JP2016022550A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法、特に、減圧状態で密閉されたキャビティを有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a cavity sealed in a reduced pressure state and a manufacturing method thereof.
近年、1つの基板上にミクロンサイズの機械構造部からなる微小電気機械システム(Micro Electro Mechanical System、以下MEMSと称する)と電子回路とが集積されたデバイスが、小型・高機能で省エネルギー性に優れた高付加価値デバイスとして情報通信、医療、自動車等多用な産業分野において注目されている。 2. Description of the Related Art In recent years, a device in which a micro electro mechanical system (hereinafter referred to as “MEMS”) consisting of a micron-sized mechanical structure and an electronic circuit is integrated on a single substrate is small and highly functional with excellent energy saving. As a high value-added device, it is attracting attention in various industrial fields such as information communication, medical care, and automobiles.
こうしたMEMSデバイスの中には、非常に低い圧力環境下での封止(いわゆる真空封止)を必要とするものがある。 Some of these MEMS devices require sealing under a very low pressure environment (so-called vacuum sealing).
例えば、非冷却型赤外線センサは、集光した赤外線の吸収によって発生した熱を電気信号に変換するデバイスであるが、検出感度を高めるには赤外線検出部と外部との断熱性を高めることが重要となる。具体的には、赤外線検出部で発生した熱がセンサ部の周囲に存在する気体によって放熱することを防ぐため、赤外線センサ部をできるだけ低い圧力で封止することが望ましい。 For example, an uncooled infrared sensor is a device that converts heat generated by absorption of collected infrared light into an electrical signal. To increase detection sensitivity, it is important to improve heat insulation between the infrared detector and the outside. It becomes. Specifically, it is desirable to seal the infrared sensor unit with as low a pressure as possible in order to prevent heat generated in the infrared detection unit from being dissipated by gas existing around the sensor unit.
また、微小な駆動部を具備する慣性センサやMEMS共振器においては、センサ部周囲の雰囲気に気体が存在するとダンピング効果によって動作が減衰するため、駆動部周囲をできるだけ低い圧力にして封止することが要求される。 In addition, in inertial sensors and MEMS resonators equipped with minute driving parts, the operation is attenuated by the damping effect when gas is present in the atmosphere around the sensor parts. Is required.
そこで、こうした真空封止を実現する方法として、例えば、センサが形成されているウエハ上に封止のためのカバー用ウエハを陽極接合、直接接合、共晶結合または接着剤による接合などの接合技術を用いて減圧雰囲気中で貼り合わせることによって封止する方法がとられている。 Therefore, as a method for realizing such vacuum sealing, for example, a bonding technique such as anodic bonding, direct bonding, eutectic bonding, or bonding of a cover wafer for sealing on a wafer on which a sensor is formed is performed. The method of sealing by sticking together in a reduced-pressure atmosphere is used.
しかしながら、このような封止方法はカバー用のウエハを別途作製する必要がある上、カバー用のウエハとセンサ部が形成されているウエハとを高精度に張り合わせる工程が必要となるため、必然的に製造コストが高くなる問題があった。 However, such a sealing method requires a separate process for bonding the cover wafer and the wafer on which the sensor portion is formed, since it is necessary to separately produce a cover wafer. In particular, there is a problem that the manufacturing cost becomes high.
この問題を解決するため、基板上に形成されたセンサ部の周囲に犠牲膜を成膜し、該犠牲膜の上にカバーとなる膜を成膜してこれに貫通孔を形成し、この貫通孔を介して犠牲膜を除去することによって空間部分を形成し、最後に減圧化学気相成長(Low Pressure Chemical Vapor Deposition、以下LPCVDと称する)法によって形成した被覆膜によって貫通孔を塞ぎ、空間部分を封止する手法が提案されている。この製造方法を用いることで、被覆膜形成時にLPCVD雰囲気と同程度の減圧状態で封止することができるという効果がある(例えば、特許文献1)。 In order to solve this problem, a sacrificial film is formed around the sensor portion formed on the substrate, a film serving as a cover is formed on the sacrificial film, and a through hole is formed in the sacrificial film. A space portion is formed by removing the sacrificial film through the hole, and finally the through-hole is closed by a coating film formed by a low pressure chemical vapor deposition (hereinafter referred to as LPCVD) method. A method for sealing the part has been proposed. By using this manufacturing method, there is an effect that sealing can be performed in a reduced pressure state similar to the LPCVD atmosphere when forming the coating film (for example, Patent Document 1).
