Die Erfindung geht aus von einer
Vorrichtung und einem Verfahren nach der Gattung der nebengeordneten
Ansprüche.
Es sind allgemein bereits Feuchtesensoren bekannt, die eine sensierende Schicht
aufweisen. Die Feuchtigkeit kann in die sensible Schicht eindringen
und damit die Dielektrizität bzw.
die Leitfähigkeit
der sensierenden Schicht ändern.
Durch das Eindringen von Feuchtigkeit kann es sein, dass die sensierende
Schicht im Laufe der Zeit oxidiert wird. Dadurch verändert sich
das Messsignal, was sich letztlich in einer Signaldrift bemerkbar macht.The invention is based on one
Device and a method according to the genus of the secondary
Expectations.
Moisture sensors are generally known which have a sensing layer
exhibit. The moisture can penetrate into the sensitive layer
and thus the dielectric or
the conductivity
change the sensing layer.
The penetration of moisture may cause the sensing
Layer is oxidized over time. This changes
the measurement signal, which is ultimately noticeable in a signal drift.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben demgegenüber den
Vorteil, dass ein langzeitstabiler Feuchtesensor bzw. ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen möglich
ist. Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, als sensierende Schicht poröses Silizium und insbesondere
oxidiertes poröses
Silizium vorzusehen. Insbesondere beim porösen Silizium ist es so, dass
durch die durch die Poren eindringende Feuchtigkeit das Silizium
im Laufe der Zeit oxidiert wird. Durch die Verwendung von oxidiertem
porösem
Silizium ist somit eine geringere Signaldrift möglich. Durch die Oxidation
des porösen
Siliziums bereits bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors
wird eine weitere Oxidation des porösen Siliziums im Laufe der
Zeit bzw. beim Betrieb vermieden. Dadurch ist ein kostengünstiger
Feuchtesensor bzw. eine kostengünstige Vorrichtung
mit einer hohen Langzeitstabilität
der sensierenden Schicht bzw. der feuchteempfindlichen Schicht möglich. Erfindungsgemäß ist es
weiterhin möglich,
die Elektroden durch eine Oxidschicht zu schützen, wobei ein Korrosionsschutz
der Elektroden bewirkt wird. Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, die
erfindungsgemäße Vorrichtung
bzw. den Sensor in kleinen Abmessungen vorzusehen, sodass der Sensor
zum einen ein kleines Bauvolumen benötigt und zum anderen durch
die geringere Chipfläche eine
kostengünstige
Herstellung möglich
ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es möglich,
kurze Diffusionswege in der porösen
oxidierten Siliziumschicht vorzusehen, wodurch kleine Ansprechzeiten der
Vorrichtung möglich
sind. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die feuchteempfindliche
sensierende Schicht ausgeheizt wird, sodass noch kleinere Ansprechzeiten
möglich
sind. Erfindungsgemäß ist es
weiterhin vorgesehen, auf dem gleichen Chip wie die Vorrichtung
eine Auswerteschaltung vorzusehen. Der Herstellprozess der feuchteempfindlichen
Schicht ist kompatibel zu den Halbleiterprozessen wie beispielsweise
CMOS oder BCD und kann leicht integriert werden. Dadurch ist in vorteilhafter
Weise eine besonders kostengünstige Herstellung
der Vorrichtung möglich.The device according to the invention and the method according to the invention
with the features of the subordinate claims have the
Advantage that a long-term stable moisture sensor or a method
possible to produce one
is. It is according to the invention
provided as a sensing layer porous silicon and in particular
oxidized porous
To provide silicon. In the case of porous silicon in particular, it is the case that
the silicon due to the moisture penetrating through the pores
is oxidized over time. By using oxidized
porous
Silicon therefore has less signal drift. By oxidation
of the porous
Silicon already in the manufacture of the sensor according to the invention
will further oxidation of the porous silicon in the course of the
Time or avoided during operation. This makes it cheaper
Moisture sensor or an inexpensive device
with a high long-term stability
the sensing layer or the moisture-sensitive layer possible. It is according to the invention
still possible
to protect the electrodes with an oxide layer, providing corrosion protection
the electrodes is effected. According to the invention it is also possible to
device according to the invention
or to provide the sensor in small dimensions so that the sensor
on the one hand requires a small construction volume and on the other hand by
the smaller chip area one
inexpensive
Manufacturing possible
is. In the device according to the invention
Is it possible,
short diffusion paths in the porous
provide oxidized silicon layer, which means short response times of the
Device possible
are. Furthermore, it is provided according to the invention that the moisture-sensitive
sensing layer is heated, so that even shorter response times
possible
are. It is according to the invention
further provided on the same chip as the device
to provide an evaluation circuit. The manufacturing process of moisture sensitive
Layer is compatible with the semiconductor processes such as
CMOS or BCD and can be easily integrated. This is more advantageous
Way a particularly cost-effective production
the device possible.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den
nebengeordneten Ansprüchen
angegebenen Vorrichtung und des Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft
ist es, dass die sensierende Schicht im Wesentlichen vollständig oxidiert
vorgesehen ist. Dadurch erweitern sich die Vorteile der Verwendung
des oxidierten porösen
Siliziums auf die gesamte sensierende Schicht. Weiterhin ist es
von Vorteil, dass das Substrat zumindest teilweise als zweite Elektrode
vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich,
eine besonders kostengünstig
herzustellende Vorrichtung vorzusehen. Weiterhin ist es vorteilhaft,
als zweite Elektrode eine vergrabene Elektrode vorzusehen. Dadurch
ist es möglich, eine
zweite Elektrode mit einer besonders großen Leitfähigkeit vorzusehen, wodurch
die Strombelastung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermindert
wird und die Empfindlichkeit des Bauelements vergrößert wird.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass die erste Elektrode Öffnungen
aufweist oder dass die erste Elektrode als Leiterbahn vorgesehen
ist. Durch die Öffnungen
ist es möglich,
dass ein besonders guter Austausch zwischen der sensierenden Schicht und
der Umgebung möglich
ist. Durch das Vorsehen der ersten Elektrode als Leiterbahn ist
es möglich, zum
einen einen besonders guten Gasaustausch zwischen der sensierenden
Schicht und der Umgebung vorzusehen und zum anderen ist es dadurch möglich, eine
Ausheizung der sensierenden Schicht vorzunehmen. Weiterhin ist es
von Vorteil, dass die erste und zweite Elektrode als ineinander
verschränkte
Interdigitalelektroden vorgesehen sind. Dadurch ist es möglich, einen
besonders guten Gasaustausch zwischen der sensierenden Schicht und der
Umgebung vorzusehen und zum anderen ist es dadurch möglich, die
Elektroden in einer Ebene bzw. in einer Schicht anzuordnen. Dadurch
ist es weiterhin möglich,
die erste und die zweite Elektrode besonders symmetrisch vorzusehen.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass an der ersten Elektrode ein zweiter
Anschluss vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, insbesondere, wenn die
erste Elektrode als Leiterbahn vorgesehen ist, dass mit besonders
einfachen Mitteln eine Ausheizung der sensierenden Schicht vorgenommen
wird. Weiterhin ist es von Vorteil, dass eine dritte Elektrode vorgesehen
ist, die als Leiterbahn vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, unabhängig von
der Messung mittels der ersten und zweiten Elektrode, eine Ausheizung
der sensierenden Schicht vorzunehmen. Weiterhin ist es von Vorteil,
dass die sensierende Schicht von ihrer Oberseite und ihrer Unterseite
her für
Feuchtigkeit zugänglich
vorgesehen ist. Dadurch ist ein besonders guter Gasaustausch zwischen
der Umgebung und der sensierenden Schicht möglich. Die Diffusionswege können somit
halbiert werden. Wegen des exponentiellen Zusammenhangs von Diffusionslängen und
Diffusionszeiten kann dadurch die Ansprechzeit um ein Vielfaches
reduziert werden. Weiterhin ist es möglich, dass auch die Ausheizzeit
bzw. die zur Ausheizung notwendige Energie durch das Vorsehen einer
beidseitigen Zugänglichkeit
der sensierenden Schicht verringert wird. Dadurch, dass die sensierende
Schicht beidseitig zugänglich
ist, wird durch den Hohlraum vertikal wenig Wärme abgeleitet. Auch lateral
wird wenig Wärme
abgeleitet, wenn die Membran aus aufoxidiertem porösem Silizium
besteht. Durch das Ausheizen sind besonders kurze Ansprechzeiten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich.The measures listed in the subclaims allow advantageous developments and improvements of the device and the method specified in the independent claims. It is particularly advantageous that the sensing layer is essentially completely oxidized. This extends the benefits of using the oxidized porous silicon to the entire sensing layer. It is also advantageous that the substrate is at least partially provided as a second electrode. This makes it possible to provide a particularly inexpensive device to manufacture. Furthermore, it is advantageous to provide a buried electrode as the second electrode. This makes it possible to provide a second electrode with a particularly high conductivity, as a result of which the current load in the device according to the invention is reduced and the sensitivity of the component is increased. It is furthermore advantageous that the first electrode has openings or that the first electrode is provided as a conductor track. Through the openings it is possible that a particularly good exchange between the sensing layer and the environment is possible. The provision of the first electrode as a conductor track makes it possible, on the one hand, to provide a particularly good gas exchange between the sensing layer and the surroundings and, on the other hand, to heat the sensing layer. It is furthermore advantageous that the first and second electrodes are provided as interdigital electrodes intertwined. This makes it possible to provide a particularly good gas exchange between the sensing layer and the environment, and on the other hand it is possible to arrange the electrodes in one plane or in one layer. This also makes it possible to provide the first and second electrodes in a particularly symmetrical manner. It is also advantageous that a second connection is provided on the first electrode. This makes it possible, in particular if the first electrode is provided as a conductor track, to heat the sensing layer with particularly simple means. It is also advantageous that a third electrode is provided, which is provided as a conductor track. This makes it possible to heat the sensing layer independently of the measurement using the first and second electrodes. It is furthermore advantageous that the top and bottom of the sensing layer is provided so that it is accessible to moisture. This enables particularly good gas exchange between the surroundings and the sensing layer. The diffusion paths can thus be halved. Because of the exponential zu In connection with diffusion lengths and diffusion times, the response time can be reduced many times over. Furthermore, it is possible that the baking time or the energy required for baking is also reduced by providing access to the sensing layer on both sides. Because the sensing layer is accessible from both sides, little heat is dissipated vertically through the cavity. Little heat is also dissipated laterally if the membrane consists of oxidized porous silicon. The bakeout enables particularly short response times of the device according to the invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.Embodiments of the invention
are shown in the drawing and in the description below
explained in more detail.
