WO2012095117A1 - Micromechanical pressure sensor and method for producing same - Google Patents

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Joachim Knoch
Klaus KALLIS
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Technische Universität Dortmund
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Abstract

The invention relates to a micromechanical pressure sensor (1) and to a method for producing same, wherein the pressure sensor comprises a membrane (3) which is formed in a first semiconductor layer (2), and a sacrificial layer (4) to which the semiconductor layer (2) is applied. In the membrane (3), a drain region (7) and a source region (8) are present, which face each other and which are separated from each other by a conducting channel (12), wherein the sacrificial layer (4) forms an insulation layer (4) beneath which an additional layer (5) with a gate electrode (6) is provided, which is located opposite the conducting channel (12). A cavity (9) is formed in the insulation layer (4) between the additional layer (5) and the membrane (3), into which cavity the membrane can move when pressure is applied to the pressure sensor. The invention further relates to a method for measuring pressure.

Description

Mikromechanischer Drucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung  Micromechanical pressure sensor and method for its production
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor mit einer in einer ersten Halbleiterschicht ausgebildeten Membran und einer Opferschicht, auf der die Halbleiterschicht aufgebracht ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Drucksensors und eine Verwendung desselben zur hochauflösenden Druckmessung. The present invention relates to a micromechanical pressure sensor with a membrane formed in a first semiconductor layer and a sacrificial layer on which the semiconductor layer is applied. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a pressure sensor and a use thereof for high-resolution pressure measurement.
Mikromechanische Drucksensoren, sogenannte Druckdosen, werden seit einigen Jahren in verschiedensten technologischen Feldern eingesetzt. Zum Beispiel werden Druckdosen im automotive Bereich zur Überwachung des Reifendrucks verwendet. Im medizinischen Bereich werden Drucksensoren zur Überwachung des Blutdrucks eingesetzt. Für das Auslesen heutiger mikromechanischer Druckdosen werden drei Verfahren verwendet. Bei einem ersten Verfahren wird der Sensor über die piezo- resistive Änderung des Widerstandes einer Siliziummembran ausgelesen. Bei einem piezo-resistiven Sensor wird die Änderung der elektronischen Micromechanical pressure sensors, so-called pressure cans, have been used in various technological fields for several years. For example, pressure cans in the automotive sector are used to monitor tire pressure. In the medical field, pressure sensors are used to monitor blood pressure. Three methods are used for reading today's micromechanical pressure cans. In a first method, the sensor is read out via the piezo-resistive change of the resistance of a silicon membrane. In a piezo-resistive sensor, the change of the electronic
Transporteigenschaften eines Materials, insbesondere Silizium verwendet, um eine mechanische Verspannung als elektrisches Signal messbar zu machen. Durch mechanische Verspannung wird im Wesentlichen eine Widerstandsänderung erreicht, die gemessen werden kann. Der Grund hierfür ist mikroskopischer Natur. Dabei kann sich entweder die Bandstruktur ändern und/oder die Häufigkeit der Streuung der Elektronen im verspannten Material, was sich als eine Änderung des Widerstandes bemerkbar macht. Mit dem Widerstandswert bzw. der ermittelten Transport properties of a material, in particular silicon used to make a mechanical strain as an electrical signal measurable. By mechanical stress essentially a change in resistance is achieved, which can be measured. The reason for this is microscopic nature. Either the band structure can change and / or the frequency of scattering of the electrons in the strained material, which manifests itself as a change in resistance. With the resistance value or the determined
Widerstandsänderung kann dann eine Aussage über den Druck getroffen werden. Resistance change can then be made a statement about the pressure.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Die piezo-resistive Auslesung liefert aber nur eine Widerstandsänderung von maximal 30%, weswegen sogenannte Wheatstonebrücken eingesetzt werden müssen, um eine ausreichende Empfindlichkeit des Sensors zu gewährleisten, wie in den Veröffentlichungen„A novel MEMS pressure sensor with MOSFET on chip", IEEE Sensors 2008,1564 (2008), Z.-H, Zhang, Y.-H. Zhang, L-T. Liu und T.-L. Ren, und„A Silicon piezoresistive pressure sensor", Proc. Ist IEEE Internat. Workshop Electron Design, Test Appl. (2002), R. Singh, L.L. Ngo, H.S. Seng, F.N.C. Mok beschrieben ist. Die Wheatstonebrücke reagiert auf die Widerstandsänderungen mit einer Änderung einer elektrischen Spannung. CONFIRMATION COPY However, the piezo-resistive readout provides only a change in resistance of at most 30%, which is why so-called Wheatstone bridges must be used to ensure sufficient sensitivity of the sensor, as in the publications "A novel MEMS pressure sensor with MOSFET on chip", IEEE Sensors 2008 , 1564 (2008), Z.-H, Zhang, Y.-H. Zhang, LT. Liu and T.-L. Ren, and "A Silicon Piezoresistive Pressure Sensor", Proc. Is IEEE boarding. Workshop Electron Design, Test Appl. (2002), R. Singh, LL Ngo, HS Seng, FNC Mok. The Wheatstone bridge responds to changes in resistance with a change in voltage.
Bei einem zweiten Verfahren wird die Änderung der Kapazität des Drucksensors zwischen der Membran und dem darunter liegenden Substrat zur Druckbestimmung herangezogen. Die kapazitive Auslesung erfolgt z.B. über die Stromänderung eines in die Siliziummembran des Drucksensors integrierten MOSFETs (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) im Anzustand. Die Integration eines MOSFET in die Siliziummembran des Drucksensors ist beispielsweise aus den In a second method, the change in capacitance of the pressure sensor between the membrane and the underlying substrate is used for pressure determination. The capacitive reading is e.g. on the change in current of an integrated into the silicon membrane of the pressure sensor MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) in the on state. The integration of a MOSFET in the silicon membrane of the pressure sensor is for example from the
Veröffentlichungen„A novel suspended gate MOSFET pressure sensor", Smart Sensors, actuators and MEMS, vol. 5836, 363 (2005), J.A. Segovia, M. Femandez- Bolanos und J.M. Ouero, und„A novel MOSFET pressure microsensor", Internat. Conf. on Solid-State and Integrated Circuit Technology 2006, 614 (2006), Y.-H. Zhang, L-T. Liu, Z.-H. Zhang, Z.-M. Tan, H.-W. Lin und T.-L. Ren bekannt. Publications "A novel MOSFET pressure sensor", Smart Sensors, actuators and MEMS, vol. 5836, 363 (2005), J. A. Segovia, M. Femandez-Bolanos and J. M. Ouero, and "A novel MOSFET pressure microsensor", Internat. Conf. on Solid State and Integrated Circuit Technology 2006, 614 (2006), Y.-H. Zhang, L-T. Liu, Z.-H. Zhang, Z.-M. Tan, H.-W. Lin and T.-L. Ren known.
Bei dieser Auslesemethode kann aber maximal eine 1/d0X-Abhängigkeit des With this readout method, however, a maximum of 1 / d 0X dependence of the
Auslesesignals vom Druck erreicht werden, wobei dox die für den Wert der Kapazität maßgebliche Oxiddicke ist. Außerdem bedingt der Betrieb des MOSFETs im Readout signal can be reached from the pressure, where d ox is the decisive factor for the value of the capacitance oxide thickness. In addition, the operation of the MOSFET in the
Anzustand eine vergleichsweise hohe Verlustleistung. Anzustand a comparatively high power loss.
Eine dritte Möglichkeit ist die Auslesung über die veränderte Resonanzfrequenz eines Schwingkreises auf Grund der Kapazitätsänderung der Druckdose, siehe z.B. die Veröffentlichung von H. Dudaicevs, M. Kandier, Y. Manoli, W. Mokwa und E. Spiegel in Sensors Actuators A, 43, 157(1994). In diesem Fall muss die Druckdose allerdings vergleichsweise große laterale Dimensionen aufweisen, um die nötige Kapazität im pF-Bereich zu realisieren. Eine weitere Verkleinerung und Integration der Druckdosen lässt sich mit dieser Auslesetechnik somit nicht erreichen. Die Membranen mikromechanischer Drucksensoren werden heutzutage aus polykristallinem Silizium gefertigt. Dabei wird auf einem oxidierten Substrat (Oxid) eine Opferschicht, beispielsweise aus Siliziumnitrid, geeigneter lateraler und vertikaler Dimensionen aufgebracht und anschließend über diese Struktur Polysilizium gewachsen. Wird nun die Opferschicht weggeätzt, so bleibt eine Polysilizium- Membran übrig, die durch weiteres Wachstum des Polysiliziums verschlossen wird, so dass eine Kavität im zwischen Polysilizium und dem oxidierten Substrat entsteht. Entscheidende Nachteile dieser Technik sind eine mögliche Verkrümmung der Polysilizium-Membran und Restriktionen bezüglich der Größenskalierung der A third possibility is the reading about the changed resonant frequency of a resonant circuit due to the capacitance change of the pressure cell, see eg the publication of H. Dudaicevs, M. Kandier, Y. Manoli, W. Mokwa and E. Spiegel in Sensors Actuators A, 43, 157 (1994). In this case, however, the pressure cell must have comparatively large lateral dimensions in order to realize the necessary capacity in the pF range. A further reduction and integration of pressure cans can not be achieved with this readout technology thus. The membranes of micromechanical pressure sensors are manufactured today from polycrystalline silicon. In this case, a sacrificial layer, for example made of silicon nitride, of suitable lateral and vertical dimensions is applied to an oxidized substrate (oxide) and subsequently polysilicon is grown over this structure. If the sacrificial layer is now etched away, a polysilicon membrane remains, which is closed by further growth of the polysilicon, so that a cavity arises in between the polysilicon and the oxidized substrate. Decisive disadvantages of this technique are a possible curvature of the polysilicon membrane and restrictions on the size scale of the
Membran auf Grund der Variation der mechanischen Eigenschaften bei Polysilizium, die wiederum mit der variierenden Morphologie zusammenhängen. Darüber hinaus ist eine Membran aus Polysilizium mechanisch weit weniger stabil als eine Membran aus kristallinem Silizium-Material. Membrane due to the variation in mechanical properties of polysilicon, which in turn is related to the varying morphology. In addition, a polysilicon membrane is mechanically much less stable than a crystalline silicon material membrane.
