專利名稱：差動壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械的半導(dǎo)體元件以及制造微機(jī)械的元件的一種方法。
背景技術(shù)：
已公知了一些半導(dǎo)體元件、尤其是膜片傳感器，以及在半導(dǎo)體載體——例如硅晶片——基底上制造膜片傳感器的方法。其中，可以在一個半導(dǎo)體載體上設(shè)置一個平面的多孔膜片區(qū)域，來作為傳感器結(jié)構(gòu)的載體層。隨后將多孔層(犧牲層)溶解脫出，從而在膜片下面產(chǎn)生一個中間空間用于對膜片的尤其是隔熱。
現(xiàn)在市場上供應(yīng)的膜片傳感器，絕大多數(shù)都制作為薄層膜片傳感器。這里，首先在一個載體襯底上沉積厚度在幾十nm至幾個微米之間的層系統(tǒng)，隨后對載體襯底在預(yù)定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行剝離，以便獲得一端固定的膜片區(qū)域。在膜片中心可以設(shè)置傳感器結(jié)構(gòu)元件。
將膜片進(jìn)行顯露的另一種可能是表面微機(jī)械化(OMM)。其中，一般都要使用一個犧牲層，在沉積膜片之前將它覆設(shè)于載體襯底的正面上。該犧牲層隨后通過膜片中的“溶解孔”從傳感器的正面去除，從而形成一端固定的結(jié)構(gòu)。這種表面微機(jī)械化方法，由于必需應(yīng)用單獨(dú)的犧牲層而相對繁瑣。
在德國專利申請DE 100 32 579 A1中公開了一種制造半導(dǎo)體元件的方法、以及根據(jù)此方法制造的半導(dǎo)體元件，其中由多孔的半導(dǎo)體載體材料制成的層被設(shè)置于一個空穴上。為了制備這個空穴，借助于相應(yīng)的蝕刻參數(shù)制備出孔隙度不同的兩個層。第一層具有較低的孔隙度、并在接下來的第一回火工序中封閉起來，而第二層的孔隙度在該回火工序中增大，使得一個空穴或空洞形成。在由第一多孔層形成的第一膜片層上，在一個較高溫度下的第二加工工序中生長出一個相對較厚的外延生長層，來作為第二膜片層。
在DE 100 32 579 A1的擴(kuò)展中，在第一回火工序中還生長一層薄的外延生長薄層，以便確保多孔的第一層完全閉合起來，它用作厚的外延生長層進(jìn)行外延生長的起始層。這里，與后續(xù)的厚的外延層的沉積過程相比，為其最好選擇低溫度下的低生長速度。
通過上述措施，能夠大大地簡化OMM-半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)，原因是不再必須額外地制備一個犧牲層，并且膜片自身、或者膜片的主要部分都是由半導(dǎo)體載體材料制成的。
為了避免膜片在制造過程中、或者在規(guī)律性的應(yīng)用情況中發(fā)生損壞，在DE 101 38 759 A1中提供了一種帶有半導(dǎo)體載體的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中，半導(dǎo)體載體在多孔膜片層區(qū)域中獲得與成為隨后的空穴的區(qū)域中不同的摻雜濃度。在摻雜之后，膜片層的半導(dǎo)體材料被多孔化，并且將位于多孔化后的半導(dǎo)體材料下面的半導(dǎo)體材料至少部分地去除掉或轉(zhuǎn)移，以便制作出空穴。
