JP2015068646A - 物理量センサおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】検出精度の低下を抑制できる物理量センサを提供する。【解決手段】支持基板11に外部回路と直接電気的に接続されるコンタクト部100を形成し、このコンタクト部10を介して支持基板11を所定電位に維持する。これによれば、支持基板11は、半導体層13の内部に電極を配置することなく、所定電位に維持される。このため、可動電極24、125を形成する際に加工精度が低下することを抑制でき、ひいては検出精度が低下することを抑制できる。【選択図】図5

Description

本発明は、支持基板上に埋込絶縁膜および半導体層が順に積層された半導体基板の半導体層に可動電極が形成されると共に、半導体層に可動電極を封止するキャップが接合され、支持基板およびキャップが所定電位に維持された物理量センサおよびその製造方法に関するものである。
従来より、この種の物理量センサとして、加速度を検出する加速度センサが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
すなわち、この加速度センサでは、支持基板上に埋込絶縁膜および半導体層が順に積層されたSOI(Silicon on Insulator)基板を用いて構成されている。そして、半導体層には、櫛歯状の可動電極と、この可動電極と対向する櫛歯状の固定電極とが形成され、半導体層のうちの可動電極および固定電極と区画された部分が周辺部とされている。また、SOI基板には、SOI基板の厚さ方向(支持基板、埋込絶縁膜、半導体層の積層方向)に周辺部および埋込絶縁膜を貫通して支持基板に達する貫通孔が形成され、当該貫通孔に支持基板と電気的に接続される貫通電極が埋め込まれている。
キャップは、半導体基板等で構成され、外部回路から所定電位が印加されるようにコンタクト部が形成されている。そして、キャップ(半導体基板)は、SOI基板に形成された貫通電極と電気的に接続されるように、導電膜等を介して半導体層と接合されている。言い換えると、キャップ(半導体基板)は、SOI基板に形成された貫通電極を介して支持基板と電気的に接続されるように、導電膜等を介して半導体層と接合されている。
このような加速度センサでは、キャップがコンタクト部を介して所定電位に維持されると共に、支持基板が貫通電極を介して所定電位(キャップと同電位)に維持される。このため、キャップや支持基板の電位が外乱ノイズ等によって変動することを抑制でき、出力変動が発生することを抑制できる。
上記加速度センサは、次のように製造される。すなわち、まず、支持基板、埋込絶縁膜、半導体層が順に積層されたSOI基板を用意する。そして、SOI基板に、周辺部および埋込絶縁膜を貫通して支持基板に達する貫通孔を形成した後、当該貫通孔に金属膜を埋め込んで貫通電極を形成する。続いて、反応性イオンエッチング等を行い、半導体層に可動電極よび固定電極を形成する。また、キャップ(半導体基板)にコンタクト部を形成する。その後は、SOI基板に形成された貫通電極を介して支持基板とキャップ(半導体基板)とが電気的に接続されるように、半導体層とキャップとを接合することにより、上記加速度センサが製造される。
特開2012−186300号公報
しかしながら、上記のような製造方法では、SOI基板に貫通電極を形成した後に可動電極および固定電極を形成している。この場合、可動電極および固定電極を形成する際、半導体層と貫通電極との熱膨張係数の差に起因して半導体層に熱応力が印加される。このため、可動電極および固定電極の加工精度が低下することがあり、ひいては検出精度が低下する可能性がある。
なお、ここでは、物理量センサとしての加速度センサを例に挙げて説明したが、SOI基板に貫通電極を形成して支持基板に所定電位を印加する角速度センサにおいても同様の問題が発生する。
本発明は上記点に鑑みて、検出精度の低下を抑制できる物理量センサおよびそ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、支持基板(11)と、支持基板上に配置された埋込絶縁膜(12)と、埋込絶縁膜を挟んで支持基板と反対側に配置された半導体層(13)と、を有する半導体基板(10)と、半導体層に形成され、物理量に応じて変位する可動電極(24、125)と、半導体層のうち可動電極を囲むと共に可動電極と区画された周辺部(50)と、可動電極と対向して配置された固定電極(31、41、161a、162a)と、半導体層と接合されて可動電極を封止するキャップ(110)と、を備え、支持基板およびキャップが所定電位に維持される物理量センサにおいて、以下の点を特徴としている。
すなわち、支持基板は、外部回路と直接電気的に接続されるコンタクト部(100)が形成され、コンタクト部を介して所定電位に維持されていることを特徴としている。
これによれば、支持基板に外部回路と直接電気的に接続されるコンタクト部を形成し、コンタクト部を介して支持基板を所定電位に維持している。つまり、支持基板は、半導体層の内部に電極を配置することなく、所定電位に維持される。このため、可動電極を形成する際に加工精度が低下することを抑制でき、ひいては検出精度が低下することを抑制できる。
また、請求項10に記載の発明では、半導体基板を用意する工程と、半導体層に可動電極および周辺部を区画形成する工程と、半導体層のうちの周辺部とキャップとが電気的に接続されるように、半導体層とキャップとを接合する工程と、支持基板に、埋込絶縁膜側と反対側から支持基板のうちの可動電極と電気的に接続される部分と対向する部分、固定電極と電気的に接続される部分と対向する部分、周辺部と対向する部分に埋込絶縁膜に達する第1孔部(17a)を形成する工程と、第1孔部に絶縁膜を形成すると共に支持基板のうちの埋込絶縁膜側と反対側の部分に絶縁膜(14)を形成する工程と、第1孔部の底部に位置する埋込絶縁膜に第2孔部(17b)を形成することにより、第1、第2孔部にて可動電極用孔部、固定電極用孔部、周辺部用孔部を形成すると共に、支持基板のうちの埋込絶縁膜と反対側の部分に形成された絶縁膜に支持基板を露出させるコンタクトホール(14a)を形成する工程と、可動電極用孔部、固定電極用孔部、周辺部用孔部に絶縁膜を介して貫通電極を形成すると共に、コンタクトホールにコンタクト部を形成する工程と、を行うことを特徴としている。
