半导体装置的制造方法与流程

本申请基于2015年2月16日提出的日本专利申请第2015-27738号及2015年12月11日提出的日本专利申请第2015-242400号，在此引用其记载内容。

本公开涉及以在第1基板与第2基板之间构成气密室的方式接合第1基板和第2基板而成的半导体装置的制造方法。

背景技术：

以往，作为在第1基板与第2基板之间构成有气密室的半导体装置，提出了以下的半导体装置(例如参照专利文献1)。也就是说，在该半导体装置中，在第1基板中形成有检测角速度的传感检测部。此外，第2基板在与第1基板的一面中的传感检测部相对的部分中形成有凹部。而且，该第2基板以构成用包含第1基板与凹部之间的空间密封传感检测部的气密室的方式与第1基板接合。再者，将气密室形成为真空压。

这样的半导体装置按以下进行制造。也就是说，首先，在第1基板中形成检测角速度的传感检测部，同时在第2基板中形成凹部。然后，以气密室构成为用包含第1基板和凹部之间的空间密封传感检测部的方式，接合第1基板和第2基板，由此进行制造。

可是，在第1基板和第2基板的接合中，已知通过在第1基板和第2基板的接合面形成oh基，使各接合面的oh基彼此共价键合来提高接合强度。但是，在这样的接合方法中，尽管可提高第1基板和第2基板的接合强度，但是因oh基而在气密室内生成氢气(即脱气)，有因该氢气而使气密室的压力高于所希望的压力的问题。

为了解决该问题，考虑通过进行加热处理来提高气密室内的氢气的扩散距离(即扩散系数)，由此使氢气在第1基板或第2基板内扩散(即通过)而排到外部。但是，如果单纯地进行该加热工序，则有时不能使气密室内的压力达到所希望的压力。也就是说，有时气密室内的压力发生变动。

再者，这样的问题不是只在密封传感检测部的气密室中发生的问题，例如，在通过接合第1基板和第2基板来构成气密室、将该气密室设定为基准压力室的压力传感器等中也同样发生。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-187664号公报

技术实现要素：

本公开的目的在于，提供一种能够抑制气密室内的压力变动的半导体装置的制造方法。

在本公开的方案中，提供一种半导体装置的制造方法，所述半导体装置具备：具有一面的第1基板；和具有一面及与所述一面成相反侧的另一面、在所述一面侧形成凹部、该一面以与所述第1基板的一面相对的状态与所述第1基板接合的第2基板，包含所述第1基板与所述第2基板的凹部之间的空间而构成气密室，所述气密室形成为真空，所述半导体装置的制造方法具备以下工序：准备含有硅的所述第1基板的工序；准备在所述第2基板的所述一面上形成有所述凹部、并含有硅的所述第2基板的工序；以构成所述气密室的方式接合所述第1基板的一面和所述第2基板的一面的工序；进行用于排出所述气密室内的氢气的加热处理的工序；在接合所述第1基板的一面和所述第2基板的一面之前，在所述第1基板的一面侧及所述第2基板的包含凹部的壁面的一面侧生成oh基的工序。在接合所述第1基板的一面和所述第2基板的一面时，使生成于所述第1基板的一面上的oh基与生成于所述第2基板的一面上的oh基共价键合。在进行所述加热处理时，通过以1℃/sec以下的升温速度将所述第1基板及所述第2基板中的生成有所述oh基的部分加热达到700℃以上来生成氢气，同时通过以所述氢气的扩散距离达到构成所述气密室的壁面与暴露于大气中的壁面之间的最短距离以上的方式调整加热温度及加热时间，从而将所述氢气从所述气密室排出。

根据上述的半导体装置的制造方法，在第1基板及第2基板上形成oh基，将第1基板和第2基板接合后，以1℃/sec以下的升温速度进行加热，使构成气密室的壁面达到700℃以上。由此，能够使残存在气密室内的oh基全部变换成氢气。而且，由于以氢气的扩散距离达到第2基板中的凹部的底面与该第2基板的另一面之间的距离以上的方式调整加热温度及加热时间，所以能够从气密室中排出氢气。因此，能够将气密室内的压力设定为所希望的压力，能够抑制气密室内的压力变动。

