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DE4303423C2 - Sensor and method for its production - Google Patents

Sensor and method for its production

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DE4303423C2
DE4303423C2 DE4303423A DE4303423A DE4303423C2 DE 4303423 C2 DE4303423 C2 DE 4303423C2 DE 4303423 A DE4303423 A DE 4303423A DE 4303423 A DE4303423 A DE 4303423A DE 4303423 C2 DE4303423 C2 DE 4303423C2
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semiconductor
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor mit einem Halbleitertragkörper, der eine Ausnehmung aufweist, einer die Ausnehmung zumindest teilweise überspannenden Membran bzw. Silizium-Nitrid-Membran und einer an der Membran bzw. Silizium-Nitrid-Membran angeordneten, einen Halbleiterbereich umfassenden Sensorstruktur nach den Oberbegriffen des Patent­ anspruchs 1 bzw. 2. Ferner befaßt sich die Erfindung mit Verfahren zur Herstellung derartiger Sensoren nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 12 und 13.The present invention relates to a sensor with a Semiconductor carrier body, which has a recess, one Recess at least partially spanning membrane or silicon nitride membrane and a semiconductor region arranged on the membrane or silicon nitride membrane comprehensive sensor structure according to the generic terms of the patent claims 1 and 2. Furthermore, the invention is concerned with Method for producing such sensors according to the Preamble of claims 12 and 13.

Eine große Anzahl von Sensoren, die sowohl mechanische Sen­ soren als auch thermische Sensoren umfassen, haben einen im wesentlichen rahmenartigen Halbleitertragkörper, der eine Ausnehmung aufweist, die vollständig oder zumindest teilwei­ se von einer Membran überdeckt wird. Auf dieser Membran ist zumindest eine sensitive Struktur angeordnet, die zumindest teilweise aus Halbleiterbereichen besteht.A large number of sensors, both mechanical sen sensors as well as thermal sensors have an im essential frame-like semiconductor support body, the one Has recess that completely or at least partially se is covered by a membrane. Is on this membrane arranged at least one sensitive structure that at least partially consists of semiconductor areas.

Im Falle von mechanischen Sensoren finden sich solche Sen­ sorstrukturen typischerweise bei Drucksensoren, Kraftsenso­ ren, Beschleunigungsaufnehmern und Strömungssensoren. Im Falle von thermischen Sensoren finden sich diese Grundstruk­ turen bei einem sogenannten Thermopile, wie es beispielswei­ se zur Messung der Intensität einer Infrarotstrahlung eingesetzt werden kann, oder bei einem Bolometer.Such sensors are found in the case of mechanical sensors sor structures typically for pressure sensors, force sensors sensors, accelerometers and flow sensors. in the This basic structure is found in the case of thermal sensors structures in a so-called thermopile, as it is for example se for measuring the intensity of infrared radiation can be used, or with a bolometer.

Grundsätzlich liegt bei derartigen Sensoren die Ausnehmung des Halbleitertragkörpers bezogen auf die Vorderseite des Halbleiterwafers, aus dem die Gesamtstruktur gebildet wird, unterhalb der Membran, wobei typischerweise die Ausnehmung sich von einer rückseitigen Siliziumnitridmaske auf der Rückseite des Halbleiterwafers durch den Halbleiterwafer hindurch bis zur vorderseitigen Siliziumnitridmembran er­ streckt. Die sensitive Struktur liegt regelmäßig auf der der Ausnehmung abgewandten Seite der Membran. Die Strukturen, die auf dieser Membranvorderseite realisiert werden, bestehen entweder aus Polysilizium oder aus Metall oder aus diesen beiden Stoffen.In principle, the recess lies in such sensors of the semiconductor support body based on the front of the Semiconductor wafers from which the overall structure is formed, below the membrane, typically the recess from a silicon nitride mask on the back Back of the semiconductor wafer through the semiconductor wafer through to the front silicon nitride membrane stretches. The sensitive structure is regularly on the Side of the membrane facing away from the recess. The structures which are realized on this membrane front side, consist of either polysilicon or metal or  these two substances.

Im Beispielsfall eines Thermopile sind auf der Vorderseite der Membran paarweise angeordnete Leiterbahnen aus Polysili­ zium und Aluminium integriert, die sich beispielsweise im Mittenbereich der Membran überdecken, um die dort herrschen­ de Temperatur zu messen und um auf dieser auf die Intensität der zu messenden Infrarotstrahlung rückzuschließen.In the example, a thermopile are on the front the membrane, paired conductor tracks made of polysili zium and aluminum integrated, for example in Cover the central area of the membrane around which there is de temperature and to measure the intensity the infrared radiation to be measured.

Grundsätzlich wäre es wünschenswert, auf der Membran einkri­ stallines Silizium für derartige sensitive Strukturen zur Verfügung zu haben, welches gegenüber Polysilizium verschie­ dene Vorteile hat:In principle, it would be desirable to inscribe it on the membrane stalline silicon for such sensitive structures To have available which differs from polysilicon has the following advantages:

  • - einkristallines Silizium hat einen hohen piezoresistiven Koeffizienten, so daß es sich herausragend für die Bildung von Widerstandsmeßstreifen eignet,- Single-crystal silicon has a high piezoresistive Coefficients, making it outstanding for education resistance measuring strips,
  • - einkristallines Silizium hat einen verglichen mit Poly­ silizium höheren thermoelektrischen Koeffizienten,- Single crystal silicon has one compared to poly silicon higher thermoelectric coefficients,
  • - einkristallines Silizium ist langzeitstabil und beständig gegen hohe Temperaturen.- Single-crystal silicon is long-term stable and stable against high temperatures.

