Die Silizium-Mikromechanik ermöglicht die kostengünstige Mas- senfertigung von kleinen Sensorchips unter Verwendung von Me- thoden der Halbleitertechnologie. Massenflusssensoren mit Ab- messungen in der Größenordnung von einigen Hundert Mikrometer werden beispielsweise im Kfz-Bereich zur Steuerung der Luft- zufuhr-eingesetzt.

Die bisher, zum Beispiel aus der DE 195 27 861 A1, bekannten Massenflusssensoren in Silizium-Mikromechanik umfassen ein Heizelement und typischerweise mehrere Temperaturmesselemen- te, die alle aus einer Metall-Widerstandsschicht herausstruk- turiert sind und die auf einer dünnen Membran aus dielektri- schem Material angeordnet sind. Die Membran überspannt eine Ausnehmung in einem Siliziumsubstrat.

Wenn ein Mediumstrom, insbesondere ein Luftstrom auf der 0- berseite der Membran entlangströmt, so bewirkt dieser Medium- strom eine Abkühlung der Membran. Diese Abkühlung kann insbe- sondere durch ein (relativ zum Heizelement), stromaufwärts ge- legenes Temperaturmesselement-und ein weiteres, jedoch fluss- abwärts gelegenes Temperaturmesselement ausgewertet werden, wobei das stromaufwärts gelegene Messelement stärker abge- kühlt wird als das flussabwärts gelegene. Alternativ ist es auch möglich, durch eine Widerstandsmessung des Heizelementes die Abkühlung der Membran zu bestimmen. Bei den Temperatur- messelementen handelt es sich ebenfalls um Widerstände, die aus einem Material bestehen, dessen Widerstand tempera. turab-

hängig ist. Ein besonders geeignetes Material für den Heizer und die Temperaturmesselemente ist Platin.

Aus der DE 195 27 861 AI ist es dabei auch bekannt, zur Her- stellung eines derartigen Membran-Sensors von einem Silizium- substrat auszugehen und auf dessen Oberseite zunächst eine Membranschicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder ähnli- chen Materialien abzuscheiden. Auf der Membranschicht wird dann ganzflächig eine Metallschicht'aufgebracht, aus der durch Photolithographie und Ätzen die Mess/Heizelemente, Lei- terbahnen usw. herausstrukturiert werden. In einem weiteren Prozessschritt erfolgt, ausgehend von der Rückseite des Sili- ziumssubstrats, die Einätzung der Ausnehmung mittels eines Ätzrahmens, so dass nur ein Rahmen aus Silizium mit der darin aufgespannten Membran übrigbleibt. Anschließend liegt die Un- terseite der Membranschicht (außer dort, wo sie den Rahmen überdeckt) offen, sie grenzt also an Luft.

Durch diese bekannte Membran-Konstruktion wird eine thermi- sche Isolation zwischen den aus der Metallschicht heraus- strukturierten Widerständen und dem Substrat geschaffen, die durch die Ausnehmung bzw. durch die in ihr vorhandene Luft (die Wärmeleitfähigkeit von Luft oder Si02 ist etwa zwei Grö- ßenordnungen geringer als die von Silizium) gewährleistet wird. Ohne Ausnehmung würde ein wesentlicher Teil der vom Heizelement erzeugten Wärme nicht. durch das vorbeiströmende Medium abgeführt, sondern über die Membranschicht zum Silizi- umsubstrat abfließen. Diese lateral und vertikal ins Substrat abfließende Wärme wäre schon deshalb problematisch, da sich eine vorgegebene, auch für die Messempfindlichkeit wichtige Arbeitstemperatur allenfalls noch durch einen gesteigerten Energieverbrauch des Heizers realisieren ließe.

