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Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Halbleiterdruck-
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aufnehmers Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers, bei dem auf einem Silizium-Einkristallsubstrat
eine p+-leitende Schicht ausgebildet und auf dieser eine Silizium-Epitaxieschicht
aufgebracht wird, bei dem ferner die Silizium-Epitaxieschicht mit einer Isolatorschicht
und diese mit einem leitenden Belag überdeckt wird und Öffnungen in dem leitenden
Belag und der Isolatorschicht eingebracht werden und bei dem durch die Öffnungen
hindurch eine Aushöhlung in der Silizium-Epitaxieschicht bis zu der p + -leitenden
Schicht ausgeätzt wird und in einem gegegenüberliegenden Bereich das Silizium-Einkristallsubstrat
ebenfalls bis zu der p+-leitenden Schicht weggeätzt wird, so daß der freiliegende
Bereich der p+-leitenden Schicht ein druckempfindliches Membranteil bildet, das
zusammen mit dem leitenden Belag einen druckempfindlichen Meßkondensator bildete
Ein nach einem derartigen Verfahren hergestellter kapazitiver Halbleiterdruckaufnehmer
ist aus der US-PS 4 332 000 bekannt. Zur Erläuterung des bekannten Halbleiterdruckaufnehmers
bzw. seines Herstellungsverfahrens ist dieser in Figur 1 in einem Längsschnitt dargestellt;
Figur 2 zeigt den prinzipiellen Schichtaufbau des bekannten Halbleiterdruckaufnehmers.
Wie Figur 1 zeigt, geht die Herstellung des bekannten Halbleiterdruckaufnehmers
von einem Silizium-Einkristallsubstrat aus, dessen Hauptoberfläche zum weiteren
Aufbau des Halbleiterdruckaufnehmers in der (100)-Kristallebene ausgebildet ist.
Auf dieser Hauptoberfläche trägt das Silizium-
Einkristallsubstrat
8 eine hochdotierte p-leitende (im folgenden p+-leitend genannte) Schicht 7, die
als Diffusionsschicht ausgebildet ist. Auf der p + -leitenden Schicht 7 und dem
Silizium-Einkristallsubstrat 8 ist eine Silizium-Epitaxieschicht 5 aufgebracht.
In einem Teilbereich der Silizium-Epitaxieschicht 5 ist eine niederohmige Kontaktzone
6 eingebettet, die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der p + -leitenden
Schicht 7 und einer metallenen Kontaktelektrode 4 herstellt. Ein weiterer Teilbereich
der Silizium-Epitaxieschicht 5 enthält eine Aushöhlung 12, deren Herstellung untenstehend
erläutert wird. Auf der Silizium-Epitaxieschicht 5 und auf der von ihr abgewandten
Oberfläche des Silizium-Einkristallsubstrates 8 ist jeweils eine Isolatorschicht
2 bzw. 9 bevorzugt aus Siliziumnitrid (Si3N4) ausgebildet. Die mit 2 bezeichnete
Isolatorschicht ist mit einem leitenden Belag in Form eines Metallbelages 1 überzogen.
Der Metallbelag 1 sowie die darunter liegende Isolatorschicht 2 sind mit Öffnungen
3 versehen, die die Zuführung eines anisotropen Ätzmittels zur Bildung der Aushöhlung
12 ermöglichen.
