DE19830476B4

DE19830476B4 - Halbleitervorrichtung insbesondere Sensor

Info

Publication number: DE19830476B4
Application number: DE19830476A
Authority: DE
Inventors: Ronald J. Paradise Valley Gutteridge; Daniel N. Mesa Koury jun.; Daniel J. Mesa Koch; Jonathon H. Scottsdale Hammond
Original assignee: Freescale Semiconductor Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: JPH1168122A; KR100489157B1; JP4262327B2; DE19830476A1; CN1145800C; TW368677B; KR19990014288A; US5914521A; CN1213778A

Abstract

Halbleitervorrichtung (10) mit:
einem Substrat (12) mit einer Oberfläche (35);
einer beweglichen Platte (16), welche über dem Substrat (12) liegt, wobei die bewegliche Platte (16) eine Öffnung (18) aufweist, und
einem Bewegungsstopper (19), welcher das Substrat (12) kontaktiert und durch zumindest einen Bereich der Öffnung (18) in der beweglichen Platte (16) läuft,
dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Platte (16) in jede Richtung in einer Ebene beweglich ist, die im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche (35) des Substrats (12) ist, und der Bewegungsstopper (19) die Bewegung der beweglichen Platte (16) in der Ebene begrenzt, die im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche (35) des Substrats (12) ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Halbleitervorrichtungen, und insbesondere Sensorvorrichtungen mit einer beweglichen Struktur.
Übliche Beschleunigungssensoren enthalten typischerweise eine Masse, welche sich ansprechend auf das Anlegen einer externen Beschleunigung bewegt. Die Bewegung wird dann umgewandelt in eine elektrische Antwort, so dass die Größe der Beschleunigung bestimmt werden kann. Ein Problem bei solchen Strukturen besteht darin, dass die bewegliche Masse beschädigt werden kann, falls eine zu starke Beschleunigung angelegt wird.
Puffer entlang des äußeren Umfanges der beweglichen Masse sind ein Verfahren zur Veränderung einer Beschädigung, welche auftreten kann, falls sich die bewegliche Masse zu weit bewegt. Jedoch sind Puffer insofern nicht ideal, als dass sie eine signifikante Menge an Oberflächenbereich in dem Sensor verbrauchen, und sie nur die Bewegung entlang einer von zwei orthogonalen Achsen stoppen können.

Aus der Druckschrift US 5 181 156 A ist eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Sensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 bekannt. Die bewegliche Platte dieser Druckschrift ist senkrecht zur oberen Ebene eines darunterliegenden Substrates, also nur in eine Richtung, beweglich. Ferner ist in dieser Druckschrift ein Bewegungsstopper beschrieben, der die Bewegung des Substrates in einer Vertikalrichtung begrenzt.

Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine flexibel einsetzbare Halbleitervorrichtung zu schaffen, deren Sensitivität gegenüber dem Stand der Technik verbessert sein soll.

Diese Aufgabe wird durch eine Halbleitervorrichtung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, und einen Sensor nach Anspruch 5 gelöst.

Dabei besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung und der Sensor empfindlicher und hilfreich bei Anwendungen sind, wo eine Bewegung in mehr als einer einzigen Richtung gemessen werden soll.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.

