JP2007298276A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不純物ガスを吸着するゲッタを備えるために機能性素子が形成されている空間を大きくする必要のない半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】赤外線センサ１Ａは素子基板２と蓋基板３Ａとを備える。素子基板の表面には赤外線検出素子４が形成され、素子基板２と蓋基板３Ａとを接合すると、赤外線検出素子４と蓋基板３Ａとの間に空間５が形成される。蓋基板３Ａには、赤外線検出素子４からの信号を外部に取り出す管状の管状電極７が設けられる。管状電極７の開放端は、内面凹部にゲッタ１０Ａを設けた封止部材９Ａによって塞がれる。空間５と管状電極７の管内とは連通しており、空間５内の不純物ガスは、管状電極７を通過してゲッタ１０Ａにおいて吸着される。
【選択図】図１

Description

本発明は、素子基板の表面に形成した機能性素子を密閉空間内に封止した半導体装置およびその製造方法に関する。

赤外線検出素子が配置されている密閉空間内に、水分や気体を吸収して密閉空間を実質的に真空に保持するゲッタを備えた赤外線検出器が従来技術として知られている（たとえば、特許文献１）。
特開２０００−３３７９５９号公報

従来の赤外線検出器では、赤外線検出素子を配置する領域とは別にゲッタを配置する領域を密閉空間に確保する必要がある。このため、赤外線検出器のサイズが大きくなるという問題点がある。

本発明の半導体装置は、表面に機能性素子、およびその機能性素子の信号を取り出す信号電極が形成された素子基板と、機能性素子を空間に密閉するために素子基板に接合される蓋基板とを含み、蓋基板には、信号電極と接続され、機能性素子の信号を外部へ導く管状の電極であって、空間に一端が連通し、他端が蓋基板を貫通してその外面まで延設された管状電極と、管状電極の他端を封止する封止部材と、管状電極に面して設けられ、空間内の不純物ガスを吸収するゲッタとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、機能性素子の信号を信号電極から取り出す電極を管状電極にし、管状電極と機能性素子が形成されている空間とを連通するようにした。したがって、管状電極に面してゲッタを設けることによって機能性素子が形成されている空間にゲッタを設ける必要がなく、機能性素子を配置している空間の面積を大きくしないでその空間内に発生した不純物ガスを長期間除去できる。

−第１の実施形態−
本発明の第１の実施形態の赤外線センサ１Ａについて図１を参照して説明する。図１（ａ）は赤外線センサ１Ａの平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

赤外線センサ１Ａは素子基板２と蓋基板３Ａとを備えている。素子基板２は、たとえばＳｉからなり、表面には赤外線検出素子４が形成される。赤外線検出素子４は赤外線を検出する素子であり、赤外線検出素子４に設けられた受光部に赤外線が照射されると、受光部の温度が照射された赤外線の強度により変化し、その温度変化を電圧によって検出することにより赤外線の強度を検出する。赤外線検出素子４は素子基板２の凹部に形成され、素子基板２に後述する蓋基板３Ａを接合すると、赤外線検出素子４と蓋基板３Ａとの間に空間５が形成される。赤外線検出素子４の左右には、赤外線検出素子４からの信号を出力するＡｌやＣｕなどの金属からなる信号電極６が設けられている。

蓋基板３Ａは、たとえば、ＺｎＳやＧｅ、Ｓｉなど赤外線を透過する材料からなる。蓋基板３Ａには、赤外線検出素子４の信号電極６から出力される信号を外部に取り出す管状電極７と端子電極８とが設けられている。管状電極７は、蓋基板３Ａを貫通して蓋基板３Ａの外面まで延設されている。管状電極７は、たとえばガラスなどからなる封止部材９Ａによって塞がれる。これにより赤外線検出素子４は空間５に密閉封止される。封止部材９Ａの管状電極７に面している内面凹部には、たとえばＺｒやＶ、Ｆｅなどの合金からなるゲッタ１０Ａが設けられている。ゲッタ１０Ａは３００℃以上の温度で熱処理を行うと表面が活性化し、不純物ガスを吸着する。端子電極８は、ワイヤやバンプによって赤外線センサ１Ａを搭載する回路基板と接続する。

