专利名称：半导体加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明特别涉及一种半导体器件的加速度传感器和压力传感器，这种半导体器件利用诸如硅的半导体晶体的压-电效应把位移转换成电信号。
微处理技术的最新发展使得通过在半导体晶片上形成一个薄膜和蚀刻它来制造半导体加速度传感器成为可能(例如，见IEEE电子装置学报，1979年10月，ED-26卷，No.12)。
图3所示为利用现有技术中的微处理技术制造的半导体加速度传感器，其中图3A是平面图，图3B是剖面图。硅基片1被蚀刻，形成一个悬臂2和一个载荷3。这里，悬臂2通过蚀刻形成比其他部分薄的部分，并沿图3B中的箭头方向的加速度变形。悬臂2的变形被位于悬臂2上表面的扩散电阻4a的压-电效应检测，并通过与扩散电阻4b比较，加速度被建立。这里，扩散电阻4a和4b被连接到高浓度扩散区5和输出端子8。而且，一个上挡板6和下挡板7以及整个结构安置在陶瓷基片10上，从而防止了悬臂2被破坏。
图4A所示的半导体加速度传感器是利用日本专利公开Hei 1-302167中披露的微处理技术制造的，其中凹槽35是通过在悬臂2的支承物9附近蚀刻形成的，以提供一个薄部36。扩散电阻4c、4d、4e和4f组成一个桥式电路50，且位于传感器的上表面。扩散电阻4c和4f作为参考电阻位于支承物9的上部。扩散电阻4d和4e作为可变电阻用来检测薄部36的变形，并被布置成与参考电阻垂直。图4B是图4A中所示的装置的检测电路。
虽然在现有技术中的半导体加速度传感器需要形成图4A所示的薄部36以提高检测灵敏度，但整体的机械强度却由此而下降。
由于薄部36的厚度与检测灵敏度有关，同时因为薄部36是通过蚀刻形成的，因此需要严格控制蚀刻液的成份、温度和搅拌条件，以及诸如形成掩模图形的一些制造工序增加，以得到均匀的厚度。
而且，因为扩散电阻4a和4b位于加速度传感器的上表面，而载荷3的形成如图3A中所示，使加速传感器上表面的区域变大。因此从一个硅基片中得到许多传感器受到限制，例如很难降低造价。而且，为了在图4A所示的加速度传感器中也保持薄部36一定的强度不得不保持悬臂2的宽度在一个预定值，即从图的前侧沿深度方向上的宽度。相应地，类似于图3A中的加速度传感器，传感器上表面的区域不能被缩减。因此，从半导体晶片获得许多传感器仍受到限制，很难降低造价。
此外，因为用于检测加速度的扩散电阻4置于接受加速度的加速度传感器的表面上，就需要设置扩散电阻4，这样安置在支承物9上的参考电阻的阻抗值和可变电阻的差值变大。
因此，本发明用于解决上述问题并且已经尝试从一个半导体晶片很容易地制造大量的传感器，从而得到低造价的半导体加速度传感器和压力传感器。
为了解决上述问题，扩散电阻4，即应变灵敏部件，被置于传感器的侧面，从而由一个半导体晶片制造大量的传感器。提供在传感器的侧面用来检测位移的装置能得到高精密度和低成本的传感器而无须蚀刻工序，即减少了制造工序。
而且，它允许提供一种具有良好生产率包括半导体加速度传感器的半导本器件。
图1是发明的半导体加速度传感器的透视图；图2A是半导体加速度传感器结构的平面图，而图2B是其侧视图；图3A是现有技术的半导体加速度传感器结构的平面图而图3B是其侧视图；图4A是现有技术的半导体加速度传感器的立体图，图4B是一个桥式电路；5A是发明的半导体加速度传感器的结构的正视图，图5B是一个桥式电路；图6A至6C是解释发明的固定方法的图。
图7A至7C所示为制造发明的半导体加速度传感器的过程；图8是用来解释根据本发明的一个实施例的电泳现象的图；图9是用来解释根据本发明的一个实施例的切割装置的图；图10是用来解释根据本发明的一个实施例的切割方法的图；图11是用来解释根据本发明的一个实施例的切割方法的图；图12是用来解释本发明的电解过程的说明性的图13中所示为本发明的加速度传感器能够被装入有空气衬垫的仪表盘。
下面将根据图1解释本发明的具体实施例。
图1是本发明的半导体加速度传感器的立体图。
半导体基片11形成一个立方体，扩散电阻4和与扩散电阻4电连接的输出端子8被置于其一个侧面100上。这里，还可以在半导体基片11的侧面100上设置一个放大器电路、一个温度补偿电路和一个过滤电路。