In den Figuren zeigen:
1 eine vergrößerte Oberansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung mit einem Sensor, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung; und
3 eine vergrößerte Oberansicht eines Sensors zum Illustrieren alternativer Ausführungsformen der Bildung eines Bewegungsstoppers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Man wird erkennen, dass aus Gründen der Einfachheit und Klarheit der Illustration die in den Figuren illustrierten Elemente nicht notwendigerweise skaliert sind. Beispielsweise sind die Dimensionen von einigen der Elemente relativ zu anderen Elementen aus Klarheitsgründen übertrieben. Weiterhin wurden, wo es als geeignet erschien, die Bezugszeichen in den Figuren wiederholt, um entsprechende oder analoge Elemente zu bezeichnen.
1 ist eine vergrößerte Oberansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung 10, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildet ist. Insbesondere illustriert 1 einen Bereich eines Sensors oder Sensorelements 11 der Halbleitervorrichtung 10. Man sollte verstehen, dass die Halbleitervorrichtung 10 eine integrierte Schaltung, ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein kann. Zusätzlich kann die Halbleitervorrichtung 10 eine diskrete Sensorvorrichtung, wie z.B. ein Beschleunigungsmesser, ein chemischer Sensor, ein Mikroaktuator oder ein Mikroventil sein.
Bei dem in 1 illustrierten Beispiel ist das Sensorelement 11 ein Beschleunigungsmesser, welcher in der Lage ist, die Größe und Richtung einer externen Beschleunigung zu messen. Jedoch sollte man verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Anwendungen begrenzt ist, die oben aufgezählt sind, denn die vorliegende Erfindung kann bei einer beliebigen Sensorvorrichtung verwendet werden, welche ein bewegliches Element aufweist.
Das Sensorelement 11 enthält eine bewegliche Platte oder eine Platte 16, welche über einem Substrat 12 unter Verwendung einer üblichen Einrichtung, die im Stand der Technik bekannt ist (nicht gezeigt), aufgehängt ist. Die Platte 16 definiert eine Ebene, welche im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats 12 verläuft, und die Platte 16 bewegt sich innerhalb dieser Ebene, wenn eine externe Beschleunigung an die Halbleitervorrichtung 10 angelegt ist. Natürlich hängt die tatsächliche Bewegung der Platte 16 innerhalb dieser Ebene von der Größe und der Richtung der an die Halbleitervorrichtung 10 angelegten Kraft ab, so dass die Bewegung der Platte 16 nicht exakt parallel zur Oberfläche des Substrats 12 verlaufen kann.
Das Sensorelement 11 enthält ebenfalls einen Finger 17, welcher an der Platte 16 angebracht ist, und Finger 13 bis 14, welche an dem Substrat 12 angebracht oder dadurch gehaltert sind. Das Sensorelement 11 ist derart gebildet, dass, wenn keine externe Beschleunigung an die Platte 16 angelegt ist (d.h. die Platte 16 stationär in ihrer neutralen Position ist), der Finger 17 von den Fingern 13 bis 14 um einen vorbestimmten Abstand, der in 1 mit Pfeilen 21 bezeichnet ist, separiert ist. Der Finger 17 ist kapazitiv mit den Fingern 13 bis 14 verbunden und wird zum Bereitstellen eines elektrischen Signals verwendet, wenn sich die Platte 16 als Resultat des Anlegens einer externen Beschleunigung bewegt.
Wenn beispielsweise eine externe Beschleunigung an die Halbleitervorrichtung 10 in der mit einem Pfeil 26 bezeichneten Richtung angelegt wird, bewegt sich die Platte 16 in der mit einem Pfeil 25 bezeichneten Richtung relativ zu den Fingern 13 bis 14. Dies wiederum bewirkt, dass sich der Finger 17 zu dem Finger 13 hin und von dem Finger 14 weg bewegt. Falls die externe Beschleunigung, welche angelegt ist, zu groß ist, kann der Finger 17 den gesamten Abstand zwischen dem Finger 17 und dem Finger 13 (Pfeil 21) laufen und mit dem Finger 13 kollidieren. Dies kann eine strukturelle Beschädigung verursachen, welche das Sensorelement 11 und somit die Halbleitervorrichtung 10 vollständig betriebsunfähig machen könnte. Sogar falls eine permanente Beschädigung nicht auftreten würde, könnte der Kontakt zwischen dem Finger 17 und dem Finger 13 Partikel erzeugen, welche die Empfindlichkeit und die Funktionstüchtigkeit des Sensorelements 11 ändern könnten.
Um zu verhindern, dass der Finger 17 die Finger 13 oder 14 kontaktiert, ist ein Bewegungsstopper bzw. Bewegungsanschlag 19 derart gebildet, dass er zumindest teilweise durch eine Öffnung 18 in der Platte 16 läuft. Bei der bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 1 gezeigt ist, sind sowohl die Öffnung 18 in der Platte 16 als auch der Rand des Bewegungsstoppers 19 kreisförmig. Der Rand des Bewegungsstoppers 19 ist von dem Rand der Öffnung 18, welcher durch einen Pfeil 20 angezeigt ist, separiert, um einen maximalen Bewegungsstopperabstand vorzusehen. Beispielsweise kann der Bewegungsstopper 19 von dem Rand der Öffnung 18 in der Platte 16 um einen Abstand von weniger als 100 Mikrometer separiert sein. Zusätzlich könnte dies einen temporären elektrischen Kurzschluss erzeugen, welcher mit der kapazitiven Kopplung dieser Elemente interferieren würde.
