DE102004061796A1

DE102004061796A1 - Mikromechanisches kapazitives Sensorelement

Info

Publication number: DE102004061796A1
Application number: DE102004061796A
Authority: DE
Inventors: Hubert Benzel; Stefan Finkbeiner; Frank Fischer; Helmut Baumann; Lars Metzger; Roland Scheuerer; Peter Brauchle; Andreas Feustel; Matthias Neubauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-07-13
Also published as: US20110108932A1; WO2006066997A1; JP2008524617A; CN101087999A; EP1831662A1

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

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 Ausführungsformen 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 A1 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 A1 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 beispiesweise 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 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 –20°C und 60°C 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 verfüllen. 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
1a bis k Prozessschritte zur Erzeugung des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorelements
2 Aufsicht auf das kapazitive Sensorelement
3a und b Einfügen einer zusätzlichen Isolierschicht
4a und b Referenzelement mit Stützsäulen
5a bis c Beschleunigungssensor
6a und b Änderung der Membraneinfassung
7a bis h Alternativer Prozessverlauf zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorelements
Ausführungsbeispiele
In den 1a bis k ist ein möglicher Herstellungsprozess eines erfindungsgemäßen monolithisch integrierten kapazitiven Sensorelements mittels mikromechanischer Verfahrensschritte dargestellt. Dabei wird gemäß der 1a 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, Poly etc. ausgebildet werden.
In 1b 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 < 900°C und dient dazu, die erste Elektrode 110 bzw. die Gebiete 104 bzw. 105 gegen einen Angriff von ClF₃, XeF, oder ähnlichem zu schützen. Vorzugsweise besteht die erste Schicht 115 aus Oxid oder Nitrid, bevorzugt jedoch aus einer TEOS-Schicht, die bei 400°C 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 1c 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 (R_a) 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.
1d 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 900°C 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 ClF₃-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 1e). 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 1f) 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 900°C 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 1g und 1h). 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 1g 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 XeF, werden alle freiliegenden poly-Siliziumschichten sehr rasch geätzt (siehe 1h). 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 60°C 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 1j 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 definierbaren 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 1k 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 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 2 ist das Ätzventil 175 gezeigt.
Mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 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 3b im Vergleich zur 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 Ausführungsbeispiel 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 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 Ausführungsbeispiel ist beispielhaft anhand der 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 1a bis k beschriebenes Sensorelement 675 dargestellt. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Sensorelement der 1k und dem Sensorelement 675 nach 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 1k eine Entflechtung der mechanischen Funktion der Membran und der elektrischen Funktion der zweiten, oberen Kapazitätselektrode stattfindet.
Im Aufbau der 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-Käfig). 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 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 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 6b beim Ätzen des Oxid-Nitridstapels als Ätzstoppschicht verwendet werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße mikromechanische kapazitive Sensorelement wie es in 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 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 definieren Masse aufgebracht werden. Hierfür können lokale Abscheideverfahren verwendet werden, wie sie beispielsweise in dem Inkjet-Druckverfahren aus der DE 103 15 963 A1 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 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 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 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 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 7b gezeigt, die die untere Elektrode des Drucksensorelements von der im nachfolgenden Schritt abgeschiedenen siliziumhaltigen Opferschicht 750 abtrennt (siehe 7c). Durch das GateOxid wird die untere Elektrode 725 für den späteren ClF₃-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 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 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 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 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. ClF₃-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 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

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.
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.
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.
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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der dritten Schicht (145, 615, 880) größer als die Schichtdicke der zweiten Opferschicht gewählt wird.
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.
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.
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.
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 –20°C und 60°C erfolgt.
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 Verfüllen 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.