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EP1831662A1 - Mikromechanisches kapazitives sensorelement - Google Patents

Mikromechanisches kapazitives sensorelement

Info

Publication number
EP1831662A1
EP1831662A1 EP05813635A EP05813635A EP1831662A1 EP 1831662 A1 EP1831662 A1 EP 1831662A1 EP 05813635 A EP05813635 A EP 05813635A EP 05813635 A EP05813635 A EP 05813635A EP 1831662 A1 EP1831662 A1 EP 1831662A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
electrode
membrane
sacrificial
sensor element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05813635A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hubert Benzel
Stefan Finkbeiner
Frank Fischer
Helmut Baumann
Lars Metzger
Roland Scheuerer
Peter Brauchle
Andreas Feustel
Matthias Neubauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1831662A1 publication Critical patent/EP1831662A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

Definitions

  • the invention is based on the production of a micromechanically produced in monolithic construction capacitive sensor element or a micromechanical device with such a sensor element having at least a first and a second electrode, a membrane and a cavity.
  • Capacitive surface micromechanical (OMM) pressure sensors are known in various embodiments.
  • capacitive sensors In contrast to piezoresistive sensors, capacitive sensors have the advantage that they can evaluate the contained measuring capacities practically without power. This is mainly due to the fact that stress transducers are avoided in the form of piezoresistors, which would otherwise flow large currents.
  • capacitive pressure sensors offer the advantage that they are largely independent of temperature.
  • capacitive pressure sensors (or other capacitive sensor elements) are desired, which can be constructed monolithically integrated as part of an IC manufacturing process, such as a CMOS process.
  • capacitive pressure sensors have a cavity bounded by two electrodes, one of the electrodes being formed by an elastic, electrically conductive membrane and the other electrode by a capacitor plate lying opposite the electrically conductive membrane.
  • a pressure difference between the In the cavity prevailing pressure and the external pressure leads to a bending of the membrane and thus to a change in the distance between the electrically conductive membrane and the membrane plate opposite this membrane. From the concomitant change in capacitance of the capacitor formed from the electrically conductive membrane and the capacitor plate is on the capacitive
  • Pressure sensor acting external pressure determined.
  • a typical capacitive pressure sensor is known, for example, from EP 0 714 017 B1, in which the cavity between two electrodes is produced by means of a sacrificial layer etching.
  • Electrode which largely encloses the first electrode and is placed on the same electrical potential. It is thereby achieved that the electric field or measuring field existing between the (third) membrane electrode and the first electrode of the capacitive pressure sensor is largely shielded from electrical interference fields which may surround a micromechanical pressure sensor. As a result, influencing the capacity to be detected as a measure of the detected pressure is largely suppressed.
  • Depositing and doping a polycrystalline semiconductor layer is generated.
  • a spacer layer is applied, which determines the later pressure sensor cavity. This spacer layer is removed at a subsequent time by means of an etching process.
  • the invention describes a production method for producing a micromechanical sensor element, which can be produced in monolithically integrable construction and has a capacitive detection of a physical quantity.
  • a micromechanical device is also described, which contains such a sensor element, such as a pressure sensor or an acceleration sensor. It is provided that the manufacturing method consists of different process steps, wherein at least one first electrode is produced in or on the semiconductor substrate. Furthermore, it is provided that a first layer is applied to the first electrode, it being provided in particular that the first layer also covers parts of the semiconductor substrate or an insulating layer located below the first electrode and extending laterally beyond the first electrode.
  • a first sacrificial layer which consists of a first sacrificial material and is generated at least partially above the first electrode on the semiconductor substrate.
  • a second layer is then applied to the first sacrificial layer, in which a first through-hole is produced, so that access to the first sacrificial layer is created.
  • a second electrode is applied on the second layer.
  • the first through-hole is closed, so that a second sacrificial layer preferably forms on the second layer.
  • the membrane layer is applied to the second electrode and at least a portion of the second layer adjacent to the second electrode. In this case, the second sacrificial layer can be covered.
  • a second through-hole is produced in the membrane layer, by means of which access to the second sacrificial layer is made possible.
  • Sacrificial material are removed. This is preferably done by a plasma sou etching. Subsequently, a third layer is applied to the membrane layer, which closes at least the second through hole and thus generates a cavity in the region of the first sacrificial layer between the first and the second electrode.
  • the decisive advantage of the known state of the art is the unbundling of the mechanical function of the membrane and the electrical function of the upper capacitance electrode.
  • the upper capacitor electrode can be formed by a thin, conductive film which can be deposited at moderate temperatures and structured independently of the membrane layer.
  • the etching process can be terminated in a controlled manner.
  • the dry, plasmalose sacrificial layer etching prevents etching residues from remaining.
  • Leakage currents occur that falsify the measuring signal. Such leakage currents can occur, for example, in the case of a pn junction, when an n-electrode is produced in a p-type substrate. In addition, in the case of a first electrode isolated from the substrate - A -
  • the first electrode has an n- or p-type doped semiconductor material or poly-silicon.
  • at least the first or the second layer comprises an oxide, a nitride or TEOS. While Si or SiGe may be provided for the first sacrificial material, SiGe or poly-silicon is provided for the second sacrificial material.
  • the second electrode likewise comprises Si, SiGe or poly-silicon, while the membrane layer preferably comprises nitride, oxide or a dielectric material.
  • the third layer has nitride.
  • the first layer has a layer thickness of 40-250 nm
  • the first sacrificial layer has a layer thickness of 0.3-1 ⁇ m
  • the second layer has a layer thickness of 50-250 nm
  • the membrane layer has a layer thickness of 100-1000 nm.
  • the layer thickness of the third layer should be selected larger than the layer thickness of the second sacrificial layer. Thus, enough material can be provided to close the second through hole.
  • the layer thickness of the second sacrificial layer is provided as a function of the layer thickness of the second
  • Electrode to choose. In particular, it is provided to apply both layers in the same thickness.
  • the fabrication of the micromechanical sensor element takes place within the framework of a standard IC process (for example a CMOS process). It can be on the
  • Sensor element circuit parts are generated, which are used for contacting the sensor element but also for detecting and / or evaluation of the sensor signals of the sensor element.
  • the sacrificial layer etching may, as a classical micromechanical process, be shifted to the end of the process (before a passivation).
  • no cavity would have in the CMOS line can be processed, since the processes operf Anlagenen, passivation and optionally opening the passivation for contacting the sensor element can be performed with the micromechanical process.
  • a capacitive sensor element can be produced which has a parasitic capacitance reduced by at least one order of magnitude compared to known sensor elements.
  • a higher signal / noise ratio is possible, so that a smaller area requirement for the sensor element is made possible.
  • the reduced parasitic capacity results in a reduced current consumption for the evaluation circuits.
  • One way to further reduce parasitic capacitances is to increase the isolation distance between the two electrodes. In addition to the choice of a thicker first sacrificial layer, this can also be done by applying a fourth insulating layer between the first and the second layer, it being possible in particular for this fourth layer to be arranged only partially between the first and the second electrode. However, it is particularly advantageous if the fourth layer is applied next to the first sacrificial layer and has a comparable layer thickness therewith. As a result, the third layer can be at least in the region of the first and / or the second electrode without pronounced
  • the plasmalose etching process for dissolving out the first and the second sacrificial layer is carried out with a fluorine-containing etching material such as ClF 3 and / or XeF 2 .
  • a fluorine-containing etching material such as ClF 3 and / or XeF 2 .
  • the described layers of the sensor element can be produced with standard equipment.
  • the layer stress of the membrane can optionally be adjusted with an RTA process (rapid thermal annealing process).
  • a reference measuring element can be produced on the semiconductor substrate, which can advantageously also be produced by the described method of the main claim. It is provided that in the first sacrificial layer of the reference element for forming support points of the membrane at least a third through hole is produced, which allows access to the first layer.
  • Development of the invention can then be provided to expire this at least one third through hole with the material of the second electrode and / or with the material of the membrane layer.
  • a cavity is formed underneath a membrane, which, however, stands on columns in comparison to the sensor element.
  • a movement of the membrane can thus be reduced, if not prevented.
  • the residual movement of the membrane depends on how many through holes or support points / columns are generated and how they are spatially distributed in the space between the two electrodes.
  • a shielding of the measuring electrode (s) against external interference fields can be achieved (Faraday cage).
  • a third electrode can for example consist of a further poly-silicon layer but also of a metal layer.
  • the layer may consist of one of the CMOS metal levels.
  • the shielding electrode may e.g. be structured grid-like. However, a shielding effect can also be achieved by keeping the second (upper) electrode at ground potential.
  • the first and second electrodes it is provided above the first and second electrodes to bring a mass element with in particular a defined seismic mass onto the membrane or onto a passivation layer adjoining the membrane.
  • the mass element can be produced by means of a local deposition method, a dispensing method, a screen printing method or a known micromechanical structuring method.
  • each membrane cell consists of two electrodes, a cavity located between the electrodes and a membrane, wherein support means are provided in the cavity, which prevent the membrane from breaking when excessively bent.
  • acceleration sensor By means of such an acceleration sensor can be dispensed with a costly capping otherwise customary acceleration sensors for protection against sawing, singling or assembly. Another advantage is the simple adjustment of
  • the layers and the planes can be matched to one another and thus used together. This results in a more efficient and thus cheaper manufacturing process.
  • the capacitive sensor elements according to the invention can be used at high temperatures by the use of polysilicon electrodes which are separated by oxide layers from the substrate as well as from further layers. This has advantages, for example, when used as a tire pressure sensor, since in addition also a low power consumption is necessary, and as a combustion chamber pressure sensor.
  • FIGS. 1 a to k show a possible manufacturing process of a monolithically integrated capacitive sensor element according to the invention by means of micromechanical method steps.
  • a first electrode 110 is initially produced in or on a semiconductor substrate 100, for example by an n-type doping.
  • terminal regions 104 or isolation regions 105 can be created on or in the semiconductor substrate 100. In other areas of the semiconductor substrate can be
  • Gates are formed with gate oxide, poly etc.
  • a first layer 115 with a thickness of 40-250 nm is applied over the entire circuit.
  • the deposition of the first layer takes place at temperatures ⁇ 900 0 C and serves to the first electrode 110 and the areas 104 and 105 against attack by
  • the first layer 115 of oxide or nitride, but preferably of a TEOS layer which is applied at 400 0 C with an ozone support in a preferred thickness of 100 nm on the surface.
  • thermal oxide eg, thick gate oxide
  • 40 nm (or less) is already sufficient.
  • the main use of the first layer 115 is, in addition to the isolation of the first electrode 110, a protection against the subsequent plasmalose etching, for example by ClF 3 . Therefore, a requirement of the first layer 115 is that it be dense and resistant to the etch materials used therein. As shown in FIG.
  • a first sacrificial layer 125 of Si or SiGe having a thickness of 0.3-1 ⁇ m is deposited on the first layer 115.
  • a deposition method is selected, which can be used at temperatures below 900 ° C.
  • the first sacrificial layer 125 can be made, for example, with PECVD as an amorphous or partially crystalline Si layer, but preferably with LPCVD at a temperature ⁇ 680 ° C. with a layer thickness of 450 ⁇ m.
  • the surface roughness (R a ) of the first sacrificial layer 125 is less than 100 nm.
  • the first sacrificial layer 125 is subsequently structured in such a way that at least part of the first sacrificial layer 125 is located above the first electrode 110. On the other surface, however, the first sacrificial layer 125 can be removed.
  • the structuring step or the lithographic technique is preferably performed such that no sharp edge, but relatively soft structural edges arise. As a result, the stability of the pressure membrane under extreme pressure overloads can be further increased.
