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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoresistives mikromechanisches Sensorbauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Obwohl auf beliebige piezoresistive mikromechanische Sensorbauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in Bezug auf einen piezoresistiven mikromechanischen Beschleunigungssensor erläutert.
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Heutige Beschleunigungssensoren werden üblicherweise kapazitiv ausgewertet. Die ebenfalls praktizierte piezoresistive Auswertung bietet allerdings ein größeres Potential im Hinblick auf die angestrebte immer weiter gehende Miniaturisierung. Prinzipiell kann bei piezoresisiv ausgewerteten Beschleunigungssensoren, hier als piezoresistive Beschleunigungssensoren bezeichnet, zwischen folgenden beiden Varianten unterschieden werden.
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Die eine Variante besteht in einer homogenen Dotierung, wobei der gesamte homogen dotierte Biegebalken zur Auswertung herangezogen wird. Dazu wird eine homogen verteilte mechanische Spannung im Balken benötigt. Da bei der homogenen Dotierung der gesamte Biegebalken zur Auswertung genutzt wird, bietet die homogene Dotierung Vorteile mit Hinblick auf die Miniaturisierung. Allerdings sind regelmässig mehrere Balken erforderlich.
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Aus J. Micromech. Microeng. 15 (2005), Seiten 993 - 1000 (Shusen Huang et al.) ist ein piezoresistiver mikromechanischer Beschleunigungssensor mit homogen dotierten Biegebalken bekannt.
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Die andere Variante besteht in einer strukturierten Dotierung, wobei ein strukturierter Piezowiderstände an einer Stelle auf einem Biegebalken vorgesehen wird, an denen die maximale mechanische Spannung bei Auslenkung auftritt.
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Aus J. Microelectromechanical Systems 9 (2000), Seiten 58-66 J. (Partridge et al.) ist eine Topologie mit einem Balken bekannt, bei der eine Seite des Balkens zur Stressmessung verwendet wird, wohin gegen die gegenüberliegende Seite als Rückleitung dient.
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Aus der
US 6,025,208 A ist ein Beschleunigungssensor mit einem Biegebalken bekannt, bei dem der Biegebalken an gegenüberliegenden Seiten des Biegebalkens elektrisch voneinander getrennte Dotierungsbereiche aufweist.
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Aus der
DE 197 09 913 A1 ist eine Anordnung zur Erfassung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen bekannt. Die Messmittel sind dabei in die Federn integriert, die der Aufhängung des Spiegels in einem Rahmen dienen. Für die Messung sind piezoresistive Widerstände vorgesehen.
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Aus der
US 6,389,899 B1 ist ein mikromechanischer Beschleunigungsmesser bekannt, bei dem eine große Masse ein oder mehrere Biegebalken verbiegt und die hierdurch hervorgerufene Widerstandsänderung gemessen wird.
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Aus der nachveröffentlichten
WO 2010/083158 A1 ist ein Herstellungsverfahren für einen Beschleunigungsmesser mit einem Piezowiderstand bekannt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße piezoresistive mikromechanische Sensorbauelement nach Anspruch 1 und das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 6 weisen gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, dass ein vereinfachter kostengünstigerer Aufbau ermöglicht wird.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee liegt darin, dass der Biegebalken an gegenüberliegenden Seiten getrennte piezoresistive Dotierungsbereiche aufweist, die bei einer Auslenkung der seismischen Masse einer jeweiligen Widerstandsänderung unterliegen.
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Der Kern der vorliegenden Erfindung ist also eine vertikal bzw. lateral alternierende Dotierung eines Biegebalkens. Der jeweils mittlere Bereich wird hierbei von der piezoresistiven Dotierung ausgenommen und behält seine Grunddotierung, beispielsweise die Substratgrunddotierung. Somit sind drei virtuelle Balken in Sandwichform in einem einzigen Balken realisierbar. Eine derartige Strukturierung des Biegebalkens ist lediglich im Mikrometerbereich erforderlich und daher einfach umsetzbar.
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Die Dotierung erfolgt vorzugsweise über zwei Implantationsschritte. Im Anschluss an eine derartige Implantation ist ein kurzer Aktivierungsschritt zweckmäßig. Insbesondere bei der lateralen Dotierung ist auch die Verwendung einer Dotierungsbelegungsschicht möglich.
