 14, der vorzugsweise aus thermisch aufgewachsenem Siliziumdioxid besteht, sehr genau definiert.
Der erste Trennschichtabschnitt 12 weist in bevorzugter Ausfüh- rung eine größere Dichte auf, als der zweite Trennschichtabschnitt 16. Weiterhin sollte die Dicke des zweiten Trennschichtabschnittes 16 erheblich größer, insbesondere mehr als zehnmal bis tausendmal größer als die Dicke des rückgeätzten Trennschichtabschnittes oder des aufgewachsenen dritten Trennschich- tabschnittes 14 sein. Die Dicke des ersten und zweiten Trennschichtabschnittes 12 bzw. 16 liegt absolut jeweils zwischen
500 nm bis 50 μm, insbesondere zwischen 1 μm bis 10 μm.
Im anschließenden Verfahrensschritt wird auf die Trennschichtabschnitte 12, 14, 16 eine dicke erste Siliziumschicht 15, vorzugsweise aus Epipolysilizium aufgewachsen, die oberflächlich gegebenenfalls metallisiert ist und beispielsweise mit der Ätz- maskierung 10 zur Definition der lateralen Aussparungen 21 strukturiert. Die erste Siliziumschicht 15 kann außerdem dotiert sein. Die metallisierte Oberfläche der ersten Siliziumschicht 15 kann eine Aluminiumkontaktschicht sein, die durch die Ätzmaskierung 10, beispielsweise in Form einer Photolackmaske, gleichzeitig vor dem Angriff fluorhaltiger Gase geschützt wird.
Danach werden mittels eines aus DE 42 41 045 oder DE 44 20 962 AI an sich bekannten, anisotropen Tiefenätzprozesses als erstem Ätzprozeß Trenchgraben 21' an den Stellen der lateralen Aussparungen 21 geätzt. Dieser erste Ätzprozeß kommt beim Erreichen der Trennschichtabschnitte 12, 14, 16 in den freiliegenden Bereichen 23 bzw. 24 nahezu vollständig zum Erliegen, da das aus DE 42 41 045 bekannte Ätzverfahren, auf das sich dieses Ausführungsbeispiel bezieht, eine sehr hohe Selektivität von ca. 200-300:1 gegenüber Siliziumdioxid aufweist, was bedeutet, daß auf den Trennschichtabschnitten 12, 14, 16, die bevorzugt aus Siliziumdioxid bestehen, nahezu ein Ätzstopp eintritt. Das Eintreten des Ätzstopps wird neben der Zusammensetzung der Trennschicht insbesondere vom gewählten Ätzprozeß bestimmt. Die Wahl der Verfahrensparameter ist immer derart zu gestalten, daß mit Erreichen der Trennschichtabschnitte 12, 14, 16 nahezu ein Ätzstopp eintritt.
Der bevorzugte erste Ätzprozeß gemäß DE 42 41 045 ist ein Trok- kenätzverfahren, bei dem Depositionsschritte alternierend mit an sich isotropen Ätzschritten ausgeführt werden, wobei während der Depositionsschritte ein polymerbildende Monomere lieferndes Depositionsgas, vorzugsweise Octafluorocyclobutan C4F3 oder
Perfluoropropylen C3F5, einem hochdichten Plasma, insbesondere einem PIE-Plasma (propagation ion etching) oder einem ICP-Plasma (inductively coupled plasma) ausgesetzt wird, das auf den Seitenwänden der Trenchgraben 21' den teflonartigen Film 20 von (CF 2'n aufbaut und bei dem während der Ätzprozesse ein Fluorradikale lieferndes Ätzgas, insbesondere Schwefelhexafluorid SFg, eingesetzt wird, dem zur Unterdrückung einer Schwefel- ausscheidung im Abgasbereich Sauerstoff beigemischt sein kann. Durch Vorwärtstreiben des teflonartigen Seitenwandfilmes 20 während der an sich isotropen Ätzschritte werden diese lokal anisotrop .
