DE10321482A1

DE10321482A1 - Verbesserung von Membraneigenschaften bei einer Halbleitervorrichtung mit einer Membran

Info

Publication number: DE10321482A1
Application number: DE10321482A
Authority: DE
Inventors: Eishi Kawasaki; Hisanori Yokura; Kazuhiko Sugiura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP3778128B2; US20030215974A1; US7157781B2; JP2003332587A; DE10321482B4

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung, die eine Membran aufweist, enthält ein Halbleitersubstrat (10), das eine aktive Oberfläche aufweist, und eine Membran (30). Eine Kavität (20) ist zwischen der aktiven Oberfläche und der Membran (30) angeordnet und hermetisch abgedichtet. Die Membran weist einen ersten Film (34) auf, der ein Durchgangsloch (34a) aufweist, das sich durch den ersten Film (34) erstreckt, und einen zweiten Film (36), der durch Aufschmelzen einer Aufschmelzschicht (36) gebildet iwrd, die aus einem Material besteht, das vikso wird und beim Erwärmen wieder fließt. Das Durchgangsloch (34a) ist durch den zweiten Film (36) verschlossen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die eine oberflächenfeinbearbeitete Membran aufweist, und auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung.
Diese Art von Halbleitervorrichtung weist ein Substrat und eine Membran auf. Die Membran wird über der aktiven Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet, wo elektrische Elemente gebildet werden. Eine Kavität wird zwischen der aktiven Oberfläche und der Membran angeordnet und hermetisch abgedichtet. Die Kavität und die Membran werden beispielsweise durch Aufeinanderstapeln zweier Filme auf der aktiven Oberfläche und Ätzen eines unten liegenden Films durch ein Loch im anderen darüber liegenden Film gebildet. Als ein Beispiel einer solchen Halbleitervorrichtung ist ein oberflächenfeinbearbeiteter Drucksensor bekannt.
Ein oberflächenfeinbearbeiteter Drucksensor wird in der JP-A-2001-504994 vorgeschlagen. Das zur Herstellung des Drucksensors vorgeschlagene Verfahren wird in den Fig. 1A-1F gezeigt. Zunächst wird, wie in Fig. 1A gezeigt, eine untere Elektrode 510, die beispielsweise eine Schicht, in die Verunreinigungen vom p-Typ eindiffundiert sind (p-Topf), in einer aktiven Oberfläche eines Siliziumsubstrats 500 gebildet, und dann wird ein Siliziumoxidfilm 520 gebildet, um die untere Elektrode 510 abzudecken. Dann wird, wie in Fig. 1B gezeigt, eine mit Verunreinigungen dotierte Polysiliziumschicht abgeschieden und in vorab bestimmten Formen mit Mustern versehen. Dann wird ein mit Verunreinigungen dotierter Polysiliziumfilm 530 durch Bilden von Ätzlöchern 540 in der mit Verunreinigungen dotierten Polysiliziumschicht und Nutzung von Photolithographie und Ätzen vervollständigt. Die Ätzlöcher 540 erstrecken sich von der Oberfläche des Polysiliziumfilms 530 hinab zum Siliziumoxidfilm 520.
Dann werden, wie in Fig. 1C gezeigt, der Siliziumoxidfilm 520 und der Polysiliziumfilm 530 mit einem Resist 550 bedeckt, so dass die Ätzlöcher 540 bloßliegen, und der Siliziumoxidfilm 520 wird teilweise unterhalb des Polysiliziums 530 durch die Ätzlöcher 540 geätzt, wobei beispielsweise eine wässrige Flusssäure-(HF-) Lösung genutzt wird. Als Ergebnis wird eine Druckreferenzkammer 560, oder eine Kavität 560, in dem Gebiet gebildet, das der geätzte Abschnitt des Siliziumoxidfilms 520 besetzt hatte.
Dann wird, wie in Fig. 1D gezeigt, der Resist 550 abgezogen, und ein Siliziumoxidfilm 570 wird abgeschieden, um die Referenzkammer 560 hermetisch zu versiegeln, indem die Ätzlöcher 540 verstopft werden. Als Nächstes werden, wie in Fig. 1E gezeigt, Elektroden 580, die beispielsweise aus Aluminium hergestellt werden, gebildet, um elektrisch die untere Elektrode 510 und den Polysiliziumfilm 530 zu verbinden, und ein Passivierungsfilm 590, der beispielsweise aus Siliziumnitrid hergestellt wird, wird gebildet. Eine Membran, die einen Abschnitt des Polysiliziums 530, einen Abschnitt des Siliziumoxidfilms 570 und einen Abschnitt des Passivierungsfilms 590 enthält, wird über der Druckreferenzkammer 560 gebildet.
Als Nächstes werden, wie in Fig. 1F gezeigt, der Passivierungsfilm 590 und der Siliziumoxidfilm 570 in einem vorab bestimmten Abschnitt abgezogen, um ein Verformungsteil 505 in der Membran zu definieren. Da die Membran in dem Abschnitt, in dem die Filme 570, 590 abgezogen wurden, dünner wird und sich leichter verformt als im Rest der Membran, wird der Teil der Membran, der innerhalb des Abschnitts angeordnet ist, als das Verformungsteil 505 definiert, wie in Fig. 1F gezeigt.
Der Grund, warum das Verformungsteil 505 definiert werden muss, ist, dass es schwierig ist, die Dimensionen der Membran genau zu steuern, weil es keine Ätzstops gibt, wenn die Referenzkammer 560 durch teilweises Ätzen des Siliziumoxidfilms 520 gebildet wird, der eine Opferschicht ist. Der Drucksensor der Fig. 1F arbeitet als ein kapazitiver Drucksensor vom Parallelplattentyp. Das heißt, ein Kondensator wird durch den Polysiliziumfilm 530, der als eine Elektrode wirkt, und die untere Elektrode 510 gebildet. Wenn das Verformungsteil 505 durch Druck verlagert wird, ändert sich der Abstand zwischen dem Polysiliziumfilm 530 und der unteren Elektrode 510 und die Kapazität des Kondensators ändert sich ebenfalls. Daher wird der Druck durch Erfassen der Kapazitätsänderung erfasst.
