DE4332843A1 - Mikromechanische Vorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Mikromechanische Vorrichtung und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Vorrichtung und
ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Mikromechanische Vorrichtungen wie Sensoren oder Aktuatoren
finden zunehmend Eingang in alle Bereiche der Technik, z. B.
in Navigationssysteme und Kraftfahrzeuge, insbesondere in
Verbindung mit Sicherheitssystemen. Einen großen Teil der
artiger Vorrichtungen bilden Druck- und Beschleunigungssen
soren. Gefragt sind zuverlässige, kleine, einfach herzustel
lende und dabei preiswerte Sensoren mit einer hohen Meßge
nauigkeit und einer guten Proportionalität zwischen Meßgröße
und Ausgangssignal. Dies gilt entsprechend für Aktuatoren,
so daß nachfolgend der Einfachheit halber lediglich auf
Sensoren eingegangen wird.
Die meisten heute verwendeten Druck- oder Beschleunigungs
sensoren werden feinmechanisch oder mittels KOH-Ätztechnik
auf Siliziumbasis (bulk-micromachining) hergestellt. Die
Auswertung des bislang meist mittels des Piezoeffekts er
zeugten Sensorsignals erfolgt getrennt vom Sensor. Der Trend
geht jedoch zum intelligenten Sensor, bei dem der Sensor so
wie die Schaltung zur Auswertung des Sensorsignals und gege
benenfalls eine Testschaltung auf Basis der Siliziumplanar
technologie auf einem Chip integriert sind. Die Auswertung
des piezoresistiven oder kapazitiven Sensorsignals sowie die
Linearisierung und Verstärkung erfolgen mit Halbleiter
schaltkreisen bekannter Technologien. Ein derartiger Sensor
ist beispielsweise aus der Veröffentlichung F. Goodenough:
Airbags Boom When IC Accelerometer Sees 50 G, Electronic De
sign, August 8, 1991, pp. 45-56 bekannt.
Während konventionell hergestellte mikromechanische Sensoren
relativ groß, teuer und ungenau sind, beschreibt die vorste
hend genannte Veröffentlichung eine verbesserte Ausführungs
form. Dieser bekannte sogenannte oberflächen-mikromechani
sche Sensor (surface micromachining) benötigt, wie insbeson
dere aus der diesbezüglichen weiteren Veröffentlichung: Ana
log Devices Combines Micromachining and BICMOS, Semicon
ductor International, Okt. 1991 hervorgeht, zu seiner Her
stellung 21 Masken, nämlich 6 Masken für den Sensorprozeß
und 15 Masken für einen 4 µm-BICMOS-Prozeß. Das zur Ausbil
dung des kapazitiven Sensors kammförmige Sensorelement be
steht aus einem 2 µm-dicken Polysiliziumelement und ist über
Federn, die ebenfalls aus Polysilizium sind, mit der
Substratoberfläche verbunden.
Eine weitere kapazitive Struktur ist aus der US-A-5 025 346
bekannt.
Das Herstellverfahren für die bekannten Sensoren bzw. Aktua
toren ist außerordentlich aufwendig und teuer. Darüberhinaus
ist unsicher, ob die für die mechanisch bewegten Teile eines
Sensors verwendeten Polysiliziumschichten eine ausreichende
mechanische Langzeitstabilität aufweisen. Neben dieser
möglichen zeitlichen Degradation sind die mechanischen
Eigenschaften wie der Elastizitätsmodul oder intrinsischer
Streß von Polysilizium sensibel von den jeweiligen
Prozeßbedingungen während der Herstellung abhängig. Die
thermische Ausheilung des intrinsischen Stresses erfordert
im Herstellungsprozeß zusätzliche Temperschritte, was sich
nachteilig auf die gleichzeitig in dem Sensor integrierte
elektronische Schaltung auswirkt. Zudem sind im Herstel
lungsprozeß zusätzliche Abscheidungen von Halbleiterschich
ten notwendig. Bei einem denkbaren Einsatz von modernen Sub
µm-BICMOS-Schaltungen für die Auswerteschaltung des Sensors
ist es aufgrund der dabei verwendeten niedrigen Prozeßtempe
raturen nicht mehr möglich, streßfreie Polysiliziumschichten
herzustellen.
Ein Problem betrifft die Verarbeitung von mikromechanischen,
gegebenenfalls integrierten mikromechanischen Vorrichtungen,
die auf einem Halbleiterwafer hergestellt sind. Zum Verein
zeln der Chips wird der Wafer dünngeschliffen und anschlie
ßend werden die einzelnen Chips gesägt. Dabei muß das fili
grane Gebilde der mikromechanischen Vorrichtung auf deren
Vorderseite mit einer Folie abgedeckt werden. Für die Verar
beitung ist ein Reinraum erforderlich, damit nicht Partikel
in die mikromechanische Vorrichtung gelangen können, die
deren Brauchbarkeit beeinträchtigen oder die Vorrichtung
unbrauchbar lassen werden könnten. Diese Verarbeitungsweise
ist teuer und auch bei großen Stückzahlen wenig praktikabel.
Eine als Chip vereinzelte mikromechanische Vorrichtung muß
zum Schutz gegen äußere Einflüsse in ein Gehäuse eingebracht
werden. Für bekannte Vorrichtungen scheidet ein Plastikge
häuse aus, da bei der Plastikummantelung des Chips Verpreß
drücke bis zu 80 bar auftreten können, die zur Zerstörung
der mikromechanischen Vorrichtung führen würden. Üblicher
weise wird deshalb ein mikromechanischer Chip in ein Hohl
raumgehäuse eingebaut, das allerdings etwa um den Faktor 10
teurer als ein Plastikgehäuse ist.
