Elektrochemisches Ätzen von Silizium

Abstract

The formation of porous silicon by electrochemical etching is studied as a possible way to selectively remove highly doped layers of bulk material. A key aspect in this study is to prevent a premature termination of the etching process. This is achieved by avoiding the formation of areas insulated from the electrical contacts. First experiments are performed with a Hull cell. Here, the correlation between the current density and the achieved porosity is determined. Substrates with P-, As-, Sb-, and B- doping are investigated. The thickness of the porous layer increases similarly for all substrates in the range of 5- 100 μm with increasing current density between 0,03- 0,13 A/cm2. The porosity for all substrates is in the range of 26- 64 %. In comparison, the substrate with antimony doping tends to have an increased porous layer thickness and a lower porosity. In a next step, a pot for electrochemical etching of wafers is developed. The assembly is realized experimentally as well as in a simulation model for the current density. We find that especially the edge region tends to be critical for a homogenous formation of porous silicon across the wafer. The reason is the arrangement of the electrical contacts, as we show in good agreement with the simulated current density. In order to control the current density distribution, changes in the setup geometry in form of additional elements are employed within the pot. After simulations, two specific designs are engineered and experimentally tested. Additionally, the initial thickness of the layer intended for pore formation proves to be another influencing factor on the homogeneity of the process. Based on simulations for a wide thickness range, the layer thicknesses intended for the formation of porous silicon is experimentally varied stepwise between 30 μm and 50 μm. The homogeneity of the process improves for increasing layer thickness. Lastly, the behavior of the etch process at the junction to the lowly doped silicon is studied for all substrates. The electrochemical etch process selectively stops at the doping border for substrates with phosphorous doping. Here, the porous silicon is removed and solely the characteristic thickness variations of around 0,4 μm from the epitaxial process of the underlying layer are measured. The substrates with arsenic doping could potentially lead to similarly good results. However, further investigations of the etch process and the process parameters are necessary to optimize the pore formation. Substrates with antimony doping and boric doping prove to be unsuitable. The Sb- doped substrates feature a higher resistance, which makes it difficult to realize a homogenous process. For B- doped substrates the etch process does not stop at the junction to the lowly doped layer, which prohibits the selective pore formation in the desired region.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die elektrochemische Porosierung von Silizium als Möglichkeit zur selektiven Entfernung hochdotierter Schichten untersucht. Im Mittelpunkt steht dabei, dass keine von der Kontaktierung isolierten Bereiche entstehen, da sonst der Porosierungsprozess vorzeitig zum Erliegen kommt. Erste Versuche mit einer Hullzelle zur Bestimmung des Zusammenhangs zwischen Stromdichte und poröser Schichtdicke bzw. Porosität werden für P-, As-, Sb- und B- dotierte Substrate durchgeführt. In einem Stromdichtebereich von etwa 0,03- 0,13 A/cm2 steigt die poröse Schichtdicke mit der Stromdichte für alle Substratmaterialien unter ähnlichem Verlauf in einem Bereich von etwa 5- 100 μm. Die Porosität für alle Substrate liegt in einem Bereich von 28- 64 %. Das mit Antimon dotierte Substrat zeigt im Vergleich zu den anderen Substraten eine etwas höhere poröse Schichtdicke bzw. eine geringere Porosität. Im Weiteren wird eine Ätztopfanordnung zur selektiven Porosierung von Wafern entwickelt, welche sowohl experimentell als auch über Simulationen der Stromdichteverteilung umgesetzt wird. In guter Übereinstimmung mit Simulationen wird gezeigt, dass aufgrund der Kontaktierung besonders der Randbereich des Wafers für ein homogenes Stoppverhalten kritisch ist. Hier erweisen sich insbesondere Ätztopferweiterungen, bzw. Änderungen in der Geometrie des Ätztopfes als wichtiges Werkzeug um die Stromdichteverteilung über den Wafer zu kontrollieren. Die Optimierung erfolgt zunächst über Simulationen und wird in Folge für zwei Varianten im Experiment umgesetzt. Des Weiteren wird gezeigt, dass auch die Dicke der zu porosierenden Schicht einen Einfluss auf die Homogenität der Porosierung hat. Aufbauend auf Vorversuchen mittels Simulationen über einen weiten Bereich wird im Experiment die zu porosierende Schicht von 30μm auf 50μm schrittweise erhöht, woraufhin die hochdotierte Schicht zunehmend homogener entfernt wird. Unter den untersuchten Substraten ist ein selektives Stoppen an niedrigdotierten Schichten bei Phosphor dotierten Siliziumsubstraten möglich. Nach der Ätzung wird nur mehr die Dickenschwankung der niedrig dotierten Epitaxie (EPI) mit 0,4 μm gemessen. Vergleichbar gute Ergebnisse könnten mit Arsen dotierten Substraten erreicht werden, wofür jedoch eine weiterführende Analyse des Ätzprozesses bei einer Variation von weiteren Prozessparametern notwendig wäre. Nicht geeignet sind Antimon dotierte Substrate, welche aufgrund des höheren Widerstandes nicht gleichmäßig porosieren, und Bor dotierte Substrate, bei welchen die Porosierung nicht selektiv an der darunterliegenden Schicht stoppt.