DE19843716B4

DE19843716B4 - Halbleitersensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19843716B4
Application number: DE19843716A
Authority: DE
Inventors: Katsumichi Kawasaki Ueyanagi; Mutsuo Kawasaki Nishikawa; Mitsuo Kawasaki Sasaki
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1998-09-23
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: DE19843716A1; JPH11101818A; JP3187754B2

Abstract

Halbleitersensor, bei dem auf einer ersten Schicht eines Trägersubstrats (100) unter Zwischenlage einer isolierenden zweiten Schicht (102) eine dritte Schicht (101) ausgebildet ist, die einen Sensoraufbau aufweist, wobei die zweite Schicht (102) zwischen einer Erfassungsoberfläche des Sensoraufbaus und der ersten Schicht entfernt ist, und wobei mindestens ein Balkenabschnitt (111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g, 111h), der ein Erfassungselement aufweist, und mindestens ein Gewichtsabschnitt (110a, 110b), der eine Vielzahl von Durchgangslöchern (108a) gleicher Breite und eine Vielzahl von Schlitzen (108b) mit dergleichen Breite, wie die der Durchgangslöcher aufweist, die über die gesamte Oberfläche hinweg ausgebreitet sind, an der Erfassungsoberfläche des Sensoraufbaus vorhanden sind, wobei die zweite Schicht dort entfernt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleitersensor wie etwa einen Beschleunigungssensor und/oder einen Winkelbeschleunigungssensor, der in einer Vielzahl von Gebieten wie etwa auf dem Kraftfahrzeugsektor, bei Flugzeugen, medizinischen Diensten, Messungen und Kalibrierungen zum Einsatz kommt. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors.
In dem japanischen Patent JP 2-551625 B2 (japanische Offenlegungsschrift JP 1-259264 A (1989)), ist ein Beispiel eines herkömmlichen Halbleitersensors offenbart, das in den anliegenden 1 und 2 gezeigt ist. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung, während in 2 eine Schnittzeichnung gezeigt ist, die entlang der in 1 gezeigten Linie II-II geschnitten ist.
Bei diesem als Beschleunigungssensor ausgelegten Halbleitersensor wird ein aus Silizium bestehender Einkristall geätzt, um hierdurch einen Trägerrahmen 1, Gewichtsteile 2a und 2b, einen Balkenabschnitt 3a zur Verbindung des Gewichtsteils 2a mit dem Gewichtsteil 2b, und Balkenabschnitte 3b und 3c zu bilden, die zum gegenseitigen Verbinden des Gewichtsteils 2a, des Gewichtsteils 2b und des Trägerrahmens dienen. Auf den Balkenabschnitten 3a, 3b und 3c werden Messwiderstände 4a, 4b, 4c und 4d vorgesehen, die zusammen eine Wheatstone-Brückenschaltung bilden. Wenn eine Beschleunigung in einer Richtung ausgeübt wird, die in 2 durch den Pfeil angegeben ist, ändern sich die Widerstandswerte der Messwiderstände. Der Beschleunigungssensor mißt die Beschleunigung unter Auswertung dieser Änderungen der Widerstandswerte.
Im allgemeinen wird bei einem Halbleiterbeschleunigungssensor dieser Art ein aus Silizium bestehendes Substrat von der Rückseite her tief geätzt, um hierdurch dickwandige Gewichtsteile mit einer Dicke von 300 μm bis 400 μm sowie dünnwandige Balkenabschnitte mit einer Dicke von ungefähr 10 μm bis 50 μm zu bilden. Als Substrat wird häufig ein aus Silizium bestehender Wafer mit ungefähr 100 mm (4 Zoll) Dicke eingesetzt. Der Grund hierfür besteht in Folgendem: Da es erforderlich ist, das Substrat tief zu ätzen, um hierdurch dünne Balkenabschnitte zu bilden, ist eine kleine Waferdicke im Hinblick auf die Produktivitätsrate vorteilhaft, da dies zu einer Begrenzung der Bearbeitungszeitdauer führt. Die Wafergröße, die bei dem Prozeß mit einer Dicke von 300 μm bis 400 μm, was der Dicke der Gewichtsteile entspricht, gehandhabt werden kann, liegt bei ungefähr 100 mm (4 Zoll). Größere Wafer mit einer Größe von 127 mm (5 Zoll) oder 152 mm (6 Zoll) sind hierbei recht schwierig zu handhaben.
Wie aus 2 ersichtlich ist, besitzt ein Wafer, der mit einer Anzahl von dünnwandigen, niedrige Resonanzfrequenz besitzenden Balkenabschnitten versehen ist, vor seiner Richtung eine geringe Steifigkeit, so dass er dann, wenn er einer Schockbeanspruchung ausgesetzt wird, dazu tendiert, Resonanzerscheinungen in dem Sensorabschnitt oder in dem Wafer selbst zu zeigen. Es besteht dabei die Gefahr, dass die Balkenabschnitte sich übermäßig verlagern oder eine übermäßige Beanspruchung auf sie ausgeübt wird. Demzufolge ist die Größe des Wafers im Hinblick auf seine Handhabung beschränkt.
Ein weiteres Beispiel eines zum. Stand der Technik rechnenden Beschleunigungssensors ist der Beschleunigungssensor, der in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift mit der Nummer JP 8-248058 A offenbart ist. Dieses zweite, zum Stand der Technik rechnende Beispiel wird nun unter Bezugnahme auf die 3 und 4 näher beschrieben. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung des Beschleunigungssensors, während in 4 eine schematische Darstellung gezeigt ist, die den Aufbau einer einen Teil des Beschleunigungssensors bildenden Kammelelektrodeneinheit veranschaulicht. Dieser Beschleunigungssensor weist einen dreilagigen Aufbau auf, der eine erste Schicht (Trägerplatte) 10, eine zweite Schicht 11, die als isolierende Schicht dient und auf der ersten Schicht angeordnet ist, und eine dritte, hierauf angebrachte Schicht 12 umfasst. Der Sensor enthält beispielsweise einen SOI-Wafer (SOI = Silicon On Insulator = Silizium auf Isolator) oder einen Wafer mit epitaktischem Polysilizium (das Polysilizium dient als die dritte Schicht, die auf einem aus Silizium bestehenden Einkristall-Substrat unter Zwischenlage einer isolierenden Schicht aufgewachsen ist). Die dritte Schicht 12 ist mit einem ersten, verlagerbaren Trägerkörper 13, der von der unteren Schicht getrennt ist, und einem zweiten, nicht verlagerbaren Trägerkörper 16 versehen, der mit der unteren Schicht verbunden ist. Der erste Trägerkörper 13 weist einen Massenkörper 15, der in dem Zentrum angeordnet ist, und eine Mehrzahl von ersten Platten 14 auf, die sich in einer rechtwinklig zu dem Massenkörper 15 verlaufenden Richtung erstrecken. Der zweite Trägerkörper 16 verfügt über zwei Montageabschnitte 18, die an seinen beiden Enden geradlinig angeordnet sind, und eine Mehrzahl von zweiten Platten 17, die sich in einer Richtung erstrecken, die rechtwinklig zu derjenigen der Montageabschnitte 18 verläuft. Die zweiten Schichten 11, die an den unteren Bereichen der Mehrzahl von ersten Platten 14 und des Massenkörpers 15 angeordnet sind, werden durch Ätzen entfernt, so daß der erste Trägerkörper 13 parallel zu der Oberfläche der ersten Schicht 10 verlagerbar ist.
