DE102017211080B3

DE102017211080B3 - Mikromechanischer Sensor und Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors und eines mikromechanischen Sensorelements

Info

Publication number: DE102017211080B3
Application number: DE102017211080.5A
Authority: DE
Inventors: Erhard Landgraf; Sebastian Pregl; Steffen Bieselt; Stephan Gerhard Albert; Matthias Rose
Original assignee: Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
Current assignee: Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: US11493532B2; CN109205545B; CN109205545A; US10852319B2; US20190004084A1; US20200379004A1

Abstract

Ein mikromechanischer Sensor umfasst ein erstes und ein zweites kapazitives Sensorelement, die jeweils eine erste und eine zweite Elektrode aufweisen, wobei sich Elektrodenwandflächen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einer ersten Richtung gegenüberliegen und eine Kapazität bilden, wobei die ersten Elektroden ansprechend auf eine zu erfassende Größe in eine zweite von der ersten Richtung verschiedene Richtung beweglich sind, und die zweiten Elektroden feststehend sind. Die Elektrodenwandfläche der ersten Elektrode des ersten Sensorelements weist in der zweiten Richtung eine geringere Erstreckung auf als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche der zweiten Elektrode des ersten Sensorelements. Die Elektrodenwandfläche der zweiten Elektrode des zweiten Sensorelements weist in der zweiten Richtung eine geringere Erstreckung auf als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche der ersten Elektrode des zweiten Sensorelements.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft mikromechanische Sensoren und mikromechanische Sensorelemente sowie Verfahren zum Herstellen derselben. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung Sensoren und Sensorelemente, die zumindest eine Elektrode aufweisen, die ansprechend auf eine zu erfassende Größe, beispielsweise einen Druck oder eine Beschleunigung, beweglich ist.
HINTERGRUND
Piezoresistive Sensoren oder kapazitive Sensoren können zur Beschleunigungserfassung oder Druckerfassung verwendet werden.
Bei piezoresistiven Sensoren biegen sich Balken ansprechend auf einen Druck oder eine Beschleunigung, wodurch sich ein elektrischer Widerstand der Balken ändert. Die entsprechende Widerstandsänderung kann erfasst werden, um basierend darauf auf die zu erfassende Größe, beispielsweise den Druck oder die Beschleunigung, rückzuschließen.
Kapazitive Sensorelemente weisen Kapazitäten auf, von denen zumindest eine Elektrode beweglich ist. Durch eine zu erfassende Größe, beispielsweise einen Druck oder eine Beschleunigung, kann eine Bewegung der beweglichen Elektrode bewirkt werden, was wiederum eine Kapazitätsänderung zur Folge hat, die erfasst werden kann, um auf die zu erfassende Größe rückzuschließen.
Zur Signalerfassung können entsprechende Sensorelemente in Wheatstone-Brücken verschaltet werden. Wafer-Technologien können verwendet werden, um bewegliche Strukturen der Sensorelemente mikromaschinell herzustellen. Ein Waferbonden kann verwendet werden, um eine Einkapselung der entsprechenden Strukturen auf der Vorderseite und der Rückseite zu erreichen und somit eine ausreichende Robustheit.
Kapazitive Beschleunigungssensoren können ausgebildet sein, um eine Beschleunigung aus einer Substratebene (out of plane) zu erfassen. Dabei kann eine bewegliche Prüfmasse über einen Anker mit einem stationären Substrat verankert sein, wobei sowohl auf der Prüfmasse als auch auf dem stationären Substrat Elektroden ausgebildet sind, die zwei Kondensatoren auf zwei Seiten des Ankers bilden. Als Reaktion auf eine Beschleunigung aus der Substratebene (out of plane) neigt sich die Prüfmasse bezüglich ihrer Drehachse, was die Kapazitäten der beiden Kondensatoren ändert. Dieses Ungleichgewicht kann erfasst werden, um die Beschleunigung außerhalb der Ebene zu erfassen.
Aus der US 2017/0003314 A1 sind Sensoren bekannt, um eine Beschleunigung aus der Substratebene zu erfassen, bei denen sich gegenüberliegende Elektroden in Bewegungsrichtung einer der Elektroden unterschiedliche Erstreckungen aufweisen.
ÜBERBLICK
Wünschenswert wären mikromechanische Sensoren, Verfahren zum Herstellen mikromechanischer Sensoren und Verfahren zum Herstellen mikromechanischer Sensorelemente, die verbesserte Charakteristika aufweisen.
Die Erfindung schafft einen mikromechanischen Sensor nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors nach Anspruch 12 und ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensorelements nach Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Figurenliste
Beispiele der Offenbarung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1A und 1B schematische Darstellungen eines Beispiels eines mikromechanischen Sensors.
2 schematische Darstellungen von Beispielen kapazitiver Sensorelemente, bei denen Elektroden unterschiedlich modifiziert sind.
3 schematische Darstellungen von Simulationsergebnissen der in 2 gezeigten Beispielstrukturen von kapazitiven Sensorelementen.
4 eine Darstellung eines Beispiels einer Halbbrücken-Auswerteschaltung.
5 eine Darstellung eines Beispiels einer Vollbrücken-Auswerteschaltung.
6A und 6B schematische Schnittansichten von Beispielen erster und zweiter kapazitiver Sensorelemente mit dielektrisch isolierten Elektroden.
7A und 7B schematische Schnittansichten von Beispielen erster und zweiter kapazitiver Sensorelemente mit an einem Substrat aufgehängter beweglicher Elektrode.
8A und 8B schematische Schnittansichten von Beispielen erster und zweiter kapazitiver Sensorelemente mit PN-Isolation.
9A und 9B schematische Draufsichten auf Beispiele von Substraten eines ersten und eines zweiten kapazitiven Sensorelements gemäß den 6A und 6B.
9C und 9D schematische Draufsichten auf Beispiele von Substraten eines ersten und eines zweiten kapazitiven Sensorelements gemäß den 7A und 7B.
9E und 9F schematische Draufsichten auf Beispiele von Substraten eines ersten und eines zweiten kapazitiven Sensorelements gemäß den 8A und 8B.
10 eine schematische Schnittansicht eines Beispiels eines kapazitiven Sensorelements mit einer durch einen Isolator modifizierten Elektrode.
11 eine schematische Schnittdarstellung eines Beispiels einer kapazitiven Sensorelements mit durch eine Gegendotierung modifizierten Elektrode.
12 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines kapazitiven Sensorelements mit einer durch eine Ausnehmung modifizierten Elektrode.
13A bis 13C schematische Querschnittansichten zur Erläuterung eines Beispiels eines Verfahrens zur Bildung eines Hohlraums in einem Substrat.
14 eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung eines Beispiels eines Verfahrens zur Erzeugung von Kontakten durch eine Oxidschicht.
15A bis 15I schematische Schnittansichten zur Erläuterung eines Beispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines kapazitiven Sensorelements mit einer durch einen Isolator modifizierten Elektrode.
16A bis 16I schematische Schnittansichten zur Erläuterung eines Beispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines kapazitiven Sensorelements mit durch eine Gegenimplantation modifizierten Elektrode.
17A bis 17C schematische Schnittansichten zur Erläuterung eines Beispiels eines Verfahrens zur Erzeugung eines kapazitiven Sensorelements mit durch eine Ausnehmung modifizierter Elektrode.
18A und 18B schematische Draufsichten von Beispielen eines ersten Sensorelements mit modifizierter feststehender Elektrode und eines zweiten Sensorelements mit modifizierter bewegbarer Elektrode.
19 eine schematische Draufsicht eines Beispiels eines mikromechanischen Sensors, bei dem ein erstes und ein zweites kapazitives Sensorelement ein gemeinsames bewegliches Element aufweisen.
20A und 20B schematische Draufsichten zur Erläuterung eines Beispiels eines kapazitiven Sensorelements mit Interdigitalelektroden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert und unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, wobei eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit dem gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, typischerweise weggelassen wird. Beschreibungen von Elementen, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen, sind gegeneinander austauschbar. In der folgenden Beschreibung werden viele Details beschrieben, um eine gründlichere Erklärung von Beispielen der Offenbarung zu liefern. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details implementiert werden können. Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Beispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn Merkmale einer entsprechenden Kombination schließen sich gegenseitig aus oder eine solche Kombination ist ausdrücklich ausgeschlossen.
1A zeigt schematisch eine Schnittansicht eines ersten kapazitiven Sensorelements 2 und eines zweiten kapazitiven Sensorelements 4. Das erste kapazitive Sensorelement 2 weist eine erste Elektrode 10 und eine zweite Elektrode 12 auf. Das zweite kapazitive Sensorelement 4 weist eine erste Elektrode 14 und eine zweite Elektrode 16 auf. Elektrodenwandflächen 10a, 12a der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 12 liegen sich in einer ersten Richtung R1 gegenüber und bilden eine Kapazität. Elektrodenwandflächen 14a, 16a der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 16 liegen sich ebenfalls in der ersten Richtung R1 gegenüber und bilden eine Kapazität. Die ersten Elektroden 10 und 14 sind in einer zweiten Richtung R2, die von der ersten Richtung R1 verschieden ist, beweglich. Die zweiten Elektroden 12 und 16 sind feststehend.
Bei Beispielen können die ersten Elektroden 10 und 14 beweglich an einem Träger gelagert sein und die zweiten Elektroden 12 und 16 können feststehend an dem Träger gelagert sein. Der Träger kann beispielsweise ein Substrat sein. Die Elektroden können beispielsweise an oder in einem Substrat gebildet sein, wobei die erste Richtung R1 parallel zu einer Substratebene ist, und die zweite Richtung senkrecht zu der Substratebene ist. Die Substratebene kann dabei eine Ebene sein, die parallel zu den Hauptoberflächen des Substrats ist. Unter einem Substrat kann dabei ein Körper verstanden werden, der zwei sich gegenüberliegende Hauptoberflächen aufweist, die durch jeweilige Seitenflächen verbunden sind. Die Hauptoberflächen sind dabei die Oberflächen des Substrats, die eine größere Fläche aufweisen als die Seitenflächen. Bei Beispielen kann das Substrat ein Halbleitersubstrat, wie z.B. ein Siliziumsubstrat, sein. Die beweglichen Elektroden können federnd an dem Substrat gelagert sein und ansprechend auf eine Kraft aus einem Ruhezustand in einen abgelenkten Zustand beweglich, d.h. ablenkbar sein. Endet die Krafteinwirkung können die beweglichen Elektroden durch die federnde Lagerung wieder in den Ruhezustand zurückkehren. Die beweglichen Elektroden können somit ansprechend auf eine Aus-der-Ebene-Kraft (out of plane), also eine Kraft, die senkrecht zur Substratebene wirkt, ausgelenkt werden.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung können die Elektroden mit den sich gegenüberliegenden Elektrodenwandflächen auf beliebige Weise implementiert werden. Bei Beispielen können die Elektroden durch dotierte Halbleiterbereiche eines Substrats gebildet sein. Bei Beispielen können die Elektroden in einem Halbleitersubstrat, wie z.B. einem Siliziumsubstrat gebildet sein, das eine Dotierung > 5 × 10¹⁷ aufweist. Bei anderen Beispielen können die Elektroden aus einem anderen leitfähigen Material, beispielsweise Metall, gebildet sein. Bei Beispielen können die Elektroden durch leitfähige Beschichtungen auf einem isolierenden Material gebildet sein.
