DE102007057877A1 - pressure sensor - Google Patents

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    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate

Abstract

Es ist ein Drucksensor-Chip zur Messung eines Drucks beschrieben, mit dem ein druckabhängiges Ausgangssignal erzielbar ist, das eine hohe Langzeitstabilität aufweist, mit einem Membranträger (1) aus Silizium, einer Messmembran (3) aus Silizium, auf die im Messbetrieb ein zu messender Druck (p) einwirkt, auf einer Oberseite der Messmembran (3) angeordneten Sensorelementen (7), die dazu dienen, eine vom einwirkenden Druck (p) anhängige Auslenkung der Messmembran (3) in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln, einer auf der Oberseite der Messmembran (3) angeordneten Passivierungsschicht (13), die die Sensorelemente (7) überdeckt, und einer auf der Passivierungsschicht (13) aufgebrachten, die Sensorelemente (7) überdeckenden elektrischen Abschirmung (15) aus Molybdänsilizid.It is a pressure sensor chip for measuring a pressure described, with a pressure-dependent output signal is achievable, which has a high long-term stability, with a membrane support (1) made of silicon, a measuring membrane (3) made of silicon, to be measured in the measuring operation Pressure (p) acts on a top surface of the measuring diaphragm (3) arranged sensor elements (7), which serve to convert a pending by the applied pressure (p) deflection of the measuring diaphragm (3) into an electrical output signal, one on the upper side of the measuring diaphragm (3) arranged passivation layer (13), which covers the sensor elements (7), and on the passivation layer (13) applied, the sensor elements (7) covering electrical shielding (15) made of molybdenum silicide.

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Drucksensor Chip mit einer elektrischen Abschirmung.The The invention relates to a semiconductor pressure sensor chip with an electrical Shielding.

Drucksensoren dienen zur Erfassung von Drücken und werden in Druckmessgeräten, wie sie z. B. in der industriellen Messtechnik verwendet werden, zur Messung von Absolutdrücken, Relativdrücken und Differenzdrücken eingesetzt.pressure sensors are used to detect pressures and are used in pressure gauges, as they are z. B. be used in industrial metrology, for measuring absolute pressures, relative pressures and differential pressures used.

In der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Sensoren als Drucksensoren eingesetzt. Halbleiter-Sensoren werden heute regelmäßig auf Siliziumbasis, z. B. unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI) Technologie hergestellt. Sie werden regelmäßig als Drucksensor-Chip ausgebildet, der typischer Weise einen Träger und eine auf einem Träger angeordnete Messmembran aufweist. Die Messmembran ist im Messbetrieb dem zu messenden Druck ausgesetzt.In Pressure measurement technology is often called semiconductor sensors used as pressure sensors. Semiconductor sensors are becoming regular today based on silicon, z. Using silicone on insulator (SOI) technology produced. They become regular formed as a pressure sensor chip, typically a carrier and a measuring membrane arranged on a support. The measuring diaphragm is exposed to the pressure to be measured during measuring operation.

Drucksensor-Chips sind in der Regel sehr empfindlich und werden deshalb in der Regel nicht direkt einem Medium ausgesetzt, dessen Druck gemessen werden soll. Stattdessen werden mit einer Flüssigkeit gefüllte Druckmittler vorgeschaltet, die den zu messenden Druck auf die Messmembran übertragen.Pressure sensor chips are usually very sensitive and are therefore usually not directly exposed to a medium whose pressure is measured should. Instead, be filled with a liquid Preceded by a pressure transmitter, which transmit the pressure to be measured to the measuring diaphragm.

Ein auf die Messmembran einwirkender Druck bewirkt eine druckabhängige Auslenkung der Messmembran, die über auf der Messmembran angeordnete Sensorelemente erfasst und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird, dass dann einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.One pressure acting on the diaphragm causes a pressure dependent Deflection of the measuring membrane, over on the measuring membrane arranged sensor elements detected and in an electrical output signal is then converted to a further processing and / or Evaluation is available.

Als Sensorelemente eignen sich z. B. piezoresistive Widerstände. Diese Widerstände werden beispielsweise durch geeignete Dotierungsverfahren, wie z. B. Diffusion oder Implantation, hergestellt. Die piezoresistiven Widerstände werden beispielsweise durch Bereiche auf der Messmembran gebildet, die eine positive Dotierung aufweisen. Diese Bereiche sind beispielsweise auf einer eine negative Dotierung aufweisenden Siliziumschicht aufgebracht sind. Üblicher Weise werden mindestens vier Widerstände eingesetzt, die z. B. derart auf der Messmembran verteilt sind, dass sich deren Widerstandswerte in Abhängigkeit von einer durch den einwirkenden Druck bewirkten Auslenkung der Messmembran paarweise erhöhen bzw. erniedrigen. Die Widerstände sind typischer Weise zu einer Brückenschaltung, z. B. einer Wheatstone-Brücke, zusammen geschaltet, und es wird ein vom einwirkenden Druck abhängiges Ausgangssignal an der Brückenschaltung abgenommen.When Sensor elements are suitable for. B. piezoresistive resistors. These resistors are for example by suitable Doping method, such. B. diffusion or implantation. The piezoresistive resistors are, for example, by Regions formed on the measuring membrane, which has a positive doping exhibit. These areas are for example a negative one Doped silicon layer are applied. usual Way at least four resistors are used, the z. B. are distributed on the measuring diaphragm, that is their Resistance values depending on one by the acting Pressure caused deflection of the diaphragm to increase in pairs or lower. The resistors are typical to a bridge circuit, z. B. a Wheatstone bridge, switched together, and it becomes a pressure dependent on Output signal at the bridge circuit removed.

