DE102004028927B4

DE102004028927B4 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102004028927B4
Application number: DE102004028927A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Yamaguchi; Kunihiro Nakamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2024-06-16
Also published as: TW200510727A; KR20050025224A; TWI234659B; US6988407B2; JP2005077349A; DE102004028927A1; CN1591023A; CN100380129C; KR100555617B1; US20050044953A1

Abstract

Beschleunigungssensor (2, 30, 70), der folgendes aufweist:
– ein Substrat (6), das eine Hauptfläche aufweist;
– ein Beschleunigungssensorelement (3) und einen dieses umgebenden Rahmenbereich (8, 8C, 8E), wobei das Beschleunigungssensorelement (3) und der Rahmenbereich (8, 8C, 8E) auf der Hauptfläche des Substrats (6) angeordnet sind;
– eine Zwischenschicht (24, 32D, 34, 34E, 36, 36E), die auf dem Rahmenbereich (8, 8C, 8E) gebildet ist; und
– einen Abdeckungsbereich (5, 5E), der mit der Zwischenschicht (24, 32D, 34, 34E, 36, 36E) verbunden ist, so daß das Beschleunigungssensorelement (3) dadurch eingekapselt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Beschleunigungssensor (2, 30, 70) ferner zumindest eine durchgehende Nut (25, 38, 38E, 42, 42E, 52, 62, 62E) aufweist, die in dem Rahmenbereich (8, 8C, 8E) und/oder in der Zwischenschicht (24, 32D, 34, 34E, 36, 36E) gebildet ist und das Beschleunigungssensorelement (3) vollständig umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor, der folgendes aufweist:
ein Substrat, das eine Hauptfläche aufweist;
ein Beschleunigungssensorelement und einen dieses umgebenden Rahmenbereich,
wobei das Beschleunigungssensorelement und der Rahmenbereich auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet sind;
eine Zwischenschicht, die auf dem Rahmenbereich gebildet ist; und
einen Abdeckungsbereich, der mit der Zwischenschicht verbunden ist, so daß das Beschleunigungssensorelement dadurch eingekapselt ist.
Ein derartiger Beschleunigungssensor ist aus der US 5 121 180 bekannt, wobei es um die Problematik geht, ein Beschleunigungssensorelement anzugeben, das sich insbesondere durch einen robusten Aufbau auszeichnet, so daß es beim Herstellungsprozeß, beim Versand oder beim Einbau möglichst widerstandsfähig gegenüber Beschädigungen ist.
Zu diesem Zweck ist bei dem herkömmlichen Beschleunigungssensor eine Vielzahl von Stützelementen zwischen dem Rahmenbereich und dem Beschleunigungssensorelement vorgesehen, die dazu dienen, das Beschleunigungssensorelement vor Kräften zu schützen, die dann auftreten, wenn der Beschleunigungssensor beispielsweise herunterfällt. Bei dem herkömmlichen Beschleunigungssensor ist allerdings nicht berücksichtigt, daß sich die Charakteristika eines Beschleunigungssensorelementes auch infolge von Restspannungen in den zum Einsatz kommenden Materialien verändern können.
Weiterhin ist im Stand der Technik ein Beschleunigungssensor gemäß der US 6 441 450 bekannt, wobei ein Beschleunigungssensorelement und ein dieses Beschleunigungssensorelement umgebender Rahmenbereich auf einem Halbleitersubstrat aufgebracht sind und das Beschleunigungssensorelement dicht eingeschlossen ist. Zu diesem Zweck ist eine Abdeckung mit dem Rahmenbereich verbunden.
Da jedoch sowohl das Beschleunigungssensorelement als auch der Rahmenbereich auf dem Halbleitersubstrat gebildet sind, kann es im Fall der Entstehung eines Risses an einem Verbindungsbereich zwischen der Abdeckung und dem Rahmenbereich aufgrund einer externen Kraft oder des Vorhandenseins einer Restspannung an dem Verbindungsbereich aufgrund einer Differenz bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Abdeckung und dem Rahmenbereich, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, leicht dazu kommen, daß sich ein solcher Riß oder Spannungen ausbreiten oder fortschreiten und das Beschleunigungssensorelement erreichen können. Dies kann eine Änderung der charakteristischen Eigenschaften bzw. der Charakteristik des Beschleunigungssensors hervorrufen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungssensor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sich die Charakteristika des Beschleunigungssensors auch nicht aufgrund einer gegebenenfalls vorhandenen Restspannung im verwendeten Material verändern, um auf diese Weise einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird mit einem Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor ist vorgesehen, daß der Beschleunigungssensor zumindest eine durchgehende Nut aufweist, die in dem Rahmenbereich und/oder in der Zwischenschicht gebildet ist und das Beschleunigungssensorelement vollständig umgibt.
