DE4401999A1

DE4401999A1 - Kapazitiver Halbleiterdrucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE4401999A1
Application number: DE4401999A
Authority: DE
Inventors: Carlos Horacio Mastrangelo
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1994-01-25
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2014-01-26
Also published as: GB2276978A; GB2276978B; US5316619A; JPH06252420A; DE4401999C2; DE4401999C3; GB9401409D0

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Halbleiter vorrichtungen und ihre Herstellung mit Mikrobearbeitung und insbesondere auf Absolutdrucksensoren, die auf Halbleitersub straten ausgebildete und aus polykristallinem Silizium beste hende flexible Membranen aufweisen.

Vorgeschichte der Erfindung

Zum Ausbilden von dauerhaften, niedrigpreisigen, sehr genau en absoluten Drucksensoren ist die Verwendung von modernen Halbleiterbearbeitungstechniken zum Bearbeiten der kriti schen Teile des Sensors statt der getrennten Herstellung der Teile, wie es im Stand der Technik gelehrt wird, erwünscht.

Guckel und andere offenbaren in der US-Patentschrift 4 744 863 die Anwendung eines einen abgedichteten Hohlraum aufweisenden Halbleiterdruckwandlers mit Verwendung einer flexiblen, verformbaren Membran aus polykristallinem Sili zium, die über einem Opferoxidstiel auf einem Halbleitersub strat ausgebildet ist. Der Opferstiel enthält eine Vielzahl von entlang des Substrats über den Umfang des Stiels hinaus verlaufenden stegartigen Anhängseln. Nach dem konformen Auf trag des Membranwerkstoffs auf den Stiel wird der Umfang des Membranwerkstoffs zum Freilegen des Opferoxids weggeätzt. Das Opferoxid wird dann unter der flexiblen Membran zum Aus bilden eines Membranhohlraums weggeätzt. Die Löcher, die in den Umfang der Membran von den Steganhängseln, die weggeätzt worden sind, eingeformt sind, werden dann zum Ausbilden des Membranhohlraums verschlossen.

Die bevorzugte Ausführungsform verwendet piezoresistive, stromleitende, auf die flexible Membran aufgebrachte Bautei le. Der Widerstand dieser aufgebrachten Stoffe ändert sich proportional zu der Verformung der flexiblen Membran bei Än derungen des Umgebungsdruckes gegenüber dem in dem Membran hohlraum abgedichteten Druck. In Spalte 6, Zeilen 47 bis 63, wird auch die Verwendung der Struktur zum Tragen von zwei Platten eines kapazitiven Sensors in einer solchen Weise er wähnt, daß sich die Kapazität nach Maßgabe der Durchbiegung der Membran ändert. Ausführungsformen von oder Lehren zu dem kapazitiven Sensor werden jedoch nicht gegeben.

Im Gegensatz zum Stand der Technik verwendet die vorliegende Erfindung eine Membran aus polykristallinem Silizium, wobei die Membran auf der Oberseite eines Opferoxids ausgebildet ist, das zuvor auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht wurde, wobei die Stärke der Opferoxidschicht der Stärke des zu bil denden Membranhohlraums im allgemeinen gleich ist. Die Ver wendung einer im hohen Maß steuerbaren Siliziumdioxidopfer schicht auf der Siliziumhalbleiterscheibe ergibt einen Kon densator mit einer sehr niedrigen Kapazität und minimalen parasitischen Kapazitäten. Das Herstellungsverfahren ver langt nicht das Kontaktieren der strukturierten Strukturen für die Membran. Das Herstellungsverfahren läßt sich so steu ern, daß sehr niedrigpreisige Sensoren ohne Eichstufen herge stellt werden können.

Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Ausbildung eines zur ratiometrischen Messung von Absolutdrük ken geeigneten Sensorpaares. Infolge genauer Ausrichtung und Bemessung von Schlüsselelementen, wie der Kondensatorelektro den und der Membranen, verlangen diese Sensoren weder eine Eichung noch eine Einstellung. Eine zweite Aufgabe ist das Ausbilden von wirkungsvollen und lange haltenden Verschluß stopfen für das Sensorpaar, wobei der eine gasdurchlässig und der andere undurchlässig ist.

