DE102008043084A1 - Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen und Drucksensorelemente mit solchen Piezowiderständen - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen und Drucksensorelemente mit solchen Piezowiderständen Download PDF

Info

Publication number
DE102008043084A1
DE102008043084A1 DE200810043084 DE102008043084A DE102008043084A1 DE 102008043084 A1 DE102008043084 A1 DE 102008043084A1 DE 200810043084 DE200810043084 DE 200810043084 DE 102008043084 A DE102008043084 A DE 102008043084A DE 102008043084 A1 DE102008043084 A1 DE 102008043084A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
doped
silicon
region
membrane
piezoresistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200810043084
Other languages
English (en)
Inventor
Hubert Benzel
Simon Armbruster
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE200810043084 priority Critical patent/DE102008043084A1/de
Priority to PCT/EP2009/063034 priority patent/WO2010046233A1/de
Publication of DE102008043084A1 publication Critical patent/DE102008043084A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen in der Oberfläche einer monokristallinen Siliziumschicht vorgeschlagen, die durch eine Isolationsschicht gegen das umliegende Substrat elektrisch isoliert sind und damit auch im Hochtemperaturbereich zu Messzwecken eingesetzt werden können. Erfindungsgemäß wird zunächst mindestens eine Dotierung in den Widerstandsbereich der Siliziumoberfläche eingebracht. Dann wird eine elektrische Isolation (23) des dotierten Widerstandsbereichs (21) gegen das angrenzende Silizium erzeugt. Dazu wird zumindest ein sich an den dotierten Widerstandsbereich (21) anschließender und sich unterhalb des dotierten Widerstandsbereichs (21) erstreckender Bereich (23) der Siliziumschicht (10) porös geätzt. Dieses poröse Silizium wird schließlich oxidiert.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen in der Oberfläche einer monokristallinen Siliziumschicht, bei dem mindestens eine Dotierung in den Widerstandsbereich der Siliziumoberfläche eingebracht wird.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung verschiedene Realisierungsformen eines Drucksensorelements mit einer Membran und mindestens einem solchen Piezowiderstand zur Signalerfassung.
  • In der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 32 579 A1 wird ein oberflächenmikromechanisches Verfahren zur Herstellung von Drucksensorelementen beschrieben, insbesondere zum Erzeugen einer monokristallinen Siliziummembran, die einen Hohlraum im Siliziumsubstrat überspannt. In dieser Druckschrift wird außerdem vorgeschlagen, durch Einbringen einer geeigneten Dotierung monokristalline Piezowiderstände in der Siliziummembran zu realisieren und zur Signalerfassung zu nutzen. Dazu werden die Piezowiderstände meist in einer Wheatstone-Brücke verschaltet. Derartige in der Membranoberfläche angeordnete monokristalline Piezowiderstände weisen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischem Stress auf und sind zudem auch langfristig stabil.
  • Die in der DE 100 32 579 A1 beschriebenen Piezowiderstände sind allein durch die Verarmungszone des pn-Übergangs zwischen dem Widerstandsbereich und dem umgebenden Silizium elektrisch isoliert. In der Praxis hat sich gezeigt, dass mit zunehmender Umgebungstemperatur Leckströme an diesem pn-Übergang auftreten. Deshalb werden derartige Piezowiderstände nur bis zu einer Umgebungstemperatur von ca. 160°C bis maximal 200°C zu Messzwecken eingesetzt. Bei höheren Umgebungstemperaturen führen die am pn-Übergang auftretenden Leckströme zu einer nicht mehr tolerierbaren Verfälschung der Messergebnisse.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch die monokristalline Piezowiderstände in der Oberfläche einer monokristallinen Siliziumschicht auch im Hochtemperaturbereich, d. h. für Messungen bei höheren Umgebungstemperaturen als 200°C, eingesetzt werden können.
  • Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass das Auftreten von Leckströmen zwischen einem Piezowiderstand in der Oberfläche eines Siliziumsubstrats und dem angrenzenden Silizium besonders zuverlässig mit Hilfe einer Isolationsschicht unterbunden werden kann. Es ist aber auch erkannt worden, dass die Realisierung einer solchen Isolationsschicht im Fall von monokristallinen Piezowiderständen besonderer Maßnahmen bedarf, da sich eine monokristalline Schicht nicht ohne Weiteres auf einer solchen Isolationsschicht erzeugen lässt. Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, zuerst den monokristallinen Widerstandsbereich zu realisieren und erst danach eine Isolationsschicht unterhalb des Widerstandsbereichs auszubilden.
  • Gemäß dem beanspruchten Verfahren wird eine elektrische Isolation des dotierten Widerstandsbereichs gegen das angrenzende Silizium erzeugt, indem zunächst zumindest ein sich an den dotierten Widerstandsbereich anschließender und sich unterhalb des dotierten Widerstandsbereichs erstreckender Bereich der Siliziumschicht porös geätzt wird, um das poröse Silizium dann zu oxidieren. Auf diese Weise wird eine temperaturstabile Isolationsschicht zwischen dem monokristallinen Piezowiderstand und dem umgebenden Silizium erzeugt. Um sicherzugehen, dass auch bei höheren Temperaturen keine Leckströme auftreten, sollte sich der Bereich der Siliziumschicht, der porös geätzt wird, möglichst allseits über den dotierten Widerstandsbereich hinaus erstrecken, so dass der Piezowiderstand vollständig in das poröse Silizium bzw. das daraus entstehende Silizi umoxid eingebettet wird und an keiner Stelle ein pn-Übergang zwischen dem Piezowiderstand und dem umgebenden Silizium bestehen bleibt.