DE 101 38 759 A1的擴(kuò)展中給出了一種在未在先公開的文獻(xiàn)DE103 58 859 A1中給出的方法。在該文獻(xiàn)中，在由未多孔化的半導(dǎo)體材料制成的區(qū)域下面制造一個多孔層。接下來進(jìn)行外延生長工序，其中，一個構(gòu)成隨后的膜片的外延層，從未多孔化區(qū)域開始將表面封閉起來。接下來由多孔層借助于熱處理來產(chǎn)生一個空洞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械的半導(dǎo)體元件以及一種制造微機(jī)械的半導(dǎo)體元件的方法，其中，半導(dǎo)體元件尤其設(shè)計用作差動壓力傳感器。按照這里的方案，為了制造，在半導(dǎo)體襯底中制作出一個局部有限的、埋入的、至少部分氧化的多孔的層。該多孔氧化層的制造在此這樣實現(xiàn)在半導(dǎo)體襯底的正面上制造出一個多孔的第一層，隨后該多孔的第一層至少部分地氧化。在另一個進(jìn)一步方法步驟中，在該多孔的第一層上制備出一個外延層，其中，該外延層同樣至少被沉積于該半導(dǎo)體襯底的一個與所述多孔的第一層相鄰的部分中。為了能夠使該外延層相應(yīng)地生長于該多孔的第一層上，對第一多孔的層的表面去氧化。最好是接下來借助于一個溝槽蝕刻工藝，在半導(dǎo)體襯底中從背側(cè)直接在該多孔的第一層下面，制造出一個空洞。本發(fā)明的核心是該多孔的第一層用作開溝槽的終止層。因此能夠制造具有很小的厚度公差的用于差動測量壓力的薄膜片。
特別有利的是，通過溝槽蝕刻工藝從半導(dǎo)體襯底的背側(cè)起始制造所述空洞。在此，特別設(shè)計了可以使用所述埋入的、氧化的、多孔層作為溝槽蝕刻工藝的蝕刻終止層。通過使用該氧化的多孔第一層作為膜片層或者作為膜片層的部分，這樣，能夠避免蝕刻終止層的溶解脫除。由此，除了降低成本外，還簡化了制造工藝過程，原因是能夠省掉用于蝕刻終止材料的溶解脫除的方法步驟。
在本發(fā)明的另一種方案的設(shè)計中，該多孔的第一層的側(cè)向伸展大于空洞的側(cè)向伸展。因此能夠避免由于溝槽蝕刻工藝而將半導(dǎo)體襯底蝕刻穿透。這一點(diǎn)體現(xiàn)在穩(wěn)定的膜片張緊中。在溝槽蝕刻中側(cè)向公差能夠被容忍。
有利的方式為；溝槽蝕刻工藝從半導(dǎo)體襯底的背面開始被這樣控制，使得該空洞的側(cè)壁最好具有一個負(fù)的側(cè)壁角。這樣防止例如通過氧沉淀(Sauerstoffprzipitate)而發(fā)生微鈍化。
為了多孔的第一層具有例如抗潮濕的穩(wěn)定性、或保護(hù)膜片背面免受侵蝕性介質(zhì)的侵蝕，可以選擇性地在空洞側(cè)壁上、所述(氧化的)多孔第一層和/或者在半導(dǎo)體襯底的背面上制備另一個層。其中，它可以是一個氮化物層，它將所述表面封閉或鈍化。
有利的是，所述另一個層可以是一個碳化硅層，一個硅烷層，一個聚四氟乙烯層，一個HMOS-O層，或者一個HMOS-N層。
在本發(fā)明的另一種構(gòu)造中，在半導(dǎo)體襯底的正面上產(chǎn)生至少一個壓電電阻和/或者一個求值電路的一部分。其中特別是，壓電電阻和/或者該求值電路的一部分由該外延層制造、或制造在該外延層中。
有利的是，用硅襯底作為半導(dǎo)體襯底。另外，也可以考慮用一個單晶半導(dǎo)體層來實現(xiàn)該外延層。在本發(fā)明的一種特殊構(gòu)造中，該多孔的第一層通過陽極氧化制得，其中第一多孔層的氧化最好通過熱氧化實現(xiàn)。
有利的是，該多孔的第一層具有很少幾個微米的厚度。
本發(fā)明的微機(jī)械的半導(dǎo)體元件，尤其是根據(jù)上述制造方法的一個微機(jī)械的壓力傳感器，該半導(dǎo)體元件具有在一個半導(dǎo)體襯底的正面上的一個膜片，和一個至少部分地被氧化的多孔第一層，和一個直接位于該多孔的第一層的下面的、通過一個溝槽蝕刻工藝制造出的空洞，其中，該膜片至少部分地具有該多孔的第一層。
