DE4016472C2

DE4016472C2 -

Info

Publication number: DE4016472C2
Application number: DE19904016472
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Phys. Dr. 7257 Ditzingen De Bantien; Guenther Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart De Findler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1992-04-09
Also published as: GB2245366A; GB9110581D0; CH681921A5; DE4016472A1; JPH0794760A

Description

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

In der US-PS 48 82 933 wird ein gattungsgemäßer mikromechanischer Beschleunigungssensor mit integrierter Überlastschutzvorrichtung beschrieben. Der Beschleunigungssensor weist einen Rahmen auf, in dem eine seismische Masse angeordnet ist, die über einen oder mehrere Stege mit dem Rahmen verbunden ist. Von der seismischen Masse und von dem Rahmen gehen fingerförmige Balken aus und ragen in Ausnehmungen des Rahmens und der seismischen Masse hinein, wodurch das Ausmaß der Auslenkungen der seismischen Masse senkrecht zur Rahmenebene begrenzt wird. Zur Herstellung dieses Beschleunigungssensors wird eine ringförmige Ausnehmung in die Vorderseite eines monokristallinen Siliziumträgers eingebracht. Anschließend wird auf die strukturierte Vorderseite des Siliziumträgers eine aus z. B. Silizium bestehende Materialschicht aufgebracht, die sich über die ringförmige Ausnehmung spannt, diese aber nicht ausfüllt. Von der Rückseite des Siliziumträgers ausgehend wird dann, justiert gegen die ringförmige Ausnehmung in der Vorderseite des Siliziumträgers, ein Ätzgraben eingeätzt, wodurch die seismische Masse freigelegt wird. Schließlich werden noch Aufhängungsstege der seismischen Masse sowie die fingerförmigen Balken der Überlastschutzvorrichtung aus der Materialschicht herausstrukturiert.

Aus der US-PS 45 97 003 ist es bekannt, eine über Stege in einem Rahmen schwingungsfähig aufgehängte seismische Masse in einem monokristallinen Halbleiterwafer zu erzeugen, auf dessen Hauptoberflächen ätzstoppende Schichten abgeschieden sind. In den ätzstoppenden Schichten sind gegeneinander justierte Öffnungen bzw. Schlitze angeordnet, durch die hindurch durch anisotropes Einätzen und Unterätzen der ätzstoppenden Schichten in diesen die Aufhängungstege ausgebildet werden.

In der US-PS 45 22 682 wird ein Verfahren zur Herstellung von vielen pnp-Transistoren auf einem Chip beschrieben. Die Separierung dieser Transistoren erfolgt durch Einbringen von Ätzgräben und anschließendes Unterätzen.

In der DE-OS 38 02 545 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe in einem Halbleiter-Chip beschrieben, bei dem der Pumpenraum und alle mechanisch aktiven Komponenten durch eine Kombination anisotroper und isotroper Ätzschritte strukturiert werden.

Aus J. Electrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology, Bd. 133, Nr. 8, Aufgust 1986, S. 1724 bis 1729 ist die Herstellung von freitragenden Siliziumbalken für Sensoranwendungen durch elektrochemisch kontrolliertes Ätzen, z. T. in Verbindung mit Plasmaätzen, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach durchführbares Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Sensors mit Überlastsicherung nach der Gattung des Hauptanspruchs anzugeben. Das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem in der US-PS 48 82 933 angegebenen Verfahren den Vorteil, daß sich der Sensor und die Überlastsicherung aus einem Wafer strukturieren lassen. Eine aufwendige Verbindungstechnik wird nicht benötigt. Als besonderer Vorteil ist anzusehen, daß sich das Verfahren in Verbindung mit einem IC-Fertigungsprozeß anwenden läßt und eine weitere Integration, beispielsweise mit einer Auswerteschaltung, möglich ist. Vorteilhaft ist auch, daß ein Sensor-Abgleich im eingebauten Zustand möglich ist. Des weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße 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 Verfah rens möglich. Der Siliziumwafer wird von der Vorder- und Rückseite ausgehend strukturiert. Besonders günstig ist es, Siliziumwafer aus einem p- oder n-dotierten Substrat und einer darauf aufgebrachten oder eindiffundierten Ätzstopschicht mit einer gegenüber dem Sub strat 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 Grabenätzprozeß ("Trench prozeß") zu verwenden, da hiermit ein gutes Aspektverhältnis bei sehr geringen lateralen Abmessungen der Gräben erzielt wird. Günstig ist es, wenn die dabei entstehenden Gräben 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-Oxidschicht 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.