Außer der Halbleitervorrichtung, die eine oberflächenfeinbearbeitete Membran aufweist, die durch den vorstehend beschriebenen Drucksensor wiedergegeben wird, gibt es auch eine Halbleitervorrichtung, die eine rückseitig feinbearbeitete Membran aufweist. Die Membran wird in der rückseitigen Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet, die der aktiven Oberfläche, auf der elektrische Elemente gebildet werden, gegenüber liegt. Beispielsweise wird im Herstellvorgang eines rückseitig feinbearbeiteten Drucksensors eine Membran durch teilweises Ätzen eines Siliziumsubstrats von der rückseitigen Oberfläche gebildet, die der aktiven Oberfläche, auf der elektrische Elemente wie Dehnmessstreifen und Elektroden gebildet werden, gegenüber liegt. Eine Druckreferenzkammer, oder eine Kavität, wird in dem Gebiet gebildet, das der geätzte Abschnitt des Substrats eingenommen hat, indem ein Glasblock auf die hintere Oberfläche des Siliziumsubstrats geklebt wird.
Wenn ein Drucksensor mit feinbearbeiteter Rückseite und ein oberflächenfeinbearbeiteter Drucksensor miteinander verglichen werden, neigt die Druckreferenzkammer des oberflächenfeinbearbeiteten Drucksensors, die durch teilweises Ätzen einer Opferschicht gebildet wird, dazu, ein Volumen aufzuweisen, das um mehr als 2 Größenordnungen kleiner als das des Drucksensors mit fein bearbeiteter Rückseite ist, das durch teilweises Ätzen des Siliziumsubstrats des Sensors von der rückseitigen Oberfläche gebildet wird.
Weil selbst eine kleine Änderung des Drucks innerhalb der Referenzkammer die Sensoreigenschaften signifikant beeinflusst, ist eine hermetische Versiegelung beim oberflächenfeinbearbeiteten Drucksensor extrem kritisch. Die Abgeschlossenheit der Referenzkammer 560 hängt stark von dem Verfahren zum Abscheiden des Siliziumoxidfilms 570 ab, um die Ätzlöcher 540 im Herstellschritt, der in Fig. 1D gezeigt ist, zu stopfen. Als Filmabscheidungsverfahren, die mit einem Halbleiterprozess kompatibel sind, werden chemische Dampfabscheidungen (CVD) und physikalische Dampfabscheidungen (PVD) genutzt, um den Siliziumoxidfilm 570 zu bilden. Die Abscheidungsverfahren weisen jedoch die nachstehenden Probleme auf.
Wenn der Siliziumoxidfilm 570 durch Niederdruck-CVD gebildet wird, dringt das Quellenmaterial durch die Ätzlöcher 540 in die Referenzkammer 560 ein. Als ein Ergebnis wird der Siliziumoxidfilm 570 teilweise innerhalb der Referenzkammer 560 abgeschieden, wo er die Dicke der Membran ändert und ein sanftes Verformen der Membran verhindert. Im schlimmsten Fall bildet der Siliziumoxidfilm 570in der Referenzkammer 560 Säulen, so dass die Verformung der Membran vollständig verhindert wird.
Wenn der Siliziumoxidfilm 570 mittels CVD unter Atmosphärendruck abgeschieden wird, liegt der Druck innerhalb der Referenzkammer 560 auf Atmosphärendruck. Daher ändert sich der Druck in der Referenzkammer 560 als Antwort auf die Umgebungstemperatur in Übereinstimmung mit dem Boyle- Charles'schen Gesetz. Als Ergebnis verformt sich die Membran abhängig von der Umgebungstemperatur, und die Sensorausgabe wird von der Umgebungstemperatur beeinflusst. Insbesondere wenn der zu erfassende Druckpegel niedrig ist, wird die Sensorausgabe beträchtlich durch die Umgebungstemperatur beeinflusst.
Wenn der Siliziumoxidfilm 570 durch Plasma-CVD (P- CVD) gebildet wird, kann ein Spalt 575 im Siliziumoxidfilm 570 beispielsweise in der Nähe einer Stufe gebildet werden, die an einem Ende des Polysiliziumfilms 530 liegt, wie in Fig. 1D gezeigt. Der Spalt 575 bedeutet einen Ritz, einen Fehler, usw., der den hermetisch vom Siliziumoxidfilm 570 abgedichteten Bereich einengt und die Verlässlichkeit der hermetischen Dichtung verschlechtert.
Selbst wenn der Siliziumoxidfilm 570 über PVD wie Sputtern abgeschieden wird, ist die Abdeckung des Siliziumoxidfilms 570 an der Stufe so schlecht wie bei P-CVD. Daher wird der hermetisch vom Siliziumoxidfilm 570 versiegelte Bereich eingeengt, und die Verlässlichkeit der hermetischen Versiegelung ist ungenügend.
Die vorstehend beschriebenen Probleme sind allen oberflächenfeinbearbeiteten Halbleitervorrichtungen gemein, in denen eine auf der aktiven Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnete Kavität hermetisch durch eine Membran versiegelt ist, und sind nicht auf den vorstehend beschriebenen oberflächenfeinbearbeiteten Drucksensor beschränkt. Beispielsweise kann ein Thermosäuleninfrarotsensor, in dem das Element zum Infraroterfassen auf einer Membran gebildet wurde, ein hohe Erfassungspräzision aufweisen, solange in einer Kavität ein hohes Vakuum gehalten wird, um die Membran thermisch zu isolieren. Wenn die hermetische Versiegelung der Kavität jedoch nicht verlässlich ist, kann sich die thermische Isolierung der Membran verschlechtern.
