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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten Drucksensor und
ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Drucksensors. Insbesondere wird
ein unter Verwendung eines MEM-Prozesses (MEM – micro-electromechanical system)
hergestellter integrierter Drucksensor in einer Struktur bereitgestellt,
die auch Einrichtungen enthalten kann, die durch einen CMOS-Prozeß (CMOS – complementary metal
oxide semiconductor) hergestellt worden sind.
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Aus
einer Oberfläche
oder einem Volumen mikromechanisch hergestellte Drucksensoren sind
in der Technik bekannt (siehe z.B. der von der Robert Bosch Corporation
hergestellte Drucksensor SMD082, der ein aus einem Volumen mikromechanisch
hergestelltes Drucksensorsystem ist). Unter Verwendung von Technologien,
die denen ähneln, mit
denen Halbleiter hergestellt werden, können mikroskopische Kondensatoren
auf Siliziumwafern hergestellt werden. Bei bestimmten Anwendungen
kann dann ein Kondensator zum Messen von Druck verwendet werden.
Beispielsweise wird Druck, der auf eine Elektrode des Kondensators
ausgeübt
wird, bewirken, daß sie
in Richtung der anderen Elektrode des Kondensators ausgelenkt wird,
was zu einer Kapazitätsänderung
führt.
Die Technologien zum Herstellen von Kondensatoren auf Siliziumwafern
können
die Oxidation eines Substrats, das Aufbringen eines Fotolackmaterials,
selektive Exposition mit Licht oder Röntgenstrahlen durch eine Maske
und das Ätzen
beinhalten, um Einrichtungen in Schichten auf einem Substrat aufzubauen.
Siehe
US 5,316,619 .
Obwohl ähnliche
Techniken verwendet werden, um integrierte Schaltungen ("ICs") und mikroelektromechanische
Einrichtungen ("MEMs") herzustellen, können, wenn
sowohl ICs als auch MEMs auf dem gleichen Substrat konstruiert werden,
Elemente dieser Prozesse einander stören. Beispielsweise können bei
der Herstellung von ICs verwendete Polier- und Ätzprozesse MEMs beschädigen, die
bereits auf einem Siliziumwafer hergestellt worden sind. Wenn bestimmte
MEMs hohen Temperaturen ausgesetzt werden, die zum Verarbeiten und
Aufbauen von MEMs verwendet werden, kann dies außerdem die CMOS-Schaltungen
beschädigen
oder zerstören. Das
Schneiden oder "Vereinzeln" eines Siliziumwafers
kann ebenfalls MEMs beschädigen,
da Streuteilchen eine MEMs-Struktur
zerstören
können.
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Eine
Lösung,
um einen MEM während
der Schaltungsherstellung und der Waferverarbeitung zu schützen, bestand
darin, die MEM-Einrichtung während
der Verarbeitungsstufen, in denen die Schaltung hergestellt und
der Wafer vereinzelt wird, mit einer Schutzschicht (z.B. einer Schicht
aus Siliziumoxid) zu bedecken. Siehe
US
5,798,283 . Diese Schutzschicht muß später in einem zeitraubenden
Prozeß entfernt
werden. Zudem ist es schwierig, die Schutzschicht ohne Beschädigung der
Elektronikkomponenten zu entfernen, und deshalb sind die Arten von Elektronik,
die entwickelt werden können,
begrenzt.
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Bei
anderen bekannten Drucksensorsystemen werden der Drucksensor und
die Hilfsschaltung in einem sogenannten Back-End-Integrationsprozeß separat
hergestellt. Siehe
US 5,343,064 .
Bei einem bekannten Prozeß werden
zwei piezoelektrische Widerstände
in dem Substrat ausgebildet – einer
in Richtung des Bodens des Substrats, einer in Richtung der Oberseite
des Substrats. Ein relativ dickes Siliziumdioxid existiert unter
dem zweiten piezoelektrischen Element. Während der "Back-End"-Verarbeitung wird
eine Kaliumhydroxidätzung
(KOH) durchgeführt,
um über
dem zweiten piezoelektrischen Widerstand ein offenes Volumen herzustellen.
Wenn dieses offene Volumen evakuiert wird, dann steht der Widerstandswert
des zweiten piezoelektrischen Widerstands zu dem Druck in einem
Vakuum in Beziehung. Der auf die Oberseite des Substrats ausgeübte Druck
beeinflußt
den Widerstandswert des ersten piezoelektrischen Widerstands. Die
Differenz zwischen den Widerstandswerten des ersten und zweiten
piezoelektrischen Widerstands kann dazu verwendet werden, ein Maß für den Druck
zu liefern.
