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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Drucksensorelement. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensorelements.
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Stand der Technik
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Mikrosystemtechnisch hergestellte (Luft)drucksensoren (MEMS-Drucksensoren) weisen üblicherweise eine Membran aus Silizium auf, die auf eine Änderung des Drucks auf die Membranoberfläche mit einer Auslenkung der Membran reagieren. Diese Auslenkung bzw. der dadurch verursachte mechanische Stress an der Membrankante kann mittels piezoresistiver Widerstände in ein elektrisches Signal überführt werden.
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Die Änderung des mechanischen Stresses an der Membrankante pro Änderung des (Luft)Druckes wird als mechanische Sensitivität des Sensorelements bezeichnet. Zusammen mit der Höhe des piezoresistiven Effekts ergibt sich (vereinfacht) die Gesamtsensitivität des Sensorelements. Herstellungsverfahren hierfür lassen sich in zwei Ansätze aufteilen:
- 1. Zuerst werden die piezoresistiven Widerstände implantiert, durch hohe Temperaturen die implantierte Spezies aktiviert und anschließend die Membran freigestellt, wie es z.B. US 7 368 313 B2 bekannt ist. Hiermit lassen sich beispielsweise Differenzdrucksensoren herstellen.
- 2. Zuerst wird die Membran geformt und anschließend die piezoresistiven Widerständeimplantieren, durch hohe Temperaturen die implantierte Spezies aktiviert, wie es z.B. aus DE 10 2004 036 035 A1 bekannt ist. Üblicherweise können die Temperaturschritte (800-1000°C) zur Aktivierung nur bei Raumdruck durchgeführt werden. Dies führt bei mechanisch sehr sensitiven Membranen (z.B. Kantenlänge 400 µm , Dicke der Membran 5 µm) zu einer plastischen Verformung des Siliziums, welche schwer exakt zu kontrollieren ist und zu einer Streuung der Sensorelement-Eigenschaften führt. Hier ist eine (stark streuende) Verschiebung des mechanischen Stresses am Ort des piezoresistiven Widerstandes zu nennen, der zu einem (stark streuendem) Offset-Signal führt.
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Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des piezoresistiven Effekts kann dies auch zu einem (stark streuenden) temperaturabhängigen Offset führen. Um Letzteren im Sensor, der ein solches Sensorelement verwendet, kompensieren zu können, ist ein hoher bis wirtschaftlich nicht mehr vertretbarer Aufwand beim Abgleich des Drucksensors notwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mikromechanisches Drucksensorelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikromechanischen Drucksensorelement, aufweisend:
- - eine auf einem Substrat mit einer darin ausgebildeten Kaverne aufgebrachte Halbleiter-Membranschicht, die oberhalb der Kaverne eine auslenkbare Membran bildet;
- - wobei die Halbleiter-Membranschicht während wenigstens eines definierten Prozessschritts für eine definierte Zeitdauer einem Hochtemperaturschritt mit einer definierten hohen Temperatur ausgesetzt wurde; wobei
- - die Halbleiter-Membranschicht bei einer nicht anliegenden Druckdifferenz zwischen Kaverne und Außenbereich nicht mehr als ca. 50 nm, vorzugsweise nicht mehr als ca. 20 nm ausgelenkt ist.
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Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensorelements, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Substrats;
- - Ausbilden eines Kavernenvorläufers im Substrat, die auf ihrer Oberseite durch einen dünne Schichtstapel abgeschlossen ist, und Bereitstellen von Erfassungselementen innerhalb einer Halbleiterschicht des Schichtstapels;
- - Aufbringen von mindestens einer Opferschicht auf den Schichtstapel;
- - Durchführen wenigstens eines weiteren definierten Prozessschritts unter Einwirkung einer definierten hohen Temperatur für eine definierte Zeitdauer, der den Kavernenvorläufer durch Umlagern von porösem Silizium in eine Kaverne umwandelt, so dass der dünne Schichtstapel dort eine auslenkbare Membran bildet;
- - Entfernen der mindestens einen Opferschicht; und
- - elektrisches Kontaktieren der Erfassungselemente.