Aus den Veröffentlichungen K. Ikeda et. al.: Silicon
pressure sensor with resonant strain gauge built into
diaphragm, Proc. of the 7th Sensor Symp., Tokyo, Japan,
1988, pp. 55-58 und K. Ikeda et. al.: Three-dimensional
micromachining of silicon pressure sensor integrating
resonant strain gauge on diaphragm, Sensors and Actuators,
A21-A23, 1990, pp. 1007-1010 sind mikromechanische Drucksen
soren mit einem Polysilizium-Diaphragma bekannt, auf dem ein
auf mechanische Spannungen reagierender Resonator angeordnet
ist. Bei einer Verbiegung des Diaphragmas ändert sich die
Resonanzfrequenz des Resonators auf Grund der mechanischen
Spannungen. Damit der von außen ausgeübte Druck nicht direkt
auf den Resonator wirken und auf diese Weise zu Meßsignal
verfälschungen führen kann, ist der Resonator auf dem Dia
phragma mit einer Kappe abgedeckt. Auch ein derartiger Sen
sor muß zum Schutz gegen Umwelteinflüsse in ein Hohlraumge
häuse eingebaut werden.
Die Erfindung hat die Aufgabe, eine einfacher und kostengün
stiger herzustellende mikromechanische Vorrichtung und ein
Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.
Gemäß eines Aspekts der Erfindung sind bei einem Verfahren
zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung folgende
Schritte vorgesehen:
- - ein Körper, bei dem auf einem Träger eine erste Isolier schicht und darüber eine Siliziumschicht angeordnet ist, wird gebildet,
- - die Siliziumschicht wird strukturiert, wobei Öffnungen bis auf die erste Isolierschicht gebildet werden,
- - eine Isolierschichtzone und eine flächige weitere Schicht werden aufgetragen,
- - die weitere Schicht wird strukturiert, wobei Öffnungen bis auf die Isolierschichtzone gebildet werden,
- - die Isolierschichtzone und die darunter liegenden Bereiche der ersten Isolierschicht werden selektiv geätzt,
- - über der weiteren Schicht wird flächig eine zweite Iso lierschicht als Abdeckung aufgetragen.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist eine mikrome
chanische Vorrichtung vorgesehen, die auf einem Träger einen
mikromechanischen Bereich enthält, wobei auf dem Träger eine
flächige Abdeckung des mikromechanischen Bereichs angeordnet
ist.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß die auf einem Chip reali
sierte mikromechanische Vorrichtung bereits auf dem Chip
eine Abdeckung hat, die in der Prozeßlinie in Verbindung mit
der Herstellung der mikromechanischen Vorrichtung herge
stellt wird. Bei der Verarbeitung des Wafers mit den mikro
mechanischen Vorrichtungen, d. h. u. a. beim Herstellen von
Anschlußverbindungen, beim Läppen und beim Vereinzeln der
Chips ist deshalb keine Reinraumatmosphäre mehr erforder
lich. Darüber hinaus braucht der Chip nicht mehr in einem
Hohlraumgehäuse montiert zu werden, sondern kann mit einem
preisgünstigen Plastikgehäuse ummantelt werden. Es ergibt
sich eine wesentlich erhöhte Zuverlässigkeit der mikromecha
nischen Vorrichtung, da die Vorrichtung unmittelbar nach der
Herstellung noch auf dem Wafer mit einer Abdeckung versehen
ist und somit für die nachfolgenden Verfahrensschritte aus
reichend geschützt ist.
Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß sie sich sowohl
für bekannte mikromechanische Vorrichtungen, die in polykri
stallinem Silizium verwirklicht sind, als auch für Vorrich
tungen eignet, in denen der aktive Bereich in einkristalli
nem Silizium realisiert ist. Einkristallines Silizium be
sitzt genau bekannte mechanische Eigenschaften, die nicht
von den jeweiligen Parametern des Herstellungsprozesses
abhängen. Zudem sind die mechanischen Eigenschaften keiner
zeitlichen Degradation unterworfen, so daß die Langzeitsta
bilität sehr groß ist.
Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß sie unter Ver
wendung bekannter und verfügbarer Grabenätz- und Auffüllver
fahren in vollem Umfang VLSI-kompatibel ist. Weiterhin ist
die erfindungsgemäße Vorrichtung mechanisch robust, da sich
die beweglichen Teile in der Siliziumschicht befinden und
nicht auf der Chipoberfläche.
Wenn die Elektroden des Sensors senkrecht zur Chipoberfläche
stehen ergibt sich eine hohe spezifische Kapazität
(Packungsdichte) des Sensors. Gleichzeitig wird das Stick
ing-Problem, d. h. eine Adhäsion von Flächen beim oder nach
einem Spülvorgang entschärft, da die Steifigkeit der Sensor
vorrichtung senkrecht zur Schwingungsrichtung sehr groß ist.