  • Erfindungsgemäß wird die Isolationsschicht also erst nachträglich unterhalb des Piezowiderstands erzeugt, d. h. nach der Dotierung des Widerstandsbereichs. Dabei kommen ausschließlich oberflächenmikromechanische Prozesse zum Einsatz, wie sie in der DE 100 32 579 A1 beschrieben werden. Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, dass sich diese oberflächenmikromechanischen Prozesse nicht nur zum Erzeugen von monokristallinen Membranstrukturen eignen, sondern dass sie auch vorteilhaft zum Erzeugen von monokristallinen Schaltungselementen mit einer allseitigen elektrischen Isolation eingesetzt werden können.
  • Die bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens greift zum porös Ätzen des Bereichs unterhalb des Piezowiderstands auf bekannte und bewährte oberflächenmikromechanische Prozesse zurück. Da sich p-dotiertes monokristallines Silizium einfach und kontrolliert in einem elektrochemischen Verfahren unter Verwendung eines geeigneten Ätzmediums, wie z. B. eines flusssäurehaltigen Mediums, porös ätzen lässt, geht diese Verfahrensvariante von einem Substrat mit einer monokristallinen Siliziumschicht aus, in der zumindest ein an die Oberfläche angrenzender Bereich mit einer p-Dotierung versehen ist. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um ein monokristallines, insgesamt p-dotiertes Siliziumsubstrat oder um ein Siliziumsubstrat mit einer monokristallinen p-dotierten Epitaxieschicht. Es kann sich aber auch um ein p-dotiertes Siliziumsubstrat mit einer monokristallinen n-dotierten Epitaxieschicht handeln, in deren Oberfläche eine p-Dotierung eingebracht wurde, um einen an die Oberfläche angrenzenden p-dotierten Bereich zu erzeugen, der in zumindest einem Teilbereich mit dem p-dotierten Substrat verbunden ist.
  • In allen diesen Fällen wird eine lokal begrenzte n-Dotierung in die Oberfläche dieses p-dotierten Bereichs eingebracht, um einen monokristallinen Piezowiderstand zu erzeugen. Dieser n-dotierte Widerstandsbereich wird dann unterätzt, indem das angrenzende p-dotierte Silizium porös geätzt wird. Dazu wird vorteilhafterweise das bekannte elektrochemische Ätzverfahren verwendet, bei dem lediglich das p-dotierte nicht aber das n-dotierte Silizium angegriffen wird. Durch geeignet Wahl der Prozessparameter, wie z. B. der HF-Konzentration, des Dotierungsgrads der p-Dotierung, der Temperatur, der Prozessdauer und/oder der an gelegten Spannung, kann die Volumenausdehnung des porösen Bereichs kontrolliert werden.
  • Das poröse Silizium wird dann oxidiert. Diese Oxidation erfolgt in der Regel durch Zuführung von Sauerstoff bei Temperaturen im Bereich von etwa 400°C bis 600°C. Der Sauerstoff dringt in die Poren des porösen Siliziums ein und reagiert dort mit dem Silizium. Auf diese Weise bildet sich im gesamten porösen Bereich Siliziumoxid als elektrische Isolation des Piezowiderstands gegenüber den angrenzenden Siliziumbereichen.
  • Der Ätzprozess des voranstehend beschriebenen elektrochemischen Verfahrens beruht auf einem Stromfluss durch das Substrat, genauer gesagt auf einem Stromfluss durch den an die Oberfläche angrenzenden p-dotierten Bereich, der zumindest teilweise porös geätzt werden soll, zur Substratrückseite. Um einen solchen Stromfluss auch dann zu gewährleisten, wenn zwischen diesem p-dotierten Bereich und der Substratrückseite ein oder mehrere pn-Übergänge bestehen, wird gemäß einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ein p-dotierter Kontaktbereich zwischen diesem p-dotierten Bereich und der Substratrückseite erzeugt. Ist der an die Oberfläche angrenzende p-dotierte Bereich innerhalb einer n-Epitaxieschicht auf einem p-dotierten Siliziumsubstrat ausgebildet, so erstreckt sich der p-dotierte Kontaktbereich von diesem p-dotierten Bereich über die gesamte Tiefe der n-Epitaxieschicht bis in das p-Siliziumsubstrat.
