JP5598515B2 - 物理量センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
<物理量センサの構造>
図1は物理量センサ100を分解した状態を示す分解斜視図である。図1では物理量センサ100の面内に直交する2軸(X軸とY軸)を設定し、この2軸に垂直な方向をZ軸と定めている。物理量センサ100は、半導体基板Wを、その上下に位置する第1支持基板140と第2支持基板150とで挟んで構成されている。半導体基板Wは、シリコン膜110、BOX層120、シリコン基板130が順に積層して構成される。半導体基板Wは後述するような製造工程により、半導体基板Wの内側を刳り貫いたような開口を有する枠状のフレーム(フレーム部111とフレーム部131とを含む)と、このフレーム内に可撓性を有する可撓部113(113a〜113d)により変位可能に支持される錘部(錘接合部112と錘部132とを含む)とが、一体的に構成され、物理量を検出するセンサ部を形成している。さらにフレームに半導体基板Wの上下を貫通して導通が確保された貫通配線部P(P1〜P10)を有する(図面の見易さのため、ここでは図示せず)。
次に、物理量センサ100の配線及び電極について説明する。図5は、図1に示した物理量センサ100のA−A線から見た断面図であり、物理量センサ100における6組の容量素子を示す図である。図5では錘部が電極として機能する部分をハッチングで示している。なお、図5では6組の容量素子を図示しているが、上述の物理量センサ100には、図2(A)(B)に示したように10組の容量素子が形成される。
上述したように、この物理量センサ100では、錘接合部112と錘部132(132a〜132e)が一体形成された錘部が、フレーム部111から延びる可撓性を有する可撓部113により支持され、第1支持基板140、第2支持基板150、半導体基板Wにより囲まれた空間内で変位できるように構成されている。
以下、物理量センサ100の製造方法について図6(A)〜図6(D)と図7(A)〜(C)を参照しながら説明する。
(1)半導体基板Wの準備(図6(A)参照)
シリコン膜110、BOX層120、シリコン基板130を積層してなる半導体基板W(SOI基板)を用意する。上述したように、シリコン膜110は、フレーム部111、錘接合部112、可撓部113を構成する層である。BOX層120は、シリコン膜110とシリコン基板130とを接合する層であり、かつエッチングストッパ層として機能する層である。シリコン基板130は、フレーム部131、錘部132を構成する層である。半導体基板Wは、SIMOXないし、貼り合せ法等により作成される。
フレーム部111、錘接合部112、可撓部113、開口114、貫通孔170を加工するためのマスクを形成し、該マスクを介してシリコン膜110をエッチングすることにより、フレーム部111、錘接合部112、可撓部113、開口114を形成する。エッチング方法として、RIE(Reactive Ion Etching)法を用いることができる。
所定のマスクが形成されたシリコン基板130をエッチングすることにより、フレーム部131、錘部132、貫通孔170、ギャップ190それぞれの加工位置を決める開口を形成し、シリコン基板130を形成する。エッチング方法として、DRIE(Deep Reactive Ion Etching)と呼ばれているエッチング方法を用いることができる。DRIEでは材料層を厚み方向に浸食しながら掘り進むエッチング工程と、掘った穴の側面にポリマーの壁を形成するデポジション工程とを交互に繰り返し、ほぼ厚み方向にのみ浸食を進ませることが可能になる。この場合、酸化シリコンとシリコンとでエッチング選択性を有するエッチング材料を用いればよい。例えば、エッチング段階では、SF6ガス、およびO2ガスの混合ガスを、デポジション段階では、C4F8ガスを用いることが考えられる。
シリコン膜110とシリコン基板130に対して不要なBOX層120をエッチングする。これによりフレーム部111とフレーム部131の間と、錘接合部112と錘部132の間にのみ必要なBOX層120a,120b(図2(B)参照)が残される。エッチング方法として、バッファド弗酸(例えば、HF=5.5wt%、NH4F=20wt%の混合水溶液)をエッチング液として用いるウェットエッチングを挙げることができる。また、CF4ガスとO2ガスとの混合ガスを用いたRIE法によるドライエッチングも適用可能である。
シリコン膜110とBOX層120bを貫通する開口114(図6(D)参照)に対して、例えば、Alを蒸着法やスパッタ法等により堆積させて、導通部160〜161を形成する。シリコン膜110の上面に堆積した不要な金属層(導通部160〜161の上端の縁(図示せず)の外側の金属層)はエッチングで除去する。
貫通配線部Pは、以下の1)〜2)によって行われる。
1)絶縁層171の形成
