DE102007014468A1

DE102007014468A1 - Pressure sensor chip

Info

Publication number: DE102007014468A1
Application number: DE102007014468A
Authority: DE
Inventors: Anh Tuan Dr. Tham; Dieter Stolze
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-09-25
Also published as: WO2008113707A1

Abstract

Es ist ein möglichst vielseitig einsetzbarer Drucksensor-Chip zur Messung von Differenzdrücken beschrieben, der bei hohen Temperaturen einsetzbar ist, mit einem Träger (1) aus Silizium, einer auf dem Träger (1) angeordneten Oxidschicht (3), einer auf der Oxidschicht (3) angeordneten Siliziumschicht (5), einer auf der Siliziumschicht (5) angeordneten Isolierschicht (7) und einer in dem Träger (1) vorgesehenen Ausnehmung (9), die einen eine Differenzdruckmessmembran (11) bildenden Bereich des daran angrenzenden Verbundes aus Oxidschicht (3), Siliziumschicht (5) und Isolierschicht (7) freilegt, deren von einem darauf einwirkenden Differenzdruck abhängige Auslenkung durch mindestens ein piezoresistives Element (13) erfasst wird, dass auf der von der Ausnehmung (9) abgewandten Seite der Isolierschicht (7) der Differenzdruckmessmembran (11) angeordnet ist.A pressure sensor chip which can be used as widely as possible for measuring differential pressures and which can be used at high temperatures is provided with a carrier (1) made of silicon, an oxide layer (3) arranged on the carrier (1), an oxide layer (3) ) arranged on the silicon layer (5) insulating layer (7) and provided in the carrier (1) recess (9) forming a differential pressure measuring membrane (11) forming region of the adjacent oxide film (3 ), Silicon layer (5) and insulating layer (7) exposed, which is detected by an acting thereon differential pressure deflection by at least one piezoresistive element (13) that on the side facing away from the recess (9) side of the insulating layer (7) of the differential pressure measuring diaphragm (11) is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor-Chip zur Messung eines Differenzdrucks.The The invention relates to a pressure sensor chip for measuring a differential pressure.

Differenzdrucksensoren dienen zur Erfassung einer Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten auf den Sensor einwirkenden Druck und werden beispielsweise in in der industriellen Messtechnik verwendeten Druckmessgeräten eingesetzt. Dort werden sie beispielsweise zur Füllstandsmessung oder zur Durchflussmessung verwendet. Bei der Füllstandsmessung wird beispielsweise die Differenz zwischen einem unten in einem Behälter wirkenden ersten Druck und einem oberhalb des Füllguts herrschenden zweiten Druck gemessen. Die Differenz ist proportional zu einem füllstands-abhängigen hydrostatischen Druck im Behälter und damit zum Füllstand. Bei der Durchflussmessung wird beispielsweise ein Strömungswiderstand in eine Leitung eingesetzt und mittels eines Differenzdruckmessaufnehmers eine Differenz eines vor dem Widerstand herrschenden ersten Drucks und eines hinter dem Widerstand herrschenden zweiten Drucks ermittelt. Dieser Differenzdruck ist ein Maß für den Durchfluss durch die Leitung.Differential Pressure Sensors serve to detect a pressure difference between a first and a second pressure acting on the sensor and become, for example in pressure gauges used in industrial metrology used. There they become, for example, level measurement or used for flow measurement. In level measurement For example, the difference between one below in one Container acting first pressure and one above the Contents prevailing second pressure measured. The difference is proportional to a level-dependent hydrostatic pressure in the container and thus to the level. In flow measurement, for example, a flow resistance inserted into a conduit and by means of a differential pressure transducer a difference of a first pressure prevailing before the resistance and a prevailing behind the resistance second pressure determined. This differential pressure is a measure of the flow through the pipe.

Es gibt eine Vielzahl von industriellen Anwendungen, in denen an die Differenzdrucksensoren extreme Anforderungen gestellt werden. Sie sollten z. B. in der Lage sein sehr kleine Differenzdrücke, z. B. Differenzdrücke von weniger als 30 mbar, bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von mehr als 125°C mit hoher Genauigkeit und Langzeitstabilität zu messen.It There are a variety of industrial applications in which the Differential pressure sensors extreme demands are made. she should z. B. be capable of very small differential pressures, z. B. differential pressures of less than 30 mbar, at high Temperatures, especially at temperatures of more than 125 ° C to measure with high accuracy and long-term stability.

Häufig gilt es diese kleinen Differenzdrücke bei hohen Systemdrücken, insb. bei Systemdrücken von mehr als 100 bar, zu messen. Mit Systemdruck ist hier der Ausgangsdruck bezeichnet, dem die Druckdifferenz überlagert ist. Der Systemdruck ist beispielsweise der niedrigere der beiden Drücke, deren Differenz gemessen werden soll.Often it applies these small differential pressures at high system pressures, esp. At system pressures of more than 100 bar, to measure. System pressure here refers to the outlet pressure, which is superimposed by the pressure difference is. For example, system pressure is the lower of the two Pressures whose difference is to be measured.

In der Druckmesstechnik werden gerne Halbleiter-Chips, z. B. Silizium-Chips mit eindotierten piezoresistiven Elementen, als druckempfindliche Elemente eingesetzt. Derartige Differenzdrucksensor-Chips umfassen eine Differenzdruckmessmembran, deren eine Seite im Messbetrieb einem ersten Druck und deren zweite Seite einem zweiten Druck ausgesetzt wird. Die einwirkenden Drücke bewirken eine resultierende Auslenkung der Differenzdruckmessmembran, die dem zu messenden Differenzdruck entspricht. Drucksensor-Chips sind in der Regel sehr empfindlich und werden deshalb nicht direkt einem Medium ausgesetzt, dessen Druck aufgenommen werden soll. Stattdessen werden mit einer Flüssigkeit gefüllte Druckmittler vorgeschaltet.In The pressure measurement technology will be happy semiconductor chips, z. B. silicon chips with doped piezoresistive elements, as pressure-sensitive Elements used. Such differential pressure sensor chips include a differential pressure measuring diaphragm, one side of which in measuring operation a first pressure and its second side exposed to a second pressure becomes. The applied pressures cause a resulting Deflection of the differential pressure measuring diaphragm, which is the differential pressure to be measured equivalent. Pressure sensor chips are usually very sensitive and are therefore not directly exposed to a medium whose Pressure to be recorded. Instead, be with a liquid filled diaphragm seals upstream.

Ein auf die Messmembran einwirkender Differenzdruck bewirkt eine vom Differenzdruck abhängige Auslenkung der Differenzdruckmessmembran, die mittels der piezoresistiven Elemente erfasst, und in ein elektrisches Signal umgewandelt, dass dann einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.One acting on the measuring diaphragm differential pressure causes a of Differential pressure dependent deflection of the differential pressure measuring diaphragm, which is detected by means of piezoresistive elements, and in an electrical Signal then converted to further processing and / or Evaluation is available.

Halbleiter-Sensoren werden heute regelmäßig auf Siliziumbasis, z. B. unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI) Technologie hergestellt. Dabei werden unter anderem BESOI-Wafer (Bonded and etchback silicon an insulator) als Ausgangsmaterial verwendet. BESOI-Wafer werden mittels Siliziumdirektbonden hergestellt. Hierzu werden beispielsweise zwei oxidierte Silizium-Wafer gegeneinander ausgerichtet und unter Druck und hoher Temperatur gebonded. Hierdurch entsteht ein dreischichtiger Wafer, bei dem sich zwischen zwei Siliziumschichten eine Oxidschicht befindet. Die unter der Bezeichnung BOX (buried Oxide layer) bekannte vergrabene Oxidschicht hat eine Dicke von wenigen nm bis zu wenigen μm. Dieser Verbund wird von einer Seite abgedünnt und poliert. Die abgedünnte polierte Seite bildet im Weiteren Verlauf die Aktivschicht. Die Aktivschicht kann wenige μm dick sein und wird in der englischsprachigen Fachwelt z. B. als device wafer oder als silicon overlayer (SOL) bezeichnet. Die Dicke der Aktivschicht kann mit heutigen Herstellungsverfahren bereits sehr genau und gleichmäßig und mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden.Semiconductor sensors are now regularly based on silicon, z. B. using silicon-on-insulator (SOI) technology. BESOI wafers (Bonded and etchback silicon to insulator) used as starting material. BESOI Wafer produced by silicon direct bonding. For this purpose, for example two oxidized silicon wafers aligned against each other and under pressure and high temperature bonded. This creates a three-layered Wafer, in which between two silicon layers, an oxide layer located. The known under the name BOX (buried oxide layer) Buried oxide layer has a thickness of a few nm to a few microns. This composite is thinned and polished from one side. The thinned polished side forms course the active layer. The active layer can be a few microns thick be and is in the English-speaking professional world z. B. as a device wafer or referred to as silicon overlayer (SOL). The thickness of the Active layer can already very much with today's manufacturing process accurate and even and with high reproducibility getting produced.

Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung von BESOI-Wafern für die Herstellung von Drucksensoren besteht darin, dass die vergrabene Oxidschicht (BOX) einen zuverlässigen Ätzstopp bildet. Dies wird vor allem für die Herstellung beweglicher Elektroden von kapazitiven Drucksensoren ausgenutzt. Es sind aber auch Verfahren bekannt, bei denen BESOI-Wafer für die Herstellung von piezoresistiven Drucksensoren eingesetzt werden. Ein solches Verfahren ist in dem im Jahr 2000 im Journal of Micromechanical Engineering, Band 10, Seite 204 bis 208, erschienenen Artikel: 'Optimized technology for the fabrication of piezoresistive Pressure sensors', von A. Merlos, J. Santander, M. D. Alvares und F. Campabadal beschrieben. Dort wurde gezeigt, dass man mit BESOI-Wafern Sensorchips produzieren kann, die eine genau definierte und über den gesamten Bereich der Membran konstante Membrandicke aufweisen. Insb. können piezoresistive Sensoren mit sehr dünnen Membranen mit geringsten Dickentoleranzen, von weniger als 1 μm, hergestellt werden. Hierzu wird in die der Aktivschicht gegenüberliegenden Siliziumschicht ein Ausnehmung eingeätzt, über die die Membran freigelegt wird. Dabei dient die vergrabene Oxidschicht als Ätzstopp. Der nach dem Ätzvorgang verbleibende äußere Rand der Siliziumschicht begrenzt die Ausnehmung außenseitlich und bildet einen Träger für die durch die Ausnehmung freigelegte Membran. Nach diesem Ätzvorgang wird der als Ätzstopp dienende Bereich der Oxidschicht durch einen weiteren Ätzvorgang entfernt.An important advantage of using BESOI wafers for the production of pressure sensors is that the buried oxide layer (BOX) forms a reliable etch stop. This is used primarily for the production of movable electrodes of capacitive pressure sensors. However, methods are also known in which BESOI wafers are used for the production of piezoresistive pressure sensors. Such a method is in the 2000, in the Journal of Micromechanical Engineering, Volume 10, pages 204 to 208, published article: 'Optimized technology for the fabrication of piezoresistive pressure sensors', by A. Merlos, J. Santander, MD Alvares and F. Campabadal described. There it was shown that with BESOI wafers it is possible to produce sensor chips which have a precisely defined membrane thickness which is constant over the entire area of the membrane. Esp. Piezoresistive sensors with very thin membranes with the smallest thickness tolerances of less than 1 μm can be produced. For this purpose is etched into the silicon layer opposite the active layer, a recess over which the membrane is exposed. The buried oxide layer serves as etch stop. The remaining after the etching outer edge of the silicon layer bounds the recess on the outside and forms a support for the exposed through the recess membrane. After this etching process, the area of the oxide layer serving as an etching stop is removed by a further etching process.