Schließlich bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung bei
einer Integration der Auswerteschaltung den erheblichen
Vorteil, daß bei der Verwendung eines bipolaren oder eines
BICMOS-Prozesses die Maskenzahl zur Herstellung der Vor
richtung gegenüber einem Standardprozeß in diesen Technolo
gien nicht oder nur unwesentlich erhöht wird.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen ge
kennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbei
spiele in den Figuren der Zeichnung näher erläutert, in
denen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen haben. Es zei
gen:
Fig. 1 bis 5 Querschnitte durch eine erste
erfindungsgemäße Vorrichtung bei verschiedenen
Herstellungsverfahrensschritten,
Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Teilbereich einer
kapazitiven Vorrichtung,
Fig. 7 einen Schnitt durch eine kapazitive Vorrichtung
gemäß Fig. 6 in einem größeren Ausschnitt,
Fig. 8 einen Querschnitt durch eine zweite
erfindungsgemäße Vorrichtung und
Fig. 9 einen anders liegenden Querschnitt durch die
Vorrichtung von Fig. 8.
Fig. 1 zeigt an einem ersten Ausführungsbeispiel einen bei
der Herstellung der mikromechanischen Vorrichtung gebildeten
Grundkörper. Auf einem Träger oder Substrat 1 ist eine erste
Isolierschicht 2 und auf dieser Isolierschicht eine
einkristalline Siliziumschicht 3 angeordnet. Das Substrat
kann ebenfalls aus Silizium bestehen. Typischerweise wird
die Dicke der ersten Isolierschicht 2 zwischen 0,5 und 1 µm
gewählt, während die Schichtdicke der Siliziumschicht 3 z. B.
zwischen 5 und 20 µm betragen kann. Die Kristallorientie
rung und Dotierung des Substrats ist beliebig. Die Orientie
rung und Dotierung der Siliziumschicht 3 entspricht der bei
der Herstellung der mikromechanischen Vorrichtung und einer
integrierten Halbleiterschaltungsanordnung verwendeten Ba
sistechnologie.
Gemäß Fig. 1 ist die der Isolierschicht 2 bzw. die der
unteren Grenzfläche der Siliziumschicht zugewandte Seite der
Siliziumschicht 3 n⁺-dotiert, während die von der Iso
lierschicht 2 abgewandte Oberflächenzone der Siliziumschicht
n⁻-dotiert ist. Die Dotierung der Siliziumschicht 3 ist für
das eigentliche Sensorelement nicht notwendig, sondern
richtet sich ausschließlich nach der Technologie, die für
die zu integrierende Schaltungsanordnung verwendet werden
soll.
Der Grundkörper gemäß Fig. 1 kann z. B. eine DWB-Scheibe
sein, wobei DWB Direct-Wafer-Bonding bedeutet. Derartige
Scheiben sind aus zwei Halbleiterscheiben zusammengeklebt
und lassen sich mit hoher Qualität mit den in Fig. 1 ge
zeigten Schichtdicken und Dotierungen am Markt erwerben. Ei
ne weitere Möglichkeit zur Herstellung des in Fig. 1 ge
zeigten Grundkörpers ist die Verwendung des sogenannten SI-
MOX-Verfahrens (I. Ruge, H. Mader: Halbleiter-Technologie,
Springer-Verlag, 3. Auflage, 1991, Seite 237). Dabei wird
eine Isolierschicht aus Siliziumoxid durch tiefe Ionenim
plantation von Sauerstoffatomen in einkristallines Silizium
gebildet. Daran kann sich ein Epitaxieschritt anschließen.
Eine dritte Möglichkeit zur Herstellung des Grundkörpers
gemäß Fig. 1 macht von der Rekristallisation Gebrauch, bei
der eine über einer einkristallinen Siliziumschicht und
einer darauf angeordneten Siliziumoxidschicht zunächst
amorph oder polykristallin abgeschiedene Siliziumschicht
durch Aufschmelzen mit einem Laserstrahl rekristallisiert
wird.
In einem nächsten Schritt werden in die einkristalline Sili
ziumschicht 3 Gräben bis auf die Oberfläche der Isolier
schicht 2 geätzt, beispielsweise durch eine anisotrope
Trockenätzung. Anschließend werden die Gräben mit einem do
tierenden Isolierstoff aufgefüllt. Im Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 2 kann Phosphorglas (PSG) oder Borphosphorglas
(BPSG) verwendet werden. Die Erzeugung derartiger Glas
schichten ist beispielsweise aus D. Widmann, H. Mader, H.
Friedrich: Technologie hochintegrierter Schaltungen, Sprin
ger-Verlag, 1988, Seite 80 ff. bekannt. Bei einer entspre
chenden Temperaturbehandlung diffundieren Phosphor und gege
benenfalls Bor aus dem Phosphorglas in das Silizium der Gra
benwände der Siliziumschicht 3 ein. Damit ergibt sich die in
Fig. 2 gezeigte Struktur, bei der die Isolierschicht 2 und
die dotierende Isolierschicht 4 am Fuß der zuvor geätzten
Gräben aufeinanderstoßen. Die Grabenwände sind entsprechend
der an der Isolierschicht 2 angrenzenden Zone der Silizium
schicht 3 dotiert, d. h. im Ausführungsbeispiel n⁺-dotiert.
