DE102011018588B4

DE102011018588B4 - Verfahren zur Herstellung eines integrierten, eine Membrane aufweisenden Drucksensors als Bestandteil eines hochintegrierten Schaltkreises

Info

Publication number: DE102011018588B4
Application number: DE102011018588.7A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schwarz; Konstanze Schmidt; Gisbert Hölzer; Appo van der Wiel
Original assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Current assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: DE102011018588A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines integrierten, eine Membran (102) aufweisenden Drucksensors als Bestandteil eines hochintegrierten Schaltkreises, hergestellt mit einer CMOS-Technologie, bestehend aus den folgenden SchrittenEinbringen einer tiefen Wanne (104) in ein Si-Substrat (100) in dem Gebiet der später folgenden Ausbildung der Membran (102),Ausbilden von in der Wanne (104) enthaltenen Diffusionsgebieten (103, 103') als Piezowiderstände des Drucksensors mitentgegengesetztem Leitungstyp gegenüber der tiefen Wanne (104),Ausbilden einer Siliziumnitridschicht (101) mit Öffnungen auf der Oberfläche des Si-Substrats (100) zum strukturierten Aufwachsen von Feldoxid (105) durch die Öffnungen in der Siliziumnitridschicht (101);Strukturieren der Siliziumnitridschicht (101) mit einem Maskenschritt zur Ausbildung einer strukturierten Siliziumnitridschicht (101a) über einem jeweiligen Anteil der Fläche der Diffusionsgebiete (103, 103') in dem Gebiet der Drucksensorstruktur wobei die strukturierte Siliziumnitridschicht (101a) in dem Gebiet der später folgenden Ausbildung der Membran (102) mit einer bestimmten geometrischen Abmessung vorhanden ist;Ausbilden von Metallschichten (106, 106') zur Kontaktierung der Diffusionsgebiete (103, 103');Ausbilden von Isolations- und Passivierungsschichten (107) durch Ausführung des CMOS-Prozesses bis einschließlich der finalen Passivierung des Schaltkreises, wobei die Isolations- und Passivierungsschichten (107) entstehen;Erzeugen der Membran (102) durch Ausbildung einer Einsenkung (90) mittels Rückseitenätzung des Si-Substrats (100) mit KOH oder mit dem DRIE-Verfahren;und lokales Entfernen der Isolations- und Passivierungsschichten (107) im Gebiet der Membran (102) unter Benutzung der strukturierten Siliziumnitridschicht (101a) als Ätzstoppschicht wobei die Diffusionsgebiete (103, 103') partiell und die Metallschichten (106,106') durch die Isolations- und Passivierungsschichten (107) so abgedeckt bleiben, dass die Isolations- und Passivierungsschichten (107) mit ihren Kanten an die strukturierte Siliziumnitridschicht (101a) anschließen, womit eine mechanische Vorspannung erzeugt wird, die einer Kompensation eines Druckstresses dient, welcher durch die, die strukturierte Siliziumnitridschicht (101a) seitlich begrenzenden Isolations- und Passivierungsschichten (107) auf die Membran (102) ausgeübt wird.

