DE102018210063A1 - MEMS sensor and method for manufacturing a MEMS sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen MEMS-Sensor mit einer auslenkbar angeordneten Membran, wobei die auslenkbar angeordnete Membran zumindest teilweise eine Begrenzung für einen Hohlraum bildet und wobei zumindest ein Element als Stützelement zur Beabstandung der Membran von einer Begrenzung des Hohlraums und/oder als ein Begrenzungselement zur Begrenzung des Hohlraums angeordnet ist, wobei das Element zumindest teilweise aus Membranmaterial hergestellt ist.The invention relates to a MEMS sensor having a deflectably arranged membrane, wherein the deflectable membrane forms at least partially a boundary for a cavity and wherein at least one element as a support element for spacing the membrane of a boundary of the cavity and / or as a limiting element for limiting the cavity is arranged, wherein the element is at least partially made of membrane material.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft einen MEMS-Sensor mit einer auslenkbar angeordneten Membran.The invention relates to a MEMS sensor with a deflectably arranged membrane.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensors mit einer auslenkbar angeordneten Membran.The invention further relates to a method for producing a MEMS sensor with a deflectably arranged membrane.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige MEMS-Sensoren mit einer auslenkbar angeordneten Membran anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf MEMS-Drucksensoren beschrieben.Although the present invention is generally applicable to any MEMS sensors having a deflectable diaphragm, the present invention will be described in terms of MEMS pressure sensors.
Stand der TechnikState of the art
MEMS-Drucksensoren werden heute in einer Vielzahl von Gebieten eingesetzt, beispielsweise im Bereich der Automobiltechnik, wo Drücke rasch und genau erfasst werden müssen, beispielsweise im Bereich der elektronischen Stabilitätskontrolle oder im Ansaugluftmanagement in Fahrzeugen oder dergleichen.MEMS pressure sensors are now used in a variety of fields, such as automotive, where pressures must be rapidly and accurately sensed, such as in electronic stability control or in vehicle intake air management or the like.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung einen MEMS-Sensor mit einer auslenkbar angeordneten Membran bereit, wobei die auslenkbar angeordnete Membran zumindest teilweise eine Begrenzung für einen Hohlraum bildet und wobei zumindest ein Element als Stützelement zur Beabstandung der Membran von einer Begrenzung des Hohlraums und/oder als ein Begrenzungselement zur Begrenzung des Hohlraums angeordnet ist, wobei das Element zumindest teilweise aus Membranmaterial hergestellt ist.In one embodiment, the invention provides a MEMS sensor having a deflectably disposed membrane, the deflectable diaphragm at least partially defining a cavity and at least one element as a support member for spacing the diaphragm from a cavity boundary and / or as a limiting element for limiting the cavity is arranged, wherein the element is at least partially made of membrane material.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensors mit einer auslenkbar angeordneten Membran bereit, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen einer auslenkbar angeordneten Membran,
- - Bereitstellen eines Hohlraums, wobei der Hohlraum durch die auslenkbar angeordnete Membran zumindest teilweise begrenzt wird,
- - Anordnen eines Elements als Stützelement zur Beabstandung der Membran von einer Begrenzung des Hohlraums und/oder als ein Begrenzungselement zur Begrenzung des Hohlraums, wobei das Element zumindest teilweise aus Membranmaterial hergestellt wird.
- Providing a deflectable membrane,
- Providing a cavity, wherein the cavity is at least partially bounded by the deflectably arranged membrane,
- Arranging an element as a support element for spacing the membrane from a boundary of the cavity and / or as a limiting element for defining the cavity, wherein the element is made at least partially of membrane material.
Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass das Design der Membran im Wesentlichen frei gewählt werden kann. So sind zum Beispiel nicht nur viereckige, sondern auch achteckige und/oder unsymmetrische Membranen realisierbar. Darüber hinaus ist auch die Membrangröße freier wählbar. Insgesamt wird somit die Flexibilität des MEMS-Sensors erhöht.One of the advantages achieved with this is that the design of the membrane can essentially be chosen freely. For example, not only quadrangular but also octagonal and / or asymmetrical membranes can be realized. In addition, the membrane size is more freely selectable. Overall, thus, the flexibility of the MEMS sensor is increased.
