专利名称：半导体压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体压力传感器。
背景技术：
现有的压力传感器用半导体基板是按照以下步骤制造的。首先，在包括单晶硅基板的第一半导体基板的一面侧形成预定厚度的氧化膜，去除氧化膜的一部分，来形成孔方向与氧化膜的厚度方向一致的贯通孔。接着，在第一半导体基板形成具有与贯通孔的内周面成为一个面的内周面的凹部。接着，将包括单晶硅基板的第二半导体基板以覆盖露出在氧化膜的表面的贯通孔的方式通过氧化膜与第一半导体基板相接合。另外，减薄第二半导体基板的厚度，在与凹部相对的第二半导体基板的部位形成膜片，而且，通过在膜片的表面形成应变检测元件，从而制造现有的压力传感器用半导体基板(例如，参照专利文献1)。现有技术文献[专利文献]专利文献1 日本专利第4214567号说明书
发明内容
在现有的压力传感器用半导体基板中，形成于第一半导体基板的凹部的开口边缘部的位置、与形成于氧化膜的贯通孔的边缘部的位置一致。此处，氧化膜中产生有残留应力，但是因对氧化膜作用的残留应力而引起的应力的大小在贯通孔的边缘部是不连续的。 另外，若从外部向膜片施加压力，膜片弯曲，则在凹部的开口边缘部产生大的应力。如现有的压力传感器用半导体基板那样，若凹部的开口边缘部的位置与贯通孔的边缘部的位置一致，则在膜片弯曲时膜片中产生的应力会与以贯通孔的边缘部为边界而成为不连续的应力相重叠。因此，在从外部向膜片施加压力时的膜片的破坏耐压显著下降。本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种半导体压力传感器， 该半导体压力传感器能够提高膜片的破坏耐压。本发明的半导体压力传感器包括第一半导体基板，该第一半导体基板形成有在厚度方向上的一个表面开口的凹部；第二半导体基板，该第二半导体基板配置为与第一半导体基板的一个表面相对；以及第一绝缘膜，该第一绝缘膜介于第一半导体基板和第二半导体基板之间，形成有连通凹部与第二半导体基板之间的贯通孔，若从与贯通孔及凹部的开口相对的一侧来看，贯通孔的边缘部的至少一部分位于凹部的开口边缘部的内侧。根据本发明的半导体压力传感器，从与形成于第一绝缘膜的贯通孔及形成于第一半导体基板的凹部的开口相对的一侧来看，贯通孔的边缘部的至少一部分位于凹部的开口边缘部的内侧。由此，由于凹部的开口边缘部与贯通孔的边缘部分开配置，因此在第二半导体基板弯曲时在第二半导体基板中产生的应力，与以贯通孔的边缘部为边界而成为不连续的应力不重叠，能够提高在从外部向与凹部相对的第二半导体基板的部位施加压力时的第二半导体基板的破坏耐压。
图1是本发明的实施方式1的半导体压力传感器的剖视图。图2是说明本发明的实施方式1的半导体压力传感器的制造方法的准备工序的图。图3是说明本发明的实施方式1的半导体压力传感器的制造方法的绝缘膜、凹部形成工序的图。图4是说明本发明的实施方式1的半导体压力传感器的制造方法的基板连结工序的图。图5是说明本发明的实施方式1的半导体压力传感器的制造方法的膜片形成工序的图。图6是说明本发明的实施方式1的半导体压力传感器的制造方法的应变检测元件形成、后处理工序的图。图7是本发明的实施方式1的半导体压力传感器的主要部分放大剖视图。图8是表示本发明的实施方式1的半导体压力传感器的破坏耐压和(第一氧化硅膜的延伸量)/(第一氧化硅膜的厚度)的关系的图。图9是本发明的实施方式2的半导体压力传感器的剖视图。图10是本发明的实施方式3的半导体压力传感器的剖视图。图11是说明本发明的实施方式3的半导体压力传感器的连结基板氧化处理工序的图。图12是说明本发明的实施方式3的半导体压力传感器的制造方法的膜片形成工序的图。图13是说明本发明的实施方式3的半导体压力传感器的制造方法的应变检测元件形成、后处理工序的图。图14是本发明的实施方式4的半导体压力传感器的剖视图。图15是说明本发明的实施方式4的半导体压力传感器的制造方法的绝缘膜、凹部形成工序的图。图16是说明本发明的实施方式4的半导体压力传感器的制造方法的氧化膜选择去除工序的图。图17是说明本发明的实施方式4的半导体压力传感器的制造方法的基板连结工序的图。图18是说明本发明的实施方式4的半导体压力传感器的制造方法的膜片形成工序的图。图19是说明本发明的实施方式4的半导体压力传感器的制造方法的应变检测元件形成、后处理工序的图。图20是本发明的实施方式5的半导体压力传感器的剖视图。图21是本发明的实施方式6的半导体压力传感器的剖视图。图22是本发明的实施方式7的带半导体压力传感器的内燃机装置的框结构图。
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标号说明IA IF半导体压力传感器2 凹部3第一半导体基板4第二半导体基板5贯通孔6第一氧化硅膜(第一绝缘膜)15第二氧化硅膜(第二绝缘膜)
