JP4178575B2

JP4178575B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4178575B2
Application number: JP02134898A
Authority: JP
Inventors: 厚慈千田; 晋二吉原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2018-02-02
Also published as: JPH11220141A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、例えば、機能素子を覆う保護キャップを不活性ガスあるいは真空中にて接合する半導体装置の製造方法等に適用できるものである。特に車両における横滑り防止制御に用いられる加速度センサ等に適用すると好適である。
【０００２】
【従来の技術】
表面マイクロ加工技術を駆使した半導体加速度センサ等においては、シリコンチップ上に可動部（振動部）を有し、可動部（振動部）の変位により加速度等の物理量を電気信号に変換して取り出すようになっている。
このような半導体装置において、可動部（振動部）を保護するために可動部をキャップにて覆うことが行われている。すなわち、キャップにてウェハからチップにダイシングカットする際の水圧や水流から可動部（振動部）を保護すると共に、樹脂モールドする際に可動部内部へ樹脂が浸入することを防げるようにしている。
【０００３】
しかしながら、センサにおける検出感度の高感度化、特性の安定化あるいはエアダンピングの回避等を考慮すると、可動部周囲の雰囲気として不活性ガスあるいは真空が適しているため、可動部をこれらの雰囲気で封止できるキャップが必要不可欠となる。
このため従来では、可動部周囲の雰囲気を不活性ガスあるいは真空雰囲気にするようにしており、キャップ基板（キャップとなる基板）が搭載されたセンサ基板（センサが形成されている基板）を接合チャンバー内に置き、接合チャンバー内を不活性ガス雰囲気あるいは真空中にした状態で加熱を行うことでキャップ基板をセンサ基板に接合する方法や、接合後に不活性ガス充填孔又は真空排気孔を設けて可動部周囲の雰囲気を不活性ガスあるいは真空雰囲気とし、その後成膜によりその孔を封止する方法が採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法では次のような課題がある。
すなわち、前者の方法によると、キャップ基板の自重によりキャップ基板とセンサ基板との隙間が確保できなくなることから、コンダクタンスの影響を受けキャップ内部への不活性ガス充填あるいは排気が十分できなくなるという問題がある。この場合、キャップ内部の圧力にバラツキを生じたり、目標とする圧力に達しなかったりする。
【０００５】
また、後者の方法によると、不活性ガス充填については成膜をある程度真空状態で行わなければならないことから不可能であり、真空封止についても真空排気および成膜するための工程が必要になるという問題がある。
そこで、この発明の目的は、不活性ガス充填あるいは真空封止するための基板を有する半導体装置を、高歩留まりかつ省工程で製造することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。請求項１乃至４に記載の発明においては、第１の半導体基板と第２の半導体基板の接合面上に配置される接合用膜（９）に対して、凹部（７ａ）によって形成される第１の半導体基板（７）と第２の半導体基板（１）との間の空洞部（１０）と、該空洞部の外部とを連通する連通溝（９ａ）を形成する工程と、連通溝を介して、空洞部内を真空排気あるいはガス充填する工程と、第１の半導体基板と第２の半導体基板とを挟む方向に加圧することで、接合用膜によって第１の半導体基板と第２の半導体基板とを共晶接合させると同時に、該共晶結合によって接合膜に形成された連通溝を埋め、空洞部とその外部とを遮断する工程とを有していることを特徴としている。
【０００７】
このように、第１、第２の半導体基板の接合前に一時的に接合用膜に対して連通溝を形成しておき、連通溝を通じて真空排気若しくはガス充填を行い、その後第１、第２の半導体基板を挟む方向に加圧することにより連通溝を埋めて空洞部とその外部とを遮断するようにすれば、確実に真空排気若しくはガス充填を行うことができる。また、連通溝を加圧の際に埋めて消失させるようにしているため、連通溝を成膜によって封止する必要もなく製造プロセスの簡略化を図ることができる。
