DE19842105A1 - Schichtsystem als Maskierschicht auf Silizium und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Es wird ein Schichtsystem zur Ausbildung einer strukturierten, langzeitstabilen, gut haftenden Maskierschicht (20) auf einer Siliziumschicht (10) zur Erzeugung von porösem Silizium vorgeschlagen, wobei die Maskierschicht (20) aus einer Siliziumdioxidschicht (11), einer darauf befindlichen Haftschicht (12) beispielsweise aus Chrom und einer Schutzschicht (13) beispielsweise aus Gold besteht. Die Maskierschicht weist Aussparungen auf, die in der Tiefe bis zur Siliziumschicht (10) reichen und als Ätzgräben, Löcher oder flächige Bereiche vorliegen. Die Erzeugung des porösen Siliziums erfolgt lokal mit Hilfe von elektrochemischen Verfahren, insbesondere mit Hilfe von Flußsäureelektrolyten und verläuft über eine isotrope Unterätzung in der Siliziumschicht (10) in den von der Maskierschicht (20) strukturierten Bereichen (15).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem zur Ausbildung ei­ ner Maskierschicht auf einer Siliziumschicht nach der Gat­ tung des Hauptanspruches, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Poröses Silizium ist eine schwammartige Silizium- Morphologie, die aus Bulk-Silizium hergestellt wird und da­ bei dessen einkristalline Eigenschaften weitgehend beibe­ hält. Die Herstellung erfolgt beispielsweise über einen an sich bekannten elektrochemischen Ätzprozeß mit Hilfe eines Flußsäureelektrolyten, wobei Fluoratome einzelne Siliziuma­ tome herauslösen, so daß nur noch ein Siliziumskelett übrig bleibt. Poröses Silizium bietet eine Vielzahl von Anwen­ dungsmöglichkeiten in der Optik, chemischen Sensorik und der Oberflächenmikromechanik.

Um poröses Silizium beispielsweise als Opferschicht nutzen zu können, muß es für viele Anwendungen strukturiert vor­ liegen, was man über eine lokale Erzeugung in einer Silizi­ umschicht erreicht. Dazu benötigt man Maskierschichten, die eine entsprechende Strukturierung ausweisen und dabei selbst aus mehreren Schichten in Form eines Schichtsystems bestehen können.

Derartige Schichtsysteme als Maskierschichten auf Silizium, die aus Siliziumnitrid und Gold bestehen, wobei eine aus­ reichende Haftung auf dem Silizium über eine haftvermit­ telnde Zwischenschicht aus Tantalnitrid erzeugt wird, sind bereits bekannt. Weiterhin werden zur Erzeugung derartiger Maskierschichten beispielsweise Siliziumcarbid-, Silizium­ nitrid- oder Goldschichten mit verschiedenen Haftvermitt­ lern zu dem Siliziumsubstrat wie beispielsweise aus Titan­ wolfram, Chrom oder Nickel-Chrom verwendet (P. Steiner und W. Lang, Thin Solid Films, 255 (1995), Seite 52 ff).

Die Nachteile bisher bekannter Schichtsysteme zur Erzeugung von strukturiertem, porösem Silizium sind teilweise eine ungenügende Beständigkeit, insbesondere Langzeitbeständig­ keit gegenüber Flußsäureelektrolyten bei der Anodisierung des Siliziums zur Erzeugung dicker, poröser Siliziumschich­ ten, sowie eine teilweise schlechte Haftung der Maskier­ schicht auf den Siliziumschichten. Daneben treten bei den bekannten Maskierschichten sehr weitgehende laterale Un­ terätzungen durch Flußsäureelektrolyten in der Silizium­ schicht auf, die dazu führen, daß die Maskierschichten teilweise abplatzen oder daß nur flächige Unterätzungen mit sehr geringer Tiefenätzung möglich sind, was insbesondere bei der Erzeugung dicker poröser Siliziumschichten nachtei­ lig ist. Die lateralen Unterätzungen sind zudem häufig ir­ reproduzibel und unvorhersehbar.

