DE102004026593A1

DE102004026593A1 - Halbleitersensor für dynamische Größen

Info

Publication number: DE102004026593A1
Application number: DE102004026593A
Authority: DE
Inventors: Minekazu Kariya Sakai
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2004-12-23
Also published as: JP2004361115A; US7004029B2; US20040237652A1

Abstract

In einem Halbleiterbeschleunigungssensor (S1) ist oberhalb einer Seite eines ersten Siliziumsubstrates (10) aus einem Halbleiter, das als feste Elektrode (11) dient, eine bewegliche Elektrode (20) aus einem Halbleiter in Dickenrichtung des ersten Siliziumsubstrates (10) beabstandet von und gegenüber dem ersten Siliziumsubstrat (10) verschiebbar angeordnet. Eine anliegende Beschleunigung wird auf der Grundlage von Kapazitätsänderungen zwischen der beweglichen Elektrode (20) und der Fläche des ersten Siliziumsubstrates (10) erkannt, welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode (20) einhergehen. Ein Freiraum und eine elektrisch isolierende Schicht (13) mit einer größeren relativen absoluten Dielektrizitätskonstante als derjenigen von Luft liegen zwischen der beweglichen Elektrode (20) und der Fläche des ersten Siliziumsubstrates (10) Seite an Seite in der Richtung, in der die bewegliche Elektrode (20) und das erste Siliziumsubstrat (10) voneinander beabstandet sind.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Halbleitersensoren für dynamische Größen des Kondensatortyps und insbesondere Sensoren, welche eine bewegliche Elektrode und eine feste Elektrode haben, welche auf einem Halbleitersubstrat voneinander beabstandet sind und eine angelegte dynamische Größe auf der Grundlage von Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden erkennen.
Ein Halbleitersensor für dynamische Größen wird allgemein durch Bearbeiten eines Halbleitersubstrates hergestellt, um eine bewegliche Elektrode und eine feste Elektrode beabstandet von und einander gegenüberliegend auszubilden und erkennt eine angelegte dynamische Größe, beispielsweise eine Beschleunigung oder eine Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage von Kapazitätsänderungen zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode, welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode einhergeht, wenn die dynamische Größe angelegt wird.
Beispielsweise wurde ein Halbleiterbeschleunigungssensor in der JP-A-9-113534 (nachfolgend "Patentdokument 1" genannt) vorgeschlagen, bei dem ein Trägersubstrat aus einem Halbleiter als feste Elektrode dient und eine bewegliche Elektrode aus einem Halbleiter und in Dickenrichtung des Trägersubstrates verschiebbar oberhalb einer Seite des Trägersubstrats, hiervon beabstandet und diesem gegenüberliegend angeordnet ist, wobei eine angelegte Beschleunigung auf der Grundlage von Kapazitätsänderungen erkannt wird, welche zwischen der beweglichen Elektrode und einer Seite des Trägersubstrats auftreten, wenn die Beschleunigung angelegt wird. In Patentdokument 1 ist die bewegliche Elektrode rechteckförmig und ihre vier Ecken sind durch flexible Federteile verankert, was die Form eines Hakenkreuzes ergibt.
Ein Halbleiterbeschleunigungssensor dieser Art ist auch in der JP-A-10-178184 (nachfolgend "Patentdokument 2" genannt) vorgeschlagen, bei der eine kammzahnartige bewegliche Elektrode und eine kammzahnartige feste Elektrode einander im gegenseitigen Eingriffszustand gegenüberliegen und welche das Aufbringen einer Beschleunigung in Horizontalrichtung des Halbleitersubstrats erkennen.
Bei Halbleitersensoren für dynamische Größen des Kondensatortyps dieser Art sind jedoch Verbesserungen hinsichtlich der Erkennungsempfindlichkeit notwendig und um diese Verbesserungen zu erhalten, ist es notwendig, die Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode, d.h. die Erkennungskapazität zu erhöhen.
Diese Erkennungskapazität kan durch Erhöhen der Elektrodengrößen und hierdurch durch Erhöhen der einander gegenüberliegenden Flächen der Elektroden erhöht werden; eine Erhöhung dieser Fläche auf diese Weise bringt jedoch das Problem einer erhöhten Größe des Sensors.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erkennungsempfindlichkeit eines Halbleitersensors für dynamische Größen des Kondensatortyps mit minimalem Größenanstieg zu erhöhen.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben schafft ein erster Aspekt der Erfindung einen Halbleitersensor für dynamische Größen mit einer beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode voneinander beabstandet und einander gegenüberliegend, ausgebildet durch Bearbeitung eines Halbleitersubstrats, wobei der Halbleitersensor für dynamische Größen eine angelegte dynamische Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode erkennt, welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode einhergeht, wenn die dynamische Größe angelegt wird, wobei ein Freiraum und eine elektrisch isolierende Isolationsschicht mit einer größeren relativen absoluten Dielektrizitätskonstante als Luft Seite an Seite zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode in der Richtung zwischengeschaltet sind, in der die Elektroden voneinander getrennt sind.