Die Elektrodenwandflächen 10a, 12a, 14a und 16a können planar sein und in einer Ebene angeordnet sein, die senkrecht zu der ersten Richtung R1 und parallel zu der zweiten Richtung R2 ist, also in einer Ebene, die durch die zweite Richtung R2 und eine dritte Richtung R3, die senkrecht zu der ersten Richtung R1 und der zweiten Richtung R2 ist, definiert ist. Bei Beispielen kann diese Ebene, in der die Elektrodenwandflächen angeordnet sind, senkrecht zur Substratebene sein. Die Erstreckung der Elektrodenwandflächen in der zweiten Richtung kann konstant sein, wie in 1B zu sehen ist.
Die Elektrodenwandfläche 10a der ersten Elektrode 10 des ersten Sensorelements 2 weist in der zweiten Richtung R2 eine geringere Erstreckung auf als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche 12a der zweiten Elektrode 12 des ersten Sensorelements 2. Die Elektrodenwandfläche 16a der zweiten Elektrode 16 des zweiten Sensorelements 4 weist in der zweiten Richtung R2 eine geringere Erstreckung auf als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche 14a der ersten Elektrode 14 des zweiten Sensorelements 4.
Wie in 1A angedeutet ist, können die Elektroden 10, 12, 14 und 16 elektrisch mit einer Auswerteschaltung 20 verbunden sein. Die Auswerteschaltung 20 kann ausgelegt sein, um die Kapazitäten des ersten kapazitiven Sensorelements 2 und des zweiten kapazitiven Sensorelements 4 zu erfassen. Unter Verwendung der erfassten Kapazitäten kann dann auf eine zu erfassende Größe rückgeschlossen werden, die eine Bewegung der beweglichen Elektroden 10 und 14 in der Richtung R2 oder entgegen der Richtung R2 bewirkt. Eine solche Bewegung der beweglichen Elektroden 10 und 14 relativ zu den feststehenden Elektroden 12 und 16 bewirkt eine Kapazitätsänderung von zumindest einem der kapazitiven Sensorelemente, die wiederum erfassbar ist.
Bei Beispielen kann die Elektrodenwandfläche 10a der ersten Elektrode 10 des ersten Sensorelements 2 in der zweiten Richtung R2 die gleiche Erstreckung aufweisen wie die Elektrodenwandfläche 16a der zweiten Elektrode 16 des zweiten Sensorelements 4. Die Elektrodenwandfläche 12a der zweiten Elektrode des ersten Sensorelements 2 kann in der zweiten Richtung R2 die gleiche Erstreckung aufweisen wie die Elektrodenwandfläche 14a der ersten Elektrode 14 des zweiten Sensorelements 4.
Bei Beispielen können die sich gegenüberliegenden Elektrodenwandflächen 10a und 12a der ersten und zweiten Elektroden 10 und 12 des ersten Sensorelements 2 in der Richtung R3 die gleiche Erstreckung aufweisen. Bei Beispielen können die sich gegenüberliegenden Elektrodenwandflächen 14a und 16a der ersten und zweiten Elektroden 14 und 16 des zweiten Sensorelements 4 in der Richtung R3 die gleiche Erstreckung aufweisen. Bei Beispielen können alle Elektroden in der Richtung R3 die gleiche Erstreckung aufweisen.
Bei Beispielen können sich erste Enden der Elektrodenwandflächen der Elektroden 10, 12, 14 und 16 in der Richtung R2 bis zu einer gemeinsamen ersten Ebene erstrecken. Den ersten Enden gegenüberliegende zweite Enden der Elektrodenwandflächen 10a und 16a können sich bis zu einer zweiten Ebene erstrecken, die parallel zu der ersten Ebene ist. Den ersten Enden gegenüberliegende zweite Enden der Elektrodenwandflächen 12a und 14a können ich bis zu einer dritten Ebene erstrecken, die parallel zu der ersten und der zweiten Ebene ist, und die von der ersten Ebene weiter beabstandet ist als die zweite Ebene.
Die ersten Elektroden 10 und 14 sind in der Richtung R2 beweglich, die sich von der Richtung R1 unterscheidet. Die Richtung R2 kann senkrecht zu der Richtung R1 sein. Die Richtung R1 kann parallel zur Substratebene sein und die Richtung R2 kann senkrecht zur Substratebene sein. Bei Beispielen kann die Bewegung der Elektroden neben der Hauptkomponente in der zweiten Richtung R2 Komponenten in anderen Richtungen aufweisen, solange die Komponente der Bewegung in der zweiten Richtung die größte Komponente ist.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung verwenden ein kapazitives Aus-der-Ebene-Erfassungsprinzip (Out-Of-Plane-Erfassungsprinzip) mit einem Elektrodensystem von sich lateral gegenüberliegenden Leiterstrukturen, d.h. leitfähigen Elektroden. Der Ausdruck „Aus-der-Ebene“ kann sich dabei auf die Substratebene beziehen, und die Ausdrücke „lateral“ und „vertikal“ ebenfalls auf die Anordnung relativ zu der Substratebene. Unter der Wirkung einer Kraft, die erfasst werden soll, können die Elektroden eines kapazitiven Sensorelements eine Verschiebung der vertikalen Position relativ zueinander erfahren, was zu einer entsprechenden Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden des kapazitiven Sensorelements führt. Es wurde erkannt, dass die allgemeine Charakteristik eines solchen kapazitiven Sensorelements mehr oder weniger nicht linear sein kann oder sogar ein Maximum in einem interessierenden Eingangsbereich aufweisen kann, was zu ambivalenten Ergebnissen führen kann.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen einen mikromechanischen Sensor, der zwei kapazitive Sensorelemente verwendet, um ein Ausgangssignal mit einer lineareren Charakteristik als ein einzelnes kapazitives Sensorelement zu erhalten. Beispiele der vorliegenden Offenbarung zielen darauf ab, eine näherungsweise lineare differentielle Kapazitätsänderung mit dem Eingangssignal zu erreichen, d. h. [ΔC1 (Signal) - ΔC2(Signal)]/ ΔSignal = konstant. Dabei stellt C1 (Signal) die von dem zu erfassenden Signal abhängige Kapazität des ersten kapazitiven Sensorelements 2 dar und C2(Signal) stellt die von den zu erfassenden signalabhängige Kapazität des zweiten kapazitiven Sensorelements 4 dar. Das Symbol Δ stellt die Änderung der jeweiligen Größe dar.
Zu diesem Zweck kann bei Beispielen bei einem der kapazitiven Sensorelemente die bewegliche Elektrode eine Elektrodenwandfläche aufweisen, die in der zweiten Richtung eine geringere Erstreckung aufweist als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche der feststehenden Elektrode, und bei dem anderen kapazitiven Sensorelement kann die feststehende Elektrode eine Elektrodenwandfläche aufweisen, die in der zweiten Richtung eine geringere Erstreckung aufweist als die Elektrodenwandfläche der gegenüberliegenden beweglichen Elektrode. Somit können die kapazitiven Elemente geeignet modifiziert sein, um ein lineareres von dem Eingangssignal abhängiges Ausgangssignal zu erhalten.
Durch eine Modifikation von jeweils einer Elektrode in jedem Sensorelement, um unterschiedlichen Erstreckungen von sich gegenüberliegenden Elektrodenflächen in der Bewegungsrichtung zu bewirken, kann somit eine Asymmetrie in ein im Übrigen symmetrisches vertikales, geometrisches und elektrisches Profil eingebracht werden. In einem Sensorelement ist die modifizierte Elektrode beweglich und im anderen Sensorelement ist die modifizierte Elektrode feststehend.
Dieses Verhalten wurde anhand einer Simulation gezeigt. 2 zeigt schematisch kapazitive Sensorelemente, wobei die mittlere Spalte das jeweilige Sensorelement im Ruhezustand zeigt, d. h. bei einer Ablenkung von 0. Die linke Spalte zeigt das jeweilige Sensorelement bei einer Ablenkung -x₁ der beweglichen Elektrode entgegen der Richtung R2, während die rechte Spalte das jeweilige Sensorelement bei einer Ablenkung x₁ der beweglichen Elektrode in der Richtung R2 zeigt.
Die in 2 gezeigten Sensorelemente weisen jeweils eine feststehende Elektrode 30 und eine bewegliche Elektrode 32 auf zwischen denen eine Kapazität gebildet ist. Ferner sind schematisch Abschnitte eines Substrats 34 und einer Abdeckung 36 des jeweiligen Sensorelements in 2 gezeigt. Die erste Zeile zeigt jeweils ein kapazitives Sensorelement, bei dem die sich gegenüberliegenden Elektrodenwandflächen der ersten und zweiten Elektroden 30 und 32 eine gleiche Erstreckung in der zweiten Richtung aufweisen. Somit sind die Elektroden in diesem Fall symmetrisch. In der mittleren Zeile von 2 weist die feststehende Elektrode 30 eine geringere Erstreckung in der zweiten Richtung auf, was durch einen isolierenden Bereich 38 angedeutet ist. Bei Beispielen kann die feststehende Elektrode (Efix) zu diesem Zweck modifiziert sein. In der unteren Zeile von 2 weist die bewegliche Elektrode 32 eine geringere Erstreckung in der zweiten Richtung R2 auf, was durch einen isolierenden Bereich 40 angedeutet ist. Bei Beispielen kann die bewegliche Elektrode (Emov) zu diesem Zweck modifiziert sein.
