JP7067448B2

JP7067448B2 - 半導体装置の製造方法、半導体装置

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Publication number: JP7067448B2
Application number: JP2018230608A
Authority: JP
Inventors: 靖雄山口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2022-05-16
Anticipated expiration: 2038-12-10
Also published as: US11148937B2; DE102019218444A1; CN111289771A; JP2020095999A; US20200180948A1; DE102019218444B4

Description

本発明は半導体装置の製造方法と半導体装置に関する。

特許文献１には、半導体基板、第１及び第２のガラス板を用意する工程と、第１ガラス板の第１面に凹部を形成する工程と、半導体基板に機能部を形成する工程と、半導体基板の第１面と第１ガラス板の第２面とを接合する工程と、第１ガラス板の第１面の凹部をエッチして第２面まで貫き、底部に半導体基板の機能部を露出させた接続孔を形成する工程と、半導体基板の第２面と第２ガラス板の第１面とを互いに接合する工程と、接続孔の内壁に沿って導電膜を成膜して、底部に露出する機能部と接続された電極を形成する工程とを含む電子デバイスの製造方法が開示されている。

特開２００３－３２２６６２号公報

センサを有する半導体基板に、シリコン又はガラスなどの複数の基板を貼り合わせて構成される半導体装置がある。このような半導体装置では、半導体基板の上の基板に貫通孔を設け、当該貫通孔に露出した基板に金属配線を形成する。例えばサンドブラスト法によってこの貫通孔を加工し得る。基板の上に設けた電極パッドとこの金属配線を接続し、金属配線にワイヤボンディングを施すことで、半導体基板からの電気信号の取り出しが可能となる。

サンドブラスト法でガラスなどの基板に貫通孔を形成すると、その貫通孔は加工表面より加工底面が小面積なテーパ形状になり得る。このテーパ形状の貫通孔は、急勾配な側壁を与える場合がある。そのような急勾配な側壁に配線を形成することは、断線のリスクを高める。

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、断線を抑制した半導体装置の製造方法と半導体装置を提供することを目的とする。

第１の開示に係る半導体装置の製造方法は、加速度センサが形成されたセンサ基板の上面に上部基板を貼り付けることと、該上部基板の上面に、第１開口と、該第１開口につながり該第１開口から離れるほど幅が小さくなる第２開口とを提供するマスクを形成することと、該第１開口と該第２開口から露出した該上部基板にサンドブラスト処理を施して、該第１開口の直下では該センサ基板を露出させ、該第２開口の直下では該上部基板に該第１開口から離れるほど高さが高くなる斜面を形成することと、露出した該センサ基板に接する第１配線と、該斜面に接し該第１配線につながる第２配線とを形成することと、を備えたことを特徴とする。
第２の開示に係る半導体装置の製造方法は、センサ基板の上面に上部基板を貼り付けることと、サンド噴射ノズルを該上部基板の上面に対して傾けた状態で、該サンド噴射ノズルからサンドを噴射して該上部基板を斜めに貫く貫通孔を形成することと、該貫通孔に露出した該センサ基板に接する第１配線と、該貫通孔の中で該センサ基板と反対方向に対向した斜面に接し該第１配線に接する第２配線と、を形成することと、を備えたことを特徴とする。
第３の開示に係る半導体装置は、センサ基板と、該センサ基板の上面に設けられ、斜面と側壁によって貫通孔が提供された上部基板と、該上部基板の上面に設けられた電極パッドと、該貫通孔から露出した該センサ基板に接する第１配線と、該斜面に接し、該第１配線と該電極パッドをつなげる第２配線と、該センサ基板の下面に設けられた下部基板と、を備え、該斜面の傾斜は、該側壁の傾斜より緩やかであり、平面視で、該電極パッドに近づくほど該斜面の幅が小さくなることを特徴とする。
第４の開示に係る半導体装置は、センサ基板と、該センサ基板の上面に設けられた上部基板と、該上部基板を斜めに貫く貫通孔から露出した該センサ基板に接する第１配線と、該上部基板の上面に設けられた電極パッドと、該貫通孔の中で該センサ基板と反対方向に対向した斜面に接し、該第１配線と該電極パッドをつなげる第２配線と、該センサ基板の下面に設けられた下部基板と、を備え、平面視で、該電極パッドに近づくほど該斜面の幅が小さくなることを特徴とする。

本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明によれば、緩やかな斜面に配線を形成することで断線を抑制した半導体装置の製造方法と半導体装置を提供できる。

