DE19710324A1 - Verfahren zur Herstellung von mikromechanische Strukturen aufweisenden Halbleiterbauelemente - Google Patents

Description

Stand der Technik

Es ist bekannt, Halbleiterbauelemente mit mikromecha­ nischen Strukturen zu kombinieren. Hierdurch ergibt sich ein kompaktes Bauelement, das gleichzeitig eine einwirkende physikalische Größe, beispielsweise ein Druck, erfaßt und ein dieser physikalischen Größe proportionales elektrisches Signal erzeugt, welches einer Auswerteschaltung des Bauelementes zugeführt wird. Derartige Bauelemente werden bekannterweise als monolithische Bauelemente gefertigt, wobei der Sen­ sorteil und der Auswerteteil nacheinander in einem Wafer erzeugt werden. Hierbei ist nachteilig, daß durch die unterschiedlichen Herstellungstechniken massive Eingriffe in den jeweils anderen Herstel­ lungsschritt vorgenommen werden müssen.

Ferner ist bekannt, den Sensorteil und den Auswer­ teteil getrennt herzustellen und diese anschließend zu dem Bauelement zu verbinden. Der Sensorteil weist die mikromechanischen Strukturen und die Halbleiter­ bauelemente zum Erfassen eines der physikalischen Größe proportionalen elektrischen Signals auf. Bei einem Drucksensor wird hierbei in einem Siliziumwafer eine Membran erzeugt, die sich unter anliegendem Druck verformt. Diese Verformung wird von Piezo­ widerständen (Halbleiterbauelemente) aufgenommen, die hierdurch eine analoge Widerstandsänderung erfahren. Diese Widerstandsänderung wird mit einer später auf­ gebrachten Auswerteschaltung erfaßt und dazu benutzt, ein druckproportionales Ausgangssignal zu erhalten.

Es ist bekannt, die Siliziummembran durch einen ani­ sotropen Ätzprozeß herzustellen. Dieser Silizium­ membran werden dann durch Verfahrensschritte der Her­ stellung von Halbleiterbauelementen die Piezowider­ stände zum Erfassen der Auslenkung der Membran zuge­ ordnet. Hierbei ist nachteilig, daß sich durch die getrennten Verfahren der Abstand der Piezowiderstände zum Spannungsmaximum der Membran nur mit einer rela­ tiv großen Abweichung von zirka 50 µm realisieren läßt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß die Piezowiderstände mit einer sehr viel größeren Genauigkeit zum Punkt des Spannungsmaximums der Mem­ bran plaziert werden können. Hierdurch läßt sich die Baugröße des Sensorteils erheblich reduzieren, so daß bei gleicher Strukturierung auf einem zum Stand der Technik gleichgroßen Wafer die Anzahl der erzielbaren Bauelemente vergrößert werden kann. Hierdurch ergibt sich neben der höheren Ausbeute eine Kostenreduktion.

Dadurch, daß die Halbleiterbauelemente und die mikro­ mechanischen Strukturen durch einseitig auf den Wafer einwirkende Verfahrensschritte der Erzeugung von Halbleiterbauelementen selbstjustierend definiert werden, können durch einfache, mit hoher Präzision zu beherrschende Verfahrensschritte sowohl die mikrome­ chanische Struktur als auch die Halbleiterbauelemente auf engstem Raume definiert werden, da sich durch die Maskentechnik der Halbleiterfertigung eine sehr hohe Genauigkeit, im Bereich von wenigen µm, erzielen läßt. Es findet eine selbstjustierende Definition der Bereiche zueinander statt, die die mechanischen Strukturen und die Halbleiterbauelemente ergeben.