  • Wie bereits erwähnt, erfordert das erfindungsgemäße Verfahren eine möglichst vollständige Unterätzung des Widerstandsbereichs. Da es sich bei dem elektrochemischen porös Ätzen der voranstehend beschriebenen bevorzugten Verfahrensvariante um einen im wesentlichen isotropen Ätzprozess handelt, können damit lediglich n-dotierte Widerstandsbereiche mit einer relativ geringen lateralen Ausdehnung unterätzt werden. Diese geometrische Einschränkung bei der Dimensionierung der Widerstandsbereiche kann in vorteilhafter Weise dadurch umgangen werden, dass der n-dotierte Widerstandsbereich einen zusammenhängenden gitterförmigen Bereich der Siliziumoberfläche umfasst. In diesem Fall erfolgt der Ätzangriff auch im Bereich der die p-dotierten Maschen, so dass auch eine großflächige n-dotierte Gitterstruktur relativ schnell vollständig unterätzt werden kann.
  • Im einfachsten Fall werden mit der bevorzugten Verfahrensvariante n-dotierte Piezowiderstände erzeugt. Für bestimmte Anwendungen kann es aber auch sinnvoll sein, einen n-dotierten Widerstandsbereich nach dem porös Ätzen des angrenzenden Siliziums umzudotieren, z. B. weil ein p-dotierter Widerstand eine höhere Stressempfindlichkeit zeigt. Ebenso ist es möglich, einen p-dotierten Widerstandsbereich umzudotieren, um einen n-dotierten Piezowiderstand zu erzeugen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich zunächst nur auf die Ausbildung einer elektrischen Isolation zwischen einem Piezowiderstand, der innerhalb einer monokristallinen Siliziumschicht erzeugt wurde, und dem angrenzenden monokristallinen Silizium. Je nach Funktion des mit einem solchen Piezowiderstand ausgestatteten Bauteils, werden auf dieser monokristallinen Schicht weitere Schichten erzeugt und prozessiert. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet von monokristallinen Piezowiderständen ist das Erfassen von mechanischen Spannungen in einer mikromechanischen Bauelementstruktur, wie z. B. in der Membran eines Drucksensors oder im Biegebalken eines Beschleunigungssensors, einer Waage oder eines Torsionssensors. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit wird der Piezowiderstand in diesen Fällen in möglichst großer Entfernung zur neutralen Faser der mikromechanischen Messstruktur, ausgebildet, d. h. an der Membranoberfläche bzw. an der Oberfläche des Biegebalkens. Mit Hilfe einer den Piezowiderstand überdeckenden Passivierungsschicht, z. B. einer Oxid-, Nitrid- oder Carbidschicht kann der Piezowiderstand sehr gut gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Zur Kontaktierung des Piezowiderstands können dann einfach Anschlusspads in einer Metallschicht ausgebildet werden, die sich über entsprechende Kontaktöffnungen in der Passivierungsschicht erstreckt. Im Hinblick auf eine besonders gute Medienresistenz erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Anschlusspads aus einem Edelmetall, wie Platin oder Gold, gebildet werden.
  • Die vorteilhaften Eigenschaften von Piezowiderständen, die gemäß dem beanspruchten Verfahren in eine Isolationsschicht eingebettet sind, ermöglichen die Realisierung von hochtemperaturstabilen mikromechanischen Drucksensorelementen mit einer Membran und piezoresistiver Signalerfassung. Dazu ist im Membranbereich mindestens ein in Siliziumoxid eingebetteter monokristalliner Piezowiderstand ausgebildet und vorteilhafter Weise in einer Wheatstone-Brücke verschaltet.
  • Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Drucksensorelementen, deren Membranen in Bulk-Mikromechanik von der Substratrückseite ausgehend freigelegt wurden, und Drucksensorelementen, deren Membranen mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik erzeugt worden sind. Beide Typen von Drucksensorelementen können gleichermaßen mit monokristallinen Piezowiderständen ausgestattet werden, die in ein Siliziumoxid eingebettet sind, was anhand der 5 bis 8 näher erläutert wird.
  • An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich Piezowiderständen, die gemäß dem beanspruchten Verfahren in eine Isolationsschicht eingebettet sind, auch sehr gut zur Signalerfassung bei anderen Sensortypen, wie z. B. Mikrofonen, Beschleunigungs-, Drehratesensoren oder auch Aktoren, wie beispielsweise Mikrospiegeln, eignen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen.
