DE4401999C3

DE4401999C3 - Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Absolutdrucksensors durch Mikrobearbeitung einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats sowie solchermaßen hergestellter Absolutdrucksensor

Info

Publication number: DE4401999C3
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: 2002-01-10
Anticipated expiration: 2014-01-26
Also published as: GB2276978A; US5316619A; DE4401999C2; DE4401999A1; GB9401409D0; GB2276978B; JPH06252420A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Absolutdrucksensors durch Mikrobear beitung einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats, sowie einen solchermaßen hergestellten Absolutdrucksensor und dessen Verwendung

Zum Ausbilden von dauerhaften, niedrigpreisigen, sehr genauen Absolutdrucksensoren ist die Verwendung von modernen Halbleiterbearbeitungstechniken zum Bearbeiten der kritischen Teile des Sensors statt der gesonderten Herstellung der Teile erwünscht.

Aus WO 90/09677 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer stabilen Mikrostruktur mit einer Oberfläche bekannt, die der Oberfläche eines Substrats gegenübersteht und nahe dieser Oberfläche angeordnet ist und durch einen Ätzprozeß gebildet wurde, wobei bei dem Verfahren das Substrat und die Mikrostruktur in einer gefrierbaren Flüssigkeit gehalten werden, so daß die Mikrostruktur nach ihrer Bildung nicht austrocknet, die Flüssigkeit anschließend auf der Mikrostruktur gefroren wird und die gefrorene Flüssigkeit daraufhin von der Mikrostruktur und dem Substrat sublimiert wird. Dadurch wird erreicht, daß aufgrund des Gefrierens der Flüssigkeit keine kapillaren Kräfte zwischen der Mikrostruktur und dem Substrat wirksam werden, die die Mikrostruktur in Richtung auf das Substrat hin verbiegen.

Aus DE 40 42 336 A1 ist eine integrierbare, kapazitive Drucksensoranordnung mit einem Drucksensor be kannt, welcher ein Halbleitersubstrat und eine darüber angeordnete dotierte polykristalline Halbleiterschicht aufweist, zwischen denen ein Drucksensorhohlraum ausgebildet ist, wobei der Drucksensor dadurch monoli thisch mit wenigstens einem weiteren Sensorelement oder Schaltungselement integrierbar ist und eine span nungsunabhängige Kapazität aufweist. Eine Isolatorschicht ist zwischen der polykristallinen Halbleiterschicht und einem unterhalb des Drucksensorhohlraums liegenden Halbleiterbereich vorgesehen, so daß die Halbleiter schicht gegenüber dem Halbleitersubstrat isoliert ist. Die Drucksensoranordnung weist ferner ein kapazitives Referenzelement auf, dessen Struktur mit derjenigen des kapazitiven Drucksensors übereinstimmt, jedoch ist die polykristalline Halbleiterschicht des Referenzelementes mit einer weiteren Schicht zur Erhöhung Ihrer Biegesteifigkeit verstärkt.

Aus US 4 665 610 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterdrucksensors mit einer mehrfach beschich teten Membranstruktur bekannt bei dem eine erste Schicht eines selektiv ätzbaren Materials auf der Oberfläche eines Substrats abgeschieden wird, eine zweite Schicht eines zweiten Materials über der ersten Schicht abge schieden wird, anschließend Öffnungen durch die zweite Schicht bis zur ersten Schicht ausgebildet werden, wonach ein zusätzliches selektiv ätzbares Material über begrenzten Abschnitten der ersten Schicht in den Öffnungen gebildet wird, und eine dritte Schicht eines dritten Materials über der zweiten Schicht und dem zusätzlich selektiv ätzbaren Material abgeschieden wird, woraufhin Öffnungen durch die dritte Schicht gebildet werden, die das zusätzlich selektiv ätzbare Material freilegen, und ein Ätzmittel verwendet wird, um das selektiv ätzbare Material zu entfernen, wodurch eine mehrfach beschichtete Membranschicht gebildet wird, die die zweite und die dritte Schicht enthält. Das Verschließen der Öffnungen kann durch Ablagerung einer geeigneten Schicht, durch Oxidation der gesamten Struktur oder eine Kombination von beiden erfolgen.

