DE102010043980A1

DE102010043980A1 - Sensor und Verfahren zur Herstellung eines Sensors

Info

Publication number: DE102010043980A1
Application number: DE102010043980A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen; Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2011-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (201), mit einer mikromechanischen Struktur (203) umfassend: – ein Substrat (205), – eine erste Struktur (211), welche fest mit dem Substrat (205) verbunden ist, und – eine bewegbar an dem Substrat (205) angeordnete zweite Struktur (213), – dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Struktur (213) die erste Struktur (211) umschließend gebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors (201).

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors.
Stand der Technik
Die Herstellung von Sensoren umfassend Strukturen eines Mikroelektrisch-mechanischen Systems (MEMS: „Micro-Electro-Mechanical-System”) auf Basis von bekannten Herstellungstechniken für komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS: ”Complementary Metal Oxide Semiconductor”) ist bekannt. In der Regel wird hierfür ein CMOS-Wafer umfassend ein Substrat aus beispielsweise Silizium verwendet. Für eine elektrische Kontaktierung des MEMS-System des Sensors werden üblicherweise in einem CMOS-Prozess Metalllagen bzw. Metallleiterbahnen auf dem Wafer angelegt. Da aber Metalllagen im Vergleich zum Substratmaterial ungünstige mechanische Eigenschaften, beispielsweise Schichtstress, thermische Expansion oder Alterungsverhalten, aufweisen, bleiben die Metalllagen über Oxidschichten mit dem Substrat verbunden. Solche MEMS-Systeme sind dann so aufgebaut, dass bewegliche und feste Elektroden, welche mittels dieser Metalllagen gebildet werden, von einem Randbereich des Substrats in einem mittleren Bereich hineinragen. Ein elektrisches Signal der Elektroden kann daher immer über eine Metallleiterbahn nach außen geführt werden.
Nachteilig an den bekannten Sensoren ist aber, dass sie auf eine Verbiegung des Substrats sehr empfindlich reagieren, da einzelne Strukturen wie beispielsweise die Elektroden an unterschiedlichen Punkten im Randbereich aufgehängt sind. Dies bewirkt insbesondere eine schlechte Entkopplung von Substratverbiegungen.
Des Weiteren ist es nur unter erheblichen Anstrengungen möglich, wenn überhaupt, komplexe Strukturen in MEMS-Systemen herzustellen, da alle Strukturen, die elektrisch verbunden bzw. kontaktiert werden sollen, auch mechanisch mit dem Substrat im Randbereich verbunden sein müssen.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, einen Sensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors anzugeben, welche die bekannten Nachteile überwinden, wobei der Sensor eine verbesserte Entkopplung von Substratverbiegungen aufweist.
Die Aufgabe wird mittels des Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt wird ein Sensor mit einer mikromechanischen Struktur bereitgestellt. Die Struktur umfasst ein Substrat, wobei eine erste Struktur fest mit dem Substrat verbunden ist. Weiterhin ist eine zweite Struktur gebildet, welche bewegbar an dem Substrat angeordnet ist, wobei die zweite Struktur die erste Struktur umschließend gebildet ist.
Nach einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors angegeben. In einem ersten Schritt wird eine erste Struktur auf einem Substrat gebildet, wobei die erste Struktur fest mit dem Substrat verbunden ist. Es wird ferner eine zweite Struktur gebildet, welche bewegbar an dem Substrat angeordnet ist, wobei die zweite Struktur die erste Struktur umschließend gebildet wird.
Allgemein kann die erste Struktur auch als eine feste Struktur bezeichnet werden. Allgemein kann die zweite Struktur auch als eine bewegliche Struktur bezeichnet werden. Vorzugsweise umfassen die erste und/oder die zweite Struktur eine oder mehrere Unterstrukturen. Insbesondere können die erste und/oder die zweite Struktur als eine mikromechanische Struktur ausgebildet sein. Die Strukturen können auch als eine MEMS-Struktur ausgebildet sein und insbesondere als solche bezeichnet werden. Die erste und/oder die zweite Struktur können beispielsweise jeweils eine oder mehrere Elektroden aufweisen. Vorzugsweise sind die Elektroden als Metallelektroden gebildet. Vorzugsweise sind zumindest einige Elektroden der festen Struktur zumindest einigen Elektroden der beweglichen Struktur gegenüberliegend angeordnet, insbesondere einander zugewandt angeordnet. Beispielsweise können auch mehrere Elektroden übereinanderliegend angeordnet werden.
Durch das Umschließen der festen Struktur mittels der beweglichen Struktur wird ein Sensor mit einer zentralen Anordnung bzw. Aufhängung der festen Struktur geschaffen. Im Gegensatz dazu sind bei den bekannten Sensoren die festen Strukturen am Randbereich des Substrats aufgehängt und ragen in einen mittleren Bereich des Substrats hinein, wobei allgemein ein mittlerer Bereich als der Bereich des Substrats definiert wird, der von dem Randbereich umschlossen wird. Im Lichte der Erfindung soll mit zentral nicht nur die geometrische Mitte des Substrats definiert sein, sondern jeglicher Ort bzw. Bereich innerhalb des mittleren Bereichs. Der mittlere Bereich kann insofern auch als ein zentraler Bereich bezeichnet werden.
