DE3943859B4

DE3943859B4 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterdrucksensors

Info

Publication number: DE3943859B4
Application number: DE3943859A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Toyohashi Fujii; Yoshitaka Ichinomiya Gotoh; Susumu Anjo Kuroyanagi; Osamu Anjo Ina
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1988-06-08
Filing date: 1989-06-08
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2009-06-09

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterdrucksensors mit den Schritten:
Bereitstellen eines ersten Siliziumsubstrates (151) mit darauf ausgebildetem Membranteil (161);
Bereitstellen eines zweiten Silziumsubstrates (163);
Bilden eines Isolierfilms (165, 197) aus Siliziumoxid auf einer Hauptoberfläche des zweiten Siliziumsubstrates (163) oder des ersten Siliziumsubstrates (151);
Einbringen von Verunreinigungen in vorbestimmte Bereiche des Isolierfilms (165, 197) durch Implantation;
In-Kontakt-Bringen des ersten und zweiten Siliziumsubstrates (151, 163) mit dem die Verunreinigungen enthaltenden Bereich dazwischen und Durchführen eines anodischen Bondingverfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung Halbleiterdrucksensors gemäß Anspruch 1, wobei der Sensor im wesentlichen unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen ist.
Ein Halbleiterdrucksensor zum Messen eines Druckes durch Bestimmen einer Veränderung eines Widerstandswertes, die durch eine Deformation eines Dehnungsmeßstreifens bewirkt wird, ist wohlbekannt und umfaßt gewöhnlich eine Membran, die aus einem Siliziumeinkristallsubstrat gefertigt ist und einen dünnen Teil aufweist. Die Widerstadsänderungen werden durch Bestimmen eines Druckwertes, der auf der Membran anliegt, durch ein piezoresistives Element unter Verwendung des Konzeptes, daß die Deformation des Dehnungsmeßstreifens sich im Einklang mit einer darauf anliegenden mechanischen Belastung, verändert, gemessen.
Die japanische Patentpublikation JP 63-020873 A offenbart einen Halbleiterdrucksensor, bei dem durch die integrale Laminierung eines Halbleitersensorchips, eines Trägerhalbleiterchips und eines PYREX-Sockels die Genauigkeit der elektrischen Charakteristika verbessert ist.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 280 905 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitergesamtdrucksensoreinheiten, welches das anodische Bondieren eines Siliziumsensorwafers und eines Siliziumkappenwafers mit eine Borsilikatschicht, die dazwischen angeordnet ist, so daß sie entsprechende Sensorchips auf der Siliziumsensorscheibe durch Einführen einer einer matrixförmigen Leitschicht in Kontakt mit der Borsilikatschicht und gleichförmig mit ihr angeordnet umschließt, wobei die matrixförmige Leitschicht als eine negative Elektrode während des anodischen Bondierungsverfahrens verwendet wird, so daß eine hohe Bindestärke erhalten wird und die Natrium-Ionen, die in der Borsilikatschicht enthalten sind, von den Bondierungsbereichen ferngehalten werden, nachdem der anodische Bondierungsprozeß abgeschlossen ist, umfaßt.
Das US Patent US 4 426 768 offenbart ultra-dünne mikroelektronische Drucksensoren, die hergestellt werden durch Bearbeiten eines ersten großen Wafers, um eine Vielzahl elektronischer Vorrichtungen zu erhalten, die ein Charakteristikum. aufweisen, das invers mit der Dehnung variiert und Bearbeiten eines zweiten Wafers um eine Vielzahl von Aushöhlungen zu produzieren, die jeweils auf dem zweiten Wafer registriert sind, um so mit einer entsprechenden Vorrichtung auf dem ersten Wafer registrierbar zu sein. Die Wafer haben dicke undotierte Siliziumsubstrate, welche als Griffe oder Träger während der Verarbeitung verwendet werden können und welche durch Ätzen auf eine hochdotierte Bor-Ätzstopschicht entfernt werden, wenn die Bearbeitung bis zu einem Punkt fortgeschritten ist, wo der Bedarf dafür befriedigt ist. Die ersten Wafer werden mit einem geeigneten Borsilikat-Muster (ausgenommen in dem Bereich, in dem die Drucksensoren gebildet werden) zur Verfügung gestellt, so daß die zwei Wafer durch Feld-assistiertes Bondieren bei einer geeigneten Temperatur im Vakuum zusammengeführt werden können.
Das US-Patent US 3 397 278 lehrt ein Verfahren für das anodische Bondieren, das beispielsweise für das Verkapseln einer planaren Oberfläche einer Siliziumhalbleitervorrichtung in Glas nützlich ist. Ein anorganisches Isolatorelement mit normalerweise einem hohen elektrischen Widerstand wird auf ein metallisches Element bondiert durch in Kontakt bringen der im Wesentlichen glatten und komplementären aneinanderliegenden Oberflächen, Erhitzen des Isolatorelements, um dessen elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen und Anlegen eines Potentials über die Elemente und dadurch Produzieren eines elektrischen Stroms durch die Elemente und Schaffen eines elektrostatischen Feldes, wobei die Elemente in direkten Kontakt miteinander gebracht werden und eine Bindung gebildet wird.
Die japanische Patentanmeldung JP 59072775 A offenbart eine Vorrichtung, welche ausreichende Bindungsstärke zwischen einem Dehnmessstreifenchip und einem Siliziumsubstrat und excellente Herstellungseffizienz aufweist und während der Produktion nicht getrennt wird. Dies wird erreicht durch Bondieren des Siliziumdehnmessstreifenchips und des Siliziumsubstrats durch einen Ätzwiderstandsfilm, der verwendet wird, um einen Diaphragmateil zu bilden, ohne den Film zu entfernen.

Die ungeprüfte japanische Patentpublikation JP 61-239 675 offenbart einen Halbleiterdrucksensor wie in 22 gezeigt, der ein Halbleitersubstrat 800 umfaßt, auf welchem eine Piezowiderstandsschicht 802 gebildet ist, einer Halbleitersubstratschicht 810 zum Tragen des Halbleiterdrucksensors und einer versenkten Isolierschicht 808, die zwischen dem Halbleitersubstrat 800 und der Halbleitersubstratsschicht 81U zur Verfügung gestellt wird. Dieser Sensor ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Bimetallbewegung, bewirkt durch Kontakt zwischen der Membran mit einer dünnen Stärke und einer anderen, auf der Oberfläche darauf gebildeten Isolierschicht, unterdrückt wird.

Wie in 22 gezeigt ist, werden in dem Halbleiterdrucksensor weiter eine leitende Metallschicht 804 und eine Isolierschicht 806 zur Verfügung gestellt.

In dem in 22 gezeigten Halbleiterdrucksensor wurden jedoch einige Nachteile gefunden, z.B. daß das Halbleitersubstrat 800 und die Halbleitersubstratsschicht 810 leitend miteinander verbunden sind, wenn sie während des Zersägens zum Trennen eines Wafers in einzelne Chips miteinander in Kontakt kommen, weil die Stärke der versenkten Isolierschicht 808, die dazwischen zur Verfügung gestellt wird, sehr dünn ist, z.B. ungefähr 0,5 bis 2 Mikrometer, oder wenn Wasser oder Staub an einer äusseren peripheren Seitenoberfläche der versenkten Isolierschicht 808 oder in deren Umgebung anhaftet, sogar nachdem der Halbleiterdrucksensor hergestellt worden ist. Wenn ferner eine elektrische Spannung angelegt wird, welche eine Oberflächenentladungsdurchbruchsspannung aufgrund von Störungen oder dergleichem überschreitet, wird in dem Halbleitersubstrat zwischen dem Halbleitersubstrat 800 und der Halbleitersubstratsschicht 810 ein externes Potential eingeführt. Dies führt auf grund von gegenseitiger Wechselwirkung zwischen dem Substrat und dem Schaltkreis eines Drucksensorchips, auf welchem eine Ansteuerquelle des Halbleiterdrucksensors und verschiedene Schaltkreise integriert sind, zu einer Fehlfunktion oder Veränderungen in dessen Ausgang.

Im Hinblick auf die Nachteile des konventionellen Halbleiterdrucksensors, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiterdrucksensor zu schaffen, worin das Trägermittel des Halbleiterdrucksensors elektrisch vollständig vom Halbleitersubstrat isoliert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt verfahrenstechnisch durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Daher wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterdrucksensors zur Verfügung gestellt mit einem Halbleitersubstrat mit einem ersten Halbleiterbereich, in welchem eine Halbleitervorrichtung gebildet wird, einem zweitem Halbleiterbereich, einer versenkten Isolierschicht, die zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich zur Verfügung gestellt wird, einer Vertiefung, die in dem zweiten Halbleiterbereich geschaffen wird und einer Öffnung auf der Hauptoberfläche des zweiten Halbleiterbereiches und einem Belastung erfassenden Teil, die Halbleitervorrichtung umfassend, die in dem ersten Halbleiterbereich der Vertiefung gegenüberliegend geschaffen wird. Der Halbleiterdrucksensor ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der äußeren peripheren Seitenoberflächen des ersten und zweiten Halbleiterbereichs an der Innenseite der äußersten peripheren Seitenoberfläche der Isolierschicht angeordnet ist.

In übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterdrucksensors zur Verfügung gestellt, welches die folgenden Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines ersten Siliziumsubstrates mit darauf ausgebildetem Membranteil;
Bereitstellen eines zweiten Siliziumsubstrates;
Bilden eines Isolierfilms aus Siliziumoxid auf einer Hauptoberfläche des ersten oder zwieten Siliziumsubstrates;
Einbringen von Verunreinigungen in vorbestimmte Bereiche des Isolierfilms durch Implantation;
In-Kontakt-Bringen des ersten und zweiten Siliziumsubstrates mit dem die Verunreinigungen enthaltenden Bereich dazwischen und Durchführen eines anodischen Bondingverfahrens.

Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
1(a) bis 1(h) Querschnittsansichten des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterdrucksensors;
1(j) eine Querschnittsansicht, die eine Modifikation zeigt;
2(a) bis 2(h) Querschnittsansichten des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterdrucksensors;
3 eine Querschnittsansicht eines Halbleiter drucksensors;
4 eine Querschnittsansicht, die eine Modifikation zeigt;
5 eine Querschnittsansicht, die die Bauweise eines Halbleiterdrucksensors zeigt;
6(a) bis 6(g) die Querschnittsansichten des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterdrucksensors;
7 eine Querschnittsansicht, die einen Hauptteil einer ersten Modifikation zeigt;
8 eine Draufsicht des Halbleiterdrucksensors, der in 7 als ein Wafer gezeigt ist;
9 eine Querschnittsansicht, die einen Hauptteil 6 einer zweiten Modifikation der 6 zeigt;
10(a) bis 10(k) Querschnittsansichten eines Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterdrucksensors;
11(a) bis 11(h) Querschnittsansichten eines Verfah rens zur Herstellung des Halbleiterdrucksensors;
12 eine Querschnittsansicht eines Halbleiterdrucksensors;
13(a) bis 13(e) Querschnittsansichten eines anderen Verfah rens zur Herstellung des Halbleiterdrucksensors;
14(a) und 14(b) Querschnittsansichten des Aufbaus zum Messen einer Durchbruchsspannung und ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen einem Abstand und der Durchbruchsspannung wieder gibt;
15(a) bis 15(i) Querschnittsansichten des Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterdrucksensors des erfindungsgemäßen Verfahrens.
16 eine Querschnittsansicht, die eine Anwendung des Drucksensors zeigt;
17 eine Querschnittsansicht, die eine Modifikation des erfindungsgemäßen Verfarens.
18 eine Querschnittsansicht, die eine Modifikation des Drucksensors zeigt;
19 eine Querschnittsansicht des Halbleiterdrucksensors einer Ausfüh rungsform;
20 eine Querschnittsansicht, die eine Modifikation des Drucksensors der einen Ausführungsform zeigt;
21 eine Ansicht, die ein Verfahren zeigt, welches in der vorliegenden Erfindung zum Anodenkontaktieren verwendet wird; und
22 eine Querschnittsansicht eines konventionellen Halbleiterdrucksensors.
Die bevorzugten Ausführungsformen und die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung nachfolgend beschrieben.
1(a) bis 1(h) sind die Querschnittsansichten des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterdrucksensors. Die beteiligten Verfahrensschritte werden nacheinander wie folgt erläutert:
Gemäß 1(a) wird eine n versenkte Schicht (buried layer) 3 und eine p versenkte Schicht (buried layer) 5 auf, der Oberfläche eines Halbleitersubstrates 1 durch ein Ionenimplantierverfahren geschaffen.
Dann wird gemäß 1(b) eine Epitaxialschicht 7 vom p-Typ mit einem Widerstand von 10 bis 20 Ohmcm in einer vorbestimmten Stärke von beispielsweise 5 bis 30 Mikrometer aufgewachsen (deren Stärke entsprechend dem auf den Halblerterdrucksensor anzuwendenden Druck bestimmt ist) und eine Isolierschicht 9 aus SiO₂ mit einer Stärke von ungefähr 0,5 Mikrometer auf der Schicht 7 durch ein thermisches Oxidationsverfahren gebildet.
Gemäß 1(c) wird eine Isolierschicht 13 aus SiO₂ und mit einer Stärke von ungefähr 0,5 Mikrometer auf einen n-Typ Siliziumhalbleitersubstrat 11 durch das thermische Oxidationsverfahren gebildet und anschließend gemäß 1(d) die in den 1(b) und 1(c) gezeigten Wafer in Kontakt miteinander mit der Isolierschicht 9 und Isolierschicht 13 einander gegenüberliegend angeordnet und die Wafer zusammen kontaktiert werden bei einer Bondingtemperatur von 800°C bis 1100°C.
Anschließend wird das Halbleitersubstrat vom n-Typ gemäß 1(e) durch ein Läppverfahren geschliffen, um ein Spiegelfinish von dessen Oberfläche herzustellen und die p⁺-Isolierdiffusionsschichten 15 werden in den Bereichen der Oberfläche des Substrates 1 gebildet, an welchem die Isolierteile später gebildet werden.
Nachstehend wird dem kontaktierenden Teil zwischen den Substraten mit der Isolierschicht 9 und 13 das Bezugszeichen 17 gegeben.
Dann werden gemäß 1(f) die p⁺-Isolierdiffusionsschichten 19 in dem Siliziumhalbleitersubstrat 1 durch eine thermische Behandlung gebildet und anschließend die Piezowiderstandsschichten 21, welche als Belastung erfassende Teile dienen, auf einem vorbestimmten Bereich auf der Oberfläche des Siliziumhalbleitersubstrates 1 vom n-Typ durch Diffundieren von Verunreinigungen des p-Typs, wie beispielsweise Bor (B) oder ähnlichem, unter Verwendung des Siliziumoxidfilms als eine Maske gebildet und, nachdem ein Bipolartransistor 23 darauf gebildet ist, werden die Isolierschichten 25 und 27 und eine verbindende Schicht 29 aus Al durch ein konventionelles Planarverfahren gebildet.
1(g) ist eine schematische Querschnittsansicht eines wesentlichen Merkmals dieser Ausführungsform.
Zuerst werden vorbestimmte Bereiche des Siliziumhalbleitersubstrates 11 vom n-Typ, z.B. ein Bereich, der mit F-F bezeichnet ist und mit einem Abstand von 1 mm bis 5 mm und einem Bereich, der mit A-B bezeichnet ist, mit einem Abstand von 5 Mikrometer durch ein kaustisches Ätzverfahren unter Verwendung von Ätzkali KOH oder einem gemischten Ätzmittel aus Fluorwasserstoff, Salpetersäure und Essigsäure geätzt wird, wobei die isolierende SiO₂-Schicht 27 als eine Maske und die isolierende SiO₂-Schicht 17 als ein Stopper verwendet wird.
Ein Halbleiterdrucksensor gemäß 1(h) wird erhalten durch Schneiden des Wafers an der gestrichelten Linie A, wie in 1(g) gezeigt mit einem mechanischen Schneidwerkzeug. In dieser Ausführungsform beträgt der Abstand T des Chips nach dem Schneidvorgang gemäß 1(h) ungefähr 5 Mikrometer.
Bei dem Halbleiterdrucksensor gemäß 1(h) kommen die äußere periphere Seitenoberfläche S der Epitaxialschicht 7 vom p-Typ und die äußere periphere Seitenoberfläche R des Siliziumhalbleitersubstrates 11 vom n-Typ nicht miteinander in Kontakt, da der äußerste Teil des Siliziumhalbleitersubstrates 11 Vom n-Typ räumlich von der äußeren peripheren Seitenoberflache der SiO₂-Isolierschicht 17 mit dem vorbestimmten Abstand T von beispielsweise ungefähr 5 Mikrometer getrennt ist. Ferner kann der Abstand von der äußeren peripheren Seitenoberfläche des Siliziumhelbleitersubstrates 1 vom n-Typ zu der äußeren peripheren Seitenoberfläche des Siliziumhalbleitersubstrates 11 vom n-Typ größer gemacht werden als die Stärke der Isolierschicht 17. Daher wird die Möglichkeit der Leitung zwischen den Siliziumhalbleitersubstraten 1 und 11 minimiert, auch wenn Wasser, Staub oder dergleichen an der äußeren peripheren Seitenoberfläche der Isolierschicht 17 anhaftet.
