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Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterdehnungsmesssensor, der aufweist: ein Halbleitersubstrat, einen längserstreckten, piezoresistiven Dehnungsmesswiderstand, der in einen streifenförmigen Bereich des Halbleitersubstrats implantiert ist, wobei der Messwiderstand Längsränder und demgegenüber kürzere Querränder aufweist und durch eine Dotierung des Halbleitersubstrats über eine Dotierungstiefe erzeugt ist, und auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Kontakte, die über Leiterbahnen mit den Querrändern des Messwiderstands zur piezoresistiven Messung der Dehnung elektrisch verbunden sind.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterdehnungsmesssensors, das aufweist: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, Implantieren eines längserstreckten, piezoresistiven Dehnungswiderstand durch Dotieren des Halbleitersubstrats in einen streifenförmigen Bereich, wobei der Messwiderstand Längsränder und demgegenüber kürzere Querränder aufweist und die Dotierung über eine Dotierungstiefe in das Halbleitersubstrat eingebracht wird, und Ausbilden von Kontakten auf dem Halbleitersubstrat, und elektrisches Verbinden der Kontakte mit den Querrändern des Messwiderstands die über Leiterbahnen zur piezoresistiven Messung der Dehnung.
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Halbleiterdehnungsmesssensoren haben sich für hochempfindliche Dehnungsmessungen, beispielsweise bei der Druckmessung bewährt. Sie weisen üblicherweise einen streifenförmigen, piezoresistiven Messwiderstand auf, der durch eine Dotierung des Halbleitersubstrats eine hohe Piezoresistivität hat. Derart dotiertes Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, hat in der Regel im Wesentlichen die betragsmäßig gleiche Piezoresistivitätskonstante in zwei orthogonal zueinander liegenden Richtungen. Man bildet deshalb einen streifenförmigen Messwiderstand längs der Richtungen aus und ordnet ihn bei der Messung so an, dass möglichst nur eine Dehnung in Längsrichtung erfolgt. Man spricht diesbezüglich vom Longitudinaleffekt längs des streifenförmigen Messwiderstandes. Um den Messwiderstand geometrisch derart anzuordnen, dass die zu messenden mechanischen Spannungen sich möglichst längs der Erstreckung des streifenförmigen Messwiderstandes ausbilden, muss man die Anwendung, in der der Dehnungsmesssensor eingesetzt werden soll, sorgfältig analysieren. Auch ist es schlecht möglich, die Richtung einer Spannung zu bestimmen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, diese Empfindlichkeit von Halbleiterdehnungsmesssensoren hinsichtlich der richtigen Applikation zu verringern und insbesondere eine Richtung der Spannung bestimmen zu können.
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Die Erfindung sieht einen Halbleiterdehnungsmesssensor gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Halbleiterdehnungsmesssensors gemäß Anspruch 8 vor.
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Erfindungsgemäß wird die Empfindlichkeit des Halbleiterdehnungsmesssensor auf Querdehnung, also auf Spannungen und Dehnungen quer zur Längsrichtung des Messwiderstandes reduziert, indem in das Halbleitermaterial längs der Längsränder des streifenförmigen Bereiches, in dem der Messwiderstand liegt, Schlitze eingebracht werden, die den streifenförmigen Bereich seitlich vom restlichen Halbleitersubstrat abgrenzen. Die Schlitze sind mind. halb so tief, wie die Dotierungstiefe des piezoresistiven Messwiderstands. Diese überraschend einfache Maßnahme bewirkt, dass eine signalmindernde Querdehnung, also das Einbringen von Spannungen entlang der Querrichtung des streifenförmigen Bereiches, nur noch um Größenordnungen niedrig ist, als bei herkömmlichen Halbleiterdehnungsmesssensoren. Somit sind Spannungsanalysen sehr viel einfacher möglich, da der Sensor zuverlässig nur die Dehnung längs der Längsrichtung misst. Die Applikation des Halbleiterdehnungsmesssensors ist stark vereinfacht. Zudem steigt bei einigen Applikationen sogar die Längsdehnungsempfindlichkeit.
