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1. Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft einen Halbleiter-Drucksensor. Insbesondere ist
die vorliegende Erfindung auf einen Halbleiter-Drucksensor des Typs gerichtet,
der auf einem Siliziumdiaphragma gebildete Dehnungsmeßelemente
verwendet.
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2. Stand der
Technik
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Herkömmlicherweise
ist ein Halbleiter-Drucksensor bekannt, der Dehnungsmeßelemente
verwendet. Der Drucksensor bildet ein Druckfühldiaphragma auf einem Siliziumsubstrat.
Weiterhin sind auf dem Druckfühldiaphragma
von einer Diffusionswiderstandsschicht umfaßte Sensorelemente (piezoresistive
Einrichtungen) vorgesehen. Die Änderung
des Drucks wird durch die Detektion der Verzerrung im Diaphragma
gemessen.
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7 ist
eine perspektivisches Diagramm, das einen Halbleiter-Drucksensor
zeigt, der herkömmliche
Dehnungsmeßelemente
verwendet. Ein Teil des Drucksensors ist durch den Querschnitt gezeigt.
Wie in 7 gezeigt, besteht ein Sensorchip 200 aus
einer ein Diaphragma 110 aufweisenden Siliziumbasis 101 und
Sensorelementen am Diaphragma 110. Das Diaphragma 110 versieht
mit Ausnahme eines Umfangsteils den ganzen Mittelabschnitt der Siliziumbasis 101 mit
einem Dünnfilm.
Eine Wheatstone'sche
Brückenschaltung 113 besteht
aus den Dehnungsmeßelementen 105a–105d,
die aus Diffusionswiderständen
bestehen, einer Metallverdrahtung 103 und Anschlüssen 104a–104d.
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8 ist
ein Schaltdiagramm, das die Wheatstone'sche Brückenschaltung 113 auf
Grundlage der 7 zeigt. Wie im Diagramm gezeigt,
sind die Dehnungsmeßelemente 105a–105d,
die aus Diffusionswiderständen
bestehen, jeweils durch die Metallverdrahtung 103 verbunden.
Zwischen jedem Dehnungsmeßelement
sind Anschlüsse 104a–104d vorgesehen.
Anschluß 104a ist
mit einer Stromversorgung (Hochpotentialseite) verbunden. Darüber hinaus
ist Anschluß 104c mit
einer Erdung (Niedrigpotentialseite) verbunden. Daher wird eine Änderung des
Widerstands in den Dehnungsmeßelementen 105a–105d durch
die Verformung des Diaphragmas 110 in 7 durchgeführt. Der
Spannungswert zwischen den Anschlüssen 104b und 104d variiert.
Die Änderung
eines Drucks wird durch die Erkennung einer Spannungsänderung
gemessen.
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In
der Zwischenzeit ist der Sensorchip 200 auf einem Sockel 111 befestigt,
wie z.B. Pyrex(TM)-Glas. Weiterhin ist der Sensorchip 200 in
einem Paket zusammen mit einer Siliziumsiegelflüssigkeit versiegelt. Der Sockel 111 stellt
ein Durchgangsloch 112 zum Entfernen von Luft bereit. Der
Sensorchip 200 ist so angebracht, daß das Durchgangsloch 112 bedeckt
werden kann. Die Siliziumsiegelflüssigkeit (nicht dargestellt)
wird auf dem Diaphragma 110 gehalten. Die Sensorelemente
auf dem Diaphragma 110 (jedes Bauteil, das die Wheatstone'sche Brückenschaltung 113 umfaßt) sind
von einem äußeren Feld
isoliert. Daher wird den Sensorelementen über die Siliziumsiegelflüssigkeit
die Druckänderung übertragen.
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I.