Die Mehrzahl von ersten Platten 14 und die Mehrzahl von zweiten Platten 17 bilden hierbei jeweils kammförmige Elektroden (Kammelektroden), durch die dann, wenn sich der verlagerbare Massenkörper in einer rechtwinklig zu der ersten Platte 14 verlaufenden Richtung verlagert, die Beschleunigung unter Ausnutzung der Änderung des Kapazitätswerts zwischen der ersten Platte 14 und der zweiten Platte 17 gemessen wird. Weiterhin ist ein Leiter 19 zur Verbindung dieser kammförmigen Elektroden mit einer externen Schaltung vorhanden, der gegenüber der ersten Schicht 10 durch die zweite Schicht (isolierende Schicht) 11 elektrisch isoliert ist und weiterhin gegenüber der dritten Schicht 12 durch eine Ausnehmung 20 elektrisch isoliert ist.
Bei dem vorstehend erläuterten, ersten Beispiel eines herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensors ist jedoch der größere Teil der Kosten durch die Chipgröße und die Größe des Wafers bestimmt. Wenn beispielsweise Beschleunigungssensoren mit dem gleichen technischen Niveau hergestellt werden, läßt sich in einem einzigen Herstellungsprozeß eine große Anzahl von Chips bearbeiten, sofern die Wafergröße groß ist, was naturgemäß zu einer Verringerung des Stückpreises der Chips führt. Bei dem vorstehend erläuterten Stand der Technik ist jedoch die benutzbare Wafergröße beschränkt, so daß eine Verringerung der Kosten lediglich dadurch erreicht werden kann, daß die Chipgröße verringert wird. Allerdings ist eine solche Verringerung der Chipgröße durch eine Verkleinerung der Produktionsrate beschränkt. Ferner besteht die Tendenz, in der Zukunft Halbleiterwafer mit größerem Durchmesser zu verwenden, so daß eine Verschlechterung der Versorgung mit Wafern mit 100 mm (4 Zoll) zu erwarten ist. Falls ein solcher Beschleunigungssensor mit Wafern mit größerem Durchmesser von 127 mm, 152 mm oder ähnlichem gebildet wird, müßten die Balkenabschnitte mit einer Dicke von 10 μm bis 30 μm aus einem aus Silizium bestehenden Substrat hergestellt werden, das eine Dicke von ungefähr 600 μm bis 700 μm besitzt. Dies führt nicht nur zu einer Erhöhung der Ätzzeitdauer, sondern bewirkt auch eine Verringerung der Ausbeuterate bei der Produktion.
Bei dem zweiten, vorstehend erläuterten Beispiel eines herkömmlichen Halbleitersensors, bei dem es sich um einen kapazitiven, mit kammförmigen Elektroden arbeitenden Beschleunigungssensor handelt, ist es zur Erhöhung der Änderung des Kapazitätswerts und damit zur Vergrößerung der Empfindlichkeit notwendig, einen Aufbau zu bilden, der eine verringerte Steifigkeit der beweglichen Elektrode (erste Platte 14) besitzt. Es gibt zwei Faktoren, die die Änderung der Empfindlichkeit bei der Herstellung eines solchen Sensors beeinflussen. Der erste Faktor besteht in einer Schwankung der Festigkeit der bewegbaren Elektrode (erste Platte 14), die von der Präzision bei der Produktion abhängig ist. Hierbei ist die Empfindlichkeit gering, wenn die Festigkeit hoch ist. Der zweite Faktor besteht in der Schwankung des Spalts zwischen der bewegbaren Elektrode (erste Platte 14) und einer feststehenden Elektrode (zweite Platte 17).
Diese die Empfindlichkeit beeinflussenden Faktoren werden nachfolgend näher beschrieben, wobei zunächst auf den ersten Faktor in größeren Einzelheiten eingegangen wird. Im allgemeinen werden Herstellungsmethoden wie etwa ein Naßätzen, ein Ätzen mit reaktiven Ionen RIE (Reactive Ion Etching), ein Plasmaätzen und dergleichen bei dem Prozeß der Ausbildung des Spalts zwischen der bewegbaren Elektrode und der feststehenden Elektrode sowie bei der Herstellung des Trägerabschnitts der bewegbaren Elektrode eingesetzt. Da sich bei diesen Herstellungsmethoden die Ätzgeschwindigkeit in der Tiefenrichtung in Abhängigkeit von der Bearbeitungsbreite ändert, tritt eine Schwankung der Bearbeitungsgeschwindigkeit auf, die von der Breite des Ätzmusters abhängig ist. Damit dies verhindert wird, ist es notwendig, eine komplexe Maskengestaltung vorzusehen, bei der auch die Ätzgeschwindigkeit, die sich bei jeder Musterbreite ändert, Berücksichtigung findet. Dies führt zu einem komplizierten Prozeß.
Im folgenden wird der zweite, vorstehend angesprochene Faktor in größeren Einzelheiten erläutert. Bei einem Sensor, bei dem ein Wafer benutzt wird, bei dem Polysilizium als die dritte Schicht unter Zwischenlage der isolierenden Schicht auf einem aus einkristallinem Silizium bestehenden Substrat ausgebildet wird, oder bei dem ein SOI-Wafer eingesetzt wird, werden die zweite, eine isolierende Schicht beispielsweise aus SiO₂ enthaltende Schicht zwischen der ersten Schicht und der dritten Schicht, und ein Passivierungsfilm zum Schutz von Schaltungen, die sich, auf der Oberseite der dritten Schicht befinden, ausgebildet. Dies führt dazu, daß das Gleichgewicht in den internen Belastungen (Streßbeanspruchung) zwischen der Oberfläche, die sich auf derjenigen Seite befindet, auf der die zweite und die dritte Schicht auf der ersten Schicht angeordnet sind und die die Festigkeit des Wafers steuert, und der gegenüberliegenden rückseitigen Oberfläche verlorengeht, was zu einer Verwerfung bzw. Verformung des Wafers führt. Es stellt sich daher das Problem, dass aufgrund der Verwerfung des Wafers eine Dehnung bzw. mechanische Spannungsbelastung in der Sensorstruktur auftritt, die auf der dritten Schicht ausgebildet ist, das heißt auf dem Spalt zwischen der bewegbaren Elektrode und der feststehenden Elektrode, die jeweils beispielsweise die kammförmigen Elektroden bei einem Sensor des kapazitiven Typs bilden. Ferner ergibt sich auch das Problem, daß bei dem anfänglichen Zustand vor Beginn der Messung dann, wenn noch keine erfaßte physikalische Größe erzeugt worden ist, die Erzeugung einer solchen Verformung zur Zunahme des Offsets, das heißt einer Nullpunktabweichung führt, was die Notwendigkeit einer komplizierten Korrekturschaltung begründet. Zusammenfassend stellen sich bei dem Stand der Technik folglich die folgenden Probleme:

(i) bei einem Beschleunigungssensor, bei dem ein einfaches Teil aus einem einkristallinen Wafer aus Silizium benutzt wird, ist die Verwendung eines dicken, großen Durchmesser aufweisenden Wafers schwierig,
(ii) bei einem kapazitiven Sensor, bei dem ein SOI-Wafer oder ein Wafer mit epitaktischem Polysilizium zum Einsatz kommt,
(a) ist die Verringerung der Schwankung der Sensorempfindlichkeit schwierig,
(b) sind die Schwankungen der Empfindlichkeit und des Offsets wegen der mechanischen Beanspruchung des Sensors groß, die durch die Verformung des Wafers hervorgerufen wird.

