WO2018230219A1 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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高博 河野
久則 与倉
藤原　剛
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株式会社デンソー
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Definitions

  • the present disclosure relates to a plasma-bonded semiconductor device and a manufacturing method thereof.
  • Patent Document 1 a method of forming a semiconductor device by bonding two silicon wafers is known.
  • bonding silicon wafers the wafers are brought into contact with each other and then subjected to heat treatment to complete the bonding.
  • the heating temperature at this time needs to be approximately 1200 ° C., and impurity ions or the like constituting the impurity region formed separately may be unnecessarily thermally diffused.
  • impurities may be redeposited on the wafer surface, resulting in unintended electrical characteristics.
  • a method using the activity by atmospheric pressure plasma can be considered.
  • the surface of the silicon wafer to be bonded is irradiated with atmospheric pressure plasma, OH groups are activated on the surface, and the bonding strength can be made relatively high.
  • an out-diffusion phenomenon may occur because heat treatment at the time of bonding is necessary.
  • a method is employed in which diffusion of impurities to the outside is physically suppressed by providing an oxide film on the wafer surface on which wiring and impurity regions are formed.
  • the oxide film for suppressing the out-diffusion phenomenon is formed by leaving the oxide film as a mask formed at the time of ion implantation or the like without removing it for the reason of reducing the number of manufacturing steps, etc.
  • a film newly formed after ion implantation is used to insulate the wiring, so that the film thickness is often 10 nm to 1000 nm.
  • the inventor has found that when the atmospheric pressure plasma treatment is performed with the oxide film having such a thickness left, the oxide film is charged, and the oxide film and the underlying silicon wafer are scratched by a shock caused by discharge. .
  • This disclosure is intended to provide a semiconductor device capable of suppressing the generation of scratches on an oxide film and a base in a semiconductor device using plasma bonding, and a method for manufacturing the same.
  • the semiconductor device includes a first substrate, a second substrate, an oxide film, and a protective film.
  • the first substrate has a first surface.
  • the second substrate has a second surface partly bonded to a part of the first surface by atmospheric pressure plasma activity.
  • the oxide film is formed on the first surface.
  • the protective film is stacked on the surface of the oxide film opposite to the first substrate.
  • a first substrate having a first surface, and a second substrate having a second surface partly bonded to a part of the first surface by atmospheric pressure plasma activity includes: preparing a first substrate; forming an oxide film on a first surface; forming an impurity region on the first substrate; forming an oxide film and forming an impurity region; Forming a protective film on the surface of the oxide film opposite to the first substrate; forming a protective film; performing a plasma activation process in the atmosphere on the first surface; After bonding the first surface of one substrate and the second surface of the second substrate, and bonding the first surface and the second surface, heat treatment of the first substrate and the second substrate is performed, Joining the second surface.
  • the protective film is laminated in addition to the oxide film, the entire film thickness of the film laminated on the first surface can be increased.
  • the increase in film thickness can improve the insulation resistance, and as a result, it is possible to make it difficult to generate a discharge that leads to dielectric breakdown during surface treatment with atmospheric pressure plasma. Therefore, generation
  • This semiconductor device is, for example, a diaphragm type pressure sensor.
  • a diaphragm type pressure sensor a plurality of resistance elements configured as bridge circuits are formed on a diaphragm formed on a semiconductor substrate.
  • the resistance value of the resistance element changes in accordance with the deformation of the diaphragm corresponding to the pressure change, and consequently changes the output of the bridge circuit. Thereby, the pressure can be detected.
  • the pressure sensor of such a mode has a cavity for maintaining the reference pressure.
  • the cavity is configured as a space formed between two semiconductor substrates joined together.
  • the bonding of semiconductor substrates is realized by plasma bonding, particularly plasma bonding using atmospheric pressure plasma.
  • the semiconductor device 100 includes a first substrate 11, a second substrate 12, an oxide film 13, and a protective film 14.
  • the first substrate 11 is a semiconductor substrate mainly composed of silicon.
  • the first substrate 11 is configured as a flat plate having a main surface 11c and a back surface 11d thereof.
  • the first substrate 11 is formed with a recess 11a excavated by a method such as etching from the back surface 11d side, and the bottom surface is thinner to the main surface 11c than the region other than the region where the recess 11a is formed. It has become.
  • This thinned portion is the diaphragm 11b.
  • impurity regions (not shown) are formed by ion implantation, and wiring is formed.
  • the impurity region constitutes a resistance element, a diode, and the like, and the wiring contributes to the bridge circuit and other electrical connections.
  • an impurity region is formed on the main surface 11c side, and a sensor element constituting a part of the pressure sensor is formed.
