JP2000150916A

JP2000150916A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2000150916A
Application number: JP10320998A
Authority: JP
Inventors: Masaru Nagao; 勝長尾
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-11-11
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 2000-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコン基板上に密閉空間を有する半導体装
置を小型に構成するとともに、簡単に製造できるように
する。【解決手段】シリコン基板１０Ａ上には、密閉空間の
内部と外部とを電気的に接続する配線パターン１６ａ〜
１６ｃがガラス蓋の接合部を横切って形成されるととも
に、密閉空間の外部における配線パターン１６ａ〜１６
ｃの各端部には電極パッド１７ａ〜１７ｃが形成され
る。配線パターン１６ａ〜１６ｃ及び電極パッド１７ａ
〜１７ｃは、シリコン基板１０Ａ上に絶縁層を介して形
成された活性層を不純物拡散により低抵抗化したもので
ある。配線パターン１６ａ〜１６ｃ間は、シリコン基板
１０Ａ上に絶縁層を介して設けた高抵抗の活性層で構成
した連結帯２４ａ〜２４ｆで連結される。同一高さの配
線パターン１６ａ〜１６ｃ及び連結帯２４ａ〜２４ｆの
上面にガラス蓋が陽極接合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、角速度センサ、加
速度センサなどに適用され、シリコン基板の上面に少な
くとも接合面をガラス材で構成した蓋を陽極接合して、
同シリコン基板上に密閉空間を形成してなる半導体装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、シリコン基板上に設けた振動
子を真空中にて空気抵抗なく良好に振動させるために、
シリコン基板上にガラス蓋を陽極接合して同シリコン基
板上に密閉空間を形成した半導体装置はよく知られてい
る。この種の半導体装置においては、例えば特開平１０
−１２２８６９号公報に示されているように、シリコン
基板上であってガラス蓋との接合箇所に電極パッドを設
けるとともに、ガラス蓋の前記接合箇所に相当する位置
に予めスルーホールを設けておき、ガラス蓋とシリコン
基板とを陽極接合した後に導電ペーストをスルーホール
に流し込み、電極パッド上に電極を形成するようにして
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の半
導体装置にあっては、ガラス蓋にスルーホールを設けた
たり、同スルーホールに導電ペーストを流し込む必要が
あり、製造工程が複雑であった。また、密閉空間を形成
するためには電極パッドをスルーホールよりも大きく形
成する必要があり、電極パッドが大きくなるために半導
体装置も大きくならざるを得なかった。

【０００４】

【発明の概要】本発明は、上記問題に対処するためにな
されたもので、その目的は、簡単に製造されるとともに
小型に構成された密閉空間を有する半導体装置を提供す
ることにある。

【０００５】上記目的を達成するために、本発明の構成
上の特徴は、シリコン基板上に少なくとも接合面をガラ
ス材で構成した蓋を陽極接合して、同シリコン基板上に
密閉空間を形成してなる半導体装置において、前記シリ
コン基板上に前記密閉空間の内部と外部とを電気的に接
続する複数の配線パターンを前記蓋の接合部を横切って
形成するとともに、前記シリコン基板上であって前記密
閉空間の外部における前記複数の配線パターンの各端部
に電極パッドをそれぞれ設けたことにある。これによれ
ば、蓋に前記従来装置のようなスルーホールを設ける必
要がないとともに、電極パッドを小さく構成できるの
で、密閉空間を有する半導体装置を簡単に製造できると
ともに小型に構成できる。

【０００６】また、本発明の他の構成上の特徴は、前記
複数の配線パターンを前記シリコン基板上に絶縁層を介
してそれぞれ形成し、かつ前記シリコン基板上に絶縁層
を介して前記複数の配線パターンと同一高さに形成した
高抵抗層で前記複数の配線パターン間をそれぞれ接続し
てなり、前記蓋の接合面が前記複数の配線パターン及び
高抵抗層の上面に連続して接するようにしたことにあ
る。この場合、前記複数の配線パターン及び高抵抗層
は、例えばシリコン基板上に絶縁層を介して設けた活性
層である。これによれば、蓋とシリコン基板の接合箇所
におけるシリコン基板側の高さを簡単に同一にでき、密
閉空間の気密性を簡単に良好にできる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
を用いて説明する。図１は本発明に係る加速度を検出す
るための半導体装置１０を平面図により示しており、図
２，３は図１の２−２線及び３−３線に沿って見た断面
図である。

