DE10114036A1

DE10114036A1 - Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren und damit hergestellte Sensoren

Info

Publication number: DE10114036A1
Application number: DE10114036A
Authority: DE
Inventors: Hubert Benzel; Heribert Weber; Hans Artmann; Frank Schaefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2002-10-02
Also published as: JP2004531882A; US20040152228A1; WO2002076880A3; EP1373129A2; WO2002076880A2; US7045382B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren und damit hergestellte Sensoren vorgeschlagen, bei denen in ein Halbleitersubstrat (1) Öffnungen (2) eingebracht werden. Nach dem Einbringen der Öffnungen (2) in das Halbleitersubstrat (1) erfolgt eine Temperaturnachbehandlung, bei der die Öffnungen (2) zu Hohlräumen in der Tiefe des Substrats (1) umgewandelt werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren bzw. von damit hergestellten mikromechanischen Sensoren nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Aus einem Artikel von Mizushima et al. Applied Physics Letter, Vol. 77, Nr. 20, 13. November 2000, Seite 3290 ff. ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem durch Einbringen von Öffnungen und einer nachfolgenden Temperaturbehandlung Hohlräume im Halbleitersubstrat erzeugt werden. Diese Strukturen sollen jedoch nur zur Verwendung von integrierten Schaltungen Verwendung finden. Für die Herstellung von Sensoren sind eine Vielzahl von anderen Herstellungsprozessen, insbesondere die sogenannte Opferschichttechnik bekannt. Dabei wird eine Siliziumschicht auf einer Opferschicht erzeugt. Die Opferschicht wird dann nach einer Strukturierung der Siliziumschicht wieder entfernt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Sensoren angegeben wird. Die mikromechanischen Sensoren bilden dabei Sensorelemente, die aus einkristallinem Silizium ausgebildet sind. Weiterhin ist das Verfahren zur Integration von Schaltungselementen geeignet.

Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Um die sichere Erzeugung eines Hohlraums zu gewährleisten, sollten die eingebrachten Öffnungen tiefer sein als der Durchmesser, vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 1 µm aufweisen und tiefer als 2 µm sein. Durch ausreichend hohe Temperaturen wird eine ausreichende Beweglichkeit der Siliziumatome auf dem Substrat gewährleistet. Durch weitere Bearbeitungsschritte werden dann die eigentlichen Sensorelemente gebildet. Vorteilhaft ist dabei insbesondere das Abscheiden einer Epitaxieschicht und das Einbringen von Dotierstoffen.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

die Fig. 1 bis 4 eine erste Prozeßfolge und

die Fig. 5 bis 8 eine weitere Prozeßfolge zur Erzeugung von Hohlräumen,

Fig. 9 ein erstes Beispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor,

Fig. 10 bis 12 weitere Prozeßschritte zur Erzeugung eines zweiten Beispiels eines erfindungsgemäßen Sensors,

Fig. 13 ein weiteres Beispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor und

Fig. 14 einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor.

Beschreibung

In den Fig. 1 bis 4 wird eine Prozeßabfolge gezeigt, die das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht. In der Fig. 1 wird ein Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat 1 gezeigt, in das eine Öffnung 2 eingebracht ist. Die Öffnung 2 ist als langes dünnes Sackloch ausgebildet, welches typischerweise einen Durchmesser von weniger als 1 µm hat und sich mehr als 1 µm in die Tiefe des Siliziumsubstrats 1 hinein erstreckt. Bei dem Siliziumsubstrat 1 handelt es sich insbesondere um ein einkristallines Siliziumsubstrat. Derartige Öffnungen 2 können durch reaktives Ionenätzen, d. h. Bestrahlen der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 mit Ionen eines Gases, die eine gasförmige chemische Verbindung mit dem Siliziummaterial eingehen, hergestellt werden. Üblicherweise wird dabei der Teil der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1, der nicht geätzt werden soll, durch eine Maskierung beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Metallen oder Glasschichten geschützt. Alternativ können auch rein abtragende Plasmaätzverfahren verwendet werden.

