DE102009029217A1

DE102009029217A1 - Inertialsensor mit einem Feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE102009029217A1
Application number: DE102009029217A
Authority: DE
Inventors: Ando Feyh
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-03-10
Also published as: US20110057236A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Inertialsensor mit einem Feldeffekttransistor, welcher eine Gate-Elektrode (9), eine Source-Elektrode (3a', 3a'', 3a'''), eine Drain-Elektrode (3b', 3b'', 3b''') und einen zwischen der Source-Elektrode (3a', 3a'', 3a''') und der Drain-Elektrode (3b', 3b'', 3b''') angeordneten Kanalbereich (4) umfasst und dessen Gate-Elektrode (9) beabstandet über dem Kanalbereich (4) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist dabei die Gate-Elektrode (9) feststehend und der Kanalbereich (4) beweglich ausgebildet und angeordnet. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bewegungssensors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Inertialsensor mit einem Feldeffekttransistor und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bewegungssensors.
Stand der Technik
Die DE 102 36 773 A1 beschreibt einen Beschleunigungssensor mit einem Feldeffekttransistor, der eine zweilagige Elektrodenstruktur mit einer ersten und einer zweiten beweglichen Detektionselektrode aufweist, deren Auslenkungsrichtungen bei einwirkender Beschleunigung gleich gerichtet sind
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Inertialsensor mit einem Feldeffekttransistor (FET), welcher eine Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode, eine Drain-Elektrode und einen zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode angeordneten Kanalbereich umfasst und dessen Gate-Elektrode beabstandet über dem Kanalbereich angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist die Gate-Elektrode dabei feststehend und der Kanalbereich beweglich ausgebildet und angeordnet. Dabei beschreibt der Begriff „über” die Anordnung der Gate-Elektrode bezüglich des Kanalbereiches und nicht die Ausrichtung der Gate-Elektrode und des Kanalbereichs bezüglich der Gravitation.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Inertialsensoren, die auf der Basis des Prinzips einer bewegten Gate-Elektrode (Moving-Gate-Prinzip) arbeiten, detektiert ein erfindungsgemäßer Inertialsensor eine einwirkende Beschleunigung auf der Basis eines bewegten Kanalbereiches (Moving-Channel-Prinzip). Bei einer einwirkenden Beschleunigung wird dabei der Abstand zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanalbereich verändert und damit der Stromfluss durch den Transistor moduliert, was direkt elektrisch ausgelesen werden kann.
Ein erfindungsgemäßer Inertialsensor kann vorteilhafterweise eine hohe Sensitivität und eine einfache Auswerteschaltung aufweisen. Dabei kann der Kanalbereich vorteilhafterweise gleichzeitig als seismische Masse dienen. Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Inertialsensor vorteilhafterweise auf eine C-U-Wandlung verzichtet werden. Weiterhin kann ein erfindungsgemäßer Inertialsensor vorteilhafterweise stark miniaturisiert werden. Zudem kann die Herstellung eines erfindungsgemäßen Inertialsensors vorteilhafterweise vollständig in einen ASIC-Prozess integriert werden. Außerdem kann ein erfindungsgemäßer Inertialsensor vorteilhafterweise eine, mittels eines Dünnschichtprozesses ausgebildete Verkappung aufweisen: Ferner sind zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Inertialsensors vorteilhafterweise keine Durchkontaktierungen erforderlich.
Im Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung ist der Inertialsensor ein Beschleunigungssensor, insbesondere ein linearer Beschleunigungssensor, oder ein Drehratensensor.
