DE19503236B4

DE19503236B4 - Sensor aus einem mehrschichtigen Substrat

Info

Publication number: DE19503236B4
Application number: DE19503236A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Sulzberger; Michael Dr.-Ing. Dr. Offenberg; Bernhard Dipl.-Phys. Elsner; Markus Dipl.-Ing. Lutz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2015-02-03
Also published as: US5631422A; DE19503236A1; JPH08248062A

Abstract

Sensor aus einem mehrschichtigen Substrat, mit einer ersten Siliziumschicht (6), aus der mindestens eine Elektrode (21, 22, 31, 32) herausstrukturiert ist, und mit elektrischen Zuleitungen (11), die auf der Oberseite der ersten Siliziumschicht (6) angeordnet sind und zum Anschluß der Elektroden (21, 22, 31, 32) dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (21, 22, 31, 32) stark dotiert sind, daß schwach dotierte Verbindungselemente (10) aus der ersten Siliziumschicht (6) herausstrukturiert sind, und daß die Leiterbahnen (11) über die Verbindungselemente (10) zu den Elektroden (21, 22, 31, 32) geführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor aus einem mehrschichtigen Substrat nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Aus der nachveröffentlichen Offenlegungsschrift 44 19 844 A1 ist bereits ein Sensor aus einem mehrschichtigen Substrat bekannt, bei dem eine oberste Siliziumschicht vorgesehen ist, aus der Elektroden herausstrukturiert sind.

Weiterhin sind auf der Oberseite der ersten Siliziumschicht Leiterbahnen für die elektrische Kontaktierung der Elektroden vorgesehen. Die Elektroden sind durch Gräben, die mit isolierendem Material gefüllt sind, vom Rest der ersten Siliziumschicht isoliert. Über diese Gräben hinweg werden die metallischen Leiterbahnen geführt.

Aus der Patentschrift US 5,326,726 ist ein Verfahren zur Herstellung von mikroelektronischen Schaltungen und mikromechanischen Strukturen integriert auf einem Chip bekannt. Das Herstellungsverfahren umfasst eine Vielzahl von Prozessen bzw. Prozessschritten, die sich dadurch auszeichnen, dass die Herstellung von Transistorschaltungen und Mikrostrukturen aus Polysilizium miteinander verträglich auf demselben Chip möglich ist.

Die Patentschrift US 5,337,606 zeigt einen Beschleunigungsmesser mit einem kapazitiven Messprinzip. Es ist eine mikromechanische Kondensatorstruktur offenbart, welche feste und bewegliche Elektroden aufweist. Die beweglichen Elektroden werden mechanisch von Balken getragen, welche auch zur elektrischen Anbindung der Elektroden dienen. Die Balken sind dazu elektrisch leitfähig ausgestaltet.

Aus der Offenlegungsschrift JP 06213743 A ist ein Drucksensor bekannt, welcher in Halbleitertechnik gefertigt ist. Der Drucksensor weist Leiterbahnen an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats auf, welche vom Rest des Substrats durch eine gering dotierte Halbleiterschicht isoliert sind.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine hochwertige Kontaktierung der Elektroden möglich ist. Dabei werden parasitäre Effekte oder Leckströme gering gehalten. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Sensor mit einfachen Verfahren der Halbleitertechnik hergestellt werden. Dabei können auch Prozesse verwendet werden, bei denen keinerlei vergrabene Schichten vorgesehen sind, wie beispielsweise CMOS-Prozesse.

