EP0514395A1 - Kristallorientierter bewegungssensor und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Kristallorientierter bewegungssensor und verfahren zu dessen herstellung

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EP0514395A1
EP0514395A1 EP19910902254 EP91902254A EP0514395A1 EP 0514395 A1 EP0514395 A1 EP 0514395A1 EP 19910902254 EP19910902254 EP 19910902254 EP 91902254 A EP91902254 A EP 91902254A EP 0514395 A1 EP0514395 A1 EP 0514395A1
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EP
European Patent Office
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etching
paddle
silicon wafer
silicon
sensor
Prior art date
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Ceased
Application number
EP19910902254
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jiri Marek
Martin Warth
Guenther Findler
Hans-Peter Trah
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP0514395A1 publication Critical patent/EP0514395A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01C9/02—Details
    • G01C9/06—Electric or photoelectric indication or reading means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
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    • G01P15/0802—Details
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    • G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0817—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for pivoting movement of the mass, e.g. in-plane pendulum

Definitions

  • the invention relates to a sensor for measuring motion according to the preamble of the main claim.
  • Acceleration sensors based on silicon micromechanics are already known from patent application P 38 14 952, in which a paddle which is suspended from one or more webs is deflected perpendicularly to the wafer surface. The deflection is evaluated piezoresistively. Due to the required seismic mass and the direction of movement of the paddle, such sensors occupy a relatively large part of the wafer surface.
  • the fiction, contemporary sensor with the characterizing features of the main claim has the advantage that it is very easy to implement sensors with a small chip surface by taking advantage of the natural crystallographic surfaces of the monocrystalline silicon wafer in the arrangement and dimensioning of the sensor paddles vertically to the wafer surface.
  • a further advantage is that the capacitive evaluation of the sensor signals requires small trench widths, which are particularly easy to manufacture when using the (111) crystal planes as vertical etch stop boundaries for the lateral undercut.
  • sensors can advantageously be etched out, the evaluation of which is carried out capacitively, as well as those whose evaluation is piezoresistive.
  • a particular advantage of the capacitive sensors is that * the working capacity can be increased as required by connecting several capacitors in parallel. If the (111) crystal planes perpendicular to the wafer surface are used as the etch stop limit for the lateral undercut, etch trenches with an aspect ratio of up to 100: 1 can be produced, which is particularly advantageous since it can be used to produce paddles which have a very low rigidity exhibit.
  • Another advantage is that, due to the high aspect ratio, the entire thickness of the wafer can be etched through. Paddles and electrodes with a particularly large working capacity can be manufactured with a small footprint.
  • Sensor structures in wafers that consist of a silicon substrate and one applied to it can also be advantageously implemented There are epitaxial layers, a pn junction occurring between the substrate and the epitaxial layer due to their different doping.
  • a p / n junction can also advantageously be introduced into a p- or n-doped wafer by means of a corresponding diffusion. If this pn junction is polarized in the reverse direction, it serves on the one hand as an etching stop and on the other hand it has an insulating effect on the substrate.
  • the sensor structure can be isolated particularly advantageously either by means of a pn junction, which is polarized in the reverse direction, as well as by means of an isolation trench which completely penetrates the epitaxial layer and extends into the silicon substrate.
  • the paddles can advantageously be exposed either by isotropic wet-chemical undercutting of webs from the front of the wafer or by means of a backside etching.
  • a particular advantage of taking advantage of the crystallographic conditions is to select a simple parallelogram as the etching window for the rear side etching, the angles of which have the same dimensions as the angles which form the (111) planes in the (110) wafer surface.
  • the fixed electrodes are not completely exposed by a rear side etching, but are connected to the silicon substrate at their two ends.
  • a particular advantage in the production of sensors according to the invention proves that when using KOH or other alkalis, dielectrics known as etches can be used as the masking layer.
  • Another advantage of producing sensor structures in (I ⁇ O) wafers using the crystallographic conditions by anisotropic wet chemical etching is that a combined etching attack from the front and back is possible.
