DE19536228A1 - Mikroelektronischer, integrierter Sensor und Verfahren zur Herstellung des Sensors - Google Patents

Mikroelektronischer, integrierter Sensor und Verfahren zur Herstellung des Sensors

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Description

Die Erfindung betrifft einen mikroelektronischen, integrier­ ten Sensor, in dem ein Cantilever ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Sen­ sors.
Derartige Sensoren werden beispielsweise zur Messung von Be­ schleunigungen eingesetzt. Der Cantilever dient dabei zusam­ men mit einer weiteren Fläche als Kapazität, wobei Kapazi­ tätsänderungen als Meßgröße ausgewertet werden. Üblicherweise sind die bisher bekannten Cantilever über eine Feder während des gesamten Herstellungsvorgangs fest in dem Sensor veran­ kert. Die Prozeßabläufe bei der Herstellung des Sensors füh­ ren jedoch zu Streß, insbesondere mechanischen Streß, in dem Cantilever. Bei einer nicht vollständigen Relaxierung der Fe­ dern kann sich der Cantilever dadurch verbiegen. Weiterhin können die in den Federn aufgenommenen Kräfte zu einem Fehl­ verhalten des Cantilevers während des Betriebs führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der unempfindlich gegen mechanische Beanspruchung ist, insbesondere während des Her­ stellungsprozesses, und dadurch insgesamt besonders zuver­ lässig arbeitet. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors geschaffen werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Verfahrensmäßig erfolgt die Lösung mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbil­ dungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Nach einem wesentlichen Gedanken der Erfindung ist der Canti­ lever an einem Auflager aufgelegt, sind seitliche und obere Bewegungsbegrenzungen vorhanden, die in der Weise von einem Rand des Cantilevers beabstandet sind, daß einerseits ausrei­ chende Ausgleichsbewegungen des Cantilevers zur Vermeidung von mechanischem Streß möglich sind, und daß andererseits die Ausgleichsbewegungen nur im Bereich des Auflagers möglich sind.
Auf diese Weise wird ein vollständig und frei relaxierbarer Cantilever geschaffen, der auf dem Auflager, beispielsweise Lagerpunkten, aufgelegt ist, auf denen er sich im wesentli­ chen frei bewegen kann und seitlich und von oben so weit in seiner Bewegung begrenzt wird, daß ein Verschieben oder Ab­ rutschen über die tragenden Lagerpunkte hinaus verhindert wird.
Das Auflager und die Bewegungsbegrenzung können günstigerwei­ se auch als eine Einheit ausgebildet sein, wobei bevorzugt eine den Cantilever-Außenrand sacklochförmig umgebende Auf­ nahmeeinrichtung vorgesehen ist. Ebenso kann man hier auch von einer schlitzförmigen oder nutartigen Aufnahme des Canti­ levers sprechen. Die Bewegungsbegrenzungen und das Auflager oder spezieller die Lagerpunkte sind bevorzugt im gesamten Umfangsbereich des Cantilevers vorgesehen. Ebenso können je­ doch beide oder nur die Lagerpunkte oder nur die Bewegungsbe­ grenzungen punktförmig an einzelnen Stellen des Cantilevers angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bewegungsbe­ grenzung in Form einer Stütze ausgebildet, die durch eine in dem Cantilever gebildete Ausnehmung geführt wird. Die Be­ wegungsbegrenzung greift in diesem Fall also nicht an dem Außenrand des Cantilevers, sondern an dem in der Ausnehmung gebildeten Rand des Cantilevers an.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines mikroelektronischen, integrierten Sensors mit einem in einem Hohlraum ausgebilde­ ten Cantilever wird nach einem wesentlichen Gedanken der Er­ findung auf einem Substrat ein erstes Oxid erzeugt, welches als Ausgangsbasis für die Erzeugung der Lagerpunkte dient, darauf eine zweite Oxidschicht abgeschieden, die eine höhere Ätzrate als die erste Oxidschicht besitzt, eine erste Poly­ siliziumschicht zur Cantileverbildung abgeschieden, dotiert und rekristallisiert, in der ersten Polysiliziumschicht ein Löcherarray strukturiert, welches zum Durchleiten der am Ende des Prozeßablaufs durchgeführten Oxidätzung dient, eine dritte Oxidschicht mit einer der zweiten Oxidschicht ähnli­ chen Ätzrate aufgebracht, wobei die zweite und die dritte Oxidschicht als Basis für die Erzeugung einer seitlichen Bewegungsbegrenzung dienen, eine weitere Materialschicht mit einer Ätzrate aufgebracht, die niedriger ist als die Ätzrate der zweiten und dritten Oxidschichten, eine zweite Polysili­ ziumschicht zur Bildung eines Deckels aufgebracht, in der zweiten Polysiliziumschicht ein Löcherarray strukturiert und durch dieses Löcherarray eine isotrope Ätzung der zuletzt aufgebrachten Materialschicht, sowie der dritten, zweiten und ersten Oxidschicht zur Bildung des Hohlraums durchgeführt.
