DE3709286A1

DE3709286A1 - SENSOR

Info

Publication number: DE3709286A1
Application number: DE19873709286
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Moellendorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1988-09-29
Also published as: WO1988007206A1

Abstract

A sensor comprises a receiving part having at least one sensing element (14a, 14b) and an evaluation circuit for evaluating the signal picked up by the receiving part. The elements of the evaluation circuit are integrated in the form of zones of differing types of conductivity in a small monocrystalline semi-conductor plate (10). The circuit elements in the small semi-conductor plate (10) are connected by tracks (11) of a connecting metallization arranged on a first insulating layer (12) on a main surface of the small semi-conductor plate (10) and in contact with the zones of different types of conductivity through the corresponding circuit elements. At least one sensor element (14a, 14b) and the electrical connection tracks leading to it are flat. The receiving part of the sensor forms a thin layer circuit, which contains at least one sensor element (14a, 14b). The electrical connection tracks with at least one sensor element form conducting tracks (15a, 15b, 15c) of the thin-layer circuit. A second insulating layer (13) in the form of a levelling layer is applied to the main surface of the small semi-conductor plate (10) provided with the first insulating layer (12) and the connecting metallization (11). A further layer (18) protects against environmental influences.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des Haupt anspruchs. Es ist bereits ein Sensor dieser Art bekannt, bei dem der das Sensorelement enthaltende Aufnahmeteil des Sensors Bestandteil der Verbindungsmetallisierung der in dem einkristallinen Halbleiter plättchen monolithisch integrierten Auswerteschaltung ist. Dieser Sensor hat jedoch den Nachteil, daß wegen des unvermeidlichen Flächenbedarfs für den das Sensorelement enthaltenden Aufnahmeteil für diesen Aufnahmeteil zusätzliche Chipfläche benötigt wird.The invention is based on a sensor of the type of the main demanding A sensor of this type is already known, in which the the receiving part of the sensor element containing the sensor element the compound metallization of those in the single crystal semiconductor is a monolithically integrated evaluation circuit. This However, sensor has the disadvantage that because of the inevitable Space requirements for the receiving part containing the sensor element additional chip area is required for this receiving part.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß für den das Sensor element enthaltenden Aufnahmeteil keine zusätzliche Chipfläche be nötigt wird, da der Aufnahmeteil oberhalb der monolithisch inte grierten Auswerteschaltung angeordnet wird. Auf die zweite iso lierende Schicht kann deshalb bei Bedarf ein Aufnahmeteil mit einer großen Zahl von einzelnen Sensorelementen aufgebracht werden. Wei tere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.The sensor according to the invention with the characteristic features of The main claim has the advantage that the sensor element containing receiving part no additional chip area be is necessary because the receiving part above the monolithic inte grated evaluation circuit is arranged. On the second iso layer can therefore, if necessary, a receiving part with a large number of individual sensor elements can be applied. Wei Further advantages result from the subclaims in connection with the following description of one shown in the drawing Embodiment.

drawing

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor, Fig. 1 shows a partial section through a sensor,

Fig. 2a bis 2d den in Herstellung begriffenen Sensor nach Fig. 1 bei den verschiedenen erfindungsgemäß auszuführenden Verfahrens schritten. Figures 2a to 2d the conceived in Preparation sensor of FIG. 1 steps. In the different method according to the invention to be executed.