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.Further features, advantages and further embodiments of the invention are described below or will become apparent.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Element zumindest teilweise aus einem Isolierschichtmaterial hergestellt, insbesondere wobei das Isolierschichtmaterial überwiegend von Membranmaterial umgeben ist. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit eine isolierende Seitenwand herstellbar ist, sodass beispielsweise zwei Elektrodenschichten elektrisch voneinander getrennt werden können. Ein weiterer Vorteil ist eine erhöhte Design-Flexibilität: Durch die Verwendung von einem Element aus Isolierschichtmaterial, welches insbesondere zumindest teilweise mit Membranmaterial ummantelt oder umgeben ist, können wesentlich größere Elemente mit freierer Form gefertigt werden, und damit der MEMS-Sensor beispielsweise hinsichtlich Performance, Bruchfestigkeit oder dergleichen in flexiblerer Weise optimiert werden.According to an advantageous development, the element is at least partially made of an insulating layer material, in particular wherein the insulating layer material is predominantly surrounded by membrane material. One of the advantages achieved with this is that an insulating side wall can thus be produced, so that, for example, two electrode layers can be electrically separated from one another. Another advantage is increased design flexibility: By using an element made of insulating layer material, which is in particular at least partially encased or surrounded by membrane material, substantially larger elements can be manufactured with a freer shape, and thus the MEMS sensor, for example, in terms of performance, Breaking strength or the like can be optimized in a more flexible manner.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Membranmaterial zugverspannbares Material auf. Mittels eines derartigen mit leichtem tensilem Stress versehbaren Materials kann eine besonders hohe Genauigkeit bzw. Empfindlichkeit des MEMS-Sensors ermöglicht werden. Ein weiterer Vorteil von zugverspanntem Membranmaterial ist dessen geringere Neigung zur Wellenbildung unter Druck. Mit anderen Worten ist damit auch unter Druckstress eine flache Membran bereitstellbar.According to a further advantageous development, the membrane material has tensile-stressable material. By means of such material, which can be provided with a slight tensile stress, a particularly high accuracy or sensitivity of the MEMS sensor can be made possible. Another advantage of tensioned membrane material is its lower tendency to form undulations under pressure. In other words, a flat membrane can be provided even under pressure stress.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Membranmaterial eine Verbindung aus Nitrid auf. Dies ermöglicht eine besonders einfache Aufbringung des Membranmaterials. Ein weiterer Vorteil einer Nitridverbindung im Membranmaterial ist deren diffusionsmindernde Eigenschaft. Ein Eindiffundieren von Feuchtigkeit, beispielsweise in eine Kaverne des MEMS-Sensors, kann damit verhindert werden.According to a further advantageous development, the membrane material has a compound of nitride. This allows a particularly simple application of the membrane material. On Another advantage of a nitride compound in the membrane material is its diffusion-reducing property. Diffusion of moisture, for example into a cavern of the MEMS sensor, can thus be prevented.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Membranmaterial siliziumreiches Nitrid und/oder Siliziumcarbonitrid auf. Damit lassen sich beispielsweise Seitenwände beziehungsweise allgemein Begrenzungen des Hohlraums realisieren, die automatisch als Ätzstopps bei einem entsprechenden Membran-Freistellungsprozesses dienen. Siliziumreiches Nitrid SixNy mit x>=3 weist einen höheren Anteil von Silizium auf als stöchiometrisch abgeschiedenes Nitrid, Si3N4. Siliziumcarbonitrid hat die Summenformel SiCN.According to a further advantageous development, the membrane material has silicon-rich nitride and / or silicon carbonitride. Thus, for example, side walls or general boundaries of the cavity can be realized, which automatically serve as etch stops in a corresponding membrane release process. Silicon-rich nitride Si x N y with x> = 3 has a higher proportion of silicon than stoichiometrically deposited nitride, Si 3 N 4 . Silicon carbonitride has the empirical formula SiCN.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Element u-förmig aus Membranmaterial ausgebildet und mit einem zweiten Material aufgefüllt. Damit lassen sich auf besonders einfache Weise stabile Stützelemente herstellen.According to a further advantageous development, the element is U-shaped from membrane material and filled with a second material. This can be produced in a particularly simple manner stable support elements.