DE2841312A1

DE2841312A1 - Halbleiter-drucksensor mit piezoresistiven elementen und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2841312A1
Application number: DE19782841312
Authority: DE
Inventors: Bernt Dipl Ing Mueller; Ulrich Dipl Ing Theden
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1978-09-22
Publication date: 1980-04-03
Also published as: US4275406A; DE2841312C2; FR2437067B1; FR2437067A1

Description

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■ I

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Drucksensor nach der Gattung des Hauptanspruchs und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Bekanntlich ändert sich der spezifische Widerstand von
einkristallinen Halbleitern, wenn mechanische Spannungen
einwirken. Man spricht dann vom piezoresistiven Effekt.
Dieser Effekt ist anisotrop, er hängt also von der Richtung der Silizium-Kristalle gegenüber den Richtungen der einwirkenden Kräfte und gegenüber der Stromrichtung in diesen
Widerständen ab. Druck-, Kraft- und Beschleunigungswandler, die auf diesem Prinzip arbeiten, sind bekannt. Dabei können sich die piezoresistiven Widerstände in verschiedenen Kristallebenen des Silizium-Einkristalls befinden, was jeweils entsprechende Vor- und Nachteile bei der Anwendung mit sich bringt.
Bevorzugte Kristallebenen für die Widerstände sind die (111)-Ebene, die (110)-Ebene und die (001)-Ebene.

Meistens werden bei solchen Anwendungen des piezoresistiven Effekts Widerstandsmeßbrücken benutzt, von denen sich entweder ein Teil oder auch alle Widerstände auf einer elastischen
Unterlage befinden, die speziell zur Druckmessung als Membran ausgebildet sein kann. Auch die Formen dieser Membranen sind vielfältig, wobei kreisrunde oder rechteckige Membranen bevorzugt werden. Wenn Druck auf eine kreisrunde Membran wirkt, sind die mechanischen Spannungen dort nur vom Abstand vom
Membranmittelpunkt abhängig. Die mechanischen Spannungen
im Membranmittelpunkt sind für alle Richtungen gleich groß. Eine Widerstandsbrücke muß daher auf einer Kreismembran
unsymmetrisch oder exzentrisch angeordnet werden, um in den verschiedenen Widerstandszweigen bei Druckeinwirkung piezoresistive Änderungen hervorzurufen, die sich nicht zu Null kompensieren.

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Dies führt aber zu Linearitätsproblemen der piezoresistiven Widerstandsbrücke und zu unerwünschten Offset-Spannungen des elektrischen Ausgangssignals der Druckmeßanordnung. Andererseits lassen sich Kreismembranen relativ genau reproduzierbar realisieren.

Besser geeignet sind rechteckige Membranen in Bezug auf die oben genannten Nachteile. Hier sind die mechanischen Spannungen in Längs- und Querrichtung stark verschieden. Man kann daher eine quadratische Widerstandsbrücke in der Mitte der Membran anordnen und verbessert somit das Linearitäts- und Offset-Verhalten der piezoresistiven Meßanordnung. Jedoch erhält man, bedingt durch die Herstellungsverfahren der Membran (Ätzen), nur ungenügend genau reproduzierbare Membranen. Die Folge davon sind große Exemplarstreuungen in der Empfindlichkeit der Meßanordnungen. Ein weiterer Nachteil der Rechteckmembran sind die erhöhten mechanischen Beanspruchungen in den Ecken der Membran. Brüche in diesen Bereichen der Membran sind häufig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Drucksensor zu schaffen, bei dem die genannten Nachteile vermieden sind,- Hierzu wird vorgeschlagen, die Membran elliptisch auszubilden. Da eine elliptische Membran erfindungsgemäß keine Ecken besitzt, ist sie erheblich bruchfester und damit höher belastbar als die Rechteckmembran. Auch läßt sie sich gut reproduzierbar - wie die Kreismembran - herstellen. Wie die Rechteckmembran kann man bei der elliptischen Membran eine quadratische Brückenschaltung in der Mitte der Membran anordnen, was die Linearität und das Offset-Verhalten der Widerstandsbrücke verbessert. Nicht zuletzt ist eine elliptische Membran mathematisch gut zu behandeln.