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Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensorelements bereitgestellt, bei dem während eines Temperschritts und gleichzeitigem Anliegen einer Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite der Membran verhindert wird, dass sich ein beliebiges Material im Schichtstapel der Membran aufgrund von thermischer Energie plastisch verformen kann. Erreicht wird dies dadurch, dass die Membran während des Durchführens des Hochtemperaturschritts „versteift“ ist, wodurch eine plastische Verformung im Schichtstapel der Membran im Wesentlichen ausgeschlossen ist, und am Ende des Prozesses wiederum „rückgedünnt“ wird, um deren Steifigkeit zu erniedrigen und damit die mechanische Sensitivität zu erhöhen.
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Vorteilhaft kann auf diese Weise die Membran gleichförmiger ausgestaltet werden, sodass im Ergebnis dadurch ein Basis-Stresszustand des mikromechanischen Drucksensorelements gut bekannt ist, wodurch ein temperaturabhängiges Offsetsignal im Wesentlichen vermieden werden kann. Der Hochtemperatur-Temperschritt kann vorteilhaft für mehrere bzw. verschiedene Produktionsschritte verwendet werden, wie zum Beispiel zum Aktivieren eines Implants, zum finalen Ausformen der Kaverne oder für andere Produktionsschritte, bei denen prozessbedingt eine hohe Temperatur erforderlich ist. Bevorzugte Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass ein Verhältnis zwischen Längsabmessung der Kaverne und einer Summe von Schichtdicken der Halbleiter-Membranschicht, einer optional auf der Halbleiter-Membranschicht angeordneten Isolationsschicht und einer optional auf der Isolationsschicht angeordneten Passivierungsschicht ca. größer als vierzig, vorzugsweise ca. größer als sechzig ist. Auf diese Weise wird eine Membran eines mikromechanischen Drucksensorelements realisiert, die besonders von der versteifenden Wirkung mittels der Opferschicht im Temperschritt profitiert.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der definierte Prozessschritt mit einer derart ausgebildeten Opferschicht durchgeführt wird, dass eine plastische Verformung der Halbleiter-Membranschicht nicht angeregt wird. Vorteilhaft kann dadurch ein effektiver Schutz der Membran vor plastischer Verformung während des Temperns erreicht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Aufbringen der Isolationsschicht auf die die Kaverne abschließende Halbleiter-Membranschicht vor dem Aufbringen der mindestens einen Opferschicht auf das Substrat durchgeführt wird. Im Ergebnis wird dadurch eine Gesamtdicke der Membran noch weiter erhöht, sodass ein noch größerer Schutz vor plastischer Verformung unterstützt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass als Opferschicht ein Schichtstapel aus mindestens einer abgeschiedenen oder aufgewachsenen Einzelschicht auf das Substrat aufgebracht wird. Vorteilhaft wird auf diese Weise nicht eine einzige Opferschicht benutzt, sondern mehrere Schichten, die gegebenenfalls als Ätzstopschichten benutzt werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der wenigstens eine weitere definierte Prozessschritt wenigstens eines aus Folgendem umfasst: Aktivieren von vorzugsweise mittels eines lonen-Implants eingebrachter Fremdatomen innerhalb des Halbleitermaterials, Formen der Kaverne, Veranlassen von Ausgasen aus dem Schichtstapel. Vorteilhaft kann dadurch der Verformungsschutz durch die Opferschicht in unterschiedlichen Phasen der Herstellung genutzt werden, wo jeweils hohe Temperaturen vorgesehen sind und in denen die versteifende Opferschicht nützlich ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der wenigstens eine weitere definierte Prozessschritt unter Einwirkung einer definierten hohen Temperatur für eine definierte Zeitdauer unter einer Stickstoff-Atmosphäre oder unter einer oxidativen Atmosphäre durchgeführt wird. Vorteilhaft können Oxide gegenüber Silizium leichter entfernt werden. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, die Opferschicht vor dem Entfernen zu modifizieren, z.B. durch einen Oxidationsprozess. Erreicht wird dies z.B. durch ein Tempern unter oxidativer Atmosphäre.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Opferschicht selektiv durchgeführt wird, wobei danach eine thermische Oxidation durchgeführt wird, wobei die Opferschicht als eine Maske für einen nachfolgenden Implantationsschritt verwendet wird. Das thermische Oxid kann als Streuoxid genutzt werden, welches den Gitterführungseffekt (engl. channelling) verhindern kann.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein piezoresistives oder ein kapazitives mikromechanisches Drucksensorelement hergestellt wird. Vorteilhaft lassen sich dadurch auf unterschiedlichen Messprinzipien basierende mikromechanische Drucksensorelemente realisieren.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