Eine verformbare Membran aus polykristallinem Silizium eines kapazitiven, an seiner Oberfläche mikrobearbeiteten Absolut drucksensors zusammen mit einem Herstellungsverfahren wird gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Verfahren enthält die Stufen des Maskierens einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats zum Frei legen einer ausgewählten Fläche des Substrats. Die freiliegende Fläche des Substrats wird selektiv dotiert, so daß eine erste leitende Absenkung ent steht, die einen ersten Leiter des kapazitiven Sensors bil det. Als nächstes wird eine erste Opferschicht konform auf mindestens dem ersten leitenden Abschnitt des Substrats und den Umfangsabschnitten der Maske, die die ausgewählte Fläche bestimmen, aufgebracht. Eine Membranschicht aus polykristal linem Silizium wird dann konform auf die erste Opferschicht aufgebracht und dichtet mit der Maskenschicht ab. Die aus po lykristallinem Silizium bestehende Membranschicht wird minde stens in der Fläche selektiv dotiert, die zusammen mit dem ersten leitenden Abschnitt in dem Substrat verläuft, so daß die aus dem polykristallinen Silizium bestehende Membran leitend wird. Dadurch wird der zweite leitende Abschnitt des kapazitiven Sensors gebildet.

Eine Zugangsöffnung wird selektiv durch die aus polykristal linem Silizium bestehende Membran in die Opferschicht ge ätzt. Eine nasse Ätzlösung wird durch die Zugangsöffnung zum Entfernen der ersten Opferschicht von unterhalb der aus poly kristallinem Silizium bestehenden Membran eingeführt. Da durch wird ein Membranhohlraum ausgebildet, der gleichsinnig mit dem entfernten Abschnitt der ersten Opferschicht ver läuft. Das nasse Ätzmittel in dem Hohlraum der aus polykri stallinem Silizium bestehenden Membran wird dann gefrierge trocknet und über die Zugangsöffnung durch Sublimation aus dem Membranhohlraum entfernt. Dies verhindert beim Entfernen des nassen Ätzmittels die kapillare Durchbiegung der aus dem polykristallinen Silizium bestehenden Membran. Ein Stopfen wird selektiv in die Zugangsöffnung zu deren Verschließen eingegeben, ohne das Volumen des Membranhohlraums zu überzie hen oder wesentlich zu verringern. Dieses Verfahren führt zu einer Vorrichtung, bei der eine Durchbiegung der aus dem po- Iykristallinen Silizium bestehenden Membranschicht als Folge der Schwankungen zwischen dem Umgebungsdruck und dem in dem Membranhohlraum eingeschlossenen Druck eine entsprechende Än derung in der Kapazität zwischen dem ersten und dem zweiten leitenden Abschnitt des Kondensators bewirkt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung erge ben sich aus einem Bezug auf die folgende, ins einzelne ge hende Beschreibung, wenn diese in Verbindung mit den angehef teten Zeichnungen genommen wird. In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 ein Querschnitt durch einen kapazitiven Absolutdruck sensor und einen Bezugssensor gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf die allgemein in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform einschließlich der Felder zum Abneh men der elektrischen Signale von den beiden Sensoren,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der bei der Optimierung des erfindungsgemäßen Sensors in Betracht zu ziehen den Konstruktionsbeschränkungen und

Fig. 4 A bis L je ein Querschnitt durch die auf der Silizium halbleiterscheibe ausgebildeten kapazitiven Sensoren in verschiedenen Stufen des Herstellungsablaufs.