Bei herkömmlichen Drucksensor-Chips sind die piezoresistiven Elemente beispielsweise eine positive Dotierung aufweisende Elemente, die auf einer eine negative Dotierung aufweisenden Siliziumschicht aufgebracht sind.at conventional pressure sensor chips are the piezoresistive Elements, for example, elements having a positive doping, the on a negative doped silicon layer are applied.

Hierdurch besteht zwischen den p-dotierten piezoresistiven Elementen und der Siliziumschicht ein pn-Übergang, der dazu führt, dass der Temperaturbereich in dem diese Drucksensor-Chips eingesetzt werden können, begrenzt ist. Typischer Weise ist oberhalb von Temperaturen von ca. 125°C eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen den piezoresistiven Elementen und dem Substrat auf dem sie angeordnet sind nicht mehr gewährleistet.hereby exists between the p-doped piezoresistive elements and the Silicon layer a pn junction that causes that the temperature range in which these pressure sensor chips are used can be limited. Typical way is above from temperatures of about 125 ° C a sufficient electrical Insulation between the piezoresistive elements and the substrate on which they are arranged are no longer guaranteed.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen möglichst vielseitig einsetzbaren piezoresistiven Drucksensor-Chip zur Messung von Differenzdrücken anzugeben, der bei hohen Temperaturen einsetzbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung dieses Drucksensor-Chips anzugeben.It An object of the invention is as versatile as possible usable piezoresistive pressure sensor chip for measuring differential pressures specify that can be used at high temperatures. Another The object of the invention is a process for the preparation specify this pressure sensor chip.

Hierzu besteht die Erfindung in einem Drucksensor-Chip zur Messung eines Differenzdrucks mit

– einem Träger aus Silizium,
– einer auf dem Träger angeordneten Oxidschicht,
– einer auf der Oxidschicht angeordneten Siliziumschicht,
– einer auf der Siliziumschicht angeordneten Isolierschicht, und
– einer in dem Träger vorgesehenen Ausnehmung, die einen eine Differenzdruckmessmembran bildenden Bereich des daran angrenzenden Verbundes aus Oxidschicht, Siliziumschicht und Isolierschicht freilegt,
– deren von einem darauf einwirkenden Differenzdruck abhängige Auslenkung durch mindestens ein piezoresistives Element erfasst wird, dass auf der von der Ausnehmung abgewandten Seite der Isolierschicht der Differenzdruckmessmembran angeordnet ist.

For this purpose, the invention consists in a pressure sensor chip for measuring a differential pressure

A support of silicon,
An oxide layer arranged on the carrier,
A silicon layer arranged on the oxide layer,
- An arranged on the silicon layer insulating layer, and
A recess provided in the support which exposes a region of the oxide-film, silicon-layer and insulating-layer composite forming a differential pressure-measuring membrane,
- Which is detected by a differential pressure acting thereon dependent deflection by at least one piezoresistive element, that is arranged on the side remote from the recess side of the insulating layer of the differential pressure measuring diaphragm.

Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung weist der Drucksensor-Chip zusätzlich einen als Systemdrucksensor ausgebildeten Bereich auf, in dem

– auf dem Träger aus Silizium die Oxidschicht angeordnet ist,
– auf der Oxidschicht die Siliziumschicht angeordnet ist,
– auf der Siliziumschicht die Isolierschicht angeordnet ist, und
– in der Oxidschicht eine von der Differenzdruckmessmembran beabstandete Ausnehmung vorgesehen ist, die auf deren vom Träger abgewandten Seite von einem eine Systemdruckmessmembran bildenden Bereich des Verbundes aus Siliziumschicht und Isolierschicht abgeschlossen ist,
– deren von einem darauf einwirkenden Systemdruck abhängige Auslenkung durch mindestens ein piezoresistives Element erfasst wird, dass auf der von der Ausnehmung abgewandten Seite der Isolierschicht der Systemdruckmessmembran angeordnet ist.

According to a first development of the invention, the pressure sensor chip additionally has a region designed as a system pressure sensor in which

On the support of silicon, the oxide layer is arranged,
On the oxide layer, the silicon layer is arranged,
- On the silicon layer, the insulating layer is disposed, and
In the oxide layer, a recess spaced from the differential pressure measuring diaphragm is provided, which is closed on its side facing away from the carrier by a region of the composite of silicon layer and insulating layer forming a system pressure measuring diaphragm,
- Which is detected by at least one piezoresistive element dependent on a system pressure acting on it, that is arranged on the side remote from the recess side of the insulating layer of the system pressure measuring membrane.

Gemäß einer Weiterbildung der ersten Weiterbildung verläuft durch die Oxidschicht, die Siliziumschicht und die Isolierschicht ein Schnitt, durch den die Differenzdruckmessmembran mechanisch von der Systemdruckmessmembran entkoppelt ist.According to one Continuing education of the first development runs through the Oxide layer, the silicon layer and the insulating layer a cut, through which the differential pressure measuring membrane mechanically from the system pressure measuring diaphragm is decoupled.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung der ersten Weiterbildung weist die Systemdruckmessmembran eine in deren Mitte angeordnete zylindrische Öffnung auf, die durch einen Stopfen verschlossen ist, der durch die Öffnung und die Ausnehmung in der Oxidschicht hindurch bis zum Träger reicht und einen Abstandshalter zwischen dem Träger und der Systemdruckmessmembran bildet.According to one Further development of the first development, the system pressure measuring diaphragm has a in the center of which arranged cylindrical opening, the closed by a plug that passes through the opening and the recess in the oxide layer to the carrier ranges and a spacer between the carrier and the system pressure measuring diaphragm forms.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist auf der vom Träger abgewandten Oberseite des Drucksensor-Chips eine Elektronik angeordnet, an die die auf der Isolierschicht angeordneten piezoresistiven Elemente angeschlossen sind.According to one preferred development is on the side facing away from the wearer Top of the pressure sensor chip is an electronics arranged on the the piezoresistive elements disposed on the insulating layer are connected.

Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung sind die piezoresisitiven Elemente zur Messung des Differenzdrucks und/oder die piezoresistiven Elemente zur Messung des Systemdrucks jeweils zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschaltet, und die Elektronik dient dazu eine Temperatur, der der Drucksensor-Chip ausgesetzt ist, anhand eines Innenwiderstandes mindestens einer Widerstandsbrücke abzuleiten und für eine Kompensation temperaturabhängiger Messfehler zur Verfügung zu stellen.According to a further development of the last-mentioned further development, the piezoresistive elements for measuring the differential pressure and / or the piezoresistive elements for measuring the system pressure are each interconnected to form a resistance bridge, and the electronics serve a temperature to which the pressure sensor chip is exposed based on an internal resistance, at least from a resistance bridge and provide compensation for temperature-dependent measurement errors.

Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensor-Chips, bei dem

– ein eine erste und eine zweite Siliziumschicht und eine dazwischen angeordnete Oxidschicht aufweisenden BESOI Wafer verwendet wird,
– die erste Siliziumschicht einen Träger aus Silizium bildet,
– in der zweiten Siliziumschicht durch Implantation von Ionen und anschließendes Tempern eine Isolierschicht erzeugt wird, die von einem darüber liegenden Siliziumfilm abgedeckt ist,
– aus dem Siliziumfilm auf der Isolierschicht angeordnete piezoresisitive Elemente erzeugt werden,
– in den Träger eine Ausnehmung eingeätzt wird, die einen eine Differenzdruckmessmembran bildenden Bereich des daran angrenzenden Verbundes aus Oxidschicht, Siliziumschicht und Isolierschicht freilegt,
– deren von einem darauf einwirkenden Differenzdruck abhängige Auslenkung durch mindestens eines der piezoresistives Element erfasst wird, dass auf der von der Ausnehmung abgewandten Seite der Isolierschicht der Differenzdruckmessmembran angeordnet ist.

Furthermore, the invention consists in a method for producing a pressure sensor chip according to the invention, in which

A BESOI wafer having a first and a second silicon layer and an oxide layer arranged therebetween is used,
The first silicon layer forms a support of silicon,
An insulating layer is produced in the second silicon layer by implantation of ions and subsequent tempering, which is covered by an overlying silicon film,
- Piezo-resistive elements are formed from the silicon film on the insulating layer,
Etching into the carrier a recess exposing a region of the oxide pressure layer, silicon layer and insulating layer that forms a differential pressure measuring membrane,
- Which is detected by at least one of the piezoresistive element dependent on a differential pressure acting thereon, that is arranged on the side facing away from the recess side of the insulating layer of the differential pressure measuring diaphragm.

Die Erfindung umfasst weiter eine erste Weiterbildung des Verfahren, gemäß der

– in einem von der Differenzdruckmessmembran beabstandeten Bereich des Drucksensor-Chip eine zylindrische Öffnung erzeugt wird, die die Isolierschicht und die Siliziumschicht durchdringt,
– durch die Öffnung hindurch eine von der Differenzdruckmessmembran beabstandete Ausnehmung in die Oxidschicht eingeätzt wird, die auf deren vom Träger abgewandten Seite von einem eine Systemdruckmessmembran bildenden Bereich des Verbundes aus Siliziumschicht und Isolierschicht abgeschlossen ist,
– deren von einem darauf einwirkenden Systemdruck abhängige Auslenkung durch mindestens ein piezoresistives Element erfasst wird, dass auf der von der Ausnehmung abgewandten Seite der Isolierschicht der Systemdruckmessmembran angeordnet ist, und
– die Öffnung unter Vakuum verschlossen wird.

