DE4206174C2

DE4206174C2 - Integrierter Sensor aus Silizium

Info

Publication number: DE4206174C2
Application number: DE19924206174
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Ing Dr Willmann; Joerg Dipl Ing Muchow
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2012-02-29
Also published as: JPH0712658A; CH687650A5; DE4206174A1

Description

In der EP A2 0 266 681 wird ein Drucksensor mit einem Verformungsbereich, in den ein Widerstandselement eingebracht ist, offenbart.

Aus der DE A1 35 43 261 ist ein Drucksensor mit einem Verformungsbereich bekannt, in dem vier dehnungsempfindliche Elemente durch Diffusion in das Silizium des Verformungsbereichs hergestellt sind.

In der US 3 772 628 wird ein Drucksensor mit einem Verformungsbereich, der aus Silizium besteht, offenbart. Im Verformungsbereich sind durch Diffusion in das Silizium des Verformungsbereichs dehnungsempfindliche Widerstände angebracht.

Aus einem Artikel aus "Technisches Messen atm" (J. Bretschi, 1976, Heft 6, Seiten 181-186) wird auf der Seite 184, Fig. 4 und der Beschreibung offenbart, daß Leiterbahnen aus p-Silizium in einem Substrat aus n-Silizium gegeneinander isoliert sind, da so mindestens ein pn-Übergang in Sperrichtung gepolt ist.

Bei diesen Schriften liest der Fachmann eine Passivierungsschicht auf der Oberfläche mit, da offenliegende pn-Übergänge an der Oberfläche von Halbleiterelementen nicht zulässig sind, da die dort auftretenden hohen Feldstärken Verunreinigungen ansammeln und so zu einer Zerstörung der Isolationswirkung führen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber die Aufgabe, daß der Verformungsbereich ausschließlich aus Silizium verschiedener Dotierungen besteht. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium verschiedener Dotierungen sich nur minimal unterscheiden, kommt es auch nur zu minimalen thermischen Verzügen und Verspannungen. Die Genauigkeit solcher Sensoren ist daher wesentlich besser als bei Sensoren, die aus verschiedenen Materialien aufgebaut sind.

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem integrierten Sensor aus Silizium nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits ein integrierter Sensor aus Silizium bekannt (Wong et al., IEEE Digest of Technical Papers, Transducers 85, Seite 26-29), der einen Verformungsbereich und ein im Verformungsbereich gelegenes Widerstandselement aus p-dotiertem Silizium aufweist, welches mit einer n-dotierten Si-Schicht überlegt ist. Dieser Sensor weist jedoch im Verformungs bereich zusätzlich eine Schutzschicht aus Siliziumoxid auf.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Verformungs bereich ausschließlich aus Silizium verschiedener Dotierungen besteht. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium verschiedener Dotierung sich nur minimal unterscheiden, kommt es auch nur zu minimalen thermischen Verzügen und Verspannungen. Die Genauigkeit solcher Sensoren ist daher wesentlich besser als bei Sensoren, die aus verschiedenen Materialien aufgebaut sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich. Die Kontaktierung des Widerstandselements kann entweder durch Zu leitungen aus stark dotiertem Silizium oder, sofern sich das Wider standselement über den Verformungsbereich hinaus erstreckt, auch durch metallische Leiterbahnen erfolgen. Die Empfindlichkeit des Sensors wird erhöht, wenn der Verformungsbereich als Biegezunge oder Membran ausgebildet ist. Durch die Verwendung mehrerer Wider standselemente im Verformungsbereich kann die Kennlinie des Sensors verbessert werden, beispielsweise dadurch, daß vier Wider standselemente in einer Brückenschaltung verwendet werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Sensor mit einer Biege zunge,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Sensor nach Fig. 1 und Fig. 3 die Ausgestaltung des Sensors mit einer Membran.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Beschleunigungssensor gezeigt, bei dem eine seismische Masse 20 durch einen als Biegezunge ausgestalteten Verformungsbereich 1 an einem fest verankerten Gegen lager 21 aufgehängt ist. Wird diese Struktur beschleunigt, so wird die seismische Masse ausgelenkt und der Verformungsbereich 1 ver bogen.

In der Nähe des fest verankerten Gegenlagers 21 ist ein längliches Widerstandselement 3 im Verformungsbereich 1 gelegen. Das Wider standselement 3 ist unter einer Schicht 8 gelegen und von zwei Zu leitungen 9 kontaktiert. Weiterhin ist auf dem Gegenlager 21 ein Metallkontakt 22 gelegen, der direkten Kontakt zu den Leiterbahnen 9 hat. Durch die Verwendung einer strukturierten Isolationsschicht 23 wird ein elektrischer Kontakt zwischen dem Metallkontakt 22 und dem Gegenlager 21 bzw. der Schicht 8 verhindert.

In der Fig. 2 ist der Beschleunigungssensor nach Fig. 1 in der Aufsicht dargestellt. Der Querschnitt durch diese Struktur gemäß der Fig. 1 erfolgt entlang der Linie I-I. Das Widerstandselement 3 kann durch die Zuleitungen 9 und die auf dem Gegenlager 21 angeordneten Metallkontakte 22 so kontaktiert werden, daß der elektrische Wider stand des Widerstandselements 3 gemessen werden kann. Die Metall kontakte 22 dienen dabei zum Anschluß von externen Bonddrähten. Weiterhin ist in Fig. 2 die Lage der Schicht 8 eingezeichnet.