Die DE 37 23 561 C2 offenbart einen Druckwandler zum Umwandeln der druckbedingten Verschiebung einer schichtförmigen Membran in ein elektrisches Signal mit kapazitiven oder piezoresistiven Mitteln, bestehend aus einer Halbleiterschicht, die zwischen einer geschlossenen Unterlageschicht ohne Durchbrechungen und einer mit einer Vielzahl von Öffnungen durchbrochenen Schicht angeordnet ist, wobei auf die Halbleiterschicht eine erste Schicht aus einem isolierenden Material aufgebracht ist, und wobei ein Hohlraum, der als Bezugsdruckkammer dient, in der Halbleiterschicht durch Ätzen durch die Öffnungen in der durchbrochenen Schicht hindurch ausgebildet ist, wobei die durchbrochene Schicht Teil einer Schichtmembran ist, die Schichtmembran weiterhin eine Deckschicht aufweist, die auf der durchbrochenen Schicht ausgebildet ist, um die Öffnung abzudecken und so den Hohlraum hermetisch abzudichten, und wobei die Halbleiterschicht aus einem dotierten Halbleitermaterial besteht.
Die DE 43 32 843 C2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung, insbesondere zur Herstellung eines Beschleunigungssensors vom kapazitiven Typ, die auf einem Träger einen Bereich mit mikromechanischen beweglichen Elementen enthält, wobei diese in einer über dem Träger angeordneten strukturierten Siliziumschicht mittels durchgehender Öffnungen in dieser gebildet sind, und einer in einem ersten Bereich im Abstand von der strukturierten Siliziumschicht vorgesehenen weiteren strukturierten Schicht, wobei außerhalb des ersten Bereichs zwischen der strukturierten Siliziumschicht und dem Träger eine erste Isolierschicht vorgesehen ist, so dass die strukturierte Siliziumschicht in dem ersten Bereich eine freiliegende untere Oberfläche hat, die weitere Schicht flächig oberhalb der strukturierten Siliziumschicht angeordnet ist, so dass die strukturierte Siliziumschicht in dem ersten Bereich eine freiliegende obere Oberfläche hat und die weitere Schicht in dem ersten Bereich ein Fenster enthält, und auf der weiteren Schicht flächig eine zweite Isolierschicht unter Abdeckung des Fensters in der weiteren Schicht vorgesehen ist.
Die US 4 553 436 A betrifft Halbleiterbeschleunigungssensoren und speziell derartige Sensoren, die den piezoresistiven Effekt eines Siliziumeingriffsteils verwenden.
Die JP 08-236785 A offenbart einen Beschleunigungssensor mit einem Dehnungsstreifen, der aus einem P-Typ Silizium gebildet ist.
Die DE 44 18 207 C1 betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere aus Silizium, mit einem darin monolithisch integrierten Sensor oder Aktuator.
Die DE 37 27 142 C2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikrosensoren mit integrierter Signalverarbeitung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten, dem Stand der Technik anhaftenden Probleme zu lösen. Im einzelnen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Halbleitersensor und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleitersensors zu schaffen, bei denen ein einen großen Durchmesser aufweisender Wafer benutzt werden kann und die Produktionskosten verringert werden können, wobei zugleich auch die Produktionsschritte vereinfacht werden können und die Ausbeuterate bei der Produktion verbessert werden kann.
Mit der Erfindung sollen ferner ein zuverlässiger Halbleitersensor und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleitersensors in einem Fall, bei dem ein Wafer mit drei Schichten zum Einsatz kommt und bei dem die Schwankungen der Empfindlichkeit und des Offsets aufgrund einer Verformung des Wafers verringert werden können, geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 bzw. 5 genannten Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgaben wird gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Halbleitersensor bereitgestellt, der sich dadurch auszeichnet, dass auf einer ersten Schicht eines Trägersubstrats unter Zwischenlage einer isolierenden zweiten Schicht eine dritte Schicht ausgebildet ist, die eine Sensorstruktur trägt, dass die zweite Schicht zwischen einer Erfassungsoberfläche der Sensorstruktur und der ersten Schicht entfernt ist, und daß ein Balkenabschnitt, der eine Erfassungseinrichtung trägt, und ein Gewichtsabschnitt, der eine Vielzahl von Ausnehmungen mit der gleichen Breite aufweist, die über die gesamte Oberfläche hinweg ausgebildet sind, auf der Erfassungsoberfläche der Sensorstruktur vorgesehen sind, wobei die zweite Schicht entfernt ist.
Hierbei ist es bevorzugt, daß auf der Rückseite der ersten Schicht ein Film aus einem Material ausgebildet wird, dessen thermischer Expansionskoeffizient kleiner ist als derjenige des Materials, der ersten Schicht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Breite der Mehrzahl von jeweils gleiche Breite besitzenden und an der Sensorstruktur ausgebildeten Ausnehmungen bei 2 μm oder weniger.
Als Substrat, das die erste Schicht, die zweite Schicht und die dritte Schicht enthält, können ferner ein Substrat mit einem Silizium-auf-Isolator-Aufbau, oder ein Substrat benutzt werden, bei dem als die dritte Schicht Polysilizium auf einem einkristallinen Substrat aus Silizium unter Zwischenlage einer isolierenden Schicht benutzt werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersensors mit den im folgenden angegebenen Schritten geschaffen. Im einzelnen ist das Verfahren zur Herstellung des Halbleitersensors, das zur Ausbildung einer Sensorstruktur auf einer dritten Schicht dient, die auf einer ersten Schicht eines Trägersubstrats unter Zwischenlage einer zweiten isolierenden Schicht vorgesehen ist, durch folgende Schritte gekennzeichnet:
Einen ersten Schritt, bei dem eine Vielzahl von Ausnehmungen mit jeweils gleicher Breite an der dritten Schicht ausgebildet wird, um hierdurch eine Erfassungsoberfläche der Sensorstruktur zu bilden, die einen Balkenabschnitt und einen Gewichtsabschnitt zur Verlagerung des Balkenabschnitts aufweist, wobei die Ausnehmungen und/oder die Abschnitte voneinander getrennt sind,
einen zweiten Schritt, bei dem die Mehrzahl von die gleiche Breite aufweisenden Ausnehmungen der Sensorstruktur mit einem Dichtungsmittel aufgefüllt wird, um hierdurch die Oberfläche der dritten Schicht einschließlich der Sensorstruktur zu verflachen bzw. zu begradigen,
einen dritten Schritt, bei dem ein Schaltungsabschnitt, der elektrisch mit der Sensorstruktur verbunden ist, in dem Umfangsbereich der mit flacher Oberfläche versehenen dritten Schicht ausgebildet wird, und
einen vierten Schritt, bei dem das Dichtungsmittel, das in die Mehrzahl von die gleiche Breite aufweisenden Ausnehmungen eingefüllt ist, entfernt wird und die zweite Schicht, die unterhalb der Erfassungsoberfläche der Sensorstruktur angeordnet ist, beseitigt wird, um hierdurch eine Verlagerbarkeit des Balkenabschnitts und des Gewichtsabschnitts, die an der Erfassungsoberfläche der Sensorstruktur vorgesehen sind, zu erreichen.
