Development of a MEMS Technology for the Monolithic Post-CMOS Integration of Capacitive Pressure Sensors

Walk, Christian GND

This thesis deals with the development, fabrication and characterisation of CMOS- compatible pressure sensor diaphragms. The approach of the post-CMOS integra- tion of MEMS is adopted, which allows for monolithic fabrication of sensors above integrated CMOS circuits on silicon wafers.
The overall objective is to reduce the pressure sensor geometry while simultaneously increasing the functionality of the electronics which is associated with the integration density of the CMOS tech- nology. With such a separation of MEMS and CMOS circuits, standard CMOS foundries can be utilised to fabricate the CMOS wafers, thus, even more efficient technologies can be adapted in the future.
Essential challenges in the fabrication of post-CMOS pressure sensor elements are on the one hand caused by a temperature limit of about 400 °C which is necessary for maintaining the properties of CMOS circuits and prevents the use of typical MEMS materials like poly-Si. On the other hand, there are challenges related to sacrificial layer technology, such as the avoidance of sticking, the protection of CMOS circuits and the sealing of diaphragms.
The developed technology enables the process-independent adaptation of the pres- sure measuring ranges of capacitive pressure sensors by varying the diaphragm diameter. The targeted pressure ranges require highly sensitive pressure sensing elements with diameters from 100 μm to 300 μm and diaphragm thicknesses bet- ween 0.5 μm and 1.5 μm determined by modelling.
An appropriate process control based on a sacrificial layer technology released with vapour phase etching, and methods of surface micromachining could be suc- cessfully validated on diaphragms up to 300 μm diameter. The diaphragms consist of boron-doped PECVD SiGe and undoped CVD SiGe and have high sensitivities of up to 14 nm/hPa. The application of intense mechanical and thermal stress has showed a remarkable reliability. For these diaphragms, a gas permeability of about 8*10E-20 m^2/s was determined with leakage tests using He.
The developed technology enables the CMOS-compatible fabrication of SiGe dia- phragms for the use in capacitive pressure sensors.

Die vorliegende Arbeit zeigt die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von CMOS-kompatiblen Drucksensor-Membranen. Es wird der Ansatz der post- CMOS Integration von MEMS verfolgt, welcher die monolithische Fertigung von Sensoren oberhalb von CMOS Schaltkreisen auf Silicium-Wafern ermöglichen soll.
Das übergeordnete Ziel liegt in der Reduzierung der Drucksensorgeometrie bei gleichzeitiger Erhöhung der Funktionalität der Elektronik, welche mit der Inte- grationsdichte der CMOS Technologie einhergeht. Einhergehend mit einer solchen Separierung von MEMS und CMOS Schaltkreisen können zukünftig noch leistungsfähigere Technologien adaptiert werden.
Wesentliche Herausforderungen in der Herstellung von post-CMOS Drucksensorelementen sind zum einen bedingt durch eine Temperaturobergrenze von etwa 400°C, welche zur Erhaltung der Eigenschaften von CMOS Schaltkreisen erforderlich ist und den Einsatz typischer MEMS Materialien wie poly-Si verhindert. Zum anderen sind Herausforderungen mit Bezug zur Opferschichttechnologie zu nennen, wozu die Vermeidung von Sticking, der Schutz von CMOS Schaltkreisen sowie die Verschließbarkeit von Membranen zählen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die prozessunabhängige Anpassung der Druckmessbereiche von kapazitiven Drucksensoren durch eine Variation der Mem- brandurchmesser. Die anvisierten Druckmessbereiche erfordern hochsensitive Drucksensorelemente mit Durchmessern von 100μm bis 300μm und Membrandicken zwischen 0.5 μm und 1.5 μm, die durch Modellierung ermittelt wurden.
Eine geeignete Prozessführung basierend auf einer Opferschichttechnologie mit Gasphasenätzen und Verfahren der Oberflächenmikromechanik konnte erfolgreich anhand von Membranen mit bis zu 300μm Durchmesser validiert werden. Die Membranen bestehen aus dotiertem PECVD SiGe und undotiertem CVD SiGe und weisen hohe Sensitivitäten von bis zu 14 nm/hPa auf. Durch intensive mecha- nische und thermische Stressbeanspruchung konnte eine bemerkenswerte Zuverlässigkeit festgestellt werden. He-Dichtigkeitsprüfungen der verschlossenen Membranen lassen auf eine Gaspermeabilität von 8 * 10E-20 m^2/s schließen.
Die entwickelte Technologie ermöglicht somit die CMOS-kompatible Fertigung von SiGe Membranen für den Einsatz in kapazitiven Drucksensoren.

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Walk, Christian: Development of a MEMS Technology for the Monolithic Post-CMOS Integration of Capacitive Pressure Sensors. 2019.

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