JP4556454B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）のようなマイクロマシンの製造に適した半導体装置の製造方法に関するものである。

近年、半導体製造技術を用いて加速度センサや角速度センサをマイクロマシンとして構成することが提案されている。この種のマイクロマシンには、比較的大きい慣性質量を持つ質量体が必要である。このような質量体を形成する方法としては、厚み寸法の比較的大きい（数百μｍ）半導体基板に貫通孔（スリット状のものも含む）を形成することにより質量体を他の部位から分離することが考えられている。厚み寸法の大きい半導体基板に貫通孔を形成するには、湿式エッチングや反応性イオンエッチングなどの技術を用いている（たとえば、非特許文献１参照）。
Sunil A. Bhavc, et al."AN INTEGRATED, VERTICAL-DRIVE, IN-PLANE-SENSE MICROGYROSCOPE", TRANSDUCERS '03(IEEE, The 12th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems), USA, June 8-12, 2003, p.171

ところで、上述の技術を用いて貫通孔を形成する場合に半導体を除去する速度がマスクに設けた開口部の開口幅に依存することが知られており、開口幅の大きい部位において小さい部位よりも深さ方向の除去速度が大きくなる。したがって、半導体基板に幅寸法の異なる貫通孔を形成する場合に、幅寸法の大きい貫通孔が半導体基板を貫通した時点では幅寸法の小さい貫通孔が半導体基板を貫通していないことがある。開口幅の差が小さい場合には広幅の貫通孔が半導体基板を貫通する時間と狭幅の貫通孔が半導体基板を貫通する時間とは誤差の範囲になるが、開口幅の差が大きい場合には開口幅の大きい貫通孔が半導体基板を貫通した後に開口幅の小さい貫通孔が半導体基板を貫通するまで比較的長い時間待たなければならず、その間に開口幅の大きい貫通孔の内周面が浸食されて貫通孔の寸法精度が低下するという問題が生じる。

この種の問題を回避するには、開口幅の異なる貫通孔を形成する工程を別工程にしなければならず、貫通孔を形成する工数が増加する上に、前工程で形成した貫通孔を保護材により保護する工程や、保護材を除去する工程も必要になるから、工数が大幅に増加するという問題が生じる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、開口幅の異なる複数種類の貫通孔を半導体基板に形成するにあたり、工数が大幅に増加することのない半導体装置の製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、半導体基板に開口部を有したマスクを設け、開口部の開口幅が大きいほど深さ方向の除去速度が大きくなる加工方法を用いて開口幅の異なる貫通孔を形成する半導体装置の製造方法であって、前記マスクに形成する開口部の開口幅が比較的小さい領域について半導体基板の一面に凹所を形成することにより当該領域の厚み寸法を他の部位よりも小さくする第１過程と、半導体基板の他面に設けた前記マスクを用いて前記加工方法を適用することにより半導体基板の前記一面に到達する貫通孔と前記凹所に到達する貫通孔とを形成する第２過程とを有することを特徴とする。

この方法によれば、貫通孔の開口幅に応じて半導体基板の厚み寸法を異ならせることにより、貫通孔が貫通する時間をほぼ一致させているから、幅寸法の異なる貫通孔を１工程で形成することができ、工数の大幅な増加を伴うことなく貫通孔を精度よく形成することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１過程の後に前記半導体基板の前記一面を支持基板に接合し、次に前記第２過程を実施することを特徴とする。

この方法によれば、請求項１の作用に加えて、貫通孔を形成する半導体基板に凹所を形成して厚み寸法の異なる部位を形成し支持基板に接合した後に貫通孔を形成するから、半導体基板の各部位が貫通孔によって分離される場合であっても、分離される各部位を支持基板に接合しておけば、分離される部位の相対的な位置ずれを防止できる。