半导体基片11在其一侧具有桥式电路50构成的扩散电阻4，并具有立方体结构。
这种立方体结构由切割具有扩散电阻4的半导体晶片12来制备。切割元件具有一个其厚度为半导体晶片12的厚度的表面，且此表面垂直于具有扩散电阻4的立方体的表面。
切割之后，扩散电阻4形成在其上的半导体晶片12的表面与侧面100相一致。
图2A和图2B分别是上述半导体加速度传感器的平面图和侧视图。虽然有可能将半导体基片11形成各种形状，但由于立方体能够容易地从半导体晶片12中切割出来，因此形成立方体是非常有效的。而且，通过降低半导体基片11的厚度Z使之小于其宽度，可以提高检测灵敏度。注意到支承物9与半导体基片11固定的部分L2是一个支承部件，没有固定的并且可振动的部分L1是传感器部件这些部件在下文将被提及。
图5A所示为根据本实施例的扩散电阻4的形状。最好是由扩散电阻41、42、43和44组成一个桥式电路50。而且，最好将这些扩散电阻分离布置，扩散电阻41和42位于半导体基片11的上表面附近，扩散电阻43和44位于下表面附近。那么，拉伸应力和压缩应力可以被上表面附近的扩散电阻4和下表面附近的扩散电阻4检测出来。而且，最好是扩散电阻41、42、43和44的纵向与半导体基片11的纵向平行排列，即在图5A的纸的水平方向。
下面将参考附图解释用在本实施例中的器件的大小和位置关系。该器件由形状为长度9mm(L1＝6mm，L2＝3mm)、宽度W0.6mm、高度Z0.1mm的硅制成，如图2A和2B所示。宽度W是硅基片的厚度。这里，扩散电阻4由位于半导体基片11的侧面100的上表面附近的扩散电阻41和42以及位于下表面附近的扩散电阻43和44组成，如图5A所示，每一电阻的长度为0.3mm，宽度为0.01mm。那么，扩散是阻41和42的左缘与支承物9的右缘相重合。半导体基片11的表面和扩散电阻4的中心之间在半导体基片高度方向的距离为0.015mm。
图5B所示为此时的桥式电路50。
本实施的扩散电阻的形状产生高灵敏度的原因将在下面进行解释。
当扩散电阻4被置于图3B所示的现有技术的平面上时，设定扩散电阻4C和4f作为参考电阻，扩散电阻4d和4e作为测量电阻来形成桥式电路50。当扩散电阻4c和4f为R时，扩散电阻4d和4e可表示为R+△R。假定此时的输出为VOUT，它可以用下式表示V1＝(R/2R+△R)V (1)V2＝(R+△R/2R+△R)V (2)VOUT＝V2-V1＝(△R/2R+△R)V(3)在本发明的电路中假定由压力应缩能引起的阻抗值为R+△R，由拉伸应力所引起的阻抗值为R-△R，同样可由下式表示V1＝(R-△R/2R)V (4)V2＝(R+△R/2R)V (5)VOUT＝V2-V1＝(△R/R)V (6)当△R非常小且可以忽略时，本发明的电路的输出为现有技术中的两倍，这可以从表达式(3)和(6)中看出。由于上述原因，扩散电阻4被如此布置以利用拉伸应力和压缩应力增加灵敏度。
下面将通过附图7描述制造本发明的半导体加速度传感器的方法。
在制造图7A所示的半导体加速度传感器中，在半导体晶片12的表面上构图扩散电阻4和输出端子8，图7B所示为半导体晶片12被切割，扩散电阻4和输出端子8位于同一平面上以得到半导体基片11，图7C所示为半导体基片11与支承物9和载荷3粘结。
这里，在扩散电阻4和输出端子8的旁边，一个放大器电路、一个过滤电路和一个温度补偿电路可以构图在半导体晶片12的表面上。而且它可以在切割半导体晶片12时切割成小片。通过产生在半导体基片11的外部划痕的线和根据划痕线的切割，完成切片。加速度传感器半导体元件101在半导体晶片12中布置出来。
在本实施例中，低加速度元件已被制造好。低加速度是指1～2G(G＝9.8m/s2)。整个元件的长度为9mm(L1＝6mm，L2＝3mm)，宽度W为0.6mm，高度Z为0.1mm。顺便说一下，用于低加速度的加速度传感器用于检测地震，以及类似的实际应用中。
图7B中的元件是作为单个的元件通过切片，从半导体基片12中切割出来的，如图7B所示。图7B示出了一个切开的表面。
虽然在用作为切割液的液体进行正常切割中能够切割半导体基片11，但为了提高精密度，切割是通过下述方法进行的。
