DE4410631A1

DE4410631A1 - Kapazitiver Sensor bzw. Wandler sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE4410631A1
Application number: DE4410631A
Authority: DE
Inventors: Carlos Horacio Mastrangelo
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1993-04-05
Filing date: 1994-03-26
Publication date: 1994-10-06
Also published as: US5369544A; GB9405547D0; GB2276979A; JPH077162A; US5470797A; GB2276979B

Description

Die Erfindung bezieht sich generell auf das Gebiet der Halb leiterverarbeitungstechnik und insbesondere auf Absolut drucksensoren mit flexiblen, auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Einkristalltrennschichten bzw. -diaphragmen.

Guckel et al. offenbaren in der US PS 4 744 863 die Verwen dung eines Halbleiterdruckwandlers mit einem abgedichteten Hohlraum, bei dem eine flexible, deformierbare Trennschicht aus polykristallinem Silicium verwendet wird, welche über einem abtragbaren Oxidträger auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Der abtragbare Träger enthält eine Mehrzahl netzartiger Anhänge, die sich über das Substrat über den Um fang des Trägers hinaus erstrecken. Nachdem das Trenn schichtmaterial gleichförmig auf dem Träger aufgetragen ist, wird der Rand des Trennschichtmaterials weggeätzt, um das abtragbare Oxid offenzulegen. Das abtragbare Oxid wird dann unter der flexiblen Trennschicht weggeätzt, um einen Trenn schichthohlraum auszubilden. Die nach dem Wegätzen des ab tragbaren Oxids in dem Umfang der Trennschicht ausgebildeten Löcher werden dann abgedichtet, um den Trennschichthohlraum zu bilden.

Die bevorzugte Ausführungsform lehrt die Verwendung von Wi derstandssensoren und anderen ähnlichen Durchgangssensoren, die auf der flexiblen Trennschicht gelagert sind. Der elek trische Widerstand dieser Widerstandsmaterialien ändert sich proportional der Verformung der flexiblen Trennschicht, wenn sich der Umgebungsdruck bezüglich des in dem Trenn schichthohlraum eingeschlossenen Drucks verändert. In Spalte 6, Zeilen 47 bis 63 wird auch die Verwendung eines Aufbaus erwähnt, bei dem zwei Platten eines kapazitiven Sensors so getragen werden, daß sich die Kapazität in Antwort auf die Auslenkung der Trennschicht ändert.

Im Gegensatz zu dem Stand der Technik ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Trennschicht aus einkristalli nem Silicium zu verwenden, die epitaktisch auf einem SOI (Silicium auf isolator)-Substrat ausgebildet ist, wobei die Dicke der abtragbaren Oxidschicht auf dem SOI-Wafer im all gemeinen gleich der Dicke des auszubildenden Trennschicht hohlraums ist. Die Verwendung einer genau steuerbaren Si liciumdioxidbeschichtung auf dem SOI-Wafer ergibt einen Kon densator mit einer moderaten Betriebskapazität und einer mi nimalen parasitären Kapazität.

Des weiteren wird durch die Verwendung eines dünnen Siliciumfilms als Ausgangsmaterial für den Bau der Trenn schicht sichergestellt, daß der Sensor alle Eigenschaften und Vorteile einer einkristallinen Trennschicht beinhaltet. Die mechanischen Eigenschaften einkristalliner Trennschich ten sind sehr viel besser vorhersagbar als solche anderer Siliciummaterialien und Strukturen, und deshalb können Sen soren mit einkristallinen Trennschichten mit viel engeren Toleranzen und Leistungsvorgaben hergestellt werden. Schließlich benötigt das vorliegende Herstellungsverfahren für die Trennschicht kein Bonden von Maskenstrukturen.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich unter Bezug auf die eingehende Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.

