DE102013019579B4

DE102013019579B4 - CMOS kompatibler Drucksensor auf Tunneleffekt-Basis mit verringerter Temperaturhysterese

Info

Publication number: DE102013019579B4
Application number: DE102013019579.9A
Authority: DE
Inventors: Bernd Buchard
Original assignee: Measurement Specialties Inc
Current assignee: Measurement Specialties Inc Hampton Us
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: DE102012023429B3; DE102013019579A1; DE102012023429B8

Abstract

Drucksensor bestehend aus einem halbleitenden Substrat (1) und einem Kontakt (4) und mindestens einem dünnen Isolator (5) zwischen Substrat (1) und Kontakt (4), wobei durch den dünnen Isolator (5) ein Tunnelstrom senkrecht zur Oberfläche des Kontakts (4) fließen kann und wobei auf den dünnen Isolator (5) ein mechanischer Druck (6) mit einer Komponente senkrecht zur Oberfläche des Kontakts (4) einwirken kann, und einem dickeren Isolator (2), der den Bereich des dünnen Isolators (5) umgibt und durch den kein Tunnelstrom fließen kann, dadurch gekennzeichnet, dass- der dünne Isolator (5) eine Dicke von 4 nm bis 15 nm aufweist,- der Tunnelstrom und/oder der durch diesen Tunnelstrom über dem dünnen Isolator (5) verursachte Spannungsabfall ausgewertet wird, um auf den einwirkenden Druck zu schließen,- der dünne Isolator (5) von mindestens einem weiteren Isolator (24) umgeben ist, der eine geringere Dicke als der dickere Isolator (2) aufweist und eine größere Dicke als der dünne Isolator (5), mindestens aber die doppelte Dicke des dünnen Isolators (5) aufweist,- dieser weitere Isolator (24) von dem dickeren Isolator (2) umgeben ist,- der Abstand (26) der Schichtkante des Kontakts (4) von der Begrenzung des dünnen Isolators (5) und der Abstand (25, 27) eventueller weiterer Schichtkanten (25, 27) von der Begrenzung des dünnen Isolators (5) mehr als 2 µm oder mehr als 4 µm oder mehr als 6 µm oder mehr als 10 µm beträgt und- es eine Spannung zwischen Kontakt (4) und Substrat (1) gibt, bei der ein Tunnelstrom durch den dünnen Isolator (5) und kein Tunnelstrom durch den weiteren Isolator (24) und den dickeren Isolator (2) fließt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, der CMOS kompatibel ist und auf Basis des Tunneleffekts mit verringerter Temperaturhysterese arbeitet.
Einleitung
Die Messung des Umgebungsdruckes ist eine wichtige Aufgabe der Sensorik. Von besonderer Bedeutung ist sie insbesondere in solchen Bereichen, in denen chemische Reaktionen überwacht werden müssen. Das Produkt PV aus dem Druck und dem Volumen repräsentiert neben der Temperatur und einem ggf. vorhandenen chemischen Ungleichgewicht die Energiedichte innerhalb eines Volumens und damit die Gleichgewichtskonzentrationen, Modifikation und Phasenzustände der Inhaltsstoffe innerhalb eines solchen Volumens.
Drucksensoren werden auf vielfältige Weise hergestellt. Hierbei kommen vorzugsweise mechanische und mikromechanische Elemente zum Einsatz. Eines der verwendeten Elemente ist beispielsweise eine Membran. Im Falle geringer Drücke führt dies bei mikromechanischen Drucksensoren zu einer derartigen Ausdünnung der Membran, dass die mechanische Stabilität gegenüber Erschütterungen - beispielsweise während der Produktion und des Einbaus in die Endapplikation - nicht mehr gegeben ist. Auch erfordern mikromechanische Drucksensoren eine gewisse Membrangröße. Daher besitzen alle derartigen Niederdruck-Sensoren eine Druckuntergrenze von wenigen mbar.
Neuere Entwicklungen wie beispielsweise die in WO 2012/095117 A1 beschriebene Technologie nutzen kleinste Strukturen aus, bei denen eine Druckdose eine Membran aufweist, auf der ein Transistor gefertigt ist, dessen Gate unterhalb der Druckdose liegt. Durch Auslenkung der Membrane wird der Strom durch die Membrane infolge des sich ändernden Abstands zum Gate geändert. Hierbei fließt der Strom senkrecht zur durch den angelegten Druck bewirkten Kraftrichtung. Das angewendete Verfahren ist zwar CMOS kompatibel, erfordert aber eine Reihe zusätzlicher Prozessschritte.
