半导体装置及其制造方法

专利名称：半导体装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有将形成于半导体基板表面的MEMS部进行密封 的结构的半导体装置及其制造方法。
背景技术：
近年来，各种微型机器被用于诸多领域。被称作所谓MEMS (Micro Electro Mechanical Systems,微电子机械系统)技术的微细加 工技术也随之发展。作为将使用该技术制造出的MEMS装置连接到 基板上的半导体装置的制造方法，可以列举出如下方法。制造如下半导体装置(参照专利文献l)，即，在半导体基板之上 形成由包围希望区域的外周而形成的侧壁框、和被侧壁框支承且与半 导体基板的面相对置的板状的顶壁构成的容器结构，在该容器结构的 内部密封了具有可动电极的可变电容元件。通过采用这样的制造方 法，制造后可以与通常的半导体装置同样地使用，并且不需要用于密 封可变电容元件的结构体的机械定位，因此，仅利用具有高尺寸精度 的通用的半导体制造工艺就可以密封元件，所以可实现更小型、更薄 型的可变电容元件。而且，也有图18至图23所示的半导体装置100的制造方法。准 备在图18所示的硅基板lOla上作为绝缘膜形成了氧化硅膜101b的 基板IOI，在该基板101上连接MEMS装置102。然后，在基板IOI 上设置覆盖MEMS装置102的牺牲层103 (参照图19)。该牺牲层 103可以利用例如聚酰亚胺等。接着，如图20所示，在该牺牲层103及基板101上例如层叠多晶硅形成第1盖层104。在该状态下，位于基板101上的MEMS装 置102被牺牲层103及第1盖层104覆盖。而且，在第1盖层104设 置贯通至牺牲层103的通孔105。然后，通过蚀刻从通孔105去除位于第1盖层104与MEMS装 置102之间且覆盖MEMS装置102的牺牲层103(参照图21)。由此， 第1盖层104位于从MEMS装置102离开距离的位置上。而且，从 该第1盖层104的上方还设置使用了同种材料或其他材料的第2盖层 106。第2盖层106同时堵塞去除了牺牲层103的通孔105。(参照图 22)。之后，贯通第1盖层104及第2盖层106而设置电极部107，并 且利用树脂108以覆盖第2盖层106的方式进行铸型，形成图23所 示的半导体装置100。专利文献1日本专利特开2006-147995号公报但是，在上述专利文献1或使用图18到图23说明的半导体装置 的制造方法中，有如下问题。艮卩，MEMS装置例如作为开关利用的情况下，为了维持开关的功 能，必须在MEMS装置102与第1盖层104之间设置空间(中空密 封)。而且，该第1盖层104如上述那样由侧壁区域和顶板区域覆盖 着MEMS装置102，但此时MEMS装置102在水平方向增大的同时、 第1盖层104的尺寸也不得不增大。但是，如果第1盖层104的宽度 增大，则第1盖层104自身将较难支承其形状。而且，为了产品化，需要例如为了防止外扰也需要用树脂进行铸 型。在上述的制造方法中都采用这样的结构，但是如果考虑到一般的 树脂铸型工序，填充树脂时施加在半导体装置上的填充压力例如也会 达到lOMPa。因此，根据盖层的结构，也考虑到不能够承受该填充 压力的情况，此时在MEMS装置102与第1盖层104之间不能确保 空间，例如导致MEMS装置受到损坏等，影响也是很大的。另外，通过利用图18至图23说明的制造方法制造的半导体装置 中，盖层成圆顶形。但是，在实际的制造工序中，将为了形成该圆顶 形状而需要的牺牲层103做成圆顶形的形状是非常困难的。而且，例 如对连接了 MEMS装置102的空间气密地密封时,设置密封通孔105 的第2盖层106，但是也考虑到此时起到密封材料作用的第2盖层106 延伸至MEMS装置102区域，使MEMS装置102的特性恶化。发明内容本发明为了解决上述课题而作出，其目的在于提供一种半导体装 置及其制造方法，在具有MEMS部的半导体装置中，可以提高制造 成品率并提高生产率，确保高可靠性。