JP2007033212A

JP2007033212A - センサデバイス構造体の検査方法

Info

Publication number: JP2007033212A
Application number: JP2005216494A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Yasuike; 則之安池; Shigeru Makino; 滋牧野; Shugo Yamada; 周吾山田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】シリコン基板にガラスを陽極接合した加速度センサの検査方法において、シリコン基板上の絶縁膜の膜厚を非破壊で簡単に評価できるようにする。
【解決手段】シリコン基板１と、シリコン基板１の上下に陽極接合されるガラス３、２と、シリコン基板１上に形成された絶縁膜のシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８と、シリコン基板１内に形成された片持梁構造のカンチレバー１ａと、シリコン基板１の表面に形成されたピエゾ抵抗４とを備えた加速度センサ１０において、シリコン窒化膜８上に予め検査用を兼ねて設けたアルミ電極６と、シリコン基板１に導通するアルミ電極５bを備え、このアルミ電極５bとアルミ電極６の測定端子６aと間に容量計１１を接続して、シリコン基板１とアルミ電極６間の静電容量を測定する。この静電容量測定値から、シリコン基板１上の絶縁膜の膜厚を定量的に求めることができ、膜厚の良否を非破壊で容易に評価することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン基板にガラスを陽極接合した構造体を有する加速度センサなどのＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ）デバイス構造体の検査方法に関するものである。

従来から、半導体基板とガラス基板とを接着して成る半導体圧力センサや加速度センサ等のＭＥＭＳデバイスが知られている。これらのＭＥＭＳデバイスのセンサにおいては、１枚の基板だけでは実現できない複雑な構造を、微細加工した複数の基板を接合することによって形成している。この接合には、接合度の良い陽極接合が一般に用いられる。しかし、上記センサは、微小な物理的変化を検知するために、その製造においては、高精度の加工技術とともに、加工後の検査が重要となっている。従って、半導体基板上の絶縁膜の評価や、陽極接合を用いるデバイスの信頼性を確保するために、陽極接合後の接合界面の状態や接合度が良好であるか否かの評価を含む各種検査が行われる。

ここで検査される陽極接合を用いた構造体の例として、図４に、ＭＥＭＳデバイスの加速度センサ（以下、センサと略す）を示す。センサ１００は、シリコン基板１０１と、シリコン基板１０１の上下に陽極接合されるガラス１０３、１０２と、シリコン基板１０１内に形成された片持梁構造のカンチレバー１０１ａと、シリコン基板１０１の表面に形成されたピエゾ抵抗１０４とを備える。シリコン基板１０１の表面には、保護膜及び内部応力コントロールのためにシリコン酸化膜１０７及びシリコン窒化膜１０８が形成されている。

そして、ピエゾ抵抗１０４は、カンチレバー１０１ａに４つ形成され、これらを用いてホイートストンブリッジ回路が構成され、加速度検出が行われる。このピエゾ抵抗１０４上には、外部との接続用の電極パッドとなるアルミ電極１０５ａ、１０５b等が形成され、シリコン基板１０１上には、ピエゾ抵抗１０４とアルミ電極１０５ａを接続する抵抗線１０４ａと、上部ガラス１０３との接合のためにアルミ電極１０６が設けられ、上部ガラス１０３は、アルミ電極１０６を介してシリコン基板１０１に陽極接合される。また、シリコン基板１０１と下部ガラス１０２との接合は、アルミ電極１０６を介することなく直接陽極接合される。

上記のようなセンサ１００では、シリコン基板１０１の表面のシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８の膜厚は、カンチレバー１０１ａの構成要素ともなるため、内部応力、さらにはセンサ特性に多大な影響を及ぼす。従って、それら膜厚のコントロールが品質管理をする上で大きな要素であり、その膜厚の状態を検査することが、非常に重要となる。

しかし、このような膜厚の検査方法については、従来、膜厚管理用のモニターウェハによる代用検査、又はセンサチップの断面研磨などによる断面観察などが主流であり、非破壊でこれら膜厚を検査することが極めて困難であった。