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung gehen die piezoresistiven Dotierungsbereiche in auf dem Substrat und/oder auf der seismischen Masse vorgesehene Dotierungsbereiche über, die zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen sind. Eine derartige Verschaltung ist einfach, kostengünstig und platzsparend herstellbar.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die piezoresistiven Dotierungsbereiche an einer Oberseite und einer Unterseite des Biegebalkens vorgesehen. So lässt sich z.B. ein miniaturisierter z-Beschleunigungssensor herstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die piezoresistiven Dotierungsbereiche an gegenüberliegenden Seitenflächen des Biegebalkens vorgesehen. So lässt sich z.B. ein miniaturisierter xy-Beschleunigungssensor herstellen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es illustrieren:
- 1a eine Draufsicht eines piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements in Form einer mikromechanischen z-Beschleunigungssensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 1b einen Teilquerschnitt des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen z-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 1a entlang der Linie BB' bzw. CC';
- 2 einen Querschnitt des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen z-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 1a entlang der Linie AA';
- 3a,b,c Querschnitte des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen z-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 1a entlang der Linie AA' zur Erläuterung einer Ausführungsform eines entsprechenden Herstellungsverfahrens;
- 4a eine Draufsicht eines piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements in Form einer mikromechanischen xy-Beschleunigungssensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4b einen Teilquerschnitt des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen xy-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 4a entlang der Linie BB' bzw. CC';
- 5 einen Querschnitt des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen xy-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 4a entlang der Linie AA';
- 6a,b,c Querschnitte des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen xy-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 4a entlang der Linie AA' zur Erläuterung einer Ausführungsform eines entsprechenden Herstellungsverfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
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1a ist eine Draufsicht eines piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements in Form einer mikromechanischen z-Beschleunigungssensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1b zeigt einen Teilquerschnitt des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen z-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 1a entlang der Linie BB' bzw. CC'. 2 zeigt einen Querschnitt des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen z-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 1a entlang der Linie AA'.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Siliziumsubstrat an dem ein Biegebalken 2 in einem Bereich 5 mechanisch fixiert ist. Der Bereich 5 ist mit dem unterliegenden Substrat 1 verbunden. Der Biegebalken 2 weist an seiner Oberseite O und seiner Unterseite U einen jeweiligen piezoresistiven Dotierungsbereich 3a bzw. 3b auf. An dem Substratbereich 5 gegenüberliegendem Ende des Biegebalkens 2 ist eine seismische Masse 4 vorgesehen, welche wie der Biegebalken 2 durch einen Zwischenraum G vom Substrat getrennt ist und somit durch Trägheitskräfte auslenkbar ist. Eine derartige Konstruktion lässt sich mittels bekannter Opferschichttechnik realisieren. Zwischen den beiden piezoresistiven Dotierungsbereichen 3a, 3b liegt ein undotierter Bereich vor, welcher die niedrige Grunddotierung des Substrats 1 aufweist, bzw. bei Verwendung eines SOI-Wafers die Grunddotierung des sog. Device-Layers aufweist. Die Bewegungsrichtung BR, welche hier der z-Richtung entspricht, ist durch einen Pfeil dargestellt. Die Kristallordnung des Balkens 2 ist bevorzugt monokristallin.
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Die piezoresistiven Dotierungsbereiche 3a, 3b gehen in Kontaktierungsbereiche 6a, 6b bzw. 7a, 7b über, welche einerseits auf dem Substratbereich 5 vorgesehen sind, und welche andererseits auf der seismischen Masse 4 vorgesehen sind. Die Kontaktierungsbereiche 6a, 6b bzw. 7a, 7b können ebenfalls durch einen jeweiligen Implantationsschritt bzw. mehrere Implantationsschritte hergestellt werden.
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Wie aus 1b ersichtlich, muss ein vergrabener Dotierungsbereich VL vorgesehen werden, der den an der Unterseite des Balkens 2 liegenden piezoresistiven Dotierungsbereich 3b mit dem Kontaktierungsbereich 7a bzw. 7b verbindet.
