Herstellung tiefer Siliziumgräben für die Oberflächenmikromechanik

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1 M. Küchler, M. Markert, A. Bertz, T. Geßner Zentrum für Mikrotechnologien, Technische Universität Chemnitz, Chemnitz Herstellung tiefer Siliziumgräben für die Oberflächenmikromechanik 1. Einführung Um mikromechanische und mikroelektronische Strukturen auf einem Chip herstellen zu können, müssen diese verträglich zueinander herstellbar sein. Deshalb bleibt für die mikromechanischen Strukturen vorteilhafterweise der oberflächennahe Bereich des Siliziumwafers. Eine Bereicherung der bereits verfügbaren Technologien (wie zum Beispiel Opferschichttechniken) für oberflächennahe mikromechanische Strukturen ist auf der Grundlage von Arbeiten zur Herstellung frei beweglicher Mikrostrukturen im ungestörten Siliziumeinkristall [1] möglich. Diese Technologie nutzt tiefe Siliziumgräben im Zusammenhang mit nachfolgender isotroper Unterätzung. Sie erlaubt die Herstellung kapazitiver Sensoren und Aktoren. Durch den ausschließlichen Einsatz von Trockenätzverfahren werden Probleme des Klebens der freigelegten Strukturen (Sticking), wie sie bei Opferschichttechniken auftreten, vermieden. Abbildung 1 zeigt schematisch den Querschnitt eines derartigen Sensors beziehungsweise Aktors. Auslenkung parallel zur Waferoberfläche Elektroden Abbildung 1. Querschnitt des kapazitiven Sensors 2. Anforderungen an die Gräben Sowohl für Sensoren als auch Aktoren auf kapazitiver Basis ist eine möglichst hohe aktive Kapazität anzustreben. Im Falle des Sensors vergrößert sich bei gegebener Auslenkung wegen der dann großen Kapazitätsdifferenz die meßbare Signalamplitude, im Falle des Aktors ist mit geringer Spannung die Kraft für die vorgesehene Auslenkung erreichbar. Die aktive Kapazität wird durch die Elektroden auf den Seitenwänden realisiert, deren Fläche möglichst groß sein soll. Eine Oxidschicht unter dem Elektrodenmaterial übernimmt die Isolation gegenüber dem Bulk-Silizium. Für die Seitenwände ergeben sich folgende Anforderungen: glatte Flächen paralleles Profil resultierend in möglichst senkrechten Wänden hohes Aspektverhältnis (Grabentiefe zu Grabenbreite), erreichbar durch schmale und tiefe Gräben guter Haftgrund für nachfolgende Isolatorbeschichtung ausreichende Elektrodenleitfähigkeit.