Die zentrale Aufhängung bzw. Anordnung der festen Struktur an diesem mittleren Bereich bewirkt insbesondere, dass bei einem Verbiegen des Substrats und einem damit einhergehenden Verbiegen und Verkippen des zentralen Bereichs mit der festen Struktur und der beweglichen Struktur sich eine relative Position der festen und der beweglichen Struktur zueinander nicht ändert. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine verbesserte Entkopplung bezüglich einer Substratverbiegung erreicht. Das bewirkt in vorteilhafter Weise insbesondere eine verbesserte Offsetstabilität und/oder ein geringeres Empfindlichkeitsdriften des Sensors.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Substrat ein Wafer, vorzugsweise ein CMOS-Wafer. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat aus Silizium oder Germanium gebildet, wobei allgemein auch andere geeignete Halbleitermaterialien in Frage kommen können. Der Wafer, insbesondere der CMOS-Wafer, ist vorzugsweise aus den vorgenannten Materialien gebildet.
Nach einer anderen Ausführungsform umfasst die zweite Struktur einen Rahmen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine erhöhte Stabilität der beweglichen Struktur erreicht. Der Rahmen weist vorzugsweise eine Vieleckform, insbesondere eine Rechteckform, vorzugsweise eine Quadratform, auf. Nach einer Ausführungsform ist der Rahmen rund, vorzugsweise kreisförmig oder elliptisch. Ein runder Rahmen kann insbesondere auch als ein Ring bezeichnet werden. Vorzugsweise umfasst die zweite Struktur mehrere Rahmen, beispielsweise zwei. Vorzugsweise wird zumindest ein Rahmen von zumindest einem anderen Rahmen umschlossen. Der umschließende Rahmen kann auch als ein äußerer Rahmen bezeichnet werden. Der umschlossene Rahmen kann auch als ein innerer Rahmen bezeichnet werden. Der Rahmen kann insbesondere auch als ein MEMS-Rahmen ausgebildet sein und vorzugsweise allgemein als solcher bezeichnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Struktur mittels einer Feder mit dem Substrat verbunden bzw. gekoppelt. Mittels geeigneter Federkonstante kann eine Beweglichkeit der zweiten Struktur besonders empfindlich eingestellt werden. Vorzugsweise sind mehrere Federn zur Ankoppelung der zweiten Struktur an das Substrat vorgesehen. Insbesondere weisen die einzelnen Federn unterschiedliche oder gleiche Federkonstanten auf. Falls die zweite Struktur mehrere Rahmen umfasst, können die Rahmen vorzugsweise untereinander mittels Federn gekoppelt werden, wobei die Federn, welche allgemein auch als Koppelfedern bezeichnet werden können, insbesondere gleiche oder unterschiedliche Federkonstanten aufweisen.
In einer anderen Ausführungsform wird die zweite Struktur mittels einer Antriebseinrichtung angetrieben. Vorzugsweise treibt die Antriebseinrichtung die zweite Struktur für eine periodische Antriebsbewegung an. Eine Antriebsbewegung der zweiten Struktur kann in x- und/oder y- und/oder z-Richtung erfolgen. Vorzugsweise umfasst die Antriebseinrichtung eine oder mehrere Antriebselektroden, welche am Substrat, vorzugsweise am Randbereich des Substrats angeordnet sind, und eine oder mehrere Antriebselektroden, welche an der zweiten Struktur angeordnet sind. Die Antriebselektroden des Substrats und der zweiten Struktur sind vorzugsweise als Kammelektroden ausgebildet. Das heißt, dass die jeweiligen Antriebselektroden wie Zinken eines Kammes nebeneinander liegend angeordnet sind. Die Kammelektroden des Substrats bewegen sich bei der Antriebsbewegung in entsprechende Lücken der Kammelektroden der zweiten Struktur und umgekehrt.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist eine elektrische Leiterbahnbrücke zur elektrischen Kontaktierung der ersten Struktur über der zweiten Struktur berührungslos verlaufend gebildet. Die elektrische Leiterbahnbrücke berührt also die zweite Struktur nicht, sondern überspannt als Brücke die zweite Struktur. Die elektrische Leiterbahnbrücke kontaktiert vorzugsweise eine oder mehrere Elektroden oder elektronische Auswerteschaltungen der ersten Struktur. Nach einer Ausführungsform können auch mehrere elektrische Leiterbahnbrücken vorgesehen sein. In einer weiteren Ausführungsform können eine oder mehrere Hilfsstrukturen, welche mit dem Substrat verbunden sind, vorgesehen sein, wobei diese Hilfsstrukturen die elektrische Leiterbahnbrücke stabilisierend angeordnet sind, beispielsweise indem die Hilfsstrukturen unter der elektrischen Leiterbahnbrücke diese abstützend angeordnet sind. Somit wird in vorteilhafter Weise eine Stabilisierung der Leiterbahnbrücke bewirkt, wodurch eine Beschädigung der Brücke auch bei starken mechanischen Belastungen des Sensors wirksam vermieden wird.
