DE4016472A1

DE4016472A1 - Verfahren zur herstellung von mikromechanischen sensoren mit ueberlastsicherung

Info

Publication number: DE4016472A1
Application number: DE19904016472
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Phys Dr Bantien; Guenther Dipl Ing Findler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1991-11-28
Also published as: CH681921A5; GB2245366A; JPH0794760A; DE4016472C2; GB9110581D0

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren mit Überlastsicherung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 40 00 496 ist bekannt, daß in Halbleiterwafern mit Hilfe der Fotomaskierungs technik in Verbindung mit chemischen Ätzprozessen Strukturen heraus ätzbar sind. Insbesondere lassen sich Finger oder Balken durch isotropes naßchemisches Unterätzen von Stegen freilegen.

Aus "Nova Sensor News", September 1988, Nummer 2, Seite 3, ist ein Beschleunigungssensor bekannt, der aus zwei strukturierten Siliziumwafern besteht, die gegeneinander gebondet sind. Aus dem einen Siliziumwafer ist ein Beschleunigungsaufnehmer in Form eines Paddels mit einer seismischen Masse, das senkrecht zur Waferober fläche auslenkbar ist, herausstrukturiert. Der auf das Paddel gebondete zweite Wafer weist fingerförmige Auslenkungsbegrenzer auf, die in Ausnehmungen des das Paddel umgebenden Rahmens hineinragen, wodurch eine zu starke Auslenkung in eine Richtung vermieden wird. Eine zu starke Auslenkung in die andere Richtung wird durch die fingerförmigen Auslenkungsbegrenzer des zweiten Siliziumwafers, die vom Rahmen in Ausnehmungen des Paddels hineinragen, verhindert. Die Herstellung eines solchen Sensors erfordert zum einen die Struk turierung von zwei Siliziumwafern und zum anderen einen bei hohen Temperaturen und/oder großen elektrischen Feldstärken ablaufenden Bondprozeß. Es ist deshalb nicht sinnvoll, dieses Verfahren auf Siliziumwafer anzuwenden, auf denen schon Schaltungen integriert sind.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich der Beschleu nigungsaufnehmer und die Überlastsicherung aus einem Wafer struktu rieren lassen. Eine aufwendige Verbindungstechnik wird nicht benötigt. Als besonderer Vorteil ist anzusehen, daß sich das Ver fahren in Verbindung mit einem IC-Fertigungsprozeß anwenden läßt und eine weitere Integration, beispielsweise mit einer Auswerteschal tung, möglich ist. Vorteilhaft ist auch, daß ein Sensor-Abgleich im eingebauten Zustand möglich ist. Des weiteren ermöglicht das erfin dungsgemäße Verfahren vorteilhaft, die Dämpfung des Sensors gezielt durch eine geeignete Geometrie der Überlastanschläge einzustellen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Ver fahrens möglich. Es erweist sich als vorteilhaft, den Siliziumwafer von der Vorder- und Rückseite ausgehend zu strukturieren. Besonders günstig ist es, Siliziumwafer zu verwenden, die aus einem p- oder n-dotierten Substrat und einer darauf aufgebrachten oder eindiffun dierten Ätzstopschicht mit einer gegenüber dem Substrat unterschied lichen Dotierung zu verwenden, da der dabei auftretende Dotierungs übergang zwischen Substrat und Ätzstopschicht vorteilhaft als Ätz stop verwendet werden kann. Besonders günstig ist ein in Sperrich tung gepolter pn-Übergang oder der Übergang zwischen dem Substrat und einer p⁺-dotierten Epitaxieschicht. Vorteilhaft ist es, für die Strukturierung der Vorderseite des Siliziumwafers einen Trench prozeß zu verwenden, da hiermit ein gutes Aspektverhältnis bei sehr geringen lateralen Abmessungen der Trenchgräben erzielt wird. Günstig ist es, wenn die dabei entstehenden Ausnehmungen die Ätz stopschicht nicht vollständig durchdringen, da in diesem Falle die laterale Unterätzung, die die als Überlastsicherung dienenden Finger freilegt, vorteilhaft isotrop oder anisotrop naßchemisch innerhalb der Ätzstopschicht geätzt wird. Die Vorderseite und die Rückseite des Siliziumwafers lassen sich vorteilhaft mittels einer Nieder temperatur-Oxydschicht maskieren und passivieren. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß sich Überlast sicherungen unterschiedlicher Form in einem Layout zusammenfassen lassen. Die Sicherung gegen eine Überlast wird vorteilhaft durch das Zusammenwirken vieler Anschläge in Form von Fingern oder Balken realisiert.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1a bis 1d den Schnitt durch eine in Herstellung begriffene Halbleiterstruktur bei verschiedenen Verfahrensschritten, Fig. 2a bis 2c den Schnitt durch eine weitere in Herstellung begriffene Halbleiterstruktur und Fig. 3 die Aufsicht auf einen Sensor.

Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist mit 10 ein Siliziumwafer bezeichnet, bestehend aus einem p-Substrat 11 und einer darauf aufgebrachten n-Epitaxieschicht 12 als Ätzstopschicht, der in verschiedenen Stadien des Her stellungsprozesses eines Sensors dargestellt ist. In einem ersten Prozeßschritt wird die Rückseite des Wafers 10 strukturiert und gezielt bis zum pn-Übergang anisotrop geätzt. Der in Sperrichtung geschaltete pn-Übergang zwischen der Epitaxieschicht 12 und dem Substrat 11 dient dabei als Ätzstop. In Fig. 1a ist mit 15 ein rahmenförmiger Ätzgraben bezeichnet, der bei der Rückseitenätzung entstanden ist. Anschließend wird die strukturierte Rückseite des Wafers 10 mit einer Maskierschicht 21 passiviert. Für die Passi vierung werden vorzugsweise Niedertemperaturoxidschichten oder Plas manitridschichten verwendet. Die Verwendung von Niedertemperatur schichten als Passivierschichten ermöglicht, das Verfahren auf Siliziumwafer anzuwenden, die schon einen IC-Fertigungsprozeß durch laufen haben. Die Vorderseite des Wafers 10 wird mit einer Trench maskierung 20 versehen und in einem anschließenden Trenchprozeß strukturiert. Das Trenchen erweist sich als besonders geeignet, da sich damit ein gutes Aspektverhältnis bei sehr geringen lateralen Abmessungen der Grabenstruktur erzielen läßt. In Fig. 1b ist eine solchermaßen erzeugte U-förmige Ausnehmung 16 dargestellt, deren Tiefe geringer ist als die Dicke der Epitaxieschicht. Die Lage der Ausnehmung 16 bezuglich des Ätzgrabens 15 ist so gewählt, daß in einem nachfolgenden Ätzschritt ein Finger 30 durch eine laterale Unterätzung 17 der Ausnehmung 16 innerhalb der Schicht 12 entsteht. Dies kann, entsprechend der nicht vorveröffentlichten Patentanmel dung P 40 00 496, naßchemisch anisotrop oder isotrop erfolgen, wobei die Breite des Fingers 30 entsprechend zu dimensionieren ist. Außer dem ist die Lage der Ausnehmung 16 und des Fingers 30 und die Größe der Unterätzung 17 so zu wählen, daß die Unterätzung 17 auf den Ätzgraben 15 stößt. Dadurch entsteht ein Paddel 31 mit einer seismischen Masse 32. In Fig. 1c ist dieses Stadium der Herstellung vor der abschließenden naßchemischen Entfernung der Maskier schichten 20 und 21 dargestellt. Durch das Entfernen der Maskier schichten 20 und 21 soll verhindert werden, daß die Sensorstruktur unnötig verspannt wird. Fig. 1d zeigt das fertigstrukturierte Sensorelement.

Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren, bei dem der Siliziumwafer 10 zunächst von der Rückseite ausgehend strukturiert wird, ist in Fig. 2 ein Verfahren dargestellt, das ebenfalls zu dem in Fig. 1d dargestellten Sensorelement führt, in dem aber in einem ersten Prozeßschritt die mit einer Trenchmaskierung 20 versehene Vorderseite des Siliziumwafers 10 in einem Trenchverfahren struk turiert wird. In Fig. 2a ist mit 16 eine dabei entstehende U-förmige Ausnehmung bezeichnet, die die Epitaxieschicht 12 nicht vollständig durchdringt. Anschließend wird durch naßchemisches anisotropes oder isotropes Ätzen der Ausnehmung 16 eine laterale Unterätzung 17 in die Epitaxieschicht 12 des Wafers 10 eingebracht. Ein dadurch innerhalb der Epitaxieschicht 12 freigelegter Finger ist in Fig. 2b mit 30 bezeichnet. Im Anschluß an die Vorderseitenätzung erfolgt die Ätzung der Rückseite, bei der ein in Fig. 2c mit 15 bezeichneter rahmenförmiger Ätzgraben in das Substrat 11 des Siliziumwafers 10 eingebracht wird. Der Ätzgraben 15 wird bis zum als Ätzstop in Sperrichtung gepolten pn-Übergang zwischen Epitaxie schicht 12 und Substrat 11 geätzt, wobei seine Lage bezüglich der strukturierten Vorderseite des Siliziumwafers 10 so gewählt ist, daß der Ätzgraben 15 an einer Seite auf die Unterätzung 17 stößt. Nach Entfernen der Trenchmaskierung 20 der Vorderseite erhält man wieder die in Fig. 1d dargestellte Sensorstruktur. Bei diesem Verfahren entfällt die Passivierung der strukturierten Rückseite.

