DE102018221102B4 - Inertial sensor with a movable detection element of a field effect transistor and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellen eines Inertialsensors (400) mit einem beweglichen Detektionselement (180) eines Feldeffekttransistors, aufweisend die Schritte:- Bereitstellen einer digitalen integrierten Schaltung (100);- Bereitstellen einer analogen integrierten Schaltung (200);- Funktionales Verbinden der digitalen integrierten Schaltung (100) mit der analogen integrierten Schaltung (200) mittels Waferbonden; und- Freistellen des beweglichen Detektionselements (180) des Feldeffekttransistors in der analogen und/oder digitalen integrierten Schaltung (200) nach dem Waferbonden.Method for producing an inertial sensor (400) with a movable detection element (180) of a field effect transistor, comprising the steps: - providing a digital integrated circuit (100); - providing an analog integrated circuit (200); - functional connection of the digital integrated circuit ( 100) with the analog integrated circuit (200) by means of wafer bonding; and- freeing the movable detection element (180) of the field effect transistor in the analog and / or digital integrated circuit (200) after the wafer bonding.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Inertialsensors mit einem beweglichen Detektionselement eines Feldeffekttransistors. Die Erfindung betrifft ferner einen Inertialsensor mit einem beweglichen Detektionselement eines Feldeffekttransistors.The invention relates to a method for producing an inertial sensor with a movable detection element of a field effect transistor. The invention further relates to an inertial sensor with a movable detection element of a field effect transistor.
Stand der TechnikState of the art
Mikromechanische Sensoren, wie zum Beispiel Inertialsensoren, werden meist mittels kapazitiver oder piezoresistiver Wandler realisiert. Bekannt sind ferner sogenannte Moving-Gate- oder Moving-Channel-Inertialsensoren, wobei derartige Sensoren allerdings bis heute nicht auf dem Markt erhältlich sind.Micromechanical sensors, such as inertial sensors, are usually implemented using capacitive or piezoresistive transducers. So-called moving gate or moving channel inertial sensors are also known, although such sensors are not yet available on the market.
Normalerweise wird in der Mikromechanik Siliziumdioxid für Opferschichten verwendet, welches sich hochselektiv zu Silizium trocken und isotrop ätzen lässt. Bei einer Verwendung von Siliziumdioxid als Gateoxid bei Moving-Gate-Inertialsensoren würde dies zu einem offenen Kanalbereich zwischen Drain- und Sourcekontakten führen und weiterhin auch die Source- und Drainkontakte selbst offenlegen. Mit den damit offen liegenden Kontakt- und Kanalbereichen werden Oberflächenzustände erzeugt, die negative Auswirkungen auf z.B. die Driftstabilität und auf das Signal-zu-Rauschverhältnis des Sensorelements haben können.Normally, silicon dioxide is used for sacrificial layers in micromechanics, which can be dry and isotropically etched highly selectively to silicon. If silicon dioxide were used as gate oxide in moving-gate inertial sensors, this would lead to an open channel region between drain and source contacts and would furthermore also disclose the source and drain contacts themselves. With the exposed contact and channel areas, surface conditions are generated that have a negative impact on e.g. can have the drift stability and the signal-to-noise ratio of the sensor element.
Um die Sensorfunktion zu gewährleisten, muss eine bewegliche Struktur im Sensorelement hergestellt werden.
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Inertialsensors mit einem beweglichen Detektionselement eines Feldeffekttransistors bereitzustellen.An object of the present invention is to provide an improved method for producing an inertial sensor with a movable detection element of a field effect transistor.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Inertialsensors mit einem Detektionselement eines Feldeffekttransistors, aufweisend:
- - Bereitstellen einer digitalen integrierten Schaltung;
- - Bereitstellen einer analogen integrierten Schaltung;
- - Funktionales Verbinden der digitalen integrierten Schaltung mit der analogen integrierten Schaltung mittels Waferbonden; und
- - Freistellen des beweglichen Detektionselements des Feldeffekttransistors in der analogen und/oder digitalen integrierten Schaltung nach dem Waferbonden.
- - Providing a digital integrated circuit;
- - providing an analog integrated circuit;
- - Functional connection of the digital integrated circuit with the analog integrated circuit by means of wafer bonding; and
- - Freeing the movable detection element of the field effect transistor in the analog and / or digital integrated circuit after the wafer bonding.
