Einfluss der Substrateigenschaften auf das Metall-induzierte Nassätzen von Silizium

Abstract

Metal asissted chemical etching (im Folgenden MAC-Ätzen), im Deutschen meist mit "Metall induziertem chemischem Nassätzen" übersetzt, bezeichnet einen nasschemischen Ätzprozess, bei dem ein Halbleitersubstrat an der Kontaktstelle zu einem metallischen Katalysator unter Verwendung einer auf Flusssäure und einem Oxidationsmittel basierenden Ätzmischung abgetragen wird. Diese Arbeit beschäftigt sich insbesondere mit der Frage, wie die Art und Höhe der Dotierung von Siliziumsubstraten und vergrabene, elektrisch isolierende Übergänge und Schichten, wie sie an pn-Übergängen in epitaktisch beschichteten Siliziumwafern oder in SOI-Substraten vorkommen, Einfluss auf den MAC-Ätzprozess nehmen. Neben dem Substrateinfluss hat die Wahl des verwendeten Partikelmaterials starken Einfluss auf das Ätzverhalten. Um die Ergebnisse der verschiedenen Versuche nicht durch chemische Rückstände aus der Metallstrukturierung und -abscheidung zu beeinflussen, wird das Katalysatormaterial mittels Sputterverfahren und anschließendem thermischem-induziertem Entnetzungsverfahren (englisch: Dewetting) erzeugt. Der erste Teil der Arbeit fokussiert sich auf die Herstellung von Metallpartikeln auf Siliziumsubstraten. Hierbei werden Silber-, Platin-, Gold- und Kupferschichten als Ausgangsmaterial verwendet. Im Hauptteil der Arbeit wird der Einfluss der Silizium-Substrateingeschaften anhand einer großen Anzahl von p- und n-dotierten Substraten (mit Dotierungen zwischen 1012 und 1019 cm-3) systematisch untersucht. Zusätzlich wird der Einfluss vergrabener, elektrisch isolierender Schichten und Übergänge auf das Ätzverhalten bestimmt. Auch der Einfluss der Ätztemperatur und des verwendeten Partikelmaterials auf das Ätzverhalten wird gemessen und evaluiert. Im letzten Abschnitt der Arbeit werden an Hand von prototypisch hergestellten, integrierten Elektrolytkondensators die prinzipielle Machbarkeit sowie das innovative Potenzial des erarbeiteten Prozesses demonstriert.

Metal assisted chemical etching (MAC-Etching) is an innovative technique for patterning a semiconductor substrate in the contact area with a metallic catalyst using a etch solution based on hydrofluoric acid and an oxidizing agent. This work focuses predominantly on the influence of silicon substrate properties, such as the doping level, on the etch performance. Other topics of interest are the etch behaviour in the vicinity of an electrically isolating film, as present at SOI substrates with a buried oxide layer or at a p-n junction realized with an epitaxial layer on a pure silicon wafer. Besides the selected metallic material the geometrical shape of the sub-µm sized particles is decisive for the etch process. To prevent chemical residues arising from the deposition and the patterning of the catalyst material to be present at the metal-semiconductor interface, and thus, influencing the etch process, the catalytic particles are generated by a combination of sputtering and thermal dewetting of the thin film. Therefore, the first experimental section focuses on the particle formation using sputtered thin films comprising silver, gold, platinum and copper. In the experimental section focusing on the MAC etching process a large number of (100)-silicon samples, covering both n- and p-doped silicon, with doping levels ranging from 1012 to 1019 cm-3, is investigated. Systematic studies start from the direct impact of the doping concentration on the etching and extend to the doping dependence under high and low temperatures and different illumination conditions. The final section reviews basic fabrication techniques needed to define areas with a surface near porosity using MAC etching. Finally, a prototype of an integrated silicon based electrolytic capacitor is fabricated and evaluated.