Vorzugsweise lassen sich die die mikromechanischen Strukturen aufweisenden Halbleiterbauelemente durch aufeinanderfolgende Verfahrensschritte mit mehreren Maskenebenen erstellen, wobei die Verfahrensschritte von lediglich einer Seite des Wafers ausgeführt wer­ den. Neben der hierdurch prozeßtechnisch relativ ein­ fachen Durchführbarkeit ergeben sich eine Vielzahl von Varianten, die mit relativ niedrigem Entwick­ lungsaufwand erzielbar sind. Darüber hinaus ist vor­ teilhaft, daß durch die Definition der mikromecha­ nischen Strukturen mit Hilfe der Verfahren der Halb­ leiterbauelementeherstellung der für die Auslenkung einer Membran notwendige Hohlraum in dem Bauelement eingeschlossen ist. Hierdurch vereinfacht sich das nachfolgende Aufbringen von die Auswerteschaltung aufweisenden Chips, da die Verbindung zwischen der Auswerteschaltung und dem Sensorelement nicht mehr dicht ausgeführt zu werden braucht. So kann bei­ spielsweise anstelle eines aufwendigen Lötens ein Kleben des die Auswerteschaltung aufweisenden Chips auf das Sensorelement erfolgen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 10 einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen mikromechanische Strukturen aufweisenden Halbleiterbauelementes;

Fig. 11 eine Schnittdarstellung durch eine konkrete Ausführungsform eines Druck­ sensors;

Fig. 12 ein Spannungs-Weg-Diagramm eines Druck­ sensors und

Fig. 13 ein Layout eines Drucksensors.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Anhand der Fig. 1 bis 10 wird zunächst das Her­ stellungsverfahren zur Erzielung von mikromechani­ schen Strukturen aufweisenden Halbleiterbauelementen verdeutlicht. In den Figuren ist jeweils schematisch in einer Schnittdarstellung ausschnittsweise ein Wafer 10 gezeigt.

Anhand des Ausführungsbeipiels soll die Herstellung eines Drucksensors gezeigt werden, der eine über ei­ nen Hohlraum beweglich angeordnete Membran und der Membran zugeordnete Piezowiderstände, zum Erfassen einer Auslenkung der Membran, aufweist. Dieser Druck­ sensor wird in der Beschreibung nicht näher erläuter­ ter Weise mit einer Auswerteschaltung zu einem Sen­ sorelement verbunden.

Der Wafer 10 ist ein SOI-Wafer mit einer <100<-Kristallorientierung. Oberhalb einer eingebrachten Oxidschicht 12 besitzt der Wafer 10 eine n-dotierte Zone 14. Auf die n-dotierte Zone 14 wird ein ther­ misches Oxid 16 aufgebracht, in das, über eine nicht dargestellte Maskierung, Fenster 18 geätzt werden. Im Bereich der Fenster 18 liegt die n-dotierte Zone 14, gemäß der in Fig. 1 gezeigten Darstellung, nach oben frei.

In einem nächsten, anhand von Fig. 2 verdeutlichten Verfahrensschritt, wird durch die Fenster 18 eine p⁺-Diffusion 20 in die n-dotierte Zone 14 erzeugt. Wäh­ rend der Erzeugung der p⁺-Diffusion wächst in den Fenstern 18 ein thermisches Oxid 22 auf, so daß die p⁺-Zonen 20 innerhalb der n-dotierten Zone 14 von dem Oxid 12 beziehungsweise dem Oxid 22 begrenzt werden. Die p⁺-dotierte Zone 20 stellt das spätere Anschluß­ gebiet für die Piezowiderstände dar.

Gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Verfahrensschritt wird die Oberfläche 24 planarisiert, so daß sich die un­ terschiedlichen Höhen des thermischen Oxids 16 bezie­ hungsweise des thermischen Oxids 22 ausgleichen. Die Planarisierung kann beispielsweise mittels einer CMP-Politur erfolgen. Wie Fig. 4 zeigt, wird in die planarisierte Oxidschicht 16, 22 ein Fenster 26, bei­ spielsweise durch einen Ätzvorgang, geöffnet. Das Fenster 26 liegt hierbei teilweise über einer p⁺-do­ tierten Zone und einem Bereich der n-dotierten Zone 14. Mittels des Fensters 26 wird die Größe der späteren Membran definiert.