Mit dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Mit dem Vorsehen der zumindest einen durchgehenden Nut wird nämlich in wirkungsvoller Weise erreicht, daß die Entstehung von Rissen an der oder den Grenzflächen zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Rahmenbereich einerseits sowie zwischen dem Rahmenbereich und der polykristallinen Siliziumschicht andererseits verhindert werden kann.
Aufgrund der vorhandenen durchgehenden Nut wird beim erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor in vorteilhafter Weise erreicht, daß ein Riß, der durch eine externe Kraft an einem Übergangsbereich bzw. Verbindungsbereich und dem Rahmen bereich entstehen kann, an der Nut gestoppt und an einer weiteren Ausbreitung gehindert wird. Auf diese Weise bleibt die Kapselung des Beschleunigungssensorelementes erhalten, so daß verhindert wird, daß sich charakteristische Eigenschaften des Beschleunigungssensorelementes in unerwünschter Weise verändern.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist vorgesehen, daß sich die Nut vollständig durch den Rahmenbereich und/oder die Zwischenschicht erstrecken.
Bei einer speziellen Bauform ist vorgesehen, daß die Zwischenschicht den Verbindungsbereich zwischen dem Rahmenbereich und dem Abdeckungsbereich bildet und daß die Nut zwischen dem Verbindungsbereich und dem Beschleunigungssensorelement liegt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist vorgesehen, daß eine Vielzahl von durchgehenden Nuten vorgesehen ist, die jeweils in dem Rahmenbereich und/oder in der Zwischenschicht gebildet sind und in Bezug auf die Hauptflächenrichtung des Substrats im wesentlichen den gleichen Abstand zum Beschleunigungssensorelement aufweisen.
Bei einer speziellen Bauform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist vorgesehen, daß der Rahmenbereich einen Bereich aufweist, der sich von einem Verbindungsbereich zwischen der Zwischenschicht und dem Abdeckungsbereich weiter in Richtung auf das Beschleunigungssensorelement erstreckt, wobei dieser Bereich mit einer Nut in Form eines das Beschleunigungssensorelement umgebenden Rahmens versehen ist.
All diese Maßnahmen tragen in vorteilhafter Weise dazu bei, das Beschleunigungssensorelement vor Beschädigungen zu schützen, weil sich etwaige Restspannungen von außen nicht in unerwünschter Weise nach innen ausbreiten.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen mehrere Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors;
2 eine Draufsicht auf den Basisbereich der 1;
3A eine Draufsicht auf das Beschleunigungssensorelement der 1;
3B eine Seitenansicht des Beschleunigungssensorelements, gesehen aus der Richtung IIIb in 3A;
4 eine vergrößerte fragmentarische Schnittdarstellung zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegende Erfindung;
5 eine vergrößerte fragmentarische Schnittdarstellung zur Erläuterung eines dritten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung eines vierten Ausführungsbeispiels des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 eine Draufsicht auf den Basisbereich der 6;
8 eine vergrößerte fragmentarische Schnittdarstellung zur Erläuterung eines fünften Ausführungsbeispiels des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung; und
9 eine vergrößerte fragmentarische Schnittdarstellung zur Erläuterung eines sechsten Ausführungsbeispiels des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Erstes Ausführungsbeispiel
In 1 ist ein Beschleunigungssensor dargestellt, bei dem es sich um ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung handelt. Der Sensor, der allgemein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist, beinhaltet einen Basisbereich 4, auf dem sich ein Beschleunigungssensorelement 3 befindet, sowie einen Abdeckungsbereich 5, der mit dem Basisbereich verbunden ist, um das Sensorelement 3 dicht einzuschließen bzw. einzukapseln.
Wie unter Bezugnahme auch auf 2 zu sehen ist, beinhaltet der Basisbereich 4 ein Silizium-Halbleitersubstrat 6 (das im folgenden auch kurz als Substrat bezeichnet wird) in Form eines Rechtecks. Das Sensorelement 3 und ein das Sensorelement 3 umgebender Rahmenbereich 8 sind auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats 6 gebildet. Obwohl der Rahmenbereich 8 typischerweise rechteckig ist, ist der Rahmenbereich 8 gemäß der Erfindung nicht auf diese Formgebung begrenzt.
Das Sensorelement 3 und der Rahmenbereich 8 werden zum Beispiel gebildet durch Aufbringen einer polykristallinen Siliziumschicht, dotiert mit Phosphor als Fremdstoff, auf das Halbleitersubstrat 6 sowie anschließendes selektives Entfernen der polykristallinen Siliziumschicht beispielsweise unter Verwendung einer Ätztechnik. Anstelle von Phosphor können auch andere Dotierstoffe, wie z. B. Gallium, Bor oder Arsen verwendet werden.