図１（ｂ），図２に示すように、素子基板２の信号電極６には、空間５と管状電極の筒内空間と連通する溝６ａが形成されている。したがって、空間５に残留または発生した不純物ガスは、溝６ａ、管状電極７の管内を通過して、ゲッタ１０Ａにおいて吸着される。

次に、赤外線センサ１Ａの製造方法について説明する。素子基板２の表面に公知のマイクロマシン技術によって赤外線検出素子４を形成する。埋め込み配線技術によって赤外線検出素子４の周囲に信号電極６を形成する。ドライエッチングによって信号電極６に溝６ａを形成する。そして、蓋基板３Ａとの接合面を、ＣＭＰ（ Chemical Mechanical Polishing ）平坦化技術によって研磨する。

貫通電極７は、ドリルやレーザ、サンドブラストなどによって蓋基板３Ａに形成した貫通孔の円筒内周面に、メッキ技術によってクロムなどの金属膜を成膜して形成する。ただし、蓋基板３ＡがＳｉやＧｅなど絶縁性の低い材料の場合は、貫通孔に絶縁層を形成した後、金属膜を成膜する。貫通孔以外に成膜された金属膜は、ＣＭＰ平坦化技術による研磨によって除去する。貫通電極７と接続されている端子電極８は、スパッタ法や蒸着法などによって蓋基板３ＡにＡｌなどにより形成する。

以上のようにして、赤外線検出素子４などを形成した素子基板２と、管状電極７などを形成した蓋基板３Ａとを、陽極接合法、表面活性化接合法、共晶結合法、半田結合法などによって接合する。その後、管状電極７の開放端を次のようにして閉鎖する。

まず、封止部材９Ａをドライエッチングやレーザによる加工、型成形などによって作製し、封止部材９Ａの内面にゲッタ１０Ａを取り付ける。ゲッタ１０Ａを取り付けた封止部材９Ａを真空中で加熱し、ゲッタ１０Ａを活性化する。そして、管状電極７の開放端に加熱した封止部材９Ａを真空中で接合する。これにより、空間５内に赤外線検出素子４などを封止した赤外線センサ１Ａが作製される。

以上の第１の実施形態による赤外線センサ１Ａは次のような作用効果を奏する。
（１）赤外線検出素子４の検出信号を取り出す電極を管状電極７にし、管状電極７の円筒内と空間５とを連通させ、管状電極７の開放端を封止する封止部材９Ａにゲッタ１０Ａを設けた。その結果、赤外線検出素子４が形成された空間５を大きくすることなく、その空間５内の不純物ガスを長期にわたり除去できる。

（２）封止部材９Ａの内面にゲッタ１０Ａを取り付けた。したがって、真空中で加熱した封止部材９Ａによって管状電極７の開放端を塞ぐと、同時に活性化したゲッタ１０Ａを管状電極７に取り付けることとなり、効率よくゲッタ１０Ａを管状電極７の開放端に取り付けることができる。

−第２の実施形態−
本発明の第２の実施形態における赤外線センサ１Ｂについて図３および図４を参照して説明する。第１の実施形態の赤外線センサ１Ａと共通する部分は同じ符号を使用し、第１の実施形態の赤外線センサ１Ａとの相違点を主に説明する。図３（ａ）は赤外線センサ１Ｂの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。図４はゲッタ１０Ｂの斜視図である。相違点は、ゲッタ材の設置箇所である。図３（ｂ）、図４に示すように、赤外線センサ１Ｂでは、管状電極７の内面にＺｒやＶ、Ｆｅなどの合金からなるゲッタ１０Ｂを設けた。管状電極７の開放端は、ゲッタ材を設けないガラスなどからなる封止部材９Ｂによって塞がれる。空間５内の不純物ガスは、溝６ａを通過して、ゲッタ１０Ｂにおいて吸着される。