Während im Stand der Technik nur ein Freiraum zwischen beweglicher Elektrode und fester Elektrode vorliegt, ist bei dieser Erfindung zusätzlich zu dem Freiraum die isolierende Schicht mit einer relativen absoluten Dielektrizitätskonstante größer als Luft ebenfalls zwischengeschaltet.
Infolgedessen ist die absolute Dielektrizitätskonstante des Kondensatorteils zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode, d.h. im Erkennungskondensatorteil größer als im Stand der Technik und im Ergebnis ist es möglich, die Erkennungskapazität zu erhöhen, ohne daß die einander gegenüberliegenden Flächen der Elektroden wesentlich vergrößert werden müssen.
Somit ist es bei der Erfindung bei einem Halbleitersensor für eine dynamische Größe des Kondensatortyps möglich, die Erkennungsempfindlichkeit zu erhöhen, während der Größenanstieg auf ein Minimum beschränkt bleibt.
Hierbei kann gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung die isolierende Schicht an wenigstens einer der einander gegenüberliegenden Seiten von beweglicher Elektrode und fester Elektrode angeordnet sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung kann die isolierende Schicht auf beiden einander gegenüberliegenden Seiten oder aufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode und fester Elektrode angeordnet sein.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung kann die isolierende Schicht aus einer Mehrzahl von isolierenden Filmen unterschiedlicher Arten gemacht sein.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung schafft einen Halbleitersensor für eine dynamische Größe mit einem Trägersubstrat, welches eine feste Elektrode aus einem Halbleiter gefertigt bildet und welche entfernt von und gegenüberliegend einer Seite einer beweglichen Elektrode aus einem Halbleiter ist, welche in Dickenrichtung des Trägersubstrates verschiebbar ist, wobei der Halbleitersensor für dynamische Größen eine angelegte dynamische Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und der Seite des Trägersubstrats erkennt, welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode einhergeht, die auftritt, wenn die dynamische Größe angelegt wird, wobei ein Freiraum und eine elektrisch isolierende Schicht mit einer größeren relativen absoluten Dielektrizitätskonstante als Luft Seite an Seite zwischen der beweglichen Elektrode und der Seite des Trägersubstrats in der Richtung zwischengeschaltet sind, in der die bewegliche Elektrode und das Trägersubstrat voneinander beabstandet sind.
Während im Stand der Technik nur ein Freiraum zwischen beweglicher Elektrode und der Seite des Trägersubstrats vorhanden ist, welche die feste Elektrode bildet, ist bei dieser Erfindung zusätzlich zu dem Freiraum eine isolierende Schicht mit einer relativen absoluten Dielektrizitätskonstante größer als Luft ebenfalls zwischengeschaltet.
Infolgedessen kann die absolute Dielektrizitätskonstante des Kondensatorteils zwischen der beweglichen Elektrode und der Seite des Trägersubstrats, d.h. des Erkennungskondensatorteils größer als im Stand der Technik gemacht werden und im Ergebnis ist es möglich, die Erkennungskapazität zu erhöhen, ohne daß die aufeinander zu weisenden Seiten oder Flächen von beweglicher Elektrode und Trägersubstrat wesentlich erhöht werden müssen.
Somit ist es bei dieser Erfindung in einem Halbleitersensor für dynamische Größen des Kondensatortyps möglich, die Erkennungsempfindlichkeit anzuheben, während der Größenanstieg auf ein Minimum gehalten wird.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung kann die isolierende Schicht an einer der aufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode und Trägersubstrat angeordnet sein.
Gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung kann die isolierende Schicht auf beiden aufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode und Trägersubstrat angeordnet sein.
