DE3445775A1 - Capacitive semiconductor pressure pick-up - Google Patents
Capacitive semiconductor pressure pick-upInfo
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Abstract
Description
Kapazitiver HalbleiterdruckaufnehmerCapacitive semiconductor pressure transducer
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmer mit einem Silizium-Einkristallsubstrat, auf dem eine p+-leitende Schicht ausgebildet ist, die in einem weggeätzten Bereich des Silizium-Einkristallsubstrates freiliegt und dort ein druckempfindliches Membranteil bildet, weiterhin mit einer Silizium-Epitaxieschicht, die auf der p+-leitenden Schicht aufgebracht ist, mit einer die Silizium-Epitaxieschicht überdeckenden Isolatorschicht und einem auf dieser aufgebrachten leitenden Belag und mit einer durch Öffnungen in dem leitenden Belag und der Isolatorschicht ausgeätzten Aushöhlung in der Silizium-Epitaxieschicht, so daß der leitende Belag zusammen mit dem Membranteil einen druckempfindlichen Meßkondensator bildet.The invention relates to a capacitive semiconductor pressure sensor comprising a silicon single crystal substrate on which a p + -type layer is formed which is exposed in an etched-away region of the silicon single crystal substrate and there forms a pressure-sensitive membrane part, furthermore with a silicon epitaxial layer, which is applied to the p + -conducting layer, with a silicon epitaxial layer covering insulator layer and a conductive coating applied to it and with one etched through openings in the conductive coating and the insulator layer Hollow out in the silicon epitaxial layer so that the conductive coating goes along with it the membrane part forms a pressure-sensitive measuring capacitor.
Ein derartiger kapazitiver Halbleiterdruckaufnehmer ist aus der US-PS 4 332 000 bekannt. Zur Erläuterung des bekannten Halbleiterdruckaufnehmers ist dieser in Figur 1 in Draufsicht dargestellt; Figur 2 zeigt den bekannten Halbleiterdruckaufnehmer in einem Längsschnitt. Wie Figur 2 zeigt, weist der bekannte Halbleiterdruckaufnehmer ein Silizium-Einkristallsubstrat 8 auf, 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 Aussparung in Form einer Aushöhlung 12.Such a capacitive semiconductor pressure sensor is from US-PS 4,332,000 known. This is to explain the known semiconductor pressure transducer Shown in Figure 1 in plan view; Figure 2 shows the known semiconductor pressure transducer in a longitudinal section. As FIG. 2 shows, the known semiconductor pressure transducer a silicon single crystal substrate 8, the main surface of which for further construction of the semiconductor pressure transducer is formed in the (100) crystal plane. On this On the main surface, the silicon single crystal substrate 8 has a highly doped p-type conductor (hereinafter referred to as p + -conductive) layer 7, which is designed as a diffusion layer is. On the p + -type layer 7 and the silicon single crystal substrate 8 is a silicon epitaxial layer 5 is applied. In a part of the silicon Epitaxial layer 5 a low-resistance contact zone 6 is embedded, which is an electrically conductive Connection between the p + -conducting layer 7 and a metal contact electrode 4 manufactures. Another sub-area of the silicon epitaxial layer 5 contains a Recess in the form of a hollow 12.
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 von einem aus einer Metallschicht bestehenden leitenden Belag 1 bedeckt. Der leitende Belag 1 sowie die unter ihm liegende Isolatorschicht 2 sind mit Öffnungen 3 versehen, die die Zuführung eines anisotropen Ätzmittels zur Bildung der Aushöhlung 12 ermöglichen. Wie Figur 1 zeigt, sind die Öffnungen 3 in Form von schmalen Schlitzen ausgebildet, die etwa fischgrätenartig in einem in der Figur 1 durch eine gestrichelte Linie gekennzeichneten rechteckförmigen Bereich angeordnet sind. Das anisotrope Ätzmittel (z. B. Ethylendiamin-Pyrocatechol) wirkt unterschiedlich in den verschiedenen kristallographischen Richtungen der Silizium-Epitaxieschicht 5; während nämlich der Ätzprozeß ausgehend von den Öffnungen 3 senkrecht zu der (100)-Kristallebene gut fortschreitet, findet er senkrecht zu der (111)-Kristallebene gehemmt statt, so daß als Folge des Ätzprozesses pyramidale Vertiefungen entstehen, deren vier Begrenzungsflächen jeweils äquivalent zu der (lll)-Kristallebene sind.On the silicon epitaxial layer 5 and on the one facing away from it The surface of the silicon single crystal substrate 8 is in each case an insulator layer 2 or 9 preferably made of silicon nitride (Si3N4). The designated with 2 The insulating layer is made up of a conductive coating consisting of a metal layer 1 covered. The conductive covering 1 as well as the insulating layer 2 underneath it are provided with openings 3, the supply of an anisotropic etchant for the formation allow the cavity 12. As Figure 1 shows, the openings 3 are in the form of formed narrow slits that are roughly herringbone in one in the figure 1 arranged by a dashed line marked rectangular area are. The anisotropic etchant (e.g. ethylenediamine pyrocatechol) has different effects in the different crystallographic directions of the silicon epitaxial layer 5; namely during the etching process starting from the openings 3 perpendicular to the (100) crystal plane progresses well, it is found perpendicular to the (111) crystal plane inhibited instead, so that pyramidal depressions arise as a result of the etching process, the four boundary surfaces of which are each equivalent to the (III) crystal plane.
