JP5100949B2 - 半導体構成素子の製造方法並びにその方法により製造された半導体構成素子 - Google Patents
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Description
本発明は、該当する独立形式請求項の前提部の半導体構成素子、例えば特に多層半導体構成素子の製造方法並びに前記製造方法により製造された半導体構成素子に関する。
【0002】
先行技術
半導体構成素子、例えば特に微細工学的な圧力センサは、一般にいわゆる材料微細工学(Bulkmikromechanik)又は表面微細工学により製造される。材料微細工学的な構成部材の製造は比較的煩雑であり、従って高価である。公知の表面微細工学的な構成部材の場合に空洞の製造が煩雑である。表面微細工学における空洞の製造のための通常のプロセス順序は、犠牲層の堆積、たいていはポリシリコンからなるダイアフラム層の堆積、ダイアフラム層中の開口部の作成もしくはラテラルなエッチング通路の開口、犠牲層のエッチング除去及び開口部の封止からなり、その際、封止の際に空洞の内部圧力が規定される。このような方法で製造された表面微細工学的な圧力センサは、該センサに作用する圧力がたいていは容量的な方法を介してのみ評価できるという欠点を有する。前記センサに作用する圧力のピエゾ抵抗性の評価は困難である、それというのも公知の表面微細工学的方法により単に多結晶シリコンからなるピエゾ抵抗性の抵抗が製造できるに過ぎないためである。このことは単結晶シリコンからなるピエゾ抵抗性の抵抗に比べて、わずかな長時間安定性の欠点を有し、この場合、これはさらにわずかな圧電作用を示す。
【0003】
発明の利点
それに対して、該当する独立形式請求項の特徴部を有する本発明による方法は、特に、単結晶シリコンからなるピエゾ抵抗性の抵抗を備えた微細工学構成部材、例えば特に圧力センサ、容量型圧力センサ、又は圧力がかかった際に抵抗値がダイアフラムのたわみに基づき変化する抵抗を有する圧力センサを簡単でかつ廉価に表面微細工学により製造できるという利点を有する。引用形式請求項に記載された方法により、該当する独立形式請求項による製造方法及び半導体構成素子の有利な変更又は改善が可能である。
【0004】
本発明の本質的な観点は、空洞もしくは中空室を、半導体基板中に、例えば特にシリコン基板中に、エッチング媒体を用いて作成することにある。このために、基板の被覆層を引き続き作成される空洞の領域内で、前記の被覆層中に開口部もしくはエッチング開口部、例えば孔もしくは中空室が生じるようにエッチングする。エッチング開口部を介して又は外側に向かって開口した孔を介してエッチング媒体又は1種以上のエッチング媒体は、基板のより深い領域に達する。この領域内でエッチング媒体もしくは他のエッチング媒体により分解された半導体基板の部分は、有利に前記の被覆層の開口部もしくは孔を介して及び/又は前記の領域への外部進入開口部を介して除去できる。この被覆層は有利に約2〜10μm、特に3〜5μmの厚さを有する。進入開口部の場合には、2〜10μmの多孔性の層の代わりに、有利に40〜80μm、特に50〜60μmの厚さを有する多孔性被覆層を作成するのが有利である。このより厚い厚さは、この被覆層がエッチング−緩衝層として進入開口部のエッチングの際に用いられ、かつ被覆層上に堆積されたエピタキシャル層の前の確実なエッチストップを可能にする目的を有する。圧力センサの場合には、被覆層上に析出されたエピタキシャル層は本来のセンサダイアフラムを形成する。
【0005】
本発明の有利な実施態様において、エッチング工程の場合に、被覆層中の孔の拡大速度が、基板の領域内の、後に中空室もしくは空洞を形成する孔もしくは中空室の拡大速度よりも小さい、有利に明らかに小さいようにする処置を行う。
【0006】
これは本発明の有利な実施態様により、被覆層中の孔のエッチングの際の
エッチングパラメータ及び/又は1種又は数種のエッチング媒体を、後の空洞の範囲内の孔もしくは中空室のエッチングの際のエッチングパラメータ及び/又は1種又は数種のエッチング媒体とを別々に選択することにより達成される。
【0007】
この点において、空洞の製造のために分解すべきシリコンを搬出するための被覆層の多孔性がプロセス技術的に良好に制御可能な方法で、有利に単に適切に大きく調整可能であることは特に有利である。他方で、空洞は急速に、それにより廉価に製造することができる。
【0008】
本発明による有利な実施態様によると、エッチングパラメータ及び/又は空洞のエッチングの際の1種又は数種のエッチング媒体を、孔もしくは中空室が極めて急速に相互に重なる程度に、孔もしくは中空室の拡大速度を高く選択するようにする。それにより、まず唯一の十分に平面状の出発中空室が基板中に生じ、この出発中空室が時間の経過と共に深部へと拡大し、空洞を形成する。
【0009】
直前に記載した実施態様とは別の本発明による有利な実施態様において、エッチングパラメータ及び/又は空洞のエッチングの際の1種又は数種のエッチング媒体は、後に空洞を形成する基板の範囲の気孔率が、被覆層の気孔率よりも高くなるように選択する。後の空洞の製造工程物が、80%より大きい気孔率を有するのが有利である。有利に、空洞は引き続き基板の多孔性の領域から、有利に約900℃を上回る1以上の熱処理工程の実施のもとで作成される。
【0010】
有利に水素雰囲気、窒素雰囲気又は希ガス雰囲気下で、例えば900℃を上回る温度での熱処理の際に、後に空洞を形成するシリコンの領域内の孔は、約80%より高い気孔率に再編成され、それにより、わずかな多孔性の被覆層もしくは後続して析出すべきエピタキシャル層のための出発層の下方に唯一の大きな孔、つまり中空室もしくは空洞が生じる。わずかな多孔性の層もしくは出発層の上側の孔は、この高温工程の際に十分に封鎖されるため、出発層上に、本来のセンサダイアフラムを形成する十分に単結晶のシリコン層が堆積することができる。
【0011】
本発明の有利な実施態様によると、被覆層中に開口部及び/又は孔を作成するため及び/又は空洞を作成するための1種及び/又は数種のエッチング媒体は、フッ酸(HF)又はフッ酸を含有する液体混合物又は化合物である。
【0012】
本発明の有利な実施態様において、この1種もしくは数種のエッチング媒体に、易揮発性の成分、例えばアルコール、例えばエタノール、及び/又は精製水を、1種もしくは数種のエッチング媒体の希釈のために添加される。
