DE3689403T2 - Halbleiterdruckwandler mit versiegeltem hohlraum und verfahren dazu. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Halbleitervorrichtungen sowie -verarbeitungstechniken und insbesondere auf Druck- sowie Weg-Meßwertgeber, die an Halbleitersubstraten ausgebildet sind, und auf Verfahren zu deren Herstellung.
• Bedeutsame Fortschritte sind in der Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen gemacht worden, was in verminderten Bauteilkosten sowie verminderter Größe resultiert. Die moderne integrierte Schaltungstechnologie läßt zu, sehr kleine, jedoch komplexe Schaltungen unter Anwendung von Massenproduktionstechniken auf Silizium- und anderen Substraten auszubilden. Für Anwendungsfälle, wie Druck- und Kraftmessung, nehmen folglich die Meßwertgeber, die erforderlich sind, um die elektronische Schaltung mit dem umgebenden Milieu zusammenzuschalten, in typischer Weise ein viel größeres Volumen ein und sind sehr viel kostspieliger als die elektronischen Bauelemente, die zur Verarbeitung des Signals von den Meßwertgebern verwendet werden.
• Weggeber sind dreidimensionale elektromechanische Konstruktionen, die elektronisch die geometrische Verformung überwachen, um aufgebrachte Kräfte zu messen. Druckgeber sind Weggeber, bei welchen die Verlagerung durch ein Druckgefälle über eine verformbare Sperre hinweg erzeugt wird, wozu das Erfordernis kommt, daß ein Bezugsdruck auf der einen Seite der Sperre aufrechterhalten wird. Gegenwärtige handelsübliche Druckgeber sind relativ große, einzelne Vorrichtungen, die in typischer Weise unter Verwendung einer Metallmembran als die Drucksperre gebildet werden. Um die Kosten und die Größe der Bauteile zu minimieren wie auch die Verpackungs- und Herstellungskosten einer Verarbeitungsschaltung zu vermindern, wäre es wünschenswert, den Druckgeber oder mehrere Meßwertgeber direkt an oder in dem Substrat unterzubringen, an welchem die elektronische Verarbeitungsschaltung ausgebildet ist. Jedoch wird die physikalische Konstruktion, die für einen Druckgeber erforderlich ist, nicht ohne Schwierigkeiten unter Verwendung herkömmlicher integrierter Schaltungsverarbeitungstechniken verwirklicht.
• Es ist möglich, Druckgeber in Siliziumsubstraten durch selektives Ätzen des Substrats, bis die Ätzung durch eine hochdotierte Schicht, um eine dünne Membran zu bilden, beendet wird, und anschließendes Haftverbinden eines anderen Bauteils über der Membran, um einen Hohlraum abzugrenzen, auszubilden. Beispiele derartiger Konstruktionen sind in dem Patent 4 203 128 für Guckel, et al. gezeigt. Wenngleich solche Konstruktionen von Nutzen sind, erfordert ihre Produktion Verarbeitungsschritte, die in der üblichen integrierten Schaltungsverarbeitung, bei welcher die elektronischen Bauelemente an lediglich einer Seite des Substrats ausgebildet werden, nicht verwendet werden. Das starke Dotieren der einen Fläche des Substrats, das erforderlich ist, um die Ätzstopschicht zu erzeugen, führt auch zu Beschränkungen in der Fähigkeit, elektronische Bauelemente an der dotierten Fläche unter Anwendung herkömmlicher Auftragungstechniken auszubilden.
• Um Meßwertgeber, die die vorliegende Erfindung verwirklichen, auszubilden, können Konstruktionen mit verformbaren Membranen, die dicht abgeschlossene Hohlräume überspannen, auf der einen Seite eines Halbleitersubstrats unter Anwendung herkömmlicher integrierter Schaltungsverarbeitungstechniken ausgebildet werden. Diese Hohlraumkonstruktionen können als Druckgeber verwendet werden und werden in einer Weise ausgebildet, die die Fähigkeit des Substrats, daß dieses an ihm gefertigte elektronische Schaltungskomponenten hat, nicht beeinträchtigt, wodurch eine gänzliche Integration von Druckgebern mit einer Verarbeitungsschaltung an einem einzigen Halbleiterchip ermöglicht wird.
• Der folgende Druckgeber und das Verfahren zu dessen Ausgestaltung an einem Substrat, wie kristallinem Silizium, ist in großen Zügen in IEDM, International Electron Devices Meeting, San Francisco, CA, 9. bis 12. Dezember 1984, Seiten 223-225, was die Basis für die gattungsbildenden Teile der Patentansprüche 1 und 6 darstellt, beschrieben und schließt den einleitenden Schritt einer Ausbildung eines Pfeilers eines ätzbaren Materials, wie Siliziumdioxid, zu einer ausgewählten Höhe und Gestalt an einer Oberfläche des Substrats ein. Ätzbare Siliziumdioxidrippen von geringerer Höhe als der Pfeiler werden dann an der Substratfläche in einwärts sich erstreckender Richtung ausgebildet, um mit dem Pfeiler in Berührung zu kommen. Ein Strukturmaterial wird dann aus einem Dampf in einer Schicht über den Rippen und dein Pfeiler niedergeschlagen, so daß die niedergeschlagene Schicht die obere Fläche des Substrats in peripheren Bereichen, die den Pfeiler zwischen den Rippen umgeben, berührt. Polykristallines Silizium, das durch chemische Niederdruck-Dampfabscheidung abgelagert wird, bildet eine niedergeschlagene Schicht, die besonders vorteilhafte elektrische und bauliche Eigenschaften hat. Die äußere Peripherie der niedergeschlagenen Schicht wird dann entfernt, um die Enden der Siliziumdioxidrippen freizulegen; das Substrat wird hierauf in einem Bad eines Ätzmittels angeordnet, welches in die Rippen hinein, jedoch nicht das Substrat oder die niedergeschlagene Schicht ätzt und schließlich in den Pfeilerbereich ätzt, um diesen zu entfernen und an dessen Stelle einen Hohlraum zu belassen. Wenn das Ätzmittel abgezogen wird, bleibt die niedergeschlagene Schicht mit dem Substrat an peripheren Bereichen, die den Teil von diesem umschließt, der über dem Hohlraum errichtet ist, verbunden. Kanäle in der früheren Position der Rippen erstrecken sich vom Hohlraum zur Außenatmosphäre.
• Wenn es erwünscht ist, den Hohlraum von der umgebenden Atmosphäre hermetisch abzuschließen, wird das Substrat einer Gas- oder Dampfatmosphäre ausgesetzt, die ein Wachsen von Material in den Kanälen bewirkt, das ausreichend ist, um diese abzudichten. Bei einer Abdichttechnik wird das Substrat Silizium in Gasform, wie Silan, ausgesetzt, was bewirkt, daß eine Polysiliziumschicht an allen exponierten Flächen einschließlich der inneren Flächen des Hohlraumes und der Kanäle wächst. Schließlich wächst genügend Polysilizium an den Kanalflächen, um diese völlig abzuschließen und ein weiteres Durchtreten von Silangas in den Hohlraum zu verhindern. Das im Hohlraum einschlossene Silan fährt darin fort, Polysilizium an den Wänden des Hohlraumes niederzuschlagen, bis das Silangas verbraucht ist. Bei einer anderen Technik wird das Substrat einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt, die bewirkt, daß die exponierten Siliziumflächen an diesen Siliziumdioxid bilden, welches auswärts wächst, um letztlich die Kanäle abzuschließen. Das verbleibende, im Hohlraum eingeschlossene Oxidationsgas wird in einem Oxidieren der Flächen, wodurch Siliziumdioxid an diesen ausgebildet wird, fortfahren, bis der Sauerstoff im Hohlraum verbraucht ist.
• Der Druck des im Hohlraum eingeschlossenen Restgases kann durch Mischen des reaktiven Gases, dem das Substrat ausgesetzt wird, mit einer ausgewählten Menge eines reaktionslosen Gases, z. B. Stickstoff oder Argon, kontrolliert werden.
• Das niedergeschlagene Material, das die Membran bildet, welche den Hohlraum überspannt, kann strukturell stark und flexibel bei Mikroschaltungsdimensionen und undurchlässig für atmosphärische Gase gemacht werden. Die Größe einer Restspannung in der Membran kann durch geeignete Zyklen zum Spannungsfreimachen geregelt werden, um ein gewünschtes Spannungsniveau hervorzubringen. Polysilizium ist insbesondere zur Ausbildung derartiger Membranen wünschenswert, weil es zu gewünschten Leitfähigkeitspegeln dotiert werden kann, um spannungsempfindliche Vorrichtungen auszubilden, die zur Ermittlung von Durchbiegungen der Membran verwendet werden können.