Es handelt sich um eine mikrotechnisch hergestellte (micromachined) Siliciumstruktur zum Ausbilden eines kapa zitiven Wandlers mit einer deformierbaren Membran und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Eine erste Aushebungszone wird in einem Halbleitersubstrat ausgebildet, das eine abtragbare Schicht (sacrificial layer) bekannter Dicke und eine Schicht von Silicium darauf auf weist, wie etwa in einem SOI (Silicium auf Isolator)-Wafer. Als nächstes wird eine Schicht von Silicium epitaktisch auf den SOI-Wafer aufgetragen, um eine einkristalline Membran erhöhter Dicke zu bilden. Die epitaktische Schicht und die abtragbare Schicht werden maskiert und geätzt, um eine fle xible Trennschicht auf dem SOI-Substrat auszubilden. Eine gleichförmige elektrisch isolierende Stützschicht wird epi taktisch auf das Substrat aufgetragen und fest mit der Trennschicht verbunden, um so die sich dazwischen befindli che abtragbare Schicht abzudichten. Eine relativ kleine Zu gangsöffnung wird durch die epitaktische Schicht geätzt, und anschließend wird ein Ätzmittel durch die Zugangsöffnung eingeführt, um die abtragbare Schicht zu entfernen, wobei ein Trennschichthohlraum zwischen der epitaktischen Schicht und dem Substrat ausgebildet wird. Die Dicke des Trennschichthohlraums ist im wesentlichen gleich der Dicke des abtragbaren Oxids auf dem SOI-Wafer. Leitende Dotier stoffe werden als nächstes durch die Zugangsöffnung in den Trennschichthohlraum eingeleitet, um einen ersten diffun dierten Leiter in der Aushebung in dem Substrat zu bilden und einen zweiten diffundierten Leiter in der gegenüberlie genden Seite der flexiblen Trennschicht zu bilden. Anschlie ßend wird gezielt ein Stöpsel in die Zugangsöffnung einge bracht, um diese zu verschließen, ohne dadurch im wesentli chen das Volumen des Trennschichthohlraums zu mindern. Auf diese Weise verursacht eine Auslenkung der flexiblen Trenn schicht als Antwort auf Änderungen des Umgebungsluftdrucks in bezug auf den in dem Trennschichthohlraum eingeschlosse nen Druck eine entsprechende Änderung der Kapazität zwischen dem ersten und zweiten diffundierten Leiter, die den kapazi tiven Sensor bilden.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht einer bevorzugten Ausfüh rungsform, einschließlich der Kontakte zum Auskop peln der elektrischen Signale aus den Sensoren.

Fig. 2 zeigt eine frontale Querschnittsansicht eines kapa zitiven Sensors und eines Bezugssensors, entlang der Querschnittslinie 2-2 in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine graphische Illustration der Entwurfsbe schränkungen, die berücksichtigt werden, um den Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung zu optimie ren

Fig. 4 mit Ansichten (A) bis (L), zeigt Querschnittsansich ten von kapazitiven Sensoren, die in verschiedenen Schritten des Herstellungsverfahrens auf dem SOI- Wafer ausgebildet sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen durch Oberflächen behandlung mikrotechnisch hergestellten kapazitiven Sensor, der zum Messen absoluter Gasdrücke geeignet ist. Der Aufbau besteht aus einer einkristallinen Silcium-auf-Isolator- Trennschicht, die ungefähr 0,2 im oberhalb eines Silicium substrates angeordnet ist. Die Bauform eines barometrischen Drucksensors weist einen Druckbereich in der Größenordnung von 10⁵ Pa (14 PSI) und eine nominale Kapazität von 1,1 pF bei einer Kapazitätsspanne von 0,26 pF auf. Jede Vorrich tung, einschließlich eines angepaßten Bezugskondensators benötigt nur eine Fläche von 0,17 mm².

Die grundlegende Bauform eines Absolutdruckwandlers ist der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Kondensator 100. Die obere Platte des Kondensators ist eine flexible Trennschicht 20, die aus dem oberen Siliciumfilm auf einen Silicium-auf-Iso lator (SOI)-Wafer erstellt ist, und die feststehende Elek trode 30 ist das Substrat. Die obere Elektrode bildet einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum 28, in dem ein bestimm ter Druck vorhanden ist. Der Druckunterschied zwischen dem inneren Hohlraum 28 und der Umgebung lenkt die obere Elek trode aus. Dieser Wandler benötigt nicht die Fläche, die für das Fortschreiten der (111)-Ebenen notwendig ist, wie bei den meisten mikrotechnisch hergestellten Drucksensoren aus geschnittenem Silicium (bulk silicon). Deshalb ist seine Fläche äußerst klein. Ein nicht abgedichteter angepaßter Referenzkondensator 200 ist für ratiometrische Messungen hinzugefügt und enthält eine durchlässige Polyamidabdichtung 276. Das ausgewählte Trennschichtmaterial ist einkri stallines Silicium (mit einer 100 Kristallgitterorientie rung), das auf einer dünnen Schicht von Siliciumoxid aufge bracht ist, die als abtragbare Schicht dient. Dieses Mate rial kann mit Hilfe verschiedener Techniken, einschließlich Bonden und Ionenimplantation einer unteren Oxidschicht, hergestellt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein roher SOI- Wafer als Ausgangsmaterial verwendet, bei dem die Dicke der Oxidschicht gleich dem Abstand der Elektroden ist. Die ver bleibenden Elemente des feststehenden Wandlers werden mit Hilfe aufgebrachter dünner Filme erstellt. Diese Bauform nutzt die bekannten mechanischen Eigenschaften eines ein kristallinen Materials ebenso wie die topologische Vielfalt der mikrotechnischen Oberflächenbehandlung, um einen kleinen einkristallinen Trennschichtdrucksensor herzustellen. Ältere Bauformen, die einkristalline Trennschichten beinhalteten, konnten nur mittels grobmikrotechnischer Verfahren und dem Bonden von Wafern hergestellt werden, wobei sich größere Bauformen ergaben.