請求項３の発明は、半導体基板に開口部を有したマスクを設け、開口部の開口幅が大きいほど深さ方向の除去速度が大きくなる加工方法を用いて開口幅の異なる貫通孔を形成する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の一面に設けた前記マスクを用い開口幅が比較的大きい貫通孔が半導体基板の他面に到達するまで前記加工方法を実施する第１過程と、前記マスクに形成する開口部の開口幅が比較的小さい領域について半導体基板の他面に凹所を形成することにより開口幅が比較的小さい貫通孔を凹所の底面に貫通させる第２過程とを有することを特徴とする。

この方法によれば、開口幅の狭い貫通孔については半導体基板を貫通していなくとも貫通孔を形成する工程を終了し、貫通孔を形成した面の反対面から凹所を形成することによって幅寸法の狭い貫通孔を貫通させるから、幅寸法の異なる貫通孔については１工程とすることができ、工数の大幅な増加を伴うことなく貫通孔を精度よく形成することができる。

本発明の方法によれば、幅寸法の異なる貫通孔を１工程で形成することができ、貫通孔を形成する工程のほかには凹所を形成する工程を追加するだけであるから、工数の大幅な増加を伴うことなく貫通孔を精度よく形成することができるという利点がある。

（実施形態１）
本実施形態は、図１（ｃ）に示すように、開口幅が比較的大きい第１の貫通孔４ａと、開口幅が比較的小さい第２の貫通孔４ｂとを半導体基板である主基板１に形成するものである。主基板１はシリコン基板を想定しているが、他の半導体基板であっても本発明の技術思想を適用することができる。主基板１には厚み寸法の異なる部位が形成されており、図１（ｃ）において大きいほうの厚み寸法ｔ１はたとえば３００μｍ程度、小さいほうの厚み寸法ｔ２はたとえば１５０μｍ程度に設定される。また、貫通孔４ａの幅寸法ｗ１は１００μｍ程度であり、貫通孔４ｂの幅寸法ｗ２は５μｍ程度に設定される。

ところで、上述のように比較的厚み寸法の大きい半導体基板に貫通孔４ａ，４ｂを形成するには、貫通孔４ａ，４ｂに対応する開口部を有したマスクを半導体基板の表面に設け、反応性イオンエッチングにより貫通孔４ａ，４ｂを形成する部位の半導体を除去するのが一般的である。ただし、反応性イオンエッチングでは、開口幅の大きい部位において小さい部位よりも深さ方向の除去速度が大きくなることが知られており、同じ厚み寸法の部位に幅寸法の異なる貫通孔４ａ，４ｂを形成しようとすると、広幅の貫通孔４ａが半導体基板を貫通した時点において、狭幅の貫通孔４ｂが半導体基板を貫通していないことがある。とくに、上述のように幅寸法ｗ１，ｗ２の差が大きい貫通孔４ａ，４ｂを形成しようとすると、狭幅の貫通孔４ｂが半導体基板を貫通するまで待つと、広幅の貫通孔４ａの内周面も浸食され、貫通孔４ａの幅寸法の精度が低下する可能性がある。

そこで、本実施形態では、図１（ａ）のように、主基板１の両面に酸化膜６ａ，６ｂを形成した状態で図の下面側の酸化膜６ｂをマスクに用い、まず幅狭の貫通孔４ｂを形成する領域について主基板１の一面に凹所７を形成する。すなわち、主基板１に凹所７を形成することによって、幅狭の貫通孔４ｂを形成する領域の厚み寸法ｔ２を他の部位よりも小さくする（第１過程）。次に、図１（ｂ）のように、図の上面側の酸化膜６ａに貫通孔４ａ，４ｂを形成するための開口部８を形成してマスクとして用い、マスクを形成した面から反応性イオンエッチングを施して図１（ｃ）のように貫通孔４ａ，４ｂを形成する（第２過程）。