Es gibt bereits Techniken zur Erzeugung einkristalliner Siliziumschichten auf Isolatoren. Diese als SOI-Technologie bekannte Methode ist jedoch komplex und teuer. Ferner wird bei dieser Technologie das einkristalline Silizium nur auf Siliziumoxid erzeugt, welches sich als Membranmaterial nicht eignet.Techniques for producing single-crystalline ones already exist Silicon layers on insulators. This as SOI technology however, known method is complex and expensive. Furthermore, with this technology, the single-crystal silicon only Silicon oxide generated, which is not a membrane material is suitable.

Die US-PS 3,758,830 offenbart einen Sensor der im Oberbegrifff des Anspruchs 1 genannten Art, der in einer dünnen Halbleitermembran, die peripher unterstützt ist, gebildet ist. Diese weist ein einkristallines Halbleitersubstrat auf, dessen Mittelabschnitt geätzt ist, um einen Rahmen und die Membran zu bilden. Ferner umfaßt der bekannte Sensor eine Sensorstruktur, die an der Membran angeordnet ist, wobei die Sensorstruktur einen in der Membran gebildeten Halbleiterbereich aufweist. U.S. Patent 3,758,830 discloses a sensor of the type mentioned in the preamble of claim 1, the in a thin semiconductor membrane that supports peripherally is, is formed. This has a single-crystalline semiconductor substrate, whose middle section is etched around a frame and the To form membrane. The known sensor also includes a sensor structure which is arranged on the membrane, wherein the sensor structure has a semiconductor region formed in the membrane.  

IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. ED-33, 1986, Nr. 1, Seiten 72-77 offenbart einen Sensor der im Oberbegriff des Anspruchs 2 genannten Art, nämlich eine Silizium-Thermopile. Hier ist die Sensorstruktur auf einer der Ausnehmung abgewandten Seite der Membran angeordnet.IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-33, 1986, No. 1, pages 72-77 a sensor of the type mentioned in the preamble of claim 2, namely a silicon thermopile. Here is the sensor structure on one of the Side of the membrane facing away from the recess.

Die DE 40 17 265 A1 offenbart einen mikromechanischen Sensor, der einen Halbleitertragkörper mit einer Ausnehmung und eine diese überspannende Membran aufweist, die mit einem mechanisch-elektrischen Signalwandler ausgestattet ist. Dabei ist die Ausnehmung ein unterhalb der Membran geätzter Hohlraum. Die Erfassung der Verformung der Membran wird durch Aufbringen piezoresistiver Widerstände auf der Membran bestimmt.DE 40 17 265 A1 discloses a micromechanical sensor, a semiconductor carrier body with a recess and has a membrane spanning this, the one with a mechanical-electrical Signal converter is equipped. The recess is one below the Membrane etched cavity. The detection of the deformation of the membrane is by applying piezoresistive resistors to the membrane certainly.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art beziehungsweise Verfahren zum Her­ stellen eines derartigen Sensors derart weiterzubilden, daß verbesserte Eigenschaften der an der Membran des Sensors angeordneten Sensorstruktur erreicht werden.Based on this state of the art, this is the case the invention is therefore based on the object of a sensor type or method for manufacturing mentioned above set such a sensor to further develop that improved properties of the membrane on the sensor arranged sensor structure can be achieved.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Patentanspruch 1 und 2 sowie durch Verfahren zum Herstellen eines Sensors gemäß Patentanspruch 12 und 13 gelöst.This object is achieved by a sensor according to claim 1 and 2 and by methods of manufacturing a sensor solved according to claims 12 and 13.

Das Grundkonzept der Erfindung besteht in der Abkehr von der im Stand der Technik durchwegs praktizierten Anordnung der Sensorstruktur auf der Membran, d. h. auf der der Ausnehmung abgewandten Seite der Membran. Die Erfindung sieht die Sensorstruktur unter der freitragenden Membran, also auf der der Ausnehmung des Halbleitertragkörpers zugewandten Seite der Membran vor. Durch diese umgekehrte Anordnung ist es im Gegensatz zu der dem Stand der Technik zugrundeliegenden Technologie möglich, die Halbleiterbereiche der Sensorstruk­ tur aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, vorzugs­ weise aus einem einkristallinen Silizium zu erzeugen.The basic concept of the invention is to turn away from arrangement of the Sensor structure on the membrane, d. H. on the of the recess opposite side of the membrane. The invention sees that Sensor structure under the self-supporting membrane, i.e. on the the recess facing the semiconductor carrier body the membrane. Due to this reverse arrangement, it is in the  Contrast to that on which the prior art is based Technology possible, the semiconductor areas of the sensor structure structure made of a single-crystalline semiconductor material, preferably wise to produce from a single-crystal silicon.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensors beziehungsweise der erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.Preferred developments of the sensor according to the invention or the manufacturing method according to the invention are specified in the subclaims.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungs­ gemäßen Sensors sowie der Verfahren zur Herstellung dieser Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:Below are with reference to the accompanying Drawing preferred embodiments of the Invention according to the sensor and the method for producing it Exemplary embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1 Eine Querschnittsdarstellung durch ein Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors in Form eines Thermopile; Fig. 1 is a cross-sectional view through an example of the embodiment of the sensor according to the invention in the form of a thermopile;

Fig. 2a bis 2c Schnittdarstellungen durch eine Halbleiter­ wafer bei der Herstellung eines zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors in Form eines Strömungsmeßsensors oder Drucksensors; FIG. 2a to 2c sectional views through a semiconductor wafer in the manufacture of a second exporting of the sensor according to the invention approximately example in the form of a Strömungsmeßsensors or pressure sensor;

Fig. 3 Eine Draufsichtdarstellung auf das zweite Ausfüh­ rungsbeispiel des Sensors; und Fig. 3 is a plan view of the second exemplary embodiment of the sensor; and

Fig. 4 Eine Querschnittsdarstellung eines nach einem abweichenden Verfahren hergestellten dritten Aus­ führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors. Fig. 4 is a cross-sectional view of a third exemplary embodiment of the sensor according to the invention produced by a different method.

