DE4030466A1 - Piezo-widerstandsvorrichtung - Google Patents
Piezo-widerstandsvorrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Piezo-Widerstandsvorrichtung, gebildet auf einem
Halbleitersubstrat zur Verwendung in einem Beschleunigungsmesser,
einem Drucksensor od. dgl.
In neuerer Zeit sind mikrominiaturisierte
Piezo-Widerstandsvorrichtungen zur Verwendung bei der Erfassung
von Beschleunigungen durch Erfassen einer kleinen
Spannungsveränderung oder Widerstandsveränderung infolge des
Piezo-Widerstandseffektes eines Halbleiterfilmes, der auf einem
Halbleitersubstrat ausgebildet ist, entwickelt worden. Solch ein
Piezo-Widerstandsvorrichtung wird unter Verwendung einer
Dünnschicht- oder Dünnfilmtechnologie ausgebildet und hat daher
hervorragende Merkmale, dergestalt, daß sie in ihrer Größe extrem
klein ausgeführt werden kann, z. B. mit einer Länge von ungefähr
100 µm eines Schwingungsabschnittes, einer Dicke von ungefähr
1 µm und einer Gesamtchip-Größe von ungefähr 1 mm2, wobei
außerdem ein derartiges Element in demselben Substrat gemeinsam
mit anderen Vorrichtungen in einer integrierten Schaltung
ausgebildet werden kann.
In einer Piezo-Widerstandsvorrichtung (piezoresistive
Vorrichtung) wird z. B. ein Dünnschicht-Widerstandsmuster einer
p⁺-Typ-Diffusionsschicht auf einer Oberfläche eines n-Typ
Silizium-Halbleitersubstrates ausgebildet. In dieser
Piezo-Widerstandsvorrichtung wird ein Leckstrom durch einen
p-n-Übergang bei hohen Temperaturen von mehr als 150°C erzeugt.
Um dieses Problem zu überwinden, sind zwei Lösungen vorgeschlagen
worden.
Bei der einen Lösung wird ein Polysilikonfilm als
druckempfindlicher Widerstand verwendet, der von einem Substrat
durch einen Siliziumoxidfilm getrennt ist. In diesem Fall wird
kein Leckstrom zwischen dem Widerstand und dem Substrat selbst
bei der hohen Temperatur erzeugt. Bei dieser Anordnung wird
jedoch die Empfindlichkeit vermindert. Um dieses Problem zu
verbessern, ist eine Laser-Rekristallisationstechnik verwendet
worden, um größere Kristallkörner zu erzeugen. In diesem Fall
bleibt jedoch der Empfindlichkeitsfaktor unter 45.
In einer anderen Lösung wird die SOI-Technik verwendet (Silizium
auf Isolator). Ein Verfahren zum Erzeugen einer
Piezo-Widerstandsvorrichtung unter Verwendung der SOI-Technik ist
in den Fig. 1a bis 1c gezeigt.
In Fig. 1a wird eine p⁺-Typ-Diffusionsschicht 3 auf der
Oberfläche eines zweiten Silizium-Halbleitersubstrates 2
ausgebildet und ein Silizizmoxidfilm 4 wird auf dem
Oberflächenbereich des ersten Silizium-Halbleitersubstrates 1,
getrennt von dem zweiten Silizium-Halbleitersubstrat 2,
ausgebildet.
In Fig. 1b wird das zweite und erste Silizium-Halbleitersubstrat
2 und 1 elektrostatisch miteinander verbunden, so daß die p⁺-Typ-
Diffusionsschicht 3 und der Siliziumoxidfilm 4 direkt miteinander
in Kontakt sind.
In Fig. 1c wird das zweite Silizium-Halbleitersubstrat 2 durch
Ätzen entfernt, um die p⁺-Typ-Diffusionsschicht 3 freizulegen.