In einem zweiten Ätzprozeß werden nun die Trennschichtabschnitte 12, 14, 16 in den freiliegenden Bereichen 23 bzw. 24 mit einem für die Ätzung der TrennschichtZusammensetzung geeigneten Ätzprozeß weitergeätzt. Diese Weiterätzung erfolgt so lange, bis der Trennschichtabschnitt 14 in den freiliegenden Bereichen 23 vollständig durchgeätzt ist. Dies geschieht vorzugsweise durch ein Plasmaätzverfahren mit einer Ätzvorrichtung gemäß der Lehre der DE 42 41 045 unter Verwendung der Ätzgase CF4 , C2Fg, C3F8,
CHF3 , C3Fg oder C F8 unter Einsatz von starkem lonenbeschuß d.h. hoher Substratbiasspannung . Speziell bei Einsatz der fluorreichen Ätzgase CF , C2Fg, C3F8 oder einem Gemisch von CF4 und CHF3 ist dieser Oxidätzprozeß unproblematisch für den Zustand der Plasmaätzkammer hinsichtlich anschließender
Siliziumätzungen. Falls die fluorärmeren Oxidätzgase CHF3 , C^Fg oder C4Fg beispielsweise aus Gründen einer höheren Selektivität, verwendet werden sollen, müssen die Prozeßparameter sehr sorgfältig optimiert werden, um zu verhindern, daß spätere Siliziumätzungen in der Kammer durch Querkontaminationen vergiftet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Oxidätzung in einer eigens dafür vorgesehenen Ätzanlage durchzuführen. Hierzu verwendet man insbesondere eine
Clusteranlage, bei der ein einziges Handlingsystem mehrere Plasmaätzkammern bedient und bei der der Siliziumkörper stets im Vakuum verbleibt .
In weiteren Verfahrensvarianten kann die Oxidätzung der freiliegenden Bereiche 23 bzw. 24 der Trennschichtabschnitte 12, 14, 16 auch naßchemisch erfolgen, indem die beispielsweise auf einem Wafer hergestellte Schichtabfolge aus der Plasmaätzkammer ausgeschleust wird und dann eine Siliziumdioxidschicht in den freiliegenden Bereichen 23 bzw. 24 mit verdünnter Flußsäure oder einer hinreichend gepufferten Flußsäurelösung geätzt und in den freiliegenden Bereichen 23 vollständig entfernt wird. Die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch die Ätzung trockenchemisch mittels eines Plasmas, da diese Methode insbe- sondere die Oxidkanten des Bodens 30 oder der Trennschichtreste 25 nicht hinterschneidet.
Während der Durchätzung des dritten Trennschichabschnittes 14 in den freiliegenden Bereichen 23 werden unvermeidlich auch die Trennschichtabschnitte in dem freiliegenden Bereich 24 des zweiten Trennschichtabschnittes 16 teilweise mitabgetragen, da dieser zweite Ätzprozeß unmaskiert und damit ganzflächig auf allen freiliegenden Bereichen 23 bzw. 24 erfolgt. Da der zweite Trennschichtabschnitt 16 jedoch eine erheblich größere Dicke von beispielsweise 1,5 μm gegenüber lediglich ca. 50 nm des dritten Trennschichtabschnittes 14 aufweist, ist diese Ätzung des zweiten Trennschichtabschnittes 16 bei der Durchätzung der freiliegenden Bereiche des dünnen dritten Trennschichtabschnittes 14, selbst bei einer zweifachen Überätzung beim Durchätzen aus Gründen der Prozeßsicherheit, nicht von Bedeutung. Damit bleibt insbesondere die vergrabene Leitschicht 13 überall durch eine dicke, intakte Si- liziumdioxidschicht geschützt.