Wie in der linken Spalte und der rechten Spalte von 2 gezeigt ist, bewirkt eine auf die bewegliche Elektrode 32 wirkende Kraft bewirkt eine Auslenkung -x₁ entgegen der zweiten Richtung R2 oder eine Auslenkung x₁ in der zweiten Richtung R2. Bei Beispielen kann eine solche Kraft durch eine zu erfassende Größe, wie zum Beispiel einen Druck oder eine Beschleunigung, bewirkt werden. Die Ergebnisse einer zweidimensionalen Simulation der Kapazität zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden der kapazitiven Sensorelemente von 2 ist in 3 gezeigt. Im oberen Bereich von 3 ist dabei jeweils die Kapazität eines einzelnen kapazitiven Elements dargestellt, wobei Kurve 41 die Charakteristik eines einzelnen, nicht modifizierten Elements zeigt, Kurve 43 die Charakteristik eines einzelnen Elements zeigt, bei dem die bewegliche Elektrode modifiziert ist, und Kurve 45 die Charakteristik eines einzelnen Elements zeigt, bei dem die feststehende Elektrode modifiziert wurde. Die Kapazität ist dabei jeweils über der Ablenkung der beweglichen Elektrode aufgetragen. Der untere Teil von 3 das Differenzsignal zweier kapazitiver Sensorelemente. Kurve 47 zeigt die Differenz zweier symmetrischer Sensorelemente, so dass die Differenzausgabe 0 beträgt. Kurve 49 zeigt die Differenz zwischen einem ersten kapazitiven Sensorelement, bei dem die bewegliche Elektrode modifiziert ist, und einem zweiten Sensorelement, bei dem die feststehende Elektrode modifiziert ist. Kurve 49 zeigt, dass eine im Wesentlichen lineare differenzielle Kapazitätsänderung erreicht werden kann. Ferner zeigt 3, dass eine lineare Charakteristik über einen großen Bereich und speziell in beiden Ablenkungsrichtungen ausgehend von dem kraftfreien Ruhezustand erreicht werden kann.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung weist ein mikromechanischer Sensor eine Auswerteschaltung auf, die konfiguriert ist, um ein Ausgangssignal auszugeben, das proportional zu einer Differenz der Kapazitäten des ersten und des zweiten kapazitiven Sensorelements ist.
Bei Beispielen kann die Auswerteschaltung eine Halbbrückenschaltung aufweisen, wobei das erste und das zweite Sensorelement in der Halbrückenschaltung verschaltet sind. Ein Beispiel einer solchen Halbbrückenschaltung ist in 4 gezeigt, wobei C2 die Kapazität eines kapazitiven Sensorelements darstellt, bei dem die bewegliche Elektrode modifiziert ist, während C1 die Kapazität eines Sensorelements darstellt, bei dem die feststehende Sensorelektrode modifiziert ist. v1 und v2 stellen Versorgungsspannungen dar. c_feedback stellt einen Rückkopplungskondensator für einen Differenzverstärker 50 dar. Die Elemente sind in der in 4 gezeigten Weise verschaltet, um am Ausgang des Differenzverstärkers 50 das Ausgangssignal v_out zu erhalten. 4 zeigt ferner, wie das Ausgangssignal bei der gezeigten Halbbrückenschaltung aus den angegebenen Größen berechnet werden kann.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann der mikromechanische Sensor zwei entsprechende erste kapazitive Sensorelemente und zwei entsprechende zweite kapazitive Sensorelemente aufweisen, wobei die Auswerteschaltung eine Vollbrückenschaltung aufweisen kann, und wobei die ersten und zweiten Sensorelemente in der Vollbrückenschaltung verschaltet sein können. Ein Beispiel einer solchen Vollbrückenschaltung ist in 5 gezeigt. Zwei kapazitive Sensorelemente mit modifizierter beweglicher Elektrode, die jeweilige Kapazitäten C2 aufweisen, und zwei kapazitive Sensorelemente mit modifizierter feststehender Elektrode, die jeweilige Kapazitäten C1 aufweisen, sind auf die in 5 gezeigte Weise mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 52 mit differentiellem Ausgang v_out verbunden. Zwei Rückkoppelkondensatoren c_feedback sind auf die gezeigte Art und Weise verschaltet. Eine Signalquelle 54 liefert eine Rechteckeingangsspannung v_in. In 5 ist ferner angegeben, wie bei der gezeigten Vollbrückenschaltung das Ausgangssignal v_out aus den gegebenen Größen berechnet werden kann. Durch die Verwendung einer Vollbrückenkonfiguration kann eine zusätzliche Gleichtaktunterdrückung erreicht werden.
Bezug nehmend auf die 6 bis 9 werden im Folgenden Beispiele beschrieben, bei denen die Elektroden durch dotierte Halbleiterbereiche eines Substrats gebildet sind.
6A und 6B zeigen schematische Querschnittansichten kapazitiver Sensorelemente, die mit dielektrisch isolierten Elektroden implementiert sind, 9A zeigt eine schematische Draufsicht auf das Substrat des Sensorelements von 6A und 9B zeigt eine schematische Draufsicht auf das Substrat des Sensorelements von 6B.
Bei dem in 6A gezeigten Sensorelement sind eine bewegliche Elektrode 14 und eine feststehende Elektrode 16 in einem Halbleitersubstrat 100 strukturiert. Das Halbleitersubstrat 100 kann zumindest teilweise dotiert sein, so dass die Elektroden 14 und 16 leitfähig sind. Das Substrat 100 weist einen vergrabenen Hohlraum 102 und Gräben 104 auf, die die Elektroden 14 und 16 definieren. 9A zeigt dabei einen möglichen Verlauf der Gräben, die die Elektroden 14 und 16 definieren. Eine isolierende Schicht 110 ist auf einer Hauptoberfläche des Substrats 100 vorgesehen. Die bewegliche Elektrode 14 und die feststehende Elektrode 16 sind an der isolierenden Schicht 110 angebracht. Somit sind die bewegliche Elektrode 14 und die feststehende Elektrode 16 durch die Gräben 104, den vergrabenen Hohlraum 102 und die isolierende Schicht 110 voneinander isoliert. Die isolierende Schicht 110 kann aus einem Dielektrikum wie z. B. einem Oxid bestehen. Ferner weist das kapazitive Sensorelement einen Kontakt 106 für die bewegliche Elektrode 14 und einen Kontakt 108 für die feststehende Elektrode 16 auf.
Die feststehende Elektrode 16 ist derart modifiziert, dass eine Elektrodenwandfläche 16a derselben, die einer Elektrodenwandfläche 14a der beweglichen Elektrode 14 gegenüberliegt, eine geringere Erstreckung senkrecht zu der Substratebene aufweist als die Elektrodenwandfläche 14a. Zu diesem Zweck ist ein Abschnitt 111 der Elektrode 16 durch ein isolierendes Material, beispielsweise ein Oxid ersetzt. Die bewegliche Elektrode ist ansprechend auf eine Aus-der-Ebene-Kraft (out of plane) beweglich, wie durch einen Pfeil 112 in 6A angedeutet ist. 6A zeigt somit ein Beispiel für ein zweites kapazitives Sensorelement 4, bei dem die feststehende Elektrode eine geringere Erstreckung in der Bewegungsrichtung aufweist.
Die Gräben 104 können derart ausgebildet sein, dass eine längliche ablenkbare Elektrode 14 erzeugt wird, die an einem Ende 114 eingespannt ist und deren von diesem eingespannten Ende beabstandetes Ende beweglich ist.
6B zeigt ein entsprechendes kapazitives Sensorelement, bei dem ein Substrat 100 durch einen vergrabenen Hohlraum 102 und Gräben 104 strukturiert ist, um eine bewegliche Elektrode 10 und eine feststehende Elektrode 12 zu implementieren. Die bewegliche Elektrode 10 ist wiederum als eine längliche Elektrode ausgebildet, die an einem ersten Ende 114 über die isolierende Schicht 110 eingespannt ist und deren zweites Ende vertikal zur Substratebene beweglich ist, wie wiederum durch einen Pfeil 112 angedeutet ist. Bei dem in 6B gezeigten kapazitiven Sensorelement besitzt eine Elektrodenwandfläche 10a der beweglichen Elektrode 10 eine geringere Erstreckung in der Bewegungsrichtung als eine Elektrodenwandfläche 12a der feststehenden Elektrode 12. Dies ist bei dem gezeigten Beispiel dadurch implementiert, dass ein Teil der beweglichen Elektrode 10 durch ein isolierendes Material 116 ersetzt ist. Das in 6B gezeigte kapazitive Sensorelement stellt somit ein Beispiel für ein erstes kapazitives Sensorelement 2 dar, bei dem die bewegliche Elektrode eine geringere Erstreckung in der Bewegungsrichtung aufweist.
Da bei den in den 6A und 6B gezeigten Sensorelementen die bewegliche Elektrode vollständig von dem Graben 104 umgeben ist, kann die feststehende Elektrode an dem Halbleitersubstrat gelagert sein und muss nicht vollständig von dem Graben 104 umgeben sein.
Die 7A und 7B zeigen schematische Schnittansichten von Beispielen eines zweiten Sensorelements 4 und eines ersten Sensorelements 2, die sich hinsichtlich der Aufhängung der beweglichen Elektroden von den in den 6A und 6B gezeigten kapazitiven Sensorelementen unterscheiden, so dass die folgende Beschreibung insbesondere auf diese Unterschiede abstellt. Die 9C und 9D zeigen schematische Draufsichten auf die Substrate 100 der in den 7A und 7B gezeigten kapazitiven Sensorelemente, wobei der Verlauf der Gräben im Bereich des eingespannten Endes der beweglichen Elektroden 10 und 14 unterschiedlich zum Verlauf der Gräben bei dem in den 6A und 6B gezeigten Beispielen ist. Genauer gesagt isolieren die Gräben 104 bei dem in dem 7A und 7B gezeigten Beispiel die beweglichen Elektroden 10 und 14 nicht von dem Substrat 100, so dass die beweglichen Elektroden 10 und 14 an einem ersten Ende 120 an dem Substrat 100 aufgehängt sind. Im Übrigen entspricht der Aufbau dem der Bezug nehmend auf die 6A und 6B beschriebenen Beispiele, so dass eine detaillierte Beschreibung weggelassen werden kann.