  • the main surface 11c corresponds to the first surface.
  • the second substrate 12 is a semiconductor substrate mainly composed of silicon.
  • the second substrate 12 is configured as a flat plate having a main surface 12b.
  • the main surface 12b of the second substrate 12 has a recess 12a excavated by a method such as etching.
  • the recess 12a is formed to have a size that can cover all the diaphragm 11b formed on the first substrate 11. Further, the depth of the recess 12a is set such that an oxide film 13 and a protective film 14 described later can be accommodated.
  • the main surface 12b of the second substrate 12 corresponds to the second surface.
  • the first substrate 11 and the second substrate 12 are bonded so that their main surfaces 11c and 12b face each other.
  • the second substrate 12 is disposed such that the recess 12a formed in the main surface 12b covers the entire diaphragm 11b. That is, when the first substrate and the second substrate 12 are joined, a space is formed on the opposite side of the recess 11a with the diaphragm 11b interposed therebetween. This space is isolated from the outside and functions as a cavity for maintaining the reference pressure.
  • the main surface 11c (first surface) of the first substrate 11 and the main surface 12b (second surface) of the second substrate 12 are plasma-bonded.
  • the main surface 11c is activated and bonded using atmospheric pressure plasma.
  • the OH group is activated on the main surface 11c before bonding, and the bonding strength after bonding is stronger than, for example, vacuum plasma treatment.
  • the oxide film 13 is a silicon oxide film formed on the main surface 11c and on the diaphragm 11b.
  • the oxide film 13 is laminated so as to cover the impurity region formed in the diaphragm 11b.
  • the oxide film 13 has a function of preventing impurity ions constituting the impurity region from being evaporated and dissipated out of the first substrate 11 when the first substrate 11 is heated.
  • the oxide film 13 is a portion left without removing an oxide film formed for the purpose of masking or insulation in a process related to ion implantation and wiring formation.
  • an oxide film has a thickness of 10 nm to 1000 nm, and is 100 nm in the present embodiment, for example.
  • the protective film 14 is a film laminated on the oxide film 13 and is formed as an insulating film in this embodiment. Specifically, the protective film 14 is mainly composed of silicon nitride. The protective film 14 is formed so as to cover the entire surface of the oxide film 13 opposite to the surface in contact with the diaphragm 11b, and the film thickness thereof is, for example, 50 nm.
  • the recess 12a formed in the second substrate 12 is formed with a depth that can accommodate the oxide film 13 and the protective film 14, and there is a clearance between the bottom of the second substrate 12 and the protective film 14. Yes.
  • the first substrate 11 is prepared, and the oxide film 200 is formed on the main surface 11 c of the first substrate 11.
  • the oxide film 200 is formed by a general method such as thermal oxidation or CVD. After forming the oxide film 200 on the entire main surface 11c, a mask resist is formed and etched, and the mask resist is removed to form a patterned oxide film 200 as shown in FIG.
  • ion implantation is performed from the main surface 11c side of the first substrate. Thereby, an impurity region is formed in the surface layer of the main surface 11c, and a resistance element and a diode are formed. Also, wiring and pads are formed. Thereafter, unnecessary oxide film 200 is removed.
  • an oxide film 13 is formed.
  • the oxide film 13 is formed in the same process as the insulating film forming process performed for the purpose of insulating, for example, wiring. Note that the oxide film 13 may be formed as an independent process separately from the formation of the insulating film performed for the purpose of insulating the wiring and the like.
  • the oxide film 13 is formed so as to cover an element formation region of a resistance element or a diode formed by forming an impurity region.
  • the oxide film 13 functions as an anti-diffusion film for preventing ions from escaping from the impurity region in the subsequent process of heating.
  • the film thickness is also set to a condition that allows the wiring and the like to be sufficiently insulated. For example, it is about 100 nm.
  • the film thickness depends on the formation conditions of other semiconductor elements formed on the surface layer of the main surface 11c and varies from approximately 10 nm to approximately 1000 nm.
  • the protective film 14 in this embodiment is mainly composed of silicon nitride, and is laminated on the oxide film 13 by CVD.
  • CVD plasma vapor deposition (PECVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), or the like can be used. Further, lamination by sputtering may be performed.
  • the film thickness of the protective film 14 in this embodiment is about 50 nm, for example.
  • the first substrate 11 on which the oxide film 13 and the protective film 14 are laminated is placed in the atmosphere, and as shown in FIG. 5, atmospheric pressure plasma is irradiated to the main surface 11c (arrow A in FIG. 5).