Vorzugsweise weist die Leiterbahnbrücke eine Form auf, welche bewirkt, dass sie sich nicht stark durchbiegt und/oder nur einen geringen Stress auf die zentrale Aufhängung verursacht. Beispielsweise weist die Leiterbahnbrücke Bereiche mit unterschiedlichen Dicken und/oder Breiten auf. Vorzugsweise ist ein Brückenbereich, das heißt der Leiterbahnbereich, welcher über der beweglichen Struktur verläuft, zumindest teilweise schmaler und/oder zumindest teilweise dünner gebildet als ein Nicht-Brückenbereich, welcher nicht über die bewegliche Struktur verläuft. Bereiche des Nicht-Brückenbereichs können beispielsweise an der festen Struktur und/oder an dem Substrat, insbesondere an dem Randbereich des Substrats, befestigt sein. Vorzugsweise ist der gesamte Brückenbereich schmaler und/oder dünner gebildet als der Nicht-Brückenbereich.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor ein Drehratensensor oder ein Beschleunigungssensor, vorzugsweise ein x- und/oder y- und/oder z-Beschleunigungssensor. Nach einer anderen Ausführungsform umfasst der Sensor eine integrierte Auswerteschaltung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die erste und die zweite Struktur auf einem Wafer, vorzugsweise einem CMOS-Wafer gebildet. Der Wafer umfasst vorzugsweise CMOS-Schaltungsbereiche. Ein Wafer umfasst insbesondere eine oder mehrere Oxidschichten und/oder eine oder mehrere Metallschichten, welche auch als Metalllagen bezeichnet werden können. Bei mehreren Metalllagen kann insbesondere zwischen einer oberen und einer unteren Metalllage unterschieden werden, wobei die untere Metalllage näher an dem Wafer oder Substrat liegt als die obere Metalllage. Vorzugsweise sind die Oxidschichten und die Metalllagen übereinander liegend angeordnet, wobei insbesondere zwischen zwei Metalllagen eine Oxidschicht angeordnet ist. In einer weiteren Ausführungsform werden Bereiche, welche nicht für die Bildung der beiden Strukturen verwendet werden, also beispielsweise die CMOS-Schaltungsbereiche, mit einer Schutzschicht bedeckt. Vorzugsweise wird diese Schutzschicht nach der Fertigstellung des Sensors entfernt. Vorzugsweise kann die Schutzschicht während des Herstellungsprozesses, also insbesondere zwischen dem Bilden der ersten Struktur und dem Bilden der zweiten Struktur, erneut aufgetragen werden. Vorzugsweise umfasst das Auftragen der Schutzschicht ein Abscheiden eines Schutzmaterials auf dem Wafer.
In einer anderen Ausführungsform wird in offenen Bereichen das Oxid der Oxidschichten mit den Metalllagen des CMOS-Wafers als Maske geätzt. Vorzugsweise wird mittels eines anisotropen Plasmaätzverfahrens geätzt. Vorzugsweise werden ein oder mehrere Bereiche einer oberen Metalllage schmaler als die restlichen Bereiche der oberen Metalllage ausgebildet. Diese schmalen Bereiche bilden später einen Brückenbereich. Das heißt der Bereich der elektrischen Leiterbahnbrücke, der später über die bewegliche Struktur aufgespannt ist. Nach einer weiteren Ausführungsform werden ein oder mehrere Bereiche einer unteren Metalllage geöffnet. In diesen geöffneten Bereichen wird in einem späteren Schritt vorzugsweise getrencht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird mittels eines Trenchverfahrens und den Metalllagen, insbesondere der oberen und der unteren Metalllage, als Maske in das Substrat- bzw. Wafermaterial, also beispielsweise Silizium oder Germanium, hinein geätzt. Vorzugsweise werden die schmalen Bereiche der oberen Metalllage vollständig unterätzt, so dass diese freigestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform werden mittels eines isotropen Oxid-Ätzverfahrens die Oxidschichten unter der schmalen Metalllage entfernt, wobei insbesondere gleichzeitig ein Ätzzugang zum Substratmaterial freigestellt werden kann. Vorzugsweise wird dieses In-das-Substrat-hinein-Ätzen derart gesteuert, dass das Substratmaterial unterhalb der unteren Metalllage und/oder unterhalb der restlichen Bereiche der oberen Metalllage, also die breiteren Bereiche im Vergleich zu den schmaleren Bereichen, welche den Brückenbereich bilden, stehen bleibt, also nicht weggeätzt wird. Mittels des Ätzens werden insbesondere ein oder mehrere Trenchgräben gebildet. Vorzugsweise werden Seitenwände der Trenchgräben passiviert. Beispielsweise kann dieser Passivierungsschritt während des Trenchens durchgeführt werden. Vorzugsweise wird zwecks Passivierung eine Oxidschicht, insbesondere eine dünne Oxidschicht, abgeschieden, die dann insbesondere mittels eines anisotropen Ätzschrittes nur am Trenchboden, das heißt dem Boden des Trenchgrabens, geöffnet wird. Diese Öffnung kann insbesondere auch als ein Ätzzugang bezeichnet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform werden die schmalen Bereiche der Metalllage mittels eines isotropen Ätzverfahrens durch den Ätzzugang am Trenchboden zum Substrat hin freigestellt.
Nach noch einer weiteren Ausführungsform werden eine oder mehrere Oxidschichten unter den schmalen freigestellten Bereichen der Metalllage entfernt, insbesondere mittels eines isotropen Ätzverfahrens. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine vollständige Freistellung der Metallleiterbahnen bzw. Leiterbahnbrücken bewirkt. Ferner ist die bewegliche Struktur somit nicht mehr mit der Leiterbahnbrücke verbunden. Als Ätzverfahren können beispielsweise Plasmaätzverfahren verwendet werden. Insbesondere werden C_xF_yH_z-Verbindungen verwendet, vorzugsweise bei hohen Drücken, vorzugsweise in Kombination mit einem Trägergas und insbesondere mit Sauerstoff. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ein besonders isotropes Ätzverhalten bewirkt. Hierbei wird insbesondere das Ätzverfahren derart gesteuert, dass einerseits die feinen Metallleiterbahnen vollständig unterätzt werden und andererseits die Oxide zwischen den breiteren Metallschichten und zwischen den Metallschichten und dem Substratmaterial in der beweglichen und der festen Struktur sowie insbesondere in den Aufhängungspunkten der Metallbrücken nicht komplett entfernt werden.
