DE2644638A1

DE2644638A1 - Verfahren zur herstellung eines halbleiter-druckfuehlers sowie nach diesem verfahren hergestellter druckfuehler

Info

Publication number: DE2644638A1
Application number: DE19762644638
Authority: DE
Inventors: James F Marshall
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1975-10-06
Filing date: 1976-10-02
Publication date: 1977-04-07
Also published as: DE2644638C2; SE414096B; GB1558815A; FR2327528B1; JPS6032993B2; SE7611020L; JPS5245986A; IT1073874B; CA1088664A; FR2327528A1

Description

1005671 Ge 4. Oktober 1976

HONEYWELL INC.
Honeywell Plaza
Minneapolis, Minn., USA

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Druckfühlers sowie nach diesem Verfahren hergestellter Druckfühler.

Die Heranziehung des Piezowiderstandseffektes in Silicium als Übertragungsbasis für einen Druckfühler ist im Stand der Technik bestens bekannt und solche Druckfühler werden in großem Umfang benutzt. Hierzu wird üblicherweise ein Leitfähigkeitsbereich vom p-Typ in einem Siliciumblock vom n-Leitfähigkeitstyp durch.Diffusion gebildet, so daß der p-Leitfähigkeitsbereich als isolierter pn-übergangswiderstand dient. Dieser Widerstand ist üblicherweise in einer Membranstruktur angeordnet, über der der zu messende Druck ausgeübt wird. Durch Anbringung von elektrischen Kontakten an dem durch den p-Leitfähigkeitsbereich gebildeten Piezowiderstand und durch Messung der Widerstandsänderung zwischen diesen Kontakten während des Anlegens eines Druckes kann auf Grund des Piezowiderstandseffektes die Größe des angelegten Druckes festgestellt werden.

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-Sf-

Um die Oberfläche des durch Diffusion hergestellten p-Leitfähigkeitsbereiches, der als Piezowiderstand wirkt, gegen Verunreinigungen zu schützen, muß die unmittelbare Umgebung dieses Bereiches durch eine Schutzschicht abgedeckt werden, üblicherweise wird eine Siliciumdioxydschicht auf der Oberfläche des Siliciums erzeugt, um wenigstens den übergang zwischen dem Piezowiderstand und seiner Umgebung bzw. in den meisten Fällen die gesamte Siliciumoberfläche zu bedecken. Die Hinzufügung einer Siliciumdioxydschicht auf der Siliciumoberflache führt zu ungleichmäßigen Piezowiderständen, sowie zu einer herabgeminderten thermischen und mechanischen Ansprechempfindlichkeit der Piezowiderstände und zu einer zeitlichen Instabilität der Kennlinien.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Druckfühlers anzugeben, bei dem der durch dieses Verfahren hergestellte Druckfühler eine relativ hohe gleichbleibende Ansprechempfindlichkeit aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Merkmale eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Druckfühlers sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleiter-Druckfühler erzeugt, indem in einem Halbleitermaterial von einem ersten Leitfähigkeitstyp ein ausgewählter Bereich in einer Zone feines zweiten Leitfähigkeitstypes gebildet wird, wobei diese Zone den angelegten Druck erfasst. Das Halbleitermaterial erstreckt sich über einen Membranteil des Fühlers und über einen Widerlagerteil. Der erste ausgewählte Bereich erstreckt sich wenigstens teilweise in den Membranteil und weist einen zweiten Leitfähigkeitstyp entsprechend einer ersten Dotierung auf, wobei diese erste Dotierung einen Bereich maximaler Konzentration im Membranteil des ersten Bereiches aufweist und wobei dieser

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maximale Konzentrationsbereich von der Oberfläche des Halbleiters entfernt angeordnet ist. Der erste Bereich kann sich ferner in den Widerlagerteil des Halbleiters erstrecken. Ein zweiter Bereich, der den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, kann in dem Raum zwischen dem Bereich der maximalen ersten Dotierungskonzentration und der Halbleiteroberfläche vorgesehen sein.

Der Halbleiter kann aus epitaxialen Schichten eines Halbleitersubstrates gebildet werden, wobei das Substrat eine Ausnehmung aufweist, wodurch der Membran- und Widerlagerteil gebildet wird. Ein Material mit einem gut angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie beispielsweise Silicium oder Glas kann mit dem Halbleitersubstrat verbunden werden, um einen Träger für den Druckfühler zu bilden oder einen festen Referenzdruck auf einer Seite der Membran zu erzeugen.

Ein solcher Halbleiter-Druckfühler kann durch Implantierung des ersten Bereiches im Halbleiter gebildet v/erden, wonach der zweite Bereich des Halbleiters dergestalt gebildet wird, daß dieser zweite Bereich nicht an die Zone der maximalen ersten Dotierungskonzentration im ersten Bereich heranreicht. Die Erzeugung des zweiten Bereiches erfolgt üblicherweise durch Ionenimplantation. Durch Anordnung des zweiten Bereiches in einer solchen Weise, daß ein-Teil des ersten Bereiches im Widerlagerteil an die Halbleiteroberfläche hervortritt, kann ein elektrischer Kontakt mit dem ersten Bereich hergestellt werden. Die Herstellung des Halbleiters selbst als epitaxiale Schichten eines Halbleitersubstrates erlaubt ein Herausätzen sowohl des Membran- als auch des Widerlagerteiles. Die epitaxiale Schichtanordnung kann vorteilhafterweise eine erste Schicht mit relativ hohem Widerstand und eine nachfolgende zweite Schicht mit relativ niedrigem Widerstand aufweisen.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren sowie ein nach dem Verfahren hergestellter Druckfühler näher beschrieben. Es zeigen:

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·— If- ··

Figur 1 die Darstellung der Widerstandsänderung A R über dem angelegten Druck S für drei verschiedene absolute Temperaturen Τη bis T₃ bei zwei verschiedenen maximalen Dotierungskonzentrationen MG^, MC₂ eines Silicium-PiezowiderStandes, wobei die Zahl der Löscheratome N konstant ist, Figuren 2A und 2B teilweise Ansichten eines Halbleiter-Druckfühlers gemäß der Erfindung,

Figuren 3A bis 3K verschiedene Verfahrensschritte bei der Herstellung des Druckfühlers gemäß den Figuren 2A und 2B und Figur 4 das Dotierungsprofil eines Halbleiter-Druckfühlers, wie er rfach dem in den Figuren 3A bis 3K dargestellten Verfahren hergestellt wird.