貫通孔170の内部および、シリコン膜110とシリコン基板130の各表面の所定領域に絶縁層171を形成する。絶縁層171としては、例えば、シリコン酸化物(SiO2)、あるいはシリコン窒化物(Si3N4)等を用いることができる。シリコン酸化物の場合には、熱酸化法、CVD(Chemiclal Vapaor Deposition)法を用いることができる。また、シリコン窒化物の場合にはCVD法を用いることができる。本実施の形態では、シリコン酸化物をCVD法により貫通孔170の内部および、シリコン膜110とシリコン基板130の各表面(上面と下面)に対して絶縁膜171を0.5μmの厚さで堆積させた(図4参照)。その後、シリコン膜110とシリコン基板130の各表面の不要な絶縁層171はドライフィルムレジストのマスクを用いたエッチングによりパターニング(除去)する。
貫通孔170内部に導電性を有する導電層172を配設する場合、貫通孔170の内壁への成膜を考慮するとCVD(Chemical Vapaor Deposition)法あるいは電解めっき法を用いることが好ましい。例えば、CVD法により貫通孔170の内壁および、シリコン膜110とシリコン基板130の各表面に対して多結晶シリコン(Poly−Si)からなる導電層172を0.5μmの厚さで堆積させた(図4参照)。シリコン膜110とシリコン基板130の各表面(上面と下面)において導電層172が不要な部分(図示せず)についてはレジストなどにより保護しておき、貫通孔170に導電層172を形成した後、リフトオフして不要な導電層を除去する。導電層172としては、多結晶シリコン以外に、例えば、金属材料(Ti,Cuなど)を用いることができる。この場合、後の第1支持基板140と第2支持基板150との接点には多結晶シリコン、Al等を成膜しておく。以上の製造方法により、半導体基板Wには貫通配線部P(P1〜P10)が形成される。
第1支持基板140および第2支持基板150の接合は、以下の1)〜4)に示す工程により行われる。
第1支持基板140は、ガラス材料、半導体、金属材料、絶縁性樹脂材料のいずれかより構成される。第1支持基板140としてガラス材料を用いる場合について説明する。可動イオンを含むガラス基板(いわゆるパイレックス(登録商標)ガラス)を用いる。第1支持基板140をガラス材料から構成する場合、例えば、可動イオンを含むガラス基板をエッチングして凹部143を形成する。次いで、凹部143内の錘接合部112a〜112eにそれぞれ対向する位置に駆動用電極144a、検出用電極144b〜144e、及び配線L1,L3〜L6を、例えば、Alからなるパターンによって形成する(図3(A)参照)。
第2支持基板150としては、前述した第1支持基板140と略同様の材料を用いることができる。本実施の形態では、第2支持基板150としてガラス基板を用いた場合について説明する。可動イオンを含むガラス基板の錘部132a〜132eにそれぞれ対向する位置に、駆動用電極154a、検出用電極154b〜154e、及び配線L2、L8〜L11を、例えば、Alからなるパターンによって形成する(図3(B)参照)。また、第2支持基板150をエッチングあるいはサンドブラストして、配線用端子T1〜T11を形成するためのテーパ状の錐状貫通孔を貫通配線部P1〜P10及び導通部160にそれぞれ対応する位置に11個形成する(図7(C)、図3(C)参照)。
第1支持基板140および第2支持基板150と半導体基板Wとを、陽極接合により接合する。
第2支持基板150の上面及び錐状貫通孔内に、例えば、Cr層、Au層の順に金属層を蒸着法やスパッタ法等により形成する。不要な金属層(配線用端子T(T1〜T11)の上端の縁の外側の金属層)をエッチングにより除去し、配線用端子T1〜T11を形成する(図7(C)、図3(C)参照)。配線用端子T1〜T11は、半導体基板Wとの接合前に形成しておいてもよい。
互いに接合された半導体基板W、第1支持基板140、及び第2支持基板150をダイシングソー等で切断し、個々の物理量センサ100に分離する。以上のように物理量センサ100が製造できる。
支持基板として半導体材料を用いる場合について説明する。半導体材料としては半導体基板Wと略同様の材料であるシリコン基板を用いることが好ましい。シリコン基板(図示せず)の錘接合部112あるいは錘部132と対向する面に絶縁層(例えば、シリコン酸化物)を備えた基板を用いる。このシリコン基板と半導体基板Wとの接合は、プラズマ接合法等の直接接合法を用いることができる。あるいは、支持基板側には絶縁層上にCr,Au(もしくはAu−Sn,Ag−Sn)の順に、接合部材の一部を所定領域に形成する。センサ側(フレーム部111およびフレーム部131の表面に露出する導電層172上)には、Ti,Auの順に接合部材の一部を形成しておき、Au−Auなどのメタル接合を用いることにより、支持基板としてのシリコン基板と半導体基板Wとを接合することができる。
支持基板として金属材料を用いる場合について説明する。金属材料としてはステンレス、インバーなどを用いることができる。金属板(図示せず)の錘接合部112あるいは錘部132と対向する面に絶縁層(例えば、絶縁性樹脂、シリコン酸化物)を備えた基板を用いる。この金属板と半導体基板Wとの接合はメタル接合を用いることができる。これはセンサ側(フレーム部111およびフレーム部131の表面に露出する導電層172上)に、例えば、Ti,Auの順に接合部材の一部を形成する。金属板側には絶縁層上にCr,Au(もしくはAu−Sn,Ag−Sn)の順に、接合部材の一部を所定の領域に形成する。次いで、センサ側のAuと、金属板側のAuとを接点にメタル接合を行う。支持基板として金属板を用いた場合には、材料強度の関係から50μm以下の厚みのものを用いることができ、センサの薄型化を図ることができる。なお、支持基板として金属材料を用いる場合は、配線用端子Tに相当する錐状貫通孔をエッチングなどにより穿設した後、錐状貫通孔内壁に絶縁層を形成する必要がある。