これによれば、可動電極用孔部、固定電極用孔部、周辺部用孔部と、コンタクトホール(14a)とを同じ工程中に形成している。また、可動電極用孔部、固定電極用孔部、周辺部用孔部に形成される貫通電極と、コンタクトホールに形成されるコンタクト部とを同じ工程中に形成している。このため、製造工程が増加することを抑制できる。
そして、請求項11に記載の発明では、支持基板上に埋込絶縁膜を形成し、埋込絶縁膜側から窪み部の一部を構成する第1窪み部(19a)を形成する工程と、半導体層のうちの可動電極と電気的に接続される部分、固定電極と電気的に接続される部分、周辺部の形成予定領域にパッド部を形成する工程と、パッド部が第1窪み部内に収容されるように、埋込絶縁膜と半導体層とを接合する工程と、半導体層に可動電極および周辺部を区画形成する工程と、半導体層のうちの周辺部とキャップとが電気的に接続されるように、半導体層とキャップとを接合する工程と、支持基板に、埋込絶縁膜側と反対側から周辺部に形成されたパッド部を露出させる貫通孔(19c)を形成する工程と、貫通孔に周辺部に形成されたパッド部と連結されるコンタクト部を形成する工程と、支持基板に、第1窪み部と連通する第2窪み部(19b)を形成することにより、第1、第2窪み部にて窪み部を形成する工程と、を行うことを特徴としている。
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実施形態における加速度センサの平面図である。 図1中のII−II線に沿った断面図である。 図1中のIII−III線に沿った断面図である。 図1中のIV−IV線に沿った断面図である。 図1中のV−V線に沿った断面図である。 図1に示す加速度センサの製造工程を示す断面図である。 図1に示す加速度センサの製造工程を示す断面図である。 図1に示す加速度センサの製造工程を示す断面図である。 図1に示す加速度センサの製造工程を示す断面図である。 本発明の第2実施形態における加速度センサの平面図である。 図10中のXI−XI線に沿った断面図である。 図10中のXII−XII線に沿った断面図である。 図10中のXIII−XIII線に沿った断面図である。 図10中のXIV−XIV線に沿った断面図である。 本発明の第3実施形態における加速度センサの平面図である。 図15中のXVI−XVI線に沿った断面図である。 図15に示す加速度センサの製造工程を示す断面図である。 図15に示す加速度センサの製造工程を示す断面図である。
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。なお、本実施形態では、エアバッグ、ABS(Antilock Brake System)、ESC(Electronic Stability Control)等の作動制御を行うための加速度センサに本発明の物理量センサを適用した例を説明する。
図1〜図5に示されるように、本実施形態の加速度センサは、半導体基板10にキャップ110が接合されて構成されている。なお、図1は、加速度センサのうちの半導体基板10の平面図である。
半導体基板10は、支持基板11、埋込絶縁膜12、半導体層13が順に積層され、支持基板11のうちの埋込絶縁膜12側と反対側の面に絶縁膜14が形成されたSOI基板を用いて構成されている。なお、支持基板11および半導体層13はシリコン基板やポリシリコン等で構成され、埋込絶縁膜12はSiOやSiN等で構成され、絶縁膜14は、TEOS等で構成される。
そして、半導体基板10には、半導体層13に周知のマイクロマシン加工が施されて溝部15が形成され、溝部15によって可動部20および第1、第2固定部30、40を有する櫛歯形状の梁構造体が区画形成されている。また、支持基板11および埋込絶縁膜12には、可動部20および第1、第2固定部30、40の所定領域に対応した部分が除去された窪み部16が形成されている。
ここで、図1〜図5中のx軸、y軸、z軸の各方向について説明する。図1〜図5中では、x軸方向を図1中紙面左右方向とし、y軸方向を半導体基板10の面内においてx軸方向と直交する方向としている。また、z軸方向を半導体基板10の面方向に対する法線方向としている。
可動部20は、窪み部16上を横断するように形成された矩形棒状の錘部21における長手方向の両端が、それぞれ梁部22を介してアンカー部23a、23bに一体に連結した構成とされている。そして、アンカー部23a、23bが埋込絶縁膜12に固定されて支持基板11に支持されることにより、可動部20における錘部21および梁部22が窪み部16に臨んだ状態となっている。
なお、本実施形態では、錘部21は、長手方向がy軸方向と平行となるように形成されている。また、本実施形態では、アンカー部23aが本発明の半導体層13のうちの可動電極24と電気的に接続される部分に相当している。
梁部22は、平行な2本の梁がその両端で連結された矩形枠状とされており、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している。具体的には、梁部22は、y軸方向の成分を含む加速度を受けたとき、錘部21をy軸方向へ変位させると共に、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。したがって、このような梁部22を介して支持基板11に連結された錘部21は、加速度の印加に応じて、窪み部16上にて梁部22の変位方向へ変位可能となっている。
また、可動部20は、錘部21の長手方向と直交した方向(x軸方向)に、錘部21の両側面から互いに反対方向へ一体的に突出形成された複数個の可動電極24を備えている。図1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本ずつ突出して形成されており、窪み部16に臨んだ状態となっている。また、各可動電極24は、錘部21および梁部22と一体的に形成されており、梁部22が変位することによって錘部21と共にy軸方向に変位可能となっている。
第1、第2固定部30、40は、可動電極24の側面と所定の検出間隔を有するように平行した状態で対向配置された複数個の第1、第2固定電極31、41が各第1、第2配線部32、42に支持された構成とされ、錘部21を挟むように形成されている。具体的には、第1、第2固定電極31、41は、可動電極24における櫛歯の隙間に噛み合うように櫛歯状に4個ずつ配列され、窪み部16に臨んだ状態となるように、第1、第2配線部32、42に片持ち状に支持されている。
