Halbleitersensor mit einem Grundkörper und wenigstens einem Verformungskörper Beschreibung : Die Erfindung betrifft einen Halbleitersensor mit einem Grundkörper und wenigstens einem Verformungskörper, wobei der Verformungskörper aus einem Halbleitersubstrat besteht, das mit einem Dotierstoff eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, und wobei sich in dem Verformungskörper wenigstens ein Piezowiderstand, der mit einem Dotierstoff mit entgegenge- setztem Leitfähigkeitstyp dotiert ist, befindet, und wobei der Verformungskörper in wenigstens einem Teilbereich seiner Oberfläche in Kontakt mit einem Medium steht.

Ein Halbleitersensor ist ein Sensor, der mit Hilfe von aus der Mikroelektronik bekannten Prozeßschritten herstellbar ist. Durch die Herstellbarkeit mit aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrensschritten ist es möglich, einen gattungs- gemäßen Halbleitersensor mit einer elektronischen Schaltung zu verbinden, oder in diese zu integrieren. Die bekannten gattungsgemäßen Halbleitersensoren sind als piezoresistive Drucksensoren für Absolut-, Relativ-und Differenzdruckmes- sungen ausgebildet. Zur Erreichung einer hohen Empfindlich- keit muß der Verformungskörper, beispielsweise eine Silizium- Membran, eine möglichst große Ausdehnung (Kantenlänge oder Radius) und eine möglichst geringe Dicke aufweisen.

Wegen der großen Flächenausdehnung des Verformungskörpers sind der Materialverbrauch und der Hers tel lungsauf wand grog.

Dies gilt insbesondere bei Halbleitersensoren zur Messung kleiner Drücke oder Druckdifferenzen oder von geringen Be- schleunigungsänderungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemä- ßen Halbleitersensor zu schaffen, der die Nachteile des Stan- des der Technik überwindet. Ein derartiger Halbleitersensor soll vorzugsweise möglichst kleine Flächenabmessungen des Verformungskörpers und eine möglichst hohe Empfindlichkeit aufweisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein gattungsgemäßer Halbleitersensor so ausgestaltet wird, da$ der Teilbereich eine niedrigere Konzentration des Dotier- stoffs aufweist als ein zwischen ihm und dem Piezowiderstand befindlicher weiterer Bereich.

Die Erfindung sieht also vor, einen Halbleitersensor zu er- schaffen, bei dem die Konzentration des Dotierstoffes zwi- schen der piezoresistiven Widerstandsbahn und einer freien Oberfläche des Verformungskörpers variiert.

Die freie Oberfläche des Verformungskörpers kann sich in Kon- takt mit einem beliebigen Medium befinden. Das Medium kann hierbei sowohl gasförmig als auch flüssig oder fest sein. Es ermöglicht eine Verformung des Verformungskörpers oder es wirkt so auf den Verformungskörper ein, daß dieser sich ver- formt. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Medium han- deln, dessen Eigenschaften erfaßt werden sollen, wie es bei- spielsweise bei einem Drucksensor der Fall ist. Es ist jedoch gleichfalls möglich, daß das Medium lediglich die Funktion hat, eine Auslenkung des Verformungskörpers zu ermöglichen, wie beispielsweise bei einem Beschleunigungssensor. In beiden Fällen weist die freie Oberfläche des Verformungskörpers eine geringere Konzentration des Dotierstoffes auf als wenigstens ein zwischen ihr und dem Piezowiderstand, der beispielsweise eine piezoresistive Widerstandsbahn ist, liegender Bereich.

Der erfindungsgemäße Halbleitersensor weist eine hohe Span- nungsfestigkeit auf, das heißt die elektrische Durchbruch- spannung ist erhöht. Wegen der höheren Spannungsfestigkeit kann ein Strom mit höherer Stromstärke durch den Piezowider- stand fließen. Die sich hierbei bildende höhere Sperrspannung führt wegen der höheren Spannungsfestigkeit nicht zu einem elektrischen Durchbruch. Gleichzeitig kann die Ausdehnung des Verformungskörpers bei seiner Herstellung mit Hilfe eines Ätzverfahrens verringert werden, weil ein wirksamer Ätzstop erfolgt.