Gemäß einem achten Aspekt der Erfindung ist die isolierende Schicht aus einer Mehrzahl von isolierenden Filmen unterschiedlicher Arten aufgebaut.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
1 eine schematische Draufsicht auf einen Halbleiter-Beschleunigungssensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
2 eine Schnittdarstellung entlang Linie II-II in 1;
3 eine Schnittdarstellung entlang Linie III-III in 1;
4 eine Schnittdarstellung entlang Linie IV-IV in 1;
5A die Ansicht eines Kondensatormodells gemäß der bevorzugten Ausführungsform;
5B die Ansicht eines bekannten Kondensatormodells;
6 eine Ansicht der Beziehung zwischen einem Verhältnis von Oxidfilmdicke/Luftschichtdicke und Kapazitätsanstieg;
7 eine Ansicht eines Verschiebungsmodells einer beweglichen Elektrode, wenn eine Beschleunigung angelegt wird;
8 die Ansicht einer Beziehung zwischen angelegter Beschleunigung G und der Luftschichtdicke d nach der Verschiebung;
9 eine Ansicht einer Beziehung zwischen der Luftschichtdicke d nach der Verschiebung und einer Spannung V über den beiden Elektroden;
10 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Abwandlung der bevorzugten Ausführungsform;
11 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Abwandlung der bevorzugten Ausführungsform; und
12 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Abwandlung der bevorzugten Ausführungsform.
Die Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, welche in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. 1 ist eine schematische Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor S1 des Kondensatortyps, der einen Halbleitersensor für dynamische Größen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet; 2 ist eine schematische Schnittdarstellung durch diesen Beschleunigungssensor S1 entlang Linie II-II in 1; und 3 ist eine schematische Schnittdarstellung durch den Beschleunigungssensor S1 entlang Linie III-III in 1.
Dieser Beschleunigungssensor S1 kann beispielsweise als Beschleunigungssensor in einem Fahrzeug oder als Gyrosensor zur Durchführung einer Betriebssteuerung eines Airbags, von ABS oder VSC oder dergleichen eingesetzt werden. Der Beschleunigungssensor S1 wird durch eine bekannte Mikrobearbeitung hergestellt, welche an einem Halbleitersubstrat durchgeführt wird.
Wie in den 2 und 3 bezeichnet, ist das Halbleitersubstrat, welches den Beschleunigungssensor S1 bildet, ein rechteckförmiges SOI-Substrat 10 mit einem Siliziumoxidfilm 13 als isolierende Schicht zwischen einem ersten Siliziumsubstrat 11, welches als erste Halbleiterschicht dient und einem zweiten Siliziumsubstrat 12, welches als zweite Halbleiterschicht dient. Auf dem SOI- Substrat 10 ist das erste Siliziumsubstrat 11 als Trägersubstrat angeordnet.
Eine bewegliche Elektrode 20 wird durch Schlitze 14 gebildet, welche im zweiten Siliziumsubstrat 12 ausgebildet sind. In diesem Beispiel ist die bewegliche Elektrode 20 rechteckförmig und hat eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 21, welche sie in Dickenrichtung durchlaufen und wird auf dem ersten Siliziumsubstrat 11, welches das Trägersubstrat bildet, in Dickenrichtung des ersten Siliziumsubstrats 11 verschiebbar gelagert.
Genauer gesagt, wie in den 2 und 3 gezeigt, ist ein Teil auf Seiten des Siliziumoxidfilms 13 des zweiten Siliziumsubstrats 12 entfernt, so daß die bewegliche Elektrode 20 über dem Siliziumoxidfilm 13 "schwimmt". Dieser Teil des zweiten Siliziumsubstrates 12, von welchem der Seitenteil des Siliziumoxidfilms 13 entfernt worden ist, liegt innerhalb eines Bereichs 15, der in 1 mit der rechteckförmigen gestrichelten Linie dargestellt ist.
Wie in den 1 und 3 gezeigt, ist die bewegliche Elektrode 20 so angeordnet, daß sie einen mittigen Teil des SOI-Substrats 10 überdeckt und die Enden der beweglichen Elektrode 20 sind einstückig mit Ankerteilen 23a und 23b durch Federteile 22 verbunden. Hierbei sind die Ankerteile 23a und 23b feste Teile, welche auf dem ersten Siliziumsubstrat 11 über den Siliziumoxidfilm 13 gelagert sind.
Die Federteile 22 bilden jeweils einen rechteckförmigen Rahmen bestehend aus zwei parallelen Stäben, die an ihren Enden verbunden sind und die bewegliche Elektrode 20 hat eine Federfunktion dahingehend, daß sie in Dickenrichtung des ersten Siliziumsubstrats 11 elastisch ver schiebbar ist. Insbesondere erlauben die Federteile 22 eine Verschiebung der beweglichen Elektrode 20 in Richtung des Pfeils Z, wenn eine Beschleunigung einwirkt, welche eine Komponente in Richtung des Pfeils Z in den 2 und 3 enthält, wobei sie in ihre Ausgangslage zurückkehrt, wenn die Beschleunigung nicht mehr einwirkt.