Die 3A und 3B zeigen das Beschleunigungssensorelement 3 in vergrößerter Form. Bei dem Element 3 handelt es sich um eine kapazitives Beschleunigungssensorelement, das ein Gewicht 10 beinhaltet, das durch eine externe Kraft verlagert werden kann. Das Gewicht 10 weist eine bewegliche Elektrode 12 im allgemeinen mit der Form eines Rechtecks auf, die von der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 6 weg beabstandet ist. In der Darstellung der 3A weist die bewegliche Elektrode 12 breite Seiten in der horizontalen Richtung und schmale Seiten in der vertikalen Richtung auf.
Die bewegliche Elektrode 12 ist mit Abstützungen 18L und 18R verbunden, die auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 6 fixiert sind, wobei diese Verbindung über Verlängerungen 14L und 14R, die sich in bezug auf 3A in der horizontalen Richtung von der jeweiligen schmalen Seite der Elektrode 12 weg erstrecken, sowie über Träger 16L und 16R erfolgt, die sich in bezug auf 3A jeweils in der vertikalen Richtung erstrecken. Jeder der Träger 16L und 16R besitzt eine Länge (oder Breite) in der horizontalen Richtung der 3A, die kürzer ist als die entsprechende Dimension in der vertikalen Richtung der 3A, so daß er in der horizontalen Richtung geringfügig dehnbar ist.
Eine in der horizontalen Richtung auf den Beschleunigungssensor 2 wirkende externe Kraft bewirkt somit eine Verlagerung der beweglichen Elektrode 12 in dieser Richtung. Die bewegliche Elektrode 12 ist mit Nuten 20U und 20D ausgebildet, die jeweils eine bestimmte Größe haben und sich von einem zentralen Bereich der breiten Seite der Elektrode 12 in bezug auf 3A in vertikaler Richtung erstrecken.
Elektroden 22U und 22D sind auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 6 fixiert und in den Nuten 20U bzw. 20D angeordnet. Eine auf den Beschleunigungssensor 2 wirkende externe Kraft verursacht eine Änderung bei dem Spalt zwischen der feststehenden Elektrode 22U und der Innenwandung der Nut 20U der beweglichen Elektrode 12 sowie dem Spalt zwischen der feststehenden Elektrode 22D und der Innenwandung der Nut 20D der beweglichen Elektrode 12.
Infolgedessen ändert sich die Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 12 und der jeweiligen feststehenden Elektrode 22U und 22D. Es ist darauf hinzuweisen, daß polykristallines Silizium, bei dem es sich um das Material der Elektroden 12, 22U und 22D handelt, mit Phosphor dotiert ist, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, um eine elektrische Leitung zu erzielen. Die Änderung der Kapazität wird in Form eines elektrischen Signals an eine nicht gezeigte, externe Schaltung ausgegeben, um die Kapazität zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die spezielle Konstruktion des Beschleunigungssensorelements 3 begrenzt, wie diese vorstehend beschrieben wurde. Zum Beispiel kann die bewegliche Elektrode auch in einer zu der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 6 rechtwinkligen Richtung verlagert werden. Ferner kann anstelle des kapazitiven Erfassungselements auch ein piezoresistives Element verwendet werden.
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, ist eine nicht dotierte polykristalline Siliziumschicht 24 auf dem Rahmenbereich 8 gebildet. Bei der Schicht 24 aus polykristallinem Silizium handelt es sich z. B. um eine Siliziumoxidschicht, die unter Verwendung herkömmlicher Techniken, beispielsweise durch CVD bzw. chemische Abscheidung aus der Dampfphase, gebildet ist.
Die polykristalline Siliziumschicht 24 weist eine Dicke auf, die dazu ausgebildet ist zu verhindern, daß in dem polykristallinen Silizium des Rahmenbereichs 8 enthaltender Phosphor eine Verbindungsgrenzfläche zwischen der polykristallinen Siliziumschicht 24 und dem Abdeckungsbereich 5 erreicht und an der Grenzfläche abgeschieden wird. Die polykristalline Siliziumschicht 24 bildet eine Zwischenschicht zwischen dem Rahmenbereich 8 und dem Abdeckungsbereich 5.
Der Rahmenbereich 8 und die polykristalline Siliziumschicht 24 sind jeweils mit Durchgangsöffnungen in Form eines Rahmens in im wesentlichen identischen Positionen in bezug auf die Hauptflächenrichtung ausgebildet. Diese Durchgangsöffnungen bilden in ihrer Gesamtheit eine Nut 25 in Form eines Rahmens.