Nachfolgend wird, wie Fig. 5 zeigt, eine Maske 28 aufgebracht, die dem Einbringen einer p⁻-Diffusion 30 dient. Hierdurch wird innerhalb des von der p⁺-Zone 20 umgebenden Bereichs der n-dotierten Zone 14 eine p⁻- Zone 30 geschaffen. Dadurch, daß die p⁻-Zone 30 auf beiden Seiten von der p⁺-Zone 20 (wie anhand der Draufsicht in Fig. 13 deutlich wird), - bei entsprechender Strukturierung von p⁺-Zonen 20 - be­ grenzt wird, sind die von den p⁻-Zonen 30 gebildeten späteren Piezowiderstände automatisch gleich groß.

Durch die Maskierung 28 wird die p⁻-dotierte Zone 30 in unmittelbarer Nähe einer Kante 31 des Oxids 22 plaziert, die eine noch zu erläuternde Kante einer Membran bildet, an der eine maximale Spannung bei Auslenkung der Membran auftritt. Die Kante 31 dient gleichzeitig als Maskierung für das Einbringen der p⁻-dotierten Zone 30.

Nachfolgend wird innerhalb des Fensters 26 eine dünne Schicht thermischen Oxids 32 aufgewachsen. Diese Schicht des thermischen Oxids 32 ist dünner als die planarisierte Schicht des Oxids 16 beziehungsweise 22, so daß sich eine zur Oberfläche 24 hin offene Vertiefung 34 ergibt. Diese Vertiefung 34 stellt den späteren, ebenfalls mit 34 bezeichneten, Hohlraum des Drucksensors dar, der von der Membran überspannt wird.

Auf die Oberfläche 24 wird, wie Fig. 7 zeigt, eine Substratplatte 36, die beispielsweise eine dünne Glasplatte oder ein Siliziumwafer sein kann, aufge­ bracht. Die Substratplatte 26 kann auf das Oxid 16 beziehungsweise 22 anodisch oder direkt gebondet wer­ den. Hierdurch ergibt sich innerhalb des in Fig. 7 gezeigten Bauelementes ein von der Vertiefung gebil­ deter Hohlraum 34, der -gemäß der in Fig. 7 gezeig­ ten Ansicht- nach oben von der Substratplatte 36 und nach unten von einer Schichtfolge des Oxids 32, des Oxids 12 und zwischen den Oxiden 12 und 32 liegenden Bereichen der n-dotierten Zone 14, der p⁺-dotierten Zone 20 und der p⁻-dotierten Zone 30 - die die spätere Membran bilden - begrenzt wird.

Gemäß Fig. 8 wird das Silizium des Wafers 10 bis zur Oxidschicht 12 entfernt. Das Entfernen kann bei­ spielsweise durch Schleifen und/oder einen Überätz­ schritt erfolgen. In die Oxidschicht 12 werden, ent­ sprechend des gewählten Layouts des Drucksensors, Durchgangsöffnungen 38 erzeugt (Fig. 9), beispiels­ weise geätzt, durch die die p⁺-Zonen 20 zugänglich werden. Über die Durchgangsöffnung 38 erfolgt eine Kontaktierung 40 (Fig. 10) der p⁺-Zonen 20.

Mittels der anhand der Fig. 1 bis 10 erläuterten Verfahrensschritte sind somit mikromechanische Struk­ turen, hier die den Hohlraum 34 überspannende Membran und entsprechend dotierten Gebiete zur Erzielung der Piezowiderstände, als Halbleiterbauelemente struk­ turierbar. Entsprechend der gewählten Maskierungen und Dotierungen sind unterschiedliche mikromecha­ nische Strukturen aufweisende Halbleiterbauelemente herstellbar, wobei eine definierte Positionierung der Halbleiterbauelemente zu den mikromechanischen Struk­ turen in einem selbstjustierenden Prozeß möglich ist.