Aus den US Patenten US 7235456 B2 und US 7512170 B2 ist es bekannt, durch Ätzen von Löchern in Silizium-Wafern und anschließendem Tempern in einer reinen It is known from US Pat. Nos. US 7235456 B2 and US Pat. No. 7512170 B2, by etching holes in silicon wafers and then annealing them in a pure
Wasserstoffatmosphäre eine Kavität in dem das Substrat bildende Silizium, d.h. in sogenanntem bulk-Silizium, zu erzeugen, die dann allseitig von dem Silizium begrenzt ist. Die Verwendung der ersten beiden Ausleseverfahren ist mit einem derartigen Sensor nicht möglich, da die Membran von dem gegenüber von ihr liegenden Silizium, mit dem sie einteilig ausgebildet ist, nicht elektrisch isoliert ist. Die Anwendung eines kapazitiven Ausleseverfahrens führt dann zu nicht tolerablen Leckströmen. Ein weiterer Nachteil dieser Technologie ist, dass die Dimensionen der Kavität, insbesondere deren Höhe, von der Dicke der Membran abhängt und daher nur in geringem Maße frei einstellbar ist. Ein an eine spezielle Anwendung Hydrogen atmosphere is a cavity in the silicon forming the substrate, i. in so-called bulk silicon, which is then bounded on all sides by the silicon. The use of the first two readout methods is not possible with such a sensor, since the membrane is not electrically insulated from the silicon lying opposite it, with which it is integrally formed. The application of a capacitive readout then leads to unacceptable leakage currents. Another disadvantage of this technology is that the dimensions of the cavity, in particular its height, depends on the thickness of the membrane and therefore is freely adjustable only to a small extent. A to a special application
angepasster Drucksensor kann mit dieser Lehre nur schwer und nur mit erheblichem Aufwand hergestellt werden. adapted pressure sensor can be made with this lesson difficult and only with considerable effort.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten mikromechanischen Drucksensor bereitzustellen, der eine um ein Vielfaches höhere Messempfindlichkeit bei gleichzeitig vergrößertem Messbereich aufweist, so dass insbesondere der Niedrigdruckbereich für Druckmessungen zugänglich wird, wobei die Dimensionen der Kavität und der Membran unabhängig voneinander einstellbar sind, so dass eine Verkleinerung der Abmessungen des Drucksensors und eine einfache Anpassung der Abmessungen an eine spezielle Verwendung des Sensors möglich ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verfahren zur Herstellung eines derartigen Drucksensors und ein Verfahren zur Druckmessung mittels eines derartigen Drucksensors bereitzustellen. It is an object of the present invention to provide an improved micromechanical pressure sensor which has a much higher measurement sensitivity and simultaneously increased measuring range, so that in particular the low pressure range for pressure measurements is accessible, the dimensions of the cavity and the membrane are independently adjustable, so that a reduction of the dimensions of the pressure sensor and a simple adaptation the dimensions of a particular use of the sensor is possible. Furthermore, it is an object of the invention to provide a method for producing such a pressure sensor and a method for pressure measurement by means of such a pressure sensor.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 , 10 und 20 gelöst. This object is solved by the features of claims 1, 10 and 20.
Bevorzugte Weiterbildungen des Drucksensors sowie des Herstellungs- und Preferred developments of the pressure sensor and the manufacturing and
Messverfahren sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. Measurement methods are specified in the respective subclaims.
Erfindungsgemäß wird ein mikromechanischer Drucksensor mit einer in einer ersten Halbleiterschicht ausgebildeten Membran und einer Opferschicht, auf der die According to the invention, a micromechanical pressure sensor with a membrane formed in a first semiconductor layer and a sacrificial layer on which the
Halbleiterschicht aufgebracht ist, vorgeschlagen, bei dem in der Membran ein Drain- Gebiet und ein Source-Gebiet vorhanden ist, die sich gegenüberliegen und die durch einen Leitungskanal voneinander getrennt sind, wobei die Opferschicht eine Semiconductor layer is proposed, proposed in which in the membrane, a drain region and a source region is present, which are opposite to each other and which are separated by a duct, wherein the sacrificial layer is a
Isolationsschicht bildet, unterhalb der eine weitere Schicht mit einer Gate-Elektrode liegt, die dem Leitungskanal gegenüberliegt, und wobei zwischen der weiteren Schicht und der Membran eine Kavität in der Isolationsschicht ausgebildet ist. Insulation layer forms, below which another layer is located with a gate electrode which is opposite to the duct, and wherein between the further layer and the membrane, a cavity is formed in the insulating layer.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Furthermore, a method for producing a micromechanical
Drucksensors der genannten Art vorgeschlagen, bei dem zunächst ein Pressure sensor of the type mentioned proposed in the first one
Schichtaufbau bestehend aus einer ersten Halbleiterschicht, einer Opferschicht und einer weiteren Schicht hergestellt wird, wobei die Opferschicht eine Isolationsschicht bildet und zwischen der ersten Halbleiterschicht und der weiteren Schicht liegt, anschließend Vertiefungen in die erste Halbleiterschicht derart eingebracht werden, dass eine Vertiefung zu den Seiten jeweils von einem Steg begrenzt wird und bis zur Isolationsschicht reicht, danach ein Unterätzen einer Kavität in die Isolationsschicht derart erfolgt, dass die Kavität durch die erste Halbleiterschicht und die weitere Schicht begrenzt ist, wobei die erste Halbleiterschicht zur Ausbildung einer im Layer structure consisting of a first semiconductor layer, a sacrificial layer and a further layer is produced, wherein the sacrificial layer forms an insulating layer and is located between the first semiconductor layer and the further layer, then depressions are introduced into the first semiconductor layer such that a recess to the sides respectively is bounded by a web and extends to the insulating layer, then a Unterätzen a cavity in the insulating layer is such that the cavity is bounded by the first semiconductor layer and the further layer, wherein the first semiconductor layer for forming a in the
Wesentlichen gleichmäßig dicken Membran, die die Kavität zu einer Seite begrenzt, dann getempert wird, und wobei eine Gate-Elektrode in der weiteren Schicht gebildet wird, und ein Drain-Gebiet und ein Source-Gebiet in der Membran erzeugt werden, die sich gegenüberliegen und die durch einen Leitungskanal voneinander getrennt sind, der der Gate-Elektrode gegenüberliegt. Ein derart hergestellter Drucksensor bildet einen Feldeffekttransistor (FET) und weist ein exponentiell vom Druck abhängiges Auslesesignal auf. Dadurch besitzt er eine um ein Vielfaches höhere Empfindlichkeit als es der Stand der Technik zulässt. Substantially uniformly thick membrane, which limits the cavity to one side, is then annealed, and wherein a gate electrode is formed in the further layer, and a drain region and a source region are created in the membrane, which are opposite and which are separated by a duct which faces the gate electrode. A pressure sensor produced in this way forms a field-effect transistor (FET) and has an exponentially read-out signal dependent on the pressure. As a result, it has a much higher sensitivity than the state of the art allows.
Insbesondere lässt sich durch diese große Empfindlichkeit der messbare Bereich deutlich vergrößern, und speziell der Niedrigdruckbereich wird dadurch zugänglich. Die Dimensionen der Kavität und der Membran können durch die Dicke der In particular, due to this high sensitivity, the measurable range can be significantly increased, and especially the low pressure range becomes accessible. The dimensions of the cavity and the membrane can be determined by the thickness of the
Isolationsschicht und der Breite der Vertiefungen bzw. der Stege unabhängig voneinander eingestellt werden, so dass eine Verkleinerung der Abmessungen des Drucksensors möglich ist. Die Verwendung einer Isolationsschicht ermöglicht es, eine von der Membran isolierte Gate-Elektrode unterhalb der Membran zu erzeugen. Isolation layer and the width of the recesses or the webs are set independently, so that a reduction in the dimensions of the pressure sensor is possible. The use of an insulating layer makes it possible to produce a gate electrode isolated from the membrane underneath the membrane.
Vorzugsweise besteht die erste Halbleiterschicht aus Silizium, insbesondere einkristallinem Silizium. Silizium hat den Vorteil, dass es besonders gut bearbeitbar ist. Insbesondere können in ihm Strukturen besonders einfach und präzise geätzt werden und begrenzte Bereiche leicht dotiert werden. Die Verwendung von einkristallinem Silizium hat den Vorteil, dass sich dadurch eine höhere mechanische Belastbarkeit der Membran im Vergleich zu poly-kristallinem Silizium (also Preferably, the first semiconductor layer consists of silicon, in particular monocrystalline silicon. Silicon has the advantage that it is particularly easy to process. In particular, structures can be etched particularly simply and precisely in this structure, and limited regions can be easily doped. The use of monocrystalline silicon has the advantage that this results in a higher mechanical strength of the membrane compared to polycrystalline silicon (ie
Polysilizium) ergibt, da keine mechanischen Variationen auf Grund der variierenden Morphologie auftreten. Polysilicon), since there are no mechanical variations due to the varying morphology.
