DE2349463B2

DE2349463B2 - Halbleiter-Druckfühler

Info

Publication number: DE2349463B2
Application number: DE19732349463
Authority: DE
Inventors: William Lloyd George; Jack Leonard Saltich
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1972-10-02
Filing date: 1973-10-02
Publication date: 1975-08-07
Also published as: FR2201464A1; JPS4976489A; FR2201464B1; GB1399988A; DE2349463A1

Description

Meßfaktor GjF =

J O/D

dL/L₀

In dieser Gleichung ist A₀ der Anfangswiderstand, L₀ die Anfangslänge, di? die Änderung des elektrisehen Widerstands und dL die Änderung der Länge.

Nachfolgend wird für verschiedene Halbleitermaterialien der Meßfaktor GF und die zugeordnete kristallographische Orientierung angegeben. Der Meßfaktor ist ein Proportionalitätsfaktor.

Material	Ladungs	KrisUll-	Meß-
	trägertyp	oiicuiierung	iaktor
Si	P	111	175
as Si	N	111	-5
Si	N	100	-133
Si	P	100	5
Si	P	110	120
Si	N	110	-55
3° Ge	N	111	-157
Ge	P	111	102
InSb	P	100	-45
InSb	N	100	-74

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Druckfühler, der aus einem eine bestimmte kristallographische Orientierung aufweisenden Halbleitermaterial «it einer zentralen öffnung und einer darauf angebrachten P+-leitenden ersten epitaxialen Schicht sowie einer zweiten darüberliegenden epitaxialen Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps besteht, wobei in der zweiten epitaxialen Schicht druckempfindliche Piezowiderstandselemente ausgebildet sind.

Halbleiter-Druckfühler aus monokristallinem Silicium sind bekannt und dienen der Umwandlung einer mechanischen Verbiegung bzw. eines mechanischen Zuges in einen elektrischen Strom, dessen Amplitude proportional der mechanischen Änderung ist (Zeitschrift »Der Elektroniker«, Nr. 6, 1972, S. 261 bis 269). Beim Silicium-Dtuckfühler ändert sich der Widerstand in Abhängigkeit von der mechanischen Deformation, so daß bei der Verwendung eines solchen Druckfühlers in einer Brückenschaltung die Brückenschaltung durch die Deformation aus dem Widerstandsgleichgewicht gebracht werden kann und eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der mechanischen Verformung liefert.

Ein maximaler Meßfaktor ergibt sich bei einer 111-Kristallorientierung für ein P-leitendes Silicium mit einem Widerstand größer als l,0Ohm-cm. Es wurde ferner festgestellt, daß eine Maximalisierung des Meßfaktors auch zu einer Maximalisierung des Temperaturkoeffizienten des Meßfaktors führt und die Nichtlinearität der angelegten Spannung nicht minimalisiert. Diese Einflüsse auf den Meßfaktor erfordern zur Überwindung der Nachteile verschiedene Handelsausführungen.

Es ist auch bereits bekannt (US-PS 32 70 554), druckempfindliche Piezowiderstandselemente in einem Halbleiterblock durch diffundierte Bereiche eines zum Halbleiterblock entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorzusehen und diese Piezowider-Standselemente durch eine Brückenschaltung miteinander zu verbinden. Bei dieser Ausgestaltung werden alle vier Brückenzweige einer Verformung ausgesetzt. Dies beeinträchtigt sowohl die Genauigkeit der Messung als auch die Empfindlichkeit der Meßbrücke.

Neben dieser Brückenschaltung ist aus der gleichen Quelle auch bereits der Aufbau eines Halbleiter-Druckfühlers aus einer Halbleiterscheibe bekannt, die eine zentrische Ausnehmung umfaßt, so daß ein verhältnismäßig starrer Randbereich und ein verhältnismäßig nachgiebiger Zentrumsbereich entsteht. Das Piezowiderstandselement erstreckt sich vom Randbereich in den Zentrumsbereich. Auch bei diesem Aufbau läßt sich keine optimale Empfindlichkeit erzielen.

Auch bei einer weiteren bekannten Ausgestaltung eines Druckfühlers ist es bekannt (US-PS 34 82 197), zwei Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen auf einer Membran hintereinander in radialer Anordnung zu be-

festigen und mit zwei Festwiderständen zusammen in eine Brücke zu schalten. Diese Anordnung ist sehr aufwendig, insbesondere, wenn eine größere Stückjahi von Druckfühlern geschaffen werden soll, die deiche charakteristische Eigenschaften zeigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen HaJbleiter-Druckfühler zu schaffen, der ein sehr großes Längen-Dickenverhältnis hat und derart ausgebildet ist, daß auf dem Halbleiterträger eine Brük-Itenschaltung aus mehreren Piezowiderstandselementen möglich ist, wobei druckempfindliche und nicht druckempfindliche Widerstandselemente vorhanden sind. Der Druckfühler soll sich durch besonders große Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung sowie durch Zuverlässigkeit, hohe Genauigkeit und große Empfindlichkeit im Einsatz auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein druckempfindliches Piezowiderstandselement (R 1 oder R 3) aus einem Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps in der ^weiten epitaxialen Schicht über der zentralen Öffnung der Trägerscheibe angeordnet ist, daß zumindest ein nicht druckempfindliches Piezowiderstandselement (R2 oder R4) vom zweiten Leitfähigkeitstyp in der zweiten epitaxialen Schicht über dem Randbereich der Halbleiterscheibe angeordnet ist und daß die Piezowiderstandselemente in einer Meßschaltung miteinander verbunden sind.