Die p+-leitende Schicht 7 wirkt als Hemmschicht für das Ätzmittel, so daß der Ätzprozeß beendet ist, wenn das Ätzmittel bis zu der p+-leitenden Schicht 7 vorgedrungen ist.The p + -conducting layer 7 acts as an inhibitor layer for the etchant, so that the etching process is finished when the etchant is up to the p + -type layer 7 has advanced.
Auf entsprechende Weise wird auch in dem Silizium-Einkristallsubstrat 8 eine Aussparung bis zu der p+-leitenden Schicht 7 ausgeätzt; der nach diesem Verfahrensschritt freiliegende Teil der p+-leitenden Schicht 7 bildet ein druckempfindliches Membranteil 11. Dieses Membranteil 11 bildet zusammen mit dem leitenden Belag 1 einen druckabhängig veränderbaren Meßkonden- sator, der bei Druckbeaufschlagung des Membranteiles 11 eine Druckmessung durch Bestimmung der jeweiligen Kapazitätsänderung ermöglicht.In a corresponding manner in the silicon single crystal substrate 8 a recess etched out as far as the p + -conducting layer 7; after this process step The exposed part of the p + -conductive layer 7 forms a pressure-sensitive membrane part 11. This membrane part 11, together with the conductive coating 1, forms a pressure-dependent one changeable measuring condenser sator, which when the Diaphragm part 11 a pressure measurement by determining the respective change in capacitance enables.
Dadurch, daß die Öffnungen 3 in Form von schmalen Schlitzen ausgebildet sind, begrenzen sie bei der Zuführung des Ätzmittels dessen Durchlaßgeschwindigkeit, so daß der ÄtzprozeE bei der Ausbildung der Aushöhlung 12 eine geraume Zeit in Anspruch nimmt. Man könnte nun zur Beschleunigung des Ätzprozesses die Öffnungen 3 vergrößern, jedoch würde man damit zugleich die wirksame Elektrodenfläche, die von dem leitenden Belag 1 gebildet ist, verringern und so die Meßkapazität zwischen dem leitenden Belag 1 und dem Membranteil 11 des Halbleiterdruckaufnehmers herabsetzen. Weiterhin erstreckt sich der leitende Belag 1 bei dem bekannten Halbleiterdruckaufnehmer über den Bereich der Aushöhlung 12 bzw. über die freiliegende Fläche des Membranteiles 11 hinaus; daher ist die Streukapazität, welche von dem nicht druckempfindlichen kapazitiven Teilen des Meßkondensators gebildet wird, relativ groß.Characterized in that the openings 3 are designed in the form of narrow slots they limit the rate of passage of the etchant when it is supplied, so that the etching process in forming the cavity 12 takes a considerable amount of time takes. One could now enlarge the openings 3 to accelerate the etching process, However, one would thereby at the same time the effective electrode area, which is from the conductive Coating 1 is formed, and so reduce the measuring capacitance between the conductive Reduce the lining 1 and the diaphragm part 11 of the semiconductor pressure transducer. Farther the conductive coating 1 extends over in the known semiconductor pressure transducer the area of the cavity 12 or over the exposed surface of the membrane part 11 addition; therefore, the stray capacitance is that of the non-pressure sensitive capacitive parts of the measuring capacitor is formed, relatively large.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmer anzugeben, der eine besonders hohe Meßgenauigkeit und Meßempfindlichkeit aufweist.The invention is therefore based on the object of a capacitive Specify semiconductor pressure transducers which have a particularly high measurement accuracy and sensitivity having.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist sind dem kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmer der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Öffnungen um einen scheibenförmigen Bereich der Isolatorschicht und des leitenden Belages diesen Bereich seitlich begrenzend angeordnet, wobei die Fläche des scheibenförmigen Bereiches geringer als die freiliegende Fläche des Membranteiles ist.To solve this problem is the capacitive semiconductor pressure transducer of the type specified at the outset, according to the invention, the openings around a disk-shaped Area of the insulator layer and the conductive coating laterally delimiting this area arranged, wherein the area of the disc-shaped area is less than the exposed Is the area of the membrane part.
