JP6221965B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１基板に第２基板が接合され、第１基板と第２基板との間に気密室が構成された半導体装置およびその製造方法に関するものである。

従来より、この種の半導体装置として、次のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、この半導体装置では、第１基板に角速度を検出するセンシング部が形成されている。また、第２基板は、第１基板の一面のうちのセンシング部と対向する部分に窪み部が形成されている。そして、この第２基板は、第１基板と窪み部との間を含む空間にてセンシング部を封止する気密室が構成されるように、第１基板に接合されている。

このような半導体装置は、次のように製造される。すなわち、まず、第１基板に角速度を検出するセンシング部を形成すると共に、第２基板に窪み部を形成する。そして、第１基板と窪み部との間を含む空間にてセンシング部を封止する気密室が構成されるように、第１基板と第２基板とを接合することにより、製造される。

特開２０１２−１８７６６４号公報

しかしながら、上記半導体装置の製造方法では、第１基板と第２基板とを接合する際、デガス（水素ガス等）が発生する。このため、気密室内の圧力が所望の圧力に対して変動し、検出精度が低下するという問題がる。特に、気密室を小型化することによって半導体装置を小型化している場合には、デガスによって気密室内の圧力が大きく変動してしまう。

この問題を解決するため、第１基板と第２基板とを接合した後、加熱処理を行うことによってデガスの拡散係数を大きくすることにより、気密室内に存在するデガスを第２基板内を拡散（通過）させて外部に排出するガス抜き工程を行うことが考えられる。しかしながら、このガス抜き工程を単純に行うと、気密室内のデガスを排出する際の時間が長くなるという問題がある。

なお、このような問題は、センシング部を封止する気密室のみに発生する問題ではなく、例えば、第１基板と第２基板とを接合して気密室を構成し、当該気密室を基準圧力室とする圧力センサ等においても同様に発生する。

本発明は上記点に鑑みて、ガス抜き工程の短縮化を図ることのできる半導体装置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、一面（１０ａ）を有する第１基板（１０）と、一面（２１ａ）を有し、一面側に窪み部（２１ｃ）が形成され、当該一面が第１基板の一面と対向する状態で第１基板に接合される第２基板（２１）と、を備え、第１基板と第２基板の窪み部との間の空間を含んで気密室（３０）が構成された半導体装置の製造方法において、以下の点を特徴としている。

すなわち、第２基板の一面側に窪み部を形成する工程と、第１基板と第２基板とを接合することで気密室を形成する工程と、加熱することにより、気密室内のデガスを排出するガス抜き工程と、を行い、ガス抜き工程の前に、第２基板の一面と反対側の他面（２１ｂ）のうちの窪み部の底面と対向する部分の少なくとも一部を薄膜化し、気密室内のデガスを排出するための薄膜部（２１ｅ）を形成する工程を行うことを特徴としている。

これによれば、第２基板に薄膜部を形成しているため、ガス抜き工程を行う際、デガスが薄膜部を拡散（通過）する場合には拡散する経路が短くなって外部に排出され易くなる。このため、ガス抜き工程の短縮化を図ることができる。

この場合、請求項４に記載の発明のように、がス抜き工程の後、薄膜部上に補強膜（２３）を形成するようにしてもよい。これによれば、補強膜によって第２基板の強度を高くできるため、ガス抜き工程後に基板が割れたりすることを抑制できる。

また、請求項７に記載の発明では、一面（１０ａ）を有する第１基板（１０）と、一面（２１ａ）を有し、一面側に窪み部（２１ｃ）が形成され、当該一面が第１基板の一面と対向する状態で第１基板に接合される第２基板（２１）と、を備え、第１基板と第２基板の窪み部との間の空間を含んで気密室（３０）が構成された半導体装置において、第２基板の一面と反対側の他面（２１ｂ）のうちの窪み部の底面と対向する部分には、気密室内のデガスを排出するために薄膜化された薄膜部（２１ｅ）が形成されていることを特徴としている。

これによれば、第１、第２基板を接合した後にガス抜き工程を行うことにより、デガスが薄膜部を拡散（通過）する場合には拡散する経路が短くなって外部に排出され易くなる。このため、ガス抜き工程の短縮化を図ることができる。

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。 図１に示す基板の他面側の平面図である。 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。 本発明の第２実施形態における半導体装置の断面図である。 本発明の他の実施形態における半導体装置の断面図である。 本発明の他の実施形態における半導体装置の断面図である。

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、本発明の半導体装置を加速度を検出する加速度センサに適用した例について説明する。

