WO2010009947A1 - Halbleiterdrucksensor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2010009947A1
WO2010009947A1 PCT/EP2009/057825 EP2009057825W WO2010009947A1 WO 2010009947 A1 WO2010009947 A1 WO 2010009947A1 EP 2009057825 W EP2009057825 W EP 2009057825W WO 2010009947 A1 WO2010009947 A1 WO 2010009947A1
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pressure sensor
depression
semiconductor
measuring
boundary surfaces
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Anh Tuan Tham
Ha Duong Ngo
Ernst Obermeier
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Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor pressure sensor and a method of manufacturing the same.
  • the measuring membranes of semiconductor pressure sensors are usually prepared with an anisotropic etching process with KOH. More specifically, in a Si single crystal, a depression is etched into the surface of the measuring membrane, the depression extending into the single crystal so far that the remaining material thickness corresponds to the desired thickness of the measuring membrane.
  • the object is achieved by the semiconductor pressure sensor according to independent claim 1 and the method for producing a semiconductor pressure sensor according to independent patent claim 6.
  • the semiconductor pressure sensor according to the invention comprises
  • ⁇ 100> plane of the measuring diaphragm has transitional areas
  • transition regions have a radius of curvature of not less than 1 ⁇ m, preferably not less than 2 ⁇ m, and more preferably not less than 4 ⁇ m.
  • all boundary surfaces of the depression comprise ⁇ 111> planes.
  • the semiconductor body may in particular be a Si single crystal having a material thickness of a few hundred ⁇ m, for example 400 ⁇ m.
  • the material strength is not critical.
  • the semiconductor body should be so thin that the preparation of the measuring membrane can be realized in a sufficiently short time. It should be noted that the thickness of the measuring membrane is given by the difference between the Material thickness of the semiconductor body and the depth of the depression. On the other hand, it is currently preferred if the material thickness of the semiconductor body is so large that the remaining edge region of the semiconductor body which surrounds the measuring membrane defines a sufficiently stiff clamping for the measuring membrane.
  • a typical material thickness of the measuring diaphragm of a pressure sensor according to the invention can be - depending on the pressure measuring range - some 10 microns, for example about 20 microns.
  • the lateral extent of the measuring membrane so its length or width may be a few mm, for example 4 mm to 8 mm.
  • these above measures are given for guidance only, as they are not critical to the nature of the invention.
  • the masks for the anisotropic etching are prepared as thermal silicon oxides and as LPCVD nitrides, the positions of the mask being determined from the target parameters of the measuring diaphragm, the depth of the recess to be etched and the angles of the ⁇ 111> plane with respect to the ⁇ 100> Level of the semifinished body results.
  • isotropic etching may be carried out in a plasma etch using an ICP source to round off the edges and reach the final thickness of the membrane, with most of the well, For example, not less than 90% of the depth of the pit is generated with the anisotropic etching.
  • the etching process can be carried out in particular in the modified DRIE (Deep Reactive Ion Etching) mode, the so-called Time Muitiplex processor, which can also be done alternately with a continuous process.
  • DRIE Deep Reactive Ion Etching
  • 1a is a perspective view of an embodiment of an inventive
  • Pressure sensor whose preparation after the isotropic etching and before the anisotropic etching;
  • 1 b a longitudinal section through the exemplary embodiment of a pressure sensor according to the invention during its preparation after the isotropic etching and before the anisotropic etching;
  • the one in Fign. 1a and 1b includes a semiconductor wafer 1, which is essentially an Si single crystal.
  • a recess is etched in by means of an anisotropic etching process with 30% KOH at 80 0 C, wherein the recess is surrounded by an edge region 2 which is limited to the recess by boundary surfaces extending along ⁇ 111> planes.
  • the anisotropic etching takes place for such a duration that a measuring membrane 3 with a desired material thickness t remains at the bottom of the depression.
  • Table 1 Geometric data of a pressure sensor according to the invention
  • the semiconductor body 1 is provided with masks, as shown in the upper FIG. 2 a.
  • the mask comprises a layer of thermal silicon oxide 7 and a layer of LPCVD nitride 8.
  • the pressure sensor has sharp edges 5 at the transitions between the boundary surfaces 4 and the recess-side surface of the membrane 3. At these edges, large stress concentrations can occur under pressure. Therefore, in order to avoid the notch stresses, after the anisotropic etching, an isotropic etching is performed, in a dry etching process, whereby the edges 5 are rounded off, and as a result of which the membrane 5 reaches its final thickness.
