-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Herstellungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Inertialsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
-
Mikromechanische Inertialsensoren werden in vielfältigen technologischen Bereichen wie beispielsweise im Automobilbau, in der Unterhaltungselektronik oder in Industrieanwendungen eingesetzt. Derartige Inertialsensoren werden durch mikroelektromechanische Strukturen (microelectromechanical systems, MEMS) gebildet, die eine oder mehrere bewegliche Strukturen (Schwingmassen) aufweisen. Die durch die Bewegungen des Sensors hervorgerufenen Trägheitskräfte bewirken Auslenkungen der Schwingmasse, die in elektrische Signale umgewandelt werden und ein Maß für die anliegenden Linearbeschleunigungen bzw. Drehraten ergeben.
-
Ein solcher Sensor weist neben den beweglichen Strukturen elektronische Komponenten, insbesondere in Form einer integrierten Auswerteschaltung (anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder application-specific integrated circuit, ASIC) auf, die das Rohsignal verarbeiten und dem Steuergerät oder Mikroprozessor in Form einer aufbereitenden Information zur Verfügung stellen. Eine mögliche Herstellungsvariante besteht darin, die MEMS-Struktur und die elektronische Komponente als getrennte Bauteile zu fertigen und anschließend zusammenzufügen. Aus Kostengründen ist jedoch eine Integration von mikromechanischen und elektronischen Komponenten auf einem Träger (Substrat) wünschenswert, wie sie durch monolithische Integration beider Komponenten auf dem gleichen Chip realisiert werden kann.
-
Eine weitere Form der Integration verschiedener funktionaler Einheiten in einem einzigen Bauteil ist die 3D-Integration von elektronischen Komponenten, bei der die funktionalen Teilstrukturen sowohl horizontal nebeneinander, als auch vertikal übereinander angeordnet werden. Um elektrisch leitende Verbindungen (Durchkontaktierungen) zwischen vertikal übereinander angeordneten Ebenen zu schaffen, werden Löcher im Trägersubstrat erzeugt, die anschließend mit einer Isolierschicht versehen und mit leitfähigem Material aufgefüllt werden um auf diese Weise die Vorder- und Rückseite des Trägers miteinander zu verbinden. Eine solche Verbindung wird auch als Via, im Falle von Silizium als Wafermaterial insbesondere als Silizium-Durchkontaktierung (through-silicon via, TSV) bezeichnet.
-
In diesem Zusammenhang ist aus der
US 2007/0044556 A1 ein Beschleunigungssensor bekannt, bei dem die bewegliche Masse durch Ätzgräben vom übrigen Substrat getrennt ist, wobei sich die Gräben über die gesamte Dicke des Substrats erstrecken. Aus der
US 2006/0169049 A1 ist eine Vorrichtung mit nebeneinander auf einem einzigen Wafer angeordneten Sensor- und Schaltungsstrukturen bekannt. Die
US 2015/0001632 A1 beschreibt die Erzeugung von integrierten Schaltungen durch einen CMOS-Prozess und die
DE 10 2012 208 030 A1 einen Inertialsensor bei dem der die bewegliche Masse aufweisende Wafer auf einem separaten, die Schaltungsstrukturen enthaltenden Wafer angeordnet ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für Inertialsensoren zur Verfügung zu stellen, mit dem sich eine kompakte Integration der mechanischen und elektronischen Komponenten realisieren lässt.
-
Das Herstellungsverfahren gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die beschleunigungssensitiven mikromechanischen Strukturen und die Logik-Strukturen in effizienter Weise auf demselben Wafersubstrat erzeugt werden können. Neben einer kostengünstigen Herstellung lässt sich auf diese Weise eine kompakte Bauform mit kurzen Signalwegen zwischen den mechanischen und elektronischen Komponenten und niedrigen parasitären Störsignalen erreichen. Durch die Nutzung der Tiefenausdehnung des Substrats lässt sich gegenüber flächigen Strukturen zudem ein relativ geringer Flächenbedarf und damit eine kompakte Sensorgröße erzielen.
-
Zur Beschreibung der geometrischen Verhältnisse wird die Haupterstreckungsebene des Wafersubstrats als Bezugsebene zugrunde gelegt. Richtungen parallel zur Haupterstreckungsebene werden im Folgenden auch als laterale oder horizontale Richtungen bezeichnet, während die Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene als vertikale Richtung bezeichnet wird, ohne dass damit eine Beziehung zur Schwerkraftrichtung impliziert ist. Die Ausdehnung des Wafersubstrats in vertikaler Richtung wird im Folgenden auch als Dicke des Wafersubstrats bezeichnet und die beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Wafersubstrats, die im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene orientiert sind, werden als Wafervorderseite und Waferrückseite bezeichnet, wobei die Wafervorderseite als die Seite definiert wird, auf der die integrierte Schaltung gebildet wird.
