JP2007305659A - 半導体センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はＳＯＩ基板を用いた半導体センサ及びその製造方法に関し、上部基板と支持基板との安定した電気的接続を図ることを課題とする。
【解決手段】半導体材料（Ｓｉ）よりなる支持基板１１と上部基板１３とが、絶縁材よりなる犠牲層１２介して接合された構造を有する半導体センサにおいて、上部基板１３前記に形成された貫通孔１７と、犠牲層１２の一部が除去されることにより形成された除去部１８と、貫通孔１７及び除去部１８内に埋め込まれると共に、支持基板１１及び上部基板１３にオーミック接合された導電性部材１６導電性部材とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体センサ及びその製造方法に係り、特にＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板を用いた半導体センサ及びその製造方法に関する。

近年、半導体基板に対して微細加工（マイクロマシン加工）を行い、加速度センサ，角速度センサ等の各種半導体センサを製造することが行われている。この種の半導体センサは、加速度や圧力等の測定しようとする物理変化に伴い可動する可動部と、この可動部を支持する支持基板を有した構成を基本構成とする。また、通常可動部はその外周に配設された枠部に支持されており、この可動部と枠部も１枚の基板（上部基板という）から構成形成されている。

このような半導体センサを製造する場合、ＳＯＩ基板が多用される（例えば、特許文献１，２参照）。ＳＯＩ基板は絶縁材料よりなる犠牲層を挟んでその上下にシリコン（半導体材料）からなる一対の基板が接合された構造が一般的である。このＳＯＩ基板を用いた場合、１対のシリコン基板の内、一方を支持基板として用い、他方を上部基板として用いる。

また、上部基板に可動部をエッチング技術等を用いて形成する際、ＳＯＩ基板では犠牲層がエッチングのいわゆるストップ層として機能する。このため、ＳＯＩ基板を用いることにより可動部の加工を容易に行うことができる。
特開２００４−０３５５７５号公報 特開２００５−２２７０８９号公報

ところで、上記ようにＳＯＩ基板は絶縁材料よりなる犠牲層を挟んでその上下に一対のシリコン基板が接合された構造とされているため、支持基板と上部基板を電気的に接続しない場合、支持基板の電位と上部基板の電位が異なる場合が発生し、この場合には上記した検出しようとする物理変化とは別固の静電引力により可動部が可動してしまい、半導体センサの精度が低下してしまう。

このため、従来から支持基板と上部基板とを電気的に接続することが行われている。例えば特許文献１には上部基板の一部をカンチレバー状に形成し、これを支持基板に当接させることにより電気的導通を図り、これにより上部基板と支持基板を同電位にする構成としている。また、引用文献２では、センサチップに導電性部材を接触させて電位を取る構成としている。

しかしながら、上記したいずれの引用文献に開示され接続構成も、接触による電位の接続であるため、その界面は明確に存在する。このため、接触する２つの面の表面状態（平坦度、自然酸化膜の有無、有機系の残渣等）によって、その接触状態（接触抵抗）は大きく左右される。よって、従来の半導体センサの構造では、上部基板と支持基板の安定した電気的接続を行うことができないという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、上部基板と支持基板との安定した電気的接続を図ることができる半導体センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。

請求項１記載の発明は、
半導体材料よりなる支持基板と上部基板とが、絶縁材よりなる犠牲層を介して接合された構造を有する半導体センサにおいて、
前記上部基板に形成された貫通孔と、
前記犠牲層の一部が除去されることにより形成された除去部と、
前記貫通孔及び前記除去部に埋め込まれると共に、前記支持基板及び前記上部基板にオーミック接合された導電性部材とを有することを特徴とするものである。

また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の半導体センサにおいて
前記上部基板は可動部と枠部を有しており、前記貫通孔は前記枠部に設けられていることを特徴とするものである。

また、請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載の半導体センサにおいて、
前記上部基板の前記貫通孔の形成位置近傍は、拡散層が形成されていることを特徴とするものである。

また、請求項４記載の発明は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体センサにおいて
前記除去部は、平面視で前記貫通孔よりも大きい面積を有することを特徴とするものである。

また、請求項５記載の発明に係る半導体センサの製造方法は、
ＳＯＩ基板から、支持基板と、該支持基板と犠牲層を介して接合され可動部と枠部とを有する上部基板とを形成する工程と、
前記上部基板に貫通孔を形成する工程と、
前記犠牲層に平面視で前記貫通孔よりも大きい面積の除去部を形成する工程と、
前記貫通孔及び前記除去部に導電性材料を埋め込むと共に、該導電性材料を前記貫通孔及び前記除去部とオーミック接合させる工程とを有することを特徴とするものである。

