JP2014021044A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】５Ｎ／ｍｍ^２以上の引っ張り強度を有する半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】積層ウェハ４０を形成する工程の前に、センサウェハ１４ａの一面およびキャップウェハ２０ａの一面に加湿ガスをプラズマ化したプラズマガスを照射する表面処理工程を行う。そして、この表面処理工程では、加湿ガスの湿度が５％以上であって６０％未満であるものを用いる。
【選択図】図７

Description

本発明は、センシング部を有するセンサ部とセンサ部に貼り合わされるキャップ部とを備え、センシング部がセンサ部とキャップ部との間に形成される気密室に気密封止されてなる半導体装置の製造方法に関するものである。

従来より、センシング部が形成されたセンサ部にキャップ部を貼り合わせ、センシング部をセンサ部とキャップ部との間に形成される気密室に封止してなる半導体装置が提案されている。

このような半導体装置は、一面側に複数のセンシング部が形成されたセンサウェハと、キャップ部を構成するキャップウェハとを貼り合わせて積層ウェハを構成し、この積層ウェハをチップ単位に分割することにより製造される。

ところで、上記半導体装置では、センサ部とキャップ部との引っ張り強度（接合強度）を向上させるためにセンサ部とキャップ部とを共有結合することが提案されている。例えば、特許文献１には、積層ウェハを構成する前に、センサウェハおよびキャップウェハの表面（接合面）に加湿ガスをプラズマ化したプラズマガスを照射して表面処理することによってＯＨ基を形成することにより、積層ウェハを構成した際にセンサウェハとキャップウェハとを共有結合することが提案されている。なお、引っ張り強度とは、センサ部とキャップ部とが剥離する際の力のことである。

特開２００６−７３７８０号公報

しかしながら、上記特許文献１の製造方法では、加湿ガスの湿度によっては十分な引っ張り強度を得ることができないという問題がある。すなわち、通常、上記のような半導体装置では、気密室のリークを抑制するため、接合界面が５Ｎ／ｍｍ^２以上の引っ張り強度を有することが望まれているが、加湿ガスの湿度が低すぎたり高すぎたりすると５Ｎ／ｍｍ^２以上の引っ張り強度を得ることができないという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、５Ｎ／ｍｍ^２以上の引っ張り強度を有する半導体装置の製造方法を提供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、一面を有し、各チップ形成領域にそれぞれセンシング部が形成されたセンサウェハ（１４ａ）を用意する工程と、一面を有し、チップ単位に分割されることによりキャップ部を構成するキャップウェハ（２０ａ）を用意する工程と、センサウェハの一面とキャップウェハの一面とを貼り合わせて複数の気密室を有する積層ウェハ（４０）を形成する工程と、積層ウェハをチップ単位に分割する工程と、を含み、積層ウェハを形成する工程の前に、センサウェハの一面およびキャップウェハの一面に加湿ガスをプラズマ化したプラズマガスを照射する表面処理工程を行い、表面処理工程では、加湿ガスの湿度が５％以上であって６０％未満であるものを用いることを特徴としている（図７参照）。

これによれば、半導体装置に５Ｎ／ｍｍ^２の引っ張り力が印加されてもセンサ部とキャップ部とが剥離することを抑制することができ、気密室のリークを抑制することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲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ものである。

本発明の第１実施形態における半導体装置の断面図である。 （ａ）は図１に示すセンサ部の平面模式図、（ｂ）は図１に示すキャップ部の平面模式図である。 図１に示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図３に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 ＳＯＩウェハの表面処理工程を行う際の模式図である。 表面処理工程および接合工程を行った際のＳＯＩウェハの原子状態を示す模式図である。 加湿ガスの湿度と剥離の有無の関係を示す図である。 本発明の他の実施形態におけるキャップ部の平面模式図である。