切割半导体晶片12过程中在切割元件时，存在这样的问题当元件切割阻抗变大时在元件中造成碎片，并且扩散电阻4被破坏，并且要求的尺寸内不能完成。为了解决这些问题，利用了超精细研磨晶粒的电泳现象。现在描述其原理。超精细二氧化硅晶粒被用作切割液。超精细二氧化硅晶粒在碱性液中被带负电荷。因此，当电场作用于其上时二氧化硅向阳极13迁移。它将不会移向负极14。图8示出了这种现象。超精细二氧化硅晶粒存在于阳极13的带电电极。二氧化硅晶粒15，即胶态氧化硅导致了电极表面上的电吸附现象。在电场作用期间，在电极表面上连续地形成一个吸附层。也就是说，超精细二氧化硅晶粒吸附层可以被容易地形成，并通过在刀片16上建立电场，能够以较少的切割阻抗进行工作。
图9示出了用于本实施例的装置的结构。
该装置包括，除了通用的切割装置外还有给切割刀片16提供研磨料的机构和把电解作用施加于切割刀片的电源17。通过提供胶态氧化硅，即切割件给切割刀片16，并通过把电解作用施加于直流电源17，在切割刀片16上产生二氧化硅层。半导体晶片12被放置在夹具18上并被切割装置切割。
下面将参考图10描述使用本实施例进行的工作。切割刀片16下降到固定的半导体晶片12并与之接触。此时，超精细二氧化硅晶粒作为研磨料提供给切割刀片16。然后二氧化硅晶粒15被吸附到切割刀片16。超精细二氧化硅晶粒的大小为10nm至20nm，并且这种晶粒尺寸的二氧化硅被吸附到被阳极13充电的切割刀片16上。通过此吸附层的切割，半导体晶片12，即一个工件，能够被加工得非常好。
当元件在本实施例中以上述尺寸被切开时，大量的碎片从在通常切割中的10微米被提高成2微米。因此，无须切断电线或破坏扩散层，就能稳定地提供元件，具有较好的生产率。
而且，作为减少碎片数量的方法，电解被应用于具有钻石颗粒的切割刀片16，用铸铁作为接合部件32。随着接合部件的电解，一个非导电性覆盖层在磨石的表面形成，脱离停止且研磨料颗粒连续地射出。这个过程将通过图12解释。在步骤1中电解作用被施加于切割刀片16。然后，切割刀片16的铸铁，即接合部件，象铁离子一样脱离。脱离之后，氧化作用开始并在切割刀片16的表面形成非导电性覆盖层30(步骤2)。钻石颗粒从切割刀片16射出。切割在这种状态下开始。当切割被继续进行时，钻石颗粒31脱离，并且非导电性覆盖层30逐渐去除。由于这个原因，切割环境变坏。这里，通过再次施加电解作用(步骤3)，接合部件32脱离。然后，非导电性覆盖层30被形成(返回步骤2)。从步骤2继续切割，步骤3和4被重复。这种方法被称为工艺中的电解。
此时装置的结构将被参考图11进行描述。
该装置包括用来施加电解作用于切割刀片16的结构，切割刀片16附近的阴极接头14以及用来通过直充电源17施加电解作用于切割刀片16的结构。半导体晶片12被这种结构切割。
在本实施例中，一个其附着作用通过照射紫外线被减弱的固定切割带被用作固定半导体晶片12，即工件的方法。因此，它能够被容易地脱离或牢牢地固定。
上述方法能够取出较少被切割装置切碎且具有较少工作损害层的元件。
进一步说，在制造方法中，为了提高加速度传感器的检测灵敏度，如图7c所示，载荷3被置于半导体基片11的一端。金属或硅被用作载荷3。然后载荷3和支承物9被固定到半导体基片11。支承物9也可能被预先固定到支承基片10。在本实施例中，30mg的载荷3被固定。因为载荷3被固定的位置，即重力的位置，在本实施例中非常重要，因此通过预先在载荷3的重力位置附近提供粘结液，从而容易地找出重力位置的方法来完成。
包括半导体基片11，载荷3和支承物9的结构被固定到基片10以支承和向外输出，半导体基片11的输出端子8通过连接线与基片10连接。这里，为了连接半导体基片的输出端子8和基片10，使用了各向异性导电膜(ACF)40。各向异性导电膜在直角交叉上是非常合适的。
图6示出了另一种结构的例子。图6A示出了当半导体基片11被直接固定到支承基片10以保证在一起的导电性时的情况。凸起25在半导体基片11的输出端8形成。凸起25的侧面面对支承基片并且半导体基片11的凸起25被连接到支承基片10的端子。然后，凸起25通过回流熔化来固定到支承基片10上。更好的是，为了得到更好的灵敏度，在扩散电阻4附近制造固定凸起25，与支承基片10固定。这种方法还能够获得令人满意的特性值。图13示出了此时的粘接状态。在图中示出了通过将凸起25连接到支承基片10并熔化它们，凸起25和支承基片10被固定。固定凸起26用于此目的，而非用于导电，因为它需要用来牢固地固定附近的扩散电阻。
