CN101960276B - 压力传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明中的压力传感器是具有传感器芯片的压力传感器，该传感器芯片具备第一半导体层(1)和压敏区域成为膜片的第二半导体层(3)。在压敏区域中，在第一半导体层(1)上形成开口部，在压敏区域的第二半导体层(3)上形成凹部，第二半导体层(3)的凹部大于第一半导体层(1)的开口部。此外，可以在第一半导体层(1)和第二半导体层(3)之间设置有绝缘层(2)。

Description

压力传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及压力传感器及其制造方法，特别详细地讲，涉及具有膜片的压力传感器及其制造方法。 
背景技术
由于利用半导体的压电电阻效应的压力传感器是小型、轻量、高灵敏度的，所以广泛应用于工业测量、医疗等领域中。这种压力传感器中，在半导体膜片上形成有应变片。通过施加在膜片上的压力来使应变片产生变形。检测因压电电阻效应产生的应变片的电阻变化，来测定压力。此外，为了缓和来自封装的应力，在玻璃等底座上接合形成有膜片的传感器芯片(专利文献1)。 
膜片是通过将半导体晶片利用蚀刻进行深挖(掘り込む)而形成的。膜片的厚度对压力传感器的特性产生非常大的影响。从而，需要对膜片的厚度即蚀刻量进行准确的控制。在此，已公开有一种在半导体晶片上形成由绝缘层构成的蚀刻终止层的技术(专利文献2)。 
专利文献1：JP特开2002-277337号公报 
专利文献2：JP特开2000-171318号公报 
在此，利用附图7来说明压力传感器的构成。图7是表示以往的压力传感器的构成的侧面剖视图。传感器芯片10例如由单晶体Si基板构成。此外，在传感器芯片10上形成有具有压电电阻效应的应变片5、15。传感器芯片10的中央部分被蚀刻而形成有膜片4。在此，传感器芯片10的中央部分被蚀刻成锥形。因此，传感器芯片背面的膜片传感器开口尺寸大于膜片尺寸。在芯片10上接合有底座11。在膜片4的周边部上，底座11接合于传感器芯片10。 
此外，利用附图8来说明具有蚀刻终止层的半导体基板的压力传感器的构成例。图8是表示压力传感器的构成的侧面剖视图。如图8所示，压力传感器在n型单晶体Si层41和n型单晶体Si层43之间配设有SiO2层42。此外，以SiO2层42作为蚀刻终止层，对压敏区域的n型单晶体Si层41进行蚀刻(一次深挖)。进而，对压敏区域的SiO2层42进行蚀刻。然后，通过对n型单晶体Si层43进行蚀刻(二次深挖)，形成膜片44。在n型单晶体Si层43上形成有应变片45。 
在该压力传感器中，对n型单晶体Si层43蚀刻规定的量，因此膜片44的n型单晶体Si层43能够变为均匀的厚度。此外，能够去除膜片44及膜片边缘部46的SiO2层42。由此，能够提高膜片边缘部46的强度。 
然而，本申请的发明人发现，在上述的制造方法中，在膜片边缘部46上形成所谓被称为切口(notch：凹处)的应力集中部位。即，在高压力(例如，3MPa以上)下，导致应力集中在切口上，由此带来耐压劣化、芯片破坏。关于该理由，在下面进行说明。 
在蚀刻n型单晶体Si层43时，n型单晶体Si层41及SiO2层42的侧壁被侧向腐蚀。从而，在膜片边缘部46中，因蚀刻率之差而使SiO2层42露出，由于一般被认为是切口形成原因的电荷向SiO2层的堆积，而在n型单晶体Si层41上形成切口。切口中，n型单晶体Si层41比SiO2层的侧端面更凹陷。特别是，为了在n型单晶体Si层43上形成用于分散应力的R形状，而在二次深挖中采用各向同性蚀刻。即，通过采用各向同性蚀刻在作为应力集中部位的n型单晶体Si层43的端部形成R形状，而能够分散应力。在利用各向同性蚀刻来加工n型单晶体Si层43时，n型单晶体Si层41的侧向腐蚀率变高。因此，形成上述的切口，并在此集中应力，由此带来耐压劣化、芯片破坏。这样，导致耐压性能劣化。 
为了提高压力传感器的压力灵敏度，需要增大膜片4。此外，为了确保与底座11的接合强度，需要增大接合区域的面积。然而，在传感器芯片10的大小一定时，如果为了提高灵敏度而增大膜片4，则与底座的接合面积变小，如果为了提高接合的可靠度而增加接合区域，则导致膜片4变小。因此，为了提高压力灵敏度并确保接合强度，就存在必须增大传感器芯片10的问题。从而，在图7的构成中，难于实现压力传感器的小型化、高性能化。 
本发明是为了解决这种问题点而成的，其目的在于，提供一种高性 能的压力传感器及其制造方法。 
发明内容
本发明的一个方式涉及的压力传感器，具有传感器芯片，该传感器芯片具备第一半导体层和压敏区域成为膜片的第二半导体层，其中，在上述压敏区域中，在上述第一半导体层上形成开口部，在上述压敏区域的上述第二半导体层上形成凹部，上述第二半导体层的凹部大于上述第一半导体层的上述开口部。由此，能够扩大压敏区域，能够提高测量灵敏度。因此，能够实现高性能的压力传感器。 
本发明的另一个方式涉及的压力传感器具有传感器芯片，该传感器芯片具备第一半导体层、形成在上述第一半导体层上的绝缘层、以及形成在上述绝缘层上且压敏区域成为膜片的第二半导体层，其中，在上述压敏区域中，在上述第一半导体层及上述绝缘层上形成开口部，在上述压敏区域的上述第二半导体层上形成凹部，在上述绝缘层和上述第一半导体层的界面上，在上述压敏区域侧，上述第一半导体层及上述绝缘层的侧端的位置相一致。由此，能够缓和向切口部分的应力集中，因此能够提高耐压特性。因此，能够实现高性能的压力传感器。 