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、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１に示されるように、本実施形態の半導体装置は、センサ部１０にキャップ部２０が貼り合わされて構成されている。なお、図１に示すセンサ部１０は、図２（ａ）中のI−I線に沿った断面図である。まず、本実施形態のセンサ部１０の構成について説明する。

センサ部１０は、本実施形態では、物理量としての加速度を検出するものであり、支持基板１１と半導体層１２とにより犠牲層１３が挟み込まれたＳＯＩ基板１４を用いて構成されている。支持基板１１および半導体層１２としては、例えばＮ型の単結晶シリコンが採用される。また、犠牲層１３としては、例えばＳｉＯ_２が採用される。

ＳＯＩ基板１４のうちの犠牲層１３は、支持基板１１と半導体層１２との間に一定の間隔を形成するものである。半導体層１２は、図２（ａ）に示されるように、可動部１５と、固定部１６と、周辺部１７とを有している。

これら可動部１５、固定部１６、周辺部１７は、半導体層１２を貫通した開口部１８により構成されている。つまり、半導体層１２は開口部１８が形成されていることにより、可動部１５、固定部１６、周辺部１７にそれぞれ画定され、分離されている。そして、可動部１５および固定部１６により加速度等の物理量を検出するためのセンシング部１９が構成されている。

可動部１５は、センサ部１０の表面側すなわち半導体層１２に形成された変位可能な構造を有しており、具体的には、アンカー部１５ａ、錘部１５ｂ、可動電極１５ｃ、および梁部１５ｄを有している。なお、本実施形態では、センサ部１０の表面が本発明のセンサ部１０の一面に相当している。また、センサ部１０の表面とは、半導体層１２のうち犠牲層１３が形成された面と反対側の面のことである。

アンカー部１５ａは、支持基板１１に対して錘部１５ｂを浮かせて支持するためのものである。このアンカー部１５ａはブロック状をなしており、犠牲層１３の上に２箇所設けられている。

錘部１５ｂは、半導体装置に加速度等の物理量が印加されたときに各アンカー部１５ａに対して可動電極１５ｃを移動させる錘として機能するものであり、細長状をなしている。

可動電極１５ｃは、錘部１５ｂを構成する細長状の部位から直角方向に延設され、複数本設けられることで櫛歯状に配置されている。各可動電極１５ｃは、間隔が一定とされ、幅、長さも一定とされている。

梁部１５ｄは、アンカー部１５ａと錘部１５ｂとを連結するものである。この梁部１５ｄは、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。このような梁部１５ｄにより、錘部１５ｂがアンカー部１５ａに一体に連結されて支持されている。本実施形態では、２つの梁部１５ｄがアンカー部１５ａと錘部１５ｂとをそれぞれ連結している。

そして、梁部１５ｄ、錘部１５ｂ、および可動電極１５ｃの下部の犠牲層１３は部分的に除去され、梁部１５ｄ、錘部１５ｂ、および可動電極１５ｃは支持基板１１の上に一定の間隔で浮遊した状態になっている。この一定の間隔とは、半導体層１２と支持基板１１との間の間隔であり、犠牲層１３の厚みに相当する。

一方、固定部１６は、可動部１５を構成する細長状の錘部１５ｂの長辺と対向するように配置され、錘部１５ｂを挟むように２つ配置されている。このような固定部１６は、配線部１６ａと固定電極１６ｂとを有している。

配線部１６ａは、固定電極１６ｂと外部とを電気的に接続するための配線として機能する部位である。そして、配線部１６ａは、下方において犠牲層１３が残されており、支持基板１１に固定されている。

固定電極１６ｂは、配線部１６ａのうちの錘部１５ｂと対向する辺から直角方向に延設され、配線部１６ａに複数本ずつ備えられることで櫛歯状に配置されている。各固定電極１６ｂは、間隔が一定とされており、幅、長さも一定とされている。

