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    • 专利摘要:
    Ineinem Halbleiterbeschleunigungssensor (S1) ist oberhalb einer Seiteeines ersten Siliziumsubstrates (10) aus einem Halbleiter, das alsfeste Elektrode (11) dient, eine bewegliche Elektrode (20) aus einemHalbleiter in Dickenrichtung des ersten Siliziumsubstrates (10)beabstandet von und gegenüberdem ersten Siliziumsubstrat (10) verschiebbar angeordnet. Eine anliegendeBeschleunigung wird auf der Grundlage von Kapazitätsänderungenzwischen der beweglichen Elektrode (20) und der Fläche desersten Siliziumsubstrates (10) erkannt, welche mit einer Verschiebungder beweglichen Elektrode (20) einhergehen. Ein Freiraum und eineelektrisch isolierende Schicht (13) mit einer größeren relativen absoluten Dielektrizitätskonstanteals derjenigen von Luft liegen zwischen der beweglichen Elektrode(20) und der Flächedes ersten Siliziumsubstrates (10) Seite an Seite in der Richtung,in der die bewegliche Elektrode (20) und das erste Siliziumsubstrat(10) voneinander beabstandet sind.
    公开号:DE102004026593A1
    申请号:DE200410026593
    申请日:2004-06-01
    公开日:2004-12-23
    发明作者:Minekazu Kariya Sakai
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:G01P15-125
    专利说明:
    [0001] DieseErfindung betrifft allgemein Halbleitersensoren für dynamischeGrößen desKondensatortyps und insbesondere Sensoren, welche eine beweglicheElektrode und eine feste Elektrode haben, welche auf einem Halbleitersubstratvoneinander beabstandet sind und eine angelegte dynamische Größe auf derGrundlage von Kapazitätsänderungen zwischenden Elektroden erkennen.
    [0002] EinHalbleitersensor fürdynamische Größen wirdallgemein durch Bearbeiten eines Halbleitersubstrates hergestellt,um eine bewegliche Elektrode und eine feste Elektrode beabstandetvon und einander gegenüberliegendauszubilden und erkennt eine angelegte dynamische Größe, beispielsweiseeine Beschleunigung oder eine Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlagevon Kapazitätsänderungenzwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode, welchemit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode einhergeht, wenndie dynamische Größe angelegtwird.
    [0003] Beispielsweisewurde ein Halbleiterbeschleunigungssensor in der JP-A-9-113534 (nachfolgend "Patentdokument 1" genannt) vorgeschlagen, beidem ein Trägersubstrataus einem Halbleiter als feste Elektrode dient und eine beweglicheElektrode aus einem Halbleiter und in Dickenrichtung des Trägersubstratesverschiebbar oberhalb einer Seite des Trägersubstrats, hiervon beabstandetund diesem gegenüberliegendangeordnet ist, wobei eine angelegte Beschleunigung auf der Grundlagevon Kapazitätsänderungenerkannt wird, welche zwischen der beweglichen Elektrode und einerSeite des Trägersubstratsauftreten, wenn die Beschleunigung angelegt wird. In Patentdokument1 ist die bewegliche Elektrode rechteckförmig und ihre vier Ecken sind durchflexible Federteile verankert, was die Form eines Hakenkreuzes ergibt.
    [0004] EinHalbleiterbeschleunigungssensor dieser Art ist auch in der JP-A-10-178184(nachfolgend "Patentdokument2" genannt) vorgeschlagen,bei der eine kammzahnartige bewegliche Elektrode und eine kammzahnartigefeste Elektrode einander im gegenseitigen Eingriffszustand gegenüberliegenund welche das Aufbringen einer Beschleunigung in Horizontalrichtungdes Halbleitersubstrats erkennen.
    [0005] BeiHalbleitersensoren fürdynamische Größen desKondensatortyps dieser Art sind jedoch Verbesserungen hinsichtlichder Erkennungsempfindlichkeit notwendig und um diese Verbesserungenzu erhalten, ist es notwendig, die Kapazität zwischen der beweglichenElektrode und der festen Elektrode, d.h. die Erkennungskapazität zu erhöhen.
    [0006] DieseErkennungskapazitätkan durch Erhöhender Elektrodengrößen undhierdurch durch Erhöhender einander gegenüberliegendenFlächender Elektroden erhöhtwerden; eine Erhöhungdieser Flächeauf diese Weise bringt jedoch das Problem einer erhöhten Größe des Sensors.
    [0007] Esist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erkennungsempfindlichkeiteines Halbleitersensors fürdynamische Größen desKondensatortyps mit minimalem Größenanstiegzu erhöhen.
    [0008] ZurLösungdieser und anderer Aufgaben schafft ein erster Aspekt der Erfindungeinen Halbleitersensor fürdynamische Größen miteiner beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode voneinanderbeabstandet und einander gegenüberliegend, ausgebildetdurch Bearbeitung eines Halbleitersubstrats, wobei der Halbleitersensorfür dynamischeGrößen eineangelegte dynamische Größe auf der Grundlageeiner Kapazitätsänderungzwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode erkennt,welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode einhergeht,wenn die dynamische Größe angelegtwird, wobei ein Freiraum und eine elektrisch isolierende Isolationsschichtmit einer größeren relativenabsoluten Dielektrizitätskonstanteals Luft Seite an Seite zwischen der beweglichen Elektrode und derfesten Elektrode in der Richtung zwischengeschaltet sind, in derdie Elektroden voneinander getrennt sind.
