DE3927163A1 - Structuring disc-shaped monocrystalline semiconductor - using photomask for ion-etching of recess(es), orthogonal to semiconductor main surfaces - Google Patents

Abstract

The pref. silicon semiconductor (10) is structured using a photomask for anisotropic, reactive ion etching of recesses (13a,b), orthogonal to the main semiconductor surfaces by its side boundary faces, while bottom surfaces are parallel to the main semiconductor surfaces. The etching is carried out from one main surface. Then the recesses, near their bottom faces are provided with a lateral widening (17) by isotropic etching. Pref. the lateral underetching is carried out by plasma etching, wet chemical etching, or electrochemical etching. ADVANTAGE - Reduced etching time period. (6pp Dwg.No.1/9) (16pp Dwg.No.1/19) (Previously notified in week 9109/Printed in week 9110)

Description

Translated fromGerman

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturierung eines Halb­leiterkörpers nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to a method for structuring a halfhead body according to the genus of the main claim.

Es sind in der Mikromechanik bereits Verfahren zur Strukturierung von Halbleiterkörpern bekannt, bei denen mit naßchemischen Ätzpro­zessen gearbeitet wird. Der Nachteil dieser bekannten Verfahren be­steht darin, daß die Ätzung der Strukturen ungenau ist und daß die Strukturen deshalb schlecht definierte mechanische Eigenschaften ha­ben. Die mechanischen Strukturen sind planar angeordnet. Der Wafer muß in seiner gesamten Dicke durchgeätzt werden. Der Endpunkt der Ätzung erfordert aufwendige Ätzstoppverfahren. Es werden Wafer mit einer Rückseitenpolitur und spezielle Lithographiegeräte zur beid­seitigen Belichtung benötigt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die naßchemischen Ätzprozesse lange Atzzeiten und eine Passivie­rung erfordern, die nicht oder nur sehr schwer mit einer IC-Techno­logie verträglich ist.There are already structuring processes in micromechanicsof semiconductor bodies known in which with wet chemical etching proworking. The disadvantage of these known methods bestates that the etching of the structures is inaccurate and that theStructures therefore poorly defined mechanical properties haben. The mechanical structures are arranged planar. The wafermust be etched through in its entire thickness. The end point of theEtching requires complex etching stop processes. There will be wafersa backside polish and special lithography equipment for bothside exposure needed. Another disadvantage isthat the wet chemical etching processes long etching times and a passiveRequire that not or only very difficult with an IC technologic is compatible.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 6 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch den Einsatz des trockenen, anisotropen reaktiven Ionenätzens (RIE) in Kombination mit einer lateralen Unterätzung sehr viel ge­nauere Strukturen im Halbleiterkörper erzeugt und die Ätzzeiten ver­kürzt werden können, da die kritischen mechanischen Dimensionen in der lithographisch strukturierbaren Waferebene definiert werden und die Ätzung alleine von der Wafervorderseite aus erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit einer Passivierung gearbei­tet werden kann, die mit einer IC-Technologie verträglich ist. Das Verfahren ermöglicht die Anordnung der Strukturen in beliebigen Richtungen innerhalb der Waferebene, da die Anisotropie des reakti­ven Ionenätzens nicht an kristallographische Orientierungen gebunden ist.The inventive method with the characterizing features ofClaim 1 or claim 6 has the advantage that through the use of dry, anisotropic reactive ion etching(RIE) in combination with a lateral undercut is very highcreates more precise structures in the semiconductor body and vercan be shortened because the critical mechanical dimensions inthe lithographically structurable wafer level andthe etching can be done from the front of the wafer alone. AAnother advantage is that it works with passivationcan be used that is compatible with IC technology. TheThe method allows the arrangement of the structures in anyDirections within the wafer plane, since the anisotropy of the reactiveion etching not tied to crystallographic orientationsis.

Zeichnungdrawing

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the drawing.

Es zeigen:Fig. 1a bisFig. 1g eine in Herstellung begriffene Halb­leiterstruktur bei verschiedenen erfindungsgemäß auszuführenden Ver­fahrensschritten.In the drawings:Figures 1a to1g a conceived in manufacturing semi-conductor structure at different method steps according to the invention to be executedVer...

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

InFig. 1a ist ein scheibenförmiger, aus monokristallinem Silizium bestehender Halbleiterkörper10 im Schnitt (teilweise abgebrochen) dargestellt, auf dessen einer Hauptoberfläche eine Siliziumdioxid­schicht11 abgeschieden worden ist. Auf die Siliziumdioxidschicht11 ist eine Fotolackschicht12 aufgebracht worden.InFig. 1a, a disk-shaped, made of monocrystalline silicon semiconductor body10 is shown in section (partially broken off), on the one main surface of which a silicon dioxide layer11 has been deposited. A photoresist layer12 has been applied to the silicon dioxide layer11 .