Besonders problematisch wäre ein lateraler Wärmeabfluss hin- sichtlich der typischerweise lateral neben dem Heizer ange- ordneten Messelemente, da deren Funktion auf dem Bestehen ei- nes Temperaturgradienten beruht. Dieser besteht zwischen dem

durch das Heizelement erhitzten Zentrum der Membran und dem Rand des Sensors, der möglichst die Umgebungstemperatur auf- weisen soll. Bei einem lateralen Wärmeabfluss (zu dem die di- rekte thermische Kopplung über die Membran selbst nicht we- sentlich beiträgt) würden die Temperaturmesselemente via Sub- strat mitgeheizt. Der verringerte Temperaturgradient Hei- zer/Messelemente ginge unmittelbar mit einer verringerten Empfindlichkeit des Sensors einher. Eine thermische Entkopp- lung in lateraler und vertikaler Richtung erscheint deshalb unverzichtbar.

Die bekannten Membran-Sensoren setzen zu ihrer Herstellung allerdings, wie beschrieben, einen volumenmikromechanischen Prozess von der Substrat-Rückseite her voraus. Diese Struktu- rierung der Membran erfolgt üblicherweise über einen KOH- Ätzprozess, bei dem der Wafer in eine Ätzdose eingebaut wird.

Das Herstellungsverfahren in Bulksiliziummikromechanik mit integriertem Rückseitenprozess ist sehr aufwendig und daher mit hohen Kosten verbunden. Außerdem neigt die dünne Membran mit typischen Dicken von 1 bis 2 ßm aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität zu unerwünschten Schwingungen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromechani- schen Massenflusssensor anzugeben, der weniger aufwendig als bisher herstellbar ist und der eine genügende Empfindlichkeit und mechanische Stabilität aufweist. Zugleich soll mit der Erfindung ein entsprechendes Herstellverfahren für einen sol- chen Sensor angegeben werden.

Dieses Ziel wird erreicht durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 sowie durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung dieses Sensors gemäß Anspruch 7. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.

Die Erfindung schafft einen mikromechanischen Massenflusssen- sor

- mit einem Schichtaufbau auf der Oberseite eines Silizium- substrats, - wobei der Schichtaufbau eine elektrisch leitende Schicht umfasst, aus der mindestens ein Heizelement herausstruktu- riert ist, und mit einer thermischen Isolation zwischen dem Heizele- ment und dem Siliziumsubstrat, die einen Siliziumdioxidblock umfasst, der unterhalb des Heizelementes entweder im Schichtaufbau auf dem Siliziumsubstrat oder in der Oberseite des Silizi- umsubstrats hergestellt ist.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die thermische Isola- tion zwischen den (Platin) Widerständen und dem Siliziumsub- strat maßgeblich über eine ausreichend dicke Siliziumdioxid- schicht zu erreichen, die auch genügende mechanische Stabili- tät aufweist. Diese Siliziumdioxidschicht ist als Oxidblock ausgebildet und entweder direkt von der Oberseite her in das Siliziumsubstrat hineinstrukturiert, oder in einem entspre- chenden Schichtaufbau auf dem Siliziumsubstrat hergestellt.

Im letzteren Fall ist auf dem Siliziumsubstrat eine Silizium- oxidschicht und darüber eine Siliziumschicht aufgebracht und der Siliziumdioxidblock ist in der Siliziumschicht herge- stellt.

Der erfindungsgemäße Sensor hat den Vorteil, dass nur ober- flächenmikromechanische Prozesse, also nur Vorderseitenpro- zesse zur Herstellung notwendig sind, wodurch aufwendige Rückseitenprozesse entfallen können. Durch den Wegfall des KOH-Ätzschrittes von der Rückseite her ist darüber hinaus ei- ne Miniaturisierung des Bauelementes möglich. Ein weiterer Vorteil ist die Reduktion von Kratzern bzw. Partikeln auf der Wafervorderseite, die im Zusammenhang mit dem Handling bei Rückseitenprozessen kaum vermeidbar sind.- Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieses Sensors be- steht darin, dass im Oxidblock eine Mehrzahl von vertikalen,

spaltenförmigen Hohlräumen gebildet ist.. Da die Hohlräume Luft bzw. ein Vakuum enthalten, ist die thermische Isolation durch den derart strukturierten Oxidblock erheblich gestei- gert.