Es zeigenShow it
1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einer ersten Ausführungsform
für die
zweite Elektrode, 1 a device according to the invention with a first embodiment for the second electrode,
2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einer zweiten Ausführungsform
für die
zweite Elektrode, 2 a device according to the invention with a second embodiment for the second electrode,
3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einer ersten Ausführungsform
für die
erste Elektrode, 3 a device according to the invention with a first embodiment for the first electrode,
4 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einer zweiten Ausführungsform
für die
erste Elektrode, 4 a device according to the invention with a second embodiment for the first electrode,
5 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einer ersten Ausführungsform
einer Elektrodenanordnung, 5 a device according to the invention with a first embodiment of an electrode arrangement,
6 und 7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer zweiten Ausführungsform
der Elektrodenanordnung, 6 and 7 a device according to the invention with a second embodiment of the electrode arrangement,
8 eine
Prinzipdarstellung in Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit der ersten oder zweiten Elektrodenanordnungen, 8th 2 shows a schematic representation in top view of a device according to the invention with the first or second electrode arrangements,
9 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
der zweiten Ausführungsform
der zweiten Elektrode mit Hohlraum, 9 a device according to the invention with the second embodiment of the second electrode with cavity,
10 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
der zweiten Ausführungsform
der zweiten Elektrode mit Hohlraum entlang einer anderen Schnittlinie, 10 1 shows a device according to the invention with the second embodiment of the second electrode with a cavity along another cutting line,
11 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
der zweiten Ausführungsform
der zweiten Elektrode mit Hohlraum in Draufsicht, 11 a device according to the invention with the second embodiment of the second electrode with cavity in plan view,
12 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
der zweiten Ausführungsform
der ersten Elektrode mit Hohlraum, 12 a device according to the invention with the second embodiment of the first electrode with cavity,
13 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
der ersten Ausführungsform
der Elektrodenanordnung mit Hohlraum, 13 a device according to the invention with the first embodiment of the electrode arrangement with cavity,
14 und 15 eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit der zweiten Ausführungsform
der Elektrodenanordnung mit Hohlraum, 14 and 15 a device according to the invention with the second embodiment of the electrode arrangement with cavity,
16 eine
Prinzipdarstellung in Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit der ersten oder zweiten Elektrodenanordnung mit Hohlraum, 16 2 shows a schematic representation in top view of a device according to the invention with the first or second electrode arrangement with cavity,
17 eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Hohlraum und 17 a further embodiment of the device according to the invention with cavity and
18 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Hohlraum und einer dritten Elektrode. 18 an embodiment of the device according to the invention with a cavity and a third electrode.
In 1 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst
ein Substrat 10, welches insbesondere als Siliziumsubstrat 10 vorgesehen
ist und erfindungsgemäß insbesondere
positiv dotiert ist. Im Siliziumsubstrat 10 ist eine erste
Elektrode 30 als zusammenhängende und stark n-dotierte
Gebiete 30 vorgesehen. Dass die stark n-dotierten Gebiete 30 als
erste Elektrode 30 in 1 nicht
zusammenhängend
dargestellt sind, liegt daran, dass die 1 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
darstellt. In einem Randbereich der ersten Elektrode 30 sind
Anschlussdiffusionsgebiete 31 ebenfalls als stark negativ
dotierte Bereiche vorgesehen. Die Anschlussdiffusionsgebiete 31 tragen
erste Anschlussflächen 32,
die auch als erste Bondpads 32 für die erste Elektrode 30 bezeichnet
werden. Die erste Elektrode 30 ist eingebettet bzw. umgeben
von einem Bereich porösen
Siliziums, der in 1 mit
dem Bezugszeichen 20 versehen ist. In einem Bereich außerhalb
der ersten Elektrode 30 befindet sich ein zweites Anschlussdiffusionsgebiet 51 für die zweite Elektrode,
die in 1 mit dem Bezugszeichen 50 versehen
ist und in diesem Fall identisch mit dem Substrat 10 vorgesehen
ist. Das zweite Anschlussdiffusionsgebiet 51 trägt eine
zweite Anschlussfläche 52,
die auch als zweites Bondpad 52 für die zweite Elektrode 50 bezeichnet
wird.In 1 A device according to the invention is shown. The device according to the invention comprises a substrate 10 , which in particular as a silicon substrate 10 is provided and according to the invention is particularly positively doped. In the silicon substrate 10 is a first electrode 30 as contiguous and heavily n-doped areas 30 intended. That the heavily n-doped areas 30 as the first electrode 30 in 1 are not shown contiguously because the 1 is a sectional view of the device according to the invention. In an edge area of the first electrode 30 are connection diffusion areas 31 also provided as heavily negatively doped areas. The connection diffusion areas 31 wear first pads 32 that are also used as first bond pads 32 for the first electrode 30 be designated. The first electrode 30 is embedded or surrounded by an area of porous silicon, which is in 1 with the reference symbol 20 is provided. In an area outside the first electrode 30 there is a second connection diffusion area 51 for the second electrode, which in 1 with the reference symbol 50 is provided and in this case identical to the substrate 10 is provided. The second connection diffusion area 51 carries a second connection surface 52 which is also used as a second bondpad 52 for the second electrode 50 referred to as.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung als Feuchtesensor
vorgesehen. Der Bereich porösen
Siliziums 20 umfasst insbesondere aufoxidiertes poröses Silizium.
Die Feuchtigkeit kann durch die von oben zugängliche oxidierte poröse Siliziumschicht 20 ein-
und ausdiffundieren. Dadurch ändert
sich die Dielektrizitätskonstante
der porösen
Schicht 20 und damit die Kapazität eines durch die erste Elektrode 30 und
die zweite Elektrode 50 gebildeten Kondensators. Die erste
Elektrode 30 des Kondensators wird dabei durch die stark
negativ dotierten Gebiete 30 und 31 gebildet,
und die zweite Elektrode 50 des Kondensators wird durch
das Substrat 10 gebildet. Daher wird die zweite Elektrode 50 bei
der in 1 dargestellten
ersten Ausführungsform
der zweiten Elektrode 50 auch als Grundelektrode bezeichnet. Zum
Anschluss der Grundelektrode oder zweiten Elektrode 50 in
der 1 ist das zweite
Anschlussdiffusionsgebiet 51, das auch als der zweite Anschlussdotierungsbereich 51 bezeichnet
wird, vorgesehen. Anstelle der ersten und zweiten Kontaktflächen 32, 52 kann
es erfindungsgemäß auch vorgesehen
sein, dass die Anschlussdotierungsbereiche 31, 51 als
Leiterbahnen zu einer auf dem gleichen Substrat 10 monolithisch
integrierten, in 1 jedoch nicht
dargestellten Auswerteschaltung führen. Insgesamt ist in 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einer ersten Ausführungsform
der zweiten Elektrode 50 dargestellt.According to the invention, the device is provided as a moisture sensor. The area of porous silicon 20 includes, in particular, oxidized porous silicon. Moisture can be caused by the oxidized porous silicon layer accessible from above 20 diffuse in and out. This changes the dielectric constant of the porous layer 20 and thus the capacity of one through the first electrode 30 and the second electrode 50 formed capacitor. The first electrode 30 the capacitor is thereby through the heavily negatively doped areas 30 and 31 formed, and the second electrode 50 of the capacitor is through the substrate 10 educated. Therefore, the second electrode 50 at the in 1 illustrated first embodiment of the second electrode 50 also referred to as the base electrode. For connecting the base electrode or second electrode 50 in the 1 is the second connection diffusion area 51 which is also called the second follow-up funding area 51 is designated. Instead of the first and second contact areas 32 . 52 it can also be provided according to the invention that the connection doping areas 31 . 51 as traces to one on the same sub strat 10 monolithically integrated, in 1 but not lead evaluation circuit. Overall is in 1 an inventive device with a first embodiment of the second electrode 50 shown.
