DE4318466A1 - Mikromechanischer Sensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Mikromechanischer Sensor und Verfahren zu dessen Herstellung

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Sensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der deutschen Patentanmeldung P 40 00 903.3-09 ist ein mikromechanischer Sensor als Beschleunigungssensor bekannt, der auf der Basis der Silizium-Mikromechanik hergestellt ist. Der Sensor besteht aus einem Träger aus Siliziumsubstrat mit einer auf das Siliziumsubstrat aufgebrachten Epitaxieschicht aus Silizium, wobei durch einen Ätzprozeß ein Teil der Epita­ xieschicht als mikromechanische Auslenkteile in der Form von Zungen freigelegt ist. Eine oder mehrere Zungen sind dazu an einem oder mehreren Stegen aufgehängt und werden bei einer Kraftwirkung auf den Sensor gegenüber der übrigen Sensorstruk­ tur ausgelenkt. Zudem sind Mittel zur Auswertung der Auslen­ kung vorgesehen. Aus der deutschen Patentanmeldung P 40 03 473.9-09 ist es zudem bekannt, bei der Gestaltung und Anord­ nung sowie für den Ätzprozeß kristallographische Winkel eines monokristallinen Siliziumwafers zu berücksichtigen.
Als Mittel zur Auswertung der Auslenkung der Zungen sind elek­ trisch isoliert davon jeweils Elektroden angeordnet, so daß eine kapazitive Änderung zwischen Zunge und Elektrode meßbar ist.
Die Freilegung der Zungen als Bestandteile der Epitaxie­ schicht erfolgt mit Hilfe einer Rückseitenätzung. Dies stellt gegenüber einem üblichen Bipolarprozeß einen zusätzlichen Pro­ zeßschritt dar.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 92/03740 ist es be­ kannt, auf einem Träger aus Siliziumsubstrat in einem LPCVD- Prozeß (Low Pressure Chemical Vapor Disposed) eine Schicht aus polykristallinem Silizium auf eine Siliziumoxidschicht mit Kontaktfenstern aufzubringen. Die Siliziumoxidschicht wird durch einen Ätzprozeß entfernt, wodurch die polykristal­ line Siliziumschicht in einem Abstand zum Siliziumsubstrat als Zunge oder als Elektrode auf den in den Kontaktfenstern gebildeten Stützen steht. Die Abscheiderate von mechanisch spannungsarmen LPCVD-Poly liegt bei ca. 60 Å/min und ist damit im Vergleich zur Abscheiderate epitaktischen Poly-Sili­ ziums von ca. 1 µ/min sehr gering. Dadurch sind aus Gründen der Prozeßökonomie nur relativ dünne LPCVD-Schichten herstell­ bar, wodurch die Arbeitskapazität, insbesondere eines latera­ len Beschleunigungssensors, durch die entsprechend geringen Schichtdichten der Zungen begrenzt ist. Zudem sind hier zu­ sätzliche Siliziumabscheidungen, verglichen mit einem konven­ tionellen Bipolarprozeß, erforderlich.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Her­ stellung des freigelegten Auslenkteils aus polykristallinem Silizium bzw. die mechanisch aktive Schicht ohne zusätzlichen Aufwand im Rahmen eines Bipolar- oder MOS-Prozesses erzeugbar ist, ohne daß zusätzliche Siliziumabscheidungen erforderlich sind. Die Epitaxie ist ein bekannter, spezieller Prozeß zur Herstellung einkristalliner Schichten aus Silizium, während erfindungsgemäß polykristallin (über Siliziumoxid) oder ande­ ren nicht kristallinen Schichten abgeschiedene Epitaxieschich­ ten verwendet werden, die im Zuge eines konventionellen Bipo­ larprozesses aufgebracht werden.