Nachfolgend soll anhand der Fig. 12, 13 sowie 13a und 13b der Aufbau eines konkreten Drucksensors 42 verdeutlicht werden, wobei die dort gezeigten Struk­ turen mittels der Verfahrensschritte gemäß Fig. 1 bis 10 erzielt werden.

In Fig. 11 ist ein Drucksensor in einer schemati­ schen Schnittdarstellung gezeigt, wobei hier die Darstellung entsprechend Fig. 10 um 180° gedreht er­ folgt. Gleiche Teile wie in den vorhergehenden Fi­ guren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der Drucksensor 42 weist eine Membran 44 auf, die sich über dem Hohlraum 34 erstreckt. Der Hohlraum 34 wird von der Membran 44 und der Substratplatte 36 nach oben und unten und der Kante 31 des Oxides 22 seitlich begrenzt. Der Hohlraum 34 ist komplett in dem Drucksensor 42 eingeschlossen. Innerhalb der Membran 44 sind von den p⁻-dotierten Zonen 30 gebildete Piezowiderstände 46 angeordnet, die bekanntermaßen aufgrund einer Auslenkung der Membran 44 ihren Widerstandswert ändern. Über die p⁺-dotierten Zonen 20 sind die Piezowiderstände 46 mit den Kontaktierungen 40 elektrisch leitend verbunden, so daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Änderung des Widerstandswertes der Piezowiderstände 46 detektierbar ist. Diese Änderung des Widerstands­ wertes erfolgt proportional zu einer Auslenkung der Membran 44, bei einem von außen anliegenden Überdruck nach innen und bei einem von außen anliegenden Unter­ druck nach oben, so daß über die Auswertung der Widerstandsänderung auf den die Auslenkung der Membran bewirkenden Druck rückgeschlossen werden kann. Die das Sensorelement komplettierende Auswerte­ schaltung ist hier im einzelnen nicht gezeigt, diese kann jedoch auf geeignete Weise mit dem Drucksensor 10 komplettiert werden.

Nach einem konkreten Ausführungsbeispiel beträgt die Membrangröße a = 300 ± 1 µm, die Membrandicke d 7 ± 0,5 µm und die Höhe h des Hohlraums 34 1 µm.

Diese Dimensionierungen sind ohne weiteres durch An­ passung der anhand der Fig. 1 bis 10 beschriebenen Verfahrensschritte erzielbar.

In Fig. 12 ist in einem Diagramm über der Membran­ dicke d die Spannung σ der Membran 46 (linke Koordi­ natenleiste) und die Auslenkung y der Membran 46 (rechte Koordinatenleiste) dargestellt. Die Spannung σ errechnet sich nach der Formel

Die Ausdehnung y ergibt sich nach der Formel:

wobei E das Elastizitätsmodul der Membran 46 ist.

In Fig. 12 sind verschiedene Werte eingetragen, für den Fall, daß der Druck p gleich 1 bar beträgt. Mit 0 sind mögliche Werte der Auslenkung und mit x mög­ liche Werte der mechanischen Spannung gekennzeichnet. Anhand der eingetragenen Werte ergibt sich, daß eine optimale Dicke d der Membran 46 7 ± 0,5 µm betragen sollte, da in diesem Bereich eine Toleranz der Empfindlichkeit von ± 20% nicht überschritten wird.