Die 8A und 8B zeigen schematische Schnittansichten von Beispielen eines zweiten kapazitiven Sensorelements 4 und eines ersten kapazitiven Sensorelements 2. Die 9E und 9F zeigen schematische Draufsichten auf das Substrat der in den 8A und 8B gezeigten Beispiele. Die in den 8A und 8B gezeigten Beispiele unterscheiden sich von den in den 7A und 7B gezeigten Beispielen durch die Art der Isolierung der beweglichen Elektroden 10 und 14 von den feststehenden Elektroden 12 und 16. Das Substrat 100 weist zwei Schichten 130 und 132 auf, die einen unterschiedlichen Dotierungstyp besitzen. Beispielsweise kann die Schicht 130 eine Dotierung vom n-Typ aufweisen, und die Schicht 132 kann eine Dotierung vom p-Typ aufweisen. Wie gezeigt ist, kann der vergrabene Hohlraum 102 in beiden Schichten 130 und 132 gebildet sein. Die Elektroden sind in der oberen Halbleiterschicht 130 strukturiert. Die beweglichen Elektroden 10 und 14 sind wiederum an einem ersten Ende 120 an dem Substrat aufgehängt, während ein davon beabstandetes zweites Ende wiederum beweglich ist, wie durch einen Pfeil 112 angezeigt ist. Bei dem in den 8A und 8B gezeigten Beispiel sind die feststehenden Elektroden 12 und 16 nicht nur durch die Gräben 104 isoliert, sondern ferner durch den pn-Übergang zwischen den Halbleiterschichten 130 und 132 unterschiedlichen Dotierungstyps. Insofern muss bei den in den 8A und 8B gezeigten Beispielen die feststehende Elektrode nicht vollständig von einem vergrabenen Hohlraum und Gräben umgeben sein, sondern kann an einem Teil der Halbleiterschicht 130 gelagert sein.
Bezug nehmend auf die 10 bis 12 werden im Folgenden drei Beispiele beschrieben, wie eine entsprechende Modifikation der jeweiligen Elektrode, die in der Bewegungsrichtung die geringere Abmessung aufweist, erreicht werden kann. Bezug nehmend auf die 13 bis 17 werden dann Beispiele von Verfahren zum Erzeugen entsprechender Modifikationen beschrieben. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die entsprechenden Figuren rein schematisch sind, wobei jeweils eine der Elektroden als bewegliche Elektrode und eine der Elektroden als stationäre Elektrode ausgebildet sein kann. Beispielsweise können diese Elektroden daher implementiert werden, wie es oben Bezug nehmend auf die 6 bis 9 beschrieben wurde.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung können die ersten und zweiten Elektroden auf einer Seite jeweils durch einen Hohlraum in einem Substrat begrenzt sein. Bei Beispielen kann dieser Hohlraum durch ein so genanntes Venezia-Verfahren erzeugt werden, wie es nachfolgend Bezug nehmend auf die 13A bis 13C beschrieben wird. Alternativ kann der Hohlraum jedoch auch durch andere Arten, beispielsweise durch eine vergrabene Opferschicht, erzeugt werden.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann die geringere Erstreckung der jeweiligen Elektrode in der Bewegungsrichtung durch ein isolierendes Material, das einen Teil der jeweiligen Elektrode ersetzt, durch eine Ausnehmung in der jeweiligen Elektrode, oder durch ein entgegengesetzt dotiertes Halbleitermaterial in der jeweiligen Elektrode implementiert sein.
10 zeigt ein Beispiel eines kapazitiven Sensorelements, bei dem die geringere Erstreckung durch ein isolierendes Material, das einen Teil der Elektrode ersetzt, implementiert ist. Im Folgenden wird diese Elektrode auch als modifizierte Elektrode bezeichnet, wobei es sich dabei um die bewegliche Elektrode oder die feststehende Elektrode handeln kann, abhängig davon, ob das erste oder das zweite kapazitive Sensorelement eines mikromechanischen Sensors betroffen ist.
10 zeigt eine schematische Schnittansicht eines kapazitiven Sensorelements mit einem Substrat 100 und einem Deckel 200. Der Deckel 200 kann beispielsweise durch eine dielektrische Schicht, beispielsweise eine Oxidschicht, gebildet sein. Der Deckel 200 kann die Oberseite des Substrats vollständig einschließen, beispielsweise im Falle eines Beschleunigungssensors. Der Deckel 200 kann bei Beispielen eine Öffnung aufweisen, beispielsweise im Falle eines Differenzdrucksensors.
Das Substrat 100 weist einen vergrabenen Hohlraum 102 und Gräben 104 auf, die eine bewegliche Elektrode und eine feststehende Elektrode definieren, beispielsweise wie dies oben Bezug nehmend auf die 6 bis 9 beschrieben wurde. Eine der Elektroden stellt eine modifizierte Elektrode 202 dar, während die andere Elektrode eine nicht-modifizierte Elektrode 204 darstellt. Entweder die modifizierte Elektrode 202 oder die nicht-modifizierte Elektrode 204 kann als bewegliche Elektrode implementiert sein, während die andere Elektrode als feststehende Elektrode implementiert ist. In dem Deckel 200 kann ein Hohlraum 206 vorgesehen sein, der eine Bewegung der beweglichen Elektrode vertikal zur Substratebene in beiden Richtungen ermöglicht. Das Substrat 100 kann eine hoch dotierte Kontaktschicht 208 aufweisen. Die modifizierte Elektrode 202 und die nicht-modifizierte Elektrode 204 können durch ein dotiertes Halbleitermaterial gebildet sein, wobei ein Teil des Halbmaterials der modifizierten Elektrode 202 durch einen Isolator 210 ersetzt ist.
Somit ist eine Erstreckung einer Seitenwandfläche 202a der modifizierten Elektrode 202, die einer Seitenwandfläche 204a der nicht-modifizierten Elektrode 204 gegenüberliegt, in der Bewegungsrichtung R2 geringer als eine Erstreckung der Seitenwandfläche 204a der nicht-modifizierten Elektrode 204. Der Isolator 210 kann beispielsweise durch ein Dielektrikum implementiert sein. Das Dielektrikum kann Oxid oder Dioxid aufweisen.
Bei dem in 10 gezeigten Beispiel wird somit eine Asymmetrie eingebracht, indem in eine der Elektroden auf der Oberseite eine dielektrische Schicht 210 eingebracht ist, die das elektrisch leitfähige Material der Elektrode ersetzt. Wie ausgeführt wurde, kann diese Modifikation entweder die feststehende Elektrode oder die bewegliche Elektrode betreffen. Wie oben Bezug nehmend auf die 2 und 3 beschrieben wurde, kann durch das Einbringen einer solchen Asymmetrie ein von 0 verschiedenes Differenzsignal erhalten werden.
11 zeigt ein Beispiel eines kapazitiven Elements, das sich hinsichtlich der Art der Modifikation der modifizierten Elektrode 202 von dem in 10 gezeigten Beispiel unterscheidet. Bei dem in 11 gezeigten Beispiel weist die modifizierte Elektrode 202 einen Gegendotierungsbereich 212 auf, um entsprechende asymmetrische Charakteristika zu bewirken. Der Gegendotierungsbereich weist einen von dem Dotierungstyp des Substrats 100 verschiedenen Dotierungstyp auf. Beispielsweise kann es sich um eine p-Dotierung handeln, wenn das Substrat n-dotiert ist. Der Gegendotierungsbereich kann beispielsweise durch eine Implantation in die Oberfläche des Substrats in dem Bereich, der die modifizierte Elektrode definiert, erzeugt werden. Der Gegendotierungsbereich kann mit einem anderen elektrischen Knoten verbunden werden als der Rest der modifizierten Elektrode, so dass er nicht zur aktiven Kondensatorfläche der Elektrode beiträgt. Zu diesem Zweck kann der Gegendotierungsbereich einen Kontaktbereich 212a aufweisen, der höher dotiert ist als ein übriger Bereich 212b des Gegendotierungsbereichs. Bei Beispielen kann der Gegendotierungsbereich 212 keinen separaten Anschluss aufweisen, so dass er floatend belassen ist und über einen p-Übergang von dem übrigen Bereich der modifizierten Elektrode 202 getrennt ist.
12 zeigt ein weiteres Beispiel eines kapazitiven Sensorelements, bei dem die geringere Erstreckung der modifizierten Elektrode 202 in der Bewegungsrichtung durch eine Ausnehmung in der modifizierten Elektrode 202 implementiert ist. Die Ausnehmung kann ganzflächig auf der Elektrode vorgesehen sein, wie durch eine gestrichelte Linie 214 in 12 angedeutet ist. Alternativ kann die Ausnehmung nur einen der nicht-modifizierten Elektrode 204 zugewandten Bereich der modifizierten Elektrode 202 betreffen. Beispielsweise kann sich die Ausnehmung von der der nicht-modifizierten Elektrode 204 zugewandten Seite nur bis zu einem mittleren Bereich der modifizierten Elektrode 202 erstreckt, wie durch eine gestrichelte Linie 216 in 12 angedeutet ist. Die Ausnehmung kann beispielsweise durch ein Rückätzen des Substrats erzeugt werden.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann der Hohlraum 102 in dem Substrat 100 durch ein so genanntes Venezia-Verfahren erzeugt werden. Dieses Verfahren kann ein Ätzen von Gräben in einer Oberfläche des Halbleitersubstrats und ein Ausheilen des Halbleitersubstrats in einer H-Atmosphäre aufweisen, um eine Rückfließen des Halbleitermaterials zu bewirken, um die Gräben unterhalb der Oberfläche zu vereinen und einen vergrabenen Hohlraum in dem Halbleitersubstrat zu erzeugen. Ein Beispiel für ein solches Verfahren wird Bezug nehmend auf die 13A bis 13C erläutert. Bei einem Beispiel eines entsprechenden Verfahrens wird auf einem Siliziumsubstrat 300 ein Hartmaskenstapel, der eine Oxidschicht 302 und eine Polysiliziumschicht 304 aufweist, abgeschieden. Der Hartmaskenstapel wird strukturiert und unter Verwendung des strukturierten Hartmaskenstapels werden Gräben bis zu einer Tiefe t in dem Substrat 300 erzeugt. Die Tiefe t kann beispielsweise 3 µm betragen. Die sich ergebende Struktur ist in 13A gezeigt.
