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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen
von Siliziumcarbid, wobei auf einer Siliziumcarbid-Schicht eine
Maske erzeugt wird. Sie betrifft weiterhin die Verwendung von Chlortrifluorid, Chlorpentafluorid
und/oder Xenondifluorid zum Strukturieren von mit Siliziumdioxid
und/oder Siliziumoxidcarbid umfassenden Masken abgedeckten Siliziumcarbid-Schichten,
eine strukturierte Siliziumcarbid-Schicht, erhalten durch ein erfindungsgemäßes Verfahren
sowie mikrostrukturiertes elektromechanisches Bauteil oder mikroelektronisches
Bauteil, umfassend eine durch ein Verfahren gemäß der
Erfindung erhaltene strukturierte Siliziumcarbid-Schicht.
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Siliziumcarbid
(SiC) ist im Aufbau und den Eigenschaften ähnlich zu Diamant,
da sich Silizium und Kohlenstoff in derselben Hauptgruppe und benachbarten
Perioden des Periodensystems befinden und die Atomdurchmesser in
einer ähnlichen Größenordnung liegen.
Der Vorteil der Beständigkeit aufgrund der Verwandtschaft
zum Diamant ist aber auch eine Herausforderung bei der Strukturierung
des Werkstoffs SiC. Gleichwohl rückt eben aufgrund der hohen
Temperaturbeständigkeit und chemischen Beständigkeit
das Material in den Fokus neuer innovativer Technologien.
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Für
die Strukturierung von SiC sind gegenwärtig verschiedene
Methoden verfügbar, bei denen es sich zumeist um angepasste
Techniken der Siliziumtechnologie handelt. Größtenteils
wird dabei ein physikalischer Effekt wie bei der Ionenstrahlstrukturierung
oder ein kombinierter chemisch/physikalischer Effekt wie bei einigen
Plasmaprozessen (reactive ion etching, RIE) mit fluororganischen
Verbindungen eingesetzt.
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So
offenbart beispielsweise
US 2006/0102589 A1 Plasmaätzverfahren,
umfassend die Schritte der Bildung eines Ätzgasplasmas
und das Ätzen einer SiC-Schicht auf einem Gegenstand, wobei
das Ätzgas NF
3, Ar und He enthält.
In dem Plasmaätzverfahren kann der Gegenstand eine SiOC-Schicht
aufweisen und die SiC-Schicht wird selektiv gegenüber der
SiOC-Schicht geätzt. Hierbei bildet die SiOC-Schicht eine Ätzmaske.
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Nachteilig
hieran ist jedoch, dass zum Ätzen des SiC ein Gasplasma
generiert werden muss. Dieses bedingt einen hohen apparativen Aufwand.
Wünschenswert wären daher alternative Prozesse
zur Strukturierung von SiC ohne Gasplasma.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß vorgeschlagen
wird daher ein Verfahren zum Ätzen von Siliziumcarbid (SiC), wobei
auf einer Siliziumcarbid-Schicht eine Maske erzeugt wird. Das Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass nicht maskierte Bereiche der Siliziumcarbid-Schicht
mit einer fluorhaltigen Verbindung, die ausgewählt ist
aus der Gruppe umfassend Interhalogenverbindungen des Fluors und/oder
Xenondifluorid, geätzt werden.
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Das Ätzen
des SiC unter Verwendung einer Ätzmaske kann auch als Strukturieren
bezeichnet werden. Die SiC-Schicht kann Bestandteil eines komplexeren
Schichtenverbundes sein, beispielsweise als Teil einer Schichtenfolge
auf einem Siliziumwafer. Sie kann beispielsweise mittels Verfahren
der Plasma-unterstützten chemischen Gasphasenabscheidung
(PECVD), Niederdruck-chemischen Gasphasenabscheidung (LPCVD), Epitaxie-Abscheidung
oder Sputter-Prozessen erhalten werden. Die Dicke der SiC-Schicht
kann hierbei in einem Bereich von ≥ 10 nm bis ≤ 100 μm
liegen.