Der Piezowiderstands-Temperaturkoeffizient eines Piezowiderstandes mit einem isolierten übergang in Silicium steht in engem Verhältnis mit der maximalen Dotierungskonzentration des bei der Bildung des Piezowiderstandes in Silicium benutzten Dotierungsmittels. Der Widerstandswert des Piezowiderstandes ist andererseits unmittelbar mit der Gesamtanzahl der Dotierungsatome gekoppelt, die in der isolierten Halbleiterübergangsstelle vorhanden sind. Hierdurch wird in gewissem Sinne eine unabhängige Steuerung des Wertes des .Piezowiderstands-Temperaturkoeffizienten und des Gesamtwiderstandes gestattet, indem die maximale Konzentration und die Gesamtanzähl der Dotierungsatome entsprechend verändert wird. Die Beziehung des Piezowiderstands-Temperaturkoeffizienten zu der maximalen Dotierungskonzentration ist in Figur 1 durch die unterschiedlich geneigten Kurven für verschiedene maximale Dotierungskonzentrationen bei gleicher Temperatur angegeben.-

Wenn die maximale Dotierungskonzentration an der Trennstelle zwischen ßiliciumdioxyd und Silicium auftritt, so können die vorgesehene maximale Dotierungskonzentration und die vorgesehene Gesamtanzahl von Dotierungsatomen beide sehr stark durch die Bedingungen an der Trennstelle beeinflußt werden. Die Bedingungen an der Trennstelle sind in großem Umfang abhängig vom

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Herstellverfahren und sind daher von Druckfühler zu Druckfühler als unterschiedlich anzusehen. Ferner verändern sich die Bedingungen an der Trennstelle in einem solchen Druckfühler in Abhängigkeit von der Zeit. Dies führt zu dem Erfordernis, gewisse Einstellungen in dem Signalverarbeitungsschaltkreis vorzunehmen, der das Ausgangssignal des Druckfühlers aufnimmt, sofern eine genaue Temperatur- und Zeitkompensation erzielt werden soll.

Es wird.daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Piezowiderstand bzw. seinen Bereich maximaler Dotierungskonzentration aus der unmittelbaren Nähe einer Siliciumdioxyd-Silicium-Trennstelle bei der Auslegung des Druckfühlers zu entfernen. Selbstverständlich muß der Piezowiderstand weiterhin ziemlich dicht an der Siliciumoberflache in dem Membranteil liegen, um beim Anlegen eines externen Druckes eine ausreichende Beanspruchung des Membranteiles auszuüben. Eine relativ geringfügige Trennung im Hinblick auf eine Siliciumdioxyd~Silicium-Trennstelle stellt alles Erforderliche dar, um die zuvor erläuterte Schwierigkeit hinsichtlich der elektrischen Instabilität zu vermeiden.

Eine erste Möglichkeit hierzu besteht darin, einen Bereich zu diffundieren, dessen Leitfähigkeitstyp demjenigen des Bereiches des Piezowiderstandes entgegengesetzt ist und der sich weitgehendst über den PiezowiderStandsbereich erstreckt, um eine Trennung zwischen·dem Piezowiderstand und der Halbleitertrennstelle, d. h. eine Widerstands-Blockiersituation zu bewirken. Die Diffusion kann sich wenigstens über den Sensorteil des Piezowiderstandes, wenn nicht auch über vorhandene Widerstands-Abgriff teile erstrecken. Diese Möglichkeit bereitet jedoch ernsthafte Schwierigkeiten, da jegliche Oberflächendiffusion immer dazu führt, daß eine maximale Dotierungskonzentration an der Oberfläche auftritt, durch die die Diffusion erfolgt. Das bedeutet, daß sowohl die Piezowiderstandsdiffusion, als auch die nachfolgende Beschichtungsdiffusion eine maximale Dotierungskonzentration ungefähr an der Oberfläche der Halbleiterschicht aufweist, durch welche die Diffusion erfolgt.

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Die Diffusionssteuerung bei der Herstellung des Druckfühlers ist jedoch nicht dergestalt, daß die zweite Diffusion hinsichtlich ihrer Tiefe, bezogen auf die Oberfläche, gut gesteuert werden könnte. Im Hinblick auf das Dotierungsprofil des bei der ersten Diffusion benutzten Dotierungsmittels zur Bildung des Piezowiderstandsbereiches ist ebenfalls keine leichte Steuerung der Tiefe der zweiten Diffusion möglich. Da der Piezowiderstandsbereich eine maximale Konzentration des Dotierungsmittels in der Nähe der Diffusionsoberfläche aufweist und sich das Profil der Dotierung in Abhängigkeit vom Abstand von dieser Oberfläche scharf ändert, können kleine Änderungen hinsichtlich der Tiefe der zweiten Diffusion bei der Beschichtung des Piezowiderstandsbereiches zu wesentlichen Differenzen sowohl der Gesamtanzahl _t der Piezowiderstands-Dotierungsatome und der maximalen Konzentration dieser Atome führen. Die Unvermeidbarkeit solcher Änderungen auf Grund der ungenügenden Tiefensteuerung führt wiederum zu einer ungewöhnlichen, nicht vernachlässigbaren Schwankung der elektrischen Charakteristik von Druckfühler zu Druckfühler. Diese Situation findet ihren Ausdruck in der wohlbekannten Unterschiedlichkeit der Widerstandswerte der Blockierwiderstände, wobei diese Unterschiede zwischen Druckfühlern unterschiedlicher Herstellungsserien, als auch zwischen entfernt angeordneten Piezowiderständen auf dem gleichen Chip auftreten.

Ein herkömmlicher druckempfindlicher Widerstand weist ferner eine gewisse Spannungsabhängigkeit auf, da bei der zuvor beschriebenen Herstellung der in dem Silicium als Widerstand v/irkende Bereich eine relativ niedrige Dotierungskonzentration aufweist. Diese geringe Konzentration tritt auf, da die hohe Dotierungskonzentration,in dem ersten Bereich durch die zweite Diffusion vermindert wird. Die niedrige Dotierungskonzentration in dem druckempfindichen Widerstandsbereich des Siliciums führt zu Entleerungsbereichen, welche spannungsabhängig sind und den Widerstandswert des Widerstandes vergrößern.

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Um diese Probleme, wie sie bei der Durchführung einer zweiten Diffusion nach der PiezowiderStandsdiffusion auftreten, zu vermeiden, kann man nach Diffusion des Piezowiderstandes in die Siliciumschicht eine Epitaxialschicht darauf bilden. Dies führt zu einer Trennung des Piezowiderstandes von der Oberfläche des Siliciumblockes praktisch in der gleichen Weise wie bei der Bildung einer verdeckten Schicht bei einem bipolaren Transistor. Erneut ergeben sich jedoch wieder Schwierigkeiten, da die maximale Dotierungskonzentration des diffundierten Piezowiderstandes an der Diffusionsoberfläche auftritt.

Bei der Bildung einer Epitaxialschicht besteht einer der ersten erforderlichen Schritte darin, die Oberfläche des Siliziumblockes zu ätzen, um ein gutes kristallines Wachstum auf dieser Oberfläche zu fördern. Dieser Ätzprozeß führt zu einem wesentlichen unveränderlichen Effekt _t hinsichtlich der eindiffundierten maximalen Dotierungskonzentration des Piezowiderstandes, da es nicht möglich ist, die Tiefe des Ätzprozesses genau zu steuern. Diese .veränderliche Ätztiefe führt zu nicht reproduzierbaren maximalen Dotierungskonzentrationen, in den sich ergebenden Piezowiderständen. Zusätzlich wird durch diesen Ätzprozeß der Gesamtwiderstand der Piezowiderstände beeinflußt, da die Gesamtanzahl der übrigbleibenden Dotierungsatome sich mit der Ätztiefe verändert. Dieses Verfahren führt zu ähnlich unbefriedigenden Ergebnissen, wie bei 'dem zuvor beschriebenen doppelten Diffusionsprozeß, bei dem es nicht möglich war, die Tiefe der Diffusion exakt zu steuern. Ferner tritt bei der Bildung einer Epitaxialschicht immer eine Herausdiffusion aus der Siliciumschicht in die angewachsene Epitaxialschicht während ihres Wachstums auf.