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eine Elektrode im Hohlraum angeordnet, welche zumindest eine Kontaktierung aufweist, die aus dem Hohlraum herausgeführt ist und welche von Isoliermaterial außerhalb des Hohlraums zumindest teilweise umgeben ist. Damit lassen sich auf besonders einfache Weise isolierte Kontaktbahnen für eine Elektrode realisieren, die aus dem Hohlraum herausgeführt werden können.According to a further advantageous embodiment, at least one electrode is arranged in the cavity, which has at least one contact, which is led out of the cavity and which is at least partially surrounded by insulating material outside the cavity. This makes it possible to realize in a particularly simple manner insulated contact paths for an electrode, which can be led out of the cavity.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Material der Elektrode polykristallines Silizium. Damit wird eine einfache Herstellung der Elektrode ermöglicht.According to a further advantageous development, the material of the electrode comprises polycrystalline silicon. This allows a simple production of the electrode.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird zum Bereitstellen der auslenkbar angeordneten Membran das Membranmaterial zugverspannt angeordnet, insbesondere mit einem Zug zwischen 25 MPa und 150 MPa. Damit lässt sich auf einfache Weise eine tensile Filmspannung des Membranmaterials erreichen.According to a further advantageous embodiment of the method, the diaphragm material is arranged zugverspannt to provide the deflectable arranged membrane, in particular with a train between 25 MPa and 150 MPa. This makes it possible to easily achieve a tensile film tension of the membrane material.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Bereitstellen der auslenkbar angeordneten Membran ein Abscheiden von Membranmaterial mittels eines LPCVD und/oder PECVD-Prozesses. Damit lässt sich auf einfache Weise Membranmaterial abscheiden bzw. aufbringen. Hierbei bezeichnet LPCVD eine chemische Gasphasenabscheidung unter Niedrigdruck und PECVD eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung.According to a further advantageous development, the provision of the deflectably arranged membrane comprises a deposition of membrane material by means of an LPCVD and / or PECVD process. This makes it easy to deposit or apply membrane material. Here, LPCVD is a chemical vapor deposition at low pressure and PECVD is a plasma enhanced chemical vapor deposition.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the subclaims, from the drawings, and from associated figure description with reference to the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.Preferred embodiments and embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components or elements.
Figurenlistelist of figures
Dabei zeigen in schematischer Form
-
1-16 Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines MEMS-Sensors, dargestellt im Querschnitt, mit einer auslenkbar angeordneten Membran gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
17 Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines MEMS-Sensors, dargestellt im Querschnitt, mit einer auslenkbar angeordneten Membran gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
-
1-16 Steps of a method for manufacturing a MEMS sensor, shown in cross-section, with a deflectable membrane according to an embodiment of the present invention; and -
17 Steps of a method for manufacturing a MEMS sensor, shown in cross-section, with a deflectably arranged membrane according to an embodiment of the present invention
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die
Im Detail ist in
Anschließend wird in einem optionalen zweiten Schritt gemäß
Anschließend wird in einem dritten Schritt gemäß
Anschließend wird in einem vierten Schritt gemäß
Anschließend wird in einem optionalen fünften Schritt gemäß
Anschließend wird in einem sechsten Schritt gemäß
Anschließend wird in einem siebten Schritt gemäß
Anschließend wird einem achten Schritt gemäß
Anschließend wird in einem neunten Schritt gemäß
Anschließend wird in einem zehnten Schritt gemäß
Anschließend wird in einem elften Schritt gemäß
Anschließend werden in einem zwölften Schritt gemäß
Anschließend wird in einem dreizehnten Schritt gemäß
Anschließend wird in einem vierzehnten Schritt gemäß
Anschließend kann in einem fünfzehnten Schritt gemäß
Anschließend kann in einem sechzehnten Schritt gemäß
Mit anderen Worten wird mittels des Verfahrens der
Die SiCN/SiRiN-Abscheidungen können dabei als PECVD oder LPCVD-Prozesse durchgeführt werden. Vorteilhaft hier ist eine leichte tensile Filmspannung des Membranmaterials, zum Beispiel 25 MPa.The SiCN / SiRiN deposits can be carried out as PECVD or LPCVD processes. Advantageous here is a slight tensile film tension of the membrane material, for example 25 MPa.