Der Abdeckungsbereich 5 beinhaltet eine Abdeckung oder einen Körper 27 mit einem konkaven Teil, der zum Beispiel durch Ansenken eines rechteckigen Halbleitersubstrats gebildet ist. Eine Metallschicht 28 ist auf einer den konkaven Teil 26 bildenden Hauptfläche der Abdeckung 27 gebildet.
Die Metallschicht 28 ist zum Beispiel durch Dampfabscheidung oder Aufsputtern einer Titanschicht und sodann einer Nickelschicht gebildet. Die Titanschicht und die Nickelschicht haben geeigneterweise eine Dicke von einigen Zehn Nanometern bzw. einigen Hundert Nanometern, und zwar in Anbetracht der Verbindungsfestigkeit zwischen der Metallschicht 28 und der polykristallinen Siliziumschicht 24 sowie der durch den Vorgang zum Bilden der Metallschicht 28 bedingten Restspannung.
Bei dem Herstellungsvorgang für den Beschleunigungssensor 2 werden dann, wenn die Metallschicht 28 des Abdeckungsbereichs 5 über der polykristallinen Siliziumschicht 24 des Basisbereichs 4 angeordnet ist, der Basisbereich 4 und der Abdeckungsbereich 5 in einem Ofen unter einem Vakuum oder einem Inertgas erwärmt.
Die Erwärmungstemperatur kann etwa 400°C betragen, und die Erwärmungsdauer kann im Bereich von einigen Zehn Minuten und mehreren Stunden liegen. Die Erwärmung führt dazu, daß das polykristalline Silizium in der polykristallinen Siliziumschicht 24 und das Nickel in der Metallschicht 28 eine eutektische Legierung bilden, so daß der Basisbereich 4 und der Abdeckungsbereich 5 miteinander verbunden werden.
Da sich bei diesem Schritt die undotierte polykristalline Siliziumschicht 24 zwischen dem dotierten Rahmenbereich 8 des Basisbereichs 4 und der Metallschicht 28 befindet, kann selbst dann, wenn in dem polykristallinen Silizium des Rahmenbereichs 8 enthaltener Phosphor in die undotierte polykristalline Schicht 24 diffundiert, dieser eine Verbindungsgrenzfläche zwischen der polykristallinen Siliziumsschicht 24 und der Metallschicht 28 nicht erreichen und nicht dort abgeschieden werden. Infolgedessen kann ein Versagen der Verbindung zwischen dem Basisbereich 4 und dem Abdekkungsbereich 5 verhindert werden.
Da der Beschleunigungssensor 2 eine mehrlagige Ausbildung an einem Verbindungsbereich zwischen dem Basisbereich 4 und dem Abdeckungsbereich 5 aufweist, ist er leicht verschiedenen externen Kräften ausgesetzt. Zum Beispiel, wenn der Beschleunigungssensor 2 in einem Chip-Bondverbindungsverfahren erwärmt wird, so daß er mit einem nicht gezeigten Metallrahmen verbunden wird, kann eine Restspannung aufgrund einer Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Silizium-Halbleitersubstrat 6 und dem Metallrahmen entstehen, mit dem das Substrat 6 verbunden worden ist.
Bei einem Kapselungsvorgang, in dem Komponenten, wie der Beschleunigungssensor 2, nach dem Chip-Bondverbindungsvorgang in Harzmaterial eingekapselt werden, wird Druck aufgebracht, wenn das Harzmaterial in eine Form eingespritzt wird. Nach der Herstellung einer Vorrichtung mit dem darin integrierten Beschleunigungssensor 2 kann eine Spannungsänderung aufgrund einer Beeinträchtigung der Form oder der mit dem Chip verbundenen Bereiche bedingt durch Einflüsse aus der Umgebung (z. B. thermische Hysterese oder Feuchtigkeit) auftreten, der der Beschleunigungssensor ausgesetzt ist.
Ohne die Nut 25 könnten solche externen Kräfte zur Entstehung eines Risses an der oder den Grenzflächen zwischen den Schichten des Verbindungsbereichs (d. h. den Grenzflächen zwischen dem Halbleitersubstrat 6 und dem Rahmenbereich 8 sowie zwischen dem Rahmenbereich 8 und der polykristallinen Siliziumschicht 24) führen. Dies könnte zu einem Aufbrechen der Einkapselung des Beschleunigungssensors 2 führen, woraus eine Änderung der charakteristischen Eigenschaften des Beschleunigungssensorelements 3 resultiert.