    [0009] Während imStand der Technik nur ein Freiraum zwischen beweglicher Elektrodeund fester Elektrode vorliegt, ist bei dieser Erfindung zusätzlich zudem Freiraum die isolierende Schicht mit einer relativen absolutenDielektrizitätskonstantegrößer als Luftebenfalls zwischengeschaltet.
    [0010] Infolgedessenist die absolute Dielektrizitätskonstantedes Kondensatorteils zwischen der beweglichen Elektrode und derfesten Elektrode, d.h. im Erkennungskondensatorteil größer alsim Stand der Technik und im Ergebnis ist es möglich, die Erkennungskapazität zu erhöhen, ohnedaß dieeinander gegenüberliegendenFlächender Elektroden wesentlich vergrößert werdenmüssen.
    [0011] Somitist es bei der Erfindung bei einem Halbleitersensor für eine dynamischeGröße des Kondensatortypsmöglich,die Erkennungsempfindlichkeit zu erhöhen, während der Größenanstiegauf ein Minimum beschränktbleibt.
    [0012] Hierbeikann gemäß einemzweiten Aspekt der Erfindung die isolierende Schicht an wenigstens einerder einander gegenüberliegendenSeiten von beweglicher Elektrode und fester Elektrode angeordnetsein.
    [0013] Gemäß einemdritten Aspekt der Erfindung kann die isolierende Schicht auf beideneinander gegenüberliegendenSeiten oder aufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrodeund fester Elektrode angeordnet sein.
    [0014] Gemäß einemvierten Aspekt der Erfindung kann die isolierende Schicht aus einerMehrzahl von isolierenden Filmen unterschiedlicher Arten gemacht sein.
    [0015] EinfünfterAspekt der Erfindung schafft einen Halbleitersensor für eine dynamischeGröße mit einemTrägersubstrat,welches eine feste Elektrode aus einem Halbleiter gefertigt bildetund welche entfernt von und gegenüberliegend einer Seite einerbeweglichen Elektrode aus einem Halbleiter ist, welche in Dickenrichtungdes Trägersubstratesverschiebbar ist, wobei der Halbleitersensor für dynamische Größen eineangelegte dynamische Größe auf der Grundlageeiner Kapazitätsänderungzwischen der beweglichen Elektrode und der Seite des Trägersubstratserkennt, welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrodeeinhergeht, die auftritt, wenn die dynamische Größe angelegt wird, wobei einFreiraum und eine elektrisch isolierende Schicht mit einer größeren relativenabsoluten Dielektrizitätskonstante alsLuft Seite an Seite zwischen der beweglichen Elektrode und der Seitedes Trägersubstratsin der Richtung zwischengeschaltet sind, in der die bewegliche Elektrodeund das Trägersubstratvoneinander beabstandet sind.
    [0016] Während imStand der Technik nur ein Freiraum zwischen beweglicher Elektrodeund der Seite des Trägersubstratsvorhanden ist, welche die feste Elektrode bildet, ist bei dieserErfindung zusätzlichzu dem Freiraum eine isolierende Schicht mit einer relativen absolutenDielektrizitätskonstantegrößer als Luftebenfalls zwischengeschaltet.
    [0017] Infolgedessenkann die absolute Dielektrizitätskonstantedes Kondensatorteils zwischen der beweglichen Elektrode und derSeite des Trägersubstrats,d.h. des Erkennungskondensatorteils größer als im Stand der Technikgemacht werden und im Ergebnis ist es möglich, die Erkennungskapazität zu erhöhen, ohnedaß dieaufeinander zu weisenden Seiten oder Flächen von beweglicher Elektrodeund Trägersubstratwesentlich erhöhtwerden müssen.
    [0018] Somitist es bei dieser Erfindung in einem Halbleitersensor für dynamischeGrößen desKondensatortyps möglich,die Erkennungsempfindlichkeit anzuheben, während der Größenanstiegauf ein Minimum gehalten wird.
    [0019] Gemäß einemsechsten Aspekt der Erfindung kann die isolierende Schicht an einerder aufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode undTrägersubstratangeordnet sein.
    [0020] Gemäß einemsiebten Aspekt der Erfindung kann die isolierende Schicht auf beidenaufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode und Trägersubstratangeordnet sein.
    [0021] Gemäß einemachten Aspekt der Erfindung ist die isolierende Schicht aus einerMehrzahl von isolierenden Filmen unterschiedlicher Arten aufgebaut.
    [0022] WeitereEinzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergebensich besser aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformenanhand der Zeichnung.
    [0023] Eszeigt:
    [0024] 1 eine schematische Draufsichtauf einen Halbleiter-Beschleunigungssensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
    [0025] 2 eine Schnittdarstellungentlang Linie II-II in 1;
    [0026] 3 eine Schnittdarstellungentlang Linie III-III in 1;
    [0027] 4 eine Schnittdarstellungentlang Linie IV-IV in 1;
    [0028] 5A die Ansicht eines Kondensatormodellsgemäß der bevorzugtenAusführungsform;
    [0029] 5B die Ansicht eines bekanntenKondensatormodells;
    [0030] 6 eine Ansicht der Beziehungzwischen einem Verhältnisvon Oxidfilmdicke/Luftschichtdicke und Kapazitätsanstieg;
    [0031] 7 eine Ansicht eines Verschiebungsmodellseiner beweglichen Elektrode, wenn eine Beschleunigung angelegt wird;
    [0032] 8 die Ansicht einer Beziehungzwischen angelegter Beschleunigung G und der Luftschichtdicke dnach der Verschiebung;
    [0033] 9 eine Ansicht einer Beziehungzwischen der Luftschichtdicke d nach der Verschiebung und einerSpannung V überden beiden Elektroden;
    [0034] 10 eine schematische Schnittdarstellungeiner ersten Abwandlung der bevorzugten Ausführungsform;
    [0035] 11 eine schematische Schnittdarstellungeiner zweiten Abwandlung der bevorzugten Ausführungsform; und
    [0036] 12 eine schematische Schnittdarstellungeiner dritten Abwandlung der bevorzugten Ausführungsform.