Der tatsächliche Abstand zwischen dem Bewegungsstopper 19 und der Platte 16 kann variieren, aber es ist beabsichtigt, dass er geringer als der Abstand zwischen dem Finger 17 und den Fingern 13 bis 14 (Pfeil 21) ist. Dies verhindert, dass der Finger 17 entweder den Finger 13 oder 14 kontaktiert, wenn eine große externe Beschleunigung angelegt wird, da die Platte 16 den Bewegungsstopper 19 zuerst kontaktiert, was jegliche weitere Bewegung der Platte 16 verhindert. Die Bildung des Bewegungsstoppers 19 und der Öffnung 18 in der Platte 16 in einer kreisförmigen Konfiguration weist einige Vorteile auf. Zunächst hat, egal in welche Richtung sich die Platte 16 bewegt, die Platte 16 denselben maximalen Bewegungsweg, bevor sie den Bewegungsstopper 19 kontaktiert. Zweitens kontaktiert die Platte 16 den Bewegungsstopper 19, wenn sie dies tut, an einem einzelnen Punkt. Dies minimiert die Wahrscheinlichkeit, dass die Platte 16 an dem Bewegungsstopper 19 aufgrund elektrostatischer oder interatomarer Kräfte anhaftet und reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass Partikel beim Kontakt erzeugt werden. Schließlich ermöglicht die kreisförmige Konfiguration, dass der Bewegungsstopper 19 in einer omnidirektionalen Art und Weise arbeitet. Mit anderen Worten kann der Bewegungsstopper die Bewegung der Platte 16 stoppen, wobei gleichgültig ist, in welche Richtung sich die Platte 16 bewegt.
Bezug nehmend auf 2 ist ein Verfahren zum Bilden des Sensorelements 11 vorgesehen. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Sensorelements 11, aufgenommen entlang der Schnittlinien 2-2, wie in 1 gezeigt. Zu Be ginn wird eine Schicht aus Material (nicht gezeigt), wie z.B. Polysilizium, über einer Oberfläche 35 des Substrats 12 gebildet. Das Material wird dann strukturiert, um eine Basis 30 vorzusehen, welche als ein unterer Bereich für den Bewegungsstopper 19 dient. Eine Opferschicht 32 wird dann über der Basis 30 und der Oberfläche 35 des Substrats 12 gebildet. Die Opferschicht 32 kann eine Schicht aus dotiertem Siliziumdioxid oder Phosphorsilikat-Siliziumglas (PSG) sein, welche unter Verwendung üblicher Techniken abgeschieden wird. Eine Öffnung wird dann in der Opferschicht 32 gebildet, um einen Bereich der Basis 30, wie in 2 gezeigt, freizulegen.
Eine Schicht aus Material, wie z.B. einkristallinem Silizium, Polysilizium, amorphem Silizium, Metall, Metallsilizid oder dergleichen wird dann gebildet und, wie in 2 gezeigt, strukturiert. Dieses Material wird verwendet, um den Finger 17, die bewegliche Platte 16 und den oberen Bereich 36 des Bewegungsstoppers 19 zu bilden. Da der Bewegungsstopper und die Platte 16 aus demselben Material gebildet werden, haben sie eine Dicke, welche im Wesentlichen die gleiche für normale Variationen in den Abscheidungsprozessen ist. Somit kann der Bewegungsstopper 19 ohne irgendwelche zusätzlichen Prozessschritte gebildet werden und ohne Erhöhung der Größe des Erfassungselements 11, da der Bewegungsstopper 19 innerhalb des Oberflächenbereichs der Platte 16 gebildet ist. Nachdem der Bewegungsstopper 19 strukturiert ist, wird ein Nassätzprozess verwendet, um die Opferschicht 32 zu beseitigen, so dass die Platte 16 frei beweglich ist.
Bezug nehmend auf 3 sind alternative Konfigurationen zum Bilden der Bewegungsstopper 51 bis 56 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Abhängig von dem photolitographischen Prozess, der zum Strukturieren der beweglichen Platte und des Bewegungsstoppers eines Sensorelements verwendet wird, können einige alternative Formen für die Bewegungsstopper aufgrund von Beschränkungen des Herstellungsprozesses erwünscht sein. Beispielsweise können einige photolitographische Prozesse eine Minimalauflösung aufweisen, welche es schwieriger macht, wiederholt kleine kreisförmige Bilder im Vergleich zu geraden Rändern zu bilden. In diesem Fall können einige der alternativen Konfigurationen, welche in 3 gezeigt sind, leichter herstellbar und somit erwünschter sein.
3 ist eine vergrößerte Oberansicht einer beweglichen Platte 50, welche die Bewegungsstopper 51 bis 56 aufweist. Insbesondere ist der Bewegungsstopper 51 in einer quadratischen Konfiguration und der Bewegungsstopper 52 in einer oktaedrischen Konfiguration angeordnet. Die Muster zum Definieren der Bewegungsstopper 53 bis 56 umfassen eine Vielzahl von Segmenten, von denen manche gleich in der Länge sind, welche in verschiedenen kreuzförmigen Mustern angeordnet sind. Jeder der Bewegungsstopper 51 bis 56 kann der bevorzugte sein, und zwar abhängig von den Beschränkungen der kritischen Dimension (CD) der photolitographischen Prozesse und Ätzprozesse, welche verwendet werden, um die Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu bilden. Es sollte verstanden werden, dass ein Erfassungselement derart gebildet werden kann, dass es eine Vielzahl von Bewegungsstoppern über der beweglichen Platte angeordnet aufweist, so dass eine Beschädigung durch eine Rotationsbewegung verhindert werden kann.
Jetzt sollte man verstehen, dass die vorliegende Erfindung eine Sensorstruktur und ein entsprechendes Herstellungsverfahren schafft, welche eine Beschädigung verhindern, wenn eine zu starke externe Beschleunigung auf den Sensor angewendet wird. Die Verwendung des Bewegungsstoppers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist zuverlässiger, omnidirektional und weniger kostenträchtig herzustellen als weitere Strukturen, welche im Stand der Technik bekannt sind. Ferner sind die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung und der Sensor empfindlicher und hilfreich bei Anwendungen, wo eine Bewegung in mehr als einer einzigen Richtung gemessen werden soll.