In Fig. 13 ist ein Layout eines Drucksensors 42 ge­ zeigt. In der Draufsicht sind die n-dotierte Zone 14 sowie die hierin eingebetteten p⁺-dotierten Zonen 20 zu erkennen. Die Zonen 20 sind jeweils mit einer Kontaktierung 40 versehen, wobei die Kontaktierung 401 ein Masseanschluß ist, die Kontaktierung 40'' ein Plusanschluß und die Kontaktierung 40''' und 40'''' Anschlüsse zum Abgreifen einer aufgrund einer Auslenkung der Membran 44 durch die Piezowiderstände 46 sich ergebenden Änderung eines elektrischen Signals. Die p⁺-dotierten Zonen 20 bilden die Zuleitungen zu den Piezowiderstände 46, die jeweils von zwei p⁺-dotierten Zonen 20 begrenzt werden. Die als Zuleitungen für die Piezowiderstände 46 dienenden p⁺-dotierten Zonen 20 sind insgesamt diagonal ausge­ legt, so daß diese keinem Piezoeffekt unterliegen. Dem Piezoeffekt unterliegen lediglich die, nicht dia­ gonal ausgerichteten, Piezowiderstände 46. Die n-do­ tierte Zone 14 besitzt einen n-Wannenanschluß 48.

Eine Kantenlänge k des Drucksensors 42 beträgt bei­ spielsweise 1 mm. Die Piezowiderstände haben einen Widerstandswert von 2 kΩ, so daß sich durch die ge­ zeigte Verschaltung ein Gesamtwiderstand von 2 kΩ des Drucksensors 42 ergibt. Der Brückenwiderstand ist gleich dem Widerstand eines einzelnen Widerstands. Der Drucksensor 42 ist gemäß der gezeigten Schal­ tungsanordnung als Wheatstone-Brücke geschaltet.

In den Fig. 13a und 13b sind Details gemäß Fig. 12 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Die einzelnen Bereiche sind der Übersichtlichkeit wegen mit den an­ hand der Fig. 1 bis 10 erläuterten Verfahrens­ schritte bezeichnet.

Wie den Fig. 13a und 13b ohne weiteres zu entneh­ men ist, ist eine Plazierung der Piezowiderstände 46, das heißt der p⁻-dotierten Zonen 30, durch die ver­ wendeten Techniken (siehe Fig. 1 bis Fig. 10) mit einer Genauigkeit von bis zu 2 ± 1 µm zu der Kante 31 möglich, an dem der Ort des Spannungsmaximums bei der Auslenkung der Membran 46 liegt.

Hierdurch wird eine extrem kleine Bauart des Druck­ sensors 42 möglich. Beispielsweise können auf einem üblichen 6 Zoll-Wafer gleichzeitig wenigstens 10000 Drucksensoren 42 dargestellt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen aufweisenden Halbleiterbauelementen, wobei in einem Wafer mikromechanische Strukturen zum Erfas­ sen einer auf die mikromechanischen Strukturen ein­ wirkenden physikalischen Größe strukturiert werden und Halbleiterbauelemente zum Umwandeln der physika­ lischen Größe in ein der physikalischen Größe propor­ tionales elektrisches Signal erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente (46) und die mikromechanischen Strukturen (34, 44) durch einseitig auf den Wafer (10) einwirkende Verfahrens­ schritte der Erzeugung von Halbleiterbauelementen selbstjustierend definiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mikromechanischen Strukturen (34, 44) durch bereichsweises Aufbringen und definiertes Entfernen von Schichten thermischen Oxides (16, 22, 32) auf einem Wafer (10) erzeugt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als mikromechanische Strukturen eine Membran (44) und ein von der Membran (44) überspannter Hohlraum (34), und als Halbleiter­ bauelemente Piezowiderstände (46) eines Drucksensors (42) erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine während eines Entfernens eines Oxides (22) freigelegte Kante (31) der Definition der Piezowider­ stände und eines Punktes des mechanischen Spannungs­ maximums der Membran (44) dient.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante (31) als Teil einer Maskierung (28) zum gezielten Einbringen wenigstens einer p⁻-dotierten Zone (30) in eine n⁻-dotierte Zone (14) des Wafers (10) zum Definieren der Piezowiderstände (46) dient.

6. Drucksensor mit einer über einem Hohlraum aufgehängten Membran und Piezowiderständen zum Erfassen einer Auslenkung der Membran, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt ist.