【０００８】
これにより、不活性ガス充填あるいは真空封止するための基板を有する半導体装置を、高歩留まりかつ省工程で製造することができる。
具体的には、請求項２に示すように、連通溝は第１の半導体基板と第２の半導体基板との接合面に対して平行に少なくとも１つ形成されていればよく、連通溝を複数にすることも可能である。また、連通溝によって空洞部とその外部とを連通できるようになっていれば、連通溝の形状はどのようなものでもよい。
【０００９】
また、請求項３に示すように、接合膜による共晶接合としては、該接合膜に含まれた金と第１、第２の半導体基板に含まれたシリコンとによるＡｕ−Ｓｉ共晶層によって行うことができる。なお、請求項４に示すように、第２の半導体基板に機械的強度の弱い構造体である加速度センサ（２）が形成されるような場合に、請求項１乃至３に記載の発明を適用すると好適である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
図１に本発明の一実施形態を適用した加速度センサの断面図を示し、加速度センサの構造について説明する。なお、図１（ａ）は加速度センサを通過する方向での断面図であり、図１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
【００１１】
図１に示すように、センサ基板１の所定領域には加速度センサの可動部（センシング部）２が形成されている。センサ基板１は、シリコン基板３、このシリコン基板３上に成膜された絶縁膜４、可動部２、可動部２を形成する際に用いたＳＯＩ基板５、及び可動部２と電気的に接続された電極部６とを有している。そして、このように構成されたセンサ基板上にキャップ基板７が搭載されており、このキャップ基板７によって可動部が覆われている。
【００１２】
キャップ基板７は、キャップ用ウェハ８とシリコン基板の一面側に成膜された接合用膜９によって構成されている。キャップ基板７には凹部７ａが形成されており、この凹部７ａによってキャップ基板７とセンサ基板１との間に所定の空洞部１０が形成された状態で可動部２が覆われるようになっている。この空洞部１０内は不活性ガスが充填されて（若しくは真空状態となって）おり、センサの検出感度の高感度化、特性の安定化あるいはエアダンピングの回避等が考慮されている。
【００１３】
接合用膜９は、キャップ基板７のうち凹部７ａが形成されている面に形成されており、この接合用膜９の共晶結合によってキャップ基板７とセンサ基板１とが結合している。この接合用膜９は、Ｔｉ膜やＡｕ膜によって構成されており、キャップ基板７とセンサ基板１とを加圧することによってこれらの膜が共晶結合し、キャップ基板７とセンサ基板１とが接合されている。
【００１４】
なお、図１（ｂ）に示されるように、キャップ用ウェハ８には部分的にエッチング除去された凹部８ａが形成されているが、この凹部８ａについての詳細は後述する。
次に、図１に示す加速度センサの製造方法について、図２〜図５に基づいて説明する。
【００１５】
〔図２（ａ）に示す工程〕
先ず、キャップ基板１を形成するためのウェハ（以下、キャップ用ウェハという）基板８を用意し、このキャップ用ウェハ８の表裏面に熱酸化膜１２を５０００Å形成すると共に、表面側をホトエッチングによりパターニングする。そして、酸化膜１２をマスクとしてエッチングによりキャップ用ウェハ８に凹部８ａを形成する。
【００１６】
キャップ用ウェハ８がＳｉ基板の場合は、マスクを酸化膜とし、ドライエッチングにより形成できる。この凹部８ａが不活性ガス導入するための連通溝（もしくは真空排気するための連通溝）を形成するものとして用いられる。
この凹部８ａは、凹部を有するキャップの辺に対して直角だけでなく、斜めもしくは接合部を一周するような形状にする場合もある。
【００１７】
〔図２（ｂ）に示す工程〕
キャップ用ウェハ８の表裏面に熱酸化膜１３を５０００Å形成し表面側をホトエッチングによりパターニングする。そして、熱酸化膜１３をマスクとしてエッチングを行い、キャップ用ウェハ８に凹凸をつける。