Das vorstehend angegebene Herstellungsverfahren zur Herstellung des Halbleitersensors kann weiterhin einen fünften Schritt, bei dem ein Schutzfilm auf der Oberfläche der dritten Schicht einschließlich der Sensorstruktur nach dem vierten Schritt aufgebracht wird, ein Schlitz in der durch den Schutzfilm bedeckten dritten Schicht ausgebildet und ein Ritzvorgang ausgeführt wird, und einen sechsten Schritt umfassen, bei dem der Schutzfilm der dritten Schicht nach dem Ritzen entfernt wird.
Ferner kann bei einem beliebigen der ersten bis vierten Schritte des vorstehend genannten Herstellungsverfahrens auf der Rückseite der ersten Schicht ein Film ausgebildet werden, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als derjenige des Materials der ersten Schicht.
Ferner kann bei dem vorstehend genannten Herstellungsverfahren die Breite der Vielzahl von an der Sensorstruktur ausgebildeten und jeweils die gleiche Breite aufweisenden Ausnehmungen 2 μm oder weniger sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann ferner als Substrat, das die erste Schicht, die zweite Schicht und die dritte Schicht enthält, ein Substrat mit einem SOI-Aufbau (Silizium auf Isolator) eingesetzt werden, oder es kann ein Substrat benutzt werden, bei dem Polysilizium als die dritte Schicht auf einem einkristallinen Substrat aus Silizium unter Zwischenlage einer isolierenden Schicht ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben, aus denen sich weitere Eigenheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen.
1 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines ersten Beispiels eines zum Stand der Technik zählenden Halbleitersensors,
2 zeigt eine schematische Schnittansicht, die entlang der in 1 dargestellten Linie II-II geschnitten ist,
3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels des Standes der Technik,
4 zeigt eine schematische, vereinfachte Draufsicht, in der ein in 3 dargestellter kammförmiger Elektrodenabschnitt veranschaulicht ist,
5 zeigt eine schematische Draufsicht, in der der Aufbau eines Sensorabschnitts eines Ausführungsbeispiels des in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehenden Halbleitersensors dargestellt ist,
6A zeigt eine Schnittansicht, die entlang der in 5 dargestellten Linie VIA-VIA geschnitten ist,
6B zeigt eine schematische Schnittansicht, die entlang einer in 5 gezeigten Linie VIB-VIB geschnitten ist,
7 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Chipstruktur bei dem Ausführungsbeispiel des Halbleitersensors,
8 zeigt eine schematische Schnittansicht, die entlang einer in 7 dargestellten Linie VIII-VIII geschnitten ist,
9A bis 9D zeigen Prozeßschritte, die das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zur Herstellung des Halbleitersensors veranschaulichen,
10A bis 10E zeigen Prozeßschritte, die ein Produktionsverfahren veranschaulichen, das sich an 9D anschließt,
11A und 11B zeigen Prozeßschritte zum Vergleichen von Ätzschritten mit einer gleichförmigen Ausnehmungsbreite und einer unregelmäßigen Ausnehmungsbreite,
12A bis 12C zeigen Prozeßschritte zur Erläuterung des Füllungsvorgangs für einen Fall, bei dem die Ausnehmungsbreite gleichförmig ist,
13A bis 13C zeigen Prozeßschritte zur Erläuterung des Füllungsvorgangs in einem Fall, bei dem die Ausnehmungsbreite unregelmäßig ist, wobei die 13A bis 13C mit den 12A bis 12C zu vergleichen sind,
14 zeigt ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Beschleunigungserfassungsschaltung veranschaulicht, bei der der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehende Halbleitersensor zum Einsatz kommt, und
15 zeigt ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Wirkung eines rückseitigen Films.
In den 7 und 8 ist der gesamte Aufbau eines in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehenden Halbleitersensors dargestellt. 8 zeigt ein Schnittbild eines Schnitts, der entlang der in 7 gezeigten Linie VIII-VIII geschnitten ist. Wie aus 8 ersichtlich ist, enthält der vorliegende Sensor ein aus Silizium bestehendes Substrat 100, das im folgenden auch als Si-Substrat bezeichnet wird und eine erste Schicht bildet, eine zu opfernde bzw. wieder zu entfernende Schicht 102, die SiO₂ enthält und als eine zweite Schicht dient, und eine aktive Schicht 101 aus Silizium, die im folgenden auch vereinfacht als aktive Schicht bezeichnet wird und eine dritte Schicht bildet. Die aktive Schicht 101 ist gegenüber dem aus Silizium bestehenden Substrat 100 durch die wieder zu entfernende Schicht 102 elektrisch getrennt. Das Substrat 100 ist ferner mit einem rückseitigen Oxidfilm 112 versehen, der auf der Rückseite ausgebildet ist, die auf der der aktiven Schicht 101 gegenüberliegenden Seite vorhanden ist. Der rückseitige Oxidfilm 112 umfaßt einen Film, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als Silizium, das das Material der ersten Schicht darstellt, und besteht beispielsweise aus SiO₂, SiN oder ähnlichem.
7 zeigt den Oberflächenzustand der aktiven Schicht 101. Die aktive Schicht 101 ist mit einem Schaltungsabschnitt versehen, der einen Sensorabschnitt 103, der in der Mitte des Chips angeordnet ist, eine digitale Justierschaltung 104, die an dem Umfangsbereich des Sensorabschnitts 103 angeordnet ist, eine analoge Verstärkerschaltung 105, einen Eingangs/Ausgangsanschluß 106, einen digitalen Justieranschluß 107 und ähnliches umfaßt. Die analoge Verstärkerschaltung 105 ist eine Verstärkerschaltung zum Verstärken des Ausgangssignals des Sensorabschnitts 103. Die digitale Justierschaltung 104 bildet eine Schaltung zur Durchführung einer Korrektur der Sensorempfindlichkeit, einer Temperaturkorrektur und dergleichen und enthält beispielsweise ein ROM. Der digitale Justieranschluß 107 ist ein Anschluß, über den Daten in die digitale Justierschaltung 104 eingebbar sind.
