Hintergrund der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Sensor gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Sensoren dieser Art sind z. B. Fluss-oder Temperatursensoren, bei welchen mindestens ein Teil des Messelements auf einer Membran angeordnet ist. Diese Mem- bran ist oftmals nur einige Mikrometer dick und über- spannt eine Öffnung oder Vertiefung im Halbleiterbau- stein.

Vorzugsweise sind bei derartigen Sensoren auf dem Halbleiterbaustein weitere aktive elektronische Kom- ponenten integriert, beispielsweise Transistoren für Ver- stärker oder Referenzspannungsquellen.

Die Membran wird in der Regel von den bei der Herstellung der Schaltung abgelagerten Schichten gebil- det, wobei der Halbleiter unter den Schichten weggeätzt wird. Die Schichten, die bei den meisten konventionellen Herstellungsprozessen aufgebracht werden, stehen jedoch normalerweise unter Druckspannung, d. h. es wirken Druck- kräfte in der Schichtebene, z. B. weil die Schichten bei erhöhter Temperatur aufgebracht wurden und sich beim Ab- kühlen weniger stark zusammengezogen haben als das Sub- strat. Die Grösse der Druckspannung hängt vom Herstel- lungsprozess und dem Schichtaufbau der Membran ab. Diese Druckspannung kann zu einem unerwünschten Verbeulen

(buckling") der Membran führen, welche diese mechanisch instabil macht.

Darstellung der Erfindung Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem dieses Problem vermieden wird.

Um das Durchbiegen der Membran zu vermeiden, wird auf dem Halbleiterbaustein eine tensile Beschichtung aufgebracht. Diese Beschichtung lässt mindestens einen Teil, vorzugsweise alle der auf dem Halbleiterbaustein integrierten aktiven elektronischen Komponenten unbe- deckt. Wie es sich zeigt, kann die Beschichtung ansonsten zu einer Veränderung oder Beeinträchtigung der Funktion dieser Komponenten führen, da sie die elektrischen Para- meter des Halbleiters beeinflusst. Vorzugsweise bleiben deshalb alle aktiven elektronischen Komponenten von der tensilen Beschichtung unbedeckt.

Die tensile Beschichtung überdeckt vorzugs- weise die ganze Membran. Um einen zur Straffung der Mem- bran geeigneten Zug auszuüben, sollte sie die Membran an mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten etwas überlap- pen.

Die Erfindung ist insbesondere geeignet für die Anwendung in integrierten Flusssensoren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwen- dungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An- sprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen :

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Flusssensor, wobei die unter der tensilen Beschichtung liegenden Strukturen gestrichelt dargestellt sind, Fig. 2 einen Schnitt entlang Linie I-I von Fig. 2, Fig. 3 eine Draufsicht auf den Flusssensor, in welcher nebst der tensilen Beschichtung eine zusätzli- che Schutzschicht dargestellt ist, Fig. 4 eine beispielhafte Struktur im Bereich der Schutzschicht und Fig. 5 eine beispielhafte Struktur im Bereich der tensilen Beschichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung In Fig. 1 und 2 ist eine Ausführung der Er- findung in Form eines Flusssensors dargestellt. Dieser umfasst einen Halbleiterbaustein 1, auf welchem ein Mess- element 2 und eine Schaltung 3 integriert sind.

Im Halbleiterbaustein 1 wurde eine Öffnung oder Vertiefung 4 ausgeätzt, die von einer dünnen Membran 5 abgedeckt wird.

Auf der Membran 5 ist eine Heizung 6 angeord- net. Symmetrisch zur Heizung 6 sind zwei mäanderförmige Thermosäulen 7,8 vorgesehen, die als Temperatursensoren dienen. Die Thermosäulen 7,8 und die Heizung 6 liegen so zur Flussrichtung des zu messenden Mediums, dass das Me- dium zuerst die erste Thermosäule 7, dann die Heizung 6 und schliesslich die zweite Thermosäule 8 überstreicht.

