EP4698873A1 - Stressentkoppelter mikromechanischer drucksensor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Abstract

Es wird ein mikromechanischer Drucksensor (100) umfassend: - ein Substrat (110) mit einem darauf angeordnetem Schichtsystem (120) beschrieben. Der mikromechanische Drucksensor (100) umfasst ferner eine mittels wenigstens einer Aufhängungsstruktur (140) an dem Schichtsystem (120) freitragend befestigte Sensorstruktur (200) mit einer ersten Membranstruktur (210), einer zweiten Membranstruktur (220) und einer zwischen den beiden Membranstrukturen (210, 220) angeordneten und von einem in einem Randbereich (212, 222) der beiden Membranstrukturen (210, 220) verlaufenden Seitenwand (230) abgeschlossen Kavernenbereich (240). Dabei umfasst die Sensorstruktur (200) einen in dem Kavernenbereich (240) zwischen den beiden Membranstrukturen (210, 220) angeordneten Nutzkondensator (250) mit einer an der ersten Membranstruktur (210) befestigten ersten Elektrode (251) und einer der ersten Elektrode (251) gegenüberliegend angeordneten und an der zweiten Membranstruktur (220) befestigten zweiten Elektrode (253).

Description

Beschreibung

Titel

Stressentkoppelter mikromechanischer Drucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen stressentkoppelten mikromechanischen Drucksensor in Form einer freitragenden Doppelmembranstruktur. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Herstellungsverfahren für einen solchen stressentkoppelten mikromechanischen Drucksensor.

Mikromechanische Drucksensoren kommen in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz. Unter anderem sind kapazitive Drucksensoren bekannt, bei denen zwischen zwei Membranen eine Mittelelektrode angeordnet ist, wobei diese Anordnung an wenigstens einer Feder-/Ankerstruktur freitragend an einem Siliziumsubstrat befestigt ist. Wird eine solche Anordnung mit Druck beaufschlagt, verbiegen sich die Membranen gleichzeitig bzw. simultan in Richtung der Mittelelektrode. Hierdurch wird eine messbare Kapazitätsänderung hervorgerufen, anhand derer die Messung bzw. Bestimmung des anliegenden Drucks erfolgen kann. Bei einer solchen Anordnung bestehen die beweglichen Elektroden des kapazitiven Messsystems aus den beiden Membranen selbst. Bedingt durch die Verwölbung der Membranen bei einer Druckbeaufschlagung entsteht ein nichtlineares kapazitives Sensorsignal. Hierdurch bedingt kann der Druck lediglich in einem geringen Druckbereich linear und mit einer relativ hohen Auflösung gemessen werden.

Darüber hinaus erfordert die Herstellung einer solchen Membrananordnung, dass die Opferschicht zwischen den Membranen und der Mittelelektrode durch Löcher in der obersten Membranstruktur ausgeräumt wird, welche nachträglich wieder verschlossen werden müssen. Da hierfür eine bestimmte Schichtdicke von Verschlussmaterial erforderlich ist, kann die Membrandicke nicht dünner ausgeführt werden als diese Verschlussschichtdicke und/oder das Verschlussmaterial verändert zumindest lokal die Biegesteifigkeit der Membranstruktur.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, eine Möglichkeit zur Realisierung eines stressentkoppelten kapazitiven Drucksensors bereitzustellen, der eine hohe Empfindlichkeit, ein lineares Drucksensorsignal und optionale Referenzkapazitäten aufweist, welche vorteilhaft platzsparend innerhalb eines Kavernenbereichs angeordnet werden können. Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist ein mikromechanischer Drucksensor vorgesehen, der ein Substrat mit einem darauf angeordnetem Schichtsystem und eine mittels wenigstens einer Aufhängungsstruktur an dem Schichtsystem freitragend befestigte Sensorstruktur mit einer ersten Membranstruktur, einer zweiten Membranstruktur und einem zwischen den beiden Membranstrukturen angeordneten und von einer in einem Randbereich der beiden Membranstrukturen verlaufenden Seitenwand abgeschlossen Kavernenbereich umfasst. Die Sensorstruktur umfasst dabei eine in dem Kavernenbereich angeordneten Nutzkondensatorstruktur mit einer bevorzugt an/in einem zentralen Bereich der ersten Membranstruktur befestigten ersten Elektrode und einer zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Membranstruktur angeordneten und bevorzugt an/in einem zentralen Bereich der zweiten Membranstruktur befestigten zweiten Elektrode.

Durch die Ausbildung der Sensorstruktur in Form einer freitragend ausgebildeten Doppelmembranstruktur wird eine Stressentkopplung zum umgebenden Schichtsystem und dem Siliziumsubstrat erreicht. Hierdurch wird erreicht, dass eine mechanische Verbiegung (z.B. durch thermische Ausdehnung) der Sensorstruktur keinen Einfluss mehr auf das resultierende Sensorsignal hat. Ferner kann durch den freitragenden Aufbau ein anliegender Außendruck sowohl die erste Membranstruktur als auch die zweite Membranstruktur deformieren. Dabei werden z.B. die erste und die zweite beweglich ausgebildete und an der ersten und zweiten Membranstruktur befestigte/verankerte Elektroden aufeinander zu bewegt. Dadurch kann eine doppelt so große (bei identisch ausgeführten Membranstrukturen) Änderung des Abstands zwischen den beweglichen Elektroden bei einer Druckänderung erreicht werden, als bei einer Sensorstruktur mit nur einer beweglich ausgeführten Elektrode. Somit kann auf diese Weise neben der Stressentkopplung auch eine Erhöhung der Messempfindlichkeit erzielt werden. Während bei Sensorstrukturen mit nur einer beweglichen Membran für die gleiche Messempfindlichkeit eine größere und/oder dünnere Membran verwendet benötigt wird oder zumindest zwei kleinere Membranstrukturen in einer Wheatston'schen Halbbrückenkonfiguration elektrisch verschaltet werden müssen, kann bei der freitragenden Doppelmembranstruktur die gleiche Messempfindlichkeit auf einer signifikant kleineren Fläche erzielt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Membranstrukturen für einen definierten Druckbereich stabiler ausgeführt werden können und damit gegenüber einem anliegenden Überdruck mechanisch stabiler sind. Dies kann weiter unterstützt werden durch die spezielle Stoppstrukturen, die an den Membranstrukturen befestigt sind und die eine übermäßig starke lokale Deformation der Membranstrukturen verhindern können.