なお、この種の構造体を評価する方法として、例えば、特許文献１に示されるように、半導体基板上に形成された２種類以上の酸化率の異なる伝導材料上に、耐酸化性絶縁膜を含む２種類以上の絶縁膜を形成する絶縁膜評価パターンを備え、これを測定することにより、絶縁膜厚を算出し、膜厚の差により酸化膜の良否を評価するものが知られている。しかし、この容量評価では、半導体基板に絶縁膜評価パターンを多層で設ける必要があり、半導体デバイスの製作プロセスを複雑化させる虞があった。
特開平１１−１８６４９６号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、シリコン基板上に絶縁膜とこの絶縁膜上に形成されたパターンを備えた構造体の検査方法において、パターンとシリコン基板間で測定された静電容量値に基いて絶縁膜の膜厚を個別に評価できると共に、絶縁膜の膜厚を非破壊で検査することができ、品質管理上の絶縁膜厚のコントロールをすることができるセンサデバイス構造体の検査方法を提供すること目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、シリコン基板と、このシリコン基板上に形成された絶縁膜及び導電パターンを備えたセンサデバイス構造体の検査方法において、前記導電パターンと前記シリコン基板間の静電容量を測定し、この測定された静電容量値に基いて前記絶縁膜の膜厚の良否を評価するものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構造体の検査方法において、前記センサデバイス構造体は、前記導電パターンにガラスが陽極接合されており、前記導電パターンに予め測定用の引き出し電極を設けると共に、前記シリコン基板に導通する測定用の電極を該シリコン基板上に設け、これらの電極間で静電容量を測定するものである。

請求項３の発明は、請求項１又請求項２に記載の構造体の検査方法において、前記センサデバイス構造体の高温時と低温時における静電容量対電圧特性を測定することにより、前記絶縁膜の膜厚の良否を評価するものである。

請求項１の発明によれば、絶縁膜上に形成された導電パターンとシリコン基板間の静電容量測定値から絶縁膜の膜厚の良否を評価するので、膜厚の評価を電気計測により定量的に行えることになり、絶縁膜の膜厚のバラツキを非破壊で検査することができる。

請求項２の発明によれば、導電パターンの引き出し電極と、シリコン基板に導通する電極とに容量計を接続することにより、それら電極間の静電容量を容易に計測することができる。

請求項３の発明によれば、導電パターンとシリコン基板間の静電容量対電圧特性の温度特性を得ることにより、その温度特性の違いから同構造体の膜質の良否を評価することができる。

以下、本発明の一実施形態に係るセンサデバイス構造体の検査方法について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、被測定デバイスを加速度センサ（センサデバイス構造体）１０とし、この加速度センサ１０（以降、センサと略す）の検査方法を実施する構成を示す。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、センサ１０のＡ―Ａ線断面、Ｂ―Ｂ線断面、及びＣ―Ｃ線断面をそれぞれ示す。この検査方法は、容量計１１により、センサ１０を形成するシリコン基板１の絶縁膜７、８上に形成された陽極接合パターンのアルミ電極６と、シリコン基板１に導通するアルミ電極５b間の静電容量を計測することにより実施される。

センサ１０は、シリコン基板１と、シリコン基板１の下部及び上部に陽極接合されるガラス２、３と、シリコン基板１内に形成された片持梁構造のカンチレバー１ａと、シリコン基板１の表面に形成されたピエゾ抵抗４とを備え、シリコン基板１の表面には、保護膜及び内部応力コントロールのためにシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８が形成されている。これらは、シリコンプレーナープロセス技術や異方性エッチング技術を適用することにより形成されている。