Die Epitaxieabscheiderate ist gegenüber einem LPCVD-Prozeß sehr hoch, so daß erfindungsgemäß relativ dicke Schichten von 10 bis 30 µm realisiert werden können, was die Arbeitskapazi­ tät des lateralen Sensors vergrößert.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, daß das erfindungsgemäße Verfahren uni­ versell für verschiedene Designs anwendbar ist, insbesondere sind Anordnungen von einseitig abgestützten Zungen und an Randbereichen abgestützte Platten auch in mehreren Lagen über­ einander möglich. Ein weiterer, großer Vorteil besteht darin, daß mit den gleichen Verfahrensschritten ohne wesentlichen Zu­ satzaufwand auf demselben Träger zusätzlich zum mikromecha­ nischen Sensor integrierte elektronische Schaltungen, insbe­ sondere die Auswerteschaltung für die Auslenkung, herstellbar sind. Ebenso ist eine elektrische Isolation des mikromechani­ schen Sensorteils von übrigen, elektronischen Bauteilen auf demselben Träger zusammen mit den übrigen Herstellungsschrit­ ten möglich.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert.
Es zeigen
Fig. 1a bis Fig. 1d einen Schnitt eines Sensors in verschiede­ nen Herstellungsphasen,
Fig. 2a bis Fig. 2e einen Schnitt eines Sensors in Verbindung mit einem Transistor in verschiedenen Herstellungsphasen nach einem Bipolarprozeß,
Fig. 3a eine Draufsicht auf einen Sensor und
Fig. 3b einen Schnitt durch diesen Sensor,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Sensors und
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines Sensors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist ein Träger 1 aus Siliziumsubstrat dargestellt, auf den eine Siliziumoxidschicht 2 aufgebracht ist, wobei um diese Siliziumoxidschicht 2 Kontaktfensteröffnungen 3, 4 zum Siliziumsubstrat 1 hergestellt sind.
Die Siliziumoxidschicht 2 kann entweder undotiert sein oder auch eine Phosphor-, Bor- oder As-Dotierung enthalten. Eine Dotierung führt vorteilhaft zu einem kürzeren Ätzvorgang bei der späteren Entfernung dieser Siliziumoxidschicht 2 oder kann auch zum Dotieren der mechanisch beweglichen Si-Struktur dienen.
Auf die Oxidschicht können wahlweise noch andere Schichten, wie z. B. Siliziumnitrid oder Poly-Silizium, aufgebracht werden.
Gemäß Fig. 1b wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine Epitaxieschicht 5 aus Silizium auf den Träger 1 bzw. die Sili­ ziumoxidschicht 2 und die Kontaktfensteröffnungen 3, 4 abge­ schieden. Die Epitaxie ist ein an sich bekannter, spezieller Prozeß zur Herstellung einkristalliner Schichten aus Sili­ zium. Im vorliegenden Prozeß wächst die Epitaxieschicht 5 nur an Abstützbereichen 6, 7 über dem Siliziumsubstrat 1 einkri­ stallin auf. Auf der Siliziumoxidschicht 2 dagegen in einem Bereich 8 entsprechend etwa der Breite des Pfeiles 9 wächst die Epitaxieschicht polykristallin auf (angedeutet durch die Schraffur).
Der Träger als Siliziumwafer wird bevorzugt in einer Kristall­ richtung ausgerichtet. Die Orientierung in der (100) Richtung ist technisch bedeutend für einen MOS- und BICMOS-Prozeß, die Ausrichtung (111) für einen Bipolar-Prozeß. Eine Ausrichtung (110) ist technisch weniger relevant.
Um die Qualität der polykristallinen Epitaxieschicht (Bereich 8) zu verbessern, kann auf die Siliziumoxidschicht 2 vor der Epitaxie eine Poly-Startschicht 10 aufgebracht werden, wie dies in Fig. 1a strichliert eingezeichnet ist.
Spezielle Ausführungsformen des Sensors benötigen unter dem freigeätzten Sensormaterial auf dem Substrat Leitungen oder Gegenelektroden, die durch pn-Übergänge räumlich begrenzt wer­ den. Zur elektrischen Passivierung können vor der Deposition des Opferoxides HF-resistente dielektrische Schichten auf dem Substrat abgeschieden werden (z. B. Nitrid). Diese verhindern hohe Leckströme über die nach dem Opferoxidätzen freiliegen­ den pn-Übergänge.