Das Siliziumsubstrat 1, wie es in der Fig. 1 im Querschnitt gezeigt wird, wird dann einer Temperaturbehandlung unterzogen. Dabei werden Temperaturen gewählt, bei denen es zu einer Umlagerung von Siliziumatomen kommen kann, d. h. Temperaturen von mehr als 900°C. Besonders geeignet ist beispielsweise eine Temperaturbehandlung von 1100°C. Vorzugsweise wird eine derartige Temperaturbehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt, weil sich so Oxide, die sich auf der Oberfläche des Siliziums 1 bilden, von der Oberfläche des Siliziums 1 bzw. von den Wänden der Öffnung 2 entfernen lassen. Durch die hohen Temperaturen wird die Beweglichkeit der Siliziumatome erhöht, so dass eine Umlagerung so erfolgt, dass die Oberfläche des Siliziums verringert wird. Wie in der Fig. 2 zu erkennen ist führt dies dazu, dass sich im oberen Bereich der Öffnung 2, d. h. in dem Bereich, der der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 sehr nahe ist, eine Verringerung des Durchmessers der Öffnung 2 ergibt und in einem unteren Bereich der Öffnung 2 eine Ausbauchung. Wenn dieser Prozeß eine Weile fortgeführt wird, so ergibt sich die Situation wie sie in der Fig. 3 gezeigt wird, d. h. auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 ist noch eine leichte Vertiefung vorhanden, während im Inneren des Siliziumsubstrats 1 ein Hohlraum 3 gebildet wird. Eine derartige Bildung eines Hohlraums 3 erfolgt jedoch nur, wenn die Öffnung 2, wie sie in der Fig. 1 gezeigt wird, ausreichend tief und ausreichend eng ist. Andernfalls ist es zur Minimierung der Oberflächenspannung energetisch günstiger, wenn sich nur eine Vertiefung 4 bildet. Die Öffnung 2 muß somit ausreichend tief sein und der Querschnitt muß ausreichend gering sein. Mindestens ist es erforderlich, dass die Tiefe der Öffnung 2 in das Siliziumsubstrat 1 hinein größer ist als der Durchmesser der Öffnung 2 an der Oberfläche. In der Fig. 3 ist bezüglich der Oberfläche noch nicht ein minimaler Zustand erreicht. Die Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 weist immer noch eine Vertiefung 4 auf und der Hohlraum 3 weist noch eine ovale Gestalt auf. Durch Fortführung der Temperaturbehandlung wird dieser Zustand jedoch noch weiter verändert und es bildet sich dann ein nahezu kugelförmiger Hohlraum 3 aus über dem auch keine Vertiefung 4 mehr angeordnet ist. Dieser Zustand wird in der Fig. 4 gezeigt.

Es ist somit möglich, durch Einbringen einer Öffnung 2 und einer nachfolgenden Temperaturbehandlung in einem Siliziumsubstrat 1 einen Hohlraum 3 zu schaffen.

Der erfindungsbemäße Prozeß ist nicht nur auf einkristallines Silizium beschränkt, sondern kann ebenso in anderen Halbleitermaterialien wie z. Bsp. GaAs durchgeführt werden. Weithin kann auch polykristallines Halbleitermaterial verwendet werden. Halbleiter biten den Vorteil, dass durch weitere Bearbeitungsschriite leitende und nichtleitende Bereiche erzeugt werden können, wie dies für die Herstellung von Sensoren erforderlich ist.

Wenn in dem Hohlraum ausschließlich Wassserstoff eingeschlossen ist, so wird durch eine weitere Temperaturbehandlung ein gutes Vakuum erzeugt, da der Wasserstoff dann leicht durch das Silizium herausdiffundiert. Dies ist insbesondere für Drucksensoren interessant, da so ein Referenzvakuum geschaffen wird. Weitere Temperaturbehandlungen ergeben sich z. Bsp. durch das Einbringen und Tempern von Dotierstoffen.

