WO2001059818A1 - Verfahren zur herstellung definierter polykristalliner silizium-bereiche in einer amorphen siliziumschicht - Google Patents

Verfahren zur herstellung definierter polykristalliner silizium-bereiche in einer amorphen siliziumschicht Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing defined polycrystalline silicon regions, in particular for producing electrically conductive regions.
  • a deposition rate is essentially determined by a process temperature.
  • the process temperatures vary in the range between 400 ° C and 900 ° C.
  • the high thermal load associated with the deposition represents a high process risk.
  • this is known about Define photolithographic process steps. For this it is necessary to apply a masking layer to the polysilicon layer, to expose it, to selectively remove the exposed or the unexposed areas and then to etch the polysilicon layer, for example in a plasma.
  • Such methods can only be mastered in a relatively complex manner and only permit a limited structural fidelity.
  • the method according to the invention with the features mentioned in claim 1 offers the advantage that a thermal load during the production of polycrystalline silicon regions is reduced. An exact structure definition can also be achieved, so that the process reliability and the process yield are increased. Because a substrate is provided with a layer of a doped amorphous silicon, the amorphous silicon is irradiated with a laser source to generate the electrically conductive regions, a shadow mask being used to define the electrically conductive regions between the substrate and the laser source is positioned, an in situ structuring of the polycrystalline silicon areas with high resolution in the submicrometer range is possible.
  • the irradiation of the doped amorphous silicon with a laser source in particular an ⁇ xcimer laser, enables a defined breaking of the binding structure of the amorphous silicon by direct electronic excitation and, depending on a wavelength used and a laser treatment time, the generation of a polycrystalline lattice structure.
  • a laser source in particular an ⁇ xcimer laser
  • polycrystalline silicon with high electrical conductivity, low temperature dependence of the resistance and pronounced piezoresistivity is obtained.
  • the use of shadow masks in laser treatment also has the advantage that photolithographic process steps are not required. As a result, the manufacturing effort is reduced overall.
  • Preferred embodiments of the invention result from the other features mentioned in the subclaims.
  • FIG. 2a shows schematic process steps for producing polycrystalline silicon regions in a second exemplary embodiment.
  • FIG. 1b Figures la to le schematically show individual process steps for the production of defined polycrystalline silicon areas according to the inventive method.
  • a silicon oxide (SiC> 2) layer 12 is applied to a substrate 10, for example a stainless steel substrate.
  • a layer 14 made of doped amorphous silicon is deposited on this layer 12, as shown in FIG. 1b.
  • FIG. 1c shows, one
  • Passivation layer 16 for example made of silicon oxide (SiC> 2nd or silicon nitride (Si3N_3.), Applied.
  • a laser source 18 for example an excimer laser with electromagnetic radiation 20.
  • a shadow mask 22 is arranged, which has at least one mask opening 24. In the area of the mask opening 24, the electromagnetic radiation 20 strikes the composite of the layers 10, 12, 14, 16.
  • the passivation layer 16 is transparent to the electromagnetic radiation 20.
  • the amorphous silicon layer 14 - geometrically defined by the mask opening - crystallization takes place as a result of the irradiation with the electromagnetic radiation 20, so that a polycrystalline silicon area 26 is formed there.
  • the region 26 of the polycrystalline silicon is defined in accordance with the contour of the mask opening 24 and is embedded in the layer 14 of the amorphous silicon.
  • the doping of the amorphous silicon 14 creates an electrically highly conductive polycrystalline silicon region 26. Since the amorphous silicon 14 is relatively high-resistance and the polycrystalline region 26 has a high electrical conductivity, the region 26 defines the electrically conductive regions.
  • contact windows 28 are opened in the passivation layer 16, into which a metallization (not shown here) is subsequently deposited.
  • This metallization tion serves to contact the electrically conductive region 26.
  • the contact windows 28 can also be opened by irradiation with a laser light. In this way, the contact window 28 can be selectively opened, for example, by changing the wavelength of the laser light and / or increasing the power of the laser source 18 and arranging a corresponding shadow mask.
  • the schematic illustration clearly shows that on the one hand photolithographic process steps are not required for the defined production of electrically conductive areas 26 from polycrystalline silicon. Furthermore, the irradiation with laser light is thermally uncritical, so that the substrate 10 is not exposed to excessive thermal stress. This makes it possible to achieve electrically conductive regions 26 with high process reliability and a high process rate.