    [0037] DieErfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf eine bevorzugteAusführungsformbeschrieben, welche in der beigefügten Zeichnung dargestelltist. 1 ist eine schematischeDraufsicht auf einen Beschleunigungssensor S1 des Kondensatortyps,der einen Halbleitersensor fürdynamische Größen gemäß einerbevorzugten Ausführungsform dervorliegenden Erfindung bildet; 2 isteine schematische Schnittdarstellung durch diesen BeschleunigungssensorS1 entlang Linie II-II in 1; und 3 ist eine schematischeSchnittdarstellung durch den Beschleunigungssensor S1 entlang Linie III-IIIin 1.
    [0038] DieserBeschleunigungssensor S1 kann beispielsweise als Beschleunigungssensorin einem Fahrzeug oder als Gyrosensor zur Durchführung einer Betriebssteuerungeines Airbags, von ABS oder VSC oder dergleichen eingesetzt werden.Der Beschleunigungssensor S1 wird durch eine bekannte Mikrobearbeitunghergestellt, welche an einem Halbleitersubstrat durchgeführt wird.
    [0039] Wiein den 2 und 3 bezeichnet, ist das Halbleitersubstrat,welches den Beschleunigungssensor S1 bildet, ein rechteckförmiges SOI-Substrat 10 miteinem Siliziumoxidfilm 13 als isolierende Schicht zwischeneinem ersten Siliziumsubstrat 11, welches als erste Halbleiterschichtdient und einem zweiten Siliziumsubstrat 12, welches alszweite Halbleiterschicht dient. Auf dem SOI- Substrat 10 ist das erste Siliziumsubstrat 11 alsTrägersubstratangeordnet.
    [0040] Einebewegliche Elektrode 20 wird durch Schlitze 14 gebildet,welche im zweiten Siliziumsubstrat 12 ausgebildet sind.In diesem Beispiel ist die bewegliche Elektrode 20 rechteckförmig undhat eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 21,welche sie in Dickenrichtung durchlaufen und wird auf dem erstenSiliziumsubstrat 11, welches das Trägersubstrat bildet, in Dickenrichtungdes ersten Siliziumsubstrats 11 verschiebbar gelagert.
    [0041] Genauergesagt, wie in den 2 und 3 gezeigt, ist ein Teil aufSeiten des Siliziumoxidfilms 13 des zweiten Siliziumsubstrats 12 entfernt,so daß die beweglicheElektrode 20 überdem Siliziumoxidfilm 13 "schwimmt". Dieser Teil des zweiten Siliziumsubstrates 12,von welchem der Seitenteil des Siliziumoxidfilms 13 entferntworden ist, liegt innerhalb eines Bereichs 15, der in 1 mit der rechteckförmigen gestricheltenLinie dargestellt ist.
    [0042] Wiein den 1 und 3 gezeigt, ist die beweglicheElektrode 20 so angeordnet, daß sie einen mittigen Teil desSOI-Substrats 10 überdecktund die Enden der beweglichen Elektrode 20 sind einstückig mitAnkerteilen 23a und 23b durch Federteile 22 verbunden.Hierbei sind die Ankerteile 23a und 23b festeTeile, welche auf dem ersten Siliziumsubstrat 11 über denSiliziumoxidfilm 13 gelagert sind.
    [0043] DieFederteile 22 bilden jeweils einen rechteckförmigen Rahmenbestehend aus zwei parallelen Stäben,die an ihren Enden verbunden sind und die bewegliche Elektrode 20 hateine Federfunktion dahingehend, daß sie in Dickenrichtung desersten Siliziumsubstrats 11 elastisch ver schiebbar ist.Insbesondere erlauben die Federteile 22 eine Verschiebungder beweglichen Elektrode 20 in Richtung des Pfeils Z,wenn eine Beschleunigung einwirkt, welche eine Komponente in Richtungdes Pfeils Z in den 2 und 3 enthält, wobei sie in ihre Ausgangslage zurückkehrt,wenn die Beschleunigung nicht mehr einwirkt.
    [0044] Aufdiese Weise ist die bewegliche Elektrode 20 oberhalb einerSeite des ersten Siliziumsubstrats 11, welches als Trägersubstratdient, ausgebildet und liegt dieser Seite mit einem bestimmten Spaltt (vgl. 2) dazwischengegenüberund ist in Verschiebungsrichtung der Federteile 22 verschiebbar,d.h. entsprechend einer angelegten Beschleunigung in der Richtungdes genannten Pfeils Z.
    [0045] Wenneine Beschleunigung einwirkt, ändert sichder Spalt t zwischen der beweglichen Elektrode 20 und derFlächedes ersten Siliziumsubstrats 11 abhängig von der Verschiebung derbeweglichen Elektrode 20. Nachfolgend wird die Richtungdes Pfeils Z als Verschiebungsrichtung Z bezeichnet.