Selbst wenn kein Riß entsteht, könnten sich Spannungen über den Rahmenbereich 8 und/oder das Halbleitersubstrat 6 hinaus auf das Beschleunigungssensorelement 3 ausbreiten und damit eine Änderung von dessen Charakteristik hervorrufen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung dagegen wird selbst bei Entstehung eines Risses aufgrund einer externer Kraft dieser an der Nut 25 gestoppt, so daß er nicht über diese hinaus fortschreitet. Dadurch bleibt die Einkapselung des Sensors 2 erhalten, so daß eine Änderung der Charakteristik des Sensorelements 3 verhindert wird. Da sich ferner Spannungen nicht über die Nut 25 hinaus fortpflanzen, bleibt die Charakteristik des Sensorelements 3 wiederum unverändert. Die Nut 25 ermöglicht somit die Schaffung eines zuverlässigen Beschleunigungssensors.
Da ferner bei dem Ausführungsbeispiel die Rahmennut in dem Rahmenbereich 8 und die Rahmennut in der polykristallinen Siliziumschicht 24 in einander überlappender Weise vorgesehen sind, kann die Größe des Beschleunigungssensors 2 in bezug auf die Hauptflächenrichtung des Halbleitersubstrats 6 reduziert werden.
Zweites Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf 4 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung sind Komponenten, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels iden tisch sind oder diesen entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, denen gegebenenfalls Zusätze hinzugefügt sind.
Der Beschleunigungssensor 30 dieses Ausführungsbeispiels beinhaltet eine Isolierschicht 32 auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 6. Die Isolierschicht 32 wird zum Beispiel dadurch gebildet, daß auf dem Halbleitersubstrat 6 z. B. eine Siliziumoxidschicht und sodann eine Siliziumnitridschicht unter Verwendung herkömmlicher Techniken, beispielsweise CVD, aufgebracht werden. Das Beschleunigungssensorelement 3 und der Rahmenbereich 8 sind auf der Isolierschicht 32 derart gebildet, daß sie elektrisch voneinander isoliert sind.
Eine Diffusion verhindernde Schicht, die aus einer Isolierschicht 34 und einer undotierten polykristallinen Siliziumschicht 36 besteht, ist zwischen der Metallschicht 28 und dem Rahmenbereich 8 gebildet, und zwar anstatt der Zwischenanordnung der polykristallinen Siliziumschicht 24 mit einer vorbestimmten Dicke dazwischen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Die Schichten 34 und 36 bilden eine Zwischenschicht zwischen dem Rahmenbereich 8 und dem Abdeckungsbereich 5. Zu diesem Zweck wird bei der Herstellung des Basisbereichs 4A die Isolierschicht 34 auf dem Rahmenbereich 8 beispielsweise unter Verwendung einer CVD-Technik gebildet, woraufhin die polykristalline Siliziumschicht 36 beispielsweise unter Verwendung einer Sputter-Technik aufgebracht wird.
Wenn die Metallschicht 28 des Abdeckungsbereichs 5 über der polykristallinen Schicht 36 des Basisbereichs 4A plaziert ist, werden der Basisbereich 4A und der Abdeckungsbereich 5 dann wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erwärmt, so daß das polykristalline Silizium in der polykristallinen Siliziumschicht 36 und das Nickel in der Metallschicht 28 eine eutektische Legierung bilden, um den Abdeckungsbereich 5 mit dem Basisbereich 4A zu verbinden.
Die Diffusion verhindernde Schicht 34, die zwischen der polykristallinen Siliziumschicht 26 und dem Rahmenbereich 8 angeordnet ist, verhindert, daß in dem polykristallinen Silizium des Rahmenbereichs 8 enthaltener Phosphor in die undotierte polykristalline Schicht 36 diffundiert und an einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der polykristallinen Siliziumschicht 36 und der Metallschicht 28 abgeschieden wird.
Die Isolierschicht 32, der Rahmenbereich 8, die Isolierschicht 34 und die polykristalline Siliziumschicht 26 sind jeweils mit Durchgangsöffnungen in Form eines Rahmen an im allgemeinen miteinander identischen Positionen in bezug auf die Hauptflächenrichtung ausgebildet. Diese Durchgangsöffnungen bilden insgesamt eine Nut 38 in Form eines Rahmens.
Der auf diese Weise ausgebildete Beschleunigungssensor 30 hat eine mehrlagige Ausbildung an einem Verbindungsbereich zwischen dem Basisbereich 4A und dem Abdekkungsbereich 5, und aus diesem Grund ist er leicht verschiedenen externen Kräften ausgesetzt. Selbst bei Entstehung eines Risses aufgrund einer externen Kraft wird dieser jedoch an der Nut 38 gestoppt, und er schreitet nicht über diese hinaus fort.