Gleiches gilt für die US 2002/0072144 A1 . Diese beschreibt einen kapazitiven co-integrierten Drucksensor und dessen Herstellung in einer CMOS Oberflächen-Mikromechanik-Technologie. Dieser Sensor ist zwar per Definition bereits CMOS kompatibel, erfordert aber besondere Prozessschritte zu dessen Herstellung. So muss ein Opferoxid typischerweise durch einen GasPhasen-Ätzprozess herausgelöst werden (siehe 7 in US 2002/0072144 A1 und Absatz [0020]) und das Zutrittsloch für das Ätzmittel anschließend wieder verschlossen werden (siehe 8 und Absatz [0020] in US 2002/0072144 A1 ). Das Tunneloxid im Sensor (Bezugszeichen 24, 3 in US 2002/0072144 A1 ) und das Feldoxid (Bezugszeichen 18, 3 in US 2002/0072144 A1 ) ergeben dabei einen Gesamtisolator, der für eine zuverlässige Isolation der Elektrode (Bezugszeichen 28, 3 in US 2002/0072144 A1 ) gegenüber der Wanne (Bezugszeichen 12, 3 in US 2002/0072144 A1 ) sorgen. Diese bilden also einen Oxidverbund, der kein Tunneloxid mehr ist, da ein Tunnelstrom ausgeschlossen ist. In Absatz [0015] der US 2002/0072144 A1 wird daher ganz richtig angemerkt: „18 könnte zu dünn sein, um gemessen zu werden“ (Im Original: „18 may be too thin to be detected“). Hierbei ist mit 18 das Feldoxid (3 in US 2002/0072144 A1 ) gemeint.
Aus DE 42 38 545 A1 ist ein Heterostruktur-Drucksensor bekannt, der nicht CMOS kompatibel ist. Das zur Herstellung der Heterostruktur des bekannten Sensors notwendige Bandgap-Engineering verteuert die Herstellung des Drucksensors massiv.
DE 69 529 446 T2 beschreibt einen Drucksensor, der auf Basis des Tunneleffekts arbeitet. Hier werden jedoch Partikel mit einer sehr dünnen isolierenden Schicht in eine Verformungswiderstandsschicht eingebracht. Dieser Prozess ist zum einen mit einer größeren stochastischen Fluktuation versehen und zum anderen nicht CMOS kompatibel.
Aus dem Stand der Technik ist somit bekannt, dass Tunneldioden potenziell einer Druckempfindlichkeit unterliegen.
Im Artikel „Fabrication and Operation of MOS Tunneling Cathode“ von K.Yokoo, S.Sato, H.Tanaka, J.Murota, und S.Ono, IEDM 1992, wird allerdings festgestellt, dass für die dort hergestellten MOS Dioden keine wesentliche Druckabhängigkeit gemessen wurde.
In „Sensitive Tunnel-Diode Pressure Transducers“ von M. E. Sikorski, International Solid State Circuits Conference 1962, Digest of Technical Papers, p. 74-75, ist für eine nicht CMOS kompatible Gallium Antimon Diode die Abhängigkeit vom Druck beschrieben.
Die hier beschriebene Erfindung kann als eine Weiterbildung der in EP 1 274 976 B1 und in DE 10 2010 043 277 A1 beschriebenen Vorrichtung verstanden werden.
Wie dort wird bei der hier beschriebenen Erfindung ein Tunnelstrom zwischen zwei vertikalen, durch eine Potential-Barriere getrennten leitfähigen Schichten gemessen. Die in EP 1 274 976 B1 beschriebene Technologie nutzt als Basismaterial Diamant. Sowohl die leitenden Schichten als auch die Potentialbarriere sind aus Diamant gefertigt. Die leitenden Schichten werden durch Implantation zweier sich kreuzender Leitungen in unterschiedlicher Tiefe im Substrat hergestellt. Der beschriebene Sensor ist aufgrund seiner Konstruktion nicht CMOS kompatibel und kann mit elektronischen Schaltungen höherer Komplexität nicht unmittelbar kombiniert werden, was ein wesentlicher Kostennachteil ist.
Die DE 10 2010 043 277 A1 beschreibt einen Druck- und Kraftsensor, der als stressempfindliches Element eine dünne Isolationsschicht, vorzugsweise eine dünne Oxidschicht, zwischen zwei elektrisch leitenden Schichten beschreibt. Dieses Basiselement wird mit verschiedenen mikromechanischen Elementen wie beispielsweise Membranen kombiniert. Ein besonderer Vorteil dieser bekannten Technologie ist, dass sie bereits mit den meisten CMOS Prozessen ohne Prozessmodifikation realisierbar ist. DE 10 2010 043 277 A1 lässt jedoch offen, wie die exakte Konstruktion des Sensors auszuführen ist. Insbesondere wird auf das unbedingt notwendige Stressmanagement bei der Abscheidung der Schichten nicht eingegangen. Dieses erfordert zusätzliche konstruktive Maßnahmen. Ohne diese Maßnahmen ist das Resultat der CMOS Prozessierung erheblichen Schwankungen unterworfen.
