DE4202733C2 - Temperatursensor - Google Patents

Temperatursensor

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Temperatursensor nach der Gattung des Hauptanspruches. Aus der WO 89/05 963 ist bereits ein Temperatursensor mit einem Rahmen aus einkristallinem Silizium und einer vom Rahmen gehaltenen dielektrischen Membran bekannt, bei dem aber zur Messung der Temperatur auf der Membran eine Metallstruktur aufgebracht ist. Temperaturfühler aus Metallstrukturen sind jedoch relativ unempfindlich.
Aus dem Patents Abstracts of Japan zur JP 61-116631 (A) ist bereits ein Dünnfilmthermometer mit einem Rahmen aus einkristallinem Silizium, einer davon gehaltenen dielektrischen Membran und auf der Membran angeordneten Dünnfilmwiderständen bekannt. Aus der DE 30 41 818 A1 ist bereits ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem ein temperaturempfindlicher Widerstand durch Diffusion in einen Halbleiterkörper erzeugt wird. Aus der DE 31 38 535 A1 ist ein Temperatursensor bekannt, bei dem ein Halbleiterwiderstand als polykristallines Material auf ein Substrat aufgebracht wird. Aus der DE 34 31 811 A1 ist ein Halbleitertemperatursensor bekannt, bei dem ein temperaturabhängiger einkristalliner Halbleiterwiderstand verwendet wird.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Temperatursensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber die Aufgabe, einen besonders schnellen Sensor mit einem besonders großen Meßsignal anzugeben. Dies wird durch die Anordnung eines Meßelementes aus einkristallinem Silizium auf einer dielektrischen Membran erreicht.
Da einkristallines Silizium potentiell einen sehr großen Seebeck-Koeffizienten bzw. eine hohe Empfindlichkeit der Leitfähigkeit gegenüber der Temperatur aufweist, können durch einkristalline Siliziumstrukturen sehr empfindliche Temperatursensoren realisiert werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Temperatursensors möglich. Durch die Anordnung auf einer dielektrischen Membran aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Siliziumoxinitrid wird eine gute thermische Entkopplung der einkristallinen Siliziumstruktur vom Rahmen erreicht. Zum Schutz vor Verschmutzung und Beschädigung wird die Oberseite mit einer dielektrischen Schutzschicht bedeckt. Durch Anordnung der einkristallinen Siliziumstruktur auf der Unterseite der Membran wird eine besonders glatte Oberfläche der Membran erzielt. In diesem Fall wird die einkristalline Siliziumstruktur besonders einfach durch Öffnungen in der Membran kontaktiert. Für die Anordnung der einkristallinen Siliziumstruktur auf der Oberseite der Membran müssen andere Herstellungsprozesse verwendet werden. Dadurch müssen keine Öffnungen zur Kontaktierung der Silizumstruktur eingebracht werden. Durch die Verwendung von sogenannten tiefen Dotierstoffen kann die Temperaturempfindlichkeit des elektrischen Widerstandes von einkristallinem Silizium stark gesteigert werden. Im Vergleich zur Dotierung mit sogenannten flachen Dotierstoffen kann eine Empfindlichkeitssteigerung um einen Faktor 1000 erreicht werden. Für eine tiefe Dotierung eignet sich beispielsweise Gold. Durch die teilweise Anordnung der einkristallinen Siliziumstruktur im Bereich des Rahmens und entsprechenden Zuleitungen, deren Kontaktstellen teilweise im Bereich des Rahmens und teilweise im Bereich der Membran liegen, wird der Temperatursensor so ausgelegt, daß er den Seebeck-Effekt nutzt. Der Seebeck-Effekt hat den Vorteil, daß für die Messung der Temperatur keine externen Spannungen zur Verfügung gestellt werden müssen. Durch Anordnung eines Heizers, der die Membran auf einer höheren Temperatur als den Rahmen hält, wird der Temperatursensor als Massenstromsensor einsetzbar. Durch Messung der Temperatur der Membran kann der Wärmeverlust an ein auf der Oberseite der Membran vorbeiströmendes Medium und somit die Menge des vorbeiströmenden Mediums gemessen werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine besonders einfache Herstellung der Temperatursensoren möglich. Insbesondere ist dieses Verfahren zur parallelen Massenherstellung der erfindungsgemäßen Temperatursensoren einsetzbar. Durch Anlegen einer Spannung an die