• Die vorliegende Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, schafft ein piezoresistives Element, das auf einer an der Membran erzeugten Isolierschicht befestigt ist, wobei die Membran auf der Oberfläche des Substrats angebracht ist, um eine flächenhafte Vorrichtung mit dem in das Substrat sich unter der Membran erstreckenden Hohlraum zu erzeugen. Der Patentanspruch 6 definiert ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Konstruktion, wobei der Pfeilerbereich nach unten in das Substrat gewachsen ist, um den Hohlraum im Substrat zu erzeugen, und die untere Fläche der Membran koplanar mit der oberen Fläche des Substrats ist.
• Die Hohlraumkonstruktionen können auch mit anderem, aus einer Gasphase ablagerbaren Material gebildet werden, wie Siliziumnitrid, das ein ausgezeichneter Isolator ist. Eine gewünschte Schaltungsstruktur kann durch Niederschlagen eines geeigneten Halbleitermaterials auf der Siliziumnitridmembran ausgebildet werden. Eine Schicht aus Siliziumnitrid oder anderem Isoliermaterial kann auch auf der Außenfläche einer aus einem mehr leitfähigen Material, z. B. Polysilizium, hergestellten Membran aufgebracht werden, wodurch eine ausgezeichnete Isolieroberfläche geschaffen wird, auf der elektrisch isolierte Schaltungselemente (beispielsweise piezoresistive Polysilizium- Widerstände) ausgebildet werden können, und die eine Kontrolle der gesamten Spannung in der zusammengesetzten Membran verfügbar macht.
• Die Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gewürdigt wird, augenscheinlich.
• Die Zeichnungen zeigen in:
• Fig. 1 eine Schnittansicht durch ein Siliziumsubstrat, auf welchem eine Schicht von Siliziumdioxid ausgebildet worden ist.
• Fig. 2 eine Schnittansicht wie in Fig. 1, die die Ausbildung eines Pfeilers auf dem Substrat darstellt.
• Fig. 3 eine Teildraufsicht des Substrats und Pfeilers von Fig. 2.
• Fig. 4 eine Schnittansicht durch das Substrat nach Aufbringen einer zweiten, dünneren Schicht aus Siliziumdioxid auf das Substrat.
• Fig. 5 eine Draufsicht der Anordnung von zum Pfeiler hin sich erstreckenden Rippen, die durch selektives Maskieren und Ätzen in der unteren Siliziumdioxidschicht ausgebildet sind.
• Fig. 6 eine Schnittansicht durch die Konstruktion von Fig. 5 im großen und ganzen nach der Linie 6-6 der Fig. 5. Fig. 7 eine Schnittansicht des Substrats mit einer über den Rippen und dem Pfeiler befindlichen Schicht aus niedergeschlagenem Material.
• Fig. 8 eine Schnittansicht wie in Fig. 7, nachdem die Peripherie der niedergeschlagenen Schicht abgearbeitet ist, um die äußeren Enden der Rippen freizulegen.
• Fig. 9 eine Schnittansicht wie in Fig. 8 nach dem Anwenden eines Ätzmittels auf die Struktur, um den Hohlraum unter der niedergeschlagenen Schicht auszubilden.
• Fig. 10 eine Schnittansicht wie in Fig. 9 nach dem Verschließen der Kanäle mit einem aus Dampf niedergeschlagenem Material.
• Fig. 11 eine Schnittansicht eines Druckgebers, der unter Anwendung des unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 10 erläuterten Verfahrens hergestellt ist.
• Fig. 12 eine Draufsicht eines Druckgebers mit an diesem ausgebildeten spannungsempfindlichen Widerständen.
• Fig. 13-33 Schnittansichten durch ein Substrat, die die aufeinanderfolgenden Prozeßschritte bei der Ausbildung eines Druckgebers unter Anwendung des Verfahrens der Erfindung veranschaulichen, wobei der Druckgeber eine Polysiliziummembran mit einer Siliziumnitrid-Oberflächenschicht besitzt, auf welcher piezoresistive Elemente ausgebildet sind.
• Fig. 34 eine Draufsicht eines die Erfindung verkörpernden Druckgebers, der durch die in den Fig. 13-33 gezeigten Prozeßschritte gebildet worden ist.
• In den Zeichnungen sind in den Fig. 1-10 in Folge Prozeßschritte dargestellt, die zur Erzeugung von abgedichteten Hohlraumkonstruktionen angewendet werden können. Obgleich diese Offenbarung nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung ist, wird sie einbezogen, um das Verständnis der Erfindung, wie sie unter Bezugnahme auf die Fig. 13 bis 34 beschrieben wird, zu erleichtern. Die Ausgangsstufe in der Herstellung schließt die Ausbildung einer Oxidschicht 21 auf einem Halbleitersubstrat 20, in typischer Weise aus kristallinem Silizium, zu einer Tiefe ein, die der gewünschten Höhe des Hohlraumes entspricht. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird die Oxidschicht 21 dann mit einem Ätzresist in einem zentralen Bereich maskiert und ein Ätzmittel angewendet, um das Material außerhalb des zentralen Bereichs wegzuätzen. Nach dem Ätzen verbleibt ein zentraler Pfeiler 22 aus Siliziumdioxid, wobei die obere Fläche 23 des Substrats 20 in dem den Pfeiler 22 umgebenden Bereich freiliegt, wie in der Draufsicht des Substrats in Fig. 3 gezeigt ist. Der Pfeiler 22 ist in Fig. 3 als eine quadratische Ausgestaltung besitzend dargestellt, obwohl klar sein sollte, daß tatsächlich irgendeine Ausgestaltung für den Pfeiler angewendet werden kann.
• Der nächste Schritt in der Bearbeitung schließt das Maskieren der oberen Fläche des Pfeilers 22 und die Ausbildung einer zweiten Oxidschicht 25 an der Fläche des Substrats 20 in dem den Pfeiler umgebenden Bereich ein. Das Entfernen der Resistschicht von dem oberen Teil des Pfeilers führt zu der Struktur der Fig. 4, in welcher die zweite Oxidschicht 25 bis zum Pfeiler 22 hin, jedoch mit einer gegenüber der Höhe des Pfeilers wesentlich geringeren Höhe ausgebildet ist. Zu Erläuterungszwecken ist die Höhe der zweiten Oxidschicht 25 als ein erheblicher Teil der Höhe des Pfeilers 22 dargestellt, obwohl es aus unten näher erläuterten Gründen erwünscht ist, daß der Pfeiler 10-20mal höher als die zweite Siliziumdioxidschicht 25 ist. Typische geeignete Pfeilerhöhen liegen im Bereich von 0,1 bis 5 Mikrometer, während die zweite Siliziumdioxidschicht vorzugsweise mit einer Dicke von 0,02 bis 0,1 Mikrometer ausgebildet wird.
• Der nächste Prozeßschritt schließt die Anordnung einer (nicht dargestellten) Maske auf der Siliziumdioxidschicht 25 ein, um auf dieser eine Struktur zu exponieren, die nach dem Anwenden eines Ätzmittels gegenüber dem exponierten Material den zentralen Pfeiler 22 und ein Netz von Rippen 27, die sich vom zentralen Pfeiler 22 zu peripheren Bereichen erstrecken, wie in Fig. 5 gezeigt ist, intakt beläßt. Die Rippenstruktur 27 enthält bevorzugterweise erste einwärts sich erstreckende Rippen 28, die an ihren inneren Enden mit einer quer verlaufenden Rippe 29 zusammentreffen. Zweite einwärts sich erstreckende Rippen 30 treffen auf die Querrippe 29 an Positionen, die zu den Stellen versetzt sind, an welchen die ersten Rippen 28 mit der Rippe 29 zusammentreffen, und die inneren Rippen 30 erstrecken sich zur Berührung mit dem Außenumfang des zentralen Pfeilers 22. Aus unten angegebenen Gründen verläuft das Schema der Rippen 27, die sich einwärts zum Zusammentreffen mit dem Pfeiler 22 erstrecken, vorzugsweise nicht in einer geraden Linie, vielmehr hat es die verästelte Ausgestaltung, die durch die Rippen 28, 29 und 30 bestimmt ist.