そして、ピエゾ抵抗４は、カンチレバー１ａに４つ形成され、これらでもって、加速度が検出のためのホイートストンブリッジ回路（図示なし）が構成される。このピエゾ抵抗４上には、ピエゾ抵抗４と配線抵抗４ａを通して電気的に接続されるアルミ電極５ａが形成され、シリコン基板１のシリコン窒化膜８上にはシリコン基板１と導通するアルミ電極５ｂ、５ｃと、上部ガラス３との陽極接合のためのアルミ電極６が設けられている。上部ガラス３は、アルミ電極６を介してシリコン基板１に陽極接合される。このアルミ電極６は、検査用電極も兼ねており、検査用に予め設けたチップ表面に引き出された測定端子６ａを有する。この測定端子６ａとシリコン基板１に導通しているにアルミ電極５ｂ間は、プローブ９を介して容量計１１に接続される。一方、シリコン基板１と下部ガラス２との接合は、アルミ電極を介することなく直接陽極接合される。

このようなセンサ１０に加速度が印加されると、カンチレバー１ａが撓み、表面に応力が発生し、表面に形成されたピエゾ抵抗４のピエゾ効果により応力に伴った抵抗値の変化が生じる。その結果、ホイートストンブリッジ回路には加速度に比例した電位差が出力され、この電位差出力を検出することにより加速度を検出する。また、シリコン基板１の上下に陽極接合されたガラス３、２は、カンチレバー１ａが動作の際に限界以上に撓むことのないように、ストッパとしての役割を担っている。

上記構成のセンサデバイス構造体の検査においては、検査用に予め設けたアルミ電極６の測定端子６ａとシリコン基板１に導通しているアルミ電極５ｃにプローブを接続し、同プローブ９の先に静電容量を計る容量計（ＣＶメーター）１１を接続することにより、アルミ電極６とシリコン基板１間の静電容量が計測される。そして、アルミ電極６とシリコン基板１の間の静電容量Ｃは、アルミ電極６の面積Ｓと、アルミ電極６とシリコン基板１間の絶縁膜の膜材料の誘電率εと、絶縁膜の膜厚ｄとによって決定され、
Ｃ＝εＳ／ｄ
となる。ここで、アルミ電極の面積Ｓと使用する膜材料の誘電率εが既知の値となるため、静電容量Ｃを測定することにより、上記膜厚ｄを求めることができる。

アルミ電極６とシリコン基板１間の絶縁膜であるシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８の膜厚と誘電率をそれぞれｄ_１、ｄ_２及びε_１、ε_２とすると、シリコン酸化膜７による静電容量Ｃ１は、
Ｃ１＝ε_１Ｓ／ｄ_１
となり、シリコン窒化膜８による静電容量Ｃ２は、
Ｃ２＝ε_２Ｓ／ｄ_２となる。
従って、測定値の容量Ｃは、容量Ｃ１と容量Ｃ２との直列接続の合計容量となり、
１／Ｃ＝１／Ｃ１＋１／Ｃ２
となる。

センサ１０のシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の生成において、シリコン酸化膜は、電気炉（酸化炉）で生成するので膜厚のバラツキが少ないが、シリコン窒化膜は、窒化膜生成の原料ガスを流して反応させる減圧ＣＶＤ法により生成されるので生成膜のバラツキが大きい。従って、シリコン酸化膜の膜厚ｄ_１は、バラツキが殆どなく、ほぼ設計通りに形成されるので、測定された容量Ｃのバラつきは殆どは、シリコン窒化膜の膜厚ｄ_２のバラツキと考えてよい。そして、シリコン酸化膜７による静電容量Ｃ１は、ε_１、Ｓ、ｄ_１が既知として計算で求められるので、この静電容量Ｃ１と測定された静電容量Ｃを用いてシリコン窒化膜の膜厚ｄ_２を求める事ができる。すなわち、シリコン窒化膜８の膜厚ｄ_２は、
ｄ_２＝ε_２Ｓ（１／Ｃ−１／Ｃ１）
より、計算で求めることができる。

従って、シリコン基板１とアルミ電極６間の静電容量の測定により、シリコン窒化膜の膜厚ｄ_２が分かり、既知のシリコン酸化膜の膜厚ｄ_１との合計により、全体の膜厚ｄを得ることができる。これにより、センサ１０のカンチレバー１ａの構成要素ともなるシリコン基板１の表面のシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８の膜厚の状態の検査を定量的に行うことができる。