16第三氧化硅膜(第三绝缘膜)18第四氧化硅膜(第三绝缘膜)17限位器25内燃机26进气通路
具体实施例方式以下，参照附图，说明用于实施本发明的最佳方式。实施方式1图1是本发明的实施方式1的半导体压力传感器的剖视图。在图1中，半导体压力传感器IA包括第一半导体基板3，该第一半导体基板3形成有在厚度方向上的一个表面开口的凹部2 ；第二半导体基板4，该第二半导体基板4配置为一个表面朝向与凹部2相反一侧，另一个表面朝向凹部2 ；作为第一绝缘膜的第一氧化硅膜6，该作为第一绝缘膜的第一氧化硅膜6介于第一半导体基板3和第二半导体基板4之间，形成有连通凹部2和第二半导体基板4的贯通孔5 ；以及应变检测元件7，该应变检测元件7设置于第二半导体基板4的一个表面侧。另外，尽管未图示，半导体压力传感器IA包括用于向应变检测元件7供电、将应变检测元件7输出的电信号取出到外部的布线、电极；以及用于保护上述布线、电极的保护膜等。各第一半导体基板3和第二半导体基板4使用单晶硅基板，将如上述那样在单晶硅基板之间包括氧化硅膜的结构一般称为SOI (Silicon OnInsulator 绝缘体上硅结构)。对于凹部2，以使其在深度方向上与第一半导体基板3的厚度方向一致的方式形成，将其与深度方向正交的截面的外形制作为正方形。另外，第一氧化硅膜6的厚度方向与第一半导体基板3及第二半导体基板4的厚度方向一致，贯通孔5的孔方向与第一氧化硅膜6的厚度方向一致。然后，从与贯通孔5及凹部2的开口相对的一侧来看，贯通孔5的边缘部的全部区域位于凹部2的开口边缘部的内侧，贯通孔5与凹部2的开口边缘部之间的距离成为预定值。即，第一氧化硅膜6从凹部2的开口边缘部延伸出预定的长度。另外，基准压力室8是由构成凹部2和贯通孔5的壁面、及覆盖了贯通孔5的开口的第二半导体基板4的壁面所包围的空间形成。另外，与凹部2相对的第二半导体基板4 的区域构成膜片9。即，将第二半导体基板4内的膜片9与其他区域的边界由与凹部2的开口边缘部相对的第二半导体基板4的框来定义。此外，膜片9的外周边缘部的一部分隔着第一氧化硅膜6与凹部2相对。另外，应变检测元件7在朝向与凹部2相反一侧的膜片9的一个表面相互分开而形成有多个。若从外部向膜片9施加压力，则膜片9弯曲，主要是膜片9的边界侧的部位产生变形。应变检测元件7具有以下结构即，包括根据膜片9的变形量而电阻发生变化的电阻元件，输出对应于电阻的变化的电信号。S卩，膜片9由于根据基准压力室8与外部的压力的压差而弯曲，因此半导体压力传感器IA检测出对应于施加到膜片9的一个表面(与凹部2相反一侧的面)的压力与基准压力室8的压差的压力。此外，在基准压力室8内的压力为真空的情况下，可测定施加到膜片9的压力作为绝对压力。根据采用上述结构的半导体压力传感器1A，从与贯通孔5及凹部2的开口相对的一侧来看，贯通孔5的边缘部的全部区域位于凹部2的开口边缘部的内侧。此处，在第一氧化硅膜6中产生残留应力，因第一氧化硅膜6的残留应力而引起的应力的大小在贯通孔5 的边缘部是不连续变化的。在半导体压力传感器IA中，由于凹部2的开口边缘部和贯通孔 5的边缘部分开配置，因此，在因从外部施加到膜片9的压力与基准压力室8内的压力之差而引起膜片9弯曲时在膜片9中产生的应力，与以贯通孔5的边缘部为边界而成为不连续产生的第一氧化硅膜6的应力不重叠。由此，由于能抑制向膜片9的局部应力集中，膜片9 的破坏耐压增大，因此，对于膜片9的损坏能防范于未然。接着，说明半导体压力传感器IA的制造方法。图2是说明本发明的实施方式1的半导体压力传感器的制造方法的准备工序的图，图3是说明本发明的实施方式1的半导体压力传感器的制造方法的绝缘膜、凹部形成工序的图，图4是说明本发明的实施方式1的半导体压力传感器的制造方法的基板连结工序的图，图5是说明本发明的实施方式1的半导体压力传感器的制造方法的膜片形成工序的图，图6是说明本发明的实施方式1的半导体压力传感器的制造方法的应变检测元件形成、 后处理工序的图。在准备工序中，如图2所示，准备第一半导体基底材料基板10及第二半导体基底材料基板11。第一半导体基底材料基板10及第二半导体基底材料基板11是面方向为100的单晶硅基板。第一半导体基底材料基板10的导电类型及电阻率没有特别的限定，例如最好第一半导体基底材料基板10具有P型导电类型、且具有1 10 Ω · cm左右的电阻率。作为第二半导体基底材料基板11，最好其导电类型为N型，具有1 10Ω · cm左右的电阻率。在绝缘膜、凹部形成工序中，如图3所示，利用热氧化法使第一半导体基底材料基板10的表面氧化。由此，第一半导体基底材料基板10成为包括第一半导体基板3、和在第一半导体基板3的表面的全部区域构成的第一氧化硅膜6的半导体/绝缘膜基板12。第一氧化硅膜6的厚度优选为0. 1 μ m以上，更优选为0. 2 3. 0 μ m。通过将第一氧化硅膜6 的厚度设为0. 2 3. 0 μ m，从而水分更易被第一氧化硅膜6的表面吸收。