JP6032046B2

JP6032046B2 - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP6032046B2
Application number: JP2013026750A
Authority: JP
Inventors: 奉之村田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2033-02-14
Also published as: JP2014157866A

Description

本発明は、デバイスが形成されたデバイスウェハに対して、キャビティ（凹部）を形成したキャップウェハを貼り合せて形成される半導体装置およびその製造方法に関するものである。

従来、デバイスウェハに対して貼り合わされるキャップウェハでは、シリコン基板に対してキャビティ形成領域を開口させたレジストを配置したのち、レジストをマスクとしたエッチングを行うことでシリコン基板にキャビティを形成している。そして、デバイスウェハに対してキャップウェハを貼り付ける際には、キャビティ形成後のキャップウェハに酸化膜を成膜したのち、キャップウェハにおける酸化膜側をデバイスウェハに直接接合することで両者の貼り合わせを行っている（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−３９３７１号公報

しかしながら、従来はキャビティ形成後に熱酸化によって酸化膜を形成しているため、キャビティの凹凸が影響し、図１２に示すように酸化時の熱応力によってキャビティＪ１の端部において酸化膜Ｊ２が凸形状になる。この領域がデバイスウェハと接続できない領域となっていた。具体的には、キャップウェハＪ３では、酸化膜Ｊ２のうちキャビティＪ１の端部（キャビティＪ１の周囲）において凸形状となっている部分とそれ以外の部分との高低差が１３６ｎｍ程度発生していた。そして、図１３に示すように、キャビティＪ１の端から１００μｍ以上はデバイスウェハＪ４との接合が行われていない未接合領域となり、それよりもキャビティＪ１から離れた位置から１０〜５０μｍを接合領域として、両ウェハＪ３、Ｊ４とが貼り合わされていた。このため、接合代を広面積にとる必要性が生じ、チップサイズを小さくできないという問題を発生させていた。また、キャビティＪ１を形成してから熱酸化を行うことになるため、デバイスウェハ全体にかかる応力が大きくなっていた。

本発明は上記点に鑑みて、デバイスウェハに対してキャップウェハを貼り合わせる半導体装置の小型化を図ると共にデバイスウェハにかかる応力緩和を図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、デバイスウェハ（１０）とキャップウェハ（６０）に形成されたキャビティ（６６）の内壁面が形成する空間によって形成される気密室（７０）にセンシング部（１６）が気密封止されてなる半導体装置において、半導体基板（６３）における一面（６１）側において、当該一面上にのみ酸化膜（６４）が形成されることでキャビティの内壁面が酸化膜から露出させられており、前記一面のうちキャビティとの境界部となる端部（６１ａ）からキャビティの外周方向に向かって前記一面が平坦面かつ均一膜厚な面になっていると共に、酸化膜が端部からデバイスウェハに貼り付けられた接合領域とされていることを第１の特徴としている。

このように、酸化膜が半導体基板の一面にのみ形成されていてキャビティが酸化膜から露出した状態となっている構造、つまりキャビティを形成する前に半導体基板の一面に酸化膜を形成しておき、その後に半導体基板にキャビティを形成した構造としている。このため、キャビティの形成前に形成している酸化膜を均一な膜厚にできるし、酸化膜を形成する際の熱酸化がキャビティの影響を受けないため、キャビティとの境界となる端部の周囲において前記一面が平面となる。また、酸化膜の表面も凸形状とはならず、平坦面かつ均一膜厚な面となるようにできるし、デバイスウェハ内における応力緩和も図ることができる。

このため、酸化膜がキャビティとの境界となる端部からデバイスウェハに貼り付けられるようにでき、従来のような未接合領域がほぼなく、ほぼ全域が接合領域となるようにできる。したがって、接合代を広面積にとる必要性がなくなり、チップサイズを小さくすることが可能となって、デバイスウェハに対してキャップウェハを貼り合せて形成される半導体装置の小型化を図ることが可能となる。
また、請求項１に記載の発明では、半導体基板における一面とは反対側となる他面（６２）側から半導体基板および酸化膜を貫通する孔部（６７ａ）内に、絶縁膜（６７ｂ）を介してデバイスウェハに電気的に接続される貫通電極（６７ｃ）を有する貫通電極部（６７）を有し、貫通電極部がキャビティが形成された範囲内に配置されていると共に、該貫通電極部が形成された位置においてセンシング部が支持基板（１１）に支持され、貫通電極部およびセンシング部を支持基板で支持したサポートピラー（９０）が備えられていることを第２の特徴としている。