Mit der vorgeschlagenen Druckmessstruktur bzw. Druckmessanordnung kann erreicht werden, dass eine gleiche vergleichbare Messempfindlichkeit bzw. Messgenauigkeit auf einer signifikant kleineren Fläche erzielt werden kann. Da bei den Gesamtkosten eines Sensorelements die Chipfläche einen signifikanten Beitrag liefert, kann auf diese Art und Weise, bei mindestens gleicher Performance, zudem eine Kostenreduzierung des Sensorelements erreicht werden oder aber der geringere Platzbedarf dazu genutzt werden, um auf der ursprünglichen Fläche zwei Druckmessstrukturen/Druckmessanordnungen vorzusehen, die das Messen von zwei Druckmessbereichen bzw. das Messen eines größeren Druckmessbereichs ermöglichen. Ein weiterer Vorteil, der nur lokal an den Membranen aufgehängten Elektroden der beschriebenen Sensorstruktur ist, dass hiermit bei einer Druckbeaufschlagung ein im Wesentlichen lineares Druckmesssignal erzielt wird. Das ist bei einer Sensorstruktur mit einer gleichzeitig als Elektrode der Messkapazität dienenden Membranstruktur nicht der Fall. Da der vorgeschlagene Drucksensor für die gleiche Messempfindlichkeit eine signifikant kleinere Fläche benötigt, ist es ferner möglich, auf der Fläche, die ein vergleichbarer Drucksensor mit nur einer Membranstruktur benötigt, zwei Drucksensoren mit Doppelmembranstrukturen vorzusehen. Diese können identisch aufgebaut sein und z.B. in einer Wheatston' sehen Halbbrückenkonfiguration elektrisch verschaltet sein, wodurch die vierfache Messempfindlichkeit gegenüber zwei identisch verschalteten Membranstrukturen mit jeweils nur einer beweglichen Elektrodenstruktur erzielt werden kann. Weiter lässt sich der mithilfe der Doppelmembranstruktur erzielte Flächenvorteil dazu benutzen, neben einer bereits vorhandenen Doppelmembranstruktur eine weitere Doppelmembranstruktur vorzusehen, die z.B. für einen zweiten Druckbereich ausgelegt ist. Auf diese Weise kann die Fläche, die ein Drucksensor bestehend aus einer Membranstruktur oder aus zwei nebeneinander liegenden Membranstrukturen für das Erfassen/Messen eines Druckbereichs benötigen würde, dazu benutzt werden, einen zweiten bzw. größeren Druckbereich zu erfassen.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Elektroden jeweils mittels wenigstens einer Befestigungsstruktur in einem inneren Bereich der jeweils zugehörigen Membranstruktur an der jeweiligen Membranstruktur befestigt sind. Hierdurch kann ein besonders lineares Messverhalten des Drucksensors erreicht werden.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem Randbereich des Kavernenbereichs ferner wenigstens ein Referenzkondensator mit zwei sich gegenüberliegenden stationären Elektroden vorgesehen ist, wobei jede der stationären Elektroden zwischen der jeweils anderen stationären Elektrode und einer der Membranstrukturen angeordnet ist. Der spezielle Aufbau dieser der Sensorstruktur ermöglicht es, integrierte Referenzkapazitäten vorzusehen, welche vorteilhaft platzsparend in einem Kavernenbereich zwischen den deformierbaren Membranstrukturen angeordnet werden können.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Referenzkondensator wenigstens teilweise bzw. bereichsweise in bzw. an der Seitenwand verankert und freitragend sowie planparallel ausgerichtet zu den Membranstrukturen zwischen den Membranstrukturen angeordnet ist. Hierdurch wird der Referenzkondensator von den Membranstrukturen soweit mechanisch entkoppelt, dass eine Verbiegung der Membranstrukturen in Folge eines anliegenden Außendruck keinen wesentlichen Einfluss auf die Referenzmessung hat.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen den stationären Elektroden des Referenzkondensators eine aus dem Material der dritten Siliziumdioxid-Schicht bestehende Siliziumdioxid-Schicht angeordnet ist. Hierdurch kann die Kapazität des Referenzkondensators erhöht werden oder aber, bei gleicher Kapazität, die Referenzkapazitätsstruktur flächenmäßig verkleinert werden, wodurch wiederum die beweglich vorgesehenen Elektrodenstrukturen des Nutzkondensators flächenmäßig größer ausgeführt werden können.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem Schichtsystem wenigstens ein Ätzzugang zu dem Kavernenbereich ausgebildet ist, wobei der Ätzzugang einen Verschluss aufweist, der durch wenigstens ein auf die Oberfläche des Schichtsystems abgeschiedenes und/oder in dem Ätzzugang eingebrachtes Material und/oder durch wenigstens ein lokal aufgeschmolzenes und wieder erstarrtes Material des Schichtsystems gebildet wird.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem Schichtsystem wenigstens ein Ätzzugang zu dem Kavernenbereich außerhalb einer auslenkbaren Sensierfläche der zweiten Membranstruktur ausgebildet ist. Dabei weist der Ätzzugang einen Verschluss auf, der durch wenigstens ein auf die Oberfläche des Schichtsystems abgeschiedenes und/oder in den Ätzzugang eingebrachtes Material oder durch ein lokal aufgeschmolzenes und wieder erstarrtes Material des Schichtsystems gebildet wird. Die Anordnung des Ätzzugangs außerhalb der auslenkbaren Sensierfläche der Membranstruktur ermöglicht eine präzise Einstellung der Schichtdicke und/oder der mechanischen Eigenschaften der Membranstruktur im Bereich der auslenkbaren Sensierfläche. Hierdurch kann eine höhere Messgenauigkeit des Drucksensors erreicht werden. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Ätzzugang außerhalb der Sensorstruktur angeordnet und mittels eines durch die zumindest eine Aufhängungsstruktur verlaufenden Ätzkanals mit dem Kavernenbereich verbunden ist. Diese Anordnung ermöglicht eine besonders große Nutzfläche des Drucksensors.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Ätzzugang innerhalb der Aufhängungsstruktur angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht einen geringeren Platzbedarf des Drucksensors.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Ätzzugang in einem Randbereich der Sensorstruktur angeordnet ist. Diese Anordnung des Ätzzugangs bzw. der Ätzzugänge ermöglicht ein besseres bzw. schnelleres Ätzen der Opferschichten innerhalb der Kaverne.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorstruktur zusätzliche Verankerungsstrukturen zum Befestigen der Membranstrukturen aufweist, wobei der zumindest eine Ätzzugang zwischen der umlaufenden Seitenwand und den zusätzlichen Verankerungsstrukturen angeordnet ist. Hierdurch kann die Stabilität der Doppelmembranstruktur verbessert werden und ein Einfluss der den zumindest einen Ätzzugang verschließenden Verschlussstruktur/Schicht auf das Messignal bzw. das Messverhalten verringert bzw. vermieden werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die umlaufende Seitenwand durch äußere Verankerungsstrukturen, innere Verankerungsstrukturen und zwischen den äußeren und inneren Verankerungsstrukturen verbliebenes Siliziumdioxidmaterial der Siliziumdioxid- Schichten des Schichtsystems gebildet wird. Durch das zusätzliche Siliziumdioxidmaterial wird die Stabilität der Seitenwand erhöht.

In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem Kavernenbereich ferner an wenigsten einer Membranstruktur wenigstens eine mechanische Stoppstruktur befestigt ist, die eine Begrenzung der relativen Bewegung zwischen den beiden Membranstrukturen ab einem vorgegebenen Druckwert bewirkt. Solche Stoppstrukturen verhindern eine übermäßig starke lokale Deformation der Membranstrukturen. Hierdurch wird der Sensor gegen mechanische Überlastung geschützt.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ferner ein Verfahren zum Herstellen des oben genannten mikromechanischen Drucksensors vorgesehen, bei dem ein Halbleitersubstrat bereitgestellt und auf dem Halbleitersubstrat eine Schichtstruktur durch Abscheiden und Strukturieren von Schichten erzeugt wird. Dabei wird in einem Funktionsbereich der Schichtstruktur eine über eine Aufhängungsstruktur mit der übrigen Schichtstruktur verbundenes Sensorstruktur erzeugt, die eine von einer ersten Membranstruktur, die aus einer ersten Polysilizium-Schicht strukturiert ist, einer zweiten Membranstruktur, die aus einer vierten Polysilizium-Schicht strukturiert ist, und einen durch eine in einem Randbereich der Membranstrukturen verlaufende Seitenwand begrenzten Kavernenbereich umfasst. Ferner wird in dem Kavernenbereich dabei ein Nutzkondensator mit einer aus einer zweiten Polysilizium-Schicht strukturierten und an der ersten Membranstruktur befestigten ersten Elektrode und einer aus einer dritten Polysilizium-Schicht strukturierten und an der zweiten Membranstruktur befestigten zweiten Elektrode erzeugt. Anschließend werden mithilfe eines Ätzverfahrens in dem Kavernenbereich jeweils zwischen den Polysilizium-Schichten angeordnete Siliziumdioxid-Schichten über wenigstens einen eine Öffnung in der vierten Polysilizium-Schicht aufweisenden Ätzzugang entfernt. Anschließend wird mithilfe eines Ätzverfahrens eine zwischen der ersten Membranstruktur und der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnete erste Siliziumdioxid-Schicht entfernt. Für das Verfahren ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem mikromechanischen Drucksensor genannten Vorteile.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Ätzzugang durch Abscheiden wenigstens eines Materials auf der Oberfläche des Schichtsystems und/oder durch ein Aufschmelzen zumindest des Materials der oberen Schichten des Schichtsystems im Bereich des Ätzzugangs verschlossen wird.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Entfernen der Siliziumdioxid- Schichten in dem Kavernenbereich und das Entfernen der ersten Siliziumdioxid- Schicht unterhalb der ersten Membranstruktur in einem gemeinsamen Ätzprozess erfolgen. Hierdurch kann das Herstellungsverfahren vereinfacht werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass in der Oberfläche des Halbleitersubstrats unterhalb der Sensorstruktur Grabenstrukturen erzeugt werden, die bei dem Abscheiden der ersten Siliziumdioxid-Schicht nicht vollständig verfüllt werden. Die Grabenstrukturen bewirken dabei während des Ätzens der ersten Siliziumdioxid-Schicht unterhalb der ersten Membranstruktur ein schnelles Verteilen des Ätzmediums unter die erste Siliziumdioxid-Schicht. Hiermit kann das Entfernen der Opferschicht unterhalb der Sensorstruktur verbessert bzw. beschleunigt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch einen mikromechanischen Drucksensor gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer freitragend aufgehängten Doppelmembran-Sensorstruktur und einem außerhalb der Sensorstruktur angeordneten Ätzzugang,

