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Stand der Technik
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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.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung verschiedene Realisierungsformen
eines Drucksensorelements mit einer Membran und mindestens einem
solchen Piezowiderstand zur Signalerfassung.
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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.
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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;
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2 zeigt
eine Draufsicht auf das Substrat in dem in 1b dargestellten
Zustand;
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3 zeigt
eine Draufsicht auf das Substrat in dem in 1e dargestellten
Zustand;
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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;
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5 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch ein erstes Drucksensorelement 50;
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6 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch ein zweites Drucksensorelement 60;
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7 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch ein drittes Drucksensorelement 70; und
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8 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch ein viertes Drucksensorelement 80.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10032579
A1 [0003, 0004, 0008]