このように、キャビティ内において貫通電極部を形成する場合には、貫通電極部の周囲においてキャップウェハをデバイスウェハに貼り合せなければならない。このため、従来のように、接合代を広面積とる必要性が有る場合、キャビティの内側に貫通電極部を形成することで、半導体装置がより大型化することになる。しかしながら、請求項１に記載の発明の第１の特徴において記載したように、酸化膜がキャビティとの境界となる端部からデバイスウェハに貼り付けられるようにできることから、貫通電極部の周囲の全域が接合領域となり、未接合領域が殆ど無い構造にできる。このため、各貫通電極部の周囲において必要とされる接合代を広面積にとる必要性がなくなり、半導体装置の大型化を最小限に抑えられる。したがって、キャビティ内に貫通電極部を形成するような構造、つまり半導体装置がより大型化し得る構造において、請求項１に記載の発明の第１の特徴の構造を適用することが特に有効である。

なお、上記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の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の断面構成を示す図である。図１に示す半導体装置のうちのデバイスウェハ１０の上面レイアウトを示した図である。図１に示す半導体装置のうちのキャップウェハ６０の上面レイアウト図である。キャビティ６６の近傍でのデバイスウェハ１０とキャップウェハ６０の接合状態を示した部分拡大断面図である。キャビティ６６の近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。デバイスウェハ１０の製造工程を示した断面図である。キャップウェハ６０の製造工程を示した断面図である。デバイスウェハ１０とキャップウェハ６０との貼り合せ工程および貫通電極部６７の形成工程を示した断面図である。本発明の第２実施形態にかかる半導体装置の断面構成を示す図である。本発明の第３実施形態にかかる半導体装置の断面構成を示す図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。他の実施形態で説明するキャビティ６６の形状および端部６１ａの近傍での酸化膜６４の表面状態を示した部分拡大断面図である。従来の製造方法でキャップウェハＪ３を形成したときの酸化膜Ｊ２の表面状態を示した部分拡大断面図である。キャビティＪ１の近傍でのデバイスウェハＪ４とキャップウェハＪ３の接合状態を示した部分拡大断面図である。

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実施形態について説明する。本実施形態では、デバイスウェハに対して可動部を有する加速度センサ等の力学量センサを備えた半導体装置に対して本発明の一実施形態を適用した場合について説明する。

図１に示されるように、半導体装置は、力学量センサが形成されたデバイスウェハ１０とキャップウェハ６０とが接合されることにより構成されている。まず、デバイスウェハ１０の構成について説明する。

デバイスウェハ１０は、支持基板１１と、支持基板１１上に配置された埋込絶縁膜１２と、埋込絶縁膜１２を挟んで支持基板１１と反対側に配置された半導体層１３とを有するＳＯＩ基板１４を用いて構成されている。そして、このＳＯＩ基板１４に周知のマイクロマシン加工が施されることで、力学量センサを構成している。なお、半導体層１３のうち埋込絶縁膜１２と反対側の表面側が、本発明におけるデバイスウェハ１０の一面側に相当する。

図１および図２に示されるように、半導体層１３には、溝部１５が形成されることによって可動部２０および固定部３０、４０よりなる櫛歯形状を有する梁構造体２０〜４０が構成されており、この梁構造体によって加速度に応じたセンサ信号を出力するセンシング部１６が形成されている。

また、埋込絶縁膜１２のうち梁構造体２０〜４０の形成領域に対応した部位には、犠牲層エッチング等によって矩形状に除去された開口部１７が形成されている。なお、図２は、デバイスウェハ１０をキャップウェハ６０側から視た平面図である。また、図１中のデバイスウェハ１０は、図２のＩ−Ｉ’断面に相当している。

図２に示されるように、可動部２０は、開口部１７上を横断するように配置されており、矩形状の錘部２１における長手方向の両端が梁部２２を介してアンカー部２３ａ、２３ｂにて架橋された構成とされている。アンカー部２３ａ、２３ｂは、埋込絶縁膜１２における開口部１７の開口縁部に固定されて支持基板１１に支持されている。これにより、錘部２１および梁部２２は、開口部１７に臨んだ状態となっている。

