DE4400127A1 - Kapazitiver Beschleunigungssensor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Beschleunigungs­ sensor nach der Gattung des Hauptanspruchs sowie ein Ver­ fahren zur Herstellung dieses Beschleunigungssensors.

Beschleunigungssensoren in Silicium-Mikromechanik werden heutzutage insbesondere im Kraftfahrzeug auf verschieden­ artige Weise eingesetzt beispielsweise zur Auslösung von Airbags, Gurtstraffern, Antiblockiersystemen u. dgl.

Bei einem derartigen, aus den US-Patenten 4 711 128 und 4 663 972 bekannten Beschleunigungssensor bestehen die elastisch aufgehängte seismische Masse und die ineinander­ greifenden Platten zur Bildung eines Kondensators bzw. kapazitiven Beschleunigungssensors aus monokristallinem Silicium oder Quarz. Die Struktur wird zunächst durch an­ isotropes Ätzen von Gräben hergestellt und dann durch iso­ tropes Unterätzen von der Basis gelöst. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß beim isotropen Unter­ ätzen das Material von beiden Seiten her im wesentlichen halbzylindrisch entfernt wird, wodurch nur sehr schmale Strukturen unterätzt werden können, so daß die Breite und damit die Masse der seismischen Masse begrenzt ist. Weiterhin ist bei einer Realisierung durch monokristalli­ nes Silicium die Kontaktierung der erforderlichen Sensor­ zuleitungen problematisch.

Bei einem aus der WO 92/03740 bekannten Beschleunigungs­ sensor, der mit Mitteln der Oberflächen-Mikromechanik her­ gestellt wird, bestehen insbesondere die Kondensatorstruk­ turen und die Aufhängestege aus polykristallinem Silicium. Der Nachteil eines polykristallinen Materials besteht in der eingeschränkten Aktivierbarkeit von Dotierstoffen. Speziell bei Sensoren im Niederbeschleunigungsbereich müssen die Aufhängestege für die seismische Masse sehr lang und dünn ausgelegt werden. Um eine hohe Leitfähigkeit zu erzielen, ist jedoch eine hohe Dotierung erforderlich. Der Anteil des Dotiermaterials, der sich in den Korn­ grenzen des polykristallinen Materials einbaut und damit elektrisch nicht aktiviert ist, trägt zu einer erhöhten Druckspannung und bei einem Konzentrationsgradienten auch zu einem Spannungsgradienten bei. Dies kann zu einer Auf­ werfung der zweiseitig eingespannten Aufhängestege und zu einer Krümmung der Kondensatorplatten führen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs vermeidet durch die Verwendung von monokristallinem Material für die Sensorstruktur die beschriebenen Nachteile von poly­ kristallinem Material. Es können große Arbeitskapazitäten erreicht werden. Eine Integration mit einer Auswerteschal­ tung ist leicht möglich. Dabei wird eine kostengünstige und einfach zu realisierende Art der Kontaktierung der Sensorleitungen vorgeschlagen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Beschleunigungssensors möglich.

Zur Bildung des Trennstreifens bieten sich zwei vorteil­ hafte Möglichkeiten an: Zum einen kann er durch eine p- Diffusion in der aus n-Silicium bestehenden Schicht ge­ bildet werden, und zum anderen kann er durch einen aufge­ füllten, isotrop oder anisotrop geätzten Graben gebildet werden. Unterhalb der vorzugsweise aus polykristallinem Material, insbesondere Polysilicium, bestehenden Füllung wird der Ätzgraben zweckmäßigerweise mit einer Isolier­ schicht versehen. Hierdurch kann die elektrische Trennung auf einfache Weise vollzogen werden.

Die am Substrat fixierten Endbereiche der zweiten Finger sind zweckmäßigerweise durch wenigstens einen Quersteg miteinander verbunden, wobei der Quersteg als Anschluß der Kondensatoranordnung ausgebildet ist. Hierdurch braucht nur beispielsweise eine Kontaktierung dieser Finger auf jeder Seite der seismischen Masse erfolgen.

Um große und breite seismische Massen aus monokristallinem Material herstellen zu können, wird das Substrat im mitt­ leren Bereich des Beschleunigungssensors in vorteilhafter Weise rückseitig weggeätzt, wobei ein die Endbereiche der Aufhängestege und zwei Finger haltender verbleibender Rahmenbereich vorgesehen ist bzw. bestehen bleibt. Durch dieses rückseitige Wegätzen kann auf eine Unterätzung verzichtet werden, die insbesondere bei monokristallinem Silicium problematisch ist, wenn breite Bereiche unterätzt werden sollen.