  • FIG. 1 d shows the generation of a second layer 130 which extends over the entire area over the first
  • the layer thickness of the second layer 130 is preferably between 50 and 250 nm and is deposited at temperatures below 900 0 C. With this second layer 130 of nitride or oxide, a layer resistant to the subsequent plasmaless etching process is to be produced. Another possibility is to form the second layer 130 from a 100 nm thick, ozone-supported TEOS layer.
  • TEOS TEOS: O 3 layers generally have dense surfaces and resistance to C1F 3 etching. Furthermore, such layers show very good edge coverages and the property of smoothing surface roughness very efficiently, so that the roughness of the first sacrificial layer 125 is partially compensated.
  • the layer tension of the second layer 130 is small or the second layer 130 has a slight tensile stress. If a difference in the coefficient of thermal expansion between the second layer 130 and the membrane layer 140 still to be applied leads to an undesirable temperature drift in the sensitivity or in the sensor offset, the second layer can be in the same material as the membrane layer
  • a first through hole 155 (see Figure Ie).
  • the first through-hole 155 may be attached to one or more locations of the second layer 130.
  • the etching process ends on the first sacrificial layer 125, but it does not harm the further process flow, if a part of the first sacrificial layer 125 in the region of the first through-hole is also formed by the etching process
  • the etching process can also be time-controlled.
  • the edges of the first sacrificial layer region 125 remain sufficiently covered with photoresist in order to avoid an uncontrolled attack of the second layer 130 on the structure flanks.
  • an electrode layer is deposited on the second layer 130 to form a second electrode 135.
  • the electrode layer is preferably made of poly-silicon, which is produced by means of a suitable method at moderate temperatures below 900 0 C and made conductive.
  • the conductivity of the second electrode 135 does not have to be very high in order to fulfill the desired function in the capacitive sensor element.
  • One way to make the electrode layer conductive is to produce the layer by doping by ion implantation.
  • the necessary annealing step can then be combined with annealing for lower poly layers from the CMOS processing (eg poly-gate).
  • this electrode layer 135 can also be made of metal, in which case a different closure technique than described below must be applied.
  • a second sacrificial layer 170 is formed of a second sacrificial material that both fills the first via 155 and covers a portion of the second layer 130 adjacent the first via 155.
  • an offset etching access 175 with access to the first sacrificial layer 125 can be produced (see FIGS. 1 and 1).
  • the layer thickness of the second sacrificial layer is preferably adapted to the layer thickness of the first sacrificial layer in order to avoid steps on the surface of the membrane layer.
  • a membrane layer 140 is applied above the electrode layer to form the second electrode 135, which diaphragm, together with the second layer 130 and the third layer 145 to be subsequently applied, adjusts the supporting function of the membrane.
  • the membrane layer 140 is designed at deposition temperatures ⁇ 900 ° C to tensile stress.
  • the preferred choice of an LPCVD nitride as the material of the membrane layer 140 makes it resistant to the plasmaless etching process.
  • the use of other nitride or oxide layers is possible, which can be reproducibly deposited in terms of tensile stress and layer thickness. It is generally provided, the membrane layer 140 with a
  • a layer thickness of 100 nm to 1 micron wherein in the case of the choice of LPCVD nitride, a layer thickness of 200 to 500 nm is sufficient.
  • a very thin oxide layer can be deposited on the membrane layer 140 (not shown).
  • a second through-hole 160 is produced in the membrane layer 140, which leads to the second sacrificial layer and has an opening offset from the first through-hole 155.
  • This opening 160 establishes the etch access 175 to the first sacrificial layer 125 via the second sacrificial layer 170 and the first via 155.
  • a plasmaless etching process using ClF 3 has reaction-limited etch rates and is almost independent of the layer thickness of the poly sacrificial layer.
  • XeF 2 was used , however, transport-limited etching rates with a strong layer thickness dependence were observed.
  • the etch rates for very thin layers are increased by up to 800% compared to layers with thicknesses> 20 ⁇ m.
  • the thickness of the two sacrificial layers therefore has no negative influence on the layer thicknesses used in the present method
  • sacrificial layer etching using ClF 3 or XeF 2 all exposed poly silicon layers are etched very rapidly (see FIG. 1 h).
  • the back of the substrate may or may not be protected with an oxide or nitride.
  • ClF 3 passes via the " ⁇ tzventil" 175 to the sacrificial layers 170 and 125 and removed at rates of up to 10 microns / the poly-silicon and the sacrificial material min in the two layers.
  • the plasma-less etching process by means of ClF 3 a temperature may range from -20 ° C to 60 0 C during the etching step be used, which already processed circuit parts in a previous CMOS process does not be affected.
  • resist layers of photoresist can be used to protect certain areas.
  • the sacrificial layer etching process can also take place after deposition and structuring of the last metal level in the CMOS process. In this
  • Embodiment initially no cavity is generated, which would otherwise be protected during the CMOS wiring. Thus eliminates the risk of mechanical destruction by the process handling or by cleaning in the ultrasound.
  • the generation and closure of the cavity in this embodiment occurs at the end of the CMOS process through the last passivation layer, which closes the etch access 175.
  • the etching access 175 can be closed by means of a third layer 145 at temperatures ⁇ 900 ° C.
  • the second through-hole 160 is filled with the material of the third layer 145 in such a way that a plug 180 is created, which encloses a definable reference pressure prevailing in the cavity 120 during closure.
  • the lateral offset of the two through holes prevents the material of the third layer 145 from penetrating into the cavity 120 and filling it. If the layer thickness of the third layer 145 is selected such that it is slightly larger than the layer thickness of the second sacrificial layer, the hermetic seal of the etch access 175 occurs because of the sufficient material supply since the deposition of the third layer 145 and the
  • the third layer 145 an LPCVD but also a PECVD process may be used.
  • the third layer 145 of nitride with low defect density since this is known for good long-term stability based on the gas tightness.
  • further enhancement of the third layer 145 in one of the metal levels of the CMOS process, further enhancement of the
  • a metal pad 150 is shown in FIG. 1C, which is connected to the second electrode 135 via a contact hole through the membrane layer 140 and the third layer 145.
  • the first electrode 110 on the other hand, was contacted by an earlier CMOS process step (not shown). If the sacrificial layer etching occurs after the last metal processing level, the contacting must be be completed before. Then, the passivation formed by the third (shutter) layer 145 is on the metal pad 150 and needs to be opened.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a capacitive sensor produced by the method described with the first electrode 110, the polygonal sensor located above it.
  • the etching valve 175 is shown.
  • the parasitic capacitances can be reduced compared to the known solutions in the production of capacitive sensor elements. This is u.a.
  • a very narrow conductor 185 is led away from the membrane and not as in known capacitive sensors, the upper
  • Electrode in full with a very wide overlay on the outer terminal regions in the substrate, since the electrode is also the supporting diaphragm design in known sensors. Moreover, the isolation distance consisting of the layers 115 and 130 can be made much larger in the present capacitive sensing element.
  • a further insulating layer 300 (see Figure 3b in comparison to Figure 3a) of oxide or nitride over the first layer 115 may be used to further increase the isolation distance. It may be advantageous to introduce this insulating layer 300 only in the region of the contacting 310 and / or to adapt its layer thickness to the layer thickness of the first sacrificial layer 125.
  • a reference element to be generated in addition to the already described capacitive sensor element.
  • a reference element by means of which, for example, the offset of the sensor element can be determined, through holes are produced within the first sacrificial layer 125 down to the first layer 115.
  • non-positive but electrically insulated supports 400 and 410 can be formed under the pressure membrane, which mechanically connect the membrane to the substrate.
  • a cavity 420 which is supported by supports or pillars thus forms.
  • the electrode material of the second electrode 135 can be provided in the depression the support 400 to integrate or provide a corresponding recess, so that the support 410 generates a lower parasitic capacitance than the support 400.
  • FIGS. 6a and 6b A further exemplary embodiment is shown by way of example with reference to FIGS. 6a and 6b.
  • a plurality of micromechanical sensor elements are shown, which by means of a
  • CMOS transistor 665 a CMOS capacitor 670 and a corresponding to the figures Ia to k described sensor element 675 are shown.
  • the potential at this first electrode 620 can be arbitrarily selected. Otherwise, the sensor element 675 also has a cavity
  • the support frame 650 of the second electrode 640 is preferably made of nitride, so that, just as in the sensor element according to FIG Ik, a unbundling of the mechanical function of the membrane and the electrical function of the second, upper capacitance electrode takes place.
  • insulating oxide layers 615 and metal layers 685 which are used for the function of the individual micromechanical components 665, 670 and 675 or serve as pure contacts.
  • insulating oxide layers 615 and metal layers 685 which are used for the function of the individual micromechanical components 665, 670 and 675 or serve as pure contacts.
  • passivation layer 660 for example of nitride.
  • certain surface areas of the layer stack can remain open as contact points for external circuits.
  • a further improvement or stabilization of the measured value detection by the capacitive sensor element described can be achieved by the use of (shield) shielding.
  • shielding By such (shield) shielding, the influence of the measurement signal by external Interference fields, external objects, dirt or other layers are reduced in the manufacturing process.
  • the outer or second electrode 640 of the sensor element can be set to ground potential, for example by electrical connection to the substrate wafer or by low-resistance clamping.
  • the lower or first electrode 620 is shielded from external interference fields (Faraday cage).
  • Measurement capacitor 675 formed of the two electrodes may be e.g. This is done by placing a charge on the bottom electrode 620, which is converted into a voltage signal by a charge amplifier (switched capacitor circuit). This output voltage is proportional to the capacitance of the measuring capacitor 675. Due to the shielding effect of the sensor chip is independent of external interference fields but also of external objects that have a different dielectric or conductive. Such articles may e.g. Dirt, more layers in the process or the sensor housing. A shielded capacitor is also insensitive to external approaches or media placed on the sensor, as they can not affect the field of the measuring capacitor.
  • Another way to achieve shielding is to apply an additional conductive layer over the entire pressure measuring capacitor.
  • a layer may for example consist of a further polysilicon layer or of a metal.
  • the layer may consist of one of the CMOS metal levels.
  • the shielding electrode may e.g. be structured grid-like.
  • the function of the capacitive sensor element depends strongly on the different thermal expansion coefficients of the different layers of membrane and
  • FIG. 6b An embodiment in which the negative effect of the membrane clamping is reduced is shown in FIG. 6b.
  • the membrane is mainly due to the greater thickness
  • Polysilicon defined.
  • the layers above and below the poly-silicon layer 640 are constructed approximately symmetrically, so that the stress compensates.
  • the membrane in Figure 6b is clamped only by the membrane material at the edge, while defining the cavity below the membrane edge.
  • the membrane is defined by the lateral boundary of the first sacrificial layer or the cavity, so that thermal length changes by different coefficients of thermal expansion have no influence.
  • the membrane restraint 680 is disturbed by no other materials.
  • the polysilicon membrane is connected only via an oxide layer with the bulk silicon, which has the same coefficient of thermal expansion.
  • An alternative way of removing the various oxide and nitride layers over the membrane is to have no nitride but BPSG deposited over the second, upper electrode 640 (not shown). BPSG is the next isolation layer in the CMOS process that is deposited. If the first metal (e.g., 685) is not etched away on the membrane, it may end up etching the oxide and nitride layers
  • Etching stop be used. Subsequently, the metal is removed and the passivation is deposited.
  • the polysilicon membrane of Figure 6b may be used in etching the oxide-nitride stack as an etch stop layer.
  • the micromechanical capacitive sensor element according to the invention is used as an output element for the generation of an acceleration sensor.