次に、赤外線センサ１Ｂの製造方法について説明する。第１の実施形態と同様にして素子基板２を作製する。蓋基板３Ｂは蓋基板３Ａと同様に製造されるが、ゲッタ材の作製、封止部材９Ｂの作製などの手順が異なる。すなわち、メッキ技術によって貫通孔に管状電極７を形成した後、管状電極７の円筒内周面に蒸着法やスパッタ法によってゲッタ１０Ｂを形成する。ＣＭＰ平坦化技術による研磨によって、貫通孔以外に成膜された金属膜やゲッタ材料層を除去する。スパッタ法や蒸着法などによって蓋基板３Ｂに端子電極８を形成する。真空中で、蓋基板３Ｂを加熱し、ゲッタ１０Ｂを活性化した後、赤外線検出素子４などを形成した素子基板２と蓋基板３Ｂとを接合する。そして、ドライエッチングやレーザによる加工、型成形などによって作製した封止部材９Ｂによって、管状電極７の開放端を塞ぐ。これにより、赤外線センサ１Ｂが作製される。

以上の第２の実施形態による赤外線センサ１Ｂは次のような作用効果を奏する。
（１）第１の実施形態と同様に、赤外線検出素子４の検出信号を取り出す電極を管状電極７にし、管状電極７の円筒内周面にゲッタ１０Ｂを設けるようにした。その結果、赤外線検出素子４が形成されている空間５を大きくすることなく、その空間５内の不純物ガスを長期にわたり除去できる。

（２）管状電極７の内面にゲッタ１０Ｂを設けた。したがって、第１の実施形態の封止部材９Ａに比べて、封止部材９Ｂの厚みを薄くすることができ、赤外線センサ１Ｂを小型化できる。

−第３の実施形態−
本発明の第３の実施形態における赤外線センサ１Ｃについて図５を参照して説明する。第１の実施形態の赤外線センサ１Ａおよび第２の実施形態の赤外線センサ１Ｂと共通する部分は同じ符号を使用し、第１の実施形態の赤外線センサ１Ａおよび第２の実施形態の赤外線センサ１Ｂとの相違点を主に説明する。図５（ａ）は赤外線センサ１Ｃの平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。

相違点はゲッタである。蓋基板３Ｃに設けられた管状電極７の内部には、図５（ｂ）に示すように、Ｔｉのワイヤからなるゲッタ１０Ｃが設けられている。空間５内の不純物ガスは、溝６ａを通過して管状電極７内に至り、ゲッタ１０Ｃにおいて吸着される。

次に、赤外線センサ１Ｃの製造方法について説明する。赤外線検出素子４や信号電極６を形成した素子基板２と、管状電極７や端子電極８を形成した蓋基板３Ｃとを接合する。真空中でワイヤ状のゲッタ１０Ｃを加熱して表面を清浄化した後、管状電極７の管内に配置する。そして、ドライエッチングやレーザによる加工、型成形などによって作製した封止部材９Ｂにより、管状電極７の開放端を塞ぐ。これにより、赤外線センサ１Ｃが作製される。

以上の第３の実施形態による赤外線センサ１Ｃは次のような作用効果を奏する。
（１）第１の実施形態や第２の実施形態と同様に、赤外線検出素子４の検出信号を取り出す電極を管状電極７にし、管状電極７の円筒内にワイヤ状のゲッタ１０Ｂを設けた。これにより、赤外線検出素子４が形成されている空間５を大きくすることなく、その空間５内の不純物ガスを長期間にわたり除去できる。

（２）ゲッタ１０Ｃはワイヤ状であるので、ゲッタ１０Ｃの表面積を大きくすることができ、効率よく不純物ガスを吸着できる。また、ゲッタ１０Ｃを活性化する際、ゲッタ１０Ｃのみを過熱すればよく、熱容量が少ないため、加熱処理時間を短縮できる。

−第４の実施形態−
本発明の第４の実施形態における赤外線センサ１Ｄについて図６を参照して説明する。第１〜３の実施形態の赤外線センサ１Ａ〜１Ｃと共通する部分は同じ符号を使用し、第１〜３の実施形態の赤外線センサ１Ａ〜１Ｃとの相違点を主に説明する。図６（ａ）は赤外線センサ１Ｄの平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ’線断面図である。

相違点はゲッタである。図６（ｂ）に示すように、管状電極７の開放端は、Ｔｉなど不純物ガスを吸着する金属からなるゲッタ１０Ｄによって塞がれる。したがって、空間５内の不純物ガスは、溝６ａ、管状電極７を通過して、ゲッタ１０Ｄにおいて吸着される。

