JP2006344934A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体基板と半導体基板に設けられた可動体と半導体基板と電気的に接続され外部との電気的な接続を行うためのボンディングワイヤとを備える加速度センサにおいて、ボンディングワイヤ用の電極パッドを不要として安価な構成を実現する。
【解決手段】半導体基板１０に可動体２０が設けられ、Ａｌからなるボンディングワイヤ２００によって半導体基板１０と外部とが電気的に接続されてなる加速度センサＳ１において、ボンディングワイヤ２００は半導体基板１０の表面に直接接触しており、この接触部においてワイヤ２００を構成するＡｌと半導体基板１０を構成するＳｉとが反応した反応生成物としてのＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ−Ｓｉ反応層３００を形成することにより、ワイヤ２００と半導体基板１０とが電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に可動体、ピエゾ抵抗素子、ホール素子あるいは発光素子などの素子部を形成してなる半導体装置に関する。
従来より、この種の半導体装置としては、半導体基板に、素子部として加速度や角速度などの力学量の印加に伴い変位可能な可動体を形成してなる力学量センサが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
このような半導体装置においては、外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材として、通常、金属製のワイヤボンディングにより形成されたボンディングワイヤや、ボールボンディングにより形成されたバンプなどが用いられる。
そして、半導体基板とこれら接続部材としてのボンディングワイヤやバンプとを電気的に接続するために、従来では、半導体基板の表面に、導電体膜、例えばアルミニウムなどの金属膜からなる電極パッドを、フォトリソグラフ法などによりパターニング形成していた。
そして、従来では、フォトリソグラフ法やエッチング技術などを用いて半導体基板に素子部を形成した後、この電極パッドを形成し、しかる後、半導体基板上の電極パッドと接続部材とを電気的に接続していた。こうして、半導体装置が製造されていた。
特開２００３−２４８０１６号公報
このように、従来の半導体装置では、ボンディングワイヤなどの接続部材を半導体基板に接続するための電極パッドが別途必要であり、それによって、コストの増加を招いていた。
特に、加速度センサや角速度センサなど、半導体基板に素子部としての可動体を形成してなる力学量センサにおいては、上記導電体膜による素子部内の電気的配線が不要であるにもかかわらず、この接続部材用の電極パッドのために当該導電体膜をパターニング形成しなければならず、上記したコスト増加の問題は、いっそう顕著となっている。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、半導体基板と半導体基板に設けられた素子部と半導体基板と電気的に接続され外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材とを備える半導体装置において、接続部材用の電極パッドを不要として安価な構成を実現することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板（１０）と、半導体基板（１０）に設けられた素子部（２０）と、半導体基板（１０）と電気的に接続され外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材（２００）とを備える半導体装置において、接続部材（２００）は半導体基板（１０）の表面に直接接触しており、この接触部において、接続部材（２００）と半導体基板（１０）とが電気的に接続されていることを特徴としている。
それによれば、接続部材（２００）を半導体基板（１０）の表面に直接接触させることにより、接続部材（２００）と半導体基板（１０）とを電気的に接続しているため、従来のように、半導体基板に接続部材用の電極パッドを設けなくても、接続部材（２００）と半導体基板（１０）との導通を適切に確保することができる。
したがって、本発明によれば、半導体基板（１０）と半導体基板（１０）に設けられた素子部（２０）と外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材（２００）とを備える半導体装置において、接続部材用の電極パッドを不要として安価な構成を実現することができる。
ここにおいて、請求項２に記載の発明のように、半導体基板（１０）における接続部材（２００）の接触部において、接続部材（２００）を構成する導電性の材料と半導体基板（１０）を構成する半導体とが反応した反応生成物（３００）を形成していることが好ましい。
また、請求項３に記載の発明のように、請求項１または２に記載の半導体装置においては、前記接続部材としては、ボンディングワイヤ（２００）を採用することができる。
また、請求項４に記載の発明のように、請求項１〜請求項３に記載の半導体装置においては、接続部材（２００）を構成する導電性の材料はＡｌであり、半導体基板（１０）を構成する半導体はＳｉであるものとすることによって、反応生成物（３００）はＡｌ−Ｓｉとすることができる。
また、請求項５に記載の発明のように、請求項１〜請求項４に記載の半導体装置においては、前記素子部は、力学量の印加に伴い半導体基板（１０）に対して変位可能な可動体（２０）であるものにでき、加速度センサや角速度センサなどの力学量センサに好適な態様を実現できる。
また、請求項６に記載の発明では、半導体基板（１０）を用意し、半導体基板（１０）に素子部（２０）を設けるとともに、外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材（２００）を半導体基板（１０）に電気的に接続してなる半導体装置の製造方法において、接続部材（２００）を半導体基板（１０）の表面に直接接触させた状態で、この接触部に熱処理を施すことにより、前記接触部において接続部材（２００）を構成する導電性の材料と半導体基板（１０）を構成する半導体とを反応させて反応生成物（３００）を形成することを特徴としている。