【０００８】この半導体装置１０は、シリコンで方形状
に形成されたシリコン基板１０Ａと、同基板１０Ａ上に
その上面から小さな所定距離だけ隔てて平行に配置され
た振動子１１とを備えている。振動子１１は、低抵抗層
でＨ形に形成されており、梁１２ａ〜１２ｄを介してア
ンカ１３ａ〜１３ｄにシリコン基板１０Ａ上にて変位可
能に支持されている。梁１２ａ〜１２ｄは、振動子１１
と同一材料で形成され、同振動子１１と同様に前記小さ
な所定距離だけシリコン基板１０Ａ上面から浮いてい
る。アンカ１３ａ−１３ｄは、振動子１１と同一材料で
方形状に形成されるとともに、シリコン基板１０Ａの上
面にシリコン酸化膜で構成した絶縁層１０Ｂを介して固
着されている。

【０００９】振動子１１のＸ軸方向両側には、シリコン
基板１０Ａ上に絶縁層１０Ｂを介して固着した櫛歯状電
極１４ａ，１４ｂがそれぞれ設けられ、各櫛歯状電極１
４ａ，１４ｂは、Ｙ軸方向両側に延設されるとともにＸ
軸方向に等間隔に配置された複数の電極指を備えてい
る。振動子１１にも、振動子１１と同一材料で形成さ
れ、同振動子１１と同様に前記小さな所定距離だけシリ
コン基板１０Ａ上面から浮かせた櫛歯状電極１５ａ，１
５ｂがそれぞれ設けられている。櫛歯状電極１５ａ，１
５ｂはＹ軸方向に延設されるとともにＸ軸方向に等間隔
に配置された複数の電極指をそれぞれ備えており、これ
らの各電極指は櫛歯状電極１４ａ，１４ｂの各電極指間
に侵入している。

【００１０】この場合、櫛歯状電極１５ａの各電極指
は、櫛歯状電極１４ａの各電極指間の幅方向中心位置か
らずれて、同櫛歯状電極１４ａの各電極指のＸ軸方向外
側にて同各電極指とそれぞれ近接しており、互い近接し
た各電極指同士でコンデンサを構成している。櫛歯状電
極１５ｂの各電極指も、櫛歯状電極１４ｂの各電極指間
の幅方向中心位置からずれて、同櫛歯状電極１４ｂの各
電極指のＸ軸方向外側にて同各電極指とそれぞれ近接し
ており、互い近接した各電極指同士でコンデンサを構成
している。

【００１１】櫛歯状電極１４ａ，１４ｂ及びアンカ１３
ｃからは、Ｙ軸方向図示下方に配線パターン１６ａ〜１
６ｃがそれぞれ延設されており、同配線パターン１６ａ
〜１６ｃの外側端には方形状の電極パッド１７ａ〜１７
ｃがそれぞれ設けられている。配線パターン１６ａ〜１
６ｃ及び電極パッド１７ａ〜１７ｃは、高抵抗層で形成
される中間部１６ａ１〜１６ｃ１（図示模様の異なる部
分）を除き、振動子１１と同一材料の低抵抗層で形成さ
れるとともに、シリコン基板１０Ａの上面に絶縁層１０
Ｂを介して固着されている。この中間部１６ａ１〜１６
ｃ１も低抵抗層で形成されることが望ましいが、後述す
る製造上における拡散の問題により高抵抗層で形成され
る。しかし、中間部１６ａ１〜１６ｃ１のＸ軸方向の幅
は広いために、同中間部１６ａ１〜１６ｃ１のＹ軸方向
の抵抗値はそれほど大きくはならない。電極パッド１７
ａ〜１７ｃの上面には、アルミニウムで方形状に形成さ
れた電極１８ａ〜１８ｃが設けられている。

【００１２】また、シリコン基板１０Ａ上には、振動子
１１、梁１２ａ〜１２ｄ、アンカ１３ａ〜１３ｄ、櫛歯
状電極１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ、配線パターン
１６ａ〜１６ｃ及び電極パッド１７ａ〜１７ｃを取り囲
む方形状の帯からなるフレーム２１が設けられており、
同フレーム２１は、シリコン基板１０Ａ上に絶縁層１０
Ｂを介して固着されている。このフレーム２１は、Ｙ軸
方向における電極パッド１７ａ〜１７ｃの図示上方位置
にて、高抵抗層で形成された高抵抗部２１ａと、低抵抗
層で形成された低抵抗部２１ｂとに分けられている。

【００１３】フレーム２１の図示下辺には、図示上方に
延設されたサブフレーム２２，２３が配線パターン１６
ａ〜１６ｃの各間に進入している。これらのサブフレー
ム２２，２３も前記フレーム２１と同様に構成されると
ともに、高抵抗層で形成された高抵抗部２２ａ，２３ａ
と、低抵抗層で形成された低抵抗部２２ｂ，２３ｂとに
Ｙ軸方向における電極パッド１７ａ〜１７ｃの図示上方
位置にて分けられている。フレーム２１の低抵抗部２１
ｂの一角部内側には、前記電極パッド１７ａ〜１７ｃと
同様に構成された電極パッド１７ｄが低抵抗部２１ｂと
一体的に設けられており、同電極パッド１７ｄの上面に
はアルミニウムで方形状に形成した電極１８ｄが設けら
れている。

【００１４】また、シリコン基板１０Ａ上であって、配
線パターン１６ａ〜１６ｃと、フレーム２１の高抵抗部
２１ａ及びサブフレーム２２，２３の各高抵抗部２２
ａ，２３ａとの各間には、連結帯２４ａ〜２４ｆがそれ
ぞれ設けられている。連結帯２４ａ〜２４ｆは、シリコ
ン基板１０Ａ上に絶縁層１０Ｂを介して固着された帯状
の高抵抗層（バルク抵抗）で形成されており、各一端に
てフレーム２１及びサブフレーム２２，２３の各高抵抗
部２１ａ〜２３ａにそれぞれ接続されるとともに各他端
にて配線パターン１６ａ〜１６ｃにそれぞれ接続されて
おり、各中間部を蛇行させて各一端から各他端までの距
離を長くしている。また、この連結帯２４ａ〜２４ｆの
幅は狭く構成され、同連結帯２４ａ〜２４ｆの各一端か
ら各他端までの抵抗値は大きく設定されている。なお、
図１にてフレーム２１内の図示白い部分はシリコン基板
１０Ａの上面を示している。

【００１５】フレーム２１の高抵抗部２１ａ、配線パタ
ーン１６ａ〜１６ｃの中間部１６ａ１〜１６ｃ１、サブ
フレーム２２，２３の高抵抗部２２ａ，２３ａ及び連結
帯２４ａ〜２４ｆ上には、中央部下面に凹部を有し方形
状にガラス材料で形成したガラス蓋３０の脚部３０ａの
下面が全周に渡って陽極接合により固着されている。そ
して、このガラス蓋３０とシリコン基板１０Ａとの間に
振動子１１を収容したほぼ真空の密閉空間Ｓが形成され
ている。この場合、配線パターン１６ａはガラス蓋３０
の接合面を横切って密閉空間Ｓ内から外部に延設されて
おり、電極パッド１７ａ〜１７ｄは密閉空間Ｓの外部に
それぞれ位置する。このように構成した半導体装置にお
いては、電極パッド１７ａ〜１７ｄの電極１８ａ〜１８
ｄにワイヤボンディングなどにより電気配線を接続する
ようにすればよいので、電極パッド１７ａ〜１７ｄを小
さく構成でき、ひいては半導体装置を小型に構成でき
る。