在上述的压力传感器中，其特征也可以是，在上述第二半导体层上形成的凹部大于上述绝缘层的开口部。由此，能够扩大压敏区域，能够提高测量灵敏度。因此，能够实现高性能的压力传感器。 
在上述的压力传感器中，上述膜片的形状也可以是多边形。此外，在上述的压力传感器中，上述膜片的形状也可以是圆形。 
上述压力传感器也可以还具备与上述传感器芯片接合的底座，且在上述底座与上述传感器芯片的接合部的周边具有非接合部，该非接合部在上述底座与上述传感器芯片之间设置有间隙。 
本发明的一个方式涉及的压力传感器的制造方法中，该压力传感器具有传感器芯片，该传感器芯片设置有第一半导体层和压敏区域成为膜片的第二半导体层，该制造方法包括：对成为压敏区域的部分的上述第一半导体层进行蚀刻的工序；在上述第一半导体层的侧壁上形成保护膜的工序；在形成上述保护膜之后，对成为上述压敏区域的部分的上述第二半导体层进行蚀刻，而形成上述膜片的工序。由此，能够在保护第一半导体层的状 态下，对第二半导体层进行蚀刻。因此，能够提高蚀刻的控制性，能够制造高性能的压力传感器。 
上述的压力传感器中，也可以在形成上述膜片的工序中，对上述第二半导体层进行蚀刻，并在上述第二半导体层上形成大于上述第一蚀刻部分的凹部。由此，能够实现小型且接合的可靠度高的压力传感器。本发明的另一个方式涉及的压力传感器的制造方法中，该压力传感器具备在第一半导体层和构成膜片的第二半导体层之间设置的绝缘层，该制造方法包括：对成为压敏区域的部分的上述第一半导体层进行蚀刻的工序；对成为上述压敏区域的部分的上述绝缘层进行蚀刻的工序；在上述第一半导体层的侧壁上形成保护膜的工序；在形成上述保护膜之后，对成为上述压敏区域的部分的上述第二半导体层进行蚀刻，而形成上述膜片的工序。由此，能够在保护第一半导体层的状态下，对第二半导体层进行蚀刻。因此，能够提高蚀刻的控制性，能够制造高性能的压力传感器。 
上述的压力传感器中，也可以在形成上述膜片的工序中，对上述第二半导体层进行蚀刻，并在上述第二半导体层上形成大于上述绝缘层的蚀刻部分的凹部。 
上述的压力传感器中，其特征也可以是在对上述第一半导体层进行蚀刻的工序中，将上述绝缘层作为蚀刻终止层。由此，能够提高蚀刻的控制性，能够制造高性能的压力传感器。 
上述的压力传感器中，也可以利用碳氟化合物膜形成上述保护膜。由此，能够简单地形成保护膜，因此能够提高生产率。 
上述的压力传感器中，上述膜片也可以形成为多边形。此外，上述的压力传感器中，上述膜片也可以形成为圆形。 
上述的压力传感器还可以包括将上述底座与上述传感器芯片接合的工序，且在上述底座与上述传感器芯片的接合部的周边具有非接合部，该非接合部在上述底座与上述传感器芯片之间设置有间隙。 
根据本发明，由此能够扩大压敏区域，能够提高测定灵敏度，因此能够提供高性能的压力传感器及其制造方法。 
附图说明
图1是表示本发明实施方式1涉及的压力传感器的构成的侧面剖视图。 
图2A是表示本发明实施方式1涉及的压力传感器的构成的俯视图。 
图2B是表示本发明实施方式1涉及的压力传感器的构成的仰视图。 
图2C是表示本发明实施方式1涉及的压力传感器的构成的仰视图。 
图3A是表示本发明实施方式1涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图3B是表示本发明实施方式1涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图3C是表示本发明实施方式1涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图3D是表示本发明实施方式1涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图3E是表示本发明实施方式1涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图3F是表示本发明实施方式1涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图4是表示本发明实施方式2涉及的压力传感器的构成的侧面剖视图。 
图5是表示本发明实施方式2涉及的压力传感器的构成的俯视图。 
图6A是表示本发明实施方式2涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图6B是表示本发明实施方式2涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图6C是表示本发明实施方式2涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图6D是表示本发明实施方式2涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图6E是表示本发明实施方式2涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图6F是表示本发明实施方式2涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图6G是表示本发明实施方式2涉及的压力传感器的制造工序的工序剖视图。 
图7是表示以往的压力传感器的构成的侧面剖视图。 