In vorteilhafter Weise führt bei einem srlchen Halbleiter-Druckfühler in Brückenschaltung eine Druckeinwirkung auf die Piezowiderstandselemente Rl und JR3 zu einer Änderung der Ausgangsspannung, da sich die Widerstandswerte von R1 und R 3 identisch, jedoch verschieden von den Widerstandswerten R 2 und R 4 ändern.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Halbleiterdruckfühlers ist es in vorteilhafter Weise möglich, diesen zusammen mit anderen Halbleiterelementen auf ein und derselben Halbleiterscheibe anzubringen, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn der Druckfühler aus einem P-leitenden monokristallinen Silicium aufgebaut und der Siliciumkristall

ngs der 110-Kristallebene geschnitten ist. Es kann jtJoch auch vorteilhaft sein, für de ι Druckfühler einen N-leitcnden Siliciumeinkristall /ι. verwenden, der längs der 100-Krisliilleberie geschnitten ist.

Die Verwendung einer P⁺-leitenden Schicht in Verbindung mit einer anisotropischen Ätzung durch KOH bei der Herstellung des Druckfühlers bietet die Möglichkeit, zwei druckempfindliche Piezowiderstandselemente zu schaffen, die äußerst dünn sind bezüglich ihrer Längsabmessung. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe mechanische Verstärkung, was dazu führt, daß der Druckfühler in seinen Abmessungen sehr klein, z. B. unter 1,3 mm, bezüglich seiner größten Abmessung gehalten werden kann.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 a bis Id Schnitte durch Halbleiteranordnungen während verschiedener Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Silicium-Druckfühlers,

F i g. 2 einen Schnitt durch den Silicium-Druckfühler gemäß Fig. 1 in einer um 90° gedrehten Ansicht,

F i g. 3 eine Draufsicht auf den Druckfühler,

Fig. 4 eine Brückenschaltung mit einem druckempfindlichen Element und druckunempfindlichen Elementen.

Gemäß Fig. 1 a besteht eine monokristalline SiIiciumscheibe 10, welche längs der 110-Kristallebene geschnitten ist, aus einem Siliciumkörper 11 mit einer Schutzschicht 13 aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) auf der

einen Oberfläche 16 und einer Schicht 12 aus bordotiertem und P-leitendem Material, welches epitaxial aufgewachsen ist, auf der anderen Oberfläche 18 des Siliciumkörpers 11.
In Fig. Ib ist ein Kalbleiteraufbau dargestellt,

ίο nachdem eine epitaxiale Schicht 14 auf der Oberfläche 17 der PMeitenden epitaxialen Schicht 12 aufgewachsen ist. Diese epitaxiale Schicht 14 besteht bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus einem N--leitenden Material. Auf der Oberfläche 19 der epitaxialen Schicht 14 ist eine Schicht 15 aus Siliciumdioxyd (SiO₂) aufgebracht.

Die Darstellung gemäß Fig. Ic zeigt den Halbleiteraufbau, nachdem eine Photoresistmaske auf der Siliriumdioxydschicht 15 in bekannter Weise und anschließend eine Ätzung sowie eine Diffusion mit bestimmten Störstellen in die Oberfläche 19 der epitaxialen Schicht 14 ausgeführt worden sind, um druckempfindliche Piezowiderstandselemente Al und R3 sowie druckunempfindliche Widerstandselemente R 2 und A4 zu schaffen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispie! erzeugt das für die Diffusion vorgesehene Material ein P-leitendes Piezowiderstandselement.

Anschließend wird auf der Siliciumnitridschicht 13 in bekannter Weise ein Photoresistmuster aufgebracht, um bestimmte Teile der Schicht 13 zu entfernen. Darauf wird die die Widerstände Al bis R 4 umfassende Oberfläche durch Eintauchen in Wachs mit einem Schutzüberzug versehen. Die Oberfläche 16 wird einer KOH-Ätzung unterzogen, wodurch Einschnitte mit schräg verlaufenden Seitenwänden entstehen, die bis zur P⁺-leitenden Schicht 12 verlaufen. Diese schräg verlaufenden Seitenwände sind in Fig. Id mit 24 bezeichnet. Anschließend wird die verbleibende Siliciumnitridschicht und die Photoresistschicht entfernt. Schließlich wird mit Hilfe bekannter Verfahren eine Metallschicht aufgebracht und teilweise durch Ätzen entfernt, um Anschlüsse 20 und 21 gemäß Fig. Id sowie 22 und 23 gemäß F i g. 3 zu schaffen.