ここで、図１もしくは図２中において、錘部２１の長手方向をｘ軸方向、ＳＯＩ基板１４の表面と平行な平面内でｘ軸方向と直交する方向をｙ軸方向、ＳＯＩ基板１４の表面に対する法線方向、つまりｘ軸およびｙ軸に直交する方向をｚ軸方向として説明する。

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。具体的には、梁部２２は、ｘ軸方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部２１をｘ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、開口部１７上にて梁部２２の変位方向（ｘ軸方向）へ変位可能となっている。

可動部２０は、錘部２１の長手方向と直交した方向（ｙ軸方向）に、錘部２１の両側面から互いに反対方向へ突出形成された複数個の可動電極２４を備えている。図２では、可動電極２４は、錘部２１の左側および右側に各々４個ずつ等間隔に突出して櫛歯状に形成されており、開口部１７に臨んだ状態となっている。また、各可動電極２４は、梁部２２および錘部２１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ｘ軸方向に変位可能となっている。

固定部３０、４０は、埋込絶縁膜１２における開口部１７の開口縁部における相対する対向辺のうち、アンカー部２３ａ、２３ｂが配置された２辺とは異なるもう１組の対向辺部に支持されている。ここで、固定部３０、４０は、錘部２１を挟んで２個設けられており、固定部３０は図２中の下側に位置しており、固定部４０は図２中の上側に位置している。これら両固定部３０、４０は互いに電気的に独立している。

各固定部３０、４０は、固定電極３１、４１と配線部３２、４２とを有した構成とされている。固定電極３１、４１は、複数個（図示例では４個ずつ）備えられており、可動電極２４の側面と所定の検出間隔を有しつつ平行となるように対向配置されている。具体的には、各固定電極３１、４１は、可動電極２４における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本が配列され、各配線部３２、４２に片持ち状に支持された状態となっており、開口部１７に臨んだ状態となっている。配線部３２、４２は、埋込絶縁膜１２における開口部１７の開口縁部に固定されて支持基板１１に支持されている。

また、ＳＯＩ基板１４における半導体層１３のうち可動電極２４および固定電極３１、４１の溝部１５を介した外周部は、周辺部５０となっており、この周辺部５０の内側に可動部２０および固定部３０、４０が形成されている。この周辺部５０は、埋込絶縁膜１２を介して支持基板１１に固定されて支持されている。

次に、キャップウェハ６０について説明する。キャップウェハ６０は、上記センシング部１６への水や異物の混入等を防止するものである。また、キャップウェハ６０は、デバイスウェハ１０との間に密閉した空間を形成する役割も果たす。

このようなキャップウェハ６０は、図１および図３に示されるように、一面６１および他面６２を有する半導体基板６３と、酸化膜６４と絶縁膜６５とを備えている。

半導体基板６３は、熱酸化可能な半導体材料、例えばシリコン基板によって構成されており、一面６１のうちデバイスウェハ１０におけるセンシング部１６と対向する部分にキャビティ６６が形成されている。このキャビティ６６は、センシング部１６がキャップウェハ６０に接触しないようにする空間を形成する凹みであり、本実施形態では、平面形状が矩形状とされている。そして、キャビティ６６の端部、つまりキャビティ６６の周囲において一面６１は平面となっている。

酸化膜６４は、半導体基板６３の一面６１のうちキャビティ６６の外部のみ、つまりデバイスウェハ１０におけるデバイス形成面（半導体層１３の表面）と貼り合わされる面にのみ形成されており、キャビティ６６の内壁面には形成されていない。つまり、キャビティ６６の内壁面は酸化膜６４から露出させられた状態になっている。この酸化膜６４により、デバイスウェハ１０と半導体基板６３とが絶縁されている。キャビティ６６の内表面については酸化膜６４が形成されていないが、キャビティ６６によって形成された空間により、センシング部１６（可動部２０）がＺ方向に変位してもセンシング部１６と半導体基板６３との絶縁が図れるようになっている。

ここで、本実施形態の半導体基板６３の一面６１および酸化膜６４について説明する。本実施形態の酸化膜６４は、後述するように、ウェット酸化などで形成される熱酸化膜で構成されている。図４に示されるように、半導体基板６３の一面６１のうちキャビティ６６を取り囲む領域、つまりキャビティ６６が形成されていない領域において、キャビティ６６から離れた位置だけでなくキャビティ６６との境界となる端部６１ａから平面とされている。つまり、一面６１は、端部６１ａからキャビティ６６の外周方向に向かって全域平坦面とされている。また、端部６１ａと一面６１の表面に形成されている酸化膜６４の開口端とが一致しており、一面６１上において酸化膜の膜厚が均一になっている。このため、酸化膜６４の表面も凸形状とはなっておらず、平坦面となっている。