  • 1a bis 1f zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung durch ein Substrat 10 nach einzelnen Verfahrensschritten einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen eines Piezowiderstands;
  • 2 zeigt eine Draufsicht auf das Substrat in dem in 1b dargestellten Zustand;
  • 3 zeigt eine Draufsicht auf das Substrat in dem in 1e dargestellten Zustand;
  • 4a bis 4c zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung durch ein Substrat 20 nach einzelnen Verfahrensschritten einer Variante des in den 1a bis 1f dargestellten Verfahrens zum Erzeugen eines Piezowiderstands;
  • 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein erstes Drucksensorelement 50;
  • 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein zweites Drucksensorelement 60;
  • 7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein drittes Drucksensorelement 70; und
  • 8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein viertes Drucksensorelement 80.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die durch die 1a bis 1f veranschaulichte Verfahrensvariante geht von einem p-dotierten Siliziumsubstrat 10 aus, in dessen Oberfläche ein monokristalliner Piezowiderstand erzeugt werden soll. Dazu wurde eine n-Dotierung in einen zusammenhängenden gitterförmigen Bereich der Substratoberfläche eingebracht. Der daraus resultierende, an die Substratoberfläche angrenzende n-dotierte Widerstandsbereich 11 ist in 1a dargestellt. Danach wurde die Substratoberfiäche mit einer Nitridmaske 12 für den nachfolgenden Ätzschritt versehen. Es handelt sich dabei um einen elektrochemischen isotropen Ätzprozess, der von der Substratoberfläche ausgeht und lediglich das p-dotierte Siliziumsubstrat porös ätzt, während n-dotierte Substratbereiche nicht angegriffen werden. Bei diesem Ätzschritt soll ein Substratbereich 13 unterhalb des n-dotierten Widerstandsbereichs 11 porös geätzt werden. Die Öffnung 14 in der Nitridmaske 12 definiert den Bereich der Substratoberfläche, an dem der Ätzangriff erfolgen soll, und dementsprechend die laterale Ausdehnung des Substratbereichs 13. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Maskenöffnung 14 und damit auch der Substratbereich 13 allseitig über den Widerstandsbereich 11 hinaus.
  • 1b zeigt das Siliziumsubstrat 10 nach dem Ätzschritt, bei dem der Substratbereich 13 porös geätzt wurde. Da der Ätzangriff auch durch die Maschen 15 der n-dotierten Gitterstruktur des Widerstandsbereichs 11 erfolgte, ist der monokristalline Widerstandsbereich 11 nun vollständig in poröses Siliziumsubstrat eingebettet. Im einfachsten Fall wird die n-dotierte Gitterstruktur als n-dotierter Piezowiderstand genutzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können aber auch p-dotierte Piezowiderstände realisiert werden, wie im hier dargestellten Ausführungsbeispiel. Dazu wurde die n-dotierte Gitterstruktur des Widerstandsbereichs 11 einfach durch oberflächliche p-Implantation umdotiert.
  • 2 zeigt eine Draufsicht auf die Substratoberfläche, nachdem die Nitridmaske 12 entfernt worden ist und vor einem Oxidationsschritt, dessen Ergebnis in 1c dargestellt ist. Die Draufsicht der 2 veranschaulicht die Gitterstruktur des jetzt p-dotierten Piezowiderstands 11 mit den Maschen 15 und die Ausdehnung des porösen Siliziumbereichs 13, der sich – entsprechend der Maskenöffnung 14 – unterhalb des Piezowiderstands 11 und allseits über diesen hinaus erstreckt.
  • Nach dem Entfernen der Nitridmaske 12 wird das poröse Silizium, beispielsweise durch thermische oder chemische Oxidation, oxidiert. Dabei entsteht zum einen ein oxidierter Bereich 16 unterhalb des monokristallinen Piezowiderstand 11 und zum anderen eine Oxidschicht 17 auf der Substratoberfläche, die auch den Piezowiderstand 11 überdeckt. Dies ist in 1c dargestellt. Der oxidierte Bereich 16 dient der elektrischen Isolation des Piezowiderstands 11 gegenüber dem p-dotierten Substrat. Diesen Zweck erfüllt bereits eine sehr dünne Oxidschicht. Vorteilhafterweise werden die Prozessparameter beim porös Ätzen deshalb so gewählt, dass die Volumenausdehnung der entstehenden Porosität nach der Oxidation minimal ist.
  • Zum Herstellen eines elektrischen Kontakts für den Piezowiderstand 11 wurden im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel zwei Kontaktlöcher 18 in die oberflächliche Oxidschicht 17 eingebracht, was in 1d dargestellt ist. Die Kontaktlöcher 18 können beispielsweise in einem photolithographischen Prozess definiert und anschließend nasschemisch geätzt werden. Sie können aber auch durch Plasmaätzen geöffnet werden.
  • Die Substratoberfläche wurde dann im Bereich der Kontaktlöcher 18 vorteilhafterweise mit einer hier nicht dargestellten Diffusionssperre versehen, z. B. mit Tl/TiN, bevor über den Kontaktlöchern 18 eine Metallisierung 19, beispielsweise aus Al, erzeugt wurde. Im Hinblick auf eine besonders gute Medienresistenz des Piezowiderstands ist jedoch Edelmetall, wie z. B. Pt oder Au zu bevorzugen. Während in 1e ein Schnitt durch das Substrat 10 in diesem Stadium des Herstellungsverfahrens dargestellt ist, zeigt 3 eine entsprechende Draufsicht auf die Substratoberfläche.
  • 3 verdeutlicht, dass der Piezowiderstand 11 nun nicht nur von unten und seitlich vollständig von Oxid 16 umgeben ist, sondern auch von der Oxidschicht 17 überdeckt wird. Außerdem veranschaulicht 3 die Geometrie und Anordnung der Metallisierungen 19, in denen jeweils ein Kontakte 8 für den Piezowiderstand 11 ausgebildet ist.
