专利名称：半导体传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有膜片(半导体薄膜的感应区域)的半导体传感器及其制造方法。
背景技术：
在使用有半导体基板的小型压力传感器和振动传感器等中，具有用于检测压力和 振动的膜片。作为在半导体基板上制作膜片的方法，具有专利文献1、2所示地使用隔着绝 缘层将Si基板和薄膜层贴合的SOI (Silicon onlnsulator)晶片的方法。例如，在图1所示的专利文献1的半导体压力传感器中，使用有在Si基板ll(Si 层)之上层积有绝缘层12 (SiO2层)以及Si薄膜层13 (Si层)的SOI晶片。并且，从Si基 板11的下表面开始部分地蚀刻Si基板11以及绝缘层12，在空洞14之上形成由Si薄膜层 13构成的膜片15，并且在膜片15的边缘设有应变规16。另外，在专利文献1的半导体压力传感器中，在空洞14中，通过湿式蚀刻将膜片15 的下表面蚀刻5 10 μ m左右而在膜片15的下表面形成有凹部17。在专利文献1的压力传感器中，对膜片15的下表面蚀刻是基于以下理由进行的。 在现有的压力传感器中，具有对绝缘层不进行蚀刻而使其残留并形成由绝缘层和Si薄膜 层双层构造构成的膜片的结构。但是，在这样的压力传感器中，由于绝缘层与Si薄膜层的 热膨胀系数之差，使得膜片变形而具有温度特性，另外，由于膜片的挠曲而在绝缘层上产生 裂痕，该裂痕一直扩展到Si薄膜层而会使膜片破损。因此，在专利文献1的压力传感器中， 将空洞14中的绝缘层12除去，另外，对膜片15的下表面也进行蚀刻而形成凹部17，由此将 绝缘层12完全除去。同样地，在专利文献2的压力传感器中，也通过从SOI晶片的下表面进行蚀刻将Si 基板和绝缘层部分地蚀刻除去而形成膜片，另外，对膜片的下表面进行蚀刻而形成凹部。专利文献1 (日本)专利第3506932号公报专利文献2 (日本)特开2002-208708号公报在专利文献1、2所公开的压力传感器中，在膜片的下表面形成凹部时，通过时间 管理来控制蚀刻的深度。但是，无论如何准确地进行时间管理，都不能够避免膜片的蚀刻工 序中的各种变动因素，凹部的深度产生偏差，难以使膜片的厚度均一。并且，若膜片的厚度 产生偏差，则会成为压力传感器的灵敏度偏差而表现出来。另外，由于在膜片的下表面设置凹部而在凹部内产生角部(内角部)，故而在膜片 变形时，在角部容易集中应力，会使膜片自该角部破损。
发明内容
本发明是鉴于上述技术课题而作出的，其目的在于提供一种半导体传感器及其制作方法，膜片不易破损并且传感器灵敏度的偏差也小。本发明的半导体传感器，其特征在于，包括作为基台的第一半导体层；在所述第一半导体层之上形成的绝缘层；在所述绝缘层之上形成的第二半导体层，从所述第一半导体层的下表面朝向所述绝缘层的上表面形成凹部，在该凹部上表面的外周部，利用所述绝 缘层将所述第二半导体层覆盖，在所述凹部上表面的除外周部之外的区域，使所述第二半 导体层的感应区域露出。在本发明的半导体传感器中，由于在第二半导体层的感应区域(膜片)的大部分 将绝缘层除去，故而不易像由绝缘层将感应区域的整个下表面覆盖那样地由于感应区域与 绝缘层的热膨胀系数差而使半导体传感器产生温度特性，另外，裂痕不会从绝缘层扩展到 感应区域。另外，由于第二半导体层的感应区域的外周部被在感应区域的下表面稍有残留的 绝缘层覆盖且被该绝缘层加强，故而即使感应区域反复变形也不易破损。由此，根据本发 明，第二半导体层的感应区域不易破损。并且，也无需对感应部的下表面进行挖入而使感应 部的膜厚变�。识氲继宕衅鞯牧槊舳绕畹目赡苄约跣�。本发明的半导体传感器的另一方面，所述感应区域的膜厚与所述第二半导体层的 感应区域之外的区域的膜厚相同。根据该方面，由于第二半导体层的感应区域不会由于蚀 刻而比感应区域之外的区域�。识杏η虻哪ず竦钠畹贾碌陌氲继宕衅髁槊舳鹊� 偏差的可能性减小。另外，由于第二半导体层的下表面是平坦的，故而不易在角部产生应力 集中，感应区域不易破损。