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Ob
MEMs zuerst auf einem Wafer entwickelt und später ICs entwickelt werden oder
umgekehrt, es ist im allgemeinen erforderlich, eine Schutzabdeckung
für die
zuerst entwickelten Komponenten hinzuzufügen und später zu entfernen. Diese zusätzlichen
Schritte vergrößern die
Zeit und die Kosten des Prozesses. Zudem kann bei Prozessen nach
dem Stand der Technik das Hinzufügen
von Schutzschichten zum Bedecken von Komponenten erforderlich sein,
um die Oberfläche
des Wafers ungefähr
flach zu machen, so daß andere
Operationen wie etwa Ätzen und
Lithographie durchgeführt
werden können.
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Diese
Einschränkungen
haben die Entwicklung von Einrichtungen eingeschränkt, die
sowohl MEMs als auch ICs enthalten. Solche Einrichtungen können beispielsweise
einen Drucksensor enthalten, der einen Kondensator und eine Hilfsschaltung
enthält.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Flußdiagramm
eines Prozesses zum Herstellen eines integrierten Drucksensorsystems
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
ein Schemadiagramm eines integrierten Drucksensors nach einer Reihe
erster Verarbeitungsschritte gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
ein Schemadiagramm eines integrierten Drucksensors nach der epitaxialen
Abscheidung von kristallinem Silizium und Polysilizium.
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4 zeigt
ein Schemadiagramm eines integrierten Drucksensorsystems nach der
Abscheidung eines Neufüllmaterials.
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5 zeigt
ein Schemadiagramm eines integrierten Drucksensorsystems nach der
Abscheidung eines elektrischen Kontaktmaterials und der Herstellung
von Elektronikkomponenten.
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Ausführliche
Beschreibung
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein integriertes Drucksensorsystem
beschrieben, das einen Kondensator zum Messen von Druck zusammen
mit integrierten Schaltungen, die entwickelt wurden, um mit dem
Kondensator zu arbeiten, enthält.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Flußdiagramm
gezeigt, das die Schritte darstellt, die durchgeführt werden
müssen,
um einen integrierten Drucksensor gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung herzustellen. In Schritt 100 wird
eine Trägerschicht
wie etwa Siliziumdioxid auf einem Substrat wie etwa einem Siliziumwafer
abgeschieden und strukturiert. Im Schritt 101 wird die
darunterliegende (oder erste) Elektrode des Kondensators durch Abscheiden
und Strukturieren einer Polysiliziumschicht auf der zuvor strukturierten
ersten Oxidschicht ausgebildet. Wie in der Technik bekannt können andere
Materialien für
die darunterliegende Elektrode wie etwa Metall (z.B. Aluminium oder
Wolfram) verwendet werden. In Schritt 102 wird ein Opferoxid
(Siliziumdioxid) über
dem ersten Oxid und der darunterliegenden Elektrode abgeschieden
und strukturiert.
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Das
Strukturieren und Ätzen
kann gemäß einer
beliebigen Anzahl bekannter Techniken durchgeführt werden, wie etwa durch
Beschichten der Oberfläche
mit einem Fotolackmaterial, Belichten von Abschnitten des Fotolacks
mit Licht, Röntgenstrahlen oder
anderer derartiger Energie entsprechend der Struktur einer Maske.
Abschnitte des Fotolacks und der darunterliegenden Schicht können dann
unter Verwendung bekannter Techniken wie etwa chemisches oder Plasmaätzen weggeätzt werden.
Nach dem Erzeugen des Elektrodenträgers kann im Schritt 101 beispielsweise
durch Abscheiden eines Leiters auf der in Schritt 100 hergestellten
Trägerschicht
eine Elektrode hergestellt werden. Die Elektrode kann aus einem
Halbleitermaterial oder einem Metall bestehen. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird dotiertes Polysilizium als das Elektrodenmaterial
verwendet. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht
die Elektrode aus Wolfram. Wolfram hat sowohl eine gute Leitfähigkeit
als auch einen hohen Schmelzpunkt und kann deshalb mit CMOS-Prozessen
assoziierten hohen Temperaturen standhalten. Analog behält dotiertes
Polysilizium nach Hochtemperatur-CMOS-Prozessen seine Leitfähigkeit
bei. Das Elektrodenmaterial kann unter Verwendung bekannter Prozesse
wie etwa Dampfabscheidung oder Sputtern abgeschieden und strukturiert
werden. Nach dem Herstellen der Elektrode in Schritt 101 wird
ein Opfermaterial auf der Elektrode in Schritt 102 hinzugefügt. Das
Opfermaterial kann beispielsweise Siliziumdioxid umfassen. Das Opfermaterial
kann gemäß bekannter
Techniken abgeschieden und strukturiert werden, wie oben beschrieben.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird ein Querschnitt durch
die Struktur gezeigt, nachdem diese erste Reihe von Verarbeitungsschritten
durchgeführt worden
ist. Das Substrat 1 enthält eine erste Oxidschicht 2 und
eine darunterliegende Elektrodenschicht 3. Darauf befindet
sich ein Opferoxid 4. Bei dieser Ausführungsform wird in dem Opferoxid 4 eine Öffnung für eine nachfolgende
leitende Verbindung (z.B. Polysilizium oder Metall) zu der darunterliegenden
Elektrode 3 hergestellt.
