EP1113981A1 - Micromechanical component and its production method - Google Patents

Micromechanical component and its production method

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Publication number
EP1113981A1
EP1113981A1 EP99952425A EP99952425A EP1113981A1 EP 1113981 A1 EP1113981 A1 EP 1113981A1 EP 99952425 A EP99952425 A EP 99952425A EP 99952425 A EP99952425 A EP 99952425A EP 1113981 A1 EP1113981 A1 EP 1113981A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
conductive layer
layer
cavity
membrane
lower conductive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99952425A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Robert Aigner
Klaus-Günter Oppermann
Hergen Kapels
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1113981A1 publication Critical patent/EP1113981A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/00158—Diaphragms, membranes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/05—Arrays
    • B81B2207/053—Arrays of movable structures

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical component and a method for its production.
  • the aim is to use an electronic circuit together with a micromechanical component, e.g. a sensor or an actuator, to be integrated into a single chip.
  • a micromechanical component e.g. a sensor or an actuator
  • a pressure sensor is described in T. Scheiter et al, "Füll Integration of a pressure sensor System into a Standard BiCMCOS-Process", Eurosensors XI, ll th European Conference on Solid State Transducers, Warsaw, Tru (1997) 1595, which is generated in a standard BiCMOS process on a surface of a silicon substrate.
  • a doped region is generated on the surface of the substrate, which acts as the first capacitor electrode of a capacitor.
  • a 600 nm thick field oxide, which serves as a sacrificial layer, is generated over the doped region.
  • a 400 nm thick layer of polysilicon is deposited over the sacrificial layer. Openings are created in the layer of polysilicon.
  • a part of the sacrificial layer is removed by etching through these openings, as a result of which a cavity is created under the layer of polysilicon.
  • the openings are closed by another deposited layer.
  • the further layer is then structured in such a way that parts of the layer of polysilicon which are arranged above the cavity are exposed.
  • a membrane is formed by parts of the layer of polysilicon and by parts of the further layer, which are each arranged above the cavity.
  • the membrane has thickened areas in the area of the openings, where it is inflexible.
  • the parts of the layer Polysilicon, which are parts of the membrane act as the second capacitor electrode of the capacitor.
  • Deflection of the membrane due to pressure changes the distance between the first capacitor electrode and the second capacitor electrode, which changes the capacitance of the capacitor, which is a measure of the pressure.
  • the size of the area of the exposed parts of the polysilicon layer ie a deformable area of the membrane, determines the rigidity of the membrane. The higher the pressure area to be measured, the smaller the deformable area should be.
  • a disadvantage here is that a mechanical load caused by the deflection is essentially only distributed over deformable parts of the membrane.
  • Such a pressure sensor is not suitable for pressures greater than approx. 20 bar, since the mechanical load on the deformable membrane areas is close to the breaking limit.
  • process fluctuations such as lithography errors, have an uncontrollably large influence on the rigidity of the membrane due to the small size of the deformable areas.
  • G. Ehrler "Piezoresistive Silicon Elementary Pressure Sensors", sensor magazine 1/92, 10, describes a pressure sensor in which the pressure is measured with the aid of the piezoresistive effect.
  • Four diffusion regions are created on a surface of a silicon substrate, which are interconnected to form a heatstone bridge.
  • a passivation layer is arranged over the diffusion areas.
  • An opening is created in a rear side of the substrate, which extends to the diffusion regions.
  • the depression forms a pressure chamber, which is under vacuum for absolute pressure sensors and is closed from below.
  • a layer of the substrate in which the diffusion regions are arranged and which is arranged above the pressure chamber acts as a membrane of the pressure sensor. Pressure that acts on the passivation layer deflects the membrane, creating tension in the membrane.
  • Such a sensor Due to the piezo effect, the voltages lead to changes in the electrical conductivity of the Layer of the substrate and thus changes in the size of the resistances of the diffusion regions, which are a measure of the pressure.
  • Such a sensor is suitable as a high pressure sensor.
  • the process expenditure for producing such a sensor is very high.
  • a pressure sensor in which a cell comprises a first electrode of a capacitor, which is implemented as a doped region on a surface of a silicon substrate.
  • An insulating layer made of silicon nitride is applied to the surface.
  • a sacrificial layer made of oxide is deposited over the insulating layer and structured in such a way that it fills a cavity to be produced with a diameter of approximately 100 ⁇ m. Subsequently, a thin oxide layer is deposited and structured in such a way that an oxide run-off follows the sacrificial layer.
  • a layer of polysilicon is then deposited and structured in such a way that it covers the sacrificial layer and part of the runout.
  • oxide By etching oxide selectively to polysilicon and silicon nitride, the thin oxide layer and the sacrificial layer are removed, the outflow acting as an etching channel.
  • the cavity is formed under the polysilicon layer.
  • the layer of polysilicon is supported on the layer of silicon nitride.
  • oxide is deposited that closes the etching channel on the side. In order for the etch channel to be completely covered, it is important that the thin oxide layer is not too thick. However, this has the consequence that the etching process is slow and possibly incomplete. In addition, it is difficult to rinse out an etchant used.
  • the invention is based on the problem of specifying a micromechanical component which can be designed as a high-pressure sensor and which can be produced with less process complexity compared to the prior art or which can be produced with higher process reliability. Furthermore, a method for producing such a micromechanical component is to be specified.
  • a micromechanical component which comprises at least one cell which has a membrane which acts as an electrode of a capacitor of the cell and which is arranged with a substantially uniform thickness over a cavity of the cell.
  • a counter electrode of the capacitor is arranged under the cavity.
  • At least one etching channel connects laterally to the cavity.
  • the etch channel has a vertical dimension that is equal to a vertical dimension of the cavity.
  • a closure adjoins the etching channel from above.
  • a sacrificial layer is produced over a counter electrode of a capacitor of a cell of the component and is structured in such a way that it fills a region of a cavity of the cell to be generated and an etching channel adjoining it laterally .
  • Conductive material is applied conformally over the sacrificial layer.
  • An opening is created above the etching channel, which extends to the sacrificial layer.
  • the sacrificial layer is removed in an etching step, as a result of which the cavity is created, and a part of the conductive material which is arranged above the cavity and can act as a membrane of the cell and electrode of the capacitor can be deflected.
  • the etching channel is closed from above in the area of the opening by a closure.
  • the method can be compatible with CMOS process technology.
  • the capacitive measuring principle is the basis of the micromechanical component. At least part of the cavity is part of a capacitor dielectric of a capacitor designed as an air gap, the capacitance of which is a measure of a pressure on the membrane.
  • the micromechanical component can thus be used, for example, as a pressure sensor or as a microphone.
  • the micromechanical component can be arranged on a surface of a substrate. It is therefore not necessary to process a back side of the substrate, which is why the process effort is lower compared to the pressure sensor according to G. Ehrler (see above).
  • the membrane has no particularly thin spots that could break easily due to pressure.
  • the membrane also has no thickening, at the edges of which the pressure generated local load peaks which could lead to the membrane breaking. Since the membrane is essentially uniformly thick, the pressure is distributed evenly over the membrane, which is why the membrane is more stable than the membrane according to T. Scheiter et al. is. When removing the etchant, which is used to etch the sacrificial layer, large capillary forces act on the membrane. Has the membrane as in the pressure sensor according to the above-cited T.
  • Scheiter et al. particularly thin, i.e. soft, membrane parts, so they can stick to a bottom of the cavity. Another advantage of the uniformly thick membrane is therefore that the membrane is mechanically very stable even during the manufacturing process.
  • the large vertical dimension of the etching channel is in contrast to the pressure sensor according to H. Dudaicevs et al. (see above) no obstacle for sealing the cavity.
  • the etching process runs faster and an etchant can be more easily rinsed out.
  • the micromechanical component can be produced with higher process reliability.
  • the sacrificial layer can be removed without having to create an opening in the membrane.
  • the membrane can therefore be produced homogeneously and with essentially the same thickness.
  • the closure is outside the membrane.
  • the membrane can be part of an upper conductive layer which adjoins the cavity from above and laterally.
  • the sacrificial layer is applied over the entire surface and then structured by masked etching.
  • the upper conductive layer is then deposited so that it covers and laterally surrounds the sacrificial layer. Except for an area in which the etching channel adjoins the cavity, the cavity is surrounded by the upper conductive layer.