実施の形態１に係る製造途中の半導体装置の斜視図である。マスクの構成例を示す平面図である。サンドブラスト処理後の半導体装置の構成例を示す断面図である。マスクの開口幅と孔の深さの関係を示す図である。サンドブラスト処理後の半導体装置の平面図である。配線形成後の半導体装置の断面図である。実施の形態２に係る製造途中の半導体装置の断面図である。配線を形成した半導体装置の例を示す断面図である。変形例を示す図である。実施の形態３に係る半導体装置の構成例を示す平面図である。図１０のＡ－Ｂ線における断面図である。センサ基板の構成例を示す断面図である。センサ基板の構成例を示す平面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法と半導体装置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。本発明の範囲は以下に述べる具体例に限られるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る製造途中の半導体装置の斜視図である。この半導体装置は加速度センサが形成されたセンサ基板１０を備えている。センサ基板１０の上面に上部基板１２が設けられている。センサ基板１０の下面に下部基板１３が設けられている。上部基板１２と下部基板１３によってセンサ基板１０を保護している。上部基板１２と下部基板１３の材料はガラスを含む材料とすることができる。例えば上部基板１２と下部基板１３の材料はガラスとすることができる。他方、センサ基板１０の材料は例えばシリコンである。センサ基板１０の上面に上部基板１２を貼り付け、センサ基板１０の下面に下部基板１３を貼り付けることで、３層の基板を有する半導体装置が提供されている。

上部基板１２には貫通孔１２ａが設けられている。図１の例では、ｘ方向に長く伸びた４つの貫通孔１２ａが上部基板１２に形成されている。上部基板１２の上面には電極パッドを形成するパッド部分１６´が確保されている。

上述のとおり基板を貼り合わせた後に、上部基板１２の上面にマスクを形成する。図２はマスク２０の構成例を示す平面図である。マスク２０は、第１開口２０Ａと第２開口２０Ｂを有することで上部基板１２の一部を露出させる。第１開口２０Ａの幅ｙ１は、第２開口２０Ｂの幅ｙ２よりも大きい。一例によれば、第１開口２０Ａは円形であり、第２開口２０Ｂは先細の形状である。一例によれば、第２開口２０Ｂは、第１開口２０Ａにつながり、第１開口２０Ａから離れるほど幅ｙ２が小さくなる。電極パッドを形成するためのパッド部分１６´はマスク２０で覆うことができる。パッド部分１６´には任意の工程で電極パッドを形成する。マスク２０は例えば図１の上部基板１２の全面に形成し得る。

次いで、第１開口２０Ａと第２開口２０Ｂから露出した上部基板１２にサンドブラスト処理を施す。図３は、サンドブラスト処理後の半導体装置の構成例を示す断面図である。図３は、図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ´線に対応する断面図である。第１開口２０Ａの直下ではセンサ基板１０が露出する。第１開口２０Ａにおいては側壁１２Ｂが形成される。第２開口２０Ｂの直下では、上部基板１２に第１開口２０Ａから離れるほど高さが高くなる斜面１２Ａが形成される。上部基板１２をガラスを含む材料とすることで、上部基板１２をサンドブラストで容易に加工できる。斜面１２Ａの傾斜は、側壁１２Ｂの傾斜より緩やかである。

図４は、マスクの開口幅と、サンドブラストによる孔の深さの関係を示す図である。サンドブラストによって形成された孔又はくぼみは、下面側で上面側より幅が小さくなる。いいかえればテーパ形状の孔又はくぼみが形成される。例えば、孔又はくぼみの最大幅はマスクの開口幅と概ね等しく、孔又はくぼみの下部では当該幅より小さい幅となる。

マスク２０の開口幅が小さいほど上部基板１２に形成される孔又はくぼみが浅くなる。したがって、図２に示すとおり第２開口２０Ｂの幅を第１開口２０Ａから離れるほど小さくしてサンドブラスト処理を施すことは、図３に示す斜面１２Ａを与える。図２のｘ方向に沿った第２開口２０Ｂの幅の変化率を小さくすることは、緩やかな傾斜の斜面１２Ａを与える。いいかえれば、第１開口２０Ａからパッド部分１６´に至るまで第２開口２０Ｂの幅を徐々に細くすることで、テーパ形状の斜面１２Ａを形成できる。こうして、第１開口２０Ａとパッド部分１６´の間に、低勾配なテーパ形状の斜面１２Ａが形成される。サンドブラスト処理を終えた後にマスク２０を除去する。