  • an already mentioned insulation layer 505 has been applied to the (semiconductor) substrate 500.
  • Acceleration sensor is applied to the membrane 540 a mass element 570, as shown in Figure 5b.
  • the sensor element is sensitive to accelerations, ie it can be used in particular perpendicular to the chip plane.
  • the stiffness is due to the expansion and the determined mechanical properties of the membrane.
  • three such acceleration sensors are each operated at a right angle, all spatial directions can be covered.
  • the mass element 570 can be applied after completion of the integrated capacitive membrane sensor with a defined mass.
  • local deposition can be used, as they are known for example in the inkjet printing process from DE 103 15 963 Al.
  • dispensing methods in which minute amounts of paints can be applied in a controlled manner.
  • screen printing methods are also usable.
  • the deposition can be
  • Tempering in which the applied substance hardens.
  • substance for the mass element 570 simple dyes, paints, polymers, suspensions or similar materials can be used, which can be processed in a controlled manner.
  • FIG. 5c shows the distribution of mass elements 570 and 580 with different masses over a plurality of membrane cells. Due to the lateral extent and the mass assignment of the capacitive sensor membrane, the sensitivity of the intertial sensor can be determined. In this way, low-g to high-g applications can be covered with sufficient accuracy.
  • the membrane shape of the spring ensures high overload resistance. Transverse accelerations in x- and y-directions (in-plane to
  • a high overload safety can additionally be achieved in that the membrane can rest in the event of an overload, whereby the membrane center is supported.
  • FIGS. 7a to h A further embodiment is shown in FIGS. 7a to h.
  • Embodiment another process is described in which the integration of a pressure sensor element and a CMOS evaluation circuit is monolithic on a substrate.
  • FIGS. 7a to h The basis for the process flow to be described in FIGS. 7a to h is a CMOS process in which by inserting a sacrificial silicon layer in front of the metal layers of the
  • a pressure sensor element 675 is formed with a dielectric membrane and embedded poly-silicon electrode. This is made possible, inter alia, by a silicon sacrificial layer etching step with ClF 3 and separation of the mechanical and electrical functionality of the membrane layer. The process flow is therefore optimized from the viewpoint that the steps changed at the CMOS process are the functionality of the CMOS circuit elements
  • the starting point for the process is a (semiconductor) substrate 700, on which a structured approximately 700 nm thick LOCOS layer 710 for thermal and electrical insulation is deposited, as shown in FIG. 7a. On this LOCOS layer 710 is for the lower
  • Electrode of the capacitor an approximately 300 nm thick layer 720 and formed for the lower electrode of the pressure sensor element an equally thick layer 725 of poly-silicon.
  • an approximately 40 nm thick sacrificial oxide layer 730 (layer from which the gate oxide 735 is later formed) is produced on the substrate 700.
  • a layer 740 of gate oxide is deposited, as shown in Figure 7b, which is the lower electrode of the
  • Pressure sensor element separated from the deposited in the subsequent step silicon-containing sacrificial layer 750 (see Figure 7c).
  • the gate oxide makes passivation of the lower electrode 725 for the subsequent C1F 3 etching attack.
  • an approximately 1000 nm thick PolyO layer 750 is used as a sacrificial layer in the present embodiment.
  • the thickness of the layer 750 is dependent on the desired sensitivity range, but is typically of the order of 1 .mu.m to avoid excessive additional topography.
  • An ONO layer system 755 which is produced in the CMOS process by thermal oxidation, deposition of SiN and reoxidation, encloses the sacrificial layer 750 and forms a boundary of the sacrificial layer 750 to the upper electrode of the pressure sensor element.
  • an ONO layer system 754 which serves as a dielectric, can likewise be applied to the lower electrode of the CMOS capacitor 670.
  • the etch access 764 to the sacrificial layer 750 is exposed.
  • the gate oxide which is then immediately protected by a thin poly-silicon layer (thinPoly).
  • a thinPoly thin poly-silicon layer
  • An additional paint and etch step is performed which exposes the etch access 764 to the sacrificial silicon layer 750. As shown in FIG.
  • an approximately 300 nm thick second poly-silicon layer subsequently forms, which forms both the gate electrode 737 of the transistor 665 and the upper electrode 760 of the capacitor 670 in the CMOS process.
  • Pressure sensor element 675 generates, which defines in combination with the lower electrode, the electrical functionality of the pressure sensor.
  • the etching access 764 is also closed with a poly-silicon layer 745, via which the subsequent etching access to the sacrificial layer 750 is guided.
  • the three elements transistor 665, capacitor 670 and pressure sensor element 675 are shown in cross-section after deposition and structuring of an SiN layer 775 which is about 200 nm thick.
  • the second etch access 765 can also be seen on the second poly-silicon layer 745, which forms the etch channel on the sacrificial layer 750.
  • SiN is used in the CMOS process flow to make spacers around the gate electrode.
  • FIG. 7e shows a plan view of a possible implementation of the pressure sensor.
  • the central circular region represents the pressure deflectable region.
  • the top 780 terminal 780 and the bottom terminal 770 terminal 770 and the etch access 765 are also shown.
  • FIG. 7g in the next
  • SiO 2 insulating layers 800, 810, 820 and 830 and metal layers 790, 835, 840 and 845 serving to wire the CMOS elements are deposited and patterned.
  • the metal layers have layer thicknesses of 600 nm (for example in the case of the metal layer 790) up to layer thicknesses of 1000 nm (for example for the metal layer 840).
  • a preferred process variant would leave the SiO 2 layers in the pressure sensor area, but remove the metal layers.
  • a dry chemical (plasmavant) etching process eg C1F 3 etch process
  • the final passivation from the CMOS process (for example by means of an approximately 600 nm thick layer 880 of SiO 2 combined with an approximately 750 nm thick layer 890 of SiN, as described in US Pat Figure 7h) is used for the pressurized can process to close the etch access 765. If the deposition of the passivation layers 880 and 890 on the membrane during the pressure sensing has a disruptive effect, these can be etched back in a last step.
  • the etching access 765 could also first be opened, the sacrificial layer etching carried out with ClF 3 and the etching access reclosed. Only then could access 870 to the membrane be uncovered.
  • etch access and membrane Another way to open or expose etch access and membrane is not to remove in the pressure cell area in the previous CMOS process, the metal layers from which the wiring elements 790, 835, 840 and 845 are formed and in turn the SiO 2 Passivation layers (comparable to a via contact).
  • the metal stack located above the pressure cell could be etched wet-chemically and highly selectively against SiN. The sacrificial layer etching and the closure of the etch access proceed as already described.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Herstellungsverfahren zur Erzeugung eines mikromechanischen Sensorelements, welches in monolithisch integrierbarer Bauweise erzeugt werden kann und eine kapazitive Erfassung einer physikalischen Größe aufweist. Neben dem Herstellungsverfahren wird ebenfalls eine mikromechanische Vorrichtung beschrieben, die ein derartiges Sensorelement enthält, wie beispielsweise einen Drucksensor oder einen Beschleunigungssensor.

Description

Mikromechanisches kapazitives Sensorelement
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von der Herstellung eines mikromechanisch in monolithischer Bauweise erzeugten kapazitiven Sensorelements bzw. einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem derartigen Sensorelement, welches wenigstens eine erste und eine zweite Elektrode, eine Membran und einen Hohlraum aufweist.
Kapazitive oberflächenmikromechanische (OMM-)Drucksensoren sind in unterschiedlichen Ausfuhrungsformen bekannt. Im Gegensatz zu piezoresistiven Sensoren weisen kapazitive Sensoren den Vorteil auf, dass sie die enthaltenen Messkapazitäten praktisch leistungslos auswerten können. Dies liegt vor allem daran, dass Stressaufnehmer in Form von Piezowiderständen vermieden werden, durch die ansonsten große Ströme fließen würden. Darüber hinaus bieten kapazitive Drucksensoren den Vorteil, dass sie weitgehend temperaturunabhängig sind.
Für viele Anwendungsfälle sind kapazitive Drucksensoren (oder andere kapazitive Sensorelemente) erwünscht, die im Rahmen eines IC-Herstellungsprozesses, beispielweise eines CMOS-Prozesses, monolithisch integriert aufgebaut werden können.
Üblicherweise weisen kapazitive Drucksensoren einen durch zwei Elektroden begrenzten Hohlraum auf, wobei eine der Elektroden durch eine elastische, elektrisch leitende Membran und die andere Elektrode durch eine der elektrisch leitenden Membran gegenüberliegende Kondensatorplatte gebildet wird. Eine Druckdifferenz zwischen dem im Hohlraum herrschenden Druck und dem Außendruck führt zu einer Biegung der Membran und damit zu einer Veränderung des Abstands zwischen der elektrisch leitenden Membran und der dieser Membran gegenüberliegenden Kondensatorplatte. Aus der damit einhergehenden Kapazitätsänderung des aus der elektrisch leitenden Membran und der Kondensatorplatte gebildeten Kondensators wird der auf den kapazitiven
Drucksensor einwirkende äußere Druck bestimmt. Ein derartiger typischer kapazitiver Drucksensor ist beispielsweise aus der EP 0 714 017 B1 bekannt, bei dem der Hohlraum zwischen zwei Elektroden mittels einer Opferschichtätzung hergestellt wird.
In der DE 101 21 394 Al wird ein kapazitiver Drucksensor beschrieben, der eine zweite
Elektrode aufweise, die die erste Elektrode weitgehend umschließt und auf dasselbe elektrische Potential gelegt wird. Dadurch wird erreicht, dass das zwischen der (dritten) Membranelektrode und der ersten Elektrode des kapazitiven Drucksensors vorhandene elektrische Feld bzw. Messfeld gegenüber elektrischen Störfeldern, die einen mikromechanischen Drucksensor umgeben können, weitgehend abgeschirmt ist. Dadurch wird eine Beeinflussung der zu erfassenden Kapazität als Maß für den erfassten Druck weitgehend unterdrückt.
Aus der DE 40 04 179 Al ist ein integrierbarer kapazitiver Drucksensor bekannt, bei dem eine erste Elektrode in einem Halbleitersubstrat und eine zweite Elektrode durch das
Abscheiden und das Dotieren einer polykristallinen Halbleiterschicht erzeugt wird. Dabei wird eine Abstandshalterschicht aufgebracht, die den späteren Drucksensorhohlraum festlegt. Diese Abstandshalterschicht wird zu einem nachfolgenden Zeitpunkt mittels eines Ätzvorgangs entfernt.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung beschreibt ein Herstellungsverfahren zur Erzeugung eines mikromechanischen Sensorelements, welches in monolithisch integrierbarer Bauweise erzeugt werden kann und eine kapazitive Erfassung einer physikalischen Größe aufweist. Neben dem Herstellungsverfahren wird ebenfalls eine mikromechanische Vorrichtung beschrieben, die ein derartiges Sensorelement enthält, wie beispielweise einen Drucksensor oder einen Beschleunigungssensor. Dabei ist vorgesehen, dass das Herstellungsverfahren aus verschiedenen Verfahrensschritten besteht, wobei wenigstens eine erste Elektrode im oder auf dem Halbleitersubstrat erzeugt wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass auf der ersten Elektrode eine erste Schicht aufgebracht wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die erste Schicht auch Teile des Halbleitersubstrats oder eine unter der ersten Elektrode befindliche und über lateral die erste Elektrode hinausgehende Isolierschicht bedeckt. Anschließend ist vorgesehen, eine erste Opferschicht aufzubringen, die aus einem ersten Opfermaterial besteht und wenigstens teilweise oberhalb der ersten Elektrode auf dem Halbleitersubstrat erzeugt wird. Auf die erste Opferschicht wird dann eine zweite Schicht aufgebracht, in der ein erstes Durchgangsloch erzeugt wird, so dass ein Zugang zur ersten Opferschicht entsteht. Auf die zweite Schicht wird eine zweite Elektrode aufgebracht. Mit einem zweiten Opfermaterial wird das erste Durchgangsloch verschlossen, so dass sich eine zweite Opferschicht vorzugsweise auf der zweiten Schicht bildet. Daraufhin wird die Membranschicht auf die zweite Elektrode und wenigstens einen Teil der an die zweite Elektrode angrenzenden zweiten Schicht aufgebracht. Dabei kann auch die zweite Opferschicht bedeckt werden. Anschließend wird in der Membranschicht ein zweites Durchgangsloch erzeugt, mittels dem ein Zugang auf die zweite Opferschicht ermöglicht wird. Durch das zweite und im Anschluss daran durch das erste Durchgangsloch kann das zweite und das erste
Opfermaterial herausgelöst werden. Dies geschieht bevorzugt durch einen plasmalosen Ätzvorgang. Anschließend wird auf die Membranschicht eine dritte Schicht aufgebracht, die wenigstens das zweite Durchgangsloch verschließt und somit einen Hohlraum im Bereich der ersten Opferschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erzeugt.