  • FIG. 1 shows the top view of a sensor
  • FIG. 2 shows the top view of a further sensor
  • FIG. 1 shows the top view of a sensor
  • the silicon wafer 10 in this exemplary embodiment can have a uniform doping or else consist of a silicon substrate and an epitaxial layer applied thereon, at whose interface there is a pn junction due to the different doping of the substrate and the epitaxial layer.
  • the p / n transition is essential.
  • B. can also be generated by diffusion of foreign atoms in the silicon wafer.
  • (111) planes are etched particularly slowly.
  • the (111) planes are perpendicular to the wafer surface and therefore allow deep trenches with a high aspect ratio to be etched. Deep etching can be achieved a hundred times faster than lateral etching.
  • oblique silicon areas 141 are also formed in the acute angles of the parallelogram with an angle of inclination to the wafer surface of 35.26 °. At the obtuse angles, oblique silicon areas are also formed on the bottom of the etching pit (FIG. 2).
  • the inclined silicon surfaces 141 make design reservations necessary because they can restrict the movement of the paddles 151, 152, 153.
  • the aspect ratio in the anisotropic wet chemical etching of (I ⁇ O) wafers is so high that it is possible to etch through the entire wafer.
  • a combined etching attack from the front and back can be implemented.
  • the height of the paddles or the depth of the etched trenches corresponds to the entire thickness of the wafer.
  • the paddles and electrodes are isolated by The structures are separated from the silicon wafer, for example by sawing.
  • the sensor should be applied beforehand, for example by anodic bonding, to a carrier made of a suitable material such as silicon or glass, it being important to note that the paddles remain capable of vibrating. This can be achieved, for example, by means of a cavern in the carrier or Si wafer or else by means of selective epitaxy.
  • FIG. 2 shows a sensor structure in which vibratable paddles 161, 162 are formed within the epitaxial layer.
  • a fixed electrode 151, 152 is assigned to each of the paddles 161, 162, so that each pair of electrode paddles forms a capacitance.
  • the two capacitances shown are connected in parallel with a conductive connection 256 for the movable electrodes and a further conductive connection 255 for the fixed electrodes.
  • An isolation trench 21 provides electrical isolation of the sensor structure within the expitaxial layer.
  • the parallelogram denoted by 22 represents the starting surface for the rear side etching, which takes place starting from the rear side of the silicon wafer 10 up to the pn junction, which serves as the etching stop limit in the reverse direction.
  • the parallelogram denoted by 22 represents the starting surface for the rear side etching, which takes place starting from the rear side of the silicon wafer 10 up to the pn junction, which serves as the etching stop limit in the reverse direction.
  • the etching in 30% KOH at 80 ° C y 0.544 t.
  • y depends on the etching conditions.
  • the inclined silicon surfaces 141, 142 must be taken into account, since their position at the base of the rear-side etching pit can hinder the swinging of the paddles 161, 162.
  • the fixed electrodes 151, 152 are only exposed by the rear side etching 22 in a central region. At their end, they are at least at a length d that corresponds to the thickness of the epitaxial layer, but are usually connected to the substrate in a length of 2d. This measure is intended to ensure the immobility of the electrodes 151, 152.
  • FIG. 3 shows a silicon wafer with a (110) crystal orientation, from which a sensor structure according to the invention is etched out, at various stages of the method.
  • FIG. 3a shows the silicon wafer 10, which consists of a silicon substrate 12 and an epitaxial layer 13 applied thereon. At the interface between the epitaxial layer 13 and the silicon substrate 12 there is a pn junction due to their different doping, which can be polarized in the reverse direction by means of a pn etching connection 27. To passivate the surface, there is a silicon oxide layer 311 on the epitaxial layer, which contains only recesses for the pn-etching connection 27 and a contact 26. The contact 26 serves for the electrical connection of the sensor. Both contact 26 and pn-etch connection 27 are in a plasma nitride layer 321 is embedded so that only a small recess remains.
  • the recess in the plasma nitride layer 321 above the contact 26 is covered by a low-temperature oxide layer 331.
  • the pn-etching connection 27 is exposed through a recess 23.
  • a plasma nitride layer 322 is applied to mask the back of the silicon wafer 10, since a simple thermal oxide has an etching rate that is too high and would therefore not withstand etching with KOH.