Dabei werden hohe Ansprüche an die Stabilität des Ausgangssignals derartiger Halbleiter-Drucksensoren gestellt. Insb. wird gefordert, dass das Ausgangssignal eine hohe Langzeitstabilität aufweist, dass es stabil ist gegenüber Umgebungseinflüssen, und das es möglichst unabhängig von den Speisebedingungen des Sensorchips ist.there become high demands on the stability of the output signal such semiconductor pressure sensors. Esp. is required that the output signal has a high long-term stability, that it is stable to environmental influences, and that it is as independent as possible from the feeding conditions of the Sensor chips is.

In dem 1989 erschienen Buch, 'Halbleitersensoren' von Prof. Dr. Herbert Reicht et. al. ist hierzu auf Seite 194 ausgeführt, dass eine zeitliche Drift des Ausgangssignals im wesentlichen durch eine bei einem einwirkenden Feld bei höheren Temperaturen auftretende Driftbewegung von Ionen auf dem Chip hervorgerufen wird. Weiter ist dort angeführt, dass eine Abschirmung in Form einer metallisch leitenden Abdeckschicht auf der Chip-Oberfläche diese Ionen Drift unterbinden kann, sofern die Abdeckschicht auf dem gleichen Potential liegt, wie das Substrat.By doing 1989 book published, 'Semiconductor Sensors' by Prof. dr. Herbert Rich et. al. is on page 194 stated that a temporal drift of the output signal is essentially caused by a drift movement of ions on the chip occurring at an applied field at higher temperatures. It is further stated there that a shield in the form of a metallically conductive covering layer on the chip surface can prevent these ions from drift if the covering layer is at the same potential as the substrate.

Zur Verbesserung der Stabilität des Ausgangssignals werden daher häufig elektrische Abschirmungen eingesetzt, mit denen zumindest die Sensorelemente abgedeckt werden. Ein Beispiel für einen solche metallische Abschirmung ist in der DE-A1 2921043 beschrieben.To improve the stability of the output signal electrical shields are therefore often used with which at least the sensor elements are covered. An example of such a metallic shield is in DE-A1 2921043 described.

Metallischen Abschirmungen bewirken jedoch ebenfalls eine Rückwirkung auf das Ausgangssignal, so dass insb. bei hohen Temperaturen nicht reproduzierbare Abweichungen des Ausgangssignals auftreten können.metallic Shielding, however, also cause a reaction on the output signal, so that esp. At high temperatures not reproducible deviations of the output signal can occur.

Bisher wurde als Material für den leitfähigen Schirm vorwiegend eine Aluminiumschicht eingesetzt. Aluminium weist den Vorteil auf, dass man den Aluminium-Schirm zusammen mit Aluminium-Leiterbahnen und Aluminium-Kontakt-Pads in einem Sputterprozess erzeugen kann. Allerdings besteht hierbei das Risiko, dass sich nadelförmige Auskristallisierungen von AlSi – so genannte „spikes" bilden können, die die Chip-Oberfläche durchdringen. Wenn diese Auskristallisierungen die Sensorelemente erreichen entsteht ein Kurzschluss.So far was used as material for the conductive screen predominantly used an aluminum layer. Aluminum has the Take advantage of having the aluminum screen along with aluminum tracks and can produce aluminum contact pads in a sputtering process. However, there is a risk that is needle-shaped Crystallization of AlSi - so-called "spikes" can form, which penetrate the chip surface. When these crystallizations reach the sensor elements arises a short circuit.

Ein weiterer Nachteil von Aluminium besteht in der ausgeprägten Neigung von Aluminium zur mechanischen Hysterese. Außerdem führt der extreme Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Silizium zu einer deutlichen thermischen Hysterese.One Another disadvantage of aluminum is the pronounced Inclination of aluminum for mechanical hysteresis. Furthermore leads the extreme difference of the thermal expansion coefficient of aluminum and silicon to a significant thermal hysteresis.