Fig. 2 schematisch eine Draufsicht auf einen gemäß Figur 1 realisierten mikromechanischen Drucksensor,

Fig. 3 bis Fig. 7 schematisch verschiedene Stadien eines Herstellungsverfahrens für den mikromechanischen Drucksensors aus Figur 1,

Fig. 8 schematisch eine alternative Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors, bei dem der Referenzkondensator mit einem Dielektrikum gefüllt ist,

Fig. 9 schematisch eine alternative Ausführungsform des unfertigen Drucksensors, bei dem auf dem Substrat spezielle Grabenstrukturen zur Unterstützung der Unterätzung der Sensorstruktur vorgesehen sind, Fig. 10 schematisch einen Querschnitt auf einen mikromechanischen Drucksensor gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer freitragend aufgehängten Doppelmembran-Sensorstruktur und einem im Randbereich der Sensorstruktur angeordneten Ätzzugang,

Fig. 11 schematisch einen Querschnitt durch den noch unfertigen mikromechanischen Drucksensor aus Figur 10 vor der Unterätzung der Sensorstruktur,

Fig. 12 schematisch eine Draufsicht auf den mikromechanischen Drucksensor aus Figur 10,

Fig. 13 schematisch eine alternative Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors aus Figur 10 mit einer verstärkten Seitenwand, und

Fig. 14 ein vereinfachtes Ablaufdiagram des Herstellungsverfahrens.

Das im Folgenden näher erläuterte Sensorkonzept basiert auf einem an wenigstens einer Feder- bzw. Verankerungsstruktur freitragend über einem Siliziumsubstrat aufgehängten Sensierbereich/Sensorstruktur, bei dem aber keine Mittelelektrode zwischen zwei deformierbaren Membranen vorgesehen ist, sondern an den Membranstrukturen lokal aufgehängte Elektrodenstrukturen vorgesehen sind, die sich bei einer Deformation der Membranen aufeinander zubewegen und sich dabei selbst nicht verwölben bzw. verbiegen.

Die Figur 1 zeigt beispielhaft einen mikromechanischen Drucksensor 100 mit einer über wenigstens eine Feder- bzw. Aufhängungsstruktur 140 freitragend aufgehängten Sensorstruktur 200. Die Sensorstruktur 200 ist dabei in einem auf einem Halbleitersubstrat 110 angeordneten Schichtsystem 120 erzeugt und durch einen oder mehrere sich entlang ihres Umfangs erstreckenden Trennbereiche 161 von den restlichen Bereichen des Schichtsystems 110 getrennt. Die Trennbereiche sind mit Ätzstoppstrukturen 286, die im vorliegenden Beispiel unter anderem durch vertikale Bereiche der Schichten 131, 124, 132, 133 gebildet werden, von den umgebenden Bereichen der Schichtstruktur 120 getrennt. Bei der im Folgenden ebenfalls als Sensierbereich bezeichneten Sensorstruktur 200 handelt es sich um eine Doppelmembranstruktur mit einer ersten und zweiten Membran 210, 220 und einem zwischen den beiden Membranen 210, 220 angeordneten Kavernenbereich 240. Der Kavernenbereich 240 ist dabei über eine zwischen den Membranstrukturen 210, 220 angeordnete und entlang des Umfangs der Sensorstruktur 200 verlaufende Seitenwand 230 gegenüber der Umgebung 300 gasdicht abgeschlossen. Die Seitenwand 230 wird dabei durch Ätztoppstrukturen gebildet, die im vorliegendem Beispiel auch als Verankerungsstrukturen der Membranen 210, 220 und der stationären Elektroden 261 , 262 dienen .

In einem zentralen Bereich 241 des Kavernenbereichs 240 ist eine Nutzkapazität 250 angeordnet, die zwei, sich in einem definierten Abstand voneinander gegenüberliegend angeordnete und jeweils an einer der beiden Membranstrukturen 210, 220 befestigte bewegliche Elektroden 251 , 253 umfasst, wobei die erste Elektrode 251 zwischen der zweiten Elektrode 253 und der ersten Membranstruktur 210 und die zweite Elektrode 253 zwischen der ersten Elektrode 251 und der zweiten Membranstruktur 220 angeordnet ist . Dabei ist die erste Elektrode 251 mittels zumindest einer ersten Befestigungsstruktur 252 an/in einen inneren Bereich 211 (wie z. B. dem zentralen Bereich) der ersten Membranstruktur 210 befestigt, während die zweite Elektrode 251 mittels zumindest einer zweiten Befestigungsstruktur 254 bevorzugt an bzw. in einem inneren oder zentralen Bereich 221 der zweiten Membranstruktur 220 befestigt ist. Alternativ zu dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem jede Elektrode 251 , 253 jeweils mittels einer Befestigungsstruktur 252, 254 in der Mitte der jeweiligen Membranstruktur 210, 220 befestigt ist, kann die Befestigung der Elektroden 210, 220 an den Membranstrukturen 210, 220 auch mittels mehrerer Befestigungsstrukturen erfolgen, die je nach Ausführung auch in einem inneren Bereich außerhalb der genauen Mitte der Membranstrukturen 210, 220 angeordnet sein können.

Wie aus der Figur 1 ferner ersichtlich ist, können sich in dem Kavernenbereich 240 ferner mechanische Stoppstrukturen 290 befinden, die ab einem vorgebbaren/definierbaren Druckwert die maximalen Auslenkungen der Membranstrukturen 210, 220 beschränken. Im vorliegenden Beispiel sind die Stoppstrukturen 290 zweiteilig aufgebaut, wobei die beiden komplementären Teile jeweils mittels einer eigenen Verankerungsstruktur, 291 , 292 an den Membranstrukturen 210, 220 befestigt sind.

Je nach Anwendung kann in dem Kavernenbereich 240 ferner auch wenigstens eine Referenzkapazität 260 untergebracht sein, die sich vorzugsweise in einem äußeren Bereich des Kavernenbereichs 240 befindet. Eine solche Referenzkapazität 260 ist vorzugsweise in der gleichen Schichtebene erzeugt, wie die Nutzkapazität 250 und umfasst jeweils eine erste stationäre Elektrode

261 und eine dieser in einem vorgegebenen Abstand beabstandete zweite stationäre Elektrode 262, wobei die erste stationäre Elektrode 261 zwischen der zweiten stationären Elektrode 262 und der die erste Membranstruktur 210 bildenden ersten Polysilizium-Schicht 210 und die zweite stationäre Elektrode

262 zwischen der ersten stationären Elektrode 261 und der die zweite Membranstruktur 220 bildenden vierten Polysilizium-Schicht angeordnet ist. Die beiden stationären Elektroden 261 , 262 können über Separations- und Verankerungsstrukturen 287, 289 untereinander und/oder mit den anderen Schichten des Sensierbereichs 200 elektrisch leitend und/oder elektrisch isolierend verbunden sein, wobei die Separations- und Verankerungsstrukturen 287, 289 auch als laterale Ätzstoppstrukturen wirken bzw. dienen können.