接着，利用照相制版技术和等离子刻蚀技术去除在第一半导体基板3的厚度方向上的一个表面侧的第一氧化硅膜6的预定部位，形成具有正方形的内部形状的贯通孔5。而且，通过贯通孔5向第一半导体基板3实施刻蚀，在第一半导体基板3的一个表面形成开口的凹部2。为了形成凹部2，采用所谓的波希法(Bosch Process)，该波希法是通过交替将全氟环丁烷气体和六氟化硫气体导入刻蚀对象区域，从而可进行对第一半导体基板3的厚度方向上的刻蚀。通过调整第一半导体基板3的刻蚀条件，从而可使凹部2的内部形状的一边比第一氧化硅膜6的贯通孔5的一边要大1 5 μ m左右。此外，为了形成凹部2，并不限于采用波希法，也能采用利用氢氧化钾、氢氧化四甲铵等碱性液的湿法刻蚀。在基板连结工序中，如图4所示，第二半导体基底材料基板11以覆盖贯通孔5、通过第一氧化硅膜6与第一半导体基板3相对的方式，利用以下说明的直接接合法，来连结半导体/绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11。在半导体/绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11的连结操作中，首先，以容积比4 1的比例来混合98 %的浓度的硫酸和30 %的浓度的过氧化氢水，准备加热至 130°C的混合溶液，利用该混合溶液对半导体/绝缘膜基板12实施大约10分钟洗净处理， 之后，用纯水洗净。由此，使半导体/绝缘膜基板12的表面亲水化。接着，在室温下，以使第二半导体基底材料基板11覆盖贯通孔5的方式使半导体 /绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11相互紧贴进行预固定。半导体/绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11的预固定可以在大气压 真空的压力环境下进行，但在将后续工序中形成的基准压力室8设为真空的情况下，最好在真空中进行预固定。然而，对预固定后的半导体/绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11实施退火处理，使半导体/绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11接合。由此，由凹部2 和贯通孔5的壁面、及覆盖了贯通孔5的开口的第二半导体基底材料基板11的壁面所包围的空间形成基准压力室8。为使半导体/绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11牢固地接合，退火的条件是最好在1000 1200°C的温度范围内进行，另外，处理时间优选为2小时以上，更优选为6小时以上。另外，为了进行半导体/绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11的表面氧化，最好是在导入氧气、水蒸气的环境下进行退火处理。此外，图示中省略了利用退火处理形成的氧化膜。在膜片形成工序中，如图5所示，使用磨削、化学机械研磨等技术使第二半导体基底材料基板11减薄至预定的厚度。第二半导体基板4由减薄厚度后的第二半导体基底材料基板11构成。另外，膜片9由与凹部2的开口相对的第二半导体基板4的区域形成。由于第二半导体基底材料基板11的磨削、研磨是在大气压环境下进行的，因此， 在基准压力室8为真空的情况下，第二半导体基底材料基板11的厚度越薄，则成为膜片9 的形成对象的第二半导体基底材料基板11的部位(以下，设为膜片形成区域)越弯曲，所形成的膜片9的厚度可能具有偏差。膜片9的减薄厚度的界限是由该膜片9的厚度的偏差、膜片9的弯曲量决定的。膜片9的厚度的偏差及膜片9的弯曲量最好为Iym以下。尽管也取决于半导体压力传感器 IA测定的压力范围，但是例如在将半导体压力传感器IA用于测定0 1个大气压的压力的范围的情况下，若膜片9的外部形状是一边为500 μ m的正方形，厚度为20 μ m,则能使膜片 9的厚度的偏差、弯曲量为1 μ m以下。在应变检测元件形成后处理工序中，首先，如图6所示那样，如以下说明那样将应变检测元件7形成在膜片9的预定的位置。例如，最好通过将硼等P型的杂质注入N型的第二半导体基板4并使其扩散，来将应变检测元件7形成在第二半导体基板4上。此外，由于用可见光凹部2是不可见的，因此不易判别膜片9的边界。因此，将包含IOOOnm以上的波长的白色光照射到第一半导体基板3、第一氧化硅膜6、及第二半导体基板4，利用红外线摄像机拍摄透射过的光或反射的光，从而能够确认膜片9的边界。由此，能够将应变检测元件7形成在膜片9的中央部、或在当从外部向膜片9施加的压力作用于使膜片9弯曲的方向时的变形量最大的膜片9的外周边缘部侧的区域的正确的位置。