DE10047500A1

DE10047500A1 - Mikromechanische Membran

Info

Publication number: DE10047500A1
Application number: DE10047500A
Authority: DE
Inventors: Hubert Benzel; Frank Schaefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: US6649989B2; DE10047500B4; JP5264032B2; US20030062579A1; JP2002176183A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine mikromechanische Membran 9 mit einem auf seiner Oberfläche 5 teilweise N-dotierten P-Substrat 3 und einer oberen N-Epitaxieschicht 1, wobei auf dem P-Substrat 3 eine oder mehrere N-Epitaxieschichten 7, 7' angeordnet sind, die im Membranbereich 1' P-dotiert sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mikromechanische Mem bran mit einem auf seiner Oberfläche teilweise N-dotierten P-Substrat, wobei eine oberste Schicht eine N- Epitaxieschicht ist.

Bei mikromechanischen Drucksensoren wird eine Membran durch anisotropes Ätzen mit einem PN-Ätzstopp definiert. Die Ätz front stoppt an der Grenzfläche zwischen dem P-dotierten Substrat und einer N-dotierten Schicht. Die Einspannung der Membran wird dabei durch den Rand der geätzten Kaverne de finiert. Die druckabhängige Durchbiegung der Membran wird über die Widerstandsänderung piezoresistiver Widerstände auf der Oberfläche der Membran gemessen. Entscheidend für die Empfindlichkeit der Widerstände ist die Lage der Wider stände relativ zur Einspannung der Membran.

Es ist bereits eine mikromechanische Membran aus der DE 43 09 207 A1 bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Halbleitervorrichtung mit einem piezoresistiven Drucksen sor, der eine Membran aufweist, die durch eine leitende Epitaxialschicht (Epitaxieschicht) gebildet und auf einem Halbleitersubstrat entgegengesetzter Leitfähigkeit aufge bracht ist. An der vom Halbleiter abgewandten Membranaußen fläche ist wenigstens ein Piezowiderstand eingebracht, und die Membraninnenfläche ist durch eine das Halbleitersub strat durchdringende Öffnung freigeätzt. Zwischen dem Halb leitersubstrat und der Epitaxialschicht ist eine ringförmig strukturierte, leitende Zwischenschicht eingebracht, die den an die Membraninnenfläche angrenzenden Bereich der Öff nung festlegt. Die Zwischenschicht besitzt hierbei eine Leitfähigkeit, die der des Halbleitersubstrats entgegenge setzt ist. Diese Membran mit unterschiedlichen Dotierungen gewährleistet nur begrenzte Dickenunterschiede in der Mem bran, die durch die Eindringtiefe der Dotierung bestimmt sind. Zudem weist die hier aufgezeigte Membran nur eine Epitaxieschicht auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikromecha nische Membran derart auszubilden und anzuordnen, daß prä zise geformte Einspannungen bzw. Membranbereiche mit stark unterschiedlicher Steifigkeit gewährleistet sind.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß auf dem P-Substrat eine oder mehrere N-Epitaxieschichten ange ordnet sind, die im Membranbereich P-dotiert sind. Hier durch wird erreicht, daß während der abschließenden Ätzung der Membran bzw. des P-dotierten Bereiches die Einspann- bzw. Aufliegestellen der Membran definiert sind und nicht durch die Unterätzung an den Seitenflächen. Der Randbereich der Ätzung innerhalb des P-dotierten Substrats liegt unter halb der zusätzlich angeordneten N-Epitaxieschichten und beeinflußt das Verhalten bzw. die Einspannung der Membran nicht. Eine genaue Definition der Einspannung der Membran ist beispielsweise sehr wichtig für Drucksensoren, da durch die Lage der piezoresistiven Widerstände relativ zur Ein spannung (Membrankante), die Empfindlichkeit bezüglich Druck beeinflußt wird.

Vorteilhaft ist es hierzu, daß das Substrat vor dem Ab scheiden der N-Epitaxieschicht lokal N-dotiert wird und daß die N-Epitaxieschicht während des Abscheidens N-dotiert und anschließend lokal p-dotiert oder während des Abscheidens P-dotiert und anschließend im Randbereich lokal N-dotiert wird oder die Epitaxieschicht undotiert abgeschieden und anschließend der Randbereich lokal mit einer N-Dotierung und der mittlere Bereich der Epitaxieschicht mit einer P- Dotierung versehen wird. Durch diese Art der Dotierung ist eine durchgehende Dotierung möglich, so daß die einzelnen N-Epitaxischichten dicker ausgeführt werden. Die hier vor gestellte variable Anzahl von N-Epitaxieschichten erlaubt aber deutlich größere Dicken der Einspannung der Membran.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, daß an der lokal P-dotierten N-Epitaxieschicht oder dem lo kal N-dotierten P-Substrat eine N-dotierte Membranschicht oder die Membran anliegt. Die so gebildete Membran bzw. Versteifung der Membran ist im Einspannbereich wesentlich dicker und damit deutlich stabiler.