Die Voraussetzung zur Herstellung einer solchen elliptischen Membran ist ein schnelles Ätzverfahren, damit sich die Gitterstruktur des Siliziums beim Ätzvorgang nicht auf die

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iMembranform auswirkt, das Ätzen muß also isotrop erfolgen.

Solche schnellen Ätzverfahren wurden sowohl im elektrochemischen Ätzen als auch im chemischen Ätzen gefunden, deren Ausführungen anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Pig. 1: eine Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Drucksensor

Pig. 2: einen Schnitt durch den Drucksensor

Pig. 3: eine Draufsicht auf die piezoresitive Widerstandsbrücke

Fig. 4: ein entsprechendes elektrisches Schaltbild. In

Fig. 5: ist ein elektrochemisches Ätzverfahren zur Herstellung der Membran und in

Fig. 6: ein chemisches Ätzverfahren erläutert.

Beim Ausführungsbeispiel nach Pig.1 befindet sich auf η -dotiertem, niederohmigem Si-Substrat 1 eine hochohmige n-Epitaxieschicht 2. Die Hauptebene des Drucksensor-Chips liegt parallel zur (001)-Ebene des Si-Einkristalls, die Seitenkanten bilden zur (100)-Kristallrichtung beziehungsweise zur (OlO)-Richtung einen Winkel von 45°. Die Kantenlänge des quadratischen Chips beträgt 4,3 mm. Auf der Unterseite des Chips wurde in der Mitte eine elliptische Kaverne eingeätzt, deren Hauptachsen parallel zu den Rändern des Chips ausgerichtet sind. Die Hauptachsen dieser elliptischen Kavernen haben ungefähr ein Längenverhältnis von 2:1, d.h. wenn die größere Hauptachse 2,8 mm lang ist, ist die kleinere Hauptachse ca. 1,4 mm lang. Im Bereich der eingeätzten Kaverne bleibt lediglich eine dünne Membran 4 - die Epitaxieschicht - stehen, die an den Rändern durch das Substrat 1 gehalten wird. In der

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Mitte der Membran wurde durch Diffusion oder durch Ionenimplantation mit Bor eine p-leitende quadratische Widerstandsbrücke 5 integriert, deren Widerstandszweige parallel zu den Rändern des Chips verlaufen und ca. 0,22 mm lang sind. Die Längsrichtung der Widerstände ist also- wie die Seitenkanten des Chips - um 45° gegenüber den Kristallachsen in (100)- bzw. (101)- -Richtung gedreht.

Außerdem befinden sich noch innerhalb der Widerstandsbrücke ein Transistor 6 zur Messung der Temperatur und an den Rändern elektronische Schaltungen 7 zur Spannungsversorgung der Meßbrücke und zur Ausgangssignalverarbeitung, die für die Erfindung unerheblich sind.

Pig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch den Chip entlang der großen Hauptachse der elliptischen Membran (x-Achse). Auf dem Si-Substrat 1 befindet sich die Epitaxieschicht 2, die im Bereich der von unten herausgeätzten Kaverne 3 die Membran 4 bildet. In diese Membran sind die piezoresistiven Widerstände 5, R₁ bis R^, integriert. Diese Widerstände können rein ohmische Widerstände sein, können aber auch Transistoren, z.B. aus vier ICPET's, aufgebaut sein.

Fig. 3 zeigt in der Draufsicht die piezoresitive Widerstandsbrücke und Fig. 4 das entsprechende elektrische Schaltbild. Da im drucklosen Zustand die Widerstände R^bis R₁, gleichgroß sind, ist die quadratische Meßbrücke symmetrisch. Eine an die zwei gegenüberliegenden Kontakte 8 angelegte Spannung U„ führt zu keiner Ausgangsspannung U. zwischen den beiden anderen Kontakten 9.