Die zuvor erwähnte Ausbildung des Oxidblocks im Schichtaufbau eröffnet die Möglichkeit, die Siliziumoxidschicht unterhalb des Oxidblocks zu entfernen und dort, zum Siliziumsubstrat hin, einen horizontalen Hohlraum auszubilden, der dann we- sentlich zur thermischen Isolation beiträgt.

Vorteilhafterweise ist in dem horizontalen Hohlraum mindes- tens eine, nach oben an den Siliziumdioxidblock und nach un- ten an das Siliziumsubstrat angrenzende Stütze angeordnet, die die mechanische Stabilität weiter'verbessert.

Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach Anspruch 1, - bei dem nach Strukturierung einer Ätzmaske, die entweder auf einer Siliziumschicht, die oberhalb einer Silizium- oxidschicht auf dem Siliziumsubstrat aufgebracht wird, o- der unmittelbar auf dem Siliziumsubstrat aufgebracht wird, durch Ätzung annähernd senkrechte Gräben in dem unter der Ätzmaske befindlichen Siliziummaterial erzeugt werden, wo- bei zwischen den Gräben Stege aus Silizium übrig bleiben, - bei dem anschließend die Stege durch thermische Oxidation vollständig aufoxidiert werden, - bei dem der derart oberflächenmikromechanisch erzeugte Si- liziumdioxidblock durch Abscheidung einer Siliziumdioxid- Verschlussschicht abgedeckt wird, - und bei dem vor dem Abscheiden und Strukturieren der e- lektrisch leitenden Schicht ein Einebnungsschritt zur Her- stellung einer glatten Oberfläche auf dem Siliziumdioxid- block erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die einfache Herstel- lung des Sensors, wobei nur Verfahrensschritte verwendet wer- den, die aus der Halbleitertechnik gut bekannt sind. Dies er- möglicht die Herstellung einer reproduzierbaren Schichtdicke und Struktur des Oxidblockes. Insbesondere können, mit Blick auf eine höhere Porösität und damit Isolation des Oxidblocks, die Siliziumschicht oder das Siliziumsubstrat unter der Ätz- maske durch isotropes Ätzen unterätzt werden. Wenn die Ätz- maske nach dem Ätzen auf den Stegen verbleibt und später mit abgedeckt wird, ist es ohne weiteres möglich, breitere Gräben bei dünneren Stegen zu erzeugen. Generell sind erfindungsge- mäß nur wenig Schichten und Photolithografieschritte erfor- derlich.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemä- ßen Verfahrens besteht darin, zur Planarisierung eine Silizi- umoxidschicht abzuscheiden und anschließend durch chemisch- mechanisches Polieren (CMP) zu planarisieren. Dies kann mit- tels einer Siliziumoxid-Hilfsschicht oder auch unter Verwen- dung der Siliziumdioxid-Verschlussschicht durchgeführt wer- den. Auf diese Weise wird der wegen der später aufzubringen- den dünnen, empfindlichen elektrisch leitenden Schicht erfor- derliche Schritt zur Einebnung der Topographie besonders ein- fach.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an- hand der Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu.

Figur 1 bis 20 zeigen in seitlicher Schnittdarstellung ver- schiedene Varianten des erfindungsgemäßen Sensors in ver- schiedenen Stadien des Herstellungsverfahrens : Figur 1, 2 oder 3, und 4 bis 7 zeigen aufeinander folgende Herstellungsschritte eines ersten Ausführungsbeispiels ;

Figur 8 bis 10 zeigen aufeinander folgende Herstellungs- schritte eines zweiten Ausführungsbeispiels, das gemäß Figur 11 bis 14 zu einer weiteren Variante ausgestaltet ist ; Figur 15 zeigt eine bei allen Varianten einsetzbare Ausges- taltung des Herstellungsverfahrens ; Figur 16 bis 18 und 19 bis 20 zeigen jeweils aufeinander fol- gende Schritte zweier zur Einebnung einsetzbaren Ausgestal- tungen des Herstellungsverfahrens.