In den Fig. 5 bis 8 wird gezeigt, wie mit diesem Verfahren eine Membran erzeugt werden kann, die über einem Hohlraum angeordnet ist. In der Fig. 5 wird ein Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat 1 gezeigt, in dem eine Vielzahl von Öffnungen 2, die als enge tiefe Sacklöcher ausgebildet sind, eingebracht sind. In der Fig. 7 wird eine Aufsicht auf das Substrat nach der Fig. 5 gezeigt. Wie in der Fig. 7 zu erkennen ist, sind eine Vielzahl von Öffnungen 2 im engen Abstand zueinander angeordnet, wobei der Abstand der Öffnungen 2 in etwa dem Durchmesser der Öffnungen 2 entspricht. Wenn ausgehend von den Fig. 5 und 7 eine Temperaturbehandlung erfolgt, so erfolgt ausgehend von jeder der Öffnungen 2 eine Umlagerung von Siliziumatomen, wie sie zu den Fig. 1 bis 4 beschrieben wurde. Das Ergebnis ist ein zusammenhängender großflächiger Hohlraum 3, wie er in der Fig. 6 in einem Querschnitt durch das Siliziumsubstrat 1 gezeigt wird. Über dem flächigen Hohlraum 3 ist ein Membranbereich 4 angeordnet, der aus einer dünnen Schicht Silizium besteht. Wenn es sich bei dem Siliziumsubstrat 1 um ein einkristallines Siliziumsubstrat handelt, so erfolgt auch die Bildung dieser Membran 4 wiederum durch einkristallines Silizium, da die Siliziumatome sich bei der Umlagerung wieder an den entsprechenden Kristallgitterplätzen anordnen. Es bleibt somit die einkristalline Struktur des Siliziumsubstrats 1 auch in dem Membranbereich 4 über dem Hohlraum 3 erhalten. In der Fig. 8 wird eine Aufsicht gezeigt, wobei in einer Aufsicht natürlich der Hohlraum 3 nicht zu erkennen ist. Der in der Fig. 8 dargestellte flächige Hohlraum 3 ist daher in der Aufsicht nicht zu sehen, er ist aber in der Fig. 8 trotzdem dargestellt, um eine Vorstellung zu geben, wie ausgehend von den in der Fig. 7 sichtbaren Öffnungen 2 ein Hohlraum 3 in der Tiefe des Siliziumsubstrats ausgebildet wird.

Bei der Anordnung der Öffnungen 2, wie sie in den Fig. 5 und 7 gezeigt wird, besteht ein Zusammenhang zwischen Durchmesser der Öffnungen 2, Abstand der Öffnungen 2 zueinander und der Tiefe der Öffnungen 2. Je tiefer die Öffnungen 2 in das Siliziumsubstrat 1 eingebracht sind, umso weiter darf der Abstand zwischen benachbarten Öffnungen 2 in der Fig. 7 sein, um noch einen durchgehenden Hohlraum 3 zu schaffen, wie er in der Fig. 8 dargestellt ist. Die genauen Größenverhältnisse zwischen Durchmesser der Öffnungen 2, Abstand der Öffnungen 2 zueinander und Tiefe der Öffnungen 2 muß gegebenenfalls experimentell ermittelt werden und kann auch noch von weiteren Parametern beispielsweise der Temperatur der Temperaturbehandlung, eventuell eingebrachte Dotierstoffe, Zusammensetzung eines Schutzgases während der Temperaturbehandlung und dergleichen abhängen.

Um ausgehend von den in den Fig. 1 bis 8 geschilderten Verfahren zu Sensorstrukturen zu gelangen, ist jedoch noch eine weitere Bearbeitung des Siliziumsubstrats 1 erforderlich.