  • the cavity is laterally surrounded by another material.
  • the sacrificial layer can be produced, for example, in a depression in the other material.
  • the sacrificial layer is structured by masked etching and then the other material is deposited and planarized. The top conductive layer is applied over it.
  • the counter electrode can be implemented as a doped region in the substrate.
  • the counterelectrode is a first part of a structured lower conductive layer which is arranged on a first insulating layer which in turn is arranged on the surface of the substrate.
  • the first insulating layer expediently has a thickness at which a capacitance formed by the counter electrode and the substrate is kept small.
  • the upper conductive layer is preferably supported on a second part of the structured lower conductive layer.
  • the second part of the structured lower conductive layer acts as an etch stop when structuring the sacrificial layer.
  • the second part of the structured lower conductive layer is separated from the counter electrode so that the membrane, which acts as the electrode, is not electrically connected to the counter electrode.
  • the counter electrode can spread under the etch channel, but otherwise takes up a smaller area than the cavity, i.e. a horizontal cross section of the counterelectrode is smaller in the area of the cell than a horizontal cross section of the cavity. So that the capacitance of the capacitor of the cell is as large as possible, the counter electrode takes up as much area as possible, i.e. the area it occupies has the same shape as the area of the cavity and extends almost to the edges of the cavity.
  • the first insulating layer and the sacrificial layer are made of the same material, e.g. Si ⁇ 2 exist.
  • the sacrificial layer and the first insulating layer consist of the same material, it is advantageous if the sacrificial layer does not directly adjoin the first insulating structure in the region between the counterelectrode and the second part of the structured lower conductive layer, since this would otherwise also be attacked. It is expedient to produce a second insulating layer over the structured first conductive layer, which is selectively etchable to the sacrificial layer and to the first insulating layer and over which the sacrificial layer is produced.
  • the second insulating layer is structured analogously to the sacrificial layer. The second borders in the area between the counter electrode and the second part of the structured lower conductive layer insulating layer directly on the first insulating layer and protects it when removing the sacrificial layer.
  • the membrane can be electrically connected outside the cell via the second part of the structured lower conductive layer.
  • the membrane has an essentially circular cross section. In contrast to angular cross sections, the pressure on the membrane is distributed more evenly, so that the membrane is more stable.
  • the micromechanical component comprises a number of identical cells. Cavities of the cells are preferably connected to one another via the etching channels, so that air pressures in the cavities essentially match. This also makes it easier to diagnose membrane damage.
  • the diameter of the membranes is small and e.g. between lOu and 30 ⁇ m. This also results in a particularly high stability of the membrane. Since the diaphragm is more difficult to deflect with a small diameter, the micromechanical component is suitable as a high-pressure sensor.
  • the cells are preferably arranged in a hexagonal grid. Three of the cells are adjacent to each other, with their centers at corners of an equilateral triangle. A cell is adjacent six cells arranged in a ring around the cell.
  • the cell can have three etching channels that are equidistant from one another. In each case three etching channels from different cells meet in an area above which the closure is arranged and which lies between these cells.
  • the cells can be spaced apart from one another.
  • the cell can also have a number of etching channels different from three.
  • the counter electrodes of the cells can be connected via conductive webs running in the etching channels and, together with the webs, form the first part of the structured first conductive layer.
  • the first part of the structured lower layer acts as a common counter electrode of the cells.
  • the pressure range of the pressure sensor can be determined by the choice of the thickness of the membrane and the size of the horizontal cross section of the membrane.
  • the radius of the membrane is preferably between 13 ⁇ m and 7 ⁇
  • the thickness of the sacrificial layer is preferably between 200 nm and 500 nm.
  • the closure is produced, for example, by separating and flowing BPSG (borophosphosilicate glass).
  • the lower conductive layer can be produced simultaneously with upper capacitor electrodes of capacitors of the periphery of the micromechanical component or of capacitors in other parts of the substrate.
  • the first insulating layer and the sacrificial layer contain, for example, S1O2. However, the use of other insulating materials is also within the scope of the invention.
  • the second insulating layer contains, for example, silicon nitride. However, the use of other insulating materials is also within the scope of the invention.
  • the upper and lower conductive layers contain, for example, doped polysilicon or another conductive material, e.g. Contains metal.
  • the S1O2 can be thermally grown or deposited. It is advantageous to apply a coatmg layer of silicon nitride or titanium nitride over the membrane, which protects the membrane from environmental influences.
  • FIG. 1 shows a plan view of a substrate, which shows a structured lower conductive layer
  • Figure 2 shows a plan view of the substrate, in which a cavity and closures are shown.
  • FIG. 3 shows a cross section through the substrate after a pressure sensor has been generated.
  • Figure 4 shows a perpendicular to the cross section of Figure 3
  • a first insulating layer II is produced on a surface of a substrate 1 made of silicon by depositing SiO 2 in a thickness of approximately 600 nm (see FIG. 3).
  • polysilicon is then deposited to a thickness of approximately 200 nm and implanted.
  • the conductive layer L is structured by plasma etching. This creates a first part of the conductive layer L, which comprises circular counter electrodes 2 of capacitors and webs 3.
  • the counter electrodes 2 have a diameter of approx. 10 ⁇ m and each have six directly adjacent counter electrodes 2. Three of the webs 3 adjoin each counter electrode 2 and have the same distances from one another (see FIG. 1). Three of the webs 3 meet each other.
  • second parts 4 of the conductive layer L are arranged, which are separated from the first part of the conductive layer L (see FIG. 1).
  • silicon nitride is deposited to a thickness of approximately 30 nm. A layer is produced over the second insulating layer 12
  • Sacrificial layer SiO 2 deposited to a thickness of approx. 300 nm
  • the sacrificial layer and the second insulating layer 12 are structured by dry etching.
  • the structuring is carried out analogously to the structuring of the conductive layer L, with the difference that dimensions are chosen such that a part of the sacrificial layer is formed which is identical in shape to the first part of the conductive structure L but is larger and covers the first part of the conductive layer L. .
  • the part of the sacrificial layer accordingly also has circular areas and steps ge on. A radius of the circular areas of the part of the sacrificial layer is approximately 8 ⁇ m (see FIG. 2). Due to the structural ⁇ the sacrificial layer and the second insulating layer 12 structuring the second parts 4 of the lower conductive layer L are exposed.
  • An upper conductive layer F made of polysilicon with a thickness of approximately 1 ⁇ m is then deposited and implanted until the dopant concentration is approximately 10 ⁇ 8 cm " ".
  • openings m in layer F are produced by masked etching until the sacrificial layer is exposed.
  • the part of the sacrificial layer is removed.
  • the webs of the part of the sacrificial layer act as etch channels A. Cavities H are formed in the circular regions of the part of the sacrificial layer (see FIGS. 2, 3 and 4).
  • the second insulating layer 12 protects the first insulating layer II when removing the sacrificial layer at locations where the sacrificial layer does not adjoin the lower conductive layer L (see FIG. 3).
  • the upper conductive layer F is supported on the second parts 4 of the lower conductive layer L.
  • the cavities H and the etching channels A are sealed by separating and flowing BPSG in a thickness of approximately 800 nm. Closures V are formed in the openings, which adjoin the etching channels A from above (see FIGS. 2 and 4). An approximately 40 nm thick coat mg layer (not shown) is then deposited.
  • Parts of the upper conductive layer F arranged above the cavities H act as a circular membrane of a pressure sensor.
  • the membrane acts as electrodes of the capacitors.
  • Many variations of the exemplary embodiment are conceivable, which are also within the scope of the invention. Dimensions of the areas, layers, webs and closures can be adapted to the respective requirements.
  • the polysilicon can also be doped in situ or by diffusion from a dopant source instead of by implantation.
  • a passivation layer can be deposited, which e.g. Is 1 ⁇ m thick.

Abstract

The invention relates to a micromechanical component placed on the face of a substrate. A counter-electrode of a cell capacitor is placed under a cavity (H), whereby said counter-electrode can be composed of a first part of a lower conductive layer. An optionally circular membrane used as an electrode of the capacitor is placed above said cavity (H). Said membrane is homogeneous and has a substantially uniform thickness. It can be part of an upper conductive layer which is preferably supported by a second part of the lower conductive layer. A caustic channel (A), which is used to remove the sacrificial coating in order to form the cavity (H), is laterally connected to said cavity (H). Said caustic channel (A) has a vertical dimension which is equal to the vertical dimension of the cavity (H). A closure (V) is adjacent to said caustic channel (A) and placed outside said membrane. The inventive component can be used as a pressure sensor. It exhibits several cells which are each adjacent to six other cells.

