JP2010225654A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボンディング作業や配線抵抗の低減といった導電体の機能を過度に低下させることなく、寄生容量を低減させる技術を提供する。
【解決手段】この半導体装置は、導電性の基板層と、基板層の表面の一部に積層されている絶縁体ＢＬ２と、絶縁体の表面に積層されているとともに絶縁体の存在範囲を超えて伸びている張り出し部３２０を備えている導電体３００を備えている。この半導体装置は、導電体の張り出し部に、その張り出し部を積層方向に貫通する貫通孔３００ｈが形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、配線路やボンディングパッドが形成されている半導体装置に関する。

ボンディングパッドの一部を除去して寄生容量を低減する技術が提案されている。たとえば特許文献１には、ボンディングパッドを離散的な形状とすることによって、ボンディング面の面積を確保しながらボンディングパッドと基板層との対向面積を低減する技術が開示されている。これによると対向面積が低減することから、ボンディングパッドの寄生容量を低減することができる。たとえば特許文献２には、シリコン基板上に形成した回路群と外部回路とを電気的に接続するパッドに空隙（貫通孔）を形成することによって、パッドと基板層の対向面積を低減してパッドの寄生容量を低減する技術が開示されている。さらに、特許文献３には、配線路の裏側の基板層を除去して対向面を無くす技術が開示されている。

特開平０７−７９０１１号公報 実開平０１−１０４０２９号公報 特開２００８−１６４６２５号公報

しかし、特許文献１、２に開示された技術では、ボンディング面に形成する隙間（欠落部）を大きくすると、ボンディング作業が困難になるという問題に直面する。ボンディング作業をする必要があるために隙間を十分に大きくできないという制約がかかり、寄生容量を十分に低減ことができない。特許文献１、２の技術では、ボンディング作業性と寄生容量の低減との間に、トレードオフの関係が存在する。特許文献３に開示された技術を適用してボンディングパッドの裏側の基板層を除去すれば、ボンディングパッドの寄生容量を低減することができる。しかし、基板層を除去するためには基板層の裏面から基板層の表面にまで及ぶ深い深度のエッチング工程を必要とし、製造工程が長時間化する。さらに、このような問題は、ボンディングパッドに限られない。配線抵抗の低減のために配線路の断面積を確保することと、配線路の寄生容量を低減するために配線路の対向面積を低減することとの間にはトレードオフの問題が存在する。配線路の裏面に位置する基板層を除去してしまえば、そのトレードオフの関係を打破できるが、そうすると基板層を除去するのに長時間のエッチング工程を必要としてしまう。

本発明は、上述の課題を解決するために創作されたものであり、
１）ボンディングの作業性や配線抵抗の低減といったパッドや配線路に要求される機能を過度に低下させないで寄生容量を低減させること、しかも、
２）基板層の除去といった長時間のエッチング作業を実施しないで製造できるパッドや配線路の構造を提供することを目的とする。

本発明は、以下の構成や態様として例示される技術を提供することができる。
第１構成例は、半導体装置に関するものであり、導電性の基板層と、基板層の表面の一部に積層されている絶縁体と、絶縁体の表面に積層されているとともに絶縁体の存在範囲を超えて伸びている張り出し部を備えている導電体を備えている。その導電体が、パッドまたは配線路を提供する。第１構成の半導体装置は、導電体の張り出し部に、その張り出し部を積層方向に貫通する貫通孔が形成されていることを特徴とする。

第１構成例の半導体装置は、絶縁体の存在範囲を超えて伸びている張り出し部を有するので、張り出し部の存在によって導電体の配線抵抗を低減することができる。張り出し部は、絶縁体よりも比誘電率が低い空気や真空を介して基板層に対向するので、張り出し部の存在に伴う寄生容量の増加分を抑制することができる。さらに、張り出し部には貫通孔が形成されているので、その貫通孔からエッチング剤を供給して絶縁体を除去することができる。張り出し部を簡易に形成することができる。エッチング剤を供給するための貫通孔は微小でよく、その後のワイヤボンディ作業に悪影響を及ぼさない大きさに設定することができる。張り出し部は、絶縁体の表面に積層されている固定部から伸びており、絶縁体と固定部によって張り出し部の剛性を確保することもできる。