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Durch die Schlitze wird der im streifenförmigen Bereich implantierte Messwiderstand seitlich freigestellt. Die Tiefe des Dotierungsprofils beträgt in der Regel zwischen 1 und 2 µm. Durch Schlitze, z.B. einer Tiefe von 2 bis 3 µm, wirken sich auf den Messeffekt nur noch mechanische Spannungen in Längsrichtung, so dass sich nur noch der Longitudinaleffekt auswirkt. Der Transversaleffekt kommt nicht zur Wirkung. Die Art der Freistellung ist letztlich egal. Es kommt lediglich darauf an, dass im Halbleitersubstrat eine Längskante den streifenförmigen Bereich entlang der Längsränder begrenzt. Eine einfache Maßnahme ist die Erzeugung von Schlitzen in Form von Gräben. Gleichermaßen ist es aber auch möglich, die Schlitze durch das gesamte Halbleitersubstrat auszubilden, so dass sie als Durchbrüche gestaltet sind. Die Schlitzkante, welche dem Messwiderstand abgewandt ist, hat hinsichtlich ihrer Form keine Auswirkungen auf Longitudinaleffekt und Transversaleffekt. Sie kann deshalb frei gestaltet werden. Form und Breite der Schlitze ist dadurch unter Produktionsgesichtspunkten unkritisch, solange die Schlitzränder, welche den Längsrändern des streifenförmigen Bereichs zugeordnet sind, längs und insbesondere möglichst parallel zum streifenförmigen Bereich verlaufen, in dem der Messwiderstand sich längserstreckt.
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Um die Querdehnungsempfindlichkeit möglichst vollständig zu unterdrücken, ist es bevorzugt, dass die Schlitze mindestens genauso tief, oder 1,5-mal, bevorzugt zweimal und besonders bevorzugt mindestens fünfmal so tief sind wie die Dotierungstiefe.
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Die Schlitze können direkt an die Dotierung des streifenförmigen Bereiches, also direkt an den Messwiderstand, angrenzen. Dann ist es in der Produktion möglich, die Schlitze als Maske für die Dotierung des streifenförmigen Bereiches einzusetzen. Alternativ ist der streifenförmige Bereich nur in einem zentralen Steifen mit dem Messwiderstand, also mit der Dotierung, versehen. Seitlich zwischen dem zentralen Streifen und den Schlitzen ist dann jeweils ein Randstreifen vorgesehen, in dem der Messwiderstand nicht ausgebildet ist. Dies erlaubt es in einer Weiterbildung, die Randstreifen in einen sog. Guard-Ring einzubinden, der zur Abschirmung dient. Optional machen dann die Randstreifen weniger als 2/3 der Breite des streifenförmigen Bereiches zwischen den Schlitzen aus.
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Insbesondere beim Einsatz von Silizium als Halbleitersubstrat ist es bevorzugt, eine p-Dotierung zur Implantierung des Messwiderstands zu verwenden. Unter messtechnischen Gesichtspunkten ist es anzustreben, dass die Dotierung, insbesondere die p-Dotierung, im streifenförmigen Bereich einen k-Faktor von mindestens 20 erzeugt.
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Verwendet man die Schlitze als Maskierung, ist es zweckmäßig, die Dotierung nach dem Erzeugen der Schlitze aufzubringen. Dies ist eine aber nicht die einzige Möglichkeit, den Halbleiterdehnungsmesssensor so auszugestalten, dass der streifenförmige Bereich über seine gesamte Breite zwischen den Schlitzen mit der Dotierung versehen ist.
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Die derart gestalteten oder ausgebildeten Halbleiterdehnungsmesssensoren können entweder als Einzel-Halbleiterdehnungsmesssensoren verwendet werden oder zu einer Vierer-Brücke verschaltet werden, so dass zwei Paare aus jeweils zueinander parallel liegenden Einzel-Halbleiterdehnungsmesssensoren gebildet sind, wobei die Richtung der parallelen Halbleiterdehnungsmesssensoren eines Paars um 90° verdreht ist zur Richtung der Halbleiterdehnungsmesssensoren des anderen Paars.
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Im Herstellverfahren wird mit in der Halbleiterproduktion bekannten Mitteln der Halbleiterdehnungsmesssensor gefertigt, wobei die parallel zu den Längsrändern verlaufenden Schlitze vor oder nach der Dotierung des streifenförmigen Bereichs, also der Implantierung des Messwiderstandes, erzeugt werden können.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf einen Dehnungsmesssensor auf Siliziumbasis,
- 2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der 1, und
- 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B der 1.