In Fig. 1d wird die p⁺-Typ-Diffusionsschicht 3 strukturiert, um
Piezo-Widerstände auf dem Siliziumoxidfilm 4 zu bilden und
anschließend wird die Oberseite des resultierenden Materiales
durch eine Siliziumoxidfilm 5 abgedeckt. Die Strukturierung des
Siliziumoxidfilmes 5 wird ausgeführt, um Elektroden 6 an den
Piezo-Widerständen auszubilden.
In Fig. 1e wird ein Siliziumoxidfilm 7 auf der Rückseite des
ersten Silizium-Halbleitersubstrates 1 ausgebildet und ein
Rückoberflächenbereich 8 des ersten
Silizium-Halbleitersubstrates 1 wird geätzt, um eine Membran 9
zu bilden.
Bei diesem Verfahren werden gute elektrische Kennwerte und
Eigenschaften selbst bei einer hohen Temperatur von ungefähr
250°C sowie ein hoher Empfindlichkeitsfaktor erreicht. Dieses
Verfahren verwendet jedoch zwei Silizium-Halbleitersubstrate, von
denen eines vollständig durch Ätzen entfernt wird und erfordert
ein kompliziertes Herstellungsverfahren bzw. eine komplizierte
Verarbeitung, die mit hohen Kosten verbunden ist.
Es ist demzufolge ein Ziel der vorliegenden Erfindung, im
Hinblick auf die vorerläuterten Nachteile und Schwierigkeiten des
Standes der Technik eine Piezo-Widerstandsvorrichtung zu
schaffen, die mit hoher Empfindlichkeit und hohem
Empfindlichkeitsfaktor selbst bei hoher Temperatur arbeiten kann,
ohne daß sie ein zweite Substrat und eine komplizierte und teuere
Herstellungsweise erfordert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die obige
Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Piezo-Widerstandsvorrichtung
gelöst, mit einem Halbleitersubstrat, das eine ebene Oberfläche
aufweist, mit Trennungs-Nuteinrichtungen, die in einem
Oberflächenbereich des Halbleitersubstrates ausgebildet sind,
wobei die beabstandenden bzw. trennenden Nuteinrichtungen einen
Querschnitt aufweisen, der durch vier Ebenen begrenzt bzw.
bestimmt ist und vier Seitenwandungen eines Siliziumoxidfilmes
enthält, und mit Piezo-Widerstandseinrichtungen, die in dem
Oberflächenbereich des Halbleitersubstrates ausgebildet und durch
die Trennungs-Nuteinrichtungen umgeben sind, um die
Piezo-Widerstandseinrichtungen von dem Halbleitersubstrat zu
trennen, wobei die Piezo-Widerstandseinrichtung einen Querschnitt
eines umgekehrten Dreieckes aufweist, gebildet durch eine (obere)
Ebene und zwei weitere Ebenen.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den
Unteransprüchen dargelegt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Fig. 1a bis 1e sind Querschnittsdarstellungen, die ein
herkömmliches Verfahren zum Erzeugen einer
Piezo-Widerstandsvorrichtung zeigen,
Fig. 2a bis 2b zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Piezo-Wider
standsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2a einen Querschnitt entlang der Linie 2a-2a in Fig. 2b,
Fig. 3a bis 3d Querschnittsdarstellungen, die ein Verfahren zur
Herstellung der piezoresestiven Vorrichtung, die in den
Fig. 2a und 2b gezeigt ist, darstellen, und
Fig. 4a und 4b weitere Ausführungsbeispiele einer Piezo-Wider
standsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Bezug nehmend nunmehr auf die Zeichnungen, in denen gleiche
Bezugszeichen die gleichen oder entsprechenden Teile in
sämtlichen Darstellungen zeigen, so daß diese dann nicht noch
einmal erläutert werden, ist in den Fig. 2a und 2b ein ersten
Ausführungsbeispiel einer Piezo-Widerstandsvorrichtung
(piezoresistive Vorrichtung) nach der vorliegenden Erfindung
gezeigt.