  • the dry etching process can be carried out as a continuous plasma process or as a modified DRIE / in time division multiplex mode.
  • the essential parameters of an embodiment are given in the following Table 2.
  • Table 2 Process Parameters of the Etching Process Fig. 3a shows sectional views of a pressure sensor to which the method of Table 2 for edge rounding was applied.
  • Fig. 3b shows a sectional view of a pressure sensor in which continuous plasma techniques have been used to round the edges.

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Abstract

Ein Halbleiterdrucksensor (1) umfasst einen Halbleiterkörper (2), der eine Messmembran (3) aufweist, wobei die Messmembran eine <100>-Ebene aufweist, wobei die Messmembran durch eine Vertiefung in dem Halbleiterkörper gebildet ist, wobei die Vertiefung seitlich durch Begrenzungsflächen (4) begrenzt ist, die zumindest teilweise <111 >- Ebenenen umfassen, wobei der Drucksensor (1) zwischen den Begrenzungsflächen und der <100>-Ebene der Messmembran Übergangsbereiche (5) aufweist, wobei die Übergangsbereiche (5) einen Krümmungsradius von nicht weniger als 1 µm, vorzugsweise nicht weniger als 2 µm und besonders bevorzugt nicht weniger als 4 µm aufweisen.

Description

Halbleiterdrucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterdrucksensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Die Messmembranen von Halbleiterdrucksensoren, insbesondere solche mit einer Si-Einkristall-Messmembran in <100>-Orientierung werden gewöhnfich mit einem anisotropen Ätzprozess mit KOH präpariert. Genauer wird, in einen Si-Einkristall wird eine Vertiefung mit der Fläche der Messmembran hineingeätzt, wobei die Vertiefung sich so weit in den Einkristall hinein erstreckt, dass die verbleibende Materialstärke der gewünschten Stärke der Messmembran entspricht.
Dieses anisotrope Ätzverfahren führt jedoch zu harten Kanten an den Übergängen zwischen der <100>-Oberfläche der Messmembran, und den <111 >-Oberflächen, welche die Messmembran seitlich begrenzen. Bei einer Druckbeaufschlagung treten entlang dieser Kanten Kerbspannungen auf, welche die mittleren Biegespannungen in der Membran deutlich übersteigen, so dass die Membran entlang dieser Kanten brechen kann bevor die für Si typischen Grenzwerte erreicht werden.
Es ist grundsätzlich bekannt, dass abgerundete Kanten die Kerbspannungen reduzieren können, einen Membranbruch bewirken können. Dies ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 101 14 635 A1 für Drucksensoren mit einer Keramik-Messmembran offenbart. Die dort beschriebenen Ansätze sind aber auf Halbieiter-Drucksensoren nicht ohne weiteres übertragbar.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Haibleiterdrucksensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, welcher das Problem der Kerbspannungen vermeidet oder vermindert. Die Aufgabe wird gelöst durch den Haibleiterdrucksensor gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterdrucksensors gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 6.
Der erfindungsgemäße Haibleiterdrucksensor umfasst
einen Halbleiterkörper, der eine Messmembran aufweist, wobei die Messmembran eine <100>-Ebene aufweist, wobei die Messmembran durch eine Vertiefung in dem Halbleiterkörper gebildet ist, wobei die Vertiefung seitlich durch Begrenzungsf lachen begrenzt ist, die zumindest teilweise <111 >-Ebenenen umfassen,
wobei der Drucksensor zwischen den Begrenzungsflächen und der
<100>-Ebene der Messmembran Übergangsbereiche aufweist,
wobei die Übergangsbereiche einen Krümmungsradius von nicht weniger als 1 μm, vorzugsweise nicht weniger als 2 μm und besonders bevorzugt nicht weniger als 4 μm.
In einer Weiterbildung umfassen sämtliche Begrenzungsflächen der Vertiefung <111 >-Ebenen.