以下、特許文献1に開示された半導体装置について、図6に示す断面模式図を参照しながら説明する。
Hereinafter, the semiconductor device disclosed in
図6に示すように、従来の半導体装置においては、シリコンからなる基板10の一表面側に、ポリシリコンからなるセンサ部40が設けられている。センサ部40を覆うように、ポリシリコンからなる保護膜20と、ポリシリコンからなる封止膜30が設けられている。センサ部40と、保護膜20及び基板10とは、空間部50によって隔離しており、空間部50は減圧状態に保たれている。
As shown in FIG. 6, in a conventional semiconductor device, a
次に、図6に示す従来の半導体装置の製造方法について、図7に示す断面工程図を参照しながら説明する。 Next, a method of manufacturing the conventional semiconductor device shown in FIG. 6 will be described with reference to a sectional process diagram shown in FIG.
図7(a)に示すように、基板10の一表面側で、第1の犠牲膜80aと振動子を含むセンサ部40を形成した後に、センサ部40の周囲に第2の犠牲膜80bを形成し、さらに第2の犠牲膜80b上に、カバーとなる保護膜20を堆積する。
As shown in FIG. 7A, after forming the first
次に、図7(b)に示すように、保護膜20の所定領域をエッチングし、第2の犠牲膜80bに到達する貫通孔60を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, a predetermined region of the
次に、図7(c)に示すように、貫通孔60を通じてエッチャントを導入し、第1の犠牲膜80a及び第2の犠牲膜80bを選択的に溶解、除去することで、空間部50を形成する。
Next, as shown in FIG. 7C, an etchant is introduced through the
次に、図7(d)に示すように、LPCVD法を用いて、保護膜20上にポリシリコンからなる封止膜30を成膜することで貫通孔60を塞ぎ、空間部50を封止する。これにより、空間部50は、封止膜30を形成する際に用いるLPCVD時の真空度で減圧封止することができる。
Next, as illustrated in FIG. 7D, the LPCVD method is used to form a
しかしながら、上記特許文献1に開示された方法では、空間部50の真空度はLPCVD時の雰囲気圧力(通常、13.3Pa以上)で決定されるため、空間部をLPCVD時の雰囲気圧力未満の真空度にすることが困難である。
However, in the method disclosed in
そのため、センサ部が赤外線センサの場合には、周囲との断熱が不十分となり、検出感度が十分に高くならないという課題が発生する。また、センサ部が慣性センサやMEMS共振器の場合には、ダンピング効果による動作の減衰を十分には抑制できないという課題が発生する。 Therefore, when the sensor unit is an infrared sensor, there is a problem that heat insulation from the surroundings is insufficient and the detection sensitivity is not sufficiently increased. Further, when the sensor unit is an inertial sensor or a MEMS resonator, there arises a problem that the operation attenuation due to the damping effect cannot be sufficiently suppressed.
そこで、本発明は、上記課題に鑑みて、製造プロセスが容易、且つ、真空度の高い中空封止構造を達成し、センサ部の感度低下や動作減衰等の不具合発生を抑制できる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, the present invention achieves a hollow sealing structure with an easy manufacturing process and a high degree of vacuum, and a semiconductor device capable of suppressing the occurrence of problems such as a decrease in sensitivity of the sensor unit and operational attenuation, and its An object is to provide a manufacturing method.
上記課題を解決するため、本発明の半導体装置は、基板の一主面上に形成された保護膜と、保護膜と基板との間に形成された空間部と、空間部内に配置され、基板および保護膜から離間する部分を有するセンサ部と、保護膜の上面から空間部に到達する貫通孔と、保護膜上に形成され、貫通孔上を封止する封止膜と、を備え、空間部は減圧状態にあり、封止膜の貫通孔上での膜厚は、封止膜の保護膜上での膜厚よりも小さい。 In order to solve the above problems, a semiconductor device of the present invention includes a protective film formed on one main surface of a substrate, a space formed between the protective film and the substrate, a substrate disposed in the space, And a sensor part having a portion spaced from the protective film, a through hole reaching the space part from the upper surface of the protective film, and a sealing film that is formed on the protective film and seals the through hole. The part is in a reduced pressure state, and the film thickness of the sealing film on the through hole is smaller than the film thickness of the sealing film on the protective film.
また、本発明の半導体装置において、封止膜の外周部に接して保護膜上に形成され、封止膜上において開口部を有する補強膜をさらに備え、補強膜を構成する材料のヤング率が封止膜を構成する材料のヤング率よりも大きい。 The semiconductor device of the present invention further includes a reinforcing film formed on the protective film in contact with the outer peripheral portion of the sealing film and having an opening on the sealing film, and the Young's modulus of the material constituting the reinforcing film is The Young's modulus of the material constituting the sealing film is larger.
また、本発明の半導体装置において、空間部の圧力は、13.3Pa未満であることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, the pressure in the space is preferably less than 13.3 Pa.
また、本発明の半導体装置において、封止膜は、アルミニウム、銅およびゲルマニウムのうちの少なくともいずれか1つの材料を含むことが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, the sealing film preferably includes at least one material of aluminum, copper, and germanium.