In den 2a, 2b, 3a und 3b der DE 10 2010 043 277 A1 wird die Messung einer solchen Tunnelstruktur beschrieben. Erfahrungsgemäß können jedoch die Zuleitungswiderstände, sofern sie nicht aus Metall gefertigt werden, nicht vernachlässigt werden. Die in der DE 10 2010 043 277 A1 beschriebene Technik erfordert daher eine Metallisierung, was bei Temperaturschwankungen zu nicht kalibrierbaren Hystereseeffekten führt. Insofern ist eine Modifikation der Messmethodik erforderlich.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drucksensorstruktur anzugeben, die einen mechanischen Druck mittels eines planaren, miniaturisierten CMOS Halbleitersensors ohne mechanische oder mikromechanische Komponenten misst und in ein elektrisches Signal umwandelt und dabei die parasitären Eigenschaften der Schichtkanten bei der CMOS Integration minimiert.
Diese Aufgabe wird mit einer Konstruktion gemäß Anspruch 1 gelöst; einzelne weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung nutzt wie in EP 1 274 976 B 1 die Modulation eines Tunnelstromes der senkrecht zu einer Oberfläche in ein Substrat hineinfließt. Die Modulation wird hierbei durch die Kompression des Materials hervorgerufen, wenn ein Druck von oben senkrecht auf die Oberfläche des Substrates einwirkt. Im Gegensatz zu EP 1 274 976 B 1 wird jedoch als Medium für den Tunnelstrom kein halbleitendes, kristallines und typischerweise isolierendes Material - dort ist es Diamant - sondern ein CMOS kompatibles amorphes, isolierendes Oxid sehr geringer Dicke genutzt. Hierfür eignen sich insbesondere SiO₂ Tunneloxide von 4nm bis 15nm Dicke, wie sie beispielsweise für die Herstellung von EEPROM- Speichern Verwendung finden. Somit eröffnet die Nutzung eines Tunneloxides im Gegensatz zu den von K.Yokoo et al. genutzten Oxiden die Möglichkeit, für einen CMOS kompatiblen Drucksensor ohne mechanische und insbesondere mikromechanische Komponenten genutzt werden zu können.
Der Übergang vom typischerweise nicht tunnelfähigen Feldoxid auf das tunnelfähige Tunneloxid ist in der Regel mit signifikanten mechanischen Spannungen innerhalb des Substrats verbunden. Durch eine gestufte Ausführung dieses Übergangs wird die Ausprägung des Stresses an der Tunneloxid-Kante vermindert und der sehr stressreiche Übergang vom Tunneloxid auf das Feldoxid wegverlagert. Hierdurch werden insbesondere die thermischen Eigenschaften verbessert, da das mechanische Volumen mit einem vom Substrat abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten minimiert wird.
Gleiches gilt für die notwendige Passivierung. Diese ist erforderlich, um eine Drift des Drucksensors infolge des Eindringens von Feuchtigkeit und Fremdionen durch Diffusion zu verhindern. Eine solche Passivierung wird typischerweise durch eine SiN-Schicht erreicht, die den Sensor vollständig bedeckt.
Ein weiteres Problem stellen die Dielektrikumschichten dar, die insbesondere bei Mehrlagenverdrahtungen Verwendung finden.
Diese bedecken die Tunnelkontakte und führen infolge eines typischerweise von Silizium unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten zu mechanischem, temperaturabhängigem Stress, der sich bis zur Unbrauchbarkeit des Sensors steigern kann.
Es ist daher sinnvoll, die auf dem Tunneldiodendrucksensor liegenden Schichten zu minimieren. Dies bedeutet, dass diese entweder im Bereich des Tunneldiodendrucksensors ein Fenster aufweisen, dessen Kante weit genug von dem Sensor selbst entfernt, oder in ihrer Dicke minimiert sind.
Hierdurch unterscheidet sich diese Technologie vom Stand der Technik.
Ein erfindungsgemäßer, beispielhafter Sensor besteht aus einer Tunnel-Diode, und zwar im Speziellen einer Halbleiter-Isolator-Halbleiter-Diode (SIS-Diode).
Im Folgenden wird die SIS-Diode beschrieben, die in ihrem Aufbau mit demjenigen von EEPROM-Transistoren nahezu identisch ist und sich daher für eine Co-Integration ohne Prozessänderungen eines bestehenden EEPROM-CMOS-Prozesses oder eines CMOS-Flash-Prozesses am besten eignet.