Die weitere Schicht kann aus einer zweiten Halbleiterschicht, insbesondere aus Silizium, bestehen. Hierbei kann ein- oder poly-kristallines Silizium verwendet werde. Die Ausbildung einer Gate-Elektrode in der weiteren Schicht kann dann dadurch erfolgen, dass Ionen in die zweite Siliziumschicht durch die Membran implantiert werden. Dieser ionenimplantierte Bereich wird dadurch leitfähig, so dass eine The further layer may consist of a second semiconductor layer, in particular of silicon. In this case, single- or polycrystalline silicon can be used. The formation of a gate electrode in the further layer can then take place by implanting ions into the second silicon layer through the membrane. This ion-implanted region becomes conductive, leaving a
Spannung an ihn angelegt werden kann, die ein im Wesentlichen senkrecht zum Leitungskanal wirkendes elektrisches Feld erzeugt. Alternativ kann die Gate- Elektrode auch dadurch erzeugt werden, dass als weitere Schicht ein Metall verwendet wird. Der Schichtaufbau kann dann dadurch hergestellt werden, dass ein Siliziumsubstrat oxidiert wird, anschließend eine genügend dicke, insbesondere mehrere 10Όμηη dicke Metallschicht für eine ausreichende mechanische Stabilität aufgebracht wird, und dann das Substrat soweit wegschliffen wird, bis die Voltage can be applied to him, which generates an electric field acting substantially perpendicular to the duct. Alternatively, the gate electrode can also be produced by using a metal as the further layer. The layer structure can then be produced by oxidizing a silicon substrate, then applying a sufficiently thick, in particular several 10 μm thick, metal layer for sufficient mechanical stability, and then grinding away the substrate until the substrate is removed
resultierende Siliziumdicke diejenige Dicke erreicht hat, die als Membran benötigt wird. Dabei ist allerdings zu beachten, dass das zu verwendende Metall den hohen Temperaturen beim Tempern widerstehen muss, so dass nur hochschmelzende Metalle wie beispielsweise Wolfram verwendet werden können. resulting silicon thickness has reached the thickness required as a membrane. It should be noted, however, that the metal to be used the high Temperatures must withstand tempering, so that only high-melting metals such as tungsten can be used.
Die Isolationsschicht kann aus Siliziumoxid (SiO2) bestehen. Siliziumoxid ist zum einen ein guter Isolator, der leicht aus Silizium hergestellt werden kann, und der zum anderen gut geätzt werden kann. The insulating layer may consist of silicon oxide (SiO 2 ). On the one hand, silicon oxide is a good insulator, which can easily be made of silicon, and on the other hand can be well etched.
Die in die erste Halbleiterschicht einzubringenden Vertiefungen können bevorzugt Gräben bilden, die parallel zueinander verlaufen. Diese können besonders einfach und präzise durch anisotropes Ätzen, d.h. durch vertikales Ätzen, in der ersten The recesses to be introduced into the first semiconductor layer may preferably form trenches which run parallel to one another. These can be particularly easily and precisely determined by anisotropic etching, i. by vertical etching, in the first
Halbleiterschicht erzeugt werden. Alternativ können die Vertiefungen durch Löcher gebildet sein, die jeweils eine Reihe bilden. Gräben haben jedoch den Vorteil, dass mit deren Breite und Abstand die Dicke der gewünschten Membran einfacher bestimmt werden kann. Semiconductor layer can be generated. Alternatively, the recesses may be formed by holes, each forming a row. However, trenches have the advantage that with their width and spacing, the thickness of the desired membrane can be determined more easily.
Bevorzugt sind das Drain-Gebiet und das Source-Gebiet durch gleichartig Preferably, the drain region and the source region are the same
hochdotierte Bereiche in der ersten Halbleiterschicht gebildet, wobei die Dicke der Membran, ihr Abstand zur Gate-Elektrode sowie die Weite und Abstand der dotierten Gebiete derart gewählt sind bzw. gewählt werden, dass die Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und dem Leitungskanal gleich der oder kleiner als die Kapazität zwischen dem Drain-Gebiet und dem Source-Gebiet ist. Die dotierten Gebiete können demnach beide n-dotiert oder beide p-dotiert sein. Auf diese Weise wird ein Drucksensor als Feldeffekttransistor (FET) mit Kurzkanalverhalten gebildet, der aufgrund des über der Kavität liegenden Leitungskanals Short Channel on Nothing FET (SCHONFET) genannt werden kann. formed highly doped regions in the first semiconductor layer, wherein the thickness of the membrane, its distance from the gate electrode and the width and spacing of the doped regions are chosen such or chosen so that the capacitance between the gate electrode and the conduit equal to or is less than the capacitance between the drain region and the source region. The doped regions may therefore both be n-doped or both p-doped. In this way, a pressure sensor is formed as a field effect transistor (FET) with short channel behavior, which can be called short channel on nothing FET (SCHONFET) due to the lying above the cavity line channel.
Die Bezeichnung "Kurzkanal" und "Kurzkanaleffekt" bezieht sich auf die The term "short channel" and "short channel effect" refers to the
geometrischen Verhältnisse zwischen dem Abstand dox der Membran zur Gate- Elektrode (Oxidschichtdicke), der Dicke dsi der Membran (Kanalschichtdicke) und der Länge L des Leitungskanals (Kanallänge). Ein Bauelement zeigt Langkanalverhalten, solange die Gate-Kapazität CG deutlich größer als die Drain-Source-Kapazität Cos ist. Die Gate-Kapazität CG entspricht für den erfindungsgemäßen Drucksensor dem Produkt aus relativer Dielektrizitätskonstante εοχ und Gate-Fläche durch den Abstand do der Gate-Elektrode zur Membran. Die Drain-Source-Kapazität Cos kann näherungsweise aus dem Produkt aus relativer Dielektrizitätskonstante ε&, der Weite W der dotierten Bereiche und der Membrandicke dsi, geteilt durch die Kanallänge L berechnet werden. Aus der Kapazitätsrelation folgt in erster Näherung: geometric relationships between the distance d ox of the membrane to the gate electrode (oxide layer thickness), the thickness dsi of the membrane (channel layer thickness) and the length L of the duct (channel length). A device exhibits long-channel behavior as long as the gate capacitance CG is significantly larger than the drain-source capacitance Cos. The gate capacitance CG for the pressure sensor according to the invention corresponds to the product of relative dielectric constant ε o and gate area through the distance d o of the gate electrode to the membrane. The drain-source capacitance Cos can approximately from the product of relative dielectric constant ε & , the width W of the doped regions and the membrane thickness dsi, divided by the channel length L are calculated. From the capacity relation follows in a first approximation:
CG =(εοχ *(W*L)/ dox) » CDS = (£Si (W* dSi)/L), um Kurzkanaleffekte zu vermeiden. Hier ist Zo* die relative Dielektrizitätskonstante der Isolationsschicht, die zwischen dem Gate und der Membran Luft ist, so dass C G = (ε οχ * (W * L) / dox) »C DS = (£ Si (W * d Si ) / L) to avoid short channel effects. Here, Zo * is the relative dielectric constant of the insulating layer that is air between the gate and the membrane, so that
gilt. si ist die relative Dielektrizitätskonstante der ersten Halbleiterschicht, insbesondere der Siliziumschicht, W ist die Weite des FET, L seine Kanallänge und dox der Abstand zwischen der Membran und dem Gate, also der Luftspalt. Damit genügend Kurzkanaleffekte auftreten, die hier bewusst erzeugt werden, sollten die beiden Kapazitäten ungefähr gleich sein. Für die Kanallänge folgt damit als Richtwert: L2 = Esi/eox * dsi * dox. Der erfindungsgemäße Drucksensor kann also so desinged werden, dass der darin eingebaute SCHONFET Kurzkanalverhalten, d.h. applies. si is the relative dielectric constant of the first semiconductor layer, in particular the silicon layer, W is the width of the FET, L is its channel length and d ox is the distance between the membrane and the gate, ie the air gap. In order for enough short channel effects to occur, which are intentionally generated here, the two capacitances should be approximately equal. For the channel length follows as a guideline: L 2 = Esi / eox * dsi * d ox . The pressure sensor according to the invention can thus be desinged so that the built-SCHONFET short channel behavior, ie
Kurzkanaleffekte zeigt. Short channel effects shows.
In einer alternativen Ausführungsvariante können das Drain-Gebiet und das Source- Gebiet durch entgegengesetzt hochdotierte Bereiche in der ersten Halbleiterschicht gebildet sein, wobei die Dicke der Membran, ihr Abstand zur Gate-Elektrode sowie die Weite und der Abstand der dotierten Gebiete derart gewählt sind bzw. gewählt werden, dass die Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und dem Leitungskanal viel größer als die Kapazität zwischen dem Drain-Gebiet und dem Source-Gebiet ist. Das eine Gebiet ist demnach n-dotiert während das andere Gebiet p-dotiert ist. Auf diese Weise wird der Drucksensor als Feldeffekttransistor (FET) ohne Kurzkanalverhalten realisiert, bei dem die elektrischen Ladungsträger in der Halbleiterstruktur der In an alternative embodiment, the drain region and the source region may be formed by oppositely highly doped regions in the first semiconductor layer, wherein the thickness of the membrane, its distance from the gate electrode and the width and spacing of the doped regions are chosen such or ., the capacitance between the gate electrode and the conduction channel is much larger than the capacitance between the drain region and the source region. The one area is thus n-doped while the other area is p-doped. In this way, the pressure sensor is implemented as a field effect transistor (FET) without short channel behavior, in which the electrical charge carriers in the semiconductor structure of the
Membran vom Leitungsband zum Valenzband bzw. vom Valenzband zum Membrane from conduction band to valence band or valence band to
Leitungsband tunneln, so dass der Drucksensor Band-zu-Band-Tunnel FET genannt werden kann. Die exponentielle Abhängigkeit des Stromes vom Druck wird durch Band-zu-Band Tunneln erreicht, das vom Druck, d.h. vom Abstand der Membran von der Gate-Elektrode abhängt. Tunnels the conduction band so that the pressure sensor band-to-band tunnel FET can be called. The exponential dependence of the current on pressure is achieved by band-to-band tunneling, which depends on the pressure, i. depends on the distance of the membrane from the gate electrode.