Das erste Ausführungsbeispiel eines Sensors nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist als Thermopile ausgeführt und in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die­ ser Thermopile-Sensor 1 umfaßt einen im wesentlichen rahmen­ förmig ausgestalteten Halbleitertragkörper 2, der bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus p-Silizium besteht. Der Halbleitertragkörper 2 wird vorderseitig von einer Membran 3 aus Siliziumnitrid überspannt. Die Membran 3 hat ein erstes Durchgangsloch 4 in ihrem Mittenbereich und ein weiteres Durchgangsloch 5 am Membranrandbereich oberhalb des Halbleitertragkörpers 2.The first exemplary embodiment of a sensor according to the principles of the present invention is designed as a thermopile and is designated in its entirety by reference number 1 . The water thermopile sensor 1 comprises a substantially frame-shaped semiconductor support body 2 , which consists of p-silicon in the embodiment shown here. The semiconductor carrier body 2 is spanned on the front side by a membrane 3 made of silicon nitride. The membrane 3 has a first through hole 4 in its central region and a further through hole 5 at the membrane edge region above the semiconductor carrier body 2 .

Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in Form eines Thermopile 1 wird eine einen Halbleiterbereich umfassende Sensorstruktur durch zwei Leiterbahnen gebildet, nämlich eine oberhalb der Membran auf dieser angeordneten Metallei­ terbahn 6 und einer an der Unterseite der Membran 3 an die­ ser angeordneten monokristallinen, dotierten Siliziumleiter­ bahn 7. Bei der hier gezeigten Ausgestaltung besteht die Metalleiterbahn 6 aus Aluminium und die Siliziumleiterbahn aus monokristallinem p⁺-Silizium. Die Metalleiterbahn 6 und die Siliziumleiterbahn 7 stehen an dem ersten Durchgangsloch 4 miteinander in Kontakt. Die Metalleiterbahn erstreckt sich von dem ersten Durchgangsloch 4 über die Membran 3 bis zu einer ersten Kontaktstelle auf der Membran oberhalb des Halbleitertragkörpers 2, welche durch ein Bondpad 8 gebildet sein kann. Die Siliziumleiterbahn 7 verläuft unterhalb der Membran 5 von dem ersten Durchgangsloch 4 bis zu dem zweiten Durchgangsloch 5, wo sie mit einer weiteren Kontaktstelle 9 in Verbindung steht, welche beispielsweise durch einen Aluminiumbereich innerhalb des zweiten Durchgangsloches 5 oder ein andersartiges Metall-Bondpad gebildet sein kann.In the exemplary embodiment shown here in the form of a thermopile 1 , a sensor structure comprising a semiconductor region is formed by two conductor tracks, namely a metal track 6 arranged above the membrane on this and a monocrystalline, doped silicon conductor track 7 arranged on the underside of the membrane 3 on the water . In the embodiment shown here, the metal conductor 6 is made of aluminum and the silicon conductor is made of monocrystalline p⁺-silicon. The metal conductor 6 and the silicon conductor 7 are in contact with one another at the first through hole 4 . The metal conductor track extends from the first through hole 4 via the membrane 3 to a first contact point on the membrane above the semiconductor carrier body 2 , which can be formed by a bond pad 8 . The silicon conductor 7 runs below the membrane 5 from the first through hole 4 to the second through hole 5 , where it is connected to a further contact point 9 , which can be formed, for example, by an aluminum region within the second through hole 5 or another type of metal bond pad .

Zum Herstellen dieses Thermopile 1 gemäß Fig. 1 wird zunächst auf der Vorderseite eines Siliziumwafers eine Maske aufgebracht, welche photolitographisch strukturiert wird. Anschließend wird durch Implantation oder Diffusion in den Bereich der späteren Siliziumleiterbahn 7 eine p⁺-Dotierung eingebracht. Nach Entfernen der Maske werden auf der Vorder­ seite und der Rückseite des Siliziumwafers Siliziumnitrid­ schichten abgeschieden. Ausgehend von einem rückseitigen Fenster in der Siliziumnitridschicht, welches durch Photoli­ tographie und Ätzen definiert wird, erfolgt ein Freiätzen in KOH bis zu dem Ätzstop, welcher durch die vorderseitige Sili­ ziumnitridmembran 3 einerseits und die p⁺-dotierte Silizium­ leiterbahn 7 andererseits gebildet ist.To manufacture this thermopile 1 according to FIG. 1, a mask is first applied to the front of a silicon wafer, which mask is structured by photolithography. A p⁺-doping is then introduced into the area of the later silicon conductor 7 by implantation or diffusion. After removing the mask, silicon nitride layers are deposited on the front and back of the silicon wafer. Starting from a rear window in the silicon nitride layer, which is defined by photolithography and etching, there is a free etching in KOH up to the etching stop, which is formed by the front silicon nitride membrane 3 on the one hand and the p⁺-doped silicon conductor 7 on the other hand.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2a bis 2c wird ein Herstel­ lungsverfahren sowie unter Bezugnahme auf Fig. 3 eine Drauf­ sichtdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensors beschrieben, welcher als Strömungssensor eingesetzt werden kann. Mit dem soeben beschriebenen ersten Ausführungsbei­ spiel übereinstimmende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.With reference to FIGS . 2a to 2c, a manufacturing method and with reference to FIG. 3 a plan view representation of a second embodiment of a sensor is described which can be used as a flow sensor. With the first Ausführungsbei game just described parts are designated by the same reference numerals.