Der entscheidende Vorteil zum bekannten Stand der Technik ist die Entflechtung der mechanischen Funktion der Membran und der elektrischen Funktion der oberen Kapazitätselektrode. Weiterhin kann die obere Kondensatorelektrode durch einen dünnen, leitfähigen Film gebildet werden, der bei moderaten Temperaturen abgeschieden und unabhängig von der Membranschicht strukturiert werden kann. Durch die Verwendung der beiden Opferschichten kann der Ätzprozess kontrolliert beendet werden. Zudem wird durch das trockene, plasmalose Opferschichtätzen verhindert, dass Ätzrückstände zurückbleiben.
Vorteilhaft ist ebenfalls, vor dem Erzeugen der ersten Elektrode eine isolierende Schicht auf das Halbleitersubstrat aufzubringen. Somit kann verhindert werden, dass an der ersten Elektrode im
Messbetrieb Leckströme auftreten, die das Messsignal verfälschen. Derartige Leckströme können beispielweise bei einem pn-Übergang auftreten, wenn in einem p-Substrat eine n- Elektrode erzeugt wird. Darüber hinaus kann bei einer vom Substrat isolierten ersten Elektrode - A -
diese auf ein beliebiges Potential gelegt werden, ohne auf die Wechselwirkung mit dem Substrat achten zu müssen.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode ein n- oder p-leitendes dotiertes Halbleitermaterial oder Poly-Silizium aufweist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass wenigstens die erste oder die zweite Schicht ein Oxid, ein Nitrid oder TEOS aufweist. Während für das erste Opfermaterial Si oder SiGe vorgesehen sein kann, ist für das zweite Opfermaterial SiGe oder Poly-Silizium vorgesehen. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die zweite Elektrode ebenfalls Si, SiGe oder Poly-Silizium aufweist, während die Membranschicht vorzugsweise Nitrid, Oxid oder ein dielektrisches Material aufweist.
Schlussendlich kann vorgesehen sein, dass die dritte Schicht Nitrid aufweist.
Vorteilhafterweise weist die erste Schicht eine Schichtdicke von 40-250 nm, die erste Opferschicht eine Schichtdicke von 0,3-1 μm, die zweite Schicht ein Schichtdicke von 50-250 nm und die Membranschicht eine Schichtdicke von 100-1000 nm auf. Insgesamt kann durch den Einsatz der dünnen Schichten ein Schichtstapel mit sehr geringer Topographie erreicht werden. So sind Schichtstapel denkbar, die dünner als 1,7 μm sind und eine Topographie von < 0,5 μm aufweisen.
Um ein Verschließen des zweiten Durchgangslochs herbeizuführen, sollte die Schichtdicke der dritten Schicht größer als die Schichtdicke der zweiten Opferschicht gewählt werden. Somit kann genügend Material bereit gestellt werden, um das zweite Durchgangsloch zu verschließen.
Um eine möglichst gleichmäßige und ebene Membranschicht zu erhalten, kann vorgesehen sein, die Schichtdicke der zweiten Opferschicht in Abhängigkeit von der Schichtdicke der zweiten
Elektrode zu wählen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, beide Schichten in der gleichen Dicke aufzubringen.
Vorteilhafterweise erfolgt die Herstellung des mikromechanischen Sensorelements im Rahmen eines Standard IC-Processes (z.B. eines CMOS-Prozesses). Dabei können auf dem
Sensorelement Schaltungsteile erzeugt werden, die zur Kontaktierung des Sensorelements aber auch zur Erfassung und/oder zur Auswertung der Sensorsignale des Sensorelements verwendet werden. Dabei kann das Opferschichtätzen als klassischer Mikromechanikprozess u.U. an das Prozeßende (vor einer Passivierung) verlagert werden. Somit müsste kein Hohlraum in der CMOS-Linie verarbeitet werden, da die Prozesse Operfschichtätzen, Passivierung und gegebenenfalls Öffnung der Passivierung zur Kontaktierung des Sensorelements mit dem Mikromechanikprozess durchgeführt werden können. Darüber hinaus läge kein bewegliches Teil in der CMOS-Prozessierungslinie vor, wodurch eine Reduktion des Partikelrisikos erreicht wird.
Mittels des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens kann ein kapazitives Sensorelement erzeugt werden, welches im Vergleich zu bekannten Sensorelementen eine um mindestens eine Größenordnung reduzierte Parasitärkapazität aufweist. Damit ist ein höheres Signal/Rauschverhältnis möglich, so dass ein geringerer Flächenbedarf für das Sensorelement ermöglicht wird. Darüber hinaus resultiert die reduzierte Parasitärkapazität in einer verminderten Stromaufnahme für die Auswerteschaltungen. Eine Möglichkeit, die Parasitärkapazitäten noch weiter zu senken, besteht darin, den Isolierabstand zwischen den beiden Elektroden zu vergrößern. Dies kann neben der Wahl einer dickeren ersten Opferschicht auch dadurch geschehen, dass zwischen der ersten und der zweiten Schicht eine vierte isolierende Schicht aufgebracht wird, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass diese vierte Schicht nur teilweise zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist jedoch, wenn die vierte Schicht neben der ersten Opferschicht aufgebracht wird und eine vergleichbare Schichtdicke mit dieser aufweist. Dadurch kann die dritte Schicht zumindest im Bereich der ersten und/oder der zweiten Elektrode ohne ausgeprägte
Stufe erzeugt werden.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird der plasmalose Ätzprozess zur Herauslösung der ersten und der zweiten Opferschicht mit einem fluorhaltigen Ätzmaterial wie ClF3 und/oder XeF2 durchgeführt. Durch die Verwendung eines plasmalosen Ätzprozesses kann das Herauslösen der beiden Opferschichten nach der Erzeugung von Schaltungselementen durch einen CMOS-Prozess erfolgen. Eine thermische Zerstörung der dünnen Leiterbahnen innerhalb derartiger Schaltungselemente kann somit vermieden werden. Typischerweise können derartige Ätzprozesse bei Temperaturen zwischen -200C und 600C angewandt werden.
Allgemein können die beschriebenen Schichten des Sensorelements mit Standardequipment erzeugt werden. Die Schichtspannung der Membran kann dabei ggfs. mit einem RTA-Prozess (Rapid Thermal Annealing-Prozess) eingestellt werden. Neben dem Sensorelement kann ein Referenzmesselement auf dem Halbleitersubstrat erzeugt werden, welches vorteilhafterweise ebenfalls mit dem beschriebenen Verfahren des Hauptsanspruchs hergestellt werden kann. Dabei ist vorgesehen, dass in der ersten Opferschicht des Referenzelements zur Bildung von Stützstellen der Membran wenigstens ein drittes Durchgangsloch erzeugt wird, welches einen Zugang auf die erste Schicht ermöglicht. In einer
Weiterbildung der Erfindung kann dann vorgesehen sein, dieses wenigstens eine dritte Durchgangsloch mit dem Material der zweiten Elektrode und/oder mit dem Material der Membranschicht zu verfallen. Somit entsteht nach dem Herauslösen der ersten und der zweiten Opferschicht ein Hohlraum unterhalb einer Membran, die jedoch im Vergleich zum Sensorelement auf Säulen steht. Eine Bewegung der Membran kann somit reduziert, wenn nicht gar verhindert werden. Selbstverständlich hängt die Restbewegung der Membran davon ab, wieviele Durchgangslöcher bzw. Stützstellen/Säulen erzeugt werden und wie sie im Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden räumlich verteilt sind.
Durch eine zusätzlich leitfähige Schicht, die eine dritte Elektrode bildet, über dem gesamten
Sensorelement, kann eine Schirmung der Messelektrode(n) gegen äußere Störfelder erreicht werden (Faraday-Käfig). Eine solche dritte Elektrode kann beispielsweise aus einer weiteren Poly-Silizium-Schicht bestehen aber auch aus einer Metallschicht. In Verbindung mit dem CMOS-Prozess kann die Schicht aus einer der CMOS-Metallebene bestehen. Um mögliche Temperatureffekte zu vermeiden, kann die Schirmelektrode z.B. gitternetzartig strukturiert werden. Es kann jedoch auch eine Schirmwirkung erzielt werden, indem die zweite (obere) Elektrode auf Massepotential gehalten wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, oberhalb der ersten und zweiten Elektrode ein Masseelement mit insbesondere definierter seismischer Masse auf die Membran bzw. auf eine an die Membran angrenzende Passivierungsschicht zu bringen. Dabei kann das Masseelement mittels eines lokalen Abscheideverfahren, einem Dispensverfahren, einem Siebdruckverfahren oder einem bekannten mikromechanischen Strukturierungsverfahren erzeugt werden.
Mit einem derartigen Masseelement auf der Membran kann in einfacher Bauweise ein Beschleunigungssensor unter Verwendung eines kapazitiven Sensorelements erzeugt werden. Dabei kann die Empfindlichkeit leicht zum einen über die Wahl der Masse und zum anderen über die Ansteuerung und Auswertung der beiden Elektroden eingestellt werden, bspw. durch einen Offsetabgleich bei der Initialisierung des Sensorelements. Durch Verwendung mehrerer Membranzellen mit unterschiedlich schweren Masseelementen kann darüber hinaus auch eine größere Bandbreite an möglichen Beschleunigungswerten abgedeckt werden. Vorteilhafterweise besteht jede Membranzelle aus zwei Elektroden, einem zwischen den Elektroden befindlichen Hohlraum und einer Membran, wobei Auflagevorrichtung in dem Hohlraum vorgesehen sind, die ein Durchbrechen der Membran bei übermäßiger Durchbiegung verhindern.
Mittels eines derartigen Beschleunigungssensors kann auf eine kostenaufwendige Verkappung sonst gebräuchlicher Beschleunigungssensoren zum Schutz vor dem Sägen, der Vereinzelung bzw. der Montage verzichtet werden. Vorteilhaft ist auch die einfache Einstellung der
Empfindlichkeit durch die definierte Wahl der Masse, wobei wie dargestellt auch einfach mehrkanalige Elemente erzeugt werden können.
Allgemein können im Zusammenspiel von CMOS-Prozessen und mikromechanischen Verfahrensschritten zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Sensorelements die Schichten und die Ebenen aufeinander abgestimmt und somit gemeinsam verwendet werden. Daraus ergibt sich ein effizienterer und somit kostengünstigerer Herstellungsprozess.