【0013】
エタノールは、このエタノールを添加したエッチング媒体の表面張力を減少させ、それによりシリコン表面の濡れを改善しかつエッチング媒体のエッチングされた孔もしくは開口部もしくは中空室内への進入を改善することができる。さらに、エッチング工程の間に生じるブリスターは、エタノールを添加しない場合よりも小さく、このブリスターは被覆層の孔を通して良好に逃げることができる。従って、被覆層の孔のサイズ及び/又は気孔率は有利にアルコールの添加なしの場合よりも小さく維持できる。
【0014】
本発明のもう一つの有利な実施態様の場合、被覆層及び/又は後の空洞の領域中の開口部及び/又は孔を電気化学的方法で、有利に1種もしくは数種の前記のエッチング媒体を使用して製造する。
【0015】
さらに、電気化学的エッチング方法の使用下での本発明の有利な実施態様の場合、有利にフッ酸(HF)の使用下でのエッチング法は、エッチング工程において生じる孔又は中空室の拡大速度を、電圧の印加及びそれにより生じる1種又は数種のエッチング媒体を通過する電流の供給により影響を及ぼすようにする。孔もしくは中空室の拡大速度は特にエッチングすべきシリコン基板のドーピング、電流密度、場合によりエッチング媒体中のHF濃度及び温度により左右される。この単なる例は本発明によるエッチング方法の相対的な方法パラメータであると解釈される。
【0016】
本発明の有利な実施態様によると、エッチング媒体、エッチング媒体中のHF濃度及び/又はエッチングすべき領域のドーピング及び/又は場合によりエッチング方法の他のプロセスパラメータは、エッチング工程もしくは孔形成もしくは中空室形成が適当な方法で調整され及び/又は電圧の遮断によって有利に十分に突然に停止されるように選択される。
【0017】
唯一のエッチング媒体及び/又は2以上のエッチング媒体を用いる本発明により有利な電気化学的エッチング方法において、被覆層の領域内にエッチング媒体が存在する第1の期間では、エッチング媒体中での第1の不可欠ではない時間的一定の電流密度が調整される。該当するエッチング媒体が作成すべき空洞の領域内に存在する第2の期間では、有利に第2の不可欠ではない時間的一定の電流密度が調整され、この電流密度は第1の期間の間に調整された電流密度よりも高いか又は明らかに高い。
【0018】
それにより、空洞又は空洞の前段階物は孔もしくは中空室により形成され、空洞のエッチング工程の間のその拡大速度は多孔性の被覆層の製造のための孔の拡大速度よりも高いか又は明らかに高い。
【0019】
本発明のもう一つの有利な実施態様において、基板の被覆面の多孔性にエッチングすべき領域を、エッチング工程の前に、1種又は数種のエッチング媒体が多孔性のエッチングすべき領域に自由に到達できるが、基板の多孔性にエッチングすべきでない領域をエッチング攻撃から遮蔽するマスク層もしくは保護層で取り囲む。
【0020】
本発明の有利な実施態様によると、前記の保護層は被覆面の多孔性にエッチングすべき領域もしくは多孔性にエッチングすべき層を空洞のエッチングの間又はその後に基板のエッチングすべき部分に機械的に固定する。
【0021】
本発明の有利な実施態様において、保護層は多孔性にエッチングすべき領域もしくはエッチングすべき層のエッチングの前に、少なくともp型ドープされたシリコン基板の多孔性にエッチングすべき層の周囲をまず取り囲む領域にn型ドープ部を設けることにより作成される。これにより基板のアンダーカットは特にこの領域で十分に防止することができ、その領域内では多孔性にエッチングされた層はシリコン基板と機械的に結合している。他の場合には、特に有利に薄い多孔性の層又は開始層において、この層が基板から剥離する危険がある。さらに、窒化ケイ素層は、場合によりその下にある電気回路のマスクとして及び特にエッチング攻撃に対する保護のために使用することができる。
【0022】
これとは別に又は補足的に、n−ドーピング部もしくはn−ドーピング層の代わりに、同様に基板のアンダーカットを防止するための金属層又は金属マスクを設けることができる。しかしながら、金属層もしくは金属マスクの使用は、基板中に回路が設けられていない場合に一般に有利なだけである、それというのも基板中に金属層もしくは金属マスクの除去後にも残留する金属原子は回路の機能を損ないかねないためである。
【0023】
本発明のさらに有利な実施態様において、多孔性にエッチングされた被覆層、例えば特にシリコン層を前処理し、その後にこの層の上にエピタキシャル層、有利に十分に単結晶のシリコン層を設置もしくは堆積させる。この前処理は、必要な場合又は有利な場合に十分な単結晶のシリコン層の品質をさらに改善するために、多孔性にエッチングされた被覆層もしくは開始層中の孔を、完全に又は部分的に封鎖する。
【0024】
本発明による前処理は、多孔性にエッチングされた被覆層もしくは開始層の熱処理であり、その際、この熱処理は高い温度、例えば約900℃〜約1100℃の範囲内の温度で行われる。有利にこの熱処理は水素雰囲気、窒素雰囲気及び/又は希ガス雰囲気下で行う。
【0025】
前記の前処理とは別に又はこれに補足的に、多孔性にエッチングされたシリコン−開始層の(わずかな)酸化を考慮することができる。有利にこの酸化は、開始層が反応器中でさらされる雰囲気中に酸素を(わずかに)添加しながら酸化を行い、その際、この酸化は有利に約400℃〜600℃の範囲内の温度で行う。わずかとは、単に十分に開始層の孔が完全に又は部分的に封鎖されかつほぼネット状の酸化物構造が形成される酸化であると解釈される。この酸化物構造は、開始層上に、本来のセンサダイアフラムを形成するできる限り単結晶のシリコン層を堆積させるようにするために、本発明により多孔性にエッチングされた開始層の表面をできる限りわずかに覆われる。必要な場合に、この酸化は次のプロセス工程において、所望の状態が生じるまで除去される。
【0026】
本発明の有利な実施態様において、開始層の厚さは本質的にその上に堆積したシリコン層の厚さより薄いため、センサダイアフラムの物理的特性はプロセス技術的に良好にその厚さにおいて調整可能なシリコン層によって十分に決定される。
【0027】
本発明の有利な実施態様によると、わずかな多孔性の層もしくは開始層は例えば圧力センサのダイアフラムを形成するエピタキシャル層の堆積のために、約20%〜約50%、有利に約30%〜約40%の範囲内の、特に約33%のフッ酸能を有するエッチング媒体でエッチングされる。
