DE4415984A1

DE4415984A1 - Halbleitersensor mit Schutzschicht

Info

Publication number: DE4415984A1
Application number: DE4415984A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Lipphardt; Guenther Dipl Ing Findler; Horst Dipl Phys Dr Muenzel; Helmut Dipl Phys Dr Baumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-05-06
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1995-11-09
Also published as: US5629538A; JPH07307479A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Halbleiterchip mit wenig stens einer auf der Rückseite eingebrachten Kaverne, deren obere Wandung nach der Gattung des Hauptanspruchs elastisch verformbar ausgebildet ist. Ein derartiger Halbleitersensor ist beispielsweise aus der DE 39 18 769 A1 als Drucksensor bekannt. Der bekannte Sensor ist jedoch nur in Medien ein setzbar, die das Siliziummaterial nicht angreifen. Wird er dagegen beispielsweise in Säuren oder Laugen eingesetzt, dann kann die Membran des Siliziumsensors angeätzt oder durchgeätzt werden, so daß sie ihre mechanischen Eigen schaften ändert und dadurch falsche Meßwerte liefert oder sogar ganz zerstört wird.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Halbleiterchip bzw. Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10 hat demgegenüber den Vorteil, daß er wegen seiner Schutzschicht, die auf der den Medien ausgesetzten Silizium seite aufgebracht ist, auch bei aggressiven Medien und heißen korrosiven Dämpfen verwendbar ist. Solche Umgebungen treten beispielsweise in Waschmaschinen, Wasserkreisläufen, die Zusatzstoffe enthalten, sowie in der chemischen Prozeß technik auf, bei denen der Sensor zur Druckmessung verwend bar ist.

Bekannte Halbleitersensoren sind in aggressiven Medien nicht verwendbar.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maß nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Halbleiterchips möglich. Be sonders vorteilhaft ist, daß die Schutzschicht nicht nur auf der Innenwand der Kaverne, sondern auch auf der Rückseite des Halbleiterchips ausgebildet ist. Dadurch kann die Schutzschicht ohne zusätzlichen Maskierungsschritt ganz flächig aufgebracht werden, so daß deren Herstellung kosten günstig erfolgt. Auch wird durch die gesamte Abdeckung ver mieden, daß an Übergangsstellen zum Substrat ein Ätzangriff stattfinden kann, der eine Schädigung der Anordnung bewirken kann.

Bei temperaturbeständiger Ausführung der Schutzschicht ist der Halbleiterchip als Sensor universell einsetzbar, so daß auf spezielle Sensoren verzichtet werden kann.

Gegen Säuren und Laugen beständige Materialien als Schutz schicht sind beispielsweise Siliziumkarbid, Kohlenstoff (C/Diamant) oder Silizide aus Titan, Platin, Chrom oder bedingt auch Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid. Derartige Verbindungen sind in der Silizium-Fertigungstechnik be herrschbar und dadurch für die gewünschte Verwendung ge eignet. Durch die bekannten Verfahren wie Aufdampfen, Sputtern, galvanische oder Gasphasenabscheidungsprozesse (CVD-Prozesse) lassen sich die gewünschten Verbindungen in ausreichender Schichtdicke herstellen.

Vorteilhaft ist weiter, daß die mit der Schutzschicht abge deckten Halbleiterchips beispielsweise durch anodische Bon dung auf einem geeigneten Substrat befestigt werden. Dadurch vereinfacht sich der Herstellungsprozeß des Wafers.

Aber auch bekannte Bondverfahren wie Legieren, Löten oder Kleben sind verwendbar, sofern die dabei verwendeten Materialien die Anforderungen bezüglich der aggressiven Medien erfüllen.

Auf diese Weise läßt sich vorteilhaft beispielsweise ein Aktor oder Drucksensor kostengünstig herstellen, der robust aufgebaut und universell einsetzbar ist.

Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 drei unterschiedliche Halbleiterchips, Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 3 zeigt ein zweites Aus führungsbeispiel und Fig. 4 zeigt einen in einem Gehäuse verpackten Sensor.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt im Querschnitt drei Halbleiterchips 1, die drei verschiedene Ausführungsformen bezüglich der Abdeckung der Kavernen und der Rückseite 4 darstellen. Sie sind aus einem Siliziumwafer herausgetrennt. Der Halbleiterchip ist als Teil eines Sensors, vorzugsweise eines Drucksensors ausgebildet und hat eine oder mehrere Kavernen 2, die von der Rückseite 4 des Halbleiterchips 1 durch ein entsprechendes Ätzverfahren eingebracht wurden. Dieses Herstellverfahren ist per se bekannt. Die Kavernen 2 sind über den Halbleiterchip 1 verteilt angeordnet und so tief eingebracht, daß noch eine dünne Siliziumschicht als Membran 9 stehenbleibt. Im Bereich der Membran 9 werden piezosensitive Widerstandszonen 8 eingebracht, die mit Auswerteschaltungen auf dem Chip über nicht dargestellte Stromzuführungen verbunden sind. Zum Schutz dieser Schaltungen kann die Vorderseite 3 des Halbleiterchips 1 ebenfalls mit einer Schutzschicht abgedeckt sein. Unter dem Einfluß von Druck oder Druckänderungen, die an der Wandung der Kavernen 2 vorliegen, verformt sich die Membran 9 mit den piezosensitiven Widerstandszonen 8, wodurch die piezosensitive Widerstandszonen 8 entsprechende elektrische Signale an die nicht dargestellte Auswerteschaltungen lie fern. Ein derartig aufgebauter Halbleiterchip 1, der als Drucksensor verwendet wird, ist beispielsweise aus der DE 39 17 769 A1 bekannt.