Description of the embodiment

In dem Teilschnitt der Fig. 1 ist mit 10 ein einkristallines Halb leiterplättchen bezeichnet, das beispielsweise aus Silizium besteht. In ihm sind die Schaltungselemente der Auswerteschaltung für das vom Sensor aufgenommene Meßsignal in Gestalt von Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps monolithisch integriert. Der linke Teil des Teil schnitts enthält einen vertikalen npn-Transistor, der rechte Teil einen ohmschen Widerstand, der aus einer Zone mit p-Leitfähigkeit besteht. Zur Zusammenschaltung der in dem Halbleiterplättchen 10 untergebrachten Schaltungselemente dienen aus Aluminium bestehende Leiterbahnen 11 einer Verbindungsmetallisierung, die an der in Fig. 1 gezeigten Oberseite des Halbleiterplättchens 10 auf eine dort an gebrachte erste isolierende Schicht 12 aufgebracht sind. Die Schicht 12 besteht aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Die Leiterbahnen 11 sind zu den Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps der ver schiedenen Schaltungselemente der Auswerteschaltung durchkon taktiert, um die Schaltungselemente der Auswerteschaltung elektrisch leitend miteinander zu verbinden.In the partial section of FIG. 1, 10 denotes a single-crystalline semiconductor plate, which consists, for example, of silicon. The circuit elements of the evaluation circuit for the measurement signal picked up by the sensor in the form of zones of different conductivity types are monolithically integrated in it. The left part of the section contains a vertical npn transistor, the right part an ohmic resistor, which consists of a zone with p-conductivity. For interconnection of the circuit elements accommodated in the semiconductor wafer 10 , interconnects 11 made of aluminum serve for connection metallization, which are applied to the top of the semiconductor wafer 10 shown in FIG. 1 on a first insulating layer 12 attached there. The layer 12 consists of silicon dioxide or silicon nitride. The conductor tracks 11 are through-clocked to the zones of different conductivity types of the different circuit elements of the evaluation circuit in order to connect the circuit elements of the evaluation circuit to one another in an electrically conductive manner.

Auf die mit der ersten isolierenden Schicht 12 und den Leiterbahnen 11 der Verbindungsmetallisierung versehene Oberseite des Halbleiter plättchens 10 ist eine 1 bis 10 µm dicke zweite isolierende Schicht 13 aufgebracht, die aus Polyimid-Lack oder aus Photolack be stehen kann. Die isolierende Schicht 13 kann aus mehreren über ein anderliegenden Schichten aufgebaut sein. Die zweite isolierende Schicht 13 dient als Einebnungsschicht und als Träger für die Dünn schichtschaltung, die den Aufnahmeteil des Sensors enthält. In Fig. 1 sind von dem Aufnahmeteil zwei flächenhafte Sensorelemente 14 a, 14 b und Leiterbahnen 15 a, 15 b, 15 c gezeigt. Der Aufnahmeteil kann dabei eine Halbbrückenschaltung oder eine Wheatstone'sche Brücken, schaltung bilden.On the top of the semiconductor plate 10 provided with the first insulating layer 12 and the conductor tracks 11 of the connection metallization, a 1 to 10 μm thick second insulating layer 13 is applied, which can be made of polyimide lacquer or photoresist. The insulating layer 13 can be constructed from several layers lying on top of one another. The second insulating layer 13 serves as a leveling layer and as a carrier for the thin layer circuit, which contains the receiving part of the sensor. In Fig. 1, two flat sensor elements 14 a , 14 b and conductor tracks 15 a , 15 b , 15 c are shown from the receiving part. The receiving part can form a half-bridge circuit or a Wheatstone bridge circuit.

Die Sensorelemente 14 a, 14 b sind als magnetisch empfindliche Ele mente ausgebildet und können aus einer Nickel-Eisen-Legierung oder aus einer Nickel-Kobalt-Legierung oder aus einer amorphen ferro magnetischen Legierung bestehen. Die Leiterbahnen 15 a, 15 b, 15 c be stehen aus Aluminium oder Al-Si-Legierungen, die auch Beimengungen von Ti, Cr, Mo oder W enthalten können. Sie können auch aus einer Mehr fachschicht, bestehend aus Haftschicht, Zwischenschicht (Diffusions sperrschicht) und Deckschicht, aufgebaut werden (z. B. Pd-Si, Ti, Au). Es bietet sich an, die Leiterbahnen 11 und 15 a, 15 b, 15 c aus den gleichen Materialien herzustellen.The sensor elements 14 a , 14 b are designed as magnetically sensitive elements and can consist of a nickel-iron alloy or of a nickel-cobalt alloy or of an amorphous ferro-magnetic alloy. The conductor tracks 15 a , 15 b , 15 c be made of aluminum or Al-Si alloys, which can also contain admixtures of Ti, Cr, Mo or W. They can also be built up from a multi-layer consisting of an adhesive layer, intermediate layer (diffusion barrier layer) and top layer (e.g. Pd-Si, Ti, Au). It is advisable to produce the conductor tracks 11 and 15 a , 15 b , 15 c from the same materials.

