DE3041756A1 - Integrable pressure sensor giving electric output signal - has semiconductor resistor on membrane of another material, giving accuracy at high temp. - Google Patents

Integrable pressure sensor giving electric output signal - has semiconductor resistor on membrane of another material, giving accuracy at high temp.

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Abstract

Pressure sensor gives an electric output signal when at least one semiconductor resistor is subjected to pressure, and resistor being applied to a membrane of another material. Pref. the resistor can be produced by etching or local doping (e.g. ion implantation) of a semiconductor film covering the entire surface. Pref. it consists of amorphous, polycrystalline or recrystallised Si, the Si being applied to the membrane by sputtering or evapn. The sensor can be integrated very well, gives accurate results at as high temps. as possible and can be cheaply.

Description

DrucksensorPressure sensor

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, der bei Druckeinwirkung mittels wenigstens eines Halbleiter-Widerstandes ein elektrisches Ausgangssignal abgibt.The invention relates to a pressure sensor which, when pressure is applied an electrical output signal by means of at least one semiconductor resistor gives away.

Bisher bestehende piezoresistive Drucksensoren haben eine in einen Einkristall geätzte Silicium-Membran, in die Widerstände eindiffundiert oder implantiert sind. Eine bei Druckeinwirkung auftretende Verformung der Silicium-Membran führt dann zu einer Änderung des Widerstandswertes der Widerstände und somit zu einer Änderung einer an diesen Widerständen abgegriffenen elektrischen Größe.Piezoresistive pressure sensors that have existed to date have one in one Single crystal etched silicon membrane into which resistors are diffused or implanted are. A deformation of the silicon membrane that occurs when pressure is applied leads to it then to a change in the resistance value of the resistors and thus to a Change in an electrical quantity tapped at these resistors.

In Fig. 1 ist ein derartiger bestehender piezoresistiver Drucksensor dargestellt. Zum Beispiel ist auf einem n+-leitenden Silicium-Substrat 10 eine n-leitende epitaktische Silicium-Schicht 11 abgeschieden. Aus dieser Schicht 11 wird eine Membran gebildet, indem von der Rückseite 12 des Substrates 10 aus in dieses ein Loch 13 geätzt wird. Das Ätzen kommt dabei an der hochohmigen epitaktischen Silicium-Schicht 11 zum Stehen. Diese Epitaxie-Schicht 11 bildet in diesem Fall einen Ätzstopp.In Fig. 1 is such an existing piezoresistive pressure sensor shown. For example, on an n + -type silicon substrate 10 there is an n-type epitaxial silicon layer 11 deposited. This layer 11 becomes a membrane formed by inserting a hole 13 into it from the rear side 12 of the substrate 10 is etched. The etching takes place on the high-resistance epitaxial silicon layer 11 to stand. This epitaxial layer 11 forms an etch stop in this case.

Ein solcher Ätzstopp könnte auch an einem pn-0bergang eintreter. Ein anderes Verfahren, eine Silicium-Membran aus einem Einkristall herzustellen, ist das Ätzen von der Rückseite 12 mittels einer "Struktur-tzung"; ; dabei wird das Ätzen in bestimmter kristallographischer Richtung begünstigt. In der Membran 11 befindet sich eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende p-leitende Zone 14, die die Widerstandsbahn eines Widerstandes bildet.Such an etch stop could also occur at a pn junction. A Another method of making a silicon membrane from a single crystal is the etching from the rear side 12 by means of a "structure etching"; ; that will Etching favors in a certain crystallographic direction. In the membrane 11 there is a p-conductive zone 14 running perpendicular to the plane of the drawing, the forms the resistance path of a resistor.

Die elektrische Isolation des Widerstandes erfolgt durch einen pn-Ubergang.The electrical insulation of the resistor is made by a pn junction.

