DE102023203514A1

DE102023203514A1 - Halbleiter-drucksensor

Info

Publication number: DE102023203514A1
Application number: DE102023203514.6A
Authority: DE
Inventors: Yuki Horikawa; Hirofumi Konishi; Fusako Tanabe; Mayumi Fujiwara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2023-04-18
Publication date: 2023-10-26
Also published as: US20230341281A1; JP7337218B1; JP2023161340A

Abstract

Ein Halbleiter-Drucksensor umfasst ein erstes Siliziumsubstrat und ein zweites Siliziumsubstrat. Eine Hauptfläche des zweiten Siliziumsubstrats weist eine darin ausgebildete Vertiefung auf. Die Aussparung hat einen Träger, der in Richtung des ersten Siliziumsubstrats vorsteht, das darin ausgebildet ist. Der Träger beinhaltet vier Seitenteile, die so angeordnet sind, dass sie eine rechteckige Rahmenform bilden. Die Vertiefung und das erste Siliziumsubstrat haben einen inneren Hohlraum und einen äußeren Hohlraum, die dazwischen ausgebildet sind. Der innere Hohlraum ist an einer Innenseite des Trägers angeordnet, und der äußere Hohlraum ist an einer Außenseite des Trägers angeordnet. Die andere Hauptfläche des ersten Siliziumsubstrats weist darin ausgebildete piezoresistive Elemente auf. Die piezoresistiven Elemente sind an oder in der Nähe einer Position angeordnet, die den Träger überlappt, gesehen von einer normalen Richtung des ersten Siliziumsubstrats.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Diese Offenbarung betrifft einen Halbleiter-Drucksensor.
Beschreibung des Stands der Technik
In Patentliteratur 1 wird ein Halbleiter-Drucksensor beschrieben. Dieser Halbleiter-Drucksensor enthält ein Siliziumsubstrat. Auf einer Vorderseite des Siliziumsubstrats ist eine Vielzahl von Piezowiderständen ausgebildet. Auf der Rückseite des Siliziumsubstrats ist eine Vertiefung ausgebildet. Ein dünner Teil des Siliziumsubstrats fungiert als Membran. Mindestens einige der Piezowiderstände sind auf dem Diaphragma ausgebildet.
Zitateliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP 2009-139258 A
Jeder Schritt des Ausbildens eines piezoresistiven Elements und jeder Schritt des Ausbildens einer Membran beinhaltet einen Belichtungsprozess. Dementsprechend kann eine relative Positionsabweichung zwischen dem piezoresistiven Element und der Membran aufgrund der Ausrichtungsgenauigkeit des Belichtungsprozesses in jedem Schritt erzeugt werden. Daraus ergibt sich das Problem, dass eine Ausgangsspannung im Verhältnis zum Druck dazu neigt, zu variieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung wurde gemacht, um das oben erwähnte Problem zu lösen, und ein Ziel dieser Offenbarung ist es, einen Halbleiter-Drucksensor bereitzustellen, mit dem es möglich ist, Schwankungen bei der Ausgangsspannung relativ zum Druck zu reduzieren.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform dieser Offenbarung wird ein Halbleiter-Drucksensor bereitgestellt, der beinhaltet: ein erstes Siliziumsubstrat; und ein zweites Siliziumsubstrat, wobei eine Hauptfläche des ersten Siliziumsubstrats und eine Hauptfläche des zweiten Siliziumsubstrats miteinander verbunden sind, wobei die eine Hauptfläche des zweiten Siliziumsubstrats eine darin ausgebildete Vertiefung aufweist, wobei das erste Siliziumsubstrat eine Membran aufweist, die der Vertiefung gegenüberliegt, wobei die Vertiefung eine darin ausgebildete Stütze aufweist, die in Richtung des ersten Siliziumsubstrats vorsteht, wobei die Stütze vier Seitenteile aufweist, die so angeordnet sind, dass sie eine rechteckige Rahmenform bilden, wobei die Stütze eine vorstehende Endfläche aufweist, die mit der einen Hauptfläche des ersten Siliziumsubstrats verbunden ist, die Aussparung und das erste Siliziumsubstrat einen inneren Hohlraum und einen äußeren Hohlraum aufweisen, die dazwischen ausgebildet sind, wobei der innere Hohlraum auf einer Innenseite des Trägers angeordnet ist, der äußere Hohlraum auf einer Außenseite des Trägers angeordnet ist, die andere Hauptfläche des ersten Siliziumsubstrats piezoresistive Elemente aufweist, die darin ausgebildet sind, wobei die piezoresistiven Elemente an oder in der Nähe einer Position angeordnet sind, die den Träger überlappt, gesehen von einer normalen Richtung des ersten Siliziumsubstrats.
Gemäß der mindestens einen Ausführungsform dieser Offenbarung ist es möglich, Schwankungen der Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Druck zu reduzieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Draufsicht zur Veranschaulichung einer Konfiguration eines Halbleiterdrucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Offenbarung.
2 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Querschnitts entlang der Linie II-II von 1.
3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Hauptteils einer elektrischen Schaltung des Halbleiterdrucksensors gemäß der ersten Ausführungsform.
4 ist eine Draufsicht zur Veranschaulichung einer Konfiguration eines Halbleiterdrucksensors in einem Vergleichsbeispiel der ersten Ausführungsform.
5 ist ein Graph zur Darstellung einer Verteilung der relativen Dehnung, die in einem ersten Siliziumsubstrat auf der Linie A-A von 4 erzeugt wird.
6 ist ein Graph zur Darstellung der Verteilung der relativen Dehnung, die in einer Membran des Halbleiterdrucksensors gemäß der ersten Ausführungsform erzeugt wird.
7 ist ein Graph, das ein weiteres Beispiel für die Verteilung der relativen Dehnung zeigt, die in der Membran des Halbleiterdrucksensors gemäß der ersten Ausführungsform erzeugt wird.
8 ist ein Graph, das ein weiteres Beispiel für die Verteilung der relativen Dehnung zeigt, die in der Membran des Halbleiterdrucksensors gemäß der ersten Ausführungsform erzeugt wird.
9 ist eine Draufsicht zum Illustrieren einer Konfiguration des Halbleiterdrucksensors, wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente in der ersten Ausführungsform abweichend sind.
10 ist ein Graph zum Zeigen der Beziehung zwischen der Breite eines Trägers und der Änderungsrate einer Ausgangsspannung in einem Halbleiter-Drucksensor gemäß der ersten Ausführungsform.
11 ist eine Draufsicht zum Illustrieren einer Konfiguration eines Halbleiterdrucksensors gemäß Änderungsbeispiel 1 der ersten Ausführungsform.
12 ist eine schematische Ansicht zum Illustrieren einer Querschnittskonfiguration eines Halbleiter-Drucksensors gemäß Modifikationsbeispiel 2 der ersten Ausführungsform.
13 ist eine Draufsicht zum Illustrieren einer Konfiguration eines Halbleiterdrucksensors gemäß Modifikationsbeispiel 3 der ersten Ausführungsform.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
Ein Halbleiter-Drucksensor gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Offenbarung wird beschrieben. 1 ist eine Draufsicht zur Veranschaulichung einer Konfiguration des Halbleiterdrucksensors gemäß dieser Ausführungsform. 2 ist eine schematische Ansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie II-II von 1 zeigt. Die Aufwärts- und Abwärtsrichtung in 2 ist die Dickenrichtung des ersten Siliziumsubstrats 2 und des zweiten Siliziumsubstrats 3, die eine Normalenrichtung des ersten Siliziumsubstrats 2 und des zweiten Siliziumsubstrats 3 ist.
Wie in 1 und 2 illustriert, umfasst ein Halbleiter-Drucksensor 1 das erste Siliziumsubstrat 2 und das zweite Siliziumsubstrat 3. Eine Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 und eine Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 liegen einander gegenüber. Die Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 und die Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 sind miteinander verbunden.
Die andere Hauptfläche 2a des ersten Siliziumsubstrats 2 weist eine Vielzahl von darin ausgebildeten piezoresistiven Elementen 6a, 6b, 6c und 6d auf. Die Hauptfläche 2a ist eine Oberfläche, die den Druck eines Detektionsziels aufnimmt. Das erste Siliziumsubstrat 2 ist aus einem monokristallinen Siliziumsubstrat gebildet. Das erste Siliziumsubstrat 2 hat eine Dicke, die geringer ist als die des zweiten Siliziumsubstrat 3. Die piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d haben die gleichen Eigenschaften.