Description

Beschreibungdescription
Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zu dessen HerstellungMicromechanical component and method for its production
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a micromechanical component and a method for its production.
Im Hinblick auf immer schnellere und kleinere Schaltungsan- Ordnungen wird angestrebt, eine elektronische Schaltung zusammen mit einem mikromechanischen Bauelement, z.B. einem Sensor oder einem Aktuator, in einen einzigen Chip zu integrieren.In view of ever faster and smaller circuit arrangements, the aim is to use an electronic circuit together with a micromechanical component, e.g. a sensor or an actuator, to be integrated into a single chip.
In T. Scheiter et al, "Füll Integration of a pressure sensor System into a Standard BiCMCOS-Process", Eurosensors XI, llth European Conference on Solid State Transducers, Warsaw, Po- land (1997) 1595, wird ein Drucksensor beschrieben, der in einem Standard BiCMOS-Prozeß an einer Oberflache eines Sili- ziumsubstrats erzeugt wird. Zur Erzeugung des Drucksensors wird an der Oberflache des Substrats ein dotiertes Gebiet erzeugt, das als erste Kondensatorelektrode eines Kondensators wirkt. Über dem dotierten Gebiet wird e n 600 nm dickes Feldoxid, das als Opferschicht dient, erzeugt. Über der Opfer- schicht wird eine 400 nm dicke Schicht aus Polysilizium abgeschieden. In der Schicht aus Polysilizium werden Offnungen erzeugt. Anschließend wird durch diese Offnungen ein Teil der Opferschicht durch Atzen entfernt, wodurch unter der Schicht aus Polysilizium ein Hohlraum entsteht. Die Offnungen werden durch eine weitere abgeschiedene Schicht verschlossen. Die weitere Schicht wird anschließend so strukturiert, daß Teile der Schicht aus Polysilizium, die über dem Hohlraum angeordnet sind, freigelegt werden. Durch Teile der Schicht aus Polysilizium und durch Teile der weiteren Schicht, die jeweils über dem Hohlraum angeordnet sind, wird eine Membran gebildet. Die Membran weist im Bereich der Offnungen Verdickungen auf, an denen sie unflexibel ist. Die Teile der Schicht aus Polysilizium, die Teile der Membran sind, wirken als zweite Kondensatorelektrode des Kondensators. Durch Auslenkung der Membran aufgrund eines Drucks verändert sich der Abstand zwischen der ersten Kondensatorelektrode und der zweiten Konden- satorelektrode, wodurch sich die Kapazität des Kondensators ändert, die ein Maß für den Druck ist. Die Größe der Fläche der freigelegten Teile der Schicht aus Polysilizium, d.h. ein deformierbarer Bereich der Membran, bestimmt die Steifigkeit der Membran. Je höher der zu messende Druckbereich ist, umso kleiner sollte der deformierbare Bereich sein. Ein Nachteil dabei ist, daß eine durch die Auslenkung hervorgerufene mechanische Belastung sich im wesentlichen nur auf deformierbare Teile der Membran verteilt. Für Drücke, die größer als ca. 20 bar sind, ist ein solcher Drucksensor nicht geeignet, da die mechanische Belastung der deformierbaren Membranbereiche nahe der Bruchgrenze liegt. Darüber hinaus gewinnen Prozeßschwankungen, wie z.B. Lithographiefehler, aufgrund der Kleinheit der deformierbaren Bereiche unbeherrschbar großen Einfluß auf die Steifigkeit der Membran.A pressure sensor is described in T. Scheiter et al, "Füll Integration of a pressure sensor System into a Standard BiCMCOS-Process", Eurosensors XI, ll th European Conference on Solid State Transducers, Warsaw, Poland (1997) 1595, which is generated in a standard BiCMOS process on a surface of a silicon substrate. To generate the pressure sensor, a doped region is generated on the surface of the substrate, which acts as the first capacitor electrode of a capacitor. A 600 nm thick field oxide, which serves as a sacrificial layer, is generated over the doped region. A 400 nm thick layer of polysilicon is deposited over the sacrificial layer. Openings are created in the layer of polysilicon. Then a part of the sacrificial layer is removed by etching through these openings, as a result of which a cavity is created under the layer of polysilicon. The openings are closed by another deposited layer. The further layer is then structured in such a way that parts of the layer of polysilicon which are arranged above the cavity are exposed. A membrane is formed by parts of the layer of polysilicon and by parts of the further layer, which are each arranged above the cavity. The membrane has thickened areas in the area of the openings, where it is inflexible. The parts of the layer Polysilicon, which are parts of the membrane, act as the second capacitor electrode of the capacitor. Deflection of the membrane due to pressure changes the distance between the first capacitor electrode and the second capacitor electrode, which changes the capacitance of the capacitor, which is a measure of the pressure. The size of the area of the exposed parts of the polysilicon layer, ie a deformable area of the membrane, determines the rigidity of the membrane. The higher the pressure area to be measured, the smaller the deformable area should be. A disadvantage here is that a mechanical load caused by the deflection is essentially only distributed over deformable parts of the membrane. Such a pressure sensor is not suitable for pressures greater than approx. 20 bar, since the mechanical load on the deformable membrane areas is close to the breaking limit. In addition, process fluctuations, such as lithography errors, have an uncontrollably large influence on the rigidity of the membrane due to the small size of the deformable areas.
In G. Ehrler, "Piezoresistive Silizium- Elementardrucksensoren", Sensormagazin 1/92, 10, wird ein Drucksensor beschrieben, bei dem der Druck mit Hilfe des pie- zoresistiven Effekts gemessen wird. An einer Oberfläche eines Siliziumsubstrats werden vier Diffusionsgebiete erzeugt, die zu einer heatstone-Brücke verschaltet werden. Über den Diffusionsgebieten wird eine Passivierungsschicht angeordnet. In einer Rückseite des Substrats wird eine Öffnung erzeugt, die bis zu den Diffusionsgebieten reicht. Die Vertiefung bildet eine Druckkammer, die für Absolutdrucksensoren unter Vakuum steht und von unten verschlossen wird. Eine Schicht des Substrats, in der die Diffusionsgebiete angeordnet sind, und die über der Druckkammer angeordnet ist, wirkt als Membran des Drucksensors. Ein Druck, der auf die Passivierungsschicht wirkt, lenkt die Membran aus, wodurch Spannungen in der Membran erzeugt werden. Die Spannungen führen aufgrund des Pie- zoeffekts zu Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht des Substrats und damit zu Änderungen der Großen der Widerstände der Diffusionsgebiete, die ein Maß für den Druck sind. Ein solcher Sensor ist als Hochdrucksensor geeignet. Insbesondere aufgrund der Bearbeitung des Siliziumsubstrats sowohl an einer Vorderseite als auch an der Ruckseite ist der Prozeßaufwand zur Erzeugung eines solchen Sensors jedoch sehr hoch.G. Ehrler, "Piezoresistive Silicon Elementary Pressure Sensors", sensor magazine 1/92, 10, describes a pressure sensor in which the pressure is measured with the aid of the piezoresistive effect. Four diffusion regions are created on a surface of a silicon substrate, which are interconnected to form a heatstone bridge. A passivation layer is arranged over the diffusion areas. An opening is created in a rear side of the substrate, which extends to the diffusion regions. The depression forms a pressure chamber, which is under vacuum for absolute pressure sensors and is closed from below. A layer of the substrate in which the diffusion regions are arranged and which is arranged above the pressure chamber acts as a membrane of the pressure sensor. Pressure that acts on the passivation layer deflects the membrane, creating tension in the membrane. Due to the piezo effect, the voltages lead to changes in the electrical conductivity of the Layer of the substrate and thus changes in the size of the resistances of the diffusion regions, which are a measure of the pressure. Such a sensor is suitable as a high pressure sensor. However, due in particular to the processing of the silicon substrate both on a front side and on the rear side, the process expenditure for producing such a sensor is very high.
