DE69729941T2

DE69729941T2 - Beschleunigungsmesselement sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69729941T2
Application number: DE69729941T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Osaka-shi YOSHIDA; Shigeaki Tomonari; Naomasa Oka; Takuro Nakamura; Takuro Ishida; Masanao Kamakura; Fumihiro Kasano
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2017-10-23
Also published as: EP0899574A1; US6293149B1; CA2251957A1; KR100301097B1; EP0899574B1; AU4722097A; DE69729941D1; KR20000064964A; WO1998037425A1; CA2251957C; EP0899574A4

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Biegungsfühlerelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei das Element für einen Halbleiter-Beschleunigungssensor mit einer an beiden Enden gestützten Trägerstruktur verwendet wird, der in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder elektrischen Haushaltsgeräten Anwendung findet, und die Erfindung betrifft ferner einen Beschleunigungssensor mit einem derartigen Element. Beispielsweise kann ein derartiger Sensor zum Erkennen von Beschleunigung dienen, indem er separat eine X-Achsenkomponente, eine Y-Achsenkomponente und eine Z-Achsenkomponente der darauf einwirkenden Beschleunigung in bezug auf ein Rechteck-Koordinatensystem mit den drei Achsen ermittelt.
Stand der Technik
Der zuvor beschriebene Beschleunigungssensor ist im US-Patent 5 485 749 offenbart. Der Sensor ist ein Beschleunigungssensor vom Piezoresistor-Typ, der eine durch eine Beschleunigung erzeugte mechanische Biegung (oder Belastung) eines Elements in ein elektrisches Signal umwandelt, und ein Beispiel für einen derartigen Sensor ist in den 18 (eine schematische perspektivische Darstellung) und 19 (eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie A-A' in 18) dargestellt.
Der Beschleunigungssensor 500 weist ein Biegungsfühlerelement 502 und eine untere Abdeckung 504 auf. Das Biegungsfühlerelement 502 weist einen Rahmen 506 und ein Plattenteil 508 auf. Der Rahmen 506 hat eine Oberseite 510 und eine Unterseite 512, die von einem Stützteil 514 gestützt ist. Das Plattenteil 508 weist flexible Teile 515 und einen Mittelteil 516 auf (einen durch die strichpunk tierte Linie in 18 abgegrenzten Bereich). Der flexible Teil 515 erstreckt sich vom Mittelteil 516 nach außen und ist einstückig mit einem Innenrand 518 des Rahmens 502 verbunden. Ein Gewicht 520 ist unter dem Mittelteil 516 mit dem Mittelteil 516 des Plattenteils 508 verbunden.
Eine Innenseitenfläche 524 des Stützteils 514 ist einer Außenseitenfläche 526 des Gewichts 520 über einen ersten Raum 528 zugewandt. Ferner existiert ein zweiter Raum 530 zwischen den flexiblen Teilen 515 und dem Gewicht 520, der mit dem ersten Raum 528 verbunden ist. Darüber hinaus ist ein dritter Raum 532 vorgesehen, der vom Rahmen 506 und den flexiblen Teilen 515 umgeben ist. Die flexiblen Teile 515 weisen auf ihrer Oberfläche mehrere Piezoresistoren 534 und (nicht dargestellte) damit verbundene Drähte auf.
Die untere Abdeckung 504 weist einen Randbereich 541 auf, der eine Ausnehmung 540 begrenzt, welche dem Gewicht 520 entspricht und dieses umgibt, und das Stützteil 514 ist mit dem Randbereich der unteren Abdeckung 504 durch ein geeignetes Mittel wie anodisches Verbonden verbondet. Die untere Abdeckung 504 dient als Anschlag, der beim Einwirken einer übermäßigen Beschleunigung ein Brechen des Plattenteils 508 durch eine übermäßige Verschiebung des Gewichts verhindert.
Wenn der zuvor beschriebene Beschleunigungssensor 500 die mehreren Piezoresistoren 534 aufweist, kann er als Beschleunigungssensor dienen, der die Beschleunigung durch separates Ermitteln der X-, Y- und Z-Achsenkomponenten der auf den Sensor aufgebrachten Beschleunigung in bezug auf die regelmäßigen X-Y-Z-Dreiachsenkoordinaten ermittelt, welche durch die sich regelmäßig schneidenden Achsen X, Y und Z definiert sind (die X-Achse und die Y-Achse erstrecken sich über die vom Plattenteil 508 und dem Rahmen 506 gebildete Oberseite).
Die Verbindungen zwischen dem Rahmen 506 und dem Plattenteil 508 sowie zwischen dem Plattenteil 508 und dem Gewicht 520 sind derart beschaffen, daß beim Einwirken von Beschleunigung auf den Sensor 500, genauer auf das Element 502, zumindest ein einen Piezoresistor 534 aufweisender Bereich des flexiblen Teils 515 durch die Verschiebung des Gewichts 520 in bezug auf den Rahmen 506 elastisch verformt wird (es sei darauf hingewiesen, daß der Mittelteil 516 des Plattenteils 508, der mit dem Halsteil 522 verbunden ist, im wesentlichen nicht verformt wird), und dadurch wird die Widerstandsveränderung des Piezoresistors 534 in ein elektrisches Signal umgesetzt. Durch Erkennen des Signals wird die auf den Sensor einwirkende Bescheunigung ermittelt.
Die Herstellung des zuvor beschriebenen Beschleunigungssensors kann basierend auf einem im US-Patent 5 485 749 offenbarten Verfahren erfolgen und wird konkret wie folgt unter Verwendung einer Herstellungsabfolge gemäß 20 ausgeführt, die schematische Querschnittsdarstellungen ähnlich 19 zeigt:
20(a): zuerst werden Sliziumnitridfilme 602 und 604 auf beiden Seiten eines ersten Siliziumsubstarts 600 gebildet, aus dem das Stützteil 514 und das Gewicht 520 gebildet werden sollen.
20(b): anschließend wird durch Entfernen eines Teils des Siliziumnitridfilms 602, der dem zweiten Raum 530 entspricht, eine Öffnung 606 gebildet und durch Entfernen eines Teils des Siliziumnitridfilms 604, der dem ersten Raum 528 entspricht, eine Öffnung 608 gebildet.
20(c): Ausnehmen der Öffnungen 606 und 608 zur Bildung von Ausnehmungen 610 bzw. 612 und anschließendes Entfernen des verbleibenden Siliziumfilms 602, so daß eine Fläche des ersten Siliziumsubstrats 600 frei liegt, auf welche ein zweites Siliziumsubstrat 616 laminiert wird, so daß ein Teil der Ausnehmung 610 im zweiten Raum 530 ausgebildet ist, und der verbleibende Teil wird zum Halsteil 522 des Gewichts und zur Oberseite des Stützteils 514 ausgebildet.
20(d): damit sich der flexible Teil 515 beim Einwirken einer vorbestimmten Beschleunigung verformt, wenn er zu einem Sensor vervollständigt ist, wird das zweite Siliziumsubstrat 616 auf eine Dicke (t) durch Schleifen oder Ätzen verdünnt, wodurch das zweite Siliziumsubstrat zum Plattenteil 508 und zum Rahmen 506 geformt wird.
20(e): anschließend werden die Piezoresistoren 618 auf dem aus dem dünner gearbeiteten zweiten Siliziumsubstrat 616 gebildeten Plattenteil 508 durch Diffundieren einer Verunreinigung hergestellt, deren Leitfähigkeitstyp von demjenigen des zweiten Siliziumsubstrats 616 verschieden ist.
20(f): nachdem mit den Piezoresistoren 618 verbundene (nicht dargestellte) Drähte ausgebildet sind, wird ein den zweiten Raum 530 erreichender erster Raum 528 durch anisotropes Ätzen aus der Ausnehmung 612 gebildet, so daß das Gewicht 520 mit dem Mittelteil 516 des zweiten Siliziumsubstrats 616 über den Halsteil 522 verbunden und einstückig gestützt ist.
Schließlich wird der vorbestimmte Bereich des zweiten Siliziumsubstrats 616 geätzt, so daß der (nicht dargestellte) dritte Raum 532 gebildet wird, wodurch das Biegungsfühlerelement 502 erhalten wird. Es sei darauf hingewiesen, daß der Siliziumnitridfilm 604 auf der Unterseite des ersten Siliziumsubstrats optional entfernt werden kann.
Das derart erhaltene Element 502 wird mit einer (in 20 nicht dargestellten) unteren Abdeckung 504 verbondet, was zu dem Beschleunigungssensor vom Piezoresistortyp führt.
Alternativ ist auch das folgende Verfahren bekannt: der zweite Raum 530 wird nicht direkt aus dem Substrat gebildet, sondern ein Bereich, der dem zweiten Raum entspricht, wird zunächst als Polysilizium-Opferschicht ausgebildet und anschließend wird die Opferschicht durch Zuführen eines Ätzmittels durch den ersten Raum 528 entfernt, nachdem der erste Raum 528 gebildet wurde (siehe japanische Patent-Kokai-Veröffentlichung 7-234242 und ihre möglichen entsprechenden internationalen Anmeldungen und US-Patent 5 395 802).
Bei einem derartigen Beschleunigungssensor wird die zu erkennende Beschleunigung in eine Biegung des zumindest einen Teil des Plattenteils bildenden flexiblen Teils umgewandelt, so daß der Widerstand des auf dem flexiblen Teil ausgebildeten Piezoresistors durch die Biegung verändert wird, wodurch schließlich die Beschleunigung in das elektrische Signal umgewandelt wird.
Diese Art von Beschleunigungssensor ist ebenso in JP A8236784 offenbart. Die Opferschicht dieses Beschleunigungssensors erstreckt sich in die Epitaxieschicht, welche das Plattenteil und somit die flexiblen Teile bildet. Die Dicke des Plattenteils wird durch Ätzen erreicht, was eine rauhe Oberfläche des Plattenteils und somit eine präzise und ungleichmäßige Dicke der flexiblen Teile zur Folge hat.
Die Empfindlichkeit des Halbleiter-Beschleunigungssensors wird insbesondere durch die Dicke der flexiblen Teile des Plattenteils bestimmt, das elastisch verformt (oder gebogen) wird. Das heißt: wenn der flexible Teil dicker ist, verringert sich die Empfindlichkeit, und die Empfindlichkeit wird durch eine Unregelmäßigkeit der Dicke des flexiblen Teils beeinträchtigt. Eine gleichmäßige und genaue Kontrolle der Dicke des Plattenteils ist daher bei der Herstellung des Halbleiter-Beschleunigungssensors wichtig.
Als ein anderer Sensortyp ist ein Sensor vom elektrostatischen Kapazitättyp bekannt, der beispielsweise in der japanischen Patent-Kokai-Veröffentlichung 5-26754 und den (möglichen) entsprechenden internationalen Patentanmeldungen und dem Europäischen Patent 0 461 265 offenbart ist. Der Betriebsmechanismus eines derartigen Sensors ist dem des Piezoresistorsensors dahingehend ähnlich, daß er auf der mechanischen Biegung durch die Beschleunigungseinwirkung basiert. Jedoch unterscheidet er sich vom Piezoresistorsensor dahingehend, daß die Biegung in eine relative Verschiebung zweier einander gegenüberliegender Teile umgesetzt wird und die Verschiebung die elektrostatische Kapazität zwischen an den Teilen vorgesehenen Elektroden verändert, was bei dem elektrostatischen Kapazitätsensor Verwendung findet. Bei dem elektrostatischen Kapazitätsensor sind die Elektroden an dem Teil, das verschoben wird, und an dem Teil das bei der Verwendung des Beschleunigungssensors nicht verschoben wird, vorgesehen, so daß diese Elektroden einander gegenüberliegen.
Ein derartiger Beschleunigungssensor ist in den 21 (eine schematische teilweise geschnittene perspektivische Darstellung) und 22 (eine schematische Querschnittsdarstellung entlang der Diagonalen C-C' in 21) dargestellt. Während das vorgenannte Biegungsfühlerelement 502 die Piezoresistoren 534 aufweist, weist der Biegungsfühler 702 des Beschleunigungssensors 700 anstelle der Piezoresistoren die Elektrode 734 auf der Oberseite des Gewichts 520 und den damit verbundenen Draht 736 auf, wobei der Draht auf dem Plattenteil durch die vertiefte Ecke 738 des dritten Raums vorgesehen ist. Die anderen Merkmale sind im wesentlichen gleich denjenigen des zuvor erwähnten Biegungsfühlerelements 502 vom Piezoresistortyp gemäß den 18 und 19.
Es sei darauf hingewiesen, daß das Biegungsfühlerelement 702 des elektrostatischen Kapazitättyps mit der (in 21 nicht dargestellten) oberen Abdeckung 740 verwendet wird, die sich auf dem Element befindet. Die obere Abdeckung 740 verhindert eine übermäßige Verschiebung des Gewichts, wodurch das Brechen der flexiblen Teile verhindert wird, und weist auf der Innenseite eine Ausnehmung auf, die zumindest dem Plattenteil und vorzugsweise einer Oberseite des Elements mit Ausnahme des Rahmens entspricht. Diese Art von oberer Abdeckung wird mit dem Element für den Beschleunigungssensor des Piezoresistortyps oder den Beschleunigungssensor des elektrostatischen Kapazitättyps kombiniert, vorausgesetzt, daß bei dem letzteren Sensortyp die obere Abdeckung eine Elektrode aufweist, wie im folgenden beschrieben. Die obere Abdeckung 740 weist die Elektrode 742 auf, die der Elektrode 734 zugewandt ist, wenn die Abdeckung auf das Element 702 aufgesetzt ist. Bei einem derartigen Beschleunigungssensor wird, wenn auf den Sensor eine zu erkennende Beschleunigung einwirkt, das Gewicht 520 relativ zum Stützteil 514 und somit zu der darauf angeordneten Abdeckung 740 verschoben, da das Gewicht 520 mit dem die flexiblen Teile 515 aufweisenden Plattenteil 508 verbunden ist. Infolgedessen wird der Abstand zwischen der Elektrode 734 am Gewicht und der ihr gegenüberliegenden Elektrode an der Abdeckung verändert, wodurch die Beschleunigung mittels der durch die Abstandsänderung bewirkte Veränderung der elektrostatischen Kapazität zwischen den Elektroden erkannt werden kann.
Wenn bei diesem Beschleunigungssensor des elektrostatischen Kapazitättyps die Dicke des flexiblen Teils 515 dünner ist und die Länge des flexiblen Teils größer ist, falls das flexible Teil länglich ausgebildet ist, kann das flexible Teil selbst bei einer geringeren Beschleunigung verformt werden, wodurch die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors verbessert wird. Wenn die Dicke des flexiblen Teils unregelmäßig verteilt ist, tritt ebenso eine unregelmäßige Verteilung der Empfindlichkeit auf.
Es ist daher bei jeder Art von Beschleunigungssensor erwünscht, daß die Dicke des flexiblen Teils in geeigneter Weise kontrolliert wird, so daß ein Halbleiter- Beschleunigungssensor oder ein Biegungsfühlerelement geschaffen wird, das flexible Teile mit weniger unregelmäßig verteilter Dicke aufweist. Es ist daher wichtig, die gleichmäßige Dicke der flexiblen Teile bei dem Herstellungsverfahren für das Fühlerelement präzise zu kontrollieren. Ferner wird bevorzugt, daß bei einem länglichen flexiblen Teil die Länge größer sein kann.
Das zuvor beschriebene bekannte Herstellungsverfahren für einen Halbleiter-Beschleunigungssensor schafft einen derartigen Sensor mit einem an beiden Enden abgestützten Trägeraufbau, bei dem das Gewicht mit dem Mittelteil des Plattenteils verbunden ist, die flexiblen Teile des Plattenteils mit dem Rahmen verbunden sind, und der Rahmen durch das Stützteil gestützt ist.
Da bei diesem Herstellungsverfahren die Dickenverteilung des zweiten Siliziumsubstrats im Schritt des Verdünnens des zweiten Siliziumsubstrats bist zur vorbestimmten Plattenbildungsdicke (t) nach dem Laminieren des zweiten Siliziumsubstarts 616 auf das erste Siliziumsubstrat 600 groß ist, ist es schwierig die Dicke des flexiblen Teils 515 gleichmäßig zu machen. Das Laminieren der Siliziumsubstrate ist ferner kompliziert und es sind zwei Teile von Siliziumsubstraten erforderlich, wodurch die Produktionskosten steigen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung basiert auf der vorgenannten Überlegung hinsichtlich der zuvor beschriebenen Probleme, und es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Probleme zu überwinden und ein für einen Halbleiter-Beschleunigungssensor verwendetes Biegungsfühlerelement und ein Verfahren zur Herstellung des Elements zu schaffen, welches einen an beiden Enden abgestützten Trägeraufbau aufweist, bei dem das Plattenteil, insbesondere die Dicke der flexiblen Teile desselben, mit präziser Kontrolle der Dicke hergestellt ist, und sie betrifft ferner einen Beschleunigungssensor, der ein derartiges Element verwendet. Die vorliegende Erfindung bietet bevorzugte Ausführungsbeispiele eines derartigen Elements, seines Herstellungsverfahrens und des Sensors, und die durch die vorliegende Erfindung erreichten Vorteile ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen.
Die Erfinder haben den Aufbau des Halbleitersensors und das Herstellungsverfahren im Hinblick auf die genannten Probleme intensiv untersucht und festgestellt, daß, wenn das Plattenteil und der Rahmen aus einer Epitaxieschicht bestehen, die genannten Probleme überwinden werden.
Nach einem ersten Aspekt schafft die Erfindung ein Biegungsfühlerelement zur Verwendung in einem Beschleunigungssensor zum Erfassen einer darauf aufgebrachten Beschleunigung, mit:

(1) einem Rahmen mit einer Oberseite und einer Unterseite,
(2) einem Plattenteil mit mehreren flexiblen Teilen und einem Mittelteil, wobei jedes flexible Teil sich zwischen wenigstens einem Bereich eines inneren Randes des Rahmens und dem Mittelteil erstreckt und einstückig mit diesen verbunden ist,
(3) einem Gewicht, das ein einstückig mit dem Mittelteil des Plattenteils verbundenes Halsteil aufweist und das über das Halsteil vom Plattenteil herabhängt,
(4) einem Stützteil, das die Unterseite des Rahmens stützt und dessen innere Seitenfläche einer Seitenfläche des Gewichts über einen ersten Raum zwischen diesen zugewandt ist, wobei ein mit dem ersten Raum zusammenhängender zweiter Raum zwischen jedem flexiblen Teil des Plattenteils und dem Gewicht definiert ist, wobei ein dritter Raum zwischen dem Rahmen und dem Plattenteil und/oder durch das Plattenteil definiert ist, wobei der Rahmen und das Plattenteil sowie das Plattenteil und das Gewicht miteinander derart verbunden sind, daß bei Aufbringen einer Beschleunigung auf das Element zumindest zwei flexible Teile elastisch verformt werden, so daß das Gewicht relativ zum Rahmen verschoben ist, wobei das Gewicht und das Stützteil aus einem Halbleitersubstrat bestehen, wobei der zweite Raum durch Entfernen einer ausschließlich in dem Halbleitersubstrat vorgesehenen opferbaren Schicht (oder Opferschicht) gebildet ist, und der Rahmen und das Plattenteil eine auf dem Halbleitersubstrat vorgesehene Epitaxieschicht aufweisen.