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Die Kontaktierungsbereiche 6a, 6b bzw. 7a, 7b sind flächig ausgeführt und ermöglichen eine leichte Verschaltung mit weiteren Bauelementen, wie z. B. einer Brücken-Auswerteschaltung. Zwischen den Kontaktierungsbereichen 6b, 7b wird auf der seismischen Masse 4 eine Rückleitung vorgesehen, welche aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt ist. Die Auswerteschaltung wird entsprechend an die Kontaktierungsbereiche 6a, 7a angeschlossen.
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Im Betrieb als z-Beschleunigungssensor wird beim Einwirken einer Trägheitskraft der eine piezoresistive Bereich 3a mit Zug und der andere piezoresistive Dotierungsbereich 3b mit Druck belastet bzw. umgekehrt, und somit können die betreffenden Widerstandsänderungen in bekannter Weise differenziell ausgewertet werden.
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3a,b,c zeigen Querschnitte des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen z-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 1a entlang der Linie AA' zur Erläuterung einer Ausführungsform eines entsprechenden Herstellungsverfahrens.
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In dem in 3a dargestellten Prozessstadium ist auf der Oberseite des Substrats 1 im Bereich des späteren Zwischenraums G eine Opferschicht 8 vorgesehen. Vorzugsweise wird hierzu ein SOl-Substrat (Silicon on insulator) verwendet. Prinzipiell ist jedoch auch die Anwendung einer SiGe-Opferschichttechnik denkbar.
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Weiter mit Bezug auf 3b wird nach der Strukturierung des Biegebalkens 2 eine erste Implantation 11 mit hoher Ionenenergie durchgeführt, um den Balken 2 auf seiner Unterseite U zu dotieren und somit den piezoresistiven Dotierungsbereich 3b zu erzeugen. Bei diesem ersten lonenimplantationsschritt 11 durchdringen die Ionen den Balken 2 nahezu vollständig und sammeln sich an der Unterseite U an. Dieser Prozess ist sehr genau einstellbar. Im Anschluss erfolgt eine Implantation I2 mit relativ geringer Ionenenergie, wodurch der piezoresistive Dotierungsbereich 3a an der Oberseite O des Biegebalkens 2 gebildet wird, wie in 3b illustriert. Somit wird ein vertikaler Schichtstapel mit piezoresistiver Dotierung-Grunddotierung-piezoresistiver Dotierung erreicht. Anschließend erfolgt ein thermischer Prozessschritt zur Aktivierung der beiden Dotierungsbereiche 3a, 3b. Zudem werden hierdurch etwaige Gitterschäden aufgrund der Implantationen ausgeheilt. Die Dicke der piezoresistiven Dotierungsbereiche 3a, 3b kann im Nanometerbereich, typischerweise 10 einige Hundert Nanometer liegen. Es ist zudem vorstellbar, dass der Balken 2 erst nach erfolgten Implantationsschritten und nach deren thermischer Aktivierung über Ätzprozesse strukturiert wird.
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Weiter mit Bezug auf 3c erfolgt nach den Implantationen und der thermischen Aktivierung das Opferschichtätzen, um die Opferschicht 8 zu entfernen und den Biegebalken 2 sowie die daran aufgehängte seismische Masse 4 in Bewegungsrichtung BR beweglich zu machen. Das Opferschicht-Ätzen erzeugt üblicherweise in HF-Dampf.
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Durch den beschriebenen Herstellungsprozess lassen sich sehr stark miniaturisierte z-Beschleunigungssensoren auf Basis eines piezoresistiven Wandlerprinzips herstellen, wobei die Sensorgröße bzw. Sensorachse weniger als 100 µm Kantenlänge aufweist.
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4a ist eine Draufsicht eines piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements in Form einer mikromechanischen xy-Beschleunigungssensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4b zeigt einen Teilquerschnitt des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen xy-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 4a entlang der Linie BB' bzw. CC'. 5 zeigt einen Querschnitt des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen xy-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 4a entlang der Linie AA'.
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Bei der in 4a, 4b dargestellten zweiten Ausführungsform sind die piezoresistiven Dotierungsbereiche 3a', 3b' an gegenüberliegenden Seitenflächen SL, SR auf der in 5 linken bzw. rechten Seite des Biegebalkens 2 vorgesehen. Somit lässt sich ein x-y-Beschleunigungssensor realisieren, dessen Bewegungsrichtung durch einen Pfeil BR' illustriert ist.
