DE102022111943B3

DE102022111943B3 - Verfahren und Trägersubstrat zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes

Info

Publication number: DE102022111943B3
Application number: DE102022111943.2A
Authority: DE
Inventors: Meik PANITZ; Sabine Zybell; Daniel Grimm; Martin TILKE; Lutz Raupach
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2022-05-12
Filing date: 2022-05-12
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2042-05-13
Also published as: KR20250008876A; WO2023217781A1; JP2025517668A; EP4522555A1; US20250308911A1; CN119173470A

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren (600) zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes (100) mit wenigstens einem freiliegenden Membranabschnitt, wobei das Verfahren (600) die folgenden Schritte aufweist:- Bereitstellen (610) eines Halbleitermaterials (102), das ein mit einer Passivierungsschicht (108) versehenen Trägersubstrat (104) aufweist, wobei auf der Passivierungsschicht (108) eine Membranlage (110) angeordnet ist, die ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das durch Wasser in seiner Struktur und/oder Zusammensetzung veränderbar, insbesondere hydrolysierbar ist, wobei die Membranlage (110) auf einer der Passivierungsschicht (108) gegenüberliegende Seite durch eine Schutzschicht (114) abgedeckt ist;- Entfernen (620) eines Teils des Trägersubstrats (104) unter Verwendung eines nasschemischen Verfahrens, um einen freiliegenden Bereich der Passivierungsschicht (108) in einem strukturierten Bereich (130) des Halbleitermaterials (102) zu erhalten; und- Freilegen (630) eines Abschnitts der Membranlage (110) in dem strukturierten Bereich (130) mittels eines ersten Trockenätzschritts zum Ätzen der Passivierungsschicht und eines zweiten Trockenätzschritts zum Ätzen der Schutzschicht, um den freiliegenden Membranabschnitt (140) zu erhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterbauelement gemäß den Hauptansprüchen.
Aus DE 10 2011 005 249 A1 sind eine Vorrichtung zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt. Dabei wird die Herstellung einer gewölbten piezoelektrischen Membran beschrieben.
Aus JP 2013-160706A ist ein Flussdetektor auf einem Halbleitersubstrat mit einem freigestellten Sensorbereich bekannt.
Für moderne Halbleiterbauelemente wird oftmals eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Materialeigenschaften vorausgesetzt, sodass beispielsweise bei optischen Halbleiterbauelementen eine gute Lenkung eines Lichtstrahls realisiert werden kann. Unter einem Halbleiterbauelement kann man im Sinne dieser Erfindung ein Bauelement verstehen, welches auf einem Halbleitersubstrat als Trägersubstrat, beispielsweise einem Halbleiterwafer, beispielsweise einem Siliziumwafer hergestellt wird. Dabei kann es sich um ein mechanisches und/oder optisches Bauelement handeln, bei dem möglicherweise die Halbleitereigenschaften des Substrats irrelevant für die Funktion sein können. Es kann sich um ein mechanisches Bauelement, ein optisches Bauelement, ein Bauelement für den NIR Bereich, den sichtbaren Bereich, den UV-Bereich, den EUV Bereich oder den Röntgenbereich elektromagnetischer Wellen handeln. Solche Halbleiterbauelemente können unter Verwendung typischer Techniken der Halbleiterindustrie hergestellt werden. Problematisch ist dabei jedoch, dass teilweise einige vorteilhafte Materialeigenschaften zu Materialtypen gehören, die sich nur schwer bearbeiten lassen. Beispielsweise kann ein Material eine gute, wünschenswerte Materialeigenschaft wie eine bestimmte Brechzahl aufweisen, die besonders günstig an eine Grenzfläche mit dem anderen Material wie beispielsweise Luft zusammenwirken kann und hierdurch eine besonders gute Ablenkung oder Formung einer elektromagnetischen Strahlung ermöglichen. Zugleich kann genau dieses Material aber beispielsweise auch wasserlöslich bzw. hydrolysierbar sein, sodass einige in herkömmlichen Halbleiter-Herstellungsverfahren wendeten Prozessschritte nicht eingesetzt werden können, um ein derartiges Material zu bearbeiten.
Ausgehend von dieser Problemstellung wird nun eine Möglichkeit vorgestellt, die eine verbesserte Bearbeitung und somit die Herstellung eines Halbleiterbauelement mit verbesserten Eigenschaften ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Es wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit wenigstens einem freiliegenden Membranabschnitt vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Bereitstellen eines Halbleitermaterials, das ein mit einer Passivierungsschicht versehenen Trägersubstrat aufweist, wobei auf der Passivierungsschicht eine Membranlage angeordnet ist, die ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das durch Wasser in seiner Struktur und/oder Zusammensetzung veränderbar, insbesondere hydrolysierbar ist, wobei die Membranlage auf einer der Passivierungsschicht gegenüberliegende Seite durch eine Schutzschicht abgedeckt ist;
- Entfernen eines Teils des Trägersubstrats unter Verwendung eines nasschemischen Verfahrens, um einen freiliegenden Bereich der Passivierungsschicht in einem strukturierten Bereich des Halbleitermaterials zu erhalten; und
- Freilegen eines Abschnitts der Membranlage in dem strukturierten Bereich mittels eines ersten Trockenätzschritts zum Ätzen der Passivierungsschicht und eines zweiten Trockenätzschritts zum Ätzen der Schutzschicht, um den freiliegenden Membranabschnitt (140) zu erhalten.