Nachfolgend wird der Hartmaskenstapel entfernt, wie in 13B dargestellt ist. Nachfolgend wird eine H2-Ausheilung für ein Siliziumverfließen (reflow) durchgeführt. Durch die H2-Ausheilung vereinigen sich die Gräben 306 zu einem vergrabenen Hohlraum 310 mit einer Tiefe t₂. Beispielsweise kann die Tiefe t₂ 1 µm betragen. Optional kann, wie in 13C gezeigt ist, nach dem Verfließen eine epitaktische Siliziumschicht 308 geeigneter Dicke und Dotierung aufgebracht werden. Im Anschluss an die H2-Ausheilung kann ein chemisch-mechanisches Planarisieren (CMP) stattfinden, um Topologie auf der Oberfläche des Substrats aufgrund der Hohlraumbildung zu beseitigen. Durch dieses Verfahren kann ein durch eine dotierte Halbleiterschicht 312 geschlossener Hohlraum 310 in dem Halbleitersubstrat 300 erzeugt werden. Bei Beispielen können die Elektroden des kapazitiven Sensorelements oder der kapazitiven Sensorelemente in der Halbleiterschicht 312 erzeugt werden, wobei die Elektrodenwandfläche einer der beiden Elektroden des kapazitiven Sensorelements modifiziert werden kann, um eine geringere Erstreckung in der zweiten Richtung aufzuweisen als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche der anderen der beiden Elektroden. Bei Beispielen kann das Modifizieren ein Ersetzen eines Teils der Halbleiterschicht, der von dem Hohlraum abgewandt ist, durch ein isolierendes Material, ein Erzeugen einer Ausnehmung in einem Teil der Halbleiterschicht, der von dem Hohlraum abgewandt ist, oder ein Erzeugen einer Gegendotierung in einem Teil der Halbleiterschicht, der von dem Hohlraum abgewandt ist, aufweisen. Bei anderen Beispielen könnte auch eine Modifizierung stattfinden, um die Erstreckung von einer der beiden Elektroden in der Bewegungsrichtung zu erhöhen.
Wie oben ausgeführt wurde, kann eine Siliziumepitaxieschicht nach dem Siliziumverfliessen mit bereits geschlossener Oberfläche erfolgen. Dies kann einer Erhöhung der Masse des beweglichen Teils und damit einer stärkeren Auslenkung unter Beschleunigung im Fall eines Beschleunigungssensors dienen. Der Verfliessprozess kann bei Beispielen eine ca 1 µm dicke Silizium-Schicht über dem Hohlraum belassen, deren Dicke durch das Epitaxieverfahren bei Beispielen auf 2 bis 5 µm erhöht werden kann.
Bei Beispielen kann, wie oben Bezug nehmend auf die 6 bis 9 erläutert wurde, eine Kontaktierung der Elektroden durch eine isolierende Schicht 110 erfolgen. Ein Beispiel, wie eine solche Kontaktierung erfolgen kann, wird Bezug nehmend auf 14 beschrieben. 14 zeigt zu erläuternden Zwecken rein schematisch ein Substrat 400 mit einem vergrabenen Hohlraum 402 und Gräben 404, die zwei Elektroden 406 und 408 definieren. Obwohl in 14 nicht dargestellt, kann es sich bei den Elektroden 406 und 408 beispielsweise um entsprechende Elektroden eines kapazitiven Sensorelements handeln, von denen eine modifiziert ist und eine nicht. Eine isolierende Schicht 410 ist auf dem Substrat 400 angeordnet, wobei zwischen dem Substrat 400 und der isolierenden Schicht 410 eine hoch dotierte Kontaktschicht 412 angeordnet sein kann. Um Kontakte zu den Elektroden 406 und 408 zu erzeugen, können Gräben in der isolierenden Schicht 410 erzeugt werden, die bis zu der hoch dotierten Schicht 412 reichen. In den Gräben kann eine Liner-Schicht 414 abgeschieden werden, die aus Ti/TiN bestehen kann. Beispielsweise kann die Liner-Schicht 414 aufgesputtert werden. Nachfolgend kann eine Temperung dieser Schicht 414 erfolgen, um Ti-Silizid zu bilden, dass verglichen mit einem reinen Metall-Halbleiter-Schottky-Kontakt einen geringeren Kontaktwiderstand aufweisen kann. Im Anschluss kann ein leitfähiges Material 416 aufgebracht oder abgeschieden werden, um die Gräben zu füllen. Bei dem leitfähigen Material kann es sich um ein Metall, wie z. B. Wolfram, handeln. Anschließend kann eine Verdrahtung auf der isolierenden Schicht 410 erzeugt werden, wie durch Metallisierungsbereiche 418 in 14 angedeutet ist, um eine elektrische Verbindung zu den Elektroden herzustellen.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensorelements, bei dem die Elektrodenwandfläche einer der beiden Elektroden eine geringere Erstreckung in der zweiten Richtung aufweist als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche. Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensorelements, das zwei kapazitive Sensorelemente aufweist, die jeweils eine erste und zweite Elektrode aufweisen, wobei bei dem ersten kapazitiven Sensorelement die Elektrodenwandfläche der beweglichen Elektrode mit einer Erstreckung in der zweiten Richtung erzeugt wird, die geringer ist als eine Erstreckung der gegenüberliegenden Elektrodenwandfläche der feststehenden Elektrode und wobei die Elektrodenwandfläche der feststehenden Elektrode des zweiten Sensorelements mit einer Erstreckung der zweiten Richtung erzeugt wird, die geringer ist als eine Erstreckung der gegenüberliegenden Elektrodenwandfläche der beweglichen Elektrode des zweiten Sensorelements in der zweiten Richtung. Bei Beispielen weist das Erzeugen der Elektroden des jeweiligen Sensorelements ein Erzeugen eines durch eine dotierte Halbleiterschicht geschlossenen Hohlraums in einem Halbleitersubstrat auf, wobei beide Elektroden des jeweiligen Sensorelements in der Halbleiterschicht erzeugt werden, wobei die Elektrodenwandfläche der Elektrode, die die geringere Erstreckung in der zweiten Richtung aufweist, modifiziert wird, um die geringere Erstreckung in der zweiten Richtung aufzuweisen. Bei anderen Beispielen können beide Elektroden des jeweiligen Sensorelements in der Halbleiterschicht erzeugt werden, wobei die Elektrodenwandfläche der Elektrode, die nicht die geringere Erstreckung in der zweiten Richtung aufweist, modifiziert wird, um eine größere Erstreckung in der zweiten Richtung aufzuweisen als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche der anderen der beiden Elektroden.
Bespiele ermöglichen die Herstellung entsprechender mikromechanischer Sensoren und Sensorelemente in Mikrosystemtechnologie (MEMS-Technologie).
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die 15A bis 15I ein Beispiel eines Verfahrens beschrieben, durch das ein kapazitives Sensorelement mit einer nicht modifizierten und einer modifizierten Elektrode, wie es in 10 gezeigt ist, erzeugt werden kann.
15A zeigt ein Halbleitersubstrat 300, in dem ein vergrabener Hohlraum 310 erzeugt ist. Das Halbleitersubstrat 300 kann beispielsweise aus Silizium bestehen. Das Halbleitersubstrat 300 kann eine Dotierung von mehr als 5 × 10¹⁷ aufweisen. Über dem Hohlraum 310 ist eine Halbleiterschicht 312 angeordnet. Das in 15A gezeigte Substrat kann beispielsweise durch ein Venezia-Verfahren, wie es oben Bezug nehmend auf die 13A bis 13C, hergestellt werden. Eine Tiefe t₂ des Hohlraums 310 kann beispielsweise 1 µm betragen. Eine Dicke t₃ der Halbleiterschicht 312 kann beispielsweise 2 bis 5 µm betragen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Zeichnungen diesbezüglich nicht maßstabsgerecht sind. Die Dicke der Halbleiterschicht 312 kann beispielsweise durch das Abscheiden einer epitaxialen Siliziumschicht mit einer entsprechenden Dotierung erhöht werden.
Ausgehend von der in 15A gezeigten Struktur wird auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats 300 eine Oxidschicht 314 aufgebracht, und auf diese Oxidschicht eine Hartmaske 316, die beispielsweise aus Siliziumnitrid bestehen kann. Nachfolgend wird ein flacher Graben mit einer Tiefe t₄, die beispielsweise 1 µm betragen kann, erzeugt. Der flache Graben wird dann mit einem Oxid 318 gefüllt. Anschließend kann ein CMP-Verfahren (chemisch-mechanisches Planarisieren) erfolgen, das auf der Nitrid-Hartmaske 316 endet. Die sich ergebende Struktur ist in 15B gezeigt. Im Anschluss wird ein Oxid-Rückätzen durchgeführt, das als „Deglasieren“ (Englisch: „deglaze“) bekannt ist, woraufhin die Nitrid-Hartmaske 318 entfernt wird. Im Anschluss wird eine Nitrid-Ätzstoppschicht 320 abgeschieden. Diese kann beispielsweise aus SiO bestehen. Die sich ergebende Struktur ist in 15C gezeigt.
Ausgehend von der in 15C gezeigten Struktur wird eine weitere Hartmaske, die als Graben-Hartmaske bezeichnet werden kann, auf die Nitrid-Ätzstoppschicht 320 aufgebracht. Die Graben-Hartmaske kann eine Oxidschicht 322 und eine Polysiliziumschicht 324 aufweisen. Die Oxidschicht 322 kann beispielsweise eine Dicke von ca. 2 µm aufweisen und die Polysiliziumschicht 324 kann beispielsweise eine Dicke von ca. 500 nm aufweisen. In der Graben-Hartmaske werden dann Öffnungen 326, die den in der Halbleiterschicht 312 zu erzeugenden Gräben entsprechen, gebildet. Die sich ergebende Struktur ist in 15D gezeigt. Im Anschluss erfolgt ein Nitrid-Ätzen und ein Oxid-Ätzen durch die Öffnungen 326 bis zur Oberfläche des Halbleitersubstrats 300. Die sich ergebende Struktur ist in 15E gezeigt. Im Anschluss erfolgt durch die Öffnungen 326 ein Silizium-Ätzen, durch das Gräben 104 in der Halbleiterschicht 312 erzeugt werden, die die Elektroden des kapazitiven Sensorelements definieren. Die sich ergebende Struktur ist in 15F gezeigt.
Ausgehend von der in 15F gezeigten Struktur wird die Hartmaske, die die Schichten 320, 322 und 324 aufweist, entfernt. Nachfolgend erfolgt eine Kontaktimplantation mit hoher Dosis, um die Kontaktschicht 208 zu erzeugen. Beispielsweise kann zum Erzeugen der Kontaktimplantation eine Phosphor-Dotierung für ein n-Typ-Siliziumsubstrat verwendet werden. Nachfolgend wird eine Aktivierungsausheilung durchgeführt, was die in 15G gezeigte Struktur zur Folge hat, bei der die Kontaktimplantation auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 300 gebildet ist. Wie in 15G zu sehen ist, wird dadurch die modifizierte Elektrode 202 mit der Elektrodenwandfläche 202a und die nicht-modifizierte Elektrode 204 mit der Elektrodenwandfläche 204a gebildet.