Aus der polykristallinen Epitaxieschicht im Bereich 8 werden die mikromechanischen Auslenkteile freigelegt. Wie in Fig. 1c gezeigt, werden dazu in einem Trenchprozeß durch die polykri­ stalline Epitaxieschicht 8 tiefe schmale Ätzgräben, soge­ nannte Trenches, eingebracht. Dazu ist eine entsprechende Maske, z. B. als Resist, erforderlich. Die Herstellung der Trenches erfolgt mit der Technik des anisotropen Plasmaätzens als Trockenätzprozeß mit hoher Anisotropie. Durch die gezeig­ ten fünf Trenches 11 werden die seitlichen Strukturbegrenzun­ gen von vier zungenförmigen Auslenkteilen 12, 13, 14, 15 herausgeätzt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Siliziumoxid­ schicht 2 als Opferschicht entfernt. Diese Entfernung wird mit hoher Selektivität gegenüber dem Silizium mit Flußsäure (HF) durchgeführt.
Wie aus Fig. 1d ersichtlich, ist damit ein mikromechanischer Sensor 16 herstellbar mit Auslenkteilen 12, 13, 14, 15 aus polykristallinem Silizium, die im Abstützbereich an der Ver­ bindung zum Siliziumsubstrat 1 in einkristallines Silizium übergehen. Bei einer Krafteinwirkung auf den Sensor werden diese Auslenkteile 12, 13, 14, 15 gegenüber der weiteren Sen­ sorstruktur, insbesondere dem Siliziumsubstrat 1, ausgelenkt. Diese Auslenkung kann zu Meßzwecken kapazitiv oder piezo­ resistiv ausgewertet werden.
Ersichtlich kann das vorstehend geschilderte Verfahren mehr­ fach übereinander angewendet werden, durch abwechselndes Auf­ bringen einer Siliziumoxidschicht 2, anderer Schichten 10 und einer Epitaxieschicht 5, so daß nach entsprechenden Ätzprozes­ sen mehrere Lagen von Auslenkteilen 12, 13, 14, 15 übereinan­ der erreichbar sind. Solche Ausführungen eignen sich insbeson­ dere für kapazitive Beschleunigungssensoren.
Die Abscheiderate für die Epitaxieschicht ist relativ hoch, so daß Epitaxieschichtdicken und damit Dicken der Auslenktei­ le 12, 13, 14, 15 von 10 bis 30 µm Dicke realisierbar sind.
Nach der schematischen Darstellung anhand der Fig. 1a bis Fig. 1d wird anhand der Fig. 2a bis Fig. 2e die Herstellung und Ausbildung eines konkreten mikromechanischen Sensors 16 erläutert in Verbindung mit der Integrierbarkeit in einem Bipolarprozeß für einen danebenliegenden Transistor 17. Die­ ser Transistor steht beispielhaft für IC-Schaltungen, insbe­ sondere einer Auswerteschaltung für die mechanische Auslen­ kung der Auslenkteile im Sensor 16.
In Fig. 2a ist als Ausgangsteil ein Träger 1 aus p-dotiertem Siliziumsubstrat dargestellt.
In Fig. 2 ist ein üblicher Prozeßzustand in der Bipolartech­ nik dargestellt nach einer n⁺-Diffusion (Buried Layer Diffu­ sion) und einer p-Diffusion (untere Isolationsdiffusion). Die im linken Bereich der Fig. 2b dargestellten Schichten 2 und 10 entsprechen den Schichten 2 und 10 in Fig. 1. Die im rech­ ten Teil dargestellte Siliziumoxidschicht 18 (im rechten Be­ reich soll der Transistor entstehen) wird für die weiteren Verfahrensschritte entfernt, während die Siliziumschicht 2 mit den dargestellten Kontaktfenstern stehenbleibt. Wie in Fig. 2c dargestellt, wird dann über diese Struktur die n-Epi­ taxieschicht 5 aufgebracht, die über der stehengebliebenen Siliziumoxidschicht 2 im Bereich 8 entsprechend der Abmessung des Pfeiles 9 polykristallin aufwächst.