支持基板として絶縁性樹脂材料を用いる場合について説明する。絶縁性樹脂材料としてはポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などを用いることが好ましい。この支持基板と半導体基板Wとの接合はメタル接合を用いることができる。これはフレーム部111およびフレーム部131の表面に露出する導電層172上に、例えば、Ti,Auの順に接合部材の一部を形成する。絶縁樹脂基板側には絶縁層上にCr,Au(もしくはAu−Sn,Ag−Sn)の順に、接合部材の一部を所定の領域に形成する。次いで、センサ側のAuと、絶縁樹脂基板側のAuとを接点にメタル接合を行う。
上記物理量センサ100により検出される加速度と角速度の変位信号を処理する各処理回路の構成例について図8を参照して説明する。
Claims (7)
- フレーム部と、前記フレーム部の内側に配置された錘部と、前記錘部と前記フレーム部とを接続する可撓部と、を備えた半導体基板と、
前記フレーム部の一方の側に接合された第1支持基板と、
前記フレーム部の他方の側に接合された第2支持基板と、
前記第1支持基板と前記第2支持基板の少なくとも一方に設けられ、前記第1支持基板又は前記第2支持基板の一方の側と他方の側を導通する配線用端子と、
前記第1支持基板上に設けられ、前記錘部と対向する第1電極と、
前記第2支持基板上に設けられ、前記錘部と対向する第2電極と、を備え、
前記フレーム部には前記フレーム部の一方の側と他方の側を導通する貫通配線部が配設され、
前記貫通配線部は、前記フレーム部の一方の側と他方の側を貫通する貫通孔と、前記貫通孔の内壁面及び前記貫通孔の両側の開口周辺領域に形成された絶縁層と、前記絶縁層を介して前記貫通孔の内壁面及び前記貫通孔の両側の開口周辺領域に形成された導電層とを有し、前記導電層により前記貫通配線部と前記配線用端子とは電気的に接続され、
前記フレーム部の前記貫通配線部が配設された外側領域には、前記フレーム部の外周に沿って前記フレーム部と前記第1支持基板及び前記第2支持基板を接合可能な材料からなる接合部材が設けられていることを特徴とする物理量センサ。 - 前記接合部材は、前記導電層と同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の物理量センサ。
- 前記接合部材の高さは、前記絶縁層と前記導電層を含む高さと略等しいことを特徴とする請求項1に記載の物理量センサ。
- 半導体基板に、フレーム部と、前記フレーム部の内側に配置される錘部と、前記錘部と前記フレーム部とを接続する可撓部と、を形成し、
前記フレーム部の一部領域に、前記フレーム部の一方の側と他方の側を貫通する貫通孔を形成し、
前記貫通孔の内壁面及び前記貫通孔の両側の開口周辺領域に絶縁層と、前記絶縁層を介して導電層とを形成し、前記フレーム部の一方の側と他方の側を導通する貫通配線部を形成し、
前記フレーム部の一方の側と接合される第1支持基板上に、第1電極と、前記第1電極と電気的に接続される配線を形成し、
前記フレーム部の他方の側と接合される第2支持基板上に、第2電極と、前記第2電極と電気的に接続される配線を形成し、
前記錘部と前記第1電極とを対向させて前記第1支持基板と前記フレーム部の一方の側とを接合し、
前記錘部と前記第2電極とを対向させて前記第2支持基板と前記フレーム部の他方の側とを接合し、
前記第1支持基板と前記第2支持基板の少なくとも一方に設けられ、前記第1支持基板又は前記第2支持基板の一方の側と他方の側を導通する配線用端子を形成し、
前記第1支持基板と前記第2支持基板に形成された前記配線を介して前記貫通配線部と前記配線用端子部とを電気的に接続し、
前記フレーム部の両側の外側領域に外周領域には、前記外周に沿って、前記フレーム部と前記第1支持基板及び前記フレーム部をそれぞれ接合可能な材料からなる接合部材を形成することを特徴とする物理量センサの製造方法。 - 前記接合部材は、前記導電層と同じ材料で形成することを特徴とする請求項4に記載の物理量センサの製造方法。
- 前記接合部材を、前記フレーム部の上面及び下面に形成された絶縁層と導電層を含む高さと略等しい高さに形成することを特徴とする請求項4に記載の物理量センサの製造方法。
- 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の物理量センサと、
前記物理量センサにより検出される物理量検出信号を処理する処理回路と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
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