上述のように、主基板１に厚み寸法の異なる領域が形成されるように、主基板１の一面に凹所７を形成し、主基板１の他面に設けたマスクを用いて主基板１の他面から貫通孔４ａ，４ｂを形成するから、広幅の貫通孔４ａが貫通した時点において、狭幅の貫通孔４ｂを凹所７の底面に到達させることが可能になり、結果的に広幅の貫通孔４ａと狭幅の貫通孔４ｂとをほぼ同時に貫通させることが可能になる。その結果、広幅の貫通孔４ａの内周面が浸食されて貫通孔４ａの幅寸法の精度が低下することがなく、主基板１を精度よく形成することが可能になる。

上述した技術は、図２および図３に示すジャイロセンサの製造などに適用することができる。図示するジャイロセンサは、半導体基板である主基板１の一面にガラス基板からなる支持基板２が積層され、主基板１の他面にガラス基板からなるキャップ３が積層された３層構造であって、支持基板２およびキャップ３は主基板１に対して、たとえば陽極接合により接合される。

主基板１は、図４に示すように、平面視において矩形状である駆動質量体１１および検出質量体１２が主基板１の板面に沿って並設されるとともに、駆動質量体１１および検出質量体１２の周囲を囲む矩形枠状のフレーム１０を備えている。したがって、主基板１に支持基板２およびキャップ３を接合した状態では、支持基板２とキャップ３とフレーム１０とに囲まれる空間内に駆動質量体１１および検出質量体１２が密封される。以下では、駆動質量体１１と検出質量体１２とが並ぶ方向をＹ方向、主基板１の板面に沿う面内でＹ方向に直交する方向をＸ方向、Ｘ方向とＹ方向とに直交する方向すなわち主基板１の板面に直交する方向をＺ方向とする。

駆動質量体１１と検出質量体１２とは、Ｘ方向に延長された一対の駆動ばね１３を介して連続一体に連結される。すなわち、Ｘ方向において検出質量体１２の全長よりもやや短いスリット溝１４ａと、駆動質量体１１におけるＸ方向の各側縁にそれぞれ一端が開放されＸ方向の一直線上に並ぶ２本のスリット溝１４ｂとが形成され、スリット溝１４ａと各スリット溝１４ｂとの間にそれぞれ駆動ばね１３が形成される。各駆動ばね１３の一端部はスリット溝１４ａの各一端と検出質量体１２の側縁との間に連続し、各駆動ばね１３の他端部は２本のスリット溝１４ｂの間の部位において駆動質量体１１にそれぞれ連続する。駆動ばね１３はねじれ変形が可能なトーションばねであって、駆動質量体１１は検出質量体１２に対して駆動ばね１３の回りで変位可能になっている。つまり、駆動質量体１１は検出質量体１２に対してＺ方向の並進とＸ方向の軸回りの回転とが可能であると言える。

検出質量体１２におけるＸ方向の各側縁にはＹ方向に延長された検出ばね１５の一端部がそれぞれ連続し、両検出ばね１５の他端部同士はＸ方向に延長された連結片１６を介して連続一体に連結される。すなわち、一対の検出ばね１５と連結片１６とにより平面視コ字状の部材が形成される。ただし、連結片１６は駆動ばね１３および検出ばね１５に比較して十分に剛性が高くなるように設計されている。連結片１６の長手方向の中間部には固定片１７が突設され、固定片１７は支持基板２に接合され定位置に固定される。駆動質量体１１および検出質量体１２と検出ばね１５および連結片１６との間はコ字状のスリット溝１４ｃにより分離されており、スリット溝１４ｂの一端はスリット溝１４ｃに連続する。検出ばね１５はＸ方向に曲げ変形が可能であって駆動質量体１１および検出質量体１２は固定片１７に対してＸ方向に変位可能になっている。

