DE4309206C1 - Halbleitervorrichtung mit einem Kraft- und/oder Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem Kraft- und/oder Beschleunigungssensor, der ein auf die jeweils zu messende Größe ansprechendes Feder-Masse-System aufweist, dessen Masse über wenigstens ein federndes Trä­ gerelement an einem Halbleitersubstrat abgestützt ist und dem wenigstens ein Wandler zugeordnet ist, der ein entsprechendes elektrisches Meßsignal liefert, wobei die Masse, das Trägerelement und das Halbleitersubstrat einstückig aus monokristallinem Halbleitermaterial bestehen, zwischen der Masse und einem dieser gegenüberliegenden Abschnitt des monokristallinen Halbleitermaterials ein eine jeweilige Bewegung der Masse zulassender Spalt vorgesehen ist, zumin­ dest eine leitende Epitaxialschicht auf das Halbleitersubstrat aufgebracht ist und das Trägerelement in einer äußeren Epitaxialschicht ausgebildet ist.

Bei derartigen Vorrichtungen ist das Feder-Masse-System zur Erzielung eines möglichst hohen Integrationsgrades auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen. Aufgrund der definierten freischwingenden Masse reagiert der Sensor insbeson­ dere auch auf eine jeweilige Beschleunigung, so daß mit einer derartigen Vorrichtung sowohl eine Kraft- als auch eine Beschleunigungsmessung möglich ist. Hierbei wird unter anderem der piezoresistive Effekt ausgenutzt, um ein für die jeweils zu messende Größe repräsentatives Meßsignal zu erhalten.

Bei der Herstellung bekannter piezoresistiver Sensoren wird häufig die gesamte Dicke der Halbleiterscheibe in die Strukturierung des Feder-Masse-Systems einbezogen ("Bulk Micromachining"). Hierbei sind jedoch der angestrebten Verkleinerung der Chipfläche insbesondere durch die Gegebenheiten des elektro­ chemischen anisotropen Siliziumätzens enge Grenzen gesetzt. Überdies sind Boden- und Deckplatten erforderlich, um die Funktion der Sensoren sicherzu­ stellen. Problematisch bei der Herstellung einer solchen Dreichiplösung ist unter anderem auch das Verbinden verschiedener Scheiben.

Bei einer bekannten Einchiplösung ist vorgesehen, die das Feder-Masse-System sowie die Wandler umfassenden Übertragungsstrukturen an der Oberfläche einer Halbleiterscheibe vorzusehen, in die die Auswertelogik integrierbar ist ("Sufface Micromachining"). Hierbei werden die Meß- und Übertragungsstrukturen durch das Aufbringen von Polysiliziumschichten realisiert, die allgemein mit einer solchen Eigenspannung behaftet sind, daß dadurch die Übertragungsfunk­ tion in unerwünschter Weise beeinflußt wird. Schließlich wirken sich die verschiedenen Herstellungsparameter sehr stark auf die Reproduzierbarkeit und die Empfindlichkeit der Sensoren aus.

Eine Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 41 00 451 A1 bekannt. Auch diese Halbleitervorrichtung wird wiederum im wesentlichen nach dem Verfahren des "Bulk Micromachining" hergestellt. Hierbei wird zur Ausbil­ dung des Trägerelements auf einer Seite eines P-Siliziumsubstrats eine N-Epi­ taxialschicht aufgebracht. Zur Bildung eines der Masse gegenüberliegenden unteren Stoppers wird auf der gegenüberliegenden unteren Seite des Substrats eine weitere N-Epitaxialschicht aufgebracht, nachdem in diese Substratseite ein vergrabener N⁺-Bereich eingebracht wurde. Die Masse wird von der Unter­ seite her unter Verwendung des vergrabenen N⁺-Bereichs als Maske in dem Substrat selbst ausgebildet.