Durch das Ätzen von Gräben in der Siliziumschicht und das
Dotieren der Grabenwände werden sowohl der Bereich SB, in
dem der eigentliche Sensor vorgesehen ist, als auch der Be
reich TB, in dem die elektronische Auswerteschaltung, zumin
dest aber eine Transistoranordnung für die Verarbeitung des
Sensorsignals vorgesehen ist, strukturiert und gegeneinander
isoliert. Der Bereich TB beinhaltet eine oder mehrere iso
lierte Wannen, in die je nach Vorgabe CMOS-, Bipolar- oder
sonstige Bauelemente eingebaut werden. Wenn die im Bereich
TB zu realisierende Transistoranordnung z. B. ein bipolarer
Transistor ist, ist mit der in Fig. 2 gezeigten Struktur
des Bereichs TB bereits eine vergrabene Kollektorzone und
ein niederohmiger Kollektor-Anschluß in Form der dotierten
Grabenwände erzeugt. Gegenüber Anordnungen aus dem Stand der
Technik erfordert die Erzeugung der in Fig. 2 gezeigten
Struktur keine separaten Masken- und Dotierungsprozesse für
die vergrabene Zone, für einen Kanalstopper und für einen
Kollektor. Ein Epitaxieprozeß kann ebenfalls entfallen.
Ausgehend von der Struktur der Fig. 2 werden anschließend
in den Bereichen TB und SB Isolationszonen, insbesondere
Feldoxidbereiche durch lokale Oxidation und eine Transi
storanordnung in dem Bereich TB erzeugt. Diese Transistoran
ordnung kann mit einem standardmäßigen bipolaren oder
BICMOS-Prozeß hergestellt werden. Beispiel für derartige
Prozesse sind z. B. aus der vorgenannten Veröffentlichung
Widmann/Mader/Friedrich: Technologie hochintegrierter Schal
tungen bekannt. Bei einer bipolaren Transistorstruktur kann
z. B., ausgehend von Fig. 2, zunächst die Basiszone, bei
einem BICMOS-Prozeß zunächst die p-bzw. n-Wanne erzeugt
werden.
Selbstverständlich ist es möglich, ausgehend von der Struk
tur der Fig. 2 auch eine MOS-Transistoranordnung in dem
Grundkörper zu realisieren. Auch in diesem Fall beginnt der
standardmäßige Prozeß mit der Erzeugung einer p- bzw. n-
Wanne in dem für die Transistorstrukturen vorgesehenen Be
reich TB.
Die Herstellung der Feldoxidbereiche durch lokale Oxidation
erfolgt mit den für den Transistorprozeß vorgesehenen Pro
zeßschritten gleichzeitig auch im Sensorbereich SB. Die
Bereiche des Sensors, in denen die beweglichen Elemente bzw.
Elektroden der Vorrichtung vorgesehen sind, erhalten ein
Feldoxid IS, während die dazwischen angeordneten Bereiche
von der lokalen Oxidation (LOCOS) ausgenommen werden. Gege
benenfalls werden vor dem LOCOS-Prozeß die Grabenfüllungen
teilweise wieder entfernt, so daß nach dem Oxidationsprozeß
der zwischen zwei Feldoxidbereichen liegende Oberflächenbe
reich, in dem keine beweglichen Elemente der Vorrichtung
vorgesehen sind, niedriger liegt als die Oberfläche des
Feldoxids über dem beweglichen Element, aber höher als die
auf diesem Element untere Grenzfläche des Feldoxids, Fig. 3,
Bereich SB.
Während der Erzeugung der Transistoranordnung wird der Be
reich SB, der für das Sensorelement vorgesehen ist, soweit
erforderlich durch eine entsprechende Maske abgedeckt. Gemäß
Fig. 3 ergibt sich z. B. ein bipolarer Transistor, dessen
Kollektor C niederohmig über die vergrabene Zone BL und die
hochdotierten niederohmigen Grabenwände CA mit dem Kollek
toranschluß K verbunden sind. Die p-dotierte Basis ist mit
dem Basisanschluß B verbunden. Entsprechend ist der Emit
teranschluß E über der hochdotierten n⁺⁺-Zone angeordnet.
Basis-, Emitter- und Kollektorbereiche des Transistors sind
über Isolationszonen I1 bis I3, vorzugsweise aus Silizi
umoxid SiO₂, gegeneinander isoliert. Anschließend wird über
der gesamten Anordnung, d. h. den Bereichen TB und SB, eine
Passivierungsschicht P aufgebracht. Beispielsweise kann die
Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid Si₃N₄ bestehen.
Im Anschluß an die Erzeugung der Transistoranordnung und der
Passivierungsschicht P wird die Passivierungsschicht P in
den Bereichen über dem Sensorbereich SB, in denen Feldoxid
gebildet ist, mit Hilfe einer Lackmaske entfernt. Es entste
hen Fenster F, Fig. 4, mit einem Durchmesser von etwa 0,7
bis 1,5 µm. Danach werden selektiv das Feldoxid IS, der
dotierende Isolierstoff 4 in den darunter liegenden Gräben
des Sensorbereichs und die Isolierschicht 2 zumindest in
Teilzonen des Sensorbereichs SB entfernt. Dies kann z. B.
durch einen naßchemischen oder einen Trocken-Ätzprozeß ohne
Lackabdeckung erfolgen. Die Isolierschicht 2 wird dabei
unter den beweglichen Elektroden BE1, BE2 des Sensorelements
vollständig und unter den nicht beweglichen Elektroden FE1
bis FE3 des Sensorelements nicht vollständig entfernt, so
daß letztere weiterhin mechanisch mit dem Substrat 1 über
Isolierstege 2a verbunden sind.