Wie aus der Figur 1 ferner ersichtlich ist, weist der Drucksensor 100 ferner wenigstens einen außerhalb des Sensorelements 200 angeordneten Ätzzugang 150 auf, der über wenigstens einen innerhalb der Aufhängungsstruktur 140 verlaufenden Ätzkanal 153 mit dem Kavernenbereich 240 verbunden ist. Der wenigstens eine Ätzzugang 150 ist mit einem Verschluss 151 mediendicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen bzw. verschlossen, sodass sich in dem Kavernenbereich 240 ein Gasvolumen mit einem definierten Druck und einer definierten Zusammensetzung befindet. Grundsätzlich kann der Ätzkanal auch zwischen der zweiten und dritten und/oder zwischen der dritten und vierten Polysilizium-Schicht bzw. Ebene vorgesehen sein.

Im Betrieb des Drucksensors verwölben sich die beiden Membranstrukturen 210, 220 in Abhängigkeit von dem in der Umgebung 300 herrschenden Druck nach innen oder nach außen. Hierdurch bedingt reduziert oder erhöht sich der Abstand zwischen den beiden beweglichen Elektroden 251, 253 der Nutzkapazität 150 zueinander, was als eine entsprechende lineare Änderung der Kapazität des Nutzkondensators 250 gemessen wird. Durch die von den sich verbiegenden Bereichen der Membranstrukturen 210, 220 entkoppelte Anordnung der stationären Elektroden 261, 262 kommt es bei dem Referenzkondensator 260 hingegen zu keiner relevanten Kapazitätsveränderung.

Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf einen beispielhaften Drucksensor 100 mit einem über eine Aufhängungsstruktur 140 stressentkoppelt und gegenüber dem Halbleitersubstrat 110 beabstandet aufgehängten Sensierbereich 200. Im vorliegenden Beispiel ist der Sensierbereich 200 kreisförmig ausgebildet und über lediglich eine Aufhängungsstruktur mit einem zur Verankerung dienenden Bereich des umgebenden Schichtsystems verbunden. Grundsätzlich kann der Sensierbereich 200 jedoch auch anders geformt sein, z.B. viereckig. Ferner können auch mehr als eine Aufhängungsstruktur 140 zur Aufhängung des Sensierbereichs 200 verwendet werden. Zudem kann die zumindest eine Aufhängungsstruktur 140 eine beliebige Form und beliebige geometrische Abmessungen besitzen bzw. aufweisen.

Anhand der folgenden Figuren 3 bis 9 werden beispielhaften neben einem Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Drucksensors auch mögliche alternative Ausführungsformen des Drucksensors erläutert. Dabei zeigt die Figur 3, in der der prinzipielle Aufbau der zugrunde liegenden Idee illustriert wird, ein Verfahrensstadium, in dem auf dem Halbleitersubstrat 110 (Si-Substrat) bereits ein Schichtsystem 120 angeordnet ist. Zum Herstellen des Schichtsystems 120 wird auf einem Halbleitersubstrat 110 zuerst eine erste Siliziumdioxid-Schicht (SiO2-Schicht) 121 erzeugt und anschließend strukturiert. Diese erste SiO2- Schicht 121 wird später zumindest lokal entfernt, um eine stressentkoppelten und freitragenden Sensierbereich herzustellen. Nachfolgend wird eine erste dielektrische und gegenüber einem späteren SiO2-Opferschichtätzprozess ätzresistente Schicht 131 , wie z.B. eine erste SiRiN-Schicht (Silicon Rich Nitride), auf der ersten SiO2-Schicht 121 abgeschieden und strukturiert. Dabei werden in der ersten SiO2-Schicht 121 zuvor erzeugte SiO2-freie Bereiche zumindest teilweise mit der ersten SiRiN-Schicht 131 aufgefüllt. Diese aufgefüllten Bereiche können später z.B. als elektrisch isolierende Ätzstoppbegrenzungen in einem Opferschichtätzprozess dienen. Nach dem Strukturieren der ersten SiRiN- Schicht 131 erfolgt optional eine weitere Strukturierung der ersten SiO2-Schicht 121 und/oder der ersten SiRiN-Schicht 131. Dabei werden Kontaktlochstrukturen erzeugt, welche später zur elektrischen Kontaktierung des Siliziumsubstrats 110 dienen können.

Nach der optionalen zweiten Strukturierung der ersten SiO2-Schicht 121 und/oder der ersten SiRiN-Schicht 131 erfolgt die Abscheidung und Strukturierung der ersten Polysilizium-Schicht 122. Mit Hilfe dieser ersten Polysilizium-Schicht 122 wird später eine erste Membranstruktur 210 gebildet. Ferner können mit der ersten Polysilizium-Schicht 122 weitere Strukturen realisiert werden, wie z. B. zumindest ein elektrischer Substratkontakt oder zumindest eine Leiterbahnstruktur. Auf dieser ersten Polysilizium-Schicht 122 wird anschließend eine zweite SiO2-Schicht 123 erzeugt und strukturiert. Diese SiO2-Schicht 123 dient u. a. als Opferschicht in einem Kavernenbereich 240 und wird später in dem Kavernenbereich wieder entfernt. Nachfolgend erfolgt die Abscheidung und Strukturierung einer zweiten Polysilizium-Schicht 124. Dabei werden die SiO2-freien Bereiche in der zweiten SiO2-Schicht 123 zumindest teilweise mit Material der zweiten Polysilizium-Schicht 124 aufgefüllt. Die derart in der zweiten SiO2-Schicht 123 aufgefüllten Bereiche können dabei zur Realisierung von elektrisch leitfähigen Verbindungen zwischen der ersten und zweiten Polysilizium-Schicht/Ebene 122, 124, von lateralen Ätzbegrenzungsstrukturen, von Teilbereichen späterer Stoppstrukturen, eines Teilbereichs einer Verankerungsstruktur der ersten und zweiten Membranstruktur 210, 220, eines Teilbereichs einer den Kavernenbereich 240 umlaufenden Seitenwand 230, eines Teilbereichs einer äußeren Ätzstoppstruktur 286 und/oder als Verankerungsstrukturen einer später frei beweglichen ersten Elektrodenstruktur 251 und/oder einer ersten stationären Elektrode 261 einer integrierten Referenzkondensatorstruktur 260 dienen. Die Strukturierung der zweiten Polysilizium-Schicht 124 dient zur Herstellung zumindest einer später beweglichen ersten Elektrodenstruktur 251. Dabei kann gleichzeitig auch eine erste Leiterbahnstruktur (hier nicht gezeigt) und/oder eine erste stationäre Elektrode 261 der Referenzkondensatorstruktur 260 erzeugt werden. Alternativ dazu kann vor der Abscheidung der zweiten Polysilizium-Schicht 124 zumindest eine weitere Strukturierung der zweiten SiO2-Schicht 123 sowie die Abscheidung und Strukturierung einer weiteren, durch die zweite Polysilizium- Schicht 124 zumindest bereichsweise überdeckten bzw. darin eingebetteten SiRiN-Schicht 134 erfolgen (vgl. Figur 4). Auf diese Weise können zumindest Verankerungen von Stoppstrukturen 292 im Kavernenbereich 240 und/oder zwischen der ersten und zweiten Polysilizium-Schicht/Ebene 122, 124 vorgesehene laterale Ätzbegrenzungsstrukturen und/oder Verankerungsstrukturen der später beweglichen ersten Elektrodenstruktur 210 und/oder der stationären ersten Elektrode 261 der Referenzkondensatorstruktur 260 und/oder ein Teilbereich einer Verankerungsstruktur der ersten und zweiten Membranstruktur 210, 220 und/oder ein Teilbereich einer den Kavernenbereich 240 umlaufenden Seitenwand 230 und/oder ein Teilbereich einer äußeren Ätzstoppstruktur 286 elektrisch isolierend ausgeführt werden.