Die vorliegende Erfindung wurde aufgrund der vorstehenden Überlegungen gemacht, und hat zum Ziel, eine oberflächenfeinbearbeitete Halbleitervorrichtung zu schaffen, in der eine Kavität, die auf der aktiven Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet ist, unter Nutzung einer Membran hermetisch versiegelt wird, und die gute Membrancharakteristiken und eine hohe Verlässlichkeit der hermetischen Abdichtung der Kavität aufweist.
Um diese Aufgabe zu lösen, weist eine Halbleitervorrichtung, die eine Membran nach der vorliegenden Erfindung aufweist, ein Halbleitersubstrat, das eine aktive Oberfläche aufweist, und eine Membran auf. Eine Kavität ist zwischen der aktiven Oberfläche und der Membran angeordnet und hermetisch verschlossen. Die Membran weist einen ersten Film auf, der ein Durchgangsloch aufweist, das sich durch den ersten Film erstreckt, und einen zweiten Film, der durch Wiederverflüssigen einer Aufschmelzschicht gebildet wird, die aus einem Material hergestellt wird, das viskos wird und sich wieder verflüssigt, wenn es beheizt wird. Das Durchgangsloch wird vom zweiten Film gestopft, um die Kavität hermetisch zu versiegeln.
Ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung weist Folgendes auf: Bilden einer Opferschicht an einer Position, an der eine Kavität auf einer aktiven Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet werden soll; Bilden eines ersten Films, dessen einer Teil einen Teil einer Membran bilden soll, um die Opferschicht zu bedecken; Bilden eines Durchgangslochs, das sich durch den ersten Film erstreckt; Bilden einer Aufschmelzschicht, die aus einem Material hergestellt wird, das beim Erhitzen viskos wird, um den ersten Film so abzudecken, dass das Durchgangsloch durch die Aufschmelzschicht verstopft wird; Bilden eines Ätzlochs, das es erlaubt, dass die Opferschicht zu einer Außenseite hin bloßliegt, so dass das Ätzloch an einer Position angeordnet ist, die dem Durchgangsloch entspricht; Ätzen der Opferschicht durch das Ätzloch, um eine Kavität zu bilden; und Wiederverflüssigen der Aufschmelzschicht durch Heizen, um einen zweiten Film zu bilden, dessen einer Teil einen Teil einer Membran bilden soll. Das Ätzloch und das Durchgangsloch werden durch den zweiten Film verstopft, wenn die Aufschmelzschicht wieder verflüssigt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
die Fig. 1A bis 1F schematische Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines vorgeschlagenen oberflächenfeinbearbeiteten Drucksensors zeigen;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenfeinbearbeiteten Drucksensors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die Fig. 3A bis 3G schematische Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Herstellung des Drucksensors der Fig. 2 zeigen; und
die Fig. 4A bis 4C schematische Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines oberflächenfeinbearbeiteten Drucksensors ähnlich dem Drucksensor der Fig. 2 zeigen.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen genau beschrieben.
Wie in Fig. 2 gezeigt, weist ein Drucksensor S1 eine Kavität 20, die auf einer aktiven Oberfläche eines Siliziumsubstrats 10 angeordnet ist, und eine Membran 30 auf, die über der Kavität 20 angeordnet ist, um die Kavität 20 hermetisch abzudichten. Die Membran 30, die ein Diaphragma ist, verformt sich abhängig vom Umgebungsdruck, der von der Außenseite des Sensors S1 auf die Membran 30 ausgeübt wird. Eine Schicht 12 mit niedrigem Widerstand, die als eine Elektrode wirkt, ist in der aktiven Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 angeordnet, das ein Halbleiter ist. Im Drucksensor S1 der Fig. 2 ist die Schicht 12 mit niedrigem Widerstand eine Schicht mit eindiffundierten Verunreinigungen wie eine Topfschicht vom p-Typ oder eine Topfschicht vom n-Typ, die einen Leittyp aufweist, der sich vom ursprünglichen Leittyp des Siliziumsubstrats 10 unterscheidet.
Die aktive Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 wird abgesehen von einem Kontaktloch von einem ersten Siliziumoxidfilm 14 bedeckt, der auf der Schicht 12 mit niedrigem Widerstand angeordnet ist. Der erste Siliziumoxidfilm wirkt als ein Schutzfilm zum Schutz des Siliziumsubstrats 10, wenn eine Opferschicht geätzt wird, die wie später beschrieben aus Polysilizium oder amorphen Silizium hergestellt wird. Der erste Siliziumoxidfilm 14 kann durch thermische Oxidation, Sputtern, CVD usw. gebildet werden.
Ein zweiter Siliziumoxidfilm 32, der Durchgangslöcher 32a aufweist, ist auf dem ersten Siliziumoxidfilm 14 angeordnet. Die vorstehend erwähnte Kavität 20 wird durch den zweiten Siliziumoxidfilm 32 und dem ersten Siliziumoxidfilm 14 definiert, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Der zweite Siliziumoxidfilm 32 kann beispielsweise von der Oberseite des Drucksensors S1 in Fig. 2 aus gesehen kreisförmig sein. Der zweite Siliziumoxidfilm 32 wird durch einen ersten Film 34, oder einem Polysiliziumfilm 34 bedeckt, der Durchgangslöcher 34a aufweist.
