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Dokumentenidentifikation DE602004004513T2 22.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001594800
Titel VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER ELEKTRONISCHEN VORRICHTUNG UND ELEKTRONISCHE VORRICHTUNG
Anmelder Koninklijke Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder BOEZEN, Hendrik, NL-5656 AA Eindhoven, NL;
DEN HARTOG, G., Sander, NL-5656 AA Eindhoven, NL;
FRENCH, J., Patrick, NL-5656 AA Eindhoven, NL;
MAKINWA, A., Kofi, NL-5656 AA Eindhoven, NL
Vertreter Eisenführ, Speiser & Partner, 10178 Berlin
DE-Aktenzeichen 602004004513
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.02.2004
EP-Aktenzeichen 047096730
WO-Anmeldetag 10.02.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/IB2004/050094
WO-Veröffentlichungsnummer 2004071943
WO-Veröffentlichungsdatum 26.08.2004
EP-Offenlegungsdatum 16.11.2005
EP date of grant 24.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse B81C 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01P 15/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Einrichtung, das folgende Schritte umfasst:

  • – Versehen einer Scheibe mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite mit ersten und zweiten Halbleiterschichten mit mindestens einer Schicht isolierenden Materials dazwischen, wobei auf dieser ersten Seite eine Halbleiterschaltung mit Halbleiterelementen, die in der ersten Halbleiterschicht definiert sind, geschaffen wird, und
  • – Bilden einer „mikroelektromechanisches System"-Einrichtung (MEMS-Einrichtung) mit einer beweglichen Elektrode und einer Referenzelektrode in der genannten Scheibe durch Ätzen von Gräben gemäß einem gewünschten Muster, die sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene in einer Scheibe erstrecken, und Lösen der beweglichen Elektrode dadurch, dass die Gräben sich bis zu der Schicht des isolierenden Materials erstrecken, das selektiv entfernt wird.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine elektronische Einrichtung, die ein Substrat mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite mit ersten und zweiten Halbleiterschichten mit mindestens einer Schicht isolierenden Materials dazwischen, wobei auf dieser ersten Seite eine Halbleiterschaltung mit Halbleiterelementen, die in der ersten Halbleiterschicht definiert sind, vorhanden ist, umfasst und die weiter eine „mikroelektromechanisches System"-Einrichtung (MEMS-Einrichtung) umfasst, wobei die genannte MEMS-Einrichtung eine Referenzelektrode und eine bewegliche Elektrode hat, die genannte MEMS-Einrichtung elektrisch an die genannte Halbleiterschaltung gekoppelt ist, die genannte isolierende Schicht lokal entfernt worden ist, um der beweglichen Elektrode zu erlauben, beweglich zu sein,

Ein solches Verfahren und eine solche Einrichtung sind zum Beispiel aus US Patent 6.232.140 bekannt. Dieses Patent offenbart einen integrierten kapazitiven Beschleunigungs-Sensor, der einen Halbleiterkörper enthält, der eine bewegliche Elektrode definiert, die sich gegenüber mindestens einer Referenzelektrode befindet. Die Referenzelektrode ist üblicherweise fest. Die Halbleiteranordnung wird in der ersten Halbleiterschicht aus monokristallinem Silizium definiert. Die MEMS-Einrichtung wird auch in dieser ersten Halbleiterschicht gebildet. Durch Ätzen von Gräben in diese Schicht werden die Elektroden definiert. Gleichzeitig wird die bewegliche Elektrode freigegeben, indem die isolierende Schicht der Scheibe einen Luftspalt an der Fläche der beweglichen Elektrode enthält. Die bewegliche Elektrode wird so beweglich gemacht, ist aber trotzdem mechanisch mit anderen Teilen der MEMS-Einrichtung verbunden. Sie ist außerdem in bestimmten Richtungen beweglich. US Patent 5.408.112 zeigt einen weiteren Stress-Sensor.

Die zweite Halbleiterschicht wird hierin für Handhabungszwecke und als Teil des Gehäuses für den Sensor verwendet. Der Beschleunigungs-Sensor ist so in einer monokristallinen Siliziumschicht gebildet, die einen Teil eines dedizierten SOI-Substrats bildet, in dem die Gräben von der ersten Seite der Scheibe gebildet werden. Die resultieren Elektroden der Kapazitäten befinden sich einander so gegenüber, dass die Oberflächen einen Normalwinkel mit der Substratoberfläche einschließen.

Es ist ein Nachteil der bekannten Einrichtung, dass die Einrichtung im Vergleich mit einer anderen bekannten Lösung, in der der Sensor und die Halbleiteranordnung separat hergestellt und dann zusammengebaut werden, nicht kostengünstig ist. Diese hohen Kosten resultieren in der hohen Anzahl zusätzlicher Maskierungsschritte (verglichen mit der Zwei-Chip-Lösung) und der begrenzten Ausbeute. In einem kombinierten Einzelchip ist die Fläche normalerweise größer, also ist die Ausbeute niedriger. Die Ein-Chip-Lösung hat jedoch den Nachteil einer relativ kleinen parasitären Kapazität verglichen mit der relativ großen parasitären Kapazität von den Bondpads und den Chip-zu-Chip-Bonddrähten in dem Zwei-Chip-System. Die relativ kleinen Kapazitätsvariationen aufgrund von Beschleunigung sind in der Anwesenheit dieser großen parasitären Kapazität schwer zu detektieren.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die kostengünstig ist und in Einrichtungen mit relativ kleinen parasitären Kapazitäten resultiert.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem die genannte MEMS-Einrichtung in der genannten zweiten Halbleiterschicht gebildet wird, indem Gräben von der zweiten Seite der Scheibe nach unten bis zur Schicht isolierenden Materials geätzt werden.