Der Elektrodenspalt ist von der Größenordnung von wenigen hundert Nanometern, was eine Kapazität in der Größenordnung von 1 bis 2 pF ermöglicht. Diese Kapazität ist groß genug, um mit Hilfe von Chipschaltkreisen erfaßt zu werden, die über vier Kontakte a, b, c und d verbunden sind. Diese Vor richtungen können so hergestellt werden, daß sie einer ±10% igen Fehlervorgabe der gemessenen Kapazität bezüglich der Druckcharakteristik genügen, ohne daß eine Kalibration not wendig ist. Dieses Merkmal mindert wesentlich die Kosten des Sensors.

Bei einem Lufteinlaß-Vielfachdrucksensor (MAP), der Luft drücke zwischen 0 bis 10⁵ Pa (0 bis 14 PSI) mißt, gibt es drei Variablen für die Bauform: die Breite w der Trenn schicht, ihre Dicke t und den Abstand d der Elektroden. Der Sensor muß mehreren Bauformkriterien genügen: a) die Kapa zität des Sensors muß oberhalb einer minimalen Kapazität C_min liegen; b) die Vorrichtung muß einen Gesamtdruckbereich P_r aufweisen, und sie muß in der Lage sein, einem Überdruck P_ov standzuhalten; c) die Aufnahmespannung (pull-in voltage) der Trennschicht muß größer als V_Pmin sein; und d) die Ver änderlichkeit der Lastauslenkungskurve, die aufgrund von Herstellungsunterschieden vorhanden ist, muß unter einem Grenzwert e_o sein. Des weiteren muß die Fläche minimiert werden, um die Kosten zu reduzieren.

Das Problem der Bauform des Sensors kann als Optimierungs problem behandelt werden, mit Gleichheits- und Nichtgleich heitsbedingungen. Unter Nichtbeachtung des Restdruckes auf der Grenzschicht ist die Gleichung, die die Lastauslenkungs kurve in seiner Mitte angibt, gegeben durch

Der Elektrodenzwischenraum ist entsprechend dem Kriterium ausgelegt, daß d = z_m(Pr).

Die Bruchbedingung für diese Trennschicht ist unabhängig von der Breite w. Vielmehr bricht die Trennschicht, wenn ihr maximaler Druck gleich dem Bruchdruck ist, und ihre Auslen kung gleich d ist. Um zu verhindern, daß die Platte bricht, muß die Bedingung

erfüllt sein. Unter Verwendung der Gleichungen (2) und (3) und unter Verwendung von P_r = P_ov, wird w eliminiert und man erhält:

wodurch sich im Zusammenhang mit Gleichung (2) ergibt

Die Kapazität des Sensors ist

woraus sich zusammen mit Gleichung (2) die Bedingung ergibt

In dieser Bauform ist die auslenkende Trennschicht die obere Elektrode. Dementsprechend ist die Aufnahmespannung abhängig von ihrer Dicke

Wird dieses Ergebnis mit Gleichung (2) verbunden, ergibt die neue Bedingung

Unter Verwendung der Gleichungen (17-20) (siehe unten) er gibt sich der totale relative Fehler der maximalen Auslen kung zu

Bei moderner Siliciumverarbeitung kann der Youngsche Modulus von SOI-Silicium innerhalb von 1% gesteuert werden. Es ist zu beachten, daß für aufgebrachte Filme Δt/t und Δd/d kon stant sind. Die Breitenvariation Δw beträgt ungefähr 1 bis 2 µm und ist durch das lithographische Verfahren begrenzt. Demnach ist Gleichung (10) gleichbedeutend mit dem Setzen einer Grenze für eine minimale Breite. Eine zusätzliche Be dingung ist die maximale Dicke der Trennschicht. Für die meisten praktischen Anwendungen ist t 4 mm dick. Eine mi nimale Grenze von 200 nm für die Breite des Zwischenraums (Abstand der Elektroden) ergibt sich aus der Bedingung:

Die Fläche der Sensorvorrichtung zuzüglich eines entsprechen den Bezugskondensators ist gegeben durch

(12) A_c ≈ (w+3r+c+p) (2w+3r+c)

wobei r der äußere Rand des Chips ist, und p die Breite des Kontaktflecks (bonding pad) (ungefähr 100 µm). Bei dieser Bauform ist der Abstand zwischen den Elektroden begrenzt durch die maximal erzielbare Dicke der unteren Oxidschicht. Gegenwärtige Grenzen für ionenimplantierte SOI-Filme sind nahe d_max = 0,4 µm. Diese Bedingung verknüpft mit Gleichung (2) ergibt die zusätzliche Gleichung

Für die meisten praktischen Anwendungen ist die minimale Breite durch die Anforderungen an C_min und an die aufnehm bare Spannung bestimmt. Indem die Gleichungen (7) und (9) gleichgesetzt werden, ergibt sich

Demnach ist die Breite der Trennschicht proportional zu dem geometrischen Mittel der Randbedingungen von C_min und V_Pmin. Dementsprechend erfordert Gleichung (14), daß w zunehmen muß, wenn entweder C_min oder V_Pmin abnehmen.