本发明的实施方式涉及的第1技术方案是一种半导体装置，具有 半导体基板；微电子机械系统部，形成于所述半导体基板表面；以及， 盖部，与所述微电子机械系统部离开距离配置，覆盖着所述微电子机 械系统部设于所述半导体基板表面；所述盖部由包围所述微电子机械 系统部的侧壁区域和具有中空层且同所述半导体基板与所述侧壁区 域一起形成封闭空间的的顶板区域构成。本发明的实施方式涉及的第2技术方案是一种半导体装置的制造 方法，具备形成微电子机械系统部和第1牺牲层的工序，所述微电 子机械系统部形成于半导体基板表面，所述第1牺牲层起覆盖所述微 电子机械系统部的周边区域的所述半导体基板；形成第1盖层的工 序，所述第1盖层覆盖所述第1牺牲层及其周边区域的所述半导体基 板；在所述第1盖层的、隔着所述第1牺牲层同所述半导体基板相对 置的位置，设置贯通所述第1盖层并到达所述第1牺牲层的第1通孔 的工序；形成第2牺牲层的工序，所述第2牺牲层通过所述第1通孔 与所述第1牺牲层连通，并且形成在与所述微电子机械系统部相对置 的位置、且处于所述第1盖层之上；形成覆盖所述第1盖层及所述第2牺牲层的第2盖层的工序；在形成于所述第2牺牲层的区域的所述 第2盖层，设置到达所述第2牺牲层的第2通孔的工序；通过所述第1通孔及所述第2通孔除去所述第1牺牲层及所述第2牺牲层的工序;以及堵塞所述第2通孔的工序。根据本发明，可以提供一种半导体装置及其制造方法，在具有MEMS部的半导体装置中，可以提高制造成品率并提高生产率，并 且确保高可靠性。


图l是表示本发明的实施方式涉及的半导体装置的整体的整体结 构图。图2是将图1示出的半导体装置以A-A线切断后示出的A-A线 剖面图。图3是将图1示出的半导体装置以B-B线切断后示出的B-B线 剖面图。图4是说明本发明的实施方式涉及的半导体装置的制造方法的第 1工序剖面图。图5是说明本发明的实施方式涉及的半导体装置的制造方法的第 2工序剖面图。图6是说明本发明的实施方式涉及的半导体装置的制造方法的第 3工序剖面图。图7是说明本发明的实施方式涉及的半导体装置的制造方法的第 4工序剖面图。图8是说明本发明的实施方式涉及的半导体装置的制造方法的第 5工序剖面图。图9是说明本发明的实施方式涉及的半导体装置的制造方法的第 6工序剖面图。图10是说明本发明的实施方式涉及的半导体装置的制造方法的 第7工序剖面图。图11是说明本发明的实施方式涉及的半导体装置的制造方法的 第8工序剖面图。图12是说明本发明的实施方式涉及的半导体装置的制造方法的 第9工序剖面图。图13是表示在本发明的实施方式涉及的半导体装置中的第1通 孔及第2通孔的位置的半导体装置的整体结构图。图14是为了进行关于本发明的实施方式涉及的半导体装置的计 算，假想了各部分尺寸的半导体装置的剖面图。图15是表示关于本发明的实施方式涉及的半导体装置的计算结 果的曲线图。图16是表示本发明的实施方式涉及的半导体装置中的盖层的形 状例的剖面图。图17是表示本发明的实施方式涉及的半导体装置中的盖层的形 状例的剖面图。图18是说明现有的半导体装置的制造方法的第1工序剖面图。 图19是说明现有的半导体装置的制造方法的第2工序剖面图。 图20是说明现有的半导体装置的制造方法的第3工序剖面图。 图21是说明现有的半导体装置的制造方法的第4工序剖面图。 图22是说明现有的半导体装置的制造方法的第5工序剖面图。 图23是说明现有的半导体装置的制造方法的第6工序剖面图。标记说明1 半导体装置2 半导体基板3 MEMS装置4 第l盖层5 第2盖层 Cl空间C2中空层E 侧壁区域F 顶板区域具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。本发明的实施方式涉及的半导体装置1的整体具有图1示出的形 状。为了确保容纳MEMS部的空间，在半导体基板2的中央区域具 有比周围凸出的形状。图2是将图1示出的半导体装置1以A-A线切断后的A-A线剖 面图。