Wie in den Fig. 2a und 2b gezeigt ist, sind in dem
Oberflächenbereich eines Einkristall-p-Typ-Silizium-Halbleiter
substrates 10, das die Oberfläche entsprechend einer Ebene 100
aufweist, konzentrisch zu einem großen und kleinen Quadrat
verlaufende
Ring-Trennuten 13a und 13b ausgebildet, von denen jede einen
Querschnitt besitzt, welche durch vier geneigte Ebenen oder
Planflächen 111 gebildet wird, und die zwei Trennuten 13a und
13b sind durch Seitenwände umgeben, welche aus einem
Siliziumoxidfilm 12 bestehen. Die zweite trennenden Nuten 13a,
13b sind mit Polysilizium bzw. Polysilikon 14 gefüllt. Ein
quadratischer, ringförmiger p-Typ-Silizium-Inselbereich, der
einen Querschnitt eines umgekehrten, auf der Spitze stehenden
Dreieckes besitzt, wird durch eine flache Ebene 100 und zwei
geneigte Ebenen bzw. Flächen 111 zwischen den beiden Trennuten
13a und 13b über die Siliziumoxidfilme 12 gebildet, um den
Inselbereich vollständig einzuschließend und den Inselbereich von
dem Substrat 10 zu separieren. In dem Inselbereich sind zwischen
den Trennuten 13b und 13a des kleinen und großen Quadrats vier
Piezo-Widerstands-Sensorbereiche 11a, 11b, 11c und 11d entlang
der vier Seitenwandungen der kleinen quadratischen Ringtrennut
13b und vier p⁺-Typ-Diffusionsbereiche 15 zum Verbinden der
Piezo-Widerstandsbereiche 11a, 11b, 11c und 11d in den vier
Eckbereichen ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung kann als ein einzelner Widerstand oder
in Form einer Widerstandsbrücke, wie in Fig. 2b dargestellt,
verwendet werden. In beiden Fällen werden die Enden des
Widerstandes oder der Widerstände über die
p⁺-Typ-Diffusionsbereiche 15 kontaktiert. Die gesamte Brücke der
Widerstände ist innerhalb eines einzigen Inselbereiches von
quadratischer Ringform enthalten. Alle Widerstände sind über
Siliziumoxidfilme durch das Polysilizium bzw. Polysilikon
voneinander getrennt, welches in die Trennuten eingefüllt ist und
sind präzise parallel bzw. rechtwinklig zu der Richtung 110
angeordnet.
Ein Verfahren zum Herstellen der Piezo-Widerstandsvorrichtung,
die in den Fig. 2a und 2b gezeigt ist, wird nunmehr im einzelnen
anhand der Fig. 3a bis 3d erläutert.
In Fig. 3a werden ein Siliziumoxidfilm 16, ein Siliziumnitridfilm 17
und ein Siliziumoxidfilm 18 abfolgend auf einem
p-Typ-Silizium-Halbleitersubstrat 10 abgelagert, das eine
Oberfläche bzw. Oberseite der Ebene 100 aufweist, um einen
Dreischichtfilm darauf auszubilden. Anschließend wird der
Dreischichtfilm wahlweise unter Verwendung eines
photolithographischen Verfahrens geätzt, um die Fenster 19 in dem
Dreischichtfilm zu öffnen.
In Fig. 3b wird unter Verwendung des Dreischichtfilmes als eine
Maske der Oberflächenbereich des Substrates 10 durch ein
reaktives bzw. induktives Ionenätzen (RIE) auf eine bestimmte
Tiefe geätzt, unter Verwendung eines Chlorgases, um Spalten 20 zu
bilden, die Seitenwände in der Ebene 110 haben.
In Fig. 3c wird ein anisotropes Ätzen des resultierenden
Substrates 10 ausgeführt, wobei der Dreischichtfilm als Maske
verwendet wird, unter Verwendung einer Ätzlösung, die
Kaliumhydroxid (KOH) enthält, um Trennuten 13 zu bilden, welche
durch die Seitenwände der Fläche bzw. Ebene 110 gebildet werden.