图8是表示以往的压力传感器的构成的侧面剖视图。 
其中，附图标记说明如下： 
1第一半导体层，1a开口部，2绝缘层，2a开口部，3第二半导体层，4膜片，5应变片，5a～5d应变片，6膜片边缘部，7保护膜，10传感器芯片，11底座，12凹部，13非接合部，13A接合部，14阶梯部，15应变片，15a～15d应变片，17贯通孔，41 n型单晶体Si层，42 SiO2层，43 n型单晶体Si层，44膜片，45应变片，46膜片边缘部。 
具体实施方式
实施方式1 
参考附图来详细说明适用本发明的具体实施方式。图1是表示本实施方式涉及的压力传感器的构成的侧面剖视图。图2A是表示压力传感器的构成的俯视图，图2B是表示压力传感器的构成的仰视图。本实施方式涉及的压力传感器是利用半导体的压电电阻效应的半导体压力传感器。 
压力传感器具备成为底座的第一半导体层1、绝缘层2和第二半导 体层3。第一半导体层1和第二半导体层3例如由n型单晶体硅层构成。绝缘层2例如由SiO2层构成。在第一半导体层1之上形成有绝缘层2。此外，在绝缘层2之上形成有第二半导体层3。从而，在第一半导体层1和第二半导体层3之间配设有绝缘层2。绝缘层2在蚀刻第一半导体层时起到蚀刻终止的作用。第二半导体层3构成膜片4。如图2A、图2B所示，膜片4配设于芯片的中央部分。 
在成为压敏区域的部分中，在第一半导体层1和绝缘层2形成有开口部，而露出第二半导体层3。即，在成为压敏区域的压力传感器的中央部分中，第二半导体层3的两表面露出。此外，在成为压敏区域的部分中，在第二半导体层3上形成凹部。即，在成为压敏区域的部分中，第二半导体层3的厚度与其他部分相比变薄。这样，第二半导体层3变薄的部分成为用于测量压力的膜片4。在此，在俯视图中，膜片4形成为正方形。与正方形的膜片4对应的区域为压力传感器的压敏区域。膜片4也可以是圆形或多边形。在膜片4为圆形时，如图2C所示，配置成圆形的膜片4和正方形的传感器芯片10的中心相一致。并且，图2C是表示膜片4为圆形时的压力传感器的构成的仰视图。此外，如后所述地在圆形的膜片4上形成应变片5。 
在第二半导体层3的上表面侧形成有应变片5。具有压电电阻效应的应变片5配设在膜片4上。在此，第二半导体层3上形成有四个应变片5。并且，在第二半导体层3的上表面上形成与应变片5连接的金属电极(未图示)。此外，四个应变片5接线成电桥电路。因由膜片4隔开的空间的压力之差，膜片4产生变形。应变片5相应于膜片4的变形量而使电阻发生变化。通过检测该电阻变化，能够测量压力。 
在此，使膜片4的两端附近为膜片边缘部6。在膜片边缘部6中，在第一半导体层1与绝缘层2之间的界面上，第一半导体层1的侧端与绝缘层的侧端的位置相一致。即，在压敏区域侧，第一半导体层1的侧端与绝缘层的侧端处于相同位置。从而，成为无切口(notch free)结构，即使在高压力(例如，3MPa以上)下，也能够减轻应力集中。能够抑制压力传感器的耐压劣化、芯片破坏。此外，在膜片边缘部6中，第二半导体层3的侧端向第一半导体层1及绝缘层2上所形成的开口部的外侧露出。此外，第二半导体层3的侧端被加工成R形状。因此，能够缓和应力集中。 
然后，利用图3A～图3F来说明压力传感器的制造方法。图3A～图3F是表示压力传感器的制造方法的工序剖视图。首先，如图3A所示，准备由第一半导体层1和0.5μm左右厚度的绝缘层2及第二半导体层3构成的SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)晶片。为制作该SOI晶片，可以采用在Si基板中注入氧而形成SiO2层的SIMOX(Separation by IMplanted Oxygen，注氧隔离)技术，也可以采用将两张Si基板粘合的SDB(Silicon DirectBonding，硅直接键合)技术，还可以采用其他方法。 
对第二半导体层3进行平坦化及薄膜化。例如，利用被称为CCP(Computer Controlled Polishing，数控抛光)的研磨法等，对第二半导体层3进行研磨，直到达到规定的厚度(例如80μm)为止。 
在这样形成的SOI晶片的下表面上形成SiO2膜或抗蚀剂膜(未图示)。在该SiO2膜或抗蚀剂膜的相当于压敏区域(形成膜片4的区域)的部分形成开口部。然后，将这样形成了图案的SiO2膜或抗蚀剂膜作为膜片形成用的蚀刻掩模，对第一半导体层1进行蚀刻(一次深挖)。在此，通过干式蚀刻，加工第一半导体层1。更具体地说，通过ICP伯士法(bosch process)，对第一半导体层1进行蚀刻。在伯士法中，进行各向异性蚀刻，因此如图3B所示，第一半导体层1的侧端面成为几乎垂直。 
并且，在伯士法中，交替地实施蚀刻步骤和保护步骤(沉积步骤)。蚀刻步骤和保护步骤每隔几秒反复地执行。在蚀刻步骤中，例如进行采用SF6气体的各向同性蚀刻。在保护步骤中，采用碳氟化合物气体(例如C4F8等)来保护侧壁。即，在第一半导体层1上堆积保护侧壁的膜。由此，抑制蚀刻步骤中的横向上的蚀刻，因此能够对第一半导体层1进行各向异性蚀刻。这样，通过采用伯士法，能够深层挖陷硅，形成垂直的沟槽(trench)结构。 
在此，绝缘层2作为蚀刻终止层来起作用。因此，蚀刻在上述开口部中缓慢地进行，但当到达绝缘层2时，自动停止。这样，第一半导体层1被去除，直到露出绝缘层2。由此，在成为压力传感器的芯片的中央部分，在第一半导体层1上形成开口部，绝缘层2露出。当然，也可以通过采用KOH或TMAH等溶液的湿式蚀刻，对第一半导体层1进行蚀刻。此时，第一半导体层1被加工成锥形。 