それによれば、上記した請求項２に記載されている反応生成物（３００）を有する半導体装置を適切に製造可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。
ここで、請求項７に記載の発明のように、請求項６に記載の半導体装置の製造方法においては、前記熱処理は、前記接触部に対して局所的にレーザを照射することにより行うものにできる。
また、請求項８に記載の発明のように、請求項６または請求項７に記載の半導体装置の製造方法においては、前記接続部材がボンディングワイヤ（２００）である場合、前記熱処理は、半導体基板（１０）の表面にワイヤボンディングを行うのと同時に実行することができる。
また、請求項９に記載の発明のように、請求項６または請求項７に記載の半導体装置の製造方法においては、前記接続部材がボンディングワイヤ（２００）である場合、前記熱処理は、半導体基板（１０）の表面にワイヤボンディングを行った後に実行することができる。
また、請求項１０に記載の発明のように、請求項６〜請求項９に記載の半導体装置の製造方法においては、接続部材（２００）を構成する導電性の材料はＡｌであり、半導体基板（１０）を構成する半導体はＳｉであるものとすることによって、反応生成物（３００）はＡｌ−Ｓｉとすることができる。
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置としての加速度センサＳ１の概略平面構成を示す図である。また、図２（ａ）は、本加速度センサＳ１における加速度センサ素子１００のより詳細な構成を示す概略平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示される加速度センサ素子１００の概略断面図である。なお、図２（ｂ）では、図２（ａ）の加速度センサ素子１００における可動体２０を含む断面と接続部材２００の近傍の断面とを合成したモデル的な断面を示している。
また、図３、図４は、加速度センサ素子１００にボンディングワイヤ２００が接続されていない状態、すなわち加速度センサ素子１００の単体構成を示す概略平面図であり、図３は、図２（ａ）中のＡ−Ａ一点鎖線に沿った加速度センサ素子１００の概略断面図であり、図４は、図２（ａ）中のＢ−Ｂ一点鎖線に沿った加速度センサ素子１００の概略断面図である。
このような加速度センサＳ１は、その用途を限定するものではないが、たとえば、被測定物である自動車に取り付けられ当該自動車の運転状態に応じて発生する加速度を検出するものとして適用することができる。
［構成等］
図１に示されるように、本実施形態の加速度センサＳ１は、大きくは、半導体基板１０に素子部としての可動体２０を設けてなる加速度センサ素子１００に、外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材としてのボンディングワイヤ２００を電気的に接続することにより構成されている。
ここで、この加速度センサＳ１においては、被測定物に対して加速度センサ素子１００を直接取り付けるようにしてもよいが、本例では、この加速度センサＳ１を、図示しないパッケージを介して被測定物に取り付けるものとする。もちろん、加速度センサＳ１の被測定物への取付形態は、これに限定するものではない。
このパッケージを用いた場合においては、加速度センサ素子１００は、加速度センサ素子１００単独、あるいは、回路チップなどとともに、上記パッケージに搭載されるものである。そして、このパッケージを介して、加速度センサ素子１００は、被測定物の適所に取り付けられる。
このようなパッケージを介した加速度センサ素子１００の実装形態は、従来より一般的に行われているものである。ここで、上記パッケージとしては、特に限定するものではないが、セラミックや樹脂などからなるものにできる。
具体的には、上記パッケージは、たとえばアルミナなどのセラミック層が複数積層された積層基板として構成されており、各セラミック層の表面や各セラミック層に形成されたスルーホールの内部に配線が形成されたものにできる。
そして、このパッケージの配線あるいはパッケージ内の回路チップと加速度センサ素子１００を構成する半導体基板１０とが、ボンディングワイヤ２００により結線されることにより、加速度センサ素子１００と上記パッケージあるいは上記回路チップとが電気的に接続される。
次に、図２〜図４を参照して、加速度センサ素子１００について説明する。この加速度センサ素子１００は、半導体基板１０に周知のマイクロマシン加工を施すことによって形成されるものである。
本例では、加速度センサ素子１００を構成する半導体基板１０は、図３および図４に示されるように、第１の半導体層としての第１シリコン基板１１と第２の半導体層としての第２シリコン基板１２との間に、絶縁層としての酸化膜１３を有する矩形状のＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０である。
ここで、本実施形態では、酸化膜１３を含めて第１シリコン基板１１は、支持基板として構成されている。つまり、第１シリコン基板１１の一面は酸化膜１３として構成されており、この支持基板である第１シリコン基板１１の一面側に半導体層としての第２シリコン基板１２が設けられた形となっている。
第２シリコン基板１２には、その厚さ方向に貫通する溝１４を形成することにより、この溝１４によって区画されたパターン、すなわち、可動部としての可動体２０および固定部３０、４０よりなる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されている。
また、第２シリコン基板１２のうち上記梁構造体２０〜４０の形成領域に対応した部位、すなわち、図２中の破線の矩形１５に示される部位は、酸化膜１３と離間して位置するように薄くなっている（図３、図４参照）。
この矩形１５の部分は、第２シリコン基板１２における薄肉部１５ということにする。つまり、この薄肉部１５は、支持基板である第１シリコン基板１１の一面すなわち酸化膜１３とはギャップを介して配置されている。
この加速度センサ素子１００において、薄肉部１５としての可動体２０は、細長四角形状の錘部２１の両端が、バネ部２２を介してアンカー部２３ａおよび２３ｂに一体に連結された構成となっている。
