JP2017042871A - Ｍｅｍｓ素子およびその製造方法、並びにｍｅｍｓ素子の接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ワイヤの接続部の高さが高いボールボンディング法により接合を形成した場合でも、実装構造として薄型化が可能となるＭＥＭＳ素子とその製造方法、並びにＭＥＭＳ素子の接続構造を提供する。
【解決手段】可動電極３引き出し電極と固定電極５引き出し電極を基板の一部を除去した段部１６に形成する。この段部は、凹状部を形成し、その側壁の一部を個片化の際に除去することで形成できる。これらの引き出し電極は、従来に比べて低い位置に形成されるため、ボールボンディング法により金属ワイヤ１０４を接続した場合でも、接合部の突出高さは低く形成することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、ＭＥＭＳ素子、特にマイクロフォン、各種センサ、スイッチ等として用いられる容量型のＭＥＭＳ素子とその製造方法、並びにＭＥＭＳ素子の接続構造に関する。

従来、半導体プロセスを用いたＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子では、半導体基板上に可動電極、犠牲層及び固定電極を形成した後、犠牲層の一部を除去することで、スペーサーを介して可動電極と固定電極が固定された構造となっている。

例えば、容量型ＭＥＭＳ素子である音響トランスデューサーは、音圧を通過させる複数の貫通孔を備えた固定電極と、音圧を受けて振動する可動電極とを対向して配置し、振動する可動電極の変位を電極間の容量変化として検出する構成となっている。このようなＭＥＭＳ素子を用いてＭＥＭＳマイクロフォンを形成する場合、ＭＥＭＳ素子の出力信号を処理するため、信号処理機能を有する集積回路（ＩＣ）が必要となる。

例えば図９は、一般的なＭＥＭＳマイクロフォンの概略図を示し、ＭＥＭＳ素子１００およびＩＣチップ１０１が実装基板１０２に実装され、金属缶１０３で覆われた構成となっている。ＭＥＭＳ素子１００で検出された電気信号（検出信号）は、金属ワイヤ１０４を経由してＩＣチップ１０１に入力し、所望の信号処理を行い、図示しない配線を経由し実装基板１０２の接続端子から外部へ出力される。

金属缶１０３は、外部からのノイズや物理的接触などからＭＥＭＳ素子１００およびＩＣチップ１０１を保護するために設けられており、外部からの音波をＭＥＭＳ素子１００に到達させるため、一部に開口が形成されている。この種のＭＥＭＳマイクロフォンは、特許文献１（図４）に開示されている。

次に、金属ワイヤ１０４による接続構造を詳細に説明するため、図１０にＭＥＭＳ素子１００の接続構造の説明図を示す。図１０に示すようにＭＥＭＳ素子１００は、シリコン基板１上に熱酸化膜２を介して可動電極３が形成され、可動電極３上には、スペーサー４を介して固定電極５が形成されている。固定電極５には複数の貫通孔６が形成されている。一方、可動電極３にはスリット７が形成され、残留応力が調整されている。固定電極５上には、通常は窒化膜が形成されるが、図示は省略している。シリコン基板１の裏面側は、シリコン基板１の一部が除去され、バックチャンバー８を形成されている。

このような構造のＭＥＭＳ素子１００に金属ワイヤ１０４を形成する場合、可動電極３に接続する可動電極引き出し電極９、固定電極５に接続する固定電極引き出し電極１０それぞれに、ワイヤボンディングされる。その際、ＭＥＭＳ素子１００へのボンディングの際の衝撃を緩和するため、金属ワイヤ１０４の先端を加熱、溶融してボールを形成するボールボンディング法により接続を形成するのが一般的である。図１０では図示していないが、図９に示すシリコン基板に接続する接続構造も同様である。

このようなボールボンディング法では、可動電極引き出し電極９と金属ワイヤ１０４との接合部、あるいは固定電極引き出し電極１０と金属ワイヤ１０４との接合部の高さが、金属ワイヤの直径を超える程度の高さ（例えば、直径５０μｍの金属ワイヤを使用した場合、１００μｍ程度の高さ）となってしまう。そのため接合部の高さが高いほど、図９で説明した金属缶１０３の高さを高くする必要があった。これは近年の電子部品の薄型化という市場要求に反してしまっていた。

そこで、ＭＥＭＳ素子１００のシリコン基板１の厚さを薄くすることも考えられるが、厚さを薄くすることはバックチャンバー８の容積が減少してしまい、ＭＥＭＳ素子１００の感度低下を招き好ましくない。また金属缶１０３の高さだけを低くすることは、金属ワイヤ１０４との接触の問題があり限界があった。

