JP6729423B2 - 半導体装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばセンサなどの半導体装置とその半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、キャップの掘り込みを半導体基板に対向させた状態で半導体基板の上に設けられた接合枠にキャップを接合することで密閉空間を設けることが開示されている。密閉空間には可動部を収容する。さらに、キャップの内面全面に延性変形する導電性のシールド膜が設けられている。

特開２００７−０８５７４７号公報

半導体基板とキャップによって提供される密閉空間には可動部が設けられる。可動部は例えば加速度センサ又は角速度センサの一部である。密閉空間の圧力によって可動部の電気特性と振動特性が変化する。したがって、検出対象となる物理量を正確に検出するためには、密閉空間の圧力は予め定められた圧力にする必要がある。密閉空間を適切な圧力に保つために、アルゴン又は窒素などの不活性ガスを封止ガスとして利用したり、密閉空間を真空にしたりする。

しかしながら、キャップからガスが放出されたり、キャップがガスを吸着したりすることで、密閉空間の圧力が予め定められた圧力とならない場合がある。例えば、高温高電圧の環境下で接合処理を行う陽極接合によってキャップを基板に接合する場合、キャップから酸素が放出されたり、キャップに窒素が吸着されたりする。

特許文献１に開示される静電容量型加速度センサは、キャップの内面全面に延性変形する導電性のシールド膜を備えるので、密閉空間の圧力を予め定められた圧力とし得るものである。しかしながら、特許文献１のキャップの内壁は平坦な面によって形成されている。キャップの内壁が平坦な場合、密閉空間の中に設けられた可動部がキャップの内壁に張り付きやすい。特に、接合枠とキャップを陽極接合で接合する際の静電気力又は半導体装置の完成後の外力若しくは静電気力によって可動部がキャップの内壁に張り付く問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、可動部を収容する密閉空間の圧力を予め定められた圧力とすることができ、しかも可動部がキャップの内壁へ張り付くことを抑制できる半導体装置と半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本願の発明に係る半導体装置は、基板と、該基板の上に設けられた可動部と、該基板の上に、該可動部を囲むように設けられた接合枠と、該接合枠に接合され、凹部を有し、該凹部を該可動部に対向させることで該可動部の上の空間を覆い、内壁に凹凸が設けられたキャップと、該キャップの内壁に形成された、表面に凹凸を有する、防止膜と、を備え、該防止膜は金属で形成されたことを特徴とする。

本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、可動部と、固定部と、該可動部及び該固定部を囲む接合枠とを有するデバイス構造を基板の上に形成するデバイス構造形成工程と、凹部を有するキャップの該凹部に、表面に凹凸を有する防止膜を形成する防止膜形成工程と、該凹部と該防止膜が該可動部に対向するように該キャップと該接合枠を陽極接合で接合する陽極接合工程と、を備え、該防止膜は金属で形成されたことを特徴とする。

本願の発明に係る他の半導体装置の製造方法は、可動部と、固定部と、該可動部及び該固定部を囲む接合枠とを有するデバイス構造を基板の上に形成するデバイス構造形成工程と、サンドブラスト加工によりキャップに凹部を形成し、その後該凹部にウェットエッチングを施し深さ１０μｍ以上の凹部を形成するキャップ形成工程と、該凹部が該可動部に対向するように該キャップと該接合枠を陽極接合で接合する陽極接合工程と、を備えたことを特徴とする。

本願の発明に係る他の半導体装置の製造方法は、可動部と、固定部と、該可動部及び該固定部を囲む接合枠とを有するデバイス構造を基板の上に形成するデバイス構造形成工程と、凹部を有するキャップを形成するキャップ形成工程と、該キャップを加熱する加熱工程と、該加熱工程と同じ雰囲気と温度で、該凹部が該可動部に対向するように該キャップと該接合枠を陽極接合で接合する陽極接合工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、キャップの内壁を覆う防止膜に凹凸を設けたので、可動部を収容する密閉空間の圧力を予め定められた圧力とすることができ、しかも可動部がキャップの内壁へ張り付くことを抑制できる。

