DE10324960B4

DE10324960B4 - Kapazitiver Drucksensor

Info

Publication number: DE10324960B4
Application number: DE2003124960
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Frey; Heinz-Georg 72793 Vossenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: WO2004106879A1; DE10324960A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors, wobei vorgesehen ist, dass der Drucksensor – auf einem Substrat (1) hergestellt wird, wobei vorgesehen ist, dass das Substrat (1) Schaltelemente (2) einer elektrischen Schaltung aufweist, und – ein erstes Sensorelement (Cnutz) umfasst, wobei das erste Sensorelement (Cnutz) zur Kapazitätsmessung wenigstens – eine Membran (6) und – einen Hohlraum (8) aufweist, wobei vorgesehen ist, dass – der wenigstens eine Hohlraum (8) – auf einer Seite durch die Membran (6) und – auf der der Membran (6) gegenüberliegenden Seite durch eine erste Schicht (3) begrenzt wird, und – die erste Schicht (3) elektrisch leitfähig ist, und – die erste Schicht (3) derart erzeugt wird, dass sich die erste Schicht (3) und die zur Substratoberfläche senkrechte Projektion der Schaltelemente (2) der elektrischen Schaltung wenigstens teilweise überdecken, dadurch gekennzeichnet, dass...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanisch herstellbaren kapazitiven Drucksensor, der aufgrund seiner Herstellung eine Minimierung der benötigten Chipfläche durch eine mehrfache Platzausnutzung zeigt.
Mikromechanische Sensoren zur Erfassung eines Drucks können auf vielfache Weise hergestellt werden. Eine gängige Methode besteht darin, eine geschlossene Kammer, in der ein Bezugsdruck herrscht, durch eine elastische Membran abzuschließen. Diese Membran trennt die Kammer von einem äußeren Druck. Liegt ein Druckunterschied zwischen dem äußeren Druck und dem inneren Bezugsdruck vor, so verformt sich die Membran. Wird die Membran und die der Membran gegenüberliegende Seite der Kammer durch ein elektrisch leitendes Material realisiert, so kann der Drucksensor als Plattenkondensator angesehen werden. Durch die Verformung der Membran bei einem aufgetretenen Druckunterschied ändert sich der Abstand zwischen Membran und der als Gegenelektrode wirkenden Kammerrückseite. Diese Abstandänderung äußert sich in einer messbaren Kapazitätsänderung des Plattenkondensators. Durch die Erfassung dieser Kapazitätsänderung lässt sich daraus der äußere Druck ableiten. Eine mögliche Ausführungsform, wie derartige kapazitive Drucksensoren hergestellt werden können, ist aus der DE 44 01 999 C2 oder der EP 0 714 017 B1 bekannt.
Neben dem Aufbau und der Funktionsweise des Drucksensors ist auch die Ansteuerung des Drucksensors für die Durchführung von Messungen bzw. Erfassungen der Druckgrößen bedeutsam. Bei der EP 0 714 017 B1 werden beispielsweise die elektrischen Kontakte an die Drucksensoren durch die der Membran gegenüberliegenden Elektroden bewerkstelligt. Bei der DE 44 01 999 C2 wird die elektrische Kontaktierung des Drucksensors teilweise vor und teilweise nach der Herstellung des Drucksensors auf dem Substrat bzw. an dem Drucksensor durchgeführt. Bei beiden beschriebenen Drucksensoren ist somit neben dem eigentlichen Drucksensor ein weiterer räumlicher Bedarf auf dem Substrat erforderlich. Demgegenüber wurde in den letzten Jahren eine vollständige monolithische Integration von Sensor und Auswerteschaltung erreicht, wie sie beispielsweise in der DE 196 25 666 C1 beschrieben wird.
Sensoren nach kapazitivem Messprinzip werden für eine ganze Reihe von Messgrößen verwendet, unter anderem Abstand, Winkel, Druck und Beschleunigung. So kann jede Messgröße, die sich in einer Positionsänderung umsetzen lässt, kapazitiv gemessen werden. Die Empfindlichkeit der Anordnung lässt sich beispielsweise dadurch erhöhen, dass die Elektrodenabstände des kapazitiven Sensors sehr klein ausgestaltet werden. Durch den Aufbau eines Drucksensors mit Hilfe der Mikromechanik können so extrem geringe Elektrodenabstände und somit eine sehr hohe Empfindlichkeit erreicht werden. Die Messempfindlichkeit des kapazitiven Sensors kann jedoch durch die Kabelverbindung des Sensorelements mit der nicht-integrierten Messschaltung beeinträchtigt werden. So können neben der Einwirkung von äußeren elektronischen Feldern in der Umgebung auch die Kabelverbindungen zu einer Verfälschung des Messsignals führen. Dies kann beispielsweise durch die in den Kabeln auftretenden Kabelkapazitäten geschehen, die teilweise erhebliche Störungen erzeugen können. Zur Verringerung der Kabellängen und damit der Kabelkapazitäten ist deshalb eine räumliche Nähe der Sensorelektroden zur Messschaltung anzustreben. Dieses Problem wurde im Laufe der Entwicklung der Mikroelektronik dadurch gelöst, dass eine Messschaltung unmittelbar neben dem eigentlichen Sensor auf demselben Substrat integriert angeordnet wurde.