The invention further comprises a first development of the method, according to

A cylindrical opening is created in a region of the pressure sensor chip which is at a distance from the differential pressure measuring diaphragm and penetrates through the insulating layer and the silicon layer,
A recess spaced from the differential pressure measuring diaphragm is etched through the opening into the oxide layer, which is terminated on its side facing away from the carrier by a region of the composite of silicon layer and insulating layer forming a system pressure measuring diaphragm,
- Which is detected by at least one piezoresistive element dependent on a system pressure acting thereon deflection, that is arranged on the side remote from the recess side of the insulating layer of the system pressure measuring diaphragm, and
- The opening is closed under vacuum.

Gemäß einer Weiterbildung werden aus dem Siliziumfilm piezoresisitive Elemente erzeugt, indem der Siliziumfilm durch Implantation von Ionen dotiert wird, und eine Strukturierung des dotierten Siliziumfilms vorgenommen wird, bei der ausschließlich die als piezoresistive Elemente dienen Bereiche des dotierten Siliziumfilms auf der Isolierschicht verbleiben.According to one Further education become from the silicon film piezoresisitive elements generated by doping the silicon film by implantation of ions is made, and a structuring of the doped silicon film in which only those as piezoresistive elements Areas of the doped silicon film on the insulating layer remain.

Gemäß einer Weiterbildung der ersten Weiterbildung des Verfahren wird die zylindrische Öffnung unter Vakuum durch eine Abscheidung mindestens eines Materials verschlossen, wobei aus dem Material ein Stopfen aufgebaut wird, der durch die Öffnung und die Ausnehmung in der Oxidschicht hindurch bis zum Träger reicht und einen Abstandshalter zwischen dem Träger und der Systemdruckmessmembran bildet.According to one Continuing the first development of the procedure becomes the cylindrical opening sealed under vacuum by deposition of at least one material, wherein from the material a plug is built, which through the opening and the recess in the oxide layer to the carrier ranges and a spacer between the carrier and the system pressure measuring diaphragm forms.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird mindestens ein Abscheidungsvorgang vorgenommen, bei dem mindestens eine Schicht 33 aus einem isolierenden Material auf der vom Träger 1 abgewandten Oberfläche des Drucksensor-Chips mit den darauf befindlichen piezoresisitiven Elementen 13, 19 abgeschieden wird, die eine primäre Passivierung der Oberseite des Drucksensor-Chips und der darauf befindlichen piezoresistiven Elemente bewirkt.According to a further development, at least one deposition process is performed, wherein at least one layer 33 made of an insulating material on the carrier 1 remote surface of the pressure sensor chip with the piezoresistive elements thereon 13 . 19 is deposited, which causes a primary passivation of the top of the pressure sensor chip and the piezoresistive elements thereon.

Der erfindungsgemäße Drucksensor bietet den Vorteil, dass er bei hohen Temperaturen von bis zu 250°C einsetzbar ist. Ein Grund hierfür besteht darin, dass die piezoresisitiven Elemente durch die Isolationsschicht gegenüber dem Substrat, auf dem sie sich befinden elektrisch isoliert ist. Die Isolationsschicht bewirkt auch bei höhen Temperaturen von bis zu 250°C eine zuverlässige Isolierung.Of the Pressure sensor according to the invention offers the advantage that it can be used at high temperatures of up to 250 ° C is. One reason for this is that the piezoresistive Elements through the insulating layer opposite the substrate, on which they are located is electrically isolated. The insulation layer also works at high temperatures of up to 250 ° C a reliable Insulation.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die auf dem Träger angeordnete Oxidschicht bei der Herstellung der Ausnehmung, durch die die Differenzdruckmessmembran freigelegt wird, als zuverlässiger Ätzstopp dient. Hierdurch können insb. dünne Differenzdruckmessmembranen mit einer über die gesamte Fläche der Membran sehr homogenen Dicke hergestellt werden. Dies bewirkt, dass auch sehr geringe Differenzdrücke, insb. Differenzdrücke von weniger als 30 mbar mit dem erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfasst werden können.One Another advantage is that on the carrier arranged oxide layer in the manufacture of the recess, through the differential pressure sensing membrane is exposed serves as a reliable etch stop. This can esp. Thin differential pressure measuring membranes with one over the entire surface of the membrane very homogeneous thickness can be produced. This causes that too very low differential pressures, especially differential pressures of less than 30 mbar with the invention Pressure sensor chip high accuracy and reproducibility recorded can be.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The Invention and its advantages will now be described with reference to the figures of the drawing, in which two embodiments are shown, closer explained. The same elements are in the figures with the provided the same reference numerals.

1 zeigt einen Schnitt durch einen einen Differenzdrucksensor aufweisenden Drucksensor-Chip; 1 shows a section through a differential pressure sensor having a pressure sensor chip;

2 zeigt einen Schnitt durch einen einen Differenzdrucksensor und einen Systemdrucksensor umfassenden Drucksensor-Chip; 2 shows a section through a pressure sensor chip comprising a differential pressure sensor and a system pressure sensor;

3 zeigt eine Ansicht des Drucksensor-Chips von 2; 3 shows a view of the pressure sensor chip of 2 ;

4 zeigt einen Schnitt durch einen BESOI-Wafer mit einer abgedünnten Siliziumschicht; 4 shows a section through a BESOI wafer with a thinned silicon layer;

5 zeigt eine Implantation einer Isolationschicht, die von einem dünnen Siliziumfilm abgedeckt ist; 5 shows an implantation of an insulating layer which is covered by a thin silicon film;

6 zeigt eine Dotierung des Siliziumfilms von 5 mit Bor; 6 shows a doping of the silicon film of 5 with boron;

7 zeigt eine zur Erzeugung der piezoresisitiven Elemente strukturierte Oberfläche des Drucksensor-Chips; 7 shows a structured for the production of the piezoresisitive elements surface of the pressure sensor chip;

8 zeigt eine Ausnehmung im Träger, durch die die Differenzdruckmessmembran freigelegt ist; 8th shows a recess in the carrier, through which the differential pressure measuring membrane is exposed;

9 zeigt eine zur Erzeugung der Systemdruckmessmembran in den Chip eingebrachte Öffnung; 9 shows an opening made to create the system pressure sensing diaphragm in the chip;

10 zeigt eine durch die Öffnung in die Oxidschicht eingeätzte Ausnehmung, durch die die Systemdruckmessmembran freigelegt ist; 10 shows a recess etched through the opening in the oxide layer, through which the system pressure measuring membrane is exposed;

11 zeigt einen die Öffnung verschließenden Stopfen und eine auf dem Drucksensor-Chip aufgebrachte Schicht aus einem Isolator; und 11 shows a stopper closing the opening and a layer of insulator applied to the pressure sensor chip; and

12 zeigt eine auf dem Drucksensor-Chip aufgebrachte Metallisierung, die eine elektrische Verschaltung der piezoresisistiven Elemente bewirkt wird und Kontaktpads zur Kontaktierung der verschalteten Elemente bildet. 12 shows a deposited on the pressure sensor chip metallization, which is an electrical interconnection of the piezoresistive elements is effected and forms contact pads for contacting the interconnected elements.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip. Der Drucksensor-Chip ist ein Differenzdrucksensor der insb. zur Messung geringer Differenzdrücke, insb. von Differenzdrücken von weniger als 30 mbar, bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von bis zu 250°C einsetzbar ist. 1 shows a pressure sensor chip according to the invention. The pressure sensor chip is a differential pressure sensor which can be used in particular for measuring low differential pressures, in particular of differential pressures of less than 30 mbar, at high temperatures, in particular at temperatures of up to 250 ° C.

2 zeigt einen Schnitt durch eine Weiterentwicklung des Drucksensor-Chips von 1. 3 zeigt eine Ansicht der Oberseite des Drucksensor-Chips von 2. Dabei handelt es sich um einen multifunktionalen Drucksensor-Chip, der insb. zur Messung geringer Differenzdrücke, insb. von Differenzdrücken von weniger als 30 mbar, bei hohen Systemdrücken, insb. bei Systemdrücken von mehr als 100 bar, bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von bis zu 250°C einsetzbar ist. Hierzu umfasst der Drucksensor-Chip einen als Differenzdrucksensor ausgebildeten Bereich I und einen als Systemdrucksensor ausgebildeten Bereich II. 2 shows a section through a further development of the pressure sensor chip of 1 , 3 shows a view of the top of the pressure sensor chip of 2 , This is a multifunctional pressure sensor chip, especially for measuring low differential pressures, esp. Of differential pressures of less than 30 mbar, at high system pressures, especially at system pressures of more than 100 bar, at high temperatures, esp Temperatures of up to 250 ° C can be used. For this purpose, the pressure sensor chip comprises a region I designed as a differential pressure sensor and a region II designed as a system pressure sensor.

Der als Differenzdrucksensor ausgebildete Bereich I ist identisch zu dem in 1 dargestellten Differenzdrucksensor. Nachfolgend wird daher lediglich der in den 2 und 3 dargestellte Drucksensor-Chip ausführlich beschrieben. Die darin enthaltene Beschreibung des als Differenzdrucksensor ausgebildeten Bereichs I gelten in identischer Form für den in 1 dargestellten Drucksensor-Chip und wird daher nicht doppelt aufgeführt. Das gleiche gilt in analoger Form für das daran anschließend beschriebene zugehörige Herstellverfahren.The area I designed as a differential pressure sensor is identical to that in FIG 1 illustrated differential pressure sensor. Subsequently, therefore, only in the 2 and 3 illustrated pressure sensor chip described in detail. The description contained therein of the formed as a differential pressure sensor area I apply in identical form for in 1 shown pressure sensor chip and is therefore not listed twice. The same applies in analogous form for the associated manufacturing process described below.

