CN113465809B - 半导体压力传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

得到一种能够降低制造成本的半导体压力传感器及其制造方法。绝缘膜(2)设置于第1半导体基板(1)之上，该绝缘膜(2)具有主开口(3)、导入开口(4)及将主开口(3)与导入开口(4)连接的传递开口(5)。第2半导体基板(6)经由绝缘膜(2)与第1半导体基板(1)接合，该第2半导体基板(6)具有在主开口(3)上方设置的隔膜(7)和与导入开口(4)连结的受压用压力导入口(8)。在隔膜(7)设置有将隔膜(7)的变形量转换为电气特性的变化的计量电阻(9)。

Description

半导体压力传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体压力传感器及其制造方法。
背景技术
在对隔膜的表面背面的压差进行测定的以往的半导体压力传感器中，通过从硅基板背面进行的加工而形成了隔膜(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本专利第3259102号公报
但是，由于基板的背面加工使制造工艺变复杂，因此存在制造成本增加的问题。
发明内容
本发明就是为了解决上述那样的课题而提出的，其目的在于，得到能够降低制造成本的半导体压力传感器及其制造方法。
本发明所涉及的半导体压力传感器的特征在于，具有：第1半导体基板；绝缘膜，其设置于所述第1半导体基板之上，具有主开口、导入开口及将所述主开口与所述导入开口连接的传递开口；第2半导体基板，其经由所述绝缘膜与所述第1半导体基板接合，具有在所述主开口的上方设置的隔膜及与所述导入开口连结的受压用压力导入口；以及计量电阻，其设置于所述隔膜，将所述隔膜的变形量转换为电气特性的变化。
发明的效果
在本发明中，仅通过在经由开设有开口的绝缘膜将第1半导体基板与第2半导体基板接合而成的空腔SOI基板的第2半导体基板形成受压用压力导入口，就能够对隔膜的表面背面的压差进行检测。由此，不需要用于形成隔膜的基板的背面加工，因此能够降低制造成本。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的半导体压力传感器的俯视图。
图2是沿图1的I-II的剖面图。
图3是沿图1的III-IV的剖面图。
图4是实施方式1所涉及的半导体压力传感器的制造工序的流程图。
图5是表示实施方式1所涉及的半导体压力传感器的制造工序的俯视图。
图6是沿图5的I-II的剖面图。
图7是沿图5的III-IV的剖面图。
图8是沿图5的V-VI的剖面图。
图9是表示实施方式1所涉及的半导体压力传感器的制造工序的俯视图。
图10是沿图9的I-II的剖面图。
图11是表示实施方式1所涉及的半导体压力传感器的制造工序的俯视图。
图12是沿图11的I-II的剖面图。
图13是沿图11的III-IV的剖面图。
图14是沿图11的V-VI的剖面图。
图15是表示实施方式1所涉及的半导体压力传感器的制造工序的俯视图。
图16是沿图15的I-II的剖面图。
图17是沿图15的III-IV的剖面图。
图18是沿图15的V-VI的剖面图。
图19是表示实施方式1所涉及的半导体压力传感器的制造工序的俯视图。
图20是沿图19的I-II的剖面图。
图21是沿图19的III-IV的剖面图。
图22是沿图19的V-VI的剖面图。
图23是表示实施方式1所涉及的半导体压力传感器的制造工序的俯视图。
图24是沿图23的I-II的剖面图。
图25是表示实施方式2所涉及的半导体压力传感器的俯视图。
图26是沿图25的I-II的剖面图。
图27是表示实施方式3所涉及的半导体压力传感器的俯视图。
图28是沿图27的I-II的剖面图。
图29是表示实施方式4所涉及的半导体压力传感器的俯视图。
图30是沿图29的I-II的剖面图。
具体实施方式
参照附图，对实施方式所涉及的半导体压力传感器以及其制造方法进行说明。对相同或者对应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复说明。
实施方式1.