• Das Substrat mit dem daran ausgebildeten Pfeiler 22 und den Rippen 27 wird nun einem Gas ausgesetzt, was im Niederschlag einer Festsubstanz auf sowohl dem Substrat als auch dem Siliziumdioxid auf dem Substrat in einer strukturell kohäsiven Schicht, die in Fig. 7 mit 32 dargestellt ist, resultiert. Die niedergeschlagene Schicht 32 sollte strukturell kohäsiv und flexibel bei Mikroschaltungsdimensionen (z. B. 0,1 Mikrometer bis 15 Mikrometer dick, 50 bis 1000 Mikrometer oder mehr in der seitlichen Abmessung) sein und eine relativ geringe Spannung, die vorzugsweise zugbelastbar ist, haben oder dahingehend zu behandeln sein. Das Material der Schicht 32 sollte auch im wesentlichen für atmosphärische Gase undurchlässig sein, wenn die endgültige Konstruktion als Druckgeber verwendet werden soll. Die niedergeschlagene Schicht sollte sich auch gut haftend mit der Substratoberfläche verbinden und hat vorzugsweise eine Widerstandsfähigkeit gebenüber gewöhnlichen Ätzmitteln ähnlich der Ätzwiderstandsfähigkeit des Substrats. Beispiele von geeigneten Materialien für die niedergeschlagene Schicht sind polykristallines Silizium (Polysilizium) , das aus Silangas (SiH&sub4;) abgeschieden ist, und Siliziumnitrid oder Aluminium, das aus Dampfphasen dieser Materialien aufgebracht ist. Der Teil der niedergeschlagenen Schicht 32, der den Pfeiler 22 und die Rippen 27 überzieht, wird dann mit einem Ätzresist abgedeckt, und ein Ätzmittel wird angewendet, um alle Bereiche der niedergeschlagenen Schicht außerhalb der Ätzresistmaske wegzuätzen.
• Nach dem Entfernen der Maske verbleibt die in Fig. 8 gezeigte Struktur, in welcher sich die Schicht 32 auswärts zu einer Endwand 33 erstreckt, an welcher die äußeren Enden der Rippen 27 frei liegen. Die Struktur wird dann in ein geeignetes Ätzmittel (z. B. Fluorwasserstoffsäure für Siliziumdioxid, die kristallines Silizium oder Polysilizium nicht angreift) getaucht, welche ein Ätzen der Rippen an ihren frei liegenden Enden 34 beginnt. Der gesamte Raum der Rippen 27 wird herausgeätzt, so daß an deren Stelle Kanäle 35 verbleiben, und das Ätzmittel geht weiter einwärts zum Pfeiler 22, um diesen herauszuätzen, wobei ein Hohlraum 36 verbleibt, der zwischen der oberen Fläche 23 des Substrats und der inneren Fläche des zentralen Membranteils 37 der niedergeschlagenen Schicht 32 bestimmt ist. Dadurch wird eine komplette Hohlraumkonstruktion gebildet, bei welcher die Membran 37 verwendet werden kann, um auf diese einwirkende Kräfte zu ermitteln. Wenn sie als Druckgeber verwendet werden soll, so wird jedoch bevorzugt, daß der innere Hohlraum 36 gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgeschlossen ist. Dies kann ausgeführt werden, indem das Substrat und die niedergeschlagene Schicht 32 entweder einer oxidierenden Umgebung oder einem weiteren Dampfniederschlag von Material ausgesetzt werden. Bei beiden Prozessen baut sich eine Schicht 40 aus festem Material an allen freiliegenden Flächen der niedergeschlagenen Schicht 32 und der Fläche 23 des Substrats 20 einschließlich der inneren Flächen der Kanäle 35 und des Hohlraumes 36 auf. Da die Kanäle 35 viel niedriger als die Höhe des Hohlraumes 36 sind (z. B. 1/10 bis 1/20 der Höhe des Hohlraumes), wird die sich an den Kanalwänden ansammelnde Materialschicht rasch die Kanäle anfüllen und abschließen, bevor die wachsende Schicht an den Innenwänden des Hohlraumes 36 einen erheblichen Teil des Hohlraumes eingenommen hat. Die Kanäle müssen niedrig genug sein, um sich mit dem festen Reaktionsprodukt des Gases in einer angemessen kurzen Zeitspanne zu füllen, wogegen sie groß genug sein sollen, um der Ätzflüssigkeit ein Durchfließen während des Ätzvorgangs zu ermöglichen. Kanalhöhen von 0,02 bis 0,1 Mikrometer sind im allgemeinen für eine niedergeschlagene Schicht aus Polysilizium geeignet.
• Das im Hohlraum 36, wenn die Kanäle 35 sich verschließen, eingefangene Abscheidegas wird darin fortfahren, zu reagieren und sich an den Wänden des Hohlraumes niederzuschlagen, bis es verbraucht ist, wonach der Hohlraum 36 völlig von der umgebenden Atmosphäre abgeschlossen ist und keine weiteren Reaktionen stattfinden werden. Der Druck innenseitig des abgeschlossenen Hohlraumes 36 kann durch Mischen des Reaktionsgases mit einem inerten Gas in einem gewünschten Verhältnis, so daß, wenn sich das Reaktionsgas im Hohlraum selbst verbraucht hat, das verbleibende inerte Gas den gewünschten Gas- Bezugsdruck innerhalb des Hohlraumes liefert, kontrolliert werden.
• Der Zweck der verästelten Anordnung der Rippenteile 28, 29 und 30 wird am deutlichsten bei Bezugnahme auf den Querschnitt der Fig. 9, in welchem die Rippen durch die Kanäle 35 ersetzt sind. Wenn die Kanäle 35 gerade zum Hohlraum erstreckt werden, könnte sich das Polysilizium über den Kanälen leichter zu flachen Kanälen verformen, wenn die stützenden Oxidrippen 27 entfernt werden. Darüber hinaus wird es die verzweigte Struktur der Kanäle erlauben, daß das Abscheidematerial im Gas schneller die Kanäle anfüllt und blockiert, als wenn sie gerade wären, und sie werden im allgemeinen einen gasdichteren Abschluß in den Kanälen erzeugen. Zusätzlich ist die niedergeschlagene Schicht 32 mit der oberen Fläche des Substrats 23 an den peripheren Bereichen zwischen den Kanälen 35 an allen Stellen, die die Peripherie des Hohlraumes 36 umgeben, in Berührung, wodurch ein festerer stützender Unterbau für die Membran über dem Hohlraum geschaffen wird. Dieser periphere Unterbau neigt weniger dazu, sich von der Substratoberfläche während einer Bearbeitung und bei Aufbringen einer Dehnung auf die niedergeschlagene Schicht 32 abzulösen.
• Das vorstehend beschriebene Verfahren kann an der Oberfläche eines großen Substrats ausgeführt werden, um satzweise gleichzeitig viele niedergeschlagene Hohlraumkonstruktionen zu erzeugen. Das Substrat kann dann in Übereinstimmung mit herkömmlichen Techniken durchgetrennt werden, um jeden Hohlraum an einem einzelnen Chip abzusondern, oder es können mehrere der Hohlräume zusammen an einem Chip beibehalten werden, um verschiedenartige gewünschte Gebereigenschaften vorzusehen. Beispielsweise können mehrere Sensorhohlraumstrukturen auf einem einzigen Substrat ausgebildet werden, von denen jede Hohlräume von unterschiedlichen Dimensionen sowie hohlraumüberspannende Membranen 37 von verschiedenartigen Abmessungen und Dicken hat. Diese verschiedenen Strukturen können elektrisch untereinander verbunden werden, um Druckgeberkennwerte über einen weiteren Bereich oder mit größerer Empfindlichkeit, als mit einem einzelnen Geber möglich wäre, zur Verfügung zu stellen.