Aus der Druckschrift US-Z: Proceedings of the IEEE, Bd. 70, Nr. 5, Mai 1982, S. 420, 439-442 ist eine Halbleitervorrichtung mit einem Kraft- und/oder Beschleunigungssensor bekannt, dessen Feder-Masse-System eine Halbleitermem­ bran enthält, in der eine integrierte Signalverarbeitungsschaltung enthalten sein kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Halbleitervorrich­ tung der eingangs genannten Art sowie das Verfahren zu deren Herstellung so weiterzubilden, daß bei optimaler Reproduzierbarkeit der Übertragungsfunktion des Feder-Masse-Systems und hoher Empfindlichkeit des Sensors ein möglichst hoher Integrationsgrad erreicht wird.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ausschließlich auf einer Seite des Halbleitersubstrats Epitaxialschichten aufgebracht sind, daß die Masse zumindest im wesentlichen durch eine in eine innere Epitaxialschicht eingebrachte und in dieser freigeätzte leitend dotierte Zone gebildet ist, die vom gleichen Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat und die äußere Epitaxial­ schicht ist, der dem Leitfähigkeitstyp der inneren Epitaxialschicht entgegen­ gesetzt ist, und daß der Spalt zwischen der Masse und einem dieser gegenüber­ liegenden Abschnitt des Halbleitersubstrats vorgesehen ist.

Aufgrund dieser Ausbildung ergibt sich eine Einchiplösung bei gleichzeitiger Integration einer monokristallinen Übertragungsstruktur. Eine solche Halblei­ tervorrichtung ist nicht nur äußerst kostengünstig herstellbar, aufgrund der aus monokristallinem Halbleitermaterial bestehenden Übertragungsstrukturen ist insbesondere auch der zur Kraft/Spannungs-Übertragung oder -Wandlung ausge­ nutzte piezoresistive Effekt bei stets hoher Empfindlichkeit äußerst genau reproduzierbar. Trotz des hohen Integrationsgrades ist eine Beeinflussung der Übertragungsfunktion durch Eigenspannungen der verschiedenen Schichten des erhaltenen Schichtaufbaus praktisch ausgeschlossen.

Obwohl die genannten Vorteile in besonderem Maße bei einer Ausnutzung des piezoresistiven Effekts zur Kraft- und/oder Beschleunigungsmessung zutage treten, kann die Messung auch aufgrund eines kapazitiven Effektes erfolgen, wozu vor allem eine sich zwischen der freischwingenden Masse und dem von dieser durch den Luftspalt getrennten Halbleitersubstrat ergebende Kapazität herangezogen werden kann. Überdies ist es auch denkbar, bei der Messung beide Effekte auszunutzen. Schließlich kann die sich ergebende Kapazität auch für einen Selbsttest herangezogen werden.

Der Luftspalt zwischen der Masse und dem Halbleitersubstrat gestattet nicht nur eine jeweilige Bewegung der Masse unter Einwirkung einer Kraft bzw. Beschleunigung, er sorgt bei einer entsprechenden Bemessung, d. h. einer hinreichend geringen Tiefe auch für eine Dämpfung und einen Überlastschutz.

Aufgrund des erfindungsgemaßen Aufbaus der Halbleitervorrichtung ist es auch problemlos möglich, das Halbleitersubstrat und das Feder-Masse-System als integrale Bestandteile eines IC-kompatibel strukturierten Halbleiterkristalls auszubilden, wobei dieser Halbleiterkristall beispielsweise eine Bipolar- und/oder CMOS-Struktur besitzen kann.

Soll zur Kraft- und/oder Beschleunigungsmessung der piezoresisitive Effekt ausgenutzt werden, so umfaßt der Wandler zweckmäßigerweise wenigstens einen in das Trägerelement eingebrachten monokristallinen Piezowiderstand, der insbe­ sondere durch eine mit Fremdatomen dotierte Zone in dem aus monokristallinem Halbleitermaterial bestehenden Trägerelement gebildet sein kann. Diese Piezo­ widerstände sind vorzugsweise an den biegeempfindlichen Stellen der Träger­ elemente vorgesehen, wobei ein jeweiliges Trägerelement insbesondere auch mehrere solche Piezowiderstände aufweisen kann.

Als Halbleitermaterial kann insbesondere Silizium verwendet werden.

Bei einer speziellen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Halbleitervor­ richtung ist ein N-Halbleitersubstrat vorgesehen, auf dem zunächst eine P- Epitaxialschicht und anschließend eine N-Epitaxialschicht aufgebracht ist, wobei die Masse durch eine freigeätzte, N⁺-dotierte Zone in der P-Epitaxial­ schicht definiert ist.

Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer einen Kraft­ und/oder Beschleunigungssensor enthaltenden Halbleitervorrichtung, bei dem auf einer Seite eines leitenden Halbleitersubstrats wenigstens eine leitend dotierte Zone eingebracht wird, deren Leitfähigkeit der des Halbleitersub­ strats entgegengesetzt ist, anschließend eine erste leitend vordotierte Epi­ taxialschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die leitend dotierte Zone aufgebracht und durch Maskierungsschritte sowie selektives elektrochemisches Halbleiterätzen eine dreidimensionale Struktur einer Masse und wenigstens eines federnden Trägerelements eines Feder-Masse-Systems des Kraft- und/oder Beschleunigungssensors erzeugt werden, wobei das Trägerelement in einer Epi­ taxialschicht gebildet wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ausschließ­ lich auf einer Seite des Halbleitersubstrats Epitaxialschichten aufgebracht werden, daß in die erste Epitaxialschicht wenigstens eine leitend dotierte Zone vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat eingebracht wird, um in der erhaltenen zweidimensionalen Strukturierung zumindest im we­ sentlichen die Masse des Feder-Masse-Systems festzulegen, daß anschließend auf die erste Epitaxialschicht eine zweite leitend vordotierte Epitaxialschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat aufgebracht wird, daß auf der zweiten Epitaxialschicht die Masse des Feder-Masse-Systems sowie wenigstens ein dessen Feder bildendes Trägerelement maskiert werden und daß anschließend durch elektrochemisches anisotropes Halbleiterätzen unter Ver­ wendung der gebildeten P/N-Übergänge als Ätzstop die dreidimensionale Struktu­ rierung des Feder-Masse-Systems erzeugt wird und hierbei gleichzeitig sowohl die mit Ätzhilfsöffnungen versehene Masse als auch das Trägerelement unterätzt werden.

Als Halbleitermaterial wird vorzugsweise wiederum Silizium verwendet, wobei in diesem Falle die dreidimensionale Strukturierung des Feder-Masse-Systems durch elektrochemisches anisotropes Siliziumätzen erzeugt wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Halbleitervor­ richtung sowie des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Darstellung einer einen integrierten Kraft- und/oder Beschleunigungssensor aufweisenden Halbleitervorrichtung,

Fig. 2 bis 4 einzelne Verfahrensschritte zum schichtweisen Aufbau der Halblei­ tervorrichtung, mit denen zunächst eine zweidimensionale Strukturierung des Feder-Masse-Systems des Sensors erzeugt wird,

Fig. 5 in schematischer Darstellung die Maskierung der Masse sowie der Träger­ elemente des Feder-Masse-Systems,

Fig. 6 einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung der dreidimensionalen Struk­ turierung des Feder-Masse-Systems, und

Fig. 7 ein Prinzipschaltbild der erhaltenen integrierten Schaltung mit inte­ griertem Kraft- und/oder Beschleunigungssensor und integrierter Auswer­ teelektronik.

Fig. 1 zeigt in teilweise geschnittener Ansicht eine durch einen monokristal­ linen Silizium-Halbleiterkristall 10 gebildete Halbleitervorrichtung, die einen integrierten Kraft- und/oder Beschleunigungssensor 12 enthält.

Der Kraft- und/oder Beschleunigungssensor 12 umfaßt ein auf die jeweils zu messende Größe ansprechendes Feder-Masse-System 14, 16, dem mehrere jeweils durch einen Piezowiderstand 18 gebildete Wandler zugeordnet sind, um entspre­ chende elektrische Meßsignale zu erhalten.

Die Masse 16 des Feder-Masse-Systems 14, 16 ist über vier dessen Federteil bildende Trägerelemente 14 (vgl. auch Fig. 5) auf einem aus monokristallinem Silizium bestehenden N-Halbleitersubstrat 20 abgestützt. Hierbei ist zwischen der Masse 16 und einem dieser gegenüberliegenden unteren Abschnitt 20′ des N- Halbleitersubstrats 20 ein eine jeweilige Bewegung der Masse 16 zulassender Luftspalt 22 vorgesehen. Die im Bereich dieses Spaltes 22 zwischen der Masse 16 und dem Abschnitt 20′ des N-Halbleitersubstrats 20 auftretende Kapazität C kann gleichfalls als Wandler genutzt und/oder auch für einen Selbsttest oder dergleichen verwendet werden.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind auf jeder Seite der Masse 16 zwei balkenartige Trägerelemente 14 vorgesehen, in die an der oberen Seite jeweils zwei Piezowiderstände 18 in der weiter unten noch zu beschreibenden Weise eingebracht sind. Diese Piezowiderstände 18 sind an den biegeempfindlichen Stellen der Trägerelemente 14 in den Bereichen nahe der Masse 16 und den äußeren Abstützstellen angeordnet. Hierbei liegen die vier balkenartigen Trägerelemente 14 in einer gemeinsamen Ebene, von der die Masse 16 nach unten zum N-Halbleitersubstrat 20 hin vorspringt.