然后，虽未图示，在形成用于向应变检测元件7供电、将从应变检测元件7输出的电信号取出到外部的布线、电极、及用于保护上述布线、电极的保护膜等之后，将形成一体化的第一半导体基板3、第一氧化硅膜6、及第二半导体基板4切割为预定的形状。而且，根据需要去除第一半导体基板3的另一个表面侧的第一氧化硅膜6，从而半导体压力传感器 IA的制造结束。由于通过实验确认了采用上述结构的半导体压力传感器IA的效果，因此以下对其内容进行具体说明。图7是本发明的实施方式1的半导体压力传感器的主要部分放大剖视图，图8是表示本发明的实施方式1的半导体压力传感器的破坏耐压和(第一氧化硅膜的延伸量)/ (第一氧化硅膜的厚度)的关系的图。如图7所示，将半导体压力传感器IA的凹部2的开口边缘部起到第一氧化硅膜6 的贯通孔5的边缘部的距离、换言之将从凹部2的开口边缘部起的第一氧化硅膜6的延伸量设为X，将第一氧化硅膜6的厚度设为T。另外，尽管未图示，但准备了以下说明的比较用半导体压力传感器。作为比较用半导体压力传感器，准备了 从与贯通孔5及凹部2的开口相对的一侧来看，贯通孔5的边缘部与凹部2的开口边缘部一致的半导体压力传感器，及贯通孔5的边缘部位于凹部2的开口边缘部的外侧的半导体压力传感器。为了方便说明，以下，将从比较用半导体压力传感器的凹部2的开口边缘部起到贯通孔5的边缘部的距离设为-X。然后，将X/T作为参数，测定了半导体压力传感器IA及比较用半导体压力传感器的膜片9的破坏耐压。准备了 X/F为0、约-20、及-40的比较用半导体压力传感器，准备了 X/F为20、40、 60、80、及100的半导体压力传感器1A。破坏耐压根据膜片9的尺寸和厚度、及第一氧化硅膜6的厚度而变化。此外，所谓膜片9的尺寸，是指与膜片9的厚度方向垂直的截面的外部形状的尺寸。对于各半导体压力传感器，都按照各X/T的值来准备多个不同条件的膜片9的尺寸和厚度、及第一氧化硅膜6的厚度。此时，对于各半导体压力传感器，都使用膜片9的外部形状的一边在200 2000 μ m的范围内、膜片9的厚度在5 50 μ m的范围内、第一氧化硅膜6的厚度T在0. 1 5. 0 μ m的范围内的半导体压力传感器。破坏耐压的测定结果如图8所示。在图8中，由各半导体压力传感器测定的破坏耐压的值示出了将以X/T为0的比较用半导体压力传感器的破坏耐压的值进行标准化之后的值作为相对值。此外，以 图示出以X/T为相同值的多个半导体压力传感器测定的破坏耐压的值的平均值。X/T为0的比较用半导体压力传感器的破坏耐压最小，半导体压力传感器IA及比较用半导体压力传感器都随着X/T的绝对值的增大而破坏耐压连续地增大。然后，X/T为0 的比较用半导体压力传感器的破坏耐压的值为半导体压力传感器IA的膜片9的破坏耐压的最大值的大致一半的值。与X/T = 0的比较用半导体压力传感器的破坏耐压进行比较，半导体压力传感器 IA的破坏耐压在X/T的值成为15左右时成为1. 5倍，在X/T = 50附近达到两倍。另外，若 X/T超过50，则伴随着X/T的增大，半导体压力传感器IA的破坏耐压的增加趋向饱和。之所以半导体压力传感器IA的破坏耐压与X/T的值无关而比X/T为0的比较用半导体压力传感器的破坏耐压要大，可以认为是由于在从外部向膜片9施加压力而膜片9 弯曲时在膜片9中所产生的应力、与以贯通孔5的边缘部为边界而成为不连续那样产生的第一氧化硅膜6的应力不重叠。然后，在X/T为50以上时，与X/T的值无关而测定出大致一定的破坏耐压，这可以认为是由于大幅抑制了向膜片9的局部的应力集中，因此在测定结果中表现了在避免了向膜片9的局部的应力集中的条件下原本可发挥的膜片9的破坏耐压的值。另外，之所以随着半导体压力传感器IA的X/T接近0而破坏耐压降低，可以认为是由于贯通孔5的边缘部、在和与凹部2的开口边缘部相对的膜片9的外边缘部一致时，在从外部向膜片9施加压力时产生的应力最容易集中到膜片9的边界侧的部位。另一方面，即使是X/T < 0的比较用半导体压力传感器，但若与X/T = 0的比较用半导体压力传感器相比，膜片9的破坏耐压也增大。然而，若假定第一半导体基板3及第二半导体基板4的外部形状为一定，则X/T的绝对值越是大于0，则第一半导体基板3及第二半导体基板4的隔着第一氧化硅膜6的接合面积越减少。因此，从确保第一半导体基板3及第二半导体基板4之间的隔着第一氧化硅膜6的接合强度、即确保基准压力室8的气密性的观点，最好不使X/T < 0。另外，在确保第一半导体基板3及第二半导体基板4之间的一定的接合面积的情况下，由于第一半导体基板3及第二半导体基板4的外部形状尺寸变大，因此仍然最好不使 X/T < 0。若对上述进行总结，通过使X/T > 0，从而能获得不减少第一半导体基板3及第二半导体基板4之间的接合面积、而提高膜片9的破坏耐压的效果。另外，在X/T > 50的区域中，随着X/T的增大而增大的膜片9的破坏耐压饱和。另外，在X/T > 50的情况下，在绝缘膜、凹部形成工序中的刻蚀时间需要较长时间，难以将第一氧化硅膜6形成为所希望的尺寸。因此，最好将半导体压力传感器IA的X/T设定在0 < X/T < 50的范围。此外，在本实施方式1中，从与贯通孔5及凹部2的开口相对的一侧来看，贯通孔5 的边缘部的所有区域位于凹部2的开口边缘部的内侧，对贯通孔5的边缘部全部区域位于