有利的是，該空洞具有到半導(dǎo)體襯底的背面的連通，其中特別設(shè)計，該空洞由該多孔的第一層一直伸展到該半導(dǎo)體襯底的背面。


圖1示意性示出了一個差動壓力傳感器，如其在現(xiàn)有技術(shù)中公開的那樣。
圖2a至2d中示出了本發(fā)明的差動壓力傳感器的制造工藝過程。
圖3示出了一個可利用本發(fā)明的制造方法制造的差動壓力傳感器的特殊實施形式，圖4為一個完整地加工后的差動壓力傳感器的具體構(gòu)造。
圖5a至5c中示出了另一種制造本發(fā)明的壓力傳感器的可能性。
具體實施例方式
圖1中示出了一個微機(jī)械的壓力傳感器，如同在現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣。在一個半導(dǎo)體襯底100上覆置上一個外延層110。它在一個空腔120的上方形成一個膜片。在外延層110上設(shè)置有一些壓電敏感的電阻140。當(dāng)空腔120內(nèi)的介質(zhì)與外部空間之間出現(xiàn)壓差時，這些電阻將膜片的運(yùn)動轉(zhuǎn)換成一個可測量的壓力量。此外，在外延層110上安置一個求值電路150的至少一部分，來對壓力量進(jìn)行處理。通常，空腔120的一部分由一個多孔層產(chǎn)生，該層在另一個制造方法中通過一個相應(yīng)的入口130從壓力傳感器的正面溶解脫出掉。在這種制造方法中，在隨后的溝槽開口中、從襯底的背面形成一個環(huán)繞的縫隙170，其高度處在原始的多孔層的高度，如同它在圖1的區(qū)域150中所示出的那樣。這樣的壓力傳感器，在使用時可能會有介質(zhì)中所包含的顆粒進(jìn)入到所述縫隙(區(qū)域160)內(nèi)，并且固定在那里不動。其后果之一是可能對傳感信號產(chǎn)生(負(fù)面)影響。
避免產(chǎn)生環(huán)繞的縫隙170的一種可能性，是將溝槽開口的側(cè)向伸展尺寸構(gòu)造成大于被使用作為蝕刻終止層的氧化多孔層。不過，這里必須注意開溝槽工藝在經(jīng)過一定時間后要被結(jié)束，以避免由半導(dǎo)體襯底100和外延層220構(gòu)成的襯底被蝕刻穿。為了產(chǎn)生空腔，接下來要將終止層溶解并去除掉。在該制造方法中，終止層的厚度必需足夠大，以便對開溝槽工藝的不均勻性進(jìn)行緩沖。不過，一個這種厚度的氧化層(典型厚度為30微米)在外延生長時是有問題的。
相對于它，在圖2a至2d中，描述了一種差動壓力傳感器的制造方法，它具有一個薄(典型數(shù)值為1微米)的氧化多孔層作為溝槽終止層。其中，該層不必被溶解掉。借助于該制造方法，能夠避免在膜片框架(區(qū)域160)附近產(chǎn)生窄縫隙。此外，膜片尺寸不再由終止層的尺寸來確定，而是通過背面上的溝開口來確定。
例如在圖2a中，在一個硅襯底200中，借助于位于硅襯底200的正面280上的一個相應(yīng)掩膜局部地將一個區(qū)域210陽極氧化。該區(qū)域210確定了以后膜片的最大伸展范圍。通過陽極氧化，區(qū)域210被蝕刻成多孔的，由此形成一個多孔層。接下來對硅至少部分地進(jìn)行氧化，最好借助于熱氧化進(jìn)行。為了在隨后的外延生長工序中生長出的單晶硅，既能夠生長于未處理的硅襯底200的表面上、又能夠生長在已被氧化的多孔硅層210上，已經(jīng)氧化的多孔層210的表面被輕微蝕刻，例如使用氫氟酸(HF)。通過這種處理，在氧化的多孔層210的表面上的氧化物被蝕刻去氧化。由于現(xiàn)在單晶的多孔硅裸露著，因此能夠在硅襯底200上生長出一個單晶外延層220。該單晶外延層220與多孔層210的至少一部分一起構(gòu)成后來的膜片。