详细地说，图2示出只将形成于半导体基板2上的盖部以A-A 线切断后的状态，在端面上标有斜线。而且，在半导体基板2上连接 的MEMS部在图2中省略。为了容纳MEMS部，盖部在半导体基板 2的中央区域具有空间Cl。而且，从盖部的剖面图可知，在盖部设 置有中空层C2。图3是将图1示出的半导体装置1以B-B线切断后示出的B-B 线剖面图。半导体基板2由半导体基板2a和在该半导体基板2a的整 个面上布设的绝缘膜2b构成。作为该绝缘膜2b，既可以是钝化膜(最 终保护膜)也可以是抗蚀剂。钝化膜的情况下，例如由复合膜形成， 该复合膜层叠了具有细密膜质且利用等离子CVD法成膜的硅氮化膜 和在该硅氮化膜上的聚酰亚胺。抗蚀剂的情况下，例如是以环氧树脂 为主要成分的阻焊剂。另外，在图3中未图示，但是在半导体基板 2a的主面上布设有晶体管、电阻、电容等元件，并且布设有连接元 件间的布线，构建有集成电路。在半导体基板2上的中央区域，形成有MEMS部3。在此没有涉 及MEMS部3的制造工序，但是，MEMS部3例如可以是在硅半导 体基板上使用铝设置了导体层的结构。另外，在半导体基板2之上，第1盖层4与MEMS部3离开距 离设置。由此，可以确保空间Cl。该空间Cl可以气密地密封，使 MEMS部3能够发挥其特性。在第1盖层4之上设有进一步覆盖第1盖层4的第2盖层5。这 样，第1盖层4和第2盖层5由包围MEMS部3的周围的侧壁区域 E和同半导体基板2及侧壁区域E —起形成封闭空间的顶板区域F构 成。而且，之所以将盖部做成2层，是因为虽然如上所述地MEMS 部3在水平方向大幅变宽，随此盖部也变宽，但是，此时可以防止特 别是顶板区域F的强度降低。通过这样构成，可以更可靠地保护 MEMS部3。而且，在该第1盖层4和第2盖层5的各自的顶板区域F，在上 述2个层之间设置中空层C2。之所以如此地在盖部设置中空层，是 因为即使如后述地为了确保顶板区域F的强度将盖部做成2层结构， 若第1盖层4与第2盖层5连接，则不能分散承受施加在第2盖层的 顶板区域F的力。接着，使用图4至图12说明半导体装置1的制造方法。 首先，准备如图4所示的半导体基板2a，在该半导体基板2a的 上部整个面上布设绝缘膜2b。该半导体基板2a例如可以使用玻璃环 氧(力'，义工求年、乂)或单晶硅做成。在这样的半导体基板2上形成 MEMS部3。之后，在半导体基板2上方形成覆盖MEMS部3的第1牺牲层 Dl (参照图5)。该第1牺牲层D1的形状，直接成与空间Cl的形状。 而且，考虑到第1牺牲层D1的形状的成形是否容易，在本发明的实 施方式中，将覆盖MEMS部3的剖面做成梯形的形状。作为第1牺牲层D1，例如可以适当地使用聚酰亚胺等材料。接着，如图6所示，形成覆盖第1牺牲层Dl并且覆盖半导体基 板2的整个区域的第1盖层4。第1盖层4例如可以优选使用铝等材 料。而且，如图7所示，在与第1牺牲层D1连接的第1盖层4的顶 板区域F，设置第1通孔H1。该设置的第1通孔H1的数目是一个或 多个都可以。图8表示填充第1通孔Hl，并且进一步在第1盖层4上形成了 第2牺牲层D2。这样设置第2牺牲层D2，通过第1通孔H1连接第 1牺牲层Dl和第2牺牲层D2。该第2牺牲层D2是为了形成中空层 C2而设置。在本发明的实施方式中，如图8所示将第2牺牲层D2 形成为剖面形状为长方形的形状。该第2牺牲层D2既可以用与第1 牺牲层D1相同的材料形成，也可以用不同材料形成。层叠覆盖该第2牺牲层D2及第1盖层4的整个面的第2盖层5 (参照图9)。第2盖层5既可以与第1盖层4是同种材料，也可以 是不同材料。如图10所示，在与第2牺牲层D2相连接的第2盖层5的顶板区 域F，设置第2通孔H2。第2通孔H2优选如使用后述的图13说明 那样配置，但基本上配置于第2盖层5的顶板区域F即可。而且，该 第2通孔H2的数目是一个或多个都可以。接着，如图11所示，例如通过蚀刻除去第1牺牲层Dl及第2 牺牲层D2。