Der Abstand (d) zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanalbereich kann zum Beispiel von ≥ 1 nm bis ≤ 10 μm, beispielsweise von ≥ 5 nm bis ≤ 5 μm, betragen. Insbesondere kann ein erfindungsgemäßer Inertialsensor als monolithisch integrierter Sensor ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kanalbereich innerhalb einer Kavität angeordnet, welche zumindest teilweise durch die Gate-Elektrode verschlossen ist. Neben der Gate-Elektrode kann die Kavität durch eine Passivierungsschicht und/oder Kontakte zum Kontaktieren der Gate-Elektrode, Drain-Elektrode und/oder Source-Elektrode verschlossen sein. Auf diese Weise werden Bauelemente, welche gegebenenfalls bereits für andere Zwecke vorhanden sind, für mehrere Funktionen gleichzeitig eingesetzt, wodurch der gesamte Raumbedarf eines erfindungsgemäßen Inertialsensors vorteilhafterweise minimiert werden kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kanalbereich federnd aufgehängt, wobei die Source-Elektrode einen ersten Teil der Aufhängung und die Drain-Elektrode einen zweiten Teil der Aufhängung ausbildet. In diesem Fall werden ebenfalls Bauelemente für mehrere Zwecke eingesetzt, wodurch der gesamte Raumbedarf vorteilhafterweise weiterhin minimiert werden kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kanalbereich in Richtung auf die Gate-Elektrode (z-Richtung) und/oder parallel zur Gate-Elektrode (x, y-Richtung) beweglich. Bei einem in Richtung auf die Gate-Elektrode beweglichen Kanalbereich kann die Kapazität zwischen dem Kanalbereich und der Gate-Elektrode mit dem Abstand (d) zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanalbereich variieren. Bei einem parallel zur Gate-Elektrode beweglichen Kanalbereich kann die Kapazität zwischen dem Kanalbereich und der Gate-Elektrode mit der Größe der überlappenden Fläche zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanalbereich variieren. In beiden Fällen kann dabei die Veränderung elektrisch detektiert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kanalbereich mit einer passivierenden thermischen Oxidschicht versehen. Beispielsweise kann es sich bei der passivierenden thermischen Oxidschicht um eine aus Siliciumoxid (SiO₂), Siliciumnitrid (SiN, Si₃N₄) und/oder Siliciumcarbid (SiC) ausgebildete Schicht handeln. Eine passivierende thermische Oxidschicht kann sich vorteilhaft auf die elektrischen Eigenschaften des Kanalbereichs auswirken.
Insbesondere kann es sich bei einem erfindungsgemäßen Inertialsensor um einen, durch ein im Folgenden erläutertes, erfindungsgemäßes Verfahren hergestellten Inertialsensor handeln.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile eines erfindungsgemäßen Inertialsensors wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Inertialsensoren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bewegungssensorsensors, insbesondere eines bereits erläuterten, erfindungsgemäßen Inertialsensors, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

a) Ausbilden eines ersten Kavitätsbereichs, einer mindestens zweiteiligen Aufhängung und einer zwischen den Teilen der Aufhängung beweglich über dem ersten Kavitätsbereichs aufgehängten Membran auf und/oder in einem Trägersubstrat, insbesondere einem Substratwafer,
b) Implantieren von Elektronen-Akzeptor-Atomen in das Material der Aufhängung und von Elektronen-Donator-Atomen in das Material der Membran oder von Elektronen-Donator-Atomen in das Material der Aufhängung und von Elektronen-Akzeptor-Atomen in das Material der Membran,
c) Abscheiden und Strukturieren einer Opferschicht,
d) Abscheiden und Strukturieren einer Gate-Elektrode,
e) Abscheiden und Strukturieren einer Passivierungsschicht mit Zugangsöffnungen zum Ätzen der Opferschicht,
f) Ätzen der Opferschicht,
g) Verschließen der Zugangsöffnungen, und
h) Ausbilden von elektrischen Kontakten zum Kontaktieren der Gate-Elektrode, Source-Elektrode und Drain-Elektrode.

Durch die Aufhängung wird die Membran beziehungsweise der Kanalbereich insbesondere derart mechanisch vom Trägersubstrat entkoppelt, dass die Membran beziehungsweise der Kanalbereich beweglich wird. Vorzugsweise weist die Aufhängung zwei Teile auf von denen jedes einen ersten Bereich zur elektrischen Kontaktierung des Teils, einen zweiten, als Federstruktur ausgebildeten Bereich und einen dritten Bereich zur elektrischen Kontaktierung der Membran umfasst.
Verfahrensschritt a) kann beispielsweise mittels eines Prozesses, wie er beispielsweise auch bei der Herstellung von mikromechanischen Drucksensoren Anwendung findet, oder, insbesondere bei der Verwendung eines SOI-Wafers als Trägersubstrat, mittels eines SOI-Wafer-Prozesses erfolgen. Bei der Verwendung eines SOI-Wafers mit einer Oxidschicht zwischen einer Funktionsschicht (englisch: „device layer”) und einer Trägerschicht kann die Oxidschicht lokal geätzt werden, um einen ersten Kavitätsbereich, eine Aufhängung und eine beweglich aufgehängte Membran auszubilden.