In der Fig. 9 wird ein erstes Beispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor gezeigt, der von einem Siliziumsubstrat 1, wie es in den Fig. 6 und 8 dargestellt ist, ausgeht. Das Siliziumsubstrat 1 weist einen Hohlraum 3 und darüber angeordnet einen Membranbereich 4 auf. Ausgehend von dem Siliziumsubstrat 1, wie es beispielsweise in den Fig. 6 bis 8 gezeigt wird, wird eine Epitaxieschicht 11 aufgebracht, die die gesamte Oberseite des Siliziumsubstrats 1 inklusive des Membranbereichs 4 bedeckt. Da das Siliziumsubstrat 1 einkristallin ist und auch die einkristalline Silziumstruktur im Bereich der Membran 4 vorhanden ist, wächst die Epitaxieschicht 11 einkristallin auf. Typische Dicken für eine derartige Epitaxieschicht 11 liegen in der Größenordnung von einigen µm bis zu einigen 10 µm. Auf der Oberseite der Epitaxieschicht 11 werden dann durch übliche Prozesse Dotierstoffe eingebracht. Beispielsweise können Dotierungszonen 12 für piezoresistive Widerstandselemente eingebracht werden, die dann mittels stark dotierten Zuleitungszonen 13 mit Kontaktöffnungen 14 einer Passivierungsschicht 15 verbunden sind. Die piezoresistiven Widerstandselemente 12 werden dabei so angeordnet, dass sie in der Epitaxieschicht 11 in den Randbereichen des Hohlraums 3 angeordnet sind. Durch die stark dotierten Zuleitungselemente 13 können an den Kontaktöffnungen 14 dann über Metallleiterbahnen (nicht gezeigt) elektrische Signale abgegriffen werden, insbesondere kann der elektrische Widerstand der piezoresistiven Elemente 13 gemessen werden. Aufgrund ihrer Anordnung relativ zum Hohlraum 3 sind die piezoresistiven Elemente 12 in Bereichen gelegen, in denen starke mechanische Spannungen auftreten, falls es zu einer Verformung der Epitaxieschicht 11 und des Membranbereichs 4 über dem Hohlraum 3 kommt. Eine derartige Verformung kann beispielsweise dadurch entstehen, dass der Umgebungsdruck von dem im Hohlraum 3 eingeschlossenen Druck abweicht. Es wird somit eine Vorrichtung geschaffen, die eine Änderung des Umgebungsdrucks relativ zum Druck im Hohlraum 3 nachweist, d. h. es handelt sich um einen Drucksensor. Durch metallische Leitschichten auf der Oberseite der Passivierungsschicht 15 können die elektrischen Signale der piezoresistiven Elemente 12 einer Auswerteschaltung 20 zugeführt werden, die ebenfalls in der Epitaxieschicht 11 und im Siliziumsubstrat 1 ausgebildet ist. Aus Vereinfachungsgründen sind die metallischen Leiterbahnen auf der Oberseite der Passivierungsschicht 15 nicht dargestellt. Ebenso sind die elektrischen Auswerteschaltungen durch die Diffusionszonen 21, 22 und 23 nur angedeutet und entsprechen in keiner Weise realen Schaltungselementen. Durch die vergrabene Dotierungszone 21 ist bereits vor der Abscheidung der Epitaxieschicht 11 Dotierstoff in die Oberseite des Siliziumsubstrats 1 eingebracht worden. Bei den Dotierungszonen 22 und 23 handelt es sich um übliche Dotierungszonen, wie sie bei der Herstellung von herkömmlichen Halbleiterelementen eingebracht werden. Dabei werden Prozesse genutzt, die auch zur Herstellung der piezoresistiven Elemente 12 und der stark dotierten Zuleitungen 13 genutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung des Hohlraums 3 lässt sich problemlos mit den üblichen Verfahren zur Herstellung von Halbleiterstrukturen verwenden, so dass sowohl die Hohlräume 3 wie auch herkömmliche Schaltungselemente 20 in ein- und derselben Prozeßfolge geschaffen werden können.