Als Substrat eignet sich vor allem p-Silicium, und die verbleibende Schicht sowie die herausgeätzte Struktur be­ stehen aus n-Silicium.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines der­ artigen Beschleunigungssensors besteht darin, daß zunächst ein den Bereich der später gebildeten Struktur umgebender Trennstreifen in der das Substrat bedeckenden Schicht ge­ bildet wird. Dann wird der Trennstreifen und wenigstens der nicht von ihm umschlossene Bereich der Schicht mit einer Passivierungsschicht versehen. Dann wird in beliebi­ ger Reihenfolge die aus der Masse, den Aufhängestegen und den Fingern bestehende Struktur durch anisotropes Ätzen (Trenchätzen) gebildet, die Leiterbahnen werden auf der Passivierungsschicht angebracht und ihre bis zu den An­ schlüssen der Kondensatoranordnung führenden Endbereiche kontaktiert, und das Substrat wird unterhalb des mittleren Bereichs der Struktur rückseitig weggeätzt. Hierdurch er­ hält man auf einfache und rationelle Weise auch breite Strukturen aus monokristallinem Silicium und eine einfache und vorteilhafte Kontaktierung.

Zur Bildung des Trennstreifens wird entweder eine ent­ sprechend lokalisierte p-Diffusion durchgeführt, oder es wird zunächst ein Graben isotrop oder anisotrop geätzt, dann mit einer Isolierschicht versehen und schließlich wenigstens in den Anschlußbereichen aufgefüllt, vorzugs­ weise durch Deponieren von Polysilicium.

Das rückseitige Ätzen kann sehr präzise mit einem pn-Ätz­ stopp erfolgen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor als Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch den Beschleuni­ gungssensor nach dem Ätzen des Grabens für den Trennstreifen und der mittleren Sensorstruktur gemäß der Schnittlinie A-A in Fig. 1 und

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Kon­ taktierungsbereichs.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 in der Draufsicht dargestellte Beschleuni­ gungssensor besteht aus einer bandförmigen seismischen Masse 10 aus monokristallinem Silicium (n-Silicium). Von den beiden Enden verlaufen jeweils senkrecht zur Längs­ richtung nach beiden Seiten dünne Aufhängestege 11, die einstückig mit der Masse 10 ausgebildet sind und deren von der Masse 10 entfernte Endbereiche 11a an dem den Sensor­ bereich umgebenden Substrat 12 aus monokristallinem p- Silicium fixiert sind. Dadurch kann sich die seismische Masse 10 in ihrer Längsrichtung beim Auftreten von ent­ sprechenden Beschleunigungen relativ zum Substrat 12 in der Pfeilrichtung bewegen.

An den beiden Längsseiten der seismischen Masse 10 sind dünne, langgestreckte, als Kondensatorplatten ausgebildete erste Finger 13 senkrecht zur Längsrichtung der seis­ mischen Masse 10 einstückig angeformt. Diese bestehen also ebenfalls aus monokristallinem n-Silicium. Jeweils finger­ artig ineinandergreifend, verlaufen zwischen diesen ersten Fingern 13 weitere, als Kondensatorplatten ausgebildete zweite Finger 14, die an ihrem von der seismischen Masse 10 abgewandten Ende am Substrat fixiert sind. Sie sind dort über einstückig angeformte Querstege 15 jeweils zu beiden Seiten der seismischen Masse 10 am Substrat 12 mit­ einander verbunden. Die Finger 13, 14 sind somit nach Art einseitig eingespannter Balken ausgebildet. Die inein­ andergreifenden ersten und zweiten Finger 13, 14 bilden eine Kondensatoranordnung, deren Kapazität sich bei einer Längsverschiebung der seismischen Masse 10 verändert, so daß hierdurch über die sich verändernde Kapazität die Be­ schleunigung erfaßt werden kann.

Die gestrichelte Linie soll vereinfacht weitere solcher Finger 13, 14 in paralleler Anordnung darstellen.

Eine Schicht 16 aus monokristallinem n-Silicium auf dem Substrat 12 umgibt rahmenförmig die Sensorstruktur. Sie ist von dieser rahmenförmig durch einen schmalen Trennstreifen 17 (z. B. Streifenbreite < 2 µm, Streifenhöhe < 10 µm) getrennt, das heißt, die Aufhängestege 11, die Finger 13, 14 und die Querstege 15 sind nach allen Seiten hin zur umgebenden Schicht 16 aus demselben Material beabstandet angeordnet. Dieser Trennstreifen 17 ist aufgefüllt, um als Anschlußleitungen der Kondensatoranord­ nung dienende Leiterbahnen 18 auf der Schicht 16 zur Kon­ densatoranordnung führen zu können. Diese Auffüllung kann prinzipiell auch nur an den erforderlichen Stellen vorhanden sein. Dabei ist die eine Leiterbahn mit einem der Endbereiche 11a eines der Aufhängestege 11 kontaktiert, und eine weitere Leiterbahn ist mit einem der Querstege 15 kontaktiert. Selbstverständlich kann auch der andere Quersteg 15 entsprechend mit einer Leiterbahn 18 kontaktiert werden, wobei dies zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen wurde. Diese Kontaktierung wird in Zusammenhang mit Fig. 3 noch näher erläutert werden.