Gegenüber dem bekannten Stand der Technik hat der erfin dungsgemäße Halbleiterchip 1 entsprechend der drei Teilfig. 1 eine Schutzschicht 6, 7, die ganz oder teilweise an den Innenwandungen der Kavernen 2 sowie wahlweise auf der verbliebenen Rückseite 4 des Halbleiterchips aufgebracht ist. In Fig. 1 sind alternativ beispielhaft drei Kavernen 2 dargestellt. Bei der linken Kaverne 2 sind in den Bereichen a die Seitenwände nur teilweise oder gar nicht abgedeckt. Bei der mittleren Kaverne 2 sind die Innenflächen abgedeckt und bei der rechten Kaverne 2 ist zusätzlich die Rückseite 4 abgedeckt. Durch diese Schutzschichten 6, 7 wird der Halbleiterchip 1 insbesondere mit den empfindlichen Membranen 9 gegen aggressive Medien wie flußsäurehaltige Säuren, Laugen oder heißen korrosiven Gasen geschützt. Die Schutzschichten 6, 7 können durch bekannte Verfahren wie Aufdampfen, Sputtern, im Galvanik- oder im CVD-Prozeß (Gasphasenabscheidungs-Prozeß) aufgebracht werden. Je nach Verwendungszweck können die Schutzschichten beispielsweise aus einem Kunststoffgel oder aus verschiedenen Metallen oder deren Siliziumverbindungen bestehen. Bewährt haben sich beispielsweise Titan, Platin, Chrom. Aber auch Siliziumnitrid, Silikongele oder Siliziumdioxid, Polymer und Siliziumkarbid oder Kohlenstoffschichten sind als Schutzschicht geeignet. Die Dicke der Schutzschicht 6 kann auch die mechanischen Ei genschaften der Membran 9 beeinflussen, so daß die Dicken auch im Zusammenhang mit der Membrandicke zu beachten ist. Bewährt haben sich bei Membrandicken von z. B. typisch 15 bis 20 µm Schutzschichten von typisch 100 bis 200 nm Dicke.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit drei Kavernen in einem Chip, zusammen mit einem Substrat 10. Zum Aufbringen der Schutzschicht 6, 7 sind mehrere Arbeitsschritte erforderlich. Je nach Bedarf kann die ganze Innenfläche der Kaverne 6 oder nur Teile davon mit der Schutzschicht abgedeckt werden. Entsprechendes gilt auch für die untere Fläche (Rückseite 4) des gesamten Halbleiterwafers. Je nach Bedarf sind dann entsprechende Maskierungsschritte erforderlich, die in der Regel mit lithographischen Ver fahren durchgeführt werden können. Anstelle eines lithogra phischen Verfahrens kann die Rückseite des Wafers mit ent sprechenden Lochblenden, beispielsweise mit Platin bedampft werden, wobei die Löcher in der Lochblende so ausgerichtet sind, daß sie ein Bedampfen der Kavernen 2 ermöglichen. Das auf der Oberfläche der Kaverne 2 abgeschiedene Platin wird dann in einem nachfolgenden Temperschritt zu Platinsilizid umgewandelt. Die weiteren Schritte zur Herstellung des Halb leiterchips 1 mit den piezosensitiven Schaltungsanordnungen sind per se bekannt und müssen daher nicht näher erläutert werden.

Der Halbleiterchip 1 wird entsprechend der Fig. 2 einzeln oder als Wafer auf einem geeigneten Substrat 10, beispiels weise einer gelochten Glasplatte mit geeigneten Verfahren, beispielsweise durch Waferbonden, aufgebracht. Je nach An wendungsfall kann der Halbleiterchip 1 auch durch Löten, Legieren, Kleben oder anodisches Bonden auf das Substrat 10 aufgebracht werden. Beim Aufbringen des Halbleiterchips 1 auf das Substrat 10 wird der Halbleiterchip 1 bzw. der Wafer so justiert, daß die Öffnungen 11 des Substrats 10 jeweils zu einer Kaverne 2 geführt werden. Durch diese Öffnungen 11 erfolgt der Druckaufbau in der Kaverne 2, so daß dieser Druck eine Verformung der Membran 9 bewirkt. Es ist daher wichtig, daß der Halbleiterchip 1 ganz flächig auf dem Substrat 10 aufgebracht ist.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem auf der Rückseite 4 keine Schutzschicht 7 aufgebracht ist. Viel mehr wird hier der Halbleiterchip 1 oder -wafer direkt auf das Substrat 10 gebondet (anodischer Bondprozeß).