Besonders zweckmäßig ist es, den Halbleitersensor so zu ge- stalten, daß der Verformungskörper flächenförmig ausgebildet ist. Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Teilbereich und der weitere Bereich durch sich parallel zu der Hauptebene des Verformungskörpers erstreckende Schichten gebildet sind.

Ein derartiger Halbleitersensor zeichnet sich durch seine einfache Herstellbarkeit aus. So ist es möglich, bei einem epitaktischen Aufwachsen der Schichten durch eine Variation des Dotierstoffgehalts in der zugeführten Gasatmosphäre den Dotierstoffgehalt zwischen den übereinanderliegenden Schich- ten zu variieren.

Wenn der freiliegende Teilbereich durch einen Oberflächenbe- reich begrenzt ist, der an einem Grundkörper anliegt, ist das Konzentrationsgefälle zwischen dem Verformungskörper und dem an ihm anliegenden Grundkörper besonders hoch. Dieses Konzen- trationsgefälle führt bei der Herstellung von freitragenden Bereichen des Verformungskörpers durch einen Abtragprozeß, beispielsweise einem elektrochemischen Tiefenätzprozeß, zu einem optimalen Ätzstopp. Eine oder mehrere obere Schichten werden zur Eingrenzung des elektrischen Feldes zwischen ihnen und der bzw. den piezoresistiven Widerstandsbahnen höher do- tiert.

Eine besonders einfach herstellbare Ausführungsform eines er- findungsgemäßen Halbleitersensors zeichnet sich dadurch aus,

daß der Verformungskörper zwei Schichten aufweist, wobei die erste Schicht den Teilbereich bildet, die zweite Schicht den weiteren Bereich bildet, und die zweite Schicht an der piezo- resistiven Widerstandsbahn anliegt.

Ein Halbleitersensor, bei dem die Dicke des Verformungskör- pers weiter reduziert ist, zeichnet sich dadurch aus, da$ der Verformungskörper drei Schichten aufweist, wobei die erste Schicht den Teilbereich bildet, die zweite Schicht an der piezoresistiven Widerstandsbahn anliegt, und der weitere Be- reich durch die sich zwischen der ersten und der zweiten Schicht befindende dritte Schicht gebildet ist.

Um eine möglichst geringe Dicke des Verformungskörpers mit einer möglichst hohen Spannungsfestigkeit zu kombinieren, ist es vorteilhaft, da$ die Konzentration des Dotierstoffs in dem Bereich mit der höchsten Konzentration wenigstens um den Fak- tor 10 höher ist als in dem Bereich mit der niedrigsten Kon- zentration.

Um eine möglichst geringe Dicke des Verformungskörpers zu er- reichen, beträgt die Dicke des Bereichs mit der höchsten Kon- zentration weniger als 10 ym.

Die erfindungsgemäßen Halbleitersensoren können als Drucksen- soren ausgebildet sein, was zweckmäßigerweise dadurch ge-

schieht, daß der Verformungskörper in seinem Randbereich mit dem Grundkörper verbunden ist.

In diesem Fall ist der Verformungskörper vorzugsweise als ei- ne dünne Membran ausgebildet. Der Verformungskörper kann hierbei die Form einer Kreisplatte, einer Kreisringplatte mit biegesteifem Zentrum, einer Rechteckplatte und einer Recht- eckplatte mit biegesteifem Zentrum aufweisen. Jede dieser Plattengeometrien weist ein spezifisches zugehöriges mechani- sches Spannungsverhalten auf. Zweckmä$igerweise sind die pie- zoresistiven Widerstandsbahnen in den Bereichen angeordnet, in denen eine besonders hohe mechanische Spannung auftritt.

Hierdurch führt bereits eine kleine Auslenkung des Drucksen- sors zu einer detektierbaren elektrischen Spannung.

Die erfindungsgemäßen Halbleitersensoren können jedoch auch Beschleunigungssensoren bilden. Dies geschieht in besonders zweckmäßiger Weise dadurch, da$ der Verformungskörper ab- schnittsweise mit einer Wand des Grundkörpers in Kontakt steht, und auf der gegenüberliegenden Seite des Verformungs- körpers eine seismische Masse angeordnet ist. Somit ist der Verformungskörper nur abschnittsweise mit dem Grundkörper verbunden. An wenigstens einem weiteren Abschnitt ist eine seismische Masse mit dem Verformungskörper verbunden.