接着，将第一半导体层1作为蚀刻掩模，对绝缘层2进行蚀刻。例如，通过采用HF等溶液的湿式蚀刻，来加工绝缘层2。当然，对于绝缘层2，可以采用除此之外的腐蚀剂来蚀刻，也可以采用干式蚀刻来进行蚀刻。通过对第一半导体层1的蚀刻来去除露出的绝缘层2，成为图3C所示的构成。这样，在成为压敏区域的部分中，在第一半导体层1及绝缘层2上形成开口部，露出第二半导体层3。在此，第一半导体层1及绝缘层2上设置的开口部的直径大致相同。 
此外，当在晶片的表面上形成规定厚度的保护膜7时，成为图3D所示的构成。保护膜7形成在晶片的整个表面上。从而，保护膜7形成为覆盖第一半导体层1。进而，在绝缘层2的侧面和露出第二半导体层3的部分上形成保护膜7。即，在第一半导体层1及绝缘层2上形成有开口部的部分上，在第二半导体层3的表面堆积保护膜7。保护膜7在后述的第二半导体层3的蚀刻工序中，防止第一半导体层1被侧向腐蚀。 
保护膜7是例如通过进行伯士法的保护步骤而形成的。即，采用C4F8气体等的含有碳原子和氟原子的气体来对保护膜7进行成膜。在此，由于采用碳氟化合物气体，所以保护膜7由碳氟化合物膜形成。由此，在晶片的整个面上堆积保护膜7。并且，可以通过反复进行几秒钟的保护步骤来形成保护膜，也可以通过连续长时间地进行保护步骤来形成保护膜7。进而，也可以在伯士法以外的过程中形成保护膜7。例如，可以由光蚀刻等来形成保护膜7。或者，也可以通过CVD(化学气相生长法)等来堆积保护膜7。此外，保护膜7形成为如下厚度，即在后面实施的第二半导体层3的蚀刻工序中，第一半导体层1不会被侧向腐蚀的程度。即，考虑第二半导体层3的蚀刻量，来设定形成保护膜7的厚度。此外，保护膜7只要形成在第一半导体层1的侧壁上即可，在其他部分上也可以不形成。 
其后，在形成有保护膜7的状态下，对第二半导体层3进行蚀刻(二次深挖)。由此，在第二半导体层3上形成用于成为膜片4的凹部。在此，能够采用伯士法的蚀刻步骤。即，采用含有硫原子和氟原子的气体(SF6)来进行干式蚀刻。由于在第一半导体层1的侧壁上形成有保护膜7，所以可抑制第一半导体层1的侧向腐蚀。因此，第一半导体层1不被蚀刻，在第一半导体层1和绝缘层2的界面上不形成切口。即，在第一半导体层1和绝缘层2的界面上，能够使第一半导体层1的侧端和 绝缘层2的侧端处于相同位置。在压敏区域侧，能够使第一半导体层1的侧端和绝缘层的侧端的位置相一致。并且，第二半导体层3的蚀刻深度通过时间管理被控制在规定的微小量(5～50μm左右)。 
此外，在第二半导体层3上施加偏置电压的状态下，进行干式蚀刻时，离子朝向第二半导体层3被加速。因此，离子的纵向速度高于横向速度。等离子中的离子的大部分，在第一半导体层1及绝缘层2的开口部中，朝向第二半导体层3。从而，离子对在第二半导体层3的表面上形成的保护膜7的碰撞频率变高，在第二半导体层3的表面上形成的保护膜7以某种程度高的蚀刻率被蚀刻。此外，在第二半导体层3的表面上形成的保护膜7迅速地被去除，露出第二半导体层3。 
另一方面，由于与上述同样的理由，离子对在第一半导体层1的侧壁上设置的保护膜7的碰撞频率相对变低，因此在第一半导体层1的侧壁表面上形成的保护膜7的蚀刻率变低。从而，开口部中的保护膜7的纵向上的蚀刻率高于横向上的蚀刻率。由此，在第一半导体层1的侧壁表面上形成的保护膜7残留的状态下，第二半导体层3被蚀刻。第一半导体层1的侧壁不会被蚀刻，能够成为没有应力集中部位的无切口结构。 
此外，当第二半导体层3的表面的保护膜7被去除，露出第二半导体层3时，第二半导体层3被各向同性地蚀刻。从而，第二半导体层3被侧向腐蚀。第二半导体层3因侧向腐蚀而被去除的部分，向第一半导体层1及绝缘层2上形成的开口部的外侧露出。即，第二半导体层3的侧端位置从第一半导体层1及绝缘层2的侧端偏离。用于构成膜片4的凹部大于第一半导体层1及绝缘层2的开口部。此外，当用药液等清洗晶片，并去除晶片上形成的保护膜7后，成为图3E所示的构成。这样，对第二半导体层3进行侧向腐蚀，而在第二半导体层3上形成大于绝缘层2的蚀刻部分的凹部。由此，能够增大压敏区域。此外，第二半导体层3的侧端通过侧向腐蚀被加工成R形状。由此，能够缓和应力集中。 
这样，在第二半导体层3上形成膜片4。第二半导体层3的蚀刻是5～50μm左右的微小量，不会因蚀刻而使厚度产生不均，因此能够形成均匀厚度的膜片4。因此，能够提高测量精度。此外，能够提高膜片边缘部6的强度。 
此外，在形成保护膜7的工序中采用伯士法的保护步骤，在对第二 半导体层3进行蚀刻的工序中采用伯士法的蚀刻步骤等。由此，能够在同一装置内连续进行处理，因此能够提高生产率。此外，通过利用伯士法来进行一次深挖，而能够采用同一装置，因此能够进一步提高生产率。当然，也可以用其他蚀刻方法来蚀刻第二半导体层3。 
在第二半导体层3的上表面上，通过杂质扩散或离子注入法来形成由p型Si构成的应变片(压电电阻区域)5。应变片5形成在第二半导体层3的膜片4上。由此成为图3F所示的构成。接着，在第二半导体层3的上表面形成SiO2层(未图示)，在应变片5上的SiO2层上形成接触孔之后，在该接触孔部分蒸镀用于实现与应变片5的电连接的金属电极(未图示)。并且，形成金属电极的工序，也可以在图3A～图3E之间的任意工序中实施。这样压力传感器的制作结束。当然，也可以将上述芯片安装在底座等上。 