此后，接著能夠通過相應(yīng)的半導(dǎo)體加工工藝，在外延層220的表面上或在其表面中，設(shè)置上壓電敏感的電阻230、以及選擇性地設(shè)置上求值電路的一些部分或完整的求值電路240。在半導(dǎo)體加工過程結(jié)束后，借助于硅襯底200的背面290的一個開溝槽工藝產(chǎn)生一個空洞250，它使得介質(zhì)能夠接近到膜片。氧化后的多孔硅，在這里作為蝕刻終止層，并位于整個膜片的底側(cè)、以及處于膜片框架(見區(qū)域270)附近的窄縫隙內(nèi)。這樣，防止壓力傳感器工作時發(fā)生顆粒侵入并發(fā)生傾斜。由此排除了對傳感器特性曲線的影響。
在溝槽蝕刻工藝中的側(cè)向公差及其掩蔽(Maskierung)確定了膜片的位置和尺寸。這樣能夠保證開溝槽工藝終止于膜片平面上。防止了多孔層210附近的蝕刻穿透。膜片的位置和尺寸公差影響到壓電電阻相對于膜片邊緣的位置，因此對輸出信號的靈敏度和偏置(Offset)產(chǎn)生影響。在計劃安排所必需的尺寸時，在此必需為可能的求值電路保留出足夠的面積。
側(cè)壁角260，在溝槽蝕刻工藝中最好選擇稍微為負(fù)值。這樣，在膜片附近的溝槽開口雖然會略微增大、不過這種加寬能夠通過相應(yīng)的掩蔽被補(bǔ)償、即被考慮到。采用負(fù)的側(cè)壁角的優(yōu)點(diǎn)是避免在開溝槽時發(fā)生微鈍化。在晶體中最小的缺陷、比如氧沉淀能夠因此被橫向蝕刻(untertzen)，因此在“溝槽底部”或者說膜片背面上生成一個平的表面。
圖3示出了本發(fā)明的另一個構(gòu)造，其中在膜片背面上制備了一個保護(hù)層300或者說多孔硅氧化物層210。通過此保護(hù)層300能夠使膜片背面鈍化而抵抗侵蝕性介質(zhì)。此外，保護(hù)層300還能保護(hù)氧化過的多孔層210免受水份潮濕的影響。除了膜片背面外，還可以選擇性地將空洞側(cè)壁255以及襯底背面290遮蓋起來。已經(jīng)證實用一個氮化物層作為保護(hù)層300效果特別好。這里，也可以使用碳化硅、硅烷層或者聚四氟乙烯來作為保護(hù)層。此外，也可以考慮使用六甲基二硅氮烷(hexamethyldisilalzan)(HMOS-O)和六甲基二硅氧烷(HMOS-N)作為保護(hù)層300。不過，如圖3所示，一個保護(hù)層300純粹是選擇性的，因為完全可以考慮將差動壓力傳感器使用于沒有侵蝕性的介質(zhì)中。
圖4給出了本發(fā)明的差動壓力傳感器的一個具體應(yīng)用例子。其中，一個半導(dǎo)體元件，它由制造完畢的半導(dǎo)體襯底200、外延層220和一個保護(hù)層300組成，被安放于一個支架420上。在支架上的固定，在這里優(yōu)選通過合適的粘接劑410來實現(xiàn)。在支架420中，設(shè)計有一個開口430，通過它能夠?qū)⒔橘|(zhì)輸送到半導(dǎo)體元件的空洞250中。這樣能夠檢測處于空洞中的介質(zhì)與半導(dǎo)體元件之外的介質(zhì)之間的壓力差。
然而也可以代替簡單的支架420，將半導(dǎo)體元件以其他的構(gòu)造和連接技術(shù)方案屏極地(anodisch)粘貼于一個穿孔的玻璃板上。這里，用一個鉆孔作為開口來將壓力傳遞到空洞內(nèi)或膜片上。玻璃板或玻璃座則能夠借助于現(xiàn)有技術(shù)粘接或者焊接到一個金屬座上、以便繼續(xù)加工。這里，最好將玻璃座中的開口用由一種特殊涂層材料制成的層遮蓋起來，以便將微裂紋封閉起來，微裂紋會降低傳感器的破裂強(qiáng)度。
