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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Drucksensor mit einer Membran zum Messen eines Atmosphärendrucks und dergleichen.
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Hintergrund
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Herkömmlicherweise ist in der Oberfläche eines Substrats innerhalb eines Membranbereichs eine Vertiefung ausgebildet, um einen Hohlraum vorzusehen (siehe zum Beispiel die offengelegte
japanische Patentanmeldung Nr. 2011-237364 ).
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Zusammenfassung
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Ein Ausbilden einer Vertiefung in der Oberfläche des Substrats hat eine größere Höhe des Hohlraums unterhalb der Membran zur Folge. Dies könnte den Umfang einer Durchbiegung der Membran vergrößern, und die Membran könnte einer Belastung oberhalb ihrer Bruchfestigkeit unterliegen. Dünne Membranen sind bruchanfällig, infolgedessen die Handhabung schwierig ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das oben beschriebene Problem zu lösen, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiter-Drucksensor zu erhalten, der eine dünne, aber kaum zerbrechliche Membran aufweist und einfach zu handhaben ist.
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Ein Halbleiter-Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung enthält: ein erstes Halbleitersubstrat mit einer Oberfläche; einen Oxidfilm, der auf der Oberfläche des ersten Halbleitersubstrats vorgesehen ist und einen Hohlraum aufweist; ein zweites Halbleitersubstrat, das über den Oxidfilm an das erste Halbleitersubstrat gebondet ist und eine Membran über dem Hohlraum aufweist; und eine piezoelektrische Vorrichtung, die auf der Membran vorgesehen ist, wobei in der Oberfläche des ersten Halbleitersubstrats innerhalb eines Bereichs der Membran keine Vertiefung vorgesehen ist, und eine Belastungen abschwächende Rille in dem Oxidfilm außerhalb der und um die Membran vorgesehen ist.
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In der vorliegenden Erfindung wird, da in der Oberfläche des ersten Halbleitersubstrats, das als eine Stoppeinrichtung für die Membran dient, keine Vertiefung ausgebildet ist, die Höhe des Hohlraums durch die Filmdicke des Oxidfilms bestimmt. Durch Steuern der Filmdicke des Siliziumoxidfilms kann die Höhe des Hohlraums einfach festgelegt werden, so dass die Membran keiner Belastung oberhalb ihrer Bruchfestigkeit ausgesetzt sein wird. Die Belastungen abschwächende Rille, die in dem Oxidfilm um die Membran vorgesehen ist, kann den Verzug reduzieren. Somit kann ein Halbleiter-Drucksensor erhalten werden, der eine kaum zerbrechliche Membran aufweist und einfach zu handhaben ist.
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Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung umfassender ersichtlich sein.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß einer Ausführungsform 1 veranschaulicht.
- 2 ist eine Querschnittsansicht entlang I-II von 1.
- 3 und 4 sind Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiter-Drucksensors gemäß Ausführungsform 1 veranschaulichen.
- 5 ist eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht.
- 6 ist eine Querschnittsansicht entlang I-II von 5.
- 7 ist eine Draufsicht, die ein Variationsbeispiel des Halbleiter-Drucksensors gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht.
- 8 ist eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß einer Ausführungsform 2 veranschaulicht.
- 9 ist eine Querschnittsansicht entlang I-II von 8.
- 10 bis 12 sind Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiter-Drucksensors gemäß Ausführungsform 2 veranschaulichen.
- 13 ist eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß einer Ausführungsform 3 veranschaulicht.
- 14 ist eine Querschnittsansicht entlang I-II von 13.
- 15 bis 17 sind Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiter-Drucksensors gemäß Ausführungsform 3 veranschaulichen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird ein Halbleiter-Drucksensor gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die gleichen Komponenten werden durch die gleichen Symbole bezeichnet, und deren wiederholte Beschreibung kann weggelassen werden.
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Ausführungsform 1
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1 ist eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang I-II von 1. Ein Siliziumoxidfilm 2 ist auf der Oberfläche eines Siliziumsubstrats 1 ausgebildet. Der Siliziumoxidfilm 2 weist in einem zentralen Teil des Siliziumsubstrats 1 eine Öffnung auf. Über den Siliziumoxidfilm 2 ist ein Siliziumsubstrat 3 an das Siliziumsubstrat 1 gebondet. Die Öffnung in dem Siliziumoxidfilm 2, der sandwichartig zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und dem Siliziumsubstrat 3 angeordnet ist, bildet einen Hohlraum 4. Auf eine solche Konfiguration wird als ein SOI-Wafer mit Hohlraum verwiesen.
