DE3118366A1

DE3118366A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE3118366A1
Application number: DE19813118366
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr.rer.nat. 8000 München Mitlehner; Gilbert Dr.-Ing. 8011 Heimstetten Tomasi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-05-08
Filing date: 1981-05-08
Publication date: 1982-11-25

Description

Drucksensor
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem Halbleiter-Widerstand, der in eine Halbleiter-Membran eingebracht ist und bei Druckeinwirkung sein Ausgangssignal ändert.
Bisher bestehende Drucksensoren für die Mikroelektronik werden vorzugsweise unter Ausnutzung des sogenannten piezoresistiven Effektes hergestellt. Ein derartiger Drucksensor ist in Fig. 1 dargestellt und weist eine Silicium-Membran 1 auf, in die eine Widerstandsstruktur 2 durch Diffusion oder Implantation eingebracht ist.
Die Membran 1 weist eine Öffnung bzw. ein Loch 3 auf, das in ein n+-dotiertes Substrat 4 durch Ätzen eingebracht wird. Weiterhin besteht die Membran 1 aus einer n-leitenden epitaktischen Schicht 5. Die Schicht 5 und das Substrat 4 bilden also zusammen die Membran 1. Die Öffnung 3 wird eingebracht, damit die Membran 1 in ihrem Mittelbereich leichter deformierbar ist. Die Widerstandsstruktur 2 kann beispielsweise aus einer U-förmigen Zone 6 (in Fig. 1 sind nur die beiden Schenkel des U im Schnitt gezeigt) bestehen, die p+ -dotiert ist.
Bei einer Verformung der Silicium-Membran 1 ändert sich infolge des piezoresistiven Effektes der Wert de MeBwiderstandes, der durch die Zone 6 bzw. die Widerstandsstruktur 2 gebildet wird. Dieser Meßwiderstand ist gegenüber der Schicht 5 bzw. dem Substrat 4 durch einen pn-Ubergang 7 isoliert. Wenn eine Spannung wn die beiden Enden der Zone 6 angelegt wird und so durch den Meßwiderstand ein Strom fließt, dann bildet sich eine strichliert angedeutete Raumladungszone 8 aus.
Der pn-Übergang 7 muß gegen Umwelteinflüsse der zu messenden Medien abgeschirmt werden, damit er seine Sperreigenschaften beibehalten kann. Wenn nämlich keine solche Abschirmung vorliegt, dann driftet das Ausgangssignal auf Grund erhöhter Sperrströme. Solche Umwelteinflüsse sind beispielsweise Feuchtigkeit, aromatische organische Stoffe, wie beispielsweise Benzol usw. oder aggressive Gase und ähnliches.
Bisher werden piezoresistive Drucksensoren dadurch geschützt, daß der pn-Übergang 7 mit einer Siliciumdioxidschicht 9 abgedeckt und der gesamte Drucksensor durch eine Silicon-Kautschuk-Schicht 10 passiviert wird. Es hat sich nun gezeigt, daß ohne besondere Maßnahmen eine derartige Passivierung dennoch Instabilitäten des Drucksensors bedingen kann. Beispielsweise steigt nach einer Lagerung über 12 h bei einer erhöhten Temperatur von etwa 150 0C der Sperrstrom um mehrere Größenordnungen an, so daß verfälschte Meßergebnisse erhalten werden. Zur Vermeidung derartiger Instabilitäten wurden bereits spezielle Maßnahmen erwogen. So können beispielsweise Zusätze in den Silicon-Kautschuk der Schicht 10 eingebracht werden, die Natrium bilden. Auch hat sich eine Nachbehandlung in einer speziellen Atmosphäre als zweckmäßig erwiesen. Eine weitere Möglichkeit besteht in einer aufwendigen Beschichtung der Silicon-Kautschuk-Schicht 10. Alle diese Maßnahmen sind aber sowohl schwer reproduzierbar als auch aufwendig und können Ausbeuteeinbußen durch Instabilität nicht ausschließen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich durch hohe Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Halbleiter-Widerstandes und wenigstens teilweise der Halbleiter-Membran direkt oder indirekt durch eine halbisolierende Schicht belegt ist.
Bei der Erfindung wird also eine halbisolierende Schicht über dem piezoresistiven Meßwiderstand aufgebracht. Diese halbisolierende Schicht kann in vorteilhafter Weise aus amorphem, polykristallinem oder rekristallisiertem Silicium bestehen. Weiterhin kann die halbisolierende Schicht entweder direkt auf der Halbleiter-Membran oder indirekt auf dieser über eine Schutzschicht aufgebracht werden. Eine solche Schutzschicht besteht vorzugsweise aus Siliciumdioxid. Die Schichtdicke der halbisolierenden Schicht kann beispielsweise 0,03 /um betragen, wobei das halbisolierende Silicium einen spezifischen Widerstand von etwa 107 Ohm . cm besitzt.
Auf der halbisolierenden Schicht wird zum Schutz gegen Umwelteinflüsse eine Passivierungsschicht aufgebracht.
Die halbisolierende Schicht gewährleistet die Stabilität des pn-Überganges dadurch, daß eine Channel- bzw. Kanalbildung am pn-Übergang durch lonenwanderung in oder über der Passivierungsschicht nicht mehr stattfinden ;ann.
Für die Passivierungsschicht kann beispielsweise Silicon-Kautschuk oder eine Silicon-Gelmasse oder Polyimid oder Silikopon oder Parylen oder Polyhydrantoine oder ein Zwischenmedium, wie beispielsweise SIl#cium-Aluminium, verwendet werden, wobei diese Passivie:ungsschicht ohne besondere zusätzliche Maßnahmen & dergleiche oben) aufgetragen werden kann.
Der erfindungsgemäße Drucksensor zeichnet sich somit durch eine äußerst gute Reproduzierbarkeit, eine hohe Zuverlässigkeit und einen großen Ausbeutegrad aus.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen bestehenden Drucksensor, Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors, und Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemaßen Drucksensors.
In den Fig. 1 bis 3 sind einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bauteile, die an Hand der Fig. 1 beschrieben wurden, werden daher für die Ausführungsbeispiele der Fig. 2 und 3 nicht näher erläutert.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird auf die Oberfläche der epitaktischen Schicht 5 eine halbisolierende Schicht 11 aufgetragen, die beispielsweise aus amorphem Silicium besteht und eine Schichtdicke von 0,03 /um bei einem spezifischen Widerstand von etwa 107 Ohm . cm aufweist. Über dieser halbisolierenden Schicht 11 wird dann die Siliciumdioxidschicht 9 vorgesehen, die ihrerseits wiederum mit einer Silicon-Kautschuk-Schicht 10 abgedeckt wird.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dadurch, daß die halbisolierende Schicht 11 zwischen der Siliciumdioxidschicht 9 und der Silicon-Kautschuk-Schicht 10 vorgesehen wird.
An der Erfindung ist also wesentlich, daß zusätzlich die halbisolierende Schicht 11 entweder direkt auf der Oberfläche der epitaktischen Schicht 5 (vergleiche Fig. 2) oder indirekt unter Zwischenfügung einer weiteren Schutzschicht (vergleiche Fig. 3) vorgesehen wird. Diese halbisolierende Schicht gewährleistet die Stabilität der pn-Übergänge 7, da sie eine Channelbildung am pn-Übergang durch Ionenwanderung in oder über der Passivierungsschich; 10 verhindert.
3 Figuren 8 Patentansprüche Leerseite