Ein weiteres häufig zur elektrischen Abschirmung verwendetes Material ist dotiertes Polysilizium. Viele Materialeigenschaften von Polysilizium sind denen von einkristallinem Silizium sehr ähnlich. Hier sind vor allem der thermische Ausdehnungskoeffizient, die Härte, sowie die Elastizitäts- und Schermodule zu nennen. Als Dopanten werden bei der Herstellung von Polysilizium z. B. Bor oder Phosphor eingesetzt. Die Dopanten reduzieren jedoch die Resistivität des Materials und beeinflussen die intrinsische Spannung in der Dünnschicht.One another frequently used for electrical shielding Material is doped polysilicon. Many material properties of polysilicon are very similar to those of single crystal silicon. Here are above all the thermal expansion coefficient, the hardness, and the elasticity and shear moduls. When Dopants are used in the production of polysilicon z. B. boron or Phosphorus used. However, the dopants reduce the resistivity of the material and affect the intrinsic stress in the Thin film.

Die Dotierung erfolgt beispielsweise durch Diffusion, durch Implantation oder durch die Zugabe eines Dopantgases während der Abscheidung der als Abschirmung dienenden Schicht. In Abhängigkeit von der während des Herstellungsprozesses herrschenden Temperatur und dem während des Herstellungsprozesses herrschenden Drucks entsteht amorphes oder polykristallines Material. Die Korngröße des polykristallinen Materials ist ebenfalls stark abhängig von den Herstellungsbedingungen. Aufgrund der starken Abhängigkeit der Materialeigenschaften von den Herstellungsbedingungen tritt bei dotiertem Polysilizium eine große Streuung der Materialeigenschaften auf. Dies wirkt sich negativ auf die Reproduzierbarkeit der Herstellung von dotierten Polysiliziumschichten aus.The Doping takes place for example by diffusion, by implantation or by the addition of a dopant gas during the deposition the serving as a shielding layer. Dependent on from that prevailing during the manufacturing process Temperature and the prevailing during the manufacturing process Printing produces amorphous or polycrystalline material. The grain size of the polycrystalline material is also highly dependent from the manufacturing conditions. Due to the strong dependence the material properties of the manufacturing conditions occurs For doped polysilicon, a large dispersion of material properties on. This has a negative effect on the reproducibility of the production of doped polysilicon layers.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Drucksensor-Chip auf Siliziumbasis anzugeben, mit dem ein druckabhängiges Ausgangssignal erzielbar ist, das eine hohe Langzeitstabilität aufweist.It It is an object of the invention to provide a silicon-based pressure sensor chip specify with which a pressure-dependent output signal can be achieved is that has a high long-term stability.

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

  • – einem Membranträger aus Silizium,
  • – einer Messmembran aus Silizium, auf die im Messbetrieb ein zu messender Druck einwirkt,
  • – auf einer Oberseite der Messmembran angeordneten Sensorelementen,
  • – die dazu dienen eine vom einwirkenden Druck anhängige Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln,
  • – einer auf der Oberseite der Messmembran angeordneten Passivierungsschicht, die die Sensorelemente überdeckt, und
  • – einer auf der Passivierungsschicht aufgebrachten, die Sensorelemente überdeckenden elektrischen Abschirmung aus Molybdänsilizid.
For this purpose, the invention consists in a pressure sensor chip for measuring a pressure, with
  • A membrane carrier made of silicon,
  • A measuring membrane made of silicon, to which a pressure to be measured acts during measurement operation,
  • - Sensor elements arranged on an upper side of the measuring diaphragm,
  • - which serve to convert a dependent of the applied pressure deflection of the diaphragm into an electrical output signal,
  • A passivation layer arranged on the upper side of the measuring diaphragm and covering the sensor elements, and
  • - An applied on the passivation layer, the sensor elements covering electrical shielding of molybdenum silicide.

Gemäß einer Ausgestaltung sind die Sensorelemente piezoresisitive Widerstände.According to one Embodiment are the sensor elements piezoresisitive resistors.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Passivierungsschicht eine Siliziumoxidschicht.According to one In another embodiment, the passivation layer comprises a silicon oxide layer.

Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Passivierungsschicht eine auf die Siliziumoxidschicht aufgebrachte weitere Schicht, insb. eine Siliziumnitridschicht.According to one Further, the passivation layer comprises one on the silicon oxide layer applied further layer, esp. A silicon nitride layer.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist auf der Oberseite der Messmembran ein Kontaktpad angeordnet, der über eine Leiterbahn mit der elektrischen Abschirmung verbunden ist, und über den ein elektrischer Anschluss der Abschirmung erfolgt. Vorzugsweise sind der Kontaktpad und die Leiterbahn auf der Passivierungsschicht aufgebracht.According to one Another embodiment is on the top of the measuring membrane Contact pad arranged, which has a conductor track with the electrical shielding is connected, and over the one electrical connection of the shield takes place. Preferably the contact pad and the conductor track applied to the passivation layer.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Abschirmung aus Molybdänsilizid eine Schichtdicke in der Größenordnung von 100 nm auf.According to one Development of the invention has the shield of molybdenum silicide a layer thickness of the order of 100 nm up.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensor-Chips, bei dem die elektrische Abschirmung aus Molybdänsilizid auf der Passivierungsschicht durch Sputtern aufgebracht wird, und mittels eines nasschemischen oder eines trockenchemischen Ätzverfahrens strukturiert wird.Further The invention includes a process for the preparation of a novel process Pressure sensor chips, in which the electrical shielding of molybdenum silicide is deposited on the passivation layer by sputtering, and by means of a wet-chemical or a dry-chemical etching process is structured.