Um ein möglicherweise bei der Entfernung der Isolierschicht
2 unter dem Bereich der beweglichen Elektroden BEi auftre
tendes Adhäsionsproblem (Sticking) zu lösen, können subli
mierende Chemikalien, z. B. Cyclohexan oder Dichlorbenzol
verwendet werden.
Es schließt sich die Abscheidung einer Abdeckschicht, z. B.
aus Nitrid bzw. Plasmanitrid, PSG, BPSG oder Polysilizium an,
z. B. mit konformer Abbildung, wobei eine schlechte Kantenbe
deckung erwünscht ist, um die Fenster F zu schließen. Ge
ringe Abscheidungen auf den Elektroden BE1, BE2, FE1 bis FE3
sowie der Substratoberfläche sind zulässig und erwünscht,
weil es als Antistickingmaßnahme (Anti-Kaltverschweiß-Maß
nahme) dient.
Fig. 5 zeigt im Querschnitt eine Anordnung nach dem Entfer
nen des Isolierstoffs 4 und der Isolierschicht 2 neben und
unter den beweglichen Elektroden BE1, BE2 des Sensorbereichs
SB, während unter den festen Elektroden FE1, FE2 und FE3 die
Isolierschicht 2a noch teilweise vorhanden ist. Über der An
ordnung gemäß Fig. 5 ist eine Abdeckung D aus
(Plasma)Nitrid, PSG, BPSG oder Polysilizium vorhanden, die
die mikromechanische Vorrichtung und die integrierte Transi
storanordnung vollständig gegen äußere Einflüsse schützen
kann.
Der in Fig. 5 gezeigte Querschnitt B-B stellt eine Sensor
struktur dar, die Fig. 6 im Querschnitt A-A zeigt. In Fig.
7 ist schematisch ein größerer Ausschnitt aus dem Sensorbe
reich skizziert. Es handelt sich um einen Beschleunigungs
sensor, der ein bewegliches Masseteil M hat, das über Feder
elemente F1, F2 und weitere nicht dargestellte Federelemente
an der Siliziumschicht 3 aufgehängt ist. Das Masseteil M hat
fingerförmige bewegliche Elektroden BE1, BE2 bzw. BE10, BE11
und BE1i, die frei in Bereiche zwischen festen Elektroden
FE1 bis FE3 bzw. FE10 bis FE13 sowie FE1i, hineinragen.
Zwischen den beweglichen Elektroden BEi bzw. BEÿ und den
festen Elektroden FEi bzw. FEÿ sind, da die Grabenwände der
Elektroden hochdotiert sind, Kapazitäten gebildet, die in
den Fig. 5 bis 7 rein symbolisch dargestellt sind. Um bei
der Herstellung des Sensorteils die Isolierschicht unter dem
Masseteil zuverlässig entfernen zu können, enthält das
Masseteil M Löcher L. Die Lochöffnungen betragen etwa 0,7
bis 1,5 µm (kreisförmig bzw. elliptisch), der Lochmit
tenabstand etwa 5 bis 8 µm. Grundsätzlich sind die Löcher
jedoch nicht zwingend erforderlich. In Fig. 7 ist der
Bereich der Sondermaske, die für die Erzeugung der Sensor
strukturen verwendet wird, skizziert. Innerhalb des durch
die Sondermaske SM definierten Bereichs erfolgt das Entfer
nen des dotierenden Isolierstoffs aus den Gräben und der
Isolierschicht neben und unterhalb der beweglichen Elektro
den, des Masseteils und der Federn vollständig.
Fig. 7b) zeigt das mit der Sensorstruktur von Fig. 5 bzw.
Fig. 6 erhaltene Ersatzschaltbild. Die beweglichen Elektro
den BEi, d. h. BE10 bis BE1i sind über das Masseteil M und
die Feder Fi mit einem Anschluß BEA verbindbar. Die festen
Elektroden sind paarweise mit Anschlüssen AE und CE verbun
den, die den festen Platten eines Kondensators entsprechen.
Die beweglichen Elektroden bilden eine bewegliche Platte des
Kondensators, so daß Fig. 7b) einen Differentialkondensator
darstellt.
In den Spalten S zwischen den beweglichen und festen Elek
troden wird der Isolierstoff vollständig entfernt, Fig. 6.
Aus den Zwischenräumen ZR zwischen zwei festen Elektroden,
Fig. 7, kann der dotierende Isolierstoff entfernt werden.
Es ist jedoch auch möglich, daß die Zwischenräume ZR der fe
sten Elektroden und die darunterliegende Isolierschicht, die
den jeweiligen festen Elektroden zugewandt ist, erhalten
bleiben. Voraussetzung ist eine andere Maske, mit der sich
nur die Isolierschicht und der dotierende Isolierstoff
unterhalb und zwischen den beweglichen Elektroden entfernen
lassen.
Die festen Elektroden können alternativ zu der Struktur von
Fig. 6 bzw. Fig. 7 in ähnlicher Weise wie in der zuvor zi
tierten Veröffentlichung Electronic Design mit dem Substrat
1 bzw. der Isolierschicht 2 mechanisch verbunden sein. Die
Befestigung über einen Anker hat freitragende Elektroden zur
Konsequenz, was bedeutet, daß die festen Elektroden hin
sichtlich auf sie wirkender Beschleunigungskräfte ausrei
chend biegesteif sein müssen, damit zusätzliche Meßfehler
nicht negativ auf die Meßgenauigkeit wirken.
Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Sensoranordnung
reagiert sensibel auf Bewegungen des Masseteils M in der
angedeuteten Pfeilrichtung. Die zulässige Auslenkung der
fingerförmigen kapazitiven beweglichen Elektroden beträgt
weniger als der Spaltabstand zu einer festen Elektrode, d. h.
weniger als etwa 1 bis 1,5 µm. Vorzugsweise ist deshalb
die Auswerteschaltung der Sensorvorrichtung als Regelkreis
derart ausgestaltet, daß eine Regelspannung einer Auslenkung
des Masseteils in dem Sinne entgegenwirkt, daß die durch den
Differentialkondensator gebildeten Teilkapazitäten jeweils
gleich sind. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es ein
Nullpunktverfahren ist und deshalb in der Regel genauer ist
als ein absolutes Verfahren zur Bestimmung der Kapazitäts
änderungen.
Eine zweidimensionale Beschleunigungsmessung ist möglich,
wenn zwei Sensoranordnungen gemäß Fig. 6 bzw. Fig. 7 ver
wendet werden, die zueinander um 90° versetzt sind. Die
Schwingungsrichtung der jeweiligen Masseteile liegt dabei in
der Schwingungsrichtung der Chipebene in zwei zueinander
senkrechten Richtungen. Die beschriebene Technik läßt sich
in ähnlicher Weise auf die Herstellung von Differenzdruck
sensoren anwenden.
Bei größeren abzudeckenden Bereichen der Vorrichtung, für
die keine freitragende Abdeckung D möglich ist, sind Stützen
vorgesehen, die von den beweglichen Elektroden vollständig
getrennt sind. (Zur Ausführung wird auf das zweite Ausfüh
rungsbeispiel verwiesen.)
Die Erfindung nach dem ersten Ausführungsbeispiel hat zu
sätzlich zu den sich mit der Abdeckung D ergebenden Vortei
len folgende weitere Vorteile:
Das Sensormasseteil, die Elektroden und der Biegebalken, d. h.
die Aufhängefedern des Sensors bestehen aus Monosilizium,
so daß für die beweglichen Teile die von Polysilizium her
bekannten Verbiegungen und Spannungen entfallen.
Masseteil des Sensors und die Federkonstante des Biegebal
kens sowie bei einem kapazitiven Sensor die Sensorkapazität
sind unabhängig voneinander einstellbar, so daß sich gut
Sensorarrays realisieren lassen. Die Sensoranordnung erlaubt
eine hohe Packungsdichte des Sensors, da die Elektroden
senkrecht zur Chipoberfläche stehen, so daß sich eine große
kapazitive Fläche erzielen läßt. Die Steifigkeit der Elek
troden senkrecht zur Schwingungsrichtung ist sehr groß, da
das Widerstandsmoment proportional zur 3. Potenz der Elek
trodendicke ist. Aus diesem Grund tritt gegebenenfalls kein
Adhäsions- bzw. Stickingproblem auf, so daß gegenwirkende
Chemikalien nicht erforderlich sind.
Da sich die beweglichen Teile des Sensors im Silizium bzw.
in der Siliziumschicht befinden und nicht auf der Chipober
fläche ist der Sensor mechanisch außerordentlich robust.
Durch die Anordnung der Elektroden und des Masseteils in der
Chipebene ist außerdem automatisch eine Überlastsicherung in
der Chipebene gegeben.
Bei Verwendung eines bipolaren oder eines BICMOS-Standard
prozesses als Basistechnologie für die Auswerteschaltung des
intelligenten Sensors wird die Maskenzahl nicht erhöht. Da
durch lassen sich erhebliche Kosten sparen und der Herstel
lungsprozeß insgesamt vereinfachen.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die
Sensorvorrichtung kombinierbar mit allen bekannten Technolo
gien. Insbesondere ist die Sensorvorrichtung VLSI-kompati
bel, so daß Strukturbreiten unter 1 µm erzielt werden können.
Verwendung bei der Herstellung können deshalb die aus der
Halbleitertechnologie bekannten Grabenätz- und Auffüllver
fahren sowie die üblichen Halbleiterverfahren finden.
Die Fig. 8 und 9 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Es handelt sich um einen Beschleunigungssen
sor mit einem Masseteil MT, das über Federelemente F20 bzw.
F21 in einem Halbleiterkörper aufgehängt ist. Das Masseteil
MT kann ähnlich wie bei der in Fig. 7 gezeigten Anordnung
als bewegliche Elektrode eines Differentialkondensators
aufgefaßt werden. Das Masseteil ist gemäß Fig. 8 mit einem
Anschluß BEA verbunden, während die beiden festen Elektroden
10 und 14 mit entsprechenden Anschlüssen FEA 1 bzw. FEA 2
verbunden sind. Die feste Elektrode 10 besteht aus einem
Halbleitersubstrat, in dem eine n⁺-leitende Wanne 10a ein
gebettet ist.
Bei den vergleichsweise großen Abmessungen des Sensors sind
im Bereich des Masseteils MT Stützen ST für den Deckel D
vorgesehen. Die Fig. 8 und 9 zeigen entsprechende Schnit
te durch die markierten Ebenen. Die Stützen ST sind durch
einen Luftspalt LS vollständig von dem beweglichen Masseteil
MT getrennt. In dem Masseteil sind Löcher L vorgesehen, die
beim Herstellungsprozeß zum Freiätzen des Sensorteils die
nen.