そして、各固定電極１６ｂが各可動電極１５ｃに対向するように配置され、各固定電極１６ｂと各可動電極１５ｃとの間にコンデンサが形成されている。つまり、可動部１５および固定部１６は、可動電極１５ｃと固定電極１６ｂとの間に形成される容量に基づいて物理量を検出するように構成されている。このため、支持基板１１の平面方向であって錘部１５ｂの長手方向に加速度等の物理量が印加されたときに、コンデンサの容量値の変化に基づいてその物理量を検出することが可能になっている。

本実施形態では、固定電極１６ｂと支持基板１１との間の犠牲層１３が除去されており、固定電極１６ｂは支持基板１１に対して浮いた状態になっている。

周辺部１７は、可動部１５や固定部１６の周囲に配置されたものであり、可動部１５および固定部１６を一周して囲むように形成されている。

次に、キャップ部２０について説明する。キャップ部２０は、上記センシング部１９への水や異物の混入等を防止するものであり、センサ部１０との間に気密室３０を形成するものである。

本実施形態では、図１に示されるように、キャップ部２０は、シリコン基板２１と、第１絶縁膜２２と、第２絶縁膜２３とを有する構成とされている。

シリコン基板２１は、センサ部１０のセンシング部１９と対向する位置に窪み部２４が形成されている。この窪み部２４は、キャップ部２０がセンサ部１０に貼り合わされたときに、センシング部１９がキャップ部２０に接触しないようにするためのものであり、平面形状が矩形状とされている。

第１絶縁膜２２は、シリコン基板２１においてセンサ部１０と対向する一面全体に形成されており、窪み部２４の表面にも形成されている。この第１絶縁膜２２はセンサ部１０とシリコン基板２１とを絶縁するためのものである。

第２絶縁膜２３は、シリコン基板２１のうち第１絶縁膜２２が形成される一面と反対側の他面に形成されている。これら第１絶縁膜２２および第２絶縁膜２３としては、ＳｉＯ_２等の絶縁材料が採用される。以下では、キャップ部２０のうち第１絶縁膜２２の表面をキャップ部２０の表面とし、キャップ部２０のうち第２絶縁膜２３の表面をキャップ部２０の裏面として説明する。

キャップ部２０は、キャップ部２０をセンサ部１０とキャップ部２０との積層方向に貫通する複数の貫通電極部２５を有している。各貫通電極部２５は、第２絶縁膜２３、シリコン基板２１、および第１絶縁膜２２を貫通する孔部２５ａと、この孔部２５ａの壁面に形成された絶縁膜２５ｂと、この絶縁膜２５ｂの上に埋め込まれ、一端がアンカー部１５ａ等に接続される貫通電極２５ｃと、貫通電極２５ｃの他端部に接続され、キャップ部２０の裏面に形成されたパッド部２５ｄとにより構成されている。絶縁膜２５ｂとしては、例えばＴＥＯＳ等が採用され、貫通電極２５ｃおよびパッド部２５ｄとしては、例えばＡｌ等が採用される。

本実施形態では、図２（ｂ）に示されるように、キャップ部２０に４つの貫通電極部２５が形成されている。そして、４つの貫通電極部２５のうちの２つは、センシング部１９の固定部１６にそれぞれ電気的に接続されている。また、４つの貫通電極部２５のうちの１つは、可動部１５のアンカー部１５ａに電気的に接続され、４つの貫通電極部２５のうちの１つは、周辺部１７に電気的に接続されている。なお、図２（ｂ）に示すキャップ部２０は、キャップ部２０の裏面における平面模式図である。