Das Funktionsprinzip von Beschleunigungssensoren beruht dar- auf, da$ von außen auf eine Sensormasse einwirkende Beschleu-

nigungen eine Kraft erzeugen, die über den Sensormechanismus in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Bei diesem pie- zoresistiven Beschleunigungssensor wird die mechanische Span- nung infolge des piezoresistiven Effekts in eine Änderung des spezifischen Widerstandes umgewandelt. In weiten Verformungs- bereichen ist die Widerstandsänderung proportional zur Be- schleunigung. Während bei einem Drucksensor durch den Tie- fenätzprozeß eine geschlossene dünne Membran gebildet wird, wird für diesen mikromechanischen Beschleunigungssensor der Ätzprozeß so durchgeführt, daß der Verformungskörper die Form eines Steges aufweist.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die freiliegenden Oberflä- chen dieses Steges eine niedrige Dotierstoffkonzentration aufweisen. In diesem Falle sind die piezoresistiven Wider- stände mit wenigstens einer Umhüllung aus einem Material mit einer höheren Dotierstoffkonzentration versehen, während die äußeren Oberflächen des Steges eine niedrigere Dotier- stoffkonzentration aufweisen.

Weitere Vorteile und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Darstellung von bevorzugten Aus- führungsbeispielen anhand der Zeichnungen.

Von den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druck- sensor ;

Fig. 2 die Abhängigkeit der Dotierung von der Tiefe bei zwei Epitaxieschichten und Fig. 3 die Abhängigkeit der Dotierung von der Tiefe bei drei Epitaxieschichten.

Der in Fig. 1 dargestellte Drucksensor 1 ist ein Niederdruck- sensor. Er ist über eine Goldverbindungsschicht 2 mit einem Trägerchip 3 verbunden. Der Grundkörper 4 des Drucksensors 1 wird durch ein mit Dotierstoffen des n-Typs dotiertes Substrat aus einkristallinem Silizium gebildet. Die Konzen- tration der Dotierstoffe im Grundkörper liegt bei wenigstens 5 x 10l7 cm~3, vorzugsweise bei 3 x 1018 cm.

Der Grundkörper 4 weist eine große Ausnehmung 6 auf, die bei- spielsweise durch gezieltes Wegätzen des den Grundkörper 4 bildenden Substrats erzeugt wurde.

Auf dem Grundkörper 4 befindet sich der Verformungskörper 8, der durch drei auf dem Grundkörper 4 epitaktisch aufgewachse- ne Schichten 11,12 und 13 gebildet wird.

Die unterste Schicht 11 ist eine einkristalline Silizium- schicht, deren Dotierung mit Dotierstoffen des n-Typs durch Phosphoratome der Konzentration 3 x 1014 cm-3 erfolgte. Die Dicke der Schicht 11 beträgt 3 ym.

Oberhalb der ersten epitaktischen Schicht 11 befindet sich eine weitere, 2 ym dicke, epitaktisch aufgewachsene Schicht 12 aus einkristallinem Silizium, die eine Dotierstoffkonzen- tration von 3 x 1015 cm~3 aufweist.

Die oberste Schicht 13, die gleichfalls aus epitaktisch auf- gewachsenem Silizium besteht, ist 4 ym dick und weist eine Dotierstoffkonzentration des n-Typs von 3 x 1014 cm auf.

In der obersten Schicht 13 befinden sich Piezowiderstände 14, die mit Dotierstoffen des p-Typs einer Konzentration von we- nigstens 1 x 10 cm, vorzugsweise der Konzentration 3 x 10 cm~3 dotiert sind. Durch die Ausbildung einer Sperrspannung zwischen den Piezowiderständen 14 und der Schicht 13 erfolgt nur durch die Piezowiderstände 14 ein Stromfluß.

Oberhalb der oberen Schicht 13 ist eine erste Abdeckschicht 16 aufgebracht. Die erste Abdeckschicht 16 ist abschnittswei- se unterbrochen, um eine Verbindung der Piezowiderstände 14 mit Leiterbahnen 18 zu ermöglichen. Die Leiterbahnen 18 die- nen zum Anschluß der Piezowiderstände 14 an nicht dargestell- te äußere Kontakte. Auf der ersten Abdeckschicht und den zu schützenden Teilen der Leiterbahnen befindet sich eine weite- re Abdeckschicht 19.