Bevorzugt liegt die Dotierung des Drain- und des Source-Gebiets oberhalb einer Menge von 1*1019 Ladungsträgern pro cm3. Ein hochdotiertes Gebiet erlaubt, die Verarmungszone in den Kontakten relativ zu den Verbiegungen des Preferably, the doping of the drain and the source region is above an amount of 1 * 10 19 charge carriers per cm 3 . A highly doped area allows the Depletion zone in the contacts relative to the bends of the
Leitungsbandes/Valensbandes im Kanal zu vernachlässigen, was das Design des Drucksensors vereinfacht. Die die Ladungsträger zur Verfügung stellenden Ionen können beispielsweise durch Diffusion oder Implantation in die jeweilige Neglecting conduction band / valence band in the channel, which simplifies the design of the pressure sensor. The ions which make the charge carriers available may be, for example, by diffusion or implantation into the respective ones
Siliziumschicht eingebracht werden. Silicon layer are introduced.
In einer anderen alternativen Ausführungsvariante sind das Drain-Gebiet und das Source-Gebiet durch Metalle gebildet. Auf diese Weise wird ein Drucksensor als Schottky-Barrieren MOSFET (SB-MOSFET) erhalten. Am Metall-Halbleiter-Übergang, insbesondere am Source-Kanal-Übergang, bildet sich eine Potential-Barriere aus. Diese Barriere wird dünner, wenn Druck auf den Sensor ausgeübt wird, wodurch es zu einer exponentiellen Abhängigkeit des Stromes vom Druck kommt. Der In another alternative embodiment, the drain region and the source region are formed by metals. In this way, a pressure sensor is obtained as a Schottky barrier MOSFET (SB MOSFET). At the metal-semiconductor junction, in particular at the source-channel junction, a potential barrier is formed. This barrier becomes thinner when pressure is applied to the sensor, resulting in an exponential dependence of the current on the pressure. Of the
Tunnelstrom durch die Barriere hängt dabei exponentiell von ihrer Dicke ab. Im Tunnel current through the barrier depends exponentially on its thickness. in the
Gegensatz zum SCHONFET muss der SB-MOSFET keine Kurzkanaleffekte Unlike the SCHONFET, the SB MOSFET does not have short channel effects
aufweisen, um ein exponentielles Sensorsignal zu liefern. to provide an exponential sensor signal.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drucksensors gemäß einer der vorbeschriebenen Ausführungsvarianten überlappen das Drain-Gebiet und das Source-Gebiet die Gate-Elektrode jeweils. Dies bewirkt, dass keine Gebiete existieren, die vom Gate nicht richtig beeinflusst werden. In an advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention according to one of the above-described embodiments, the drain region and the source region overlap the gate electrode respectively. This causes no areas to exist that are not properly affected by the gate.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor eine dünne Preferably, in the pressure sensor according to the invention a thin
Membran verwendet, die eine Dicke im Bereich zwischen 5 bis 50nm aufweisen kann. Dies ist besonders bei dem SB-MOSFET oder bei dem Tunnel-FET vorteilhaft, da die Tunnelströme anderenfalls sehr klein werden können. Membrane used, which may have a thickness in the range between 5 to 50nm. This is particularly advantageous in the SB MOSFET or in the tunnel FET, since otherwise the tunnel currents may become very small.
Wenn die weitere Schicht aus Silizium besteht, können zur Ausbildung der Gate- Elektrode Ionen in die zweite Siliziumschicht eingebracht werden. Dabei kann das Einbringen durch Implantation erfolgen, wobei die Ionen durch die Membran in die zweite Siliziumschicht implantiert werden. Dieser Prozessschritt fügt sich gut nach dem Tempern und vor der Ausbildung des Drain-Gebiets und des Source-Gebiets in die Prozessreihenfolge ein. Dies hat den Vorteil, dass der Schichtaufbau stets nur von oben, d.h. aus einer Richtung behandelt werden muss. Ein Umdrehen des If the further layer consists of silicon, ions can be introduced into the second silicon layer to form the gate electrode. The introduction can take place by implantation, wherein the ions are implanted through the membrane into the second silicon layer. This process step fits well into the process order after the annealing and before the formation of the drain region and the source region. This has the advantage that the layer structure is always only from above, i. must be handled from one direction. Turning over the
Schichtaufbaus ist nicht notwendig. Der Schichtaufbau kann bevorzugt nach zwei verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Gemäß einem ersten Verfahren wird die Isolationsschicht aus Siliziumoxid gebildet, das durch Implantation von Sauerstoffionen in Silizium und anschließendem Tempern hergestellt werden kann. Diese Herstellmethode ist bekannt und wird SIMOX (Separation by Implantation of Oxygen) genannt. Dabei wird Sauerstoff in einen Siliziumwafer implantiert. Bei einem anschließenden Tempern oxidiert der Wafer von innen, im Gegensatz zur herkömmlichen Oxidation, die nur an der Oberfläche des Wafers erfolgt, weil dort der Sauerstoff ist. Durch das Implantieren von Sauerstoff befindet sich der Sauerstoff unterhalb der Waferoberfläche und erzeugt dort eine vergrabene Oxidschicht. Layer structure is not necessary. The layer structure can preferably be produced by two different methods. According to a first method, the insulating layer is formed of silicon oxide, which can be produced by implantation of oxygen ions in silicon and subsequent annealing. This manufacturing method is known and is called SIMOX (Separation by Implantation of Oxygen). In this case, oxygen is implanted in a silicon wafer. In a subsequent annealing, the wafer oxidizes from the inside, in contrast to the conventional oxidation, which takes place only on the surface of the wafer, because there is the oxygen. By implanting oxygen, the oxygen is located below the wafer surface where it creates a buried oxide layer.
In einer alternativen Ausführungsvariante kann der Schichtaufbau aus einem gebondeten SOI-Waver (Silicon-on-lnsulator) hergestellt werden. Auch diese In an alternative embodiment variant, the layer structure can be produced from a bonded SOI wafer (silicone-on-insulator). These too
Herstellmethode ist bekannt. Dabei wird ein Wafer aus einem Siliziumeinkristall aufoxidiert und ein zweiter Wafer kopfüber auf den oxidierten Wafer gedrückt. Es ergibt sich dadurch eine Silizium-Oxid-Silizium Schichtstruktur. Diese Schichtstruktur wird dann getempert und anschließend ein Wafer abgeschliffen. Hierdurch entsteht eine dünne, einkristalline Siliziumschicht auf einem Isolator (SiO2), der sich auf einem Silizium-Einkristall-Substrat befindet. Eine derartige Schichtstruktur wird SOI-Wafer genannt. Manufacturing method is known. In this case, a wafer is oxidized from a silicon monocrystal and pressed a second wafer upside down on the oxidized wafer. This results in a silicon-oxide-silicon layer structure. This layer structure is then tempered and then a wafer is ground. This results in a thin, single-crystal silicon layer on an insulator (SiO 2 ), which is located on a silicon single-crystal substrate. Such a layer structure is called SOI wafer.
Das Einbringen der Vertiefungen kann durch anisotropes Ätzen der ersten The introduction of the recesses can by anisotropic etching of the first
Halbleiterschicht erfolgen. Femer kann die Kavität durch isotropes Ätzen hergestellt werden. Dies kann nasschemisch oder durch reaktives lonenätzen erfolgen. Beim anisotropen Ätzen wird nur in eine Richtung geätzt. Das heißt, dass die Vertiefungen nur durch vertikales Ätzen hergestellt werden. Beim isotropen Ätzen erfolgt das Ätzen dagegen in alle Richtungen gleich. Dies bedeutet, dass die Kavität sowohl vertikal wie horizontal geätzt wird. Semiconductor layer done. Furthermore, the cavity can be made by isotropic etching. This can be done wet-chemically or by reactive ion etching. Anisotropic etching etches in one direction only. That is, the pits are made only by vertical etching. In the case of isotropic etching, etching is the same in all directions. This means that the cavity is etched both vertically and horizontally.
Bevorzugt werden die Vertiefungen derart in die erste Halbleiterschicht eingebracht, dass die Breite der Vertiefungen kleiner als die Breite der Stege ist. Hiermit ist gewährleistet, dass sich die Stege beim Tempern unter Reduzierung ihrer Höhe derart verbreitern, dass sich ihre Seiten zu einer geschlossenen Membran berühren. Die Membrandicke kann durch die Breite der Vertiefungen und die Breite der Stege festgelegt werden. Preferably, the depressions are introduced into the first semiconductor layer in such a way that the width of the depressions is smaller than the width of the webs. This ensures that the webs during annealing to widen their height so that their sides to a closed membrane touch. The membrane thickness can be determined by the width of the depressions and the width of the webs.
Der vorgeschlagene Drucksensor kann erfindungsgemäß zur Druckmessung verwendet werden. Hierfür wird ein Verfahren zur Auslesung des Drucksensors vorgeschlagen, bei dem zwischen dem Drain-Gebiet und dem Source-Gebiet eine Spannung angelegt und der Strom über das Drain-Source-Gebiet bei einer The proposed pressure sensor can be used according to the invention for pressure measurement. For this purpose, a method for reading the pressure sensor is proposed in which applied between the drain region and the source region, a voltage and the current through the drain-source region at a
Spannung zwischen der Gate-Elektrode und dem Source-Gebiet unterhalb der Schwellenspannung gemessen wird, wobei gemäß einer exponentiellen Voltage between the gate electrode and the source region is measured below the threshold voltage, wherein according to an exponential
Abhängigkeit des gemessenen Stroms von dem auf den Drucksensor ausgeübten Umgebungsdruck, dieser Umgebungsdruck bestimmt wird. Depending on the measured current from the pressure exerted on the pressure sensor ambient pressure, this ambient pressure is determined.