这样，在第一半导体层1的侧壁上形成了保护膜7的状态下，实施二次深挖。由此，能够防止在第一半导体层1和绝缘层2的界面上第一半导体层1的压敏区域侧端形成切口。由此，能够缓和应力集中。能够降低耐压劣化，能够防止芯片破坏。在如上述的无切口结构的情况下，在模拟时施加3MPa时，能够降低大约34％的集中在膜片边缘部6上的应力。由此，能够降低耐压劣化，能够实施高耐压的膜片结构。此外，由于通过各向同性蚀刻来进行二次深挖，所以能够增大第二半导体层3的凹部。由此，能够增加压敏区域的面积。此外，压敏区域侧的第二半导体层3的侧端被加工成R形状，因此能够缓和应力集中。因此，能够提高耐压强度。由此，能够实现高性能的压力传感器。 
实施方式2 
参考附图来详细说明适用本发明的具体实施方式。图4是表示本实施方式涉及的压力传感器的构成的侧面剖视图。图5是该压力传感器的俯视图。图4是图5的II-II剖视图。本实施方式涉及的压力传感器是利用半导体的压电电阻效应的半导体压力传感器。 
压力传感器30具有：由晶面方位为(100)面的n型单晶体Si构成的正方形的传感器芯片10；接合有传感器芯片10的底座11。传感器芯片10具备成为底座的第一半导体层1、绝缘层2和第二半导体层3。即，传感器芯片10具有由第一半导体层1、绝缘层2和第二半导体层3构成 的三层构造。第一半导体层1和第二半导体层3由n型单晶体Si层构成。绝缘层2例如由SiO2层构成。在第一半导体层1之上形成有绝缘层2。并且，在绝缘层2之上形成有第二半导体层3。从而，在第一半导体层1和第二半导体层3之间配设有绝缘层2。在对第一半导体层1进行蚀刻时，绝缘层2作为蚀刻终止层起作用。第二半导体层3构成膜片4。膜片4配设在传感器芯片10的中央部分上。 
在成为压敏区域的部分上，在第一半导体层1及绝缘层2形成开口部1a、2a，而露出第二半导体层3。用于在第一半导体层1上形成开口部1a的蚀刻工序中，利用各向异性蚀刻来去除第一半导体层1。从而，第一半导体层1的侧壁变为大致垂直。此外，在成为压敏区域的部分中，在第二半导体层3的背面中央形成有凹部12。即，在成为压敏区域的部分，第二半导体层3的厚度变得比其他部分薄。这样，第二半导体层3变薄的部分成为用于测量压力的膜片4。在此，在俯视时，在传感器芯片10的表面中央部上形成有正方形状的膜片4。与该膜片4对应的区域成为压力传感器30的压敏区域。凹部12形成为正方形状。 
在传感器芯片10上设置有围绕膜片4的厚壁部10a。厚壁部10a形成传感器芯片10的外周部。在传感器芯片10的背面侧，传感器芯片10的厚壁部10a阳极接合于底座11上。底座11由硼硅酸耐热玻璃(注册商标)、陶瓷等形成为具有与传感器芯片10大致相同大小的棱柱体。在底座11的中央处，经由第一半导体层1及绝缘层2的开口部1a、2a，形成有用于将测量压力P1引向膜片4的背面侧的贯通孔17。即，贯通孔17与开口部1a、开口部2a及凹部12相连通。 
正方形的膜片4相对于正方形的传感器芯片10倾斜45°。此外，在膜片4表面的周缘部附近形成有四个差压或压力检测用的应变片5a～5d，该应变片5a～5d作为压电区域起作用且用于检测差压或压力。应变片5a～5d被配置成位于传感器芯片10的对角线b、b上。此外，这些应变片5a～5d在传感器芯片10的晶面方位(100)上，与压电电阻系数为最大的<110>的晶轴方向平行地形成。 
这样，在第二半导体层3的上表面侧形成有具有压电电阻效应的应变片5a～5d。应变片5a～5d配设在膜片4上。在此，在第二半导体层3上形成有四个应变片5a～5d。并且，在第二半导体层3的上表面上形成与应变片5a～5d连接的金属电极(未图示)。此外，应变片5a～5d 接线成电桥电路。即，应变片5a～5d构成惠斯登电桥电路。因由膜片4隔开的空间的压力之差使膜片4产生变形。应变片5a～5d相应于膜片4的变形量使电阻变化。通过检测该电阻变化，能够测量压力。 
例如，当向膜片4的表面背面上施加测量压力P1、P2时，膜片4产生变形。随着膜片4的变形各应变片5a～5d的电阻率变化。由此，测量压力P1、P2的差压信号被差动性地输出。 
此时的应变片5a～5d的电阻变化率可以由下述式子表示。 
ΔR/R＝π44(σr-σθ)/2……(1) 
其中，π44是压电电阻系数，σr是与膜片4的边垂直的应力，σθ是与膜片4的边平行的应力。 
在传感器芯片10的厚壁部10a中，仅将背面的一部分接合于底座1的表面，其余的部分未接合于底座11。从而，厚壁部10a由非接合部13和接合部13A构成。非接合部13配置于接合部13A外侧。非接合部13位于厚壁部10a的各棱角部。接合部13A以外形八边形的框架形状来围绕膜片4。 
本实施方式中，在底座11的表面上形成阶梯部14。阶梯部14配置于与各非接合部13对应的棱角部。由此，能够使厚壁部10a的各棱角部离开底座11而成为非接合部13。在非接合部13中，在底座11与传感器芯片10之间形成有与阶梯部14的高度对应的间隙。当然也可以在厚壁部10a的背面侧形成阶梯部，并设置非接合部13。 
本实施方式中，如后所述，在第一半导体层1的蚀刻中采用各向异性蚀刻。从而，在第一半导体层1上形成的开口部1a及绝缘层2上形成的开口部2a大致垂直地形成。即，压敏区域侧的第一半导体层1及绝缘层2的侧壁与传感器芯片10的表面相垂直。此外，在第二半导体层3的蚀刻工序中，对第二半导体层3各向同性地进行蚀刻。由此，第二半导体层3被侧向腐蚀，凹部12变得大于开口部1a。这样，从传感器芯片10的背面侧到绝缘层2为止之间，膜片4的开口尺寸变为大致一定。在膜片4的开口尺寸变化的部分上配置绝缘层2。在绝缘层2和第二半导体层3的界面上，膜片4的开口尺寸变化，并且第二半导体层 3中的膜片尺寸变大。 