    [0046] Beidiesem Beschleunigungssensor S1 bildet das erste Siliziumsubstrat 11,welches der beweglichen Elektrode 20 zuweist, auch diefeste Elektrode. Wie in den 2 und 3 gezeigt, liegen bei der bevorzugtenAusführungsformzwischen der beweglichen Elektrode 20 und dem ersten Siliziumsubstrat (derfesten Elektrode) 11, welche einander mit dem bestimmtenSpalt t dazwischen gegenüberliegenein Freiraum 30 und eine elektrisch isolierende Schicht 13 miteiner größeren relativenabsoluten Dielektrizitätskonstanteals Luft Seite an Seite in der Richtung, in der die bewegliche Elektrode 20 unddas erste Siliziumsubstrat 11 voneinander beabstandet sind(d.h. in Verschiebungsrichtung Z).
    [0047] Indiesem Beispiel ist der isolierende Film 13 ein Siliziumoxidfilm(SiO2) an der zuweisenden Seite des erstenSiliziumsubstrats 11, wie oben erwähnt und wird durch thermischeOxidation, Sputtern oder Dampfabscheidung oder dergleichen gebildet.In Umgebungsatmosphäreist der Freiraum 30 eine Luftschicht, in Vakuumatmosphäre ist erein Vakuumraum und in einer anderen Gasatmosphäre ist er eine Schicht ausdem Gas, welches die jeweilige Atmosphäre bildet.
    [0048] Gemäß den 1 und 3 ist ein Zwischenverbindungsteil 25 derbeweglichen Elektrode einstückig mitdem Ankerteil 23b verbunden und ein Kissen 25a derbeweglichen Elektrode (Kontaktkissen für eine Drahtbondung) ist aneiner bestimmten Position auf diesem Zwischenverbindungsteil 25 ausgebildet.
    [0049] Gemäß 1 ist ein Kissen 11a derfesten Elektrode als Kontaktkissen für eine Drahtbondierung elektrischmit dem ersten Siliziumsubstrat 11 verbunden, das als festeElektrode dient. Der Schnittaufbau des Kissens 11a derfesten Elektrode ist in 4 imSchnitt entsprechend der Linie IV-IV in 1 gezeigt.
    [0050] Wiein 1 gezeigt, ist einKissen 12a für einReferenzpotential zur Aufrechterhaltung eines Teils des zweitenSiliziumsubstrats 12 am Umfang der beweglichen Elektrode 20 auffestem Potential an diesem Umfangsteil ausgebildet. Diese Elektrodenkissen 11a, 12a und 25a sindbeispielsweise aus Aluminium gebildet.
    [0051] Beispielsweisedie Rückseitedes ersten Siliziumsubstrats 11 dieses Beschleunigungssensors S1,d.h., die Seite gegenüberdem Siliziumoxidfilm 13 ist mit einer Packung oder einemGehäuse(nicht gezeigt) mittels eines Klebers oder dergleichen befestigtund Schaltkreisvorrichtungen zur Steuerung des BeschleunigungssensorsS1 sind in dieser Packung oder diesem Gehäuse vorgesehen.
    [0052] DieseSchaltkreisvorrichtungen und die Elektrodenkissen 11a, 12a und 25a sindelektrisch über Drähte (nichtgezeigt) aus Gold oder Aluminium durch Drahtbondierung oder dergleichenverbunden.
    [0053] DieserBeschleunigungssensor S1 kann beispielsweise wie folgt hergestelltwerden. Unter Verwendung einer Photolithographie wird eine Maskeeiner Form entsprechend der beweglichen Elektrode 20 mitden Durchgangsöffnungen 21,den Federteilen 22 und den Ankerteilen 23a und 23b aufdem zweiten Siliziumsubstrat 12 des SOI-Substrats 10 ausgebildetund dann wird mittels Trockenätzenunter Verwenden eines Gases wie CF4 oderSF6 ein Grabenätzvorgang durchgeführt, umdas Muster der Schlitze 14 von 1 zu bilden.
    [0054] Beidiesem Grabenätzenist im Vergleich zu dem Ätzmuster,das innerhalb des Bereichs 15 von 1 liegt, in dem Ätzmuster, das außerhalbdieses Bereichs 15 liegt, der verbleibende Teil breiter.In der beweglichen Elektrode 20 sind zu verbleibende enge Teiledurch die Durchgangsöffnungen 21 realisiert.
    [0055] Aufgrundhiervon wird in dem Teil des zweiten Siliziumsubstrats 12,das innerhalb des Bereichs 15 in 1 liegt, der Boden des zweiten Siliziumsubstrats 12 durcheinen seitlichen Ätzangriffentfernt, so daß daszweite Siliziumsubstrat 12 über dem Siliziumoxidfilm 13 "schwebt"; außerhalbdes Bereichs 15 verbleibt der Boden des zweiten Siliziumsubstrats 12.
    [0056] Infolgedessensind im zweiten Siliziumsubstrat 12 ein Teil, der oberhalbdes Oxidfilms 13 "schwebt" und ein Teil inKontakt mit und getragen von dem Oxidfilm 13 gebildet undim Ergebnis werden eine bewegliche Elektrode 20, Federteile 22 und Ankerteile 23a und 23b gebildet,unterteilt durch die Schlitze 14. Durch Sputtern oder Dampfabscheidung vonAluminium werden die genannten Elektrodenkissen 11a, 12a und 25a gebildetund der Beschleunigungssensor S1 ist vollständig.