Der erfindungsgemäße kapazitive Halbleiterdruckaufnehmer weist den Vorteil auf, daß sich einerseits die Öffnungen in dem leitenden Belag und der ihn tragenden Isolatorschicht groß genug ausführen lassen, um einen beschleunigten Ätzprozeß bei der Ausätzung der Aushöhlung zu erhalten, und daß andererseits trotz der vergrößerten Öffnungen der für den druckempfindlichen kapazitiven Anteil des Meßkondensators maßgebliche Teil des leitenden Belages besonders groß ist. Als Folge davon wird in vorteilhafter Weise eine hohe Meßempfindlichkeit und Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers erzielt. Der sich auf dem scheibenförmigen Bereich der Isolatorschicht erstreckende leitende Belag liegt nämlich, ohne daß seine Fläche durch Öffnungen verringert ist, dem mittleren und damit am meisten druckempfindlichen Bereich des freiliegenden Membranteiles gegenüber; die Öffnungen sind dagegen rings um den scheibenförmigen Bereich angeordnet und liegen daher dem weniger druckempfindlichen Randbereich des freiliegenden Membranteiles gegenüber.The capacitive semiconductor pressure transducer according to the invention has the The advantage that on the one hand the openings in the senior The coating and the insulating layer supporting it can be made large enough to make a to get accelerated etching process in the etching of the cavity, and that on the other hand despite the enlarged openings that for the pressure-sensitive capacitive component of the measuring capacitor significant part of the conductive coating is particularly large. as The consequence of this is, in an advantageous manner, high measurement sensitivity and measurement accuracy of the capacitive semiconductor pressure transducer according to the invention achieved. Which is on the disk-shaped area of the insulating layer extending conductive coating namely, without its area being reduced by openings, the middle and thus the most pressure-sensitive area of the exposed part of the membrane; the openings, however, are arranged around the disk-shaped area and are therefore the less pressure-sensitive edge area of the exposed part of the membrane opposite to.
Die Öffnungen können daher zur Beschleunigung des Ätzprozesses in vorteilhafter Weise relativ groß ausgeführt werden, ohne daß die Meßkapazität wesentlich verringert wird. Da die Fläche des scheibenförmigen Bereiches und damit auch die Fläche des leitenden Belages geringer als die freiliegende Fläche des Membranteiles ist, ist der kapazitive Anteil des Meßkondensators, der durch die Streukapazität zwischen dem leitenden Belag und dem nicht druckempfindlichen Teil der p+ leitenden Schicht gebildet wird, besonders gering und damit die Meßempfindlichkeit und auch die Meßgenauigkeit des kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers besonders groß.The openings can therefore be used to speed up the etching process are advantageously made relatively large, without the measuring capacity significantly is decreased. Since the area of the disk-shaped area and thus also the The area of the conductive coating is less than the exposed area of the membrane part is the capacitive part of the measuring capacitor, which is caused by the stray capacitance between the conductive coating and the non-pressure-sensitive part of the p + conductive Layer is formed, particularly low and thus the measurement sensitivity and also the measuring accuracy of the capacitive semiconductor pressure transducer is particularly high.
Es ist von Vorteil, wenn sich der leitende Belag mindestens über einen zwischen zwei benachbarten Öffnungen ausgebildeten Steg der Isolatorschicht bis in einen Bereich außerhalb der Aushöhlung erstreckt, so daß in diesem Bereich außerhalb der Aushöhlung eine Kontaktierung des leitenden Belages, ohne diesen zu beschädigen, möglich ist. Ein weiterer Vorteil besteht dabei in der mechanischen Verstärkung der Stege durch den darüber liegenden leitenden Belag, so daß hierdurch die Bruchempfindlichkeit der Isolatorschicht und des auf ihr liegenden leitenden Belages im Bereich der Aushöhlung verringert wird.It is advantageous if the conductive coating extends over at least one formed between two adjacent openings web of the insulator layer to extends into an area outside the cavity, so that in this area outside the cavity makes contact with the conductive coating without this to damage is possible. Another advantage is the mechanical Reinforcement of the webs by the conductive coating above, so that this the susceptibility to breakage of the insulating layer and the conductive layer on top of it Coating in the area of the cavity is reduced.