Um die Metallbrücken mechanisch noch stabiler zu bilden, können nach einer anderen Ausführungsform die Metallbahnen ganz oder teilweise aus mehreren Metalllagen gebildet werden, insbesondere können in diese Metalllagen noch eine oder mehrere Oxidschichten eingeschlossen werden.
Nach einer anderen Ausführungsform werden die erste und die zweite Struktur zumindest teilweise aus dem Substrat herausgeätzt. Vorzugsweise werden die beiden Strukturen ganz aus dem Substrat herausgeätzt. Die erste und die zweite Struktur sind insofern zumindest teilweise oder ganz aus dem Substrat herausgeätzt gebildet. Aufgrund der Unterstützung der beiden Strukturen mittels des Substrats kann in vorteilhafter Weise eine zentrale Aufhängung erreicht werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen
1a eine Draufsicht auf einen bekannten Sensor,
1b eine Schnittansicht des Sensors aus 1a,
2 einen erfindungsgemäßen Sensor,
3 einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor,
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Sensors,
5a eine Draufsicht auf einen anderen erfindungsgemäßen Sensor,
5b eine Schnittansicht des Sensors aus 5a,
6a eine Draufsicht auf einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor,
6b eine Schnittansicht des Sensors aus 6a,
7 eine Draufsicht auf einen anderen erfindungsgemäßen Sensor
Im Folgenden werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet.
1a zeigt eine Draufsicht auf einen bekannten Sensor 101. Der Sensor 101 weist ein Substrat 103 auf. Ferner umfasst der Sensor 101 zwei feste Strukturen 105, welche jeweils drei feststehende Elektroden 107 aufweisen. Die Elektroden 107 weisen in der Draufsicht eine Streifenform auf und sind jeweils mit einem Ende an einem Randbereich 109 des Substrats 103 befestigt. Das andere Ende der Elektroden 107 ragt in einen mittleren Bereich 111 des Substrats 103 hinein. Der mittlere Bereich 111 wird von dem Randbereich 109 umschlossen.
Der Sensor 101 umfasst ferner eine bewegliche Struktur 113, welche mittels zweier Federn 115 mit dem Randbereich 109 des Substrats 103 gekoppelt ist. Die bewegliche Struktur 113 weist einen mittleren Abschnitt 117 auf, welche in der Draufsicht eine Rechteckform aufweist. Von den Längsseiten des rechteckigen Abschnitts 117 gehen rechtwinklig jeweils vier streifenförmige Elektroden 119 ab, welche teilweise in Lücken zwischen den Elektroden 107 der festen Strukturen 105 angeordnet sind.
Sowohl die Elektroden 107 als auch die Elektroden 119 umfassen Metallleiterbahnen 121, welche in 1b deutlicher zu sehen sind. Die Metallleiterbahnen 121 sind jeweils an drei Kontaktpunkten 123a, 123b und 123c angeschlossen, welche auf dem Randbereich 109 angeordnet sind.
1b zeigt eine Schnittansicht des Sensors 101 aus 1a entlang einer Linie 1-1. Auf dem Substrat 103 sind Oxidschichten 125 und Metallleiterbahnen 121 gebildet, wobei als erste Schicht auf dem Substrat 103 eine Oxidschicht 125 aufgetragen ist. Alternierend sind dann weitere Metallleiterbahnen 121 und weitere Oxidschichten 125 aufgetragen. Durch bekannte Ätzverfahren von einer Vorderseite (gekennzeichnet durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 127) und von einer Rückseite (gekennzeichnet durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 129) wird das Substrat 103 so strukturiert, dass unter einer jeweiligen Schichtanordnung 131, gebildet aus den Metallschichten 121 und den Oxidschichten 125, der beweglichen Struktur 113 und der festen Struktur 105 Stege 133 stehen bleiben. Die Stege 133 mit der jeweiligen Schichtanordnung 131 bilden dann die bewegliche Struktur 113 respektive die festen Strukturen 105. Die Bewegung der Feder 115 und der beweglichen Struktur 113 ist mittels Doppelpfeilen gekennzeichnet.
Der bekannte Sensor 101 reagiert empfindlich auf eine Verbiegung des Substrats 103, da die bewegliche Struktur 113 und die festen Strukturen 105 an unterschiedlichen Punkten im Randbereich 109 aufgehängt sind.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensors 201. Der Sensor 201 weist eine mikromechanische Struktur 203 auf. Die mikromechanische Struktur 203 umfasst ein Substrat 205. Das Substrat 205 ist aus Silizium gebildet. Nach einer nicht gezeigten Ausführungsform ist das Substrat 205 aus Germanium gebildet. Das Substrat 205 weist einen Randbereich 207, welcher einen mittleren Bereich 209 einschließt, wobei der mittlere Bereich 209 auch als ein zentraler Bereich bezeichnet werden kann. Innerhalb des mittleren Bereichs 209 ist eine erste Struktur 211 angeordnet, welche fest mit dem mittleren Bereich 209 des Substrats 205 verbunden ist. Die erste Struktur 211 kann insofern auch als eine feste Struktur bezeichnet werden. Die feste Struktur 211 ist zentral an dem mittleren Bereich 209 aufgehängt. Insofern kann auch von einer zentralen Aufhängung der festen Struktur 211 gesprochen werden.
