Ziel der Entwicklung

Vielfältige Halbleiter- und Mikrotechnologien ermöglichen eine riesige Bandbreite an MEMS-Sensoren und Systemen. Die Miniaturisierungseffekte und Möglichkeiten der Batchproduk-tion sorgen für eine hohe wirtschaftliche Attraktivität. Zum Beispiel haben piezoresistive Drucksensoren und Dehnmessstreifen eine sehr große Marktakzeptanz erreicht. Für Applikationen in der Prozessmesstechnik wird marktseitig stetig eine höhere Genauigkeit, Linearität und Langzeitstabilität gefordert. Deshalb werden zunehmend Temperatursensoren on-chip mit den piezoresistiven Wandlern intergiert. Temperatursensoren, die auf bipolaren Komponenten basieren, können aber deutliche Querempfindlichkeiten gegenüber mechanischem Stress aufweisen. Diese beruhen hauptsächlich darauf, dass sowohl der piezoresistive Effekt als auch der piezo-junction Effekt auf der Verformung des Kristallgitters von Silizium und in der Folge der Änderung der Bandstruktur beruhen. Beim piezoresistiven Effekt werden die Beweglichkeiten der Majoritätsträger verändert und der Widerstand ist abhängig vom eingebrachten mechanischen Stress. Hingegen werden beim piezo-junction Effekt die Minoritätsträger beeinflusst.
Zielstellung des Projektes war, die Wirkung von mechanischem Stress auf pn-Übergänge, realisiert in kristallinem Silizium, zu untersuchen und Voraussetzungen zu entwickeln, den Piezo-junction-Effekt für sensorische Anwendungen nutzbar zu machen. Es standen zwei Betrachtungsrichtungen im Fokus: Wie kann der Effekt vermieden oder ausreichend vom Sensor-signal separiert werden und wie kann der Effekt sensorisch genutzt werden?
Es waren bipolare Temperatursensoren zu entwickeln, die insensitiv bzgl. mechanischen Stress sind.
Es wurde weiterhin untersucht, wie PJE in Kombination mit anderen, besonders Siliziumdehnmessstreifen und piezoresistiven Drucksensoren, zusätzliche sensorische Funktionalitäten ermöglichen können.
Es werden hohe Werte von mechanischem Stress benötigt, um gut messbare Effekte bei den Piezo-Junction-Sensoren zu bewirken. Deshalb muss der mechanische Stress auf die pn-Übergänge konzentriert werden.
Die Eignung verschiedener mikrotechnischer Maßnahmen bzw. Komponenten war ein Untersuchungsschwerpunkt.
Untersucht wurde auch, wie Piezo-junction-Sensorkomponenten zu gestalten sind, dass sie on-chip mit anderen primären Sensoren zu multifunktionalen Sensorchips ohne wesentlich größeren Flächenbedarf integriert werden können.
Das Studium des Piezo-junction-Effekts an den angestrebten Test- und Sensorstrukturen soll auch zur Verbesserung der Modellierung und Simulation führen.
Marktseitig wurde auf kosteneffektive Lösungen für kleinste bis mittlere Stückzahlen orientiert. Die Entwicklung von möglichst parametrierbaren, standardisierten Grundelementen (Zellen) soll eine effiziente Anpassung bzgl. der Kosten und der Entwicklungszeit unterstützen.