Die Optimierung der Bauform eines Absolutdruckmessers auf SOI-Basis ist in Fig. 2 graphisch dargestellt. Die Kurve A zeigt die Bruchbedingung mit P_max = 600 MPa. Die Kurven B und C zeigen die Randbedingungen von C_min und V_Pmin Die Kurve D zeigt die Begrenzung des Auslenkfehlers, und die Kurve E zeigt die Begrenzung von d_min. Durch die Kurve F wird eine maximale Begrenzung der Epitaxiedicke von 4 mm gefordert, und die Begrenzung von d_max aus Gleichung (13) ist durch die Kurve G gegeben. Die Bauform wird in erster Linie bestimmt durch die Abhängigkeiten zwischen C_min und V_Pmin. Der praktikable Bereich für Bauformen ist der in der Zeichnung gestrichelt dargestellte Bereich. Der Punkt P kennzeichnet die optimalen Abmessungen für die Vorrichtung.

Die gewählte Bauform ist aufgrund der Zielvorgaben so ausge legt, daß die optimale Vorrichtung eine Trennschicht von 173×173 µm² und eine Dicke von 3,2 µm aufweist. Der Abstand der Elektroden beträgt 0,24 mm, wodurch sich für die Vor richtung eine Kapazität von 1,1 pF und eine aufnehmbare Spannung von 12 V ergibt. Einschließlich der Kontakte und dem angepaßten Bezugskondensator benötigt der Chip eine Flä che von 0,17 mm². Größere Ausbeuten können erzielt werden, wenn eine kleinere zulässige aufzunehmende Spannung in den Berechnungen zugelassen ist. Die Zahl der Vorrichtungen, die mit einem Wafer gegebener Größe hergestellt werden kann, ist fast zwei Größenordnungen größer als diejenige, die mit grobmikrotechnisch hergestellten Bauformen erzielbar sind, und die Kosten sind dementsprechend gemindert.

Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren ist insgesamt in Fig. 4 gezeigt. Das Verfahren geht aus von einem SOI-Wafer mit einem Halbleitersubstrat 30, vorzugsweise Silicium, einer Zwischenschicht 31 aus Siliciumdioxid oder einem ähn lichen abtragbaren Material und einer oberen Schicht 20a aus Silicium mit einer (100)-Gitterorientierung. Es wird eine Abgleichungslithographie (alignment key lithographie) durchgeführt und das SOI-Silicium wird in einem SF₆:C₂ClF₅- Reaktor bis auf das Oxid 31 in ausgewählten Bereichen wegge ätzt, wobei jedoch eine dünne Siliciumschicht 20a zurückge lassen wird. Das offengelegte Oxid 31 wird dann in 5:1 BHF weggeätzt. Der Photolack wird abgestreift und die Proben werden gereinigt (piranha cleaned).

Anschließend wird die Aushebungslithographie unter Verwen dung einer Photolackmaske (nicht dargestellt) durchgeführt. Der Wafer wird an den offengelegten Zonen mit Phosphor im plantiert, um die Aushebung 34 auszubilden, die in Fig. 1A gezeigt ist. Nach Abstreifen des Lacks wird der Wafer gerei nigt und kurz ausgeglüht, um das implantierte SOI-Silicium zu rekristallisieren. Anschließend wird epitaktisches Si licium 20 auf dem verbleibenden Silicium 20a des SOI-Wafers gezogen, um die gewünschte Trennschichtdicke für die bevor zugte Ausführungsform zu erhalten, wie dies in Fig. 4 (B) dargestellt ist. Das zusätzliche Silicium bildet ein konti nuierliches Gitter mit der oberen Schicht des SOI-Siliciums, so daß eine Trennschicht erzeugt wird, die hohe Belastbar keit und einen bekannten Widerstand gegenüber Verformungen aufweist. Die Trennschicht ist lithographisch ausgebildet und in einem Plasma-SF₆:C₂ClF₅-Reaktor bis auf das untere Oxid 31 abgeätzt. Der Photolack wird entfernt und das untere Oxid wird gemustert. Anschließend wird das Oxid 31 in den offengelegten Zonen in 5:1 BHF geätzt, wodurch Ankerbereiche 42 geschaffen werden. Anschließend wird der Wafer in Pi ranhalösung (H₂SO₄:H₂O₂) gereinigt, und eine dünne 100 nm Schicht 36 von gering belastetem SiN wird über die gesamte Oberfläche abgelagert, wodurch sich die Struktur der Fig. 4 (C) ergibt.

Eine 2 µm dicke Schicht 40 aus LTO, die der Passivierung des Wandlers dient, wird anschließend aufgebracht. Das Oxid 40 füllt die Ankerbereiche 42 aus und überlappt mit den freige setzten Randbereichen der Trennschicht 20 und verbindet sich damit, um Trennschichtanker 43 zu bilden. Das LTO 40 versie gelt den Randbereich der Trennschicht 20 gegenüber dem Substrat 30 und verbindet sich mit der Oberfläche der Trenn schicht fest genug, um die Trennschicht zu stützen, wenn das abtragbare Oxid 31 später bei der Erzeugung eines Trenn schichthohlraumes entfernt wird. Die LTO 40 wird mit 5 : 1 BHF aus dem allgemeinen Bereich der Trennschicht 20 gemustert und geätzt. Als nächstes werden die Proben gereinigt und eine zweite Schicht von Nitrid 56 wird aufgebracht, woraus sich die in Fig. 4 (D) gezeigte Struktur ergibt.