Figur 1 zeigt ein Siliziumsubstrat 1, in dem bereits von der Oberseite her Gräben 2 durch Ätzen erzeugt wurden. Ähnliche, jedoch nur bis etwa 20 ßm tiefe und zu anderen Zwecken er- zeugte Gräben sind bereits aus der Oberflächenmikromechanik bekannt. Die Breite der die Gräben 2 trennenden Stege 3 wird so gewählt, dass die Stege 3 bei der nachfolgenden thermi- schen Oxidation auf jeden Fall vollständig aufoxidiert wer- den. Der danach erreichte Zustand ist für den Fall, dass die anfängliche Breite der Gräben 2 so gewählt war, dass nach vollständigem Aufoxidieren der Stege 3 zwischen diesen ein Spalt 4 übrig bleibt, in Figur 2 dargestellt. Die anfängliche Breite der Gräben 2 kann auch so gewählt werden, dass die Gräben 2 vollständig verschlossen werden, vgl. Figur 3.

Um zusätzliche Hohlräume zu schaffen, ist es auch möglich, von Anfang an zusätzliche Gräben quer zu den Gräben 2 zu ät- zen. Die Stege 3 weisen in diesem Fall Unterbrechungen auf und bestehen genau genommen aus säulenförmigen Stegelementen.

Die thermische Oxidation ist ein relativ langsamer Oberflä- chenprozess, der jedoch auch in den Gräben ein konformes Wachstum des Oxids bewirkt. In jedem Fall muss der Prozess so lange fortgesetzt werden, bis die typischerweise l bis 5 ßm breiten Stege 3 jeweils durch und durch aus Si02 bestehen.

Mit dem Zustand gemäß Figur 2 bzw. 3 ist der eigentliche O- xidblock 5 mit der erwünschten niedrigen Wärmeleitfähigkeit bereits hergestellt. Im Folgenden wird immer die Ausführung mit Spalten 4 gemäß Figur 2 weiter diskutiert, da der so strukturierte Oxidblock 5 Isolationsvorteile mit sich bringt.

Die erforderliche Dicke des Oxidblocks 5 ist einerseits nach den Anforderungen zu wählen und kann andererseits durch ver- tikale und/oder horizontale Hohlräume verringert werden. Ty- pischerweise wird eine Dicke von bis zu 100 um ausreichend sein. Mit der Dicke des Oxidblocks 5 wächst die mechanische Stabilität des Sensors.

Als nächster Schritt wird ganzflächig auf das Substrat 1 eine Oxid-Verschlussschicht 6 und darüber eine Nitridschicht zur Feuchteabweisung abgeschieden, so dass der Zustand gemäß Fi- gur 4 resultiert. Im darauf folgenden Schritt wird die Pla- tinschicht für die Widerstände 8 (Heiz-und Messelemente), Pads usw. abgeschieden und strukturiert, vgl. Figur 5. Die Abstände der Widerstände 8 betragen typischerweise nur wenige ßm, so dass gegebenenfalls viele nebeneinander angeordnet werden können. Statt Platin kann eine andere elektrisch lei- tende Schicht, insbesondere aus Metall, Polysilizium oder Germanium, erzeugt und strukturiert werden. Schließlich kann eine Oxid-Schutzschicht 9 mit einer Dicke von nur einigen nm abgeschieden und strukturiert werden, vgl. Figur 6. Abschlie- ßend erfolgt das Abscheiden und Strukturieren der Aluminium- Leiterbahnen 10, so dass sich der fertige Sensor gemäß Figur 7 ergibt..