Die Erfindung wird anhand der 1 bis 7 weiter erläutert. Es zeigen hierbei

1 im Querschnitt einen beispielhaften Drucksensor in einfacher Ausführung nach dem Stand der Technik,
2 einen beispielhaften Anschluss eines druckempfindlichen erfindungsgemäßen Sensors,
3 einen Querschnitt durch einen verbesserten Drucksensor mit zusätzlichem dickeren Gate-Oxid, das keinen praktisch relevanten Tunnelstrom zulässt,
4 eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen beispielhaften Drucksensor nach 3,
5 einen Querschnitt durch einen verbesserten Drucksensor, bei dem das Gate breiter ausgeführt ist und in einem Mindestabstand zu der Tunneloxidkante endet,
6 einen Querschnitt durch einen verbesserten Drucksensor, bei dem das Gate mit einem Zwischenoxid teilweise bedeckt ist und die Zwischenoxidkante in einem Mindestabstand zu der Tunneloxidkante endet und bei dem eine Metallisierung vorgesehen ist, die in einem Mindestabstand von der Tunneloxidkante platziert ist, und
7 ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen beispielhaften Sensors.

Eine beispielhafte druckempfindliche Diode (1), wie sie in ähnlicher Form aus DE 10 2010 043 277 A1 bekannt ist, besteht aus einem Substrat mit einer ersten Dotierung, im Falle von CMOS Prozessen typischerweise aus einem p-dotierten Substrat 1, einer Wanne mit einer der ersten Dotierung entgegengesetzten zweiten Dotierung, typischerweise aus einer n-Wanne 7, einer Isolationsschicht größerer Dicke, typischerweise aus einem Feldoxid 2 mit einer durch Fotolithografie erstellten Öffnung, in der ein dünner durch den Tunneleffekt überwindbarer Isolator, typischerweise in Form eines dünnen Tunneloxids 5, hergestellt wurde. Feldoxid 2 und Tunneloxid werden mit einem Gate-Material, typischerweise einem Polysilizium-Kontakt, einer Gate-Elektrode 4 abgedeckt. Beim Anlegen einer ausreichend hohen Spannung zwischen Gate-Elektrode 4 und Wanne 7 fließt ein Tunnelstrom durch das Tunneloxid 5, das die Tunnelbarriere bildet. Die mechanischen Spannungen, die die Feldoxidkante verursacht, sind typischerweise sehr temperaturabhängig und stören den einwandfreien Betrieb des Sensors.
Typischerweise wird das Ganze durch eine geeignete Passivierung 3, beispielsweise aus SiN, vor Kontaminationen insbesondere vor Feuchtigkeit, geschützt.
Wirkt nun ein Druck 6 auf die Vorrichtung ein, so wird die Tunnelbarriere komprimiert. Hierdurch reduzieren sich der Abstand der Gate-Elektroden 4 zur Wanne 7 infolge einer Verringerung der Dicke des Tunneloxids 5.
Theoretische Überlegungen
In der Literatur wird für die Tunnelstromdichte angegeben: $J = A * T^{2} * e^{- α_{T} d ϕ_{T}^{\frac{1}{2}}} e^{- \frac{q ϕ_{B}}{k_{B} T}} (e^{\frac{q V}{k_{B} T}} - 1)$
(Quelle: S.M. Sze; Physics of Semiconductor Devices, Second Edition, Wiley, 1981, chapter 9.4.2 MIS Tunnel Diode, p. 540ff - formula 50)
Die Tunnelstromdichte hängt also exponentiell von der Tunneloxid-Dicke d ab.
Um den Tunnelwiderstand geeignet messen zu können, ist es notwendig, alle parasitären Zuleitungswiderstände so weit wie möglich zu eliminieren und die Temperatur am Ort des Sensors möglichst exakt zu bestimmen. Die Temperaturbestimmung erfolgt dabei beispielsweise thermoresistiv. Ist die Temperatur exakt bekannt, kann die Dicke des Tunneloxids aus dem Tunnelstrom mit Hilfe von Kalibrationsdaten ermittelt werden.
Hierzu dient eine Struktur, bei der sowohl das Poly-Silizium der Gate-Elektrode 4 als auch die n-Wanne 7 über jeweils 2 Paare von Anschlüssen kontaktiert werden, die typischerweise selbst aus Poly-Silizium oder besser als hochdotierte Diffusionsgebiete im Substratmaterial hergestellt werden, um jeden mechanischen Stress zu vermeiden.
In der beispielhaften 2 wird das Polysilizium der Gate-Elektrode 4 über das Paar 23, 22 mit den Kontakten 15 und 14 sowie durch das Paar 18, 19 mit den Kontakten 10, 11 kontaktiert. Die Leitungen sind dabei symmetrisch verlegt und treffen erst an der Gate-Elektrode 4 zusammen. Um keinen zusätzlichen Stress zu erzeugen, ist es sinnvoll, diese Kontakte als Poly-Silizium-Leitungen auszuführen.