Wie aus der Draufsichtdarstellung der Fig. 3 erkenntlich ist, wird auch hier ein rahmenartiger Halbleitertragkörper 2 aus Silizium von einer Membran 3 aus Siliziumnitrid über­ spannt, unter der drei Siliziumleiterbahnen 7a, 7b, 7c ver­ laufen, die sich durch jeweilige Durchgangslöcher in der Membran 3 oberhalb des rahmenartigen Halbleitertragkörpers 2 zu Bondpads 9 an der Membranoberfläche erstrecken. Die drei Siliziumleiterbahnen 7a, 7b, 7c an der der Ausnehmung zuge­ wandten Rückseite der Membran 3 bilden einen Heizwiderstand 7b und zwei Temperaturmeßwiderstände 7a, 7c, welche strö­ mungsmäßig vor beziehungsweise hinter dem Heizwiderstand 7b liegen. Die drei Siliziumleiterbahnen 7a, 7b, 7c liegen auf der der Strömung nicht ausgesetzten Rückseite der Membran, während die zu messende Strömung über die Membranvorderseite in Richtung des Pfeiles F läuft.As can be seen from the plan view of FIG. 3, a frame-like semiconductor support body 2 made of silicon is also spanned by a membrane 3 made of silicon nitride, under which three silicon conductor tracks 7 a, 7 b, 7 c run, which pass through respective through holes of the membrane 3 above the frame-like semiconductor carrier body 2 to form bond pads 9 on the membrane surface. The three silicon tracks 7 a, 7 b, 7 c on the back of the membrane 3 facing the recess form a heating resistor 7 b and two temperature measuring resistors 7 a, 7 c, which are in terms of flow before or after the heating resistor 7 b. The three silicon conductor tracks 7 a, 7 b, 7 c lie on the back of the membrane which is not exposed to the flow, while the flow to be measured runs over the front of the membrane in the direction of arrow F.

Zur Herstellung dieses Sensors wird zunächst ein n- oder p-dotierter [100]-Siliziumwafer bereitgestellt, auf dem in einem ersten phototechnischen Schritt Justierkreuze definiert werden, die dann geätzt werden.To manufacture this sensor, an n or p-doped [100] silicon wafer is provided, on which in a first phototechnical step, crosses defined, which are then etched.

In einem zweiten phototechnischen Schritt wird eine vorder­ seitige Maske 10 definiert, woraufhin bei einer Beschleuni­ gungsspannung von 30 keV eine Borimplantation zur Dotierung der späteren Siliziumleiterbahnen 7a, 7b, 7c mit einer Do­ tierung von 3 · 1015/cm2 erfolgt. Ein anschließendes Aus­ heilen der Dotierungsgebiete erfolgt über eine Zeitdauer von 60 Minuten bei 900°C.In a second phototechnical step, a front mask 10 is defined, whereupon an boron implantation for doping the later silicon conductor tracks 7 a, 7 b, 7 c with a doping of 3 × 10 15 / cm 2 takes place at an acceleration voltage of 30 keV. Subsequent healing of the doping regions takes place over a period of 60 minutes at 900 ° C.

Nunmehr wird in einem LPCVD-Verfahren (in einem chemischen Niederdruckdampfabscheidungsverfahren) eine Siliziumnitrid­ schicht von 300 nm abgeschieden. Hierbei bildet sich die spätere vorderseitige Membran 3 und eine rückseitige Nitrid­ maske 11. In einem dritten phototechnischen Schritt wird die rückseitige Maske 11 strukturiert. Nunmehr erfolgt ein Frei­ ätzen in KOH bis zu dem Ätzstop, der durch die p⁺-Silizium­ leiterbahnen 7a, 7b, 7c beziehungsweise die Membran 3 gebil­ det ist. Nach Definition der Durchgangslöcher in der vorder­ seitigen Nitridschicht erfolgt eine Kontaktierung durch Aufdampfen von Aluminium.A silicon nitride layer of 300 nm is now deposited in an LPCVD process (in a chemical low-pressure vapor deposition process). Here, the later front membrane 3 and a rear nitride mask 11 are formed . The rear mask 11 is structured in a third phototechnical step. Now there is a free etching in KOH up to the etching stop, which is formed by the p⁺-silicon conductor tracks 7 a, 7 b, 7 c or the membrane 3 . After defining the through holes in the nitride layer on the front side, contact is made by vapor deposition of aluminum.

In Abweichung von dem anhand der Fig. 2c beschriebenen Herstellungs­ schritt kann die Kontaktierung der p⁺-Siliziumleiterbahnen 7a, 7b, 7c über eine Schattenmaske von der Rückseite her erfolgen. Ebenfalls ist eine Kontaktierung durch Laserdepo­ sition von der Rückseite her möglich. Die Kontaktierung auf der Rückseite, welche die strömungsabgewandte Seite dieses Strömungssensors darstellt ist in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft. In deviation from the manufacturing step described with reference to FIG. 2c, the p⁺-silicon conductor tracks 7 a, 7 b, 7 c can be contacted via a shadow mask from the rear. Contacting by laser deposition is also possible from the rear. The contact on the back, which represents the side of this flow sensor facing away from the flow, is advantageous in many applications.