Eine weitere Erhöhung der mechanischen Stabilität des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers läßt sich in vorteilhafter Weise dadurch erreichen, daß der leitende Belag aus einer niederohmigen hochdotierten Siliziumschicht besteht.A further increase in the mechanical stability of the invention Semiconductor pressure transducer can be achieved in an advantageous manner that the conductive coating consists of a low-resistance, highly doped silicon layer.
Die niederohmige hochdotierte Siliziumschicht weist nämlich nahezu den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie die sie tragende Isolatorschicht auf, so daß bei Temperaturschwankungen keine Rißbildung ind er niederohmigen hochdotierten Siliziumschicht bzw. der unter ihr liegenden Isolatorschicht auftritt; daher kann auch die Dicke der niederohmigen hochleitenden Siliziumschicht im Unterschied zu einer Metallschicht ohne Gefahr einer thermisch verursachten Rißbildung vergrößert werden, um so die mechanische Stabilität des Halbleiterdruckaufnehmers zu erhöhen.The low-resistance, highly doped silicon layer has almost the same coefficient of thermal expansion as the insulating layer that supports it so that with temperature fluctuations no cracking ind he low-resistance highly doped Silicon layer or the underlying insulator layer occurs; therefore can also the thickness of the low-resistance, highly conductive silicon layer in contrast to a metal layer without the risk of thermally caused cracking in order to increase the mechanical stability of the semiconductor pressure transducer.
Bei einer besonders einfach herzustellenden und sich durch eine hohe Meßempfindlichkeit auszeichnenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers begrenzen vier Öffnungen den scheibenförmigen Bereich der Isolatorschicht und des leitenden Belages quadratförmig, wobei an jeder der vier Ecken des scheibenförmigen Bereiches jeweils ein sich zwischen zwei benachbarten Öffnungen erstreckender Steg der Isolatorschicht ausgebildet ist. Alternativ hierzu können die vier Öffnungen den scheibenförmigen Bereich der Isolatorschicht derart quadratförmig begrenzen, daß in der Mitte jeder der vier Seitenkanten des scheibenförmigen Bereiches jeweils der betreffende Steg ausgebildet ist.With a particularly easy to manufacture and a high Embodiment of the semiconductor pressure transducer according to the invention which characterizes measurement sensitivity four openings delimit the disk-shaped area of the insulator layer and the conductive covering square-shaped, being at each of the four corners of the disc-shaped Area in each case a web extending between two adjacent openings the insulator layer is formed. Alternatively, the four openings delimit the disk-shaped area of the insulator layer in such a way that it is square, that in the middle of each of the four side edges of the disk-shaped area, respectively the web in question is formed.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers, bei der das freiliegende Membranteil eine quadratförmige Fläche aufweist, verlaufen die von den Öffnungen begrenzten Seiten kanten des scheibenförmigen Bereiches vorteilhafterweise parallel zu den entsprechenden Seitenkanten des Membranteiles; in Abwandlung hierzu können die von den Öffnungen begrenzten Seitenkanten des scheibenförmigen Bereiches auch jeweils in einem Winkel von 45° zu den entsprechenden Seitenkanten des Membranteiles verlaufen.In one embodiment of the semiconductor pressure transducer according to the invention, in which the exposed membrane portion has a square surface, run the sides delimited by the openings advantageously edge the disk-shaped area parallel to the corresponding side edges of the membrane part; as a modification of this can be the side edges of the disk-shaped area delimited by the openings also in each case at an angle of 45 ° to the corresponding side edges of the membrane part get lost.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn in der Mitte des scheibenförmigen Bereiches eine Hilfsöffnung in der Isolatorschicht und dem leitenden Belag ausgebildet ist, so daß der Zutritt des anisotropen Ätzmittels zur Ausbildung der Aushöhlung erleichtert und damit die Ätzdauer weiter verringert wird. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß die Verringerung der Meßkapazität durch die zusätzliche Hilfsöffnung besonders gering ausfällt. Dies wird bei den oben erläuterten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers, bei denen der scheibenförmige Bereich der Isolatorschicht quadratförmig ausgebildet ist, in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, daß die Hilfsöffnung in Form eines schmalen Schlitzes ausgebildet ist, der im Winkel von 45° zu den Stegen zwischen den vier Öffnungen verläuft. Hierdurch läßt sich insbesondere eine Beschleunigung des Ätzprozesses im Bereich unter den vier Stegen erreichen.It is of particular advantage if in the middle of the disk-shaped Area formed an auxiliary opening in the insulator layer and the conductive coating is so that the access of the anisotropic etchant to the formation of the cavity facilitated and thus the etching time is further reduced. Here, however, is to note that the reduction in the measuring capacity due to the additional auxiliary opening is particularly low. This is the case with the embodiments discussed above of the semiconductor pressure transducer according to the invention, in which the disk-shaped area the insulator layer is made square, advantageously thereby achieved that the auxiliary opening is designed in the form of a narrow slot, which runs at an angle of 45 ° to the webs between the four openings. Through this In particular, an acceleration of the etching process in the area under the reach four jetties.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers in Draufsicht und in Figur 4 dasselbe Ausführungsbeispiel im Querschnitt entlang der in Figur 3 mit BB' bezeichneten Schnittebene dargestellt; Figur 5 zeigt ein weiteres und Figur 6 ein zusätzliches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers jeweils in Draufsicht.An exemplary embodiment is shown in FIG. 3 to explain the invention of the semiconductor pressure transducer according to the invention in plan view and in FIG. 4 the same Exemplary embodiment in cross section along the sectional plane designated by BB 'in FIG shown; FIG. 5 shows a further embodiment and FIG. 6 shows an additional embodiment of the semiconductor pressure transducer according to the invention in each case in plan view.
