Ziel der Entwicklung

Der Drucksensormarkt verlangt immer kleinere, präzisere und langzeitstabile Drucksenoren. Diese ständig wachsenden Ansprüche erfordern Entwicklungsstrategien und Fertigungsgenauigkeiten, die weit über die Standards der Mikroelektronik hinausgehen. Auf Grund des Messprinzips piezoresistiver Drucksensoren werden hier Signale im Mikrovolt-Bereich erzeugt und verarbeitet. Die Gewährleistung einer hohen Langzeitstabilität bedeutet, dass auch bei einem Einsatz über mehrere Jahre und bei Temperaturen bis zu 150°C nur extrem geringe Toleranzen der Messgrößen erlaubt sind. Die meisten Drucksensoren zeigen bei Langzeitmessungen nur geringfügige Änderungen des Messsignals (Brückenspannung). Es sind jedoch auch Sensoren zu finden, die ein spontanes Driften nach 1000 bis 1500 Betriebsstunden aufweisen, was zu Abweichungen des Messsignales von bis zu ± 1% vom Ausgangswert führen kann. Dieses um den Faktor 500 und mehr abweichendes Messsignal, welches vorwiegend bei höheren Temperaturen T = 135°C auftritt, führt zum Funktionsausfall des Bauelements. Als Ursachen des spontanen Driftens werden Fehler im Kontakt- und Leitbahnsystem der Sensoren vermutet. Nachgewiesene Hillock- und Lochbildungen in den verwendeten Aluminium-Silicium-Leitbahnen (Al-Si) sind ein typisches Indiz für einen Materialtransport durch Elektromigration. Zielstellung des Projektes war die Untersuchung und Reduzierung der Elektromigration, um abweichende Messsignale langfristig reduzieren zu können.

Vorteile und Lösungen

Ausgehend von einem auf Al-Si (<2%) basierenden Kontakt- und Leitbahnsystem wurden die Mechanismen der Elektromigration untersucht. Anschließend erfolgten Änderungen im Kontakt- und Leitbahndesign, um den Einfluss der Elektromigration zu reduzieren. Halbleiterphysikalische Mittel und Methoden der Simulation und Modellierung von Siliziumbauelementen wurden mit einer Prozessoptimierung kombiniert, um die aufwändigen Entwicklungskosten geringer und wettbewerbsfähig zu gestalten. Alternativ zu Al-Si wurde das Materialsystem Molybdändisilicid (MoSi2) hinsichtlich seiner Elektromigration untersucht. Die Validierung der Simulationsmodelle erfolgte an den Sensor-Kontakten. Hierbei wurden die Prozessführung und das Design der Strukturen so ausgeführt, dass eine initiale Leerstellenbildung, welche Ausgangspunkt für die Elektromigration sein kann, verringert wird. Diese Teststrukturen wurden mit verschiedenen Temperaturen und Stromdichten beaufschlagt. Aus Messungen der mittleren Lebensdauern wurden die für die Elektromigration geläufigen Parameter abgeleitet, um somit die Elektromigrationslebensdauer von Bauelementen zu erfassen. Zudem wurden Teststrukturen entworfen und Demonstratoren entwickelt.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Zielgruppe besteht vorrangig aus Herstellern von Drucksensoren. Die Anwender profitieren ebenfalls von diesen Ergebnissen, da nun Drucksensoren mit geringerer Elektromigration und höherer Langzeitstabilität gefertigt werden können. Als ein Beispiel lässt sich hier die Gasanalytik nennen: Hier wurde das hochtemperaturstabile Metallsystem MOSix verwendet. Die Untersuchungsergebnisse verbessern hier Prognosen über die Lebensdauer von Bauteilen.