DE4030466C2 - Piezo-Widerstandsvorrichtung - Google Patents

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 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 beschrieben worden.

Bei der einen Lösung wird ein Polysiliziumfilm als druckempfindlicher Widerstand verwendet, der von einem Substrat durch einen Siliziumoxidfilm getrennt ist. In diesem Fall wird kein Leckstrom zwischen dein Widerstand und dem Substrat selbst bei einer 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, wie sie z. B. aus der DE-DS 39 18 769 bekannt ist, wird die SOI-Technik verwendet (Silicon-Insulator). Ein Verfahren zum Erzeugen einer Piezo-Widerstandsvorrichtung unter Verwendung der SOI-Technik ist in den Fig. 4a bis 4c gezeigt.

In Fig. 4a wird eine p⁺-Typ-Diffusionsschicht 3 auf der Oberfläche eines zweiten Silizium-Halbleitersubstrates 2 ausgebildet und ein Siliziumoxidfilm 4 wird auf dem Oberflächenbereich des ersten Silizium-Halbleitersubstrates 1, getrennt von dem zweiten Silizium-Halbleitersubstrat 2, ausgebildet.

In Fig. 4b 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. 4c wird das zweite Silizium-Halbleitersubstrat 2 durch Ätzen entfernt, um die p⁺-Typ-Diffusionsschicht 3 freizulegen.

In Fig. 4d 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. 4e 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.

Die Herstellung von Drucksensoren zur Verwendung in der Kraftfahrzeugtechnik durch anisotropisches Ätzen ist aus Electronics, 6. November 1980, S. 113-122 bekannt. Hierbei werden von (111)-Kristallebenen begrenzte Piezowiderstandsbereiche, ausgehend von einer (100)-Kristallebene eines Siliziumsubstrats, gebildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Piezo-Widerstandsvorrichtung zu schaffen, die mit hoher Empfindlichkeit selbst bei hoher Temperatur arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Silizium-Halbleitersubstrat mit einer ebenen, in der (100)-Kristallebene liegenden Oberfläche, zwei Trennuten, die in dieser Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrates ausgebildet sind, einen durch vier (111)-Kristallebenen bestimmten Querschnitt besitzen und deren Seitenwände mit einem Siliziumoxidfilm bedeckt sind, derart, daß zwischen den Trennuten ein von dem Halbleitersubstrat durch den Siliziumoxidfilm getrennten Piezo-Widerstandsbereich gebildet ist, der einen Querschnitt in Form eines auf der Spitze stehenden Dreieckes aufweist, und der durch die eine (100)-Kristallebene und zwei (111)-Kristallebenen begrenzt ist.

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 und 1b ein Ausführungsbeispiel einer Piezo-Widerstands­ vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 1a einen Querschnitt entlang der Linie 2A-2A in Fig. 1b zeigt,

Fig. 2a bis 2d Querschnittsdarstellungen, die ein Verfahren zur Herstellung der Piezo-Widerstandsvorrichtung, die in den Fig. 1a und 1b gezeigt ist, darstellen,

Fig. 3a und 3b weitere Ausführungsbeispiele einer Piezo-Wider­ standsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 4a bis 4e Querschnittsdarstellungen, die ein herkömmliches Verfahren zum Erzeugen einer Piezo-Widerstandsvorrichtung zeigen.

Bezugnehmend nunmehr auf die Zeichnungen, in denen in allen Figuren gleiche Bezugszeichen die gleichen oder entsprechenden Teile bezeichnen, so daß auf wiederholte Erläuterungen verzichtet ist, ist in den Fig. 1a und 1b ein erstes Ausführungsbeispiel einer Piezo-Widerstandsvorrichtung dargestellt.

Wie in den Fig. 1a und 1b gezeigt ist, sind in dem Oberflächenbereich eines Einkristall-p-Typ-Silizium-Halbleiter­ substrates 10, dessen Oberfläche in der (100)-Kristallebene liegt, konzentrisch zu einen großen und kleinen Quadrat verlaufende Ring-Trennuten 13a und 13b ausgebildet, von denen jede einen Querschnitt besitzt, welche durch vier geneigte (111)-Kristallebenen gebildet wird, und die zwei Trennuten 13a und 13b sind durch Seitenwände umgeben, welche aus einem Siliziumoxidfilm 12 bestehen. Die beiden Trennuten 13a, 13b sind mit Polysilizium 14 gefüllt. Ein quadratischer, ringförmiger p-Typ-Silizium-Inselbereich, der einen Querschnitt eines umgekehrten, auf der Spitze stehenden Dreieckes besitzt, wird durch die (100)-Kristallebene und zwei (111)-Kristallebenen zwischen den beiden Trennuten 13a und 13b über die Siliziumoxidfilme 12 gebildet, um den Inselbereich vollständig einzuschließen und den Inselbereich von dem Silizium-Halbleitersubrat 10 zu separieren. In dem Inselbereich sind zwischen den Trennuten 13b und 13a des kleinen und großen Quadrats vier Piezo-Widerstandssensorbereiche 11a, 11b, 11c und 11d entlang der vier Seitenwandungen der kleinen quadratischen Ringtrennut 13b und vier p⁺-Typ-Diffusionsbereiche 15 zum Verbinden der Piezo-Widerstandssensorbereiche 11a, 11b, 11c und 11d in den vier Eckbereichen ausgebildet.