Durch die in den abhängigen Patensprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Sensors möglich. Besonders günstig läßt sich der beschriebene Aufbau für die Verwirklichung eines Beschleunigungssensors nutzen. Durch eine Differentialkondensator-Anordnung können Nichtlinearitäten in der Übertragungsfunktion verringert werden. Besonders einfach werden die erfindungsgemäßen Sensoren auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat realisiert. Dabei kann die eigentliche Sensorstruktur aus einer Polysiliziumschicht herausstrukturiert werden. Durch die Verwendung einer oberen Siliziumschicht, die teilweise aus einkristallinem Silizium besteht, kann diese auch zur Herstellung von Schaltkreisen herangezogen werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Sensor,
2 einen Querschnitt durch ein mehrschichtiges Substrat während der Herstellung der Sensoren und
3 einen Querschnitt durch den Sensor nach 1 entlang der Linie III-III.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 wird eine Aufsicht auf einen Sensor 1 gezeigt. Der Sensor weist ein bewegliches Element auf, welches aus den Federelementen 5, dem Zentralbalken 2 und den beweglichen Elektroden 21, 22 gebildet wird. Das bewegliche Element wird durch eine Beschleunigung entlang der Längsachse des Zentralbalkens 2 aus seiner Ausgangslage verschoben. Sensoren mit derartigen beweglichen Elementen sind bereits aus der DE 44 19 844 A1 bekannt und dienen als Beschleunigungssensoren. Die Federelemente 5 sind an Lagerblöcken 3 befestigt. Weiterhin weist der Sensor feststehende Elektroden 31, 32 auf, die an Lagerbalken 4 aufgehängt sind.
In der 3 wird ein Querschnitt durch den Sensor nach der 1 entlang der Linie III-III gezeigt. Wie in der 3 zu erkennen ist, ist der Sensor aus einer mehrschichtigen Platte gebildet. Die untere Schicht der mehrschichtigen Platte besteht aus einer Substratschicht 8. Auf der Substratschicht 8 ist eine erste Siliziumschicht 6 vorgesehen. Die einzelnen Elemente des Sensors 1 sind im Wesentlichen aus dieser Schicht 6 herausstrukturiert.
Die Federelemente 5, der Zentralbalken 2 und die beweglichen Elektroden 21, 22 sind aus der ersten Siliziumschicht 6 herausstrukturiert und weisen einen Abstand zur Substratschicht 8 auf. Diese Elemente sind daher gegenüber der Substratschicht 8 beweglich. Die Federelemente 5 sind an den Lagerblöcken 3 befestigt. Diese Lagerblöcke 3 sind durch eine dielektrische Schicht 7 mit der Substratschicht 8 verbunden. Die Lagerblöcke 3 sind somit fest auf der Substratschicht 8 verankert. Weiterhin sind die Lagerbalken 4 durch die dielektrische Schicht 7 mit der Substratschicht 8 verbunden. Auch die Lagerbalken 4 sind somit fest auf der Substratschicht 8 verankert. Die feststehenden Elektroden 31, 32 sind an den Lagerbalken 4 aufgehängt. Die geometrischen Abmessungen der feststehenden Elektroden 31, 32 sind derartig gewählt, daß sie bei Beschleunigungen nur unwesentlich ausgelenkt werden. Demgegenüber sind die Federelemente 5 derart ausgebildet, daß durch eine Beschleunigung entlang der Längsachse des Zentralbalkens 2 eine Verformung der Federelemente 5 bewirkt wird. Dies führt dazu, daß sich der Abstand der beweglichen Elektroden 21, 22 zu den feststehenden Elektroden 31, 32 verändert. Diese Veränderung des Abstandes der Elektroden untereinander kann nachgewiesen werden, indem die Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden 21,22 und den feststehenden Elektroden 31, 32 gemessen wird. Der Sensor nach 1 ist somit als kapazitiver Beschleunigungssensor verwendbar.
Zur Kontaktierung der Elektroden sind Leiterbahnen 11 vorgesehen, durch die die Lagerblöcke 3 und Lagerbalken 4 kontaktiert werden. Diese Art der Kontaktierung ist besonders vorteilhaft, wenn in der oberen Siliziumschicht 6 eine Auswerteschaltung für den Sensor vorgesehen ist. Durch die Leiterbahnen 11 kann dann eine direkte Verbindung zwischen dem Sensor 1 und der Auswerteschaltung hergestellt werden. Da die Schichtdicke der ersten Siliziumschicht 6 relativ zur Leiterbahndicke groß ist und die herausstrukturierten Elemente senkrechte Kanten aufweisen, sind Verbindungselemente 10 vorgesehen, die zwischen dem Lagerbalken 4 bzw. dem Lagerblock 3 und dem Rest der Siliziumschicht 6 angeordnet sind. Über diese Verbindungselemente 10 hinweg werden die Leiterbahnen geführt, so daß die Leiterbahnen nur geringe Höhenunterschiede überwinden müssen.
Die Lagerblöcke 3, die Lagerbalken 4, die Federelemente 5, der Zentralbalken 2 und die Elektroden 21, 22, 31, 32 sind hoch dotiert. Durch diese hohe Dotierung wird sichergestellt, daß die Elektroden als Kondensatorplatten wirken und so die Kapazitäten zwischen den Elektroden meßbar sind. Die Verbindungselemente 10 sind gering dotiert. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, daß der Sensor gegen die Siliziumschicht 6 isoliert ist. Weiterhin wird durch diese Maßnahme eine Isolation der beweglichen Elektroden 21, 22 gegen die feststehenden Elektroden 31, 32 und eine Isolation der einzelnen Gruppen der feststehenden Elektroden 31, 32 gegeneinander gewährleistet.
In den 2 und 3 wird das Herstellungsverfahren der Sensoren erläutert. Auf einer Substratschicht 8 wird eine dielektrische Schicht 7 und eine erste Siliziumschicht 6 aufgebracht. Als Substratschicht 8 wird hierbei an einen Siliziumwafer gedacht, da darauf die weiteren Schichten problemlos aufgebracht werden können. Weiterhin erlaubt die Verwendung eines Siliziumwafers für die Substratschicht 8 die Ausbildung der ersten Siliziumschicht derart, daß in die erste Siliziumschicht 6 Schaltkreise eingebracht werden können. Für die dielektrische Schicht 7 wird an die üblichen aus der Halbleiterfertigung bekannten dielektrischen Materialien wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder verschiedene Glasschichten gedacht. Für die weitere Beschreibung wird davon ausgegangen, daß es sich bei dem Material für die dielektrische Schicht 7 um Siliziumoxid handelt.