Bei den in den Figuren 3 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers finden für die entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 und 2 Verwendung.In the exemplary embodiments shown in FIGS. 3 to 6 of the semiconductor pressure transducer according to the invention can be found for the corresponding parts the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2 are used.
Wie Figur 4 zeigt, ist auf einem n-dotierten oder p-dotierten Silizium-Einktristallsubstrat, dessen Hauptoberfläche sich entlang der (100)-Kristallebene erstreckt, eine p+-leitende Schicht 7 durch Ionenimplantation oder Thermodiffusion mit einer Dotierungskonzentration von etwa 1020 cm ausgebildet.As Figure 4 shows, is on an n-doped or p-doped silicon single crystal substrate, the main surface of which extends along the (100) crystal plane, a p + -type one Layer 7 by ion implantation or thermal diffusion with a doping concentration of about 1020 cm.
Die Schichtdicke der p+-leitenden Schicht 7 entspricht der späteren gewünschten Dicke des Membranteiles 11. Auf der p+-leitenden Schicht 7 und dem Silizium-Einktristallsubstrat 8 ist eine Silizium-Epitaxieschicht 5 durch Abscheidung von Silizium aus einer Gasphase aufgebracht. Durch die Dicke der Silizium-Epitaxieschicht 5 ist die Tiefe der später gebildeten Aushöhlung 12 bestimmt. Die Silizium-Epitaxieschicht 5 ist nicht im Hinblick auf einen geringen elektrischen Widerstand, sondern im Hinbick auf eine möglichst hohe Empfindlichkeit gegenüber anisotropen ätzmitteln ausgelegt; daher ist in einem Teilbereich der Silizium-Epitaxieschicht 5 eine niederohmige Kontaktzone 6 eingegraben, die eine elektrisch leitende Verbindung mit der p+-leitenden Schicht 7 herstellt. Weiterhin sind auf der Silizium-Epitaxieschicht 5 bzw. auf der ihr abgewandten Seite des Silizium-Einkristallsubstrates 8 zwei Isolatorschichten 2 und 9 beispielsweise aus Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumdioxid (sir2) in einer Dicke von jeweils etwa 0,5 um bis 1 pm aufgebracht. Die Isolatorschicht 2 enthält im Bereich der unter ihr liegenden Kontaktzone 6 eine Öffnung, durch die die Kontaktzone 6 mit einer metallenen Kontaktelektrode 4 verbunden ist. Die Isolatorschicht 2 ist mit einem leitenden Belag 1 bestehend aus einer Metallschicht oder einer niederohmigen hochdotierten Siliziumschicht bedeckt. Bis zu diesem Verfahrensschritt unterscheidet sich die Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufneh- mers nicht von dem bei der Herstellung des bekannten Halbleiterdruckaufnehmers angewandten Verfahren.The layer thickness of the p + -conducting layer 7 corresponds to the later desired thickness of the membrane portion 11. On the p + -conducting layer 7 and the silicon single crystal substrate 8 is a silicon epitaxial layer 5 by depositing silicon from a gas phase upset. Due to the thickness of the silicon epitaxial layer 5, the depth is later formed cavity 12 is determined. The silicon epitaxial layer 5 is not in view to a low electrical resistance, but rather to a possible one designed for high sensitivity to anisotropic etchants; therefore is in one A low-resistance contact zone 6 is buried in part of the silicon epitaxial layer 5, which produces an electrically conductive connection with the p + -conducting layer 7. Furthermore, on the silicon epitaxial layer 5 or on the side facing away from it of the silicon single crystal substrate 8, two insulator layers 2 and 9, for example made of silicon nitride (Si3N4) or silicon dioxide (sir2) in a thickness of each applied about 0.5 µm to 1 µm. The insulator layer 2 contains in the area below her lying contact zone 6 an opening through which the contact zone 6 with a metal contact electrode 4 is connected. The insulator layer 2 is with a conductive coating 1 consisting of a metal layer or a low-resistance, highly doped one Silicon layer covered. Up to this process step, the Production of the semiconductor pressure transducer according to the invention mers not of that used in the manufacture of the known semiconductor pressure transducer Procedure.
