DE19503236A1 - Sensor aus einem mehrschichtigen Substrat - Google Patents
Sensor aus einem mehrschichtigen SubstratInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor aus einem
mehrschichtigen Substrat nach der Gattung des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Aus der deutschen Patentanmeldung
44 19 844 ist bereits ein Sensor aus einem mehrschichtigen
Substrat bekannt, bei dem eine oberste Siliziumschicht
vorgesehen ist, aus der Elektroden herausstrukturiert sind.
Weiterhin sind auf der Oberseite der ersten Siliziumschicht
Leiterbahnen für die elektrische Kontaktierung der
Elektroden vorgesehen. Die Elektroden sind durch Gräben, die
mit isolierenden Material gefüllt sind, vom Rest der erste
Siliziumschicht isoliert. Über diese Gräben hinweg werden
die metallischen Leiterbahnen geführt.
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden
Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, daß eine hochwertige Kontaktierung der
Elektroden möglich ist. Dabei werden parasitäre Effekte oder
Leckströme gering gehalten. Weiterhin kann der
erfindungsgemäße Sensor mit einfachen Verfahren der
Halbleitertechnik hergestellt werden. Dabei können auch
Prozesse verwendet werden, bei denen keinerlei vergrabene
Schichten vorgesehen sind, wie beispielsweise CMOS-Prozesse.
Durch die in den abhängigen Patensprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch
angegebenen Sensors möglich. Besonders günstig läßt sich der
beschriebene Aufbau für die Verwirklichung eines
Beschleunigungssensors nutzen. Durch eine
Differentialkondensator-Anordnung können Nichtlinearitäten
in der Übertragungsfunktion verringert werden. Besonders
einfach werden die erfindungsgemäßen Sensoren auf einem
einkristallinen Siliziumsubstrat realisiert. Dabei kann die
eigentliche Sensorstruktur aus einer Polysiliziumschicht
herausstrukturiert werden. Durch die Verwendung einer oberen
Siliziumschicht, die teilweise aus einkristallinem Silizium
besteht, kann diese auch zur Herstellung von Schaltkreisen
herangezogen werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Sensor,
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein mehrschichtiges Substrat
während der Herstellung der Sensoren und
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Sensor nach Fig. 1
entlang der Linie III-III.
In der Fig. 1 wird eine Aufsicht auf einen Sensor 1
gezeigt. Der Sensor weist ein bewegliches Element auf,
welches aus den Federelementen 5, dem Zentralbalken 2 und
den beweglichen Elektroden 21, 22 gebildet wird. Das
bewegliche Element wird durch eine Beschleunigung entlang
der Längsachse des Zentralbalkens 2 aus seiner Ausgangslage
verschoben. Sensoren mit derartigen beweglichen Elementen
sind bereits aus der DE 44 19 844 bekannt und dienen als
Beschleunigungssensoren. Die Federelemente 5 sind an
Lagerblöcken 3 befestigt. Weiterhin weist der Sensor
feststehende Elektroden 31, 32 auf, die an Lagerbalken 4
aufgehängt sind.
In der Fig. 3 wird ein Querschnitt durch den Sensor nach
der Fig. 1 entlang der Linie III-III gezeigt. Wie in der
Fig. 3 zu erkennen ist, ist der Sensor aus einer
mehrschichtigen Platte gebildet. Die untere Schicht der
mehrschichtigen Platte besteht aus einer Substratschicht 8.
Auf der Substratschicht 8 ist eine erste Siliziumschicht 6
vorgesehen. Die einzelnen Elemente des Sensors 1 sind im
wesentlichen aus dieser Schicht 6 herausstrukturiert.