Siliziumstruktur wird ein besonders exakter und reproduzierbarer Ätzstop erreicht. Die Erzeugung dielektrischer Schichten durch chemische Reaktionen der Waferoberfläche mit einem Gas ist besonders einfach, das Abscheiden der dielektrischen Schichten durch Sputtern oder Abscheiden aus der Gasphase ermöglicht eine größere Freiheit bei der Wahl der Materialien bzw. niedrigere Temperaturbelastungen des Wafers. Eine andere Herstellungsmethode für die erfindungsgemäßen Temperatursensoren nutzt die Implantation von Sauerstoff in einen Siliziumwafer. Durch diesen Prozeß werden die Möglichkeiten zur Herstellung von Temperatursensoren erweitert.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1a bis c die Herstellung der erfindungsgemäßen Temperatursensoren,
Fig. 1d und e zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Temperatursensors,
Fig. 2 zeigt eine andere Herstellungsmethode,
Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf die Temperatursensoren.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1a ist mit 1 ein Siliziumwafer bezeichnet, in den eine Siliziumstruktur 2, die sich vom Siliziumwafer 1 in ihrer Dotierung unterscheidet, eingebracht ist. Im weiteren wird nur noch ein Teil des Siliziumwafers 1 dargestellt, nämlich der Teil, der dem späteren Temperatursensor entspricht. Das Zerteilen des Siliziumwafers 1 erfolgt beispielsweise durch Sägen. Die Dotierung der Siliziumstruktur 2 erfolgt beispielsweise durch Implantation oder Diffussion. Die Art des Dotierstoffes hängt dabei von dem verwendeten Meßeffekt ab. Soll der Seebeck-Effekt für die Messung der Temperatur verwendet werden, so können die normalen in der Halbleitertechnologie verwendeten Dotierstoffe wie beispielsweise Phosphor, Bor oder Arsen verwendet werden. Mit zunehmender Konzentration dieser Dotierstoffe steigt die Empfindlichkeit des Sensorelements. Bei einkristallinem Silizium in Verbindung mit Aluminium können, im Vergleich zum Polysilizium-Aluminium, um einen Faktor 5 größere Empfindlichkeiten erzielt werden.
Wenn die Siliziumstruktur 2 als temperaturabhängiger Widerstand verwendet werden soll, so werden sog. tiefe Dotierstoffe verwendet. Diese zeichnen sich dadurch aus, daß ihr Energieniveau in etwa in der Mitte der Bandlücke des Siliziums gelegen sind. Als tiefe Dotierstoffe eignen sich daher beispielsweise Gold, Zinn, Kobalt oder Vanadium. Die Leitfähigkeit so dotierter Siliziumeinkristalle wird vom Anteil der ionisierten Dotieratome bestimmt. Der Grad der Ionisation hängt exponentiell von der Temperatur ab, infolge dessen ist die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes hoch.
Auf dem Siliziumwafer 1 wird eine dielektrische Schicht 3 erzeugt. In Fig. 1b wurde diese dielektrische Schicht 3 durch chemische Reaktion des Materials des Siliziumwafers 1 mit einem Gas beispielsweise mit Sauerstoff erzeugt. Dabei wird ein Teil der dielektrischen Membran aus der Siliziumstruktur 2 gebildet. In der Regel sind jedoch die Dotierstoffkonzentrationen so gering, daß die dielektrische Membran 3 nicht elektrisch leitend ist. Die thermische Oxidation, d. h. die chemische Reaktion der Waferoberfläche mit Sauerstoff hat den Vorteil, daß sie besonders einfach ist. Es können jedoch auch andere Techniken angewandt werden, die es erlauben, eine dielektrische Schicht 3 auf der Oberfläche des Siliziumwafers 1 abzuscheiden. Durch Sputtern können nahezu beliebige Materialen auf der Waferoberfläche abgeschieden werden. Eine andere Methode, dielektrische Schichten auf der Oberfläche des Wafers 1 abzuscheiden, besteht in der Abscheidung aus der Gasphase, sog. Chemical-Vapor-Deposition Methoden. Mit diesen Methoden können beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid auf der Waferoberfläche abgeschieden werden. Wenn die dielektrische Schicht nicht durch Reaktion der Waferoberfläche mit einem Gas gebildet wird, so ist es auch möglich, Zuleitungen zu der Siliziumstruktur 2 vor dem Abscheiden der dielektrischen Schicht 3 zu erzeugen. Vorteilhaft ist dabei, daß potentiell die Zahl der benötigten Prozeßschritte verringert werden können, nachteilhaft ist, daß die Membran im Bereich der Zuleitungen geschwächt werden kann.