Bei dem in Fig. 2c gezeigten Herstellungsverfahren, welches zu einer vorderseitigen Kontaktierung der p⁺-Siliziumleiter­ bahn führt, eignet sich der Sensor als piezoresistiv arbei­ tender Drucksensor. Hier wird die Verformung der Membran 3 durch Messung der Widerstände der Leiterbahnen 7a, 7b, 7c gemessen.In the manufacturing process shown in FIG. 2c, which leads to a front-side contacting of the p⁺-silicon conductor track, the sensor is suitable as a piezoresistive working pressure sensor. Here the deformation of the membrane 3 is measured by measuring the resistances of the conductor tracks 7 a, 7 b, 7 c.

Ein weiteres Verfahren stimmt mit dem soeben beschriebenen Herstel­ lungsverfahren bis einschließlich des Schrittes der Abschei­ dung von Siliziumnitrid identisch überein. Ein dritter phototechnischer Schritt dient zur Definition der Öffnungen für die Leiterbahnen auf der Vorderseite. Nunmehr wird vorderseitig Aluminium abgeschieden. In einem vierten phototechnischen Schritt werden Leiterbahnen und Bondpads definiert, woraufhin ein Aluminium-Ätzen durchgeführt wird. Der fünfte phototechnische Schritt dient der Öffnung der Rückseite der rückseitigen Nitridmaske 11, woraufhin das Freiätzen in KOH bis zu dem Ätzstop an der Membran 3 bezie­ hungsweise den p⁺-Leiterbahnen erfolgt.Another process is identical to the manufacturing process just described up to and including the step of depositing silicon nitride. A third phototechnical step serves to define the openings for the conductor tracks on the front. Now aluminum is deposited on the front. In a fourth phototechnical step, conductor tracks and bond pads are defined, whereupon an aluminum etching is carried out. The fifth phototechnical step serves to open the back of the rear nitride mask 11 , whereupon the free etching takes place in KOH up to the etching stop on the membrane 3 or the p⁺ conductor tracks.

Ein derartiger Drucksensor eignet sich für einen Meßbereich von beispielsweise 5 mbar. Die Vorteile des so gefertigten Drucksensors gegenüber einem Sensor mit einer Siliziummem­ bran und Polysilizium-Meßwiderständen bestehen darin, daß für einen niedrigen Meßbereich von beispielsweise 5 mbar Sili­ ziummembranen schwer zu realisieren sind. Einkristallines Silizium eignet sich besser für die piezoresistive Messung der Membranverformung als Polysilizium, welches einen ver­ glichen mit dem einkristallinen Silizium niedrigeren piezo­ resistiven Koeffizienten hat.Such a pressure sensor is suitable for a measuring range of, for example, 5 mbar. The advantages of the so manufactured Pressure sensor versus a sensor with a silicon membrane bran and polysilicon resistors consist in that for a low measuring range of, for example, 5 mbar sili zium membranes are difficult to implement. Single crystal Silicon is better suited for piezoresistive measurement the membrane deformation as polysilicon, which ver compared with the single-crystal silicon lower piezo has resistive coefficients.

Das in Fig. 4 im Querschnitt gezeigte weitere Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors soll zur Verdeutlichung eines abweichenden Herstellungsverfahrens dienen. Bei diesem wird nach dem Bereitstellen des Halbleiterwafers, der den späteren Halbleitertragkörper 2 bildet, eine dotierte Halb­ leiterschicht auf der Vorderseite des Wafers epitaktisch aufgewachsen. Diese wird zur Definition der späteren Leiter­ bahnen 7a, 7b, 7c photolitographisch und ätztechnisch struk­ turiert. Sodann erfolgt eine Abscheidung der späteren Mem­ bran 3, beispielsweise durch LPCVD-Abscheidung von Silizium­ nitrid. Nach Aufbringung und Definition der rückseitigen Maske erfolgt ein rückseitiges Freiätzen, was beispielsweise in KOH geschehen kann.The further embodiment shown in cross section in FIG. 4, for example of a sensor according to the invention, is intended to illustrate a different manufacturing process. In this, a doped semiconductor layer is epitaxially grown on the front side of the wafer after the provision of the semiconductor wafer which forms the later semiconductor support body 2 . This is to define the later conductor tracks 7 a, 7 b, 7 c structured photolithographically and etching technically. Then the later membrane 3 is deposited, for example by LPCVD deposition of silicon nitride. After applying and defining the mask on the back, there is a free etching on the back, which can be done in KOH, for example.

Vollkommen unabhängig von der Art des Herstellungsverfahrens kann die bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen verwen­ dete rückseitige Ausnehmung, die sich von der Rückseite des Wafers 2 bis zu der Membran 3 erstreckt, durch eine vorder­ seitige Ätzausnehmung ersetzt werden. In diesem Fall wird man vorzugsweise die rückseitige Nitridschicht 11 geschlos­ sen lassen und durch eine geeignete Photolitographie und Ätztechnik die vorderseitige Nitridschicht, welche die Mem­ bran 3 bildet, mit Durchbrechungen versehen, von denen aus ein vorderseitiges Unterätzen der Membran mit KOH bis zu dem Ätzstop erfolgt, welcher durch die p⁺-Siliziumleiterbahnen gebildet ist.Completely irrespective of the type of production method, the rear recess used in the described exemplary embodiments, which extends from the rear of the wafer 2 to the membrane 3 , can be replaced by a front-side etching recess. In this case, the rear nitride layer 11 is preferably left closed and the front nitride layer, which forms the membrane 3 , is provided with openings by means of a suitable photolithography and etching technique, from which a front undercutting of the membrane with KOH takes place until the etching stop , which is formed by the p⁺-silicon conductor tracks.