-
Vorzugsweise besteht das Wafersubstrat aus Silizium, wobei jedoch auch andere Halbleitermaterialien wie beispielsweise Germanium denkbar sind. Bei der Verwendung anderer Halbleitermaterialien übertragen sich die im Folgenden beschriebenen Strukturen aus mono- bzw. polykristallinem Material und Oxidstrukturen in entsprechender Weise.
-
Vorzugsweise erfolgt das Freilegen der Schwingmasse nachdem die integrierte Schaltung gebildet wurde. Für die Form der integrierten Schaltung und deren Erzeugung stehen aus dem Stand der Technik mehrere gängige Methoden zur Verfügung. Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Erzeugung der beweglichen Struktur mit den gebräuchlichen Herstellungsverfahren für die Logik-Strukturen weitgehend kompatibel und lässt sich, gegebenenfalls mit Anpassungen im Herstellungsprozess in bestehende Fertigungsprozesse integrieren. Denkbar ist auch, das Freilegen der mikromechanischen Strukturen zuerst durchzuführen und die integrierte Schaltung in einem zeitlich nachfolgenden Schritt zu bilden. Vorzugsweise wird im Anschluss an die Bildung der integrierten Schaltung und der mikromechanischen Struktur eine Verkappung des Gesamtchips durchgeführt, so dass die aus mikromechanischen und logischen Strukturen gebildete Einheit als integriertes Sensor-Bauteil zur Verfügung steht.
-
Erfindungsgemäß erstreckt sich die Ausnehmung über die gesamte Substratdicke und bildet damit eine Durchgangs- bzw. Durchbruchsöffnung durch das Substrat, die sich sowohl zur Substratvorderseite als auch zur Substratrückseite hin öffnet. Durch die Ausnehmung wird die Schwingmasse an ihren lateralen Rändern vom restlichen Substrat abgetrennt, wobei ein oder mehrere einzelne Verbindungsbereiche bestehen bleiben, die als Federstruktur fungieren und die Schwingmasse relativ zum restliche Substrat schwingbar lagern. Die Ausnehmung bildet einen, die Schwingmasse lateral umgebenden Freiraum, so dass die Schwingmasse in eine oder mehrere horizontale Richtungen auslenkbar ist. Die vertikale Ausdehnung der freigelegten Schwingmasse entspricht dabei vorzugsweise im Wesentlichen der Substratdicke.
-
Die Bildung der Ausnehmung im Wafersubstrat erfolgt vorzugsweise durch Trench-Ätzung. Für die Erzeugung von grabenartigen Strukturen (Trench-Gräben) durch Ätzen sind aus dem Stand der Technik mehrere technologische Möglichkeiten bekannt. Insbesondere wird das vollständige Durchtrenchen, d.h. die Erzeugung von Ausnehmungen die durch das gesamte Substrat reichen, als Teilschritt bekannter Verfahren zur Durchkontaktierung wie dem TSV-Prozess verwendet. Neben Ätzen sind grundsätzlich auch alternative Methoden wie beispielsweise Materialabtrag durch Laserstrahlung möglich, bzw. Kombinationen verschiedener materialabtragender Verfahren, bei denen verschiedene laterale Bereiche der Ausnehmung oder einzelne vertikale Abschnitte durch unterschiedliche Verfahren abgetragen werden. Insbesondere besteht eine mögliche Variante darin, die Ausnehmung zunächst nur bis zu einer bestimmten Substrattiefe zu bilden und anschließend Material von der gegenüberliegenden Substratseite zu entfernen, so dass sich eine durchgehende Ausnehmung bildet. Eine Möglichkeit hierfür besteht darin, durch Trench-Ätzung einen Graben auf einer Waferseite zu bilden und auf der gegenüberliegenden Seite Material durch Rückschleifen (thinning) abzutragen, so dass sich die Ausnehmung über die gesamte Substratdicke erstreckt.
