DE102006031228A1

DE102006031228A1 - Micromechanical device, method and use

Info

Publication number: DE102006031228A1
Application number: DE200610031228
Authority: DE
Inventors: Joachim Rudhard; Marco Lammer; Thorsten Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-07-06
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2008-01-10
Also published as: WO2008003568A1

Abstract

Es werden ein mikromechanisches Bauelement mit einem einen Gate-Kontakt und einen Gate-Oxidbereich aufweisenden Feldeffekttransistor sowie ein Herstellungsverfahren und eine Verwendung vorgeschlagen, wobei das Bauelement eine Kavität zwischen dem Gate-Oxidbereich und dem Gate-Kontakt aufweist und wobei das Bauelement monolithisch aufgebaut ist.A micromechanical component having a field-effect transistor having a gate contact and a gate oxide region as well as a production method and a use is proposed, wherein the component has a cavity between the gate oxide region and the gate contact and wherein the device is constructed monolithically.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Solche mikromechanischen Bauelemente sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 56 303 A1 ein Gassensor mit einem Feldeffekttransistor bekannt, wobei ein solcher Gassensor beispielsweise als Brandmelder eingesetzt wird. Zur Gasdetektion ist hierbei die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors vorgesehen, welche eine oder mehrere gassensitive Schichten aufweist, so dass die Kanalleitfähigkeit des Transistors in Abhängigkeit von einem oder mehreren zu detektierenden Gasen veränderbar ist. Bei dem bekannten Gassensor ist der Feldeffekttransistor in hybrider Aufbautechnologie hergestellt vorgesehen. Bei dieser Technologie wird ein Feldeffekttransistor zunächst ohne Gate-Elektrode hergestellt. Die Gate-Elektrode selbst wird separat hergestellt. Der Zusammenbau zur Bildung des Feldeffekttransistors erfolgt dann derart, dass ein Luftspalt zwischen dem Kanal des Transistors und der gassensitiven Schicht der Gate-Elektrode realisiert wird, durch den das zu detektierende Gas eindringen kann (suspended gate).The present invention is based on a micromechanical component according to the preamble of the main claim. Such micromechanical components are well known. For example, from the German patent application DE 199 56 303 A1 a gas sensor with a field effect transistor, wherein such a gas sensor is used for example as a fire detector. For gas detection in this case the gate electrode of the field effect transistor is provided, which has one or more gas-sensitive layers, so that the channel conductivity of the transistor is variable in dependence on one or more gases to be detected. In the known gas sensor, the field effect transistor is provided manufactured in hybrid construction technology. In this technology, a field effect transistor is initially produced without a gate electrode. The gate itself is made separately. The assembly to form the field effect transistor is then such that an air gap between the channel of the transistor and the gas-sensitive layer of the gate electrode is realized, through which the gas to be detected can penetrate (suspended gate).