Die Wanne 7 wird über das Paar 20, 21 mit den Kontakten 12, 13 sowie das Paar 16, 17 mit den Kontakten 8, 9 angeschlossen. Auch hier sind die Leitungen symmetrisch verlegt und treffen erst am jeweiligen Wannenkontakt zusammen. Im Falle einer n-Wanne ist es günstig, diese Wannenanschlussleitungen als n+ dotierte Leitungen auszuführen, um keinen zusätzlichen mechanischen Stress in die Konstruktion einzubringen.
Der Substratkontakt ist zur Vereinfachung nicht eingezeichnet.
Hinsichtlich des zusätzlichen Stresses ist zu sagen, dass jedes Nicht-SiliziumMaterial zu einer Störung führt. Insofern ist es besser, die Feldoxidkante möglichst weit vom Sensor weg zu legen. Daher ist es sinnvoll, die unmittelbare Umgebung des Sensors nur mit einem normalen Gate-Oxid zu belegen.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass der Stress der Feldoxidkante (Birds-Peak) bis zu 1µm, typischerweise 800nm, in den Gate-Oxidbereich hinein reicht. Es ist daher sinnvoll, den Bereich des normalen Gate-Oxids um 1µm zu beiden Seiten größer zu wählen als die Größe des Tunneloxid-Fensters. Selbstverständlich sind kleinere Abstände möglich. Diese verschlechtern aber die Sensor-Performance. Größere Abstände verbessern sie. Insofern ist die Abstandsangabe von 1µm als Anhaltspunkt zu verstehen.
2 zeigt die Aufsicht auf ein beispielhaftes Layout. Je symmetrischer der Sensor konstruiert wird, desto geringer ist in der Regel der Einfluss von parasitären Elementen, da Störungen sich gleichläufig auswirken. Ein symmetrisches Layout, wie das des punktsymmetrischen Beispiels der 2 ist daher von besonderem Vorteil.
Jede Metallbahn führt zu temperaturbedingten Hystereseeffekten, da das Metall aufgrund der Weichheit und der zu Silizium beispielsweise erheblich unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten kriecht und relaxiert. Aus diesem Grund ist Metall in der Nähe des eigentlichen Sensors zu vermeiden. Alle Oxidschichten müssen so dünn wie möglich ausgeführt werden, um den Stresseintrag aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Oxid und Substratmaterial (typischerweise Silizium) zu minimieren. Gleiches gilt für die Passivierung.
Dies führt zu einem gegenüber 1 verbesserten Aufbau, der im Querschnitt in 3 gezeigt ist. Hierbei wird der Tunnelstrom-Bereich durch ein zusätzliches Gate-Oxid 24 mit mindestens der doppelten Dicke des Tunneloxids umgeben, was den Abstand zwischen Tunneloxid und Feldoxid vergrößert und somit den mechanischen Stress auf die Tunneloxid-Konstruktion minimiert. Dieser zusätzliche Bereich des Gate-Oxids lässt praktisch keinen Tunnelstrom zu.
4 zeigt eine entsprechende beispielhafte verbesserte Struktur in der Aufsicht.
In konsequenter Weiterführung des Gedankens, jeden Stress von dem Tunneldiodendrucksensor fernzuhalten, ist es sinnvoll, die Kanten des Poly-Silizium-Kontaktes 4 in einen (Poly-Silizium-zu-Tunneloxidkanten-)Abstand 26 von mehr als 2µm von der Tunneloxidkante zu legen. Dieser Abstand ergibt sich in etwa aus den bereits besprochenen 1µm plus 1µm für das Stressfeld der Poly-Silizium-Kante. 5 zeigt einen entsprechenden Querschnitt.
Besonders zu erwähnen ist, dass der Drucksensor gemeinsam mit anderen mikroelektronischen Bauelementen wie beispielsweise pn-Dioden, MIS-Dioden, MOS-FETs, Bipolar-Transistoren, Kondensatoren, Widerständen, Leitungen, Spulen, Kontakten und Durchkontaktierungen sowie Verschaltungen derselben auf einem gemeinsamen Substrat 1 hergestellt werden kann. Dies führt dazu, dass sich auch Metall 29 auf dem Substrat 1 beispielsweise zu Verdrahtungszwecken befinden kann. Dies ist in 6 schematisch dargestellt. Metall an sich hat die Eigenschaft, bei Temperaturschwankungen einen Stress zunächst aufzubauen, der dann relaxiert. Dieses Verhalten führt zu einer nicht kalibierbaren Temperaturhysterese. Es ist daher sinnvoll, den (Metall-zu-Tunneloxidkanten-)Abstand 27 zwischen einer Metallbahn 29 und der Tunneloxidkante zu maximieren. Es hat sich gezeigt, dass dieser Abstand 27 bei weniger anspruchsvollen Anwendungen mindestens 2µm nicht unterschreiten sollte. Besser sind jedoch Abstände von 10µm und mehr.