Wie in Fig. 2 gezeigt, stehen die Durchgangslöcher 32a im zweiten Siliziumoxidfilm 32 mit den Durchgangslöchern 34a im Polysiliziumfilm 34 in Verbindung. Der Polysiliziumfilm 34 wirkt als eine Elektrode. Der Polysiliziumfilm 34 und die Schicht 12 mit niedrigem Widerstand bilden einen Kondensator. Der Polysiliziumfilm 34 kann beispielsweise durch CVD oder Sputtern abgeschieden werden. Der zweite Siliziumoxidfilm 32 wirkt als ein Schutzfilm zum Schützen des Polysiliziumfilms 34, wenn die Opferschicht, die aus einem Polysilizium oder einem amorphen Silizium gebildet wird, geätzt wird. Der zweite Siliziumoxidfilm 32 kann durch thermische Oxidation, Sputtern, CVD usw. gebildet werden.
Der Polysiliziumfilm 34 wird abgesehen von einem Kontaktloch durch einen zweiten Film 36, oder einem dritten Siliziumoxidfilm 36, bedeckt. Die Durchgangslöcher 32a, 34a werden durch den dritten Siliziumoxidfilm 36 verstopft. Der dritte Siliziumoxidfilm 36 wird gebildet, indem eine Schicht wiederverflüssigt wird, die aus einem Material gebildet wird, das viskos wird und sich wieder verflüssigt, wenn das Material erwärmt wird. Das Material kann beispielsweise aus PSG hergestellt werden, das ein Siliziumoxidfilm ist, der mit Phosphor dotiert ist, oder BPSG, das ein Siliziumodixfilm ist, der mit Bor und Phosphor dotiert ist.
Die Membran 30 wird aus einem Abschnitt des Siliziumoxidfilms 32, einem Abschnitt des Polysiliziumfilms 34, einem Abschnitt des dritten Siliziumoxidfilms 36 und einem Abschnitt eines Passivierungsfilms 40 gebildet, der ein später beschriebener Schutzfilm ist. Die Abschnitte sind über der Kavität 20 in Fig. 2 angeordnet. Die Kavität 20 ist hermetisch unter Benutzung einer Membran 30 verschlossen, um eine Druckreferenzkammer zu bilden, in welcher der Druck konstant, beispielsweise auf einem Pegel in der Nähe des Vakuums gehalten wird.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wird der dritte Siliziumoxidfilm 36 durch den Passivierungsfilm 40 bedeckt, der beispielsweise aus Siliziumnitrid hergestellt wird. Der Passivierungsfilm 40 kann beispielsweise unter Nutzung von CVD oder Sputtern gebildet werden. Der Passivierungsfilm 40 bedeckt und schützt alle Elemente, die auf der aktiven Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 angeordnet sind.
Wie in Fig. 2 gezeigt, sind zwei Kontaktelektroden 50, 51 außerhalb der Membran 30 angeordnet. Eine der Kontaktelektroden 50 wird elektrisch mit der Schicht 12 mit niedrigem Widerstand durch ein Kontaktloch im Siliziumoxidfilm 14 und ein Kontaktloch im dritten Siliziumoxidfilm 36 verbunden. Die andere der Kontaktelektroden 51 wird elektrisch mit dem Polysiliziumfilm 34 durch ein Kontaktloch im dritten Siliziumoxidfilm 36 verbunden. Die Kontaktelektroden 50, 51 werden aus einem Metall wie Aluminium hergestellt. Das Metall kann beispielsweise durch Gasphasenabscheidung abgeschieden werden.
Im Drucksensor S1 der Fig. 2 wird ein Kondensator unter Nutzung des Polysiliziumfilms 34 und der Schicht 12mit niedrigem Widerstand gebildet, und die Kapazität des Kondensators wird erfasst. Die Membran 30 verformt sich aufgrund des Umgebungsdrucks und ändert den Abstand zwischen den Polysiliziumfilm 34 und der Schicht 12 mit niedrigem Widerstand. Die Kapazität des Kondensators ändert sich abhängig von dem Abstand zwischen dem Polysiliziumfilm 34 und der Schicht 12 mit niedrigem Widerstand, so dass der Druck durch die Erfassung der Kapazität erfasst werden kann. Das heißt, der Drucksensor S1 der Fig. 2 wirkt als ein kapazitiver Parallelplattendrucksensor.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des Drucksensors S1 der Fig. 2 beschrieben. Zunächst wird, wie in Fig. 3A gezeigt, eine Schicht 12 mit niedrigem Widerstand, die eine Schicht mit eindiffundierten Verunreinigungen ist, in der aktiven Oberfläche eines Siliziumsubstrats 10 durch Ionenimplantierung oder Diffundieren gebildet. Dann wird ein erster Siliziumoxidfilm 14 durch thermische Oxidierung, Sputtern oder CVD auf der aktiven Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 gebildet.
Dann wird, wie in Fig. 3B gezeigt, eine Opferschicht 60 an der Position gebildet, an der eine Kavität 20 auf dem ersten Siliziumoxidfilm 14 gebildet werden soll. Beispielsweise kann die Opferschicht 60 durch Abscheiden eines Polysiliziumfilms unter Nutzung von CVD oder Sputtern und Strukturieren des Films beispielsweise in die Form einer flachen Scheibe unter Nutzung von Photolithographie und Ätzen gebildet werden. Die Form der Kavität 20 wird im Wesentlichen durch die Form der Opferschicht 60 bestimmt. Als Nächstes wird, wie in Fig. 3B gezeigt, ein zweiter Siliziumoxidfilm 32 auf der Oberfläche der Opferschicht 60 beispielsweise durch thermisches Oxidieren der Oberfläche der Opferschicht 60 gebildet. Nebenbei bemerkt, kann die Opferschicht 60 aus amorphen Silizium an Stelle von Polysilizium hergestellt werden. Zudem kann der zweite Siliziumoxidfilm 32 durch Sputtern oder CVD abgeschieden werden.
Dann wird eine Polysiliziumschicht, aus der ein erster Film 34 oder ein Polysiliziumfilm 34 gebildet wird, beispielsweise durch CVD oder Sputtern abgeschieden, um den zweiten Siliziumoxidfilm 32 zu bedecken. Dann wird, wie in Fig. 3C gezeigt, die Polysiliziumschicht unter Nutzung von Photolithographie und Ätzen strukturiert, um den Polysiliziumfilm 34 zu bilden, der Durchgangslöcher 34a aufweist.
Als Nächstes wird, wie in Fig. 3D gezeigt, eine Siliziumoxidschicht 36 (Aufschmelzschicht), aus der ein zweiter Film 36, oder ein dritter Siliziumoxidfilm 36, gebildet wird, abgeschieden, um den Polysiliziumfilm 34 zu bedecken. Die Siliziumoxidschicht 36 wird aus PSG oder BPSG hergestellt, das durch Erwärmen viskos wird, und beispielsweise durch CVD gebildet. Die Durchgangslöcher 34a in dem Polysiliziumfilm 34 werden durch die Siliziumoxidschicht 36 verstopft, wie in Fig. 3D gezeigt.
Dann werden, wie in Fig. 3E gezeigt, Ätzlöcher 70 beispielsweise durch Photolithographie und Trockenätzen an den Positionen gebildet, die den Durchgangslöchern 34a im Polysiliziumfilm 34 entsprechen, um es der Opferschicht zu erlauben, zur Außenseite hin bloßzuliegen, während der Polysiliziumfilm 34 von der Siliziumoxidschicht 36 bedeckt bleibt. Als Nächstes wird die Kavität 20 durch Ätzen der Opferschicht 60 durch die Ätzlöcher 70 gebildet. Die Opferschicht 60 wird unter Nutzung eines Ätzverfahrens geätzt, in dem Polysilizium oder amorphes Silizium das die Opferschicht 60 bildet, selektiv geätzt wird, aber Siliziumoxid im Wesentlichen nicht geätzt wird. Das Ätzverfahren kann nasses Ätzen sein, wobei ein Ätzmittel verwendet wird, das Kaliumhydroxid (KOH) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) aufweist, oder ein Trockenätzmittel unter Nutzung eines Gases wie Xenonfluorid (XeF2).
Der Polysiliziumfilm 34 sollte an den Innenwänden, welche die Ätzlöcher 70 festlegen, nicht bloßliegen, wenn die Ätzlöcher 70 gebildet werden. Wenn der Polysiliziumfilm 34 bloßliegen würde, würde der Polysiliziumfilm 34 allmählich vom bloßliegenden Abschnitt aus geätzt, weiterhin sollte der Durchmesser der Ätzlöcher 70 vorzugsweise klein sein, und die Anzahl der Löcher sollte vorzugsweise minimal gehalten werden, um die Ätzlöcher 70 in einem darauf folgenden Herstellungsschritt besser zu versiegeln. Man muß jedoch einen Kompromiss eingehen, um das vorstehend genannte Ätzmaterial gut an die Opferschicht 60 zu bringen. Daher sollten eine optimale Lochanzahl und ein optimaler Lochdurchmesser gewählt werden.
Als Nächstes wird die Siliziumoxidschicht 36, die aus PSG oder BPSG hergestellt wird, durch Aufheizen bei ungefähr 900°C im Vakuum wieder verflüssigt, um die Ätzlöcher 70 zu verstopfen, wie in Fig. 3F gezeigt. Als ein Ergebnis wird die Kavität 20 oder eine Druckreferenzkammer, die einen Druckpegel in der Nähe des Vakuums aufweist und hermetisch verschlossen wird, gebildet.
Als Nächstes werden, wie in Fig. 3G gezeigt, Kontaktlöcher im Siliziumoxidfilm 14 und dem dritten Siliziumoxidfilm 36 beispielsweise durch Trockenätzen gebildet. Mit dem Bilden der Kontaktlöcher ist ein zweiter Film 36 oder ein dritter Siliziumoxidfilm 36 vollständig. Dann wird ein leitender Film abgeschieden und die Kontaktelektroden 50, 51 werden aus dem leitenden Film strukturiert. Dann wird beispielsweise ein Siliziumnitridfilm 40 abgeschieden, um einen Passivierungsfilm 40 zu bilden und eine Membran 30 zu vervollständigen, und der Siliziumnitridfilm 40 wird teilweise geätzt, um die Kontaktelektroden 50, 51 bloßzulegen. Mit den vorstehenden Herstellschritten wird ein Drucksensor S1 der Fig. 2 vervollständigt.
Die ersten und zweiten Siliziumoxidfilme 14, 32 wirken als eine Ätzbremse, wenn die erste Opferschicht 60 in Übereinstimmung mit dem in Fig. 3A-3G gezeigten Verfahren geätzt wird. Daher ist es möglich, die Dimensionen der Kavität 20 und die Dimensionen der Membran 30 genau zu steuern. Daher benötigt der in den Fig. 3A-3G gezeigte Prozess keinen Herstellschritt zur Definition eines in Fig. 1F gezeigten Verformungsteils 505.
Zusätzlich werden die Ätzlöcher 70 nicht verstopft, wenn die Siliziumoxidschicht 36 abgeschieden wird, sondern nachdem die Siliziumoxidschicht 36 abgeschieden ist, indem die Siliziumoxidschicht 36 wieder verflüssigt wird. Das heißt, die Kavität 20 wurde noch nicht gebildet, wenn die Siliziumoxidschicht 36 abgeschieden wird, so dass die Siliziumoxidschicht 36 nicht in die Kavität 20 einsickert, wenn die Siliziumoxidschicht 36 abgeschieden wird. Selbst wenn die Siliziumoxidschicht 36 wieder verflüssigt wird, sickert die Siliziumoxidschicht 36 nicht durch die Ätzlöcher im zweiten Siliziumoxidfilm 32 in die Kavität 20, solange die Dimensionen und die Anzahl der Ätzlöcher 70 geeignet gesteuert werden. Zudem werden, selbst wenn in der Siliziumoxidschicht 36 Spalte erzeugt werden, die Spalte repariert, wenn die Siliziumoxidschicht 36 wieder verflüssigt wird. Daher ist die dritte Siliziumoxidschicht 36 zur hermetischen Versiegelung besser geeignet als der Siliziumoxidfilm 570 des herkömmlichen Drucksensors.
Weiterhin wird im herkömmlichen Drucksensor, der durch das in Fig. 1A-1F gezeigte Verfahren hergestellt wird, der Druck innerhalb der Kavität 560 durch den Druck und die Atmosphäre bestimmt, wenn der Siliziumoxidfilm 570 abgeschieden wird. Andererseits wird im Drucksensor S1, der durch das Verfahren hergestellt wird, das in den Fig. 3A-3G gezeigt wird, der Druck innerhalb der Kavität 20 im Wesentlichen durch den Druck und die Atmosphäre bestimmt, wenn die Siliziumoxidschicht 36 wieder verflüssigt wird.
Der Druckpegel und die Atmosphäre, unter der die Siliziumoxidschicht 36 wieder verflüssigt wird, kann frei gewählt werden, so dass es einen höheren Grad von Flexibilität bei der Bestimmung des Drucks innerhalb der Kavität 20 gibt. Als ein Ergebnis kann der Druck innerhalb der Kavität 20 auf einem vorab bestimmten Pegel festgelegt werden, um eine Verformung der Membran 30 aufgrund der Druckänderung innerhalb der Kavität 20 zu verhindern, oder um die thermische Isolationsfähigkeit der Membran 30 zu verbessern. Daher ermöglicht es der in den Fig. 3A bis 3G gezeigte Prozess, eine Druckreferenzkammer zu bilden, die einen Druckpegel aufweist, der für den zu erfassenden Druck geeignet ist.
Somit ist es in Übereinstimmung mit den in Fig. 3A-3G gezeigten Prozess möglich, eine oberflächenfeinbearbeitete Halbleitervorrichtung zu schaffen, in der eine Kavität, die auf der aktiven Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet ist, hermetisch von einer Membran versiegelt ist, und die gute Membraneigenschaften und eine hohe Verlässlichkeit der hermetischen Versiegelung der Kavität aufweist.
Obwohl der Drucksensor S1 der Fig. 2 ein diskreter Sensor ist, kann der in den Fig. 3A-3G gezeigte Prozess gleichermaßen auf einen integrierten Drucksensor angewendet werden, bei dem Druckerfassungselemente und integrierte Schaltkreise auf einen einzelnen Chip gebildet werden, weil der in den Fig. 3A bis 3G gezeigte Prozess eine überlegene Kompatibilität mit dem Prozess zur Herstellung eines LSI-Chips aufweist. Beispielsweise können die Herstellschritte der Fig. 3A bis 3C unter Nutzung von Herstellschritten erreicht werden, die herkömmlicherweise genutzt werden, um eine Schicht mit eindiffundierten Verunreinigungen, eine dielektrische Filmzwischenschicht, und eine Polysiliziumschicht eines Transistors zu bilden.
Mit anderen Worten kann der Drucksensor S1 der Fig. 2 mit Ausnahme des Ätzens der Opferschicht 60 unter Nutzung eines herkömmlichen LSI-Prozesses genutzt werden. Insbesondere wenn der Drucksensor S1 der Fig. 2 beispielsweise unter Nutzung des Prozesses für ein EPROM hergestellt wird, wird nur ein Minimum von einer zusätzlichen Maske benötigt, die den Herstellschritten zum Bilden von zwei Polysiliziumschichten des EPROMS hinzugefügt wird, um die Durchgangslöcher 34a im Polysiliziumfilm 34 zu bilden.
Die Aufbauten und Materialien der verschiedenen Teile, aus denen der Drucksensor S1 der Fig. 2 besteht, sind nicht auf das vorstehende Beispiel beschränkt. Beispielsweise muss der zweite Film 36 nicht aus PSG oder BPSG hergestellt werden. Jeder Film kann als zweiter Film 36 genutzt werden, solange das Material, aus dem der Film besteht, bei einer Temperatur viskos wird und sich wieder verflüssigt, die niedriger als die Temperaturen ist, bei denen andere Teile gebildet werden, um den Drucksensor S1 der Fig. 2 herzustellen, bevor der zweite Film 36 im Herstellprozess wieder verflüssigt wird.
Weiterhin kann anstelle der Schicht 12 mit niedrigem Widerstand eine Elektrode, die aus einem anderen Material hergestellt ist, wie einem Metall oder einem Polysilizium, auf der aktiven Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 gebildet werden.
Anstelle des ersten Siliziumoxidfilms 14 und des zweiten Siliziumoxidfilms 32, die zum Schutz des Siliziumsubstrats 10 und des Polysiliziumfilms 34 genutzt werden, wenn die Opferschicht 60, die entweder aus Polysilizium oder amorphem Silizium besteht, geätzt wird, kann ein Film genutzt werden, der aus einem Material wie Siliziumnitrid besteht, das nicht geätzt wird, wenn die Opferschicht 60 geätzt wird.
Weiterhin kann anstelle des Polysiliziumfilms 34 eine Elektrode genutzt werden, die beispielsweise aus einem amorphen Siliziumfilm hergestellt wird, der ähnliche Eigenschaften wie der Polysiliziumfilm 34 aufweist.