Durch die Bereitstellung der MEMS-Einrichtung in der zweiten Halbleiterschicht können die Gräben von der zweiten Seite der Scheibe hergestellt werden. Als eine Konsequenz können das MEMS und die Halbleiterschaltung an demselben lateralen Teil der Scheibe vorhanden sein. Dies ermöglicht, dass die Anzahl elektronischer Einrichtungen pro Scheibe maximiert werden kann. Als ein Ergebnis wird die Aufgabe der Erfindung gelöst.

Es sei bemerkt, dass die am häufigsten verwendete Technik zur Bildung voll integrierter Beschleunigungsmesser Mikrobearbeitung ist, wo das sensitive Element beispielsweise aus polykristallinem Silizium gebildet wird und Hängekonstruktionen durch Deposition und anschließendem Entfernen von Opferschichten gebildet werden. Bei Benutzung von Mikrobearbeitung wird das MEMS in eine relativ dicke (2-10 &mgr;m), auf dem Chip deponierte Polysiliziumschicht geätzt. Dies erfordert spezielle (d.h. teure) Hohlraumgehäuse, um sicherzustellen, dass die Masse sich noch bewegen kann, oder Montage auf Scheibenebene, wo eine zweite Scheibe oben auf die erste Scheibe geklebt wird. Diese zweite Scheibe hat Hohlräume, wo sich die MEMS-Struktur befindet, und benötigt durchgeätzte Löcher, um Kontakt zu den Bondpads der ersten Scheibe herzustellen. Es wird klar sein, dass diese Technik keine kostengünstige Lösung bereitstellt und viele zusätzliche Maskenschritte erfordert. Auch wird ein spezielles und so teures Gehäuse erforderlich und die Kombination mit fortschrittlichen Halbleiterprozessen für die Herstellung der Halbleiterschaltung kann Probleme verursachen.

Es ist ein Vorteil, dass die erste Halbleiterschicht designt werden kann, relativ dünn zu sein, mindestens viel dünner als in dem Fall, dass die MEMS-Einrichtung darin definiert wird. Die ist besonders kostengünstig in dem Fall, dass diese erste Halbleiterschicht epitaktisch gewachsen wird. Die Bereitstellung einer Gehäuseschicht ist in diesem Fall nicht problematisch, da sie auf Scheibenebene bereitgestellt werden kann. Die Gehäuseschicht kann mit Klebstoff an der Scheibe befestigt werden. Wenn aber ein total hermetisches Gehäuse gewünscht wird, scheint die Verwendung von Lot besser.

Es ist ein zweiter Vorteil, dass die Abmessungen einer Struktur um einige Mikron größer gemacht werden können im Gegensatz zu einer Zunahme in dem Sub-Mikron-Bereich, und als Konsequenz die Ausbeute erhöht wird, da es weniger Killer-Defekte gibt.

Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Elektroden der MEMS-Einrichtung eine viel größere Oberfläche haben können. Dies hat den Vorteil, im Vergleich zu der Bereitstellung der MEMS-Einrichtung in der ersten Halbleiterschicht, dass große Variationen in Kapazität beim Verwenden nur einer plattenähnlichen Elektrode erreicht werden können. Ein anderer zusammenhängender Vorteil, besonders wenn die MEMS-Einrichtung als Sensor verwendet wird, ist, dass die Empfindlichkeit des Sensors aufgrund der größeren Masse der beweglichen Elektrode erhöht worden ist. Die Dicke der zweiten Halbleiterschicht, und so die Oberfläche der Elektroden, können durch Festlegen der Dicke dieser zweiten Siliziumschicht eingestellt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltung elektrisch leitende Kontakte, die sich durch die isolierende Schicht erstrecken, wobei sie Kopplung der Referenzelektrode zu der Schaltung ermöglichen, und die Scheibe wird an ihrer zweiten Seite mit einer Gehäuseschicht versehen, wobei dabei die MEMS-Einrichtung verkapselt wird. Mit dieser Ausführungsform darf die MEMS-Einrichtung effektiv in der zweiten Halbleiterschicht gemacht werden. Sie stellt außerdem sicher, dass der Abstand zwischen der MEMS-Einrichtung und der Halbleiterschaltung sehr kurz ist. Der Abstand, und speziell der Widerstand des Pfades zwischen Elektrode und Schaltung ist wichtig, um den Störabstand so niedrig wie möglich zu halten. So wird durch Kürzermachen des Abstands die Empfindlichkeit der MEMS-Einrichtung erhöht oder kann erhöht werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter den Schritt des Ätzens eines Hohlraums in die zweite Halbleiterschicht, wobei der Hohlraum am Ort der Fläche der beweglichen Elektrode liegt. Durch selektives Verdünnen der beweglichen Elektrode ist es möglich, ein planares Gehäuse zu verwenden und es direkt mit der zweiten Seite der Scheibe zu verbinden. Alternativ kann das Gehäuse mit einem Hohlraum versehen werden. Wenn beispielsweise die Gehäuseschicht eine Glasplatte ist, kann dies durch Ätzen oder durch Pulverstrahlen des Hohlraums leicht erreicht werden.

In einer anderen Ausführungsform enthält das selektive Entfernen der isolierenden Schicht den Schritt des selektiven Unterätzens, in dem die Schicht einem Ätzmittel ausgesetzt wird, das von der zweiten Seite der Scheibe durch die Gräben bereitgestellt wird. Die Verwendung von Unterätzen stellt sich als ein machbarer Prozess zum selektiven Entfernen der isolierenden Schicht heraus. Es hat den Vorteil gegenüber der Verwendung einer Scheibe, die einen Luftspalt enthält, dass Standard-SOI-Scheiben verwendet werden können.

Es wird bevorzugt, für das Ätzen der Gräben und das Unterätzen einen Trockenätzprozess zu verwenden. Der Vorteil davon ist, dass das Ätzmittel leicht wieder aufgefrischt werden kann. Außerdem ist das Risiko des Haftens der beweglichen Elektrode an der Referenzelektrode als Konsequenz von kapillaren Aktionen von Flüssigkeit, die in den Gräben zurückgelassen wurde, vermieden. Um isotropes Ätzen zu erlauben, wird vorteilhaft von einem Nitrid für die isolierende Schicht Gebrauch gemacht und davon, dass eine Fluor-Chemie für den Trockenätzprozess verwendet wird.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Halbleiterschaltung inklusive der Kontakte durch eine Sequenz von Schritten vor dem Bereitstellen der Gräben geschaffen. Obwohl es möglich ist, dass die Herstellung der Halbleiterschaltung durch ein anderes Unternehmen als den Hersteller der MEMS-Einrichtung gemacht wird, scheint es passend, dass beide in derselben Fabrik oder durch ein Unternehmen hergestellt werden. Dieses reduziert die Produktionskette und so Herstellungskosten. In einer Modifikation hiervon ist selektives Entfernen der isolierenden Schicht Teil des Prozesses an der ersten Seite der Scheibe. Löcher müssen in der isolierenden Schicht sowieso für die elektrisch leitenden Kontakte erstellt werden. In demselben Schritt erstellte zusätzliche Löcher ermöglichen es, die isolierende Schicht selektiv wegzuätzen. Die Löcher können klein gemacht werden, um so die Stabilität der ersten Halbleiterschicht aufrecht zu erhalten. Außerdem kann Material auf die erste Seite der Scheibe aufgebracht werden, um diese Löcher zu schließen und das Gehäuse die MEMS-Einrichtung hermetisch zu machen.

Wenn aber die Herstellung der MEMS-Einrichtung und das Verpacken durch ein Montagehaus oder ähnliches durchgeführt wird, erscheint es passend, dass eine Maske zur Definition der Gräben schon vor dem Transfer der Scheiben zu einem solchen Haus aufgebracht wird. Lithografieschritte sind normalerweise in einem solchen Montagehaus unerwünscht. Durch das Aufbringen der Ätzmaske sind die einzigen Schritte Ätzen, Verpacken und Separieren.

Um die erste Seite der Scheibe zu schützen, kann eine temporäre Handhabungsscheibe daran angebracht werden. Eine solche Scheibe kann eine Glasscheibe sein, die die Verwendung eines UV-lösbaren Klebers erlaubt. Alternativ kann eine Beschichtung im Scheibenmaßstab an der ersten Seite angewendet werden, die jegliche Bondpads auf der ersten Seite offen lässt. Passende Schichten für solche Schutzschichten schließen Passivierungsschichten, Keramikschichten und organische Schichten ein. Besonders Keramikschichten werden bevorzugt. Diese können mit Sol-Gel ähnlichen Prozessen aufgebracht und sehr steif sein, um Beschädigungen zu verhindern. Ein Beispiel hiervon ist ein auf Mono-Aluminiumphophat (MAP) basierendes System.

Die zweite Halbleiterschicht kann aus jeder Art von Halbleitermaterial sein, inklusive monokristallinem und polykristallinem Silizium. Die Qualität dieses Materials muss nicht sehr hoch sein. Wenn die Leitfähigkeit nicht ausreichend ist, können die Gräben mit einer Schicht elektrisch leitfähigen Materials beschichtet werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird in demselben Schritt wie dem, wo das Ätzen der Gräben stattfindet, eine ringförmige Struktur von der zweiten Seite geätzt. Diese Struktur ist um die genannte MEMS-Einrichtung herum definiert, ist an Kontakte durch die isolierende Schicht angeschlossen ist und ist in der Lage, als eine Abschirmung zu fungieren. Eine solche Abschirmung kann verhindern, dass die MEMS-Einrichtung und/oder die gelieferten Signale elektrisch von außen gestört werden. Da besonders in Sensoren die zu messenden Änderungen in der Kapazität sehr klein sein können, können jegliche Störungen Anlass zu ungewünschten Irrtümern geben. Die ringförmige Struktur kann zum Beispiel die MEMS-Einrichtung und/oder die Signale zu den Detektionsschaltkreisen von treibenden Signalen für den Sensor bei relativ hohen Spannungen abschirmen. Die ringförmige Struktur kann elektrisch in der Schaltung in und oben auf der ersten Halbleiterschicht auf effektivste und gewünschte Art angeschlossen werden.