Durch den Verfahrensschritt b) kann ein erster Teil der Aufhängung als Source-Elektrode, ein zweiter Teil der Aufhängung als Drain-Elektrode und die zwischen dem ersten und zweiten Teil der Aufhängung angeordnete Membran als Kanalbereich des Feldeffekttransistors fungieren. Die Implantationen können im Verfahrensschritt b) jeweils so ausgeführt werden, dass ein p- oder ein n-Kanal-Feldeffekttransistor generiert wird. Vorzugsweise werden Elektronen-Akzeptor-Atomen in das Material der Aufhängung und Elektronen-Donator-Atomen in das Material der Membranimplantiert. Mit anderen Worten, vorzugsweise sind die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode p-dotiert und der Kanalbereich n-dotiert.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Verfahrensschritt c) die Opferschicht auf der Membran und Bereichen der Aufhängung abgeschieden und strukturiert.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Verfahrensschritt d) die Gate-Elektrode auf einem Bereich der Opferschicht abgeschieden und strukturiert. Verfahrensschritt d) kann vor oder nach oder gegebenenfalls gleichzeitig mit Verfahrensschritt e) durchgeführt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird Verfahrensschritt e) vor Verfahrensschritt d) durchgeführt wird, wobei die Passivierungsschicht an der Stelle ausgespart wird, an der im anschließenden Verfahrensschritt d) die Gate-Elektrode (9) abgeschieden wird. Auf diese Weise können vorteilhafterweise die Freiheitsgrade der bei der Prozessierung zur Verfügung stehenden Materialien erhöht werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Verfahrensschritt e) die Passivierungsschicht auf Bereichen der Opferschicht und des Trägersubstrats, beispielsweise auf Bereichen der Opferschicht, der Aufhängung und des Trägersubstrats, abgeschieden und strukturiert.
In Verfahrensschritt f) kann das Ätzen der Opferschicht insbesondere unter Ausbildung eines zweiten Kavitätsbereichs über der Membran und über Bereichen der Aufhängung erfolgen. In Verfahrensschritt g) kann die Zugangsöffnungen beispielsweise durch einen Dünnschichtprozess verschlossen werden. In Verfahrensschritt h) können die elektrischen Kontakte zum Kontaktieren der Gate-Elektrode, Source-Elektrode und Drain-Elektrode mittels Metallabscheidung, beispielsweise durch Ausbilden von Kontaktöffnungen und anschließendem Metallabscheiden in den Kontaktöffnungen ausgebildet werden. Gegebenenfalls können die Verfahrensschritt g) und h) dadurch kombiniert werden, dass die Zugangsöffnungen zum Ätzen der Opferschicht derart angeordnet und ausgebildet sind, dass diese nach dem Ätzen der Opferschicht auch als Kontaktöffnungen zum Ausbilden von elektrischen Kontakten zum Kontaktieren der Drain-Elektrode und/oder Source-Elektrode dienen und durch das Ausbilden von elektrischen Kontakten zum Kontaktieren der Drain-Elektrode und/oder Source-Elektrode verschlossen werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Membran und die Aufhängung aus monokristallinem, dotiertem Silicium ausgebildet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Opferschicht aus Siliciumoxid (Si-Oxid) und/oder Siliciumgermanium (SiGe) ausgebildet. Die Dicke der Opferschicht kann dabei die Empfindlichkeit des Feldeffekttransistors durch kapazitive Ankopplung bestimmen. Insbesondere kann die Opferschicht eine Schichtdicke (d) von ≥ 1 nm bis ≤ 10 μm, beispielsweise von ≥ 5 nm bis ≤ 5 μm, aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Gate-Elektrode aus einem Metall und/oder polykristallinem Silicium (Polysilicium) ausgebildet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Passivierungsschicht aus polykristallinem Silicium (Polysilicium), Siliciumoxid (Si-Oxid) und/oder Siliciumnitrid (Si-Nitrid) ausgebildet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dienen die Gate-Elektrode, die Passivierungsschicht und/oder die Kontakte zum Kontaktieren der Gate-Elektrode, Source-Elektrode und Drain-Elektrode zugleich als Dünnschichtverkappung dienen.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile von erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Inertialsensoren wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit erfindungsgemäßen Inertialsensoren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Inertialsensor hergestellt durch ein erfindungsgemäßes Verfahren.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 einen Querschnitt durch einen in Verfahrensschritt a) ausgebildete Struktur;
2 einen Querschnitt durch die in 1 gezeigte Struktur nach Abschluss des Verfahrensschrittes b);
3 eine Draufsicht auf die in 1 gezeigte Struktur nach Abschluss des Verfahrensschritts b);
4 einen Querschnitt durch die in 1 gezeigte Struktur nach Abschluss der Verfahrensschritte c) bis e); und
5 einen Querschnitt durch die in 1 gezeigte Struktur nach Abschluss der Verfahrensschritte f) bis h).