そして、図１に示されるように、上記のセンサ部１０とキャップ部２０とが貼り合わされ、センサ部１０とキャップ部２０とが一体化されて半導体装置が構成されている。具体的には、本実施形態では、真空下において、センサ部１０の半導体層１２とキャップ部２０の第１絶縁膜２２とが直接接合により貼り合わされている。このように、センサ部１０とキャップ部２０とが貼り合わされていることにより、センシング部１９がセンサ部１０とキャップ部２０との間に形成された真空の気密室３０に封止されている。すなわち、センサ部１０とキャップ部２０の窪み部２４とによって構成された空間が気密室３０とされ、当該気密室３０にセンシング部１９が封止された状態になっている。なお、具体的には、後述するが、センサ部１０とキャップ部２０とは共有結合により接合されている。

以上が本実施形態における半導体装置の構成である。次に、上記半導体装置の基本的な製造方法について図３〜図６を参照しつつ説明する。なお、図３および図４に示すセンシング部１９は、図２（ａ）中のI−I断面に相当している。

まず、図３（ａ）に示されるように、ウェハ状の支持基板１１ａ、半導体層１２ａ、犠牲層１３ａで構成され、複数のチップ形成領域を有するＳＯＩウェハ１４ａを用意する。そして、ＳＯＩウェハ１４ａの表面（半導体層１２ａ）側に一般的な半導体製造プロセスを行って各チップ形成領域にそれぞれセンシング部１９を形成する。

なお、図３（ａ）はウェハ状態を示すものであるが、理解をし易くするために、チップ単位に分割された際にセンサ部１０を構成する部分にセンサ部１０の符号を示してある。

また、図３（ｂ）に示されるように、ＳＯＩウェハ１４ａと同じサイズであり、キャップ部２０を構成するシリコンウェハ２１ａを用意する。そして、シリコンウェハ２１ａのうちセンシング部１９と対向する表面の一部をエッチングすることにより、例えば５〜１０μｍ程度の深さの窪み部２４を形成する。その後、シリコンウェハ２１ａの表裏面にＣＶＤ法等によってＳｉＯ_２等で構成される第１絶縁膜２２ａおよび第２絶縁膜２３ａを形成してキャップウェハ２０ａを構成する。

なお、図３（ｂ）はウェハ状態を示すものであるが、理解をし易くするために、チップ単位に分割された際にキャップ部２０を構成する部分にキャップ部２０の符号を示してある。

また、本実施形態では、ＳＯＩウェハ１４ａの表面が本発明のセンサウェハの一面に相当し、キャップウェハ２０ａの表面が本発明のキャップウェハの一面に相当している。キャップウェハ２０ａの表面とは、言い換えると第１絶縁膜２２ａのうちシリコンウェハ２１ａと反対側の面のことである。

次に、図３（ｃ）に示されるように、ＳＯＩウェハ１４ａとキャップウェハ２０ａとを貼り合わせて積層ウェハ４０を形成する。具体的には、まず、ＳＯＩウェハ１４ａおよびキャップウェハ２０ａの表面の異物を除去すると共に各表面にＯＨ基を形成する表面処理工程を行う。

この表面処理工程は、ＳＯＩウェハ１４ａを例に挙げて説明すると、図５に示されるように、ＳＯＩウェハ１４ａと電極５０とが所定距離離間するように配置し、導入配管５１からＳＯＩウェハ１４ａと電極５０との間に湿度を調整した空気等の加湿ガスを導入する。そして、この加湿ガスをプラズマ化したプラズマガスをＳＯＩウェハ１４ａの表面に照射することにより行う。

これにより、図６（ａ）および（ｂ）に示されるように、ＳＯＩウェハ１４ａの表面に形成された自然酸化膜等の異物６０が除去され、図６（ｃ）に示されるように、ＳＯＩウェハ１４ａの表面にＯＨ基が形成される。

なお、特に図示しないが、キャップウェハ２０ａにも同様の表面処理工程を行うことにより、キャップウェハ２０ａの表面にもＯＨ基を形成する。

その後、真空装置内にＳＯＩウェハ１４ａおよびキャップウェハ２０ａを導入する。そして、ＳＯＩウェハ１４ａおよびキャップウェハ２０ａに設けられたアライメントマークを用いて赤外顕微鏡等によりアライメントを行い、ＳＯＩウェハ１４ａの表面とキャップウェハ２０ａの表面とを重ね合わせる。このとき、図６（ｄ）に示されるように、ＳＯＩウェハ１４ａとキャップウェハ２０ａとは、それぞれ表面にＯＨ基が形成されているため、水素結合により接合された状態となる。