これらアンカー部２３ａおよび２３ｂは、図４に示されるように、酸化膜１３に固定されており、酸化膜１３を介して支持基板としての第１シリコン基板１１上に支持されている。これによって、薄肉部１５である錘部２１およびバネ部２２は、酸化膜１３から離間した状態となっている。
ここでは、バネ部２２は、図２に示されるように、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなしており、２本の梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有するものである。
具体的に、バネ部２２は、図２中の矢印Ｘ方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部２１を基板面水平方向にて矢印Ｘ方向へ変位させるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。
よって、このようなバネ部２２を介してＳＯＩ基板１０に連結されている可動体２０は、酸化膜１３すなわち支持基板である第１シリコン基板１１上において、加速度の印加に応じて基板水平方向にて上記矢印Ｘ方向へ変位可能となっている。
また、図２に示されるように、可動体２０は、薄肉部１５としての櫛歯状の可動電極２４を備えている。この可動電極２４は、上記錘部２１の長手方向（矢印Ｘ方向）と直交した方向にて、錘部２１の両側面から互いに反対方向へ延びる梁形状をなす複数本のものである。
言い換えれば、可動電極２４は、上記錘部２１の長手方向（バネ部２２の変位方向、矢印Ｘ方向）を配列方向とし、この配列方向に沿って櫛歯状に複数本配列されたものとなっている。
図２では、可動電極２４は、錘部２１の左側および右側にそれぞれ４個ずつ突出して形成されており、各可動電極２４は断面矩形の梁状に形成されて、酸化膜１３から離間した状態となっている。
このように、各可動電極２４は、バネ部２２および錘部２１と一体的に形成されることにより、バネ部２２および錘部２１とともに、基板面水平方向にて矢印Ｘ方向へ変位可能となっている。
また、図２〜図４に示されるように、固定部３０、４０は、薄肉部１５の外周部のうちアンカー部２３ａ、２３ｂが支持されていないもう１組の対向辺部の外周にて、酸化膜１３に固定されている。そして、固定部３０、４０は、酸化膜１３を介して第１シリコン基板１１上に支持されている。
図２において、錘部２１の左側に位置する固定部３０は、左側固定電極３１および左側固定電極用配線部３２とから構成されている。一方、図２において、錘部２１の右側に位置する固定部４０は、右側固定電極４０および右側固定電極用配線部４２とから構成されている。
本例では、図２に示されるように、それぞれの固定電極３１、４１は薄肉部１５であり、可動電極２４における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されたものとなっている。
ここで、図２においては、錘部２１の左側については、個々の可動電極２４に対して矢印Ｘ方向に沿って上側に左側固定電極３１が設けられており、一方、錘部２１の右側については、個々の可動電極２４に対して矢印Ｘ方向に沿って下側に右側固定電極４１が設けられている。
このように、基板面水平方向において個々の可動電極２４に対して、それぞれ固定電極３１、４１が対向して配置されており、各対向間隔において、可動電極２４の側面（つまり検出面）と固定電極３１、４１の側面（つまり検出面）との間に容量を検出するための検出間隔が形成されている。
また、左側固定電極３１と右側固定電極４１とは、それぞれ互いに電気的に独立している。そして、各固定電極３１、４１は、可動電極２４に対して略平行に延びる断面矩形の梁状に形成されている。
ここで、左側固定電極３１および右側固定電極４１は、それぞれ、酸化膜１３を介して第１シリコン基板１１に固定されている各固定電極用配線部３２、４２に片持ち状に支持された状態となっている。そして、各固定電極３１、４１は、酸化膜１３から離間した状態となっている。
このように、本例においては、左側固定電極３１および右側固定電極４１については、それぞれの複数本の電極が、電気的に共通した各配線部３２、４２にまとめられた形となっている。
また、左側固定電極用配線部３２および右側固定電極用配線部４２の所定位置は、上記ボンディングワイヤ２００が接続される部位である接続部３０ａ、４０ａとして構成されている。
ここでは、左側固定電極用配線部３２および右側固定電極用配線部４２が、それぞれ半導体基板１０の周辺部まで引き出されており、それぞれ、左側固定電極用の接続部３０ａおよび右側固定電極用の接続部４０ａが形成されている。
また、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結された状態で、可動電極用配線部２５が形成されており、この配線部２５上の所定位置は、ボンディングワイヤ２００が接続される部位である接続部、すなわち可動電極用の接続部２５ａとして構成されている。
なお、加速度センサ素子１００を構成する半導体基板１０においては、ボンディングワイヤ２００が接続される接続部は、この図２に示される各接続部２５ａ、３０ａ、４０ａ以外にも、実際には複数個存在する。そして、そのボンディングワイヤ２００の接続形態は、たとえば、上記図１に示されるようなものとなる。
また、上述したように、この加速度センサ素子１００は、単独あるいは回路チップなどとともに、上記パッケージに搭載され、パッケージの配線あるいはパッケージ内の回路チップと加速度センサ素子１００における半導体基板１０とが、ボンディングワイヤ２００により結線されることにより、加速度センサ素子１００と上記パッケージとの電気的接続、または加速度センサ素子１００と上記回路チップとの電気的接続が行われる。
ここで、図１に示されるように、加速度センサ素子１００においては、半導体基板１０における上記接続部２５ａ、３０ａ、４０ａ（図２参照）などの接続部に導電性の材料である金属よりなるボンディングワイヤ２００が接続されている。本例では、アルミニウム（Ａｌ）からなるボンディングワイヤ２００としている。
そして、本実施形態の加速度センサＳ１においては、接続部材としてのボンディングワイヤ２００は、半導体基板１０の表面に直接接触しており、この接触部においてボンディングワイヤ２００を構成する導電性の材料と半導体基板１０を構成する半導体とが反応してなる反応生成物３００を形成することにより、ボンディングワイヤ２００と半導体基板１０とが、電気的に接続されている。