  • a silicon oxide layer 312 is located between the plasma nitride layer 322 and the silicon substrate 12 in order to avoid stresses between the silicon substrate 12 and the plasma nitride layer 322.
  • the front and rear sides of the silicon wafer 10 are structured using means of photo masking technology.
  • the resulting recesses 23 in the silicon oxide layer 311 on the front side of the silicon wafer 10 and the recess 22 for the etching of the rear side in the plasma nitride layer 322 and the silicon oxide layer 312 are shown in FIG. 3b.
  • the front is etched in a further process step.
  • the etching stop results from the duration of the etching treatment, which is chosen such that the isolation trench 21, which is not opposite the backside etching 22, completely penetrates the epitaxial layer 13 and extends into the silicon substrate 12.
  • the etched trenches 20, which lie opposite the rear side etching 22, form until they encounter the low-temperature oxide layer 332, which serves to passivate the rear side of the silicon wafer 10.
  • the silicon wafer 10 at this stage is shown in Figure 3d.
  • the low-temperature oxide layer 332 and 331 on the back and the front of the silicon wafer 10 are removed.
  • the silicon oxide layer 311 on the front side of the silicon wafer 10 is removed in the sensor region.
  • two fixed electrodes 161, 162 have been created.
  • the contact 26 was exposed by removing the plasma nitride layer 321, so that the desired sensor structure of FIG. 3e is produced.
  • the etching of the rear and the front are carried out in an aligned manner.

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Description

Kristallorientierter Bewegungssensor und Verfahren zu dessen Herstellung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Bewegungsmessung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der Patentanmeldung P 38 14 952 sind schon BeschleunigungsSen¬ soren auf der Basis der Siliziu mikromechanik bekannt, bei denen ein Paddel, das an einem oder mehreren Stegen aufgehängt ist, senkrecht zur Waferoberfläche ausgelenkt wird. Die Auswertung der Auslenkung erfolgt piezoresistiv. Aufgrund der erforderlichen seismischen Masse und der Bewegungsrichtung des Paddels beanspruchen solche Sensoren einen relativ großen Teil der Waferoberfläche.
Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 39 27 163 ist bekannt, daß in Halbleiterwafern mit Hilfe der Fotomaskierungstech¬ nik Strukturen herausätzbar sind. Insbesondere lassen sich Zungen oder Paddel durch isotropes naßchemisches Unterätzen von Stegen freilegen. Vorteile der Erfindung
Der erfindungs emäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich durch Ausnutzen der natürlichen kristallographischen Oberflächen des monokristallinen Siliziumwafers bei der Anordnung und Dimensionierung der Sensorpaddel vertikal zur Waferoberfläche sehr einfach Sensoren mit geringer Chipoberfäche realisieren lassen. Als vorteilhaft erweist sich in diesem Zusammenhang, daß die Sensor- paddel in der Chipebene schwingen und so durch den Chip selbst bei Überlast geschützt werden. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die kapazitive Auswertung der Sensorsignale geringe Grabenbreiten erfordert, die bei Ausnutzung der (111 )-Kristallebenen als vertikale Ätzstopgrenzen für die laterale Unterätzung besonders einfach herzustellen sind.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich. In Siliziumwafern mit (100)-Oberflächen lassen' sich vorteilhaft sowohl Sensoren herausätzen, deren Auswertung kapazitiv erfolgt, als auch solche, deren Auswertung piezoresistiv erfolgt. Ein besonderer Vorteil der kapazitiv arbeitenden Sensoren ist, daß* sich durch Parallelschaltung von mehreren Kapazitäten die Arbeits- kapazität beliebig vergrößern läßt. Bei Ausnutzung der senkrecht zur Waferoberfläche stehenden (111 )-Kristallebenen als Ätzstopgrenze für die laterale Unterätzung lassen sich Ätzgraben mit einem Aspektver¬ hältnis bis zu 100:1 herstellen, was besonders vorteilhaft ist, da sich damit Paddel erzeugen lassen, die eine sehr geringe Steifigkeit aufweisen. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich aufgrund des hohen Aspektverhältnisses der Wafer in seiner gesamten Dicke durchätzen läßt. Dabei können Paddel und Elektroden mit besonders großer Arbeitskapazität bei geringem Flächenbedarf hergestellt werden. Vorteilhaft lassen sich auch SensorStrukturen in Wafern realisieren, die aus einem Siliziumsubstrat und einer darauf aufgebrachten Epitaxieschicht bestehen, wobei zwischen Substrat und Epitaxieschicht aufgrund ihrer unterschiedlichen Dotierungen ein pn-Übergang auftritt. Alternativ dazu kann ein p/n-Übergang auch vorteilhaft durch eine entsprechende Diffusion in einen p- oder n-dotierten Wafer eingebracht werden. Wird dieser pn-Übergang in Sperrichtung gepolt, so dient er zum einen als Ätzstop, zum anderen wirkt er isolierend gegenüber dem Substrat. Innerhalb der Epitaxie¬ schicht läßt sich die SensorStruktur besonders vorteilhaft entweder mittels eines in Sperrichtung gepolten pn-Übergangs wie auch mittels eines Isolationstrenchs, der die Epitaxieschicht vollständig durch¬ dringt und bis ins Siliziumsubstrat hineinragt, isolieren. Die Freilegung der Paddel kann vorteilhaft entweder durch isotrope naßchemische Unterätzung von Stegen von der Wafervorderseite ausgehend erfolgen oder mittels einer Rückseitenätzung. Ein besonderer Vorteil der Ausnutzung der kristallographischen Gegebenenheiten ist, als Ätzfenster für die Rückseitenätzung ein einfaches Parallelogramm zu wählen, dessen Winkel dieselben Maße aufweisen, wie die Winkel, die die (111)-Ebenen in der (110)-Waferoberfläche bilden. Vorteilhaft ist bei kapazititv arbeitenden Sensoren, wenn die fest stehenden Elektroden nicht vollständig durch eine Rückseitenätzung freigelegt werden, sondern an ihren beiden Enden mit dem Siliziumsubstrat verbunden sind.
Als besonderer Vorteil bei der Herstellung von erfindungsgemäßen Sensoren erweist sich, daß bei Verwendung von KOH oder anderer Laugen als Ätze bekannte Dielektrika als Maskierschicht verwendet werden können. Ein weiterer Vorteil der Herstellung von Sensor- Strukturen in (IΙO)-Wafern unter Ausnutzung der kristallographischen Gegebenenheiten durch anisotropes naßchemisches Ätzen ist, daß ein kombinierter Ätzangriff von Vorder- und Rückseite möglich ist. Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 die Aufsicht auf einen Sensor, Figur 2 die Aufsicht auf einen weiteren Sensor und Figur 3a bis Figur 3e eine in Herstellung begriffene Halbleiterstruktur bei verschiedenen Verfahrensschritten.
Beschreibung der Erfindung
In Figur 1 ist ein Siliziumwafer 10 mit der kristallographischen Orientierung der Oberfläche von (110) dargestellt. Der Sil-iziumwafer 10 in diesem Ausführungsbeispiel kann eine einheitliche Dotierung aufweisen oder aber aus einem Siliziumsubstrat und einer darauf aufgebrachten Epitaxieschicht bestehen, an deren Grenzfläche aufgrund der unterschiedlichen Dotierungen von Substrat und Epitaxieschicht ein pn-Übergang besteht. Wesentlich in diesem Zusammenhang ist der p/n-Übergang, der z. B. auch durch Diffussion von Fremdatomen in den Siliziumwafer erzeugt sein kann. In einen Ätzgraben 20, der die erfindungsgemäße Form eines Parallelogramms mit den Eckwinkeln 70,53° und 109,47° aufweist, ragen in der Waferebene schwingungsfähige Paddel 151, 152, 153 und starre Elektroden 161 , 162, 163.
Beim anisotropen Ätzen von Silizium in K0H werden (111)-Ebenen besonders langsam geätzt. Auf (110)-Wafem stehen die (111)-Ebenen senkrecht zur Waferoberfläche und erlauben daher das Ätzen von tiefen Gräben mit hohem Aspektverhältnis. Es läßt sich eine hundert¬ fach schnellere Tiefenätzung als laterale Ätzung erreichen.