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Wieder
unter Bezugnahme auf 1 wird in Schritt 103 eine
Startpolysiliziumschicht auf der Opferoxidschicht abgeschieden und
strukturiert. Diese Polysiliziumschicht wird benötigt, um Aufwachsbedingungen
für ein
epitaxiales Abscheiden von Polysilizium zu erhalten. Dieses Startpolysilizium
kann gemäß bekannter
Techniken wie oben beschrieben aufgewachsen oder abgeschieden und strukturiert
werden. Die Startpolysiliziumschicht kann abgeschieden werden, um
die richtigen Bedingungen für
das Aufwachsen einer Schicht aus epitaxialem Polysilizium darüber zu erzeugen.
In Schritt 104 wird ein epitaxiales Abscheiden von einkristallinem
Silizium und epitaxialem Polysilizium auf dem Substrat durchgeführt (z.B.
unter Verwendung eines epitaxialen Reaktors). Dieser Prozeß gestattet
das Aufwachsen von Poly- und einkristallinem Silizium in situ. Unter
Bezugnahme auf 3 wird die Startpolysiliziumschicht 5 auf dem
Substrat 1 und der Opferoxidschicht 4 abgeschieden
und mit der darunterliegenden Elektrode 3 einen Kontakt
herstellend gezeigt. Die kristalline Siliziumschicht ist auf dem
Substrat 1 gezeigt, und eine epitaxiale Siliziumschicht 6 ist
von der Startpolysiliziumschicht 5 aufgewachsen.
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Wieder
unter Bezugnahme auf 1 wird in Schritt 105 ein
chemisches und/oder chemisch-mechanisches Polieren auf den Schichten
aus kristallinem Silizium und Polysilizium durchgeführt. Durch dieses
Polieren bekommt man die Oberfläche
des Systems in einen Zustand für
ergänzende CMOS-Prozesse,
wie weiter unten erörtert.
Dieses chemisch-mechanische Polieren kann durchgeführt werden,
um die Oberfläche
der Schicht aus epitaxialem Polysilizium/einkristallinem Silizium
für CMOS-Prozesse
vorzubereiten, die dazu verwendet werden, das integrierte Kondensatorbauelement
weiterzuentwickeln. Dieses chemisch-mechanische Polieren kann gemäß bekannter
Techniken durchgeführt
werden. In Schritt 106 wird die Polysiliziumschicht strukturiert
und dann mit tiefem reaktivem Ionenätzen (DRIE) geätzt, um
Kanäle
herzustellen. Ein DRIE-Prozeß kann
beispielsweise unter Verwendung eines Plasmas durchgeführt werden,
um selektiv ein Loch oder einen Graben durch die obere Elektrodenschicht
zu ätzen.
Mit dieser Technik können
beispielsweise auch Isolationslücken
hergestellt werden (z.B. zum elektrischen Definieren und Isolieren
von Komponenten der Einrichtung). Bei dieser Ausführungsform
werden diese Kanäle
dazu verwendet, die Opferschicht in einem Schritt zu entfernen und
eine Isolation zwischen leitenden Elementen bereitzustellen. In
Schritt 107 wird die Opferschicht durch Ätzen entfernt.
Die Opferschicht wird entfernt, indem man eine Entfernungschemikalie
oder Plasma wie etwa Fluorwasserstoffsäure (HF) durch den Ätzkanal
zu der Opferschicht fließen
läßt. Die Ätzreaktionsmittel werden
in der resultierenden Lösung
oder als ein Gas weggeführt.
In Schritt 108 werden die Kanäle durch eine anisotrope Abscheidung
eines Neufülloxids
zumindest teilweise neu gefüllt.