  • the atmospheric pressure plasma is irradiated so as to activate at least the bonding surface with the second substrate 12. Irradiation with atmospheric pressure plasma activates hydroxyl groups (OH groups) on the main surface 11c.
  • a second substrate 12 is prepared and bonded to the first substrate.
  • a recess 12a is excavated in advance on the main surface 12b side.
  • the recess 12a can be formed by etching, for example.
  • the main surface 12b of the second substrate 12 is disposed so as to face the main surface 11c of the first substrate 11, and brought into contact therewith. Then, the first substrate 11 and the second substrate 12 are heated at approximately 200 ° C. to 800 ° C. Thereby, the two main surfaces 11c and 12b are fixed in close contact with each other.
  • the main surface 11c of the first substrate 11 is treated with atmospheric pressure plasma to activate OH groups, and the bonding strength is increased as compared with the case of plasma bonding under vacuum.
  • a patterned oxide film 300 is formed on a portion of the back surface 11d of the first substrate 11 excluding a region where the recess 11a is excavated. Then, the recess 11a is formed by etching, and as a result, the diaphragm 11b is formed as shown in FIG.
  • the semiconductor device 100 as a pressure sensor can be manufactured.
  • the semiconductor device 100 includes an oxide film 13 on the main surface 11c on which a circuit including an impurity region is formed. For this reason, for example, in the heating process for joining the first substrate 11 and the second substrate 12, it is possible to suppress the components such as ions constituting the impurity region from being dissipated from the main surface 11c. That is, the out diffusion phenomenon can be suppressed.
  • the protective film 14 is stacked in addition to the oxide film 13, the entire thickness of the film stacked on the first surface (main surface 11c) can be increased.
  • the increase in film thickness can improve the insulation resistance, and as a result, it is possible to make it difficult to generate a discharge that leads to dielectric breakdown during surface treatment with atmospheric pressure plasma. Therefore, generation
  • substrate can be suppressed.
  • the film thickness of the protective film 14 is preferably set so that the total film thickness of the protective film 14 and the oxide film 13 has a dielectric strength that exceeds the charge amount of the first substrate 11. Laminate about 100 nm.
  • the protective film 14 in the present embodiment is mainly composed of silicon nitride, and produces an electric field relaxation effect due to the ONO structure with the oxide film 13 which is a silicon oxide film. For this reason, the inventor's experiment has confirmed that the protective film 14 can be made thinner, and even when the film thickness is 4 nm to 10 nm, for example, the generation of scars caused by atmospheric pressure plasma can be suppressed. .
  • the thickness of the protective film 14 can be made thinner, so that for example, deformation of the diaphragm 11b due to a difference in linear expansion coefficient between the oxide film 13 and the protective film 14 is suppressed. can do. According to this, it is possible to suppress a decrease in pressure detection sensitivity due to the formation of the protective film 14.
  • the protective film 14 is not limited to an insulating film, and may be a conductive film.
  • polysilicon or a metal may be employed as the protective film 14.
  • the metal film for example, aluminum, titanium, titanium nitride, copper, tungsten, or the like can be employed.
  • polysilicon is suitable because it can be easily laminated on the oxide film 13 by CVD or the like.
  • the protective film 14 When a conductive film is employed as the protective film 14, since charges are smoothly exchanged between the oxide film 13 and the protective film 14 and the plasma flow during the activation process by atmospheric pressure plasma, the oxide film 13 and The charge amount of the protective film 14 can be suppressed. Since the effect of the protective film 14 which is a conductive film is dominant in the exchange of electric charges with the plasma flow, the above effect can be obtained as long as the conductive film is present on the oxide film 13. . That is, the thickness of the protective film 14 in this case may be about 1 nm to 10 nm.
  • the protective film 14 is configured as a single layer film having one kind of component as a main component has been described.
  • the semiconductor device 110 according to the present embodiment has a configuration in which the protective film 14 includes a first layer 14a and a second layer 14b. Except for the configuration of the protective film 14, other configurations are the same as those of the semiconductor device 100 described in the first embodiment.
  • the first layer 14a is a silicon nitride film, which is the same as the protective film 14 in the first embodiment.
  • the second layer 14b is a silicon oxide film.
  • the first layer 14a since the first layer 14a has silicon nitride as a main component, it acts as a tensile stress on the silicon substrate in general when heat is applied. For this reason, compared with the conventional structure in which the protective film 14 does not exist, it acts to suppress the deformation of the diaphragm 11b.
  • the silicon oxide film of the second layer 14b acts as a compressive stress on the silicon substrate. That is, since the second layer 14b acts to cancel the tensile stress of the first layer 14a, it is possible to suppress the influence of deformation on the diaphragm 11b.