Dadurch bleibt die Einkapselung des Sensors 30 erhalten, so daß die Charakteristik des Sensorelements 3 unverändert bleibt. Da sich ferner Spannungen nicht über die Nut 38 hinaus fortpflanzen, bleibt die Charakteristik des Sensorelements 3 wiederum unverändert. Die Nut 38 ermöglicht somit die Schaffung eines zuverlässigen Beschleunigungssensors.
Da ferner bei dem Ausführungsbeispiel die Rahmennuten in der Isolierschicht 32, dem Rahmenbereich 8, der Isolierschicht 34 und der polykristallinen Siliziumschicht 36 in einander überlappender Weise vorgesehen sind, kann die Größe des Beschleunigungssensors 30 in bezug auf die Hauptflächenrichtung des Halbleitersubstrats 6 reduziert werden.
Das Halbleitersubstrat 6 kann mit einer Nut in Form eines Rahmens ausgebildet sein, die sich in einer Position im allgemeinen identisch mit den Nuten der Isolierschicht 32, des Rahmenbereichs 8, der Isolierschicht 34 und der polykristallinen Siliziumschicht 36 in bezug auf die Hauptflächenrichtung befindet, so daß die Rahmennut des Substrats 6 zusammen mit den Schichten 32, 8, 34 und 36 die Rahmennut 38 bildet.
Dies führt zu einer längeren Spannungsausbreitungsdistanz als bei einer Konfiguration, bei der die Nut 38 sich bis auf die Tiefe der Isolierschicht 32 fortsetzt. Auf diese Weise läßt sich die vorstehend beschriebene Spannungsausbreitung in effektiverer Weise verhindern. Außerdem kann das Fortschreiten eines Rissen bzw. das Ausbreiten von Spannungen, die an einer Grenzfläche zwischen der Isolierschicht 32 und dem Halbleitersubstrat 6 entstehen können, verhindert werden.
Drittes Ausführungsbeispiel
Wie aus 5 ersichtlich, ist der Beschleunigungssensor 40 des dritten Ausführungsbeispiels dem Beschleunigungssensor 30 des zweiten Ausführungsbeispiels ähnlich, und zwar mit der Ausnahme, daß eine Nut 42 in Form eines Rahmens in dem Abdekkungskörper 27B an einem Verbindungsbereich vorgesehen ist, und zwar anstatt der Ausbildung der Nut 38 in der Isolierschicht 32B, dem Rahmenbereich 8B, der Isolierschicht 34B und der polykristallinen Siliziumschicht 36B des Basisbereichs 4B.
Die Nut 42 kann in dem gleichen Verfahrensschritt wie die Bildung des konkaven Teils 26B (z. B. durch Ansenken bzw. Plansenken) oder in einem anderen Verfahrensschritt (z. B. Ätzen) (vor der Bildung der Metallschicht 28B auf der Hauptfläche der Abdeckung 27B) gebildet werden.
Bei dieser Konstruktion können sich Spannungen, die sich durch den Abdeckungsbereich 5B fortpflanzen, nicht über die Nut 42 hinaus ausbreiten. Die Charakteristik des Sensorelements 3 wird somit nicht beeinträchtigt, so daß sich ein zuverlässiger Beschleunigungssensor schaffen läßt.
Viertes Ausführungsbeispiel
Wie aus den 6 und 7 ersichtlich, ist der Beschleunigungssensor 50 des vierten Ausführungsbeispiels ähnlich dem Beschleunigungssensor 2 des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet, mit der Ausnahme, daß anstelle der Bildung der Nut 25 an einem Verbindungsbereich zwischen dem Basisbereich und dem Abdeckungsbereich eine Nut 52 in Form eines Rahmens an einem Teil des Rahmenbereichs 8C vorgesehen ist, der von dem Verbindungsbereich weiter in Richtung auf das Beschleunigungssensorelement 3 ausgebildet ist (d. h. an einem Teil, das sich zwischen dem Verbindungsbereich und dem Beschleunigungssensorelement 3 befindet).
Im Hinblick auf die Verbindung zwischen dem Basisbereich 4C und dem Abdeckungsbereich 5 ist eine Restspannung, die aufgrund einer Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Materialien der polykristallinen Schicht 24 und der Metallschicht 28 (d. h. Silizium und Nickel) entsteht, an einem Rand 54 der Verbindungsgrenzfläche zwischen der polykristallinen Siliziumschicht 24 und der Metallschicht 28 am höchsten.
Ohne die Nut 52 könnte sich somit eine Restspannung durch den Rahmenbereich 8C und sodann durch das Halbleitersubstrat 6 zu dem Beschleunigungssensorelement 3 fortpflanzen und damit eine Änderung der Charakteristik von diesem hervorrufen. Da die Nut 52 jedoch ein solches Fortschreiten von Spannungen über die Nut hinaus verhindern kann, wird die Charakteristik des Sensorelements 3 nicht beeinträchtigt, so daß ein zuverlässiger Beschleunigungssensor geschaffen wird.