また、請求項６記載の発明は、
請求項５記載の半導体センサの製造方法において
前記導電性材料を埋め込む工程において、キャピラリを用いて導電性材料を前記貫通孔及び前記除去部に埋め込むことを特徴とするものである。

また、請求項７記載の発明は、
請求項５または６記載の半導体センサの製造方法において
前記上部基板に貫通孔を形成する工程を実施した後、前記上部基板の前記貫通孔形成位置の近傍に不純物注入を行うことにより拡散層を形成する工程を実施することを特徴とするものである。

また、請求項８記載の発明は、
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の半導体センサの製造方法において
前記導電性材料を埋め込む工程を実施した後、加熱ツールを用いて前記導電性材料を加熱することにより溶融し、前記導電性材料を前記除去部の奥所まで埋め込む工程を実施することを特徴とするものである。

本発明によれば、導電部材が貫通孔及び除去部に埋め込まれると共に、支持基板及び上部基板にオーミック接合されるため、従来のような端子の接触による接続に比べ、支持基板と導電部材及び上部基板と導電部材の電気的接続を安定化できる。これにより、支持基板と上部基板とを確実に同電位とすることができ、半導体センサの精度及び信頼性を高めることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

図１（Ａ）は、本発明の一実施例である半導体センサ１０を示している。半導体センサ１０は、大略すると支持基板１１，犠牲層１２，上部基板１３，及び導電性部材１６等により構成されている。支持基板１１，犠牲層１２及び上部基板１３は、後述するようにＩＳＯ基板２０から形成されるものである。具体的には、支持基板１１及び上部基板１３は半導体材料であるシリコンにより形成され、犠牲層１２は絶縁材である二酸化シリコンにより形成されている。

上部基板１３は、加速度或いは角速度等が印加されることにより可動する可動部１４と、この可動部１４を保持する枠部１５と、この枠部１５に形成された貫通孔１７とにより構成されている。枠部１５は、犠牲層１２を介して支持基板１１に固定されており、よって枠部１５は支持基板１１と犠牲層１２を介意して一体的な構成とされている。

これに対し、可動部１４と支持基板１１との間における犠牲層１２は除去されており、よって可動部１４は支持基板１１に対して可動できる構成となっている。可動部１４の移動は、印加される加速度或いは角速度の強さに相関しており、よって可動部１４の移動を例えば静電変化として検出することにより、加速度，角速度の検出を行うことができる。

貫通孔１７は、枠部１５を貫通するよう形成されている。また、犠牲層１２の貫通孔１７の形成位置と対応する位置に除去部１８が形成されている。この除去部１８においては犠牲層１２が除去されており、よって除去部１８の形成位置では支持基板１１の上面が露出した構成となっている。この際、図１（Ｂ）に示すように、除去部１８は、平面視で貫通孔１７よりも大きい面積を有するよう形成されている。

また、半導体材料により形成された枠部１５（上部基板１３）の貫通孔１７の近傍には、不純物が注入されることにより拡散層１９が形成されている。この拡散層１９においては不純物濃度が高いため、電気的抵抗が小さくなっている。

導電性部材１６は、枠部１５に形成された貫通孔１７に埋め込まれた状態で配設されている。この際、導電性部材１６は、支持基板１１の上面（除去部１８に露出した部分）、及び上部基板１３の貫通孔１７の内周面とオーミック接合した構成とされている。このため、導電性部材１６の材質としては、シリコンからなる支持基板１１及び上部基板１３とオーミック接合可能な金（Ａｕ）が選定されている。尚、導電性部材１６の材質はＡｕに限定されるものではなく、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）等を用いることが可能である。

本実施例のように、導電性部材１６が貫通孔１７及び除去部１８に埋め込まれる。この際、除去部１８は平面視で貫通孔１７よりも大きい面積を有するよう形成されているため、導電性部材１６には除去部１８内に楔状に嵌入した楔部１６Ａが形成され、よって導電性部材１６は機械的にも確実に支持基板１１及び上部基板１３に固定された構成とされている。

また、導電性部材１６は、支持基板１１及び上部基板１３にオーミック接合されている。導電性部材１６の材料であるＡｕは、支持基板１１及び上部基板１３の材料であるシリコン（Ｓｉ）内に拡散し電気的な接続が行われる。