图1是表示实施方式1所涉及的半导体压力传感器的俯视图。图2是沿图1的I-II的剖面图。图3是沿图1的III-IV的剖面图。
第1硅基板1的导电型可以是n型和p型的任一种。另外，第1硅基板1由于是成为SOI基板的基底的硅基板，因此设为200～900μm左右的厚度。
在第1硅基板1之上设置有氧化硅膜2。氧化硅膜2具有主开口3、比主开口3小的导入开口4、以及将主开口3与导入开口4连接的传递开口5。氧化硅膜2的厚度是0.5～5μm左右。
第2硅基板6经由氧化硅膜2与第1硅基板1接合。第2硅基板6呈n型。由第1硅基板1与第2硅基板6包围的氧化硅膜2的主开口3成为空腔。位于该空腔之上的第2硅基板6的部分成为隔膜7。隔膜7的厚度是5～30μm左右。在第2硅基板6设置有与导入开口4连结的受压用压力导入口8。
在隔膜7的四个边设置有p型的计量电阻(gauge resistor)9。计量电阻9是俯视观察时细长的矩形的压电电阻。根据电阻值与相对于应力的电阻值变化量的平衡，计量电阻9的扩散表面浓度是5e17～5e18ions/cm3左右，扩散深度是0.5～1.5μm左右。计量电阻9彼此通过扩散配线10、11进行惠斯登电桥接线。扩散配线10、11需要设为低电阻，扩散表面浓度是1e19～1e20ions/cm3左右，扩散深度是2～5μm左右。在与计量电阻9的一端连接的扩散配线10之上形成有电极12。在与计量电阻9的另一端连接的扩散配线11之上形成有电极13。在第2硅基板6之上形成有氧化硅膜14，在氧化硅膜14之上形成有钝化膜15。
压力分离部16在受压用压力导入口8的周围通过粘接层17粘接于第2硅基板6的上表面。在压力分离部16的内侧，构成承受压力P2的压力口18。压力口18与第2硅基板6的上表面侧的空间被压力分离部16完全分离，成为不同的气压。即，压力分离部16将由隔膜7的上表面承受的压力P1与由受压用压力导入口8承受的压力P2分离。
在本实施方式所涉及的半导体压力传感器中，压力口18与未图示的外部的压力导入口连接。从压力口18承受的压力P2通过受压用压力导入口8、受压用压力导入口8、作为导压通路的传递开口5、主开口3的空腔而施加于隔膜7的下表面。
如果对隔膜7的上表面施加压力P1，对下表面施加压力P2，则隔膜7与该压力差(P1-P2)相应地变形。与该隔膜7的变形量相应的应力施加于计量电阻9。计量电阻9具有电阻值与施加的应力的大小相应地变化的特性。因此，通过对计量电阻9进行惠斯登电桥接线，能够对电阻值变化进行检测而作为输出电压。即，计量电阻9将隔膜7的变形量转换为电气特性的变化。计量电阻9的输出电压从与各扩散配线10、11连接的电极12、13向外部传递。
接着，对本实施方式所涉及的半导体压力传感器的制造工序进行说明。图4是实施方式1所涉及的半导体压力传感器的制造工序的流程图。图5、9、11、15、19、23是表示实施方式1所涉及的半导体压力传感器的制造工序的俯视图。图6是沿图5的I-II的剖面图。图7是沿图5的III-IV的剖面图。图8是沿图5的V-VI的剖面图。图10是沿图9的I-II的剖面图。图12是沿图11的I-II的剖面图。图13是沿图11的III-IV的剖面图。图14是沿图11的V-VI的剖面图。图16是沿图15的I-II的剖面图。图17是沿图15的III-IV的剖面图。图18是沿图15的V-VI的剖面图。图20是沿图19的I-II的剖面图。图21是沿图19的III-IV的剖面图。图22是沿图19的V-VI的剖面图。图24是沿图23的I-II的剖面图。
首先，如图5-8所示，在第1硅基板1之上形成氧化硅膜2(步骤S1)。具体而言，在氧环境中以700～1100℃左右对第1硅基板1进行加热，使基板表面氧化，形成氧化硅膜2作为热氧化硅膜。接下来，通过对氧化硅膜2实施照相制版处理以及蚀刻处理，形成主开口3、导入开口4以及将主开口3与导入开口4连接的传递开口5(步骤S2)。
接着，如图9、10所示，经由氧化硅膜2将第2硅基板6贴合于第1硅基板1，通过热处理使它们接合(步骤S3)。