図５は、サンドブラスト処理後の半導体装置の平面図である。例えば、側壁１２Ｂは平面視でＣ字型に設けられる。この側壁１２Ｂに斜面１２Ａがつながる。側壁１２Ｂと斜面１２Ａによって上部基板１２に貫通孔１２ａが提供される。

次いで、配線を形成する。図６は、配線形成後の半導体装置の断面図である。一例によれば、上部基板１２の貫通孔１２ａによって露出したセンサ基板１０に接する第１配線１６Ａと、斜面１２Ａに接し第１配線１６Ａにつながる第２配線１６Ｂとを形成し得る。例えば第１配線１６Ａと第２配線１６Ｂの形成と同時に、上部基板１２の上面１２ｂに電極パッド１６Ｃを形成することができる。図６の例では、第２配線１６Ｂは、斜面１２Ａに接し、第１配線１６Ａと電極パッド１６Ｃをつなげる。第１配線１６Ａ、第２配線１６Ｂ及び電極パッド１６Ｃは、例えばマスクパターンを形成した後に金属成膜することで形成し得る。

第１配線１６Ａは、例えばセンサ基板１０の電極につながる。第１配線１６Ａが第２配線１６Ｂによって電極パッド１６Ｃに接続されることで、電極パッド１６Ｃからセンサの電気信号を取り出すことができる。例えば電極パッド１６Ｃにワイヤをボンディングし、そのワイヤで電気信号を取り出す。このような半導体装置は、複数のウエハを貼り合わせた加速度又は角速度などの物理量を検出するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスとして提供し得る。

前述のとおり、斜面１２Ａの傾斜は、サンドブラスト処理で第１開口２０Ａの直下に形成された上部基板１２の側壁１２Ｂの傾斜より緩やかである。この斜面１２Ａに第２配線１６Ｂを提供することで、配線の断線が抑制される。また、上述した半導体装置の製造方法は、単に円形の開口を有するマスクを使ってサンドブラストを行うプロセスと比べて、工程の増加も加工コストの増加もない。例えば側壁１２Ｂと斜面１２Ａを同時に形成することは工程短縮に貢献する。また第１配線１６Ａと第２配線１６Ｂを同時に形成することも工程短縮に貢献し得る。

実施の形態１で説明した変形例は、以下の実施の形態に係る半導体装置の製造方法と半導体装置においても採用し得る。なお、以下の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と半導体装置は実施の形態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７は、製造途中の半導体装置の断面図である。加速度センサが形成されたセンサ基板１０と、上部基板１２と、下部基板１３とが貼り合わされている。最初の工程ではこのように基板を貼り合わせる。

次いで、サンド噴射ノズル３０からサンド３２を噴射して上部基板１２を斜めに貫く貫通孔１２ａを形成する。このサンドブラスト処理は、サンド噴射ノズル３０を上部基板１２の上面に対して傾けた状態で行い得る。このサンドブラスト処理で上部基板１２に斜面１２Ａと側壁１２Ｂが形成され得る。斜面１２Ａは貫通孔１２ａの中でセンサ基板１０と反対方向に対向した面である。言いかえれば、斜面１２Ａは平面視できる面である。側壁１２Ｂは貫通孔１２ａの中でセンサ基板１０に対向した面である。言いかえれば、側壁１２Ｂは、上部基板１２に形成された庇１２Ｃの下面として提供される。したがって、側壁１２Ｂは平面視できない。このように、上部基板１２を斜めに貫く貫通孔１２ａは、斜面１２Ａ、庇１２Ｃ、および庇１２Ｃの下面である側壁１２Ｂを提供する。

次いで、配線を形成する。図８は、配線を形成した半導体装置の例を示す断面図である。配線は第１配線１６Ａと第２配線１６Ｂを含み得る。第１配線１６Ａは貫通孔１２ａによって露出したセンサ基板１０に接する。第２配線１６Ｂは、斜面１２Ａに接し、第１配線１６Ａと電極パッド１６Ｃをつなげる。電極パッド１６Ｃは、任意のタイミングで上部基板１２の上面１２ｂに設けられた金属である。一例によれば、第２配線１６Ｂは斜面１２Ａと上面１２ｂにあることで、第１配線１６Ａと電極パッド１６Ｃを接続する。第２配線１６Ｂが上面１２ｂの上に及ぶか否かは、斜面１２Ａのｘ方向長さに依存する。

サンドブラスト処理で上部基板１２に形成された貫通孔１２ａは、電極パッド１６Ｃ側に低勾配で傾斜しているテーパ形状の斜面１２Ａと、非電極パッド側に逆テーパ形状に形成された側壁１２Ｂとによって提供されるということができる。

