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Dokumentenidentifikation DE4423326A1 04.01.1996
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Rückseitenätzen einer Silicium-Waferstruktur
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Muchow, Joerg, Dipl.-Ing., 72766 Reutlingen, DE;
Findler, Guenther, Dipl.-Ing., 72124 Pliezhausen, DE
DE-Anmeldedatum 02.07.1994
DE-Aktenzeichen 4423326
Offenlegungstag 04.01.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.01.1996
IPC-Hauptklasse H01L 21/31
IPC-Nebenklasse H01L 21/306   H01L 21/68   
Zusammenfassung Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bzw. eine Ätzvorrichtung zum Rückseitenätzen von Silicium-Waferstrukturen vorgeschlagen. Dabei wird bei einer handelsüblichen Ätzvorrichtung die Waferstruktur mit aufgeheiztem Stickstoff auf der Vorderseite umspült, während von der Rückseite her geätzt wird. Zusätzliche Infrarotstrahler auf der Rückseite können den Heizvorgang unterstützen. Das Ätzmedium, vorzugsweise Kalilauge, wird dabei direkt geheizt, so daß die Ätzvorrichtung mit weniger hitzebeständigen Materialien herstellbar ist. Dennoch wird eine hohe Ätzrate bei hohen Ätztemperaturen erreicht.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Rückseitenätzen einer Silicium-Waferstruktur und/oder Siliciummembranen bzw. von einer Ätzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 5. Es ist schon bekannt, insbesondere zur Herstellung einer Silikonon-Isolator-Struktur (SOI-Struktur) zwei Siliciumwafer direkt miteinander zu bonden, wobei mindestens eine Bondfläche der beiden Wafer oxidiert ist. Anschließend wird einer der beiden Wafer durch Schleifen und/oder durch chemisches Ätzen auf die gewünschte Dicke verdünnt, so daß zwischen der Restdicke und dem anderen Wafer eine Oxidschicht als Isolatorschicht bestehen bleibt. Zur Durchführung des Ätzverfahrens ist bekannt, die Waferstruktur auf einem sich drehenden Chuck mit der zu ätzenden Rückseite nach oben einzuspannen. Von oben wird die zu ätzende Rückseite mit heißer Kalilauge besprüht, die einen Ätzabtrag des Siliciums bewirkt. Zum Schutz der Vorderseite wird diese über entsprechende Zuführungen am Chuck durch eine Stickstoffspülung vor Oxidation und Feuchte geschützt. Dies ist erforderlich, da auf der Vorderseite elektronische Schaltungen integriert sein können, die von der Kalilauge zerstört werden könnten. Beim bekannten Ätzverfahren bzw. der Ätzvorrichtung besteht das Problem, daß zur Erzielung einer hohen Ätzrate die Kalilauge auf hohe Temperaturen, beispielsweise größer 100°C aufgeheizt werden muß. Das hat den Nachteil, daß alle Zuführungen, Behälter und Ventile nicht nur gegen die aggressive Wirkung der Kalilauge, sondern auch gegen die hohe Temperatur zu schützen sind. Des weiteren ist das Bestücken dieser Vorrichtung sehr gefährlich, da Spritzer der heißen Kalilauge zu gefährlichen Verletzungen führen können. Weiter ist ungünstig, daß durch die Einspannung des Wafers ein äußerer Ring des Wafers derart abgedeckt wird, daß er nicht geätzt werden kann. Er bleibt dann als "Kragen" stehen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Ätzvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 5 hat demgegenüber den Vorteil, daß das Ätzmedium nicht aufgeheizt werden muß. Statt dessen wird der Stickstoff und/oder der Wafer beispielsweise durch Infrarotstrahlung aufgeheizt, so daß bezüglich der Ätzrate der gleiche Erfolg wie beim bekannten Stand der Technik erzielt wird. Besonders vorteilhaft ist, daß die Ätzvorrichtung nun nicht mehr für das heiße Ätzmedium konstruiert werden muß, sondern nicht so temperaturbeständige Materialien aufweisen kann. Des weiteren ist die Gefährdung durch Verletzung infolge von Spritzern des Ätzmediums wesentlich geringer. Durch das Aufheizen der Waferoberfläche können die Ätzraten erhöht werden, ohne daß der Ätzprozeß außer Kontrolle gerät. Das Ätzverfahren wird dadurch kostengünstiger und damit auch die Herstellung der Waferstrukturen.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß durch die Anordnung der Haltevorrichtung die Waferstruktur ganz flächig bis zum pn-Ätzstop geätzt werden kann, ohne daß ein "Kragen" stehenbleibt. Der Ätzabtrag erfolgt dabei bis zur n-dotierten Schicht mit höchster Präzision, da der Ätzvorgang automatisch an der n-dotierten Schicht unterbrochen wird. Man kann also ohne Toleranzverlust sehr schnell ätzen, was mit bekannten Verfahren, z. B. Läppen, nicht möglich ist. Auch ist die Verwendung einer weiteren Wärmequelle günstig, so daß auch nach einem Waferwechsel in der Ätzvorrichtung der neue Wafer rasch aufgeheizt werden kann.