具体的には、図５に示すキャップ用ウェハ８の上面図（図２（ｂ）を紙面上方から見た図）で表されているように、センサの可動部２を保護するための凹部７ａと、後の工程でキャップ用ウェハ８をダイシングカットする際にダイシングブレード２２とセンサウェハ２０（図３（ｃ）参照）との接触を回避するために必要とされる間隙（センシング部分の間）を確保するための凹部７ｂである。
【００１８】
〔図２（ｃ）に示す工程〕
マスクとした熱酸化膜１３を表裏面ともＨＦ水溶液により除去し、Ａｕメッキ膜を形成するために必要なＴｉ１４およびＡｕ１５を蒸着法あるいはスパッタリング法により真空中で連続的に成膜する。このときＴｉ１４およびＡｕ１５の膜厚は１０００Åとしている。
【００１９】
次に、電解メッキによりＡｕ表面の全面にメッキ処理を施し、Ａｕ膜１６を形成する。但し、Ａｕはメッキに限らず蒸着あるいはスパッタにより成膜してもよい。このとき、Ａｕ膜１６の膜厚は３．５μｍとしている。
さらに、還元作用のあるＴｉ１７と、その酸化防止のためのＡｕ１８を真空中で連続的に成膜する。このとき、Ｔｉ１７の膜厚を５０〜８００Åとしている。例えば、Ｔｉ膜１７を１０００Å以上とすると酸化チタンの他にＴｉシリサイドが多量に形成されてしまい、接合強度が低下するからである。
【００２０】
また、Ａｕ１８膜厚はＡｕ中のＴｉがＳｉ表面へ拡散することを考慮し２００Åとしている。
このように、キャップ用ウェハ８上にＴｉ１４、Ａｕ１５、Ａｕ膜１６、Ｔｉ膜１７が構成されて接合用膜９となる。このとき、キャップ用ウェハ８に、上述した凹部８ａが形成されているため、接合用膜９が成膜された時にも凹部９ａが残った状態となっており、この凹部９ａが不活性ガス導入（もしくは真空排気）のための連通溝となる。以下、凹部９ａを連通溝９ａという。この連通溝９ａは、図５と同様に、センサの可動部２を保護するための凹部７ａのそれぞれが凹部７ｂを通じて外部と連通するように形成される。このようにして、キャップ基板７が完成する。
【００２１】
次に、キャップ基板７を分割するための位置合わせ用ラインを形成する。つまり、図６に示すように、形成した突起のエッジを基準ラインＬ１、Ｌ２とし、基準ラインＬ１、Ｌ２から所定の距離△Ｌ１、△Ｌ２だけ離した位置（ダイシングラインＬ３、Ｌ４）でダイシングカットする。なお、図３はダイシングカットラインを２本形成しているが、キャップ基板７のファセットの切り出し精度が信頼できるものであれば、それを基準となる位置合わせラインとして用いることもでる。この場合、ファセットに対し垂直に１本のみでもよい。
【００２２】
〔図３（ａ）に示す工程〕
次に、可動部２が形成されたセンサ基板１のうちシリコンが露出した部分と、キャップ基板７の接合用膜９とを接触させる。この時、キャップ基板７には連通溝９ａが形成されているため、キャップ基板７にて可動部２を覆った時に、キャップ基板７とセンサ基板１によって形成される空洞部１０は、外部と連通した状態となる。そして、連通溝９ａを通じて不活性ガスの充填（あるいは真空排気）を行う。
【００２３】
〔図３（ｂ）に示す工程〕
次に、温度を４００℃とし、キャップ基板７及びセンサ基板１への加圧力を２gf／mm²として、１０分間ホールドする。これにより、柔らかいＡｕ等が押圧されて、Ａｕ１５、Ａｕ膜１６、Ｔｉ膜１７がＡｕ−Ｓｉ共晶層２０となる。その後冷却する。この加圧の際に、連通溝９ａはＡｕ−Ｓｉ共晶層２３によって埋められ、消失する。そして、センサ基板１とキャップ基板７はＡｕ−Ｓｉ共晶層２３により接合され、空洞部１０内は不活性ガスあるいは真空封止される。
【００２４】
なお、この接合工程の前後におけるキャップ基板７及びセンサ基板１の断面図を図７（ａ）、（ｂ）に示す。この図に示されるように、接合工程前には連通溝９ａが開いており、接合後には連通溝９ａが埋められて消失していることが判る。
〔図３（ｃ）に示す工程〕
次に、キャップ部７ｃとキャップ不要部７ｄとを分離するためにダイシングブレード２２によりキャップ基板７をダイシングカットする。この際、カットする方向は図８（ａ）に示すようにファセットに対して垂直とし、先に形成した位置合わせラインＬ３、Ｌ４を基準にして、カット間隔およびカット位置を決定する。このとき、ラインＬ３、Ｌ４を形成しているため、キャップ基板７裏面にスクライブラインのようなパターンがなくても容易にダイシングカットが可能となる。これにより、図８（ａ）に示すように、キャップ基板７のダイシングラインの一方となるダイシングラインＬ５がカットされる。