Das Element kann beispielsweise für einen Beschleunigungssensor vom Piezoresistor- oder elektrostatischen Kapazitanztyp verwendet werden, der die Beschleunigung durch separates Ermitteln der X-, Y- und Z-Achsenkomponenten der auf den Sensor aufgebrachten Beschleunigung in bezug auf ein X-Y-Z-Dreiachsenkoordinatensystem ermittelt, welches durch die sich schneidenden Achsen X, Y und Z definiert ist. In diesem Fall sind die X-Achse und die Y-Achse derart definiert, daß sie sich auf der Oberseite des Plattenteils erstrecken.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist mit Biegungsfühlerelement ein Element bezeichnet, das die Biegung in einem Beschleunigungssensor (beispielsweise einem zuvor beschriebenen Beschleunigungssensor des Piezoresistortyps oder des elektrostatischen Kapazitanztyps) in einen elektrischen Ausgang umwandelt.
Es sei darauf hingewiesen, daß im Prinzip die gleichen Begriffe für Elemente und Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden, wie sie für die Elemente und Teile der hierin zuvor beschriebenen bekannten Vorrichtungen verwendet wurden.
Bei dem erfindungsgemäßen Element bestehen das Gewicht und das Stützteil aus einem einzigen Halbleitersubstrat, und der Rahmen und das Plattenteil bestehen aus der auf dem Halbleitersubstrat gezüchteten Epitaxieschicht. Das Gewicht, der Rahmen, das Plattenteil und das Stützteil sind derart verbunden, daß sie eine Struktur bilden, bei der zumindest ein Teil des flexiblen Teils des Plattenteils elastisch verformt (oder gebogen) wird, wenn auf das Element Beschleunigung aufgebracht wird.
Das Plattenteil ist erfindungsgemäß wie zuvor beschrieben aus der Epitaxieschicht gebildet, wobei ein Element erhalten ist, dessen flexible Teile im Vergleich mit dem nach dem bekannten Verfahren hergestellten Element, bei dem das Siliziumsubstrat laminiert und anschließend die Dicke mechanisch reduziert wird, jeweils eine gleichmäßigere Dicke aufweisen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Biegungsfühlerelements begrenzen der erste Raum und der zweite Raum Seitenflächen des Gewichts, wobei das Gewicht derart aufgebaut ist, daß es mit dem Mittelteil des Plattenteils durch den schmalen Halsteil verbunden ist. Das heißt, wenn man einen zum Halbleitersubstrat parallelen Querschnitt des Gewichts betrachtet, ist der Halsbereich kleiner als der übrige Bereich des Gewichts und der Querschnitt des Halsbereichs befindet sich in der Mitte des übrigen Bereichs.
Die Form des Gewichts ist nicht besonders eingeschränkt. Wenn das Element die allgemeine Form eines quadratischen Prismas hat, kann das Gewicht mit Ausnahme des Halsteils im wesentlichen die Form eines quadratischen Prismas haben. Der Halsteil kann eine quadratische Prismenform (oder Säulenform) mit geringer Höhe aufweisen, die von dem quadratischen Prisma umschlossen und mit diesem konzentrisch ist. Um das Volumen des Gewichts im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Elements so groß wie möglich zu machen, ist der Halsteil vorzugsweise so klein wie möglich, und die Querschnittsfläche des Gewichts ist vorzugsweise so groß wie möglich. Selbstverständlich muß das Gewicht nicht groß sein, wenn ein kleines Gewicht ausreicht. Es sei darauf hingewiesen, daß das Gewicht nur aus dem Halbleitersubstrat oder aus dem Halbleitersubstrat und einem Teil der darauf gebildeten Epitaxieschicht bestehen kann.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Biegungsfühlerelements weisen die flexiblen Teile des Plattenteils zumindest zwei Teile auf, die jeweils beim Aufbringen von Beschleunigung elastisch verformbar sind und mindestens einen Piezoresistor aufweisen, wobei jeder der Piezoresistoren mit einem Draht verbunden ist. Der Draht kann jeglicher Draht sein, der Informationen oder Ausgänge in Zusammenhang mit einem elektrischen Signal senden kann, das aus der Widerstandsveränderung des Piezoresistors umgewandelt wurde. Beispielsweise kann der Draht ein Metalldraht und/oder ein Diffusions draht sein. Handelt es sich bei dem Draht um einen Metalldraht, kann dieser direkt mit einem Elektrodenpad verbunden sein, handelt es sich jedoch um einen Diffusionsdraht, kann er durch den Metalldraht mit dem Elektrodenpad verbunden sein. Durch das Elektrodenpad ist das Element mit einer Vorrichtung verbunden, in dem das Element einen Piezo-Widerstand mißt.
Die Position, an der sich der Piezoresistor befindet, ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt, die Biegung des flexiblen Teils kann elektrisch erkannt werden. Es gibt zahlreiche verschiedene Anordnungen der Piezoresistoren, jedoch befindet er sich vorzugsweise an einer Stelle des flexiblen Teils, an der die elastische Biegung (oder Verformung) konzentriert ist. Hinsichtlich der konkreten Anordnung der Piezoresistoren sei auf die Offenbarungen des US-Patents 5 485 749 und der japanischen Patent-Kokai-Veröffentlichungen 6-331646, 6-109755 und 7-234242 und deren (eventuellen) entsprechenden internationalen Patentanmeldungen verwiesen, auf deren Offenbarungen bezüglich der konkreten Anordnung der Piezoresistoren in der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird.
Es sei darauf hingewiesen, daß ein derartiges Element mit der unteren Abdekkung und der oberen Abdeckung wie zuvor beschrieben verbunden ist, woraus sich der Beschleunigungssensor ergibt. Die vorliegende Erfindung schafft daher einen Beschleunigungssensor vom Piezoresistortyp, der das zuvor beschriebene Element sowie die untere und die obere Abdeckung aufweist. Wie zuvor beschrieben weisen die untere und die obere Abdeckung Ausnehmungen auf ihren Innenseiten auf, und wenn auf den Beschleunigungssensor eine übermäßige Beschleunigung aufgebracht wird, verhindern diese ein Brechen des Sensors, insbesondere der flexiblen Teile.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das erfindungsgemäße Biegungsfühlerelement zumindest eine Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung auf zumindest einem Bereich (beispielsweise einem Teil des Plattenteils oder der Oberseite des Gewichts) auf, der durch die elastische Verformung der flexiblen Teile beim Aufbringen der Beschleunigung verschoben wird. Die Elektrode weist einen damit verbundenen Draht auf. Der Draht kann jeglicher Draht sein, der Ausgänge in Zusammenhang mit der elektrostatischen Kapazi tätsmessung senden kann. Beispielsweise kann der Draht ein Metalldraht sein. Handelt es sich bei dem Draht um einen Metalldraht, kann dieser direkt mit einem Elektrodenpad verbunden sein, handelt es sich jedoch um einen Diffusionsdraht, kann er durch den Metalldraht mit dem Elektrodenpad verbunden sein. Durch das Elektrodenpad ist das Element mit einer Vorrichtung verbunden, in dem das Element die elektrostatische Kapazität mißt.
Die Position der Elektrode zur elektrostatischen Kapazitätsmessung ist nicht besonders eingeschränkt, vorausgesetzt, sie bildet eine Elektrode, die in bezug auf eine Elektrode der oberen Abdeckung, die über dem Element vorgesehen ist, verschiebbar ist, wobei die Elektrode der Elektrode der oberen Abdeckung gegenüberliegt. Es sind zahlreiche verschiedene Anordnungen der Elektrode möglich, jedoch ist die Elektrode vorzugsweise auf einem Teil angeordnet, dessen Verschiebung aufgrund der Verformung der flexiblen Teile groß ist. Beispielsweise kann die Elektrode auf einem Teil der Oberseite des Gewichts nahen dessen Außenrand vorgesehen sein, wie in 21 dargestellt (beispielsweise die Elektrode 734). Hinsichtlich der konkreten Anordnung der Elektroden für die elektrostatische Kapazitätsmessung sei auf die Offenbarungen der japanischen Patent-Kokai-Veröffentlichung 5-26754 und deren (eventuellen) entsprechenden internationalen Patentanmeldungen und das Europäische Patent (A1) 0 461 265 verwiesen, auf deren Offenbarungen bezüglich der konkreten Anordnung der Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung in der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird.
Ein derartiges Element ist mit der optionalen unteren Abdeckung und der oberen Abdeckung wie beschrieben verbunden, was zu dem Beschleunigungssensor führt. Die vorliegende Erfindung schafft somit einen Beschleunigungssensor vom elektrostatischen Kapazitätstyp, der das beschriebene Element sowie die untere und die obere Abdeckung aufweist. Wie zuvor beschrieben weisen die untere und die obere Abdeckung Ausnehmungen auf ihren Innenseiten auf, und beim Aufbringen einer übermäßigen Beschleunigung auf den Beschleunigungssensor verhindern sie das Brechen des Sensors, insbesondere der flexiblen Teile. Es sei darauf hingewiesen, daß die obere Abdeckung die der auf dem Element vorgesehenen Elektrode gegenüberliegende Elektrode aufweist.
Das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Element wird nach dem folgenden Verfahren hergestellt. Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Biegungssensorelements, das für den zuvor und im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor verwendbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

(1) Bilden der Opferschicht in der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats zum Bilden des Gewichts mit dem Halsteil und dem Stützteil, wobei sich die Opferschicht von einem Bereich des Außenumfangs des Mittelteils der ersten Hauptfläche nach außen erstreckt, wobei das Mittelteil das Halsteil bildet,
(2) Bilden der Epitaxieschicht auf der ersten Hauptfläche nach dem Schritt (1), und
(3) nach dem Schritt (2), Ausführen der folgenden Unterschritte (3-a) bis (3-c):
(3-a) Entfernen eines Bereichs des Substrats von der zweiten Hauptfläche des Substrats durch Ätzen, so daß die Seitenfläche des Gewichts und das Stützteil gebildet werden, wobei das Stützteil die der Seitenfläche des Gewichts durch den ersten Raum gegenüberliegende Seitenfläche aufweist,
(3-b) Bilden des dritten Raums durch die Epitaxieschicht hindurch, indem durch Ätzen ein Bereich derselben entfernt wird, so daß wenigstens ein Bereich des Rests der Epitaxieschicht in den Rahmen und das Plattenteil geformt wird, einschließlich des Mittelteils und der mehreren flexiblen Teile, die schließlich elastisch verformbar sind, und
(3-c) Entfernen der Opferschicht durch Naßätzen, so daß der zweite Raum und das Halsteil des Gewichts gebildet werden, wodurch das Gewicht geformt wird, und das Naßätzen sich nicht bis zur Epitaxieschicht fortsetzt, in einer beliebigen der folgenden Abfolgen von Unterschritten (i) bis (iv):
(i) Unterschritt (3-a) -> Unterschritt (3-b) -> Unterschritt (3-c),
(ii) Unterschritt (3-a) -> Unterschritt (3-c) -> Unterschritt (3-b),
(iii) Unterschritt (3-b) -> Unterschritt (3-a) -> Unterschritt (3-c), und
(iv) Unterschritt (3-b) -> Unterschritt (3-c) -> Unterschritt (3-a).

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische teilweise geschnittene perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elements für einen Beschleunigungssensor vom Piezoresistortyp;
2 ist eine Draufsicht auf das Element von 1;
3(a) bis (i) zeigen im Querschnitt eine Abfolge von Herstellungsschritten für ein erfindungsgemäßes Element;
4(a) bis (c) sind schematische, teilweise geschnittene perspektivische Darstellungen von Herstellungsschritten für das Element von 3;
5(a) bis (l) zeigen schematische Draufsichten zur Darstellung der Formen und Anordnungen von Ätzmitteleinlaßöffnungen;
6(a) und (b) zeigen schematische, teilweise geschnittene perspektivische Darstellungen eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Elements;
7(a) bis (i) zeigen im Querschnitt eine Abfolge von Herstellungsschritten für ein anderes erfindungsgemäßes Element;
8(a) bis (e) sind schematische, teilweise geschnittene perspektivische Darstellungen von Herstellungsschritten für das Element von 7;
9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel des ersten Raums;
10(a) bis (h) zeigen im Querschnitt eine Reihe von Herstellungsschritten für ein Element mit dem ersten Raum nach 9;
11(a) bis (h) zeigen schematische Querschnitte des Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Element einschließlich Schritte zur Herstellung einer Verdrahtungsschutzschicht;
12(a) bis (e) zeigen schematische Querschnitte des Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Element einschließlich anderer Schritte zur Herstellung einer Verdrahtungsschutzschicht;
13(a) bis (d) zeigen schematische Querschnitte des Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Element einschließlich weiterer anderer Schritte zur Herstellung einer Verdrahtungsschutzschicht;
14(a) bis (c) zeigen schematische Querschnitte eines Beispiels für Schritte zur Bildung einer Opferschicht mit einer geringen Verunreinigungskonzentration in einem Oberflächenbereich derselben;
15(a) bis (d) zeigen schematische Querschnitte eines anderen Beispiels für Schritte zur Bildung einer Opferschicht mit einer geringen Verunreinigungskonzentration in einem Oberflächenbereich derselben;
16(a) bis (e) zeigen schematische Querschnitte eines weiteren Beispiels für Schritte zur Bildung einer Opferschicht mit einer geringen Verunreinigungskonzentration in einem Oberflächenbereich derselben;
17 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer porösen Siliziumschicht als Opferschicht;
18 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen bekannten Beschleunigungssensor vom Piezoresistortyp;
19 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Beschleunigungssensor von 18;
20(a) bis (f) zeigen Querschnitte durch eine Reihe von Herstellungsschritten für den Beschleunigungssensor von 18;
21 ist eine schematische, teilweise geschnittene Querschnittsdarstellung eines bekannten Beschleunigungssensors vom elektrostatischen Kapazitätstyp; und
22 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Beschleunigungssensor von 21.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Halbleitersubstrat kann ein Siliziumsubstrat sein, dessen Leitfähigkeit vom p-Typ oder vom n-Typ ist. Das Gewicht und das Stützteil bestehen aus diesem Substrat. Als Halbleitersubstrat kann beispielsweise ein Substrat vom n-Typ verwendet werden, dessen Kristallebenenorientierung (Kristallflächenindex) (100) beträgt. Die Verunreinigungskonzentration des Substrats ist vorzugsweise geringer als 1,0 × 10¹⁷ cm^–3 (beispielsweise im Bereich zwischen 1,0 × 10¹⁴ cm^–3 und 1,0 × 10¹⁶ cm^–3). Bei Verwendung eines Substrats mit einer derartigen Verunreinigungskonzentration wird die Ätzgeschwindigkeit auf ungefähr 1/150 oder weniger der Ätzgeschwindigkeit bei einem Substrat mit höherer Verunreinigungskonzentration verringert, so daß eine Schicht mit einer derartigen geringeren Verunreinigungskonzentration als Schicht mit geringer Verunreinigungskonzentration belassen wird, selbst wenn eine Schicht mit höherer Verunreinigungskonzentration durch Ätzen entfernt wird. Die Dicke des Substrats ist nicht besonders beschränkt und kann je nach Anwendungsbereich des Sensors geeignet gewählt werden. Im allgemeinen kann die Dicke des Substrats gleich oder geringfügig größer als diejenige des herkömmlicherweise verwendeten Substrats des Beschleunigungssensors sein.
Beispielsweise kann ein Substrat mit einer Dicke von 400 μm bis 600 μm verwendet werden. Auf einer der Hauptflächen eines derartigen Substrats wird die Opferschicht ausgebildet. Der Begriff "Opferschicht" bezeichnet eine Schicht, die während der Herstellung des erfindungsgemäßen Elements vorhanden ist, schließlich jedoch entfernt wird, um eine Raum zu bilden.
Die Opferschicht erstreckt sich von einem Bereich, der dem Mittelbereich des Halbleitersubstrats entspricht, nach außen. Der Mittelbereich ist der Bereich, der zum Halsteil des Gewichts werden soll und schließlich mit dem Mittelteil des Plattenteils verbunden sein soll, und es ist im Mittelbereich keine Opferschicht gebildet. Die Form des Mittelbereichs des Halbleitersubstrats ist nicht besonders eingeschränkt und kann beispielsweise ein Kreis oder ein Rechteck (quadratisch oder oval) sein. Vorzugsweise befindet sich der Schwerpunkt des Gewichts unter dem Mittelbereich, insbesondere unter dem Mittelpunkt des Mittelbereichs des Substrats. Die Opferschicht erstreckt sich von einem Außenrand des Mittelbereichs des Substrats nach außen. Die Opferschicht kann sich vom gesamten Außenrand des Mittelbereichs (d. h. dem gesamten Umfang des Mittelbereichs) erstrecken, so daß sie den Mittelbereich umgibt, oder sie kann sich von einem Teil des Außenrandes des Mittelbereichs aus erstrecken.
Erstreckt sich die Opferschicht vom gesamten Außenrand aus, kann sie ringförmig sein. Der Mittelbereich des Substrats kann beispielsweise ringförmig sein und die Opferschicht ist durch einen Kreis gebildet, der mit der Kreisform des Mittelbereichs konzentrisch ist, so daß die Opferschicht ein ringförmiger Bereich zwischen dem konzentrischen Kreis und dem Mittelbereich sein kann. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist der Mittelbereich die Form eines inneren Quadrats auf und die Opferschicht besteht aus einem anderen äußeren Quadrat, das zum inneren Quadrat konzentrisch ist, so daß die Opferschicht ein ringförmiger Bereich zwischen dem inneren Quadrat und dem äußeren Quadrat sein kann. Die Opferschicht kann ein durch Kombinieren eines kreisförmigen Mittelbereichs mit einem äußeren Quadrat oder umgekehrt gebildeter Bereich sein. Anstelle eines Quadrats kann ein Rechteck und anstelle eines Kreises kann ein Oval verwendet werden.
Erstreckt sich die Opferschicht von einem Teil des Außenrands des Mittelbereichs, kann die Opferschicht im wesentlichen aus länglichen Schichten bestehen, die sich in einem gleichmäßig beabstandeten Winkel (beispielsweise 90°) vom Rand des Mittelbereichs erstrecken. Bei einem Winkel von 90° hat die Opferschicht die Form von vier Strahlen, die einander über den Mittelbereich gegenüberliegen (d. h. eine Kreuzform mit einem Schnittpunkt in der Mitte). Anders ausgedrückt können sich die Opferschichten radial vom Mittelbereich aus erstrecken und die Zahl der Opferschichten ist nicht begrenzt, jedoch sind vier üblicherweise ausreichend. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel erstrecken sich die langgestreckten Opferschichten vorzugsweise symmetrisch (in bezug auf einen Punkt oder eine Achse) vom Mittelbereich des Substrats.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Dicke der Opferschicht im wesentlichen dem Abstand zwischen dem flexiblen Teil und der Oberseite des Gewichts entspricht (also der Dicke des zweiten Raums) und daher entsprechend der Anwendung des Sensors gewählt wird. Die Dicke kann beispielsweise 5 bis 15 μm betragen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weist die Opferschicht eine Verunreinigung auf, deren Leitfähigkeit vom gleichen oder entgegengesetzten Typ wie derjenige der Verunreinigung im Substratkörper ist, und kann durch Bilden eines Bereichs in der Oberfläche des Substrats, dessen Verunreinigungskonzentration höher als diejenige des Substrats ist (d. h. Bilden der Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration) oder durch Bilden einer porösen Siliziumschicht in der Oberfläche des Substrats vorgesehen werden.
Der Fachmann auf diesem Gebiet kann die Verunreinigungskonzentration der Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration leicht basierend auf den Ätzbedingungen, dem Ätzweg und dergleichen wählen, wenn er die Verunreinigungskonzentration des Substratkörpers in Betracht zieht. Wenn beispielsweise die Verunreinigungskonzentration des Substratkörpers im Bereich zwischen ungefähr 1,0 × 10¹⁴ cm^–3 und ungefähr 1,0 × 10¹⁶ cm^–3 liegt, kann die Verunreinigungskonzentration der Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration im Bereich zwischen ungefähr 1,0 × 10¹⁸ cm^–3 und ungefähr 1,0 × 10²⁰ cm^–3 liegen (oder eine solide Solubilität).