このため、従来のような端子の接触による接続に比べ、支持基板１１と導電性部材１６との電気的接続、及び上部基板１３と導電性部材１６との電気的接続を安定的かつ確実に行うことができる。これにより、支持基板１１と上部基板１３とを導電性部材１６により確実に同電位とすることができ、半導体センサ１０の精度及び信頼性を高めることができる。

次に、上記構成とされた半導体センサ１０の製造方法について説明する。図２及び図３は、半導体センサ１０の製造方法を製造手順に沿って示す図である。

半導体センサ１０を製造するには、先ず図２（Ａ）に示すＩＳＯ基板２０を用意する。このＩＳＯ(Silicon On Insulator)基板２０は、絶縁材料（二酸化シリコン）よりなる犠牲層１２を挟んでその上下にシリコン（半導体材料）からなる一対の基板１１，１３が接合された構造とされている。以下、図中犠牲層１２の下部に位置する基板を支持基板１１といい、犠牲層１２の上部に位置する基板を上部基板１３という。

先ず、このＩＳＯ基板２０の上部基板１３に対して異方性エッチング処理（マイクロマシン加工）を行うことにより、可動部１４及び貫通孔１７を形成する。図２（Ｂ）は、上部基板１３に可動部１４及び貫通孔１７が形成された状態を示している。この際、犠牲層１２は可動部１４及び貫通孔１７を形成する際のストップ層として機能する。

続いて、可動部１４の下部及び貫通孔１７の下部における犠牲層１２を除去する処理を行う。この犠牲層１２の除去は、例えばＨＦ溶液を用いて行う。これにより、可動部１４は支持基板１１に対して遊離した状態となり、前記の加速度等の印加により移動可能な状態となる。

またこれと同時に、貫通孔１７と対向する位置における犠牲層１２は側方にオーバハングされる。よって、図１（Ａ）で説明したように、除去部１８は、平面視で貫通孔１７よりも大きい面積を有した構成となる。上記した所定位置における犠牲層１２が除去された状態を示している。

次に、図３（Ａ）に示すように、上部基板１３の貫通孔１７の近傍位置に不純物注入を行うことにより拡散層１９（例えば、ｎ^＋層）を形成する。この処理を行うことにより、貫通孔１７の近傍における電気的抵抗を低減することができる。尚、拡散層１９の形成は、不純物注入（イオン注入）法に代えて熱拡散法を用いてもよい。また、貫通孔１７の近傍の電気抵抗が十分に小さい場合には、必ずしもこの拡散層１９の形成は行う必要はない。

続いて、導電性部材１６が貫通孔１７の内部に形成される。この導電性部材１６の形成は、本実施例ではワイヤボンディング装置を用いて行っている。
ワイヤボンディング装置を用いて導電性部材１６を形成するには、先ず図３（Ｂ）に示すように、キャピラリ２１を挿通するＡｕ線２２の先端部に、放電処理等により予めＡｕボール２３を形成しておく。このＡｕボール２３の直径は、例えばφ４０〜９０μｍである。

続いて、図３（Ｃ）に示すように、キャピラリ２１を下動させてＡｕボール２３を貫通孔１７内に圧入する。この時、Ａｕボール２３の表面及び貫通孔１７の内周面の自然酸化膜の除去、除去部１８内へのＡｕボール２３の押し込み力の増大のため、キャピラリ２１に超音波振動を印加する。このようにしてＡｕボール２３が貫通孔１７及び除去部１８内に押し込まれると、適切なキャピラリ２１の移動軌跡と、Ａｕ線２２のカットクランパ（図示せず）の動作により、Ａｕ線２２を導電性部材１６の上部においてカットする。

そして最後に、上記のように貫通孔１７及び除去部１８内に導電性部材１６が押し込まれると、導電性部材１６に対して熱処理（３００℃〜４００℃）が行われる。これにより、導電性部材１６は支持基板１１の上面、及び上部基板１３の貫通孔１７の内周面とオーミック接合する。このように、導電性部材１６を支持基板１１及び上部基板１３とオーミック接合する処理は、ワイヤボンディング装置を用いることにより容易に行うことができ、また導電性部材１６に対する熱処理も加熱炉を用いることにより容易に行うことができるため、半導体センサ１０の製造を容易に行うことができる。