Ferner ist es vorteilhaft, daß der P-dotierte Bereich der verschiedenen N-Epitaxieschichten oder des lokal N- dotierten P-Substrats in den einzelnen N-Epitaxieschichten bzw. in der Dotierungsschicht unterschiedlich groß ausge bildet ist oder ausgehend von der Membranschicht oder einer Membran schichtweise groß- oder kleinflächiger ausgebildet ist als in der vorhergehenden Schicht. Somit kann eine be liebige Versteifungsform unterhalb der Membran gestaltet werden und die Membran entsprechend ihrem Einsatzgebiet an gepaßt werden.

Vorteilhaft ist es hierzu auch, daß der P-dotierte Bereich der verschiedenen N-Epitaxieschichten oder des lokal N- dotierten P-Substrats in verschiedenen Teilbereichen der jeweiligen Schicht, wie die Mitte der mikromechanischen Membran oder unterhalb der Membran, angeordnet ist und die N-dotierten Bereiche sowie die P-dotierten Bereiche jeweils einer N-Epitaxieschicht abwechselnd, nebeneinander und/oder symmetrisch zur Mitte der mikromechanischen Membran ange ordnet sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemä ßen Lösung ist es auch vorgesehen, daß die verschiedenen N- Epitaxieschichten unterschiedlich dick ausgebildet sind.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß die bisher als N-dotiert bezeichneten Bereiche auch P- dotiert ausgebildet und die bisher als P-dotiert bezeichne ten Bereiche N-dotiert ausgebildet werden können. Somit kann die Grunddotierung der verschiedenen Schichten frei gewählt werden und die entsprechende lokal vorgesehene Do tierung angepaßt werden.

Schließlich ist es von Vorteil, daß die Membranschicht als N-Epitaxieschicht ausgebildet ist und das P-Substrat an seiner nach außen gerichteten Seite eine Ätzmaske aufweist, die den unterhalb der Membran freizulegenden Bereich dem Ätzmittel freigibt.

Letztlich ist es von Vorteil, daß ein P-Substrat einseitig lokal im Randbereich N-dotiert wird, auf diese Schicht eine N-Epitaxieschicht abgeschieden bzw. aufgetragen wird, die entsprechend der vorhergehenden Substratschicht mittig P- dotiert ist, und eine zweite N-Epitaxieschicht entsprechend der ersten N-Epitaxieschicht aufgetragen wird, wobei die zweite N-Epitaxieschicht im Membranbereich oder in zusätz lichen Bereichen P-dotiert wird. Danach wird eine rein N- dotierte Membranschicht auf die N-Epitaxieschicht abge schieden bzw. aufgetragen, wobei auf die freie Oberfläche des Substrats eine Ätzmaske aufgetragen wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1-5 Verfahrensschritte zur Herstellung einer mikromechanischen Membran mit einem P- Substrat und im Randbereich lokal P- dotierten N-Epitaxieschichten,

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 mit unterschiedlich versteifter Membran,

Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 mit einer weiteren Versteifungsva riante.

Eine mikromechanische Membran 9 wird durch Aufbringen ver schiedener unterschiedlich dotierter Epitaxieschich ten 1, 7, 7' auf ein Substrat 3 hergestellt.

In Fig. 1 ist mit 3 das P-dotierte Substrat bezeichnet, das die Grundlage für die Herstellung der mikromechanischen Membran bildet. Das Substrat 3 ist auf seiner Oberfläche 5 lokal N-dotiert, d. h. es weist neben seiner generellen P- Dotierung auf seiner Oberfläche 5 einen N-dotierten Be reich 6 auf. Der N-dotierte Bereich 6 erstreckt sich auf den Randbereich der Oberfläche 5 eines Chips, so daß auf der Oberfläche 5 ein mittlerer P-dotierter Bereich 8 beste hen bleibt. Die dotierte Schicht 6 erreicht hierbei eine Dicke bzw. Höhe von 3-10 µm.