  • the method according to the invention can be used, for example, in the production of high-pressure sensors in which the substrate 10 consists of a stainless steel and electrically conductive regions 26 form strain gauges arranged in a bridge circuit (for example a Wheatstone bridge). All that is required is a correspondingly adapted design of the shadow mask 22, which has a corresponding number, here for example four, of mask openings 24 for the definition of the bridge resistances and has corresponding openings for the formation of the supply lines (conductor track).
  • the method according to the invention is particularly advantageous since it is possible to dispense with conventional photolithography, which is a difficult-to-control, yield-limiting process for these components.
  • FIGS. 2a to 2f The method according to the invention is shown in a modified embodiment in FIGS. 2a to 2f.
  • the same parts as in Figure 1 are provided with the same reference numerals and not explained again, so that only the differences will be discussed in this respect.
  • the structuring of the polycrystalline silicon region 26 takes place before the passivation layer 16 is deposited.
  • FIG. 2 d illustrates, to surround the regions of the polycrystalline silicon regions 26 then produced to selectively remove amorphous silicon (former layer 14). Due to the existing etching selectivity between the amorphous silicon and the polycrystalline silicon, which is particularly pronounced in the case of heavy boron doping, this can be achieved in a simple manner by means of an etching attack, for example by hydrogen-containing or halogen-containing plasmas, without a photolithography step. Finally, as shown in FIG. 2e, separate the passivation layer 16 into which then
  • the method steps shown in FIGS. 1 a, 1 b and 1 c and the exemplary embodiments shown in FIGS. 2 a and 2 b can be carried out in direct succession in a recipient, without in the meantime impairing, or at least dissolving, the required vacuum atmosphere got to. This results in a shorter process run time overall.
  • a significant advantage is in particular that the thermal load on the substrate 10 is significantly reduced compared to the known LPCVD deposition method for polycrystalline silicon.
  • the previous doping of the amorphous silicon in the layer 14 and the subsequent defined exposure of the regions 26 to the electromagnetic radiation 20 make it possible to achieve very homogeneous polycrystalline silicon regions 26, which when used as strain gauges in a Wheatstone resistance bridge lead to a considerable reduction in asymmetries in the entire bridge, so that highly precise piezoresistive pressure sensors can be achieved by this method according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung definierter polykristalliner Silizium-Bereiche, insbesondere zur Erzeugung elektrisch leitfähiger Bereiche mit den Schritten: (a) ein Substrat (10) wird mit einer isolierenden Schicht (12) und einer Schicht aus dotiertem amorphen Silizium (14) versehen; (b) zur Erzeugung der elektrisch leitfähigen Bereiche (26) wird eine elektromagnetische Bestrahlung (20) mit einer Laserquelle (18) durchgeführt, wobei (c) zwischen dem die Schicht (14) aufweisenden Substrat (10) und der Laserquelle (18) eine Schattenmaske (22) zur Definition der Konturen der elektrisch leitfähigen Bereiche (26) positioniert wird.

Description

Verfahren zur Herstellung definierter polykristalliner Silizium-Bereiche in einer amorphen Silizium- schicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung definierter polykristalliner Silizium-Bereiche, insbesondere zur Erzeugung elektrisch leitfähiger Be- reiche.
Stand der Technik
Es ist bekannt, in einer amorphen Siliziumschicht elektrisch leitfähige Bereiche durch definiertes Erzeugen polykristalliner Silizium-Bereiche zu definieren. Derartige polykristalline Silizium-Bereiche zeichnen sich durch eine gute elektrische Leitfähigkeit aus, die gegebenenfalls durch Einbringen ent- sprechender Dotierstoffe eingestellt werden kann. Ferner ist bekannt, dass polykristallines Silizium eine hohe Piezoresistivität aufweist, so dass sich dieses für den Einsatz von Dehnungsmess-Streifen eignet. Derartige Dehnungsmess-Streifen werden bei- spielsweise bei Drucksensoren eingesetzt. Infolge einwirkenden Druckes ändert sich ein elektrischer Widerstand, der über eine entsprechende Auswerteschaltung erfassbar ist.