Das Halbleitersubstrat 6 kann mit einer Nut in Form eines Rahmens an einer Stelle ausgebildet sein, die im wesentlichen identisch mit der Ausbildungsstelle der Rahmennut 52 des Rahmenbereichs 8B in bezug auf die Hauptflächenrichtung ist.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Wie aus 8 ersichtlich, ist der Beschleunigungssensor 60 des fünften Ausführungsbeispiels dem Beschleunigungssensor 30 des zweiten Ausführungsbeispiels ähnlich, und zwar mit der Ausnahme, daß anstelle der Bildung der Nut 38 an einem Verbindungsbereich zwischen dem Basisbereich und dem Abdeckungsbereich eine Nut 62 in Form eines Rahmens in einem Teil des Rahmenbereichs 8D, der von dem Verbindungsbereich weiter in Richtung auf das Beschleunigungssensorelement 3 ausgebildet ist, sowie an dem entsprechenden Teil der Isolierschicht 32D vorgesehen ist (d. h. die Nut 62 befindet sich zwischen dem Verbindungsbereich und dem Beschleunigungssensorelement 3).
Hinsichtlich der Verbindung zwischen der Metallschicht 28 des Abdeckungsbereichs 5 und der polykristallinen Siliziumschicht 36D des Basisbereichs 4D ist eine Restspannung, die aufgrund einer Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Nickel und dem Silizium entsteht, an einem Rand 64 der Verbindungsgrenzfläche zwischen der Metallschicht 28 und der polykristallinen Siliziumschicht 36D am höchsten.
Ohne die Nut 62 könnte sich somit eine Restspannung durch die polykristalline Siliziumschicht 36D, die Isolierschicht 34D, den Rahmenbereich 8D, die Isolierschicht 32D und sodann durch das Halbleitersubstrat 6 zu dem Beschleunigungssensorelement 3 fortpflanzen und damit eine Änderung der Charakteristik von diesem hervorrufen. Da die Nut 62 jedoch ein solches Fortschreiten von Spannungen über die Nut hinaus verhindern kann, wird die Charakteristik des Sensorelements 3 nicht beeinträchtigt, so daß ein zuverlässiger Beschleunigungssensor geschaffen wird.
Das Halbleitersubstrat 6 kann mit einer Nut in Form eines Rahmens an einer Stelle ausgebildet sein, die im wesentlichen identisch zu der Ausbildungsstelle der Rahmennuten der Isolierschicht 32D und des Rahmenbereichs 8C in bezug auf die Hauptflächenrichtung ist, so daß die Rahmennut des Halbleitersubstrats 6 zusammen mit den Rahmennuten der Isolierschicht 32D und des Rahmenbereichs 8D die Rahmennut 62 bildet.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Gemäß 9 weist der Beschleunigungssensor 70 des sechsten Ausführungsbeispiels Nuten 38E, 42E und 62E ähnlich den Nuten 38, 42 und 62 des zweiten, dritten und fünften Ausführungsbeispiels auf. Die Nut 38E in der Isolierschicht 32E, dem Rahmenbereich 8E, der Isolierschicht 34E und der polykristallinen Siliziumschicht 36E in dem Basisbereich 4E sowie die durch die Metallschicht 28E des Abdeckungsbereichs 5E gebildete Nut 42E sind an Positionen gebildet, die in bezug auf die Hauptflächenrichtung des Halbleitersubstrats 6 im wesentlichen miteinander identisch sind, so daß die Größe des Beschleunigungssensors 70 in bezug auf die Hauptflächenrichtung reduziert ist.
Es ist zu erwähnen, daß ohne die Ausbildung der Nuten 38E und 42E die Nut 62E das Ausbreiten von Spannung zu dem Beschleunigungssensorelement 3 verhindern kann. Die Nuten 38E und 42E dienen in erster Linie zum Verhindern, daß ein möglicher Riß die Einkapselung des Beschleunigungssensors 70 aufbricht.
Vorstehend sind zwar bevorzugte Ausführungsbeispiele des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben worden, jedoch versteht es sich, daß verschiedene Modifikationen im Umfang und Rahmen der Erfindung daran vorgenommen werden können.
Zum Beispiel können die Rahmennuten, die in dem Rahmenbereich bzw. in der zwischen den Rahmenbereich und dem Abdeckungsbereich befindlichen Zwischenschicht (z. B. der polykristallen Siliziumschicht 24 bei dem ersten Ausführungsbeispiel oder einer zumindest die Isolierschicht 34 beinhaltenden Schicht bei dem zweiten Ausführungsbeispiel) gebildet sind, möglicherweise nicht miteinander in Verbindung stehen (d. h. bei der Rahmennut in der Zwischenschicht handelt es sich um keine Durchgangsöffnung), solange sie sich in im wesentlichen identischen Positionen in bezug auf die Hauptflächenrichtung des Halbleitersubstrats befinden.