図１に示されるように、本実施形態の加速度センサは、一面１０ａを有するセンサ基板１０を備えている。本実施形態では、センサ基板１０は、支持基板１１、絶縁膜１２、半導体層１３が順に積層されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板が用いられる。

なお、本実施形態では、センサ基板１０が本発明の第１基板１０に相当し、半導体層１３のうちの絶縁膜１２と反対側の一面がセンサ基板１０の一面１０ａを構成している。また、支持基板１１および半導体層１３はシリコン等で構成され、絶縁膜１２は酸化膜等で構成される。

そして、センサ基板１０には、一面１０ａ側（半導体層１３）に物理量としての加速度に応じたセンサ信号を出力するセンシング部１４が形成されている。本実施形態では、このセンシング部１４は、可動部および固定部が溝部１５によって区画形成された周知の構成とされている。簡単に説明すると、可動部は、矩形状の錘部の両端が梁部を介してアンカー部に一体に連結され、当該錘部の側面に可動電極が形成されている。固定部は、可動電極の側面と所定の検出間隔を有するように可動電極と平行に配置された固定電極が形成されている。

また、絶縁膜１２のうちセンシング部１４と対向する部分には、犠牲層エッチング等によって開口部１６が形成されている。これにより、可動電極および固定電極は、支持基板１１に対して浮遊した状態とされている。

このため、センシング部１４は、加速度が印加されると、可動電極（錘部）が加速度に応じて変位することで可動電極と固定電極との間隔が変化し、加速度に応じたセンサ信号（容量変化）を出力する。

そして、図１に示されるように、上記センサ基板１０の一面１０ａにはキャップ基板２０が接合され、センサ基板１０とキャップ基板２０との間に気密室３０が構成されている。

キャップ基板２０は、センサ基板１０側の一面２１ａおよび当該一面２１ａと対向する他面２１ｂを有し、一面２１ａのうちのセンシング部１４と対向する部分に窪み部２１ｃが形成されたシリコン基板等の基板２１を有している。そして、基板２１は、一面２１ａに絶縁膜２２が形成され、当該絶縁膜２２を介して半導体層１３と接合されている。これにより、センサ基板１０と基板２１の窪み部２１ｃとの間の空間を含んで気密室３０が構成され、当該気密室３０にセンシング部１４が封止されている。

なお、本実施形態では、基板２１が本発明の第２基板に相当しており、窪み部２１ｃは底面が略矩形状となるように形成されている。また、具体的には後述するが、センサ基板１０（半導体層１３）と基板２１（絶縁膜２２）とは、いわゆる直接接合によって接合されている。

また、基板２１には、基板２１の他面２１ｂ側から凹部２１ｄが形成されている。具体的には、この凹部２１ｄは、基板２１の他面２１ｂのうちの窪み部２１ｃの底面と対向する部分に形成され、かつ窪み部２１ｃの底面に達しないように形成されている。つまり、凹部２１ｄは、基板２１を貫通しないように形成されている。そして、窪み部２１ｃの底面と凹部２１ｄの底面との間の部分にて、基板２１を薄膜化した薄膜部２１ｅが形成されている。

本実施形態では、図２に示されるように、円筒状の５つの凹部２１ｄ（薄膜部２１ｅ）が形成されている。詳しくは、凹部２１ｄ（薄膜部２１ｅ）のうちの１つは、基板２１の他面２１ｂのうちの窪み部２１ｃの底面と対向する部分の略中心に形成され、残りの凹部２１ｄ（残りの薄膜部２１ｅ）は当該中心に形成された凹部２１ｄ（薄膜部２１ｅ）を基準として点対称となるように形成されている。

なお、特に限定されるものではないが、基板２１は、窪み部２１ｃが形成されていない部分の厚さが数百μｍ程度とされ、薄膜部２１ｅの厚さが数〜数十μｍ程度とされている。

また、図１に示されるように、基板２１の他面２１ｂには、補強膜２３が形成されている。この補強膜２３は、凹部２１ｄを形成することによって強度が低下した部分を補強するものであり、凹部２１ｄを埋め込むように形成されている。そして、補強膜２３上には、絶縁膜２４が形成されている。すなわち、本実施形態のキャップ基板２０は、基板２１、絶縁膜２２、補強膜２３、絶縁膜２４を有する構成とされている。なお、補強膜２３は、酸化膜や窒化膜等で構成され、絶縁膜２４はＴＥＯＳ（Tetra ethyl ortho silicate）等で構成されている。