Zur Bildung des Mebranteiles 11 mit einer freiliegenden quadratischen Fläche werden vier trapezförmige Öffnungen 3 in den leitenden Belag 1 eingeätzt; die vier trapezförmigen Öffnungen 3 sind derart viereckförmig angeordnet, daß sich zwei der Öffnungen 3 parallel und die zwei übrigen Öffnungen jeweils senkrecht zu der (Oll)-Kristallebene des Silizium-Einkristallsubstrates 8 erstrecken. Die vier trapezförmigen Öffnungen 3 sind weiterhin derart angeordnet, daß sich bei jeweils zwei einander benachbarten und rechtwinklig zueinander liegenden Öffnungen die sie umschreibenden und hier durch strichpunktierte Umrißlinien angedeuteten Rechtecke in jeweils einem kleinen Teilbereich C überlappen. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Isolatorschicht 2 einem Ätzprozeß unterworfen, wobei der leitende Belag 1 mit seinen Öffnungen 3 als Maske dient; gleichzeitig wird auch in die auf der gegenüberliegenden Seite des Silizium-Einkristallsubstrates 8 liegende Isolatorschicht 9 eine Öffnung eingeätzt, um später das Membranteil 11 mit einer quadratförmigen freiliegenden Fläche bilden zu können. Als Folge des Ätzprozesses vertiefen sich die Öffnungen 3 in die Isolatorschicht 2 hinein und begrenzen so einen scheibenförmigen Bereich der Isolatorschicht 2 der über Stege 14 zwischen jeweils zwei benachbarten Öffnungen 3 mit dem übrigen Bereich der Isolatorschicht 2 verbunden ist.To form the mebral part 11 with an exposed square Four trapezoidal openings 3 are etched into the conductive coating 1; the four trapezoidal openings 3 are arranged in a square shape that two of the openings 3 parallel and the other two openings each perpendicular to the (Oll) crystal plane of the silicon single crystal substrate 8 extend. The four trapezoidal openings 3 are further arranged such that each two adjacent and at right angles to each other openings that they circumscribing rectangles indicated here by dash-dotted outlines overlap each in a small sub-area C. In a further process step the insulating layer 2 is subjected to an etching process, the conductive coating 1 with its openings 3 serves as a mask; at the same time is also in the on the opposite side of the silicon single crystal substrate 8 lying insulator layer 9 an opening etched in to later the membrane part 11 with a square-shaped to be able to form exposed area. As a result of the etching process deepen the openings 3 into the insulator layer 2 and thus delimit a disk-shaped one Area of the insulator layer 2 of the webs 14 between each two adjacent Openings 3 is connected to the remaining area of the insulator layer 2.
Als nächstes wird der'leitende Belag 1 bis auf eine quadratförmige Scheibe weggeätzt, die den durch die vier trapezförmigen Öffnungen 3 begrenzten scheibenförmigen Bereich der Isolatorschicht bedeckt und sich an ihren vier Ecken mit armförmigen Fortsätzen über die Stege 14. erstreckt. In einem folgenden Verfahrensschritt wird der Halbleiterdruckaufnehmer in einer bis zu diesem Zeitpunkt erzeugten Struktur einem anisotropen Ätzmittel wie z. B. Kaliumlauge (KOH) oder Ethylendiamin-Pyrocatechol ausgesetzt, wobei das anisotrope Ätzmittel durch die Öffnungen 3 in der Isolatorschicht 2 und die Öffnung in der Isolatorschicht 9 auf die Silizium-Epiotaxieschicht 5 bzw. das Silizium-Einkristallsubstrat 8 einwirkt.Next, the conductive covering 1 is made up to a square-shaped one Etched away disc that delimited by the four trapezoidal openings 3 disk-shaped area covered by the insulator layer and located at its four corners extends over the webs 14 with arm-shaped extensions. In a subsequent process step becomes the semiconductor pressure transducer in a structure created up to this point in time an anisotropic etchant such as B. Potassium Lye (KOH) or Ethylenediamine pyrocatechol exposed, the anisotropic etchant through the openings 3 in the insulator layer 2 and the opening in the insulator layer 9 on the silicon epiotaxial layer 5 or the silicon single crystal substrate 8 acts.