Allerdings erfordert die Realisierung tiefer Grabenstrukturen auf Siliziumwafern mit (110)-Orientierung die Einhaltung bestimmter kristallographisch bedingter Designregeln. Die senkrecht stehenden (111 )-Ebenen, die als ätzbegrenzende Wände verwendet werden, bilden in der (110)-Ebene Winkel von 70,53° bzw. 109,47° miteinander. Nur wenn diese Winkel im Design der Ätzmaske genau eingehalten werden, läßt sich eine Unterätzung der Maske weitgehend vermeiden. In diesem Zusammenhang ist auch die genaue Einhaltung der Maskenjustierung auf der Waferoberfläche in Bezug auf die kristallographische Orientierung von ausschlaggebender Bedeutung. Nur durch diese Justiergenauigkeit läßt sich sicherstellen, daß die schwingungs- fähigen Paddel während des Ätzens durch Unterätzen der Ätzmaske nicht vollständig weggeätzt werden.
Die Einhaltung der geforderten Justiergenauigkeit macht eine Genauigkeit der Fiat-Fehlorientierung von < = + 0.1° erforderlich. Ist dies nicht gewährleistet, wird die Verwendung einer Justiermaske notwendig, bzw. es muß die Flat-Fehlorientierung durch Fehl¬ orientierung der Ätzmaske in Bezug auf das Fiat kompensiert werden.
Zusätzlich zu den senkrecht stehenden (Ill)-Ebenen bilden sich in den spitzen Winkeln des Parallelogramms auch schräg liegende Siliziumflächen 141 mit einem Neigungswinkel zur Waferoberfläche von 35,26°. In den stumpfen Winkeln bilden sich ebenfalls schräg liegende Siliziumflächen am Boden der Ätzgrube aus (Fig. 2). Die schräg liegenden Siliziumflächen 141 machen Designvorhalte notwendig, da sie die Bewegung der Paddel 151, 152, 153 einschränken könne .
Das Aspektverhältnis beim anisotropen naßchemischen Ätzen von (IΙO)-Wafern ist so hoch, daß das Durchätzen des gesamten Wafers in Betracht kommt. Zum Beispiel ist ein kombinierter Ätzangriff von der Vorder- und Rückseite realisierbar. In diesem Fall entspricht die Höhe der Paddel bzw. die Tiefe der Ätzgräben der gesamten Dicke des Wafers. Die Isolation der Paddel und der Elektroden erfolgt durch Abtrennung der Strukturen vom Siliziumwafer zum Beispiel durch Sägen. Hierzu sollte der Sensor vorher beispielsweise durch anodisches Bonden auf einen Träger aus geeignetem Material wie Silizium oder Glas aufgebracht werden, wobei zu beachten ist, daß die Paddel schwingungsfähig bleiben. Das kann beispielsweise durch eine Kaverne im Träger oder Si-Wafer oder aber durch selektive Epitaxie erreicht werden.
In Figur 2 ist eine Sensorstruktur dargestellt, bei der schwingungs- fähige Paddel 161, 162 innerhalb der Epitaxieschicht ausgebildet sind. Jedem der Paddel 161, 162 ist eine fest stehende Elektrode 151, 152 zugeordnet, so daß jedes Elektrodenpaddelpaar eine Kapazität bildet. Die beiden dargestellten Kapazitäten sind mit einer leitenden Verbindung 256 für die beweglichen Elektroden und einer weiteren leitenden Verbindung 255 für die festen Elektroden parallel geschaltet. Dies hat den Vorteil, daß die Arbeitskapazität beliebig erhöht werden kann. Ein Isolationstrench 21 sorgt für die elektrische Isolation der SensorStruktur innerhalb der Expitaxie- schicht. Der Isolationstrench 21 , der während der Strukturierung der Paddel ebenfalls von vorne geätzt wird, durchdringt die Epitaxieschicht vollständig und reicht bis in das Siliziumsubstrat hinein. Genauso wie die Isolation der Sensorstruktur gegenüber dem Siliziumsubstrat kann die Isolation der SensorStruktur Innerhalb der Epitaxieschicht aber auch durch einen in Sperrichtung gepolten pn-Übergang erfolgen.