このような構成によると、張り出し部や固定部の大きさを調整することによって、パッドや配線路に関する寄生容量や配線抵抗の低減や機械的剛性や強度といった要求仕様に対して柔軟に対応することができる。貫通孔の大きさはワイヤボンディイング作業の影響しない程度に微細なものでよく、ワイヤボンディイング作業とのトレードオフの問題を考慮しないでもよい。

第２構成例では、第１構成例の半導体装置の導電体をボンディングパッドに用いる。こうすれば、寄生容量が小さい張り出し部を形成することによってパッドの寄生容量を抑制することができ、しかもボンディング面の面積を確保することができる。さらに、固定部の存在あるいは張り出し部の背後の存在する基板層によってボンディング荷重を十分に受けることも可能である。

第１構成例の半導体装置は、パッドや配線路の配線抵抗の低減と寄生容量の低減とを両立させることができる。しかも、基板層を除去する必要がないことから、簡単な製造プロセスで製造することができる。第２構成例の半導体装置は、ボンディングパッドのボンディング作業の容易性の確保と寄生容量の低減とを両立させることができる。

本発明の第１実施例に係るボンディングパッド３００を有する半導体装置１０の構成を示す説明図。 第１実施例に係るボンディングパッド３００の構成を示す断面図。 第１実施例に係る半導体装置１０の製造方法の工程を示すフローチャート。 第１実施例の製造方法でボンディングパッド３００が形成される各工程の様子を示す説明図。 第１実施例の製造方法でボンディングパッド３００が形成される各工程の様子を示す説明図 第１実施例の製造方法でボンディングパッド３００が形成される各工程の様子を示す説明図。 本発明の第２実施例に係るボンディングパッド３００ａの製造方法の工程を示すフローチャート。 第２実施例の製造方法でボンディングパッド３００ａが形成される各工程の様子を示す説明図。 第２実施例の製造方法でボンディングパッド３００ａが形成される各工程の様子を示す説明図。 本発明の第３実施例に係るボンディングパッド３００ｂの製造方法の工程を示すフローチャート。 第３実施例の製造方法でボンディングパッド３００ｂが形成される各工程の様子を示す説明図。 第３実施例の製造方法でボンディングパッド３００ｂが形成される各工程の様子を示す説明図。 第３実施例の製造方法でボンディングパッド３００ｂが形成される各工程の様子を示す説明図。 変形例に係るボンディングパッド３００ｃを有する半導体装置１０ｃの構成を示す説明図。 変形例に係るボンディングパッド３００ｃを有する半導体装置１０ｃの構成を示す断面図。

本発明は、たとえば以下の特徴を単独あるいは組み合わせて備えることによって好ましい形態として実現することもできる。
（特徴１）配線路やボンディングパッドといった導電体は、ＳＯＩ基板の活性層から構成されている。
（特徴２）金属膜の形成工程では、埋め込み酸化膜の厚さよりも薄い金属堆積物ＭＤを形成する。（特徴３）活性層と支持基板とが埋め込み酸化膜で接続されている範囲（支持部）と、活性層と支持基板の間に空間が形成されている範囲(張り出し部)が、混在している。貫通孔のピッチと、支持部と張り出し部の繰り返し長が対応している。

以下では、上述の特徴を踏まえて本発明の作用や効果を明確に説明するために、本発明の実施の形態を、次のような順序に従って説明する。
Ａ．本発明の第１実施例に係るボンディングパッドの構成と製造方法：
Ｂ．本発明の第２実施例に係るボンディングパッドの構成と製造方法：
Ｃ．本発明の第３実施例に係るボンディングパッドの構成と製造方法：
Ｄ．変形例：