Die Oxidabscheidungen können ebenfalls hinsichtlich des Abscheidungsprozesses variieren. Insbesondere für die Oxide, die einen Kondensatorspalt zweier Mikrofonkapazitäten eines Mikrofons, also eines akustischen MEMS-Sensors, bestimmen, wird vorteilhafterweise ein ausreichend kontrollierbarer LPCVD-Prozess verwendet.The oxide deposits may also vary in the deposition process. In particular, for the oxides, which has a capacitor gap of two microphone capacities of a microphone, So determine an acoustic MEMS sensor, advantageously a sufficiently controllable LPCVD process is used.
Die Strukturierung der der SiCN/SiRiN Schicht kann insbesondere mit einem SF6 - basierten Plasmaätzprozess erfolgen.The structuring of the SiCN / SiRiN layer can be carried out in particular with an SF 6 -based plasma etching process.
Die Strukturierung der Oxidschichten kann ebenfalls, je nach im Design vorgesehenen Fertigungstoleranzen, mit Plasma- oder nasschemischen Ätzprozessen erfolgen.The structuring of the oxide layers can likewise be carried out with plasma or wet-chemical etching processes, depending on the design tolerances intended for the design.
Je nach Anforderung können Topographie-Reduktionen durch Planarisierungen von Oxidschichten mittels chemisch mechanischen Polierverfahren durchgeführt werden.Depending on requirements, topography reductions can be achieved by planarizing oxide layers using chemical mechanical polishing techniques.
Optional kann die oberste SiN-Schicht
Ebenfalls optional ist die Ausbildung einer Referenzkapazität, bei der die obere Membran versteift ist und dadurch nicht durch Druck ausgelenkt werden kann. Diese Versteifung erfolgt beispielhaft durch eine gezielte Abscheidung einer vergleichsweise dicken Verschlussschicht
In
Dieses umfasst in einem ersten Schritt
Zusammengefasst bietet zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile:
- - Geringe Herstellungsprozesskomplexität mit ca.
10 Maskenebenen. - - Bereitstellen einer planarisierten Membran
10 ,12 . - - topographiefreier Prozess, der hochauflösende Lithographie bis in die obersten Ebenen oder Schichten ermöglicht.
- - Trennung der elektrischen und mechanischen Anforderungen an untere Membran und obere Membran beziehungsweise der Gegenelektrode aus polykristallinem Silizium und SiRiN, was eine signifikante Reduktion der Parasitar-Kapazitäten ermöglicht.
- - Bei Nutzung eines Laser-Reseal-Prozesses zum Verschluss der oberen Membran
10 ,12 sind variableInnendrücke im Hohlraum 30 in verschiedenen Membranbereichen realisierbar. Dies kann zum Beispiel für einen Referenzdruckbereich in der Membran genutzt werden. - -
Realisierung einer Wand 23 und/oder Post 22 als Membranunterstützung oder Membranaufhängungsstruktur. - -
Realisierung einer Wand 23 und/oder Posts22 zur Abgrenzung einzelner Membranbereiche. Dies ermöglicht zum Beispiel unterschiedliche kleine
- - Low manufacturing process complexity with approx.
10 Mask layers. - - Providing a
planarized membrane 10 .12 , - - Topography-free process that enables high-resolution lithography down to the highest levels or layers.
- - Separation of the electrical and mechanical requirements of the lower membrane and upper membrane or the counter electrode of polycrystalline silicon and SiRiN, which allows a significant reduction of parasitic capacitances.
- - When using a laser reseal process to close the
upper membrane 10 .12 are variable internal pressures in thecavity 30 feasible in different membrane areas. This can be used, for example, for a reference pressure range in the membrane. - - Realization of a
wall 23 and / or post22 as membrane support or membrane suspension structure. - - Realization of a
wall 23 and / orposts 22 for the delimitation of individual membrane areas. This allows, for example, different small
Untermembranbereiche, beziehungsweise unsymmetrische Membranbereiche innerhalb einer überspannenden Membran.Sub-membrane areas, or unbalanced membrane areas within a spanning membrane.