また、本発明の半導体装置において、封止膜および貫通孔は、平面視においてセンサ部から所定の距離だけ離れた位置に形成されていることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the sealing film and the through hole are formed at a position away from the sensor portion by a predetermined distance in plan view.
また、本発明の半導体装置において、封止膜の外周と貫通孔の外周とは、最短距離で10μm以上離れていることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the outer periphery of the sealing film and the outer periphery of the through hole are separated by 10 μm or more at the shortest distance.
また、本発明の半導体装置において、貫通孔の直径は1〜5μmであることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, the diameter of the through hole is preferably 1 to 5 μm.
また、本発明の半導体装置において、センサ部は、赤外線センサ、慣性センサまたは共振器のいずれかを含むことが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, the sensor unit preferably includes any one of an infrared sensor, an inertial sensor, and a resonator.
また、本発明の半導体装置において、保護膜上に、センサ部と電気的に接続された電極パッドを備え、電極パッドと封止膜とは同一膜厚の同一材料からなることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that an electrode pad electrically connected to the sensor portion is provided on the protective film, and the electrode pad and the sealing film are made of the same material with the same film thickness.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、基板の一主面上の所定の位置に第1の犠牲膜を形成する工程と、第1の犠牲膜上にセンサ部を形成する工程と、センサ部を覆うように、第1の犠牲膜上に第2の犠牲膜を形成する工程と、第1の犠牲膜および第2の犠牲層を覆うように、基板上に保護膜を形成する工程と、保護膜上の所定の位置に封止膜を形成する工程と、封止膜の所定の位置に、封止膜および保護膜を貫通し、第2の犠牲膜に到達する貫通孔を形成する工程と、貫通孔からエッチャントを導入して第2の犠牲膜および第1の犠牲膜を除去し、保護膜と基板との間に空間部を形成する工程と、空間部を形成する工程の後、減圧雰囲気中で基板を加熱することにより貫通孔上を封止膜で塞ぎ、空間部を封止する工程と、を備え、空間部を形成する工程では、センサ部は基板および保護膜から離間した部分を有している。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, the step of forming a first sacrificial film at a predetermined position on one main surface of a substrate, the step of forming a sensor portion on the first sacrificial film, Forming a second sacrificial film on the first sacrificial film so as to cover the portion, and forming a protective film on the substrate so as to cover the first sacrificial film and the second sacrificial layer; A step of forming a sealing film at a predetermined position on the protective film, and a through hole that penetrates the sealing film and the protective film and reaches the second sacrificial film at a predetermined position of the sealing film. After the steps, the step of introducing the etchant from the through hole to remove the second sacrificial film and the first sacrificial film, forming a space between the protective film and the substrate, and the step of forming the space And heating the substrate in a reduced-pressure atmosphere to close the through hole with a sealing film and sealing the space portion, and the space portion In the step of forming the sensor portion has a portion separated from the substrate and the protective film.
また、本発明の半導体装置の製造方法において、封止膜を形成する工程の後に、封止膜の外周部に接するとともに封止膜上に開口部を有するように、保護膜上に補強膜を形成する工程をさらに備え、封止膜の開口部から露出した部分において、貫通孔を形成することが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, after the step of forming the sealing film, a reinforcing film is formed on the protective film so as to be in contact with the outer peripheral portion of the sealing film and to have an opening on the sealing film. It is preferable to further include a step of forming, and to form a through hole in a portion exposed from the opening of the sealing film.
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、製造プロセスが容易、且つ、真空度の高い中空封止構造を達成し、センサ部の感度低下や動作減衰等の発生を抑制することができる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention, it is possible to achieve a hollow sealing structure with an easy manufacturing process and a high degree of vacuum, and to suppress the reduction in sensitivity of the sensor unit, the operation attenuation, and the like.
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各実施形態において、同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について、図1〜図3を参照しながら説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. Moreover, in each embodiment, the description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol to the same component.