Der Halbleiterkörper kann insbesondere ein Si-Einkristall mit einer Materialstärke von einigen hundert μm sein, beispielsweise 400 μm. Die Material stärke ist nicht kritisch. Der Halbleiterkörper sollte einerseits so dünn sein, dass die Präparation der Messmembran, in einer hinreichend kurzen Zeit zu realisieren ist. Hierbei ist zu beachten, dass die Stärke der Messmembran gegeben ist durch die Differenz zwischen der Materialstärke des Halbleiterkörpers und die Tiefe der Vertiefung. Andererseits ist es derzeit bevorzugt, wenn die Materialstärke des Halbleiterkörpers so groß ist, dass der verbleibende Randbereich des Halbleiterkörpers, der die Messmembran umgibt, eine hinreichend steife Einspannung für die Messmembran definiert.
Eine typische Materialstärke der Messmembran eines erfindungsgemäßen Drucksensors kann - je nach Druckmessbereich - einige 10 μm, beispielsweise etwa 20 μm betragen. Die laterale Erstreckung der Messmembran also ihre Länge bzw. Breite kann einige wenige mm betragen, beispielsweise 4 mm bis 8 mm. Diese obigen Maße seien aber nur lediglich zur Orientierung gegeben, da sie für das Wesen der Erfindung nicht kritisch sind.
Die Präparation der Messmembran erfolgt erfindungsgemäß in einem kombinierten Ätzverfahren, welches zunächst anisotropes Ätzen, insbesondere mit KOH, und anschließend ein isotropes Trockenätzverfahren umfasst, um die Kanten abzurunden.
Die Masken für das anisotrope Ätzen werden als thermische Siliziumoxide und als LPCVD-Nitride präpariert, wobei sich die Positionen der Maske aus den Zielparametern der Messmembran, der Tiefe der zu ätzenden Vertiefung und den Winkeln der <111 >-Ebene gegenüber der <100>- Ebene des Halbfeiterkörpers ergibt.
Das anisotrope Ätzen kann beispielsweise mit einer 30% KOH-Lösung bei 800C in einem n-dotierten S i-Körper erfolgen.
Das isotrope Ätzen kann beispielsweise in einer Plasma-Ätzanlage mittels einer ICP-Quelle erfolgen, um die Kanten abzurunden und die Enddicke der Membran zu erreichen, wobei der größte Teil der Vertiefung, beispielsweise nicht weniger als 90% der Tiefe der Vertiefung mit dem anisotropen Ätzen erzeugt wird. Das Ätzverfahren kann insbesondere im modifizierten DRIE (Deep Reactive Ion Etching) Modus, das so genannte Zeit-Muitiplexverfahren, erfolgen, wobei dies ebenfalls alternierend mit einem kontinuierlichen Verfahren erfolgen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors insbesondere des zuvor Beschriebenen Drucksensors umfasst demnach, das Präparieren einer Messmembran durch Ätzen einer Vertiefung in einem Halbleiterkörper mittels eines anisotropen Ätzschritts, und das
Präparieren eines Übergangsbereiches zwischen Begrenzungsflächen der Vertiefung und der Messmembran mittels eines isotropen Ätzschritts.
Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieis erläutert. Es zeigt:
Fig. 1a: Einen perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Drucksensors dessen Präparation nach dem isotropen Ätzen und vor dem anisotropen Ätzen;
Fig. 1 b: einen Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors während dessen Präparation nach dem isotropen Ätzen und vor dem anisotropen Ätzen;
Fig. 2 a bis c: eine Folge von Präparationsschritten zur Herstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors; Fig. 3a: elektronenmikroskopische Aufnahmen von Längsschnitten durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors; und
Fig. 3b: eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Längsschnitten durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors.
Der in Fign. 1a und 1 b dargestellte Drucksensor umfasst einen Si- Haibieiterkörper 1 , der im Wesentlichen ein Si-Einkristaii ist. In diesen Einkristall ist eine Vertiefung mittels eines anisotropen Ätzverfahrens mit 30% KOH bei 800C hineingeätzt, wobei die Vertiefung von einem Randbereich 2 umgeben ist der zur Vertiefung hin durch Begrenzungsflächen begrenzt ist, die entlang von <111 >-Ebenen verlaufen. Das anisotrope Ätzen erfolgt für eine solche Dauer, dass eine Messmembran 3 mit einer gewünschten Materialstärke t am Boden der Vertiefung stehen bleibt.