Der Metallstapel weist in der Regel ein oder mehrere Zwischenoxid- oder Isolationsschichten 28 auf, die die Metallisierungslagen 29 voneinander, vom Substrat 1 und vom Poly-Silizium-Kontakt 4 trennen. Zur Vereinfachung ist nur eine Metallisierungsebene in 6 gezeichnet. Das für den minimalen (Metall-zu-Tunnelfenster-)Abstamd 27 und das Folgende treffen analog natürlich auch für Konstruktionen mit mehreren Metallebenen zu.
Im Falle einer einzelnen Metallisierungslage 29 ist es sinnvoll, wenn die notwendige Isolation zwischen Metall 29 und Poly-Silizium 4 oder verschiedenen Metallschichten (nicht gezeigt) oder verschiedenen Poly-Siliziumschichten (nicht gezeigt) in einem (Zwischenoxid-zu-Tunneloxidkanten-)Abstand 25 von der Tunneloxidkante, der ein Mindestmaß nicht unterschreitet, endet und dadurch ein Fenster bildet. Auch hier ist ein Abstand 25 von mindestens 2µm sinnvoll. Abstände größer als 10µm haben sich als sinnvoll erwiesen.
Allerdings hat sich gezeigt, dass ein gestuftes Enden der einzelnen Schichten von oben nach unten, wie in 6 gezeichnet, optimal ist. Hierbei sind die Stufen jeweils mindestens 2µm breit. Das bedeutet, dass der (Metall-zu-Tunneloxidkanten-)Abstand 27 um 2µm größer ist als der (Poly-Silizium-zu-Tunneloxidkanten-)Abstand 26, der (Poly-Silizium-zu-Tunneloxidkanten-)Abstand 26 um 2µm größer als der (Zwischenoxid-zu-Tunneloxidkanten-Abstand) 26 ist.
Die Passivierung 3, die beispielsweise aus SiN besteht, bedeckt dabei vorzugsweise die gesamte Konstruktion.
Für die Messung ergibt sich das Ersatzschaltbild gemäß 7.
Das Ersatzschaltbild besteht aus den acht Kontakten 8 bis 15 und den zugehörigen Zuleitungswiderständen R₈ bis R₁₅.
Der Widerstand der Wanne 7 wird in drei unabhängige Widerstände aufgeteilt, nämlich

1. den Zuleitungswiderstand R_{4_1} für den Anschluss der Kontakte 8 und 9,
2. den Zuleitungswiderstand R_{4_2} für den Anschluss der Kontakte 12 und 13 und
3. den Parallelwiderstand R_{4_p} zwischen den Kontakte 12 und 13 auf der einen und den Kontakten 8 und 9 auf der anderen Seite, durch den kein Tunnelstrom fließt.

Der Widerstand des Polysiliziums 4 wird ebenfalls in drei unabhängige Widerstände aufgeteilt, und zwar in

1. den Zuleitungswiderstand R_{7_1} für den Anschluss der Kontakte 10 und 11,
2. den Zuleitungswiderstand R_{7_2} für den Anschluss der Kontakte 14 und 15 und
3. den Parallelwiderstand R_{7_p} zwischen den Kontakte 14 und 15 auf der einen und den Kontakten 10 und 11 auf der anderen Seite, durch den kein Tunnelstrom fließt.

Schließlich enthält das Ersatzschaltbild den elektrischen Widerstand R5 des eigentlichen Drucksensors.
Die Messung erfolgt nun beispielsweise so, dass an einem der Kontakte 8,9,12,13 VDD angelegt wird und an einem weiteren der Kontakte 8 bis 15 ein negativer (d.h. ein aus dem Bauteil herauszeigender) Strom eingeprägt wird. Hierdurch wird die Wanne gegenüber dem Substrat gesperrt. Die Spannungen an allen Kontakten werden erfasst.
Durch zyklisches Vertauschen erhält man 56 Messwerte, wobei die Spannungsmessung der Masse nicht sinnvoll ist.
Durch diese 56 Messwerte sind die 15 zu bestimmenden Größen deutlich überbestimmt. Man erhält somit mehrere Lösungen für R₅, die gemittelt werden können. Messwerte mit zu großen Fehlern werden gleichzeitig sinnvoll eliminiert.
Aus den Zuleitungswiderstanden R_{4_1}, R_{4_2} und R_{4_p} sowie R_{7_p}, R_{7_1} und R_{7_2} lässt sich die Temperatur des Tunneloxids und der Grenzflächen ermitteln.