    [0057] Indiesem Beschleunigungssensor S1 wird zwischen der beweglichen Elektrodeund dem ersten Siliziumsubstrat 11, das als feste Elektrodedient, eine Erkennungskapazitätgebildet. Wenn eine Beschleunigung einwirkt, wird auf der Grundlageder Federfunktion der Federteile 22 die Gesamtheit der beweglichenElektrode 20 einstückigin Verschiebungsrichtung Z verschoben und entsprechend dieser Verschiebung ändert sichdie Erkennungskapazität.Auf der Grundlage dieser Änderungin der Kapazitätwird die Beschleunigung erkannt.
    [0058] Beider bevorzugten Ausführungsformliegt das wesentliche Merkmal vor, daß zwischen der beweglichenElektrode 20 und der Flächedes ersten Siliziumsubstrats 11, welches die feste Elektrodebildet und als Trägersubstratdient, der Freiraum 30 und die isolierende Schicht 13,welche elektrisch isolierend ist und eine größere relative absolute Dieelektrizitätskonstanteals Luft hat, Seite an Seite in der Richtung angeordnet sind, inder die bewegliche Elektrode 20 und das erste Siliziumsubstrat 11 voneinanderbeabstandet sind.
    [0059] Während esim Stand der Technik nur ein Freiraum zwischen der beweglichen Elektrodeund der Flächedes Trägersubstratsgibt, welches die feste Elektrode bildet, ist bei dieser Ausführungsform derErfindung zusätzlich zudem Freiraum 30 der Siliziumoxidfilm 13, der dieisolierende Schicht mit der größeren relativenabsoluten Dielektrizitätskonstante alsLuft bildet, zwischen der beweglichen Elektrode 20 unddem ersten Siliziumsubstrat 11 zwischengeschaltet, dasdie feste Elektrode bildet. Die relative absolute Dielektrizitätskonstantevon Luft beträgt1 und die relative absolute Dielektrizitätskonstante des Siliziumoxidfilms 13 beträgt 3,84.
    [0060] Infolgedessenist die absolute Dielektrizitätskonstantedes Kondensatorteils zwischen der beweglichen Elektrode 20 undder Flächedes ersten Siliziumsubstrats 11, d.h. des Erkennungskondensatorteilsgrößer alsim Stand der Technik und im Ergebnis ist es möglich, die Erkennungskapazität zu erhöhen, ohnedaß dieaufeinander zu weisenden Flächenvon beweglicher Elektrode 20 und ersten Siliziumsubstrat 11 vergrößert werdenmüssen.
    [0061] Somitist es bei dieser bevorzugten Ausführungsform bei dem Halbleitersensorfür dynamische Größen desKondensatortyps möglich,die Erkennungsempfindlichkeit zu erhöhen, während ein Größenzuwachsdes Sensors minimal gehalten wird.
    [0062] SpezielleErkennungsempfindlichkeitsanstiege, welche mit dem BeschleunigungssensorS1 dieser Ausführungsformerhaltbar sind, bei dem der Siliziumoxidfilm 13 als isolierendeSchicht verwendet wird, werden nun beschrieben. Hierbei wird angenommen,daß derFreiraum 30 eine Luftschicht ist.
    [0063] 5 zeigt den Fall eines BeschleunigungssensorsS1 dieser Ausführungsform,bei dem ein Dielektrikum zwischen der beweglichen Elektrode 20 undder festen Elektrode (in dem ersten Siliziumsubstrat) 11 ausdem Siliziumoxidfilm 13 und der Luftschicht (dem Freiraum) 30 istund 5B zeigt den Fallim Stand der Technik, bei dem das Dielektrikum zwischen der beweglichenElektrode 20 und der festen Elektrode 11 nur ausder Luftschicht besteht.
    [0064] Dieabsolute Dielektrizitätskonstanteeines Vakuums sei hier mit ε0bezeichnet, die relative absolute Dielektrizitätskonstante der Luftschicht 30 (d.h. die relative absolute Dielektrizitätskonstante von Luft) sei mit εr1 bezeichnet,die relative absolute Dielektrizitätskonstante des Siliziumoxidfilms 13 (d.h. die relative absolute Dielektrizitätskonstante von SiO2) sei mit εr2 bezeichnet und die entsprechende Dickevon Luftschicht 30 und Siliziumoxidfilm 13 in derRichtung, in der die beiden Elektroden 20 und 11 voneinander beabstandet sind, seien mit t1 beziehungsweise t2 bezeichnet.In 5B ist (t1 + t2)die Dicke der Luftschicht 30 zwischen den Elektroden 20 und 11.
    [0065] Wenndie Kapazitätenpro Einheitsflächeder Elektroden 20 und 11 in den 5A und 5B alsCa und Cb ausgedrücktwerden, ergeben sich diese Kapazitäten Ca und Cb durch die folgendenAusdrücke 1und 2:
    [0066] Dahierbei εr1,die relative absolute Dielektrizitätskonstante von Luft, 1 ist,ergeben sich die KapazitätenCa und Cb durch die folgenden Ausdrücke 3 und 4:
    [0067] Ausdiesen Ausdrücken3 und 4 ergibt sich das VerhältnisCa/Cb der KapazitätCa dieser Ausführungsformzur KapazitätCb im Fall des Standes der Technik mit nur der Luftschicht 30 durchden folgenden Ausdruck 5:
    [0068] DasErgebnis des Erhalts der Beziehung zwischen dem Verhältnis t2/t1der Dicke t2 des Siliziumoxidfilms 13 zur Dicke t1 derLuftschicht 30 und der Kapazität der gesamten absoluten Dielektrizität auf derGrundlage dieses Ausdrucks 5 ist in 6 gezeigt.