本发明的半导体传感器的又一方面，在所述凹部上表面的外周部将所述第二半导 体层覆盖的所述绝缘层随着从所述感应区域的外周侧朝向所述感应区域的中心部，其膜厚 减薄。根据该方面，由于将感应区域的外周部覆盖的绝缘层在前端侧逐渐变�。识杏η� 域的变形不易被绝缘层阻碍。本发明的半导体传感器的制造方法包括如下的工序在隔着由SiO2构成的绝缘层 将由Si构成的第一半导体层和由Si构成的第二半导体层贴合的SOI基板的第一半导体层 的下表面形成掩蔽部件，在欲形成所述凹部的位置，在所述掩蔽部件上开设开口 ；通过所述 掩蔽部件的开口对所述第一半导体层进行干式蚀刻或湿式蚀刻，使所述绝缘层在被蚀刻后 的凹部内露出；对所述绝缘层进行干式蚀刻并且蚀刻到在所述凹部内露出的所述绝缘层的 中途；与所述工序中对所述绝缘层进行干式蚀刻的情况相比，利用SiO2和Si的选择比更高 的干式蚀刻对所述绝缘层进行蚀刻，并且在如下的阶段停止干式蚀刻，即，所述第二半导体 层在所述凹部内的上表面中央部从所述绝缘层露出，并且在所述凹部内的上表面外周部残 留有所述绝缘层。根据本发明的半导体传感器的制作方法，能够制作具有上述作用效果的半导体传 感器。另外，在蚀刻绝缘层时，以比较高的蚀刻速度将绝缘层干式蚀刻到中途，然后，以选择 比较高的蚀刻将残留的绝缘层除去，故而，能够在比较短的制造时间使第二半导体层在凹 部内的上表面中央部从绝缘层露出，并且，能够在凹部内的上表面外周部残留绝缘层。另 夕卜，通过调节从速度快的蚀刻切换成速度慢的蚀刻的时刻，能够调节在感应区域的外周部 残留的绝缘层的形状和尺寸。另外，本发明用于解决上述课题的方式具有将以上说明的结构要素适当组合的特 征，本发明可通过将上述结构要素适当组合而进行多种变更。
图1是表示现有的压力传感器的构造的剖面图；图2是表示本发明第一实施方式的压力传感器的剖面图；图3(a) (e)是表示第一实施方式的压力传感器的制造方法的示意剖面图；图4是针对加强部的剩余宽度为0 μ m、50 μ m、100 μ m的各情况，表示距膜片中心的距离和该距离上的应力的关系的图；图5是针对加强部的剩余宽度为0 μ m、50 μ m、100 μ m的各情况，表示距膜片中心 的距离和该距离上的膜片在膜方向的位移量比率的关系的图；图6是本发明第二实施方式的压力传感器的剖面图；图7(a) (d)是表示第二实施方式的压力传感器的制造方法的示意剖面图。附图标记说明21,51 压力传感器22 =Si 基板23:SiO2 膜23a:加强部24 =Si 薄膜25 膜片26:凹部
具体实施例方式以下，参照
本发明的优选实施方式。(第一实施方式)图2是表示本发明第一实施方式的半导体传感器、即压力传感器21的剖面图。根 据图2说明压力传感器21的构造。如图2所示，该压力传感器21使用SOI基板制作。SOI基板隔着SiO2膜23 (绝缘 层)将N型Si基板22 (第一半导体层)和N型Si薄膜24 (第二半导体层)贴合。压力传 感器21具有由Si薄膜24的一部分形成的圆形膜片25 (未固定在Si基板22上的感应区 域)，膜片25由检测对象的压力而在膜方向上微小位移。压力传感器21具有与膜片25的下表面对应并从Si基板22的下表面朝向SiO2膜 23的上表面形成的圆柱状凹部26 (凹坑)。在凹部26上表面的外周部，SiO2膜23将膜片 25下表面的外周部覆盖，在凹部26上表面中除外周部之外的区域使膜片25的整个下表面 露出。另外，将膜片25的下表面外周部覆盖的SiO2膜23在下表面具有锥形，随着从膜片 25的外周端朝向膜片25的中心侧，SiO2膜23的膜厚逐渐减薄。以下，将由SiO2膜23形成 的、覆盖膜片25下表面外周部的部分称为加强部23a。为了检测由压力引起的膜片25的挠曲，在Si薄膜24的表层部以及上表面构成有 使用标准电阻(Y — ^抵抗)的变形检测电路(例如桥式电路)。变形检测电路由多个标 准电阻构成，但在图2中仅表示了其中的两个标准电阻30A、30B。