Der erfindungsgemäße Sensor eignet sich für alle Ar­ ten von thermischen Sensoren, nämlich für Strömungssensoren, Vakuumsensoren, Sensoren für die katalytische Gasmessung, Wärmeleitfähigkeitssensoren, Infrarotstrahlungssensoren, UV-Strahlungssensoren, Sensoren für die Messung der Wechsel­ stromleistung, Taupunktsensoren und Sensoren zur Erfassung der Massenbelegung.The sensor according to the invention is suitable for all types thermal sensors, namely for flow sensors, Vacuum sensors, sensors for catalytic gas measurement, Thermal conductivity sensors, infrared radiation sensors, UV radiation sensors, sensors for measuring the change power output, dew point sensors and sensors for detection the mass occupancy.

Als mechanische Sensoren kommen Drucksensoren, Kraftsensoren und Beschleunigungssensoren in Betracht.Pressure sensors, force sensors come as mechanical sensors and acceleration sensors.

In Abweichung von der beschriebenen Siliziumtechnologie können selbstverständlich auch andere Halbleitermaterialien einschließlich der Verbindungshalbleiter eingesetzt werden.In deviation from the silicon technology described can of course also use other semiconductor materials including the compound semiconductors.

In Abweichung von den beschriebenen photolitographischen Verfahren kommen auch Laserprozesse in Betracht, die eine partielle Diffusion ohne Maske gestatten. In deviation from the described photolithographic Laser processes are also considered, one Allow partial diffusion without a mask.  

Der beschriebene Temperatursensor kann dahingehend abgewan­ delt werden, daß anstelle eines Widerstandsmeßstreifens eine zur Temperaturmessung dienende Diode oder ein zur Tempera­ turmessung dienender Transistor unterhalb der Membran unter Einbeziehung des monokristallinen Halbleiterbereiches vorge­ sehen ist.The temperature sensor described can deviate in this regard delt that a instead of a resistance measuring strip Diode for temperature measurement or a tempera transistor serving for measurement below the membrane below Inclusion of the monocrystalline semiconductor area pre see is.

Anstelle eines streifenförmigen Meßwiderstandes, der den monokristallinen Halbleiterbereich umfaßt, kommt auch ein sogenannter verteilter Widerstand, der sich flächig über die Membran erstreckt, und beispielsweise in seinem Mittenbe­ reich kontaktiert ist, in Betracht.Instead of a strip-shaped measuring resistor, the includes monocrystalline semiconductor area, also comes So-called distributed resistance, which is flat over the Extends membrane, and for example in its mid-be is richly contacted.

Bei den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen wur­ de der Halbleiterbereich der Sensorstruktur mit einer p⁺-Do­ tierung versehen, die bei dem darauffolgenden Ätzschritt als Ätzstopp dient. Jeglicher andere Dotierungssprung zwischen dem späteren Halbleiterbereich der Sensorstruktur und des durch Ätzen zu entfernenden Halbleiterbereiches kann bei Verwendung elektrochemischer Ätzverfahren eingesetzt werden. Es kann also auch der Dotierungssprung dadurch erzeugt wer­ den, daß der zu entfernende Halbleiterbereich dotiert wird, während der spätere Halbleiterbereich der Sensorstruktur undotiert bleibt.In the described preferred embodiments de the semiconductor area of the sensor structure with a p⁺-Do tation provided in the subsequent etching step as Etching stop serves. Any other doping jump between the later semiconductor area of the sensor structure and the semiconductor region to be removed by etching can be used in Use of electrochemical etching processes. The doping jump can also be generated by this that the semiconductor region to be removed is doped, during the later semiconductor area of the sensor structure remains undoped.

Claims (19)