-
Vorzugsweise wird die Federstruktur ebenfalls aus dem Wafersubstrat gebildet, indem die Ausnehmung entsprechend geometrisch gestaltet wird, d.h. derart, dass beim Trenchen ein oder mehrere Bereiche zwischen Schwingmasse und restlichem Wafersubstrat intakt belassen werden, so dass die ausgelassenen Bereiche elastisch deformierbare Verbindungen bilden, durch die die Schwingmasse relativ zum restlichen Wafersubstrat gehalten und schwingbar gelagert wird. Um eine solche mechanische Verbindung herzustellen, muss die Federstruktur mindestens ein Verbindungselement (Federelement) umfassen. Vorzugsweise weist die Schwingmasse zwei oder mehr Federelemente auf, die im Folgenden in ihrer Gesamtheit ebenfalls als Federstruktur bezeichnet werden. Die Federelemente können beispielsweise in Form von Steg- oder balkenartigen Strukturen vorliegen oder auch komplexere geometrische Formen aufweisen. Die vertikale Ausdehnung der Federstruktur entspricht dabei vorzugsweise der Substratdicke. Vorzugsweise weist der Querschnitt der einzelnen Federelemente ein hohes Aspektverhältnis auf, d.h. die vertikale Ausdehnung ist deutlich größer als die laterale Breite der Federelemente. Auf diese Weise lässt sich eine hohe Steifigkeit der Federstruktur bezüglich vertikaler Bewegungen erreichen, so dass vertikale Auslenkungen effektiv unterdrückt werden und die Schwingung im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene erfolgt.
-
Alternativ kann die Federstruktur aus einer oder mehreren zusätzlich auf das Wafersubstrat aufgebrachten und entsprechend strukturierten Schichten bestehen. So lässt sich die bewegliche Struktur beispielsweise durch Schichten aus undotiertem Silizium, Polysilizium, Oxid- oder Nitrid mechanisch und elektrisch anbinden bzw. entkoppeln. Möglich ist auch, die Federstruktur durch eine Abfolge von horizontalen und vertikalen Abschnitten zu bilden, wobei die vertikalen Abschnitte aus dem Wafersubstrat herauspräpariert werden, während die horizontalen Abschnitte durch zusätzlich aufgebrachte und anschließend freigelegte Schichten gebildet werden.
-
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren ein Freilegen einer Elektrodenstruktur aus dem Wafersubstrat. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenstruktur zwei oder mehr Einzelelektroden, die insbesondere bezüglich der horizontalen Richtung auf gegenüberliegenden Seiten der Schwingmasse angeordnet sind und zu dieser beabstandet sind. Der zur Bildung der Elektrodenstruktur notwendige Materialabtrag kann auf dieselbe Weise erfolgen wie der Abtrag zur Freilegung der Schwingmasse. Vorzugsweise werden Schwingmasse und Elektrodenstruktur in einem einzigen Ätzschritt freigelegt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Freilegen von Schwingmasse und Elektrodenstruktur durch Bildung einer Ausnehmung, die sowohl die Schwingmasse, als auch die Elektrodenstruktur lateral umgibt. Die vertikale Ausdehnung der Elektrodenstruktur entspricht vorzugsweise im Wesentlichen der Substratdicke. Eine besonders vorteilhafte geometrische Konfiguration entsteht dadurch, dass die, der Schwingmasse zugewandten Flächen der Elektrodenstruktur und die, der Elektrodenstruktur zugewandten Flächen der Schwingmasse im Wesentlichen eben und zueinander planparallel angeordnet sind. Auf diese Weise wird die Anordnung aus Schwingmasse und Elektroden ohne Kammstrukturen realisiert.
-
Erfindungsgemäß wird die integrierte Schaltung mit der Elektrodenstruktur und insbesondere auch mit der Schwingmasse durch die Kontaktstruktur verbunden. Insbesondere lässt sich auf diese Weise eine kapazitive Messvorrichtung realisieren, bei der die Auslenkung der Schwingmasse durch Änderung der Kapazität des aus Schwingmasse und Elektroden bestehenden Systems detektiert werden kann. Durch die relativ großen beweglichen Strukturen, die in vertikaler Richtung aus dem Wafersubstrat herauspräpariert werden, lässt sich ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis bei gleichzeitig sehr geringen Streukapazitäten erzielen. Die Kontaktstruktur wird vorzugsweise durch eine Schicht aus polykristallinem Material, insbesondere Polysilizium gebildet. Vorzugsweise wird die Schicht von der Wafervorderseite her auf das Wafersubstrat aufgebracht und durch Ätzen zusätzlich strukturiert.
