JP4723175B2 - 半導体素子 - Google Patents

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Description

本発明は、並置されている独立請求項の上位概念に記載の半導体素子、例えば圧力センサおよびその製造方法から出発している。
DE10032579A1号から既に、中空室ないし空洞が半導体基板中ないし基板上に生成されかつこれが圧力センシングのために用いられるという半導体素子の製造方法および半導体素子が公知である。ここでは従来技術に従って多孔性のシリコンから成る半導体素子の層が設けられている。その際圧力センサは表面微細工学(マイクロメカニカル技術を使用)において多孔性のシリコンの転移(Umlagerung)を用いて生成される。この転移により、シリコンから成るダイヤフラムの下方に空洞ないし中空室が形成されることになる。
図1には従来の圧力センサの製造工程物が示されている。
シリコン基板101の上面にマスク層102が生成され、その際マスク層102によって被覆されていない領域103が生じる。マスク層は例えば窒化物層、Nドーピングされた層(Pドーピング層されたシリコン基板の場合)またはその他の、後で使用されるエッチング媒体によって殆ど攻撃されない適当な層であってよい。シリコン基板101の上面は適当なエッチング媒体を使用して電気化学的に、エッチング媒体が被覆されていない領域103の下方でシリコン基板101中に小さな開口部もしくは孔を生成するようにエッチングされる。僅かな孔を有するシリコン層104が生じる。シリコン層104のこれら小さな開口部ないし孔を通ってエッチング媒体がシリコン基板101の下方に位置している領域に達しかつ同様に、そこに存在しているシリコンによって複数の孔を形成する。この場合多孔性のシリコン層104の下方に多孔性のシリコン層105が生じる。電気化学的なエッチング、殊にウェットエッチングのためのエッチング媒体は、有利にはフッ酸(HF)またはとりわけフッ酸(HF)を含有しているエッチング媒体である。本発明によれば有利には、シリコン基板101の上面と下面との間に電界が生成され、その際調整設定された電界強度ないし調整設定された電流密度を介して孔ないし開口部ないし中空室の拡大速度が影響を受ける。この方法による有利な電気化学的なエッチング法では、エッチングすべき圧力センサの製造工程物が、エッチング媒体が充填されているバスタブ形状の容器におかれかつエッチング媒体の相対向する両端部に電圧がかけられて、電界が生じるようにされる。上側の多孔性のシリコン層104がマスク層102が被覆されていない領域103の直接下方の領域に生じるように考慮するために、第1のステップにおいて被覆されていない領域103にエッチング媒体を供給した後、必ずしも一定である必要はない電流密度が調整設定される。これは有利には、被覆されていない領域103の直接下方に、シリコン基板101中に開口部ないし孔が生じるように選択されている。第1のステップにおいて調整設定された、必ずしも一定である必要はない電流密度に対する別の重要な判断基準は、マスク層102が被覆されていない領域103の直接下方のシリコン基板101に適当な開口部ないし孔が生じるような電流密度を調整設定する点にある。殊に、後から、エッチング過程の期間に形成される多孔性のシリコン層104上に、本来のセンサダイヤフラムを形成するほぼ単結晶のシリコン層が堆積されるようにするような開口部ないし孔が適している。それ故に、開口部ないし孔は適当なサイズないし適当な直径を有してさえいればよい。有利な開口部ないし孔は例えば、約10〜100nm、有利には約10〜30nmを有している。これは、適当な開口部ないし孔に対する単なる例示にすぎないことは勿論である。エッチング媒体が多孔性のシリコン層104を貫通した後、更なる経過において有利には電流密度は表面に近い側の多孔性のシリコン層104を形成するための電流密度に比べて高められ、これにより孔が拡大されるかもしくは中空室拡大速度が高められかつ表面に近い側の多孔性のシリコン層104における孔に比べて下の方に位置しているシリコン層105においては比較的大きな孔が生じる。エッチング媒体によって分解されたシリコンはエッチング過程の期間および/または後から、多孔性のシリコン層104における開口部ないし孔を介して除去されかつ「フレッシュ」なエッチング媒体が供給される。