ところで、検出質量体１２は厚み方向に貫通する４個の切抜孔１８を有し、各切抜孔１８の内側にはそれぞれ固定子２０が配置される。固定子２０は、検出質量体１２のＸ方向の両端付近に配置される電極片２１を有し、電極片２１からは櫛骨片２２がＸ方向に延長され、電極片２１と櫛骨片２２とでＬ字状をなす。電極片２１と櫛骨片２２とは支持基板２に接合され、固定子２０は定位置に固定される。切抜孔１８の内周面は固定子２０の外周面の形状に沿った形状であって、固定子２０との間には間隙が形成される。検出質量体１２のＸ方向の両端部には２個ずつの電極片２１が配置される。櫛骨片２２の幅方向の両端面にはそれぞれ多数本の固定櫛歯片２３がＸ方向に列設される。一方、切抜孔１８の内側面であって櫛骨片２２との対向面には、図５に示すように、固定櫛歯片２３にそれぞれ対向する多数本の可動櫛歯片２４がＸ方向に列設される。各固定櫛歯片２３と各可動櫛歯片２４とは互いに離間しており、検出質量体１２がＸ方向に変位する際の固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４との距離変化に伴う静電容量の変化を検出できるようにしてある。

支持基板２において駆動質量体１１との対向面にはアルミニウムのような導電性の金属薄膜からなる固定駆動電極２５（図２参照）が形成してある。一方、支持基板２には、固定片１７に対応する部位と、固定子２０の各電極片２１に対応する部位と、固定駆動電極２５に対応する部位とにそれぞれ透孔２６を形成してある。さらに、図示例ではフレーム１０において取付片１７の近傍部位に、取付片１７を挟む形で一対の接地片１９が形成されており、各接地片１９に対応する部位においても透孔２６が形成される。透孔２６の内周面にはスルーホールメッキと同様にアルミニウムのような導電性の金属薄膜からなる電極配線（図示せず）が形成される。透孔２６は主基板１に近付くほど内径を小さくするテーパ状であって、電極配線は透孔２６の内周面だけではなく主基板１の表面も覆うように形成されている。つまり、透孔２６の一端面は電極配線により閉塞され、電極配線は主基板１の各部位に電気的に接続される。また、電極配線の一部は支持基板２の表面（厚み方向における主基板１との反対面）に延長され、支持基板２の表面に延長された部位は電極パッド２８として機能する。

以下にジャイロセンサの動作を説明する。従来構成として説明したように、ジャイロセンサは駆動質量体１１に規定の振動を与えておき、外力による角速度が作用したときの検出質量体１２の変位を検出するものである。駆動質量体１１を振動させるには固定駆動電極２５と駆動質量体１１との間に正弦波形ないし矩形波形の振動電圧を印加すればよい。振動電圧は、交流電圧が望ましいが、極性を反転させることは必須ではない。駆動質量体１１は駆動ばね１３と検出質量体１２と検出ばね１５と連結片１６とを介して固定片１７に電気的に接続され、支持基板２において固定片１７に対応する部位には透孔２６が形成されており、また固定駆動電極２５に対応する部位にも透孔２６が形成されているから、両透孔２６に対応する電極パッド２８に振動電圧を印加すれば、駆動質量体１１と固定駆動電極２５との間に静電力を作用させて駆動質量体１１を支持基板２およびキャップ３に対してＺ方向に振動させることができる。振動電圧の周波数は、駆動質量体１１および検出質量体１２の質量や駆動ばね１３および検出ばね１５のばね定数などにより決まる共振周波数に一致させれば、比較的小さい駆動力で大きな振幅を得ることができる。

駆動質量体１１を振動させている状態において、主基板１にＹ方向の軸回りの角速度が作用したときに、Ｘ方向にコリオリ力が発生し、検出質量体１２（および駆動質量体１１）は固定子２０に対してＸ方向に変位する。可動櫛歯片２４が固定櫛歯片２３に対して変位すれば、可動櫛歯片２４と固定櫛歯片２３との距離が変化し、結果的に可動櫛歯片２４と固定櫛歯片２３との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は、４個の固定子２０に接続される電極配線から取り出すことができる。すなわち、Ｘ方向において並ぶ各一対の電極片２１の間の静電容量は固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４との距離変化を反映するから、両電極片２１は可変容量コンデンサの電極と等価であって、図示する構成では２個の可変容量コンデンサが形成されるから、各可変容量コンデンサの静電容量をそれぞれ検出したり、両可変容量コンデンサを並列に接続した合成容量を検出したりすることにより、検出質量体１２の変位を検出することができる。駆動質量体１１の振動は既知であるから、検出質量体１２の変位を検出することにより、コリオリ力を求めることができる。