此外，由于通过加热处理使残存于气密室内的oh基全部变换成氢气，所以在半导体装置的使用中等，能够抑制气密室内生成氢气、因该氢气使气密室内的压力发生变动的情况。

附图说明

本公开的上述目的及其它目的、特征及优点，通过参照附图的下述详细的说明将更明确。其附图如下：

图1是本公开的第1实施方式中的压力传感器的剖视图。

图2(a)～图2(d)是表示图1所示的压力传感器的制造工序的剖视图。

图3(a)～图3(c)是表示接在图2(d)之后的压力传感器的制造工序的剖视图。

图4是表示氢气生成量与试料表面温度的关系的图示。

图5是表示加热温度与气密室内的压力的关系的图示。

图6是本公开的第2实施方式中的压力传感器的剖视图。

图7是本公开的其它实施方式中的压力传感器的剖视图。

图8是本公开的其它实施方式中的压力传感器的剖视图。

图9是本公开的其它实施方式中的压力传感器的剖视图。

具体实施方式

(第1实施方式)

参照附图对本公开的第1实施方式进行说明。再者，本实施方式中，对在压力传感器的制造方法中应用了本公开的半导体装置的制造方法的例子进行说明。首先，对根据本实施方式的制造方法制造的压力传感器的构成进行说明。

如图1所示的那样，压力传感器具备具有一面10a及另一面10b的第1基板10。本实施方式中，第1基板10由依次层叠支持基板11、绝缘膜12、半导体层13而成的soi(silicononinsulator)基板构成。而且，由半导体层13中的与绝缘膜12侧成相反侧的一面构成第1基板10的一面10a，由支持基板11中的与绝缘膜12侧成相反侧的一面构成第1基板10的另一面10b。再者，本实施方式中，支持基板11及半导体层13由硅基板等构成，绝缘膜12由sio2或sin等构成。

此外，在第1基板10中，通过从另一面10b形成凹部14而构成膜部15。本实施方式中，凹部14以从第1基板10的另一面10b到达绝缘膜12的方式形成。因此，膜部15由位于凹部14的底面与第1基板10的一面10a之间的绝缘膜12及半导体层13构成。

膜部15中，形成有4个计量电阻16(图1中只图示2个)，各计量电阻16以构成电桥电路的方式通过未图示的连接布线层适宜连接。本实施方式中，计量电阻16为通过在离子注入了杂质后进行热处理而构成的扩散层。再者，本实施方式中，将构成计量电阻16的杂质的表面浓度设定为1.0×10^-18～1.0×10^-21cm^-3，该计量电阻16相当于本公开的扩散层。此外，虽未特别图示，但在第1基板10中，还形成有与各计量电阻16适宜连接、同时经由形成在第2基板20上的未图示的贯通电极而与外部电路连接的引出布线层等。

而且，在这样的第1基板10的一面10a上配置有第2基板20。本实施方式中，第2基板20具有贴合基板21、形成在该贴合基板21中的与第1基板10相对的一面21a侧的绝缘膜22，一面20a由绝缘膜22中的与贴合基板21侧成相反侧的一面构成。再者，贴合基板21由硅基板等构成，绝缘膜22由sio2或sin等构成。此外，第2基板20的另一面20b由贴合基板21中的与一面21a成相反侧的另一面21b构成。

在贴合基板21的一面21a上，在与计量电阻16相对的部分形成凹部21c，绝缘膜22也形成在凹部21c的壁面上。而且，在第2基板20中，在与计量电阻16相对的部分，形成有由形成在凹部21c的壁面上的绝缘膜22模制而成的凹部20c。尽管没有特别限定，但是将凹部20c的平面形状设定为正八角形，将通过中心的对角线的长度设定为350μm。此外，凹部20c以凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的距离达到10～200μm的方式构成。

而且，第2基板20的一面20a(即绝缘膜22)与第1基板10的一面10a(即半导体层13)接合。由此，通过凹部20c在第1基板10与第2基板20之间形成气密室30，将计量电阻16密封在该气密室30中。本实施方式中，由于从气密室30对膜部15中的一面10a侧外加规定的压力，所以该气密室30作为基准压力室而发挥功能。

再者，本实施方式中，第1基板10和第2基板20如后述的那样，通过使第1基板10及第2基板20中的接合面活性化进行接合的所谓直接接合等进行接合。此外，虽未特别图示，但在第2基板20中形成有贯通孔，该贯通孔向第1基板10和第2基板20的层叠方向贯通，并使形成于第1基板10上的引出布线层露出，在该贯通孔内形成有与引出布线层适宜地电连接、用于谋求与外部电路连接的贯通电极。

以上是本实施方式中的压力传感器的构成。接着，参照图2(a)～图2(d)对上述压力传感器的制造方法进行说明。

首先，如图2(a)所示的那样，准备依次层叠支持基板11、绝缘膜12、半导体层13而成的第1基板10。然后，在一面10a上形成未图示的掩模后，离子注入杂质，同时进行加热处理使杂质热扩散，由此适宜形成计量电阻16、未图示的连接布线层、引出布线层等。再者，该工序中的加热处理例如通过将第1基板10在800～1100℃下加热处理来进行，以使杂质热扩散。