【0028】
本発明のもう一つの有利な実施態様において、後の中空室もしくは空洞の前段階物を形成する多孔性の層は、約0%〜約40%、有利に約5〜約20%の範囲内の、特に20%より少ない特にフッ酸濃度を有するエッチング媒体でエッチングされる。有利にフッ酸により形成されていないエッチング媒体の残留部分は、ほぼアルコール、特にエタノールからなる。
【0029】
前記の本発明による、中空室もしくは空洞を形成するためのエッチング工程の間に、分解すべき層中の孔もしくは中空室の高い拡大速度を達成し、その際に前記の孔もしくは中空室は著しく急速に相互に重なりかつ唯一の巨大な孔を形成するために、本発明による実施態様において、本発明によるエッチング媒体が考慮される。本発明によるエッチング媒体は、約0〜約5%、有利に約1%〜約3%範囲内の、特に約5%より低いフッ酸濃度(HF−濃度)を有する。このエッチング媒体の、フッ酸により形成されていない残りの部分は、ほぼアルコール、特にエタノール及び/又は精製水からなる。
【0030】
図面
本発明による多層半導体構成素子の本発明による製造方法は、尺度は正確でない図面を使用して次の圧力センサの実施例について詳説し、この場合、同じ符号が同じ又は同等の層又は部材に付されている。
【0031】
図1は図5に示された絶対圧力センサ500の製造段階物100の有利な実施態様の断面図を示す。図5に示された絶対圧力センサ500の製造のために、シリコン基板101の表面上にまずマスク層102を作成し、その際、このマスク層102によって覆われていない領域103が生じる。このマスク層は、例えば窒化物層、n型ドープした層(p型ドープしたシリコン基板の場合)又はその他の次に使用するエッチング媒体から十分に攻撃されないような適当な層である。
【0032】
シリコン基板101の上側を電気化学的に適当なエッチング媒体を用いて、エッチング媒体が覆われていない領域103の直ぐ下のシリコン基板101中に小さな開口又は孔を作成するようにエッチングする。こうして、わずかな気孔率を有するシリコン層104が得られる。このシリコン層104の小さな開口もしくは孔を通してエッチング媒体はシリコン基板101のより深くにある領域に達し、同様にそこに存在するシリコン中に孔を形成させる。この場合に、多孔性シリコン層104の下方に多孔性シリコン層105が生じる。
【0033】
電気化学的エッチング、特に湿式エッチングのためのエッチング媒体は、有利にフッ酸(HF)又は又は特にフッ酸(FH)を含有するエッチング媒体である。本発明の場合に、有利にシリコン基板101の上側と下側との間に電界が生じ、その際、調節された電界強度はもしくは調節された電流密度によって、孔もしくは開口もしくは中空室の拡大する速度が影響を受ける。
【0034】
多孔性シリコン層104は、マスク層102により覆われていない領域103の直ぐ下の領域に生じるようにするために、覆われていない領域103上にエッチング媒体を適用した後に、一定の電流密度を調整する。この電流密度は、有利に、覆われていない領域103の直ぐ下のシリコン基板101に開口もしくは孔が生じるように選択される。
【0035】
この第1の工程で調整された、不可欠ではない一定の電流密度のためのもう一つの重要な基準は、シリコン基板101中の適当な開口もしくは孔が覆われていない領域103の直ぐ下に生じるような電流密度を調整することにある。特に、エッチング工程の間に形成される多孔性シリコン層104上に、本来のセンサーダイアフラムを形成する、十分に単結晶のシリコン層が析出できるような開口もしくは孔が適している。従って、この開口もしくは孔は適切なサイズもしくは適切な直径を有する必要がある。有利な開口もしくは孔は例えば約10〜100nm、有利に約10〜30nmの直径を有する。
【0036】
これは単に適切な開口もしくは孔の例であると解釈される。
【0037】
エッチング媒体が多孔性シリコン層104を通り抜けた後、第2の工程で有利にこの電流密度を第1の工程の間の電流密度と比べて高め、それにより、孔もしくは中空室の拡大速度を向上させ、多孔性シリコン層104中の孔と比べてより大きな孔をシリコン層105中に生じさせる。
【0038】
エッチング媒体により分解されたシリコンはエッチング工程の間に及び/又はその後に多孔性シリコン層104内の開口もしくは孔を介して除去され、新たなエッチング媒体が供給される。
【0039】
図1に示された、圧力センサもしくは中空室の製造段階物の本発明による方法の有利な第1の態様において、後の中空室201(図2)の製造のためのエッチング工程は、適当なプロセスパラメータの選択及び/又は1以上の適当なエッチング媒体の選択によって、後の中空室201を形成するシリコン層105の気孔率を十分に大きくするように調整される。「十分に」とは、有利に80%より大きく100%より小さい気孔率であると解釈される。その後に熱処理が行われる。この熱処理は有利に水素雰囲気、窒素雰囲気又は希ガス雰囲気下で及び/又は約900℃を上回る温度で行われる。シリコン層105の高い気孔率に基づき、この孔の熱処理の際に、わずかな多孔性ののシリコン層104の下側で1つの大きな孔が生じ、つまり図2において示された中空室もしくは図示された空洞201が生じるように再編成される。わずかな多孔性のシリコン層104の上側の孔は、その上に適当なセンサダイアフラムが十分に単結晶シリコン層として析出できるように熱処理もしくは高温工程の際に十分に閉鎖される。
【0040】
圧力センサもしくは中空室201の製造のための、図示されていない、同様に有利な本発明による第2の態様において、わずかな多孔性のシリコン層104の形成後のプロセスパラメータは、孔もしくは中空室の拡大速度がシリコン層104の下側の薄い移行層の内部で著しく高まり、その結果、この孔は前記の移行層中で癒着するかもしくは相互にほぼ重なるように調整される。換言すれば、前記の移行層はまず平面状の中空室であり、この中空室がさらなるエッチング工程の間に深部へ成長し、最終的に中空室もしくは空洞201を形成する。つまり、最初に孔がエッチングされて、次いで拡大するのではなく、移行層である平面状の「巨大な孔」がゆっくりと深部へ成長する。本発明の場合に、1種及び/又は数種のエッチング媒体が易揮発性成分を有しているのが有利である。アルコール、例えばエタノールを使用するのが有利である。