Das Messelement 2 ist von einer tensilen Be- schichtung 9 bedeckt. Diese steht unter Zugspannung und überlappt die Membran 5 allseitig, oder zumindest auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Vertiefung bzw. Öff- nung 4. Die Überlappung reicht mindestens soweit, dass die tensile Beschichtung 9 auf dem Halbleiterbaustein 1 zur Ableitung der Zugspannung Halt findet. Die Zugspan-

nung in der tensilen Beschichtung 9 ist zumindest so gross, dass sie eine in der Membran 5 herrschende Druck- spannung übersteigt und somit ein tensiler Gesamtstress resultiert. Die Beschichtung 9 hält deshalb die Membran 5 straff und verhindert bzw. erschwert ein Durchwölben der- selben.

Die tensile Beschichtung 9 kann z. B. aus Si- liziumoxid, Siliziumnitrid oder einem Polymer, insbeson- dere Polyimid, bestehen. Weitere mögliche Materialien sind beispielsweise Diamond Like Carbon" (DLC), Polye- theretherketon (PEEK) oder Silikon. Siliziumnitrid hat sich als besonders geeignet herausgestellt.

Die Tensilität der Beschichtung 9 kann mit- tels bekannter Verfahren durch geeignete Wahl der Her- stellungsparameter gesteuert werden, siehe z. B. U. Münch et al., Industrial Fabrication Technology for CMOS In- frared Sensor Arrays"in"Transducers'97, International conference on Solid State Sensors and Actuators", IEEE 1997, wo beschrieben wird, wie durch geeignete Wahl der Niederfrequenzleistung und des Drucks in einem PECVD- Verfahren die Zugspannung einer Schicht aus Silizium- Oxinitrid eingestellt werden kann.

Eine Beschichtung unter Zugspannung kann auch hergestellt werden, indem ein Beschichtungsmaterial mit einem grösseren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Silizium bei erhöhter Temperatur auf den Halbleiterbau- stein 1 aufgebracht wird. Beim Abkühlen des Bausteins entsteht dabei zwangsläufig eine tensile Beschichtung.

Die Zugspannung sollte so gross gewählt wer- den, dass sie eine allfällige Druckspannung in der Mem- bran 5 zu kompensieren vermag. Vorzugsweise beträgt die Zugspannung mindestens 100 MPa.

Zur Strukturierung bzw. Definition der räum- lichen Ausdehnung der tensilen Beschichtung 9 können pho- tolitographische Verfahren angewendet werden. Es kann auch eine Schattenmaske eingesetzt werden, oder es kann eine Lift-Off Technik verwendet werden, bei welcher eine

zusätzliche Materialschicht unterhalb der Beschichtung 9 überall dort aufgelöst wird, wo die Beschichtung 9 ent- fernt werden soll.

Das generelle Funktionsprinzip des Messele- ments 2 ist ausführlich in Scaling of Thermal CMOS Gas Flow Microsensors : Experiment and Simulation"von F. May- er et al., in Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Sy- stems, (IEEE, 1996), pp. 116ff beschrieben. Insbesondere werden zur Bestimmung des Massenflusses über dem Sensor die Temperaturen über den Thermosäulen 7,8 gemessen. Die Differenz dieser Temperaturen ist eine Funktion des Mas- senflusses.

Für die entsprechende Auswertung der Signale der Thermosäulen 7,8 ist die Schaltung 3 vorgesehen, welche z. B. in CMOS-Technik ausgeführt ist. Sie umfasst Verstärker, A/D-Wandler mit Referenzspannungsquellen und eine digitale Auswerteschaltung mit Interface. Zur Ver- bindung der Schaltung 3 mit der Aussenwelt sind Kontakt- flächen 10 vorgesehen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, bedeckt die ten- sile Beschichtung 9 nur einen Teil des Halbleiterbau- steins 1, nämlich jenen Teil, der dem zu messenden Medium ausgesetzt wird. Insbesondere erstreckt sich die tensile Beschichtung 9 nicht über die Schaltung 3. Versuche haben ergeben, dass mechanischer Stress, ausgelöst durch die tensile Beschichtung, die elektrischen Parameter des Halbleiterbausteins 1 beeinflussen kann, was z. B. zu ei- ner Änderung der Eigenschaften von Transistoren, Refe- renzspannungsquellen und anderen Bauteilen, insbesondere von aktiven Bauteilen und Widerständen, führen kann. In- dem die tensile Beschichtung 9 nicht über diese Komponen- ten gelegt wird, kann eine derartige Beeinträchtigung vermieden werden. Dies vereinfacht die Herstellung, da bei der Berechnung der Schaltung von den bekannten elek- trischen Parametern des Halbleiters ausgegangen werden kann.

