DE102010011631A1

DE102010011631A1 - Kointegrierter MEMS-Sensor und Verfahren hierzu

Info

Publication number: DE102010011631A1
Application number: DE102010011631A
Authority: DE
Inventors: Peter Seesink; Horst Obermeier; Omar Moorpark Abed; Den Moorpark Rodriguez; Robert Venture Hunter; Calin Camarillo Miclaus
Original assignee: Kavlico Corp
Current assignee: Kavlico Corp
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2010-10-21
Also published as: JP5486360B2; JP2014014927A; JP2013056415A; JP2015057305A; JP2010214584A; US20100229651A1; US8196475B2

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Integration von Mikrosystemen (MEMS) mit elektrischen Submikron-Halbleiter-Schaltkreisen, wie CMOS, um komplexere Signalverarbeitung, on-chip Einstellung und Integration mit RF-Technologien zu ermöglichen. Zudem wird ein MEMS-Sensor vorgeschlagen, der eine obere Schicht, eine Isolierschicht mit einer eingeformten Aussparung und eine Handhabungsschicht aufweist. Die obere Schicht dient sowohl als Basis des elektrischen Halbleiter-Schaltkreises als auch als aktives MEMS-Element. Der übrige Schaltkreis wird entweder in oder auf der oberen Schicht erzeugt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine erste Waferanordnung und eine zweite Waferanordnung erstellt, so dass der MEMS-Sensor und die Basis mindestens eines elektrischen Halbleiter-Schaltkreises geformt werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen mit integrierten mechanischen und elektrischen Halbleiter-Schaltkreisen. Ein Beispiel dafür sind MEMS Vorrichtungen.
Hintergrund der Erfindung
Sensoren, die sowohl MEMS als auch elektrische Halbleiter-Schaltkreise enthalten, sind im Fachgebiet wohl bekannt. Derzeit werden die Sensoren so gefertigt, dass die MEMS und die elektrischen Halbleiter-Schaltkreise zur gleichen Zeit erstellt werden, wobei die Implantierbereiche der elektrischen Halbleiter-Schaltkreise auf dem Handhabungswafer neben dem aktiven MEMS-Element angeordnet werden. Um die elektrischen Halbleiter-Schaltkreise mit der MEMS-Struktur zu integrieren, werden Temperaturen von annähernd 1000°C benutzt, damit eine feste Haftung des SOI-Wafers an der MEMS-Halbleiterscheibe entsteht und ein klar definierter Kanal in der Oxidschicht der MEMS-Vorrichtung geformt werden kann.
Zusammenfassung der bevorzugten Ausführungsformen
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein MEMS-Sensor vorgesehen, der eine erste Schicht aufweist, die in einer bevorzugten Ausführungsform ein aktives MEMS-Element formt, eine Isolierschicht, in die eine Aussparung geformt wurde, und eine Basis oder Handhabungsschicht. Die Anordnung umfasst weiter mindestens einen elektrischen Halbleiter-Schaltkreis, der die erste Schicht als einen Basisträger verwendet und in der die Implantierbereiche der elektrischen Halbleiter-Schaltkreise innerhalb der ersten Schicht geformt werden.
In einem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung ist eine erste dünne Schicht eines Isoliermaterials auf einem dicken Basisträger angeordnet. Mindestens eine Aussparung ist in der ersten dünnen Schicht des Isoliermaterials ausgeformt. Eine SOI-Halbleiterscheibe, die eine dünne obere Siliziumschicht, eine zweite dünne Isolierschicht und eine dicke Siliziumschicht aufweist, ist mit der ersten Schicht des Isoliermaterials verbunden, so dass die dünne obere Siliziumschicht an der ersten Schicht des Isoliermaterials angeschlossen ist.