Molybdänsilizid bietet den Vorteil, das es für diese Anwendung hervorragende thermische, chemische und mechanische Eigenschaften aufweist. Molybdänsilizid weist eine Resisitivität von 4,5 10–5 Ωcm auf und gewährleistet damit eine zuverlässige Abschirmung. Hierdurch wird eine Ionen-Drift auf der Chip-Oberfläche zuverlässig unterbunden und der Drucksensor ist vor von außen einwirkenden elektrischen Feldern geschützt.Molybdenum silicide has the advantage of having excellent thermal, chemical and mechanical properties for this application. Molybdenum silicide has a resistivity of 4.5 10 -5 Ωcm and thus ensures reliable shielding. As a result, an ion drift on the chip surface is reliably prevented and the pressure sensor is protected from externally applied electric fields.

Molybdänsilizid weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizient auf, der dem von Silizium sehr viel ähnlicher ist, als der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminium. Damit besteht eine sehr günstige Materialanpassung und thermische Spannungen, die sich auf die Stabilität des Ausgangssignals auswirken könnten, werden weitgehend vermieden.Molybdenum silicide has a coefficient of thermal expansion much more similar to that of silicon than the thermal expansion coefficient of aluminum. This is a very favorable Ma Material adaptation and thermal stresses that could affect the stability of the output signal are largely avoided.

Zusätzlich weist Molybdänsilizid eine sehr hohe mechanische Stabilität auf, die insb. entscheidend höher als die von Polysilizium und Aluminium ist, so dass die Gefahr einer mechanischen Hysterese ebenfalls weitgehend eliminiert ist.additionally Molybdenum silicide has a very high mechanical stability on, in particular decisively higher than that of polysilicon and aluminum is, so the risk of mechanical hysteresis also largely eliminated.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Abschirmung aus Molybdänsilizid auf einfache und sehr wirtschaftliche Weise durch Sputtern aufgebracht werden kann und sich die aufgebrachte Schicht durch nasschemisches oder trochenchemisches Ätzen leicht strukturieren lässt.One Another advantage is that the shield of molybdenum silicide applied by sputtering in a simple and very economical way can be and the applied layer by wet chemical or structuring trochenchemisches etching easily.

Damit ist eine sehr hochwertige Abschirmung gegeben, die eine äußerst geringe Rückwirkung auf das Ausgangssignal ausübt. Damit sind insb. diejenigen Rückwirkungen gemeint, die durch mechanische und/oder thermische Hysterese verursacht werden.In order to is given a very high quality shield, which is an extremely has little effect on the output signal. This means in particular those repercussions that caused by mechanical and / or thermal hysteresis.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, 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 an embodiment is shown, closer explained. The same elements are in the figures with the provided the same reference numerals.

1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip; und 1 shows a section through a pressure sensor chip according to the invention; and

2 zeigt eine Ansicht einer Oberseite des erfindungsgemäßen Drucksensor-Chips. 2 shows a view of an upper side of the pressure sensor chip according to the invention.

1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip zur Messung eines Drucks. Der Drucksensor-Chip umfasst einen Membranträger 1 und eine Messmembran 3. Der Membranträger 1 trägt die Messmembran 3. Membranträger 1 und Messmembran 3 bestehen aus Silizium und sind vorzugsweise aus einem einzigen Subrat hergestellt, auf dessen Unterseite eine hier kreisscheibenförmige Messmembran 3 freilegende Ausnehmung 5 vorgesehen ist. Hierzu eignet sich insb. monokristallines Silizium mit negativer Dotierung. Alternativ kann aber auch ein monokristallines Substrat ohne Dotierung oder mit positiver Dotierung eingesetzt werden. Im Messbetrieb wirkt auf die Messmembran 3 ein zu messender Druck p ein, der der Messmembran 3 unmittelbar oder über einen vorgeschalteten Druckmittler zugeführt wird. Dies ist in 1 durch einen Pfeil p dargestellt. Der einwirkende Druck p bewirkt eine druck-abhängige Auslenkung der Messmembran 1. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wirkt der Druck p auf eine Oberseite der Messmembran 1 ein. 1 shows a section through a pressure sensor chip according to the invention for measuring a pressure. The pressure sensor chip comprises a membrane carrier 1 and a measuring membrane 3 , The membrane carrier 1 carries the measuring membrane 3 , membrane support 1 and measuring membrane 3 consist of silicon and are preferably made of a single subrate, on its underside a circular disk-shaped measuring membrane here 3 exposing recess 5 is provided. Particularly suitable for this is monocrystalline silicon with negative doping. Alternatively, however, it is also possible to use a monocrystalline substrate without doping or with positive doping. In measuring mode, it acts on the measuring diaphragm 3 a pressure to be measured p, the measuring membrane 3 is fed directly or via an upstream diaphragm seal. This is in 1 represented by an arrow p. The acting pressure p causes a pressure-dependent deflection of the measuring diaphragm 1 , In the illustrated embodiment, the pressure p acts on an upper side of the measuring diaphragm 1 one.