Beschreibung der bevorzuaten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen an seiner Oberfläche mikrobearbeiteten kapazitiven Sensor zum Messen des absoluten Gasdrucks. Die Struktur besteht aus einer aus polykristallinem Silizium bestehenden Membran, die etwa 0,2 µm über einem Siliziumsubstrat aufgehängt ist. Der Sen sor hat einen Druckbereich von 10⁵ Pa und eine nominale Kapa zität von 1,5 pF bei einer vollen Skalenbreite von 0,35 pF. Jede Vorrichtung enthält einen abgeglichenen Bezugskondensa tor und beansprucht 0,19 mm² Fläche.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen für die Messung eines Gas drucks, zum Beispiel des Luftdrucks in der Einlaßleitung (MAP) oder des barometrischen Luftdrucks (BAP), geeigneten Absolutdrucksensor 100. Der Sensor umfaßt zwei zwei Platten und einen Luftspalt aufweisende Kondensatoren. Eine bewegli che Membranelektrode 20 besteht aus polykristallinem Sili zium, und die stationäre Elektrode ist in dem Substrat 30 ausgebildet. Die obere Elektrode 20 bildet einen hermetisch abgedichteten Membranhohlraum 28 mit einem festen Druck. Der Druckunterschied zwischen dem Membranhohlraum 28 und der Au ßenwelt des Sensors biegt die obere Elektrode 20 aus. Diese Konstruktion verwendet nicht die Fläche, die bei den meisten mikrobearbeiteten Drucksensoren aus Silizium für die Fort pflanzung der (111) Ebenen notwendig sind. Als Ergebnis hier von ist die Fläche äußerst klein. Ein nicht abgedichteter ab geglichener Bezugskondensator 200 ähnlicher Konstruktion ist für ratiometrische Messungen eingeschlossen und enthält eine permeable Polyimiddichtung 276.

Polykristallines Silizium wird als Material für die Membran 20 ausgewählt, da es eins der am stärksten untersuchten Dünn filmmaterialien ist. Der zwischen dem Substrat 30 und der Membran 20 ausgebildete Elektrodenspalt hat in der vertika len Höhe eine Größenordnung von wenigen hundert Nanometern. Dies erlaubt der Vorrichtung eine Kapazität in der Größenord nung von 1 bis 2 pF. Diese Kapazität ist groß genug für die Messung mit außerhalb des Chips angeordneten Schaltungen. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind die vier Kontaktierungs felder des Chips a, b, c und d zum leichten Anschluß an die außerhalb des Chips angeordnete Detektionsschaltung auf der gleichen Seite des Plättchens angeordnet. Diese Sensoren las sen sich ohne Eichung mit einem Fehler von ±10% in ihren Wandlungseigenschaften von Kapazität auf Druck herstellen. Dies setzt die Gesamtkosten des Sensors beträchtlich herab.

Konstruktionsbeispiel

Das folgende Beispiel wird für eine Anwendung als Lufteinlaß leitungsdrucksensor (MAP) gegeben, der einen Luftdruck zwi schen 0-10⁵ Pa (0-14 psi) mißt. Bei dieser Konstruktion gibt es drei Konstruktionsveränderliche: die Membranweite w, ihre Stärke t und den Elektrodenabstand d.

Der Sensor muß mehrere Konstruktionskriterien erfüllen: a) Die Kapazität des Sensors muß oberhalb eines Minimums C_min liegen; b) die Vorrichtung muß einen vollen Druckbereich von P_r aufweisen, und sie muß dem Überdruck P_ov widerstehen kön nen; c) die Einziehspannung der Membran muß größer als V_pmin sein; und d) die Veränderlichkeit der Lastdurchbiegungskurve aufgrund von Fabrikationsschwankungen muß unter einem Schwellwert ε_o liegen. Weiter müssen die Vorrichtungsfläche und -kosten minimiert werden.

Das Druckkonstruktionsproblem kann als ein Optimierungspro blem mit Einschränkungen hinsichtlich Gleichheit und Un gleichheit behandelt werden. Bei Vernachlässigung der Mem branrestspannung wird die Gleichung, die ihre mittlere Last durchbiegungskurve bestimmt, durch

gegeben. Der Elektrodenspalt wird mit der Maßgabe, daß d= z_m( Pr) konstruiert.

Die Bruchbedingung für diese Membran ist unabhängig von ih rer Breite w. Stattdessen bricht die Membran, wenn ihre maxi male Beanspruchung gleich der Bruchbelastung σ_f ist und ihre Durchbiegung gleich d ist. Zum Vermeiden des Plattenbruchs muß die Bedingung

erfüllt sein. Unter Verwendung der Gleichungen (2) und (3) und unter Verwendung von P_r = P_ov läßt sich w wie folgt aus schalten:

die zusammen mit der Gleichung (2)

ergibt. Die Kapazität des Sensors ist

die zusammen mit der Formel (2) zu der Einschränkung

führt.