Ein derartiger Drucksensor kann wie folgt hergestellt werden : Auf dem Grundkörper 4 wird die Schicht 11 durch ein CVD- Verfahren (Chemical-Vapour-Deposition), d. h. durch eine che- mische Gasphasenabscheidung aufgebracht. Hierzu wird zuerst ein Reaktionsgas aus Chlorsilan : SiC12H2 auf die Oberfläche des Grundkörpers transportiert. Auf der Oberfläche erfolgt eine mehrstufige Oberflächenreaktion, bestehend aus der Ad- sorption des Ausgangsstoffes, der chemischen Reaktion SiCl2H2 <BR> <BR> <BR> <BR> spi + 2HC1 und der Oberflächendiffusion des festen Reakti- onsproduktes Silizium in einkristalliner Form. Das gasförmige Reaktionsprodukt HC1 wird anschließend desorbiert. Danach wird das desorbierte gasförmige Reaktionsprodukt HC1 abtrans- portiert.

Die durch das CVD-Verfahren erzeugte Schicht 11 aus einkri- stallinem Silizium weist die gleiche kristallographische Ori- entierung auf wie der Grundkörper 4 auf dem sie abgeschieden wurde. Die Kristallstruktur des Grundkörpers 4 wird beim Schichtwachstum fortgesetzt. Da der Grundkörper 4 durch ein massives einkristallines Substrat gebildet wird, handelt es sich bei der unteren Schicht 11 um eine epitaktische Schicht.

Die Epitaxie der Siliziumschichten erfolgt bei Reaktionstem- peraturen in der CVD-Anlage zwischen 1.000 und 1.280°C.

Durch die Zugabe eines phosphorhaltigen Gases zu dem Reakti- onsgas wird die gewünschte Dotierstoffkonzentration von 3 x l018 cm~3 erreicht.

Das epitaktische Aufwachsen der mittleren Schicht 12 ist eine Fortsetzung des Aufwachsens der unteren Schicht 11. Durch ei- ne Erhöhung des Gehalts an einem Phosphor enthaltenden Gas im Reaktionsgas des CVD-Prozesses wird die gewünschte Dotier- stoffkonzentration von 3 x 1015 cm 3 erreicht.

Die gleichfalls epitaktisch aufgewachsene obere Schicht 13 erhält gleichfalls durch eine entsprechende Zugabe von Phos- phor zum Reaktionsgas eine Dotierstoffkonzentration von 3 x 1014 cm-3.

In der oberen Schicht 13 werden die Piezowiderstände 14 als piezoresistive Widerstandsbahnen durch gezielte Ionenimplan- tation von Dotierstoffen des p-Typs erzeugt. Die Piezowider- stände 14 weisen eine Konzentration des Dotierstoffs vom p- Typ von wenigstens 1 x 1017 cm~3, vorzugsweise von 3 x 1018 ctri 3 auf.

Anschließend wird die erste Abdeckschicht 16 aufgebracht und durch ein Photolithographieverfahren strukturiert. Danach werden die Leiterbahnen 18 aufgebracht und strukturiert. Auf die Leiterbahnen 18 und die erste Abdeckschicht 16 wird

schließlich die obere Abdeckschicht 19 aufgebracht und an- schließend gleichfalls strukturiert.

AnschlieBend wird die Rückseite des Drucksensors 1 bearbei- tet. Der wesentliche Verfahrensschritt hierbei ist ein selek- tiver Ätzprozeß, durch den der Grundkörper 4 im Bereich der Ausnehmung 6 bis zu der unteren Schicht 11 weggeätzt wird. Um einen wirksamen Ätzstop zu erzielen, ist ein hohes Konzentra- tionsgefälle der Dotierstoffe zwischen dem Grundkörper 4 und der unteren Schicht 11 erforderlich. Dieses Konzentrationsge- fälle liegt bei den oben gennannten Konzentrationen der Do- tierstoffe im Grenzbereich zwischen dem Grundkörper 4 und der Schicht 11 vor.

Der so hergestellte Halbleitersensor kann anschließend auf einem Trägerchip 3 aufgebracht werden. Hierzu wird auf den Trägerchip 3 zunächst eine Goldverbindungsschicht 2 aufge- dampft. Die Goldverbindungsschicht 2 ermöglicht eine feste und dauerhafte Verbindung des Drucksensors 1 mit dem Träger- chip 3.

