DE3230070A1

DE3230070A1 - Halbleiter-druckfuehler

Info

Publication number: DE3230070A1
Application number: DE19823230070
Authority: DE
Inventors: Kozo Itami Hyogo Yamagami
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-08-12
Filing date: 1982-08-12
Publication date: 1983-03-03
Also published as: US4459855A; JPS5828876A; DE3230070C2

Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PATENTANWÄLTE

DR.RER.NAT. K.HOFFMANN · Dl PL.-1 N G. W. LEH N DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR.-RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 . 0.800OMONCHENB] · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-2961? (PATHE)

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Tokyo /JAPAN

Halbleiter-Druckfühler

Druckfühlervorrichtungen vom Typ einer Silizium-Membran, bei denen der Piezowiderstandseffekt von einkristallinem Silizium ausgenutzt wird, finden breite Anwendung, da sie eine hohe Empfindlichkeit besitzen und eine geringe Hystherese und weil derartige Vorrichtungen mit einheitlichen Eigenschaften in großen Stückzahlen hergestellt werden können und zwar bei geringen Kosten und unter Anwendung der weit verbreiteten IC-Planartechnologie.

Fig. 1 zeigt die Konstruktion eines herkömmlichen Druckfühlers dieses Typs. Die allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung besteht aus einem Siliziumsubstrat 1 vom n-Leitfähigkeitstyp, die mit einer Widerstandsschicht 2 auf einer Fläche ausgestattet ist, wobei diese Widerstandsschicht beispielsweise durch die Kombination aus Fotoätzverfahren und Ionen-Inplantationsverfahren oder durch selektive Diffusion eines p-Typ Fremdatoms wie beispielsweise Bor hergestellt wird. Im Bereich 4 auf der zur Widerstandsschicht gegenüberliegenden Seite des Substrats ist eine Ausnehmung ausgebildet und zwar beispielsweise

-A-

durch Anwendung eines Ätzverfahrens oder durch Läppen. Dadurch wird ein dünnwandiger zentraler Abschnitt 1a erhalten, der von einem dickwandigen Schenkelabschnitt 1b umgeben ist.
5

Wenn auf diese Anordnung ein Druck ausgeübt wird, so wird der dünnwandige Abschnitt 1a, welcher die eindiffundierte Widerstandsschicht 2 enthält, deformiert, so daß dadurch eine Änderung im elektrischen Widerstand der Widerstandsschicht bewirkt wird. Der Abschnitt 1a dient daher als Spannungsverursachende Zone. Die Fläche des Substrats 1 wird durch einen Siliziumoxydfilm oder einen Nitridfilm 6 isoliert und stabilisiert.

Die Widerstandsschicht 2 ist elektrisch mit einer metallisierten ohmschen Elektrode 3 verbunden, die oberhalb des Schenkelabschnitts 1b ausgebildet ist. Die elektrische Verbindung zwischen der ohmschen Elektrode 3 und der eindiffundierten Widerstandsschicht 2 wird durch eine herausgeführte eindiffundierte Schicht erreicht, welche durch Diffusion eines Fremdatoms des gleichen Leitfähigkeitstyps wie derjenige der Widerstandsschicht hergestellt wird (p-leitende Verunreinigung bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel) oder wird durch einen aufgedampften Aluminium- film gebildet, der auf den Isolierfilm 6' der Fläche des Siliziumsubstrats 1 hergestellt wird.

Druckfühler vom Silizium-Membrantyp sind gegenwärtig in zwei Variationen erhältlich und zwar entsprechend dem Druckmeßverfahren:

(1) Ein Absolutdruck-Typ, bei dem die Druckänderung auf einer Seite der Silizium-Membran oder im spannungsverursachenden Bereich mit dem Druck verglichen wird,

der in einer Bezugsdruckkammer auf der anderen Seite herrscht, in welcher der Druck konstant gehalten wird, und

(2) ein Differentialdruck-Typ, bei dem die Differenz zwischen den Druckwerten gemessen wird, die auf die zwei Seiten der Membran wirken.

Die fertiggestellte Konstruktion eines Absolutdruck-Pühlertyps ist in Fig. 3 veranschaulicht. Eine komplette Halbleiter-Druckfühlervorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde, wird mit einem isolierenden Schutzfilm 6 auf der Fläche überzogen, auf welcher die Widerstandsschicht ausgebildet ist. über den Isolierfilm wird ein hermetisch abdichtbares Glasgefäß oder Metallgefäß 7 angeordnet, welches über ein Dichtungsmittel 9 abgedichtet wird, wobei der Innenraum 8 des Gefäßes 7 evakuiert wird oder mit einem Edelgas oder einem ähnlichen Medium mit einem konstanten Druck gefüllt wird. Der Bereich, an welchem das Gefäß 7 am Isolierfilm 6 durch das Dichtmittel 9 befestigt ist, sollte nicht oberhalb des dünnwandigen Abschnitts 1a der Fühlervorrichtung liegen.