Bezug nehmend auf die 15H und 15I wird nun ein Beispiel eines Verfahrens zum Erzeugen einer Abdeckung für die in 15G gezeigte Struktur beschrieben. Zu diesem Zweck wird zunächst Karbon auf die Oberseite der in 15G gezeigten Struktur abgeschieden und strukturiert, um die in 15H gezeigte Karbonschicht 330 zu erzeugen. Diese Karbonschicht 330 stellt eine Opferschicht dar. Im Anschluss wird eine Oxidschicht 200 abgeschieden und strukturiert, um Kanäle 332, die zum Entfernen der Karbonschicht 330 dienen, freizulegen. Anschließend wird die Karbonschicht 330 entfernt und eine HDP-Oxid-Hohlraum-Abdichtung (HDP = high density plasma = Plasma hoher Dichte) wird durchgeführt, um den durch das Entfernen der Karbonschicht erzeugten Hohlraum 206 zu verschließen. Somit ergibt sich die in 15I gezeigte Struktur, die dem oben Bezug nehmend auf 10 beschriebenen kapazitiven Sensorelement entspricht.
Im Folgenden wird Bezug nehmend auf die 16A bis 16I ein Beispiel eines Verfahrens zum Erzeugen eines kapazitiven Sensorelements, wie es in 11 gezeigt ist, beschrieben.
16A zeigt wiederum das Ausgangssubstrat 300 und entspricht diesbezüglich 15A. Ausgehend von dieser Struktur wird zunächst eine Oxidschicht 314 aufgebracht. Auf diese Oxidschicht 314 wird ein Abdecklack (Resist) aufgebracht und strukturiert, um in demselben eine Ausnehmung 602 zu erzeugen, die die Form einer in der Siliziumschicht 312 zu erzeugenden Gegenimplantation 604 aufweist. Nachfolgend wird eine Implantation durchgeführt, um die Gegenimplantation 604 in der Siliziumschicht 312 zu erzeugen. Die Gegenimplantation 604 kann beispielsweise bis zu einer Tiefe von 1 µm erzeugt werden. Die Gegenimplantation 604 weist einen zu dem Dotierungstyp des Halbleitersubstrats 300 unterschiedlichen Dotierungstyp auf. Die sich ergebende Struktur ist in 16B gezeigt.
Im Anschluss wird das Resist 600 entfernt und eine Nitrid-Ätzstoppschicht 320 wird abgeschieden. Im Anschluss kann eine maskierte Hochdosis-Kontaktimplantation für das Halbleitersubstrat 300 durchgeführt werden, um hoch dotierte Kontaktbereiche 606 zu erzeugen. Ferner kann optional eine maskierte Hochdosis-Kontaktimplantation für das Gegenimplantat 604 durchgeführt werden, um einen hochdotierten Kontaktbereich 608 in dem Gegenimplantat 604 zu erzeugen. Der hochdotierte Kontaktbereich 608 ist vom gleichen Dotierungstyp wie das Gegenimplantat 604. Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat 300 n-dotiert sein und das Gegenimplantat 604 kann p-dotiert sein. Anschließend kann eine Ausheilungsaktivierung erfolgen. Die sich ergebende Struktur ist in 16C gezeigt.
Nachfolgend wird eine Graben-Hartmaske erzeugt, wie dies oben Bezug nehmend auf 15D beschrieben wurde. Die sich ergebende Struktur ist in 16D gezeigt. Im Anschluss wird die Nitrid-Ätzstoppschicht 320 durch die Öffnungen 326 geöffnet. Danach erfolgt ein anisotropes Oxidätzen selektiv zu dem Halbleitersubstrat 300. Die sich ergebende Struktur ist in 16E gezeigt.
Im Anschluss erfolgt eine Verarbeitung, die im Wesentlichen der oben Bezug nehmend auf die 15F bis 15I beschriebenen Verarbeitung entspricht und somit nicht im Einzelnen detailliert erläutert werden muss. Wie in 16F gezeigt, erfolgt ein Grabenätzen durch die Öffnungen 326, um die Gräben 104 in der Halbleiterschicht 312 zu erzeugen. Daraufhin erfolgt ein Entfernen der Hartmaske, wie in 16G gezeigt ist, wobei jedoch nach dem Entfernen der Hartmaske eine Kontaktimplantation nicht mehr erfolgt, da die Kontaktimplantationen bereits erzeugt wurden. Wie in den 16H und 16I gezeigt ist, wird nachfolgend eine Einkapselung bzw. ein Deckel erzeugt, wie dies oben Bezug nehmend auf die 15H und 15I beschrieben wurde. Die resultierende Struktur, die in 16I gezeigt ist entspricht einem kapazitiven Sensorelement, wie es in 11 gezeigt und oben beschrieben ist.
Bezug nehmend auf die 17A bis 17C wird nachfolgend ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines kapazitiven Sensorelements, wie es oben Bezug nehmend auf 12 beschrieben wurde, erläutert. Die anfängliche Prozessierung entspricht dabei der oben Bezug nehmend auf die 15A bis 15G beschriebenen Prozessierung, so dass diesbezüglich auf diese Figuren verwiesen wird. Ausgehend von der in 15G gezeigten Struktur erfolgt dann eine Entfernung des Oxids 318 und der Oxidschicht 314. Dadurch wird die in 17A gezeigte Struktur erhalten, bei der ein Teil der modifizierten Elektrode 202 durch eine Ausnehmung 420 ersetzt ist. Ausgehend von der in 17A gezeigten Struktur kann wiederum die Erzeugung einer Einkapselung bzw. eines Deckels unter Verwendung einer Karbonschicht 330 erfolgen, wie dies oben Bezug nehmend auf die 15H und 15I beschrieben wurde. Dieser Prozess ist in den 17B und 17C gezeigt, wobei hinsichtlich der Beschreibung dieses Prozesses auf die obigen Ausführungen hinsichtlich der 15H und 15I verwiesen wird. Der Bezug nehmend auf die 17A bis 17C beschriebene Prozess unterscheidet sich somit von dem Bezug nehmend auf die 15A bis 15I beschriebenen Prozess insbesondere dadurch, dass der auf der modifizierten Elektrode gebildete Isolationsbereich 318 entfernt wird, um eine Ausnehmung 420 zu erzeugen.
Bezug nehmend auf die 15 bis 17 wurden jeweils nur die für die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung relevanten Schritte beschrieben, wobei die Beschreibung zusätzlicher Schritte, wie zum Beispiel das Kontaktieren der jeweiligen Elektroden, der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden.
Beispiele von mikromechanischen Sensoren gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen zwei kapazitive Sensorelemente auf, wobei bei einem ersten der Sensorelemente die bewegliche Elektrode entsprechend modifiziert ist, und bei einem zweiten kapazitiven Sensorelement die feststehende Elektrode entsprechend modifiziert ist. 18A zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein zweites kapazitives Sensorelement 4 mit einer stationären Elektrode 16 und einer beweglichen Elektrode 14 und 18B zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein erstes kapazitives Sensorelement 2 mit einer beweglichen Elektrode 10 und einer stationären Elektrode 12. An diese Stelle sei angemerkt, dass die Draufsichten der 18A und 18B wiederum rein schematisch sind und keine Details bezüglich der Lagerung der einzelnen Elektroden enthalten. Bei dem Sensorelement 4 ist die feststehende Elektrode 16 modifiziert und bei dem Sensorelement 2 ist die bewegliche Elektrode modifiziert, wie jeweils durch ein Rechteck 800 angedeutet ist. Ferner sind Kontakte 802 für die Elektroden in den 18A und 18B schematisch dargestellt. Ferner ist in den 18A und 18B der die Elektroden umgebende isolierende Graben 104 schematisch dargestellt. In diesen Figuren kann das äußere Rechteck 804 die Ausdehnung des in dem Substrat gebildeten vergrabenen Hohlraums angeben. Ein Rechteck 806 zeigt schematisch den Hohlraum, der durch das Entfernen der Karbonschicht beim Herstellen der Einkapselung erzeugt wird. Die gestrichelte Linie 810 zeigt schematisch eine Schnittebene für die Schnittansichten in den 10 bis 12 an.
Die Sensorelemente 2 und 4 bilden ein Beispiel eines mikromechanischen Sensors gemäß der vorliegenden Offenbarung und können auf einem gemeinsamen Substrat oder auf separaten Substraten angeordnet sein. Bei Beispielen können die Elektroden der Sensorelemente in einer gemeinsamen Halbleiterschicht, die über einem vergrabenen Hohlraum angeordnet ist, gebildet sein, oder in einer Halbleiterschicht, die über mehreren Hohlräumen angeordnet ist. Ferne können die Elektroden der verschiedenen Sensorelemente in verschiedenen Halbleiterschichten angeordnet sein. Bei Beispielen können die Sensorelemente monolithisch integriert sein und können einer gemeinsamen Prozessierung unterworfen werden. Bei anderen Beispielen kann eine diskrete Prozessierung der Sensorelemente stattfinden. Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung können das erste und das zweite kapazitive Sensorelement in dem gleichen Substrat gebildet sein. Bei Beispielen können das erste und das zweite kapazitive Sensorelement in getrennten Substraten gebildet sein, deren Substratebenen parallel zueinander sind.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung können die ersten Elektroden des ersten und zweiten Sensorelements auf einem gemeinsamen beweglichen Element angeordnet sein. Eine schematische Draufsicht auf ein entsprechendes Beispiel ist in 19 gezeigt. In 19 sind gleiche Bezugszeichen wie in den 1A und 1B sowie den 18A und 18B verwendet. Gemäß dem in 19 gezeigten Beispiel sind die erste bewegliche Elektrode 10 und die zweite bewegliche Elektrode 14 auf einem gemeinsamen beweglichen Element 500 angeordnet, das in einer über einem vergrabenen Hohlraum 804 angeordneten Halbleiterschicht gebildet sein kann. Das Element 500 ist beweglich aufgehängt, wie durch eine Feder 502 angedeutet ist, so dass das bewegliche Element vertikal zur Substratebene beweglich ist. Ferner weist der in 19 gezeigte mikromechanische Sensor eine feststehende Elektrode 12 und eine feststehende Elektrode 16 auf. Die feststehende Elektrode 12 und die bewegliche Elektrode 10 bilden ein erstes kapazitives Sensorelement und die bewegliche Elektrode 14 und die feststehende Elektrode 16 bilden ein zweites kapazitives Sensorelement. Entsprechende Elektrodenwandflächen 12a und 10a der Elektroden 10 und 12 liegen einander gegenüber, und entsprechende Elektrodenwandflächen 14a und 16a der Elektroden 14 und 16 liegen einander gegenüber, so dass zwischen denselben eine Kapazität gebildet ist. Wie durch Rechtecke 800 in 19 angedeutet ist, sind bei diesem Beispiel die bewegliche Elektrode 10 und die feststehende Elektrode 16 modifiziert.