Figur 8 und 9 zeigen eine Variante des Sensors ; bei der Oxid- block 5 nicht im Substrat 1 selbst, sondern in einem geeigne- ten Schichtaufbau auf dessen Oberseite erzeugt ist. Gemäß Fi- gur 8 wird von einem Substrat 1 ausgegangen, auf dem eine (vergrabene) Oxidschicht 11 und eine (zum Beispiel epitak- tisch aufgewachsene Poly-) Siliziumschicht 12 aufgebracht sind. Die Oxidschicht 11 dient vorteilhafterweise als Ätz- stopp beim Erzeugen der Siliziumstege 3 und der Gräben 2. Fi-

gur 9 zeigt, analog zu Figur 2, den durch vollständiges Auf- oxidieren der Siliziumstege 3 mittels thermischer Oxidation erzeugten Oxidblock 5. Die weiteren Verfahrensschritte können sich analog zu den bereits in den Figuren 4 bis 6 dargestell- ten Schritten vollziehen, so dass sich schließlich das Endre- sultat gemäß Figur 10 ergibt.

Die zuletzt dargestellte Variante kann besonders sinnvoll als Ausgangspunkt für eine weitere Variante verwendet werden, wo- bei zunächst ein Gasphasenätzschritt erfolgt, der zur par- tiellen Entfernung der Oxidschicht 11 unterhalb der struktu- rierten Siliziumschicht führt. Dort wird demnach ein horizon- taler Hohlraum 13, vgl. Figur 11, erzeugt, der zur zusätzli- chen thermischen Isolation zwischen den Platinwiderständen 8 und dem Substrat 1 dient. Danach wird wieder der Oxidblock 5 in der Siliziumschicht 12 analog zu Figur 8 und 9 erzeugt, so dass der Fertigungszustand gemäß Figur 12 resultiert. Die weiteren Schritte können sich in der bereits beschriebenen Weise vollziehen, was zum Endzustand gemäß Figur 13 führt.

Die erforderliche Dicke des Oxidblocks 5 kann durch den zu- sätzlichen Hohlraum 13 um, bzw. auf, einen Bruchteil redu- ziert werden.

Figur 14 zeigt einen fertigen Sensor 1, der mit der Ausfüh- rung gemäß Figur 13 übereinstimmt, jedoch ist im horizontalen Hohlraum 13 zusätzlich mindestens eine, nach oben an den 0- xidblock 5 und nach unten an das Substrat 1 angrenzende Stüt- ze 14 angeordnet. Vom Prozessablauf her muss dazu vor dem Aufbringen der Siliziumschicht 12 die Oxidschicht 11 entspre- chend strukturiert werden. Durch die Stützen 14 wird eine hö- here mechanische Stabilität dieses Sensoraufbaus ermöglicht, so dass der Oxidblock 5 durch den zu messenden Luftstrom nicht in Schwingungen versetzt werden kann.

Figur 15 zeigt eine besonders günstige Verfahrensweise, um breitere Gräben 2 bei dünneren Stegen 3 zu erzeugen. Dabei wird die nach dem Ätzen der Gräben 2 übrig geblieben Ätzmas-

ke 15 (Hardmask, insbesondere Si02) nicht entfernt, sondern bleibt bei der anschließenden thermischen Oxidation auf dem Substrat 1. Vorteilhaft in diesem Zusammenhang sind Trenchprozesse mit starker, durch isotropes Ätzen verursach- ter Unter. ätzung, wie in Figur 15 erkennbar. Die Ätzmaske 15 bleibt in diesem Fall nach dem Trenchprozess mit einer gerin- geren Öffnung als die Grabenbreite bestehen. Dadurch wird nach dem Aufoxidieren der Stege 3 ein Verschließen auch von breiten Gräben 2 bzw. Spalten 4 beispielsweise durch eine SiO2-Verschlussschicht möglich. Durch die breiten Gräben 2 bzw. Spalten 4 kann eine höhere Porösität mit dem entspre- chenden Isolationsvorteil erzeugt werden.