Auf diese Weise ist die bewegliche Elektrode 20 oberhalb einer Seite des ersten Siliziumsubstrats 11, welches als Trägersubstrat dient, ausgebildet und liegt dieser Seite mit einem bestimmten Spalt t (vgl. 2) dazwischen gegenüber und ist in Verschiebungsrichtung der Federteile 22 verschiebbar, d.h. entsprechend einer angelegten Beschleunigung in der Richtung des genannten Pfeils Z.
Wenn eine Beschleunigung einwirkt, ändert sich der Spalt t zwischen der beweglichen Elektrode 20 und der Fläche des ersten Siliziumsubstrats 11 abhängig von der Verschiebung der beweglichen Elektrode 20. Nachfolgend wird die Richtung des Pfeils Z als Verschiebungsrichtung Z bezeichnet.
Bei diesem Beschleunigungssensor S1 bildet das erste Siliziumsubstrat 11, welches der beweglichen Elektrode 20 zuweist, auch die feste Elektrode. Wie in den 2 und 3 gezeigt, liegen bei der bevorzugten Ausführungsform zwischen der beweglichen Elektrode 20 und dem ersten Siliziumsubstrat (der festen Elektrode) 11, welche einander mit dem bestimmten Spalt t dazwischen gegenüberliegen ein Freiraum 30 und eine elektrisch isolierende Schicht 13 mit einer größeren relativen absoluten Dielektrizitätskonstante als Luft Seite an Seite in der Richtung, in der die bewegliche Elektrode 20 und das erste Siliziumsubstrat 11 voneinander beabstandet sind (d.h. in Verschiebungsrichtung Z).
In diesem Beispiel ist der isolierende Film 13 ein Siliziumoxidfilm (SiO₂) an der zuweisenden Seite des ersten Siliziumsubstrats 11, wie oben erwähnt und wird durch thermische Oxidation, Sputtern oder Dampfabscheidung oder dergleichen gebildet. In Umgebungsatmosphäre ist der Freiraum 30 eine Luftschicht, in Vakuumatmosphäre ist er ein Vakuumraum und in einer anderen Gasatmosphäre ist er eine Schicht aus dem Gas, welches die jeweilige Atmosphäre bildet.
Gemäß den 1 und 3 ist ein Zwischenverbindungsteil 25 der beweglichen Elektrode einstückig mit dem Ankerteil 23b verbunden und ein Kissen 25a der beweglichen Elektrode (Kontaktkissen für eine Drahtbondung) ist an einer bestimmten Position auf diesem Zwischenverbindungsteil 25 ausgebildet.
Gemäß 1 ist ein Kissen 11a der festen Elektrode als Kontaktkissen für eine Drahtbondierung elektrisch mit dem ersten Siliziumsubstrat 11 verbunden, das als feste Elektrode dient. Der Schnittaufbau des Kissens 11a der festen Elektrode ist in 4 im Schnitt entsprechend der Linie IV-IV in 1 gezeigt.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Kissen 12a für ein Referenzpotential zur Aufrechterhaltung eines Teils des zweiten Siliziumsubstrats 12 am Umfang der beweglichen Elektrode 20 auf festem Potential an diesem Umfangsteil ausgebildet. Diese Elektrodenkissen 11a, 12a und 25a sind beispielsweise aus Aluminium gebildet.
Beispielsweise die Rückseite des ersten Siliziumsubstrats 11 dieses Beschleunigungssensors S1, d.h., die Seite gegenüber dem Siliziumoxidfilm 13 ist mit einer Packung oder einem Gehäuse (nicht gezeigt) mittels eines Klebers oder dergleichen befestigt und Schaltkreisvorrichtungen zur Steuerung des Beschleunigungssensors S1 sind in dieser Packung oder diesem Gehäuse vorgesehen.
Diese Schaltkreisvorrichtungen und die Elektrodenkissen 11a, 12a und 25a sind elektrisch über Drähte (nicht gezeigt) aus Gold oder Aluminium durch Drahtbondierung oder dergleichen verbunden.
Dieser Beschleunigungssensor S1 kann beispielsweise wie folgt hergestellt werden. Unter Verwendung einer Photolithographie wird eine Maske einer Form entsprechend der beweglichen Elektrode 20 mit den Durchgangsöffnungen 21, den Federteilen 22 und den Ankerteilen 23a und 23b auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 des SOI-Substrats 10 ausgebildet und dann wird mittels Trockenätzen unter Verwenden eines Gases wie CF₄ oder SF₆ ein Grabenätzvorgang durchgeführt, um das Muster der Schlitze 14 von 1 zu bilden.
Bei diesem Grabenätzen ist im Vergleich zu dem Ätzmuster, das innerhalb des Bereichs 15 von 1 liegt, in dem Ätzmuster, das außerhalb dieses Bereichs 15 liegt, der verbleibende Teil breiter. In der beweglichen Elektrode 20 sind zu verbleibende enge Teile durch die Durchgangsöffnungen 21 realisiert.
Aufgrund hiervon wird in dem Teil des zweiten Siliziumsubstrats 12, das innerhalb des Bereichs 15 in 1 liegt, der Boden des zweiten Siliziumsubstrats 12 durch einen seitlichen Ätzangriff entfernt, so daß das zweite Siliziumsubstrat 12 über dem Siliziumoxidfilm 13 "schwebt"; außerhalb des Bereichs 15 verbleibt der Boden des zweiten Siliziumsubstrats 12.