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1(a)は、本実施形態に係る半導体装置100を示す上面図である。また、図1(b)は、図1(a)に示すA−A線に沿った断面における要部断面図である。
FIG. 1A is a top view showing the
図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置100は、基板1と、基板1の一表面側に設けられた保護膜2と、基板1上の所定の位置に基板1と空隙を介して形成されたセンサ部4を備えている。基板1と保護膜2との間には、センサ部4の周囲を囲うように形成された空間部5を有している。保護膜2には、保護膜2の上面から空間部5に到達する貫通孔6が形成されている。保護膜2上には、貫通孔6を塞ぐように封止膜3が形成されている。即ち、空間部5は、封止膜3によって封止されている。
As shown in FIG. 1, a
以下、図1に開示された半導体装置100の構造について詳述する。
Hereinafter, the structure of the
基板1は、p型で一表面が(100)面の単結晶シリコン(Si)基板である。また、図示していないが、基板1上にトランジスタ等の電子回路素子が形成されていても構わない。
The
基板1上に形成される保護膜2は、シリコン酸化膜(SiO2)、シリコン窒化膜(SiN)、シリコン酸窒化膜(SiON)、シリコン炭化膜(SiC)などの絶縁膜が、単層もしくは積層されて形成されている。また、図示していないが、絶縁膜中に多層配線が形成されていてもよい。なお、保護膜2の厚みは1〜10μmであることが望ましい。
The
基板1と保護膜2の間には、少なくとも一つ以上のセンサ部4が形成されている。センサ部4は、支持部4aを介して両持ち梁状に基板1に支えられており、支持部4a以外の部分は基板1及び保護膜2から離間して形成されている。センサ部4の出力信号等は、支持部4aを介して空間部5の外部へ送られる。なお、センサ部4は、片側のみ支持部4aが形成され、片持ち梁状に基板1に支えられていてもよい。
At least one
センサ部4としては、周囲環境との熱絶縁性を確保することが望ましい非冷却型赤外線センサとすることができる。また、センサ部4は、MEMS共振器や慣性センサなど、周囲雰囲気のダンピング効果によって可動部が減衰することを抑制することが望ましいデバイスであってもよい。なお、センサ部4としては、周囲を減圧雰囲気とすることが望ましいデバイスであれば、どのようなデバイスであってもよい。
As the
センサ部4の周囲には空間部5が形成されている。空間部5は減圧状態であり、その圧力は13.3Pa未満に維持されている。これにより、センサ部4が赤外線センサの場合には、その断熱性を高めている。また、センサ部4が可動部を有するデバイスの場合には、ダンピング効果によるデバイスの可動部の減衰が抑制される。なお、空間部5の圧力は、低いほど好ましい。即ち、空間部5の圧力は、10Pa以下が望ましく、さらには1.0Pa以下がさらに望ましい。
A
保護膜2の所定の位置には、保護膜2の上面側から空間部5まで到達する貫通孔6が少なくとも一つ以上形成されている。貫通孔6は円筒状であり、円筒の直径は1〜5μmであることが望ましい。円筒の直径が、1μmよりも小さければ、後述するエッチャントが充分に供給できない。一方、円筒の直径が、5μmよりも大きければ、後述する熱処理工程で封止膜3の貫通孔6を塞ぐことができなくなる。なお、貫通孔6の形状は、開口部の最大幅が1〜5μmであれば、どのような形状であってもよい。即ち、貫通孔6は、三角柱形状や四角柱形状であってもよい。
At a predetermined position of the
保護膜2上には、貫通孔6を塞ぐように封止膜3が形成されている。ここで、封止膜3は保護膜2の表面および貫通孔6上にのみ形成されており、貫通孔6の内壁上には形成されていない。封止膜3の材料としては、金属材料等の熱膨張係数が高く、熱圧着しやすい材料が好ましい。本実施形態では、封止膜3の材料として、アルミニウム(Al)を用いているが、他に銅(Cu)やゲルマニウム(Ge)を用いることができ、また、これらの材料の積層膜であってもよい。
A sealing
封止膜3の厚みは0.5μm以上3μm以下であることが望ましい。後述するように、封止膜3に形成された貫通孔6は、熱処理工程における封止膜3の熱膨張により塞がれる。そのため、基板が常温に戻った後は、貫通孔6上の封止膜3aは引き伸ばされて薄くなる。即ち、封止膜3の貫通孔6上での膜厚は、封止膜3の保護膜2上での膜厚よりも小さい。また、平面視において、封止膜3の外周と貫通孔6の外周とは、最短距離で10μm以上離れていることが望ましい。これにより、封止膜3の面内方向での熱膨張を充分に確保し、封止膜3に形成された貫通孔6を塞ぐことができる。即ち、封止膜3の外周から貫通孔6の外周までの最短距離は、少なくとも10μm以上確保することが望ましい。
The thickness of the sealing
本実施形態では、封止膜3及び貫通孔6は、平面視において、センサ部4から一定の距離だけ離れた位置に形成されている。これにより、センサ部4が貫通孔6形成時の影響を受けにくくすることができる。なお、上記の影響が軽微である場合等には、封止膜3及び貫通孔6は、平面視において、センサ部4の直上に形成されていてもよい。
In the present embodiment, the sealing
次に、本実施形態に係る半導体装置100の製造方法について、図2(a)〜(c)および図3(a)〜(c)を参照しながら説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、図2(a)に示すように、シリコンからなる基板1の一表面側に化学気相成長(Chemical Vapor Deposition、以下CVDと称する)法などにより、約1μmのシリコン酸化膜(SiO2)を成膜し、フォトリソ・エッチング技術によって当該シリコン酸化膜を所定の形状にパターニングして第1の犠牲膜8aを形成する。その後、第1の犠牲膜8a上に、CVD法などにより約500nmのポリシリコンからなる導電膜を成膜し、フォトリソ・エッチング技術によって当該導電膜を所定の形状にパターニングしてセンサ部4を形成する。なお、導電膜にはイオン注入や熱拡散などの方法で、ボロン、リンあるいはヒ素などの不純物がドーピングされていてもよい。