Da die Ätzrate durch die Temperatur und Zeiteinwirkung bestimmt ist, kann durch Anpassung der Temperatur, beispielsweise auch nach einem vorgegebenen Temperaturprofil die Dauer des Ätzvorganges auf einfache Weise gesteuert werden.

Die Heizvorrichtung zum Aufheizen des Stickstoffes ist mit einem Temperaturregler ausgebildet, der den vorgegebenen Temperaturwert vorzugsweise mit der Temperatur des verbrauchten bzw. abfließenden Stickstoffes vergleicht und die Heizung der Heizvorrichtung entsprechend nachregelt. Dieses ist einfach und gefahrlos möglich, so daß der gesamte Ätzvorgang automatisierbar ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung aufgeführt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Waferstruktur, Fig. 2 zeigt die Waferstruktur nach erfolgtem Ätzvorgang, und Fig. 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Ätzvorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine Silikon-on-Isolator-Struktur 9. Bei dieser Struktur wird zunächst von einem ersten Wafer 1 mit p- oder n-Dotierung ausgegangen, der mit einer Oxidschicht 8 von allen Seiten abgedeckt ist. Er weist auf seiner Unterseite in der Oxidschicht 8 eine Öffnung auf, die als Kontaktbereich 4 ausgebildet ist. Auf der oberen Seite ist im Randbereich 3 die Oxidschicht 8 abgetragen. Auf diese so vorbereitete Oberfläche wird ein zweiter, p-dotierter Wafer 2 aufgebondet, auf dem zuvor keine n-dotierte Epitaxieschicht 5 aufgebracht wurde. Seine Epitaxieschicht 5 verbindet sich beim Kontaktieren mit der Oberfläche des ersten Wafers bzw. mit der Oxidschicht 8.

Fig. 2 zeigt die Waferstruktur 9, bei der das überschüssige Silicium des zweiten Wafers 2 abgeätzt wurde, so daß nur die Epitaxieschicht 5 stehenblieb. Dieses Verfahren zur Herstellung von Waferstrukturen durch Kontaktieren von zwei Wafern ist per se bekannt.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Ätzvorrichtung, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Waferstrukturen nach Fig. 1 und 2 herstellbar sind. Ausgehend von einem handelsüblichen Chuck 11, der mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit um seine Zentralachse dreht, ist auf dem Chuck eine Haltevorrichtung 12 angebracht, auf der eine zu ätzende Waferstruktur eingespannt werden kann. Die Haltevorrichtung 12 ist so ausgebildet, daß die Rückseite 23 der Waferstruktur 9 ganzflächig mit dem Ätzmedium besprüht wird. Die Waferstruktur 9 wird dabei mit der Rückseite, d. h. mit der p-dotierten Schicht, nach oben eingespannt, so daß ein Ätzmedium, das über eine Zuführung 14 zugeführt wird, die Rückseite 23 der Siliciumstruktur 9 benetzen kann. Nicht dargestellt ist eine Auffangrinne, die das verbrauchte Ätzmedium, beispielsweise Kalilauge KOH auffängt. Ein weiterer Zuführkanal 13 ist auf der Unterseite des Chucks 11 angeordnet. Dieser Zuführkanal 13 ist mit einer Heizeinrichtung 22 über ein rohrförmiges Teil verbunden. Die Heizeinrichtung 22 hat vorzugsweise elektrisch heizbare Heizspulen, die von einer Stromversorgung über einen Schalter S schaltbar sind. Der Schalter S wird von einem Temperaturregler 25 gesteuert. Der Temperaturregler 25 hat Sensoren, die die Temperatur im Heizrohr der Heizeinrichtung 22 sowie am Ausgang 21 des Chucks 11 erfassen. Die Temperaturen T1, T2 gelten als Steuergröße für den Schalter S. Die Waferstruktur 9 ist durch die Haltevorrichtung 12 derart fixiert, daß sich zwischen ihrer. Vorderseite 24 und der Innenseite des Chucks 11 ein Hohlraum bildet, der vom Stickstoff N&sub2; durchströmt wird. Des weiteren sind an der Haltevorrichtung 12 seitlich Ausgänge 21 angeordnet, durch die der verbrauchte Stickstoff abfließt. Diese Ausgänge können zu einem Sammelbehälter geführt sein, der den verbrauchten Stickstoff auffängt und dem Kreislauf wieder zuführt. Eine zweite Heizeinrichtung 19 ist oberhalb der Waferstruktur 9 angeordnet, um diese zusätzlich beispielsweise nach einem vorgegebenen Temperaturprofil zu heizen. Dadurch kann der Ätzvorgang weiter verkürzt werden.