Aufgrund des Vorhandenseins des hermetisch abdichtbaren Gefäßes 7 auf der herkömmlichen Halbleiter-Fühlervorrichtung 10- nach Fig. 1, muß jede der Elektroden 3, welche elektrisch mit der Widerstandsschicht 2 verbunden sind, zum Außenbereich des Gefäßes 7 geführt werden. Dies trägt jedoch zur Größe der Vorrichtung bei und steigert die Produktionskosten in unerwünschter Weise. Weiter ist dabei von Nachteil, daß die Zone oder der Bereich, an welchem das Gefäß 7 am isolierenden Film 6 durch das Dichtmittel 9 befestigt ist, in den meisten Fällen dicht beim dünnwandigen Abschnitt 1a der SiIizium-Memberan liegt.

Dadurch wird jedoch eine nachteilige Wirkung auf die Spannungscharakteristika hervorgerufen, speziell eine nachteilige Wirkung auf Temperaturabhängigkeit des Drucks gegenüber den Kennlinien des elektrischen Ausgangssignals. 5

ES ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die geschilderten Nachteile bei einem herkömmlichen Druckfühler vom Absolutdruck-Typ zu beseitigen und einen Druckfühler zu schaffen, der bei niedrigen Kosten hergestellt werden kann und der auch eine Kennlinie entsprechend dem Druck gegenüber dem elektrischen Ausgangssignal hat, welche die gewünschte Temperaturabhängigkeit besitzt.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine leitende Zone ausgebildet wird, die sich von der einen Fläche des Schenkelabschnitts zur anderen Fläche desselben hin erstreckt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und im Vergleich zu einer bekannten Konstruktion unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Konstruktion einer herkömmlichen Druckfühlervorrichtung ;

Fig. 2 einen Halbleiter-Druckfühler gemäß einer

bevorzugten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung; und

Fig. 3 eine erweiterte Ausführungsform der bekannten Konstruktion nach Fig. 1.

Fig. 2 zeigt einen Halbleiter-DruckfÜhler gemäß einer bevorzugten Ausf(ihrungsform mit Merkmalen nach der Erfindung. Die Fühlervorrichtung ist allgemein mit 100 bezeichnet und kann aus einem n-leitfähige Siliziumsubstrat 1 von dem gleichen Typ bestehen, der zuvor in Verbindung mit der Vorrichtung 10 in Fig. 1 erläutert wurde. Eine Widerstandsschicht 2 ist auf einer Fläche des Substrats 1 durch kombinierte Anwendung eines Fotoätzverfahrens und eines Ionen-Inplantationsverfahrens oder durch selektive Diffusion von p-leitfähigen Fremdatomen, wie beispielsweise Bor, ausgebildet. Im Bereich 4 auf der zur Widerstandsschicht gegenüberliegenden Seite des Substrats ist eine Ausnehmung ausgebildet, beispielsweise durch Läppen oder durch chemisches Ätzen, um dadurch einen dünnwandigen Abschnitt 1a auszubilden, der ca.

30 - 50 μπι dick ist. Dieser eine Spannung verursachende Bereich la wird von einem dickwandigen Schenkelabschnitt 1b umgeben. Gemäß Fig. 2 ist in dem Schenkelabschnitt Ib eine leitende Zone 5 durch Eindiffusion eines p-leitfähigen Fremdatoms in das Siliziumsubstrat ausgebildet. Wenn mehr als nur eine eindiffundierte p-leitfähige Zone ausgebildet wird, so muß jede Zone elektrisch von der anderen Zone isoliert werden. Die Zahl derartiger eindiffundierter Zonen ist davon abhängig, wie groß die Zahl der Elektroden ist. Jede eindiffundierte Zone 5 vom p-Typ hat ohmschen Kontakt mit einer metallisierten Elektrode 3, die auf der anderen (d.h. Projektionsfläche) Fläche des Schenkelabschnitts 1b jeder Signal aufnehmenden Fläche ausgebildet ist. Die Widerstandsschicht 2 kann elektrisch mit der eindiffundierten Schicht 5 vom p-Typ durch herkömmliche Verfahren oder Mittel verbunden werden, beispielsweise durch Verbinden mit Hilfe eines durch Aufdampfen hergestellten Aluminiumfilms oder durch Ausbilden einer eindiffundierten Schicht vom p-Typ auf der Seite

der Widerstandsschicht 2. Diese Anordnung schafft die Möglichkeit die elektrischen Signale, die aufgrund von Änderungen im druckabhängigen Widerstand der Widerstandsschicht erzeugt werden, von den unteren Enden der Schenkel 1b nach außen geführt werden, und zwar von der Zone weggeführt werden, an welcher das abdichtbare Gefäß an der oberen Fläche der Vorrichtung befestigt werden muß. In diesem Fall kann also die gesamte obere Fläche des Siliziumsubstrats 1 durch einen Isolierfilm aus Siliziumoxyd oder Siliziumnitrid geschützt werden.