Dank der tensilen Beschichtung 9 kann, wie bereits erwähnt, ein"Buckling"der Membran 5 verhindert werden. Sie verhindert oder reduziert auch ein Durchbie- gen der Membran 5, wenn über dieser ein Druckunterschied anliegt.

Im oben beschriebenen Beispiel wurde der Er- findung im Rahmen eines Flussdetektors beschrieben, sie kann jedoch auch in anderen Anwendungen eingesetzt wer- den : - Eine Membran 5 der in Fig. 2 gezeigten Art kann auch in Drucksensoren verwendet werden, bei denen über der Membran ein zu messender Druckunterschied an- liegt. In diesem Fall kann die tensile Beschichtung 9 auch zur Beeinflussung der Empfindlichkeit des Sensors eingesetzt werden. Je höher die Zugspannung und der Ela- stizitätsmodul in der Beschichtung 9 ist, desto geringer wird die Empfindlichkeit.

- Weiter kann die tensile Beschichtung 9 für weitere Sensortypen verwendet werden, bei denen eine Mem- bran der in Fig. 2 gezeigten Art zum Einsatz kommt, z. B. für Infrarotsensoren.

- Die tensile Beschichtung 9 kann selbst auch aktiver Teil der Sensors sein. So kann sie aus einem Ma- terial bestehen, dessen dielektrische oder elektrische Eigenschaften sich abhängig von einem zu messenden Para- meter verändern. Bei einem Feuchtesensor kann z. B. eine polymerische tensile Beschichtung verwendet werden, deren Dielektrizitätskonstante oder Leitfähigkeit sich abhängig von der momentanen Feuchte ändert. Bei einem Stoffsensor kann die tensile Beschichtung 9 chemische bzw. biologi- sche Reaktionen mit dem zu messenden Stoff eingehen oder es kann sich deren chemisches Potential oder deren Aus- trittsarbeit ändern. Auch die optischen Eigenschaften der tensilen Beschichtung können abhängig von einem zu mes- senden Parameter sein.

Die tensile Beschichtung 9 kann auch weitere Aufgaben übernehmen. Insbesondere kann sie z. B. eine Iso-

lationsschicht bilden, die die auf der Membran angeordne- ten Bauelemente vom zu messenden Medium trennt. Sie kann z. B. als Passivierung dienen, die eine Beschädigung der Bauelemente durch Säuren oder Wasser verhindert.

Die Schichten der Membran 5 können Schichten sein, die bei dem zur Herstellung der Schaltung 3 verwen- deten Prozess anfallen. Somit sind die mechanischen Ei- genschaften und insbesondere die Tensilität dieser Schichten nicht frei wählbar. Die zusätzliche tensile Be- schichtung 9 erlaubt es jedoch unabhängig vom verwendeten Prozess, die Membran 5 straff zu halten und deren Biege- eigenschaften zu kontrollieren.

Im oben beschriebenen Beispiel liegt die ten- sile Beschichtung über der Membran 5 und über den auf der Membran angeordneten Bauteile. Sie kann jedoch auch un- terhalb der Membran 5 oder als Schicht in der Membran 5 angeordnet sein.

Weiter werden elektronische Halbleiterbautei- le oftmals mit einer Schutzschicht versehen. Diese Schutzschicht besteht vorzugsweise aus Siliziumnitrid (Si3N4) und dient insbesondere zum Schutz der obersten Metallschicht des Bausteins vor Korrosion. Damit die Schutzschicht möglichst dicht ist, ist sie in der Regel kompressiv, d. h. sie steht unter einer Druckspannung par- allel zur Halbleiteroberfläche. In normalen CMOS- Herstellungsverfahren wird sie in einem letzten Schritt auf den Baustein aufgebracht und bedeckt diesen, mit Aus- nahme der Kontaktflächen 10, im wesentlichen vollständig.