Die Erzeugung eines dotierten Bereiches für einen Piezowiderstand in einem Siliciumblock mit einer maximalen Dotierungskonzentration im Abstand von der Blockoberfläche ist daher

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erforderlich, um einen Druckfühler mit gleichförmiger Charakteristik zu erhalten, bei dem sowohl der Temperaturkoeffizient als auch der Gesamtwiderstandswert geringen Schwankungen unterliegt. Diese Forderung besteht auch,um eine Stabilität des Fühlers während seiner Lebenszeit zu gewährleisten. Ein solcher Schritt gestattet die Erzeugung gleichmäßiger und stabiler Widerstände durch isolierte Halbleiterübergänge in Silicium und entsprechend stabiler Druckfühler in einer Siliciummembran.

Eine Ionenimplantation des Dotierungsmittels für den Piezowiderstand führt zu sehr guten und wiederholbaren Ergebnissen, sowohl hinsichtlich der Tiefe, als auch des Ortes, des Bereiches, der maximalen Dotierungskonzentration, sowie der Gesamtanzahl der Dotierungsatome innerhalb des Piezowiderstandsbereiches. Dies führt daher, daß die Ionenimplantation eine genaue Steuerung hinsichtlich der maximalen Dotierungskonzentration in einer ausgewählten Tiefe unterhalb der Oberfläche des Siliciumblockes mit einer herkömmlichen Ausrüstung unter Produktionsbedingungen gestattet. Eine Ionenimplantation des PiezowiderStandes gestattet ferner eine beträchtliche Freiheit hinsichtlich der Einstellung der maximalen Dotierungskonzentration und der Gesamtanzahl· der Dotierungsatome relativ unabhängig voneinander. Als Folge hiervon ergibt sich, daß sich der Temperaturkoeffizient und der Gesamtwiderstand des Piezowider Standes relativ unabhängig voneinander vorgeben lassen.

Wenn einmal dem Erfordernis der Anordnung des Bereiches mit maximaler Dotierungskonzentration in genügender Entfernung von der Oberfläche des Siliciumblockes Rechnung getragen ist_f so gibt es zwei Möglichkeiten bei der weiteren Herstellung des Druckfühlers. Der Siliciumblock kann entweder in der Nähe der Oberfläche zwecks weiteren Schutzes des Piezowiderstandes beschichtet oder verändert werden oder es kann jegliche weitere Behandlung oder Einwirkung auf die Oberfläche des Silicium.-blockes unterdrückt werden. Die letztere Möglichkeit ist nur

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in Betracht zu ziehen, wenn keine Verunreinigungsquellen benutzt werden, oder wenn die Siliciumoberflache gegen Verunreinigungen geschützt werden kann. Der Nutzeffekt hierbei besteht darin, daß irgendwelche Oxydationsschritte, wie sie bei der Bildung elektrischer Kontakte erforderlich sind, ohne eine wesentliche Aufnahme von Dotierungsmitteln aus dem Piezowiderstandsbereich durchgeführt werden können.

Druckfühler sind jedoch im Gebrauch in vielen Anwendungsfällen Verunreinigungen ausgesetzt. In diesem Fall ist eine Oberflächenbehandlung der Siliciumschicht zum Schutz der Piezowiderstände erforderlich. Einige der zuvor beschriebenen Verfahren zum Schutz des Piezowiderstandes, die im Zusammenhang mit dem durch Diffusion hergestellten Piezowiderständen erläutert wurden, können mit wesentlich geringeren Problemen auch jetzt verwendet werden, wo 3er Bereich der maximalen Dotierungskonzentration des Piezowiderstandes in genügendem Abstand von der Siliciumoberf lache angeordnet ist.

Beispielsweise kann in einigen Anwendungsfällen eine Siliciumdioxyd-Schutzschicht auf der Oberfläche vorgesehen werden, um den Piezowiderstand zu schützen, was zu Siliciumdioxyd-Silicium-Trennstellenproblemen führt, die jedoch nicht so gravierend wie zuvor beschrieben sind. Die geringeren Probleme rühren daher, daß die Bildung der Siliciumdioxydschicht einen relativ geringen Einfluß auf die maximale Dotierungskonzentration in dem Piezowiderstand bewirkt, da diese von der Trennstelle um einiges entfernt ist. In gleicher Weise wird die Gesamtanzahl der Dotierungsatome in dem Piezowiderstand kaum beeinflußt. Die Oxydschicht auf dem Siliciumblock verändert jedoch weiterhin die mechanische Ansprechempfindlichkeit des Siliciumblockes, wodurch die Genauigkeit des Druckfühlers beschränkt wird. Bis zu einem gewissen Maß wird selbstverständlich auch noch die Gesamtanzahl der Dotierungsatome beeinflußt, was sich auf die Genauigkeit des Piezowiderstandes auswirkt.

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Andere Möglichkeiten zum Schutz eines Bereiches maximaler Dotierungskonzentration mit genügender Tiefe in dem Siliciumblock sind durch die Diffusion eines Bereiches entgegengesetzten Leitfähigkeitstypes über dem Piezowiderstandsbereich oder durch das Heranziehen einer Epitaxialschicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp über dem Piezowiderstandsbereich gegeben. Die Unsicherheiten hinsichtlich der Tiefe der Diffusion beim Bilden einer Schutzschicht, der Ätztiefe beim epitaxialen Wachstum und der Heräusdiffusion während des epitaxialen Wachstums verursachen eine sehr viel- geringere Veränderung des Temperaturkoeffizienten bzw. des Gesamtwiderstandswertes des Piezowiderstandes, wenn der Bereich maximaler Dotierungskonzentration einen ausreichenden Abstand von dem durch den Diffusionsbereich gebildeten Halbleiterübergang oder der Epitaxialschicht aufweist*

Nichtsdestoweniger verursacht eine fehlende Steuerung der Diffusion oder des epitaxialen Wachstumprozesses oftmals ein Zusammenwirken mit dem PiezawiderStandsbereich und·beschränkt somit in einem gewissen Maß die Gleichmäßigkeit der hergestellten Halbleiter-Druckfühler. Das Ausmaß einer solchen Beeinflussung wird in zunehmendem Maße größer, wenn der Bereich der maximalen Dotierungskonzentration des PiezowiderStandes den Bereichen näher rückt, die durch eine Diffusion oder durch einen epitaxialen Wachstumsprozeß beeinflußt werden.