5 zeigt den Aufbau des Sensorabschnitts 103. Der Sensorabschnitt 103 umfaßt eine verlagerbare Erfassungsoberfläche 200 und einen Trägerrahmenabschnitt 300, der mit der Erfassungsoberfläche 200 verbunden ist. Die Erfassungsoberfläche 200 weist Gewichts abschnitte 110a und 110b sowie Balkenabschnitte 111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g und 111h auf. Die Gewichtsabschnitte 110a und 110b sind mit einer Mehrzahl von Durchgangslöchern (Ausnehmungen) 108a und mit einer Mehrzahl von Schlitzen (Ausnehmungen) 108b versehen und sind entlang der Richtung der Schlitzausbildung in der Mitte unterteilt. Die Gewichtsabschnitte 110a und 110b sind mit den Balkenabschnitten 111d und 111e verbunden, und es sind die Gewichtsabschnitte 110a und 110b ferner mit dem umgebenden Trägerrahmenabschnitt 300 mittels der Balkenabschnitte 111a, 111b, 111c, 111f, 111g und 111h verbunden. Der Trägerrahmenabschnitt 300 ist mit der aktiven Schicht 101 integriert bzw. gemeinsam ausgebildet.
Die Durchgangslöcher 108a und die Schlitze 108b, die an der zu entfernenden Schicht 102 vorgesehen sind, dienen jeweils dazu, die SiO₂-Schicht der zu entfernenden Schicht 102, die den Gewichtsabschnitten 110a und 110b sowie den Balkenabschnitten 111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g und 111h gegenüberliegt, zu beseitigen und die äußere Form bzw. den Außenbereich des Sensorabschnitts 103 gegenüber der aktiven Schicht 101 zu trennen. Die Weite oder die Seitenlänge der Durchgangslöcher 108a und die Weite bzw. Breite der Schlitze 108b ist hierbei konstant (bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Breite gleich 2 μm oder weniger, ohne daß jedoch die Erfindung hierauf beschränkt ist). Bei der Erfassungsoberfläche 200, die die Gewichtsabschnitte 110a und 110b und die Balkenabschnitte 111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g und 111h aufweist, ist die zu entfernende Schicht 102 des unteren Bereichs entfernt, wodurch erreicht wird, daß die Erfassungsoberfläche 200 in einer Richtung verlagerbar ist, die rechtwinklig zu ihrer Oberfläche verläuft.
Die Gewichtsabschnitte 110a und 110b und die Balkenabschnitte 111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g und 111h weisen jeweils gleiche Dicke von beispielsweise 5 μm auf. Die Größe der Gewichtsabschnitte 110a und 110b ist beispielsweise auf 250 μm × 850 μm festgelegt, und es ist die Breite der Balkenabschnitte 111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g und 111h beispielsweise auf 30 μm festgelegt. In den Balkenabschnitten 111b, 111d, 111e und 111g sind insgesamt vier Halbleiterbelastungsmeßfühler oder Halbleiterdeh nungsmeßstreifen 113a, 113b, 113c und 113d durch Diffusion von Dotiermaterial ausgebildet. Durch diese vier Belastungsmeßfühler ist eine Wheatstone'sche Brückenschaltung gebildet, wie dies aus 10 ersichtlich ist und nachfolgend näher erläutert wird. Die Wheatstone'sche Brückenschaltung ist mit einer Konstantsspannungsversorgungsquelle Vcc und dem Massepotential GND verbunden, wobei ihr Ausgangssignal sich zwischen V+ und V– ändert. Der auf der Rückseite vorhandene Oxidfilm 112 weist beispielsweise eine Dicke von 0,25 μm auf.
In 6A ist eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der in 5 gezeigten Linie VIA-VIA dargestellt. 6B zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der in 5 gezeigten Linie VIB-VIB. 6A zeigt somit ein Schnittbild an einer Position, die durch die Durchgangslöcher 108a der Gewichtsabschnitte 110a und 110b hindurchführt, die die Erfassungsoberfläche bilden. Das in 6B gezeigte Schnittbild ist demgegenüber an einer Position aufgenommen, die durch den Schlitz 108b der Balkenabschnitte 111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g und 111h hindurchführt.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen des Beschleunigungssensors gemäß dem vorliegenden oder einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 9 und 10 näher beschrieben. Bei einem ersten, in 9A gezeigten Schritt wird ein SOI-Wafer vorbereitet, der ein einkristallines Substrat 100 aus Silizium, eine aus SiO₂ bestehende, zu opfernde bzw. zu entfernende Schicht 102 und eine aktive Schicht 101 aus einkristallinem Silizium enthält. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Wafer mit einem Durchmesser von 152 mm (6 Zoll) verwendet. Das Substrat 100 besitzt eine Dicke von 625 μm, während die Dicke der zu entfernenden Schicht 102 gleich 1 μm ist. Die Dicke der aktiven Schicht 101 beträgt 5 μm. Bei dem zweiten, in 9B gezeigten Schritt wird eine Vielzahl von Durchgangslöchern 108a und eine Vielzahl von Schlitzen 108 zur Ausbildung von Gewichtsabschnitten 110a und 110b sowie von Balkenabschnitten 111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g und 111h durch Ätzen ausgebildet. Die Durchgangslöcher 108a und die Schlitze 108b können in diesem Fall durch Ausführung einer Grabenverarbeitung unter Einsatz von Ätzen mittels reaktiven Ionen (RIE), Plasmaätzen, Naßätzen oder dergleichen mit einer gleichförmigen Breite von 2 μm oder weniger über die gesamte Oberfläche der Erfassungsoberfläche hinweg ausgebildet werden, wobei die Ätzbreite oder Ätztiefe bis zur isolierenden Schicht 102 reicht. Andere Bereiche als die Ätzfläche werden vorab mit einem Schutzfilm 130 auf ihrer Oberfläche bedeckt, wobei dieser Schutzfilm 130 nach dem Abschluß der Ätzbearbeitung wieder entfernt wird. Bei einem dritten, in 9C gezeigten Schritt werden die geätzten Durchgangslöcher 108 und Schlitze 108b mit einem Oxidfilm 150 und Polysilizium 151 aufgefüllt. Bei dem Auffüllen wird zunächst der Oxidfilm 150 im Inneren der Schlitze 108b und auf der Oberfläche der aktiven Schicht 101 ausgebildet. Die Erzeugung des Oxidfilms 150 wird unter Einsatz eines Diffusionsofens oder ähnlichem ausgeführt. Nachfolgend wird auf derjenigen Oberfläche, auf der der Oxidfilm 150 ausgebildet ist, Polysilizium 151 unter Einsatz von chemischer Dampfabscheidung CVD oder ähnlichem ausgebildet. Die Dicke des in dieser Weise erzeugten Films liegt bei ungefähr 1 μm, was aus Erfahrung eine optimale Filmdicke dargestellt. Die Oberfläche der aktiven Schicht 101, an der der Oxidfilm 150 und das Polysilizium 151 anhaften, wird durch Ätzen (Plasmaätzen oder Naßätzen oder ähnliches) geebnet, das heißt flach gemacht.