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Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das mikromechanische Drucksensorelement in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen des Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensorelements ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine Querschnittsansicht eines herkömmlich hergestellten mikromechanischen Drucksensorelements;
- 2 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß hergestellten mikromechanischen Drucksensorelements;
- 3 Querschnittsansichten von einzelnen Prozessschritten einer ersten Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensorelements;
- 4 Querschnittsansichten von einzelnen Prozessschritten einer zweiten Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensorelements;
- 5 Querschnittsansichten von einzelnen Prozessschritten einer dritten Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensorelements; und
- 6 einen prinzipiellen Ablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensorelements.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensorelements.
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Vorgeschlagen wird ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Drucksensorelement, das mit mechanisch hoher Sensitivität den Absolutdruck eines Umgebungsmediums messen kann, bei dem mittels des vorgeschlagenen HerstellungsVerfahrens hohe Streuungen von Sensorelementeigenschaften vorteilhaft vermieden werden können.
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Vorteilhaft kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren mit geringem Mehraufwand die mechanische Sensitivität erhöht werden ohne die bekannte Zunahme von Streuungen der Sensorelementeigenschaften in Kauf nehmen zu müssen.
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Mit der erhöhten mechanischen Sensitivität kann vorteilhaft die Gesamtsensitivität des mikromechanischen Drucksensors erhöht werden, so dass ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis pro eingesetzter Energie für die Messung (engl. figure-of-merit) vorteilhaft erhöht werden kann. Vorteilhaft kann dies bei mikromechanischen Drucksensoren im Consumer-Bereich von großem Nutzen sein.
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Vorteilhaft kann dadurch ferner bei gleichbleibender Gesamtsensitivität die piezoresistive Sensitivität verringert werden, wobei gleichzeitig die Temperaturabhängigkeit der piezoresistiven Sensitivität verringert wird. Durch Letzteres kann das Einkoppeln von Rauschen des Temperaturkanals in den Druckkanal verringert werden.
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Vorteilhaft ist auch eine Kombination der oben genannten Aspekte denkbar.
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1 zeigt in einer Querschnittsansicht den Aufbau eines herkömmlichen mikromechanischen Drucksensorelements 100 mit einer in einem Substrat 1 (z.B. Si-Substrat) vergrabenen Kaverne 2, die zur Oberseite durch eine Halbleiter-Membranschicht 3 (z.B. aus Silizium) abgeschlossen ist und in der Erfassungselemente 4 in Form von piezoresistiven Widerständen angeordnet sind. Erkennbar sind ferner eine elektrische Isolationsschicht 5, sowie (Metall-)Leiterbahnen 7, Durchkontaktierungen 8 und eine auf der elektrischen Isolationsschicht 5 aufgebrachte Passivierungsschicht 9. Der Schichtstapel aus Halbleiter-Membranschicht 3, Isolationsschicht 5 und Passivierungsschicht 9 bildet oberhalb der Kaverne 2 eine auslenkbare Membran mit einer Gesamtschichtdicke B. Unter der Membran 3, 5, 9 wird dabei ein oberhalb der Kaverne 2 angeordneter Verbund aus Halbleiter-Membranschicht 3, Isolationsschicht 5 und Passivierungsschicht 9 verstanden.