【００２５】
〔図４（ａ）に示す工程〕
次に、ダイシングカット用の粘着シート２３をキャップ基板７の裏面に貼り付ける。ここで、粘着シート２３の貼り付け時にエアーをかみ、そのエアーをかんだ部分が粘着シートで固定されずダイシングカット後に飛散することが予想されるが、図３（ｃ）の工程におけるダイシングカットによる切り込みがあるため、そこからエアーを排出できるので貼り付け後軽く擦り付ければ、この問題は回避できる。
【００２６】
〔図４（ｂ）に示す工程〕
この図は、センサ基板１及びキャップ基板７の断面方向を９０度変えた断面図である。この図に示すように、ダイシングブレード２２により粘着シート２３ごとキャップ基板７を再度ダイシングカットし、不要部７ｅを分割する。カットする方向は図８（ｂ）に示すようにラインＬ５に対して垂直とし、ラインＬ５の形成と同様に位置合せラインを基準としてカット間隔およびカット位置を決定する。このようにして、ダイシングカットラインＬ６が形成される。なお、図中では粘着シート２３を斜線で示している。
【００２７】
このダイシング工程において、粘着シート２３をキャップ基板７に張りつけた状態でカットするので、不要物７ｅがダイシングカット中に飛散しセンサ基板１表面の電極６等を損傷したりダイシングブレード２２が損傷したりすることを回避できる。つまり、不要物７ｅは粘着シート２３に固定されており、上述した不具合を回避することができる。なお、本実施形態では、カットする順番をラインＬ５、Ｌ６の順に行ったが、ダイシングカット方向の順序が逆になっても全く問題はない。
【００２８】
〔図４（ｃ）に示す工程〕
次に、粘着シート２３を分割されたキャップ基板７から剥がす。このとき粘着シート２３とともにキャップ不要部７ｅは除去され、図に示されるようにセンサ基板１上にキャップ７ｃが搭載された形となる。次に、センサ基板１をスクラブラインに沿ってダイシングカットし、センサチップにする。これにより図１に示す加速度センサが完成する。
【００２９】
このように、不活性ガス導入（真空排気）を行う際に、センサ基板１とキャップ基板７とによって形成される空洞部１０と外部とを連通させ、不活性ガス導入（真空排気）後の接合時に消失する連通溝９ａを設けることにより、空洞部１０内を完全に不活性ガス雰囲気（若しくは真空状態）とすることができる。
このため、キャップ基板７の自重によって不活性ガス導入のための間隔が確保できず、コンダクタンスの影響を受けてキャップ７ｃの内部（空洞部１０）への不活性ガス充填あるいは真空排気が十分できなくなるという問題が発生しない。また、キャップ７ｃの内部の圧力にバラツキを生じたり、目標とする圧力に達しなかったりすることもない。さらに、接合後に不活性ガス導入孔を形成する場合と異なり、キャップ７ｃの内部に確実に不活性ガスを導入することができ、また真空排気孔を設けた場合のように成膜によって孔を塞ぐ工程が必要とされないため、成膜するための工程を省くこともでき半導体装置製造プロセスの簡略化を図ることができる。
【００３０】
このように、本実施形態の方法によれば、不活性ガス充填あるいは真空封止するためのキャップ基板を有する半導体装置を、高歩留まりかつ省工程で製造することができる。
（他の実施形態）
ここで実施例では第１の半導体基板としてセンサウェハを、第２の半導体基板としてキャップ用ウェハとして述べてきたが、第１および第２の半導体基板として回路素子を含むウェハとしてもよい。この形態は、ＣｈｉｐＯｎＣｈｉｐと称するマルチチップとなり、有効面積を縮小できる利点がある。
【００３１】
本発明によれば、機械的強度の低い構造体が形成されたチップ上に不活性ガスあるいは真空雰囲気の保護キャップを高歩留まりで製造することができる。しかも、不活性ガス充填あるいは真空排気に用いた溝は接合時に生じるＡｕ−Ｓｉ共晶層により消失し封止されるため、プロセスの簡略化が可能となる。また、ウェハ直接接合のように接合時の面粗度の影響を受けにくく、高温熱処理が不要なため、多種のプロセスに応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を適用して製造した加速度センサの断面図である。