Da der in 2 und 3 dargestellte Drucksensor-Chip sowohl einen Differenzdrucksensor als auch einen Systemdrucksensor umfasst, ist er sehr vielseitig einsetzbar. Die Integration dieser beiden Sensoren in einem einzigen Drucksensor-Chip bietet den Vorteil, dass er sehr kompakt ist und eine Kompensation von vom Systemdruck abhängigen Messfehlern des Differenzdrucksensors erlaubt. Hierdurch lässt sich die mit dem Differenzdrucksensor erzielbare Messgenauigkeit, die gerade bei der Messung geringer Differenzdrücke bei hohen Systemdrücken stark vom Systemdruck abhängen kann, deutlich erhöhen.Since the in 2 and 3 shown pressure sensor chip includes both a differential pressure sensor and a system pressure sensor, it is very versatile. The integration of these two sensors in a single pressure sensor chip has the advantage that it is very compact and allows a compensation of system pressure dependent measurement errors of the differential pressure sensor. As a result, the measurement accuracy that can be achieved with the differential pressure sensor, which can greatly depend on the system pressure, especially when measuring low differential pressures at high system pressures, can be significantly increased.

Der Drucksensor-Chip weist einen Träger 1 aus Silizium auf, auf dem eine Oxidschicht 3 angeordnet ist. Der Träger 1 ist vorzugsweise ein monokristallines Substrat mit negativer Dotierung. Alternativ kann aber auch ein monokristallines Substrat ohne Dotierung oder mit positiver Dotierung eingesetzt werden. Die Oxidsschicht 3 besteht aus Siliziumdioxid (SiO₂). Auf der Oxidschicht 3 befindet sich eine weitere Siliziumschicht 5, die vorzugsweise ebenfalls eine negative Dotierung aufweist. Alternativ kann auch hier ein monokristallines Substrat ohne Dotierung oder mit positiver Dotierung eingesetzt werden. Auf der Siliziumschicht 5 ist eine Isolierschicht 7 angeordnet, die vorzugsweise ebenfalls aus Siliziumdioxid (SiO₂) besteht.The pressure sensor chip has a carrier 1 made of silicon, on which an oxide layer 3 is arranged. The carrier 1 is preferably a monocrystalline substrate with negative doping. Alternatively, however, it is also possible to use a monocrystalline substrate without doping or with positive doping. The oxide layer 3 consists of silicon dioxide (SiO ₂ ). On the oxide layer 3 there is another silicon layer 5 which preferably also has a negative doping. Alternatively, a monocrystalline substrate without doping or with positive doping can also be used here. On the silicon layer 5 is an insulating layer 7 arranged, which preferably also consists of silicon dioxide (SiO ₂ ).

In dem Träger 1 ist in dem als Differenzdrucksensor ausgebildeten Bereich I des Drucksensor-Chips eine Ausnehmung 9 vorgesehen, die einen eine Differenzdruckmessmembran 11 bildenden Bereich des daran angrenzenden Verbundes aus Oxidschicht 3, Siliziumschicht 5 und Isolierschicht 7 freilegt. Im Messbetrieb wird die Differenzdruckmessmembran 11 einem Differenzdruck ausgesetzt, der eine vom Differenzdruck abhängige Auslenkung der Differenzdruckmessmembran 11 bewirkt. Hierzu wird ein erster Druck p1 der vom Träger 1 abgewandten Seite der Differenzdruckmessmembran 11 zugeführt. Ein zweiter Druck p2 wird durch die Ausnehmung 9 der dem Träger 1 zugewandten Seite der Differenzdruckmessmembran 11 zugeführt. Der zu messende Differenzdruck entspricht der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1, p2. Die vom dem auf die Differenzdruckmessmembran 11 einwirkenden Differenzdruck abhängige Auslenkung der Differenzdruckmessmembran 11 wird durch mindestens ein piezoresistives Element 13 erfasst, dass auf der von der Ausnehmung 9 abgewandten Seite der Isolierschicht 7 der Differenzdruckmessmembran 11 angeordnet ist.In the carrier 1 is in the designed as a differential pressure sensor region I of the pressure sensor chip a recess 9 provided, the one a differential pressure measuring diaphragm 11 forming region of the adjoining composite oxide layer 3 , Silicon layer 5 and insulating layer 7 exposes. In measuring mode, the differential pressure measuring diaphragm 11 subjected to a differential pressure, which is a differential pressure dependent deflection of the differential pressure measuring diaphragm 11 causes. For this purpose, a first pressure p1 of the carrier 1 opposite side of the differential pressure measuring diaphragm 11 fed. A second pressure p2 is through the recess 9 the carrier 1 facing side of the differential pressure measuring diaphragm 11 fed. The differential pressure to be measured corresponds to the difference between the first and the second pressure p1, p2. The from the on the differential pressure measuring diaphragm 11 acting differential pressure dependent deflection of the differential pressure measuring diaphragm 11 is by at least one piezoresistive element 13 Captures that on the of the recess 9 opposite side of the insulating layer 7 the differential pressure measuring membrane 11 is arranged.

Die Isolierschicht 7 bewirkt eine elektrische Isolierung der piezoresistiven Elemente 13 gegenüber der darunter befindlichen Siliziumschicht 5. Hierdurch ist es möglich, den Drucksensor-Chip bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von bis zu 250°C, einzusetzen.The insulating layer 7 causes electrical isolation of the piezoresistive elements 13 opposite the underlying silicon layer 5 , This makes it possible to use the pressure sensor chip at high temperatures, esp. At temperatures up to 250 ° C.

Vorzugsweise sind hierzu mehrere piezoresisitive Elemente 13 vorgesehen, die miteinander zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind. 3 zeigt vier hier lediglich schematisch dargestellte piezoresistive Elemente 13, die durch eine, in den Figuren nicht dargestellte Verschaltung zu einer Wheatstone-Brücke zusammen gefasst sind. Wheatstone-Brücken weisen einen von der Temperatur abhängigen inneren Widerstand auf, der über entsprechende Abgriffe auf der Differenzdruckmessmembran 11, auf einfache Weise ermittelt werden kann. Dieser temperatur-abhängige innere Widerstand steht dann zur Ermittlung der Temperatur, der der Drucksensor-Chip ausgesetzt ist zur Verfügung. Anhand der Temperatur kann dann eine Kompensation von temperatur-abhängigen Messfehlern des Differenzdrucksensors vorgenommen werden. Ebenso kann anhand der Temperatur eine Kompensation von temperatur-abhängigen Messfehlern des Systemdrucksensors vorgenommen werden.Preferably, this is more piezoresistive elements 13 provided, which are interconnected to form a Wheatstone bridge. 3 shows four piezoresistive elements shown here only schematically 13 , which are summarized by a, not shown in the figures interconnection to a Wheatstone bridge together. Wheatstone bridges have a temperature dependent internal resistance, which is tapped on the differential pressure sensing diaphragm 11 , can be easily determined. This temperature-dependent internal resistance is then available to determine the temperature to which the pressure sensor chip is exposed. Based on the temperature compensation of temperature-dependent measurement errors of the differential pressure sensor can then be made. Likewise, based on the temperature compensation of temperature-dependent measurement errors of the system pressure sensor can be made.

Der Systemdrucksensor befindet sich im zweiten Bereich II des Drucksensor-Chips. Zur Bildung des Systemdrucksensors ist im zweiten Bereich II des Drucksensor-Chips in der Oxidschicht 3 eine von der von der Differenzdruckmessmembran 11 beabstandete Ausnehmung 15 vorgesehen, die auf deren vom Träger 1 abgewandten Seite von einem eine Systemdruckmessmembran 17 bildenden Bereich des Verbundes aus Siliziumschicht 5 und Isolierschicht 7 abgeschlossen ist. Der zu messende Systemdruck p_sys wird der vom Träger 1 abgewandten Seite der Systemdruckmessmembran 17 zugeführt, und bewirkt eine vom Systemdruck p_sys abhängige Auslenkung derselben. Zur Erfassung dieser Auslenkung ist ebenfalls mindestens ein piezoresistives Element 19 vorgesehen, dass auf der von der Ausnehmung 15 abgewandten Seite der Isolierschicht 7 der Systemdruckmessmembran 17 angeordnet ist. Auch hier bewirkt die Isolierschicht 7 eine elektrische Isolierung der piezoresistiven Elemente 19 gegenüber der darunter befindlichen Siliziumschicht 5, die es ermöglicht, den Drucksensor-Chip bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von bis zu 250°C, einzusetzen.The system pressure sensor is located in the second area II of the pressure sensor chip. To form the system pressure sensor is in the second region II of the pressure sensor chip in the oxide layer 3 one from that of the differential pressure measuring diaphragm 11 spaced recess 15 provided on theirs by the carrier 1 opposite side of a system pressure measuring membrane 17 forming region of the composite of silicon layer 5 and insulating layer 7 is completed. The system pressure to be measured p _sys becomes that of the carrier 1 opposite side of the system pressure measuring membrane 17 supplied, and causes a dependent of the system pressure p _sys deflection thereof. To detect this deflection is also at least one piezoresistive element 19 provided that on the of the recess 15 opposite side of the insulating layer 7 the system pressure measuring membrane 17 is arranged. Again, the insulating layer causes 7 an electrical insulation of the piezoresistive elements 19 opposite the underlying silicon layer 5 which makes it possible to use the pressure sensor chip at high temperatures, in particular at temperatures of up to 250 ° C.

Vorzugsweise sind auch hier mehrere piezoresisitive Elemente 19 vorgesehen, die miteinander zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind. 3 zeigt vier hier lediglich schematisch dargestellte piezoresistive Elemente 19, die durch eine, in den Figuren nicht dargestellte Verschaltung zu einer Wheatstone-Brücke zusammen gefasst sind. Auch hier kann der von der Temperatur abhängige innere Widerstand der Wheatstone-Brücke erfasst und zur Bestimmung der Temperatur, der der Drucksensor-Chip ausgesetzt ist herangezogen werden. In der Regel genügt es die Temperatur anhand eines der beiden auf dem Drucksensor-Chip integrierten Drucksensoren zur bestimmen und für alle gewünschten Kompensationen von temperatur-abhängigen Messfehlern heranzuziehen.Preferably also here are several piezoresisitive elements 19 provided, which are interconnected to form a Wheatstone bridge. 3 shows four piezoresistive elements shown here only schematically 19 , which are summarized by a, not shown in the figures interconnection to a Wheatstone bridge together. Again, the temperature dependent internal resistance of the Wheatstone bridge can be detected and used to determine the temperature to which the pressure sensor chip is exposed. As a rule, it is sufficient to determine the temperature using one of the two pressure sensors integrated on the pressure sensor chip and to use it for all desired compensations of temperature-dependent measurement errors.