Die mit den Trägerelementen 14 verbundene und ansonsten freigeätzte Masse 16 ist im zur Trägerebene parallelen Querschnitt im wesentlichen quadratisch ausgebildet (vgl. auch Fig. 5).

Die kontaktierten Piezowiderstande 18 stehen mit Metalleitern 36 in Verbindung, die auf eine Siliziumoxidschicht 38 aufgebracht sind, mit der die Trägerele­ mente 14 sowie die diese enthaltende, weiter unten näher beschriebene Schicht des Halbleiterkristalls 10 überzogen sind. Außen ist die Halbleitervorrichtung schließlich bis auf den Bereich der Masse 16 und Anschlußflächen von einer Passivierungsschicht 40 überzogen.

Der aus monokristallinem Silizium bestehende Halbleiterkristall 10 umfaßt außer dem N-Halbleitersubstrat 20 eine auf dieses aufgebrachte erste, innere P-Epitaxialschicht 26 sowie eine unmittelbar wiederum auf diese aufgebrachte zweite, äußere N-Epitaxialschicht 28. Hierbei ist die Masse 16 zumindest im wesentlichen in der inneren P-Epitaxialschicht 26 ausgebildet bzw. freigeätzt, während die Trägerelemente 14 ebenfalls durch Ätzen in der äußeren N-Epita­ xialschicht 28 ausgebildet sind.

Dabei ist die Masse 16 zumindest im wesentlichen durch eine in die innere P- Epitaxialschicht 26 eingebrachte N⁺-dotierte Zone definiert, die in der noch zu beschreibenden Weise freigeätzt wurde. Schließlich dient die innere P- Epitaxialschicht 26 auch als Sockel (vgl. die in Fig. 1 auf der linken und rechten Seite vorhandenen Bereiche dieser Schicht 26), über den das Feder- Masse-System 14, 16 auf dem N-Halbleitersubstrat 20 abgestützt ist.

Das N-Halbleitersubstrat 20 und das aus den beiden Epitaxialschichten 26, 28 erhaltene Feder-Masse-System 14, 16 bilden somit integrale Bestandteile des aus monokristallinem Silizium bestehenden Halbleiterkristalls 10, der zudem IC-kompatibel strukturiert ist, so daß beispielsweise auch eine Auswertelek­ tronik 32 (vgl. auch Fig. 7) oder dergleichen in diesem Halbleiterkristall 10 integriert sein kann. Dazu kann der Halbleiterkristall 10 insbesondere eine Bipolar- und/oder CMOS-Struktur besitzen. Die Piezowiderstände 18, die bei­ spielsweise in einer Brückenschaltung miteinander verbunden sein können, sind dann über die Metalleiter 36 mit der integrierten Auswertelektronik 32 zu verbinden, wie dies in Fig. 7 rein schematisch dargestellt ist. Der Auswerte­ elektronik 32 kann eine Anzeige 34 zugeordnet sein.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung der Halbleitervorrichtung, mit denen zunächst eine zweidimensionale Struktu­ rierung des Feder-Masse-Systems 14, 16 sowie ein IC-kompatibel strukturierter Aufbau des monokristallinen Silizium-Halbleiterkristalls 10 erzeugt wird.