Die Federelemente 5, der Zentralbalken 2 und die beweglichen
Elektroden 21, 22 sind aus der ersten Siliziumschicht 6
herausstrukturiert und weisen einen Abstand zur
Substratschicht 8 auf. Diese Elemente sind daher gegenüber
der Substratschicht 8 beweglich. Die Federelemente 5 sind an
den Lagerblöcken 3 befestigt. Diese Lagerblöcke 3 sind durch
eine dielektrische Schicht 7 mit der Substratschicht 8
verbunden. Die Lagerblöcke 3 sind somit fest auf der
Substratschicht 8 verankert. Weiterhin sind die Lagerbalken
4 durch die dielektrische Schicht 7 mit der Substratschicht
8 verbunden. Auch die Lagerbalken 4 sind somit fest auf der
Substratschicht 8 verankert. Die feststehenden Elektroden
31, 32 sind an den Lagerbalken 4 aufgehängt. Die
geometrischen Abmessungen der feststehenden Elektroden 31,
32 sind derartig gewählt, daß sie bei Beschleunigungen nur
unwesentlichen ausgelenkt werden. Demgegenüber sind die
Federelement 5 derart ausgebildet, daß durch eine
Beschleunigung entlang der Längsachse des Zentralbalkens 2
eine Verformung der Federelemente 5 bewirkt wird. Dies führt
dazu, daß sich der Abstand der beweglichen Elektroden 21, 22
zu den feststehenden Elektroden 31, 32 verändert. Diese
Veränderung des Abstandes der Elektroden untereinander kann
nachgewiesen werden, indem die Kapazität zwischen den
beweglichen Elektroden 21, 22 und den feststehenden
Elektroden 31, 32 gemessen wird. Der Sensor nach Fig. 1 ist
somit als kapazitiver Beschleunigungssensor verwendbar.
Zur Kontaktierung der Elektroden sind Leiterbahnen 11
vorgesehen, durch die die Lagerblöcke 3 und Lagerbalken 4
kontaktiert werden. Diese Art der Kontaktierung ist
besonders vorteilhaft, wenn in der oberen Siliziumschicht 6
eine Auswerteschaltung für den Sensor vorgesehen ist. Durch
die Leiterbahnen 11 kann dann eine direkte Verbindung
zwischen dem Sensor 1 und der Auswerteschaltung hergestellt
werden. Da die Schichtdicke der ersten Siliziumschicht 6
relativ zur Leiterbahndicke groß ist und die
herausstrukturierten Elemente senkrechte Kanten aufweisen,
sind Verbindungselemente 10 vorgesehen, die zwischen dem
Lagerbalken 4 bzw. dem Lagerblock 3 und dem Rest der
Siliziumschicht 6 angeordnet sind. Über diese
Verbindungselemente 10 hinweg werden die Leiterbahnen
geführt, so daß die Leiterbahnen nur geringe
Höhenunterschiede überwinden müssen.
Die Lagerblöcke 3, die Lagerbalken 4, die Federelemente 5,
der Zentralbalken 2 und die Elektroden 21, 22, 31, 32 sind
hoch dotiert. Durch diese hohe Dotierung wird
sichergestellt, daß die Elektroden als Kondensatorplatten
wirken und so die Kapazitäten zwischen den Elektroden meßbar
sind. Die Verbindungselemente 10 sind gering dotiert. Durch
diese Maßnahme wird sichergestellt, daß der Sensor gegen die
Siliziumschicht 6 isoliert ist. Weiterhin wird durch diese
Maßnahme eine Isolation durch beweglichen Elektroden 21, 22
gegen die feststehenden Elektroden 31, 32 und eine Isolation
der einzelnen Gruppen der feststehenden Elektroden 31, 32
gegeneinander gewährleistet.
In den Fig. 2 und 3 wird das Herstellungsverfahren der
Sensoren erläutert. Auf einer Substratschicht 8 wird eine
dielektrische Schicht 7 und eine erste Siliziumschicht 6
aufgebracht. Als Substratschicht 8 wird hierbei an einen
Siliziumwafer gedacht, da darauf die weiteren Schichten
problemlos aufgebracht werden können. Weiterhin erlaubt die
Verwendung eines Siliziumwafers für die Substratschicht 8
die Ausbildung der ersten Siliziumschicht derart, daß in die
erste Siliziumschicht 6 Schaltkreise eingebracht werden
können. Für die dielektrische Schicht 7 wird an die üblichen
aus der Halbleiterfertigung bekannten dielektrischen
Materialien wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder
verschiedene Glasschichten gedacht. Für die weitere
Beschreibung wird davon ausgegangen, daß es sich bei dem
Material für die dielektrische Schicht 7 um Siliziumoxid
handelt.