Bekannt ist, polykristallines Silizium durch ein so- genanntes LPCVD-Verfahren (low pressure chemical vapor deposition) zu erzeugen. Hierbei wird eine Abscheiderate wesentlich von einer Prozesstemperatur bestimmt. In Abhängigkeit von der abzuscheidenden Schicht polykristallinen Siliziums variieren die Pro- zesstemperaturen in Bereichen zwischen '400 °C und 900 °C.
Sollen derartige polykristalline Siliziumschichten auf wärmeempfindliche Substrate, beispielsweise Edel- stahlsubstrate zur Herstellung von Hochdrucksensoren, abgeschieden werden, stellt die mit der Abscheidung verbundene starke thermische Belastung ein hohes Pro- zessrisiko dar. Um die elektrisch leitfähigen Bereiche geometrisch zu definieren, ist bekannt, diese über photolithographische Prozess-Schritte zu definieren. Hierzu ist erforderlich, auf die Polysiliziumschicht eine Maskierungsschicht aufzubringen, diese zu belichten, die belichteten oder die nicht belichteten Bereiche selektiv zu entfernen und an- schließend die Polysiliziumschicht zum Beispiel in einem Plasma zu ätzen. Derartige Verfahren sind nur relativ aufwendig beherrschbar und gestatten nur eine eingeschränkte Strukturtreue.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass eine thermische Belastung bei der Erzeugung polykristalliner Silizium-Bereiche reduziert ist. Fer- ner lässt sich eine exakte Strukturdefinition erreichen, so dass die Prozess-Sicherheit und die Prozessausbeute erhöht ist. Dadurch, dass ein Substrat mit einer Schicht aus einem dotierten amorphen Silizium versehen wird, zur Erzeugung der elektrisch leitfähi- gen Bereiche eine Bestrahlung des amorphen Siliziums mit einer Laserqueile durchgeführt wird, wobei zur Definition der elektrisch leitfähigen Bereiche zwischen dem Substrat und der Laserquelle eine Schattenmaske positioniert wird, wird eine in situ Struktu- rierung der polykristallinen Silizium-Bereiche mit hoher Auflösung im Submikrometerbereich möglich. Die Bestrahlung des dotieren amorphen Siliziums mit einer Laserqueile, insbesondere einem Ξxcimer-Laser, ermöglicht ein definiertes Aufbrechen der Bindungsstruktur des amorphen Siliziums durch direkte elektronische Anregung und in Abhängigkeit einer verwendeten Wellenlänge und einer Laserbehandlungsdauer die Erzeugung einer polykriεtallinen Gitterstruktur. Durch das vorherige Dotieren des amorphen Siliziums wird so po- lykristallines Silizium mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, geringer Temperaturabhängigkeit des Widerstandes und ausgeprägter Piezoresistivität erhalten. Der Einsatz der Schattenmasken bei der Laserbehandlung bietet ferner den Vorteil, dass photolitho- graphische Prozess-Schritte nicht erforderlich sind. Hierdurch wird der Herstellungsaufwand insgesamt reduziert . Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figuren la schematische Herstellungsschritte zur bis le Erzeugung polykristalliner Silizium- Bereiche in einer ersten Ausführungs- variante und
Figuren 2a schematische Prozess-Schritte zur Erzeu- bis 2f gung polykristalliner Silizium-Bereiche in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figuren la bis le zeigen schematisch einzelne Prozess-Schritte zur Herstellung definierter polykristalliner Silizium-Bereiche nach dem erfindungsgemä- ßen Verfahren. Zunächst wird auf einem Substrat 10, beispielsweise einem Edelstahlsubstrat, eine Siliziumoxid (SiC>2) -Schicht 12 aufgebracht. Auf diese Schicht 12 wird, wie Figur lb verdeutlicht, eine Schicht 14 aus dotiertem amorphen Silizium abge- schieden. Anschließend wird, wie Figur lc zeigt, eine