• Ein Querschnitt eines kompletten Hohlraum-Meßwertgebers 45 auf einem Substrat 46 ist in Fig. 11 gezeigt. Das Substrat 46 besitzt eine niedergeschlagene Schicht 47, die ein zentrales Membranteil 48 hat, welches einen Hohlraum 49 überspannt. Die abgeschlossenen Kanäle in der Peripherie der niedergeschlagenen Schicht 47 sind in Fig. 11 bei 50 dargestellt. Der Hohlraum ist gegenüber der umgebenden Atmosphäre hermetisch verschlossen, was in einer Durchbiegung der zentralen Membran 48 resultiert, wenn sich der umgebende Luftdruck ändert. Diese Durchbiegung kann wahrgenommen und auf verschiedene Arten in ein elektrisches Signal umgesetzt werden. Wenn die niedergeschlagene Schicht 47 aus Polysilizium gebildet ist, kann das Polysilizium selbst dotiert werden, um in der Membran 48 (in Fig. 11 nicht dargestellte) leitfähige Streifen zu erzeugen, die ihren Widerstand im Ansprechen auf die Dehnung in der Membran, wenn sie sich verformt, ändern werden. Diese Dehnungsmeßstreifen können dann mit einer externen Verarbeitungsschaltung verbunden werden, um die ermittelten Änderungen in elektrische Kennwerte für relative Durchbiegungen der Membran und damit für Druckänderungen umzuwandeln. Alternativ können an der äußeren Oberfläche der Membran 48 leitfähige Streifen 52 niedergeschlagen werden. Die Streifen 52 können als Widerstandsdehnungsmeßstreifen ausgebildet werden, so daß eine Durchbiegung der Membran 48 und die damit verbundene Dehnung der Streifen 52 durch eine externe Schaltung erfaßt werden können. Eine derartige Konstruktion ist insbesondere für eine Anwendung geeignet, wenn die niedergeschlagene Schicht 47 Siliziumnitrid ist, das ein guter Isolator ist. Beispielsweise können Polysiliziumstreifen ohne Schwierigkeiten an einer Siliziumnitridmembran durch einen weiteren Schritt einer chemischen Dampfabscheidung ausgebildet werden, wobei die piezoresistiven Kennwerte von Polysilizium verwendet werden, um Durchbiegungen der Membran in einer Vorrichtung, die die Erfindung verwirklicht, zu ermitteln. Eine weitere Alternative, obwohl sie nicht bei der Erfindung zur Anwendung kommt, zum Ermitteln von Durchbiegungen der Membran 48 ist die Ausbildung einer leitenden Schicht 53 auf der Oberfläche des Substrats 46, die unter der zentralen Membran 48 liegt. Die Schicht 53 würde gewöhnlich vor der Ausbildung der niedergeschlagenen Schicht 47 am Substrat abgelagert oder ionenimplantiert. Die obere Fläche der Membran 48 kann dann durch Dampfabscheidung einer Metallschicht auf dieser oder durch eine Ionenimplantation der oberen Fläche der Membran leitend gemacht werden, so daß die obere Fläche der Membran 48 und die Schicht 53 zwei Platten eines Kondensators bilden, der im Ansprechen auf Durchbiegungen der Membran 48 seine Kapazität ändern wird. Die leitende Schicht 53 kann nach außen zu einem Kontakt außerhalb der von der Meßwertgeberstruktur 45 eingenommenen Fläche erstreckt werden, um einen elektrischen Anschluß der Schicht 53 an eine externe Schaltung zu ermöglichen.
• In Fig. 12 ist eine Draufsicht eines Druckgebers 60, der an einem kristallinen Siliziumsubstrat 61 ausgebildet ist, gezeigt. Eine niedergeschlagene Polysiliziumschicht 62 besitzt ein quadratisches, zentrales Membranteil 63, das einen Hohlraum überspannt, und periphere Teile 64, die den Hohlraum umgeben und mit Polysilizium gefüllte Kanäle, welche sich durch diese erstrecken (und in Fig. 12 nicht dargestellt sind), haben. Spannungsempfindliche Widerstände sind durch leichtes Dotieren mit Bor (mittels Diffusion oder Ionenimplantation) von vier schmalen Streifen 66 in der Membranfläche 63 gebildet, wobei zwei Streifen parallel und zwei Streifen rechtwinklig zum benachbarten Rand des Hohlraumes unter der Membran verlaufen. Stark mit Bor dotierte p&spplus;-Bereiche 67 werden durch Diffusion von Bor in die Polysiliziumschicht 62 ausgebildet, um hoch leitfähige Anschlüsse zu den Enden der Widerstände 66 zu schaffen. Die leitfähigen p&spplus;-Bereiche erstrecken sich nach außen zu äußeren Kissenbereichen 69 der Polysiliziumschicht 62. An den Kissenbereichen 69 sind Metallkissen 70 ausgestaltet, um eine Verbindung der Widerstände 66 in einer Brückenausbildung zuzulassen. Die leicht dotierten Widerstände 66 werden sich im Widerstandswert als eine Funktion der Dehnung in der Membran bei den Widerständen, die zu erfassende und zu messende Durchbiegungen der Membran 63 zulassen, ändern.
• Als ein Beispiel der Bildung von abgeschlossenen Hohlraumkonstruktionen, wie sie oben beschrieben wurden und in den Fig. 1-10 dargestellt sind, wurden mehrere Hohlraumkonstruktionen in einer Reihe auf einem Siliziumkristallwafer ausgestaltet. Die gebildeten Hohlräume hatten im wesentlichen die in Fig. 12 gezeigte Gestalt, nämlich eine quadratische mit Abmessungen von 50 bis 250 Mikrometer auf einer Seite und mit einer Hohlraumhöhe von 1,5 Mikrometer. Die zu jedem Hohlraum führenden Kanäle wurden mit 5 Mikrometer Breite bei 0,1 Mikrometer Höhe ausgestaltet.
• Ein kristallines Siliziumwafer, P-Typ, 5,01 cm (2 inches) im Durchmesser mit einer < 111> Ausrichtung, wurde als das Substrat 20 verwendet. Das Substrat wurde zuerst gereinigt und dann feucht in einer Sauerstoff- und Wasserdampfumgebung bei 1150 ºC für 4,5 Stunden oxidiert, um eine Oxidschicht mit einer Dicke von 1,56 Mikrometer zu bilden. Das Substrat wurde dann einem Zyklus zum Spannungsfreimachen in Stickstoff bei 1150 ºC für wenigstens 20 Minuten ausgesetzt, bevor ein Photolack auf die Oberfläche der Oxidschicht (21 in Fig. 1) aufgebracht wurde. Dann wurde die die seitliche Gestalt des Pfeilers 22 bestimmende Maske mit dem Oberteil des Substrats ausgerichtet und eine Belichtung ausgeführt sowie der Photolack entwickelt und nachgehärtet. Der nicht entwickelte Photolack und das darunterliegende Siliziumdioxid wurden dann mit Oxe-35® (Flußsäure) Ätzmittel weggeätzt, und anschließend wurde der verbleibende, den Pfeiler abdeckende Photolack in einer Mischung von Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid abgezogen.
• Die zweite Oxidation, um die zweite Schicht 25 auszubilden, geht mit einem anfänglichen Reinigen des Substrats und einer feuchten Oxidation bei 1000 ºC für 10 Minuten vor sich, um eine Oxidschicht von annähernd 0,12 Mikrometer Dicke zu erzeugen, woran sich ein Spannungsfreimachen im Stickstoff bei 1000 ºC für ein Minimum von 20 Minuten, ein Aufbringen von Photolack auf die exponierten Flächen und ein Vorhärten des Photolacks anschließen. Dann wurde die Basisniveaumaske, die die Rippen 27 bestimmt, ausgerichtet, eine Belichtung ausgeführt und der Photolack entwickelt sowie nachgehärtet. Hierauf wird der nicht entwickelte Photolack sowie das darunterliegende Siliziumdioxid weggeätzt und der Photolack in der oben beschriebenen Weise abgezogen.
• Die Schicht 32 wurde dann durch Niederschlagen von polykristallinem Silizium aus Silangas gebildet. Um eine Polysiliziumschicht 32 mit einer Dicke von annähernd 1,5 Mikrometer beispielsweise zu erzeugen, wurde das mit der allgemein in Fig. 5 und 6 gezeigten Struktur versehene Substrat einem 100%igen Silangas bei einem Druck von 20,0 Pa (150 Milli-Torr) bei etwa 635 ºC für 2 Stunden ausgesetzt. Im Anschluß an das Niederschlagen der Polysiliziumschicht 32 wurde das Wafer einem Zyklus zum Spannungsfreimachen in einer Stickstoffatmosphäre bei annähernd 1150 ºC für 3 Stunden unterworfen, um das Spannungsniveau in dem Polysilizium herabzusetzen. Nachdem der Zyklus zum Spannungsfreimachen beendet war, wurde Photolack über den exponierten Flächen angebracht und vorgehärtet. Dann wurde eine Maske ausgerichtet auf dem Wafer angeordnet, die den Bereich der Schicht 32 bis zu den äußeren Enden 34 der Rippen freilegt, es wurde eine Belichtung ausgeführt und der Photolack entwickelt sowie nachgehärtet. Die angelassene Polysiliziumschicht 32 wurde dann mit Kohlenstofftetrafluorid-Sauerstoffplasma geätzt, um das gesamte Polysilizium unter dem nicht entwickelten Photolack zu entfernen, und der verbleibende Photolack wurde anschließend abgezogen, um eine Struktur, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, zu belassen, in welcher die äußeren Enden 34 der Oxidrippen exponiert sind und sich auswärts über die Polysiliziumschicht 32 hinaus erstrecken werden. Das Substratwafer wurde dann in konzentrierte Flußsäure getaucht, und es wurde ein Fortgang des Ätzens zugelassen, bis das gesamte Siliziumdioxid entfernt war. Ätzgrade können durch visuelle Kontrolle mittels Kontrastmikroskopie bestimmt werden, wobei ein Überätzen zulässig ist. Es ist zu bemerken, daß Flußsäure nicht oxidfreie Siliziumflächen benetzen wird. Als Ergebnis zieht sich das Ätzmittel vom Hohlrauminneren über die geätzten Kanäle zurück, wenn das gänzlich geätzte Wafer aus dem Ätzmittel herausgenommen wird. Nach Beendigung der Siliziumdioxidätzung wurde das Wafer mit Alkohol und Wasser für 15 Minuten gespült, um jegliche Fluorreste zu beseitigen, und dann in eine Vakuumkammer eingebracht und bei 0 bis 6,7 Pa (0 bis 50 Milli-Torr) für 30 Minuten ausgehärtet.