Zumindest eine Ausführungsform der Erfindung stellt bereit oder ermöglicht:
- - Eine Realisierung eines
MEMS Drucksensors 1 mit dünnen Nitridschichten als strukturelles Element. Diese können aus SiCN oder auch SiRiN hergestellt werden oder auch aus einem anderen nichtleitenden Material, das selektiv zu HF geätzt werden kann - - Vorteilhafterweise wird tensiles Material als Membranmaterial verwendet.
- - Verschluss der SiCN/SiRiN-Membran mit einem stressadaptierten Nitrid bei Niederdruck beziehungsweise durch einen Laser-Reseal-Prozess. Es können auch andere nichtleitende Materialien verwendet werden, zum Beispiel SiO2, Polyimide oder dergleichen.
- - Nutzung von polykristallinem Silizium oder eines anderen leitenden Materials, insbesondere eines Metalls oder eines Halbmetalls, vorzugsweise Germanium, in einem SiCN/SiRiN basierten Drucksensor zur elektrischen Kontaktierung und/oder zur Ausbildung der kapazitiven Messstrukturen.
- - Realisierung der verbindenden Stelen - „Posts“ - zwischen Nitridschichtvorderseite und -rückseite mittels einer u-förmigen Nitridwanne, welche mit Oxid aufgefüllt wird.
- - Nutzung eines Gasphasenätzschrittes oder Stiction-free Nassrelease-Prozesses zur Freistellung der Membran. Insbesondere ein Gasphasenätzschritt ermöglicht Ätzöffnungen mit einer Dimension unterhalb
von 0,5 µm. - -
Realisierung von Seitenwänden 23 aus SiCN und/oder SiRiN mit Oxidverfüllung/Oxidkern. DieseWände 23 bilden insbesondere bei Verwendung von SiRiN/SiCN als Wandmaterial automatisch Ätzstopps des Membranfreistellungsprozesses. - -
Druckdichte Seitenwände 23 zum Einschluss von Vakuum, wobei insbesondere der Innendruck variabel ist, beginnend bei minimal circa 1 mbar im Inneren des Sensors. - - Umschließen von Kontaktbahnen aus polykristallinem Silizium durch die Seitenwände
23 - sogenannte „Runner“ - durch Oxidabscheidungen. Hierdurch wird ein Herausführen der elektrischen Signale ausdem Hohlraum 30 , insbesondere einer evakuierten Kaverne ermöglicht. - - Ausbildung von Anschlagstrukturen zwischen Kondensatorelektroden, hergestellt aus SiCN/SiRiN oder alternativ durch leitfähiges Membran-Material aus polykristallinem Silizium.
- - A realization of a
MEMS pressure sensor 1 with thin nitride layers as a structural element. These can be made of SiCN or SiRiN or of another nonconducting material that can be selectively etched to HF - Advantageously, tensile material is used as membrane material.
- - Closure of the SiCN / SiRiN membrane with a stress-adapted nitride at low pressure or by a laser reseal process. Other non-conductive materials may also be used, for example SiO 2 , polyimides or the like.
- Use of polycrystalline silicon or another conductive material, in particular a metal or a semimetal, preferably germanium, in a SiCN / SiRiN-based pressure sensor for electrical contacting and / or for forming the capacitive measuring structures.
- - Realization of the connecting steles - "posts" - between nitride layer front and back by means of a U-shaped nitride trough, which is filled up with oxide.
- Use of a gas phase etch step or stiction-free wet release process to release the membrane. In particular, a gas phase etching step allows etching openings with a dimension below 0.5 microns.
- - Realization of
side walls 23 SiCN and / or SiRiN with oxide filling / oxide core. Thesewalls 23 especially when using SiRiN / SiCN as wall material automatically etch stops the diaphragm exemption process. - - Print-
proof sidewalls 23 to include vacuum, wherein in particular the internal pressure is variable, starting at a minimum of about 1 mbar inside the sensor. - - Enclosing contact paths of polycrystalline silicon through the side walls
23 - so-called "Runner" - by oxide deposits. This results in a lead out of the electrical signals from thecavity 30 , in particular an evacuated cavern allows. - - Formation of stop structures between capacitor electrodes, made of SiCN / SiRiN or alternatively by conductive membrane material made of polycrystalline silicon.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Although the present invention has been described in terms of preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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