ここで、本例では、接続部材としてのボンディングワイヤ２００を構成する金属はＡｌであり、半導体基板１０を構成する半導体はシリコン（Ｓｉ）であり、反応生成物３００はＡｌ−ＳｉからなるＡｌ−Ｓｉ反応層３００である。
次に、本実施形態の加速度センサＳ１の検出動作について説明する。本実施形態では、加速度の印加に伴う可動電極２４と固定電極３１、４１との間の静電容量変化に基づいて加速度を検出するようになっている。
上述したように、加速度センサ素子１００においては、個々の可動電極２４の側面（つまり検出面）に対してそれぞれ固定電極３１、４１の側面（つまり検出面）が対向して設けられており、これら両電極の側面の各対向間隔において、容量を検出するための検出間隔が形成されている。
ここで、左側固定電極３１と可動電極２４との間隔に、検出容量として第１の容量ＣＳ１が形成されており、一方、右側固定電極４１と可動電極２４との間隔に、検出容量として第２の容量ＣＳ２が形成されているとする。
そして、加速度センサ素子１００において、基板面水平方向において上記図２中の矢印Ｘ方向へ加速度が印加されると、バネ部２２のバネ機能により、アンカー部を除く可動体２０全体が一体的に矢印Ｘ方向へ変位し、当該矢印Ｘ方向への可動電極２４の変位に応じて上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。
たとえば、上記図２において、可動体２０が、矢印Ｘ方向に沿って下方へ変位したときを考える。このとき、左側固定電極３１と可動電極２４との間隔は広がり、一方、右側固定電極４１と可動電極２４との間隔は狭まる。
よって、可動電極２４と固定電極３１、４１による差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）の変化に基づいて、矢印Ｘ方向の加速度を検出することができる。具体的には、この容量の差（ＣＳ１−ＣＳ２）に基づく信号が加速度センサ素子１００から出力信号として出力され、この信号は、上記パッケージ内に設けられた上記回路チップまたは外部回路にて処理され、最終的に出力される。
図５は、本実施形態の加速度センサＳ１における加速度を検出するための検出回路４００の一例を示す回路図である。
この検出回路４００において、スイッチドキャパシタ回路（ＳＣ回路）４１０は、容量がＣｆであるコンデンサ４１１、スイッチ４１２および差動増幅回路４１３を備え、入力された容量差（ＣＳ１−ＣＳ２）を電圧に変換するものとなっている。
そして、本加速度センサＳ１においては、たとえば、左側固定電極用の接続部３０ａから振幅Ｖｃｃの搬送波１を入力し、右側固定電極用の接続部４０ａから搬送波１と位相が１８０°ずれた搬送波２を入力し、ＳＣ回路４１０のスイッチ４１２を所定のタイミングで開閉する。
そして、矢印Ｘ方向の印加加速度は、下記の数式１に示す様に、電圧値Ｖ０として出力される。
（数１）
Ｖ０＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖｃｃ／Ｃｆ
このようにして、加速度の検出がなされる。
［製造方法等］
このような加速度センサ素子１００は、たとえば、次のようにして製造することができる。図６は、図１に示される本実施形態の加速度センサＳ１の製造方法を示す工程図である。
まず、図６（ａ）に示されるように、半導体基板としての上記ＳＯＩ基板１０を用意し、このＳＯＩ基板１０の表面すなわち第２シリコン基板１２の表面に、たとえばＰ（リン）やＢ（ボロン）などの高濃度不純物を注入、拡散してドープする。それにより、第２シリコン基板１２の表面においては抵抗率が下がり、導電性が付与される。
そして、ＳＯＩ基板１０の第２シリコン基板（ＳＯＩ層）１２にフォトリソグラフ技術を用いて梁構造体に対応した形状のマスクを形成する。その後、たとえばＣＦ4やＳＦ6等のガスを用いてドライエッチング等にてトレンチエッチングを行い、溝１４を形成することによって、梁構造体２０〜４０のパターンを一括して形成する。
続いて、さらにエッチングを進め、サイドエッチングにより、さらに第２シリコン基板１２の下部を除去し、上記薄肉部１５を形成する。このようにして、素子部としてのリリースされた可動体２０がＳＯＩ基板１０に設けられた加速度センサ素子１００を製造することができる。
なお、加速度センサ素子１００は、通常ウェハとしてのＳＯＩ基板１０を用いて製造されるため、次に、加速度センサ素子１００をチップに分割する。そして、この加速度センサ素子１００を、接着剤などを介して上記パッケージに固定し、ワイヤボンディングを行うことにより、上記ボンディングワイヤ２００を形成する。
このワイヤボンディング工程では、図６（ｂ）に示されるように、ボンディングワイヤ２００をＳＯＩ基板１０の表面すなわち第２シリコン基板１２の表面に直接接触させ、この状態において、これらボンディングワイヤ２００とＳＯＩ基板１０との接触部に熱処理を施す。
ここでは、具体的に、上記熱処理は、上記接触部すなわちＳＯＩ基板１０の表面における上記接続部２５ａ、３０ａ、４０ａ等に、通常のワイヤボンディング法によってボンディングワイヤ２００を接触させ、図６（ｂ）に示されるように、この接触部に対して局所的にレーザＲを照射することにより行う。
また、本実施形態では、接続部材はボンディングワイヤ２００であるが、上記熱処理は、ＳＯＩ基板１０の表面にワイヤボンディングを行うのと同時に実行してもよいし、もしくはワイヤボンディングを行った後に実行してもよい。
つまり、上記レーザＲの照射は、ＳＯＩ基板１０にボンディングワイヤ２００を接触させた時点で同時に行ってもよいし、ＳＯＩ基板１０と上記パッケージや回路チップとのワイヤボンディングによる結線が終了した後に行ってもよい。
それにより、図６（ｃ）に示されるように、ボンディングワイヤ２００とＳＯＩ基板１０との接触部においてボンディングワイヤ２００を構成する金属とＳＯＩ基板１０を構成する半導体との反応生成物３００が形成される。
ここでは、ボンディングワイヤ２００を構成するＡｌとＳＯＩ基板１０を構成するＳｉとが、レーザＲの照射による加熱によって、固相反応を生じ、反応生成物としてのＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ−Ｓｉ反応層３００が形成される。