Unter einem Trägersubstrat kann beispielsweise ein herkömmliches Substrat, beispielsweise aus Silizium, verstanden werden. Dieses Trägersubstrat kann mit einer Passivierungsschicht versehen sein, die beispielsweise ein Siliziumnitrid umfasst oder aus einem solchen Material besteht. Unter einer Membranlage kann eine Schicht verstanden werden, die eine besonders vorteilhafte Eigenschaft, beispielsweise hinsichtlich ihres optischen Verhaltens, aufweist, die jedoch ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das durch Wasser in seiner Struktur und/oder Zusammensetzung veränderbar, insbesondere hydrolysierbar ist. Beispielsweise kann eine mechanische Struktur dieses Materials degradieren, wenn das Material mit Wasser in Kontakt kommt oder eine Schicht aus diesem Material zerbricht oder reißt ein. Unter einem Hydrolysieren kann ein Einlagern zwischen Wassermoleküle verstanden werden, wobei bei einer Verdampfung oder Verdunstung des Wassers dann wieder dieses Material ausfallen oder kristallisieren kann. Beim Hydrolysieren kann aber auch das Material durch Kontakt mit Wasser chemisch zersetzt werden. Aluminiumnitrid kann beispielsweise unter Ammoniakbildung hydrolysiert werden. Unter einer Schutzschicht kann vorliegend eine Abdeckung der Membranlage verstanden werden. Hierbei kann die Schutzschicht und die Passivierungsschicht, die günstige Weise aus einem nicht-wasserlöslichen oder nicht von Wasser in seiner Struktur und/oder Zusammensetzung veränderbaren Material bestehen oder dieses Material enthalten, sicherstellen, dass die Membranlage von einer Umgebung des Halbleiterbauelements (bis auf beispielsweise seitliche Kanten des Wafers) fluiddicht versiegelt ist. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Membranlage bei der Prozessierung oder Strukturierung von Bereichen des Trägersubstrats bzw. des Halbleiterbauelements nicht beschädigt wird und somit das herzustellende Halbleiterbauelement zerstört würde. Unter einem nasschemischen Verfahren kann ein Prozessschritt oder können mehrere Prozessschritte eines Nassätzverfahrens oder eines Nassreinigungsverfahrens verstanden werden, bei welchem ein flüssiges Ätz- und/oder Reinigungsmittel verwendet wird, um Strukturen in das Halbleitermaterial einzubringen oder eine Oberfläche des Halbleitermaterials zu reinigen. Unter einem Trockenätzverfahren kann ein Prozessschritt verstanden werden, bei welchem unter Verwendung eines physikalischen bzw. mechanischen Abtragsverfahrens oder unter Verwendung eines gasförmigen Ätzmittels das Halbleitermaterial strukturiert wird. Ferner können, müssen aber nicht, der erste und zweite Trockenätzschritt mit einem identischen Trockenätzverfahren ausgeführt sein und/oder in einem Prozessschritt durchgeführt werden. Ebenfalls vorteilhaft sind zwei nacheinander ausgeführte Trockenätzschritte jeweils von einer Seite des Halbleiterbauelements. Auch kann die Reihenfolge des Schritts des Bereitstellens, des Entfernens und des Freilegens vorteilhaft in der angegebenen Abfolge erfolgen, wobei der erste und zweite Trockenätzschritt als Teilschritte des Schritts des Freilegens ausgeführt sein und auch in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden können.
Der hier vorgeschlagene Ansatz bietet den Vorteil, durch die Verwendung der unterschiedlichen Ätz- oder Reinigungsverfahren in unterschiedlichen Prozessierungsstadien sicherzustellen, dass die Membrananlage, die aus einem für ein in einem der Prozessschritte verwendeten Ätz- oder Reinigungsmaterials empfindlich ist, möglichst unbeschädigt bleibt. Auf diese Weise kann nun für die Membranlage auch ein Material verwendet werden, welches für die Funktion des herzustellenden Halbleiterbauelements sehr günstig ist. Der hier vorgeschlagene ermöglicht somit eine deutliche Flexibilisierung bei der Verwendung von unterschiedlichen Materialien, die für eine gewünschte Zielanwendung des Halbleiterbauelement sehr vorteilhafte Eigenschaften aufweisen.
Erfindungsgemäß ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Bereitstellens ein Halbleitermaterial bereitgestellt wird, bei dem die Schutzschicht mit einer Abdecklage einen Schichtstapel als Schutzlage bildet, wobei sich ein Material der Schutzschicht von einem Material der Abdecklage unterschiedet, insbesondere wobei das Material der Abdecklage ein reflektierendes Material und/oder ein Metall aufweist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch die unterschiedlichen Materialien der Schichten der Schutzlage sehr flexibel eine Strukturierung dieser Schutzlage vornehmen zu können, sodass auch in einem späteren Prozessschritt eine flexible Ausgestaltung der freiliegenden Membranlage erreicht werden kann. Durch die Verwendung eines reflektierenden Materials für die Abdecklage können beispielsweise auch gewünschte optische Eigenschaften des fertig gestellten Halbleiterbauelements realisiert werden. Auch umfasst das Verfahren außerdem einen vor dem zweiten Trockenätzschritt, insbesondere vor dem Schritt Entfernens eines Teils des Trägersubstrats, auszuführenden Schritt des Strukturierens der Schutzlage, bei welchem die Schutzschicht, wenigstens stellenweise durch Entfernen der Abdecklage, insbesondere unter Verwendung einer Hilfsmaske mittels eines der Ätzverfahren (beispielsweise eines beim ersten oder zweiten Trockenätzschritt verwendeten Trockenätzverfahrens) oder eines weiteren Ätzverfahrens (beispielsweise des weiteren oder eines anderen Trockenätzverfahrens) freigelegt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes kann im Schritt des Strukturierens ein Abschnitt des Trägersubstrats im strukturierten Bereich entfernet werden. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet die Möglichkeit, mit bekannten effizienten Bearbeitungsschritten das Halbleitermaterial oder das Halbleiterbauelement derart vorzubereiten, dass in dem nachfolgenden Schritt des Freilegens ausschließlich das Trockenätzverfahren eingesetzt werden kann. Auf diese Weise kann durch die vorausgehende Bearbeitung des Halbleitermaterials verhindert werden, dass eine möglicherweise dann bereits frei liegende Oberfläche der Membranlage durch ein für das Material der Membranlage zu aggressives Ätz- oder Reinigungsmittel beschädigt wird.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der der Schritt des Strukturierens derart ausgeführt wird, dass die Membranlage durch die Passivierungsschicht und zumindest einen Teil der Schutzschicht gegen ein Ätz- oder Reinigungsmittel des nasschemischen Verfahrens versiegelt ist. Eine derartige Ausführungsform bietet den Vorteil, die Membranlage sicher gegen das Ätzmittel des nasschemischen Verfahrens zu schützen und hierdurch die Beschädigung der Membranlage zu verhindern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes kann im Schritt des Freilegens die Passivierungsschicht und zumindest ein Teil der Schutzschicht mittels des Trockenätzverfahrens entfernt werden. Eine derartige Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil, dass bei einem erstmaligen Freilegen der Membranlage bereits das Trockenätzverfahren angewendet wird und hierdurch die Membranlage möglichst gut geschützt bzw. effizient strukturiert werden kann.
Besonders filigran und für einen Einsatzzweck effizient ausgestaltete Halbleiterbauelemente können dann hergestellt werden, wenn die Membranlage selbst auch nicht nur freigelegt, sondern strukturiert wird. Hierzu können beispielsweise Durchgangslöcher in die Membranlage eingebracht werden, beispielsweise um eine Realisierung eines Abschwächers elektromagnetischer Strahlung oder einer optischen Struktur, beispielsweise einer Blendenstruktur, in der Membranlage im freiliegenden Membranabschnitt zu ermöglichen. Eine solche Blendenstruktur kann Durchgangslöcher aufweisen, die einen größeren Durchmesser als eine Designlichtwellenlänge des Bauelements haben, um herkömmliche Blenden zu bilden. Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform kann daher im Schritt des Freilegens die Membranlage zumindest teilweise entfernt werden, um einen perforierten freiliegenden Membranabschnitt zu erhalten, insbesondere wobei ein strukturierter Bereich der Schutzschicht und / oder eine auf die Schutzschicht und/oder auf die Abdecklage aufgetragene Lackmaske als eine Ätzmaske verwendet werden kann. Eine solche Perforation kann Perforationslöcher aufweisen, die einen größeren Durchmesser als eine Designlichtwellenlänge des Bauelements haben, um herkömmliche Blenden zu bilden. Es können auch Perforationslöcher vorgesehen sein, die einen kleineren Durchmesser als eine Designlichtwellenlänge des Bauelements haben, um damit evaneszente Lichtwellen herzustellen oder um als Kurzpassfilter zu wirken. Der perforierte Membranabschnitt kann ein Beugungsgitter darstellen. Es sei darauf hingewiesen, dass als Licht im Sinne dieser Erfindung auch EUV Strahlung (englisch XUV), UV Strahlung, sichtbares Licht und infrarotes Licht verstanden werden kann. Die optische Funktion des Bauelements (Designlichtwellenlänge) kann in jedem der genannten Wellenlängenbereiche vorgesehen sein.