Vorteilhafterweise können die erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorelemente durch die Verwendung von Polysiliziumelektroden, die durch Oxidschichten vom Substrat als auch von weiteren Schichten getrennt sind, bei hohen Temperaturen eingesetzt werden. Dies hat beispielweise Vorteile bei der Verwendung als Reifendrucksensor, da hinzukommend auch eine geringe Stromaufnahme notwendig ist, und als Brennraumdrucksensor.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
Figur Ia bis k Prozessschritte zur Erzeugung des erfindungsgemäßen kapazitiven
Sensorelements Figur 2 Aufsicht auf das kapazitive Sensorelement
Figur 3a und b Einfügen einer zusätzlichen Isolierschicht Figur 4a und b Referenzelement mit Stützsäulen Figur 5a bis c Beschleunigungssensor Figur 6a und b Änderung der Membraneinfassung Figur 7a bis h Alternativer Prozessverlauf zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorelements
Ausführungsbeispiele
In den Figuren Ia bis k ist ein möglicher Herstellungsprozess eines erfindungsgemäßen monolithisch integrierten kapazitiven Sensorelements mittels mikromechanischer Verfahrensschritte dargestellt. Dabei wird gemäß der Figur Ia zunächst in oder auf einem Halbleitersubstrat 100 eine erste Elektrode 110 beispielsweise durch eine n-Dotierung erzeugt. Darüber hinaus können auf oder in dem Halbleitersubstrat 100 Anschlussgebiete 104 oder Isolationsgebiete 105 geschaffen werden. In anderen Bereichen des Halbleitersubstrats können
Gates mit Gate-Oxid, PoIy etc. ausgebildet werden.
In Figur Ib wird auf der gesamten Schaltung eine erste Schicht 115 mit einer Dicke von 40-250 nm aufgebracht. Die Abscheidung der ersten Schicht erfolgt dabei bei Temperaturen < 9000C und dient dazu, die erste Elektrode 110 bzw. die Gebiete 104 bzw. 105 gegen einen Angriff von
ClF3, XeF2 oder ähnlichem zu schützen. Vorzugsweise besteht die erste Schicht 115 aus Oxid oder Nitrid, bevorzugt jedoch aus einer TEOS-Schicht, die bei 4000C mit einer Ozon- Unterstützung in einer bevorzugten Dicke von 100 nm auf die Oberfläche aufgebracht wird. Bei der Verwendung von thermischem Oxid (beispielsweise dickes Gateoxid) für die erste Schicht 115 genügen bereits 40 nm (oder weniger). Hauptverwendung der ersten Schicht 115 ist neben der Isolierung der ersten Elektrode 110 ein Schutz gegen das nachfolgende plasmalose Ätzen, beispielsweise durch ClF3. Deshalb ist eine Forderung an die ersten Schicht 115, dass sie dicht und resistent gegenüber den dabei verwendeten Ätzmaterialien ist. Wie in Figur Ic dargestellt ist, wird auf die erste Schicht 115 eine erste Opferschicht 125 aus Si oder SiGe mit einer Dicke von 0,3-1 μm abgeschieden. Hierfür wird ein Abscheideverfahren gewählt, das bei Temperaturen unter 900° C verwendet werden kann. Die erste Opferschicht 125 kann dabei beispielsweise mit PECVD als amorphe oder teilkristalline Si-Schicht, bevorzugt jedoch mit LPCVD bei einer Temperatur <680°C mit einer Schichtdicke von 450-
550 nm abgeschieden werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Oberflächenrauhigkeit (Ra) der ersten Opferschicht 125 kleiner als 100 nm beträgt. Die erste Opferschicht 125 wird im folgenden so strukturiert, dass sich wenigstens ein Teil der ersten Opferschicht 125 über der ersten Elektrode 110 befindet. Auf der übrigen Oberfläche kann die erste Opferschicht 125 hingegen entfernt werden. Der Strukturierungsschritt bzw. die Lithografie-Technik wird bevorzugt derart geführt, dass keine scharfe Kante, sondern relativ weiche Strukturflanken entstehen. Hierdurch kann die Stabilität der Druckmembran bei extremen Drucküberlasten weiter erhöht werden.
Figur Id zeigt die Erzeugung einer zweiten Schicht 130, die ganzflächig über der ersten
Opferschicht 125 und der restlichen Oberfläche des Substrats abgeschieden wird. Die Schichtdicke der zweiten Schicht 130 liegt vorzugsweise zwischen 50 und 250 nm und wird bei Temperaturen unterhalb 9000C abgeschieden. Mit dieser zweiten Schicht 130 aus Nitrid oder Oxid soll eine gegenüber dem nachfolgenden plasmalosen Ätzprozess resistente Schicht erzeugt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die zweite Schicht 130 aus einer 100 nm dicken, mit Ozon unterstützten TEOS-Schicht zu bilden. Derartige TEOS:O3-Schichten weisen allgemein dichte Oberflächen und Resistenz gegen C1F3-Ätzungen auf. Weiterhin zeigen derartige Schichten sehr gute Kantenbedeckungen und die Eigenschaft, Oberflächenrauhigkeiten sehr effizient zu glätten, so dass die Rauhigkeit der ersten Opferschicht 125 teilweise ausgeglichen wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn auch nicht zwingend erforderlich, wenn die Schichtspannung der zweiten Schicht 130 klein ist bzw. die zweite Schicht 130 eine leichte Zugspannung aufweist. Falls eine Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der zweiten Schicht 130 und der noch aufzubringenden Membranschicht 140 zu einer unterwünschten Temperaturdrift in der Empfindlichkeit bzw. im Sensor-Offset führt, kann die zweite Schicht im gleichen Werkstoff wie die Membranschicht
140 ausgebildet werden (z.B. beide in LPCVD-Nitrid).
Um für den nachfolgenden Ätzprozess einen Zugang zu der ersten Opferschicht 125 zu erhalten, wird beispielsweise mittels eines geeigneten Trockenätzverfahrens in einem weiteren Verfahrensschritt in die zweite Schicht 130 ein erstes Durchgangsloch 155 erzeugt (siehe Figur Ie). Das erste Durchgangsloch 155 kann an einer oder mehreren Stellen der zweiten Schicht 130 angebracht sein. Bei der Strukturierung der zweiten Schicht 130 endet der Ätzprozess auf der ersten Opferschicht 125, jedoch schadet es dem weiteren Prozessfluss nicht, wenn durch den Ätzprozess auch ein Teil der ersten Opferschicht 125 im Bereich des ersten Durchgangslochs
155 angegriffen und herausgelöst wird. Bei einem ungünstigen Ätzverhältnisses kann der Ätzprozess auch zeitgesteuert sein. Allgemein ist darauf zu achten, dass bei der Strukturierung, d.h. bei der Erzeugung des ersten Durchgangslochs 155, die Kanten des ersten Opferschichtbereichs 125 ausreichend mit Fotolack bedeckt bleiben, um einen unkontrollierten Angriff der zweiten Schicht 130 an den Strukturflanken zu vermeiden.
Im nächsten Verfahrensschritt (siehe Figur If) wird auf die zweite Schicht 130 eine Elektrodenschicht zur Bildung einer zweiten Elektrode 135 abgeschieden. Die Elektrodenschicht besteht dabei vorzugsweise aus Poly-Silizium, welches mittels eines geeigneten Verfahrens bei moderaten Temperaturen unterhalb 9000C erzeugt und leitfähig gemacht wird. Die Leitfähigkeit der zweiten Elektrode 135 muss dabei nicht sehr hoch sein, um die gewünschte Funktion im kapazitiven Sensorelement zu erfüllen. Eine Möglichkeit, die Elektrodenschicht leitfähig zu machen besteht darin, die Schicht mittels einer Dotierung durch Ionenimplantation zu erzeugen. Der dabei notwendige Ausheilschritt kann dann mit einem Annealing für untere poly-Schichten aus der CMOS-Prozessierung kombiniert werden (z.B. poly-Gate). Diese Elektrodenschicht 135 kann jedoch auch aus Metall bestehen, wobei in diesem Fall eine andere Verschlusstechnik als nachfolgend beschrieben angewendet werden muss.
Bei der Verwendung von poly-Silizium oder poly-SiGe als Material für die zweite Elektrode
135 kann gleichzeitig mit der Elektrodenschicht im Bereich des ersten Durchgangsloches 155 eine poly-Bahn erzeugt werden, die später als Ätzzugang für den nachfolgenden plasmalosen Ätzvorgang verwendet werden kann. Allgemein wird eine zweite Opferschicht 170 aus einem zweiten Opfermaterial erzeugt, welche sowohl das erste Durchgangsloch 155 verfüllt als auch einen Teil der neben dem ersten Durchgangsloch 155 liegenden zweiten Schicht 130 abdeckt.
Dadurch kann mittels eines zweiten Durchgangslochs 160 ein versetzter Ätzzugang 175 mit Zugang zur ersten Opferschicht 125 erzeugt werden (siehe dazu die Figuren Ig und Ih). Vorzugsweise wird die Schichtdicke der zweiten Opferschicht an die Schichtdicke der ersten Opferschicht angepasst, um Stufen auf der Oberfläche der Membranschicht zu vermeiden. Über der Elektrodenschicht zur Bildung der zweiten Elektrode 135 wird, wie in Figur Ig dargestellt, eine Membranschicht 140 aufgebracht, die zusammen mit der zweiten Schicht 130 und der nachfolgend aufzutragenden dritten Schicht 145 die tragende Funktion der Membran einstellt. Zu diesem Zweck wird die Membranschicht 140 bei Abscheidetemperaturen <900°C auf Zugspannung ausgelegt. Durch die bevorzugte Wahl eines LPCVD-Nitrids als Material der Membranschicht 140 kann diese resistent gegenüber dem plasmalosen Ätzverfahren ausgestaltet werden. Darüber hinaus ist jedoch auch die Verwendung von anderen Nitrid- oder Oxidschichten möglich, die reproduzierbar hinsichtlich Zugspannung und Schichtdicke abgeschieden werden können. Allgemein ist vorgesehen, die Membranschicht 140 mit einer
Schichtdicke von 100 nm bis 1 μm zu erzeugen, wobei im Fall der Wahl des LPCVD-Nitrids eine Schichtdicke von 200 bis 500 nm ausreichend ist. Zur Verbesserung der Resistenz der Membranschicht 140 gegenüber dem plasmalosen Ätzverfahren kann auf die Membranschicht 140 eine sehr dünne Oxidschicht abgeschieden werden (nicht gezeigt). Zur Vorbereitung des Herauslösens des ersten und zweiten Opfermaterials bzw. der ersten und zweiten Opferschicht wird in die Membranschicht 140 ein zweites Durchgangsloch 160 erzeugt, welches bis zur zweiten Opferschicht führt und eine zum ersten Durchgangsloch 155 versetzte Öffnung aufweist. Diese Öffnung 160 stellt den Ätzzugang 175 an die erste Opferschicht 125 über die zweite Opferschicht 170 und das erste Durchgangsloch 155 her. In Experimenten hat sich gezeigt, dass ein plasmaloser Ätzprozess mittels ClF3 reaktionslimitierte Ätzraten aufweist und nahezu unabhängig von der Schichtdicke der poly-Opferschicht ist. Beim Einsatz von XeF2 wurden dagegen transportlimitierte Ätzraten mit einer starken Schichtdickenabhängigkeit beobachtet. So sind die Ätzraten bei sehr dünnen Schicten um bis zu 800% gegenüber Schichten mit Dicken > 20 μm erhöht. Die Dicke der beiden Opferschichten hat demnach bei den im vorliegenden Verfahren verwendeten Schichtdicken keinen negativen Einfluss auf das
Opferschichtätzen.