In Fig. 1c wird die dielektrische Membran 3 mit Kontaktlöchern 6 versehen. Dies erfolgt durch die üblichen Prozesse der Photolithographie und Ätztechniken. Zum Schutz des Sensorelementes kann noch eine weitere Schutzschicht 5 auf der Oberfläche angebracht werden. Zur Kontaktierung der Siliziumstruktur 2, muß diese jedoch an mindestens einer Stelle des Wafers 1 eine Kontaktöffnung 8 aufweisen.
In Fig. 1d ist ein fertiggestellter Temperatursensor, der die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes nutzt, gezeigt. Zur Fertigstellung dieses Sensors wurde in den in Fig. 1c gezeigten Siliziumwafer 1 eine Ausnehmung 7a in die Rückseite eingebracht. Der Temperatursensor weist eine dielektrische Membran 13, eine einkristalline Siliziumstruktur 11 und einen Rahmen 9 aus einkristallinem Silizium auf. Die einkristalline Siliziumstruktur 11 ist so auf der Membran 13 angebracht, daß sie an keiner Stelle in Kontakt mit dem Rahmen 9 steht. Da die dielektrischen Materialien der Membran 13 ein geringes thermisches Leitvermögen aufweisen, ist so die einkristalline Siliziumstruktur 11 thermisch vom Rahmen 9 isoliert.
Zur Einbringung der Ausnehmung 7a wurde eine Ätzlösung verwendet, die Silizium mit hoher Anisotropie ätzt, wie beispielsweise KOH. Die dielektrischen Materialien der Membran 13, wie beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, werden von solchen Ätzlösungen nur vernachlässigbar geätzt. Die einkristalline Siliziumstruktur 11 kann aufgrund ihrer Dotierung - evtl. mit Unterstützung durch Anlegen einer Spannung - vor dem Angriff der Ätzlösungen geschützt werden. Wenn die einkristalline Siliziumstruktur 11 durch eine angelegte Spannung vor dem Angriff der Ätzlösung geschützt werden soll, so müssen die einkristalline Siliziumstruktur 11 und der Rahmen 9 von unterschiedlichem Leitungstyp sein. Beispielsweise ist es vorstellbar, daß der Rahmen 9 aus P-Silizium und die einkristalline Siliziumstruktur 11 aus N-Silizium besteht.
Über die Zuleitungen 4 wird der Widerstand der einkristallinen Siliziumstruktur 11 gemessen. Da dieser Widerstand stark von der Temperatur abhängt, kann durch diese Messung eine Aussage über die Temperatur auf der dielektrischen Membran 13 getroffen werden.
In Fig. 1e ist die Ausgestaltung des Temperatursensors unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts gezeigt. Zu diesem Zweck wurde in den Wafer nach Fig. 1c eine Ausnehmung 7b von der Rückseite ausgehend eingebracht. Die Ausnehmung 7b erstreckt sich bis zur dielektrischen Membran 13 und die einkristalline Siliziumstruktur 12. Ein Ende der einkristallinen Siliziumstruktur 12 ist in den Rahmen 9 aus einkristallinem Silizium eingebettet. In diesem Bereich befindet sich auch eines der Kontaktlocher 5 (Kontakt 1). Das andere Ende der einkristallinen Siliziumstruktur 12 ist auf der dielektrischen Membran 13 gelegen. In diesem Bereich befindet sich ein weiteres Kontaktloch 6 (Kontakt 2).
Bei Auftreten einer Temperaturdifferenz zwischen Kontakten 1 und 2 entsteht zwischen den beiden Zuleitungen 4 eine elektrische Spannungsdifferenz, die sog. Seebeck-Spannung, die durch Messung nachgewiesen werden kann. Die Ausnehmung 7b erstreckt sich wiederum bis zur dielektrischen Membran 13 und bis zur einkristallinen Siliziumstruktur 12. Der Schutz der einkristallinen Siliziumstruktur 12 kann wiederum durch eine entsprechende Dotierung bzw. durch Anlegen einer Spannung erzielt werden. Der Schutz durch eine angelegte Spannung erfolgt analog wie zu Fig. 1d ausgeführt.