特開２０１１−１０１３０４号公報

従来、実装基板上にＭＥＭＳ素子とその信号処理用の集積回路を実装し、金属ワイヤで接続する際、ＭＥＭＳ素子上の電極上に形成される金属ワイヤの接続部の高さが高く、金属缶の高さを低くすることができず、実装構造の薄型化が難しかった。本発明は、金属ワイヤの接続部の高さが高いボールボンディング法により接合を形成した場合でも、実装構造として薄型化が可能となるＭＥＭＳ素子とその製造方法、並びにＭＥＭＳ素子の接続構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで配置された可動電極および固定電極と、前記可動電極に接続する可動電極引き出し電極と、前記固定電極に接続する固定電極引き出し電極とを備えたＭＥＭＳ素子において、前記可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極は、それぞれ前記基板の一部が除去された段部の表面に配置されていることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで配置された可動電極および固定電極と、前記可動電極に接続する可動電極引き出し電極と、前記固定電極に接続する固定電極引き出し電極とを備えたＭＥＭＳ素子を集合基板上に複数個形成した後、スクライブラインに沿って前記集合基板を切断して個片化するＭＥＭＳ素子の製造方法において、可動電極引き出し電極形成予定領域および固定電極引き出し電極形成予定領域であって前記スクライブラインの切断領域に達する位置の前記集合基板の一部を除去して凹状部を形成する工程と、該凹状部内に、前記可動電極に接続する可動電極引き出し電極と、前記固定電極に接続する固定電極引き出し電極とを、それぞれ形成する工程と、前記スクライブラインに沿って前記集合基板を切断し、個々のＭＥＭＳ素子に個片化するとともに、前記凹状部の側壁の一部を除去して段部を形成し、該段部の表面に形成されている前記可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極を露出させる工程と、を含むことを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで配置された可動電極および固定電極と、前記可動電極に接続する可動電極引き出し電極と、前記固定電極に接続する固定電極引き出し電極とを備え、前記可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極にそれぞれ信号出力のための金属ワイヤが接続しているＭＥＭＳ素子の接続構造において、前記可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極は、それぞれ前記基板の一部が除去されて形成された段部の表面に形成されており、該可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極にそれぞれ金属ワイヤ接続していることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項３記載のＭＥＭＳ素子の接続構造において、前記可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極に、前記金属ワイヤがボールボンディングされていることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極引き出し電極および固定電極引き出し電極を基板の一部を除去して形成した段部に形成することで、金属ワイヤとの接続部を従来に比べて低い位置に形成できる構造としている。本発明のＭＥＭＳ素子を用いた接続構造は、段部の深さを接続部の突出高さに合わせて適宜調整することで、接続部の突出高さを低くすることが可能となり、実装基板に実装して金属缶を被せた場合に、低背化が可能となる利点がある。特に、ワイヤボンディング法としてボールボンディング法により接続する場合にその効果が大きい。

また本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極引き出し電極および固定電極引き出し電極を除き、従来のＭＥＭＳ素子の形状を変える必要がなく、特にバックチャンバーの容量を変える必要がないため、感度の低下を招くことがない点で利点が大きい。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法は、通常のＭＥＭＳ素子の製造工程において、可動電極引き出し電極および固定電極引き出し電極の形成予定領域であって、スクライブラインンに達する位置に凹状部を形成する工程を追加することと、スクライブラインに沿った切断を行う際に、凹状部に達する位置で切断することで、可動電極引き出し電極および固定電極引き出し電極が段部に露出するように形成することができ、簡便な製造方法である。また通常のＭＥＭＳ素子の製造工程に使用される工程のみで構成できるため、歩留まりよく製造することが可能となる。

本発明のＭＥＭＳ素子の接続構造は、可動電極引き出し電極および固定電極引き出し電極が段部に露出しているので、通常のワイヤボンディング装置を用いたボンディング方法、具体的にはキャピラリで金属ワイヤを押圧して接続を形成する方法を用いても、キャピラリが段部に残る側壁部に接触することなく接続を形成することができる。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明の別のＭＥＭＳ素子の説明図である。 一般的なＭＥＭＳマイクロフォンの概略図である。 従来のＭＥＭＳ素子の接続構造の説明図である。

本発明のＭＥＭＳ素子は、金属ワイヤと接続する引き出し電極の高さを低く形成している。以下、本発明のＭＥＭＳ素子についてその製造工程に従い詳細に説明し、次に金属ワイヤと引き出し電極の接続構造について説明する。