Vorzugsweise ist in dem Drucksensor-Chip ein durch die Oxidschicht 3, die Siliziumschicht 5 und die Isolierschicht 7 verlaufender Schnitt 21 vorgesehen, durch den die Differenzdruckmessmembran 11 mechanisch von der Systemdruckmessmembran 17 entkoppelt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schnitt 21 ein Längsschnitt, der die beiden Bereiche I, II des Drucksensor-Chips voneinander trennt und bis in den Träger 1 hinein führt.Preferably, in the pressure sensor chip through the oxide layer 3 , the silicon layer 5 and the insulating layer 7 running cut 21 provided by the differential pressure measuring diaphragm 11 mechanically from the system pressure measuring membrane 17 is decoupled. In the illustrated embodiment, the section 21 a longitudinal section, which separates the two areas I, II of the pressure sensor chip from each other and into the carrier 1 leads into it.

Die Systemdruckmessmembran 17 weist eine in deren Mitte angeordnete zylindrische Öffnung auf, die durch einen Stopfen 23 aus einem Isolator verschlossen ist. Der Stopfen 23 reicht durch die Öffnung und die Ausnehmung 15 in der Oxidschicht 3 hindurch bis zum Träger 1 und bildet einen Abstandshalter zwischen dem Träger 1 und der Systemdruckmessmembran 17. Durch diesen Stopfen 23 wird die Systemdruckmessmembran 17 zu einer steifen Ringmembran, die auch bei geringen Membrandicken in der Lage ist, sehr hohe Systemdrücke, beispielsweise Systemdrücke von mehr als 100 bar, aufzunehmen. Dies bietet den Vorteil, dass die Dicken der Differenzdruckmessmembran 11 und der Systemdruckmessmembran 17 bis auf die Dicke der Oxidschicht 5 auch dann identisch sein können, wenn die Differenzdruckmessmembran 11 für niedrige Differenzdrücke, insb. für Differenzdrücke von weniger als 30 mbar, ausgelegt ist und die Systemdruckmessmembran 17 für die Erfassung hoher Systemdrücke, insb. von Systemdrücken von bis zu 100 bar, ausgelegt ist. Hierzu kann beispielsweise bei einer Membrandicke für Differenzdruck- und Systemdruckmessmembran in der Größenordnung von 10 μm eine Differenzdruckmessmembran 11 mit einer Größe von 4 mm × 4 mm mit einer Systemdruckmessmembran 17 mit einem Durchmesser von 0,5 mm kombiniert werden.The system pressure measuring membrane 17 has a cylindrical opening disposed in the center thereof through a plug 23 is closed off from an insulator. The stopper 23 passes through the opening and the recess 15 in the oxide layer 3 through to the wearer 1 and forms a spacer between the carrier 1 and the system pressure measuring membrane 17 , Through this plug 23 becomes the system pressure measuring membrane 17 to a stiff ring membrane, which is able even at low membrane thicknesses, very high Sys tensions, for example system pressures of more than 100 bar. This offers the advantage that the thicknesses of the differential pressure measuring diaphragm 11 and the system pressure measuring membrane 17 to the thickness of the oxide layer 5 may be identical even if the differential pressure measuring diaphragm 11 designed for low differential pressures, esp. For differential pressures of less than 30 mbar, and the system pressure measuring diaphragm 17 is designed for the detection of high system pressures, in particular of system pressures of up to 100 bar. For this purpose, for example, in the case of a membrane thickness for differential pressure and system pressure measuring membrane of the order of magnitude of 10 μm, a differential pressure measuring membrane 11 with a size of 4 mm × 4 mm with a system pressure measuring membrane 17 be combined with a diameter of 0.5 mm.

Vorzugsweise ist auf der vom Träger 1 abgewandten Oberseite des Drucksensor-Chips eine Elektronik 25 angeordnet, an die die piezoresistiven Elemente 13 zur Messung des Differenzdrucks und die piezoresistiven Elemente 19 zur Messung des Systemdrucks angeschlossen sind. Im einfachsten Fall ist diese Elektronik 25 eine einfache Verstärkerschaltung, die die Messsignale für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung aufbereitet und über einen entsprechenden Ausgang zur Verfügung stellt. Sie kann aber auch weitere Signalverarbeitungs- und/oder Auswertungsschaltungen enthalten. Beispiele hierfür sind eine Schaltung, die die Temperatur der der Chip ausgesetzt ist, anhand des Innenwiderstandes der Wheatstonebrücke ableitet, sowie Schaltungen zur Kompensation von temperatur-abhängigen Messfehlern der beiden Sensoren und Schaltungen zur Kompensation eines vom Systemdruck abhängigen Messfehlers des Differenzdrucksensors.Preferably is on the carrier 1 remote from the top of the pressure sensor chip electronics 25 arranged to which the piezoresistive elements 13 for measuring the differential pressure and the piezoresistive elements 19 connected to measure the system pressure. In the simplest case, this electronics 25 a simple amplifier circuit that prepares the measurement signals for further processing and / or evaluation and provides via a corresponding output. But it can also contain other signal processing and / or evaluation circuits. Examples include a circuit which is the temperature of the chip is exposed, based on the internal resistance of the Wheatstone bridge, and circuits for compensating temperature-dependent measurement errors of the two sensors and circuits for compensating a system pressure dependent measurement error of the differential pressure sensor.

Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensor-Chips. Dies ist nachfolgend anhand des in den 2 und 3 dargestellten Drucksensor-Chips zur Messung des Differenzdrucks und des Systemdrucks ausführlich erläutert. Da der Drucksensor-Chip von 1 Bestandteil dieser Ausführungsform ist, enthält diese Beschreibung zugleich die Beschreibung des entsprechenden Herstellungsverfahrens für den in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip, der ausschließlich den Differenzdrucksensor umfasst. Die Herstellung dieses Drucksensor-Chips ist daher nicht noch einmal separat aufgeführt.The invention further comprises a method for producing a pressure sensor chip according to the invention. This is below with reference to in the 2 and 3 illustrated pressure sensor chips for measuring the differential pressure and the system pressure in detail. Since the pressure sensor chip of 1 Part of this embodiment, this description also contains the description of the corresponding manufacturing method for the in 1 illustrated pressure sensor chip according to the invention, which includes only the differential pressure sensor. The production of this pressure sensor chip is therefore not listed again separately.

Der erfindungsgemäße Drucksensor-Chip ist ein Halbleiter-Chip auf Siliziumbasis, der unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI) Technologie hergestellt wird. Als Ausgangsmaterial dient dabei ein handelsüblicher BESOI-Wafer (Bonded and etchback silicon an insulator). BESOI-Wafer werden aus zwei oxidierten Silizium-Wafern hergestellt, die gegeneinander ausgerichtet und unter Druck und hoher Temperatur gebonded werden. Hierdurch entsteht ein in 4 dargestellter dreischichtiger Wafer, der eine erste und eine zweite Siliziumschicht aufweist. Beide Schichten weisen beispielsweise eine negative Dotierung auf und sind in 4 mit n-Si1 und n-Si2 bezeichnet. Die negative Dotierung kann beispielsweise durch Phosphor erzielt werden. Alternativ können die beiden Schichte aber auch eine positive Dotierung oder gar keine Dotierung aufweisen.The pressure sensor chip of the present invention is a silicon based semiconductor chip fabricated using silicon-on-insulator (SOI) technology. The starting material is a commercially available BESOI wafer (bonded and etched silicon on insulator). BESOI wafers are made from two oxidized silicon wafers, which are aligned and bonded under pressure and high temperature. This creates a in 4 illustrated three-layer wafer having a first and a second silicon layer. Both layers have, for example, a negative doping and are in 4 denoted n-Si1 and n-Si2. The negative doping can be achieved for example by phosphorus. Alternatively, however, the two layers may also have a positive doping or no doping at all.

Zwischen der ersten und der zweiten Siliziumschicht n-Si1, n-Si2 befindet sich die Oxidschicht 3. Die unter der Bezeichnung BOX (buried Oxide layer) bekannte vergrabene Oxidschicht 3 hat eine Dicke von wenigen nm bis zu wenigen μm und besteht beispielsweise aus Siliziumdioxid SiO₂.Between the first and the second silicon layer n-Si1, n-Si2 is the oxide layer 3 , The buried oxide layer known as BOX (buried oxide layer) 3 has a thickness of a few nm to a few microns and consists for example of silicon dioxide SiO ₂ .

Dieser Verbund wird von einer Seite abgedünnt und poliert. Die abgedünnte polierte Seite, hier die zweite Schicht n-Si2, wird in der englischsprachigen Fachwelt z. B. als silicon overlayer (SOL) bezeichnet und kann eine Dicke von einigen nm bis zu einigen μm aufweisen. Die Dicke dieser Schicht kann mit heutigen Herstellungsverfahren bereits sehr genau und gleichmäßig und mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden.This Composite is thinned and polished from one side. The thinned polished side, here the second layer n-Si2, is in the English-speaking professional world z. B. as a silicon overlayer (SOL) and may have a thickness of several nm to several μm exhibit. The thickness of this layer can be improved with today's manufacturing process already very accurate and even and with high Reproducibility are produced.

Die erste Siliziumschicht n-Si1 bildet den Träger 1 des Drucksensor-Chips.The first silicon layer n-Si1 forms the carrier 1 of the pressure sensor chip.

Nachfolgend wird in der abgedünnten polierten zweiten Siliziumschicht n-Si2 durch Implantation von Ionen und anschließendes Tempern die Isolierschicht 7 und ein darüber liegender dünner monokristalliner die Isolierschicht 27 abdeckender Siliziumfilm 27 erzeugt. Die Implantation der Ionen ist in 5 durch Pfeile dargestellt. Hierzu werden beispielsweise Sauerstoff- oder Stickstoffionen mit starker Dosis, insb. einer Dosis von 10¹⁶ bis 10¹⁸ Ionen/cm², in das n-dotierte monokristalline Silizium der {100} – Orientierung der zweiten Siliziumschicht n-Si2 implantiert. Die Implantationsenergie liegt vorzugsweise zwischen 100 keV und 1000 keV. Anschließend wird die Struktur bei einer Temperatur von 1150°C bis 1400°C getempert. Implantation und anschließende Temperung können mehrfach wiederholt werden. Dies führt zur Bildung einer auf der Siliziumschicht 5 angeordneten Isolierschicht 7 aus Siliziumdioxid bzw. Siliziumnitrid, die von dem dünnen Siliziumfilm 27 abgedeckt ist. Die Sauerstoff-Implantation ist unter der englischen Bezeichnung Separation by implantation of Oxygen (SIMOX) bekannt. Die SIMOX-Technologie ermöglicht es, den dünnen Siliziumfilm 27 mit einer bis auf 5 nm genau einstellbaren und reproduzierbaren Dicke herzustellen. Die Dicke des Siliziumfilms 27 beträgt vorzugsweise weniger als 500 nm.Subsequently, in the thinned polished second silicon layer n-Si 2, by implantation of ions and subsequent annealing, the insulating layer 7 and an overlying thin monocrystalline insulating layer 27 covering silicon film 27 generated. The implantation of the ions is in 5 represented by arrows. For this purpose, for example, oxygen or nitrogen ions with a high dose, esp. A dose of 10 ¹⁶ to 10 ¹⁸ ions / cm ² , in the n-doped monocrystalline silicon {100} - orientation of the second silicon layer n-Si2 implanted. The implantation energy is preferably between 100 keV and 1000 keV. Subsequently, the structure is tempered at a temperature of 1150 ° C to 1400 ° C. Implantation and subsequent annealing can be repeated several times. This leads to the formation of a silicon layer 5 arranged insulating layer 7 of silicon dioxide or silicon nitride, that of the thin silicon film 27 is covered. Oxygen implantation is known by the name Separation by implantation of Oxygen (SIMOX). The SIMOX technology allows the thin silicon film 27 with a thickness that can be precisely set and reproduced to within 5 nm. The thickness of the silicon film 27 is preferably less than 500 nm.