  • Zur Erhöhung der Medienresistenz kann auf der Substratoberfläche, d. h. über der Oxidschicht 17 und der Metallisierung 19, noch mindestens eine weitere Passivierungsschicht 9 abgeschieden werden, z. B. Siliziumnitrid, Oxinitrid, Siliziumcarbid oder Ähnliches. Eine solche Passivierungsschicht 9 muss dann im Bereich der Kontakte 8 geöffnet werden, was in 1f dargestellt ist.
  • Die 4a bis 4c veranschaulichen eine Variante des voranstehend erörterten Verfahrens, die ebenfalls von einem p-dotierten monokristallinen Siliziumsubstrat 20 ausgeht. Wie in Verbindung mit 1a erläutert, wurde zunächst eine n-Dotierung in einen zusammenhängenden gitterförmigen Bereich der Substratoberfläche eingebracht, um einen n-dotierten monokristallinen Piezowiderstand 21 zu erzeugen. Anschließend wurde ein an den n-dotierten Widerstandsbereich 21 angrenzender Bereich 23 des p-dotierten Siliziumsubstrats 20 porös geätzt. 4a zeigt das Siliziumsubstrat 20, nach der Oxidation des porösen Substratbereichs 23.
  • Im Unterschied zu der in Verbindung mit den 1a bis 1f erläuterten Verfahrensvariante erfolgt hier die oberflächliche Oxidation des Siliziumsubstrats 20 in einem gesonderten Verfahrensschritt, beispielsweise in einem CVD(chemical vapor deposition)-Prozess. Optional kann auf die dabei entstehende Oxid schicht 27 auch noch eine Passivierungsschicht 9 aufgebracht werden, was in 4b dargestellt ist.
  • Erst danach wurden bei der hier beschriebenen Verfahrensvariante die Kontakte für den Piezowiderstand 21 realisiert, indem Kontaktöffnungen in die Passivierungsschicht 9 und die Oxidschicht 27 eingebracht wurden und entsprechende Metallisierungen 29 über den Kontaktöffnungen erzeugt wurden. Das so präparierte Siliziumsubstrat 20 ist in 4c dargestellt.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, eignen sich monokristalline Piezowiderstände, die in ein Oxid eingebettet sind und so gegen das angrenzende Substratmaterial elektrisch isoliert sind, besonders gut zur Signalerfassung bei mikromechanischen Drucksensorelementen, die im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden sollen. Zur Signalauswertung können die Piezowiderstände beispielsweise in einer Wheatstone-Brücke verschaltet werden. Die 5 bis 8 zeigen jeweils ein solches Drucksensorelement mit monokristallinen Piezowiderständen im Membranbereich.
  • Das in 5 dargestellte Drucksensorelement 50 wurde ausgehend von einem p-dotierten Siliziumsubstrat 51 realisiert. Dazu wurde zunächst die Vorderseite des Substrats 51 gemäß dem voranstehend beschriebenen Verfahren prozessiert, um im Membranbereich 52 monokristalline Piezowiderstände 53 zu erzeugen. Dementsprechend grenzen die Piezowiderstände 53 an die Substratoberfläche und sind in einen Oxidbereich 54 eingebettet, so dass sie nach unten und seitlich gegen das Substrat 51 isoliert sind. Auf der Substratoberfläche ist eine Oxidschicht 55 mit Kontaktöffnungen im Bereich der Piezowiderstände 53 ausgebildet. Die Anschlussleitungen und -pads 56 für die Piezowiderstände 53 sind hier in einer Metallisierung realisiert, die auf die Oxidschicht 55 aufgebracht wurde und sich über die Kontaktöffnungen erstreckt. Den Abschluss bildet eine Passivierungsschicht 57, die lediglich im Bereich der Anschlusspads 56 geöffnet ist. Erst danach wurde die Membran 52 von der Rückseite des Substrats 51 ausgehend freigelegt. Dazu wurde ein aus der Bulk-Mikromechanik bekanntes Verfahren eingesetzt, wie anisotropes Ätzen mit KOH oder TMAH oder auch Trenchen. Das hier dargestellte Sensorelement 51 dient der Differenzdruckmessung, da die Membran 52 beidseitig mit Druck beaufschlagt wird, was durch die Pfeile 1 und 2 angedeutet ist. Wird die Kaverne 58 unter der Membran 52 unter definierten Druckverhältnissen verschlossen, beispielsweise durch hermetisch dichtes Anodisches Bonden von Glas auf die Rückseite des Sensorelements 50, so kann das Sensorelement 50 auch zur Absolutdruckmessung eingesetzt werden.