実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 半導体装置の平面図である。 キャップの断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

本発明の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置は加速度センサとして機能するデバイス構造１０を備えている。デバイス構造１０は、例えば半導体で形成された基板１２の表面に、絶縁膜又は金属の堆積とエッチングを繰り返すことで形成される。絶縁膜として例えばポリシリコン、酸化膜又は窒化膜を利用することができる。デバイス構造１０は、基板１２の上に形成された電極１４、接合枠１６及び可動部１８を含む。

電極１４は金属で形成されている。接合枠１６は例えば絶縁膜の上にドープドポリシリコンを積層することで形成される。可動部１８は例えばドープドポリシリコンである。接合枠１６にキャップ２０が接合されている。キャップ２０は例えばガラスで形成されている。キャップ２０が凹部２０ａを有することで、キャップ２０と基板１２の間には密閉された空間２４がある。

図２は、半導体装置の平面図である。図２では説明の便宜上キャップ２０を省略した。接合枠１６は平面視で環状に形成されている。接合枠１６は可動部１８を囲むように設けられている。可動部１８の横に接合枠１６に囲まれた固定部３２が設けられている。固定部３２は可動部１８と同様にドープドポリシリコンで形成されている。可動部１８と固定部３２はキャパシタとして機能する。可動部１８と固定部３２との間の静電容量の変化から加速度を電気信号として取り出すために、可動部１８と電極１４が配線３０で接続され、固定部３２と電極１４が配線３４で接続されている。配線３０、３４は例えばポリシリコン又は金属膜で形成されている。配線３０、３４の一部は接合枠１６の下にある。

図１の説明に戻る。キャップ２０の凹部２０ａを可動部１８に対向させることで、キャップ２０は可動部１８の上の空間を覆っている。キャップ２０の内壁には凹凸が設けられている。すなわち、キャップ２０の内壁は多くの出っ張り及びへこみを有しており平坦ではない。そのようなキャップ２０の内壁に防止膜２２が形成されている。防止膜２２は、キャップ２０の凹凸に沿って形成された膜である。そのため、防止膜２２は表面に凹凸を有している。防止膜２２は、キャップ２０から空間２４にガスが放出されたり、空間２４のガスがキャップ２０に吸着したりすることを防止する膜である。防止膜２２の材料は金属とすることが好ましい。キャップ２０の内壁の表面粗さと、防止膜２２の表面粗さは等しいことが好ましい。

実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明する。まず、半導体基板１の上に電極１４、接合枠１６、可動部１８、配線３０、３４及び固定部３２を形成しデバイス構造１０を完成させる。図２は、完成したデバイス構造１０の平面図である。デバイス構造を形成する工程をデバイス構造形成工程と称する。デバイス構造形成工程で形成するデバイス構造１０は加速度センサに限定されない。密閉された空間２４に可動部１８が提供されるあらゆるデバイスをデバイス構造とすることができる。例えば、角速度センサなどの各種センサ又はアクチュエータなどをデバイス構造とすることができる。

デバイス構造形成工程の前又は後にキャップ２０を形成する。キャップ２０はガラス基板を加工することで形成する。具体的には、ガラス基板にエッチング加工又はサンドブラスト加工を施すことで凹部２０ａを有するキャップ２０を作成する。図３の上段にはサンドブラスト加工によって形成された凹部２０ａを有するキャップ２０が示されている。キャップ２０の内壁に凹凸を形成するためにはサンドブラスト加工で凹部２０ａを形成することが好ましい。キャップ２０を形成する工程をキャップ形成工程と称する。

次いで、キャップ２０の凹部２０ａに防止膜２２を形成する。キャップ２０の内壁の凹凸を埋めないように防止膜２２を比較的薄く形成する。キャップ２０の内壁の凹凸に沿って防止膜２２を形成することで、防止膜２２の表面に凹凸を設けることができる。防止膜２２を形成する工程を防止膜形成工程と称する。