Baskett, "Method
for Sensor Substrat bias", Motorola
Inc. Technical Developments Vol. 14, 1991, S. 141 offenbart einen
Halbleiter-Drucksensor mit einem N-Substrat und einem Diaphragma,
einen p+-Diffusionsbereich, der mit einer positiven Stromversorgungsmetallstrecke
verbunden ist, und einen p+-Stromleiter, der mit einer negativen
Stromversorgungsmetallstrecke verbunden ist. Im Herstellungsprozeß des Sensors
wird an den p+-Diffusionsbereich eine Vorspannung angelegt, um eine
Beschädigung
des Übergangs
zu erzeugen.
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3. Offenbarung
der Erfindung
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Der
Drucksensor, wie oben gezeigt, benötigt einen Feinmusterarbeitsschritt
des Siliziumsubstrats zur Bildung des Diaphragmas und der Diffusionswiderstände und
wird durch den Halbleiterherstellungsprozeß hergestellt, der als ausreichend
staubsicher angesehen werden muß.
Obwohl die derzeitigen Reinräume
Mittel zum Vermeiden von Staub vorsehen, dringt jedoch eine Metallspurenverunreinigung in
den Wafer ein oder wird während
der Verarbeitung erzeugt. Als Ergebnis kann die Metallverunreinigung eine
Fluktuation in einer Sensorausgabe herbeiführen.
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Bei
der Herstellung verschiedener Halbleitereinrichtungen wie z.B. MOSFET
oder dergleichen wird ein Entfernen in der Beeinflussung einer Einrichtung
etc. allgemein durch Abfangen der Metallverunreinigung während des
Herstellungsprozesses des Wafers durchgeführt. Dies wird "Getterung" genannt. Nach dem
Unterschied des Prinzips wird es in EG-Verfahren (extrinsische Getterung) und
IG-Verfahren (intrisische Getterung) eingeteilt. Das EG-Verfahren
ist die Technik, die eine Waferrückseite
unter Verwendung eines Sandstrahlverfahrens etc. aufrauht, um die
Verunreinigung in der aufgerauhten Oberfläche zu sammeln. Das IG-Verfahren
ist die Technik, die im Wafer viele Mikrodefekte durch Ablagerungen
von Sauerstoff erzeugt, um die Verunreinigung in den Mikrodefekten
abzufangen.
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Der
Halbleiter-Drucksensor mit der Struktur, die die Dehnungsmeßelemente
am Diaphragma vorsieht, ätzt
jedoch die meisten Siliziumsubstrat-Rückseiten, um das Diaphragma
zu bilden. Aus diesem Grund nimmt ein Getter bzw. Fangstoff zur
Zeit einer Bildung des Diaphragmas ab, obwohl Getterung im Wafer
unter Verwendung der herkömmlichen
EG- und IG-Verfahren durchgeführt
wird. Daher wird es schwierig, die Verunreinigung ausreichend abzufangen.
Darüber
hinaus ist ein neues Verfahren zum Herstellen des Getters erforderlich.
Es besteht auch darin ein Problem, daß sich ein Effekt mit Arten
des Wafers (bloßes
Substrat, SOI-Substrat (Silizium auf Isolator), epitaxiales Substrat
etc.) ändert.
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiter-Drucksensor
bereitzustellen, in dem die Fluktuation einer Sensorausgabe verringert
wird.
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Ein
Halbleiter-Drucksensor gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt
die Merkmale des Anspruchs 1.
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Der
PN-Übergangsbereich
kann die Grenzfläche
zwischen der Siliziumbasis (1) und einer in der Siliziumbasis
(1) vorgesehenen Diffusionsschicht (8) umfassen.
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Die
Diffusionsschicht (8) kann lokal nahe den Dehnungsmeßelementen
(5a, 5b, 5c, 5d) vorgesehen
sein.
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Ein
doppeltes Paar Dehnungsmeßelemente (5a, 5b, 5c, 5d)
kann vorgesehen sein.
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Die
mehreren Dehnungsmeßelemente
(5a, 5b, 5c, 5d) können Wheatstone'sche Brückenschaltungen
bilden.