接着，在与上述图2(a)不同的另一工序中，如图2(b)所示的那样，准备贴合基板21，通过干法刻蚀等在贴合基板21的一面21a上形成凹部21c。然后，在基板21的一面21a上通过化学气相沉积(即chemicalvapordeposition：cvd)法等形成绝缘膜22。由此，准备形成有由绝缘膜22模制而成的上述凹部20c的第2基板20。

继续，在真空中对第1基板10(半导体层13)和第2基板20(绝缘膜22)进行接合。本实施方式中，首先，如图2(c)所示的那样，在第1基板10的一面10a侧及第2基板20的一面20a侧，生成oh基。

具体地讲，将第1基板10及第2基板20配置在未图示的容器内，从第1基板10的一面10a(即半导体层13)侧及第2基板20的一面20a(即绝缘膜22)侧照射o2等离子、n2等离子、ar离子束等，将附着在接合面上的杂质除去，同时使各接合面活性化。

再者，所谓使接合面活性化，是指露出在接合面的原子中的键合键的一部分失去键合对象的状态。此外，在使接合面活性化时，因从第1基板10的一面10a侧及第2基板20的一面20a侧照射o2等离子等，所以第1基板10的一面10a中的与第2基板20接合的区域的靠内边缘侧的区域、及第2基板20的凹部20c的壁面等也被活性化。

接着，例如通过从容器内取出第1基板10及第2基板20并暴露在大气中，从而在第1基板10的一面10a侧及第2基板20的一面20a侧生成oh基。

再者，由于oh基生成在第1基板10及第2基板20的被活性化的区域，所以也可形成在第1基板10的一面10a中的与第2基板20接合的区域的靠内边缘侧的区域、及第2基板20的凹部20c的壁面等上。此外，在第1基板10及第2基板20的各一面10a、20a侧生成oh基时，也可以取代从容器内取出第1基板10及第2基板20，而通过例如向容器内导入大气来在第1基板10及第2基板20中生成oh基。

接着，如图2(d)所示的那样，采用适宜设在第1基板10及第2基板20上的对准标记等，进行利用红外显微镜等的对准，通过在室温～550℃的低温下进行接合的所谓直接接合，将第1基板10和第2基板20接合。本实施方式中，通过维持在300℃，同时向第1基板10和第2基板20的层叠方向外加18kn的加重来直接接合第1基板10和第2基板20。由此，以包括第1基板10与第2基板20的凹部20c之间的空间的方式构成气密室30，将计量电阻16密封在该气密室30中。

再者，在该工序中，如以下的反应式[f1]那样，通过使生成在第1基板10的一面10a及第2基板20的一面20a上的oh基彼此共价键合而生成氢气31。

2sioh→siosi+h2+o^－[f1]

也就是说，在图2(d)的工序结束后，成为在气密室30内生成了氢气31的状态，成为气密室30内的压力高于所希望的压力的状态。

接着，如图3(a)所示的那样，将进行到图2(d)的工序为止的压力传感器导入未图示的退火装置中进行加热处理。由此，第1基板10与第2基板20的接合中未用到的oh基、即第1基板10的一面10a中的与第2基板20接合的区域的靠内边缘侧的区域中生成的oh基、以及第2基板20的凹部20c的壁面上生成的oh基彼此键合，生成水分子。

然后，如图3(b)所示的那样，通过继续加热，如以下的反应式[f2]那样，水分子与硅反应，生成氧化膜(即变厚)，同时在气密室30内生成进一步的氢气31。

2h2o+si→sio2+2h2[f2]

这里，本发明者们对在si基板上生成oh基、将si基板加热时起因于oh基的氢气31的生成量进行了实验，得到图4所示的实验结果。再者，图4是通过在照射o2等离子而生成oh基后进行升温脱气分光(即热解吸谱，thermaldesorptionspectrometry：tds)法而得到的实验结果，将升温速度设定为1℃/sec。此外，图4中的试料表面温度为oh基生成的表面温度，图4中的虚线所示的背景是实验中使用的装置所固有的噪音。

如图4所示的那样，在si基板上生成了oh基时，通过加热使试料表面温度提高而生成氢气，但本发明者们发现：在将升温速度设定为1℃/sec时，在700℃以上不生成氢气。此外，虽然明确的原理不清楚，但已知在将升温速度设定为小于1℃/sec时，氢气生成量的最大量下的温度向低温侧偏离，在将升温速度设定为大于1℃/sec时，氢气生成量的最大量下的温度向高温侧偏离。也就是说，已知：在将升温速度设定为小于1℃/sec时，不生成氢气的温度向低温侧偏离，在将升温速度设定为大于1℃/sec时，不生成氢气的温度向高温侧偏离。另外，如图4所示的那样，本发明者们还发现：在变更等离子湿度时，氢气生成量的最大量及最大量下的温度发生变动，但不生成氢气的温度没有变化。

