DE19716571A1

DE19716571A1 - Sensor und Verfahren zur Herstellung eines Sensors

Info

Publication number: DE19716571A1
Application number: DE1997116571
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Treutler; Herbert Dr Goebel; Steffen Schmidt; Klaus Dr Heyers; Joerg Buth; Hans-Friedemann Dr Kober; Werner Steiner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-04-19
Filing date: 1997-04-19
Publication date: 1998-10-22

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der EP 0 375 399 ist bereits ein Sensor mit einer Mikrobrücke bekannt, auf der ein Heizelement aus Platin angeordnet ist. Derartige Sensoren werden bevorzugt als Massenflußsensoren eingesetzt. Um eine ausreichend gute Haftung der Platinschicht, aus der das Heizelement herausstrukturiert ist, auf der dielektrischen Trägerschicht zu gewährleisten, werden Metalloxyde als haftvermittelnde Schicht zwischen Pt und Si₃N₄ eingesetzt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor beziehungsweise das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für einen Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß eine verbesserte Haftung der Platinschicht auf der dielektrischen Trägerschicht erreicht wird, die auch bei Langzeitbelastungen mit gegenüber Raumtemperatur deutlich erhöhter Temperatur (<250°) und höher Luftfeuchtigkeit beständig bleibt. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Sensor mit besonders einfachen Methoden hergestellt werden. Weiterhin hat sich gezeigt, daß die verwendete Haftschicht aus Molybdänsilizid (MoSi2), Wolframsilizid (WSi2) Tantalsilizid (TaSi2), Titansilizid (TiSi2), Kobaltsilizid (CoSi2) keinen Einfluß auf die Eigenschaften der Platinschicht, insbesondere auf den Widerstand als Funktion der Temperatur, hat. Im Vergleich zum komplizierten Aufbringen von Metalloxyden läßt sich die Haftschicht aus Metallsilizid besonders einfach herstellen.

Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gegeben. Als Materialien für die Trägerschicht, die als geschlossene Membran über einer Si-Kaverne ausgeführt werden kann, haben sich eine Vielzahl von Materialien, die Silizium enthalten, (SiO₂, Si₃N₄, SiO_xN_y usw. nach verschiedenen Beschichtungsverfahren) bewährt. Als Haftschicht zwischen Trägerschicht (Membran) und Platin hatte sich eine dünne Metallsilizidschicht bewährt, die nur geringe thermisch bedingte Verspannungen zusätzlich einbringt. Typische Abmessungen der Platinschicht liegen zwischen 140 und 160 nm. Die Metallsilizidschicht ist in der Regel zwischen 3 und 6 nm dick. Zum Schutz des Heizelements kann eine dielektrische Abdeckschicht vorgesehen werden, wobei zwischen dem Heizelement und der Abdeckschicht eine Haftschicht aus einem der genannten Metallsilizid vorgesehen ist.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 eine Draufsicht und die Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement und Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt durch eine Membran nach der Erfindung.

Beschreibung

In der Fig. 1 wird ein Sensor 1 zeigt, bei dem eine Membran 2 in einem Rahmen 3 aus einkristallinem Silizium aufgespannt ist. Auf der Membran 2 ist ein Heizer 4 angeordnet. Zu beiden Seiten des Heizers 4 sind Temperaturfühler 5 angeordnet. Der Heizer 4 und die Temperaturfühler 5 sind über Zuleitungen 6, die auf dem Rahmen 4 angeordnet sind, elektrisch angeschlossen. Die Zuleitungen 6 münden in Anschlußbereichen 7 auf denen Verbindungsdrähte zur Kontaktierung des Heizers 4 und der Temperaturfühler 5 angebracht werden können. In der Fig. 2 wird ein Querschnitt durch den Sensor 1 im Bereich der Membran 2 gezeigt. Wie zu erkennen ist wird der Rahmen 3 und die Abmessungen der Membran 2 durch eine Ausnehmung 8 bestimmt, die sich ausgehend von der Rückseite des Sensors 1 bis zur Membran 2 erstreckt. In der Fig. 2 sind die geometrischen Abmessungen des Heizers und der Temperaturfühler 5 übertrieben dargestellt. Auf der Oberseite ist weiterhin noch eine Abdeckschicht 9 vorgesehen, die die Oberseite der Membran 2 und auch das Heizelement 4 und die Temperaturfühler 5 bedeckt.