Gemäß Fig. 2 wird zunächst auf einer Seite des N-Halbleitersubstrats 20 wenigstens eine P-dotierte Zone 30 eingebracht, die derart bemessen ist, daß sie zumindest den durch die Masse 16 sowie die Trägerelemente 14 (vgl. Fig. 1) bestimmten Flächenbereich erfaßt, um in der weiter unten noch zu beschreiben­ den Weise als Unterätzhilfe zu dienen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird von einem einseitig polierten (100)-Siliziumsubstrat ausgegangen, dessen Widerstandswert im Bereich von 1 bis 10 Ohm cm liegt. Auf dieses Halbleiter­ substrat 20 wird dann eine Oxidschicht aufgebracht, in der durch Maskierungs- und Ätzschritte ein Fenster für die P-dotierte Zone 30 geöffnet wird. Nach dem Ätzvorgang erfolgt eine Oberflächenreinigung. Anschließend wird die P-dotier­ te Zone 30 durch Diffusion mit einer Dicke von etwa 6 µm und einem Wider­ standswert von beispielsweise 11,1 Ohm/m² (100 ohm/squ) hergestellt. Die Dotierung kann anstatt durch Diffusion auch durch eine Ionenimplantation erfolgen. Nachdem die Zone 30 hergestellt ist, wird die gesamte Oxidschicht wieder entfernt.

Gemäß Fig. 3 wird dann die erste, innere P-Epitaxialschicht 26 aufgebracht, die beispielsweise einen Widerstandswert von etwa 0,22 kOhm/m² (2 kohm/squ) und eine Dicke von etwa 20 µm aufweist. Anschließend wird vorzugsweise durch thermische Oxidation (1100°C/8500 A) wiederum eine Oxidschicht aufgebracht, in der durch Maskierungs- und Ätzschritte ein Fenster für eine die Masse 16 definierende N⁺-dotierte Zone geöffnet wird. Nach dem Ätzvorgang erfolgt wiederum eine Reinigung. Danach wird die N⁺-dotierte Zone durch Diffusion mit einer Dicke im Bereich von etwa 20 µm bis 22 µm in die innere P-Epitaxial­ schicht 26 eingebracht, wonach die Oxidschicht wiederum vollständig entfenit wird. Anschließend wird auf die innere P-Epitaxialschicht 26 die äußere N- Epitaxialschicht 28 aufgebracht, wodurch das aus monokristallinem Silizium bestehende, IC-kompatibel strukturierte Halbleiterkristall 10 erhalten wird. Obwohl die N⁺-dotierte Zone vorzugsweise durch Diffusion eingebracht wird, ist auch hier grundsätzlich eine Dotierung durch eine Ionenimplantation möglich.

Gemäß Fig. 4 wird anschließend die Oxidschicht 38 auf die äußere N-Epitaxial­ schicht 28 aufgebracht. In dieser Oxidschicht 38 werden durch Maskierungs- und Ätzschritte Fenster für P-dotierte Zonen geöffnet, um die Piezowiderstände 18 zu erzeugen. Diese durch P-dotierte Zonen in der äußeren N-Epitaxialschicht 28 gebildeten Piezowiderstände 18 besitzen beispielsweise einen Widerstandswert von 33,33 Ohm/m² (300 ohm/squ). Nach einer durchgeführten Reinigung erfolgt ein Ausglühen des zuvor eingebrachten Implantats. Danach werden durch Maskie­ rungs- und Ätzschritte für Kontakte bestimmte Fenster in der Oxidschicht 38 geöffnet, worauf wiederum eine gründliche Reinigung erfolgt. Anschließend wird die Oberfläche mit Platin belegt, worauf eine Sinterung erfolgt. Im Anschluß daran wird das Platin geätzt, um auf den Piezowiderständen 18 angebrachte Platinkontakte 42 zu erhalten.

Im Anschluß daran wird eine Metallschicht 44 beispielsweise aus TiW oder Al aufgebracht, was beispielsweise durch Elektrolyse erfolgen kann (TiW, 2 kA; Al, 6 kA). Durch Maskierungs- und Ätzschritte werden aus der Metallschicht 44 die gewünschten Leiterbahnen bzw. Metalleiter 36 (vgl. Fig. 1) gebildet, wobei die unterschiedlichen Trägerelementen 14 zugeordneten Piezowiderstände 18 beispielsweise in einer Brücke oder dergleichen miteinander verbunden sein können.

Anschließend wird durch chemisches Aufdampfen die Oxid-Passivierungsschicht 40 mit einer Planarisation aufgebracht. In dieser Passivierungsschicht 40 werden durch Maskierungs- und Ätzschritte Fenster über der Masse 16 und den Anschlußflächen geöffnet. Nach dem Trockenätzen erfolgt wiederum eine gründliche Reinigung.