【0041】
必要であるか又は有利な場合に、本発明の場合に、基板101の被覆面で多孔性にエッチングすべき領域にマスク層及び/又は保護層を設け、この層が、被覆面の多孔性にエッチングすべき層、つまりシリコン層104を、エッチングの間及びその後もしくは中空室201の作成の間、基板のエッチングされない被覆面の領域中のその結合箇所に機械的に結合するようにする(図示していない)。
【0042】
このような保護層は、例えばp型ドープされたシリコン基板101の被覆面の多孔性にエッチングすべきシリコン層104の少なくとも最も近くにある領域がn型ドープ部を設けることにより作成することができる。それにより、シリコン層104とシリコン基板101との間の結合箇所もしくは界面の領域でのシリコン基板101のアンダーカットを十分に避けることができる。さらに、シリコンエピタキシャル層301もしくは401(図3及び4)の開始層を形成する有利に薄い多孔性のシリコン層104を確実にシリコン基板101に固定することも考慮することができる。
【0043】
図3は、多孔性シリコンダイアフラムもしくはシリコン層104を前処理し、次いで十分に単結晶のシリコン−エピタキシャル層301を設けた後の、図2に示した製造段階物をベースとして作成された、図5に示されている絶対圧力センサ500のさらなる製造段階物の第1の態様の断面図を表す。エピタキシャル層301のエピタキシープロセスもしくは堆積の際の圧力が、中空室201内に封入された圧力を定義する。
【0044】
有利な本発明による前処理は、多孔性シリコン層104の熱処理からなる。高い温度、例えば約900℃〜約1100℃の範囲内の温度で熱処理を行うか及び/又は水素雰囲気、窒素雰囲気及び/又は希ガス雰囲気下で熱処理を行うのが有利である。
【0045】
この前処理は、多孔性にエッチングされる単結晶シリコン層104中の孔を十分に封鎖するため、このシリコン層104上に十分に単結晶のシリコン−エピタキシャル層301を堆積できる。このような前処理は、堆積されたシリコン層の品質が前処理なしでも要求を満たしている場合には、特に費用上の理由から行わなくてもよいことがわかる。
【0046】
それに対して図4は、多孔性シリコンダイアフラムもしくはシリコン層104に、前処理なしで同様に十分な単結晶のシリコン−エピタキシャル層401を設けた後の、図2に示した製造段階物をベースとして作成された、図5に示されている絶対圧力センサ500の他の製造段階物の第2の態様の断面図を表す。エピタキシャル層401のエピタキシープロセスもしくは堆積の際の圧力が、中空室201内に封入された圧力を定義する。エピタキシャル層301もしくは401の製造のためのキャリアガスとして水素を用いたエピタキシープロセスの場合、主に水素が中空室201内に封入される。このエピタキシーはほぼ大気圧で、それにより前記の大気圧より低いプロセス圧力で比較的高い成長速度で行われる場合には、封入される水素圧は約1barである。例えば窒素雰囲気下での本発明による高温工程の際に、水素はそのわずかな分子サイズに基づき及び水素濃度勾配に基づき、基板との関係で通常薄いエピタキシャル層301もしくは401を通過して拡散する。それにより、空洞201中にはほぼ真空が生じる。このような本発明による製造工程は、特に絶対圧力センサの製造の際に有利である。この中空室は一般に大気圧と比べて低い圧力、特に真空を有する。さらに、有利に、本発明による高温工程が水素雰囲気下で実施され、その際に水素雰囲気の圧力は有利に、全体圧力センサの空洞中もしくは中空室中で望ましい圧力に調整できる。
【0047】
空洞201中に十分な真空を製造するための前記の方法は、キャリアガスとして水素を用いるエピタキシープロセスの場合であっても、約1barより高い又はより低い総圧力下で使用することができることはわかる。
【0048】
図5中には、図3又は4中に示された製造段階物をベースとして製造された絶対圧力センサ500の断面図を示す。この絶対圧力センサ500の場合、十分な単結晶シリコン−エピタキシャル層301もしくは401の上に公知の方法で単結晶の、ピエゾ抵抗性の抵抗501及び配線502がドープされたシリコンから製造されている。
【0049】
図6中には、図5に示した絶対圧力センサ500をベースとして製造された絶対圧力センサ600の断面図を示す。図5中に示された絶対圧力センサ500は公知のように集積回路601、602及び603を備えている。
【0050】
図7は、ラテラルな通路702を介して中空室もしくは空洞への進入開口部701を備えた本発明による差圧センサ700の第1の態様の断面図を示す。図7中に示された、本発明による差圧センサ700の第1の態様は、図6に示された絶対圧力センサ600と同様に製造される。
【0051】
差圧センサのために、ダイアフラムもしくはエピタキシャル層301もしくは401の背面から圧力が供給できるのが望ましい。このために、適当なエッチング技術によってダイアフラムもしくは基板101の背面から開口703を作成する必要がある。有利に十分に垂直な壁を有する開口部703は例えばドライエッチング、例えばプラズマエッチング又はトレンチエッチングによって作成することができる。プラズマエッチング又はトレンチエッチングは酸化物層で停止する。本発明の場合には、中空室201が酸化物層を備えているようにする。この中空室の酸化は、シリコン−エピタキシャル層301もしくは401の堆積の前には不可能である、それというのもわずかな多孔性のシリコン層もしくは開始層104上に不所望な多結晶エピタキシャル層を成長されてしまうためである。
【0052】
図7及び8による実施例のように、進入開口部701はダイアフラム領域の外側にある場合、マスク層102中にラテラルな通路702を考慮しなければならず、かつこのラテラルな通路702は中空室もしくは空洞201と一緒に前記したように製造しなければならない。
【0053】
エピタキシャル層301もしくは401の堆積後に、例えばドライエッチングにより1又は数個の孔又は開口701をエピタキシャル層の上側から中空室201にまで作成する。これは(図示されていない)ダイアフラム領域(開口部703の上方のエピタキシャル層301もしくは401の領域、図8も参照)内か又は図7又は8に示したようにダイアフラム外で行うことができる。