ここに、可動櫛歯片２４の変位は、（駆動質量体１１の質量）／（駆動質量体１１の質量＋検出質量体１２の質量）に比例するから、駆動質量体１１の質量が検出質量体１２の質量に比較して大きいほど可動櫛歯片２４の変位が大きくなり、結果的に感度が向上することになる。本実施形態では上述したように、主基板１に厚み寸法が３００μｍ程度の部位と１５０μｍ程度の部位とを形成しているから、駆動質量体１１を厚み寸法の大きい部位に形成し、検出質量体１２を厚み寸法の小さい部位に形成すればよい。

すなわち、検出質量体１２に形成される可動櫛歯片２４と固定子２０に形成される固定櫛歯片２３との間の間隙は、検出質量体１２に形成される切抜孔１８の内周面と固定子２０の外周面との間の間隙よりも小さいから、図１に示したプロセスをこの部位に適用することによって、固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４との間の小さい間隙を形成する領域において検出質量体１２の厚み寸法を小さくすればよい。この技術を採用することにより、固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４との間の寸法精度と、切抜孔１８の内周面と固定子２０との間の寸法精度とを確保し、しかも検出質量体１２を薄肉化して駆動質量体１１の質量に対して相対的に軽量化することができ、感度を高めることができる。

なお、上述した技術を採用してジャイロセンサを製造するにあたっては、図６（ａ）のように、主基板１に凹所７を形成した後、図６（ｂ）のように主基板１において凹所７を形成した面を支持基板２に接合し、次に図６（ｃ）のように貫通孔４ａ，４ｂを形成する。すなわち、主基板１における支持基板２との対向面に凹所７を形成し、その後、透孔２６を形成した支持基板２に主基板１を接合する。主基板１を支持基板２に接合する際に酸化膜６ｂを除去しておくことはいうまでもない。この状態では、主基板１の各部位（フレーム１０、駆動質量体１１および検出質量体１２、固定子２０）は分離されていないから、主基板１を支持基板２に接合した後に、フレーム１０を分離する溝、スリット溝１４ａ〜１４ｃ、固定子２０を分離する溝を主基板１におけるキャップ３との対向面から形成して各部位に分離する。つまり、貫通孔４ａ，４ｂを形成する。主基板１の各部位を分離した時点では、固定片１７が支持基板２に接合されているから、固定片１７に連続する駆動質量体１１および検出質量体１２は支持基板２に保持されており、また、固定子２０も支持基板２に接合されている。その後、主基板１にキャップ３を接合すれば、駆動質量体１１および検出質量体１２は支持基板２とキャップ３とフレーム１０とに囲まれた空間内に密封される。さらに、支持基板２の透孔２６に電極配線を形成するとともに電極パッド２８を形成することにより、上述したジャイロセンサが形成される。