In einem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung ist die dicke Siliziumschicht von der zweiten Halbleiterscheibenanordnung abgetragen und es ist mindestens ein Teil der Isolierschicht der zweiten Halbleiterscheibenanordnung abgetragen. Die dünne obere Siliziumschicht arbeitet sowohl als Träger des elektrischen Halbleiter-Schaltkreises, als auch als das aktive MEMS-Element. Die restlichen Komponenten der elektrischen Halbleiter-Schaltkreise werden dann direkt auf der dünnen oberen Siliziumschicht angefertigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist unter Einbeziehung der beigefügten Zeichnungen leichter zu verstehen, die zeigen:
1 eine Querschnittsansicht der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 eine Querschnittsansicht eines Schrittes eines bevorzugten Verfahrens der vorliegenden Erfindung
Gleiche Ziffern beziehen sich durchgehend auf gleiche Teile der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In den folgenden Beschreibungen der Erfindung werden Begriffe wie „vorn”, „hinten”, „oben”, „unten”, „seitlich”, „obere” und „untere” und dergleichen lediglich zur Erleichterung der Beschreibung verwendet und beziehen sich auf die Orientierung der Komponenten wie in den Figuren gezeigt.
Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung kurz wie folgt beschrieben werden. Bezugnehmend auf 1, wird eine bevorzugte Ausführungsform eines integrierten MEMS und elektrischen Halbleiter-Schaltkreis-Sensors 100 der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Der MEMS-Sensor 100 beinhaltet eine Aufsatz- oder Vorrichtungsschicht 102, eine Mittelschicht 104 und eine Basis- oder Handhabungsschicht 106. Die Aufsatzschicht 102 umfasst eine dünne Halbleiterschicht, die in einer bevorzugten Ausführungsform ein Siliziumwafer ist. Die Basisschicht 106 bildet die Aufnahmestruktur für den Sensor 100 und in einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der Handhabungswafer Silizium. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Mittelschicht 104 Siliziumoxid. Jedoch kann jedes Material, das als nichtleitend und/oder als Isoliermaterial agiert, verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Aussparung 108 in der Mittelschicht 104 ausgeformt, entweder durch Ätzen oder Maskieren der Schicht 104. Jedoch kann jede geeignete Methode zum Erzeugen einer Aussparung 108 benutzt werden. In alternativen Ausführungsformen kann die Aussparung in der Basisschicht 106 oder in der Aufsatzschicht 102 mit geeigneten Modifikationen der Vorrichtung 100 ausgeformt sein.
In der Erfindung agiert die Aufsatzschicht 102 sowohl als Träger des elektrischen Halbleiter-Schaltkreises als auch als aktives mechanisches Element. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der elektrische Halbleiter-Schaltkreis auf der dünnen oberen Siliziumschicht 102 gefertigt. Beispielsweise und nicht zur Beschränkung enthält der elektrische Halbleiter-Schaltkreis in 1 eine Vielzahl an CMOS Vorrichtungen, in denen Implantierbereiche 116a und 116b gezeigt werden, über die Gates 118 der CMOS Vorrichtungen angeordnet werden. Zusätzliche Elektronik kann ebenfalls auf oder in der Schicht 102 angeordnet sein.
In einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) bedeckt eine zusätzliche Schicht eines Isoliermaterials teilweise die Aufsatzschicht 102, auf der weitere elektrische Halbleiter-Schaltkreise wie Gates oder andere Elektronik angeordnet sein können.
Bezugnehmend auf 1 und 2, wird in einem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung der MEMS-Sensor 100 durch die Abnahme einer Siliziumhalbleiterscheibe 106 und wachsendem Siliziumoxid oder einem anderen Isoliermaterial auf dem Aufsatz davon geformt, um die Schicht 104 zu formen. Jedoch kann jede Methode zur Schaffung einer klar definierten Aussparung in jede der Schichten verwendet werden.
In einem bevorzugten Verfahren enthält ein SOI-Wafer 110 eine dünne Siliziumschicht 102, eine Isolierschicht 114 und eine Handhabungsschicht 116, die dann auf der Schicht 104 so angeordnet wird, dass die dünne Siliziumschicht 102 über der gesamten Schicht 104 bleibt. Jedoch kann auch ein solider SI-Wafer, der entsprechend verdünnt wurde, anstelle des SOI-Wafers verwendet werden.