Passivierungsschicht 16, beispielsweise aus Siliziumoxid (SiC>2. oder Siliziumnitrid (Si3N_3.) , aufgebracht. In einem nächsten, in Figur ld verdeutlichten Schritt erfolgt eine Bestrahlung des Verbundes der Schichten 10, 12, 14, 16 mit einer Laserquelle 18, beispielsweise einem Excimer-Laser mit elektromagnetischer Strahlung 20. Zwischen der Laserquelle 18 und dem Verbund der Schichten 10, 12, 14, 16 ist eine Schattenmaske 22 angeordnet, die wenigstens eine Maskenöffnung 24 besitzt. Im Bereich der Maskenöffnung 24 trifft die elektromagnetische Strahlung 20 auf den Verbund der Schichten 10, 12, 14, 16. Die Passivie- rungsschicht 16 ist für die elektromagnetische Strahlung 20 transparent. Im Bereich der amorphen Siliziumschicht 14 findet - geometrisch durch die Maskenöffnung definiert - in Folge der Bestrahlung mit der elektromagnetischen Strahlung 20 eine Kristallisation statt, so dass es dort zur Ausbildung eines polykri- stallinen Silizium-Bereiches 26 kommt. Entsprechend der Kontur der Maskenöffnung 24 wird der Bereich 26 des polykristallinen Siliziums definiert und ist in die Schicht 14 des amorphen Siliziums eingebettet. Durch die Dotierung des amorphen Siliziums 14 entsteht ein elektrisch hochleitfähigεr polykristalliner Silizium-Bereich 26. Da das amorphe Silizium 14 relativ hochohmig ist und der polykristalline Bereich 26 eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, werden durch den Bereich 26 die elektrisch leitfähigen Bereiche definiert.
Anschließend werden, wie Figur le verdeutlicht, in der Passivierungsschicht 16 Kontaktfenster 28 geöffnet, in die nachfolgend eine hier nicht dargestellte Metallisierung abgeschieden wird. Diese Metallisie- rung dient zur Kontaktierung des elektrisch leitfähigen Bereiches 26.
Das Öffnen der Kontaktfenster 28 kann ebenfalls durch Bestrahlung mit einem Laserlicht erfolgen. Hierdurch kann beispielsweise durch Änderung der Wellenlänge des Laserlichtes und/oder einer Erhöhung der Leistung der Laserquelle 18 und Anordnung einer entsprechenden Schattenmaske das selektive Öffnen der Kontaktfenster 28 erfolgen.
Anhand der schematischen Darstellung wird deutlich, dass einerseits fotolithographische Prozess-Schritte für die definierte Erzeugung elektrisch leitfähiger Bereiche 26 aus polykristallinem Silizium nicht erforderlich sind. Ferner ist die Bestrahlung mit Laserlicht thermisch unkritisch, so dass das Substrat 10 keiner übermäßigen thermischen Belastung ausgesetzt ist. Hierdurch lassen sich elektrisch leitfähi- ge Bereiche 26 mit hoher Prozess-Sicherheit und hoher Prozessrate erzielen.
Verwendung kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise bei der Herstellung von Hochdrucksensoren finden, bei denen das Substrat 10 aus einem Edelstahl besteht und elektrisch leitfähige Bereiche 26 in einer Brückenschaltung (beispielsweise Wheatstone-Brü- cke) angeordnete Dehnmess-Streifen bilden. Hierzu bedarf es lediglich einer entsprechend angepassten Aus- gestaltung der Schattenmaske 22, die eine entsprechende Anzahl, hier beispielsweise vier, Maskenöffnungen 24 für die Definition der Brückenwiderstände und entsprechende Öffnungen für die Ausbildung der Zuleitungen (Leiterbahn) aufweist. Bei Hochdrucksensoren mit Edelstahlsubstraten oder anderen Bauelementen mit Nicht-Siliziumwafersubstraten ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft, da auf konventionelle Fotolithographie, welche bei diesen Bauelementen einen schwer beherrschbaren, ausbeutebegrenzenden Prozess darstellt, verzichtet werden kann .