絶縁膜６５は、図１に示されるように、半導体基板６３のうち酸化膜６４とは反対側の他面６２に形成されたものである。

さらに、キャップウェハ６０は、該キャップウェハ６０をデバイスウェハ１０とキャップウェハ６０との積層方向に貫通する４つの貫通電極部６７を有している。各貫通電極部６７は、半導体基板６３および酸化膜６４を貫通する孔部６７ａと、孔部６７ａの内部に形成された絶縁膜６７ｂと、この絶縁膜６７ｂの表面において孔部６７ａ内を埋め込むように形成された貫通電極６７ｃとにより構成されている。

図２に示すように、貫通電極６７ｃは複数備えられており、本実施形態では、アンカー部２３ｂを介して可動部２０に接続されているものと、固定部３０、４０に接続されているものと、周辺部５０に接続されているものとが備えられている。

なお、本実施形態では、孔部６７ａを円筒状としている。また、絶縁膜６５、６７ｂとしては、例えば、ＴＥＯＳ等の絶縁材料を用いており、貫通電極６７ｃとしては、例えば、Ａｌ等を用いている。

以上が本実施形態におけるキャップウェハ６０の構成である。そして、図１に示されるように、上記のデバイスウェハ１０とキャップウェハ６０とが接合されて一体化されて、力学量センサを備えた半導体装置が構成されている。つまり、デバイスウェハ１０に酸化膜６４を介して半導体基板６３が接合されている。

本実施形態では、デバイスウェハ１０の半導体層１３とキャップウェハ６０の酸化膜６４とが直接接合されることにより、デバイスウェハ１０とキャップウェハ６０とが接合されている。具体的には、図４に示されるように、デバイスウェハ１０の半導体層１３と酸化膜６４とが直接接合により接合されている。

このように、デバイスウェハ１０とキャップウェハ６０とが積層されて接合されることによって半導体装置が構成されている。そして、デバイスウェハ１０とキャップウェハ６０のキャビティ６６の内壁面により形成される空間によって気密室７０が構成され、気密室７０内にセンシング部１６が気密封止される。気密室７０は、例えば、真空とされている。

ここで、上記したように、本実施形態の半導体装置では、半導体基板６３の一面６１のうち端部６１ａの近傍が平面になっており、一面６１の表面に形成されている酸化膜６４も均一な膜厚となっている。また、酸化膜６４の表面も凸形状とはなっておらず、平坦面となっている。このため、酸化膜６４が端部６１ａからキャビティ６６の外周側に向かって全面デバイスウェハ１０に貼り付けられた状態にできる。

具体的には、図５に示すように、一面６１のうち端部６１ａの周辺での酸化膜６４の高低差が小さく、例えば５ｎｍ程度となり、一面６１がほぼ平坦面となる。そして、酸化膜６４が端部６１ａからデバイスウェハ１０に貼り付けられていて、従来のような未接合領域がほぼなく、ほぼ全域が接合領域となる。このため、図４に示されるように、端部６１ａの位置から１０〜５０μｍを接合領域として接合代を有していれば良くなる。したがって、接合代を広面積にとる必要性がなくなり、チップサイズを小さくすることが可能となって、デバイスウェハ１０に対してキャップウェハ６０を貼り合せて形成される半導体装置の小型化を図ることが可能となる。

次に、上記半導体装置の製造方法について図６〜図８を参照しつつ説明する。なお、図６〜図７では、実際にはウェハ状の基板を用いているが、１チップ分のみを図示している。まず、デバイスウェハ１０の製造方法について説明する。

図６（ａ）に示されるように、デバイスウェハ１０を構成するＳＯＩ基板１４を用意する。そして、図６（ｂ）に示されるように、半導体層１３上にレジストや酸化膜等のマスク８０を形成し、溝部１５の形成予定領域が開口するように当該マスク８０をパターニングする。続いて、例えば、ＲＩＥ方式による異方性エッチングによって半導体層１３をエッチングして溝部１５を形成する。その後、マスク８０を除去する。

次に、図６（ｃ）に示されるように、半導体層１３から露出した埋込絶縁膜１２を犠牲層エッチング等により除去する。これにより、支持基板１１から錘部２１、梁部２２、可動電極２４、固定電極３１、４１がリリースされてセンシング部１６が形成される。以上の工程より、デバイスウェハ１０が製造される。