In 2 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer zweiten Ausführungsform
der zweiten Elektrode 50 dargestellt. In 2 ist die zweite Elektrode 50 als
vergrabene und strukturierte Elektrode 50 vorgesehen. Dies
hat den Vorteil, dass die zweite Elektrode 50 niederohmiger
vorsehbar ist als die Grundelektrode bzw. Bulkelektrode aus der
ersten Ausführungsform
der zweiten Elektrode 50 in 1. Die
leitfähige
und vergrabene strukturierte zweite Elektrode 50 in 2 weist daher eine höhere Leitfähigkeit
als die Bulkelektrode in 1 auf.
Zur Herstellung der vergrabenen zweiten Elektrode 50 sind sogenannte
zweite Leitbereiche 53 vorgesehen, die in derselben Ebene
angeordnet sind wie die zweite Elektrode 50. Die zweiten
Leitbereiche 53 bzw. Leitgebiete 53 sind mittels
des zweiten Anschlussdotierungsgebiets 51 kontaktierbar
an die Oberseite der Vorrichtung geführt. Weiterhin sind wieder
das Substrat 10, das erste Anschlussdotierungsgebiet 31,
die erste Anschlussfläche 32 und
die erste Elektrode 30 dargestellt. Weiterhin ist auch
wieder der Bereich 20 des porösen Siliziums dargestellt.
Sowohl in 1 als auch
in 2 ist ein mit dem
Bezugszeichen 22 versehener Doppelpfeil dargestellt, der
den Gasaustausch bzw. dem Feuchteaustausch zwischen der in den 1 und 2 nicht dargestellten Feuchte mit dem porösen Silizium 20 darstellen
soll.In 2 is a device according to the invention with a second embodiment of the second electrode 50 shown. In 2 is the second electrode 50 as a buried and structured electrode 50 intended. This has the advantage that the second electrode 50 can be provided with a lower resistance than the base electrode or bulk electrode from the first embodiment of the second electrode 50 in 1 , The conductive and buried structured second electrode 50 in 2 therefore has a higher conductivity than the bulk electrode in 1 on. To manufacture the buried second electrode 50 are so-called second guiding areas 53 provided, which are arranged in the same plane as the second electrode 50 , The second guiding areas 53 or lead areas 53 are by means of the second follow-up funding area 51 made contactable to the top of the device. Furthermore, the substrate is again 10 , the first follow-up funding area 31 , the first pad 32 and the first electrode 30 shown. Furthermore, the area is again 20 porous silicon. As well in 1 as well in 2 is one with the reference symbol 22 provided double arrow shown, the gas exchange or moisture exchange between the in the 1 and 2 not shown moisture with the porous silicon 20 should represent.
Die Herstellung der dotierten strukturierten zweiten
Elektrode 50 in 2 erfolgt
durch Standardhalbleiterschritte. Hinsichtlich der ersten Elektrode 30 besteht
auch die Möglichkeit,
diese nicht durch eine Dotierung bzw. dotierte Bereiche, sondern
beispielsweise durch eine strukturierte Metallschicht herzustellen.
Alternativ dazu ist es auch möglich,
die erste Elektrode 30 als sehr dünne durchgehende Metallschicht
herzustellen. In diesem Fall ist es möglich, dass die Feuchtigkeit
durch die sehr dünne
Metallschicht der ersten Elektrode 30 in den Bereich porösen Siliziums 20 hineindiffundiert
und herausdiffundiert.The production of the doped structured second electrode 50 in 2 takes place through standard semiconductor steps. Regarding the first electrode 30 there is also the possibility of not producing them by doping or doped regions, but rather, for example, by a structured metal layer. Alternatively, it is also possible to use the first electrode 30 to produce as a very thin continuous metal layer. In this case it is possible that the moisture through the very thin metal layer of the first electrode 30 in the area of porous silicon 20 diffused in and diffused out.
In 3 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer ersten Ausführungsform
der ersten Elektrode 30 in Draufsicht dargestellt. Wiederum
sind das Substrat 10 und der Bereich porösen Siliziums 20 dargestellt.
Weiterhin ist das erste Anschlussdotierungsgebiet 31, das
zweite Anschlussdotierungsgebiet 51, die erste Anschlussfläche 32 und
die zweite Anschlussfläche 52 dargestellt.
Die gesamte erste Elektrode 30, welche auch als Deckelektrode 30 bezeichnet
wird, besteht aus stark negativ dotiertem Silizium und besitzt bei
der ersten Ausführungsform
der ersten Elektrode 30 Öffnungen, die in 3 mit dem Bezugszeichen 34 versehen
sind. Die Öffnungen 34 können dabei
erfindungsgemäß quadratisch
bzw. rechteckig vorgesehen sein oder auch rund oder oval oder dergleichen.
Durch die Öffnungen 34 ist
es möglich,
dass die Feuchtigkeit in das aufoxidierte poröse Silizium 20 eindringen
kann. Je kleiner die Wege sind, durch die die Feuchtigkeit diffundieren
muss, desto kleiner ist die Ansprechzeit. Diese Feststellung gilt
generell für
alle erfindungsgemäßen Vorrichtungen.In 3 is a device according to the invention with a first embodiment of the first electrode 30 shown in top view. Again are the substrate 10 and the area of porous silicon 20 shown. Furthermore, the first follow-up funding area 31 , the second follow-up funding area 51 , the first pad 32 and the second pad 52 shown. The entire first electrode 30 which is also used as a cover electrode 30 is made of heavily negatively doped silicon and in the first embodiment has the first electrode 30 Openings in 3 with the reference symbol 34 are provided. The openings 34 can be provided according to the invention square or rectangular or round or oval or the like. Through the openings 34 it is possible that the moisture in the oxidized porous silicon 20 can penetrate. The smaller the paths through which the moisture has to diffuse, the shorter the response time. This statement applies generally to all devices according to the invention.
Demnach ist es günstig, die Tiefe der porösen Schicht 20 klein
zu halten und ebenso die Tiefe der stark negativ dotierten ersten
Elektrode 30. Auch sollte die Breite der stark negativ
dotierten Bereiche der ersten Elektrode 30 klein gehalten
werden. Erfindungsgemäß ist es
also für
eine kleine Ansprechzeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass
möglichst
kleine Diffusionswege für
die Feuchtigkeit auch im Randbereich des porösen Siliziumbereichs 20 vorgesehen
ist.Accordingly, it is convenient to determine the depth of the porous layer 20 keep small and also the depth of the heavily negatively doped first electrode 30 , The width of the heavily negatively doped regions of the first electrode should also be 30 be kept small. According to the invention, for a short response time of the device according to the invention, the smallest possible diffusion paths for the moisture are also provided in the edge region of the porous silicon region 20 is provided.
In 4 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer zweiten Ausführungsform
der ersten Elektrode 30 dargestellt. Die für den Gasaustausch vorgesehenen
Bereiche 35, die den Öffnungen 34 aus 3 entsprechen, sind hierbei
größer vorgesehen
und als Schlitze vorgesehen. Hierdurch ist ein noch besserer Gasaustausch
bzw. Feuchtigkeitsaustausch mit dem Bereich porösen Siliziums 20 möglich. Auch
in 4 sind das Substrat 10,
die erste Elektrode 30, die erste Anschlussfläche 32 und
die zweite Anschlussfläche 52 dargestellt.
Die erste Elektrode 30 ist in 4 als Leiterbahn vorgesehen. Dies ist
in Draufsicht in 4 dadurch
zu sehen, dass die erste Elektrode 30 mäanderförmig über die Fläche des porösen Siliziums 20 vorgesehen
ist. Hierdurch ist es möglich,
dass die erste Elektrode 30 ein erstes Ende und ein zweites
Ende aufweist. Das erste Ende ist identisch mit der ersten Anschlussfläche 32 und
das zweite Ende ist identisch mit einer dritten Anschlussfläche 72.