Die dielektrische Schicht 7 kann, wie hier in der Fig. 2
gezeigt wird, nur unterhalb der Sensorstruktur angeordnet
sein. Alternativ ist es auch möglich, daß sich die
dielektrische Schicht 7 vollständig zwischen der ersten
Siliziumschicht 6 und der Substratschicht 8 erstreckt. Wenn
die dielektrische Schicht 7 strukturiert ist, wird die erste
Siliziumschicht 6 zweckmäßigerweise durch einen
Abscheidungsprozeß aufgebracht. Dazu kann beispielsweise
eine Polysiliziumschicht in der Dicke von wenigen µm
aufgebracht werden. Die erste Siliziumschicht 6 besteht dann
vollständig aus Polysilizium. Wenn die Ausbildung von
Schaltkreisen erwünscht ist, so müssen diese dann in der
Substratschicht 8, die dann aus einkristallinem Silizium
besteht, ausgebildet werden. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, einen Prozeß zu verwenden, der aus der
Halbleiterherstellung zur Abscheidung von Epitaxieschichten
bekannt ist. Über der dielektrischen Schicht 7 besteht die
erste Siliziumschicht 6 dann aus Polysilizium. In den
Bereichen, in denen die erste Siliziumschicht 6 in
unmittelbarem Kontakt zur einkristallinen
Siliziumsubstratschicht 8 steht, besteht die erste
Siliziumschicht 6 dann aus einkristallinem Silizium. Dieses
Material kann dann auch zur Ausbildung von Schaltkreisen
verwendet werden. Vorteilhaft ist an diesem Epitaxieprozeß
weiterhin, daß die erzielbaren Schichtdicken in der
Größenordnung von 10 bis 20 µm deutlich dicker sind als bei
der Verwendung eines Prozesses, der ein Polysilizium
abscheidet. Das vorteilhafteste Verfahren besteht darin, daß
auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat 8 eine
strukturierte Siliziumoxidschicht 7 und darauf durch einen
Epitaxieprozeß eine erste Siliziumschicht 6 abgeschieden
wird.
Bei der Epitaxie wird ein Prozeß verwendet, der eine schwach
dotierte hochohmige erste Siliziumschicht 6 bildet. Im
polykristallinen Bereich führt die schwache Dotierung
aufgrund von Ladungsträgereingang nicht zu einer Erhöhung
der sehr geringen intrinsischen Leitfähigkeit. Um zu
erreichen, daß die Sensorstrukturen stark dotiert sind und
die Verbindungselemente 10 schwach dotiert sind, wird dann
eine Diffusionszone 17 eingebracht. Zu diesem Zweck wird
eine Maskierung 15 aufgebracht, unterhalb derer keine
Dotierung der Siliziumschicht 6 erfolgt. Derartige
Diffusionsprozesse sind aus der Halbleiterherstellung
bekannt und können auch für die Herstellung einer
Auswerteschaltung mit verwendet werden.
Das weitere Herstellungsverfahren wird an der Fig. 3
erläutert. Durch einen Plasmaätzprozeß wird die erste
Siliziumschicht 6 strukturiert. Dabei werden die Lagerblöcke
3, die Lagerbalken 4, die Federelemente 5, der Zentralbalken
2, die Elektroden 21, 22, 31, 32 und die Verbindungselemente
10 aus der ersten Siliziumschicht 6 herausstrukturiert.
Durch eine Maskierung werden die Bereiche der ersten
Siliziumschicht 6, die nicht strukturiert werden sollen,
geschützt. Ebenso werden die bereits aufgebrachten
Leiterbahnen 11 und Passivierungsschichten 16 geschützt. Die
Leiterbahnen 11 sind durch eine Passivierungsschicht 16
gegen die Siliziumschicht 6 isoliert. Nur im Bereich der
Lagerblöcke 3 oder Lagerbalken 4 liegen die Leiterbahnen 11
unmittelbar auf dem Silizium auf. Nur an diesen Stellen
erfolgt somit eine Kontaktierung des Sensors.
In einem weiteren Ätzschritt wird dann die dielektrische
Schicht 7 unterhalb der Federelemente 5, des Zentralbalkens
2 und der beweglichen Elektroden 21, 22 entfernt. Dies kann
beispielsweise dadurch erfolgen, daß die mehrschichtige
Platte nach der Strukturierung der ersten Siliziumschicht 6
mit einem Ätzmedium beaufschlagt wird, welches die
dielektrische Schicht 7 ätzt. Aufgrund der relativ breiten
Abmessungen der Lagerblöcke 3, der Lagerbalken 4 und der
Verbindungselemente 10 verbleibt unter diesen noch eine
dielektrische Schicht 7, sofern die Ätzung rechtzeitig
unterbrochen wird. Die Federelemente 5, der Zentralbalken 2
und die beweglichen und feststehenden Elektroden 21, 22, 31,
32 sind jedoch von ihrem geometrischen Abmessungen so
bemessen, daß diesem Zeitpunkt die dielektrische Schicht 7
unter diesen Elementen bereits vollständig entfernt ist.