Das Neufüllmaterial kann
beispielsweise Siliziumdioxid umfassen, das als ein Isolator wirkt.
Das Isolationsmaterial kann beispielsweise über anisotrope Abscheidung
abgeschieden werden, die das Oxid auf einer Waferoberfläche abscheidet
und in den Ätzkanälen, ohne
daß das
Oxid in Lücken
fließen
kann, wo es nicht erwünscht
ist (z.B. den durch das Entfernen des Opfermaterials zurückbleibenden
Raum).
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Unter
Bezugnahme auf 4 wird ein Querschnitt durch
das System nach diesen Schritten gezeigt. Kanäle 8 werden gezeigt,
die während
der DRIE-Prozedur geätzt
wurden und sich bis zu der Opferschicht 4 erstrecken (siehe 3).
Nach dem Entfernen der Opferschicht bleibt eine Lücke 13 zwischen
der Startpolysiliziumschicht 5 und der darunterliegenden
Elektrodenschicht 3. Das Neufülloxid 9 kann die
Oberfläche
der Struktur bedecken und die Kanäle 8 zumindest teilweise
füllen.
Die Prozeßparameter
der Neufülloxidabscheidung
können
so gesteuert werden, daß der
Druck in den Kanälen 8 und der
Lücke 13 definiert
ist.
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Wieder
unter Bezugnahme auf 1 wird nach dem Abscheiden der
Neufülloxidschicht
die Struktur dann für
die Hinzufügung
weiterer Schaltungselemente (wie etwa jenen, die mit CMOS-Techniken
hergestellt werden) auf der Schicht aus kristallinem Silizium nach
dem Ent fernen des Neufülloxids in
diesem Bereich vorbereitet (Schritt 109). In Schritt 110 werden
Bereiche des Neufülloxids
entfernt, um Öffnungen
für Kontakte
herzustellen. In Schritt 111 wird leitendes Material (z.B.
Aluminium) abgeschieden, um elektrische Kontakte zwischen den weiteren Schaltungselementen
und den Elektroden des Kondensators, der ausgebildet worden ist,
herzustellen.
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Unter
Bezugnahme auf 5 wird das endgültige Drucksensorsystem
gezeigt. Bei diesem Beispiel ist eine CMOS-Schaltung 12 elektrisch
durch Polysilizium 14 und Startpolysiliziumschicht 5 an
die darunterliegende Elektrode 3 gekoppelt. Die Schaltung 12 ist
auch elektrisch mit der oberen Elektrode des Kondensators (ein Abschnitt
der Startpolysiliziumschicht 5) durch Leiter 11,
Kontakt 10 und Polysilizium (z.B. das als eine Membran
fungiert) 15 gekoppelt. Bei Betrieb steht das in dem Sensorsystem
enthaltene Volumen zu einem Referenzdruck in dem System in Beziehung.
Auf über
der oberen Elektrode ausgeübter
Druck führt
zu einer Änderung
bei der Entfernung zwischen den Elektroden des Kondensators, was
bewirkt, daß sich
die existierende Kapazität ändert. Bei
dieser Ausführungsform
kann die CMOS-Schaltung die Kapazität messen und so eine Anzeige
des Drucks ausgeben, der über
der oberen Elektrode angelegt wird, relativ zu dem oben erwähnten Referenzdruck.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
wird dotiertes Polysilizium für
die Elektroden des Kondensatorsystems bevorzugt. Bei einer alternativen
Ausführungsform
können
aus Wolfram (untere Ebene) und epitaxialem Polysilizium (obere Ebene)
hergestellte Elektroden verwendet werden. Durch Verwendung beliebiger
dieser Materialien kann der Widerstandswert auf ein gewünschtes
Niveau abgesenkt werden und die Kosten der Einrichtung können reduziert
werden, da die Einrichtung für
Hitze weniger anfällig
ist und deshalb den CMOS- Prozessen
(z.B. starker Hitze) standhalten kann. Durch Bereitstellen einer
relativ flachen oberen Oberfläche
anstatt einer abgestuften Oberfläche
können
zudem CMOS-Prozesse
verwendet werden, weil Ätz-
und Lithographieschritte Elemente auf verschiedenen Ebenen nicht
stören.
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Wenngleich
verschiedene Ausführungsformen
hier spezifisch dargestellt und beschrieben sind, versteht sich,
daß Modifikationen
und Variationen der vorliegenden Erfindung von den obigen Lehren
abgedeckt sind und innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche liegen.