2 Der bestimmende Faktor für den Wert der aktiven Kapazität ist das Aspektverhältnis, dessen Maximierung daher das Hauptaugenmerk gilt. In diesem Zusammenhang erscheint es wichtig, den Begriff Aspektverhältnis klar zu definieren. Nach [2] wird das Aspektverhältnis als das Verhältnis von Tiefe zu Breite der betrachteten Struktur definiert. Im Falle eines Grabens ist die Tiefe gleich dem Abstand des Grabenbodens von der Siliziumoberfläche ohne Berücksichtigung der Maskendicke und die Breite gleich der Ausdehnung des Grabenbodens. Aus zahlreichen Veröffentlichungen ist bekannt, daß die Ätzrate für eine Grabenstruktur mit hohem Aspektverhältnis geringer ist als für eine mit geringem Aspektverhältnis. Dieser Effekt wird als RIE lag oder aspect ratio dependent etching (ARDE) bezeichnet [2]. Aus diesem Grund ist es wesentlich schwieriger, Gräben mit hohem Aspektverhältnis herzustellen als Stege oder freitragende Zungen mit derartigen Eigenschaften. Deshalb liegt ein Augenmerk auf der Erzielung möglichst hoher Aspektverhältnisse bezüglich des Grabenprofils. Im folgenden ist mit dem Begriff Aspektverhältnis stets das bezüglich des Grabenprofils gemeint. Das anisotrope tiefe Siliziumätzen ist daher ein Prozeßschritt, der die Qualität der mikromechanischen Strukturen entscheidend beeinflußt. 3. Trockenätztechniken zur Herstellung tiefer Siliziumgräben Die verschiedenen Ätztechniken unterscheiden sich im wesentlichen in der Zusammensetzung der Ätzgase, der Art der Plasmaanregung und der Wafertemperatur. Dabei werden unterschiedliche Mechanismen genutzt. Ein Verfahren, welches mit tiefen Temperaturen arbeitet ( Kryo -Technik), erreicht die Anisotropie durch die Reduzierung der Dampfdrücke der Reaktionsprodukte. Dadurch ergibt sich eine geringere Desorptionsrate an Stellen, wo keine Ionen auftreffen (Seitenwände) [3]. Nach [3, 4] werden Temperaturen bis unter -120 C benötigt. Eine andere Möglichkeit, anisotrope Ätzprofile zu erreichen, ist die Bildung einer ätzhemmenden Schutzschicht an den entstehenden Seitenwänden. Dieser auch als Seitenwandpassivierung bezeichnete Mechanismus wird beim Verfahren der Polymerpassivierung benutzt. Eine Variante benutzt als Ätzgas SF 6 und zur Polymerisation CHF 3. Dabei ist das Grabenprofil sehr empfindlich vom Mischungsverhältnis dieser Gase abhängig. Vorteil dieser beiden Verfahren ist die hohe Siliziumätzrate von mehreren Mikrometern pro Minute. Problematisch erscheint hingegen bei der Kryotechnik die notwendige Waferkühlung (Helium-Rückseitenkühlung), was zum Beispiel bei der Bearbeitung perforierter Wafer kritisch ist. Im Zusammenhang mit der starken Temperaturabhängigkeit des Anisotropiegrades und der höheren Wahrscheinlichkeit der Adsorption von Verunreinigungen auf einer kalten Oberfläche kommt es leicht zur Nadelbildung auf dem Ätzgrund (Black Silicon). Ungünstig erscheinen auch die aufwendige Technik (tiefe Temperaturen), eine vorhandene Kantenverschiebung und Probleme der Reproduzierbarkeit des Ätzprofiles und der Seitenwandqualität. Bei der Polymerpassivierung entsteht prinzipbedingt ein organischer Film an der Seitenwand, dessen Eigenschaften sowohl als Haftgrund für die Isolatorschicht als auch in elektrischer Hinsicht keineswegs optimal sind. Ein auf Chlor als Ätzgas basierendes Verfahren wird in [5] beschrieben. Die nötige Anisotropie wird durch den rein mechanischen Abtrag der gerichtet einfallenden Chlor- Ionen erreicht, da Chlor erst bei höheren Temperaturen spontan mit Silizium reagiert. Teilweise an der Seitenwand entstehende Schichten sind oxidartig und leicht entfernbar. Das Plasma wird durch eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Quelle (ECR) erzeugt. Nachteilig ist die geringe Ätzrate und die Notwendigkeit einer elektroplattierten Nickelätzmaske. Von Vorteil ist die grundsätzliche Anisotropie des Cl 2 -Plasmas.

3 4. Experimentelle Bedingungen Wegen der guten Qualität der Seitenwände und der prinzipiellen Anisotropie des auf Chlor basierenden Ätzprozesses wurde dieser für eigene Untersuchungen gewählt. Für das anisotrope Tiefenätzen kommt nicht zuletzt auf Grund der geringen Strukturabmessungen nur ein Trockenätzverfahren in Frage. Aus der Vielzahl der international verwendeten Ätzgase wurde zunächst auf Cl 2 orientiert, was folgende Vorzüge aufweist: Chlor ist im Gegensatz zu den meisten halogenierten Kohlenwasserstoffverbindungen keine ozonverarmende Substanz und daher umweltverträglicher als diese. (Ein Großteil der halogenierten Kohlenwasserstoffverbindungen wird nicht mehr hergestellt und darf bereits jetzt oder in naher Zukunft nicht eingesetzt werden, vgl. Montreal Protokoll) Chlorhaltige Plasmen führen bei niedrig dotiertem Silizium zu einem anisotropen Ätzprofil auch ohne zusätzliche Seitenwandpassivierung. Das Ätzprofil läßt sich relativ gut beherrschen, weil bei Raumtemperatur die spontane chemische Reaktion mit der Siliziumoberfläche vernachlässigbar ist und erst bei Beschuß mit energiereichen Teilchen die chemische Reaktion verstärkt abläuft [6]. Daher kann auch der Einsatz kohlenstoffhaltiger Gase vermieden werden. Zusätzliche Probleme bezüglich Haftung, elektrischem Verhalten, Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit der Seitenwandflächen entfallen. Das Potential für hohe Ätzraten (µm/min) ist grundsätzlich vorhanden [7]. Die Ätzprozesse wurden an einer Anlage XPL 251 der Firma Secon durchgeführt. Den in der Ätzkammer erreichbaren Enddruck von unter 10-5 mbar gewährleistet eine Turbomolekularpumpe in einem zweistufigen Pumpensystem. Da in einer chlorhaltigen Entladung die Siliziumätzrate entscheidend durch die Ionenenergie bestimmt ist, wird eine Niederfrequenzanregung eingesetzt [8, 9]. Dafür steht ein Generator mit einer Leistung von 250 W im Frequenzbereich 100 khz bis 450 khz zur Verfügung. Als Prozeßgase wurden Chlor, Argon und Stickstoff eingesetzt. Die experimentellen Untersuchungen wurden an Siliziumstrukturen von 800 nm bis 16 µm Breite vorgenommen, die teilweise in [10] beschrieben sind. Als Ätzmaske diente eine 2 µm dicke thermisch oxidierte SiO 2 -Schicht, auf der nach der SiO 2 -Strukturierung der Photolack belassen wurde. 5. Ergebnisse und Diskussion Bowing Bei der Nutzung von Chlor als reaktivem Ätzgas ohne Zumischung anderer Komponenten und Niederfrequenz(NF)- Plasmaanregung ergeben sich zwar hohe Ätzraten und -tiefen, aber ausgebeulte Grabenprofile (Bowing, siehe Abbildung 2) und eine inhomogen über den Wafer verteilte Plasmaentladung (Inhomogenität). Die Inhomogenität läßt sich durch Zusatz von Argon reduzieren, während die Zugabe von Stickstoff das Ätzprofil beeinflußt [11]. Abbildung 2. Beulenförmiges Atzprofil