Auf die strukturierte zweite Polysilizium-Schicht 124 erfolgt dann die Abscheidung und Strukturierung einer dritten SiO2-Schicht 125. Diese SiO2- Schicht 125 definiert im Wesentlichen den Abstand zwischen den beiden später beweglichen ausgeführten Elektrodenstrukturen 251 , 253 des Nutzkondensators 250 als auch den Abstand zwischen den stationären Elektroden 261 , 262 einer oder mehrerer optionaler Referenzkapazitäten 260. Wie schon beschrieben, können sich die stationären Elektroden 261, 262 zumindest teilweise in dem Kavernenbereich befinden und/oder alternativ dazu auch außerhalb des Kavernenbereichs 240 vorgesehen sein. Alternativ kann die dritte SiO2-Schicht zur Herstellung eines unterschiedlichen Abstands zwischen den beweglich ausgeführten Elektrodenstrukturen 251 , 253 des Nutzkondensators 250 und zwischen den stationären Elektroden 261 , 262 einer oder mehrerer optionaler Referenzkapazitäten 260 lokal/bereichsweise mit Hilfe eines Ätzprozesses und/oder durch Abscheiden und Strukturieren von zumindest zwei SiO2- Schichten unterschiedlich Dick ausgeführt werden/sein.

Die Strukturierung der dritten SiO2-Schicht 125 kann derart erfolgen, dass in Bereichen des Kavernenbereichs 240 in denen Noppen bzw. vertikale Stoppstrukturen 290 vorgesehen werden sollen, die dritte SiO2-Schicht 125 nicht vollständig entfernt wird. Über die verbleibende Restdicke der dritten SiO2- Schicht 125 kann die maximale Auslenkung der Membranstrukturen 210, 220 infolge einer Druckbeaufschlagung eingestellt werden, d.h. wie weit sich die Membranstrukturen 210, 220 später bei der Druckmessung aufeinander zu bewegen können.

Nach der Strukturierung der dritten SiO2-Schicht 125 erfolgt das Abscheiden einer zweiten SiRiN-Schicht 132. Dabei werden in der dritten SiO2-Schicht 125 die SiO2-freien Bereich bzw. die darin zuvor erzeugten Vertiefungen zumindest teilweise verfallt, um elektrisch isolierend ausgeführte Ätzbegrenzungsstrukturen und/oder einen Teilbereich von vertikalen Stoppstrukturen 290 und/oder Verankerungsstrukturen der stationären ersten und zweiten Elektrode 261 , 262 der Referenzkondensatorstruktur 260 und/oder einen Teilbereich einer Verankerungsstruktur der ersten und zweiten Membranstruktur 210, 220 und/oder einen Teilbereich einer den Kavernenbereich 240 umlaufenden Seitenwand 230 und/oder einen Teilbereich einer äußeren Ätzstoppstruktur 286 erzeugen zu können.

Im Anschluss daran erfolgt das Strukturieren der zweiten SiRiN-Schicht 132 gefolgt von einer weiteren optionalen Strukturierung der zweiten SiRiN-Schicht 132 und/oder der dritten SiO2-Schicht 125 zur Herstellung von Kontaktlochstrukturen. Nach diesem Prozessschritt erfolgt das Abscheiden einer dritten Polysilizium-Schicht 126 und deren Strukturierung. Diese dritte Polysilizium-Schicht 126 dient zur Herstellung einer zweiten beweglichen Elektrodenstruktur 253 des Nutzkondensators 250 und einer zweiten Elektrode 262 der optionalen Referenzkondensatorstruktur 260. Ferner können durch das Abscheiden von Material der dritten Polysilizium-Schicht 126 in entsprechende Kontaktlochstrukturen in der dritten SiO2-Schicht 125, auch elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen der zweiten und drittem Polysilizium-Schicht/Ebene 124, 126 und/oder zumindest eine Leiterbahnstruktur realisiert werden.

Alternativ können nach der Strukturierung der zweiten SiRiN-Schicht 132 und/oder der dritten SiO2-Schicht 125 die dabei freigelegten Strukturen durch die zweite SiRiN-Schicht 132 und/oder die dritte SiO2-Schicht 125 zumindest teilweise mit Material der dritten Polysilizium-Schicht/Ebene 124, 126 aufgefüllt werden, um elektrische Verbindungen, laterale Ätzbegrenzungsstrukturen, einen Teilbereich späterer Stoppstrukturen, einen Teilbereich einer Verankerungsstruktur der ersten und zweiten Membranstruktur 210, 220, einen Teilbereich einer den Kavernenbereich 240 umlaufenden Seitenwand 230 und/oder einen Teilbereich einer äußeren Ätzstoppstruktur 286 zwischen der zweiten und dritten Polysilizium-Schicht/Ebene 124, 126 elektrisch leitfähig ausbilden zu können.

Um bei der Strukturierung der zweiten SiRiN-Schicht 132 einen Ätzangriff auf die dritte SiO2-Schicht 125 vermeiden zu können, kann vor der Abscheidung der zweiten SiRiN-Schicht 132 eine weitere Polysilizium-Schicht auf die dritte SiO2- Schicht 125 abgeschieden und zusammen mit der dritten SiO2-Schicht 125 strukturiert werden. Beim nachfolgenden Strukturieren der zweiten SiRiN-Schicht 132 stoppt der Ätzprozess an/in der weiteren Polysilizium-Schicht und eine Anätzung der dritten SiO2-Schicht 125 kann vermieden werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, da die dritte SiO2-Schicht 125 zur Definition der Elektrodenabstände benutzt wird und ihre Dicke daher die Kapazität des Nutzkondensators 250 und somit indirekt auch die Messempfindlichkeit und der Messbereich des Drucksensors 100 bestimmt. Nachfolgend können auch hier ein Abscheiden einer dritten Polysilizium-Schicht 126 und ein Strukturieren der dritten Polysilizium-Schicht 126 zusammen mit der als Ätzstopp verwendeten bzw. dienenden weiteren Polysilizium-Schicht erfolgen.

Nach der Strukturierung der dritten Polysilizium-Schicht 126 zusammen mit der weiteren Polysilizium-Schicht erfolgt das Abscheiden und Strukturieren einer vierten SiO2-Schicht 127 gefolgt von dem Abscheiden einer dritten SiRiN-Schicht 133. Dabei werden in der vierten SiO2-Schicht 127 zuvor erzeugte SiO2-freie Bereiche zumindest teilweise mit einer dritten SiRiN-Schicht 133 aufgefüllt. Diese aufgefüllten Bereiche können später z.B. als elektrisch isolierende Ätzstoppbegrenzungen in einem Opferschichtätzprozess dienen. Nach dem Strukturieren der dritten SiRiN-Schicht 133 erfolgt optional eine weitere Strukturierung der vierten SiO2-Schicht 127 und/oder der dritten SiRiN-Schicht 133. Dabei werden Kontaktlochstrukturen, Teilbereiche von späteren Stoppstrukturen und/oder Verankerungsstrukturen erzeugt, welche später zur elektrischen Kontaktierung zwischen der dritten und vierten Polysilizium- Schicht/Ebene 126, 128, zur mechanischen Aufhängung einer beweglichen Elektrode an der zweiten Membranstruktur, als laterale Ätzstoppstrukturen, als Teilbereich einer Verankerungsstruktur der ersten und zweiten Membranstruktur 210, 220, als Teilbereich einer den Kavernenbereich 240 umlaufenden Seitenwand 230 und/oder als Teilbereich einer äußeren Ätzstoppstruktur 286 dienen können.