図1に示されている、本発明の半導体素子の製造工程物の製造方法では、図2に示されている、後からの中空室201を形成するためのエッチング過程が適当なプロセスパラメータおよび/または1つまたは複数のエッチング媒体の選択によって、後での中空室201を形成するシリコン層105の多孔性が十分な大きさであるように調整設定される。「十分」とは有利には、60%より大きくかつ100%より小さい多孔性、すなわち気孔率の謂いである。次に圧力センサないし半導体素子において従来技術に従って熱処理(テンペリング)が行われる。熱処理は有利には、水素雰囲気中、窒素雰囲気中または希ガス雰囲気中および/または約900℃以上の温度において行われる。シリコン層105(図1参照)の高い気孔率に基づいて、熱処理の際に、低い方に位置している多孔性のシリコン層105の孔は再編成され、僅かな多孔性のシリコン層104の下方に1つの個別の大きな孔が生じ、これにより図2に示されている中空室ないし図示の空洞201が生じることになる。僅かな多孔性のシリコン層104の上面における孔は熱処理ないし高温ステップの際に殆ど封鎖されるので、このことによっても図3において参照番号301で示されている本来のセンサダイヤフラムをほぼ単結晶のシリコン層として堆積させることができる。図3には封止されている空洞201を備えている従来の半導体素子が図示されている。
DE10032579A1号
封鎖された空洞を形成する際に図1ないし3において参照番号104で示されている上側の多孔性の層を封鎖するプロセスステップにおいて、多孔性の層の形成後に空気中に置いた際に形成されるシリコン酸化物(負の酸化物)を空洞ないし中空室201が完全に封止される前にまだ完全に除去することができなかったという問題がある。このことは本発明により回避しようとするものである。
それぞれ独立請求項の特徴部分に記載の構成を有する本発明の半導体素子および本発明の方法は、従来技術に比して、表面の早期の、すなわち期待している時期より早い封鎖、ひいては中空室ないし空洞の早期の封鎖が回避されるという利点を有している。空洞ないし中空室を形成するための多孔性シリコンの転移は複数の工程ステップに分割されている。それ故に多孔性のシリコン構造の生成後、転移のための第1の工程ステップにおいて空気に置かれることにより形成される形成された負のシリコン酸化物が900℃および1100℃の間の温度でH雰囲気において溶解(還元)されなければならない。転移のための第2の工程ステップにおいて引き続き多孔性のシリコンの表面が900℃ないし1200℃においH雰囲気において封鎖される。転移ための第3の工程ステップにおいてシリコンのエピタキシャル成長によってダイヤフラムが形成され、その際シリコンの成長の際にも更に多孔性のシリコンが部分的に転移され、ひいては空洞の形成に役立つのである。第1の工程ステップにおけるシリコン酸化物の溶解は必要である。というのは、そうしなければ引き続く転移が行われないまたは行われたとしてもたいしたことない可能性があるからである。シリコン酸化物の溶解は第1の工程ステップにおける還元するH雰囲気によって保証される。同時に、この熱処理ステップにおいて表面は閉じられるので、表面の早期の封鎖を引き起こす可能性がありかつ従って残留酸化物は多孔性のシリコン層に残ったままである。この状態において多孔性のシリコン層における完全な転移、ひいては空洞の形成は妨げられるかもしくは難しくなる。本発明の半導体素子ないし本発明の方法は多孔性のシリコン層のこの早期の封鎖を低減し、かつそれにより空洞の確実でかつ完全な形成を保証する。空洞の早期の封鎖を低減するというこの効果をもたらすための本発明の手段は、いわゆる換気孔が多孔性のシリコン層に導入されることである。これにより表面の早期の封鎖は妨げられかつ完全な酸化物溶解、引き続く転移が保証される。このような換気孔は本発明によれば、所定のダイヤフラム領域において意図したアンダエッチングが設定されており、これによりこのダイヤフラム領域においては残りのダイヤフラム領域におけるものとは別の孔構造が生成されることによって生成される。このような別の孔構造は本発明によれば残りのダイヤフラム領域の孔構造より著しく後で封鎖される。