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Eine charakteristische Größe der vergrabenen Kaverne 2 (bzw. laterale Abmessung der Membran) ist mit A bezeichnet (z.B. die Kantenlänge einer quadratischen Membran), eine Dicke der Membran bestehend aus der Halbleiter-Membranschicht 3 samt der darauf angeordneten Schichten 5, 9 mit B. Aufgrund des fehlenden Schutzes während des Temperns ist die Membran, d.h. Schicht 3, 5, 9, „verbogen“ bzw. ausgelenkt und zwar mit einer Auslenkung Δz, die deutlich größer als 50 nm ist.
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2 zeigt in einer Querschnittsansicht den Aufbau eines vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensorelements 100 mit einer im Substrat 1 vergrabenen Kaverne 2, die zur Oberseite durch eine Halbleiter-Membranschicht 3 abgeschlossen ist und in der Erfassungselemente 4 in Form von piezoresistiven Widerständen angeordnet sind. Erkennbar sind auch hier die elektrische Isolationsschicht 5, sowie (Metall-)Leiterbahnen 7, Durchkontaktierungen 8 und die Passivierungsschicht 9.
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Bei einer Membran des vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensorelements 100 ist das Verhältnis A/B vorzugsweise größer als 40, noch mehr bevorzugt größer als 60 (z.B. A = 328 µm / B = 5.5 µm). Die Abmessung B geht dabei durch alle Schichten der Membran.
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Angedeutet ist, dass die Halbleiter-Membranschicht 3 im Bereich oberhalb der Kaverne bei einer nicht anliegenden Druckdifferenz zwischen Kaverne 2 und Außenbereich nicht mehr als ca. 50 nm, vorzugsweise nicht mehr als 20 nm ausgelenkt ist. Dadurch wird im Ergebnis eine „weiche“ Membran bereitgestellt, die aufgrund des oben erläuterten Schutzes während des Temperns mittels der Opferschicht 6 im Ruhezustand im Wesentlichen flach ist.
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Im vorgeschlagenen Verfahren wird das Silizium im Bereich der späteren Kaverne 2 porös gemacht, wobei durch Abscheiden der Halbleiter-Membranschicht 3 die Poren oben verschlossen werden. Danach wird das poröse Material der Halbleiter-Membranschicht 3 bei hohen Temperaturen umgelagert (ähnlich Sintern), so dass dadurch eine Kaverne 2 entsteht. Im Ergebnis existiert im vorgeschlagenen Verfahren die Kaverne 2 erst nach dem Abscheiden der Halbleiter-Membranschicht 3. In 2 ist das Substrat 1 zwar auch oberhalb der Kaverne 2 erkennbar, dieses ist wegen der Porösität des Materials aber nicht abschließend.
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3 zeigt in sechs Querschnittsansichten a) bis f) einen vorgeschlagenen Prozessablauf. Man erkennt einen Querschnitt eines mikromechanischen Drucksensorelements
100 ausgehend von einem z.B. aus
DE 10 2004 036 035 A1 bekannten Substrat
1 mit einer darin vergrabenen Kaverne
2, die von einer Halbleiter-Membranschicht
3 abgeschlossen ist, wobei in der Halbleiter-Membranschicht
3 Erfassungselemente
4 in Form von piezoresistiven Widerständen ausgebildet sind.
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3b zeigt, dass auf die gesamte Halbleiter-Membranschicht 3 eine Isolationsschicht 5 abgeschieden wird, die anschließend auch als eine Stoppschicht dient. Die Isolationsschicht 5 kann dabei als eine CVD-Siliziumdioxid mit Dicken von üblicherweise ca. 100 nm bis ca. 3 µm ausgebildet sein.