1 zeigt einen in einem Trägersubstrat 1 ausgebildeten, ersten Kavitätsbereich 2, eine auf dem Trägersubstrat 1 ausgebildete, zweiteilige Aufhängung 3a', 3a'', 3a''', 3b', 3b'', 3b''' und eine zwischen den Teilen der Aufhängung 3a', 3a'', 3a''', 3b', 3b'', 3b''' beweglich über dem ersten Kavitätsbereichs 2 aufgehängten Membran 4. 1 und die später erläuterten 2 bis 5 zeigen weiterhin, dass die Aufhängung zwei Teile aufweist von denen jedes einen ersten Bereich 3a', 3b' zur elektrischen Kontaktierung des jeweiligen Teils, einen zweiten, als Federstruktur ausgebildeten Bereich 3a'', 3b'' und einen dritten Bereich 3a''', 3b''' zur elektrischen Kontaktierung der Membran 4 umfasst.
2 zeigt einen Querschnitt durch die in 1 gezeigte Struktur nach dem Implantieren von Elektronen-Akzeptor-Atomen in das Material der Aufhängung 3a', 3a'', 3a''', 3b', 3b'', 3b''' und von Elektronen-Donator-Atomen in das Material der Membran 4.
3 zeigt die Struktur aus 2 in Draufsicht mit beispielhaft skizzierten Federstrukturen 3a'', 3b''.
4 veranschaulicht, dass in Verfahrensschritt c) eine Opferschicht 8 auf der Membran 4 und dem zweiten 3a'', 3b'' und dritten Bereichen 3a''', 3b''' der Aufhängungsteile abgeschieden und strukturiert wurde. Weiterhin illustriert 4, dass in Verfahrensschritt d) eine Gate-Elektrode 9 auf einem Bereich der Opferschicht 8 abgeschieden und strukturiert wurde. Ferner zeigt 4, dass in Verfahrenschritt e) eine Passivierungsschicht 10 mit Zugangsöffnungen 11 zum Ätzen der Opferschicht 8 auf Bereichen der Opferschicht 8 und des Trägersubstrats 1 abgeschieden und strukturiert wurde.
5 zeigt einen fertigen Inertialsensor. 5 illustriert, dass in Verfahrensschritt f) die Opferschicht 8 unter Ausbildung eines zweiten Kavitätsbereichs 12 über der Membran 4 und über den zweiten 3a'', 3b'' und dritten 3a''', 3b''' Bereichen der Aufhängungsteile weggeätzt wurde. Weiterhin zeigt 5, dass in Verfahrensschritt g) die Zugangsöffnungen 11 zum Ätzen der Opferschicht 8 verschlossen wurden. Ferner veranschaulicht 5, dass in Verfahrensschritt h) die elektrischen Kontakten 13, 14 zum Kontaktieren der Gate-Elektrode 9, der Source-Elektrode 3a', 3a'', 3a''' und der Drain-Elektrode 3b', 3b'', 3b''' durch Ausbilden von Kontaktöffnungen und anschließendem Metallabscheiden in den Kontaktöffnungen ausgebildet wurden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10236773 A1 [0002]

Claims

Inertialsensor mit einem Feldeffekttransistor, umfassend – eine Gate-Elektrode (9), – eine Source-Elektrode (3a', 3a'', 3a'''), – eine Drain-Elektrode (3b', 3b'', 3b''') und – einen zwischen der Source-Elektrode (3a', 3a'', 3a''') und der Drain-Elektrode (3b', 3b'', 3b''') angeordneten Kanalbereich (4), wobei die Gate-Elektrode (9) beabstandet über dem Kanalbereich (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektrode (9) feststehend und der Kanalbereich (4) beweglich ausgebildet und angeordnet ist.
Inertialsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalbereich (4) innerhalb einer Kavität (2, 12) angeordnet ist, welche zumindest teilweise durch die Gate-Elektrode (9) verschlossen ist.
Inertialsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalbereich (4) federnd aufgehängt ist, wobei die Source-Elektrode (3a', 3a'', 3a''') einen ersten Teil der Aufhängung (3a', 3a'', 3a''') und die Drain-Elektrode (3b', 3b'', 3b''') einen zweiten Teil der Aufhängung (3b', 3b'', 3b''') ausbildet.
Inertialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalbereich (4) in Richtung auf die Gate-Elektrode (9) beweglich ist und/oder der Kanalbereich (4) parallel zur Gate-Elektrode (9) beweglich ist.
Inertialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalbereich (4) mit einer passivierenden thermischen Oxidschicht versehen ist.
Inertialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor ein Beschleunigungssensor oder ein Drehratensensor ist.
Verfahren zur Herstellung eines Inertialsensors, umfassende die Verfahrensschritte: a) Ausbilden eines ersten Kavitätsbereichs (2), einer mindestens zweiteiligen Aufhängung (3a, 3b) und einer zwischen den Teilen der Aufhängung (3a, 3b) beweglich über dem ersten Kavitätsbereichs (2) aufgehängten Membran (4) auf und/oder in einem Trägersubstrat (1), b) Implantieren von Elektronen-Akzeptor-Atomen in das Material der Aufhängung (3a, 3b) und von Elektronen-Donator-Atomen in das Material der Membran (4) oder von Elektronen-Donator-Atomen in das Material der Aufhängung (3a, 3b) und von Elektronen-Akzeptor-Atomen in das Material der Membran (4), c) Abscheiden und Strukturieren einer Opferschicht (8), d) Abscheiden und Strukturieren einer Gate-Elektrode (9), e) Abscheiden und Strukturieren einer Passivierungsschicht (10) mit Zugangsöffnungen (11) zum Ätzen der Opferschicht (8), f) Ätzen der Opferschicht (8), g) Verschließen der Zugangsöffnungen (11), und h) Ausbilden von elektrischen Kontakten (13, 14) zum Kontaktieren der Gate-Elektrode (9), Source-Elektrode (3a', 3a'', 3a''') und Drain-Elektrode (3b', 3b'', 3b''').
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt c) die Opferschicht (8) auf der Membran (4) und Bereichen (3a'', 3a''', 3b''', 3b'') der Aufhängung abgeschieden und strukturiert wird, und/oder d) die Gate-Elektrode (9) auf einem Bereich der Opferschicht (8) abgeschieden und strukturiert wird, und/oder e) die Passivierungsschicht (10) auf Bereichen der Opferschicht (8) und des Trägersubstrats (1) abgeschieden und strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass – die Membran (4) und die Aufhängung (3a', 3a'', 3a''', 3b', 3b'', 3b''') aus monokristallinem, dotiertem Silicium ausgebildet werden, und/oder – die Opferschicht (8) aus Siliciumoxid und/oder Siliciumgermanium ausgebildet wird, und/oder – die Gate-Elektrode (9) aus einem Metall oder polykristallinem Silicium ausgebildet wird, und/oder – die Passivierungsschicht (10) aus polykristallinem Silicium, Siliciumoxid und/oder Siliciumnitrid ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektrode (9), die Passivierungsschicht (10) und/oder die Kontakte (13, 14) zum Kontaktieren der Gate-Elektrode (9), Source-Elektrode (3a', 3a'', 3a''') und Drain-Elektrode (3b', 3b'', 3b''') zugleich als Dünnschichtverkappung dienen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt e) vor Verfahrensschritt d) durchgeführt wird, wobei die Passivierungsschicht (10) an der Stelle ausgespart wird, an der im anschließenden Verfahrensschritt d) die Gate-Elektrode (9) abgeschieden wird.