Die Schwierigkeit, den Bereich der maximalen Dotierungskonzentration des Piezowiderstandes tief genug in den Siliciumblock hineinzubringen und danach mit einer der zuvor erwähnten Schutzschichten zu versehen, beeinflußt, wie festgestellt, auch die Gleichmäßigkeit und Stabilität der hergestellten Piezowiderstände. Das Ausmaß dieser Beeinflussung kann ausreichend groß sein, um die auf diese Weise hergestellten Druckfühler für einige Anwendungsfällei in denen ein hohes Maß an Genauigkeit und Gleichmäßigkeit gefordert wird, ungeeignet zu machen. .

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- MT -

Die Verwendung einer besser gesteuerten Oberflächenbehandlung zum Schutz von durch Ionenimplantation in einen Siliciumblock gebildeten Widerständen ist daher erforderlich, um befriedigende Piezowiderstände für Druckfühler in allen Anwendungsfällen zu erzeugen. Diese Behandlung kann den Schritt einer zweiten Ionenimplantation umfassen, wobei ein Bereich mit einem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp gegenüber dem dotierten Piezowiderstandsbereich implantiert wird. Die Widerstände, die durch einen Halbleiterübergang isoliert werden, wobei dieser Halblei terübe'r gang im-Silicium durch eine zweite Ionenimplantation gebildet wird, erweisen sich als sehr gleichmäßig und stabil und bilden ausgezeichnete Piezowiderstände. Diese Widerstände sind ebenfalls relativ spannungsunabhängig.

Die Ionenimplantation gestattet wiederum eine sehr genaue Steuerung der Ablage der Dotierungsatome unter der Siliciumoberflache. Dies führt dazu> daß der Schutzbereich, der unter der Oberfläche gebildet wird, nur eine sehr enge Ausdehnung aufweist und sich keinem Teil des dotierten PiezowiderStandsbereiches nähert, der eine beträchtliche Dotierungskonzentration aufweist. Insbesondere kann sich die Dotierung der Schutzschicht nicht der maximalen Dotierungskonzentration des PiezowiderStandes nähern.

Ferner führt die größere Trennung zwischen dem Bereich der maximalen Dotierungskonzentration des Piezowiderstandes und dem Bereich der Dotierungskonzentration in der Schutzschicht zu sehr guten Durchbruchsspannungswerten des pn-Halbleiterüberganges, der den zweiten implantierten Bereich von dem verbleibenden dotierten PiezowiderStandsbereich trennt. Die relativ geringe, zum tempern des Siliciumblocks zwecks Wiederherstellung der Siliciumgitterstruktur erforderliche Temperatur verursacht nur eine sehr geringe Neuverteilung der Dotierungsatome in den dotierten Bereichen des Piezowiderstandes und der Schutzschicht. Wenn die Siliciumschicht als eine Epitaxialschicht auf dem Halbleitersubstrat

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erzeugt wird, so ergibt sich ebenfalls eine relativ geringe Neuverteilung von Dotierungsatomen zwischen der Siliciumschicht und dem Substrat auf Grund dieser niedrigen Temperatur .

Ein Halbleiter-Druckfühler mit ionenimplantierten Piezowiderständen ist in Figur 2 dargestellt. Figur 2A zeigt eine Draufsicht auf einen Druckfühler, wobei in einem Siliciumblock die Piezowiderstände gebildet werden. Ein Teil 10 dieses Siliciumblockes bildet ein Widerlager, welches ein Membranteil 11 trägt. Eine gestrichelte Linie 12 zeigt ungefähr die Grenze zwischen diesen beiden Teilen des Druckfühlers, nämlich dem Widerlagerteil und dem Membranteil.

Zwei Piezowiderstände 13 und 14 sind in dem Siliciumblock angeordnet, wobei jeder Piezowiderstand einen sich in den Membranteil 11 und den Widerlagerteil 10 erstreckenden Teil aufweist. Die Oberfläche des Siliciumblockes ist mit Ausnahme in Nähe der ohm'sehen Kontakte 15 nirgens unterbrochen, so daß die beiden Piezowiderstände durch eine gestrichelte Umrahmungslinie darstellbar sind. Der Block besteht aus Silicium vom n-Leitfähigkeitstyp mit Ausnahme an den Stellen, wo die Piezowiderstände 13 und 14 gebildet sind. Die Piezowiderstände sind vom p-Leitfähigkeitstyp. Typischerweise werden zwei Piezowiderstände zusammen benutzt, um an einer Druckfühlstelle der Membran Signale für eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtung zu erzeugen, die eine doppelte Signalgröße und gewöhnlicherweise eine Kompensation des Temperaturkoeffizienten aufweisen. Der Piezowiderstand 13 erfaßt eine radiale Beanspruchung des Membranteiles 11, was sich daraus ergibt, daß der größte Teil des Widerstandes sich in dünnen Armen entlang eines Radius der Membran erstreckt. Andererseits erfaßt der Piezo\/iderstand 14 eine tangentiale Beanspruchung des Membranteiles.

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Gemäß Figur 2B ist ein Querschnitt entlang der Schnittlinie 2B-2B in Figur 2A dargestellt. Der Siliciumblock ist aus Figur 2B besser ersichtlich, wo der gesamte Siliciumblock durch eine Klammer und die Bezugsziffer 9 gekennzeichnet ist. Der Teil des Siliciumblockes 9 auf der linken Seite der Widerlager-Membran-Verbindung, d. h. der Grenzlinie 12,stellt den Widerlagerteil 10 gemäß Figur 2A dar. Der Teil des Blockes auf der rechten Seite der Grenzlinie 12 in Figur 2B bildet den Membranteil 11 gemäß Figur 2A.

Der Siliciumblock"9 ist durch eine gestrichelte Linie unterteilt, wodurch eine ungefähre Grenze zwischen einer Schicht 17 mit hoher Leitfähigkeit und einer anderen Schicht 18 mit niedrigerer Leitfähigkeit markiert wird. Die Schicht 17 mit höherer Leitfähigkeit wird vorgesehen, um die Ergebnisse beim elektrolytischen Ätzprozeß zu verbessern, wenn eine Ausnehmung in dem Substrat 19, auf dem der Block 9 sitzt, gebildet wird. Die Ausnehmung tritt rechts von der Grenzlinie 12 in Figur 2B auf und gibt den Membranteil des Druckfühlers vor.

In den Piezowiderstand 13 ist eine gestrichelte Linie 20 eingezeichnet, wodurch ungefähr der Bereich der maximalen Dotierungskonzentration des bei der Bildung des Piezowiderstandes implantierten Dotierungsmittels angedeutet wird. Ein Oberflächen-Schutzbereich 21 ist über dem Piezowiderstand 13 in dem Membranteil 11 dargestellt. Der Schutzbereich 21 erstreckt sich nicht über den gesamten Bereich des Piezowiderstandes 13, insbesondere nicht über den Bereich, der in dem Widerlagerteil 10 liegt. Der Schutzbereich 21 kann durch Diffusion, epitaxiale Schichtbildung oder Ionenimplantation,wie zuvor erläutert, gebildet werden. Die besten Ergebnisse hinsichtlich des Druckfühlers ergeben sich, wenn der Bereich 21 durch Ionenimplantation gebildet wird.