Ferner kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes im Schritt des Strukturierens und des Freilegens in einem zum strukturierten Bereich lateral benachbarten Durchlassbereich die Membranlage, das Trägersubstrat, die Schutzschicht, eine Maskierungsschicht und die Passivierungsschicht derart entfernt werden, dass eine Öffnung ausgebildet wird, in welche kein Abschnitt der Membranlage hineinragt. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil, dass mit dem hier vorgestellten Verfahren auch andere Bereiche des Halbleitermaterials strukturiert werden können, in welchen keine freiliegenden Abschnitte der Membranlage erforderlich sind. Auf diese Weise kann die Strukturierung des Halbleitermaterials oder des Halbleiterbauelementes kompakt mit wenigen Arbeitsschritten vorgenommen werden, wodurch sich Herstellungskosten und eine Herstellungszeit reduzieren lassen.
Besonders günstig ist ferner eine Ausführungsform, bei der im Schritt des Strukturierens ein Haltematerial auf einen im Durchlassbereich freiliegenden Abschnitt der Passivierungsschicht aufgebracht wird, wobei im Schritt des Freilegens nach einem Entfernen des Trägersubstrats und der Passivierungsschicht im Durchlassbereich das Haltematerial entfernt wird, um die Öffnung auszubilden. Unter einem Haltematerial kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial, beispielsweise ein Fotolack, verstanden werden, der auch zum Einbringen von Strukturen in unterschiedliche Schichten des Halbleitermaterials verwendet werden kann. Auch kann das Haltematerial zusammen mit einem weiteren Material auf eine Oberfläche des Halbleitermaterials bzw. des Halbleiterbauelementes aufgebracht werden. Durch die Verwendung eines solchen Halbleitermaterials, welches beispielsweise direkt auf die Passivierungsschicht aufgebracht wird, kann verhindert werden, dass Flocken oder Bruchstücke einer zu entfernenden Schicht unkontrolliert in den Bearbeitungsraum fallen und Fehler in einem nachfolgenden Schritt verursachen. Vielmehr können derartige Bruchstücke, die durch eine kontinuierliche Reduzierung der Dicke der zu entfernenden Schicht entstehen können, durch das Haltematerial abgestützt oder stoffschlüssig gehalten werden, sodass eine restlose Entfernung oder Auflösung dieser Bruchstücke möglich wird. Dabei kann das Haltematerial vorteilhaft im Bereich des vorgesehenen Durchlassbereichs auf die substratabgewandte Seite der Passivierungsschicht aufgebracht sein.
Sehr flexibel eingesetzt werden kann auch eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Freilegens die Öffnung derart ausgebildet wird, dass sie einen größeren Durchmesser als eine Öffnung in dem freiliegenden Bereich Membranlage aufweist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, unterschiedliche dimensionierte Strukturen mit einem einheitlichen Verfahren oder Prozess in das Halbleitermaterial einbringen zu können, sodass die Realisierung von gewünschten Funktionen in einem Halbleiterelement effizient umgesetzt werden kann.
Ein Halbleiterbauelement mit besonders günstigen Eigenschaften kann speziell dadurch realisiert werden, wenn im Schritt des Bereitstellens ein Halbleitermaterial bereitgestellt wird, bei dem die Passivierungsschicht und/oder eine Maskierungsschicht zumindest teilweise ein Siliziumnitrid aufweist, und/oder bei dem die Membranlage zumindest teilweise ein Aluminiumnitrid, ein Germaniumoxid und /oder ein Aluminiumoxid aufweist, und/oder wobei die Abdecklage ein Metall, insbesondere Chrom umfasst und/oder die Schutzschicht ein Silizium und/oder Siliziumnitrid umfasst. Auf diese Weise lassen sich speziell für optische Anwendungen sehr vorteilhaft ausgestaltete Halbleiterbauelemente realisieren.
Besonders vorteilhaft kann für die Realisierung der unterschiedlichen Schritte des hier vorgeschlagenen Ansatzes eine Ausführungsform verwendet werden, bei der im Schritt des Strukturierens als nasschemisches Verfahren ein Nassätzverfahren unter Verwendung von Kaliumhydroxid oder Tetramethylammoniumhydroxid als Ätzmittel durchgeführt wird und/oder ein nasschemisches Reinigungsverfahren und/oder wobei im Schritt des Freilegens ein Trockenätzverfahren unter Verwendung eines physikalischen Trockenätzverfahrens, eines chemischen Trockenätzverfahrens und/oder eines physikalisch-chemischen Trockenätzverfahrens durchgeführt wird.
Vorteilhaft kann die Dicke der Membranlage zwischen 5nm und 1000nm betragen, besonders vorteilhaft zwischen 10nm und 500nm und ganz besonders vorteilhaft zwischen 50nm und 200nm. Vorteilhaft kann die laterale Ausdehneng des freiliegenden Bereichs der Membran zwischen 50µm und 5000µm besonders vorteilhaft zwischen 100µm und 500µm, betragen. Die Membranen können perforiert sein, beispielsweise mit einem Lochraster, dessen laterale Lochabstände zwischen 50nm und 5000nm, vorteilhaft 100nm bis 1000nm betragen. Die Membranen können beispielsweise zum Absorbieren und/oder Beugen elektromagnetischer Strahlen verwendet werden.
Günstig ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, wenn der strukturierte Bereich des Halbleitermaterials Ränder aufweist, deren Normale einen Winkel von weniger als 60°, insbesondere 54,7°, zu einer Oberflächennormale des Trägersubstrats aufweist, insbesondere wobei das Halbleitermaterial einkristallin ist und die Ränder durch ätzresistente Kristallebenen gebildet wird. Beispielsweise kann ein Siliziumwafer mit {100} Oberfläche verwendet werden. Wenn die Ränder durch {111} und äquivalente Kristallflächen gebildet werden, kann der Winkel 54,74° betragen.