【００１６】次に、上記のように構成した半導体装置の
製造方法について説明する。

【００１７】(１)第１工程基板材料として単結晶シリコンからなるシリコン基板１
０Ａの上面に所定厚さのシリコン酸化膜からなる絶縁層
１０Ｂを介して所定厚さの活性層を設けたＳＯＩ(Silic
on−On-Insulator)基板を用意する。この活性層は、リ
ンなどの不純物が単結晶シリコンに低レベルでドーピン
グされたもので、高抵抗シリコン層である。このような
構成のＳＯＩ基板の活性層の上面であってフレーム２１
の高抵抗部２１ａに相当するコ字状部分、並びに配線パ
ターン１６ａ〜１６ｃの中間部１６ａ１〜１６ｃ１、サ
ブフレーム２２，２３の高抵抗部２２ａ，２３ａ及び連
結帯２４ａ〜２４ｆを含む直線部分を所定幅だけマスク
して、マスクしていない部分にリンなどの不純物を拡散
させて同マスクしてない部分を低抵抗化する。これによ
り、振動子１１，櫛歯状電極１４ａ，１４ｂ、フレーム
２１の低抵抗部２１ｂなどに付した同一模様部分を含む
領域の活性層を低抵抗層としておくとともに、残りの領
域（ガラス蓋３０の脚部３０ａの下面が対向する部分）
を高抵抗層（バルク抵抗）とする。

【００１８】(２)第２工程前記活性層の上面であって振動子１１、梁１２ａ〜１２
ｄ、アンカ１３ａ〜１３ｄ、櫛歯状電極１４ａ，１４
ｂ，１５ａ，１５ｂ、配線パターン１６ａ〜１６ｃ及び
電極パッド１７ａ〜１７ｄ、フレーム２１、サブフレー
ム２２，２３及び連結帯２４ａ〜２４ｆに相当する部分
をレジスト膜にてマスクする。そして、前記レジスト膜
でマスクされていない部分の活性層をＲＩＥ（反応性イ
オンエッチング）等により除去し、アンカ１３ａ〜１３
ｄ、櫛歯状電極１４ａ，１４ｂ、配線パターン１６ａ〜
１６ｃ及び電極パッド１７ａ〜１７ｄ、フレーム２１、
サブフレーム２２，２３及び連結帯２４ａ〜２４ｆをシ
リコン基板１０Ａ上に絶縁層１０Ｂを介して形成する。

【００１９】(３)第３工程フッ酸水溶液を用いたエッチングにより、前記第２行程
にて除去された活性層に対面していた絶縁層１０Ｂを除
去するとともに、シリコン基板１０Ａと、振動子１１、
梁１２ａ〜１２ｄ及び櫛歯状電極１５ａ，１５ｂとの間
にはある絶縁層１０Ｂを除去して、振動子１１、梁１２
ａ〜１２ｄ及び櫛歯状電極１５ａ，１５ｂを、シリコン
基板１０Ｂ上に絶縁層１０Ｂの厚さ分だけ浮かせて形成
する。この場合、フッ酸水溶液を用いたエッチングによ
れば、シリコン基板１０と前記活性層で挟まれていない
部分のみならず、シリコン基板１０Ａと活性層で挟まれ
ている部分であっても外表面に近い部分も除去されるこ
とを利用している。

【００２０】(４)第４工程各電極パッド１７ａ〜１７ｄの上面に、アルミニウムを
蒸着して電極１８ａ〜１８ｄをそれぞれ形成する。

【００２１】(５)第５工程真空中にて、ガラス蓋３０の脚部３０ａの下面を、フレ
ーム２１の高抵抗部２１ａ、配線パターン１６ａ〜１６
ｃの中間部１６ａ１〜１６ｃ１、サブフレーム２２，２
３の高抵抗部２２ａ，２３ａ及び連結帯２４ａ〜２４ｆ
の上面（図１のうすい模様の方形状の所定幅の枠部分）
に密接させて陽極接合する。