In H. Dudaicevc et al . , „A fully integrated surface microma- chined pressure sensor with low temperature dependence",In H. Dudaicevc et al. , "A fully integrated surface micromachined pressure sensor with low temperature dependence",
Transducers '95 Eurosensors IX (1995) 616, wird ein Drucksensor beschrieben, bei dem eine Zelle eine erste Elektrode eines Kondensators umfaßt, die als dotiertes Gebiet an einer Oberflache eines Siliziumsubstrats realisiert ist. Auf der Oberflache wird eine isolierende Schicht aus Siliziumnitrid aufgebracht. Über der isolierenden Schicht wird eine Opferschicht aus Oxid abgeschieden und so strukturiert, daß sie einen zu erzeugenden Hohlraum mit einem Durchmesser von ca. lOOμm füllt. Anschließend wird eine dünne Oxidschicht abge- schieden und so strukturiert, daß sich seitlich an die Opferschicht ein Auslaufer aus Oxid anschließt. Anschließend wird eine Schicht aus Polysilizium abgeschieden und so strukturiert, daß sie die Opferschicht und einen Teil des Auslaufers bedeckt. Durch Atzen von Oxid selektiv zu Polysilizium und Siliziumnitrid werden die dünne Oxidschicht und die Opferschicht entfernt, wobei der Auslaufer als Atzkanal wirkt. Unter der Schicht aus Polysilizium bildet sich der Hohlraum. Die Schicht aus Polysilizium stutzt sich auf der Schicht aus Siliziumnitrid ab. Zum Abdichten des Hohlraums wird Oxid ab- geschieden, das den Atzkanal seitlich verschließt. Damit der Atzkanal vollständig bedeckt wird, ist es wichtig, daß die dünne Oxidschicht nicht zu dick ist. Dies hat jedoch zur Folge, daß der Atzprozeß langsam und möglicherweise unvollständig ist. Außerdem kann ein verwendetes Atzmittel nur schwer ausgespult werden. Mehrere gleiche Zellen sind ein einem x-y- Raster angeordnet und parallel zueinander verschaltet. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein mikromechanisches Bauelement anzugeben, das als Hochdrucksensor ausgestaltet sein kann und mit in Vergleich zum Stand der Technik geringerem Prozeßaufwand herstellbar ist oder das mit höherer Prozeßsicherheit herstellbar ist. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen mikromechanischen Bauelements angegeben werden.Transducers '95 Eurosensors IX (1995) 616, a pressure sensor is described in which a cell comprises a first electrode of a capacitor, which is implemented as a doped region on a surface of a silicon substrate. An insulating layer made of silicon nitride is applied to the surface. A sacrificial layer made of oxide is deposited over the insulating layer and structured in such a way that it fills a cavity to be produced with a diameter of approximately 100 μm. Subsequently, a thin oxide layer is deposited and structured in such a way that an oxide run-off follows the sacrificial layer. A layer of polysilicon is then deposited and structured in such a way that it covers the sacrificial layer and part of the runout. By etching oxide selectively to polysilicon and silicon nitride, the thin oxide layer and the sacrificial layer are removed, the outflow acting as an etching channel. The cavity is formed under the polysilicon layer. The layer of polysilicon is supported on the layer of silicon nitride. To seal the cavity, oxide is deposited that closes the etching channel on the side. In order for the etch channel to be completely covered, it is important that the thin oxide layer is not too thick. However, this has the consequence that the etching process is slow and possibly incomplete. In addition, it is difficult to rinse out an etchant used. Several identical cells are arranged in an xy grid and connected in parallel to each other. The invention is based on the problem of specifying a micromechanical component which can be designed as a high-pressure sensor and which can be produced with less process complexity compared to the prior art or which can be produced with higher process reliability. Furthermore, a method for producing such a micromechanical component is to be specified.
Das Problem wird durch ein mikromechanisches Bauelement ge- löst, das mindestens eine Zelle umfaßt, die eine Membran aufweist, die als Elektrode eines Kondensators der Zelle wirkt und die mit im wesentlichen gleichförmiger Dicke über einem Hohlraum der Zelle angeordnet ist. Unter dem Hohlraum ist eine Gegenelektrode des Kondensators angeordnet. Mindestens ein Ätzkanal schließt sich seitlich an den Hohlraum an. Der Ätzkanal weist eine vertikale Abmessung auf, die gleich einer vertikalen Abmessung des Hohlraums ist. Ein Verschluß grenzt von oben an den Ätzkanal an.The problem is solved by a micromechanical component which comprises at least one cell which has a membrane which acts as an electrode of a capacitor of the cell and which is arranged with a substantially uniform thickness over a cavity of the cell. A counter electrode of the capacitor is arranged under the cavity. At least one etching channel connects laterally to the cavity. The etch channel has a vertical dimension that is equal to a vertical dimension of the cavity. A closure adjoins the etching channel from above.
Das Problem wird ferner durch ein Verfahren zur Erzeugung eines mikromechanischen Bauelements gelöst, bei dem eine Opferschicht über einer Gegenelektrode eines Kondensators einer Zelle des Bauelements erzeugt und so strukturiert wird, daß sie einen Bereich eines zu erzeugenden Hohlraums der Zelle und eines seitlich daran anschließenden Ätzkanals ausfüllt. Über der Opferschicht wird leitendes Material konform aufgebracht Über dem Ätzkanal wird eine Öffnung erzeugt, die bis auf die Opferschicht reicht. Die Opferschicht wird in einem Ätzschritt entfernt, wodurch der Hohlraum entsteht, und ein über dem Hohlraum angeordneter Teil des leitenden Materials auslenkbar wird, der als Membran der Zelle und Elektrode des Kondensators wirken kann. Der Ätzkanal wird im Bereich der Öffnung von oben durch einen Verschluß verschlossen.The problem is also solved by a method for producing a micromechanical component, in which a sacrificial layer is produced over a counter electrode of a capacitor of a cell of the component and is structured in such a way that it fills a region of a cavity of the cell to be generated and an etching channel adjoining it laterally . Conductive material is applied conformally over the sacrificial layer. An opening is created above the etching channel, which extends to the sacrificial layer. The sacrificial layer is removed in an etching step, as a result of which the cavity is created, and a part of the conductive material which is arranged above the cavity and can act as a membrane of the cell and electrode of the capacitor can be deflected. The etching channel is closed from above in the area of the opening by a closure.
Das Verfahren kann kompatibel mit CMOS-Prozeßtechnologie sein. Dem mikromechanischen Bauelement liegt das kapazitive Meß- pπnzip zugrunde. Mindestens ein Teil des Hohlraums ist Teil eines als Luftspalt ausgestalteten Kondensatordielektπkums eines Kondensators, dessen Kapazität ein Maß für einen Druck auf die Membran ist. So laßt sich das mikromechanische Bauelement z.B. als Drucksensor oder als Mikrofon verwenden.The method can be compatible with CMOS process technology. The capacitive measuring principle is the basis of the micromechanical component. At least part of the cavity is part of a capacitor dielectric of a capacitor designed as an air gap, the capacitance of which is a measure of a pressure on the membrane. The micromechanical component can thus be used, for example, as a pressure sensor or as a microphone.
Da eine Opferschicht vorgesehen ist, durch deren Entfernung der Hohlraum erzeugt wird, kann das mikromechanische Bauele- ment an einer Oberflache eines Substrats angeordnet sein. Daher ist eine Prozessierung einer Ruckseite des Substrats nicht erforderlich, weshalb der Prozeßaufwand im Vergleich zum Drucksensor gemäß G. Ehrler (s.o.) geringer ist. Im Gegensatz zum Drucksensor gemäß dem oben zitierten Dokument von T. Scheiter et al . weist die Membran keine besonders dünnen Stellen auf, die durch Druck besonders leicht brechen konnten. Die Membran weist auch keine Verdickungen auf, an deren Randern der Druck lokale Lastspitzen erzeugen wurde, die zum Bruch der Membran fuhren konnten. Da die Membran im wesentli- chen gleichmäßig dick ist, verteilt sich der Druck gleichmaßig auf die Membran, weshalb die Membran stabiler als die Membran gemäß T. Scheiter et al . ist. Beim Entfernen von Atzmittel, das zum Ätzen der Opferschicht verwendet wird, wirken große Kapillarkrafte auf die Membran. Weist die Membran wie beim Drucksensor gemäß der oben zitierten Schrift von T.Since a sacrificial layer is provided, the removal of which creates the cavity, the micromechanical component can be arranged on a surface of a substrate. It is therefore not necessary to process a back side of the substrate, which is why the process effort is lower compared to the pressure sensor according to G. Ehrler (see above). In contrast to the pressure sensor according to the above-cited document by T. Scheiter et al. the membrane has no particularly thin spots that could break easily due to pressure. The membrane also has no thickening, at the edges of which the pressure generated local load peaks which could lead to the membrane breaking. Since the membrane is essentially uniformly thick, the pressure is distributed evenly over the membrane, which is why the membrane is more stable than the membrane according to T. Scheiter et al. is. When removing the etchant, which is used to etch the sacrificial layer, large capillary forces act on the membrane. Has the membrane as in the pressure sensor according to the above-cited T.