Eine große Auswahl von Materialien ist für die Alternativen zum ersten Siliziumoxidfilm 14, zum zweiten Siliziumoxidfilm 32 und zum Polysiliziumfilm 34 möglich. Geeignete Materialien müssen jedoch für jeden Film 14, 32, 34 abhängig vom Typ des Materials gewählt werden, welches die Opferschicht 60 bildet.
Weiterhin werden die ersten und zweiten Siliziumoxidfilme 14, 32 nicht benötigt, wenn das Siliziumsubstrat 10 und der Polysiliziumfilm 34 im Wesentlichen nicht geätzt werden, wenn die Opferschicht 60 geätzt wird, wie in den Fig. 4A bis 4C gezeigt. In den Fig. 4A und 4B wird eine Opferschicht 600 aus Silizumnitrid hergestellt. Wie in Fig. 4A gezeigt, wird die Opferschicht 600 an der Position gebildet, an der eine Kavität 20 auf der aktiven Oberfläche eines Siliziumsubstrats 10 gebildet werden soll, auf der bereits eine Schicht 12 mit niedrigem Widerstand gebildet wurde. Dann wird ein erster Film 34, oder ein Polysiliziumfilm 34, gebildet, um die Opferschicht 600 zu bedecken.
Als Nächstes wird, wie in Fig. 4B gezeigt, eine Siliziumoxidschicht 36 (Aufschmelzschicht), die aus PSG oder BPSG besteht, aus dem ein zweiter Film 36 gebildet wird, gebildet, um den Polysiliziumfilm 34 zu bedecken, ohne Durchgangslöcher im Polysiliziumfilm 34 zu bilden. Dann werden, wie in Fig. 4C gezeigt, Ätzlöcher 70 und Durchgangslöcher 34a gleichzeitig beispielsweise durch Photolithographie und Trockenätzen gebildet, um zuzulassen, dass die Opferschicht 600 nach außen bloßliegt. Der Polysiliziumfilm 34 wird im Wesentlichen nicht geätzt, wenn die Opferschicht 60, die aus Siliziumnitrid hergestellt ist, geätzt wird, so dass es keine Notwendigkeit gibt, die Seitenwände, welche die Durchgangslöcher 34a definieren, mit dem zweiten Film 36 zu bedecken. Daher können die Ätzlöcher 70 und die Durchgangslöcher 34a gleichzeitig gebildet werden.
Als Nächstes wird die Opferschicht 60 durch die Ätzlöcher 70 und die Durchgangslöcher 34a unter Nutzung eines Ätzmaterials wie erwärmter wässriger Phosphorsäurelösung geätzt, die selektiv Siliziumnitrid ätzt, um die Kavität 20 zu bilden. Anschließend wird, wie im Herstellschritt der Fig. 3F, die Siliziumoxidschicht 36 durch Erwärmen wieder verflüssigt, um die Ätzlöcher 70 zu verstopfen. Dann werden, unter Nutzung der gleichen Herstellschritte wie in Fig. 3G gezeigt, Kontaktlöcher in der Siliziumoxidschicht 36 gebildet, Kontaktelektroden 50, 51 gebildet, und ein Passivierungsfilm 40 wird gebildet, wobei zugelassen wird, dass die Kontaktelektroden 50, 51 bloßgelegt werden, um einen Drucksensor zu vervollständigen. Die Drucksensorherstellung unter Nutzung der Herstellschritte, die in den Fig. 4A bis 4C gezeigt werden, schafft einen Drucksensor mit ähnlichen Eigenschaften wie denen des Drucksensors der Fig. 2, der unter Nutzung der Herstellschritte hergestellt wird, die in den Fig. 3A bis 3G gezeigt werden.
Weiterhin kann anstelle des ersten Films 34, der aus dem Polysiliziumfilm 34 besteht, ein erster Film benutzt werden, der aus zwei Schichten besteht. Beispielsweise werden zwei Schichten durch Bilden einer Isolierschicht gebildet, die aus einem Isoliermaterial wie Siliziumnitrid hergestellt wird, um eine Opferschicht zu bedecken und durch Bilden einer leitenden Schicht, die aus einem leitfähigem Material, wie aus einem Metall, und Polysilizium hergestellt wird, um die Isolierschicht zu bedecken. Im ersten Film, der aus zwei Schichten besteht, wirkt die Isolierschicht als ein Teil einer Membran oder eines Diaphragmas, und die leitende Schicht wirkt als eine Elektrode.
Obwohl der Drucksensor S1 der Fig. 2 ein kapazitiver Drucksensor vom Parallelplattentyp ist, kann die vorliegende Erfindung auf einen Drucksensor angewendet werden, in dem eine Verunreinigungsdiffusionsschicht, die als ein Dehnmessstreifen wirkt, in einem Polysiliziumfilm gebildet wurde, der in einer Membran angeordnet ist. In einem solchen Drucksensor wird der auf den Sensor wirkende Druck unter Nutzung des Dehnmessstreifens erfasst, so dass eine Elektrode wie die Schicht 12 mit niedrigem Widerstand aus Fig. 2 nicht benötigt wird.
Weiterhin kann die vorliegende Erfindung auf einen Thermosäuleninfrarotsensor angewendet werden. Ein solcher Sensor kann beispielsweise durch Bilden eines Siliziumnitridfilms als eines Films anstelle des Polysilizumfilms 34 bei einem Herstellschritt äquivalent dem in Fig. 3C gezeigten, Bilden einer Thermokopplung unter Nutzung beispielsweise von Polysiliziumdrahtlinien und Aluminiumdrahtlinien auf dem ersten Film, anschließendes Bilden eines zweiten Films zum Bedecken der Thermokopplung in einem Herstellschritt äquivalent zu dem in Fig. 3D gezeigten, und Durchführen von Herstellschritten ähnlich den in den Fig. 3E bis 3G gezeigten hergestellt werden. Die Sensitivität des Infrarotsensors ist vergleichsweise hoch, weil die Innenseite einer Kavität, mit der eine Membran, welche die Thermokopplung aufweist, thermisch von einem Substrat isoliert ist, auf Hochvakuum gehalten wird.