In einem nächsten Schritt werden aus dem dünnen Siliziumfilm 27 die piezoresistiven Elemente 13, 19 erzeugt. Dies geschieht vorzugsweise, indem der Siliziumfilm 27 in einem ersten Arbeitsgang durch Implantation von Ionen dotiert wird. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einer negativ dotierten Siliziumschicht 5 wird im auf der Isolierschicht 27 befindlichen Siliziumfilm 27 eine positive Dotierung vorgenommen. Diese kann beispielsweise, wie in 6 symbolisch durch Pfeile dargestellt, durch die Implantation von Bor erfolgen. Hierdurch entsteht aus dem dünnen Siliziumfilm 27 eine homogene Schicht 29 mit gleichmäßiger positiver Dotierung.In a next step, from the thin silicon film 27 the piezoresistive elements 13 . 19 generated. This is preferably done by the silicon film 27 is doped in a first operation by implantation of ions. In the described embodiment with a negatively doped silicon layer 5 is im on the insulating layer 27 located silicon film 27 made a positive doping. This can, for example, as in 6 symbolically represented by arrows, done by the implantation of boron. This results from the thin silicon film 27 a homogeneous layer 29 with uniform positive doping.

Wurde alternativ eine positiv dotierte Siliziumschicht verwendet, so wird bei der Erzeugung der piezoresisitiven Elemente aus dem dünnen Siliziumfilm 27 eine homogene Schicht mit gleichmäßiger negativer Dotierung erzeugt. Bei einer undotierten Siliziumschicht kann sowohl eine positive als auch eine negative Dotierung der Schicht verwendet werden. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass Drucksensoren mit positiv dotierten piezoresistiven Elementen auf negativ dotierten Substraten einen geringeren Linearitätsfehler aufweisen, und deshalb zu bevorzugen sind.Alternatively, when a positive-doped silicon layer is used, the formation of the piezoresistive elements from the thin silicon film becomes 27 produces a homogeneous layer with uniform negative doping. For an undoped silicon layer, both a positive and a negative doping of the layer can be used. Investigations have shown, however, that pressure sensors with positively doped piezoresistive elements on negatively doped substrates have a lower linearity error, and are therefore to be preferred.

Im Anschluss an die Dotierung wird eine Strukturierung der homogenen Schicht 29 vorgenommen, bei der ausschließlich die als piezoresistive Elemente 13, 19 dienen Bereiche der Schicht 29 auf der Isolierschicht 7 verbleiben. Die übrigen Bereiche der Schicht 29 werden bei der Strukturierung entfernt. Die Strukturierung erfolgt beispielsweise mittels Trockenätzung. Hierzu eignet sich z. B. eine Plasmaätzung, wie sie beispielsweise unter der englischen Bezeichnung Reactive Ion Etching (RIE) bekannt ist. Die auf der Isolierschicht 7 verbleibenden piezoresistiven Elemente 13, 19 sind in 7 dargestellt. Die Temperaturkoeffizienten der Widerstände dieser piezoresistiven Elemente 13, 19 und die Temperaturkoeffzienten der piezoresisitiven Konstanten der piezoresistiven Elemente 13, 19 sind maßgeblich durch die für die letzte Implantation, hier des Bors, verwendete Dosis bestimmt. Vorzugsweise werden die Abmessungen der piezoresisitiven Elemente 13, 19 in Abhängigkeit von diesen Parametern gewählt. Hierdurch kann gezielt ein gewünschter Widerstandswert der piezoresisitven Element 13, 19 eingestellt werden. Die zwischen den p-dotierten piezoresistiven Elementen 13, 19 und der n-dotierten Siliziumschicht 5 angeordnete Isolierschicht 7 bewirkt eine sehr effektive und vor allem auch bei hohen Temperaturen wirksame Isolierung der piezoresistiven Elemente 13, 19. Aufgrund dieser Isolierung ist es möglich, den erfindungemäßen Drucksensor-Chip bei sehr hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von bis zu 250°C und mehr, einzusetzen. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Isolierung sogar Temperaturen von bis zu 400°C stand hält.Following the doping, a structuring of the homogeneous layer 29 made using only those as piezoresistive elements 13 . 19 serve areas of the layer 29 on the insulating layer 7 remain. The remaining areas of the layer 29 are removed during structuring. The structuring takes place for example by means of dry etching. This is z. As a plasma etching, as known for example under the name Reactive Ion Etching (RIE). The on the insulating layer 7 remaining piezoresistive elements 13 . 19 are in 7 shown. The temperature coefficients of the resistances of these piezoresistive elements 13 . 19 and the temperature coefficients of the piezoresistive constants of the piezoresistive elements 13 . 19 are determined by the dose used for the last implantation, here the boron. Preferably, the dimensions of the piezoresistive elements 13 . 19 depending on these parameters. This allows targeted a desired resistance of the piezoresisitven element 13 . 19 be set. The between the p-doped piezoresistive elements 13 . 19 and the n-type silicon layer 5 arranged insulating layer 7 causes a very effective and especially at high temperatures effective insulation of the piezoresistive elements 13 . 19 , Due to this isolation, it is possible to use the pressure sensor chip according to the invention at very high temperatures, in particular at temperatures of up to 250 ° C. and more. Investigations have shown that the insulation even withstands temperatures of up to 400 ° C.

In einem nächsten, in 8 dargestellten, Arbeitsgang wird die Differenzdruckmessmembran 11 hergestellt. Hierzu wird in den Träger 1 die Ausnehmung 9 eingeätzt. Hierzu kann beispielsweise ein anisotropes nasschemisches Ätzverfahren, insb. unter Verwendung einer KOH-Ätzlösung, eingesetzt werden. Dabei dient die vergrabenen Oxidschicht 3 des BESOI-Wafers als zuverlässiger Ätzstopp. Dies bietet den Vorteil, dass die Differenzdruckmessmembranen 11 zuverlässig und reproduzierbar mit einer vorgegebenen Dicke herstellbar sind, und die Dicke der Differenzdruckmembranen 11 über deren Gesamtfläche nur geringste Toleranzen, insb. Dickenabweichungen von weniger als einem μm, aufweist. Dünnere Differenzdruckmessmembranen 11 liefern dabei bei gleicher Größe eine höhere Empfindlichkeit. Es besteht damit aufgrund der erzielbaren Genauigkeit bei der Herstellung der Membrandicke die Möglichkeit, bei einer bestimmten erforderlichen Empfindlichkeit die Differenzdruckmessmembran 11 dünner und auch kleiner herzustellen, und dadurch eine Kostenersparnis zu erzielen.In a next, in 8th shown, operation is the differential pressure measuring diaphragm 11 produced. This is done in the carrier 1 the recess 9 etched. For this purpose, for example, an anisotropic wet-chemical etching method, in particular using a KOH etching solution, can be used. The buried oxide layer serves this purpose 3 BESOI wafer as a reliable etch stop. This offers the advantage that the differential pressure measuring membranes 11 be produced reliably and reproducibly with a predetermined thickness, and the thickness of the differential pressure membranes 11 over the total area only the smallest tolerances, esp. Thickness deviations of less than one micron, has. Thinner differential pressure measuring membranes 11 deliver a higher sensitivity at the same size. Due to the achievable precision in the production of the membrane thickness, it is thus possible to obtain the differential pressure measuring membrane at a certain required sensitivity 11 make thinner and smaller, and thereby achieve a cost savings.

Durch den Ätzvorgang wird der die Differenzdruckmessmembran 11 bildenden Bereich des daran angrenzenden Verbundes aus Oxidschicht 3, Siliziumschicht 5 und Isolierschicht 7 freilegt. Im Messbetrieb wird eine von einem darauf einwirkenden Differenzdruck abhängige Auslenkung der Differenzdruckmessmembran 11, wie bereits eingangs im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip anhand von 2 beschrieben, durch mindestens eines der piezoresistives Element 13 erfasst, dass auf der von der Ausnehmung 9 abgewandten Seite der Differenzdruckmessmembran 11 angeordnet ist. Das gleiche gilt natürlich auch für den in 1 dargestellten Drucksensor-Chip.By the etching process of the differential pressure measuring diaphragm 11 forming region of the adjoining composite oxide layer 3 , Silicon layer 5 and insulating layer 7 exposes. In measuring mode, a deflection of the differential pressure measuring diaphragm dependent on a differential pressure acting on it becomes 11 , as already mentioned at the beginning in connection with the pressure sensor chip according to the invention on the basis of 2 described by at least one of the piezoresistive element 13 Captures that on the of the recess 9 opposite side of the differential pressure measuring diaphragm 11 is arranged. The same of course applies to the in 1 illustrated pressure sensor chip.

Nachfolgend wird im zweiten Bereich II der Systemdrucksensor erzeugt.following the system pressure sensor is generated in the second area II.