Scheiter et al . besonders dünne, d.h. weiche, Membranteile auf, so können diese an einem Boden des Hohlraums kleben bleiben. Ein weiterer Vorteil der gleichmäßig dicken Membran ist deshalb, daß die Membran auch wahrend des Herstellungs- Verfahrens mechanisch sehr stabil ist.Scheiter et al. particularly thin, i.e. soft, membrane parts, so they can stick to a bottom of the cavity. Another advantage of the uniformly thick membrane is therefore that the membrane is mechanically very stable even during the manufacturing process.
Da der Verschluß von oben an den Atzkanal angrenzt, ist die große vertikale Abmessung des Ätzkanals im Gegensatz zum Drucksensor gemäß H. Dudaicevs et al. (s.o.) kein Hindernis f r die Abdichtung des Hohlraums. Der Atzprozeß lauft schneller ab und ein Ätzmittel kann leichter ausgespült werden. Im Vergleich zum Drucksensor gemäß H. Dudaicevs et al. (s.o.) läßt sich das mikromechanische Bauelement mit höherer Prozeßsicherheit erzeugen.Since the closure adjoins the etching channel from above, the large vertical dimension of the etching channel is in contrast to the pressure sensor according to H. Dudaicevs et al. (see above) no obstacle for sealing the cavity. The etching process runs faster and an etchant can be more easily rinsed out. In comparison to the pressure sensor according to H. Dudaicevs et al. (so) the micromechanical component can be produced with higher process reliability.
Da ein Ätzkanal vorgesehen ist, der sich seitlich an die Opferschicht anschließt, kann die Opferschicht entfernt werden, ohne in der Membran eine Öffnung erzeugen zu müssen. Daher kann die Membran homogen und mit im wesentlichen gleicher Dicke erzeugt werden. Der Verschluß liegt außerhalb der Membran.Since an etching channel is provided, which laterally adjoins the sacrificial layer, the sacrificial layer can be removed without having to create an opening in the membrane. The membrane can therefore be produced homogeneously and with essentially the same thickness. The closure is outside the membrane.
Die Membran kann Teil einer oberen leitenden Schicht sein, die von oben und seitlich an den Hohlraum angrenzt. Dazu wird die Opferschicht ganzflächig aufgebracht und anschließend durch maskiertes Ätzen strukturiert. Die obere leitende Schicht wird anschließend abgeschieden, so daß sie die Opferschicht bedeckt und seitlich umgibt. Bis auf einen Bereich, in dem der Ätzkanal an den Hohlraum angrenzt, wird der Hohlraum von der oberen leitenden Schicht umgeben.The membrane can be part of an upper conductive layer which adjoins the cavity from above and laterally. For this purpose, the sacrificial layer is applied over the entire surface and then structured by masked etching. The upper conductive layer is then deposited so that it covers and laterally surrounds the sacrificial layer. Except for an area in which the etching channel adjoins the cavity, the cavity is surrounded by the upper conductive layer.
Alternativ ist der Hohlraum seitlich von einem anderen Material umgeben. Die Opferschicht kann beispielsweise in einer Vertiefung des anderen Materials erzeugt werden. Alternativ wird die Opferschicht durch maskiertes Ätzen strukturiert und anschließend das andere Material abgeschieden und planari- siert. Die obere leitende Schicht wird darüber aufgebracht.Alternatively, the cavity is laterally surrounded by another material. The sacrificial layer can be produced, for example, in a depression in the other material. Alternatively, the sacrificial layer is structured by masked etching and then the other material is deposited and planarized. The top conductive layer is applied over it.
Die Gegenelektrode kann als dotiertes Gebiet im Substrat realisiert sein.The counter electrode can be implemented as a doped region in the substrate.
Um p-n-Übergänge und damit verbundene Sperrschichtkapazitäten und Spannungseinschränkungen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Gegenelektrode ein erster Teil einer strukturierten unteren leitenden Schicht ist, die auf einer ersten isolierenden Schicht angeordnet ist, die wiederum auf der Oberfläche des Substrats angeordnet ist. Die erste isolierende Schicht weist zweckmäßigerweise eine Dicke auf, bei der eine Kapazität, die durch die Gegenelektrode und dem Substrat gebildet wird, klein gehalten wird.In order to avoid pn junctions and the associated junction capacitance and voltage restrictions, it is advantageous if the counterelectrode is a first part of a structured lower conductive layer which is arranged on a first insulating layer which in turn is arranged on the surface of the substrate. The first insulating layer expediently has a thickness at which a capacitance formed by the counter electrode and the substrate is kept small.
Vorzugsweise stützt sich die obere leitende Schicht auf einen zweiten Teil der strukturierten unteren leitenden Schicht ab. Der zweite Teil der strukturierten unteren leitenden Schicht wirkt als Ätzstop bei der Strukturierung der Opferschicht. Der zweite Teil der strukturierten unteren leitenden Schicht ist von der Gegenelektrode getrennt, damit die Membran, die als die Elektrode wirkt, nicht mit der Gegenelektrode elektrisch verbunden ist. Die Gegenelektrode kann sich unter dem Ätzkanal ausbreiten, nimmt jedoch ansonsten eine kleinere Fläche, als der Hohlraum ein, d.h. ein horizontaler Querschnitt der Gegenelektrode ist im Bereich der Zelle kleiner als ein horizontaler Querschnitt des Hohlraums. Damit die Kapazität des Kondensators der Zelle möglichst groß ist, nimmt die Gegenelektrode möglichst viel Fläche ein, d.h. die von ihr eingenommene Fläche weist dieselbe Form wie die Fläche des Hohlraums auf und reicht bis fast zu Rändern des Hohl- raums .The upper conductive layer is preferably supported on a second part of the structured lower conductive layer. The second part of the structured lower conductive layer acts as an etch stop when structuring the sacrificial layer. The second part of the structured lower conductive layer is separated from the counter electrode so that the membrane, which acts as the electrode, is not electrically connected to the counter electrode. The counter electrode can spread under the etch channel, but otherwise takes up a smaller area than the cavity, i.e. a horizontal cross section of the counterelectrode is smaller in the area of the cell than a horizontal cross section of the cavity. So that the capacitance of the capacitor of the cell is as large as possible, the counter electrode takes up as much area as possible, i.e. the area it occupies has the same shape as the area of the cavity and extends almost to the edges of the cavity.
Es ist zweckmäßig, wenn die erste isolierende Schicht und die Opferschicht aus demselben Material, z.B. Siθ2 bestehen.It is expedient if the first insulating layer and the sacrificial layer are made of the same material, e.g. Siθ2 exist.
Bestehen die Opferschicht und die erste isolierende Schicht aus demselben Material, so ist es vorteilhaft, wenn die Opferschicht im Bereich zwischen der Gegenelektrode und dem zweiten Teil der strukturierten unteren leitenden Schicht nicht direkt an die erste isolierende Struktur angrenzt, da diese sonst ebenfalls angegriffen wird. Es ist zweckmäßig, über der strukturierten ersten leitenden Schicht eine zweite isolierende Schicht zu erzeugen, die selektiv zur Opferschicht und zur ersten isolierenden Schicht ätzbar ist und über der die Opferschicht erzeugt wird. Die zweite isolieren- de Schicht wird analog zur Opferschicht strukturiert. Im Bereich zwischen der Gegenelektrode und dem zweiten Teil der strukturierten unteren leitenden Schicht grenzt die zweite isolierende Schicht direkt an die erste isolierende Schicht an und schützt diese beim Entfernen der Opferschicht.If the sacrificial layer and the first insulating layer consist of the same material, it is advantageous if the sacrificial layer does not directly adjoin the first insulating structure in the region between the counterelectrode and the second part of the structured lower conductive layer, since this would otherwise also be attacked. It is expedient to produce a second insulating layer over the structured first conductive layer, which is selectively etchable to the sacrificial layer and to the first insulating layer and over which the sacrificial layer is produced. The second insulating layer is structured analogously to the sacrificial layer. The second borders in the area between the counter electrode and the second part of the structured lower conductive layer insulating layer directly on the first insulating layer and protects it when removing the sacrificial layer.