Vorteilhaft ist dadurch ermöglicht, dass bewegliche Strukturen des Feldeffekttransistors von der Rückseite freigelegt werden können. Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine einfachere Prozessgestaltung und es können elektrische Leiterbahnen, ohne Rücksicht auf Folgeprozesse nehmen zu müssen, frei gestaltet werden. Eine Bereitstellung von Perforationen, um eine Ausbildung von Strukturen von der Vorderseite realisieren zu können, ist somit entbehrlich und nicht erforderlich.This advantageously enables movable structures of the field effect transistor to be exposed from the rear. This advantageously results in a simpler process design and electrical conductor tracks can be freely designed without having to take subsequent processes into account. Providing perforations in order to be able to implement structures from the front is therefore unnecessary and not necessary.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Inertialsensor mit einem Detektionselement eines Feldeffekttransistors, aufweisend:
- - eine digitale integrierte Schaltung;
- - eine analoge integrierte Schaltung;
- - wobei die digitale integrierte Schaltung mit der analogen integrierten Schaltung mittels Waferbonden funktional verbunden ist; und
- - wobei das bewegliche Detektionselement des Feldeffekttransistors im Wesentlichen von aus der analogen und/oder digitalen integrierten Schaltung nach dem Waferbonden herausstrukturiertem einkristallinen Substratmaterial gebildet wird.
- - a digital integrated circuit;
- - an analog integrated circuit;
- - The digital integrated circuit is functionally connected to the analog integrated circuit by means of wafer bonds; and
- - The movable detection element of the field effect transistor is essentially formed by single-crystalline substrate material structured out of the analog and / or digital integrated circuit after wafer bonding.
Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred developments of the method are the subject of dependent claims.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die analoge integrierte Schaltung mittels Waferbonden mit einem Kappenelement verbunden wird. Vorteilhaft kann der Inertialsensors mit einem Kappenelement ausgestattet werden, wobei innerhalb des Kappenelements ein geeigneter Gasdruck für eine verbesserte Funktionalität des beweglichen Detektionselements des FETs ausgebildet wird.An advantageous development of the method is characterized in that the analog integrated circuit by means of wafer bonding with a Cap element is connected. The inertial sensor can advantageously be equipped with a cap element, a suitable gas pressure being formed within the cap element for improved functionality of the movable detection element of the FET.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die analoge oder die digitale integrierte Schaltung wenigstens einen elektrisch leitenden Kontakt aufweist, der eine elektrische Verbindung zu einem Kappenelement herstellt. Auf diese Weise können elektrische Schaltungen auch im Kappenelement genutzt werden. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn in einem später aufgebrachten Kappenelement auch noch elektrische Funktionalitäten vorhanden sind, die mit den Funktionalitäten der analogen integrierten Schaltung verbunden werden sollen.A further advantageous development of the method is characterized in that the analog or digital integrated circuit has at least one electrically conductive contact, which establishes an electrical connection to a cap element. In this way, electrical circuits can also be used in the cap element. This is particularly advantageous if electrical functions that are to be connected to the functions of the analog integrated circuit are also present in a cap element that is subsequently attached.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das bewegliche Detektionselement des Feldeffekttransistors mittels Opferschichtätzen von Polysilizium der analogen integrierten Schaltung freigestellt wird. Auf diese Weise wird das bewegliche Detektionselement des Feldeffekttransistors von der Rückseite her ausgebildet. Zum Freilegen der Opferschicht werden konventionelle anisotrope Trockenätzschritte durchgeführt, die nicht durch störende Metallisierungslagen der Vorderseite behindert werden. Im Ergebnis ist dadurch auf einfache Weise eine Bereitstellung einer beweglichen Detektionsstruktur des Feldeffekttransistors im gebondeten Zustand mit der digitalen integrierten Schaltung ermöglicht.Another advantageous development of the method is characterized in that the movable detection element of the field effect transistor is freed from polysilicon of the analog integrated circuit by means of sacrificial layer etching. In this way, the movable detection element of the field effect transistor is formed from the rear. Conventional anisotropic dry etching steps are carried out to expose the sacrificial layer, which are not impeded by disruptive metallization layers on the front side. As a result, it is possible in a simple manner to provide a movable detection structure of the field effect transistor in the bonded state with the digital integrated circuit.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer Innenfläche des Kappenelements ein Gettermaterial aufgebracht wird. Durch das Gettermaterial, welches Gasmoleküle binden kann, wird eine verbesserte Konstanz des Gasdrucks im Inneren einer Kaverne des Kappenelements erzielt.Another advantageous development of the method is characterized in that a getter material is applied to an inner surface of the cap element. The getter material, which can bind gas molecules, improves the consistency of the gas pressure inside a cavern of the cap element.