  • Auch im Fall des in 6 dargestellten Drucksensorelements 60 wurde die Membran 62 von der Substratrückseite ausgehend freigelegt. Allerdings ist die Membran 62 hier in einer monokristallinen n-Epitaxieschicht 3 über einem p-Siliziumsubstrat 61 ausgebildet. Der pn-Übergang zwischen dem Substrat 61 und der Epitaxieschicht 3 diente hier als Ätzstopp beim Freilegen der Membran 62. Um das in Verbindung mit den 1 bis 4 erläuterte Verfahren auch zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen in einer n-Epitaxieschicht anwenden zu können, wurden zwei vorbereitende Maßnahmen getroffen, die im Aufbau des Drucksensorelements 60 zu erkennen sind. Zunächst wurde in der Oberfläche der n-Epitaxieschicht 3 ein p-dotierter Bereich 4 erzeugt, der als Ausgangsschicht für das erfindungsgemäße Verfahren fungiert. Dementsprechend sind die Piezowiderstände 63 und die sie umgebenden Oxidbereiche 64 innerhalb des p-dotierten Bereichs 4 ausgebildet. Außerdem wurde ein p-dotierter Kontaktbereich 5 erzeugt, der den an die Oberfläche der n-Epitaxieschicht 3 grenzenden p-dotierten Bereich 4 mit dem p-Siliziumsubstrat 61 verbindet. Der Kontaktbereich 5 ermöglicht die Durchführung eines elektrochemischen Ätzprozesses zum porös Ätzen des p-dotierten Siliziums unterhalb der n-dotierten Piezowiderstände 63.
  • Wie im Fall des in 5 dargestellten Drucksensorelements 50 ist auf der Substratoberfläche eine Oxidschicht 65 mit Kontaktöffnungen im Bereich der Piezowiderstände 63 ausgebildet. Die Anschlüsse 66 für die Piezowiderstände 63 sind auch hier in einer Metallisierung zwischen der Oxidschicht 65 und einer Passivierungsschicht 67 realisiert.
  • Bei der Herstellung des in 7 dargestellten Drucksensorelements 70 kamen ausschließlich Verfahren der Oberflächenmikromechanik zum Einsatz. Hier wurde zunächst eine Membran 72 in einer monokristallinen n-Epitaxieschicht 3 über einem p-Siliziumsubstrat 71 ausgebildet. Dazu wurde eine Kaverne 78 im p-Siliziumsubstrat unterhalb der Membran 72 erzeugt.
  • Erst danach wurde das erfindungsgemäße Verfahren angewandt, um die in Siliziumoxid 74 eingebetteten monokristallinen Piezowiderstände 73 in der Membranoberfläche zu erzeugen. Wie im Fall des Drucksensorelements 60 wurde dazu in der Oberfläche der n-Epitaxieschicht 3 ein p-dotierter Bereich 4 erzeugt, der als Ausgangsschicht für das erfindungsgemäße Verfahren fungiert. Ein p-dotierter Kontaktbereich 5 verbindet diesen an die Oberfläche der n-Epitaxieschicht 3 grenzenden p-dotierten Bereich 4 mit dem p-Siliziumsubstrat 71, was die Durchführung eines elektrochemischen Ätzprozesses zum porös Ätzen des p-dotierten Siliziums unterhalb der n-dotierten Piezowiderstände 63 ermöglichte.
  • Die Piezowiderstände 73 des Drucksensorelements 70 grenzen an die Oberfläche der monokristallinen n-Epitaxieschicht 3. Sie sind zusammen mit den sie umgebenden Oxidbereichen 74 innerhalb des p-dotierten Bereichs 4 ausgebildet. Auf der Oberfläche der n-Epitaxieschicht 3 ist eine Oxidschicht 75 mit Kontaktöffnungen im Bereich der Piezowiderstände 73 ausgebildet. Die Anschlussleitungen und -pads 76 für die Piezowiderstände 73 sind in einer Metallisierung realisiert, die auf die Oxidschicht 75 aufgebracht wurde und sich über die Kontaktöffnungen erstreckt. Den Abschluss bildet eine Passivierungsschicht 77, die lediglich im Bereich der Anschlusspads 76 geöffnet ist.
  • Die Struktur des in 8 dargestellten Drucksensorelements 80 ist mit der in 7 dargestellten Struktur identisch. Unterschiede bestehen lediglich in der Dotierung einzelner Bereiche der Bauelementstruktur.
  • Die Membran 82 wurde hier im Unterschied zum Drucksensorelement 70 in einer monokristallinen p-Epitaxieschicht 6 über einem p-Siliziumsubstrat 81 ausgebildet. Dementsprechend konnten die in Siliziumoxid 84 eingebetteten Piezowiderstände 83 direkt in der p-Epitaxieschicht 6 erzeugt werden.
