DE102012202783A1 - Mikromechanische Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate und entsprechendes Herstellungsverfahren - Google Patents

Mikromechanische Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate und entsprechendes Herstellungsverfahren Download PDF

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Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate weist einen Feldeffekt-Transistor mit einem Drainbereich (3), einem Sourcebereich (4), einem dazwischenliegenden Kanalbereich (7) mit einem ersten Dotierungstyp und einem beweglichen Gate (1), welches durch einen Zwischenraum (Z) von dem Kanalbereich (7) getrennt ist, auf. Der Drainbereich (3), der Sourcebereich (4) und der Kanalbereich (7) sind in einem Substrat (2) angeordnet. Zumindest an den Längsseiten (S1, S2) des Kanalbereichs (7) ist ein Guardbereich (8; 8a, 8b) im Substrat (2) vorgesehen, welcher einen zweiten Dotierungstyp aufweist, der dem ersten Dotierungstyp gleich ist und eine höhere Dotierungskonzentration aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
  • Stand der Technik
  • Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Bauelementen auf Siliziumbasis erläutert.
  • Die DE 44 45 553 A1 beschreibt einen Halbleiterbeschleunigungssensor mit einem Halbleitersubstrat, einer Auslegerstruktur, die von dem Halbleitersubstrat gestützt ist und eine bewegbare Elektrode aufweist, die in einem vorbestimmten Abstand über dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, sowie festen Elektroden, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind. Ein Sensorabschnitt wird durch die bewegbare Elektrode und die festen Elektroden gebildet und erfasst eine Beschleunigung durch Änderungen in einem Strom zwischen den festen Elektroden, die durch einen mit der Einwirkung der Beschleunigung auf den Sensorabschnitt einhergehenden Versatz der bewegbaren Elektrode hervorgerufen werden.
  • Die EP 0 990 911 A1 beschreibt einen mikromechanischen Sensor auf der Basis des Feldeffekttransistors mit einem beweglichen Gate, welches in einer Richtung parallel zur Substratoberfläche beweglich ist, wobei die Bewegung des Gates in diese Richtung zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung des vom Gate überlappten Kanalbereichs in mindestens einem MOSFET führt.
  • Mikromechanische Sensorvorrichtungen mit beweglichem Gate besitzen üblicherweise Auswerteschaltungen zur Detektion von kleinsten Bewegungen, welche theoretisch einen hervorragenden Signal-Rausch-Abstand besitzen und sich daher zur Anwendung in z.B. extrem miniaturisierten Beschleunigungssensoren eignen.
  • 3 zeigt eine schematische Querschnitts-Ansicht zur Erläuterung einer bekannten mikromechanischen Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate in senkrechtem Querschnitt.
  • In 3 bezeichnet Bezugszeichen 2 ein Siliziumsubstrat, in dem ein Drainbereich 3, ein Sourcebereich 4 und ein dazwischenliegender Kanalbereich 7 eines Feldeffekttransistors vorgesehen sind. Auf dem Kanalbereich 7 ist eine Gate-Isolationsschicht 5, beispielsweise eine Oxidschicht, vorgesehen. Mit Bezugszeichen 6 angedeutet sind Oberflächenladungen auf der Isolationsschicht 5. Durch einen Zwischenraum Z getrennt beweglich über dem Substrat 2 angeordnet ist eine bewegliche Gate-Elektrode 1.
  • Die Funktionsweise einer derartigen mikromechanischen Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate ist wie folgt: Durch eine externe Kraft wird die Gate-Elektrode 1 in x, y-Richtung und/oder in z-Richtung verschoben. Durch diese Verschiebung ändert sich die Anzahl der Ladungsträger innerhalb des Kanalbereichs 7 und führt damit zu einer Widerstandsänderung zwischen dem Drainbereich 3 und dem Sourcebereich 4. Diese Widerstandsänderung kann detektiert werden, indem entweder eine konstante Spannung angelegt und der dazugehörige Strom gemessen wird, oder durch Einprägen eines konstanten Stroms und Messen der dazugehörigen Spannungsänderung.
  • Eine Besonderheit einer derartig aufgebauten Sensorvorrichtung ist das erhöhte Rauschen für Auslenkungen in x, y-Richtung, welches in realen Anwendungen beobachtet wird. Dieses erhöhte Rauschen lässt sich großteils auf parasitäre Leckströme zurückführen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 6.
  • Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt in der Verwendung eines zusätzlichen Guardbereichs zumindest an den beiden Längsseiten des Kanalbereichs, welche eine Reduktion des Leckstroms zur Minimierung des thermischen Rauschens bewirken. Durch den Guardbereich bleiben influenzierte Ladungen auf dem Kanalbereich beschränkt, und eine x, y-Verschiebung des beweglichen Gates resultiert in einer optimalen Änderung der Kanalleitfähigkeit. Bei bekannten Sensorvorrichtungen werden bei moduliertem Kanalüberlapp parasitäre Kanäle ausgebildet, die die Empfindlichkeit reduzieren. Durch den reduzierten Leckstrom gemäß der vorliegenden Erfindung verringert sich das thermische Rauschen der Sensorvorrichtung, was zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Abstands (SNR) führt. Diese Erfüllung des SNR ermöglicht dann entweder die Herstellung von Sensorvorrichtungen höherer Performance oder eine weitere Miniaturisierung des Sensorkerns.
  • Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Guardbereich ringförmig um den Drainbereich, den Sourcebereich und den Kanalbereich im Substrat verläuft. Diese Maßnahme führt zu einer einfacheren Herstellung bzw. Prozessierung mit geringeren Toleranzanforderungen an die Wannenplatzierung.
  • Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Kanalbereich von mindestens einer Gateisolationsschicht bedeckt ist. Hierdurch werden eine bessere Oberflächeneigenschaft und damit eine geringere Streuung von Kanalparametern durch das verwendete Oxid erreicht. Des Weiteren führt diese Maßnahme zu einer geringeren Sensitivität auf Umwelt- und Umgebungseigenschaften (z.B. Feuchte, Partikelbelastung, etc.)
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn das bewegliche Gate aus Polysilizium hergestellt ist. Durch diese Maßnahme werden die Herstellungskosten reduziert, wodurch Oberflächen-Mikromechanik (OMM) verwendet werden kann.
  • Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Guardbereich einen externen Spannungsanschluß aufweist. Hierdurch können das Potential einer Wanne definiert und zusätzlich durch Anlegen einer geeigneten Spannung eine weitere Reduktion des Leckstroms erreicht werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1a), b) schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) in senkrechtem Querschnitt und 1b) in waagrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A‘ in 1a);
  • 2 eine schematische Querschnitts-Ansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung waagrechtem Querschnitt analog zu 1b); und
  • 3 eine schematische Querschnitts-Ansicht zur Erläuterung einer bekannten mikromechanischen Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate in senkrechtem Querschnitt.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
  • 1a), b) sind schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) in senkrechtem Querschnitt und 1b) in waagrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A‘ in 1a).
  • In 1a), b) bezeichnet Bezugszeichen 2 ein Siliziumsubstrat, in dem ein Drainbereich 3, ein Sourcebereich 4 und ein dazwischenliegender Kanalbereich 7 eines Feldeffekttransistors vorgesehen sind. Auf dem Kanalbereich 7 ist eine Gate-Isolationsschicht 5, beispielsweise eine Oxidschicht, vorgesehen. Mit Bezugszeichen 6 angedeutet sind Oberflächenladungen auf der Isolationsschicht 5. Durch einen Zwischenraum Z getrennt beweglich über dem Substrat 2 angeordnet ist eine bewegliche Gate-Elektrode 1.
  • Im Unterschied zur oben beschriebenen bekannten mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 3 weist die vorliegende Ausführungsform der Erfindung einen Guardbereich 8 auf, der im Substrat 2 vorgesehen ist und ringförmig um den Drainbereich 3, den Sourcebereich 4 und entlang dessen Längsseiten S1, S2 um den Kanalbereich 7 im Substrat verläuft. Der Guardbereich 8 weist einen Dotierungstyp auf, beispielsweise p+/p++, welcher einem Dotierungstyp des Kanalbereichs 7, beispielsweise p-Typ, gleich ist, aber eine höhere Dotierungskonzentration aufweist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Tiefenerstreckung des Guardbereichs 8 im Wesentlichen dieselbe Tiefenerstreckung wie diejenige des Kanalbereichs 7. Dies kann jedoch anwendungsspezifisch variiert werden.
  • Bei Anlegen einer Spannung über der Schwellspannung an das bewegliche Gate 1 führt dies zur Ausbildung eines leitenden Kanalbereichs 7. Besitzen nun der Drainbereich 3 und der Sourcebereich 4 eine Potenzialdifferenz, so fließt ein messbarer Strom zwischen den beiden Bereichen. Da das elektrische Feld des Gates 1 sich nicht nur lokal auf den geometrischen Bereich des Kanalbereichs auswirkt, sondern auch außerhalb, führt dies bei bekannten mikromechanischen Sensorvorrichtungen zu einer Ausbildung der besagten parasitären Leckströme.