Entsprechend Fig. 2d wird anschließend eine elektrische Isola­ tion durch eine p-Isolationsdiffusion 19 durchgeführt, ebenso wie eine p-Basisdiffusion 20. Zudem wird eine n⁺-Kollektoran­ schlußdiffusion 21 und eine n⁺-Emitterdiffusion in bekannter Weise entsprechend dem Bipolarprozeß angebracht. Weiter wird eine obere Siliziumoxidschicht 23 aufgebracht.
In weiteren Verfahrensschritten nach Fig. 2e wird zur latera­ len Strukturbegrenzung des zungenförmigen Auslenkteils 12 ein Trench 11 eingebracht und zur Freilegung der Unterfläche die Siliziumoxidschicht 2 als Opferschicht mit Flußsäure wegge­ ätzt. Zudem werden Kontaktöffnungen und eine Metallisierung für Anschlüsse am Sensor 16 sowie die Transistoranschlüsse E, B, C am Transistor 17 hergestellt.
Gemäß Fig. 2e wurde somit ein mikromechanischer Sensor 16 mit einem zungenförmigen Auslenkteil 12 geschaffen, das bei Kraft­ einwirkung innerhalb des Luftspalts 24 auslenkbar ist. Über die Anschlüsse 25 und 26 können Kapazitätsänderungen abgegrif­ fen und ausgewertet werden.
In den Fig. 3a und 3b ist ein Sensor 16 im einzelnen darge­ stellt, entsprechend einem Herstellprozeß gemäß der Fig. 2a bis 2e, linke Seite. Fig. 3b zeigt dazu einen entsprechenden Querschnitt entlang einer Schnittlinie 27 aus der Draufsicht nach Fig. 3a.
Aus Fig. 3a ist ersichtlich, daß mit Hilfe des Trenchprozes­ ses ein Trenchgraben 11 hergestellt wurde, der eine platten­ förmige Struktur als Auslenkteil 12 begrenzt, wobei dieses über zwei Stege 28, 29 mit der übrigen Struktur verbunden ist. Der Sensor ist somit bevorzugt für Bewegungen vertikal zur Trägerebene als Beschleunigungssensor einsetzbar.
In einer weiteren Ausführungsform nach Fig. 4 ist ein platten­ förmiges, etwa quadratisches Auslenkelement 30 an den Ecken über vier Stege 31, 32, 33, 34 gehalten. Eine solche Ausfüh­ rungsform eignet sich insbesondere als kapazitiver Beschleuni­ gungssensor.
Aus einer Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist zu ersehen, daß mit der vorbeschriebenen Technik auch Ausführungen mit einer Mehrzahl von ggf. über Leiterbah­ nen 35 verbundenen Elektroden 36 in einem Sensor realisierbar sind. Gegenüber diesen feststehenden Elektroden 36 bewegt sich eine gemäß dem beschriebenen Verfahren hergestellte freie Siliziummasse 37. Sie ist ihrerseits mit Elektroden ver­ sehen, die zwischen die feststehenden Elektroden 36 ragen. Die Auslenkung der Masse 37 infolge von Beschleunigung in lateraler Richtung kann somit kapazitiv sensiert werden.