Die Struktur gemäß Fig. 8 wird folgendermaßen hergestellt:
Auf einem Substrat 10 mit der hochdotierten Zone 10a wird zunächst ganzflächig eine erste Isolierschicht 11, bei spielsweise durch lokale Oxidation (LOCOS) erzeugt. Danach wird eine Polysiliziumschicht aufgetragen, aus der durch Strukturieren die Bereiche 12 und das Masseteil MT entste hen. Bei der Strukturierung werden die Löcher L bzw. die Ringaussparungen LS geätzt. Anschließend wird ganzflächig ein Hilfsoxid oder ein Phosphorglas (PSG oder PBSG) als Isolierschichtzone aufgetragen. Anschließend wird wiederum ganz flächig eine Polysiliziumschicht abgeschieden, die so als Schicht 14 strukturiert wird, daß vorzugsweise über den Löchern L des Masseteils gleichgeartete Löcher Lp entstehen. Die Löcher L, LS bzw. Lp in den Schichten 12, MT und 14 müssen durch die jeweils zugeordneten Polysiliziumschichten durchgehen. Anschließend werden durch die Löcher in der Schicht 14 die Isolierschichtzone 13 und durch die Löcher L und LS in den Bereichen 12 und MT die Oxidationsschicht 11 selektiv geätzt. Dadurch wird das Masseteil MT freigelegt, so daß es nur noch an den Federelementen F 20 und F 21 auf gehängt ist. In den Stützenbereichen ST bleibt über dem Substrat 10 eine Stütze bestehen, die gemäß Fig. 8 aus der Schichtenfolge Oxidschicht 11, Polysiliziumzone 12 und Iso lierschichtzone 13 besteht. Diese Stütze ist eine durchge hende mechanische Verbindung zwischen dem Substrat 10 und der Polysiliziumschicht 14. Eine ähnliche Stützenkonstruk tion ist beim ersten Ausführungsbeispiel möglich.
Auf einem Substrat 10 mit der hochdotierten Zone 10a wird zunächst ganzflächig eine erste Isolierschicht 11, bei spielsweise durch lokale Oxidation (LOCOS) erzeugt. Danach wird eine Polysiliziumschicht aufgetragen, aus der durch Strukturieren die Bereiche 12 und das Masseteil MT entste hen. Bei der Strukturierung werden die Löcher L bzw. die Ringaussparungen LS geätzt. Anschließend wird ganzflächig ein Hilfsoxid oder ein Phosphorglas (PSG oder PBSG) als Isolierschichtzone aufgetragen. Anschließend wird wiederum ganz flächig eine Polysiliziumschicht abgeschieden, die so als Schicht 14 strukturiert wird, daß vorzugsweise über den Löchern L des Masseteils gleichgeartete Löcher Lp entstehen. Die Löcher L, LS bzw. Lp in den Schichten 12, MT und 14 müssen durch die jeweils zugeordneten Polysiliziumschichten durchgehen. Anschließend werden durch die Löcher in der Schicht 14 die Isolierschichtzone 13 und durch die Löcher L und LS in den Bereichen 12 und MT die Oxidationsschicht 11 selektiv geätzt. Dadurch wird das Masseteil MT freigelegt, so daß es nur noch an den Federelementen F 20 und F 21 auf gehängt ist. In den Stützenbereichen ST bleibt über dem Substrat 10 eine Stütze bestehen, die gemäß Fig. 8 aus der Schichtenfolge Oxidschicht 11, Polysiliziumzone 12 und Iso lierschichtzone 13 besteht. Diese Stütze ist eine durchge hende mechanische Verbindung zwischen dem Substrat 10 und der Polysiliziumschicht 14. Eine ähnliche Stützenkonstruk tion ist beim ersten Ausführungsbeispiel möglich.
Nachfolgend wird über der Polysiliziumschicht 14 eine Ab
deckschicht als Abdeckung D, z. B. eine Isolierschicht aufge
tragen. Diese Abdeckschichtschicht kann aus Nitrid, d. h.
Plasmanitrid oder Passivierungsnitrid, aus Phophorglas (PSG
oder BPSG) bestehen oder eine TEOS-Schicht sein. Die Ab
scheidung erfolgt beispielsweise durch konforme Abbildung.
Entscheidend ist, daß die Löcher in der Schicht 14 durch
diese Schicht verschlossen werden. Eventuelle Abscheidungen
AS, die bei diesem Prozeßschritt auf dem Substrat 10 oder
auf der beweglichen Elektrode MT entstehen, sind nicht nach
teilig, sondern erwünscht, da dadurch die Elektroden des
Sensors allerhöchstens punktuell aufliegen können und so ein
Sticking-Problem ohne weitere chemische Prozeßschritte weit
gehend vermieden wird.
Die auf diese Weise erzeugte Abdeckung D kann weiter ver
stärkt werden, indem zusätzliche Schichten, beispielsweise
eine Mehrlagenmetallisierung aufgetragen bzw. abgeschieden
wird. Üblicherweise wird als obere abdeckende Schicht eine
Passivierungsschicht aufgetragen. Die Dicke der über Polysi
liziumschicht 14 abgeschiedenen Deckelschicht sollte etwa 3
bis 4 mm betragen.