US 4 744 863 ist ein Verfahren zum Herstellen einer deformierbaren Membranschicht eines Drucksensors bekannt, bei dem eine polykristalline Silizumschicht über einem relativ großen Sockel aus Siliziumdioxid und kleineren Vorsprüngen aus Siliziumdioxid abgeschieden wird, wobei die Vorsprünge in Richtung von dem Sockel fort verlaufen. Die Schicht aus polykristallinem Silizium wird anschließend maskiert und geätzt, um die äußeren Kanten der Vorsprünge freizugeben, und die gesamte Struktur wird anschließend in ein Ätzmittel getaucht, welches das die Vorsprünge und den Sockel bildende Siliziumdioxid, nicht jedoch das Substrat oder die abgeschiedene Schicht aus polykristallinem Silizium fortätzt. Auf diese Weise wird eine Struktur geschaffen, in der Kanäle ausgebildet sind, die einen Hohlraum mit der umgebenden Atmosphäre verbinden. Dieser Hohlraum kann durch Abscheiden von polykristallinem Silizium oder Siliziumnitrid über den Kanälen oder aber Oxidation der Struktur abgedichtet werden.

Aus GB 21 94 344 A ist ein Drucksensor bekannt, der ein Substrat, eine Membranschicht und eine zwischen dem Substrat und der Membranschicht angeordnete Stützschicht aufweist, die eine Öffnung aufweist, deren beide Seiten jeweils von dem Substrat und der Membranschicht verschlössen sind, um einen hermetisch abge dichteten internen Hohlraum zu bilden, der als Referenzdruckkammer wirkt, und eine Einrichtung zum Wandeln einer Verschiebung der Membranschicht in ein elektrisches Signal. Vorzugsweise enthält die Membranschicht des Drucksensors eine perforierte innere Schicht, die sich über den Hohlraum erstreckt, und eine Abdeckschicht, die auf der inneren Schicht ausgebildet ist, um den Hohlraum abzudichten. Bei dem Verfahren zum Herstellen dieses Sensors wird die Stützschicht auf dem Substrat und die innere Schicht der Membranschicht auf der Stützschicht gebildet und es werden die Perforierungen in der inneren Schicht durch Ätzen erzeugt, woraufhin der Hohlraum in der Stützschicht mittels Ätzens durch die Perforierung gebildet wird, und es wird anschließend die Abdeckschicht auf der perforierten inneren Schicht gebildet, um den Hohlraum abzudichten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Absolutdrucksensors mit einem Kondensator zu schaffen, dessen Linearität gegenüber den im Stand der Technik bekannten Kondensatoren bzw. Sensoren gesteigert ist.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 beschrieben. Der so hergestellte Absolutdrucksensor weist die Merkmale des Anspruchs 8 auf.

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 Wanne entsteht, die einen ersten Leiter des kapazitiven Sensors bildet. 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 polykristallinem Silizium wird dann konform auf die erste Opferschicht aufgebracht und dichtet mit der Maskenschicht ab. Die aus polykristallinem Silizium bestehende Membranschicht wird mindestens in der Fläche selektiv dotiert, die zusammen mit dem ersten leitenden Abschnitt in dem Substrat verläuft, so daß die aus dem polykristallinen Silizium bestehende Membranschicht leitend wird. Dadurch wird der zweite leitende Abschnitt des kapazitiven Sensors gebildet.

Eine Zugangsöffnung wird im Bereich von Umfangsabschnitten der Maske selektiv durch die aus polykristalli nem Silizium bestehende Membranschicht in die Opferschicht geätzt. Eine nasse Ätzlösung wird durch die Zugangsöffnung zum Entfernen der ersten Opferschicht von unterhalb der aus polykristallinem Silizium beste henden Membran eingeführt. Dadurch wird ein Membranhohlraum ausgebildet, der gleichsinnig mit dem entfernten Abschnitt der ersten Opferschicht verläuft. Das nasse Ätzmittel in dem Hohlraum der aus polykristal linem Silizium bestehenden Membran wird herausgespült und die Spüllösung wird dann gefriergetrocknet und über die Zugangsöffnung durch Sublimation aus dem Membranhohlraum entfernt. Dies verhindert beim Entfer nen der nassen Spüllösung 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 überziehen oder wesentlich zu verringern. Dieses Verfahren führt zu einer Vorrichtung, bei der eine Durchbiegung der aus dem polykristallinen Silizium bestehenden Membranschicht als Folge der Schwankungen zwischen dem Umgebungsdruck und dem in dem Membranhohlraum eingeschlosse nen Druck eine entsprechende Änderung in der Kapazität zwischen dem ersten und dem zweiten leitenden Abschnitt des Kondensators bewirkt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, wenn diese in Verbindung mit den Zeichnungen genommen wird. In den Zeichnungen ist:

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

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

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

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

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mikrotechnisch hergestellten, 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 Sensor hat einen Druckbereich von 10⁵ Pa und eine nominale Kapazität von 1,5 pF bei einer vollen Skalenbreite von 0,35 pF. Jede Vorrichtung enthält einen abgeglichenen Bezugskondensator und beansprucht 0,19 mm² Fläche.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen für die Messung eines Gasdrucks, zum Beispiel des Luftdrucks in der Einlaßlei tung (MAF) oder des barometrischen Luftdrucks (BAP), geeigneten Absolutdrucksensor 100. Der Sensor umfaßt zwei zwei Platten und einen Luftspalt aufweisende Kondensatoren. Eine bewegliche Membranelektrode 20 besteht aus polykristallinem Silizium, 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 Druck unterschied zwischen dem Membranhohlraum 28 und der Außenwelt des Sensors biegt die obere Elektrode 20 aus. Diese Konstruktion benötigt nicht die Fläche, die bei den meisten mikrobearbeiteten Drucksensoren aus Silizium aufgrund der Verbreiterung durch die (111) Ebenen notwendig sind. Als Ergebnis hiervon ist die Fläche äußerst klein. Ein nicht abgedichteter abgeglichener 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 eines der am stärksten untersuchten Dünnfilmmaterialien ist. Der zwischen dem Substrat 30 und der Membran 20 ausgebildete Elektro denspalt hat in der vertikalen Höhe eine Größenordnung von wenigen hundert Nanometern. Dies erlaubt der Vorrichtung eine Kapazität in der Größenordnung 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 Kontaktierungsfelder 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 lassen 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 Lufteinlaßleitungsdrucksensor (MAP) gegeben, der einen Luftdruck zwischen 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 können; 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 Optimierungsproblem mit Nebenbedingungen behandelt wer den. Bei Vernachlässigung der Membranrestspannung wird die Gleichung, die ihre mittlere Lastdurchbiegungs kurve bestimmt, durch

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

Die Bruchbedingung für diese Membran ist unabhängig von ihrer Breite w. Stattdessen bricht die Membran, wenn ihre maximale 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 ausschalten:

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 deren Stärke

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

führt. Der gesamte relative Fehler der maximalen Durchbiegung ergibt sich letztendlich zu

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 konstant sind. Die Breitenschwankung Δw ≃ 1-2 µm wird festgelegt und durch das lithographische Verfahren begrenzt. Die Gleichung (10) ist der Einstellung einer minimalen Breitenbegrenzung äquivalent. Eine zusätzliche Einschränkung liegt in der maxima len Stärke der Membran. Für die meisten praktischen 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, p die Breite des Kontaktierungsfeldes (100 µm) und c die Sägeblattdicke ist. Zum Herausfinden der Vorrichtung, die sämtlichen Einschränkungen genügt und minimale Kosten (Fläche) ergibt, kann nun ein Optimierungsprogramm verwendet werdet. Zum Zwecke der Erläuterung wird dieser Vorgang 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 Elektrodenspaltbedingungen generiert. Schließlich ist die Kurve F die Elektrodenstär kebedingung. Das mögliche Konstruktionsgebiet ist die schraffierte Fläche von Fig. 3. Punkt P erfüllt sämtliche Einschränkungen mit einer minimalen Vorrichtungsfläche.

Für die meisten praktischen Zwecke wird die Minimumbreite mit der C_min-Einschränkung und der Einziehein schränkung bestimmt. 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 daher 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 Plättchen nimmt damit einschließlich seines eigenen abgestimmten Bezugskondensators eine Fläche von 0,19 mm² ein.