【0054】
中空室201、ラテラルな通路702並びに進入開口部701の製造後に、この中空室もしくは空洞、ラテラルな通路702及び進入開口部701の壁部は、公知の方法により酸化工程で酸化される。
【0055】
この酸化物層は、場合によりすでに回路部材の製造のために必要であり、場合により付加的費用を必要としない。進入開口部701のサイズの適当な選択の際に、この進入開口部701は酸化工程によりすでに封鎖される。その他には、この進入開口部701は特別な封鎖工程により又は回路素子の作成のために必要な他のプロセス工程を利用することによって、例えば酸化物、窒化物、金属等の堆積により、封鎖することができる。
【0056】
次の方法工程において、開口部703が基板もしくはウェハ101の下側からドライエッチング、例えば特にトレンチエッチングにより作成される。このエッチングプロセスは中空室の下側の境界の酸化物層で停止する。これに引き続くエッチング工程、例えばドライエッチング工程又は湿式エッチング工程により、中空室の下側の境界の薄い酸化物層及び場合によりウェハの背面上に存在する酸化物マスクを除去し、中空室もしくは空洞201を開放する。
【0057】
図9は、中空室201への進入開口部901を備えた本発明による差圧センサ900の第2の態様の断面図を示す。図7及び8との関連で記載したように、ラテラルな通路702が作成される。図7及び8に示された本発明による差圧センサ700の第1の態様での進入開口部701の代わりに、図9中に示された差圧センサ900の場合に酸化物−停止層902がラテラルな通路702の少なくとも上方のエピタキシャル層301もしくは401上に堆積させる。図7及び8との関連で記載した方法と同様に、後続するエッチング工程において開口部901は、特にトレンチエッチングにより酸化物−停止層902の下側に作成される。このエッチングプロセスはこの場合ラテラルな通路702の領域内で、エピタキシャル層301もしくは401の上方に存在する酸化物−停止層902の下側で停止する。
【0058】
エピタキシャル層301もしくは401の安定性を向上させるために、酸化物−停止層902を他の層により補強することができる。同様に、小さなラテラルな通路を使用せずに、ダイアフラム領域の開口部(図示されていない)を設置することも考えられる。
【0059】
図10は、唯一の厚い多孔性層1001を備えた本発明による差圧センサ1100もしくは1200の第3の態様の製造段階物1000の断面図を示す。この厚い多孔性層1001は、図1〜4との関連で詳説したと同様に作成される。しかしながら多孔性層1001は有利に、わずかな多孔性のシリコン層104よりも明らかに厚い。差圧センサ700及び900と異なるのは、中空室もしくは空洞201の作成が一方が開口した中空室1101もしくは1201(図11及び12参照)の形成の前に必要ないことである。1002で示される領域は基板101のドープされた領域であり、この領域は、一方が開口する中空室(図11〜14参照)にわたって延在するダイアフラムの縁部でのアンダーカットの境界である。このことは、高いエッチング深さに基づき例えば約50μmの厚い多孔性層1001の作成のために有利である。このダイアフラムはそれによりダイアフラム縁部でいくらか硬質である。
【0060】
本発明による差圧センサ1100もしくは1200の図10に示された製造段階物から出発し、有利に、等方性又は異方性エッチング技術を用いて、有利に高速トレンチ技術(Hochratentrenchen)を用いて、基板もしくはウェハ101の裏側から一方が開口する中空室1101もしくは1201を製造する。
【0061】
厚い多孔性層1001中に存在する孔に基づき、前記の層は周辺の支持体材料に対して選択的にエッチング溶液又はエッチングガスによって除去される。この除去は、進入開口部のエッチングと同じプロセス工程で、センサダイアフラムの背面まで及び一方が開口する中空室1101もしくは1201が形成されるまで行われる。
【0062】
一方が開口する中空室1101の幅は、ダイアフラム領域の幅もしくは多孔性層1001の幅よりも小さく、それに対して、一方が開口する中空室1201の幅は、ダイアフラム領域の幅もしくは多孔性層1001の幅よりも大きい。
【0063】
図13は、本発明による差圧センサ1400の第4の態様の製造段階物1300の断面図である。この製造段階物1300の場合、多孔性層1301は、図10に示された製造段階物とは異なり、基板101の下側まで延びている。この多孔性層1301は、図10〜12との関連で記載した方法で、進入開口部をエッチングする必要なく、選択的に除去することができる。多孔性層1301の選択的除去の後、センサダイアフラムもしくはエピタキシャル層401の下方には一方が開口する中空室1401が存在する。
【0064】
標準的な半導体プロセスにより、本発明による容量型絶対圧力センサ1600(図16)の図15に断面図で示された製造段階物1500が製造される。容量型絶対圧力センサ1600から送り出される測定信号の評価のための集積回路601及び603の他に、シリコン基板101の上側でシリコン基板101内にシリコン基板101の適当なドーピングにより有利に作成された底面電極1501が設けられておりかつシリコン基板101及び底面電極1501の上側に、有利に単結晶のシリコン−エピタキシャル層401が設けられている。シリコン−エピタキシャル層401の上側には底面電極1501に対して高さをずらして有利に適当なドーピングにより作成された上面電極1502がシリコン−エピタキシャル層401中に設けられている。シリコン−エピタキシャル層401の上側は、上面電極1502の領域103の外側で、エッチングにより攻撃に対して保護のためにマスク層102により覆われている。
【0065】
このマスク層102により覆われていない領域103は、すでに上記したように、有利に電気化学的に、例えばフッ酸(HF)又はフッ酸含有のエッチング媒体を使用して多孔性にエッチングされている。上面電極1502から出発して、この場合、多孔性上面電極もしくはダイアフラム1601が生じる。
【0066】
本発明の可能な実施態様の場合、上面電極1502は同様にp型ドープされたエピタキシャル層401のp型ドープされた層から形成される。p型ドープされた層をエッチング媒体により多孔性にエッチングする。底面電極1501はp型ドープされた層によって並びにn型ドープされた層によって形成されていてもよい。