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Das Siliziumsubstrat 3 über dem Hohlraum 4 dient als Membran 5. Der Hohlraum 4 und die Membran 5 sind in einer Draufsicht vierseitig. In der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 ist innerhalb des Bereichs dieser Membran 5 keine Vertiefung ausgebildet. Eine Belastungen abschwächende Rille 6 ist in dem Siliziumoxidfilm 2 außerhalb der und um die Membran 5 ausgebildet.
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Eine piezoelektrische Vorrichtung 7 ist an jeder der vier Seiten der Membran 5 ausgebildet. Die piezoelektrischen Vorrichtungen 7 sind mit diffundierten Verschaltungen 8 und Metall-Verschaltungen 9 verbunden, um eine Wheatstone-Brückenschaltung zu bilden. Eine Änderung im Betrag einer Durchbiegung der Membran 5 aufgrund einer Druckänderung bewirkt eine Änderung im Diffusionswert der piezoelektrischen Vorrichtungen 7 gemäß der Änderung einer Belastung, die auf die an den vier Seiten der Membran 5 angeordneten piezoelektrischen Vorrichtungen 7 angewendet wird. Folglich können Druckänderungen als Änderungen in einem Spannungswert ausgegeben werden.
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Da das Siliziumsubstrat 1 und das Siliziumsubstrat 3 in einem Vakuum zusammengebondet werden, enthält das Innere des Hohlraums 4 ein Vakuum. Der Drucksensor ist ein Absolutdrucksensor, der das Vakuum als den Referenzpunkt zum Messen von Druckänderungen nutzt. Die Empfindlichkeit gegenüber Druckänderungen kann gesteuert werden, indem die Dicke und Fläche der Membran 5 eingestellt werden. Die Dicke der Membran 5 entspricht der Dicke des Siliziumsubstrats 3. Die Fläche der Membran 5 entspricht der Fläche des Hohlraums 4. Auf dem Siliziumsubstrat 3 ist ein Schutzfilm 10 ausgebildet.
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3 und 4 sind Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiter-Drucksensors gemäß Ausführungsform 1 veranschaulichen. Wie in 3 gezeigt ist, wird auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 der Siliziumoxidfilm 2 ausgebildet. Der Siliziumoxidfilm 2 wird in einem zentralen Teil des Chips geätzt, um den Hohlraum 4 zu bilden, und der Siliziumoxidfilm 2 wird in einem äußeren peripheren Teil des Chips geätzt, um die Belastungen abschwächende Rille 6 zu bilden.
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Als Nächstes werden, wie in 4 gezeigt ist, das Siliziumsubstrat 1 und das Siliziumsubstrat 3 über den Siliziumoxidfilm 2 durch Bonden in Vakuum miteinander verbunden. Dies macht den Hohlraum 4 zu einem Vakuumhohlraum. Das Siliziumsubstrat 3 wird dann auf eine gewünschte Dicke poliert, um die Membran 5 zu bilden.
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Als Nächstes wird, wie in 2 gezeigt ist, nach einer Verunreinigungsimplantation das Siliziumsubstrat 3 ausgeheilt, um die piezoelektrischen Vorrichtungen 7 zu bilden, welche diffundierte Widerstände sind. Die piezoelektrischen Vorrichtungen 7 werden mit den diffundierten Verschaltungen 8 und den Metall-Verschaltungen 9 verbunden, um eine Wheatstone-Brückenschaltung auszubilden. Schließlich wird auf dem Siliziumsubstrat 3 der Schutzfilm 10 ausgebildet.
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Als Nächstes werden die Effekte dieser Ausführungsform im Vergleich zu einem Vergleichsbeispiel erläutert. 5 ist eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß dem Vergleichsbeispiel zeigt. 6 ist eine Querschnittsansicht entlang I-II von 5. In dem Vergleichsbeispiel wird nach Polieren der Rückseite des Siliziumsubstrats 100 das Siliziumsubstrat 100 von der Rückseite aus geätzt, um eine Membran 101 auszubilden. Schwankungen, in ihrer Ebene, des polierten Betrags und des geätzten Betrags haben eine Schwankung der Dicke der Membran 101 zur Folge. Aufgrund der Schwankung kann die Dicke nicht kleiner als etwa 20 µm ausgebildet werden. Falls der Sensor als ein Absolutdrucksensor ausgestaltet werden soll, muss an die Rückseite des Siliziumsubstrats 100 ein Glas 102 anodisch gebondet werden, um einen Vakuumhohlraum auszubilden, was den Herstellungsprozess aufwendig macht.
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Im Gegensatz dazu dient das Siliziumsubstrat 3, das über den Siliziumoxidfilm 2 an das Siliziumsubstrat 1 gebondet ist, als die Membran 5. Die Rückseite des Siliziumsubstrats 3 wird poliert, so dass die Membran 5 eine geringere Schwankung in ihrer Ebene aufweist und dünner ausgebildet werden kann.
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Außerdem dient das Siliziumsubstrat 1 unterhalb des Hohlraums 4 als eine Stoppeinrichtung für die Membran 5, um den Umfang einer Durchbiegung der Membran 5 zu begrenzen. Da in der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 keine Vertiefung ausgebildet ist, ist die Höhe des Hohlraums 4 durch die Filmdicke des Siliziumoxidfilms 2 bestimmt. Diese Höhe des Hohlraums 4 bestimmt den Bewegungsbereich der Membran 5 als Antwort auf Druckänderungen. Durch Steuern der Filmdicke des Siliziumoxidfilms 2 kann die Höhe des Hohlraums 4 einfach festgelegt werden, so dass die Membran 5 keiner Belastung oberhalb ihrer Bruchfestigkeit ausgesetzt sein wird.
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Beispielsweise kann für einen Drucksensor mit einem Absolutdruck von 1 Atm die Membran 5 400 µm im Quadrat umfassen und 10 µm dick sein, während der Hohlraum 4 etwa 1,5 µm hoch sein kann, so dass das Siliziumsubstrat 1 durch Berühren der Membran 5, wenn ein Druck von etwa 5 Atm angewendet wird, als Stoppeinrichtung fungieren wird.
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Da die Höhe des Hohlraums 4 gleich der Filmdicke des Siliziumoxidfilms 2 ist, führt eine Erhöhung der Dicke des Siliziumoxidfilms 2 zu einem erhöhten Verzug des gesamten SOI-Wafers mit Hohlraum. Dies wird Probleme hervorrufen, da stark verzogene Wafer nicht transferiert werden können, und, um den Verzugsbetrag des Wafers zu steuern, wird der Waferprozess aufwendiger. Die Belastungen abschwächende Rille 6, die in dem Siliziumoxidfilm 2 um die Membran 5 vorgesehen ist, kann den Verzug reduzieren. Beispielsweise kann die Belastungen abschwächende Rille 6 1 µm breit und von dem Hohlraum 4 um 300 µm entfernt sein. Die Breite der Belastungen abschwächenden Rille 6 kann sogar kleiner als 1 µm sein, solange der Siliziumoxidfilm 2 in einem äußeren peripheren Teil des Chips separiert ist. Somit kann ein Halbleiter-Drucksensor erhalten werden, der eine kaum zerbrechliche Membran 5 aufweist und einfach zu handhaben ist.
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7 ist eine Draufsicht, die ein Variationsbeispiel des Halbleiter-Drucksensors gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht. Im Vergleich zu 1, wo die Belastungen abschwächende Rille 6 für jeden Chip einzeln vorgesehen ist, kann die Belastungen abschwächende Rille 6 wie in 7 gezeigt durchgehend über benachbarte Chips angeordnet sein. Dies kann dabei helfen, den Verzug des Wafers weiter zu reduzieren.
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Ausführungsform 2
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8 ist eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß Ausführungsform 2 veranschaulicht. 9 ist eine Querschnittsansicht entlang I-II von 8. Hohlraum-Erweiterungsräume 11 sind außerhalb des Bereichs der Membran 5 in der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 ausgebildet. Die Hohlraum-Erweiterungsräume 11 sind Vertiefungen, die in der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 ausgebildet sind. Die Hohlraum-Erweiterungsräume 11 sind über Einleitungslöcher in den Erweiterungsraum mit dem Hohlraum 1 verbunden.
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10 bis 12 sind Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiter-Drucksensors gemäß Ausführungsform 2 veranschaulichen. Zunächst wird, wie in 10 gezeigt ist, ein Siliziumoxidfilm 13 mit Öffnungen auf dem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet. Das Siliziumsubstrat 1 wird dann unter Verwendung des Siliziumoxidfilms 13 als Maske geätzt, um die Hohlraum-Erweiterungsräume 11 auszubilden. Danach wird der Siliziumoxidfilm 13 entfernt. Nach der Entfernung kann über der gesamten Oberfläche des Wafers wieder ein anderer Siliziumoxidfilm ausgebildet werden.
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Als Nächstes wird, wie in 11 gezeigt ist, der Siliziumoxidfilm 2 auf dem Siliziumsubstrat 3 gebildet, und die Belastungen abschwächende Rille 6, die Einleitungslöcher 12 in den Erweiterungsraum und der Hohlraum 4 werden mittels Fotolithografie und Ätzen gebildet.
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Als Nächstes werden, wie in 12 gezeigt ist, das Siliziumsubstrat 1 mit den darin ausgebildeten Hohlraum-Erweiterungsräumen 11 und das Siliziumsubstrat 3 über den Siliziumoxidfilm 2 in Vakuum zusammengebondet. Dies erzeugt ein Vakuum in der Belastungen abschwächenden Rille 6, den Einleitungslöchern 12 in den Erweiterungsraum und dem Hohlraum 4. Das Siliziumsubstrat 3 wird auf eine gewünschte Dicke poliert, um die Membran 5 zu bilden.
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Als Nächstes wird, wie in 9 gezeigt ist, nach einer Verunreinigungsimplantation das Siliziumsubstrat 3 ausgeheilt, um die piezoelektrischen Vorrichtungen 7 auszubilden, welche diffundierte Widerstände sind. Die piezoelektrischen Vorrichtungen 7 sind mit den diffundierten Verschaltungen 8 und den Metall-Verschaltungen 9 verbunden, um eine Wheatstone-Brückenschaltung zu bilden. Schließlich wird auf dem Siliziumsubstrat 3 der Schutzfilm 10 ausgebildet.
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Falls der Hohlraum 4 eine geringe Höhe und somit eine kleine Kapazität hat, wird die Tracking- bzw. Verfolgungsleistung des Umfangs einer Durchbiegung in der Membran 5 mit den Druckänderungen schlecht. Dies kann die Linearität der Ausgangsspannung verschlechtern. Indem die Hohlraum-Erweiterungsräume 11 vorgesehen werden, kann die Kapazität des Hohlraums 4 wesentlich erhöht werden. Dies kann eine Verschlechterung der Linearität der Ausgangsspannung verhindern. Da die Hohlraum-Erweiterungsräume 11 außerhalb des Bereichs der Membran 5 ausgebildet sind, wird die Höhe des Hohlraums 4 unterhalb der Membran 5 nicht vergrößert. Somit kann ein Halbleiter-Drucksensor erhalten werden, der eine kaum zerbrechliche Membran und ausgezeichnete Drucksensor-Charakteristiken aufweist und einfach zu handhaben ist.
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Ausführungsform 3
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13 ist eine Draufsicht, die einen Halbleiter-Drucksensor gemäß Ausführungsform 3 veranschaulicht. 14 ist eine Querschnittsansicht entlang I-II von 13. Während die Halbleiter-Drucksensoren gemäß den Ausführungsformen 1 und 2 Absolutdrucksensoren sind, ist der Halbleiter-Drucksensor dieser Ausführungsform ein Differentialdrucksensor.
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Es werden Druck-Einleitungslöcher 14 gebildet, die sich von der Rückseite des Siliziumsubstrats 1 aus erstrecken und den Hohlraum-Erweiterungsraum 11 erreichen. Dies ermöglicht, dass sich die Membran 5 als Antwort auf eine Druckdifferenz zwischen oberhalb und unterhalb der Membran bewegt. Ein Differentialdrucksensor, der eine Druckdifferenz zwischen oberhalb und unterhalb der Membran 5 detektiert, kann somit erhalten werden.
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15 bis 17 sind Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiter-Drucksensors gemäß Ausführungsform 3 veranschaulichen. Zunächst wird, wie in 15 gezeigt ist, auf einem Siliziumsubstrat 1 ein Siliziumoxidfilm 13 mit Öffnungen gebildet. Das Siliziumsubstrat 1 wird dann unter Verwendung des Siliziumoxidfilms 13 als Maske geätzt, um den Hohlraum-Erweiterungsraum 11 auszubilden. Danach wird der Siliziumoxidfilm 13 entfernt. Nach der Entfernung kann auf der gesamten Oberfläche des Wafers wieder ein anderer Siliziumoxidfilm gebildet werden.
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Als Nächstes wird, wie in 16 gezeigt ist, der Siliziumoxidfilm 2 auf dem Siliziumsubstrat 3 gebildet, und die Belastungen abschwächende Rille 6, das Einleitungsloch 12 in den Erweiterungsraum und der Hohlraum 4 werden mittels Fotolithografie und Ätzen gebildet. Ein Siliziumoxidfilm 15 wird über der gesamten Oberfläche ausgebildet. Die Belastungen abschwächende Rille 6 kann in dem Siliziumoxidfilm 15 auch, aber nicht notwendigerweise, vorgesehen sein, da der Siliziumoxidfilm 15 verglichen mit dem Siliziumoxidfilm 2 dünner ausgebildet werden kann.
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Als Nächstes werden, wie in 17 gezeigt ist, das Siliziumsubstrat 1 mit dem darin ausgebildeten Hohlraum-Erweiterungsraum 11 und das Siliziumsubstrat 3 über die Siliziumoxidfilme 2 und 15 in Vakuum zusammengebondet. Dies erzeugt ein Vakuum in der Belastungen abschwächenden Rille 6, dem Einleitungsloch 12 in den Erweiterungshohlraum und dem Hohlraum 4. Das Siliziumsubstrat 3 wird auf eine gewünschte Dicke poliert, um die Membran 5 zu bilden.
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Als Nächstes wird, wie in 17 dargestellt, nach einer Verunreinigungsimplantation das Siliziumsubstrat 3 ausgeheilt, um die piezoelektrischen Vorrichtungen 7 auszubilden, welche diffundierte Widerstände sind. Die piezoelektrischen Vorrichtungen 7 werden mit den diffundierten Verschaltungen 8 und den Metall-Verschaltungen 9 verbunden, um eine Wheatstone-Brückenschaltung auszubilden. Schließlich wird auf dem Siliziumsubstrat 3 der Schutzfilm 10 gebildet.
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Als Nächstes wird, wie in 14 gezeigt ist, das Siliziumsubstrat 1 von der Rückseite aus geätzt, um das Druck-Einleitungsloch 14 auszubilden, welches den Hohlraum-Erweiterungsraum 11 erreicht. Während dieses Durchätzens schützt der Siliziumoxidfilm 15 die Membran 5, so dass die Ausgestaltung der schon gebildeten Membran 5 nicht beeinträchtigt wird.
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Da das Druck-Einleitungsloch 14 zu dem außerhalb des Bereichs der Membran 5 gelegenen Hohlraum-Erweiterungsraum 11 ausgebildet ist, wird die Höhe des Hohlraums 4 unterhalb der Membran 5 nicht vergrößert. Somit kann ein Halbleiter-Drucksensor erhalten werden, der einen Differenzdruck detektiert, eine dünne, aber kaum zerbrechliche Membran aufweist und einfach zu handhaben ist.
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Offensichtlich sind im Lichte der obigen Lehren viele Modifikationen und Varianten der vorliegenden Erfindung möglich. Es versteht sich daher, dass innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche die Erfindung auf andere Weise, als konkret beschrieben, in die Praxis umgesetzt werden kann.
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Die gesamte Offenbarung der am 5. März 2018 eingereichten
japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-038830 , einschließlich Beschreibung, Ansprüche, Zeichnungen und Zusammenfassung, worauf die Priorität gemäß Übereinkommen der vorliegenden Anmeldung basiert, ist in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin einbezogen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2011237364 [0002]
- JP 2018038830 [0037]