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

Fig. 1a bis 1d Schnitte durch eine in Herstellung begriffene Halbleiterstruktur bei verschiedenen Verfahrensschritten,

Fig. 2a bis 2c Schnitte durch eine weitere in Herstellung begriffene Halbleiterstruktur und

Fig. 3 die Aufsicht auf einen Sensor.

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 Maskierungsschicht 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 Maskierung 20 versehen und in einem anschließenden Grabenätzprozeß ("Trenchprozeß") strukturiert. Dieser Prozeß 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 bezüglich 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 Maskierungs schichten 20 und 21 dargestellt. Durch das Entfernen der Maskierungs 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 Maskierung 20 versehene Vorderseite des Siliziumwafers 10 in einem Grabenätzprozeß ("Trenchprozeß") 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 Maskierung 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, insbesondere von Beschleunigungssensoren, mit mindestens einem Paddel mit mindestens einer seismischen Masse, wobei das mindestens eine Paddel mit der mindestens einen seismischen Masse von einem Rahmen umgeben und mit diesem über mindestens einen Steg verbunden ist, und mit einer Überlastsicherung, die durch von dem mindestens einen Paddel ausgehende, in Ausnehmungen des Rahmens hineinragende und/oder von dem Rahmen ausgehende, in Ausnehmungen des mindestens einen Paddels hineinragende, fingerförmige Auslenkungsbegrenzer gebildet wird, bei dem das mindestens eine Paddel mit der mindestens einen seismischen Masse, der Rahmen und die Überlastsicherung durch Trockenätzprozesse und/oder naßchemische Ätzprozesse zumindest teilweise aus einem monokristallinen Siliziumwafer herausstrukturiert werden, bei dem in die Rückseite des Siliziumwafers mindestens ein rahmenförmiger Ätzgraben eingebracht wird, um das mindestens eine Paddel mit der mindestens einen seismischen Masse herauszustrukturieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlastsicherung (30) aus demselben Siliziumwafer (10) wie das mindestens eine Paddel (31) mit der mindestens einen seismischen Masse (32) und der Rahmen (34) herausstrukturiert wird, indem in der Vorderseite des Siliziumwafers (10) im Bereich des Rahmens (34) und/oder des mindestens einen Paddels (31) in einem Ätzprozeß U-förmige Gräben (16) mit geringer lateraler Abmessung und hohem Aspektverhältnis mit einer vorbestimmten Tiefe eingebracht werden und anschließend durch eine laterale Unterätzung (17) ausgehend von den U-förmigen Gräben (16) die fingerförmigen Auslenkungsbegrenzer (301, 302) freigelegt werden, wobei die laterale Unterätzung (17) und der rahmenförmige Ätzgraben (15) einander erreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der von der Rückseite und von der Vorderseite ausgehenden Strukturierung des Siliziumwafers (10) als Ätzstop für die Ätzung des mindestens einen rahmenförmigen Ätzgrabens 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 eindiffundierte 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) mit einer Maskierungsschicht, vorzugsweise mittels einer strukturierten Niedertemperaturoxidschicht (20), maskiert wird und daß bei dem Ätzprozeß zum Einbringen der u-förmigen Gräben (10) diese die Ätzstopschicht (12) nicht vollständig durchdringen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die fingerförmigen Auslenkungsbegrenzer (301, 302) durch eine laterale Unterätzung (17) innerhalb der Ätzstopschicht (12) freigelegt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des Siliziumwafers (10) mit Hilfe der Fotomaskierungstechnik strukturiert wird, daß die Ätzung des mindestens einen rahmenförmigen Ätzgrabens (15) anisotrop elektrochemisch erfolgt und bis zum Dotierungsübergang zwischen dem Substrat (11) und der Ätzstopschicht (12) geätzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Rückseite des Siliziumwafers (10) mit einer Maskierungsschicht (21) vorzugsweise durch eine Niedertemperaturoxidschicht (21), passiviert wird, wenn die Ätzung des mindestens einen rahmenförmigen Grabens (16) vor der Ätzung der Vorderseite des Siliziumwafers (10) erfolgt.

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

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskierungsschichten (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 fingerförmiger Auslenkungsbegrenzer (301) in der Ätzstopschicht (12) des Paddels (31) ausgebildet ist, der in mindestens eine 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 fingerförmiger Auslenkungsbegrenzer (302) in der Ätzstopschicht (12) des Rahmens (34) ausgebildet ist, der in mindestens eine Ausnehmung (162) der Ätzstopschicht (12) des Paddels (31) hineinragt.