その後、室温〜５５０℃に保持することにより、図６（ｅ）に示されるように、ＳＯＩウェハ１４ａとキャップウェハ２０ａとが共有結合される。

以上説明した工程を行うことにより、図３（ｃ）に示されるように、各チップ形成領域に、ＳＯＩウェハ１４ａをチップ単位に分割して得られるＳＯＩ基板１４と窪み部２４とによって封止され、真空とされる気密室３０がそれぞれ形成される。

続いて、図４（ａ）に示されるように、キャップウェハ２０ａに対して、ＳＯＩウェハ１４ａの各チップ形成領域に形成された各配線部１６ａ、アンカー部１５ａ、および周辺部１７に対応する場所の第２絶縁膜２３、シリコン基板２１、および第１絶縁膜２２をエッチングして除去することにより、複数の孔部２５ａを形成する。続いて、各孔部２５ａの壁面にＴＥＯＳ等の絶縁膜２５ｂを成膜した後、各孔部２５ａの底部に形成された絶縁膜２５ｂを除去して半導体層１２を各孔部２５ａから露出させる。次に、各孔部２５ａにスパッタ法や蒸着法等によりＡｌやＡｌ−Ｓｉ等の金属を埋め込んで貫通電極２５ｃを形成し、各貫通電極２５ｃと配線部１６ａ、アンカー部１５ａ、および周辺部１７とをそれぞれ電気的に接続する。また、第２絶縁膜２３の表面（キャップ部２０の裏面）に形成された金属をパターニングしてパッド部２５ｄを形成する。すなわち、各チップ形成領域に貫通電極部２５を形成する。

続いて、図５（ｂ）に示されるように、積層ウェハ４０をチップ形成領域の境界に沿ってダイシングし、チップ単位に分割することにより、図１に示す半導体装置が製造される。

以上が本実施形態における半導体装置の基本的な製造方法である。次にＳＯＩウェハ１４ａおよびキャップウェハ２０ａの表面を処理する表面処理工程について図７を参照しつつ具体的に説明する。

なお、図７は、半導体装置に５Ｎ／ｍｍ^２の引っ張り力を印加したときの半導体装置の状態を示す図である。また、図７中のセンサ部１０とキャップ部２０との剥離の欄は、センサ部１０とキャップ部２０とが完全に剥離したか否かの結果を示しており、界面端部での剥離の欄は、力が集中し易いセンサ部１０の表面の端部とキャップ部２０の表面の端部とが剥離したか否か、およびセンサ部１０の表面と窪み部２４の角部とが剥離したか否かの結果を示している。そして、剥離した場合を「有」で示し、剥離しなかった場合を「無」で示している。

図７に示されるように、加湿ガスの湿度が５％未満である場合にはセンサ部１０とキャップ部２０との剥離が発生していることが確認され、加湿ガスの湿度が５％である場合にはセンサ部１０とキャップ部２０との剥離が発生していないことが確認される。

また、加湿ガスの湿度が５％である場合には、界面端部での剥離が発生していることが確認される。この界面端部での剥離は気密室３０のリークの原因となるため、界面端部での剥離も抑制することが好ましく、加湿ガスの湿度が１０％である場合に部分的に抑制することができ、加湿ガスの湿度が１５％である場合に完全に抑制することができることが確認される。