Die dielektrische Schicht 7 kann, wie hier in der 2 gezeigt wird, nur unterhalb der Sensorstruktur angeordnet sein. Alternativ ist es auch möglich, daß sich die dielektrische Schicht 7 vollständig zwischen der ersten Siliziumschicht 6 und der Substratschicht 8 erstreckt. Wenn die dielektrische Schicht 7 strukturiert ist, wird die erste Siliziumschicht 6 zweckmäßigerweise durch einen Abscheidungsprozeß aufgebracht. Dazu kann beispielsweise eine Polysiliziumschicht in der Dicke von wenigen μm aufgebracht werden. Die erste Siliziumschicht 6 besteht dann vollständig aus Polysilizium. Wenn die Ausbildung von Schaltkreisen erwünscht ist, so müssen diese dann in der Substratschicht 8, die dann aus einkristallinem Silizium besteht, ausgebildet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Prozeß zu verwenden, der aus der Halbleiterherstellung zur Abscheidung von Epitaxieschichten bekannt ist. Über der dielektrischen Schicht 7 besteht die erste Siliziumschicht 6 dann aus Polysilizium. In den Bereichen, in denen die erste Siliziumschicht 6 in unmittelbarem Kontakt zur einkristallinen Siliziumsubstratschicht 8 steht, besteht die erste Siliziumschicht 6 dann aus einkristallinem Silizium. Dieses Material kann dann auch zur Ausbildung von Schaltkreisen verwendet werden. Vorteilhaft ist an diesem Epitaxieprozeß weiterhin, daß die erzielbaren Schichtdicken in der Größenordnung von 10 bis 20 μm deutlich dicker sind als bei der Verwendung eines Prozesses, der ein Polysilizium abscheidet. Das vorteilhafteste Verfahren besteht darin, daß auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat 8 eine strukturierte Siliziumoxidschicht 7 und darauf durch einen Epitaxieprozeß eine erste Siliziumschicht 6 abgeschieden wird.
Bei der Epitaxie wird ein Prozeß verwendet, der eine schwach dotierte hochohmige erste Siliziumschicht 6 bildet. Im polykristallinen Bereich führt die schwache Dotierung aufgrund von Ladungsträgereingang nicht zu einer Erhöhung der sehr geringen intrinsischen Leitfähigkeit. Um zu erreichen, daß die Sensorstrukturen stark dotiert sind und die Verbindungselemente 10 schwach dotiert sind, wird dann eine Diffusionszone 17 eingebracht. Zu diesem Zweck wird eine Maskierung 15 aufgebracht, unterhalb derer keine Dotierung der Siliziumschicht 6 erfolgt. Derartige Diffusionsprozesse sind aus der Halbleiterherstellung bekannt und können auch für die Herstellung einer Auswerteschaltung mit verwendet werden.
Das weitere Herstellungsverfahren wird an der 3 erläutert. Durch einen Plasmaätzprozeß wird die erste Siliziumschicht 6 strukturiert. Dabei werden die Lagerblöcke 3, die Lagerbalken 4, die Federelemente 5, der Zentralbalken 2, die Elektroden 21, 22, 31, 32 und die Verbindungselemente 10 aus der ersten Siliziumschicht 6 herausstrukturiert.
Durch eine Maskierung werden die Bereiche der ersten Siliziumschicht 6, die nicht strukturiert werden sollen, geschützt. Ebenso werden die bereits aufgebrachten Leiterbahnen 11 und Passivierungsschichten 16 geschützt. Die Leiterbahnen 11 sind durch eine Passivierungsschicht 16 gegen die Siliziumschicht 6 isoliert. Nur im Bereich der Lagerblöcke 3 oder Lagerbalken 4 liegen die Leiterbahnen 11 unmittelbar auf dem Silizium auf. Nur an diesen Stellen erfolgt somit eine Kontaktierung des Sensors.
In einem weiteren Ätzschritt wird dann die dielektrische Schicht 7 unterhalb der Federelemente 5, des Zentralbalkens 2 und der beweglichen Elektroden 21, 22 entfernt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die mehrschichtige Platte nach der Strukturierung der ersten Siliziumschicht 6 mit einem Ätzmedium beaufschlagt wird, welches die dielektrische Schicht 7 ätzt. Aufgrund der relativ breiten Abmessungen der Lagerblöcke 3, der Lagerbalken 4 und der Verbindungselemente 10 verbleibt unter diesen noch eine dielektrische Schicht 7, sofern die Ätzung rechtzeitig unterbrochen wird. Die Federelemente 5, der Zentralbalken 2 und die beweglichen und feststehenden Elektroden 21, 22, 31, 32 sind jedoch von ihren geometrischen Abmessungen so bemessen, daß zu diesem Zeitpunkt die dielektrische Schicht 7 unter diesen Elementen bereits vollständig entfernt ist.
Das Verbindungselement 10 ist als länglicher Balken ausgeführt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß trotz eines gewissen Leitvermögens des Polysiliziums eine ausreichende Isolation des Sensors gewährleistet wird. Da es sich bei dem Material für das Verbindungselement 10 um Polysilizium handelt, ist die Leitfähigkeit des Materials geringer als die von vergleichbar dotiertem einkristallinem Siliziummaterial. Die Isolation der Sensorstruktur zur Substratschicht 8 hin wird durch die dielektrische Schicht 7 gewährleistet.
Die Federelemente 5 sind als gefaltete Struktur an einem zentralen Lagerblock 3 aufgehängt. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß sich die Federelemente bei Temperaturänderung beliebig ausdehnen oder zusammenziehen können, ohne daß es dabei zu Verspannungen innerhalb der Federelemente kommt. Es wird so die Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals verringert.
Über die Anwendung bei Beschleunigungssensoren hinaus ist die beschriebene Isolation durch gering dotierte Verbindungselemente 10 bei jeder Art von Bauelementen geeignet, bei der eine stark dotierte Elektrode aus einer ersten Siliziumschicht herausgebildet wird.
Die beweglichen Elektroden weisen eine erste Gruppe von beweglichen Elektroden 21 und eine zweite Gruppe von beweglichen Elektroden 22 auf. Die feststehenden Elektroden weisen ebenfalls eine erste Gruppe 31 und eine zweite Gruppe 32 von feststehenden Elektroden auf. Die erste Gruppe der feststehenden Elektroden 31 bildet mit der ersten Gruppe der beweglichen Elektroden 21 eine erste Gruppe von Kondensatoren 41. Ebenso bilden die zweiten Elektrodengruppen 22, 32 eine zweite Gruppe von Kondensatoren 42. Die einzelnen Elektrodengruppen sind dabei derart angeordnet, daß bei einer Beschleunigung entlang der Längsachse des Zentralbalkens 2 sich die Kapazität der einen Gruppe von Kondensatoren immer erhöht, wenn sich die Kapazität der anderen Gruppe erniedrigt. Durch diese Anordnung als Differentialkondensatoren können Nichtlinearitäten in der Übertragungsfunktion verringert werden, indem die Kapazitäten nur in Differenz betrachtet werden. Da bei der hier gezeigten Art der Kontaktierung über Verbindungselemente 10 keine Leiterbahnüberkreuzungen erzeugt werden können, ist hier eine Gruppe von Kondensatoren 41 auf der einen Seite des Zentralbalkens 2 und die andere Gruppe von Kondensatoren 42 auf der anderen Seite angeordnet.