従属請求項に記載の構成によって独立請求項に記載の半導体素子ないし方法の有利な発展形態ないし改良形態が可能である。特別有利には、第1の部分領域における被覆層が形成される前のプロセス段階の孔構造は実質的に主基板面に対して垂直方向に配向されておりかつ第2の部分領域における前プロセス段階の孔構造は実質的に主基板面に対して平行に配向されている。水平方向、すなわち基板の主基板面が水平方向に位置しているとき、主基板面に対して平行に延在しているこのようなラテラルな孔は表面に対して垂直に、すなわち主基板面に対して垂直に設けられている孔より著しく後に閉鎖される。従ってラテラルな孔を有しているダイヤフラム面の領域はシリコン酸化物の溶解の最後の段階においてガス交換のための本発明の換気孔として使用することができる。更に、第2の部分領域における前プロセス段階の孔構造がメソ多孔性に設定されているまたは第2の部分領域における前プロセス段階の孔構造がナノ多孔性に設定されているまたは第2の部分領域における前プロセス段階の孔構造が第1の部分領域におけるより高い多孔性に設定されていると有利である。これにより、本発明の換気孔の形成のための種々の可能性が簡単な手法において可能である。換気孔の領域においてエピタキシャル層の結晶構造は多くの欠陥を持っており、このことは比較的高い気孔率ないしナノまたはメソ多孔性の孔構造もしくは表面に対して平行である孔の延在方向に対して特別特徴的である。更に、半導体基板がシリコンから成っていると有利である。これにより孔の意図した導入によって、本発明の空洞ないし本発明の中空室を制御して生成することが可能である。更に、多孔性の層の上にエピタキシャル層が設けられていると有利である。これにより、種々の形式の圧電式の測定エレメントをエピタキシャル層内に収容しかつこれにより例えば本発明の半導体素子を圧力センサとして使用することが可能である。
次に本発明を図示の実施例に付き図面を用いて詳細に説明する。
図4には本発明の半導体素子の種々の製造段階が示されている。図4aにも、本発明の半導体素子の基礎を形成している基板101が示されている。基板101には、比較的強くp(ドープ剤濃度>5・1016l/cm)ドーピングされておりかつ図4aには参照番号120が付されている層が形成される。この層120の下方には後に、本発明の半導体素子の空洞が形成されかつこの層120の領域において、以下に被覆層とも称される、空洞の被覆が形成される。更に、nドーピングされておりかつ後で、多孔性のシリコンを製造するためのエッチング方法によって孔を生成することができない基板領域には参照番号130が付けられている。参照番号130で示されている基板領域は後に、空洞およびその被覆層が存在しているダイヤフラム領域を取り囲むランドもしくはフレームとして用いられる。本発明によれば、図1との関連において説明した、従来技術に従った層102と同様にその下方に位置する領域が多孔性になるのを妨げるカバー部110をダイヤフラム領域中に設けるようにしている。それからこのように用意された基板101のエッチングが行われ、その結果が図4bに示されている。エッチングは従来の半導体素子と関連して説明した方法の場合と同様に、第1の段階を含んでいる。すなわちこの段階では一方において、比較的僅かな気孔率もしくは多孔性を有している被覆層が形成されかつ他方においてこの被覆層の下方に、すなわちより下方に位置している第2の層が形成され、この層は比較的高い多孔性を有している。引き続いて、次の工程によって、半導体材料の転移が生じ、その際比較的高い多孔性の領域に、そこのシリコン粒子が再編成されかつ部分的に被覆層の領域にも沈着ことによって空洞が形成される。この転移によって、図4cおよび図4dにおいて参照番号129で示されている空洞および更にその上に位置していて、僅かな多孔性の基板層に戻る被覆層が生じる。この転移後、被覆層は普通、孔形成(多孔化)後および転移前のその状態の期間のよりも僅かにしか目立たない孔構造を有している。しかしその前の孔構造は転移後もまだ認められる。図4aで参照番号120で示されている僅かな多孔性の基板層はエッチング過程の際にカバー部110が存在していないことによる被覆層の第1の部分領域と、カバー部110が存在していることによる被覆層の第2の部分領域と分けられる。第1の部分領域122はエッチング過程の際にカバー部110によって被覆されておらずかつ第2の部分領域121はエッチング過程の際にカバー部110によって被覆されている。両方の部分領域は一緒に殊に転移の後で被覆層150を形成する。これは図4dには第1および第2の部分領域を区別することなく示されている。エッチング過程の期間被覆層150の第2の部分領域121の上方のカバー部110によって孔は実質的にラテラルに、すなわち上面に対して平行ないし基板101の主基板面に対して平行に延在している。