Der elektrische Kontakt 15 stellt einen ohm¹sehen Kontakt mit dem Piezowiderstand 13 dar, der durch einen elektrisch isolierenden Siliciumdioxydring 22 hindurchgreift. Wie zuvor erwähnt, kann sich

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der Siliciumdioxydring 22 über die Oberfläche 23 des Siliciümblockes erheben, um den Piezowiderstand 13 gegen Berührung mit anderen Elementen, die mit der Oberfläche 23 in Kontakt geraten können, zu schützen. Selbstverständlich wird die Wirksamkeit der Membran durch solch eine Schutzschicht aus Siliciumdioxyd beeinflußt, wobei dünnere Oxydschichten einen geringeren Einfluß ergeben.

Der Einfluß ist vernachlässigbar, wenn die Oxydschicht ganz dünn ist und andere Fehler entsprechend der mechanischen Beanspruchung des Substrates in der Halterung relativ groß sind.

In Figur 3 sind nunmehr die Ergebnisse der Verfahrensschritte dargestellt, die ausgeführt werden, um die Struktur gemäß Figur 2 zu erhalten. Die anfänglichen Verfahrensschritte sind dargestellt, wobei der· Piezowxderstandsbereich 13 gemäß Figur durch Ionenimplantation erzeugt wird und diesem Verfahrenschritt weitere Verfahrenschritte zur Erzeugung des Bereiches 21 als implantierter Bereich gemäß Figur 2 folgen, obwohl andere Verfahrensschritte zur Erzeugung des Bereiches 21, wie Diffusion oder Epitaxialschichtbildung ebenfalls benutzt werden können. Ebenso kann nach Implantation der Piezowiderstände eine Siliciumoxydschicht auf der Oberfläche 23 des Siliciümblockes über dem Bereich 21 bzw. dem Bereich 13 des PiezowiderStandes ohne den Bereich 21 erzeugt werden.

Figur 3A zeigt das Ergebnis der Bildung einer epitaxialen Schicht 30 vom n-Leitfähigkeitstyp auf einem Substrat 31 vom Leitfähigkeitstyp p+. Das Substrat 31 besitzt einen spezifischen Widerstand von ungefähr 0,01 J&cm. Der Block 30 wird so gebildet, daß die erste Schicht 32 einen spezifischen Widerstand von ungefähr 10 bis 20 -&cm aufweist, während die darüberliegende Schicht 33 einen spezifischen Widerstand von 0,5 Sicm besitzt. Die Trennung zwischen beiden Schichten erfolgt ungefähr durch eine Linie, die mit der Bezugsziffer 34 versehen ist. Die obere

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Al

Schicht 33 bildet beim Wachstumsprozeß die anfängliche Schicht, wobei bei Verwendung einer herkömmlichen epitaxialen Wachstumstechnik die Konzentration des Dotierungsmittels während der Bildung der oberen Epitaxialschicht vergrößert

wird. Der Block 30 besitzt eine ungefähre Gesamtdicke von 30 ju, wobei die Schicht 32 ungefähr 20 ^u stark ist.

Wie zuvor bereits erwähnt, ist die Schicht 33 bei dem später im Verfahren ausgeführten Ätzschritt von Bedeutung, wenn der Membranteil des Halbleiter-Druckfühlers gebildet wird. Die Schicht 33 nimmt bis zu einem gewissen Ausmaß den Charakter einer Äquipotentialschicht ein, um den elektrolytisehen Ätzprozeß während dieses späteren Schrittes zu unterstützen. Ferner erzeugt die Schicht 33 eine schwache Halbleiter-Sperrschichtinjektion hinsichtlich der Halbleitersperrschichten, die sich bei der Bildung der Piezowiderstände ergeben, wobei die Schicht eine hohe Rekombinationsrate aufweist, um zu verhindern, daß Löcher in der Nähe der Piezowiderstände während des Ätzprozesses in die Epitaxialschicht eingeätzt werden.

Danach wird eine thermische Oxydschicht in bekannter Weise auf der Oberfläche 35 der Epitaxialschicht gebildet. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in Figur 3B dargestellt, wo eine Maskierungsschicht 36 von ungefähr 12.000 A aus Siliciumdioxyd thermisch auf der Oberfläche 35 gebildet wurde.

Herkömmliche Fotoresisttechniken werden benutzt, um ein Muster auf der Siliciumdioxydschicht 36 zwecks Formgebung der Piezowiderstandsbereiche zu bilden, wobei sich diese Bereiche vornehmlich in den Membranteil erstrecken und Anschlüsse aus dem Widerlagerteil herausgeführt sind. Danach wird auf der Ober-

fläche 35 Oxyd in einer Stärke von 600 A entfernt, wobei die hierdurch gebildete Schicht 37 als Streuoxyd wirkt. Dieses Streuoxyd dient als eine amorphe Schicht über den Bereichen,

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die für eine Ionenimplantation ausgewählt worden sind, d. h. über den Bereichen des Piezowiderstandes und der Widerstands-Herausführung, wobei auf treffende Ionen so zerstreut werden, daß sie auf das Siliciumgatter in dem Block 30 nicht auftreffen und sehr viel tiefer eindringen, als dies bei einer vorgegebenen mittleren Ionenenergie erwartet wird. Das Ergebnis dieser Schritte ist in Figur 3C dargestellt.

In diesem Punkt des Verfahrens wird eine tiefe Bor-Implantation durchgeführt unter Benutzung von Borionen mit einer mittleren Energie von ungefähr 300 keV. Der Ionenstrom wird so eingestellt, daß die Dosis 5,7 * 10 Ionen/cm^ beträgt. Als Ergebnis ergibt

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sich eine maximale Bor-Konzentration von ungefähr 10 Atomen/cm·³ und ein spezifischer Widerstand der Schicht von ungefähr 130Q.cm.

Das Ergebnis dieser Schritte ist in Figur 3D dargestellt, wo ein Bereich 38 vom p-Leitfähigkeitstyp unter der Schichtoberfläche 35 des Siliciumblockes 30 innerhalb der Schicht 33 gebildet worden ist. Eine zweite gestrichelte Linie 39 ist innerhalb des Leitfähigkeitsbereiches 38 dargestellt, um den Ort der maximalen Bor-Konzentration anzuzeigen. Dieser Ort befindet sich typischerweise 0,7 bis 0,9 ^i unterhalb der Oberfläche 35, während der pn-Halbleiterübergang im untersten Teil des Bereiches 38 ungefähr1,3 μ unterhalb der Oberfläche 35 liegt.