Bei dieser Konstruktion ist die sich durchbiegende Membran die obere Elektrode. Die Einziehspannung hängt daher von de ren Stärke

ab, die zusammen mit der Gleichung (2) zu der neuen Ein schränkung

führt. Unter Verwendung der Gleichungen (16)-(19) (siehe un ten) wird der gesamte relative Fehler der maximalen Durchbie gung

Bei moderner Siliziumverarbeitung läßt sich der Young′sche Modul des polykristallinen Siliziums innerhalb 5% steuern. Man beachte, daß Δt/t und Δd/d für aufgetragene Filme kon stant sind. Die Breitenschwankung Δw ≃ 1-2 µm wird festge legt und durch das lithographische Verfahren begrenzt. Die Gleichung (10) ist der Einstellung einer minimalen Breitenbe grenzung äquivalent. Eine zusätzliche Einschränkung liegt in der maximalen Stärke der Membran. Für die meisten prakti schen Zwecke gilt t 4 µm stark. Weiter wird eine Grenze in dem minimalen Elektrodenspaltabstand mit 200 nm angenommen. Dies führt zu der Einschränkung

Die Fläche der Vorrichtung plus Bezugskondensator ist

A_c ≈ (ω + 3r + c + p) (2ω + 3r +c) (12)

wobei r der Außenrand des Chips und p die Breite des Kontak tierungsfeldes (100 µm) ist. Zum Herausfinden der Vorrich tung, die sämtlichen Einschränkungen genügt und minimale Ko sten (Fläche) ergibt, kann nun ein Optimierungsprogramm ver wendet werden. Zum Zwecke der Erläuterung wird dieser Vor gang in Fig. 3 grafisch dargestellt. Die Kurve A wird durch die Bruchbedingung angegeben. Die Kurven B und C werden mit C_min und den V_pmin-Einschränkungen generiert. Die Kurven D und E werden mit der Veränderlichkeit und den Elektroden spaltbedingungen generiert. Schließlich ist die Kurve F die Elektrodenstärkebedingung. Das mögliche Konstruktionsgebiet ist die schraffierte Fläche von Fig. 3. Punkt P erfüllt sämt liche Einschränkungen mit einer minimalen Vorrichtungsflä che.

Für die meisten praktischen Zwecke wird die Minimumbreite mit der C_min-Einschränkung und der Einzieheinschränkung be stimmt. Bei Gleichsetzung der Gleichungen (7) und (9) finden wir

Die Membranstärke ist damit dem geometrischen Mittel von C_min und V_pmin proportional. Die Gleichung (13) verlangt da her den Anstieg von w, falls entweder C_min oder V_pmin größer wird.

Bei einem optimierten Beispiel weist jede Vorrichtung eine Kapazität von 1,5 pF bei einer vollen Skalenbreite von 350 fF und einer Einziehspannung von 11 V auf. Jedes Plätt chen nimmt damit einschließlich seines eigenen abgestimmten Bezugskondensators eine Fläche von 0,19 mm² ein.

Herstellungsverfahren

Fig. 4 erläutert den Ablauf der Mikrobearbeitungsherstel lung. Das Substrat 30 ist eine (100) p-Typ-Siliziumhalblei terscheibe mit einem spezifischen Widerstand von 10-30 Ω-cm. Zuerst wird das Substrat in einer Piranha-Lösung gereinigt, und ein dünnes 100 nm-Feldoxid 31 wird auf der Halbleiter scheibe zum Wachsen gebracht. Die Absenkungslithographie wird dann durchgeführt und das Oxid in 10 : 1 HF geätzt. Als nächstes werden die Halbleiterscheiben mit einer Phosphordo sis von 4×10¹² cm^-2 bei einer Energie von 100 keV ionenim plantiert. Dies führt zu dem in Fig. 4A gezeigten Vorrich tungsquerschnitt. Das Fotoresist wird entfernt, und die Pro ben werden in Piranha gereinigt. Die Halbleiterscheiben wer den dann bei 1150°C für etwa vier Stunden in einer Umgebung aus trockenem Sauerstoff einer Hochtemperatur-Entspannung ausgesetzt und dann vier Stunden in einer N₂-Atmosphäre zum Eingeben der Absenkungsdotierungsmittel. Dies führt zu der Struktur nach Fig. 4B. Die Verbindungstiefe der Absenkung 32 ist X_j ≃ 3 µm.