そして、加湿ガスの湿度が６０％以上である場合にも、センサ部１０とキャップ部２０との剥離が発生していることが確認される。これは、加湿ガスの湿度を高くしすぎるとデガス成分が多くなり、センサ部１０とキャップ部２０との接合面にボイドが発生するために引っ張り強度が低下したと考えられる。さらに、加湿ガスの湿度を６０％以上にすると、導入配管５１内に結露が発生することも確認され、この結露も影響していると考えられる。

以上より、ＳＯＩウェハ１４ａおよびキャップウェハ２０ａを表面処理する場合には、加湿ガスとして湿度が５％以上であって６０％未満のものを用いる必要があり、好ましくは、加湿ガスの湿度を１０％以上にするのがよく、より好ましくは加湿ガスの湿度を１５％以上にするのがよい。加湿ガスとして湿度が１５％以上であって６０％未満のものを用いることにより、５Ｎ／ｍｍ^２以上の引っ張り強度を有する半導体装置を得ることができるため、気密室３０のリークを抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態では、加湿ガスの湿度を５％以上であって６０％未満にして表面処理を行っている。このため、半導体装置に５Ｎ／ｍｍ^２の引っ張り力が印加されてもセンサ部１０とキャップ部２０とが剥離することを抑制することができ、気密室３０のリークを抑制することができる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、センサ部１０は加速度を検出するセンシング部１９を有するものを例に挙げて説明したが、例えば、センサ部１０は角速度を検出するものであってもよいし、圧力を検出するものであってもよい。

また、上記第１実施形態では、キャップ部２０に形成された窪み部２４の平面形状が矩形状とされ、センサ部１０とキャップ部２０との接合面の形状が枠形状であるものを例に挙げて説明したが、窪み部２４の形状（キャップ部２０のうちセンサ部１０と接合される領域の形状）は特に限定されるものではない。すなわち、窪み部２４の平面形状は、図８（ａ）に示されるように十字形状であってもよいし、図８（ｂ）に示されるように星形状であってもよい。また、図８（ｃ）に示されるように矩形状のものが２つ形成されて構成されていてもよいし、図８（ｄ）に示されるように枠形状とされていてもよい。

つまり、本発明の製造方法によれば、共有結合によってセンサ部１０とキャップ部２０とを強固に接合することができるため、センサ部１０とキャップ部２０との接合面の形状が複雑な半導体装置に適用することも可能である。なお、図８は、キャップ部２０の表面における平面模式図である。

１０ センサ部
１４ａ センサウェハ
１９ センシング部
２０ キャップ部
２０ａ キャップウェハ
３０ 気密室
５０ 積層ウェハ

Claims (3)

1. 一面を有し、前記一面側に物理量に応じて電気的信号を出力するセンシング部（１９）が形成されたセンサ部（１０）と、
   一面を有し、当該一面が前記センサ部の前記一面に貼り合わされるキャップ部（２０）と、を備え、
   前記センシング部が前記センサ部の前記一面と前記キャップ部の前記一面との間に形成された気密室（３０）に気密封止される半導体装置の製造方法であって、
   一面を有し、各チップ形成領域にそれぞれ前記センシング部が形成されたセンサウェハ（１４ａ）を用意する工程と、
   一面を有し、チップ単位に分割されることにより前記キャップ部を構成するキャップウェハ（２０ａ）を用意する工程と、
   前記センサウェハの前記一面と前記キャップウェハの前記一面とを貼り合わせて複数の前記気密室を有する積層ウェハ（４０）を形成する工程と、
   前記積層ウェハをチップ単位に分割する工程と、を含み、
   前記積層ウェハを形成する工程の前に、前記センサウェハの前記一面および前記キャップウェハの前記一面に加湿ガスをプラズマ化したプラズマガスを照射する表面処理工程を行い、
   前記表面処理工程では、前記加湿ガスの湿度が５％以上であって６０％未満のものを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記表面処理工程では、前記加湿ガスの湿度を１０％以上にすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記表面処理工程では、前記加湿ガスの湿度を１５％以上にす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の製造方法。
   

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