Das Prinzip des anisotropen Ätzens der Vertiefungen bzw. Rillen
oder Spalten 20, welche Seitenwände in der Ebene 110 besitzen,
wird nunmehr im einzelnen erläutert.
Wie in den Fig. 3b und 3c gezeigt ist, weist das
Silizium-Halbleitersubstrat 10 eine Oberfläche in der Ebene 100
auf, die sich in horizontaler Richtung erstreckt, sowie die
Spalten 20, die Seitenwände besitzen, welche sich in der Ebene
110 und in vertikaler Richtung erstrecken. Anschließend wird das
anisotrope Ätzen des Substrates 10 ausgeführt.
Wenn das anisotrope Ätzen des Substrates ausgeführt wird unter
Verwendung der Ätzlösung, die KOH enthält, ist das Verhältnis der
Ätzgeschwindigkeit bzw. -rate der Flächen 110 : 100 : 111 ungefähr
600 : 300 : 1. Daher können die Seitenflächen der Vertiefungen 20
äußerst rasch geätzt werden. Der Boden der Spalten 20 wird
jeweils mit einer nicht so hohen Geschwindigkeit geätzt, kann
jedoch auch geätzt werden, bis die vier Flächen bzw. Ebenen 111
freigelegt sind. Wenn die vier Flächen 111 geschaffen bzw.
freigelegt sind, wird das Ätzen nahezu gestoppt oder die
Ätzgeschwindigkeit wird sehr klein.
Nimmt man nunmehr an, daß eine Oberflächenbreite einer
Siliziuminsel oder eines Abstandes zwischen den beiden Spalten
oder Vertiefungen 20 W ist, daß eine Tiefe der Spalten D ist, daß
eine Breite eines engen Abschnittes der Siliziuminsel, wenn das
Ätzen gestoppt wird, S ist und daß ein Winkel zwischen den Ebenen
bzw. Flächen 110 und 111 ⊖ ist (⊖=55,26°), wird die folgende
Formel erfüllt:
W=S+D tan⊖.
W=S+D tan⊖.
Entsprechend kann einer der Werte W, D und S leicht bestimmt
werden. Somit kann eine präzise und exakte Bearbeitung der
Spalten bzw. Vertiefungen 20, ausgebildet in dem Substrat 10,
leicht und einfach nur unter Verwendung der Ebene bzw. Fläche 111
als Ätzbeendigungsgröße ausgeführt werden, um eine gute
Steuerbarkeit des Prozesses bzw. der Verarbeitung zu erhalten.
In Fig. 3d sind die Wände der Trennuten 13 oxidiert, während die
engen Abschnitte der Siliziuminselbereiche 11 ebenfalls oxidiert
sind, um Siliziumoxidfilme 12 zu bilden, die die Inselbereiche 11
von im Querschnitt umgekehrt dreieckiger Form zu umgeben, um die
Siliziuminselbereiche 11 als Piezo-Widerstandsbereiche von dem
Substrat 10 zutrennen. D.h. der umgekehrt dreieckige Inselbereich
11 ist zwischen den Trennuten 13 ausgebildet. Anschließend werden
die Trennuten 13 durch das CVD-Verfahren mit Polysilikon bzw.
Polysilizium 14 gefüllt. Fenster werden in den Eckbereichen der
Dreischichtfilmabschnitte, ausgebildet auf der Oberfläche des
Substrates durch das photolithographische Verfahren, geöffnet und
eine Verunreinigung, wie z. B. ein Borion bzw. Borionen, wird in
die Eckbereiche der Inselbereiche 11 diffundiert, um
p⁺-Typ-Diffusionsbereiche 15 in den vier Eckabschnitten zu
bilden, um so gute Kontakte der Piezo-Widerstandsbereiche 11a,
11b, 11c und 11d, die eine umgekehrt dreieckige Ausbildung haben,
zu sichern. Anschließend werden die Dreischichtfilmabschnitte
entfernt.