Eine 200 nm dünne Schicht von LTO wird auf dem Wafer aufge bracht, um als Maske für die Entfernung des Nitrids zu die nen. Das LTO wird in 5 : 1 BHF gemustert, der Photolack wird entfernt, und das Nitrid wird in einem heißen H₃PO₄-Bad naß geätzt. Das epitaktische Silicium 20 wird anschließend in einer 3 : 33 : 64 NH₄F:H₂O:HNO₃-Lösung bis auf die zwischen den Elektroden angeordnete Oxidschicht 31 naß geätzt, um ein abtragbares Ätzloch 42 zu erzeugen. Der Wafer wird in Piran halösung gesäubert und in eine konzentrierte HF-Naßätzlösung eingetaucht, bis das gesamte abtragbare Oxid 31 zwischen den Elektroden entfernt ist, wodurch ein Trennschichthohlraum 28 ausgebildet wird. Der Trennschichthohlraum 28 weist eine Dicke auf, die im wesentlichen gleich der Dicke der abtragbaren Oxidschicht 31 auf dem ursprünglichen SOI-Wafer ist, welche von 0,2 bis 1,0 µm reichen kann. Nach dem Spülen in einer Naßlösung und dem Reinigen in Piranhalösung werden die Proben einem Gefriertrocknungsverfahren unterzogen, um alle Restflüssigkeiten in dem Trennschichthohlraum 28 zu verfestigen. Die verfestigten Teilchen in dem Trenn schichthohlraum 28 werden anschließend mittels Sublimierung entfernt, um eine Auslenkung der Trennschicht 20 aufgrund von Kapillarwirkung zu vermeiden, die entstehen würde, wenn Flüssigkeiten mittels Verdampfens entfernt würden. Dieses Verfahren ergibt die in Fig. 4 (E) gezeigte Struktur.

Anschließend wird der Wafer in einen Diffusionsofen einge bracht und eine n+ Schicht wird bei einer Temperatur von 950°C während einer Stunde in die Oberflächen eindiffun diert, die den Trennschichthohlraum 28 bilden, einschließ lich der Oberfläche 34b des oberen Substrats und der unteren Oberfläche 20b der Trennschicht 20, wodurch die beiden beabstandeten, mittels Diffusion leitend gemachten Elektro denelemente 34b und 20b des Meßkondensators ausgebildet wer den. Diese Elektroden sind genau ausgebildet und in der La ge, enge Herstellungstoleranzen einzuhalten, was seinen Grund in den Eigenschaften des Diffusionsverfahrens hat. Der Wafer wird anschließend mit Hilfe von Piranhalösung ge säubert und in 10 : 1 HF geätzt, um alle verbleibenden Oxide zu entfernen. Anschließend wird der Wafer gefriergetrocknet und mittels trockenen Sauerstoffs oxidiert, um eine 10 nm dicke Oxidschicht zu bilden. Eine 10 nm Schicht gering be lasteten LPCVD-Nitrids 52 wird auf dem Wafer gezogen. Diese Nitridschicht 52 deckt die Innenseite des Trennschichthohl raums 28 ab und isoliert sie dadurch, wodurch ein möglicher elektrischer Kurzschluß der Sensorelektroden vermieden wird. Die sich daraus ergebende Struktur ist in Fig. 4 (F) ge zeigt.

Anschließend wird der Wafer in einen PECVD SiO₂-Reaktor ein gebracht, und eine 0,5 µm dicke Schicht 76 aus Oxid wird auf dem Wafer aufgebracht. Das PECVD-Oxid 76 dichtet das Ätzloch 42 ab, ohne die Innenseite des Trennschichthohlraums 28 zu beschichten. Das PECVD-Oxid wird anschließend gemustert und mit 5 : 1 BHF geätzt. Der Wafer wird in Piranhalösung gesäubert, und 100 nm gering belasteten Nitrids 78 werden auf dem Wafer aufgebracht. Als nächstes wird eine Kontaktlochlithographie durchgeführt. Der LTO wird in 5 : 1 BHF geätzt. Der Photolack wird entfernt, und der Wafer wird in Piranhalösung gesäubert. Nach einem kurzen Bad in 25 : 1 HF und anschließender Spülung wird der Wafer in ein heißes H₃PO₄-Bad eingetaucht, um die darunterliegende Nitridschicht 78 zu entfernen. Das LTO wird in 5 : 1 BHF entfernt, wodurch ein Kontaktloch 83 und die allgemeine Struktur von Fig. 4 (G) entsteht. Der Wafer wird in 5 : 1 BHF für zwei weitere Minuten eingetaucht, um das darunterliegende Oxid des Kontaktloches zu entfernen. Als nächstes wird eine hohe Dosis von Phosphor auf den Proben ionenimplantiert, um die Kontaktdiffusion 48 auszubilden, wie in Fig. 4 (H) gezeigt.