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In 3c ist erkennbar, dass ein Abscheiden einer Opferschicht 6, z.B. ein polykristallines Silizium, erfolgt, die die Halbleiter-Membranschicht 3 im nachfolgenden temperaturintensiven Temperschritt „ausreichend versteift“. Unter „ausreichend versteift“ wird in diesem Zusammenhang eine Dicke der Halbleiter-Membranschicht 3 samt Opferschicht 6 verstanden, die dafür sorgt, dass die plastische Verformung der Silizium-Schicht 3 im Membranbereich, geordnet nach steigender Anforderung an das Drucksensorelement:
- a. nicht in der Nähe der Erfassungselemente 4 (z.B. in einem Abstand von 50 µm lateral und 200 nm vertikal), oder
- b. nirgends in oder um die Halbleiter-Membranschicht 3, oder
- c. nirgends im Schichtaufbau mit Ausnahme der Opferschicht 6 auftritt.
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Hierfür kann z.B. eine Dicke der Opferschicht 6 von ca. 200 nm bis ca. 5 µm vorgesehen sein.
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Nachfolgend wird (angedeutet mit einem Pfeil im Übergang von 3c auf 3d) ein Tempern zum Aktivieren eines Implants innerhalb der Halbleiter-Membranschicht 3 durchgeführt, beispielsweise in einem Temperaturbereich von ca. 800°C bis ca. 1200°C mit einer Zeitdauer von ca. 5 min. bis ca. 120 min.
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In 3d) ist erkennbar, dass ein Entfernen der Opferschicht 6 durchgeführt wurde, beispielsweise mittels SF6-Plasmaätzen.
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In 3e) ist ein Anlegen von elektrischen Durchkontaktierungen (engl. vias) 8, elektrischen Kontakten 7 und elektrischen Leiterbahnen 7 innerhalb und auf der Isolationsschicht 5 angedeutet, wobei die dafür erforderlichen Schritte der besseren Übersichtlichkeit wegen im Einzelnen nicht dargestellt sind.
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In 3f) ist ein finales Abscheiden einer Passivierungsschicht 9, beispielsweise in Form von Siliziumnitrid erkennbar.
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Denkbar sind außer dem erwähnten Temperschritt noch weitere (nicht in Figuren dargestellte) Temperschritte. Ferner nicht in Figuren dargestellt sind auch weitere Prozessschritte, wie z.B. ein Öffnen von Bondpads, ein Rückschleifen des Wafers, ein Vereinzeln der mikromechanischen Drucksensorelemente 100, usw.
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Denkbar ist beispielsweise, dass als Opferschicht 6 statt einer Einzelschicht ein Schichtstapel aus mindestens einer abgeschiedenen oder aufgewachsenen Einzelschicht auf das Silizium-Substrat 1 aufgebracht wird.
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Statt piezoresistiver Detektion kann die mechanische Auslenkung der Membran über Druck auch über ein kapazitives Prinzip detektiert werden. Auch in diesem Fall können hohe Temperaturen zur Aktivierung von Implants auftreten, z.B. wenn ein Halbleitertemperatursensorelement auf dem Substrat 1 angelegt wird. Aber auch hier könnten Temperschritte, wie beispielsweise für die Metallisierung, sehr dünne Halbleiter-Schichten 3 im Membranbereich verformen, wenn diese keine versteifende Opferschicht 6 während des Temperns aufweisen (nicht in Figuren dargestellt). In diesem Fall sind die Erfassungselemente 4 als bewegliche Platten eines Plattenkondensators ausgebildet, die an der Membran fixiert sind. Alternativ kann die Membran selbst die bewegliche Platte des druckabhängigen Kondensators bilden.
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Als eine nicht in Figuren dargestellte Alternative des mikromechanischen Drucksensorelements 100 kann auch vorgesehen sein, dass die versteifende Opferschicht 6 als ein Schichtstapel aus mindestens einer abgeschiedenen oder aufgewachsenen Einzelschicht ausgebildet ist. Mindestens eine dieser Schichten kann zudem im weiteren Prozessablauf modifiziert werden, z.B. durch eine Oxidation, welche dadurch zusätzliche vorteilhafte Eigenschaften im weiteren Prozessablauf aufweist.