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Der
PN-Übergangsbereich
kann nur im Dehnungsmeßelement
(5c) an der Seite der großen elektrischen Potentialdifferenz
mit einem Substratpotential zwischen dem Anschluß (4a) an der Seite
eines hohen elektrischen Potentials in der Wheatstone'schen Brückenschaltung
und dem Anschluß an der
Seite eines niedrigen Potentials (4c) vorgesehen sein.
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Die
Diffusionsschicht (8) kann aus der Kombination der mehreren
langen und schlanken Muster gebildet sein, die einen spitzen Winkel
zu den Dehnungsmeßelementen
(5a, 5b, 5c, 5d) bilden.
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4. Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2A ist
eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in 1.
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2B ist
eine Schnittansicht entlang der Linie B-B' in 1.
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3 ist
eine Draufsicht, die die Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 ist
eine Draufsicht, die die Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist
eine Draufsicht, die die Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
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6A, 6B und 6C sind
Draufsichten, die die Ausführungsform
5 der vorliegenden Erfindung zeigen.
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7 ist
ein Perspektivdiagramm, das einen herkömmlichen Halbleiter-Drucksensor
zeigt.
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8 ist
ein Schaltdiagramm, das eine am Diaphragma der 7 gebildete
Wheatstone'sche Brückenschaltung
zeigt.
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5. Beste Form
der Ausführung
der Erfindung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung detailliert erklärt.
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Die
Erfinder der vorliegenden Anmeldung führten verschiedene Experimente
durch, um einen Halbleiter-Drucksensor zu entwickeln, der keine Fluktuation
in der Ausgabe aufweist. Als Ergebnis fanden die Erfinder, daß die Fluktuation
einer Sensorausgabe durch Fe-Atome (Eisen) unter einer Anzahl von
Metallverunreinigungen herbeigeführt
wurde. Das heißt,
es wird gefunden, daß Fe-Atome
in einem Sensorchip zu PN-Übergängen wie
z.B. einem Diffusionswiderstand angezogen werden, was zur Erzeugung
eines Kriechstroms oder einer Änderung
im Widerstandswert führt.
Wenn die durch Fe-Atome dargestellte Metallverunreinigung in aktivem
Si (Silizium) existiert, ist es die Bedingung, daß es einfach
ist, einen Bandabstand zu verengen, um ein Elektron anzuregen. Weiterhin
wird, wenn bewegliche Ionen wie z.B. Na (Natrium) unter Anwendung
einer Vorspannung bei hoher Temperatur eingefügt werden, die Bewegung eines
Elektrons gefördert,
und dies resultiert in der Fluktuation.
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Daher
sind die Fluktuationsbedingungen in der Sensorausgabe wie folgt.
(1) Vorhandensein einer Metallverunreinigung wie z.B. Fe-Atomen.
(2) Vorhandensein von beweglichen Ionen wie z.B. Na. (3) Die Temperatur
beträgt
125°C oder
mehr. (4) Anlegen eines Vorspannungspotentials. Die Fluktuation tritt
auf, wenn diese vier Bedingungen erfüllt sind.
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Fe-Atome
sind in den üblichen
verwendeten CZ(Czochralski)-Wafern jedoch kaum enthalten. Wenn in
einem Wafer eine Einrichtung gebildet wird, nimmt man an, daß die Fe-Atome in den Wafer
eindringen. In der Herstellungsvorrichtung werden in allen Teilen
Eisen und SUS (rostfreie Legierung) verwendet, selbst eine Pinzette
ist aus SUS hergestellt. Daher nimmt man an, daß Fe-Atome in allen Prozessen
am Wafer haften und bei verschiedenen Wärmearbeitsschritten im Wafer
diffundieren. Es ist natürlich schwierig,
sie vollständig
zu entfernen, obwohl allgemein vor einem Wärmearbeitsschritt des Wafers
in einem Ofen eine Präzisionsreinigung
vorgenommen wird. Dies ist auch beim Na-Atom ähnlich. Es besteht die Möglichkeit,
daß es
von überall
eindringen kann, wie z.B. von der menschlichen Hautoberfläche und aus
Schweiß.