Es ist bekannt, daß beim Entfernen der Opferschicht durch Ätzen, die Verunreinigungskonzentration in der Opferschicht erhöht wird, um das selektive Ätzverhältnis (d. h. das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit bei einem bestimmten Materials zu einer anderen Ätzgeschwindigkeit bei einem anderen bestimmten Material) zu verbessern. (Siehe beispielsweise B. Schwarts, "Chemical Etching of Silicon", SOLID-STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY, S. 1903–1909, Dez. 1976).
Die als Opferschicht verwendete poröse Siliziumschicht kann durch Bilden eines Siliziumoxidfilms auf einem Siliziumsubstrat, anschließendes Bilden einer der Opferschicht entsprechenden Öffnung durch den Siliziumoxidfilm, und nachfolgendes Durchführen des Ablagerns und des thermischen Diffundierens oder des Ionenimplantierens und der Glühbearbeitung beispielsweise einer Verunreinigung vom p-Typ durch die Öffnung, gefolgt von einem anodischen Oxidieren in einer Elektrolytlösung (beispielsweise eine Fluorwasserstoffsäure enthaltende Lösung) vorgesehen werden.
Die Bildung einer Opferschicht mit einer vorbestimmten Form kann durch Ionenimplantierung und die Glühbearbeitung oder das Ablagern und das thermische Diffundieren nach dem Maskieren mit einem Photoresist erfolgen. Die Dicke und die Verunreinigungskonzentration der Opferschicht kann durch geeignetes Wählen der Betriebsbedingungen während der Bildung kontrolliert werden. Dieses technische Wissen ist dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt.
Anschließend wird die Epitaxieschicht auf der gesamten Fläche auf der Seite des Substrats gebildet, welche im Schritt (2) die Opferschicht aufweist. Da die Epitaxieschicht schließlich das Plattenteil des Elements bildet, muß ihre Dicke derart sein, daß das Plattenteil sich elastisch verformen kann, so daß die Beschleunigung mit einer vorbestimmten Empfindlichkeit erkannt wird. Bei einer geringeren Dicke kann eine gereingere Beschleunigung erkannt werden, da eine Verformung selbst bei einer geringeren Beschleunigung möglich ist, jedoch kann die Plattenteil leichter brechen, und umgekehrt. Daher muß die Dicke in Abhängigkeit von der jeweiligen vorbestimmten Anwendung des Elements gewählt werden. Das Herstellungsverfahren für die Epitaxieschicht ist dem Fachmann bekannt. Zur herstellung der Epitaxieschicht auf der porösen Siliziumschicht sei auf die japani sche Patent-Kokai-Veröffentlichung 5-217990 und ihre jeweiligen (eventuellen) internationalen Patentanmeldungen verwiesen.
Im Schritt (3) werden verschiedene Ätzvorgänge durchgeführt, um das Plattenteil, das Stützteil, das Gewicht, den ersten Raum, den zweiten Raum und den dritten Raum zu bilden. Hinsichtlich der Abfolge der Unterschritte (3-a) bis (3-c) des Schritts (3) bestehen keine Einschränkungen, vorausgesetzt der Unterschritt 3(c) wird nicht zuerst ausgeführt.
Im Unterschritt 3(a) wird das Substart geätzt, so daß das Stützteil, die Seitenfläche des Gewichts und der erste Raum zwischen diesen gebildet werden. Das Ätzen erfolgt von der Seite der zweiten Hauptfläche (d. h. der Fläche, welche nicht die Epitaxieschicht aufweist) des Substrats, so daß ein Teil des Substrats entfernt wird. Dieses Ätzen erfolgt derart, daß der erste Raum um das Gewicht gebildet wird und das Stützteil den ersten Raum umgibt. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Substrat eine Platte in Form eines Quadrats, das Stützteil ist ein Wandteil, das sich auf den vier Umfangsrändern des Quadrats befindet und das Quadrat umgibt, und das einen quadratischen Querschnitt (parallel zur Hauptfläche des Substrats) aufweisende Gewicht ist derart innerhalb des Wandteils angeordnet, daß der erste Raum zwischen dem Wandteil und dem Gewicht vorhanden ist. Der Querschnitt des Gewichts ist nicht notwendigerweise quadratisch und kann beispielsweise kreisförmig, rechteckig und dergleichen sein. Da jedoch das Gewicht so groß wie möglich sein soll, ist der Querschnitt des Gewichts vorzugsweise quadratisch, wenn das Substrat quadratisch ist. Wenn das Substrat rechteckig ist, weist das Gewicht vorzugsweise eine im Querschnitt rechteckige Form auf, die dem Rechteck des Substrats ähnlich ist.
Der Unterschritt (3-b) bildet den dritten Raum in der Epitaxieschicht als eine Durchgangsöffnung und damit werden die flexiblen Teile so geformt, daß sie schließlich elastisch verformbar sind, und der Schritt bildet ferner den Rahmen. Durch das Bilden der Epitaxieschicht zur Raumform, welche die Durchgangsöffnung beinhaltet, so daß die Epitaxieschicht teilweise die länglichen Teile aufweist, anstatt flach und breit zu sein, ist die Epitaxieschicht verformbar. Bei einem Ausführungsbeispiel bildet die durch das Bilden des dritten Raums in diesem Unterschritt belassene Epitaxieschicht neben dem Rahmen und dem Plattenteil den oberen Teil des Gewichts (Teil 41 der 1 oder Teil 91 der 6(a)). Es sei darauf hingewiesen, daß keine Opferschicht in dem Substart vorliegt, das unter dem oberen Teil des Gewichts angeordnet ist. Der obere Teil des Gewichts und das Substrat bleiben daher stets einstückig verbunden. Selbst nach Abschluß des Unterschritts (3-b) können die flexiblen Teile nicht elastisch verformt werden, wenn die Opferschicht unter den flexiblen Teilen vorhanden ist, und sie werden zum ersten Mal elastisch verformbar, nachdem die Opferschicht entfernt wurde. Der Begriff "schließlich" wird mit dieser Bedeutung oder mit der Bedeutung "nach Fertigstellung des Elements" verwendet.
Der Unterschritt (3-c) entfernt die Opferschicht durch Ätzen, so daß der zweite Raum und der Halsteil des Gewichts gebildet werden. Wenn der erste Raum und/oder der dritte Raum nicht gebildet sind, kann der zweite Raum nicht gebildet werden. Daher kann dieser Unterschritt nicht zuerst ausgeführt werden.
Diese drei Arten von Räumen bilden zusammen einen einzigen Raum.
In den Unterschritten des Schritts (3) wird Ätzen verwendet. Je nach der Größe und der Form des in einem der Unterschritte zu bildenden Raums wird anisotropisches Ätzen (einschließlich des reaktiven Ionenätzens (RIE)) oder isotropisches Ätzen verwendet. Im Prinzip wird das anisotropische Ätzen zum Bilden des ersten Raums und des dritten Raums verwendet, und das isotropische Ätzen zur Bildung des zweiten Raums verwendet. Diese Ätzverfahren sind dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die Verfahren verwiesen, die beispielsweise in den japanischen Patent-Kokai-Veröffentlichungen 2-81477 und 5-340957 und deren (eventuellen) jeweiligen internatonalen Patentanmeldungen und im US-Patent 4 882 933 offenbart sind.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Schritt (3) den Unterschritt (3-d) des Bildens mindestens eines Piezoresistors auf mindestens einem flexiblen Teil der Epitaxieschicht umfassen. Vor oder nach dem Bilden des Piezoresistors kann der Schritt (3) anstelle des Unterschritts (3-d) den Unterschritt (3-e) des Bildens einer Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung auf einem Bereich der Epitaxieschicht umfassen, der beim Aufbringen einer Beschleunigung in bezug zum Rahmen verschoben wird, insbesondere auf dem Bereich, der das Gewicht bildet (nämlich auf dem oberen Teil des Gewichts). Vor oder nach oder gleichzeitig mit der Bildung dieser Elektrode kann eine mit dieser verbundene Verdrahtung gebildet werden. Wenn das Gewicht nicht die Epitaxieschicht aufweist (wenn das Gewicht nur aus dem Substrat gebildet ist), kann die Elektrode auf dem Gewicht ausgebildet werden. In diesem Fall wird die Elektrode nach der Bildung des dritten Raums gebildet. Der Unterschritt (3-d) oder (3-e) kann in jeder Phase des Schritts (3) ausgeführt werden, außer im letzten Teil. Die mit dem Piezoresistor verbundene Verdrahtung ist vorzugsweise eine Diffusionsverdrahtung. Die Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung ist vorzugsweise eine Metallverdrahtung. Wenn nach der Bildung eines Piezoresistors oder einer Elektrode und gegebenenfalls einer eventuellen Verdrahtung ein Ätzen durchgeführt wird, wird die Epitaxieschicht, welche den Piezoresistor, die Elektrode oder die optionale Verdrahtung aufweist, vorzugsweise durch einen Schutzfilm, beispielsweise einen Siliziumoxidfilm und/oder einen Siliziumnitridfilm geschützt, um keine Auswirkungen des nachfolgenden Ätzens zuzulassen.
Der Schritt (3) kann somit nach dem Unterschritt (3-d) oder (3-e) den Unterschritt (3-f-1) des Vorsehens des Schutzfilms umfassen, der den Piezoresistor oder die Elektrode und die optionale Verdrahtung bedeckt. Der Schutzfilm kann mindestens ein Film sein, wenn er jedoch durch Laminieren aus zwei Schichten gebildet ist, besteht der Vorteil, daß die Ebenheit des Substrats gewahrt bleibt, wenn die Schichten mit entgegengesetzten Biegungsrichtungen angeordnet werden.
Zur direkten oder über eine mit dem Piezoresistor oder der Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung verbundene Verdrahtung erfolgenden Übertragung eines elektrischen Signals vom Piezoresistor oder der Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung an ein anderes Element, beispielsweise eine Signalverarbeitungsvorrichtung, kann am Element eine weitere Verdrahtung wie eine Metallverdrahtung und eine damit verbundene Kontaktelektrode vorgesehen sein. Sind eine derartige Verdrahtung und eine Kontaktelektrode vorgesehen, wird die Schutzschicht auf dem vorbestimmten Bereich des Piezoresistors (oder der Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung) oder auf dem vorbestimmten Bereich der mit dem Piezoresistor (oder der Elektrode für die elektro statische Kapazitätsmessung) verbundenen Verdrahtung entfernt, und eine direkt mit dem Piezoresistor (oder der Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung) verbundene Verdrahtung wird gebildet, oder eine andere Verdrahtung und der Elektrodenkontakt werden gebildet, welche mit der mit dem Piezoresistor (oder der Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung) verbundenen Verdrahtung verbunden werden. Wenn nach dem Bilden der anderen Verdrahtung und des Elektrodenkontakts ein Ätzen erfolgt, wird vorzugsweise eine Verdrahtungsschutzschicht gebildet, welche die andere Verdrahtung und den Elektrodenkontakt schützt, so daß eine Auswirkung des Ätzens auf diese nicht erfolgt. Wenn die andere Verdrahtung und der Elektrodenkontakt nach dem Unterschritt (3-f-1) im Anschluß an den Unterschritt (3-d) oder (3-e) ausgebildet werden, und anschließend ein Ätzen erfolgt, kann der Unterschritt (3-f-2) des Bildens der Verdrahtungsschutzschicht zum Schutz der anderen Verdrahtung und des Elektrodenkontakts vorgesehen werden.
Der Schritt (3) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit den Unterschritt (3-f) des Bildens der Verdrahtungsschutzschicht über dem Piezoresistor oder der Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung, der Verdrahtung oder dem Elektrodenkontakt nach deren Ausbildung aufweisen, um diese vor einem Ätzen zu schützen, falls sie durch das nachfolgende Ätzen beeinträchtigt würden.
Im Schritt (3) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Entfernen der Opferschicht nach der Bildung des ersten Raums oder nach der Bildung des dritten Raums, oder nach der Bildung des ersten und des dritten Raums erfolgen. Wenn der erste Raum oder der dritte Raum gebildet wurde, kann durch den Raum ein Ätzmittel zugeführt werden, welches die Opferschicht entfernt. Das Einleiten des Ätzmittels kann durch den ersten Raum und/oder den dritten Raum erfolgen.
Wenn der zur Opferschicht führende dritte Raum gebildet ist und das Ätzmittel durch den Raum geleitet wird, ist der dritte Raum vorzugsweise durch einen Bereich der Epitaxieschicht gebildet, der sich über der zu entfernenden Opferschicht befindet (beispielsweise ein Bereich der Epitaxieschicht, der im flexiblen Teil liegen soll), und/oder einem anderen Bereich nahe dem ersteren Bereich. Es ist stärker bevorzugt, daß der dritte Raum in der gesamten Epitaxieschicht gebildet wird, die sich auf der zu entfernenden Opferschicht befindet, ausschließlich eines Bereichs, der die flexiblen Teile bilden soll. Die Bildung des dritten Raums kann mittels jedes Ätzverfahrens erfolgen, abhängig von der Form des Raumes, wobei im allgemeinen anisotropisches Ätzen verwendet wird.
Wenn beispielsweise die Opferschicht langgestreckt ist und der Bereich der Epitaxieschicht, der sich über der Opferschicht befindet (und ähnlich langgestreckt ist), als flexibler Teil ausgebildet wird, wird der dritte Raum in der Epitaxieschicht derart ausgebildet, daß er außerhalb und nahe dem zu bildenden flexiblen Teil liegt und wenigstens teilweise, jedoch vorzugsweise entlang dem Rand des zu bildenden flexiblen Teils liegt. Wenn der dritte Raum auf diese Weise gebildet wird, kann das Ätzen in einer zur Längsrichtung des flexiblen Teils senkrechten Richtung (der Breitenrichtung des flexiblen Teils) von einer Position entlang der Längsrichtung des flexiblen Teils erfolgen, während, wenn der zweite Raum nach der Bildung des ersten Raums gebildet wird, das Ätzen vom Rand des Gewichts in Richtung des Mittelbereichs desselben erfolgen muß. Im letzteren Fall besteht der Vorteil, daß ein Weg, den das Ätzen verfolgen muß, verkürzt wird (wodurch die Zeit für das Entfernen durch Ätzen verringert wird).
Alternativ kann der dritte Raum in einem Bereich der Epitaxieschicht, der dem flexiblen Teil entspricht, derart gebildet werden, daß sich der Raum durch die Epitaxieschicht erstreckt. Auch in diesem Fall ist der dritte Raum vorzugsweise derart geformt, daß er sich aus den genannten Gründen in Längsrichtung des flexiblen Teils erstreckt.
Wenn die Opferschicht den Mittelbereich des Substrats umschließt und sich vom Außenrand des Mittelbereichs des Substrats nach außen erstreckt, wird der dritte Raum vorzugsweise durch Ätzen der Epitaxieschicht gebildet, wobei Bereiche der Epitaxieschicht, die als die flexiblen Teile und der Rahmen verbleiben sollen, ausgespart werden, so daß die Opferschicht am Boden des dritten Raums frei liegt und anschließend durch Ätzen durch den dritten Raum hindurch entfernt wird.
Der dritte Raum kann gebildet werden, indem die Epitaxieschicht direkt dem anisotropischen Ätzen oder RIE unterzogen wird oder durch Bilden einer zweiten Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration in der Epitaxieschicht (es sei darauf hingewiesen, daß die erste Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentrati on die im Substrat gebildete Opferschicht ist), gefolgt von einem Entfernen der zweiten Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration mittels Ätzen. Die Art der Bildung des dritten Raums hängt von der Form und der Größe des zu bildenden dritten Raums ab. Der dritte Raum, insbesondere ein Bereich, der die Opferschicht erreicht (oder mit dieser verbunden ist), wird zu einem Ätzmitteleinlaßport (oder -öffnung). Insbesondere wenn das Ätzmitteleinlaßport mittels RIE gebildet wird, können die flexiblen Teile präzise gebildet werden.
Bei der Bildung des dritten Raums werden die anisotropischen Ätzbedingungen vorzugsweise derart gewählt, daß die vom Substrat abgewandte Öffnung des dritten Raums in der Epitaxieschicht das Ätzen automatisch stoppt, wenn das Ätzen bist zur Opferschicht fortgeschritten ist. Diese Wahl kann durch Kontroillieren der Größe und der Form der Öffnung einer Maske beim anisotropischen Ätzen basierend auf den Eigenschaften des anisotropischen Ätzens erfolgen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsform entlang der Epitaxieschicht des dritten Raums, d. h. die Form des Ätzmitteleinlaßports, kreisförmig, oval, rechteckig (insbesondere mit vier gerundeten Ecken) oder eine beliebige Kombination derselben. Es besteht insbesondere der Vorteil, daß die mechanische Festigkeit gegen Lastkonzentrationen ohne scharfe Kante verbessert ist.
Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zweite Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration gebildet ist und anschließend weggeätzt wurde, kann nach dem Ätzen der zweiten Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration die als Opferschicht dienende erste Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration geätzt werden, so daß die Produktionsabfolge verkürzt werden kann.
Erfindungsgemäß ist die (erste) Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration, welche die Verunreinigung des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, als die Opferschicht auf der ersten Hauptfläche des Halbleiter-Siliziumsubstrats des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet, wobei die Verunreinigungskonzentration der Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche vorzugsweise geringer als im Inneren (oder einer von der Oberfläche einwärts gelegenen Seite der Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration) ist. Das heißt, ein Konzen trationsprofil der Verunreinigung über die Dicke der Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration hat eine Spitze (Maximum) an einer bestimmten von der Oberfläche weit nach innen entfernten Position. Auf diese Weise wird beim Einleiten der des Epitaxiewachstums auf dem Substrat mit der Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration die Menge der Verunreinigung, welche von der Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration in die Wachstumsatmosphäre gelangt, verringert. Infolgedessen kann die Bildung einer Inversionsschicht durch Autodotierung sowie das Diffundieren der Verunreinigung in die zu bildende Epitaxieschicht unterdrückt werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Verunreinigungskonzentration in der Oberfläche der Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration nicht mehr als 5 × 10¹⁹ cm^–3 und nicht weniger als 1,0 × 10¹⁷ cm^–3.
Eine derartige Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration kann durch das Ablagern und das thermische Diffundieren der Verunreinigungen in das Substrat und das anschließende Naßätzen oder das pyrogene Oxidieren gebildet werden. Alternativ kann die Verunreinigungskonzentration in der Oberfläche geringer sein als innerhalb der Verunreinigungsschicht, indem ein Verunreinigungsion in das Substrat implantiert und anschließend ein Glühen erfolgt. Nach einer weiteren Alternative wird die Verunreinigungsschicht vorab gebildet und anschließend wird eine andere Verunreinigung von einem dem Leitfähigkeitstyp der Verunreinigung der Verunreinigungsschicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp nahe der Oberfläche der Verunreinigungsschicht eingebracht, so daß die Ionenkonzentration im Oberflächenbereich verhältnismäßig geringer als im Innenbereich ist.