In den Fig. 10, 11 und 12 wird ein weiteres Herstellungsverfahren für einen Drucksensor gezeigt. In Ergänzung zu den Verfahrensschritten wie sie in den Fig. 1 bis 8 beschrieben wurden, wird jedoch zusätzlich noch vor und nach der Erzeugung des Hohlraumes 3 Dotierstoff in das Silizumsustrat 1 eingebracht. Ausgegangen wird dabei von einem homogen dotierten Siliziumsubstrat, beispielsweise einem p-dotierten Siliziumsubstrat, in dem dann eine Dotierung 30 vom entgegengesetzten Typ, beispielsweise eine n-Dotierung eingebracht wird. Es werden dann die Öffnungen 2 wie in den Fig. 5 bis 7 eingebracht, wobei sich der Bereich, in dem Öffnungen 2 angeordnet sind, sowohl in dem p-dotierten Substrat 1 wie auch in der eingebrachten n- Dotierung 30 erstreckt. Die Tiefe der Öffnungen 2 ist geringer als die Tiefe der Dotierung 30, so dass sich unter den Öffnungen 2 noch die Dotierung 30 befindet. Dieser Zustand wird in der Fig. 10a gezeigt. Durch die Temperaturbehandlung wird dann ein Hohlraum 3 geschaffen, der sich im Inneren des Substrats 1 erstreckt und der die eingebrachte n-Dotierung 30 waagerecht durchschneidet, so dass das Silizium oberhalb und unterhalb des Hohlraums 3 eine n-Dotierung aufweist. Der Hohlraum 3 durchschneidet sozusagen den Dotierungsbereich in waagrechter Richtung. Es wird somit eine obere Dotierung 31 und eine untere Dotierung 32 geschaffen. Durch Einbringung einer Umdotierungszone 33 in die n-dotierten Zonen, d. h. durch Einbringen einer großen Anzahl von p-Dotierungsstoffen, können dann die obere n- Dotierung 31 und die untere n-Dotierung 32 elektrisch gegeneinander isoliert werden. In der Fig. 10b wird ein Querschnitt durch das so geschaffene Siliziumsubstrat 1 gezeigt, bei dem eine obere n-Dotierung 31 durch den Hohlraum 3 und die Umdotierungszone 33 gegen die untere n- Dotierung 32 elektrisch isoliert ist. In der Fig. 11 wird eine Aufsicht auf die Fig. 10b gezeigt. Wie zu erkennen ist, ist die Umdotierung 33 so angeordnet, dass sie elektrisch zwischen der n-Dotierung 32 und der n-Dotierung 31 angeordnet ist. Alternativ kann die Umdotierung 33 auch so angeordnet werden, dass sie die obere n-Dotierung 31 vollständig umfasst. Weiterhin wird in den Fig. 10 und 11 noch eine Dotierungszone 21 für eine vergrabene Dotierungszone gezeigt, wie sie für die Herstellung von Bipolarschaltkreisen üblich ist.

Ausgehend von den Fig. 10 und 11 erfolgt dann das Aufbringen einer n-dotierten Epitaxieschicht 11, um zu einem Sensorelement zu gelangen. Dabei werden in die Epitaxieschicht 11 tiefe Kontaktierungen 35 und 36 eingebracht, die ebenfalls n-dotiert sind. Die Tiefenkontaktierung 35 ist dabei so angeordnet, dass die obere n-Dotierung 31 elektrisch kontaktiert wird, die Tiefenkontaktierung 36 so, dass die untere n-Dotierung 32 elektrisch kontaktiert wird. Zur gegenseitigen elektrischen Isolierung werden um die Tiefenkontaktierung 36 und um die obere n-Dotierung 31 p-dotierte Isolationsringe 37 erzeugt. Auf der Oberseite wird dann wieder eine Passivierungsschicht 15 aufgebracht, in die Kontaktöffnungen 14 eingebracht sind. Die Kontaktöffnungen 14 sind so angebracht, dass durch nicht dargestellte oberflächliche Metallfilme eine Kontaktierung der Tiefenkontaktierungen 35 erfolgt, so dass eine oberflächliche elektrische Verbindung zu ebenfalls in dem Halbleitersubstrat 1 und der Epitaxieschicht 11 ausgebildeten Schaltungselementen 20 hergestellt werden kann. Die Halbleiterschaltungselemente 20 sind wiederum durch die vergrabene Dotierungszone 21 und weitere Dotierungszonen 22 und 23 nur schematisch dargestellt.