9从凹部2的开口边缘部起分开预定的距离X的位置的情况进行了说明，但只要贯通孔5的边缘部的至少一部分位于凹部2的开口边缘部的内侧，则能获得提高膜片9的破坏耐压的效果。另外，对第一半导体基板3及第二半导体基板4为单晶硅基板的情况进行了说明， 但第一半导体基板3及第二半导体基板4并不限于单晶硅基板，也可以使用碳化硅基板等。 另外，对第一绝缘膜为第一氧化硅膜6的情况进行了说明，但并不限于第一氧化硅膜6，也可以使用碳化硅绝缘膜等。另外，对膜片9的截面形状及贯通孔5的内部形状为正方形的情况进行了说明，但是即使是圆形等其他形状，也能获得与上述相同的效果。实施方式2图9是本发明的实施方式2的半导体压力传感器的剖视图。此外，在图9中，对于与上述实施方式1相同或相当的部分附加相同标号，省略其说明。在图9中，半导体压力传感器IB将作为第二绝缘膜的第二氧化硅膜15设置在第二半导体基板4的凹部侧的面，上述作为第二绝缘膜的第二氧化硅膜15覆盖第二半导体基板4和形成于第一氧化硅膜6的贯通孔5。即，第二氧化硅膜15以配置在膜片9和凹部2 之间的方式设置在第二半导体基板4的第一氧化硅膜6 —侧的面。半导体压力传感器IB的其他结构与半导体压力传感器IA相同。以下说明半导体压力传感器IB的制造方法。半导体压力传感器IB的制造方法与半导体压力传感器IA的制造方法的不同之处在于，在实施基板连结工序之前，实施第二半导体基底材料基板氧化工序。第二半导体基底材料基板氧化工序是以在第二半导体基底材料基板11的表面的全部领域形成第二氧化硅膜15的方式对第二半导体基底材料基板11进行氧化处理。以下，为了说明方便，将进行了氧化处理的第二半导体基底材料基板11作为第二半导体基底材料基板11进行说明。在基板连结工序中，以使第二半导体基底材料基板11的一个表面侧向着与第一氧化硅膜6相反一侧、第二半导体基底材料基板11的另一个表面配置在第一氧化硅膜6 — 侧上的方式，来配置形成有第二氧化硅膜15的第二半导体基底材料基板11。由此，以覆盖第一氧化硅膜6的贯通孔5的方式设置第二氧化硅膜15。以下，按照与半导体压力传感器IA的制造方法相同的步骤，能够制造半导体压力传感器IB。根据实施方式2，第二氧化硅膜15以配置在膜片9和凹部2之间的方式设置在第二半导体基板4的第一半导体基板3 —侧的面。第二氧化硅膜15也与第一氧化硅膜6相同地产生有残留应力，由于以第一氧化硅膜6与第二氧化硅膜15相接的方式进行配置，因此，能大幅降低因第一氧化硅膜6的残留应力引起的应力在贯通孔5的边缘部的不连续性。 由于能大幅减轻在贯通孔5的边缘部的应力的不连续性，因此在膜片9因从外部向膜片9 施加的应力与基准压力室8内的压力之差而弯曲时，能将产生在膜片9中的应力抑制为仅因膜片9的弯曲而引起的应力。由此，能进一步提高膜片9的破坏耐压。此外，在实施方式2中，对第二绝缘膜为第二氧化硅膜15的情况进行了说明，但并不限于第二氧化硅膜15，也可以使用碳化硅绝缘膜等。实施方式3图10是本发明的实施方式3的半导体压力传感器的剖视图。此外，在图10中，对于与上述实施方式1相同或相当的部分附加相同标号，省略其说明。在图10中，半导体压力传感器IC的作为第三绝缘膜的第三氧化硅膜16形成于基准压力室8的表面，换言之，形成于构成凹部2和贯通孔5的壁面、及覆盖贯通孔5的开口的第二半导体基板4的壁面的全部区域。半导体压力传感器IC的其他结构与半导体压力传感器IA相同。根据采用上述结构的半导体压力传感器1C，在构成凹部2和贯通孔5的壁面、及覆盖贯通孔5的开口的第二半导体基板4的壁面的全部区域形成第三氧化硅膜16。通过将第三氧化硅膜16形成于凹部2的表面层，从而在向膜片9施加压力时，应力集中的区域从隔着第一氧化硅膜6的第一半导体基板3及第二半导体基板4的接合界面偏移。此处，对于隔着第一氧化硅膜6的第一半导体基板3及第二半导体基板4的接合界面，因第一半导体基板3及第二半导体基板4的硅的晶格常数不匹配而产生残留应力。在上述这样的第一半导体基板3和第二半导体基板4的接合界面，若因向膜片9施加压力而引起较大的应力集中，则可能产生于第二半导体基板4的裂纹会向膜片9推进，与膜片9的破坏相关。在半导体压力传感器IC中，在向膜片9施加压力时，由于应力集中的区域从隔着第一氧化硅膜6的第一半导体基板3及第二半导体基板4的接合界面偏移，因此能防止产生于第二半导体基板的裂纹推进，防止膜片9被破坏。即，能提高膜片9的破坏耐压。以下说明半导体压力传感器IC的制造方法。