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1 zeigt einen Dehnungsmesssensor auf Halbleiterbasis, im Ausführungsbespiel auf Basis eines Siliziumsubstrats 2, das in 1 exemplarisch kreisförmig ausgebildet ist. Andere Umfanggeometrien sind möglich. Auf dem Si-Substrat 2 ist ein streifenförmiger Bereich 4 gebildet, in dem durch geeignete Dotierung ein piezoresistiver Messwiderstand 15 implantiert ist. Beispielsweise hat der piezoresistive Messwiderstand einen Wert von 200 Ω/□. Der Messwiderstand 15 ist in Draufsicht rechteckig und hat Längsränder 6 sowie demgegenüber sehr viel schmälere Querränder 8. Das Aspektverhältnis von Länge entlang der Längsränder 6 zur Breite entlang der Querränder 8 beträgt beispielsweise 10:1 oder höher. An den Querrändern 8 ist der Messwiderstand 15 durch implantierte Leiterbahnen 10 kontaktiert, die zu Kontaktfeldern 12 führen. Leiterbahnen 10 und Kontaktfelder 12 können beispielsweise durch eine Dotierung erreicht werden, die sehr viel höher ausgestaltet ist, als im Messwiderstand im streifenförmigen Bereich 4. Beispielhafte Werte für die Dotierung sind ein Widerstandswert von 10 Ω/□ für Leiterbahn 10 und Kontaktfeld 12. Bei diesen Dotierungswerten liegt kein für die Messung relevanter Piezoeffekt mehr vor.
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Insofern entspricht der Dehnungsmesssensor der 1 dem Stand der Technik. Zusätzlich ist nun allerdings längs der Längsränder 6 jeweils ein Schlitz 14 ausgebildet. 1 zeigt verschiedene exemplarische Geometrien der Schlitze 14 am oberen und unteren Längsrand 6. Den Geometrien ist es gemein, dass sie eine zum Längsrand 6 hingewandte Kante haben, die längs des Längsrands 6 verläuft, insbesondere im Wesentlichen parallel. Unter „im Wesentlichen parallel“ wird dabei ein Verlauf verstanden, der zu einem Abstand zwischen Schlitz 14 und Längsrand 6 führt, welcher längs des Längsrandes 6 nicht stärker schwankt, als die Quererstreckung des streifenförmigen Bereichs 4, also die Größe des Querrandes 4 lang ist. Der in 1 obenliegende Schlitz 14 ist als gerade Nut ausgebildet. Der in der Darstellung der 1 unten eingezeichnete Schlitz 14 hat hingegen eine halbkreisförmige Form. Natürlich sind die Schlitze 14 beiderseits des streifenförmigen Bereichs 4 i.d.R. gleich ausgebildet. Die 1 dient diesbezüglich nur zur Veranschaulichung, dass verschiedene Geometrien möglich sind. In allen Fällen reicht der Schlitz 14 jedoch mindestens so tief, wie eine halbe Dotierungstiefe dt, über die die Dotierung in das Substrat 2 zur Implantation des Messwiderstandes 15 in den streifenförmigen Bereich 4 eingebracht ist. Bevorzugt wird die Dotierungstiefe, oder sogar deren 1,5-faches überschritten.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der 1, also längs des streifenförmigen Bereichs 4. In der Schnittdarstellung ist der Messwiderstand 15 sowie dessen Kontaktierung über die Leiterbahnen 10 zu den Kontaktfeldern 12 gut zu erkennen. Die Dotierungslänge dl beträgt beispielsweise 200 µm. Die Dotierungstiefe dt liegt in Ausführungsformen zwischen 1 und 2 µm.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B, also quer durch den streifenförmigen Bereich 4. Wie zu sehen ist, verlaufen entlang der Längsränder 6 des streifenförmigen Bereichs 4 die Schlitze 14. Deren Schlitztiefe st ist in dieser Ausführungsform größer als die Dotierungstiefe dt des Messwiderstands 15. Die Schlitzbreite sb ist ein Parameter, der für die Reduktion der Querdehnungsempfindlichkeit ohne weitere Relevanz ist. Sie kann unter Herstellungsgesichtspunkten frei gewählt werden. In 3 ist weiter gezeigt, dass der Messwiderstand 15 bzw. dessen Dotierung nur einen zentralen Steifen 16 im streifenförmigen Bereich 4 abdeckt und links und rechts zwischen den Schlitzen 14 und dem Messwiderstand 15 Randsteifen 18 verbleiben. Deren Randstreifenbreite rb beträgt beispielsweise 6 µm, wohingegen die Dotierungsbreite db des Messwiderstands 15 im streifenförmigen Bereich 4 zwischen 10 und 20 µm betragen kann. Die Randsteifen 18 können in einen abschirmenden Guard-Ring eingebunden werden. Dann dürfen sich Guard-Ring und Messwiderstand 15 nicht berühren. Ein geeigneter zeitlicher Abstand ist z.B. 6 µm. Alternativ ist es möglich, die Dotierungsbreite db so auszugestalten, dass kein Randstreifen 18 verbleibt.