Bei der in dieser Weise geebneten Oberfläche des SOI-Wafers findet dann eine Ionenimplantation (oder eine thermische Diffusion) von Bor oder Phosphor an Positionen, die den Halbleiterbelastungsmeßfühlern 113a, 113b, 113c und 113d in dem Sensorabschnitt 103 der aktiven Schicht 101 entsprechen, statt, um hierdurch Diffusionswiderstände zu bilden. Bei der Bearbeitung nach der Einebnung werden ferner auch eine digitale Justierschaltung 104, eine analoge Verstärkerschaltung 105, Anschlüsse 106 und 107, eine Verdrahtung 109 und weitere Elemente, die für den Schaltungsaufbau notwendig sind, zur gleichen Zeit auf der Oberfläche der aktiven Schicht 101 ausgebildet. Alternativ kann der Schaltungsabschnitt unter Einsatz von herkömmlichen Prozessen, beispielsweise eines Prozesses ausgebildet werden, der dann zum Einsatz kommt, wenn eine CMOS-Struktur aufgebaut wird.
Bei einem vierten, in 9D veranschaulichten Schritt wird ein Schutzfilm auf der gesamten Oberfläche des Wafers vorgesehen. Nach einer Musterbildung wird das SiO₂ der isolierenden Schicht 102, das den Positionen der Gewichtsabschnitte 110a und 110b und der Balkenabschnitte 111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g und 111h gegenüberliegt, durch Ätzen mit Hilfe einer Ätzlösung unter Einsatz von gepufferter Flußsäure (HF + NH₄F) beseitigt. Zur gleichen Zeit werden der Oxidfilm 150 und das Polysilizium 151 durch Ätzen entfernt. Der Oxidfilm 150 und das Polysilizium 151 können auch durch Plasmaätzen mit einem Mischgas aus SF₆ + O₂ entfernt werden. Im Anschluß hieran wird der rückseitige Oxidfilm 112 auf dem Substrat 100 ausgebildet. Der rückseitige Oxidfilm 112 ist nicht auf seine Ausbildung bei dem vierten Schritt beschränkt, sondern kann beliebig bei jedem der ersten bis vierten Schritte ausgebildet werden.
In den 10A bis 10E sind Schritte dargestellt, die sich an die in den 9A bis 9D gezeigten Schritte anschließen. Bei einem fünften, in 10A gezeigten Schritt wird der Schutzfilm 131 beseitigt und es wird dann die gesamte Oberfläche des Wafers erneut mit einem Schutzfilm 118 wie etwa mit einem Resistmaterial bzw. Photolack unter Einsatz einer Schleudereinrichtung beschichtet. Der Schutzfilm 118 dient zum Schutz des Sensorabschnitts 103 und des Schaltungsabschnitts bei dem nachfolgenden Ritzschritt und dient auch dazu, das Eindringen von Fremdmaterialien in den Spalt, der zwischen dem Sensorabschnitt 103 und dem Substrat 100 ausgebildet ist, zu verhindern. Bei einem sechsten, in 10B gezeigten Schritt werden Schlitze 117 durch Ritzen gebildet, die zum Zerteilen bzw. Trennen der Chips dienen, wobei eine kleine Dicke des Wafers verbleibt. Bei einem siebten, in 10C gezeigten Schritt wird der Schutzfilm 118 auf der Oberfläche des Wafers durch Veraschen unter Einsatz eines O₂-Plasmas beseitigt. Bei einem achten, in 10D gezeigten Schritt werden die Chips unter Verwendung eines Werkzeugs 120 getrennt, das zur Konzentration der Belastung auf die Schlitze 117 dient. Bei einem neunten, in 10E dargestellten Schritt ist der in dieser Weise getrennte Chip vervollständigt.
Wenn, wie vorstehend erläutert, der Sensorabschnitt unter Ausbildung der Durchgangslöcher 108a und der Schlitze 108b mit einer konstanten Breite (beispielsweise von weniger als 2 μm) über die gesamte Erfassungsoberfläche hinweg hergestellt wird, kann das Ätzen effizient ausgeführt werden und es kann das Auffüllen mit Polysilizium 151 oder ähnlichem gleichförmig über einen großen Bereich hinweg durchgeführt werden, so daß hierdurch eine Anzahl von Sensoren unter Einsatz nicht nur der beim Stand der Technik verwendeten Wafer mit einem Durchmesser von ca. 100 mm (4 Zoll), sondern auch von großen Durchmesser aufweisenden Wafern mit einem Durchmesser von 127 oder 152 mm (5 oder 6 Zoll) und einer Dicke von beispielsweise 500 bis 600 μm hergestellt werden kann und weiterhin auch verhindert wird, daß Fremdmaterialien während des Herstellungsprozesses in den Spalt eindringen, der zwischen dem Substrat 100 und den beweglichen Abschnitten des Sensorabschnitts 103 (den Gewichtsabschnitten und den Balkenabschnitten) vorhanden ist. Ferner kann eine latente interne Streßbeanspruchung in dem SOI-Wafer dadurch ausgeglichen werden, daß der rückseitige Oxidfilm 112 ausgebildet wird, wodurch in dem Sensorabschnitt 103 erzeugte Zug- und Druckbelastungen so weit wie möglich unterdrückt werden.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die 11A bis 13C der Grund erläutert, weshalb bei dem vorstehend angegebenen Herstellungsverfahren die Breite der Ausnehmungen, die über die gesamte Oberfläche des Sensorabschnitts 103 ausgebildet sind, das heißt die Breite der Durchgangslöcher 108a und der Schlitze 108b, einen konstanten Wert besitzt, und die Breite bei 2 μm oder weniger liegt. In 11A ist zunächst ein Beispiel gezeigt, bei dem die Breite der Ausnehmungen bei dem zweiten gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Schritt gleichförmig ausgebildet wird. 11B zeigt demgegenüber ein Beispiel, bei dem die Breite unregelmäßig ist. Wenn die Breite gleichförmig ist, wie dies bei der vorliegenden Erfindung und in 11A der Fall ist, kann das Ätzen mit der gleichen Tiefe ausgeführt werden. Wenn demgegenüber jedoch, wie in 11B gezeigt ist, die Breite unregelmäßig ist, werden selbst nach Verstreichen einer gewissen Zeitdauer nicht vollständig geätzte Abschnitte erzeugt. Diese Tendenz wird noch offensichtlicher, wenn die zu ätzende Fläche der Erfassungsoberfläche groß ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Breite der Durchgangslöcher 108a und der Schlitze 108b auf einen konstanten Wert festgelegt.