这是利用设置在第2盖层5的第2通孔H2与设置在第1 盖层4的第1通孔H1进行。除去第1牺牲层D1后形成空间C1，除 去第2牺牲层D2后形成中空层C2。然后，通过堵塞第2通孔H2， 形成图3所示的半导体装置1。另外，通过以覆盖第2盖层5的整个 面的方式用树脂进行铸型，形成图12所示的半导体装置1。另外，上面说过第1通孔Hl与第2通孔H2可以分别设置一个 或多个，但是第1通孔H1与第2通孔H2的设置数目越多，越可以縮短用于去除第1牺牲层Dl和第2牺牲层D2的时间。而且，这些 位置优选设置在例如图13所示地相互对置的位置。如图12所示，在利用树脂进行铸型的工序之前，堵塞第2通孔 H2，密封中空层C2及空间Cl。之所以这样将第1通孔Hl和第2 通孔H2设置于相对置的位置，且尽可能拉开第1通孔Hl和第2通 孔H2之间的距离，是为了避免该密封材料流过中空层C2而到达空 间Cl，对MEMS部3的特性带来影响。如以上那样，通过设置中空层C2，即使在树脂铸型的工序中在 填充树脂时对盖层施加压力，也可以将对MEMS部3的影响控制在 最小限度内。而且，在防止伴随密封的MEMS部的特性恶化的同时， 也能够确保MEMS部的正常工作。艮口，树脂填充时的压力施加在第2盖层5及第1盖层4上。一般 压力施加在直接接触的部分，在本发明的实施方式中，伴随树脂填充 的压力只施加在填充的树脂直接接触的第2盖层5上。而且，例如侧 壁区域E那样第1盖层4只要是与第2盖层5直接连接的部分，就会 受到第2盖层5所受的压力、即填充树脂的压力。对第2盖层5的顶板区域F施加压力时，首先第2盖层5受到压 力的影响。实际上产生加压引起的挠曲。但是，在第2盖层5和第1 盖层4之间设有中空层C2，在设置该中空层C2的区域第2盖层5 和第1盖层4不直接接触。因此，即使例如在该区域中第2盖层5挠 曲，在位于相同区域的第1盖层4也不会产生施加于第2盖层5的压 力引起的挠曲。另一方面，在该中空层C2的两端，由于第2盖层5 和第1盖层4直接接触，所以在该部分受到填充树脂的压力。通过在盖部设置这样的中空层C2，用树脂进行铸型时施加于盖 部的压力的影响不会波及容纳于空间C1内的MEMS部3，可以确保 MEMS部3的正常工作。但是，通过发明者的计算可以知道，设置了该中空层C2时的盖部的挠曲，比未设置中空层C2时其挠曲的位移量减小。SP，图14 是表示发明者在进行计算时使用的半导体装置的模型的剖面图。在该 半导体装置M中省略了 MEMS部的记载，但设置有空间Cl及中空 层C2。在此，将中空层C2的长度方便地称为"空腔尺寸"，用Ll表示。 同样，将空间Cl的半导体基板与MEMS部连接的部分的长度方便地 称为"盖尺寸"，用L2表示。而且，关于高度，首先将从半导体基板 表面到与第1盖层的空间Cl接触的面为止的高度设为hl，将第1盖 层的厚度设为h2，将中空层C2的高度设为h3，将第2盖层的厚度 设为h4，将第l盖层及第2盖层加在一起的盖部厚度设为h5。在计 算中使用的值分别是Ll=400tai、 L2=500tai、 hl=17toi、 h2=5toi、 h3=5Pm、 h4=20Mm、 h5=30Pm。如图14所示，假设对半导体装置M的中央部(L2的中心部)在 箭头方向上施加压力的情况。而且，为了方便理解，将对未设置中空 层C2的半导体装置Ml施加压力时的挠曲设为1，作为基准值。此 时，在具有上述尺寸的半导体装置M中设置了中空层C2时的挠曲， 作为相对于半导体装置M1的挠曲的相对位移量，得到值0.66。该相 对位移量的值越小，位移量就会比作为基准的半导体装置M越小。 即，意思是挠曲较小。因此，可以知道，只要施加在盖部的压力相同， 同未设置中空层C2时相比，在盖层设置中空层C2时的盖部的挠曲 小。因此，接着发明者使用半导体装置的模型分析了在设置中空层 C2的情况下，如何设定其长度(空腔尺寸L1)才会使挠曲量变小。在图15中示出由其结果得到的曲线图。图15是表示空腔尺寸 Ll相对于盖尺寸L2之比和相对位移量之间关系的曲线图。