Das Herstellungsverfahren wird im folgenden auch anhand der Fig. 2 und 3 erläutert werden.

Zunächst wird in üblicher Weise auf eine das Substrat 12 bildende Platte aus monokristallinem p-Silicium eine Schicht aus n-Silicium aufgebracht, aus der später die Schicht 16 und die Sensorstruktur durch Ätzen gebildet werden. Die Dotierung kann nach bekannten Verfahren vor oder während des Prozesses erfolgen. Zunächst wird der rahmenförmige Trennstreifen 17 als bis zum Substrat 12 hinabreichender Graben in die obere Schicht durch iso­ tropes oder anisotropes Ätzen eingeformt. Dieser Graben wird dann mit einer Isolierschicht 19 gemäß Fig. 3 ver­ sehen, wobei der Graben gemäß Fig. 3 durch anisotropes Trenchätzen erzeugt wurde. Die Isolierschicht 19 kann beispielsweise aus Siliciumdioxid bestehen. Anschließend wird der Graben durch Deponierung von beispielsweise polykristallinem Silicium als Füllung 20 aufgefüllt. Diese Auffüllung kann vollständig oder nur an den später gebildeten Anschlußbereichen 21 erfolgen.

Zunächst wird die gesamte Schicht mit einer Passivierungs­ schicht 22 versehen, die später im inneren Bereich der Sensorstruktur wieder entfernt wird, so daß sie sich über den Trennstreifen 17 erstreckt und geringfügig noch die Schicht innerhalb des Trennstreifens 17 übergreift.

Nun werden die Leiterbahnen 18 gemäß Fig. 1 auf der Schicht 16 bzw. der Passivierungsschicht 22 aufgebracht. Sie erstrecken sich über die Trennstreifen 17 hinweg bis zu einem bzw. beiden Querstegen 15 und werden dort an einer Stelle ohne Passivierungsschicht 22 kontaktiert. Dann wird das Substrat 12 im Bereich der Sensor­ struktur durch rückseitiges Ätzen mit p/n-Ätzstopp ent­ fernt. Der entfernte Bereich 12a ist in Fig. 2 durch eine gekreuzte Schraffur gekennzeichnet. Nun wird durch an­ isotropes Trenchätzen die Sensorstruktur gebildet, nämlich die seismische Masse 10, die Aufhängestege 11, die Finger 13, 14 und die Querstege 15. Fig. 2 zeigt den Beschleunigungssensor nach diesem Herstellungsschritt. Durch dieses Ätzen wird die Sensorstruktur nur noch an den Endbereichen 11a der Aufhängestege 11 und den Endbereichen der zweiten Finger 14 bzw. den Querstegen 15 am Randbereich des Ausschnitts des Substrats 12 gehalten.

Der weitere Verlauf der Leiterbahn 18 ist in Fig. 1 nicht mehr dargestellt und nur noch durch eine gestrichelt dar­ gestellte Leiterbahn 18 angedeutet.

Die Reihenfolge der Verfahrensschritte des Ätzens der Sensorstruktur, des rückseitigen Ätzens des Substrats 12 und des Aufbringens der Leiterbahn 18 kann auch verändert werden.

Alternativ zur beschriebenen Bildung des Trennstreifens 17 kann dieser auch durch p-Diffusion in einem entsprechenden Streifen gebildet werden. Ein Auffüllen ist hier nicht erforderlich. Auch durch einen solchen p-Diffusionsstrei­ fen kann eine elektrische Isolation zwischen der Sensor­ struktur und dem äußeren Bereich der Schicht 16 erreicht werden.

Die Leiterbahnen können beispielsweise durch Bedampfung mit Aluminium oder einem anderen gut leitenden Material erzeugt werden. Auch durch Abscheidung einer Schicht können solche Leiterbahnen erzeugt werden.

Die monokristalline Schicht 16 kann auch in nicht darge­ stellter Weise mit Hilfe eines Standardprozesses mit einer Auswerteschaltung für den Beschleunigungssensor versehen werden, so daß der Sensor und die Auswerteschaltung auf einem Bauteil angeordnet sind.