标准电阻30A在由P+型扩散电阻层构成的电阻28a、29a之间形成有压电阻27a。 标准电阻30B在由P+型扩散电阻层构成的电阻28b、29b之间形成有压电阻27b。其他的标准电阻也具有同样的结构。这些标准电阻30A、30B、...通过由金属膜构成的配线图案31连接而构成变形 检测电路。在除膜片25的上表面之外的区域，通过绝缘覆膜41将Si薄膜24的上表面覆 盖，配线图案31配置在膜片25的外侧区域的绝缘覆膜41的上表面，将端部与电阻29a、 29b、...连接。另外，在除膜片25的上表面之外的区域，将电阻29a、29b、...的一部分和 配线图案31覆盖而由保护膜42将绝缘覆膜41的上方覆盖。另外，变形检测电路通过标准 电阻30A、30B、...和配线图案31的组合而构成，但由于变形检测电路的具体结构并不是本 发明的实质所在，故省略其详细的说明。接着，利用图3说明第一实施方式的压力传感器21的制造方法。图3(a)所示的 部件是隔着经由在SiO2膜23将N型Si基板22和N型Si薄膜24贴合的SOI基板。在 SOI基板的Si薄膜24的上表面形成有由标准电阻30A、30B、...和绝缘覆膜41、配线图案 31、保护膜42等构成的变形检测电路，为了对其进行保护，在其之上由表面保护膜43将Si 薄膜24的整个上表面覆盖。实际中，使用SOI晶片一次制作多个压力传感器21，但是在图 3(a) (e)中仅表示了一个压力传感器21。首先，如图3 (b)所示，在Si基板22的整个下表面涂敷抗蚀剂44，并且将抗蚀剂 44烧固使其固化之后，使用光刻技术在欲形成凹部的位置、在抗蚀剂44上开设开口 45。这 里所使用的抗蚀剂44对干式蚀刻工艺具有耐受性。接着，利用干式蚀刻工艺，通过抗蚀剂44的开口 45而对Si基板22进行各向异性 蚀刻而形成凹部26，如图3 (c)所示地一直蚀刻到SiO2膜23的下表面露出。此时，SiO2膜 23作为蚀刻阻止层而起作用，故而在SiO2膜23整体在凹部26中露出的状态下停止蚀刻。 作为干式蚀刻工艺，使用De印-RIE (反应性离子蚀刻)等方法。另外，利用干式蚀刻工艺，通过抗蚀剂44的开口 45对SiO2膜23进行蚀刻。此时， 如下所述地分两阶段对SiO2膜23进行干式蚀刻。首先，在第一阶段的干式蚀刻中，以较快的蚀刻速率蚀刻到SiO2膜23在中途。在 此，利用干式蚀刻制作图3(d)那样构造的凹部26时，蚀刻用的离子具有被凹部26的侧壁 反射而向中央部集中的倾向。因此，在中央部，蚀刻进行得快，在周边部，蚀刻进行得慢。因 此，如图3(d)所示地，SiO2膜23由于干式蚀刻而使中央部比周边部薄。在第一阶段的干式 蚀刻中，能够使用与SiO2与Si的蚀刻速率之比(蚀刻选择比)无关而使蚀刻速率尽可能 快的蚀刻条件，由此能够缩短工序时间。接着，在Si薄膜24在凹部26的中央部快要露出前的适当时刻，从第一阶段切换 到蚀刻选择比高(即SiO2的蚀刻速率比Si的蚀刻速率快)的第二阶段的蚀刻。在该第二 阶段的蚀刻中，与第一阶段同样地在中央部蚀刻进行得快，在周边部蚀刻进行得慢。但是， 使Si薄膜在中央部24露出之后，由于SiO2膜23的蚀刻比Si膜24快，故而如图3(e)所 示，在除了周边之外的区域将SiO2膜23完全蚀刻除去而使膜片25的下表面露出，SiO2膜 23在周边部稍有残留并成为加强部23a。残留在该周边部的SiO2膜23由于越向外侧、蚀 刻越慢，故而在下表面形成锥形，随着从外侧朝向内侧而使膜厚减薄。另外，在周边部残留 的加强部23a的形状可通过使第二阶段的蚀刻停止的时刻来进行调节。然后，通过干式蚀刻或湿式蚀刻将下表面的抗蚀剂44和上表面的表面保护膜43 除去而得到压力传感器21。