First, as shown in FIG. 2A, a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of about 1 μm is formed on one surface side of a
次に、CVD法などにより、センサ部4上及び第1の犠牲膜8a上を含む基板1の一表面上の全面に約500nmの膜厚のシリコン酸化膜(SiO2)を成膜し、フォトリソ・エッチング技術を用いて当該シリコン酸化膜を第1の犠牲膜8aとほぼ同じ形状にパターニングする。これにより、図2(b)に示すように、第1の犠牲膜8a上およびセンサ部4上を覆う第2の犠牲膜8bを形成する。このようにして、センサ部4の周囲全体を覆う犠牲膜8が形成される。その後、CVD法などにより、基板1の一表面上の全面に約2μmの膜厚のシリコン窒化膜(SiN)からなる保護膜2を形成する。保護膜2の材料としてはシリコン窒化膜以外に、犠牲膜8との選択エッチングが可能なシリコン酸窒化膜(SiON)やシリコン炭化膜(SiC)などの絶縁膜を用いてもよい。また、保護膜2を成膜した後に、化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing、以下CMPと称する)などの平坦化処理を行ってもよい。
Next, a silicon oxide film (SiO 2) having a thickness of about 500 nm is formed on the entire surface of the
次に、図2(c)に示すように、物理気相成長(Physical Vapor Deposition、以下PVDと称する)法などにより、基板1上の全面に約2μmの膜厚のアルミニウム(Al)膜を成膜し、フォトリソ・エッチング技術によって当該アルミニウム膜を所定の形状にパターニングして封止膜3を形成する。ここで、封止膜3の材料として、アルミニウム(Al)の他に、例えば銅(Cu)やゲルマニウム(Ge)を用いてもよい。なお、封止膜3の材料として、アルミニウム等の金属材料を用いた場合、封止膜3を形成する工程と同時にセンサ部と電気的に接続する電極パッドを形成することができる。これにより、製造工程の簡略化を実現することができる。なお、電極パッドは、保護膜2上の所定の位置に、封止膜3と同一材料で形成される。
Next, as shown in FIG. 2C, an aluminum (Al) film having a thickness of about 2 μm is formed on the entire surface of the
次に、犠牲膜8の上方に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を形成し、フォトレジストをマスクとして開口部に対応する封止膜3の所定領域を選択的にエッチングする。これにより、開口部に対応する部分の保護膜2の上面が露出する。さらに、エッチング条件を変えて上面が露出した保護膜2を選択的にエッチングすることにより、開口部に対応する部分の犠牲膜8の上面が露出する。その後、フォトレジストを除去する。このようにして、図3(a)に示すように、封止膜3および保護膜2を貫通する貫通孔6を形成する。ここでは、形成される貫通穴の直径が1〜5μmとなるように、予めフォトレジストに開口部を形成しておく。
Next, a photoresist (not shown) having an opening is formed above the
次に、犠牲膜8のみを選択的に溶解除去できるエッチャントを貫通孔6から流入し、犠牲膜8を選択的にエッチングして除去する。このようにして、図3(b)に示すように、保護膜2と基板1との間に空間部5が形成される。ここで、エッチャントとして、例えばフッ酸ガスなどの気体を使用することができる。
Next, an etchant capable of selectively dissolving and removing only the
次に、基板1を13.3Pa未満の高い真空度の減圧状態下に置き、450℃で30分の熱処理を加えることにより、封止膜3を熱膨張またはリフローさせる。これにより、図3(c)に示すように、封止膜3に形成された貫通孔6は、封止膜3が周囲から熱膨張によって延伸することによって完全に塞がれる。これにより、空間部5は、雰囲気圧力と同じ13.3Pa未満の高い真空度の減圧状態で封止される。ここで、高い温度における熱膨張によって貫通孔6が塞がれた封止膜3は、温度が低下すると元の体積に戻るため、保護膜2の貫通孔6近傍で引っ張られて膜厚が薄くなる。なお、熱処理時の雰囲気圧力は、低いほど好ましい。即ち、熱処理時の雰囲気圧力は、10Pa以下が望ましく、さらには1.0Pa以下がさらに望ましい。
Next, the sealing
以上のように、本実施形態では、高い真空度の減圧雰囲気中で熱処理を行い、金属からなる封止膜3を熱膨張またはリフローさせることにより、空間部5を高い真空度の減圧状態で封止することができる。特に、熱処理またはリフローを行う雰囲気の真空度を調整することにより、空間部5の真空度を任意の真空度(具体的には13.3Pa未満)に制御することができるため、製造プロセスが容易で、かつ、真空度の高い封止構造を有する半導体装置100を実現することができる。
As described above, in the present embodiment, heat treatment is performed in a high-vacuum pressure-reduced atmosphere to thermally expand or reflow the
また、従来技術では、貫通孔60を形成した後にCVD法で封止膜30を形成するため、貫通孔60を介して空間部50に封止膜30が侵入、堆積する可能性がある。そのため、空間部50に侵入、堆積した封止膜30が、センサ部の特性を不安定化させたり、劣化を起こさせたりする恐れがある。これに対し本実施形態では、封止膜3を形成した後に貫通孔6を形成し、熱処理またはリフローを行って封止膜3に形成された貫通孔6の封止を行うため、空間部5に封止膜3が侵入、堆積することがない。そのため、センサ部の特性が不安定化することや劣化することを防止できる。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について、図4、図5を参照しながら説明する。