Ein elektrischer Anschluß der Membran kann außerhalb der Zel- le über den zweiten Teil der strukturierten unteren leitenden Schicht erfolgen.The membrane can be electrically connected outside the cell via the second part of the structured lower conductive layer.
Es ist vorteilhaft, wenn die Membran einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Im Gegensatz zu eckigen Querschnitten wird der Druck auf die Membran gleichmäßiger verteilt, so daß die Membran stabiler ist.It is advantageous if the membrane has an essentially circular cross section. In contrast to angular cross sections, the pressure on the membrane is distributed more evenly, so that the membrane is more stable.
Damit ein äußerer Druck auf eine große Fläche ausgeübt werden kann, ist es vorteilhaft, wenn das mikromechanische Bauele- ment eine Anzahl gleicher Zellen umfaßt. Hohlräume der Zellen sind vorzugsweise über die Ätzkanäle miteinander verbunden, so daß Luftdrücke in den Hohlräumen im wesentlichen übereinstimmen. Dies erleichtert auch die Diagnose von Membranschäden.So that an external pressure can be exerted on a large area, it is advantageous if the micromechanical component comprises a number of identical cells. Cavities of the cells are preferably connected to one another via the etching channels, so that air pressures in the cavities essentially match. This also makes it easier to diagnose membrane damage.
Je dichter die Verschlüsse beieinanderliegen, umso leichter läßt sich die Opferschicht entfernen. Folglich ist es vorteilhaft, wenn ein Durchmesser der Membranen klein ist und z.B. zwischen lOu und 30μm beträgt. Dies hat auch eine be- sonders hohe Stabilität der Membrane zur Folge. Da die Membrane bei kleinem Durchmesser sich schwerer auslenken lassen, ist das mikromechanische Bauelement als Hochdrucksensor geeignet.The closer the closures are, the easier it is to remove the sacrificial layer. Consequently, it is advantageous if the diameter of the membranes is small and e.g. between lOu and 30μm. This also results in a particularly high stability of the membrane. Since the diaphragm is more difficult to deflect with a small diameter, the micromechanical component is suitable as a high-pressure sensor.
Es ist vorteilhaft, die Zellen möglichst dicht beieinander anzuordnen, da so bei gleicher Fläche des mikromechanischen Bauelements die Empfindlichkeit des mikromechanischen Bauelements erhöht wird. Weist die Membran einen kreisförmigen Querschnitt auf, so sind die Zellen vorzugsweise in einem hexagonalen Raster angeordnet. Jeweils drei der Zellen grenzen aneinander an, wobei ihre Mittelpunkte an Ecken eines gleichseitigen Dreiecks liegen. Eine Zelle grenzt folglich an sechs ringförmig um die Zelle angeordnete Zellen an. Die Zelle kann drei Atzkanale aufweisen, die gleiche Abstände voneinander aufweisen. Jeweils drei Atzkanale von verschiedenen Zellen treffen m einem Bereich aufeinander, über dem der Verschluß angeordnet ist und der zwischen diesen Zellen liegt.It is advantageous to arrange the cells as close to one another as possible, since the sensitivity of the micromechanical component is increased with the same area of the micromechanical component. If the membrane has a circular cross section, the cells are preferably arranged in a hexagonal grid. Three of the cells are adjacent to each other, with their centers at corners of an equilateral triangle. A cell is adjacent six cells arranged in a ring around the cell. The cell can have three etching channels that are equidistant from one another. In each case three etching channels from different cells meet in an area above which the closure is arranged and which lies between these cells.
Statt aneinander anzugrenzen können die Zellen voneinander beabstandet sein.Instead of being adjacent to one another, the cells can be spaced apart from one another.
Die Zelle kann auch eine von drei verschiedene Anzahl an Atz- kanalen aufweisen.The cell can also have a number of etching channels different from three.
Die Gegenelektroden der Zellen können über in den Atzkanalen verlaufende leitende Stege zusammenhangen und gemeinsam mit den Stegen den ersten Teil der strukturierten ersten leitenden Schicht bilden. Der erste Teil der strukturierten unteren Schicht wirkt m diesem Fall als gemeinsame Gegenelektrode der Zellen.The counter electrodes of the cells can be connected via conductive webs running in the etching channels and, together with the webs, form the first part of the structured first conductive layer. In this case, the first part of the structured lower layer acts as a common counter electrode of the cells.
Der Druckbereich des Drucksensors kann über die Wahl der Dik- ke der Membran und der Große des horizontalen Querschnitts der Membran bestimmt werden. Für einen Druckbereich zwischen 40 bar und 200 bar betragt der Radius der Membran vorzugswei- se zwischen 13 um und 7 μThe pressure range of the pressure sensor can be determined by the choice of the thickness of the membrane and the size of the horizontal cross section of the membrane. For a pressure range between 40 bar and 200 bar, the radius of the membrane is preferably between 13 μm and 7 μ
Je dunner die Opferschicht ist, umso großer ist die Änderung der Kapazität bei Änderung des Drucks. Die Dicke der Opferschicht betragt vorzugsweise zwischen 200 nm und 500 nm.The thinner the sacrificial layer, the greater the change in capacitance when the pressure changes. The thickness of the sacrificial layer is preferably between 200 nm and 500 nm.
Der Verschluß wird beispielsweise durch Abscheidung und Verfließen von BPSG (Borphosphorsilikatglas) erzeugt.The closure is produced, for example, by separating and flowing BPSG (borophosphosilicate glass).
Es können auch mehrere Schichten verschiedener Materialien abgeschieden werden, um den Verschluß oder die obere leitende Schicht zu erzeugten. Die untere leitende Schicht kann gleichzeitig mit oberen Kondensatorelektroden von Kondensatoren der Peripherie des mikromechanischen Bauelements oder von Kondensatoren m anderen Teilen des Substrats erzeugt werden.Multiple layers of different materials can also be deposited to form the seal or top conductive layer. The lower conductive layer can be produced simultaneously with upper capacitor electrodes of capacitors of the periphery of the micromechanical component or of capacitors in other parts of the substrate.
Die erste isolierende Schicht und die Opferschicht enthalten beispielsweise S1O2. Die Verwendung anderer isolierender Materialien liegen jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung. Die zweite isolierende Schicht enthalt beispielsweise Silizi- umnitrid. Die Verwendung anderer isolierender Materialien liegen jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung. Die obere und die untere leitende Schicht enthalten beispielsweise dotiertes Polysilizium oder ein anderes leitendes Material, das z.B. Metall enthalt. Das S1O2 kann thermisch aufgewachsen oder abgeschieden werden. Es ist vorteilhaft, über der Membran eine Coatmg-Schicht aus Siliziumnitrid oder Titannitrid aufzubringen, die die Membran vor Umwelteinflüssen sch tzt.The first insulating layer and the sacrificial layer contain, for example, S1O2. However, the use of other insulating materials is also within the scope of the invention. The second insulating layer contains, for example, silicon nitride. However, the use of other insulating materials is also within the scope of the invention. The upper and lower conductive layers contain, for example, doped polysilicon or another conductive material, e.g. Contains metal. The S1O2 can be thermally grown or deposited. It is advantageous to apply a coatmg layer of silicon nitride or titanium nitride over the membrane, which protects the membrane from environmental influences.
Im folgenden werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung, die m den Figuren dargestellt sind, naher erläutert.In the following, exemplary embodiments of the invention, which are shown in the figures, are explained in more detail.
Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf ein Substrat, m der eine strukturierte untere leitende Schicht dargestellt FIG. 1 shows a plan view of a substrate, which shows a structured lower conductive layer
Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf das Substrat, in der ein Hohlraum und Verschlüsse dargestellt sind.Figure 2 shows a plan view of the substrate, in which a cavity and closures are shown.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch das Substrat, nachdem ein Drucksensor erzeugt wurde.FIG. 3 shows a cross section through the substrate after a pressure sensor has been generated.