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Als
Maske ist grundsätzlich jedes Material verwendbar, in welchem
sich die zu übertragenden Strukturen darstellen lassen
und gegenüber welchem das Ätzgas weniger reaktiv
ist als gegenüber dem zu ätzenden SiC. Insbesondere,
aber nicht ausschließlich, eignen sich hierfür
oxidische oder nitridische Werkstoffe. Generell kann das Maskenmaterial beispielsweise
erst ganzflächig auf der SiC-Schicht abgeschieden werden
und dann mittels Photolithographie in einem der verfügbaren
Verfahren strukturiert werden.
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Ohne
auf eine Theorie festgelegt zu sein, wird angenommen, dass die Interhalogenverbindungen
des Fluors oder das Xenondifluorid sowohl das Silizium als auch
den Kohlenstoff der SiC-Schicht angreifen und in flüchtige
Verbindungen überführen. Dieses wird durch die
Stärke der neu gebildeten Si-F-Bindungen unterstützt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingen beispielsweise,
je nach Verfahrensführung, Ätzraten im SiC von ≥ 1 μm/min
bis ≤ 20 μm/min. Vorteilhaft am erfindungsgemäßen
Verfahren ist insbesondere, dass es plasmafrei abläuft,
also dass kein Ätzgasplasma eingesetzt werden muss.
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Als
Anlage zur Durchführung des Verfahrens können
beispielsweise ein Single-Reaktor, welcher nur einen Wafer aufnehmen
kann, als auch ein Batchreaktor wie beispielsweise ein LPCVD-Reaktor verwendet
werden. Letzterer stellt hinsichtlich Temperatur- und Druckregelung
alle notwendigen Voraussetzungen zur Verfügung. Darüber
hinaus können bei diesem Anlagentyp bei geeigneter Gasführung
bis zu 200 Wafer gleichzeitig strukturiert werden.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren kann das Ätzen
beispielsweise bei einer Temperatur von ≥ 293 K bis ≤ 1000
K oder von ≥ 300 K bis ≤ 800 K durchgeführt
werden. Der Druck in der Gasphase während des Ätzens
kann beispielsweise in einem Bereich von ≥ 0,001 Torr bis ≤ 760
Torr oder von ≥ 0,01 Torr bis ≤ 500 Torr liegen.
Durch Variation von Druck, Temperatur und Ätzmittelkonzentration
lassen sich Ätzrate und Isotropie oder Anisotropie der Ätzung
einstellen.
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In
einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Interhalogenverbindung
des Fluors ausgewählt aus der Gruppe umfassend Chlortrifluorid
(ClF3) und/oder Chlorpentafluorid (ClF5). Diese Gase sind ausreichend reaktiv gegenüber
SiC. Insbesondere bei ClF3 wurde festgestellt,
dass der Ätzvorgang spontan abläuft.
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In
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird während
des Ätzens weiterhin Chlorgas (Cl2)
hinzugefügt. Das Chlorgas liegt also während des Ätzens
zusätzlich in der Gasphase vor. Auf diese Weise kann die
Selektivität des Ätzprozesses weiter eingestellt
werden. Vorteilhafterweise wird dann Chlorgas hinzugefügt,
wenn das Ätzgas eine Chlor/Fluorverbindung wie ClF3 oder ClF5 ist.
Das Chlorgas kann beispielsweise in einem molaren Verhältnis
von ≥ 1:100 bis ≤ 1:1, von ≥ 1:90 bis ≤ 1:20 oder
von ≥ 1:50 bis ≤ 1:10 zur Gesamtmenge der eingesetzten
fluorhaltigen Verbindungen vorliegen.