Aus der Schrift US 6,431,005 B1 ist ein kapazitives Drucksensorelement in Schichtbauweise bekannt, bei dem eine Elektrode am Boden eines Hohlraums und eine zweite Elektrode in die Membran integriert worden ist.
Aus der Schrift DE 40 42 336 A1 ist ein integrierbarer kapazitiver Drucksensor bekannt, bei dem zusätzlich zu dem eigentlichen Drucksensorelement ein weiteres Drucksensorelement als Referenzelement verwendet wird. Dabei unterscheidet sich das Referenzelement lediglich durch eine erhöhte Biegesteifigkeit von dem eigentlichen Drucksensorelement.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung beschreibt ein Herstellungsverfahren, das auf einem Substrat mittels eines mikromechanischen Aufbaus durchgeführt wird, bzw. einen durch das Herstellungsverfahren hergestellten Drucksensor. Bei diesem Herstellungsverfahren weist das Substrat Schaltelemente einer elektrischen Schaltung auf. Weiterhin weist der Drucksensor wenigstens ein Sensorelement auf, wobei ein erste Sensorelement zur Kapazitätsmessung wenigstens eine Membran und einen Hohlraum aufweist. Dieser Hohlraum wird auf der einen Seite durch die Membran und auf der der Membran gegenüberliegenden Seite durch eine erste Schicht begrenzt. Vorteilhafterweise sind zur Kapazitätsmessung mit dem Drucksensor die Materialien, aus denen sowohl die Membran, als auch die erste Schicht besteht, elektrisch leitfähig. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass die erste Schicht auf oder im Substrat erzeugt wird, wobei die erste Schicht auf der Substratoberfläche einen Bereich abdeckt, der durch die Fläche der darunter, im oder auf dem Substrat befindlichen elektrischen Schaltung oder der zur elektrischen Schaltung gehörenden Schaltelemente definiert ist. Vorteilhafterweise ist die elektrische Schaltung direkt auf der Oberfläche des Substrats angeordnet, die erste Schicht direkt auf der elektrischen Schaltung aufgebracht. In einer besonderen Ausführung der Erfindung weist die erste Schicht, beispielsweise durch eine Maske beim Aufbringen oder einem entsprechenden Ätzprozess eine Struktur auf der Substratoberfläche auf.
Durch den räumlichen Aufbau des kapazitiven Drucksensors direkt oberhalb der elektrischen Schaltung kann ein energiesparender Betrieb des kapazitiven Auswerteprinzips ermöglicht werden. Weiterhin ist durch die mögliche zweifache Platznutzung (mikroelektromechanische Struktur über der Schalt-Elektronik) eine Minimierung der benötigten Chipfläche bzw. Sensorfläche möglich. Mit der Abdeckung der Elektronik durch den Drucksensor ist weiterhin auch eine Beeinträchtigung der Schaltung durch mechanische äußere Einflüsse verringert. Somit wird ebenfalls eine mögliche mechanische Beschädigung des Drucksensors bzw. des gesamten Aufbaus minimiert. Da die mikroelektromechanische Struktur (MEMS) und die Elektronik unabhängig voneinander prozessiert werden, ist somit die Anpassung des Prozesses zur Herstellung der Schaltung (beispielsweise durch einen CMOS-Prozess) an Folgegenerationen problemlos möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der kapazitive Drucksensor in mehreren Schritten hergestellt. Dabei wird in einem ersten Schritt die strukturierte erste Schicht auf das Substrat aufgebracht. Um eine Auswertung des Sensorsignals durch die elektrische Schaltung zu ermöglichen, ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die erste Schicht eine leitfähige Verbindung zur elektrischen Schaltung aufweist. Daran anschließend wird in einem weiteren Schritt eine zweite strukturierte dielektrische Schicht aufgebracht. Vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass diese zweite Schicht die erste Schicht wenigstens teilweise bedeckt. Daran anschließend wird eine dritte strukturierte Schicht aufgebracht, wobei diese dritte Schicht im weiteren Herstellungsprozess als Opferschicht vorgesehen ist. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung verwendet die dritte Schicht als Planerasierungsschicht, mit der die strukturierte zweite Schicht planarisiert werden kann. Aus diesem Grund ist vorteilhafterweise eine Abstimmung der Strukturen der zweiten und dritten Schicht notwendig. Mit dieser Abstimmung kann erreicht werden, dass die dritte Schicht wenigstens teilweise einen unmittelbaren Kontakt zur ersten Schicht erhält und/oder diese dritte Schicht sich räumlich oberhalb einer zur Substratoberfläche senkrechten Projektion der Schaltelemente der elektrischen Schaltung befindet. Durch die Planarisierungswirkung der dritten Schicht erhält man nach dem Aufbringen eine nahezu plane Bedeckung des Substrats. An das Aufbringen der dritten Schicht folgt das Aufbringen einer vierten strukturierten Schicht, wobei vorteilhafter Weise diese vierte Schicht Zugangsöffnungen durch die vierte Schicht hindurch auf die dritte Schicht aufweist. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden diese Zugangsöffnungen derart in der vierten Schicht erzeugt, dass verschiedene voneinander isolierte Teile der vierten Schicht entstehen. Durch die so erzeugten Zugangsöffnungen wird in einem weiteren Schritt die dritte Schicht zumindest teilweise entfernt werden, so dass ein Hohlraum erzeugt wird, der für die Kapazitätsmessung im ersten Sensorelement unerlässlich ist. Die Herstellung des kapazitiven Drucksensors wird mit dem Aufbringen einer fünften Schichtabgeschlossen. Vorteilhafterweise fungiert die fünfte Schicht als Verschluss-Schicht, wobei vorgesehen ist, dass die Verschlussschicht die wenigstens eine Zugangsöffnung in der vierten Schicht verschließt. Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, dass dieser Verschluss den erzeugten Hohlraum wenigstens nicht vollständig ausfüllt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in dem kapazitiven Drucksensor neben dem ersten Sensorelement ein zweites Sensorelement vorgesehen. Bei der Herstellung dieses zweiten Sensorelements wird vorteilhafter Weise auf das Substrat die strukturierte erste Schicht aufgebracht. Zur Ansteuerung und zur Auswertung der mit dem Sensorelement aufgenommenen Druckwerte ist dabei vorgesehen, dass die erste Schicht eine elektrische Verbindung zur elektrischen Schaltung aufweist. Dabei kann in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Schaltung, die sich unter dem ersten Sensorelement befindet, nicht identisch ist, die sich unter dem zweiten Sensorelement unterscheidet. Nach dem Aufbringen der ersten Schicht wird eine zweite dielektrische Schicht derart aufgebracht, dass sie wenigstens teilweise die erste Schicht bedeckt. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite dielektrische Schicht die erste Schicht komplett bedeckt. In einem weiteren Schritt wird eine vierte strukturierte Schicht aufgebracht. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass diese vierte Schicht Zugangsöffnungen durch die vierte Schicht auf die dritte Schicht aufweist. Als nächster Schritt ist bei der Herstellung des zweiten Sensorelements vorgesehen, eine fünfte Schicht als Verschluss-Schicht aufzubringen. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Verschlussschicht die Zugangsöffnungen in der vierten Schicht verschließt, ohne die erzeugten Zugangsöffnungen vollständig auszufüllen. Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Hohlraum in den Zugangsöffnungen zurückbleibt, der verhindert, dass die zweite und die fünfte Schicht einen thermischen oder elektrischen Kontakt aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden das erste und das zweite Sensorelement des kapazitiven Drucksensors im gleichen Herstellungsprozess hergestellt. Vorteilhafterweise geschieht das dadurch, dass die Strukturierung der Schichten und/oder die Schichtmaterialien der beiden Schichten aufeinander abgestimmt sind. Eine besondere Ausgestaltungsform wird dadurch realisiert, dass die erste Schicht des ersten Sensorelements keinen direkten elektrischen Kontakt zur ersten Schicht des zweiten Sensorelements aufweist. Somit können beide Sensorelemente getrennt voneinander angesteuert werden und von einander unabhängig Druckmesswerte liefern.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Schicht durch das Aufbringen von Metall als untere Elektrode des Plattenkondensators erzeugt. Darüber hinaus ist aber auch möglich, die untere Elektrode bzw. die Gegenelektrode als diffundierte Gegenelektrode, beispielsweise als Teil der elektrischen Schaltung, herzustellen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass eine lineare Kennlinie bei der Aufnahme der Messwerte zu erwarten ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass

– die zweite Schicht aus TEOS (Tetraetoxylsilan oder Tretraethylortosilicat) besteht, und/oder
– die dritte Schicht aus Germanium besteht und/oder
– die vierte Schicht aus SiGe besteht und/oder
– die zweite und die fünfte Schicht aus dem gleichen Material besteht, und/oder
– die fünfte Schicht eine Planarisierung der Oberfläche bewirkt.