Herstellungsverfahren

Fig. 4 erläutert den Ablauf der Mikrobearbeitungsherstellung. Das Substrat 30 ist eine (100) p-Typ-Silizium halbleiterscheibe mit einem spezifischen Widerstand von 10-30 Ω.cm. Zuerst wird das Substrat in einer Piran ha-Lösung gereinigt, und ein dünnes 100 nm-Feldoxid 31 wird auf der Halbleiterscheibe zum Wachsen gebracht. Die Lithographie zur Herstellung der dotierten Wanne 32 wird dann durchgeführt und das Oxid in 10 : 1 HF geätzt. Als nächstes werden die Halbleiterscheiben mit einer Phosphordosis von 4 × 10¹² cm^-2 bei einer Energie von 100 keV ionenimplantiert. Dies führt zu dem in Fig. 4A gezeigten Vorrichtungsquerschnitt. Das Fotoresist wird entfernt, und die Proben werden in Piranha gereinigt. Die Halbleiterscheiben werden 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 Eindiffundieren bzw. Aktivieren der Dotierungsmittel wärmebehandelt. Dies führt zu der Struktur nach Fig. 4B. Die Tiefe der Absenkung 32 ist X_j ≃ 3 µm.

Das während der Diffusion gebildete Oxid 33 wird dann in einer 5 : 1 BHF-Ätzlösung entfernt. Nach dem Reinigung mit Piranha wird das 100 nm Feldoxid 31 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 Plasmareaktor mit SF₆ heruntergeätzt. Die Feldimplantierungsgebiete 38 werden dann lithographisch definiert. Die Halbleiterscheiben werden ganzflächig mit einem Borimplantat mit einer Dosis von 10¹³ cm^-2 bei einer Energie von 100 keV, wie dies in Fig. 4C gezeigt wird, beaufschlagt. Die Proben werden dann in Piranha-Lösung gereinigt, und das Feldoxid 34 wird in 10 : 1 HF entfernt. Die nasse Oxidation wird auf den Proben zum Wachsen von etwa 1 µm thermischen Oxids in den freiliegenden Flächen durchgeführt. 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 Halbleiterscheiben werden sofort in den LPCVD-Nitridofen zum Wachsen von zusätzlichen 50 nm eines Siliziumnitrids 56 mit niedriger Spannung gebracht. Eine 0,2 µm-Schicht 60 aus LTO wird dann auf den Halbleiterscheiben zum Ausbilden des Zwischen elektrodenabstands als Opferschicht 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 Membran 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 Dotieren des Materials gegeben. Nach dieser Stufe werden die Proben gereinigt, und die verbleibenden 1,5 µm des polykristallinen Siliziums werden aufgebracht. Die Halbleiterscheiben werden dann bei 1000°C für eine Stunde zur Implantatak tivierung und zum Spannungsabbau der Membran aus polykristallinem Silizium einem N₂-Ausglühen überge ben. Die Membranlithographie wird als nächstes ausgeführt. Die Proben werden kurz in 10 : 1 HF getaucht und gespült. Die Membran 20 aus polykristallinem 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 Fotolacks und dem Piranha-Reinigen werden die Proben zum Entfernen des 0,2 µm starken LTO Opferschicht 60 in konzentrierte HF getaucht. Die Hinterschneidungsätzgeschwindigkeit 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 unterzogen. Die Proben werden für zehn Minuten in 10 : 1 HF-Was ser getaucht und für zwanzig Minuten einer endgültigen Spülung in DI-Wasser unterzogen. Die Halbleiterschei ben werden dann in einen ein Gemisch aus DI-Wasser und Zyklohexan enthaltenden Tank gegeben. Die Proben werden zum Gefrieren der an der Halbleiterscheibe haftenden flüssigen Lösung in einen Gefrierraum gegeben. Nach dem Gefrieren der Flüssigkeit werden die Proben einem Vakuumsystem bei einem Druck von 66,5 . 10² Pa übergeben. Nach dem Herunterpumpen wird die Kammer zum Sublimieren 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 Kapillarkräfte auf ein Minimum. In diesem Zustand wird die Vorrichtung 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 Ätzlöcher 78 ohne Penetrieren des Membranhohlraums 28 in die Fläche der Bodenelektrode 50 ab. Das PECVD-Oxid 76 wird strukturiert und von der Oberseite der Membran entfernt. Nach dem Reinigen mit Piranha werden die Ätzlöcher 78 gemäß der Darstellung in Fig. 4H mit einem dünnen, 100 nm starken Oberzug aus Siliziumnitrid 80 mit niedriger Spannung dauerhaft abgedichtet.