Im rechten Teil der Fig. 1 ist in der zweiten isolierenden Schicht 13 eine Aussparung A gezeigt, innerhalb der die Leiterbahn 15 c der Dünnschichtschaltung auf die Leiterbahn 11 a der Verbindungs metallisierung der monolithisch integrierten Auswerteschaltung ge führt ist und so ein elektrisch leitender Kontakt zwischen den bei den Leiterbahnen 15 c und 11 a hergestellt wird. In the right part of FIG. 1, a recess A is shown in the second insulating layer 13 , within which the conductor track 15 c of the thin-film circuit on the conductor track 11 a of the connection metallization of the monolithically integrated evaluation circuit is conducted and thus an electrically conductive contact between the is produced in the conductor tracks 15 c and 11 a .

Zur Passivierung gegen atmosphärische Einflüsse trägt die gesamte Anordnung der Fig. 1 eine Schutzschicht 18, die aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Polyimid-Lack oder Photolack bestehen kann.For the passivation against atmospheric influences, the entire arrangement of FIG. 1 carries a protective layer 18 , which may consist of silicon dioxide, silicon nitride, aluminum oxide, polyimide lacquer or photoresist.

Die Fig. 2a bis 2d zeigen den in Herstellung begriffenen Sensor nach Fig. 1 bei den verschiedenen erfindungsgemäß auszuführenden Verfahrensschritten. FIGS. 2a to 2d show the production conceived in sensor according to Fig. 1 in the various steps according to the invention to be executed process.

Fig. 2a zeigt einen Teilschnitt durch die monolithisch integrierte Auswerteschaltung nach Fertigstellung aller Halbleiterprozesse, je doch vor der Integration mit der Dünnschichtschaltung. Hierbei sind dieselben Bezeichnungen wie in Fig. 1 verwendet. Fig. 2a shows a partial section through the monolithic integrated evaluation circuit after completion of all the semiconductor processes, but each prior to integration with the thin film circuit. The same designations are used here as in FIG. 1.

Nach der Fertigstellung aller Halbleiterprozesse wird auf die mit der ersten isolierenden Schicht 12 und der Verbindungsmetallisierung 11 versehene Oberseite des Halbleiterplättchens 10 die als Ein ebnungsschicht wirkende zweite isolierende Schicht 13 zunächst als durchgehende Schicht aufgebracht. Die Einebnungsschicht 13 bildet einerseits eine Schutzschicht für den darunterliegenden Schaltkreis, andererseits stellt sie eine vorzügliche Arbeitsgrundlage für die folgenden Dünnschichtprozesse dar. Die Einebnungsschicht 13 wird mit Hilfe von Photolackprozessen strukturiert und dadurch mindestens eine Aussparung A, die auf eine darunterliegende Leierbahn der Aus werteschaltung führt, freigelegt. Der Photolack wird entfernt, und es schließt sich eine Nachbehandlung, insbesondere eine Wärmebe handlung, an, bei der die Einebnungsschicht 13 gemäß Fig. 2b in der Nähe der Aussparung A derart abgeflacht wird, daß ihre Dicke gegen die Aussparung A hin sich allmählich auf Null reduziert.After all semiconductor processes have been completed, the second insulating layer 13 , which acts as a leveling layer, is first applied as a continuous layer to the top side of the semiconductor wafer 10 provided with the first insulating layer 12 and the connection metallization 11 . The leveling layer 13 on the one hand forms a protective layer for the underlying circuit, on the other hand it represents an excellent working basis for the following thin-film processes. The leveling layer 13 is structured with the aid of photoresist processes and thereby at least one recess A , which leads to an underlying lyre track of the evaluation circuit, exposed. The photoresist is removed, and there is an aftertreatment, in particular a heat treatment, in which the leveling layer 13 according to FIG. 2b is flattened in the vicinity of the recess A in such a way that its thickness towards the recess A gradually becomes zero reduced.