Wenn bei dem in Fig. 1 dargestellten Drucksensor eine Druckeinwirkung in der Richtung des Pfeiles 15 erfolgt, so verformt sich die Membran 11, wodurch sich der Widerstandswert der Zone 14 verändert, so daß sich die Größe eines durch diese Zone 14 geschickten elektrischen Stromes entsprechend der Druckeinwirkung verändert.When in the pressure sensor shown in Fig. 1, a pressure effect takes place in the direction of arrow 15, the membrane 11 is deformed, whereby the resistance of the zone 14 changes, so that the size of a by this zone 14 sent electric current according to the pressure changes.

Der in Fig. 1 dargestellte Drucksensor zeichnet dadurch aus, daß die Membran 11 aus dem Silicium-Einkristall 10 geätzt wird und aus einem Teil dieses Einkristalls besteht. Weiterhin ist er dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand 14 durch den pn-2bergang von dem Substrat 10 isoliert ist.The pressure sensor shown in Fig. 1 is characterized in that the Membrane 11 is etched from the silicon single crystal 10 and from a part of this Consists of a single crystal. Furthermore, it is characterized in that the resistance 14 is isolated from the substrate 10 by the pn junction.

Infolge der relativen Dicke der Membran (ca. 20 /um) muß, um die entsprechende Empfindlichkeit zu gewährleisten, die Membranabmessung entsprechend groß (ca. 2 nm) sein. Dies macht eine Integration praktisch unmöglich. Durch die Isolation des Widerstandes 14 vom Substrat 10 mittels des pn-8berganges wird das elastische Signal bei einer Temperaturerhöhung zudem instabil wegen des unreproduzierbaren Anstiegs der Sperrströme. Dadurch ist der herkömmliche Drucksensor nach Fig. 1 in seiner Anwendung bei einem 'Temperaturanstieg begrenzt.As a result of the relative thickness of the membrane (approx. 20 / .mu.m) must be the appropriate To ensure sensitivity, the membrane dimensions are correspondingly large (approx. 2 nm). This makes integration practically impossible. The isolation of the Resistance 14 from substrate 10 by means of the pn-8 junction becomes the elastic signal when the temperature rises, it is also unstable because of the unreproducible rise the reverse currents. As a result, the conventional pressure sensor according to FIG. 1 is in its Application limited in the event of a rise in temperature.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor anzugeben, der integrierbar ist und auch bei möglichst hohen Temperaturen genaue Druckmessungen liefert; außerdem soll dieser Drucksensor kostengünstig herstellbar sein.It is therefore the object of the invention to provide a pressure sensor which can be integrated and accurate pressure measurements even at the highest possible temperatures supplies; In addition, this pressure sensor should be inexpensive to manufacture.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halbleiter-Widerstand auf eine aus einem anderen Material bestehende Membran aufgebracht ist.According to the invention, this object is achieved in that the semiconductor resistor is applied to a membrane made of a different material.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Halbleiter-Widerstand durch Ätzung einer ganzflächig aufgebrachten Halbleiter-Schicht hergestellt wird.A further development of the invention is that the semiconductor resistor is produced by etching a semiconductor layer applied over the entire area.

Auch ist vorteilhaft, daß der Halbleiter-Widerstand durch lokale Dotierung (wie zum Beispiel lokale Ionenimplantation) einer ganzflächig aufgebrachten Halbleiter-Schicht hergestellt wird.It is also advantageous that the semiconductor resistor is locally doped (such as local ion implantation) of a semiconductor layer applied over the entire area will be produced.

Der Halbleiter-Widerstand kann dabei aus amorphem, polykristallinem oder rekristallisiertem Silicium bestehen.The semiconductor resistor can consist of amorphous, polycrystalline or recrystallized silicon.

Dieses Silicium kann auf die Membran aufgesputtert oder aufgedampft sein.This silicon can be sputtered or vapor-deposited onto the membrane be.