Figur 4 zeigt einen zum Querschnitt aus Figur 3 senkrechtenFigure 4 shows a perpendicular to the cross section of Figure 3
Querschnitt durch das Substrat, nachdem der Drucksensor erzeugt wurde. Auf einer Oberfläche eines Substrats 1 aus Silizium wird durch Abscheiden von Siθ2 in einer Dicke von ca. 600 nm eine erste isolierende Schicht II erzeugt (s. Figur 3).Cross section through the substrate after the pressure sensor has been generated. A first insulating layer II is produced on a surface of a substrate 1 made of silicon by depositing SiO 2 in a thickness of approximately 600 nm (see FIG. 3).
Zur Erzeugung einer leitenden Schicht L wird anschließend Polysilizium in einer Dicke von ca. 200 nm abgeschieden und implantiert .To produce a conductive layer L, polysilicon is then deposited to a thickness of approximately 200 nm and implanted.
Durch Plasmaätzen wird die leitende Schicht L strukturiert. Dabei entsteht ein erster Teil der leitenden Schicht L, der kreisförmige Gegenelektroden 2 von Kondensatoren und Stege 3 umfaßt. Die Gegenelektroden 2 weisen einen Durchmesser von ca. 10 μm auf und besitzen jeweils sechs unmittelbar benachbarte Gegenelektroden 2. An jede Gegenelektrode 2 grenzen drei der Stege 3 an, die gleiche Abstände voneinander aufweisen (s. Figur 1) . Jeweils drei der Stege 3 treffen aufeinander.The conductive layer L is structured by plasma etching. This creates a first part of the conductive layer L, which comprises circular counter electrodes 2 of capacitors and webs 3. The counter electrodes 2 have a diameter of approx. 10 μm and each have six directly adjacent counter electrodes 2. Three of the webs 3 adjoin each counter electrode 2 and have the same distances from one another (see FIG. 1). Three of the webs 3 meet each other.
Außerhalb des ersten Teils der leitenden Schicht L sind zwei- te Teile 4 der leitenden Schicht L angeordnet, die von dem ersten Teil der leitenden Schicht L getrennt sind (s. Figur 1) •Outside the first part of the conductive layer L, second parts 4 of the conductive layer L are arranged, which are separated from the first part of the conductive layer L (see FIG. 1).
Zur Erzeugung einer zweiten isolierenden Schicht 12 wird Si- liziumnitrid in einer Dicke von ca. 30 nm abgeschieden. Über der zweiten isolierenden Schicht 12 wird zur Erzeugung einerTo produce a second insulating layer 12, silicon nitride is deposited to a thickness of approximately 30 nm. A layer is produced over the second insulating layer 12
Opferschicht Siθ2 in einer Dicke von ca. 300 nm abgeschiedenSacrificial layer SiO 2 deposited to a thickness of approx. 300 nm
(s . Figur 3) .(see Figure 3).
Durch Trockenätzen werden die Opferschicht und die zweite isolierende Schicht 12 strukturiert. Die Strukturierung erfolgt analog zur Strukturierung der leitenden Schicht L, mit dem Unterschied, daß Abmessungen so gewählt werden, daß ein Teil der Opferschicht entsteht, der formgleich zum ersten Teil der leitenden Struktur L, aber größer ist und den ersten Teil der leitenden Schicht L überdeckt. Der Teil der Opferschicht weist demnach ebenfalls kreisförmige Gebiete und Ste- ge auf. Ein Radius der kreisförmigen Gebiete des Teils der Opferschicht betragt ca. 8 μm (s. Figur 2). Durch die Struk¬ turierung der Opferschicht und der zweiten isolierenden Schicht 12 werden die zweiten Teile 4 der unteren leitenden Schicht L freigelegt.The sacrificial layer and the second insulating layer 12 are structured by dry etching. The structuring is carried out analogously to the structuring of the conductive layer L, with the difference that dimensions are chosen such that a part of the sacrificial layer is formed which is identical in shape to the first part of the conductive structure L but is larger and covers the first part of the conductive layer L. . The part of the sacrificial layer accordingly also has circular areas and steps ge on. A radius of the circular areas of the part of the sacrificial layer is approximately 8 μm (see FIG. 2). Due to the structural ¬ the sacrificial layer and the second insulating layer 12 structuring the second parts 4 of the lower conductive layer L are exposed.
Anschließend wird eine obere leitende Schicht F aus Polysilizium m einer Dicke von ca. 1 μm abgeschieden und implantiert, bis die Dotierstoffkonzentration ca. 10^8 cm"" be- tragt.An upper conductive layer F made of polysilicon with a thickness of approximately 1 μm is then deposited and implanted until the dopant concentration is approximately 10 ^ 8 cm " ".
In Bereichen, m denen die Stege des Teils der Opferschicht aufeinandertreffen, werden Offnungen m der Schicht F durch maskiertes Atzen erzeugt, bis die Opferschicht freigelegt wird.In areas where the webs of the part of the sacrificial layer meet, openings m in layer F are produced by masked etching until the sacrificial layer is exposed.
Mit Hilfe von z. B. gepufferter Flußsaure als Atzmittel wird der Teil der Opferschicht entfernt. Dabei wirken die Stege des Teils der Opferschicht als Atzkanale A. In den kreisfor- migen Gebieten des Teils der Opferschicht entstehen Hohlräume H (siehe Figuren 2, 3 und 4). Die zweite isolierende Schicht 12 schützt die erste isolierende Schicht II bei der Entfernung der Opferschicht an Stellen, an denen die Opferschicht nicht an die untere leitende Schicht L angrenzt (s. Figur 3) . Die obere leitende Schicht F stutzt sich auf die zweiten Teile 4 der unteren leitenden Schicht L ab.With the help of z. B. buffered hydrofluoric acid as an etchant, the part of the sacrificial layer is removed. The webs of the part of the sacrificial layer act as etch channels A. Cavities H are formed in the circular regions of the part of the sacrificial layer (see FIGS. 2, 3 and 4). The second insulating layer 12 protects the first insulating layer II when removing the sacrificial layer at locations where the sacrificial layer does not adjoin the lower conductive layer L (see FIG. 3). The upper conductive layer F is supported on the second parts 4 of the lower conductive layer L.
Durch Abscheiden und Verfließen von BPSG in einer Dicke von ca. 800 nm werden die Hohlräume H und die Atzkanale A abge- dichtet. In den Offnungen entstehen Verschlüsse V, die von oben an die Atzkanale A angrenzen (s. Figur 2 und 4) . Anschließend wird eine ca. 40 nm dicke Coatmg-Schicht (nicht dargestellt) abgeschieden.The cavities H and the etching channels A are sealed by separating and flowing BPSG in a thickness of approximately 800 nm. Closures V are formed in the openings, which adjoin the etching channels A from above (see FIGS. 2 and 4). An approximately 40 nm thick coat mg layer (not shown) is then deposited.
Über den Hohlräumen H angeordnete Teile der oberen leitenden Schicht F wirken als kreisförmige Membrane eines Drucksensors. Die Membrane wirken als Elektroden der Kondensatoren. Es sind viele Variationen des Ausführungsbeispieles denkbar, die ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegen. So können Abmessungen der Gebiete, Schichten, Stege und Verschlüsse an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden.Parts of the upper conductive layer F arranged above the cavities H act as a circular membrane of a pressure sensor. The membrane acts as electrodes of the capacitors. Many variations of the exemplary embodiment are conceivable, which are also within the scope of the invention. Dimensions of the areas, layers, webs and closures can be adapted to the respective requirements.
Das Polysilizium kann statt durch Implantation auch insitu oder durch Diffusion aus einer Dotierstoffquelle dotiert werden.The polysilicon can also be doped in situ or by diffusion from a dopant source instead of by implantation.