Auf der Oberseite der Messmembran 1 sind Sensorelemente 7 angeordnet, die dazu dienen eine vom einwirkenden Druck p anhängige Auslenkung der Messmembran 1 in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln, das dann über entsprechende Anschlussleitungen 9 einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht. 2 zeigt eine Ansicht der Oberseite des Drucksensor-Chips. Die Anschlussleitungen 9 führen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel von den Sensorelementen 7 zu in den Ecken des dargestellten Drucksensor-Chips angeordneten Kontaktpads 11.On top of the measuring membrane 1 are sensor elements 7 arranged, which serve a dependent of the applied pressure p deflection of the measuring diaphragm 1 to convert into an electrical output signal, which then via corresponding connection lines 9 a further processing and / or evaluation is available. 2 shows a view of the top of the pressure sensor chip. The connecting cables 9 lead in the illustrated embodiment of the sensor elements 7 to arranged in the corners of the illustrated pressure sensor chip contact pads 11 ,

Die Sensorelemente 7 sind vorzugsweise piezoresistive Widerstände. Diese werden beispielsweise durch geeignete Dotierungsverfahren, wie z. B. Diffusion oder Implantation, hergestellt. Wird das eingangs genannte Substrat mit negativer Dotierung verwendet, so können die Widerstände beispielsweise hergestellt werden, indem in die oberste Schicht des Substrats Bor implantiert wird und die oberste Schicht anschließend derart strukturiert wird, dass ausschließlich die als Sensorelemente 7 dienenden Bereiche der obersten Schicht auf der Membranoberfläche verbleiben. Üblicher Weise werden mindestens vier Widerstände eingesetzt, die z. B. derart auf der Messmembran verteilt sind, dass sich deren Widerstandswerte in Abhängigkeit von einer durch den einwirkenden Druck bewirkten Auslenkung der Messmembran paarweise erhöhen bzw. erniedrigen. Die Widerstände sind typischer Weise zu einer Brückenschaltung, z. B. einer Wheatstone-Brücke, zusammen geschaltet, und es wird ein vom einwirkenden Druck p abhängiges Ausgangssignal an der Brückenschaltung abgenommen. Die Anordnung der Sensorelemente 7 und die daran angeschlossenen Anschlussleitungen 9 sind aus 2 ersichtlich.The sensor elements 7 are preferably piezoresistive resistors. These are, for example, by suitable doping methods, such. B. diffusion or implantation. If the substrate mentioned above is used with negative doping, the resistors can be produced, for example, by implanting boron into the uppermost layer of the substrate and then structuring the uppermost layer in such a way that only the sensor elements are used 7 remain serving on the membrane surface serving areas of the top layer. Usually, at least four resistors are used, the z. B. are distributed on the measuring diaphragm, that increase their resistance values in pairs depending on a caused by the applied pressure deflection of the measuring membrane or decrease. The resistors are typically a bridge circuit, e.g. As a Wheatstone bridge, connected together, and there is a dependent of the applied pressure p output signal at the bridge circuit removed. The arrangement of the sensor elements 7 and the connecting cables connected to it 9 are made 2 seen.

Zusätzlich weist der Drucksensor-Chip eine auf der Oberseite der Messmembran 3 angeordnete Passivierungsschicht 13 auf, die zumindest die Sensorelemente 7 überdeckt. Die Passivierungsschicht 13 besteht aus einem isolierenden Material, wie z. B. Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4). Prinzipiell genügt eine einzelne Schicht, z. B. aus Siliziumdioxid. Siliziumdioxid (SiO2) bietet den Vorteil, dass es eine sehr gute mechanische Bindung mit dem Chip ausbildet. Vorzugsweise umfasst die Passivierungsschicht 13 eine weitere auf die Siliziumoxidschicht aufgebrachte weitere Schicht, insb. eine Siliziumnitridschicht. Siliziumnitrid (Si3N4) bietet den Vorteil einer sehr guten Abschirmung.In addition, the pressure sensor chip has one on top of the measuring diaphragm 3 arranged passivation layer 13 on, at least the sensor elements 7 covered. The passivation layer 13 consists of an insulating material, such. As silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ). In principle, a single layer, z. B. of silicon dioxide. Silicon dioxide (SiO 2 ) has the advantage that it forms a very good mechanical bond with the chip. Preferably, the passivation layer comprises 13 a wide re applied to the silicon oxide layer further layer, esp. A silicon nitride layer. Silicon nitride (Si 3 N 4 ) offers the advantage of a very good shielding.