Description

Die Erfindung betrifft das im Titel genannte technische Gebiet.
Die fortschreitende Integration von MEMS in komplexe hochintegrierte Schaltungen ist eine zwingende Notwendigkeit bei der Erfüllung ständig steigender Forderungen nach neuen Einsatzmöglichkeiten von Sensorsystemen und nach Senkung der Herstellungskosten. Die Ergebnisse der Integration stellen notwendigerweise einen Kompromiss zwischen den Prozessabläufen und -anforderungen der bereits existierenden, ausgereiften CMOS-Technologien und zusätzlichen Prozessschritten zur Herstellung des Sensors dar, wobei verschiedene Bauelementetypen, hier CMOS-Schaltungselemente und der Drucksensor, deutlich unterschiedliche Anforderungen an den Prozessablauf, an die strukturellen geometrischen Ergebnisse des Fertigungsprozesses haben, um die optimale Funktion des Sensors zu erreichen.
Drucksensoren werden nach dem Stand der Technik in eine CMOS-Schaltung so integriert, dass nach der komplett abgeschlossenen CMOS-Prozessierung, welche die Herstellung der integrierten Schaltung und die für den Drucksensor erforderlichen elektronischen Strukturen auf der Vorderseite der Halbleiterscheibe umfasst, der Prozessschritt der Herstellung der Drucksensormembrane durch einen Ätzschritt von der Rückseite der Halbleiterscheibe folgt. Die CMOS-Prozessierung führt zu unvermeidbaren Zusatzschichten in Form von Isolations- und Passivierungsschichten auf der Halbleitermembrane des Drucksensors, Diese Zusatzschichten sind zum einen die Ursache dafür, dass sich die Piezowiderstände nicht mehr an der Oberfläche befinden, d. h. an der Position, wo durch den zu messenden Druck der größte mechanische Stress erzeugt und die maximale Empfindlichkeit des Sensors erreicht wird.
Außerdem bestehen diese Zusatzschichten hauptsächlich aus den Zwischenisolatorschichten der Mehrlagenmetallisierung des Schaltkreises, d. h. aus Siliziumoxid und sind selbst nicht frei von intrinsischem kompressiven mechanischen Stress (Druckstress).
Diese beiden Faktoren wirken sich negativ auf die Funktionsparameter des Drucksensors aus. Empfindlichkeit und Linearität integrierter Drucksensoren werden negativ beeinflusst und die Funktionsparameter sind schlechter als bei diskreten Drucksensoren, für die der Fertigungsprozess gezielt auf eine optimale Drucksensorfunktion ausgerichtet werden kann.
Halbleiter-Drucksensoren sind hinlänglich bekannt. In DE 197 01 055 A1 wird eine auf dem piezoresistiven Effekt beruhende Anordnung vorgeschlagen, welche mit Hilfe eines Kompensationswiderstandes den Effekt der inneren mechanischen Störspannungen aufhebt. Diese Anordnung dient auch der Kompensation der Temperaturhysteresis bei integrierten Sensoren. Integration in eine CMOS-Technologie findet keine Erwähnung.
US 2009/0151455 A1 perforiert die Membrane des Sensors eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) zur Verringerung des verbleibenden Stresses, mit dem Ziel der Erhöhung der Empfindlichkeit der Membrane durch kranzförmig angeordnete Löcher im Randbereich. Es handelt sich nicht um eine CMOS-Technologie.
EP 367 750 B1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziummembran mit kontrollierter Spannung. Das geschieht durch Dotierung der Membran. Die Auswahl der Dotierungssubstanz wird so getroffen, dass innerhalb der dotierten Schicht, p- oder n-leitend, in Abhängigkeit von der Dicke und Dotierungskonzentration eine von Null verschiedene mechanische Spannung erzeugt wird. Die Ätzung der Membrane erfolgt nach der Dotierung des Substrates durch Anwendung der ECE-Technik (ECE = electrochemical etch-stop = elektrochemische Ätz-Stopp-Technik).
US 2007/0231942 A1 offenbart einen auf einem Halbleiterbauelement integrierten Sensor als Strömungssensor und umfasst ein Messelement an einer Membran. Um ein Knicken der Membrane zu verhindern, wird eine Zugschicht (tensile coating) aufgebracht. Diese Beschichtung bedeckt die Membran, lässt aber alle auf dem Halbleiterchip integrierten aktiven elektronischen Bauteile unbedeckt, so dass ihre elektrischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf einer CMOS-Technologie basierendes Herstellungsverfahren von hochintegrierten Schaltkreisen mit jeweils integriertem mikroelektromechanischen Drucksensor (MEMS) so zu modifizieren, dass die Funktionsparameter des mikroelektromechanischen Sensors verbessert werden und die Empfindlichkeit des Drucksensors erhöht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe mit Anspruch 1.
Dies erreicht oder erbringt die Vorteile, dass bisher in Kauf genommene Verschlechterungen von Funktionsparametern von Drucksensoren als Bestandteil von mit einer CMOS-Technologie hergestellten hochintegrierten Schaltkreisen weitestgehend beseitigt werden.
Ferner erfolgt damit eine Rationalisierung der Technologie.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die strukturierte Siliziumnitridschicht eine mechanische Vorspannung erzeugt, die in vorteilhafter Weise der Kompensation des Druckstresses dient, welcher durch die, die strukturierte Siliziumnitridschicht seitlich begrenzenden Isolations- und Passivierungsschichten auf die Membran ausgeübt wird.
Die Erfindung wir nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen ...