Die dritte Anschlussfläche 72 wird
auch als dritter Anschluss 72 bezeichnet. Hierdurch ist
es möglich,
die erste Elektrode 30 als Widerstandsanordnung auf der
Fläche
des porösen Siliziums 20 bzw.
auf der Schicht des porösen
Siliziums 20 vorzusehen. Hierdurch kann die Schicht porösen Siliziums 20 bei
der zweiten Ausführungsform der
ersten Elektrode 30 in 4 ausgeheizt
werden. Dies bedeutet, dass das Ausdiffundieren von Feuchtigkeit
dadurch beschleunigt wird. Wird Strom durch die solchermaßen als
Leiterbahn angeordnete erste Elektrode 30 geschickt, so
kann die sensierende Schicht 20 bzw. die Sensorschicht
ausgeheizt werden, wodurch die Feuchtigkeit im Inneren verdampft.In 4 is a device according to the invention with a second embodiment of the first electrode 30 shown. The areas intended for gas exchange 35 that the openings 34 out 3 correspond, are provided larger and provided as slots. This results in an even better gas exchange or moisture exchange with the porous silicon area 20 possible. Also in 4 are the substrate 10 , the first electrode 30 , the first pad 32 and the second pad 52 shown. The first electrode 30 is in 4 provided as a conductor track. This is in top view in 4 by seeing that the first electrode 30 meandering over the surface of the porous silicon 20 is provided. This makes it possible for the first electrode 30 has a first end and a second end. The first end is identical to the first connection surface 32 and the second end is identical to a third pad 72 , The third pad 72 is also used as a third port 72 designated. This makes it possible to use the first electrode 30 as a resistor arrangement on the surface of the porous silicon 20 or on the layer of porous silicon 20 provided. As a result, the layer can be porous silicon 20 in the second embodiment of the first electrode 30 in 4 be baked out. This means that the diffusion of moisture is accelerated. Is current through the first electrode arranged in this way as a conductor track 30 sent, so the sensing layer 20 or the sensor layer are heated, whereby the moisture evaporates inside.
Zur Herstellung einer wie in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind lediglich Standardhalbleiterschritte notwendig, wodurch es sehr
kostengünstig
wird, die erfindungsgemäße Vorrichtung
herzustellen. Ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie
sie in 1 dargestellt
ist, sieht erfindungsgemäß folgende
Schritte vor: Auf dem positiv dotierten Substrat 10 wird
zunächst
eine Oxidation und eine Strukturierung der stark negativ zu dotierenden
Gebiete der ersten Elektrode 30 bzw. der Anschlussdotierungsgebiete 31 vorgesehen.
Anschließend
erfolgt diese starke negative Diffusion. Anschließend wird eine
Oxidation und eine Strukturierung der positiv zu dotierenden Gebiete,
insbesondere des stark positiv dotierten zweiten Anschlussdiffusionsgebiets 51, durchgeführt und
im Anschluss daran die positive Diffusion ausgeführt. Zum Strukturieren der
positiven Diffusion wird eine Oxidation verwendet, analog zur negativen
Dotierung. Anschließend
daran wird erfindungsgemäß auf dem
solcherart vorbereiteten Substrat 10 eine in 1 nicht dargestellte Schicht
zur Maskierung der zur Anodisierung vorgesehenen Schicht porösen Siliziums 20 abgeschieden.
Eine solche Schicht zur Maskierung ist beispielsweise Siliziumnitrid.
Im Anschluss daran wird die Anodisierung, d. h. die Herstellung
des Bereichs porösen
Siliziums 20, vorgenommen. Hierbei werden negativ dotierte
Bereiche nicht porös
geätzt,
sondern nur positiv dotierte Bereiche. Im Anschluss an die Herstellung des
porösen
Bereichs 20 findet eine Oxidation des porösen Siliziums 20 statt
und gleichzeitig eine Aktivierung der Dotierungen (Bitte um Erklärung, falls dies
nicht selbstverständlich
ist). Im Anschluss daran wird eine strukturierte Metallisierung
der Bondpads 32, 52 beispielsweise durch eine
Schattenmaske durchgeführt.To make one like in 1 The device according to the invention shown is only necessary for standard semiconductor steps, which makes it very cost-effective to manufacture the device according to the invention. A manufacturing method for manufacturing a device according to the invention, as described in 1 according to the invention provides the following steps: on the positively doped substrate 10 oxidation and structuring of the Ge to be heavily negatively doped offer the first electrode 30 or the subsequent funding areas 31 intended. This strong negative diffusion then takes place. Then an oxidation and structuring of the areas to be positively doped, in particular the strongly positively doped second connection diffusion area 51 , carried out and then carried out the positive diffusion. Oxidation is used to structure the positive diffusion, analogous to negative doping. Subsequently, according to the invention, on the substrate prepared in this way 10 one in 1 Layer, not shown, for masking the porous silicon layer intended for anodization 20 deposited. Such a layer for masking is, for example, silicon nitride. This is followed by the anodization, ie the manufacture of the porous silicon area 20 , performed. Here, negatively doped areas are not porously etched, only positively doped areas. Following the creation of the porous area 20 finds an oxidation of the porous silicon 20 instead of and at the same time an activation of the endowments (please explain if this is not a matter of course). This is followed by a structured metallization of the bond pads 32 . 52 performed, for example, by a shadow mask.
In 2 ist
die zweite Elektrode 50 als vergrabene Elektrode derart
realisiert, dass auf dem Substrat 10 zunächst mittels
strukturierter dotierter Bereiche die zweite Elektrode 50 realisiert
wird und anschließend
eine Epitaxieschicht 11 auf dem derart vorbehandelten Substrat
erzeugt wird. In der Epitaxieschicht 11 werden dann die
Bereiche starker negativer Dotierung zur Erzeugung der ersten Elektrode 30,
der Anschlussdotierungsgebiete 31, 51 und der
Bereich des porösen
Siliziums 20 erzeugt. Ein Verfahren zur Herstellung eines
Sensors mit einer solchen Epitaxieschicht 11 wird erfindungsgemäß insbesondere
mittels der folgenden Verfahrensschritte durchgeführt:
Auf
das Substrat werden mittels einer Oxidation und einer Strukturierung
die stark negativ dotierten Gebiete 50, 53 abgegrenzt
bzw. strukturiert und anschließend
die stark negative Diffusion zur Erzeugung der zweiten Elektrode 50 und
der Leitschichten 53 erzeugt. Anschließend erfolgt der Epitaxieschritt, bei
dem die Epitaxieschicht 11 insbesondere aus epitaktischem
Polysilizium erzeugt wird. Auf der Epitaxieschicht 11 bzw.
in der Epitaxieschicht 11 erfolgt durch Oxidation und Strukturierung
der stark negativ dotierten Gebiete deren Definition auf der Oberfläche und
durch eine stark negative Diffusion die Erzeugung dieser stark negativ
dotierten Gebiete, insbesondere die erste Elektrode als Deckelektrode 30 und
die Kontakte bzw. die Kontaktierungsdiffusionsgebiete 31, 51.
Zur Erzeugung der Deckelektrode 30 bzw. des Anschlussdiffusionsgebiets 31 ist
erfindungsgemäß insbesondere
eine andere stark negative Dotierung vorgesehen als zur Erzeugung
des Anschlussdotierungsgebiets 51 der zweiten Elektrode 50.
Die starke negative Dotierung für
die Deckelektrode hat eine geringere Eindringtiefe, so dass die Gegenelektrode,
d.h. die zweite Elektrode 50, nicht erreicht wird. Die
größere Eindringtiefe
der starken negativen Dotierung des Anschlussdotierungsgebiets 51 der
zweiten Elektrode 50 bewirkt, dass das Anschlussdotierungsgebiet 51 die
zweite Elektrode 50 auch tatsächlich erreicht bzw. kontaktiert.