Der Halbheiterdrucksensor gemäß 1(h) wird in einer Vorrichtung 200 gemäß 5 angewendet. Wenn die Vorrichtung 200 direkt auf einer Mischkammer (surge tank) 300 oder dergl. eines Automobiles zum Bestimmen des Ansaugdruckes darin montiert wird, werden Fremdpartikel wie Feuchtigkeit, Staub oder dergl., die in die Mischkammer (surge tank) 300 eingeführt wurden, in die Vorrichtung 200 eingebracht, wie durch einen Pfeil in 5 gezeigt ist, und wenn sie auf dem Halbleitersubstrat 11 des Halbleiterdrucksensors in Form eines Tautropfens ankommen, wird ein instabiles Körper-Erd-Niveau hergestellt.
Nichtsdestoweniger kann der Luftdruck auch unter den obigen Bedingungen noch mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden, weil das elektrische Potential des Substrates 11 das elektrische Potential des Substrates 1 nicht beeinflussen kann.
Gemäß 5 ist eine Drucksensoreinheit 202 in einem Gehäuse 201 enthalten und ist ausgestattet mit einer Baugruppe mit einem Stamm 203 und einem Aufsatz 204, die miteinander verschweißt sind und einer Glasbasis 205 und wobei der Halbleiterdrucksensor 206 gemäß 1(h) in der Baugruppe zur Verfügung gestellt wird.
In der Baugruppe ist ein Leitungsdraht 208 hermetisch abgeschlossen und mit einem Draht 207 verbunden, der mit dem Halbleiterdrucksensor 206 verbunden ist, um das elektrische Ausgangssignal von dem Halbleiterdrucksensor 206 zur Außenseite zu übertragen. Der Leitungsdraht 208 ist mit der Außenseite über eine Leitung 209 verbunden.
Ferner werden in dieser Einheit 202 ein O-Ring 210 zum Abdichten, ein Einlaßrohr 211 für eine unter Druck stehende Substanz mit einem einwärtsgebogenem Endteil, um zu verhindern, daß Fremdpartikel die darin durch Eintreten mit einer unter Druck stehenden Substanz 212, die schnell zu dem Halbleiterdrucksensor 206 gefördert wird, eindringt und einem Durchführungskondensator zur Verfügung gestellt.
Obwohl ein Siliziumhalbleitersubstrat 11 vom n-Typ verwendet wird, kann statt dessen ein Siliziumhalbleitersubstrat vom p-Typ verwendet werden.
Dabei wird der Wafer entlang der gestrichelten Linie A gemäß 1(g) in Chips geschnitten, jedoch kann der Wafer entlang der gestrichelten Linie G gemäß 1(i) geschnitten werden und anschließend können die Seitenoberflächen des geschnittenen Chips mit einem kaustischen Ätzmittel wie KOH oder dergl. nach Zur Verfügungstellen eines Wachses und einer keramischen Platte auf der Oberfläche der Isolierschicht 25, so daß die äußeren peripheren Seitenoberflächen der Siliziumschichten 7 und 11 auf der Innenseite der äußeren peripheren Seitenoberfläche der Isolierschicht 17 angeordnet sind.
Bei diesem Vorgang kann die Ätzung des Membranteiles gestoppt werden, bevor der Bodenteil der Vertiefung die SiO₂-Isolierschicht 17, die als ein Stopper dient, erreicht und anschließend kann die Ätzung dessen Seitenteiles in der gleichen Weise, wie oben erklärt, ausgeführt werden.
Ferner wird dabei die Piezowiderstandsschicht durch Eindiffundieren von Verunreinigungen in ein Substrat aus einem Siliziumeinkristall gebildet, jedoch kann eine Piezowiderstandsschicht aus polykristallinem Silizium auf der Oberfläche der SiO₂-Schicht gebildet werden, wenn ein hoher Widerstand erforderlich ist.
Des weiteren kann der Schaltkreis nicht nur als Bipolarvorrichtung, sondern auch als ein MOS-Transistor oder ähnliche Vorrichtung ausgebildet werden.
Der vorbestimmte Abstand T ist ebenfalls wenigstens auf 2 Mikrometer festgesetzt, er kann jedoch vorzugsweise in einem Bereich von 3 bis 200 Mikrometer festgesetzt werden.
Die Halbleitervorrichtung, die verwendet wird, entspricht der Piezowiderstandsschicht 21 und einem Bipolartransistor 23.
Die 2(a) bis 2(h) sind Querschnittsansichten eines Verfahrens zur Herstellung eines anderen Halbleiterdrucksensors. Dessen Verfahrensschritte werden im folgenden nacheinander erklärt:
Gemäß 2(a) wird eine Epitaxialschicht 30 vom n-Typ epitaktisch bis auf eine Stärke von 10 bis 15 Mikrometer und mit einem Widerstand von 1 bis 10 Ohmcm aufgewachsen, auf der Oberfläche das n⁺-Siliziumhalbleitersubstrates 2 wird eine versenkte Schicht 3 vom n⁺-Typ und eine versenkte Schicht 5 vom p⁺-Typ durch ein Ionenimplantierverfahren gebildet und anschließend eine Isolierschicht 9 aus SiO₂ in einer Stärke von ungefähr 0,5 Mikrometer durch ein thermisches Oxidationsverfahren darauf gebildet.
Gemäß 2(b) wird eine Isolierschicht 13 aus SiO₂ mit einer Stärke von ungefähr 0,5 Mikrometer auf einem Siliziumhalbleitersubstrat 31 vom p-Typ durch thermische Oxidation gebildet.
Anschließend werden die Wafer, wie in den 2(a) und 2(b) gezeigt ist, miteinander in Kontakt gebracht, so daß sich die Isolierschichten 9 und 13 einander gegenüberliegen, durch ein direktes Waferkontaktierverfahren bei einer Temperatur von 800°C bis 1100°C.
Anschließend wird das Halbleitersubstrat 2 vom n⁺-Typ durch ein Läppverfahren auf eine Stärke von ungefähr 30 Mikrometer geschliffen und anschließend das Halbleitersubstrat vom n⁺-Typ selektiv durch ein gemischtes Ätzmittel, welches Fluorwasserstoff bzw. Salpetersäure bzw. Essigsäure in einem Mischungsverhältnis von 1 : 3 : 10 enthält und mit Wasser verdünnt wird.
Die Oberfläche wird dann mit einem Spiegelfinish versehen.
In dieser Ausführungsform wird der kontaktierende Teil mit den Isolierschichten 9 und 13 im folgenden mit dem Bezugszeichen 17 versehen.
Anschließend werden gemäß 2(d) p⁺ diffundierte Isolierschichten 15 in den Bereichen der Oberfläche, in welchen die isolierenden Teile später gebildet werden, gebildet und dann, wie in 2(e) gezeigt, die p⁺ diffundierten Isolierschichten 19 durch eine thermische Behandlung in dem Siliziumhalbleitersubstrat 30 gebildet.
Dann wird die Piezowiderstandsschicht 21, die als Be lastung erfassender Teil dient, auf einem vorbestimmten Bereich auf der Oberfläche des Siliziumhalbleitersubstrates 30 vom n-Typ durch Diffundieren von Verunreinigungen vom p-Typ, wie beispielsweise Bor (B) oder dergl. gebildet unter Verwendung des Siliziumdioxidfilmes als eine Maske und nachdem ein bipolarer Transistor 23 darauf gebildet wird, wird ein vertiefter Teil 32, der sich in das Siliziumhalbleitersubstrat 30 von dessen Oberfläche erstreckt, durch ein kaustisches Ätzverfahren unter Verwendung von KOH und der Isolierschicht aus SiO₂ als eine Maske gemäß 2(g) gebildet.
Die Größe des vertieften Teils 32 ist derart, daß der Abstand T' des Halbleiterdrucksensors gemäß 2(h) 5 Mikrometer ist.
Dann wird eine Isolierschicht 34 auf der Oberfläche des vertieften Teils 32 gebildet, wie in 2(f) gezeigt und eine Verdrahtung 29 aus Al hergestellt, wird darauf gebildet, um ein Wafer gemäß 2(g) zu erhalten.
Anschließend werden die vorbestimmten Bereiche des Siliziumhalbleitersubstrates 31 vomp-Typ mit einem kaustischen Ätzverfahren geätzt unter Verwendung von Ätzkali KOH und die isolierende SiO₂-Schicht 27 als eine Maske oder mit einem gemischten Ätzmittel aus Fluorwasserstoff, Salpetersäure und Essigsäure und Verwendung eines Chromdampffilmes als eine Maske und dann der Halbleiterdrucksensor gemäß 2(a) durch Schneiden des Wafers entlang der gestrichelten Linie A' erhalten wird.