Mit diesem Verfahren wird ein Cantilever in einem Hohlraum innerhalb eines Sensors ausgebildet, der auf einem aus einer ersten Oxidschicht ausgebildeten Auflagepunkt, von aus der zweiten und dritten Oxidschicht gebildeten seitlichen Be­ wegungsbegrenzungen und einer aus der oberen Materialschicht gebildeten oberen Bewegungsbegrenzung in einem vorgegebenen Bereich beweglich gehalten wird.
Bei dem Verfahren wird bevorzugt das erste Oxid durch eine LOCOS-Technik, also als thermisches Oxid, gebildet. Die zweite und dritte Oxidschicht bestehen vorteilhafterweise aus einem abgeschiedenen Oxid, welches beispielsweise aus TEOS gebildet werden kann. Die darauf aufgebrachte Materialschicht besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus Borphosphor­ silikatglas (BPSG).
Während der Oxidätzung zur Bildung des Hohlraums besteht die Möglichkeit, daß der aus der ersten Polysiliziumschicht oder einer Siliziumschicht gebildete Cantilever sich am Auflager oder einer anderen Fläche im Zusammenwirken mit der Ätzflüs­ sigkeit festsaugt. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wäh­ rend des Herstellungsprozesses Lackstützen vorzusehen, die auf einfache Weise durch eine zweistufige Erzeugung des Lö­ cherarrays in der zweiten Polysiliziumschicht gebildet werden können. Dabei werden mit einer ersten Fototechnik einige Lö­ cher strukturiert, in denen dann Lackstützen ausgebildet wer­ den. In diesen Löchern wird zunächst eine anisotrope Ätzung mit einer teilweise isotropen Komponente durchgeführt. Zur Erzeugung der übrigen Löcher des Löcherarrays in der zweiten Polysiliziumschicht wird erneut eine Lackmaske aufgebracht, die lediglich die jetzt zu erzeugenden Löcher frei läßt und daher auch im Bereich der zuerst erzeugten Löcher aufgebracht wird. Dabei füllen sich die vorher geätzten Hohlräume mit Lack und untergreifen aufgrund der isotropen Komponente der ersten Ätzung auch die erste Polysiliziumschicht. Für die Ausbildung dieser Lackstützen ist es notwendig, daß die dafür verwendeten Löcher im Löcherarray der ersten Polysilizium­ schicht im wesentlichen mit den Löchern der zweiten Polysili­ ziumschicht übereinstimmen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im ein­ zelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen mikro­ elektronischen Sensor mit Cantilever während des Herstellungsverfahrens;
Fig. 2 einen mikroelektronischen Sensor mit Cantilever gegen Ende des Herstellungsverfahrens; und
Fig. 3 eine teilgeschnittene Draufsicht auf einen mikro­ elektronischen Sensor.
In Fig. 1 sind die in den verschiedenen Verfahrensschritten aufgebrachten und strukturierten Materialschichten darge­ stellt. Dabei wird ausgehend von einem Substrat 1 mit einer LOCOS-Technik ein thermisches Oxid erzeugt. Dieses wird mit einer ersten Fototechnik strukturiert. Darauf wird durch Auf­ bringen einer TEOS-Schicht (Tetraäthyloxysilikat) ein Oxid zur Bildung einer zweiten Oxidschicht 3 abgeschieden. Dieses wird mit einer zweiten Fototechnik strukturiert. Dabei ist zu beachten, daß diese zweite Oxidschicht aus abgeschiedenem Oxid eine höhere Ätzrate aufweist als die darunter liegende erste Oxidschicht 2 aus thermischem Oxid. Darauf wird eine erste Polysiliziumschicht 4 abgeschieden, die zur Canti­ leverbildung dient. Diese Polysiliziumschicht 4 wird dann dotiert und mit Hilfe einer Hochtemperaturbehandlung re­ kristallisiert und dabei eine Dotierstoffaktivierung durch­ geführt. Mit Hilfe einer dritten Fototechnik wird diese Polysiliziumschicht 4 strukturiert, wobei zum einen, genau wie bei den anderen Schichten auch, eine Definition und Strukturierung der äußeren Abmessungen stattfindet, und zum anderen in der Polysiliziumschicht ein Löcherarray 5 erzeugt wird. Die dabei erzeugten Löcher dienen später zum Durch­ treten der Ätzflüssigkeit zur Oxidätzung in die unter der Polysiliziumschicht 4 liegenden Oxidschichten 2 und 3. Im nächsten Schritt wird wiederum eine TEOS-Beschichtung zur