Vorteilhafter Weise wird durch das beschriebene Herstellungsverfahren ein kapazitiver Drucksensor hergestellt. In einer besonderen Ausgestaltungsform der Erfindung besteht dabei der kapazitive Drucksensor aus einem ersten Sensorelement zur Erfassung eines Absolutdrucks und einem zweiten Sensorelement zur Erfassung eines Referenzwertes. Dabei ist vorgesehen, dass der Referenzwert des zweiten Sensorelements von der Erfassung des Druckwertes des ersten Sensorelements und/oder eines äußeren, auf den Drucksensor wirkenden Drucks unabhängig ist. Durch diese Anordnung kann durch die gleichzeitige Aufnahme des Absolutdruckes und des Referenzwertes eine größere Genauigkeit der Druckbestimmung erreicht werden. Durch die Bestimmung der Referenz und Nutzkapazität durch das selbe Dielektrikum (TEOS-Schicht) ergibt sich ein verbesserter Kapazitätsabgleich der Sensorelemente.
Durch die vorliegenden Erfindung wird auf einem in einem beliebigen Halbleiterprozess hergestellten fertig prozessierten Wafer (Zur Erzeugung der elektrischen Schaltung) ein Nieder-Temperatur-Backend-Prozess angeschlossen. Durch diese Niedertemperaturprozessierung ist die Wahl der Materialien und der Prozess-Schritte besonders entscheidend für die Herstellung des Drucksensors.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
In den Zeichnungen 1a bis 1f sind die wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors nach dem vorgestellten Verfahren aufgezeigt.
Ausführungsbeispiel
Anhand der 1a bis 1f wird im Folgenden ein Herstellungsverfahren beschrieben, mit dem ein erfindungsgemäßer kapazitiver Drucksensor hergestellt werden kann.
Grundlage der Herstellung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drucksensors ist ein Substrat 1, auf bzw. in dem sich Schaltelemente einer elektrischen Schaltung 2 befinden. Dabei besteht die Möglichkeit, die elektrischen Schaltelemente 2 durch einen beliebigen Halbleiterprozess herzustellen. So ist beispielsweise die Herstellung der elektrischen Schaltung 2 mit Hilfe eines CMOS-Prozesses denkbar. Als Alternative kann auf ein Substrat 1 eine fertige Schaltung 2 aufgebracht werden oder die Schaltung 2 aus fertigen Schaltelementen zusammengestellt sein. An dem mit der Herstellung der Schaltung verbundenen Prozess wird ein Nieder-Temperatur-Backend-Prozess angeschlossen. Somit kann die Herstellung eines Schaltkreises 2, der zusätzlich zur Ansteuerung auch den Auswerteschaltkreis des kapazitiven Drucksensors darstellen kann, in einer Prozessfolge unabhängig vom Herstellungsprozess des Drucksensors realisiert werden.
Im Folgenden sollen mehrere Verfahren gleichbedeutend miteinander angewandt werden können, die das strukturierte Aufbringung einer Schicht ermöglichen. Dabei handelt es sich zum einen um das Aufbringen einer Schicht, die bereits vor dem Aufbringen eine Struktur aufweist. Weiterhin kann darunter verstanden werden, dass die Schicht, beispielsweise durch eine Maske, nur an bestimmten Stellen auf das Substrat aufgebracht wird uns somit eine Struktur auf der Oberfläche aufweist. Schlussendlich soll ebenso die Möglichkeit nutzbar sein, nach dem Aufbringen des Materials auf das Substrat durch Ätzprozesse an bestimmten Stellen Material zu entfernen, um ebenso eine strukturierte Oberfläche zu erhalten. Durch jede der so beschriebenen Verfahren ist eine Strukturierung der Oberfläche denkbar, so dass sie alternative Herstellungsprozesse für das vorliegende Herstellungsverfahren darstellen sollen.