In F i g. 2 ist ein Schnittbild dargestellt, welches einen Schnitt durch den Halbleiteraufbau gemäß Fig. Id nach einer Drehung um 90° zeigt. Aus diesem Schnitt gehen die druckunempfindlichen EIemente R 2 und R 4 hervor. Ferner Kann man aus dieser Darstellung erkennen, daß die KOH-Ätzung bei einem Material mit einer 110-Kristallorientierung schräg verlaufende Seitenwände 24 nur in einer bestimmten Lage zur Kristallorientierung auslöst, wogegen die übrigen Wände 25 vertikal verlaufen. Wenn ein Material mit einer 100-Kristallorientierung verwendet worden wäre, würden die Seitenwände 25 in gleicher Weise wie die Seitenwände 24 geneigt verlaufen.

In F i g. 3 ist in einer Draufsicht der fertiggestellte Siiicium-Druckfühler zu sehen. Man erkennt, daß bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Widerstandselemente R1, R2, R3 und R4 aneinander angrenzen und Anschlüsse 20, 21, 22 und 23 aufweisen, die entsprechend angeordnet sind, um ein Brückennetzwerk gemäß F i g. 4 zu schaffen.

Dieses Brückennetzwerk gemäß Fig. 4 ist an den Anschlüssen 21 und 22 mit der Ansteuerspannung

V_e beaufschlagt und liefert an den Anschlüssen 20 und 23 die Ausgangespannung !'„. Wenn die Widerstandselemente R 2 und R 3 keinem Druck ausgesetzt sind, ist die Ausgangsspannung V_a gleich Null bei einer entsprechenden Auswahl der Widerstandswerte. Wenn jedoch das Widerstandselement Rl und/oder das Widerstandselement R 3 durch eine Druckeinwirkung verbogen wird, ändert sich der jeweilige Widerstandswert, so daß die Ausgangsspannung V_a von Null abweicht.

Der erfindungsgemäße Silicium-Druckfühler, wie er aus den F i g. 1 d, 2 und 3 hervorgeht, ist in seinen Abmessungen einmalig. Die Länge der druckempfindlichen Piezowiderstandselemente R1 und R 2 beträgt etwa 0,89 mm und weniger bei einer Gesamtdicke im Mittelbereich mit den beiden epitaxialen Schichten 14 und 12 von etwa 1,3 · 10~² mm. Damit ist es möglich, einen Druckfühler mit einer Gesamtabmessung von nicht mehr als 1,25 mm zu schaffen Druckfühler mit derart geringen Abmessungen sind mit Mitteln des bekannten Standes der Technik nicht herstellbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Druckfühler, der aus einem eine bestimmte kristallographische Orientierung aufweisenden Halbleitermaterial mit einer zentralen öffnung und einer darauf angebrachten P+-leitenden ersten epitaxialen Schicht sowie einer !weiten darüberliegenden epitaxialen Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps besteht, wobei in der zweiten epitaxialen Schicht druckempfindliche Piezowiderstandselemente ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein druckempfindliches Piezowiderstandselement (R 1 oder R 3) aus einem Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps in der zweiten epjtax'alen Schicht (14) über der zentralen öffnung (24, 25) der Trägerscheibe (11) angeordnet ist, daß zumindest ein nicht druckempfindliches Piezowiderstandselement (R2 oder R4) vom zweiten Leitfähigkeitstyp in der zweiten epitaxialen Schicht über dem Randbereich der Halbleiterscheibe angeordnet ist und daß die Piezowiderstandselemente in einer Meßschaltung miteinander verbunden sind.

2. Halbleiter-Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das druckempfindliche Piezowiderstandselement (R 1 oder R 3) und das nicht druckempfindliche Piezowiderstandselement (R 2 oder R 4) jeweils aus einem innerhalb der zweiten Schicht durch Diffusion gebildeten Bereich bestehen.

3. Halbleiter-Druckfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei druckempfindliche Piezowiderstandselemente (Rl und /?3) und zwei nicht druckemnfindliche Piezowiderstandselemente (R 2 und R 4) elektrisch zu einer Brücke zusammengeschaltet sind und ein Ausgangssignal liefern, wenn die Brücke durch Einwirkung eines Druckes auf die druckempfindlichen Piezowiderstandselemente verstimmt wird.

Das physikalische Verhalten von Halbleitermaterial mit Piezowiderstandseigenschaften ist allgemein bekannt. In diesem Zusammenhang wurde insbesondere monokristallines Silicium intensiv untersucht. Die Fähigkeit eines bestimmten Materials, den Widerstand in Abhängigkeit von der Entwicklung einer mechanischen Kraft zu ändern, kann durch einen Meßfaktor gekennzeichnet werden. Dieser Meßfaktor ist mathematisch wie folgt definiert: