CN1138135C - 半导体压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
以SiO2层(2)为刻蚀阻挡层，一直到SiO2层(2)为止，刻蚀对应于n型单晶Si层(1)的压力敏感区域的部分。用刻蚀法除去已露了出来的SiO2层(2)。刻蚀规定的量的n型单晶Si层(3)压力敏感区域，以形成膜片(4)。借助于此，从膜片(4)和膜片边缘部分(6)上除去SiO2层(2)。
Description
技术领域
本发明涉及利用半导体的压电电阻效应来测定压力的半导体压力传感器及其制造方法。
技术背景
在各种压力传感器中，利用半导体的压电电阻效应的半导体压力传感器，由于体积小、重量轻、高灵敏度，故在工业测量、医疗等领域广为采用。在这样的半导体压力传感器中，在半导体膜片上边形成具有压电电阻效应的应变片，借助于加在膜片上的压力使应变片变形，检测由压电电阻效应引起的应变片的电阻值的变化来测定压力。膜片采用用刻蚀对半导体晶片进行雕刻的办法形成。该膜片的厚度对半导体压力传感器的特性有非常大的影响。因此需要对膜片的厚度进行正确的控制。但是，若用现有的制造方法的话，由于难于进行刻蚀的时间或温度管理，故要想以良好的精度控制膜片的厚度及其均一性是极其困难的。
于是，人们提出了这样一种半导体压力传感器：这种半导体压力传感器采用在半导体衬底内形成由绝缘体等构成的刻蚀阻挡层，一直到该刻蚀阻挡层为止对半导体衬底进行刻蚀的办法，使正确地控制膜片的厚度成为可能(日本专利杂志特公昭59-38744号公报)。图4是在特公昭59-38744号公报上所公开的现有的半导体压力传感器的剖面图。该半导体压力传感器，由将成为基座的单晶Si层11、在单晶Si层11上边形成的SiO2层12、在SiO2层12上边形成的单晶Si层13、以SiO2层12为刻蚀阻挡层对相当于单晶Si层11的感压部分进行刻蚀而形成的膜片14、在单晶Si层13的表面上形成的具有压电电阻效应的应变片(未画出来)构成。
但是，在图4的半导体压力传感器中，存在着膜片14因Si层13和SiO2层12之间的热膨胀系数之差而具有温度特性的问题。此外，还存在着在膜片的边缘部分16处，在比Si还脆的SiO2层12中会因膜片14的挠曲而产生裂缝，该裂缝一直延展到Si层3为止，最终将使膜片破裂的问题。此外，由于在Si层11的刻蚀之后，即便是已除去了露出来的SiO2层12，在膜片边缘部分16上仍然会剩下SiO2层12，故还存在着在Si层13和SiO2层12的界面上发生裂缝的问题。
本发明就是为解决这样的课题而发明的，其目的是提供可以改善膜片的温度特性、同时还可以提高膜片边缘部分的强度的半导体压力传感器及其制造方法。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种半导体压力传感器，具备：构成基座的第1半导体层；形成在上述第1半导体层上边的绝缘层；形成在上述绝缘层上边、具有构成压力敏感区域的膜片部分的第2半导体层；穿过上述第1半导体层和绝缘层、在上述第2半导体层的上述压力敏感区域上形成的凹部，以及在上述第2半导体层的膜片部分上边形成一个以上的应变片。借助于此，就可以在膜片部分和膜片边缘部分上不剩下绝缘层。
本发明的半导体压力传感器的制造方法具有下述工序：形成一三层构造，该构造由形成基座的第1半导体层、叠层在上述第1半导体层上边的绝缘层，和叠层在上述绝缘层上边且具有压力敏感区域的第2半导体层构成；以上述绝缘层为刻蚀阻挡层，刻蚀与上述压力敏感区域对应的上述第1半导体层以使上述绝缘层露出来；除去已露出来的上述绝缘层；以剩下的上述绝缘层为掩模，刻蚀上述第2半导体层以在上述压力敏感区域上形成膜片部分，以及在上述第2半导体层的膜片部分上边形成至少一个应变片。
在本发明中，在第2半导体层上形成的凹部的深度的上限允许值为十几微米。
此外，作为本发明的一个构成例，第2半导体层的厚度为30微米，在第2半导体层上形成的凹部的深度为5到10微米。
此外，作为本发明的一个构成例，第1和第2半导体层由n型单晶Si构成，绝缘层由SiO2层构成。
附图说明
图1是示出了本发明的实施例的半导体压力传感器的剖面图。
图2是图1的半导体压力传感器的平面图和底面图。
图3是示出了图1的半导体压力传感器的制造方法的工序剖面图。
图4是现有的半导体压力传感器的剖面图。
具体实施方式
以下，参看附图详细地说明本发明的实施例。图1是示出了本发明的实施例的半导体压力传感器的剖面图，图2(A)是图1的半导体压力传感器的平面图，图2(B)是图1的半导体压力传感器的底面图。
该半导体压力传感器，由将成为基座的n型单晶Si层1、在n型单晶Si层1上边形成的SiO2层2、在SiO2层2上边形成的n型单晶Si层3、以SiO2层2为刻蚀阻挡层对n型单晶Si层1的与感压区域对应的部分，一直到SiO2层2为止进行刻蚀，除去已露了出来的SiO2层2，对n型单晶Si层3的压力敏感区域仅仅刻蚀规定的量而形成的膜片4、在n型单晶Si层3的压力敏感区域上形成的具有压电电阻效应的应变片5构成。