  • Der erfindungsgemäße Guardbereich 8, hier ein Guardring, bewirkt eine Erhöhung der Schwellspannung bzw. eine Verdrängung von Ladungsträgern, welche eine identische Polarisation zu den Ladungsträgern im Kanalbereich 7 besitzen, außerhalb des geometrisch definierten Kanalbereichs. Dies geschieht dadurch, dass der Guardbereich 8 mit Ladungsträgern entsprechend stark dotiert ist, welche den Ladungsträgern im Kanalbereich 7 gleich sind. Beispielsweise bei einem n-dotierten Kanalbereich 7 wird der Guardbereich 8 mit n+/n++-Ladungsträgern und bei einem p-dotierten Kanalbereich 7 mit p+/p++-Ladungsträgern dotiert sein.
  • Optionalerweise kann der Guardring 8 einen externen Spannungsanschluss V aufweisen und somit mittels einer elektrischen Kontaktierung auf ein festes Potenzial gelegt werden. Insbesondere ist auch vorstellbar, dass der Kanalbereich 7 während des Sensorbetriebs durch eine entsprechende Vorspannung am Spannungsanschluss V am Guardbereich 8 eingeschnürt wird. Hierdurch wird eine Feldkonzentration im Kanalbereich 7 erreicht und somit die Empfindlichkeit bei kleinen lateralen Bewegungen des Gates 1 nochmals gesteigert.
  • 2 ist eine schematische Querschnitts-Ansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung waagrechtem Querschnitt analog zu 1b).
  • Bei der zweiten Ausführungsform ist der Guardbereich 8a, 8b nicht als ringförmiger Bereich wie bei der ersten Ausführungsform vorgesehen, sondern weist zwei Streifenbereiche 8a, 8b im Substrat 2 auf, welche parallel zu den Längsseiten S1 bzw. S2 des Kanalbereichs 7 angeordnet sind und etwa dieselbe Länge wie der Kanalbereich 7 aufweisen.
  • Ansonsten ist der Aufbau der zweiten Ausführungsform identisch wie der Aufbau der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
  • Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar für kleinbauende und kostengünstige hochsensitive und robuste MEMS-Sensoren, wie zum Beispiel Inertialsensoren, Drucksensoren, Imager, Mikrofone, mikromechanische Schalter etc.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 4445553 A1 [0003]
    • EP 0990911 A1 [0004]

Claims (7)

  1. Mikromechanische Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate, welche aufweist: einen Feldeffekt-Transistor mit einem Drainbereich (3), einem Sourcebereich (4), einem dazwischenliegenden Kanalbereich (7) mit einem ersten Dotierungstyp und einem beweglichen Gate (1), welches durch einen Zwischenraum (Z) von dem Kanalbereich (7) getrennt ist; wobei der Drainbereich (3), der Sourcebereich (4) und der Kanalbereich (7) in einem Substrat (2) angeordnet sind; und wobei zumindest an den Längsseiten (S1, S2) des Kanalbereichs (7) ein Guardbereich (8; 8a, 8b) im Substrat (2) vorgesehen ist, welcher einen zweiten Dotierungstyp aufweist, der dem ersten Dotierungstyp gleich ist und eine höhere Dotierungskonzentration als der erste Dotierungstyp aufweist.
  2. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Guardbereich (8) ringförmig um den Drainbereich (3), den Sourcebereich (4) und den Kanalbereich (7) im Substrat (2) verläuft.
  3. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kanalbereich (7) von mindestens einer Gateisolationsschicht (5) bedeckt ist.
  4. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das bewegliche Gate (7) aus Polysilizium hergestellt ist.
  5. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Guardbereich (8; 8a, 8b) einen externen Spannungsanschluß (V) aufweist.
  6. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanische Sensorvorrichtung mit beweglichem Gate mit den Schritten: Bilden eines Feldeffekt-Transistors mit einem Drainbereich (3), einem Sourcebereich (4), einem dazwischenliegenden Kanalbereich (7) mit einem ersten Dotierungstyp und einem beweglichen Gate (1), welches durch einen Zwischenraum (Z) von dem Kanalbereich (7) getrennt ist, wobei der Drainbereich (3), der Sourcebereich (4) und der Kanalbereich (7) in einem Substrat (2) angeordnet werden; und wobei zumindest an den Längsseiten (S1, S2) des Kanalbereichs (7) ein Guardbereich (8; 8a, 8b) im Substrat (2) vorgesehen wird, welcher einen zweiten Dotierungstyp aufweist, der dem ersten Dotierungstyp gleich ist und eine höhere Dotierungskonzentration aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Guardbereich (8; 8a, 8b) durch einen Diffusionsprozess oder einen Implantationsprozess unter Verwendung einer entsprechenden Maske hergestellt wird.
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