Das während der Diffusion gebildete Oxid 33 wird dann in ei ner 5 : 1 BHF-Ätzlösung entfernt. Nach dem Reinigung mit Piran ha wird das 100 nm Feldoxid 34 in trockenem Sauerstoff bei einer Temperatur von 1000°C für zwanzig Minuten zum Wachsen gebracht. Im Anschluß an das Oxidwachstum wird eine dünne 100 nm-Schicht aus stöchiometrischem LPCVD-Siliziumnitrid 36 auf den Halbleiterscheiben zum Wachsen gebracht. Die aktive Flächenlithographie wird dann durchgeführt.

Das Nitrid wird dann bis auf das Feldoxid in einem SF₆-Plas mareaktor heruntergeätzt. Die Feldimplantierungsgebiete 38 sind dann lithographisch, und den Halbleiterscheiben wird eine Bahn eines Borimplantates mit einer Dosis von 10¹³ cm^-2 bei einer Energie von 100 keV, wie dies in Fig. 4C gezeigt wird, gegeben. Die Proben werden dann in Piranha-Lösung ge reinigt, und das Feldoxid 31 wird in 10 : 1 HF entfernt. Eine nasse Oxidation wird auf den Proben zum Wachsen von etwa 1 µm thermischen Oxids in den freiliegenden Flächen durchge führt. Diese Schicht stellt die in Fig. 4D gezeigte örtliche Passivierung 40 dar. Das verbleibende Nitrid wird dann in einem bei 150°C aufgewärmten heißen H₃PO₄-Bad entfernt. Die Proben werden dann gereinigt, und eine starke Dosis 5×10¹⁵ cm^-2 Arsenimplantat wird bei einer Energie von 180 keV aufgebracht. Dieses Implantat formt die Bodenelektrode 50 des Kondensators und ein Kontaktfeld 51.

Nach dem Reinigen der Proben in Piranha wird ein dünnes, 20 nm starkes Feldoxid thermisch in trockenem Sauerstoff bei 900°C für 25 Minuten zum Wachsen gebracht. Die Halbleiter scheiben werden sofort in den LPCVD-Nitridofen zum Wachsen von zusätzlichen 50 nm eines Siliziumnitrids 56 mit niedri ger Spannung gebracht. Eine 0,2 µm-Schicht 60 aus LTO wird dann auf den Halbleiterscheiben zum Ausbilden des Zwischen elektrodenabstands zum Wachsen gebracht. Die Schicht 60 wird dann strukturiert und in einer 5 : 1 BHF-Lösung in den in Fig. 4E gezeigten Plattenankerflächen geätzt.

Als nächstes wird die Probe gründlich gereinigt. Eine Mem bran 20 aus polykristallinem Silizium wird in drei Stufen zum Wachsen gebracht. Die ersten 1,5 µm des polykristallinen Siliziums werden aufgebracht, und den Proben wird dann eine hohe Dosis 1016 cm² Phosphorimplantat bei 100 kev zum Dotie ren des Materials gegeben. Nach dieser Stufe werden die Pro ben gereinigt, und die verbleibenden 1,5 µm des polykristal linen Siliziums werden aufgebracht. Die Halbleiterscheiben werden dann bei 1000°C für eine Stunde zur Implantataktivie rung und zum Spannungsabbau der Membran aus polykristallinem Silizium einem N₂-Ausglühen übergeben. Die Membranlithogra phie wird als nächstes ausgeführt. Die Proben werden kurz in 10 : 1 HF getaucht und gespült. Die Membran 20 aus polykristal linem Silizium wird dann in einer 3 : 33 : 64 NH₄F : H₂O : HNO₃-Lö sung bis auf die dünne LTO-Schicht (oder die Nitridschicht 56) heruntergeätzt. Dies wird in Fig. 4F gezeigt.

Nach dem Entfernen des Fotoresist und dem Piranha-Reinigen werden die Proben zum Entfernen des 0,2 µm starken Opfer oxids 60 in konzentrierte HF getaucht. Die Hinterschneidungs ätzgeschwindigkeit liegt bei etwa 50-80 µm pro Stunde. Die Proben werden dann sorgfältig für zehn Minuten in DI-Wasser gespült und für zwanzig Minuten einer Piranha-Reinigung un terzogen. Die Proben werden für zehn Minuten in 10 : 1 HF-Was ser getaucht und für zwanzig Minuten einer endgültigen Spü lung in DI-Wasser unterzogen. Die Halbleiterscheiben werden dann in einen ein Gemisch aus DI-Wasser und Zyklohexan ent haltenden Tank gegeben. Die Proben werden zum Gefrieren der an der Halbleiterscheibe haftenden flüssigen Lösung in einen Gefrierraum gegeben. Nach dem Gefrieren der Flüssigkeit wer den die Proben einem Vakuumsystem bei einem Druck von 50 mT übergeben. Nach dem Herunterpumpen wird die Kammer zum Subli mieren des Eises und Vermeiden einer Wasserkondensierung auf den Proben auf 100°C erhitzt. Während des Entfernens der Flüssigkeit aus dem neu gebildeten Membranhohlraum 28 senkt dieser Vorgang die auf die Membran 20 einwirkenden Kapillar kräfte auf ein Minimum. In diesem Zustand wird die Vorrich tung in Fig. 4G gezeigt.

Nach Abschluß der Sublimation werden die Proben in einen PECVD SiO₂-Reaktor eingegeben, und 250 nm des Oxids 76 wird auf die Proben aufgebracht. Dieses Oxid 76 dichtet die Ätzlö cher 78 ohne Penetrieren des Membranhohlraums 28 in die Flä che der Bodenelektrode 50 ab. Das PECVD-Oxid 76 wird struktu riert und von der Oberseite der Membran entfernt. Nach dem Reinigen mit Piranha werden die Ätzlöcher 78 gemäß der Dar stellung in Fig. 4H mit einem dünnen, 100 nm starken Überzug aus Siliziumnitrid 80 mit niedriger Spannung dauerhaft abge dichtet.

Eine dünne 200 nm-Schicht aus LTO, die als Maske für die Ni tridentfernung dient, wird dann auf die Proben aufgetragen. Als nächstes wird das LTO strukturiert und in 5 : 1 BHF ge ätzt, und der Fotoresist wird entfernt. Die Proben werden dann zum Entfernen der Siliziumnitridschicht 80 von der Membran und dem Bodenelektrodenkontaktfeld 51 in eine heiße H₃PO₄-Lösung eingetaucht. Nach dem Spülen wird die Probe zum Entfernen der Maske LTO in 5 : 1 BHF getaucht. Nach dieser Stu fe wird die Probe gereinigt und zeitweilig in 5 : 1 BHF ge taucht. Eine 1 µm-Schicht 82 aus AlSi wird auf die Proben ge sputtert. Die Metallithographie wird dann durchgeführt und das Metall mit einem Aluminiumätzmittel geätzt. Die Proben werden dann in Aceton gereinigt und in Formiergas bei 400°C für eine Stunde gesintert. Auf diese Weise werden gemäß der Darstellung in Fig. 4I zwei allgemein identische kapazitive Elemente geformt.

Die Zugangslochlithographie für den Bezugskondensator 200 wird dann durchgeführt. Das Nitrid 80 wird mit einem SF₆- Plasma entfernt, und das PECVD-Oxid 76 wird mit 5 : 1 BHF ge ätzt. Der Fotoresist wird dann mit einem O₂-Plasma entfernt, und die Proben werden gemäß der Darstellung in Fig. 4J ge friergetrocknet.