In Fig. 2 wird ein anderes Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäßen Temperatursensoren gezeigt. In Fig. 2a wurde in einem Siliziumwafer 31 eine Siliziumoxidschicht unterhalb einer einkristallinen Siliziumschicht 33 erzeugt. Zur Erzeugung dieser vergrabenen Siliziumoxidschicht 32 wurden in den Siliziumwafer 31 Sauerstoffionen implantiert. Ein entsprechender Prozeß wird beispielsweise von Diem u. a. in der Zeitschrift: Sensors and Actuators, A 21-A 23, (1990) 1003-1006, SIMOX: a technology for high temperature silicon sensors, beschrieben. In Fig. 2b ist durch Strukturierung der einkristallinen Siliziumschicht 33 die einkristalline Siliziumstruktur 35 entstanden. Diese wurde mit Zuleitungen 34 versehen. Die Strukturierung der einkristallinen Siliziumschicht 33 erfolgt durch Photolithographie und Ätzprozesse. Zur Erzeugung der Zuleitungen 34 eignet sich beispielsweise das Aufsputtern von Metallschichten.
In Fig. 2c ist durch Einbringen einer Ausnehmung 37 der Temperatursensor mit einem Rahmen 9 aus einkristallinem Silizium und einer dielektrischen Membran 13 gebildet worden. Auf der Oberseite des Temperatursensors ist noch eine Schutzschicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid abgeschieden worden. Die Ätzungen der Ausnehmung 37 ist bei diesem Verfahren besonders einfach, da als Ätzstopp die dielektrische Membran 13 verwendet wird. Der hier gezeigte Sensor nutzt wieder die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes in der einkristallinen Siliziumstruktur 35. Wenn ein Ende der einkristallinen Siliziumstruktur 35 im Bereich des Rahmens 9 gelegen ist, kann auch für diesen Sensor in äquivalenter Weise der Seebeck-Effekt zur Temperaturmessung benutzt werden.
In Fig. 3 werden die Temperatursensoren beim Einsatz in einem Luftmassensensor gezeigt. Der Luftmassensensor weist einen Rahmen 9 aus einkristallinem Silizium auf, in dem die dielektrische Membran 13 aufgespannt ist. Auf der dielektrischen Membran sind die einkristallinen Siliziumstrukturen 11 und 12 gelegen, wobei die einkristalline Siliziumstruktur 12 teilweise im Bereich des Rahmens 9 liegt. Bei der hier gezeigten Darstellung in der Aufsicht ist es unerheblich, ob die einkristallinen Siliziumstrukturen 11, 12 auf der Oberseite oder auf der Unterseite der Membran 13 liegen. Die hier gezeigte Darstellung gilt somit gleichermaßen für die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Sensoren. Die einkristallinen Siliziumstrukturen 11, 12 sind durch Zuleitungen 14 kontaktiert. Durch die Zuleitungen 14 kann der Kontakt zu einer hier nicht gezeigten Auswerteelektronik hergestellt werden. Diese kann sich entweder außerhalb des Sensors befinden oder monolithisch im Siliziumrahmen integriert sein. Weiterhin ist auf der Membran 13 ein Heizer 16 mit Zuleitungen 15 angeordnet. Der Heizer 16 ist im hier gezeigten Fall besonders einfach durch eine Querschnittsverjüngung der Zuleitungen 15 ausgebildet. Es sind jedoch beliebige andere Heizer vorstellbar, die auf der Umwandlung eines elektrischen Stromes in Wärme beruhen. Durch den Heizer 16 wird die Membran 13 auf einer höheren Temperatur gehalten, als der Rahmen 9. Da die dielektrische Membran 13 nur ein geringes thermisches Leitvermögen aufweist, wird wenig Wärme vom Heizer 16 über die Membran 13 an den Rahmen 9 abgegeben. Die Membran 13 wird sich daher auf einer höheren Temperatur befinden, die durch die Temperatursensoren nachweisbar ist. Wenn die Membran 13 in einem Medienstrom, beispielsweise einem Luftstrom, ausgesetzt wird, so gibt sie Wärme an das strömende Medium ab und kühlt sich somit ab. Der Wärmeverlust hängt dabei von dem Massenfluß des vorbeiströmenden Mediums ab. Durch Messung der Temperatur kann somit auf die Menge des vorbeiströmenden Mediums pro Zeiteinheit geschlossen werden. Je empfindlicher die Temperaturmessung erfolgt, desto empfindlicher, genauer und störsicherer ist der Sensor. Durch die Verwendung der einkristallinen Siliziumstrukturen 11, 12 werden daher die Empfindlichkeit, Störsicherheit und Genauigkeit des Durchflußsensors erhöht.