Nach der Herstellung dieser Strukturen erfolgt das Abscheiden und Strukturieren einer vierten Polysilizium-Schicht 128. Dabei werden zumindest teilweise SiO2- freie Bereiche in der vierten SiO2-Schicht 127 aufgefüllt und die zuvor genannten Strukturen bestehend aus Material der vierten Polysilizium-Schicht 128 erzeugt. Die vierte Polysilizium-Schicht 128 dient ferner auch zur Realisierung der zweiten Membranstruktur 220 und zur Herstellung wenigstens einer elektrischen Leiterbahnstruktur (hier nicht gezeigt). Bei der Strukturierung der vierten Polysilizium-Schicht 128 können Isolationsgräben erzeugt werden, wie z, B. unter anderem auch der in der Figur 3 gezeigte und zur elektrischen Isolierung der zweiten Membranstruktur 220 dienende Isolationsgraben 129. Danach können noch weitere Schichtabscheidungen erfolgen, welche im Detail hier in der Figur 3 nicht weiter gezeigt werden. Sie können z.B. zur Herstellung von Bondpadstrukturen, elektrischen Leiterbahnen und Isolationsstrukturen zu deren elektrischen Isolation und/oder zur Herstellung von Diffusionsbarrieren dienen, welche z.B. als Feuchtebarrieren eingesetzt werden.

Alternativ kann nach dem Abscheiden einer vierten SiO2-Schicht 127 und der Abscheidung einer dritten SiRiN-Schicht 133 die Strukturierung der vierten SiO2- Schicht 127 und der dritten SiRiN-Schicht 133 derart erfolgen, dass die zuvor genannten Strukturen aus dem Material der vierten Polysilizium-Schicht 128 bestehen. In diesem Fall werden die zwischen der dritten und vierten Polysilizium-Schicht/Ebene 126, 128, ausgebildeten Elemente/Strukturen bevorzugt elektrisch leitend ausgebildet.

Wie in Figur 5 gezeigt ist, kann durch Vorsehen zumindest eines Ätzzugangs 150 außerhalb des Verankerungsbereichs der Membranen 210, 220 und durch Vorsehen zumindest eines Ätzkanals 153 zwischen dem Ätzzugang 150 und dem Kavernenbereich 240 das in dem Kavernenbereich 240 vorhandene SiO2- Material in einem Opferschichtätzprozess entfernt werden. Hierbei wird das SiO2-Material der zweiten, dritten und vierten SiO2-Schicht 123, 125, 127 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 210, 220, zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode 251 , 253 der Nutzkondensatorstruktur 250, zwischen korrespondierenden Stoppstrukturen und gegebenenfalls auch zwischen der ersten und zweiten stationären Elektrode 261 , 262 einer Referenzkapazitätsstruktur 260 entfernt.

Wie ferner in der Figur 6 gezeigt ist, kann dieser zumindest eine Ätzzugang 150 anschließend mit Hilfe wenigstens einer Schichtabscheidung und/oder durch lokales Aufschmelzen zumindest eines Teils des Schichtsystems 120 z.B. mit Hilfe eines Lasers wieder verschlossen werden. Dabei kann ein definierter Druck eingestellt und/oder ein definiertes Gas bzw. Gasgemisch im Kavernenbereich 240 eingeschlossen werden.

Nach dem Verschließen des Ätzzugangs 150 kann mit Hilfe bekannter Strukturierungsverfahren um die erste und zweite Membranstruktur 210, 220 und deren Verankerungsbereiche herum zumindest teilweise das Schichtsystem 120 bis zur ersten SiO2-Schicht 121 entfernt werden, um nach dem anschließenden Entfernen der ersten SiO2-Schicht 121 zwischen der ersten Membranstruktur 210, deren Verankerungsbereichen, der zumindest einen Aufhängungsstruktur 140 und dem Si-Substrat 110 einen freitragenden Sensierbereich 200 mit zwei beweglichen Membranen 210, 220 zu realisieren. Eine solche freitragende Sensorstruktur 200 ist in der Figur 7 dargestellt. Dabei kann die durch die wenigstens eine Aufhängungsstruktur 140 realisierte Aufhängung des freitragenden Bereichs 200 bezüglich der Form und/oder den geometrischen Abmessungen beliebig gestaltet werden. Durch wenigstens eine der Aufhängungsstrukturen 140 hindurch verlaufen hierbei die elektrischen Leiterbahnen (hier nicht gezeigt) zum Anschluss der Elektroden der Nutzkapazität 250 und der einen oder mehreren Referenzkapazitäten 260. Als Leiterbahnen können dabei insbesondere elektrisch leitende Schichten des die jeweilige Aufhängungsstruktur 140 bildenden Schichtstapels dienen. Wie aus der Figur 7 ersichtlich ist, verläuft auch der wenigstens eine Ätzkanal 153, der den Kavernenbereich 240 mit dem wenigstens einen Ätzzugang verbindet und über den die SiO2-Opferoxidschichten aus dem Kavernenbereich entfernt werden, durch die wenigsten eine Aufhängungsstruktur 140. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Opferoxidschichten in dem Kavernenbereich 240 und unterhalb der ersten Membranstruktur 210 in einem gemeinsamen Ätzprozess zu entfernen. Hierbei ist es möglich mit Hilfe bekannter Strukturierungsverfahren das Schichtsystem 120 zuerst (z.B. um die erste und zweite Membranstruktur 210, 220 und deren Verankerungsbereiche herum) zumindest teilweise bis zur ersten SiO2-Schicht 121 zu entfernen und anschließend den zumindest einen Ätzzugang 150 zur Entfernung der Opferoxidschichten 123, 125, 127 im Kavernenbereich 240 zu erzeugen. Bei dieser Variante können dadurch gleichzeitig die Opferoxide aus dem Kavernenbereich 240 und die erste SiO2-Schicht 121 zwischen der ersten Membranstruktur 210, deren Verankerungsbereichen, der zumindest einen Aufhängungsstruktur 140 und dem Si-Substrat 110 entfernt werden. Anschließend kann der Verschluss des wenigstens einen Ätzzugangs 150 erfolgen.

Auf das Vorsehen eines Ätzzugangs 150 außerhalb des Verankerungsbereichs der Membranen und das Vorsehen zumindest eines Ätzkanals 153, der den Ätzzugang 150 mit dem Kavernenbereich 240 zwischen den Membranstrukturen 210, 220 verbindet, kann verzichtet werden, wenn im Verankerungsbereich und/oder in der zweiten Membranstruktur 220 zumindest ein Ätzzugang 150 vorgesehen wird, durch den die Opferoxidschichten im Kavernenbereich 240 entfernt werden können und der anschließend wieder mediendicht verschlossen wird.

Wie in der Figur 7 ferner beispielhaft gezeigt, ist es auch möglich, die Verankerungen 252, 254 der beweglichen Elektroden 251, 253 der Nutzkapazität 250 und die Verankerungen 291, 292, der mechanischen Stoppstrukturen 290 an der jeweiligen Membranstruktur 210, 220 nicht aus Polysilizium, sondern aus SiRiN vorzusehen. Der elektrische Anschluss der beweglichen Elektroden 251, 253 kann in diesem Fall über flexible Leiterbahnstrukturen (hier nicht gezeigt) in der zweiten und dritten Polysilizium-Schicht/Ebene 124, 126 erfolgen.

Wie die Figur 8 illustriert, ist es alternativ zu dem zuvor beschriebenen

Ausführungsformen auch möglich, zwischen den stationären Elektroden 261 , 262 der wenigstens einen Referenzkapazität 260 die dritte SiO2-Schicht 125 nicht zu entfernen. Hierdurch kann die Kapazität der Referenzkapazitätsstruktur 260 erhöht werden oder aber, bei gleicher Kapazität, die Referenzkapazitätsstruktur 260 flächenmäßig verkleinert werden, wodurch wiederum die beweglichen vorgesehenen Elektrodenstrukturen 251 , 253 der Nutzkapazität 250 flächenmäßig größer ausgeführt werden können.