图11是说明本发明的实施方式3的半导体压力传感器的连结基板氧化处理工序的图，图12是说明本发明的实施方式3的半导体压力传感器的制造方法的膜片形成工序的图，图13是说明本发明的实施方式3的半导体压力传感器的制造方法的应变检测元件形成、后处理工序的图。此外，在图11 图13中，对于与上述实施方式1相同或相当的部分附加相同标号，省略其说明。半导体压力传感器IC的制造方法包括准备工序、绝缘膜·凹部形成工序、基板连结工序、连结基板氧化处理工序、膜片形成工序、及应变检测元件形成·后处理工序。准备工序、及绝缘膜 凹部形成工序与半导体压力传感器IA的制造方法的准备工序、及绝缘膜·凹部形成工序相同。在基板连结工序中，在预固定半导体/绝缘膜基板12 和第二半导体基底材料基板11之间，预先将半导体/绝缘膜基板12配置在含有水蒸气的环境下，使凹部2的内壁面含有水分。在接下来进行的连结基板氧化处理工序中，如图11所示，在高温下对半导体/绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11进行退火处理。由此，利用凹部2的内壁面所含有的水分，使凹部2和贯通孔5的壁面、及覆盖贯通孔5的开口的第二半导体基板4的壁面氧化，来形成第三氧化硅膜16，在第三氧化硅膜16的内侧所构成的空间成为基准压力室 8。
以下，如图12及图13所示，与半导体压力传感器IA的制造方法相同，通过实施膜片形成工序、及应变检测元件形成·后处理工序，从而能够获得半导体压力传感器1C。此处，也可以考虑在基板连结工序前，预先在半导体/绝缘膜基板12的凹部2及贯通孔5的内壁面构成相当于第三氧化硅膜16的氧化膜。然而，若预先在凹部2的表面形成氧化膜，则可能会产生以下情况即，因氧化膜中产生的应力而在第一半导体基板3中产生变形量，或因在凹部2的开口边缘部附近的第一半导体基板3的应力不均勻、而在第一半导体基板3和第二半导体基板4之间产生接合不良。另外，利用退火处理，在使第二半导体基底材料基板11和在凹部2形成有氧化膜的半导体/绝缘膜基板12进行接合时，在半导体/绝缘膜基板12的凹部2 —侧的端部附近的部位、和与该部位相对的第二半导体基底材料基板11的部位的氧化膜的生长速度不同。 因而，半导体/绝缘膜基板12的凹部2 —侧的端部附近的部位隆起，第二半导体基底材料基板11仅与该部分接触，而不与半导体/绝缘膜基板12的其他的表面接触，可能会导致发生半导体/绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11的接合不良。根据半导体压力传感器IC的制造方法，由于预先固定半导体/绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11，之后形成第三氧化硅膜16，因此，能够避免该问题。实施方式4图14是本发明的实施方式4的半导体压力传感器的剖视图。此外，在图14中，对于与上述实施方式1相同或相当的部分附加相同标号，省略其说明。在图14中，与半导体压力传感器IA的不同之处在于，半导体压力传感器ID具有与第一半导体基板3形成为一体、设置于基准压力室8内的限位器17。限位器17突出设置在与膜片9的中心相对的凹部2的底部。此处，将半导体压力传感器ID测定的压力的范围设为Pl P2。然后，在半导体压力传感器ID的周围的气压为Pl时，在限位器17的突出端和膜片9之间形成预定的间隙，且在半导体压力传感器ID的周围的气压为P2、膜片9弯曲时，限位器17的突出端不与膜片9接触且尽量与膜片9接近。根据采用以上结构的半导体压力传感器1D，在以比测定压力的范围的最大值P2 要大的预定的压力(外力)使膜片9弯曲预定量时，限位器17与膜片9相抵接。由此，即使从外部向膜片9施加未预期到的过大压力时，膜片9弯曲比预定量要大的量，但是由于受限位器17的限制，也能够尽力防止膜片9被破坏。接着，说明半导体压力传感器ID的制造方法。图15是说明本发明的实施方式4的半导体压力传感器的制造方法的绝缘膜·凹部形成工序的图，图16是说明本发明的实施方式4的半导体压力传感器的制造方法的氧化膜选择去除工序的图，图17是说明本发明的实施方式4的半导体压力传感器的制造方法的基板连结工序的图，图18是说明本发明的实施方式4的半导体压力传感器的制造方法的膜片形成工序的图，图19是说明本发明的实施方式4的半导体压力传感器的制造方法的应变检测元件形成·后处理工序的图。此外，在图15 图19中，对于与上述实施方式1相同或相当的部分附加相同标号，省略其说明。