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Nach der Abscheidung der Passivierungsschicht 9 kann eine zusätzliche Opferschicht 6 aufgebracht werden, die die Halbleiter-Membranschicht 3 in folgenden Prozessschritten wie die Temperung des Metalls, versteift. Anschließend kann diese wieder entfernt werden.
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Als Opferschicht 6 eignen sich z.B. Polysilizium, epitaktisches Silizium und andere Schichten, die sich selektiv zur Isolationsschicht (bzw. für die zusätzliche Opferschicht selektiv zur Passivierung) ätzen lassen. Zum selektiven Ätzen der Opferschicht 6 kann z.B. Plasmaätzen mit SF6 oder NF3 verwendet werden.
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Als Isolationsschicht 5 eignen sich beispielsweise thermisches oder CVD-Siliziumoxid oder dotierte Siliziumoxide, wie z.B. Bor-Phosphor-Silikatgläser. Als Passivierungsschicht 9 kann beispielsweise Siliziumnitrid verwendet werden.
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Statt eine versteifende Opferschicht 6 auf die Isolationsschicht 5 aufzubringen, kann diese auch direkt auf die Halbleiter-Membranschicht 3 abgeschieden werden, wie es schematisch in 3b) gezeigt ist. Nach dem Temperschritt, der ohne versteifende Opferschicht 6 plastische Verformung verursachen würde, kann die Opferschicht 6 (beispielsweise in Form von CVD-Siliziumoxid) mit Ätzstopp auf Silizium entfernt werden, was z.B. mittels nasschemischer Prozesse (z.B. Flusssäure), die vorteilhafterweise Störstellen auf der Siliziumoberfläche entfernen, durchgeführt werden kann, so dass das 1/f-Rauschen der piezoresistiven Widerstände sinkt.
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Die Prozessschritte 4d) bis 4f) entsprechen dabei den Prozessschritten 3d) bis 3f) und werden deshalb nicht nochmals erläutert.
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Die versteifende Opferschicht 6 kann vor den Temperschritten durch trocken- oder nasschemisches Ätzen strukturiert werden, um plastische Verformungen an eine bestimmte Stelle auf der Halbleiter-Membranschicht 3 zu verschieben, beispielsweise an einen Ort, an dem keine elektrischen Funktionselemente angeordnet sind. Die versteifende Opferschicht 6 kann auch vor anderen Prozessschritten strukturiert werden, beispielsweise um Implantationen zu maskieren.
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Insbesondere kann die Opferschicht 6 strukturiert werden, um eine thermische Oxidation der versteiften Halbleiter-Membranschicht 3 zu ermöglichen, wie es stark vereinfacht in 5 angedeutet ist:
- Nach den Hochtemperatur- bzw. Temperschritten, beispielsweise zur Ausdiffusion vergrabener Implantationen (z.B. ca. 1.000°C bis ca. 1.200°C für ca. 1h bis ca. 10h), wird die Opferschicht 6 strukturiert, wie in 5c angedeutet. Anschließend wird eine thermische Oxidation bei deutlich geringeren Temperaturen und kürzeren Prozesszeiten durchgeführt, z.B. bei 600°C bis ca. 900°C für 10-60 min, so dass sich dadurch, wenn überhaupt, nur geringe plastische Verformungen der Halbleiter-Membranschicht 3 ergeben.
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Das daraus generierte thermische Oxid 10 (z.B. ca. 5 nm bis ca. 150 nm Dicke) dient anschließend als Streuoxid für die Implantation der Erfassungselemente 4 in Form der piezoresistiven Widerstände, d.h. es streut die implantierten Dotierstoffe, so dass ein definiertes, gewünschtes Dotierprofil im Silizium entsteht. Vorteilhaft kann das als Streuoxid genutzte thermische Oxid 10 verwendet werden, um sogenanntes „channelling“ zu verhindern. Nach der Implantation kann die Opferschicht 6 zusammen mit dem thermischen Oxid 10 entfernt werden, wie in 5e) angedeutet.