Wie in 1a schematisch dargestellt ist, wird in einem ersten Schritt zur Herstellung des kapazitiven Drucksensors eine erste leitfähige Schicht 3 auf bzw. in dem Substrat 1 erzeugt. Dabei ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die erste Schicht 3 eine elektrische Verbindung mit der elektrischen Schaltung 2 aufweist. Dabei kann die erste Schicht 3 entweder durch einen direkten Kontakt oder einen durch eine elektrisch leitfähige Verbindung hergestellten Kontakt zu der darunter liegenden Schaltung 2 ermöglicht werden. Vorzugsweise wird dieser Kontakt durch eine Metallisierung der Elektronik durchgeführt, wobei alternativ auch leitende Nicht-Metalle für die erste Schicht 3 verwendet werden können. Mit einer Strukturierung dieser ersten Schicht 3 soll ein möglichst platzsparender Aufbau der Kombination aus Auswerteschaltung und Drucksensor erreicht werden. Dies kann besonders effizient dadurch erreicht werden, dass die erste Schicht 3 räumlich oberhalb der Auswerteschaltung 2 auf das Substrat 1 aufgebracht wird. Wurde die elektrische Schaltung 2 im vorhergehenden Halbleiterprozess tiefer im Substrat 1 hergestellt, d. h. wurde die elektrische Schaltung 2 nicht direkt an der Oberfläche hergestellt, so sorgen elektrische Verbindungen von der Schaltung 2 zur Substratoberfläche dafür, dass die Schaltung 2 und die erste Schicht 3 elektrisch miteinander verbunden sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass der kapazitive Drucksensor zwei Sensorelemente C_nutz bzw. C_ref umfasst, wobei das erste Sensorelement eine druckabhängige Messgröße und das zweite Sensorelement eine die Referenzkapazität repräsentierende Messgröße liefert. In weiteren Ausführungsbeispielen kann dabei vorgesehen sein, dass nur der Absolut- oder der Relativdruck in Verbindung mit der Referenzkapazität gemessen wird, wobei die Referenzkapazität zur Kalibrierung der Messgrößen verwendet wird. Entsprechend diesen Ausführungsbeispielen kann jedoch vorgesehen sein, dass nur ein erstes oder ein zweites Sensorelement hergestellt und genutzt wird.
Zur Herstellung eines Drucksensors aus zwei Sensorelementen, die unabhängig voneinander Druck- bzw. Referenzgrößen liefern, ist es notwendig, die erste Schicht 3 beider Sensorelemente zu trennen. Dies kann durch die Strukturierung der ersten Schicht erreicht werden. Günstigerweise weisen in dieser Ausführungsform der Erfindung zur besseren Messwertaufnahme die beiden Sensorelemente C_nutz bzw. C_ref separate Schaltungen 2 auf.
Im nächsten Herstellungsschritt des Verfahrens wird, wie auch in 1a dargestellt wird, als zweite Schicht 4 ein dielektrisches Material aufgebracht. Bei diesem dielektrischen Material handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um TEOS (Tetraetoxylsilan oder Tetraethylortosilicat). Diese zweite Schicht 4 und damit das TEOS wird anschließend strukturiert. Eine mögliche Darstellung dieser Strukturierung zeigt 1b. Die Struktur des TEOS wird dabei so gewählt, dass die erste Schicht 3 des zweiten Sensorelements C_ref mit einer vorgegebenen Schichtdicke bedeckt ist. Die erste Schicht 3 des ersten Sensorelement C_nutz soll demgegenüber jedoch oberhalb der Schaltung 2 wenigstens teilweise frei bleiben, d. h. keine TEOS-Bedeckung aufweisen. Im folgenden Schritt wird eine dritte Schicht 5 aufgebracht, die im weiteren Verfahren als Opferschicht dient. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird für diese dritte Schicht Germanium verwendet, wobei auch andere Halbleitermaterialien (z. B. Si_xGe_Y) verwendbar sind. Wie in 1c dargestellt, wird diese dritte Schicht 5 so strukturiert aufgebracht, dass sie die von der TEOS-Schicht 4 nicht bedeckten Stellen auf der ersten Schicht 3 bedeckt. Weiterhin ist aus 1c ersichtlich, dass die Schichtdicke der dritten Schicht 5 (Germanium) derjenigen der TEOS-Schicht 4 angepasst wird. Es stellt sich somit nach dem Aufbringen der Germaniumschicht 5 ein planarisierender Effekt ein, d. h. die Oberfläche aus Germanium 5 und TEOS 4 im wesentlichen plan ist. Eine weitere Möglichkeit, eine planare Oberfläche zu erzeugen besteht darin, Germanium ganzflächig auf die Oberfläche aufzubringen und mit einer CMP (Chemisch-mechanischen Polierung) anschließend wenigstens teilweise wieder zu entfernen. Da bei einem solchen Prozess ein deutlicher Unterschied beim Entfernen von Germanium und TEOS zu beobachten ist, kann auf einfache Weise eine vollständige Verfüllung der Aussparung im TEOS 4 mit anschließender Einebnung stattfindet, da die CMP auf TEOS gestoppt wird.