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das mikromechanische Bauelement bzw. das Verfahren zur Herstellung eines solches Bauelementes gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen hat dem gegenüber den Vorteil, dass zur Herstellung des mikromechanischen Bauelementes keine zwei Wafer notwendig sind, sondern lediglich ein Wafer notwendig ist, so dass zusätzlich zu einer Materialersparnis weiter Kostenvorteile dadurch möglich sind, dass keine aufwendige Justage zwischen zwei Wafern relativ zueinander erforderlich ist. Durch die Herstellung des Bauelementes in monolithischer Bauweise ist es darüber hinaus möglich, das mikromechanische Bauelement kleiner und ebenfalls kostengünstiger auszugestalten.The micromechanical component or the method for producing a such component according to the siblings claims has that opposite the advantage that for the production of the micromechanical component no two wafers are needed, but only one wafer is necessary is, so in addition to save material further cost advantages are thereby possible that no complicated adjustment between two wafers relative to each other is required. By manufacturing the component in monolithic construction is it about it out possible, the micromechanical device smaller and also cheaper embody.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin bevorzugt, dass das Bauelement eine oberflächenmikromechanisch aufgebrachte Verkappungsschicht aufweist. Dies hat den Vorteil, dass keinerlei Positionierung zweier Wafer gegeneinander erforderlich ist, sondern mittels eines Herstellungsschritts zur Aufbringung der Verkappungsschicht eine Abdeckung sowie ein Schutz der sensiblen Bereiche des Bauelementes möglich ist. Ferner ist es durch die monolithische Aufbautechnik bzw. durch die oberflächenmikromechanisch aufgebrachte Verkappungsschicht auch möglich, dass die Abmessungen der in dem Bauelement vorgesehen Kavitäten bzw. der Kaverne besser und genauer eingestellt werden können als bei einem mikromechanischen Bauelement in hybrider Aufbautechnik.It is according to the invention furthermore preferred that the device is a surface micromechanical having applied capping layer. This has the advantage that no positioning of two wafers against each other required but by means of a manufacturing step for applying the Capping a cover as well as a protection of the sensitive Areas of the component possible is. Furthermore, it is by the monolithic structure or through the surface micromechanical applied capping also possible that the dimensions the cavities provided in the component or the cavern better and can be adjusted more precisely as in a micromechanical device in hybrid construction.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin bevorzugt, dass der Gate-Kontakt Teil der Verkappungsschicht ist oder an diese angrenzend vorgesehen ist. Hierdurch kann in einfacher Weise eine so genannte schwebende Gate-Elektrode bzw. ein suspended gate erreicht werden.It is according to the invention Furthermore, it is preferred that the gate contact is part of the capping layer or is provided adjacent to this. This can be easier Way a so-called floating gate electrode or a suspended gate be achieved.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Bauelement eine Regenerationseinrichtung, insbesondere ein Heizelement aufweist. Hierdurch ist es in einfacher Weise möglich, das erfindungsgemäße Bauelement zu kalibrieren und eine besonders genaue Messung bzw. eine besonders empfindliche Sensorik hinsichtlich eines bestimmten Gases oder hinsichtlich eines bestimmten Fluids oder auch hinsichtlich einer Mehrzahl von Gasen bzw. Fluiden zu ermöglichen.Farther it is inventively preferred that the component a regeneration device, in particular a heating element having. This makes it possible in a simple manner, the device according to the invention to calibrate and a particularly accurate measurement or a particularly sensitive Sensor with regard to a particular gas or in terms of a certain fluid or even with respect to a plurality of gases or To allow fluids.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin bevorzugt, dass das Bauelement eine gassensitive oder fluidsensitive Schicht aufweist. Hierdurch kann mittels einer Anpassung der gassensitiven Schicht an die jeweils zu detektierenden Gase eine vergleichsweise große Bandbreite von zu detektierenden Gasen dargestellt werden.It is according to the invention furthermore preferred that the component is a gas-sensitive or having fluid-sensitive layer. This can be done by means of an adaptation the gas-sensitive layer to the respective gases to be detected a comparatively large one Bandwidth of gases to be detected are shown.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die gassensitive oder fluidsensitive Schicht an die Kavität angrenzend und insbesondere im Bereich zwischen dem Gate-Kontakt und dem Gate-Oxidbereich vorgesehen ist. Hierdurch müssen keine Diffusionsvorgänge eines zu detektierenden Gases durch bestimmte Materialschichten erfolgen, so dass die Detektion des Gases bzw. des Fluides vergleichsweise schnell erfolgt und die Reaktionszeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Bauelementes reduzierbar ist.Farther it is inventively preferred that the gas-sensitive or fluid-sensitive layer adjacent to the cavity and in particular in the region between the gate contact and the gate oxide region is provided. This requires no diffusion processes a gas to be detected through certain layers of material take place, so that the detection of the gas or the fluid comparatively takes place quickly and the reaction time of the device according to the invention or of the component according to the invention is reducible.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelementes, wobei zu Herstellung des Bauelementes eine Opferschicht und eine Verkappungsschicht aufgebracht wird und anschließend die Opferschicht zumindest im Bereich der Kavität entfernt wird. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines erfindungsgemäßen Bauelementes, insbesondere für Anwendungen im Brandschutz und in einem Kraftfahrzeug. Hierdurch ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft möglich, dass vielfältige Anwendungen für ein erfindungsgemäßes Bauelement zugänglich sind, wobei der Bereich der möglichen Anwendungen dadurch erweitert wird, dass das erfindungsgemäße Bauelement besonders kostengünstig herstellbar ist.One Another object of the present invention is a method for producing a device according to the invention, wherein Production of the device a sacrificial layer and a capping layer is applied and then the sacrificial layer is removed at least in the region of the cavity. Another The present invention relates to the use of a component according to the invention, especially for applications in fire safety and in a motor vehicle. As a result, it is particularly according to the invention advantageously possible, that diverse Applications for a device according to the invention accessible are, with the range of possible Applications is extended by the fact that the device according to the invention especially inexpensive can be produced.