Weiterhin kann die vorliegende Erfindung auf einen kapazitiven Beschleunigungssensor und einen kapazitiven Winkelgeschwindigkeitssensor angewendet werden. In einem solchen Sensor wird beispielsweise eine kammförmige bewegliche Elektrode innerhalb einer Kavität gebildet. Indem die Innenseite der Kavität auf Hochvakuum gehalten wird, kann ein hochsensitiver kapazitiver Beschleunigungssensor und ein hochsensitiver kapazitiver Winkelgeschwindigkeitssensor hergestellt werden, weil der Sensor nicht anfällig für externe Störungen ist.
Zusammenfassend leistet die Erfindung Folgendes:
Eine Halbleitervorrichtung, die eine Membran aufweist, enthält ein Halbleitersubstrat (10) das eine aktive Oberfläche aufweist, und eine Membran (30). Eine Kavität (20) ist zwischen der aktiven Oberfläche und der Membran (30) angeordnet und hermetisch abgedichtet. Die Membran weist einen ersten Film (34) auf, der ein Durchgangsloch (34a) aufweist, das sich durch den ersten Film (34) erstreckt, und einen zweiten Film (36), der durch Aufschmelzen einer Aufschmelzschicht (36) gebildet wird, die aus einem Material besteht, das viskos wird, und beim Erwärmen wieder fließt. Das Durchgangsloch (34a) ist durch den zweiten Film (36) verschlossen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, die ein Halbleitersubstrat (10) und eine Membran (30) aufweist, wobei eine Kavität (20) zwischen einer aktiven Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) und der Membran (30) angeordnet und hermetisch verschlossen ist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist:
Bilden einer Opferschicht (60) an einer Position, an der eine Kavität (20) auf einer aktiven Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet werden soll;
Bilden eines ersten Films (34), dessen einer Teil einen Teil einer Membran (30) bilden soll, um die Opferschicht (60) zu bedecken;
Bilden eines Durchgangslochs (34a), das sich durch den ersten Film (34) erstreckt;
Bilden einer Aufschmelzschicht (36), die aus einem Material hergestellt wird, das viskos wird, wenn es erhitzt wird, um den ersten Film (34) so zu bedecken, dass das Durchgangsloch (34a) durch die Aufschmelzschicht (36) verstopft wird;
Bilden eines Ätzlochs (70), das es erlaubt, dass die Opferschicht (60) zu einer Außenseite hin bloßliegt, so dass das Ätzloch (70) an einer Position angeordnet ist, welche der des Durchgangslochs (34a) entspricht;
Ätzen der Opferschicht (60) durch das Ätzloch (70), um eine Kavität (20) zu bilden; und
Wiederverflüssigen der Aufschmelzschicht (36) durch Aufheizen, um einen zweiten Film (36) zu bilden, von dem ein Teil ein Teil der Membran wird, wobei das Ätzloch (70) und das Durchgangsloch (34a) durch den zweiten Film (36) verstopft werden, wenn die Aufschmelzschicht (36) wieder verflüssigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ätzloch (70) so gebildet wird, dass eine Seitenwand, welche das Durchgangsloch (34a) definiert, vom zweiten Film (36) bedeckt wird, und wobei der erste Film (34) durch den zweiten Film (36) geschützt wird, wenn die Opferschicht (60) geätzt wird.

3. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, die ein Halbleitersubstrat (10) und eine Membran (30) aufweist, wobei eine Kavität (20) zwischen einer aktiven Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) und der Membran (30) angeordnet und hermetisch versiegelt ist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist:
Bilden einer Opferschicht (60) an einer Position, an der eine Kavität (20) auf einer aktiven Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet werden soll;
Bilden eines ersten Films (34), dessen einer Teil einen Teil einer Membran (30) bilden soll, um die Opferschicht (60) zu bedecken;
Bilden einer Aufschmelzschicht (36), die aus einem Material hergestellt wird, das beim Heizen viskos wird, um den zweiten Film (36) zu bedecken;
gleichzeitiges Bilden eines Durchgangslochs (34a), das sich durch den ersten Film (34) erstreckt, und eines Ätzlochs (70), das es zulässt, dass die Opferschicht (60) zu einer Außenseite hin bloßliegt;
Ätzen der Opferschicht (60) durch das Ätzloch (70), um eine Kavität (20) zu bilden; und
Wiederverflüssigen der Aufschmelzschicht (36) durch Heizen, um einen zweiten Film (36) zu bilden, dessen einer Teil einen Teil einer Membran (30) bilden soll, wobei das Ätzloch (70) und das Durchgangsloch (34a) vom zweiten Film (36) verstopft werden, wenn die Aufschmelzschicht (36) wieder verflüssigt wird.

4. Halbleitervorrichtung mit einer Membran, welche Folgendes aufweist:
Ein Halbleitersubstrat (10), das eine aktive Oberfläche aufweist; und
eine Membran (30), wobei eine Kavität (20) zwischen der aktiven Oberfläche und der Membran (30) angeordnet und hermetisch versiegelt ist, wobei die Membran Folgendes aufweist:
Einen ersten Film (34), der ein Durchgangsloch (34a) aufweist, das sich durch den ersten Film (34) erstreckt; und einen zweiten Film (36) der durch wiederverflüssigen einer Aufschmelzschicht (36) gebildet wurde, die aus einem Material besteht, das viskos wird und sich wieder verflüssigt, wenn es erwärmt wird, wobei das Durchgangsloch (34a) durch den zweiten Film (36) verstopft wurde, um die Kavität (20) hermetisch zu versiegeln.