さらに、キャップ基板２０には、センサ基板１０とキャップ基板２０との積層方向に当該キャップ基板２０を貫通してセンシング部１４の一部を露出させる複数の貫通孔２５が形成されている。そして、貫通孔２５の壁面には、ＴＥＯＳ等で構成される絶縁膜２６を介してＡｌ等で構成される貫通電極２７がセンシング部１４と電気的に接続されるように形成されている。また、基板２１の他面２１ｂ側に形成された絶縁膜２４上には、貫通電極２７と電気的に接続されるパッド部２８が形成されている。

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、上記加速度センサの製造方法について図３および図４を参照しつつ説明する。

まず、図３（ａ）に示されるように、支持基板１１、絶縁膜１２、半導体層１３が順に積層されたセンサ基板１０を用意する。そして、従来の製造方法と同様に、ドライエッチング等で半導体層に溝部１５を形成してセンシング部１４を形成すると共に、犠牲層エッチング等で絶縁膜１２に開口部１６をする。

続いて、図３（ｂ）に示されるように、図３（ａ）とは別工程において、基板２１を用意し、基板２１の一面２１ａにドライエッチング等で窪み部２１ｃを形成する。そして、基板２１の一面２１ａにＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等で絶縁膜２２を形成する。

次に、図３（ｃ）に示されるように、センサ基板１０と基板２１（絶縁膜２２）とを接合する。本実施形態では、まず、センサ基板１０の接合面（半導体層１３）および絶縁膜２２の接合面にＡｒイオンビーム等を照射し、各接合面を活性化させる。そして、センサ基板１０および基板２１に適宜設けられたアライメントマーク等を用いて赤外顕微鏡等によるアライメントを行い、室温〜５５０°の低温で接合するいわゆる直接接合により、センサ基板１０と基板２１（絶縁膜２２）とを接合する。これにより、センサ基板１０と基板２１の窪み部２１ｃとの間の空間を含んで気密室３０が構成され、当該気密室３０にセンシング部１４が封止される。

なお、この工程が終了した後は、センサ基板１０と基板２１とを接合した際に発生するデガス（水素ガス等）によって気密室３０内の圧力が所望の圧力に対して変動した（高くなっている）状態となっている。

次に、図３（ｄ）に示されるように、基板２１の他面２１ｂのうちの窪み部２１ｃの底面と対向する部分にドライエッチング等で上記形状の凹部２１ｄを形成し、窪み部２１ｃの底面と凹部２１ｄの底面との間の部分にて構成される薄膜部２１ｅを形成する。

続いて、図４（ａ）に示されるように、図３（ｄ）の工程まで行ったものを７００〜８００°に加熱して気密室３０内に存在するデガスを絶縁膜２２および基板２１内を拡散（通過）させて外部に排出するガス抜き工程を行う。つまり、加熱することによってデガスの拡散係数を大きくして当該デガスを気密室３０内から外部に排出する。このとき、本実施形態では、図３（ｄ）の工程において、薄膜部２１ｅを形成している。このため、薄膜部２１ｅでは、デガスが拡散（通過）する経路が短くなって外部に排出され易くなるため、ガス抜き工程の短縮化を図ることができる。

次に、図４（ｂ）に示されるように、凹部２１ｄが埋め込まれるように、基板２１の他面２１ｂにＣＶＤ法等で酸化膜や窒化膜等で構成される補強膜２３を形成し、基板２１のうちの凹部２１ｄを形成した部分の強度を高くする。

続いて、図４（ｃ）に示されるように、センシング部１４の一部が露出するように、ドライエッチング等で補強膜２３、基板２１、絶縁膜２２を貫通する貫通孔２５を形成する。そして、各貫通孔２５の壁面にＴＥＯＳ等の絶縁膜２６を成膜する。このとき、基板２１の他面２１ｂ側（補強膜２３上）に形成された絶縁膜にて上記絶縁膜２４が構成される。次に、各貫通孔２５の底部に形成された絶縁膜２６を除去する。そして、各貫通孔２５にスパッタ法や蒸着法等でＡｌやＡｌ−Ｓｉ等の金属膜を成膜することにより、センシング部１４と電気的に接続される貫通電極２７を形成する。その後、絶縁膜２４上に形成された金属膜をパターニングして貫通電極２７と電気的に接続されるパッド部２８を形成することにより、上記図１に示す加速度センサが製造される。

なお、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、ウェハ状のセンサ基板１０と基板２１とを用意し、ウェハ状のまま上記各工程を行った後にこのものを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、基板２１に薄膜部２１ｅを形成している。このため、ガス抜き工程を行う際、デガスが薄膜部２１ｅを拡散（通過）する場合には拡散する経路が短くなって外部に排出され易くなる。したがって、ガス抜き工程の短縮化を図ることができる。