Das Ätzmittel dringt durch die Öffnungen 3 zunächst in seitlicher Richtung zu den mit dem Bezugszeichen C bezeichneten Teilbereichen vor. An dieser Stelle ist anzumerken, daß sich jeder Siliziumkristall unter Einwirkung eines anisotropen Ätzmittels gegenüber diesem derart verhält, daß der Ätzprozeß in dem Bereich, in dem sich zwei (111)-Kristallebenen unter Bildung einer Innenkante schneiden langsamer fortschreitet, als an anderen Stellen. Daher setzt sich der Ätzprozeß ausgehend von den Stellen, an denen sich die durch strichpunktierte Linien gekennzeichneten Rechtecke überlappen in Richtung auf die Mitte hin fort. Die p+-leitende Schicht 7 wirkt infolge ihrer hohen Dotierungskonzentration für das Ätzmittel als Hemmschicht, so daß der Ätzprozeß beendet wird, wenn das Ätzmittel bis zu der p+-leitenden Schicht 7 vorgedrungen ist und die Aushöhlung 12 ihre endgültige Form entsprechend der Darstellung in Figur 3 und 4 erreicht hat. Auf die gleiche Weise wird auch in dem Silizium-Einkristallsubstrat 8 -ausgehend von der Öffnung in der Isolatorschicht 9 eine Aussparung, welche durch vier den (lil)-Kristallebenen entsprechenden Flächen begrenzt ist, bis zu der p+-leitenden Schicht 7 ausgeätzt. Der auf diese Weise freigelegte Teil der p+-leitenden Schicht 7 bildet ein druckempfindliches Membranteil 11, das zusammen mit dem leitenden Belag 1 eine druckabhängig veränderbaren Meßkondensator bildet. Das Verhältnis der Länge der Seitenkanten der von dem leitenden Belag gebildeten qudratförmigen Scheibe zu der Seitenlänge der quadratförmigen Fläche des freiliegenden Membranteiles 11 ist mit r = a e / a kleiner als eins gewählt; d. h., die Fläche der quadratförmigen Scheibe ist kleiner als die Grundrißfläche des Membranteiles 11. Dieses Verhältnis ist maßgeblich für die Erhöhung der Meßempfindlichkeit des kapazitiven Halbleiterdruckaufneh- mers, ohne daß die Meßkapazität herabgesetzt wird. Überschreitet nämlich die Fläche der Scheibe die freiliegende Fläche des auslenkbaren Membranteiles 11, so verringert sich die Meß-empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers, weil die Streukapazität ansteigt; wird dagegen das Verhältnis der Fläche der Scheibe zu der freiliegenden Fläche des Membranteiles 11 geringer, so verringert sich auch die Meßkapazität des Halbleiterdruckaufnehmers.The etchant penetrates through the openings 3 initially in the lateral direction Direction to the subregions denoted by the reference symbol C before. At this It should be noted that every silicon crystal under the action of an anisotropic Etchant behaves towards this in such a way that the etching process in the area in two (111) crystal planes intersect more slowly to form an inner edge than in other places. Therefore, the etching process continues from the places where the indicated by dash-dotted lines Rectangles continue to overlap towards the center. The p + -type layer 7 acts as an inhibitor layer for the etchant due to its high doping concentration, so that the etching process is terminated when the etchant is up to the p + -type layer 7 has penetrated and the cavity 12 has its final shape as shown in Figure 3 and 4 has reached. The same is also used in the silicon single crystal substrate 8 - starting from the opening in the insulator layer 9 a recess, which through four surfaces corresponding to the (lil) -crystal planes is limited, up to the p + -conducting one Layer 7 etched out. The part of the p + -conducting layer exposed in this way 7 forms a pressure-sensitive membrane part 11, which together with the conductive coating 1 forms a measuring capacitor that can be changed as a function of pressure. The ratio of the length the side edges of the square-shaped disc formed by the conductive coating is the side length of the square-shaped surface of the exposed membrane part 11 with r = a e / a chosen to be less than one; d. i.e., the area of the square-shaped Disc is smaller than the plan area of the diaphragm portion 11. This ratio is decisive for increasing the measurement sensitivity of the capacitive semiconductor pressure sensor mers, without reducing the measuring capacity. Namely, exceeds the area of the Disk, the exposed area of the deflectable membrane portion 11, so reduced the measurement sensitivity of the semiconductor pressure transducer according to the invention, because the stray capacitance increases; on the other hand becomes the ratio of the area of the disk to the exposed area of the membrane portion 11 is less, so also decreases the measuring capacity of the semiconductor pressure transducer.