Der in dem Drucksensor integrierte Feldeffekttransistor wird folglich aufgrund einer Spannung zwischen der Gate-Elektrode und dem Source-Gebiet unterhalb der Schwellenspannung im Auszustand betrieben, da die Schwellenspannung diejenige Spannung ist, ab der das Bauelement in den Anzustand wechselt. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Verlustleistung minimiert wird. Denn die fehlende Gate- Spannung führt zu einem sehr kleinen Strom, dem sogenannten Ausstrom, der zudem in Abhängigkeit des auf die Membran ausgeübten Drucks exponentiell abnimmt. Hierdurch wird der Einsatz solcher Drucksensoren in energieautarken Sensornetzwerken ermöglicht. Zusammen mit der Möglichkeit der Reduzierung der Dimensionen des Drucksensors werden auf diese Weise zum Beispiel Sensoren für den medizinischen Bereich möglich. The field effect transistor integrated in the pressure sensor is consequently operated below the threshold voltage in the off state due to a voltage between the gate electrode and the source region, since the threshold voltage is the voltage at which the component changes over to the on state. This has the particular advantage that the power loss is minimized. Because the missing gate voltage leads to a very small current, the so-called outflow, which also decreases exponentially depending on the pressure exerted on the membrane. This allows the use of such pressure sensors in energy self-sufficient sensor networks. Together with the possibility of reducing the dimensions of the pressure sensor, sensors for the medical sector, for example, become possible in this way.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Drucksensors, seines Herstellungsverfahrens und des Verfahrens zur Auslesung eines Drucksensors werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen: Further advantages and features of the pressure sensor according to the invention, its production method and the method for reading a pressure sensor will be explained in more detail with reference to embodiments and the accompanying figures. Show it:
Fig. 1a bis 1h Veranschaulichung des Herstellungsprozesses eines Fig. 1a to 1h illustrating the manufacturing process of a
erfindungsgemäßen Drucksensors  inventive pressure sensor
Fig. 2a: Leitungsbandverlauf in einem MOSFET mit Kurzkanaleffekten Fig. 2a: conduction band in a MOSFET with short channel effects
Fig. 2b: Drainstrom für ein Bauelement mit zunehmender Gateoxiddicke FIG. 2b: Drain current for a component with increasing gate oxide thickness. FIG
Fig. 3a: Schemaskizze des Drucksensors mit vergrabenem Gate Fig. 3b: Leitungsbandverlauf durch das in die Silizium-Membran integrierte Bauelement FIG. 3a: Schematic diagram of the buried gate pressure sensor. FIG FIG. 3b: conduction band course through the component integrated in the silicon membrane. FIG
Fig. 3c: Drainstrom als Funktion des Druckes  Fig. 3c: drain current as a function of pressure
Fig. 4a: Drucksensor mit integriertem Schottky-Barrieren MOSFET Fig. 4a: pressure sensor with integrated Schottky barrier MOSFET
Fig. 4b: Veranschaulichung der exponentiellen Änderung des Stromes bei einer Fig. 4b: Illustration of the exponential change of the current at a
Veränderung der Gateoxiddicke  Change in gate oxide thickness
Fig. 4c: exemplarisch experimentelle Kurven, die die starke Abhängigkeit der  Fig. 4c: exemplary experimental curves showing the strong dependence of
Transistorcharakteristiken von der Gateoxiddicke belegen Prove transistor characteristics of the gate oxide thickness
Fig. 5a: oben: Drucksensor mit integriertem Tunnel FET Fig. 5a: top: pressure sensor with integrated tunnel FET
unten: der Bandverlauf für zwei verschiedene Gateoxiddicken  bottom: the band path for two different gate oxide thicknesses
Fig. 5b: experimentelle Charakteristiken eines Tunnel FETs für zwei Fig. 5b: experimental characteristics of a tunnel FET for two
verschiedene Gateoxiddicken.  different gate oxide thicknesses.
Die Figuren 1a bis 1 h zeigen die Herstellungsschritte für die Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Drucksensors 1 mit einer in einer ersten Siliziumschicht 2 ausgebildeten Membran 3 und einer Isolationsschicht 4, auf der die Siliziumschicht 2 aufgebracht ist. Unter der Isolationsschicht 4 liegt eine zweite Siliziumschicht 5, in der Ionen zur Ausbildung einer Gate-Elektrode 6 eingebracht sind. In der Membran 3 sind ferner zwei voneinander durch einen Leitungskanal 12 der Kanallänge L getrennte Bereiche 7, 8 gebildet, in denen Ionen zur Ausbildung jeweils eines die Gate-Elektrode 6 überlappenden Drain-Gebiets 7 und eines Source- Gebiets 8 eingebracht sind. Zwischen der zweiten Siliziumschicht 5 und der FIGS. 1a to 1h show the production steps for the production of a micromechanical pressure sensor 1 according to the invention with a membrane 3 formed in a first silicon layer 2 and an insulation layer 4 on which the silicon layer 2 is applied. Below the insulating layer 4 is a second silicon layer 5, in which ions are introduced to form a gate electrode 6. In the membrane 3, two separate areas 7, 8 separated from one another by a line channel 12 of the channel length L are formed, in which ions are introduced for forming a respective drain region 7 and a source region 8 overlapping the gate electrode 6. Between the second silicon layer 5 and the
Membran 3 ist eine Kavität 9 in der Isolationsschicht 4 ausgebildet, in die sich die Membran 3 bei einem auf den Drucksensor 1 ausgeübten Umgebungsüberdruck hinein bewegen bzw. hinein biegen kann. Bei Unterdruck bewegt sie sich aus der Kavität heraus. Membrane 3, a cavity 9 is formed in the insulating layer 4, in which the membrane 3 can move into or bend in at an environmental pressure exerted on the pressure sensor 1. Under negative pressure, it moves out of the cavity.
Die Isolationsschicht 4 besteht aus Siliziumoxid (S1O2) und wird nachfolgend auch Oxidschicht genannt. Da sie zwischen der ersten und der zweiten Siliziumschicht 2, 5 liegt, stellt sie eine sogenannte„vergrabene Schicht" dar. Die erste Siliziumschicht 2 besteht aus einkristallinem Silizium. Das Drain-Gebiet 7 und das Source-Gebiet 8 sind jeweils mit negativ geladenen Ionen n++ hochdotiert. Diese Gebiete 7, 8 überlappen die Gate-Elektrode 6 um zumindest ein Viertel ihrer Breite. In einem ersten, in Figuren 1a bis h nicht gezeigten Herstellungsschritt wird der Schichtaufbau mit der vergrabenen Oxidschicht 4 hergestellt. Dies kann The insulating layer 4 consists of silicon oxide (S1O2) and is also referred to below as the oxide layer. Being located between the first and second silicon layers 2, 5, it constitutes a so-called "buried layer." The first silicon layer 2 consists of monocrystalline silicon. The drain region 7 and the source region 8 are each with negatively charged ions n ++ heavily doped. These regions 7, 8, the gate electrode 6 overlap each other by at least a quarter of its width. In a first production step, not shown in FIGS. 1a to h, the layer structure with the buried oxide layer 4 is produced. This can
beispielsweise durch Implantation von Sauerstoffionen in eine Siliziumschicht und anschließendem Tempern dieser Schicht erfolgen, wodurch sich die Sauerstoffionen mit dem Silizium zu einer Schicht Siliziumoxid 4 verbinden. Alternativ können gebondete SOI (Silicon on Insulator) Wafer eingesetzt werden, um den for example, by implantation of oxygen ions in a silicon layer and subsequent annealing of this layer, whereby the oxygen ions combine with the silicon to form a layer of silicon oxide 4. Alternatively, bonded SOI (Silicon on Insulator) wafers can be used to seal the
Schichtaufbau zu realisieren. Die Dicke der vergrabenen Oxidschicht 4 bestimmt im Wesentlichen die Höhe der Kavität 3. Die Höhe der Kavität 3 kann völlig frei eingestellt werden, was insbesondere für das erfindungsgemäße Ausleseverfahren entscheidend ist. Layer structure to realize. The thickness of the buried oxide layer 4 essentially determines the height of the cavity 3. The height of the cavity 3 can be adjusted completely freely, which is particularly crucial for the readout method according to the invention.
In die erste Siliziumschicht 2 werden wie in Fig. 1a gezeigt, Gräben 10 derart anisotrop herausgeätzt, dass ein Graben 10 zu den Seiten jeweils von einem Steg 11 begrenzt wird und bis zur Isolationsschicht 4 reicht. Daraufhin wird mit einem isotropen Ätzschritt eine Kavität 9 in die vergrabene Oxidschicht 4 eingebracht, Fig. 1 b. Dies kann entweder nasschemisch oder mit Hilfe von reaktivem lonenätzen geschehen. In einem anschließenden Temperschritt in reinem Wasserstoff (H2) verrunden die Stege 11 zunehmend, siehe Figuren 1c und 1d. Sie bilden schließlich eine geschlossene Membran 3 der Dicke dsi, wie in Fig. 1e zu sehen ist. Die As shown in FIG. 1 a, trenches 10 are anisotropically etched out into the first silicon layer 2 in such a way that a trench 10 is delimited in each case by a web 11 and extends to the insulating layer 4. Subsequently, a cavity 9 is introduced into the buried oxide layer 4 with an isotropic etching step, FIG. 1 b. This can be done either wet-chemically or by means of reactive ion etching. In a subsequent annealing step in pure hydrogen (H2), the webs 11 increasingly round, see FIGS. 1c and 1d. Finally, they form a closed membrane 3 of thickness dsi, as can be seen in FIG. 1e. The
Dimension der Stege 11 und der Gräben 10 sind also so zu wählen, dass sich die verrundeten Stege 11 durch das Tempern berühren können, um die Membran auszubilden. Dimension of the webs 11 and the trenches 10 are thus to be chosen so that the rounded webs 11 can touch by annealing to form the membrane.