Nach Abschluß des Durchätzens des dritten Trennschichtabschnittes 14 in den freiliegenden Bereichen 23, wird gemäß Figur 3 in einem dritten Ätzprozeß eine isotrope Ätzung der weiteren Siliziumschicht 17 vorgenommen. Vor dieser Ätzung kann eine zusätzliche Passivierung der Seitenwände der Trenchgraben 21' mit einem teflonartigen Plasmapolymer gemäß der Lehre von DE 44 20 962 AI vorgenommen werden, sofern diese Seitenwandpassivierung nicht bereits während des Ätzens der Trenchgraben 21' gemäß Figur 2 entstanden und während des
Durchätzens des dritten Trennschichtabschnittes 14 in den freiliegenden Bereichen 23 unversehrt und vollständig erhalten geblieben ist. Die isotrope Ätzung der weiteren Siliziumschicht 17 ist vorzugsweise eine Unterätzung im Bereich 31, die zum Freile- gen der freizulegenden Struktur 32 führt. Während dieser Ätzung der weiteren Siliziumschicht 17 kann eine Ätzung des Bodens 30 oder der Seitenwände der freistehenden Struktur 32 nicht auftreten, da der Boden 30 beispielsweise durch eine dünne Siliziumdioxidschicht aus dem dritten Trennschichtabschnitt 14 geschützt ist und die Seitenwände durch den teflonartigen Film 20 geschützt werden. Gleiches gilt für eine Rückätzung in die erste Siliziumschicht 15 oder eine Rückätzung in die Leitschicht 13, die ebenfalls durch im zweiten Ätzprozeß nicht durchgeätzten Trennschichtreste 25 geschützt sind.
Im einzelnen erfolgt der dritte Ätzprozeß zur isotropen Ätzung der weiteren Siliziumschicht 17 indem zunächst möglicherweise noch vorhandene Reste eines Fluorpolymers auf der weiteren Siliziumschicht 17 nach dem Durchätzen des dritten Trennschichtabschnittes 14 entfernt werden. Dies geschieht indem kurzzeitig Argon und/oder Sauerstoff in die Ätzkammer eingelassen und das Plasma erneut gezündet wird. Dabei wird in an sich bekannter Weise durch Ioneneinwirkung selektiv auf dem
Ätzgrund ein sehr schneller Polymerabtrag erreicht, so daß sich eine polymerfreie weitere Siliziumschicht 17 und eine weiterhin intakte Seitenwandpassivierung durch die teflonartigen Filme 20 ergibt. Die Gegenwart von Sauerstoff fördert diesen physikalischen Ätzabtrag durch gerichtete Ionen, indem chemische Reaktionen zwischen Fluorkohlenwasserstoffen und Sauerstoff induziert werden. Danach wird in an sich bekannter Weise gemäß DE 42 41 045 ein isotropes Siliziumätzverfahren mit einem Fluorplasma durchgeführt, wobei in einer induktiven Plasmaquelle ein SFg-Plasma gezündet wird und gleichzeitig der aus DE 42 41 045 bekannte Seitenwandfilmtransportmechanismus unterbunden wird, indem man einen hohen Prozeßdruck verwendet und keine Sub- stratbiasSpannung anlegt. Ein geeigneter Gasfluß für diesen Teil des dritten Ätzprozesses ist beispielsweise 100 sccm SFg bei einem Druck von 50 bis 100 mTorr . In einer Variante dieses
Ätzprozesses kann der initiale Abtrag der Reste eines Fluorpolymers auf der weiteren Siliziumschicht 17 auch dadurch erfolgen, daß man das Siliziumätzverfahren gemäß DE 42 41 045 mit einem Fluorplasma und den genannten Parametern für einige Sekunden mit einer hohen Substratbiasleistung von 50 bis 100 W startet, und diese Substratbiasleistung dann vollständig abschaltet. Damit werden innerhalb der wenigen Sekunden die Reste des Fluorpolymers auf der weiteren Siliziumschicht 17 abgetragen, während die teflonartigen Seitenwandfilme 20 im wesentlichen unverändert bleiben.