Wenn die Verunreinigungskonzentration des ersten Leitfähigkeitstyps wenigstens der Epitaxieschicht, gewählt aus der Epitaxieschicht und dem Substrat, höher ist als die Konzentration der zweiten Verunreinigung der Verunreinigungsschicht, die während des Epitaxiewachstums durch Auto-Dotierung in die Epitaxieschicht gelangen kann, kompensieren sich die n-Verunreinigung und die p-Verunreinigung beim Bilden der Opferschicht auf dem Substrat, wodurch die Inversion des Leitfähigkeitstyps des Substrats verhindert wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Querschnitt des ersten Raums durch die Mitte des Substrats und senkrecht zum Substrat derart in zwei Stufen in einer Richtung von der Gewichtsunterseite zum Halsteil verjüngt (d. h. in Aufwärtsrichtung in bezug auf das Substrat), daß der Abstand zwischen dem Stützteil und dem Gewicht verringert wird, so daß der erste Raum durch einen ersten Teil nahe der Gewichtsunterseite und einen zweiten Teil gebildet ist und der Verjüngungswinkel des ersten Teils kleiner als derjenige des zweiten Teils ist. Das heißt, daß der Abstand zwischen der Innenseite des Stützteils und der Seitenfläche des Gewichts mit zunehmender Nähe zur Epitaxieschicht kleiner wird. Das beschriebene Element wird bei der Bildung des ersten Teils durch mechanisches oder chemisches Schleifen und anschließendes Bilden des zweiten Teils durch anistropisches Ätzen hergestellt.
Wie zuvor beschrieben wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vor dem Ätzen, beispielsweise vor dem Ätzen zum Entfernen der Opferschicht, die Verdrahtungsschutzschicht gebildet, um die auf der Epitaxieschicht vorgesehenen Piezoresistoren (oder die Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung), die damit verbundene Verdrahtung und gegebenenfalls eine weitere Verdrahtung und ein Elektrodenpad zu bedecken, und anschließend wird die Opferschicht und danach der Bereich der Verdrahtungsschutzschicht, der sich zumindest auf dem Elektrodenpad befindet, durch Ätzen entfernt, um das Elektrodenpad freizulegen. Da die Opferschicht durch Ätzen entfernt wird, nachdem die Verdrahtungsschutzschicht gebildet wurde, wird verhindert, daß die Piezoresistoren (oder die Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung), die Verdrahtung und das Elektrodenpad durch das Ätzmittel zum ätzenden Entfernen der Opferschicht korrodiert oder zerstört werden, wodurch die Ausbeute und die Zuverlässigkeit der Chips verbessert werden.
Die Verdrahtungsschutzschicht kann ein Chromfilm, ein Siliziumnitridfilm oder ein Fluorkunststoff sein (einschließlich der Zusammensetzung). Die Verdrahtungsschutzschicht aus einem Siliziumnitridfilm kann beispielsweise mittels des Plasma-CVD-Verfahrens gebildet werden. Bei Verwendung einer Siliziumnitridfilms als Schutzschicht wird diese vorzugsweise bei niedriger Temperatur von nicht mehr als 300°C gebildet, da das allgemein für die Verdrahtung verwendet Aluminium bei Temperaturen über 500°C Legierungsspitzenprobleme verursachen kann.
Bei Verwendung von Fluorkunststoff las Verdrahtungsschutzschicht ist es vorteilhaft, daß der Fluorkunststoff beim Entfernen der Opferschicht im wesentlichen nicht verschwindet. Es kann konkret ein Fluorkunstharz wie beispielsweise CYTOP CTL-809M (eine Zusammensetzung aus einem Fluorkunststoff (C₆F₁₀O)_n und tris(perfluorobutyl)amin von Asahi Chemical verwendet werden. Die Verdrahtungsschutzschicht kann beim Chromfilm durch Sputtern oder Dampfablagerung und beim Fluorkunststoff durch Auflösen des Harzes in einem geeigneten Lösemittel und anschließendes Schleuderbeschichten gebildet werden.
Nach der Bildung der Verdrahtungsschutzschicht ist es möglich, nur einen Bereich der Verdrahtungsschutzschicht, der sich auf dem Elektrodenpad befindet, derart zu ätzen, daß nur dieser Bereich um eine gewünschte Dicke verringert wird, und anschließend wird nach dem Entfernen der Opferschicht durch Ätzen nur das Elektrodenpad durch Ätzen der Verdrahtungsschutzschicht über die gesamte Fläche freigelegt. In diesem Fall bedeckt die Verdrahtungsschutzschicht alles außer dem Elektrodenpad, so daß die Feuchtigkeitsbeständigkeit des Sensors verbessert ist. Nach dem Entfernen der Opferschicht durch Ätzen, weist die Verdrahtungsschutzschicht auf ihrer Oberfläche Unregelmäßigkeiten auf und die Substratstärke ist verringert, so daß ein Strukturieren (beispielsweise ein Photolithographieschritt) schwierig wird. Da jedoch nur der Bereich der Verdrahtungsschutzschicht auf dem Elektrodenpad vorab verdünnt wurde, legt ein Ätzen der gesamten Fläche nach dem Wegätzen der Opferschicht nur das Elektrodenpad ohne Strukturierung frei.
Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Verdrahtungsschutzschicht gebildet wird, ist folgendes möglich: das Ätzen zur Bildung des ersten Raums wird gestoppt bevor die Opferschicht erreicht wird. So daß ein dünner Bereich des Halbleitersubstrats unter der Opferschicht verbleibt, anschließend wird ein die Opferschicht erreichendes Ätzmitteleinleitport, wie beispielsweise der dritte Raum, durch die Verdrahtungsschutzschicht und die Epitaxieschicht gebildet, danach wird ein Ätzmittel durch das Ätzmitteleinleitport eingebracht, so daß die Opferschicht entfernt wird, und anschließend wird der dünne Bereich durch Ätzen entfernt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Brechen des Substrats beim Entfernen der Opferschicht unwahrscheinlich. Das Entfernen des dünnen Substratbe reichs kann durch anisotropisches Ätzen mit einem auf Alkali basierenden Ätzmittel oder durch RIE erfolgen.
Es sei darauf hingewiesen, daß es vorteilhaft sein kann, die Unterseite des Gewichts derart zu ätzen, daß das Gewicht eine verringerte Dicke hat. Dies ist durch die Verwendung der flachen unteren Abdeckung bedingt (d. h. ohne die Ausnehmung). Ein derartiges Ätzen kann gleichzeitig mit dern Ätzen zum Entfernen des unter der Opferschicht verbliebenen Halbleitersubstratbereichs erfolgen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Im folgenden werden verschiedene, die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.
Zuerst wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 näher beschrieben.
Ein Beispiel für das erfindungsgemäße Biegungsfühlerelement (für einen Beschleunigungssensor vom Piezoresistortyp); das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, ist in einer teilweise geschnittenen perspektivischen Darstellung in 1 und in Draufsicht (von oben auf das Element der 1) in 2 dargestellt.
Das erfindungsgemäße Biegungsfühlerelement 10 weist einen Rahmen 12 und ein Plattenteil 14 auf. Der Rahmen 12 hat eine Oberseite 16 und eine Unterseite 18, wobei die Unterseite 18 von einem Stützteil 20 gestützt ist. Das Plattenteil 14 besteht im wesentlichen aus den flexiblen Teilen 15, dem Mittelteil 22 und dem oberen Teil des Gewichts 41, wobei sich die flexiblen Teile 15 vom Mittelteil 22 nach außen erstrecken und mit dem (in 1 in gestrichelten Linien dargestellten) Innenrand 24 des Rahmens 12 einstückig verbunden sind. Der Mittelteil 22 des Plattenteils 14 weist unter sich den Gewichtskörper 26 auf, der durch den Halsteil 28 (siehe 3(i)) einstückig mit dem Mittelteil 22 verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Gewichtskörper 26 den oberen Teil des Gewichts 41 auf, und diese bilden zusammen im wesentlichen das Gewicht 26' des Elements.
Die innere Seitenfläche 30 des Stützteils 20 liegt der äußeren Seitenfläche 34 des Gewichts 26 über den ersten Raum (oder Zwischenraum) 36 gegenüber. Der zweite Raum (oder Zwischenraum) 38 befindet sich ferner zwischen den flexiblen Teilen 15 und dem Gewichtskörper 26, und der Raum ist mit dem ersten Raum verbunden. Ferner befindet sich der Raum 39 zwischen dem oberen Teil des Gewichts 41 und dem flexiblen Teil 15, wobei der Raum 43 zwischen dem Rahmen 12 und dem oberen Teil des Gewichts 41 angeordnet ist, und diese beiden Räume bilden den dritten Raum (oder Zwischenraum) 40. Das Plattenteil 14, insbesondere das flexible Teil 15, weist auf seiner Oberfläche mehrere der (in 2 nicht dargestellten) Piezoresistoren 42 und mit den Piezoresistoren verbundene (nicht dargestellte) Verdrahtungen auf. Es sei darauf hingewiesen, daß der Raum 43 und der erste Raum 36 miteinander derart verbunden sind, daß sie eine Schlitzform bilden, und daß der zweite Raum 38 mit dem ersten Raum 36 und dem dritten Raum 40 verbunden ist und diese Räume somit einen einzigen Raum bilden.
3 zeigt eine Abfolge des Herstellungsverfahrens für das Element 10 gemäß den 1 und 2 im Querschnitt entlang der Linie B-B'.
3(a): zuerst wird ein Einkristall-Siliziumsubstrat 50 als das Halbleitersubstrat mit dem Leitfähigkeitstyp n vorbereitet. Wenn das Element (beispielsweise mit der Größe 5 mm × 5 mm) hergestellt wird, werden eigentlich mehrere der Elemente (beispielsweise 200–300 Elemente) mit hergestellt, die einstückig einander benachbart sind (derart, daß die Elemente in Draufsicht auf das Substrat übereinander und nebeneinander angeordnet sind), wobei ein kreisförmiges Substrat (mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,1 m (vier Inch) verwendet wird und die Elemente anschließend mittels einer Chipherstellungssäge in die einzelnen Elemente geschnitten und getrennt werden, wie dies allgemein bei Halbleiterelementen geschieht. Zwar werden das erfindungsgemäße Element und das erfindungsgemäße Verfahren zum besseren Verständnis anhand eines einzelnen Elements erläutert, jedoch ist es für den Fachmann offensichtlich, daß derartige Erläuterungen auf die Herstellung der mehreren Elemente anwendbar sind. Bei der Herstellung des einzelnen Elements kann daher das Substrat generell rechteckig oder quadratisch sein.
3(b): Anschließend werden vier Opferschichten 56 jeweils in Form eines im wesentlichen länglichen Rechtecks in der ersten Hauptfläche 58 des Substrats 50 gebildet, wobei sich die Schichten von den vier Seiten 52 des rechteckigen oder quadratischen Mittelteils 23 des Siliziumsubstrats 50 zum Außenrand des Substrats erstrecken, jedoch an den Positionen 54 vor dem Rand enden. Die Bildung der Opferschichten erfolgt unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die flexiblen Teile 15 auf den Opferschichten ausgebildet werden, wobei die gesamte erste Hauptfläche mit Ausnahme der Bereiche, auf denen die Opferschichten gebildet werden sollen, maskiert werden, und anschließend ein Ionenimplantieren einer Verunreinigung vom p-Typ, wie Bor, in die nicht maskierten Bereiche mit einer hohen Verunreinigungskonzentration und nachfolgendes Glühen erfolgt, so daß diese Bereiche mit hoher p-Verunreinigungskonzentration gebildet werden. In diesem Schritt weist die Opferschicht 56 vorzugsweise eine Breite auf, die geringfügig breiter als diejenige des flexiblen Teils 15 ist.
3(c): Anschließend wird die Epitaxieschicht 60 mit dem Leitfähigkeitstyp n auf der gesamten Hauptfläche 58 des Substrats 50 gebildet. Da die Epitaxieschicht 60 schließlich die das Plattenteil 14 (und auch den Rahmen 12) bildet, weist sie eine derartige Dicke auf, daß das flexible Teil 15 elastich gebogen und verformt wird, wenn eine Beschleunigung aufgebracht wird. Anschließend wird die p-Verunreinigung in diejenigen Bereiche eingebracht (beispielsweise wird die Vereinreinigung wie Bor diffundiert), welche dem dritten Raum entsprechen, so daß die Bereiche 62 gebildet werden, welche die höhere Verunreinigungskonzentration aufweisen.
3(d): Danach werden die Piezoresistoren 64 und 66, welche die Veränderung ihres Widerstands durch die Biegung in ein elektrisches Signal umsetzen, auf Bereichen der Epitaxieschicht 60 gebildet, welche als flexible Teile ausgebildet sind, die sich beim Aufbringen der Beschleunigung biegen können. Sie werden gebildet, indem in diese Bereiche die p-Verunreinigug wie Bor eindiffundiert wird, deren Leitfähigkeitstyp demjenigen der Epitaxieschicht 60 entgegengesetzt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß der Piezoresistor 66 als Ausgleich oder als einer der Piezoresistoren verwendet werden kann, die eine Brückenschaltung bilden.
3(e): Danach werden die Verdrahtungsteile 68, die elektrisch mit den Piezoresistoren 64 und 66 verbunden sind, durch Ablagern und thermische Diffusion oder durch Ionenimplantieren und Glühbehandlung gebildet.
3(f): anschließend werden die freiliegende Fläche der Epitaxieschicht 60 und die zweite Hauptfläche des Substrats mit Siliziumnitridfilmen 70 bedeckt. Danach wird der Siliziumnitridfilm von dem Bereich entfernt, der einer Öffnung 72 des ersten Raums 36 entspricht, um den ersten Raum zu bilden. Vorzugsweise werden vor der Bildung der Siliziumnitridfilme 70 Siliziumoxidfilme gebildet.
3(g): Mittels einer alkalischen Lösung, beispielsweise einer Kaliumhydroxidlösung, welche durch die Öffnung 72 in der zweiten Hauptfläche des Siliziumsubstrats 50 aufgebracht wird, wird das Siliziumsubstrat 50 durch anisotropisches Ätzen teilweise entfernt, so daß der erste Raum 36, der zur Opferschicht 56 führt, die Seitenfläche 30 des Stützteils 20 und die Seitenfläche 34 des Gewichts 26 gebildet werden. Bei dem anisotropischen Ätzen ist die Ätzgeschwindigkeit in Dickenrichtung des Siliziumsubstrats 50 schneller und senkrecht zur Dickenrichtung langsamer. Da sich die Opferschicht 56 senkrecht zur Dickenrichtung des Siliziumsubstrats 50 erstreckt, stoppt das Ätzen, während die Opferschicht kaum geätzt ist.
3(h): danach wird ein Bereich des Siliziumnitridfilms 70 auf der ersten Hauptfläche entfernt, und die durch den Verdrahtungsteil 68 elektrisch mit dem Piezoresistor 64 oder 66 verbundene Elektrode 74 wird durch Ablagern oder Sputtern gebildet.
3(i): anschließend wird die Opferschicht 56 durch isotropisches Ätzen entfernt, wobei das Ätzen in alle Richtungen verläuft, und ein Ätzmittel wird durch den ersten Raum 36 eingeleitet, so daß das Plattenteil 14 aus der Epitaxieschicht 60 gebildet wird, wobei die beiden Ränder des Teils vom Rahmen 12 der Epitaxieschicht 60 gestützt werden und das Gewicht 26 über den Halsteil 28 vom Mittelteil 22 des Plattenteils herabhängt.
Beim Ätzen kann in diesem Schritt eine saure Lösung verwendet werden, die Hydrofluorsäure enthält. Bei einem derartigen isotropischen Ätzen ist die Ätzgeschwindigkeit in der Opferschicht 56, in der die Verunreinigungskonzentration hoch ist, höher als in der Epitaxieschicht 60, in welcher die Verunreinigungskonzentration niedrig ist, und somit wird selektiv nur die Opferschicht 56 entfernt, wodurch der zweite Raum gebildet wird. Schließlich werden die Bereiche 62, die im Schritt von 3(c) mit hoher Verunreinigungskonzentration gebildet wurden, nach dem Entfernen der Opferschicht 56 durch isotropisches Ätzen entfernt, so daß der dritte Raum 40 gebildet wird, der durch das Plattenteil 14 und den Rahmen 12 begrenzt ist. Der dritte Raum 40 kann Schlitzform haben und aus den Räumen 39 und 43 zusammengesetzt sein, wie bei dem Ausführungsbeispiel von 1.
Es sei darauf hingewiesen, daß, anders als beim RIE (reaktives Ionenätzen), ein Randbereich beim isotropischen Ätzen eine runde Ecke aufweist, weshalb Belastungskonzentrationen am Rand verhindert sind, wenn eine Biegung nahe dem Rand auftritt, und somit besteht der Vorteil, daß ein Halbleiter-Beschleunigungssensor mit längerer Lebensdauer geschaffen wird. Es ist selbstverständlich möglich, den dritten Raum 40 durch anisotropisches Ätzen, das in einer Richtung wirkt, oder durch RIE zu bilden, wenn der runde Bereich nicht erforderlich ist.
Da bei dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren das anisotropische Ätzen zur Bildung des ersten Raums verwendet wird, kann der Abstand zwischen den Seitenflächen des Stützteils und dem Gewicht so klein wie möglich gemacht werden, d. h. der erste Raum kann dünn ausgebildet werden und in Bezug zum Substrat so weit außen angeordnet sein wie möglich, so daß das Volumen des Gewichts größer sein kann, wenn ein Substrat mit einer festen Größe verwendet wird (das Gewicht kann so schwerer sein). Da die Opferschicht gebildet und danach entfernt wird, kann die Verbindung zwischen dem Gewicht und dem Plattenteil durch den schmalen Halsteil, und damit der Abstand von der Mitte des flexiblen Teils zum Rahmen, länger sein, wenn ein Substrat mit fester Größe verwendet wird. Insbesondere wenn das flexible Teil im wesentlichen die Form eines Trägers hat, wie in 1 dargestellt, wird die Empfindlichkeit des Sensors verbessert, da zusätzlich zur Biegungskonzentration im flexiblen Teil die Länge des flexiblen Teils länger sein kann.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Bereich der Epitaxieschicht 60 ausschließlich des Mittelteils 22 des kreuzförmigen Plattenteils 14 und des oberen Teils des Gewichts 41 kein Substrat unter sich auf und besteht nur aus der Epitaxieschicht 60, weshalb ein derartiger Bereich sich beim Aufbringen einer Beschleunigung erheblich verformen (oder biegen) kann.
Im folgenden wird die Betriebsweise des in 1 dargestellten Halbleiter-Beschleunigungssensors erläutert. Wenn auf den Rahmen 12 eine Beschleunigung aufgebracht wird, wird das Gewicht 26' in einer der Richtung der Beschleunigungseinwirkung entgegengesetzte Richtung verschoben, so daß das biegsame Teil 15 des Plattenteils 14 sich biegt, wodurch der in diesem Bereich ausgebildete Piezoresistor 42 (oder 64) sich biegt und sein Widerstand sich ändert.
In diesem Fall ist der Bereich des Plattenteils 14, der im wesentlichen elastisch biegsam ist, eine an beiden Enden gestützte Trägerstruktur, bei der beide Enden vom Rahmen getragen sind und das Gewicht mit der Mitte der Struktur verbunden ist, und das Gewicht von den vier Trägern (flexiblen Teilen 15) gestützt ist. Daher biegen sich die Träger beim Einwirken einer Beschleunigung in jeder Richtung in bezug auf die Achsen X, Y und Z, die einander im rechten Winkel schneiden, und die Beschleunigung mit den Drei-Achsen-Komponenten kann erfaßt werden.
Der andere Piezoresistor 66, der die selbe Struktur wie der Piezoresistor 54 aufweist, ist wie zuvor beschrieben auf der Oberseite des Rahmens 12 ausgebildet, und die Piezoresistoren 64 und 66 sind miteinander zur Bildung der (nicht dargestellten) Brückenschaltung verbunden. Durch Messen des Widerstands des Piezoresistors 64 über die Schaltung wird die aus den drei Achsenkomponenten bestehende Beschleunigung erkannt.