Beim Opferschichtätzen mittels ClF3 oder XeF2 werden alle freiliegenden poly- Siliziumschichten sehr rasch geätzt (siehe Figur Ih). Die Substratrückseite kann, muss aber nicht mit einem Oxid oder Nitrid geschützt werden. ClF3 gelangt über das „Ätzventil" 175 an die Opferschichten 170 und 125 und entfernt mit Raten von bis zu 10 μm/min das poly-Silizium bzw. das Opfermaterial in den beiden Schichten. Durch den plasmalosen Ätzprozess mittels ClF3 kann eine Temperatur von -20°c bis 600C während des Ätzschritts verwendet werden, wodurch schon prozessierte Schaltungsteile in einem vorhergehenden CMOS-Prozess nicht beeinträchtigt werden. Darüber hinaus können auch Schutzschichten aus Fotolack verwendet werden, um bestimmte Bereiche zu schützen.
Da Al nicht von ClF3 geätzt wird, kann der Opferschichtätzprozess auch nach Abscheidung und Strukturierung der letzten Metallebene im CMOS-Prozess erfolgen. In diesem
Ausführungsbeispiels wird zunächst kein Hohlraum erzeugt, der ansonsten während der CMOS- Verdrahtung geschützt werden müsste. Somit entfällt die Gefahr einer mechanischen Zerstörung durch das Prozesshandling bzw. durch die Reinigung im Ultraschall. Die Erzeugung und der Verschluss des Hohlraums erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel am Ende des CMOS- Prozeßes durch die letzte Passivierungsschicht, die den Ätzzugang 175 verschließt.
Allgemein kann gemäß Figur Ij der Ätzzugang 175 mittels einer dritten Schicht 145 bei Temperaturen <900°C verschlossen werden. Dabei wird das zweite Durchgangsloch 160 mit dem Material der dritten Schicht 145 derart verfüllt, dass ein Stopfen 180 entsteht, der im Hohlraum 120 einen beim Verschließen herrschenden defϊnierbaren Referenzdruck einschließt.
Der laterale Versatz der beiden Durchgangslöcher verhindert dabei, dass das Material der dritten Schicht 145 in den Hohlraum 120 eindringt und diesen verfüllt. Wird die Schichtdicke der dritten Schicht 145 derart gewählt, dass sie etwas größer als die Schichtdicke der zweiten Opferschicht ist, kommt es aufgrund des ausreichenden Materialangebots zu einem hermetischen Verschluss des Ätzzugangs 175, da die Deposition der dritten Schicht 145 und die
Kantenbedeckung bzw. der Umgriff der Abscheidung zu einem großflächigen Verschluss mit ausreichender Verschlusstiefe führt. Für die dritte Schicht 145 kann ein LPCVD- aber auch ein PECVD-Prozess verwendet werden. Bevorzugt ist die dritte Schicht 145 aus Nitrid mit geringer Defektdichte, da hierfür eine gute Langzeitstabilität bezogen auf die Gasdichtheit bekannt ist. Zusätzlich kann in einer der Metallebenen des CMOS-Prozesses eine weitere Verstärkung der
Abdichtung im Bereich 180 erreicht werden.
Nach dem Verschließen des Hohlraums 120 erfolgt die weitere Erstellung der Verdrahtungsebenen im CMOS-Prozess. Ansatzweise ist dazu in Figur Ik ein Metallpad 150 gezeigt, der über ein Kontaktloch durch die Membranschicht 140 und die dritte Schicht 145 hindurch an die zweite Elektrode 135 angebunden ist. Die erste Elektrode 110 wurde dagegen durch einen früheren CMOS-Prozessschritt kontaktiert (nicht gezeigt). Wenn das Opferschichtätzen nach der letzten Metallprozessierungsebene erfolgt, muss die Kontaktierung vorher abgeschlossen sein. Dann liegt die Passivierung, die durch die dritte (Verschluss-) Schicht 145 gebildet wird, auf dem Metallpad 150 und muss geöffnet werden.
In Figur 2 ist eine schematische Aufsicht auf einen mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten kapazitiven Sensor mit der ersten Elektrode 110, der darüber liegenden poly-
Opferschicht 125 (bzw. dem Hohlraum 120), der zweiten Elektrode 135 und der darüber liegenden Membranschicht 140, die im Bereich der ersten Opferschicht 125 durch Opferschichtätzen freitragend ausgebildet ist. Die zweite Elektrode 135 ist über eine Leiterbahn 185 neben die freitragende Membran geführt, wo sie an eine Metallbahn bzw. ein Metallpad 150 angeschlossen werden kann. Im rechten Bereich der Figur 2 ist das Ätzventil 175 gezeigt.
Mit dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung können die Parasitärkapazitäten gegenüber den bekannten Lösungen bei der Herstellung von kapazitiven Sensorelementen reduziert werden. Dies liegt u.a. daran, dass lediglich eine sehr schmale Leiterbahn 185 von der Membran weggeführt wird und nicht wie bei bekannten kapazitiven Sensoren die obere
Elektrode in vollem Umfang mit einer sehr breiten Auflage über den äußeren Anschlussgebieten im Substrat geführt werden, da die Elektrode bei bekannten Sensoren gleichzeitig die tragende Membrankonstruktion darstellt. Darüber hinaus kann der Isolierabstand, bestehend aus den Schichten 115 und 130 bei dem vorliegenden kapazitiven Sensorelement sehr viel größer gewählt werden. Zusätzlich kann eine weitere Isolierschicht 300 (siehe Figur 3b im Vergleich zur Figur 3a) aus Oxid oder Nitrid über der ersten Schicht 115 verwendet werden, um den Isolierabstand weiter zu erhöhen. Dabei kann es vorteilhaft sein, diese Isolierschicht 300 lediglich im Bereich der Kontaktierung 310 einzuführen und/oder deren Schichtdicke an die Schichtdicke der ersten Opferschicht 125 anzupassen.
In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass neben dem bereits geschilderten kapazitiven Sensorelement ein Referenzelement erzeugt wird. Für die Ausbildung eines Referenzelements, mit dessen Hilfe beispielsweise der Offset des Sensorelements bestimmt werden kann, werden innerhalb der ersten Opferschicht 125 Durchgangslöcher bis auf die erste Schicht 115 erzeugt. Mit diesen Durchgangslöchern können kraftschlüssige aber elektrisch isolierte Stützen 400 bzw. 410 unter der Druckmembran ausgebildet werden, die mechanisch die Membran an das Substrat anbinden. Durch das Opferschichtätzen entsteht so ein mit Stützen bzw. Säulen abgestützter Hohlraum 420. Wie in den Figuren 4a und 4b gezeigt, kann dabei vorgesehen sein, das Elektrodenmaterial der zweiten Elektrode 135 in die Vertiefung der Stütze 400 zu integrieren oder eine entsprechende Aussparung vorzusehen, so dass die Stütze 410 eine geringere Störkapazität als die Stütze 400 erzeugt.
Ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel ist beispielhaft anhand der Figuren 6a und 6b dargestellt. Dabei sind mehrere mikromechanische Sensorelemente dargestellt, die mittels einer
Prozesskombination mit einem CMOS-Prozess erzeugt worden sind. In den beiden Figuren sind so ein CMOS-Transistor 665, ein CMOS-Kondensator 670 und ein entsprechend den Figuren Ia bis k beschriebenes Sensorelement 675 dargestellt. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Sensorelement der Figur Ik und dem Sensorelement 675 nach Figur 6a besteht jedoch darin, dass auf dem (Halbleiter-)Substrat 600 eine isolierende (Oxid-)Schicht 610 aufgebracht wurde, die die untere bzw. erste Elektrode 620 weitestgehend vom Substrat 600 thermisch und/oder elektrisch isoliert. Eine Beeinflussung des Messergebnisses, beispielsweise durch einen Leckstrom in das Substrat, kann somit verhindert werden. Darüber hinaus kann durch die Verwendung einer derartigen Isolierschicht 610 das Potential an dieser ersten Elektrode 620 beliebig gewählt werden. Im übrigen weist das Sensorelement 675 ebenfalls einen Hohlraum
630 zwischen der ersten Elektrode 620 und der darüber liegenden zweiten Elektrode 640 auf, die beide beispielsweise aus poly-Silizium bestehen können. Das Tragegerüst 650 der zweiten Elektrode 640 ist vorzugsweise aus Nitrid, so dass ebenso wie beim Sensorelement nach Figur Ik eine Entflechtung der mechanischen Funktion der Membran und der elektrischen Funktion der zweiten, oberen Kapazitätselektrode stattfindet.
Im Aufbau der Figur 6a sind mehrere Schichten dargestellt, die im Folgenden nicht näher ausgeführt werden sollen. Dabei handelt es hauptsächlich um isolierende Oxidschichten 615 und Metallschichten 685, die für die Funktion der einzelnen mikromechanischen Bauelemente 665, 670 und 675 verwendet werden oder als reine Kontaktierungen dienen. Abschließend ist bei einer derartigen Schichtfolge üblicherweise vorgesehen, die erzeugten Schichten bzw. die Metallebenen vor Umwelteinflüssen mit einer Passivierungsschicht 660, beispielsweise aus Nitrid zu schützen. Dabei können neben der Zuführung des Mediums auf die Membran auch bestimmte Oberflächenbereiche des Schichtstapels als Kontaktierungsstellen für externe Schaltungen geöffnet bleiben.
Eine weitere Verbesserung bzw. Stabilisierung der Messwerterfassung durch das beschriebene kapazitive Sensorelement lässt sich durch die Verwendung einer (Ab-)Schirmung erreichen. Durch eine derartige (Ab-)Schirmung kann die Beeinflussung des Messsignals durch äußere Störfelder, äußere Gegenstände, Schmutz oder weitere Schichten im Herstellungsprozess vermindert werden. Zu diesem Zweck kann die äußere bzw. zweite Elektrode 640 des Sensorelements auf Massepotential gelegt werden, z.B. durch elektrisches Verbinden mit dem Substratwafer oder durch niederohmige Klemmung. Dadurch wird die untere bzw. erste Elektrode 620 vor äußeren Störfeldern abgeschirmt (Faraday-Käfϊg). Die Auswertung des
Messkondensators 675, der aus den beiden Elektroden gebildet wird, kann z.B. dadurch geschehen, dass eine Ladung auf die untere Elektrode 620 gebracht wird, die durch einen Ladungsverstärker in ein Spannungssignal umgewandelt wird (Switched-Capacitor-Schaltung). Diese Ausgangsspannung ist proportional zur Kapazität des Messkondensators 675. Durch die schirmende Wirkung ist der Sensorchip unabhängig von äußeren Störfeldern aber auch von äußeren Gegenständen, die eine unterschiedliche Dielektrizität aufweisen oder leitfähig sind. Solche Gegenstände können z.B. Schmutz, weitere Schichten im Prozess oder das Sensorgehäuse sein. Ein geschirmter Kondensator ist auch unempfindlich gegen äußere Annäherungen oder Medien die auf den Sensor gebracht werden, da sie das Feld des Messkondensators nicht beeinflussen können.
Eine weitere Möglichkeit, eine Schirmung zu erreichen, besteht darin, eine zusätzliche leitfähige Schicht über dem gesamten Druckmesskondensator aufzubringen. Eine solche Schicht kann beispielsweise aus einer weiteren Polysilizium-Schicht bestehen oder aus einem Metall. In Verbindung mit dem CMOS-Prozess kann die Schicht aus einer der CMOS-Metallebenen bestehen. Um mögliche Temperatureffekte zu vermeiden, kann die Schirmelektrode z.B. gitternetzartig strukturiert werden.
