DE4215722C2

DE4215722C2 - Sensorsubstrat mit einer Membran und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE4215722C2
Application number: DE19924215722
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Phys Dr Muenzel; Michael Dr Ing Dr Offenberg; Eckart Dr Ing Reihlen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-05-13
Filing date: 1992-05-13
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: DE4215722A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensorsubstrat mit einer Membran nach der Gattung des Hauptanspruchs und einem Her stellungsverfahren nach der Gattung des Anspruchs 6.

Aus der WO 89/05963 ist bereits eine Membran bekannt, die aus die lektrischem Material besteht, in einem Massenflußsensor ver wendet wird und über einen Kragen mit dem Rahmen aus einkri stallinem Silizium verbunden ist. Durch den Kragen wird die geometrische Form der Membran besonders exakt definiert, wo bei dabei Dickenvariationen des Siliziumssubstrates nicht ins Gewicht fallen.

Aus der DE 41 32 105 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Membranen aus Silizium-Einkristallsubstraten bekannt. Dabei wird ein Ätzprozeß verwendet, der zu einer Abrundung im Bereich der Einspannung der Membran führt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensorsubstrat mit den Merkmalen nach dem Hauptanspruch hat demgegenüber den Vorteil, daß Kerbspannungen im Bereich der Einspannung der Membran ver ringert werden und somit die Drucksicherheit der Membran er höht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 6 hat den Vorteil, daß die Herstellung eines solchen Sensorsubstrats besonders einfach und gut reproduzierbar erfolgt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors und des Verfahrens nach Anspruch 6 möglich. Da der Rahmen und die elastische Einfassung beide hauptsächlich aus Silizium bestehen, werden temperaturbedingte Verspannungen zwischen Rahmen und Ein fassung vermindert. Durch die Verwendung unterschiedlicher Dotierungen können zur Strukturierung Ätzmethoden verwendet werden, die dotierungsabhängig sind. Diese können sowohl die Konzentration der Dotierstoffe wie auch die Isolation durch einen pn-Übergang nutzen. Werden die Übergänge zwischen Membran und Einfassung sowie Einfassung und Rahmen über die kristallographisch möglichen Winkel hinaus abgeflacht, so werden die Kerbspannungen weiter verringert und die Drucksicherheit weiter erhöht. Je nach Anwendungsfall kann die Membran aus Silizium (Beispiel: Drucksensor) oder aus einem dielektrischen Material (Beispiel: Massenflußsensor) bestehen.

Besonders einfach wird die Struktur der zweiten Dotierung durch Diffusion eingebracht. Erfolgt das Einbringen der Struktur der zweiten Dotierung durch Implantation durch eine Maske, so können die geometrischen Abmessungen dieser Struktur besser kontrolliert werden. Weiterhin ist es durch Implantation in Verbindung mit einer Maske mit schrägem Rand möglich, die Struktur der zweiten Dotierung mit langsam abnehmender Tiefe der Dotierung im Randbereich zu er zeugen. Durch diese Maßnahme wird ein flacher Winkel zwischen der Membran und der elastischen Einfassung erreicht, sofern eine dotierstoffabhängige Ätzung zur Ätzung der Rahmenöffnung verwendet wird. Eine Abflachung des Überganges zwischen Membran und Einfassung sowie Einfassung und Rahmen wird auch durch isotrope Nachätzung erreicht. Die Schicht für die Membran kann sowohl durch Dotierung der Oberfläche des Siliziumwafers, durch chemische Um wandlung der Oberfläche, wie auch durch Abscheiden einer Schicht auf der Oberfläche des Wafers hergestellt werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a, 1b, 1c die Herausstrukturierung von Membran, elastischer Einfassung und Rahmen aus einem Siliziumwafer,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht einer elastischen Einfassung,

Fig. 3 eine elastische Einfassung nach isotroper Nachätzung,

Fig. 4 die Implantation durch eine Maske mit schräger Kante und

Fig. 5 die so hergestellte elastische Einfassung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1a ist mit 7 ein Siliziumwafer mit einer ersten Dotierung bezeichnet. In diesen Siliziumwafer 7 werden Strukturen 10 mit einer zweiten Dotierung eingebracht. Dem Fachmann sind die Methoden ge läufig, mit denen die Struktur 10 der zweiten Dotierung durch Implantation oder Diffusion in den Wafer 7 eingebracht werden können. Als mögliche Dotierung für die Struktur 10 der zweiten Dotierung eignet sich entweder eine stärkere Dotierung oder eine entgegengesetzte Dotierung, d. h. beispielsweise bei einer p-Dotie rung des Wafers 7 können die Strukturen 10 der zweiten Dotierung entweder eine p⁺-Dotierung oder eine n-Dotierung aufweisen.