Ausführungsbeispiele sind in der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.Embodiments are in the invention illustrated and explained in more detail in the following description of the figures.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt verschiedene Vorläuferstrukturen eines erfindungsgemäßen Bauelementes in schematischer Querschnittdarstellung, sowie eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauelementes. 1 shows various precursor structures of a device according to the invention in a schematic cross-sectional view, and an illustration of a device according to the invention.

In 1 ist in den 1a bis 1e Vorläuferstrukturen eines in 1f schematisch im Querschnitt dargestellten mikromechanischen Bauelementes 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. In 1a ist ein noch unbearbeitetes Substratmaterial 11 zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 als eine erste Vorläuferstruktur schematisch in einer Querschnittsdarstellung abgebildet. In 1b ist gemäß einer zweiten Vorläuferstruktur dargestellt, dass in das Substratmaterial 11 Kontaktbereiche bzw. Anschlußbereiche 23, 24 für einen Source-Kontakt bzw. einen Drain-Kontakt eingebracht sind. Hierbei sind die Dotierungsbereiche 23, 24 als Dotierungsbereiche innerhalb des Substratmaterials 11 vorgesehen. Hierbei ist das Substratmaterial 11 beispielsweise mit einer positiven oder negativen (bzw. einer akzeptor- oder donatorartigen) Dotierung vorgesehen, welche jedoch vergleichsweise schwach ausgebildet ist, während die positive oder negative Dotierung innerhalb des Source-Bereichs bzw. innerhalb des Drain-Bereichs 23, 24 mit einer größeren Dotierungsstärke vorgesehen ist. Die Herstellung der Dotierungsbereiche 23, 24 zur Herstellung des Source-Kontaktes bzw. zur Herstellung des Drain-Kontaktes sind insbesondere mittels einer Implantation vorgesehen, wobei jedoch sämtliche andere bekannten Dotierungstechniken ebenfalls vorgesehen sein können. In 1c ist gemäß einer dritten Vorläuferstruktur dargestellt, dass in einem zwischen den Source-Kontakten bzw. Drain-Kontakten 23, 24 vorgesehenen Bereich ein s. g. Gate-Oxid als Gate-Oxidbereich 22 aufgebracht bzw. in das Substratmaterial 11 eingebracht wurde. In 1d ist eine vierte Vorläuferstruktur des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 dargestellt, bei der auf das Substratmaterial 11 eine Opferschicht 31 und eine weitere Schicht aufgebracht wurde, die als Gate-Kontakt 21 fungiert. Der Gate-Kontakt 21 liegt in großen Bereichen dem Oxid-Bereich 22, getrennt durch die Opferschicht 31, gegenüber.In 1 is in the 1a to 1e Precursor structures of an in 1f schematically shown in cross section micromechanical device 10 represented according to the present invention. In 1a is still a raw substrate material 11 for the production of the device according to the invention 10 as a first precursor structure schematically depicted in a cross-sectional view. In 1b is shown according to a second precursor structure, that in the substrate material 11 Contact areas or connection areas 23 . 24 are introduced for a source contact or a drain contact. Here are the doping regions 23 . 24 as doping regions within the substrate material 11 intended. Here is the substrate material 11 for example, provided with a positive or negative (or an acceptor or donor-like) doping, which, however, is relatively weak, while the positive or negative doping within the source region or within the drain region 23 . 24 is provided with a larger doping strength. The preparation of the doping regions 23 . 24 for the production of the source contact or for the production of the drain contact are provided in particular by means of an implantation, but all other known doping techniques may also be provided. In 1c is shown according to a third precursor structure, that in one between the source contacts and drain contacts 23 . 24 provided area a so-called gate oxide as a gate oxide region 22 applied or in the substrate material 11 was introduced. In 1d is a fourth precursor structure of the device according to the invention 10 shown at the on the substrate material 11 a sacrificial layer 31 and another layer was applied as a gate contact 21 acts. The gate contact 21 lies in large areas in the oxide range 22 , separated by the sacrificial layer 31 , across from.

In 1e ist eine fünfte Vorläuferstruktur des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes 10 dargestellt, bei der auf die Opferschicht 31 bzw. auf das Substratmaterial 11 eine Verkappungsschicht 40 aufgebracht wurde, die im Bereich von Zugangsöffnungen 35, insbesondere nach einem Strukturierungsschritt, Zugang zur Opferschicht 31 gewährt.In 1e is a fifth precursor structure of the micromechanical device according to the invention 10 shown at the on the sacrificial layer 31 or on the substrate material 11 a capping layer 40 was applied in the area of access openings 35 , in particular after a structuring step, access to the sacrificial layer 31 granted.