Die Membran kann aus einem Material bestehen, das beim Ätzen eines halbleitenden Substrats einen Ätzstopp liefert. Hierzu kann die Membran aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid oder einer auf ein Metall aufgebrachten Isolierschicht aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid bestehen Die Membran kann in vorteilhafter Weise eine Schichtdicke unter 3 /um haben. Das Substrat unter der Membran kann dabei ein Silicium-Einkristall sein.The membrane can consist of a material that when etched a semiconducting substrate provides an etch stop. For this purpose, the membrane made of silicon dioxide or silicon nitride or an insulating layer of silicon dioxide applied to a metal or silicon nitride. The membrane can advantageously have a layer thickness under 3 / um. The substrate under the membrane can be a silicon single crystal be.

Bei der Erfindung wird also der piezoresistive Effekt in einer Halbleiter-Schicht ausgenutzt, die ihrerseits auf eine geeignete Membran aufgebracht ist. Aus dieser Halbleiter-Schicht werden durch geeignetes Ätzen oder Dotieren Halbleiter-Widerstände gebildet, die bei einer Durchbiegung der Membran ihren Wert verändern. Die elektrische Isolation der Widerstände gegenüber dem Substrat erfolgt ohne pn-Ubergang. Dadurch ist eine im Vergleich zum herkömmlichen Silicium-Membran-Drucksensor (vergleiche Fig. 1) höhere Betriebstemperatur erzielbar. Die Halbleiter-Schicht kann aus aufgebrachtem Silicium bestehen. Das Substrat kann aus einem Silicium-Einkristall bestehen. Diese Silicium-Schicht kann auf die Membran aufgesputtert oder aufgedampft werden; sie kann dabei amorph, polykristallin oder rekristallisiert sein.In the invention, the piezoresistive effect is used in a semiconductor layer exploited, which in turn is applied to a suitable membrane. From this Semiconductor layers become semiconductor resistors by suitable etching or doping formed, which change their value when the membrane deflects. The electric The resistors are isolated from the substrate without a pn junction. Through this is a compared to the conventional silicon diaphragm pressure sensor (compare Fig. 1) higher operating temperature achievable. The semiconductor layer can be made of applied Consist of silicon. The substrate can consist of a silicon single crystal. These Silicon layer can be applied to the membrane sputtered or vapor-deposited will; it can be amorphous, polycrystalline or recrystallized.

Die Membran selbst kann durch Ätzung eines Silicium-Substrats hergestellt werden. Sie besteht dann aus einem Material, das bei der Ätzung von Silicium einen guten Ätzstopp ermöglicht. Als Membranmaterialien sind dabei Siliciumdioxid, Siliciumnitrid oder ein Metall mit einer isolierenden Schicht vorteilhaft. Die Herstellung der Membran ist infolge des guten Ätzstopps einfach und erfordert keine elektrochemische Ätzung.The membrane itself can be produced by etching a silicon substrate will. It then consists of a material that, when etching silicon, has a enables a good etch stop. The membrane materials used are silicon dioxide and silicon nitride or a metal with an insulating layer is advantageous. The manufacture of the Due to the good etch stop, the membrane is simple and does not require any electrochemical Etching.

Die Membranen können im Vergleich zum herkömmlichen Drucksensor mit einer Membrandicke von ca. 30 /um wesentlich dünner mit einer Membrandicke unter 1 /um hergestellt werden, so daß der Membrandurchmesser und damit die Gesamtabmessung des Halbleiter-Substrats erheblich verringert werden können. Der elektrische Kontakt zu der auf dem Silicium-Substrat integrierten Schaltung erfolgt mittels einer geeigneten Metallisierung.Compared to conventional pressure sensors, the membranes can with a membrane thickness of approx. 30 / um much thinner with a membrane thickness below 1 / um, so that the diaphragm diameter and thus the overall dimension of the semiconductor substrate can be significantly reduced. The electrical contact to the integrated circuit on the silicon substrate takes place by means of a suitable Metallization.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen herkömmlichen Drucksensor, Fig. 2 den erfindungsgemäßen Drucksensor in einem ersten Ausführungsbeispiel, und Fig. 3 den erfindungsgemäßen Drucksensor in einem zweiten Ausführungsbeispiel.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. The figures show: FIG. 1 a conventional pressure sensor, FIG. 2 the one according to the invention Pressure sensor in a first exemplary embodiment, and FIG. 3 shows the one according to the invention Pressure sensor in a second embodiment.