Der Arbeitspunkt des Sensors sollte dabei so gewählt werden, dass das Messsignal ausreichend groß ist, die abgegebene Wärmeleistung jedoch das Tunneloxid nicht schädigt oder unzulässig erwärmt.
Die relative Empfindlichkeit berechnet sich zu: $\begin{array}{l} \frac{δ J}{δ P} = A * T^{2} e^{- \frac{q ϕ_{B}}{k_{B} T}} (e^{\frac{q V}{k_{B} T}} - 1) * \frac{δ}{δ P} e^{- α_{T} d ϕ_{T}^{\frac{1}{2}}} \\ = A * T^{2} e^{- \frac{q ϕ_{B}}{k_{B} T}} (e^{\frac{q V}{k_{B} T}} - 1) * \frac{δ d}{δ P} \frac{δ}{δ P} e^{- α_{T} d ϕ_{T}^{\frac{1}{2}}} \\ = A * T^{2} e^{- \frac{q ϕ_{B}}{k_{B} T}} (e^{\frac{q V}{k_{B} T}} - 1) * (- α_{T} ϕ_{T}^{\frac{1}{2}}) e^{- α_{T} d ϕ_{T}^{\frac{1}{2}}} E \end{array}$
Hierbei steht E für das mechanische E-Modul des SiO2. Für die relative Änderung erhält man: $\begin{array}{l} \frac{1}{J} \frac{δ J}{δ P} = \frac{A * T^{2} e^{- \frac{q ϕ_{B}}{k_{B} T}} (e^{\frac{q V}{k_{B} T}} - 1) * (- α_{T} ϕ_{T}^{\frac{1}{2}}) e^{- α_{T} d ϕ_{T}^{\frac{1}{2}}} E}{A * T^{2} e^{- \frac{q ϕ_{B}}{k_{B} T}} (e^{\frac{q V}{k_{B} T}} - 1) * e^{- α_{T} d ϕ_{T}^{\frac{1}{2}}}} \\ = (- α_{T} ϕ_{T}^{\frac{1}{2}}) E \\ \Rightarrow \frac{1}{J} \frac{δ J}{δ P} = - 2 \sqrt{\frac{q ϕ_{T} 2 m *}{h^{2}} E} \end{array}$
Hieraus lässt sich der Druck wie folgt herleiten: $P_{1} l n (\frac{J_{1}}{J_{2}}) + P_{0} = P$
mit J1>J2 und P₁ und P₀ als Kalibrationskonstanten.
Diese müssen für den Sensor individuell bestimmt werden. Es reichen dann zwei Messungen mit zwei Messspannungen aus, um P zu bestimmen.
Die Veränderungen der Bandstruktur sind hier zur Vereinfachung nicht berücksichtigt. Die relative Empfindlichkeit hängt somit nur von Materialparametern ab. Die Temperaturabhängigkeit kann bei einem kalibrierten Sensor durch Kombination aller Messwerte herauskorrigiert werden.
Vorteile der Erfindung
Der Vorteil, der sich im Wesentlichen durch die CMOS Kompatibilität der Sensorstruktur ergibt, liegt insbesondere in der Vermeidung zusätzlicher Prozessschritte und in der kleinen Bauform, die eine Co-Integration ermöglicht. Des Weiteren werden die parasitären Elemente durch die Strukturierung der Oxide und durch die Einhaltung von Mindestabstände zu stresserzeugenden Schichtkanten verbessert. Ein Mindestabstand zu Metallisierungen verbessert darüber hinaus die Temperaturhysterese des Sensors.