Anschließend wird der Wafer kurz geglüht, um die implantier ten Dotierstoffe zu aktivieren. Nach einem kurzen Eintauchen in 25 : 1 HF wird die Metallithographie durchgeführt, wodurch eine Schicht von AlSi entsteht, die mit einem Aluminiumätz mittel weggeätzt wird, wodurch die AlSi-Kontaktstellen 88 und die allgemeine Struktur von Fig. 4 (I) entsteht. Nach Entfernen des Lacks in Aceton wird der Wafer bei 400°C in einer Gasumgebung 30 Minuten lang gesintert.

Bis zu diesem Verfahrensschritt wurden alle Sensoren des Wa fers zusammen verarbeitet. Im folgenden werden benachbarte Paare von Sensoren auf dem gleichen Wafer einzeln identifi ziert, und der eine wird als ein messendes kapazitives Ele ment 100 ausgewiesen, und der andere wird als bezugskapazi tives Element 200 ausgewiesen. Ein Belüftungsloch 92 wird in dem Bezugskondensator 200 geöffnet. Zuerst wird eine Belüf tungsöffnung lithographisch durchgeführt, und das Nitrid wird mittels eines SF₆-Plasmas auf das PECVD-Oxid herunter geätzt. Das PECVD-Oxid 76 der Versiegelung wird dann mittels 5 : 1 BHF entfernt. Nach Entfernung des Photolacks mittels Aceton und anschließendem Spülen wird der Wafer gefrierge trocknet, wie in Fig. 4 (J) gezeigt.

Eine dünne Schicht gasdurchlässigen Polyamids wird anschlie ßend auf den Wafer gebracht, um das Zugangsloch 92 des Be zugskondensatorsensors 200 zu verschließen, wobei der Sensor atmen kann. Dieses Verfahren erzeugt einen atmenden Trennschichthohlraum 228 in dem Bezugskondensator 200, ver glichen mit dem vollständig abgedichteten Trennschichthohl raum 28 in dem messenden Kondensator 100. Anschließend wird eine Schicht von Photolack auf den Wafer gebracht. Als näch stes wird eine Polyamidlithographie durchgeführt. Der Photo lackentwickler, der auf den Wafer aufgebracht wird, greift das Polyamid an. Anschließend wird das Photolack mit Hilfe von Aceton entfernt, wodurch die Polyamidversiegelung 276 in dem Zugangsloch 92 verbleibt. Das Polyamid wird dann eine Stunde lang bei 300°C behandelt, worauf sich die in Fig. 4 (K) gezeigte Struktur ergibt.

Jedes benachbarte Paar von Elementen des Kapazitätssensors 100 und des Bezugssensors 200 des Wafers wird anschließend in Würfel geschnitten und gebondet, wodurch sich der in Fig. 4 (L) dargestellte fertige Wandler ergibt. Der Kapazi tätssensor und der Bezugskapazitätssensor können für unab hängige und/oder ratiometrische Messungen von Änderungen des absoluten Druckes bezüglich des in dem versiegelten Trenn schichthohlraum eingeschlossenen Druckes verwendet werden. Da der Bezugswandler während des gleichen Herstellungsver fahrens wie der versiegelte Druckwandler hergestellt ist, sollten die Abmessungen und elektrischen Eigenschaften der zwei Wandler gleich sein.

Das SOI-Herstellungsverfahren enthält viele Merkmale, die in einem MOSFET-Herstellungsverfahren vorhanden sind. Die Er zeugung eines vollständigen Wandlers mit beigefügten CMOS- Schaltkreisen erfordert nur wenige (10 bis 20) zusätzliche Schritte bei diesem kompatiblen Verfahren.

Es ist offensichtlich, daß viele Abwandlungen und Änderungen des Verfahrens und des Aufbaus der Wandler durchgeführt wer den können, ohne sich von dem Schutzumfang des neuen Kon zepts zu entfernen. Es ist deshalb vorgesehen, mit den ange hängten Ansprüchen all diese Abwandlungen und Änderungen, die in dem Geist und dem Schutzbereich der Erfindung liegen, abzudecken.