4 Aufladungseffekt: Sind der Chloranteil im Gasgemisch und oder die NF-Leistung gering, entstehen abgeschrägte Ätzprofile (Abbildung 3). Als Ursache für abgeschrägte Grabenprofile in einer Chlorentladung wurde in der Literatur die Aufladung der Ätzmaske [12, 13] diskutiert. Während der negativen Halbwelle werden die im Plasma erzeugten positiven Ionen auf den Wafer beschleunigt und laden die SiO 2 -Ätzmaske auf, folglich bilden sich positive Ladungen auf der Maske. Das nicht von der SiO 2 -Maske bedeckte Si-Substrat befindet sich auf dem Potential der NF- Elektrode. Die sich ausbildende Abbildung 3. Abgeschrägtes Ätzprofil Ladungsdifferenz zwischen der Siliziumoberfläche und der Ätzmaske führt im Grenzgebiet dieser beiden Bereiche zu einer horizontalen Komponente der elektrischen Feldstärke. Dadurch werden die positiven Ionen, die den Wafer bombardieren, in diesem Grenzbereich von ihrer senkrechten Flugbahn in Richtung der Siliziumoberfläche abgelenkt. Plasma Plasmaschild isolierende Ätzmaske Substrat Abbildung 4. Aufladung der Ätzmaske In Abbildung 4 ist das Modell der Aufladung der Ätzmaske und der daraus resultierenden Ablenkung der positiven Ionen schematisch dargestellt. Die an der Grenzfläche abgelenkten Ionen führen danach zu dem beobachteten abgeschrägten Ätzprofil. Zur Überprüfung der Aufladungserscheinungen sind die auf der Waferoberfläche gespeicherten Ladungsdichten mit Hilfe einer Kelvin-Sonde gemessen worden. Dafür wurden unstrukturierte Testwafer mit einer dicken Lackschicht (zur besseren Ladungsspeicherung) unter Prozeßbedingungen wie bei einer tiefen Siliziumätzung behandelt. Die an den Testwafern in einer NF-Entladung durchgeführten Untersuchungen mit der Kelvin-Sonde haben keine auswertbaren Ergebnisse geliefert. Die gemessenen Oberflächenpotentiale waren nicht reproduzierbar und lagen im Bereich des systematischen Fehlers der verwendeten Meßanordnung. Es wird daher vermutet, daß die für die abgeschrägten Grabenprofile als Ursache zu vermutenden Ladungen wegen der relativ geringen Anregungsfrequenz dynamischer Natur sind. Dagegen ließen sich Ladungen auf Isolatoren in einer HF-Entladung sehr gut nachweisen.