第１の実施例としてＭＥＭＳ素子とその製造方法について説明する。ＭＥＭＳ素子は、集合基板となるシリコン基板１上に複数個同時に形成する。以下説明に使用する図面は、集合基板の一部分を図示しており、１個のＭＥＭＳ素子と隣接するＭＥＭＳ素子との間に配置されているスクライブラインの一部を含めて記載している。まず、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１上に厚さ１μｍ程度の熱酸化膜２を形成し、熱酸化膜２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．２〜２．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に通常のフォトリソグラフ法により導電性ポリシリコン膜をパターニングし、可動電極３を形成する。可動電極３には、感度向上のためスリット８が形成されている。可動電極３上に、厚さ２．０〜５．０μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層１１を積層形成する。犠牲層１１上に、厚さ０．１〜１．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、固定電極５を形成する。犠牲層１１の一部をエッチング除去し、先に形成した可動電極３の一部を露出させる（図１）。

次に、可動電極引き出し電極および固定電極引き出し電極形成予定領域を開口するようにフォトレジスト１２をパターニングする。ここで開口１３は、個々のＭＥＭＳ素子に個片化する際に切断領域となるスクライブラインに達するように形成する。その後、可動電極引き出し電極および固定電極引き出し電極の形成予定領域を開口するフォトレジスト１２をエッチングマスクとして使用し、犠牲層１１、熱酸化膜２およびシリコン基板１の一部を除去し、凹状部１４を形成する（図２）。本実施例では、表面の結晶方位が（１００）のシリコン基板を用いており、凹状部１４の側壁の結晶方位が（１１１）となるような異方性エッチングを行うことで、四角柱の形状にシリコン基板1の一部が除去された凹状部１４を形成することができる。あるいは四角柱の形状に除去する代わりに、凹状部１４の側壁部が底面に向かって開口寸法が狭くなるように傾斜する結晶面を出すように異方性エッチングすることも可能である。なお、図９で説明したようにシリコン基板との接続を形成するための引き出し電極が必要な場合は、可動電極引き出し電極および固定電極引き出し電極と同様に形成すれば良い。以下、シリコン基板との接続を形成するための引き出し電極の形成方法の説明は省略する。

凹状部１４の深さは、この底面に後述する可動電極引き出し電極あるいは固定電極引き出し電極を形成し、これら引き出し電極と金属ワイヤの接続を形成する際に、金属ワイヤの高さが高くならない深さに適宜調整すればよい。一例として、１００μｍ程度の深さとなる凹状部１４を形成することができる。また後述するように、凹状部１４の側壁部の一部は、個片化の工程で除去するため、凹状部１４の底面の広さは、可動電極引き出し電極あるいは固定電極引き出し電極の大きさより広く形成しておくのが好ましい。

フォトレジスト１２を除去し、表面を絶縁膜である窒化膜１５で被覆し、通常のフォトリソグラフ法により可動電極３および固定電極５の一部を露出させる（図３）。

その後、通常のフォトリソグラフ法により、可動電極３および固定電極５にそれぞれ接触する可動電極引き出し電極９および固定電極引き出し電極１０を形成する。これらの引き出し電極は、図４に示すように先に形成した凹状部１４の側壁に沿って底面まで引き出される形状とする（図４）。前述のように凹状部１４は１００μｍ程度の深さであるが、通常のフォトリソグラフ法によりパターニング可能である。ここで、通常のフォトリソグラフ法により窒化膜１５と固定電極５の一部を除去し、音圧を可動電極３に伝えるための貫通孔６を形成し、貫通孔６内に犠牲層１１を露出させる。

その後、シリコン基板１の裏面側から熱酸化膜２が露出するまでシリコン基板１の一部を除去し、バックチャンバー８を形成する。その後、貫通孔６を通して犠牲層１１の一部を除去してスペーサー４を形成する。その結果、スペーサー４に可動電極３と固定電極５が固定された中空構造が形成される。この犠牲層１１のエッチングにより、熱酸化膜２の一部も除去される（図５）。

次に個片化を行う。本発明ではこの個片化の際、先に形成した凹状部１４の側壁部の一部をスクライブラインの切削除去と同時に除去する。その結果、凹状部の形状は角柱上に掘り込まれた形状から、ＭＥＭＳチップの側壁側に開口（露出）する形状の段部１６に可動電極引き出し電極９と固定電極引き出し電極１０が形成される（図６）。

この個片化工程についてさらに説明を加えると、凹状部１４を直交するスクライブラインの両方に跨るように配置する場合、凹状部１４の側壁部の２面が個片化工程で除去され、方形のＭＥＭＳ素子の角部に、二方向に側壁部が残り、二方向が開口している段部１６内に引き出し電極が形成されることになる。また、凹状部１４が一つのスクライブラインにのみ接触するように配置する場合、凹状部１４の側壁部の１面が個片化工程で除去され、方形のＭＥＭＳ素子の一辺に、三方に側壁部が残り、1面が開口している段部１６内に引き出し電極が形成されることになる。