Claims

1. Kapazitiver Sensor mit einer Substratbasis (30) aus Halbleitermaterial mit einer darin vorgegebenen ersten leitenden Fläche, die als erste Elektrode wirkt,
einer flexiblen Trennschicht (20) mit einer Einkristallschicht aus Silicium, die auf einer abtragbaren Schicht vorherbestimmter Dicke über die Basis gezogen wird, so daß sie insgesamt an die erste Elektrode angrenzt, wobei die Trennschicht eine darauf befindliche leitende Fläche zum Zusammenwirken als eine zweite Elektrode mit der ersten Elektrode enthält, um mittels der Elektroden einen Kondensator zu bilden, der eine änderbare Kapazität in Antwort auf die relative Verschiebung der Trennschicht aufweist,
einer isolierenden Stütze, die mit der Basis und der Trennschicht gekoppelt ist, um einen äußeren Bereich der Trennschicht oberhalb der Basis entsprechend der vorherbestimmten Dicke abzustützen, nachdem die abtrag bare Schicht entfernt ist, so daß zwischen den Elektro den ein versiegelter Trennschichthohlraum (28) gebildet wird,
einer Bohrung, die durch die Trennschicht mit dem Trennschichthohlraum kommuniziert
und mit einem Stöpsel, der in die Bohrung eingeführt wird, um den Trennschichthohlraum abzudichten, so daß eine vorherbestimmte Kraft von dem in dem Trenn schichthohlraum enthaltenen Druck auf die Trennschicht ausgeübt wird, wodurch eine Änderung des Umgebungs druckes eine Auslenkung der Trennschicht und eine ent sprechende Änderung der zwischen der ersten und zweiten Elektrode gebildeten Kapazität bewirkt.

2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Stöpsel eine Schicht aus SiN ent hält, um den Trennschichthohlraum abzudichten.

3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste leitende Fläche und die erste flexible leitende Fläche mittels Diffusion erstellte Elektroden aufweisen, die leitende Dotierstoffmaterialien enthalten.

4. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch isolierende Schicht auf der Oberfläche wenigstens einer der ersten und zweiten Elektroden aufgebracht ist, wo durch ein elektrischer Kurzschluß im Falle einer Aus lenkung der Trennschicht mit Kontakt zur Basis verhin dert wird.

5. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die abtragbare Schicht vorherbestimmter Dicke ein Siliciumoxid in ei nem Silicium-auf-Isolator (SOI)-Wafer enthält.

6. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorherbestimmte Dicke im Bereich von 0,5 bis 1,0 µm liegt.

7. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem entsprechenden paarig ausgebildeten Bezugskon densatorsensor (200), mit:
einer leitenden Bezugsfläche, die in die Substratbasis aus Halbleitermaterial diffundiert wurde, um eine Be zugselektrode auszubilden, die beabstandet aber insge samt benachbart zur ersten leitenden Schicht angeordnet ist,
einer zweiten flexiblen Trennschicht mit einer Schicht aus einkristallinem Silicium, die auf einer abtragbaren Schicht vorherbestimmter Dicke gezogen ist, um insge samt an die leitende Bezugsfläche angrenzend zu sein, wobei die zweite Trennschicht eine zweite flexible lei tende Fläche zum Zusammenwirken mit der Bezugselektrode enthält, um dazwischen einen Bezugskondensator zu er zeugen, der eine Kapazität aufweist, die sich nicht in Abhängigkeit des Umgebungsdruckes ändert,
einer zweiten isolierenden Stütze, die an die Basis und die zweite Trennschicht gekoppelt ist, um einen Randbe reich der zweiten Trennschicht oberhalb der Basis ent sprechend der vorherbestimmten Dicke abzustützen, nachdem die abtragbare Schicht entfernt wurde, um da zwischen einen zweiten Trennschichthohlraum zu bilden, einer zweiten Bohrung, die durch die zweite Trenn schicht mit dem zweiten Trennschichthohlraum kommuni ziert
und mit einem zweiten Stöpsel, der in die zweite Bohrung eingeführt wird, um die zweite Bohrung vor dem Durchgang fester Teilchen zu schützen, wobei der zweite Trennschichthohlraum in der Lage ist zu atmen, wodurch der Bezugskondensator eine Standardkapazität aufweist, die unabhängig von Änderungen des Umgebungsdruckes ist.

8. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Be zugsfläche und die zweite flexible leitende Fläche Elektroden enthalten, in die leitende Dotierstoffmate rialien eindiffundiert sind.

9. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Be zugsfläche, die zweite flexible Trennschicht, die zwei te flexible leitende Fläche und der zweite Trenn schichthohlraum in ihrem physikalischen Grundaufbau mit den entsprechenden Elementen insgesamt identisch sind, einschließlich der ersten leitenden Fläche, der ersten flexiblen Trennschicht, der ersten flexiblen leitenden Fläche und dem ersten Trennschichthohlraum.