Alternativ kann der isotrope Fluorätzschritt im dritten Ätzprozeß zur isotropen Ätzung der weiteren Siliziumschicht 17 nach der Entfernung von Resten des Fluorpolymers auf der weiteren Si- liziumschicht 17 auch ohne Plasmaunterstützung mit Ätzgasen wie beispielsweise Xenondifluorid, Chlortrifluorid, Bromtrifluorid oder Iodpentafluorid durchgeführt werden, die bekanntermaßen freie Siliziumflächen unter Bildung von flüchtigem
Siliziumtetrafluorid sofort isotrop in heftiger Reaktion angreifen. Die Selektivität dieser Gase gegenüber Nicht-Silizium ist extrem hoch, so daß bereits dünnste Passivierschichten zum Schutz vor Ätzangriffen ausreichen.
Da das Siliziumdioxid beim isotropen Unterätzen am Boden 30 der freizulegenden Struktur 32 verbleibt, muß der dritte Trennschichtabschnitt 14 möglichst dünn sein, um die mechanischen Eigenschaften der freistehenden Struktur 32, die bei- spielsweise als Sensorelement verwendet werden kann, nicht nachteilig zu beeinflussen. Eine praktikable untere Grenze der Dicke ist ca. 10 nm. Durch die Siliziumdioxidschicht am Boden 30 der freistehenden Struktur 32 wird zudem eine Druckspannung induziert, die eine geringfügige Verwölbung des Bodens 30 nach oben bewirkt. Diese Verwölbung ist bei einer Schichtdicke von ca.
10 nm in den meisten Fällen vernachlässigbar. Es ist jedoch auch möglich, diese Druckspannung durch eine Dotierung der ersten Siliziumschicht 15 von oben vollständig zu kompensieren.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren haben die freistehenden
Strukturen 32 insbesondere eine Höhe, die nur durch die Dicke der ersten Siliziumschicht 15 bestimmt ist und die unabhängig von Microloading-Effekten, dem Grad an isotroper Ätzung bzw. Unterätzung und den Trenchgrabenbreiten ist.
Nach Ausschleusen aus der Plasmaätzanlage wird der geätzte Siliziumkörper in einem Sauerstoffplasmastripper von der Ätzmaskierung 10, beispielsweise in Form einer Photolackmaske, und den verbliebenen passivierenden, teflonartigen Filmen 20 mittels eines an sich in der Halbleitertechnik bekannten
Sauerstoffplasmaveraschungsprozesses befreit. Erst in diesem Stadium wird somit auch die metallisierte Oberfläche der ersten Siliziumschicht 15 und dort gegebenenfalls angebrachte
Aluminiumkontaktflächen freigelegt, die bisher vollständig vor Korrosion und Ätzangriffen unter der Ätzmaskierung 10 lagen. Somit kann jedwede Nachbehandlung dieser Kontaktflächen entfallen. Insbesondere eignet sich dieses Verfahren zur Herstellung von Sensorelementen mit freistehenden Strukturen, bei denen die dazugehörige integrierte Schaltung auf dem gleichen Wafer angeordnet wird.
Da die teflonartigen Filme 20 ein ausgezeichnetes Mittel dar- stellen, um ein irreversibles Verkleben von mikromechanischen
Strukturen bei Kontakt von Silizium mit Silizium („sticking") zu vermeiden, ist es für viele Anwendungen zweckmäßig, diese teflonartigen Filme 20, die beim Entfernen der Ätzmaskierung 10 in einem Sauerstoffveraschungsprozeß mitentfernt werden, nachträg- lieh durch eine erneute Teflonbeschichtung wieder aufzubringen. Man kann dies bereits im Sauerstoffplasmastripper tun, indem abschließend anstelle von Sauerstoff kurzzeitig ein teflonbildende Monomerε lieferndes Gas wie C3Fg, C4F8 oder CHF3 eingelassen wird und das Plasma erneut gezündet wird. Dadurch wird jedoch auch eine Aluminiummetallisierung an der Oberfläche der Siliziumschicht 15 mit Teflon bedeckt, was Probleme bei einer späteren Kontaktierung mit sich bringen kann. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden daher die teflonartigen Filme 20 nach dem Sauerstoffveraschungsprozeß mit dem bereits aus DE 42 41 045 bekannten Depositionsschritt im Ätzreaktor wieder ganzflächig auf allen zugänglichen Siliziumflächen aufgebracht und anschließend mit Hilfe eines kurzzeitigen starken Ionenbeschusses auf allen für den senkrechten Ioneneinfall zugänglichen Flächen wieder entfernt, so daß die teflonartigen Filme 20 nur auf den Seitenwänden der freistehenden Struktur 32, dem Boden 30 und allen vom Ioneneinfall abgeschatteten Silizium- oder Siliziumoxidflächen erhalten bleiben. Insbesondere werden somit Kontaktflächen
wieder von einer unerwünschten Teflonschicht befreit. Alternativ kann sehr vorteilhaft auch anstelle eines nachträglichen Entfernes der teflonartigen Filmen auf allen für den senkrechten Ioneneinfall zugänglichen Stellen bereits während des Aufbringens der teflonartigen Filme gemäß DE 42 41 045 im
Ätzreaktor ein lonenbeschuß eingesetzt werden, so daß sich die teflonartigen Filme insbesondere auf den Kontaktflächen erst gar nicht bilden (selektive Beschichtung der Seitenwände) .
Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel eine Variante des mit Hilfe der Figuren 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispiels , das sich von diesem dadurch unterscheidet, daß auf dem dritten Trennschichtabschnitt 14 vor dem Aufwachsen der ersten Siliziumschicht 15 zunächst über an sich bekannte Abscheide- und Strukturierungsverfahren zusätzlich eine
Zwischenschicht als weitere Siliziumschicht aufgebracht wird, die anschließend von einer weiteren Trennschicht 14' oberflächlich und seitlich umgeben wird. Die als Opferschicht verwendete Zwischenschicht 17" kann entsprechend der benötigten Geometrie strukturiert werden. In dieser Variante kann der dritte Trennschichtabschnitt 14 sehr vorteilhaft hinsichtlich Dicke und Zusammense zung dem ersten Trennschichtabschnittes 12 entsprechen, da nunmehr die weitere Trennschicht 14' die Rolle des dritten Trennschichtabschnittes 14 aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 bis 3 übernimmt. Die weitere Trennschicht 14 v besteht somit insbesondere aus thermisch ausgewachsenem Siliziumdioxid mit einer Dicke von 10 nm bis 100 nm. Insofern ist ein Rückätzen des dritten Trεnnschichtabschnittes 14 oder ein Aufwachsen des dritten Trennschichtabschnittes 14 nach einem vollständigen Rückätzen bis auf die weitere Siliziumschicht 17, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 bis 3 erläutert, nicht mehr erforderlich, da nicht der dritte Trennschichtabschnitt 14
sondern die weitere Trennschicht 14 ' im zweiten Ätzprozeß durchgeätzt wird, und der dritte Ätzprozeß damit eine Ätzung der Zwischenschicht 17' als weitere Siliziumschicht bewirkt. Besonders vorteilhaft kann die Zwischenschicht 17' nunmehr auch aus der Leitschicht 13 herausstrukturiert werden, die aus
Polysilizium besteht, so daß ein zusätzlicher Prozeßschritt zum Aufwachsen der Zwischenschicht 17' entfällt.