Fig. 1b zeigt die Schnittdarstellung des Halbleiterkörpers10 nachFig. 1a, jedoch mit einer strukturierten Siliziumdioxidschicht11. Zum Zwecke der Ausbildung einer in der Draufsicht U-förmigen Ausneh­mung im Halbleiterkörper10 ist die Fotolackschicht12 mit einer entsprechenden Maske belichtet und entwickelt worden. Dann ist die mit der so gebildeten, inFig. 1b nicht dargestellten Fotolackmaske behaftete Siliziumdioxidschicht11 mit Hilfe des anisotropen reakti­ven Ionenätzens (RIE) bis zur Siliziumoberfläche geätzt worden. An­schließend kann die Fotolackmaske entfernt werden. Die so geätzte, inFig. 1b dargestellte Siliziumsdioxidschicht11 enthält das Mu­ster der im Halbleiterkörper10 zu bildenden Ausnehmung13, die in denFig. 1c und 1d dargestellt ist.FIG. 1b shows the sectional view of the semiconductor body10 ofFIG. 1a, but with a structured silicon dioxide.11 For the purpose of forming a U-shaped recess in the plan view in the semiconductor body10 , the photoresist layer12 has been exposed and developed with a corresponding mask. Then the silicon dioxide layer11 with the photoresist mask formed in this way, not shown inFIG. 1b, has been etched to the silicon surface with the aid of the anisotropic reactive ion etching (RIE). The photoresist mask can then be removed. The silicon dioxide layer11 etched in this way inFIG. 1b contains the pattern of the recess13 to be formed in the semiconductor body10 , which is shown inFIGS. 1c and 1d.

Fig. 1c zeigt hierbei eine Schnittdarstellung wie inFig. 1b. InFig. 1c ist der Zustand der in Herstellung begriffenen Halbleiter­struktur dargestellt, der vorliegt, nachdem in den mit der Silizium­dioxidmaske11 behafteten Halbleiterkörper10 nachFig. 1b die als U-förmiger Graben ausgebildete Ausnehmung13 eingeätzt worden ist. Die Ätzung ist auf trockenem Wege durch anisotropes reaktives Ionen­ätzen (RIE) erfolgt. Hierbei diente die Siliziumdioxidmaske11 zur Definition der Struktur.Fig. 1c shows a sectional view as inFig. 1b. InFig. 1c of the state of the conceived in manufacturing semiconductor structure is shown which is present after the11 with the silicon dioxidmaske lossy semiconductor body10 ofFIG. 1b embodied as a U-shaped recess trench is etched.13 The etching was carried out in a dry way by anisotropic reactive ion etching (RIE). The silicon dioxide mask11 was used to define the structure.

Fig. 1d zeigt die Anordnung nachFig. 1c in der Draufsicht. AusFig. 1d erkennt man, daß die Ausnehmung13, in der Richtung senk­recht zur oberen Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers10 betrach­tet, U-förmig ist. AusFig. 1c ist dagegen deutlich erkennbar, daß die Ausnehmung13 einen Graben mit senkrecht zur Halbleiterober­fläche verlaufenden seitlichen Begrenzungsflächen bildet. Das zwi­schen den beiden Schenkeln des in der Draufsicht U-förmigen Grabens13 stehengebliebene Halbleitermaterial bildet einen Steg14.Fig. 1d shows the arrangement ofFig. 1c in plan view. FromFig. 1d it can be seen that the recess13 , in the direction perpendicular to the upper main surface of the semiconductor body10 , is U-shaped. FromFIG. 1c, on the other hand, it can be clearly seen that the recess13 forms a trench with lateral boundary surfaces running perpendicular to the semiconductor surface. The between the two legs of the semiconductor material which remains U-shaped in the top view13 forms a web14 .

Damit die laterale Ausweitung der Ausnehmung13 nur in der Nähe ih­rer Bodenfläche bewerkstelligt werden kann, müssen die seitlichen Begrenzungsflächen der Ausnehmung13 oberhalb dieses Bereichs durch eine Passivierungsschicht geschützt werden. Bei elektrochemischem Unterätzen kann diese Passivierung unterbleiben.So that the lateral expansion of the recess13 can only be accomplished in the vicinity of its bottom surface, the lateral boundary surfaces of the recess13 above this area must be protected by a passivation layer. This passivation can be avoided in the case of electrochemical underetching.