Bei dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren für den Halbleiter-Beschleunigungssensor wird die Seitenfläche 34 des Gewichts 26 durch anisotropisches Ätzen des Siliziumsubstrats 50 von der zweiten Hauptfläche gebildet, das Plattenteil 14 wird durch isotropisches Ätzen und Entfernen der Opferschicht 56 gebildet, die derart ausgebildet ist, daß sie den Mittelteil 22 des Siliziumsubstrats 50 teilweise umgibt, und einderartiges isotropoisches Ätzen gelangt aufgrund der geringen Verunreinigungskonzentration der Epitaxieschicht 60 nicht bis zur Epitaxieschicht 60, welche zu dem Plattenteil 14 gebildet ist. Die Dicke des Plattenteils 14 ist somit genau kontrolliert, so daß der Beschleunigungssensor mit der an beiden Enden gestützten Trägerstruktur mit geringerer Empfindlichkeitsverteilung stabil hergestellt wird.
Darüber hinaus kann der elastisch verformbare Bereich, obwohl bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Trägers gezeigt, breiter und/oder kürzer sein, wenn die Empfindlichkeit nicht wichtig ist.
Zwar ist bei dem genannten Ausführungsbeispiel die Leitfähigkeit dedes Substrats und der Epitaxieschicht vom n-Typ, jedoch kann sie vom p-Typ sein, wobei der Piezoresistor 64 vom n-Typ ist.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem das Entfernen der Opferschicht durch einen Ätzvorgang mittels Ätzen und Entfernen der Opferschicht durch den dritten Raum zur Bildung des zweiten Raums erfolgt. Die Bildung des dritten Raums kann zu jeder geeigneten Zeit erfolgen, und kann daher beispielsweise vor oder nach oder gleichzeitig mit der Bildung des ersten Raums erfolgen.
Zuerst werden die vorbestimmte Opferschicht 88 und die Epitaxieschicht 82 auf dem Substrat 96 ähnlich den 3(a) bis (c) aufgebracht. Wie in 4(a) dargestellt wird die Epitaxieschicht 82 derart maskiert, daß nur der Bereich 84 der Epitaxieschicht 82, ausschließlich der Bereiche, die letztlich das Plattenteil 80 (einschließlich Mittelteil 92 und flexible Teile 106) und den Rahmen 90, bilden sollen, einem Ätzen unterzogen wird und anschließend der Bereich 84 durch RIE oder anistropisches Ätzen entfernt wird, so daß der Dritte Raum 86 als Ätzmitteleinleitport ausgebildet und die Opferschicht 88 am Boden des Raums 88 freigelegt wird, wie in 4(b) dargestellt. Danach wird die Opferschicht 88 durch isotropisches Naßätzen entfernt, so daß das Plattenteil 80 und der Rahmen 90 und auch das Gewicht 94 einschließlich Halsteil 93 und Stützteil 95 wie in 4(c) dargestellt gebildet werden. Wenn auf diese Weise das Ätzmitteleinlaßport in dem Bereich der Epitaxieschicht ausschließlich der Bereiche, welche das Plattenteil und den Rahmen bilden sollen, ausgebildet ist, wird die Opferschicht 88 als die Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration direkt geätzt, und da dieses Ätzen entlang der durch den Pfeil in 4(b) dargestellten Richtung unter dem länglichen Bereich des Plattenteils (d. h. dem flexiblen Teil 106) verläuft, ist der Ätzweg verkürzt, was zu einer kürzeren Entfernungsdauer durch Ätzen führt. Ohne das Ätzmitteleinleitport muß das Ätzen senkrecht zum Pfeil und vom Außenrand des Gewichts 94 in Richtung des Halsteils 93 verlaufen. Es sei darauf hingewiesen, daß das bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der erste Raum bereits gebildet wurde.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 4 ist der Querschnitt des dritten Raums 86 entlang der Epitaxieschicht 82 im wesentlichen quadratisch, mit der Ausnahme, daß ein Eckbereich 97 nahe dem Mittelteil 92 einwärts konvex ist. Der Querschnitt kann jede geeignete Form haben. Beispiele für die Form sind schematisch in den Draufsichten in den 5(a) bis (l) dargestellt. Weitere Beispiele sind schematisch in den teilweise weggeschnittenen perspektivischen Ansichten der 6(a) und (b) dargestellt.
Das (durch schräge Linien angedeutete) Ätzmitteleinleitport 86 wird durch Ätzen und Entfernen der Epitaxieschicht 82, mit Ausnahme der Bereiche, welche das Plattenteil 80 und den Rahmen 90 bilden sollen, gebildet und anschließend wird das Ätzmittel durch das Port 86 eingeleitet, um die Opferschicht 86 zu ätzen und zu entfernen. Anschließend wird ein Verweilphänomen des Ätzmittels aufgehoben, so daß die Konvektion des Ätzmittels schnell vorangeht, und auf diese Weise wird der Effekt vorteilhafterweise vermieden, der auf der Veränderung des Ätzmittels aufgrund der selbstkatalytischen Auflösung von in dem Ätzmittel enthaltener Salpetersäure in einem örtlich begrenzten Raum basiert. Das Plattenteil 80 wird ohne Verschlechterung der Selektivität der Opferschicht 88 über der Epitaxieschicht 82 gebildet. Hinsichtlich des Ätzens der Opferschicht 88 unter dem biegsamen Teil 106 kann das Ätzen senkrecht zur Längsrichtung 104 des flexiblen Teils 106 (d. h. der Richtung des Pfeils in 4(b) oder 6(b)) erfolgen, kann die Ätzzeit im Vergleich mit dem Ätzen in Längsrichtung 104 des flexiblen Teils 106 verringert werden. Es sei darauf hingewiesen, daß das Ätzmitteleinleit port 86 gleichzeitig mit der Bildung des ersten Raums 100 durch das anisotropische Ätzen gebildet, wobei das Einleitport 86 ohne weiteren Schritt gebildet wird.
Die 5(b) bis (l) sind schematische Draufsichten auf die Sensoren des erfindungsgemäßen Halbleiter-Beschleunigungssensors von oben gesehen, und sie zeigen die Formen und die Anordnung der Ätzmitteleinleitports.
In 5(b) sind die Ecken der Form des in 5(a) dargestellten Ätzmitteleinleitports 86 von oben gesehen gerundet, wodurch die mechanische Festigkeit gegen Belastungskonzentrationen im als Träger ausgebildeten flexiblen Teil 106 des Plattenteils am Ende des Teils 106, das den Rahmen 90 erreicht, verbessert ist.
In 5(c) sind die in 5(a) dargestellten Ätzmitteleinleitports nur in den Bereichen ausgebildet, die den flexiblen Teilen 106 benachbart sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Opferschicht 13 unter und nahe den flexiblen Teilen 106 geätzt und entfernt und die Epitaxiebereiche 108 (die vom Ätzmitteeinleitport 86 und dem Rahmen 90 umgeben sind), werden nicht entfernt, so daß das Substrat unter den Bereichen belassen wird, wenn die Opferschicht nicht vorhanden ist, wobei die Empfindlichkeit durch die Volumenzunahme des Gewichts verbessert wird. Es sei darauf hingewiesen, daß es erforderlich ist, Schlitze zumindest teilweise in den flexiblen Teilen 106 und zwischen den Bereichen 108 und dem Rahmen 90 beispielsweise unter Verwendung von RIE auszubilden, so daß die flexiblen Teile 106 zusätzliche Flexibilität aufweisen.
In 5(d) ist der in 5(c) dargestellte Ätzmitteleinleitport 86 in mehrere rechteckige Bereiche unterteilt und ein ähnlicher Effekt wie in 5(c) wird erreicht. Die flexiblen Teile 106 sind teilweise mit den Epitaxieschichtbereichen 108 verbunden, welche mit dem Rahmen 90 verbunden sind. Wenn ein Wafer beim Beschichten mit einem Resist mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird, wird das Biegen oder Brechen des Plattenteils 80 beispielsweise aufgrund der hohen Viskosität des Resists verhindert, so daß dieses Ausführungsbeispiel unter dem Aspekt der Handhabung (Bearbeitbarkeit) eine bessere mechanische Festigkeit aufweist. Wie bei dem Ausführungsbeispiel von 5(c) ist das Ausbilden der Schlitze in den flexiblen Teilen 106 erforderlich, um die zusätzliche Flexibilität zu verleihen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere rechteckige Ätzmitteleinleitports 86 gebildet. Jedoch besteht in dieser Hinsicht keine spezifische Beschränkung und das Ätzmitteleinleitport kann beispielsweise eine ovale Form haben.
Die 5(e) bis (h) entsprechen den Ausführungsbeispielen der 5(a) bis (d), wobei die Ätzmitteleinleitports 110 weiter in den flexiblen Teilen 106 ausgebildet sind und somit die Opferschicht 86 von den Mittelteilen und den Seiten der flexiblen Teile 106 geätzt wird, so daß der Ätzvorgang verkürzt ist. Die Form des Ätzmitteleinleitports kann in Draufsicht jede beliebige Form haben, beispielsweise ein Kreis, ein Oval, ein Rechteck, ein Quadrat, ein Quadrat mit abgerundeten Ekken und so weiter, jedoch werden der Kreis, das Oval und das Quadrat mit den abgerundeten Ecken bevorzugt, wenn es um die Belastungskonzentration um das Ätzmitteleinleitport geht. Mehrere der Ätzmitteleinleitports 110 können entlang der Mittellinie des flexiblen Teils 106 vorhanden sein, die parallel zur Längsrichtung des flexiblen Teils verläuft. Es sei darauf hingewiesen, daß die vorstehenden Beschreibungen der 5(a) bis (d) gegebenenfalls auch auf die 5(e) bis (h) Anwendung finden.
Die 5(i) bis (l) entsprechen den Ausführungsbeispielen der 5(a) bis (d), wobei die Ätzmitteleinleitports 112 weiter entlang im wesentlichen der gesamten Länge der flexiblen Teile 106 ausgebildet sind, und auf diese Weise wird die Opferschicht 88 von dem Mittelteil und den Seiten des flexiblen Teils 106 senkrecht zur Längserstreckung des flexiblen Teils 106 geätzt, so daß der Ätzvorgang verkürzt wird. Die Form des Ätzmitteleinleitports kann jede beliebige Form haben, beispielsweise ein Kreis, ein Oval, ein Rechteck, ein Quadrat, ein Quadrat mit abgerundeten Ecken und so weiter, jedoch werden der Kreis, das Oval und das Quadrat mit den vier abgerundeten Ecken bevorzugt, wenn es um die Belastungskonzentration um das Ätzmitteleinleitport geht. Es sei darauf hingewiesen, daß die vorstehenden Beschreibungen der 5(a) bis (d) gegebenenfalls auch auf die 5(i) bis (l) Anwendung finden.
Bei den in den 5(a), 5(b), 5(e), 5(f), 5(i) und 5(j) dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Epitaxieschicht 82 mit Ausnahme des Plattenteils 80 und des Rahmens 90 durch Ätzen entfernt, wie bei dem Ausführungsbeispiel der 6(b). Bei den Ausführungsbeispielen der 5(c), 5(d), 5(g), 5(h), 5(k) und 5(l) jedoch kann die Epitaxieschicht 82 nur in den Bereichen geätzt werden, die dem Rahmen 90 benachbart sind, so daß der Schlitz 87 gebildet wird, der mit dem ersten und dem dritten Raum verbunden ist, wie in 6(a) dargestellt, so daß das Gewicht 94 schwerer gemacht wird und die Empfindlichkeit so verbessert ist. Die flexiblen Teile 106 der Ausführungsbeispiele in den 5(e) bis (l) entsprechen den flexiblen Teilen 106 der 6(a), in welcher die Ätzmitteleinleitports 110 oder 112 weiter ausgebildet sind.
Bei den Ausführungsbeispielen der 5(c), 5(d), 5(g), 5(h), 5(k) und 5(l) wird, wenn die Größe des Ätzmitteleinleitports 86 (insbesondere die Größe des Bereichs 84) im Hinblick auf die Eigenschaften des anisotropischen Ätzens so ausgebildet ist, daß das Ätzen automatisch stoppt, wenn die Opferschicht 86 erreicht ist, ein übermäßiges Ätzen des Gewichts 94 verhindert, welches ansonsten die Empfindlichkeit verringern würde. Eine derartige Ausbildung kann durch Kontrollieren der Öffnungsgröße der Maske für das anisotropische Ätzen erfolgen.
Obwohl bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 5 und 6 das Gewicht von den vier flexiblen Teilen 106 in Form von Trägern (s. 6(a)) oder den acht flexiblen Teilen 106 in Form von Trägern getragen wird (s. 6(b)), ist die Zahl der Träger nicht auf diese Ausführungsbeispiele begrenzt. Jede Anzahl (beispielsweise zwölf Träger und sechzehn Träger) von Trägern kann zum Tragen des Gewichts verwendet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 6(a) bildet die Epitaxieschicht 82 das Plattenteil 80 mit dem flexiblen Teilen 106, dem Mittelteil 107 und den oberen Teilen des Gewichts 91, während das Ausführungsbeispiel nach 6(b) keine oberen Gewichtsteile hat.
Im folgenden wird die Bildung des dritten Raums durch Vorsehen der zweiten Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration in de Epitaxieschicht anhand 7 beschrieben.
7 zeigt schematisch im Querschnitt die Schritt zur Herstellung des Fühlerelements für den erfindungsgemäßen Halbleiter-Beschleunigungssensor, und 8 zeigt schematisch in teilweise weggeschnittenen Darstellungen einige Stufen während der Schritte der 7(b) bis (i).
7(a): auf einem Einkristall-Siliziumsubstrat 150 ist als n-Halbleitersubstrat mit einer Dicke von beispielsweise 400 bis 600 μm und einer Orientierung der Kristallebene (Kristallorientierung) von (100) ein Siliziumoxidfilm 152 beispielsweise durch thermisches Oxidieren aufgebracht, wonach die Öffnungen 154 durch Ätzen des Siliziumoxidfilms 152 durch eine Maske aus einem (nicht dargestellten) Photoresist mit einem vorbestimmten Muster gebildet werden, und anschließend das Photoresist beispielsweise durch Plasmaätzen entfernt wird. Die Öffnungen 154 werden in den Bereichen ausgebildet, die sich von vier, den im wesentlichen rechteckigen Mittelteil 156 umgebenden Seiten nach außen erstrekken (es sind langgestreckte Bereiche, welche das Mittelteil umgeben) und auf denen die flexiblen Teile (konkret: die Trägerteile) ausgebildet werden sollen, und sie werden in der Umgebung in Längsrichtung der Bereiche ausgebildet. Die Breite des flexiblen Teils 158 ist geringer als diejenige der Öffnung 154.
Die Öffnung 154 ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und sie kann in dem Bereich ausgebildet werden, der das Mittelteil 156 des Einkristall-Siliziumsubstrats 150 vollständig umgibt (d. h. der Bereich ist ringförmig).
Anschließend werden unter Verwendung des Siliziumoxidfilms 152 mit den Öffnungen 154 als Maske die Opferschichten 160 als Schichten mit hoher Verunreinigungskonzentration gebildet, in denen die p-Verunreinigung wie Bor (B) in hoher Konzentration durch das Ablagern und die thermische Diffusion oder das Ionenimplantieren und die Glühbehandlung der p-Verunreinigung vorliegt. Die Konzentration der p-Verunreinigung in der Opferschicht 160 ist vorzugsweise nicht geringer als 1,0 × 10¹⁷ cm^–3 und unterhalb der Feststofflösungsgrenze.
7(b): danach wird der Sailiziumoxidfilm 152 durch Ätzen entfernt. Anschließend wird auf der Seite, auf der die p-Opferschicht 160 des Einkristall-Siliziumsubstrats 150 ausgebildet ist, die Epitaxieschicht 162 mit einer Dicke gebildet, daß das zu bildende flexible Teil 158 sich elastisch biegen kann, wenn die Beschleunigung aufgebracht wird, und anschließend werden die Piezoresistoren 164 in den vorbestimmten Bereichen der entsprechenden flexiblen Teile 158 der Epitaxieschicht 162 unter Verwendung eines Resists mit dem vorbestimmten Muster als Maske und mittels Ablagerung und thermischer Diffusion oder Ionenimplantation und Glühbehandlung der p-Verunreinigung, wie Bor (B), gebildet (s. 8(a)).
7(c): auf ähnliche Weise werden die Diffusionsverdrahtungen 166, welche elektrisch mit den Piezoresistoren 164 verbunden sind, durch Ablagern und thermische Diffusion oder Ionenimplantieren und Glühbehandlung der p-Verunreinigung gebildet, und anschließend wird das Photoresist entfernt.
7(d): anschließend werden die p-Verunreinigungsschichten 168, welche die vergrabenen p-Verunreinigungsschichten 160 erreichen, durch Ablagerung und thermische Diffusion oder durch Ionenimplantation und Glühbehandlung der p-Verunreinigung nahe den Bereichen gebildet, welche das Plattenteil der Epitaxieschicht 162, insbesondere die flexiblen Teile 158, werden sollen, und danach wird das Photoresist entfernt (s. 8(b)).
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Verunreinigungsschichten 168 nahe den flexiblen Teilen 158 gebildet, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Die Verunreinigungsschichten der Epitaxieschicht können derart gebildet sein, daß sie mit der Opferschicht 160, ausschließlich der flexiblen Teile 158, des Mittelteils 188 und des Rahmens 186, verbunden ist. Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel die Verunreinigungsschichten 168 nach den Piezoresistoren 164 und den Diffusionsverdrahtungen 166 gebildet werden, können die Piezoresistoren 164 und die Diffusionsverdrahtungen 166 auch nach den Verunreinigungsschichten 168 gebildet werden.
7(e): danach werden auf dem Einkristall-Siliziumsubstrat 150 und der Epitaxieschicht 162 die Siliziumoxidfilme 170 gebildet, auf denen Schutzfilme 172 wie Siliziumnitridfilme gebildet werden. Diese beiden Arten von Filmen sind dahingehend vorteilhaft, daß ihre Wölbungsrichtungen einander entgegengesetzt sind, was dazu dient, die Ebenheit des Substrats zu wahren. Anschließend werden die Öffnungen 176 in vorbestimmten Bereichen gebildet, die dem Außenrand des im folgenden beschriebenen Gewichts 174 entsprechen, indem der Siliziumoxidfilm 170 und der Schutzfilm 172 unter Verwendung des (nicht dargestellten) Photore sists als Maske mit dem vorbestimmten Muster geätzt werden, worauf der Photoresist entfernt wird.
7(f): anschließend wird das Siliziumsubstrat 150 mit einer alkalischen Ätzmittellösung (beispielsweise einer KOH-Lösung) anisotropisch geätzt, wobei der Schutzfilm 172 mit den Öffnungen 176 als Maske verwendet wird, so daß der erste Raum 178, der die vergrabene p-Opferschicht 160 erreich, gebildet wird.
7(g): danach werden Bereiche des Siliziumoxidfilms 170 und des Schutzfilms 172 auf den p-Verunreinigungsschichten 168 durch Ätzen entfernt, um so (nicht dargestellte) Öffnungen zu bilden, die der Bildung des dritten Raums dienen und durch welche ein auf Fluorwasserstoffsäure/Schwefelsäure basierendes Ätzmittel zugeführt wird, um die Ätzmitteleinleitports 180 zum dritten Raum auszubilden.