次に、赤外線センサ１Ｄの製造方法について説明する。赤外線検出素子４や信号電極６を形成した素子基板２と、管状電極７や端子電極８を形成した蓋基板３Ｄとを接合する。平板状のゲッタ１０Ｄを作製する。真空中でゲッタ１０Ｄを加熱するなど、ゲッタ１０Ｄの表面を表面洗浄した後、管状電極７の開放端に接合する。ゲッタ１０Ｄによる管状電極７同士の短絡を防止するため、図６（ａ）のＥ−Ｅ’線、Ｆ−Ｆ’線に沿ってダイシングして、ゲッタ１０Ｄのみを分割する。これにより、赤外線センサ１Ｄが作製される。

以上の第４の実施形態による赤外線センサ１Ｃは次のような作用効果を奏する。
（１）第１〜３の実施形態と同様に、赤外線検出素子４の検出信号を取り出す電極を管状電極７にし、管状電極７を平板状のゲッタ１０Ｄで封止した。これにより、赤外線検出素子４が形成されている空間５を大きくすることなく、空間５内の不純物ガスを長期間にわたり除去できる。

（２）貫通電極７を塞ぐ封止部材を平板状ゲッタ１０Ｄとすることによって、第１の実施形態のように封止部材９Ａの内面にゲッタ１０Ａを取り付ける必要がなく、また、第２の実施形態のように管状電極の内面にゲッタ１０Ｂを形成する必要がないので、さらに、効率よくゲッタ１０Ｄを管状電極７に設けることができる。

以上の実施形態の赤外線センサ１Ａ〜１Ｄを次のように変形することができる。
（１）不純物ガスを吸着するものであれば、ゲッタ１０Ａ，１０Ｂを構成する材料は実施形態に限定されない。また、不純物ガスを吸着する活性金属であれば、ゲッタ１０Ｃ，１０Ｄの材料はＴｉに限定されない。

（２）素子基板２に形成された機能性素子は赤外線検出素子４であったが、機能性素子であれば実施形態に限定されない。たとえば、圧力センサ素子でもよい。この場合、蓋基板は赤外線を透過する必要がないので、蓋基板を、赤外線の透過性を有しないガラスなどにしてもよい。

（３）機能素子が形成されている空間５の雰囲気は、素子基板２に形成する機能性素子によって適宜選択することができる。たとえば、赤外線検出素子４の場合は真空にし、圧力センサ素子の場合は不活性ガス雰囲気にしてもよい。

（４）素子基板２と蓋基板３Ａ〜３Ｄとを共晶結合法、半田結合法によって接合する場合、あるいは直接接合される枠状基板を介して接合する場合、図７に示すように、赤外線センサ１Ｅの管状電極７と信号電極６とをバンプ７１で接続するようにしてもよい。共晶や半田や枠状基板７２を使用して接合すると、共晶や半田や枠状基板７２の厚みにより管状電極７と信号電極６との間に隙間が生じるためである。

（５）赤外線検出素子４を素子基板２の凹部に形成することによって、赤外線検出素子４と蓋基板３Ａとの間に空間５を形成したが、図７に示すように、赤外線センサ１Ｅの素子基板２と蓋基板３Ａ〜３Ｄとを共晶結合法、半田結合法、あるいは直接接合された枠状基板を介して接合することによって赤外線検出素子４と蓋基板３Ａとの間に空間５を形成するようにしてもよい。この場合、信号電極に溝６ａを形成することなしに空間５によって形成される空間と管状電極７とを連通するようにすることができる。

（６）信号電極６の凹部６ａによって、空間５と管状電極７の円筒内とが連通するようにしたが、図８，９に示すように、蓋基板３Ａの信号電極６側に凹部８１をさらに設けてもよい。

