DE2429894A1 - Polykristalliner monolithischer druckfuehler und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Polykristalliner monolithischer druckfuehler und verfahren zu dessen herstellung

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Description

PATENTANWÄLTE
DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH 2 A 29894
Dipl. -Ing. Ernst Rathmann
Manchen 71, den 19. Juni 1974
Melchloretr. 42
MO144P-1163 Unser Zeichen:
Motorola, Inc.
5725 East River Road
Chicago, Illinois 60631
USA
Polykristalliner-monolithischer Druckfühler und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen polykristallinen monolithischen Druckfühler auf einem ringförmigen Halbleitersubstrat, auf welchem eine erste dünne Materialschicht ausgebildet ist, die den inneren' druckempfindlichen Membranbereich bildet und darüber eine zweite dünne Materialschicht trägt, welche zumindest ein Piezowiderstandselement über dem druckempfindlichen Materialbereich enthält, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Fühler, die eine mechanische Bewegung bzw. einenjmechanischen Zug oder Druck in einen elektrischen Strom umwandeln, dessen Amplitude: der Bewegung bzw. dem Druck oder Zug proportional ist, sind bekannt. Derartige Fühler lassen sich aus einem Siliciummaterial herstellen, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von der mechanischen Verformung ändert. Wenn derartige Piezowiderstände in Brückenschaltung betrieben
Fs/mü werden
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werden, lassen sich die vom Fühler wahrgenommenen Änderungen sehr leicht und genau durch die ein Verschieben des Brückengleichgewichts bewirkenden Widerstandsänderungen ermitteln.
Die Physik von Piezowiderstandsmaterial ist allgemein bekannt, jedoch fehlt die Kenntnis über das chrakteristische Verhalten von polykristallinem Silicium in dieser Hinsicht. Monokristallines Silicium wurde in diesem Zusammenhang sehr umfangreich erforscht. Ein Maß für die Fjlhigkeit-eines bestimmten Materials, seinen Widerstand in Abhängigkeit von mechanischen Kräften zu ändern, wird durch einen Faktor GF beschrieben, der durch die differentielle Änderung des Widerstandes in Abhängigkeit von der .Einheit der druckveränderlichen Größe definiert wird. Diese Definit-on läßt sich mathematisch in folgender Form niederschreiben:
GF . dR/R0
dL/LO
wobei RO der anfängliche Widerstand, Ll die anfängliche Länge, dR die Änderung des elektrischen Widerstandes und dL die Längenänderung ist. Aus einem entsprechenden Meßdraht aufgebaute Dehnungsmeßstreifen sind allgemein bekannt und waren vor der Entdeckung der Piezowiderstandseigenschaften von Halbleitermaterialien in großem Umfang in Benutzung. Derartige Dehnungsmeßstreifen zeigen eine vernachläßigbare Änderung der Leitfähigkeit aufgrund angelegter Kräfte. Trotzdem waren sie über Jahre die wichtigsten Elemente zur Messung von Druck und Zug oder dergl. Piezowiderstands elemente aus Silicium können um viele Größenordnungen empfindlicher sein als derartige Dehnungsmeßstreifen aus Draht. Die Verwendung eines N-leitenden polykristallinen Siliciums resultiert in einem Dehnungsfaktor, der sehr hoch, verglichen mit vielen anderen Piezowiderstandsmaterialien aus Silicium, ist. In der nachfolgenden Tabelle werden derartige Dehnungsfaktoren für verschiedene Halbleitermaterialien angegeben.