Es ist weiter eine Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Einrichtung der eingangs erwähnten Art mit einer sehr kleinen parasitären Kapazität zu schaffen, die kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem die MEMS-Einrichtung in der zweiten Halbleiterschicht definiert wird. Die Einrichtung hat die Vorteile, wie sie oben mit Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden. Zusätzlich dazu kann die Dichte der digitalen Schaltungen erhöht werden. Dies ist besonders vorteilhaft im Vergleich mit konventionellen Kombinationen von Detektionsschaltungen und Sensoren, in denen der Sensor auf derselben Seite der Scheibe wie die Detektionsschaltung und in derselben Polysiliziumschicht geschaffen werden, weil eine solche Siliziumschicht bei hohen Temperaturen nach der Definition der digitalen Schaltungen deponiert werden muss. Dies limitiert die Dichte (und die Auflösung) der in der digitalen Schaltung verwendeten Transistoren. Dabei reduziert es auch die Geschwindigkeit der digitalen Schaltung.

In einer ersten Ausführungsform sind elektrisch leitende Kontakte vorhanden, die sich durch die isolierende Schicht erstrecken, um die MEMS-Einrichtung an die Halbleiterschaltung zu koppeln, und an der zweiten Seite des Substrats ist eine Gehäuseschicht vorhanden, die dabei die MEMS-Einrichtung verkapselt. Diese Konstruktion erlaubt die Verwendung einer Verpackung im Scheibenmaßstab. Dies reduziert die Größe der elektronischen Einrichtung und es schützt die MEMS-Einrichtung von einer frühen Stufe in dem Herstellungsprozess. Außerdem ist eine solche Verpackungslösung sehr kostengünstig.

In einer bevorzugten Ausführungsform gibt es in senkrechter Projektion der Halbleiterschaltung auf die zweite Halbleiterschicht eine beträchtliche Überlappung mit der MEMS-Einrichtung. Auf diese Weise wird aufgrund der adäquaten Miniaturisierung und den sehr geringen Verpackungskosten eine sehr kostengünstige Einrichtung erzielt.

In einer weiteren Ausführungsform ist die MEMS-Einrichtung designt, als Sensor zu fungieren und ist in der Lage, ein elektrisches Ausgangssignal zu liefern, wobei die genannte Halbleiterschaltung Schaltungsmittel zum Detektieren des genannten elektrischen Ausgangssignals umfasst. Die Einrichtung der Erfindung ist für diese Ausführungsform besonders geeignet.

MEMS-Einrichtungen werden weithin in vielen Applikationen verwendet. Die Vorteile enthalten niedrige Kosten, einen hohen Grad an Leistung und Zuverlässigkeit, besseren Störabstand, Integration mit Speicherschaltungen zur Bildung intelligenter Sensoren und Online-Selbsttestsysteme und größere Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit. Wichtige Applikationen enthalten Beschleunigungsmesser und Drucksensoren zur Verwendung in der Automobilindustrie für Airbags, ABS, aktives Fahrwerk, Motorsteuerung und ASR (Anti Schlupf Regelung). Die meistens Systeme nach dem Stand der Technik basieren auf einer kleinen Masse, die durch Federn gehalten wird. Die Masse und Federn werden in Silizium oder Polysilizium geätzt. Der sich bewegende Teil bildet mit einem statischen Teil einen Kondensator. Wenn das System Beschleunigung erfährt, können kleine Kapazitätsvariationen durch eine Ausleseschaltung detektiert werden. In einer spezifischen Anordnung induziert Beschleunigung Verdrängung einer seismischen Masse, die die bewegliche Elektrode eines einzelnen Kondensators bildet (absolute Variation in Kapazitäten). In einer alternativen Anordnung induziert Beschleunigung Verdrängung einer zu zwei elektrisch verbundenen Kondensatoren gemeinsamen Elektrode, um zwei Kapazitäten in entgegengesetzter Richtung zu variieren (differenzielle Variation in Kapazitäten).

Das Subsystem ist, in einer spezifischen Ausführungsform, ein integrierter Beschleunigungsmesser. Es kann mithilfe nur eines zusätzlichen Maskierungsschritts gemacht werden (bezogen auf existierende Zwei-Chip-Lösungen) und ist durch eine hohe Empfindlichkeit und niedrigen Verpackungskosten gekennzeichnet. Dies ist besonders wichtig für einen Airbag-Sicherheitssensor-Bus. Ein Sensor-Bus wurde von Philips für Safe By Wire (SBW) entwickelt. Dies ist ein Protokoll für Sicherheitssensoren und Airbag-Zündkapseln zur Verwendung in Automobilen. Zurzeit werden verschiedene Aufprallsensoren verwendet, um Zusammenstoßinformation an eine zentrale Steuerungseinheit zu senden. Diese zentrale Steuerungseinheit verwendet die Beschleunigungsinformation, um zu berechnen, welche Airbags eingesetzt werden sollten und zu welcher Zeit, um den Schutz der Insassen in dem Auto in dem Fall eines Zusammenstoßes zu maximieren. Langsame Sensoren (Insassendetektion, Kindersitzfeststellung, Anschnallschalter) können auch über SBW gemultiplext werden, genauso gut wie aktive reversible Gurtvorspanner.