Die Funktion des kapazitiven Sensorelements hängt stark von den unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Schichten von Membran und
Membraneinspannung ab. Der Schichtstress erzeugt ein Verwölben der Membran, das dem eigentlichen Messsignal überlagert wird. Werden für die Membran Materialien mit etwa gleicher Dicke verwendet, wirkt sich der Schichtstress besonders stark aus (Bimetall-Effekt). Einen ebenfalls großen Einfluss hat die Membraneinspannung auf die Sensorfunktion. Die selben Effekte, wie eben für die Membran beschrieben, treten auch im Bereich der
Membraneinspannung auf. Verändert sich die Geometrie der Einspannung über der Temperatur, verändern sich Kraft und Moment entlang der Einspannung. Dies führt zu einem störenden Auslenken der Membran in Abhängigkeit von der Temperatur. Dies kann zwar zu einem Großteil in der Auswerteschaltung kompensiert werden, was allerdings bei höhergradigen Effekten aufwändig und mit zusätzlichen Kosten verbunden wird.
Ein Ausführungsbeispiel, bei dem der negative Effekt der Membraneinspannung reduziert ist, ist in Figur 6b dargestellt. Die Membran wird durch die größere Dicke hauptsächlich durch
Polysilizium definiert. Die Schichten ober- und unterhalb der poly-Silizium-Schicht 640 sind annähernd symmetrisch aufgebaut, so dass sich der Stress kompensiert. Die Membran in Figur 6b wird nur durch das Membranmaterial am Rand eingespannt, dabei definiert der Hohlraum darunter die Membrankante. Somit wird die Membran durch die laterale Begrenzung der ersten Opferschicht bzw. des Hohlraums definiert, so dass thermische Längenänderungen durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten keinen Einfluss mehr haben. Darüber hinaus wird die Membraneinspannung 680 durch keine weiteren Materialien gestört. Die Polysiliziummembran ist nur über eine Oxidschicht mit den Bulksilizium verbunden, das denselben Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzt.
Eine alternative Möglichkeit, die verschiedenen Oxid- und Nitridschichten über der Membran zu entfernen, besteht darin, dass über der zweiten, oberen Elektrode 640 kein Nitrid sondern BPSG abgeschieden wird (nicht gezeigt). BPSG ist im CMOS-Prozess die nächste Isolationsschicht, die abgeschieden wird. Wenn auf der Membran das erste Metall (z.B. 685) nicht weggeätzt wird, kann es am Schluss beim Ätzen der Oxid- und Nitridschichten als
Ätzstopp verwendet werden. Anschließend wird das Metall entfernt und die Passivierung abgeschieden. Als weitere Ausführungsform kann die Polysiliziummembran nach Figur 6b beim Ätzen des Oxid-Nitridstapels als Ätzstoppschicht verwendet werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfϊndungsgemäße mikromechanische kapazitive Sensorelement wie es in Figur 5a gezeigt wird, als Ausgangselement für die Erzeugung eines Beschleunigungssensors verwendet. Neben der bereits bekannten ersten Elektrode 510, der zweiten Elektrode 535, dem zwischen den Elektroden befindlichem Hohlraum 520 und der Membran 540 ist auf dem (Halbleiter-)Substrat 500 eine bereits erwähnte Isolationsschicht 505 aufgebracht worden. Zur Realisierung des
Beschleunigungssensors wird auf die Membran 540 ein Masseelement 570 aufgebracht, wie es in Figur 5b dargestellt ist. Durch die Erhöhung der Masse der Membran wird das Sensorelement empfindlich auf Beschleunigungen, d.h. es kann v.a. senkrecht zur Chipebene eingesetzt werden. In diesem Feder-Masse-System wird die Steifigkeit durch die Ausdehnung und die mechanische Eigenschaften der Membran bestimmt. Werden darüber hinaus drei derartige Beschleunigungssensoren jeweils in einem rechten Winkel betrieben, können alle Raumrichtungen abgedeckt werden.
Das Masseelement 570 kann nach Fertigstellung des integrierten kapazitiven Membransensors mit einer definierten Masse aufgebracht werden. Hierfür können lokale Abscheideverfahren verwendet werden, wie sie beispielsweise in dem Inkjet-Druckverfahren aus der DE 103 15 963 Al bekannt sind. Weiterhin ist denkbar, Dispensverfahren zu verwenden, bei denen winzige Mengen an Lacken in kontrollierter Weise aufgebracht werden können. Darüber hinaus sind jedoch auch bekannte Siebdruckverfahren verwendbar. Der Abscheidung kann ein
Temperschritt folgen, bei dem die aufgebrachte Substanz aushärtet. Als Substanz für das Masseelement 570 können einfache Farbstoffe, Lacke, Polymere, Suspensionen oder ähnliche Materialien verwendet werden, die auf kontrollierte Weise verarbeitet werden können.
Alternativ kann auch eine Schicht ganzflächige aufgebracht werden, die in einem anschließenden Schritt mittels eines bekannten (mikromechanischen) Maskierverfahrens strukturiert wird, so dass ein definiertes Masseelement 570 über der dielektrischen Membran 540 stehen bleibt.
In Figur 5c ist die Verteilung von Masseelementen 570 und 580 mit unterschiedlichen Massen über mehrere Membranzellen dargestellt. Durch die laterale Ausdehnung und die Massebelegung der kapazitiven Sensormembran kann die Empfindlichkeit des Intertialsensors bestimmt werden. Auf diese Weise können Nieder-g- bis Hoch-g- Anwendungen mit ausreichender Genauigkeit abgedeckt werden. Durch die Membranform der Feder wird eine hohe Überlastfestigkeit erreicht. Querbeschleunigungen in x- und y-Richtungen (in-plane zum
Chip) haben einen geringen Einfluss auf das Sensorsignal. Eine hohe Überlastsicherheit kann zusätzlich dadurch erreicht werden, dass die Membran im Falle einer Überbelastung aufliegen kann, wodurch die Membranmitte unterstützt wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 7a bis h dargestellt. Mit diesem
Ausführungsbeispiel wird ein weiterer Prozess beschrieben, bei dem die Integration eines Drucksensorelements und einer CMOS-Auswerteschaltung monolithisch auf einem Substrat erfolgt. Durch Nutzung von Synergien in der Schichtfolge des Drucksensorelements und der CMOS-Auswerteschaltung sind für die Herstellung des Sensorelements - im Vergleich zum CMOS-Prozess - nur wenige zusätzliche Schichten und Fotolithographieschritte notwendig.
Die Basis für den in den Figuren 7a bis h zu beschreibenden Prozessfluss stellt ein CMOS- Prozess dar, in dem durch Einfügen einer siliziumhaltigen Opferschicht vor den Metalllagen des
CMOS-Prozesses, ein Drucksensorelement 675 mit dielektrischer Membran und eingebetteter poly-Silizium-Elektrode ausgebildet wird. Ermöglicht wird dies u.a. durch einen Silizium- Opferschichtätzschritt mit ClF3 und Trennung der mechanischen und elektrischen Funktionalität der Membranschicht. Der Prozessfluss wird deshalb unter dem Gesichtspunkt optimiert, dass die am CMOS-Prozess geänderten Schritte die Funktionalität der CMOS-Schaltungselemente
(Transistor 665, Kondensator 670) nicht oder nur wenig verändert.
Ausgangspunkt für den Prozess ist ein (Halbleiter-)Substrat 700, auf das eine strukturierte ca. 700 nm dicke LOCOS-Schicht 710 zur thermischen und elektrischen Isolation abgeschieden wird, wie in Figur 7a dargestellt ist. Auf diese LOCOS-Schicht 710 wird für die untere
Elektrode des Kondensators eine ca. 300 nm dicke Schicht 720 und für die untere Elektrode des Drucksensorelements eine ebenso dicke Schicht 725 aus poly-Silizium gebildet. Zur Bildung des späteren Transistors wird auf dem Substrat 700 eine ca. 40 nm dicke Opferoxid-Schicht 730 (Schicht, aus der später das GateOxid 735 gebildet wird) erzeugt. Auf die Schicht 725 wird eine Schicht 740 aus GateOxid aufgebracht, wie in Figur 7b gezeigt, die die untere Elektrode des
Drucksensorelements von der im nachfolgenden Schritt abgeschiedenen siliziumhaltigen Opferschicht 750 abtrennt (siehe Figur 7c). Durch das GateOxid wird die untere Elektrode 725 für den späteren C1F3-Ätzangriff passiviert. Als Opferschicht wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine ca. 1000 nm dicke PolyO-Schicht 750 verwendet. Die Dicke der Schicht 750 ist dabei abhängig von dem anzustrebenden Empfindlichkeitsbereich, liegt aber typischerweise in der Größenordnung von 1 μm zur Vermeidung von übermäßiger zusätzlicher Topographie. Ein ONO-Schichtsystem 755, das im CMOS-Prozess durch thermische Oxidation, Abscheidung von SiN und Reoxidation erzeugt wird, umschließt die Opferschicht 750 und bildet eine Abgrenzung der Opferschicht 750 zur oberen Elektrode des Drucksensorelements. Im gleichen Prozessschritt kann auf die untere Elektrode des CMOS-Kondensators 670 ebenfalls ein ONO-Schichtsystem 754 aufgebracht werden, welches als Dielektrikum dient. Bei der Strukturierung der ONO-Schicht 755 wird der Ätzzugang 764 zur Opferschicht 750 freigelegt. Es folgt die Formierung des GateOxids, das sofort anschließend durch eine dünne poly-Siliziumschicht (thinPoly) geschützt wird. Nach der Abscheidung der thinPoly-Schicht wird ein zusätzlicher Lack- und Ätzschritt durchgeführt, der den Ätzzugang 764 zur siliziumhaltigen Opferschicht 750 freilegt. Wie in Figur 7d gezeigt, wird anschließend eine ca. 300 nm dicke zweite poly-Silizium-Schicht, die im CMOS-Prozess sowohl die Gate-Elektrode 737 des Transistors 665 als auch die obere Elektrode 760 des Kondensators 670 bildet. Darüber hinaus wird mit dieser zweiten poly-Silizium-Schicht auch die obere Elektrode 785 des
Drucksensorelements 675 erzeugt, die in Kombination mit der unteren Elektrode die elektrische Funktionalität des Drucksensors definiert. Gleichzeitig wird auch der Ätzzugang 764 mit einer poly-Silizium-Schicht 745 verschlossen, über die der spätere Ätzzugang zur Opferschicht 750 geführt wird. In Figur 7f sind die drei Elemente (Transistor 665, Kondensator 670 und Drucksensorelement 675) im Querschnitt nach Abscheidung und Strukturierung einer ca. 200 nm dicken SiN-Schicht 775 abgebildet. Deutlich ist auch der zweite Ätzzugang 765 auf die zweite poly-Siliziumschicht 745 zu erkennen, die den Ätzkanal auf die Opferschicht 750 bildet. SiN wird im CMOS-Prozessfluss zur Herstellung von Spacern um die Gate-Elektrode benutzt. Diese Spacer werden für eine folgende selbstjustierte Implantation der Drain- und Source- Gebiete benötigt. Für den Drucksensor wird SiN als Membranschicht verwendet, die im endgültigen Sensorelement die mechanische Funktionalität übernimmt. In Figur 7e ist eine Aufsicht auf eine mögliche Implementation des Drucksensors gezeigt. Die zentrale kreisförmige Region stellt den durch Druck auslenkbaren Bereich dar. Der Anschluss 780 der oberen Elektrode 785 und der Anschluss 770 der unteren Elektrode 725 sowie der Ätzzugang 765 sind ebenfalls dargestellt. Wie anhand der Figur 7g gezeigt wird, werden in den nächsten
Prozessschritten im Wechsel mittels eines TEOS-Prozesses SiO2-Isolationsschichten 800, 810, 820 und 830 und Metallschichten 790, 835, 840 und 845, die zur Verdrahtung der CMOS- Elemente dienen, abgeschieden und strukturiert. Typischerweise weisen die Metallebenen Schichtdicken von 600 nm (beispielsweise im Fall der Metallschicht 790) bis zu Schichtdicken von 1000 nm (beispielsweise für die Metallschicht 840) auf. Eine bevorzugte Prozessvariante würde die SiO2-Schichten im Drucksensorbereich stehen lassen, die Metallschichten jedoch entfernen. Denkbar ist hier auch, einzelne oder einige SiO2-Schichten bereits zu öffnen, um die Topographie über dem Drucksensor zu reduzieren und die später erfolgende Freilegung des Ätzzugangs 765 über den Zugang 860 und/oder der SiN-Membran über den Zugang 870 zu vereinfachen. Nach Abscheidung der Verdrahtungs- und Isolationsebenen muss primär zunächst der Zugang 860 zum Ätzzugang 765, später auch der Zugang 870 zur Membran geöffnet werden. Sowohl Ätzzugang als auch Membranbereich werden mit einer kombinierten Nass- /Trockenätzung von den darüber liegenden SiO2-Schichten befreit. Voraussetzung hierfür ist eine hinreichende Selektivität des Ätzschritts gegenüber SiN. Anschließend wird die zweite poly-Siliziumschicht 745 über den Ätzzugang 765 und die siliziumhaltige Opferschicht 750 über den dabei entstehenden Ätzkanal mit Hilfe eines trockenchemischen (plasmalosen) Ätzverfahrens (z.B. C1F3-Ätzprozess) herausgelöst. Somit entsteht unter der Membran ein zur Drucksensierung geeigneter Hohlraum 900. Die abschließende Passivierung aus dem CMOS- Prozess (beispielsweise mittels einer ca. 600 nm dicken Schicht 880 aus SiO2 kombiniert mit einer ca. 750 nm dicken Schicht 890 aus SiN, wie sie in Figur 7h dargestellt ist) wird für den Druckdosenprozess zum Verschluss des Ätzzugangs 765 benutzt. Wirkt sich die Abscheidung der Passivierungsschichten 880 und 890 auf die Membran bei der Drucksensierung störend aus, so können diese in einem letzten Schritt rückgeätzt werden.