- 2 - Tabelle
409884/1006
Material Leitfähigkeitstyp
Si P
Si N
Si N
Si P
Si P
Si N
Ge N
Ge P
InSb P
InSb N
Si N
MO144P-1163
Kristallorientierung Dehnungsfaktor GF
111 111 100 100 110 110 111 111 100 100 Poly
175
- 5 -133
5 120
- 55 -157
102
- 45
- 74 100
Der maximale Dehnungsfaktor ergibt sich für eine 111-Kristallorientierung bei einem P-leitenden Silicium mit einem Widerstand von größer als 1,0 Ohm cm. Obwohl der Dehnungsfaktor größer als derjenige des N-dotierten polykristallinen Siliciums ist, hat polykristallines Silicium offensichtliche Vorteile für gegebene Anwendungsfälle. Ein solcher Vorteil ist beispielsweise die viel einfachere Herstellung, da polykristallines Silicium direkt über Siliciumdioxyd oder Siliciumnitrid (SiN3) aufgebaut werden kann. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, wenn die Verringerung des Dehnungsfaktors toleriert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckfühler oder Dehnungsfühler zu schaffen, der sehr zuverlässig und einfach herzustellen ist und einen verhältnismäßig hohen Dehnungsfaktor hat. Dabei soll der Druckfühler
- 3 -A0988A-/1006
bzw.
-Ir.
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bzw« Dehnungsfühler derart aufgebaut sein, daß der nachgiebige Teil in einem starren Substratkörper derart angeordnet ist, daß das Element trotz seines einfachen Aufbaus mechanisch robust ist und die charakteristischen Dehnungseigenschaften vom Trägersubstrat her nicht nennenswert beeinflußt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungs gemäß dadurch gelöst, daß als erste Material schicht ein Material Verwendung findet, das sehr dünn aufbringbar ist und Oberflächeneigenschaften hat, die mit der zweiten Materialschicht aus polykristallinem Silicium verträglich sind.
Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Die Erfindung wird besonders vorteilhaft bt: Einern Druckfühler bzw. Dehnungselement verwirklicht, das auf einem Halbleitersubstrat aus einem monokristallinen Silicium aufgebaut ist, welches längs der 110-Kristallebene geschnitten ist. Auf diesem n.onokristallinen Silicium wird eine Siliciumnitridschicht angebracht, die als Ätzstop dienen kann. Auf der Oberfläche der Siliciumnitridschicht wird eine Schicht aus N-leitendem polykristallinem Silicium angeordnet. Durch eine Diffusion mit Bor wird in der Oberfläche der polykristallinen Siliciumschicht das Piezowiderstandselement ausgebildet. Dies kann jedoch auch mit Hilfe einer Ionenimplantation vorgenommen werden. Die Verwendung eines mDnokristallinen Siliciums mit einer 111-Kristallorientierung scheidet als Halbleitersubstrat aus, da dieses keine kontrollierte Ätzung mit Kaliumhydroxyc (KOH) zuläßt. Dies ist der Fall bei einem längs der 110-oder 100-Kristallebene geschnittenen Silicium. Die Auswahl des Materials für die Störstellendiffusion, um das Piezowider stands element herzustellen, hängt von dem Anwendungsfall ab, für welchen der Fühler verwendet werden soll. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde ein Dehnungsfaktor impirisch ermittelt und für Anwendungsfälle als geeignet empfunden, bei
- 4 - denen
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• MO144P-1163
denen die Temperatur in einem weiten Bereich schwankt. Wenn der Dehnungsfaktor durch hohe Temperaturen nachteilig beeinflußt würde, sind Kompensationstechniken allgemein bekannt, die zur Korrektur Verwendung finden könnten» Die Ätzung des aus monokristallinem Silicium bestehenden Substrats erfolgt mit Kaliumhydroxyd von der Unterseite der Halbleiterscheibe und wird durch die Siliciumnitridschicht beendet. Dadurch erhält man einen Abschnitt in der Scheibe,der nachgiebig wird und die Siliciumnitridschicht· sowie die darüberliegende polykristalline Siliciumschicht umfaßt, Dieser Abschnitt ist der sogenannte druckempfindliche Membranbereich und außerdem der einzige Bereich des Elementes, der nachgiebig ist. Die monokristalline Siliciumschicht des Substrats wird in denübrigen nicht geätzten Teilen beibehalten und hat in der bevorzugten Ausführungsform eine Ringform, so daß das Fühlerelement in den Randbereichen wesentlich dicker als in dem nachgiebigen Bereich ist» Für eine bevorzugte Ausiührungsform ist dieser nachgiebige Bereich im Zentrum des Halbleiterplättchens, jedoch ist es ohne weiteres möglich, in dem Halbleiterplättchen mehrere nebeneinander liegende Bereiche dieser Art vorzusehen, die sowohl über das Halbleiterplättchen verteilt als auch an den Randbereichen angebracht sein können. Durch geeignete Verschaltung der Piezowiderstandselemente läßt sich eine Brücke aufbauen, die eine besonders hohe Empfindlichkeit für das Fühlerelement gewährleistet.