Eine dünne 200 nm-Schicht aus LTO, die als Maske für die Nitridentfernung dient, wird dann auf die Proben aufgetragen. Als nächstes wird das LTO strukturiert und in 5 : 1 BHF geätzt und der Fotolack wird entfernt. Die Proben werden dann zum Entfernen der Siliziumnitridschicht 80 von der Membran und dem Bodenelektroden kontaktfeld 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 Stufe wird die Probe gereinigt und zeitweilig in 5 : 1 BHF getaucht. Eine 1 µm-Schicht 82 aus AlSi wird auf die Proben gesputtert. 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 getempert. Auf diese Weise werden gemäß der Darstellung in Fig. 4I zwei allgemein identische kapazitive Elemente geformt.

Die Zugangslochlithographie für den Bezugssensor 200 wird dann durchgeführt. Das Nitrid 80 wird mit einem SF₆-Plasma entfernt und das PECVD-Oxid 76 wird mit 5 : 1 BHF geätzt. Der Fotolack wird dann mit einem O₂-Plasma entfernt und die Proben werden gemäß der Darstellung in Fig. 4J gefriergetrocknet.

Eine dünne Schicht 276 aus Polyimid wird als nächstes auf den Halbleiterscheiben dispergiert. Dies dichtet das Zugangsloch 278 ab, erlaubt aber dessen Atmen. Nach einem kurzen Trocknen wird die Polyimidlithographie durchgeführt. Der Entwickler greift das Polyimid in den freiliegenden Flächen an. Der Fotolack wird dann mit Aceton unter Zurücklassung des Polyimidstopfens 276 entfernt. Dieser Film wird als nächst 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 ermöglicht ein Atmen des Membranhohlraums 228 des Bezugskondensators. Damit wird die Lage der Kondensatorplatten 220 und 250 im allgemeinen unabhängig von Änderungen des atmosphärischen Druckt.

Alternativ ist es möglich, die Zugangsöffnung für den Bezugssensor 200 vor dem Aufbringen des PECVD- Oxids 76 selektiv zu maskieren, um ein Abdichten der Ätzlöcher zu verhindern. In einem späteren Verfahrens schritt wird die Zugangsöffnung 278 durch selektives Entfernen der Maske wieder freigelegt, um anschließend selektiv den gasdurchlässigen Stopfen 276 auszubilden.

Eine dicke Schicht aus Fotolack wird als nächstes auf die Halbleiterscheiben aufgebracht. Die Proben werden dann ≈ 0,33 mm tief geritzt, und das weiche, schützende Lack wird mit Aceton entfernt. Nach dem Spülen der Proben für zwanzig Minuten sind sie fertig zum Verbinden in die einzelnen Pakete. Die endgültige Struktur mit Darstellung des Meßkondensators 100 und des Bezugskondensators 200 wird in Fig. 4L gezeigt.

Dieser Absolutdrucksensor/-wandler enthält viele im MOSFET gefundene Merkmale, einschließlich einer lokalen Oxidation, Kanalschutzimplantate und Substratdiffusionen. Die Implementierung eines vollständigen Wandlers, einschließlich der CMOS-Schaltungen, erfordert nur einige wenige (10-20) zusätzliche Verarbeitungs stufen. Dieser Wandler ist voll integrierbar.

Obwohl bevorzugte Ausführungsformen und Bearbeitungsbeispiele hier gezeigt und beschrieben wurden, leuchtet es ein, daß diese Ausführungsformen and Bearbeitungsbeispiele nur als Beispiel gegeben wurden. Zahlreiche Abänderungen, Änderungen und Ergänzungen ergeben sich für Fachleute ohne Abkehr vom Wesen der Erfindung.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Absolutdrucksensors durch Mikrobearbeitung einer Ober fläche eines Halbleitersubstrats mit den folgenden Stufen:

a) Maskieren der Oberfläche eines Halbleitersubstrats zum Freilegen einer ausgewählten Fläche des Substrats,
b) selektives Dotieren der ausgewählten Räche des Substrats, um damit einen ersten leitenden Elektro denabschnitt des kapazitiven Sensors auszubilden,
c) konformes Auftragen einer ersten Opferschicht zum Abdecken mindestens des ersten Elektrodenab schnittes des Substrats und von Umfangsabschnitten der Maske, die die ausgewählte Räche begrenzen,
d) konformes Auftragen einer Membranschicht aus polykristallinem Silizium auf die erste Opferschicht,
e) selektives Dotieren der Membranschicht 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 auszubilden,
f) selektives Ätzen einer Zugangsöffnung durch die Membranschicht und in die Opferschicht im Bereich von Umfangsabschnitten der Maske, die die ausgewählte Räche begrenzen,
g) selektives Naßätzen durch die Zugangsöffnung und Entfernen der ersten Opferschicht in einer Fläche gegenüber dem ersten und zweiten Elektrodenabschnitt, um damit einen Membranhohlraum auszubilden, der allgemein gleichförmig mit dem entfernten Abschnitt der ersten Opferschicht verläuft,
h) Herausspülen des nassen Ätzmittels aus dem Membranraum mittels einer Spüllösung,
i) Gefrieren der Spüllösung in dem Membranhohlraum,
j) Entfernen der gefrorenen Spüllösung aus dem Membranhohlraum durch die Zugangsöffnung durch Sublimation, um damit die kapillare Durchbiegung der aus polykristallinem Silizium bestehenden Membran beim Entfernen des nassen Ätzmittels zu verhindern, und
k) selektives Niederbringen eines Stopfens in der Zugangsöffnung und zu deren Verschluß ohne Penetrieren oder wesentliches Herabsetzen des Volumens des Membranhohlraums am ersten Elektro denabschnitt, 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 Elektrodenab schnitt bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (e) die nachfolgende Stufe des Ausbilden einer zweiten konformen Schicht aus polykristallinem Silizium über der Membran enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (c) ausgeführt wird, bis die erste Opferschicht eine Stärke von zwischen 0,1 und 40 Mikrometer aufweist.

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

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

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (k) folgende vorbereitende Schritte enthält:

- Identifizieren aneinander angrenzender Paare von gemeinsam bearbeiteten Sensoren auf dem Substrat und Identifizieren eines Sensors von jedem Paar als Bezugssensor, und
- selektives Maskieren der Zugangsöffnung des Bezugssensors, um den Stopfen zum Abdichten des Membranhohlraums nicht aufzunehmen,

sowie weiterhin die folgenden Schritte:

a) selektives Entfernen der die Zugangsöffnung in dem Bezugssensor abdeckenden Maske und
b) selektives Niederbringen eines gasdurchlässigen Stopfens in der Zugangsöffnung in dem Bezugs sensor ohne Überziehen oder wesentliches Herabsetzen des Volumens des Membranhohlraums in der Fläche der ersten Elektrode, wodurch die Kapazität des Bezugssensors mit dem Absolutdrucksensor für ratiometrische Messungen verglichen werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte enthält:

a) Identifizieren aneinander angrenzender Paare von gemeinsam bearbeiteten Sensoren auf dem Sub strat und Identifizieren eines Sensors von jedem Paar als Bezugssensor,
b) selektives Entfernen des die Zugangsöffnung in dem Bezugssensor abdeckenden Stopfens und ggf. der Schicht aus SiN über den Stopfen, und
c) selektives Niederbringen eines gasdurchlässigen Stopfens in der Zugangsöffnung in dem Bezugssen sor ohne Überziehen oder wesentliches Herabsetzen des Volumens des Membranhohlraums in der Fläche der ersten Elektrode, wodurch die Kapazität des Bezugssensors mit dem Absolutdrucksensor für ratiometrische Messungen verglichen werden kann.

8. Kapazitiver Absolutdrucksensor, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.

9. Verwendung des Absolutdrucksensors nach Anspruch 8, zusammen mit einem angrenzenden Sensor auf dem Substrat der als Bezugssensor verwendet wird, wobei 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 um die Kapazität des Bezugssensors mit dem Absolutdrucksensor für ratiometrische Messungen zu vergleichen.