【００２２】このようにして製造される半導体装置にお
いては、連結帯２４ａ〜２４ｆの各両端は、フレーム２
１の高抵抗部２１ａ、配線パターン１６ａ〜１６ｃの中
間部１６ａ１〜１６ｃ１、サブフレーム２２，２３の高
抵抗部２２ａ，２３ａにそれぞれ接続されているので、
これらにより囲まれた部分は外部と隔離された凹部を形
成している。そして、連結帯２４ａ〜２４ｆ、フレーム
２１の高抵抗部２１ａ、配線パターン１６ａ〜１６ｃの
中間部１６ａ１〜１６ｃ１及びサブフレーム２２，２３
の高抵抗部２２ａ，２３ａは、すべてシリコン基板１０
Ａ上に絶縁層１０Ｂを介して設けられた活性層であって
同一高さに設定されている。したがって、ガラス蓋３０
の脚部３０ａは、連結帯２４ａ〜２４ｆ、フレーム２１
の高抵抗部２１ａ、配線パターン１６ａ〜１６ｃの中間
部１６ａ１〜１６ｃ１及びサブフレーム２２，２３の高
抵抗部２２ａ，２３ａに良好に陽極接合され、前記密閉
空間Ｓの気密性が良好に保たれる。

【００２３】次に、上記のように構成した半導体装置１
０を用いて加速度を検出する回路例について図４を用い
て説明する。図４は、図１〜図３の半導体装置１０を模
擬的に示している。

【００２４】図４の電極１８ａ，１８ｃ間に接続された
コンデンサＣ１は、図１の電極１８ａ，１８ｃ間に電極
パッド１７ａ，１７ｃ、配線パターン１６ａ，１６ｃ及
び振動子１１を介して接続されて、櫛歯状電極１４ａ，
１５ａにより構成されたコンデンサに対応している。図
４の電極１８ｂ，１８ｃ間に接続されたコンデンサＣ２
は、図１の電極１８ｂ，１８ｃ間に電極パッド１７ｂ，
１７ｃ、配線パターン１６ｂ，１６ｃ及び振動子１１を
介して接続されて、櫛歯状電極１４ｂ，１５ｂにより構
成されたコンデンサに対応している。図４の電極１８ａ
〜１８ｃと電極１８ｄとの各間に接続された各抵抗Ｒ１
〜Ｒ３は、図１の連結帯２４ａ，２４ｂによって構成さ
れる抵抗、連結帯２４ｅ，２４ｆによって構成される抵
抗、及び連結帯２４ｃ，２４ｄによって構成される抵抗
にそれぞれ対応している。

【００２５】図４において、半導体装置１０の電極１８
ａ，１８ｂ間には直列接続された直流基準電圧源４１
ａ，４１ｂが接続されるとともに、両電圧源４１ａ，４
１ｂの中点は接地されている。また、電極１８ｄも接地
されている。電極１８ｃには、はチャージアンプ４２が
接続されている。チャージアンプ４２は、オペアンプＯ
Ｐ１、コンデンサＣ３及び抵抗Ｒ４からなり、コンデン
サＣ１，Ｃ２間の接続点から取り出した電圧信号を反転
するとともに増幅して出力する。

【００２６】次に、上記のように構成した実施形態の動
作を説明する。半導体装置１０にＸ軸方向の加速度が作
用すると、振動子１１は、シリコン基板１０Ａに対し
て、前記加速度の大きさに比例した量だけＸ軸に沿って
前記加速度と反対方向に変位する。この場合、櫛歯状電
極１４ａ，１５ａの各近接した電極指間の距離が増加
（又は減少）すれば、櫛歯状電極１４ｂ，１５ｂの各近
接した電極指間の距離は減少（又は増加）するので、櫛
歯状電極１４ａ，１５ａによって構成されたコンデンサ
Ｃ１の容量と、櫛歯状電極１４ｂ，１５ｂによって構成
されたコンデンサＣ２の容量とは、互いに反対方向に増
減変化する。

【００２７】そして、このコンデンサＣ１，Ｃ２の容量
変化を表す信号はチャージアンプ４２に供給され、同ア
ンプ４２は前記供給された信号を反転増幅して出力す
る。したがって、前記加速度を表す信号がチャージアン
プ４２から出力される。この場合、前述のように密閉空
間Ｓの真空度は良好に保たれているので、振動子１１は
空気抵抗なく変位し、速い加速度変化に対しても加速度
が良好に検出される。