Das Verbindungselement 10 ist als länglicher Balken
ausgeführt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß trotz
eines gewissen Leitvermögens des Polysiliziums eine
ausreichende Isolation der Sensors gewährleistet wird. Da es
sich bei dem Material für das Verbindungselement 10 um
Polysilizium handelt, ist die Leitfähigkeit des Materials
geringer, also die von vergleichbar dotiertem
einkristallinem Siliziummaterial. Die Isolation der
Sensorstruktur zur Substratschicht 8 hin wird durch die
dielektrische Schicht 7 gewährleistet.
Die Federelemente 5 sind als gefaltete Struktur an einem
zentralen Lagerblock 3 aufgehängt. Durch diese Anordnung
wird erreicht, daß sich die Federelemente bei
Temperaturänderung beliebig ausdehnen oder zusammenziehen
können, ohne daß es dabei zur Verspannungen innerhalb der
Federelemente kommt. Es wird so die Temperaturabhängigkeit
des Sensorsignals verringert.
Über die Anwendung bei Beschleunigungssensoren hinaus ist
die beschriebene Isolation durch gering dotierte
Verbindungselemente 10 bei jeder Art von Bauelementen
geeignet, bei der eine stark dotierte Elektrode aus einer
ersten Siliziumschicht herausgebildet wird.
Die beweglichen Elektroden weisen eine erste Gruppe von
beweglichen Elektroden 21 und eine zweite Gruppe von
beweglichen Elektroden 22 auf. Die feststehenden Elektroden
weisen ebenfalls eine erste Gruppe 31 und eine zweite Gruppe
32 von feststehenden Elektroden auf. Die erste Gruppe der
feststehenden Elektroden 31 bildet mit der ersten Gruppe der
beweglichen Elektroden 21 eine erste Gruppe von
Kondensatoren 41. Ebenso bilden die zweiten
Elektrodengruppen 22, 32 eine zweite Gruppe von
Kondensatoren 42. Die einzelnen Elektrodengruppen sind dabei
derart angeordnet, daß bei einer Beschleunigung entlang der
Längsachse des Zentralbalkens 2 sich die Kapazität der einen
Gruppe von Kondensatoren immer erhöht, wenn sich die
Kapazität der anderen Gruppen erniedrigt. Durch diese
Anordnung als Differentialkondensatoren können
Nichtlinearitäten in der Übertragungsfunktion verringert
werden, indem die Kapazitäten nur in Differenz betrachtet
werden. Da bei der hier gezeigten Art der Kontaktierung über
Verbindungselemente 10 keine Leiterbahnüberkreuzungen
erzeugt werden können, ist hier eine Gruppe von
Kondensatoren 41 auf der einen Seite des Zentralbalkens 2
und die andere Gruppe von Kondensatoren 42 auf der anderen
Seite angeordnet.
Claims (7)
1. Sensor aus einem mehrschichtigen Substrat, mit einer
ersten Siliziumschicht (6), aus der mindestens eine
Elektrode (21, 22, 31, 32) herausstrukturiert ist, und mit
elektrischen Zuleitungen (11), die auf der Oberseite der
ersten Siliziumschicht (6) angeordnet sind und zum Anschluß
der Elektroden (21, 22, 31, 32) dienen, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektroden (21, 22, 31, 32) stark
dotiert sind, daß schwach dotierte Verbindungselemente (10)
aus der ersten Siliziumschicht (6) herausstrukturiert sind,
und daß die Leiterbahnen (11) über die Verbindungselemente
(10) zu den Elektroden (21, 22, 31, 32) geführt werden.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
dotierten Elektroden als bewegliche Elektroden (21, 22)
ausgebildet sind und durch eine Beschleunigung verschiebbar
sind.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
gegenüber den beweglichen Elektroden (21, 22) feststehende
Elektroden (31, 32) angeordnet sind und mit diesen
Kondensatoren bilden.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kondensatoren eine erste und eine zweite Gruppe bilden, und
daß sich die Kapazität der ersten Gruppe von Kondensatoren (41)
verringert, wenn sich die Kapazität der zweiten Gruppen
von Kondensatoren erhöht und umgekehrt.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das mehrschichtige Substrat als untere
Schicht eine Substratschicht aus einkristallinem Silizium
aufweist.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Siliziumschicht (6) aus
polykristallinem Siliziummaterial aufgebaut ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Siliziumschicht teilweise aus
polykristallinem und teilweise aus einkristallinem
Siliziummaterial aufgebaut ist und daß der Sensor aus dem
polykristallinem Material aufgebaut ist.
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