10. Verfahren zum Erzeugen eines kapazitiven Wandlers mit folgenden Verfahrensschritten:

(a) selektive Ausbildung einer ersten Aushebung in dem Substrat eines SOI-Wafers mit einer oberen Silici umschicht und einer dazwischen angeordneten ab tragbaren Schicht bekannter Dicke,
(b) Aufbringen einer epitaktischen Schicht von Silicium auf der oberen Siliciumschicht, wobei sich die epi taktische Siliciumschicht mit der oberen Silicium schicht verbindet, um eine einkristalline Silici umschicht zu bilden, die von der abzutragenden Schicht getragen ist,
(c) Maskieren und Ätzen der epitaktischen Schicht und der abtragbaren Schicht bis auf das Substrat, um aus der epitaktischen Schicht eine Trennschicht zu bilden,
(d) Aufbringen einer elektrisch isolierenden gleichför migen Stützschicht zum Koppeln und Stützen der Trennschicht oberhalb des Substrates, um so die dazwischen angeordnete abtragbare Schicht abzu dichten,
(e) gezieltes Ätzen einer Zugangsöffnung durch die Trennschicht,
(f) gezieltes Ätzen und Entfernen der abtragbaren Schicht zwischen der Trennschicht und dem Substrat durch die Zugangsöffnung, um so einen Trennschicht hohlraum zu erzeugen, der im wesentlichen eine Dicke aufweist, die gleich der Dicke der abtragba ren Schicht ist,
(g) Diffundieren leitender Ionen durch den Trenn schichthohlraum in die gegenüberliegenden Ab schnitte der flexiblen Trennschicht und des Substrats, um eine deformierbare und eine feste leitende Elektrode des Kapazitätswandlers auszu bilden und
(h) gezieltes Aufbringen eines Stöpsels in der Zugangs öffnung zum Versiegeln derselben, ohne die Abmes sungen des Trennschichthohlraums wesentlich zu mindern, wobei die Auslenkungen der flexiblen Trennschicht in Antwort auf Veränderungen zwischen dem Umgebungsdruck in bezug auf den in dem Trenn schichthohlraum eingeschlossenen Druck eine ent sprechende Änderung der Kapazität zwischen der festen und der deformierbaren Elektrode bewirkt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß Schritt (a) den vorhergehenden zusätzlichen Schritt enthält, daß der SOI-Wafer gebildet wird, indem die abtragbare Trennschicht bekannter Dicke aus SiO₂ auf einem Siliciumsubstrat aufgebracht wird, wobei an schließend eine epitaktische Schicht einkristallinen Siliciums auf der abtragbaren Schicht gezogen wird, wo bei die einkristalline Siliciumschicht eine Dicke auf weist, die geringer als die Dicke der flexiblen Trenn schicht ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die abtragbare Schicht mit einer be kannten Dicke zwischen 0,2 und 1,0 µm aufgebracht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (c) zusätzlich der Schritt des Ätzens durch die epitaktische Schicht und die abtragbare Schicht vorgesehen ist, um das Substrat offenzulegen, und daß Schritt (d) zusätzlich den Schritt enthält, daß eine gleichförmige Schicht von LTO so aufgebracht wird, daß ein Basisbereich gebildet wird, der mit dem Substrat gekoppelt ist und den Umfang der abtragbaren Schicht umschließt, um so einen Lippenbereich zu schaffen, der mit wenigstens einem Teil der epitaktischen Schicht gekoppelt und daran be festigt ist, so daß eine Stütze gebildet wird, wobei die Trennschicht nach dem Entfernen der abtragbaren Schicht entsprechend dem bekannten Dickenbetrag ober halb des Substrates abgestützt und von diesem beabstan det ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (d) zusätzlich den Schritt des Versiegelns des Substrats mit der epitakti schen Schicht enthält.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (f) zusätzlich fol gende Unterschritte enthält:
Einfügen einer Naßätzlösung durch die Zugangsöffnung zum entfernen der abtragbaren Schicht,
Entfernen der Naßätzlösung aus dem Trennschichthohlraum mit einer Spüllösung,
Gefriertrocknen der Naßlösungen in dem Trennschicht hohlraum, um kapillare Auslenkungen der Trennschicht zu verhindern, wenn die Lösungen entfernt werden,
Entfernen der gefrorenen Lösung aus dem Trennschicht hohlraum mittels Sublimierens.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die folgenden Schritte vorgesehen sind: Einführen eines Isoliermate rials durch die Zugangsöffnung, um eine Isolierschicht auf den Oberflächen der epitaktischen Schicht und des Substrats aufzubringen, die den Trennschichthohlraum vorgeben.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (g) ebenfalls folgen den Schritt enthält: Eindiffundieren leitender n+ Träger in die epitaktische Schicht und die Substrat schicht, um diffundierte Strukturen für die festste henden und die leitenden Elektroden auszubilden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (h) die folgenden vorhergehenden Schritte beinhaltet:
Identifizieren insgesamt benachbarter Paare gewöhnlich hergestellter Kapazitätswandler auf dem Substrat und Identifizieren eines Wandlers als einen Bezugswandler, selektives Maskieren der Zugangsöffnungen des Bezugs wandlers, so daß der Stöpsel zum Versiegeln des Trenn schichthohlraums nicht aufgenommen wird, und daß folgende zusätzliche Schritte vorgesehen sind:

(i) gezieltes Entfernen der Maske, die die Zugangsöff nungen in dem Bezugswandler abdeckt und
(j) gezieltes Aufbringen eines gasdurchlässigen Stöpsels in der Zugangsöffnung, ohne die Abmes sungen des Trennschichthohlraums wesentlich zu min dern oder diesen abzudecken, wobei der durchlässige Stöpsel in der Lage ist, Gase in den Trenn schichthohlraum hindurchzulassen, während der Durchgang für feste Teilchen ausgeschlossen ist.