被覆層150の第1の部分領域122において孔は実質的に主基板面に対して垂直に延在している。被覆層150の下方に、転移の前には孔成分が比較的高い(60%の多孔性および100%の多孔性の間)層が存在しておりもいくは転移の後には空洞が存在している。この層は図4bには参照番号128(転移の前)が付されておりかつ図4cには参照番号129で示されているが、それは空洞129を形成するためのシリコン材料の転移の結果を表そうというものである。表面に配置された、多孔性の層の転移された部分領域121および122は図4dにはまとめて被覆層150ないしカバー層150として図示されている。被覆層150の上に本来のダイヤフラム層140が図示されており、これは本発明によれば殊にエピタキシャル成長された、単結晶のシリコンから設けられている。ダイヤフラム層140には本発明により1つまたは複数の、例えば伸張抵抗もしくは圧電抵抗を介してダイヤフラム層140の変形を検出するための測定素子が挿入されている。従ってダイヤフラム層140は本来のセンサダイヤフラムを形成している。
図4aに図示されている、比較的高ドーピングされている表面層120はエッチング過程の後、カバー部110が設けられていない領域において、メソ多孔性でありかつ表面に対して垂直方向に配向されている孔構造を有している。この比較的高ドーピングされている層120は約0.1Ωcmの電気抵抗および約1μmの厚さを有している。この垂直方向に配置されているメソ多孔性の孔はシリコン材料の本発明による転移の際に比較的迅速に封鎖される。多孔性シリコンの形成は等方性エッチング過程であるので、マスクとして使用される、例えばシリコン窒化物から成っているカバー部110はラテラルにアンダエッチングされる。これにより第2の部分領域121において被覆層の表面に対して実質的に平行に延在している孔が生じる。従って被覆層150の第2の部分領域121における孔構造はラテラルと表すことができる。これらラテラルな孔は温度処理の際にずっと後で封鎖され、従って本発明による、ガス交換のための開口部ないし本発明の換気孔として使用することができる。
図5および図6において本発明のラテラルな孔構造を製造するためのないし本発明の換気孔を製造するための2つの異なった実施例が示されている。
図5においてシリコン基板101に表面ドーピングが行われるようになっている。これはシリコン基板101上の層120になりかつ比較的強くpドーピングされるようになっている。この層120の第1の部分領域にはカバー部110が設けられておらずかつこの層の第2の部分領域にはカバー部110が設けられている。これは図5aに図示のエッチング過程の前の状態である。図5bにはエッチング過程の第1ステップ後の状態が示されており、この場合表面にドーピングされた層120の第1の部分領域122に多孔性のシリコンが生じた。これは垂直方向に延在している孔を有する孔構造を有している。第2の部分領域、すなわちカバー部110の下方には、参照場号125が付されている領域が生じた。これはラテラルな孔構造を有している。この領域はメソ多孔性のシリコンを有する孔構造を有している。カバー部110のサイズはアンダエッチング次第で決められ、例えば領域110のアンダエッチングは約15μmでありかつこのアンダエッチングの方向におけるカバー部110のサイズは約10〜20μmが選択される。アンダエッチングは図5bにおいて、第2の部分領域125がカバー部110より小さいことが分かる。
図6において本発明の換気孔を実現するための第2の実施例が図示されているが、ここでは表面ドーピングされた層120は比較的高ドーピングされた領域119(ドーピング濃度>5・1016l/cm)と比較的低ドーピングされた領域118(基板ドーピング>5・1015l/cm)とを含んでいる。比較的弱くドーピングされた領域118はカバー部110ないしカバー領域110の下方に存在している。本発明によれば殊に、低ドーピングされた領域118のドーピングは基板101のドーピングに相応しかつ比較的高ドーピングされた領域119を形成するためには単に構造化されて比較的高いドーピングが導入されるようになっている。ここでも図6aにはエッチング過程の前の状態が図示されている。