In 1f ist das fertig prozessierte mikromechanische Bauelement 10 dargestellt, welches nach einer Opferschichtätzung der Opferschicht 31 (vgl. 1f) entsteht, wodurch die Kavität 30 zumindest in Teilbereichen der Opferschicht 31 entsteht. Hierdurch liegt sich der Gate-Kontakt 21 und der Gate-Oxidbereich 22 gegenüber. Weiterhin ist es durch die Zugangsöffnungen 35 möglich, dass ein zu detektierendes Gas im Bereich der Kavität 30 eindringt und mit bzw. an dem Material des Gate-Kontaktes 21 chemisch reagiert, beispielsweise durch Abspaltung von Wasserstoff. Hierdurch werden die elektrischen Eigenschaften im Bereich zwischen dem Gate-Kontakt 21 und dem Gate-Oxidbereich 22 verändert, so dass zwischen dem Source-Kontakt und dem Drain-Kontakt 23, 24 ein in der 1f nicht dargestellter Kanalbereich unterhalb des Gete-Oxidbereichs 22 entsteht, welcher einen Stromfluß zwischen Source-Kontakt und Drain-Kontakt 23, 24 ermöglicht. Erfindungsgemäß kann auch das umgekehrte Verhalten vorgesehen sein, nämlich dass ohne das Vorhandensein des Gases oder allgemeiner des Fluids ein Kanal vorhanden ist, der durch die Feldwirkung des Gases bzw. Fluids abgeschirmt wird. Durch die unterschiedlich starke Modifikation des elektrischen Feldes zwischen dem Gate-Oxidbereich 22 und dem Gate-Kontakt 21 aufgrund unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung des Gases innerhalb der Kavität 30 ist es erfindungsgemäß möglich, eine Gassenorik bzw. eine Gasdetektion mittels des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes 10 zu realisieren. Erfindungsgemäß ist es selbstverständlich ebenfalls vorgesehen, dass Anschlußstellen bzw. Kontaktierungsleitungen auf bzw. in dem mikromechanischen Bauelement vorgesehen sind, die in der Figur der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Der Gate-Kontakt 21 kann beispielsweise aus einem Edelmetall (wie etwa Platin) vorgesehen sein, so dass eine Wasserstoffabspaltung an dieser Grenzfläche möglich ist.In 1f is the finished processed micromechanical device 10 shown, which after sacrificial layer etching of the sacrificial layer 31 (see. 1f ), causing the cavity 30 at least in some areas of the sacrificial layer 31 arises. This is the gate contact 21 and the gate oxide region 22 across from. It continues through the access openings 35 possible that a gas to be detected in the region of the cavity 30 penetrates and with or on the material of the gate contact 21 reacts chemically, for example by elimination of hydrogen. As a result, the electrical properties in the area between the gate contact 21 and the gate oxide region 22 changed so that between the source contact and the drain contact 23 . 24 an Indian 1f not shown channel region below the getter oxide region 22 which creates a current flow between the source contact and the drain contact 23 . 24 allows. According to the invention, the reverse behavior may also be provided, namely that without the presence of the gas or, more generally, of the fluid, a channel is present which is shielded by the field effect of the gas or fluid. Due to the different degrees of modification of the electric field between the gate oxide region 22 and the gate contact 21 due to different chemical composition of the gas within the cavity 30 it is inventively possible, a Gassenorik or a gas detection means of the micromechanical device according to the invention 10 to realize. According to the invention it is of course also provided that connection points or Kontaktierungsleitungen are provided on or in the micromechanical device, which are not shown in the figure for the sake of simplicity. The gate contact 21 may be provided for example of a noble metal (such as platinum), so that a hydrogen release at this interface is possible.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 ist es ebenso möglich, dass eine gassensitive Schicht 25 (etwa ein Edelmetall) zusätzlich zum Gate-Kontakt 21 vorgesehen sein kann (wobei in diesem Fall der Gate-Kontakt 21 beispielsweise aus Aluminium vorgesehen sein kann). Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn eine solche gassensitive Schicht 25 einen großen Oberflächenbereich zur Kavität 30 realisiert. Beispielsweise kommen als zu detektierende Gase die folgenden in Betracht: Wasserstroff (H₂), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Ozon (O₃) oder Ammoniak (NH₃), Sauerstoff (O₂).According to a variant of the component according to the invention 10 It is also possible that a gas-sensitive layer 25 (such as a precious metal) in addition to the gate contact 21 may be provided (in which case the gate contact 21 may be provided for example of aluminum). In particular, it is advantageous if such a gas-sensitive layer 25 a large surface area to the cavity 30 realized. For example, as gases to be detected, the following are contemplated: hydrogen (H ₂ ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO ₂ ), ozone (O ₃ ) or ammonia (NH ₃ ), oxygen (O ₂ ).