Unter Benutzung dieser Werte ergeben sich schließlich Piezowiderstände mit einem Bereich 38 vom p-Leitfähigkeitstyp, die einen Widerstandswert von ungefähr 5ΟΟθΏaufweisen..Dieser Widerstandswert bildet einen vernünftigen Kompromiß zwischen (a) einem ausreichenden Ausgangssignal bei einem vorgegebenen ausgeübten Druck auf den Membranteil des Sensors unter Beachtung des unvermeidlichen Rauschsignales und derjenigen Fehler, die durch die Signalverarbeitungseinrichtung bei einer zweckmäßig kleinen Verstärkung eingeführt werden und (b) dem notwendigen Strom zur Speisung des Druckfühlers, wobei dieser hinreichend

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klein gehalten wird, so daß eine Differentialheizung auf Grund des in dem Druckfühler fließenden Stromes keine fehlerhaften Ausgangssignale des Fühlers erzeugt. Piezowiders'tände mit diesem Widerstandswert können übliche Dimensionen hinsichtlich der Oberfläche 35 aufweisen, die für den Widerstandswert des Bereiches 38 vom p-Leitfähigkeitstyp maßgebend ist. Der sich ergebende Piezowiderstand ist weder zu lang, um ihn mit entsprechenden Schwierigkeiten unter optimalen Druckfühlbedingungen in der Membran unterbringen zu können, noch zu niedrig, um Probleme hinsichtlich ausgeprägter Toleranzen des Widerstandswertes schaffen zu können, die sich auf Grund von veränderlichen Einschnitten in der Maskenschicht 36 ergeben könnten.

Nach der Bor-Implantation wird die Siliciumdioxydmaske 36 von der Oberfläche 35 des Siliciumblockes entfernt, indem mit Ausnahme an denjenigen Stellen, wo elektrische Kontakte des Piezowiderstandes erforderlich sind, von einer herkömmlichen Fotoresisttechnik Gebrauch gemacht wird. Gemäß Figur 3E verbleibt daher ein kleiner Teil der Oxyd-Streuschicht 37 auf der Oberfläche 35 vorhanden, wobei dieser kleine Teil durch eine entsprechende Fotoresistschicht 40 geschützt wird. Das verbleibende Oxyd dient als eine Markierung für die spätere Anbringung der elektrischen Kontakte,während die Fotoresistschicht 40 als eine Implantationsmaske für den verbleibenden Ionen-Implantationsschritt dient. Sofern jedoch weniger genaue und stabile Druckfühler ebenfalls'ausreichend sind, so kann im folgenden Schritt von einer Diffusion oder einer Epitaxialschicht anstelle einer weiteren Ionenimplantation Gebrauch gemacht werden.

Der zweite Ionenimplantationsschritt beinhaltet die Bombardierung der in Figur 3E dargestellten Struktur mit Phosphorionen, um einen niedrigen, mit Phosphorionen implantierten Bereich über dem mit Borionen implantierten Bereich,mit Ausnahme an den Stellen, wo elektrische Kontakte vorzusehen sind, zu schaffen. Der mit Phosphorionen durchzuführende Implantationsschritt verwendet eine Bestrahlung mit einer mittleren Energie von ungefähr 50 keV,

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wobei der Ionenstrom eine Dosis von 10 Ionen/cm² aufweist. Die maximal erreichte Konzentration der Phosphoratome beträgt

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ungefähr 6 * 10 Atome/cm . Der Bereich der maximalen Konzentration der Phosphoratome befindet sich ungefähr 0,1 ju unterhalt der Oberfläche 35^· Das Ergebnis dieses Verfahrensschrittes ist in Figur 3F dargestellt, wobei hier die Fotoresistmaske nach dem zweiten Ionenimplantationsschritt entfernt worden ist. Das Streuoxyd 37 ist jedoch weiterhin vorhanden, um das Auffinden des Anbringungsortes für die elektrischen Kontakte in späteren Schritten zu erleichtern.

Als Ergebnis dieses IonenimplantationsSchrittes wird ein Bereich 41 vom n-Leitfähigkeitstyp gebildet, der Teil eines pnüberganges bildet und den restlichen Teil des Bereiches 38 vom p-Leitfähigkeitstyp, d. h. den Teil 38'₍ von den verbleibenden Teilen des Siliciumblockes 30 trennt. Vor dem Tempern mag der implantierte Bereich nicht tief genug sein, um die die obere Grenze des Bereiches 38 definierende Sperrschicht zu bilden, wobei jedoch die Dotierung in der Schicht 33 diese Grenze festlegt. Dieser Teil der Halbleitersperrschicht zwischen dem Bereich 38' und der Oberfläche 35 befindet sich ungefähr etwas mehr als 0,1 ju unterhalb der Oberfläche 35. Die Halbleitersperrschicht, die sich durch Bildung des Bereiches 41 oder auch erst nach dem Tempern ergibt, weist daher eine wesentliche Entfernung von dem Ort 39 der maximalen Konzentration von Boratomen im· Bereich 38" auf, so daß geringe Differenzen in der Tiefe dieser zusätzlichen pn-Sperrschicht nur geringen Einfluß auf das elektrische Verhalten und die Temperaturcharakteristik des Bereiches 38' vom p-Leitfähigkeitstyp aufweisen. Die Schwankungen hinsichtlich der Tiefe der hinzugefügten pn-Sperrschicht sind selbstverständlich sehr gering, wenn von den ausgezeichneten Steuermöglichkeiten bei einer Ionenimplantation Gebrauch gemacht wird.

Ferner sind die maximalen Dotierungskonzentrationen in jedem der Bereiche 41 und 38' weit voneinander getrennt, so daß die

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3lX

dazwischen befindliche pn-Sperrschicht eine befriedigende Durchbruchsspannung aufweist. Zur Verwirklichung dieses Zieles wird die Konzentration der Phosphoratome im Bereich so klein wie möglich gehalten, d. h. wesentlich kleiner als die maximale Konzentration der Boratome, so daß sie lediglich ausreichend sind, die Siliciumschicht an der Oberfläche des Siliciumblockes 30 in ein Material vom n-Leitfähigkeitstyp umzuwandeln und um sicherzustellen, daß der Entleerungsbereich im Betrieb des Fühlers in der Zone 41 nicht die Oberfläche erreicht.

Bei der Entfernung der Fotoresist-Implantationsmaske muß die Anordnung einem Temperzyklus unterworfen werden, um die durch die Ionenimplantation verursachten Schäden des Siliciumgitters zu reparieren. Dieser Temperzyklus wird bei 95O°C während ungefähr 10 Minuten in trockenem Nitrogen durchgeführt, wobei anschließend das trockene Nitrogen durch nasses Oxygen während ungefähr 20 Minuten ersetzt wird, und der Gebrauch von nassem Oxygen zu einem thermischen Wachstum einer Siliciumdioxydschicht führt. Diese Oxydschicht darf sich nicht sofort während des Temperzyklus auf der Oberfläche 35 bilden, da die Heilung der Gitterstruktur hierdurchL.gestört werden könnte. Erst die Benutzung des nassen Oxygens führt zum Wachstum einer unge-

fähr 2."000 A dicken Siliciumdioxydschicht 42 auf der Oberfläche 35 und dem Streuoxydteil 37.