Ferner ist eine zweite Struktur 213 gebildet, welche die erste Struktur 211 umschließt, wobei die zweite Struktur 213 bewegbar an dem Substrat 205 angeordnet ist. Die zweite Struktur 213 kann insofern auch als eine bewegliche Struktur bezeichnet werden. Vorzugsweise ist die bewegliche Struktur 213 mittels einer oder mehrerer Federn (nicht gezeigt) mit dem Substrat 205 gekoppelt. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die bewegliche Struktur 213 als ein viereckiger, vorzugsweise rechteckiger, insbesondere quadratischer, Rahmen gebildet. In einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann die bewegliche Struktur 213 auch als ein Ring oder als ein ringförmiger Rahmen gebildet sein. Jede dieser Ausgestaltungen bewirkt eine besonders hohe Stabilität der beweglichen Struktur 213 auf.
3 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Sensors 301. Der Sensor 301 umfasst ein Substrat 303 aus Silizium. Nach einer anderen nicht gezeigten Ausführungsform kann das Substrat 303 auch aus Germanium gebildet sein. In einem mittleren Bereich 305 ist eine erste Struktur 307 fest mit dem Substrat 303 verbunden bzw. verankert. Der mittlere Bereich 305 wird von einem Randbereich 309 des Substrats umschlossen. Eine als Ring ausgebildete zweite Struktur 311 umfasst die erste Struktur 307, welche auch als eine feste Struktur bezeichnet werden kann. Die zweite Struktur 311 ist bewegbar mit dem Substrat 303 verbunden, vorzugsweise indem Koppelfedern (nicht gezeigt) zwischen der zweiten Struktur 311 und dem Substrat 303 gebildet sind. Die zweite Struktur 311 kann auch als eine bewegliche Struktur bezeichnet werden. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist die bewegliche Struktur 311 als ein rechteckiger, vorzugsweise quadratischer, Rahmen ausgebildet. Eine Bewegung der beweglichen Struktur 311 ist mittels Doppelpfeilen dargestellt. Vorzugsweise ist die bewegliche Struktur 311 mit dem mittleren Bereich 305 verbunden, insbesondere beweglich an diesem aufgehängt, vorzugsweise mittels Koppelfedern an diesem gekoppelt.
Die feste Struktur 307 und die bewegliche Struktur 311 weisen jeweils eine Metallelektrode 313 auf, welche einander zugewandt bzw. gegenüberliegend angeordnet sind. Die Metallelektroden 313 umfassen drei Metalllagen 315, wobei zwischen den Metalllagen 315 Oxidschichten 317 gebildet sind. Eine Oxidschicht 317 ist auch zwischen dem Substrat 303 und der Metalllage 315 gebildet.
Ferner ist eine Metallleiterbahn 319 gebildet, welche von der festen Struktur 307 zum Randbereich 309 des Substrats 303 die bewegliche Struktur 311 überspannt. Das heißt, dass die Metallleiterbahn 319 die bewegliche Struktur 311 nicht berührt. Die Metallleiterbahn 319 ist an ihren Enden über Oxidschichten 313 mit Metalllagen 315 mit dem Randbereich 309 respektive der festen Struktur 307 verbunden.
Sowohl die feste Struktur 307 als auch die bewegliche Struktur 311 werden aus dem Siliziumsubstrat 303 herausgeätzt.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Sensors. In einem Schritt 401 wird eine erste Struktur auf einem Substrat gebildet, wobei die erste Struktur fest mit dem Substrat verbunden ist. In einem weiteren Schritt 403, welche insbesondere zeitgleich mit dem Schritt 401 ausgeführt werden kann, wird eine zweite Struktur gebildet, welche bewegbar an dem Substrat angeordnet ist, wobei die zweite Struktur die erste Struktur umschließend gebildet wird.
5a zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensor 501. Der Sensor 501 weist ein Substrat 503 mit einem Randbereich 505 und einem mittleren Bereich 507, welcher von dem Randbereich 505 umschlossen ist. An einem Aufhängungsbereich 509, welcher innerhalb des mittleren Bereichs 507 angeordnet und mit dem Substrat 503 verbunden ist, ist eine erste Struktur 511 fest aufgehängt. Die erste Struktur 511 kann auch als eine feste Struktur bezeichnet werden. Der Aufhängungsbereich 509 kann vorzugsweise in der geometrischen Mitte des Substrats 503 oder des Sensors 501 angeordnet sein, wobei sich die Erfindung im allgemeinen nicht ausschließlich auf die geometrische Mitte beschränken soll. Vielmehr kann der Aufhängungsbereich 509 beliebig innerhalb des mittleren Bereichs 507 angeordnet sein.
Die feste Struktur 511 umfasst mehrere Elektroden 513, welche von einem mittleren Abschnitt 515 der festen Struktur 511 beidseitig rechtwinklig streifenförmig abgehen.
Ferner ist eine zweite Struktur 517 als ein die erste Struktur 511 umschließenden viereckigen, insbesondere rechteckigen, vorzugsweise quadratischen, Rahmen gebildet. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann die zweite Struktur 517 auch als ein Ring gebildet sein, welcher die erste Struktur 511 umschließt. Beide Ausführungsformen, Rahmen und Ring, weisen insbesondere den Vorteil einer erhöhten Stabilität auf. Der Rahmen 517 ist mittels Koppelfedern 519 mit der festen Struktur 511 gekoppelt und insofern beweglich mit dem Aufhängungsbereich 509 verbunden. Die zweite Struktur 517 kann insofern auch als eine bewegliche Struktur bezeichnet werden.