続いて、キャップウェハ６０の製造方法について説明する。まず、図７（ａ）に示されるように、キャップウェハ６０を形成するための半導体基板６３を用意する。この半導体基板のサイズは、例えばＳＯＩ基板１４と同じとされている。そして、熱酸化による酸化膜形成工程を行い、図７（ｂ）に示されるように、半導体基板６３の一面６１に酸化膜６４を成膜する。

その後、酸化膜６４上にレジストなどによって構成されるマスク８１を形成し、キャビティ６６の形成予定領域が開口するように当該マスク８１をパターニングする。そして、図７（ｃ）に示されるように、例えば、酸化膜６４および半導体基板６３をＲＩＥ方式による異方性エッチングによって部分的に除去する。例えば、ＣＦ₄やＣ₄Ｈ₈を用いて酸化膜６４をエッチングし、さらにＣ₄Ｈ₈およびＳＦ₆を交互に繰り返し導入して底部エッチングおよびポリマー膜による側壁保護を繰り返し行うエッチング方法（ＢＯＳＣＨ法）によって半導体基板６３をエッチングする。これにより、キャビティ６６を形成する。その後、マスク８１を除去する。以上の工程より、キャップウェハ６０が製造される。

そして、図８（ａ）に示されるように、上記の各工程を経て得られたデバイスウェハ１０とキャップウェハ６０とを接合する。つまり、デバイスウェハ１０とキャップウェハ６０とを、キャップウェハ６０に形成した酸化膜６４にて直接接合する。具体的には、デバイスウェハ１０とキャップウェハ６０とを真空装置内に配置する。また、デバイスウェハ１０のうち半導体層１３の表面およびキャップウェハ６０のうち酸化膜６４の表面にプラズマ（例えばＡｒイオンビーム）を照射し、半導体層１３および酸化膜６４の各表面を活性化させる。

そして、真空装置内にて、例えば、デバイスウェハ１０およびキャップウェハ６０の各対向面に設けられたアライメントマーク等を用いて赤外顕微鏡によりアライメントを行う。その後、真空装置内を室温〜５５０℃とし、両ウェハ１０、６０の厚み方向に加圧することで、両ウェハ１０、６０をいわゆる直接接合により接合する。具体的には、デバイスウェハ１０の半導体層１３とキャップウェハ６０に形成された酸化膜６４とを接合する。

これにより、各チップ形成領域にデバイスウェハ１０とキャビティ６６とによって封止された気密室７０がそれぞれ形成される。真空装置内において各ウェハ１０、６０の貼り合せを行っているため、気密室７０を真空とすることができるが、空気や雰囲気ガスが導入されていても良い。また、ここでは各ウェハ１０、６０を直接接合によって貼り合せたが、陽極接合や中間層接合等の接合技術によって貼り合せても良い。

この後、必要に応じてキャップウェハ６０をデバイスウェハ１０と反対側から研削して所定厚さまで薄くしたのち、図８（ｂ）に示されるように、貫通電極部６７の形成工程を行う。

まず、キャップウェハ６０のうち、アンカー部２３ｂ、配線部３２、４２、および周辺部５０に対応する場所において、半導体基板６３および酸化膜６４をエッチングすることにより４つの孔部６７ａを形成する。その後、各孔部６７ａの壁面にＴＥＯＳ等の絶縁膜６７ｂを成膜する。このとき、半導体基板６３の他面６２上の絶縁膜６５も構成される。続いて、各孔部６７ａの底部に形成された絶縁膜６７ｂを除去し、半導体層１３を露出させる。その後、各孔部６７ａ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だのち貫通電極６７ｃをパターニングする。その後、図示しないが、両ウェハ１０、６０をチップ単位に分割することで、図１に示した半導体装置が製造される。

以上説明したように、本実施形態においては、キャビティ６６を形成する前に、半導体基板６３の一面６１に酸化膜６４を形成しておき、マスク８１を用いて酸化膜６４を除去してから半導体基板６３の一面６１からエッチングしてキャビティ６６を形成している。このため、キャビティ６６の形成前に形成している酸化膜６４を均一な膜厚にできるし、酸化膜６４を形成する際の熱酸化がキャビティ６６の影響を受けないため、キャビティ６６との境界となる端部６１ａの周囲において一面６１が平面となる。また、酸化膜６４の表面も凸形状とはならず、平坦面となるようにできる。