また、凹部２１ｄが埋め込まれるように、補強膜２３を形成しているため、基板２１のうちの凹部２１ｄを形成した部分の強度を高くでき、ガス抜き工程後に基板２１が割れたりすることを抑制できる。

さらに、本実施形態では、凹部２１ｄ（薄膜部２１ｅ）のうちの１つが基板２１の他面２１ｂのうちの窪み部２１ｃの底面と対向する部分の略中心に形成され、残りの凹部２１ｄ（残りの薄膜部２１ｅ）が当該中心に形成された凹部２１ｄ（薄膜部２１ｅ）を基準として点対称となるように形成されている。このため、例えば、基板２１の他面２１ｂにおける窪み部２１ｃの底面と対向する部分のうちの中心と異なる部分に１つの凹部２１ｄのみが形成されている場合と比較して、基板２１の所定箇所に応力が集中することを抑制でき、基板２１が割れることを抑制できる。

（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実施形態に対して基板２１の他面２１ｂのうちの窪み部２１ｃの底面と対向する部分の全面を薄くするものであり、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５に示されるように、本実施形態の加速度センサは、基板２１の他面２１ｂと窪み部２１ｃの底面との間の部分が全体的に薄くされている。そして、この部分の全体が薄膜部２１ｅとされている。

このような加速度センサは、図３（ｄ）の工程において、基板２１の他面２１ｂから研削、研磨等で基板２１を全体的に薄くした後、図４以降の工程を行うことによって製造される。

このように、基板２１の他面２１ｂと窪み部２１ｃの底面との間の部分の全体を薄膜部２１ｅとした場合には、さらにデガスを排出し易くできる。

なお、図５では、基板２１の一面２１ａと他面２１ｂとの間が全て薄くなっているものを図示しているが、基板２１の他面２１ｂと窪み部２１ｃの底面との間の部分のみが薄くなっていてもよい。つまり、基板２１の他面２１ｂのうちの窪み部２１ｃの底面と対向する部分の全体に上記凹部２１ｄが形成された構成とされていてもよい。

（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、上記各実施形態において、本発明を図６Ａ、Ｂに示されるような圧力センサに適用することもできる。すなわち、図６Ａに示される圧力センサでは、支持基板１１に凹部１７が形成されることにより、凹部１７の底面とセンサ基板１０の一面１０ａとの間に位置する絶縁膜１２および半導体層１３にて、圧力に応じて変形可能なダイヤフラム１８が構成されている。そして、このダイヤフラム１８に当該ダイヤフラム１８の変形に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗１９が形成されている。また、この圧力センサでは、キャップ基板２０は、基板２１および絶縁膜２２にて構成されており、ゲージ抵抗１９にてセンシング部が構成されている。

この圧力センサでは、凹部１７を介してダイヤフラム１８に測定媒体の圧力が印加されると、測定媒体の圧力と気密室３０との差圧に応じてダイヤフラム１８が変形する。そして、当該差圧に応じたセンサ信号がゲージ抵抗１９から出力される。つまり、図６Ａでは、気密室３０は、ダイヤフラム１８に基準圧力を印加する基準圧力室としても機能する。

なお、図６Ａでは図示していないが、基板２１の他面２１ｂに補強膜２３が配置されていてもよい。また、このような圧力センサは、基本的には、上記図３、図４と同様の工程にて製造され、図３（ａ）の工程においてゲージ抵抗１９を形成すればよい。

また、図６Ｂに示される圧力センサでは、第１基板１０は、支持基板１１および絶縁膜１２にて構成され、第２基板２０は基板２１のみで構成されている。そして、第２基板２０の薄膜部２１ｅに、圧力に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗１９が形成されている。つまり、図６Ｂでは、薄膜部２１ｅが圧力に応じて変形可能なダイヤフラム１８とされ、ゲージ抵抗１９にてセンシング部が構成されている。

この圧力センサでは、薄膜部２１ｅに測定媒体の圧力が印加されると、測定媒体の圧力と気密室３０との差圧に応じてダイヤフラム１８が変形する。そして、当該差圧に応じたセンサ信号がゲージ抵抗１９から出力される。つまり、図６Ｂでは、気密室３０は、ダイヤフラム１８に基準圧力を印加する基準圧力室としても機能する。

なお、図６Ｂでは図示していないが、基板２１の他面２１ｂに補強膜２３が配置されていてもよい。また、このような圧力センサは、第１基板１０と第２基板２０を接合して薄膜部２１ｅを形成し、デガスを排出した後にゲージ抵抗１９を形成することによって製造される。