Das in Figur 5 gezeigte weitere Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers unterscheidet sich von dem in Figur 3 und 4 gezeigten Halbleiterdruckaufnehmer durch eine andere Ausbildung des scheibenförmigen Bereiches der Isolatorschicht 2 bzw. des leitenden Belages 1. Während bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an jeder der vier Ecken des quadratischen scheibenförmigen Bereiches jeweils ein Steg 14 entlang in diagonaler Richtung ausgebildet ist, sind bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel die vier Öffnungen 3 L-förmig ausgebildet und derart angeordnet, daß sie einen quadratischen scheibenförmigen Bereich in der Isolatorschicht 2 begrenzen, der in der Mitte jeder seiner vier Seitenkanten jeweils über einen sich zwischen zwei benachbarten Öffnungen 3 erstreckenden Steg 14 mit dem übrigen Bereich der Isolatorschicht 2 verbunden ist.The further embodiment shown in Figure 5 of the invention The semiconductor pressure transducer differs from that shown in FIGS. 3 and 4 Semiconductor pressure transducer through a different design of the disk-shaped area the insulating layer 2 or the conductive coating 1. While in the case of the above-described Embodiment at each of the four corners of the square disk-shaped area each a web 14 is formed along in the diagonal direction, are in the In the embodiment shown in FIG. 5, the four openings 3 are L-shaped and arranged so that they have a square disc-shaped area in the Insulator layer 2 delimit the center of each of its four side edges, respectively via a web 14 extending between two adjacent openings 3 the remaining area of the insulator layer 2 is connected.
Der scheibenförmige Bereich und der darauf liegende leitende Belag 1 weisen in ihrer Mitte zusätzlich eine Hilfsöffnung 13 in Form eines schmalen Schlitzes auf, der im Winkel von 45° zu den Stegen 14 verläuft. Durch die Hilfsöffnung 13 wird bei dem Ausätzen der Aushöhlung 12 der Zutritt des anisotropen Ätzmittels erleichert, so daß dadurch die Ätzdauer herabgesetzt wird. Bei der Ausbildung der zusätzlichen Hilfsöffnung 13 ist jedoch zu berücksichtigen, daß in dem Maße, wie die Hilfsöffnung 13 vergrößert wird auch die Meßkapazität des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers herabgesetzt wird.The disc-shaped area and the conductive coating on top 1 additionally have an auxiliary opening 13 in the form of a narrow slot in their middle which runs at an angle of 45 ° to the webs 14. Through the auxiliary opening 13 the access of the anisotropic etchant is facilitated when the cavity 12 is etched out, so that the etching time is thereby reduced. When training the additional Auxiliary opening 13 must be taken into account, however, that to the extent that the auxiliary opening 13 the measuring capacity of the semiconductor pressure transducer according to the invention is also increased is reduced.
Figur 6 zeigt ein zusätzliches Ausführungsbeispiel des kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmers in Draufsicht, das sich von dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine um 45" gedrehte Anordnung des scheibenförmigen Bereiches der Isolatorschicht 2 mit den Stegen 14 sowie des darauf aufgebrachten leitenden Belages 1 unterscheidet. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind der leitende Belag 1 und der unter ihm liegende scheibenförmige Bereich der Isolatorschicht 2 mit einer Hilfsöffnung 13 versehen.Figure 6 shows an additional embodiment of the capacitive Semiconductor pressure transducer in plan view, which differs from that shown in FIG Embodiment by an arrangement of the disk-shaped area rotated by 45 " the insulating layer 2 with the webs 14 and the conductive layer applied thereon Covering 1 differs. In this embodiment, too, the conductive coating 1 and the disk-shaped area of the insulator layer 2 lying below it with a Auxiliary opening 13 is provided.
Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Halbleiterdruckaufnehmers sind das Membranteil 11 und der von den Öffnungen 3 begrenzte scheibenförmige Bereich der Isolatorschicht 2 und des leitenden Belages 1 jeweils quadratförmig ausgebildet; es besteht aber auch die Möglichkeit, diesen Bereich rechteckförmig auszubilden.In all of the above-described embodiments of the invention Semiconductor pressure transducers are the diaphragm part 11 and the part delimited by the openings 3 disk-shaped area of the insulator layer 2 and the conductive coating 1, respectively square shape; but there is also the option of this area to train rectangular.
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