Diese Varianten von Verfahren können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise als Steuerbefehle in einem Steuergerät oder einer Vorrichtung implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1A bis 1I mehrere Teildarstellungen, die je einen Querschnitt eines gemäß eines Ausführungsbeispiels herzustellenden Halbleiterbauelementes in unterschiedlichen Prozessschritten darstellen; ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 mehrere Teildarstellungen, die je einen Querschnitt eines gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels herzustellenden Halbleiterbauelementes in unterschiedlichen Prozessschritten darstellen;
3 einen schematischen Querschnitt des verwendeten Schichtstapels als Ausgangsmaterial für das Halbleiterbauelement;
4 einen Querschnitt eines strukturierten Wafers als Ausgangsmaterial eines Halbleitermaterials für das Halbleiterbauelement;
5 eine Darstellung einer REM-Aufnahme einer strukturierten AIN-Membran, die mit dem vorgeschlagenen Prozessablauf hergestellt wurde;
6 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes; und
7 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt in mehreren Teildarstellungen, die als 1A bis 11 wiedergegeben sind, je einen Querschnitt eines gemäß eines Ausführungsbeispiels herzustellenden Halbleiterbauelementes 100 nach unterschiedlichen Prozessschritten.
In der 1A ist zunächst ein Halbleitermaterial 102 in der Form eines Stapels von mehreren Lagen dargestellt. Dabei umfasst das Halbleitermaterial 102 ein Trägersubstrat 104, welches beispielsweise aus Silizium hergestellt ist oder dieses Material umfasst. Das Halbleitersubstrat 104 umfasst ferner eine untere Maskierungsschicht 106 sowie eine Passivierungsschicht 108, die beispielsweise je ein Siliziumnitrid (Si₃N₄) aufweist oder dieses Material umfasst. Die Maskierungsschicht 106 und die Passivierungsschicht 108 können beispielsweise in einem gleichen Herstellungsschritt auf dem Trägersubstrat 104 ausgebildet werden. Auf der Passivierungsschicht 108 ist die Membranlage 110 angeordnet, die beispielsweise ein wasserlösliches Material umfasst oder aus einem solchen Material besteht. Alternativ oder zusätzlich kann die Membranlage 110 oder aus einem Material bestehen, das durch Wasser in seiner Struktur und/oder Zusammensetzung veränderbar, insbesondere hydrolysierbar ist. Auf der Membranlage 110 ist eine Schutzlage 112 angeordnet, die beispielsweise eine Schutzschicht 114 sowie eine auf der Schutzschicht 114 angeordneten Abdecklage 116 umfasst. Diese Schutzschicht 114 kann hierbei ein Silizium-basiertes Halbleitermaterial aufweisen und als Ätzstoppschicht ausgebildet sein. Die Abdecklage 116 kann beispielsweise ein reflektierendes Material und/oder Metall, beispielsweise Chrom, umfassen oder aus einem solchen Material bestehen.
In einem ersten Bearbeitungsschritt erfolgt um beispielsweise ein Strukturieren der Abdecklage 116, beispielsweise des reflektierenden Materials, wofür beispielsweise ein Fotolack verwendet werden kann, der entsprechend einer einzubringenden Struktur in die Abdecklage 116 belichtet wird. Für das Strukturieren der Abdecklage 116 kann ein Nassätzverfahren als auch alternativ oder zusätzlich ein Trockenätzverfahren verwendet werden.
1B zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Halbleiterbauelement 100 in einem Zustand nach Ausführung der vorstehend genannten Verfahrensschritte.
Hieran anschließend erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Strukturieren der Maskierungsschicht 106, beispielsweise ebenfalls wieder unter Verwendung eines zu belichtenden Fotolacks und/oder unter Verwendung eines Nassätzverfahrens oder alternativ eines Trockenätzverfahrens.
1C zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Halbleiterbauelement 100 in einem Zustand nach Ausführung dieses Verfahrensschritts.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolge ein Strukturieren unter Verwendung eines Fotolacks als Ätzmaske 120, um unterschiedliche Gittertypen in dem Halbleiterbauelement 100 zu realisieren. Hierdurch kann ein Substratgittertyp 122 und andererseits in einem weiteren Bereich ein Membrangitter 124 strukturiert werden.
1D zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Halbleiterbauelement 100 im Zustand nach Ausführung dieses Verfahrensschrittes.
Gemäß dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel für die Herstellung des Halbleiterbauelementes 100 erfolgt nun in einem weiteren Verfahrensschritt ein Ätzen durch das Trägersubstrat 104 unter Verwendung eines Nassätzverfahrens. Dabei können durch die Verwendung des Nassätzverfahrens durch die Öffnungen der Maskierungsschicht 106 in dem Trägersubstrat schräg abfallende Flanken statt Gräben ausgebildet werden, wie dies durch die Verwendung des Nassätzverfahrens bei entsprechender Ausrichtung der Kristallstruktur des Trägersubstrats 104 ermöglicht wird. Die Ausbildung von derartigen Flanken ist für optische Anwendungen sehr vorteilhaft, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Das Ätzen erfolgt dann bis zur rückseitigen Freilegung der Passivierungsschicht 108, die als Stoppschicht für das Nassätzverfahren dient. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die wasserlösliche bzw. wasserempfindliche Membranlage 110 durch das Nassätzverfahren angegriffen und somit beschädigt oder zerstört wird.
1E zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Halbleiterbauelement 100 im Zustand nach Ausführung dieses Verfahrensschrittes. Zugleich ist dieser Zustand des Halbleiterbauelementes 100 der finale Zustand in diesem Ausführungsbeispiel der Herstellung, der durch einen Schritt des Nassätzverfahrens bearbeitet werden kann. Die nachfolgenden Schritte erfolgen unter Verwendung des Trockenätzverfahrens, um die Beschädigung oder Zerstörung der Membranlage 110, die aus dem wasserlöslichen Material besteht oder dieses Material umfasst, zu vermeiden.
In einem nachfolgenden Schritt kann ein Entfernen von Opferschichten erfolgen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel der freigelegte Teil der Passivierungsschicht 108 von der Rückseite des Trägersubstrats 104 sein als auch die nicht durch den Fotolack als Ätzmaske 120 und/oder die Abdecklage 116 abgedeckten Teil der Schutzschicht 114. Für dieses Entfernen wird ein Trockenätzverfahren verwendet, da nun in einem strukturieren Bereich 130 und in einem Durchlassbereich 132 die Membranlage 110 freiliegt. Durch die Verwendung eines Prozessschrittes eines Nassätzverfahrens würde in diesem Zustand auch die Membranlage 110 angegriffen und beschädigt, sodass gemäß dem hier vorgestellten Ansatz gerade ab diesem Verfahrensstadium nur noch ein Trockenätzverfahren zur Prozessierung des Halbleiterbauelements 100 eingesetzt werden darf.
1F zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Halbleiterbauelement 100 im Zustand nach Ausführung dieses Verfahrensschrittes.