  • a silicon nitride film is employed as the first layer 14a and a silicon oxide film is employed as the second layer 14b as the multilayer protective film 14 has been described.
  • the combination of the two layers 14b is arbitrary regardless of whether it is an insulating film or a conductive film.
  • a TEOS film may be employed for the first layer 14a and an aluminum film may be employed for the second layer 14b.
  • the oxide film 13 it is preferable to employ a silicon nitride film for the first layer 14a, so that charges can be exchanged smoothly with the plasma flow.
  • a conductive film for the second layer 14b that is directly exposed to the plasma flow.
  • the protective film 14 is not limited to a two-layer structure, and may have a multilayer structure of three or more layers.
  • the film may be formed by a film formation method suitable for the constituent components of each layer.
  • the silicon nitride film as the first layer 14a may be formed by CVD
  • the silicon oxide film as the second layer 14b may be formed by sputtering.
  • the pressure sensor is described as an example of the semiconductor devices 100 and 110.
  • the first substrate 11 having the oxide film 13 as an anti-out diffusion film and the first substrate 11 exist as separate bodies.
  • the second substrate 12 is bonded to the second substrate 12 using atmospheric pressure plasma, the effect of the protective film 14 can be obtained, and the application range is not limited to the pressure sensor.

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Abstract

半導体装置は、第１基板（１１）と、第２基板（１２）と、酸化膜（１３）と、保護膜（１４）と、を備える。第１基板は、第１面（１１ｃ）を有する。第２基板は、一部が第１面の一部と大気圧プラズマ活性により接合された第２面（１２ｂ）を有する。酸化膜は、第１面に形成される。保護膜は、酸化膜における第１基板とは反対側の表面上に積層される。半導体装置の製造方法は、保護膜を形成した後、第１面に大気中においてプラズマ活性処理を実施することを備える。

Description

半導体装置およびその製造方法 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１７年６月１３日に出願された日本出願番号２０１７－１１６２０７号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、プラズマ接合された半導体装置およびその製造方法に関する。
　特許文献１に開示されるように、２つのシリコンウェハを貼り合わせて半導体装置を構成する方法が知られている。シリコンウェハの接合にあっては、互いのウェハを接触させた後に加熱処理を施して互いの接合を完成する。しかしながら、このときの加熱温度は略１２００℃が必要であり、別途形成した不純物領域を構成する不純物イオン等が不必要に熱拡散する可能性がある。特に、イオンがウェハ外の空間に拡散してしまうアウトディフュージョン現象が発生してしまうと、ウェハ表面に不純物が再堆積して、意図しない電気的特性を生じる可能性がある。