因此，本实施方式中，将升温速度设定为1℃/sec以下，以生成oh基的面达到700℃以上的方式进行加热。也就是说，以第1基板10的一面10a、第2基板20的一面20a、及凹部20c的壁面达到700℃以上的方式进行加热。由此，能够将图2(c)的工序中生成的oh基全部变换成氢气31。

再者，图3(b)示出了在图2(c)的工序中生成了oh基的面达到700℃以上之前的状态。此外，在图2(d)的工序中，第1基板10及第2基板20的各接合面中生成的oh基彼此按上述反应式[f1]的方式进行反应，但有时oh基的一部分残存。因此，在图3(b)的工序中，通过以第1基板10及第2基板20的接合面也达到700℃以上的方式进行加热，在图2(d)的工序中存在未反应的oh基的情况下，能够将该oh基变换成氢气31。

然后，如图3(c)所示的那样，维持加热温度(即700℃以上的温度)，进行将气密室30内发生的氢气31从该气密室30内排到外部的排气工序。

这里，对排气工序进行具体的说明。众所周知，氢气31的扩散距离与扩散系数(d)和加热时间(t)成比例(即2(dt)^1/2)，扩散系数(d)与加热温度成比例。也就是说，氢气31的扩散距离与加热时间和加热温度成比例。

而且，本发明者们以使氢气31在成为构成气密室30的壁面与暴露于大气的壁面之间的最短距离的部分进行扩散(即通过)而排出的方式，将该最短距离以上的距离设定为氢气31的扩散距离，以该扩散距离达到固定的方式调整加热温度和加热时间而进行实验，得到了图5所示的实验结果。再者，本实施方式中，成为构成气密室30的壁面与暴露于大气的壁面之间的最短距离的部分，是凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的部分。此外，图5是将气密室30内的体积设定为1.0×10^-3mm^-3、将凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的距离设定为10～200μm、将升温速度设定为1℃/sec时的图示。

得知：如图5所示的那样，由于将凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的距离以上的距离设定为扩散距离，扩散距离与d^1/2、t^1/2成比例，所以即使在以该扩散距离固定的方式调整加热温度(即扩散系数)和加热时间的情况下，例如在加热温度为600℃时，也不能使气密室30内的压力充分减压。也就是说，得知：在加热温度为600℃时，不能充分排出气密室30内的氢气31。再者，如上述那样，d为扩散系数，t为加热时间。

推测这是因为，如上述那样，在600℃时，没有将oh基全部变换成氢气31，因维持在600℃而继续每次少量地生成氢气31。再者，图5中，在将加热温度设定为600℃时，通过将加热时间设定为75小时这样的长时间，从而使氢气31的扩散距离成为凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的距离以上。

与此相对照，在将生成oh基的面加热达到700℃以上的情况下，如图4所示的那样，能够将图2(c)中生成的oh基全部变换成氢气31。因此，在排气工序中，通过以扩散距离成为凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的距离以上的方式来调整加热温度及加热时间，能够从气密室30排出在气密室30内发生的氢气31，能够使气密室30内的压力保持在所希望的压力。

再者，本实施方式中，如上述那样，成为构成气密室30的壁面与暴露于大气的壁面之间的最短距离的部分，是凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的部分。因此，图3(c)中，示出氢气31通过凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的部分而排出的状况。但是，例如，在成为构成气密室30的壁面与暴露于大气的壁面的最短距离的部分是第1基板10的一面10a与另一面10b之间的部分的情况下，氢气31沿第1基板10的一面10a与另一面10b之间的部分扩散而排出。

此外，因si的熔点为1412℃，优选在低于1412℃的温度下进行加热工序。而且，上述中，对将图3(b)中生成oh基的面加热达到700℃以上、图3(c)中维持原状温度的例子进行了说明，但在图3(c)的排气工序中，氢气31的扩散距离与加热温度和加热时间成正比例。因此，例如，也可以在图3(b)的工序中在将生成oh基的面加热达到700℃以上后，在图3(c)的工序中降温到600℃，并延长加热时间，由此使扩散距离达到凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的距离以上。