In einem folgenden Verfahrensschritt werden durch die Membran 3 in die zweite Siliziumschicht 5 unterhalb der vergrabenen Oxidschicht 4 Ionen implantiert, die nach der Aktivierung eine Gate-Elektrode 6 bilden, siehe Fig. 1f. In a subsequent method step, ions are implanted through the membrane 3 into the second silicon layer 5 below the buried oxide layer 4, which ions form a gate electrode 6 after activation, see FIG. 1f.
Der letzte Schritt beinhaltet die Definition eines Source-Gebietes 7 und eines Drain- Gebietes 8. Dies erfolgt durch eine Maske 12, die diejenigen Bereiche der oberen Siliziumschicht 2 abdeckt, in die keine Ionen implantiert werden sollen, siehe Fig. 1g. Fig. 1g zeigt die anschließende Ionenimplantation gleichartiger Ionen n++ in die von der Maske 12 nicht bedeckten Bereiche 7, 8, die nach der Ionenimplantation das Source-Gebiet 7 und das Drain-Gebiet 8 bilden. Der fertige Drucksensor 1 ist in Fig. 1 h dargestellt. Das Source-Gebiet 7, Drain-Gebiet 8 und die Gate-Elektrode 6 bilden einen Transistor, der integraler Bestandteil des Drucksensors 1 ist, wobei der The last step involves defining a source region 7 and a drain region 8. This is done by a mask 12 covering those regions of the top silicon layer 2 into which no ions are to be implanted, see FIG. 1g. FIG. 1 g shows the subsequent ion implantation of similar ions n ++ into the regions 7, 8 not covered by the mask 12, which form the source region 7 and the drain region 8 after the ion implantation. The finished pressure sensor 1 is shown in Fig. 1 h. The source region 7, drain region 8 and the gate electrode 6 form a transistor which is an integral part of the pressure sensor 1, wherein the
Strompfad des Transistors in der Membran 3 bzw. im Leitungsband 12 liegt. Current path of the transistor in the membrane 3 and in the conduction band 12 is located.
Die Höhe der Kavität 9 wird im Wesentlichen durch die Dicke der Oxidschicht 4 und nicht durch die Silizium-Stege 11 bestimmt. Dadurch lassen sich die Dimensionen des Drucksensors 1 flexibel auf die angestrebte Anwendung optimieren. Wenn z.B. ein Drucksensor mit dünner Membran und großer Kavitätshöhe angestrebt ist, so lässt sich dies mit dem bekannten Verfahren des Silizium-Umformens durch The height of the cavity 9 is determined essentially by the thickness of the oxide layer 4 and not by the silicon webs 11. As a result, the dimensions of the pressure sensor 1 can be flexibly optimized to the desired application. If e.g. a pressure sensor with a thin membrane and large cavity height is desired, this can be done with the known method of silicon forming
Tempern eines Siliziumsubstrats nicht realisieren, da dazu tiefe Stege geätzt werden müssten, die entweder dünn und dicht beieinander oder relativ dick ausfallen müssen In beiden Fällen ergibt sich ein Zusammenhang zwischen Kavitätshöhe und lateraler Dimension des Drucksensors. Durch die Erzeugung der Kavität in der Oxidschicht 4 lassen sich Membrandicke dsi und Kavitätshöhe unabhängig voneinander einstellen. Do not realize tempering of a silicon substrate, since to do so deep webs would have to be etched, which must be either thin and close to each other or relatively thick. In both cases, there is a relationship between the cavity height and the lateral dimension of the pressure sensor. By generating the cavity in the oxide layer 4, membrane thickness dsi and cavity height can be adjusted independently of each other.
Die Membran 3 ist durch ein thermisch gewachsenes Siliziumoxid 4, d.h. durch das vergrabene Oxid, vom Substrat 5 isoliert. Die exzellenten Isolationseigenschaften von Siliziumoxid machen die hier vorgestellte SCHONFET Technologie erst möglich. Durch die Isolation zwischen Substrat und der ersten Siliziumschicht 2, die durch das Herstellungsverfahren zur Silizium-Membran 3 im Bereich der Kavität 9 wird, lässt sich auf einem Chip direkt eine Auswerteelektronik in CMOS-Technologie integrieren. The membrane 3 is covered by a thermally grown silica 4, i. by the buried oxide, isolated from the substrate 5. The excellent insulating properties of silicon oxide make the SCHONFET technology presented here possible in the first place. As a result of the insulation between the substrate and the first silicon layer 2, which becomes the silicon membrane 3 in the region of the cavity 9 through the manufacturing process, it is possible to integrate an evaluation electronics in CMOS technology directly on a chip.
Um die erfindungsgemäße Auslesetechnik zu realisieren, wird die Länge L des Kanals 12 zwischen den hochdotierten Source/Drain-Gebieten 7, 8 dergestalt eingestellt, dass die Source-Kanal und Kanal-Drain p-n-Übergänge stark überlappen. Wie in Figur 2 (a) gezeigt, haben diese p-n-Übergänge eine räumliche Ausdehnung von der Größenordnung L = (esi/ εοχ dSi dox). Sie hängen folglich von der In order to realize the readout technique according to the invention, the length L of the channel 12 between the heavily doped source / drain regions 7, 8 is set such that the source channel and channel drain pn junctions strongly overlap. As shown in Figure 2 (a), these pn junctions have a spatial extent of the order L = (esi / ε οχ d S id ox ). They therefore depend on the
Membrandicke dsi und dem Abstand zwischen der Membran 3 und der Gate- Elektrode 6, nachfolgend Gateoxiddicke dox genannt, ab. Durch die Überlappung kommt es zu sogenannten Kurzkanaleffekten, die zu einer signifikanten Absenkung der den Strom bestimmenden Potentialbarriere im Kanal 12 führen. Dies ist in Figur 2 (a) schematisch dargestellt. Dies wiederum bedingt einen stark ansteigenden Membrane thickness dsi and the distance between the membrane 3 and the gate electrode 6, hereinafter called gate oxide thickness d ox , from. Due to the overlap, so-called short-channel effects occur, which lead to a significant lowering of the current-determining potential barrier in the channel 12. This is shown schematically in FIG. 2 (a). This in turn requires a strongly increasing
Drainstrom Id zwischen dem Source-Gebiet 7 und dem Drain-Gebiet 8 im Auszustand des Transistors, d.h. bei einer Spannung zwischen der Gate-Elektrode 6 und dem Source-Gebiet 7 unterhalb der Schwellenspannung, wobei der Strom in erster Näherung mit sinkendem Verhältnis zwischen der Kanallänge L und der Wurzel aus der Dicke dox des Gateoxids ansteigt, wie in Figur 2 (b) gezeigt ist. Dies bedeutet, dass bei konstanter Kanallänge L eine starke Abhängigkeit des Stromes ld von der Gateoxiddicke do besteht, d.h. von der Höhe der Kavität 9, die ohne Druck durch die vergrabene Oxidschicht gegeben ist. Durch die oben beschriebene Drain current I d between the source region 7 and the drain region 8 in the off state of the transistor, ie at a voltage between the gate electrode 6 and the source region 7 below the threshold voltage, the current in the first Approximation increases with decreasing ratio between the channel length L and the root of the thickness d ox of the gate oxide, as shown in Figure 2 (b). This means that with a constant channel length L there is a strong dependence of the current ld on the gate oxide thickness d o , ie on the height of the cavity 9, which is present without pressure through the buried oxide layer. By the above described
Herstellungsmethode lassen sich sowohl die Membrandicke dsi, die Höhe dox der Kavität 9 (gleich Oxiddicke) als auch die Kanallänge L genau definiert einstellen und somit die gewünschten Kurzkanaleffekte erzielen. Dadurch wird auch ein Manufacturing method can be both the diaphragm thickness dsi, the height d ox of the cavity 9 (equal oxide thickness) and the channel length L set exactly defined and thus achieve the desired short channel effects. This will also be one
Herunterskalieren der Drucksensoren 1 ermöglicht. Scaling down the pressure sensors 1 allows.
Figur 3 (a) zeigt schematisch die Bauelementstruktur des Drucksensors 1 und die Veränderung des Ausstromes des Drucksensors 1 ist in Figur 3 (c) veranschaulicht. Wird ein Druck p auf die Membran 3 ausgeübt, dann verringert sich die effektive Oxiddicke dox, d.h. der Luftspalt zwischen der Membran 3 und der Gate-Elektrode 6, wodurch die Kapazität CG zwischen Gate-Elektrode 6 und Leitungskanal 12 Fig. 3 (a) schematically shows the device structure of the pressure sensor 1, and the variation of the outflow of the pressure sensor 1 is illustrated in Fig. 3 (c). If a pressure p is exerted on the membrane 3, then the effective oxide thickness d ox , ie the air gap between the membrane 3 and the gate electrode 6, is reduced, as a result of which the capacitance CG between gate electrode 6 and conduction channel 12
vergrößert wird. Dies führt zu einer Verringerung der Kurzkanaleffekte und zu einer verbesserten Gatekontrolle, die wiederum bewirkt, dass die den Stromfluss zwischen Source und Drain bestimmende Potentialbarriere angehoben wird, siehe Figur 3 (b), ohne dass sich die Gate- Source-Spannung Vgs ändert, d.h. auch bei is enlarged. This leads to a reduction of the short-channel effects and to an improved gate control, which in turn causes the potential barrier determining the current flow between source and drain to be raised, see FIG. 3 (b), without the gate-source voltage V gs changing, ie also at
ausgeschaltetem Transistor Vgs < Vth, wobei Vth die Schwellenspannung des turned off transistor V gs <V th , where V th is the threshold voltage of
Transistors ist. Dadurch wird der Drainstrom durch den Transistor, auch im Transistor is. This will drain current through the transistor, even in the
Auszustand, exponentiell abgesenkt, siehe Figur 3 (c). Off state, exponentially lowered, see Figure 3 (c).