Oxidabscheidung aufgebracht. Diese dritte Oxidschicht 6 wird mit einer vierten Fototechnik zur Festlegung ihrer Außenab­ messungen strukturiert. Das Oxid füllt ebenfalls die vorher in der ersten Polysiliziumschicht erzeugten Löcher 5 aus. Die zweite Oxidschicht 3 und die dritte Oxidschicht 6 bestehen aus dem gleichen Material und weisen daher beide die gleiche Ätzrate auf, die höher ist als die der ersten Oxidschicht 1. Im nächsten Schritt wird eine Materialschicht 7 aufgebracht, die eine niedrigere Ätzrate aufweist als die zweite und dritte Oxidschicht. Dafür wird hier Borphosphorsilikatglas verwendet. Anschließend wird ein Verdichtungsschritt durch­ geführt und damit gleichzeitig ein Planarisierungseffekt erreicht. Auf die BPSG-Schicht 7 wird eine zweite Polysiliziumschicht 8 aufgebracht, die zur Abdeckung des Sensors dient. Diese Polysiliziumschicht 8 wird dotiert, ebenfalls mit einem Hochtemperaturverfahren rekristallisiert und die vorhandenen Dotierstoffe aktiviert. Bei der folgenden Foto­ technik zur Strukturierung der Polysiliziumschicht 8 werden zum einen die äußeren Abmessungen des Sensors festgelegt und zum anderen bereits einige Löcher des Löcherarrays 9 erzeugt, in denen Lackstützen angeordnet werden sollen. Das Polysili­ zium wird an den durch die Maske freigegebenen Stellen ge­ ätzt, die im wesentlichen mit Löchern in der darunter liegen­ den ersten Polysiliziumschicht 4 übereinstimmen. Mit einer trockenen, anisotropen Oxidätzung mit einer isotropen Kompo­ nente wird in dem Sensor ein bis auf das Substrat 1 herunter­ reichendes Loch erzeugt, das im wesentlichen senkrecht ist und die Polysiliziumschichten 4 und 8 im Bereich des Ätz­ loches untergreift. Mit einer zweiten Fototechnik werden die übrigen Löcher des Löcherarrays 9 in der zweiten Polysili­ ziumschicht 8 erzeugt. Dafür wird zunächst eine entsprechende Lackmaske aufgebracht, die auch die mit der vorausgehenden Fototechnik erzeugten Löcher der zweiten Polysiliziumschicht 8 abdeckt. Dabei werden die im vorhergehenden Ätzschritt er­ zeugten Löcher mit Lack gefüllt, so daß sich Lackstützen 11 innerhalb des Sensors ausbilden. Durch die übrigen offenen Löcher in der zweiten Polysiliziumschicht 8 wird dann eine nasse, isotrope Oxidätzung vorgenommen, die aufgrund der unterschiedlichen Ätzraten der Oxidschichten 2, 3 und 6 und der darüber liegenden BPSG-Schicht 7 einen Hohlraum 10 erzeugt, der in Fig. 2 dargestellt ist. Durch die Lackstütze 11 wird die den Cantilever bildende erste Polysiliziumschicht 4 über dem das Auflager bildenden thermischen Oxid 2 gehalten und ein Festsaugen während des Ätzprozesses verhindert.
Anschließend wird die Lackstütze 11 entfernt. Dieser Ver­ fahrensstand ist in Fig. 2 dargestellt. In den nächsten Schritten wird das Löcherarray in der zweiten Polysilizium­ schicht ebenso wie Teile der BPSG-Schicht 7 wieder verschlos­ sen. Im Bereich des Pfeils 12 wird mit einer Fototechnik ein Kontaktloch strukturiert und anschließend die Kontaktloch­ ätzung durchgeführt. Durch dieses Kontaktloch wird eine Metallisierung zur Kontaktierung des Cantilevers durch­ geführt. Mit diesem Verfahren ist also ein Sensor geschaf­ fen worden, dessen Cantilever 13 auf einem Lagerpunkt 14 aufliegt und von diesem getragen wird. Ein seitliches Ver­ rutschen des Cantilevers 13 wird durch seitliche Bewegungs­ begrenzungen 15, die auf mehreren Seiten des Cantilevers 13 angeordnet sein müssen, verhindert. Außerdem sind obere Bewegungsbegrenzungen 16 zur Verhinderung eines Verkantens vorgesehen. Der Sensor kann jetzt bestimmungsgemäß durch die sich verändernden Kapazitäten zwischen dem Cantilever und der Polysiliziumschicht 8 einerseits und dem Cantilever und dem Substrat 1 andererseits arbeiten. Da der Lagerpunkt 14 und die seitlichen Bewegungsbegrenzungen 15 aus Oxid und die obere Bewegungsbegrenzung 16 aus BPSG besteht, wird der Cantilever elektrisch isoliert vom Substrat 1 und der zweiten Polysiliziumschicht 8 gelagert.
In Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den Sensor dargestellt, wobei die äußere gestrichelte Linie die äußeren Abmessungen anzeigt, die durch die zweite Polysiliziumschicht 8 bestimmt werden. Diese wirkt als Deckel und liegt oberhalb des dar­ unter liegenden Cantilevers. Die durchgehende Linie zeigt die Abmessungen der ersten Polysiliziumschicht 4, in deren zen­ tralen Bereich das Löcherarray 5 ausgebildet ist. Genau dar­ über befindet sich auch das Löcherarray 9 der zweiten Poly­ siliziumschicht 8. Die Auflagepunkte und die Bewegungsbe­ grenzungen sind in dem rechts unten angeordneten Fortsatz des Cantilevers angeordnet, können jedoch auch direkt am Rand angeordnet sein.
Bei einigen Anwendungen ist die obere Abdeckung nicht nötig, so daß in diesen Fällen der Cantilever unmittelbar von außen zugänglich ist und lediglich eine Art Platte über einem Hohl­ raum darstellt. Solche Ausführungsformen können beispielswei­ se als Drucksensor eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Mikroelektronischer, integrierter Sensor, in dem ein Can­ tilever ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Cantilever (13) an einem Auflager aufgelegt ist, daß seitliche (15) und obere Bewegungsbegrenzungen (16) vorhanden sind, die in der Weise von einem Rand des Cantilevers beab­ standet sind, daß einerseits ausreichende Ausgleichsbewegun­ gen des Cantilevers zum Abbau von mechanischem Streß möglich sind, und daß andererseits die Ausgleichsbewegungen nur im Bereich des Auflagers möglich sind.
2. Mikroelektronischer, integrierter Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Auflager und Bewegungsbegrenzungen (15, 16) als Einheit ausgebildet sind.
3. Mikroelektronischer, integrierter Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Cantileverrand sacklochförmig oder schlitzförmig umgebende Aufnahmeeinrichtung zur Bildung des Auflagers und Bewegungsbegrenzungen (15, 16) vorgesehen ist.
4. Mikroelektronischer, integrierter Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsbegrenzung und/oder die Lagerpunkte im gesamten Umfangsbereich des Cantilevers vorhanden sind.
5. Mikroelektronischer, integrierter Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsbegrenzung in Form einer Stütze ausge­ bildet ist, die durch eine in dem Cantilever gebildete Aus­ nehmung geführt ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines mikroelektronischen, integrierten Sensors, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem ein Cantilever ausgebildet ist, bei dem auf einem Substrat (1) ein erstes Oxid (2) erzeugt wird, welches als Ausgangsbasis für die Erzeugung des Auflagers vorgesehen ist,
darauf eine zweite Oxidschicht (3) abgeschieden wird, die eine höhere Ätzrate als die erste Oxidschicht besitzt,
eine erste Polysiliziumschicht (4) zur Bildung des Canti­ levers (13) abgeschieden, dotiert und rekristallisiert wird, in der ersten Polysiliziumschicht ein Löcherarray (5) zur späteren isotropen Ätzung der ersten und zweiten Oxid­ schichten (2, 3) strukturiert wird,
eine dritte Oxidschicht (6) aufgebracht wird, deren Ätzrate ähnlich der Ätzrate der zweiten Oxidschicht (3) ist und die zusammen mit der zweiten Oxidschicht (3) zur Bildung einer seitlichen Bewegungsbegrenzung (15) vorgesehen ist,
eine Materialschicht (7) mit einer niedrigeren Ätzrate als die der zweiten und dritten Oxidschicht (3, 6) zur Bildung einer oberen Bewegungsbegrenzung (16) aufgebracht wird, eine zweite Polysiliziumschicht (8) zur Bildung eines Deckels aufgebracht wird,
in der zweiten Polysiliziumschicht (8) ein Löcherarray zum Durchlaß eines Ätzmittels strukturiert wird, und
eine isotrope Oxidätzung zur Bildung des Hohlraums (10) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der ersten Oxidschicht mit einer LOCOS- Technik ein thermisches Oxid erzeugt wird, die zweite und dritte Oxidschicht (3, 6) durch TEOS-Abschei­ dung erzeugt werden und als weiteres Material darauf eine Borphosporsilikatglas-Schicht abgeschieden wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Löcherarrays (9) in der zweiten Polysiliziumschicht (8) in zwei Schritten durchgeführt wird, wobei nach Ätzung der ersten Löcher eine anisotrope Oxid­ ätzung mit isotroper Komponente durchgeführt wird, und die dabei erzeugten Hohlräume bei der Lackaufbringung zur Struk­ turierung der zweiten Löcher unter Bildung von Lackstützen (11) mit Lack gefüllt werden.
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