Bei Beispielen der kapazitiven Sensorelemente sind die sich gegenüberliegenden Elektrodenwandflächen planar. Bei anderen Beispielen sind die sich gegenüberliegenden Elektrodenwandflächen nicht planar. Die 20A und 20B zeigen ein Beispiel, bei dem sich gegenüberliegende Elektrodenwandflächen nicht planar sind, wobei 20A der 18A entspricht und 20B eine Vergrößerung des Bereichs 520 in 20A entspricht, um sich gegenüberliegende Elektrodenwandflächen 14b und 16b zu verdeutlichen, die interdigital angeordnet sind. Dabei ist festzuhalten, dass 20B ebenfalls eine Draufsicht zeigt, so dass die bewegliche Elektrode 16 in die und aus der Zeichenebene, also vertikal zur Substratebene, beweglich ist. Bei anderen Beispielen können die sich gegenüberliegenden Elektrodenwandflächen andere Formen aufweisen.
Bei Beispielen kann der mikromechanische Sensor ausgelegt sein, um eine beliebige physikalische Größe zu erfassen, die eine Bewegung der beweglichen Elektroden in der zweiten Richtung bewirkt. Bei Beispielen kann der mikromechanische Sensor als Beschleunigungssensor ausgelegt sein, wobei die ersten Elektroden ansprechend auf eine Beschleunigung in der zweiten Richtung in der zweiten Richtung beweglich sind. Bei solchen Beispielen kann die bewegliche Elektrode durch eine Schwingmasse gebildet sein oder kann auf einer Schwingmasse angeordnet sein, die ansprechend auf eine Beschleunigung abgelenkt wird. Bei anderen Beispielen kann der mikromechanische Sensor als Drucksensor ausgelegt sein, wobei die ersten Elektroden ansprechend auf einen auf die erste Elektrode wirkenden Druck beweglich sind.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich somit auf eine laterale kapazitive Out-Of-Plane-Erfassung unter Verwendung unsymmetrischen Elektroden. Dadurch ist es möglich, Zweideutigkeiten zu vermeiden, die bei einer lateralen kapazitiven Out-Of-Plane-Erfassung mit symmetrischen Elektroden auftreten kann, die um den Ruhepunkt der beweglichen Elektrode ein im Wesentlichen quadratisches Ansprechen der Kapazität auf eine Ablenkung x aufweisen. Eine Modifikation der feststehenden Elektrode in einem Sensorelement und der beweglichen Elektrode in einem zweiten kapazitiven Sensorelement ermöglicht es, das Extremum zu einer negativen bzw. positiven Ablenkung hin zu verschieben, um näherungsweise den gleichen Betrag a, C1 = ∼ (x - a)², C2 = ∼ (x + a)², wie in 3 gezeigt ist. Somit kann eine Auswertung unter Verwendung einer Subtraktion durchgeführt werden, durch die eine erhöhte Linearität erreicht werden kann und die im Idealfall nur einen linearen Beitrag belässt, beispielsweise als die resultierende Ausgabe einer kapazitiven Halbbrücke oder einer kapazitiven Vollbrücke.
Beispiele der Offenbarung beziehen sich auf entsprechende Sensoren und Sensorelemente, die sich lateral gegenüberliegende Elektroden für eine kapazitive Erfassung aufweisen und mittels einer kostengünstigen Dünnfilm-Kapselung herstellbar sind. Eine solche Dünnfilm-Kapselung kann bei Beispielen unter Verwendung eines Opferkarbons und einer dielektrischen Schicht implementiert werden, wie oben beschrieben wurde. Bei anderen Beispielen können andere Arten einer Einkapselung verwendet werden, beispielsweise ein Wafer-Bonden und dergleichen. Beispiele können unter Verwendung einer monolithischen Mikroprozessierung mit einer Dünnfilm-Einkapselung hergestellt werden. Andere Beispiele können unter Verwendung einer Mehrzahl von Wafern hergestellt werden, wobei beispielsweise die Elektroden der kapazitiven Sensorelemente in einem ersten Wafer erzeugt werden können, während ein zweiter und ein dritter Wafer als obere und untere Abdeckung dienen können.
Eine kapazitive Erfassung, wie sie bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wird, kann gegenüber piezoresistiven Erfassungsprinzipien geringere thermische Koeffizienten ohne eine schwierige Widerstandsanpassung aufweisen. Bei Beispielen ist der mikromechanische Sensor ein Drucksensor, beispielsweise ein in einem Reifendrucküberwachungssystem verwendeter Drucksensor. Bei Beispielen ist der mikromechanische Sensor ein Beschleunigungssensor. Beispiele ermöglichen eine nahezu lineare Wandlercharakteristik, um eine Signalextraktion mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen. Beispiele ermöglichen ferner eine Beschleunigungserfassung in sowohl positiver als auch negativer Richtung aus der Befestigungsebene (Substratebene), um eine Befestigung sowohl in einem Reifengummi als auch in einem Ventil zu ermöglichen. Beispiele umfassen eine Integration eines entsprechenden mikromechanischen Sensors mit einem In-Ebene-Beschleunigungserfassungselement. Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen allgemein eine kapazitive Out-Of-Plane-Ablenkungserfassung mit einer linearen Charakteristik bis zu großen Ablenkungen.
Bei den oben beschriebenen Beispielen wird der Hohlraum unterhalb der Elektroden unter Verwendung einer Silizium-Verfließtechnik (Venezia) gebildet. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf eine solche Hohlraumbildung beschränkt. Bei anderen Beispielen kann der Hohlraum unter den Elektroden durch andere Techniken implementiert werden, beispielsweise mit Opferschichten aus SiGe oder Oxid, oder einem Rückätzen von der Rückseite her. Bei Beispielen kann der Hohlraum auch durch das Bonden eines weiteren Substrats von der Rückseite her gebildet werden.
Bei den beschriebenen Beispielen wurde die Modifikation der modifizierten Elektrode jeweils durch Verringern der Erstreckung der Elektrodenwandfläche in der zweiten Richtung erreicht. Bei anderen Beispielen kann die Modifikation durch ein Hinzufügen von Elektrodenwandfläche erreicht werden, wobei dann die nicht-modifizierte Elektrode die Elektrode mit der geringeren Erstreckung in der zweiten Richtung darstellt. Eine solche Vergrößerung der Erstreckung kann beispielsweise durch Abscheiden von zusätzlichem Elektrodenmaterial und strukturiertes Rückätzen erreicht werden. Die vorliegende Offenbarung ist somit nicht auf solche Beispiele beschränkt, bei denen die geringere Erstreckung einer der Elektroden durch eine subtraktive Modifikation der Elektrode mit der geringeren Erstreckung erreicht wird, sondern umfasst auch solche Beispiele, bei denen eine additive Modifikation der Elektrode mit der größeren Erstreckung erfolgt.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf spezielle Lagerungen insbesondere der beweglichen Elektrode beschränkt. Insofern sind keine speziellen Details angegeben, sondern alle Arten von Federkonstruktionen können verwendet werden, die eine Rückstellkraft liefern, die der Auslenkung der beweglichen Elektrode aus der Ruheposition entgegenwirken. Bei einem flächeneffizienten Beispiel kann eine seismische Masse für einen Beschleunigungssensor oder eine ablenkbare Membran für einen Drucksensor als bewegliche Elektrode für beide kapazitiven Sensorelemente verwendet werden. Ein solches Beispiel wurde oben Bezug nehmend auf 19 beschrieben.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann die bewegliche Elektrode selbst als seismische Masse ausgebildet sein. Bei anderen Beispielen kann die bewegliche Elektrode an einer seismischen Masse angebracht sein.
Obwohl Auswerteschaltungen, die eine Halbbrückenschaltung oder eine Vollbrückenschaltung aufweisen, als Beispiele beschrieben sind, können andere Auswerteschaltungen, die ein Ausgangssignal auf der Grundlage der Differenz der Kapazitäten der beiden Sensorelemente bilden, verwendet werden.
Bei den beschriebenen Beispielen ist die Opferschicht für die Dünnfilm-Kapselung Karbon. Bei anderen Beispielen können andere Materialien als Opfermaterial verwendet werden, die strukturiert und selektiv entfernt werden können, um Materialien zu öffnen, wie z. B. Oxid-Material, SiN-Material oder Si-Material. Beispiele ermöglichen dies unter Verwendung eines trockenen Verfahrens, um ein Ankleben zu verhindern. Bei den beschriebenen Beispielen ist das Elektrodenmaterial ein dotiertes Halbleitermaterial, insbesondere dotiertes Silizium. Bei anderen Beispielen können andere leitfähige Materialien und geeignete Modifikationen der sich gegenüberliegenden Elektroden verwendet werden. Bei anderen Beispielen kann ein nicht-leitfähiges Material mit einer geeigneten Oberflächenbeschichtung verwendet werden, wiederum mit einer geeigneten Modifikation der sich gegenüberliegenden Elektroden. Bei Beispielen kann zur Erzeugung des Hohlraums unterhalb der Elektroden anstelle des beschriebenen Verfahrens ein SOI-Substrat mit einer lokalen Beseitigung der vergrabenen Oxidschicht verwendet werden. Bei anderen Beispielen kann ein Si-SiGe-Si-Substrat mit einer lokalen SiGe-Entfernung verwendet werden, wie es beispielsweise aus so genannten „Silicon-on-Nothing“-Elementen bekannt ist.
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden können.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
Die oben beschriebenen Beispiele sind nur darstellend für die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung. Es ist zu verstehen, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der Einzelheiten, die beschrieben sind, für Fachleute offensichtlich sind. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nur durch die beigefügten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die zum Zwecke der Beschreibung und Erklärung der Beispiele dargelegt sind, begrenzt ist.