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)). Hierzu können beispielsweise klassische Fotolitographieverfahren eingesetzt werden, um die Abscheidung auf einzelne Bereiche der Chip-Oberfläche zu begrenzen. Dabei wird vorzugsweise ein kleiner Bereich in der unmittelbaren Umgebung jedes Sensorelements 7 ausgespart, in dem nachfolgend eine elektrische Kontaktierung des Sensorelements 7 erfolgen kann. Die Bereiche können z. B. durch entsprechende fotolithographischen Verfahren mittels entsprechend ausgeformter Masken während der Abscheidung abgedeckt werden, die dann nachfolgend wieder entfernt werden.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). For this purpose, for example, classical photolithography methods can be used to limit the deposition to individual areas of the chip surface. In this case, preferably, a small area in the immediate vicinity of each sensor element 7 recessed in the following an electrical contact of the sensor element 7 can be done. The areas can z. B. by appropriate photolithographic process by means of appropriately shaped masks are covered during the deposition, which are then removed again below.

Die hier dargestellte großflächige Abscheidung der Passivierungsschicht 13 auf der Chip-Oberfläche bietet den Vorteil, dass sie eine primäre Passivierung der Chip-Oberfläche und insb. der Sensorelemente 7 bewirkt. Die Passivierungsschicht 13 bildet einen Schutz der Sensorelemente 7 vor Feuchtigkeit und verhindert zugleich einen Ladungstransport auf der Oberfläche des Drucksensor-Chips.The large area deposition of the passivation layer shown here 13 On the chip surface offers the advantage that it has a primary passivation of the chip surface and esp. Of the sensor elements 7 causes. The passivation layer 13 forms a protection of the sensor elements 7 moisture and prevents at the same time a charge transport on the surface of the pressure sensor chip.

Erfindungsgemäß weist der Drucksensor-Chip eine auf der Oberseite der Messmembran 3 auf der Passivierungsschicht 13 aufgebrachte elektrische Abschirmung 15 aus Molybdänsilizid (MoSi2) auf. 2 zeigt eine Ansicht der Chip-Oberseite, aus der die Anordnung der Abschirmung 15 hervorgeht. Die Abschirmung 15 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel kreisscheibenförmig. Sie überdeckt die darunter befindlichen Sensorelemente 7. Die darunter befindlichen Sensorelemente 7, sowie die damit verbundenen Abschnitte 17 der Anschlussleitungen 9, die unter der Passivierungsschicht 13 verlaufen sind in 2 gestrichelt dargestellt.According to the invention, the pressure sensor chip has one on top of the measuring diaphragm 3 on the passivation layer 13 applied electrical shielding 15 from molybdenum silicide (MoSi 2 ). 2 shows a view of the chip top, from which the arrangement of the shield 15 evident. The shield 15 is circular disk-shaped in the illustrated embodiment. It covers the sensor elements underneath 7 , The underlying sensor elements 7 , as well as the related sections 17 the connecting cables 9 that under the passivation layer 13 are lost in 2 shown in dashed lines.

Die elektrische Abschirmung 15 aus Molybdänsilizid wird vorzugsweise auf der Oberseite der Messmembran 3 durch Sputtern aufgebracht, und mittels eines nasschemischen oder eines trockenchemischen Ätzverfahrens strukturiert.The electrical shielding 15 of molybdenum silicide is preferably on top of the measuring membrane 3 applied by sputtering, and patterned by means of a wet-chemical or dry-chemical etching process.

Die zwischen der Abschirmung 15 und den Sensorelementen 7 befindliche Passivierungsschicht 13 bewirkt eine elektrische Isolierung der Sensorelemente 7 gegenüber der Abschirmung 15.The between the shield 15 and the sensor elements 7 located passivation layer 13 causes an electrical insulation of the sensor elements 7 opposite the shield 15 ,