Anschließend wird die Oberfläche durch den Siliziumoxidfilm
abgedeckt und ein Gleitfähigkeitsmuster wird auf der Oberfläche
des resultierenden Materiales in herkömmlicher Weise ausgebildet,
um eine Piezo-Widerstandsvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung zu erhalten.
Bei der piezoresistiven Vorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung sind die Piezo-Widerstandsbereiche 11 (11a, 11b, 11c
und 11d) von umgekehrt dreieckiger Gestaltung jeweils durch eine
flache Ebene 100 und zwei geneigte Ebenen 110 umgeben. Daher
kann, wenn die Piezo-Widerstandsbereiche oder Inselbereiche
gebildet werden, das Ätzen mit guter Steuerbarkeit und hoher
Genauigkeit ausgeführt werden. Somit kann bei der
Piezo-Widerstandsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
durch lediglich richtige Auswahl der Ätzrichtungen das Ätzen mit
guter Steuerbarkeit ausgeführt werden und die Genauigkeit bei der
Ausbildung der Formen, wie z. B. der Trennuten und der umgekehrt
dreieckigen Inselbereiche, kann präzise erreicht werden. Da
außerdem der dreieckige Piezo-Widerstandsbereich eine größere
mechanische Festigkeit besitzt, kann seine Größe im Vergleich zu
einem rechteckgigen Piezo-Widerstandsbereich vermindert werden
und die Empfindlichkeit kann erhöht werden.
Da bei der Piezo-Widerstandsvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung die Oberfläche durch einen Siliziumoxidfilm abgedeckt
ist und keine p-n-Sperrschicht verwendet wird, wird kein
Leckstrom zwischen den Piezo-Widerstandsbereichen und dem
Substrat erzeugt. In diesem Fall kann die piezoresistive
Vorrichtung oder jede Beeinträchtigung selbst bei einer
Temperatur von ungefahr 250°C arbeiten, im Vergleich hierzu kann
eine herkömmliche Vorrichtung, die einen p-n-Übergang zwischen
den Widerstandsbereichen und dem Substrat enthält, lediglich bis
zu einer Temperatur von ungefähr höchstens 150°C sicher arbeiten.
Bei der Piezo-Widerstandsvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung wird die Empfindlichkeit bzw. der
Empfindlichkeitsfaktor erhöht und auf ungefähr 120 verbessert, im
Vergleich mit einem Empfindlichkeitsfaktor von 40 bei der
herkömmlichen Vorrichtung, die Polysilikon bzw. Polysilizium
verwendet.
In den Fig. 4a und 4b sind weitere Ausführungsformen der
Piezo-Widerstandsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
dargestellt. In Fig. 4a ist die Piezo-Widerstandsvorrichtung in
einem p-Typ-Diffusionsbereich 22, ausgebildet in einem n-Typ-
Silizium-Halbleitersubstrat 21, gebildet und in Fig. 4b ist die
piezoresistive Vorrichtung in einer p-Typ-epitaktischen Schicht
23, gewachsen auf einer n-Typ-getragenen Schicht 24 gebildet. Ein
elektrochemisches Ätzen wird verwendet, um eine Membran für eine
Piezo-Widerstandsvorrichtung, wie z. B. einen Drucksensor, zu
bilden, und der p-n-Übergang kann als Ätzstoppglied in dem
elektrochemischen Ätzen verwendet werden. Auf diese Weise kann
eine Dicke der Membran leicht gesteuert werden.
Wenn bei dem Ätzprozeß ein KOH-Ätzmittel bei einer Temperatur
von 70°C gehalten wird, wird eine positive Spannung an die
n-Schicht angelegt, das Ätzen der n-Typ-Siliziumschicht 21 oder
der n⁺-Typ-bedeckten Schicht 24 wird gestoppt, so daß hierdurch
leicht die Dicke der Membran gesteuert werden kann.