Fig. 1e zeigt eine Struktur mit zwei Ausnehmungen13a und13b. Wie inFig. 1e dargestellt, wird zunächst eine aus einem Niedertempera­tur-Oxid oder -Oxinitrid oder -Nitrid bestehende Passivierungs­schicht (oder Doppelschicht)15 auf sämtlichen Begrenzungsflächen der Ausnehmungen13a und13b, d. h. sowohl auf deren Bodenflächen als auch auf deren seitlichen Begrenzungsflächen, abgeschieden, wobei der Halbleiterkörper10 hier aus einem Substrat10a eines bestimmten Leitfähigkeitstyps und einer darauf aufgebrachten Epitaxialschicht10b besteht.Fig. 1e shows a structure with two recesses13 a and13 b. As shown inFig. 1e, a passivation layer consisting of a low-temperature oxide or oxynitride or nitride (or double layer)15 is first on all boundary surfaces of the recesses13 a and13 b, ie both on their bottom surfaces and on their lateral boundary surfaces, deposited, the semiconductor body10 here consisting of a substrate10 a of a certain conductivity type and an epitaxial layer10 b applied thereon.

Anschließend wird diese Passivierungsschicht15 auf den Bodenflächen der Ausnehmungen13a und13b durch anisotropes reaktives Ionenätzen (RIE) wieder entfernt, so daß die Anordnung nachFig. 1f entsteht.Then this passivation layer15 on the bottom surfaces of the recesses13 a and13 b is removed again by anisotropic reactive ion etching (RIE), so that the arrangement according toFIG. 1f is created.

Anschließend werden die Ausnehmungen13a und13b in der Nähe ihrer Bodenfläche durch isotropes Ätzen lateral ausgeweitet. Das Unterät­zen kann hierbei durch isotropes Plasmaätzen, naßchemisches Ätzen (isotrop oder anisotrop) oder durch elektrochemisches Ätzen erfol­gen. Die auf diese Weise gebildete Struktur ist inFig. 1g darge­stellt. AusFig. 1g erkennt man, daß die Stege 14a und 14b aus denFig. 1e und 1f infolge ihrer geringen Wandstärke durch das late­rale Ätzen vollständig unterhöhlt worden sind und daß auf diese Wei­se freistehende Zungen16a und16b gebildet worden sind. Derartige Zungen können beispielsweise als mechanisch auslenkbare Glieder von Beschleunigungssensoren dienen.The recesses13 a and13 b are then expanded laterally in the vicinity of their bottom surface by isotropic etching. The undercutting can be achieved by isotropic plasma etching, wet chemical etching (isotropic or anisotropic) or by electrochemical etching. The structure formed in this way is shown inFIG. 1g. FromFig. 1g it can be seen that the webs 14a and 14b fromFIGS. 1e and 1f have been completely undermined by the late etching due to their small wall thickness and that freestanding tongues16 a and16 b have been formed on this Wei. Such tongues can serve, for example, as mechanically deflectable members of acceleration sensors.

Des weiteren kann es zweckmäßig sein, daß, nachdem die Passivie­rungsschicht15 gemäßFig. 1f auf der Bodenfläche der Ausnehmungen13a und13b mit Hilfe des anisotrope reaktiven Ionenätzens vollstän­dig entfernt worden ist, dieser Ätzprozeß weiter fortgesetzt wird, um eine Vertiefung der Ausnehmungen bis in einen Bereich unterhalb des unteren Randes des stehengebliebenen Teils der Passivierungs­schicht15 zu erzielen. Auf diese Weise kann die laterale Ausweitung der Ausnehmungen13a und13b mit Hilfe des anschließenden Ätzens er­leichtert werden.Furthermore, it may be appropriate that after the passivation layer15 according toFIG. 1f on the bottom surface of the recesses13 a and13 b has been completely removed using the anisotropic reactive ion etching, this etching process is continued to deepen the To achieve recesses in an area below the lower edge of the remaining part of the passivation layer15 . In this way, the lateral expansion of the recesses13 a and13 b can be facilitated with the help of the subsequent etching.

Nachdem an den Ausnehmungen13a und13b gemäßFig. 1g durch latera­les Ätzen in der Nähe ihrer Bodenfläche Erweiterungen17 angebracht worden sind, können die stehengebliebenen Bereiche der Maskierungs­schichten11 und15 entfernt werden. Bei Verwendung von Doppel­schichten als Passivierung15 kann die Passivierung15 mittels se­lektiver Ätzmittel auch nur teilweise entfernt werden, so daß die Halbleiteroberfläche geschützt bleibt.After extensions17 have been attached to the recesses13 a and13 b according toFIG. 1 g by latera etching in the vicinity of their bottom surface, the regions of the masking layers11 and15 which have remained standing can be removed. When using double layers than passivation15, the passivation15 by se lective etchant also be only partially removed, so that the semiconductor surface is protected.

Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, den Halbleiterkörper in den­jenigen Bereichen, in denen er von der einen Hauptoberfläche her strukturiert werden soll, von seiner anderen Hauptoberfläche her zu­vor in seiner Dicke zu reduzieren. Zu diesem Zweck wird die betref­fende Oberflächenseite des Halbleiterkörpers zunächst mit einer durchgehenden Passivierungsschicht versehen, dann diese Passivie­rungsschicht in denjenigen Bereichen abgeätzt, in denen der Halblei­terkörper in seiner Dicke reduziert werden soll. In diesen Bereichen wird anschließend der freigelegte Halbleiterkörper naßchemisch ge­ätzt, bis die gewünschte Soll-Dicke erreicht ist. Im Anschluß daran wird der Halbleiterkörper von der anderen Oberflächenseite her in der bereits beschriebenen Weise strukturiert, wobei in diesem Falle der Verfahrensschritt der anschließenden lateralen Unterätzung ent­fällt, da die bei der Strukturierung gebildeten Ausnehmungen auf die auf der anderen Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers zuvor geätzten Vertiefungen treffen, die in diesem Falle die durch Unterätzung ge­bildeten lateralen Erweiterungen ersetzen (Anspruch 6).It is also within the scope of the invention to insert the semiconductor body into thethose areas in which it is from one main surfaceshould be structured from its other main surfacebefore reducing in thickness. For this purpose thefirst surface side of the semiconductor body with apassivation layer, then this passivationetched in those areas where the semi-leadbody should be reduced in thickness. in these areasthe exposed semiconductor body is then wet-chemically geetches until the desired target thickness is reached. After thatthe semiconductor body is in from the other surface sidestructured in the manner already described, in which casethe step of the subsequent lateral undercut entfalls because the recesses formed during the structuring on thepreviously etched on the other main surface of the semiconductor bodyMake recesses, which in this case are caused by undercutformed lateral extensions replace (claim 6).

Claims (8)