Insofern ist es damit erfindungsgemäß vorgesehen, zwei unterschiedliche
starke negative Dotierungen vorzusehen, wobei insbesondere jeweils
zeitlich vor beiden starken negativen Dotierungen ein Oxidationsschritt zur
Definition des zu dotierenden Gebietes – einerseits das Gebiet der
Deckelektrode 30 bzw. des Anschlussdiffusionsgebiets 31 oder
andererseits das Gebiet des Anschlussdotierungsgebiets 51 der
zweiten Elektrode 50 – vorgesehen
ist.In 2 is the second electrode 50 realized as a buried electrode in such a way that on the substrate 10 first the second electrode by means of structured doped regions 50 is realized and then an epitaxial layer 11 is produced on the substrate pretreated in this way. In the epitaxial layer 11 then the areas of strong negative doping to produce the first electrode 30 , the follow-up funding areas 31 . 51 and the area of the porous silicon 20 generated. A method for producing a sensor with such an epitaxial layer 11 is carried out according to the invention in particular by means of the following process steps:
The heavily negatively doped regions are applied to the substrate by means of oxidation and structuring 50 . 53 delimited or structured and then the strongly negative diffusion to produce the second electrode 50 and the leading layers 53 generated. The epitaxial step then takes place, in which the epitaxial layer 11 is generated in particular from epitaxial polysilicon. On the epitaxial layer 11 or in the epitaxial layer 11 is carried out by oxidation and structuring of the heavily negatively doped regions, their definition on the surface and by a strongly negative diffusion, the generation of these heavily negatively doped regions, in particular the first electrode as a cover electrode 30 and the contacts or the contacting diffusion areas 31 . 51 , To create the top electrode 30 or the connection diffusion area 31 According to the invention, another strongly negative doping is provided in particular than for the generation of the connection doping region 51 the second electrode 50 , The strong negative doping for the top electrode has a smaller penetration depth, so that the counter electrode, ie the second electrode 50 , is not reached. The greater depth of penetration of the strong negative doping of the connection doping region 51 the second electrode 50 causes the follow-up funding area 51 the second electrode 50 actually reached or contacted. In this respect, it is provided according to the invention to provide two different strong negative dopings, in particular one oxidation step in each case before the two strong negative dopings to define the area to be doped - on the one hand the area of the cover electrode 30 or the connection diffusion area 31 or on the other hand the area of the follow-on funding area 51 the second electrode 50 - is provided.
Im Anschluss daran wird eine Maskierungsschicht,
die in 2 nicht dargestellt
ist, zur Definition des Bereiches 20 des porösen Siliziums
aufgebracht und strukturiert. Eine solche Maskierungsschicht besteht
beispielsweise aus Siliziumnitrid. Anschließend erfolgt in den durch die
nicht dargestellte Maske definierten Gebieten eine Anodisierung,
d. h. die Erzeugung des porös
geätzten
Bereichs 20. Bei dieser Anodisierung werden negativ dotierte
Bereiche nicht porös
geätzt,
sondern nur positiv dotierte Bereiche. Im Anschluss an die Erzeugung
der porösen
Schicht 20 wird eine Oxidation des porösen Siliziums 20 vorgenommen
und gleichzeitig eine Aktivierung der Dotierungen durchgeführt (Bitte
um einen Kommentar, was das bedeutet). Im Anschluss daran werden
wiederum die Metallisierungen der Bondpads 32, 52 durch
eine strukturierte Metallisierungsschicht, insbesondere unter Verwendung
einer Schattenmaske, erzeugt.This is followed by a masking layer, which is in 2 is not shown to define the area 20 of porous silicon applied and structured. Such a masking layer consists, for example, of silicon nitride. An anodization then takes place in the areas defined by the mask (not shown), ie the generation of the porous etched area 20 , In this anodization, negatively doped areas are not porously etched, but only positively doped areas. Following the creation of the porous layer 20 becomes an oxidation of the porous silicon 20 carried out and at the same time an activation of the endowments carried out (please for a comment what this means). This is followed by the metallization of the bond pads 32 . 52 generated by a structured metallization layer, in particular using a shadow mask.
Bei den dargestellten Verfahrensschritten zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können anstelle
der Diffusionen auch Implantationen verwendet werden. Die Anodisierung
wird jeweils in einem Behälter
mit zwei Elektroden und einem HF-haltigen Medium durchgeführt, wobei
die Porosität
durch die HF-Konzentration, die Stromdichte und die Dotierung des
zu anodisierenden Wafers beeinflusst werden kann. Vorzugsweise wird
für die Feuchtesensoren
eine Porosität
von größer als
50 % verwendet, d. h. im porösen
Bereich 20 beträgt
die Porosität
mehr als 50 %.In the method steps shown for producing the device according to the invention, implantations can also be used instead of the diffusions. The anodization is carried out in each case in a container with two electrodes and an HF-containing medium, the porosity being able to be influenced by the HF concentration, the current density and the doping of the wafer to be anodized. A porosity of greater than 50% is preferably used for the moisture sensors, ie in the porous region 20 the porosity is more than 50%.
Die in den 1 bis 4 vorgesehene
Elektrodenanordnung der ersten Elektrode 30 und der zweiten
Elektrode 50 sieht vor, dass die Elektroden 30, 50 in
unterschiedlichen Ebenen vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist es
jedoch auch möglich,
dass die erste Elektrode 30 und die zweite Elektrode 50 in
der gleichen Ebene angeordnet sind. Ein Beispiel hierfür ist in 5 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einer ersten Ausführungsform
der Elektrodenanordnung in einer Ebene dargestellt. In dem Substrat 10 sind
wiederum die Anschlussdotierungsbereiche 31, 51 vorgesehen
sowie die erste Elektrode 30 und die zweite Elektrode 50.
In der Schnittdarstellung der 5 sind
die stark negativ dotierten Bereiche der ersten Elektrode 30 und
der zweiten Elektrode 50 abwechselnd angeordnet. In der
Draufsicht ergeben die erste Elektrode 30 und die zweite
Elektrode 50 eine ineinander verschränkte Interdigitalelektrodenstruktur,
wie sie in 8 dargestellt
ist. In 5 ist weiterhin
für jede
Elektrode 30, 50 das Anschlusspad 32, 52 dargestellt.
Der Bereich porösen
Siliziums 20 und der durch einen Doppelpfeil 22 dargestellt
Gasaustausch bzw. Feuchtigkeitsaustausch zwischen der Umgebung und
dem Bereich porösen
Siliziums 20 ist in 5 ebenfalls
dargestellt. In den 6 und 7 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer zweiten Ausführungsform
der Elektrodenanordnung in einer Ebene dargestellt. Hierbei sind
die Elektroden 30, 50 als vergrabene Elektroden
vorgesehen. In 6 ist
eine Vorstufe zu dieser Ausführungsform
der Elektrodenanordnung dargestellt, wobei auf dem Substrat 10 zunächst die
stark negativ dotierten Bereiche der ersten und zweiten Elektrode 30, 50 sowie
der Leitgebiete 33, 53 vorgesehen sind, wobei
im Anschluss daran die Epitaxieschicht 11 aufgebracht wird
und in ihr die Bereiche starker negativer Dotierung zur Erzeugung
der Anschlussdotierungsgebiete 31, 51 erzeugt
werden, wobei im Anschluss daran in 6 dargestellte
Maskierungsgebiete 25 aufgebracht werden, welche den Bereich
definieren, in dem die Anodisierung des Siliziumsubstrats zur Erzeugung des
porösen
Bereichs 20 durchgeführt
wird. In 7 ist das Resultat
dieses Verfahrensschritts dargestellt, wobei die Maskierungsschicht 25 wieder
entfernt wurde und die Kontaktmetallisierung zur Erzeugung der Anschlusspads
oder Kontaktpads 32, 52 aufgebracht wurde. Weiterhin
ist der durch den Pfeil 22 dargestellte Gasaustausch in 7 dargestellt.The in the 1 to 4 provided electrode arrangement of the first electrode 30 and the second electrode 50 provides that the electrodes 30 . 50 are provided at different levels. According to the invention, however, it is also possible for the first electrode 30 and the second electrode 50 are arranged in the same plane. An example of this is in 5 shown for a device according to the invention with a first embodiment of the electrode arrangement in one plane. In the substrate 10 are again the follow-up funding areas 31 . 51 provided as well as the first electrode 30 and the second electrode 50 , In the sectional view of the 5 are the heavily negatively doped areas of the first electrode 30 and the second electrode 50 arranged alternately. The first electrode is seen in the top view 30 and the second electrode 50 an interdigitated interdigital electrode structure, as shown in 8th is shown. In 5 is still for each electrode 30 . 50 the connection pad 32 . 52 shown. The area of porous silicon 20 and that with a double arrow 22 shown gas exchange or moisture exchange between the environment and the area of porous silicon 20 is in 5 also shown. In the 6 and 7 A device according to the invention with a second embodiment of the electrode arrangement is shown in one plane. Here are the electrodes 30 . 50 provided as buried electrodes. In 6 a preliminary stage to this embodiment of the electrode arrangement is shown, on the substrate 10 first the heavily negatively doped areas of the first and second electrodes 30 . 50 as well as the lead areas 33 . 53 are provided, followed by the epitaxial layer 11 is applied and in it the areas of strong negative doping to generate the connection doping areas 31 . 51 are generated, after which in 6 represented masking areas 25 are applied, which define the area in which the anodization of the silicon substrate to produce the porous area 20 is carried out. In 7 the result of this method step is shown, the masking layer 25 was removed again and the contact metallization to generate the connection pads or contact pads 32 . 52 was applied. Furthermore, the arrow 22 shown gas exchange in 7 shown.