デバイス構造形成工程と防止膜形成工程を終えると、陽極接合工程へ処理を進める。陽極接合工程では、キャップ２０の凹部２０ａと防止膜２２が可動部１８に対向するようにキャップ２０と接合枠１６を陽極接合で接合する。キャップ２０と防止膜２２は可動部１８と接触しないようにする。１つの接合枠に１つのキャップを接合してもよいし、ウエハに形成された複数の接合枠のそれぞれに対して一括してキャップを接合してもよい。陽極接合とは、ガラスなどの絶縁物と、シリコンなどの半導体又は金属などの導体とを接合する技術である。本実施形態では、ガラスで形成されたキャップ２０と接合枠１６のドープドポリシリコンを重ねてから加熱し電圧を印加することで、キャップ２０と接合枠１６を接合する。具体的には、基板１２側を陽極、キャップ２０側を陰極として例えば数百Ｖの電圧を印加する。加熱温度は４００℃前後とすることが好ましい。処理時間は数十分から数時間とする。

陽極接合工程はアルゴン又は窒素などの不活性ガス雰囲気、又は真空雰囲気で行う。不活性ガスを用いる場合はその圧力を制御することで空間２４の中の圧力を制御することができる。大気圧の不活性ガス雰囲気で陽極接合工程を行った場合、キャップ２０にガスが吸着し、空間２４の圧力を予め定められた圧力にできないおそれがある。また、真空雰囲気で陽極接合工程を行った場合、キャップ２０から酸素が放出され、空間２４の圧力が真空より高圧になるおそれがある。

しかしながら、本発明の実施の形態１に係る半導体装置では、キャップ２０の内壁に防止膜２２を形成したので、キャップ２０の内壁にガスが吸着したり、キャップ２０からガスが放出されたりすることを防止できる。したがって、不活性ガス雰囲気で陽極接合工程を行った場合には凹部２０ａと基板１２によって囲まれた空間２４には予め定められた圧力の不活性ガスがある。また、真空雰囲気で陽極接合工程を行った場合には空間２４は真空となる。このように、防止膜２２を設けるだけで簡単に密閉された空間２４の圧力を予め定められた圧力とすることができる。この効果により空間２４の圧力の製品間ばらつきを低減できる。

ところで、防止膜２２の表面を平坦とした場合、可動部１８が防止膜２２に張り付きやすい。具体的には、陽極接合時の静電気力により可動部１８が防止膜に貼り付いたり、装置製造後の静電気又は外力により可動部１８が防止膜に貼り付いたりすることが懸念される。言い換えれば、可動部１８が防止膜を介してキャップに張り付くことが懸念される。そこで、本発明の実施の形態１では、図３の下段に示すように、防止膜２２の表面に凹凸を設けた。これにより、可動部１８が防止膜２２に接触した時の接触面積を低減できるので、可動部１８が防止膜２２を介してキャップ２０の内壁に張り付くことを防止できる。

防止膜２２の表面に有意な凹凸を形成することで、防止膜２２と可動部１８の接触面積を、平坦に形成された防止膜と可動部の接触面積より小さくすることが重要である。可動部１８の張り付きを確実に防止するためには、防止膜２２の表面粗さを大きくするべきである。十分な表面粗さは、キャップ２０の内壁にサンドブラストに起因する凹凸を設け、その凹凸にそって防止膜２２を形成することで、容易に実現できる。その場合、防止膜２２の表面粗さは凹部２０ａの表面粗さと等しくすることが好ましい。しかしながら、防止膜２２に十分な表面粗さを提供する方法は特に限定されない。例えば、平坦な防止膜を形成した後にサンドブラストなどの処理を施すことで防止膜の表面を荒くしてもよい。なお、防止膜の表面を「非平坦」とすることである程度は可動部１８の張り付き防止効果を期待することができる。