Dabei werden unter anderem Verfahrensschritte ausgeführt, wie sie in ähnlicher Form in der US-A 5,510,276 beschrieben sind. Die US-A 5,510,276 betrifft einen piezoresisitiver Drucksensor-Chip und ein zugehöriges Herstellungsverfahren. Ausgangsmaterial ist dort ein Siliziumsubstrat mit negativer Dotierung, in dessen Oberseite durch eine Implantation von Sauerstoffionen und anschließendes Tempern eine Oxidschicht eingebracht wird, die von einem Siliziumfilm überdeckt ist. Auf dem Siliziumfilm wird epitaktisch eine weitere Siliziumschicht mit negativer Dotierung abgeschieden. Anschließend werden die piezoresistiven Elemente erzeugt, indem in den Bereichen der weiteren Siliziumschicht, die nachfolgend die piezoresisitiven Elemente bilden, eine auf diese Bereiche begrenzte positive Dotierung, z. B. durch Bor, eingebracht wird. Damit besteht ein pn-Übergang zwischen den piezoresistiven Elementen und der weiteren Siliziumschicht. Anschließend wird eine Öffnung erzeugt, die durch die weitere Siliziumschicht und den Siliziumfilm hindurch zur Oxidschicht führt. Durch diese Öffnung hindurch wird in die Oxidschicht eine Ausnehmung eingeätzt, die auf deren vom Substrat abgewandten Seite von einem die Absolutdruckmessmembran bildenden Bereich des Verbundes aus der Siliziumschicht und der weiteren Siliziumschicht abgeschlossen ist. Anschließend wird die Öffnung unter Vakuum durch eine Abscheidung eines Materials verschlossen, wobei aus dem Material ein Stopfen aufgebaut wird, der durch die Öffnung und die Ausnehmung in der Oxidschicht hindurch bis zum Substrat reicht und einen Abstandshalter zwischen dem Substrat und der Absolutdruckmessmembran bildet. Es ist beschrieben, den Stopfen aus aufeinander abgeschiedenen Schichten aus Siliziumdioxid (SiO2) und Siliziumnitrid (Si3N4) aufzubauen.Among other things, process steps are carried out, as in similar form in the US-A 5,510,276 are described. The US-A 5,510,276 relates to a piezoresistive pressure sensor chip and related manufacturing method. Starting material there is a silicon substrate with negative doping, in the top side by an implantation of oxygen ions and subsequent annealing an oxide layer is introduced, which is covered by a silicon film. On the silicon film is epitaxially deposited another silicon layer with negative doping. Subsequently, the piezoresistive elements he testifies by in the regions of the further silicon layer, which subsequently form the piezoresistive elements, limited to these areas positive doping, z. B. by boron, is introduced. This results in a pn junction between the piezoresistive elements and the further silicon layer. Subsequently, an opening is created which leads through the further silicon layer and the silicon film to the oxide layer. Through this opening, a recess is etched into the oxide layer, which is closed on its side facing away from the substrate from an absolute pressure measuring diaphragm forming region of the composite of the silicon layer and the further silicon layer. Subsequently, the opening is sealed under vacuum by deposition of a material, wherein a plug is built from the material, which extends through the opening and the recess in the oxide layer to the substrate and forms a spacer between the substrate and the absolute pressure measuring diaphragm. It is described to construct the plug of successively deposited layers of silicon dioxide (SiO 2) and silicon nitride (Si 3 N 4).

Bei dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip wird in einem von der Differenzdruckmessmembran 11 beabstandeten Bereich II des Drucksensor-Chip eine zylindrische Öffnung 27 erzeugt, die die Isolierschicht 7 und die Siliziumschicht 5 durchdringt. Dies ist in 9 dargestellt. Die Öffnung 27 wird mittig zwischen die zur Messung des Systemdrucks p_sys vorgesehenen piezoresistiven Elemente 19 angeordnet. Zur Herstellung der Öffnung 27 eignen sich z. B. klassische Fotolithographieverfahren die bevorzugt in Verbindung mit einer Plasmaätzung oder einer Ionenätzung, beispielsweise einer reactive ion etching (RIE), angewandt werden. Dabei dient die die vergrabene Oxidschicht 3 des BESOI Wafers, genau wie bei der Erzeugung der die Differenzdruckmessmembran 11 freilegenden Ausnehmung 9, als Ätzstopp.In the pressure sensor chip according to the invention described here is in one of the differential pressure measuring diaphragm 11 spaced portion II of the pressure sensor chip has a cylindrical opening 27 generates the insulating layer 7 and the silicon layer 5 penetrates. This is in 9 shown. The opening 27 becomes centered between the piezoresistive elements provided for measuring the system pressure p _sys 19 arranged. To make the opening 27 are suitable for. Example, classical photolithography methods which are preferably used in conjunction with a plasma etching or ion etching, for example, a reactive ion etching (RIE), are applied. The buried oxide layer serves this purpose 3 of the BESOI wafer, just as in the generation of the differential pressure measuring membrane 11 exposing recess 9 , as an etch stop.

In einem nächsten Arbeitsgang wird durch die Öffnung 27 hindurch eine von der Differenzdruckmessmembran 11 beabstandete Ausnehmung 29 in die Oxidschicht 3 eingeätzt. Dabei bildet die Oxidschicht 3 in diesem Bereich eine Opferschicht, die vorzugsweise mittels einer selektiven Ätzlösung, z. B. auf der Basis von Flusssäure (HF), entfernt wird. Diese seitliche Ätzung ist vollkommen reproduzierbar und hat eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von 1 μm/min bei Raumtemperatur. Die Ausnehmung 29 ist auf deren vom Träger 1 abgewandten Seite von einem die Systemdruckmessmembran 17 bildenden Bereich des Verbundes aus Siliziumschicht 5 und Isolierschicht 7 abgeschlossen. Im Messbetrieb wird eine von einem auf die Systemdruckmessmembran 17 einwirkenden Systemdruck p_sys abhängige Auslenkung durch die piezoresistiven Element 19 erfasst, die auf der von der Ausnehmung 29 abgewandten Seite der Isolierschicht 7 der Systemdruckmessmembran 17 angeordnet sind.In a next pass will be through the opening 27 through one of the differential pressure measuring diaphragm 11 spaced recess 29 in the oxide layer 3 etched. The oxide layer forms 3 in this area, a sacrificial layer, preferably by means of a selective etching solution, for. B. on the basis of hydrofluoric acid (HF) is removed. This lateral etching is perfectly reproducible and has a speed of the order of 1 μm / min at room temperature. The recess 29 is on theirs from the carrier 1 side facing away from a system pressure measuring diaphragm 17 forming region of the composite of silicon layer 5 and insulating layer 7 completed. In measuring mode, one from one to the system pressure measuring diaphragm 17 acting system pressure p _sys dependent deflection by the piezoresistive element 19 captured on the of the recess 29 opposite side of the insulating layer 7 the system pressure measuring membrane 17 are arranged.

Abschließend wird die Ausnehmung 29 evakuiert und die Öffnung 27 unter Vakuum verschlossen. Vorzugsweise wird die Öffnung 27 durch eine Abscheidung eines Materials verschlossen, wobei aus dem Material ein Stopfen 31 aufgebaut wird, der durch die Öffnung 27 und die Ausnehmung 29 in der Oxidschicht 5 hindurch bis zum Träger 1 reicht. Der Stopfen 31 verschließt die Öffnung 27 hermetisch dicht und bildet einen Abstandshalter zwischen dem Träger 1 und der Systemdruckmessmembran 17. Durch den Stopfen 31 wird aus der Systemdruckmessmembran 11 eine steife Ringmembran. Hierdurch ist es möglich auch mit vergleichsweise dünnen Systemdruckmessmembranen 11 hohe statische Drücke von bis zu 100 bar zu erfassen.Finally, the recess 29 evacuated and the opening 27 closed under vacuum. Preferably, the opening 27 closed by a deposition of a material, wherein the material of a stopper 31 is built, which through the opening 27 and the recess 29 in the oxide layer 5 through to the wearer 1 enough. The stopper 31 closes the opening 27 hermetically sealed and forms a spacer between the carrier 1 and the system pressure measuring membrane 17 , Through the stopper 31 gets out of the system pressure measuring membrane 11 a stiff ring membrane. This makes it possible even with relatively thin system pressure measuring membranes 11 high static pressures of up to 100 bar to capture.

Das Material ist vorzugsweise ein isolierendes Material, wie z. B. Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumoxinitrd (SION). Vorzugsweise wird der Stopfen 31 aus aufeinander aufgebrachten Schichten aus Siliziumdioxid (SiO₂) und Siliziumnitrid (Si₃N₄) aufgebaut. Die Abscheidung des Materials bzw. der Materialschichten erfolgt vorzugsweise durch chemische Gasphasenabscheidungen unter Vakuum (low Pressure chemical vapor deposition (LPCVD)) oder durch Plasma unterstützte chemische Gasphasenabscheidungen (Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)). Dabei können beispielsweise klassische Fotolitographieverfahren eingesetzt werden, um die Abscheidung auf den Bereich der Öffnung 27 zu begrenzen.The material is preferably an insulating material, such as. As silicon dioxide (SiO ₂ ), silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) or Siliciumoxinitrd (SION). Preferably, the plug is 31 composed of layers of silicon dioxide (SiO ₂ ) and silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) applied to one another. The deposition of the material or the material layers is preferably carried out by chemical vapor deposition under vacuum (LPCVD) or by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). In this case, for example, classic photolithographic methods can be used to determine the deposition on the region of the opening 27 to limit.

Vorzugsweise wird mindestens ein Abscheidungsvorgang vorgenommen, bei dem mindestens eine Schicht 33 aus einem isolierendes Material auf der vom Träger 1 abgewandten Oberfläche des Drucksensor-Chips mit den darauf befindlichen piezoresisitiven Elementen 13, 19 abgeschieden wird. Dabei wird vorzugsweise ein kleiner Bereich 34 in der unmittelbaren Umgebung jedes piezoresistiven Elementes 13, 19 ausgespart, in dem nachfolgend eine elektrische Kontaktierung der piezoresistiven Elemente 13, 19 erfolgen kann. Die Bereiche 34 können z. B. durch entsprechende fotolithographischen Verfahren mittels entsprechend ausgeformter Masken während der Abscheidung abgedeckt werden, die dann nachfolgend wieder entfernt werden. Grundsätzlich wäre es auch möglich, den gesamten Chip mit der Schicht zu versehen, und diese in den Bereichen 34 nachfolgend zu entfernen. Dies kann jedoch je nach Material mit Schwierigkeiten verbunden sein und unter Umständen zu einer Beschädigung der Oberfläche des Chips in den betroffenen Bereichen 34 führen.Preferably, at least one deposition process is performed, wherein at least one layer 33 made of an insulating material on the carrier 1 remote surface of the pressure sensor chip with the piezoresistive elements thereon 13 . 19 is deposited. In this case, preferably, a small area 34 in the immediate vicinity of each piezoresistive element 13 . 19 recessed in the following an electrical contacting of the piezoresistive elements 13 . 19 can be done. The areas 34 can z. B. by appropriate photolithographic process by means of appropriately shaped masks are covered during the deposition, which are then removed again below. In principle, it would also be possible to provide the entire chip with the layer, and this in the areas 34 subsequently remove. However, this can be difficult depending on the material and may cause damage to the surface of the chip in the affected areas 34 to lead.