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Das anisotrope Ätzmittel (z. B. Ethylendiamin-Pyrocatechol) wirkt
unterschiedlich in den verschiedenen kristallographischen Richtungen der Silizium-Eptaxieschicht
5; während nämlich der Ätzprozeß ausgehend von den Öffnungen 3 senkrecht zu der
(100)-Kristallebene (Figur 2) gut fortschreitet, findet er in Richtung senkrecht
zu der (lll)-Kristallebene gehemmt statt. Die p+-leitende Schicht 7 wirkt als Hemmschicht
für das Ätzmittel, so daß der Ätzprozeß beendet wird, wenn das Ätzmittel bis zu
der p+-leitenden Schicht vorgedrungen ist und die Aushöhlung 12 ihre endgültige
Form erreicht hat. Auf entsprechende Weise wird in dem Silizium-Einkristallsubstrat
8 ausgehend von der Isolatorschicht 9 eine Aussparung bis zu der p+-leitenden Schicht
7 weggeätzt; die daraufhin freiliegenden Teile der Isolatorschicht 9, des Silizium-Einkristallsubstrats
8 und der p+-leitenden Schicht 7 sind mit einer vorzugsweise aus
Glas
bestehenden Stabilisierungsschicht 10 überzogen. Der auf diese Weise freigelegte
Teil der p + -leitenden Schicht 7 bildet ein druckempfindliches Membranteil 11,
dessen seitliche Ausdehnung durch die Gestaltung der Öffnungen 3 in dem Metallbelag
1 und der Isolatorschicht 2 bzw. durch die Form der Öffnung in der Isolatorschicht
9 bestimmt ist. Das Membranteil 11 bildet zusammen mit dem Metallbelag 1 einen druckempfindlichen,
veränderbaren Meßkondensator, der bei Druckbeaufschlagung des Membranteiles 11 eine
Druckmessung durch Bestimmung der entsprechenden Änderung der Meßkapazität ermöglicht.
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Während der oben beschriebenen Ausätzung der Aushöhlung 12 unter Verwendung
eines anisotropen Ätzmittels entsteht eine chemische Reaktion, die durch Schaumbildung
begleitet ist und möglicherweise ein Brechen des Metallbelages 1 bzw. der darunter
liegenden Isolatorschicht 2 verursacht. Darüberhinaus besteht während des gesamten
laufenden Herstellungsprozesses des Halbleiterdruckaufnehmers eine ständige Bruchgefahr
für den Metallbelag 1 bzw. die Isolatorschicht 2, weil deren Gesamtdicke etwa im
Bereich von 1 pm bis 2 um liegt. Zur Verringerung der Bruchempfindlichkeit könnte
man daran denken, die Schichtdicke der Isolatorschicht 2 zu erhöhen, jedoch würde
dadurch auch die Kapazität des Meßkondensators verringert und ihr Streuenteil unter
Verringerung der Meßgenauigkeit des Halbleiterdruckaufnehmers vergrößert werden.
Würde andererseits zur Verringerung der Bruchempfindlichkeit die Dicke des Metallbelages
1 vergrößert werden, so würde als Folge der Differenz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Metallbelages 1, der Isolatorschicht 2 und der Silizium-Epitaxieschicht 5 deren
Ausdehnungen bei Temperaturschwankungen soweit ansteigen, daß in der Isolatorschicht
2 Risse auftreten können und die druckabhängige Auslenkung des Membranteiles 11
durch thermisch bedingte Spannungen entlang der Schichten beeinflußt wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Herstellung eines kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers anzugeben, der sich durch
eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischer und mechanischer Beanspruchung
insbesondere bei seiner Herstellung auszeichnet und eine hohe Meßgenauigkeit aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem eingangs angegebenen Verfahren
zur Herstellung eines kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers erfindungsgemäß der
leitende Belag in Form eines niederohmigen p+-leitenden Siliziumbelages ausgeführt.
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Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
besteht darin, daß der niederohmige p + -leitende Siliziumbelag nahezu den gleichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die ihn tragende Isolatorschicht aufweist,
so daß bei Temperaturschwankungen keine Rißbildung in dem niederohmigen p+-leitenden
Siliziumbelag bzw. der unter ihm liegenden Isolatorschicht auftritt. Daher kann
auch die Dicke des p+-leitenden Siliziumbelages im Unterschied zu dem Metallbelag
bei dem bekannten Halbleiterdruckaufnehmer ohne Gefahr einer thermisch verursachten
Rißbildung vergrößert werden, um so die mechanische Stahilität des Halbleiterdruckaufnehmers
zu erhöhen. Auf diese Weise wird ein mögliches Brechen der Isolatorschicht und des
darauf liegenden p+-leitenden Siliziumbelages während der Herstellung des kapazitiven
Halbleiterdruckaufnehmers und insbesondere während des Ausätzens der Aushöhlung
und der dabei auftretenden Schaumbildung vermieden, so daß die Produktionsausfallrate
gesenkt werden kann.