Wie in Fig. 1b gezeigt wird, wird auf der Oberseite des Wafers 7 eine Schicht 20 für die Membran erzeugt. Die Erzeugung der Schicht 20 für die Membran erfolgt in Fig. 1b durch Umwandlung eines Teils des Siliziums der Oberfläche des Wafers beispielsweise durch Dotie rung oder thermische Oxidation. Ebensogut ist es jedoch möglich, die Schicht 20 für die Membran durch Aufbringen einer weiteren Schicht herzustellen. Eine Möglichkeit dafür wäre bei spielsweise das Abscheiden von Siliziumnitrid durch LPCVD (low-pressure chemical vapor deposition). Die Wahl des Materials der Schicht 20 für die Membran hängt von der geplanten Verwendung der Membran ab. Soll die Membran beispielsweise in einem Luftmassen sensor angewendet werden, so ist die Verwendung von Siliziumoxid oder Siliziumnitrid vorteilhaft, da diese Materialien ein geringes thermisches Leitvermögen aufweisen. Bei der Anwendung der Membran in einem Drucksensor ist die Verwendung von Silizium vorteilhaft, da im Silizium piezoresistive Widerstandselemente hergestellt werden können. Im weiteren wird die Ausgestaltung der Membran für einen Luftmassensensor gezeigt. Dazu sind auf der Oberseite der Membran ein Heizelement 24 und ein Temperaturfühler 25 aufgebracht. Diese sind durch hier nicht gezeigte Leiterbahnen kontaktiert. Zum Schutz gegen störende Umwelteinflüsse sind der Heizer 24 und der Tempe raturfühler 25 unter einer Passivierung 26 vergraben.

In Fig. 1c wird gezeigt, wie durch eine von der Rückseite des Wafers 7 ausgehenden Ätzung der Rahmen 2, die elastische Einfassung 3 und die Membran 1 herausstrukturiert werden. Es ist dem Fachmann z. B. aus der WO 89/05963 geläufig, wie der durch die dünne Membran 1 thermisch isolierte Heizer 24 und Temperaturfühler 25 als Luft massensensor verwendet werden können. Die Ätzung des Siliziums des Wafers 7 erfolgt durch eine Ätzlösung, die weder das Silizium der Struktur 10 noch das Material der Schicht 20 ätzt. Dies kann bei spielsweise durch eine der üblichen basischen anisotropen Ätz lösungen für Silizium erfolgen, die weder stark dotiertes Silizium noch Siliziumoxid noch -nitrid ätzen. Bestehen die Membran 1 und die elastische Einfassung 3 aus Silizium des entgegengesetzten Leitungs typs zum Wafers 7, so werden diese durch Anlagen einer Spannung vor dem Angriff der Ätzlösung geschützt. Die konkrete Ausgestaltung der elastischen Ein fassung 3, d. h. ihre Dicke D und die jedenfalls größere Länge L, mit der sie unter die Membran 1 hineinreicht, wird in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall festgelegt. Dabei ist zum einen zu berücksichtigen, mit welchen Druckunterschieden die Membran 1 belastet werden soll, zum anderen ist die durch die elastische Einfassung 3 bedingte Verringerung der Empfindlichkeit des Drucksensors bzw. die schlechtere thermische Isolation eines Luftmassensensors zu berücksichtigen. Typischerweise ist die Dicke D der elastischen Einfassung in der Größenordnung der Dicke der Membran 1 und reicht ein Vielfaches der Membrandicke die Membran 1 hinein.

In Fig. 2 ist die Ausgestaltung der Membran 1, der elastischen Ein fassung 3 und des Rahmens 2 für einen Drucksensor gezeigt. Die Mem bran 1 besteht aus Silizium und hat auf ihrer Oberseite einen piezo resistiven Widerstand 27 eindiffundiert. Der Widerstand des Wider standselements 27 ändert sich in Abhängigkeit von der druckbedingten Verformung der Membran 1. Der Rahmen 2 wurde aus einem (100)- orientierten Wafer heraus strukturiert.

In der Fig. 3 ist eine Membran 1 mit einer elastischen Einfassung 4 und einem Rahmen 2 gezeigt. Die Membran 1 besteht aus einem di elektrischen Material. Der Rahmen 2 und die elastische Einfassung 4 bestehen beide aus Silizium. Die elastische Aufhängung 4 und der Rahmen 2 wurden durch eine Ätzlösung nachgeätzt, die Silizium iso trop ätzt. Solche Ätzlosungen können beispielsweise aus einem Ge misch aus Flußsäure, Salpetersäure und Wasser bestehen. In dem Fachbuch Mikromechanik von Heuberger, Springer-Verlag 1989, Seite 165, wird beschrieben, in welchen Verhältnissen die einzelnen Komponenten gemischt sein müssen, um die erwünschten gerundeten Kanten und glatten Oberflächen zu erzielen. Durch die gestrichelte Linie sind die Siliziumstrukturen der elastischen Einfassung 4 und des Rahmens 2 vor der Ätzung mit der isotropen Ätzlösung darge stellt. Durch die verrundeten Kanten und Winkel wird das Auftreten von Kerbspannungen im Einspannungsbereich der Membran weiter ver ringert und somit die Druckfestigkeit der Membran 1 weiter erhöht.