Der nächste Schritt im Herstellungsverfahren stellt das Aufbringen einer vierten Schicht 6 dar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird für diese vierte Schicht 6 das Material Silizium-Germanium verwendet. Allgemein ist für diese vierte Schicht 6 die Voraussetzung gefordert, dass es sich um ein leitendes Material handelt. Diese leitende vierte Schicht 6 stellt dabei die Membran des kapazitiven Drucksensors dar, wohingegen die erste Schicht 3, die gegenüberliegende Elektrode repräsentiert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Material, aus dem die erste Schicht 3 besteht auch erst nach dem Aufbringen durch eine entsprechen geeignete Prozessierung und Behandlung seine Leitfähigkeit erhalten.
Um in einem weiteren Schritt die dritte Schicht 5, die sog. Opferschicht, herauszulösen, wird die vierte Schicht 6 ebenfalls strukturiert (siehe 1d), so dass sie Zugangsöffnungen 7 aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass diese Zugangsöffnungen die vierte Schicht 6 in mehrere voneinander separierte Teile unterteilt, sodass eine eindeutige Zuordnung der entsprechenden Teil zu den Sensorelementen durchgeführt werden kann. Durch die so entstandenen Zugangsöffnungen 7 kann in einem weiteren Schritt die dritte Schicht 5 bzw. die Germaniumschicht durch die vierte Schicht 6 hindurch entfernt werden. Dabei ist es nicht notwendig, die komplette Germaniumschicht herauszulösen, solange ein ausreichend großer Nutz-Hohlraum 8 (siehe 1e) erzeugt werden kann. Die Entfernung einer Germaniumopferschicht 5 durch eine Zugangsöffnung 7 in einer als Membran ausgebildeten Schicht 6 ist aus dem Stand der Technik bekannt und soll deshalb hier nicht naher beschrieben werden.
Mit einer Verschlussschicht 9 werden die Zugangsöffnungen 7 in der vierten Schicht 6 verschlossen, so dass ein Hohlraum entsteht. Im Bereich des ersten Sensorelements C_nutz besteht dieser Hohlraum 8, wie aus 1f zu erkennen ist, aus dem vormals mit Germanium ausgefüllten Bereich 5 und dem unteren Teil der Zugangsöffnung 7 in der vierten Schicht. Im Bereich des zweiten Sensorelements C_ref, d. h. räumlich oberhalb der ersten Schicht 3 des zweiten Sensorelements, besteht der Hohlraum aus dem unteren Teil der Zugangsöffnung 7 durch die vierte Schicht 6. Dieser Hohlraum im zweiten Sensorelement C_ref stellt die Isolierung der unterschiedlichen Teile der vierten Schicht dar. Es ist deshalb darauf zu achten, dass mit der Verschlussschicht 9 sicher gestellt wird, dass die Zugangsöffnungen 7 verschlossen werden, ohne

– den darunter liegenden Hohlraum vollständig aufzufüllen und/oder
– einen durchgehenden Kontakt der vierten Schicht (Silizium-Germanium) herzustellen.

Vorteilhafterweise wird mit der Verschlussschicht eine Planarisierung oberhalb der beiden Sensorelemente durchgeführt.
Zur Verhinderung von Ungenauigkeiten in der Druckerfassung ist vorgesehen, dass das therm./elektr. Verhalten beider Sensorelemente aufeinander angepasst werden.
Mit einem im vorstehenden Ausführungsbeispiel hergestellten Drucksensor kann somit ein energiesparendes kapazitives Auswerteprinzip realisiert werden. Durch den Aufbau der Nutz- und Referenzkapazität mit dem selben Dielektrikum (Beispielsweise durch TEOS) kann ein optimaler Kapazitätsabgleich durchgeführt werden. Weiterhin stellt die einfache oberflächenmikromechanische MEMS-Prozessierung eine Vereinfachung der Drucksensorherstellung dar. Durch die unabhängigen Herstellungsprozesse der Elektronik und des MEMS sind jedoch die Wahl der Materialien und der Prozess-Schritte zur Niedertemperaturprozessierung besonders entscheidend. Durch die Abdeckung der elektrischen Schaltung mit dem Drucksensor bzw. durch die Abschirmung der zusätzlich aufgebrachten Schichten ist weiterhin die Elektronik (elektronische Schaltung) weniger empfindlich gegenüber mechanischen Störungen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die erste Schicht durch eine Behandlung der Substratoberfläche oder das Einbringen von Teilchen in das Substrat erzeugt. Dadurch kann sowohl an der Substratoberfläche, aber auch im Inneren des Substrats eine Schicht erzeugt werden, die gegenüber dem sie umgebenden Substrat ein leitfähiges Verhalten aufweist. Ein derartiger Herstellungsprozess der erste Schicht erzeugt somit eine diffundierte Gegenelektrode im Substrat.