Es ist ein weiterer Vorteil, wenn der Beschleunigungsmesser zusammen mit den Signalverarbeitungsschaltungen und dem SBW-Protokollcontroller und Transceiver integriert werden kann. Der zurzeit verfügbare SBW-Sensorknoten ist in der ABCD3-Prozesstechnologie gemacht. Dies ist ein Silizium-auf-Isolator-(SOI)Prozess, der die Integration von Hochvolt-DMOS-Transistoren mit recht dichten CMOS-Digitalschaltungen erlaubt.

In einer weiteren Ausführungsform wird, um den Sensor und die Detektionsschaltung gegen Hochfrequenzstrahlung von dem Bus zu schützen, es vorgezogen, eine ringförmige Schutzzone um den Detektor zu schaffen. Diese ringförmige Zone sollte mit Kontakten versehen werden, die ermöglichen, einen Strom oder eine Spannung daran anzulegen. Vorzugsweise ist die Zone leicht höher dotiert. Es könnte sogar sein, dass die Seitenwände der Zone mit einer elektrisch leitenden Schicht, beispielsweise Polysilizium oder ein Metall, bedeckt sind. Lösungen mit Partikeln (dispergiert oder als Sol-Gel-System) sind an sich bekannt.

Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus, und erläutert mit Bezug auf, die hiernach beschriebene Ausführungsform deutlich. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur als Beispiel mit Bezug auf die zugehörige Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

1A-1E schematische Querschnittansichten, die die Prozessschritte illustrieren, die in einem Verfahren gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beteiligt sind;

2 eine schematische Draufsicht einer elektronischen Einrichtung gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

3 ein Blockdiagramm, das den Prozessablauf eines Verfahrens gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.

Wie oben erklärt, werden Beschleunigungssensoren weithin in der Automobilindustrie verwendet und in der letzten Zeit wurden unter Verwendung von Mikroelektroniktechnologie hergestellte elektromechanische Siliziumstrukturen angesichts der zahlreichen im Vergleich zu traditionellen mikroskopischen mechanischen Trägheitsschaltern dadurch gebotenen Vorteile für die Verwendung als Beschleunigungssensoren vorgeschlagen.

Mit Bezug auf 1 und 3 der Zeichnung, gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung: Mithilfe eines dem Fachmann bekannten Prozesses wird eine Verbund-SOI-Scheibe 10 bereitgestellt, wobei die Scheibe 10 eine zweite Halbleiterschicht 12 hat, in diesem Fall aus Grundsilizium. Diese Schicht wird auch als die Handhabungsscheibe bezeichnet. Die SOI-Scheibe umfasst eine vergrabene Zwischenoxidschicht 14 und eine erste Halbleiterschicht 16 an ihrer ersten Seite (1A). Kontakte zur Handhabungsscheibe 18 sind für die Bereitstellung eines gut definierten Potenzials an der Handhabungsscheibe 12 geschaffen. Die Scheibe 10 wird zuerst von der zweiten Seite verdünnt und poliert (Schritt 100). Wenn nötig, kann zusätzliche Unterstützung durch eine transparente Unterstützungsscheibe, die lösbar auf die erste Seite der Scheibe 10 mithilfe beispielsweise eines UV-Klebers aufgebracht wird, gegeben werden.

Ein einzelner Maskierungsschritt 102 wird eingesetzt, um einen schmalen Hohlraum 20 auf der zweiten Seite der Scheibe 10 (in der Halbleiterschicht 12) zu ätzen, wobei der Hohlraum da ist, wo die Prüfmasse sein wird (1B).

Ein weiterer einzelner Maskierungsschritt 102 wird ausgeführt, um tiefe Gräben 22 von der zweiten Seite der Scheibe 10 nach unten bis zu der vergrabenen Oxidschicht 14 zu ätzen. Prozesse für das Ätzen von vertikalen Gräben sind Fachleuten bekannt, wie z.B. das in F. Roozeboom, R.J.G. Elfrink, Th.G.S.M. Rijks, J.F.C.M. Verhoeven, A. Kemmeren und J.E.A.M. van den Meerakker, „High-Density, Low Loss Capacitors for Integrated RF Decoupling", Int. J. Microcircuits and Electronic Packaging, 24(3)(2001) S. 182-165 beschriebene. In diesem Dokument werden zwei unterschiedliche Arten der Ätztechniken beschrieben: Nassätzen und Trockenätzen. Nassätzen ist eine anisotrope Ätztechnik, die auf anodischer Vorzugsauflösung von n-Typ Si in wässriger HF in den Ätzgrübchengebieten, wo die Löcher aufgrund des vergrößerten elektrischen Feldes in der Raumladungszone effektiver gesammelt werden, basiert. Wenn der Raten-bestimmende Schritt für Auflösung durch die Anzahl von Löchern gesteuert wird, die durch Weißlichtbeleuchtung der Scheibenrückseite erzeugt werden, werden die Porenwände von den Minoritätsträgern (Löchern) verarmt und so passiviert.