Das zweite Siliziumsubstrat 3 wird aus einem monokristallinen Siliziumsubstrat gebildet. Die Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 weist eine darin ausgebildete Vertiefung 10 auf. Die Vertiefung 10 ist in der Draufsicht, von der Normalenrichtung des ersten Siliziumsubstrats 2 aus gesehen, rechteckig geformt. Die Vertiefung 10 wird durch anisotropes Ätzen in Richtung der Dicke des zweiten Siliziumsubstrats 3 von der Hauptfläche 3a aus gebildet. Somit hat die Vertiefung 10 einen rechteckigen Querschnitt.
In der Vertiefung 10 ist ein rechteckiger, rahmenförmiger Träger 11 ausgebildet. Der Träger 11 ragt von einer Bodenfläche 10a der Vertiefung 10 in Richtung des ersten Siliziumsubstrats 2 vor. Die Stütze 11 wird gleichzeitig mit der Vertiefung 10 durch anisotropes Ätzen gebildet. Daher hat der Träger 11 einen rechteckigen Querschnitt. Der Träger 11 hat eine vorstehende Endfläche 11a an einem oberen Ende in seiner vorspringenden Richtung. Die vorstehende Endfläche 11a ist mit der Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 entlang des gesamten Umfangs verbunden.
Der Träger 11 hat ein erstes Seitenteil 12a, ein zweites Seitenteil 12b, ein drittes Seitenteil 12c und ein viertes Seitenteil 12d. Das erste Seitenteil 12a, das zweite Seitenteil 12b, das dritte Seitenteil 12c und das vierte Seitenteil 12d sind so angeordnet, dass sie eine rechteckige Rahmenform bilden. Das erste Seitenteil 12a, das zweite Seitenteil 12b, das dritte Seitenteil 12c und das vierte Seitenteil 12d sind in der Draufsicht jeweils geradlinig geformt. Das erste Seitenteil 12a und das dritte Seitenteil 12c sind einander zugewandt. Das erste Seitenteil 12a und das dritte Seitenteil 12c erstrecken sich in einer seitlichen Richtung von 1. Das erste Seitenteil 12a und das dritte Seitenteil 12c haben die gleiche Breite.
Das zweite Seitenteil 12b und das vierte Seitenteil 12d sind einander zugewandt. Das zweite Seitenteil 12b und das vierte Seitenteil 12d erstrecken sich in einer Längsrichtung von 1. Die Erstreckungsrichtung des ersten Seitenteils 12a und des dritten Seitenteils 12c und die Erstreckungsrichtung des zweiten Seitenteils 12b und des vierten Seitenteils 12d sind orthogonal zueinander. Das zweite Seitenteil 12b und das vierte Seitenteil 12d haben die gleiche Breite. Das erste Seitenteil 12a, das zweite Seitenteil 12b, das dritte Seitenteil 12c und das vierte Seitenteil 12d sind so geformt, dass sie in der Draufsicht eine quadratische Form haben.
Auf der Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 ist eine Siliziumoxidschicht 4 ausgebildet. Die Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 und die Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 sind über die Siliziumoxidschicht 4 miteinander verbunden. Die Siliziumoxidschicht 4 ist auch auf der Bodenfläche 10a der Vertiefung 10 und der vorspringenden Endfläche 11a des Trägers 11 ausgebildet. Die vorstehende Endfläche 11a des Trägers 11 und die Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 sind über die Siliziumoxidschicht 4 miteinander verbunden.
Zwischen der Vertiefung 10 und dem ersten Siliziumsubstrat 2 wird ein Raum gebildet. Dieser Raum ist durch den Träger 11 in einen inneren Hohlraum 5 und einen äußeren Hohlraum 7 unterteilt. Der innere Hohlraum 5 ist an der Innenseite des Trägers 11 ausgebildet. Der innere Hohlraum 5 befindet sich in der Draufsicht in der Mitte der Vertiefung 10.
Der äußere Hohlraum 7 ist an einer Außenseite des Trägers 11 ausgebildet. Der äußere Hohlraum 7 befindet sich in der Draufsicht an einem Außenumfang der Vertiefung 10. Der äußere Hohlraum 7 ist so angeordnet, dass er den inneren Hohlraum 5 umschließt. Sowohl der innere Hohlraum 5 als auch der äußere Hohlraum 7 werden in einem Vakuumzustand gehalten, der einen niedrigeren Druck als der Atmosphärendruck aufweist. Der Druck in dem inneren Hohlraum 5 und der Druck in dem äußeren Hohlraum 7 sind einander gleich.
Das erste Siliziumsubstrat 2 enthält eine Membran 8. Die Membran 8 ist ein Teil des ersten Siliziumsubstrats 2 und liegt der Vertiefung 10 des zweiten Siliziumsubstrats 3 gegenüber. Die Membran 8 ist ein druckaufnehmendes Teil, das sich entsprechend dem Druck eines Detektionsziels verformt. In der Membran 8 wird als Reaktion auf einen ausgeübten Druck eine Dehnung erzeugt. Der Grad der Dehnung, d.h. die Druckempfindlichkeit, wird in Abhängigkeit von den Abmessungen und der Dicke der Membran 8 bestimmt. In der Konfiguration dieser Ausführungsform entspricht die Dicke der Membran 8 der Dicke des ersten Siliziumsubstrats 2. Die piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d sind auf der Membran 8 ausgebildet.
Jedes vom ersten Seitenteil 12a, zweiten Seitenteil 12b, dritten Seitenteil 12c und vierten Seitenteil 12d hat eine innere Wandfläche 12e und eine äußere Wandfläche 12f. Die innere Wandfläche 12e ist dem inneren Hohlraum 5 zugewandt. Die äußere Wandfläche 12f ist dem äußeren Hohlraum 7 zugewandt.
Die piezoresistiven Elemente 6b und 6d sind einander zugewandt. Die piezoresistiven Elemente 6b und 6d sind parallel entlang einer Richtung angeordnet, in der das zweite Seitenteil 12b und das vierte Seitenteil 12d einander gegenüberliegen. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten der piezoresistiven Elemente 6b und 6d ist D1. Der Abstand zwischen den inneren Wandflächen 12e des zweiten Seitenteils 12b und des vierten Seitenteils 12d ist D2. Der Abstand zwischen den äußeren Wandflächen 12f des zweiten Seitenteils 12b und des vierten Seitenteils 12d ist D3. Unter diesen Bedingungen erfüllen die Abstände D1, D2 und D3 die Beziehung „D2≤D1≤D3“.
In dieser Ausführungsform ist der Abstand D1 gleich einem Abstand ((D2+D3)/2) zwischen den Mittelpunkten in der Breitenrichtung des zweiten Seitenteils 12b und des vierten Seitenteils 12d. Das heißt, dass die Abstände D1, D2 und D3 die Beziehung „D1=(D2+D3)/2“ erfüllen.
Die piezoresistiven Elemente 6a und 6c sind einander zugewandt. Die piezoresistiven Elemente 6a und 6c sind parallel entlang einer Richtung angeordnet, in der das erste Seitenteil 12a und das dritte Seitenteil 12c einander gegenüberliegen. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten der piezoresistiven Elemente 6a und 6c beträgt D4. Der Abstand zwischen den inneren Wandflächen 12e des ersten Seitenteils 12a und des dritten Seitenteils 12c beträgt D5. Der Abstand zwischen den äußeren Wandflächen 12f des ersten Seitenteils 12a und des dritten Seitenteils 12c beträgt D6. Unter diesen Bedingungen erfüllen die Abstände D4, D5 und D6 die Beziehung „D5≤D4≤D6“.
In dieser Ausführungsform ist der Abstand D4 gleich dem Abstand ((D5+D6)/2) zwischen den Mittelpunkten in Breitenrichtung des ersten Seitenteils 12a und des dritten Seitenteils 12c. Das heißt, die Abstände D4, D5 und D6 erfüllen die Beziehung „D4=(D5+D6)/2“.
Jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d ist auf der Membran 8 in der Nähe eines mit dem Träger 11 verbundenen Bereichs angeordnet. Das heißt, dass jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d an oder in der Nähe einer Position angeordnet ist, die den Träger 11 überlappt, gesehen von der normalen Richtung des ersten Siliziumsubstrats 2. Das piezoresistive Element 6a ist an oder in der Nähe einer Position angeordnet, die das erste Seitenteil 12a überlappt. Das piezoresistive Element 6b ist an einer Position oder in der Nähe einer Position angeordnet, die den zweiten Seitenteil 12b überlappt. Das piezoresistive Element 6c ist an oder in der Nähe einer Position angeordnet, die das dritte Seitenteil 12c überlappt. Das piezoresistive Element 6d ist an oder in der Nähe einer Position angeordnet, die das vierte Seitenteil 12d überlappt.
Die Membran 8 umfasst eine erste Membran 8a und eine zweite Membran 8b. Die erste Membran 8a ist ein Teil, der dem inneren Hohlraum 5 der Membran 8 zugewandt ist. Die zweite Membran 8b ist ein Teil, der dem äußeren Hohlraum 7 der Membran 8 zugewandt ist.
In der oben beschriebenen Konfiguration wird, wenn ein Druck eines Detektionsziels auf die Hauptfläche 2a des ersten Siliziumsubstrats 2 ausgeübt wird, eine Dehnung in der ersten Membran 8a in Übereinstimmung mit einer Druckdifferenz zwischen dem Druck des Detektionsziels und dem Druck im inneren Hohlraum 5 erzeugt. Währenddessen wird in der zweiten Membran 8b eine Dehnung entsprechend einer Druckdifferenz zwischen dem Druck des Detektionsziels und dem Druck im äußeren Hohlraum 7 erzeugt. Wenn sowohl in der ersten Membran 8a als auch in der zweiten Membran 8b eine Spannung erzeugt wird, wird auch in jedem der Bereiche, in denen die piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d ausgebildet sind, eine Spannung erzeugt. Der Widerstandswert jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d ändert sich in Abhängigkeit von der im entsprechenden Bereich erzeugten Spannung. Die Widerstandswerte der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d werden ausgegeben, nachdem sie in ein elektrisches Signal umgewandelt wurden. Das elektrische Ausgangssignal wird über eine Diffusionsverdrahtungsschicht und eine Metallverdrahtung von einem Metallelektrodenfeld nach außen abgeleitet.
3 ist ein Diagramm zum Illustrieren eines Hauptteils einer elektrischen Schaltung des Halbleiterdrucksensors gemäß dieser Ausführungsform. Wie in 3 illustriert, sind die piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d so verbunden, dass sie eine Wheatstone-Brücke bilden. Das piezoresistive Element 6a hat einen Widerstandswert von Rl. Das piezoresistive Element 6b hat einen Widerstandswert von R2. Das piezoresistive Element 6c hat einen Widerstandswert von R3. Das piezoresistive Element 6d hat einen Widerstandswert von R4.
Die Beziehung zwischen dem Widerstandswert jedes piezoresistiven Elements und einem Dehnungsbetrag der Membran wird durch den Ausdruck (1) dargestellt, wobei ein Widerstandswert „R“ ist, ein Dehnungsbetrag „ε“ ist, ein Betrag der Änderung des Widerstandswertes aufgrund der Dehnung „AR“ ist und ein Dehnungsfaktor des piezoresistiven Elements „Ks“ ist. Der Dehnungsfaktor ist eine Konstante, die durch das Material des piezoresistiven Elements bestimmt wird. $Δ R/R = Ks \cdot ε$
Die piezoresistiven Elemente 6a und 6c sind an zueinander symmetrischen Positionen angeordnet. Die piezoresistiven Elemente 6b und 6d sind so angeordnet, dass sie symmetrisch zueinander sind. Unter der Annahme, dass ein Änderungsbetrag des Widerstandswerts R1 und ein Änderungsbetrag des Widerstandswerts R3 einander gleich sind, ein Änderungsbetrag des Widerstandswerts R2 und ein Änderungsbetrag des Widerstandswerts R4 einander gleich sind, und eine Spannung, die in die Wheatstone-Brücke eingegeben wird, „Vin“ ist, wird eine Ausgangsspannung Vout zwischen Vb und Va durch Ausdruck (2) repräsentiert. $Vout = (R 1 \cdot R 3 - R 2 \cdot R 4) / (R 1 + R 2) (R 3 + R 4) \cdot Vin$
Wenn die Widerstandswerte R1, R2, R3 und R4 gleich sind, ist Vout=0. Wenn das Gleichgewicht aufgrund einer Änderung der einzelnen Widerstandswerte verloren geht, ist Vout≠0. Unter der Annahme, dass alle piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d Dehnungsmessstreifen verwenden und die Messfaktoren der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d gleich sind, wird die Ausgangsspannung Vout durch Ausdruck (3) repräsentiert. $Vout = Ks/ 4 \cdot (ε 1 - ε 2 + ε 3 - ε 4) \cdot Vin$
4 ist eine Draufsicht zur Veranschaulichung einer Konfiguration eines Halbleiterdrucksensors in einem Vergleichsbeispiel dieser Ausführungsform. Wie in 4 dargestellt, ist in diesem Vergleichsbeispiel ein Hohlraum 5a in der Vertiefung 10 ausgebildet. Ein rahmenförmiger Träger 11 ist nicht in der Vertiefung 10 ausgebildet. An der Außenseite der Vertiefung 10 ist ein Träger 13 ausgebildet.
5 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Verteilung der relativen Dehnung, die in einem ersten Siliziumsubstrat auf der Linie A-A von 4 erzeugt wird. Die horizontale Achse repräsentiert eine Position. Die Position wird durch einen Abstand (um) von der Mitte des Hohlraums 5a repräsentiert. Der Bereich von 200 um oder weniger auf der horizontalen Achse repräsentiert einen Bereich einer Membran. Die vertikale Achse repräsentiert eine relative Dehnung (ε/εmax). Die relative Dehnung ist ein Wert eines Dehnungsbetrags relativ zu einem maximalen Dehnungsbetrag, der mit 1 angenommen wird, um den Dehnungsbetrag dimensionslos zu machen.
Wie in 5 gezeigt, ist eine relative Dehnung, die in dem ersten Siliziumsubstrat erzeugt wird, an einem äußeren Umfangsende der Membran maximal. Die relative Dehnung nimmt ab, wenn die Position weiter nach innen vom äußeren Umfangsende der Membran entfernt ist, und die relative Dehnung nimmt ebenfalls ab, wenn die Position weiter nach außen vom äußeren Umfangsende der Membran entfernt ist. Die relative Dehnung an einer Position, die vom äußeren Umfangsende der Membran um 10 um nach außen versetzt ist, beträgt etwa 0,65. Eine Referenzposition jedes piezoresistiven Elements wird auf eine Position eingestellt, an der die relative Dehnung maximal ist. Die Referenzposition ist eine Zielposition in der Konstruktion. Die Position, an der die relative Dehnung maximal ist, wird durch die Position in der Membran bestimmt. Somit wird die Referenzposition jedes piezoresistiven Elements relativ zur Position in der Membran bestimmt.
Jeder der Schritte zur Bildung der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d und der Schritt zur Bildung der Vertiefung 10 beinhaltet einen Belichtungsprozess. Aufgrund der Ausrichtungsgenauigkeit jedes Belichtungsvorgangs kann die Position der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d relativ zur Membran abweichen. Die Positionsabweichung, die in den piezoresistiven Elementen 6a, 6b, 6c und 6d erzeugt wird, führt zu einer Abweichung der tatsächlichen Positionen, an denen die piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d gebildet werden, von den Referenzpositionen.
In einem Fall, in dem jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d an einer Position ausgebildet ist, die von der Referenzposition um 5 um in einer seitlichen Richtung von 4 abweicht, wird die Ausgangsspannung um 1,2% verringert, gemäß Ausdruck (3). In ähnlicher Weise wird in einem Fall, in dem jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d an einer Position ausgebildet ist, die um 5 um in einer Längsrichtung von 4 abweicht, die Ausgangsspannung um 1,2% verringert. In einem Fall, in dem jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d an einer Position ausgebildet ist, die um 5 um in einer schrägen Richtung von 4 abweicht, ist die Ausgangsspannung um 2,3% verringert.
Die Ausgangsspannung variiert in Abhängigkeit von der Positionsabweichung der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d, da die in der Membran erzeugte Dehnung je nach Position unterschiedlich groß ist. In der Konfiguration des Vergleichsbeispiels konzentriert sich die Dehnung auf das äußere periphere Ende der Membran. Die Abweichung von der Referenzposition jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d führt daher zu einer starken Veränderung der Dehnungsmenge. Um die Schwankungen des Dehnungsbetrags zu verringern, selbst wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente abweichen, ist es effektiv, eine gleichmäßige Dehnung zu erzeugen, indem ein Bereich vergrößert wird, in dem sich die Dehnung konzentriert.
6 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Verteilung der relativen Dehnung, die in der Membran des Halbleiterdrucksensors gemäß dieser Ausführungsform erzeugt wird. 6 zeigt eine Dehnungsverteilung der Membran 8 in der Breitenrichtung eines der Seitenteile 12a, 12b, 12c und 12d des Trägers 11. Die horizontale Achse stellt eine Position dar. Die Position wird durch einen Abstand (um) von der Mitte in Breitenrichtung eines Seitenteils dargestellt, wobei davon ausgegangen wird, dass eine Richtung zur Außenseite des Trägers 11 eine positive Richtung ist. Die vertikale Achse stellt eine relative Dehnung (ε/εmax) dar. Die Hauptfläche 2a des ersten Siliziumsubstrats 2 wird mit einem Druck beaufschlagt.
Dabei beträgt die Längsbreite und die seitliche Breite des inneren Hohlraums 5 jeweils 200 um, und die Breite des äußeren Hohlraums 7 beträgt 150 um. Die Breite des Trägers 11, d.h. die Breite jedes Seitenteils des Trägers 11, beträgt 36 um. In der horizontalen Achse von 6 ist ein Bereich von -18 um oder mehr und 18 um oder weniger ein Bereich, der den Träger 11 überlappt. Ein Bereich von weniger als -18 um ist ein Bereich der ersten Membran 8a. Ein Bereich von mehr als 18 um ist ein Bereich der zweiten Membran 8b. Wie in 6 gezeigt, wird ein Bereich, auf den sich die Dehnung konzentriert, sowohl an einer Innenseite als auch an einer Außenseite der Mitte in Breitenrichtung des Seitenteils des Trägers 11 gebildet. In der Membran 8 wird in der Nähe eines Bereichs, der mit dem Träger 11 verbunden ist, eine gleichmäßige Dehnung erzeugt. Die relative Dehnung beträgt 0,8 oder mehr im gesamten Bereich von ±20 um, zentriert in der Mitte in Breitenrichtung des Seitenteils.
Die Referenzposition jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d ist auf die Mitte in Breitenrichtung und in Erstreckungsrichtung des entsprechenden Seitenteils des Trägers 11 eingestellt. In einem Fall, in dem jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d an einer Position angeordnet ist, die von der Referenzposition um 5 um in der seitlichen Richtung von 1 abweicht, wird die Ausgangsspannung um 1,0% erhöht, gemäß Ausdruck (3). In einem Fall, in dem jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d an einer Position angeordnet ist, die von der Referenzposition um 5 um in der Längsrichtung von 1 abweicht, wird die Ausgangsspannung um 0,4% erhöht. In einem Fall, in dem jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d an einer Position angeordnet ist, die von der Referenzposition um 5 um in der schrägen Richtung von 1 abweicht, wird die Ausgangsspannung um 1,4% erhöht.
In dieser Ausführungsform sind die Spannungsschwankungen um jede der Referenzpositionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d geringer als im Vergleichsbeispiel. Somit ist es möglich, die Schwankungen der Ausgangsspannung relativ zum Druck zu reduzieren, selbst wenn die Position jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d abweicht.
In dieser Ausführungsform ist die rechteckige, rahmenförmige Stütze 11 in der Vertiefung 10 ausgebildet, und daher ist der Grad der gesamten Dehnung geringer als im Vergleichsbeispiel. Um ein S/N-Verhältnis durch Erhöhung der Dehnung zu erhöhen, ist es wirksam, die Membran 8 dünn zu machen oder die Breiten der ersten Membran 8a und der zweiten Membran 8b zu vergrößern.
7 ist ein Graph zur Darstellung eines weiteren Beispiels für die Verteilung der relativen Dehnung, die in der Membran des Halbleiterdrucksensors gemäß dieser Ausführungsform erzeugt wird. 7 zeigt eine Dehnungsverteilung für den Fall, dass ein Träger 11 mit einer Breite von 32 um verwendet wird. Die horizontale Achse und die vertikale Achse von 7 sind die gleichen wie die von 6. In der horizontalen Achse von 7 ist ein Bereich von -16 um oder mehr und 16 um oder weniger ein Bereich, der den Träger 11 überlappt. Ein Bereich von weniger als -16 um ist ein Bereich der ersten Membran 8a. Ein Bereich von mehr als 16 um ist ein Bereich der zweiten Membran 8b.
Wie in 7 gezeigt, überlappen sich die Dehnungen, die auf der Innenseite der Mitte in Breitenrichtung des Seitenteils erzeugt werden, und die Dehnungen, die auf der Außenseite der Mitte in Breitenrichtung des Seitenteils erzeugt werden, oberhalb des Trägers 11. Das heißt, dass eine Dehnungsverteilung mit einer Spitze auf der Innenseite der Mitte in der Breitenrichtung des Seitenteils und eine Dehnungsverteilung mit einer Spitze auf der Außenseite der Mitte in der Breitenrichtung des Seitenteils sich oberhalb der Stütze 11 überlappen.
Die relative Dehnung in der Mitte in Breitenrichtung des Seitenteils beträgt im Graph von 6 etwa 0,8, während die relative Dehnung in der Mitte in Breitenrichtung des Seitenteils im Diagramm von 7 auf etwa 0,9 erhöht ist. Auf diese Weise, wenn die Breite des Seitenteils des Trägers 11 verengt wird, überlappen sich die Dehnung, die auf der Innenseite der Mitte in der Breitenrichtung des Seitenteils erzeugt wird, und die Dehnung, die auf der Außenseite der Mitte in der Breitenrichtung des Seitenteils erzeugt wird. Somit wird die Gleichmäßigkeit der Dehnung in der Nähe des Bereichs, der mit dem Träger 11 verbunden ist, weiter verbessert. Die relative Dehnung beträgt 0,85 oder mehr im gesamten Bereich von ±20 um, zentriert in der Mitte in Breitenrichtung des Seitenteils.
Die Referenzposition jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d ist auf die Mitte in der Breitenrichtung und der Erstreckungsrichtung des entsprechenden Seitenteils des Trägers 11 eingestellt. In dem Fall, in dem jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d an einer Position angeordnet ist, die von der Referenzposition um 5 um in der seitlichen Richtung von 1 abweicht, beträgt die Änderungsrate der Ausgangsspannung 0,4 %. In dem Fall, in dem jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d an einer Position angeordnet ist, die von der Referenzposition um 5 um in der Längsrichtung von 1 abweicht, beträgt die Änderungsrate der Ausgangsspannung 0%. In dem Fall, in dem jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d an einer Position angeordnet ist, die von der Referenzposition um 5 um in der schrägen Richtung von 1 abweicht, beträgt die Änderungsrate der Ausgangsspannung 0,4%. Daraus ist ersichtlich, dass es möglich ist, Schwankungen der Ausgangsspannung aufgrund von Positionsabweichungen der piezoresistiven Elemente weiter zu reduzieren.
Um die Gleichmäßigkeit der Dehnung in der Nähe des Bereichs, der mit dem Träger 11 verbunden ist, weiter zu verbessern, wird es bevorzugt, dass in der Nähe des Zentrums in der Breitenrichtung des Seitenteils der Grad der Dehnung, der auf der Außenseite des Zentrums erzeugt wird, und der Grad der Dehnung, der auf der Innenseite des Zentrums erzeugt wird, einander gleich sind. Um eine solche Dehnungsverteilung zu erreichen, ist es erforderlich, das Verhältnis zwischen den Breiten des äußeren Hohlraums 7 und des inneren Hohlraums 5 angemessen zu gestalten.
In 7 beträgt beispielsweise die Spitze der relativen Dehnung auf der zweiten Seite der Membran 8b 1, während die Spitze der relativen Dehnung auf der ersten Seite der Membran 8a etwa 0,95 beträgt. Das heißt, dass die Spitze der Dehnung, die auf der Außenseite der Mitte in der Breitenrichtung des Seitenteils erzeugt wird, größer ist als die Spitze der Dehnung, die auf der Innenseite der Mitte erzeugt wird. In diesem Fall ist es sinnvoll, die Breite des inneren Hohlraums 5 zu vergrößern oder die Breite des äußeren Hohlraums 7 zu verringern. Dies ermöglicht es, dass die Spitze der Dehnung, die auf der Außenseite des Zentrums erzeugt wird, und die Spitze der Dehnung, die auf der Innenseite des Zentrums erzeugt wird, in der Nähe des Zentrums in der Breitenrichtung des Seitenteils gleich groß sind.
In dieser Ausführungsform ist die Referenzposition jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d wünschenswerterweise auf die Mitte in der Breitenrichtung und der Erstreckungsrichtung des entsprechenden Seitenteils des Trägers 11 eingestellt. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Änderungsrate der Ausgangsspannung auch in dem Fall zu reduzieren, in dem die Position jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d von der Referenzposition in einer Auf-und-Ab-Richtung oder einer Rechts-und-Links-Richtung von 1 abweicht.
Die Breite jedes Seitenteils des Trägers 11 ist wünschenswerterweise gleich oder größer als die Summe aus der Abmessung des entsprechenden piezoresistiven Elements 6a, 6b, 6c oder 6d und einer Positionstoleranz des entsprechenden piezoresistiven Elements 6a, 6b, 6c oder 6d. Mit dieser Konfiguration kann jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d zuverlässig in dem Bereich oberhalb des Trägers 11 ausgebildet werden, wodurch Schwankungen der Ausgangsspannung aufgrund von Positionsabweichungen weiter reduziert werden können.
8 ist ein Graph zur Darstellung eines weiteren Beispiels für die Verteilung der relativen Dehnung, die in der Membran des Halbleiterdrucksensors gemäß dieser Ausführungsform erzeugt wird. 8 zeigt eine Dehnungsverteilung für den Fall, dass ein Träger 11 mit einer Breite von 29 um verwendet wird. Die horizontale Achse und die vertikale Achse von 8 sind die gleichen wie die von 6. In der horizontalen Achse von 8 ist ein Bereich von -14,5 µm oder mehr und 14,5 um oder weniger ein Bereich, der den Träger 11 überlappt. Ein Bereich von weniger als -14,5 um ist ein Bereich der ersten Membran 8a. Ein Bereich von mehr als 14,5 um ist ein Bereich der zweiten Membran 8b.
Wie in 8 gezeigt, ist die relative Dehnung im gesamten Bereich oberhalb des Trägers 11 0,95 oder höher. Das heißt, im Fall des Trägers 11 mit einer Breite von 29 um ist die Dehnung annähernd konstant und im Bereich oberhalb des Trägers 11 gleichmäßig. Bei dieser Ausführungsform ist die Gleichmäßigkeit der Dehnung am höchsten, wenn der Träger 11 eine Breite von 29 um hat. Die relative Dehnung beträgt 0,85 oder mehr im gesamten Bereich von ±20 µm, zentriert in der Mitte in Breitenrichtung des Seitenteils.
Unter der Bedingung, dass die Breite des Trägers 11 29 um beträgt, und die Positionstoleranz jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d ±5 um ist, wenn jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c, und 6d eine Abmessung von 19 um oder weniger hat, kann jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d zuverlässig in dem Bereich oberhalb des Trägers 11 angeordnet werden, selbst wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d abweichen. Dadurch können Variationen der Ausgangsspannung weiter reduziert werden.
9 ist eine Draufsicht zur Illustration einer Konfiguration eines Halbleiter-Drucksensors, wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente in dieser Ausführungsform abweichend sind. Wie in 9 illustriert, sind die Positionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d relativ zur Position der Membran abweichend. Jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d überschneidet sich nicht mit dem Träger 11, gesehen von der Normalenrichtung des ersten Siliziumsubstrats 2. Dennoch ist jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d in der Nähe des Bereichs angeordnet, der mit dem Träger 11 verbunden ist. Somit können in dieser Ausführungsform durch die Bereitstellung des Trägers 11 Schwankungen der Ausgangsspannung reduziert werden, selbst wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d, wie in 9 dargestellt, voneinander abweichen.
Im Schritt der Bildung der piezoresistiven Elemente werden die Positionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d gleichzeitig im selben Belichtungsprozess bestimmt. Aus diesem Grund werden die relativen Positionsbeziehungen zwischen den piezoresistiven Elementen 6a, 6b, 6c und 6d beibehalten, selbst wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d relativ zur Position der Membran abweichen. Somit ist der Abstand D1 von 9 derselbe wie der Abstand D1 von 1, und der Abstand D4 von 9 ist derselbe wie der Abstand D4 von 1.
Jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d kann aus einem Element oder aus einer Vielzahl von Elementen, die in Reihe oder parallel angeordnet sind, bestehen. Darüber hinaus können die piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d unterschiedliche Formen haben. Es ist bevorzugt, dass die Form jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d entsprechend gestaltet ist.
10 ist ein Graph zur Darstellung einer Beziehung zwischen der Breite des Trägers und der Änderungsrate der Ausgangsspannung im Halbleiterdrucksensor gemäß dieser Ausführungsform. Die horizontale Achse repräsentiert eine Breite (pm) jedes der Seitenteile 12a, 12b, 12c und 12d des Trägers 11. Die vertikale Achse repräsentiert eine Änderungsrate der Ausgangsspannung (%). Die quadratischen Markierungen im Diagramm repräsentieren jeweils eine Änderungsrate der Ausgangsspannung in dem Fall, in dem die Position jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d um 5 um in der seitlichen Richtung von 1 von der Referenzposition abweicht. Die Kreismarkierungen im Diagramm repräsentieren jeweils eine Änderungsrate der Ausgangsspannung für den Fall, dass die Position jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d von der Referenzposition um 5 um in der Längsrichtung von 1 abweicht. Die Dreiecksmarkierungen im Diagramm repräsentieren jeweils eine Änderungsrate der Ausgangsspannung für den Fall, dass die Position jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d von der Referenzposition um 5 um in der Schrägrichtung von 1 abweicht. Die Referenzposition jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d befindet sich in der Mitte in Breitenrichtung und in Erstreckungsrichtung des entsprechenden Seitenteils des Trägers 11.
10 zeigt, dass die Änderungsrate der Ausgangsspannung linear mit der Breite des Trägers 11 variiert. Die Änderungsrate der Ausgangsspannung in dem Fall, in dem die Position jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d in der schrägen Richtung abweicht, ist die Summe der Änderungsrate der Ausgangsspannung im Fall der Abweichung in der Längsrichtung und der Änderungsrate der Ausgangsspannung im Fall der Abweichung in der Querrichtung.
Der Graph zeigt, dass die Breite des Trägers 11, wenn die Änderungsrate der Ausgangsspannung 0 ist, sich zwischen dem Fall der Abweichung in Längsrichtung und dem Fall der Abweichung in Querrichtung unterscheidet. Die piezoresistiven Elemente 6b und 6d, die von einer Positionsabweichung in der Querrichtung betroffen sein können, sind so angeordnet, dass sie das zweite Seitenteil 12b bzw. das vierte Seitenteil 12d überlappen. Die piezoresistiven Elemente 6a und 6c, auf die eine Positionsabweichung in Längsrichtung einwirken kann, sind so angeordnet, dass sie das erste Seitenteil 12a bzw. das dritte Seitenteil 12c überlappen. In dieser Ausführungsform zeigt das Diagramm, dass die Änderungsrate der Ausgangsspannung unter der Bedingung am geringsten ist, dass die Breite des zweiten Seitenteils 12b und des vierten Seitenteils 12d jeweils 29 um und die Breite des ersten Seitenteils 12a und des dritten Seitenteils 12c jeweils 32 um beträgt. In Anbetracht dessen können das erste Seitenteil 12a, das zweite Seitenteil 12b, das dritte Seitenteil 12c und das vierte Seitenteil 12d des Trägers 11 zueinander unterschiedliche Breiten aufweisen. Die Breiten von zwei einander zugewandten Seitenteilen sind jedoch wünschenswerterweise gleich groß.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiter-Drucksensors 1 kurz beschrieben. Der Halbleiter-Drucksensor 1 hat eine quadratische Form mit einer Seitenlänge von etwa 1,0 mm bis etwa 1,6 mm in der Draufsicht. Die erste Membran 8a hat eine quadratische Form mit einer Seitenlänge von etwa 200 um in der Draufsicht.
Zunächst wird die Vertiefung 10 in der Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 durch Ätzen gebildet. Um die Formen des inneren Hohlraums 5 und des äußeren Hohlraums 7, d.h. die Form der Membran 8, mit hoher Genauigkeit auszubilden, wird vorzugsweise das induktiv gekoppelte plasmareaktive Ionenätzen (ICP-RIE) nach dem Bosch-Verfahren verwendet. Das Ätzverfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann auch ein anisotropes Nassätzen unter Verwendung eines Ätzmittels, z.B. Kaliumhydroxid (KOH) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) umfassen.
Die Tiefe der Vertiefung 10 bezieht sich auf das Volumen des inneren Hohlraums 5 und des äußeren Hohlraums 7. Bei einem Halbleiter-Drucksensor 1 für Wasserstoffdruck neigt der Innendruck im inneren Hohlraum 5 und im äußeren Hohlraum 7 dazu, durch das Eindringen von Gas wie Wasserstoff zu schwanken. Somit ist es vom Standpunkt aus, Schwankungen des Innendrucks zu verringern, selbst wenn Gas eintritt, daher vorzuziehen, dass das Volumen des inneren Hohlraums 5 und des äußeren Hohlraums 7 jeweils groß ist. In Anbetracht dessen wird für den Halbleiter-Drucksensor 1 für Wasserstoffdruck die Vertiefung 10 vorzugsweise so tief wie möglich ausgeführt. Je tiefer die Vertiefung 10 wird, desto größer wird das Volumen des inneren Hohlraums 5 und des äußeren Hohlraums 7. Dies ermöglicht die Unterdrückung von Schwankungen des Innendrucks im inneren Hohlraum 5 und im äußeren Hohlraum 7 aufgrund des Eintritts von Wasserstoffgas, was zu einer Verringerung der Variationen im Sensorausgang führt.
Wenn die Vertiefung 10 dagegen abgeflacht wird, kann die Bearbeitungslast beim Ätzen verringert und eine Abnahme der mechanischen Festigkeit des zweiten Siliziumsubstrats 3 unterdrückt werden. Im Falle eines Halbleiter-Drucksensors 1 für atmosphärischen Druck ändert sich der Innendruck im inneren Hohlraum 5 und im äußeren Hohlraum 7 kaum, selbst wenn etwas Gas eintritt. Im Hinblick darauf kann bei einem Halbleiter-Drucksensor 1 für Atmosphärendruck die Vertiefung 10 flach ausgeführt werden. Obwohl die Tiefe der Vertiefung 10 im inneren Hohlraum 5 und im äußeren Hohlraum 7 in dieser Ausführungsform 50 um beträgt, kann die Tiefe der Vertiefung 10 frei eingestellt werden.
Als Nächstes wird die Siliziumoxidschicht 4 auf der Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 durch thermische Oxidation gebildet. Die Siliziumoxidschicht 4 wird auch auf den Oberflächen der Vertiefung 10 und des Trägers 11 gebildet. Im Allgemeinen wird bei einem Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer eine Oxidschicht mit einer Dicke von 0,1 µm bis 1 um an einer Wafer-Verbindungsfläche verwendet. Bei einem Halbleiter-Drucksensor 1 für Wasserstoffdruck vergrößert sich mit zunehmender Dicke der Siliziumoxidschicht 4 die Querschnittsfläche eines Weges, durch den Wasserstoffgas oder ähnliches hindurchtritt, und es wird für das Gas einfach, in das Innere des äußeren Hohlraums 7 und des inneren Hohlraums 5 einzudringen. Im Gegensatz dazu kann eine dünne Siliziumoxidschicht 4 die Gleichmäßigkeit in einer Verbindungsebene verringern, unabhängig davon, ob es sich um einen Halbleiter-Drucksensor für Wasserstoffdruck oder für atmosphärischen Druck handelt.
In dieser Ausführungsform ist die Dicke der Siliziumoxidschicht 4 auf 0,5 um eingestellt. Die Dicke der Siliziumoxidschicht 4 ist nicht besonders begrenzt, und die Dicke einer Oxidschicht, die in einem allgemeinen SOI-Wafer verwendet wird, kann verwendet werden. Obwohl die Siliziumoxidschicht 4 in dieser Ausführungsform auf der Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 ausgebildet ist, kann die Siliziumoxidschicht 4 auch auf der Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 ausgebildet sein.
Danach werden die Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 und die Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 über die Siliziumoxidschicht 4 unter Vakuum miteinander verbunden. Auf diese Weise werden der innere Hohlraum 5 und der äußere Hohlraum 7 gebildet. Vorzugsweise werden das zweite Siliziumsubstrat 3 und das erste Siliziumsubstrat 2 in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer hohen Temperatur von ca. 1.100°C miteinander verbunden. In diesem Fall kann die Temperatur in der oxidierenden Atmosphäre je nach Verhältnis der Fläche der Vertiefung 10 zur Fläche des gesamten Wafers zur Verbesserung der Bondierfestigkeit auf etwa 1.200°C erhöht werden.
Ein Teil des ersten Siliziumsubstrats 2 bildet die Membran 8. Nachdem das zweite Siliziumsubstrat 3 und das erste Siliziumsubstrat 2 miteinander verbunden sind, wird die Dicke des ersten Siliziumsubstrats 2 entsprechend dem Druckbereich eines Messobjekts eingestellt. Spezifisch wird die Dicke des ersten Siliziumsubstrats 2 durch Schleifen und Polieren der gesamten Hauptfläche 2a des ersten Siliziumsubstrats 2 eingestellt. Auf diese Weise wird die Membran 8 so eingestellt, dass sie eine geeignete Dicke in Übereinstimmung mit dem Druckbereich des Messziels aufweist.
Als nächstes werden die piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d auf der Hauptfläche 2a des ersten Siliziumsubstrats 2 ausgebildet. Jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d ist an einem äußeren Randteil der ersten Membran 8a ausgebildet, d.h. in einem Bereich, der mit dem Träger 11 der Membran 8 verbunden ist. Jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d wird durch Implantation von Fremdionen, wie z.B. Bor, und anschließende Wärmebehandlung o.ä. gebildet. Außerdem wird eine Diffusionsverdrahtungsschicht durch Ionenimplantation und anschließende Wärmebehandlung gebildet. Dann werden eine metallische Verdrahtungsschicht und ein Metallelektroden-Pad durch Abscheidung von Metallfilmen, z. B. aus Al, Al-Si oder Al-Si-Cu, durch Sputtern, Elektronenstrahlverdampfung oder andere Verfahren gebildet.
Mit den oben beschriebenen Schritten wird eine Vielzahl von Halbleiter-Drucksensoren 1 auf einmal auf einem Wafer gebildet. Danach werden die Halbleiter-Drucksensoren 1 in einem Dicing-Schritt voneinander abgeschnitten.
Als nächstes werden Modifikationsbeispiele dieser Ausführungsform beschrieben. 11 ist eine Draufsicht zur Veranschaulichung einer Konfiguration eines Halbleiterdrucksensors gemäß Modifikationsbeispiel 1 dieser Ausführungsform. Wie in 11 illustriert, umfasst der Träger 11 vier Ecken, gesehen von der normalen Richtung des ersten Siliziumsubstrats 2. In jeder der vier Ecken ist ein abgeschrägter Teil 11b ausgebildet. Der abgeschrägte Teil 11b ist entlang der gesamten Höhenrichtung des Trägers 11 ausgebildet. Der abgeschrägte Teil 11b ist dem äußeren Hohlraum 7 zugewandt. Der abgeschrägte Teil 11b ist ausreichend von jedem der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d getrennt. Der abgeschrägte Teil 11b wird durch Abfasen der Ecke um 45 Grad gebildet. Der abgeschrägte Teil 11b kann durch Abrunden der Ecke gebildet werden.