Ein vollständiges
Entfernen ist schwierig.
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Die
Erfinder haben daher unter Berücksichtigung
der obigen Tatsachen einen Halbleiter-Drucksensor mit dem Getter
zum Abfangen einer Metallverunreinigung entwickelt.
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[Ausführungsform 1]
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1 ist
eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt,
ist ein Sensorchip 20 aus einer Siliziumbasis 1 vom n-Typ
hergestellt. Der gesamte Mittelabschnitt mit Ausnahme des Umfangsteils
der Siliziumbasis 1 umfaßt ein Diaphragma 10 eines
Dünnfilms.
Das Diaphrag ma 10 ist mit Dehnungsmeßelementen 5a-5d, bestehend
aus p-Typ-Diffusionswiderständen,
einem Führungsabschnitt 6,
gebildet durch die p+-Typ-Diffusionswiderstände, einer Metallverdrahtung 3 und
aus Metall hergestellten Anschlüssen 4a-4d versehen. Auf
diese Weise ist aus den oben genannten Komponenten eine Wheatstone'sche Brückenschaltung
gebildet. Wenn die Siliziumbasis 1 ein n-Typ-Substrat ist,
wird ein Diffusionswiderstand durch thermische Diffusion oder Ionenimplantation
von Bor oder dergleichen gebildet.
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2A ist
eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in 1.
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2B ist
eine Schnittansicht entlang der Linie B-B' in 1.
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Wie
in 2A gezeigt, ist die Hauptoberfläche der
Siliziumbasis 1 mit dem aus der p-Typ-Diffusionsschicht bestehenden Dehnungsmeßelement 5a,
dem aus der p+-Typ-Diffusionsschicht nahe dem Dehnungsmeßelement 5a bestehenden
Führungsabschnitt 6 und
einem aus der p+-Typ-Diffusionsschicht nahe dem Führungsabschnitt 6 bestehenden Getter 8 versehen.
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Weiterhin
ist der aus SiO2 bestehende Schichtisolationsfilm 2 auf
der Hauptoberfläche
der Siliziumbasis 1 vorgesehen. Die Metallverdrahtung 3, der
Anschluß etc.,
die einen Teil einer solchen Wheatstone'schen Brückenschaltung bilden, sind
auf dem Schichtisolationsfilm 2 vorgesehen. Der Führungsabschnitt 6 ist
elektrisch mit dem Dehnungsmeßelement 5a verbunden.
Darüber
hinaus ist der Führungsabschnitt 6 über die
im Schichtisolationsfilm 2 vorgesehene Durchgangslochelektrode 7 mit
der Metallverdrahtung 3 verbunden. Darüber hinaus ist der Getter 8,
wie in 2B gezeigt, über die im Schichtisolationsfilm 2 vorgesehene
Durchgangslochelektrode 9 mit der Metallverdrahtung 3 verbunden.
Weiterhin wird an den Getter 8 über den Anschluß 4c eine umgekehrte
Vorspannung angelegt.
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Daher
wird in dieser Ausführungsform
der Getter 8, der ein umgekehrtes PN-Vorspannungspotential aufweist, in der
Nähe der
Dehnungsmeßelemente 5a–5d vorgesehen.
Deshalb werden die Metallverunreinigungen in der Siliziumbasis 1 (Fe-Atome,
Na-Atome etc.) zum PN-Übergangsbereich
abgefangen. Auf diese Weise wird die Änderung des Widerstands und
die Entwicklung des Kriechstroms in den Dehnungsmeßelementen 5a–5d verhindert.