Ein alternativer Prozess, Trockenätzen, ist Reaktives Ionenätzen (RIE), wo auf eine Zeitmultiplexweise die Poren durch abwechselndes Einführen von SF6/O2- und C4F8-Gas in ein Plasma anisotrop geätzt werden. Das erste Gas ätzt die Pore und das letztere bildet eine Passivierungsschicht an den Porenwänden.

Wie in 1D illustriert, beinhaltet der Ätzschritt 104 selektives Ätzen der Oxidschicht 14. Dies gibt die Prüfmasse 23, die sich bewegenden Kondensatorplatten 24 und die Federn 26 frei (siehe 2).

Abschließend wird eine Gehäuseschicht 28 auf die zweite Seite der Scheibe geklebt (Schritt 106), die größere Stabilität und hermetisches Abdichten der MEMS-Einrichtung schafft.

Dementsprechend, mit Bezug auf 2 der Zeichnung, wird eine elektronische Einrichtung gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt, die einen Siliziumchip 200, in den der Graben geätzt ist, eine Prüfmasse 23 (in die Löcher 29 eingebracht sind, um Ätzen des vergrabenen Oxids zu erlauben), Federn 26 und sich bewegenden Kondensatorplatte 24 (mit Ankerpunkten 30) umfasst, wobei die Federn 26 auf einer Seite mit den Ankerpunkten 30 und auf der anderen Seite mit der Prüfmasse 23 verbunden sind und die sich bewegenden Kondensatorplatten 24 an der Prüfmasse 23 und festen oder Referenzkondensatorplatten (mit Anker- und elektrischen Kontakt-Punkten 32) befestigt sind.

Das Prinzip des Abfühlens in der oben beschriebenen Ausführungsform ist kapazitiv: der bewegliche Teil ist mit einer oder mehreren Elektroden versehen. Bewegung des Teils in eine bestimmte Richtung resultiert in einer Verlagerung der Elektroden. Die Verlagerung bringt die Elektroden näher an eine der abfühlenden Elektroden und weiter weg von der anderen abfühlenden Elektroden. Die resultierenden Kapazitätsunterschiede und/oder ihre Änderungen in der Zeit werden gemessen.

Die Schaltkreise auf der Vorderseite umfassen vor allem die Detektionsschaltkreise für den Sensor. Zusätzlich dazu können andere Funktionen vorhanden sein. Besonders bezieht es sich auf ein Bussystem, das durch einen Zwei-Draht-Bus gekennzeichnet ist. Die Spannungsversorgung wird von diesem Bus abgenommen und dann transformiert und verwendet, den Sensor und die Detektionsschaltung zu treiben. Um dies gemäß dieser exemplarischen Ausführungsform zu realisieren, sind sowohl Hochvolt-DMOS wie auch digitale Niedervolt-CMOS-Transistoren auf der Vorderseite vorhanden.

Man wird in Bezug auf die oben beschriebene exemplarische Ausführungsform verstehen, dass die Bereitstellung des Sensors an der zweiten Halbleiterschicht tatsächlich dadurch realisiert ist, dass Kontakte vorhanden sind, um die Struktur in der zweiten Halbleiterschicht von der ersten Seite der Scheibe zu kontaktieren. Diese Kontakte sind an sich bekannt und auch in dem bekannten Prozess für die Bereitstellung eines gut definierten Potenzials an der Handhabungsscheibe implementiert. Wie von einem Fachmann verstanden werden wird, wird die Handhabungsscheibe durch Herstellung eines definierten Lochs in der vergrabenen Oxidschicht, durch das ein ohmscher Kontakt gebildet wird, kontaktiert.

Zuerst wird ein Loch in die obere Siliziumschicht geätzt, wobei das meiste des Siliziums entfernt wird. Dies kann entweder durch Nassätzen oder Trockenätzen gemacht werden. In beiden Fällen wird das restliche Silizium oxidiert, bis das vergrabene Oxid erreicht wird. Danach können das thermisch gewachsene Siliziumoxid und die vergrabene Oxidschicht nacheinander in einer einzigen Nassätzoperation geätzt werden.

Die in 2 gezeigte Struktur zeigt sieben Säulen. Die Säulen, zu denen die Kontakte geschaffen werden, sind die Sensorelektroden. Wie in 2 gesehen werden kann, sind diese Säulen mehr oder weniger L-förmig. Die Säule in der Mitte ist der bewegliche Teil des Sensors. Seine Form wird aus 2 offensichtlicher. Die Teile 30 darin sind die Stützen, die Teile 26 sind Feder-ähnliche Strukturen. Die anderen 4 Säulen sind Teil der Handhabungsscheibe, die den Sensor umgibt.

Es wird von einem Fachmann verstanden werden, dass die bewegliche Elektrode aufgrund der größeren Dicke der Handhabungsscheibe als eine einzelne Platte ausgeführt werden kann, während nach dem Stand der Technik dies im Allgemeinen eine Kammstruktur ist. Aber es ist nicht beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht beschränkt ist.