    [0069] In 6 zeigt die horizontaleAchse die Oxidfilmdicke/Luftschichtdicke, d. h. das Verhältnis t2/t1und die vertikale Achse zeigt den Anstieg der Kapazität. Der Wertauf der vertikalen Achse bei 0 auf der horizontalen Achse ist dieKapazitätim Fall, in dem das die Dielektrikum zwischen den Elektroden 20 und 11 imwesentlichen aus der Luftschicht 30 besteht, d. h. dieKapazitätCb im Stand der Technik von 5B undder Kapazitätsanstiegwird gezeigt, wenn diese KapazitätCb auf 1 standardisiert ist.
    [0070] Eskann aus 6 gesehen werden,daß, wennder Anteil der Dicke des Siliziumoxidfilms 13 im Dielektrikumzwischen den Elektroden 20 und 11 ansteigt, dieKapazitätansteigt. Wie aus diesem Beispiel gesehen werden kann, ist es zurVerdoppelung der Kapazitätnotwendig, das Verhältnisvon Oxidfilmdicke/Luftschichtdicke auf 2,05 zu setzen, d. h., dieDicke t2 des Siliziumoxidfilms 13 um 2,05 mal größer alsdie Dicke t1 der Luftschicht 30 zu machen.
    [0071] Wenndie Dicke t1 der Luftschicht 30 und die Dicke t2 des Siliziumoxidfilms 13 entschiedenworden sind, wird ein Vorgang unter Berücksichtigung des dynamischenBereiches auf folgende Weise durchgeführt. 7 ist eine Ansicht, welche ein Verschiebungsmodellder beweglichen Elektrode 20 zeigt.
    [0072] 7 zeigt die bewegliche Elektrode 20 in demBeschleunigungssensor S1 dieser Ausführungsform, welche um einenVerschiebungsbetrag (t1 – d)unter einer Beschleunigung G verschoben worden ist. Das heißt, in 7 beträgt die Dicke der Luftschicht 30 nachder Verschiebung d. Die Spannung über den Elektroden 20 und 11 beträgt V.
    [0073] Hierbeiergibt sich die elektrostatische Kraft Fed und ergibt sich die FederkraftFsp durch die nachfolgenden Ausdrücke 6 und 7, wenn die elektrostatischeKraft Fed zwischen den Elektroden 20 und 11 alsFed geschrieben wird, die Federkonstante der Federteile 22 alsk geschrieben wird und die Federkraft der Federteile 22 alsFsp geschrieben wird:
    [0074] Wenndie Verschiebung der beweglichen Elektrode 20 ausbalanciertist, d. h. im Gleichgewichtszustand ist Fed = Fsp und aus dieserBeziehung und den Ausdrücken6 und 7 kann das Verhältnisgemäß dem folgendenAusdruck 8 erhalten werden:
    [0075] Wenngemäß 8 die angelegte BeschleunigungG anwächst,verengt sich die Dicke d der Luftschicht 30 nach der Verschiebungund bei einer anliegenden Beschleunigung G einer gewissen Größe kontaktierendie bewegliche Elektrode 20 und der Siliziumoxidfilm 13 unddie Dicke d wird zu 0.
    [0076] Dieanliegende Beschleunigung G, bei der die Dicke d zu null wird, isteine maximale Dynamikbereichbeschleunigung Gmax. Wie in 8 gezeigt, wenn die SpannungV überden Elektroden 20 und 11 ansteigt, nimmt die maximaleDynamikbereichbeschleunigung Gmax zu. Der Betrieb des BeschleunigungssensorsS1 wird unterhalb der maximalen Dynamikbereichbeschleunigung Gmaxdurchgeführt.
    [0077] 9 ist eine Darstellung derBeziehung von 8 alseine Beziehung zwischen der Dicke d der Luftschicht 30 nacheiner Verschiebung V überden Elektroden 20 und 11.
    [0078] Wiein 9 gezeigt, wenn dieSpannung V aufgedrücktwird und der Spalt zwischen den Elektroden 20 und 11 sichverengt, ändertsich die Änderungsrateder Spannung von einer positiven zu einer negativen Pull-in-Spannung.Daher ist der Zustand der Dicke d' entsprechend der Pull-in-Spannung in 9 der maximale Dynamikbereichzustand.
    [0079] Gleichermaßen kanngesagt werden, daß dermaximale Dynamikbereichzustand dann ist, wenn das Differenzial ersterOrdnung bezüglichd des Ausdrucks 8δV/δd Null ist.
    [0080] DieBeziehung δV/δd = 0 istim folgenden Ausdruck 9 gezeigt.
    [0081] Ausdiesem Ausdruck 9 kann die Beziehung gemäß dem folgenden Ausdruck 10erhalten werden:
    [0082] Gemäß diesemAusdruck 10 wird, wenn im Beschleunigungssensor 51 dieserAusführungsform dieDicke t1 der Luftschicht 30 und die Dicke t2 des Siliziumoxidfilms 13 entschiedenwerden, der Dynamikbereich ebenfalls entschieden.
    [0083] Dasheißt,da die Dicke t der Luftschicht 30 nach einer Verschiebungkleiner als der rechte Teil von Ausdruck 10 ist, berühren dieElektroden 20 und 11 einander und der BeschleunigungssensorS1 wird in einem Bereich derart betrieben, daß die Dicke d der Luftschicht 30 nachder Verschiebung größer als aufder rechten Seite von Ausdruck 10 ist.