Alternativ könnte auch zunächst der Ätzzugang 765 geöffnet, die Opferschichtätzung mit ClF3 durchgeführt und der Ätzzugang wieder verschlossen werden. Erst daran anschließend könnte der Zugang 870 zur Membran freigelegt werden.
Eine weitere Möglichkeit, Ätzzugang und Membran zu öffnen bzw. freizulegen, besteht darin, im Druckdosenbereich im vorherigen CMOS-Prozess, die Metalllagen, aus denen die Verdrahtungselemente 790, 835, 840 und 845 gebildet werden, nicht zu entfernen und im Gegenzug die SiO2-Passivierungsschichten zu entfernen (vergleichbar einem Via-Kontakt). Der über die Druckdose befindliche Metallstapel könnte nasschemisch und hochselektiv gegen SiN geätzt werden. Dabei verlaufen das Opferschichtätzen und der Verschluss des Ätzzugangs wie bereits beschrieben.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanisch monolithisch integrierten kapazitiven Sensorelements Erfassung einer physikalischen Größe, wobei die Herstellung die
Verfahrensschritte
- Erzeugung einer ersten Elektrode (110, 510, 620, 725) auf einem Halbleitersubstrat (100, 600, 700),
- Erzeugung einer ersten Schicht (115, 740) wenigstens auf der ersten Elektrode (110, 620, 725),
- Aufbringen einer ersten Opferschicht (125, 750) aus einem ersten Opfermaterial oberhalb wenigstens einem Teil der ersten Elektrode (110, 510, 620, 725),
- Erzeugung einer zweiten Schicht (130, 755) auf der ersten Opferschicht (125, 750),
- Erzeugung eines ersten Durchgangslochs (155, 764) durch die zweite Schicht (130, 755) auf die erste Opferschicht (125, 750),
- Erzeugung einer zweiten Elektrode (135, 535, 640, 785) auf der zweiten Schicht (130, 755),
- Verschließen des ersten Durchgangslochs (155, 764) mit einem zweiten Opfermaterial, wobei vorgesehen ist, dass das zweite Opfermaterial im Bereich des ersten Durchgangslochs wenigstens einen Teil der zweiten Schicht (130, 755) bedeckt und - eine zweite Opferschicht (170, 745) bildet,
- Aufbringen einer Membranschicht (140, 650, 775) auf - die zweite Elektrode (135, 535, 640, 785) und wenigstens einen Teil der an die zweite Elektrode (135, 535, 640, 785) angrenzenden zweiten Schicht (130, 640, 785), - Erzeugung eines zweiten Durchgangslochs (160, 765) durch die Membranschicht (140, 650,
775) auf das zweite Opfermaterial,
- Herauslösen des ersten und zweiten Opfermaterials, vorzugsweise mittels einer plasmalosen Ätzverfahrens, durch das erste und das zweite Durchgangsloch, - Aufbringen einer dritten Schicht (145, 615, 880) auf die Membranschicht (140, 650, 775), wobei vorgesehen ist, dass die dritte Schicht (145, 615, 880) das zweite Durchgangsloch (160, 765) verschließt und durch das Verschließen des zweiten Durchgangslochs (160, 765) ein Hohlraum (120, 520, 630, 900) im Bereich der ersten Opferschicht (125, 750) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erzeugt wird, aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erzeugen der ersten Elektrode (510, 620, 725), eine isolierende Schicht (505, 610, 710) auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Elektrode ein n- oder p-leitendes dotiertes Halbleitermaterial oder Poly-Silizium, und/oder
- die erste Schicht Oxid, Nitrid oder TEOS und/oder
- das erste Opfermaterial Si oder SiGe und/oder
- die zweite Schicht Oxid, Nitrid oder TEOS und/oder
- die zweite Elektrode Si, SiGe oder Poly-Silizium und/oder - das zweite Opfermaterial SiGe oder Poly-Silizium und/oder
- die Membranschicht Nitrid oder Oxid oder einem dielektrischen Material und/oder
- die dritte Schicht Nitrid aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Schicht eine Schichtdicke von 40-250 nm und/oder
- die erste Opferschicht eine Schichtdicke von 0,3-1 μm und/oder
- die zweite Schicht eine Schichtdicke von 50-250 nm und/oder
- die Membranschicht eine Schichtdicke von 100-1000 nm aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der dritten Schicht (145, 615, 880) größer als die Schichtdicke der zweiten Opferschicht gewählt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der zweiten Opferschicht in Abhängigkeit von der Schichtdicke der zweiten Elektrode gewählt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass beide Schichtdicken sich weitestgehend entsprechen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem mikromechanischen
Sensorelement wenigstens ein Teil einer Schaltung vorzugsweise in einem CMOS-Prozess erzeugt wird, welche
- zur Kontaktierung des Sensorelements und/oder
- zur Erfassung und/oder zur Auswertung von Sensorsignalen des Sensorelements vorgesehen ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, die Schaltung vor dem Herauslösen der ersten und zweiten Opferschicht zu erzeugen.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Schicht eine vierte isolierende Schicht (300) aufgebracht wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die vierte Schicht eine mit der ersten Opferschicht vergleichbare
Schichtdicke aufweist und/oder wenigstens teilweise zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzprozess zur Herauslösung der ersten und der zweiten Opferschicht
- mittels eines fluorhaltigen Ätzmaterials insbesondere ClF3 oder XeF2 und/oder
- bei einer Temperatur zwischen -200C und 600C erfolgt.
1 O.Verfahren zur Herstellung eines Referenzmesselements nach einem in Anspruch 1 beschriebenen Herstellungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung von Stützstellen in der ersten Opferschicht wenigstens ein drittes Durchgangsloch auf die erste Schicht (115, 740) erzeugt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass durch das Verfällen des wenigstens einen dritten Durchgangslochs mit dem Material - der zweiten Elektrode und/oder
- der Membranschicht beim Herauslösen der ersten und zweiten Opferschicht der mit Säulen abgestützte Hohlraum erzeugt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der zweiten Elektrode eine dritte Elektrode erzeugt wird, wobei vorgesehen ist, dass die dritte Elektrode
- von der zweiten Elektrode elektrisch isoliert ist und
- wenigstens die erste und die zweite Elektrode abdeckt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die dritte Elektrode
- Poly-Silizium oder ein Metall aufweist und/oder
- gitternetzartig strukturiert wird.
12.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der ersten (510) und zweiten (535) Elektrode ein Masseelement (570) mit definierter Masse auf die Membran aufgebracht wird, wobei vorgesehen ist, dass das Masseelement mittels eines lokalen Abscheideverfahrens, einem Dispensverfahren, einem Siebdruckverfahren oder einem mikromechanischen Strukturierungsverfahren erzeugt wird.
13.Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Membranzellen, bestehend aus einer ersten (510) und einer zweiten Elektrode (535), einem zwischen den Elektroden liegenden Hohlraum (520) und einer Membran (540), auf dem Halbleitersubstrat (500) erzeugt werden, wobei auf jeder Membran ein unterschiedlich großes Masseelement (570) aufgebracht wird.
14.Mikromechanische Vorrichtung, hergestellt nach einem der in den Ansprüchen 1 bis 13 beschrieben Verfahren, mit einem mikromechanisch monolithisch integrierten kapazitiven Sensorelement zur Erfassung einer physikalischen Größe, insbesondere zur Erfassung einer Druckgröße und/oder einer Beschleunigungsgröße, wobei das Sensorelement wenigstens
- eine erste (110, 510, 620, 725) und eine zweite Elektrode (135, 535, 640, 785) und
- eine Membran (145, 540) und
- eines Hohlraums (120, 520, 630, 900) aufweist.
15. Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Vorrichtung zusätzlich zum mikromechanisch monolithisch integrierten Sensorelement ein Referenzelement aufweist, wobei vorgesehen ist, dass die Membran des
Referenzelements Stützbereiche (400, 410) aufweist, mittels der eine elektrisch isolierte mechanische Anbindung der Membran bzw. der zweiten Elektrode an das Substrat erzeugt wird.
lό.Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der physikalischen Größe
- die zweite Elektrode (135, 535, 640, 785) das Massepotential aufweist und die Erfassung der physikalischen Größe in Abhängigkeit von den Ladungen auf der ersten Elektrode (110, 510, 620, 725) erfolgt oder
- die dritte Elektrode das Massepotential aufweist und die Erfassung der physikalischen Größe in Abhängigkeit von der Ladung einer der beiden anderen Elektroden erfolgt.
17.Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung einer Beschleunigungsgröße die Membran ein Masseelement (570) (120, 520, 630, 900) (135, 535, 640, 785) oberhalb des Hohlraums aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Masseelement starr mit einer die Membran bildenden Schicht verbunden ist.
lδ.Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Membranzellen, bestehend aus einer ersten und einer zweiten Elektrode, einem dazwischen liegendem Hohlraum und einer Membran, auf dem Halbleitersubstrat erzeugt werden, wobei jeder Membran ein unterschiedlich großes Masseelement zugeordnet ist.
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