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass über eine Öffnung im Kappenelement ein geeigneter Gasdruck in einer Kavität eingestellt wird, wobei die Öffnung mittels eines Lasers durch Aufschmelzen von Substratmaterial verschlossen wird. Dadurch ist auch ein Einstellen des Gasdrucks nach dem Waferbonden ermöglicht, wobei dies durch ein Öffnen des Kappenelements, ein Einstellen des Gasdrucks und anschließendes Verschließen der Öffnung durch Aufschmelzen und Erstarren von Substratmaterial durchgeführt wird. im Falle der Realisierung von mehreren Kavernen in einem Kappenelement können mit dieser Methode auch unterschiedliche Gasdrücke eingestellt werden, wobei das Verfahren dabei mehrfach wiederholt und jeweils nur die einzustellende Kaverne geöffnet und verschlossen wird.A further advantageous development of the method is characterized in that a suitable gas pressure in a cavity is set via an opening in the cap element, the opening being closed by means of a laser by melting substrate material. This also makes it possible to adjust the gas pressure after wafer bonding, this being carried out by opening the cap element, adjusting the gas pressure and then closing the opening by melting and solidifying substrate material. If several caverns are realized in one cap element, this method can also be used to set different gas pressures, the process being repeated several times and in each case only the cavern to be set being opened and closed.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, dass als bewegliches Detektionselement ein bewegliches Gate oder ein beweglicher Kanal des Feldeffekttransistors ausgebildet wird. Auf diese Weise werden unterschiedliche Detektionsprinzipien im Sinne eines Moving-Channel-Sensors oder eines Moving-Gate-Sensors realisiert.Further advantageous developments of the method are characterized in that a movable gate or a movable channel of the field effect transistor is formed as the movable detection element. In this way, different detection principles in the sense of a moving channel sensor or a moving gate sensor are implemented.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass im Kappenelement schaltungstechnische Funktionalitäten integriert sind. Vorteilhaft kann dadurch eine Funktionalität des Initialsensors noch weiter verbessert werden.A further advantageous development of the method is characterized in that circuitry functionalities are integrated in the cap element. In this way, a functionality of the initial sensor can advantageously be further improved.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren technischen Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Zur besseren Übersichtlichkeit kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt.The invention is described in more detail below with further technical features and advantages using several figures. For better clarity, it can be provided that not all reference numbers are drawn in all the figures. The figures are not necessarily drawn to scale.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines Inertialsensors mit einem beweglichen Detektionselement eines Feldeffekttransistors in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend den Inertialsensor mit einem beweglichen Detektionselement eines Feldeffekttransistors ergeben und umgekehrt.Disclosed method features result analogously from corresponding disclosed device features and vice versa. This means in particular that features, technical advantages and designs relating to the method for producing an inertial sensor with a movable detection element of a field effect transistor result analogously from corresponding designs, features and advantages relating to the inertial sensor with a movable detection element of a field effect transistor and vice versa.
In den Figuren zeigt:
-
1 -16 anhand von Querschnittsansichten ein prinzipielles Verfahren zum Herstellen eines Inertialsensors mit einem beweglichen Detektionselement eines Feldeffekttransistors; und -
17 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines Inertialsensors mit einem beweglichen Detektionselement eines F eldeffekttransi stors.
-
1 -16 based on cross-sectional views, a basic method for manufacturing an inertial sensor with a movable detection element of a field effect transistor; and -
17th a basic sequence of a method for manufacturing an inertial sensor with a movable detection element of a field effect transistor.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Die Oxidschicht
Die nachfolgenden Querschnittsansichten zeigen eine Ausbildung einer analogen integrierten Schaltung („Analog-IC“)
Die Querschnittsansicht des zweiten Substrats
Die Querschnittsansicht des zweiten Substrats
Die Querschnittsansicht von
Es ist somit vorteilhaft nicht erforderlich, die genannte Freistellung des beweglichen Detektionselements von der Oberseite durch die analoge integrierte Schaltung
In der Querschnittsansicht von
In der Querschnittsansicht des Initialsensors
In der Querschnittsansicht von
Im Ergebnis ist dadurch ein Abstand der Gateelektrode
In den folgenden
Man erkennt in
Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, das Kappenelement mittels eines Ätzschritts zu öffnen, den Gasdruck innerhalb der Kavität
Ein auf diese Weise hergestelltes Verschlusselement
In der Querschnittsansicht des Sensorelements
In der Querschnittsansicht des Sensorelement
Mit der Erfindung wird eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Sensors sowie eines Herstellungsprozesses für Sensoren vorschlagen, welche Feldeffekttransistoren (FETs) mit einem beweglichen Kanalbereich zur Signaldetektion verwenden. Ferner ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren die Möglichkeit zur Integration von analogen und digitalen integrierten Schaltungen in einem Gesamtbauelement, womit eine signifikante Flächenersparnis und damit auch eine mögliche Kostenreduktion des Gesamtsystems verbunden sind. Durch den Verzicht von hybriden AVT-Methoden kann ferner auch die Sensorperformance gesteigert werden, da beispielsweise auf die Verwendung von Drahtbonds zur Verbindung des MEMS mit dem analogen und digitalen IC verzichtet werden kann. Diese verursachen üblicherweise ungewollte, erhöhte parasitäre Kapazitäten und damit einhergehende längere Signallaufzeiten.