Bei diesem Drucksensor wird das Siliziumhalbleiter substrat 30 vom n-Typ getrennt von der äußeren peripheren Seitenoberfläche der Isolierschicht 17 mit einem vorbestimmten Abstand T' gebildet und ferner, da die äußere periphere Seitenoberfläche J des Siliziumhalblei tersubstrates 30 vom n-Typ mit der Isolierschicht 34 bedeckt ist, eine Leitung zwischen den äußeren peripheren Seitenoberflächen des Siliziumhalbleitersubstrates 30 vom n-Typ und dem Siliziumhalbleitersubstrat 31 vom p-Typ im wesentlichen eliminiert wird. In einer Modifikation kann die Isolierschicht 34, ein Oxidfilm mit einem Dreischichtaufbau mit einem Nitridoxidfilm, einem Oxidfilm und einem Nitridoxidfilm, welche in dieser Reihenfolge gestapelt sind, wobei jede einzelne eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, anstelle des Oxidfilms 17 verwendet werden, wobei das elektrische Feld vermindert wird und die elektrischen Eigenschaften verbessert werden. Ferner werden die elektrischen Störungen zwischen dem Substrat 30 und dem Substrat 31 vermindert, auch wenn der Sensor der vorliegenden Erfindung durch Rauschen oder dergl. beeinflußt wird.
Des weiteren wird, wie in 2(g) gezeigt, das Ätzen des Siliziumhalbleitersubstrats 31 vom p-Typ gestoppt bevor der Boden des vertieften Teils 32 die Isolierschicht 17 erreicht; wahlweise kann man dem Boden des vertieften Teiles 32 erlauben, die Isolierschicht 17 zu erreichen.
Der Wafer wird durch ein mechanisches Schneidverfahren wie beispielsweise Ritzen, Drahtsägen oder dergl. geschnitten; wenn das Schneiden ausgeführt wird, nachdem der Wafer fertiggestellt ist, kann das Verfahren zum Ätzen der Isolierschichten 36 und 42 von dessen Rückseite unter Zurverfügungstellung eines Wachses 36 und einer keramischen Platte 40 auf der Oberfläche der Isolierschicht 36, wie in 3 gezeigt, verwendet werden.
Ferner wird, wenn der in 4 gezeigte Schritt verwen det wird, eine Anhäufung des Resists oder dergl. in dem vertieften Teil 32 vermieden, weil der vertiefte Teil 32 in das polykristalline Silizium versenkt ist.
In 6(a) wird ein Siliziumhalbleitersubstrat 50 vom n-Typ mit einer Kristallfläche (100) und einer glatten Oberfläche zur Verfügung gestellt und ein Oxidfilm 52 aus SiO₂ mit einer Stärke von 0,2 bis 1 Mikrometer auf dessen Oberfläche durch ein Naßoxidationsverfahren bei einer Temperatur von 1000°C gebildet.
Dann wird, wie in 6(b) gezeigt, ein Siliziumhalbleitersubstrat 54 mit einer Kristallfläche (100) und einem Widerstand von 10 bis 20 Ohmcm auf der Oberfläche des Siliziumhalbleitersubstrates 50 vom n-Typ durch ein direktes Waferverbindungsverfahren z.B. in einem Stickstoffgas oder einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 1000°C für die Dauer einer Stunde gebildet.
Dann wird, wie in 6(c) gezeigt, das Siliziumhalbleitersubstrat 54 vom p-Typ durch Läppen zu einem Spiegelfinish geschliffen, bis dessen Stärke 5 bis 100 Mikrometer beträgt und anschliepend wird eine versenkte Schicht 56 darauf durch ein Ionenimplantierverfahren gebildet, gefolgt vom Bilden einer epitaxialen n-Typ-Schicht 58 darauf mit einer Stärke von 5 bis 15 Mikrometer.
Anschließend werden, wie in 6(d) gezeigt, eine Isolierschicht 60, verschiedene Transistoren 62, eine Diode und ein Widerstand (beide nicht gezeigt), eine Piezowiderstandsschicht 64 vom p-Typ bzw. ein Oxidfilm 66 gebildet, um unter Verwendung eines konventionellen Verfahrens einen bipolaren IC oder ähnliche Vorrichtungen herzustellen und dann wird ein vertiefter Teil 68 in dem Bereich, welcher als Ritzlinie verwendet werden soll, durch ein anisotropes Ätzverfahren gebildet, welches ein kaustisches Ätzmittel wie beispielsweise KOH und den Oxidfilm 66 als Maske in einer solchen Art verwendet, daß der Spitzenendteil der Vertiefung den Oxidfilm 52 erreicht.
Dann wird in dem Schritt, der in 6(e) gezeigt ist, nach Bildung eines SIO₂-Filmes 70 durch ein thermisches Oxidationsverfahren oder CVD-Verfahren eine Öffnung 72 im Bereich des SiO₂-Filmes 52 und 70, der als Ritzlinieverwendet werden soll, durch ein Ätzverfahren gebildet, (d.h. der Bereich entspricht einem vorstehenden Teil 86 in dem Siliziumhalbleitersubstrat 50, welches später beschrieben wird).
Dann wird der vertiefte Teil 68 mit n-polykristallinem Silizium 74 durch ein Vakuum-CVD-Verfahren unter einem verminderten Druck gefüllt und dessen Oberfläche wird glatt geschliffen.
Anschließend wird ein thermischer Oxidfilm 76 darauf gebildet und nacheinander eine Öffnung 78 durch ein konventionelles IC-Verfahren gebildet, gefolgt von einer Verbindungsschicht 80 aus A1 und einem Passivierungsfilm 82, und als ein Ergebnis ist die Al-Verbindung 80 elektrisch mit dem Siliziumhalbleitersubstrat 50 durch das polykristalline Silizium 74 und die Öffnung 72 verbunden.
Ferner wird eine Vertiefung 84 durch Ätzen des Bereichs des Siliziumhalbleitersubstrates 50, der dem Bereich gegenüberliegt, in welchem die Membran des Drucksensors geschaffen wird, mit einem kaustischem Ätzmittel gebildet.
In diesem Siliziumhalbleitersubstrat 50 wird der Teil ohne die Vertiefung 84 ein vorstehender Teil 86 genannt.
Dann wird gemäß 6(f) eine Glasplatte 88 mit demselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der des Siliziumhalbleitersubstrates 50, z.B. "PYREX"- (Warenzeichen) Glas zur Verfügung gestellt, um den Drucksensor zu montieren und der Sensor wird mit dem Trägermaterial durch ein anodisches Bondingverfahren verbunden. Die Glasplatte 88 wird mit einem druckeinführenden Loch 90 und einer Elektrodenschicht 92 zur Stabilisierung des verbundenen Teiles zur Verfügung gestellt.
Das oben erwähnte anodische Bondingverfahren wird wie folgt durchgeführt:
Der Drucksensor und das Glas 88 werden in Kontakt miteinander angeordnet und das anodische Bondingverfahren wird durchgeführt durch Anlegen einer Spannung von 600 bis 800 V daran, unter Verwendung einer Seite der Sensorvorrichtung auf welcher ein Drucksensor als eine positive Elektrode zur Verfügung gestellt wird, für ungefähr 10 bis 20 Minuten, bei einer Temperatur von 300 bis 400°C. Dann wird gemäß 6(f) eine obere Elektrode 94, eine untere Elektrode 96 und eine elektrische Quelle 98 zur Verfügung gestellt.
Nachdem dieses Verfahren beendet ist, wird die Vorrichtung an den Teilen der Al-Verbindung 80, der Öffnung 72, dem vorragenden Teil 86 und dem Glasteil 88 durch eine Trennsäge in einen Chip geschnitten. Das Endprodukt ist in 6(f) gezeigt.
Als ein Ergebnis des obigen Verfahrens werden die Al-Verbindung 80 und die Öffnung 72, welche auf der Ritzlinie gebildet sind, eliminiert und daher wird die elektrische Isolierung des Halbleitersubstrates und der Trägermittel des Drucksensors fertiggestellt und ferner das anodische Bonding des Trägermittels des Drucksensors, d.h. den vorstehenden Teil 86 und das Trägermaterial 88, leicht ausgeführt.
Gemäß dieser Vorgehensweise werden die folgenden zusätzlichen Wirkungen erhalten.
Die rillenförmige Vertiefung 68 wird mit polykristallinem Silizium 74 gefüllt, nachdem der SiO₂-Film 70 auf der inneren Oberfläche des rillenförmig vertieften Teiles 68 gebildet ist und daher können Substanzen wie beispielsweise Resist oder dergl. wirksam daran gehindert werden, in die Vertiefung 68 während der Bildung der Al-Verbindungsschicht 80 einzutreten, nachdem der SiO₂-Film 70 oder dergl. gebildet ist und das oben erwähnte Verfahren ohne Fehler ausgeführt werden kann.
Als nächstes ist der Hauptteil einer Modifikation des in 6 dargestellten Verfahrens in 7 gezeigt.
In dieser Modifikation sind die Verfehrensschritte bis zum Schritt des Bildens der Öffnung 72 dieselben, wie in 6 und anschließend wird eine aus Al hergestellte und zum anodischen Bonding verwendete Elektrode auf der Innenseite des vertieften Teils gebildet, anstatt den vertieften Teil mit polykristallinem Silizium zu füllen.