このため、酸化膜６４が端部６１ａからデバイスウェハ１０に貼り付けられるようにでき、従来のような未接合領域がほぼなく、ほぼ全域が接合領域となるようにできる。したがって、接合代を広面積にとる必要性がなくなり、チップサイズを小さくすることが可能となって、デバイスウェハ１０に対してキャップウェハ６０を貼り合せて形成される半導体装置の小型化を図ることが可能となる。

さらに、本実施形態の製造方法を用いることで、単なる平面状の半導体基板６３を熱酸化することになるため、キャビティ６６を形成した後に熱酸化する場合と比較して、デバイスウェハ内における応力緩和も図ることが可能となる。

（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実施形態に対して貫通電極部６７の形成位置を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する
第１実施形態では、キャビティ６６の外側に貫通電極部６７を配置した場合について説明したが、本実施形態では、図９に示すように、キャビティ６６の内側に貫通電極部６７のうちの少なくとも一部を配置している。例えば、キャビティ６６を矩形状としているが、その矩形状の内部に複数の貫通電極部６７を配置している。そして、貫通電極部６７が形成された位置において半導体層１３および埋込絶縁膜１２も残されるようにしており、貫通電極部６７と半導体層１３および埋込絶縁膜１２が支持基板１１によって支持されることで、サポートピラー９０が構成されている。つまり、貫通電極部６７が形成された位置において、サポートピラー９０により、キャビティ６６の内側でもキャップウェハ６０を支持した構造となっている。

このように、キャビティ６６の内側にも貫通電極部６７を配置し、サポートピラー９０が構成されるようにすれば、キャップウェハ６０のうち支持されていない部分が広範囲、つまりキャビティ６６内の全域において支持されていない状態になることを防止できる。これにより、キャビティ６６が形成された部分におけるキャップウェハ６０の強度を高くすることができる。

このようにキャビティ６６内において貫通電極部６７を形成する場合には、貫通電極部６７の周囲においてキャップウェハ６０をデバイスウェハ１０に貼り合せなければならない。このため、従来のように、接合代を広面積とる必要性が有る場合、キャビティ６６の内側に貫通電極部６７を形成することで、半導体装置がより大型化することになる。しかしながら、第１実施形態で説明したように、酸化膜６４を形成してからキャビティ６６を形成するという製造方法を適用すれば、貫通電極部６７の周囲の全域が接合領域となり、未接合領域が殆ど無い構造にできる。このため、貫通電極部６７の外周での接合代、つまり貫通電極部６７の外周方向における酸化膜６４とデバイスウェハ１０との接合長さを１０〜５０μｍにできる。つまり、各貫通電極部６７の周囲において必要とされる接合代を広面積にとる必要性がなくなり、半導体装置の大型化を最小限に抑えられる。したがって、本実施形態のようにキャビティ６６内に貫通電極部６７を形成するような構造、つまり半導体装置がより大型化し得る構造において、酸化膜６４を形成してからキャビティ６６を形成するという製造方法を適用することが特に有効である。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態に対してデバイスウェハ１０に対して形成するデバイスを変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１０に示すように、本実施形態では、デバイスウェハ１０のセンシング部１６としてダイヤフラム１００を有する圧力センサを形成している。デバイスウェハ１０における支持基板１１には、部分的に埋込絶縁膜１２に達する凹部１０１が形成されている。この凹部１０１が形成されることによってデバイスウェハ１０が薄膜化され、埋込絶縁膜１２および半導体層１３によるダイヤフラム１００が構成されている。

また、ダイヤフラム１００内にはブリッジ状に配置されたピエゾ抵抗１０２が形成されており、このピエゾ抵抗１０２に接続された配線層１０３がダイヤフラム１００の外側に引き出されている。例えば、本実施形態では、半導体層１３をｎ型シリコンによって構成しており、ｐ型不純物をイオン注入することなどによってピエゾ抵抗１０２および配線層１０３を形成している。

さらに、ダイヤフラム１００の外側において、配線層１０３をキャップウェハ６０に形成された貫通電極部６７における貫通電極６７ｃと電気的に接続してある。また、半導体層１３の表層部には、ｎ⁺型のコンタクト領域１０４も備えられており、コンタクト領域１０４にも貫通電極６７ｃが接続されることで半導体層１３の電位固定が行えるようになっている。なお、ここではピエゾ抵抗１０２に接続される貫通電極６７ｃのうちの一部のみを示したが、実際には電源電圧印加用と接地用および信号取出用が備えられている。