なお、本実施形態では、第1、第2配線部32、42が本発明の半導体層13のうちの第1、第2固定電極31、41と電気的に接続される部分に相当している。
このようにして、本実施形態では、可動電極24と第1固定電極31との間に容量Cs1が構成され、可動電極24と第2固定電極41との間に容量Cs2が構成されている。そして、各容量Cs1、s2の差に基づいて加速度の検出が行われる。
また、半導体基板10における半導体層13のうちの可動部20および第1、第2固定部30、40と溝部15によって区画された外周部は、周辺部50とされ、埋込絶縁膜12を介して支持基板11に支持されている。
そして、周辺部50には、可動部20および第1、第2固定部30、40を囲む枠状の封止部51が形成されている。この封止部51は、導電性部材としての金属材料で構成され、本実施形態では、アルミニウム等で構成されている。
また、半導体基板10には、図3〜図5に示されるように、可動電極用電極部60、第1、第2固定電極用電極部70、80、周辺部用電極部90が形成されている。なお、図4は、第1固定部30に沿った断面であるが、第2固定部40に沿った断面も図4と同様であるため、図4中では、第1、第2固定部30、40の符号を付してある。
可動電極用電極部60は、図3に示されるように、絶縁膜14、支持基板11、埋込絶縁膜12を貫通してアンカー部23aに達する可動電極用孔部61に絶縁膜62を介して貫通電極63が形成され、絶縁膜14上に貫通電極63と電気的に接続されるパッド部64が形成された構成とされとされている。
同様に、第1、第2固定電極用電極部70、80は、図4に示されるように、絶縁膜14、支持基板11、埋込絶縁膜12を貫通して第1、第2配線部32、42に達する第1、第2固定電極用孔部71、81に絶縁膜72、82を介して貫通電極73、83が形成され、絶縁膜14上に貫通電極73、83と電気的に接続されるパッド部74、84が形成された構成とされている。
そして、周辺部用電極部90は、図5に示されるように、絶縁膜14、支持基板11、埋込絶縁膜12を貫通して周辺部50に達する周辺部用孔部91に絶縁膜92を介して貫通電極93が形成され、絶縁膜14上に貫通電極93と電気的に接続されるパッド部94が形成された構成とされている。
つまり、本実施形態では、埋込絶縁膜12上に形成されたパッド部64〜94が外部回路と接続されることにより、可動電極24、第1、第2固定電極31、41、周辺部50に所定電位が印加されるようになっている。
また、絶縁膜14には、図5に示されるように、支持基板11の所定箇所を露出させるコンタクトホール14aが形成されている。そして、コンタクトホール14aには、支持基板11と電気的に接続されるコンタクト部100が形成されている。本実施形態では、コンタクト部100は、周辺部用電極部90におけるパッド部94と一体化され、周辺部50と同じ電位が印加されるようになっている。
なお、絶縁膜62〜92は、TEOS等で構成され、貫通電極63〜93およびコンタクト部100はアルミニウム等で構成されている。
キャップ110は、図2〜図5に示されるように、貼り合わせ基板111および絶縁膜112を用いて構成されている。
貼り合わせ基板111は、半導体基板10と対向する一面111aのうちの可動電極24および第1、第2固定電極31、41と対向する部分に窪み部111bが形成されている。そして、絶縁膜112は、貼り合わせ基板111の一面111aおよび窪み部111bの壁面に形成されている。
なお、貼り合わせ基板111としては、例えば、シリコン基板等が用いられ、絶縁膜112としては、SiOやSiN等が用いられる。
そして、絶縁膜112上には、周辺部50に形成された封止部51と対向する部分に当該封止部51と対応する形状の封止部113が形成されている。つまり、封止部113は、封止部51と対応する枠状とされている。そして、この封止部113は、絶縁膜112に形成されたコンタクトホール112aを介して貼り合わせ基板111と電気的に接続されている。なお、この封止部113は、導電性部材としての金属材料で構成され、本実施形態では、アルミニウム等で構成されている。
以上が本実施形態におけるキャップ110の構成である。そして、上記半導体基板10とキャップ110とが接合されて一体化されることにより、加速度センサが構成されている。具体的には、キャップ110は、可動部20および第1、第2固定部30、40が封止されるように、封止部113が半導体基板10に形成された封止部51と金属接合されて半導体基板10と一体化されている。そして、キャップ110(貼り合わせ基板111)は、封止部51、113を介して半導体基板10と接合されることにより、周辺部50と電気的に接続されている。
このようにして本実施形態の加速度センサが構成されている。このような加速度センサは、キャップ110のうちの絶縁膜112側と反対側が被搭載部材に接触するように被搭載部材に搭載され、各パッド部64〜94がボンディングワイヤ等を介して外部回路と電気的に接続される。これにより、可動電極24、第1、第2固定電極31、41には、パッド部64〜84を介して所定電位が印加される。また、周辺部50、支持基板11、貼り合わせ基板111には、パッド部94を介して所定電位が印加される。
次に、上記加速度センサの製造方法について図6〜図9を参照して説明する。なお、図6〜図9は、図1中のIII−III線に相当する断面図である。
まず、図6(a)に示されるように、支持基板11を用意し、支持基板11上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法や熱酸化等によって埋込絶縁膜12を形成する。
次に、図6(b)に示されるように、埋込絶縁膜12上にレジストや酸化膜等のマスク(図示せず)を形成してウェットエッチング等を行い、支持基板11および埋込絶縁膜12に上記窪み部16を形成する。
続いて、図6(c)に示されるように、埋込絶縁膜12と半導体層13とを直接接合により接合する。すなわち、まず、埋込絶縁膜12の接合面および半導体層13の接合面にNプラズマ、Oプラズマ、またはArイオンビームを照射し、埋込絶縁膜12および半導体層13の各接合面を活性化させる。そして、適宜形成されたアライメントマークを用いて赤外顕微鏡等によるアライメントを行い、室温〜1100℃で埋込絶縁膜12および半導体層13を直接接合により接合する。