7(h): anschließend wird durch die Ätzmitteleinleitports 180 ein auf Fluorwasserstoffsäure/Schwefelsäure basierendes Ätzmittel zugeführt, so daß die vergrabenen p-Opferschichten 160 entfernt werden, um den zweiten Raum 182 zu bilden (s. 8(c)). Als das auf Fluorwasserstoffsäure/Schwefelsäure basierende Ätzmittel dient hier ein Ätzmittel, das Fluorwasserstoffsäure – Schwefelsäure : Essigsäure = 1 : 1 bis 3 : 8 (50% Fluorwasserstoffsäure in wäßriger Lösung : 69% Schwefelsäure in wäßriger Lösung : Essigsäure, basierend auf dem Volumen) enthält.
Es sei darauf hingewiesen, daß das Ätzen der Opferschicht 160 durch den ersten Raum 178 und den dritten Raum 180 erfolgen kann.
7(i): danach werden vorbestimmte Bereiche des Siliziumoxidfilms 170 und des darauf befindlichen Schutzfilms 172, die sich auf den Diffusionsverdrahtungen 166 befinden, durch Ätzen entfernt, um Kontaktlöcher zu schaffen, die gefüllt werden, und anschließend werden Metallverdrahtungen 184 (beispielsweise aus Aluminium) derart gebildet, daß sie durch die Diffusionsverdrahtungen 166 mit den Piezoresistoren 164 verbunden sind, und danach werden der Siliziumoxidfilm 170 auf dem Siliziumsubstrat 150 und der darauf befindliche Schutzfilm 172 durch Ätzen entfernt (s. 8(d)).
Schließlich werden die Bereiche der Epitaxieschicht 162, ausschließlich der Bereiche, welche die flexiblen Teile 158, das Mittelteil 188 und der Rahmen 186 werden sollen, und optional ein Bereich des darunterliegenden Einkristall-Siliziumsubstrats 150 durch RIE (reaktives Ionenätzen) entfernt, wodurch das Plattenteil (158 + 188), dessen Enden sämtlich vom Rahmen gestützt werden, und das vom Mittelteil 188 herabhängende Gewicht 174 gebildet werden, so daß sich das erfindungsgemäße Element ergibt (s. 8(e)). Bei dem Element werden die Grenzflächen zwischen den flexiblen Teilen 158 und dem Rahmen 186 sowie die Grenzflächen zwischen den flexiblen Teilen 158 und dem Mittelteil 188 vorzugsweise derart bearbeitet, daß sie Ränder mit gerundeten Ecken (oder Seiten) aufweisen, um die Belastungskonzentration zu vermeiden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Ätzmitteleinleitports 180 in den Bereichen ausgebildet, welche den in der Epitaxieschicht in Form von Trägern vorliegenden flexiblen Teilen 158 benachbart sind, und das Ätzmittel wird durch diese Ports zugeführt, um die p-Opferschicht 160 durch Ätzen zu entfernen, so daß Effekt vermieden wird, der auf der Veränderung des Ätzmittels aufgrund der selbstkatalytischen Auflösung von in dem Ätzmittel enthaltener Salpetersäure in einem örtlich begrenzten Raum basiert. Die flexiblen Teile 158 werden somit präzise geformt, ohne die Selektivität der vergrabenen p-Opferschicht 160 über der Epitaxieschicht 162 zu beeinträchtigen.
Da die p-Verunreinigungsschicht 168 eine hohe Verunreinigungskonzentration aufweist, wie in der p-Verunreinigungsschicht 160, kann das ätzende Entfernen der Verunreinigungsschichten 168 und 160 nacheinander erfolgen, so daß der Schritt verkürzt werden kann.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ferner der Ätzweg verkürzt werde, da das Ätzen nicht entlang der Längsrichtung des flexiblen Teils 158, sondern senkrecht zur Längsrichtung des flexiblen Teils 159 durchgeführt wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem der erste Raum aus zwei Teilen besteht.
9 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels des Elements 200 für den erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor und ist beispielsweise der Querschnittsdarstellung von 3(i) im wesentlichen ähnlich, mit der Ausnahme, daß die Form (oder Gestalt) des ersten Raums 202 verschieden ist.
Wie aus der 9 leicht ersichtlich, weist das Element 200 den ersten Raum 202 auf, der aus dem ersten Teil 204, der durch einen mechanischen oder chemischen Vorgang gebildet ist, und dem zweiten Teil 206 besteht, der durch anisotropisches Ätzen gebildet ist. Aus der 9 ist klar ersichtlich, daß die Seitenfläche 210 des Gewichts 208 und die Seitenfläche 214 des Stützteils 212 eine derartige Verjüngung bilden, daß der Winkel (θ₁) des ersten Teils kleiner als der Winkel (θ₂) des zweiten Teils ist, wobei jeder Winkel durch die beiden Seitenflächen begrenzt ist.
Bei der Herstellung des ersten Raums 202 ist, wenn anisotropisches Ätzen von Beginn der Bildung an verwendet wird, der durch die Seitenflächen des Gewichts und des Stützteils gebildete Winkel θ₂ und das Ätzen muß bis zum Erreichen der Opferschicht fortgesetzt werden. Die Öffnung 216 sollte daher größer sein, wie durch gestrichelte Linien angedeutet, so daß das Problem auftritt, daß das Volumen des Gewichts verringert wird. Dieses Problem wird durch dieses Ausführungsbeispiel gelöst.
Das heißt, das bei dem dargestellten Element das Volumen des Gewichts erhöht werden kann, ohne die Fläche der Öffnung 216 für den ersten Raum zu vergrößern. Dies bedeutet, daß die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors verbessert werden kann, ohne die Chipfläche des Sensors zu vergrößern. Es sei darauf hingewiesen, daß in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erste Raum zwar aus zwei Teilen besteht, jedoch kann der erste Teil mechanisch oder chemisch geschliffen werden, um ihn weiter in mehrere Unterteile zu teiolen, vorausgesetzt, der Verjüngungswinkel des Unterteils ist kleiner als der Verjüngungswinkel des zweiten Teils (θ₂).
Bei der Bildung des ersten Teils wird konkret das Halbleitersubstrat 218 mechanisch bis ungefähr zu seinem Mittelpunkt geschliffen, um den ersten Teil 204 zu bilden. Die Form der Öffnung des ersten Teils 204 insbesondere der Abstand zwischen beiden Seitenflächen, sollte derart sein, daß eine ausreichende Öffnung des zweiten Teils zur Bildung des zweiten Teils 206 im nächsten Schritt gewährleistet ist.
Für das mechanische Schleifen zur Bildung des ersten Teils kann beispielsweise eine Chipsäge oder der Aufprall von Partikeln mit hoher Geschwindigkeit (beispielsweise Sandstrahlen) verwendet werde. Beim Sandstrahlen werden feine Sandpartikel mit hohem Druck gegen ein Objekt geblasen und so Material vom Objekt entfernt. Alternativ kann der erste Teil unter Verwendung einer chemischen Reaktion, beispielsweise reaktives Ionenätzen (RIE), gebildet werden.
Der zweite Teil 206 wird anschließend durch anisotropisches Ätzen unter Verwendung einer alkalischen Lösung, beispielsweise einer wäßrigen Kaliumhydroxidlösung, gebildet. Das Ätzen erfolg derart, daß, wenn die Opferschicht im zweiten Raum 220 vorhanden ist, das Ätzen bis zur Opferschicht fortschreitet, welche als Ätzstoppschicht dient. Wenn die Opferschicht nicht vorhanden ist, stoppt der Ätzvorgang, wenn der zweite Raum 220 erreicht wird. Der erste Teil 204 wirkt als Maske und Ätzmitteleinleitport zur Bildung des zweiten Teils 206. als Ätzmittel kann neben der wäßrigen Kaliumhydroxidlösung Ethylendiamin-Pyrocatechol, Hydrazin und so weiter verwendet werden.
Das mechanische Schleifen ist dahingehend vorteilhaft, daß die Entferngeschwindigkeit im Vergleich zum Ätzen höher ist, so daß ein dickeres Substrat bearbeitet werden kann, wodurch das Volumen (und somit das Gewicht) des Gewichts vergrößert wird. Das reaktive Ionenätzen ist eines der Halbleiterbearbeitungsverfahren und ist dahingehend vorteilhaft, daß es in derselben Umgebung verwendet wird wie bei anderen Bearbeitungsvorgängen bei der Herstellung des Elements und daß θ₁ im vergleich zum mechanischen Schleifen kleiner sein kann (da das Schleifen unter einem Winkel erfolgen kann, der einem rechten Winkel in bezug auf das Substrat 218 näher ist), so daß die Öffnung 216 kleiner ist und θ₁ im wesentlichen 0° betragen kann.
Im folgenden wird das Ausführungsbeispiel, bei dem der erste Raum aus zwei Teilen besteht, unter Bezugnahme auf 10 näher erläutert.
10(a): Als Halbleitersubstrat 218 wird ein n-Substrat mit einer Kristallebenenorientierung von (100) verwendet. Das Halbleitersubstrat 218 hat vorzugsweise eine Verunreinigungskonzentration von nicht mehr als 1,0 × 10¹⁷ cm^–3. Die Dicke des Substrats ist gegenüber einem herkömmlicherweise verwendeten Substrat geringfügig dicker (beispielsweise eine Dicke von ungefähr 1000 μm).
Zuerst wird in einem Diffusionsschritt zur Bildung der Opferschicht 230, das Ablagern und die thermische Diffusion oder das Ionenimplantieren und die Glühbehandlung ausgeführt. Es wird eine Verunreinigung wie Bor verwendet und in einer hohen Konzentration dotiert. Die Diffusionstiefe wird je nach der Anwendung kontrolliert. Die Opferschicht 230 kann aus einer Schicht mit einer hohen Verunreinigungskonzentration vom n-Typ bestehen, wenn Antimon, Phosphor und dergleichen verwendet wird. Die Opferschicht 230 wirkt erfindungsgemäß als Ätzstoppschicht und die Opferschicht selbst.
10(b): die Epitaxieschicht 232 wird auf dem Substrat 218 durch Epitaxiewachstum gebildet. Die Epitaxieschicht 232 bildet den Rahmen und das Plattenteil des Biegungsfühlerelements. Da die Schicht 232 durch das Epitaxiewachstum gebildet wird, ist ihre Dicke leicht und präzise kontrollierbar.
10(c): danach werden die Piezoresistoren 234 durch thermische Diffusion oder Ionenimplantation und Glühbehandlung unter Verwendung der p-Verunreinigung wie Bor in den Bereichen der Epitaxieschicht gebildet, welche die flexiblen Teile werden sollen.
10(d): anschließend werden die Diffusionsverdrahtungen 236, welche die Widerstandsänderung der Piezoresistoren 234 ausgeben, durch Ablagerung und thermische Diffusion oder Ionenimplantation und Glühbehandlung unter Verwendung der p-Verunreinigung wie Bor in den Bereichen der Epitaxieschicht 232 gebildet, welche die flexiblen Teile werden sollen. Die Verunreinigungskonzentration ist höher als im Piezoresistorbilduzngsschritt (10(c)).
10(e): danach wird eine Schutzmaske 238, welche die Epitaxieschicht 232, die Piezoresistoren 234 und die Diffusionsverdrahtungen 236 schützt, sowie die Bildungsmaske 240, die zum Bilden des Gewichts 250 dient, gebildet. Beide Mas ken bestehen vorzugsweise aus einem Siliziumnitridfilm und/oder einem Siliziumoxidfilm. Nachfolgend wird der erste Teil 242 durch mechanisches Schleifen des Halbleitersubstrats 218 beispielsweise bis ungefähr zur Mitte desselben gebildet. Als mechanische Schleifeinrichtung wird eine Chipsäge verwendet. Die Größe der Öffnung 244 des ersten Teils 242 ist derart, daß die erforderliche Öffnung 245 für den nächsten Schritt zur Herstellung des zweiten Teils 246 gewährleistet ist.
10(f): danach wird der zweite Teil 246 durch anisotropisches Ätzen unter Verwendung einer wäßrigen alkalischen Lösung wie Kaliumhydroxid gebildet. Das Ätzen erfolgt bis zur Opferschicht 230, die als die Ätzstoppschicht dient. Der erste Teil 242 wirkt als eine Ätzmaske und ein Ätzmitteleinleitport zur Bildung des zweiten Teils 246.
10(g): anschließend werden die vorbestimmten Bereiche des Siliziumoxidfilms und des Siliziumnitridfilms auf den Diffusionsverdrahtungen entfernt, um Kontaktlöcher zu bilden, und Metallverdrahtungen 248 werden durch Sputtern oder Ablagern so ausgebildet, daß sie mit den Diffusionsverdrahtungen 238 in Kontakt stehen. Bei Verwendung von Aluminium wird vorzugsweise eine thermische Behandlung wie Sintern durchgeführt. Für die Metallverdrahtungen 248 kann Gold, Chrom und dergleichen verwendet werden.
10(h): schließlich wird die Opferschicht 230, die als Ätzstoppschicht diente, durch Ätzen entfernt, um so den zweiten Raum 254 zu bilden. Als Ätzmittel dient hier ein Ätzmittel, das Fluorwasserstoffsäure – Schwefelsäure : Essigsäure = 1 : 1 bis 3 : 8 enthält. Da in diesem Fall die Ätzgeschwindigkeit in der (Diffusions-)Schicht mit geringer Verunreinigungskonzentration, die eine Verunreinigungskonzentration von nicht mehr als 1,0 × 10¹⁷ cm^–3 aufweist, auf ungefähr 1/150 der Ätzgeschwindigkeit der Diffusionsschicht mit einer Verunreinigungskonzentration über 1,0 × 10¹⁷ cm^–3 verringert wird, kann nur die (Diffusions-)Schicht mit geringer Verunreinigungskonzentration selektiv belassen werden. Das heißt, daß die Opferschicht 230, in der die Verunreinigung in einer hohen Konzentration diffundiert ist, kann selektiv geätzt werden, so daß das Gewicht 250 und das Stützteil 252 getrennt werden.
Wenn, wie zuvor beschrieben, der erste Raum in die mehreren Teile, beispielsweise zwei Teile, geteilt ist, und anisotropisches Ätzen für den letzten Teil verwendet wird, während mechanisches Schleifen oder RIE für die anderen Teile verwendet wird, so daß diese Teile gebildet werden, kann das Volumen des Gewichts 250 groß ausgebildet werden, ohne die Fläche der Öffnung 244 zu vergrößern, wodurch die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors ohne Vergrößerung der Chipfläche verbessert werden kann.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Verdrahtungsschutzfilm während der Herstellung des Beschleunigungssensors gebildet wird, unter Bezugnahme auf 11 beschrieben, welche schematisch die Herstellungsschritte für den Beschleunigungssensor zeigt.
11(a): auf dem Einkristall-Siliziumsunstrat 300, das als n-Halbleitersubstrat mit einer Dicke von beispielsweise 400 bis 600 μm und einer Kristallebenenorientierung von (100) dient, wird ein Siliziumoxidfilm 302 beispielsweise durch thermisches Oxidieren aufgebracht, und anschließend werden die Öffnungen 304 durch Ätzen des Oxidfilms 302 mit einer (nicht dargestellten) Photoresistmaske mit einem vorbestimmten Muster geätzt, woraufhin der Photoresist beispielsweise durch Plasmaätzen entfernt wird. Die Öffnungen 304 werden in den Bereichen ausgebildet, welche den im wesentlichen rechteckigen Mittelteil 306 des Einkristall-Siliziumsubstrats 300 umgeben.
Danach werden unter Verwendung des Siliziumoxidfilms 302 mit den Öffnungen 304 als Maske, die p-Opferschichten 308 gebildet, welche durch Ablagern und thermische Diffusion oder Ionenimplantieren und Glühbehandlung der p-Verunreinigung mit der p-Verunreinigung wie Bor (B) dotiert wird. Es sei darauf hingewiesen, daß anstelle des Siliziumoxidfilms beispielsweise ein Siliziumnitridfilm gebildet werden kann, und anschließend das Ablagern und thermische Diffundieren oder das Ionenimplantieren und die Glühbehandlung unter Verwendung des Nitridfilms als Maske erfolgen kann.
11(b): anschließend wird der Siliziumoxidfilm 302 durch Ätzen entfernt. Danach wird auf der Seite, auf der die p-Opferschicht 308 des Einkristall-Siliziumsubstrats 300 ausgebildet ist, die n-Epitaxieschicht 310 gebildet, und an schließend werden die Piezoresistoren 312 in den vorbestimmten Bereichen der entsprechenden flexiblen Teile 338, die aus der Epitaxieschicht 310 zu bilden sind, mittels Ablagerung und thermischer Diffusion oder Ionenimplantation und Glühbehandlung der p-Verunreinigung gebildet. Es sei darauf hingewiesen, daß, da die Epitaxieschicht 310 schließlich zum Plattenteil mit den flexiblen Teilen 338 gebildet wird, diese mit einer Dicke ausgebildet wird, die ein elastisches Biegen beim Einwirken einer Beschleunigung ermöglicht.
11(c): danach werden die Diffusionsverdrahtungen 314 durch Ablagern und thermische Diffusion oder Ionenimplantieren und Glühbehandlung der p-Verunreinigung derart gebildet daß sie elektrisch mit den Piezoresistoren 312 verbunden sind, und anschließend werden die Siliziumoxidfilme 316 auf dem Einkristall-Siliziumsubstrat 300 und der freiliegenden Epitaxieschicht 310 gebildet.
11(d): anschließend werden die Schutzfilme 318, wie die Siliziumnitridfilme, auf den Siliziumoxidfilmen 316 beispielsweise durch ein CVD-Verfahren gebildet, und danach wird ein Bereich des Schutzfilms 318 und des Siliziumoxidfilms 316 durch Ätzen gebildet, beispielsweise durch RIE, so daß die Öffnung 320 für den ersten Raum 322 gebildet wird, welche das Gewicht 336 umgibt, wie im folgenden erläutert.
11(e): danach wird das Einkristall-Siliziumsubstrat 300 unter Verwendung des Schutzfilms 318 mit der Öffnung 320 als Maske und unter Verwendung eines alkalischen Ätzmittels, beispielsweise einer wäßrigen Kaliumhydroxidlösung, geätzt, so daß der erste Raum 322 gebildet wird, der die p-Opferschicht 308 erreicht.
11(f): anschließend werden die vorbestimmten Bereiche des Siliziumoxidfilms 316 und des Schutzfilms 318, die sich auf den Diffusionsverdrahtungen 314 befinden, durch Ätzen entfernt und die Metallverdrahtungen 324 (beispielsweise aus Aluminium) und die (nicht dargestellten) Elektrodenpads werden derart ausgebildet, daß sie elektrisch mit den Diffusionsverdrahtungen 314 verbunden sind, und danach wird ein Verdrahtungsschutzfilm 326, beispielsweise ein Chromfilm, ein Siliziumnitridfilm oder ein Fluorkunststoffilm auf der Seite des Einkristall-Siliziumsubstrats 300 mit den Metallverdrahtugen 324 gebildet.
Es sei darauf hingewiesen, daß bei Verwendung des herkömmlichen Aluminiums für die Metallverdrahtungen 324 über 500°C ein Aluminiumspitzenproblem auftreten kann. Es ist daher erwünscht, daß der Verdrahtungsschutzfilm 326 aus Siliziumnitrid unter Niedertemperaturwachstum beispielsweise unter Verwendung des Plasma-CVD-Verfahrens aufgebracht wird.
11(g): anschließend werden Bereiche des Verdrahtungsschutzfilms 326, des Schutzfilms 318, des Siliziumoxidfilms 316 und der Epitaxieschicht 310 durch RIE, anisotropisches Ätzen oder isotropisches Ätzen entfernt, so daß die dritten Räume 328 einschließlich der Ätzmitteleinleitports, welche die verborgene p-Opferschicht 308 erreichen, gebildet werden. Danach wird das Ätzmittel, das Fluorwasserstoffsäure – Schwefelsäure : Essigsäure = 1 : 1 bis 3 : 8 enthält, durch die Ätzmitteleinleitports zugeführt, um die verborgene p-Opferschicht 308 isotropisch zu ätzen und zu entfernen und so den zweiten Raum 330 zu bilden, wodurch das Plattenteil 338 gebildet wird, dessen Enden mit dem Rahmen 334 verbunden sind, der von dem aus dem Substrat 300 und der Epitaxieschicht 310 gebildeten Stützteil 332 gestützt ist, und mit dessen Mittelteil das Gewicht 336 verbunden ist.