このように、デバイスウェハ１０に圧力センサが備えられる半導体装置では、例えばダイヤフラム１００が形成された位置にキャビティ６６が形成されることになる。このような構成においても、キャビティ６６を形成する際に、先に酸化膜６４を形成しておいてからキャビティ６６を形成するようにすることで、キャビティ６６との境界となる端部６１ａの周囲を平面にできる。また、一面６１の表面に形成されている酸化膜６４も均一な膜厚となり、酸化膜６４の表面も平坦面となる。したがって、酸化膜６４が端部６１ａからキャビティ６６の外周側に向かって全面デバイスウェハ１０に貼り付けられた状態にできる。

キャビティ６６を形成してから酸化膜６４を形成する構造とする場合、キャビティ６６の周囲に形成される凸形状により、キャビティ６６の周囲において接合不良が発生する。このため、ダイヤフラム１００に歪みが発生し、その歪による応力がピエゾ抵抗１０２に加わり、センサ出力にオフセットを発生させる要因になる。しかしながら、本実施形態によれば、キャビティ６６の周囲において接合不良が発生することを抑制でき、それに起因してダイヤフラム１００の歪みを発生させないようにできる。したがって、センサ出力のオフセットを抑制することが可能となる。

また、特許文献１に記載された装置では、表面から受圧することで圧力検出を行っているが、本実施形態では凹部１０１を通じて裏面から受圧する形態の圧力センサとなり、表面側に圧力媒体を導入するスペースを設ける必要がなくなる。このように、裏面受圧で、かつ、貫通配線を有する装置とすることで、回路素子との一体化が容易になり、システム全体の小型化にも繋がる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、デバイスウェハ１０に形成したセンサとして、加速度センサもしくは圧力センサを例に挙げて説明したが、これは単なる一例を示したものである。例えば、角速度センサのように固定部と可動部を有する他の慣性センサに加えて、可動部を有さない磁気センサやホール素子などを用いたセンサがセンシング部１６に形成されていてもよい。また、加速度センサについては、基板平面方向（ＸＹ方向）において可動部２０が変位する２軸加速度センサに限らず、基板法線方向（Ｚ方向）にも可動部２０が変位する３軸加速度センサに対しても本発明を適用できる。その場合、例えば支持基板１１のうち可動部２０と対向する位置に検出用電極を配置するなどにより、可動部２０と検出用電極との容量変化に基づいて基板法線方向における可動部２０の変位を検出することができる。３軸加速度センサにおいては、基板法線方向の寸法精度が要求されることから、このような３軸加速度センサに対して本発明を適用すると特に有効である。

また、上記各実施形態では、キャビティ６６の上面形状を矩形状としたが、矩形状以外の形状であっても構わない。この場合でも、キャビティ６６が形成された範囲内にサポートピラー９０を備えることができ、そのような構成とすることで第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、孔部６７ａが円錐台形状とされているものを図示したが、孔部６７ａの形状はこれに限定されるものではなく、円柱形状や角柱状であってもよいし、角錐台形状であってもよい。

また、キャビティ６６が形成された範囲内にサポートピラー９０を備えた構造については、第３実施形態で説明したような圧力センサをデバイスウェハ１０に備えた構造に対しても適用できる。

また、上記実施形態では、図５に示したように、半導体基板６３のうちキャビティ６６の内側面が基板平面に対して垂直となるようにしているが、必ずしも垂直である必要はない。同様に、図５に示したように、一面の端部６１ａの周辺において、酸化膜６４の端部がキャビティ６６の内側面と同様基板平面に対して垂直となるようにし、酸化膜６４の高低差が小さくなる場合を例に挙げたが、必ずしも垂直である必要はない。また、端部６１ａの周辺のみで酸化膜６４の端部が丸みを帯びた凹面構造とされていたり、もしくは傾斜していても良い。

例えば、図１１Ａに示すようにキャビティ６６の内側面が基板平面と垂直で酸化膜６４の端部が傾斜した構造、図１１Ｂに示すようにキャビティ６６の内側面が基板平面に対して傾斜し、酸化膜６４の端部も傾斜した構造であっても良い。なお、キャビティ６６の内側面の角度については、ドライエッチングのガス種を変更することによって、適宜調整可能である。また、酸化膜６４の端部を傾斜させるには、酸化膜６４をパターニングする際のレジストマスクの端部を傾斜させた形状にしておけば良い。