这样，第二半导体层3的凹部12变得大于开口部1a及开口部2a。正方形的压敏区域比正方形的开口部1a及开口部2a大一圈。即，膜片4的开口尺寸比背面侧的膜片4的开口尺寸大一圈。由此，能够扩大压敏区域。因此，能够提高压力传感器30的测量灵敏度。此外，即使增大膜片4的情况下，也能够扩大接合部13A的面积。由此，即使不增大芯片大小，也能够提高接合强度。因此，在能够实现压力传感器30的小型化的同时，能够提高可靠性。因此，能够实现与以往相比小型且高性能的传感器芯片。 
在此，即使施加到膜片4的两面的测量压力P1、P2之差为0，在静压、温度产生变化的情况下，因材料的不同及形状，上述式(1)中的σr-σθ之差不会成为0。因此，电桥电路产生输出，而产生零点漂移这样的问题。这样，因静压或温度变化，使σr≠σθ，应变片5a～5d的电阻值发生变化。即，传感器芯片10和底座11的接合面影响到膜片4的变形。此外，传感器芯片10和膜片4倾斜大致45°。此时，传感器芯片10的接合面中对角线b方向上的接合面的长度变长。因此，在接合厚壁部10a的背面整体时，与膜片4的边垂直的应力σr大于与膜片4的边平行的应力σθ。其结果，发生零点漂移，存在无法以高精度检测出差压的问题。 
于是，在压力传感器30中，为了缓和应力并减少交调失真，而仅使传感器芯片10的厚壁部10a的背面一部分接合于底座11上。即，厚壁部10a的背面一部分上形成有阶梯部14。此外，通过使形成有阶梯部14的部分离开底座11，而将其设为非接合部13，未形成有阶梯部14的部分接合于底座11上，从而将其设为接合部13A。阶梯部14的形成部位，在传感器芯片10的背面的各棱角部上，非接合部13位于接合部13A的外侧。非接合部13的大小形成为如下：在应变片5a～5d上发生的与膜片4的边垂直的方向上的应力σr和与膜片4的边平行的方向上的应力σθ相等。换言之，通过将非接合部13的长度A和接合部13A的长度B之比A/B最优化，使σr＝σθ，使因静压或温度产生的零点漂移变为最小。 
这样，传感器芯片10和底座11的接合面影响到膜片4的变形。在正方形的膜片4相对于正方形的传感器芯片10倾斜45°来形成时，传 感器芯片10的接合面中对角线方向上的接合面的长度变长。因此，当接合厚壁部10a的背面整体时，与膜片4的边垂直的应力σr大于与膜片4的边平行的应力σθ。因此，通过设置非接合部13，并将其长度A和接合部13A的长度B之比A/B最优化，能够使应力σr和应力σθ大致相等。由此，能够提高S/N比。 
这样，通过将A/B最优化，能够使σr＝σθ，使因静压或温度产生的零点漂移变为最小。并且，实际上有时使σr和σθ完全相等是极其困难的。此时，通过在同一传感器芯片上设置静压检测用的应变片15a～15d，能够矫正差压或压力检测用的应变片5a～5d的检测信号。由此，可更高精度地测量差压或压力。 
在第二半导体层3的表面侧形成有具有压电电阻效应的应变片15a～15d。应变片15a～15d形成在膜片4的外侧。应变片15a～15d形成在与非接合部13对应的厚壁部10a的表面上。由应变片15a～15d检测静压，利用其检测信号来矫正上述差压或压力检测用的应变片5a～5d的检测信号。静压检测用的应变片15a～15d配置于传感器芯片10的对角线b、b上。进而，应变片15a～15d被设置成位于传感器芯片10的各棱角部上。此外，应变片15a～15d在传感器芯片10的晶面方位(100)上压电电阻系数为最大的<110>晶轴方向上形成得较长。应变片15a～15d与差压或压力检测用的应变片15a～15d同样通过扩散或离子注入法来形成。此外，应变片15a～15d通过未图示的引线接线成惠斯登电桥。应变片15a～15d通过随着因静压引起的非接合部13的变形使电阻率发生变化，由此检测出静压。此外，应变片15a～15d利用其检测信号来矫正差压或压力检测用的应变片15a～15d的检测信号。 
应变片15a～15d配置于非接合部13的表面上。此外，应变片15a～15d配置于离开膜片4的中心的位置上。当设置非接合部13时，产生由静压引起的发生应力高的区间。当将应变片15a～15d设置于该区间内且非接合部13的传感器芯片10表面上时，对静压的灵敏度变高，对差压的灵敏度变低。由此，能够降低交调失真，能够高精度地矫正由差压或压力检测用的应变片15a～15d检测到的检测信号。应变片15a～15d也可以被配置成其一部分一直延伸到接合部13A的传感器芯片10表面。并且，优选为向接合部13A延伸的部分的长度短于在非接合部13设置的部分的长度。 
在此，将膜片4的两端附近设定为膜片边缘部6。在膜片边缘部6中，第二半导体层3的侧端向第一半导体层1和绝缘层上形成的开口部1a、2a的外侧露出。此外，第二半导体层3的侧端被加工成R形状。因此，能够缓和应力集中。此外，由于能够增大膜片4，所以能够得到小型且高精度的压力传感器30。 
然后，参考图6A～图6G来说明压力传感器30的制造方法。图6A～图6G是表示压力传感器的制造方法的工序剖视图。首先，如图6A所示，准备由第一半导体层1、0.5μm左右厚度的绝缘层2及第二半导体层3构成的SOI(Silion On Insulator)晶片。为了制作该SOI晶片，可以采用向Si基板中注入氧来形成SiO2层的SIMOX(Separation byImplanted OXygen)技术，也可以采用将两张Si基板粘合的SDB(SiliconDirect Bonding)，还可以采用其他方法。 