また、上述のように、シリコン基板１とアルミ電極６間で測定された静電容量は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の両膜厚を含んだ合計の容量であるが、シリコン酸化膜の膜厚が比較的安定しているのに対し、シリコン窒化膜の膜厚にはバラツキがある。このため、測定容量のバラツキ変化はシリコン窒化膜のバラツキ状態によって生じてくる。従って、測定される合成容量（シリコン酸化膜とシリコン窒化膜による合計の容量）の変化は、シリコン窒化膜の膜厚の変化（バラツキ）として検出することができる。

このように、本実施形態のセンサデバイス構造体の検査方法によれば、従来の膜厚管理用のモニターウェハによる代用検査や、センサチップの断面研磨などによる断面観察などに頼らず、比較的簡便な電気的計測により、非破壊で膜厚を個別に定量的に検査することができる。従って、シリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８等のセンサの重要な部材に対し、膜厚のコントロールによる品質管理を容易にすることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るセンサデバイス構造体の検査方法について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は、本実施形態の検査方法を示し、この検査方法の構成は、センサ１０（センサデバイス構造体）と、センサ１０を加熱する加熱装置のホットチャック１２と、容量計１１とを備える。本実施形態は、基本構成は前記実施形態と同じであり、静電容量の測定において、センサ１０を加熱装置のホットチャック１２で熱処理して計測する点で前記実施形態と異なる。

第３図（ａ）において、センサ１０は、シリコン基板１と、シリコン基板１の下部及び上部に陽極接合されるガラス２、３と、シリコン基板１内に形成された片持梁構造のカンチレバー１ａと、シリコン基板１の表面に形成されたピエゾ抵抗４とを備え、シリコン基板１の表面には、保護膜及び内部応力コントロールのためにシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８が形成されている。これらは、シリコンプレーナープロセス技術や異方性エッチング技術を適用することにより形成されている。

そして、ピエゾ抵抗４は、カンチレバー１ａに４つ形成され、これらで持って、加速度が検出のためのホイートストンブリッジ回路（図示なし）が構成される。このピエゾ抵抗４上には、ピエゾ抵抗４と配線抵抗４ａを通して電気的に接続されるアルミ電極５ａ（図１参照）が形成され、シリコン基板１のシリコン窒化膜８上にはシリコン基板１と導通するアルミ電極５ｂ、５ｃと、上部ガラス３との陽極接合のためのアルミ電極６が設けられている。上部ガラス３は、アルミ電極６を介してシリコン基板１に陽極接合される。このアルミ電極６は、検査用電極も兼ねており、検査用に予め設けたチップ表面に引き出された測定端子６ａを有する。この測定端子６ａとシリコン基板１に導通しているにアルミ電極５ｂ間は、プローブ９を介して容量計１１に接続される。一方、シリコン基板１と下部ガラス２との接合は、アルミ電極を介することなく直接陽極接合される。

この検査方法においては、センサ１０を加熱装置のホットチャック１２により、チップまたはウェハ状態で加熱しながらアルミ電極５ｂとアルミ電極６の測定端子６ａと間に容量計１１を接続することにより、アルミ電極６とシリコン基板１間の静電容量を計測する。このときの加熱温度は約２００℃が適当である。このように、アルミ電極６とシリコン基板１間の静電容量の計測を、約２００℃という高温下で行うことにより、チップまたはシリコンウェハに対してホットチャック１２で熱処理（約２００℃）を行う。そして、加熱前後でアルミ電極６とシリコン基板１間の静電容量（Ｃ）のバイアス（Ｖ）による変化（ＣＶ特性）の高温時と低温（常温）時のＣＶ特性の変化を計測する。