Die Figur 9 verdeutlicht eine weitere Ausführungsform des Herstellungsprozesses. Wie hierbei ersichtlich ist, können unter dem Schichtsystem 120 zumindest im Bereich der Sensorstruktur 200 in die Oberfläche 115 des Si-Substrats 110 auch spezielle Strukturen 162 eingebracht werden, welche nicht vollständig mit einer ersten SiO2-Schicht 121 verfüllt werden. Diese beispielsweise in Form von Gräben bzw. Kanälen ausgebildeten Strukturen 162 dienen vorzugsweise dazu, ein Ätzmedium zum Entfernen der ersten SiO2-Schicht 121 in der Fläche möglichst schnell zu verteilen. Auf diese Weise kann eine vollflächige Entfernung der ersten SiO2-Schicht 121 unter der ersten Membranstruktur 210 in deutlich kürzerer Zeit erfolgen. In der Figur 9 sind solche Strukturen 162 beispielhaft in Form von regelmäßigen Grabenstrukturen dargestellt.

Alternativ können kanalartige SiO2-freie Strukturen für eine schnelle flächige Verteilung eines Ätzmediums zum Entfernen der ersten SiO2-Schicht 121 innerhalb der ersten SiO2-Schicht 121 und zum Entfernen von Opferoxidschichten 123, 125, 127 im Kavernenbereich 240 optional beispielsweise innerhalb der zweiten SiO2-Schicht 123 vorgesehen werden/sein.

In den bisher beschriebenen Ausführungsformen wird ein externer Ätzzugang 150 zum Entfernen der SiO2-Opferschichten im Kavernenbereich 240 beschrieben, der sich außerhalb des stressentkoppelten Sensierbereichs 200 befindet, der sich ferner zumindest durch die vierte Polysilizium-Schicht 128 erstreckt und der über einen in der zur Stressentkopplung dienenden Aufhängungsstruktur 140 verlaufenden Ätzkanal 153 bis in den Kavernenbereich 240 führt. Prinzipiell ist es aber auch möglich, wenigstens einen Ätzzugang 150 auf dem später stressentkoppelten Sensierbereich 200 durch zumindest die vierte Polysilizium-Schicht 128 vorzusehen, über weichen die SiO2-Opferschichten 123, 125, 127 im Kavernenbereich 240 entfernt werden können und der mittels wenigstens einer Schichtabscheidung und/oder eines Laser-Reseal Prozesses nach dem Entfernen der SiO2-Opferschichten verschlossen werden kann. Die Figur 10 zeigt hierzu beispielhaft einen Drucksensor 100 mit einem entsprechend ausgebildeten Sensierbereich 200. Wie hierbei ersichtlich ist, werden die Ätzzugange 150 dabei möglichst am Rand des Sensierbereichs 200 in einem Bereich zwischen inneren und äußeren Verankerungsstrukturen 289, 288 angeordnet, um die Eigenschaften der an den inneren Verankerungsstrukturen 289 verankerten zweiten Membranstruktur 220 nicht zu verändern bzw. zu beeinflussen. Dabei kann die Anzahl, Größe und Verteilung der Ätzzugänge 150 je nach Anwendung variieren.

Wie in der Figur 11 zu sehen ist, können zwischen den internen Ätzzugängen 150 und dem Zentrum der Membranstrukturen 210, 220, zwischen den einzelnen Polysilizium-Schichten 124, 126, 128, zumindest partiell/bereichsweise weitere Verankerungsstrukturen 289 für die erste und die zweite Membranstruktur 210, 220 vorgesehen sein, welche aus Polysilizium und/oder aus SiRiN bestehen. Die Verankerungsstrukturen 289 können dabei zentrisch zueinander ausgerichtet sein oder zumindest teilweise von einer zentrischen Ausrichtung abweichen. Der Vorteil dieser optionalen Verankerungsstrukturen 289 besteht darin, dass der Verschlussbereich des zumindest einen Ätzzugangs 150 zwischen der Membranverankerung der zweiten Membranstruktur 220 und den zumindest am Umfang des stressentkoppelten Sensierbereichs vorgesehenen lateralen Ätzstoppstrukturen 288 aus Polysilizium und/oder SiRiN platziert werden kann und dadurch negative Einflüsse des Verschlussbereichs auf die Membraneigenschaften der zweiten Membran 220 vermieden werden können.

Die Figur 12 zeigt eine Draufsicht auf einen Drucksensor 100 der gemäß der in den Figuren 10 und 11 gezeigten Ausführungsform ausgebildet ist. Der hier beispielhaft gezeigte Drucksensor 100 weist einen kreisförmig ausgebildeten Sensierbereich 200 auf, der über eine Aufhängungsstruktur 140 stressentkoppelt aufgehängt ist. Wie hier beispielhaft gezeigt ist, sind in einem Randbereich des Sensierbereichs 200 insgesamt vier entlang des Umfangs des Sensierbereichs 200 verteilte und zwischen äußeren und inneren Verankerungsstrukturen 288, 289 angeordnete Ätzzugänge 150 vorgesehen.

Grundsätzlich kann die umlaufende Kontur der stressentkoppelten Sensorstruktur/Sensierbereichs 200 beliebig sein und muss nicht der Form/Kontur der durch die weiteren Verankerungsstrukturen 289 festgelegten ersten und/oder zweiten Membranfläche 210, 220 entsprechen.

Die Figur 13 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform, bei der durch Vorsehen weiterer lateraler Ätzstoppstrukturen 231 aus Polysilizium und/oder SiRiN zwischen den einzelnen Polysilizium-Schichten 124, 126, 128 innerhalb des Sensierbereichs 200 definiert Randbereiche 232 erzeugt werden können, in denen SiO2-Opferschichten nicht entfernt werden. Diese mit SiO2 gefüllten Randbereiche 232 können z.B. dazu benutzt werden den durch die äußeren Ätzstoppstrukturen gebildeten umlaufenden Rand 230 der Sensorstruktur 200 verstärkt bzw. stabiler auszuführen.

Dabei können die lateralen Ätzstoppstrukturen aus SiRiN nicht nur zwischen Polysilizium-Schichten vorgesehen sein, sondern Polysilizium-Schichten zumindest partiell/bereichsweise auch vollständig durchdringen.

In der Figur 14 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagram des Herstellungsverfahrens 400 dargestellt. Dabei wird in einem ersten Schritt 410 zunächst ein Halbleitersubstrat 110 bereitgestellt. Im Schritt 420 wird durch Abscheiden und Strukturieren geeigneter Materialien, wie Siliziumdioxid, Polysilizium und SiRiN (silicon rich nitride), ect, ein Schichtsystem 120 auf dem Halbleitersubstrat 110 erzeugt. Durch die Strukturierung der Schichten wird in einem Funktionsbereich 111 des Schichtsystems 120 eine Doppelmembranstruktur 210, 220 mit einem Kavernenbereich 240 erzeugt. In einem weiteren Schritt 430 wird ein in dem Kavernenbereich 240 vorhandenes SiO2-Material über einen zuvor erzeugten Ätzzugang 150 entfernt. Im Schritt 440 wird der Ätzzugang 150 durch Abscheiden von Material oder mittels einem Laser-Reseal Prozess verschlossen. Schließlich wird im Schritt 450 durch Ätzen eines unterhalb der Doppelmembranstruktur 210, 220 vorhandenen SiO2-Materials eine freitragende Sensorstruktur 200 erzeugt.