    [0084] Obgleichin der oben beschriebenen Ausführungsformals isolierende Schicht 13 ein Siliziumoxidfilm verwendetwurde, ist es auch möglich,einen anderen elektrisch isolierenen Film zu verwenden mit einerrelativen absoluten Dielektrizitätskonstantegrößer alsLuft, beispielsweise einen Siliziumnitridfilm (SiN-Film), der einerelative absolute Dielektrizitätskonstantevon 9,0 hat, oder oder einen SiON-Film (relative absolute Dielektriziätskonstante:3,84 bis 9,0).
    [0085] Nachfolgendwerden schematische Schnittdarstellungen von Beschleunigungssensorenunter Bezug auf die 10 bis 12 beschrieben, welche Abwandlungender bevorzugten Ausführungensind. Diese 10 bis 12 zeigen im Schnitt Aufbautenentsprechend dem Schnitt von 2 unddiese Aufbauten könnenim wesentlichen unter Verwendung bekannter Halbleiterherstellungstechnologienhergestellt werden.
    [0086] Eineerste Abwandlung von 10 verwendetein SOI-Substrat 10 mitzwei eingebetteten Oxidfilmen 13, welche durch Zusammenstapelneines ersten Siliziumsubstrates 11, eines Siliziumoxidfilms 13,eines dritten Siliziumsubstrates 16, eines Oxidfilms 13 undeines zweiten Siliziumsubstrates 12 gebildet werden.
    [0087] EinSiliziumoxidfilm 13, der eine isolierende Schicht ist,ist auf den aufeinander gegenüberliegendenSeiten sowohl der beweglichen Elektrode 20 als auch desersten Siliziumsubstrates 11, das als feste Elektrode undals Trägersubstratdient, angeordnet.
    [0088] Auchin diesem Fall kann der Sensor wie der Beschleunigungssensor S1von 1 durch Durchführung einesGrabenätzverfahrensam zweiten Siliziumsubstrat 12 zur Ausbildung der Schlitze 14 und durchEntfernen des Teils des dritten Siliziumsubstrates 16 unterhalbder beweglichen Elektrode 20 durch Seitenätzen gebildetwerden.
    [0089] Einezweite Abwandlung von 11 verwendetdas gleiche SOI-Substrat 10 wie der BeschleunigungssensorS1 von 1 und hat einenSiliziumoxidfilm 13, der als isolierende Schicht dientauf der Seite der beweglichen Elektrode 20 gegenüber dem erstenSiliziumsubstrat 11.
    [0090] Indiesem Fall kann der Sensor beispielsweise durch aufeinanderfolgendesDurchführenvon Grabenätzendes SOI-Substrates 10 vonder Seite des zweiten Siliziumsubstrates 12 her, ein Opferschichtätzen desOxidfilms 13, ein Seitenätzen des zweiten Siliziumsubstrates 12,eine Oxidation und ein Oberflächensiliziumoxidfilmätzen hergestelltwerden.
    [0091] Einedritte Abwandlung von 12 hateine isolierende Schicht 13 bestehend aus einer Mehrzahl vonisolierenden Filmen unterschiedlicher Typen und in dem in der Figurgezeigten Beispiel ist die isolierende Schicht 13 ein Zweischichtaufbauaus einem Siliziumoxidfilm 13a und einem Siliziumnitridfilm 13b aufdem ersten Siliziumsubstrat 11.
    [0092] Wenndie isolierende Schicht 13 aus einer Mehrzahl von isolierendenFilmen aufgebaut wird, muß,obgleich natürlichdrei oder mehr Schichten oder drei oder mehr Arten von isolierendenFilmen verwendbar sind, jede Art von isolierendem Film eine relativeabsolute Dielektrizitätskonstantegrößer als dievon Luft haben.
    [0093] Diesedritte Abwandlung kann beispielsweise durch Verwendung eines SOI-Substrates 10 mit einemeingebetteten Zweischichtisolationsfilm aus einem Siliziumoxidfilm 13a undeinem Siliziumnitridfilm 13b hergestellt werden, wobeiz. B. ein Grabenätzenvon der Seite des zweiten Siliziumsubstrates 12 zur Ausbildungder Schlitze 14 und eine Entfernung eines Teils des zweitenSiliziumsubstrates 12 unterhalb der beweglichen Elektrode 20 durchSeitenätzenwie im Beschleunigungssensor 51 von 1 durchgeführt werden.
    [0094] NebenSensoren derart, wie sie in der voranstehenden Ausführungsformund deren Abwandlungen gezeigt worden sind mit einem Trägersubstrat, daseine feste Elektrode aus einem Halbleitersubstrat bildet, wobeioberhalb einer Seite hiervon und dieser gegenüberliegend über einen Spalt hinweg eine beweglicheElektrode aus einem Halbleiter liegt, welche in Dickenrichtung desTrägersubstratesverschiebbar ist, kann die Erfindung auch bei Beispielen von Sensorenangewendet werden, wie sie etwa im Eingangs genannten Patentdokument 2 gezeigtsind mit kammzahnartig geformten beweglichen und festen Elektroden.
    [0095] ImFalle derartiger kammzahnförmigerbeweglicher und fester Elektroden liegen die Elektroden einanderan den seitlichen Flächender Kammverzahnung gegenüber.Als ein Verfahren zur Ausbildung einer isolierenden Schicht an denseitlichen Flächender Kammverzahnung werden beispielsweise die Kammzahnelektrodendurch Grabenätzengebildet und dann wird eine Seitenflächenoxidation durchgeführt.