Claims (14)

1. Kapazitiver Beschleunigungssensor mit einer aus einer monokristallinen, auf einem Substrat angeordneten Schicht herausgeätzten Struktur, bestehend aus einer nur über Auf­ hängestege mit dem Substrat verbundenen, beim Auftreten einer Beschleunigung eine Bewegung in ihrer Längsrichtung ausführenden seismischen Masse, aus sich von dieser Masse aus quer zu deren Längsrichtung erstreckenden parallelen plattenartigen ersten Fingern und aus dazu parallelen, am Substrat verankerten plattenartigen zweiten Fingern, wobei die ersten und zweiten Finger eine Kondensatoranordnung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die mit ihrem von der seismischen Masse (10) entfernten Endbereich (11a) am Substrat (12) verankerten Aufhängestege (11) und zweiten Finger (14) durch einen Trennstreifen (17) von der übrigen verbliebenen Schicht (16) aus monokristallinem Material elektrisch getrennt sind, daß sich eine Passivierungs­ schicht (22) über den Trennstreifen (17) auch wenigstens teilweise über die verbliebene Schicht (16) erstreckt und daß auf der Passivierungsschicht (22) angeordnete, als Anschlußleitungen für die Kondensatoranordnung dienende Leiterbahnen (18) über den Trennstreifen (17) hinweg bis zu den Anschlüssen der Kondensatoranordnung verlaufen und dort kontaktiert sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennstreifen (17) durch eine p-Diffusion in der aus n-Silicium bestehenden Schicht gebildet ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennstreifen (17) durch einen aufgefüllten, isotrop oder anisotrop geätzten Graben gebildet ist.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben mit einer Isolierschicht (19) unter der Füllung (20) versehen ist.

5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung (20) aus polykristallinem Material, insbe­ sondere aus Polysilicium, besteht.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die am Substrat (12) fixierten Endbereiche der zweiten Finger (14) durch wenigstens einen Quersteg (15) miteinander verbunden sind, wobei der Quer­ steg (15) als Anschluß der Kondensatoranordnung ausgebil­ det ist.

7. Kapazitiver Beschleunigungssensor, mit einer aus einer monokristallinen, auf einem Substrat angeordneten Schicht herausgeätzten Struktur, bestehend aus einer nur über Aufhängestege mit dem Substrat verbundenen, beim Auftreten einer Beschleunigung eine Bewegung in ihrer Längsrichtung ausführenden seismischen Masse, aus sich von dieser Masse aus quer zu deren Längsrichtung erstreckenden parallelen plattenartigen ersten Fingern und aus dazu parallelen, am Substrat verankerten plattenartigen zweiten Fingern, wobei die ersten und zweiten Finger eine Kondensatoranordnung bilden, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) in seinem mittleren Bereich (12a) rückseitig weggeätzt ist, wobei ein die Endbereiche der Aufhängestege (11) und zweiten Finger (14) haltender verbleibender Rahmenbereich des Substrats (12) vorgesehen ist.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) aus p-Silicium und die verbleibende Schicht (16) sowie die herausgeätzte Sensorstruktur aus n-Silicium bestehen.

9. Verfahren zur Herstellung des kapazitiven Beschleu­ nigungssensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein den Bereich der später gebildeten Sensorstruktur umgebender Trennstreifen (17) in der das Substrat (12) bedeckenden Schicht gebildet wird, daß der Trennstreifen (17) und wenigstens der nicht von ihm umschlossene Bereich der Schicht (16) mit einer Passivierungsschicht (22) versehen werden und daß in be­ liebiger Reihenfolge die Leiterbahnen (18) auf der Passivierungsschicht (22) angebracht und ihre bis zu den Anschlüssen der Kondensatoranordnung führenden Endbereiche kontaktiert werden, das Substrat (12) unterhalb des mittleren Bereichs der Sensorstruktur rückseitig weggeätzt wird und die aus der Masse (10), den Aufhängestegen (11) und den Fingern (13, 14) bestehende Sensorstruktur durch anisotropes Ätzen gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Trennstreifens (17) eine entsprechend lokalisierte p-Diffusion durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Trennstreifens (17) zunächst ein Graben isotrop oder anisotrop geätzt wird und daß der Graben mit einer Isolierschicht (19) versehen und dann wenigstens in den Anschlußbereichen (21) aufgefüllt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben durch Deponieren von Polysilicium gefüllt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das rückseitige Ätzen mit einem pn- Ätzstopp erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen durch Aufdampfen eines Metalls, insbesondere von Aluminium, gebildet werden.