図6bにはエッチング過程の第1ステップ後の状態が図示されている、すなわちカバー部110の被覆されていない領域122には実質的に垂直方向に延在している孔が存在しておりかつ実質的にエッチング過程の前の低ドーピングされた領域118に相応する、被覆層150の第2の部分領域に、実質的にラテラルな孔を有する孔構造を有する領域126が生じた。しかしここでは領域126において、すなわち被覆層150の第2の部分領域において、この領域の僅かなドーピングのために僅かな気孔率を有するメソ多孔性のシリコンは生じず、高い気孔率を有するナノ多孔性のシリコンが生じ、これは今や同様にまたもや後に、シリコン酸化物を溶解するために熱処理ステップが実施されるとき、残りのダイヤフラム領域として、すなわち被覆層150の残りの領域として封鎖される。カバー部110のサイズはここでもアンダエッチングのオーダによって決められる。例えばカバー領域110の拡がりは約6μmのアンダエッチングの場合5〜10μmのオーダに設定されている。
択一的な実施例において本発明によれば有利には、図6に図示の、低ドーピングされた部分領域118上のカバー領域110のオーバラップが高ドーピングされた部分領域119の厚さないし深さと大体同じ大きさに設定されているようになっている。カバー領域の幅はこの場合オーバラップの2倍のサイズより著しく大きく設定されている。この状態において第1のエッチングステップの間低気孔率のエッチングフロントはカバー部110の下方において接触しない。それから第2のエッチングステップの際にカバー部110の下方に位置する部分領域118が高多孔性にエッチングされ、これによりこの領域は熱処理期間の換気孔の機能を引き受ける。別の実施例において図6の場合においてカバー部110を省略することができる。この場合には部分領域118および119において垂直方向の孔構造だけが生じる。領域118および119の異なっているドーピングによって、領域118に比較的高い気孔率を有するナノ多孔性のシリコンが生じ、これは後続の熱処理ステップの際に後で、周りを取り囲むメソ多孔性の領域119として封鎖される。従ってこの場合にも負の酸化物の溶解が有利に行われる。換気孔のオーダはエピタキシャル層の厚さによって決まってくる。というのは、これが孔を確実に封鎖しなければならないからである。それ故に孔直径はエピタキシャル厚さより小さくなければならない。
図7において、後の被覆層150にカバー領域110を分配もしくは配置するための第1の変形例が図示されている。図7および図8には半導体素子の本発明にとり重要な部分の平面が図示されている。図4で既に説明した領域130,すなわち例えばnドーピングされ、それ故に孔形成エッチング過程によって攻撃されない領域はフレームを形成し、このフレーム内に被覆層150および空洞129が設けられている。しかし被覆層150および空洞129は図7および図8には特に示されていない。カバー部110の分布は図7ではダイヤフラム領域内、すなわち基板の領域130によって取り囲まれている、方形ないし正方形のラインの形で設けられているので、ダイヤフラム領域の縁部ないし空洞の縁部から十分な間隔が保証されている。換気孔、ひいてはカバー部110の一般的な位置は図7および図8には図示されていない、ダイヤフラム層140上または内にある測定領域にあってはならない。ダイヤフラム層140内の測定装置ないし測定素子は殊にピエゾ抵抗として設けられておりかつこれは有利には空洞129の縁部における移行領域に存在している。換気孔ないしカバー部110の領域におけるエピタキシャル品質は残りのダイヤフラム領域におけるほどよくないもしくは比較的悪いので、カバー部110の一部領域またはカバー領域110そのものも空洞129の縁部の領域に来るようにはなっていない。空洞129の縁部に対するカバー領域110の間隔は、シリコン酸化物の材料の洗浄の期間に使用することができる時間において、まだ除去すべきシリコン酸化物を有しているすべての領域に対してH雰囲気が入り込めるように選定されるべきである。すべてのシリコン酸化物が除去されたとき、空洞および被覆層を形成するための完全な転移が生じることができる。
図8には、カバー領域110がドットないし小さな正方形として設けられている。図7にも図8にもカバーされた領域110の重要な寸法ないし図7ではカバー部110の拡がりとの関連において前に説明したようにカバーされた領域110の幅が設定されている。
換気孔ないし換気ラインないし換気領域とも称される、ダイヤフラム上の換気孔の配置は最適にはダイヤフラムにおける電圧分布に応じて決められるので、個々の換気孔に電圧最大値は発生しない。図7においても、ラインが角を有しておらず、丸くなっている、もしくはダイヤフラムにおける等電位線に追従していると有利である。