　そこで、大気圧プラズマによる活性を利用する方法が考えられる。シリコンウェハにおいて貼り合わせが行われる表面に大気圧プラズマを照射すると、当該表面においてＯＨ基が活性化して接合強度を比較的高くすることができる。しかしながら、この場合でも、接合時の加熱処理は必要なため、アウトディフュージョン現象は生じうる。このため、配線や不純物領域が形成されたウェハ表面に酸化膜を設けることによって不純物の外部への拡散を物理的に抑制する方法が採られている。
特開２０１０－２６３１６０号公報
　ところで、アウトディフュージョン現象を抑制するための酸化膜は、製造工程数の削減などの理由で、例えばイオンインプラ等の際に形成されるマスクとしての酸化膜を除去することなく残すことによって形成する、あるいは、配線に対する絶縁のためにイオンインプラ後に新たに形成したものを利用するため、その膜厚は１０ｎｍ～１０００ｎｍであることが多い。
　発明者は、このような膜厚の酸化膜を残した状態で大気圧プラズマ処理を実施すると、酸化膜が帯電し、放電によるショックによって酸化膜および下地のシリコンウェハに傷痕が生じることを見出した。
　本開示は、プラズマ接合が利用される半導体装置において、酸化膜および下地の傷痕の発生を抑制す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。
　本開示の第１の態様によれば、半導体装置は、第１基板と、第２基板と、酸化膜と、保護膜と、を備える。第１基板は、第１面を有する。第２基板は、一部が第１面の一部と大気圧プラズマ活性により接合された第２面を有する。酸化膜は、第１面に形成される。保護膜は、酸化膜における第１基板とは反対側の表面上に積層される。
　本開示の第２の態様によれば、第１面を有する第１基板と、一部が第１面の一部と大気圧プラズマ活性により接合された第２面を有する第２基板と、を備える半導体装置の製造方法は、第１基板を用意すること、第１面に酸化膜を形成すること、第１基板に不純物領域を形成すること、酸化膜の形成と不純物領域の形成の後、酸化膜における第１基板とは反対側の表面上に保護膜を形成すること、保護膜を形成した後、第１面に大気中においてプラズマ活性処理を実施すること、プラズマ活性処理の後、第１基板における第１面と、第２基板における第２面とを貼り合わせること、第１面と第２面の貼り合わせの後、第１基板および第２基板の熱処理を行い、第１面と第２面とを接合すること、を備える。
　これによれば、酸化膜に加えて保護膜が積層されるため、第１面上に積層される膜の全体の膜厚を厚くすることができる。膜厚化は絶縁耐性を向上させることができ、結果、大気圧プラズマによる表面処理時において、絶縁破壊に至る放電を生じにくくすることができる。よって、酸化膜および下地における傷痕の発生を抑制することができる。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。
第１実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。 第１基板の準備工程および不純物領域の形成工程を示す断面図である。 酸化膜の形成工程を示す断面図である。 保護膜の形成工程を示す断面図である。 大気圧プラズマによる活性化工程を示す断面図である。 第１基板と第２基板との接合工程を示す断面図である。 ダイヤフラムの形成工程の一部を示す断面図である。 第２実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
　以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
　（第１実施形態）
　最初に、図１を参照して、本実施形態に係る半導体装置の概略構成について説明する。
　この半導体装置は、例えばダイヤフラム方式の圧力センサである。ダイヤフラム方式の圧力センサは、半導体基板に形成されたダイヤフラム上にブリッジ回路として構成された複数の抵抗素子が形成されている。圧力変化に対応したダイヤフラムの変形に応じて抵抗素子の抵抗値が変化し、ひいてはブリッジ回路の出力の変化をもたらす。これにより圧力を検出できる。
　このような態様の圧力センサは、基準圧を維持するためのキャビティを有している。キャビティは、２つの半導体基板を接合し、その間に生じた空間として構成される。半導体基板の接合はプラズマ接合、とくに大気圧プラズマを用いたプラズマ接合により実現されている。
　図１に示すように、半導体装置１００は、第１基板１１と、第２基板１２と、酸化膜１３と、保護膜１４とを備えている。
　第１基板１１は、シリコンを主成分とする半導体基板である。第１基板１１は、主面１１ｃとその裏面１１ｄとを有する平板として構成されている。第１基板１１には、裏面１１ｄ側からエッチング等の方法によって掘削された凹部１１ａが形成されており、その底面は主面１１ｃまでの厚さが、凹部１１ａの形成領域以外の領域よりも薄くなっている。この薄くされた部分がダイヤフラム１１ｂである。ダイヤフラム１１ｂには、イオンインプラによって図示しない不純物領域が形成されるとともに、配線が形成されている。なお、不純物領域は抵抗素子やダイオードなどを構成し、配線はブリッジ回路やその他外部との電気的接続に寄与している。換言すれば、第１基板１１には、主面１１ｃ側に不純物領域が形成され、圧力センサの一部を構成するセンサ素子が形成されている。主面１１ｃは第１面に相当している。