Molybdänsilizid bietet den Vorteil, das es für diese Anwendung hervorragende thermische, chemische und mechanische Eigenschaften aufweist. Molybdänsilizid weist eine Resisitivität von 4,5 10–5 Ωcm auf und gewährleistet damit eine zuverlässige Abschirmung. Hierdurch wird eine Ionen-Drift auf der Chip-Oberfläche zuverlässig unterbunden und der Drucksensor ist vor von außen einwirkenden elektrischen Feldern geschützt. Molybdänsilizid weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizient auf, der dem von Silizium sehr viel ähnlicher ist, als der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminium. Damit besteht eine sehr günstige Materialanpassung und thermische Spannungen, die sich auf die Stabilität des Ausgangssignals auswirken könnten, werden weitgehend vermieden.Molybdenum silicide has the advantage of having excellent thermal, chemical and mechanical properties for this application. Molybdenum silicide has a resistivity of 4.5 10 -5 Ωcm and thus ensures reliable shielding. As a result, an ion drift on the chip surface is reliably prevented and the pressure sensor is protected from externally applied electric fields. Molybdenum silicide has a coefficient of thermal expansion much more similar to that of silicon than the thermal expansion coefficient of aluminum. This results in a very favorable material adaptation and thermal stresses, which could affect the stability of the output signal are largely avoided.

Zusätzlich weist Molybdänsilizid eine sehr hohe mechanische Stabilität auf, die insb. entscheiden höher als die von Polysilizium und Aluminium ist, so dass die Gefahr einer mechanischen Hysterese ebenfalls weitgehend eliminiert ist. Der Elastizitätsmodul von Molybdänsilizid liegt zwischen 242 GPa und 377 GPa. Demgegenüber weist Polysilizium nur einen Elastizitätsmodul von 120 GPa bis 180 GPa auf. Der Elastizitätsmodul von Aluminium beträgt sogar nur 70 GPa. Der Schermodul von Molybdänsilizid beträgt 180 GPa, der von Polysilizium nur 69 GPa und der Aluminium sogar nur 25 GPa. Molybdänsilizid ist folglich stabiler, härter und elastischer als Polysilizium bzw. Aluminium.additionally Molybdenum silicide has a very high mechanical stability on, the particular decide higher than that of polysilicon and aluminum is, so the risk of mechanical hysteresis also largely eliminated. The modulus of elasticity of molybdenum silicide is between 242 GPa and 377 GPa. In contrast, For example, polysilicon has only a modulus of elasticity of 120 GPa up to 180 GPa. The modulus of elasticity of aluminum is even only 70 GPa. The shear modulus of molybdenum silicide is 180 GPa, of polysilicon only 69 GPa and the Aluminum even only 25 GPa. Molybdenum silicide is therefore more stable, harder and more elastic than polysilicon or Aluminum.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Abschirmung 15 aus Molybdänsilizid auf einfache und sehr wirtschaftliche Weise durch Sputtern aufgebracht werden kann und sich die aufgebrachte Schicht durch nasschemisches oder trochenchemisches Ätzen leicht strukturieren lässt.Another advantage is that the shielding 15 can be applied from molybdenum silicide in a simple and very economical manner by sputtering and the applied layer can be easily structured by wet-chemical or trochenchemisches etching.

Dabei genügt es, wenn die Abschirmung 15 aus Molybdänsilizid eine Schichtdicke in der Größenordnung von 100 nm aufweist. Im Vergleich hierzu sind bei der Verwendung von Polysilizium aufgrund der polykristallinen Struktur dieses Materials Schichtdicken in der Größenordnung von einigen hundert nm erforderlich, um eine vergleichbare Qualität der Abschirmung zu erzielen. Eine geringe Schichtdicke bietet den Vorteil einer geringeren Rückwirkung auf die Messeigenschaften des Drucksensor.It is sufficient if the shield 15 of molybdenum silicide has a layer thickness of the order of 100 nm. In comparison, due to the polycrystalline structure of this material, layer thicknesses of the order of a few hundred nm are required when using polysilicon in order to achieve a comparable quality of the shielding. A small layer thickness offers the advantage of less reaction to the measuring properties of the pressure sensor.

Damit ist eine sehr hochwertige Abschirmung 15 gegeben, die eine äußerst geringe Rückwirkung auf das Ausgangssignal ausübt. Damit sind insb. diejenigen Rückwirkungen gemeint, die durch mechanische und/oder thermische Hysterese verursacht werden.This is a very high quality shielding 15 given, which exerts an extremely low effect on the output signal. This means in particular those reactions which are caused by mechanical and / or thermal hysteresis.

Der elektrische Anschluss der elektrischen Abschirmung 15 erfolgt über einen auf der Oberseite der Messmembran 3 angeordneten Kontaktpad 19, der über eine Leiterbahn 21 mit der elektrischen Abschirmung 15 verbunden ist.The electrical connection of the electrical shielding 15 via one on top of the measuring membrane 3 arranged contact pad 19 that has a trace 21 with the electrical shielding 15 connected is.