Ein Absolutdruck-Druckfühler mit den Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung hat die folgenden Vorteile:

(1) Geometrische Einschränkungen im Bereich, bei welchem das hermetisch abdichtbare Gefäß 7 auf dem Isolierfilm 6 befestigt wird, werden beseitigt und zwar in dem die metallisierte Elektrode 3._.auf der Seite des Schenkelabschnitts 1b angeordnet wird, welche dem spannungsverursachenden Abschnitt 1a gegenüberliegt. Somit kann das Gefäß mit dem Umfang der Fühlervorrichtung unter Anwendung des Dichtmittels 9 verbunden werden, also an einer Stelle, die zufriedenstellend weit von dem spannungsverursachenden Abschnitt oder Zone 1a entfernt liegt. Als Ergebnis hat dieser Fühler Ausgangskenngrößen entsprechend Druck gegenüber dem elektrischen Ausgangssignal, welche die gewünschte Temperaturabhängigkeit haben.

(2) Aus den unter (1) genannten Gründen kann der Fühler kompakter ausgeführt werden als herkömmliche Produkte und kann daher auch mit niedrigerem Kostenaufwand hergestellt werden.

(3) Da die metallisierte Elektrode 3 an dem vorspringenden Ende des Schenkels 1b ausgebildet ist, kann die Fühlervorrichtung 100 direkt mit Lötmetall an Fassungen gebunden werden.
5

Bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel ist das Siliziumsubstrat 1 mit Fremdatomen vom η-Typ dotiert. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß auch ein in gleicher Weise wirksamer Druokfühler dadurch hergestellt werden kann, in dem man ein Siliziumsubstrat vom p-Typ mit einer Widerstandsschicht 2 vom η-Typ und einer eindiffundierten Zone 5 vom η-Typ kombiniert.

Wie aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, besitzt die Fühlervorrichtung mit den Merkmalen nach der Erfindung eine leitfähige Zone, die sich von der einen Fläche des Schenkelabschnitts zur anderen Fläche hin erstreckt. Als Ergebnis werden bei dem Druckfühler vom Absolutdruck-Typ die Kennwerte entsprechend dem elektrisehen Ausgangssignal gegenüber der Temperatur verbessert, die Vorrichtungkann ferner mit niedrigen Kosten hergestellt werden und zwar unter Anwendung einer großen Vielfalt von Herstellungsverfahren.

-40 Leerseite

Claims

HOFFMANN · ΕΙΤΙ,Ε & "PARTNER

PAT E N TAN WA Ι/Γ Ε

DR. ING. E. HOFFM ANN (1930-197ί) · Dl PL-IN G. W. EITLE ■ D R. R E R. N AT. K. H OFFMAN N · DI PL.-1 N G. W. LEHN

Dl PL.-I N G. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELIASTRASSE 4 . D-8000 MO NCH EN 81 ■ TELEFON (089) 911087 . TE LEX 05-29619 (PATHE)

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Tokyo /JAPAN

Halbleiter-Druckfühler

PATENTANSPRÜCHE :

.I Halbleiter-Druckfühler mit einem Substrat aus einkristallinem Silizium, auf dessen einer Seite eine Widerstandsschicht eindiffundiert ist und auf dessen anderer Seite eine Ausnehmung ausgebildet ist, um einen dünnwandigen Bereich zu bilden, welcher die eindiffundierte Widerstandsschicht enthält, wobei die Ausnehmung von einem dickwandigen Schenkelabschnitt umgeben ist, und wobei die eine Fläche der Fühlervorrichtung durch eine hermetisch abdichtende Kappe abgedeckt ist,

dadurch gekennzeichnet , daß in dem Schenkelabschnitt eine leitende Zone eindiffundiert ist, die elektrisch mit der eindiffundierten Widerstandsschicht verbunden ist.
2. Druckfühler nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die ein-

diffundierte leitende Zone sich von der einen Fläche des Siliziumsubstrats zu einer gegenüberliegenden Fläche an einem Ende des dickwandigen Schenkels erstreckt.
5
3. Druckfühler nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß in dem dickwandigen Abschnitt mehrere eindiffundierte leitfähige Zonen ausgebildet sind, die gegeneinander elektrisch isoliert sind.
4. Druckfühler nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß an jede eindiffundierte leitende Zone eine metallisierte Elektrode angeschlossen ist, die auf der anderen Fläche des Substrats angeordnet ist.
5. Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis—4, dadurch gekennzeichnet , daß eine Fläche des Substrats mit einem schützenden Isolierfilm bedeckt ist.