Die in der Zwischenschicht gebildete Rahmennut ist jedoch vorzugsweise offen zu einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der Zwischenschicht und dem Abdeckungsbereich ausgebildet, wenn man berücksichtigt, daß der Basisbereich und der Abdekkungsbereich, die in unterschiedlichen Herstellungsprozessen gebildet worden sind, miteinander verbunden werden und die zu der Verbindungsgrenzfläche hin offene Nut in einfacher Weise zu bilden ist.
Zur Bewältigung einer Rißbildung oder von Restspannungen, die zwischen einer Vielzahl von Verbindungsgrenzflächen an einem Verbindungsbereich zwischen dem Basisbereich und dem Abdeckungsbereich entstehen können, handelt es sich bei den Nuten in dem Rahmenbereich und in der Zwischenschicht vorzugsweise um Durchgangsöffnungen. Dies ist deshalb von Vorteil, weil sich solche Nuten in einfacher Weise bilden lassen.
Ferner ist bei dem zweiten und/oder sechsten Ausführungsbeispiel auch eine Konstruktion im Umfang der vorliegenden Erfindung mitumfaßt, bei der keine Nut in der direkt auf das Halbleitersubstrat aufgebrachten Isolierschicht ausgebildet ist.
Ferner kann es sich bei der Rahmennut, die in einem Teil des Rahmenbereichs innenseitig von einem Verbindungsbereich zwischen der Zwischenschicht und dem Abdekkungsbereich gebildet ist, auch um eine nicht durchgehende Öffnung bzw. Nut handeln.

Claims

Beschleunigungssensor (2, 30, 70), der folgendes aufweist: – ein Substrat (6), das eine Hauptfläche aufweist; – ein Beschleunigungssensorelement (3) und einen dieses umgebenden Rahmenbereich (8, 8C, 8E), wobei das Beschleunigungssensorelement (3) und der Rahmenbereich (8, 8C, 8E) auf der Hauptfläche des Substrats (6) angeordnet sind; – eine Zwischenschicht (24, 32D, 34, 34E, 36, 36E), die auf dem Rahmenbereich (8, 8C, 8E) gebildet ist; und – einen Abdeckungsbereich (5, 5E), der mit der Zwischenschicht (24, 32D, 34, 34E, 36, 36E) verbunden ist, so daß das Beschleunigungssensorelement (3) dadurch eingekapselt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungssensor (2, 30, 70) ferner zumindest eine durchgehende Nut (25, 38, 38E, 42, 42E, 52, 62, 62E) aufweist, die in dem Rahmenbereich (8, 8C, 8E) und/oder in der Zwischenschicht (24, 32D, 34, 34E, 36, 36E) gebildet ist und das Beschleunigungssensorelement (3) vollständig umgibt.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, wobei sich die Nut (25, 38, 38E, 42, 42E, 52, 62, 62E) vollständig durch den Rahmenbereich (8, 8C, 8E) und/oder die Zwischenschicht (24, 32D, 34, 34E, 36, 36E) erstreckt.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwischenschicht (24, 32D, 34, 34E, 36, 36E) den Verbindungsbereich zwischen dem Rahmenbereich (8, 8C, 8E) und dem Abdeckungsbereich (5, 5E) bildet, und wobei die Nut (25, 38, 38E, 42, 42E, 52, 62, 62E) zwischen dem Verbindungsbereich und dem Beschleunigungssensorelement (3) liegt.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von durchgehenden Nuten (25, 38, 38E, 42, 42E, 52, 62, 62E) vorgesehen sind, die jeweils in dem Rahmenbereich (8, 8C, 8E) und/oder in der Zwischenschicht (24, 32D, 34, 34E, 36, 36E) gebildet sind und in bezug auf die Hauptflächenrichtung des Substrats (6) im wesentlichen den gleichen Abstand zum Beschleunigungssensorelement (3) aufweisen.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rahmenbereich (8, 8C, 8E) einen Bereich aufweist, der sich von einem Verbindungsbereich zwischen der Zwischenschicht (24, 32D, 34, 34E, 36, 36E) und dem Abdeckungsbereich (5, 5E) weiter in Richtung auf das Beschleunigungssensorelement (3) erstreckt, wobei dieser Bereich mit einer Nut (52, 62, 62E) in Form eines das Beschleunigungssensorelement (3) umgebenden Rahmens versehen ist.