Die Veränderung des Stroms ist also eine Folge des sich verändernden The change in electricity is thus a consequence of the changing
geometrischen Verhältnisses zwischen der Gatekapazität CG und der Drain/Source- Kapazität Cos- Bei einer Vergrößerung der Gatekapazität CG wird der Einfluss von Source und Drain auf den Potential(Band)- Verlauf im Leitungskanal 12 besser "abgeschirmt" und dementsprechend folgt die Potentialbarriere eher der geometric relationship between the gate capacitance CG and the drain / source capacitance Cos- With an increase in the gate capacitance CG, the influence of source and drain on the potential (band) - course in the line channel 12 is better "shielded" and accordingly follows the potential barrier rather the
Gatespannung Vgs als der Drainspannung Vds- Gate voltage V gs as the drain voltage V ds -
Figur 3 (b) zeigt den Leitungsbandverlauf in der Silizium-Membran 3 für die Drücke p = 0 (oben) und p * 0 (unten). Exemplarisch zeigt Figur 3 (c) den Drainstrom als Funktion des Drucks für einen erfindungsgemäßen Drucksensor 1. Man erkennt deutlich die starke Abhängigkeit des Stroms vom Druck mit einem Umfang von fast 6 Größenordnungen. Durch geeignete Wahl der Dicke der Oxidschicht 4, der Dicke der ersten Siliziumschicht 2 (SOI Schicht) sowie der Breite und des Abstands der in die erste Siliziumschicht zu ätzenden Gräben 10, siehe Figur 1 (a), kann wie bereits erwähnt die Membrandicke dsi, die laterale Dimension des Drucksensors 1 und die Kanallänge L des in den Drucksensor 1 integrierten MOSFETs auf den jeweiligen Anwendungsbereich hin optimiert werden. FIG. 3 (b) shows the conduction band profile in the silicon diaphragm 3 for the pressures p = 0 (top) and p * 0 (bottom). By way of example, FIG. 3 (c) shows the drain current as a function of the pressure for a pressure sensor 1 according to the invention. The strong dependence of the current on the pressure with a circumference of almost 6 is clearly evident Orders of magnitude. By suitable choice of the thickness of the oxide layer 4, the thickness of the first silicon layer 2 (SOI layer) and the width and spacing of the trenches 10 to be etched into the first silicon layer, see FIG. 1 (a), as already mentioned, the membrane thickness dsi, the lateral dimension of the pressure sensor 1 and the channel length L of the MOSFET integrated in the pressure sensor 1 are optimized for the respective field of application.
Ein MOSFET nach dem Stand der Technik ohne Kurzkanaleffekte muss A MOSFET of the prior art without short channel effects must
demgegenüber zwingend im Anzustand betrieben werden, d.h. Vgs > Vth, damit eine sich verändernde Gatekapazität CG überhaupt einen Einfluss auf den Strom hat. Der Anstrom ist dann proportional zur Gatekapazität CG, womit sich ein sich linear ändernder Strom ergibt. Ein solcher MOSFET kann aber nicht im Auszustand betrieben werden, weil das Design keine Stromvariation im Auszustand ermöglicht. On the other hand, it is mandatory to operate in the on state, ie V gs > V th , so that a changing gate capacitance CG has any influence on the current at all. The current is then proportional to the gate capacitance CG, resulting in a linearly changing current. However, such a MOSFET can not be operated in the off state, because the design does not allow current variation in the off state.
Wird der Kanal geeignet dotiert, dann entsteht parallel zur Gatekapazität CG eine Verarmungszonenkapazität. Wird nun Druck auf die Dose ausgeübt, dann verändert sich das Verhältnis zwischen Gate- und Verarmungszonenkapazität, was zu einem sich exponentiell ändernden Ausstrom führt. Demgegenüber ist bei dem SCHONFET wie zuvor beschrieben das Verhältnis zwischen Gate- und Drainkapazität CG, CDS relevant. If the channel is suitably doped, a depletion zone capacitance is created parallel to the gate capacitance C G. Now, when pressure is applied to the can, the ratio between gate and depletion zone capacitance changes, resulting in an exponentially changing outflow. On the other hand, in the SCHONFET, as described above, the relationship between gate and drain capacitance CG, C D S is relevant.
Ein exponentiell vom Druck abhängiges Sensorsignal lässt sich auch mit einem in den Drucksensors 1 integrierten Schottky-Barrieren MOSFET, siehe Figur 4 (a) und einem Band-zu-Band Tunnel FET, siehe Figur 5 (a), erreichen. Bei dem Schottky- Barrieren MOSFET sind das Source-Gebiet 7 und das Drain-Gebiet 8 durch Metalle gebildet, wohingegen Source und Drain bei dem Band-zu-Band Tunnel FET mit unterschiedlichen lonensorten n++ und p++ hochdotiert sind. An exponentially pressure-dependent sensor signal can also be achieved with a Schottky barrier MOSFET integrated in the pressure sensor 1, see FIG. 4 (a) and a band-to-band tunnel FET, see FIG. 5 (a). In the Schottky barrier MOSFET, the source region 7 and the drain region 8 are formed by metals, whereas the source and drain are highly doped in the band-to-band tunnel FET having different ion types n ++ and p ++ .
Das Schaltverhalten eines Schottky-Barrieren MOSFETs hängt stark von der Dicke der Schottky-Barriere ab, die ihrerseits von der Dicke des Gateoxids dox abhängt, wie in Figuren 4 (a)-(c) gezeigt. Wird Druck auf den Drucksensor 1 ausgeübt, so verändert sich die Dicke der Schottky-Barriere, Figur 4 (b), was zu einem The switching behavior of a Schottky barrier MOSFET depends strongly on the thickness of the Schottky barrier, which in turn depends on the thickness of the gate oxide d ox , as shown in Figures 4 (a) - (c). If pressure is exerted on the pressure sensor 1, then the thickness of the Schottky barrier, Figure 4 (b), which changes to a
exponentiell vom Druck abhängigen Strom führt, Figur 4(c). Auch in einem Band-zu-Band Tunnel FET hängt der Strom exponentiell von der Band-zu-Band Tunnel-Barriere und damit von der Gateoxiddicke dox ab. Wie in Figur 5 (a) schematisch gezeigt, führt ein dünneres Gateoxid zu einem steileren exponentially dependent on the pressure current, Figure 4 (c). Even in a band-to-band tunnel FET, the current depends exponentially on the band-to-band tunnel barrier and thus on the gate oxide thickness d ox . As shown schematically in Figure 5 (a), a thinner gate oxide results in a steeper one
p-n-Übergang am Source-Kanal-Übergang, was zu einer dünneren Barriere und damit exponentiell angestiegenem Strom führt. Fig. 5 (a) unten zeigt, dass eine Verringerung der Oxiddicke zu einem exponentiellen Anstieg des Stroms führt. p-n junction at the source-channel junction, resulting in a thinner barrier and thus exponentially increased current. Figure 5 (a) below shows that a reduction in oxide thickness results in an exponential increase in current.
Bevorzugt werden bei dem Band-zu-Band Tunnel MOSFET sehr dünne Membranen verwendet, um einen signifikanten Tunnelstrom zu bekommen. Auch im Falle eines Schottky-Barrieren MOSFETs sollten bevorzugt dünne Membranen zum Einsatz kommen. Weiterhin wird die Empfindlichkeit eines Drucksensors basierend auf Tunneln (Schottky-Barrieren MOSFET bzw. Band-zu-Band Tunnel FET) zwar größer sein, als mit existierenden, piezo-resistiven Drucksensoren erreichbar, aber im Vergleich zu der zuvor vorgestellten SCHON-FET Technologie schlechter ausfallen. Preferably, very thin membranes are used in the band-to-band tunneling MOSFET to get a significant tunneling current. Also in the case of a Schottky barrier MOSFETs thin membranes should preferably be used. Furthermore, although the sensitivity of a pressure sensor based on tunnels (Schottky barrier MOSFET or band-to-band tunnel FET) will be greater than achievable with existing piezoresistive pressure sensors, it will be worse compared to the SCHON-FET technology presented earlier fail.
Die vorgestellte Erfindung ermöglicht die Realisierung von mikromechanischen Drucksensoren mit einem exponentiell vom Druck abhängigen Auslesesignal, so dass eine um ein Vielfaches höhere Empfindlichkeit der Druckdosen erzielt wird, als es mit dem derzeitigen Stand der Technik möglich ist. Insbesondere lässt sich durch diese große Empfindlichkeit der messbare Druckbereich eines mikromechanischen Drucksensors signifikant vergrößern, was speziell den Niedrigdruckbereich zugänglich macht. Weiterhin erlaubt die Erfindung auf Grund der im Gegensatz zu existierenden Drucksensoren viel geringeren Leistungsaufnahme den Einsatz in energieautarken Sensornetzwerken. Darüber hinaus ist die hier vorgestellte Technik vollständig CMOS-kompatibel und in Planartechnologie herstellbar. The presented invention enables the realization of micromechanical pressure sensors with an exponentially dependent on the pressure readout signal, so that a much higher sensitivity of the pressure cans is achieved than is possible with the current state of the art. In particular, due to this high sensitivity, the measurable pressure range of a micromechanical pressure sensor can be significantly increased, which makes the low pressure range accessible in particular. Furthermore, due to the much lower power consumption in contrast to existing pressure sensors, the invention allows use in energy-autonomous sensor networks. In addition, the technique presented here is completely CMOS-compatible and can be produced in planar technology.