Infolgedessen sind im zweiten Siliziumsubstrat 12 ein Teil, der oberhalb des Oxidfilms 13 "schwebt" und ein Teil in Kontakt mit und getragen von dem Oxidfilm 13 gebildet und im Ergebnis werden eine bewegliche Elektrode 20, Federteile 22 und Ankerteile 23a und 23b gebildet, unterteilt durch die Schlitze 14. Durch Sputtern oder Dampfabscheidung von Aluminium werden die genannten Elektrodenkissen 11a, 12a und 25a gebildet und der Beschleunigungssensor S1 ist vollständig.
In diesem Beschleunigungssensor S1 wird zwischen der beweglichen Elektrode und dem ersten Siliziumsubstrat 11, das als feste Elektrode dient, eine Erkennungskapazität gebildet. Wenn eine Beschleunigung einwirkt, wird auf der Grundlage der Federfunktion der Federteile 22 die Gesamtheit der beweglichen Elektrode 20 einstückig in Verschiebungsrichtung Z verschoben und entsprechend dieser Verschiebung ändert sich die Erkennungskapazität. Auf der Grundlage dieser Änderung in der Kapazität wird die Beschleunigung erkannt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform liegt das wesentliche Merkmal vor, daß zwischen der beweglichen Elektrode 20 und der Fläche des ersten Siliziumsubstrats 11, welches die feste Elektrode bildet und als Trägersubstrat dient, der Freiraum 30 und die isolierende Schicht 13, welche elektrisch isolierend ist und eine größere relative absolute Dieelektrizitätskonstante als Luft hat, Seite an Seite in der Richtung angeordnet sind, in der die bewegliche Elektrode 20 und das erste Siliziumsubstrat 11 voneinander beabstandet sind.
Während es im Stand der Technik nur ein Freiraum zwischen der beweglichen Elektrode und der Fläche des Trägersubstrats gibt, welches die feste Elektrode bildet, ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung zusätzlich zu dem Freiraum 30 der Siliziumoxidfilm 13, der die isolierende Schicht mit der größeren relativen absoluten Dielektrizitätskonstante als Luft bildet, zwischen der beweglichen Elektrode 20 und dem ersten Siliziumsubstrat 11 zwischengeschaltet, das die feste Elektrode bildet. Die relative absolute Dielektrizitätskonstante von Luft beträgt 1 und die relative absolute Dielektrizitätskonstante des Siliziumoxidfilms 13 beträgt 3,84.
Infolgedessen ist die absolute Dielektrizitätskonstante des Kondensatorteils zwischen der beweglichen Elektrode 20 und der Fläche des ersten Siliziumsubstrats 11, d.h. des Erkennungskondensatorteils größer als im Stand der Technik und im Ergebnis ist es möglich, die Erkennungskapazität zu erhöhen, ohne daß die aufeinander zu weisenden Flächen von beweglicher Elektrode 20 und ersten Siliziumsubstrat 11 vergrößert werden müssen.
Somit ist es bei dieser bevorzugten Ausführungsform bei dem Halbleitersensor für dynamische Größen des Kondensatortyps möglich, die Erkennungsempfindlichkeit zu erhöhen, während ein Größenzuwachs des Sensors minimal gehalten wird.
Spezielle Erkennungsempfindlichkeitsanstiege, welche mit dem Beschleunigungssensor S1 dieser Ausführungsform erhaltbar sind, bei dem der Siliziumoxidfilm 13 als isolierende Schicht verwendet wird, werden nun beschrieben. Hierbei wird angenommen, daß der Freiraum 30 eine Luftschicht ist.
5 zeigt den Fall eines Beschleunigungssensors S1 dieser Ausführungsform, bei dem ein Dielektrikum zwischen der beweglichen Elektrode 20 und der festen Elektrode (in dem ersten Siliziumsubstrat) 11 aus dem Siliziumoxidfilm 13 und der Luftschicht (dem Freiraum) 30 ist und 5B zeigt den Fall im Stand der Technik, bei dem das Dielektrikum zwischen der beweglichen Elektrode 20 und der festen Elektrode 11 nur aus der Luftschicht besteht.
Die absolute Dielektrizitätskonstante eines Vakuums sei hier mit ε0 bezeichnet, die relative absolute Dielektrizitätskonstante der Luftschicht 30 (d. h. die relative absolute Dielektrizitätskonstante von Luft) sei mit εr1 bezeichnet, die relative absolute Dielektrizitätskonstante des Siliziumoxidfilms 13 (d. h. die relative absolute Dielektrizitätskonstante von SiO₂) sei mit εr2 bezeichnet und die entsprechende Dicke von Luftschicht 30 und Siliziumoxidfilm 13 in der Richtung, in der die beiden Elektroden 20 und 11 von einander beabstandet sind, seien mit t1 beziehungsweise t2 bezeichnet. In 5B ist (t1 + t2) die Dicke der Luftschicht 30 zwischen den Elektroden 20 und 11.
Wenn die Kapazitäten pro Einheitsfläche der Elektroden 20 und 11 in den 5A und 5B als Ca und Cb ausgedrückt werden, ergeben sich diese Kapazitäten Ca und Cb durch die folgenden Ausdrücke 1 und 2:
Ausdruck 1