该曲线图 的横轴示出空腔尺寸Ll /盖尺寸L2的值，纵轴示出在以未设置中空 层C2的半导体装置Ml的位移量作为基准值(定为1.0)时的相对位移。根据该曲线图，当空腔尺寸L1/盖尺寸L2的值为大约0.4以下 时，位移量在1.0附近处于稍微减小的倾向，但是当空腔尺寸L1 /盖 尺寸L2的值超过0.4时，相对位移量变小。这是表示挠曲量变小， 空腔尺寸Ll /盖尺寸L2的值为0.8时，如上述示出0.66的值，是最 小值。另外，空腔尺寸L1/盖尺寸L2的值在0.8以上时，盖层的强 度不能承受树脂的填充压力。因此，当空腔尺寸L1/盖尺寸L2的值 为0.8时可以得到最优值。这样通过在盖层设置中空层，可以提供在具有MEMS部的半导 体装置中提高制造成品率并提高生产率、确保高可靠性的半导体装置 及其制造方法。另外，该发明不限于上述实施方式那样，在实施阶段可以在不脱 离其主旨的范围内变形构成要素而具体化。例如，如图16或图17所 示，盖部的形状除了可以是上述四方形外，例如还可以形成为多边形 形状或包含椭圆形状在内的圆形。而且，盖部的形状如果是侧壁区域 E与顶板区域F的界线难判断的形状，例如即使是圆顶形状，只要可 以吸收压力的中空层设置于盖部就可以。从该意义出发，设置中空层 的区域也可以说成是顶板区域。而且，通过将上述实施方式中公开的多个构成要素适当地组合， 可以形成多个发明。例如，也可以从实施方式中示出的全部构成要素 中删除几个构成要素。并且，也可以将涉及不同实施方式的构成要素 适当地组合。
权利要求
1、一种半导体装置，其特征在于，具备半导体基板；微电子机械系统部，形成于所述半导体基板表面；以及盖部，与所述微电子机械系统部离开距离配置，覆盖着所述微电子机械系统部设于所述半导体基板表面；所述盖部由包围所述微电子机械系统部的侧壁区域和具有中空层且同所述半导体基板与所述侧壁区域一起形成封闭空间的的顶板区域构成。
2、 如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述盖部具有与所述微电子机械系统部离开距离且对置地配置的第1盖层和在所述第1盖层上层叠设置的第2盖层；在所述第1盖 层与所述第2盖层之间形成有所述中空层。
3、 一种半导体装置的制造方法，其特征在于，具备 形成微电子机械系统部和第1牺牲层的工序，所述微电子机械系统部形成于半导体基板表面，所述第1牺牲层起覆盖所述微电子机械 系统部的周边区域的所述半导体基板；形成第1盖层的工序，所述第1盖层覆盖所述第1牺牲层及其周 边区域的所述半导体基板；在所述第1盖层的、隔着所述第1牺牲层同所述半导体基板相对 置的位置，设置贯通所述第1盖层并到达所述第1牺牲层的第1通孔 的工序；形成第2牺牲层的工序，所述第2牺牲层通过所述第1通孔与所 述第1牺牲层连通，并且形成在与所述微电子机械系统部相对置的位 置、且处于所述第1盖层之上；形成覆盖所述第1盖层及所述第2牺牲层的第2盖层的工序；在形成于所述第2牺牲层的区域的所述第2盖层，设置到达所述第2牺牲层的第2通孔的工序；通过所述第1通孔及所述第2通孔除去所述第1牺牲层及所述第 2牺牲层的工序；以及堵塞所述第2通孔的工序。
全文摘要
本发明提供一种半导体装置及其制造方法，在具有MEMS部的半导体装置中可以提高制造成品率并提高生产率，并且确保高可靠性。该半导体装置具有半导体基板(2)；MEMS部(3)，形成于半导体基板(2)表面；以及，盖部，与MEMS部(3)离开距离配置，覆盖MEMS部(3)地设置于半导体基板(2)的表面；上述盖部由包围MEMS部(3)的侧壁区域(E)和具有中空层且同半导体基板(2)及侧壁区域(E)一起形成封闭空间的顶板区域(F)构成。
文档编号B81B7/00GK101254892SQ200810082278
公开日2008年9月3日 申请日期2008年2月29日 优先权日2007年3月1日
发明者宫城武史, 小幡进, 樋口和人, 西内秀夫, 馆山和树 申请人:株式会社东芝