Claims (15)

1. Mikromechanischer Sensor (16), insbesondere zur Schwin­ gungs-, Neigungs-, Beschleunigungs- oder Druckmessung, beste­ hend aus einem Träger aus Siliziumsubstrat (1) mit einer auf das Siliziumsubstrat (1) aufgebrachten Epitaxieschicht (5) aus Silizium, wobei durch einen Ätzprozeß ein Teil der Epita­ xieschicht (5) als wenigstens ein mikromechanisches Auslenk­ teil (12 bis 15; 30; 36) freigelegt ist, das wenigstens ein­ seitig an einem Abstützbereich mit dem Siliziumsubstrat (1) verbunden ist und das bei einer Krafteinwirkung auf den Sen­ sor (16) gegenüber der übrigen Sensorstruktur auslenkbar ist und mit Mitteln zur Auswertung der Auslenkung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das freigelegte Auslenkteil (12 bis 15; 30; 37) aus polykristallinem Silizium besteht, das im Abstützbereich an der Verbindung zum Siliziumsubstrat (1) in einkristallines Silizium übergeht.
2. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswertung der Auslenkung kapazitiv oder piezoresistiv erfolgt.
3. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslenkteil aus einem oder mehreren, einseitig abgestützten Zungen (12 bis 15; 36) besteht.
4. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslenkteil, insbesondere zur Reali­ sierung eines kapazitiven Beschleunigungssensors mit latera­ ler Empfindlichkeit bzw. Detektionsrichtung aus einer an Randbereichen, insbesondere an Ecken, abgestützten Platte (30) besteht.
5. Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lagen von Auslenkteilen aus übereinandergelagerten Epitaxieschichten freigelegt sind.
6. Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) als Siliziumwafer in der kristallographischen Richtung (111) oder (100) orien­ tiert ist.
7. Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf demselben Träger (1) zusätz­ lich zum mikromechanischen Sensor (16) integrierte elektroni­ sche Schaltungen (17), insbesondere die Mittel zur Auswertung der Auslenkung angeordnet sind.
8. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrische Isolation des mikromechanischen Sensorteils (16) von übrigen Bauteilen (17) auf demselben Trä­ ger (1) durch Isolationsdiffusionen (19) oder durch Trenches hergestellt ist.
9. Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Siliziumsubstrat (1), dort wo das oder die mikromecha­ nischen Auslenkteile (12 bis 15; 30; 36) freigelegt werden sollen, eine Siliziumoxidschicht (2) aufgebracht wird, wobei um diese Siliziumoxidschicht (2) Kontaktfensteröffnungen (3, 4) zum Siliziumsubstrat (1) hergestellt sind, daß auf der Siliziumoxidschicht (2) und den Kontaktfensteröffnungen (3, 4) eine Epitaxieschicht (5) aus Silizium abgeschieden wird, die auf der Siliziumoxidschicht (2) polykristallin (Bereich 8) und im Bereich der Kontaktfensteröffnungen (3, 4) als di­ rekte Verbindung zum Siliziumsubstrat (1) einkristallin (Be­ reich 6, 7) aufwächst, daß die Siliziumoxidschicht (2) als Opferschicht unter dem polykristallinen Epitaxierschichtbe­ reich (8) durch einen Ätzprozeß entfernt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Trenchprozeß vor dem Entfernen der Siliziumoxidschicht (2) die lateralen Strukturbegrenzungen des oder der Auslenk­ teile (12 bis 15; 30; 36, 37) in der Form von engen Ätzgräben als Trenches (11) mit der Technik des anisotropen Plasma­ ätzens durch die polykristalline Epitaxieschicht (8) hindurch herausgeätzt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf die Siliziumoxidschicht (2) vor der Epitaxie eine Poly-Startschicht (10) aufgebracht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur elektrischen Passivierung vor der Dispo­ sition des Opferoxides HF-resistente dielektrische Schichten auf dem Substrat, insbesondere Nitrid, abgeschieden werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Siliziumoxidschicht (2) dotiert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Entfernung der Siliziumoxidschicht (2) mit Flußsäure durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß unter Benutzung der Verfahrensschritte zur Herstellung des mikromechanischen Sensors (16) auf demselben Träger (1) integrierte elektronische Schaltungen (17), insbe­ sondere zur Auswertung der Auslenkung des Auswertteils, herge­ stellt werden.
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