Die Erfindung betrifft eine piezoresistive Vorrichtung, in der
Trennuten, die einen Querschnitt besitzen, welcher durch vier
ebene Flächen 111 bestimmt wird und die Seitenwände aus einem
Siliziumoxidfilm enthalten, in einem Oberflächenbereich eines
Halbleitersubstrates ausgebildet, der eine Oberfläche mit einer
ebenen Fläche 100 besitzt und zumindest ein Piezo-Widerstand mit
einem Querschnitt eines umgekehrten Dreieckes wird durch die eine
ebene Fläche 100 und die beiden ebenen Flächen 111 in dem
Oberflächenbereich des Halbleitersubstrates gebildet und wird
durch die Trennuten zum Trennen des Piezo-Widerstandes von dem
Halbleitersubstrat umgeben.
Claims (7)
1. Piezo-Widerstandsvorrichtung, gekennzeichnet durch,
ein Halbleitersubstrat (10) mit einer ebenen Oberfläche (110),
einer Trennuteinrichtung (13a, 13b) , die in einem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrates (10) ausgebildet ist, wobei die Trennuteinrichtung (13a, 13b) einen Querschnitt besitzt, der durch vier ebene Flächen (111) bestimmt ist und Seitenwände aus einem Siliziumoxidfilm aufweist, und
eine Piezo-Widerstandseinrichtung (11), ausgebildet in dem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrates (10) und umgeben durch die Trennuteinrichtung (13a, 13b) zum Abtrennen der Piezo-Widerstandseinrichtung (11) von dem Halbleitersubstrat (10), wobei die Piezo-Widerstandseinrichtung (11) einen Querschnitt in Form eines auf der Spitze stehenden Dreieckes aufweist, begrenzt durch die eine ebene Oberfläche (100) und zwei ebene Flächen (111).
ein Halbleitersubstrat (10) mit einer ebenen Oberfläche (110),
einer Trennuteinrichtung (13a, 13b) , die in einem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrates (10) ausgebildet ist, wobei die Trennuteinrichtung (13a, 13b) einen Querschnitt besitzt, der durch vier ebene Flächen (111) bestimmt ist und Seitenwände aus einem Siliziumoxidfilm aufweist, und
eine Piezo-Widerstandseinrichtung (11), ausgebildet in dem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrates (10) und umgeben durch die Trennuteinrichtung (13a, 13b) zum Abtrennen der Piezo-Widerstandseinrichtung (11) von dem Halbleitersubstrat (10), wobei die Piezo-Widerstandseinrichtung (11) einen Querschnitt in Form eines auf der Spitze stehenden Dreieckes aufweist, begrenzt durch die eine ebene Oberfläche (100) und zwei ebene Flächen (111).
2. Piezo-Widerstandsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (10) eine
p-Typ-Siliziumschicht aufweist und daß die
Piezo-Widerstandseinrichtung (11) eine p-Typ-Siliziumschicht
beinhaltet und parallel sowie rechtwinklig zu einer Richtung der
ebenen Fläche (110) ausgerichtet ist.
3. Piezo-Widerstandsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Trennuteinrichtung (13a, 13b)
konzentrisch große und kleine quadratische Ringtrennuten
beinhaltet, die einen quadratischen ringförmigen Inselbereich
begrenzen, der die Piezo-Widerstandseinrichtung (11) enthält.
4. Piezo-Widerstandsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Trennuteinrichtung (13a, 13b) mit
Polysilikon bzw. Polysilizium ausgefüllt ist.
5. Piezo-Widerstandsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Piezo-Widerstandseinrichtung (11) vier
Piezo-Widerstandssensorbereiche (11a bis 11d) aufweist, die
entlang der vier Seiten der das kleine Quadrat bildenden
ringförmigen Trennut (13b) angeordnet sind.
6. Piezo-Widerstandsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Piezo-Widerstandssensorbereiche (11a bis
11d) untereinander durch p-Typ-Diffusionsbereiche (15) verbunden
sind.
7. Piezo-Widerstandsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß eine n-Typ-Schicht auf einer Rückseite des
Halbleitersubstrates (10) ausgebildet ist.
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