Ca = ε0/(t1/εr1 + t2/εr2)

Ausdruck 2

Cb = ε0/(t1/εr1 + t2/εr1)

Da hierbei εr1, die relative absolute Dielektrizitätskonstante von Luft, 1 ist, ergeben sich die Kapazitäten Ca und Cb durch die folgenden Ausdrücke 3 und 4:
Ausdruck 3

Ca = ε0/(t1 + t2/εr2)

Ausdruck 4

Cb = ε0/t1 + t2)

Aus diesen Ausdrücken 3 und 4 ergibt sich das Verhältnis Ca/Cb der Kapazität Ca dieser Ausführungsform zur Kapazität Cb im Fall des Standes der Technik mit nur der Luftschicht 30 durch den folgenden Ausdruck 5:
Ausdruck 5

Ca/Cb = (t1 + t2)/(t1 + t2/εr2)

Das Ergebnis des Erhalts der Beziehung zwischen dem Verhältnis t2/t1 der Dicke t2 des Siliziumoxidfilms 13 zur Dicke t1 der Luftschicht 30 und der Kapazität der gesamten absoluten Dielektrizität auf der Grundlage dieses Ausdrucks 5 ist in 6 gezeigt.
In 6 zeigt die horizontale Achse die Oxidfilmdicke/Luftschichtdicke, d. h. das Verhältnis t2/t1 und die vertikale Achse zeigt den Anstieg der Kapazität. Der Wert auf der vertikalen Achse bei 0 auf der horizontalen Achse ist die Kapazität im Fall, in dem das die Dielektrikum zwischen den Elektroden 20 und 11 im wesentlichen aus der Luftschicht 30 besteht, d. h. die Kapazität Cb im Stand der Technik von 5B und der Kapazitätsanstieg wird gezeigt, wenn diese Kapazität Cb auf 1 standardisiert ist.
Es kann aus 6 gesehen werden, daß, wenn der Anteil der Dicke des Siliziumoxidfilms 13 im Dielektrikum zwischen den Elektroden 20 und 11 ansteigt, die Kapazität ansteigt. Wie aus diesem Beispiel gesehen werden kann, ist es zur Verdoppelung der Kapazität notwendig, das Verhältnis von Oxidfilmdicke/Luftschichtdicke auf 2,05 zu setzen, d. h., die Dicke t2 des Siliziumoxidfilms 13 um 2,05 mal größer als die Dicke t1 der Luftschicht 30 zu machen.
Wenn die Dicke t1 der Luftschicht 30 und die Dicke t2 des Siliziumoxidfilms 13 entschieden worden sind, wird ein Vorgang unter Berücksichtigung des dynamischen Bereiches auf folgende Weise durchgeführt. 7 ist eine Ansicht, welche ein Verschiebungsmodell der beweglichen Elektrode 20 zeigt.
7 zeigt die bewegliche Elektrode 20 in dem Beschleunigungssensor S1 dieser Ausführungsform, welche um einen Verschiebungsbetrag (t1 – d) unter einer Beschleunigung G verschoben worden ist. Das heißt, in 7 beträgt die Dicke der Luftschicht 30 nach der Verschiebung d. Die Spannung über den Elektroden 20 und 11 beträgt V.
Hierbei ergibt sich die elektrostatische Kraft Fed und ergibt sich die Federkraft Fsp durch die nachfolgenden Ausdrücke 6 und 7, wenn die elektrostatische Kraft Fed zwischen den Elektroden 20 und 11 als Fed geschrieben wird, die Federkonstante der Federteile 22 als k geschrieben wird und die Federkraft der Federteile 22 als Fsp geschrieben wird:
Ausdruck 6

Fed = ε0·V2/2{1/(d + t2/εr2)}2

Ausdruck 7

Fsp = k·(t1 – d)

Wenn die Verschiebung der beweglichen Elektrode 20 ausbalanciert ist, d. h. im Gleichgewichtszustand ist Fed = Fsp und aus dieser Beziehung und den Ausdrücken 6 und 7 kann das Verhältnis gemäß dem folgenden Ausdruck 8 erhalten werden:
Ausdruck 8

V = (2k/ε0)0,5·(d + t2/εr2)·t1 – d)0,5

Wenn gemäß 8 die angelegte Beschleunigung G anwächst, verengt sich die Dicke d der Luftschicht 30 nach der Verschiebung und bei einer anliegenden Beschleunigung G einer gewissen Größe kontaktieren die bewegliche Elektrode 20 und der Siliziumoxidfilm 13 und die Dicke d wird zu 0.
Die anliegende Beschleunigung G, bei der die Dicke d zu null wird, ist eine maximale Dynamikbereichbeschleunigung Gmax. Wie in 8 gezeigt, wenn die Spannung V über den Elektroden 20 und 11 ansteigt, nimmt die maximale Dynamikbereichbeschleunigung Gmax zu. Der Betrieb des Beschleunigungssensors S1 wird unterhalb der maximalen Dynamikbereichbeschleunigung Gmax durchgeführt.
9 ist eine Darstellung der Beziehung von 8 als eine Beziehung zwischen der Dicke d der Luftschicht 30 nach einer Verschiebung V über den Elektroden 20 und 11.
Wie in 9 gezeigt, wenn die Spannung V aufgedrückt wird und der Spalt zwischen den Elektroden 20 und 11 sich verengt, ändert sich die Änderungsrate der Spannung von einer positiven zu einer negativen Pull-in-Spannung. Daher ist der Zustand der Dicke d' entsprechend der Pull-in-Spannung in 9 der maximale Dynamikbereichzustand.
Gleichermaßen kann gesagt werden, daß der maximale Dynamikbereichzustand dann ist, wenn das Differenzial erster Ordnung bezüglich d des Ausdrucks 8δV/δd Null ist.
Die Beziehung δV/δd = 0 ist im folgenden Ausdruck 9 gezeigt.
Ausdruck 9

δV/δd = (2k/εo)0,5(t1 – t)0,5 = 0,5·(2k/ε0)0,5·(d + t2/εr2)·t1 – d)0,5 = 0

Aus diesem Ausdruck 9 kann die Beziehung gemäß dem folgenden Ausdruck 10 erhalten werden:
Ausdruck 10

d = 2/3·(t1 – t2/2·εr2)