• Zwei alternative Verschlußtechniken können zur Anwendung kommen, um die Kanäle 35 abzuschließen. Bei der ersten Technik wurde ein Wafer, das, wie oben beschrieben wurde, behandelt war, in eine Umgebung von Sauerstoff und Wasserdampf bei 850 ºC für annähernd 1 Stunde eingebracht, wonach alle geätzten Kanäle als durch von den Flächen der Kanäle aus gewachsenes Siliziumdioxid geschlossen festgestellt wurden. Eine derartige Verschlußtechnik resultiert in extrem glatten inneren Hohlraumflächen, die von Oxiden bedeckt sind, die viel dünner als diejenigen an der Außenseite der Vorrichtung sind. Die Abdichtungen sind in hohem Maß mechanisch perfekt und exzellente Fertigungserträge sind das Ergebnis. Jedoch tritt eine gewisse Zunahme im Spannungsfeld in der Polysiliziummembran 37 als ein Ergebnis der Oxidation auf.
• Bei der zweiten Verschlußtechnik wurde ein Wafer, das, wie oben beschrieben wurde, behandelt war, in einer 100%igen Silanumgebung bei annähernd 635 ºC und 20 Pa (150 Milli-Torr) Druck für etwa 25 Minuten angeordnet, wonach alle geätzten Kanäle als durch eine niedergeschlagene Schicht aus Polysilizium geschlossen festgestellt wurden. Das in den Kanälen niedergeschlagene Polysilizium hat den Hohlraum 36 völlig von der Umgebung abgeschlossen.
• Durchbiegbare Membranen 37, die die Hohlräume 36 abdecken, welche mittels einer der vorgenannten Techniken abgeschlossen sind, können zur Druckmessung verwendet werden, indem elektrische Schaltungselemente an der Membran ausgebildet werden, um deren Biegung zu erfassen. Die durch den oben beschriebebenen Prozeß gebildeten Polysiliziummembranen sind stark und flexibel und haben eine gemessene Zugfestigkeit von annähernd 1,38 · 10&sup9; Pa (200 000 psi). Es ist festgestellt worden, daß Zyklen zum Spannungsfreimachen im wesentlichen die Spannung in den Polysiliziummembranen herabsetzen, wobei ein typisches Restspannungsfeld annähernd 0,1% für Polysiliziumschichten von 1,5 bis 2 Mikrometer beträgt. Geringe Änderungen in der Dehnung in den Membranen treten mit dem Grad einer Dotierung in der Membran in Erscheinung, sie sind jedoch klein genug, um hochqualitative Strukturen zuzulassen, die entweder dotiert oder undotiert sind. Wenn es gewünscht wird, kann die Polysiliziummembran im wesentlichen zu einem Einkristallsilizium durch eine Lasertemperung umgewandelt werden.
• Die Zusammensetzung des zum Verschließen der Kanäle verwendeten Gases kann so eingestellt werden, um ein gewünschtes Restdruckniveau innerhalb der abgeschlossenen Hohlräume zu erhalten. Beispielsweise werden bei einer oxidierenden Verschlußtechnik das Wasser und der Sauerstoff, die im Hohlraum eingeschlossen sind, im wesentlichen vollständig bei der Ausbildung eines Oxids an den Innenwänden des Hohlraumes verbraucht, wobei ein Restgas, z. B. Stickstoff oder Argon, verbleibt, das im Hohlraum eingeschlossen ist. Auf diese Weise wird der Restdruck im Hohlraum im wesentlichen der Partialdruck des "inerten" Gases sein, wie es in der Oxidationsatmosphäre existierte. Wenn ein Niederschlag aus Polysilizium von Silan zum Verschließen der Hohlräume verwendet wird, kann in gleichartiger Weise das Silan mit einem inerten Gas gemischt werden, welches im Hohlraum eingeschlossen wird, wenn Polysilizium an den Innenwänden des Hohlraumes niedergeschlagen wird. Das im Hohlraum aus der Zersetzung von Silan eingeschlossene Wasserstoffgas wird durch die Wände des Hohlraumes diffundieren, wobei das schwerere inerte Gas zurückbleibt. Somit kann das angestrebte Druckniveau im Hohlraum wunschgemäß durch Wählen des Partialdrucks des inerten Gases in der umgebenden Atmosphäre während des Verschlußzyklus bestimmt werden. Wenn es gewünscht ist, kann der Hohlraum auch auf einem sehr niedrigen Relativdruck gehalten werden, falls die Atmosphäre im Hohlraum während eines Verschließens aus einem Gas besteht, das im wesentlichen bei Ausscheiden an den Wänden des Hohlraumes oder Reagieren mit dem Silizium im Hohlraum vollständig verbraucht wird.
• Wie oben gesagt wurde, können andere Materialien als Polysilizium die niedergeschlagene Schicht bilden. Irgendein Material, das aus einer Gas- oder Dampfphase niedergeschlagen wird, um eine kohäsive Membranstruktur zu bilden, kann verwendet werden. Zur beispielhaften Erläuterung ohne Beschränkung hierauf schließen diese Materialien Siliziumnitrid, das durch eine chemische Niederdruck-Dampfabscheidung (z. B. aus einer Dampfphase von Dichlorsilan und Ammoniak bei 53,3 Pa (400 Milli-Torr) bei 800 ºC) niedergeschlagen werden kann, und Aluminium, das durch Zerstäubung oder metallorganische chemische Dampfabscheidung (z. B. durch Zersetzen von Trimethylaluminium) niedergeschlagen werden kann, ein. Wenn Siliziumnitrid oder ein Metall, wie Aluminium, die niedergeschlagene Schicht 32 bildet, können der Pfeiler 22 und die Rippen 27 aus Polysilizium gestaltet werden, das durch Ätzmittel angegriffen wird, die sich im wesentlichen nicht auf Siliziumnitrid oder Aluminium auswirken. Die Kanäle in Polysilizium- Hohlraumstrukturen können durch Niederschlagen von Siliziumnitrid in den Kanälen abgeschlossen werden, und Siliziumnitrid-Hohlraumstrukturen können durch Niederschlagen von Polysilizium verschlossen werden. Im erstgenannten Fall erzeugt die an der Außenfläche der Membran des Hohlraumes gebildete Schicht aus Siliziumnitrid eine ausgezeichnete isolierende Fläche, auf welcher elektrisch isolierte Schaltungselemente (z. B. piezoresistive Polysilizium-Widerstände ) ausgebildet werden können und die eine Kontrolle der Gesamtdehnung in der zusammengesetzten Membran bieten. Selbstverständlich kann das Substrat selbst aus verschiedenen Substratmaterialien gefertigt werden, die gewöhnlich in der Halbleiterfertigung verwendet werden, einschließlich beispielsweise kristallinem Silizium, Germanium, Saphir, Silizium auf Saphir, Spinell, Siliziumdioxid und keramischen Zusammensetzungen.
• Wie oben bemerkt wurde, werden piezoresistive Elemente verwendet, um eine Dehnung zu messen, wobei Polysilizium-Widerstände besonders für eine Eingliederung in die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Es kann nachgewiesen werden, daß die größte Empfindlichkeit gegenüber Druckänderungen erhalten wird, wenn die Piezowiderstände in der Mitte der Kanten einer quadratischen Membran angebracht werden. Im allgemeinen haben Polysilizium-Widerstände, die im großen und ganzen parallel zur Membrankante angebracht sind, eine sehr geringe Dehnungsempfindlichkeit, während Widerstände, die rechtwinklig zur Kante angeordnet sind, eine angemessene Dehnungsempfindlichkeit bieten. Es ist möglich, an der Membran ausgebildete Polysilizium-Piezowiderstände, die entgegengesetzte Änderungen im Widerstandswert mit einem aufgebrachten Druck haben werden, durch Dotieren von an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten der Membran ausgebildeten Widerständen mit dem einen Typ eines Dotierungsmittels, p oder n, und von Widerständen an den anderen zwei Seiten mit dem entgegengesetzten Typ des Dotierungsmittels zu erlangen. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, eine vollaktive Brücke an der Membran zu erhalten. Es ist auch möglich, zwei der Brückenzweige nahe dem Zentrum der Membran anzubringen, das eine Position von verminderter Druckempfindlichkeit ist, das jedoch eine Änderung im Widerstandswert mit einem aufgebrachten Druck erzeugt, die entgegengesetzt zu derjenigen ist, welche mit Widerständen desselben Dotierungsmittels, die an den Kanten der Membran angebracht sind, erhalten wird.