Wirkt Druck auf die Membran, so entstehen in der Membran mechanische Dehnungen und Spannungen. Da die Widerstandsbrücke genau in der Mitte der Membran positioniert ist,

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sind die mechanischen Spannungen in den gegenüberliegenden Widerstandszweigen gleich groß. Die mechanischen Spannungen in der Membranmitte haben in x- und y-Richtung das gleiche Vorzeichen. Entsprechend dem Hauptachsenverhältnis der Membran ist die mechanische Spannung in y-Richtung (Richtung der kleinen Hauptachse) etwa doppelt so groß wie die Spannung in x-Richtung (Richtung der großen Hauptachse).

Der piezoresistive Effekt in den Widerstandszweigen setzt sich bei dieser gegebenen Anordnung aus dem Transversaleffekt und dem Longitudinaleffekt zusammen, da in jedem Widerstandszweig sowohl eine mechanische Spannung in Stromflußrichtung als auch eine mechanische Spannung in senkrechter Richtung zum Stromfluß vorliegt.

Durch die oben beschriebene Ausrichtung der Widerstandsbrücke und der elliptischen I4embran gegenüber den Kristallachsen des Si-Einkristalls erreicht man, daß sich die· Widerstände R₁ und R„ bzw. R₂ und Rn jeweils gleichstark bei Druckeinwirkung auf die Membran verändern, und die Widerstandsänderungen der nebeneinanderliegenden Widerständen im Betrag nach ungefähr gleich groß sind, im Vorzeichen aber verschieden. Damit erhält /nan im linear elastischen Dehnungsbereich des Silizium ein dem Druck ρ proportionales, lineares Ausgangssignal U. = f (p).

Im Verfahren nach Fig. 5 wird auf die niederohmige, η -dotierte Silizium-Substratplatte 1 eine dünne, hochohmige n-Epitaxieschicht2 aufgebracht. In dieser Epitaxieschicht werden die piezoresistive, p-dotierte Widerstandsbrücke 5 und die elektronische Schaltung des Drucksensor-Chips integriert. Anschließend wird die Unterseite der Substratplatte derart mit Photolack 11 maskiert, daß in der Mitte eines jeden Chips eine elliptische öffnung frei bleibt.

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Die so maskierte Silizium-Platte 1 wird in verdünnte Flußsäure 10 gelegt und über Platinkontakte 12 mit der positiven Spannung einer Spannungsquelle verbunden und wirkt dann als Anode. Die Kathode ist eine ätzresistente Elektrode, die sich über der Siliziumplatte befindet. Der Ätzvorgang kommt praktisch zum Stillstand, wenn das niederohmige Substrat abgetragen ist und der elektrische Strom durch die hochohmige Epitaxieschicht begrenzt wird. Die Epitaxieschicht bleibt als Membran 4 stehen und wird vom abgedeckten, stehengebliebenen Substrat an den Rändern gehalten.

Beim chemischen Ätzverfahren nach Fig. 6 wird auf eine η -dotierte Siliziumpl.atte 20, die mit einer n-dotierten, hochohmigen Epitaxieschicht 21 versehen ist, an der Plattenunterseite eine dünne Chromschicht 22 und eine Goldmaske 23 angebracht, die entsprechend der elliptischen Membranform eine Öffnung auf dem Chip freiläßt. Das Ganze wird in Säure (Gemisch aus Flußsäure, Salpetersäure und Essigsäure) getaucht. Da die Ätzrate in der n-Epitaxieschicht 21 niedriger ist, bleibt diese Schicht als Membran stehen, die vom mit Gold abgedeckten, stehengebliebenen Substrat an den Rändern gehalten wird.