Die Vorrichtung wie sie in der Fig. 12 gezeigt wird stellt einen kapazitiven Drucksensor dar. Bei einem Druckunterschied zwischen dem Hohlraum 3 und einer Umgebung kommt es zu einer Verformung der Epitaxieschicht 11 und des über dem Hohlraum 3 angeordneten Bereichs des Halbleitersubstrats 1. Dadurch ändert sich der Abstand zwischen der oberen Dotierungszone 31 und der unteren Dotierungszone 32. Da diese beiden Zonen elektrisch voneinander isoliert sind, bilden sie einen Plattenkondensator, dessen Kapazität von dem Abstand der Dotierungszonen 31 und 32 abhängt. Durch die Tiefenkontaktierungen 35 und 36 lässt sich diese Kapazität durch eine entsprechende Auswerteschaltung nachweisen. Es kann so durch Messung der Kapazität geschlossen werden, wie stark die Verformung der Epitaxieschicht 11 bzw. des Halbleitersubstrats 1 ist und es kann so festgestellt werden, wie das Verhältnis des Umgebungsdrucks relativ zum Druck im Hohlraum 3 ist. Das kapazitive Meßprinzip ist besonders vorteilhaft, da es besonders temperaturunabhängig ist. Weiterhin lassen sich die Kapazitäten durch unmittelbar in der Nähe angeordnete Schaltkreise besonders gut auswerten.

In der Fig. 13 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor gezeigt. Ausgehend von einem Substrat 1 wie es in den Fig. 6 und 8 dargestellt ist, wird eine Epitaxieschicht 11 aufgebracht. Dabei wird ein Bereich oberhalb der Membran 3 mit einer starken Dotierung 50 versehen, so dass die Epitaxieschicht 11 in diesem Bereich stark leitend ist. Weiterhin werden starke oberflächliche Dotierungen 52 eingebracht, die als elektrische Zuleitungen zu Kontaktlöchern 14 in einer Passivierungsschicht 15 dienen. Danach erfolgt ein Einbringen von Gräben 51 durch einen Ätzprozeß, der sich von der Oberseite der Epitaxieschicht 11 bis in den Hohlraum 3 erstreckt. Es werden so Balkenstrukturen 55 geschaffen, die geometrisch so ausgelegt werden können, dass sie beispielsweise durch eine Beschleunigung parallel zur Oberfläche des Substrats 1 bewegt werden können. Weiterhin können in nicht dargestellten Randbereichen auch Maßnahmen zur Isolierung dieser Balkenstrukturen 55 untereinander und relativ zur Epitaxieschicht 11 ausgebildet werden. Es ist so möglich, zwischen den Balkenstrukturen bzw. zwischen den Balkenstrukturen 55 und dem Rest der Epitaxieschicht 11 Kapazitäten zu messen, die davon abhängen, wie sehr die Balkenstrukturen 55 verformt sind. Diese kapazitiven Signale können dann über die oberflächlich dotierten Leitschichten 52 und Kontaktöffnungen 14 mittels nicht dargestellter metallisierter Leiterbahnen wiederum elektronischen Schaltungen 20 zugeführt werden, die ebenfalls in der Epitaxieschicht 11 ausgebildet sind. Es wird so ein kapazitiver Kraftsensor, beispielsweise ein Beschleunigungssensor, geschaffen.