Die Piezo-Widerstandsvorrichtung kann als ein einzelner Widerstand oder in Form einer Widerstandsbrücke, wie in Fig. 1b 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 14 voneinander getrennt, welches in die Trennuten 13a, 13b eingefüllt ist und sind präzise parallel bzw. rechtwinklig zu der ebenen Oberfläche (110) angeordnet.

Ein Verfahren zum Herstellen der Piezo-Widerstandsvorrichtung, die in den Fig. 1a und 1b gezeigt ist, wird nunmehr im einzelnen anhand der Fig. 2a bis 2d erläutert.

In Fig. 2a werden ein Siliziumoxidfilm 16, ein Siliziumnitridfilm 17 und ein Siliziumoxidfilm 18 abfolgend auf einem p-Typ-Silizium-Halbleitersubstrat 10 abgelagert, das eine Kristallebene (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. 2b wird unter Verwendung des Dreischichtfilmes als eine Maske der Oberflächenbereich des Substrates 10 durch ein reaktives bzw. induktives Ionenätzen (RIE) auf eine bestimmte Tiefe D geätzt, unter Verwendung eines Chlorgases, um Spalte 20 zu bilden, die Seitenwände in der vertikalen Ebene (110) haben.

In Fig. 2c 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 begrenzt bzw. gebildet werden durch die Seitenwände der (111)-Kristallebene.

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. 2b und 2c gezeigt ist, weist das Silizium-Halbleitersubstrat 10 eine Oberfläche in der (100)-Kristallebene 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 (111)-Kristallebenen freigelegt sind. Wenn die vier (111)-Kristallebenen 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 20 mit W bezeichnet ist, daß eine Tiefe der Spalte D ist, daß eine Breite eines engen Abschnittes der Siliziuminsel, wenn das Ätzen gestoppt wird, S ist und daß ein Winkel zwischen den Ebenen (110) und der (111)-Kristallebene mit R bezeichnet ist (R = 55,26°), wird die nachfolgende Gleichung erhalten:
W = S + D tanR.

Entsprechend kann einer der Werte W, D und S leicht bestimmt werden. Somit kann eine präzise und exakte Bearbeitung der Spalte 20, ausgebildet in dem Substrat 10, leicht und einfach nur unter Verwendung der (111)-Kristallebene als Größe zur Beendigung des Ätzvorganges ausgeführt werden, um eine gute Steuerbarkeit des Prozesses bzw. der Verarbeitung zu erhalten.

In Fig. 2d 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 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. 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-Widerstandssensorbereiche 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 Beschaltungsmuster wird auf der Oberfläche des resultierenden Materiales in herkömmlicher Weise ausgebildet, um eine Piezo-Widerstandsvorrichtung nach dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu erhalten.

Bei der beschriebenen Piezo-Widerstandsvorrichtung sind der Piezo-Widerstandsbereich 11 bzw. die Piezo-Widerstandssensorbereiche 11a, 11b, 11c und 11d von umgekehrt dreieckiger Gestaltung jeweils durch eine (100)-Kristallebene und zwei geneigte (111)-Kristallebenen 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 rechteckigen 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 Piezo-Widerstandsvorrichtung ohne jede Beeinträchtigung selbst bei einer Temperatur von ungefähr 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 Polysilizium verwendet.

In den Fig. 3a und 3b sind weitere Ausführungsbeispiele der Piezo-Widerstandsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. In Fig. 3a ist die Piezo-Widerstandsvorrichtung in einem p-Typ-Diffusionsbereich 22, ausgebildet in einem n-Typ- Silizium-Halbleitersubstrat 21, gebildet und in Fig. 3b ist die Piezo-Widerstandsvorrichtung 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.

Claims (7)

1. Piezo-Widerstandsvorrichtung, gekennzeichnet durch
ein Silizium-Halbleitersubstrat (10) mit einer ebenen, in der (100)-Kristallebene liegenden Oberfläche,
zwei Trennuten (13a, 13b), die in dieser Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrates (10) ausgebildet sind, einen durch vier (111)-Kristallebenen bestimmten Querschnitt besitzen und deren Seitenwände mit einem Siliziumoxidfilm (12) bedeckt sind, derart, daß
zwischen den Trennuten (13a, 13b) ein von dein Halbleitersubstrat (10) durch den Siliziumoxidfilm (12) getrennte Piezo-Widerstandsbereich (11) gebildet ist, der einen Querschnitt in Form eines auf der Spitze stehenden Dreieckes aufweist, und der durch die eine (100)-Kristallebene und zwei (111)-Kristallebenen begrenzt ist.

2. Piezo-Widerstandsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium-Halbleitersubstrat (10) eine p-Typ-Siliziumschicht aufweist und daß der Piezo-Widerstandsbereich (11) aus der p-Typ-Siliziumschicht gebildet ist.

3. Piezo-Widerstandsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine große und eine kleine quadratische Ringtrennute (13a, 13b) vorgesehen sind, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und einen quadratischen ringförmigen Inselbereich begrenzen, der den Piezo-Widerstandsbereich (11) enthält.

4. Piezo-Widerstandsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennuten (13a, 13b) mit Polysilizium ausgefüllt sind.

5. Piezo-Widerstandsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Widerstandsbereich (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 Silizium-Halbleitersubstrates (10) ausgebildet ist.