其次，参看图3，说明这样的半导体压力传感器的制造方法。首先，如图3(A)所示，准备由n型单晶Si层1、厚度约0.5微米的SiO2层2和n型单晶Si层3构成的SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上的硅)晶片。要制作该SOI晶片，可以使用向Si衬底中注入氧以形成SiO2层的SIMOX(Separation by Implanted Oxygen，注氧隔离)技术，也可以使用将2块Si衬底键合在一起的SDB(Silicon DirectBonding，硅直接键合)技术，也可以使用其它的方法。
其次，为使n型单晶Si层3平坦化和薄膜化，用被称之为CCP(Computer Controlled Polishing，计算机控制研磨)的研磨法一直到规定的厚度为止进行研磨。另外也可以在SiO2层2上边外延生长规定的厚度(例如30微米)的n型单晶Si层3。在这样形成的SOI晶片的下表面上形成SiO2膜或抗蚀剂(未画出来)，在相当于该SiO2膜或抗蚀剂的压力敏感区域(要形成膜片4的区域)的部分上形成开口。然后，把这样地图形化了的SiO2膜或抗蚀剂作为膜片形成用的刻蚀掩模，把n型单晶Si层1浸到KOH或TMAH等的溶液中，进行n型单晶Si层1的刻蚀。这时，刻蚀在上述开口部分上慢慢地进行，当到达SiO2层2时就自动地停止。
接着，以n型单晶Si层1为刻蚀掩模，用HF等的溶液进行SiO2层2的刻蚀，除去因Si层1的刻蚀而露出来的SiO2层2(图3(C))。然后，以SiO2层2为刻蚀掩模，用KOH或TMAH等的溶液进行n型单晶Si层3的刻蚀(图3(D))。这时的刻蚀深度，借助于时间管理被控制为规定的微小量(大约5到10微米)。
这样一来，就形成了膜片4。n型单晶Si层3的刻蚀，是5到10微米左右的微小量，由于在十数个微米的刻蚀中，厚度不会有不均一，故可以形成均一厚度的膜片4。另一方面，在n型单晶Si层3的上表面上，用杂质扩散法或离子注入法形成由p型Si构成的应变片(压电电阻区域)5(图3(E))。
接着，在n型单晶Si层3的上表面上形成了SiO2层(未画出来)，在应变片5上边的SiO2层上形成了接触孔之后，向该接触孔的部分上蒸镀用来得到与应变片5之间的电连的Al电极(未画出来)。这样，就完成了半导体压力传感器的制作。
如上所述，由于采用在以SiO2层2为刻蚀阻挡层，从下表面开始到SiO2层2为止，对相当于n型单晶Si层1的压力敏感区域的部分进行了刻蚀后，除去因该刻蚀而露了出来的SiO2层2，再对n型单晶Si层3的压力敏感区域仅仅刻蚀微小量的办法，使得在膜片4和膜片边缘部分6上剩不下SiO2层2，故在改善膜片4的温度特性的同时，还可以增加膜片边缘部分6的强度。
另外，在本实施例中，虽然进行的是利用单晶Si的晶轴的刻蚀特性的各向异性刻蚀，但也可以进行各向同性刻蚀。此外，也可以进行干法刻蚀而不是本实施例的那种湿法刻蚀。
工业上利用的可能性
本发明的半导体压力传感器，适用于那些在工业测量或医疗等的领域内使用的压力传感器。
Claims (6)
1.一种半导体压力传感器，其特征是具备：
构成基座的第1半导体层；
形成在上述第1半导体层上边的绝缘层；
形成在上述绝缘层上边、具有构成压力敏感区域的膜片部分的第2半导体层；
穿过上述第1半导体层和绝缘层、在上述第2半导体层的上述压力敏感区域上形成的凹部；以及
在上述第2半导体层的膜片部分上边形成的一个以上的应变片。
2.如权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征是：上述第2半导体层的厚度为30微米，在上述第2半导体层上形成的凹部的深度为5到10微米。
3.如权利要求1所示的半导体压力传感器，其特征是：上述第1和第2半导体层由n型单晶Si构成，上述绝缘层由SiO2构成。
4. 一种半导体压力传感器的制造方法，其特征是具有下述工序：
形成一三层构造，该构造由形成基座的第1半导体层、叠层在上述第1半导体层上边的绝缘层，和叠层在上述绝缘层上边且具有压力敏感区域的第2半导体层构成；
以上述绝缘层为刻蚀阻挡层，刻蚀与上述压力敏感区域对应的上述第1半导体层以使上述绝缘层露出来；
除去已露出来的上述绝缘层；
以剩下的上述绝缘层为掩模，刻蚀上述第2半导体层以在上述压力敏感区域上形成膜片部分；以及
至少在上述第2半导体层的膜片部分上边形成一个应变片。
5.如权利要求4所述的半导体压力传感器的制造方法，其特征是：上述第2半导体层的厚度为30微米，在上述第2半导体层上形成深度为5到10微米的凹部。
6.如权利要求4所述的半导体压力传感器的制造方法，其特征是：上述第1和第2半导体层由n型单晶Si构成，上述绝缘层由SiO2构成。
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