然后，虽未特别图示，但通过在第1基板10的另一面10b上形成掩膜，用干法刻蚀等形成凹部14而构成膜部15，由此可制作上述图1所示的压力传感器。

再者，上述中，对1个压力传感器的制造方法进行了说明，但也可以准备晶片状的第1基板10和第2基板20，在以晶片状的原状进行了上述各工序后将其刻模而分割成芯片单元。

如以上说明的那样，本实施方式中，在第1基板10的一面10a侧及第2基板20的一面20a侧生成oh基，接合第1基板10和第2基板20。然后，将升温速度设定为1℃/sec以下，以生成oh基的面达到700℃以上的方式进行加热。由此，能够将因接合第1基板10和第2基板20而生成的oh基全部变换成氢气31(参照图4)。

然后，在排气工序中，以氢气31的扩散距离达到凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的距离以上的方式，调整加热温度及加热时间。由此，能够充分排出气密室30内的氢气31，能够形成将气密室30内充分减压的状态(即真空状态)。也就是说，能够抑制气密室30内的压力变动。

此外，由于通过加热处理使残存于气密室30内的oh基全部变换成氢气，所以在半导体装置的使用等中，能够抑制在气密室30内生成氢气、因该氢气而使气密室30内的压力发生变动。

(第2实施方式)

对本公开的第2实施方式进行说明。本实施方式相对于第1实施方式变更了第1基板10的构成，其它与第1实施方式相同，因此这里将说明省略。

本实施方式的压力传感器如图6所示的那样，第1基板10为在半导体层13上具有薄绝缘膜17的构成。也就是说，第1基板10通过依次层叠支持基板11、绝缘膜12、半导体层13、薄绝缘膜17而构成，一面10a由薄绝缘膜17中的与半导体层13侧成相反侧的一面构成。此外，膜部15由位于凹部14的底面与第1基板10的一面10a之间的绝缘膜12、半导体层13、薄绝缘膜17构成。

这样的压力传感器可按以下制造。也就是说，首先，在上述图2(a)的工序中，在形成计量电阻16等后，例如，通过热氧化在半导体层13上形成薄绝缘膜17，构成第1基板10。然后，进行上述图2(b)以后的工序，在进行图3(a)以后的加热工序时，通过以在半导体层13上形成薄绝缘膜17的状态进行加热处理，可制作上述压力传感器。

据此，以在半导体层13上形成有薄绝缘膜17的状态进行排气工序。因此，在排气工序时，通过薄绝缘膜17能够抑制构成计量电阻16的杂质向气密室30内扩散的向外扩散(outdiffusion)，能够抑制计量电阻16的特性变化。

再者，在通过上述图2(c)的工序中说明的直接接合进行薄绝缘膜17与绝缘膜22的接合时，如果薄绝缘膜17厚，则有时接合强度降低。因此，优选以大约10nm以下的方式形成薄绝缘膜17。

(其它实施方式)

例如，上述第1、第2实施方式中，对在压力传感器的制造方法中应用了本公开的半导体装置的制造方法的例子进行了说明。但是，本公开也能在具有气密室30、该气密室30的压力为真空状态的多种半导体装置的制造方法中应用，也能在角速度传感器等的制造方法中应用。

此外，如图7所示的那样，也可以在只由贴合基板21构成第2基板20的压力传感器的制造方法中应用本公开。再者，在该压力传感器中，第2基板20的凹部20c由贴合基板21的凹部21c构成，位于凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的部分只为贴合基板21。此外，图1中，虽未特别图示，但也可以形成为在凹部21c的壁面上不形成绝缘膜22的构成。

而且，如图8所示的那样，也可以在只由支持基板11构成第1基板10、同时将位于凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的贴合基板21及绝缘膜22设定为膜部15、在该膜部15中形成计量电阻16的压力传感器的制造方法中应用本公开。另外，如图9所示的那样，作为图8的变形例，也可以在由支持基板11及绝缘膜12构成第1基板10、只由贴合基板21构成第2基板20的压力传感器的制造方法中应用本公开。再者，在该压力传感器中，与图7所示的压力传感器同样，第2基板20的凹部20c由贴合基板21的凹部21c构成，位于凹部20c的底面与第2基板20的另一面20b之间的部分只为贴合基板21。

此外，在上述第1实施方式中，膜部15也可以只由半导体层13构成。也就是说，也可以通过凹部14将绝缘膜12除去。同样，在上述第2实施方式中，膜部15也可以由半导体层13及薄绝缘膜17构成。

本公开根据实施例进行了说明，但应理解为本公开并不限定于所述实施例及结构。本公开包含多种变形例及均等范围内的变形。而且，各种组合及方式、以及仅包含其中一要素、一要素以上或其以下的其它组合及方式都包含在本公开的范畴及思想范围内。