11(h): danach werden der Verdrahtungsschutzfilm 328 sowie die Bereiche des Siliziumdioxidfilms 316 und des Schutzfilms 318, die sich auf der Seite der Unterseite des Gewichts 338 befinden, durch Ätzen entfernt. Schließlich wird der Stopfen (oder die untere Abdeckung) 342, welche die Ausnehmung 340 in einem Bereich aufweist, der dem Gewicht 336 entspricht, beispielsweise durch anodisches Verbonden mit dem Stützteil 332 verbunden, was zu dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor führt.
Ein anderes Ausführungsbeispiel, in dem der Verdrahtungsschutzfilm ausgebildet ist, ist in 12 dargestellt. Bis zur Bildung des Siliziumoxidfilms 316 ist dieses Ausführungsbeispiel ähnlich demjenigen der 11, weshalb die Erläuterungen bis zur Bildung des Siliziumoxidfilms 316 entfallen.
12(a): anschließend werden die vorbestimmten Bereiche des Siliziumoxidfilms 316, welche sich auf den Diffusionsverdrahtungen 314 befinden durch Ät zen entfernt und danach werden die (beispielsweise aus Aluminium bestehenden) Metallverdrahtungen 324 und die (nicht dargestellten) Elektrodenpads beispielsweise durch Sputtern oder Dampfbeschichtung derart gebildet, daß sie elektrisch mit den Diffusionsverdrahtungen 314 verbunden sind.
12(b): danach werden die Verdrahtungsschgutzfilme 326 aus Siliziumnitrid auf beiden Siliziumoxidfilmen 316 durch beispielsweise CVD gebildet und anschließend wird ein Bereich des Verdrahtungsschutzfilms 326 und des Siliziumoxidfilms 316 durch Ätzen entfernt, beispielsweise durch RIE, so daß die Öffnung 320 für den ersten Raum 322 gebildet wird. Es sei darauf hingewiesen, daß der Verdrahtungsschutzfilm 326 derart gebildet wird, daß er die Metallverdrahtungen 324 und die (nicht dargestellten) Elektrodenpads bedeckt.
12(c): danach wird das Einkristall-Siliziumsubstrat 300 anisotropisch geätzt, wobei als Maske der Verdrahtungsschutzfilm 326 mit der Öffnung 320 verwendet wird, so daß der erste Raum 322 gebildet wird, der die Opferschicht 308 erreicht.
12(d): anschließend werden Bereiche des Verdrahtungsschutzfilms 326, des Schutzfilms 318, des Siliziumoxidfilms 316 und der Epitaxieschicht 310 durch RIE, anisotropisches Ätzen oder isotropisches Ätzen entfernt, so daß der dritte Raum 328, welcher die Opferschicht 308 erreicht, gebildet werden. Danach wird durch den dritten Raum 328 das Ätzmittel, das eine saure Lösung mit Fluorwasserstoff und dergleichen enthält (eine Lösung, die Fluorwasserstoffsäure – Schwefelsäure : Essigsäure = 1 : 1 bis 3 : 8 enthält) zugeführt, um die Opferschicht 308 zu entfernen.
12(e): schließlich werden der Verdrahtungsschutzfilme 326 entfernt und der Stopfen (oder die untere Abdeckung) 342, welche die Ausnehmung 340 in einem Bereich aufweist, der dem Gewicht 336 entspricht, beispielsweise durch anodisches Verbonden mit dem Stützteil 332 verbunden, was zu dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor führt.
Es sei darauf hingewiesen, daß bei dem Ausführungsbeispiel der 12 die Schutzverdrahtungsfilme 326 von der gesamten Fläche entfernt werden, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Nur die Bereiche des Verdrahtungsschutzfilms 326, die sich auf den Elektrodenpads befinden, können vorab durch strukturelles Ätzen dünner gemacht werden und anschließend wird der Verdrahtungsschutzfilm 326 über seine gesamte Fläche geätzt, um die Dicke des Films 326 nach dem Ätzen der Opferschicht 308 zu verringern, so daß nur die Elektrodenpads frei liegen. Auf diese Weise sind alle Bereiche außer den Elektrodenpads vom Siliziumnitridfilm bedeckt, wodurch die Feuchtigkeitsbeständigkeit des Sensorelements verbessert wird. Die gründe für das vorab erfolgende Verdünnen des Verdrahtungsschutzfilms 326 auf den Elektrodenpads liegen darin, daß das Substrat nach dem Ätzen der Opferschicht 308 auf der Oberfläche Unregelmäßigkeiten hat und eine geringere Festigkeit aufweist, so daß eine Strukturbearbeitung (beispielsweise ein Photolithographieschritt) schwierig wird, und daß wenn nur die Bereiche des Verdrahtungsschutzfilms 326 auf den Elektrodenpads vorab durch strukturelles Ätzen verdünnt werden, nur die Elektrodenpads durch Ätzen des Verdrahtungsschutzfilms 326 über die gesamte Fläche freigelegt werden, ohne eine Strukturbearbeitung nach dem ätzenden Entfernen der Opferschicht 308.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der erste Raum 322 teilweise derart gebildet, daß ein Bereich 350 des Substrats zwischen der Opferschicht 308 und dem ersten Raum 322 verbleibt, sodann wird die Opferschicht entfernt und der verbliebene Bereich 350 des Substrats danach entfernt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden selbst nach dem Ätzen der Opferschicht 308 das Gewicht 336 und das Stützteil 332 nicht getrennt, so daß kein Brechen des Substrats in diesem Schritt auftritt, wodurch die Ausbeute an Substraten erheblich verbessert wird.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel wird im folgenden anhand von 13 erläutert.
13(a): der erste Raum 322 wird durch anisotropisches Ätzen unter Verwendung eines Ätzmittels aus einer alkalischen Lösung, beispielsweise eine Kaliumhydroxidlösung (KOH), gebildet. Dabei wird das Ätzen gestoppt, bevor der erste Raum 322 die Opferschicht 308 erreicht, so daß ein Bereich 350 des Einkristall-Siliziumsubstrats mit einer Dicke von beispielsweise mehreren zehn Mikrometer unter der Opferschicht 308 belassen wird.
13(b): anschließend werden die vorbestimmten Bereiche des Siliziumoxidfilms 316 und des Schutzfilms 318 auf den Diffusionsverdrahtungen 314 durch Ätzen entfernt, worauf die Metallverdrahtungen 324 (beispielsweise aus Aluminium) und die (nicht dargestellten) Elektrodenpads so ausgebildet werden, daß sie elektrisch mit den Diffusionsverdrahtungen 314 verbunden sind, und anschließend wird ein Verdrahtungsschutzfilm 326, beispielsweise ein Chromfilm, ein Siliziumnitridfilm oder ein Fluorkunststoffilm auf der Seite des Einkristall-Siliziumsubstrats 300 gebildet, welche die Metallverdrahtungen 324 aufweist.
13(c): anschließend wird, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 12, der dritte Raum 328 gebildet, durch welchen das Ätzmittel als saure Lösung mit Fluorwasserstoffsäure zugeführt wird, um die Opferschicht 308 isotropisch zu ätzen und zu entfernen, wodurch der zweite Raum 330 gebildet wird. Danach wird der Bereich 350 des Einkristall-Siliziumsubstrats unter der Opferschicht 308 durch Ätzen, beispielsweise RIE oder anisotropisches Ätzen entfernt, so daß der erste Raum 322 mit dem zweiten Raum 330 verbunden ist.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Form des Bereichs 350 des Einkristall-Siliziumsubstrats, der unter der vergrabenen Opferschicht 308 nach dem Ätzen verbleibt, vom Ätzweg abhängt, und das anisotropische Ätzen mit einem alkalischen Ätzmittel schafft einen größeren Verjüngungswinkel (θ₁) in 9 als das RIE. Wenn die Fläche, die ein Element einnimmt, festgelegt ist, schafft das RIE eine größere Größe des Gewichts. Dies bedeutet ferner, daß bei einer festgelegten Größe des Gewichts, das RIE im Vergleich mit dem nassen anisotropischen Ätzen den kleineren Chip schafft.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden, nach dem Entfernen des Siliziumoxidfilms 316 und des Schutzfilms 318 an der Unterseite eines Bereichs, der das Gewicht bilden soll, durch Ätzen, der Bereich 350 des Einkristall-Sliziumsubstrats, der unter der vergrabenen Opferschicht 308 und die Unterseite des Bereichs, der die Unterseite des Gewichts bilden soll, durch anisotropisches Ätzen mittels des alkalischen Ätzmittels oder RIE entfernt, wobei der Schutzfilm 318 auf dem Stützteil 332 als Maske verwendet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke des Gewichts 336 verringert, und der flache Stopfen 342 wird mit dem Stützteil 332 durch vier exemplarische anodische Verbondungsstellen verbondet (s. 13(d)). Auf diese Weise muß keine Ausnehmung in dem Stopfen 342 gebildet werden, wodurch Herstellungskosten des Stopfens wegfallen und die Herstellungskosten des Chips verringert werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem die Konzentration der Verunreinigung in der Oberfläche der Opferschicht geringer als im Inneren desselben ist.
14 zeigt ein Verfahren zur Bildung der vergrabenen Opferschicht mit einer beabsichtigten Endtiefe von 10 μm.
14(a): Zuerst wird ein Feldoxidfilm 362 mit einer Dicke von ungefähr 12000 Å auf der Oberfläche des n-Siliziumsubstrats 360 beispielsweise durch thermische Oxidation gebildet. Der Oxidfllm wird durch Photolithographie und Ätzen wie vorbestimmt strukturiert, um die Öffnungen 364 zu bilden.
14(b): anschließend wird unter Verwendung des Feldoxidfilms 362 als Maske Bor als die p-Verunreinigung abgelagert und danach in einer Stickstoffatmosphäre an der Oberfläche des Siliziumsubstrats 360 thermisch diffundiert, um so die Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration vom p-Typ mit einer Tiefe von ungefähr 5 μm zu bilden. Anschließend wird der Siliziumoxidfilm 368 mit einer Dicke von ungefähr 3500 Å in der Substratoberfläche in der Öffnung 364 durch Naßoxidation oder pyrogene Oxidation gebildet. Während beispielsweise die Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche der Schicht 366 mit hoher Verunreinigungskonzentration vom p-Typ 366 bei ausschließlich thermischer Diffusion in Stickstoffatmosphäre ungefähr 1 × 10²⁵ cm^–3 beträgt, ist die Konzentration auf ungefähr 4 × 10¹⁹ cm^–3 verringert, wenn die zusätzliche Naßoxidation oder pyrogene Oxidation durchgeführt wird.
14(c): danach werden der Feldoxidfilm 362 und der Siliziumoxidfilm 368 vollständig durch Naßätzen über die gesamte Oberfläche und das nachfolgende Ablagern der n-Epitaxieschicht 370 entfernt. In diesem Schritt diffundiert Bor in die Epitaxieschicht 370 durch eine Grenzfläche mit dem Siliziumsubstrat 360 und eine letzte vergrabene Diffusionsschicht 372 wird gebildet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel diffundiert bei einem Siliziumsubstrat mit einer Verunreinigungskonzentration von beispielsweise 1 × 10¹⁵ cm^–3 Bor ungefähr 4–5 μm in die Epitaxieschicht 370 ohne Naßoxidation oder pyrogene Oxidation, während es ungefähr 3,5 μm mit Naßoxidation oder pyrogener Oxidation sind, un die Dicke der durch die Autodotierung gebildeten Inversionsschicht beträgt ungefähr 5 μm ohne Naßoxidation oder pyrogene Oxidation, während sie mit Naßoxidation oder pyrogener Oxidation auf ungefähr 2,5 μm reduziert wird. Die Spitzenkonzentration in der Inversionsschicht liegt ohne Naßoxidation oder pyrogene Oxidation in der Größenordnung von 10¹⁶ cm^–3, während die mit Naßoxidation oder pyrogener Oxidation auf ungefähr die Größenordnung von 10¹⁵ cm^–3 verrigert ist.
15 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die Konzentraton der Verunreinigung in der Oberfläche der Opferschicht geringer als im Inneren derselben ist.
15(a): zuerst wird ein Feldoxidfilm 362 mit einer Dicke von ungefähr 5000 Å auf der Oberfläche des n-Siliziumsubstrats 360 beispielsweise durch thermische Oxidation gebildet. Der Oxidfilm wird wie vorbestimmt durch Photolithographie und Ätzen strukturiert, um die Öffnungen 364 zu bilden.
15(b): anschließend wird unter Verwendung des Feldoxidfilms 362 als Maske Bor als p-Verunreinigung in die Oberfläche des. Siliziumsubstrats 360 ionenimplantiert.
15(c): durch Glühen in einer Sauerstoffatmosphäre werden der Siliziumoxidfilm 365 und die Schicht 366 mit der hohen Verunreinigungskonzentration vom p-Typ unter dem Film gebildet.
Es ist bekannt, daß eine Spitze eines Verunreinigungsprofils in Dickenrichtung unmittelbar nach dem Ionenimplantieren in einem Bereich auftritt, der aufgrund des sogenannten Kanaleffekts von der Implantationsfläche aus geringfügig weiter innen liegt. Die Position der Spitze in bezug auf die Oberfläche ist durch die Art der Verunreinigung und die Beschleunigungsenergie beim Implantieren bestimmt. Wenn beispielsweise Bor mit einer Beschleunigungsenergie von 100 keV ionenimplantiert wird, tritt die Spitze an einer Stelle auf, die ungefähr 0,25 μm einwärts der Implantationsfläche liegt. Bei einer festgelegten Spitzenkonzentration ist die Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche geringer als bei einer tieferen Spitzenposition. Bei dem Ausführungsbeispiel von 15 ist kein schützender Oxidfilm auf der Oberfläche der Öffnung 364 des Substrats ausgebildet und das Siliziumsubstrat 360 liegt frei. Da die Ionenimplantation in diese Oberfläche erfolgt, befindet sich die Spitze, verglichen beispielsweise mit einem vorhandenen Schutzfilm an der Oberfläche des Siliziumsubstrats, die Spitze des Verunreinigungsprofils an einer tieferen Stelle von der Oberfläche entfernt, und gleichzeitig hat die Oberfläche des Substrats eine geringere Verunreinigungskonzentration. Selbst wenn sich die Diffusion in Richtung des Inneren des Substrats durch anschließende Glühbehandlung fortsetzt, kann, da das Konzentrationsprofil nicht verändert wird, nur die p-Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche verringert werden, während die Gesamtverunreinigungskonzentration in der Schicht mit hoher p-Verunreinigungskonzentration 366 um 1,0 × 10²⁵ cm^–3 gehalten wird, indem die Ionenimplantationsbedingungen und die nachfolgenden Glühbehandlungsbedingungen entsprechend gewählt werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß bei der Ausführung der Glühbehandlung in einer Stickstoffatmosphäre die Opferschicht in der Öffnung weiterhin frei liegt, wenn jedoch die Glühbehandlung in Sauerstoff erfolgt, die Öffnung durch den Siliziumoxidfilm bedeckt wird. Implantierte Verunreinigungen neigen zum Entweichen in den Oxidfilm, so daß die Verunreinigungskonzentration in der Substratoberfläche geringer ist als bei einem fehlenden Oxidfilm.
15(d): anschließend werden der Feldoxidfilm 362 und der Siliziumoxidfilm 365 vollständig von der gesamten Oberfläche des Substrats entfernt und danach eine n-Epitaxieschicht 370 darauf abgelagert. Zu diesem Zeitpunkt diffundiert Bor in die Epitaxieschicht 370 durch die Grenzfläche mit dem Siliziumsubstrat 360, so daß die endgültige Opferschicht 372 gebildet wird.
16 zeigt ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Opferschicht mit einer beabsichtigten Endtiefe von 10 μm.
16(a): Zuerst wird ein Feldoxidfilm 362 mit einer Dicke von ungefähr 12000 Å auf der Oberfläche des n-Siliziumsubstrats 360 beispielsweise durch thermische Oxidation gebildet. Der Oxidfilm wird durch Photolithographie und Ätzen wie vorbestimmt strukturiert, um die Öffnungen 364 zu bilden.
16(b): danach wird unter Verwendung des Feldoxidfilms 362 als Maske Bor als die p-Verunreinigung auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 360 aufgebracht und anschließend in einer Sauerstoffatmosphäre thermisch diffundiert, und der Siliziumoxidfilm 365 in der Öffnung 364 und die darunterliegende Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration 363 werden gebildet.
16(c): unter Verwendung des Feldoxidfilms 362 als Maske wird auf ähnliche Weise Phosphor als n-Verunreinigung implantiert.
16(d): durch Glühbehandlung in einer Stickstoffatmosphäre wird die Schicht 366 mit hoher p-Verunreinigungskonzentration mit einer Dicke von ungefähr 5 μm gebildet. In diesem Schritt müssen die Ionenimplantationsbedingungen für Phosphor derart optimal gewählt werden, daß keine Inversion des Leitfähigkeitstyps in der Schicht 366 mit hoher p-Verunreinigungskonzentration auftritt.
16(e): anschließend werden der Feldoxidfilm 362 und der Siliziumoxidfilm 365 vollständig von der gesamten Oberfläche des Substrats durch Naßätzen entfernt und danach eine n-Epitaxieschicht 370 darauf abgelagert. Zu diesem Zeitpunkt diffundiert die Verunreinigung in die Epitaxieschicht 370 durch die Grenzfläche mit dem Siliziumsubstrat 360, so daß die endgültige vergrabene Diffusionsschicht 372 gebildet wird. Da Bor als die p-Verunreinigung und Phosphor als die n-Verunreinigung beide nahe der Oberfläche der Opferschicht 372 vorhanden sind, entweicht jede Verunreinigung bei der Bildung der Epitaxieschicht in die Atmosphäre und wird in der Epitaxieschicht gefangen, so daß beide einander kompensieren, wodurch die Bildung einer Inversionsschicht verhindert wird. Ferner diffundiert jede Verunreinigung durch die Oberfläche des Siliziumsubstrats 360 in die Seite der Epitaxieschicht 370, wodurch beide einander kompensieren, so daß die Tiefe der in der Epitaxieschicht gebildeten p-Verunreinigungsschicht begrenzt wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird, wenn die Opferschicht im Substrat gebildet wird, die Verunreinigungskonzentration zumindest der Epitaxieschicht, ausgewählt unter Epitaxieschicht und Substrat, höher ausgebildet als die Verunreinigungskonzentration der Opferschicht, die durch Autodotierung während des Epitaxialwachstums in die Epitaxieschicht gelangen kann.