接着，如图11-14所示，对第2硅基板6的整个上表面进行磨削，在主开口3的上方形成隔膜7(步骤S4)。调整磨削量以使得隔膜7成为所希望的厚度。能够通过隔膜7的厚度来调整针对压力的检测灵敏度。
接着，如图15-18所示，在对第2硅基板6实施了氧化处理以及照相制版处理后，进行杂质注入。注入的杂质的浓度是5e14～5e15ions/cm2左右。接着，进行1000～1100℃左右的退火处理以及100～500nm左右的氧化处理。由此，在第2硅基板6形成扩散深度2～5μm左右的低电阻的扩散配线10、11。在同样地实施了氧化处理以及照相制版处理之后，向俯视观察时与主开口3重叠的隔膜7的区域的一部分注入杂质离子，进行退火处理，由此，以通过扩散配线10、11将计量电阻9连接的方式在隔膜7的四个边形成计量电阻9(步骤S5)。由此，通过扩散配线10将计量电阻9设为惠斯登电桥接线。
这里，计量电阻9的杂质浓度是1e13～1e14ions/cm2左右。如果降低杂质浓度，则针对压力变化的灵敏度变高，但温度特性变差，因此，根据灵敏度与温度特性之间的折衷关系而设定为最佳浓度。在本实施方式中，在形成扩散配线10、11以及计量电阻9时沉积的氧化膜全部被去除。接着，在第2硅基板6再次形成氧化硅膜14。由此，隔膜7的表面的氧化硅膜14变平坦，相对于压力变化的隔膜变形特性变得良好。在氧化硅膜14之上沉积PSG或BPSG膜作为钝化膜15(步骤S6)。
接着，为了从扩散配线10、11向外部取出电气信号，实施照相制版处理、蚀刻处理，在氧化硅膜14以及钝化膜15形成接触孔(未图示)。接着，在向表面沉积了AlSi、AlCu、Al、AlSiCu等金属膜后，实施照相制版处理、蚀刻处理，在接触孔(未图示)形成电极12、13。接着，作为保护膜，在整个面沉积了例如由等离子体CVD形成的氮化膜后，实施照相制版处理、蚀刻处理，仅在所希望的位置开设开口，保护整个表面。
接着，如图19-22所示，通过对第2硅基板6实施照相制版处理以及蚀刻处理，在俯视观察时与导入开口4重叠的位置处形成受压用压力导入口8(步骤S7)。受压用压力导入口8贯通第2硅基板6而与导入开口4连结。
接着，如图23、24所示，在受压用压力导入口8的周围，通过粘接层17将压力分离部16粘接于第2硅基板6的上表面(步骤S8)。由此，形成由压力分离部16包围的压力口18。
如以上说明的那样，在本实施方式中，仅通过在经由开设了开口的氧化硅膜2将第1硅基板1与第2硅基板6接合而成的空腔SOI基板的第2硅基板6形成受压用压力导入口8，就能够对隔膜7的表面背面的压差进行检测。由此，不需要用于形成隔膜7的基板的背面加工，因此能够降低制造成本。
针对压力变化的检测灵敏度能够通过以第2硅基板6的厚度设定的隔膜7的厚度和以主开口3的面积设定的空腔之上的隔膜7的面积进行控制。
由于设计为施加隔膜7的上表面侧比下表面侧高的压力，所以隔膜7向第1硅基板1侧变形。此时，空腔的底面的第1硅基板1成为隔膜7的止动件。因此，通过氧化硅膜2的厚度来设定主开口3的高度，从而决定隔膜7的可动范围。因此，以使得不施加大于或等于隔膜7的损坏应力的应力的方式设定氧化硅膜2的厚度。例如，在对1个大气压左右的压差进行检测的半导体压力传感器的情况下，如果将隔膜7的大小设为400μm见方、将厚度设为10μm，则将氧化硅膜2的厚度设为1.5μm左右。由此，通过施加5个大气压左右的压力，第1硅基板1与隔膜7接触而作为止动件起作用。由此，即使在对隔膜7的上表面过度地施加了压力的情况下，也能够防止隔膜7的损坏。
实施方式2.
图25是表示实施方式2所涉及的半导体压力传感器的俯视图。图26是沿图25的I-II的剖面图。压力分离部16在受压用压力导入口8的周边通过粘接层17粘接于第2硅基板6的上表面。保持该粘接层17的粘接层保持槽19在受压用压力导入口8的周边设置于第2硅基板6的上表面。粘接层保持槽19与受压用压力导入口8同时通过照相制版处理以及蚀刻处理形成。其他结构以及制造工序与实施方式1相同。
由于粘接层保持槽19阻止粘接层17的扩展，因此能够防止粘接层17向受压用压力导入口8或者隔膜7溢出。由此，能够进一步降低制造成本。
实施方式3.