In den 12A bis 12C ist ein Beispiel gezeigt, bei dem die Breite bei dem dritten, gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Schritt mit einem gleichförmigen Wert von 2 μm oder weniger ausgelegt ist. In den 13A bis 13C ist demgegenüber ein Beispiel gezeigt, bei dem die Breite unregelmäßig ist. Wenn nun angenommen wird, daß die Breite gleich 2 μm ist, liegt bei der vorliegenden Erfindung in demjenigen Stadium, bei dem der Oxidfilm 150 gemäß 13A ausgebildet ist, die Breite der Durchgangslöcher 108a und der Schlitze 108b unter Berücksichtigung der Dicke dieses Films bei ungefähr 1,8 μm. Wenn gemäß 13B das Polysilizium 151 auf der aktiven Schicht 101 mit einer Dicke von 1 μm ausgebildet wird, schreitet dessen Anhaften um jeweils ungefähr 0,9 μm gleichzeitig von den Oberflächen der sich gegenüberliegenden Seiten der inneren Wandoberflächen der Durchgangslöcher 108a und der Schlitze 108b fort. In demjenigen Stadium, bei dem die Löcher mit dem Polysilizium 151 gefüllt sind, haftet das Polysilizium 151 auch auf der aktiven Schicht 101 mit einer gewünschten Dicke von ungefähr 1 μm an. Wenn demgegenüber die Breite unregelmäßig ist, ist bei derjenigen Stufe, bei der der Oxidfilm 150 gemäß 13A ausgebildet ist, davon auszugehen, daß ein Bereich existiert, bei dem die Breite des Durchgangslochs 108a und des Schlitzes 108b oberhalb von 2 μm liegt. In einem solchen Zustand gibt es selbst dann, wenn das Polysilizium 151 mit einer Filmdicke von ungefähr 1 μm in den Durchgangslöchern 108a und den Schlitzen 108b ausgebildet wird, einen nicht vollständig aufgefüllten Bereich, wie dies in 13B gezeigt ist, und es entsteht ein partieller Hohlraum 140.
Wenn die Oberfläche der aktiven Schicht 101 durch Ätzen abgeflacht bzw. plan ausgebildet wird, ist bei der vorliegenden Erfindung, wie in 12C gezeigt ist, der Lochbereich vollständig aufgefüllt und flach ausgebildet. Demgegenüber verbleibt in dem in 13C gezeigten Fall der Hohlraum 140. Aus dem vorstehend angegebenen Grund ist deshalb die Breite der Durchgangslöcher 108a und des oder der Schlitze 108b über die gesamte Oberfläche des Sensorabschnitts 103 hinweg auf 2 μm oder weniger festgelegt.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 14 der Aufbau einer Beschleunigungserfassungsschaltung beschrieben, bei der der vorstehend erläuterte Beschleunigungssensor zum Einsatz kommt. Die Ausgänge V+ und V– der Wheatstone'schen Brückenschaltung, die durch die vier Halbleiterdehnungsmeßfühler 113a, 113b, 113c und 113d gebildet ist, werden an eine Verstärkerschaltung 105 angelegt und durch diese verstärkt. Wenn hierbei eine Beschleunigung in einer Richtung, die rechtwinklig zu derjenigen Oberfläche, auf der der Sensorabschnitt 103 ausgebildet ist, verläuft, und in Richtung auf das aus Silizium bestehende Substrat 100 einwirkt, wirkt auf die Belastungsmeßfühler 113b und 113d, die an den Balkenabschnitten 111d und 111e zwischen den Gewichtsabschnitten 110a und 110b ausgebildet sind, eine Druckbeanspruchung ein, wodurch ihr Widerstandswert verringert wird. Demgegenüber werden die Belastungsmeßfühler 113a und 113c, die an den Balkenabschnitten 111b und 111g zwischen den Gewichtsabschnitten 110a und 110b und der aktiven, als ein umfangmäßiger Stützabschnitt dienenden Schicht 101 ausgebildet sind, einer Zugbelastung ausgesetzt, wodurch ihr Widerstandswert vergrößert wird. Als Ergebnis dessen wird von der Wheatstone'schen Brückenschaltung ein Sensorausgangssignal erhalten, das von der Größe der Beschleunigung abhängig ist und das durch die Verstärkerschaltung 105 verstärkt wird. Von der digitalen Justierschaltung 104 werden an die Verstärkerschaltung 105 Daten Vg zur Korrektur der Empfindlichkeit, Daten TCS zur Korrektur der Temperatureigenschaften, das heißt der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit, eine Offsetspannung Voff (ein Sensorausgangssignal, wenn keine Beschleunigung ausgeübt wird), und ein Korrekturwert ΔVoff zum Korrigieren einer Abweichung der Offsetspannung angelegt. Das von der Verstärkerschaltung 105 abgegebene Ausgangssignal wird über ein Hochpaßfilter 126 und ein Tiefpaßfilter 127 geleitet und als ein Ausgangssignal Vout abgegeben.
Folglich kann das Erfassungsergebnis, das je nach Bedarf korrigiert worden ist, als das Ausgangssignal Vout der Brückenschaltung abgegriffen werden. Das Hochpaßfilter 126 und das Tiefpaßfilter 127 können durch externe Schaltkreise gebildet sein. Die Einstellabschnitte zur Justierung des Frequenzantwortbereichs dieser Filter und dergleichen können in der digitalen Justierschaltung 104 eingegliedert sein. In einem Sensor, der mit diesen Teilen aufgebaut ist, werden die Tiefen der Durchgangslöcher 108a und des oder der Schlitze 108b bei ihrer Ausbildung gleichförmig bearbeitet bzw. erzeugt, und es kann die äußere Gestalt des Sensorabschnitts 103 mit guter Präzision gebildet werden. Aufgrund des rückseitigen Oxidfilms 112, der an dem Substrat 100 ausgebildet ist, können ferner latente interne mechanische Spannungsbelastungen in dem SOI-Aufbau ausgeglichen, das heißt ein Gegengewicht hierzu geschaffen werden, wodurch die mechanische Belastung des Sensorabschnitts 103 verringert wird.
Nachfolgend wird die Wirkung des rückseitigen Oxidfilms 112 unter Bezugnahme auf 15 näher erläutert. In 15 sind Ergebnisse dargestellt, die durch eine FEM-Analyse, das heißt eine Analyse gemäß dem Verfahren endlicher Elemente (finite element method) bestätigt worden sind. Es sind die Verteilung der Dehnungsbelastung und die Verteilung der Streßbelastung bzw. Zugbelastung in Richtung der Dicke zwischen A-B (siehe 8) parallel zu der Oberfläche der aktiven Schicht 101 dargestellt, die durch FEM-Analyse ermittelt worden sind. In diesem Fall entspricht der Abschnitt von 0,2 mm bis 0,8 mm auf der Abszisse, auf der die Position aufgetragen ist, dem Sensorabschnitt 103. Die Dehnungsbeanspruchung ohne Vorhandensein eines rückseitigen Oxidfilms 112 ist als C-1 angenommen, während die Druckbelastung in diesem Fall mit C-2 bezeichnet ist. Wenn die Dicke des rückseitigen Oxidfilms 112 0,5 μm beträgt, ist die Dehnungsbelastung in diesem Fall mit D-1 bezeichnet, während die Druckbelastung mit D-2 angegeben ist. Mit E-1 ist die Dehnungsbelastung für einen Fall dargestellt, bei dem die Dicke des rückseitigen Oxidfilms 112 bei 0,25 μm liegt, wobei die Kurve E-2 die Druckbelastung für diesen Fall widerspiegelt. Aus diesen bei der Messung erhaltenen Ergebnissen erschließt sich, daß die Dehnungs- und Druckbelastung, die in dem Sensorabschnitt erzeugt werden, im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung auf einen Minimalwert gebracht werden können, indem die Dicke des rückseitigen Oxidfilms 112 auf 0,25 μm festgelegt wird.
Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel ist ein Beschleunigungssensor beschrieben, bei dem der vorstehend diskutierte SOI-Wafer zum Einsatz kommt und der zum Ausführen der Detektionsvorgänge mit Hilfe der Halbleiterbelastungsmeßfühler ausgelegt ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise zusätzlich zu den vorstehend bereits angegebe nen Ausgestaltungsformen in ähnlicher Weise auch bei einem Sensor des kapazitiven Typs, bei dem ein SOI-Wafer eingesetzt wird, oder bei einem Sensor des kapazitiven Typs bei dem ein Wafer benutzt wird, in dem Polysilizium als die dritte Schicht auf einem einkristallinen, aus Silizium bestehenden Substrat unter Zwischenlage einer isolierenden Schicht ausgebildet ist, angewendet werden. Wenn die Erfindung bei einem Sensor des kapazitiven Typs, wie er unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist, eingesetzt wird, kann der Sensor dadurch hergestellt werden, daß eine Ausnehmung (ein Loch oder ähnliches) gebildet wird, die in der Mitte des verlagerbaren, ersten Trägerkörprs 13, insbesondere in dem Bereich des geraden Massenkörpers 15, angeordnet ist.
Bei der Herstellung des Halbleitersensors mit dem Sensoraufbau wird somit dann, wenn ein drei Schichten enthaltendes Substrat benutzt wird, ein Verarbeitungsschritt zur Ausbildung von Ausnehmungen mit einer gleichförmigen Breite über die gesamte Oberfläche eines beweglichen Abschnitts des Sensoraufbaus, ein Schritt zur Ausbildung eines Schaltungsteils und ein Schritt zum Beseitigen einer zu opfernden Schicht aufeinanderfolgend und unabhängig voneinander ausgeführt. Hierdurch läßt sich ein Halbleiterbeschleunigungssensor oder ein Halbleiterwinkelbeschleunigungssensor erzielen, der sehr hohe Erfassungsempfindlichkeit und Zuverlässigkeit besitzt und unter Einsatz eines großen Durchmesser aufweisenden Wafers mit hoher Produktionsausbeuterate hergestellt werden kann.

Claims

Halbleitersensor, bei dem auf einer ersten Schicht eines Trägersubstrats (100) unter Zwischenlage einer isolierenden zweiten Schicht (102) eine dritte Schicht (101) ausgebildet ist, die einen Sensoraufbau aufweist, wobei die zweite Schicht (102) zwischen einer Erfassungsoberfläche des Sensoraufbaus und der ersten Schicht entfernt ist, und wobei mindestens ein Balkenabschnitt (111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g, 111h), der ein Erfassungselement aufweist, und mindestens ein Gewichtsabschnitt (110a, 110b), der eine Vielzahl von Durchgangslöchern (108a) gleicher Breite und eine Vielzahl von Schlitzen (108b) mit dergleichen Breite, wie die der Durchgangslöcher aufweist, die über die gesamte Oberfläche hinweg ausgebreitet sind, an der Erfassungsoberfläche des Sensoraufbaus vorhanden sind, wobei die zweite Schicht dort entfernt ist.
Halbleitersensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite der ersten Schicht ein Film (112) aus einem Material ausgebildet ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als derjenige des Materials der ersten Schicht.
Halbleitersensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Vielzahl von an dem Sensoraufbau ausgebildeten Ausnehmungen (108a, 108b) gleich 2 μm oder kleiner ist.
Halbleitersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (100), das die erste Schicht, die zweite Schicht (102) und die dritte Schicht (101) aufweist, ein Substrat mit Silizium-auf-Isolator-Aufbau ist oder ein Substrat ist, bei dem Polysilizium als die dritte Schicht auf einem einkristallinen Substrat aus Silizium unter Zwischenlage einer isolierenden Schicht vorhanden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersensors zur Ausbildung eines Sensoraufbaus an oder in einer dritten Schicht (101), die auf einer ersten Schicht eines Trägersubstrats unter Zwischenlage einer isolierenden zweiten Schicht (102) vorhanden ist, mit einem ersten Schritt, bei dem eine Vielzahl von Durchgangslöchern (108a) gleicher Breite und eine Vielzahl von Schlitzen (108b) mit der gleichen Breite, wie die der Durchgangslöcher an oder in der dritten Schicht ausgebildet werden, um hierdurch eine Erfassungsoberfläche des Sensoraufbaus zu bilden, der mindestens einen Balkenabschnitt (111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g, 111h) und mindestens einen Gewichtsabschnitt (110a, 110b) zum Verlagern des Balkenabschnitts aufweist, die voneinander getrennt sind, einem zweiten Schritt, bei dem die Mehrzahl von die gleiche Breite aufweisenden Durchgangslöchern (108a) und die Mehrzahl der Schlitze (108b) mit der gleichen Breite, wie die der Durchgangslöcher des Sensoraufbaus mit einem Dichtungsmittel aufgefüllt werden, um hierdurch die Oberfläche der dritten Schicht einschließlich des Sensoraufbaus flach zu machen, einem dritten Schritt, bei dem ein Schaltungsteil, der elektrisch mit dem Sensoraufbau verbunden ist, in dem Umfangsbereich oder Außenbereich der eine flache Oberfläche aufweisenden dritten Schicht ausgebildet wird, und einem vierten Schritt, bei dem das Dichtungsmittel, das in die Mehrzahl von die gleiche Breite aufweisenden Durchgangslöchern (108a) und die Mehrzahl der Schlitze (108b) mit der gleichen Breite, wie die der Durchgangslöcher eingefüllt ist, beseitigt wird und die zweite Schicht oder derjenige Bereich der zweiten Schicht, der unterhalb der Erfassungsoberfläche des Sensoraufbaus angeordnet ist, entfernt wird, um hierdurch eine Verlagerbarkeit des mindestens einen Balkenabschnitts (111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g, 111h) und des mindestens einen Gewichtsabschnitts (110a, 110b), die an der Erfassungsoberfläche des Sensoraufbaus vorgesehen sind, zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 5, das weiterhin aufweist: einen fünften Schritt, bei dem ein Schutzfilm auf der Oberfläche der dritten Schicht einschließlich des Sensoraufbaus nach dem vierten Schritt aufgebracht wird, ein Schlitz in der durch den Schutzfilm bedeckten dritten Schicht ausgebildet wird und ein Ritzvorgang durchgeführt wird, und einen sechsten Schritt, bei dem der Schutzfilm der dritten Schicht nach dem Ritzen entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem beliebigen der ersten bis vierten Schritte auf der Rückseite der ersten Schicht ein Film aufgebracht wird, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als derjenige des Materials der ersten Schicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Mehrzahl von an dem Sensoraufbau ausgebildeten Ausnehmungen angepasst wird, um gleich 2 μm oder weniger zu sein.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat, das die erste Schicht, die zweite Schicht und die dritte Schicht umfaßt, entweder ein Substrat mit Silizium-auf-Isolator-Aufbau oder ein Substrat eingesetzt wird, bei dem Polysilizium als die dritte Schicht auf einem einkristallinen, aus Silizium bestehenden Substrat unter Zwischenlage einer isolierenden Schicht ausgebildet ist.