（実施形態２）
実施形態１では、主基板１に凹所７を形成した後に貫通孔４ａ，４ｂを形成する技術を採用したが、本実施形態では貫通孔４ａ，４ｂを形成した後に凹所７を形成する技術を用いる。すなわち、図７（ａ）に示すように、厚み方向の各一面にそれぞれ酸化膜６ａ，６ｂを形成した主基板１において、一方の酸化膜６ａに開口部８（図１参照）を形成し、この酸化膜６ａをマスクに用いて幅寸法ｗ１，ｗ２（ｗ１＞ｗ２）の異なる貫通孔４ａ，４ｂを反応性イオンエッチングにより形成する。広幅の貫通孔４ａが他方の酸化膜６ｂに到達した時点で反応性イオンエッチングの処理を停止すれば、図７（ａ）のように狭幅の貫通孔４ｂは主基板１を貫通せず、主基板１の厚み寸法ｔ１の中間の深さ寸法ｔ２までしか到達しない。この段階で必要に応じて図７（ｂ）のように主基板１の一部を除去することができる。たとえば、検出質量体１２は可動であって支持基板２に接合しないから、検出質量体１２の厚み寸法を小さくするように主基板１の一部を除去する。ここまでの段階では酸化膜６ｂによって主基板１の全体が連続しているから、主基板１の各部位の位置ずれは生じない。

次に、図７（ｃ）のように、酸化膜６ａを除去し主基板１を支持基板２に接合する。また、酸化膜６ｂにマスクパターンを形成して酸化膜６ｂをマスクに用い、図７（ｄ）のように幅狭の貫通孔４ｂに対応する領域に凹所７を形成する。凹所７は底面が貫通孔４ｂに到達して貫通孔４ｂが凹所７の底面に貫通する深さにする。図７（ｄ）において酸化膜６ｂを除去しているのはキャップ３と接合するためである。他の構成は実施形態１と同様である。

本実施形態の技術を採用すれば、図７（ａ）のように可動部分と固定部分とを分離した上で、可動部分の各部位を分離する前に、図７（ｃ）のように、支持基板２に対して主基板１の各部位を一括して接合することができる。しかも、図７（ｂ）のように可動部分の一部の厚み寸法を適宜に調節することが可能であるから、可動部分の可動範囲を半導体の除去速度に依存することなく任意に設定することが可能になる。

なお、上述した実施形態では、２種類の幅寸法の貫通孔４ａ，４ｂを形成する場合を例としているが、３種類以上の幅寸法の貫通孔を形成することも可能である。この場合、凹所７は幅寸法のもっとも小さい貫通孔に対応するように形成すればよい。

本発明の実施形態１を示す工程図である。 同上により形成されるジャイロセンサの分解斜視図である。 同上により形成されるジャイロセンサの斜視図である。 同上により形成されるジャイロセンサの主基板を示す平面図である。 同上により形成されるジャイロセンサの主基板を示す要部平面図である。 同上の他例を示す工程図である。 本発明の実施形態２を示す工程図である。

符号の説明

１ 主基板
２ 支持基板
３ キャップ
４ａ，４ｂ 貫通孔
６ａ，６ｂ 酸化膜
７ 凹所
８ 開口部

Claims (3)

1. 半導体基板に開口部を有したマスクを設け、開口部の開口幅が大きいほど深さ方向の除去速度が大きくなる加工方法を用いて開口幅の異なる貫通孔を形成する半導体装置の製造方法であって、前記マスクに形成する開口部の開口幅が比較的小さい領域について半導体基板の一面に凹所を形成することにより当該領域の厚み寸法を他の部位よりも小さくする第１過程と、半導体基板の他面に設けた前記マスクを用いて前記加工方法を適用することにより半導体基板の前記一面に到達する貫通孔と前記凹所に到達する貫通孔とを形成する第２過程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１過程の後に前記半導体基板の前記一面を支持基板に接合し、次に前記第２過程を実施することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 半導体基板に開口部を有したマスクを設け、開口部の開口幅が大きいほど深さ方向の除去速度が大きくなる加工方法を用いて開口幅の異なる貫通孔を形成する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の一面に設けた前記マスクを用い開口幅が比較的大きい貫通孔が半導体基板の他面に到達するまで前記加工方法を実施する第１過程と、前記マスクに形成する開口部の開口幅が比較的小さい領域について半導体基板の他面に凹所を形成することにより開口幅が比較的小さい貫通孔を凹所の底面に貫通させる第２過程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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