Die Ätzvorrichtung ist des weiteren mit einer pn-Ätzstopeinrichtung ausgerüstet, durch die der Ätzvorgang automatisch beendet werden kann. Die pn-Ätzstopeinrichtung hat eine Kontakteinrichtung 17, die die Waferstruktur 9 auf der Rückseite 23 elektrisch kontaktiert. Eine weitere Kontakteinrichtung 18 kontaktiert die Vorderseite der Waferstruktur 9 in einem vorgesehenen Kontaktbereich 4. Über die Kontakteinrichtungen 17, 18 wird eine Spannungsquelle 20 angeschlossen, die ein bestimmtes Potential abgibt. Des weiteren sind Referenzelektroden oder Gegenelektroden 16 in der Zuführung 14 für das Ätzmedium vorgesehen. Diese Referenz- und Gegenelektroden 16 sind mit einem Steuergerät 10 verbunden. Des weiteren ist die Kontakteinrichtung 17 mit dem Steuergerät 10 verbunden.

Im folgenden wird die Funktionsweise dieser Einrichtung näher erläutert. Im Gegensatz zum bisher bekannten Verfahren wird das Ätzmedium, beispielsweise KOH, nicht extra geheizt. Im Laufe des Ätzverfahren heizt es sich natürlich auch auf, so daß auch dieses eine gewisse Temperatur annimmt. Die Temperatur ist aber nicht so groß wie bei direktem Heizen des Ätzmediums. Während des Ätzvorganges wird nun über den Zufuhrkanal 13 der auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizte Stickstoff N&sub2; eingeblasen. Der Stickstoff N&sub2; schützt einerseits die Vorderseite 24 der Waferstruktur 9 und andererseits heizt er den Wafer auf. Die Temperatur des Wafers wird über die Temperaturmessung mit Hilfe von geeigneten Sensoren im Zuführkanal 13 oder an der Heizeinrichtung 22 und am Ausgang 21 der Haltevorrichtung gemessen. Die Differenztemperatur T1 - T2 gibt dabei eine Steuer- oder Regelgröße für den Temperaturregler 25. Derartige Temperaturregler sind bekannt und müssen daher nicht näher beschrieben werden. Im einfachsten Fall kann dies ein elektromechanischer Thermostat sein, der bei Erreichen der Schalttemperatur den Schaltkontakt S öffnet.