こうして、半導体基板１０としてのＳＯＩ基板１０への素子部２０の形成、および、接続部材としてのボンディングワイヤ２００の接続が完了し、その後、上記パッケージによる封止などを行う。それにより、上記図１に示される本実施形態の加速度センサＳ１ができあがる。
［効果等］
ところで、本実施形態によれば、半導体基板１０と、この半導体基板１０に設けられた素子部２０と、半導体基板１０と電気的に接続され外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材２００とを備える半導体装置Ｓ１において、接続部材２００は半導体基板１０の表面に直接接触しており、この接触部において接続部材２００を構成する導電性の材料と半導体基板１０を構成する半導体とが反応した反応生成物３００を形成することにより、接続部材２００と半導体基板１０とが電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置Ｓ１が提供される。
このような特徴点を有する本実施形態の半導体装置によれば、接続部材２００を半導体基板１０の表面に直接接触させ、この接触部において接続部材２００を構成する導電性の材料と半導体基板１０を構成する半導体との反応生成物３００を形成することにより、接続部材２００と半導体基板１０とを電気的に接続しているため、従来のように、半導体基板に接続部材用の電極パッドを設けなくても、接続部材２００と半導体基板１０との導通を適切に確保することができる。
ここで、図７は、比較例としての加速度センサにおける加速度センサ素子の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の概略断面図である。この図７に示されるものは、従来技術に基づいて本発明者が試作したものであり、半導体基板１０における接続部材２００の接続部２５ａ、３０ａ、４０ａに、Ａｌなどにより電極パッドＰを形成している。それに対して、本実施形態では、この電極パッドＰが不要となる。
したがって、本実施形態によれば、半導体基板１０と半導体基板１０に設けられた素子部２０と外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材２００とを備える半導体装置Ｓ１において、接続部材用の電極パッドを不要として安価な構成を実現することができる。
また、本実施形態では、素子部２０が、力学量である加速度の印加に伴い半導体基板１０に対して変位可能な可動体２０であるものとしており、それによって半導体装置としての加速度センサＳ１を提供している。
また、このような本実施形態の加速度センサＳ１においては、接続部材として、ボンディングワイヤ２００を採用していることも特徴のひとつである。
さらに、本実施形態の加速度センサＳ１においては、接続部材としてのボンディングワイヤ２００を構成する導電性の材料をＡｌとし、半導体基板１０を構成する半導体をＳｉとすることによって、反応生成物としてＡｌ−ＳｉからなるＡｌ−Ｓｉ反応層３００としていることも特徴のひとつである。
つまり、Ａｌからなるボンディングワイヤ２００を直接半導体基板１０の表面に打つことにより、ワイヤ２００と基板１０との界面に、ワイヤ２００を構成するＡｌと基板１０を構成するＳｉとの合金（アルミアロイ）が形成され、それによって、ワイヤ２００と半導体基板１０とのオーミック接触による電気的な接続がなされている。
また、本実施形態によれば、上記図６に示したように、半導体基板１０を用意し、半導体基板１０に素子部２０を設けるとともに、外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材２００を半導体基板１０に電気的に接続してなる半導体装置の製造方法において、接続部材２００を半導体基板１０の表面に直接接触させた状態で、この接触部に熱処理を施すことにより、前記接触部において接続部材２００を構成する導電性の材料と半導体基板１０を構成する半導体とを反応させて反応生成物３００を形成することを特徴とする半導体装置Ｓ１の製造方法が提供される。
それによれば、上記各図に示される本実施形態の半導体装置としての加速度センサＳ１を適切に製造可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。
ここで、上記図６に示されるように、本実施形態の半導体装置の製造方法においては、前記熱処理は、接続部材２００と半導体基板１０との接触部に対して局所的にレーザＲを照射することにより行うものとしていることも特徴のひとつである。
また、上述したように、本実施形態の半導体装置の製造方法においては、接続部材がボンディングワイヤ２００である場合、上記熱処理は、半導体基板１０の表面にワイヤボンディングを行うのと同時に実行することも特徴のひとつである。
その一方で、上述したように、本実施形態の半導体装置の製造方法においては、接続部材がボンディングワイヤ２００である場合、上記熱処理は、半導体基板１０の表面にワイヤボンディングを行った後に実行することも特徴のひとつである。
［変形例］
ここで、本実施形態の種々の変形例について述べておく。図８（ａ）は、第１の変形例としての加速度センサにおける加速度センサ素子１００の概略平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の概略断面図である。なお、以下の各変形例を示す図のうち断面図は、上記図２（ｂ）と同様に、加速度センサ素子１００における可動体２０を含む断面と接続部材２００の近傍の断面とを合成したモデル的な断面を示している。
上記図２に示される例では、接続部材２００は半導体基板１０の表面に直接接触しており、この接触部において反応生成物３００を形成することにより、接続部材２００と半導体基板１０とが電気的に接続されていたが、本第１の変形例のように、反応生成物が無いものであってもよい。
反応生成物が無い場合でも、半導体基板１０と接続部材２００との電気的な接続が確保されているならば、圧着などによって、これら両者１０、２００が反応生成物無しで接触していればよい。
また、図９は、本実施形態の第２の変形例としての半導体装置である加速度センサにおける加速度センサ素子１００の概略平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の概略断面図である。