Das mit 22 bezeichnete Parallelogramm stellt die Ausgangsfläche für die Rückseitenätzung dar, die von der Rückseite des Siliziumwafers 10 ausgehend bis zum pn-Übergang, der in Sperrichtung gepolt als Ätzstopgrenze dient, erfolgt.- Am Grunde der Ätzgrube, direkt unter¬ halb der Epitaxieschicht, entstehen dabei schräg liegende Silizium¬ flächen 141 in den spitzen Winkeln des Parallelogramms und 142 in den stumpfen Winkeln des Parallelogramms. Die Lage der schräg liegenden Siliziumflächen 141 in den spitzen Winkeln des Parallelo¬ gramms wird durch die Größe x in Figur 2 charakterisiert. Sie ist abhängig von der Ätztiefe t der Rückseitenätzung und ergibt sich aufgrund kristallographischer Überlegungen zu x = 1 ,633t. Für die Größe y, die die Lage der schräg liegenden Siliziumflächen.142 in den stumpfen Winkeln des Parallelogramms charakterisiert, findet man empirisch bei der Ätzung in 30% KOH bei 80 °C y = 0,544t. Im Gegen¬ satz zu der große x, die ausschließlich kristallographisch bedingt ist, hängt y von den Ätzbedingungen ab. Bei der Anordnung und Dimensionierung der Paddel 161, 162 müssen die schräg liegenden Siliziumflächen 141 , 142 berücksichtigt werden, da sie aufgrund ihrer Lage am Grunde der Rückseitenätzgrube das Schwingen der Paddel 161, 162 behindern können. Die fest stehenden Elektroden 151, 152 sind nur in einem mittleren Bereich von der Ruckseitenätzung 22 freigelegt. Sie sind aji ihrem Ende mindestens in einer Länge d, die der Dicke der Epitaxieschicht entspricht, meist jedoch In einer Länge von 2d mit dem Substrat verbunden. Diese Maßnahme soll die Unbeweglichkeit der Elektroden 151, 152 gewährleisten.
In Figur 3 ist ein Siliziumwafer mit (110)-Kristallorientierung, aus dem eine erfindungsgemäße Sensorstruktur herausgeätzt wird, in verschiedenen Stadien des Verfahrens dargestellt.
Figur 3a zeigt den Siliziumwafer 10, der aus einem Siliziumsubstrat 12 und einer darauf aufgebrachten Epitaxieschicht 13 besteht. An der Grenzfläche zwischen der Epitaxieschicht 13 und dem Siliziumsubrat 12 befindet sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Dotierungen ein pn-Übergang, der mittels eines pn-Ätzanschlusses 27 in Sperrichtung gepolt werden kann. Zur Passivierung der Oberfläche befindet sich auf der Epitaxieschicht eine Siliziumoxidschicht 311, die nur Aus¬ nehmungen für den pn-Ätzanschluß 27 und eine Kontaktierung 26 ent¬ hält. Die Kontaktierung 26 dient zum elektrischen Anschluß des Sensors. Sowohl Kontaktierung 26 als auch pn-Ätzanschluß 27 sind in eine Plasmanitridschicht 321 eingebettet, so daß nur eine kleine Ausnehmung verbleibt. Die Ausnehmung in der Plasmanitridschicht 321 oberhalb der Kontaktierung 26 ist mittels einer Niedertemperatur- oxidschicht 331 abgedeckt. Der pn-Ätzanschluß 27 ist durch eine Aus¬ nehmung 23 freigelegt. Zur Maskierung der Rückseite des Silizium¬ wafers 10 ist eine Plasmanitridschicht 322 aufgebracht, da ein einfaches thermisches Oxid eine zu hohe Ätzrate aufweist und deshalb einer Ätzung mit KOH nicht standhalten würde. Zwischen der Plasmanitridschicht 322 und dem Siliziumsubstrat 12 befindet sich eine Siliziumoxidschicht 312, um Spannungen zwischen Silizium¬ substrat 12 und der Plasmanitridschicht 322 zu vermeiden.