Gemäß 8 gezeigt, kann die Elektrode 100 in mehreren Teilen in einem Wafer gebildet werden, wie durch Schraffieren gezeigt, um hierdurch einen stabilen Kontakt über den Wafer herzustellen.
9 zeigt eine zweite Modifikation des in 6 dargestellten Verfahrens, in welcher die Elektrode 100 zum anodischen Bonding nur auf der Oberfläche der Isolierschicht 52 gebildet wird und ein oberer Teil der Öffnung 72 und ein genauerer elektrischer Kontakt durch Zurverfügungstellen der Elektrode 100 mit einem vorstehenden Teil 102 erhalten wird.
Als nächstes wird ein weiteres Verfahren unter Bezugnahme auf die 10(a) bis 10(h) erläutert und eine Modifikation davon wird unter Bezugnahme auf die 10(i) bis 10(k) erläutert.
Die Schritte, die in den 10(a) bis 10(c) gezeigt sind, sind dieselben wie die Schritte, die in 6(a) bis 6(c) gezeigt sind und 401 ist ein Siliziumhalbleitersubstrat vom p-Typ, 402 ist ein Siliziumhalbleitersubstrat vom p-Typ oder vom n-Typ und 403 ist ein SiO₂-Film mit einer Stärke von 0,1 bzw. bis 2 Mikromeer.
Ferner wird der n-Muldenteil gemäß 10(c) durch ein Ionenimplantierverfahren gebildet, nachdem das Halbleitersubstrat 401 mit einer Stärke von 0,1 bis 10 Mikrometer gebildet ist.
Dann wird, wie in 10(d) gezeigt, ein SiO₂-Film 405 mit einer Stärke von 0,1 bis 1 Mikrometer auf einem vorbestimmten Bereich des Halbleitersubstrates 402 gebildet und anschließend werden ein konkav gebildeter
Teil 406b mit einer runden oder rechteckigen Form und einer Vertiefung 406a durch Ätzen mit einem Ätzmittel aus einer KOH-Lösung unter Verwendung des SiO₂-Filmes 405 als eine Maske geätzt, um der Seitenwand der Vertiefung 406a und dem konkav gebildeten Teil 406b eine verjüngte Bauweise zu geben.
Zu dieser Zeit wird das Ätzen mit dem Ätzmittel aus KOH-Lösung gestoppt, wenn die Böden der Vertiefung 406a und des konkav gebildeten Teiles 406b die Oberfläche des SiO₂-Filmes 403 erreichen.
Gemäß 10(e) wird, nachdem der thermische Oxidationsvorgang ausgeführt wurde, ein SiO₂-Film 407 mit einer Stärke von 0,1 bis 1 Mikrometer auf der peripheren Seitenoberfläche des Halbleitersubstrates 402 gebildet, gefolgt von dem Abscheiden eines polykristallinen Siliziums 408 über der ganzen Oberfläche des Substrates.
Gemäß 10(f) wird ein Teil des polykristallinen Siliziums 408 dann durch Schleifen entfernt, um dessen Oberfläche glatt zu machen und nacheinander eine Schaltung 409 auf dem SiO₂-Film 403 durch ein konventionelles CMOS-Verfahren unter Verwendung eines Silizium-(Si) Gates gebildet und in dem Bereich, in welchem ein Druckmeßmittel zur Verfügung gestellt wird, ein Siliziumnitridfilm 410 mit der Stärke von 0,1 bis 1 Mikrometer auf der Oberfläche der polykristallinen Siliziumschicht 408 gebildet wird und ferner wird eine polykristalline Siliziumschicht mit einer Stärke von 100 bis 4000 Angström und einer vorbestimmten Konzentration an Verunreinigungen auf einem vorbestimmten Bereich des Siliziumnitridfilmes 410 gebildet, um eine Piezowiderstandsschicht 411 zu bilden.
Es sei bemerkt, daß, wenn ein Umkristallisierungsvorgang unter Verwendung eines Laserstrahles oder dergl. auf die Piezowiderstandsschicht 411 angewendet wird, deren Empfindlichkeit verbessert wird.
Das polykristalline Silizium wird als ein Si-Gate des CMOS und der Piezowiderstandsschicht 411 getrennt gebildet, jedoch können sie aus demselben polykristallinen Silizium gebildet werden.
Anschließend werden in dem CMOS-Schaltungsteil ein e Schicht eines isolierenden Filmes wie beispielsweise BPSG-Film (nicht gezeigt) und eine Verbindungsschicht wie beispielsweise Al-Verbindung oder dergl. (nicht gezeigt) gebildet und ein Plasmanitridpassivierungsfilm 412 wird darüber gebildet.
Als nächstes wird gemäß 10(g) ein Plasmanitridpassivierungsfilm 413 auf einem vorbestimmten Bereich auf der Oberflächenrückseite des Siliziumsubstrates 402 gebildet und durch eine KOH-Lösung geätzt. Zu dieser Zeit wird das Ätzen gestoppt, wenn der Spitzenendteil der Öffnung die Oberfläche des SiO₂-Filmes 403 erreicht.
Wenn ein spezifisches Muster unter Verwendung des anisotropen Ätzens mit einer KOH-Lösung oder dergl. geätzt werden soll, kann eine Öffnung 414 mit einer zu der Oberfläche des Substrates senkrechten Achse durch Bilden einer Öffnung in dem Substrat zuerst mit einem Laser und dann durch Ätzen erhalten werden.
Dann wird gemäß 10(h) der SiO₂-Film 403 in der Öffnung 414 mit Fluorwasserstoff entfernt und anschliessend wird das polykristalline Silizium 408 durch Ätzen mit einem Ätzmittel aus einer KOH-Lösung entfernt.
In diesem Fall beeinflußt dieses Ätzen keine anderen Teile des Substrates, weil der Teil, in welchem das oben erwähnte Ätzen durchgeführt wird, von dem SiO₂-Fi1m 403, dem SiO₂-Film 407 auf dem verjüngten Teil und dem Siliziumnitridfilm 410 umgeben ist, obwohl das polykristalline Silizium 408 wegen des isotropen Durchführen des Ätzens vollständig entfernt wurde.
Wie oben erläutert wurde, wird nachdem das polykristalline Silizium 408 entfernt ist, eine Membran 415 des Drucksensors gebildet.
In diesem Beispiel wird ein vorbestimmter Abstand U zwischen dem äußeren peripheren Seitenoberflächenteil des SiO₂-Filmes 403 und dem äußeren peripheren Seitenoberflächenteil des Inselteils des Siliziumhelbleitersubstrates 402, auf welchem der CMOS Schaltkreis 409 zur Verfügung gestellt wird und ferner der CMOS Schaltkreis 409 und die Piezowiderstandsschicht 411 vollständig mit einem isolierten Film 412 bedeckt sind und daher die elektrische Isolierung charakteristisch in bezug auf einen externen Teil aufrechterhalten werden kann, euch wenn Luft oder Gas, Feuchtigkeit oder dergl. enthalten aus der druckeinführenden Öffnung 414 eingeführt wird.
Wie in diesem Beispiel gezeigt, kann der Drucksensor sehr klein gemacht werden und mehrere Drucksensoren können auf einem Chip montiert werden, wobei ein Drucksensor ohne Erhöhung der Herstellungskosten mit vielen Funktionen zur Verfügung gestellt werden kann.
Ferner ist es augenscheinlich, daß mehr als eine Insel des Halbleitersubstrates (das Substrat, auf welches sich hier bezogen wird, ist das Siliziumhalbleitersubstrat 402), auf welchem eine Halbleitervorrichtung gebildet ist, existieren können und eine Halbleitervorrichtung wie beispielsweise eine Leistungs-MOS oder dergl. in dem Siliziumhalbleitersubstrat 402 gebildet werden können.
10(i) zeigt eine Modifikation, in welcher ein Teil 403a des SiO₂ 403 dem Teil entspricht, auf welchem eine Membran gebildet ist, entfernt wird, bevor die Membran 415 gebildet wird, wobei durch Bilden der Öffnung 414 und Entfernen des polykristallinen Siliziums 408 und die Ätzung daher in einem Schritt mit einer KOH Lösung, wie in 10(j) gezeigt ist, durchgeführt werden kann.
Wie in 10(k) gezeigt ist, kann die Ätzung leicht durchgeführt werden, wenn die Größe des Bereichs 413a, der auf dem Plasmanitridfilm 413 gebildet ist, bevor die Ätzung des Siliziumhalbleitersubstrates 402 größer ist als die des Bereiches 403a, die auf dem SiO₂-Film 403 gebildet ist, weil der Fluß des Ätzmittels verbessert ist.