In den Fig. 4 und 5 ist ein weiteres Verfahren dargestellt, mit dem abgerundete Kanten im Einspannungsbereich erzielt werden können. In der Fig. 4 ist ein Wafer 7 dargestellt, der mit einer Dotier maske 14 bedeckt ist. Die Dotiermaske 14 weist einen schrägen Rand bereich 15 auf. Wird in einem solchen Wafer 7 durch Implantation eine Struktur 10 mit einer anderen Dotierung aufgebracht, so weist diese Struktur 10 unterhalb des schrägen Randbereiches 15 der Maske 14 eine zunehmend geringere Tiefe der Dotierung auf. Die Maske 14 wird entfernt und auf der Oberfläche des Wafers 7 wird eine Schicht für die Membran 1 aufgebracht. Nach der Ätzung des Wafers 7 entsteht dann eine Struktur wie in Fig. 5 gezeigt. Die Membran 1 ist durch eine elastische Einfassung 5 mit dem Rahmen 2 verbunden. Der Über gangsbereich zwischen Membran 1 und elastischer Einfassung 5 weist einen Winkel auf, der relativ flach ist und so das Auftreten von Kerbspannungen verringert. Der Übergangsbereich zwischen der elasti schen Einfassung 5 und dem Rahmen 2 ergibt sich jedoch wieder durch den Winkel, mit dem das Silizium des Rahmens 7 anisotrop geätzt werden kann.

Claims

1. Sensorsubstrat, insbesondere für einen Massenfluß- oder Drucksensor, mit

- einer Membran, die eine bis an die Membran freigeätzte Öffnung in einem Rahmen aus einkristallinen Silizium einer ersten Dotierung überspannt, und
- einer Einfassung mit einer Dicke D aus Silizium einer zweiten Dotierung, die sich - teilweise in den Rahmen ein gelassen - unterhalb der Membran an der Innenseite der Rah menöffnung entlang zieht und mit einer Länge L unter die Membran hineinreicht,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Drucksicherheit und der Elastizität am Membranrand die Länge L größer ist, als die Dicke D.

2. Sensorsubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der ersten Dotierung gering und der zweiten Dotierung hoch ist.

3. Sensorsubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Dotierung von entgegengesetztem Leistungstyp sind.

4. Sensorsubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) aus Silizium be steht.

5. Sensorsubstrat nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid besteht.

6. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsubstrats, insbe sondere für einen Massenfluß oder Drucksensor, mit einer Membran, bei dem

- in die Oberseite eines einkristallinen Siliziumwafers ei ner ersten Dotierung eine Struktur einer zweiten Dotierung in Form einer Einfassung für die nachher auszubildende Mem bran eingebracht wird, die mit einer Länge L unter die nach her ausgebildete Membran hineinreicht und eine Dicke D auf weist,
- auf der Oberseite des Wafers eine Schicht für die Membran aufgebracht wird, und
- eine Rahmenöffnung zur Freilegung der Membran in den Wafer geätzt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Drucksicherheit und Elastizität am Membranrand die Länge L größer ausgelegt wird als die Dicke D.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (10) der zweiten Dotierung eindiffundiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (10) der zweiten Dotierung durch eine Maske (14) hindurch implantiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (14) mit einem Randbereich (15) erzeugt wird, der mindestens so breit ist wie die Dicke der Membran (1), wobei im Randbereich (15) die Dicke der Maske (14) zu Null ab nimmt, so daß die Struktur (10) mit der zweiten Dotierung einen in der Dicke entsprechend zu Null abnehmenden Randbe reich erhält.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ätzen der Rahmenöffnung mit einer Ätzlösung erfolgt, die eine Kristallrichtung des Si liziums des Wafers (7) bevorzugt ätzt und die das Silizium der Struktur (10) der zweiten Dotierung nur geringfügig ätzt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch ge gekennzeichnet, daß beim Ätzen der Rahmenöffnung zur Abrundung der Kanten der Einfassung (4) und am Rahmen (2) mit einer Ätzlösung, vorzugsweise einer Mischung von Flußsäure, Salpetersäure und Wasser, geätzt wird, die das Silizium des Wafers (7) und der Struktur (10) der zweiten Dotierung in etwa gleich schnell ätzt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 dadurch ge kennzeichnet, daß die Schicht (20) für die Membran (1) durch Dotierung der Oberfläche des Siliziumwafers (7) gebildet wird, wobei die Dicke der Schicht (20) dünner ist als die der Struktur (10) der zweiten Dotierung.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 dadurch ge kennzeichnet, daß die Schicht (20) für die Membran (1) durch Abscheiden einer Schicht (20) auf der Oberfläche des Wafers (7) hergestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Anspruche 6 bis 11 dadurch ge kennzeichnet, daß die Schicht (20) für die Membran (1) durch chemische Umwandlung der Oberfläche des Wafers (7) herge stellt wird.