Claims (15)

1. Temperatursensor, insbesondere zur Verwendung in einem Luftmassensensor, mit einem Rahmen (9) aus einkristallinem Silizium und einer vom Rahmen (9) gehaltenen dielektrischen Membran (13), dadurch gekennzeichnet, daß auf die Membran (13) eine einkristalline Siliziumstruktur (11, 12, 35) aufgebracht ist, daß die einkristalline Siliziumstruktur (11, 12, 35) zur Messung der Temperatur der Membran dient und mit mindestens zwei nach außen führenden Zuleitungen (4, 14) versehen ist.
2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Membran (13) aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Siliziumoxinitrid besteht.
3. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite der Membran (13) mit einer dielektrischen Schutzschicht (5) bedeckt ist.
4. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einkristalline Siliziumstruktur (11, 12) auf der Unterseite der Membran (13) aufgebracht ist.
5. Temperatursensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die dielektrische Membran (13) Öffnungen (6) eingebracht sind und die einkristalline Siliziumstruktur (11, 12) durch diese Öffnungen (6) hindurch kontaktiert ist.
6. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einkristalline Siliziumstruktur (11, 12) auf der Oberseite der Membran (13) aufgebracht ist.
7. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einkristalline Siliziumstruktur (11, 35) mit einem tiefen Dotierstoff dotiert ist.
8. Temperatursensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung mit Gold erfolgt.
9. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einkristalline Siliziumstruktur (12) teilweise im Bereich des Rahmens (9) gelegen ist, daß die Zuleitungen (4,14) nicht aus Silizium sind, und daß von den beiden Kontaktstellen der Zuleitungen (4, 14) mit der Siliziumstruktur (12) eine im Bereich des Rahmens (9) und eine im Bereich der Membran (13) gelegen ist.
10. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf oder unter der Membran (13) in der Nähe der einkristallinen Siliziumstruktur (11, 12, 35) ein Heizer (16) angeordnet ist, der die Membran (13) auf einer höheren Temperatur als den Rahmen (9) hält, und daß der Wärmeverlust an ein auf der Oberseite der Membran (13) vorbeiströmendes Medium gemessen wird.
11. Verfahren zur Herstellung von Temperatursensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß in einen einkristallinen Siliziumwafer (1) eines Leitungstyps eine einkristalline Siliziumstruktur (2) des entgegengesetzten Leitungstyps eingebracht wird,
  • - daß auf der Oberfläche dieses Siliziumwafers (1) eine dünne dielektrische Schicht (3) erzeugt wird,
  • - daß Öffnungen (6) in die dielektrische Schicht (3) eingebracht werden, durch die die Siliziumstruktur (2) kontaktiert werden kann,
  • - und daß in den Siliziumwafer (1) ausgehend von der Rückseite eine Ausnehmung (7a, 7b) eingeätzt wird, die sich bis zur dielektrischen Schicht (3) oder bzw. bis zur Siliziumstruktur (2) ersteckt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumstruktur (2) durch Anlegen einer Spannung oder durch eine hohe Dotierungskonzentration vor dem Angriff der Ätzlösung geschützt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (3) durch chemische Reaktion der Waferoberfläche mit einem Gas erzeugt ist.
14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (3) durch Sputtern oder Abscheiden aus der Gasphase erzeugt ist.
15. Verfahren zur Herstellung von Temperatursensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennenzeichnet,
  • - daß durch Implantation von Sauerstoff in einen Siliziumwafer (31) eine unter der Waferoberfläche liegende Siliziumoxidschicht (32) gebildet wird,
  • - daß Veränderungen der Kristallstruktur in der über der Siliziumoxidschicht (32) liegenden Siliziumschicht (33) durch eine Temperaturbehandlung ausgeheilt werden und so eine einkristalline Siliziumschicht (33) erzeugt wird,
  • - daß die über dem Siliziumoxid (32) liegende Siliziumschicht (33) strukturiert wird und mit elektrischen Anschlüssen (34) versehen wird,
  • - und daß von der Rückseite des Siliziumwafers (1) eine Ausnehmung (37) eingeätzt wird, die bis zur Siliziumoxidschicht (32) reicht.
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