陽極接合工程を実施することで、キャップ２０と接合枠１６は共有結合により強力に接合される。こうして、気密封止された空間２４を有する半導体装置を製造することができる。本発明の実施の形態１に係る半導体装置では防止膜２２により空間２４の圧力を予め定められた圧力とすることができるので、空間２４に酸素吸収材などのゲッタを設けたり、接合電圧印加時の圧力を調整したりする必要はない。よって実施の形態１に係る半導体装置は小型化に好適であり、しかも複雑な圧力調整を回避して簡単な工程で製造できるものである。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置と半導体装置の製造方法はその特徴を失わない範囲で変形することができる。例えば、防止膜２２は金属以外の材料で形成しても良い。防止膜は、陽極接合で及ぼされる４００℃程度の熱に対して耐熱性がある材料で形成する。実施の形態１では様々な変形例について言及したが、これらの変形例は以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法に応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。キャップ２０は凹部２０ｂを備えている。凹部２０ｂはサンドブラストの後にウェットエッチングを施すことで形成されている。そのため、凹部２０ｂの内壁は、図１のキャップ２０の内壁より平坦性が高い。凹部２０ｂによる穴の深さｙは例えば１０μｍ以上である。

図５は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。まず、実施の形態１と同じデバイス構造形成工程Ｓ１を実施する。次いで、ステップＳ２に処理を進める。ステップＳ２では、サンドブラスト加工によりキャップに凹部を形成する。凹部により形成される穴の深さを１０μｍ以上とすることが好ましい。凹部による穴の深さを１０μｍ以上にしたい場合、サンドブラストによって凹部を形成することで、ウェットエッチングと比較して加工を短時間で行うことができしかも高い加工精度を得ることができる。しかし、サンドブラストによる加工ではキャップの内壁に有意な凹凸が形成され、キャップ内壁の表面積が増加する。

次いで、ステップＳ３に処理を進める。ステップＳ３では、サンドブラストにより形成した凹部にウェットエッチングを施し、深さ１０μｍ以上の凹部２０ｂを形成する。例えばフッ化水素（ＨＦ）などの薬液を用いて凹部にウェットエッチングを施す。薬液を用いたウェットエッチングは、穴の深さを深くするには不向きであるが、加工面をフラットにして表面積を最小限に抑えることが可能である。したがって、ステップＳ３の後のキャップ２０の内壁は、ステップＳ２を終えた後のキャップ２０の内壁よりも平坦である。ステップＳ２、Ｓ３をあわせてキャップ形成工程と称する。キャップ形成工程とデバイス構造形成工程の順序を入れ替えても良い。

次いで、ステップＳ４に処理を進める。ステップＳ４は、実施の形態１で説明した陽極接合工程と同じ工程である。すなわち、凹部２０ｂが可動部１８に対向するようにキャップ２０と接合枠１６を陽極接合で接合する。陽極接合で印加される電圧によって可動部１８に静電気力が及ぼされる。この静電気力によって可動部１８がキャップ２０に張り付いて密着すると、加速度による可動部１８の変位を検出できなくなる。そこで、本発明の実施の形態２では、深さ１０μｍ以上の深い凹部２０ｂを形成することで、可動部１８に及ぼされる静電気力を低減する。

上述した通り深い凹部２０ｂの形成はサンドブラストで行う。サンドブラストで形成されたキャップの内壁は凹凸が大きいので表面積が増大する。キャップの内壁の表面積が増大すると、陽極接合工程におけるガスの放出量又は吸着量が増加する。そこで、本発明の実施の形態２では、サンドブラスト加工で深い凹部を形成した後に、凹部にウェットエッチングを施すことでフラットな加工面を形成する。これによりキャップ２０の内壁の表面積が抑制され、陽極接合工程におけるガスの放出又は吸着を抑制することができる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。凹部２０ａが空間２４に露出している。図７は、実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。実施の形態３では、最初に実施の形態１と同じデバイス構造形成工程Ｓ１を実施する。次いで、ステップＳ２に処理を進める。ステップＳ２では、凹部２０ａを有するキャップを形成する。この工程はキャップ形成工程である。実施の形態２と異なり、キャップ２０に凹部２０ａを形成する手段は特に限定されない。サンドブラスト、ウェットエッチング又はこれらを組み合わせて凹部２０ａを形成する。図６にはサンドブラストで形成された凹部２０ａが例示されている。