Ａ．本発明の第１実施例に係るボンディングパッドの構成と製造方法：
図１は、本発明の第１実施例に係るボンディングパッド３００を有する半導体装置１０の構成を示す説明図である。半導体装置１０は、説明を分かりやすくするために簡単な構造として例示されている。しかし、現実の半導体装置は、大きな面積（たとえば１５０μｍ角程度）を有するボンディングパッドと多数の配線とを備え、極めて複雑な構造を有している。このような複雑な構成においては、ボンディングワイヤ同士が相互に接触しないように多数のボンディングパッドが半導体チップの周辺に配置されることになる。

図２は、本発明の第１実施例に係るボンディングパッド３００の構成を示す断面図である。半導体装置１０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板から構成されている。ＳＯＩ基板は、活性層（導電体の一例）と支持基板５００（基板層の一例）との間に埋め込み酸化膜（ＳｉＯ_２、絶縁体の一例）を挿入した構造の基板である。なお、本実施例では、活性層は、ボンディングパッド３００や配線路（後述）が形成される層なので配線層ＷＬ１とも呼ばれる。

配線層ＷＬ１には、図２に示されるように、ボンディングパッド３００が形成されている。配線層ＷＬ１には、図１に示されるように、ボンディングパッド３００と一体に半導体センサ素子要素１００も形成されている。ボンディングパッド３００には、５個のエッチング孔３００ｈ（貫通孔の一例）が形成されている。各エッチング孔３００ｈの周囲においては、図２に示されるように、埋め込み酸化膜の一部が除去されてアンダーカット２００ｖと呼ばれる空隙形状が形成された埋め込み酸化膜ＢＬ２が形成されている。アンダーカット２００ｖは、ボンディングパッド３００において、埋め込み酸化膜ＢＬ２に積層（支持）された固定部３１０と、エッチング孔３００ｈから固定部３１０の間において埋め込み酸化膜ＢＬ２の存在範囲を超えて伸びる張り出し部３２０とを形成している。換言すれば、張り出し部３２０にエッチング孔３００ｈが形成されている。

半導体センサ素子要素１００は、複数のエッチング孔１００ｈを有するマス部１１０と、４個の弾性支持部１２１〜１２４と、３個の素子側端子１３１〜１３３とを有している。マス部１１０および弾性支持部１２１〜１２４は、それらの領域において埋め込み酸化膜ＢＬが除去されて支持基板５００から遊離している。一方、素子側端子１３１〜１３４は、埋め込み酸化膜ＢＬ２が残存して支持基板５００に固定されている。このような構成は、以下の各製造方法で製造できることが本願発明者によって見出された。半導体センサ素子要素は、半導体センサ素子の一部を構成する要素である。本実施例では、説明を簡単にするために半導体センサ素子の他の要素を省略して説明する。

図３は、本発明の第１実施例に係る半導体装置１０の製造方法の工程を示すフローチャートである。図４乃至図６は、この製造方法においてボンディングパッド３００が形成される各工程の様子を示す説明図である。この製造方法は、ＳＯＩ基板を使用する製造方法である。ＳＯＩ基板は、活性層と支持基板ＳＬとの間に埋め込み酸化膜ＢＬ１（図４）が挿入された構造を有している。

ＳＯＩ基板は、活性層並びに支持基板ＳＬのいずれもが単結晶シリコンで形成することができるので、高精度のデバイスを高い歩留まりで安定的に製造することができる。加えて、ＳＯＩ基板を利用すれば、たとえばプロセスに固有のノウハウを必要とするため実施化が困難なポリシリコンＭＥＭＳと異なり、このようなノウハウなしで実施化が可能であるという利点をも有している。ただし、必ずしもＳＯＩ基板を利用する必要はなく、他のウェハを利用するようにしてもよい。

なお、他のウェハを利用する場合には、たとえば支持基板ＳＬを不導体として寄生容量を大きく低減することも可能である。ただし、支持基板ＳＬを導電体とすれば、支持基板ＳＬを利用する配線ルートを利用することができるとともに、たとえば支持基板ＳＬを接地して電磁干渉を抑制することできるという利点を有する。