• Wenn die Größe der Membranen vermindert wird, ist es schwieriger, die Widerstände optisch auszurichten und exakte Widerstandswerte für die an den Membranen angebrachten Widerstände zu erlangen. Eine Art und Weise, womit das Ausrichtproblem minimiert werden kann, ist, Piezowiderstände zu verwenden, die so angebracht sind, daß sich jedes Ende in einem Null-Dehnungspunkt befindet. Ein solcher Ort einer Null- Dehnung ist selbstverständlich ein Ort von der Kante der Membran weg, an welcher die Membran am Substrat befestigt ist. Der andere Punkt einer Null-Dehnung für eine quadratische, an ihren Kanten befestigte Membran ist ein Ort bei etwa einem Drittel der Strecke zum Zentrum der Membran von einer Kante aus. Somit ist es möglich, geschlängelte Widerstände zu erzeugen, die durch diese zwei Punkte hindurchgehen und die eine gute Toleranz gegenüber einem Ausrichtfehler haben werden. Unter Anwendung einer serpentinenförmigen Ausgestaltung für die Widerstände wird der Effekt der Widerstandslänge erhöht, wodurch sich der gesamte Widerstandswert vergrößert und der Leistungsverlust bei Erwärmen im Widerstand vermindert wird.
• Die optimale Geometrie eines ebenflächig gefertigten Druckgebers liefert die maximale Dehnungsänderung mit einem aufgebrachten Druck, solange sie innerhalb der Beschränkungen gehalten wird, die durch die Fabrikationstechniken und Materialeigenschaften auferlegt werden. Die Dehnungsempfindlichkeit und insofern die Druckempfindlichkeit ist zu a²/Eh² proportional, worin h die Membrandicke, a die Breite der Membran und E der Elastizitätsmodul sind. Je kleiner die Dicke und je größer die Fläche der Membran desto besser ist folglich die Druckempfindlichkeit. Jedoch ist die auf ein Biegen zurückzuführende Maximalspannung auch zu a²/h² proportional und kann der begrenzende Faktor für ein Maximieren der Druckempfindlichkeit sein, und zwar insbesondere für Membranen, die mit einem eingebauten Zugspannungsfeld gefertigt werden. Für eine mit einem eingebauten Druckspannungsfeld ausgebildete Plattenmembran ist das Verhältnis von a²/h² durch ein Ausbeulen der Membran begrenzt. Die maximale Durchbiegung tritt im Zentrum der Membran auf und ist zu Qa&sup4;/h³ proportional, so daß für ein festes Verhältnis von a/h die maximale Durchbiegung mit anwachsender Membranbreite a größer wird. Die Spaltweite zwischen der Membran und dem darunterliegenden Substrat bestimmt ersichtlich eine mechanische Grenze gegenüber der maximalen Durchbiegung. Durch geeignetes Festsetzen der Spaltweite kann eine wirksame Überdrucksperre geschaffen werden. Vorzugsweise sollte die maximale Durchbiegung der Membran, um eine Linearität zu bewahren, geringer als annähernd ein Fünftel der Membrandicke sein. Durchbiegungen größer als diese können eine Streckung der mittigen Ebene der Membran bewirken, was in einer Nichtlinearität der Dehnung mit einer aufgebrachten Belastung resultiert. Jedoch haben viele Vorrichtungen, die mit Lücken ebenso groß wie die Membrandicke gefertigt wurden, eine angemessen gute Linearität bei dem Druck gezeigt, bei welchem die Membran das darunterliegende Substrat berührte. Die Dicke der Membran ist für eine maximale Dehnungsempfindlichkeit vorzugsweise so klein wie möglich, solange eine Membran geschaffen wird, die stark genug ist, um während der Bearbeitung intakt zu bleiben, und dick sowie gleichförmig genug ist, um sich im unbelasteten Zustand nicht zu wölben. Die Weite des Spalts selbst zwischen der Membran und dem Substrat sollte klein sein, um einen Meßwertgeber so klein wie möglich zu produzieren. Die Spaltweite und Membrandicke sind bevorzugterweise klein, um das Material und die Zeit, die zur Fabrikation der Vorrichtungen erforderlich sind, zu vermindern. Vorzugsweise sollte die Membranbreite größer als das Zehnfache der Dicke der Membran sein, um eine lineare und voraussagbare Dehnungsänderung mit dem Druck aufrechtzuerhalten. Die Membranbreite ist auch bevorzugterweise groß genug, um das Anbringen von dehnungsempfindlichen Widerständen an der Membran zu erlauben, während angemessene Ausrichttoleranzen zugelassen werden.
• Eine Bearbeitungsfolge zur Ausbildung eines ebenflächigen Polysilizium-Meßwertgebers, der mit aus Dampf niedergeschlagenem Siliziumnitrid abgeschlossen ist, ist in den Darstellungen der Fig. 13-33 gezeigt. Bei dieser Technik wächst der den Hohlraumbereich bestimmende Pfeiler in die Substratfläche hinein, so daß die resultierende Membran im wesentlichen mit den lagernden Teilen der Membran, die auf dem Substrat ruhen; koplanar ist. Die Siliziumnitridschicht erzeugt eine dielektrische Isolierung für Polysilizium-Widerstände. Bezüglich der Fig. 13 umfaßt das Ausgangsmaterial ein kristallines Siliziumsubstrat 80. Eine 0,04 Mikrometer dicke Schicht 81 aus Siliziumdioxid wird thermisch am Wafer zum Wachsen gebracht. Eine zweite dünne Schicht 82 aus nahstöchiometrischem Siliziumnitrid von etwa 0,04 Mikrometer Dicke wird dann niedergeschlagen. Beispielsweise kann das Nitrid aus einer Gasphase niedergeschlagen werden, die eine Mischung von Ammoniakgas und Dichlorsilan umfaßt. Als beispielhafte Bedingungen können für das Ammoniakgas eine Durchsatzmenge von 160 Milliliter pro Minute und für das Dichlorsilan eine Durchsatzmenge von 38 Milliliter pro Minute bei einem Druck von annähernd 20 Pa (150 Milli-Torr) und eine Beschichtungstemperatur von 800 ºC vorgesehen werden. Die erste Maskierungsebene, die den Hohlraum bestimmt, wird dann strukturiert, und die Nitridschicht 82 wird in einem CF&sub4;/O&sub2;-Plasma geätzt, woran sich eine HF-Ätzung der Oxidschicht 81 anschließt, um einen offenen Bereich 83 zu bilden, der die Umfänge des Hohlraumes bestimmt, wie in Fig. 14 gezeigt ist. Die Oxidschicht bildet eine geätzte Sperre für das Nitrid-Ätzmittel.
• Das Substrat wird dann bei beispielsweise 1050 ºC unter feuchtem Stickstoff oxidiert, um eine Schicht 84 aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von 0,75 Mikrometer zu erzeugen, wie in Fig. 15 gezeigt ist. Das gesamte Substrat, das keine Struktur trägt, wird dann in eine HF-Lösung getaucht, um das Oxid 84 zu entfernen, wodurch eine Einsenkung 86 im Substrat 80 verbleibt, wie in Fig. 16 gezeigt ist. Anschließend wird das Wafer reoxidiert bei derselben Temperatur und Zeit unter denselben Bedingungen, um Oxid in die im Substrat ausgestaltete Einsenkung wachsen zu lassen. Das Ergebnis ist ein eingesetzter, mit Oxid gefüllter Pfeilerbereich 87 von annähernd 0,75 Mikrometer Dicke, der eine obere Fläche im wesentlichen in der Ebene der oberen Fläche des Substrats 80 hat. Die Nitridschicht 82 hat sich als eine wirksame Oxidationssperre bei einem Oxidieren mit weniger als 0,1 nm (1 Ångström) über eine Minute bei einer Temperatur von 1050 ºC erwiesen.
• Die Schichten 81 und 82 werden dann strukturiert und geätzt, um in der Nitrid-/Oxidschicht Fenster 88 zu öffnen, die das Siliziumsubstrat an Stellen exponieren, wo die Membran mit dem Substrat verankert werden soll. Die verbleibenden Bereiche oder Inseln 89 aus Nitrid und Oxid erstrecken sich in einer verästelten Netzwerkstruktur ähnlich dem oben beschriebenen Netz von Rippen 27. Die in Fig. 18 gezeigten Inselbereiche 89 dienen folglich im wesentlichen als die Rippen 27, um als Formen für Ätzmittelkanäle zu wirken, wie unten weiter beschrieben wird.