なお、ここでは直接接合を例に挙げて説明したが、埋込絶縁膜12と半導体層13とは、陽極接合や中間層接合、フージョン接合等の接合技術によって接合されてもよい。そして、接合後に、高温アニール等の接合品質を向上させる処理を行ってもよい。さらに、接合後に、支持基板11や半導体層13を研削、研磨することによって所望の厚さに加工してもよい。
次に、図6(d)に示されるように、半導体層13にCVD法等によって金属膜を形成する。そして、レジストや酸化膜等のマスク(図示せず)を用いた反応性イオンエッチング等を行い、当該金属膜をパターニングすることによって封止部51を形成する。
続いて、図6(e)に示されるように、レジストや酸化膜等のマスク(図示せず)を用いた反応性イオンエッチング等を行い、半導体層13に溝部15を形成して可動部20、第1、第2固定部30、40、周辺部50を区画形成する。
なお、この工程では、半導体層13に封止部51が形成されており、可動部20および第1、第2固定部30、40を形成する際、半導体層13と封止部51との熱膨張係数の差に起因して半導体層13に熱応力が印加される可能性がある。しかしながら、封止部51は、半導体層13上に形成されており、従来のように半導体層の内部に貫通電極が埋め込まれている場合と比較して、膨張、収縮が可能であるため、半導体層13に印加される熱応力は小さい。このため、この工程では、可動部20および第1、第2固定部30、40の加工精度は低下し難い。
また、上記図6とは別工程において、図7(a)に示されるように、貼り合わせ基板111を用意し、図7(b)に示されるように、貼り合わせ基板111の一面111aに窪み部111bを形成する。特に限定されるものではないが、窪み部111bは、レジストや酸化膜等のマスク(図示せず)を用いたウェットエッチング等で形成することができる。
次に、図7(c)に示されるように、熱酸化等によって貼り合わせ基板111の一面111aに絶縁膜112を形成する。
続いて、図7(d)に示されるように、絶縁膜112にコンタクトホール112aを形成した後、コンタクトホールを112a介して貼り合わせ基板111と電気的に接続される封止部113を形成する。具体的には、まず、絶縁膜112上に図示しないレジストや酸化膜等のマスク(図示せず)を用いて反応性イオンエッチング等を行い、絶縁膜112にコンタクトホール112aを形成する。続いて、コンタクトホール112aに金属膜が埋め込まれるように、絶縁膜112上に金属膜を形成する。その後、レジストや酸化膜等のマスク(図示せず)を用いた反応性イオンエッチング等を行い、当該金属膜をパターニングすることによって封止部113を形成する。
次に、図8(a)に示されるように、半導体基板10とキャップ110とを接合する。具体的には、適宜形成されたアライメントマークを用いて赤外顕微鏡等によるアライメントを行い、半導体基板10の封止部51とキャップ110の封止部113とを300〜500℃で金属接合する。
続いて、図8(b)に示されるように、支持基板11のうちの埋込絶縁膜12側と反対側から埋込絶縁膜12に達する4個の第1孔部17aを形成する。具体的には、支持基板11に、当該支持基板11のうちのアンカー部23aと対向する部分に埋込絶縁膜12に達する第1孔部17aを形成する。また、図8(b)とは別断面において、支持基板11に、当該支持基板11のうちの第1、第2配線部32、42と対向する部分に埋込絶縁膜12に達する2つの第1孔部17aを形成する。同様に、支持基板11に、支持基板11のうちの周辺部50と対向する部分に埋込絶縁膜12に達する第1孔部17aを形成する。
続いて、図8(c)に示されるように、CVD法等により、第1孔部17aの壁面に絶縁膜62を形成する。また、図8(c)とは別断面において、各第1孔部17aの壁面に絶縁膜72〜92を形成する。このとき、支持基板11のうち埋込絶縁膜12と反対側に形成された絶縁膜にて絶縁膜14が構成される。つまり、絶縁膜14と絶縁膜62〜92とは、同じ工程で形成される。また、この工程で絶縁膜14が形成されることにより、絶縁膜14、支持基板11、埋込絶縁膜12、半導体層13が順に積層された半導体基板10が構成される。
次に、図9(a)に示されるように、第1孔部17aの底部に位置する埋込絶縁膜12にアンカー部23aを露出させる第2孔部17bを形成する。これにより、第1、第2孔部17a、17bにて可動電極用孔部61が構成される。さらに、図9(a)とは別断面において、各第1孔部17aの底部に位置する埋込絶縁膜12に第1、第2配線部32、42または周辺部50を露出させる第2孔部17bを形成する。これにより、第1、第2孔部17a、17bにて第1、第2固定電極用孔部71、81および周辺部用孔部91が形成される。また、図9(a)とは別断面において、絶縁膜14にコンタクトホール14aを形成する。なお、各第2孔部17bおよびコンタクトホール14aは、同時に形成される。
そして、図9(b)に示されるように、スパッタ法や蒸着法等により、可動電極用孔部61に金属膜を成膜して貫通電極63を形成する。また、図9(b)とは別断面において、第1、第2固定電極用孔部71、81および周辺部用孔部91に金属膜を成膜して貫通電極73〜93を形成すると共に、コンタクトホール14aに金属膜を成膜してコンタクト部100を形成する。その後、絶縁膜14上の金属膜をパターニングしてパッド部64を形成する。また、図9(b)とは別断面において、パッド部74〜94を形成する。以上のようにして、本実施形態の加速度センサが製造される。
なお、貫通電極63〜93およびコンタクト部100は、金属膜を成膜する同一の工程で形成され、パッド部64〜94は、金属膜をパターニングする同一の工程で形成される。また、上記では、1つの加速度センサの製造方法について説明したが、ウェハ状態で上記工程を行った後、ダイシングカットしてチップ単位に分割するようにしてもよい。
以上説明したように、本実施形態では、支持基板11にコンタクト部100を形成し、コンタクト部100を介して支持基板11が所定電位に維持されている。つまり、半導体層13の内部に支持基板11を所定電位に維持するための貫通電極を形成する必要がない。このため、可動部20および第1、第2固定部30、40を形成する際に加工精度が低下することを抑制でき、ひいては検出精度が低下することを抑制できる。