In Fig. 2 ist gemäß einem weiteren Verfahrensschritt auf das Substrat 3 bzw. auf seine lokal N-dotierte Oberfläche 5 (vgl. Fig. 1) eine lokal P-dotierte N-Epitaxieschicht 7 aufgebracht. Die N-Epitaxieschicht bleibt hierbei entspre chend dem N-dotierten Bereich 6 des Substrats 3 ebenfalls an ihrem Randbereich 6' N-dotiert. Die N-Epitaxieschicht 7 wird entweder während des Abscheidens N-dotiert und an schließend lokal P-dotiert oder während des Abscheidens P- dotiert und anschließend im Randbereich 6' lokal N-dotiert. Möglich ist auch die Epitaxischicht undotiert abzuscheiden und anschließend den Randbereich 6' lokal mit einer N- Dotierung und dem Bereich 8' mit einer P-Dotierung zu ver sehen. Letztlich entsteht ein N-dotierter Randbereich 6' sowie ein P-dotierter Bereich 8' in der Mitte der N- Epitaxieschicht 7.

In Fig. 3 ist nach einem weiteren Verfahrensschritt auf eine Oberfläche 5' (vgl. Fig. 2) eine zweite N- Epitaxieschicht 7' abgeschieden bzw. aufgelegt, die ent sprechend der ersten N-Epitaxieschicht 7 ebenfalls im mitt leren Bereich lokal P-dotiert ist bzw. einen äußeren N- dotierten Bereich 6" und einen inneren P-dotierten Bereich 8" aufweist. Diese unterschiedlich dotierten Berei che sind entsprechend der später vorgesehenen Membranform ausgebildet.

Gemäß Fig. 4 ist durch den nächsten Verfahrensschritt auf eine Oberfläche 5" (vgl. Fig. 3) der zweiten N- Epitaxieschicht 7' eine N-dotierte Membranschicht 1 aufge bracht bzw. aufgelegt.

Die so gebildete mikromechanische Membran (Fig. 4) weist also das im Wesentlichen rein P-dotierte Substrat 3 und die rein N-dotierte Membranschicht 1 auf, die zwei N- Epitaxieschichten 7, 7' zwischen sich aufnehmen. Die N- Epitaxieschichten 7, 7' sowie die Oberfläche 5 des Sub strats 3 sind hierbei lokal unterschiedlich dotiert, d. h. es wechseln sich in der jeweiligen Schicht 7, 7' N- und P- dotierte Bereiche ab, wobei die P-dotierten Bereiche mittig vorgesehen sind. Es ist je nach Ausführungsform auch mög lich, die P-dotierten Bereiche außermittig vorzusehen.

Auf einer verbleibenden Außenfläche 10 des Substrats 3 ist gemäß Fig. 5 eine Ätzmaske 4 vorgesehen. Die Ätzmaske 4 deckt das Substrat 3 in den Randbereichen ab, so daß ein mittlerer Bereich frei bleibt. Die Ätzung bzw. die Ätzfront startet an dieser freien Oberfläche und wird über einen PN- Ätzstopp gestoppt, d. h. die Grenze der Ätzung wird über die N-dotierten Bereiche definiert. Bei der Ätzung wird al so nur der mittlere P-dotierte Bereich angegriffen bzw. freigeätzt, und der N-dotierte Randbereich 6, 6', 6" bleibt bestehen. Damit ist der zuvor P-dotierte Bereich bzw. das Substrat 3 dort, wo die Ätzmaske dem Ätzmittel ei nen Zugang gibt, entfernt. Ein noch bestehender P-dotierter Teilbereich 12 wird nur auf seiner Flanke 13 im entstandenen trapezförmigen Freiraum 11 durch das Ätzmittel ange griffen, so daß sich diese entsprechend der Ätzzeit zum Randbereich hin fortpflanzt. Der Bereich, der die Ätzgrenze innerhalb des P-dotierten Bereichs bildet, ist gestrichelt angedeutet, da diese Grenze auf Grund der Unterätzung nicht genau definiert werden kann.

Durch den nun im mittleren Bereich entstandenen Freiraum 11 bildet die Membranschicht 1 in diesem Bereich eine freie Membran 1'. Die Membran 1' weist im wesentlichen die Größe der zuvor vorhandenen P-dotierten Bereiche 8, 8', 8" der N-Epitaxieschichten 7, 7' auf, da diese bei der Ätzung ent fernt wurden und somit die Entstehung der Membran 1' mög lich wurde.

In Fig. 6 und 7 sind zwei Varianten im Hinblick auf die Gestaltung der P-dotierten Bereiche 8, 8', 8" bzw. der daraus entstehenden Membran 1' gezeigt.

Die Ausdehnung des Freiraums 11 zum Randbereich hin ist hierbei wesentlich größer ausgebildet als in Fig. 5, d. h. der frei schwingende Bereich der Membranschicht 1, also die Membran 1', ist gemäß Fig. 6 und 7 wesentlich breiter aus gebildet. Im mittleren Bereich der Membran 1', anschließend an die Membranschicht 1, sind N-dotierte Berei che 6, 6', 6" vorgesehen, die als Versteifung 14 der Mem bran 1' dienen. Diese Bereiche waren bei der Herstellung als N-dotierte Bereiche 6, 6', 6" in der jeweiligen N- Epitaxieschicht ausgebildet.