对第二半导体层3进行平坦化及薄膜化。例如，利用被称为CCP(Computer Controlled Polishing)的研磨法等来对第二半导体层3进行研磨，直到达到规定的厚度(例如80μm)为止。 
在这样形成的SOI晶片的下表面上形成SiO2膜或抗蚀剂膜(未图示)。在该SiO2膜或抗蚀剂膜的相当于压敏区域(形成膜片4的区域)的部分形成开口部。此外，将这样形成了图案的SiO2膜或抗蚀剂膜作为膜片形成用的蚀刻掩模，对第一半导体层1进行蚀刻(一次深挖)。在此，通过干式蚀刻，加工第一半导体层1。更具体地说，通过ICP伯士法，对第一半导体层1进行蚀刻。在伯士法中，进行各向异性蚀刻，因此如图6B所示，第一半导体层1的侧端面成为几乎垂直。 
并且，在伯士法中，交替地实施蚀刻步骤和保护步骤(沉积步骤)。蚀刻步骤和保护步骤每隔几秒反复地执行。在蚀刻步骤中，例如采用SF6气体各向同性地进行蚀刻。在保护步骤中，采用碳氟化合物气体(例如C4F8等)来保护侧壁。即，在第一半导体层1上堆积保护侧壁的膜。由此，抑制蚀刻步骤中的横向上的蚀刻，因此能够对第一半导体层1进行各向异性蚀刻。这样，通过采用伯士法，能够深层挖陷硅，形成垂直的沟槽构造。 
在此，绝缘层2作为蚀刻终止层来起作用。因此，蚀刻在上述开口部中缓慢地进行，但当达到绝缘层2时，蚀刻率下降。这样，第一半导 体层1被去除，直到露出绝缘层2。由此，在成为压力传感器的芯片的中央部分上，在第一半导体层1上形成开口部1a，露出绝缘层2。如果是各向异性蚀刻，也可以利用伯士法以外的蚀刻，对第一半导体层1进行蚀刻。 
接着，以第一半导体层1为蚀刻掩模，对绝缘层2进行蚀刻。例如，通过采用HF等溶液的湿式蚀刻，来加工绝缘层2。当然，对于绝缘层2来说，可以采用除此之外的腐蚀剂来蚀刻，也可以采用干式蚀刻来进行蚀刻。通过第一半导体层1的蚀刻来去除露出的绝缘层2，成为图6C所示的构成。这样，在成为压敏区域的部分中，在绝缘层2上形成开口部2a，露出第二半导体层3。在第一半导体层1及绝缘层2上设置的开口部1a、2a的直径大致相同。 
接着，当在晶片的表面上形成规定厚度的保护膜7时，成为图6D所示的构成。保护膜7形成在晶片的整个表面上。从而，保护膜7形成为覆盖第一半导体层1。进而，在绝缘层2的侧面和露出第二半导体层3的部分上形成保护膜7。即，在第一半导体层1及绝缘层2上形成有开口部1a、2a的部分，在第二半导体层3的表面上堆积保护膜7。保护膜7在后述的第二半导体层3的蚀刻工序中，防止第一半导体层1被侧向腐蚀。 
保护膜7是例如通过进行伯士法的保护步骤而形成的。即，采用C4F8气体等的含有碳原子和氟原子的气体来对保护膜7进行成膜。在此，由于采用碳氟化合物气体，所以保护膜7由碳氟化合物膜形成。由此，在晶片的整个表面上堆积保护膜7。并且，可以通过反复进行几秒钟的保护步骤来形成保护膜7，也可以通过连续长时间地进行保护步骤来形成保护膜7。进而，也可以用伯士法以外的方法形成保护膜7。例如，可以由光蚀刻等来形成保护膜7。或者，也可以通过CVD(化学气相生长法)等来堆积保护膜7。此外，保护膜7形成为如下厚度，即在后面实施的第二半导体层3的蚀刻工序中，第一半导体层1不会被侧向腐蚀的程度的厚度。即，考虑第二半导体层3的蚀刻量，来设定形成保护膜7的厚度。此外，保护膜7只要形成在第一半导体层1的侧壁上即可，在其他部分上可以不形成。 
其后，在形成有保护膜7的状态下，对第二半导体层3进行蚀刻(二次深挖)。由此，在第二半导体层3上形成用于成为膜片4的凹部12。 在此，能够采用伯士法的蚀刻步骤等。即，采用含有硫黄原子和氟原子的气体(SF6)进行干式蚀刻。由于在第一半导体层1的侧壁上形成有保护膜7，所以可抑制第一半导体层1的侧向腐蚀。此时，第一半导体层1不被蚀刻，在第一半导体层1和绝缘层2的界面上不形成切口，在第一半导体层1和绝缘层2的界面上，能够使第一半导体层1的侧端和绝缘层2的侧端处于相同位置。在压敏区域侧，能够使第一半导体层1的侧端和绝缘层2的侧端的位置相一致。并且，第二半导体层3的蚀刻深度通过时间管理被控制在规定的微小量(5～50μm左右)。 
此外，在向第二半导体层3上施加偏置电压的状态下，进行干式蚀刻时，离子朝向第二半导体层3被加速。因此，离子的纵向速度高于横向速度。等离子中的离子的大部分，在第一半导体层1及绝缘层2的开口部1a、2a中，朝向第二半导体层3。从而，离子对在第二半导体层3的表面上形成的保护膜7的碰撞频率变高，在第二半导体层3的表面上形成的保护膜7以某种程度高的蚀刻率被蚀刻。此外，在第二半导体层3的表面上形成的保护膜7被迅速地去除，露出第二半导体层3。 
另外，由于与上述同样的理由，离子对在第一半导体层1的侧壁上设置的保护膜7的碰撞频率相对变低，因此在第一半导体层1的侧壁表面上形成的保护膜7的蚀刻率变低。从而，开口部1a、2a中的保护膜7的纵向蚀刻率高于横向蚀刻率。由此，在第一半导体层1的侧壁表面上形成的保护膜7残留的状态下，第二半导体层3被蚀刻。 