Translated fromGerman

1. Verfahren zur Strukturierung eines scheibenförmigen, vorzugsweise einkristallinien Halbleiterkörpers (10), insbesondere aus Silizium,dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Fotomaskierungstechnik zu­erst mindestens eine Ausnehmung (13,13a,13b) mit im wesentlichen senkrecht zu den beiden Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers (10) verlaufenden seitlichen Begrenzungsflächen und einer im wesentlichen parallel zu den beiden Hauptoberflächen verlaufenden Bodenfläche von einer der beiden Hauptoberflächen aus durch anisotropes reaktives Ionenätzen in den Halbleiterkörper (10) eingeätzt wird und an­schließend die Ausnehmung (13,13a,13b) in der Nähe ihrer Boden­fläche durch isotropes Ätzen mit einer lateralen Erweiterung (17) versehen wird (Fig. 1g).1. A method for structuring a disk-shaped, preferably single-crystalline semiconductor body (10 ), in particular made of silicon,characterized in that with the aid of the photo maskingtechnique, at least one recess (13 ,13 a,13 b) with essentially perpendicular to the two main surfaces of the Lateral boundary surfaces of the semiconductor body (10 ) and a bottom surface running essentially parallel to the two main surfaces are etched into the semiconductor body (10 ) from one of the two main surfaces by anisotropic reactive ion etching and then the recess (13 ,13 a,13 b) near its bottom surface is provided by isotropic etching with a lateral extension (17 ) (Fig. 1g).2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das late­rale Unterätzen durch Plasmaätzen, naßchemisches Ätzen oder durch elektrochemisches Ätzen erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the lateral undercutting by plasma etching, wet chemical etching or byelectrochemical etching takes place.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, um die seitlichen Begrenzungsflächen der mindestens einen Ausnehmung (13,13a,13b) in demjenigen Bereich oberhalb ihrer Bodenfläche, der nicht lateral ausgeweitet werden soll, vor dem Angriff des isotro­pen Ätzmittels zu schützen, dieser Bereich der seitlichen Begren­zungsflächen mit einer gegen das Ätzmittel resistenten Passivie­rungsschicht (15) belegt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in order to the lateral boundary surfaces of the at least one recess (13 ,13 a,13 b) in the area above its bottom surface, which is not to be expanded laterally, before the attack of the isotro To protect the etchant, this area of the lateral boundary surfaces is covered with a passivation layer (15 ) which is resistant to the etchant.4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pas­sivierungsschicht (15) nach dem anisotropen Ausätzen der mindestens einen Ausnehmung (13,13a,13b) sowohl auf deren Bodenfläche wie auch auf deren seitliche Begrenzungsflächen aufgebracht wird und an­schließend auf der Bodenfläche durch anisotropes reaktives Ionenät­zen wieder entfernt wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the Pas sivierungsschicht (15 ) after the anisotropic etching of the at least one recess (13 ,13 a,13 b) is applied to both its bottom surface and on its lateral boundary surfaces and then on the bottom surface is removed by anisotropic reactive ion etching.5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß, nachdem die Passivierungsschicht (15) auf der Bodenfläche der Ausnehmung (13,13a,13b) mit Hilfe des anisotropen reaktiven Ionenätzens voll­ständig entfernt worden ist, dieser Ätzprozeß weiter fortgesetzt wird, um eine Vertiefung der Ausnehmung (13,13a,13b) bis in einen Bereich unterhalb des unteren Randes des stehengebliebenen Teils der Passivierungsschicht (15) und damit eine erleichterte laterale Aus­weitung der Ausnehmung (13,13a,13b) durch das anschließende Unter­ätzen zu erzielen.5. The method according to claim 4, characterized in that after the passivation layer (15 ) on the bottom surface of the recess (13 ,13 a,13 b) has been completely removed using the anisotropic reactive ion etching, this etching process is continued, by a deepening of the recess (13 ,13 a,13 b) to an area below the lower edge of the remaining part of the passivation layer (15 ) and thus a facilitated lateral expansion of the recess (13 ,13 a,13 b) by the to achieve subsequent undercuts.6. Verfahren zur Strukturierung eines scheibenförmigen, vorzugsweise einkristallinen Halbleiterkörpers, insbesondere aus Silizium, da­durch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Fotomaskierungstechnik zu­erst an einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers eine Vertiefung eingeätzt wird und anschließend im Bereich dieser Vertiefung von der anderen Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers aus mindestens eine Ausnehmung mit im wesentlichen senkrecht zu den beiden Hauptober­flächen des Halbleiterkörpers verlaufenden seitlichen Begrenzungs­flächen durch anisotropes reaktives Ionenätzen in den Halbleiterkör­per so weit eingeätzt wird, bis sie auf die vorher von der anderen Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers aus geätzte Vertiefung trifft und sich mit dieser vereinigt.6. Process for structuring a disk-shaped, preferablymonocrystalline semiconductor body, in particular made of silicon, becausecharacterized in that with the help of photo masking technologya depression only on a main surface of the semiconductor bodyis etched and then in the area of this recess by theother main surface of the semiconductor body from at least oneRecess with essentially perpendicular to the two main uppersurfaces of the semiconductor body extending lateral boundarysurfaces by anisotropic reactive ion etching in the semiconductor bodyper is etched until it is on the previously from the otherMain surface of the semiconductor body from the etched recess meetsand unites with it.7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ausnehmungen (13a,13b) gleichzeitig ge­bildet und in verschiedenen Orientierungen in der Scheibenebene des Halbleiterkörpers (10) angeordnet werden.7. The method according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that a plurality of recesses (13 a,13 b) simultaneously forms ge and are arranged in different orientations in the wafer plane of the semiconductor body (10 ).8. In einem scheibenförmigen, vorzugsweise einkristallinen, insbe­sondere aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper (10) enthaltene Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Ausnehmung (13,13a,13b) mit im wesentlichen senkrecht zu den beiden Haupt­oberflächen des Halbleiterkörpers (10) verlaufenden seitlichen Be­grenzungsflächen und einer im wesentlichen parallel zu den beiden Hauptoberflächen verlaufenden Bodenfläche von einer der beiden Hauptoberflächen aus in den Halbleiterkörper (10) eingebracht ist und daß die Ausnehmung (13,13a,13b) in der Nähe ihrer Bodenfläche eine laterale Erweiterung (17) aufweist (Fig. 1g).8. In a disk-shaped, preferably single-crystalline, in particular special silicon body (10 ) containing structure, characterized in that at least one recess (13 ,13 a,13 b) with substantially perpendicular to the two main surfaces of the semiconductor body (10 ) extending lateral Be boundary surfaces and a substantially parallel to the two main surfaces bottom surface of one of the two main surfaces from the semiconductor body (10 ) is introduced and that the recess (13 ,13 a,13 b) near its bottom surface a lateral Extension (17 ) has (Fig. 1g).