Hieran anschließend kann in einem weiteren Verfahrensschritt beispielsweise das Entfernen der Membranlage 110 im Durchlassbereich 132 erfolgen, sodass hier eine breite Öffnung 136 durch das Halbleiterbauelement 100 geschaffen wird. Ferner kann auch im strukturierten Bereich 130 die durch die strukturierte Schutzlage 112, speziell die strukturierte Schutzschicht 114 und die strukturierte Abdecklage 116 freiliegende Membranlage 110 entfernt werden, was sich beispielsweise durch ein von oben wirkendes Trockenätzverfahren realisieren lässt. Auf diese Weise kann die das wasserlösliche oder wasser-empfindliche Material umfassende Membranlage 110 wie gewünscht strukturiert werden. Zugleich können auch sehr feine Strukturen wie beispielsweise Löcher 138 im strukturierten Bereich 130 in der Membranlage 110 realisiert werden, die beispielsweise ermöglicht, die nachfolgend herzustellende freiliegende Membranlage 110 als bewegliches Element auszubilden.
1G zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Halbleiterbauelement 100 im Zustand nach Ausführung dieses Verfahrensschrittes.
Weiter erfolgt in einem nachfolgenden Schritt ein (Trocken-) Ätzen oder Entfernen des nicht von der Ätzmaske 120 abgedeckten Bereichs der Schutzlage 112, d. h., des nicht abgedeckten Teils der Schutzschicht 114 und der Abdecklage 116, wodurch ein freiliegender Membranabschnitt 140 der Membranlage 110 geschaffen wird, der beispielsweise auch feine Strukturen wie Durchgangslöcher 138 aufweist. Diese Durchgangslöcher 138 können dabei auch in ihrem Durchmesser deutlich kleiner sein, als die Öffnung 236 im Durchgangsbereich 132.
1H zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Halbleiterbauelement 100 im Zustand nach Ausführung dieses Verfahrensschrittes.
Schließlich erfolgt in einem nachfolgenden Schritt noch ein Entfernen oder (Trocken-) Ätzen der Ätzmaske 120 und gegebenenfalls ein Trennen der einzelnen Teile des Halbleiterbauelementes 100.
11 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Halbleiterbauelement 100 im Zustand nach Ausführung dieses Verfahrensschrittes.
Die Teilfiguren der 1 zeigen somit ein Schema des Ausführungsbeispiels eines Prozessablaufs zur Herstellung freistehender, nässeempfindlicher, strukturierter Membranen unter Verwendung von Opferschutzschichten und Standard-CMOS-Prozessschritten. Während aller kritischen Schritte, werden die empfindlichen Schichten wie die Membranlage 110 geschützt, wodurch die Verwendung der nassen und somit kostengünstig umzusetzende Prozessschritte ermöglicht wird.
Mit dem hier vorgestellten Ansatz kann somit die Herstellung von ultradünnen freistehenden und strukturierten Membranen als Membranlage 110 aus Schichtmaterial, das empfindlich in Nassverfahren ist, vorgenommen werden. Auf diese Weise kann die Herstellung von freistehenden, ultradünnen Membranen, die in der Regel viele nasschemische Prozessschritte von nasschemischen Verfahren erfordert, wie Lithographie und Waferreinigung dennoch effizient realisiert werden. Zur Herstellung der freistehenden Membranen wird der gesamte Wafer in der Regel entweder durch Trocken- oder Nassätzung durchgeätzt. Während die Trockenätz-Verfahren wie DRIE (deep reactive ion etching) annähernd vertikale Ätzprofile durch den Wafer ergeben, können Nassätzverfahren auch schräge Ätzprofile in der geätzten Rille ergeben. Für optische Anwendungen wird eine schräge V-förmige Seitenwand mit Nassätzung bevorzugt, um damit Licht mit hoher NA (numerischer Apertur) durch eine Membran ohne Abschattung an den Seitenwänden des Waferlochs zu übertragen. Allerdings ist die Verwendung von Nassätzverfahren jedoch schwierig oder unmöglich, wenn die Anwendung ein Membranmaterial erfordert, das gegenüber der Nasschemie empfindlich ist. Zum Beispiel können Materialien auf Aluminium- oder Germaniumbasis sogar wasserlöslich sein und sind daher für die meisten Nassverfahren nicht geeignet. In dem hier vorgestellten Ansatz wird dagegen ein Prozessablauf vorgestellt, der die Herstellung von nahezu jedem freistehenden Membranmaterial ermöglicht. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung von strukturierten Membranen beschrieben.
Die Herstellung von freistehenden Membranen ist eine weit verbreitete Technologie für z. B. MEMS-Produkte oder optische Sensoren. Normalerweise werden robuste Materialien wie SiN oder Metalle als Membranmaterial bzw. Material für die Membranlage 110 verwendet. Je nach Anwendung ist jedoch auch die Verwendung empfindlicherer Materialien erwünscht. Für GeO, AlN oder Al_xO_y sind beispielsweise gute Kandidaten für transmissive UV- und EUV-Anwendungen aufgrund der guten Anpassung des Brechungsindexes im Vergleich zum Vakuum. Allerdings sind diese Materialien sogar in Wasser löslich, so dass ein nasser Prozessschritt nicht direkt möglich ist. Hier wird nunmehr eine Methode vorgestellt, mit der freistehende Membranen hergestellt werden können, die aus nahezu jedem strukturierten und nässeempfindlichem Material und die auch eine schräge Seitenwand des geätzten Lochs durch den Wafer aufweisen. Sie besteht aus verschiedenen Opferschichten, die die empfindliche Schicht der Membranlage 110 vor der nassen Umgebung schützen. Mit diesem Ansatz ist es ist es möglich, die Membranen zu strukturieren und ein geeignetes reflektierendes Material für Sensorzwecke in dem VIS-Bereich. Für die Präzision der Strukturierung gibt es keine Einschränkungen außer der Auflösungsgrenze des des verwendeten Lithographie- und Ätzwerkzeugs. Hier zeigen wir eine minimale Strukturgröße < 200nm, die innerhalb der Auflösungsgrenze des Werkzeugs liegt.
Besonders vorteilhaft kann der hier vorgestellten Ansatz für die Herstellung von freistehenden ultradünnen Membranen aus einem Material verwendet werden, welches besondere Eignung für den UV- und EUV Bereich aufweist. Dieses Material, insbesondere AIN, ist wasserlöslich oder hydrolysierbar, insbesondere bei dünnen Schichten, und nicht robust in den üblicherweise eingesetzten Reinigungschemikalien. Der vorgeschlagene Prozessfluss umgeht diese Einschränkungen.
Auch erlaubt der vorgeschlagene Prozessfluss prinzipiell den Einsatz von jeglichem abscheid- und strukturierbaren Materialien als Membranlage, sodass eine hohe Flexibilität bei dem Entwurf von Halbleiterbauelementen eröffnet wird.