Die als Opferschicht eingesetzte Zwischenschicht 17' ist beispielsweise wie die weitere Siliziumschicht 17 zusammengesetzt. Sie kann auch aus Polysilizium oder Epipolysilizium entsprechend der Leitschicht 13 oder der ersten Siliziumschicht 15 bestehen. Der erste Ätzprozeß stoppt somit entsprechend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel in den freiliegenden Bereichen 23' auf der weiteren Trennschicht 14' sowie auf den freiliegenden Bereichen 24. Im zweiten Ätzprozeß wird dann gemäß Figur 5 und 6 erneut in einem anisotropen Plasmaätzprozeß entsprechend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel unter starkem lonenbeschuß diese dünne weitere Trennschicht 14' in den freiliegenden Bereichen 23' durchbrochen. Abschließend wird dann, wie in Figur 6 dargestellt, durch einen dritten Ätzprozeß, entsprechend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel, eine weitere isotrope Ätzung der als Opferschicht eingesetzten Zwischenschicht 17' vorgenommen, was in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 der isotropen
Ätzung der weiteren Siliziumschicht 17 zur Erzeugung der Mulde 31 entspräche. Dadurch, daß die Zwischenschicht 17' in diesem Ausführungsbeispiel zunächst vollständig von der Trennschicht 14' bzw. dem dritten Trennschichtabschnitt 14 umschlossen ist, stoppt die Ätzung im dritten Ätzprozeß automatisch nach dem vollständigen Wegätzen der als Opferschicht eingesetzten Zwischenschicht 17', so daß einerseits eine freistehende Struktur 32 mit definiertem Boden 30 und definierten
Seitenwänden entsteht, und andererseits eine Mulde 31' mit lateral und vertikal über die Strukturierung bzw. Geometrie und Dicke der weiteren Trennschicht 14 ' exakt definierten Rändern 33.
Eine weiteres Ausführungsbeispiel, das ansonsten weitgehend analog dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4, 5 und 6 ist und das mit Hilfe von Figur 7 erläutert wird, sieht zunächst vor, daß die Trennschicht 12, 14, 16 auf der weiteren Siliziumschicht 17 durchgehend mit gleichmäßiger Dicke ausgebildet ist, und daß darin die gegebenenfalls strukturierte Leitschicht 13 eingeschlossen ist. Auf dieser Trennschicht 12, 14, 16 wird dann analog Figur 4 und dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel über an sich bekannte Abscheide- und Strukturierungsverfahren zusätzlich die Zwischenschicht als weitere Siliziumschicht aufgebracht und anschließend von der weiteren Trennschicht 14' oberflächlich und seitlich umgeben, die beispielsweise durch thermisches Aufwachsen einer Siliziumdioxidschicht erzeugt wird. Die Zusammensetzung dieser weiteren Trennschicht 14' und ihre Dicke entspricht vorzugsweise wiederum der des dritten Trennschichtabschnittes 14. Die Zwischenschicht 17' ist insbesondere wie die weitere Siliziumschicht 17, die Leitschicht 13 oder die erste Siliziumschicht 15 zusammengesetzt.
Mit dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens können somit Elektrodenflächen unter aktiven bzw. freistehenden Strukturen angebracht werden, wobei man eine gegebenenfalls strukturierte Ebene mit der Zwischenschicht 17' als Opferschicht zur freien Verfügung hat, die zur Erzeugung freistehender Strukturen 32 entfernt wird, sowie eine darunter befindliche Ebene mit Elektroden- und Leiterbahngeometrien, die von den Trennschichtabschnitten 12, 14, 16 insbesondere vor Ätzangriffen geschützt wird. In beiden Ebenen können somit unabhängig von-
einander Strukturierungen vorgenommen werden. Weiterhin liegen sämtliche, elektrisch funktioneile strukturierten Leitschichten 13 nach dem Entfernen der Zwischenschicht 17' noch nach allen Seiten vollständig elektrisch isoliert vor.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand der Figuren 8 bis 11 erläutert, wobei die verschiedenen Ätzprozesse, Schichtzusammensetzungen und Schichtdicken wie bereits bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen erläutert gewählt werden. Dieses Beispiel sieht allerdings in Weiterbildung der Figur 7 vor (siehe Figur 8), daß die weitere Trennschicht 14' und der dritte Trennschichtabschnitt 14 die Zwischenschicht 17' durch eine geeignete, an sich bekannte Strukturierung der weiteren Trennschicht 14' nicht vollständig einschließen.