In Fig. 3 ist die Aufsicht auf ein aus einem Siliziumwafer 10 herausstrukturiertes Sensorelement dargestellt. Es weist ein Paddel 31 mit einer seismischen Masse 32 auf, das über einen Paddelsteg 33 mit einem Rahmen 34 verbunden ist. Zwischen dem Paddel 31 und dem Rahmen 34 befindet sich ein Ätzgraben 15, der den Siliziumwafer vollständig durchdringt. Das Paddel 31 weist Finger 301 auf, die nur in der Epitaxieschicht 12 ausgebildet sind und über den Ätz graben 15 bis in Ausnehmungen 161 der Epitaxieschicht 12 des Rahmens ragen. Sie verhindern eine zu weite Auslenkung des Paddels 31 nach unten hin. Eine zu weite Auslenkung des Paddels 31 nach oben wird durch Finger 302 verhindert, die vom Rahmen 34 ausgehen, ebenfalls nur in der Epitaxieschicht 12 ausgebildet sind und über den Ätz graben 15 bis in Ausnehmungen 162 der Epitaxieschicht 12 des Paddels 31 hineinragen. Die Stabilität der fingerförmigen Anschläge gegen eine Überlast beruht einesteils auf ihrer Form, wird aber im wesent lichen durch das Zusammenwirken vieler Anschläge realisiert.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren mit Überlastsicherung, insbesondere von Beschleunigungssensoren, die mindestens ein Paddel mit mindestens einer seismischen Masse, einen das mindestens eine Paddel umgebenden Rahmen und eine Überlast sicherung in Form von Fingern oder Balken aufweisen, bei dem das mindestens eine Paddel mit der mindestens einen seismischen Masse und der Rahmen durch Trockenätzprozesse und/oder naßchemische Ätz prozesse aus einem monokristallinen Siliziumwafer herausstrukturiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlastsicherung (30) mittels eines strukturierenden Trench-Prozesses in Verbindung mit einer Unterätzung in die Struktur des Rahmens (34) und/oder des mindestens einen Paddels (31) integriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struk turierung des Siliziumwafers (10) von der Wafervorderseite und von der Waferrückseite ausgehend erfolgt und daß als Ätzstop für die Rückseitenätzung und die laterale Unterätzung ein Dotierungsübergang dient, der zwischen zwei Schichten (11, 12) des Siliziumwafers (10) auftritt, wobei die eine Schicht ein p- oder n-dotiertes Substrat (11), und die zweite Schicht eine darauf aufgebrachte oder ein diffundierte Ätzstopschicht (12) mit einer gegenüber dem Substrat (11) unterschiedlichen Dotierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite des Siliziumwafers (10) maskiert wird, vorzugsweise mittels einer strukturierten Niedertemperaturoxydschicht (20), daß die Vorderseitendefinition mittels eines Trench-Prozesses erfolgt und daß mindestens eine dabei entstehende Ausnehmung (16) die Ätz stopschicht (12) nicht vollständig durchdringt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlastsicherung in Form von mindestens einem Finger (30) durch eine laterale Unterätzung (17) innerhalb der Ätzstopschicht (12) freigelegt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des Siliziumwafers (10) mit Hilfe der Fotomaskierungstechnik strukturiert wird, daß die Rückseiten ätzung anisotrop elektrochemisch erfolgt und daß mindestens ein Ätz graben (15) bis zum Dotierungsübergang zwischen dem Substrat (11) und der Ätzstopschicht (12) von der Rückseite des Siliziumwafers (10) ausgehend geätzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Rückseite des Siliziumwafers (10) passiviert wird, vorzugsweise durch eine Niedertemperaturoxyd schicht (21), wenn die Rückseitenätzung vor der Ätzung der Vorder seite des Siliziumwafers (10) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterätzung (17) so weit geätzt wird, daß sie sich mit dem mindestens einen Ätzgraben (15) vereint.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskierschichten (20, 21) nach dem Ätzen naßchemisch entfernt werden.

9. Sensor mit Überlastsicherung, insbesondere zur Beschleunigungs messung, nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Finger (301) in der Ätzstopschicht (12) des Paddels (31) ausgebildet ist, der in mindestens einer Ausnehmung (161) der Ätzstopschicht (12) des Rahmens (34) hineinragt.

10. Sensor mit Überlastsicherung, insbesondere zur Beschleunigungs messung, nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Finger (302) in der Ätzstopschicht (12) des Rahmens (34) ausgebildet ist, der in mindestens einer Ausnehmung (162) der Ätzstopschicht (12) des Paddels (31) hineinragt.