【００２８】なお、上記実施形態においては、密閉空間
Ｓを形成するためにガラス蓋３０を用いたが、これに代
え、ガラス以外の材料でガラス蓋３０と同一形状に形成
するとともに接合面にガラス材料でガラス膜を形成した
蓋を用いてもよい。この場合も、フレーム２１の高抵抗
部２１ａ、配線パターン１６ａ〜１６ｃの中間部１６ａ
１〜１６ｃ１、サブフレーム２２，２３の高抵抗部２２
ａ，２３ａ及び連結帯２４ａ〜２４ｆの上面（図１のう
すい模様の方形状の所定幅の枠部分）に、前記ガラス膜
を陽極接合する。蓋を形成するガラス材料以外の材料と
してはシリコン材料を用いることができ、この場合、前
記接合面に相当するシリコン面に熱酸化膜を形成し、同
熱酸化膜上にガラス材料をスパッタリングするとよい。

【００２９】さらに、上記実施形態においては、加速度
センサに本発明を適用した例について説明したが、本発
明は、シリコン基板上に少なくとも接合面をガラス材料
で構成した蓋を陽極接合して密閉空間を有する半導体装
置には広く適用でき、例えばコリオリ力を利用した振動
型の角速度センサ用の半導体装置にも適用できる。この
場合、上記実施形態における梁１２ａ〜１２ｄをＬ字型
としてＹ軸方向にも振動子１１を変位可能とし、振動子
１１をＹ軸方向に予め一定振幅で振動させておくため
に、シリコン基板１０Ａ上に振動子１１をＹ軸方向に駆
動するための櫛歯状電極により構成した駆動部を密閉空
間Ｓ内に設けるようにすればよい。そして、この櫛歯状
電極に対しても、配線パターン１６ａ〜１６ｃと同様
に、ガラス蓋３０の接合面を横切って密閉空間Ｓの内部
と外部とを電気的に接続した配線パターンをシリコン基
板１０Ａ上に設けるとともに、同配線パターンの外側端
部に電極パッド１７ａ〜１７ｃと同様な電極パッドを設
けるようにすればよい。また、この場合も、前記配線パ
ターンと、フレーム２１及びサブフレーム２２，２３の
高抵抗部２１ａ，２２ａ，２３ａとの各間を高抵抗層で
形成した上記実施形態の連結帯２４ａ〜２４ｆと同様な
連結帯で連結するようにする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体装置の概略平面図であ
る。

【図２】図１の２−２線に沿ってみた断面図である。

【図３】図１の３−３線に沿ってみた断面図である。

【図４】図１の半導体装置を用いた電気回路例を示す
電気配線図である。

【符号の説明】

１０…半導体装置、１０Ａ…シリコン基板、１０Ｂ…絶
縁層、Ｓ…密閉空間、１１…振動子、１２ａ〜１２ｃ…
梁、１３ａ〜１３ｄ…アンカ、１４ａ，１４ｂ，１５
ａ，１５ｂ…櫛歯状電極、１６ａ，１６ｂ…配線パター
ン、１７ａ〜１７ｄ…電極パッド、１８ａ〜１８ｄ…電
極、２１…フレーム、２２，２３…サブフレーム、２４
ａ〜２４ｆ…連結帯、３０…ガラス蓋。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板上に少なくとも接合面をガ
ラス材で構成した蓋を陽極接合して、同シリコン基板上
に密閉空間を形成してなる半導体装置において、前記シ
リコン基板上に前記密閉空間の内部と外部とを電気的に
接続する複数の配線パターンを前記蓋の接合部を横切っ
て形成するとともに、前記シリコン基板上であって前記
密閉空間の外部における前記複数の配線パターンの各端
部に電極パッドをそれぞれ設けたことを特徴とする半導
体装置。
【請求項２】前記請求項１に記載した半導体装置にお
いて、前記複数の配線パターンを前記シリコン基板上に
絶縁層を介してそれぞれ形成し、かつ前記シリコン基板
上に絶縁層を介して前記複数の配線パターンと同一高さ
に形成した高抵抗層で前記複数の配線パターン間をそれ
ぞれ接続してなり、前記蓋の接合面が前記複数の配線パ
ターン及び高抵抗層の上面に連続して接するようにした
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】前記請求項２に記載した前記複数の配線
パターン及び高抵抗層は、シリコン基板上に絶縁層を介
して設けた活性層である半導体装置。