次いで、ステップＳ３に処理を進める。ステップＳ３ではキャップ２０を加熱する。この工程を加熱工程と称する。この加熱は、後続の陽極接合工程と同じ雰囲気及び温度で行う。すなわち、陽極接合工程において半導体装置を４００℃として不活性ガスを空間２４に導入することが予定されている場合は、不活性ガス雰囲気でキャップを４００℃まで加熱する。半導体装置を４００℃として真空雰囲気で陽極接合工程を行う場合は、真空雰囲気でキャップを４００℃まで加熱する。

次いで、ステップＳ４に処理を進める。ステップＳ４は陽極接合工程である。ステップＳ４では、加熱工程と同じ雰囲気と温度で、凹部２０ａが可動部１８に対向するようにキャップ２０と接合枠１６を陽極接合で接合する。

不活性ガス雰囲気で加熱工程を行った場合、キャップ２０の表面および表面に近いガラス中は飽和状態の不活性ガスで満たされる。よって、加熱工程と同じ温度で行う陽極接合工程ではキャップ２０へのガスの吸着が起こらなくなる。したがって、陽極接合工程においてガスの吸着を考慮した圧力制御は不要となり、複雑な圧力調整を行うことを回避できる。

真空雰囲気で加熱工程を行った場合、キャップ２０の表面および表面に近いガラス中にはガスがなくなる。よって、加熱工程と同じ温度で行う陽極接合工程ではキャップ２０からガスが放出されることがない。したがって、陽極接合工程においてガスの放出を考慮した圧力制御は不要となり、複雑な圧力調整を行うことを回避できる。

なお、ここまでで説明した各実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法の特徴を組み合わせて用いてもよい。

１０ デバイス構造、 １２ 基板、 １６ 接合枠、 １８ 可動部、 ２０ キャップ、 ２０ａ 凹部、 ２２ 防止膜

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板の上に設けられた可動部と、
   前記基板の上に、前記可動部を囲むように設けられた接合枠と、
   前記接合枠に接合され、凹部を有し、前記凹部を前記可動部に対向させることで前記可動部の上の空間を覆い、内壁に凹凸が設けられたキャップと、
   前記キャップの内壁に形成された、表面に凹凸を有する、防止膜と、を備え、
   前記防止膜は金属で形成されたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記内壁の表面粗さと、前記防止膜の表面粗さは等しいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記キャップと前記接合枠は共有結合により接合されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記凹部と前記基板によって囲まれた空間には不活性ガスがあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記凹部と前記基板によって囲まれた空間は真空であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 可動部と、固定部と、前記可動部及び前記固定部を囲む接合枠とを有するデバイス構造を基板の上に形成するデバイス構造形成工程と、
   凹部を有するキャップの前記凹部に、表面に凹凸を有する防止膜を形成する防止膜形成工程と、
   前記凹部と前記防止膜が前記可動部に対向するように前記キャップと前記接合枠を陽極接合で接合する陽極接合工程と、を備え、
   前記防止膜は金属で形成されたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記凹部の表面粗さと、前記防止膜の表面粗さは等しいことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 可動部と、固定部と、前記可動部及び前記固定部を囲む接合枠とを有するデバイス構造を基板の上に形成するデバイス構造形成工程と、
   サンドブラスト加工によりキャップに凹部を形成し、その後前記凹部にウェットエッチングを施し深さ１０μｍ以上の凹部を形成するキャップ形成工程と、
   前記凹部が前記可動部に対向するように前記キャップと前記接合枠を陽極接合で接合する陽極接合工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 可動部と、固定部と、前記可動部及び前記固定部を囲む接合枠とを有するデバイス構造を基板の上に形成するデバイス構造形成工程と、
   凹部を有するキャップを形成するキャップ形成工程と、
   前記キャップを加熱する加熱工程と、
   前記加熱工程と同じ雰囲気と温度で、前記凹部が前記可動部に対向するように前記キャップと前記接合枠を陽極接合で接合する陽極接合工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 前記陽極接合工程は不活性ガス雰囲気で行うことを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記陽極接合工程は真空雰囲気で行うことを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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