また、本実施形態では、半導体基板10に可動電極用電極部60、第1、第2固定電極用電極部70、80、周辺部用電極部90が形成されている。そして、コンタクト部100をこれら可動電極用電極部60、第1、第2固定電極用電極部70、80、周辺部用電極部90と同時に形成している。このため、コンタクト部100を形成するためだけの製造工程を追加する必要もなく、製造工程が増加することもない。
さらに、本実施形態では、コンタクト部100が周辺部用電極部90におけるパッド部94と一体化されている。このため、コンタクト部100と外部回路とを接続するために新たなパッド部を形成する必要もない。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、半導体基板10の面方向に対する法線方向の加速度を検出する加速度センサに本発明を適用したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図10〜図14に示されるように、本実施形態では、半導体層13には、溝部15によって可動部120が区画形成されている。なお、図10は、加速度センサのうちの半導体基板10の平面図であるが、キャップ110に備えられる後述の可動電極用配線部151、第1、第2配線部161、162を点線で示してある。
可動部120は、平面矩形状の開口部121が形成された矩形枠状の枠部122と、開口部121の対向辺部を連結するように備えられたトーション梁123とを有している。そして、可動部120は、トーション梁123が埋込絶縁膜12に支持されたアンカー部124と連結されることにより、支持基板11に支持されている。
ここで、図10〜図14中のx軸、y軸、z軸の各方向について説明する。図10〜図14中では、x軸方向を図10中紙面左右方向とし、y軸方向を半導体基板10の面内においてx軸方向と直交する方向とし、z軸方向を半導体基板10の面方向に対する法線方向としている。
トーション梁123は、z軸方向の加速度が印加されたとき、可動部120の回転中心となる回転軸となる部材であり、本実施形態では開口部121を2分割するように備えられている。
枠部122は、z軸方向の加速度が印加されたとき、トーション梁123を回転軸として回転できるように、トーション梁123を基準として非対称な形状とされている。本実施形態では、枠部122は、第1部位122aにおけるトーション梁123から最も離れている部分の端部までのx軸方向の長さが、第2部位122bにおけるトーション梁123から最も離れている部分の端部までのx軸方向の長さより長くされている。つまり、本実施形態の枠部122は、第1部位122aの質量が第2部位122bの質量より大きくされている。
なお、本実施形態では、枠部122のうち後述する第1、第2固定電極161a、162aと対向する部分にて可動電極125が構成されている。そして、支持基板11および埋込絶縁膜12には、可動部120と対向する部分に窪み部16が形成されている。
また、半導体層13のうちの周辺部50では、溝部18によって可動電極用接続部131、第1、第2固定電極用接続部132、133が区画形成されている。なお、本実施形態では、可動電極用接続部131が本発明の半導体層13のうちの可動電極125と電気的に接続される部分に相当している。また、第1、第2固定電極用接続部132、133が本発明の半導体層13のうちの第1、第2固定電極161a、162aと電気的に接続される部分に相当している。
そして、半導体層13には、周辺部50に形成される封止部51と共に、アンカー部124、可動電極用接続部131、第1、第2固定電極用接続部132、133にパッド部141〜144が形成されている。なお、各パッド部141〜144は、アルミニウム等で構成される。
また、半導体基板10には、図12に示されるように、可動電極用接続部131と電気的に接続される可動電極用電極部60が形成されている。同様に、半導体基板10には、図13に示されるように、第1、第2固定電極用接続部132、133と電気的に接続される第1、第2固定電極用電極部70、80が形成されている。また、半導体基板10には、図14に示されるように、周辺部50と電気的に接続される周辺部用電極部90が形成されていると共に、支持基板11と電気的に接続されるコンタクト部100が形成されている。
なお、図13は、後述する第1配線部161に沿った断面であるが、後述する第2配線部162に沿った断面も図13と同様であるため、図13中では、第1、第2固定電極用接続部132、133および第1、第2配線部161、162の符号を付してある。
キャップ110は、上記第1実施形態と同様に、貼り合わせ基板111と絶縁膜112とを有している。そして、絶縁膜112上には、図12に示されるように、アンカー部124上に形成されたパッド部141と対向する部分から可動電極用接続部131上に形成されたパッド部142と対向する部分に渡って可動電極用配線部151が形成されている。
また、絶縁膜112上には、図13に示されるように、アルミニウム等で構成される第1、第2配線部161、162が形成されている。具体的には、第1配線部161は、第1部位122aと対向する部分に形成された第1固定電極161aと、第1固定電極161aから引き出された第1引き出し配線161bとを有している。また、第2配線部162は、第2部位122bと対向する部分に形成された第2固定電極162aと、第2固定電極162aから引き出された第2引き出し配線162bとを有している。
これにより、本実施形態では、第1部位122a(可動電極125)と第1固定電極161aとの間に容量Cs1が構成され、第2部位122b(可動電極125)と第2固定電極162aとの間に容量Cs2が構成されている。そして、各容量Cs1、s2の差に基づいて加速度の検出が行われる。
なお、第1、第2固定電極161a、162aは、同じ平面形状とされ、加速度が印加されていない状態において、可動電極125との間に等しい容量を構成するように形成されている。そして、第1、第2引き出し配線161b、162bは、絶縁膜112のうちの第1、第2固定電極用接続部132、133と対向する部分まで延設されている。
また、貼り合わせ基板111には、一面111aのうちの枠部122と対向する部分であって、第1、第2固定電極161a、162aが形成される部分と異なる部分に適宜窪み部111bが形成されている。