　第２基板１２は、シリコンを主成分とする半導体基板である。第２基板１２は、主面１２ｂを有する平板として構成されている。第２基板１２の主面１２ｂにはエッチング等の方法によって掘削された凹部１２ａが形成されている。凹部１２ａは、第１基板１１に形成されたダイヤフラム１１ｂをすべて覆ことができる程度の大きさに形成されている。また、凹部１２ａの深さは、後述の酸化膜１３および保護膜１４を収容可能な程度にされている。第２基板１２における主面１２ｂは第２面に相当している。
　第１基板１１と第２基板１２とは、互いの主面１１ｃ，１２ｂ同士が対向するように接合されている。主面１１ｃ，１２ｂを正面視したとき、第２基板１２は、主面１２ｂに形成された凹部１２ａがダイヤフラム１１ｂ全体を覆うように配置されている。つまり、第１基板と第２基板１２とが接合されると、ダイヤフラム１１ｂを挟んで凹部１１ａの反対側に空間が形成される。この空間は外部から隔離されており、基準圧を維持するためのキャビティとして機能する。
　第１基板１１における主面１１ｃ（第１面）と第２基板１２における主面１２ｂ（第２面）はプラズマ接合されている。とくに、本実施形態では、大気圧プラズマを利用して主面１１ｃを活性処理して接合している。このため、接合前の主面１１ｃではＯＨ基が活性化し、接合後の接合強度は、例えば真空プラズマ処理に較べて強くなっている。
　酸化膜１３は、主面１１ｃ上であって、ダイヤフラム１１ｂ上に形成される酸化シリコンの膜である。酸化膜１３は、ダイヤフラム１１ｂに形成された不純物領域を覆うように積層されている。酸化膜１３は第１基板１１が加熱された際に不純物領域を構成する不純物イオンが蒸散し第１基板１１外に散逸することを阻止する機能を奏する。
　酸化膜１３は、イオンインプラおよび配線形成に関連する工程においてマスクあるいは絶縁を目的として形成される酸化膜を除去することなく残した部分である。通常、このような酸化膜は膜厚が１０ｎｍ～１０００ｎｍであり、本実施形態では例えば１００ｎｍである。
　保護膜１４は、酸化膜１３上に積層された膜であり、本実施形態では絶縁膜として形成されている。具体的には、保護膜１４はシリコンナイトライドを主成分とする。保護膜１４は、酸化膜１３におけるダイヤフラム１１ｂと接触する面と反対の一面全面を覆うように成膜されており、その膜厚は例えば５０ｎｍである。
　ダイヤフラム１１ｂは全体がキャビティに覆われているから、酸化膜１３および保護膜１４は必然的にキャビティ内に収容された態様となる。第２基板１２に形成される凹部１２ａは、酸化膜１３および保護膜１４が収容可能な程度の深さを有して形成され、その底部と保護膜１４との間にはクリアランスを有している。
　次に、図２～図７を参照して、本実施形態にかかる半導体装置１００の製造方法について説明する。
　まず、図２に示すように、第１基板１１を用意し、第１基板１１の主面１１ｃに酸化膜２００を成膜する。酸化膜２００は熱酸化あるいはＣＶＤ等の一般的な方法で成膜される。主面１１ｃの全面に酸化膜２００を成膜後、マスクレジストを成膜してエッチングし、マスクレジストを除去することで、図２に示すようなパターニングされた酸化膜２００を成膜する。
　次いで、第１基板の主面１１ｃ側からイオンインプラを行う。これにより、主面１１ｃの表層に不純物領域が形成され、抵抗素子やダイオードが形成される。また、配線やパッドの形成も行う。その後、不要な酸化膜２００を除去する。
　次いで、図３に示すように、酸化膜１３を成膜する。酸化膜１３は、例えば配線等の絶縁を目的に行われる絶縁膜の成膜工程と同一の工程で成膜される。なお、配線等の絶縁を目的に行われる絶縁膜の成膜とは別に独立した工程として酸化膜１３を成膜しても良い。
　酸化膜１３は不純物領域を形成することによって構成された抵抗素子やダイオードの素子形成領域を覆うように形成する。この酸化膜１３は、以降の別の加熱にかかる工程において不純物領域からイオンが散逸することを防止する対アウトディフュージョン膜として機能する。
　本実施形態における酸化膜１３は、配線等の絶縁を目的に行われる絶縁膜と同時に成膜されるため、その膜厚も配線等の絶縁が十分に可能な条件に設定される。例えば、１００ｎｍ程度とされる。膜厚は主面１１ｃ表層に形成される他の半導体素子の形成条件に依存するところであり、略１０ｎｍから略１０００ｎｍに至るまで様々である。
　次いで、図４に示すように、保護膜１４を成膜する。上記のとおり、本実施形態における保護膜１４はシリコンナイトライドを主成分としており、ＣＶＤにより酸化膜１３上に積層する。ＣＶＤとしては、プラズマ気相成長法（ＰＥＣＶＤ）や低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）などを利用することができる。また、スパッタによる積層を行っても良い。本実施形態における保護膜１４の膜厚は例えば略５０ｎｍとする。
　次いで、プラズマ活性処理を行う。酸化膜１３および保護膜１４が積層された第１基板１１を大気中に置き、図５に示すように、大気圧プラズマを主面１１ｃに照射する（図５中の矢印Ａ）。大気圧プラズマは、少なくとも第２基板１２との接合面を活性化するように照射する。大気圧プラズマを照射することにより、主面１１ｃにおいて水酸基（ＯＨ基）が活性化する。