Die genauen Maße sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben:
Figure imgf000007_0001
Tabelle 1 : Geometrische Daten eines erfindungsgemäßen Drucksensors Zur Durchführung des Ätzprozesses ist der Halbleiterkörper 1 , mit Masken versehen, wie im oberen Fig. 2 a dargestellt ist. Die Maske umfasst eine Lage thermisches Siliziumoxid 7 und eine Lage LPCVD-Nitrid 8.
Das Resultat des anisotropen Ätzens ist in Fig. 2b dargestellt. Nach dem anisotropen Ätzen weist der Drucksensor scharfe Kanten 5 an den Übergängen zwischen den Begrenzungsflachen 4 und der Vertiefungsseitigen Oberfläche der Membran 3 auf. An diesen Kanten können unter Druckbeaufschlagung große Kerbspannungen entstehen. Zur Vermeidung der Kerbspannungen erfolgt nach dem anisotropen Ätzen deshalb noch ein isotropes Ätzen, in einem Trockenätzverfahren, wodurch die Kanten 5 abgerundet werden, und wodurch die Membran 5 ihre Enddicke erreicht.
Das Trockenätzverfahren kann als kontinuierliches Plasma-Verfahren oder als modifiziertes DRIEΛ/erfahren im Zeitmultiplexmodus erfolgen. Die wesentlichen Parameter eines Ausführungsbeispiels sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben.
Figure imgf000008_0001
Tabelle 2: Prozessparameter des Atzvorgangs Fig. 3a zeigt Schnittansichten eines Drucksensors, bei dem das Verfahren aus Tabelle 2 zum Runden der Kanten angewendet wurde.
Fig. 3b zeigt eine Schnittansicht eines Drucksensors, bei dem kontinuierliche Plasma-Verfahren zum Runden der Kanten angewendet wurden.
Beide Verfahren liefern zufrieden stellende Ergebnisse. Im Ergebnis zeigt sich, dass insbesondere Krümmungsradien zwischen etwa 4 und 5 μm für die erfindungsgemäßen Drucksensoren geeignet sind.
Mittels einer FEM-Simulation mit Ansys wurde nachgewiesen, dass der Berstdruck von 2,5 bar für einen Sensor ohne abgerundete Kanten auf 7,5 bar für einen Sensor mit abgerundeten Kanten steigt, wenn der Krümmungsradius der abgerundeten Kanten 5 μm beträgt. Berstdruckmessungen bei einem mittleren Krümmungsradius von 4,5 μm haben einen mittleren Berstdruck von etwa 7 bar ergeben.

Claims

Patentansprüche
1. HaSbleiterdrucksensor (i ), umfassend:
einen Halbieiterkörper(2) , der eine Messmembran (3) aufweist,
wobei die Messmembran (3) eine <100>-Ebene aufweist,
wobei die Messmembran durch eine Vertiefung in dem
Halbteiterkörper gebildet ist,
wobei die Vertiefung seitlich durch Begrenzungsflächen (4) begrenzt ist, die zumindest teilweise <111 >-Ebenenen umfassen,
wobei der Drucksensor (1 ) zwischen den Begrenzungsflächen und der <100>-Ebene der Messmembran Übergangsbereiche (5) aufweist,
wobei die Übergangsbereiche einen Krümmungsradius von nicht weniger als 1 μm, vorzugsweise nicht weniger als 2 μm und besonders bevorzugt nicht weniger als 4 μm aufweisen.
2. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 1 , wobei sämtliche
Begrenzungsflächen der Vertiefung <111 >-Ebenen umfassen.
3. Haibleiterdrucksensor nach Anspruch 1 , wobei der Halbleiterkörper ein Si-Einkristall umfasst.
4. Haibleiterdrucksensor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, erhalten durch ein Verfahren, welches einen anisotropen Ätzschritt und einen isotropen Ätzschritt umfasst.
5. Halbieiterdrucksensor nach Anspruch 4, wobei der isotrope Ätzschritt ein Trockenätzverfahren umfasst.
6. Verfahren zum Hersteilen eines Drucksensors insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:
Präparieren einer Messmembran durch Ätzen einer Vertiefung in einem Haibleiterkörper mittels eines anisotropen Ätzschritts, und
Präparieren eines Übergangsbereiches zwischen Begrenzungsflächen der Vertiefung und der Messmembran mittels eines isotropen Ätzschritts.
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