In den Figuren 2a bis 2f ist in einer abgewandelten Ausführungsvariante das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt. Gleiche Teile wie in Figur 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert, so dass insofern nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
Im Gegensatz zu dem in Figur la bis le gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Strukturierung des poly- kristallinen Silizium-Bereiches 26 vor Abscheiden der Passivierungsschicht 16. Hierdurch wird es möglich, wie Figur 2d verdeutlicht, die die dann erzeugten polykristallinen Silizium-Bereiche 26 umgebenden Bereiche des amorphen Siliziums (ehemalige Schicht 14) selektiv zu entfernen. Aufgrund der bestehenden Ätzselektivität zwischen dem amorphen Silizium und dem polykristallinen Silizium, die insbesondere bei starker Bordotierung ausgeprägt ist, ist dies durch einen Ätzangriff, beispielsweise durch Wasserstoff- haltige oder halogenhaltige Plasmen, in einfacher Weise ohne Fotolithographie-Schritt realisierbar. Im Ajschluss erfolgt dann, wie Figur 2e zeigt, das Ab- scheiden der Passivierungsschicht 16, in die dann
(Figur 2f) die Kontaktfenster 28 strukturiert werden.
Diese werden dann wieder metallisiert, so dass die polykristallinen Silizium-Bereiche 26 an eine elek- trische Schaltung anbindbar sind.
Insgesamt wird deutlich, dass bei dem ersten Ausführungsbeispiel die in den Figuren la, 1b und lc gezeigten Verfahrensschritte und die in den Figuren 2a und 2b gezeigten Ausführungsbeispiele unmittelbar aufeinanderfolgend in einem Rezipienten ausgeführt werden können, ohne dass zwischenzeitlich die erforderliche Vakuumatmosphäre beeinträchtigt, zumindest aufgelöst werden muss. Somit ergibt sich insgesamt eine kürzere Prozesslaufzeit . Ein wesentlicher Vorteil besteht insbesondere auch darin, dass eine thermische Belastung des Substrates 10 gegenüber dem bekannten LPCVD-Abscheideverfahren für polykristallines Silizium wesentlich verringert ist. Darüber hinaus lassen sich durch die vorhergehende Dotierung des amorphen Siliziums in der Schicht 14 und das nachfolgende definierte Beaufschlagen der Bereiche 26 mit der elektromagnetischen Strahlung 20 sehr homogene polykristalline Silizium-Bereiche 26 erzielen, die bei Anwendung als Dehnmess-Streifen in einer Wheatstone-Widerstandsbrücke zu einer erheblichen Reduzierung von Asymmetrien in der gesamten Brücke führen, so dass durch dieses erfindungsgemäße Verfahren hochgenaue piezoresistiv wirkende Druck- sensoren erzielbar sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung definierter polykristalliner Silizium-Bereiche, insbesondere zur Erzeugung elektrisch leitfähiger Bereiche mit den Schritten:
a) ein Substrat (10) wird mit einer isolierenden Schicht (12) und einer Schicht aus dotiertem amorphen Silizium (14) versehen;
b) zur Erzeugung der elektrisch leitfähigen Bereiche (26) wird eine elektromagnetische Bestrahlung (20) mit einer Laserquelle (18) durchgeführt, wobei
c) zwischen dem die Schicht (14) aufweisenden Sub- strat (10) und der Laserquelle (18) eine Schattenmaske (22) zur Definition der Konturen der elektrisch leitfähigen Bereiche (26) positioniert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Bestrahlung (20) mit einem Excimer-Laser erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (14) aus dem dotierten amorphen Silizium vor der elektromagnetischen Bestrahlung (20) mit einer Passivierungsschicht (16) versehen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Passivierungsschicht (16) Siliziumoxid (SiC>2) oder Siliziumnitrid (Si3N4) aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen einer Passivierungsschicht (16) die verbleibenden amorphen Bereiche (14) in einem Wasserstoff- oder halogen- haltigen Plasma ohne fotolithographischen Schritt selektiv entfernt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Kontak- tierung der Bereiche (26) in die Passivierungsschicht (16) Kontaktfenster (28) eingebracht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfenster (28) durch elektromagnetische Bestrahlung mit einer Laserquelle eingebracht wer- den.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Bereiche (26) und der Kontaktfenster (28) mittels der gleichen Laserquelle (18) , jedoch unterschiedlicher Betriebsparameter, insbesondere Wellenlänge und/oder Bestrahlungsdauer und/oder Bestrahlungsintensität , erfolgt .
9. Hochdrucksensor , mit wenigstens einem Dehnmess- Streifen aus polykristallinem Silizium, erhältlich nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8.
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