Auf die mit der strukturierten und nachbehandelten Einebnungsschicht 13 versehene Anordnung wird nun gemäß Fig. 2c ganzflächig eine Sensorschicht 14 aufgesputtert, aufgedampft oder mit CVD-Verfahren aufgebracht. In Fig. 2c ist außerdem eine strukturierte Schicht 16 a, 16 b aus Photolack dargestellt, die zur anschließenden Strukturierung der darunterliegenden durchgehenden Sensorschicht 14 dient. Diese Strukturierung wird durch Ätzen bewerkstelligt und führt zu den beiden bereits in Fig. 1 dargestellten Sensorelementen 14 a und 14 b, die auch in Fig. 2d dargestellt sind.According to FIG. 2c, a sensor layer 14 is sputtered, vapor-deposited or applied using the CVD method onto the arrangement provided with the structured and aftertreated leveling layer 13 . FIG. 2 c also shows a structured layer 16 a , 16 b made of photoresist, which is used for the subsequent structuring of the continuous sensor layer 14 underneath. This structuring is accomplished by etching and leads to the two sensor elements 14 a and 14 b already shown in FIG. 1, which are also shown in FIG. 2d.

Gemäß Fig. 2d wird im Anschluß an die Strukturierung der Sensor schicht die mit den beiden strukturierten Sensorelementen 14 a und 14 b versehene Anordnung mit einer durchgehenden elektrisch gut leitenden Schicht 15 bedampft, wobei für die Schicht 15 diejenigen Materialien in Betracht kommen, die weiter oben für die Leiterbahnen 15 a, 15 b, 15 c angegeben sind. Die vorausgegangene Strukturierung der zweiten isolierenden Schicht 13 hat dabei zur Folge, daß die durch gehende elektrisch gut leitende Schicht 15 im Bereich der Aussparung A auf die Leiterbahn 11 a der Verbindungsmetallisierung der mono lithisch integrierten Auswerteschaltung zu liegen kommt und mit die ser damit elektrisch leitend verbunden wird. Hierzu kann es nötig sein, eine sich auf der Verbindungsmetallisierung 11 befindliche Oxidschicht - entstanden durch vorhergehende Prozesse - vor dem Auf bringen der Schicht 15 wegzuätzen, beispielsweise durch Sputterätzen.According to FIG. 2d, following the structuring of the sensor layer, the arrangement provided with the two structured sensor elements 14 a and 14 b is vapor-deposited with a continuous, electrically highly conductive layer 15 , with those materials coming into consideration for layer 15 which are further above for the conductor tracks 15 a , 15 b , 15 c are specified. The previous structuring of the second insulating layer 13 has the consequence that the through electrically well conductive layer 15 in the area of the recess A on the conductor 11 a of the connection metallization of the monolithically integrated evaluation circuit comes to rest and with which it is electrically connected becomes. For this purpose, it may be necessary to etch away an oxide layer located on the connection metallization 11 - formed by previous processes - before applying the layer 15 , for example by sputter etching.

Fig. 2d zeigt außerdem eine strukturierte Schicht 17 a, 17 b, 17 c aus Photolack, die zur anschließenden Strukturierung der darunterliegen den durchgehenden elektrisch gut leitenden Schicht 15 dient. Diese Strukturierung wird durch Ätzen bewerkstelligt und führt zu den in Fig. 1 dargestellten Leiterbahnen 15 a, 15 b, 15 c, wobei die Leiter bahn 15 c im Bereich der Aussparung A so bemessen wird, daß sie sich über den ganzen Bereich erstreckt, den dort die Leiterbahn 11 a der Verbindungsmetallisierung der monolithisch integrierten Auswerte schaltung einnimmt. Fig. 2d also shows a patterned layer 17 a, 17 b, 17 c of photoresist, which is used for subsequent patterning of the underlying face the continuous electrically highly conductive layer 15. This structuring is accomplished by etching, leading to the results shown in Fig. 1 conductors 15 a, 15 b, 15 c, wherein the conductor track 15 c in the area of the recess A is dimensioned such that it extends over the whole area, the there the conductor 11 a of the connection metallization of the monolithically integrated evaluation circuit occupies.

Zur Passivierung des Bauelements wird abschließend auf die in Fig. 1 dargestellte Anordnung eine Schutzschicht 18 aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Polyimid-Lack oder Photolack aufgebracht.To passivate the component, a protective layer 18 made of silicon dioxide, silicon nitride, aluminum oxide, polyimide lacquer or photoresist is finally applied to the arrangement shown in FIG. 1.