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung« Es zeigen: ·
Fig. 1 bis 4 verschiedene Verfahrens zustände bei der Herstellung eines 'polykristallinen Druckfühlers gemäß der Erfindung;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung,
bei der zwei druckempfindliche Elemente und zwei druck-
- 5 - unempfind-
409884/1006 · .
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unempfindliche Elemente für die Schaffung einer symmexrischc-a Brückenschaltung verwendet werden;
Fig. 6 das Schaltbild der symmetrischen Brückenschal fcung.
Gemäß Fig. 1 wird auf einem monokristallinen Siliciumsubstrat 11 eine Siliciumnitridschicht 12 mit einer Dicke von 4 kA bis 5 kÄ angebracht. Über der Siliciumnitridschicht 12 wird eine polykristalline Siliciumschicht 13 mit einer Dicke von 4 ,um bis etwa 6 ,um ausgebildet. Durch Diffusion in die polykristalline Siliciumschicht 13 werden die Widerstände Rl1 R2, R3 und R4 der Rückenschaltung ausgebildet. Die Widerstände R2 und 3 werden über einen Bereich vorgesehen, der nach Fertigstellung des Druckfühlers flexibel ist, und stellen die druckempfindlichen Elemente dar. Die Widerstände Rl und R4 sind die druckunempfindlichen Elemente. Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wird die Diffusion unter Verwendung von Bor durchgeführt, um einen P-leitenden Bereich für jeden Widerstand Rl bis R4 in der polykristallinen Siliciumschicht 13 aus N-leitendem Material zu schaffen. Entsprechend der gewünschten speziellen Charakteristik kann auch eine Umkehrung der Leitfähigkeit vorgesehen werden. Die druckempfindlichen Elemente R2 und R3 sowie die druckunempfindlichen Elemente Rl und R4 werden in bekannter Weise unter Verwendung der Photoresist-Technik hergestellt, indem eine Maske mit dem gewünschten Muster auf dem Halbleiterplättchen angebracht und anschließend die Diffusion ausgeführt wird. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß die Widerstände Rl bis R4 auch unter Verwendung, der loneninplantationstechnik hergestellt werden können. Durch das Anbringen entsprechender Metallisationsstreifen 17, 14 und 19 werden die Widerstandselemente miteinander zur Brückenschaltung verbunden, wobei die Widerstands elemente R2 und R3 die druckempfindlichen Elemente darstellen, die beim Einwirken eines Druckes die Brückenschaltung verstimmen,
- 6 - - Auf
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Auf beiden Seiten des Halbleiterplättchens wird Siliciumnitrid aufgebracht und anschließend auf der Unterseite des HalbleiterpläUcheiis in herkömmlicher Weise eine Maske 24 gemäß Fig. 3 ausgebildet. Diese Maske 24 aus Siliciumnitrid stellt eine Schutzschicht für eine nachfolgende Ätzung mit Kaliumhydroxyd (KOH) dar. Der Halbleiteraufbau könnte für den Ätzvorgang auch dadurch geschützt werden, daß die Oberseite in Wachs eingetaucht wird.
In Fig. 4 ist der Halbleiteraufbau nach dem Ätzschritt dargestellt, durch den im Zentrumsbereich das monokristalline Substrat entfernt wurde. Dieser Zentrumsbereich ist durch die Durchmesserlinien 35 angedeutet. Außerdem zeigt die Darstellung gemäß Fig. 4 die Ausgestaltung der Oberfläche, nachdem diese mit den Anschlußklemmen 30, 31, 32 and 33 versehen ist.