-
Erfindungsgemäß wird das die Elektrodenstruktur umgebende Wafersubstrat vollständig abgetragen und eine mechanische Verbindung zwischen der Elektrodenstruktur und dem restlichen Wafersubstrat wird ausschließlich durch die Kontaktstruktur gebildet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Freilegen der Schwingmasse und/oder das Freilegen der Elektrodenstruktur durch reaktives lonenätzen, insbesondere reaktives lonentiefenätzen (deep reacitve ion etching, DRIE). Beim DRIE-Prozess lässt sich durch einen zyklischen Wechsel zwischen Ätzen und Passivierung der Seitenwände der geätzten Gräben ein anisotropes Ätzprofil erreichen, d.h. der Materialabtrag erfolgt vornehmlich in vertikaler Richtung und die Gräben werden von im Wesentlichen senkrechten Seitenwänden begrenzt. Auf diese Weise lassen sich Gräben mit einem hohen Verhältnis von vertikaler Ausdehnung zu horizontaler Breite herstellen. Insbesondere ist damit bei der Herstellung des Sensors zudem keine aufwändige Gasphasen-Ätzung notwendig.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Freilegen der Schwingmasse und/oder das Freilegen der Elektrodenstruktur durch Materialabtrag von der Waferrückseite her.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Dotieren eines Teilbereichs des Wafersubstrats und das Freilegen der Schwingmasse und/oder der Elektrodenstruktur erfolgt in dem dotierten Teilbereich. Die Dotiersubstanzen können dabei mittels lonenimplantation oder durch Diffusion in das Wafersubstrat eingebracht werden. Durch Dotierung lässt sich die Konzentration von Elektronen-Akzeptoren bzw. -Donatoren gezielt einstellen und damit insbesondere die elektrische Leitfähigkeit des Materials beeinflussen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die integrierte Schaltung durch einen CMOS-Prozess erzeugt. Dabei werden durch Metall-Oxid-HalbleiterStrukturen (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) Feldeffekttransistoren gebildet, mit denen sich logische Schaltungen realisieren lassen. Die vorstehend beschriebene Erzeugung der MEMS-Struktur ist mit den gängigen, aus dem Stand der Technik bekannten CMOS-Prozessen weitgehend kompatibel und lässt sich somit vorteilhafterweise in bestehende Herstellungsverfahren integrieren.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wafervorderseite zumindest teilweise mit einer Isolationsschicht, insbesondere mit einer Oxidschicht versehen.
-
Die eingangs formulierte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Inertialsensor gemäß Anspruch 8. Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Inertialsensor mit einer Ausführungsform des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Inertialsensor handelt es sich insbesondere um einen Beschleunigungs- oder einen Drehratensensor. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor ein dreiachsiger Beschleunigungssensor wie er in Fahrerassistenzsystemen zur Berganfahrhilfe (Hill-hold-control) oder im Nieder-g-Bereich zur Fahrdynamikregelung (Elektronisches Stabilitäts-Programm, ESP) eingesetzt werden kann.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors.
- 2 zeigt einen Ausschnitt des Sensors aus 1 in einer Aufsicht.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In 1 ist eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors 1 dargestellt. Die Grundlage für die mikroelektromechanische Struktur wird durch ein Wafersubstrat 4 aus monokristallinem Silizium gebildet. Die vertikale Richtung (senkrecht zum Wafersubstrat 4) ist in der Zeichnung durch den Pfeil 8 angedeutet, während die Haupterstreckungsebene 7 des Substrats durch die Bildhorizontale und die senkrecht auf der Bildebene stehende Richtung gebildet wird.
-
Auf der Wafervorderseite 5 wird in einem ersten Schritt eine integrierte Schaltung in Form einer CMOS-Struktur 3 erzeugt. Für die Erzeugung stehen aus dem Stand der Technik verschiedene bewährte Verfahren zu Verfügung, die jeweils in einer Abfolge mehrerer Einzelschritte wie Oxidation, Fotolithografie, Ätzen, Dotieren und Aufbringen unterschiedlicher Schichten bestehen. Um die im weiteren Prozessverlauf zu erzeugenden mikroelektromechanischen Strukturen, vor allem die Elektroden 12 mit der CMOS-Schaltung 3 zu verbinden, wird von der Wafervorderseite 5 her eine Kontaktstruktur 13, beispielsweise in Form einer Polysiliziumschicht 13 auf den Wafer 4 aufgebracht und ein Teil der Schicht durch partielles Ätzen an der Stelle entfernt, an der in einem späteren Prozessschritt die Schwingmasse 2 freigelegt wird. Zusätzlich wird der Wafer 4 zumindest in einem Teilbereich der Wafervorderseite 5 mit einer isolierenden Siliziumoxidschicht 15 versehen.