Für viele Anwendungen ist es weiterhin wichtig, daß die Er­ zeugung des porösen Siliziums in einer Siliziumschicht strukturiert erfolgen kann, was eine entsprechend struktu­ rierte Maskierschicht erfordert. Infolge der lateral sehr ausgedehnten Unterätzungen der Maskierschicht in der Sili­ ziumschicht beim Ätzen mit Flußsäureelektrolyten geht bei herkömmlichen Maskierschichten diese Strukturierung in der Siliziumschicht weitgehend verloren bzw. es sind nur grobe und großflächige Strukturierungen möglich. Bei der Ätzung von Silizium mit einer konventionellen Goldschicht als Mas­ kierschicht tritt beispielsweise häufig eine Ätzung in der Breite auf, die 5 bis 10 mal größer ist als die Ätzung in der Tiefe, und die sich bei kleinsten Veränderungen der Herstellungsparameter bereits gravierend ändert, was die Ergebnisse solcher Ätzungen bei insbesondere feinstruktu­ rierten Maskierschichten irreproduzibel macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Mas­ kierschicht zur Herstellung von strukturiertem porösem Si­ lizium in einer Siliziumschicht bereitzustellen, die eine ausgezeichnete Haltbarkeit und Langzeitstabilität im Ätzme­ dium aufweist und eine optimale Haftung auf der Silizium­ schicht zeigt, so daß auch dicke Schichten oder Strukturen aus porösem Silizium in der Siliziumschicht bzw. dem Sili­ ziumsubstrat hergestellt werden können. Weiterhin soll die Maskierschicht ein laterales Unterätzen der Maskierschicht vermeiden und statt dessen ein isotropes Unterätzen bewir­ ken.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Schichtsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil der ausgezeichneten Haltbarkeit und Langzeitstabilität der Maskierschicht insbesondere gegen­ über Flußsäureelektrolyten. Vorteilhaft ist ferner die ein­ fache und kostengünstige Herstellung der Maskierschicht durch an sich aus der Halbleitertechnik bekannte Ab­ scheide- und Herstellungsverfahren, die sehr gute Haftung der Mas­ kierschicht auf dem Siliziumsubstrat sowie der guten Zusam­ menhalt der einzelnen Schichten innerhalb der Maskier­ schicht, die als Schichtsystem die Maskierschicht bilden. Darüberhinaus verhindert das erfindungsgemäße Schichtsystem ein breites laterales Unterätzen in der Siliziumschicht, was ansonsten zu großflächigen lateralen Ätzungen unterhalb der Maskierschicht, teilweise deren Ablösen beispielsweise durch Unterkriechen und zu dem Verlust der durch die Mas­ kierschicht auf der Siliziumschicht definierten Strukturen führte.

Das erfindungsgemäße Schichtsystem hält insbesondere dem Angriff einer ethanolischen Flußsäurelösung beispielsweise während der Erzeugung des porösen Siliziums ausreichend lange, mindestens jedoch 10 Minuten stand.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen. So ermög­ licht die erfindungsgemäße Maskierschicht beispielsweise, daß Ätzungen mit Hilfe eines Flußsäureelektrolyten, die von den über die Maskierschicht definierten Aussparungen ausge­ hen, nahezu isotrop erfolgen, das heißt, daß die Weite der lateralen Unterätzung nahezu der vertikalen Ätztiefe in der Siliziumschicht entspricht. Dadurch sind erheblich genauere Strukturierungen bei der lokalen Erzeugung von porösem Si­ lizium wie auch Ätzungen von dickeren Siliziumschichten möglich. Damit kann der poröse Bereich über die Strukturie­ rung der Maskierschicht präzise festgelegt werden, was auch eine Platzersparnis auf der Siliziumschicht und damit eine Kostenersparnis bewirkt.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich­ nung und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen schematischen Aufbau eines Schichtsystems als Maskierschicht auf einer Silizium­ schicht.

Ausführungsbeispiele

Die Figur zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Sili­ ziumschicht 10, beispielsweise in Form eines Siliziumwa­ fers, auf die eine dünne Siliziumdioxidschicht 11 aufge­ bracht ist. Auf der Siliziumdioxidschicht 11 befindet sich eine metallische Chromschicht als Haftschicht 12, auf der wiederum eine Schutzschicht 13 aus Gold aufgebracht ist. Die Schichten 11, 12, 13 bilden zusammen ein Schichtsystem, das als Maskierschicht 20 auf der Siliziumschicht 11 ange­ ordnet ist. Die Maskierschicht 20 weist weiterhin Ausspa­ rungen 14 auf, die in der Tiefe bis zu der Siliziumschicht 10 reichen. Bei einer Ätzung beispielsweise mit Hilfe eines Flußsäureelektrolyten verläuft die Ätzung in der Silizium­ schicht 10 somit ausgehend von den Aussparungen 14 nahezu isotrop in den Bereichen 15 der Siliziumschicht 10.