Im rechteckigen, rahmenförmigen Träger 11 konzentriert sich die Belastung am stärksten auf die Ecken. In Modifikationsbeispiel 1 unterdrücken die abgeschrägten Teile 11b, die an den Ecken ausgebildet sind, eine Beschädigung der Ecken aufgrund der Konzentration der Belastung. Außerdem wird die ebene Form des Trägers 11 in eine achteckige Form oder eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken gebracht, während die Breite der Seitenteile 12a, 12b, 12c und 12d beibehalten wird. Dadurch kann die mechanische Festigkeit des Trägers 11 verbessert werden.
12 ist eine schematische Ansicht zur Illustrierung einer Querschnittskonfiguration eines Halbleiter-Drucksensors gemäß dem Modifikationsbeispiel 2 dieser Ausführungsform. Wie in 12 dargestellt, sind die Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 und die Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 ohne Verwendung einer Siliziumoxidschicht direkt miteinander verbunden. Die Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 und die vorstehende Endfläche 11a des Trägers 11 sind ebenfalls direkt miteinander verbunden, ohne dass eine Siliziumoxidschicht verwendet wird. Jede der Verbindungsflächen des ersten Siliziumsubstrats 2 und des zweiten Siliziumsubstrats 3 besteht nur aus Silizium. Mit dieser Konfiguration kann die mechanische Festigkeit des Halbleiterdrucksensors 1 erhöht werden. Außerdem erfolgt die Verbindung zwischen Silizium und Silizium und nicht zwischen Silizium und Siliziumoxid, so dass die Auswirkungen von Eigenspannungen aufgrund der Verbindung verschiedener Materialtypen reduziert werden. So ist es im Modifikationsbeispiel 2 möglich, die Robustheit gegenüber thermischer Ausdehnung zu verbessern.
Der Druck sowohl im inneren Hohlraum 5 als auch im äußeren Hohlraum 7 kann in einigen Fällen mit der Zeit variieren. Druckschwankungen in jedem Hohlraum führen zu Schwankungen beim Grad der Dehnung, die in der Membran als Reaktion auf den Druck eines Messobjekts erzeugt wird. In Anbetracht dessen können der innere Hohlraum 5 und der äußere Hohlraum 7 über eine Öffnung räumlich miteinander verbunden sein.
13 ist eine Draufsicht zur Illustrierung einer Konfiguration eines Halbleiterdrucksensors gemäß Modifikationsbeispiel 3 dieser Ausführungsform. Wie in 13 dargestellt, weist jede der vier Ecken des Trägers 11 eine darin ausgebildete Öffnung 11c auf. Der innere Hohlraum 5 und der äußere Hohlraum 7 stehen über die Öffnung 11c räumlich miteinander in Verbindung. Die Öffnung 11c ist von jedem der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d ausreichend beabstandet. Solange die Breite des Trägers 11 beibehalten wird, kann die Öffnungsfläche der Öffnung 11c frei gewählt werden. Da der innere Hohlraum 5 und der äußere Hohlraum 7 räumlich miteinander in Verbindung stehen, werden der Druck im inneren Hohlraum 5 und der Druck im äußeren Hohlraum 7 auf demselben Niveau gehalten. So ist es möglich, zeitliche Schwankungen der jeweiligen Drücke im inneren Hohlraum 5 und im äußeren Hohlraum 7 zu unterdrücken.
Wie oben beschrieben, enthält der Halbleiter-Drucksensor 1 gemäß dieser Ausführungsform das erste Siliziumsubstrat 2 und das zweite Siliziumsubstrat 3. Eine Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 und eine Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 sind miteinander verbunden. In der Hauptfläche 3a des zweiten Siliziumsubstrats 3 ist eine Vertiefung 10 ausgebildet. Das erste Siliziumsubstrat 2 enthält die Membran 8, die der Vertiefung 10 gegenüberliegt. In der Vertiefung 10 ist ein Träger 11 ausgebildet, der in Richtung des ersten Siliziumsubstrats 2 vorsteht. Der Träger 11 umfasst die vier Seitenteile 12a, 12b, 12c und 12d, die so angeordnet sind, dass sie eine rechteckige Rahmenform bilden. Die vorstehende Endfläche 11a des Trägers 11 ist mit der Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 verbunden. Der innere Hohlraum 5, der auf der Innenseite des Trägers 11 angeordnet ist, und der äußere Hohlraum 7, der auf der Außenseite des Trägers 11 angeordnet ist, werden zwischen der Vertiefung 10 und dem ersten Siliziumsubstrat 2 gebildet. In der anderen Hauptfläche 2a des ersten Siliziumsubstrats 2 sind die piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d ausgebildet. Die piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d sind an oder in der Nähe der Position angeordnet, die den Träger 11 überlappt, gesehen von der normalen Richtung des ersten Siliziumsubstrats 2.
Bei dieser Konfiguration wird in der Membran 8 in der Nähe des Bereichs, der mit dem Träger 11 verbunden ist, eine gleichmäßige Dehnung erzeugt. Auf diese Weise ist es möglich, Schwankungen der Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Druck zu verringern, selbst wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d voneinander abweichen.
Hierbei ist die Umgebung der Position, die den Träger 11 überlappt, ein Bereich mit einem Abstand von 10 um oder weniger von der Position, die den Träger 11 überlappt. Der Belichtungsprozess in jedem der Schritte zur Bildung der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d und der Schritt zur Bildung der Vertiefung 10 kann eine Fehlausrichtung von etwa 2 um bis etwa 3 um verursachen. Infolgedessen kann zwischen jedem der piezoresistiven Elemente und dem Träger 11 eine Positionsabweichung von etwa 4 um bis maximal etwa 6 um auftreten. Die Breite des Trägers 11 kann 20 um betragen, und die Breite in Breitenrichtung des Trägers 11 des piezoresistiven Elements kann 26 um betragen. In diesem Fall steht das piezoresistive Element an jeder Seite in Breitenrichtung des Trägers 11 um 3 um über, selbst wenn die Position der Mitte in Breitenrichtung des Trägers 11 und die Position der Mitte des piezoresistiven Elements übereinstimmen. Addiert man die Breite der Positionsabweichung zwischen dem piezoresistiven Element und dem Träger 11 von etwa 4 um bis etwa 6 um und die überstehende Breite des piezoresistiven Elements aus dem Träger 11 von 3 um, ergibt sich eine Breite von etwa 7 um bis etwa 9 um. Das heißt, das piezoresistive Element kann in dieser Ausführungsform nicht nur an der Position vorhanden sein, die den Träger 11 überlappt, sondern auch an einer Position, die von der Position, die den Träger 11 überlappt, um etwa 10 um entfernt ist.
Bei dem Halbleiter-Drucksensor 1 gemäß dieser Ausführungsform sind in der Dehnungsverteilung der Membran 8 in der Breitenrichtung eines der vier Seitenteile 12a, 12b, 12c und 12d die Spitze der Dehnung, die in einem Bereich auf der Innenseite der Mitte in der Breitenrichtung des Seitenteils erzeugt wird, und die Spitze der Dehnung, die in einem Bereich auf der Außenseite der Mitte in der Breitenrichtung des Seitenteils erzeugt wird, einander gleich. Bei dieser Konfiguration wird in der Membran 8 in der Nähe des Bereichs, der mit dem Träger 11 verbunden ist, eine gleichmäßigere Dehnung erzeugt. Dadurch ist es möglich, Schwankungen der Ausgangsspannung relativ zum Druck zu verringern, selbst wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d voneinander abweichen.
Bei dem Halbleiter-Drucksensor 1 gemäß dieser Ausführungsform beträgt die relative Dehnung der Membran 8 in der Breitenrichtung eines der vier Seitenteile 12a, 12b, 12c und 12d in der Mitte 0,8 oder mehr, wobei ein maximaler Dehnungsbetrag von 1 angenommen wird. Bei dieser Konfiguration wird eine gleichmäßigere Dehnung in der Membran 8 in der Nähe des mit dem Träger 11 verbundenen Bereichs erzeugt. Dadurch ist es möglich, Schwankungen der Ausgangsspannung relativ zum Druck zu verringern, selbst wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d voneinander abweichen.