Claims

1. Sensor with at least one sensor element ( 14 a , 14 b) containing receiving part and with an evaluation circuit used for evaluating the measuring signal recorded in the receiving part, the circuit elements in the form of zones of different conductivity types (p, n, n ⁺) in a monocrystalline semiconductor wafer (10) are monolithically integrated, wherein the combination of the accommodated in the semiconductor die (10) circuit elements circuit traces (11) serve to interconnect metallization that on a main surface of the semiconductor die (10) on an attached there first insulating layer (12 ) are applied and plated through to the zones of different conductivity types of the circuit elements in question, the at least one sensor element ( 14 a , 14 b) and the electrical leads leading to it being designed in a flat manner, characterized in that the receiving part of the sensor is an elect Rische thin-film circuit, which contains the at least one sensor element ( 14 a , 14 b) , that the electrical connecting lines to the at least one sensor element are conductor tracks ( 15 a , 15 b , 15 c) of the electrical thin-film circuit, that as a carrier for the thin-film circuit serves as a leveling layer formed second insulating layer ( 13 ), which is applied to the main surface of the semiconductor wafer ( 10 ) provided with the first insulating layer ( 12 ) and the connection metallization, that in the second insulating layer ( 13 ) at least one recess (A ) is provided, within each of which a conductor track ( 15 c) of the thin-film circuit with a conductor track ( 11 ) of the connection metallization of the monolithically integrated evaluation circuit is contacted.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that with the layer system ( 14 a , 14 b ; 15 a , 15 b , 15 c) of the electrical thin layer circuit afflicted second insulating layer ( 13 ) is used for passivation of the sensor continuous Protective layer ( 18 ) is applied.

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one sensor element ( 14 a , 14 b) is a magnetically sensitive element.

4. Sensor according to claim 3, characterized in that the min least one sensor element ( 14 a , 14 b) consists of a nickel-iron alloy.

5. Sensor according to claim 3, characterized in that the min least one sensor element ( 14 a , 14 b) consists of a nickel-cobalt alloy.

6. Sensor according to claim 3, characterized in that the min least one sensor element ( 14 a , 14 b) consists of an amorphous ferro-magnetic alloy.

7. Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the receiving part by a half-bridge circuit or by a Wheatstone bridge circuit is formed.

8. Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second insulating layer ( 13 ) formed as a leveling layer consists of polyimide lacquer or photoresist.

9. A method for producing a sensor according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the circuit elements of the evaluation circuit are introduced in the form of zones of different conductivity types in a single crystal lines semiconductor wafer ( 10 ) by diffusion and epitaxial processes the first insulating layer ( 12 ) is attached to a main surface of the semiconductor wafer and the conductor tracks ( 11 ) of connection metallization used for interconnection of the circuit elements are applied to these and are contacted to the zones of different conductivity types of the circuit elements concerned by contacting them with the first insulating layer ( 12 ) and the connection metallization main surface of the semiconductor wafer ( 10 ), the second insulating layer ( 13 ) acting as a leveling layer is applied as a continuous layer that then to form the at least one From saving (A) for the through-plating of the at least one conductor track ( 15 c) the leveling layer ( 13 ) is structured, that then on the arrangement with the structured leveling layer ( 13 ) is applied to the entire surface of a sensor layer ( 14 ) that thereon with the help of a photoresist process, the sensor layer ( 14 ) is structured to form the at least one planar sensor element ( 14 a , 14 b) , that then over the entire surface of the arrangement with the at least one sensor element ( 14 a , 14 b) is used to form the conductor tracks the thin-layer circuit serving Me tallisierung ( 15 ) is applied and that finally from this metallization ( 15 ) the conductor tracks ( 15 a , 15 b , 15 c) of the thin-layer circuit are formed by selective etching so that as part of the network of these traces within the At least one recess (A) in the second insulating layer ( 13 ) has a conductor track ( 15 c) Thin-film circuit on a conductor track ( 11 a) of the connection metallization of the monolithically integrated evaluation circuit remains.

10. The method according to claim 9, characterized in that by a post-treatment, in particular a heat treatment, after the structuring of the leveling layer ( 13 ), the leveling layer ( 13 ) in the vicinity of the at least one recess (A) is flattened such that its thickness against the recess (A) gradually reduces to zero.