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Eine gute mechanische Stabilität des Halbleiterdruckaufnehmers wird
in vorteilhafter Weise bei einer Ausführung des niederohmigen p + -leitenden Siliziumbelages
in einer Dicke von mehr als 10 pm erreicht, wobei die Dicke durchaus mehrere 10
um betragen kann.
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Um die p+-leitende Schicht, die das druckempfindliche Membranteil
bildet, besonders exakt mit einer vorgegebenen Dicke herstellen zu können und damit
die Meßempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers exakt festlegen zu
können, ist es von Vorteil, wenn die p + -leitende Schicht in Form einer Epitaxieschicht
aufgebracht wird.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 3 ein Ausführungsbeispiel
eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers
in einem Längsschnitt dargestellt; Figur 4 zeigt ein weiteres und Figur 5 ein zusätzliches
Ausführungsbeispiel eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleiterdruckaufnehmers
jeweils im Längsschnitt.
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Der in Figur 3 gezeigte Halbleiterdruckaufnehmer stimmt hinsichtlich
seines Aufbaues in weiten Teilen mit dem bekannten Halbleiterdruckaufnehmer nach
Figur 1 überein, weshalb in Figur 3 für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen
wie in Figur 1 verwendet worden sind.
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Auf einem n-dotierten oder p-dotierten Silizium-Einkristallsubstrat
8, dessen Hauptfläche sich in Richtung der (100)-Kristallebene erstreckt, ist eine
p+-leitende Schicht 7 durch Ionen-Implantation oder durch Thermodiffusion mit einer
Dotierungskonzentration von etwa 1020 cm~3 ausgebildet. Die Schichtdicke der p+-leitenden
Schicht entspricht der späteren gewünschten Dicke des Membranteiles 11. Auf der
p+-leitenden Schicht 7 und dem Silizium-Einkristallsubstrat 8 ist eine Silizium-Epitaxieschicht
5 durch Abscheidung von Silizium aus einer Gasphase aufgebracht. Die Dicke der Silizium-Epitaxieschicht
5 entspricht der Tiefe der später zu bildenden Aushöhlung 12. Die Silizium-Epitaxieschicht
5 ist im Hinblick auf eine möglichst hohe Empfindlichkeit
gegenüber
anisotropen Ätzmitteln und nicht im Hinblick auf einen niedrigen elektrischen Widerstand
ausgelegt; daher ist in einem Teilbereich der Silizium-Epitaxieschicht 5 eine niederohmige
Kontaktzone 6 eingebettet, die eine elektrisch leitende Verbindung mit der p+-leitenden
Schicht 7 herstellt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt sind zwei Isolatorschichten 2
und 9 beispielsweise aus Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumdioxid (sir2) jeweils
in einer Dicke von etwa 0,5 pm bis 1 pm auf der Silizium-Epitaxieschicht 5 bzw.
der ihr abgewandten Seite des Silizium-Einkristallsubstrates 8 aufgebracht. Die
Isolatorschicht 2 enthält im Bereich der unter ihr liegenden niederohmigen Kontaktzone
6 eine Öffnung, durch die die Kontaktzone 6 mit einem Siliziumelektrodenanschluß
15 verbunden ist. Die Isolatorschicht 2 ist von einem leitenden Belag bestehend
aus einem niederohmigen p+-leitenden Siliziumbelag 13 bedeckt. Da sowohl die Isolatorschicht
2 als auch der niederohmige p+-leitende Siliziumbelag 13 jeweils einen annähernd
gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist es möglich, den niederohmigen
p+-leitenden Siliziumbelag 13 in einer Dicke von einigen 10 um auszubi-lden. Der
niederohmige p+-leitende Siliziumbelag 13 und die darunterliegende Isolatorschicht
2 sind mit Öffnungen 3 versehen, die mittels einer Mischung aus Fluß-und Salpetersäure
(HF . HN03) eingeätzt worden sind. Die auf dem Silizium-Einkristallsubstrat 8 aufgebrachte
Isolatorschicht 9 ist ebenfalls mit einer Öffnung versehen.