Natürlich heizt sich neben dem Ätzmedium auch der Chuck 11 etwas auf, wobei dessen Temperatur im wesentlichen von den Isolationseigenschaften der verwendeten Materialien abhängt. Im wesentlichen wird jedoch die Heizenergie auf die Waferstruktur 9 übertragen, deren Masse relativ zum Chuck 11klein ist. Dadurch erreicht die Waferstruktur 9 sehr schnell eine hohe Temperatur, die eine schnelle Ätzrate bedingt. Das Steuergerät 10 ist als handelsübliches Potentiostat ausgebildet und erfaßt die Spannungsdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Kontakteinrichtung 18. Hat beispielsweise der zweite Wafer 2 ein p-Substrat und der erste Wafer n-Substrat, dann erfaßt das Steuergerät 10 den Strom über die Referenzelektrode 16. Erreicht die Kontakteinrichtung 17 während des Ätzvorganges die n-dotierte Epitaxieschicht 5, dann wird der Stromfluß unterbrochen, weil das p-Substrat abgetragen ist. Dadurch wird eine exakte und homogene Ätzung erreicht.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich vorteilhaft SOI-Strukturen herstellen, die sehr kleine Toleranzen in der Epitaxieschicht 5 aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Ätzvorrichtung ist eine Automatisierung der Waferherstellung leicht möglich.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Rückseitenätzen einer Silicium-Waferstruktur, beispielsweise mit p-, n-, p- oder n-, n-, p-dotierten Schichten, insbesondere bei der Herstellung von Silikon-on- Isolator-Strukturen (SOI-Strukturen) und/oder Siliciummembranen, wobei die Waferstruktur zur Beschleunigung des Ätzvorgangs aufgeheizt wird, das Ätzmedium die Rückseite der Waferstruktur ätzt und wobei die Vorderseite der Waferstruktur durch Stickstoff geschützt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoff in einer Heizvorrichtung (22) erhitzt wird und die Waferstruktur (9) für die Dauer des Ätzvorganges auf eine vorgegebene Temperatur oder einen vorgegebenen Temperaturverlauf aufheizt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Waferstruktur (9) in einer Haltevorrichtung (12) derart eingespannt wird, daß die Rückseite (23) der Waferstruktur (9) ganzflächig mit dem Ätzmedium benetzt wird, daß eine pn- Ätzstop-Einrichtung (10, 20) verwendet wird, die mittels einer ersten Kontakteinrichtung (18) die Vorderseite (24) der Waferstruktur (9) mit einem vorgegebenen Bereich (4) und mit einer zweiten Kontakteinrichtung (16, 17) im Bereich der Rückseite (23) und/oder einer Zuführung (14) für das Ätzmedium verbunden ist, und daß die pn-Ätzstopeinrichtung (10, 20) den Ätzvorgang abbricht, wenn ein Potentialsprung zwischen den beiden Kontakteinrichtungen (18 bzw. 16, 17) auftritt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Wärmequelle (19) im Bereich der Rückseite (23) angeordnet ist, die unabhängig von der Temperatur des Ätzmediums (KOH) die Waferstruktur (9) aufheizt.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Ätzvorganges über die Temperatur gesteuert wird.
  5. 5. Ätzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem rotierenden Chuck (11), auf dem die Waferstruktur (9) mit der zu ätzenden Rückseite (23) nach oben mittels einer Haltevorrichtung (12) einspannbar ist, mit einer Zuführung (14) für das Ätzmedium (KOH), die oberhalb der Rückseite der Waferstruktur (9) angeordnet ist und mit einem Zuführkanal (13), der unterhalb der Waferstruktur (9) angeordnet und zur Stickstoffspülung der Vorderseite der Waferstruktur (9) vorsehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (12) die Waferstruktur (9) derart einspannt, daß die Rückseite (23) ganzflächig geätzt wird, daß dem Zuführkanal (13) eine erste Heizvorrichtung (22) zur Aufheizung des Stickstoffs (N&sub2;) vorgeschaltet ist, und daß ein Temperaturregler (25) vorgesehen ist, der die Temperatur des aufgeheizten Stickstoffes in Abhängigkeit von der Temperatur der Waferstruktur (9) steuert oder regelt.
  6. 6. Ätzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Wärmequelle (19) oberhalb der Waferstruktur (9) angeordnet ist und vorzugsweise Infrarotstrahlung auf die Rückseite (23) der Waferstruktur (9) abgibt.
  7. 7. Ätzvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregler (25) mit einem ersten Sensor ausgebildet ist, der die. Temperatur T1 des aufgeheizten Stickstoffes (N&sub2;) erfaßt und daß der Temperaturregler (25) einen zweiten Sensor aufweist, der die Temperatur T2 des abfließenden Stickstoffes (N&sub2;) erfaßt.
  8. 8. Ätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Chuck (11) eine Kontakteinrichtung (17, 18) aufweist, mit der die Rückseite (23) und die Vorderseite (24) der Waferstruktur (9) elektrisch kontaktierbar sind.
  9. 9. Ätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gegen- oder Referenzelektrode (16) in der Zufuhrleitung (14) des Ätzmediums (KOH) angeordnet ist.
  10. 10. Ätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakteinrichtungen (17, 18) und die Gegen-/Referenzelektroden (16) mit einer pn-Ätzstopeinrichtung (10, 20) verbunden sind.






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