• Eine Schicht 90 aus LPCVD-Polysilizium (z. B. 2 Mikrometer dick) wird dann auf dem Substrat niedergeschlagen, wie in Fig. 19 gezeigt ist, wobei derjenige Teil der Polysiliziumschicht, der den eingesenkten Pfeiler 87 überlagert, die beginnende Membran 91 bildet. Beispielsweise kann eine 2 Mikrometer dicke Schicht aus Polysilizium aus Silangas bei 635 ºC für 100 Minuten niedergeschlagen und dann bei 1150 ºC für 3 Stunden spannungsfrei gemacht werden, um das Restdehnungsfeld zu vermindern.
• Die Polysiliziumschicht 90 wird dann strukturiert, um das Meßwertgeber-Hauptteil zu bilden, und geätzt, wie in Fig. 20 gezeigt ist, um das Hauptteil zu bestimmen. Die Nitridschicht 82 und die Oxidschicht 81 bilden eine Ätzsperre für dieses Ätzen, das vorzugsweise ein Ätzen in zwei Schritten ist. Beispielsweise kann eine reaktive NF&sub3;-Ionenätzung für die abzuarbeitende Hauptmasse zur Anwendung kommen, und das verbleibende Polysilizium kann unter Verwendung eines CF&sub4;/O&sub2;- Plasmas geätzt werden, um eine gleichförmige Ätzung zu erlangen.
• Das gesamte Wafer kann dann in konzentrierte Fluorwasserstoffsäure für eine Dauer von mehreren Stunden eingetaucht werden, um das gesamte Oxid und Nitrid am Wafer einschließlich desjenigen im invertierten Pfeiler 87 zu beseitigen. Das Ergebnis dieses Ätzens ist in Fig. 21 gezeigt, wobei geätzte Kanäle 93 an der Stelle der Inseln oder Rippen 89 verbleiben und ein Hohlraum 94 an der Stelle des invertierten Pfeilers 87 übrigbleibt. Nach Beendigung des Ätzens steht der Teil der Polysiliziumschicht 90, der die Membran 91 bestimmt, frei und ungestützt über dem Hohlraum 94. Wie in den Darstellungen der Fig. 18-21 veranschaulicht ist, erstrecken sich die Rippen oder Inseln 89 über dem eingewachsenen Pfeiler 87, so daß das Ätzmittel, das durch die Rippen 89 hindurch ätzt, in den Bereich des eingewachsenen Pfeilers 87 gelangen und diesen ätzen kann. Dies geschieht, weil die zweite Oxidation des Wafers, die in Fig. 17 gezeigt ist, bewirkt, daß die Oxidation unter der Oxidschicht 81 und Nitridschicht 82 fortschreitet, wie in Fig. 17 dargestellt ist. Nach dem Spülen des Wafers in destilliertem Wasser und Trocknen für 30 Minuten unter einem Vakuum sollten die Membranen als flach und unverzerrt zu finden sein. Eine reaktive Abschlußtechnik, um die Kanäle 93 abzuschließen, kann dann beginnen.
• Eine zweite Schicht 96 eines Oxids, z. B. etwa 0,04 Mikrometer dick, wird bei 800 ºC für 40 Minuten unter einer Atmosphäre von feuchtem Stickstoff wachsen gelassen. Anschließend wird eine zweite Schicht 97 eines spannungsarmen LPCVD-Siliziumnitrids, die ebenfalls etwa 0,04 Mikrometer dick ist, niedergeschlagen. Das Oxid wird auch in den Kanälen 93 gebildet, um ein Abschließen der Kanäle zu unterstützen, wie auch innerhalb des Hohlraumes 94, da Sauerstoff im Hohlraum verbraucht wird. Darüber hinaus werden die Kanäle 93, falls sie nicht nach dem Wachsen der Oxidschicht gänzlich geschlossen sind, vollständig abgeschlossen, wenn die Nitridschicht niedergeschlagen wird, wie in Fig. 22 gezeigt ist, wobei die Kanäle gegenüber der Atmosphäre gänzlich abgeschlossen sind. Die gewünschte spannungsarme Nitridschicht 97 kann unter Verwendung von größeren Anteilen von Dichlorsilan zu Ammoniak erzielt werden.
• Unmittelbar nach dem Niederschlagen der Siliziumnitridschicht werden die Wafer zum LPCVD-Polysilizium-Abscheidesystem überführt, wo eine Schicht 98 aus Polysilizium (z. B. etwa 0,5 Mikrometer dick) aufgebracht wird, wie in Fig. 23 gezeigt ist.
• Mehrere Strukturierungsschritte schließen sich dann an, um in geeigneter Weise die in der Polysiliziumschicht 98 auszubildenden Polysilizium-Widerstände zu dotieren. Die Widerstände können unter Verwendung von Bor- oder Phosphor-Dotierungsmitteln zum n-Typ oder p-Typ dotiert werden. Unter Verwendung von beiden Typen eines Dotierungsmittels an einer einzigen Membran können vollaktive Brücken an der Membran erhalten werden. Alternativ ist es möglich, vier geschlängelte Widerstände auszubilden, die symmetrisch um das Plattenzentrum herum angebracht und in Reihe verbunden werden, um den höchsten Grad einer Ausrichttoleranz, den höchsten Widerstandswert und die beste Anpassung von Membran zu Membran zu erzeugen. Die Ausbildung derartiger Widerstände ist in der Folge der Fig. 24-33 dargestellt.
• Wie in Fig. 24 gezeigt ist, wird zuerst ein Widerstandimplantat eines einzelnen Dotierungsmittels auf die gesamte Polysiliziumschicht 98 aufgebracht. Dann wird, wie in Fig. 25 gezeigt ist, ein Photolack 100 auf gewünschte Flächenteile der Polysiliziumschicht 98 aufgetragen und ein weiteres Dotierungsimplantat auf die exponierten Bereiche der Schicht 98 aufgebracht, wie in Fig. 26 gezeigt ist. Das läßt eine stärkere Implantatdosis in den Berührungsbereichen und den Umkehrpunkten der Polysiliziumwiderstände zu. Für die Umkehrpunkte ist ein niedrigerer Widerstandswert erwünscht, weil ihr Beitrag zur Dehnungsempfindlichkeit klein ist. Anschließend wird der Photolack 100 entfernt und eine weitere Schicht 101 eines Photolacks auf die Polysiliziumschicht über denjenigen Bereichen der Schicht aufgetragen, die erhalten bleiben sollen, wie in Fig. 27 gezeigt ist. Hierauf wird ein Ätzmittel an dem Wafer angewendet, um das Polysilizium in allen Bereichen mit Ausnahme desjenigen, der von der Photolackschicht 101 bedeckt ist, wegzuätzen, und dann wird der Photolack beseitigt, um die in Fig. 28 gezeigte Struktur übrigzulassen. Das Wafer wird anschließend einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt, was im Wachsen einer Oxidschicht 103, die z. B. 0,04 Mikrometer dick ist, über der Polysiliziumschicht und das langsame Wachsen eines Oxids an der Siliziumnitridschicht 97 (Fig. 29) zum Ergebnis hat.
• Hierauf wird eine Photolackschicht 104 aufgetragen, wobei Flächen der Oxidschicht 103 exponiert gelassen werden, wo die Kontakte ausgebildet werden sollen, wie in Fig. 30 gezeigt ist. Ein Ätzmittel wird dann am Wafer angewendet, um durch den Teil der Schicht 103 zu ätzen, der exponiert ist, und zwar bis zur Polysiliziumschicht 98 herunterzuätzen; die Photolackschicht 104 wird anschließend entfernt, und eine Metallschicht 105 (z. B. Aluminium) wird über der exponierten Fläche, wie in Fig. 31 gezeigt ist, einschließlich der Teile, wo das Metall mit den stark dotierten Teilen der Polysiliziumschicht 98 Kontakt herstellt, aufgebracht.
• Die Oberfläche des Metalls wird dann mit einer Photolackschicht 107 strukturiert, wie in Fig. 32 gezeigt ist, und es wird ein Ätzmittel zur Anwendung gebracht, um die vom Photolack nicht abgedeckte Metallschicht wegzuätzen, worauf der Photolack beseitigt wird, um die vollständige Struktur mit den metallisierten leitenden Schichten 105 in sachgerechtem Schema, wie in Fig. 33 gezeigt ist, übrigzulassen. Die Metalloberflächenschicht 105 wird anschließend angelassen, um die Fabrikationsfolge abzuschließen. Der Druck-Meßwertgeber, der die den Hohlraum 94 überspannende Membran 91 hat, ist nun zum Anschließen und Testen fertig.