1 ein Drucksensor-Bauteil nach dem Stand der Technik, schematisch als Schnitt durch das Gebiet, in dem sich der Drucksensor befindet,
2a schematisch einen Schnitt durch das Gebiet, in dem der Drucksensor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht, im Stadium nach dem strukturierten Aufwachsen des Feldoxides, bestimmt durch eine Siliziumnitridschicht, z. B. aus LPCVD-Nitrid,
2b ein gegenüber 2a fortgeschrittenes Stadium der Herstellung, in dem die Siliziumnitridschicht in dem späteren Membrangebiet strukturiert ist,
2c ein gegenüber 2b fortgeschrittenes Stadium der Herstellung nach Beendigung des CMOS-Prozesses, in dem die für die Schaltkreisherstellung notwendigen Isolations- und Passivierungsschichten auf der Substratoberfläche vorhanden sind, und nach der Herstellung der Membrane durch strukturiertes Rückseitenätzen,
2d schematisch einen Schnitt durch das Gebiet des Drucksensors nach der Entfernung der Isolations- und Passivierungsschichten im Membranbereich, wobei die Siliziumnitridschicht als Ätzstoppschicht wirkte.

1 zeigt den typischen Aufbau eines piezoresistiven Drucksensors. Die p⁺ Diffusionsgebiete 103, 103' werden als Piezowiderstände genutzt und durch Metall 106, 106' kontaktiert. Die diffundierte n-Wanne 104 isoliert die Piezowiderstände elektrisch gegenüber dem p-Substrat 100. Die Membran 102 des Drucksensors 2 wird durch eine Ätzung von der Rückseite der Siliziumscheibe 100 erzeugt. Auf der Membran 102 befinden sich Isolations- und Passivierungsschichten 107. Es befindet sich keine Siliziumnitridschicht auf dem Membrangebiet der 1.
2a ist schematisch der Schnitt durch das Gebiet, in dem der Drucksensor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht. 100 ist darin das Substrat (Siliziumscheibe p-dotiert) und 102 kennzeichnet die (fertige) Membrane in 2b. 107 stellt Isolations- und Passivierungsschichten dar.
101 veranschaulicht die Siliziumnitridschicht, durch deren Öffnungen die Bereiche zum Aufwachsen des Feldoxides definiert sind (oder werden). In strukturierter Form 101a liegt die Siliziumnitridschicht (als strukturierte Siliziumnitridschicht) auf der Membran 102, wobei die strukturierte Siliziumnitridschicht 101a durch selektive Entfernung mittels Fotomaske aus der Siliziumnitridschicht 101 entsteht.
103 bildet ein Diffusionsgebiet (als Piezowiderstand), z. B. p⁺ dotiert. 103' bildet ein weiteres solches Diffusionsgebiet. 104 ist eine tiefe Wanne, z. B. n-dotiert, welche die Piezowiderstände 103,103' elektrisch gegenüber der Siliziumscheibe 100 isoliert.
105 ist das Feldoxid. 106 ist eine Metallschicht zur Kontaktierung des Piezowiderstandes 103. 106' ist eine weitere Metallschicht zur Kontaktierung des Piezowiderstandes 103'.
Die CMOS Prozessierung startet mit der Erzeugung der n-Wanne 104 und der p⁺ Diffusionsgebiete 103, 103', die als Piezowiderstände genutzt werden. Auf der Oberfläche der Siliziumscheibe befindet sich eine Siliziumnitrid-Schicht 101, wie in 2a dargestellt.
Die Bereiche, in denen eine Feldoxidschicht 105 aufgewachsen ist, sind durch Öffnungen in der Siliziumnitridschicht 101 definiert.
2b zeigt, dass nach dem Aufwachsen des Feldoxides 105 die Siliziumnitrid-Schicht 101 nicht wie nach dem Stand der Technik der 1 komplett entfernt, sondern mittels einer zusätzlichen Fotomaske so strukturiert wird, dass das Membrangebiet des Drucksensors noch von einer strukturierten Siliziumnitrid-Schicht 101a bedeckt bleibt.
2c zeigt den fertig prozessierten, funktionsfähigen Drucksensor nach Ausbildung der Membran 102 durch Ätzung einer Einsenkung 90 auf der Rückseite der Siliziumscheibe 100. Die Metallschichten 106, 106' dienen zur Kontaktierung der Piezowiderstände 103, 103'.
Die Isolations- und Passivierungsschichten 107 überdecken den gesamten Sensorbereich.