Die Schritte, die in den 11(a) bis 11(d) gezeigt sind, sind dieselben wie die Schritte, die in den 10(a) bis 10(d) gezeigt sind und 501 ist ein Siliziumhalbleitersubstrat vom p-Typ, bzw. 502 ist ein Siliziumhalbleitersubstrat, bzw. 503 ist ein SiO₂-Film bzw. 504 ist ein Bereich mit n-Mulden.
Wie in 11(e) gezeigt ist, wird eine erste polykristalline Siliziumschicht 508a gebildet, ein SiO₂-Film 508b mit einer Stärke von 0,1 bis 1 Mikrometer (oder ein Siliziumnitridfilm) darauf gebildet und dann eine zweite polykristalline Siliziumschicht 508c auf der Oberfläche des SiO₂-Filmes 508b gebildet.
Dann werden nacheinander wie in den 10 die erste und die zweite polykristalline Siliziumschicht 508a und 508c und der SiO₂-Film 508b gleichzeitig geschliffen, um deren Oberfläche zu glätten und daher die Oberfläche der polykristallinen Siliziumschicht koplanar mit der Oberfläche eines Isolierfilmes 505 zu machen.
Anschließend werden eine CMOS IC Schaltung 509 und eine Piezowiderstandsschicht 511 oder dergl. darauf gebildet und dann eine druckeinführende Öffnung 514 und eine Membran 515 gebildet, wie in 11(g) und 11(h) gezeigt.
Die Stabilität des für den Drucksensor charakteristischen Ausgangs ist verbessert (z.B. Verbesserung der Linearität der Beziehung zwischen dem Druck und dem Ausgang), da ein dicker Teil 520 mit der zweiten polykristallinen Siliziumschicht 508c und der SiO₂-Filmschicht 508b in einem mittleren Teil der Membran 515 gebildet ist.
Die Vorrichtung kann als eine Modifikation des obigen nicht nur als ein Drucksensor, sondern auch als ein Vielzwecksensor benutzt werden unter Verwendung des dicken Teiles darauf als Massenteil eines Beschleunigungssensors oder Vibrationssensors.
In 12 wird eine Piezowiderstandsschicht 411 auf der Oberfläche des Siliziumnitridfilmes 410 gebildet anstelle der Bildung der polykristallinen der polykristallinen Siliziumschicht 408 auf der Innenseitenoberfläche des konkav ausgebildeten Teiles 406b wie in der fünften Ausführungsform.
In 12 werden dieselben Komponenten verwendet wie in 10 und sind mit denselben Bezugszeichen versehen und daher ist deren Erklärung weggelassen.
Mit diesem Beispiel soll ein einfaches Verfahren zum Festsetzen "des vorbestimmten Abstandes", auf den in dieser Erfindung Bezug genommen wird erhalten werden. Der wesentliche Teil dieses Verfahrens wird im folgenden erklärt.
Es sei bemerkt, daß die dabei verwendeten Komponenten, wie beispielsweise eine druckeinführende Öffnung, die der Vertiefung entspricht, eine Piezowiderstandsschicht, eine Halbleitervorrichtung, eine Membran oder dergl., den vorhergehenden Beispielen entsprechend.
Zuerst werden gemäß 13(a) ein Halbleitersubstrat 600 und ein Siliziumhalbleitersubstrat 602 über einem SiO₂-Film 601 mit einer Stärke von 0,5 bis 2 Mikrometer dazwischen miteinander in Kontakt gebracht und dann wird eine Halbleitervorrichtung (nicht gezeigt) in dem Siliziumhalbleitersubstrat 602 gebildet.
Dann wird ein Plasmanitridfilm 603 auf dem vorbestimmten Bereich des Siliziumhalbleitersubstrates 602 gebildet, welches als eine Maske verwendet werden soll und eine Ätzung wird unter Verwendung des KOH Ätzmittels, wie in 13(b) gezeigt, durchgeführt.
Zu dieser Zeit wird das Siliziumhalbleitersubstrat 602 leicht mit dem KOH-Ätzmittel geätzt und die Ätzung kann schnell vorangetrieben werden, jedoch wird die Ätzung in die Seitenrichtung ausgedehnt, wenn das obere Ende des geätzten Teiles den SiO₂-Film 601 erreicht, weil das Ätzverhältnis des KOH-Ätzmittels für das SiO₂ äußerst langsam ist, verglichen mit demjenigen für das Silizium, wodurch der verjüngte Teil 601a, der eine geneigte Oberfläche ist, auf dem SiO₂-Film 601 gebildet ist, wie in den 13(c) und 13(d) gezeigt ist.
Wenn das Ätzen weiter fortschreitet und der obere Endteil des geätzten Teiles auf dem Siliziumhalbleitersubstrat 600 ankommt, wird das Siliziumhalbleitersubstrat 600 unter Verwendung des verjüngten SiO₂-Filmes 601a als eine Maske, wie in 13(c) gezeigt, geätzt.
Wenn die Ätzung mit dem Ätzmittel aus 33 Gew.-% KOH-Lösung auf das Siliziumsubstrat mit einem Zustand, wie in 13(b) gezeigt, d.h. schon teilweise angeätzt, bei einer Temperatur von 82°C für 105 Minuten angewendet wird, beträgt nach Experimenten, die von den Erfindern durchgeführt wurden, das Ätzverhältnis des SiO₂ 70 Angström/Minute und das Ätzverhältnis des Siliziums mit der (100) Kristallfläche 170 Angström/Minute. Daher kann man den vorbestimmten Abstand V wie in 13(e) gezeigt, auf ungefähr 5 Mikrometer festsetzen. Dabei umfaßt dieses Siliziumsubstrat zwei Siliziumwafer mit einer (100) Kristallfläche, die als Siliziumhalbleitersubstrate 600 bzw. 602 verwendet werden und die einem SiO₂-Film 601 mit einer Stärke von 7000 Angström dazwischen aufweisen.
Es sei bemerkt, daß das Ätzmittel, welches in diesem Beispiel verwendet wird, nicht auf das, welches oben erläutert wurde, beschränkt ist und andere Ätzmittel verwendet werden können, wenn das Ätzverhältnis für SiO₂ kleiner ist als für Silizium, z.B. ein isotropes Ätzmittel, welches eine Mischung aus einer Mehrzahl von Säuren ist, so können beispielsweise Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure und Essigsäure benutzt werden.
In diesem Beispiel kann das Ätzen des Siliziumshalbleitersubstrates 600 und 602 und des SiO₂-Filmes 601 gleichzeitig durchgeführt werden und der vorbestmmte Abstand V kann willkürlich durch Änderung der Stärke des SiO₂-Filmes oder des Ätzverhältnisses für das Silizium und SiO₂ gesteuert werden.
Der Schneidvorgang wird dann entlang der gestrichelten Linie W durchgeführt, nachdem der in 13(e) gezeigte Schritt vervollständigt ist und zu dieser Zeit keine Sprünge in dem Film erscheinen, da der SiO₂-Film während des Schneidvorganges nicht beschädigt wird. Als nächstes wird das Festsetzen des vorbestimmten Abstandes, wie in dieser Erfindung definiert, unter Bezugnahme auf 14 erläutert.
Wie in 14 gezeigt, werden mehrere Proben mit einem verschiedenen vorbestimmten Abstand J des isolierten Substrates hergestellt und deren Durchbruchsspannung gemessen.
Die Messung wurde durchgeführt durch Anlegen einer erforderlichen Spannung an die Proben unter Verwendung eines "Kurvenaufnehmers" (curve-tracer) (zur Verfügung gestellt von TECHOTRONICS Co-, Ltd. Typ 577) und die Spannung, bei welcher plötzlich 100 Mikroamper elektri scher Strom fließt, wurde als die Durchbruchsspannung definiert. Es sei bemerkt, daß zu dieser Zeit eine Funkenentladung auf dem Siliziumfilm beobachtet wurde. 14 ist ein Diagramm, in welchem Daten der Isolationsdurchbruchsspannungen, die so erhalten wurden, in Bezug auf den vorbestimmten Abstand J aufgetragen sind. Wie aus 14 ersichtlich, ist die Isolationsdurchbruchsspannung nahezu null, d.h. ist vollständig kurzgeschlossen, wenn J = 0 Mikrometer ist, jedoch wenn der vorbestimmte Abstand J mehr als 2 Mikrometer ist und die Stärke des Siliziumfilmes 701 0,7 Mikrometer ist, beträgt die durchschnittliche Isolationsdurchbruchsspannung 280 V und damit ist festgestellt, daß das Siliziumsubstrat 703 von dem Siliziumsubstrat 702 durch die Isolierschicht isoliert ist.
Ferner wird die Messung durchgeführt unter der Bedingung, in welcher die Seitenoberfläche 704 der Siliziumschicht 703 wie in 14 gezeigt der Luft ausgesetzt ist, jedoch wenn die Seitenoberfläche 704 mit einem SiO₂-Film oder dergl. überdeckt ist, dann wird die Isolationsdurchbruchsspannung weiter gesenkt.