ステップＳ１００では、活性層エッチングがＳＯＩ基板に対して行われる。活性層エッチングとは、図４に示されるように、レジスト（図示省略）が塗布されていない部分にエッチングを施し、レジスト（図示省略）が塗布された範囲において配線層を残存させることによって、ボンディングパッド３００と半導体センサ素子要素１００とが残存した構造、すなわち形成された配線層ＷＬ１を製造する工程である。

ステップＳ２００では、犠牲層エッチングが行われる。犠牲層エッチングは、図５に示されるように、活性層エッチング（ステップＳ１００）で配線層ＷＬ１が除去されることによって埋め込み酸化膜ＢＬ１が露出した部分から埋め込み酸化膜ＢＬ１を除去し、これにより残存する埋め込み酸化膜ＢＬ２を形成する処理である。

犠牲層エッチングは、たとえば等方エッチングを施すことによって、アンダーカット２００ｖを形成するように実行される。アンダーカット２００ｖは、エッチング孔３００ｈの周囲で埋め込み酸化膜ＢＬ１が除去されることによって、ボンディングパッド３００と支持基板ＳＬとの間の空隙として形成される。換言すれば、アンダーカット２００ｖは、前述のように、ボンディングパッド３００において、埋め込み酸化膜ＢＬ２に積層された固定部３１０と、エッチング孔３００ｈから固定部３１０の間において埋め込み酸化膜ＢＬ２の存在範囲を超えて伸びる張り出し部３２０とを形成するとも言える。

一方、マス部１１０や弾性支持部１２１〜１２４は、ボンディングパッド３００と異なり、それらの領域において埋め込み酸化膜ＢＬが除去されて支持基板ＳＬから遊離している。ボンディングパッド３００と相違するのは、マス部１１０に形成されたエッチング孔１００ｈのピッチＰ１（図１）がボンディングパッド３００に形成されたエッチング孔３００ｈのピッチＰ２よりも小さく、弾性支持部１２１〜１２４がピッチＰ１に相当する幅しか有しないからである。この相違を利用して、ピッチＰ１においては埋め込み酸化膜が全て除去され、ピッチＰ２においては埋め込み酸化膜が一部残存するようにエッチング条件を設定することによって、このような埋め込み酸化膜の構成上の相違を実現しているのである。

このようにしてボンディングパッド３００と支持基板ＳＬとの間に形成されたアンダーカット２００ｖは空隙なので、ボンディングパッド３００と支持基板ＳＬとの間における比誘電率を小さくして静電容量を低減させるという効果を奏することができる。具体的には、このような構成とすることによって、たとえば埋め込み酸化膜（ＳｉＯ２）の比誘電率「４」を大気の比誘電率「１」まで低減させることができることが本願発明者によって見出された。

ステップＳ３００では、ワイヤボンディングが行われる。ワイヤボンディングとは、半導体装置１０上のボンディングパッド３００と外部とを非常に細い電線であるボンディングワイヤ７００で接続することである。ボンディングワイヤ７００の両端はハンダ付けではなく、押し付けて接合する(圧着)方式によって圧着部７１０が形成される。圧着方式の接合においては、ボンディングパッド３００に印加された圧縮荷重（ボンディング荷重）は、固定部３１０を介して支持基板ＳＬに伝達されることになる。埋め込み酸化膜ＢＬ２は、圧縮荷重に対して強い強度と剛性を有するので、固定部３１０の大きさを十分に小さくして、アンダーカット２００ｖを確保することができることが本願発明者によって見出された。

