DE3781388T2

DE3781388T2 - Leitungsnetz-struktur fuer halbleiter-drucksensor.

Info

Publication number: DE3781388T2
Application number: DE8787118165T
Authority: DE
Inventors: Masanori C O Yokoha Nishiguchi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1986-12-08
Filing date: 1987-12-08
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2007-12-09
Also published as: EP0271062A3; AU602740B2; AU8220387A; US4908693A; EP0271062B1; CA1314410C; DE3781388D1; EP0271062A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verdrahtungsstruktur eines Halbleiterdruckfühlers, genauer gesagt die Verdrahtungsstruktur eines Halbleiterdruckfühlers, wie eines medizinischen Halbleiterdruckfühlers, der an der Spitze eines Katheders angebracht ist, und bei dem die Zunahme der Verdrahtung oder die Auslegung eines Schaltkreismusters ohne weiteres gemacht werden kann.
Ein Halbleiterdruckfühler ist entwickelt worden, wobei auf die Tatsache Augenmerk gelegt worden ist, daß, wenn eine mechanische Spannung auf einen Halbleiterkristall, wie Silizium, angewandt wird, das Widerstandsvermögen des Kristalls in hohem Maße auf Grund des Piezowiderstandseffektes geändert wird. Ein herkömmlicher Halbleiterdruckfühler, wie er entweder aus JP-A-61,14563 oder JP-A-60,129,654 bekannt ist, hergestellt, indem Dehnungsmeßwiderstände auf der Oberflächenschicht eines Siliziumeinkristallsubstrats durch Fusion ausgebildet werden, wobei eine Wheatstone-Brücke durch Verdrahten der vier Dehnungsmeßwiderstände durch diffundierte Leiterabschnitte gebildet wird und Al-Anschlußflächen an den diffundierten Leitungsabschnitten vorgesehen werden, und ferner eine Ätzstoppschicht in dem Substrat ausgebildet wird, so daß eine dünne Membran, die durch einen Druck verformt werden kann, durch Entfernen der Rückseite des Siliziumeinkristalls durch Ätzen gebildet wird.
Der vorstehend beschriebene Halbleiterdruckfühler ist sehr klein. Insbesondere muß für die medizinische Verwendung, da eine Vielzahl von Halbleiterdruckfühlern an der Spitze eines Katheders befestigt wird, der in einen Körper eingeführt wird, die Länge einer Seite eines Chips ungefähr 1 mm oder weniger selbst dann sein, wenn periphere Schaltkreise eingeschlossen sind, wie ein Temperaturausgleichsschaltkreis. Da ferner die Fühler an der Kathederspitze angeordnet sind, müssen die Al-Anschlußflächen an einer Seite der Oberfläche des Halbleiterdruckfühlers angeordnet sein, die mit den Dehnungsmeßwiderständen, Fühlern u.ä. durch die diffundierten Anschlußbereiche mit einer vorbestimmten Breite verdrahtet sind.
Die oben genannte Verdrahtungsstruktur mit nur diffundierten Leitungsbereichen auf dem Substrat weist Nachteile auf, daß, da wenigstens zwei Verdrahtungsleitungen vorgesehen werden müssen, wenn ein Element, wie ein Fühler oder ein Transistor auf der Substratoberfläche hinzugefügt wird, andere Verdrahtungsleitungen in hohem Maße durch das Hinzufügen beeinträchtigt werden, so daß die Flexibilität bei der Auslegung des Verdrahtungsmusters, d.h. der Entwurf des Schaltkreismusters beträchtlich beschränkt wird.
Insbesondere hat der Halbleiterdruckfühler für die medizinische Verwendung eine sehr kleine Chipgröße und die Al-Anschlußflächen sind auf einer Seite des Chips angeordnet, so daß die Auslegung des Schaltkreismusters sehr schwierig in dem Fall ist, daß zwei Drahtleitungen für das Hinzufügen eines Elementes vorgesehen werden müssen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Im Hinblick auf die oben beschriebenen Schwierigkeiten beim Stand der Technik besteht die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung darin, eine Verdrahtungsstruktur eines Halbleiterdruckfühlers zu schaffen, bei der das Verdrahten für das Hinzufügen von Elementen leicht durchgeführt werden kann, indem eine Ätzstoppschicht als die Verdrahtung verwendet wird.
Gemäß der Verdrahtungsstruktur des Halbleiterdruckfühlers nach der vorliegenden Erfindung kann ein Anschluß eines Elementes auf einem Substrat mit der Ätzstoppschicht durch einen Verbindungsbereich verbunden werden, der zwischen einer ersten vorbestimmten Position des Substrats und der Ätzstoppschicht und zwischen einer zweiten vorbestimmten Position des Substrats und der Ätzstoppschicht gebildet wird, und einem leitenden Diffusionsbereich, der zwischen der ersten vorbestimmten Position des Substrats und dem Anschluß und zwischen der zweiten vorbestimmten Position des Substrats und einer der Al-Anschlußflächen gebildet wird, so daß ein Teil der Verdrahtung durch die Ätzstoppschicht ersetzt werden kann. Demgemäß kann die Auslegung des Schaltkreismusters ohne weiteres für das Hinzufügen von Elementen, das mit der Zunahme von Verdrahtungsleitungen verbunden ist, durchgeführt werden.

KURZE BESCHREIBUNGEN DER ZEICHNUGEN

Fig. 1 ist eine Längsschnittsdarstellung, die die Verdrahtungsstruktur eines Halbleiterdruckfühlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die längs der Linie A-A in Fig. 2 genommen ist,
Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung, die den Halbleiterdruckfühler zeigt,
Fig. 3 ist eine Längsschnittsdarstellung, die die Verdrahtungstruktur eines Halbleiterdruckfühlers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt und die längs der Linie A-A in Fig. 4 genommen ist,
Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung, die den Halbleiterdruckfühler zeigt, und
Fig. 5 ist eine Querschnittsdarstellung, die die Verdrahtungsmusterschicht zeigt und die längs der Linie B-B der Fig. 3 genommen ist.

BESCHREIBUNG IM EINZELNEN DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 ist eine Längsschnittsansicht, die die Verdrahtungsstruktur eines Halbleiterdruckfühlers gemäß einer Auführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und Fig.2 ist eine Querschnittsansicht des Halbleiterdruckfühlers.
Die typische Dicke des Halbleiterdruckfühlers beträgt ungefähr 400 m. Ein Sensorchip 4 ist zusammengesetzt aus einer Ätzstoppschicht 2, die eine Bor-Ionenkonzentration von 7,0 x 10¹&sup9; Ionen/cm³ oder mehr und eine Dicke von ungefähr 2 um aufweist, die durch Implantation von Bor-Ionen hoher Konzentration in ein Substrat 1 eines Siliziumeinkristalls vom n&supmin;-Typ oder durch Niederschlag und Diffusion gebildet ist, und einer epitaxial-gewachsenen Schicht 3, die eine Dicke von ungefähr 10-20 um besitzt und auf der Ätzstoppschicht 2 gebildet ist.
Die Rückseite des Sensorchips 4 wird durch Ätzen entfernt, um eine Membran 5 mit der Dicke von 10-20 um zu bilden. Dehnungsmeßwiderstände vom P&supmin;-Typ 61, 62, 63 und 64, deren Leitungswiderstand sich aufgrund des Piezowiderstandseffektes ändert, sind durch Diffusion auf der Oberfläche der Membran 5 gebildet. Al-Anschlußflächen 7 sind an einem Ende des Sensorchips 4 vorgesehen und ein Temperatursensor 8 zum Ausgleich des Einflusses auf die Dehnungsmeßwiderstände durch die Umgebungstemepratur ist an dem anderen Ende des Sensorchips für die Al-Anschlußflächen 7 vorgesehen. Eine Isolierschicht aus SiO&sub2;, SiN oder SiOxNy ist auf der Oberfläche des Sensorchips ausgebildet.
Die Verdrahtung des oben genannten Sensorchips wird in folgender Weise durchgeführt: Durch die P&spplus;-Typ-Diffusion Leitungsabschnitte 9 werden die äußerten Al-Anschlußflächen 7 mit dem Temperatursensor 8 und die Dehnungsmeßwiderstände 61, 62, 63 und 64 miteinander in Reihe verbunden. Die Diffusionsleitungsabschnitte 9, die mit den Dehnungsmeßwiderständen verbunden sind, werden mit den Al-Anschlußflächen 7 verbunden, die an einem Ende des Sensorchips 4 vorgesehen sind.
Als nächstes wird die Verdrahtung der Teile, die schwierig zu verdrahten sind, beispielsweise die Verdrahtung zwischen der Al-Anschlußfläche 7a und dem Dehnungsmeßwiderstand 62 durch die Ätzstoppschicht 2 hindurch durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Öffnungen 11a und 11b, die sich zu wenigstens nahe dem Bereich der Ätzstoppschicht 2 erstrecken, durch anisotropes Ätzen an Positionen ausgebildet, die zur Verdrahtung geeignet sind, beispielsweise in den Nachbarbereichen der Al-Anschlußfläche 7a und des Dehnungsmeßwiderstandes 62. Dann wird ein Diffusionsbereich 12a vom p&spplus;-Typ zwischen der Al- Anschlußfläche 7a und der Öffnung 11a und in der Umgebungsoberfläche der Öffnung 11a gebildet. In ähnlicher Weise wird ein Diffusionsbereich 12b von p&spplus;-Typ zwischen dem Dehnungsmeßwiderstand 62 und der Öffnung 11b und in der Umgebungsoberfläche der Öffnung 11b ausgebildet.
Demgemäß wird die Verdrahtung über den Weg Al-Anschlußfläche 7a -> den Diffusionsbereich 12a vom p&spplus;-Typ -> die Ätzstoppschicht 2 -> den Diffusionsbereich 12b vom p&spplus;-Typ -> den Dehnungsmeßwiderstand 62 durchgeführt, so daß die Al-Anschlußfläche 7, die auf einer Seite des Sensorchips 4 vorgesehen ist, leicht mit dem Dehnungsmeßwiderstand oder ähnlichem durch die Ätzstoppschicht 2 hindurch verbunden wird.
Die Verbindung zwischen der Al-Anschlußfläche 7a und dem Dehnungsmeßwiderstand 62 kann auch hergestellt werden, indem Diffusionsleiterabschnitte für die Al-Anschlußfläche 7a und für den Dehnungsmeßwiderstand 62 gebildet werden, leitende Ionen wie Bor-Ionen, in die Diffusionsleiterabschnitte bis zu der Ätzstoppschicht 2 hinauf implantiert werden.
Fig. 3 ist eine Längsschnittsansicht, die die Verdrahtungsstruktur eines Halbleiterdruckfühlers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die den Halbleiterdruckfühler zeigt, und Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, die die Verdrahtungsmusterschichten zeigt. Der Halbleiterdruckfühler ist bei dieser Ausführungsform demjenigen, der in Fig. 1 gezeigt ist, ähnlich, und dieselben Bezugszeichen werden für die gleichen Teile oder ähnliche Teile in allen Zeichnungen verwendet. Die Dicke des Halbleiterfühlers beträgt bei dieser Auführungsform auch 400 um. Ein Sensorchip 4 wird hergestellt, indem eine Ätzstoppschicht 2 mit einer Bor-Ionenkonzentrationen von 7,5 x 10¹&sup9; Ionen/cm³ oder mehr und der Dicke von ungefähr 2 um und Verdrahtungsschichten 30 und 40 parallel zu der Ätzstoppschicht 2 (siehe die Verdrahtungmusterschicht, die in Fig. 5 gezeigt ist) durch Implantation einer hohen Bor-Ionenkonzentration in ein Substrat 1 eines Siliziumeinkristalls vom n&supmin;-Typ oder durch Ablagerung und Diffusion gebildet wird, und durch eine Epitaxiewachstumsschicht 3 mit der Dicke von ungefähr 10 - 20 um auf der Ätzstoppschicht und den Verdrahtungsschichten 30 und 40 gebildet wird.
Ferner wird eine Membran 5 mit der Dicke von 10 - 20 um gebildet, indem die Rückseite des Sensorchips 4 durch Ätzen entfernt wird, und Dehnungsmeßwiderstände vom p&supmin;-Typ 61, 62, 63 und 64, deren Leitungswiderstand durch den Piezowiderstandseffekt geändert wird, werden durch Diffusion auf der Oberfläche der Membran 5 gebildet. Al-Anschlußflächen 7 sind auf einer Seite des Sensorchips 4 vorgesehen, und ein Temperaturfühler 8 zum Ausgleich der Einwirkung auf die Dehnungsmeßwiderstände durch die Umgebungsstemperatur ist auf der anderen Seite des Sensorchips 4 vorgesehen. Eine aus SiO&sub2;, SiN oder SiOxNy gebildete Isolierschicht 10 ist auf der Oberfläche des Sensorchips 4 ausgebildet.
Die Ätzstoppschicht 2 bestimmt nicht nur die Dicke der Membran 5, sondern wird auch für die Verdrahtung verwendet.
Die Dehnungsmeßwiderstände 61, 62, 63 und 64 sind miteinander in Reihe durch Diffusionsleitungsabschnitte 9 vom p&spplus;-Typ auf der Oberfläche des Sensorchips 4 verbunden. Die Diffusionsleitungsabsschnitte 9 sind mit den Al-Anschlußflächen 7 verbunden, die auf einer Seite des Sensorchips 4 vorgesehen sind. Eine Wheatstone-Brücke wird durch Kombination der Al- Anschlußflächen hergestellt, an die eine Spannung von außerhalb angelegt wird und von der ein Ausgang abgenommen wird.
Als nächstes wird die Verdrahtung von Abschnitten des Sensorchips 4, wo die Verdrahtung schwierig ist, beispielswise die Verdrahtung zwischen der Al-Anschlußfläche 7a, die auf dem Diffusionsleitungsbereich 12a ausgebildet ist, und dem Diffusionsleitungsbereich 12b, der mit dem Dehnungsmeßwiderstand 62 verbunden ist, ohne weiteres durch Implantation von Bor-Ionen in die Diffusionsleitungsbereiche 12a und 12b durchgeführt, um Verdrahtungsbereiche 13 vom p&spplus;&spplus;-Typ zwischen jedem der Diffusionsleitungsbereiche 12a und 12b und der Ätzstoppschicht 2 auszubilden, die unterhalb der Diffusionsleitungsbereiche vorgesehen ist, so daß die Ätzstoppschicht 2 als die rückwärtige Verdrahtung verwendet wird.
Ferner kann die Verdrahtung zwischen dem Temperaturfühler 8, der zu dem Halbleiterdruckfühler hinzugefügt worden ist, und den Al-Anschlußflächen 7b und 7c durch die Verdrahtungsschichten 30 und 40 hindurch durch Implantation von Bor-Ionen durchgeführt werden, in ähnlicher Weise wie die Verdrahtung der Diffusionsleitungsbereiche 12a und 12b und der Ätzstoppschicht 2.
Kurz gesagt kann die Anzahl von Verdrahtungsleitungen erhöht werden, ohne die Fläche zu vergrößern, indem die Ätzstoppschicht und die Verdrahtungsschichten mit den Diffusionsleitungsbereichen verbunden werden. Demgemäß kann das Hinzufügen des Temperaturfühlers und ähnliches ohne weiteres erfolgen, und der Entwurf des Schaltkreismusters kann erleichert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Beispielweise kann, wenn ein Element zur Druckempfindlichkeit zusätzlich zu dem Temperaturfühler hinzugefügt wird, die Anzahl der Verdrahtungsleitungen erhöht werden, indem die Verdrahtungsschichten 30 und 40 unterteilt werden. Auch kann die Ionenimplantation bei der Ätzstoppschicht 2 nur an einem Bereich durchgeführt werden, und die Verdrahtungsleitungen werden von der Rückseite der Ätzstoppschicht durch Bonden herausgenommen. Ferner sind verschiedene Abwandlungen im Rahmen und Geist der vorliegenden Erfindung möglich.
Wie vorstehend beschrieben kann gemäß der Verdrahtungsstruktur der vorliegenden Erfindung ein Anschluß eines Elementes mit der Ätzstoppschicht durch einen Verbindungsbereich verbunden werden, der zwischen einer vorbestimmten Position des Substrats und der Ätzstoppschicht gebildet ist, und einem leitenden Diffusionsbereich, der zwischen der vorbestimmten Position des Substrats und dem Anschluß gebildet wird, so daß ein Teil der Verdrahtung durch die Ätzstoppschicht ersetzt werden kann. Demgemäß kann der Entwurf des Schaltkreismusters für das Hinzufügen von Elementen, das mit der Zunahme von Verdrahtungsleitungen begleitet ist, erleichtert werden.

Claims

1. Ein Halbleiter-Drucksensor, mit:

einem Sensorchip (4), welcher eine Ätzstopschicht (2) aus Verunreinigungsionen hoher Konzentration, welche durch Ionenimplatation von Verunreinigungsionen in ein Substrat eines Siliziumeinkristalles oder durch Ablagerung und Diffusion gebildet ist, und eine Epitaxiewachstumsschicht (3) eines Siliziumeinkristalls auf der Ätzstopschicht enthält;

einer Ausnehmung, die in der Rückseite des Sensorchips durch Ätzen gebildet ist;

Schaltungselement (62, 63, 8), die auf dem Sensorchip gebildet sind;

Diffusionsleitungsabschnitten (9) zum Verdrahten der Schaltungselemente;

A1-Anschlußflächen (7), die mit den Schaltungselementen über die Diffusionsleitungsabschnitte (9) verbunden sind; ferner gekennzeichnet durch: erste Verbindungsbereiche (12a, 12b), wobei einer zwischen der Ätzstopschicht (2) und einer ersten vorbestimmten Position auf der Oberfläche des Sensorchips und ein anderer zwischen der Ätzstopschicht (2) und einer zweiten vorbestimmten Position auf der Oberfläche des Sensorchips gebildet ist; und

erste Diffusionsbereiche, wobei einer zwischen der ersten vorbestimmten Position und einem der Anschlüsse der Schaltungselemente und ein anderer zwischen der zweiten vorbestimmten Position und einer der A1-Anschlußflächen derart gebildet ist, daß ein Anschluß von einem der Schaltungselemente mit einer der A1-Anschlußflächen teilweise durch die Ätzstopschicht verbunden werden kann.

2. Ein Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der erste Verbindungsbereich durch Implantation von Verunreinigungsionen gebildet ist.

3. Ein Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die ersten Verbindungsbereiche durch Vorsehen von Löchern (11a, 11b), die sich zu wenigstens dem angrenzenden Teil der Ätzstopschicht an der ersten oder zweiten vorbestimmten Position erstrecken, und durch Bilden von leitfähigen Diffusionsbereichen in dem Umgebungen der Löcher gebildet sind.

4. Ein Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, welcher ferner Verdrahtungsschichten (30, 40), die parallel zu der Ätzstopschicht gebildet sind, zweite Verbindungsbereiche (13), wobei einer zwischen einer der Verdrahtungsschichten (30, 40) und einer dritten Position auf der Oberfläche des Sensorchips und ein anderer zwischen einer der Verdrahtungsschichten (30, 40) und einer vierten vorbestimmten Position auf der Oberfläche des Sensorchips gebildet ist; und zweite Diffusionsbereiche (12a, 12b), wobei einer zwischen der dritten vorbestimmten Position und einem der Anschlüsse der Schaltungselemente und ein anderer zwischen der vierten vorbestimmten Position und einer der A1-Anschlußflächen gebildet ist, umfaßt.

5. Ein Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 4, wobei die zweiten Verbindungsbereiche (13) durch Implantation von Verunreinigungsionen gebildet sind.

6. Ein Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 4, wobei die Verbindungsbereiche durch Vorsehen von Löchern, welche sich zu wenigstens dem angrenzenden Teil des Verdrahtungsbereichs bei der dritten und vierten vorbestimmten Position erstrecken, und durch Bilden von leitfähigen Diffusionsbereichen in den Umgebungen der Löcher gebildet sind.