Der Schichtaufbau des dargestellten Schichtkörpers wird im Detail wie bereits in den vorangehenden Ausführungsbeispielen beschreiben realisiert. Danach werden, wie in Figur 9 gezeigt, in einem ersten Ätzprozeß die Trenchgraben 21' unter gleichzeitigem Aufbau der Seitenwandpassivierung über die teflonartigen Filme 20 erzeugt, wobei der erste Ätzprozeß am Boden 23' der Trenchgraben 21' zum Erliegen kommt. Im zweiten Ätzprozeß wird dann die dünne weitere Trennschicht 14 ' am Boden 23' der Trenchgraben 21' durchbrochen. Dabei wird gleichzeitig auch der dritte Trennschichtabschnitt 14 am Boden 23 an den Stellen geätzt, an denen eine darüberliegende weitere Trennschicht 14' fehlt. Diese Ätzung ist jedoch angesichts der geringen Dicke der weiteren Trennschicht 14 ' und des unterhalb des dritten Trennschichtabschnittes 14 vorliegenden zweiten Trennschichtabschnittes 16 vernachlässigbar.
Insbesondere kann man in diesem Ausführungsbeispiel in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auf den dritten Trennschichabschnitt 14 ganz verzichten, da dessen Aufgabe von der weiteren Trennschicht 14 ' und von dem zweiten Trennschichtabschnitt 16 übernommen wird. Nach dem Durchbrechen der weiteren Trennschicht 14' am Boden 23' der Trenchgraben 21' wird der zweite Ätzprozeß unterbrochen. Es folgt der bereits im vorangehenden erläuterte dritte Ätzprozeß, der eine Ätzung der Zwischenschicht 17', die als Opferschicht dient, bewirkt. Der Ätzangriff im dritten Ätzprozeß ist dabei beschränkt auf den durch die dünne weitere Trennschicht 14 ' und den dritten Trennschichtabschnitt 14 oder den zweiten Trennschichtabschnitt 16 begrenzten Bereich, wobei jedoch in diesem Ausführungsbeispiel abweichend von Figur 7 durch die Strukturierung der weiteren Trennschicht 14' in sehr vorteilhafter Weise auch eine von unten kommende Ätzung innerhalb eines Steges 40 erfolgen kann. Der Fortschritt der Ätzfront in dem Steg 40 ist dabei durch die Seitenwandpassivierung durch die teflonartigen Filme 20 und durch die obere Passivierung der Stege 40 durch die
Ätzmaskierung 10 beschränkt, so daß der Steg 40 weitgehend ausgehöhlt bzw. bei fortschreitender Ätzung lokal unterbrochen wird. Durch dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung kann somit durch selektives Weglassen oder eine definierte Strukturierung der weiteren Trennschicht 14' ein Ätzangriff im dritten
Ätzprozeß von unten gezielt zugelassen werden. Damit kann, wie in Figur 11 gezeigt, sehr vorteilhaft beispielsweise eine zunächst erzeugte Siliziumbrücke unter einer oberflächlich in der ersten Siliziumschicht 15 vorhandenen Aluminiummetallisierung, die in Form von dielektrisch isolierten Leiterbahnen ausgebildet ist, durch einen Ätzangriff von unten selektiv durchtrennt werden. Man erhält somit zumindest lokal eine freie Leiterbahn, die zur weiteren Kontaktierung zur
Verfügung steht, sowie eine elektrische Isolation der freistehenden Struktur 32 vom umgebenden Silizium. Dieses Ausführungsbeispiel bietet somit insbesondere unter Integrationsgesichtspunkten d.h. der Verbindung von Mikromechanik mit elektronischer Schaltungstechnik neue Möglichkeiten und Vorteile.
Insbesondere wenn die oberflächliche Aluminiummetallisierung durch eine zusätzliche, geeignet strukturierte elektrisch isolierende Zwischenschicht beispielsweise aus Siliziumdioxid von der eigentlichen ersten Siliziumschicht 15 getrennt ist, wobei diese Zwischenschicht beim dritten Ätzprozeß nicht geätzt wird, kann selektiv eine elektrische Verbindung und insbesondere eine Anbindung eines Sensors an eine elektronische Auswerteschaltung über eine oberflächliche Metallisierung der ersten Siliziumschicht 15 erreicht werden, die wie eine Brücke über einen Abgrund gespannt ist und die von unten durch die elektrisch isolierende, im dritten Ätzprozeß nicht geätzte Zwischenschicht geschützt wird.