そして、上記半導体基板10とキャップ110とが接合されて一体化されることにより、本実施形態の加速度センサが構成されている。具体的には、半導体基板10とキャップ110とは、各封止部51、113が金属接合されると共に、パッド部141、142と可動電極用配線部151、パッド部143、144と第1、第2引き出し配線161b、161bとが金属接合されることにより一体化されている。
これにより、可動電極用電極部60のパッド部64に所定電位が印加されると、可動電極用接続部131、パッド部142、可動電極用配線部151、パッド部142を介して可動電極125(アンカー部124)に所定電位が印加される。同様に、第1、第2固定電極用電極部70、80のパッド部74、84に所定電位が印加されると、第1、第2固定電極用接続部132、133、パッド部143、144、第1、第2引き出し配線161b、162bを介して第1、第2固定電極161a、162aに所定電位が印加される。また、周辺部用電極部90のパッド部94に所定電位が印加されると、周辺部50および支持基板11に所定電位が印加されると共に、封止部51、113を介して貼り合わせ基板111に周辺部50の電位が印加される。
以上が本実施形態における加速度センサの構成である。次に、このような加速度センサの製造方法について簡単に説明する。
このような加速度センサは、上記図6(d)の工程において、封止部51と共に各パッド部141〜144を形成する。そして、図6(e)の工程において、半導体層13に溝部15を形成して可動部120を形成すると共に、半導体層13に溝部18を形成して可動電極用接続部131、第1、第2固定電極用接続部132、133を形成する。
また、図7(d)の工程において、封止部113を形成すると共に、可動電極用配線部151および第1、第2配線部161、162を形成する。
そして、図8および図9の工程において、可動電極用接続部131と接続される可動電極用電極部60、第1、第2固定電極用接続部132、133と接続される第1、第2固定電極用電極部70、80を形成すればよい。
以上説明したように、半導体基板10の面方向に対する法線方向(z軸方向)の加速度を検出する加速度センサに本発明を適用することもできる。
また、本実施形態では、貼り合わせ基板111には、一面111aのうちの枠部122と対向する部分であって、第1、第2固定電極161a、162aが形成される部分と異なる部分に適宜窪み部111bが形成されている。つまり、枠部122における可動電極125となる部分と異なる部分とキャップ110との間隔が広くされている。このため、枠部122とキャップ110との間で発生する寄生容量を小さくでき、検出精度を向上できる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、支持基板11のうちの埋込絶縁膜12側と反対側から窪み部が形成されているものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図15および図16に示されるように、本実施形態では、支持基板11、埋込絶縁膜12、半導体層13が順に積層されて半導体基板10が構成されている。そして、半導体基板10には、支持基板11のうちの埋込絶縁膜12側と反対側から半導体層13を露出させる窪み部19が形成されている。具体的には、この窪み部19は、アンカー部23a、第1、第2配線部32、42の一部、周辺部50の一部を一括的に露出させるように形成されている。なお、この窪み部19は、窪み部16とは離間して形成されている。
そして、アンカー部23a、第1、第2配線部32、42、周辺部50のうち窪み部19から露出している部分には、パッド部171〜174が形成されている。また、周辺部50に形成されたパッド部174は、窪み部19から露出する支持基板11および支持基板11のうちの埋込絶縁膜12側と反対側まで延設されている。そして、支持基板11と接触する部分にてコンタクト部100を形成している。つまり、支持基板11には、周辺部50と同じ電位が印加されるようになっている。
以上が本実施形態における加速度センサの構成である。次に、このような加速度センサの製造方法について図17および図18を参照して説明する。なお、図17および図18は、図15中のXVI−XVI線に相当する断面図である。
まず、図17(a)に示されるように、支持基板11に埋込絶縁膜12を形成し、図17(b)に示されるように、支持基板11および埋込絶縁膜12に第1窪み部19aを形成する。なお、この第1窪み部19aは、窪み部16と同一の工程で形成される。
続いて、図17(c)に示されるように、半導体層13を用意し、半導体層13のうちの埋込絶縁膜12と接合される側に金属膜を形成する。そして、レジストや酸化膜等のマスク(図示せず)を用いた反応性イオンエッチング等を行い、当該金属膜をパターニングすることによってアンカー部23a、第1、第2配線部32、42、周辺部50の形成予定領域にパッド部171〜174を形成する。
続いて、図17(d)に示されるように、埋込絶縁膜12と半導体層13とを上記図6(c)と同様の工程を行って接合する。このとき、パッド部171〜174が第1窪み部19aに収容されるように、埋込絶縁膜12と半導体層13とを接合する。
その後は、図17(e)および図17(f)に示されるように、上記図6(d)および図6(e)と同様の工程を行い、封止部51を形成すると共に、可動部20および第1、第2固定部30、40を形成する。
また、上記図7の工程を行ってキャップ110を用意した後、図18(a)に示されるように、上記図8(a)と同様の工程を行って、半導体層13とキャップ110とを接合する。
次に、図18(b)に示されるように、支持基板11のうち埋込絶縁膜12側と反対側からパッド部174に達する貫通孔19cを形成する。そして、マスク蒸着法等により、貫通孔19cに金属膜を形成する。具体的には、貫通孔19cのうち、後述する図18(c)の工程を行った際、窪み部19から露出する支持基板11の壁面を構成する部分に、パッド部174と一体化されるように金属膜を形成してコンタクト部100を形成する。そして、支持基板11のうち埋込絶縁膜12と反対側に形成された金属膜をパターニングする。