Zur Herstellung des Schichtsystems wird auf einer Silizium­ schicht 10 oder einem Siliziumwafer, beispielsweise durch thermische Oxidation im Rohrofen, zunächst eine Siliziumdi­ oxidschicht abgeschieden, die eine Dicke von 20 nm bis 2000 nm aufweist und insbesondere wesentlich dicker ist, als eine native Siliziumdioxidschicht auf Silizium, die üb­ licherweise nur wenige Nanometer dick ist und beispielswei­ se bereits durch Lagern an Luft auf einer Siliziumschicht entsteht. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird die native Silizi­ umdioxidschicht vor dem Aufwachsen der Siliziumdioxid­ schicht 11 über an sich dem Fachmann bekannte Verfahren entfernt. Als besonders vorteilhaft für die Erfindung hat sich herausgestellt, wenn die Siliziumdioxidschicht 11 eine Dicke von 20 nm bis 200 nm aufweist. Die definierte Her­ stellung der Siliziumdioxidschicht 11 auf der Silizium­ schicht 10 mit einer Dicke innerhalb der genannten Grenze ist sehr wesentlich für die Erfindung, da dadurch die vor­ teilhaften Wirkungen der Maskierschicht 20 hinsichtlich isotroper Ätzung der Siliziumschicht 10 und einer weitge­ henden Bewahrung bzw. Übertragung der Struktur der Maskier­ schicht in der Siliziumschicht 10 erreicht wird.

Auf die Siliziumoxidschicht 11 wird danach die Haftschicht 12 aufgebracht, die eine optimale Haftung zwischen der Si­ liziumoxidschicht 11 und der Schutzschicht 13 vermittelt und jeweils eine Dicke von 10 nm bis 1000 nm, insbesondere von 10 nm bis 200 nm hat. Auf die Haftschicht 12 wird an­ schließend die Schutzschicht 13 aufgebracht, die eine Dicke von 10 nm bis 1000 nm, insbesondere von 200 nm bis 800 nm aufweist. Bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbei­ spiel ist jeweils nur eine Haftschicht 12 und nur eine Schutzschicht 13 vorgesehen. Es ist jedoch auch denkbar, die Haftschicht 12 und/oder die Schutzschicht 13 aus mehre­ ren Schichten aufzubauen.

Die Aussparungen 14 der Maskierschicht 20, die in der Tiefe bis zur Siliziumschicht 10 reichen, können beispielsweise als Ätzgräben, Löcher oder flächige Bereiche vorliegen. Die Strukturierung der Maskierschicht 20 erfolgt über an sich bekannte Verfahren aus der Halbleitertechnik, wie bei­ spielsweise über Photolackmasken mit anschließender naßche­ mischer bzw. physikalisch-chemischer Strukturierung. Die Dicke der Siliziumdioxidschicht 11, der Haftschicht 12 und der Schutzschicht 13 auf der Siliziumschicht 10 ist über der gesamten Siliziumschicht 10 vorzugsweise konstant.