In the prior art, since the sealing
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図4(a)は、本実施形態に係る半導体装置200を示す平面図である。また、図4(b)は、図4(a)に示すA−A線に沿った断面における要部断面図である。
FIG. 4A is a plan view showing the
本実施形態の半導体装置200の特徴は、第1の実施形態の半導体装置100の構成に、封止膜3の外周部に接して保護膜2上に形成され、封止膜3上において開口部7aを有する補強膜7をさらに備えることにある。その他の構成は、第1の実施形態の半導体装置100の構成と同様である。
A feature of the
具体的には、補強膜7は封止膜3の外周部全体を取り囲むように保護膜2上に形成されており、封止膜3の外周部近傍は、補強膜7によって覆われている。また、封止膜3の貫通孔6上の領域において、補強膜7は開口部7aを有しており、封止膜3は補強膜7から露出している。また、補強膜7を構成する材料は、封止膜3を構成する材料よりも大きいヤング率を有している。即ち、補強膜7は、封止膜3よりも高い剛性を有し、変形しにくい。
Specifically, the reinforcing
これにより、封止膜3の外周部に接して形成された補強膜7によって、封止膜3の外側方向への変形が抑制されるため、封止を行うための熱処理工程において、封止膜3が外側方向に熱膨張することを抑制できる。このため、封止膜3は、熱処理工程において、貫通孔6が形成された内側方向により多く熱膨張することになる。
Accordingly, since the
その結果、第1の実施形態の半導体装置100の構成に比べて、より低い温度での熱処理条件でも空間部5を封止することができる。これにより、基板を常温に戻した際に封止膜3にかかる応力を低下させることができ、封止膜3の亀裂等を抑制して半導体装置200の信頼性を向上することができる。また、第1の実施形態と同様の熱処理条件の場合には、封止膜3を確実に封止することができ、半導体装置200の製造歩留りを向上させることができる。
As a result, the
ここで、補強膜7を構成する材料としては、例えば、シリコン窒化膜(SiN)やシリコン炭化膜(SiC)などの材料を用いることができる。なお、補強膜7を構成する材料のヤング率は、封止膜3を構成する材料のヤング率の2倍以上であることが好ましい。これにより、封止膜3の外側方向への変形を十分に抑制することができる。
Here, as a material constituting the reinforcing
平面視において、補強膜7の開口部7aの外周と貫通孔6の外周とは、最短距離で10μm以上離れていることが望ましい。これにより、封止膜3の面内方向での熱膨張を充分に確保し、封止膜3に形成された貫通孔6を塞ぐことができる。
In plan view, it is desirable that the outer periphery of the
次に、本実施形態に係る半導体装置200の製造方法について、図5を参照しながら説明する。図5は、本実施形態の半導体装置200の製造方法において、補強膜7の形成工程について説明するための図である。
Next, a method for manufacturing the
本実施形態の半導体装置200の製造方法では、第1の実施形態の半導体装置100の製造方法に示した図2(a)〜(c)までの工程を行った後、補強膜7の形成工程を行う。
In the method for manufacturing the
具体的には、CVD法などにより、基板1上の全面に約2μmのシリコン窒化膜(SiN)を形成し、フォトリソ・エッチング技術によって当該シリコン窒化膜の封止膜3上の所定領域を除去して開口部7aを形成する。このようにして、図5に示すように、封止膜3の外周部に接し、封止膜3上において開口部7aを有する補強膜7を形成することができる。
Specifically, a silicon nitride film (SiN) of about 2 μm is formed on the entire surface of the
ここで、補強膜7の材料としては、シリコン窒化膜(SiN)以外に、犠牲膜8を選択的にエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性のある材料、例えばシリコン炭化膜(SiC)などを用いることができる。なお、補強膜7は、水分などが外界から侵入することから半導体装置200を保護するためのパッシベーション膜と同時形成してもよい。
Here, as the material of the reinforcing
その後、第1の実施形態の図3(a)〜(c)に示した製造方法と同様の工程を行うことにより、図4に示す本実施形態に係る半導体装置200を作製することができる。
Thereafter, by performing the same steps as the manufacturing method shown in FIGS. 3A to 3C of the first embodiment, the
本実施形態に係る半導体装置200では、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、封止膜3の外周部に接して形成された補強膜7によって、上述のように、第1の実施形態の半導体装置100の構成に比べて、より低い温度での熱処理条件でも空間部5を封止することができ、封止膜3の亀裂等を抑制して半導体装置200の信頼性を向上することができる。また、第1の実施形態と同様の熱処理条件の場合には、封止膜3を確実に封止することができ、半導体装置200の製造歩留りを向上させることができる。
In the
また、補強膜7は、従来技術で一般に使用される電極パッド上のパッシベーション膜と同時形成することができるため、補強膜7用の成膜工程を追加するが必要なく、製造工程を簡略化できる。