従来技術の従来の圧力センサの製造工程物の断面略図である。 公知の圧力センサの別の製造工程物の断面略図である。 従来技術の公知の圧力センサの断面略図である。 本発明の半導体素子の種々の工程段階の断面略図である。 本発明の換気孔を製造するための第1の実施例の断面略図である。 本発明の換気孔を製造するための第2の実施例の断面略図である。 本発明の換気孔の配置の第1の変形例の平面略図である。 本発明の換気孔の配置の第2の変形例の平面略図である。
符号の説明
101 シリコン基板
102 マスク層
103 カバーされていない領域
104 上側のシリコン層(低い気孔率)
105 下側のシリコン層(高い気孔率)
110 カバー部(カバー領域)
120 多孔性の層
121,122 部分層
129 空洞
130 フレーム/縁部(ラント)
140 ダイヤフラム領域
150 被覆層
201 中空室ないし空洞
301 センサダイヤフラム

Claims (10)

  1. 少なくとも半導体基板(101)と、該半導体基板の上(101)に前記半導体基板の多孔性のシリコン材料の転移によって形成された中空室(129)と、該中空室(129)の上に前記半導体基板の多孔性のシリコン材料の転移によって形成された被覆層(150)とを備える半導体素子において、
    前記被覆層(150)は第1の部分領域(122)と第2の部分領域(121,125,126)を有しており、
    前記第1の部分領域(122)における前記転移前の孔構造は、実質的に前記半導体基板の主平面に対して垂直方向に配向されており、かつ
    前記第2の部分領域(121,125,126)における前記転移前の孔構造は、実質的に前記半導体基板の主平面に対して平行に配向されている
    ことを特徴とする半導体素子。
  2. 前記第2の部分領域(121,125,126)における前記転移前の孔構造は、前記第1の部分領域(122)における前記転移前の孔構造より高い多孔性に設定されている
    請求項1記載の半導体素子。
  3. 前記半導体基板(101)はシリコンである
    請求項1または2記載の半導体素子。
  4. 前記被覆層(150)の上方にダイヤフラム層(140)が設けられている
    請求項1からまでのいずれか1項記載の半導体素子。
  5. 請求項1から4までのいずれか1項記載の半導体素子を用いた圧力センサ。
  6. 少なくとも半導体基板(101)と中空室(129)と被覆層(150)とを備える半導体素子の製造方法であって、
    前記中空室(129)が、前記半導体基板(101)の上に前記半導体基板の多孔性のシリコン材料の転移によって形成されるステップと、
    前記被覆層(150)が、前記中空室(129)の上に前記半導体基板の多孔性のシリコン材料の転移によって形成されるステップ
    とを有する半導体素子の製造方法において、
    1の部分領域(122)と2の部分領域(121,125,126)とを有する前記被覆層(150)の前記第2の部分領域をカバー部(110)で被覆した後に前記被覆層(150)を形成するステップを有することにより、孔が前記カバー部(110)の下方ではラテラルに形成される、
    ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  7. 第2の部分領域(121,125,126)は第1の部分領域(122)より僅かなドーピング度を有しているので、第2の部分領域(121,125,126)における孔は第1の部分領域(122)における孔より小さい
    請求項6記載の方法。
  8. カバー部(110)はラインまたは点ないし小さな正方形において設けられている
    請求項6または7記載の方法。
  9. カバー部(110)と第2の部分領域(121,125,126)とのオーバーラップする部分の幅方向の長さは、第1の部分領域(122)の厚さと同じ長さで設定されている
    請求項から8のいずれか1項記載の方法。
  10. 第2の部分領域(121,125,126)をカバーするカバー部(110)の幅方向の長さは、5〜10μmである
    請求項から8のいずれか1項記載の方法。
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