Die Haftschicht 11 enthält mindestens ein Element ausge­ wählt aus der Gruppe Tantal, Chrom, Gold, Titan, Mangan, Vanadium, Cobalt, Nickel, Silizium, Kupfer und Molybdän so­ wie deren Oxide, Nitride oder Carbide. Besonders bevorzugt besteht die Haftschicht 11 aus einer metallischen Chrom­ schicht oder einem Siliziumoxinitrid (SiO_xN_y) oder einem amorphen Siliziumoxicarbid (SiO_xC_z) d. h. einer Mischphase aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid bzw. Siliziumoxid und Siliziumcarbid. Die Schutzschicht 12 enthält mindestens ein Edelmetall und/oder Silizium und/oder deren Oxide, Nitride oder Carbide. Bevorzugt besteht die Schutzschicht 12 aus Gold oder aus einem Siliziumoxinitrid (SiO_xN_y) oder einem Siliziumoxicarbid (SiOxC_z). Die Haftschicht 12 und die Schutzschicht 13 können auch die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Sie bestehen in diesem Fall bevorzugt aus einem Siliziumoxinitrid (SiO_xN_y) oder einem Siliziumoxicarbid (Si­ OxC_z). Die Erzeugung der Haftschicht 11 und der Schutz­ schicht 12 auf der Siliziumoxidschicht 11 erfolgt über an sich bekannte Verfahren aus der Halbleitertechnik, wie bei­ spielsweise Aufdampfen, Aufsputtern oder durch chemische Abscheidung.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Schicht­ systems ermöglicht es, daß die Maskierschicht 20 zur loka­ len Erzeugung von porösem Silizium in der Siliziumschicht 10 eingesetzt wird. Dabei geschieht die Ätzung der Silizi­ umschicht 10 vorzugsweise mit einem Flußsäureelektrolyten unter Verwendung an sich bekannter Ätztechniken zur Erzeu­ gung von porösem Silizium, der beispielsweise als 10%ige bis 50%ige, insbesondere 20%ige bis 33%ige ethanolische Flußsäurelösung vorliegt. Die Ätzung erfolgt ausgehend vom Boden der Aussparungen 14 in die Bereiche 15 der Silizium­ schicht 10 hinein. Die Ätzung erfolgt als Unterätzung nahe­ zu vollständig isotrop in die Tiefe und Breite, so daß die über die Ätzmaske definierte Strukturierung der Silizium­ schicht 10 auch nach dem Ätzen weitgehend erhalten bleibt. Insbesondere die geringe Ätzrate der Siliziumoxidschicht im Schichtsystem, die unter der Anodisierrate des porösen Si­ liziums liegt, ist charakteristisch für die vorliegenden Erfindung. Durch die isotrope Unterätzung wird überdies ein Ablösen der Maskierschicht 20 beispielsweise durch Unter­ kriechen vermieden.

Claims (14)

1. Schichtsystem zur Ausbildung einer Maskierschicht (20) auf einer Siliziumschicht (10), dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der Siliziumschicht (10) eine Silizi­ umdioxidschicht (11) und auf der Siliziumdioxidschicht (11) mindestens eine Haftschicht (12) und auf der Haftschicht (12) mindestens eine Schutzschicht (13) ausgebildet ist.

2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Maskierschicht (20) Aussparungen (14) auf­ weist, die in der Tiefe bis zur Siliziumschicht (10) rei­ chen.

3. Schichtsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Aussparungen (14) als Ätzgräben, Löcher oder flächige Bereiche vorliegen.

4. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Siliziumdioxidschicht (11) eine Dicke von 20 nm bis 2000 nm, die Haftschicht (12) eine Dicke von 10 nm bis 1000 nm und die Schutzschicht (13) eine Dicke von 10 nm bis 1000 nm aufweist.

5. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dicke der Siliziumdioxidschicht (11), der Haftschicht (12) und der Schutzschicht (13) auf der Si­ liziumschicht (10) konstant ist.

6. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Haftschicht (12) mindestens ein Element ausge­ wählt aus der Gruppe Tantal, Chrom, Gold, Titan, Mangan, Vanadium, Cobald, Nickel, Silizium, Kupfer, Zink und Mo­ lybdän oder deren Oxide, Nitride oder Carbide enthält.

7. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schutzschicht (13) mindestens ein Edelmetall und/oder Silizium oder deren Oxide, Nitride oder Carbide enthält.

8. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Haftschicht (11) eine Chromschicht und die Schutzschicht (13) eine Goldschicht ist.

9. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Haftschicht (12) die gleiche Zusammensetzung hat wie die Schutzschicht (13).

10. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumdioxid­ schicht (11) durch thermische Oxidation der Siliziumschicht (10) erzeugt wird und daß die Haftschicht (12) und/oder die Schutzschicht (13) durch Aufdampfen oder Aufsputtern oder durch chemische Abscheidung auf der Siliziumoxidschicht (11) erzeugt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Maskierschicht Aussparungen (14) über an sich bekannte Strukturierungsverfahren der Halbleitertechnik er­ zeugt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Maskierschicht (20) zur lokalen Erzeugung von porösem Silizium in Bereichen (15) der Aussparungen (14) in der Siliziumschicht (10) mit Hilfe von elektroche­ mischen Verfahren, insbesondere mit Hilfe von Flußsäure­ elektrolyten eingesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Flußsäureelektrolyt eine 10%ige bis 50%ige ethano­ lische Flußsäurelösung eingesetzt wird.

14. Verfahrens nach Anspruch 9 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mittels des elektrochemischen Verfahrens eine nahezu isotrope Unterätzung in der Siliziumschicht (10) in den von der Maskierschicht (20) strukturierten Bereichen erzeugt wird.