また、図１１Ｃに示すようにキャビティ６６の内側面が基板平面と垂直で酸化膜６４の端部が丸みを帯びた凹面構造、図１１Ｄに示すようにキャビティ６６の内側面が基板平面に対して傾斜し、酸化膜６４の端部が丸みを帯びた凹面構造であっても良い。また、これらは凹面構造に限らず、凸面構造であっても良い。酸化膜６４の端部の丸みを帯びた凹面構造は、例えば酸化膜６４のパターニングをウェットエッチングによって行うことによって形成可能である。また、酸化膜６４の端部の丸みを帯びた凸面構造は、酸化膜６４をドライエッチングや丸め酸化することによって形成可能である。勿論、図１１Ｅに示すようにキャビティ６６の内側面が基板平面と垂直で酸化膜６４の端部も垂直な構造、図１１Ｆに示すようにキャビティ６６の内側面が基板平面に対して傾斜し、酸化膜６４の端部が基板平面と垂直な構造であっても良い。

さらに、酸化膜６４が端部６１ａよりも内側に引っ込んだ構造であっても良い。例えば、酸化膜６４が端部６１ａよりも内側に引っ込んだ構造において、図１１Ｇ〜図１１Ｌに示すように、キャビティ６６の内側面や酸化膜６４の端部の形状が図１１Ａ〜図１１Ｆと同様の構造であっても良い。このように、酸化膜６４が端部６１ａよりも内側に引っ込んだ構造は、酸化膜６４のパターニングに用いるマスクと、キャビティ６６を形成する際に用いるマスクのパターンを変更することによって実現可能である。例えば、ＢＯＳＣＨ法にてキャビティ６６を形成する際のパターンの開口部よりも酸化膜６４をパターニングする際のマスクの開口部の方が１回り大きなものを用いれば良い。

また、上記各実施形態では、デバイスウェハ１０をＳＯＩ基板１４によって構成する場合について説明したが、必ずしもＳＯＩ基板１４によって構成する必要はない。

１０デバイスウェハ
１６センシング部
６０キャップウェハ
６１一面
６１ａ端部
６３半導体基板
６４酸化膜
６６キャビティ
６７貫通電極部
７０気密室

Claims

物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（１６）が形成されたデバイスウェハ（１０）と、
前記デバイスウェハに貼り合わされる一面（６１）を有し、当該一面のうち前記センシング部と対向する領域にキャビティ（６６）が形成された半導体基板（６３）と、前記デバイスウェハと前記半導体基板の一面との間に配置される酸化膜（６４）と、を有して構成されるキャップウェハ（６０）と、を備え、
前記デバイスウェハと前記キャビティの内壁面が形成する空間によって形成される気密室（７０）に前記センシング部が気密封止されてなる半導体装置であって、
前記一面側において、前記一面上にのみ前記酸化膜が形成されることで前記キャビティの内壁面が前記酸化膜から露出させられており、前記一面のうち前記キャビティとの境界部となる端部（６１ａ）から前記キャビティの外周方向に向かって前記一面が平坦かつ均一膜厚な面になっていると共に、前記酸化膜が前記端部から前記デバイスウェハに貼り付けられた接合領域とされており、
さらに、前記半導体基板における前記一面とは反対側となる他面（６２）側から前記半導体基板および前記酸化膜を貫通する孔部（６７ａ）内に、絶縁膜（６７ｂ）を介して前記デバイスウェハに電気的に接続される貫通電極（６７ｃ）を有する貫通電極部（６７）を有し、
前記貫通電極部が前記キャビティが形成された範囲内に配置されていると共に、該貫通電極部が形成された位置において前記センシング部が支持基板（１１）に支持され、前記貫通電極部および前記センシング部を前記支持基板で支持したサポートピラー（９０）が備えられていることを特徴とする半導体装置。
前記貫通電極部の外周における前記酸化膜と前記デバイスウェハとの接合長さが１０〜５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記センシング部には、前記支持基板に対して固定された固定部（３０、４０）と前記支持基板に対して可動させられる可動部（２０）とを有する慣性センサが備えられてい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。
前記センシング部には、前記デバイスウェハを薄膜化したダイヤフラム（１００）と、該ダイヤフラム内に形成されたピエゾ抵抗（１０２）とを有する圧力センサが備えられてい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。