Gemäß diesem Ausdruck 10 wird, wenn im Beschleunigungssensor 51 dieser Ausführungsform die Dicke t1 der Luftschicht 30 und die Dicke t2 des Siliziumoxidfilms 13 entschieden werden, der Dynamikbereich ebenfalls entschieden.
Das heißt, da die Dicke t der Luftschicht 30 nach einer Verschiebung kleiner als der rechte Teil von Ausdruck 10 ist, berühren die Elektroden 20 und 11 einander und der Beschleunigungssensor S1 wird in einem Bereich derart betrieben, daß die Dicke d der Luftschicht 30 nach der Verschiebung größer als auf der rechten Seite von Ausdruck 10 ist.
Obgleich in der oben beschriebenen Ausführungsform als isolierende Schicht 13 ein Siliziumoxidfilm verwendet wurde, ist es auch möglich, einen anderen elektrisch isolierenen Film zu verwenden mit einer relativen absoluten Dielektrizitätskonstante größer als Luft, beispielsweise einen Siliziumnitridfilm (SiN-Film), der eine relative absolute Dielektrizitätskonstante von 9,0 hat, oder oder einen SiON-Film (relative absolute Dielektriziätskonstante: 3,84 bis 9,0).
Nachfolgend werden schematische Schnittdarstellungen von Beschleunigungssensoren unter Bezug auf die 10 bis 12 beschrieben, welche Abwandlungen der bevorzugten Ausführungen sind. Diese 10 bis 12 zeigen im Schnitt Aufbauten entsprechend dem Schnitt von 2 und diese Aufbauten können im wesentlichen unter Verwendung bekannter Halbleiterherstellungstechnologien hergestellt werden.
Eine erste Abwandlung von 10 verwendet ein SOI-Substrat 10 mit zwei eingebetteten Oxidfilmen 13, welche durch Zusammenstapeln eines ersten Siliziumsubstrates 11, eines Siliziumoxidfilms 13, eines dritten Siliziumsubstrates 16, eines Oxidfilms 13 und eines zweiten Siliziumsubstrates 12 gebildet werden.
Ein Siliziumoxidfilm 13, der eine isolierende Schicht ist, ist auf den aufeinander gegenüberliegenden Seiten sowohl der beweglichen Elektrode 20 als auch des ersten Siliziumsubstrates 11, das als feste Elektrode und als Trägersubstrat dient, angeordnet.
Auch in diesem Fall kann der Sensor wie der Beschleunigungssensor S1 von 1 durch Durchführung eines Grabenätzverfahrens am zweiten Siliziumsubstrat 12 zur Ausbildung der Schlitze 14 und durch Entfernen des Teils des dritten Siliziumsubstrates 16 unterhalb der beweglichen Elektrode 20 durch Seitenätzen gebildet werden.
Eine zweite Abwandlung von 11 verwendet das gleiche SOI-Substrat 10 wie der Beschleunigungssensor S1 von 1 und hat einen Siliziumoxidfilm 13, der als isolierende Schicht dient auf der Seite der beweglichen Elektrode 20 gegenüber dem ersten Siliziumsubstrat 11.
In diesem Fall kann der Sensor beispielsweise durch aufeinanderfolgendes Durchführen von Grabenätzen des SOI-Substrates 10 von der Seite des zweiten Siliziumsubstrates 12 her, ein Opferschichtätzen des Oxidfilms 13, ein Seitenätzen des zweiten Siliziumsubstrates 12, eine Oxidation und ein Oberflächensiliziumoxidfilmätzen hergestellt werden.
Eine dritte Abwandlung von 12 hat eine isolierende Schicht 13 bestehend aus einer Mehrzahl von isolierenden Filmen unterschiedlicher Typen und in dem in der Figur gezeigten Beispiel ist die isolierende Schicht 13 ein Zweischichtaufbau aus einem Siliziumoxidfilm 13a und einem Siliziumnitridfilm 13b auf dem ersten Siliziumsubstrat 11.
Wenn die isolierende Schicht 13 aus einer Mehrzahl von isolierenden Filmen aufgebaut wird, muß, obgleich natürlich drei oder mehr Schichten oder drei oder mehr Arten von isolierenden Filmen verwendbar sind, jede Art von isolierendem Film eine relative absolute Dielektrizitätskonstante größer als die von Luft haben.
Diese dritte Abwandlung kann beispielsweise durch Verwendung eines SOI-Substrates 10 mit einem eingebetteten Zweischichtisolationsfilm aus einem Siliziumoxidfilm 13a und einem Siliziumnitridfilm 13b hergestellt werden, wobei z. B. ein Grabenätzen von der Seite des zweiten Siliziumsubstrates 12 zur Ausbildung der Schlitze 14 und eine Entfernung eines Teils des zweiten Siliziumsubstrates 12 unterhalb der beweglichen Elektrode 20 durch Seitenätzen wie im Beschleunigungssensor 51 von 1 durchgeführt werden.
(Andere bevorzugte Ausführungsformen)
Neben Sensoren derart, wie sie in der voranstehenden Ausführungsform und deren Abwandlungen gezeigt worden sind mit einem Trägersubstrat, das eine feste Elektrode aus einem Halbleitersubstrat bildet, wobei oberhalb einer Seite hiervon und dieser gegenüberliegend über einen Spalt hinweg eine bewegliche Elektrode aus einem Halbleiter liegt, welche in Dickenrichtung des Trägersubstrates verschiebbar ist, kann die Erfindung auch bei Beispielen von Sensoren angewendet werden, wie sie etwa im Eingangs genannten Patentdokument 2 gezeigt sind mit kammzahnartig geformten beweglichen und festen Elektroden.
Im Falle derartiger kammzahnförmiger beweglicher und fester Elektroden liegen die Elektroden einander an den seitlichen Flächen der Kammverzahnung gegenüber. Als ein Verfahren zur Ausbildung einer isolierenden Schicht an den seitlichen Flächen der Kammverzahnung werden beispielsweise die Kammzahnelektroden durch Grabenätzen gebildet und dann wird eine Seitenflächenoxidation durchgeführt.
Weiterhin kann neben Beschleunigungssensoren der Gegenstand der Erfindung auch als Halbleitersensor für dynamische Größen des Kondensatortyps angewendet werden, wobei die dynamischen Größen beispielsweise Winkelgeschwindigkeiten, Drücke oder dergleichen sind.
Die Erfindung erfolgte rein exemplarisch und ist als nicht einschränkend zu verstehen. Der Gegenstand der Erfindung, sowie sämtliche hierunter fallenden Modifikationen und Abwandlungen werden allein durch den Inhalt der nachfolgenden Ansprüche bzw. deren Äquivalente definiert.