Vorteile und Lösungen

Etablierte MEMS-Halbleitertechnologien zur Fertigung von hochgenauen piezoresistiven Sensoren wurden so erweitert, dass einerseits gut elektrische isolierbare Temperaturdioden und anderseits bipolare Transistoren auf einem Chip integrier-bar sind.
Für die bipolaren Transistoren ist eine dünne und niedrig dotierte Basis erforderlich. Es waren jeweils zwei zusätzliche Dotierprofile notwendig, wobei sich für die Umsetzung von pnp- und npn-Transistoren gegensätzliche Anforderungen ergeben. Für die Realisierung von pnp-Transistoren mit einem vertikalen Aufbau bzgl. der Basis-Emitter-Strecke wurde eine weitere mitteldotierte tiefe p-Wanne und eine niedrig Phosphor¬dotierte flache Implantation benötigt. Im Unterschied dazu wird für npn-Transistoren eine weitere mitteldotierte tiefe
n-Wanne und eine niedrig Bor¬dotierte flache Implantation benötigt.
Die Prozessführung bei der Waferfertigung wurde deshalb in wesentlichen Teilschrittkomplexen in Gruppen aufgeteilt. Die gesamte Prozessführung, besonders deren thermisches Budget war auf die unterschiedlichen Anforderungen anzupassen.
Begonnen wurde mit der Prozessierung von 4inch Bulk- und SOI-Wafern und einem Multidesign / Multilayout-Maskensatz, um verschiedene Auslegungen von PJE auf Chips zu realisieren und für den Probenaufbau vorzubereiten. Bei verschiedenen Wafergruppen wurden mikromechanische Modifikationen vorgenommen, um die Kopplung des einzuprägenden mechanischen Stresses unterschiedlich zu gestalten.
Umgesetzt wurden Chipdesigns mit Layoutvariationen von pn-Übergängen, die verschieden bzgl. der Kristallebene ausgerichtet wurden, sowie Chips mit verschiedenen Layoutansätzen für die Untersuchung der Abhängigkeit von mechanischer Stresseinwirkung auf bipolare Transistoren.
Die daraus gewonnenen Sensorchips wurden zu mechanisch belastbaren Proben aufgebaut.
Die Proben wurde mit unterschiedlichen Methoden mit mecha-nischer Stress bis zu ca. 160 MPa beaufschlagt.
Die festgestellten Kennlinienveränderungen zeigten in Abhängigkeit von stresskonzentrierenden Maßnahmen zwei unterschiedliche Auswirkungen auf die Durchlasskennlinie. Die Verschiebung der Kennlinie oberhalb der Flussspannung bis hin zu ca. 3...5 V kann für sensorische Anwendungen genutzt werden. Je nach Auslegung der Komponentenlayouts der PJS, der stresskonzentrierenden Komponenten resp. Maßnahmen und der Art der Stressapplikation wurde eine Erhöhung des Durchlassstromes bis zu 10 mA resp. bis zu max. 12% ermittelt. Aus dem Einfluss der verschiedenen mikro¬technischen stressverstärkenden Strukturen konnten Designregeln für diese entwickelt werden, um bei bevorstehenden Sensorentwicklungen diese treffsicherer und effektiver auslegen zu können.
Bei den bipolaren Transistorstrukturen wurde im unterschiedlichen Maße für alle technologischen Varianten nicht das erwartete Kennlinienverhalten erreicht, so dass vor allem die Kombinationen von diesen BJTs zu PTAT-Schaltungen hinsichtlich der p-IU-Kennlinien keine sinnvollen (auswert-baren) Abhängigkeiten von der mechanischen Stresseinkopplung zeigten. Die in den technologischen Versuchsplänen kombinierten gegensätzlich zueinander ausgelegten zusätzlichen p- und n- Wannendotierungen und die Einstellung der Dotierprofile mittels des Zusammenwirkens von Implantationsparametern und thermischen Prozessführung des gesamten Waferprozesses konnten nicht sicher zu dem konzipierten Zusammenspiel der verschiedenen Bor- und Phosphordotierungen geführt werden, so dass schon geringe von außen angelegte Potentiale zu hohen Leckströmen führten. In Folge dessen sind die Basis-Emitter-Strecken nicht oder nur schlecht ausgebildet.
Die Zielstellung, technische Maßnahmen zu definieren und messtechnisch zu evaluieren, die zu einer nicht nachweisbaren Sensitivität von pn-Junction-Kom¬ponenten, wie z.B. Temperaturdioden, auch bei hohem mechanischem Stress auf die Halbleiterstruktur führen, wurde erreicht. Alle konzentrisch ausgelegten Strukturen und pn-Übergänge, die 45° gedreht zur x-Richtung der Chips entworfen wurden, sowie Kombinationen aus diesen zeigten keinerlei stressbedingte Kennlinienabweichungen, die aus der Probenvarianz hervortraten. Die gilt auch für alle schmalen (abrupten) und entlang eindimensional wirkenden mechanischen Stresses ausgerichteten pn-Übergänge bis zu einigen 100 µm Länge. Selbst sehr kleine pn-Übergänge, die nicht unmittelbar in den Bereichen höchster Stresskonzentration angeordnet waren, zeigten keinen „isolierbaren“ Kennlinieneffekt. Bestehende Designregeln für Sensorstrukturen in mikrotechnischen Siliziumsensoren konnten präzisiert bzw. weiterentwickelt werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Piezojunction Sensoren basieren auf pn Übergängen oder komplexeren bipolaren lateralen und vertikalen Siliziumstrukturen. Sie zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Druck, mechanischer Verformung und Temperatur aus und ermöglichen gleichzeitig die präzise Abbildung mehrerer Einflussgrößen mit einer einzigen Baueinheit. Durch das modulare Sensorentwicklungstool können Entwickler schnell Prototypen für maßgeschneiderte Messlösungen erstellen, die robust, kompakt und vielseitig einsetzbar sind.
In der Prozessmesstechnik – von chemischen und pharmazeutischen Anlagen bis hin zur Halbleiterherstellung – werden kontinuierliche, hochpräzise Messungen von Druck, Temperatur und anderen Prozessparametern benötigt. Piezojunction Sensoren erfassen mehrere Parameter gleichzeitig, wodurch die Systemkomplexität reduziert, Wartungskosten gesenkt und die Zuverlässigkeit erhöht wird. In Kraftwerken, insbesondere in Gas- und Dampfturbinen sowie in Stromspeichersystemen, ermöglichen sie die gleichzeitige Messung von Druck und Temperatur unter extremen Bedingungen und tragen so zur Effizienz- und Sicherheitssteigerung bei.
In der Öl und Gasindustrie sind diese Sensoren ideal für die Überwachung von Förderleitungen, Pumpen, Druckbehältern und Bohrköpfen, da sie Druck, Temperatur und Vibration gleichzeitig erfassen und ein umfassendes Zustandsmonitoring ermöglichen. In der Luft und Raumfahrt bieten sie leichte, robuste Messlösungen für Flügel, Triebwerke, Raumfahrtantriebe und Trägheitsnavigationssysteme, die in extremen Umgebungen arbeiten und eine hohe Messauflösung liefern.
Der Forschungs und Entwicklungsbereich profitiert von der Flexibilität der Plattform, die Prototypen für neue Messverfahren in Strömungsmechanik, Materialforschung und digitalen Zwillingen erlaubt. Weitere Nischenmärkte sind die Automobilindustrie (Motor- und Fahrzeugsensorik), das Bauwesen (Strukturüberwachung von Brücken und Hochhäusern) sowie der Bergbau (Belastungs- und Druckmessungen in Bohrungen und Förderanlagen).
Durch Kooperation mit Messtechnikherstellern können die Projektergebnisse in kundenspezifischen Entwicklungsprojekten verwertet werden.