• Eine Draufsicht eines Druck-Meßwertgebers, der, wie oben beschrieben wurde, ausgebildet ist, ist in Fig. 34 gezeigt. Wie hier dargestellt ist, erstreckt sich die Metallschicht 105 nach außen zu Kontaktkissen 106, wodurch Kontakte zu den vier geschlängelten Widerständen hergestellt werden können, die durch-den Verlauf des Polysilizium-Widerstandsmaterials 98 oben auf der Membran 91 über der isolierenden Siliziumnitridschicht ausgebildet sind. Der Ort der Grenze der Membran 91 ist in Fig. 34 durch die Linie 107 dargestellt, und die Grenze der niedergeschlagenen, am Substrat verbleibenden Polysiliziumschicht 90 ist in Fig. 34 durch die Linie 108 angegeben. Eines der Netzwerke von angefüllten Kanälen 93 ist auf der einen Seite der Membran durch gestrichelte Linien in Fig. 34 gezeigt, wobei die relative Lage des Netzwerks der Kanäle 93 mit Bezug zum Rand der Membran 107 und zur äußeren Kante 108 der Polysiliziumschicht 90 dargestellt ist. Die Widerstände 98, die an der Fläche der Membran 91 ausgebildet sind, sind für eine Verbindung in einer brückenartigen Anordnung bestens hergerichtet. Wenn es gewünscht wird, können die Verbindungen zwischen den Widerständen durch sich direkt zwischen den benachbarten Lagen 105 erstreckende Metallschichten besser als durch notwendige Kontakte zwischen den Kissen 106 hergestellt werden.
• Die Siliziumnitridschicht 97 wirkt als eine dielektrische Isolierschicht, um die Polysilizium-Widerstände 98 zu isolieren. Eine Schicht eines anderen Isolators, z. B. Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid, kann alternativ für diesen Zweck verwendet werden. Die oben beschriebene Vorrichtung hat ein niedrigeres Profil an der Oberfläche des Substrats als derart ausgebildete Vorrichtungen, bei welchen sich die Membran aufwärts über die Oberfläche des Substrats erstreckt, wodurch das durch eingebaute Spannungen und eine erhöhte Membran hervorgerufene Moment reduziert wird. Es hat sich auch herausgestellt, daß ebenflächige Vorrichtungen etwas leichter als die erhöhte Vorrichtung zu strukturieren sind.

Claims (10)

1. Druck-Meßwertgeberkonstruktion, die umfaßt: ein Halbleitersubstrat (80) mit einer oberen Fläche; und eine Schicht (90) aus festem Material an der Substratoberfläche, die ein zentrales Teil hat, das eine verformbare Membran (91) bestimmt, welche vom Material des Substrats beabstandet ist, um zwischen der Membran sowie dem Substrat einen Hohlraum (94) zu begrenzen, und das mit der oberen Fläche des Substrats (80) verbundene periphere Teile mit durch die peripheren Teile vom Hohlraum zum Umfang der Schicht sich erstreckenden blockierten Kanälen (93) besitzt, wobei der Hohlraum (94) durch festes Material, das die genannten Kanäle blockiert, abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein piezoresistives Element (98), um ein Ausgangssignal von dem Meßwertgeber zu erhalten, an der Membran (91) vorgesehen ist, welche eine elektrische Isolierung an ihrer Außenoberfläche enthält, wodurch Durchbiegungen der Membran mittels Änderungen im Widerstand des piezoresistiven Elements erfaßt werden können, und daß der Hohlraum (94) durch eine nach innen in das Substrat (80) von dessen oberer Fläche aus gerichtete Erweiterung begrenzt ist.

2. Meßwertgeberkonstruktion nach Anspruch 1, bei welcher die Schicht (90) aus festem Material polykristallines Silizium ist.

3. Meßwertgeberkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, in welcher das niedergeschlagene feste Blockiermaterial Siliziumnitrid umfaßt.

4. Meßwertgeberkonstruktion nach Anspruch 1, 2 oder 3, in welcher die elektrische Membranisolierung (97) eine Schicht aus Siliziumnitrid an der Membran umfaßt.

5. Meßwertgeberkonstruktion nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in welcher piezoresistive Elemente (98) in einer Mehrzahl vorgesehen sind, von denen jedes eine schlangenlinienartige Form hat, die den Rand des Hohlraumes kreuzt und teilweise den Hohlraum überdeckt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Druck-Meßwertgebers, bei welchem ein Halbleitersubstrat (80) mit einem Pfeilerbereich (87) aus ätzbarem Material von ausgewählten Dimensionen und ausgewählter Gestalt vorgesehen ist; eine Rippe (89) aus ätzbarem Material an dem Substrat vorhanden ist, die sich von dem Pfeilerbereich auswärts zu einer vom Pfeilerbereich entfernten Position erstreckt; festes Material (90) in einer kohäsiven Schicht aus einer gasförmigen Phase des Materials über dem Pfeilerbereich, der Rippe sowie der angrenzenden Fläche des Substrats niedergeschlagen wird; ein Ätzmittel an dem Substrat zum Herausätzen des ätzbaren Materials in der genannten Rippe, um einen Kanal (93) unter der niedergeschlagenen Materialschicht (90) zu belassen, und zum Herausätzen des Pfeilerbereichs, um einen von der niedergeschlagenen Schicht (90) abgedeckten Hohlraum (94) zu belassen, angewendet wird, wobei ein Teil der Schicht über dem Hohlraum eine verformbare Membran (91) bestimmt; und festes Material aus einer Gasphase des Materials in den Kanälen niedergeschlagen wird, um die Kanäle derart zu verschließen, daß atmosphärische Gase durch die Kanäle nicht in den oder aus dem Hohlraum gelangen können, dadurch gekennzeichnet, daß der Pfeilerbereich (87) durch Wachsen eines Pfeilerbereichs in das Substrat zu einer vorbestimmten Tiefe, um einen Pfeilerbereich in dem Substrat auszugestalten, gebildet wird, wobei sich die Ränder des genannten Pfeilerbereichs unterhalb der erwähnten Rippe aus ätzbarem Material erstrecken, daß die Membran (91) derart ausgebildet wird, daß sie eine elektrisch isolierende Außenfläche umfaßt, und daß wenigstens ein piezoresistives Element (98) durch Niederschlagen an der elektrisch isolierenden Fläche (97) auf der Membran erzeugt wird, um eine Membranbewegung im späteren Gebrauch der Meßwertgeberkonstruktion zu erfassen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Meßwertgeberkonstruktion gebildet wird durch einleitendes Niederschlagen einer Schicht (81, 82) aus ätzbarem Material an einem Siliziumsubstrat (80); Wegätzen eines Teils dieser ersten Schicht, um eine dem geforderten Querschnitt des Pfeilerbereichs entsprechende Öffnung zu belassen; Oxidieren des Substrats, um eine Oxidschicht (84), die sich sowohl in das Substrat (80) als auch aufwärts durch die Öffnung in der oberen Schicht (82) erstreckt, zu erzeugen; Wegätzen des Oxids, um eine Höhlung (86), die sich in das Substrat (80) erstreckt, zu belassen; und Aussetzen des Substrats einem zweiten Oxidationsschritt, um einen Oxid-Pfeilerbereich (87) in dem Substrat auszugestalten, wobei sich die Ränder dieses Pfeilerbereichs unterhalb der erwähnten Schicht aus ätzbarem Material (81, 82) erstrecken; die Rippen (89) dann durch Ätzen eines Teils der erwähnten Schicht aus ätzbarem Material gebildet werden, um die genannten Rippen an dem Substrat vor dem Aufbringen der Schicht (90) aus festem Material über den genannten Rippen (89) sowie über der Fläche des erwähnten Pfeilerbereichs (87) zu belassen, und dann das Material der genannten Rippen (89) sowie das Material des erwähnten Pfeilerbereichs (87) von unterhalb der besagten Schicht (90) aus festem Material geätzt werden, wodurch die besagte Schicht aus festem Material (90) als die Membran (91) mit ihrer inneren Oberfläche bündig mit der Oberfläche des genannten Substrats zurückbleibt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem eine Schicht (97) aus isolierendem Material auf der äußeren Seite der erwähnten Membran (90) vor dem Aufbringen des piezoresistiven Elements auf dieser niedergeschlagen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem das über dem Pfeilerbereich niedergeschlagene Material polykristallines Silizium ist, wobei die daran aufgebrachte Schicht (97) aus isolierendem Material Siliziumnitrid enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, bei welchem piezoresistive Elemente (98) in einer Mehrzahl vorgesehen sind, von denen jedes eine schlangenlinienartige Form hat, die den Rand des Hohlraumes (94) kreuzt und teilweise den Hohlraum überdeckt.