Bei dem in den Fig. 2 dargestellten Sensor handelt es sich um einen Massenflußsensor dessen Wirkprinzip aus der EP 0 375 399 bekannt ist. Bei dem Heizelement 4 unter den Temperaturfühlern 5 handelt es sich um Widerstandselemente die aus einer dünnen Platinschicht herausstrukturiert sind. Durch das Heizelement 4 wird ein Strom geleitet, der eine Erwärmung der Membran in der Umgebung des Heizelements 4 bewirkt. An den Temperaturfühlern 5 kann durch Messung des elektrischen Widerstandes die Temperatur der Membran bestimmt werden. Wenn auf der Oberseite eines derartigen Sensors eine Strömung, insbesondere eine Luftströmung entlangstreicht, so wird durch den damit verbundenen Massenfluß Wärme von der Membran 2 abgeführt. In Abhängigkeit von der Stärke der Strömung wird dabei die Temperatur der Membran verringert, wobei in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung die zu beiden Seiten des Heizelements 4 angeordneten Temperaturfühler 5 unterschiedliche Temperaturwerte anzeigen. Alternativ ist es auch möglich nur ein Heizelement 4 auf der Membran anzuordnen und durch Messung des Widerstands dieses beheizten Elements den Massenstrom nachzuweisen.

Die Herstellung des Sensors 1 erfolgt ausgehend von einem Siliziumplättchen auf dessen Oberseite eine Membranschicht aufgebracht ist. Auf dieser Membranschicht werden Heizer 4 und Temperaturelemente 5 erzeugt, indem zunächst ganzflächig eine Platinschicht aufgebracht wird, die in einem weiteren Prozeßschritt strukturiert wird. Aus der Platinschicht können gleichzeitig auch Zuleitungen 6 und Anschlußbereiche 7 heraus strukturiert werden, die sich von den Heizelementen 4 und den Temperaturfühlern 5 durch ihre Breite unterscheiden. Aufgrund der größeren Breite der Leiterbahnen 6 ist der Widerstand dieser Leiterbahnen deutlich geringer als der Widerstand der Heizer 4 und Temperaturfühler 5. Nach Bedarf wird dann noch eine Abdeckschicht 9 aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird von der Rückseite des Siliziumplättchens eine Ausnehmung 8 eingebracht, die bis zur Membran 2 reicht. Es lassen sich eine Vielzahl derartiger Sensoren auf einem Siliziumwafer herstellen, der dann in eine Vielzahl von einzelnen Sensoren 1 zerteilt wird.

In der Fig. 3 ist ein vergrößerter Querschnitt durch eine Membran im Bereich des Heizelements 4 gezeigt. Die Membran 2 wird von einer dielektrischen Membranschicht 21 gebildet. Diese dielektrische Membranschicht 21 kann beispielsweise aus Siliziumdioxyd, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder Siliziumcarbit (SiC) oder aus sandwichartigen Folgen von mindestens zwei diesen Schichten bestehen. Diese Materialien sind besonders gut für Membranen geeignet, die auf einem Rahmen aus einkristallinem Silizium aufgespannt werden. Es sind jedoch auch andere Materialien, beispielsweise Keramikmaterialien oder Glas, geeignet. Bevorzugt wird jedoch eine Schichtfolge mit Siliziumoxyd als letzter Schicht, die sich mit besonders einfachen Mitteln und besonders guter Qualität auf der Oberfläche von Siliziumplatten erzeugen läßt. Auf der Membranschicht 21 ist eine haftvermittelnde Schicht 22 aus Molybdänsilizid (MoSi2) Wolframsilizid (WSi2), Tantalsilizid (TaSi2), Titansilizid (TiSi2), Kobaltsilizid (CoSi2) vorgesehen. Auf der Schicht 22 aus Molybdänsilizid (MoSi2) oder Wolframsilizid (Wsi2) oder Tantalsilizid (TaSi2) oder Titansilizid (TiSi2) oder Kobaltsilizid (CoSi2) ist dann die Platinschicht 23 angeordnet. Sofern dies gewünscht wird, können das Heizelement 4 und eventuell vorgesehene Temperaturfühler 5 noch mit einer Abdeckschicht versehen sein. Die Abdeckschicht wird hier von einer dielektrischen Schicht 25 gebildet, für die gegebenenfalls eine haftvermittelnde Schicht 24 aus Molybdänsilizid (MoSi2) oder Wolframsilizid (Wsi2) oder Tantalsilizid (TaSi2) oder Titansilizid (TiSi2) oder Kobaltsilizid (CoSi2) vorgesehen ist.

Die Siliziumoxydschicht 21 kann beispielsweise durch thermische Oxidation der Oberfläche einer Siliziumplatte hergestellt werden. Derartige thermische Oxydschichten sind von besonders hoher Güte. Die Metallsilizidschichten werden unmittelbar durch Aufdampfen, Aufsputtern oder chemische Abscheidung aufgebracht. Besonders einfach ist die Herstellung wenn ausgehend von einem Metallsilizidtarget aufgesputtert wird. Die Materialien Molybdänsilizid (MoSi2) Wolframsilizid (Wsi2), Tantalsilizid (TaSi2), Titansilizid (TiSi2) und Kobaltsilizid (CoSi2) haben den Vorteil einer sehr hohen Temperaturbeständigkeit so daß der Sensor mit hohen Temperaturen bis zu 1300°C getempert werden kann. Dabei ist keine Diffusion von Silizium in der Platinschicht zu befürchten, die die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands in der Platinschicht beeinträchtigen könnte. In der Fig. 3 wird eine weitere Haftschicht 24 aus Metallsilizid und darauf angeordnet eine Siliziumoxydschicht 25 gezeigt, die als Abdeckschicht wirkt. Die Metallsilizidschicht 24 wird unmittelbar durch Aufsputtern (Sputtern vom Metallsilizid-Target, Kosputtern von Si und Metall oder reaktives Sputtern von Metall in Silangas) oder Elektronenstrahlverdampfen von Metallsilizid aufzubringen.