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[Ausführungsform 2]
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3 ist
eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Getter 8 ist in
der im Diagramm gezeigten siebartigen Anordnung ausgebildet. Daher
verbessert sich der Getterungseffekt, weil sich eine Kontaktfläche des
p+-Typ-Getters 8 und des n-Typ-Siliziumsubstrats 1 vergrößert.
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[Ausführungsform 3]
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4 ist
eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 4 gezeigt,
ist der Getter 8 lokal nur an der Peripherie der Dehnungsmeßelemente 5a-5d vorgesehen.
Obwohl der Getter 8 in 1 und 3 über die
Hauptoberfläche
des Siliziumsubstrats 1 vorgesehen war, nimmt ein Kriechstrom
bei dieser Gestaltung zu, so daß die Möglichkeit
besteht, daß der
Stromverbrauch des gesamten Chips zunimmt. Daher wurde der Getter 8 lokal
an der Peripherie der Dehnungsmeßelemente 5a–5d wie
in dieser Ausführungsform
vorgesehen. Jeder Getter ist natürlich über die
Durchgangslochelektrode 9 elektrisch mit Anschluß 4c verbunden.
Daher wird an jeglichen Getter eine umgekehrte PN-Vorspannung angelegt.
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Obwohl
jeder Getter durch Verwendung einer identischen Diffusionsschicht
verbunden ist, kann die Metallverdrahtung in 4 zusätzlich auf
dem Siliziumsubstrat 1 vorgesehen sein, anstatt durch die Diffusionsschicht
verbunden zu sein. Obwohl das Layout des Getters 8 in Siebform
ausgebildet ist, umfaßt
diese Erfindung darüber
hinaus die Anordnung des Getters, der nicht in Siebform wie in Ausführungsform
1 ausgebildet ist.
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[Ausführungsform 4]
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5 ist
eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 5 gezeigt,
ist der Getter 8 nur an der Peripherie der Dehnungsmeßelemente 5c und 5d nahe
einer Erdungsseite vorgesehen. Metallverunreinigung wie z.B. Eisen
sind positive Ionen. Daher kann es leicht sein, einen Abschnitt
mit einer großen
umgekehrten Vorspannung zu einem Substratpotential zu ziehen, d.h.
dem Sensorelement der Erdungsseite. Wenn der Getter 8 mehr
als oben erwähnt
erforderlich vorgesehen ist, werden Probleme wie z.B. die Zunahme
eines Kriechstroms verursacht. Folglich kann die Zunahme des Stromverbrauchs
des gesamten Chips vermieden werden, indem der Getter mit notwendigem
Minimum in der Erdungsseite (Niedrigpotentialseite) vorgesehen wird.
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Obwohl
die Anordnung des Getters 8 in Siebform ausgebildet ist,
umfaßt
diese Erfindung zusätzlich
die Anordnung des Getters, der nicht wie in Ausführungsform 1 in Siebform ausgebildet
ist.
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[Ausführungsform 5]
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6A, 6B und 6C sind
Draufsichten, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß Ausführungsform
5 der vorliegenden Erfindung zeigen. In 6A, 6B und 6C weist
ein Getter eine Mehrzahl langer und schlanker Muster auf, die einen spitzen
Winkel zu einem Meßelement
bilden. Man findet, daß Fe-Atome
zum Rand eines Diffusionswiderstands, d.h. eines PN-Übergangsbereichs,
gezogen werden. Folglich ist es effektiv, wenn die Anordnung des
Getters 8 so ausgebildet ist, daß der PN-Übergangsbereich größer zu den
Dehnungsmeßelementen
genommen werden kann, wie in 6A, 6B und 6C gezeigt.
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Wie
in den fünf
Ausführungsformen
erklärt, kann
die vorliegende Erfindung die Metallverunreinigung in einem Siliziumsubstrat
abfangen, um durch das Wirken des im Diaphragma vorgesehenen PN-Übergangsbereichs
zu verhindern, daß ein Kriechstrom
erzeugt wird.