图27是表示实施方式3所涉及的半导体压力传感器的俯视图。图28是沿图27的I-II的剖面图。压力分离部16在受压用压力导入口8的周边与第2硅基板6粘接。在该粘接部分与隔膜7之间，粘接应力分离槽20设置于第2硅基板6的上表面。粘接应力分离槽20与受压用压力导入口8同时通过照相制版处理以及蚀刻处理形成。其他结构以及制造工序与实施方式1、2相同。
通过粘接应力分离槽20，能够防止在将压力分离部16粘接于第2硅基板6时产生的应力的影响波及到隔膜7。由此，能够通过隔膜7的变形高精度地对压力变化进行检测。
实施方式4.
图29是表示实施方式4所涉及的半导体压力传感器的俯视图。图30是沿图29的I-II的剖面图。嵌入槽21在受压用压力导入口8的周围形成于第2硅基板6的上表面。嵌入槽21与受压用压力导入口8同时通过照相制版处理以及蚀刻处理形成。压力分离部16嵌入至嵌入槽21，通过粘接层17粘接于第2硅基板6的上表面。其他结构以及制造工序与实施方式1、2相同。
通过将压力分离部16嵌入至嵌入槽21，能够简单且准确地对压力分离部16的粘接位置进行控制。另外，由于压力分离部16的粘接强度增大，因此，压力口1824的压力分离的可靠性变高。
标号的说明
1第1硅基板(第1半导体基板)，2氧化硅膜(绝缘膜)，3主开口，4导入开口，5传递开口，6第2硅基板(第2半导体基板)，7隔膜，8受压用压力导入口，9计量电阻，16压力分离部，17粘接层，19粘接层保持槽，20粘接应力分离槽，21嵌入槽

Claims (4)

1.一种半导体压力传感器，其特征在于，具有：
第1半导体基板；
绝缘膜，其设置于所述第1半导体基板之上，具有主开口、导入开口及将所述主开口与所述导入开口连接的传递开口；
第2半导体基板，其经由所述绝缘膜与所述第1半导体基板接合，具有在所述主开口的上方设置的隔膜及与所述导入开口连结的受压用压力导入口；
计量电阻，其设置于所述隔膜，将所述隔膜的变形量转换为电气特性的变化；以及
压力分离部，其在所述受压用压力导入口的周围与所述第2半导体基板的上表面粘接，将由所述隔膜的上表面承受的压力与由所述受压用压力导入口承受的压力分离，
供所述隔膜移动的空腔的高度由所述绝缘膜的厚度决定，
所述压力分离部通过粘接层粘接于所述第2半导体基板的上表面，
保持所述粘接层的粘接层保持槽设置于所述第2半导体基板的上表面。
2.一种半导体压力传感器，其特征在于，具有：
第1半导体基板；
绝缘膜，其设置于所述第1半导体基板之上，具有主开口、导入开口及将所述主开口与所述导入开口连接的传递开口；
第2半导体基板，其经由所述绝缘膜与所述第1半导体基板接合，具有在所述主开口的上方设置的隔膜及与所述导入开口连结的受压用压力导入口；
计量电阻，其设置于所述隔膜，将所述隔膜的变形量转换为电气特性的变化；以及
压力分离部，其在所述受压用压力导入口的周围与所述第2半导体基板的上表面粘接，将由所述隔膜的上表面承受的压力与由所述受压用压力导入口承受的压力分离，
供所述隔膜移动的空腔的高度由所述绝缘膜的厚度决定，
在所述压力分离部粘接于所述第2半导体基板的粘接部分与所述隔膜之间，粘接应力分离槽设置于所述第2半导体基板的上表面。
3.根据权利要求1或2所述的半导体压力传感器，其特征在于，
嵌入槽在所述受压用压力导入口的周围形成于所述第2半导体基板的上表面，
所述压力分离部嵌入至所述嵌入槽。
4.一种半导体压力传感器的制造方法，其对权利要求1或2所述的半导体压力传感器进行制造，
特征在于，具有以下工序：
在第1半导体基板之上形成绝缘膜；
对所述绝缘膜进行蚀刻，形成主开口、导入开口及将所述主开口与所述导入开口连接的传递开口；
经由所述绝缘膜将第2半导体基板贴合于所述第1半导体基板；
对所述第2半导体基板的整个上表面进行磨削，在所述主开口的上方形成隔膜；
形成贯通所述第2半导体基板而与所述导入开口连结的受压用压力导入口；以及
向所述隔膜的一部分注入杂质离子，形成将所述隔膜的变形量转换为电气特性的变化的计量电阻。
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