Der vorgeschlagene Prozess wird anhand der in den in den Teilfiguren der 1 dargestellten Bearbeitungsstadien des Halbleiterbauelementes beschrieben. Er umfasst verschiedene Standardprozessschritte wie beispielsweise Beschichtung, Lithographie, Reinigung, Nass- und Trockenätzung. Die Verwendung des vorgeschlagenen Prozessroute können mehr Nassreinigungsschritte durchgeführt werden, wodurch sich die Qualität der Oberflächenfehler insgesamt verbessert. Insbesondere ist es überhaupt möglich, den kritischen Schritt des Nassätzens zumindest teilweise für die Herstellung der Membran zu nutzen.
Ein wichtiger Aspekt des hier vorgestellten Vorschlags ist die Verwendung von Schutzschichten unterhalb (SiN) und oberhalb der nässeempfindlichen Schichten während aller Nassprozessschritte. Diese Schutzschichten werden schließlich weggeätzt. Der Schichtstapel ist so gewählt, dass einzelne Schichten selektiv geätzt werden können, ohne die anderen Maskierungs- und/oder Schutzschichten zu ätzen. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Ansatzes bzw. Schichtstapels besteht in der Möglichkeit, das optische Reflexionsvermögen durch die gewählten Materialien und/oder Schichtdicken einzustellen. Die Einführung der Schutzschicht bietet zum Beispiel die Möglichkeit die Einführung der Schutzschicht die Möglichkeit, das Reflexionsvermögen bei z. B. grünem Licht nahezu auf Null zu bringen oder ein maximales Reflexionsvermögen nur durch Änderung der Schichtdicke zu erreichen.
In dem vorgeschlagenen Prozessablauf ist der Schritt zwischen den in den 1F und 1G dargestellten Bearbeitungsstaden eine Herausforderung. Beim Ätzen durch die letzte freistehende Schicht um große Löcher wie im Bereich der Durchlassöffnung 136 zu öffnen, wird diese Schicht langsam ausgedünnt. Wenn die verbleibende Schicht zu dünn ist (-einige Nanometer), um intakt zu bleiben, bricht die Membran bzw. hier die Membranlage 110 vor Beendigung des Ätzvorgangs und rollt sich zu Flittern zusammen. Diese Fetzen, die aus dem nässeempfindlichen Material bestehen können, wirken in den folgenden Prozessen als unerwünschte Maskierungsschicht. Aus diesem Grundwurde ein weiter optimierter Prozessablauf entwickelt, um diese Flitter zu vermeiden, die durch die großen Öffnungen.
2 zeigt in mehreren Teildarstellungen, je einen Querschnitt eines gemäß eines Ausführungsbeispiels herzustellenden Halbleiterbauelementes 100 in unterschiedlichen Prozessschritten. Ausgehend von dem in der 1C dargestellten Bearbeitungszustand des Halbleiterbauelementes 100 wird nun in einem ersten, rechts dargestellten Zwischenschritt, zunächst eine Abschattungsmaske 200 verwendet, die in einem Trockenätzschritt zu einer Entfernung der Schutzschicht 114 im Durchgangsbereich 132 mittels eines Trockenätzverfahrens verwendet wird. Auf diese Weise liegt im Durchgangsbereich 132 die Membranlage 110 frei. In einem nachfolgenden Prozessschritt wird die freiliegenden Membranlage 110 mittels eines Nassätzverfahrens oder eines Trockenätzverfahrens entfernt. Hieran anschließend wird dann wieder an die Vorgehensweise gemäß der Darstellung in 1D angeknüpft, wobei nun jedoch die Ätzmaske 120 zusätzlich auch auf die nun freiliegende obere Passivierungsschicht 108 aufgebracht wird. In den nachfolgenden Schritten, speziell in einem dem Übergang von den Bearbeitungszuständen zwischen dem in den 1F und 1G abgebildeten Halbleiterbauelementen 100 wird somit sichergestellte, dass die obere Passivierungsschicht 108 (und auch nicht die bereits zuvor entfernte Membranlage 110 im Durchlassbereich 132) nun nicht in Flocken zerfallen kann, die dann als fehlerhafte optische Maskierung wirken können.
2 zeigt somit ein (teilweise) optimiertes Schema zur Vermeidung von Flittern, die aus nässeempfindlichen Schichten an großen Öffnungen bestehen. Zwei neue Prozessschritte sind enthalten, um die Schichten in den Bereichen der großen Membranöffnungen 136, d. h. dem Durchlassbereich 132, selektiv zu ätzen. Alle anderen Prozess Schritte sind gleich oder sehr ähnlich zum vorherigen Prozessablauf in 1.
Zwei zusätzliche Prozessschritte (in der 2 auf der rechten Seite dargestellt) dienen der selektiven Entfernung der nässeempfindlichen Schicht an den großen Öffnungen. Es können verschiedene Ätzverfahren verwendet werden. In dem Prozessschema verwenden wir beispielhaft eine Schattenmaske, um die Pufferschicht zu öffnen. Alle anderen Prozesse entsprechen beispielsweise im Wesentlichen dem zuvor in 1 beschriebenen Ablauf. Der einzige Unterschied besteht in der Verwendung einer leicht angepassten Fotomaske in dem Schritt, der zu dem Halbleiterbauelement gemäß der 1D führt, um die großen Öffnungen durch den Fotolack als Ätzmaske 120 geschlossen zu halten. Dieser verbesserte Prozessablauf ermöglicht es, den kritischen Schritt des Ätzens durch die freistehende nässeempfindliche Schicht durch Prozessschritte zu ersetzen, in denen das Ätzen gegen einen dicken (freistehenden) Photoresist erfolgt. Dadurch kann vermieden werden, dass Flitter oder Flocken beim Prozessieren auftreten, die beispielsweise aus gebrochenem ultradünnem und/oder nässeempfindlichem Material bestehen.
Als Beispiel für ein nassempfindliches Membranmaterial lässt sich die Machbarkeit dieses Prozessablaufs unter Verwendung von Aluminiumnitrid (AIN) aufzeigen. AIN kann sogar in Wasser löslich sein und/oder sich bei Wassereinwirkung unter Ammoniakbildung zersetzen, was eine große Herausforderung für nasse Prozessschritte darstellt. Um eine flache, freistehende AIN-Membran zu erhalten, wird die Schichtspannung auf eine Zugspannung von mehreren 100 MPa eingestellt. In diesem Beispiel haben wurde Silizium oder Siliziumnitrid als Schutzschicht verwendet. Als Maskierungs- und Reflexionsschicht bzw. als Abdecklage 116 wurde Chrom verwendet.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt des verwendeten Schichtstapels als Ausgangsmaterial 102 für das Halbleiterbauelement 100, in der ein beispielhafter Schichtstapel zur Herstellung von freistehenden wasserlöslichen AIN-Membranen spezifiziert ist. Die AIN-Schicht wird unter Zugspannung gesetzt. Die Maskierungsschicht 106 und die Passivierungsschicht 108 können beispielswiese las Ätzstopschicht ausgelegt sein und beispielsweise 100 nm dicke Si₃N₄-Schichten umfassen. Die Membranlage 110 kann ein AIN mit einer Dicke von beispielsweise 100 nm aufweisen. Die Schutzschicht 114 kann beispielsweise eine Dicke von 50 nm aufweisen und als SiN_X ausgeformt sein. Die Abdecklage 116 kann beispielswiese als eine Metalllage, beispielsweise aus Chrom, mit einer Dicke von beispielsweise 100 nm ausgeformt sein.