半导体压力传感器ID的制造方法包括准备工序、绝缘膜·凹部形成工序、基板连结工序、膜片形成工序、及应变检测元件形成·后处理工序。准备工序与半导体压力传感器IA的制造方法的准备工序相同。在绝缘膜·凹部形成工序中，利用与半导体压力传感器IA相同的方法，在第一氧化硅膜6形成贯通孔5，但如图15所示，呈岛状地残留有位于形成贯通孔5的区域的中央的第一氧化硅膜6的预定部位。接着，隔着贯通孔5对第一半导体基板3实施刻蚀，形成凹部 2。由此，在凹部2内形成有限位器17，该限位器17突出设置于凹部2的底部，在突出端具有第三氧化硅膜16的一部分。在氧化膜选择去除工序中，如图16所示，利用干法刻蚀等选择性地去除仅形成于限位器17的突出端的第三氧化硅膜16的部位。此外，也可使用离子铣削等方法选择性地去除形成于限位器的突出端的第三氧化硅膜16的部位。此时，不仅去除第三氧化硅膜16，还从限位器17的突出端朝向底端去除预定的区域。另外，使限位器17的突出端面形成为粗面。在接下来进行的基板连结工序中，如图17所示，与半导体压力传感器IA的制造方法的基板连结工序相同，以第二半导体基底材料基板11覆盖贯通孔5、隔着第一氧化硅膜6 与第一半导体基板3相对的方式来预固定半导体/绝缘膜基板12和第二半导体基底材料基板11。此时，在限位器17的突出端和第二半导体基底材料基板11之间形成有预定的间隙。以下，如图18及图19所示，与半导体压力传感器IA的制造方法相同，通过实施膜片形成工序、及应变检测元件形成·后处理工序，从而半导体压力传感器ID的制造结束。根据以上的半导体压力传感器ID的制造方法，在膜片形成工序中，如上所述，通过对第二半导体基底材料基板11进行磨削、化学机械研磨等来减薄厚度，并形成膜片9。例如，在基准压力室8为真空的情况下，随着第二半导体基底材料基板11减薄厚度，第二半导体基底材料基板11的膜片形成区域弯曲。在将所形成的膜片9用于微小的压力检测用的情况下，需要使膜片9的厚度特别薄。因此，在未设置限位器17的情况下，若第二半导体基底材料基板11的厚度接近所希望的膜片9的厚度，则因磨削时的负荷，第二半导体基底材料基板11的膜片形成区域发生较大的弯曲。由此，所形成的膜片9的厚度可能具有较大的偏差。另外，在向膜片9施加超过预期的过大的压力时，若不对膜片9的位移进行限制，则膜片9可能发生较大弯曲而破坏。另外，如半导体压力传感器ID的制造方法那样，通过在膜片形成工序之前设置限位器17，从而即使在第二半导体基底材料基板11进行磨削时、第二半导体基底材料基板11 的膜片形成区域发生较大的弯曲，也能与限位器17抵接从而防止较大的弯曲。由此，能够抑制所形成的膜片9的厚度的偏差。而且，即使向膜片9施加过大的压力，由于也能抑制膜片9的弯曲，因此，能够防止膜片9被破坏。另外，通过使限位器17的突出端面形成为粗面，从而在半导体压力传感器ID完成后，在膜片9与限位器17相抵接时，能够防止限位器17与膜片9紧贴而不能分离。此外，根据本实施方式4，对所形成的限位器17的数量为一个的情况进行了说明， 但是所形成的限位器17的数量不限于一个，根据膜片9的尺寸、厚度等，来适当地设定限位器17的形成数及限位器17在基准压力室8内的配置位置，从而也有时能够抑制在膜片形成工序中的膜片9的厚度的偏差，或者能够提高破坏耐压。实施方式5.图20是本发明的实施方式5的半导体压力传感器的剖视图。此外，在图20中，对于与上述实施方式3相同或相当的部分附加相同标号，省略其说明。在图20中，半导体压力传感器IE在包含限位器17的表面的基准压力室8的表面的所有区域中包括作为第三绝缘膜的第四氧化硅膜18。其他结构与半导体压力传感器IC 的结构相同。此外，半导体压力传感器IE的制造方法是在半导体压力传感器ID的制造方法中， 在基板连结工序和膜片形成工序之间追加与半导体压力传感器IC的制造方法的连结基板氧化处理工序相同的工序而构成的。根据采用上述结构的半导体压力传感器1E，能根据第一氧化硅膜6的厚度进一步减小由第四氧化硅膜18覆盖的限位器17的前端和膜片9之间的间隙。此处，对于半导体压力传感器1E，在被施加所测定的压力范围的最大值P2的环境下而膜片9弯曲时，膜片9不太会从贯通孔5向凹部2的底部侧突出。对于半导体压力传感器1E，即使在施加压力范围的最大值P2的环境下而膜片9弯曲时，通过将限位器17的突出端插入贯通孔5内，而使其不与膜片9接触，从而能够获得以下的效果。S卩，在膜片形成工序中，由于能够进一步抑制对第二半导体基底材料基板11进行磨削时的膜片形成区域的弯曲，因此能够进一步减小膜片9的厚度的偏差。另外，在膜片9 因从外部被按压过大的压力而弯曲时，由于能够进一步防止膜片9发生较大的弯曲，因此能够进一步提高破坏耐压。实施方式6.图21是本发明的实施方式6的半导体压力传感器的剖视图。此外，在图21中，对于与上述实施方式1相同或相当的部分附加相同标号，省略其说明。在图21中，半导体压力传感器IF形成有连通凹部2的底部和第一半导体基板3 的另一个表面的连通孔20。其他结构与半导体压力传感器IA的结构相同。接着，说明半导体压力传感器IF的制造方法。半导体压力传感器IF的制造方法与第一半导体压力传感器IA的制造方法的不同之处在于，在绝缘膜·凹部形成工序之后，追加有连通孔形成工序。