In Fig. 2 befindet sich auf einem Silicium-Substrat 18, das eine integrierte Schaltung enthalten kann, eine Isolierschicht 2 aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid. In das Silicium-Substrat 18 ist von dessen Unterseite aus ein Loch 23 geätzt, das bis zur Isolierschicht 2 reicht, die einen Ätzstopp beim Ätzen dieses Loches 23 liefert.In Fig. 2 is on a silicon substrate 18 which is an integrated Circuit may contain an insulating layer 2 made of silicon dioxide or silicon nitride. A hole 23 is etched into the silicon substrate 18 from its underside, the extends as far as the insulating layer 2, which acts as an etch stop when this hole 23 is etched supplies.

Die Isolierschicht 2 ist daher mindestens auf dem Ober- flächenbereich des Substrats 18 erforderlich, der die Öffnung des Loches 23 auf der Oberseite überragt.The insulating layer 2 is therefore at least on the upper surface area of the substrate 18 required, which protrudes beyond the opening of the hole 23 on the top.

Au9 der Isolierschicht 2 ist ein Silicium-Film 1 aufgedampft, der einen Widerstand bildet. Dieser Silicium-Film kann polykristallin, amorph oder rekristallisiert sein. Der Silicium-Film 1 wird zunächst auf der ganzen Oberseite der Isolierschicht 2 aufgetragen und dann durch Ätzen zu einem oder mehreren Widerständen strukturiert. Es ist auch möglich, anstelle eines entsprechend dotierten Silicium-Filmes einen hochohmigen Silicium-Film abzuscheiden, der dann nicht strukturiert, sondern nur in bestimmten Bereichen entsprechend den gewuxischten Widerständen dotiert wird, wie beispielsweise durch Ionenimplantation.A silicon film 1 is vapor-deposited on the insulating layer 2, the forms a resistance. This silicon film can be polycrystalline, amorphous or recrystallized be. The silicon film 1 is first applied all over the top of the insulating layer 2 and then structured by etching to form one or more resistors. It is also possible to use one instead of a correspondingly doped silicon film to deposit high-resistance silicon film, which then does not structure, but only is doped in certain areas according to the mixed resistances, such as by ion implantation.

Bei einer Druckeinwirkung entsprechend dem Pfeil 15 verformt sich die Schicht 2 und damit der Silicium-Film 1, wodurch sich der durch diesen Silicium-Film 1 gebildete Widerstand in seinem Widerstandswert verändert.When pressure is applied as indicated by arrow 15, it is deformed the layer 2 and thus the silicon film 1, whereby the through this silicon film 1 resistance formed changes in its resistance value.

Da die Schicht 2 extrem dünn unter 1 /um ausgeführt werden kann, ist der so hergestellte Drucksensor äußerst empfindlich. Außerdem werden für das Loch 23 nur sehr kleine Abmessungen benötigt, so daß der erfindungsgemäße Drucksensor einfach integrierbar ist.Since the layer 2 can be made extremely thin under 1 / µm the pressure sensor produced in this way is extremely sensitive. Also be for the hole 23 only requires very small dimensions, so that the pressure sensor according to the invention can be easily integrated.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführurgsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 versehen sind. Anstelle der Schicht 2 ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 eine Metallschicht 3 vorgesehen, auf der eine Isolierschicht 4 aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid angeordnet.ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Ätzstopp durch die Metallschicht geliefert, die beispielsweise aus Gold oder Nickel-Chrom bestehen kann.In Fig. 3, a further embodiment of the invention is shown, in which corresponding components with the same reference numerals as in Fig. 2 are provided. Instead of layer 2, in the exemplary embodiment in FIG. 3 a metal layer 3 is provided on which an insulating layer 4 of silicon dioxide or silicon nitride arranged. is. In this embodiment the etch stop is provided by the metal layer, which is made of gold, for example or nickel-chromium.