【0067】
本発明の有利な実施態様において、底面電極1501並びに上面電極1502はふるい状又はネット状の、n型ドープされた層によりp型ドープされたエピタキシャル層401中にもしくはp型ドープされた基板101中に形成される。ふるい状もしくはネット状の層のn型ドープされた領域は、有利に著しく狭く、平坦であり、かつ相互に適当な間隔を有しているため、この領域はエッチング媒体により多孔性の上面電極1502の形成のために下方エッチングすることができる。
【0068】
n型ドープ層はエッチング媒体により十分に攻撃されず、エッチング媒体は、後になって中空室201を作成するために上面電極1502のふるい状又はネット状の層を貫通する。この中空室201は特に図1〜3との関連ですでに記載された方法によって作成することができる。底面電極1501のために、ふるい状又はネット状の、有利に同様にn型ドープされた層を設けることも有利である。それにより、電気化学的エッチング工程の際に有利に十分に均質な電界が生じる。
【0069】
絶対圧力センサの上面電極1502に作用する外部圧力は、上面電極1502を底面電極1501方向へたわませ、それにより、この2つの電極により構成されるキャパシタの容量が変化する。電気的に評価可能なこの容量は、上面電極に作用する絶対圧に対する尺度である。
【0070】
多孔性の上面電極1502のと接触領域におけるエピタキシャル層401のアンダーカットを避けるために、多孔性の上面電極1502の周囲のこの接触領域は有利にn型ドープされており、それにより1503で示されるn型ドープされた領域が生じる。
【0071】
本発明の第1の実施態様において、次に多孔性の上面電極もしくはダイアフラム1601上に封止層(図示されていない)、例えば窒化物層を堆積させる。この堆積の際の圧力が、中空室もしくは空洞201(この点に関する前記の記載を参照)中の圧力を定義する。圧力変化の際に、上面電極と底面電極との間の間隔は変化し、それにより容量が変化する。この容量変化は集積回路601及び603によって評価される。
【0072】
本発明の第2の実施態様において、ダイアフラム1601は酸化工程及び/又は封止層(図示されていない)、例えば酸化層によって封鎖される。酸化されたダイアフラム1601もしくは封止層上に別の層(図示されていない)、例えば特にドープされたポリシリコン層又は金属層を堆積させ、この層は(できれば構造化後に)上面電極の機能を有する。同様に上面電極は例えば他の層、例えば特にドープされていないポリシリコン層内でのドープされた領域の形で設けることができる。
【0073】
第1の実施態様並びに第2の実施態様において、例えばダイアフラム1601を特に中央のダイアフラム領域で補強するために、他の層を堆積させ、構造化することができる。
【0074】
図17は、抵抗、例えば特に多結晶のピエゾ抵抗性の抵抗又は金属薄層抵抗を備えた絶対圧力センサ2000(図20参照)の製造段階物1700の断面図を表す。表19に示した他の製造段階物1900に対する標準的な半導体プロセスにより作成された製造段階物1700は、シリコン基板101、このシリコン基板101上に堆積されたシリコン−エピタキシャル層401及びこのシリコン−エピタキシャル層401上に堆積されたマスク層102を有する。このマスク層102は、覆われていない領域103を有している。さらに、シリコン−エピタキシャル層401の上側に及びシリコン基板もしくはウェハ101とエピタキシャル層401との間に、それぞれ集積された回路601もしくは603が作成されている。
【0075】
図18は、絶対圧力センサ2000(図20参照)の作成のための製造段階物1800の第2の態様の断面図を表す。このもう一つの第2の製造段階物1800は、図17に示した製造段階物1700とは、シリコン基板101及びその上に堆積されたシリコン−エピタキシャル層401に代わり、単にシリコン基板もしくはウェハ101が絶対圧力センサ2000(図20参照)の作成のための製造段階物として用いられていることが異なっているが、図20に示した実施態様との差異はシリコン−エピタキシャル層401を有していないことである。
【0076】
前記した本発明による方法を用いて、製造段階物1700のシリコン−エピタキシャル層401の領域103中もしくは製造段階物1800のシリコン基板101の領域103中に、多孔性のシリコンダイアフラム104及びその下にある中空室もしくは空洞201を、製造段階物1700について図19に示したように作成する。
【0077】
マスク層102の除去後に、多孔性のダイアフラム104は封止層2001,例えば窒化物層、酸化物層、ポリシリコン層又は単結晶シリコン層の堆積によって又は酸化によって封鎖されている。封止層2001の堆積もしくは酸化の際に用いられた圧力は、中空室もしくは空洞201中に封入される圧力(この点について前記の記載を参照)を定義する。封止層2001上もしくは酸化されたダイアフラム(図示されていない)上に、抵抗2002、例えば多結晶のピエゾ抵抗性の抵抗又は金属薄膜抵抗を作成する。抵抗2002の作成は、例えば封止層2001上にポリシリコンを堆積させ、引き続き堆積されたポリシリコンをドーピングし、引き続き堆積されたポリシリコン層を構造化することにより行う(図示されていない)ことができる。さらに、抵抗2002は例えばポリシリコン層の堆積及びポリシリコン層の構造化されたドーピングによって作成することができる(図示されていない)。同様にストレーンゲージの使用も考えられる(図示されていない)。
【0078】
圧力変化は、多孔性のシリコン層104及び封止層2001により中空室もしくは空洞201の上方に形成されたダイアフラムにおいて変化するたわみを生じさせる。これはピエゾ抵抗性の抵抗2002の抵抗変化を伴い、この抵抗変化は有利に集積回路601もしくは603によるか又は別の回路によって評価される。
【0079】
多結晶のピエゾ抵抗性の抵抗と比べて単結晶のピエゾ抵抗性の抵抗がより長期間安定性であるため、この抵抗2002は単結晶のシリコン層である封止層2001中に作成される。
【0080】
また、圧力に依存するピエゾ抵抗性の抵抗2002は図20に示した絶対圧力センサ2000の場合、n型ドープされた抵抗により、エピタキシャル層401の範囲内に作成されており、これは後になって多孔性のシリコン層104を形成する(図示されていない)。