    [0096] Weiterhinkann neben Beschleunigungssensoren der Gegenstand der Erfindungauch als Halbleitersensor fürdynamische Größen desKondensatortyps angewendet werden, wobei die dynamischen Größen beispielsweiseWinkelgeschwindigkeiten, Drückeoder dergleichen sind.
    [0097] DieErfindung erfolgte rein exemplarisch und ist als nicht einschränkend zuverstehen. Der Gegenstand der Erfindung, sowie sämtliche hierunter fallendenModifikationen und Abwandlungen werden allein durch den Inhalt dernachfolgenden Ansprüchebzw. deren Äquivalentedefiniert.
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] Ein Halbleitersensor für dynamische Größen miteiner beweglichen Elektrode (20) und einer festen Elektrode(11) voneinander beabstandet und einander gegenüberliegendund hergestellt durch Bearbeitung eines Halbleitersubstrats (10),wobei der Halbleitersensor fürdynamische Größen zurErkennung einer angelegten dynamischen Größe auf der Grundlage einerKapazitätsänderungzwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode ist,welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode einhergeht,die auftritt, wenn die dynamische Größe angelegt wird, wobei einFreiraum (30) und eine elektrisch isolierende isolierendeSchicht (13) mit einer größeren relativen absoluten Dielektrizitätskonstante alsderjenigen von Luft zwischen die bewegliche Elektrode und die festeElektrode Seite an Seite in der Richtung zwischengeschaltet sind,in der die Elektroden voneinander beabstandet sind.
    [2] Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß dieisolierende Schicht (13) an wenigstens einer der gegenseitigaufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode (20)oder feste Elektrode (11) angeordnet ist.
    [3] Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß dieisolierende Schicht (13) auf beiden gegenseitig aufeinanderzu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode (20) undfester Elektrode (11) angeordnet ist.
    [4] Halbleitersensor für dynamische Größen nach einemder Ansprüche1 bis 3, wobei die isolierende Schicht (13) aus einer Mehrzahlvon isolierenden Filmen (13a, 13b) unterschiedlicherTypen aufgebaut ist.
    [5] Ein Halbleitersensor für dynamische Größen miteinem Trägersubstrat(11), das eine feste Elektrode aus einem Halbleiter bildetund beabstandet von und einandergegenüberliegend einer Seite einerbeweglichen Elektrode (20) aus einem Halbleiter angeordnetist und in Dickenrichtung des Trägersubstratesverschiebbar ist, wobei der Halbleitersensor für dynamische Größen zurErkennung einer anliegenden dynamischen Größe auf der Grundlage einerKapazitätsänderungzwischen der beweglichen Elektrode und einer Seite des Trägersubstratesist, welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode einhergeht,die auftritt, wenn die dynamische Größe angelegt wird, wobei einFreiraum (30) und eine elektrisch isolierende isolierendeSchicht (13) mit einer größeren relativen absoluten Dielektriziätskonstante alsderjenigen von Luft zwischen der beweglichen Elektrode und einerSeite des TrägersubstratesSeite an Seite in der Richtung zwischengeschaltet sind, in der diebewegliche Elektrode und das Trägersubstrat voneinanderbeabstandet sind.
    [6] Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch5, dadurch gekennzeichnet, daß dieisolierende Schicht (13) an wenigstens einer der gegenseitigaufeinander zu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode (20)oder feste Elektrode (11) angeordnet ist.
    [7] Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch6, dadurch gekennzeichnet, daß dieisolierende Schicht (13) auf beiden gegenseitig aufeinanderzu weisenden Seiten von beweglicher Elektrode (20) undfester Elektrode (11) angeordnet ist.
    [8] Halbleitersensor für dynamische Größen nach einemder Ansprüche5 bis 7, wobei die isolierende Schicht (13) aus einer Mehrzahlvon isolierenden Filmen (13a, 13b) unterschiedlicherTypen aufgebaut ist.
    [9] Ein Halbleitersensor für dynamische Größen miteiner beweglichen Elektrode (20) und einer festen Elektrode(11) voneinander beabstandet und einander gegenüberliegendund hergestellt durch Bearbeitung eines Halbleitersubstrats (10),wobei der Halbleitersensor fürdynamische Größen zurErkennung einer angelegten dynamischen Größe auf der Grundlage einerKapazitätsänderungzwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode ist,welche mit einer Verschiebung der beweglichen Elektrode einhergeht,die auftritt, wenn die dynamische Größe angelegt wird, wobei einFreiraum (30) und eine elektrisch isolierende isolierendeSchicht (13) mit einer größeren relativen absoluten Dielektrizitätskonstante alsderjenigen von Luft zwischen die bewegliche Elektrode und die festeElektrode Seite an Seite in der Richtung zwischengeschaltet sind,in der die Elektroden voneinander beabstandet sind, wobei die isolierendeSchicht (13) an wenigstens einer der gegenseitig aufeinanderzu weisenden Flächender beweglichen Elektrode (20) und der festen Elektrode (11)angeordnet ist und wobei die isolierende Schicht (13) auseiner Mehrzahl von isolierenden Filmen (13a, 13b)unterschiedlicher Typen aufgebaut ist.
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    同族专利:
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    US20040237652A1|2004-12-02|
    US7004029B2|2006-02-28|
    JP2004361115A|2004-12-24|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2008-06-12| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2010-11-11| 8131| Rejection|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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