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Vorteilhafterweise kann ein Lack zum Strukturieren der Opferschicht 6 auch als eine zusätzliche Maskierung (zusätzlich zur strukturierten Opferschicht) während des Implants dienen. Neben der Verwendung der Lackmaske zum Strukturieren der Opferschicht 6 als zusätzliche Maskierung während des Implants, kann auch die strukturierte Opferschicht 6 selbst als Maskierung für Prozesse, wie z.B. einer Implantation dienen. Im Falle einer Implantation würde dies den Vorteil einer stabileren Kontrolle der Gesamtdosis bieten, da Lackmasken im Vakuum ausgasen und den lonenstrom beeinflussen können.
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Auch für die zuvor genannte lokale thermische Oxidation zur Herstellung des Streuoxides kann die strukturierte Opferschicht 6 als Maskierung während einer Oxidation angesehen werden. Die Opferschicht 6 kann auf diese Weise also selbst als eine Funktionsschicht während des Prozessflusses dienen. Wenn mehrere Temperschritte nach dem Erstellen der Membran in der Prozesskette auftreten, beispielsweise um das Profil eines ersten Implants in einem ersten Temperschritt gezielt durch Ausdiffusion (vertikal) zu verbreitern und anschließend nach einem zweiten Implant diesen durch einen kürzeren zweiten Temperschritt zu aktivieren, können auch mehrmals versteifende Opferschichten 6 aufgebracht und wieder entfernt werden (nicht in Figuren dargestellt).
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Das Entfernen bzw. Strukturieren der versteifenden Opferschicht 6 nach einem Tempern ermöglicht dabei das Einbringen einer weiteren Implantation in die Membran. Anstatt die Opferschicht 6 in einem dedizierten Schritt komplett zu entfernen (wie in 5e gezeigt), kann dies auch bei der trockenchemischen Strukturierung der Metallleiterbahnen 7 erfolgen: Hierzu wird bei der Strukturierung der Metallschicht bis weit in die Opferschicht 6 fortgesetzt, wodurch vorteilhaft ein separates Ätzen vermieden werden kann.
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Hinsichtlich Zeitpunkt im Prozess ergibt sich daraus als Vorteil, dass bis zur Metallisierung höhere Temperaturen, unter anderem für Aktivierung, Verfließen und dadurch Kantenverrundung notwendig sind, jedoch nach der Metallisierung keine höheren Temperaturen, die zur plastischen Verformung führen, mehr möglich sind. Zusätzlich ist dies möglich, da keine Metallleiterbahnen 7 auf der Membran bzw. in deren unmittelbaren Nähe vorkommen. Damit wird die Membran flächig zurückgeätzt.
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Vorteilhaft kann das vorgeschlagene Verfahren für alle Consumer- sowie Automotive-Absolutdrucksensoren verwendet werden.
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6 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensorelements 100.
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In einem Schritt 200 erfolgt ein Bereitstellen eines Substrats 1.
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In einem Schritt 210 erfolgt ein Ausbilden einer Kaverne im Substrat 1, die auf ihrer Oberseite durch einen dünnen Schichtstapel abgeschlossen ist und ein Bereitstellen von Erfassungselementen innerhalb einer Halbleiterschicht des Schichtstapels.
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In einem Schritt 220 erfolgt ein Aufbringen von mindestens einer Opferschicht auf den Schichtstapel.
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In einem Schritt 230 erfolgt ein Durchführen wenigstens eines weiteren definierten Prozessschritts unter Einwirkung einer definierten hohen Temperatur für eine definierte Zeitdauer derart, dass der dünne Schichtstapel dort eine auslenkbare Membran bildet.
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In einem Schritt 240 wird die mindestens eine Opferschicht entfernt.
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In einem Schritt 250 wird ein elektrisches Kontaktieren der Erfassungselemente 4 durchgeführt.
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Der Fachmann kann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7368313 B2 [0003]
- DE 102004036035 A1 [0003, 0033]