In den obigen Beispielen und den folgenden Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfaßt das Trägermaterial zum Tragen einer halbleiterdruckumwandelnden Vorrichtung eines Halbleiterdrucksensors mit einem Siliziumhalbleitersubstrat ein Silizium, welches aus demselben Material wie das Substrat ist oder ein "PYREX"-(Warenzeichen) Glas mit einem ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Silizium. Wenn jedoch das Trägermaterial aus Silizium gemacht ist, liegt kein Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägermaterials und des Sensors vor und da ein Lot, ein eutektischer Kristall von Au-Si, einem Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt oder dergl. als ein Haftmittel zwischen dem Trägermaterial und der Membran zum hermetischen Abschließen verwendet wird, wobei die thermische Spannung, die durch das Haftmittel verursacht wird, eine Ursache zur Verminderung der Meßgenauigkeit des Drucksensors wird.
Wenn jedoch das "PYREX"-(Warenzeichen) Glas als ein Trägermaterial verwendet wird, gibt es keine Verminderung der Druckmeßgenauigkeit, wenn ein anodisches Bonding zum hermetischen Abschließen durchgeführt wird und kein Haftmittel verwendet wird. Nichtsdestoweniger tritt ein anderes Problem derart auf, daß die Genauigkeit durch die Beeinflussung einer thermischen Spannung von ungefähr 1 u Dehnungsbelastung/100°C, bewirkt durch den Unterschied des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Siliziums und des Glases (ungefähr 1 × 10^-7/°C), vermindert wird.
Andererseits weist eine Natriumborverbindung, eine der Komponenten des "PYREX"-Glases im allgemeinen eine hygroskopische Eigenschaft auf und daher absorbiert es Feuchtigkeit, wobei das Trägermaterial deformiert wird, wenn es mit dem Drucksensor in einer Feuchtatmosphäre verwendet wird, und folglich tritt ein anderes Problem derart auf, daß die Ausgangscharakteristik des Sensors instabil wird.
Daher wird in der vorliegenden Erfindung ein spezieller Verbindungsaufbau zwischen dem Drucksensor und einem Trägermaterial, um die oben erläuterten Schwierigkeiten zu überwinden, nachfolgend im Detail beschrieben.
Nämlich ein Halbleiterdrucksensor ist auf ein Trägermaterial mit einer dazwischen angeordneten Isolierschicht angeheftet, wobei diese Schicht einen Verunreinigung enthaltenden Bereich mit beweglichen Ionen darin aufweist und der Verunreinigung enthaltende Bereich in der Bereich in der Isolierschicht derart gebildet wird, daß kein direkter Kontakt dieses Bereiches mit der den Drucksensor umgebenden Atmosphäre besteht, wobei das Einbringen der Ionen durch Implantation erfolgt. Dadurch ist die thermische Spannung vermindert und die Feuchtigkeitsabsorption durch dessen verbundenen Teil wird verhindert, sogar wenn sie in einer feuchten Atmosphäre verwendet wird.
Jede Art des Drucksensors kann als das Druckmeßmittel verwendet werden, jedoch wird vorzugsweise der Drucksensor verwendet, der in den obigen Beispielen in dieser Vorrichtung verwendet wird.
Ferner kann die Isolierschicht mit einem Verunreinigung enthaltenden Bereich, bewegliche Ionen darin einschließend, auf einer Oberfläche des Trägermaterials, auf welchem der Halbleiterdrucksensor montiert ist, oder auf einer Bodenoberfläche des Halbleiterdrucksensors gebildet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Halbleiterdrucksensors mit einem Trägermaterial, wie oben beschrieben, wird unter Bezugnahme auf die 15 bis 21 erläutert.
Die 15(a) bis 15(i) sind Querschnittsansichten, die nacheinander die Herstellungschritte des Halbleiterdrucksensors dieser Erfindung zeigen.
Zuerst wird wie in dem Schritt, der in 15(a) gezeigt ist, ein Siliziumeinkristallsubstrat 151 vom n-Typ mit einer (100) Kristallfläche und einem Widerstand von 2 bis 10 Ohm·cm thermisch in einer trockenen Sauerstoffatmosphäre oxidiert, um thermisch oxidierte Filme (SiO₂) 153 und 155 mit einer Stärke von ungefähr 1000 Angström zu bilden.
Als nächstes wird in dem in 15(b) gezeigten Schritt wenigstens eine Piezowiderstandsschicht 157 durch Implantieren von Ionen, wie beispielsweise Bor oder dergl. durch ein Ionenimplantierverfahren gebildet.
Dann wird gemäß dem in 15(c) gezeigten Schritt der thermische Oxidationsvorgang auf der Oberfläche des thermisch oxidierten Filmes weiter durchgeführt, um den thermisch oxidierten Film (SiO₂) 153 und 155 auf eine Stärke von 5000 Angström bis 1 Mikrometer zu bringen, gefolgt von der Bildung einer Kontaktöffnung auf dem thermisch oxidierten Film, um eine Al-Verbindungsschicht 159 dort zur Verfügung zu stellen.
Danach wird in dem Schritt, der in 15(d) gezeigt ist, nach Entfernung vorbestimmter Teile des thermisch oxidierten Filmes 155 durch Ätzung mit einer Flußsäure-(HF) Lösung ein Membranteil 161 durch Ätzen des Siliziumeinkristallsubstrates 151 durch ein anisotropes Ätzverfahren unter Verwendung einer KOH-Lösung gebildet, wobei der verbleibende thermisch oxidierte Film 155 auf dem Siliziumsubstrat 151 als eine Maske verwendet wird.
Nachfolgend wird, wie in 15(e) gezeigt, die Druckumwandlungsvorrichtung durch Entfernen des thermisch oxidierten Filmes 151 durch Ätzen mit einer Flußsäure-(HF) Lösung oder dergl. vervollständigt.
Dann wird in dem Schritt, der in 15(f) gezeigt ist, eine Oberfläche des Siliziumeinkristallsubstrates 163 vom n-Typ mit einer (100) Kristallfläche, einem Widerstand von 2 bis 10 Ohm·cm und einer Stärke von 2 mm bis 5 mm, welches als ein Trägermaterial für den Sensor verwendet werden soll, auf ein Spiegelfinish poliert und anschließend ein thermisch oxidierter Film (SiO₂) 165 mit einer Stärke von 0,5 bis 2 Mikrometer als ein isolierender Film durch ein thermisches Oxidationsverfahren gebildet.
Dann werden in dem Schritt, der in 15(g) gezeigt ist, Resistmuster 167 in vorbestimmten Bereichen auf der Oberfläche des Oxidfilmes 165 unter Verwendung eines gewöhnlichen fotolithografischen Verfahrens gebildet und nachfolgend die Bereiche, welche Verunreinigungen 169 einschließen, in dem thermisch oxidierten Film 165 durch Implantieren von Na+ Ionen darin gebildet. (In diesem Verfahren kann jede Ionenart verwendet werden, jedoch wird als das Ion, welches darin implantiert wird, Na+, K+, Li+ oder dergl. vorzugsweise verwendet.)
Als nächstes wird in dem Schritt, der in 15(h) gezeigt ist, nachdem die Resiste entfernt sind, eine druckmediumeinführende Öffnung 171, die das Substrat und den Oxidfilm durchdringt, durch Ultraschallbehandlung oder dergl. gebildet.
Dann werden, wie in 15(i) gezeigt, die Druckwandlungsvorrichtung gemäß 15(e) und das Trägermaterial gemäß 15(h) durch ein gewöhnliches anodisches Bondingverfahren miteinander in Kontakt gebracht.
Dieses anodische Bondingverfahren wird derart durchgeführt, daß, nachdem beide Komponenten miteinander in Kontakt gebracht werden, eine elektrische Spannung daran angelegt wird, so daß die Druckumwandlungsvorrichtung als eine Anode benutzt wird, wie in 21 gezeigt ist, und beide Komponenten einer thermischen Behandlung durch den Heizer 216 bei Temperaturen von 300°C bis 500°C unterzogen werden.
Gemäß 21 werden eine elektrische Quelle 210, eine Anode 212, eine Kathode 214 und eine elektrische Quelle für den Heizer 218 zur Verfügung gestellt und ferner eine metallisierte Schicht 173, gebildet durch ein Metallbeschichtungsverfahren, ein Vakuumabscheideverfahren oder dergl. auf einer Oberfläche des Siliziumsubstrates 163, dessen Oberfläche gegenüberliegend, auf welcher der thermisch oxidierte Film 154 gebildet wird, zur Verfügung gestellt, um eine elektrische Leitung zu erhalten, wenn das anodische Bonding durchgeführt wird.
16 ist eine Querschnittsansicht einer Anwendungsform des Drucksensors, der in übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wird.