Claims

Ein Halbleitersensor für dynamische Größen mit einer beweglichen Elektrode (20) und einer festen Elektrode (11) voneinander beabstandet und einander gegenüberliegend und hergestellt durch Bearbeitung eines Halbleitersubstrats (10), wobei der Halbleitersensor für dynamische Größen zur Erkennung einer angelegten dynamischen Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode ist, welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode einhergeht, die auftritt, wenn die dynamische Größe angelegt wird, wobei ein Freiraum (30) und eine elektrisch isolierende isolierende Schicht (13) mit einer größeren relativen absoluten Dielektrizitätskonstante als derjenigen von Luft zwischen die bewegliche Elektrode und die feste Elektrode Seite an Seite in der Richtung zwischengeschaltet sind, in der die Elektroden voneinander beabstandet sind.
Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (13) an wenigstens einer der gegenseitig aufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode (20) oder feste Elektrode (11) angeordnet ist.
Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (13) auf beiden gegenseitig aufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode (20) und fester Elektrode (11) angeordnet ist.
Halbleitersensor für dynamische Größen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die isolierende Schicht (13) aus einer Mehrzahl von isolierenden Filmen (13a, 13b) unterschiedlicher Typen aufgebaut ist.
Ein Halbleitersensor für dynamische Größen mit einem Trägersubstrat (11), das eine feste Elektrode aus einem Halbleiter bildet und beabstandet von und einandergegenüberliegend einer Seite einer beweglichen Elektrode (20) aus einem Halbleiter angeordnet ist und in Dickenrichtung des Trägersubstrates verschiebbar ist, wobei der Halbleitersensor für dynamische Größen zur Erkennung einer anliegenden dynamischen Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und einer Seite des Trägersubstrates ist, welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode einhergeht, die auftritt, wenn die dynamische Größe angelegt wird, wobei ein Freiraum (30) und eine elektrisch isolierende isolierende Schicht (13) mit einer größeren relativen absoluten Dielektriziätskonstante als derjenigen von Luft zwischen der beweglichen Elektrode und einer Seite des Trägersubstrates Seite an Seite in der Richtung zwischengeschaltet sind, in der die bewegliche Elektrode und das Trägersubstrat voneinander beabstandet sind.
Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (13) an wenigstens einer der gegenseitig aufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode (20) oder feste Elektrode (11) angeordnet ist.
Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (13) auf beiden gegenseitig aufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode (20) und fester Elektrode (11) angeordnet ist.
Halbleitersensor für dynamische Größen nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die isolierende Schicht (13) aus einer Mehrzahl von isolierenden Filmen (13a, 13b) unterschiedlicher Typen aufgebaut ist.
Ein Halbleitersensor für dynamische Größen mit einer beweglichen Elektrode (20) und einer festen Elektrode (11) voneinander beabstandet und einander gegenüberliegend und hergestellt durch Bearbeitung eines Halbleitersubstrats (10), wobei der Halbleitersensor für dynamische Größen zur Erkennung einer angelegten dynamischen Größe auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode ist, welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode einhergeht, die auftritt, wenn die dynamische Größe angelegt wird, wobei ein Freiraum (30) und eine elektrisch isolierende isolierende Schicht (13) mit einer größeren relativen absoluten Dielektrizitätskonstante als derjenigen von Luft zwischen die bewegliche Elektrode und die feste Elektrode Seite an Seite in der Richtung zwischengeschaltet sind, in der die Elektroden voneinander beabstandet sind, wobei die isolierende Schicht (13) an wenigstens einer der gegenseitig aufeinander zu weisenden Flächen der beweglichen Elektrode (20) und der festen Elektrode (11) angeordnet ist und wobei die isolierende Schicht (13) aus einer Mehrzahl von isolierenden Filmen (13a, 13b) unterschiedlicher Typen aufgebaut ist.