Further, since the reinforcing
以上のように、本発明の第1および第2の実施形態によれば、真空度の高い減圧雰囲気中で熱処理を行い、封止膜3を貫通孔6の中心方向に熱膨張させることにより、センサ部4を囲む空間部5を真空度の高い減圧状態で封止できる。そのため、熱処理を行う雰囲気の真空度を調整することにより、空間部5の真空度を制御することができる。その結果、従来技術のように、空間部50の真空度が、LPCVDで封止膜30を堆積するのに必要な最低圧力に制限されることがない。また、高い真空度の雰囲気中で、封止のためのカバー用ウエハを接合する特殊な設備なども必要ない。
As described above, according to the first and second embodiments of the present invention, heat treatment is performed in a reduced-pressure atmosphere with a high degree of vacuum, and the
したがって、本発明の第1および第2の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によれば、製造プロセスが容易、且つ、高い真空度の中空封止構造を達成し、センサ部の感度低下や動作減衰等の発生を抑制できる。 Therefore, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first and second embodiments of the present invention, a manufacturing process is easy and a hollow sealing structure with a high degree of vacuum is achieved, and the sensitivity of the sensor unit is reduced. Occurrence of operational attenuation or the like can be suppressed.
なお、第1および第2の実施形態において、基板1に接して保護膜2が形成されているが、基板1と保護膜2の間に他の膜が挿入されて形成されていてもよい。その場合でも、空間部5は基板1と保護膜2の間に形成されている。
In the first and second embodiments, the
また、第1および第2の実施形態において、基板1としてシリコン基板を用いたが、ガラス基板等を用いてもよい。
In the first and second embodiments, a silicon substrate is used as the
本発明の半導体装置及びその製造方法は、製造プロセスが容易で、かつ、真空度の高い減圧封止構造を有する半導体装置を実現することができるものであり、特に、赤外線センサ、慣性センサ、MEMS共振器等の高い真空度で密閉されたキャビティを有する微小電気機械システムを備えた半導体装置及びその製造方法として有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention can realize a semiconductor device that has a reduced pressure sealing structure that is easy in manufacturing process and has a high degree of vacuum. In particular, an infrared sensor, an inertial sensor, and a MEMS The present invention is useful as a semiconductor device including a microelectromechanical system having a cavity sealed with a high degree of vacuum, such as a resonator, and a manufacturing method thereof.
1,10 基板
2,20 保護膜
3,30 封止膜
4,40 センサ部
5,50 空間部
6,60 貫通孔
7 補強膜
8 犠牲膜
8a,80a 第1の犠牲膜
8b,80b 第2の犠牲膜
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記保護膜と前記基板との間に形成された空間部と、
前記空間部内に配置され、前記基板および前記保護膜から離間する部分を有するセンサ部と、
前記保護膜の上面から前記空間部に到達する貫通孔と、
前記保護膜上に形成され、前記貫通孔上を封止する封止膜と、を備え、
前記空間部は減圧状態にあり、
前記封止膜の前記貫通孔上での膜厚は、前記封止膜の前記保護膜上での膜厚よりも小さい半導体装置。 A protective film formed on one main surface of the substrate;
A space formed between the protective film and the substrate;
A sensor unit disposed in the space and having a portion spaced from the substrate and the protective film;
A through hole reaching the space from the upper surface of the protective film;
A sealing film formed on the protective film and sealing the through-hole,
The space is in a reduced pressure state;
A film thickness of the sealing film on the through hole is smaller than a film thickness of the sealing film on the protective film.