Befindet sich die erste Schicht gänzlich im Substrat und wird dabei von einer nicht-leitfähigen Substratschicht mit nicht zu vernachlässigender Dicke bedeckt, so kann weiterhin bei entsprechenden Druckverhältnissen ein Kontakt zwischen den beiden Elektroden des Plattenkondensators verhindert werden, ohne die Funktionsfähigkeit des Drucksensors zu beeinträchtigen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors, wobei vorgesehen ist, dass der Drucksensor – auf einem Substrat (1) hergestellt wird, wobei vorgesehen ist, dass das Substrat (1) Schaltelemente (2) einer elektrischen Schaltung aufweist, und – ein erstes Sensorelement (C_nutz) umfasst, wobei das erste Sensorelement (C_nutz) zur Kapazitätsmessung wenigstens – eine Membran (6) und – einen Hohlraum (8) aufweist, wobei vorgesehen ist, dass – der wenigstens eine Hohlraum (8) – auf einer Seite durch die Membran (6) und – auf der der Membran (6) gegenüberliegenden Seite durch eine erste Schicht (3) begrenzt wird, und – die erste Schicht (3) elektrisch leitfähig ist, und – die erste Schicht (3) derart erzeugt wird, dass sich die erste Schicht (3) und die zur Substratoberfläche senkrechte Projektion der Schaltelemente (2) der elektrischen Schaltung wenigstens teilweise überdecken, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor ein zweites Sensorelement (C_ref) umfasst, wobei zur Herstellung des zweiten Sensorelements (C_ref) wenigstens die Schritte – Aufbringen der strukturierten ersten Schicht (3) auf das Substrat (1), wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die elektrische Schaltung (2) eine leitfähige Verbindung zur ersten Schicht (3) aufweist, und – Aufbringen einer zweiten dielektrischen Schicht (4), und – Aufbringen einer strukturierten vierten Schicht (6), – Aufbringen einer fünften Schicht (9) als Verschlussschicht, vorgesehen sind, wobei vorgesehen ist, dass die zweite dielektrische Schicht (4) die erste Schicht (3) vollständig in einer Schichtdicke bedeckt, die derjenigen des Hohlraums (8) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Drucksensors wenigstens die Schritte – Erzeugen der ersten Schicht (3) auf oder in dem Substrat (1), wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die elektrische Schaltung (2) eine leitfähige Verbindung zur ersten Schicht (3) aufweist, und – Aufbringen einer zweiten strukturierten dielektrischen Schicht (4), und – Aufbringen einer dritten strukturierten Schicht (5), wobei die dritte Schicht (5) insbesondere als – Opferschicht und/oder – Planarisierungsschicht vorgesehen ist, wobei die zweite und dritte Schicht Strukturen aufweisen, so dass die dritte Schicht (5) – wenigstens teilweise auf die erste Schicht (3) aufgebracht wird und/oder, – sich wenigstens teilweise mit der zur Substratoberfläche senkrechten Projektion der Schaltelemente (2) der elektrischen Schaltung überdeckt, und – Aufbringen einer vierten strukturierten Schicht (6), wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die vierte Schicht (6) wenigstens eine Zugangsöffnung (7) durch die vierte Schicht (6) hindurch auf die dritte Schicht (5) aufweist, und – Erzeugen des Hohlraums (8) durch eine wenigstens teilweises Entfernung der dritten Schicht (5), und – Aufbringen einer fünften Schicht (9) als Verschlussschicht, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Verschlussschicht wenigstens die eine Zugangsöffnung (7) in der vierten Schicht (6) verschließt, ohne den erzeugten Hohlraum (8) vollständig auszufüllen vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Schicht (6) wenigstens eine Zugangsöffnung (7) durch die vierte Schicht (6) hindurch auf die zweite Schicht (4) aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Zugangsöffnungen (7) die vierte Schicht (6) in mehrere voneinander isolierte Teilschichten unterteilt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussschicht wenigstens die eine Zugangsöffnung (7) in der vierten Schicht (6) verschließt, wobei verhindert wird, dass – die erzeugte Zugangsöffnung (7) vollständig ausgefüllt wird und/oder – ein thermischer oder elektrischer Kontakt der unterschiedlichen Teilschichten in der vierten Schicht (6) entsteht,
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des ersten und zweiten Sensorelements (C_nutz und C_ref) im gleichen Herstellungsprozess erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass – die Strukturierung der Schichten und/oder – die Schichtmaterialien der beiden Sensorelemente (C_nutz und C_ref) aufeinander abgestimmt sind, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass – die erste Schicht des ersten Sensorelements keinen elektrischen Kontakt zur ersten Schicht des zweiten Sensorelements aufweist oder – die erste Schicht des ersten Sensorelements ein elektrischer Kontakt zur ersten Schicht des zweiten Sensorelements aufweist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Schicht (3) durch eine diffundierte Gegenelektrode im Substrat (1) realisiert wird, und/oder – die zweite Schicht (4) aus TEOS (Tetraethoxysilan oder Tetraethylorthosilicat) besteht, und/oder – die dritte Schicht (5) aus Germanium besteht, und/oder – die vierte Schicht (6) aus SiGe besteht, und/oder – die zweite und die fünfte Schicht aus dem gleichen Material besteht, und/oder – die fünfte Schicht (9) eine Planarisierung der Oberfläche bewirkt.