在连通孔形成工序中，利用照相制版技术和等离子刻蚀技术去除半导体/绝缘膜基板12的另一个表面侧的第一氧化硅膜6，与绝缘膜 凹部形成工序的凹部形成方法相同， 利用波希法形成连通凹部2的底部与第一半导体基板3的另一个面的连通孔20。由于通过使用波希法来形成连通孔20，从而能使连通孔20的孔方向与第一半导体基板3的厚度方向一致来对第一半导体基板3进行刻蚀，因此能够减小连通孔20的开口，能够确保利用例如芯片焊接材料将第一半导体基板3的另一表面固定于外壳等用的区域。采用以上结构的半导体压力传感器IF构成测定第一半导体基板3 —侧的压力、和第二半导体基板4 一侧的压力之差的压差传感器。即，例如在所划分的两个空间中，配置膜片9使其露出到一个空间，配置连通孔20的开口使其露出到另一个空间，从而可将半导体压力传感器IF用作为能够测定所划分的空间的压力差的压差传感器。实施方式7.图22是本发明的实施方式7的带半导体压力传感器的内燃机装置的框结构图。在图22中，带半导体压力传感器的内燃机装置M包括内燃机25，该内燃机25包括进气通路沈及排气路径27 ；以及半导体压力传感器1A，该半导体压力传感器IA安装于内燃机25，可测定内燃机25的进气通路沈的压力。即，将半导体压力传感器IA的膜片9的一个表面配置于进气通路沈内。在内燃机25中，进气通路沈的压力的测定范围大多数情况下最高为5个大气压左右，若发生回火，则进气通路沈内的压力异常增大。因此，膜片9要求有相对于进气通路沈的压力的测定范围的5倍到10倍以上的破坏耐压。 对于半导体压力传感器1A，膜片9的破坏耐压提高，通过将膜片9的厚度增厚到一定程度，从而能够将半导体压力传感器IA用作为内燃机25的进气通路沈内的压力测定。
此外，在本实施方式7中，对将半导体压力传感器IA安装在内燃机25、来构成带半导体压力传感器的内燃机装置M的情况进行了说明，但是也可以安装半导体压力传感器 IB IF中的任一个，来代替半导体压力传感器1A。
1权利要求
1.一种半导体压力传感器，其特征在于，包括第一半导体基板，该第一半导体基板形成有开口在厚度方向的一个表面上的凹部； 第二半导体基板，该第二半导体基板配置为与第一半导体基板的一个表面相对；以及第一绝缘膜，该第一绝缘膜介于所述第一半导体基板和所述第二半导体基板之间，形成有连通所述凹部与所述第二半导体基板之间的贯通孔，若从与所述贯通孔及所述凹部的开口相对的一侧来看，所述贯通孔的边缘部的至少一部分位于所述凹部的开口边缘部的内侧。
2.如权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，所述贯通孔的边缘部的全部区域位于所述凹部的开口边缘部的内侧。
3.如权利要求2所述的半导体压力传感器，其特征在于，所述贯通孔的边缘部的全部区域位于从所述凹部的开口边缘部起分开预定的距离X 的位置，在将所述第一绝缘膜的厚度设为τ时，满足0 < X/T < 50。
4.如权利要求1至3的任一项所述的半导体压力传感器，其特征在于，在所述第二半导体基板和所述第一绝缘膜之间，具有覆盖所述贯通孔的开口的第二绝缘膜。
5.如权利要求1至3的任一项所述的半导体压力传感器，其特征在于，在构成所述凹部和所述贯通孔的壁面、及覆盖所述贯通孔的开口的所述第二半导体基板的壁面的所有区域形成有第三绝缘膜。
6.如权利要求1至3的任一项所述的半导体压力传感器，其特征在于，在由构成所述凹部和所述贯通孔的壁面、及覆盖所述贯通孔的开口的所述第二半导体基板的壁面所包围的空间中，设置有限位器，在施加使得与所述凹部相对的所述第二半导体基板的部位向着所述凹部侧弯曲预定量以上的外力时，该限位器与所述第二半导体基板相抵接来限制所述第二半导体基板的弯曲。
7.如权利要求1至3的任一项所述的半导体压力传感器，其特征在于，在所述第一半导体基板形成连通所述凹部与所述第一半导体基板的另一表面的连通孔。
8.如权利要求1至3的任一项所述的半导体压力传感器，其特征在于，在与所述凹部相对的所述第二半导体基板的部位构成为可检测出与从所述凹部相反一侧施加的压力相对应的压力值，将施加所述压力的所述第二半导体基板的表面配置在内燃机的进气通路内。
全文摘要
本发明的目的在于获得一种能够提高膜片的破坏耐压的半导体压力传感器。包括第一半导体基板(3)，该第一半导体基板(3)形成有在厚度方向上的一个表面开口的凹部(2)；第二半导体基板(4)，该第二半导体基板(4)配置为与第一半导体基板(3)的一个表面相对；以及第一氧化硅膜(6)，该第一氧化硅膜(6)介于第一半导体基板(3)和第二半导体基板(4)之间，形成有连通凹部(2)与第二半导体基板(4)之间的贯通孔(5)，若从与贯通孔(5)及凹部(2)的开口相对的一侧来看，贯通孔(5)的边缘部的至少一部分位于凹部(2)的开口边缘部的内侧。
文档编号G01L9/04GK102243125SQ20111000849
公开日2011年11月16日 申请日期2011年1月6日 优先权日2010年5月13日
发明者出尾晋一, 吉川英治 申请人:三菱电机株式会社