Die zum Abdecken verwendete Gehäuseschicht kann jeden Körper umfassen, der auf der zweiten Seite der Scheibe aufgebracht werden kann. Beispiele enthalten Glasplatten, Polymerplatten und Halbleiterscheiben. Im Fall von Halbleiterscheiben kann ein Oxid benötigt werden, um elektrische Isolation zwischen den einzelnen Kontaktflächen zu schaffen. Die dritte Scheibe kann mittels eines passenden Klebers an der Handhabungsscheibe befestigt werden.

Um die Leitfähigkeit der Kondensatorplatten zu verbessern, können diese mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet werden.

Um den Sensor und die Detektionsschaltung gegen Hochfrequenzstrahlung von dem Bus zu schützen, wird bevorzugt, eine ringförmige Schutzzone um den Sensor zu schaffen. Diese ringförmige Zone sollte mit Kontakten versehen werden, sodass ein Strom oder eine Spannung daran angelegt werden können. Vorzugsweise ist die Zone leicht mehr dotiert. Es kann sogar sein, dass die Seitenwände dieser Zone mit einer elektrisch leitenden Schicht, zum Beispiel Polysilizium oder ein Metall, bedeckt sind. Lösungen mit Metallpartikeln (dispergiert oder als SOL-Gel-System) werden einem Fachmann deutlich sein.

Obwohl es bevorzugt wird, die MEMS-Strukturen nach der Fertigstellung der integrierten Schaltung zu schaffen, ist auch die umgekehrte Reihenfolge (d.h. zuerst das Machen des MEMS, dann der integrierten Schaltung) vorstellbar.

Es wird auch verstanden werden, dass das Substrat im Allgemeinen nicht schwer dotiert ist, sondern der Sensorteil davon natürlich schwerer dotiert sein kann, um die Leitfähigkeit des Materials zu verbessern.

Das Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung sind integrierte Crash-Sensoren für Safe By Wire (Airbag-Sensor-Bussystem). Aber natürlich kann die beschriebene Technik auf andere MEMS-Einrichtungen genauso gut angewendet werden, zum Beispiel Drucksensoren.

Zwei signifikante Vorteile der oben beschriebenen Anordnungen sind die relativ niedrige Maskenzahl und vereinfachte Verpackung auf Scheibenniveau. Beide resultieren in beachtlich niedrigeren Kosten als existierende Lösungen. Dies wird durch das Herstellen des Beschleunigungssensors in der Handhabungsscheibe (vergleichbar zu Volumen-MEMS) realisiert. Dies wird durch Ätzen sehr tiefer Gräben von der Rückseite der Scheibe, bis das vergrabene Oxid erreicht ist getan. Das vergrabene Oxid wird geätzt, um die Prüfmasse freizugeben. Es ist das vergrabene Oxid, das als die Opferschicht verwendet wird. Die existierenden Kontakte zur Handhabungsscheibe schaffen die elektrische Verbindung.

Da die Scheibe relativ dick (100-200 &mgr;m) ist, können große Kapazitätsvariationen mit nur einer einzelnen Platte (im Vergleich zu der viel dünneren Polysiliziumschicht, die in Oberflächen-MEMS verwendet wird) erreicht werden. Auch die Prüfmasse ist größer, was die Empfindlichkeit erhöht.

Der sich bewegende Teil ist von der Oberseite nicht freigelegt. Die meisten Metall- und dielektrischen Schichten des Ende des Prozesses können auf die MEMS-Struktur aufgebracht werden, um Steifigkeit zu verbessern. Um die Unterseite der Struktur abzudichten, kann entweder eine Scheibe mit vorher festgelegten Hohlräumen aufgeklebt werden, oder die Hohlräume können vor dem Grabenätzen geätzt werden. In dem letzteren Fall kann eine flache Scheibe zum Abdichten verwendet werden. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass nichts Spezielles getan werden muss, um elektrischen Kontakt für Bonddrähte zu schaffen.

Es sei bemerkt, dass die oben erwähnte Ausführungsform die Erfindung eher illustriert als 'beschränkt, und dass Fachleute fähig sein werden, viele alternative Ausführungsformen zu designen, ohne von dem Rahmen der Erfindung, wie sie in den angehängten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. In den Ansprüchen sollten jegliche in Klammern gesetzte Bezugszeichen nicht als die Erfindung beschränkend gedeutet werden. Die Verwendung des Wortes "umfassen" schließt das Vorhandensein von anderen als in den Ansprüchen oder der Spezifikation als ganzes erwähnten Elementen oder Schritten nicht aus. Die Verwendung des Wortes "ein" oder "eine" vor einem Element schließt das Vorhandensein einer Vielzahl (mehrerer) derartiger Elemente und umgekehrt nicht aus. Die Erfindung kann mithilfe von Hardware mit mehreren verschiedenen Elementen und mithilfe eines passend programmierten Computers implementiert werden. In einem Einrichtungsanspruch, der mehrere Mittel aufzählt, kann eine Anzahl dieser Mittel durch ein und dasselbe Stück Hardware ausgeführt sein. Die reine Tatsache, dass spezielle Maßnahmen in gegenseitig unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen aufgezählt werden, zeigt nicht an, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft verwendet werden kann.