Kapazitiver Drucksensor, wobei vorgesehen ist, dass der Drucksensor – sich auf einem Substrat (1) befindet, wobei vorgesehen ist, dass das Substrat (1) Schaltelemente (2) einer elektrischen Schaltung aufweist, und – ein erstes Sensorelement (C_nutz) umfasst, – wobei das erste Sensorelement (C_nutz) zur Kapazitätsmessung wenigstens – eine Membran (6) und – einen Hohlraum (8) aufweist, wobei vorgesehen ist, dass – der wenigstens eine Hohlraum (8) – auf einer Seite durch die Membran (6) und – auf der der Membran (6) gegenüberliegenden Seite durch eine erste Schicht (3) begrenzt wird, und – die erste Schicht (3) elektrisch leitfähig ist, wobei die erste Schicht (3) derart vorgesehen ist, dass sich die erste Schicht (3) und die zur Substratoberfläche senkrechte Projektion der Schaltelemente (2) der elektrischen Schaltung wenigstens teilweise überdecken, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor ein zweites Sensorelement (C_ref) umfasst, wobei das zweite Sensorelement (C_ref) wenigstens – die erste Schicht (3) auf oder in dem Substrat (1), wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die elektrische Schaltung (2) eine leitfähige Verbindung zur ersten Schicht (3) aufweist, und – eine zweite dielektrische Schicht (4), und – eine strukturierte vierte Schicht (6), – eine fünfte Schicht (9) als Verschlussschicht, umfasst, wobei vorgesehen ist, dass die zweite dielektrische Schicht (4) die erste Schicht (3) vollständig in einer Schichtdicke bedeckt, die derjenigen des Hohlraums (8) entspricht.
Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor wenigstens – die erste Schicht (3) auf oder in dem Substrat (1), wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die elektrische Schaltung (2) eine leitfähige Verbindung zur ersten Schicht (3) aufweist, und – eine zweite strukturierte dielektrische Schicht (4), und – eine vierte strukturierten Schicht (6), wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die vierte Schicht (6) wenigstens eine Zugangsöffnung (7) durch die vierte Schicht (6) hindurch aufweist, und – den Hohlraum (8), und – eine fünfte Schicht (9) als Verschlussschicht, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Verschlussschicht wenigstens die eine Zugangsöffnung (7) in der vierten Schicht (6) verschließt, ohne den erzeugten Hohlraum (8) vollständig auszufüllen, umfasst.
Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Schicht (6) wenigstens eine Zugangsöffnung (7) durch die vierte Schicht (6) hindurch auf die zweite Schicht (4) aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Zugangsöffnungen (7) die vierte Schicht (6) in mehrere voneinander isolierte Teilschichten unterteilt.
Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussschicht wenigstens die eine Zugangsöffnung (7) in der vierten Schicht (6) verschließt, wobei verhindert wird, dass – die erzeugte Zugangsöffnung (7) vollständig ausgefüllt wird und/oder – ein thermischer oder elektrischen Kontakt der unterschiedlichen Teilschichten in der vierten Schicht (6) erfolgt, umfasst.
Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Sensorelement (C_nutz) zur Erfassung eines Absolutdruckes vorgesehen ist und/oder – das zweite Sensorelement (C_ref) einen Referenzwert unabhängig – von der Erfassung des Druckwertes des ersten Sensorelements (C_nutz) und/oder – eines äußeren, auf den Drucksensor wirkenden Drucks erzeugt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass – das erste Sensorelement (C_nutz) und das zweite Sensorelement (C_ref) im gleichen Herstellungsprozess hergestellt werden und – die leitfähige erste Schicht des ersten Sensorelements (C_nutz) und die leitfähige erste Schicht des zweiten Sensorelements (C_ref) elektrisch voneinander – getrennt oder – verbunden sind.