Die großflächige Abscheidung der Schicht 33 auf der Chip-Oberfläche bietet den Vorteil, dass sie eine primäre Passivierung der Chip-Oberfläche und insb. der piezoresistiven Elemente 13, 19 bewirkt. Die Passivierung bildet einen Schutz der piezoresisitiven Elemente 13, 19 vor Feuchtigkeit und verhindert zugleich einen Ladungstransport auf der Oberfläche des Drucksensor-Chips. Vorzugsweise wird zur Erzeugung der Schicht 33 Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumoxinitrd (SION) verwendet. Diese Materialien bieten den Vorteil, dass sie eine zusätzliche Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung bewirken. Die Schicht 33 weist vorzugsweise eine Dicke von mehr als 50 nm auf. Idealer Weise liegt die Dicke der Schicht 33 zwischen 80 nm und 100 nm.The large-scale deposition of the layer 33 On the chip surface offers the advantage that it has a primary passivation of the chip surface and esp. The piezoresistive elements 13 . 19 causes. The passivation forms a protection of the piezoresistive elements 13 . 19 moisture and prevents at the same time a charge transport on the surface of the pressure sensor chip. Preferably, to produce the layer 33 Silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) or Siliciumoxinitrd (SION) used. These materials offer the advantage of providing additional shielding from electromagnetic radiation. The layer 33 preferably has a thickness of more than 50 nm. Ideally, the thickness of the layer is 33 between 80 nm and 100 nm.

Anschließend wird auf dem Drucksensor-Chip eine Metallisierung 35 aufgebracht, durch die eine elektrische Verschaltung der piezoresisistiven Elemente 13, 19 bewirkt wird und Kontaktpads zur Kontaktierung der verschalteten Elemente 13, 19 erzeugt werden. Die Kontaktierung erfolgt dabei in den zuvor bei der Abscheidung der Schicht 33 ausgesparten Bereichen 34.Subsequently, a metallization on the pressure sensor chip 35 applied, through which an electrical interconnection of piezoresistive elements 13 . 19 is effected and contact pads for contacting the interconnected elements 13 . 19 be generated. The contacting takes place in the before in the deposition of the layer 33 recessed areas 34 ,

Dies ist in 12 dargestellt. Vorzugsweise wird für die Metallisierung 35 ein für den Einsatz bei hohen Temperaturen taugliches Kontaktierungs-Materialsystem wie z. B. TiWN/Au verwendet.This is in 12 shown. Preferably, for the metallization 35 a suitable for use at high temperatures contacting material system such. B. TiWN / Au used.

In einem letzten Arbeitsgang wird dann in dem Drucksensor-Chip der oben bereits beschriebene Sägeschnitt 21 eingebracht, durch den die Differenzdruckmessmembran 11 mechanisch von der Systemdruckmessmembran 17 entkoppelt wird. 1 Träger 3 Oxidschicht 5 Siliziumschicht 7 Isolierschicht 9 Ausnehmung 11 Differenzdruckmessmembran 13 piezoresisitive Elemente 15 Ausnehmung 17 Systemdruckmessmembran 19 piezoresisitive Elemente 21 Schnitt 23 Stopfen 25 Elektronik 27 Siliziumfilm 29 homogene Schicht mit pos. Dotierung 31 Stopfen 33 Schicht 34 Bereiche 35 Metallisierung In a final operation, the saw cut already described above is then in the pressure sensor chip 21 introduced, through which the differential pressure measuring diaphragm 11 mechanically from the system pressure measuring membrane 17 is decoupled. 1 carrier 3 oxide 5 silicon layer 7 insulating 9 recess 11 Differential pressure measuring diaphragm 13 piezoresisitive elements 15 recess 17 System pressure measuring diaphragm 19 piezoresisitive elements 21 cut 23 Plug 25 electronics 27 silicon film 29 homogeneous layer with pos. endowment 31 Plug 33 layer 34 areas 35 metallization

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5510276 A [0063, 0063]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- 2000 in the Journal of Micromechanical Engineering, Vol. 10, pages 204 to 208, published article: 'Optimized technology for the fabrication of piezoresistive pressure sensors', by A. Merlos, J. Santander, MD Alvares and F. Campabadal [0008]

Claims

Pressure sensor chip for measuring a differential pressure with - a carrier ( 1 ) of silicon, - one on the support ( 1 ) arranged oxide layer ( 3 ), - one on the oxide layer ( 3 ) arranged silicon layer ( 5 ), - one on the silicon layer ( 5 ) arranged insulating layer ( 7 ), and - one in the carrier ( 1 ) recess ( 9 ) having a differential pressure measuring diaphragm ( 11 ) forming region of the adjoining composite oxide layer ( 3 ), Silicon layer ( 5 ) and insulating layer ( 7 ) whose deflection is dependent on a differential pressure acting thereon by at least one piezoresistive element ( 13 ) is detected that on the of the recess ( 9 ) facing away from the insulating layer ( 7 ) of the differential pressure measuring membrane ( 11 ) is arranged.

Pressure sensor chip according to Claim 1, which additionally has a region (II) designed as a system pressure sensor, in which - on the carrier ( 1 ) of silicon, the oxide layer ( 3 ), - on the oxide layer ( 3 ) the silicon layer ( 5 ), - on the silicon layer ( 5 ) the insulating layer ( 7 ), and - in the oxide layer ( 3 ) one of the differential pressure measuring membrane ( 11 ) spaced recess ( 29 ), which is based on that of the carrier ( 1 ) facing away from a system pressure measuring membrane ( 17 ) forming region of the composite of silicon layer ( 5 ) and insulating layer ( 7 ), the deflection of which depends on a system pressure acting thereon by at least one piezoresistive element ( 19 ) is detected that on the of the recess ( 29 ) facing away from the insulating layer ( 7 ) of the system pressure measuring membrane ( 17 ) is arranged.

Pressure sensor chip according to Claim 2, in which the oxide layer ( 3 ), the silicon layer ( 5 ) and the insulating layer ( 7 ) a section ( 21 ), through which the differential pressure measuring membrane ( 11 ) mechanically from the system pressure measuring membrane ( 17 ) is decoupled,

Pressure sensor chip according to claim 2, in which - the system pressure measuring diaphragm ( 17 ) arranged in the middle of a cylindrical opening ( 27 ), and - this opening ( 27 ) through a plug ( 31 ) is closed, - through the opening ( 27 ) and the recess ( 29 ) in the oxide layer ( 3 ) through to the carrier ( 1 ) and a spacer between the carrier ( 1 ) and the system pressure measuring membrane ( 17 ).

Pressure sensor chip according to claim 1 or 2, in which on the carrier ( 1 ) facing away from the top of the pressure sensor chip electronics ( 25 ) is arranged, to which the on the insulating layer ( 7 ) arranged piezoresistive elements ( 13 . 19 ) are connected.

Pressure sensor chip according to Claim 5, in which the piezoresistive elements ( 13 ) for measuring the differential pressure and / or the piezoresistive elements ( 19 ) are connected together to measure the system pressure in each case to a resistance bridge, and the electronics ( 25 ) serves to derive a temperature, which is exposed to the pressure sensor chip, based on an internal resistance of at least one resistance bridge and to provide for compensation of temperature-dependent measurement error.

Method for producing a pressure sensor chip for measuring a differential pressure, in which - a first and a second silicon layer (n-Si1, n-Si2) and an oxide layer arranged therebetween ( 3 BESOI wafer is used, - the first silicon layer (n-Si1) a carrier ( 1 ) of silicon, - in the second silicon layer (n-Si 2) by implantation of ions and subsequent annealing an insulating layer ( 7 ) generated by an overlying silicon film ( 27 ), - from the silicon film ( 27 ) piezoresisitive elements ( 13 . 19 ), - in the carrier ( 1 ) a recess ( 9 ), which has a differential pressure measuring diaphragm ( 11 ) forming region of the adjoining composite oxide layer ( 3 ), Silicon layer ( 5 ) and insulating layer ( 7 ), the deflection of which is dependent on a differential pressure acting thereon through at least one of the piezoresistive elements ( 13 ) is detected that on the of the recess ( 9 ) facing away from the insulating layer ( 7 ) of the differential pressure measuring membrane ( 11 ) is arranged.

Method for producing a pressure sensor chip according to Claim 7, in which - in a region (II) of the pressure sensor chip which is at a distance from the differential pressure measuring diaphragm, a cylindrical opening ( 27 ) is produced, which the insulating layer ( 7 ) and the silicon layer ( 5 ), - through the opening ( 27 ) through one of the differential pressure measuring membrane ( 11 ) spaced recess ( 29 ) in the oxide layer ( 3 ) etched on the carrier (s) 1 ) facing away from a system pressure measuring membrane ( 17 ) forming region of the composite of silicon layer ( 5 ) and insulating layer ( 7 ), the deflection of which depends on a system pressure acting thereon by at least one piezoresistive element ( 19 ) is detected that on the of the recess ( 29 ) facing away from the insulating layer ( 7 ) of the system pressure measuring membrane ( 17 ), and - the opening ( 27 ) is closed under vacuum.

A method of manufacturing a pressure sensor chip according to claim 7 or 8, wherein the silicon film ( 27 ) piezoresisitive elements ( 13 . 19 ) are generated by - the silicon film ( 27 ) is doped by implantation of ions, and - a structuring of the doped silicon film ( 29 ), in which only the piezoresistive elements ( 13 . 19 ) serve areas of the doped silicon film ( 29 ) on the insulating layer ( 7 ) remain.

Method of manufacturing a pressure sensor chip according to claim 8, wherein the cylindrical opening ( 27 ) is sealed under vacuum by deposition of at least one material, wherein from the material a plug ( 31 ), which passes through the opening ( 27 ) and the recess ( 29 ) in the oxide layer ( 3 ) through to the carrier ( 1 ) and a spacer between the carrier ( 1 ) and the system pressure measuring membrane ( 17 ).

Method according to Claim 10, in which at least one deposition process is carried out in which at least one layer ( 33 ) of an insulating material on the support ( 1 ) facing away from the surface of the pressure sensor chip with the piezoresisitive elements ( 13 . 19 ), which is a primary passivation of the upper side of the pressure sensor chip and the piezoresistive elements ( 13 . 19 ) causes.