  • Auch auf der Oberfläche der p-Epitaxieschicht 6 ist eine Oxidschicht 85 mit Kontaktöffnungen im Bereich der Piezowiderstände 83 ausgebildet. Die Anschlussleitungen und -pads 86 für die Piezowiderstände 83 sind in einer Metallisierung realisiert, die auf die Oxidschicht 85 aufgebracht wurde und sich über die Kontaktöffnungen erstreckt. Den Abschluss bildet eine Passivierungsschicht 87, die lediglich im Bereich der Anschlusspads 86 geöffnet ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10032579 A1 [0003, 0004, 0008]

Claims (16)

  1. Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen (11) in der Oberfläche einer monokristallinen Siliziumschicht (10), bei dem mindestens eine Dotierung in den Widerstandsbereich der Siliziumoberfläche eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Isolation (16) des dotierten Widerstandsbereichs (11) gegen das angrenzende Silizium erzeugt wird, indem zumindest ein sich an den dotierten Widerstandsbereich (11) anschließender und sich unterhalb des dotierten Widerstandsbereichs (11) erstreckender Bereich (13) der Siliziumschicht (10) porös geätzt wird, und dass das poröse Silizium oxidiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (13) der Siliziumschicht porös geätzt wird, der sich allseits über den dotierten Widerstandsbereich (11) hinaus erstreckt, so dass der Widerstandsbereich (11) vollständig in das poröse Silizium bzw. das daraus entstehende Siliziumoxid (16) eingebettet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zumindest ein an die Oberfläche der monokristallinen Siliziumschicht (10) angrenzender Bereich p-dotiert ist, wobei zum Erzeugen eines monokristallinen Piezowiderstands (11) eine lokal begrenzte n-Dotierung in die Oberfläche dieses p-dotierten Bereichs eingebracht wird und wobei ein an den n-dotierten Widerstandsbereich angrenzender p-dotierter Bereich (13) porös geätzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei es sich bei der monokristallinen Siliziumschicht um ein p-dotiertes Siliziumsubstrat (10) oder eine p-dotierte Epitaxieschicht (6) handelt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei es sich bei der monokristallinen Siliziumschicht um eine n-dotierte Epitaxieschicht (3) auf einem p-dotierten Silizium substrat (61) handelt und wobei in einen Oberflächenbereich der n-Epitaxieschicht (3) eine p-Dotierung eingebracht wurde, um einen an die Oberfläche angrenzenden p-dotierten Bereich (4) zu erzeugen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung eines Rückseitenkontakts für den p-dotierten Bereich (4) in der Oberfläche der n-Epitaxieschicht (3) ein p-dotierter Kontaktbereich (5) zwischen diesem p-dotierten Bereich (4) und dem p-dotierten Siliziumsubstrat (61) erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der n-dotierte Widerstandsbereich (11) einen zusammenhängenden gitterförmigen Bereich der Siliziumoberfläche umfasst.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsbereich (11) nach dem Oxidieren des porösen Siliziums umdotiert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine den dotierten Widerstandsbereich (11) überdeckende Oxidschicht (17) erzeugt wird, und dass in der Oxidschicht (17) mindestens eine Kontaktöffnung (18) zum Widerstandsbereich (11) erzeugt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass über der Kontaktöffnung (18) in der Oxidschicht (17) eine Metallisierung (19), insbesondere aus einem Edelmetall, erzeugt wird, über die der Widerstandsbereich (11) elektrisch kontaktiert wird.
  11. Mikromechanisches Drucksensorelement mit mindestens einer Membran und mindestens einem in Siliziumoxid eingebetteten monokristallinen Piezowiderstand zur Signalerfassung, wobei der Piezowiderstand mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erzeugt worden ist.
  12. Drucksensorelement nach Anspruch 11, bei dem der mindestens eine Piezowiderstand in einer Wheatstone-Brücke verschaltet ist.
  13. Drucksensorelement (50) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (52) und der mindestens eine in Siliziumoxid (54) eingebettete Piezowiderstand (53) in der Vorderseite eines p-dotierten Siliziumsubstrats (51) ausgebildet sind und die Membran (52) von der Rückseite des Siliziumsubstrats (51) ausgehend durch anisotropes Ätzen oder Trenchen freigelegt wurde.
  14. Drucksensorelement (60) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (62) in einer n-Epitaxieschicht (3) auf einem p-dotierten Siliziumsubstrat (61) realisiert ist und von der Rückseite des Siliziumsubstrats (61) ausgehend durch anisotropes Ätzen mit dem pn-Übergang als Ätzstoppgrenze freigelegt wurde, und dass der mindestens eine in Siliziumoxid (64) eingebettete Piezowiderstand (63) innerhalb eines p-dotierten Bereichs (4) in der Membranoberfläche ausgebildet ist.
  15. Drucksensorelement (70) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (72) in einer n-Epitaxieschicht (3) auf einem p-dotierten Siliziumsubstrat (71) realisiert ist, indem in einem oberflächenmikromechanischen Verfahren eine Kaverne (78) unterhalb der Membran (72) erzeugt worden ist, und dass der mindestens eine in Siliziumoxid (74) eingebettete Piezowiderstand (73) innerhalb eines p-dotierten Bereichs (4) in der Membranoberfläche ausgebildet ist.
  16. Drucksensorelement (80) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (82) in einer p-Epitaxieschicht (6) auf einem p-dotierten Siliziumsubstrat (81) realisiert ist, indem in einem oberflächenmikromechanischen Verfahren eine Kaverne (88) unterhalb der Membran (82) erzeugt worden ist, und dass der mindestens eine in Siliziumoxid (84) eingebettete Piezowiderstand (83) in der Membranoberfläche ausgebildet ist.