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In
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens liegt die
fluorhaltige Verbindung gasförmig vor und in der Gasphase
des Reaktionsraumes in einer Konzentration von ≥ 10 Gewichts-%
bis ≤ 100 Gewichts-%. Hierunter ist der Gewichtsanteil
der Verbindung an der Gesamtmenge der in der Gasphase vorhandenen
Gase gemeint. Für den Fall, dass die Gasphase nicht vollständig
aus der fluorhaltigen Verbindung aufgebaut ist, können übrige
Gase beispielsweise Inertgase wie Stickstoff oder Argon sein oder aber
auch das vorstehend beschriebene Chlorgas. Der Anteil der fluorhaltigen
Verbindung kann auch in einem Bereich von ≥ 20 Gewichts-%
bis ≤ 90 Gewichts-% oder von ≥ 30 Gewichts-% bis ≤ 80
Gewichts-% liegen.
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In
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die
Maske auf der Siliziumcarbid-Schicht Material, welches ausgewählt
ist aus der Gruppe umfassend Siliziumdioxid (SiO2),
Siliziumoxidcarbid (SiOC), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxidnitrid (SiON), Graphen, Metalle,
Metalloxide und/oder Photolacke. Photolacke können dort
eingesetzt werden, wo niedrige Verfahrenstemperaturen herrschen. Metall
und Metalloxide können durch chemische Gasphasenabscheidung
mit gegebenenfalls nachfolgender Oxidation oder mittels anderer
Epitaxieverfahren dargestellt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Maske Siliziumdioxid,
welches erhalten wird, indem mittels Tetraethoxysilan-(TEOS-)Oxidation,
Plasma-unterstützter chemischer Gasphasenabscheidungs-(PECVD-)Oxidation
oder mittels eines Niederdruck-chemischen Gasphasenabscheidungsprozesses
(LPCVD-Prozess) eine Siliziumdioxid umfassende Oxidschicht aufgebaut
wird, diese Oxidschicht mittels Photolithographie strukturiert wird
und anschließend die Maske in den Bereichen geöffnet wird,
in denen die SiC-Schicht strukturiert werden soll. Beispielsweise
kann der LPCVD-Prozess eine Hochtemperaturoxidation (HTO) oder eine
Niedrigtemperaturoxidation (LTO) sein.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Maske
Siliziumoxid und/oder Siliziumoxidcarbid, welches durch die thermische
Oxidation der Siliziumcarbidschicht erhalten wird, wobei weiterhin
diese Oxidschicht mittels Photolithographie strukturiert wird und
anschließend die Maske in den Bereichen geöffnet
wird, in denen die SiC-Schicht strukturiert werden soll. Sowohl
das Siliziumoxid als auch das Siliziumoxidcarbid lassen sich durch
die thermische Oxidation der Siliziumcarbidschicht erhalten.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
von Chlortrifluorid ClF3, Chlorpentafluorid
ClF5 und/oder Xenondifluorid XeF2 zum Strukturieren von mit SiO2 und/oder
SiOC umfassenden Masken abgedeckten SiC-Schichten. Die Vorteile
dieses Vorgehens wurden bereits vorstehend beschrieben.
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Noch
ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine strukturierte
SiC-Schicht, welche durch ein erfindungsgemäßes
Verfahren erhalten wurde.
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Noch
ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mikrostrukturiertes
elektromechanisches Bauteil oder mikroelektronisches Bauteil, umfassend
eine durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erhaltene
strukturierte Siliziumcarbid-Schicht. Beispiele hierfür
sind mikroelektromechanische Systeme (MEMS), welche als Sensoren
eingesetzt werden können. Dieses können MEMS-Inertialsensoren, MEMS-Sensoren
für Druck, Beschleunigung oder Drehrate sein. Mikroelektronische
Bauteile können beispielsweise Feldeffekt-Transistoren
sein wie MOSFET, MISFET oder ChemFET, bei denen die Siliziumcarbidschicht
in einer Deckschicht enthalten ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der nachfolgenden
Zeichnungen weiter erläutert. Hierbei zeigen:
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1a–1e die
Strukturierung einer mit SiO2 maskierten
SiC-Schicht
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2a–2g die
Strukturierung einer SiC-Schicht, welche mit einer auf dem SiC gewachsenen
thermischen Oxidschicht maskiert wurde
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1a zeigt
die Ausgangssituation für ein erfindungsgemäßes
Verfahren. Auf einem Wafer 1 mit nicht näher detailliertem
Schichtunterbau ist zunächst eine Si3N4-Schicht 2 angeordnet. Auf dieser Nitridschicht
befindet sich eine zu strukturierende SiC-Schicht 3.