【0081】
差圧センサに対しては、差圧センサのダイアフラムの背面から圧力が供給できるのが望ましい。図20において断面図で示した絶対圧力センサ2000から、差圧センサ2100(図21参照)又は差圧センサ2200(図22参照)を製造するために、シリコン基板101の下側から中空室もしくは空洞201までの開口部2101もしくは開口部2201を作成する必要がある。
【0082】
本発明の場合には、開口部2101もしくは2201は有利にドライエッチング、例えばトレンチエッチングもしくはプラズマエッチングにより作成される(開口部をドライエッチングにより作成するための前記の記載を参照)。このようなエッチングプロセスは酸化物層で停止するため、図21中に示した差圧センサ2100の本発明による実施態様の場合には、中空室もしくは空洞201は酸化物層を備えている。これは、中空室もしくは空洞201が多孔性のシリコン層104の酸化により封鎖されている場合に達成される。有利に酸化された多孔性のシリコン層もしくはダイアフラム104上にシリコン層を堆積させ、その上又はその中にピエゾ抵抗性の抵抗2002を、特にこのシリコン層の適当なドーピングによって作成する。次に、シリコン基板もしくはウェハ101の背面からダイアフラム領域において、開口部2101の形の圧力供給部を、有利にトレンチエッチングプロセスを用いて製造する。このようなエッチングプロセスは、有利に、中空室もしくは空洞201の下側の境界である薄い酸化物層で停止する。それにより後続する適当なドライエッチング工程によるか又は湿式エッチング工程により、この酸化物層は場合により基板もしくはウェハ101の背面から除去することができる。この工程の場合に中空室もしくは空洞201は開放される。
【0083】
全体の酸化物を中空室もしくは空洞201から除去しかつそれにより酸化された多孔性のシリコン層104を除去するようなエッチング工程が有利である。これについては、次いで差圧センサ2100のダイアフラムの厚さが酸化された多孔性のシリコン層104上に堆積された封止層2001により決定されるという利点がある。封止層2001の層厚は、有利に著しく正確にかつ再現可能に調整することができ、これは再現可能な特性を有する差圧センサの製造を明らかに容易にする。
【0084】
図22は、図20に示した絶対圧力センサ2000をベースとして製造された第2の実施態様の差圧センサの断面図を表し、その際、図20に示した製造段階物との差異は、シリコン−エピタキシャル層401の上側及び封止層2001の間に付加的酸化物層2202を備えていることである。図21の場合と同様に、開口部2201は、有利にトレンチエッチングにより作成される。このエッチングプロセスはこの場合に酸化物層2202で停止し、中空室もしくは空洞201への圧力供給部が作成される。
【0085】
封止層2001が酸化物層により作成される場合、場合により付加的酸化物層2202を省くことができる。これは、差圧センサのダイアフラムとして用いる特に封止層2002の安定性が十分である場合に通用する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 シリコン基板中でわずかな気孔率を有するシリコンダイアフラムの作成後に、そのシリコンダイアフラムの下にそれに対して高い気孔率を多孔性のシリコン層を作成した本発明による圧力センサの製造段階物の第1の有利な実施態様の断面図
【図2】 シリコンダイアフラムの下にあるより高い気孔率を有するシリコン層を中空室にした後の図1に示した第1の製造段階物の断面図
【図3】 図2に示した製造段階物をベースとして製造した、多孔性のシリコンダイアフラムを前処理しかつ、圧力センサの本来のダイアフラムを形成するエピタキシャル層を設けた後のさらなる製造段階物の断面図
【図4】 図2に示した製造段階物をベースとして製造した、多孔性のシリコンダイアフラムに、圧力センサの本来のダイアフラムを形成するエピタキシャル層を設けた後のさらなる製造段階物の第2の実施態様の断面図
【図5】 単結晶のピエゾ抵抗性の抵抗及びドーピングされた配線を備えている、図3又は図3に示した製造段階物をベースとして製造した絶対圧力センサの断面図
【図6】 センサ中に集積回路を備えている、図5に示した絶対圧力センサの断面図
【図7】 中空室への進入開口部及びラテラルな通路を備えた本発明による差圧センサの第1の実施態様の断面図
【図8】 図7に示した差圧センサのダイアフラム領域を上から見た概略図
【図9】 中空室への進入開口部を備えた本発明による差圧センサの第2の実施態様の断面図
【図10】 唯一の厚い多孔性の層を備えた本発明による差圧センサの第2の実施態様の断面図
【図11】 第1の進入開口部を備えた図10に示した製造段階物の断面図
【図12】 第2の進入開口部を備えた図10に示した製造段階物の断面図
【図13】 基板の下側にまで達する多孔性の層を備えた本発明による差圧センサの第4の実施態様の製造段階物の断面図
【図14】 基板の下側にまで達する多孔性の層を除去した後の図13に示した製造段階物の断面図
【図15】 本発明による容量型絶対圧力センサの製造段階物の断面図
【図16】 シリコンダイアフラムの下側にある中空室を備えた多孔性のシリコンダイアフラムを作成した後の図15に示した製造段階物の断面図
【図17】 圧力を負荷した際の圧力センサのダイアフラムのたわみに基づき抵抗が変化するような抵抗を備えた圧力センサの製造段階物の第1の実施態様の断面図
【図18】 圧力を負荷した際の圧力センサのダイアフラムのたわみに基づき抵抗が変化するような抵抗を備えた圧力センサの製造段階物の第2の実施態様の断面図
【図19】 シリコンダイアフラムの下側に中空室を備えた、シリコン基板上に堆積させたシリコン−エピタキシャル層中に多孔性のシリコンダイアフラムを作成した後の図17に示した製造段階物の断面図
【図20】 多孔性のシリコンダイアフラムに封止層を設けた後の図19に示したさらなる製造段階物の断面図
【図21】 図20に示した絶対圧力センサをベースとして製造した、差圧センサの第1の実施態様の断面図
【図22】 図20に示した絶対圧力センサをベースとして製造した、差圧センサの第2の実施態様の断面図
Claims (23)