Der Temper-Oxydationszyklus wird bei einer relativ niedrigen Temperatur von 95O°C durchgeführt, um eine Neuverteilung des Dotierungsmittels in den implantierten Bereichen auf ein Minimum zu beschränken, was ansonsten die Struktur dieser Bereiche und somit die Struktur des Druckfühlers verändern würde. Gleichzeitig wird eine zu beachtende Neuverteilung des Dotierungsmittels zwischen der Epitaxialschicht 30 vom n-Leitfähigkeitstyp und dem Substrat 31 vom p⁺-Leitfähigkeitstyp vermieden,

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was für den nachfolgenden Ätzprozeß zur Bildung des Membranteiles von Bedeutung ist. Das Ergebnis dieser Verfahrensschritte ist in Figur 3G dargestellt. Der Bereich der maximalen Konzentration der Boratome verbleibt ungefähr 0,7 bis 0,9 u unterhalb der Oberfläche 35, während der Bereich der maximalen Konzentration der Phosphoratome ganz in der Nähe oder an der Oberfläche 35 auftritt. Die Halbleitersperrschicht zwischen den Bereichen 38' und

41 befindet sich nunmehr ungefähr 0,2 ja unterhalb der Oberfläche 35.

• -

Eine über die in dem Temper-Oxydationszyklus erzielte Dicke von 2.000 A hinausgehende Dicke der Siliciumdioxydschicht ist jedoch erforderlich. Ein weiteres thermisches Wachstum dieser Oxydschicht, auch bei relativ geringen Temperaturen für den Temper-Oxydationszyklus beinhaltet die Gefahr einer Neuverteilung des Dotierungsmittels , was aus den zuvor erläuterten Gründen vermieden werden muß. Aus diesem Grund wird die hinzuzufügende Siliciumdioxydschicht durch pyrolitische Ablagerung von Siliciumdioxyd bei 300°C durchgeführt, bis die Gesamtdicke der Siliciumdioxydschicht

e> .

ungefähr 5.000 A erreicht. Es sei darauf verwiesen, daß in Figur 3G die Siliciumdioxydschicht 42 die resultierende Gesamtschicht aus beiden Verfahrensschritten darstellt.

Als nächstes werden die Einschnitte für die elektrischen Kontakte in der Siliciumdioxydschicht 42 durch Verwendung einer herkömmlichen Fotoresisttechnik erzeugt, um einen Zugriff zu den Piezowiderständen herzustellen. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in Figur 3H dargestellt. Der Einschnitt in die Siliciumdioxydschicht

42 ist mit der Bezugsziffer 43 versehen,und gestattet einen Zugriff zu dem Bereich 38' vom p-Leitfähigkeitstyp. Ohm'sche Kontakte werden nunmehr angebracht, um den Kontakt mit den Piezowiderständen herzustellen, d. h. in Figur 3H einen Kontakt mit dem Bereich 38" vom p-Leitfähigkeitstyp. Wenn eine korrosive Atmosphäre mit dem Druckfühler in Kontakt kommt, so kann eine spezielle Metallisierung erforderlich sein, die unter Umständen

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eine Kombination von Metallen verwendet, um einer Zerstörung in einer solchen Atmosphäre zu widerstehen. Wenn solche extreme Umstände anzutreffen sind, so kann von einem typischen Metallisierungsprozeß, wie er bei der Herstellung monolithisch integrierter Schaltkreise verwendet wird, Gebrauch gemacht v/erden. Bei typischen monolithisch integrierten Schaltkreisen wird Aluminium abgelagert, um eine metallische Verbindung zu bilden und bei dem Druckfühler kann zur Bildung von befriedigenden elektrischen Kontakten ebenfalls von dem wohlbekannten Aluminium-Metallisierverfähren Gebrauch gemacht werden. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in Figur 31 dargestellt, wo ein elektrischer Kontakt 44 eingezeichnet ist.

Nachdem die metallischen Kontakte gebildet sind, kann der Teil der Siliciumdioxydschicht 42, der sich nicht in unmittelbarer Nachbarschaft der Kontakte befindet, durch eine herkömmliche Fotoresisttechnik entfernt werden. Ist dies geschehen, so weist die Siliciumdioxydschicht kein Material mehr über der Oberfläche

der
auf, über der zu messende Druck angelegt wird, so daß die Siliciumschicht ohne Behinderung durch eine Dioxydschicht dem angelegten Druck entsprechend eine mechanische' Reaktion zeigen kann. Wenn jedoch die Montagevorrichtung für das Halbleitermaterial die Ursache für eine beträchtliche Hysterese ist oder andere Fehler bildet, so kann auch die relativ dünne Schicht 32 von Siliciumdioxyd auf dem Fühler belassen werden, da die durch diese Schicht verursachten Fehler dann relativ unbedeutend sind. Der Aufbau des Druckfühlers, bei dem die nicht erforderlichen Teile der Schicht 42 entfernt wurden, ist in Figur 3J dargestellt.

Wenn ein Halbleiter-Druckfühler in Form eines Plättchens gefordert wird, wobei der äußere Bereich des Plättchens direkt auf einen Träger montiert werden soll, so ist die Dicke des Substrates 31 entsprechend zu wählen. Die Teile des Halbleiterplättchens, welche mit dem Träger befestigt werden, bilden einen

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Teil des Widerlagers, während die verbleibenden Teile des Halbleiterplättchens als Membran dienen.

Um den Hystereseeffekt, der durch die mechanische Befestigung des Halbleiter-Druckfühlers auf seinem Träger entsteht, auf ein Minimum zu begrenzen, ist es oftmals jedoch erforderlich, einen Teil des Widerlagers durch den Halbleiter selbst zu bilden. Das Substrat 31 wird dann ausreichend stark gewählt, so daß ein Teil durch ein Ätzverfahren oder eine maschinelle Bearbeitung entfernt werden kann, wobei ein Teil des Substrates als Membran und der- unbearbeitete Teil als Widerlager des Druckfühlers dient.

Um eine solche Struktur in einem Ätzverfahren herzustellen, wird der Boden des Substrates 31 mit einem Metall, wie beispielsweise Platin beschichtet, wobei in entsprechend vorgesehenen Ausnehmungen der Metallschicht eine Wegätzung des Substrates auftritt. Die Metallschicht wird elektrisch angeschlossen und die gesamte Struktur in ein elektrolytisches Bad eingesetzt, wobei in üblicher Weise das ungeschützte Material elektrolytisch weggeätzt wird. Der sich ergebende Aufbau des Druckfühlers ist in Figur 3K dargestellt, wobei die in dem .elektrolytischen Ätzverfahren hergestellte Ausnehmung mit der Bezugsziffer 45 versehen ist. Der Träger für den gesamten HalbleiterrDruckfühler wird sodann mechanisch

mit den verbleibenden Teilen des Substrates 31 verbunden. Der Träger besitzt zweckmäßigerweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der an denjenigen,des Substrates 31 eng angepasst ist und das Verbindungsmittel soll so frei wie möglich von einer Hysterese sein. Beispielsweise kann ein Siliciumträger und ein eutektischer Goldkleber verwendet werden.