Fig. 4 zeigt einen Drucksensor, bei dem der Halbleiterchip 1 mit dem Substrat 1 zusammengebracht und in einem ge eigneten Gehäuse 16 eingebaut ist. Das Gehäuse 16 ist aus Metall, Glas oder Kunststoff und hat Durchführungen 11 für den Druckanschluß 11 zur Kaverne 2. Beispielhaft ist eine von mehreren Zuleitungen 13 dargestellt, die durch die Isolation 15 vom Gehäuse 16 elektrisch isoliert ist und in das Gehäuse 16 hineinragt. Der Innenanschluß wird über einen Bonddraht 14 mit der integrierten Schaltung bzw. den Widerstandszonen 8 verbunden. Zum Schutz ist der Chip 1, 10 mit einer geeigneten Abdeckung 12, beispielsweise aus Metall, Glas oder Kunststoff, hermetisch abgedeckt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Halbleiterchip 1 als Aktor in Mikroventilen oder Mikro pumpen einzusetzen. Dabei kann die Schutzschicht 6, 7 auch andere vom aggressiven Medium berührte Teile abdecken.

Es wird noch darauf hingewiesen, daß die Fig. 1 bis 4 nicht maßstäblich sind, so daß in der praktischen Ausführung die Ausbildung der Kavernen 2, der Membran 9, der piezosen sitiven Widerstandszonen 8 oder des Substrates 10 mit den Öffnungen 11 entsprechend modifiziert werden kann. Insbesondere kann auch die Ausbildung der Kavernen 2 invertiert sein. So kann die Kaverne 2 von der Vorderseite 3 eingebracht werden, so daß die Rückseite 4 des Halbleiterchips eben ist. Entsprechende Mulden können dann in der Substratplatte 10 vorgesehen sein, um den Druckaufbau zu ermöglichen. Die Kavernen 2 sind dann so ausgebildet, daß in ihnen die piezosensitive Schaltung 8 eingebracht ist. Des weiteren sind entsprechende Zuleitungen für die Stromversorgung vorzusehen.

Claims

1. Halbleiterchip mit wenigstens einer auf der Rückseite eingebrachten Kaverne, deren obere Wandung als Membran elastisch verformbar ausgebildet ist, und mit einer auf die Membran aufgebrachten piezosensitiven Schaltungsanordnung zur Erfassung der Auslenkung der Membran, dadurch gekenn zeichnet, daß wenigstens teilweise die Innenwand der Kaverne (2) eine Schutzschicht (6) gegen aggressive Medien aufweist.

2. Halbleiterchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (6) über die Innenwand der Kaverne (2) herausgeführt ist und weitere Teile (7) der Rückseite (4) des Halbleiterchips (1) abdeckt.

3. Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schutzschicht (6, 7) temperaturbeständig ausgebildet ist.

4. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (6, 7) bestän dig gegen Säuren oder Laugen ausgebildet ist und vorzugs weise aus Titan, Platin, Chrom, deren Siliziumverbindungen oder Siliziumnitrid oder Siliziumoxid besteht.

5. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (6, 7) in einem Aufdampf-, Sputter- , Galvanikprozeß oder einem Gas phasenabscheidungsprozeß (CVD-Prozeß) aufbringbar ist.

6. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (1) mit seiner Rückseite (4) auf einem Substrat (10), vorzugsweise aus Glas, wie beispielsweise Pyrex aufgebracht ist, und daß das Substrat (10) Öffnungen (11) enthält, die bis in die Kavernen (2) des Halbleiterchips (1) führen.

7. Halbleiterchip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (1) durch einen anodischen Bondprozeß auf das Substrat (10) aufbringbar ist.

8. Halbleiterchip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (1) durch einen Legier-, Löt- oder Klebvorgang auf das Substrat (10) aufbringbar ist.

9. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (1) vorzugsweise zur Herstellung eines Druck-, Beschleunigungs-, Massenfluß-, Temperatursensor oder eines Aktors wie Mikroventil oder Mikropumpe verwendbar ist.

10. Drucksensor mit einem Halbleiterchip nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halb leiterchip (1) auf dem Substrat (10) aufgebracht ist, daß eine Schutzhülle (12) die freien Oberflächen (3) des Halb leiterchips (1) abdeckt und daß elektrische Anschlußkontakte (13) herausgeführt sind, die mit der piezosensitiven Schal tung (8) verbunden sind.