Claims

Patentanspruche Drucksensor mit einem Halbleiter-Widerstand, der in eine Halbleiter-Membran eingebracht ist und bei Druckeinwirkung sein Ausgangssignal ändert, ~ d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Oberfläche des Halbleiter-Widerstandes (2) und wenigstens teilweise der Halbleiter-Membran (1) direkt oder indirekt durch eine halbisolierende "schicht (11) belegt ist.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die halbisolierende Schicht (il) aus amorphen oder polykristallinen oder rekristallisierten Silicium besteht.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die halbisolierende Schicht (11) direkt auf der Oberfläche des Halbleiter-Widerstandes (2) und der Membran (1) aufgetragen ist.
4. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die halbisolierende Schicht (11) über eine Schutzschicht (9) auf die Oberfläche des Halbleiter-Widerstandes (2) und der Membran (1) aufgetragen ist.
5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß iie Schichtdicke der halbisolierenden Schicht (11) etwa 0,03 /um beträgt.
6. Drucksensor nach einem der Ansprüche fl bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der spezifische Widerstandswert der halbisolierende. Schicht (11) etwa 107 Ohm . cm beträgt.
7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Oberfläche der halbisolierenden Schicht (11) mit einer Passivierungsschicht (10) versehen ist.
8. Drucksensor nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Passivierungsschicht (10) aus Silicon-Kautschuk oder aus Silicon-Gelmasse oder aus Polyimid oder aus Silikopon oder aus Parylen oder aus Silicium-Aluminium besteht.