Eine andere typische Trägerstruktur, die mit dem Substrat 31 verbunden werden kann, besteht aus einem Glasrohr mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei durch das Rohr ein

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Gas gegen den Membranteil des Halbleiter-Druckfühlers geleitet werden kann, um den Druck mittels der Beanspruchung zu messen, die das Gas auf die Membran ausübt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das den Druckfühler tragende Glasrohr zu evakuieren bzw. ein Gas mit einem ausgewählten Druck darin einzuschließen. Der Druckfühler arbeitet sodann als Differenzdruckfühler, wobei der gemessene Druck auf einen bestimmten Referenzdruck bezogen ist. Das elektrostatische Verschweißen stellt ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Substrat 3.1 und einem Träger aus Glas mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten dar.

Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Anordnung macht von einer Epitaxialschicht vom n-Leitfähigkeitstyp und einem Substrat vom ρ -Leitfähigkeitstyp Gebrauch, wobei die gebildeten Piezowiderstände ebenfalls vom p-Leitfähigkeitstyp sind. Von Bedeutung ist jedoch nur, daß die Piezowiderstände und das sie umgebende Halbleitermaterial unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp aufweisen.

Figur 4 zeigt ein Diagramm, in dem die Dotierungskonzentration C über der Tiefe X unterhalb der Siliciumoberflache für einen Druckfühler dargestellt ist, wie er durch das anhand Figur erläuterte Verfahren hergestellt wurde. Die Tiefe unterhalb der Oberfläche 35 in Figur 3 ist in ^i auf der horizontalen Achse dargestellt, während die Dotierungskonzentration in Atomen/cm³ auf der vertikalen Achse dargestellt ist. Die Kurven für die Konzentration des implantierten Dotierungsmittels vom p-Leitfähigkeitstyp sind mit C bezeichnet, was auf die Konzentration der Boratome hinweist. Die restlichen Kurven sind mit C bezeichnet und sie veranschaulichen das

implantierte Dotierungsmittel vom n-Leitfähigkeitstyp, das aus Phosphoratomen besteht. Die Konzentrationen nach der Implantierung sind in gestrichelten Linien eingezeichnet,

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während die sich ^nach der Temperung ergebende endgültige Konzentration durch ausgezogene Linien dargestellt ist.

Die wesentliche Trennung zwischen dem Maximum der Dotierungskonzentrationen hinsichtlich des n-Dotierungsmittels und des p-Dotierungsmittels » in der sich ergebenden Halbleiterstruktur geht aus den Maxima der beiden Kurven klar hervor. Die Schnittstelle der beiden voll ausgezogenen Kurven gibt ungefähr den endgültigen Ort der pn-Sperrschicht vor und zeigt daß die Sperrschicht in, einem Bereich liegt, wo eine relativ geringe Konzentration von p-Dotierungsmitteln auftritt. Eine geringe Verschiebung dieser Schnittstelle gegenüber dem in Figur 4 eingezeichneten Ort hat somit nur geringen Einfluß auf die Gesamtanzahl der Dotierungsatome in dem p-Leitfähigkeitsbereich und im wesentlichen gar keinen Effekt auf die maximale Konzentration des p-Dotierungsmittels im p-Leitfähigkeitsbereich. Der Gesamtwiderstandswert und der Temperaturkoeffizient des Piezowiderstandes wird daher durch eine geringe Verschiebung dieser Schnittstelle kaum beeinflußt.

Diese wesentliche Trennung zwischen den maximalen Dotierungskonzentrationen beider Dotierungstypen führt ferner zu einer guten Durchbruchsspannungscharakteristik der Sperrschicht. Der erzielte Wert übersteigt 10V. .

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Claims

Patentan spräche

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Druckfühlers, bestehend aus einem Membranteil und einem Widerlagerteil, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleitermaterial (9,30) eines ersten Leitfähigkeitstyps durch eine erste Oberfläche (23,35) unter Benutzung eines ersten Dotierungsmittels ein erster Bereich (13,14,38,38') eines zweiten Leitfähigkeitstyps erzeugt wird, der wenigstens teilweise als Piezowiderstand dient, wobei dieser erste Bereich (38,38') mindestens teilweise im Bereich des Membranteiles (11) liegt, einen Bereich (20,39) maximaler Konzentration des ersten Dotierungsmittels aufweist und dieser maximale Konzentrationsbereich (38,38') ausreichend weit von der ersten Oberfläche (23,35) entfernt ist, so daß der Wert und die Temperaturabhängigkeit des Piezowiderstandes durch eine Behandlung dieser ersten Oberfläche (23,35) im wesentlichen unbeeinflußt bleiben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß nach Bildung des ersten Bereiches (13;i4,38,38·) vom zweiten Leitfähigkeitstyp (p) ein zweiter Bereich (21,41) vom ersten Leitfähigkeitstyp (n)

• ff

in dem Halbleitermaterial gebildet wird, wobei sich dieser zweite Bereich mindestens teilweise zwischen dem Bereich (20,39) maximaler Konzentration des ersten Dotierungsmittels und der ersten Oberfläche (23,35) befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der erste Bereich durch Ionenimplantation gebildet wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiter durch epitaxiales Wachstum zweier Schichten (17,18;32,33) des gleichen Leitfähigkeitstypes (n) auf einem Siliciumsubstrat gebildet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Schichten (17,18,32,33) eine unterschiedliche Leitfähigkeit aufweisen und die Schicht mit der höheren Leitfähigkeit (17,33) den ersten Bereich (38,38') aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Bereich durch Implantation von Borionen und der zweite Bereich durch Implantation von Phosphorionen gebildet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste ionenimplantierte Bereich (38) durch Implantation mit Hilfe einer ersten Maske (36,37) gebildet wird, deren Dicke über dem ersten Bereich (38) verringert ist, um das Einstreuen von Ionen in den ersten Bereich zu gestatten.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Bereich (21,41) durch Ionenimplantation mit Hilfe einer zweiten Maske (37,40) gebildet wird, wobei sich die zweite Maske am Ort eines herzustellenden ohm'sehen Kontaktes befindet«,
9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet , daß als erste Maske eine dicke Silicium-Dioxydschicht (36) um den ersten ausgewählten Bereich (38) herum und eine dünne Silicium-Dioxydschicht über dem ersten Bereich (38) verwendet wird und daß als zweite Maske ein Teil der dünnen Silicium-Dioxydschicht (37)f beschichtet mit einem Fotoresist (40), ver-

■·> wendet wircL.

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10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausnehmung in dem Halbleitersubstrat gebildet wird, indem eine metallische Ätzmaske auf der Basisfläche des Halbleitersubstrates angebracht wird und das Substrat; elektrolytisch herausgeätzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitersubstrat auf einen Qlasträger mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebracht wird.
12. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder einem der folgenden hergestellter Druckfühler, dadurch gekennzeichnet , daß sich der erste Bereich (13,14,38,38') in" den Widerlagerteil (10) erstreckt und der ohm'sche Kontakt (15,44) über dem ersten Bereich im Widerlagerteil (10) angeordnet ist.
13. Druckfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Bereich (38) den zweiten Bereich (41) an einer Stelle im Widerlagerteil (10) durchsetzt und an der Oberfläche (35) des Halbleitersubstrates hervortritt*
14. Druckfühler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß eine Ausnehmung (12) im Halbleitermaterial den Membranteil (11) vorgibt.

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