1. Sensor mit einem Halbleitertragkörper (2), der eine Ausnehmung aufweist, mit einer die Ausnehmung zumindest teilweise überspannenden Membran (3) und mit einer an der Membran (3) angeordneten, einen Halbleiterbereich (7) umfassenden Sensorstruktur (6, 7), dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (7) der Sensorstruktur (6, 7) auf der der Ausnehmung zugewandten Seite der Membran (3) auf dieser angeordnet ist.1. Sensor comprising a semiconductor support body (2) having a recess at least partially arranged with a recess spanning the membrane (3) and one on the membrane (3), a semiconductor region (7) comprising sensor structure (6, 7), characterized in that the semiconductor region ( 7 ) of the sensor structure ( 6 , 7 ) is arranged on the side of the membrane ( 3 ) facing the recess. 2. Sensor mit einem Halbleitertragkörper (2), der eine Ausnehmung aufweist, mit einer die Ausnehmung zumindest teilweise überspannenden Silizium-Nitrid-Membran (3) und mit einer an der Silizium-Nitrid-Membran (3) angeordneten, einen Halbleiterbereich (7) umfassenden Sensorstruktur (6, 7), dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich (7) der Sensorstruktur (6, 7) auf der der Ausnehmung zugewandten Seite der Silizium- Nitrid-Membran (3) an dieser angeordnet ist.2. Sensor with a semiconductor support body ( 2 ) which has a recess, with a silicon nitride membrane ( 3 ) at least partially spanning the recess and with a semiconductor region ( 7 ) arranged on the silicon nitride membrane ( 3 ) comprehensive sensor structure ( 6 , 7 ), characterized in that the semiconductor region ( 7 ) of the sensor structure ( 6 , 7 ) is arranged on the side of the silicon nitride membrane ( 3 ) facing the recess. 3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorstruktur (6, 7) einen monokristallinen, dotierten Siliziumbereich (7) umfaßt.3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor structure (6, 7) comprises a monocrystalline silicon doped region (7). 4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorstruktur (6, 7) einen p⁺-Siliziumbereich (7) umfaßt.4. Sensor according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the sensor structure (6, 7) a p + silicon region comprises (7). 5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß der Sensor ein Thermopile ist,
daß die Membran (3) ein erstes Durchgangsloch (4) auf­ weist, und
daß die Sensorstruktur (6, 7) eine auf der der Ausneh­ mung zugewandten Seite der Membran (3) angeordnete mono­ kristalline Halbleiter-Leiterbahn (7) umfaßt, die sich bis zu dem ersten Durchgangsloch (4) erstreckt, und fer­ ner eine auf der der Ausnehmung abgewandten Seite der Membran angeordnete Metall-Leiterbahn (6) umfaßt, die sich ebenfalls bis zu dem ersten Durchgangsloch (4) er­ streckt und hier an die monokristalline Halbleiter-Lei­ terbahn (7) angrenzt.
5. Sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that
that the sensor is a thermopile
that the membrane ( 3 ) has a first through hole ( 4 ), and
in that the sensor structure ( 6 , 7 ) comprises a monocrystalline semiconductor conductor track ( 7 ) which is arranged on the side of the membrane ( 3 ) which extends up to the first through hole ( 4 ), and also one on which the recess facing away from the membrane arranged metal conductor track ( 6 ), which also extends to the first through hole ( 4 ) it stretches and here adjoins the monocrystalline semiconductor conductor track ( 7 ).
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Durchgangsloch (4) im Mittenbereich der Membran (3) angeordnet ist,
daß sich die Metall-Leiterbahn (6) von dem ersten Durch­ gangsloch (4) über die Membran (3) bis zu einem oberhalb des Halbleitertragkörper (2) auf der Membran (3) lie­ genden Anschlußpunkt (8) erstreckt, und
daß sich die monokristalline, dotierte Halbleiter-Lei­ terbahn (7) von dem ersten Durchgangsloch (4) über die Membran (3) bis zu einem zweiten Durchgangsloch (5) der Membran (3) erstreckt, welches sich oberhalb des Halb­ leitertragkörpers (2) befindet, durch das (5) die monokristalline Halbleiter-Leiterbahn (6) mit einem weiteren Anschlußpunkt (9) verbunden ist.
6. Sensor according to claim 5, characterized in
that the first through hole ( 4 ) is arranged in the central region of the membrane ( 3 ),
that the metal conductor track ( 6 ) extends from the first through hole ( 4 ) over the membrane ( 3 ) to an above the semiconductor support body ( 2 ) on the membrane ( 3 ) lying connection point ( 8 ), and
that the monocrystalline, doped semiconductor conductor track ( 7 ) extends from the first through hole ( 4 ) via the membrane ( 3 ) to a second through hole ( 5 ) of the membrane ( 3 ), which extends above the semiconductor support body ( 2 ) is located, through which ( 5 ) the monocrystalline semiconductor conductor track ( 6 ) is connected to a further connection point ( 9 ).
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß der Sensor ein Temperaturfühler ist, und
daß die Sensorstruktur wenigstens einen die Temperatur der Membran (3) erfassenden, monokristallinen Halblei­ terstreifen (7a, 7b, 7c) umfaßt.
7. Sensor according to one of claims 1 to 4 or 5, characterized in that
that the sensor is a temperature sensor, and
that the sensor structure comprises at least one monocrystalline semiconductor ( 7 a, 7 b, 7 c) which detects the temperature of the membrane ( 3 ).
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (3) zwei Durchgangslöcher hat, die beide oberhalb des Halbleitertragkörpers (2) angeordnet sind, und
daß sich der Halbleiterstreifen (7a, 7b, 7c) von einem Durchgangsloch bis zu dem anderen Durchgangsloch erstreckt und dort mit Anschlußpunkten verbunden ist.
8. Sensor according to claim 7, characterized in
that the membrane ( 3 ) has two through holes, both of which are arranged above the semiconductor support body ( 2 ), and
that the semiconductor strip ( 7 a, 7 b, 7 c) extends from one through hole to the other through hole and is connected there to connection points.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (3) aus Siliziumnitrid besteht, und
daß der Halbleitertragkörper (2) aus Silizium besteht.
9. Sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in
that the membrane ( 3 ) consists of silicon nitride, and