Claims

Ansprüche claims
1. Mikromechanischer Drucksensor (1 ) mit einer in einer ersten Halbleiterschicht (2) ausgebildeten Membran (3) und einer Opferschicht (4), auf der die 1. Micromechanical pressure sensor (1) with a in a first semiconductor layer (2) formed membrane (3) and a sacrificial layer (4) on which the
Halbleiterschicht (2) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Membran (3) ein Drain-Gebiet (7) und ein Source-Gebiet (8) vorhanden ist, die sich gegenüberliegen und durch einen Leitungskanal (12) voneinander getrennt sind, und dass die Opferschicht (4) eine Isolationsschicht (4) bildet, unterhalb der eine weitere Schicht (5) mit einer Gate-Elektrode (6) liegt, die dem Leitungskanal (12) gegenüberliegt, wobei zwischen der weiteren Schicht (5) und der Membran (3) eine Kavität (9) in der Isolationsschicht (4) ausgebildet ist.  Semiconductor layer (2) is applied, characterized in that in the membrane (3) a drain region (7) and a source region (8) is present, which are opposite and separated by a duct (12), and in that the sacrificial layer (4) forms an insulating layer (4) below which there is a further layer (5) with a gate electrode (6) facing the line channel (12), between the further layer (5) and the membrane (3) a cavity (9) is formed in the insulating layer (4).
2. Mikromechanischer Drucksensor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch 2. Micromechanical pressure sensor (1) according to claim 1, characterized
gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht (2) aus einkristallinem Silizium besteht.  characterized in that the first semiconductor layer (2) consists of monocrystalline silicon.
3. Mikromechanischer Drucksensor (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 3. Micromechanical pressure sensor (1) according to claim 1 or 2, characterized
gekennzeichnet, dass die weitere Schicht (5) aus Silizium oder Metall besteht.  characterized in that the further layer (5) consists of silicon or metal.
4. Mikromechanischer Drucksensor (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (4) aus Siliziumoxid besteht. 4. Micromechanical pressure sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating layer (4) consists of silicon oxide.
5. Mikromechanischer Drucksensor (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drain-Gebiet (7) und das Source-Gebiet (8) durch gleichartig hochdotierte Bereiche in der ersten Halbleiterschicht (2) gebildet sind, wobei die Dicke (dsi) der Membran (3), ihr Abstand (dox) zur Gate-Elektrode (6) sowie die Weite (W) und Abstand (L) der dotierten Gebiete (7, 8) derart gewählt sind, dass die Kapazität zwischen der Gate-Elektrode (6) und dem Leitungskanal (12) gleich der oder kleiner als die Kapazität zwischen dem Drain-Gebiet (7) und dem Source-Gebiet (8) ist. 5. Micromechanical pressure sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the drain region (7) and the source region (8) are formed by similarly highly doped regions in the first semiconductor layer (2), wherein the thickness ( dsi) of the membrane (3), its distance (d ox ) to the gate electrode (6) and the width (W) and distance (L) of the doped regions (7, 8) are selected such that the capacitance between the gate electrode (6) and the conduction channel (12) is equal to or smaller than the capacitance between the drain region (7) and the source region (8) ,
6. Mikromechanischer Drucksensor (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Drain-Gebiet (7) und das Source- Gebiet (8) durch entgegengesetzt hochdotierte Bereiche in der ersten 6. Micromechanical pressure sensor (1) according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the drain region (7) and the source region (8) by oppositely highly doped regions in the first
Halbleiterschicht (2) gebildet sind, wobei die Dicke (dsi) der Membran (3), ihr Abstand (dox) zur Gate-Elektrode (6) sowie die Weite (W) und Abstand (L) der dotierten Gebiete (7, 8) derart gewählt sind, dass die Kapazität zwischen der Gate-Elektrode (6) und dem Leitungskanal (12) viel größer als die Kapazität zwischen dem Drain-Gebiet (7) und dem Source-Gebiet (8) ist. Semiconductor layer (2) are formed, wherein the thickness (dsi) of the membrane (3), their distance (d ox ) to the gate electrode (6) and the width (W) and distance (L) of the doped regions (7, 8 ) are selected such that the capacitance between the gate electrode (6) and the conduction channel (12) is much larger than the capacitance between the drain region (7) and the source region (8).
7. Mikromechanischer Drucksensor (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Drain-Gebiet (7) und das Source- Gebiet (8) durch Metalle gebildet sind. 7. Micromechanical pressure sensor (1) according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the drain region (7) and the source region (8) are formed by metals.
8. Mikromechanischer Drucksensor (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drain-Gebiet (7) und das Source-Gebiet (8) die Gate-Elektrode (6) jeweils überlappen. 8. Micromechanical pressure sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the drain region (7) and the source region (8), the gate electrode (6) each overlap.
9. Mikromechanischer Drucksensor (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (dSi) der 9. Micromechanical pressure sensor (1) according to one of the preceding claims 1 to 4 or 6 to 8, characterized in that the thickness (d S i) of
Membran (3) zwischen 5 und 50 nm beträgt.  Membrane (3) is between 5 and 50 nm.
10. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drucksensors (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Schritte 10. A method for producing a micromechanical pressure sensor (1) according to any one of claims 1 to 9, characterized by the steps
a. Herstellen eines Schichtaufbaus bestehend aus einer ersten  a. Producing a layer structure consisting of a first
Halbleiterschicht (2), einer Opferschicht (4) und einer weiteren Schicht (5), wobei die Opferschicht (4) eine Isolationsschicht (4) bildet und zwischen der ersten Halbleiterschicht (2) und der weiteren Schicht (5) liegt, b. Einbringen von Vertiefungen (10) in die erste Halbleiterschicht (2) derart, dass eine Vertiefung (10) zu den Seiten jeweils von einem Steg (11 ) begrenzt wird und bis zur Isolationsschicht (4) reicht, Semiconductor layer (2), a sacrificial layer (4) and a further layer (5), wherein the sacrificial layer (4) forms an insulation layer (4) and lies between the first semiconductor layer (2) and the further layer (5), b. Inserting depressions (10) into the first semiconductor layer (2) in such a way that a depression (10) is bounded to the sides by a web (11) in each case and reaches as far as the insulation layer (4),
c. Unterätzen einer Kavität (9) in die Isolationsschicht (4) derart, dass die Kavität (9) durch die erste Halbleiterschicht (2) und die weitere Schicht (5) begrenzt ist,  c. Undercutting a cavity (9) in the insulating layer (4) such that the cavity (9) by the first semiconductor layer (2) and the further layer (5) is limited,
d. Tempern der ersten Halbleiterschicht (2) zur Ausbildung einer im  d. Annealing the first semiconductor layer (2) to form an im
Wesentlichen gleichmäßig dicken Membran (3), die die Kavität (9) zu einer Seite begrenzt,  Substantially uniformly thick membrane (3) which limits the cavity (9) to one side,
e. Ausbilden einer Gate-Elektrode (6) in der weiteren Schicht (5), f. Erzeugen eines Drain- Gebiets (7) und eines Source- Gebiets (8) in der Membran (3), die sich gegenüberliegen und durch einen Leitungskanal (12) voneinander getrennt sind, der der Gate-Elektrode (6)  e. Forming a gate electrode (6) in the further layer (5), f. Generating a drain region (7) and a source region (8) in the membrane (3), which are opposite each other and separated from each other by a conduction channel (12), which is the gate electrode (6)
gegenüberliegt.  opposite.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die 11. The method according to claim 10, characterized in that the
Vertiefungen durch parallele Gräben (10) gebildet sind.  Recesses by parallel trenches (10) are formed.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schicht (5) eine zweite Siliziumschicht (5) ist, und zur Ausbildung der Gate-Elektrode (6) Ionen in die zweite Siliziumschicht (5) eingebracht werden. 12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the further layer (5) is a second silicon layer (5), and for forming the gate electrode (6) ions are introduced into the second silicon layer (5).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen 13. The method according to claim 12, characterized in that the ions
durch die Membran (3) in die zweite Siliziumschicht (5) implantiert werden.  implanted through the membrane (3) in the second silicon layer (5).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau durch Implantation von Sauerstoffionen in Silizium und anschließendem Tempern hergestellt wird. 14. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that the layer structure is prepared by implantation of oxygen ions in silicon and subsequent annealing.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau aus einem gebondeten SOI-Waver hergestellt wird. 15. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that the layer structure is made of a bonded SOI Waver.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Vertiefungen durch anisotropes Ätzen der ersten Halbleiterschicht (2) erfolgt. 16. The method according to any one of claims 8 to 12, characterized in that the introduction of the recesses by anisotropic etching of the first semiconductor layer (2).
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (9) durch isotropes Ätzen hergestellt wird. 17. The method according to any one of claims 10 to 16, characterized in that the cavity (9) is produced by isotropic etching.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (9) durch nasschemisches Ätzen oder reaktives lonenätzen hergestellt wird. 18. The method according to claim 17, characterized in that the cavity (9) is produced by wet-chemical etching or reactive ion etching.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (10) derart in die erste Halbleiterschicht (2) eingebracht sind, dass die Breite der Gräben (10) kleiner als die Breite der Stege (11 ) ist. 19. The method according to any one of claims 10 to 18, characterized in that the recesses (10) are introduced into the first semiconductor layer (2) such that the width of the trenches (10) is smaller than the width of the webs (11).
20. Verfahren zur Auslesung eines Drucksensors (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Drain-Gebiet (7) und dem Source-Gebiet (8) eine Spannung angelegt und der Strom über das Drain-Source-Gebiet (7, 8) bei einer Spannung zwischen der Gate-Elektrode (9) und dem Source-Gebiet (8) unterhalb der Schwellenspannung gemessen wird, wobei gemäß einer exponentiellen Abhängigkeit des gemessenen Stroms von dem auf den Drucksensor (1 ) ausgeübten Umgebungsdruck, dieser Umgebungsdruck bestimmt wird. 20. A method for reading a pressure sensor (1) according to any one of claims 1 to 9, characterized in that between the drain region (7) and the source region (8) applied a voltage and the current through the drain-source Area (7, 8) is measured at a voltage between the gate electrode (9) and the source region (8) below the threshold voltage, wherein according to an exponential dependence of the measured current of the pressure applied to the pressure sensor (1) ambient pressure, this ambient pressure is determined.
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