【図２】図１に示す加速度センサの製造工程を示す図である。
【図３】図２に続く加速度センサの製造工程を示す図である。
【図４】図３に続く加速度センサの製造工程を示す図である。
【図５】キャップ用ウェハとセンサ基板１との接合前後を示す図である。
【図６】センサ基板１及びキャップ用ウェハをダイシングカットする際におけるカット位置合わせ用ラインを説明するための図である。
【図７】キャップ基板のダイシングカットの状態を示す説明図である。
【図８】センサ基板１のダイシングカットの状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１…センサ基板、２…可動部、３…キャップ用ウェハ、４…絶縁膜、
５…ＳＯＩ膜、６…電極、７…キャップ基板、７ａ、７ｂ…凹部、
７ｃ…キャップ、９…接合用膜、９ａ…連通溝、１４…Ｔｉ、１５…Ａｕ、
１６…Ａｕ膜、１７…Ｔｉ膜、１８…Ａｕ膜、２０…Ａｕ−Ｓｉ共晶層。

Claims

一面側に凹部（７ａ）が形成された第１の半導体基板（８）を、接合用膜（９）を介して第２の半導体基板（１）に搭載したときに、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板の接合面上に配置される前記接合用膜に対して、前記凹部によって形成される前記第１の半導体基板と第２の半導体基板との間の空洞部（１０）と、その外部とを連通する連通溝（９ａ）を形成する工程と、
前記連通溝を介して、前記空洞部内を真空排気あるいはガス充填する工程と、
前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とを挟む方向に加圧することで、前記接合用膜によって前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とを共晶接合させると同時に、該共晶結合によって前記連通溝を埋めて前記空洞部とその外部とを遮断する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記接合用膜は、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板のいずれか一方に形成されており、前記連通溝は前記第１の半導体基板と第２の半導体基板との接合面に対して平行に少なくとも１つ形成されてい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。
前記接合用膜による共晶接合は、該接合用膜に含まれた金と前記第１、第２の半導体基板に含まれたシリコンとによるＡｕ−Ｓｉ共晶層によって行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２の半導体基板は加速度センサ（２）が形成されるものであり、前記可動部は前記空洞部内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
チップ毎に形成された複数の素子（２）を有する第１の半導体基板（１）上に、前記複数の素子のそれぞれを覆うための凹部が形成されたキャップ用の第２の半導体基板を搭載したときに、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板の接合面上に配置される接合用膜（９）に対して、前記凹部によって形成される前記第１の半導体基板と第２の半導体基板との間の空洞部（１０）と、その外部とを連通する連通溝（９ａ）を形成する工程と、
前記連通溝を介して、前記空洞部内を真空排気あるいはガス充填する工程と、
前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とを挟む方向に加圧することで、前記接合用膜によって前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とを共晶接合させると同時に、該共晶結合によって前記連通溝を埋めて前記空洞部とその外部とを遮断する工程と、
前記第１の半導体基板及び前記第２の半導体基板をチップ単位にダイシングカットする工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。