Claims

Mikromechanischer Sensor mit folgenden Merkmalen: einem ersten und einem zweiten kapazitiven Sensorelement (2, 4), die jeweils eine erste und eine zweite Elektrode (10, 12, 14, 16, 30, 32, 202, 204) aufweisen, wobei sich Elektrodenwandflächen (10a, 12a, 14a, 16a, 202a, 204a) der ersten Elektrode (10, 14) und der zweiten Elektrode (12, 16) in einer ersten Richtung gegenüberliegen und eine Kapazität bilden, wobei die ersten Elektroden (10, 14) ansprechend auf eine zu erfassende Größe in eine zweite von der ersten Richtung verschiedene Richtung beweglich sind, und die zweiten Elektroden (12, 16) feststehend sind, wobei die Elektrodenwandfläche (10a) der ersten Elektrode (10) des ersten Sensorelements (2) in der zweiten Richtung eine geringere Erstreckung aufweist als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche (12a) der zweiten Elektrode (12) des ersten Sensorelements (2), und wobei die Elektrodenwandfläche (16a) der zweiten Elektrode (16) des zweiten Sensorelements (4) in der zweiten Richtung eine geringere Erstreckung aufweist als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche (14a) der ersten Elektrode (14) des zweiten Sensorelements (4), wobei die geringere Erstreckung der Elektrodenwandfläche (10a) der ersten Elektrode (10) des ersten Sensorelements (2) und die geringere Erstreckung der Elektrodenwandfläche (16a) der zweiten Elektrode (16) des zweiten Sensorelements (4) durch ein isolierendes Material (116, 210, 318), das einen Teil der jeweiligen Elektrode (10, 16) ersetzt, oder durch ein entgegengesetzt dotiertes Halbleitermaterial (212, 604) in der jeweiligen Elektrode implementiert ist.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, bei dem die Elektrodenwandfläche (10a) der ersten Elektrode (10) des ersten Sensorelements (2) in der zweiten Richtung die gleiche Erstreckung aufweist wie die Elektrodenwandfläche (16a) der zweiten Elektrode (16) des zweiten Sensorelements (4) und bei dem die Elektrodenwandfläche (12a) der zweiten Elektrode (12) des ersten Sensorelements (2) in der zweiten Richtung die gleiche Erstreckung aufweist wie die Elektrodenwandfläche (14a) der ersten Elektrode (14) des zweiten Sensorelements (4).
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die sich gegenüberliegenden Elektrodenwandflächen (10a, 12a, 14a, 16a, 202a, 204a) der ersten und zweiten Elektroden (10, 12, 14, 16, 30, 32, 202, 204) des ersten und zweiten Sensorelements (2, 4) in einer Richtung, die senkrecht zu der zweiten Richtung ist, die gleiche Erstreckung aufweisen.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der eine Auswerteschaltung (20) aufweist, die konfiguriert ist, um ein Ausgangssignal auszugeben, das proportional zu einer Differenz der Kapazitäten des ersten und des zweiten kapazitiven Sensorelements (2, 4) ist.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 4, bei dem die Auswerteschaltung (20) eine Halbbrückenschaltung aufweist, wobei das erste und das zweite Sensorelement (2, 4) in der Halbbrückenschaltung verschaltet sind, oder der zwei erste kapazitive Sensorelemente (2) und zwei zweite kapazitive Sensorelemente (4) aufweist, wobei die Auswerteschaltung (20) eine Vollbrückenschaltung aufweist, und wobei die ersten und zweiten Sensorelemente (2, 4) in der Vollbrückenschaltung verschaltet sind.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Sensorelemente (2, 4) in zumindest einem Substrat (100, 300, 400) gebildet sind, wobei die erste Richtung parallel zu einer Substratebene des Substrats (100, 300, 400) und die zweite Richtung senkrecht zu der Substratebene ist.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 6, bei dem die ersten und zweiten Elektroden (10, 12, 14, 16, 30, 32, 202, 204) jeweils durch dotierte Halbleiterbereiche eines Substrats (100, 300, 400) gebildet sind.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die ersten und die zweiten Elektroden (10, 12, 14, 16, 30, 32, 202, 204) auf einer Seite jeweils durch einen Hohlraum (102, 310, 402) in dem Substrat begrenzt (100, 300, 400) sind.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 8, bei dem die Elektrodenwandfläche (10a) der ersten Elektrode (10) des ersten Sensorelements (2) und der zweiten Elektrode (16) des zweiten Sensorelements (4) an einer von dem Hohlraum (102, 310, 402) abgewandten Seite durch das isolierende Material (116, 210, 318), oder durch ein entgegengesetzt dotiertes Halbleitermaterial (212, 604) begrenzt ist.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die erste Elektrode (10, 14) des ersten und des zweiten kapazitiven Sensorelements (2, 4) auf einem gemeinsamen beweglichen Element angeordnet sind.
Beschleunigungssensor mit einem mikromechanischen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die ersten Elektroden (10, 14) ansprechend auf eine Beschleunigung in der zweiten Richtung in der zweiten Richtung beweglich sind
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors mit folgenden Merkmalen: Erzeugen eines ersten und eines zweiten kapazitiven Sensorelements (2, 4), die jeweils eine erste und eine zweite Elektrode (10, 12, 14, 16, 30, 32, 202, 204) aufweisen, wobei sich Elektrodenwandflächen (10a, 12a, 14a, 16a, 202a, 204a) der ersten Elektrode (10, 14) und der zweiten Elektrode (12, 16) in einer ersten Richtung gegenüberliegen und eine Kapazität bilden, wobei die ersten Elektroden (10, 14) ansprechend auf eine zu erfassende Größe in eine zweite von der ersten Richtung verschiedene Richtung beweglich sind, und die zweiten Elektroden (12, 16) feststehend sind, mit: Erzeugen der Elektrodenwandfläche (10a) der ersten Elektrode (10) des ersten Sensorelements (2) mit einer Erstreckung in der zweiten Richtung, die geringer ist als eine Erstreckung der gegenüberliegenden Elektrodenwandfläche (12a) der zweiten Elektrode (12) des ersten Sensorelements (4) in der zweiten Richtung, und Erzeugen der Elektrodenwandfläche (16a) der zweiten Elektrode (16) des zweiten Sensorelements (4) mit einer Erstreckung in der zweiten Richtung, die geringer ist als eine Erstreckung der gegenüberliegenden Elektrodenwandfläche (14a) der ersten Elektrode (14) des zweiten Sensorelements (4) in der zweiten Richtung, wobei das Erzeugen der Elektroden (10, 12, 14, 16) des jeweiligen Sensorelements (2, 4) folgende Merkmale aufweist: Erzeugen eines durch eine dotierte Halbleiterschicht (312) geschlossenen Hohlraums (102, 310, 402) in einem Halbleitersubstrat (100, 300, 400), und Erzeugen beider Elektroden (10, 12, 14, 16, 30, 32, 202, 204) des jeweiligen Sensorelements (2, 4) in der Halbleiterschicht (312), wobei die Elektrodenwandfläche (10a, 16a) der Elektrode (10, 16), die die geringere Erstreckung in der zweiten Richtung aufweist, modifiziert wird, um die geringere Erstreckung in der zweiten Richtung aufzuweisen als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche (12a, 16a) der anderen der beiden Elektroden (12, 16); und wobei das Modifizieren ein Ersetzen eines Teils der Halbleiterschicht (312), der von dem Hohlraum (102, 310, 402) abgewandt ist, durch ein isolierendes Material (116, 210, 318), ein Erzeugen einer Ausnehmung in einem Teil der Halbleiterschicht (312), der von dem Hohlraum (102, 310, 402) abgewandt ist, und Beibehalten der Ausnehmung oder Füllen der Ausnehmung mit einem isolierenden Material (116, 210, 318), oder ein Erzeugen einer Gegendotierung (212, 604) in einem Teil der Halbleiterschicht (312), der von dem Hohlraum (310) abgewandt ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die beiden Sensorelemente (2, 4) in dem Halbleitersubstrat (100, 300, 400) erzeugt werden, wobei die Elektroden (10, 12, 14, 16, 30, 32, 202, 204) beider Sensorelemente (2, 4) in der Halbleiterschicht (312), die den Hohlraum (102, 310, 402) schließt, erzeugt werden, und wobei die Halbleiterschicht (312) strukturiert wird, um die ersten Elektroden (10, 14) des ersten und des zweiten Sensorelements (2, 4) auf einem gemeinsamen beweglichen Element anzuordnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, das ferner ein Erzeugen einer Auswerteschaltung (20), die konfiguriert ist, um ein Ausgangssignal auszugeben, das proportional zu einer Differenz der Kapazitäten des ersten und des zweiten kapazitiven Sensorelements ist (2, 4), und ein Koppeln der Auswerteschaltung (20) mit den ersten und zweiten Elektroden (10, 12, 14, 16) des ersten und zweiten Sensorelements (2, 4) aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensorelements (2, 4), das eine erste und eine zweite Elektrode (10, 12, 14, 16, 30, 32, 202, 204) aufweist, wobei sich Elektrodenwandflächen (10a, 12a, 14a, 16a, 202a, 204a) der ersten und der zweiten Elektrode (10, 12, 14, 16, 30, 32, 202, 204) in einer ersten Richtung gegenüberliegen und eine Kapazität bilden, wobei die erste Elektrode (10, 14) ansprechend auf eine zu erfassende Größe in eine zweite von der ersten Richtung verschiedene Richtung beweglich ist, und die zweite Elektrode (12, 16) feststehend ist, mit folgenden Merkmalen: Erzeugen eines durch eine dotierte Halbleiterschicht (312) geschlossenen Hohlraums (102, 310, 402) in einem Halbleitersubstrat (100, 300, 400), Erzeugen beider Elektroden (10, 12, 14, 16, 30, 32, 202, 204) des kapazitiven Sensorelements (2, 4) in der Halbleiterschicht (312), wobei die Elektrodenwandfläche (10a, 16a) einer (10, 16) der beiden Elektroden modifiziert wird, um eine geringere oder größere Erstreckung in der zweiten Richtung aufzuweisen als die gegenüberliegende Elektrodenwandfläche (12a, 14a) der anderen (12, 14) der beiden Elektroden, wobei das Modifizieren ein Ersetzen eines Teils der Halbleiterschicht (312), der von dem Hohlraum (102, 310, 402) abgewandt ist, durch ein isolierendes Material (116, 210, 318) oder ein Erzeugen einer Gegendotierung (212, 604) in einem Teil der Halbleiterschicht (312), der von dem Hohlraum (102, 310, 402) abgewandt ist, aufweist.