Durch das vorgeschlagene Verfahren eröffnen sich mehrere Vorteile:The invention proposes an advantageous embodiment of a sensor and a manufacturing process for sensors which use field effect transistors (FETs) with a movable channel area for signal detection. Furthermore, the proposed method enables the possibility of integrating analog and digital integrated circuits in an overall component, which is associated with a significant saving in area and thus a possible cost reduction of the overall system. By dispensing with hybrid AVT methods, the sensor performance can also be increased since, for example, the use of wire bonds to connect the MEMS to the analog and digital IC can be dispensed with. These usually cause unwanted, increased parasitic capacities and the associated longer signal propagation times.
The proposed method opens up several advantages:
Durch die Verwendung von Waferbond-Technologien wird eine vollständige 3D Integration von MEMS, analogem und digitalem IC ermöglicht, wodurch ein Platzbedarf des Gesamtsystems deutlich reduziert werden kann und damit einhergehend auch die Kosten potentiell gesenkt werden können.The use of wafer bond technologies enables full 3D integration of MEMS, analog and digital IC, which significantly reduces the space requirement of the overall system and, as a result, can potentially reduce costs.
Durch die den Verzicht auf hybride Verbindungstechnik zwischen MEMS und ICs (zum Beispiel Drahtbonds) können potentiell parasitäre Kapazitäten verringert werden was einen positiven Einfluss auf die Sensorperformance hat.By not using hybrid connection technology between MEMS and ICs (e.g. wire bonds), potentially parasitic capacitances can be reduced, which has a positive influence on the sensor performance.
Im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren wird die mikromechanische Funktion nach den Herstellungsschritten für den digitalen und analogen IC durchgeführt. Dadurch ist es nicht mehr notwendig, die Verdrahtungsschichten im IC zu perforieren, um eine Freistellung der beweglichen Teile zu realisieren. Die Verdrahtungsschichten können somit ohne Rücksichtnahme auf die späteren MEMS-Prozessschritte realisiert werden. Die Mikromechanik kann anschließend nach dem Waferbonden von der Rückseite des Substrats strukturiert werden.In contrast to conventional methods, the micromechanical function is carried out according to the manufacturing steps for the digital and analog IC. As a result, it is no longer necessary to perforate the wiring layers in the IC in order to release the moving parts. The wiring layers can thus be implemented without taking into account the later MEMS process steps. The micromechanics can then be structured from the back of the substrate after wafer bonding.
Durch den vorgeschlagenen Herstellungsprozess ist es im Vergleich zum Stand der Technik nicht notwendig, eine Perforation von verschiedenen Schichten vorzusehen, um sämtliche notwendige vergrabene Bereiche mechanisch freistellen zu können. Weiterhin bleiben durch den vorgeschlagenen Prozess der Kanalbereich sowie der Drain- und Sourcebereich auch nach dem Opferschichtätzen mit der Isolationsschicht bedeckt. Dies verhindert die Penetration/Migration von Ionen/Ladungen von außen in den feldsensitiven Bereich und reduziert damit die Sensordrift.Due to the proposed manufacturing process, it is not necessary, in comparison to the prior art, to provide perforation of different layers in order to be able to mechanically clear all the necessary buried areas. Furthermore, the proposed process means that the channel region and the drain and source region remain covered with the insulation layer even after the sacrificial layer etching. This prevents the penetration / migration of ions / charges from the outside into the field-sensitive area and thus reduces the sensor drift.
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Es versteht sich von selbst, dass die genannten Schritte
Beispielsweise ist in einer Variante auch denkbar, dass anstatt des oben erläuterten Moving-Channel-Sensors ein Inertialsensor mit beweglichem Gate (Moving Gate Sensor) ausgebildet wird (nicht in Figuren dargestellt).For example, in one variant it is also conceivable that, instead of the moving channel sensor explained above, an inertial sensor with a movable gate (moving gate sensor) is formed (not shown in the figures).
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the invention has been described above on the basis of specific exemplary embodiments, the person skilled in the art can also implement embodiments which have not been disclosed or only partially disclosed without departing from the essence of the invention.
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- 2018-12-06 DE DE102018221102.7A patent/DE102018221102B4/en active Active
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