その後、図18(c)に示されるように、支持基板11のうち埋込絶縁膜12側と反対側から第1窪み部19aと連通する第2窪み部19bを形成して窪み部19を形成することにより、本実施形態の加速度センサが製造される。
このように、可動電極用電極部60、第1、第2固定電極用電極部70、80、周辺部用電極部90を形成する代わりに、アンカー部23a、第1、第2配線部32、42、周辺部50を一括的に露出させる窪み部19を形成し、窪み部19から露出する部分にパッド部171〜174およびコンタクト部100を形成するようにしてもよい。このような加速度センサとしても上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
例えば、上記各実施形態では、物理量センサとしての加速度センサを説明したが、物理量センサとしての角速度センサに本発明を適用することもできる。
また、上記第1、第3実施形態において、キャップ110は絶縁膜112を有していなくてもよい。すなわち、貼り合わせ基板111の一面111aに封止部113を形成するようにしてもよい。
さらに、上記第1、第3実施形態において、貼り合わせ基板111に絶縁膜112を形成せず、半導体層13の周辺部50と貼り合わせ基板111とを直接接合等により接合することで半導体層13と貼り合わせ基板111とを電気的に接続するようにしてもよい。
また、上記第1〜第3実施形態において、コンタクト部100と周辺部用電極部90におけるパッド部94とは一体化されていなくてもよい。
そして、上記第3実施形態では、コンタクト部100が支持基板11のうち埋込絶縁膜12側と反対側まで延設されている例について説明したが、コンタクト部100は窪み部19から露出する支持基板11のみに形成されていてもよい。また、コンタクト部100は支持基板11のうち埋込絶縁膜12側と反対側の部分にのみ形成されていてもよい。
さらに、上記各実施形態において、周辺部50とキャップ110(貼り合わせ基板111)とは電気的に接続されていなくてもよい。この場合は、貼り合わせ基板111に外部回路と電気的に接続されるコンタクト部を形成することで貼り合わせ基板111を所定電位に維持すればよい。また、上記各実施形態において、キャップ110に複数の貫通電極を形成し、可動電極24、125、固定電極31、41、161a、162a、周辺部50にキャップ110に形成された貫通電極を介して所定電位を印加するようにしてもよい。
さらに、上記各実施形態を適宜組み合わせてもよい。すなわち、上記第3実施形態を上記第2実施形態に組み合わせ、可動電極用電極部60、第1、第2固定電極用電極部70、80、周辺部用電極部90を形成する代わりに窪み部19を形成するようにしてもよい。
10 半導体基板
11 支持基板
12 埋込絶縁膜
13 半導体層
24、125 可動電極
31、41、161a、162a 固定電極
100 コンタクト部
110 キャップ

Claims (11)

  1. 支持基板(11)と、前記支持基板上に配置された埋込絶縁膜(12)と、前記埋込絶縁膜を挟んで前記支持基板と反対側に配置された半導体層(13)と、を有する半導体基板(10)と、
    前記半導体層に形成され、物理量に応じて変位する可動電極(24、125)と、
    前記半導体層のうち前記可動電極を囲むと共に前記可動電極と区画された周辺部(50)と、
    前記可動電極と対向して配置された固定電極(31、41、161a、162a)と、
    前記半導体層と接合されて前記可動電極を封止するキャップ(110)と、を備え、
    前記支持基板および前記キャップが所定電位に維持される物理量センサにおいて、
    前記支持基板は、外部回路と直接電気的に接続されるコンタクト部(100)が形成され、前記コンタクト部を介して所定電位に維持されていることを特徴とする物理量センサ。
  2. 前記支持基板および前記埋込絶縁膜には、前記支持基板のうちの前記埋込絶縁膜側と反対側から前記半導体層のうちの前記可動電極と電気的に接続される部分(23a、131)に達する可動電極用孔部(61)、前記固定電極と電気的に接続される部分(32、42、132、133)に達する固定電極用孔部(71、81)、前記周辺部に達する周辺部用孔部(91)が形成され、
    前記可動電極用孔部、前記固定電極用孔部、前記周辺部用孔部には、それぞれ絶縁膜(62〜92)を介して外部回路と電気的に接続される貫通電極(63〜93)が配置され、
    前記キャップは、前記周辺部と電気的に接続されることで所定電位に維持されていることを特徴とする請求項1に記載の物理量センサ。
  3. 前記周辺部用孔部に形成された貫通電極は、パッド部(94)を介して前記外部回路と電気的に接続されており、
    前記コンタクト部は、前記パッド部と一体化されていることを特徴とする請求項2に記載の物理量センサ。
  4. 前記支持基板および前記埋込絶縁膜には、前記支持基板のうちの前記埋込絶縁膜側と反対側から前記半導体層のうちの前記可動電極と電気的に接続される部分(23a、131)、前記固定電極と電気的に接続される部分(32、42、132、133)、前記周辺部を一括的に露出させる窪み部(19)が形成され、
    前記半導体層のうちの前記窪み部から露出する前記可動電極と電気的に接続される部分、前記固定電極と電気的に接続される部分、前記周辺部には、外部回路と電気的に接続されるパッド部(171〜174)が形成されており、
    前記キャップは、前記周辺部と電気的に接続されることで所定電位に維持されていることを特徴とする請求項1に記載の物理量センサ。
  5. 前記窪み部から露出する前記周辺部に形成された前記パッド部は、前記窪み部から露出する前記支持基板まで延設されて前記コンタクト部を形成していることを特徴とする請求項4に記載の物理量センサ。
  6. 前記周辺部には前記可動電極を囲む導電性部材で構成された封止部(51)が形成されていると共に、前記キャップには前記封止部と対応する形状であって導電性部材で構成された封止部(113)が形成され、
    前記周辺部および前記キャップは、それぞれの前記封止部が接合されることによって電気的に接続されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の物理量センサ。
  7. 前記可動電極(24)は、前記半導体基板の面方向と平行な方向の物理量に応じて変位し、