Auch der bewegliche Rahmen 517 weist mehrere Elektroden 521 auf, welche eine Streifenform aufweisen. Die streifenförmigen Elektroden 521 sind rechtwinklig zu einer Seite des Rahmens 517 angeordnet. Allgemein soll die Erfindung nicht auf streifenförmige Elektroden beschränkt sein. Die Elektroden 521 des Rahmens 517 verlaufen in entsprechende Lücken zwischen den Elektroden 513 der festen Struktur 511.
Des Weiteren sind Metallbahnen 523 gebildet, welche die Elektroden 521 und 513 elektrisch kontaktieren. Die Metallbahnen 523 sind mit elektrischen Leiterbahnbrücken 525 verbunden, welche die Feder 519 überbrücken und die elektrische Kontaktierung der Elektroden 521 und 513 vom mittleren Bereich 507 zum Randbereich 505 führen. Die Leiterbahnbrücken 525 werden mittels einer Hilfsstruktur 525, die mit dem Substrat 503 verbunden ist, stabilisiert, so dass sich die Leiterbahnbrücken 525 nicht zu stark durchbiegen.
Wie der 5b zu entnehmen ist, welche eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in 5a zeigt, berühren die Leiterbahnbrücken 525 in einem Brückenbereich 527 nicht die Koppelfeder 519 und die bewegliche Struktur 517. Eine Bewegung dieser Elemente ist allgemein mittels Doppelpfeilen gekennzeichnet. In dem Brückenbereich 527 sind die Leiterbahnbrücken 525 schmaler ausgebildet als in den Nicht-Brückenbereichen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine mechanische Belastung in dem Brückenbereich vermindert, was insbesondere eine stabilere Leiterbahnbrücke bewirkt.
Wie der Schnittansicht ebenfalls zu entnehmen ist, sind auf dem Substrat 503 Oxidschichten 529 und Metalllagen 531 aufgetragen, wobei direkt auf dem Substrat 503 zunächst eine Oxidschicht 529 angeordnet ist, auf welcher dann abwechseln eine Metalllage 531 und eine Oxidschicht 529 und gegebenenfalls weitere Metalllagen und weitere Oxidschichten abwechselnd aufgetragen sind, wobei in den Brückenbereichen 527 die Oxidschicht zwischen zwei Metalllagen weggeätzt wurde, um die Metalllage in diesem Bereich freizustellen.
Der in den 5a und 5b gezeigte Sensor 501 weist insbesondere den Vorteil einer verbesserten Substratentkopplung auf. Wird das Substrat 503 beispielsweise durch äußere Einflüsse verbogen, so wird der Aufhängungsbereich 509 ebenfalls gekippt. Das hat aber keine Auswirkung auf den Sensor 501, da die beweglichen und die festen Strukturen in gleicher Weise gekippt werden und sich deren relative Position zueinander nicht ändert.
6a zeigt eine Draufsicht auf einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor 601. 6b zeigt eine Schnittansicht des Sensors 601 entlang einer Linie 3-3. Der Sensor 601 ist analog zu dem Sensor 501 aus den 5a und 5b aufgebaut. Allerdings sind bei dem Sensor 601 teilweise zwei Elektroden 513 der festen Struktur 511 in Lücken zwischen den Elektroden 521 des Rahmens 517 gebildet. Hierbei ist dann eine der beiden Elektroden elektrisch mit einer Elektrode verbunden, welche von der anderen Seite des mittleren Abschnitts 515 abgeht. Ein solcher Sensor kann auch als ein volldifferenzieller Sensor bezeichnet werden.
7 zeigt eine Draufsicht auf einen anderen erfindungsgemäßen Sensor 701. Der Sensor 701 umfasst ein Substrat 703 mit einem Randbereich 705 und einem mittleren Bereich 707, welcher mittels des Randbereichs 705 umschlossen wird.
Innerhalb des Randbereichs 705 ist ein Aufhängungsbereich 709 gebildet, welcher mit dem Substrat 703 verbunden ist. An dem Aufhängungsbereich 709 ist eine feste Struktur 711 umfassend mehrere Elektroden 713 fest aufgehängt bzw. verankert. Die Elektroden 713 sind als Kammelektroden gebildet, das heißt, sie weisen eine Kammform auf.
Ferner ist eine bewegliche Struktur 715 gebildet, welche einen äußeren Rahmen 717 und einen in dem äußeren Rahmen angeordneten inneren Rahmen 719 umfasst. Der innere Rahmen 719 ist an dem äußeren Rahmen 717 mittels zweier Federn 721 in x-Richtung beweglich aufgehängt. Der äußere Rahmen ist mittels zweier Federn 723 mit dem Randbereich 705 des Substrats 703 in y-Richtung gekoppelt. Der innere Rahmen 719 umschließt den Aufhängungsbereich 709 mit der festen Struktur 711. Das heißt, dass der Aufhängungsbereich 709 und die feste Struktur 711 innerhalb des inneren Rahmens 719 angeordnet sind.
Der innere Rahmen 719 weist an gegenüberliegenden Seiten Elektroden 725 auf, welche in entsprechende Lücken der Kammelektroden 713 liegen. Eine elektrische Kontaktierung der Kammelektroden 713 erfolgt über eine elektrische Leiterbahnbrücke 725, welche den inneren Rahmen 719, die Feder 721 und den äußeren Rahmen 717 überbrückt und mit dem Randbereich 705 verbunden ist. In dem Überbrückungsbereich ist die Leiterbahnbrücke 725 schmaler ausgebildet als in den Nicht-Überbrückungsbereichen. Aufgrund des schmalen Bereichs wird eine mechanische Belastung verringert, wodurch sich in vorteilhafter Weise eine Gesamtstabilität der Leiterbahnbrücke 725 vergrößert. In einer nicht gezeigten Ausführungsform können auch mehrere Leiterbahnbrücken vorgesehen sein.