Vorzugsweise sind der Kontaktpad 19 und die Leiterbahn 21, wie in 2 dargestellt, auf der Passivierungsschicht 13 aufgebracht. 1 Membranträger 3 Messmembran 5 Ausnehmung 7 Sensorelemente 9 Anschlussleitungen 11 Kontaktpads 13 Passivierungsschicht 15 Abschirmung 17 Teile der Anschlussleitung 19 Kontaktpad 21 Leiterbahn Preferably, the contact pad 19 and the track 21 , as in 2 shown on the passivation layer 13 applied. 1 membrane support 3 measuring membrane 5 recess 7 sensor elements 9 connecting cables 11 contact pads 13 passivation 15 shielding 17 Parts of the connecting cable 19 contact pad 21 conductor path

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - 1989 erschienen Buch, 'Halbleitersensoren' von Prof. Dr. Herbert Reicht et. al. ist hierzu auf Seite 194 [0008] - 1989 book published, 'Semiconductor Sensors' by Prof. dr. Herbert Rich et. al. this is on page 194 [0008]

Claims (8)

Drucksensor-Chip zur Messung eines Drucks mit – einem Membranträger (1) aus Silizium, – einer Messmembran (3) aus Silizium, auf die im Messbetrieb ein zu messender Druck (p) einwirkt, – auf einer Oberseite der Messmembran (3) angeordneten Sensorelementen (7), – die dazu dienen eine vom einwirkenden Druck (p) anhängige Auslenkung der Messmembran (3) in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln, – einer auf der Oberseite der Messmembran (3) angeordneten Passivierungsschicht (13), die die Sensorelemente (7) überdeckt, und – einer auf der Passivierungsschicht (13) aufgebrachten, die Sensorelemente (7) überdeckenden elektrischen Abschirmung (15) aus Molybdänsilizid.Pressure sensor chip for measuring a pressure with - a membrane carrier ( 1 ) made of silicon, - a measuring membrane ( 3 ) of silicon, to which a pressure to be measured (p) acts during measurement operation, - on an upper side of the measuring membrane ( 3 ) arranged sensor elements ( 7 ), Which serve for a deflection of the measuring diaphragm pending from the acting pressure (p) ( 3 ) into an electrical output signal, - one on top of the measuring membrane ( 3 ) passivation layer ( 13 ), which the sensor elements ( 7 ), and - one on the passivation layer ( 13 ), the sensor elements ( 7 ) covering electrical shielding ( 15 ) of molybdenum silicide. Drucksensor-Chip nach Anspruch 1, bei dem die Sensorelemente (7) piezoresisitive Widerstände sind.Pressure sensor chip according to Claim 1, in which the sensor elements ( 7 ) are piezoresistive resistors. Drucksensor-Chip nach Anspruch 1, bei dem die Passivierungsschicht (13) eine Siliziumoxidschicht umfasst.Pressure sensor chip according to Claim 1, in which the passivation layer ( 13 ) comprises a silicon oxide layer. Drucksensor-Chip nach Anspruch 3, bei dem die Passivierungsschicht (13) eine auf die Siliziumoxidschicht aufgebrachte weitere Schicht, insb. eine Siliziumnitridschicht umfasst.Pressure sensor chip according to Claim 3, in which the passivation layer ( 13 ) comprises a further layer, in particular a silicon nitride layer, applied to the silicon oxide layer. Drucksensor-Chip nach Anspruch 1, bei dem auf der Oberseite der Messmembran ein Kontaktpad (19) angeordnet ist, der über eine Leiterbahn (21) mit der elektrischen Abschirmung (15) verbunden ist, und über den ein elektrischer Anschluss der Abschirmung (15) erfolgt.Pressure sensor chip according to claim 1, wherein on the upper side of the measuring diaphragm a contact pad ( 19 ) is arranged, which via a conductor track ( 21 ) with the electrical shielding ( 15 ) and via which an electrical connection of the shield ( 15 ) he follows. Drucksensor-Chip nach Anspruch 5, bei dem der Kontaktpad (19) und die Leiterbahn (21) auf der Passivierungsschicht (13) aufgebracht sind.Pressure sensor chip according to Claim 5, in which the contact pad ( 19 ) and the track ( 21 ) on the passivation layer ( 13 ) are applied. Drucksensor-Chip nach Anspruch 1, bei dem die Abschirmung (15) aus Molybdänsilizid eine Schichtdicke in der Größenordnung von 100 nm aufweist.Pressure sensor chip according to claim 1, wherein the shield ( 15 ) of molybdenum silicide has a layer thickness of the order of 100 nm. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensor-Chip nach Anspruch 1, bei dem die elektrische Abschirmung (15) aus Molybdänsilizid auf der Passivierungsschicht (13) durch Sputtern aufgebracht wird, und mittels eines nasschemischen oder eines trockenchemischen Atzverfahrens strukturiert wird.Method for producing a pressure sensor chip according to Claim 1, in which the electrical shielding ( 15 ) of molybdenum silicide on the passivation layer ( 13 ) is applied by sputtering and patterned by a wet chemical or a dry chemical etching process.
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