（７）第２の実施形態の赤外線センサ１Ｂの管状電極７を、図１０，１１に示すように鼓形状としたりラッパ形状としたりしてもよい。図３（ｂ）に示すように管状電極７が円筒状の場合、蒸着法やスパッタ法によって管状電極７の中心部までゲッタ１０Ｂを構成する薄膜を形成することが困難である場合がある。一方、図１０，１１のように管状電極７の内面を傾斜面とすると、管状電極７の内面の成膜が容易となり、管状電極７の中心部まで、充分に厚い膜厚のゲッタ１０Ｂを形成することができる。図１０の赤外線センサ１Ｇの場合は、蓋基板３Ｂの両面側から成膜する。図１１の赤外線センサ１Ｈの場合は、蓋基板３Ｂの貫通穴の断面積が大きい側から蒸着法やスパッタ法によって成膜する。管状電極７の内面の傾斜面は、サンドブラスト技術によって傾斜面を有する貫通孔を形成し、傾斜面を有する貫通孔の内面にメッキ技術によって金属膜を形成することによって、形成される。

（８）上記第１〜４の実施形態におけるゲッタを適宜組み合わせてもよい。たとえば、図１２に示すように、赤外線センサ１Ｊには第２の実施形態によるゲッタ１０Ｂと第４の実施形態によるゲッタ１０Ｄとが設けられている。上記第１〜４の実施形態におけるゲッタを組み合わせることによって、空間５の不純物ガスを効率よくゲッタによって吸着することができる。

本発明は、その特徴的構成を有していれば、以上説明した実施の形態になんら限定されない。

図１（ａ）は第１の実施形態の赤外線センサの平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。 信号電極に形成した溝を説明するための図である。 図３（ａ）は第２の実施形態の赤外線センサの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。 管状電極の内面に形成されたゲッタを説明するための図である。 図５（ａ）は第３の実施形態の赤外線センサの平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。 図６（ａ）は第４の実施形態の赤外線センサの平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ’線断面図である。 素子基板と蓋基板とを共晶結合法、半田結合法、あるいは直接接合される枠状基板を介して接合する場合の管状電極と信号電極とのバンプによる接続を説明するための図である。 管状電極と空間とを連通するために蓋基板に形成した凹部を説明するための図である。 管状電極と空間とを連通するために蓋基板に形成した凹部を説明するための図である。 第２の実施形態の赤外線センサの変形例を説明するための図である。 第２の実施形態の赤外線センサの他の変形例を説明するための図である。 第１〜第４の実施形態におけるゲッタを組み合わせた変形例を説明するための図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｊ 赤外線センサ ２ 素子基板
３Ａ〜３Ｄ 蓋基板 ４ 赤外線検出素子
５ 空間 ６ 信号電極
６ａ 溝 ７ 管状電極
８ 端子電極 ９Ａ，９Ｂ 封止部材
１０Ａ〜１０Ｄ ゲッタ

Claims (8)

1. 表面に機能性素子、およびその機能性素子の信号を取り出す信号電極が形成された素子基板と、
   前記機能性素子を空間に密閉するために前記素子基板に接合される蓋基板とを含み、
   前記蓋基板には、
   前記信号電極と接続され、前記機能性素子の信号を外部へ導く管状の電極であって、前記空間に一端が連通し、他端が前記蓋基板を貫通してその外面まで延設された管状電極と、
   前記管状電極の前記他端を封止する封止部材と、
   前記管状電極に面して設けられ、前記空間内の不純物ガスを吸収するゲッタとを備えることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記ゲッタを前記封止部材の前記管状電極に面している内面に設けることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記ゲッタを前記管状電極の表面に設けることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項３に記載の半導体装置において、
   前記管状電極は傾斜面を有することを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記ゲッタは、活性金属からなるワイヤであり、前記管状電極の管内に前記ゲッタを設けることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記ゲッタは活性金属からなり、
   前記封止部材は前記ゲッタであることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項３または４に記載の半導体装置において、
   前記封止部材は不純物ガスを吸着する活性金属からなることを特徴とする半導体装置。
8. 表面に機能性素子、およびその機能性素子の信号を取り出す信号電極が形成された素子基板と、
   前記機能性素子を空間に密閉するために前記素子基板に接合される蓋基板とを含む半導体装置の製造方法において、
   前記信号電極と接続され、前記機能性素子の信号を外部へ導く管状の電極であって、前記空間に一端が連通し、他端が前記蓋基板を貫通してその外面まで延設された複数の管状電極を前記蓋基板に形成し、
   前記複数の管状電極の他端を、不純物ガスを吸着する活性金属で封止し、
   前記活性金属を切り離すことによって、前記活性金属による前記複数の管状電極間の短絡を防止することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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