図９に示されるように、本例においても、ボンディングワイヤ２００は半導体基板１０の表面に直接接触しており、この接触部においてボンディングワイヤ２００を構成するＡｌなどの導電性の材料と半導体基板１０を構成するＳｉなどの半導体とが、Ａｌ−Ｓｉ反応層などからなる反応生成物３００を形成することにより、ボンディングワイヤ２００と半導体基板１０とが電気的に接続されている。
そして、本例の加速度センサにおいても、上記図１、図２に示される加速度センサＳ１と同様の効果が得られることは、もちろんである。
ここにおいて、本例の独自の構成として、図９に示されるように、半導体基板１０において、第１シリコン基板１１の周辺部において酸化膜１３および第２シリコン基板１２がエッチングなどにより除去されており、第１シリコン基板１１の周辺部が露出している。そして、この第１シリコン基板１１の露出部が、ボンディングワイヤ２００と接続可能な接続部として構成されている。
この場合、半導体基板１０においては、ボンディングワイヤ２００を接続する面が同一平面ではなく段差を持ったものになる。
一方、従来では、半導体基板にエッチングなどによって素子部を形成する前に、半導体基板におけるボンディングワイヤとの接続部に、Ａｌなどの導電体膜からなる電極パッドを形成しなければならなかった。そのため、従来では、第１シリコン基板１１に電極パッドを形成することは難しく、このような段差構造においてはワイヤボンディングが困難であった。
その点、図９に示される第２の変形例によれば、第１シリコン基板１１に対しても、ボンディングワイヤ２００を第１シリコン基板１１の表面に直接接触させ、この接触部においてボンディングワイヤ２００を構成する金属と第１シリコン基板１１を構成するＳｉとの反応生成物３００を形成することにより、ボンディングワイヤ２００の電気的な接続を容易に行うことができ、基板の電位をとることが可能となる。
また、図１０（ａ）は、第３の変形例としての加速度センサにおける加速度センサ素子１００の概略平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の概略断面図である。図１０に示されるものは、上記図９に示されるものにおいて、反応生成物が無いものとしたものである。そして、上記各変形例においても、上記した本実施形態の効果を発揮できることはもちろんである。
（他の実施形態）
なお、ボンディングワイヤ２００と半導体基板２００との接触部において、ボンディングワイヤ２００を構成する導電性の材料が半導体基板１０の内部へくさび状に入り込んだ形、いわゆるアロイスパイクが発生していてもよい。
この場合でも、ボンディングワイヤ２００と半導体基板１０との接触界面では、ボンディングワイヤ２００を構成する導電性の材料と半導体基板１０を構成する半導体とが、固相反応を生じ、Ａｌ−Ｓｉ合金などからなる反応物が形成され、それによって、ボンディングワイヤ２００と半導体基板１０との電気的な接続がなされる。
また、上記実施形態では、半導体基板１０としてＳＯＩ基板１０を用い、接続部材２００として主としてＡｌからなるボンディングワイヤ２００を用いた例を示したが、半導体基板１０を構成する半導体とボンディングワイヤ２００を構成する導電性の材料との組み合わせは、上記例に限定されるものではない。
つまり、これら半導体と導電性の材料との組み合わせは、これら両者による電気的接続が確保されればよく、好ましくは、固相反応が起こり上記反応生成物が形成できればよい。たとえば、半導体基板１０を構成する半導体としては、バルクの単結晶Ｓｉや多結晶ＳｉやアモルファスＳｉであってもよいし、ＧａＡｓやＧａＮのような化合物半導体であってもよい。
また、半導体基板１０への不純物のドーピングも、接続部材２００を構成する導電性の材料との電気的接続ができればよく、その導電型については問わない。
また、上記実施形態では、接続部材としてＡｌを例に説明したが、接続部材として用いる導電性の材料としては、上記Ａｌ以外にも、例えば金や銅などの金属、あるいは、それらの合金、有機伝導体や半導体などであってもよい。ただし、熱処理の条件は、半導体基板１０と接続部材との界面で、上記固相反応が起こる条件であることが望ましい。
また、上記実施形態では、半導体基板１０とボンディングワイヤ２００との接続部を局所的に加熱する例を示したが、たとえば、半導体基板１０側にヒータなどを設け、半導体基板１０を全体的に加熱する方法でもよい。この場合にも、この熱処理は、半導体基板１０の表面にワイヤボンディングを行うのと同時か、もしくはワイヤボンディングを行った後に実行することができる。
また、接続部材２００としては、ボンディングワイヤ２００に限定されるものではない。たとえば、ボールボンディングなどにより半導体基板１０の表面に形成されるバンプなどを、接続部材として適用することもできる。さらには、ボンディングワイヤ等を介さず、リードフレームを直接半導体基板１０に接触させて、電気的に接続してもよい。
図１１は、他の実施形態として、接続部材としてのリードフレーム２１０を用いた場合の加速度センサにおける加速度センサ素子の概略平面図である。
図１１に示される加速度センサでは、加速度センサ素子１００の周囲にリードフレーム２１０が配置され、そのリードフレーム２１０と、加速度センサ素子１００を構成する半導体基板１０とが電気的に接続されている。
ここで、リードフレーム２１０は、導電性を有する通常のリードフレーム材料より構成されたものであり、例えば銅や４２アロイなどにより構成されたものである。そして、図１１に示される例では、リードフレーム２１０を構成する導電性の材料と半導体基板１０を構成する半導体とが反応した反応生成物３００が形成されている。
具体的に、本例のリードフレーム２１０の接続は、上記実施形態に示した製造方法に準じてレーザ照射により行うことができる。そして、本例における反応生成物３００としては、例えばＣｕ−ＳｉあるいはＦｅ−Ｓｉなどよりなるものにできる。なお、この図１１に示されるものにおいて、反応生成物が無いものとしてもよい。
また、上記実施形態では、半導体基板１０をチップに分割した状態で接続部材２００のボンディングを行う例について述べたが、基板状態すなわちウェハ状態におけるボンディングにも、本発明は適用することができる。