さらに、特に図示しないが、本発明を角速度センサに適用することもできる。

また、上記各実施形態において、補強膜２３が形成されていなくてもよい。また、補強膜２３を形成する場合には、ＳＯＧ膜等を塗布することによって形成してもよい。そして、上記第１実施形態において、補強膜２３は、凹部２１ｄに埋め込まれていなくてもよく、凹部２１ｄの壁面に沿って形成されていてもよい。

さらに、上記各実施形態において、センサ基板１０と基板２１（絶縁膜２２）とを直接接合する際には、Ａｒイオンビームを照射して各接合面を活性化させる代わりに、プラズマ処理を行って各接合面を活性化させるようにしてもよい。また、センサ基板１０と基板２１（絶縁膜２２）との接合は、金属接合等によって接合されていてもよいし、はんだを介して接合されていてもよい。すなわち、本発明は、接合時に発生するデガスによって気密室３０内の圧力が変動する半導体装置に適用できる。

そして、上記第１実施形態において、凹部２１ｄ（薄膜部２１ｅ）は、基板２１の他面２１ｂのうちの窪み部２１ｃの底面と対向する部分の略中心に対して非対称に形成されていてもよい。また、凹部２１ｄ（薄膜部２１ｅ）の形状や数は適宜変更であり、例えば、凹部２１ｄ（薄膜部２１ｅ）は１つのみであってもよい。そして、凹部２１ｄ（薄膜部２１ｅ）を１つのみ形成する場合には、枠状の凹部２１ｄ（薄膜部２１ｅ）を形成してもよい。

さらに、上記各実施形態において、窪み部２１ｃの壁面に絶縁膜２２が形成されていなくてもよい。そして、第１基板１０としてＳＯＩ基板ではなく、シリコン基板等を用いてもよい。

１０ センサ基板（第１基板）
１０ａ 一面
１４ センシング部
２１ 基板（第２基板）
２１ａ 一面
２１ｂ 他面
２１ｃ 窪み部
２１ｄ 凹部
２１ｅ 薄膜部
３０ 気密室

Claims (10)

1. 一面（１０ａ）を有する第１基板（１０）と、
   一面（２１ａ）を有し、前記一面側に窪み部（２１ｃ）が形成され、当該一面が前記第１基板の一面と対向する状態で前記第１基板に接合される第２基板（２１）と、を備え、
   前記第１基板と前記第２基板の窪み部との間の空間を含んで気密室（３０）が構成された半導体装置の製造方法において、
   前記第２基板の一面側に前記窪み部を形成する工程と、
   前記第１基板と前記第２基板とを接合することで前記気密室を形成する工程と、
   加熱することにより、前記気密室内のデガスを排出するガス抜き工程と、を行い、
   前記ガス抜き工程の前に、前記第２基板の一面と反対側の他面（２１ｂ）のうちの前記窪み部の底面と対向する部分の少なくとも一部を薄膜化し、前記気密室内のデガスを排出するための薄膜部（２１ｅ）を形成する工程を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記薄膜部を形成する工程では、前記第２基板の他面のうちの前記窪み部と対向する部分に凹部（２１ｄ）を形成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. 前記薄膜部を形成する工程では、前記第２基板の他面のうちの前記窪み部と対向する部分の全面を薄膜化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。
4. 前記がス抜き工程の後、前記薄膜部上に補強膜（２３）を形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第１、第２基板を接合する工程の前に、前記第１基板の一面側に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（１４、１９）を形成する工程を行い、
   前記気密室を形成する工程では、前記センシング部を封止するように前記気密室を形成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記がス抜き工程の後、前記薄膜部に圧力に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（１９）を形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
7. 一面（１０ａ）を有する第１基板（１０）と、
   一面（２１ａ）を有し、前記一面側に窪み部（２１ｃ）が形成され、当該一面が前記第１基板の一面と対向する状態で前記第１基板に接合される第２基板（２１）と、を備え、
   前記第１基板と前記第２基板の窪み部との間の空間を含んで気密室（３０）が構成された半導体装置において、
   前記第２基板の一面と反対側の他面（２１ｂ）のうちの前記窪み部の底面と対向する部分には、前記気密室内のデガスを排出するために薄膜化された薄膜部（２１ｅ）が形成されていることを特徴とする半導体装置。
8. 前記薄膜部上には、補強膜（２３）が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記第１基板の一面側には、物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（１４、１９）が形成されており、
   前記センシング部は、前記気密室に封止されていることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置。
10. 前記薄膜部には、圧力に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（１９）が形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置。

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