Wenn die Verunreinigungskonzentration der Spitze in der als Opferschicht auszubildenden Inversionschicht auf ungefähr 7 × 10¹⁵ cm^–3 begrenzt werden soll, beispielsweise wenn die Epitaxieschicht unter Verwendung eines Siliziumsubstrats mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 10¹⁵ cm^–3 gezüchtet wurde, und beobachtet wurde, daß die Konzentration der Verunreinigung, die durch die Autodotierung tatsächlich in die Epitaxieschicht übergeht, ungefähr 8 × 10¹⁵ cm^–3 beträgt, wird ein anderes Siliziumsubstrat mit einer Verunreinigungskonzentration (beispielsweise 1 × 10¹⁶ cm^–3), die höher als diejenige des zuvor verwendeten Siliziumsubstrats ist, für das Epitaxiewachstum verwendet, wodurch eine Verunreinigungskonzentration von 1 × 10¹⁶ cm^–3 der Epitaxieschicht geschaffen wird. Es sei darauf hingewiesen, daß, wenn eine Verunreinigungskonzentration von 1 × 10¹⁵ cm^–3 an der äußersten Oberfläche (der Oberfläche, auf welcher der Piezoresistor gebildet wird) der Epitaxieschicht erforderlich ist, das Epitaxiewachstum unter Verwendung eines Siliziumsubstrats mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 10¹⁶ cm^–3 derart erfolgen kann, daß die Verunreinigungskonzentration bei der Bildung der Epitaxieschicht stetig von 1 × 10¹⁶ cm^–3 auf 1 × 10¹⁵ cm^–3 verändert wird.
Im folgenden wird die Bildung der porösen Siliziumschicht als Opferschicht unter Bezugnahme auf 17 konkret beschrieben.
Nach der Bildung des Siliziumoxidfllms 402 auf einer der Hauptflächen des Halbleitersubstrats 400 (beispielsweise ein Einkristall-Siliziumsubstrat) wird eine Öffnung 404 in einem Bereich ausgebildet, in dem die Opferschicht gebildet werden soll. Durch die Öffnung 404 wird entweder die p-Verunreinigung (beispielsweise Bor) oder die n-Verunreinigung (beispielsweise Phosphor) diffundiert, um die vergrabene Schicht 406 zu bilden. Wie in 17 dargestellt, wird ein derartiges Substrat als Membran (oder Trennmembran) in dem Elektrolysebehälter 410 angeordnet, der eine Elektrolytlösung 408 aus beispielsweise Fluorwasserstoffsäure enthält, und die poröse Siliziumschicht 406' wird als die Opferschicht durch anodische Oxidation gebildet.
In diesem Schritt ist das Substrat mit Ausnahme der vergrabenen Schicht 406 im wesentlichen von einem Schutzfilm, beispielsweise einen Siliziumoxidfilm umgeben. Das Siliziumsubstrat 400 wird zwischen zwei Platinelektroden 412 und 414 angeordnet, an welche von außen eine Gleichstromquelle angelegt wird. Durch Anlegen von Strom von außen wird in dem Elektrolyt ein Fluoridion erzeugt, das mit einem Siliziumatom der als Opferschicht dienenden vergrabenen Schicht 406 reagiert, um Siliziumtetrafluorid (SiF₄) und Wasserstoff zu bilden. Hierdurch wird ein Teil der Verunreinigungsschicht aufgelöst, so daß feine Poren in der Verunreinigungsschicht gebildet werden, woraus die poröse Siliziumschicht entsteht. Das Substrat wird anschließend mit Wasser gewaschen und für die nächste Behandlung getrocknet.
Es sei darauf hingewiesen, daß anstelle des Siliziumoxidfilms 402 ein Siliziumnitridfilm oder ein Fluorkunststoffmaterial als Maske für die Elektrolytlösungsbehandlung verwendet werden kann. Das derart gebildete poröse Silizium kann für das erfindungsgemäße Element verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Element sowohl für einen Beschleunigungssensor vom Piezoresistortyp, als auch für einen Beschleunigungssensor vom elektrostatischen Kapazitätstyp sowie ein Herstellungsverfahren für diesen und den Sensor, in dem das Element Verwendung findet. Das Element für den Beschleunigungssensor vom elektrostatischen Kapazitätstyp ist im wesentlichen dahingehend verschieden, daß die Elektrode für die Messung der elektrostatischen Kapazität anstelle der Piezoresistoren verwendet wird. Daher ist der Aufbau des Elements für den Beschleunigungssensor vom elektrostatischen Kapazitätstyp und auch das Herstellungsverfahren für diesen für den Fachmann auf diesem Gebiet aus der vorhergehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Elements für den Beschleunigungssensor vom Piezoresistortyp offensichtlich. Ferner ist es für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, daß der Beschleunigungssensor vom elektrostatischen Kapazitätstyp durch das Vorsehen der oberen Abdeckung über dem Element geschaffen wird, wobei die Abdeckung die der Elektrode für die elektrostatische Kapazitätsmessung des Elements gegenüber liegende Elektrode aufweist. Die konkrete Anordnung der Elektroden auf dem Element kann beispielsweise die gleiche wie in dem Ausführungsbeispiel der 21 oder der 1 sein, in welcher die Elektroden 734 angeordnet sind (nur eine Elektrode ist in gestrichelten Linien dargestellt).

Claims

Biegungsfühlerelement (1) zur Verwendung in einem Beschleunigungssensor zum Erfassen einer darauf aufgebrachten Beschleunigung, mit: einem Rahmen (12) mit einer Oberseite (16) und einer Unterseite (18), einem Plattenteil (14) mit mehreren flexiblen Teilen (15) und einem Mittelteil (22), wobei jedes flexible Teil (15) sich zwischen wenigstens einem Bereich eines inneren Randes (24) des Rahmens und dem Mittelteil (22) erstreckt und einstückig mit diesen verbunden ist, einem Gewicht (26), das ein einstückig mit dem Mittelteil (22) des Plattenteils (14) verbundenes Halsteil (28) aufweist und das über das Halsteil (28) vom Plattenteil (14) herabhängt, einem Stützteil (20), das die Unterseite (18) des Rahmens (12) stützt und dessen innere Seitenfläche (30) einer Seitenfläche (34) des Gewichts (26) über einen ersten Raum (36) zwischen diesen zugewandt ist, wobei der Rahmen (12) und das Plattenteil (14) sowie das Plattenteil (14) und das Gewicht (26) miteinander derart verbunden sind, daß bei Aufbringen einer Beschleunigung auf das Element (1) zumindest zwei flexible Teile (15) elastisch verformt werden, so daß das Gewicht (26) relativ zum Rahmen (12) verschoben ist, wobei das Gewicht (26) und das Stützteil (20) aus einem Halbleitersubstrat bestehen, und der Rahmen (12) und das Plattenteil eine auf dem Halbleitersubstrat vorgesehene Epitaxieschicht (60) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenteil (14) ferner einen oberen Bereich (41) des Gewichts aufweist, der sich an der Oberseite des Gewichts (26) befindet, wobei der obere Bereich (41) des Gewichts einstückig mit dem Gewicht (26) verbunden ist, ein mit dem ersten Raum (36) zusammenhängender zweiter Raum (38) zwischen jedem flexiblen Teil (15) des Plattenteils (14) und dem Gewicht (26) definiert ist, wobei der zweite Raum (38) durch Entfernen einer ausschließlich in dem Halbleitersubstrat vorgesehenen Opferschicht (56) gebildet ist, und ein dritter Raum (40) zwischen dem Rahmen (12) und dem Plattenteil (14) und/oder durch das Plattenteil (14) definiert ist, wobei der dritte Raum (40) zwischen dem oberen Bereich (41) des Gewichts und dem flexiblen Teil (15) und zwischen dem Rahmen (12) und dem oberen Bereich (41) des Gewichts angeordnet ist.
Element nach Anspruch 1, das in einem Beschleunigungssensor verwendet wird, um die Beschleunigung als eine Widerstandsveränderung aufgrund der elastischen Verformung wenigstens zweier flexibler Teile (15) zu erfassen, wobei jedes der wenigstens zwei flexiblen Teile (15) wenigstens einen Piezo-Widerstand (42) aufweist und das Plattenteil (14) mit den Piezo-Widerständen (42) verbundene Drähte aufweist.
Element nach Anspruch 1, das in einem Beschleunigungssensor verwendet wird, um die Beschleunigung als eine Veränderung der elektrostatischen Kapazität aufgrund der elastischen Verformung wenigstens zweier flexibler Teile (15) zu erfassen, und das wenigstens eine Elektrode (734) aufweist, die auf einem Bereich des Plattenteils (14) oder des Gewichts (26) angeordnet ist, der durch die Verschiebung des Gewichts (26) in bezug auf den Rahmen (12) und mit der Elektrode (734) verbundene Drähte verschoben wird.
Verfahren zur Herstellung eines Biegungssensorelements nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (1) Bilden der Opferschicht (56) in der ersten Hauptfläche (58) des Halbleitersubstrats (50) zum Bilden des Gewichts (26) mit dem Halsteil (28) und dem Stützteil (20), wobei sich die Opferschicht (56) von einem Bereich des Außenumfangs des Mittelteils (23) der ersten Hauptfläche (58) nach außen erstreckt, wobei das Mittelteil (23) das Halsteil (58) bildet, (2) Bilden der Epitaxieschicht (60) auf der ersten Hauptfläche (58) nach dem Schritt (1), wobei die Epitaxieschicht eine genau kontrollierte Dicke aufweist, und (3) nach dem Schritt (2), Ausführen der folgenden Unterschritte (3-a) bis (3-c): (3-a) Entfernen eines Bereichs des Substrats (50) von der zweiten Hauptfläche des Substrats durch Ätzen, so daß die Seitenfläche (34) des Gewichts (26) und das Stützteil (20) gebildet werden, wobei das Stützteil (20) die der Seitenfläche (34) des Gewichts (26) durch den ersten Raum (36) gegenüberliegende Seitenfläche (30) aufweist, (3-b) Bilden des dritten Raums (40) durch die Epitaxieschicht (60) hindurch, indem durch Ätzen ein Bereich derselben entfernt wird, so daß wenigstens ein Bereich des Rests der Epitaxieschicht (60) in den Rahmen (12) und das Plattenteil (14) geformt wird, einschließlich des Mittelteils (22) und der mehreren flexiblen Teile (15), die schließlich elastisch verformbar sind, und (3-c) Entfernen der Opferschicht (56) durch Naßätzen, so daß der zweite Raum (38) und das Halsteil (28) des Gewichts (26) gebildet werden, wodurch das Gewicht (26) geformt wird, und das Naßätzen sich nicht bis zur Epitaxieschicht (60) fortsetzt, in einer beliebigen der folgenden Abfolgen von Unterschritten (i) bis (iv): (i) Unterschritt (3-a) -> Unterschritt (3-b) -> Unterschritt (3-c), (ii) Unterschritt (3-a) -> Unterschritt (3-c) -> Unterschritt (3-b), (iii) Unterschritt (3-b) -> Unterschritt (3-a) -> Unterschritt (3-c), (iv) Unterschritt (3-b) -> Unterschritt (3-c) -> Unterschritt (3-a).
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem im Schritt (1) die Opferschicht (56) derart gebildet wird, daß sie das Mittelteil (23) der ersten Hauptfläche (58) umgibt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem im Schritt (1) die Opferschicht (56) als mehrere langgestreckte Schichten ausgebildet ist, welche sich symmetrisch vom Mittelteil (23) der ersten Hauptfläche (58) erstrecken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Opferschicht (56) eine Verunreinigungsschicht, welche eine Verunreinigung enthält, deren Leitfähigkeitstyp demjenigen des Substrats (50) entgegengesetzt ist und die eine höhere Verunreinigungskonzentration aufweist als das Substrat (50), oder eine poröse Siliziumschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem der Schritt (3) nach dem Schritt (2) einen Unterschritt (3-d) umfaßt, der vor, nach oder zwischen jeweils zwei der Unterschritte (3-a) bis (3-c) ausgeführt wird, und bei dem wenigstens ein Piezo-Widerstand (42) auf jedem von wenigstens zwei flexiblen Teilen ausgebildet ist, und mit den Piezo-Widerständen (42) verbundene Drähte auf dem Plattenteil (14) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem der Schritt (3) nach dem Schritt (2) einen Unterschritt (3-e) umfaßt, der vor, nach oder zwischen jeweils zwei der Unterschritte (3-a) bis (3-c) ausgeführt wird, und bei dem wenigstens eine Elektrode (734) auf dem Plattenteil (14), das durch das Gewicht (26) relativ zum Rahmen (12) verschoben wird, oder auf einem Bereich der Oberseite des Gewichts (26) ausgebildet wird, und mit der Elektrode (734) verbundene Drähte ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem, wenn der Unterschritt (3-c) nach dem Unterschritt (3-a) ausgeführt wird, der Unterschritt (3-a) derart ausgeführt wird, daß der gebildete erste Raum die Opferschicht (56) erreicht, und der Unterschritt (3-c) unter Zufuhr eines Ätzmittels durch den ersten Raum (36) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem, wenn der Unterschritt (3-c) nach dem Unterschritt (3-b) ausgeführt wird, der Unterschritt (3-b) derart ausgeführt wird, daß der gebildete dritte Raum (40) die Opferschicht (56) erreicht, und der Unterschritt (3-c) unter Zufuhr eines Ätzmittels durch den dritten Raum (40) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4–11, bei dem der dritte Raum (40) derart geformt ist, daß er sich durch einen Bereich der Epitaxieschicht (60) auf der Opferschicht (56) und/oder nahe diesem Bereich befindet, und der dritte Raum (40) zur Opferschicht (56) führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, bei dem die Querschnittsform des dritten Raums (40) parallel zur ersten Hauptfläche (58) einen Kreis, ein Oval oder ein Rechteck mit vier abgerundeten Ecken beschreibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, bei dem, wenn der Unterschritt (3-c) nach dem Unterschritt (3-b) ausgeführt wird, im Unterschritt (3-b) der dritte Raum (40) derart entlang dem zu bildenden flexiblen Teil (15) gebildet wird, daß sich der dritte Raum (40) durch einen Bereich der Epitaxieschicht (60) auf der Opferschicht (56) und/oder nahe diesem Bereich befindet, und der dritte Raum (40) ferner die Opferschicht (56) erreicht, und der Unterschritt (3-c) unter Zufuhr eines Ätzmittels durch den dritten Raum (40) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 14, bei dem das flexible Teil (15) in Form eines Trägers vorliegt, der sich vom Mittelteil (22) des Plattenteils (14) zum Rahmen (12) erstreckt, wobei der dritte Raum (40) einen Raum umfaßt, der vom Rahmen (12) und dem flexiblen Teil (15) um geben ist, und der Unterschritt (3-c) unter Zufuhr eines Ätzmittels durch den dritten Raum (40) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 15, bei dem eine durch die Epitaxieschicht (60) verlaufende Öffnung des dritten Raums (40), die nicht in Kontakt mit dem Substrat steht, eine Größe hat, die auf derartigen Eigenschaften des anisotropen Ätzens basiert, daß, wenn der zu bildende dritte Raum (40) die Opferschicht (56) erreicht, der Schritt (3-b) im wesentlichen automatisch angehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 16, bei dem die Unterschritte (3-a) und (3-b) gleichzeitig ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 15, bei dem der dritte Raum (40) durch RIE gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 18, bei dem ein Bereich der Epitaxieschicht (60), durch welche der dritte Raum (40) gebildet werden soll, in einen Bereich mit hoher Verunreinigungskonzentration gebildet wird, und der Unterschritt (3-b) durch Entfernen des Bereichs durch Ätzen ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Unterschritte (3-b) und (3-c) kontinuierlich durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 20, bei dem, wenn der Unterschritt (3-c) nach dem Durchführen der Unterschritte (3-a) und (3-b) ausgeführt wird, der Unterschritt (3-c) durch das Zuführen des Ätzmittels durch den ersten Raum (36) und den dritten Raum (40) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 21, bei dem, wenn das Ätzen nach dem Unterschritt (3-d) oder (3-e) erfolgt, wenigstens eine Schutzschicht vor dem Ätzen gebildet wird, so daß die Piezo-Widerstände (42) und die Drähte oder die Elektrode (734) und die Drähte geschützt sind.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Schutzschicht ein Siliziumnitridfilm oder ein Fluor-Kunststoff-Film ist.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem die Drähte ferner eine Pad-Elektrode umfassen, und wobei, wenn die Schutzschicht ferner die Pad-Elektrode schützt, die Dicke des über der Pad-Elektrode befindlichen Bereichs der Schutzschicht vorab gegenüber den anderen Bereichen der Schutzschicht vor dem Ätzen verringert wird, und ein Ätzen über die gesamte Fläche der Schutzschicht ausgeführt wird, so daß nur die Pad-Elektrode freigelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Ätzen des Unterschritts (3-a) angehalten wird, bevor der erste Raum (36) die Opferschicht (56) erreicht, so daß ein Bereich des Substrats zwischen dem ersten Raum (36) und der Opferschicht (56) bestehen bleibt, und nach dem Unterschritt (3-c) das Ätzen ausgeführt wird, so daß der verbliebene Bereich entfernt wird, wodurch der gebildete zweite Raum (38) den ersten Raum (36) erreicht.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem der verbliebene Bereich durch anisotropes Ätzen entfernt wird, bei dem ein auf einem Alkalin basierendes Ätzmittel oder RIE verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 26, ferner mit dem Schritt des Ätzens der Unterseite des Gewichts (26), so daß die Dicke des Gewichts (26) verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem das Ätzen der Unterseite des Gewichts (26) zur Verringerung der Dicke des Gewichts (26) gleichzeitig mit dem Entfernen des verbliebenen Bereichs ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 28, bei dem in der Verunreinigungsschicht, deren Verunreinigungskonzentration höher als diejenige des Substrats (50) ist, die Verunreinigungskonzentration eines Oberflächenbereichs der Verunreinigungsschicht im Verhältnis geringer als innerhalb der Verunreinigungsschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die Verunreinigungskonzentration des Oberflächenbereichs der Verunreinigungsschicht nicht größer als 5 × 10¹⁹ cm^–3 ist.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, bei dem die Verunreinigungsschicht durch Ablagern und thermisches Diffundieren der Verunreinigungen auf/in das Substrat (50) und anschließendes nasses Oxidieren oder pyrogenes Oxidieren gebildet wird, so daß die Verunreinigungskonzentration eines Oberflächenbereichs der Verunreinigungsschicht im Verhältnis geringer als innerhalb der Verunreinigungsschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, bei dem die Verunreinigungsschicht durch direktes Implantiere eines Verunreinigungsions in das Substrat (50) und anschließende Glühbehandlung gebildet wird, so daß die Verunreinigungskonzentration eines Oberflächenbereichs der Verunreinigungsschicht im Verhältnis geringer als innerhalb der Verunreinigungsschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, bei dem nach der Bildung der Verunreinigungsschicht eine andere Verunreinigung mit einem verschiedenen Leitfähigkeitstyp in die Nähe des Oberflächenbereichs der Verunreinigungsschicht durch Dotieren eingebracht wird, so daß die Verunreinigungskonzentration eines Oberflächenbereichs der Verunreinigungsschicht im Verhältnis geringer als innerhalb der Verunreinigungsschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 33, bei dem beim Bilden der Opferschicht (56) auf dem Substrat (50) die Verunreinigungskonzentration wenigstens der Epitaxieschicht (56) des Substrats (50) oder der Epitaxieschicht (56) höher gewählt wird als die Verunreinigungskonzentration, welche die Verunreinigungsschicht bildet und welche durch Autodotierung während des Epitaxiewachstums in die Epitaxieschicht (56) übertührt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der durch die Seitenflächen des Stützteils (20) und des Gewichts (26) gebildete erste Raum (36) derart verjüngt ist, daß der Abstand zwischen dem Stützteil (20) und dem Ge wicht (26) von der Unterseite aus zum Halsteil (28) des Gewichts (26) in zwei Schritten verringert ist, und der erste Raum (36) aus einem ersten Teil nahe der Unterseite des Gewichts (26) und einem zweiten Teil auf dem zweiten Teil besteht, und die Seitenflächen des Stützwinkels einen ersten Verjüngungswinkel bilden.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem der erste Teil durch mechanisches Schleifen, Sandstrahlen oder RIE gebildet wird.