Mit Mitteln der Fotomaskierungstechnik werden Vorderseite und Rück¬ seite des Siliziumwafers 10 strukturiert. Die dabei entstehenden Ausnehmungen 23 in der Siliziumoxidschicht 311 auf der Vorderseite des Siliziumwafers 10 und die Ausnehmung 22 für die Ätzung der Rückseite in der Plasmanitridschicht 322 und der Siliziumoxidschicht 312 sind in Figur 3b dargestellt.
Bei der Ätzung der Rückseite des Siliziumwafers 10 mit KOH bilden sich senkrecht zu der (110)-Oberfläche des Siliziumwafers 10 stehende ätzbegrenzende Wände, die (111)-Ebenen sind. Als Ätzstop für die Ätzung der Rückseite dient der über den pn-Ätzanschluß 27 in Sperrichtung gepolte pn-Übergang zwischen Siliziumsubstrat 12 und Epitaxieschicht 13. In Figur 3c ist der Siliziumwafer 10 mit der Rückseitenätzung 22 und nach einer Passivierung der Rückseite mit einer Niedertemperaturoxidschicht 332 dargestellt.
In einem weiteren Prozeßschritt wird die Vorderseite geätzt. Dabei ergibt sich der Ätzstop aus der Dauer der Ätzbehandlung, die so gewählt wird, daß der Isolationstrench 21 , der nicht der Rückseiten¬ ätzung 22 gegenüber liegt, die Epitaxieschicht 13 vollständig durch¬ dringt und bis ins Siliziumsubstrat 12 hineinreicht. Die Ätzgräben 20, die der Rückseitenätzung 22 gegenüber liegen bilden sich soweit aus, bis sie auf die Niedertemperaturoxidschicht 332, die zur Passivierung der Rückseite des Siliziumwafers 10 dient, stoßen. Der Siliziumwafer 10 in diesem Stadium ist in Figur 3d dargestellt.
Zur Freilegung eines Paddels 15 wird die Niedertemperaturoxidschicht 332 und 331 auf der Rückseite und der Vorderseite des Siliziumwafers 10 entfernt. Außerdem wird die Siliziumoxidschicht 311 auf der Vorderseite des Siliziumwafers 10 im Sensorbereich entfernt. Neben dem schwingungsfähigen Paddel 15 sind zwei feststehende Elektroden 161 , 162 entstanden. Zum Anschluß der SensorStruktur an eine Auswerteschaltung wurde die Kontaktierung 26 durch Entfernen der Plasmanitridschicht 321 freigelegt, so daß die gewünschte Sensor- struktur der Fig. 3e entsteht.
Für die Realisierung von kapazitiven Beschleunigungssensoren werden die Ätzungen der Rückseite und der Vorderseite justiert gegenein¬ ander ausgeführt.

Claims

Ansprüche
1. Sensor zur Bewegungsmessung, insbesondere zur Schwingungs- , Neigungs- oder Beschleunigungsmessung, wobei der Sensor aus einem monokristallinen Siliziumwafer (10) hergestellt ist, aus dem zumindest ein in der Waferebene schwingungsfähiges, vertikal zur Waferoberfläche angeordnetes Paddel (15) herausgeätzt ist, und mit Mitteln zur Auswertung der Auslenkung des zumindest einen Paddels (15), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite und die Rückseite des Siliziumwafers (10) (110)-Oberflächen sind, daß die seitlichen Begrenzungswände der Ätzgräben (111)"-Oberflachen sind und daß bei der Anordnung des mindestens eines Paddels (15) die kristallo¬ graphischen Winkel berücksichtigt werden, die die (111)-Ebenen mit und in der (110)-Ebene bilden.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus¬ wertung der Auslenkung kapazitiv oder piezoresisitiv erfolgt.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß gegen¬ über dem mindestens einen Paddel (15) eine feststehende Elektrode (16) angeordnet ist und daß Paddel (15) und Elektrode (16) elektrisch voneinander isoliert sind.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß mehrere Paddel (151, 152, 153) jeweils einer fest¬ stehenden Elektrode (161, 162, 163) gegenüberstehen und daß sowohl die Paddel (151, 152) als auch die Elektroden (161, 162) über eine leitende Verbindung (255, 256) kontaktiert sind, so daß die von den Paddeln (151, 152) und den zugeordneten Elektroden (161, 162) gebildeten Kapazitäten parallel geschaltet sind.