In der Fig. 14 wird ein weiteres Beispiel für einen Sensor gezeigt, der von einem Substrat nach den Fig. 6 und 8 ausgeht. Aus einer oberen Siliziumschicht, die entweder nur aus der Membranschicht 4 gebildet ist, wie sie in der Fig. 6 gezeigt wird, oder aber aus einer entsprechenden Epitaxieschicht 11 besteht, ist ein bewegliches Element herausstrukturiert worden, in dem Gräben 51 eingebracht sind, die bis zum Hohlraum 3 reichen. Die Grenzen des Hohlraums 3 werden durch die gestrichelte Linie 62 in der Aufsicht auf das Siliziumsubstrat 1 in der Fig. 14 dargestellt. Durch die Gräben 51 ist aus der oberen Siliziumschicht eine seismische Masse 71 herausgebildet worden, die an vier Balkenelementen 72 aufgehängt ist. Auf jedem der Balkenelemente 72 sind piezoresistive Elemente 73 angeordnet. Durch diese piezoresistiven Elemente 73 lässt sich eine Einwirkung einer Kraft, insbesondere einer Beschleunigungskraft, die auf die seismische Masse 71 wirkt, nachweisen. Beim Einwirken einer Kraft auf die Masse 71 werden nämlich die Aufhängarme 72 verformt und es lassen sich entsprechende Widerstandsänderungen in den piezoresistiven Elementen 73 nachweisen. Es können hier sowohl Kräfte nachgewiesen werden, die senkrecht auf dem Substrat 1 stehen wie auch Kräfte, die parallel zur Oberfläche des Substrats sind.

Vorteilhaft an den Sensoren wie sie in den Fig. 9 bis 14 gezeigt werden ist, dass die Sensorstrukturen alle aus einkristallinem Silizium bestehen. Es lassen sich somit piezoresistive Widerstandselemente mit hoher Präzision und Langzeitbeständigkeit einbringen. Weiterhin sind bewegliche Elemente aus einkristallinem Silizium besonders hochwertig und zeigen nur geringe Alterungserscheinungen. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren vollständig mit üblichen Halbleiterherstellungsprozessen integrierbar, so dass auf dem gleichen Substrat sowohl Bipolarschaltkreise wie auch CMOS-Schaltkreise integriert werden können. Es lassen sich so auf einem Substrat Sensorelemente und Halbleiterschaltungselemente gemeinsam integrieren. Weiterhin werden nur übliche Halbleiterherstellungsprozesse verwendet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren, bei dem in einem Halbleitersubstrat (1) Öffnungen (2) eingebracht werden und nachfolgend eine Temperaturbehandlung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Abmessungen der Öffnungen (2) und die Temperatur- und Zeitdauer der Temperaturbehandlung so gewählt werden, dass sich in der Tiefe des Substrats (1) ein Hohlraum (3) ausbildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Öffnungen (2) ausgehend von einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) mit einer Tiefe in das Halbleitersubstrat (1) hinein erstrecken und dass die Seitenwände der Öffnungen (2) einen Abstand aufweisen, der geringer ist als die Tiefe der Öffnungen (2).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (2) an der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) in einer Richtung geringer sind als ein µm und eine Tiefe von mehr als 2 µm aufweisen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung mit Temperaturen von höher als 900°C vorzugsweise von mehr als 1000°C erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Bearbeitungsschritte zur Ausbildung der Sensoren erfolgen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Prozeßschritt eine Epitaxieschicht (11) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) abgeschieden wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach dem Abscheiden der Epitaxieschicht (11) Dotierstoffe zur Dotierung von Halbleitermaterial eingebracht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Dotierstoffe piezoresistive Elemente (12, 73) in einkristallinem Halbleitermaterial gebildet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der Öffnungen (2) Dotierstoffe in das Halbleitersubstrat (1) eingebracht werden.

10. Sensorelement, welches nach einem der Verfahren 1 bis 9 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Hohlraum (3) eine obere Dotierungsschicht (31) und unter dem Hohlraum (3) eine untere Dotierungsschicht (32) vorgesehen sind, die gegeneinander durch einen pn-Übergang isoliert sind.

11. Sensor, der nach einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Hohlraum (3) Grabenstrukturen (51) in den Halbleiter eingebracht sind, die sich von einer Oberfläche bis zum Hohlraum (3) erstrecken.

12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Gräben (51) Balkenstrukturen (55) geschaffen werden, die parallel zur Oberfläche des Substrats (1) beweglich sind.

13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Balkenstrukturen (55) Seitenwände aufweisen, die durch Einbringen von Dotierstoffen leitend ausgelegt sind.