Claims

Halbleitervorrichtung (10) mit: einem Substrat (12) mit einer Oberfläche (35); einer beweglichen Platte (16), welche über dem Substrat (12) liegt, wobei die bewegliche Platte (16) eine Öffnung (18) aufweist, und einem Bewegungsstopper (19), welcher das Substrat (12) kontaktiert und durch zumindest einen Bereich der Öffnung (18) in der beweglichen Platte (16) läuft, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Platte (16) in jede Richtung in einer Ebene beweglich ist, die im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche (35) des Substrats (12) ist, und der Bewegungsstopper (19) die Bewegung der beweglichen Platte (16) in der Ebene begrenzt, die im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche (35) des Substrats (12) ist.
Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Bewegungsstopper (19) aufweist: einen ersten Bereich (30), welcher die Oberfläche (35) des Substrats (12) kontaktiert; und einen zweiten Bereich (36), welcher über dem ersten Bereich (30) liegt, wobei die bewegliche Platte (16) aus demselben Material, wie der zweite Bereich (36) des Bewegungsstoppers (19) hergestellt ist und eine Dicke hat, die im Wesentlichen gleich der des, zweiten Abschnitts (36) des Bewegungsstoppers (19) ist.
Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 1, des Weiteren mit: einem ersten Finger (14), welcher in der Ebene angeordnet ist, welche im Wesentlichen parallel zur Oberfläche (35) des Substrats (12) ist, und über dem Substrat (12) liegt; und einem zweiten Finger (17), welcher an der beweglichen Platte (16) und in der Ebene angebracht ist, welche im Wesentlichen parallel zur Oberfläche (35) des Substrats (12) ist, wobei der erste Finger (14) und der zweite Finger (17) um einen ersten Abstand separiert sind, wenn die bewegliche Platte (16) stationär ist.
Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei der Bewegungsstopper (19) einen Rand aufweist, welcher von der beweglichen Platte (16) um einen zweiten Abstand getrennt ist, und wobei der erste Abstand größer als der zweite Abstand ist.
Sensor (11) mit: einem Substrat (12); einer beweglichen Platte (16), welche über dem Substrat (12) liegt, wobei die bewegliche Platte (16) eine Öffnung (18) aufweist; einem ersten Finger (14), welcher mit dem Substrat (12) verbunden ist; einem zweiten Finger (17), welcher mit der beweglichen Platte (16) verbunden ist, wobei der erste Finger (14) und der zweite Finger (17) um einen Abstand getrennt sind; und einem Bewegungsstopper (19), welcher über dem Substrat (12) liegt und durch zumindest einen Bereich der Öffnung (18) in der beweglichen Platte (16) läuft, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Platte (16) in einer Ebene in jede Richtung beweglich ist, welche parallel zu einer oberen Oberfläche (35) des Substrats (12) ist, und der Bewegungsstopper (19) an einem einzigen Punkt in Kontakt mit der beweglichen Platte (16) kommt, um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass die bewegliche Platte (16) und der Bewegungsstopper (19) zusammenkleben.