上述のとおり、図８に例示した第２配線１６Ｂは、斜面１２Ａと、上部基板１２の上面１２ｂに接することで第１配線１６Ａと電極パッド１６Ｃを接続する。図８の斜面１２Ａよりも緩やかな傾斜の斜面を提供し得る。図９には、サンド噴射ノズル３０を前述の図７の例よりもさらに傾けた例が示されている。図９には、サンドブラスト処理によって形成された緩やかな斜面１２Ａに形成された第２配線１６Ｂが図示されている。この第２配線１６Ｂは斜面１２Ａだけに形成されることで、第１配線１６Ａと電極パッド１６Ｃをつなぎ得る。このようにサンド噴射ノズル３０を大きく傾けてサンド３２を上部基板１２に噴射することで、低勾配の斜面１２Ａを形成できる。

上部基板１２を斜めに貫く貫通孔１２ａは、上部基板１２に庇１２Ｃを提供する。庇１２Ｃは、上部基板１２のうち、電極パッド１６Ｃが形成されない部分の面積を増加させる。例えば、図６と図７を比べると、図７の半導体装置の方が庇１２Ｃがある分だけ、半導体装置の端部における上部基板１２の面積が大きくなっている。具体的には、図７の距離Ｘ１が大きくなる。通常、半導体チップのチップ端から一定距離以内はパターン配置が禁止されている。逆テーパ形状の側壁１２Ｂを提供することで、貫通孔１２ａをチップ端側に配置できるので、チップ面積を小さくし得る。また、上部基板１２には貫通孔のパターンを形成するのみで、配線部分のパターンは設ける必要がなく設計もしやすい。図８の貫通孔１２ａの上端における面積は、図６の貫通孔１２ａの上端における面積より小さい。

実施の形態３．
図１０は、実施の形態３に係る半導体装置の構成例を示す平面図である。上部基板には線状溝５０が形成されている。ｘ方向に伸びる２本の溝を、ｙ方向に伸びる溝で接続して１つの線状溝５０が提供される。前述のとおり、上部基板の貫通孔から露出したセンサ基板に第１配線１６Ａが接するので、第１配線１６Ａの直上には、上部基板の貫通孔がある。線状溝５０の第１端５０Ａはその貫通孔につながり、線状溝５０の第２端５０Ｂもその貫通孔につながる。電極パッド１６Ｃは、上部基板１２の上面のうち線状溝５０で囲まれた部分に設けられている。

第２配線１６Ｂは、線状溝５０で囲まれた部分に設けられ、第１配線１６Ａと電極パッド１６Ｃをつなげる。第２配線１６Ｂの下の斜面は、ここまでで説明した斜面の中の任意の１つの斜面とすることができる。

線状溝５０には、溝内配線４０ａ、４０ｂ、４０ｃが設けられている。さらに、上部基板の上面に金属層５２が形成されている。図１１は図１０におけるＡ－Ｂ線における断面図である。線状溝５０は、比較的急勾配の斜面によって提供されている。そのため、線状溝５０の中に形成された溝内配線４０ｂ、４０ｃは、線状溝５０の側面で切れ目を有する。この切れ目によって、平面視における線状溝５０で囲まれた部分は、線状溝５０の外側の部分と電気的に絶縁される。

第１配線１６Ａ、第２配線１６Ｂ、電極パッド１６Ｃ、溝内配線４０ａ、４０ｂ、４０ｃ及び金属層５２は、例えばウエハ全面に金属膜を形成することで提供され得る。そのような金属膜の形成は、比較的急勾配である側壁１２Ｂと線状溝５０内には連続的に形成されず、これらの部分で断線を生じる。したがって、線状溝５０の内側の金属膜が１本の配線として機能し得る。