Eine dünne Schicht 276 aus Polyimid wird als nächstes auf den Halbleiterscheiben dispergiert. Dies dichtet das Zugangs loch 278 ab, erlaubt aber dessen Atmen. Nach einem kurzen Trocknen wird die Polyimidlithographie durchgeführt. Der Ent wickler greift das Polyimid in den freiliegenden Flächen an. Der Fotoresist wird dann mit Aceton unter Zurücklassung des Polyimidstopfen 276 entfernt. Dieser Film wird als nächstes bei 300°C für eine Stunde gealtert und führt zu einer in Fig. 4K gezeigten fertigen Vorrichtung. Der Polyimidstopfen 276 ist gegenüber atmosphärischen Gasen durchlässig und er möglicht ein Atmen des Membranhohlraums 228 des Bezugskonden sators. Damit wird die Lage der Kondensatorplatten 220 und 250 im allgemeinen unabhängig von Änderungen des atmosphäri schen Drucks.

Eine dicke Schicht aus Fotoresist wird als nächstes auf die Halbleiterscheiben aufgebracht. Die Proben werden dann 13 mil tief geritzt, und das weiche, schützende Resist wird mit Aceton entfernt. Nach dem Spülen der Proben für zwanzig Minuten sind sie fertig zum Verbinden in die einzelnen Pake te. Die endgültige Struktur mit Darstellung des Meßkondensa tors 100 und des Bezugskondensators 200 wird in Fig. 4L ge zeigt.

Dieser Absolutdrucksensor/-wandler enthält viele im MOSFET gefundene Merkmale, einschließlich einer lokalen Oxidation, Kanalschutzimplantate und Substratdiffusionen. Die Implemen tierung eines vollständigen Wandlers, einschließlich der CMOS-Schaltungen, erfordert nur einige wenige (10-20) zusätz liche Verarbeitungsstufen. Dieser Wandler ist voll integrier bar.

Obwohl bevorzugte Ausführungsformen und Bearbeitungsbeispie le hier gezeigt und beschrieben wurden, leuchtet es ein, daß diese Ausführungsformen und Bearbeitungsbeispiele nur als Beispiel gegeben wurden. Zahlreiche Abänderungen, Änderungen und Ergänzungen ergeben sich für Fachleute ohne Abkehr vom Wesen der Erfindung. Folglich ist beabsichtigt, daß die bei folgenden Patentansprüche alle diese Abwandlungen, soweit sie in deren Wesen und Umfang fallen, abdecken.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven, an seiner Oberfläche mikrobearbeiteten Absolutdrucksensors mit den folgenden Stufen:

a) Maskieren der Oberfläche eines Halbleitersubstrats zum Freilegen einer ausgewählten Fläche des Sub strats,
b) selektives Dotieren der ausgewählten Fläche des Sub strats, um damit einen ersten leitenden Elektrodenab schnitt des kapazitiven Sensors auszubilden,
c) konformes Auftragen einer ersten Opferschicht zum Ab decken mindestens des ersten Elektrodenabschnittes des Substrats und von Umfangsabschnitten der Maske, die die ausgewählte Fläche begrenzen,
d) konformes Auftragen einer Membranschicht aus polykri stallinem Silizium auf die erste Opferschicht,
e) selektives Dotieren der Opferschicht mindestens in der Fläche, die allgemein gleichförmig mit dem ersten Elektrodenabschnitt in dem Substrat verläuft, um die Membran leitend zu machen und damit einen zweiten Elektrodenabschnitt des kapazitiven Sensors auszubil den,
f) selektives Ätzen einer Zugangsöffnung durch die Mem branschicht und in die Opferschicht,
g) selektives Naßätzen durch die Zugangsöffnung und Ent fernen der ersten Opferschicht in einer Fläche gegen über dem ersten und zweiten Elektrodenabschnitt, um damit einen Membranhohlraum auszubilden, der allge mein gleichförmig mit dem entfernten Abschnitt der er sten Opferschicht verläuft,
h) Gefriertrocknen des nassen Ätzmittels in dem Membran hohlraum,
i) Entfernen des nassen Atzmittels aus dem Membranhohl raum durch die Zugangsöffnung durch Sublimation, um damit die kapillare Durchbiegung der aus polykristal linem Silizium bestehenden Membran beim Entfernen des nassen Ätzmittels zu verhindern, und
j) selektives Niederbringen eines Stopfens in der Zu gangsöffnung und zu deren Verschluß ohne Überziehen oder wesentliches Herabsetzen des Volumens des Mem branhohlraums am ersten Elektrodenabschnitt, wodurch die Durchbiegung der Membranschicht aufgrund von Schwankungen zwischen dem Umgebungsdruck und dem in dem abgeschlossenen Membranhohlraum eingeschlossenen Druck eine entsprechende Änderung in der Kapazität zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenabschnitt bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (e) die nachfolgende Stufe des Ausbildens ei ner zweiten konformen Schicht aus polykristallinem Sili zium über der Membran enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (c) ausgeführt wird, bis die erste Opfer schicht eine Stärke von zwischen 0,1 und 1,0 Mikrometer aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (d) durch Auftragen von polykristallinem Sili zium aus Silangas bei Temperatur- und Druckbedingungen von solcher Art durchgeführt wird, daß auf der Opfer schicht eine feste Schicht aus polykristallinem Silizium ausgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (j) weiter die nachfolgende Stufe des konfor men Auftragens einer Schicht aus SiN über dem Stopfen und benachbarten Flächen der Membran zum Abdichten des Membranhohlraums enthält.

6. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (j) enthält die vorbereitenden Stufen des:

- Identifizierens aneinander angrenzender Paare von ge meinsam bearbeiteten Sensoren auf dem Substrat und Identifizierens eines Sensors von jedem Paar als Be zugssensor und
- selektiven Maskierens der Zugangsöffnung des Bezugs sensors, um den Stopfen zum Abdichten des Membranhohl raums nicht aufzunehmen,

und weiter enthaltend die nachfolgenden Schritte des:

k) selektiven Entfernens der die Zugangsöffnung in dem Bezugssensor abdeckenden Maske und
l) selektiven Niederbringens eines gasdurchlässigen Stop fens in der Zugangsöffnung in dem Bezugssensor ohne Überziehen oder wesentliches Herabsetzen des Volumens des Membranhohlraums in der Fläche der ersten Elektro de, wodurch die Kapazität des Bezugssensors mit dem Absolutdrucksensor für ratiometrische Messungen ver glichen werden kann.

7. Kapazitiver mikrobearbeiteter Absolutdrucksensor, beste hend aus:

- einem Halbleitersubstrat mit einer ausgewählten Flä che, die zum Ausbilden eines ersten leitenden Elektro denabschnitts des kapazitiven Sensors dotiert ist,
- einer ersten Opferschicht, die zum Abdecken minde stens des ersten Elektrodenabschnittes des Substrats konform aufgetragen ist,
- einer auf die erste Opferschicht konform aufgebrach ten Membran aus polykristallinem Silizium, die in der Fläche, die mit dem ersten Elektrodenabschnitt in dem Substrat im allgemeinen gleichförmig verläuft, selek tiv dotiert ist, um die Membran leitend zu machen und damit einen zweiten Elektrodenabschnitt des kapaziti ven Sensors auszubilden,
- einer Zugangsöffnung, die durch die Membran aus poly kristallinem Silizium auf einer Oberfläche gegenüber dem Substrat selektiv geätzt ist, um das selektive Entfernen der ersten Opferschicht durch die Öffnung zu ermöglichen, wobei die erste Opferschicht von der Membran auf einer Fläche gegenüber dem ersten Elektro denabschnitt entfernt ist, um damit einen Membranhohl raum auszubilden,
- einem in der Zugangsöffnung und zu deren Abdichtung angeordneten Stopfen ohne Überziehen oder wesentli ches Herabsetzen des Volumens des Membranhohlraums am ersten Elektrodenabschnitt, wodurch die Durchbiegung der Membranschicht aufgrund von Veränderungen zwischen dem Umgebungsdruck und dem in dem abgeschlossenen Membranhohlraum eingeschlossenen Druck eine entsprechende Änderung in der Kapazität zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenabschnitt bewirkt.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein angrenzender Sensor auf dem Substrat als Bezugssensor verwendet wird, der Bezugssensor einen gasdurchlässigen Stopfen enthält, der in der Zugangsöffnung zum Abdichten des Membranhohlraums gegenüber Feststoffen, aber nicht zum Verhindern des Durchtritts von Gasen angeordnet ist, wodurch die Kapazität des Bezugssensors mit dem Absolut drucksensor für ratiometrische Messungen verglichen wer den kann.