Claims

Sensor aus einem mehrschichtigen Substrat, mit einer ersten Siliziumschicht (6), aus der mindestens eine Elektrode (21, 22, 31, 32) herausstrukturiert ist, und mit elektrischen Zuleitungen (11), die auf der Oberseite der ersten Siliziumschicht (6) angeordnet sind und zum Anschluß der Elektroden (21, 22, 31, 32) dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (21, 22, 31, 32) stark dotiert sind, daß schwach dotierte Verbindungselemente (10) aus der ersten Siliziumschicht (6) herausstrukturiert sind, und daß die Leiterbahnen (11) über die Verbindungselemente (10) zu den Elektroden (21, 22, 31, 32) geführt werden.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierten Elektroden als bewegliche Elektroden (21, 22) ausgebildet sind und durch eine Beschleunigung verschiebbar sind.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber den beweglichen Elektroden (21, 22) feststehende Elektroden (31, 32) angeordnet sind und mit diesen Kondensatoren bilden.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren eine erste und eine zweite Gruppe bilden, und daß sich die Kapazität der ersten Gruppe von Kondensatoren (41) verringert, wenn sich die Kapazität der zweiten Gruppen von Kondensatoren (42) erhöht und umgekehrt.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mehrschichtige Substrat als untere Schicht eine Substratschicht aus einkristallinem Silizium aufweist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Siliziumschicht (6) aus polykristallinem Siliziummaterial aufgebaut ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Siliziumschicht teilweise aus polykristallinem und teilweise aus einkristallinem Siliziummaterial aufgebaut ist und daß der Sensor aus dem polykristallinen Material aufgebaut ist.