In Fig. 5 ist eine Draufsicht auf den polykristallinen Druckfühler mit den im Zentrumsbereich ausgebildeten druckempfindlichen Widerstandselementen R2 und R3 dargestellt. Die druckunempfindlichen Widerstands elemente Rl und R4 befinden sich im Randbereich 36 des Halbleiterplättchens.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Brückenschaltung wird die Eingängsspannung Vin zwischen den Klemmen 37 und 38 angelegt und die Ausgangsspannung Vout an den Klemmen 39 und 40 abgegriffen. Wenn die Widerstandselemente R2 und R3 ohne Druckeinwirkung sind, ergibt sich durch eine entsprechende Auswahl der Widerstandsgrößen die Ausgangsspannung Vout gleich 0 an den Ausgangsklemmen. Wenn jedoch das Widerstands element R2 und/oder das Widerstands element R3 unter Druckeinwirkung verbogen wird, ändert sich der Widerstandswert und damit die A us gangs spannung Vout, die nunmehr von 0 abweicht. Das Brückenelement gemäß Fig. 4 und 5 ist ein außerordentlich empfindlicher Druckfühler, der sehr einfach herzustellen ist. Selbstverständlich is' die Ausgestaltung des
- 7 - Druck-
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-ί.
ΜΟ144Ρ-1163
Druckfühlers in Form einer Brückenschaltung nicht die einzig mögliche Art der Anwendung der Erfindung, vielmehr genügt bereits ein einziger Widerstand, um einen Druckfühler der gewünschten Art herzustellen, jedoch läßt sich damit nicht die einer Brückenschaltung hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit erzielen.
- 8 - · Patentansprüche
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Claims (6)

  1. MOL44P-1163
    Patentansprüche
    Polykristalliner monolithischer Druckfühler auf einem ringförmigen Halbleitersubstrat, auf welchem eine erste dünne Mater i al ffrhicht ausgebildet ist, die den inneren druckempfindlichen Memorar^oereich bildet und darüber eine zweite dünne Materialschicht trägt, eiche zumindest ein Piezo'viuerstandselement über deir· druckom; i«vllichen Materialbereich enthält, dadurch gekeinzeicunet, daß als erste Materialschicht ein Material Verwendung findet, das =ehr dünn aufbringbar ist und Oberflächeneigenschaften hat, die mit der zweiten Materialschicht aus polykristallinem Silicium verträglich sind.
  2. 2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat aus monokristallinem Silicium besteht, und daß die erste dünne Materialschicht aus einem P-leitenden Material besteht.
  3. 3. Druckfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein druckunempfindliches Element einer ersten Leitfähigkeit in dem-äußeren Randbereich angeordnet ist und elektrisch mit dem Pie zowiderstands eiern ent verbunden ist.
  4. 4. Druckfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei druckempfindliche Elemente im Bereich der druckempfindlichen Membran und zwei druckunempfindliche Elemente im äußeren Randbereich vorgesehen sind, und daß die Elemente zu einer Br fcckens ehaltung zusammengeschaltet sind.
  5. 5. Druckfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß d;i druckempfindlichen Elemente und die drucKu !empfindlichen Elemente
    -4ο.
    ΜΟ144Ρ-1162
    durch P-leitende Bereiche in der zweiten Materialschicht gebildet werden.
  6. 6. Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Druckfühlers, wobei auf einem Halbleitersubstrat eine erste dünne Materialschicht und darüber eine zweite dünne Materialschicht ausgebildet wird, in der zumindest ein Piezowiderstandselement ausgebildet ist, das in einem druckempfindlichen Membranbereich liegt, der auf der Unterseite vom Halbleitersubstrat ringförmig umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, tlaß auf dem Halbleitersubstrat als erste Materialschicht eine Siliciumnitridschicht (12) ausgebildet wird, daß über der Siliciumnitridschicht eine polykristalline Siliciumschicht (13) aufgebracht wird, daß in der polykristallinen Siliciumschicht (13) die druckempfindlichen Piezowiderstandselemente (R2, R3) und die cruckunempfindlichen Widerstands elemente (Rl, R4) ausgebildet werden, und daß die monokristalline Halbleiterschicht im bereich unter den druckempfindlichen Piezowiderstandselementen durch Ätzen bis zur Siliciumnitridschicht (12) entfernt wird.
    409884/1006
    Leerseite
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