また、上記実施形態のいずれの場合にも、接続部材をボンディングする前に接続部を含む半導体基板の表面にレーザ照射を行い、当該基板表面に凹凸を形成することで、半導体基板と接続部材との接触面積を増やすことは有効である。
また、上記実施形態の加速度センサでは、ＳＯＩ基板１０において酸化膜１３を全域に残したまま、第２シリコン基板１２に薄肉部１５を形成することにより、可動体２０のリリースを行っているが、よく知られているように、ＳＯＩ基板１０において酸化膜１３を犠牲層としたエッチングを行うことにより可動体２０のリリースを行うものであってもよい。
この犠牲層エッチングを採用した場合、第２シリコン基板１２の厚さは、その全域でほぼ均一であり、上記図２に示される矩形１５の部分において酸化膜１３が除去されることにより、可動部２０が支持基板からリリースされることになる。
また、上記実施形態では、表面加工型の加速度センサ、すなわち、半導体基板１０の表面側からエッチング加工することにより素子部としての可動体２０をリリースしてなるものについて述べたが、半導体基板１０の裏面、上記例では第１シリコン基板１１からのエッチングにより可動体をリリースさせるもの、すなわち、裏面加工型の加速度センサであってもよい。
また、上記実施形態では、素子部が、力学量の印加に伴い半導体基板に対して変位可能な可動体であるものとして、加速度センサの例を述べたが、このような可動体を素子部に持つものとしては、たとえば、可動体を駆動振動させ力学量としての角速度が印加されたときにコリオリ力によって可動体が検出振動を行うセンサ、すなわち角速度センサ（ジャイロセンサ）であってもよい。
また、本発明に適用可能な半導体装置においては、半導体基板に素子部を設けた構成が採用されるが、この素子部は、半導体基板自身を半導体プロセスにより加工して形成されたものでなくてもよく、たとえば、素子部としての別体の部品を半導体基板上に接着などにより固定したものであってもかまわない。
つまり、本発明は、半導体基板上で金属膜による配線が不要な構成であるものにおいて有効であり、上記の加速度センサやジャイロセンサのような可動体センサだけでなく、半導体基板に形成された素子部として、拡散層からなるピエゾ抵抗素子や、ホール素子を有するもの、あるいは発光ダイオードやレーザ等の発光素子を有するもの、さらには、太陽電池など他の半導体装置にも適用することができる。
また、上記した加速度センサの実施形態では、素子部２０が、溝１４による分離によって互いに分離されていたが、素子部の分離はこのような溝分離に限定されるものではなく、例えばＰＮ接合により電気的に分離する方法や絶縁膜により分離する方法も、適用が可能である。
ここで、本発明の半導体装置として、圧力センサを用い素子部の分離をＰＮ接合により行った例を、図１２に示す。図１２において、（ａ）は圧力センサの概略平面図、（ｂ）は（ａ）の概略断面図である。なお、図１２では、ゲージ５０および配線５１が素子部を構成しており、（ａ）には、識別のため、これらゲージ５０および配線５１にハッチングを施してある。
この圧力センサは、Ｓｉなどよりなる半導体基板１０に素子部としてのゲージ５０および配線５１を設けてなるとともに、配線５１に接続部材としてのボンディングワイヤ２００を電気的に接続することで構成されている。このボンディングワイヤ２００により、圧力センサは外部の回路と電気的なやりとりが可能となっている。
ここでは、圧力センサには、エッチングなどにより形成されたダイアフラム５２が形成されており、このダイアフラム５２にゲージ５０および配線５１が形成され、これらゲージ５０および配線５１によりブリッジ回路が構成されている。そして、圧力印加時にダイアフラム５２が歪み、それによる上記ブリッジ回路の出力の変化に基づき、印加圧力が検出されるようになっている。
このような圧力センサは、一般的な半導体ダイアフラム式のものであるが、例えば、半導体基板１０はＮ型シリコンであり、ゲージ５０および配線５１は、Ｂ（ボロン）の注入・拡散などにより形成されたＰ型の拡散層である。
そして、配線５１にボンディングワイヤ２００が電気的に接続され、例えばＡｌ−Ｓｉよりなる反応生成物３００が形成されている。なお、半導体基板１０には、例えばＮ+層５３が形成され、このＮ+層５３にもボンディングワイヤ２００が同様に接続されており、それによって半導体基板１０を基準電位に維持できるようにしている。
この図１２に示されるような半導体装置としての圧力センサによっても、上記実施形態と同様に、半導体基板に接続部材用の電極パッドを設けなくても、接続部材２００と半導体基板１０との導通を適切に確保することができる。
さらに、このような圧力センサにおいても、図１３に示されるように、反応生成物が無いものであってもよい。図１３は、図１２に示されるものにおいて、反応生成物３００が無いものとした圧力センサの構成を示す図であり、（ａ）は当該圧力センサの概略平面図、（ｂ）は（ａ）の概略断面図である。
また、本発明の半導体装置としては、上記したもの以外にも、ＭＯＳトランジスタやＢＩＰ（バイポーラトランジスタ）などであってもよい。このようなものにおいても、アナログの用途やパワーの用途に対しては効果がある。
一般的なＭＯＳトランジスタを用いた例を図１４に示しておく。図１４において（ａ）はＭＯＳトランジスタの概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ概略断面図である。半導体基板１０には、ゲート６０、ゲート配線６１、ソース６２およびドレイン６３が形成されており、これらの各部６０〜６３が素子部として構成されている。
ここで、例えばゲート６０、ゲート配線６１はポリシリコンよりなり、ソース６２およびドレイン６３はＮ+層よりなる。また、図１４（ｂ）に示されるように、これら素子部６０〜６３は、シリコン酸化膜などの絶縁膜６４により分離されている。
そして、ゲート配線６１、ソース６２およびドレイン６３に対して、ボンディングワイヤ２００が電気的に接続され、例えばＡｌ−Ｓｉよりなる反応生成物３００が形成されている。
そして、このＭＯＳトランジスタによっても、上記実施形態と同様に、半導体基板に接続部材用の電極パッドを設けなくても、接続部材２００と半導体基板１０との導通を適切に確保することができる。また、この場合も、反応生成物３００が無いものであってもよい。