另外，在上述制造方法中，为了形成凹部而使用有干式蚀刻，但也可以是使用有 TMAH或KOH等的湿式蚀刻。在干式蚀刻中，具有后序工序无需进行洗净、与抗蚀剂的选择性 高且能够进行微细加工的优点，在湿式蚀刻中具有装置便宜的优点。本实施方式的压力传感器21起到以下的作用效果。膜片25的外周端固定在SiO2膜23乃至Si基板22上而在膜片25变形时容易产 生应力集中，故而会在膜片25上产生裂痕或使膜片25破损。但是，由于在压力传感器21 中，在凹部26上表面的外周部具有形成锥形的加强部23a，故而容易集中大应力的膜片25 的外周端被加强部23a加强。因此，能够提高膜片25的应力集中部分的强度，伴随于此可 提高压力传感器21的可靠性。特别是，由于加强部23a为锥形，越向前端厚度越�。识� 为适于使应力分散而防止膜片25破损的形状。在该压力传感器21中，不对膜片25的下表面进行蚀刻，膜片25的膜厚与Si薄膜 24的固定部分的膜厚相同。因此，在制造工艺中产生的膜片25的膜厚偏差不易使压力传感 器21的灵敏度变化，能够实现灵敏度稳定的膜片结构。另外，通过调节使蚀刻停止的时刻，能够控制加强部23a的锥形形状，故而通过改 变加强部23a的锥形量而可得到对应于用途的必要灵敏度和可靠性。在第一实施方式的压力传感器21中，在从下表面蚀刻凹部26时，在近似与膜片25 垂直的状态下可加工凹部26，故而能够将压力传感器21的尺寸小型化并可实现低成本化。接着，通过模拟，说明对加强部23a的剩余宽度S和膜片25的特性的关系进行探 讨的结果。所谓的加强部23a的剩余宽度S是指，图2所示地从凹部26的侧面到加强部 23a前端的水平距离。另外，用于模拟的膜片25的半径为400μπι。图4是表示针对加强部23a的剩余宽度S为0 μ m、50 μ m、100 μ m的各情况，计算 自膜片25中心的距离和在该距离上的应力(计算值)的关系的结果。该应力是指，在对膜片25的下表面施加一定大小的压力时、与膜片25的面方向平 行地作用的应力，将拉伸应力的情况设为正值，将压缩应力的情况设为负值。在对膜片25 施加应力时，在膜片25的中央部附近作用拉伸应力，在端部附近作用压缩应力。根据图4，在膜片25的固定端即400 μ m的位置应力最大。另外，将加强部23a的 剩余宽度S为50 μ m和100 μ m的情况进行比较可知，剩余宽度S大的一方将对膜片25施 加的应力减小。图5是针对加强部23a的剩余宽度S为0 μ m、50 μ m、100 μ m的各情况，计算假定 对膜片25施加同等的压力而使膜片25挠曲时的位移量，基于该值计算此时距膜片25中心 的距离和在该距离上的剩余宽度S为50 μ m和100 μ m的膜片25的位移量比率(在膜方向 上的位移量之比)的关系的结果。图5所示的位移量比率是如下定义的量。将剩余宽度S = Oym的膜片25在膜方 向上的位移量表示为dQ，将具有剩余宽度S = 50 μ m的加强部23a的膜片25在相同位置上 的膜方向的位移量表示为d5Q，则具有剩余宽度S为50 μ m的加强部23a的膜片25的位移 量比率如下定义100X (d50-d0)/d0 (%)0同样地，将膜片25在相同位置上的膜方向的位移量表现为d1(KI，则具有剩余宽度S 为100 μ m的膜片25的位移量比率如下定义
100 X (d100-d0) /d0 (%)定义。由图5可知，加强部23a的剩余宽度S越大，膜片25在膜方向上的位移量越�。� 力传感器21的灵敏度变差。因此，设置加强部23a时，需要对应于压力传感器21的灵敏度 和可靠性(耐久性)的要求规范来决定最佳的剩余宽度。(第二实施方式)图6是表示本发明第二实施方式的压力传感器51的剖面图。在该实施方式中，凹部26具有锥形，凹部26的水平截面面积越向下方越大。图7(a) (d)是表示第二实施方式的压力传感器51的制造方法的剖面图。图 7(a)与第一实施方式的制造方法中说明的图3(b)的SOI基板同样，在Si基板22的下表面 形成抗蚀剂44，在抗蚀剂44上开设有开口 45。其中，抗蚀剂44对湿式蚀刻工艺所使用的 蚀刻剂例如TMAH或KOH具有耐受性。然后，利用湿式蚀刻工艺，通过抗蚀剂44的开口 45对Si基板22进行各向异性蚀 刻而将凹部26形成锥形，一直蚀刻至图7 (b)所示地SiO2膜23的下表面露出。