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Wird nun die bis zu diesem Zeitpunkt hergestellte Halbleiterstruktur
einem anisotropen Ätzmittel, wie z. B. Kalilauge (KOH) oder Ethylendiamin-Pyrocatechol
ausgesetzt, so werden nur die hochohmigen Siliziumschichten wie in diesem Fall die
Silizium-Epitaxieschicht 5 und das Silizium-Einkristallsubstrat 8 weggeätzt. Im
Unterschied hierzu werden die hochdotierten p+-leitenden Siliziumschichten wie der
nieder-
ohmige p+-leitende Siliziumbelag 13 und die p + -leitende
Schicht 7 von dem anisotropen Ätzmittel nicht angegriffen, so daß nach Beendigung
des Ätzprozesses die in Figur 3 gezeigte Halbleiterstruktur mit dem freigeätzten
Membranteil 11 und der Aushöhlung 12 vorliegt. In folgenden Verfahrensschritten
werden die Metallbeläge 1 und 14 auf einem Teil des niederohmigen p+-leitenden Siliziumbelages
13 bzw. auf dem Silizium-Elektrodenanschluß 15 aufgedampft und mit Gold oder Aluminiumdrähten
kontaktiert. Das freiliegende Membranteil 11 wird mit einer Stabilisierungsschicht
10 vorzugsweise aus Glas überzogen.
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Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers im Längsschnitt, wobei
im Unterschied zu dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel anstelle der
dort vorhandenen niederohmigen Kontaktzone 6 die metallene Kontaktelektrode 4 direkt
auf einem freiliegenden Teil der p+-leitenden Schicht 7 aufgebracht ist. Auf diese
Weise wird die Streukapazität zwischen dem Metallbelag 1 und der metallenen Kontaktelektrode
4 verringert und so die Meßempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers-erhöht.
Bezüglich des übrigen Aufbaues stimmen die Ausführungsbeispiele nach Figur 3 und
4 miteinander überein.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen
Halbleiterdruckaufnehmers ist die p+-leitende Schicht 7 als Diffusionsschicht durch
Ionen-Implantation oder Thermodiffusion ausgebildet. Figur 5 zeigt ein zusätzliches
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers,
bei dem die p+-leitende Schicht 7 eine Epitaxieschicht ist, die auf die Hauptoberfläche
des Silizium-Einkristallsubstrates 8 beispielsweise durch Abscheidung von Silizium
aus einer Gasphase auf-
gewachsen ist. Das epitaktische Aufwachsen
der p+-leitenden Schicht 7 ermöglicht es dabei, die Dicke des von der p -leitenden
Schicht 7 gebildeten Membranteiles 11 exakt festzulegen. Bezüglich des übrigen Aufbaues
stimmt das Ausführungsbeispiel nach Figur 5 mit denen nach Figur 3 oder 4 überein.
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Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen
kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers erfolgt die Ausbildung der Aushöhlung 12 gleichzeitig
mit der Freilegung des Membranteiles 11 von dem Silizium-Einkristallsubstrat 8 aus
durch anisotropes Ätzen. Es kann bei der Herstellung des erfindungsgemäßen kapazitiven
Halbleiterdruckaufnehmers aber auch die Freilegung des Membranteiles 11 unabhängig
von der Ausbildung der Aushöhlung 12 durch andere anisotrope oder isotrope Ätzverfahren
erfolgen.
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In diesem Fall kann auf die Aufbringung der Isolatorschicht 9 und
der Stabilisierungsschicht 10 auf dem Silizium-Einkristallsubstrat 8 verzichtet
werden.
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3 Ansprüche 5 Figuren