In 16 werden vier Piezowiderstandsvorrichtungen 157 (nicht gezeigt) an vorbestimmten Stellen auf der Membran 161 zur Verfügung gestellt und elektrisch miteinander verbunden, um eine volle Brückenverbindung zu bilden und ferner elektrisch mit dem Endteil des hermetisch verschlossenen Anschlusses 175 durch den Verbindungsdraht 173, der aus Aluminium gemacht ist, verbunden.
Das Trägermaterial 163 ist an einer vorbestimmten Stelle eines Stammes 181 aus "KOVAL" (Warenzeichen) angeheftet, welches mit einer Leitung zum Einführen des Druckmediums 177 darin und einem hermetisch abgeschlossenen Teil 179 durch ein Metallbeschichtungsverfahren angeheftet.
Ein aus Eisen gefertigter Aufsatz 183 ist ebenfalls hermetisch verbunden mit dem äußeren peripheren Teil 185 des Stammes 181 durch ein Projetionsschweißverfahren, um eine Druckreferenzzelle in einem Bereich, der von dem Aufsatz 183 und dem Stamm 181 umgeben ist, zu bilden.
In dieser Verwendung wird die Membran 161 deformiert, um eine Änderung im Widerstand der Piezowiderstandsvorrichtung 157 entsprechend der Belastung darauf zu bewirken und ein elektrisches Signal, welches jener Belastung entspricht, wird durch den Sensor über den hermetisch verschlossenen Anschluß 175 ausgegeben, wenn ein Druck an diesem Sensor in der Richtung, die durch einen Pfeil gezeigt ist, angelegt wird.
Wie oben erläutert, gibt es nach dieser Ausgestaltung keinen Unterschied im linearen Ausdehnungskoeffizienten der druckumwandelnden Vorrichtung und dem Trägermaterial, da sowohl die Druckumwandlungsvorrichtung und deren Trägermaterial aus demselben Material wie z. B. Silizium hergestellt sind und kein Haftmittel dazwischen verwendet wird und daher eine thermische Spannungsbelastung, die durch solch einen Unterschied bewirkt wird, nicht erzeugt wird.
Diese Wirkung kann erhalten werden durch Verbinden des Siliziums beider Komponenten unter Verwendung des anodischen Bondingverfahrens durch Implantieren von Na+ Ionen darin ohne ein Haftmittel zu verwenden, wenn die Siliziumkomponenten miteinander verbunden werden
Ferner wird in dieser Ausgestaltung wenig thermische Spannungsbelastung erzeugt, auch wenn eine Veränderung der Temperatur von z.B. ungefähr 100°C vorkommt, weil die Stärke des Siliziumträgermaterials dick ist, d.h. 2 bis 5 mm und die Stärke des thermischen Oxidfilms 165 dünn ist, z.B. 0,5 bis 2 Mikrometer.
Des weiteren sind in der Erfindung die Siliziumkomponenten durch das anodische Bondingverfahren verbunden, während der Bereich 169 gebildet wird, der Verunreinigungen darin durch Einführen von Ionen in den thermisch oxidierten Firm enthält anstelle Verbinden der Siliziumkomponenten mit einem Haftmittel oder "PYREX"-Glas, wobei der Bereich 169, welcher Verunreinigungen darin enthält, durch den thermisch oxidierten Film 165 umgeben ist, ohne die Verunreinigungen darin einzuschließen, wie in 15 gezeigt wobei der Bereich 169, welcher Verunreinigungen darin enthält, der Atmosphäre nicht ausgesetzt ist. Deshalb wird das Trägermaterial nicht durch dessen Feuchtigkeitabsorption deformiert, wenn diese Vorrichtung in einer Feuchtatmosphäre verwendet wird, wie wenn "PYREX"-Glas als das Trägermaterial verwendet wird.
Ferner ist der thermisch oxidierte Film 165 auf der Oberfläche des Siliziumsubstrates 163, der mit einem Spiegelfinish versehen wurde, durch das thermische Oxidationsverfahren gebildet und daher ist die gesamte Oberfläche glatt und deshalb kann der Kontakt zwischen der Oberfläche des thermisch oxidierten Filmes 165, der keine Verunreinigungen einschließt und dem Siliziumeinkristallsubstrat 151 durch das Direktverbindungsverfahren in einem solchen Ausmaß aufrechterhalten werden, daß die erhaltene Klebekraft schwächer ist als jene, die durch das anodische Bondingverfahren erhalten wird, jedoch nichtsdestoweniger zur tatsächlichen Verwendung ausreichend ist.
Dieses Ergebnis wird erhalten, wenn die Vorrichtung unter Verwendung einer Temperatur von 300 bis 500°C behandelt wird und eine elektrische Spannung während des anodischen Bondings daran angelegt wird.
In einer Ausführungsform wird die SiO₂-Schicht 165, den Verunreinigung enthaltenden Bereich 169 einschließend, auf der Oberfläche des Trägermaterials gebildet, obwohl, wie in 17 gezeigt, dieselben Komponenten durch das anodische Bondingverfahren miteinander in Kontakt gebracht werden können, nachdem die SiO₂-Schicht 187, den Verunreinigung enthaltenden Bereich 189 einschließend, auf der Oberfläche der Druckumwandlungsvorrichtung gebildet wird. Zu dieser Zeit kann die elektrische Spannung durch Verwenden der Druckumwandlungsvorrichtung als eine Kathode angelegt werden und wenn dieser Drucksensor in einer relativ trockenen Atmosphäre verwendet werden soll, kann der Verunreinigung enthaltende Bereich 191 auf der Bodenoberfläche des Siliziumsubstrates 151 durch Implantieren der beweglichen Ionen in dessen gesamte Oberfläche, wie in 18 gezeigt, gebildet werden. Zu jener Zeit kann der Verunreinigung enthaltende Bereich 191 auf der Oberfläche des Trägermaterials gebildet werden.
Weiter werden in dieser Ausführungsform Na+ Ionen in den SiO₂-Film implantiert, aber andere Verfahren wie beispielsweise in Diffusionsverfahren oder dergl. können benutzt werden und weiterhin kann das Verhältnis der Verunreinigungen in dem Verunreinigung enthaltenden Bereich so eingestellt werden, daß es dasselbe ist, wie das von "PYREX"-Glas mit einem ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Silizium durch Implantieren von Verunreinigungen, wie beispielsweise Bor oder dergl. darin.
Die Belastung erfassende Vorrichtung ist nicht nur auf den Piezowiderstand beschränkt sondern eine andere Vorrichtung wie beispielsweise ein MOS-Transistor oder dergl. kann verwendet werden.
In einer anderen Ausführung wird der thermisch oxidierte Film 165 durch thermische Oxidation gebildet, jedoch kann er durch ein bekanntes CVD-Verfahren gebildet werden und ferner ist solch ein Isolierfilm nicht nur auf den SiO₂-Film beschränkt und ein anderer Isolierfilm wie ein Nitridfilm oder nitrierter Oxidfilm (gebildet durch Nitrieren des thermischen Oxidfilms in NH₃-Gas kann an stelle des Oxidfilmes verwendet werden.
Als nächstes wird eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf 19 erläutert.
In dieser Ausführungsform wird die Druckreferenzzelle 193 im Unterschied zu der neunten Ausführungsform ohne Bildung der druckeinführenden öffnung in das Substrat gebildet.
Folglich kann in dieser Ausführungsform der SiO₂-Film 197, der den Verunreinigung enthaltenden Bereich 195 vor externer Feuchtigkeit schützt, nur auf dem äußeren peripheren Teil der Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
20 zeigt eine Modifikation der Drucksensorvorrichtung, die in 19 gezeigt ist, in welcher der Verunreinigung enthaltende Bereich 195 nicht auf der Oberfläche des Substrates 163 und der Druckreferenzzelle 193 gegenüberliegend gebildet ist. In 20 sind dieselben Bauteile, die in 19 verwendet werden, mit denselben Bezugszeichen versehen.
In dieser Modifikation wird in dem Drucksensor die Erzeugung thermischer Spannungsbelastung, die durch den verbindenden Teil zwischen der Halbleiterdruckumwandlungsvorrichtung und dem Trägermaterial bewirkt wird, vermindert und ferner absorbiert der kontaktierende Teil keine Feuchtigkeit, auch wenn er in einer Feuchtatmosphäre verwendet wird, weil der Verunreinigung enthaltende Bereich derart gebildet ist, daß kein Kontakt zwischen ihm und der Substanz, die den Halbleiterdrucksensor umgibt, herrscht.
Ferner kann in dieser Ausführungsform der Verunreinigung enthaltende Bereich auf jeder gewünschten Fläche der Hauptoberfläche des thermisch oxidierten Filmes des Siliziumsubstrates gebildet werden, obwohl der Verunreinigung enthaltende Bereich durch Einführen der beweglichen Ionen in den vorbestimmten Bereich der Hauptoberfläche des thermisch oxidierten Filmes des Siliziumsubstrates gebildet wird.