在图6B中，一种预先固定支承物9、将支承物9与支承基片10固定在一起并借助半导体基片11的凸起25导电的方法被采用。
图6C示出了一种使用各向异性导电膜40的粘接方法。各向异性导电膜40含有分散在粘结剂41中的小导电颗粒42。如图6C所示，通过热压法连接，颗粒被紧压在电极之间，这样就具有了可导电性，邻接的电极之间的绝缘被保持，并且通过同时硬化粘结剂41进行机械连接。这种方法能够获得凸起25的导电性和通过导电颗粒的输出端子8。
在本实施例的半导体加速度传感器中，通过提供30mg的载荷3获得电压为5mV的输出。作为一个未放大的输出电压，此值是一个较好的性能。进一步说，就多轴灵敏度而言，其为满刻度值的2％。这种好的多轴灵敏度是半导体基片11的结构带来的，传感器部件的长度为6mm，其宽度、即半导体晶片12的厚度为0.6mm。传感器部件的厚度，即切割的走刀间距为0.1mm。这个0.1mm的走刀间距是考虑到诸如由于切割装置产生的元件的疤皮等的成品率而获得的值。这里，当半导体基片11的宽度为0.6mm时，半导体基片11的厚度为0.1mm，也就是说，大约为前者的1/6。这种结构允许获得没有多轴灵敏度的元件。而且，本实施例的扩散电阻4的形状几乎不影响多轴灵敏度，因为四个扩散电阻的位移差别很小。
尽管在上述结构中扩散电阻4仅被置于一侧，扩散电阻4也可以被置于两侧。
上述过程能够实现这样的结构其中能够是传感器的半导体基片1 1、载荷3和支承物9被置于支承基片上。这里，这些部件被装入壳体内作为传感器。此时，用于保护传感器的硅油可以取消。
由于包括本发明的半导体加速度传感器的半导体器件没有象现有器件那样具有一个薄的检测部件和收缩部，因此它表现出优越的抗震性能。当包括本发明的半导体加速度传感器的半导体器件被安装在汽车内，作为一个传感器用来在汽车碰撞时启动保护人的生命的汽囊时，获得预定的性能并且在完全可用的范围内。
因为它比普通的传感器小，当用于汽车时，本发明的加速度传感器能够被装入具有空气衬垫的仪表盘，如图13所示。此外，由于那里不是具有如图3所示宽度的狭窄界限肌肉部分，在通常操作下传感器没有破坏性，因此碰撞情况下的信号能够被准确地传送。
在图13中，在汽车100的仪表盘101中有气囊102和加速度传感器104。它通过控制器103处理传感器104的输出信号，并且由于碰撞而膨胀气囊102。
由于上述结构，本发明具有下列效果1)由于包含扩散电阻部件的半导体加速度传感器的前后是平板状的，并且扩散电阻部件不是薄的。该器件能够被容易地制造。它不要复杂的工序并具有较强的抗震性。2)因为在扩散电阻部件中不要求薄的部件，因此它要求较少的制造时间，导致了成本的降低。3)能提供具有好的精密度的器件。4)由于从半导体晶片可以获得大量的加速度半导体基片，因此可以提供低成本的加速度传感器。5)由于压缩应力和拉伸应力被同时检测，因此可以提供精密的器件。
权利要求
1.一种具有半导体加速度传感器的半导体器件，包括一个具有应力敏感部分的从半导体晶片中取出的立方体形结构；一个用来固定和支承从所说的半导体晶片中取出的所说的立方体形结构的支承物；和用于固定所说的立方体形结构的至少一个边缘的装置。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于用来制造具有所说的应力敏感部分的所说的立方体结构的所说的半导体晶片的厚度是一个平面，该平面与具有所说的立方体的所说的压力敏感部分的至少一个平面正交。
3.一种如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于在所说的立方体结构取出的厚度方向上，与所说的半导体晶片的大小相比，具有所说的应力敏感部分的平面的大小被减小。
4.一种如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于在所说的立方体结构取出的所说的半导体晶片的厚度方向上，所说的半导体晶片的一个部分在厚度方向上是矩形的，并且所说的应力敏感部分在所说的半导体晶片的厚度方向上位于该部分的短轴侧。