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Sensorstruktur auf einem Träger aufgebracht ist, vorzugsweise durch anodisches Bonden, daß ein Abstand zwischen dem Träger und dem mindestens einen Paddel (15) vorhanden ist, und daß der Abstand zwischen dem Träger und dem mindestens einen Paddel (15) durch eine Ätzung der Paddelunterseite oder des Trägers oder durch selektive Epitaxie erzeugt ist.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das mindestens eine Paddel (15) Waferdicke hat und daß die Isolation der SensorStruktur durch Abtrennung der SensorStruktur vom Siliziumwafer (10), vorzugsweise durch Sägen, erfolgt.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Si-Wafer (10) eine untere Schicht und eine obere Schicht aufweist, zwischen denen ein p/n-Übergang auftritt, daß die untere Schicht durch ein p- oder n- dotiertes Si-Sübstrat (12) gebildet wird und daß die obere Schicht mit einer dem Si-Substrat (12) entgegengesetzten Dotierung entweder durch Diffusion erzeugt ist oder eine auf das Si-Sübstrat (12) aufgebrachte Epitaxieschicht ist.
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Paddel (15) innerhalb einer Schicht vorzugsweise der oberen Schicht ausgebildet ist.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation der Sensorstruktur gegenüber dem Siliziumsubstrat (12) durch einen in Sperrichtung gepolten pn-Übergang erfolgt und daß die Isolation innerhalb der oberen Schicht durch einen in Sperrichtung gepolten pn-Übergang oder durch einen Isolationstrench, der die obere Schicht vollständig durchdringt und bis ins Silizium¬ substrat (12) hineinragt, erfolgt.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Paddel (15) durch eine Unterätzung von der Vorderseite des Siliziumwafers (10) ausgehend freigelegt ist.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Paddel (15) durch eine Rückseitenätzung (22) freigelegt ist und daß die Ausgangsfläche der Rückseltenätzung (22) die Form eines einfachen Parallelogramms hat, dessen Winkel die¬ selben Maße aufweisen, wie die Winkel, die die (111)-Ebenen in der (110)-Ebene bilden.
12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Paddel (15) so angeordnet ist, daß die sich beim Ätzen der Rückseite des Siliziumwafers (10) in den Ecken der parallelogra mförmigen Ausgangsfläche in Abhängigkeit der Ätztiefe ausbildenden schräg liegenden Siliziumflächen (141, 142) die Bewegung des Paddels nicht behindern.
13. Sensor nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Elektrode (16) nur in einem mittleren Bereich von der Rückseitenätzung (22) freigelegt ist, so daß die Elektrode (16) an ihren beiden Enden mit dem Siliziumsubstrat (12) verbunden ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines Sensors, zur Bewegungsmessung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseitenätzung (22) mit Hilfe der Fotomaskierungstechnik durch anisotropes naßchemisches Ätzen in den Siliziumwafer (10) eingebracht wird, daß als Ätzstop beim Ätzen der Rückseite ein in Sperrichtung gepolter pn-Übergang zwischen dem Siliziumsubstrat (12) und der oberen Schicht dient und daß das Ätzen der Vorderseite mit Hilfe der Fotomaskierungstechnik anisotrop, naßchemisch erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätze KOH oder andere anisotrop ätzende Hydroxide, vorzugsweise NaOH oder NH.OH, verwendet werden, daß als Maskierung der Rückseite des Siliziumwafers (10) eine Plasmanitridschicht (322) in Verbindung mit einer Siliziumoxidschicht (312) verwendet wird und daß die fertig geätzte Rückseite des Siliziumwafers (10) mit einer Nieder¬ temperaturoxidschicht (332) passiviert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite des Siiiziumwafers (10) mit einer Siliziumoxid¬ schicht (311) passiviert wird und daß die Tiefe der Ätzgräben (20) und des Isolationstrenches (21) durch die Dauer der Ätzbehandlung bestimmt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen der Vorderseite und der Rückseite des Siliziumwafers (10) gleichzeitig erfolgt.
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