Die bevorzugte Herstellung des Schichtaufbaus nach der Fig. 3 geht davon aus, die Oberfläche eines Siliziumwafers thermisch zu oxydieren bis eine Schichtdicke von circa 500 nm thermisches Oxyd aufgewachsen ist. In einer Sputteranlage werden dann 5 nm Metallsilizid, darauf 150 nm Platin und darauf wiederum 5 nm Metallsilizid aufgesputtert. Anschließend wird ein Photolack aufgebracht, durch einen Litographieprozeß strukturiert und anschließlich wird die so erzeugte Struktur durch einen Plasmaätzprozeß in das Schichtpaket bestehend aus oberer Metallsilizidschicht, Platinschicht und unterer Metallsilizidschicht übertragen. Dieses kann beispielsweise durch einen Plasmaätzprozeß mittels Ionenstrahlätzen erfolgen. In einem weiteren Prozeßschritt wird dann eine circa 400 nm dicke Siliziumoxydschicht durch Chemical Vapor Deposition erzeugt, wie es aus der Halbleitertechnik bekannt ist. Danach erfolgt ein Temperprozeß bei dem die Schicht folge auf Temperaturen von größer als 500°C, vorzugsweise von größer als 650°C erhitzt wird. Bei diesem Temperprozeß werden die Eigenschaften der Platinschicht vorteilhaft beeinflußt. Bei dem verwendeten Meßprinzip des Sensors ist es wünschenswert, das die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes der Platinschicht möglichst genau und reproduzierbar eingestellt wird. Dies wird durch den Temperprozeß erreicht. Weiterhin ist so sichergestellt, daß der so erzeugte Temperaturkoeffizient des Widerstandes und der Widerstand selbst für einen langen Zeitraum stabilisiert wird, d. h. eine Veränderung dieses Temperaturkoeffizienten oder des Widerstandes über der Zeit (mehrere tausend Betriebsstunden) wird verringert. Dabei hat es sich experimentell gezeigt, daß Metallsilizid nur einen geringen Einfluß auf die Langzeitstabilität der Eigenschaften der Platinschichten hat.

Weiterhin ist es möglich, die untere Schicht 21 nicht nur aus einem Material auszuführen, sondern eine Schichtfolge verschiedener dielektrische Materialien, beispielsweise eine Schicht Siliziumoxyd und eine Schicht Siliziumnitrid, zu verwenden.

Claims

1. Sensor mit einer dielektrischen Trägerschicht (2) auf der ein Widerstandselement (4) aus Platin angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Widerstandselement (4) und der Membran (2) eine Haftschicht (22) aus Molybdänsilizid (MoSi2) oder Wolframsilizid (Wsi2) oder Tantalsilizid (TaSi2) oder Titansilizid (TiSi2) oder Kobaltsilizid (CoSi2) angeordnet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die dielektrische Trägerschicht Siliziumoxyd, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder Siliziumcarbit oder eine Schichtfolge dieser Materialien vorgesehen ist.

3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pt-Widerstandselement (4) eine Dicke zwischen 100 bis 200 nm, vorzugsweise 140 bis 160 nm und die Metallsilizidschicht eine Dicke von 2 bis 8 nm vorzugsweise 3 bis 6 nm aufweist.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abdeckschicht vorgesehen ist, die die Oberseite der Trägerschicht (2) und das Widerstandselement (4) bedeckt, und daß zwischen dem Widerstandselement (4) und der Abdeckschicht (9, 25) eine Haftschicht (24) aus Molybdänsilizid (MoSi2) oder Wolframsilizid (Wsi2) oder Tantalsilizid (TaSi2) oder Titansilizid (TiSi2) oder Kobaltsilizid (CoSi2) angeordnet ist.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Trägerschicht (2) mindestens ein Temperaturfühler (5) aus Platin angeordnet ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Sensors, bei dem eine Platinschicht (23) auf einer dielektrischen Trägerschicht (21) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Platinschicht (23) und der Trägerschicht (21) eine Molybdänsilizid (MoSi2) oder Wolframsilizid (Wsi2) oder Tantalsilizid (TaSi2) oder Titansilizid (TiSi2) oder Kobaltsilizid (CoSi2), aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinschicht (23) strukturiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (21) durch thermische Oxidation einer Siliziumplatte gebildet wird.