Danach werden in einem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung die Schichten durch Hochtemperaturverschmelzung verbunden. In dem Verschmelzungsverfahren werden Temperaturen von annähernd 1000°C benutzt. Jedoch kann anstelle der Temperaturverklebung jede eutektische oder anodische Verbindung mit angemessenen Abwandlungen verwendet werden. Zudem kann jedes Verfahren, der eine feste Bindung liefert und eine kontrollierte, gut definierte und gut abgedichtete Aussparung in jeder der Schichten produziert, verwendet werden.
Danach wird, falls ein SOI-Wafer verwendet wurde, die Handhabungsschicht 116 vom SOI-Wafer 110 abgetragen, um eine erstklassig dünne Siliziumschicht 102 und eine Isolierschicht 114 zu hinterlassen. Abhängig von der bestimmungsgemäßen Benutzung eines Sensors, kann alles oder ein Teil der Isolierschicht 114 vom SOI-Wafer 110 abgetragen werden.
In einem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung wird dann der restliche elektrische Halbleiter-Schaltkreis auf der dünnen Siliziumschicht 102 erzeugt. Besonders werden Implantierbereiche, wie die Bereiche 116a und 116b, die Source- und Drainpads enthalten, in die dünne obere Siliziumschicht 102 geformt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) können zusätzliche Schaltkreise oder Komponenten, die von der Siliziumschicht 102 isoliert werden müssen, oben auf der Isolierschicht 114 angeordnet werden, wenn Teile der Isolierschicht 114 oben auf der dünnen Siliziumschicht 102 zurückbleiben. Gleichermaßen, jedoch in einem weiteren Ausführungsbeispiel, kann der elektrische Halbleiter-Schaltkreis in oder auf der Basisschicht 106 erstellt werden.
In einem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung, werden die elektrischen Halbleiter-Schaltkreise und Implantierbereiche nach der Herstellung der MEMS-Struktur erstellt. Deshalb gibt es weniger Probleme mit der Verschmelzung und/oder Diffusion der Implantierbereiche, die erstellt werden, als wenn sie zur gleichen Zeit wie die MEMS Struktur gefertigt werden und hierbei der hohen Temperatur während des MEMS Struktur-Verschmelzungsprozesses ausgesetzt sind. Ferner ist es in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, in dem die elektrischen Halbleiter-Schaltkreise in oder auf der dünnen oberen Schicht 102 angeordnet sind, nicht mehr nötig, die Komponenten der elektrischen Halbleiter-Schaltkreise von der MEMS zu isolieren. Als Ergebnis können die Sensoren viel kleiner gemacht und deshalb in vielen verschiedenen Anmeldungen verwendet werden.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung für die Integration eines Sensors mit elektrischen Submikron-Halbleiter-Schaltkreisen, die eine komplexere Signalverarbeitung ermöglichen, on-chip Einstellung und Integration mit RF-Technologien für den Aufbau eines Funk-Sensornetzwerkes erlaubt. Ebenfalls erlaubt die Erfindung die Erstellung gefederter Strukturen, die in einem letzten Schritt ausgelöst werden können, wenn alle Bearbeitungen der elektrischen Halbleiter-Schaltkreise abgeschlossen sind.
Jene Fachpersonen werden verstehen, dass diese Art der Herstellung in Drucksensoren, Beschleunigungsmessern, Lastsensoren, Feuchtigkeitssensoren und in Schaltern genutzt in TPMS, MAP und in selbstfahrenden, medizinischen, Flugzeug-, Heizungs-, Ventilations-, Klimaanlagensystemen (HVAC), genauso wie in anderen industriellen und Gebrauchsanwendungen verwendet werden kann.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele und Verfahren sind exemplarische Ausführungsbeispiele und Verfahren der vorliegenden Erfindung. Jene Fachpersonen können nun zahlreiche Anwendungen und Abweichungen von den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen und Verfahren bilden, ohne von dem hier aufgezeigten erfinderischen Konzept abzuweichen. Deshalb ist die Konstruktion der hier aufgezeigten Ausführungsbeispiele und die Anwendung der Verfahren keine Einschränkung der Erfindung. Dementsprechend wird die vorliegende Erfindung ausschließlich durch den Umfang der folgenden Ansprüche definiert.