    前記固定電極(31、41)は、前記半導体層に形成されていると共に前記周辺部と区画されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の物理量センサ。
  8. 前記可動電極(125)は、前記半導体基板の面方向に対する法線方向の物理量に応じて変位し、
    前記固定電極(161a、162a)は、前記キャップのうちの前記可動電極と対向する部分に形成されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の物理量センサ。
  9. 前記可動電極は、前記半導体層に形成された枠部(122)の一部で構成され、
    前記キャップは、前記枠部と対向する部分であって、前記固定電極が形成される部分と異なる部分に窪み部(111b)が形成されていることを特徴とする請求項8に記載の物理量センサ。
  10. 支持基板(11)と、前記支持基板上に配置された埋込絶縁膜(12)と、前記埋込絶縁膜を挟んで前記支持基板と反対側に配置された半導体層(13)と、を有する半導体基板(10)と、
    前記半導体層に形成され、物理量に応じて変位する可動電極(24、125)と、
    前記半導体層のうち前記可動電極を囲むと共に前記可動電極と区画された周辺部(50)と、
    前記可動電極と対向して配置された固定電極(31、41、161a、162a)と、
    前記半導体層と接合されて前記可動電極を封止するキャップ(110)と、を備え、
    前記支持基板および前記キャップが所定電位に維持される物理量センサにおいて、
    前記支持基板には、外部回路と直接電気的に接続されるコンタクト部(100)が形成され、
    前記支持基板および前記埋込絶縁膜には、前記支持基板のうちの前記埋込絶縁膜側と反対側から前記半導体層のうちの前記可動電極と電気的に接続される部分(23a、131)に達する可動電極用孔部(61)、前記固定電極と電気的に接続される部分(32、42、132、133)に達する固定電極用孔部(71、81)、前記周辺部に達する周辺部用孔部(91)が形成され、
    前記可動電極用孔部、前記固定電極用孔部、前記周辺部用孔部には、それぞれ絶縁膜(62〜92)を介して外部回路と電気的に接続される貫通電極(63〜93)が配置されている物理量センサの製造方法において、
    前記半導体基板を用意する工程と、
    前記半導体層に前記可動電極および前記周辺部を区画形成する工程と、
    前記半導体層のうちの前記周辺部と前記キャップとが電気的に接続されるように、前記半導体層と前記キャップとを接合する工程と、
    前記支持基板に、前記埋込絶縁膜側と反対側から前記支持基板のうちの前記可動電極と電気的に接続される部分と対向する部分、前記固定電極と電気的に接続される部分と対向する部分、前記周辺部と対向する部分に前記埋込絶縁膜に達する第1孔部(17a)を形成する工程と、
    前記第1孔部に前記絶縁膜を形成すると共に前記支持基板のうちの前記埋込絶縁膜側と反対側の部分に絶縁膜(14)を形成する工程と、
    前記第1孔部の底部に位置する前記埋込絶縁膜に第2孔部(17b)を形成することにより、前記第1、第2孔部にて前記可動電極用孔部、前記固定電極用孔部、前記周辺部用孔部を形成すると共に、前記支持基板のうちの前記埋込絶縁膜と反対側の部分に形成された前記絶縁膜に前記支持基板を露出させるコンタクトホール(14a)を形成する工程と、
    前記可動電極用孔部、前記固定電極用孔部、前記周辺部用孔部に前記絶縁膜を介して前記貫通電極を形成すると共に、前記コンタクトホールに前記コンタクト部を形成する工程と、を行うことを特徴とする物理量センサの製造方法。
  11. 支持基板(11)と、前記支持基板上に配置された埋込絶縁膜(12)と、前記埋込絶縁膜を挟んで前記支持基板と反対側に配置された半導体層(13)と、を有する半導体基板(10)と、
    前記半導体層に形成され、物理量に応じて変位する可動電極(24、125)と、
    前記半導体層のうち前記可動電極を囲むと共に前記可動電極と区画された周辺部(50)と、
    前記可動電極と対向して配置された固定電極(31、41、161a、162a)と、
    前記半導体層と接合されて前記可動電極を封止するキャップ(110)と、を備え、
    前記支持基板および前記キャップが所定電位に維持される物理量センサにおいて、
    前記支持基板には、外部回路と直接電気的に接続されるコンタクト部(100)が形成され、
    前記支持基板および前記埋込絶縁膜には、前記支持基板のうちの前記埋込絶縁膜と反対側から前記半導体層のうちの前記可動電極と電気的に接続される部分(23a、131)、前記固定電極と電気的に接続される部分(32、42、132、133)、前記周辺部を一括的に露出させる窪み部(19)が形成され、
    前記窪み部から露出する前記可動電極と電気的に接続される部分、前記固定電極と電気的に接続される部分、前記周辺部には、外部回路と電気的に接続されるパッド部(171〜174)が形成されている物理量センサの製造方法において、
    前記支持基板上に前記埋込絶縁膜を形成し、前記埋込絶縁膜側から前記窪み部の一部を構成する第1窪み部(19a)を形成する工程と、
    前記半導体層のうちの前記可動電極と電気的に接続される部分、前記固定電極と電気的に接続される部分、前記周辺部の形成予定領域に前記パッド部を形成する工程と、
    前記パッド部が前記第1窪み部内に収容されるように、前記埋込絶縁膜と前記半導体層とを接合する工程と、
    前記半導体層に前記可動電極および前記周辺部を区画形成する工程と、
    前記半導体層のうちの周辺部と前記キャップとが電気的に接続されるように、前記半導体層と前記キャップとを接合する工程と、
    前記支持基板に、前記埋込絶縁膜側と反対側から前記周辺部に形成された前記パッド部を露出させる貫通孔(19c)を形成する工程と、
    前記貫通孔に前記周辺部に形成された前記パッド部と連結される前記コンタクト部を形成する工程と、
    前記支持基板に、前記第1窪み部と連通する第2窪み部(19b)を形成することにより、前記第1、第2窪み部にて前記窪み部を形成する工程と、を行うことを特徴とする物理量センサの製造方法。

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