このように、第１実施例では、ボンディングパッド３００に形成されているエッチング孔３００ｈの周囲にアンダーカット２００ｖが形成されている。これにより、ボンディング面の隙間を大きくするとボンディング作業が困難になるというトレードオフの問題を解消している。具体的には、以下のような効果を奏することができる。
（１）エッチング孔３００ｈの周囲にアンダーカット２００ｖを形成することによって、ボンディングパッド３００と支持基板５００（支持基板ＳＬ）との間における比誘電率を小さくして静電容量を小さくすることができる。
（２）ボンディング面の隙間として十分に小さなエッチング孔３００ｈを形成し、ボンディング作業性が良い、広いボンディング面を確保することができる。
（３）ボンディングパッド３００と支持基板５００とを相互に支持する固定部３１０を残存させることによって、ボンディングパッド３００がボンディング荷重を十分に受けることができる。
（４）固定部３１０は、さらにボンディングパッド３００と支持基板５００との間の間隔の変動を抑制して寄生容量の変動を抑制することもできる。

Ｂ．本発明の第２実施例に係るボンディングパッドの構成と製造方法：
図７は、本発明の第２実施例に係るボンディングパッド３００ａの製造方法の工程を示すフローチャートである。図８および図９は、第２実施例の製造方法でボンディングパッド３００ａが形成される各工程の様子を示す説明図である。ボンディングパッド３００ａは、図８に示されるように、第１実施例に係るボンディングパッド３００の接合面に金属膜ＭＬが形成されている点で第１実施例のボンディングパッド３００と相違し、他を共通とする。第２実施例の製造方法は、金属膜成形（ステップＳ２１０）の工程が追加されているとともに、ワイヤボンディング（ステップＳ３００ａ）の工程の内容が変更されている点で相違する。

金属膜成形（ステップＳ２１０）の工程は、図７に示されるように、犠牲層エッチング（ステップＳ２００）の工程の後に実行されている。金属膜成形は、本実施例では、たとえばスパッタリングといった成膜法によって実現することができる。これにより、図８に示されるように、ボンディングパッド３００の接合面に金属膜ＭＬが形成されて第２実施例のボンディングパッド３００ａが構成されることになる。

ただし、スパッタリングや蒸着法では、図８に示されるように、エッチング孔３００ｈを通して、金属堆積物ＭＤが支持基板５００に堆積する。金属堆積物ＭＤは、金属膜ＭＬと短絡するとボンディングパッド３００ａと支持基板５００との間の短絡を招くことになる。このため、例えば従来技術のように、アンダーカットを前提としないボンディングパッド３００に隙間（本実施例では、エッチング孔３００ｈ）を形成する技術においては、ボンディングパッド３００に対して簡易に金属膜を形成することができない。しかしながら、本願発明者は、アンダーカット２００ｖを利用することによって、たとえば金属堆積物ＭＤの高さを埋め込み酸化膜ＢＬ２の厚さよりも低くするようにスパッタリングを制御すれば、短絡を防止することができることを見出したのである。

ワイヤボンディング（ステップＳ３００ａ）の工程は、図９に示されるように、金属膜ＭＬ上にワイヤボンディングが行われる点で第１実施例のワイヤボンディング（ステップＳ３００）と相違する。

このように、第２実施例では、ボンディングパッド３００ａに貫通孔（エッチング孔３００ｈ）を形成する技術において、出願時の技術常識に反してアンダーカット２００ｖの形成を利用することによって金属膜の形成を可能にしているのである。

Ｃ．本発明の第３実施例に係るボンディングパッドの構成と製造方法：
図１０は、本発明の第３実施例に係るボンディングパッド３００ｂの製造方法の工程を示すフローチャートである。第３実施例の製造方法は、金属膜成形（ステップＳ１１０）の工程が、犠牲層エッチング（ステップＳ２００）の工程の前に実行されているとともに、金属膜成形（ステップＳ１１０）の工程の内容が変更されている点で第２実施例の製造方法と相違し、他を共通とする。