此外，当第二半导体层3表面的保护膜7被去除，露出第二半导体层3时，第二半导体层3被各向同性地蚀刻。从而，第二半导体层3被侧向腐蚀。第二半导体层3因侧向腐蚀而被去除的部分，向第一半导体层1及绝缘层2上形成的开口部1a、2a的外侧露出。即，第二半导体层3的侧端位置从第一半导体层1及绝缘层2的侧端偏离。用于构成膜片4的凹部12大于第一半导体层1及绝缘层2的开口部1a、2a。此外，用药液等清洗晶片，并去除晶片上形成的保护膜7后，成为图6E所示的构成。这样，对第二半导体层3进行侧向腐蚀，而在第二半导体层3上形成大于绝缘层2的蚀刻部分的凹部12。由此，能够增大压敏区域。此外，第二半导体层3的侧端通过侧向腐蚀被加工成R形状。由此，能够缓和应力集中。 
这样，在第二半导体层3上形成膜片4。第二半导体层3的蚀刻是 5～50μm左右的微小量，不会因蚀刻而使厚度产生不均，因此能够形成均匀厚度的膜片4。因此，能够提高测量精度。此外，由于在膜片4上不残留绝缘层2，所以能够提高膜片边缘部6的强度。 
此外，在形成保护膜7的工序中，采用伯士法的保护步骤，在对第二半导体层3进行蚀刻的工序中，采用伯士法的蚀刻步骤等。由此，能够在同一装置内连续进行处理，因此能够提高生产率。此外，通过利用伯士法来进行一次深挖，能够采用同一装置，因此能够进一步提高生产率。当然，也可以用其他蚀刻方法来蚀刻第二半导体层3。 
在第二半导体层3的上表面上，通过杂质扩散或离子注入法来形成有p型Si等构成的应变片(压电电阻区域)5、15。应变片5形成在第二半导体层3的膜片4上。此外，应变片15形成在膜片4的外侧。由此成为图6F所示的构成。并且，应变片5是上述应变片5a～5d中的任意一个，应变片15是上述应变片15a～15d中的任意一个。接着，在第二半导体层3的上表面形成SiO2层(未图示)，在应变片5上的SiO2层上形成接触孔之后，在该接触孔部分蒸镀用于实现与应变片5的电连接的金属电极(未图示)。并且，形成金属电极的工序，也可以在图6A～图6E之间的任意工序中实施。 
此外，在传感器芯片10的背面侧接合底座11。在此，仅接合接合部13A，而不接合非接合部13。由此，成为图6G所示的构成。例如，利用阳极接合直接接合传感器芯片10和底座11。这样结束压力传感器的制作。 
这样，在第一半导体层1的侧壁上形成了保护膜7的状态下，实施二次深挖。此外，由于利用各向同性蚀刻进行二次深挖，所以能够使第二半导体层3的凹部12大于开口部1a、2a。由此，即使将压敏区域的面积增大的情况下，也能够增大接合部13A。因此能够提高接合的可靠性。此外，由于压敏区域侧的第二半导体层3的侧端被加工成R形状，所以能够缓和应力集中。能够得到可实现传感器芯片10的小型化并且高性能的传感器。 
并且，在上述的说明中，通过采用绝缘层2的例子来进行了说明，但预先补充说明一下，即使没有绝缘层2(终止层)，只要采取能够调整该一次深挖的蚀刻率和时间且能够充分确保第二半导体层3的厚度的制造方法，则无需在该压力传感器上设置绝缘层。此外，在上述的说明中， 膜片形成为四边形，但也可以形成为多边形或圆形。在膜片4为圆形时，如图2C所示，膜片4和传感器芯片10的中心相一致。 
产业上的可利用性 
本发明可适用于采用膜片来测量压力的压力传感器以及其制造方法中。 

Claims (8)

1.一种压力传感器的制造方法，该压力传感器具备在第一半导体层和构成膜片的第二半导体层之间设置的绝缘层，其特征在于，包括：
在成为压敏区域的部分中，对上述第一半导体层进行蚀刻，使得开口部的侧壁相对于上述第二半导体层的表面大致垂直的工序；
在成为上述压敏区域的部分中，对上述绝缘层进行蚀刻，使得开口部的侧壁相对于上述第二半导体层的表面大致垂直的工序；
在上述第一半导体层的侧壁上反复形成保护膜的工序；
在形成上述保护膜之后，对成为上述压敏区域的部分的上述第二半导体层进行蚀刻，而形成上述膜片的工序。
2.根据权利要求1所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，在形成上述膜片的工序中，对上述第二半导体层进行蚀刻，以在上述第二半导体层上形成大于上述绝缘层的蚀刻部分的开口部的侧壁的凹部。
3.根据权利要求1所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，在对上述第一半导体层进行蚀刻的工序中，将上述绝缘层作为蚀刻终止层。
4.根据权利要求2所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，在对上述第一半导体层进行蚀刻的工序中，将上述绝缘层作为蚀刻终止层。
5.根据权利要求1所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，在形成上述保护膜的工序中，形成由碳氟化合物膜形成的上述保护膜。
6.根据权利要求1所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，上述膜片形成为多边形。
7.根据权利要求1所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，上述膜片形成为圆形。
8.根据权利要求1所述的压力传感器的制造方法，该压力传感器具有传感器芯片以及与上述传感器芯片接合的底座，该传感器芯片具备所述第一半导体层和压敏区域成为膜片的所述第二半导体层，
所述压力传感器的制造方法的特征在于，还包括将上述底座与上述传感器芯片接合的工序，在上述底座与上述传感器芯片的接合部的周边具有非接合部，该非接合部在上述底座与上述传感器芯片之间设置有间隙。
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