In dem Halbleiter-Drucksensor 1 gemäß dieser Ausführungsform ist bei der Dehnungsverteilung der Membran 8 in der Breitenrichtung eines der vier Seitenteile 12a, 12b, 12c und 12d der Grad der Dehnung, die in einem Bereich erzeugt wird, der das Seitenteil aus der normalen Richtung des ersten Siliziumsubstrats 2 gesehen überlappt, in der Breitenrichtung des Seitenteils gleichmäßig. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, Schwankungen in der Ausgangsspannung relativ zum Druck zu reduzieren, selbst wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d abweichen.
Bei dem Halbleiter-Drucksensor 1 gemäß dieser Ausführungsform können zwei der vier Seitenteile 12a, 12b, 12c und 12d, die einander gegenüberliegen, die gleiche Breite haben.
In dem Halbleiter-Drucksensor 1 gemäß dieser Ausführungsform umfassen die piezoresistiven Elemente die beiden piezoresistiven Elemente 6b und 6d, die einander gegenüberliegen. Der Abstand D1 zwischen den Mittelpunkten der beiden piezoresistiven Elemente 6b und 6d ist gleich dem Abstand ((D2+D3)/2) zwischen den Mittelpunkten in der Breitenrichtung der beiden Seitenteile 12b und 12d, die sich unter den vier Seitenteilen gegenüberliegen. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, Schwankungen der Ausgangsspannung relativ zum Druck zu reduzieren, selbst wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d abweichen.
In dem Halbleiter-Drucksensor 1 gemäß dieser Ausführungsform kann jedes der mehreren piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d an der Position angeordnet sein, die den Träger 11 überlappt, gesehen von der normalen Richtung des ersten Siliziumsubstrats 2.
In dem Halbleiter-Drucksensor 1 gemäß dieser Ausführungsform ist die Breite jedes der vier Seitenteile 12a, 12b, 12c und 12d gleich oder größer als die Summe der Abmessung des entsprechenden piezoresistiven Elements 6a, 6b, 6c oder 6d und einer Positionstoleranz des entsprechenden piezoresistiven Elements 6a, 6b, 6c oder 6d. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, jedes der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d in dem den Träger 11 überlappenden Bereich zu bilden, auch wenn die Positionen der piezoresistiven Elemente 6a, 6b, 6c und 6d abweichen.
In dem Halbleiter-Drucksensor 1 gemäß dieser Ausführungsform sind an den Ecken des Trägers 11 abgeschrägte Teile 11b ausgebildet. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, Schäden an den Ecken des Trägers 11 aufgrund von Dehnungskonzentrationen zu unterdrücken und die mechanische Festigkeit des Trägers 11 zu verbessern.
In dem Halbleiter-Drucksensor 1 gemäß dieser Ausführungsform stehen der innere Hohlraum 5 und der äußere Hohlraum 7 räumlich miteinander in Verbindung. Bei dieser Konfiguration werden die Drücke im inneren Hohlraum 5 und im äußeren Hohlraum 7 auf demselben Niveau gehalten, so dass es möglich ist, zeitliche Schwankungen der jeweiligen Drücke im inneren Hohlraum 5 und im äußeren Hohlraum 7 zu unterdrücken.
Beim Halbleiter-Drucksensor 1 gemäß dieser Ausführungsform ist die vorstehende Endfläche 11a direkt mit der Hauptfläche 2b des ersten Siliziumsubstrats 2 verbunden. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die mechanische Festigkeit des Halbleiter-Drucksensors 1 zu erhöhen und die Robustheit gegenüber Wärmeausdehnung zu verbessern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009139258 A [0003]

Claims

Halbleiter-Drucksensor (1), umfassend: ein erstes Siliziumsubstrat (2); und ein zweites Siliziumsubstrat (3), wobei eine Hauptfläche (2b) des ersten Siliziumsubstrats (2) und eine Hauptfläche (3a) des zweiten Siliziumsubstrats (3) miteinander verbunden sind, wobei die eine Hauptfläche (3a) des zweiten Siliziumsubstrats (3) eine darin ausgebildete Vertiefung (10) aufweist, wobei das erste Siliziumsubstrat (2) eine Membran (8) aufweist, die der Vertiefung (10) gegenüberliegt, wobei die Vertiefung (10) einen Träger (11) aufweist, der in Richtung des darin ausgebildeten ersten Siliziumsubstrats (2) vorsteht, wobei der Träger (11) vier Seitenteile (12a, 12b, 12c, 12d) umfasst, die so angeordnet sind, dass sie eine rechteckige Rahmenform bilden, wobei der Träger (11) eine vorstehende Endfläche (11a) aufweist, die mit der einen Hauptfläche (2b) des ersten Siliziumsubstrats (2) verbunden ist, wobei die Vertiefung (10) und das erste Siliziumsubstrat (2) einen inneren Hohlraum (5) und einen äußeren Hohlraum (7) aufweisen, die dazwischen ausgebildet sind, wobei der innere Hohlraum (5) auf einer Innenseite des Trägers (11) angeordnet ist und der äußere Hohlraum (7) auf einer Außenseite des Trägers (11) angeordnet ist, wobei die andere Hauptfläche (2a) des ersten Siliziumsubstrats (2) darin ausgebildete piezoresistive Elementen (6a, 6b, 6c, 6d) aufweist, wobei die piezoresistiven Elemente (6a, 6b, 6c, 6d) an oder in der Nähe einer Position angeordnet sind, die den Träger (11) überlappt, gesehen von einer Normalenrichtung des ersten Siliziumsubstrats (2).
Halbleiter-Drucksensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei in einer Dehnungsverteilung der Membran (8) in einer Breitenrichtung eines der vier Seitenteile (12a, 12b, 12c, 12d) eine Spitze der Dehnung, die in einem Bereich auf einer Innenseite eines Zentrums in der Breitenrichtung des einen der vier Seitenteile (12a, 12b, 12c, 12d) erzeugt wird, und eine Spitze der Dehnung, die in einem Bereich auf einer Außenseite der Mitte in der Breitenrichtung des einen der vier Seitenteile (12a, 12b, 12c, 12d) erzeugt wird, einander gleich sind.
Halbleiter-Drucksensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei in einer Dehnungsverteilung der Membran (8) in einer Breitenrichtung eines der vier Seitenteile (12a, 12b, 12c, 12d) eine relative Dehnung in einer Mitte in der Breitenrichtung des einen der vier Seitenteile (12a, 12b, 12c, 12d) 0,8 oder höher ist, wobei angenommen wird, dass ein maximaler Dehnungsbetrag 1 ist.
Halbleiter-Drucksensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei in einer Dehnungsverteilung der Membran (8) in einer Breitenrichtung eines der vier Seitenteile (12a, 12b, 12c, 12d) ein Grad der Dehnung, die in einem Bereich erzeugt wird, der das eine der vier Seitenteile (12a, 12b, 12c, 12d) überlappt, von der Normalenrichtung des ersten Siliziumsubstrats (2) aus gesehen, in der Breitenrichtung gleichmäßig ist.
Halbleiter-Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei von den vier Seitenteilen (12a, 12b, 12c, 12d) zwei einander zugewandte Seitenteile die gleiche Breite aufweisen.
Halbleiter-Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Breite jedes der vier Seitenteile (12a, 12b, 12c, 12d) gleich oder größer ist als die Summe der Abmessungen eines entsprechenden piezoresistiven Elements unter den piezoresistiven Elementen (6a, 6b, 6c, 6d) und einer Positionstoleranz des entsprechenden piezoresistiven Elements.
Halbleiter-Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die piezoresistiven Elemente (6a, 6b, 6c, 6d) zwei piezoresistive Elemente umfassen, die einander gegenüberliegen, und wobei ein Abstand (D1) zwischen Mittelpunkten der beiden piezoresistiven Elemente gleich einem Abstand ((D2+D3)/2) zwischen den Mittelpunkten in einer Breitenrichtung von zwei Seitenteilen ist, die einander gegenüberliegen, unter den vier Seitenteilen (12a, 12b, 12c, 12d).
Halbleiter-Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Träger (11) eine Ecke aufweist, in der eine Abschrägung (11b) ausgebildet ist.
Halbleiter-Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der innere Hohlraum (5) und der äußere Hohlraum (7) räumlich miteinander in Verbindung stehen.
Halbleiter-Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die vorstehende Endfläche (11a) direkt mit der einen Hauptfläche (2b) des ersten Siliziumsubstrats (2) verbunden ist.