Bei der 5 erfolgt die Anodisierung zur Erzeugung
des Bereichs porösen
Siliziums 20 direkt nach der strukturierten stark negativen
Dotierung zur Erzeugung der ersten bzw. zweiten Elektrode 30, 50.In the 5 the anodization takes place to produce the area of porous silicon 20 directly after the structured, strongly negative doping to produce the first or second electrode 30 . 50 ,
Die in 6 und 7 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung
mit der zweiten Ausführungsform der
Elektrodenanordnung, wobei die Elektroden 30, 50 eingebettet
vorgesehen sind, bietet den Vorteil, dass die Elektroden 30, 50 durch
die feuchteempfindliche oxidierte poröse Schicht 20 geschützt sind.
Die Maske 25 zur Definition des Gebiets der Anodisierung
kann z. B. aus einer Siliziumnitridschicht bestehen.In the 6 and 7 Device shown according to the invention with the second embodiment of the electrode arrangement, wherein the electrodes 30 . 50 are embedded, has the advantage that the electrodes 30 . 50 due to the moisture-sensitive oxidized porous layer 20 are protected. The mask 25 to define the area of anodization z. B. consist of a silicon nitride layer.
Wie bereits erwähnt wurde, ist in 8 eine Prinzipdarstellung
in Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit der ersten oder der zweiten Ausführungsform der Elektrodenanordnung
dargestellt. Die Elektroden 30, 50 sind als Interdigitalelektroden vorgesehen,
deren „Finger" miteinander verschränkt sind.
In 8 sind darüber hinaus
der Bereich des porösen
Siliziums 20, das Substrat 10 sowie die Kontaktpads 32, 52 dargestellt.As already mentioned, in 8th a schematic representation in plan view of the device according to the invention with the first or the second embodiment of the electrode arrangement. The electrodes 30 . 50 are provided as interdigital electrodes, the “fingers” of which are interlaced 8th are also the area of porous silicon 20 , the substrate 10 as well as the contact pads 32 . 52 shown.
Auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche
im Folgenden auch als erfindungsgemäßer Sensor bezeichnet wird,
kann erfindungsgemäß auch eine
Referenzkapazität
hergestellt werden. Eine solche Referenzkapazität ist beispielsweise in Form
eines separaten Bereichs porösen
Siliziums vorgesehen, welcher beispielsweise ganzflächig mit Metall
bedeckt wird oder auch durch eine separat aufgebrachte Passivierung
bedeckt ist. Dadurch ist ein solcher Bereich porösen Siliziums abgeschlossen und
kann nicht mehr in Wechselwirkung mit der Feuchtigkeit der Umgebung
treten. Bei einer solchen Anordnung sind ebenfalls Elektroden vorgesehen, die
zusammen mit einem solchen abgeschlossenen Bereich porösen Siliziums
eine Referenzkapazität bilden
und nicht mehr feuchteempfindlich sind. Eine solche Referenzkapazität ist jedoch
in den Figuren nicht dargestellt.On the device according to the invention, which
hereinafter also referred to as the sensor according to the invention,
can also be a
reference capacity
getting produced. Such a reference capacity is in the form, for example
of a separate porous area
Silicon provided, for example, the entire surface with metal
is covered or by a separately applied passivation
is covered. Such an area of porous silicon is closed and
can no longer interact with the moisture in the environment
to step. In such an arrangement, electrodes are also provided
along with such a sealed area of porous silicon
form a reference capacity
and are no longer sensitive to moisture. However, such a reference capacity is
not shown in the figures.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit der zweiten Ausführungsform
der Elektrodenanordnung in 6 und 7 kann es zusätzlich noch
vorgesehen sein, eine vierte Elektrode als Deckelektrode vorzusehen.
Hierbei würde
ausgehend von der 7 eine
Darstellung ähnlich
wie in 2 entstehen,
wobei jedoch die vergrabene Elektrode in 2, wie in 7 vorgesehen,
in die erste und zweite Elektrode 30, 50 aufgeteilt
ist. Die Verwendung einer über
dieser vergrabenen ersten und zweiten Elektrode 30, 50 vorgesehenen
Abschirmelektrode in Form einer Deckelektrode oder vierten Elektrode
auf der Oberseite der Vorrichtung macht es möglich, die zur Bildung der Messkapazität dienenden
ersten und zweiten Elektroden vor Verschmutzung, lateralen Kurzschlüssen und
so weiter zu schützen.
Dadurch ist es möglich, dass
die Kapazität
nur noch durch die Feuchtigkeit, nicht aber durch Teilchen oder
Verschmutzung auf den Elektroden bestimmt wird.In the device according to the invention with the second embodiment of the electrode arrangement in 6 and 7 it can additionally be provided to provide a fourth electrode as the cover electrode. Based on the 7 a representation similar to that in 2 arise, but with the buried electrode in 2 , as in 7 provided in the first and second electrodes 30 . 50 is divided. The use of a first and second electrode buried over this 30 . 50 The shielding electrode provided in the form of a cover electrode or fourth electrode on the top of the device makes it possible to protect the first and second electrodes used to form the measuring capacitance from contamination, lateral short circuits and so on. This makes it possible for the capacity to be determined only by the moisture, but not by particles or dirt on the electrodes.
In 9 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit der zweiten Ausführungsform
der zweiten Elektrode 50 mit einem Hohlraum dargestellt.
Die 9 entspricht im
Wesentlichen der 2,
wobei jedoch unterhalb der Schicht porösen Siliziums 20 ein
Hohlraum 70 dargestellt ist. Gleiche Bezugszeichen aus 2 bezeichnen gleiche Teile
oder Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Unter der
porösen
Membranschicht 20 befindet sich ein Hohlraum 70.
Die oxidierte poröse
Siliziumschicht 20 ist für Feuchtigkeit von oben und
unten her zugänglich.
Die Feuchtigkeit kann so von oben und unten ein- und ausdiffundieren.
Dadurch ändert
sich die Dielektrizitätskonstante
bzw. die Permittivität
der porösen
Schicht 20 und damit die Kapazität des Kondensators, der durch
die erste Elektrode 30 in Form einer Deckelektrode und
der zweiten Elektrode 50 in Form einer vergrabenen Leitschicht
als Grundelektrode gebildet wird. Die beiden Elektroden 30, 50 werden über dotierte
Bereiche, insbesondere die Anschlusskontaktdotierungen 31, 51,
in Form von Leiterbahnen zu Kontaktpads 32, 52 bzw.
zu einer auf dem Sensor integrierten Auswerteschaltung geführt. Seitlich
wird die Membran durch die stark negativ dotierten Bereiche, die
nicht porös
geätzt
werden, eingespannt. In 11 ist
eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der zweiten
Ausführungsform
der zweiten Elektrode mit einem Hohlraum dargestellt. Die 9 entspricht im Wesentlichen
dem in 11 angedeuteten
Schnitt entlang der Schnittlinie A-A. Lediglich die Anschlussstelle
des Kontaktpads 32 der ersten Elektrode 30 ist
in 9 nicht an der gemäß 11 angegebenen Stelle.In 9 is a device according to the invention with the second embodiment of the second electrode 50 shown with a cavity. The 9 essentially corresponds to the 2 , but below the layer of porous silicon 20 a cavity 70 is shown. Same reference numerals 2 denote identical parts or components of the device according to the invention. Under the porous membrane layer 20 there is a cavity 70 , The oxidized porous silicon layer 20 is accessible for moisture from above and below. The moisture can diffuse in and out from above and below. This changes the dielectric constant or the permittivity of the porous layer 20 and thus the capacitance of the capacitor through the first electrode 30 in the form of a cover electrode and the second electrode 50 is formed in the form of a buried conductive layer as the base electrode. The two electrodes 30 . 50 are about doped areas, especially the terminal contact doping 31 . 51 , in the form of conductor tracks to contact pads 32 . 52 or led to an evaluation circuit integrated on the sensor. The membrane is laterally through the heavily negatively doped area areas that are not porous etched. In 11 is a plan view of the device according to the invention with the second embodiment of the second electrode with a cavity is shown. The 9 corresponds essentially to that in 11 indicated section along the section line AA. Only the connection point of the contact pad 32 the first electrode 30 is in 9 not according to the 11 specified place.