In Fig. 2 ist die Dotierstoffkonzentration D (cl-3) bei zwei epitaktisch aufgewachsenen Schichten in Abhängigkeit von der Tiefe d (ym) aufgetragen. Der Piezowiderstand 14 weist eine Dotierstoffkonzentration vom p-Typ von 3 x 1018 cm auf. Un- terhalb des Piezowiderstandes 14 befindet sich eine Schicht 12, die mit Dotiestoffen des n-Typs in der Konzentration 3 x

1015 cm 3 dotiert ist. Die darunter liegende Schicht 11 ist mit Dotierstoffen vom n-Typ in der Konzentration 3 x 10 cm dotiert. Der Grundkörper 4, auf dem die Schichten 11 und 12 aufgebracht sind, weist eine Dotierstoffkonzentration des n- Typs von 3 x 1018 cm auf.

Die in Fig. 3 dargestellte Abhängigkeit der Dotierstoffkon- zentration D (cari3) bei drei epitaktisch aufgewachsenen Schichten in Abhängigkeit von der Tiefe d (ym) entspricht den bei einem Drucksensor nach Fig. 1 auftretenden Werten.

Auch hierbei weist der Piezowiderstand 14 eine Dotier- stoffkonzentration vom p-Typ von 3 x 1018 cm-3 auf. Unterhalb des Piezowiderstandes 14 befindet sich eine Schicht 13, die mit Dotierstoffen des n-Typs in der Konzentration 3 x 1014 cm 3 dotiert ist. Unterhalb der Schicht 13 befindet sich die Schicht 12, die mit Dotierstoffen vom n-Typ in der Konzentra- tion 3 x 1015 cm-3 dotiert ist. Die darunter liegende Schicht 11 ist mit Dotierstoffen vom n-Typ in der Konzentration 3 x <BR> <BR> <BR> 1014 cm-3 dotiert. Der Grundkörper 4, auf dem die Schichten 11,12 und 13 aufgebracht sind, weist eine Dotierstoffkonzen- tration des n-Typs von 3 x 10 cm auf.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind der Grund- körper und die auf ihm befindlichen Schichten mit Dotierstof- fen vom n-Typ dotiert, während die Piezowiderstände mit Do- tierstoffen des p-Typs dotiert sind. Es ist jedoch gleich-

falls möglich, da$ der Grundkörper und die Schichten mit Do- tierstoffen vom p-Typ dotiert sind, während die Piezowider- stände mit Dotierstoffen vom n-Typ dotiert sind.

Es ist auch möglich, da$ auf einen Grundkörper, der mit Do- tierstoffen vom p-Typ dotiert ist, Schichten aufgebracht sind, die mit Dotierstoffen des n-Typs dotiert sind. Das für das Zustandekommen eines Ätzstops bei der Bearbeitung der Rückseite des Drucksensors erforderliche Konzentrationsgefäl- le der Dotierstoffe zwischen dem Grundkörper 4 und der unte- ren Schicht 11 ist gewährleistet, wenn auf einen mit Dotier- stoffen vom n-Typ hoch dotierten Grundkörper 4 eine niedrig dotierte Schicht wahlweise mit einer n-Typ-oder einer p-Typ- Dotierung folgt. Auch auf einen mit Dotierstoffen vom p-Typ hoch dotierten Grundkörper 4 kann eine niedrig dotierte Schicht 11 wahlweise vom n-Typ oder vom p-Typ folgen.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleitersensors als Drucksensor.

Es ist jedoch gleichfalls möglich, einen erfindungsgemäßen Halbleitersensor als Wandler, der eine mechanische Einwirkung in ein elektrisches Signal verwandelt, zu verwenden.

Ein Beispiel hierfür ist ein Beschleunigungssensor, bei dem eine Beschleunigung in eine Widerstandsänderung transformiert wird.

Ein erfindungsgemäßer Halbleitersensor kann beispielsweise auch als Feuchtigkeitssensor ausgebildet sein. Hierzu wird die beim Beschleunigungssensor vorhandene seismische Masse durch einen Körper mit einer großen Oberfläche ersetzt. Hier- bei wird die Oberfläche so gestaltet, da$ sie Flüssigkeitsmo- leküle leicht absorbieren kann.