以上のように本実施例では、従来のＭＥＭＳ素子と比較して、実装時に金属ワイヤと接続が形成される可動電極引き出し電極９と固定電極引き出し電極１０がシリコン基板１の一部を除去して形成した段部１６に延出した形状のＭＥＭＳ素子を形成することができる。

次に、第１の実施例で説明したＭＥＭＳ素子に対して金属ワイヤを接続する接続構造とその接続方法について説明する。第１の実施例で説明したように、可動電極引き出し電極９と固定電極引き出し電極１０は、それぞれＭＥＭＳ素子の側壁側に開口する段部１６の表面に形成されている。一般的なワイヤボンディング法によりこの段部１６内に形成された可動電極引き出し電極９および固定電極引き出し電極１０にそれぞれ金属ワイヤ１０４を接続する。ここで特に、図７に示すようにボールボンディング法により接続を形成する場合、金属ワイヤ１０４の先端を加熱、溶融してボールを形成し、このボールを各引き出し電極にキャピラリにより押圧して接触させる。その結果、金属ワイヤ１０４のボールは、完全に押しつぶされず高い接続が形成されることになる。

しかし本発明では図７に示すように、可動電極引き出し電極９および固定電極引き引き出し電極１０は、シリコン基板１の一部が除去された段部１６上に形成されているため、接続部に高いボールが形成されていたとしても、全体としては低い接続構造を形成することが可能となる。ワイヤボンディング法は、ボールボンディング法に限定されるものではないが、接合の高さが高いボールボンディング法で効果が大きいことがわかる。

このように本実施例の接続構造は、引き出し電極と金属ワイヤとの接合部の高さが相対的に低く形成できるので、ＭＥＭＳ素子を実装基板上に実装し、金属缶で覆う構造のパッケージの低背化が可能となり効果が大きい。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、ＭＥＭＳ素子を形成するシリコン基板の表面の結晶方位を変更することで異方性エッチングにより形成される凹状部に形状を変更したり、凹状部の形成をドライエッチング法に変更し、そのエッチング条件を変更することで、凹状部の形状を変更することも可能である。例えば、可動電極引き出し電極９および固定電極引き出し電極１０が延出する側壁部の形状を図８に示すように傾斜した形状とすることが可能である。

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：可動電極、４：スペーサー、５：固定電極膜、６：貫通孔、７：スリット、８：バックチャンバー、９：可動電極引き出し電極、１０：固定電極引き出し電極、１１：犠牲層、１２：フォトレジスト、１３：開口、１４：凹状部、１５：窒化膜、１６：段部

Claims (4)

1. バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで配置された可動電極および固定電極と、前記可動電極に接続する可動電極引き出し電極と、前記固定電極に接続する固定電極引き出し電極とを備えたＭＥＭＳ素子において、
   前記可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極は、それぞれ前記基板の一部が除去された段部の表面に配置されていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで配置された可動電極および固定電極と、前記可動電極に接続する可動電極引き出し電極と、前記固定電極に接続する固定電極引き出し電極とを備えたＭＥＭＳ素子を集合基板上に複数個形成した後、スクライブラインに沿って前記集合基板を切断して個片化するＭＥＭＳ素子の製造方法において、
   可動電極引き出し電極形成予定領域および固定電極引き出し電極形成予定領域であって前記スクライブラインの切断領域に達する位置の前記集合基板の一部を除去して凹状部を形成する工程と、
   該凹状部内に、前記可動電極に接続する可動電極引き出し電極と、前記固定電極に接続する固定電極引き出し電極とを、それぞれ形成する工程と、
   前記スクライブラインに沿って前記集合基板を切断し、個々のＭＥＭＳ素子に個片化するとともに、前記凹状部の側壁の一部を除去して段部を形成し、該段部の表面に形成されている前記可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極を露出させる工程と、を含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
3. バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで配置された可動電極および固定電極と、前記可動電極に接続する可動電極引き出し電極と、前記固定電極に接続する固定電極引き出し電極とを備え、前記可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極にそれぞれ信号出力のための金属ワイヤが接続しているＭＥＭＳ素子の接続構造において、
   前記可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極は、それぞれ前記基板の一部が除去されて形成された段部の表面に形成されており、該可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極にそれぞれ金属ワイヤ接続していることを特徴とするＭＥＭＳ素子の接続構造。
4. 請求項３記載のＭＥＭＳ素子の接続構造において、前記可動電極引き出し電極および前記固定電極引き出し電極に、前記金属ワイヤがボールボンディングされていることを特徴とするＭＥＭＳ素子の接続構造。

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