In 10 ist
die erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der zweiten Elektrode mit einem Hohlraum dargestellt. Die in 10 dargestellte Schnittdarstellung
entspricht einem Schnitt entlang der in 11 dargestellten Schnittlinie B-B. In 10 sind die Zugangsbereiche 71 zum
Hohlraum 70 dargestellt. Ansonsten sind in 10 wiederum das Substrat 10,
die Epitaxieschicht 11, die erste Elektrode 30 als
Deckelektrode, die zweite Elektrode 50 als vergrabene Elektrode 50 und
der Bereich porösen
Siliziums 20 dargestellt. Seitlich neben der ersten und
zweiten Elektrode 30, 50 befinden sich keine stark
negativ dotierten Gebiete, sodass beim Anodisieren auch seitlich
poröses
Silizium entsteht. In 10 ist
die Maskierungsschicht 25 zur Definition der einer Anodisierung
zugänglichen
Gebiete dargestellt. Die Maskierungsschicht 25 kann beispielsweise
als Siliziumnitridschicht vorgesehen sein. Der Anodisierprozess
zur Erzeugung des porösen
Bereichs 20 verläuft
isotrop, wodurch seitlich fast so schnell geätzt wird wie in die Tiefe.
Hierdurch wird die Maskierungsschicht 25 unterätzt. Es ist
nun erfindungsgemäß zur Erzeugung
des Hohlraums 70 vorgesehen, dass in einem ersten Schritt des
Anodisierprozesses, dessen Parameter derart gewählt werden, dass die Porosität des Materials
im Bereich des porösen
Siliziums 20 vergleichsweise gering ist und dass die Porosität des Materials
im Bereich des Hohlraums 70 vergleichsweise groß ist, insbesondere über 80 %.
In diesem Fall ist es möglich, dass
Material derart porös
geätzt
wird, dass der Hohlraum 70 entsteht. Die obere Elektrode,
d. h. die erste Elektrode 30, kann im Beispiel der 9 und 10 auch durch eine strukturierte und/oder
sehr dünne
Metallschicht hergestellt werden, wobei auf die starken negativen
Dotierungen zur Bildung der ersten Elektrode 30 verzichtet
werden kann.In 10 the device according to the invention is shown according to the second embodiment of the second electrode with a cavity. In the 10 Sectional representation shown corresponds to a section along the in 11 shown section line BB. In 10 are the access areas 71 to the cavity 70 shown. Otherwise are in 10 again the substrate 10 who have favourited Epitaxial Layer 11 , the first electrode 30 as the top electrode, the second electrode 50 as a buried electrode 50 and the area of porous silicon 20 shown. On the side next to the first and second electrodes 30 . 50 there are no heavily negatively doped areas, so that anodizing also results in laterally porous silicon. In 10 is the masking layer 25 to define the areas accessible to anodization. The masking layer 25 can be provided, for example, as a silicon nitride layer. The anodizing process to create the porous area 20 runs isotropically, which means that etching on the side is almost as fast as at depth. This will make the masking layer 25 undercut. It is now according to the invention to create the cavity 70 provided that in a first step of the anodizing process, the parameters of which are selected such that the porosity of the material in the region of the porous silicon 20 is comparatively low and that the porosity of the material in the area of the cavity 70 is comparatively large, in particular over 80%. In this case, it is possible for material to be etched so that the cavity is porous 70 arises. The top electrode, ie the first electrode 30 , in the example the 9 and 10 can also be produced by a structured and / or very thin metal layer, focusing on the strong negative doping to form the first electrode 30 can be dispensed with.
In 11 sind
die aus der 3 bekannten Öffnungen 34 in
der ersten Elektrode 30 dargestellt, die dem Gas- bzw.
Feuchteaustausch zwischen dem Bereich porösen Siliziums 20 und
der Umgebung dienen. Der Bereich des porösen Siliziums 20 ist
dadurch sowohl von der Oberseite her als auch von der Unterseite
her über
die seitlichen Zugangsbereiche 71 oder auch Verbindungsbereiche 71 und
den Hohlraum 70 zugänglich.
Die seitlichen Verbindungsbereiche 71 sind sowohl in 10 als auch in 11 dargestellt. In 10 ist darüber hinaus
noch mit einem mit dem Bezugszeichen 23 versehenen Doppelpfeil
der Gasaustausch über
die seitlichen Zugangsbereiche 71 mit der Rückseite
des porösen
Siliziumbereichs 20 dargestellt. Durch den mittels der
seitlichen Verbindungsbereiche 71 oder Zutrittsbereiche 71 zugänglichen
Hohlraum 70 kann die Feuchtigkeit nicht nur von oben, sondern
auch von unten in die poröse
Siliziummembran 20 eindringen bzw. ausgasen, was die Ansprechzeit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
stark reduziert. Da die Diffusionszeit und die Diffusionslängen exponentiell
zusammenhängen, kann
die Ansprechzeit dadurch stark reduziert werden.In 11 are they from the 3 known openings 34 in the first electrode 30 shown the gas or moisture exchange between the porous silicon area 20 and serve the environment. The area of porous silicon 20 is therefore both from the top and from the bottom via the side access areas 71 or also connection areas 71 and the cavity 70 accessible. The side connection areas 71 are both in 10 as well in 11 shown. In 10 is also with one with the reference symbol 23 provided double arrow the gas exchange over the side access areas 71 with the back of the porous silicon area 20 shown. By means of the side connection areas 71 or access areas 71 accessible cavity 70 Moisture can enter the porous silicon membrane not only from above, but also from below 20 penetrate or outgas, which greatly reduces the response time of the device according to the invention. Since the diffusion time and the diffusion lengths are exponentially related, the response time can be greatly reduced.
In 12 ist
die aus 4 bekannte erfindungsgemäße Vorrichtung
mit der zweiten Ausführungsform
der ersten Elektrode 30 mit einem Hohlraum 70 dargestellt.
Der Hohlraum 70 ist in 12 nicht
zu sehen, sondern lediglich die seitlichen Zugangsbereiche 71.
Gleiche Bezugszeichen aus der 4 bezeichnen
wiederum gleiche Komponenten und Gebiete der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die
zweite Ausführungsform
der ersten Elektrode 30, wie in 12 dargestellt, wird erfindungsgemäß dazu genutzt,
das Ausdiffundieren der Feuchtigkeit durch eine Ausheizung weiter
zu beschleunigen. Hierzu dient die Form der ersten Elektrode 30 gemäß der 12 der Bildung einer Leiterbahn,
an der außer
dem ersten Bondpad 32 ein dritter Anschluss 72 vorgesehen
ist, wodurch ein Strom durch die erste Elektrode 30 zwischen
dem ersten Kontaktpad 32 und dem dritten Anschluss 72 geschickt
werden kann, sodass der Sensor bzw. die Vorrichtung ausgeheizt werden
kann, wodurch die Feuchtigkeit im Inneren des porösen Siliziumbereichs 20 rasch
verdampft.In 12 is that out 4 Known device according to the invention with the second embodiment of the first electrode 30 with a cavity 70 shown. The cavity 70 is in 12 not to be seen, only the side access areas 71 , Same reference numerals from the 4 again designate the same components and areas of the device according to the invention. The second embodiment of the first electrode 30 , as in 12 is used according to the invention to further accelerate the diffusion of moisture through heating. The shape of the first electrode is used for this 30 according to the 12 the formation of a conductor track on which, in addition to the first bond pad 32 a third connection 72 is provided, whereby a current through the first electrode 30 between the first contact pad 32 and the third port 72 can be sent so that the sensor or the device can be baked out, whereby the moisture inside the porous silicon region 20 evaporated quickly.
In den 13, 14 und 15 sowie 16 ist analog der 5, 6 und 7 sowie 8 eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit der ersten bzw. zweiten Ausführungsform
einer Elektrodenanordnung mit einem Hohlraum bzw. eine Prinzipdarstellung
in Draufsicht der ersten und zweiten Ausführungsform der Elektrodenanordnung
mit Hohlraum dargestellt. Der wesentliche Unterschied zu den 5 bis 8 besteht darin, dass unterhalb des porösen Bereichs
des Siliziums 20 der Hohlraum 70 vorgesehen ist,
wobei in 16 lediglich
der seitliche Zutrittsbereich 71 zum Hohlraum 70 dargestellt
ist.In the 13 . 14 and 15 such as 16 is analogous to 5 . 6 and 7 such as 8th a device according to the invention with the first or second embodiment of an electrode arrangement with a cavity or a schematic diagram in plan view of the first and second embodiment of the electrode arrangement with cavity. The main difference to the 5 to 8th is that below the porous area of the silicon 20 the cavity 70 is provided, in 16 only the side access area 71 to the cavity 70 is shown.