Durch den vorgeschlagenen Prozessablauf wird vermieden, dass das wasserlösliche AIN einem flüssigen Prozessschritt ausgesetzt wird. Die gewünschten V-Gräben durch die Wafer werden mit verdünntem KOH (Kaliumhydroxid) oder TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) geätzt. Als Endergebnis können verschiedene Arten von Markern hergestellt werden, d. h. Gitter, die in Chrom für reflektierende Sensorzwecke strukturiert sind, sowie Gitter, die in der freistehenden AIN-Membran für Transmissionszwecke strukturiert sind. Darüber hinaus können auch große Öffnungen, z. B. für Reinigungszwecke, vorgesehen werden.
4 zeigt einen Querschnitt eines strukturierten Wafers als Halbleiterbauelement 100, bestehend aus einer reflektierenden Cr-Markierung, großen Öffnungen, die Zugang zur Rückseite des Wafers ermöglichen, sowie transmissiven Markern an der freistehenden AIN-Membran.
Dabei sind die lateralen Abmessungen der Cr-Marker sowie der strukturierten Löcher der AIN-Membran lediglich durch die Auflösungsgrenze des lithographischen Werkzeugs in Kombination mit den Trockenätzwerkzeugen begrenzt. Es können Strukturen mit lateralen Abmessungen von ~ 100 nm realisiert werden. Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Verwendung von Al₂O₃ als Membranmaterial erzielt, das empfindlich auf viele Nassreinigungsmischungen reagiert. Ein typisches REM-Bild (Rasterelektronenmikroskop) einer strukturierten freistehenden AIN-Membran ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
5 zeigt eine Darstellung einer REM-Aufnahme einer strukturierten AIN-Membran 110, die mit dem vorgeschlagenen Prozessablauf hergestellt wurde. Die Kreise sind Löcher im Durchgangsbereich 132 in der AIN-Membran, die einen freien optischen Pfad durch die Membran 110 und den gesamten Wafer 104 ermöglichen.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit wenigstens einem freiliegenden Membranabschnitt, wobei das Verfahren einen Schritt 610 des Bereitstellens eines Halbleitermaterials, das ein mit einer Passivierungsschicht versehenen Trägersubstrat aufweist, wobei auf der Passivierungsschicht eine Membranlage angeordnet ist, die ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das durch Wasser in seiner Struktur und/oder Zusammensetzung veränderbar, insbesondere hydrolysierbar ist, wobei die Membranlage auf einer der Passivierungsschicht gegenüberliegende Seite durch eine Schutzschicht abgedeckt ist. Weiterhin umfasst das Verfahren 600 einen Schritt 620 des Entfernens eines Teils des Trägersubstrats unter Verwendung eines nasschemischen Verfahrens, um einen freiliegenden Bereich der Passivierungsschicht in einem strukturierten Bereich des Halbleitermaterials zu erhalten. Schließlich umfasst das Verfahren 600 einen Schritt 630 des Freilegens eines Abschnitts der Membranlage in dem strukturierten Bereich mittels eines ersten Trockenätzschritts zum Ätzen der Passivierungsschicht und eines zweiten Trockenätzschritts zum Ätzen der Schutzschicht, um den freiliegenden Membranabschnitt zu erhalten
7 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 700 zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes. Die Vorrichtung 700 umfasst eine Einheit 710 zum Bereitstellen eines Halbleitermaterials, das ein mit einer Passivierungsschicht versehenen Trägersubstrat aufweist, wobei auf der Passivierungsschicht eine Membranlage angeordnet ist, die ein wasserlösliches Material aufweist oder aus einem solchen wasserlösliches Material besteht, wobei die Membranlage auf einer der Passivierungsschicht gegenüberliegende Seite durch eine Schutzlage abgedeckt ist. Ferner umfasst die Vorrichtung 700 eine Einheit 720 zum Strukturieren der Schutzlage unter Verwendung eines Nassätzverfahrens, um einen strukturierten Bereich des Halbleitermaterials zu erhalten. Schließlich umfasst die Vorrichtung 700 eine Einheit 730 zum Freilegen eines Abschitts der Membranlage in dem strukturierten Bereich unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens, um einen freiliegenden Membranabschnitt zu erhalten.
Zusammenfassend ist anzumerken, dass vorliegend ein vorteilhafter Ansatz zur Herstellung von strukturierten, freistehenden Membranenvorgestellt wird. Ein Prozessfluss wird vorgestellt, der den Einsatz von Materialien ermöglicht, die nicht robust sind in den herkömmlich eingesetzten Chemikalien zur Reinigung und Ätzung, insbesondere Wasser. Die große Materialauswahl ermöglicht den Einsatz von Membranen, die einen niedrigen Brechungsindex aufweisen und somit eine geringe Dispersion. Es wird auch ein optimierter Prozessfluss vorgestellt, um auch große Öffnungen ohne die üblicherweise auftretenden Flitter beim Durchätzen der Membran zu ermöglichten
Sämtliche Ätzschritte können selektiv zu den jeweiligen Maskierungsschichten und Ätzstoppschichten möglich sein. Trotz des Einsatzes von Schutzschichten besteht die erhöhte Gefahr, dass kleine Defekte zu unerwünschten Unter- bzw. Anätzungen führt.
Nahezu jegliches abscheidbare und strukturierbare Material kann nun als alternative Membranschicht eingesetzt werden, was die Flexibilität des hier vorgestellten Ansatzes gegenüber herkömmlichen Prozessschritten erhöht.
Der erfindungsgemäße Prozessflusses kann ebenfalls vorteilhaft für typische MEMS-Membranen mit sensiblen Materialien erfolgen. Es wird weiterhin eine Ermöglichung von sensiblen Materialien als Membranschicht eröffnet, die mit dem herkömmlichen Verfahren nicht realisierbar sind.