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Claims

R. 1+972 11+.9-1978 Lr ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1 Ansprüche

1.) Monolithischer Halbleiter-Drucksensor mit einer Membran, die fest mit einem als Stützrand ausgebildeten Substrat verbunden ist und sich unter Druckeinwirkung verbiegt und aufgrund des piezoresistiven Effekts dadurch eine Änderung ihrer elektrischen Leitfähigkeit erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (*O von elliptischer Form ist.

2. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) eine nach den Grundsätzen der Halbleiter-Technologie hergestellte Brückenschaltung aus vier integrierten WiderständenCR^, Rp, R^, R₁.} zur

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ORIGINAL INSPECTED

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Messung des piezoresistiven Effekts trägt.

3. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) eine piezoresistive Brücke aus vier
integrierten Transistoren enthält.

h. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) aus einer Epitaxieschicht (2) von
η-leitendem Silizium besteht, die auf η -leitendem Substrat (1) aus Silizium abgeschieden wurde.

5. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptebene der elliptischen Membran parallel zur

(100)-Ebene des Silizium-Einkristalls liegt.

6. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachsen der elliptischen Membran das Längenverhältnis 2:1 haben und daß diese Hauptachsen zu den (100)- und (010)-
-Kristallachsen einen Winkel von 45° bilden.

7. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 4 und 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die piezoresistive Widerstandsbrücke (5)
p-leitend ist, derart, daß die p-leitenden piezoresistiven
Zonen mit Bor durch Diffusion oder durch Ionenimplantation
in die Membran (4) integriert sind und daß sich die
Widerstandsbrücke auf der Hauptebene des Chips (1) befindet.

8. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die piezoresistive Widerstandsbrücke quadratisch aufgebaut ist, ihre vier Zweige direkt verbunden sind und im
unverspannten Zustand gleich große Widerstände haben und

daß sich die Widerstandsbrücke in der Mitte der Membran
befindet.

9. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Widerstandszwei.ge der piezoresistiven Widerstandsbrücke gegenüber der (100)- und (010)- Kristallachsen um ¹J5° gedreht sind.

10. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Silizium-Membran für einen Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die verschieden großen Widerstände verschiedener Schichten beim elektrochemischen Ätzen ausgenutzt werden, dadurch gekennzeichnet,daß auf einer Platte (1) aus niederohmigen, η -dotiertem Silizium-Substrat eine hochohmige, η-leitende Epitaxieschicht (2) abgelagert wird und daß nach Maskierung das Substrat mit Photolack derart maskiert wird, daß die Stelle, an der die Membran gebildet werden soll, von Photolack frei bleibt, eine Kaverne in verdünnter Flußsäure unter Anlegen einer Spannung elektrochemisch geätzt wird, wobei die mit Photolack abgedeckte Substratstelle als Stützrand stehen bleibt und das niederohmige Substrat in der photolackfreien Zone bis auf die hochohmige Epitaxieschicht (2) weggeätzt wird, so daß diese die Membran (4) bildet.

11. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Si-Membran für einen Drucksensor nach Anspruch 1 bis 9, wobei die verschieden großen Ätzraten verschieden hoch dotierter Schichten ausgenutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Platte aus η -dotiertem Si-Substrat (1) mit einer hohen Ätzrate eine η-leitende Epitaxieschicht (2) mit einer niedrigen Ätzrate abgelagert wird, die Substratschicht nach vorangegangener Chrombeschichtung mit einer Goldmaske abgedeckt und dabei die Stelle, an der die Membran gebildet werden soll, frei bleibt, und das Substrat in goldmaskenfreien Gebiet in einem Gemisch aus Flußsäure, Salpetersäure, Essigsäure chemisch herausgeätzt wird bis zur Epitaxieschicht, die wegen der niedrigeren Ätzrate stehen bleibt und die die Membran bildet, welche von der mit Gold abgedeckten Substratschicht, die nicht weggeätzt wurde, an den Rändern gehalten wird

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