- 半導体構成素子の製造方法において、半導体構成素子のp型ドープ層内にn型ドープ層を形成することを含み、
該n型ドープ層が、開口部を有するふるい状の層またはネット状の層の少なくとも1つを含み、
該n型ドープ層の開口部を介してp型ドープ層を多孔性にエッチングし、
多孔性にエッチングされたp型ドープ層が、半導体構成素子の中空室を形成するように構成され、且つ、
該n型ドープ層の下側に中空室を形成する、
半導体構成素子の製造方法。 - さらに、上面電極上に封止層を堆積することを含み、該封止層堆積の際の圧力が、中空室内の圧力を定義する、請求項1記載の方法。
- さらに、素子内で上面電極の下側に底面電極を形成することを含み、該底面電極は第2のふるい状の層または第2のネット状の層の少なくとも1つを含む、請求項1に記載の方法。
- さらに、p型ドープ層内でのn型ドープ層の形成前に、半導体基板上にエピタキシャル法を使用してp型ドープ層を形成することを含む、請求項1記載の方法。
- さらに、多孔性にエッチングされたp型ドープ層の下に第2の多孔性の層を製造することによって中空室を製造することを含み、該第2の多孔性の層は70%よりも大きい気孔率を有し、該中空室を、熱処理工程により第2の多孔性の層から製造する、請求項1記載の方法。
- 半導体構成素子が、多層の半導体素子、微細工学構成素子または圧力センサの少なくとも1つを含む、請求項1記載の方法。
- 半導体基板がシリコンを含む、請求項1記載の方法。
- 第2の多孔性の層が、85%〜95%の気孔率を有している、請求項5に記載の方法。
- さらに、多孔性にエッチングされたp型ドープ層の下に第2の多孔性の層を製造することによって中空室を製造することを含み、中空室形成工程が、多孔性にエッチングされたp型ドープ層および第2の多孔性の層の、進入開口部または一方が一方向に開口した中空室の1つを形成するサブステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 中空室形成工程が、多孔性にエッチングされたp型ドープ層および第2の多孔性の層の少なくとも1つを、進入開口部または一方が開口した中空室を介して、部分的または完全に除去するサブステップを含む、請求項9に記載の方法。
- 中空室形成工程が、唯一の平面状の中空室を、多孔性にエッチングされたp型ドープ層の下に形成し、該唯一の平面状の中空室を深部方向へ拡大して、中空室を形成するサブステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 多孔性にエッチングされたp型ドープ層および第2の多孔性の層の1つを、少なくとも1つのエッチング媒体によって製造する、請求項5に記載の方法。
- 半導体構成素子が多層の半導体素子を含み、且つ多孔性にエッチングされたp型ドープ層および第2の多孔性の層の少なくとも1つを、それぞれの製造工程において、該半導体素子の上側と下側との間に電界を印加して電流を設定することによって製造する、請求項5に記載の方法。
- 唯一の平面状の中空室形成工程が、第2の多孔性の層の孔および中空室の1つが相互にラテラルな方向に重なって唯一の平面状の中空室を形成するようにプロセスパラメータを選択するサブステップを含む、請求項11に記載の方法。
- さらに、基板上にエピタキシャル層を堆積させる工程を含む、請求項1に記載の方法。
- エピタキシャル層が、シリコン層を含む、請求項15に記載の方法。
- エピタキシャル層が、単結晶シリコン層を含む、請求項15に記載の方法。
- 中空室を、
多孔性にエッチングされたp型ドープ層の下に唯一の平面状の中空室を形成する工程と、
該唯一の平面状の中空室を深部方向へ拡大して、中空室を形成する工程
とを含む、電気化学的なエッチング工程によって直接的に製造する、請求項1に記載の方法。 - 多孔性にエッチングされたp型ドープ層を製造するための電気化学的エッチング工程の電流密度を、中空室を製造するための電気化学的エッチング工程における電流密度に高める、請求項18に記載の方法。
- 基板の裏側から開口部を製造する段階を含み、該開口部は中空室と接続されている、請求項1に記載の方法。
- 半導体構成素子の製造方法において、半導体構成素子のp型ドープ層内にn型ドープ層を形成することを含み、
該n型ドープ層が、開口部を有するふるい状の層またはネット状の層の少なくとも1つを含み、
該n型ドープ層の開口部を介してp型ドープ層を多孔性にエッチングし、
多孔性にエッチングされたp型ドープ層が、半導体構成素子の中空室を形成するように構成され、且つ、
多孔性にエッチングされたp型ドープ層の下に第2の多孔性の層を製造することによって、該n型ドープ層の下側に中空室を形成し、第2の多孔性の層は、70%より大きな気孔率を有し、
該中空室を、熱処理によって第2の多孔性の層から製造する
工程を含む、半導体構成素子の製造方法。 - 半導体構成素子の製造方法において、半導体構成素子のp型ドープ層内にn型ドープ層を形成することを含み、
該n型ドープ層が、開口部を有するふるい状の層またはネット状の層の少なくとも1つを含み、
該n型ドープ層の開口部を介してp型ドープ層を多孔性にエッチングし、
多孔性にエッチングされたp型ドープ層が、半導体構成素子の中空室を形成するように構成され、且つ、
該n型ドープ層の下側に中空室を形成し、
該中空室形成工程が、多孔性にエッチングされたp型ドープ層の下に唯一の平面状の中空室を形成し、該唯一の平面状の中空室を深部方向へ拡大して、中空室を形成するサブステップを含む、
半導体構成素子の製造方法。 - 半導体構成素子の製造方法において、半導体構成素子のp型ドープ層内にn型ドープ層を形成することを含み、
該n型ドープ層が、開口部を有するふるい状の層またはネット状の層の少なくとも1つを含み、
該n型ドープ層の開口部を介してp型ドープ層を多孔性にエッチングし、
多孔性にエッチングされたp型ドープ層が、半導体構成素子の中空室を形成するように構成され、且つ、
該n型ドープ層の下側に中空室を形成し、
該中空室を、
多孔性にエッチングされたp型ドープ層の下に唯一の平面状の中空室を形成する工程と、該唯一の平面状の中空室を深部方向へ拡大して、中空室を形成する工程
とを含む、電気化学的なエッチング工程によって直接的に製造する、半導体構成素子の製造方法。
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