Der Sensor 701 weist ferner zwei Antriebseinrichtungen 727 auf, welche jeweils Kammelektroden 729 und 731 umfassen. Die Kammelektroden 729 sind am Randbereich 705 befestigt. Die Kammelektroden 731 sind am äußeren Rahmen 717 befestigt, wobei die Kammelektroden 731 und die Kammelektroden 729 derart angeordnet sind, dass die Kammelektroden 731 in entsprechende Lücken zwischen den Kammelektroden 729 liegen und umgekehrt.
Der äußere bewegliche Rahmen 717 wird mittels der Antriebseinrichtungen 727 in y-Richtung in Schwingung versetzt. Der innere in x-Richtung bewegliche Rahmen 719 wird bei einer Drehung aufgrund der Corioliskraft ausgelenkt. Diese Auslenkung wird über die Elektroden 713, welche auch als innere Elektroden bezeichnet werden können, detektiert. Das Signal der Elektroden 713 wird über die Leiterbahnbrücke 725 über die beiden beweglichen Rahmen 717 und 719 nach außen zum Randbereich 705 geleitet.
Der Sensor 701 ist insofern als ein Drehratensensor ausgebildet.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform für ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors beschrieben. Insbesondere kann es sich bei dem Sensor um einen der in den 2 bis 7 beschriebenen Sensoren handeln.
Es wird zunächst ein CMOS-Wafer umfassend ein Siliziumsubstrat bereitgestellt. CMOS-Schaltungsbereiche und andere Bereiche, die nicht als MEMS-Strukturen, das heißt beispielsweise die feste Struktur, die bewegliche Struktur oder die Federn, benötigt werden, werden vorzugsweise mittels einer Schutzschicht bedeckt. Die Schutzschicht wird vorzugsweise am Prozessende entfernt und/oder kann bei Bedarf auch während der MEMS-Herstellungsprozesse erneuert werden.
Es wird in einem ersten Schritt in offenen Bereichen das Oxid mit den Metalllagen des CMOS als Maske geätzt. Vorzugsweise wird dafür ein anisotropes Plasmaätzverfahren verwendet. In den Bereichen, in denen später die Metallbrücke über eine bewegliche Struktur aufgespannt werden soll, wird die obere Metallbahn, die später zur Brücke wird, sehr schmal gewählt. In Bereichen, in denen später getrencht wird, ist die untere Metalllage geöffnet. In der oberen und/oder unteren Metalllage werden ebenfalls nur sehr schmale Metallbahnen vorgesehen.
Danach wird mittels eines Trenchverfahrens und den Metalllagen als Maske in das Siliziumsubstrat hinein geätzt. Das Trenchverfahren wird derart gesteuert, dass die schmalen Stege vollständig unterätzt werden. Unterhalb der unteren Metalllage oder oberen breiteren Metalllagen bleibt das Silizium stehen. Es kann bereits hier mittels eines isotropen Oxid-Ätzverfahrens die Oxide unter der schmalen Metallbrücke entfernt und gleichzeitig der Ätzzugang zum Silizium freigestellt werden.
Dann werden die Seitenwände der Trenchgräben passiviert. Dies kann entweder durch den Passivierungsschritt im Trenchprozess selbst erfolgen. Es kann aber auch beispielsweise eine dünne Oxidschicht abgeschieden werden, die dann mittels eines anisotropen Ätzverfahrens nur am Trenchboden geöffnet wird.
Anschließend werden die beweglichen Strukturen, beispielsweise die Elektroden, mittels eines isotropen Ätzverfahrens durch den Ätzzugang am Trenchboden zum Substrat hin freigestellt.
Mittels eines isotropen Ätzverfahrens werden die Oxidschichten unter den schmalen Metallbahnen entfernt. Durch diesen Schritt werden die Metallbrücken vollständig freigestellt. Die beweglichen Strukturen sind jetzt nicht mehr mit den Metallbrücken verbunden. Vorzugsweise wird für das isotrope Ätzverfahren ein Plasmaätzverfahren mit C_xF_yH_z-Verbindungen bei hohen Drücken, vorzugsweise in Kombination mit einem Trägergas und vorzugsweise Sauerstoff. Damit wird in vorteilhafter Weise ein besonders isotropes Ätzverhalten erreicht. Das isotrope Ätzverfahren wird hierbei so gesteuert, dass einerseits die feinen Metallbahnen vollständig unterätzt werden und andererseits die Oxide zwischen den breiteren Metallschichten und zwischen den Metallschichten und dem Silizium in den beweglichen und festen Strukturen sowie in den Aufhängungspunkten der Metallbrücken nicht komplett entfernt werden.
Um die Metallbrücken mechanisch noch stabiler auszubilden, wird ihre freitragende Länge den Anforderungen entsprechend gering ausgebildet. Eine hohe Stabilität kann insbesondere erreicht werden, wenn die schmalen Metallbahnen ganz oder teilweise aus mehrere Metalllagen aufgebaut sind. Vorzugsweise sind Oxide in den Metalllagen eingeschlossen.