Bei dem Drucksensor in 2d sind die Isolations- und Passivierungsschichten 107 auf der Membran 102 entfernt worden. Das ist möglich, da die (strukturierte) Siliziumnitrid-Schicht 101a als Ätzstoppschicht bei der Ätzung 107a der Isolations- und Passivierungsschichten 107 genutzt wird. Dieser Prozessschritt führt zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit des Drucksensors.
Nach dem Stand der Technik der 1 wird das Siliziumnitrid, das zum entsprechend strukturierten Wachstum des Feldoxids 105 abgeschieden wurde, nach der Entwicklung des Feldoxids komplett wieder entfernt.
Die entscheidende Verbesserung zu dieser Verfahrensweise besteht gemäß der Erfindung darin, dass durch einen zusätzlichen Maskenschritt dafür gesorgt wird, dass eine strukturierte Siliziumnitrid-Schicht 101a im Gebiet der Membran 102 bestehen bleibt, die Membran durch selektive Entfernung der Isolations- und Passivierungsschichten abgedünnt 107a werden kann, wobei die strukturierte Siliziumnitrid-Schicht als Ätzstopp dient und gleichzeitig der in der Siliziumnitrid-Schicht vorhandene Zugstress zur Kompensation des Druckstresses benutzt wird, welcher durch die Isolations- und Passivierungsschichten, die in der Regel Siliziumoxid-Schichten sind, von deren Rand ausgehend auf die Membrane ausgeübt wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines integrierten, eine Membran (102) aufweisenden Drucksensors als Bestandteil eines hochintegrierten Schaltkreises, hergestellt mit einer CMOS-Technologie, bestehend aus den folgenden Schritten Einbringen einer tiefen Wanne (104) in ein Si-Substrat (100) in dem Gebiet der später folgenden Ausbildung der Membran (102), Ausbilden von in der Wanne (104) enthaltenen Diffusionsgebieten (103, 103') als Piezowiderstände des Drucksensors mit entgegengesetztem Leitungstyp gegenüber der tiefen Wanne (104), Ausbilden einer Siliziumnitridschicht (101) mit Öffnungen auf der Oberfläche des Si-Substrats (100) zum strukturierten Aufwachsen von Feldoxid (105) durch die Öffnungen in der Siliziumnitridschicht (101); Strukturieren der Siliziumnitridschicht (101) mit einem Maskenschritt zur Ausbildung einer strukturierten Siliziumnitridschicht (101a) über einem jeweiligen Anteil der Fläche der Diffusionsgebiete (103, 103') in dem Gebiet der Drucksensorstruktur wobei die strukturierte Siliziumnitridschicht (101a) in dem Gebiet der später folgenden Ausbildung der Membran (102) mit einer bestimmten geometrischen Abmessung vorhanden ist; Ausbilden von Metallschichten (106, 106') zur Kontaktierung der Diffusionsgebiete (103, 103'); Ausbilden von Isolations- und Passivierungsschichten (107) durch Ausführung des CMOS-Prozesses bis einschließlich der finalen Passivierung des Schaltkreises, wobei die Isolations- und Passivierungsschichten (107) entstehen; Erzeugen der Membran (102) durch Ausbildung einer Einsenkung (90) mittels Rückseitenätzung des Si-Substrats (100) mit KOH oder mit dem DRIE-Verfahren; und lokales Entfernen der Isolations- und Passivierungsschichten (107) im Gebiet der Membran (102) unter Benutzung der strukturierten Siliziumnitridschicht (101a) als Ätzstoppschicht wobei die Diffusionsgebiete (103, 103') partiell und die Metallschichten (106,106') durch die Isolations- und Passivierungsschichten (107) so abgedeckt bleiben, dass die Isolations- und Passivierungsschichten (107) mit ihren Kanten an die strukturierte Siliziumnitridschicht (101a) anschließen, womit eine mechanische Vorspannung erzeugt wird, die einer Kompensation eines Druckstresses dient, welcher durch die, die strukturierte Siliziumnitridschicht (101a) seitlich begrenzenden Isolations- und Passivierungsschichten (107) auf die Membran (102) ausgeübt wird.