Claims

MEMS-Sensor, umfassend eine erste Schicht, eine Basisschicht, eine erste Isolierschicht, die zwischen der ersten Schicht und der Basisschicht angeordnet ist, und eine Aussparung, die in eine der vorhergehenden Schichten geformt wurde, so dass die erste Schicht der Basisträger des elektrischen Halbleiter-Schaltkreises und so das aktive MEMS-Element ist.
MEMS-Sensor nach Anspruch 1, weiter umfassend Implantierbereiche innerhalb der ersten Schicht.
MEMS-Sensor nach Anspruch 1, wobei die Aussparung zum Umfeld abgedichtet oder offen ist.
MEMS-Sensor nach Anspruch 1, weiter umfassend eine zweite Isolierschicht auf der ersten Schicht.
MEMS-Sensor nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht eine dünne Oxidschicht ist.
Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensors, umfassend die Schritte: Formen einer Isolierschicht auf dem Handhabungswafer; Erzeugen von mindestens einer Absenkung in einer der Schichten; Verbinden einer dünnen Halbleiterschicht mit der Isolierschicht; Formen der Implantierbereiche in die dünne Halbleiterschicht; und Formen der Gates oder elektrisch aktiven Bereiche der elektrischen Halbleiter-Schaltkreise zwischen den Implantierbereichen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die dünne Halbleiterschicht Teil eines SOI-Wafers ist, und das Verfahren weiter den Schritt des Abtragens der Siliziumbasisschicht und der Isolierschicht von dem SOI-Wafer umfasst, nachdem die dünne Halbleiterschicht mit der Isolierschicht verbunden und bevor die Implantierbereiche geformt wurden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die dünne Halbleiterschicht Teil eines SI-Wafers ist, der verdünnt wurde und das Verfahren weiter den Schritt des Abtragens der Isolierschicht vom SI-Wafer umfasst, nachdem die dünne Halbleiterschicht mit der Isolierschicht verbunden und bevor die Implantierbereiche geformt wurden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die dünne Halbleiterschicht Teil eines SOI-Wafers ist, und das Verfahren weiter den Schritt des Abtragens der Siliziumbasisschicht vom SOI-Wafer umfasst, nachdem die dünne Halbleiterschicht mit der Isolierschicht verbunden und bevor die Implantierbereiche geformt wurden und wobei das Gate oben auf der Isolierschicht des SOI-Wafers geformt ist.
Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensors, umfassend die Schritte: Formen einer Isolierschicht auf dem Handhabungswafer; Erzeugen von mindestens einer Aussparung; Verbinden eines SOI-Wafers mit der Isolierschicht, wobei die obere Siliziumschicht des SOI die Schicht des SOI ist, die mit der Isolierschicht verbunden ist; Formen der Implantierbereiche in die obere Siliziumschicht; und Formen von elektrischen Verbindungen zwischen den Implantierbereichen.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend den Schritt des Abtragens der Siliziumbasisschicht vom SOI-Wafer, nachdem die dünne Halbleiterschicht mit der Isolierschicht verbunden und bevor die Implantierbereiche in die obere Siliziumschicht geformt wurden.
Verfahren zum Erfassen einer Umgebungsvariablen, umfassend: Integrieren eines elektrischen Halbleiter-Schaltkreises mit einer MEMS-Einrichtung, die darin eine Aussparung aufweist, wobei das aktive MEMS-Element als Membran ausgelegt ist und sich in Erwiderung auf eine Veränderung der Umgebungsvariablen bewegt, und der elektrische Halbleiter-Schaltkreis die Stromänderung misst, die von der Veränderung der Umgebungsvariablen auf die Membran verursacht wird.