5 Es wurde nun versucht, die aufladungsbedingten Abschrägungen der Seitenwandprofile mit dem Effekt des Bowing zu kompensieren. Da die Ausprägung der Abschrägung bzw. der Ausbeulung des Grabenprofils stark von der Grabenbreite abhängt (für Breiten unterhalb weniger Mikrometer), wirkt diese Kompensation nur für einen eng begrenzten Bereich der Grabenbreite. Das heißt, für jede andere Grabenbreite ist eine andere Einstellung der Parameter Gaszusammensetzung und NF-Generatorleistung nötig. Die so erzielbaren Grabentiefen mit dem erwünschten Profil sind begrenzt, da das Grabenprofil auch von der Ätztiefe abhängt. Daraus resultiert die Notwendigkeit, die Parameter während des Ätzvorgangs entsprechend der aktuell erreichten Ätztiefe zu ändern. Das wird über eine zeitabhängige Einstellung der Generatorleistung und der Gaszusammensetzung erreicht. Praktisch sind mit dieser Technologie zur Zeit 17 µm tiefe und 2 µm breite Gräben mit nahezu senkrechten Seitenwandprofilen erreicht worden (siehe Abbildung 5). Diese Gräben bilden den Ausgangspunkt für die weitere Bearbeitung. Eine freibewegliche mikromechanische Struktur, die mit der SCREAM-Technologie auf der Grundlage der anisotrop tief geätzten Gräben hergestellt wurde, zeigt Abbildung 6. Die Durchätzung des Steges, die Grundlage für deren Beweglichkeit ist, zeigt Abbildung 7. Abbildung 5. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme anisotrop geätzter Gräben mit hohem Aspektverhältnis Abbildung 6. Freigelegte Zunge 6. Zusammenfassung Mit dem vorgestellten Mehrschrittätzprozeß ist es möglich, schmale tiefe Gräben als Voraussetzung für frei bewegliche oberflächennahe mikromechanische Elemente mit Grabenbreiten von 2 µm und -tiefen von 17 µm zu erzeugen. Dabei wurden die in [1] vorgestellten Technologieschritte angewandt. Prinzipiell sollte es möglich sein, auf der Basis eines Chlorplasmas 2 µm breite Gräben mit einem Aspektverhältnis von 10:1 und darüber herzustellen. Dazu sind noch weitere Untersuchungen nötig, insbesondere zur Eignung eines Mikrowellengenerators als Radikalengenerator für Erhöhung der Ionendichte und zur Eignung eines optischen Spektrometers für die Bestimmung der Si-Ätzrate.

6 Weiterhin gehört ein besseres Verständnis der aufladungsbedingten Abweichungen vom angestrebten streng anisotropen Ätzprofil zu den nächsten Zielen. Abbildung 7. Isotrop unterätzter Steg (Zunge) Literatur [1] Shaw, Kevin A.; Zhang, Z. Lisa; MacDonald, Noel C.: SCREAM I: a single mask, singlecrystal silicon, reactive ion etching process for microelectromechanical structures. Sensors and Actuators A 40 (1994), S [2] Müller, K. Paul; Roithner, Klaus; Timme, Hans Jörg: Selectivity and Si-Load in Deep Trench Etching. Microelectronic Engineering 27 (1995), S [3] Bartha, Johann W.; Greschner, Johann; Puech, M.; Maquin, P.: Low temperature etching of Si in high density plasma using SF 6 /O 2. Microelectronic Engineering 27 (1995), S [4] Francou, M.; Danel, J. S.; Peccoud, L.: Deep and fast plasma etching for silicon micromachining. Sensors and Actuators A (1995), S [5] Juan, W. H.; Pang, S. W.: High-aspect-ratio Si etching for microsensor fabrication. Journal of Vacuum Science & Technology A 13 (1995), S [6] Kassam, A.; Meadowcroft, C.; Salama, C. A. T.; Ratnam, P.: Characterization of BCl 3 -Cl 2 Silicon Trench Etching. J. Electrochem. Soc. 137 (1990), S [7] DeOrnellas, Stephen P.; Ocampo, Joseph D.: The Etching of Silicon in a Multi- Frequency Discharge Reactor. Proceedings of the 6th Syposium on Plasma Processing, ECS Proceedings 87-6 (1987), S [8] Donelly, Vincent M.; Flamm, Daniel L.: Effects of frequency on optical emission, electrical, ion, and etching characteristics of a frequency chlorine plasma. Journal of Applied Physics 58 (1985), S [9] Flamm, Daniel L.: Frequency effects in plasma etching. Journal of Vacuum Science & Technology A 4 (1986), S [10] Markert, Matthias: Entwicklung einer Technologie zur Erzeugung freitragender Si- Strukturen mittels Trockenätzprozessen für die Oberflächenmikromechanik. Diplomarbeit,

7 Technische Universität Chemnitz-Z., Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, 1995 [11] Crazzolara, Helmut; Gellrich, Norbert: Profile control possibilities for a trench etch process based on chlorine chemistry. J. Electrochem. Soc. 137 (1990), S [12] Arikado, Tsunetoshi; Horioka, Keiji; Sekine, Makato; Okano, Haruo; Horiike, Yasuhiro: Single Silicon Etching Profile Simulation. Japanese Journal of Applied Physics 27 (1988), S [13] Bruce, R. H.; Reinberg, A. R.: Profile Control with D-C Bias in Plasma Etching. Journal of the Electrochemical Society 129 (1982), S