Mittels der Erfindung können also Sensoren mit zentraler Aufhängung auf Basis von CMOS-Wafern hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Sensoren weisen eine echte zentrale Aufhängung auf, im bekannten Stand der Technik sind die Aufhängungspunkte verschieden voneinander angeordnet. Die erfindungsgemäßen Sensoren weisen deshalb eine bessere Entkopplung bezüglich einer Substratverbiegung auf.
Insbesondere ist es mittels der Erfindung ermöglicht, auch komplexe Drehratensensoren herzustellen. Es können insbesondere x- und y-Beschleunigungssensoren, insbesondere mit volldifferenzieller Auswerteanordnung, mit zentraler Aufhängung hergestellt werden. Es ist weiterhin einfach möglich, in den Sensoren integrierte Auswerteschaltungen auszubilden.
Da die einzelnen Herstellungsverfahren, also die Herstellung des CMOS-Wafers und die MEMS-Herstellung der Strukturen, getrennt ablaufen können, beeinflussen sich die beiden Prozesse in vorteilhafter Weise nicht.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist ein reiner Vorderseitenprozess. Das heißt, dass das Substrat nur von seiner Vorderseite bearbeitet wird. Aufwändige Rückseitenprozesse werden nicht benötigt. Eine Schutzschicht für die Sensorstrukturen muss also nur auf der Vorderseite aufgetragen werden.
Allgemein können erfindungsgemäße Sensoren mit einem CMOS-Wafer als Substrat auch als ein CMOS-MEMS-Sensor bezeichnet werden. Insbesondere kann der Sensor allgemein als ein mikromechanischer Sensor, vorzugsweise als ein mikromechanischer CMOS-MEMS-Sensor bezeichnet werden.
Zusammenfassend umfasst der Kern der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, in dem insbesondere ein Standard-CMOS-Wafer verwendet wird, bei dem die verschiedenen Metalllagen zum einen als Ätzmaske für das darunter liegende Silizium und zum anderen für funktionale freitragende Leiterbahnbrücken verwendet werden können. Dies wird vorzugsweise über einen mehrstufigen Prozess aus i) Oxidätzen, ii) Siliziumätzen (zunächst Trenchen, dann isotroper Ätzschritt zur Freistellung der mikromechanischen Strukturen) und iii) gegebenenfalls Oxidätzen zur Freistellung der Metallleiterbahnen erreicht. Das Verfahren bewirkt insbesondere i) das Ausbilden von beweglichen MEMS-Strukturen, ii) das Ausbilden von nicht freigestellten Bereichen im Silizium (Aufhängungsbereich) und iii) das Ausbilden von freigestellten Metallleiterbahnbrücken, die über bewegliche MEMS-Strukturen hinweg geführt werden können. Mittels des Verfahrens wird es in vorteilhafter Weise topologisch möglich, Leiterbahnen von außen über einen geschlossenen MEMS-Rahmen in einen zentral aufgehängten, also unbeweglichen Sensorkernbereich, zu führen. Insbesondere aufgrund der flexiblen Verdrahtungsmöglichkeiten im CMOS-Stack sind vollständige Zentralaufhängungen ermöglicht. Das heißt, dass alle Elektroden- und Massenaufhängungen im selben Punkt zusammenfallen. Das bewirkt eine verbesserte Entkopplung von Substratverbiegungen. Weiterhin wird dadurch in vorteilhafter Weise eine verbesserte Offsetstabilität von Beschleunigungssensoren und ein geringeres Empfindlichkeitsdriften von Drehratensensoren erreicht.

Claims

Sensor (201), mit einer mikromechanischen Struktur (203) umfassend: – ein Substrat (205), – eine erste Struktur (211), welche fest mit dem Substrat (205) verbunden ist, und – eine bewegbar an dem Substrat (205) angeordnete zweite Struktur (213), – dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Struktur (213) die erste Struktur (211) umschließend gebildet ist.
Sensor (201) nach Anspruch 1, wobei die zweite Struktur (213) einen Rahmen (517) umfasst.
Sensor (201) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Struktur (213) mittels einer Feder (519) mit dem Substrat (205) verbunden ist.
Sensor (201) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine elektrische Leiterbahnbrücke (525) zur elektrischen Kontaktierung der ersten Struktur (211) über der zweiten Struktur (213) berührungslos verlaufend gebildet ist.
Sensor (201) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Aufhängungsbereich (509) gebildet ist, an dem die erste Struktur (211) fest aufgehängt ist.
Sensor (201) nach Anspruch 5, wobei die zweite Struktur (213) mit dem Aufhängungsbereich (509) bewegbar verbunden ist.
Sensor (201) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Struktur (211) und die zweite Struktur (213) zumindest teilweise aus dem Substrat (205) herausgeätzt gebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors (201), umfassend die folgenden Schritte: – Bilden einer ersten Struktur (211) auf einem Substrat (205), wobei die erste Struktur (211) fest mit dem Substrat (205) verbunden ist, und – Bilden einer zweiten Struktur (213), welche bewegbar an dem Substrat (205) angeordnet ist, – dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Struktur (213) die erste Struktur (211) umschließend gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine über die zweite Struktur (213) berührungslos verlaufende elektrische Leiterbahnbrücke (525) zur elektrischen Kontaktierung der ersten Struktur (211) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei zwischen der zweiten Struktur (213) und dem Substrat (215) eine Feder (519) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Substrat (205) ein CMOS-Wafer ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die erste Struktur (211) und die zweite Struktur (213) zumindest teilweise aus dem Substrat (205) herausgeätzt werden.