Statt einer Coating-Schicht kann eine Passivierungsschicht abgeschieden werden, die z.B. 1 μm dick ist. Instead of a coating layer, a passivation layer can be deposited, which e.g. Is 1 μm thick.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikromechanisches Bauelement,1. micromechanical component,
- mit mindestens einer Zelle, - bei dem die Zelle eine Membran aufweist, die als eine Elektrode eines Kondensators der Zelle wirkt und die homogen und mit im wesentlichen gleichförmiger Dicke über einem Hohlraum (H) der Zelle angeordnet ist,with at least one cell, in which the cell has a membrane which acts as an electrode of a capacitor of the cell and which is arranged homogeneously and with a substantially uniform thickness over a cavity (H) of the cell,
- bei dem unter dem Hohlraum (H) eine Gegenelektrode (2) des Kondensators angeordnet ist,- In which a counter electrode (2) of the capacitor is arranged under the cavity (H),
- bei dem sich mindestens ein Ätzkanal (A) seitlich an den Hohlraum (H) anschließt,- in which at least one etching channel (A) connects laterally to the cavity (H),
- bei der der Ätzkanal (A) eine vertikale Abmessung aufweist, die gleich einer vertikalen Abmessung des Hohlraums (H) ist,in which the etching channel (A) has a vertical dimension which is equal to a vertical dimension of the cavity (H),
- bei dem ein Verschluß (V) von oben an den Ätzkanal (A) angrenzt und außerhalb der Membran angeordnet ist.- In which a closure (V) adjoins the etching channel (A) from above and is arranged outside the membrane.
2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, - bei dem die Membran Teil einer oberen leitenden Schicht (F) ist,2. Micromechanical component according to claim 1, - in which the membrane is part of an upper conductive layer (F),
- bei dem die obere leitende Schicht (F) von oben und seitlich an den Hohlraum (H) angrenzt.- In which the upper conductive layer (F) from above and laterally adjoins the cavity (H).
3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 2,3. Micromechanical component according to claim 2,
- bei dem eine erste isolierende Schicht (II) auf einer Oberfläche eines Substrats (1) angeordnet ist,- in which a first insulating layer (II) is arranged on a surface of a substrate (1),
- bei dem eine strukturierte untere leitende Schicht (L) auf der ersten isolierenden Schicht (II) angeordnet ist, - bei dem ein erster Teil der strukturierten unteren leitenden Schicht (L) die Gegenelektrode (2) ist,- in which a structured lower conductive layer (L) is arranged on the first insulating layer (II), - in which a first part of the structured lower conductive layer (L) is the counter electrode (2),
- bei dem die obere leitende Schicht (F) sich auf einen zweiten Teil (4) der strukturierten unteren leitenden Schicht (L) abstützt, der vom ersten Teil der strukturierten unte- ren leitenden Schicht (L) isoliert ist.- in which the upper conductive layer (F) is supported on a second part (4) of the structured lower conductive layer (L), which is insulated from the first part of the structured lower conductive layer (L).
4. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 3, - bei dem eine zweite isolierende Schicht (12) auf der strukturierten unteren leitenden Schicht (L) angeordnet ist,4. Micromechanical component according to claim 3, - in which a second insulating layer (12) is arranged on the structured lower conductive layer (L),
- bei dem der Hohlraum (H) von unten durch die zweite isolierende Schicht (12) begrenzt wird.- In which the cavity (H) is delimited from below by the second insulating layer (12).
5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,5. Micromechanical component according to one of claims 1 to 4,
- bei dem die Membran einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist, - bei dem die Zelle mindestens drei Ätzkanäle (A) aufweist, die gleiche Abstände voneinander aufweisen,in which the membrane has an essentially circular cross section, in which the cell has at least three etching channels (A) which are at the same distance from one another,
- mit mehreren gleichen Zellen,- with several identical cells,
- bei dem jeweils drei der Zellen untereinander angrenzen, und ihre Mittelpunkte an Ecken eines gleichseitigen Drei- ecks liegen,- where three of the cells are adjacent to each other and their centers lie at corners of an equilateral triangle,
- bei dem jeweils drei Ätzkanäle (A) von verschiedenen Zellen in einem Bereich aufeinandertreffen, über dem der Verschluß (V) angeordnet ist und der zwischen diesen Zellen liegt.- In which three etching channels (A) of different cells meet in an area above which the closure (V) is arranged and which lies between these cells.
6. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,6. Micromechanical component according to one of claims 1 to 5,
- bei dem die Gegenelektroden (2) der Zellen über in den Ätzkanälen (A) verlaufende leitende Stege (3) zusammenhängen und gemeinsam mit den Stegen (3) den ersten Teil der struk- turierten unteren leitenden Schicht (L) bilden.- in which the counter electrodes (2) of the cells are connected via conductive webs (3) running in the etching channels (A) and, together with the webs (3), form the first part of the structured lower conductive layer (L).
7. Verwendung des mikromechanischen Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Durchmesser der Membran weniger als 30μm beträgt, als Hochdrucksensor zum Messen von Drücken über 40 bar.7. Use of the micromechanical component according to one of claims 1 to 6, in which the diameter of the membrane is less than 30μm, as a high-pressure sensor for measuring pressures above 40 bar.
8. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements,8. Method for producing a micromechanical component,
- bei dem eine Opferschlicht über einer Gegenelektrode (2) ei- nes Kondensators einer Zelle erzeugt und so strukturiert wird, daß sie einen Bereich eines zu erzeugenden Hohlraums (H) der Zelle und eines seitlich daran anschließenden Ätzkanals (A) ausfüllt,- In which a sacrificial size is generated over a counter electrode (2) of a capacitor of a cell and is structured so that it covers an area of a cavity to be generated (H) the cell and an etching channel (A) adjoining it laterally,
- bei dem über der Opferschicht eine obere leitende Schicht- An upper conductive layer over the sacrificial layer
(F) konform aufgebracht wird, - bei dem über dem Ätzkanal (A) eine Öffnung in die obere leitende Schicht (F) erzeugt wird, die bis auf die Opferschicht reicht,(F) is applied conformally, - in which an opening is made in the upper conductive layer (F) above the etching channel (A) and extends to the sacrificial layer,
- bei dem die Opferschicht durch Ätzen entfernt wird, wodurch der Hohlraum (H) entsteht, und ein über dem Hohlraum (H) angeordneter Teil der oberen leitenden Schicht (F) auslenkbar wird und als Membran der Zelle und Elektrode des Kondensators wirken kann,in which the sacrificial layer is removed by etching, as a result of which the cavity (H) is formed, and a part of the upper conductive layer (F) arranged above the cavity (H) can be deflected and can act as a membrane of the cell and electrode of the capacitor,
- bei dem der Ätzkanal (A) im Bereich der Öffnung von oben durch einen Verschluß (V) verschlossen wird.- In which the etching channel (A) in the region of the opening is closed from above by a closure (V).
9. Verfahren nach Anspruch 8,9. The method according to claim 8,
- bei dem auf einem Substrat (1) eine erste isolierende Schicht (II) erzeugt wird,- in which a first insulating layer (II) is produced on a substrate (1),
- bei dem über der ersten isolierenden Schicht (II) eine un- tere leitende Schicht (L) abgeschieden und strukturiert wird, wodurch ein erster Teil der unteren leitenden Schicht (L) , der die Gegenelektrode (2) bildet, und ein davon getrennter zweiter Teil (4) der unteren leitenden Schicht (L) erzeugt werden, - bei dem über der unteren leitenden Schicht (L) eine zweite isolierende Schicht (12) erzeugt wird,- In which a lower conductive layer (L) is deposited and structured above the first insulating layer (II), as a result of which a first part of the lower conductive layer (L), which forms the counterelectrode (2), and a separate second one Part (4) of the lower conductive layer (L) are produced, - in which a second insulating layer (12) is produced over the lower conductive layer (L),
- bei dem über der zweiten isolierenden Schicht (12) die Opferschicht erzeugt wird, die selektiv zur zweiten isolierenden Schicht (12) ätzbar ist, - bei dem die zweite isolierende Schicht (12) und die Opferschicht analog zueinander und derart strukturiert werden, daß die zweite isolierende Schicht (12) den ersten Teil der unteren leitenden Schicht (L) vollständig bedeckt und der zweite Teil (4) der unteren leitenden Schicht (L) als Ätz- stop wirkt,- In which the sacrificial layer is generated over the second insulating layer (12), which can be selectively etched to the second insulating layer (12), - In which the second insulating layer (12) and the sacrificial layer are structured analogously to one another and in such a way that the second insulating layer (12) completely covers the first part of the lower conductive layer (L) and the second part (4) of the lower conductive layer (L) acts as an etching stop,
- bei dem über der Opferschicht die obere leitende Schicht- The top conductive layer above the sacrificial layer
(F) erzeugt wird, so daß sie teilweise seitlich an die Op- ferschicht angrenzt. (F) is generated, so that it partially touches the side of the adjacent layer.
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