図１２は、センサ基板１０の構成例を示す断面図である。センサ基板１０は、例えば電極１０Ａと、可動部１０Ｂと、可動部１０Ｂに対向する対向部１０Ｃとを備える。図１３は、センサ基板１０の構成例を示す平面図である。センサ基板１０は可動部１０Ｂと非可動部である対向部１０Ｃを備える。可動部１０Ｂは櫛歯形状に形成された可動櫛歯部分１０ｂを備え、対向部１０Ｃは櫛歯形状に形成された非可動櫛歯部分１０ｃを備える。可動櫛歯部分１０ｂと非可動櫛歯部分１０ｃが近接して配置されコンデンサーを形成する。可動部１０Ｂは梁３７を介してアンカー３５に接続される。梁３７で支持された可動部１０Ｂは加速度に応じて変位し前述のコンデンサーに静電容量の変化を与える。可動部１０Ｂに囲まれ、かつ可動部１０Ｂに接触しないように支柱３４が配置される。支柱３４は上部基板１２と下部基板１３に接し、半導体装置の強度向上に貢献している。支柱３４は、導電体であるつなぎ部分３６を介してアンカー３５と接続される。センサ基板１０は、接合枠３９を有し、又は接合枠３９に囲まれている。この接合枠３９に、上部基板１２と下部基板１３を陽極接合法で接合し得る。接合枠３９の材料は例えばシリコンであり、上部基板１２と下部基板１３の材料は例えばガラスである。

さらに、図１３には４つの電極１０Ａ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆが図示されている。電極１０Ａは接合枠３９に接する接地用電極とし得る。電極１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆは、可動部１０Ｂ又は対向部１０Ｃと電気的に接続し得る。これらの４つの電極１０Ａ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆは、例えば図１の４つの貫通孔１２ａから露出し得る。そして、４つの電極１０Ａ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆに対して、上述した方法で配線を形成し得る。このように、センサ基板１０と、上部基板１２と、下部基板１３とで静電容量型加速度センサを構成し得る。センサ基板１０として、任意の構造を有する加速度センサを提供することができる。ここまでのすべての実施形態におけるセンサ基板１０として図１２又は図１３のセンサ基板を提供することができる。

１０センサ基板、１２上部基板、１２ａ貫通孔、１２Ａ斜面、１２Ｂ側壁、１３下部基板、２０マスク

Claims

センサ基板の上面に上部基板を貼り付けることと、
前記上部基板の上面に、第１開口と、前記第１開口につながり前記第１開口から離れるほど幅が小さくなる第２開口とを提供するマスクを形成することと、
前記第１開口と前記第２開口から露出した前記上部基板にサンドブラスト処理を施して、前記第１開口の直下では前記センサ基板を露出させ、前記第２開口の直下では前記上部基板に前記第１開口から離れるほど高さが高くなる斜面を形成することと、
露出した前記センサ基板に接する第１配線と、前記斜面に接し前記第１配線につながる第２配線とを形成することと、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第２配線は、前記上部基板の上面に設けられた電極パッドとつなが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。
前記斜面の傾斜は、前記サンドブラスト処理で前記第１開口の直下に形成された前記上部基板の側壁の傾斜より緩やかである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。
センサ基板の上面に上部基板を貼り付けることと、
サンド噴射ノズルを前記上部基板の上面に対して傾けた状態で、前記サンド噴射ノズルからサンドを噴射して前記上部基板を斜めに貫く貫通孔を形成することと、
前記貫通孔に露出した前記センサ基板に接する第１配線と、前記貫通孔の中で前記センサ基板と反対方向に対向した斜面に接し前記第１配線に接する第２配線と、を形成することと、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記貫通孔が形成されたことで前記上部基板に庇が提供されたことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２配線は、前記上部基板の上面に設けられた電極パッドとつながることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置の製造方法。
前記上部基板はガラスを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
センサ基板と、
前記センサ基板の上面に設けられ、斜面と側壁によって貫通孔が提供された上部基板と、
前記上部基板の上面に設けられた電極パッドと、
前記貫通孔から露出した前記センサ基板に接する第１配線と、
前記斜面に接し、前記第１配線と前記電極パッドをつなげる第２配線と、
前記センサ基板の下面に設けられた下部基板と、を備え、
前記斜面の傾斜は、前記側壁の傾斜より緩やかであり、
平面視で、前記電極パッドに近づくほど前記斜面の幅が小さくなることを特徴とする半導体装置。
前記側壁は平面視でＣ字型に設けられたことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
センサ基板と、
前記センサ基板の上面に設けられた上部基板と、
前記上部基板を斜めに貫く貫通孔から露出した前記センサ基板に接する第１配線と、
前記上部基板の上面に設けられた電極パッドと、
前記貫通孔の中で前記センサ基板と反対方向に対向した斜面に接し、前記第１配線と前記電極パッドをつなげる第２配線と、
前記センサ基板の下面に設けられた下部基板と、を備え、
平面視で、前記電極パッドに近づくほど前記斜面の幅が小さくなることを特徴とする半導体装置。
前記貫通孔が形成されたことで前記上部基板に庇が提供されたことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
前記上部基板は、ガラスを含むことを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の半導体装置。