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1b zeigt
die Situation, nachdem auf der SiC-Schicht mittels PECVD-Verfahren
eine SiO2-Schicht 4 abgeschieden
wurde. Anschließend wurden die zu erzeugenden Strukturen auf
der Oxidschicht 4 mittels eines nicht abgebildeten Photolithographieschrittes
abgebildet. Die Maskierschicht und das PECVD-Oxid wurden mittels üblicher
Oxidstrukturierungsmethoden strukturiert. So wurden Zugänge 5 für
die Strukturierung der SiC-Schicht 3 geschaffen.
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1c zeigt
den Ätzangriff von ClF3 auf die SiC-Schicht 3,
Die Ätzrate und die Isotropie oder Anisotropie können
durch die Wahl der Verfahrensparameter entsprechend eingestellt
werden. Hier ist dargestellt, wie die herausgeätzten Bereiche 6 die
Maskierschicht 4 unterwandern.
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In 1d ist
die Ätzung der SiC-Schicht 3 abgeschlossen. 1e schließlich
zeigt die fertig strukturierte SiC-Schicht nach dem Entfernen des Maskieroxids.
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2a zeigt
die Ausgangssituation für ein weiteres erfindungsgemäßes
Verfahren. Auch hier ist zunächst auf einem Wafer 1 mit
nicht näher definiertem Schichtaufbau eine Si3N4-Schicht 2 angeordnet. Auf dieser
Nitridschicht befindet sich eine zu strukturierende SiC-Schicht 3.
Durch thermische Oxidierung wurde auf der SiC-Schicht 3 eine
SiOC umfassende Schicht 7 erzeugt. Diese Oxidschicht 7 dient
als Maske für die spätere Strukturierung der SiC-Schicht 3.
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2b zeigt,
wie ein Fotolack 8 aufgetragen wurde und danach die abzubildenden
Strukturen mittels eines Photolithographieschrittes hierin erzeugt wurden.
So wurden Zugänge 9 für die Öffnung
der thermisch erzeugten Oxidschicht 7 erzeugt.
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2c zeigt
die Situation, nachdem über die Zugänge 9 die
thermische Oxidschicht 7 durch Oxidstrukturierungsverfahren
an den zugänglichen Stellen geöffnet wurde und
so Zugänge 10 für die Strukturierung
der SiC-Schicht 3 erhalten wurden. Insgesamt wurden also
die Strukturen des Fotolacks in die Oxidschicht 7 übertragen.
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In 2d wurde
nun der Fotolack entfernt. Falls erforderlich, kann an dieser Stelle
auch ein Waferreinigungsprozess durchgeführt werden.
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2e zeigt
den Ätzangriff von ClF3 auf die SiC-Schicht 3.
Die Ätzrate und die Isotropie oder Anisotropie können
durch die Wahl der Verfahrensparameter entsprechend eingestellt
werden. Hier ist dargestellt, wie die herausgeätzten Bereiche 11 die Oxidmaske 7 unterwandern.
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In 2f ist
die Ätzung der SiC-Schicht 3 abgeschlossen. 2g schließlich
zeigt die fertig strukturierte SiC-Schicht nach dem Entfernen der
Oxidmaske 7.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0102589
A1 [0004]