5.一种如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于从具有所说的应力敏感部分的所说的半导体晶片中取出的所说的立方体结构的所说的应力敏感部分正交于所说的支承装置的支承面的水平面。
6.一种如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于所说的应力敏感部分包括一个桥式电路。
7.一种如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于包括所说的桥式电路的电阻是扩散电阻。
8.一种如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所说的应力敏感部分的所说的扩散电阻位于具有所说的变形敏感部分的表面的外缘部分，该表面正交于与所说的半导体晶片的厚度相对应的表面并包括一桥式电路。
9.一种如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于它在接受正加速度的侧面上具有所说的桥式电路的一对扩散电阻，和在接受负加速度的侧面上有一对扩散电阻。
10.如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于它具有一个桥式电路，该桥式电路具有有接受正加速度的侧面上的扩散电阻和在接受负加速度的侧面上的扩散电阻。
11.如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于所说的扩散电阻包括检测压缩应力的扩散电阻和检测拉伸应力的扩散电阻。
12.一种如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于在悬臂的表面上有多个扩散电阻，并且所说的扩散电阻的长轴方向是所说的悬臂的长度方向。
13.一种如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于从所说的半导体晶片中取出的所说的立方体结构的一端具有一个支承物，在另一端具有一个载荷。
14.一种用于制造包括半导体加速度传感器的半导体器件的方法，包括以下步骤在半导体晶片的表面上形成一个应力敏感部分；从所说的半导体晶片中切割一个具有应力敏感部分的立方体结构；把从所说的半导体晶片中切割出来的所说的立方体结构与一个支承物连接；连接端子，用于通过端子取出所说的应力敏感部分的信息；给所说的结构增加防震功能；以及封装它。
15.如权利要求10所述的制造半导体器件的方法，其特征在于在从半导体晶片中切割具有应力敏感部分的立方体结构的步骤中，一个与在具有所述应力敏感部分的表面上的扩散电阻的轴向方向正交的表面以小于所说的半导体晶片的厚度的尺寸被切割出来，应力敏感部分在所述半导体晶片的表面上。
16.如权利要求10所述的制造半导体器件的方法，从所说的半导体晶片中取出的具有所说的应力敏感部分的所说的立方体结构的所说的应力敏感部分的表面正交于所说的支承物。
17.一种制造具有半导体加速度传感器的半导体器件的方法，包括以下步骤通过从上表面到下表面切割具有应力敏感部分的半导体晶片，形成一个立方体，该应力敏感部分将物理量的变化转换成为阻抗值变化，并且它包括一个桥式电路；和给切割刀片施加电解作用并使研磨料晶粒带电。
18.一种具有半导体加速度传感器的汽车，包括从具有应力敏感部分的半导体晶片中取出的立方体结构；用于固定和支承从所说的半导体晶片中取出的所述立方体结构的支承物，以及用于固定所说的立方体结构的至少一个边缘的装置。
全文摘要
为了从一个半导体晶片中制造大量的传感器，在本发明中扩散电阻被置于传感器的侧面。通过在传感器的侧面上提供位移检测装置，通过较少的制造工序就可以获得高精密度低成本的传感器，而无须蚀刻工序。而且，可以提供较好成品率的包括半导体加速度传感器的半导体器件。
文档编号H01L21/301GK1168472SQ9710950
公开日1997年12月24日 申请日期1997年2月27日 优先权日1996年2月27日
发明者新荻正隆, 齐藤丰, 加藤健二 申请人:株式会社精工电子研究开发中心