在圖5a-c中示出了另一個實施例。其中，從圖2a開始，根據(jù)在文獻(xiàn)DE 103 58 859 A1中描述的方法，對硅襯底500的硅，在一個晶格狀(gitterartig)n型-摻雜520的區(qū)域中、在膜片的表面上，在陽極氧化時不進(jìn)行多孔化蝕刻。由此產(chǎn)生的晶格狀結(jié)構(gòu)520，能夠例如通過一個同樣n型-摻雜、未多孔化蝕刻的區(qū)域530框圍起來。通過該結(jié)構(gòu)520，能夠使得構(gòu)造以及在后續(xù)加工工序中沉積的外延層540達(dá)到機(jī)械穩(wěn)定。在隨后的熱氧化中，襯底表面和多孔硅510被氧化。為了能夠使外延層540優(yōu)選生長于n型-摻雜的區(qū)域520上以及在硅襯底500上，在一道另外的加工工序中，對氧化后的多孔硅進(jìn)行表面輕微蝕刻(antzen)，以便將表面上去除氧化。為實現(xiàn)這種氧化的表面脫除蝕刻，一種可能性例如是短時間地浸入氫氟酸(HF)中，即所謂的HF-酸洗(HF-Dip)。
經(jīng)過HF-酸洗后，在硅襯底500的表面及n型-摻雜區(qū)域520上，在一道外延生長工序中生長出單晶硅作為外延層540?！皀型-晶格”的小開口，其中有氧化后的多孔硅，被附晶生長，從而形成一個單晶外延層540，它在后來構(gòu)成傳感器的膜片。
最后，這樣制備的襯底，在開溝槽工藝從背面通過一個入口通道570將膜片打開之前，由硅襯底500和外延層540組成，對應(yīng)于關(guān)于圖2d的描述，可裝備壓電元件550或裝備電路元件560。如前面所述，開溝槽工藝終止于所述氧化過的多孔層處，因此能夠制造出具有相同厚度的膜片的壓力傳感器。通過這樣一種制造方法，能夠在一個單一的晶片上同時制造出多個具有確定的膜片厚度的壓力傳感器。
權(quán)利要求
1.制造微機(jī)械的半導(dǎo)體元件、尤其是壓力傳感器的方法，其中—為了制造，在半導(dǎo)體襯底(100，500)上制作出一個局部有限的、埋入的、至少部分氧化的多孔層(210，510)，并且—該制造包括的方法步驟為—在一個半導(dǎo)體襯底(200，500)的正面(280)上制造出一個多孔的第一層(210，510)，并且—至少部分地氧化該多孔的第一層(210，510)，并且—在該多孔的第一層表面上去氧化，并且—在該多孔的第一層(210，510)上以及半導(dǎo)體襯底上至少一個與該多孔的第一層相鄰的區(qū)域上制備一個外延層(220，540)，以及—在半導(dǎo)體襯底(200，500)中直接在該多孔的第一層(210，510)下面，通過一個溝槽蝕刻工藝，制造出一個空洞(250，570)，其特征為該多孔的第一層(210，510)是一個膜片層的至少一部分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為該溝槽蝕刻工藝從半導(dǎo)體襯底(200，500)的背面(290)產(chǎn)生空洞(250，570)，其中，特別是設(shè)計，該多孔的第一層(210，510)用作溝槽蝕刻工藝的蝕刻終止層。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為該多孔的第一層(210，510)的側(cè)向伸展大于該空洞(250，570)的側(cè)向伸展。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為該溝槽蝕刻工藝產(chǎn)生空洞(250，570)的負(fù)的側(cè)壁角(260)。