このように、本発明は、半導体基板と、半導体基板に設けられた素子部と、半導体基板と電気的に接続され外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材とを備える半導体装置において、接続部材を半導体基板の表面に直接接触させることにより、接続部材と半導体基板とを電気的に接続したことを要部とするものである。
さらに、本発明は、熱処理などにより、上記接触部において接続部材を構成する導電性の材料と半導体基板を構成する半導体とを反応させて反応生成物を形成することにより、接続部材と半導体基板とを電気的に接続することを第２の要部とするものであり、その他の部分については適宜、設計変更が可能である。
本発明の実施形態に係る半導体装置としての加速度センサの概略平面構成を示す図である。 （ａ）は図１中の加速度センサにおける加速度センサ素子の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の概略断面図である。 図２（ａ）中のＡ−Ａ一点鎖線に沿った加速度センサ素子の概略断面図である。 図２（ａ）中のＢ−Ｂ一点鎖線に沿った加速度センサ素子の概略断面図である。 図１に示される加速度センサにおける検出回路の一例を示す回路図である。 図１に示される加速度センサの製造方法を示す工程図である。 （ａ）は比較例としての本発明者の試作品である加速度センサにおける加速度センサ素子の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の概略断面図である。 （ａ）は上記実施形態の第１の変形例としての加速度センサにおける加速度センサ素子の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の概略断面図である。 （ａ）は上記実施形態の第２の変形例としての加速度センサにおける加速度センサ素子の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の概略断面図である。 （ａ）は上記実施形態の第３の変形例としての加速度センサにおける加速度センサ素子の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の概略断面図である。 本発明の他の実施形態としてリードフレームを用いた場合の加速度センサにおける加速度センサ素子の概略平面図である。 本発明の他の実施形態として圧力センサを用いた例を示す図である。 本発明の他の実施形態として圧力センサを用いたもう一つの例を示す図である。 本発明の他の実施形態としてＭＯＳを用いた例を示す図である。
符号の説明
１０…半導体基板としてのＳＯＩ基板、２０…素子部としての可動体、
２００…接続部材としてのボンディングワイヤ、
３００…反応生成物としてのＡｌ−Ｓｉ反応層。

Claims (10)

  1. 半導体基板（１０）と、
    前記半導体基板（１０）に設けられた素子部（２０）と、
    前記半導体基板（１０）と電気的に接続され外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材（２００）とを備える半導体装置において、
    前記接続部材（２００）は前記半導体基板（１０）の表面に直接接触しており、前記接続部材（２００）と前記半導体基板（１０）とが電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体基板（１０）における前記接続部材（２００）の接触部において、前記接続部材（２００）を構成する導電性の材料と前記半導体基板（１０）を構成する半導体とが反応した反応生成物（３００）を形成していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記接続部材は、ボンディングワイヤ（２００）であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記接続部材（２００）を構成する導電性の材料はＡｌであり、前記半導体基板（１０）を構成する半導体はＳｉであり、前記反応生成物（３００）はＡｌ−Ｓｉであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置。
  5. 前記素子部は、力学量の印加に伴い前記半導体基板（１０）に対して変位可能な可動体（２０）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置。
  6. 半導体基板（１０）を用意し、前記半導体基板（１０）に素子部（２０）を設けるとともに、外部との電気的な接続を行うための導電性の材料よりなる接続部材（２００）を前記半導体基板（１０）に電気的に接続してなる半導体装置の製造方法において、
    前記接続部材（２００）を前記半導体基板（１０）の表面に直接接触させた状態で、この接触部に熱処理を施すことにより、前記接触部において前記接続部材（２００）を構成する導電性の材料と前記半導体基板（１０）を構成する半導体とを反応させ反応生成物（３００）を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 前記熱処理は、前記接触部に対して局所的にレーザを照射することにより行うものであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記接続部材は、ボンディングワイヤ（２００）であり、
    前記熱処理は、前記半導体基板（１０）の表面にワイヤボンディングを行うのと同時に実行することを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記接続部材は、ボンディングワイヤ（２００）であり、
    前記熱処理は、前記半導体基板（１０）の表面にワイヤボンディングを行った後に実行することを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記接続部材（２００）を構成する導電性の材料はＡｌであり、前記半導体基板（１０）を構成する半導体はＳｉであり、前記反応生成物（３００）はＡｌ−Ｓｉであることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
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