Eine derartige Schutzschicht kann der Wirkung der tensilen Beschichtung 9 entgegenwirken. Deshalb wird sie vorzugsweise so strukturiert, dass sie sich zumindest nicht über die Membran 5 erstreckt. Hierzu kann sie im Bereich der Membran 5 weggelassen oder vor Aufbringen der tensilen Beschichtung entfernt werden.

Ein entsprechender Sensor ist in Fig. 3 dar- gestellt. Dieser weist eine Schutzschicht 12 auf, welche

unter Druckspannung steht und zumindest die Schaltung 3 überdeckt und schützt.

Die Schutzwirkung der kompressiven Schutz- schicht 12 ist in der Regel besser als jene der tensilen Beschichtung 9, da letztere aufgrund der in ihr herr- schenden Zugspannung zu Lochbildung und Rissen neigen kann. Deshalb sollte die tensile Beschichtung 9 nicht di- rekt auf einer (korrosionsanfälligen) Metallschicht ange- ordnet werden.

Bei normalen CMOS-Bausteinen sind in der Re- gel mehrere Metallschichten vorgesehen, wie dies in Fig.

4 dargestellt ist. In diesem Beispiel ist die oberste Me- tallschicht 13 von der Schutzschicht 12 bedeckt und von der zweitobersten Metallschicht 14 durch eine Siliziu- moxidschicht 15 getrennt. Unterhalb der unteren Metall- schicht 14 folgen gegebenenfalls weitere Schichten 16.

Wird die Schutzschicht 12 durch die tensile Beschichtung 9 ersetzt, so sollte die oberste Metall- schicht 13 weggelassen werden, wie dies in Fig. 5 darge- stellt ist. Im vorliegenden Fall sollten also keine Strukturen der obersten Metallschicht 13 im Bereich der Beschichtung 9 vorgesehen sein. Dadurch wird sichere- stellt, dass im Bereich der Beschichtung 9 alle Metall- strukturen durch die Siliziumoxidschicht 15 geschützt sind. Die Siliziumoxidschicht 15 bildet somit eine Trenn- schicht zwischen der Beschichtung 9 und den Metallstruk- turen des Bausteins und schützt diese vor Umwelteinflüs- sen.

Wie bereits erwähnt, kann die Schutzschicht 12 im Bereich der Membran 5 weggelassen oder vor Aufbrin- gen der tensilen Beschichtung 9 entfernt werden. In letz- terem Fall muss die Schutzschicht 9 im Bereich der Mem- bran 5 weggeätzt werden. Hierbei ist jedoch zu vermeiden, dass die Siliziumoxidschicht 15, mit welcher die Struktu- ren der unteren Metallschicht 14 geschützt werden sollen, beschädigt wird.

Da es kaum Ätzverfahren mit einer guten Se- lektivität zwischen Siliziumoxid und Siliziumnitrid gibt, wird beim Wegätzen der Schutzschicht 12 die oberste Me- tallschicht 13 vorzugsweise als Ätzstopp verwendet. Hier- zu wird diese so strukturiert, dass sie sich zumindest über die ganze Membran 5 erstreckt. Sodann wird der Bau- stein mit der Beschichtung 12 versehen. Jetzt kann die Beschichtung 12 im Bereich der Membran mit einem ersten Ätzmittel entfernt werden, wobei die oberste Metall- schicht 13 die darunterliegende Siliziumoxidschicht 15 schützt. Dann kann die oberste Metallschicht 13 im Be- reich der Membran 5 durch ein metallselektives zweites Ätzmittel ebenfalls entfernt werden, wiederum ohne Beein- trächtigung der Siliziumoxidschicht 14. Schliesslich wird die Beschichtung 9 auf die Siliziumoxidschicht 14 aufge- bracht.

Die Regel, dass die Beschichtung 9 nicht di- rekt auf einer Metallstruktur zu liegen kommt, ist auch im Bereich allfälliger"Scribe-Lines"zu beachten. Hier- bei handelt es sich um Diffusionsbarrieren, die gebildet werden, indem in einem Bereich alle Schichten mit Ausnah- me der Metallschichten weggelassen werden. Ist eine Scri- be-Line unter der Beschichtung 9 angeordnet, so sollte auf der Scribe-Line die Siliziumoxidschicht 15 belassen werden.

Während in der vorliegenden Anmeldung bevor- zugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese Beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.