In 17 ist
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem Hohlraum dargestellt, wobei gleiche Teile bzw. Bereiche der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
aus anderen Ausführungsformen
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden. In 17 sind mehrere Stege 26, 27 nebeneinander,
jeweils mit Zugangsöffnungen 71 zum
in 17 nicht dargestellten,
unterhalb der Stege 26, 27 befindlichen Hohlraum,
dargestellt. Die erste und zweite Elektrode 30, 50 sind
als Interdigitalelektroden vorgesehen.In 17 A further embodiment of the device according to the invention is shown with a cavity, the same parts or areas of the device according to the invention from other embodiments being designated with the same reference numerals. In 17 are several bridges 26 . 27 side by side, each with access openings 71 to in 17 not shown, below the webs 26 . 27 located cavity, shown. The first and second electrodes 30 . 50 are provided as interdigital electrodes.
In 18 ist
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem Hohlraum und einer dritten Elektrode dargestellt. Die
erste und zweite Elektrode 30, 50 sind als Interdigitalelektroden vorgesehen,
wobei die dritte Elektrode als Widerstandseinrichtung in der Ebene
der ersten und zweiten Elektrode 30, 50 für ein Ausheizen
der Schicht von porösem
Silizium 20 vorgesehen ist. In 18 ist wiederum der Zugangsbereich 71 zum
unterhalb des porösen
Bereichs 20 liegenden Hohlraum 70 dargestellt,
wobei der Hohlraum 70 in 18 nicht
dargestellt ist. Die dritte Elektrode 90 weist Anschlüsse 92, 93 auf,
mit denen ein Strom durch die dritte Elektrode 90 geschickt
werden kann. Weiterhin ist in 18 das
erste Kontaktpad 32 und das zweite Kontaktpad 52 der
ersten bzw. zweiten Elektrode 30, 50 dargestellt.
Außerdem
ist inIn 18 An embodiment of the device according to the invention is shown with a cavity and a third electrode. The first and second electrodes 30 . 50 are provided as interdigital electrodes, the third electrode being a counter Stand device in the plane of the first and second electrodes 30 . 50 for heating the layer of porous silicon 20 is provided. In 18 is again the access area 71 to below the porous area 20 lying cavity 70 shown with the cavity 70 in 18 is not shown. The third electrode 90 has connections 92 . 93 on with which a current flows through the third electrode 90 can be sent. Furthermore, in 18 the first contact pad 32 and the second contact pad 52 the first and second electrodes 30 . 50 shown. In addition, in
18 eine
angedeutete Auswerteschaltung 100 dargestellt, die monolithisch
integriert auf dem Substrat 10 des erfindungsgemäßen Sensors bzw.
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorgesehen ist. Es sind jedoch keine Anschlüsse an die Auswerteschaltung 100 dargestellt.
Mit einer dritten Elektrode 90, wie in 18 dargestellt, ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich,
eine Ausheizeinrichtung in einer Ebene mit den Elektroden 30, 50 vorzusehen. 18 an indicated evaluation circuit 100 shown being monolithically integrated on the substrate 10 of the sensor according to the invention or the device according to the invention is provided. However, there are no connections to the evaluation circuit 100 shown. With a third electrode 90 , as in 18 shown, it is possible in the device according to the invention, a heating device in one plane with the electrodes 30 . 50 provided.
Auch mit einem Hohlraum 70 kann
die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer Referenzkapazität
vorgesehen sein. Hierzu ist es, wie bereits im Zusammenhang mit
den 6 bzw. 7, bei den 14 bzw. 15 möglich, oberhalb
der vergrabenen Elektrode eine Abschirmelektrode vorzusehen. Dadurch kann
sich die Kapazität
der beiden vergrabenen Elektroden nur durch die Feuchtigkeit, nicht
aber durch Teilchen oder Verschmutzung auch der Deckelektrode ändern.Even with a cavity 70 the device according to the invention can be provided with a reference capacitance. For this it is, as already in connection with the 6 respectively. 7 , both 14 respectively. 15 possible to provide a shielding electrode above the buried electrode. As a result, the capacity of the two buried electrodes can only change as a result of the moisture, but not as a result of particles or contamination of the cover electrode.
Zum Schutz vor Verschmutzungen können die Öffnungen 71 zum
Hohlraum 70 bzw. der gesamte Sensorchip mit einer feuchtedurchlässigen Schicht,
beispielsweise einer Teflonfolie, abgedeckt werden (Meinen Sie feuchtedurchlässig oder
feuchteundurchlässig?).The openings can be used to protect against dirt 71 to the cavity 70 or the entire sensor chip is covered with a moisture-permeable layer, for example a Teflon film (do you mean moisture-permeable or moisture-impermeable?).
Statt nur einer Membran mit zwei
Zugangsöffnungen 71 bzw.
eines Steges als feuchteempfindliche Schicht 20 sind auch
zwei oder mehr Stege, wie in 17 dargestellt,
nebeneinander möglich.
Dadurch kann der Zugang zum Hohlraum 70 vergrößert werden,
wodurch die Ansprechzeit weiter verkleinert werden kann. In der 17 ist dies beispielhaft
für Interdigitalelektroden
ausgeführt.
Ebenso ist dies auch für
einen vertikalen Kondensator gemäß den Bildern 9 bis 12 möglich.Instead of just a membrane with two access openings 71 or a web as a moisture-sensitive layer 20 are also two or more bridges, as in 17 shown, possible side by side. This allows access to the cavity 70 can be increased, whereby the response time can be further reduced. In the 17 this is exemplified for interdigital electrodes. This is also the case for a vertical capacitor according to the pictures 9 to 12 possible.
Der Anodisierprozess zur Erzeugung
der porösen
Schicht 20 und des Hohlraums 70 kann kombiniert
werden mit Standardhalbleiterprozessen, womit eine Auswerteschaltung 100,
beispielsweise zur Signalverstärkung
oder zur Abgleichung, auf dem selben Chip realisiert werden kann.The anodizing process to create the porous layer 20 and the cavity 70 can be combined with standard semiconductor processes, with which an evaluation circuit 100 , for example for signal amplification or for matching, can be realized on the same chip.
Der Feuchtesensor kann auch als Gassensor
eingesetzt werden. Als Messeffekt kann die unterschiedliche Dielektrizität verschiedener
Gase genutzt werden.The moisture sensor can also act as a gas sensor
be used. As a measuring effect, the different dielectric can be different
Gases are used.
Bezüglich der Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem Hohlraum 70 ist es in den 9 bis 12 sowie 14 bis 16 vorgesehen, auf einem Siliziumsubstrat 10 eine
Epitaxieschicht 11 vorzusehen. Bei 13 ist keine Epitaxieschicht 11 vorgesehen.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
mit einem Hohlraum lassen sich mit oder ohne Epitaxieschicht gemäß den oben
beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
herstellen, wobei lediglich der Anodisierschritt zur Erzeugung des
Hohlraums unterschiedlich gehandhabt wird. Bei der Anodisierung
wird der Hohlraum 70 durch eine Änderung der Anodisierbedingungen
erzeugt. Dabei werden nach der Erzeugung der Schicht porösen Siliziums 20 die
Anodisierbedingungen derart geändert,
dass eine größere Porosität von 100
% erreicht wird. Dies wird als Elektropolitur bezeichnet. Ein Hohlraum 70 kann
auch durch das Tempern einer hochporösen Schicht, beispielsweise
von einer Porosität
von größer als
65 %, bei vorzugsweise einer Temperatur von über 1000° C erzeugt werden.With regard to the embodiments of the device according to the invention with a cavity 70 is it in the 9 to 12 such as 14 to 16 provided on a silicon substrate 10 an epitaxial layer 11 provided. at 13 is not an epitaxial layer 11 intended. The devices according to the invention with a cavity can be produced with or without an epitaxial layer in accordance with the above-described methods for producing a device according to the invention, only the anodizing step for producing the cavity being handled differently. When anodizing the cavity 70 generated by changing the anodizing conditions. This creates porous silicon after the layer has been produced 20 changed the anodizing conditions so that a larger porosity of 100% is achieved. This is called electropolishing. A cavity 70 can also be produced by annealing a highly porous layer, for example of a porosity of greater than 65%, preferably at a temperature of over 1000 ° C.
Soll bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
kein oxidiertes Silizium als feuchteempfindliche Schicht verwendet
werden, so kann die Oxidation auch entfallen und die Aktivierung
der Dotierungen kann in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum durchgeführt werden
bzw. die Aktivierung der Dotierung kann zeitlich vor der Durchführung der
Anodisierung durchgeführt
werden.Should be in a device according to the invention
no oxidized silicon used as a moisture-sensitive layer
, the oxidation and the activation can also be omitted
the doping can be carried out in a protective gas atmosphere or in a vacuum
or the activation of the doping can take place before the implementation of the
Anodization carried out
become.