Text in der Zeichnung: Fig. 3:

  • thinning and polishing – Verdünnen und Polieren
  • single masking step – Einzelmaskierungsschritt
  • further single masking step – weiterer Einzelmaskierungsschritt
  • etching – Ätzen
  • bonding – Bonden


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Einrichtung, das Folgendes umfasst:

– Versehen einer Scheibe (10) mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite mit ersten und zweiten Halbleiterschichten (12, 16) mit mindestens einer Schicht isolierenden Materials (14) dazwischen, wobei auf dieser ersten Seite eine Halbleiterschaltung mit Halbleiterelementen, die in der ersten Halbleiterschicht definiert sind, geschaffen wird;

– Bilden einer „mikroelektromechanisches System"-Einrichtung (MEMS-Einrichtung) mit einer beweglichen Elektrode und einer Referenzelektrode in der genannten Scheibe durch Ätzen von Gräben gemäß einem gewünschten Muster, die sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene in einer Scheibe erstrecken, und Lösen der beweglichen Elektrode dadurch, dass die Gräben sich bis zu der Schicht isolierenden Materials erstrecken, das selektiv entfernt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass die genannte MEMS-Einrichtung in der genannten zweiten Halbleiterschicht (12) dadurch gebildet wird, dass die Gräben von der zweiten Seite der Scheibe nach unten bis zu der Schicht isolierenden Materials geätzt werden, und dass die Schaltung elektrisch leitende Kontakte umfasst, die sich durch die isolierende Schicht (14) erstrecken, wobei sie Kopplung der Referenzelektrode zu der Schaltung ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Scheibe an ihrer zweiten Seite mit einer Gehäuseschicht versehen wird, wobei dabei die MEMS-Einrichtung verkapselt wird. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den Schritt des Ätzens eines Hohlraums in die zweite Halbleiterschicht umfasst, wobei der Hohlraum am Ort der Fläche der beweglichen Elektrode liegt. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das selektive Entfernen den Schritt (104) des selektiven Unterätzens umfasst, in dem die Schicht einem Ätzmittel ausgesetzt wird, das von der zweiten Seite der Scheibe durch die Gräben bereitgestellt wird. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Halbleiterschaltung inklusive der Kontakte durch eine Folge von Schritten vor der Schaffung der Gräben geschaffen wird. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Elektroden mit einem elektrisch leitendem Material bedeckt werden. Verfahren nach Anspruch 1, in dem außerdem während des Ätzens der Gräben eine ringförmige Struktur geätzt wird, wobei die genannte Struktur um die genannte MEMS-Einrichtung herum definiert ist, an Kontakte durch die isolierende Schicht angeschlossen ist und in der Lage ist, als eine Abschirmung zu fungieren. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Scheibe nach dem Aufbringen der Gehäuseschicht in eine Vielzahl individueller Einrichtungen unterteilt wird. Elektronische Einrichtung, die Folgendes umfasst: ein Substrat (10) mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite mit ersten und zweiten Halbleiterschichten (12, 16) mit mindestens einer Schicht isolierenden Materials (14) dazwischen, wobei auf dieser ersten Seite eine Halbleiterschaltung mit Halbleiterelementen, die in der ersten Halbleiterschicht definiert sind, vorhanden ist, und die weiter eine „mikroelektromechanisches System"-Einrichtung (MEMS-Einrichtung) umfasst, wobei die genannte MEMS-Einrichtung eine Referenzelektrode und eine bewegliche Elektrode hat, die genannte MEMS-Einrichtung elektrisch an die genannte Halbleiterschaltung gekoppelt ist, die genannte isolierende Schicht lokal entfernt worden ist, um der beweglichen Elektrode zu erlauben, beweglich zu sein, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte MEMS-Einrichtung in der genannten zweiten Halbleiterschicht definiert ist, und elektrisch leitende Kontakte vorhanden sind, die sich durch die isolierende Schicht erstrecken, um die MEMS-Einrichtung an die Halbleiterschaltung zu koppeln. Elektronische Einrichtung nach Anspruch 9, in der an der zweiten Seite des Substrats eine Gehäuseschicht vorhanden ist, wobei dabei die MEMS-Einrichtung verkapselt wird. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass, in senkrechter Projektion der Halbleiterschaltung auf die zweite Halbleiterschicht, es eine beträchtliche Überlappung mit der MEMS-Einrichtung gibt. Einrichtung nach Anspruch 9, in der die bewegliche Elektrode in einer Richtung senkrecht zu der Substratebene eine Länge hat, die kürzer als die Dicke der zweiten Halbleiterschicht ist. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte MEMS-Einrichtung designt ist, als Sensor zu fungieren und in der Lage ist, ein elektrisches Ausgangssignal zu liefern, wobei die genannte Halbleiterschaltung Schaltungsmittel zum Detektieren des genannten elektrischen Ausgangssignals umfasst. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltung weiter Mittel zum Treiben der MEMS-Einrichtung umfasst. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Treiben DMOS-Transistoren umfassen und die Mittel zum Detektieren CMOS-Transistoren umfassen. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, die weiter mit einer ringförmigen Struktur versehen ist, die um die genannte MEMS-Einrichtung herum vorhanden ist, wobei die genannte Struktur an Kontakte durch die isolierende Schicht angeschlossen ist und in der Lage ist, als Abschirmung zu fungieren.






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