Durch eine Verformung des Widerstandselementes 1 ändert sich auf grund des Piezoeffekts von einkristallinem Silizium der Widerstand des Widerstandselementes 3. Aufgrund dieser Widerstandsänderungen kann auf die Verformung des Verformungsbereiches 1 und somit auf die anliegende Beschleunigung geschlossen werden.

Die Zuleitungen 9, das Widerstandselement 3, die Schicht 8, die seismische Masse 20, der Rahmen 21 und der untere Bereich des Ver formungsbereiches 1 bestehen aus Silizium. Bei der nun folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß der hier gezeigte Sensor durch Bearbeitung eines n-dotierten Siliziumwafers hergestellt wurde. In aquivalenter Weise ist jedoch die Herstellung auch aus einem p-dotierten Siliziumwafer möglich. In die Oberfläche des n-dotierten Siliziumwafer wird eine starke p-Dotierung eingebracht, welche die Zuleitungen 9 bildet. Weiterhin wird eine schwache p-Dotierung eingebracht, durch die das Widerstandselement 3 gebildet wird. Die Schicht 8 wird durch eine n-Diffusion gebildet. Dabei ist wichtig, daß die Schicht 8 so ausgelegt wird, daß sie einen elektri schen Kontakt mit dem n-Material des Wafers aufweist. Die Struk turierungsmethoden zur Erzeugung der seismischen Masse, des Ver formungsbereiches 1 und des Rahmens 21 sind dem Fachmann geläufig. Bei der hier gezeigten Struktur ist besonders wichtig, daß der Ver formungsbereich 1 auf seiner Oberseite nicht durch eine dielektrische Isolationsschicht 23 bedeckt ist. Solche dielektrischen Isolations schichten 23 bestehen in der Regel aus Siliziumoxid oder Silizium nitrid. Beide Materialien haben einen thermischen Ausdehnungs koeffizienten, der sich um ca. eine Zehnerpotenz vom thermischen Aus dehnungskoeffizienten von Silizium unterscheidet. Wenn die Ober fläche des Verformungsbereiches 1 mit einer solchen Isolations schicht bedeckt wäre, so käme es aufgrund des sogenannten Bimetall effektes zu einer Verformung des Verformungsbereiches infolge von Temperaturschwankungen. Da sich der thermische Ausdehnungs koeffizient von unterschiedlich dotiertem Silizium nur minimal unterscheidet, wird bei der hier gezeigten Ausgestaltung des Be schleunigungssensors die thermisch bedingte Drift der Kennlinie des Sensors verringert. Die Isolation der Zuleitungen 9 und des Wider standselementes 3 erfolgt durch die darüberliegende n-dotierte Schicht 8 und den dadurch entstehenden pn-Übergang. Auf eine weitere Isolation des Verformungsbereiches kann verzichtet werden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem als Mem bran ausgebildeten Verformungsbereich 2 gezeigt. Dieser Sensor kann sowohl als Beschleunigungssensor wie auch als Drucksensor verwendet werden. Der Rahmen 24, der Verformungsbereich 2 und die seismische Masse 20 bestehen aus einkristallinem Silizium. Weiterhin bestehen die Widerstandselemente 4 bis 7 und die Zuleitungen 9 ebenfalls aus Silizium. Aus Vereinfachungsgründen wurde die n-Schicht 8 nicht eingezeichnet. Um über den gesamten Verformungsbereich die gleiche Dicke zu haben, ist diese Schicht 8 so angeordnet, daß sie den gesamten Bereich der Membran überdeckt. Das Widerstandselement 7 ist so ausgestaltet, daß es sich noch auf den Rahmen 24 erstreckt. In diesem Fall kann das Widerstandselement 7 auch durch eine metallische Leiterbahn 10 kontaktiert werden.

Durch die Verwendung von mehreren Widerstandselementen 4, 5, 6, 7 kann die Genauigkeit und das Ausgangssignal des Sensors erhöht werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die vier Widerstandselemente 4 bis 7 in einer Brücke zusammengeschaltet werden, so daß sich die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Widerstände kompensieren.

Da die Widerstandsänderungen je nach Druck- oder Zugspannung unter schiedliches Vorzeichen haben, lassen sie sich als Wheatstonebrücke so verschalten, daß das Ausgangssignal erhöht wird.

Claims

1. Integrierter Sensor aus Silizium, insbesondere ein Drucksensor oder Beschleunigungssensor, mit mindestens einem Verformungsbereich (1, 2) aus n-Silizium mit mindestens einem eindiffundierten Widerstandselement (3 bis 7) aus p-Silizium und mit einer darüber eindiffundierten Abschirmschicht aus n-Silizium, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor im Verformungsbereich (1, 2) ausschließlich aus Silizium besteht.

2. Integrierter Sensor aus Silizium, insbesondere ein Drucksensor oder Beschleunigungssensor, mit mindestens einem Verformungsbereich (1, 2) aus p-Silizium mit mindestens einem eindiffundierten Widerstandselement (3 bis 7) aus n-Silizium und mit einer darüber eindiffundierten Abschirmschicht aus p-Silizium, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor im Verformungsbereich (1, 2) ausschließlich aus Silizium besteht.