DE200810043084 2008-10-22 2008-10-22 Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen und Drucksensorelemente mit solchen Piezowiderständen Withdrawn DE102008043084A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200810043084 DE102008043084A1 (de) 2008-10-22 2008-10-22 Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen und Drucksensorelemente mit solchen Piezowiderständen
PCT/EP2009/063034 WO2010046233A1 (de) 2008-10-22 2009-10-07 Verfahren zum erzeugen von monokristallinen piezowiderständen und drucksensorelemente mit solchen piezowiderständen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200810043084 DE102008043084A1 (de) 2008-10-22 2008-10-22 Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen und Drucksensorelemente mit solchen Piezowiderständen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102008043084A1 true DE102008043084A1 (de) 2010-04-29

Family

ID=41459781

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200810043084 Withdrawn DE102008043084A1 (de) 2008-10-22 2008-10-22 Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen und Drucksensorelemente mit solchen Piezowiderständen

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102008043084A1 (de)
WO (1) WO2010046233A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010002463A1 (de) 2010-03-01 2011-09-01 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Drucksensorelement und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102011006332A1 (de) 2011-03-29 2012-10-04 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012215262B4 (de) 2012-08-28 2020-08-20 Robert Bosch Gmbh Mikromechanische Struktur und entsprechendes Herstellungsverfahren
CN110494724B (zh) 2017-02-09 2023-08-01 触控解决方案股份有限公司 集成数字力传感器和相关制造方法
WO2018148510A1 (en) 2017-02-09 2018-08-16 Nextinput, Inc. Integrated piezoresistive and piezoelectric fusion force sensor
WO2019023552A1 (en) * 2017-07-27 2019-01-31 Nextinput, Inc. PIEZORESISTIVE AND PIEZOELECTRIC FORCE SENSOR ON WAFER AND METHODS OF MANUFACTURING THE SAME
WO2019079420A1 (en) 2017-10-17 2019-04-25 Nextinput, Inc. SHIFT TEMPERATURE COEFFICIENT COMPENSATION FOR FORCE SENSOR AND STRAIN GAUGE
US11874185B2 (en) 2017-11-16 2024-01-16 Nextinput, Inc. Force attenuator for force sensor

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10032579A1 (de) 2000-07-05 2002-01-24 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Halbleiterbauelement

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4627883A (en) * 1985-04-01 1986-12-09 Gte Laboratories Incorporated Method of forming an isolated semiconductor structure
JPH03190281A (ja) * 1989-12-18 1991-08-20 Honeywell Inc 半導体デバイス及びピエゾ抵抗型トランスデューサとその形成方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10032579A1 (de) 2000-07-05 2002-01-24 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Halbleiterbauelement

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010002463A1 (de) 2010-03-01 2011-09-01 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Drucksensorelement und Verfahren zu dessen Herstellung
US8429977B2 (en) 2010-03-01 2013-04-30 Robert Bosch Gmbh Micromechanical pressure-sensor element and method for its production
DE102011006332A1 (de) 2011-03-29 2012-10-04 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen
US8759136B2 (en) 2011-03-29 2014-06-24 Robert Bosch Gmbh Method for creating monocrystalline piezoresistors

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010046233A1 (de) 2010-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1846319B1 (de) Mikromechanisches bauelement und entsprechendes herstellungsverfahren
DE102008043084A1 (de) Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen und Drucksensorelemente mit solchen Piezowiderständen
EP2029474B1 (de) Mikromechanisches memranbauelement und verfahren zu dessen herstellung
DE102014214525B4 (de) Mikro-elektromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für mikro-elektromechanische Bauteile
EP2300356B1 (de) Verfahren zur herstellung einer mikromechanischen membranstruktur mit zugang von der substratrückseite
DE102013213717A1 (de) MEMS-Bauelement mit einer Mikrofonstruktur und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102010002463A1 (de) Mikromechanisches Drucksensorelement und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102012201304A1 (de) Mikromechanische Feststoffelektrolyt-Sensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren
DE102005027463A1 (de) Drucksensor
DE112006002946T5 (de) Halbleiter-Druckmesser und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102012216618A1 (de) Anordnung von mindestens zwei Wafern zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung und Verfahren zum Herstellen der Anordnung
DE10024266B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements
DE102009045428B4 (de) Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und mikromechanisches Bauteil
DE102011006332A1 (de) Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen
WO2009127455A2 (de) Verfahren zur herstellung einer mikromechanischen membranstruktur mit feststehendem gegenelement
DE4215722C2 (de) Sensorsubstrat mit einer Membran und Verfahren zu deren Herstellung
DE102017211080B3 (de) Mikromechanischer Sensor und Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors und eines mikromechanischen Sensorelements
EP2138450B1 (de) Elektrodenstruktur für ein mikromechanisches Bauelement
DE102014217152A1 (de) MEMS-Bauelement
EP1716070B1 (de) Mikromechanischer sensor
DE102005055083A1 (de) Thermoelektrischer Sensor und Verfahren zur Herstellung
WO2018046307A1 (de) Verfahren zum herstellen eines mikromechanischen bauteils mit einer freigestellten drucksensoreinrichtung und mikromechanisches bauteil
DE102007002273A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und Sensorelement
DE102005002304B4 (de) Mikroelektromechanischer Sensor und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102009029343A1 (de) Sensor zur Detektion von thermischer Strahlung

Legal Events

Date Code Title Description
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20110502