Mit den bisherigen Verfahrensschritten ist zunächst die zweidimensionale Strukturierung des Feder-Masse-Systems 14, 16 sowie die Kontaktierung der Piezowiderstände 18 festgelegt, wobei gleichzeitig ein IC-kompatibel struktu­ rierter Halbleiterkristall 10 erhalten wurde, der beispielsweise eine Bipolar- und/oder CMOS-Struktur besitzen kann. In dem monokristallinen Silizium- Halbleiterkristall 10 ist demnach ohne weiteres beispielsweise die Auswerte­ elektronik 32 (vgl. Fig. 7) integrierbar. Die jeweiligen Transistorstrukturen können insbesondere nach dem Aufbringen der äußeren N-Epitaxialschicht 28 und vor dem Aufbringen der Oxidschicht 38 eingebracht werden.

Zur Herstellung der dreidimensionalen Strukturierung des Feder-Masse-Systems 14, 16 wird nun wiederum durch Aufdampfen (CVD-Verfahren) eine Siliziumnitrid­ schicht 48 aufgebracht, die beim anschließenden Siliziumätzen als Schutz­ schicht dient.

Durch Maskierungs- und Ätzschritte, bei denen ein Trockenätzen des Silizium­ nitrids erfolgt, werden die Trägerelemente 14 sowie die Masse 16 des Feder- Masse-Systems 14, 16 in der in Fig. 5 rein schematisch angedeuteten Weise maskiert, wonach die im wesentlichen quadratische Masse 16 auf jeder Seite über jeweils zwei balkenartige Trägerelemente 14 an dem Halbleitersubstrat 20 (Fig. 1) abgestützt sein soll. Bei der Maskierung der Masse 16 und der Träger­ elemente 14 müssen Ätzhilfsöffnungen A, B, C in der Masse vorgesehen werden. Diese Ätzhilfsöffnungen A, B, C sind so ausgelegt, daß die Stellen, an denen die Ätzfronten unter einem Winkel von weniger als 180° aufeinandertreffen, freigehalten sind. In Fig. 5 sind nur in einer Ecke Ätzhilfsöffnungen darge­ stellt. Tatsächlich sind solche Öffnungen jedoch in allen vier Eckbereichen vorgesehen.

In Fig. 6 sind die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung der dreidimen­ sionalen Strukturierung des Feder-Masse-Systems 14, 16 dargestellt.

Diese dreidimensionale Strukturierung erfolgt erfindungsgemäß durch elektro­ chemisches anisotropes Siliziumätzen, bei dem insbesondere auch die zuvor in der gewünschten Weise festgelegten P/N-Übergänge als Ätzstop ausgenutzt und dabei sowohl die Trägerelemente 14 als auch die Masse 16 unterätzt werden.

Durch die Siliziumnitridmaske wird außer den balkenartigen Trägerelementen 14 auch der Bereich der Masse 16 maskiert, die zudem durch die in der inneren P-Epitaxialschicht 26 vorgesehene N⁺-dotierte Zone festgelegt ist. Die Abmes­ sungen der balkenartigen Trägerelemente 14 sowie der Masse 16 des Feder-Masse- Systems 14, 16 können je nach Bedarf variiert werden, wodurch sowohl das Dämp­ fungsverhalten als auch die Empfindlichkeit weitgehend vorbestimmt werden können.

Für das im folgenden anhand von Fig. 6 beschriebene anisotrope Siliziumätzen kann als Elektrolyt oder Ätzlösung Kaliumlauge KOH, TMAHW oder ein ähnliches Ätzmittel verwendet werden.

Mit dem in Fig. 6 dargestellten Schritt I wird zunächst die äußere N-Epita­ xialschicht 28 seitlich bis zur inneren P-Epitaxialschicht 26 durchgeätzt, nachdem zuvor sichergestellt wurde, daß alle Strukturen das gleiche Potential V_CC zur Ätzlösung aufweisen.

Anschließend wird dafür gesorgt, daß alle N- und N⁺-Strukturen ein hinreichend anodisches Potential besitzen. Daraufhin werden mit dem Schritt II die P- Bereiche in (100)-Richtung durchgeätzt.