3 Figuren 11 Patentansprüche3 Figures 11 claims

Claims (11)

Patentanspriiche (1.) Drucksensor, der bei Druckeinwirkung mittels wenigstens eines Halbleiter-Widerstandes ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Halbleiter-Widerstand (1) auf eine aus einem anderen Material bestehende Membran (2) aufgebracht ist. Patent claims (1.) Pressure sensor which, when pressure is applied, by means of at least one semiconductor resistor emits an electrical output signal, d a d u r c h e k e n n -z e i c h n e t that the semiconductor resistor (1) is on a membrane (2) made of a different material is applied. 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 der Halbleiter-Widerstand (1) durch Ätzung einer ganzflächig aufgebrachten Halbleiter-Schicht hergestellt wird. 2. Pressure sensor according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the semiconductor resistor (1) is applied over the entire surface by etching a Semiconductor layer is produced. 3. 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 der Halbleiter-Widerstand (1) durch lokale Dotierung (wie zum Beispiel lokale Ionenimplantation) einer ganzflächig aufgebrachten Halbleiter-Schicht hergestellt wird. 3. Pressure sensor according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the semiconductor resistor (1) by local doping (such as local ion implantation) of a semiconductor layer applied over the entire area will. 4. Drucksensor nach einem der Anspruche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Halbleiter-Widerstand (1) aus amorphem, polykristallinem oder rekristallisiertem Silicium besteht. 4. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, d a -d u r c h g It is clear that the semiconductor resistor (1) is made of amorphous, polycrystalline or recrystallized silicon. 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 das Silicium auf die Membran (2) aufgesputtert oder aufgedampft ist. 5. Pressure sensor according to one of claims 1 to 4, d a -d u r c h g It is not noted that the silicon is sputtered onto the membrane (2) or is vaporized. 6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Membran (2) aus einem Material besteht, das beim Ätzen eines Halbleiter-Substrats (18) einen Ätzstopp liefert. 6. Pressure sensor according to one of claims 1 to 5, d a -d u r c h g It is not noted that the membrane (2) consists of a material which provides an etch stop when a semiconductor substrate (18) is etched. 7. Drucksensor nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Halbleiter-Substrat (18) aus einem Silicium-Einkristall besteht.7. Pressure sensor according to claim 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the semiconductor substrate (18) consists of a silicon single crystal. 8. Drucksensor nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Membran (2) aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid oder einer auf ein Metall (3) aufgebrachten Isolierschicht (4) besteht.8. Pressure sensor according to claim 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the membrane (2) made of silicon dioxide or silicon nitride or a on a metal (3) applied insulating layer (4). 9. Drucksensor nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Isolierschicht (4) aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid besteht.9. Pressure sensor according to claim 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c It should be noted that the insulating layer (4) consists of silicon dioxide or silicon nitride. 10. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Membran (2) eine Schichtdicke unter 3 /um aufweist.10. Pressure sensor according to one of claims 1 to 8, d a d u r c h g It is not noted that the membrane (2) has a layer thickness of less than 3 μm. 11. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t i daß der Halbleiter-Widerstand (1) aus Verbindungs-Halbleitern, wie zum Beispiel Ga-As, InSb oder Siliciumkarbid, besteht.11. Pressure sensor according to one of claims 1 to 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t i that the semiconductor resistor (1) consists of compound semiconductors, such as Ga-As, InSb or silicon carbide.
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