-
Nachdem das Wafersubstrat 4 auf diese Weise mit einer integrierten Schaltung 3 versehen wurde, wird der Teilbereich 14 zusätzlich dotiert und anschließend durch reaktives lonentiefenätzen die mikromechanischen Strukturen erzeugt. Die Pfeile 17 deuten dabei den Fluss der positiven Ionen an, die beim Aufprall Material aus dem Wafer 4 entfernen und dabei zunehmend tiefer werdende Gräben bilden. Durch diesen Prozess wird insbesondere die Schwingmasse 2 freigelegt, indem das Material, das die Schwingmasse 2 lateral umgibt nahezu vollständig abgetragen wird, wobei innerhalb der dadurch erzeugten Ausnehmung 10 relativ schmale Federstrukturen 9 (siehe 2) bestehen bleiben, durch die die freigelegte Schwingmasse 2 mit dem restlichen Substrat 4 verbunden bleibt und gehalten wird. Außerhalb der Federstrukturen 9 erstreckt sich die Ausnehmung 10 in Tiefenrichtung 8 durch das gesamte Substrat 4 und bildet eine Durchgangsöffnung, die Substratvorderseite 5 und die Rückseite 6 miteinander verbindet. Die Herstellung der Ausnehmung 10 verläuft technisch analog zur Erzeugung von Via-Löchern beim TSV-Prozess, wo die Löcher als Vorstufe einer leitenden Durchkontaktierung gebildet werden. Statt die Ausnehmung 10 direkt durchgehend zu gestalten ist es auch möglich, zunächst Material nur bis zu einer bestimmten Tiefe abzutragen und den verbleibenden Rest anschließend beispielsweise durch Rückschleifen der Waferrückseite 5 zu entfernen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Unterseite des zu bearbeitenden Bereichs mit einer zusätzlichen Schicht (wie beispielsweise der dargestellten Schicht 13) zu versehen, das Wafersubstrat 4 um die Schwingmasse 2 herum und bis zur aufgebrachten Schicht hin zu entfernen und anschließend die Schicht abzutragen und die Schwingmasse dadurch freizustellen.
-
Anschließend wird durch Ätzen von zusätzlichen Gräben 11 eine Elektrodenstruktur 12 aus dem Substrat 4 herauspräpariert. Dabei wird das Wafermaterial um die Elektroden 12 herum vollständig entfernt, so dass die Elektroden ausschließlich durch die Kontaktstruktur gehalten werden. Neben der mechanischen Stützung leistet die Kontaktstruktur die leitfähige Verbindung mit der CMOS-Schaltung 3, so dass die Elektrodenstruktur 12 zur Messung von Auslenkungen der Schwingmasse 2 eingesetzt werden kann.
-
In 2 ist ein Teilausschnitt des Sensors aus 1 in einer schematischen Aufsicht dargestellt. Die Bildebene entspricht hier der durch die Pfeile 7 angedeuteten Haupterstreckungsebene, so dass die laterale Form der mikromechanischen Struktur aus 1 erkennbar ist. Durch die gestrichelte Kontur 18 ist der Bereich angedeutet, in dem durch Materialabtrag die Ausnehmungen 10 und 11 gebildet wurden. Durch den Materialabtrag wurden einerseits die beiden Elektroden 12 freigelegt, die durch die Polysiliziumstrukturen 13 gehalten und kontaktiert werden. Zum anderen wurde durch den Materialabtrag aus dem Substrat 4 die Schwingmasse 2 zusammen mit der über die Aufhängungen 16 mit dem restlichen Substrat 4 verbundenen Federstruktur 9 herauspräpariert. Der durch die Ausnehmung 10 geschaffene Freiraum ermöglicht es, dass die Schwingmasse 2 durch elastische Verformung der Federstruktur 9 in der angedeuteten Bewegungsrichtung 19 ausgelenkt werden kann. Bei Anliegen einer äußeren Beschleunigung in Richtung 19 wird der, von der Schwingmasse 2 und der Federstruktur 9 gebildete Steg aufgrund seiner Trägheit aus der Ruhelage ausgelenkt, so dass die Abstände zu den beiden Elektroden 12 verändern und über die damit verbundene Kapazitätsänderung der Anordnung einer Messung zugänglich sind.