Im Anschluß daran wird wiederum dafür gesorgt, daß alle N- und N⁺-Strukturen ein hinreichend anodisches Potential besitzen, woraufhin mit dem Schritt III sowohl die Masse 16 als auch die Balken 14 unterätzt werden, ohne daß hierbei die N- und N⁺-Bereiche angegriffen werden. Das Ende des Prozeßablaufs ist durch ein Absinken des Systemstromes und der H2-Blasen-Entwicklung deutlich zu erkennen.

Demnach dient insbesondere die P-dotierte Zone 30 (vgl. Fig. 2 bis 4) als Unterätzhilfe, indem sie einerseits mit dem N-Halbleitersubstrat 20 und andererseits der durch die N⁺-dotierte Zone definierten Masse 16 P/N-Übergänge bildet, die während des anisotropen Siliziumätzens jeweils als Ätzstop dienen. Diese P-dotierte Zone 30 wird im Verlauf des anisotropen Siliziumätzprozesses vollständig abgetragen. Die mit dem Abtragen dieser Zone 30 unterätzte Masse 16 wird während des Schrittes II auch seitlich freigeätzt, wobei der in Fig. 6 erkennbare obere Rand des in der inneren P-Epitaxialschicht 26 freigeätzten Bereiches 46 durch die Anisotropie des Ätzvorgangs bestimmt ist.

Anschließend wird die Siliziumnitridschicht 48 beispielsweise durch Plasma­ ätzen (A24D) vollständig entfernt.

Auf einer jeweiligen Siliziumscheibe können grundsätzlich mehrere Feder-Masse- Systeme 14, 16 vorgesehen sein. Diese Feder-Masse-Systeme können auf der gemeinsamen Siliziumscheibe verbleiben oder auch vereinzelt werden, was beispielsweise durch eine Wasserstrahltrennung, durch Ritzen und Brechen oder auch durch Laserschneiden erfolgen kann.

Es wird somit eine Halbleitervorrichtung geschaffen, bei der das Halbleiter­ substrat und das Feder-Masse-System integrale Bestandteile eines IC-kompatibel strukturierten Halbleiterkristalls sind, der beispielsweise eine Bipolar- und/ oder CMOS-Struktur besitzen kann. Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung besitzt im Vergleich zu den bekannten Lesungen eine deutlich kleinere Chipflä­ che. Die monokristallinen Trägerbalken besitzen größere und genauer reprodu­ zierbare piezoresistive Konstanten. Durch die erfindungsgemäße Strukturierung ist eine Beeinflussung der Übertragungsfunktion durch die Eigenspannung bestimmter Schichten ausgeschlossen. Die Abmessungen der insbesondere das Feder-Masse-System bestimmenden Strukturierung können besser an die jeweiligen Anforderungen angepaßt werden. Überdies erhält man eine integrierte laterale Kapazität, die bei minimalen Streuströmen z. B. für einen Selbsttest verwendet werden kann.

Claims (15)

1. Halbleitervorrichtung mit einem Kraft- und/oder Beschleunigungssensor (12), der ein auf die jeweils zu messende Größe ansprechendes Feder-Masse-System (14, 16) aufweist, dessen Masse (16) über wenigstens ein federndes Trägerele­ ment (14) an einem Halbleitersubstrat (20) abgestützt ist und dem wenigstens ein Wandler (18, C) zugeordnet ist, der ein entsprechendes elektrisches Meß­ signal liefert, wobei die Masse (16), das Trägerelement (14) und das Halblei­ tersubstrat (20) einstückig aus monokristallinem Halbleitermaterial bestehen, zwischen der Masse (16) und einem dieser gegenüberliegenden Abschnitt des monokristallinen Halbleitermaterials ein eine jeweilige Bewegung der Masse (16) zulassender Spalt (22) vorgesehen ist, zumindest eine leitende Epitaxial­ schicht (26, 28) auf das Halbleitersubstrat (20) aufgebracht ist und das Trägerelement (14) in einer äußeren Epitaxialschicht (28) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich auf einer Seite des Halbleitersub­ strats (20) Epitaxialschichten (26, 28) aufgebracht sind, daß die Masse zumin­ dest im wesentlichen durch eine in eine innere Epitaxialschicht (26) einge­ brachte und in dieser freigeätzte leitend dotierte Zone (16) gebildet ist, die vom gleichen Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat (20) und die äußere Epi­ taxialschicht (28) ist, der dem Leitfähigkeitstyp der inneren Epitaxialschicht (26) entgegengesetzt ist, und daß der Spalt (22) zwischen der Masse (16) und einem dieser gegenüberliegenden Abschnitt (20′) des Halbleitersubstrats (20) vorgesehen ist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (18, C) wenigstens einen in das Trägerelement (14) eingebrachten monokristallinen Piezowiderstand (18) umfaßt.

4. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (18, C) eine zwischen der Masse (16) und dem Halbleitersubstrat (20) liegende Kapazität (C) umfaßt.

5. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (16) über mehrere balkenartige, in einer gemein­ samen Ebene liegende Trägerelemente (14) abgestützt ist.

6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bal­ kenartigen Trägerelemente (14) über den Umfang der Masse (16) verteilt sind.

7. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (16) im zur Trägerebene parallelen Querschnitt rechteckförmig und vorzugsweise quadratisch ist.

8. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (20) und das Feder-Masse-System (14, 16) integrale Bestandteile eines IC-kompatibel strukturierten Halbleiter­ kristalls (10) sind.

9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall (10) eine Bipolar- und/oder CMOS-Struktur besitzt.

10. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem bzw. den Wandlern (18, C) eine Auswerteelektronik (32) zugeordnet ist, die zumindest teilweise in dem IC-kompatibel strukturierten Halbleiterkristall (10) realisiert ist.

11. Verfahren zur Herstellung einer einen Kraft- und/oder Beschleunigungssen­ sor enthaltenden Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei dem auf einer Seite eines leitenden Halbleitersubstrats wenigstens eine leitend dotierte Zone eingebracht wird, deren Leitfähigkeit der des Halb­ leitersubstrats entgegengesetzt ist, anschließend eine erste leitend vordo­ tierte Epitaxialschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die leitend dotier­ te Zone aufgebracht und durch Maskierungsschritte sowie selektives elektro­ chemisches Halbleiterätzen eine dreidimensionale Struktur einer Masse und we­ nigstens eines federnden Trägerelements eines Feder-Masse-Systems des Kraft­ und/oder Beschleunigungssensors erzeugt werden, wobei das Trägerelement in einer Epitaxialschicht gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließ­ lich auf einer Seite des Halbleitersubstrats Epitaxialschichten aufgebracht werden, daß in die erste Epitaxialschicht wenigstens eine leitend dotierte Zone vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat eingebracht wird, um in der erhaltenen zweidimensionalen Strukturierung zumindest im we­ sentlichen die Masse des Feder-Masse-Systems festzulegen, daß anschließend auf die erste Epitaxialschicht eine zweite leitend vordotierte Epitaxialschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat aufgebracht wird, daß auf der zweiten Epitaxialschicht die Masse des Feder-Masse-Systems sowie wenigstens ein dessen Feder bildendes Trägerelement maskiert werden und daß anschließend durch elektrochemisches anisotropes Halbleiterätzen unter Ver­ wendung der gebildeten P/N-Übergänge als Ätzstop die dreidimensionale Struktu­ rierung des Feder-Masse-Systems erzeugt wird und hierbei gleichzeitig sowohl die mit Ätzhilfsöffnungen versehene Masse als auch das Trägerelement unterätzt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterma­ terial Silizium verwendet wird und daß die dreidimensionale Strukturierung des Feder-Masse-Systems durch elektrochemisches anisotropes Siliziumätzen erzeugt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse durch Ätzen der in das Halbleitersubstrat eingebrachten leitend dotierten Zone unterätzt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in die zweite Epitaxialschicht wenigstens eine leitend dotierte Zone einge­ bracht wird, deren Leitfähigkeit der der zweiten Epitaxialschicht entgegen­ gesetzt ist, um in dem Trägerelement wenigstens einen als Wandler dienenden monokristallinen Piezowiderstand zu bilden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Pie­ zowiderstände kontaktiert und mit einer Auswerteelektronik verbunden werden, die zumindest teilweise in den das Halbleitersubstrat sowie den epitaxialen Schichtaufbau umfassenden, IC-kompatibel strukturierten Halbleiterkristall integriert wurde.