続いて、図４及び図５を参照し、上記した実施例の変形例である半導体センサ１０の製造方法について説明する。

前記した実施例では、導電性部材１６を支持基板１１及び上部基板１３とオーミック接合するために、加熱炉に入れて加熱処理を行う方法とした。これに対して図４に示す第１変形例に係る方法では、熱処理の代わりに高温（３００℃〜４００℃）に加熱できるボンディングツール２５を用い、このボンディングツール２５を導電性部材１６に加圧しつつ加熱するようにしたものである。

この方法によっても、導電性部材１６は加熱されて支持基板１１及び上部基板１３とオーミック接合する。また、本変形例では、ボンディングツール２５（加熱ツール）の先端部２５Ａが平坦面とされているため、ボンディングツール２５によるオーミック接合処理が終了した後、導電性部材１６の上面は平坦面となる。よって、この導電性部材１６の平坦な上面を半導体センサ１０の外部接続端子として用いることが可能となる。

また、図５に示す第２変形例では、第１変形例と同様に高温（３００℃〜４００℃）に加熱できるボンディングツール２６を用いて導電性部材１６を加熱しオーミック接合を行うが、ボンディングツール２６の先端部２６Ａが尖った形状とされている点で第１変形例と異なる。このように、ボンディングツール２６の先端部２６Ａを尖った形状とすることにより、再加圧、加振、及び加圧を局所的に行うことが可能となり、導電性部材１６と各基板１１，１３との相互拡散を確実に行うことが可能となる。

図１は、本発明の一実施例である半導体センサを説明するための図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は貫通孔の平面図である。 図２は、本発明の一実施例である半導体センサの製造方法を製造手順に沿って説明するための図である（その１）。 図３は、本発明の一実施例である半導体センサの製造方法を製造手順に沿って説明するための図である（その２）。 図４は、ボンディングツールを用いて導電性部材を加熱する方法を説明するための図である（その１）。 図５は、ボンディングツールを用いて導電性部材を加熱する方法を説明するための図である（その２）。

符号の説明

１０ 半導体センサ
１１ 支持基板
１２ 犠牲層
１３ 上部基板
１４ 可動部
１５ 枠部
１６ 導電性部材
１６Ａ 楔部
１７ 貫通孔
１８ 除去部
１９ 拡散層
２０ ＩＳＯ基板
２１ キャピラリ
２２ Ａｕ線
２３ Ａｕボール
２５，２６ ボンディングツール
２５Ａ，２６Ａ 先端部

Claims (8)

1. 半導体材料よりなる支持基板と上部基板とが、絶縁材よりなる犠牲層を介して接合された構造を有する半導体センサにおいて、
   前記上部基板に形成された貫通孔と、
   前記犠牲層の一部が除去されることにより形成された除去部と、
   前記貫通孔及び前記除去部に埋め込まれると共に、前記支持基板及び前記上部基板にオーミック接合された導電性部材とを有することを特徴とする半導体センサ。
2. 前記上部基板は可動部と枠部を有しており、前記貫通孔は前記枠部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体センサ。
3. 前記上部基板の前記貫通孔の形成位置近傍は、拡散層が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体センサ。
4. 前記除去部は、平面視で前記貫通孔よりも大きい面積を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体センサ。
5. ＳＯＩ基板から、支持基板と、該支持基板と犠牲層を介して接合され可動部と枠部とを有する上部基板とを形成する工程と、
   前記上部基板に貫通孔を形成する工程と、
   前記犠牲層に平面視で前記貫通孔よりも大きい面積の除去部を形成する工程と、
   前記貫通孔及び前記除去部に導電性材料を埋め込むと共に、該導電性材料を前記貫通孔及び前記除去部とオーミック接合させる工程とを有することを特徴とする半導体センサの製造方法。
6. 前記導電性材料を埋め込む工程において、キャピラリを用いて導電性材料を前記貫通孔及び前記除去部に埋め込むことを特徴とする請求項５記載の半導体センサの製造方法。
7. 前記上部基板に貫通孔を形成する工程を実施した後、前記上部基板の前記貫通孔形成位置の近傍に不純物注入を行うことにより拡散層を形成する工程を実施することを特徴とする請求項５または６記載の半導体センサの製造方法。
8. 前記導電性材料を埋め込む工程を実施した後、加熱ツールを用いて前記導電性材料を加熱することにより溶融し、前記導電性材料を前記除去部の奥所まで埋め込む工程を実施することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の半導体センサの製造方法。
   

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