ところで、アルミとガラスとの陽極接合の接合は、通常、次のようなプロセスからなる。まず、鏡面研磨したガラスとアルミとを重ね合わせ、例えば４００℃真空雰囲気に放置すると、ガラス中に添加されたアルカリ金属（例えばナトリウム）の酸化物がアルカリ金属イオンと酸素イオンとに分解を始める。その状態で、例えばアルミに対してガラスに６００Ｖ程度の直流電圧を与えると、分解したアルカリ金属イオン（例えば、ナトリウムＮａ＋）が負極側に移動する。この時、アルミ／ガラス界面ではアルカリ金属イオンの欠乏層が形成され、静電引力が発生する。この静電引力により、アルミとガラス間で共有結合が形成され、陽極接合が完了する。このとき、ナトリウムイオンＮａ＋は、負電極側に移動してガラスとアルミとの接合部とは反対側の表面に近づく。

従って、加速度センサ１０では、陽極接合後に清浄度が良くないと、アルミ電極６と上部ガラス３を陽極接合した接合部及びガラス表面に、微量析出するＮａ＋残渣が存在する可能性がある。この残渣が存在すると、加速度センサ１０の温度を上昇させたとき、残渣のＮａ＋（可動イオン）が移動し易くなり、これが容量Ｃの変化として現れる。この高温時と低温（常温）時のＣＶ特性の変化の概要を図３（ｂ）に示す。同図に示すように、温度を２５℃（常温）から２００℃（高温）に上昇させることにより、可動イオンが移動し易くなり、可動イオンにより誘電率εが低下しその結果容量Ｃが減少する。

これにより、高温時の容量の低下が少なく、高温時と常温時のＣＶ特性の変化が小さい程、残渣のＮａ＋（可動イオン）の影響が少ないと判断でき、絶縁膜としての膜質が良好と評価することができる。従って、このＣＶ温度特性の計測により、シリコン基板１の表面のシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８の膜質の良否を検査することができると共に、陽極接合後の接合部及びガラス表面の清浄度の評価を行うことが可能となる。

以上述べたように、本実施形態に係るセンサ１０のセンサデバイス構造体の検査方法によれば、センサ１０のシリコン基板１上に、検査用に予め設けたアルミ電極６とシリコン基板１に導通するアルミ電極５bと間の静電容量を測定することにより、シリコン基板１上のシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８等の膜厚の検査を定量的に評価することができる。これにより、陽極接合された構造体の膜厚の検査方法が、比較的簡便な電気的計測により可能になる。従って、従来の膜厚管理用のモニターウェハによる代用検査や、センサチップの断面研磨を含む断面観察などに頼らず、非破壊で絶縁膜の膜厚を検査することができる。これにより、シリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８等のセンサの重要な部材に対し、膜厚のコントロールによる品質管理を容易に行うことができ、センサ１０の信頼性を高めることができる。

また、静電容量の測定を高温と低温で行い、ＣＶ特性の温度変化を調べることにより、陽極接合後のＭＥＭＳデバイスの清浄度を検査できると共に、膜質の良否を評価することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る加速度センサの検査方法を示す図。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図１のＡ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図、Ｃ−Ｃ線断面図。（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る加速度センサの検査方法を示す図、（ｂ）はＣＶ特性の温度変化を示す図。（ａ）は従来の加速度センサの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。

符号の説明

１シリコン基板
２下部ガラス（ガラス）
３上部ガラス（ガラス）
５アルミ電極
６アルミ電極（パターン）
９プローブ
１０加速度センサ（構造体）
１１容量計
１２ホットチャック（熱処理）

Claims

シリコン基板と、このシリコン基板上に形成された絶縁膜及び導電パターンを備えたセンサデバイス構造体の検査方法において、
前記導電パターンと前記シリコン基板間の静電容量を測定し、この測定された静電容量値に基いて前記絶縁膜の膜厚の良否を評価することを特徴とするセンサデバイス構造体の検査方法。
前記センサデバイス構造体は、前記導電パターンにガラスが陽極接合されており、
前記導電パターンに予め測定用の引き出し電極を設けると共に、前記シリコン基板に導通する測定用の電極を該シリコン基板上に設け、これらの電極間で静電容量を測定することを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス構造体の検査方法。
前記センサデバイス構造体の高温時と低温時における静電容量対電圧特性を測定することにより、前記絶縁膜の膜厚の良否を評価することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセンサデバイス構造体の検査方法。