In der vorhergehenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen ist der Aufbau des Drucksensor nicht vollständig beschrieben. Vielmehr kann das Herstellungsverfahren weitere Schritte umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. So können beispielsweise nach dem Verschluss des zumindest einen Ätzzugangs zur Entfernung der Opferoxidschichten im Kavernenbereich noch weitere Prozessschritte erfolgen, um z.B. Bondpadstrukturen, elektrische Leiterbahnen und Verdrahtungsebenen, elektrische Isolationsstrukturen und Isolationsschichten, Diffusionsbarrieren und Diffusionsbarriereschichten und dergleichen vorzusehen bzw. umzusetzen. Ferner kann nach jeder Abscheidung optional eine Planarisierung der abgeschiedenen Schichtoberfläche durch z.B. einen CMP-Prozess (chemical mechanical polishing) zur Realisierung einer planen Oberfläche erfolgen. Auch können die abgeschiedenen Polysilizium- Schichten zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit optional zumindest lokal bzw. bereichsweise mit Hilfe bekannter Verfahren dotiert werden und optional zusätzliche Strukturen wie beispielsweise flächig ausgestaltete Bereiche und/oder zumindest eine Leiterbahn aus Polysilizium innerhalb der ersten Siliziumdioxid-Schicht 121 vorgesehen sein

Da es sich hier um bekannte Verfahren handelt, wurde auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche

1 . Mikromechanischer Drucksensor (100) umfassend:

- ein Substrat (110) mit einem darauf angeordnetem Schichtsystem (120),

- eine mittels wenigstens einer Aufhängungsstruktur (140) an dem Schichtsystem (120) freitragend befestigte Sensorstruktur (200) mit einer ersten Membranstruktur (210), einer zweiten Membranstruktur (220) und einem zwischen den beiden Membranstrukturen (210, 220) angeordneten und von einer in einem Randbereich (212, 222) der beiden Membranstrukturen (210, 220) verlaufenden Seitenwand (230) abgeschlossen Kavernenbereich (240), wobei die Sensorstruktur (200) einen in dem Kavernenbereich (240) zwischen den beiden Membranstrukturen (210, 220) angeordneten Nutzkondensator (250) mit einer an der ersten Membranstruktur (210) befestigten ersten Elektrode (251) und einer zwischen der ersten Elektrode (251) und der zweiten Membranstruktur (220) angeordneten und an der zweiten Membranstruktur (220) befestigten zweiten Elektrode (253) umfasst.

2. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 1 , wobei die Elektroden (251 , 253) jeweils mittels wenigstens einer Befestigungsstruktur (252, 254) in einem inneren Bereich (211 , 221) der jeweils zugehörigen Membranstruktur (210, 220) an der jeweils zugehörigen Membranstruktur (210, 220) befestigt sind.

3. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einem Randbereich (242) des Kavernenbereichs (240) ferner wenigstens ein Referenzkondensator (260) mit zwei sich gegenüberliegend angeordneten stationären Elektroden (261 , 262) vorgesehen ist, wobei jede der stationären Elektroden zwischen der jeweils anderen stationären Elektrode und einer der Membranstrukturen angeordnet ist.

4. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 3, wobei der Referenzkondensator (260) zumindest teilweise bzw. bereichsweise in der Seitenwand (230) verankert und freitragend sowie planparallel ausgerichtet zu den Membranstrukturen (210, 220) angeordnet ist.

5. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 4, wobei zwischen den stationären Elektroden (261, 262) des Referenzkondensators (260) eine aus dem Material der dritten Siliziumdioxid- Schicht (125) bestehende Siliziumdioxid-Schicht angeordnet ist.

6. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Schichtsystem (120) wenigstens ein Ätzzugang (150) zu dem Kavernenbereich (240) außerhalb einer auslenkbaren Sensierfläche (201) der zweiten Membranstruktur (220) ausgebildet ist, und wobei der Ätzzugang (150) einen Verschluss (151) aufweist, der durch wenigstens ein auf die Oberfläche des Schichtsystems (120) abgeschiedenes und/oder in den Ätzzugang (150) eingebrachtes Material und/oder durch wenigstens ein lokal aufgeschmolzenes und wieder erstarrtes Material des Schichtsystems (120) gebildet wird.

7. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 6, wobei der Ätzzugang (150) außerhalb der Sensorstruktur (200) angeordnet und mittels eines durch die Aufhängungsstruktur (140) verlaufenden Ätzkanals (153) mit dem Kavernenbereich (240) verbunden ist.

8. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 6, wobei der wenigstens eine Ätzzugang (150) innerhalb der wenigsten einen Aufhängungsstruktur (140) angeordnet ist.

9. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 6, wobei der wenigstens eine Ätzzugang (150) in einem Randbereich (242) der Sensorstruktur (200) angeordnet ist.

10. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 9, wobei die Sensorstruktur (200) zusätzliche Verankerungsstrukturen (289) zum Befestigen der Membranstrukturen (210, 220) aufweist, und wobei der Ätzzugang (150) zwischen der umlaufenden Seitenwand (230) und den zusätzlichen Verankerungsstrukturen (289) angeordnet ist.

11. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die umlaufende Seitenwand (230) durch äußere Verankerungsstrukturen (288), innere Verankerungsstrukturen (289) und zwischen den äußeren und inneren Verankerungsstrukturen (288, 289) verbliebenes Siliziumdioxidmaterial der Siliziumdioxid-Schichten (123, 125, 127) des Schichtsystems (120) gebildet wird.

12. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Kavernenbereich (240) ferner an wenigsten einer Membranstruktur (210, 220) wenigsten eine mechanische Stoppstruktur (290) befestigt ist, die eine Begrenzung einer relativen Bewegung zwischen den beiden Membranstrukturen (210, 220) ab einem vorgegebenen Druckwert bewirkt.

13. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors (100), der nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, wobei ein Halbleitersubstrat (110) bereitgestellt wird, wobei auf dem Halbleitersubstrat (110) eine Schichtstruktur (120) durch Abscheiden und Strukturieren von Schichten (121-128) erzeugt wird, wobei dabei in einem Funktionsbereich (111) der Schichtstruktur (120) eine über eine Aufhängungsstruktur (140) mit der übrigen Schichtstruktur (120) verbundene Sensorstruktur (200) erzeugt wird, die eine von einer ersten Membranstruktur (210), die aus einer ersten Polysilizium-Schicht (121) strukturiert ist, eine zweiten Membranstruktur (220), die aus einer vierten Polysilizium-Schicht (128) strukturiert ist, und einen durch eine in einem Randbereich (212, 222) der Membranstrukturen (210, 220) verlaufende Seitenwand (230) begrenzten Kavernenbereich (240) umfasst, wobei in dem Kavernenbereich (240) ein Nutzkondensator (250) mit einer aus einer zweiten Polysilizium-Schicht (124) strukturierten und an der ersten Membranstruktur (210) befestigten ersten Elektrode (251) und einer aus einer dritten Polysilizium-Schicht (126) strukturierten und an der zweiten Membranstruktur (220) befestigten zweiten Elektrode (253) erzeugt wird, wobei anschließend mithilfe eines Ätzverfahrens in dem Kavernenbereich (240) jeweils zwischen den Polysilizium-Schichten (122, 124, 126, 128) angeordnete Siliziumdioxid-Schichten (123, 125, 127) über wenigstens einen eine Öffnung (152) in der vierten Polysilizium-Schicht (128) aufweisenden Ätzzugang (150) entfernt werden, wobei ferner mithilfe eines Ätzverfahrens eine zwischen der ersten Membranstruktur (210) und der Oberfläche (115) des Halbleitersubstrats (110) angeordnete erste Siliziumdioxid-Schicht (121) entfernt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Ätzzugang (150) durch Abscheiden von zumindest einem Material auf der Oberfläche des Schichtsystems (120) und/oder durch ein lokales Aufschmelzen zumindest eines Materials der oberen Schichten des Schichtsystems (120) im Bereich des Ätzzugangs (150) verschlossen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Entfernen der Siliziumdioxid-Schichten (123, 125, 127) in dem Kavernenbereich (240) und das Entfernen der ersten Siliziumdioxid-Schicht (121) unterhalb der ersten Membranstruktur (210) in einem gemeinsamen Ätzprozess erfolgen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei in der Oberfläche (115) des Halbleitersubstrats (110) unterhalb der Sensorstruktur (200) Grabenstrukturen (162) erzeugt werden, die bei dem Abscheiden der ersten Siliziumdioxid-Schicht (121) nicht vollständig verfallt werden, und wobei die Grabenstrukturen (162) während des Ätzens der ersten Siliziumdioxid-Schicht (121) unterhalb der ersten Membranstruktur (210) ein Verteilen des Ätzmediums unter die erste Siliziumdioxid-Schicht (121) bewirken bzw. begünstigen.