図１１乃至図１３は、第３実施例の製造方法でボンディングパッド３００ｂが形成される各工程の様子を示す説明図である。金属膜成形（ステップＳ１１０）の工程は、図１１に示されるように、ボンディングパッド３００上にのみ領域を制限して行われ、埋め込み酸化膜ＢＬ１上には行われないように構成されているので、金属堆積物ＭＤが形成されない。これにより、図１２に示されるように、犠牲層エッチング（ステップＳ２００）の工程の後においても、金属堆積物ＭＤが残存することが無いことが分かる。ワイヤボンディング（ステップＳ３００ａ）の工程は、図１３に示されるように、第２実施例と同様に実行することができる。

このように、第３実施例では、第１実施例のボンディングパッド３００上にのみ金属膜が成形され、その後に犠牲層エッチングを行うことによって、金属膜を有するボンディングパッド３００ｂの構成を実現している。この構成は、ボンディングパッド３００ｂと支持基板５００との間の絶縁性を高い信頼性で実現することができるという利点を有している。

Ｄ．変形例：
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。具体的には、たとえば以下のような変形例も実施可能である。

Ｄ−１．第１変形例：上述の各実施例では、ボンディングパッドに対して本願発明が適用されているが、図１４に示されるように、たとえば配線路２００を有する構成においてもエッチング孔２００ｈを形成することによって適用することができる。これにより、配線路２００の配線抵抗を低減するとともに、寄生容量を低減させることができる。本願発明は、ボンディングパッドだけでなく、配線路といった電流を流す機能と寄生容量の低減が要請される「導電体」に対して広く適用することができる。

Ｄ−２．第２変形例：上述の各実施例では、ボンディングパッドの図心位置にエッチング孔が形成されているが、図１４に示されるように、たとえば図心位置を外してエッチング孔を形成するように構成しても良い。こうすれば、図１５に示されるように、ボンディング荷重をボンディングパッドの図心位置で受けることができるので、ボンディング作業の円滑化やアンダーカット（空隙）の拡大に資することができるという利点を有している。

Ｄ−３．第３変形例：上述の実施例や変形例では、加速度センサ素子が使用されているが、たとえば角速度センサ、ピエゾ加速度センサ、走査トンネル顕微鏡の探針といった受動素子、あるいはスイッチミラーのような能動素子を使用する構成にも本発明は適用することができる。これらのデバイスは、たとえば前述のようにマイクロメカニカル構造体（ＭＥＭＳ）といった実装技術によって実現することができる。ただし、本発明は、配線の寄生容量を低減することができるので、静電容量の変化に応じて計測する加速度センサや角速度センサといった静電容量を検出して計測する慣性センサを搭載する半導体装置において顕著な効果を奏する。

Ｄ−４．第４変形例：上述の各実施例では、正方形のエッチング孔が升目状に形成されたメッシュ構造が採用されているが、たとえば丸型等の他の形状のエッチング孔が升目状に形成されたメッシュ構造を採用してもよい。さらに、メッシュ構造に限られず、たとえば長方形のエッチング孔が一列に形成されたスリット構造のような他の構造を採用しても良い。

１０、１０ｃ…半導体装置
１２１-１２４…弾性支持部
１３１-１３４…素子側端子
１３１-１３３…素子側端子
１００…半導体センサ素子要素
１００ｈ、２００ｈ、３００ｈ…エッチング孔
１１０…マス部
２００…配線路
２００ｖ…アンダーカット
３００、３００ａ、３００ｂ、３００ｃ…ボンディングパッド
３１０…固定部
３２０…張り出し部
５００…支持基板
７００…ボンディングワイヤ
７１０…圧着部
ＢＬ１、ＢＬ２…埋め込み酸化膜
ＭＬ…金属膜
ＷＬ１…配線層

Claims (2)

1. 導電性の基板層と、
   前記基板層の表面の一部に積層されている絶縁体と、
   前記絶縁体の表面に積層されているとともに前記絶縁体の存在範囲を超えて伸びている張り出し部を備えている導電体と、
   を備え、
   前記導電体の前記張り出し部に、前記張り出し部を積層方向に貫通する貫通孔が形成されていることを特徴とする導体装置。
2. 前記導電体が、ボンディングパッドである請求項１記載の半導体装置。

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