Liste der Bezeichnungen

1: p-Substrat
2: Dicker Isolator, Feldoxid
3: Passivierung
4: Poly-Silizium-Kontakt
5: Dünner Isolator, Tunneloxid
6: Externer Druck auf den erfindungsgemäßen Drucksensor
7: n-Wanne
8: Kontakt für den ersten Anschluss 16 der n-Wanne 7
9: Kontakt für den zweiten Anschluss 17 der n-Wanne 7
10: Kontakt für den ersten Anschluss 18 des Poly-Siliziums 4
11: Kontakt für den zweiten Anschluss 19 des Poly-Siliziums 4
12: Kontakt für den dritten Anschluss 20 der n-Wanne 7
13: Kontakt für den vierten Anschluss 21 der n-Wanne 7
14: Kontakt für den dritten Anschluss 22 des Poly-Siliziums 4
15: Kontakt für den vierten Anschluss 23 des Poly-Siliziums 4
16: Erster Anschluss der n-Wanne 7
17: Zweiter Anschluss der n-Wanne 7
18: Erster Anschluss des Poly-Siliziums 4
19: Zweiter Anschluss des Poly-Siliziums 4
20: Dritter Anschluss der n-Wanne 7
21: Vierter Anschluss der n-Wanne 7
22: Dritter Anschluss des Poly-Siliziums 4
23: Vierter Anschluss des Poly-Siliziums 4
24: Weiterer Isolator, zusätzliches dickeres Gate-Oxid (normales, nicht tunnelfähiges Transistor-Gate-Oxid)
25: (Mindest-)Abstand-Zwischenoxid-Tunneloxidkante
26: (Mindest-)Abstand-Poly-Silizium-Tunneloxidkante
27: (Mindest-)Abstand-Metall-Tunneloxidkante
28: Zwischenoxid- oder Isolationsschicht
29: Metall (z.B. Aluminium- oder Titan- oder Kupfer-Legierungen)

Claims

Drucksensor bestehend aus einem halbleitenden Substrat (1) und einem Kontakt (4) und mindestens einem dünnen Isolator (5) zwischen Substrat (1) und Kontakt (4), wobei durch den dünnen Isolator (5) ein Tunnelstrom senkrecht zur Oberfläche des Kontakts (4) fließen kann und wobei auf den dünnen Isolator (5) ein mechanischer Druck (6) mit einer Komponente senkrecht zur Oberfläche des Kontakts (4) einwirken kann, und einem dickeren Isolator (2), der den Bereich des dünnen Isolators (5) umgibt und durch den kein Tunnelstrom fließen kann, dadurch gekennzeichnet, dass - der dünne Isolator (5) eine Dicke von 4 nm bis 15 nm aufweist, - der Tunnelstrom und/oder der durch diesen Tunnelstrom über dem dünnen Isolator (5) verursachte Spannungsabfall ausgewertet wird, um auf den einwirkenden Druck zu schließen, - der dünne Isolator (5) von mindestens einem weiteren Isolator (24) umgeben ist, der eine geringere Dicke als der dickere Isolator (2) aufweist und eine größere Dicke als der dünne Isolator (5), mindestens aber die doppelte Dicke des dünnen Isolators (5) aufweist, - dieser weitere Isolator (24) von dem dickeren Isolator (2) umgeben ist, - der Abstand (26) der Schichtkante des Kontakts (4) von der Begrenzung des dünnen Isolators (5) und der Abstand (25, 27) eventueller weiterer Schichtkanten (25, 27) von der Begrenzung des dünnen Isolators (5) mehr als 2 µm oder mehr als 4 µm oder mehr als 6 µm oder mehr als 10 µm beträgt und - es eine Spannung zwischen Kontakt (4) und Substrat (1) gibt, bei der ein Tunnelstrom durch den dünnen Isolator (5) und kein Tunnelstrom durch den weiteren Isolator (24) und den dickeren Isolator (2) fließt.
Drucksensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine weitere halbleitende Schicht (7) zwischen dem Substrat (1) und dem dünnen Isolator (5).
Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dickere Isolator (2) durch Oxid des Substratmaterials gebildet ist.
Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass - er über mindestens vier Kontakte verfügt und - jede Seite der Tunnelstrecke über mindestens zwei Kontakte angeschlossen ist.
Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass - er über mindestens acht Kontakte verfügt, - jede Seite der Tunnelstrecke über mindestens vier Kontakte angeschlossen ist, - der Kontakt (4) über mindestens je zwei Kontakte (14, 15; 10, 11) an gegenüberliegenden Punkten bezüglich einer Symmetrieachse des Kontaktes (4) senkrecht zu deren Verbindungslinie angeschlossen ist und - der andere Kontakt, insbesondere die Wanne (7) oder das Substrat (1) über mindestens je zwei Kontakte (8, 9; 13, 12) an gegenüberliegenden Punkten bezüglich einer Symmetrieachse dieses Kontaktes senkrecht zu deren Verbindungslinie angeschlossen ist.
Drucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Rotations- oder Spiegelsymmetrie aufweist.
Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er über mehrere Kontakte und Leitungen für die Messung parasitärer Zuleitungs- und/oder Kontakt- und/oder Materialwiderstände verfügt.
Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er über Kontakte und Leitungen verfügt, um den Tunnelstrom und/oder den Spannungsabfall über der Tunnelstrecke und/oder den elektrischen Widerstand der Tunnelstrecke von parasitären Größen zu isolieren.
Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Drucksensors über parasitäre Widerstände ermittelt wird.
Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Isolator (5) amorph ist.
Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Isolator (5) durch ein Tunneloxid ausgebildet ist.
Verfahren zur Vermessung eines Drucksensors nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drucksensorspezifische Lösung der Differentialgleichung $1/J * dJ/dP=a,$
mit - a als sensorspezifische Konstante, - J als Tunnelstromdichte und - P als Druck bestimmt wird.