前記封止膜の外周部に接して前記保護膜上に形成され、前記封止膜上において開口部を有する補強膜をさらに備え、
前記補強膜を構成する材料のヤング率が、前記封止膜を構成する材料のヤング率よりも大きい。 The semiconductor device according to claim 1,
Further comprising a reinforcing film formed on the protective film in contact with the outer periphery of the sealing film and having an opening on the sealing film;
The Young's modulus of the material constituting the reinforcing film is larger than the Young's modulus of the material constituting the sealing film.
前記空間部の圧力は、13.3Pa未満である。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The pressure in the space is less than 13.3 Pa.
前記封止膜は、アルミニウム、銅およびゲルマニウムのうちの少なくともいずれか1つの材料を含む。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The sealing film includes a material of at least one of aluminum, copper, and germanium.
前記封止膜および前記貫通孔は、平面視において前記センサ部から所定の距離だけ離れた位置に形成されている。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The sealing film and the through hole are formed at positions separated from the sensor unit by a predetermined distance in plan view.
前記封止膜の外周と前記貫通孔の外周とは、最短距離で10μm以上離れている。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The outer periphery of the sealing film and the outer periphery of the through hole are separated by 10 μm or more at the shortest distance.
前記貫通孔の直径は1〜5μmである。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
The diameter of the through hole is 1 to 5 μm.
前記センサ部は、赤外線センサ、慣性センサまたは共振器のいずれかを含む。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
The sensor unit includes any one of an infrared sensor, an inertial sensor, and a resonator.
前記保護膜上に、前記センサ部と電気的に接続された電極パッドを備え、
前記電極パッドと前記封止膜とは同一膜厚の同一材料からなる。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
An electrode pad electrically connected to the sensor unit is provided on the protective film,
The electrode pad and the sealing film are made of the same material with the same film thickness.
前記第1の犠牲膜上にセンサ部を形成する工程と、
前記センサ部を覆うように、前記第1の犠牲膜上に第2の犠牲膜を形成する工程と、
前記第1の犠牲膜および第2の犠牲層を覆うように、前記基板上に保護膜を形成する工程と、
前記保護膜上の所定の位置に封止膜を形成する工程と、
前記封止膜の所定の位置に、前記封止膜および前記保護膜を貫通し、前記第2の犠牲膜に到達する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔からエッチャントを導入して前記第2の犠牲膜および前記第1の犠牲膜を除去し、前記保護膜と前記基板との間に空間部を形成する工程と、
前記空間部を形成する工程の後、減圧雰囲気中で前記基板を加熱することにより前記貫通孔上を前記封止膜で塞ぎ、前記空間部を封止する工程と、を備え、
前記空間部を形成する工程では、前記センサ部は前記基板および前記保護膜から離間した部分を有している半導体装置の製造方法。 Forming a first sacrificial film at a predetermined position on one main surface of the substrate;
Forming a sensor portion on the first sacrificial film;
Forming a second sacrificial film on the first sacrificial film so as to cover the sensor portion;
Forming a protective film on the substrate so as to cover the first sacrificial film and the second sacrificial layer;
Forming a sealing film at a predetermined position on the protective film;
Forming a through-hole that penetrates the sealing film and the protective film and reaches the second sacrificial film at a predetermined position of the sealing film;
Introducing an etchant from the through hole to remove the second sacrificial film and the first sacrificial film, and forming a space between the protective film and the substrate;
After the step of forming the space portion, the substrate is heated in a reduced-pressure atmosphere to close the through hole with the sealing film, and the space portion is sealed, and
In the step of forming the space part, the sensor part has a part spaced apart from the substrate and the protective film.
前記封止膜を形成する工程の後に、前記封止膜の外周部に接するとともに前記封止膜上に開口部を有するように、前記保護膜上に補強膜を形成する工程をさらに備え、
前記封止膜の前記開口部から露出した部分において、前記貫通孔を形成する半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 10,
After the step of forming the sealing film, further comprising the step of forming a reinforcing film on the protective film so as to contact the outer periphery of the sealing film and to have an opening on the sealing film,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the through hole is formed in a portion exposed from the opening of the sealing film.
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|---|---|---|---|---|
| CN113120852A (en) * | 2020-01-14 | 2021-07-16 | 罗伯特·博世有限公司 | Micromechanical component for a sensor or microphone arrangement |
| CN117948957A (en) * | 2024-03-21 | 2024-04-30 | 芯联集成电路制造股份有限公司 | MEMS inertial integrated device and preparation method thereof |
| WO2025001406A1 (en) * | 2023-06-29 | 2025-01-02 | 芯联集成电路制造股份有限公司 | Mems device and manufacturing method therefor |
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| WO2025001406A1 (en) * | 2023-06-29 | 2025-01-02 | 芯联集成电路制造股份有限公司 | Mems device and manufacturing method therefor |
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