Wie in Figur 16 gezeigt ist, führt das Abdecken des Oxid- blocks 5, beispielsweise mit der Oxid-Verschlussschicht 6, nicht unmittelbar zu einer ebenen Oberfläche. Wie sich in REM-Untersuchungen herausstellte, entstehen Vertiefungen 16 über den Spalten 4. Diese unerwünschte Topographie von nur wenigen Mikrometern ist trotzdem hoch problematisch im Hin- blick auf die später aufzubringende Metallschicht. Die typi- sche Dicke der Platinschicht ist ungefähr eine Größenordnung geringer als die Topographie, so dass eine erhebliche Gefahr des Zerbrechens bestünde.

Figur 17 zeigt eine Möglichkeit der Einebnung der in Figur. 16 dargestellten Topographie. Auf die Oxid-Verschlussschicht 6 wird zunächst eine Nitridschicht 7 abgeschieden, wobei die Vertiefungen 16 ersichtlich bestehen bleiben. Auf die Nitrid- schicht 7 wird anschließend eine Si02-Hilfsschicht 17 für die nachfolgende Planarisierung abgeschieden. Die Planarisierung der Hilfsschicht 17 erfolgt mittels des an sich bekannten CMP (Chemical-Mechanical-Polishing)-Verfahrens bis zur Nitrid- schicht 7, die hier zunächst als Planarisierstop dient. Ein Restoxid 18 bleibt in den Vertiefungen 16 übrig und planari- siert die Oberfläche, wie in Figur 18 erkennbar. Anschließend können Platinstrukturen, Oxidschutzschichten und Aluminium-

Leiterbahnen abgeschieden und strukturiert werden, wie weiter oben bereits beschrieben.

Eine weitere Möglichkeit zur Einebnung zeigt Figur 19. Bei dieser Abwandlung wird die Nitridschicht 7 vor der Oxid- Verschlussschicht 6 abgeschieden. Dies erspart die nachträg- liche Abscheidung der zuvor beschriebenen Oxid-Hilfsschicht 17.

In Figur 19 ist die abgeschiedene Nitridschicht 7 und die darüber abgeschiedene Oxid-Verschlussschicht 6 erkennbar, die wiederum Vertiefungen 16 aufweist. Das Planarisieren der Struktur bis zur Nitridschicht 7, die als Planarisierstop dient, kann wieder, wie zuvor beschrieben, mittel-s CMP erfol- gen. An den Stellen, an denen sich zuvor die kritischen Vertiefungen 16 befanden, bleiben danach Reste 18 der Oxid- Verschlussschicht 6 stehen, vgl. Figur 20. Zur Haftungsver- besserung der Platinstrukturen kann die Nitridschicht 7 in an sich bekannter Weise durch einen Reoxidationsprozess ober- flächlich wieder in eine Oxidschicht umgewandelt werden. An- schließend können Platinstrukturen, Oxidschutzschichten und Aluminium-Leiterbahnen wie zuvor beschrieben abgeschieden bzw. strukturiert werden.

Zur Einebnung kann als Alternative zum CMP-Planarisieren eine Passivierungsschicht im Spin-on-Glas Verfahren auf die Ober- fläche aufgebracht werden. Durch Verfließen füllt die Passi- vierungsschicht die Vertiefungen 16. Eine dünne Oxidschicht kann anschließend für die Haftung der Platinstrukturen abge- schieden werden.

Als weitere Einebnungs-Alternative kann BPSG oder PSG durch ein Flow-Glas-Verfahren aufgebracht werden, das ebenso wie das Spin-on-Glas Verfahren aus der Technologie hochintegrier- ter Schaltungen bekannt ist. Durch das Fließen werden die Vertiefungen 16 gefüllt und es bildet sich eine glatte Ober-

fläche. Eine dünne Oxidschicht kann anschließend abgeschieden werden.

Weiterhin kann die Topographie durch an sich bekannte CVD- Abscheideverfahren ausreichend verringert werden. Durch ge- eignete Abscheideparameter werden hierbei nur die Vertiefun- gen 16 mit Si02 gefüllt. Eine nahezu planare Ebene stellt sich ein.