that the semiconductor support body ( 2 ) consists of silicon.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung eine rückseitige Ätzausnehmung ist, die sich durch den Halbleitertragkörper (2) von dessen der Membran (3) abgewandten Rückseite bis zu der Membran (3) erstreckt.10. Sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the recess is a rear etching recess which extends through the semiconductor support body ( 2 ) from the back of the membrane ( 3 ) facing away to the membrane ( 3 ). 11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung eine sich von Durchbrechungen der Membran (3) oder von Durchbrechungen einer vorderseiti­ gen Ätzmaske aus unter die Membran (3) erstreckende Vorderseitenätzausnehmung ist.11. Sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the recess is one of perforations of the membrane ( 3 ) or of perforations of a front etching mask from under the membrane ( 3 ) extending front side etching recess. 12. Verfahren zum Herstellen eines Sensors nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • - Bereitstellen eines Halbleiterwafers;
  • - Erzeugen eines Dotierungssprunges zwischen dem späte­ ren Halbleiterbereich der Sensorstruktur und einem durch Ätzen zu entfernenden Halbleiterbereich aus­ gehend von der Vorderseite des Halbleiterwafers;
  • - vorderseitiges Aufbringen der späteren Membran; und
  • - Ätzen einer Ausnehmung unterhalb der Membran, die sich bis zu der Membran und zu dem Halbleiterbereich der Sensorstruktur, der auf der der Ausnehmung zugewandten Seite der Membran angeordnet ist, erstreckt, zum Ausbilden des Halbleitertragkörpers.
12. A method for producing a sensor according to claim 1, characterized by the following method steps:
  • - Providing a semiconductor wafer;
  • Generating a doping jump between the later semiconductor region of the sensor structure and a semiconductor region to be removed by etching, starting from the front side of the semiconductor wafer;
  • - Front application of the later membrane; and
  • - Etching a recess below the membrane, which extends up to the membrane and to the semiconductor region of the sensor structure, which is arranged on the side of the membrane facing the recess, to form the semiconductor carrier body.
13. Verfahren zum Herstellen eines Sensors mit einem Halb­ leiterträgerkörper, der eine Ausnehmung aufweist, mit einer die Ausnehmung zumindest teilweise überspannenden Membran und mit einer an der Membran angeordneten, einen Halbleiterbereich umfassenden Sensorstruktur, gekenn­ zeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • - Bereitstellen eines Halbleiterwafers;
  • - epitaktisches Aufwachsen einer Halbleiterschicht auf die Vorderseite des Wafers;
  • - Strukturieren der Halbleiterschicht zur Definition des Halbleiterbereiches der Sensorstruktur;
  • - vorderseitiges Aufbringen der späteren Membran; und
  • - Ätzen einer Ausnehmung unterhalb der Membran, die sich bis zu der Membran und zu dem Halbleiterbereich der Sensorstruktur, der auf der der Ausnehmung zugewandten Seite der Membran angeordnet ist, erstreckt, zum Ausbilden des Halbleitertragkörpers.
13. A method for producing a sensor with a semiconductor carrier body which has a recess, with a membrane which at least partially spans the recess and with a sensor structure which is arranged on the membrane and comprises a semiconductor region, characterized by the following method steps:
  • - Providing a semiconductor wafer;
  • epitaxially growing a semiconductor layer on the front of the wafer;
  • - Structuring the semiconductor layer to define the semiconductor region of the sensor structure;
  • - Front application of the later membrane; and
  • - Etching a recess below the membrane, which extends up to the membrane and to the semiconductor region of the sensor structure, which is arranged on the side of the membrane facing the recess, to form the semiconductor carrier body.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Dotierens folgende Teil­ schritte umfaßt
  • - Erzeugen einer Maskenschicht auf der Halbleiter­ schicht;
  • - photolitographisches Definieren der Maske; und
  • - Implantation und/oder Diffusion von Dotierstoffen.
14. The method according to claim 12, characterized in that the method step of doping comprises the following sub-steps
  • - Creating a mask layer on the semiconductor layer;
  • - photolithographic definition of the mask; and
  • - Implantation and / or diffusion of dopants.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Strukturierens folgende Teilschritte umfaßt:
  • - Erzeugen einer Maskenschicht auf der Halbleiter­ schicht;
  • - photolitographisches Definieren der Maske; und
  • - Implantation und/oder Diffusion von Dotierstoffen.
15. The method according to claim 13, characterized in that the structuring step comprises the following substeps:
  • - Creating a mask layer on the semiconductor layer;
  • - photolithographic definition of the mask; and
  • - Implantation and / or diffusion of dopants.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschicht eine dotierte Halbleiterschicht ist, und
daß der Verfahrensschritt des Strukturierens folgende Teilschritte umfaßt:
  • - Erzeugen einer Maskenschicht auf der dotierten Halb­ leiterschicht;
  • - photolitographisches Definieren dieser Maskenschicht; und
  • - vorderseitiges Wegätzen von nicht maskierten Teilen der dotierten Halbleiterschicht.
16. The method according to claim 13, characterized in
that the epitaxially grown semiconductor layer is a doped semiconductor layer, and
that the structuring step comprises the following substeps:
  • - Generating a mask layer on the doped semiconductor layer;
  • - photolithographic definition of this mask layer; and
  • - Front-side etching away of unmasked parts of the doped semiconductor layer.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung durch rückseitiges Ätzen ausgehend von einer rückseitigen Ätzmaske erzeugt wird.17. The method according to any one of claims 12 to 16, characterized featured, that the recess is based on back etching is generated by a back etching mask. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung durch vorderseitiges Ätzen ausgehend von Durchbrechungen der Membran oder einer vorderseiti­ gen Ätzmaske erzeugt wird.18. The method according to any one of claims 12 to 16, characterized featured, that the recess is based on front-side etching of breakthroughs in the membrane or a front side gen etching mask is generated. 19. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Aufbringens der Membran vor dem Dotieren des späteren Halbleiterbereiches der Sensorstruktur durchgeführt wird, und
daß das Dotieren des Halbleiterbereiches durch die Membran durchgeführt wird.
19. The method according to claim 12, characterized in that the step of applying the membrane is carried out before doping the later semiconductor region of the sensor structure, and
that the doping of the semiconductor region is carried out through the membrane.
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