Entsprechend Fig. 7 ist die Versteifung 14 beliebig form bar, so daß innerhalb der Versteifung 14 beliebige Freiräu me 11 entsprechend den zuvor P-dotierten Bereichen gebildet sind.

Der hier dargestellte Freiraum 11 bzw. seine Teilgebie te 11' sind im Querschnitt idealisiert rechteckförmig aus gebildet, wobei der Freiraum 11 bzw. seine Projektionsflä che senkrecht zur Oberfläche 5 von der Ätzmaske 4 ausgehend zur Membran 1' hin kleiner wird bzw. stufenförmig auf die Größe der Membran 1' abnimmt.

Claims

1. Mikromechanische Membran (9) mit einem auf seiner Oberfläche (5) teilweise N-dotierten P- Substrat (3), wobei die oberste Schicht eine N- Epitaxieschicht (1) ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem P-Substrat (3) eine oder mehrere N- Epitaxieschichten (7, 7') angeordnet sind, die im Membranbereich (1') P-dotiert sind.

2. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die N-Epitaxieschicht (7) während des Abschei dens N-dotiert und anschließend lokal P-dotiert oder während des Abscheidens P-dotiert und an schließend im Randbereich (6') lokal N-dotiert wird oder undotiert abgeschieden wird und im Rand bereich (6') lokal N-dotiert und im Membranbereich (8') lokal P-dotiert wird.

3. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der lokal P- dotierten N-Epitaxieschicht (7) die N-dotierte Membranschicht (1) oder die Membran (1') anliegt.

4. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der P-dotierte Be reich (8, 8', 8") der verschiedenen N- Epitaxieschichten (7, 7') oder des lokal N- dotierten P-Substrats (3) in den einzelnen N- Epitaxieschichten (7, 7') unterschiedlich groß ausgebildet ist.

5. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der P-dotierte Be reich (8, 8', 8") der verschiedenen N- Epitaxieschichten (7, 7') oder des lokal N- dotierten P-Substrats (3) ausgehend von der Mem branschicht (1) oder einer Membran (1') schicht weise großflächiger ausgebildet ist als in der vorhergehenden Schicht.

6. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der P-dotierte Be reich (8, 8', 8") der verschiedenen N- Epitaxieschichten (7, 7') oder des lokal N- dotierten P-Substrats (3) ausgehend von der Mem bran (1) oder der Membran (1') schichtweise klein flächiger ausgebildet ist, als in der vorhergehen den Schicht.

7. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der P-dotierte Be reich (8, 8', 8") der verschiedenen N- Epitaxieschichten (7, 7') oder des lokal N- dotierten P-Substrats (3) in verschiedenen Teilbe reichen der jeweiligen Schicht, wie die Mitte der mikromechanischen Membran (9) oder unterhalb der Membran (1) angeordnet ist.

8. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die N-dotierten Berei che (6, 6', 6") und die P-dotierten Bereiche (8, 8', 8") jeweils einer N-Epitaxieschicht (7, 7') abwechselnd, nebeneinander und/oder symmetrisch zur Mitte der mikromechanischen Membran (9) ange ordnet sind.

9. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen N- Epitaxieschichten (7, 7') und die Membranschicht 1 unterschiedlich dick ausgebildet sind.

10. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das P-Substrat (3) an seiner nach außen gerichteten Seite eine Ätzmas ke (4) aufweist.

11. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bisher mit "N- dotiert" bezeichneten Bereiche (6, 6', 6") P- dotiert ausgebildet und die bisher mit "P-dotiert" bezeichneten Bereiche (8, 8', 8") N-dotiert aus gebildet sind.

12. Verfahren zur Herstellung einer Membran nach An spruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfah rensschritte:

a) ein P-Substrat (3) wird einseitig lokal außer halb des Membranbereichs N-dotiert,
b) auf diese Schicht wird eine N- Epitaxieschicht (7) aufgetragen, die entspre chend der vorhergehenden Substratschicht mittig im Membranbereich P-dotiert ist,
c) eine zweite N-Epitaxieschicht (7') wird ent sprechend der ersten N-Epitaxieschicht (7) auf getragen,
d) die zweite N-Epitaxieschicht (7) wird im Mem branbereich oder in zusätzlichen Bereichen P- dotiert,
e) eine rein N-dotierte Membranschicht (1) wird auf die N-Epitaxieschicht (7') aufgetragen,
f) auf die freie Oberfläche des Substrats (3) wird die Ätzmaske (4) aufgetragen.