5.如權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征為在所述多孔的第一層(210，510)和/或者在空洞(250，570)的側(cè)壁(255)上制備一個鈍化的第二層(300)，其中特別是作為鈍化的層設(shè)置—一個氮化物層，—一個碳化硅層，—一個硅烷層，—一個聚四氟乙烯層，—一個HMOS-O層，或者—一個HMOS-N層。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為在半導(dǎo)體襯底(200，500)的正面(280)上制造至少一個壓電電阻(230，550)和/或者一個求值電路(240，560)的一部分，其中特別是設(shè)計，該至少一個壓電電阻(230)和/或者該求值電路(240)的所述部分制造于外延層(220)中。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為—設(shè)置一個硅襯底作為半導(dǎo)體襯底(200，500)，和/或者—設(shè)置一個單晶半導(dǎo)體層作為外延層(220，540)，和/或者—該多孔的第一層(210，510)—具有很少幾個微米的厚度，和/或者—通過一個陽極氧化產(chǎn)生，和/或者—借助于熱氧化被氧化。
8.微機(jī)械的半導(dǎo)體元件，尤其是根據(jù)制造方法1至7之一的一個微機(jī)械的壓力傳感器，其中，該半導(dǎo)體元件具有—在一個半導(dǎo)體襯底(200，220，500)的正面(280)上的一個膜片，和—一個至少部分地被氧化的多孔第一層(210，510)，和—一個直接位于該多孔的第一層(210，510)的下面的、通過一個溝槽蝕刻工藝制造出的空洞(250，570)，其特征為該膜片至少部分地具有該多孔的第一層(210，510)。
9.如權(quán)利要求8所述的微機(jī)械的半導(dǎo)體元件，其特征為該空洞(250，570)具有到半導(dǎo)體襯底(200，220，500)的背面(290)的連通，其中特別設(shè)計，該空洞(250，570)由該多孔的第一層(210，510)一直伸展到該半導(dǎo)體襯底(200，220，500)的背面(290)。
10.如權(quán)利要求8所述的微機(jī)械的半導(dǎo)體元件，其特征為該空洞(250，570)的側(cè)壁(255)具有一個負(fù)的側(cè)壁角(260)。
11.如權(quán)利要求8或9的微機(jī)械的半導(dǎo)體元件，其特征為該空洞側(cè)壁(255)和/或者該多孔的第一層(210，510)具有一個鈍化的第二層(300)，其中作為鈍化的層(300)特別設(shè)置了—一個氮化物層，—一個碳化硅層，—一個硅烷層，—一個聚四氟乙烯層，—一個HMOS-O層，或者—一個HMOS-N層。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種微機(jī)械的半導(dǎo)體元件、以及一種制造微機(jī)械的半導(dǎo)體元件的方法，其中，半導(dǎo)體元件尤其設(shè)計用作壓力傳感器。這里，為了制造，在一個半導(dǎo)體襯底上制作出一個局部有限的、埋入的、至少部分氧化的多孔的層。有利的是，接下來通過一個溝槽蝕刻工藝，從背側(cè)直接在該多孔的第一層下面，在半導(dǎo)體襯底中制造出一個空洞。本發(fā)明的核心是該多孔的第一層用作開溝槽的終止層。這樣能夠制造出具有很小的厚度公差的用于差動壓力測量的薄膜片。
文檔編號B81C1/00GK1657401SQ20051000907
公開日2005年8月24日 申請日期2005年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月17日
發(fā)明者胡貝特·本澤勒, 格哈德·拉梅爾 申請人:羅伯特·博世有限公司