Gemäß einer weiteren Alternative des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 kann es vorgesehen sein, dass eine Regenerationseinrichtung 50, insbesondere ein Heizelement, im Bereich des Gate-Kontakts bzw. im Bereich der Verkappungsschicht 40 vorgesehen ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass beispielsweise Feuchtigkeit, welche innerhalb der Kavität 30 eindringen kann und die elektrischen Eigenschaften des Feldeffekttransistors verändern kann, dadurch ausgeschaltet wird, dass durch einen Regenerationsvorgang (etwa durch Aufheizen) eine solche Verunreinigung des Sensorbereichs vermieden wird. Hierbei kann die Regenerationseinrichtung 50, welche insbesondere als in der 1f lediglich mittels einer strichpunktierten Linie angedeuteter Bereich 15 dargestellt ist, etwa eine Heizeinrichtung gebildet werden. Die Regenerationseinrichtung kann ebenfalls (nicht dargestellt) an die Kavität 30 angrenzend vorgesehen sein.According to a further alternative of the component according to the invention 10 it can be provided that a regeneration device 50 , in particular a heating element, in the region of the gate contact or in the region of the capping layer 40 is provided. This makes it possible according to the invention, for example, moisture, which within the cavity 30 can penetrate and change the electrical properties of the field effect transistor, is turned off, that by a regeneration process (such as by heating) such contamination of the sensor area is avoided. Here, the regeneration device 50 , which in particular as in the 1f only indicated by a dash-dotted line area 15 is shown, formed about a heater. The regeneration device can also (not shown) to the cavity 30 be provided adjacent.

Hinsichtlich der Materialien kann das Substratmaterial 11 beispielsweise aus einem Siliziummaterial oder einem Siliziumcarbidmaterial vorgesehen sein. Hinsichtlich der Opferschicht 31 kann es vorgesehen sein, diese aus einem porösen Siliziummaterial, einem Siliziumgermaniummaterial, einem Siliziumoxidmaterial und/oder einem Polysiliziummaterial herzustellen.With regard to the materials, the substrate material 11 be provided for example of a silicon material or a Siliziumcarbidmaterial. Regarding the sacrificial layer 31 It may be provided that they are made of a porous silicon material, a Siliziumgermaniummaterial, a silicon oxide material and / or a polysilicon material.

Zur Entfernung der Opferschicht 31 wird dann eine der Materialwahl der Opferschicht 31 entsprechende Wahl des Ätzmediums vorgesehen, beispielsweise bei einer Ätzung von Siliziumoxid als Opferschicht 31 eine Flußsäureätztechnik oder bei einem Siliziumgermaniummaterial durch eine Chlortrifluoridätztechnik.To remove the sacrificial layer 31 becomes then one of the material choice of the sacrificial layer 31 appropriate choice of the etching medium provided, for example, in an etching of silicon oxide as a sacrificial layer 31 a hydrofluoric acid etching technique or a silicon germanium material by a Chlorotrifluoridätztechnik.

Claims

Micromechanical device ( 10 ) with a gate contact ( 21 ) and a gate oxide region ( 22 ) having field effect transistor ( 20 ), wherein the component ( 10 ) a cavity ( 30 ) between the gate oxide region ( 22 ) and the gate contact ( 21 ), characterized in that the component ( 10 ) is constructed monolithically.

Component ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the component ( 10 ) a surface micromechanically applied capping layer ( 40 ) having.

Component ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gate contact ( 21 ) Part of the capping layer ( 40 ) or adjacent to it.

Component ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the component ( 10 ) a regeneration device ( 50 ), in particular a heating element.

Component ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the component ( 10 ) a gas-sensitive or a fluid-sensitive layer ( 25 ) having.

Component ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gas-sensitive or fluid-sensitive layer ( 25 ) to the cavity ( 30 ) is provided adjacent.

Method for producing a component ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that for the production of the component ( 10 ) a sacrificial layer ( 31 ) and the capping layer ( 40 ) is applied and then the sacrificial layer ( 31 ) at least in the region of the cavity ( 30 ) Will get removed.

Use of a component ( 10 ) according to one of claims 1 to 6 as a gas sensor, in particular for applications in fire protection and in a motor vehicle.