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Wie bei der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform gehen die piezoresistiven Dotierungsbereiche 3a', 3b' in Kontaktierungsbereiche 6a', 6b' bzw. 7a', 7b' auf dem Substratbereich 5 bzw. der seismischen Masse 4 über, wobei diese Kontaktierungsbereiche 6a', 6b', 7a', 7b' ebenfalls vorzugsweise Dotierungsbereiche sind, die eine leichte Verschaltung mit zusätzlichen Komponenten ermöglichen.
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In 4b dargestellt ist die Verbindung der Dotierungsbereiche 3a', 3b' mit den Kontaktierungsbereichen 6a', 6b' bzw. 7a', 7b'. Im Unterschied zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist bei dieser zweiten Ausführungsform kein vergrabener Dotierungsbereich notwendig, da eine Verbindung an der Oberseite O des Biegebalkens 2 möglich ist.
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Ansonsten entspricht die zweite Ausführungsform der bereits beschriebenen ersten Ausführungsform.
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6a,b,c zeigen Querschnitte des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form der mikromechanischen xy-Beschleunigungssensoranordnung gemäß 4a entlang der Linie AA' zur Erläuterung einer Ausführungsform eines entsprechenden Herstellungsverfahrens.
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Im in 6a illustrierten Prozessstadium befindet sich analog zur 3a eine Opferschicht 8 auf dem Substrat 1. Über dem bereits strukturierten Biegebalken 2 befindet sich eine Barriereschicht 7, beispielsweise eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht, welche zweckmäßigerweise auch als Ätzmaske für die vorhergehende Strukturierung des Biegebalkens 2 verwendbar ist. Die Barriereschicht 7 verhindert in einem anschließenden Prozessschritt eine Dotierung der Oberseite O des Biegebalkens 2.
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Weiter mit Bezug auf 6b wird über der gesamten Struktur eine Dotierungsbelegungsschicht 9 abgeschieden, beispielsweise eine Borglassschicht oder eine Phosphorglasschicht. In einem anschließenden thermischen Eintreibeschritt bei Temperaturen von typischerweise 800 - 1000°C wird die Dotierung der Dotierungsbelegungsschicht 9 in die gegenüberliegenden Seitenflächen SL, SR des Biegebalkens 2 übertragen. Eine Übertragung an der Oberseite O des Biegebalkens 2 ist durch die Barriereschicht 7 verhindert.
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Im Anschluss an den Eintreibeschritt erfolgt ein Rückätzen der Dotierungsbelegungsschicht 9 und der Barriereschicht 7, beispielsweise in einem BOE-Ätzschritt.
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Um zum in 6c gezeigten Prozesszustand zu gelangen, wird der übliche Opferschichtätzschritt in HF-Dampf zum Entfernen der Opferschicht 8 durchgeführt, um letztendlich den xy-Beschleunigungssensor gemäß der zweiten Ausführungsform zu erhalten.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auch in anderer Weise ausführbar.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf piezoresistive mikromechanische Beschleunigungssensoren erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auch für andere piezoresistive mikromechanische Bauelemente anwendbar, wie z. B. Drehratensensoren, Drucksensoren, usw.
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Obwohl bei dem beschriebenen Beispiel des z-Beschleunigungssensors der zweifache Implantationsprozess und die entsprechende thermische Aktivierung nach der Strukturierung des Biegebalkens bzw. der Biegebalken erfolgte, kann dies auch vor der Strukturierung des bzw. der Biegebalken erfolgen.
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Obwohl bei dem vorstehend erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel die Dotierung der Seitenflächen über eine Dotierungsbelegungsschicht erfolgte, ist es auch möglich, diese Dotierung in einem Schrägimplantationsschritt vorzusehen.
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Auch ist es prinzipiell möglich, an einem einzigen Biegebalken sowohl obere und untere als auch erste und zweite seitliche piezoresistive Dotierungsbereiche vorzusehen, um dadurch einen kombinierten xyz-Beschleunigungssensor zu erhalten.
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Dabei ist es zweckmässig, wenn der obere und untere piezoresistive Dotierungsbereich zuerst wie bei der ersten Ausführungsform implantiert werden und der erste und zweite seitliche piezoresistive Dotierungsbereiche anschließend wie bei der zweiten Ausführungsform mittels Belegung gebildet werden.