　次いで、図６に示すように、第２基板１２を用意して第１基板と接合する。第２基板１２は予め主面１２ｂ側に凹部１２ａを掘削しておく。凹部１２ａは例えばエッチングによって形成することができる。
　第２基板１２と第１基板１１との接合は、第２基板１２の主面１２ｂを第１基板１１の主面１１ｃと対向するように配置し、接触させる。そして、第１基板１１および第２基板１２を略２００℃～８００℃で加熱する。これにより、２つの主面１１ｃ，１２ｂが互いに密着して固定される。第１基板１１の主面１１ｃは大気圧プラズマを用いて処理されることによってＯＨ基が活性化しており、真空下におけるプラズマ接合の場合に較べて接合強度が強くなる。
　次いで、図７に示すように、第１基板１１の裏面１１ｄにおける凹部１１ａを掘削する領域を除く部分にパターニングされた酸化膜３００を形成する。そして、エッチングによって凹部１１ａを形成し、ひいては、図１に示すようにダイヤフラム１１ｂを形成する。
　以上のような各工程を経て、圧力センサとしての半導体装置１００を製造することができる。
　次に、本実施形態にかかる半導体装置１００およびその製造方法を採用することによる作用効果について説明する。
　半導体装置１００は、不純物領域を含む回路が構成された主面１１ｃにおいて酸化膜１３を備えている。このため、例えば、第１基板１１と第２基板１２との接合にかかる加熱工程において、不純物領域を構成するイオン等の成分が主面１１ｃから散逸することを抑制することができる。すなわち、アウトディフュージョン現象を抑制することができる。
　半導体装置１００は、酸化膜１３に加えて保護膜１４が積層されるため、第１面（主面１１ｃ）上に積層される膜の全体の膜厚を厚くすることができる。膜厚化は絶縁耐性を向上させることができ、結果、大気圧プラズマによる表面処理時において、絶縁破壊に至る放電を生じにくくすることができる。よって、酸化膜１３および下地における傷痕の発生を抑制することができる。
　保護膜１４の膜厚については、保護膜１４と酸化膜１３との総膜厚が、第１基板１１の帯電量を上回る絶縁耐圧となる程度になるように設定されることが好ましく、１０ｎｍ～１００ｎｍ程度積層する。これに対して、本実施形態における保護膜１４は、特にシリコンナイトライドを主成分とするものであり、シリコン酸化膜である酸化膜１３との間でＯＮＯ構造に起因する電界緩和効果を生じる。このため、より保護膜１４を薄膜化することができ、例えばその膜厚が４ｎｍ～１０ｎｍであっても、大気圧プラズマに起因する傷痕の発生を抑制できることが発明者の実験により確認されている。
　つまり、保護膜１４としてシリコンナイトライド膜を採用すれば、保護膜１４の膜厚をより薄くできるから、例えば酸化膜１３と保護膜１４との線膨張係数差に起因するダイヤフラム１１ｂの変形を抑制することができる。これによれば、保護膜１４を形成することによる圧力の検出感度の低下を抑制することができる。
　（変形例）
　上記した実施形態では、保護膜１４として用いる絶縁膜にシリコンナイトライドを採用する例を示したが、保護膜１４と酸化膜１３との総膜厚が、第１基板１１の帯電量を上回る絶縁耐圧となる程度になるように形成されればシリコンナイトライド膜に限らない。すなわち、保護膜１４として、熱酸化ＳｉＯ２や、ＢＰＳＧ膜、ＴＥＯＳ膜、ＣＶＤによるＳｉＯ２などを採用することもできる。
　また、保護膜１４は絶縁膜に限定されず、導電性膜であっても良い。例えば、保護膜１４として、ポリシリコンを採用しても良いし、金属を採用しても良い。金属膜としては、例えば、アルミニウム、チタン、チタンナイトライド、銅、タングステンなどを採用することができる。とくに、ポリシリコンはＣＶＤ等によって容易に酸化膜１３上に積層することができ、好適である。
　保護膜１４として導電性膜を採用すると、大気圧プラズマによる活性化の処理中において、酸化膜１３および保護膜１４とプラズマ流との間でスムーズに電荷の交換が行われるため、酸化膜１３および保護膜１４の帯電量を抑制することができる。プラズマ流との間の電荷の交換は導電性膜である保護膜１４による効果が支配的であるから、酸化膜１３上に導電性膜が少なくとも存在していれば、上記効果を奏することができる。すなわち、この場合の保護膜１４の膜厚は、１ｎｍ～１０ｎｍ程度でも良い。
　（第２実施形態）
　第１実施形態およびその変形例においては、保護膜１４が一種類の成分を主成分とする単層膜として構成される例について説明した。これに対して、本実施形態に係る半導体装置１１０は、図８に示すように、保護膜１４が第１層１４ａと第２層１４ｂとを備える構成となっている。なお、保護膜１４の構成を除き、その他の構成は第１実施形態において説明した半導体装置１００と同様である。
　保護膜１４のうち、第１層１４ａは、シリコンナイトライド膜であり、第１実施形態における保護膜１４と同様である。そして、第２層１４ｂは、シリコン酸化膜である。このように、保護膜１４を多層に構成した態様にあっては、第１層１４ａのシリコンナイトライド膜が電界緩和効果によって絶縁耐性を向上させることに加え、第２層１４ｂによってダイヤフラム１１ｂに与える変形の影響を抑制することができる。