Claims

Verfahren (600) zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes (100) mit wenigstens einem freiliegenden Membranabschnitt, wobei das Verfahren (600) die folgenden Schritte aufweist: - Bereitstellen (610) eines Halbleitermaterials (102), das ein mit einer Passivierungsschicht (108) versehenen Trägersubstrat (104) aufweist, wobei auf der Passivierungsschicht (108) eine Membranlage (110) angeordnet ist, die ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das durch Wasser in seiner Struktur und/oder Zusammensetzung veränderbar, insbesondere hydrolysierbar, ist, wobei die Membranlage (110) auf einer der Passivierungsschicht (108) gegenüberliegende Seite durch eine Schutzschicht (114) abgedeckt ist; - Entfernen (620) eines Teils des Trägersubstrats (104) unter Verwendung eines nasschemischen Verfahrens, um einen freiliegenden Bereich der Passivierungsschicht (108) in einem strukturierten Bereich (130) des Halbleitermaterials (102) zu erhalten; und - Freilegen (630) eines Abschnitts der Membranlage (110) in dem strukturierten Bereich (130) mittels eines ersten Trockenätzschritts zum Ätzen der Passivierungsschicht (108) und eines zweiten Trockenätzschritts zum Ätzen der Schutzschicht (114), um den freiliegenden Membranabschnitt (140) zu erhalten, wobei im Schritt des Bereitstellens (610) ein Halbleitermaterial (102) bereitgestellt wird, bei dem die Schutzschicht (114) mit einer Abdecklage (116) einen Schichtstapel als Schutzlage (112) bildet, wobei sich ein Material der Schutzschicht (114) von einem Material der Abdecklage (116) unterscheidet, insbesondere wobei das Material der Abdecklage (116) ein reflektierendes Material und/oder ein Metall aufweist, und das Verfahren (600) außerdem einen vor dem zweiten Trockenätzschritt, insbesondere vor dem Schritt (620) des Entfernens eines Teils des Trägersubstrats, auszuführenden Schritt des Strukturierens der Schutzlage (112) umfasst, bei welchem die Schutzschicht (114), wenigstens stellenweise durch Entfernen der Abdecklage (116), insbesondere unter Verwendung einer Hilfsmaske, mittels eines beim ersten oder zweiten Trockenätzverfahren verwendeten Ätzverfahrens oder eines weiteren Ätzverfahrens freigelegt wird.
Verfahren (600) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Strukturierens und des Freilegens (630) in einem zum strukturierten Bereich (130) lateral benachbarten Durchlassbereich (132) die Membranlage (110), das Trägersubstrat (104), die Schutzschicht (114) und die Passivierungsschicht (108) derart entfernt werden, dass eine durch das Halbleiterbauelement (100) hindurchgehende Öffnung (136) ausgebildet wird, insbesondere in welche kein Abschnitt der Membranlage (110) hineinragt.
Verfahren (600) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vermeiden von Verunreinigungen durch Ablösen von Materialresten der zu entfernenden Passivierungsschicht im Schritt des Strukturierens ein Haltematerial (210) auf einen im Durchlassbereich (132) freiliegenden Abschnitt der Passivierungsschicht (108) aufgebracht wird, wobei im Schritt des Freilegens (630) nach einem Entfernen des Trägersubstrats (104) und der Passivierungsschicht (108) im Durchlassbereich (132) das Haltematerial (210) entfernt wird, um die Öffnung (136) auszubilden.
Verfahren (600) gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei im Schritt des Freilegens (630) die Öffnung (136) derart ausgebildet wird, dass sie einen größeren Durchmesser als eine Öffnung (138) in dem freiliegenden Bereich (140) der Membranlage (110) aufweist.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Strukturierens als nasschemisches Verfahren ein Nassätzverfahren unter Verwendung von Kaliumhydroxid oder Tetramethylammoniumhydroxid als Ätzmittel durchgeführt wird und/oder wobei im Schritt des Freilegens (630) der erste und/oder zweite Trockenätzschritt unter Verwendung eines physikalischen Trockenätzverfahrens, eines chemischen Trockenätzverfahrens und/oder eines physikalisch-chemischen Trockenätzverfahrens durchgeführt wird.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Halbleiterbauelemente gleichzeitig auf dem Trägersubstrat hergestellt werden.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Freilegens (630) eines Abschnitts der Membranlage (110) wenigstens ein Reinigungsschritt mit einem wasserhaltigen Reinigungsmittel, insbesondere ein nasschemisches Reinigungsverfahren, vorgesehen ist.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Freilegens (630) die Membranlage (110) zumindest teilweise entfernt wird, um einen perforierten freiliegenden Membranabschnitt (140) zu erhalten, insbesondere wobei ein strukturierter Bereich (130) der Schutzschicht (114) und / oder eine auf die Schutzschicht (114) und/oder auf die Abdecklage (116) aufgetragene Lackmaske (120) als eine Ätzmaske verwendet wird.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bereitstellens (610) ein Halbleitermaterial (102) bereitgestellt wird, bei dem die Passivierungsschicht (108) zumindest teilweise ein Siliziumnitrid aufweist, und/oder bei dem die Membranlage (110) zumindest teilweise ein Aluminiumnitrid, ein Germaniumoxid und /oder ein Aluminiumoxid aufweist, und/oder wobei die Abdecklage (116) ein Metall, insbesondere Aluminium oder ein Übergangsmetall, insbesondere wenigstens eines der Übergangsmetalle Titan, Nickel, Chrom, Tantal, Wolfram, Platin, umfasst und/oder die Schutzschicht (114) Silizium und/oder Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid umfasst.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche wobei der strukturierte Bereich (130) des Halbleitermaterials (102) Ränder aufweist, deren Normale einen Winkel von weniger als 60°, insbesondere 54,7°, zu einer Oberflächennormale des Trägersubstrats aufweist, insbesondere wobei das Halbleitermaterial einkristallin ist und die Ränder durch ätzresistente Kristallebenen gebildet werden.
Vorrichtung (700), die eingerichtet ist, um die Schritte (610, 620, 630) des Verfahrens (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 10 in entsprechenden Einheiten (710, 720, 730) auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 10 auszuführen und/oder anzusteuern, wenn das Computerprogramm auf einer Rechnereinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 12 gespeichert ist.
Trägersubstrat (104) zur Herstellung wenigstens eines Halbleiterbauelementes (100) mit wenigstens einem freiliegenden Membranabschnitt, mit einer auf seiner ersten Seite angeordneten Passivierungsschicht (108), wobei auf der Passivierungsschicht (108) eine Membranlage (110) angeordnet ist, die ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das durch Wasser in seiner Struktur und/oder Zusammensetzung veränderbar, insbesondere hydrolysierbar, ist, wobei die Membranlage (110) auf einer der Passivierungsschicht (108) gegenüberliegenden Seite durch eine Schutzschicht (114) abgedeckt ist, wobei die Schutzschicht (114) Silizium und/oder Siliziumnitrid umfasst, wobei die Schutzschicht (114) mit einer Abdecklage (116) einen Schichtstapel als Schutzlage (112) bildet, wobei sich ein Material der Schutzschicht (114) von einem Material der Abdecklage (116) unterscheidet und die Abdecklage (116) ein Metall umfasst, und außerdem auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Trägersubstrats (104) eine Ätzmaske zum Nassätzen des Trägersubstrats (104) aufgetragen ist.