此时，SiO2 膜23作为蚀刻阻止层起作用，故而在SiO2膜23整体在凹部26内露出的状态下停止蚀刻。另外，利用干式蚀刻工艺，通过抗蚀剂44的开口 45对SiO2膜23进行蚀刻并形成 凹部26。此时，与第一实施方式同样地，分为两阶段进行干式蚀刻。首先，在第一阶段的干式蚀刻中，以较快的蚀刻速率蚀刻到SiO2膜23的中途。进 行该第一阶段的干式蚀刻的结果，如图7 (c)所示地，SiO2膜23由于干式蚀刻而使中央部比 周边部薄。然后，在Si薄膜24在凹部26的中央部快要露出之前的适当时刻，从第一阶段切 换到蚀刻选择比高(即SiO2的蚀刻速率比Si的蚀刻速率快)的第二阶段的蚀刻。在该第 二阶段的干式蚀刻中，与第一阶段同样地在中央部蚀刻进行得快，在周边部蚀刻进行得慢。 但是，使Si薄膜24在中央部露出之后，由于SiO2膜23的蚀刻比Si膜24快，故而如图7 (d) 所示，在除了周边之外的区域将SiO2膜23完全蚀刻除去而使膜片25的下表面露出，在周 边部SiO2膜23稍有残留并成为锥形加强部23a。最后，利用干式蚀刻或湿式蚀刻将下表面的抗蚀剂44和上表面的表面保护膜43 除去而得到压力传感器51。〔产业上的可利用性〕本发明的半导体传感器不限于压力传感器，只要是具有膜片的半导体传感器则可 适用于任何结构的传感器。例如，除了压力传感器之外，也可以用于振动传感器、话筒、流量 传感器等。
权利要求
一种半导体传感器，其特征在于，包括作为基台的第一半导体层；在所述第一半导体层之上形成的绝缘层；在所述绝缘层之上形成的第二半导体层，从所述第一半导体层的下表面朝向所述绝缘层的上表面形成凹部，在该凹部上表面的外周部，利用所述绝缘层将所述第二半导体层覆盖，在所述凹部上表面的除外周部之外的区域，使所述第二半导体层的感应区域露出。
2.如权利要求1所述的半导体传感器，其特征在于，所述感应区域的膜厚与所述第二 半导体层的感应区域之外的区域的膜厚相同。
3.如权利要求1所述的半导体传感器，其特征在于，在所述凹部上表面的外周部将所 述第二半导体层覆盖的所述绝缘层随着从所述感应区域的外周侧朝向所述感应区域的中 心部，其膜厚减薄。
4.一种半导体传感器的制造方法，其特征在于，制造权利要求1所述的半导体传感器， 所述半导体传感器的制造方法包括如下的工序在隔着由SiO2构成的绝缘层将由Si构成的第一半导体层和由Si构成的第二半导体 层贴合的SOI基板的第一半导体层的下表面形成掩蔽部件，在欲形成所述凹部的位置，在 所述掩蔽部件上开设开口；通过所述掩蔽部件的开口对所述第一半导体层进行干式蚀刻或湿式蚀刻，使所述绝缘 层在被蚀刻后的凹部内露出；对所述绝缘层进行干式蚀刻且蚀刻到在所述凹部内露出的所述绝缘层的中途；与所述工序中对所述绝缘层进行干式蚀刻的情况相比，利用SiO2和Si的选择比更高 的干式蚀刻对所述绝缘层进行蚀刻，并且在如下的阶段停止干式蚀刻，即，所述第二半导体 层在所述凹部内的上表面中央部从所述绝缘层露出，并且在所述凹部内的上表面外周部残 留有所述绝缘层。
全文摘要
本发明提供一种膜片不易破损并且传感器灵敏度的偏差也小的半导体传感器以及制造方法。在隔着SiO2膜(23)将Si基板(22)和Si薄膜(24)贴合的SOI基板的下表面形成凹部(26)。Si薄膜(24)的一部分成为作为感压区域的膜片(25)。在凹部(26)的上表面外周部，SiO2膜(23)将膜片(25)的下表面外周部覆盖，并且在凹部26上表面的除外周部之外的区域使膜片(25)的下表面露出。将膜片(25)的下表面外周部覆盖的SiO2膜(23)(加强部23a)在下表面形成锥形，随着从膜片(25)的外周侧朝向膜片(25)的中心部，其膜厚逐渐减薄。
文档编号G01L1/22GK101825506SQ201010002870
公开日2010年9月8日 申请日期2010年1月21日 优先权日2009年3月2日
发明者井上胜之, 安达佳孝 申请人:欧姆龙株式会社
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