　具体的には、第１層１４ａはシリコンナイトライドを主成分とするので、熱印加に対し、一般的にはシリコンの基板に対して引張応力として作用する。このため、保護膜１４が存在しない従来の構成に較べて、ダイヤフラム１１ｂの変形を抑制するように作用する。これに対して、第２層１４ｂのシリコン酸化膜はシリコン基板に対して圧縮応力として作用する。すなわち、第２層１４ｂが第１層１４ａの引張応力を相殺するように作用するので、ダイヤフラム１１ｂに与える変形の影響を抑制することができる。
　なお、本実施形態では、多層の保護膜１４として、第１層１４ａにシリコンナイトライド膜を採用し、第２層１４ｂにシリコン酸化膜を採用する例について説明したが、第１層１４ａと第２層１４ｂの組み合わせは、絶縁膜および導電性膜の別なく任意であり、例えば、第１層１４ａにＴＥＯＳ膜を採用し、第２層１４ｂにアルミニウム膜を採用しても良い。
　ただし、酸化膜１３との間で電界緩和効果を奏するためには、第１層１４ａにシリコンナイトライド膜を採用することが好適であり、プラズマ流との間で電荷の交換をスムーズに行うためには、プラズマ流に直接晒される第２層１４ｂに導電性膜を採用することが好適である。
　また、保護膜１４は２層構造であることに限定されず、３層以上の多層構造としても良い。また、各層の製造にあっては、各層の構成成分に適した成膜方法で成膜すれば良い。例えば、第１層１４ａとしてのシリコンナイトライド膜はＣＶＤにより成膜し、第２層１４ｂとしてのシリコン酸化膜はスパッタにより成膜すれば良い。
　（その他の実施形態）
　上記した各実施形態では、半導体装置１００，１１０として圧力センサを例に説明したが、対アウトディフュージョン膜としての酸化膜１３を有する第１基板１１と、第１基板１１とは別体として存在する第２基板１２とを大気圧プラズマを用いて接合する態様であれば、保護膜１４の効果を奏することができるのであって、適用範囲は圧力センサに限定されるものではない。
　本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態が本開示に示されているが、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (12)

  1. 　第１面（１１ｃ）を有する第１基板（１１）と、
    　一部が前記第１面の一部と大気圧プラズマ活性により接合された第２面（１２ｂ）を有する第２基板（１２）と、
    　前記第１面に形成された酸化膜（１３）と、
    　前記酸化膜における前記第１基板とは反対側の表面上に積層された保護膜（１４）と、を備える半導体装置。
  2. 　前記保護膜は絶縁膜である、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記保護膜はシリコンナイトライド膜を含む、請求項２に記載の半導体装置。
  4. 　前記保護膜は、シリコン酸化膜とシリコンナイトライド膜とが積層された多層膜である、請求項３に記載の半導体装置。
  5. 　前記保護膜は導電性膜である、請求項１に記載の半導体装置。
  6. 　前記保護膜はポリシリコン膜である、請求項５に記載の半導体装置。
  7. 　第１面（１１ｃ）を有する第１基板（１１）と、一部が前記第１面の一部と大気圧プラズマ活性により接合された第２面（１２ｂ）を有する第２基板（１２）と、を備える半導体装置の製造方法であって、
    　前記第１基板を用意すること、
    　前記第１面に酸化膜（１３）を形成すること、
    　前記第１基板に不純物領域を形成すること、
    　前記酸化膜の形成と前記不純物領域の形成の後、前記酸化膜における前記第１基板とは反対側の表面上に保護膜（１４）を形成すること、
    　前記保護膜を形成した後、前記第１面に大気中においてプラズマ活性処理を実施すること、
    　前記プラズマ活性処理の後、前記第１基板における第１面と、前記第２基板における前記第２面とを貼り合わせること、
    　前記第１面と前記第２面の貼り合わせの後、前記第１基板および前記第２基板の熱処理を行い、前記第１面と前記第２面とを接合すること、
    　を備える半導体装置の製造方法。
  8. 　前記保護膜は絶縁膜である、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 　前記保護膜はシリコンナイトライド膜を含む、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 　前記保護膜は、シリコン酸化膜とシリコンナイトライド膜とが積層された多層膜である、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 　前記保護膜は導電性膜である、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 　前記保護膜はポリシリコン膜である、請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
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