Die in Fig. 8 gezeigten Abmessungen ergeben sich aus den
lateralen Ätzweiten bei der selektiven Freiätzung des Masse
teils MT unter der Berücksichtigung, daß Stützen ST stehen
bleiben müssen. So ist bei einer Lochöffnung d des Lochs L
von etwa 0,7 bis 1,5 mm und einer lateralen Ätzweite a ent
sprechend ungefähr b/2 von 3 bis 4 mm ein Lochmittenabstand
von 5 bis 8 mm vorgesehen. Die Breite c des Stützenfußes
sollte etwa 3 bis 4 mm betragen, der Stützenabstand etwa 10
bis 25 µm. Bei der Herstellung des Deckels D kann in übli
cher Weise durch eine Temperaturbehandlung eine Verdichtung
des Materials erfolgen.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß in allen drei Dimensionen
eine mechanische Überlastsicherung vorhanden ist. Grundsätz
lich eignet sich die Erfindung zum Eingraben in einem
Substrat mittels CVD-Oxid, Plasma-Nitrid, selektiver Epita
xie oder anderen Verfahren. Damit ist eine billige Plastik
montage und eine Standardbehandlung vereinzelter Chips bei
der Gehäuseherstellung möglich. Insbesondere bei einem hohen
Integrationsgrad, d. h. bei einem Sensor mit Auswertelektro
nik und Ausgangs-Leistungstransistoren ergibt sich so eine
erhebliche Verbilligung des integrierten Sensors. Dies ist
für Massenanwendungen, beispielsweise für Zündpillen bei
Airbag-Systemen oder bei anderen Sensorsystemen von aus
schlaggebender Bedeutung.
Weiterhin eignet sich die Erfindung sowohl für bekannte
Sensoranordnungen mit Polysilizium als Sensorelementen als
auch für Monosilizium-Sensorelemente. Die Erfindung ist
unter Verwendung bekannter und verfügbarer Ätz- und Auffüll
verfahren vollständig VLSI-kompatibel. Sie kann grundsätz
lich mit allen bekannten Halbleitertechnologien kombiniert
werden. Insbesondere bei der im ersten Ausführungsbeispiel
dargestellten Technologie ist eine integrierte Sensorher
stellung ohne wesentliche Erhöhung der erforderlichen Mas
kenzahl möglich. Daraus ergeben sich weitere erhebliche
Kostenvorteile.
Claims (16)
1. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vor
richtung mit folgenden Schritten:
- - ein Körper, bei dem auf einem Träger (1, 10) eine erste Isolierschicht (2, 11) und darüber eine Siliziumschicht (3, 12) angeordnet ist, wird gebildet,
- - die Siliziumschicht (3, 12) wird strukturiert, wobei Öff nungen (L, LS) bis auf die erste Isolierschicht gebildet werden,
- - eine Isolierschichtzone (IS, 13) und eine flächige weitere Schicht (P, 14) werden aufgetragen,
- - die weitere Schicht (P, 14) wird strukturiert, wobei Öff nungen bis auf die Isolierschichtzone (IS, 13) gebildet werden,
- - die Isolierschichtzone und die darunter liegenden Bereiche der ersten Isolierschicht werden selektiv geätzt,
- - über der weiteren Schicht wird flächig eine zweite Iso lierschicht als Abdeckung (D) aufgetragen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Siliziumschicht eine einkristalline oder eine polykri
stalline Schicht vorgesehen sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß nach dem Strukturieren der Siliziumschicht die Öffnungen
mit einem Isolierstoff aufgefüllt werden.
4. Verfahren nach einem der Absprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Isolierschichtzone zumindest in dem
Bereich gebildet wird, der für bewegliche Elemente der Vor
richtung vorgesehen ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Isolierschichtzone durch lokale Oxida
tion gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die weitere Schicht als Passivierungs
schicht gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die weitere Schicht als Nitridschicht,
Siliziumnitridschicht, Phosphorglasschicht oder als Oxid
schicht gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Isolierschichtzone eine Polysilizium
schicht, eine Nitridschicht oder eine Phosphorglasschicht
aufgetragen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß in einem beweglichen Teil der Vorrichtung
Stützen (ST) für die Abdeckung (D) gebildet werden, die von
dem umgebenden beweglichen Teil (MT) getrennt sind.
10. Mikromechanische Vorrichtung, die auf einem Träger (1,
10) einen mikromechanischen Bereich enthält, gekennzeichnet
durch eine auf dem Träger angeordnete flächige Abdeckung (D)
des Bereichs.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Bereich eine mikromechanische Anordnung in einer
einkristallinen Halbleiterschicht enthält.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abdeckung (D) eine Polysiliziumschicht
und/oder eine Nitridschicht und/oder eine Phosphorglas
schicht enthält.
13. Vorrichtung nach einem der Absprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß unter der Abdeckung eine strukturierte
Passivierungsschicht oder eine strukturierte Polysilizium
schicht vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abdeckung (D) durch Stützen (ST),
die durch Öffnungen (LS) in einem beweglichen Teil (MT) des
mikromechanischen Bereichs gehen, und durch einen nicht
beweglichen Teil des mikromechanischen Bereichs getragen
wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stützen eine Schichtenfolge aus einer ersten Isolier
schicht (11), einer Siliziumschicht (12) und einer Isolier
schichtzone (13) enthalten, wobei die Siliziumschicht mit
dem beweglichen Teil (MT) des mikromechanischen Bereichs
hergestellt ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Transistoranordnung mit der mikro
mechanischen Vorrichtung integriert ist.
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