JP2010258342A - 半導体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ボンディング作業を過度に困難にすることなく、寄生容量を低減させる技術を提供する。
【解決手段】本発明は、ボンディングパッドが形成されている半導体基板を提供する。この半導体基板は、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性の絶縁体と、絶縁体の表面に積層されている固定部と、絶縁体の存在範囲を超えて伸びる張り出し部と、を有するボンディングパッドと、を備える。張り出し部は、張り出し部の裏面が基板層の表面に接するまで弾性変形可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボンディングパッドが形成されている半導体基板に関する。

従来から静電容量の検出量である検出容量の変化に応じて加速度や角速度を計測する慣性センサが提案されている。このような慣性センサでは、配線等の加工誤差に起因する寄生容量の変動でゼロ点位置がシフトし、これにより出力誤差が発生するというオフセットの問題が発生していた。この問題を解決するために、特許文献１には、配線に貫通孔や除去領域といった除去部を設けることによって配線自体の面積を小さくする技術が開示されている。この技術によれば、加工のばらつきによる開口部の位置ずれや形状ずれの発生、あるいは酸化膜（絶縁層）の厚さのばらつきが発生しても、配線部における寄生容量の変化を小さいものとすることができる（たとえば段落００７４）。

特開２００８−１６４６２５号公報

しかし、特許文献１に開示された技術では、ボンディングパッドの寄生容量に起因する静電容量の検出分解能の低下は検討されていなかった。一方、寄生容量の低減のためにボンディングパッドと基板の間の絶縁層を除去すると、荷重の印加を伴うボンディング作業を困難にするという問題が本願発明者によって見出された。

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、ボンディング作業を過度に困難にすることなく、寄生容量を低減させる技術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、ボンディングパッドが形成されている半導体基板を提供する。この半導体基板は、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性の絶縁体と、前記絶縁体の表面に積層されている固定部と、前記絶縁体の存在範囲を超えて伸びる張り出し部と、を有するボンディングパッドと、を備える。前記張り出し部は、前記張り出し部の裏面が前記基板層の表面に接するまで弾性変形可能であることを特徴とする。

第１構成例の半導体基板には、ボンディングパッドの張り出し部の裏面が基板層の表面に接するまで弾性変形可能な張り出し部が備えられているので、ボンディング作業時においては基板層でボンディング荷重を受けることができる。一方、ボンディング作業完了後においては、絶縁体の厚さだけボンディングパッドと基板層との間に空間を形成することができる。ボンディングパッドと基板層との間の空間には、大気や真空状態よりも比誘電率が大きな絶縁層が存在しないので、ボンディングパッドの寄生容量を低減させることができる。

第２構成例は、第１構成例の半導体基板において、
前記張り出し部は、前記張り出し部の表面のボンディング範囲と、前記ボンディング範囲と前記固定部との間に形成された弾性支持部と、を有する。前記弾性支持部は、前記ボンディング範囲内の前記ボンディングパッドの裏面が前記基板層の表面に接するまで弾性変形可能であることを特徴とする。

第２構成例の半導体基板には、ボンディング範囲と弾性支持部とが別個に構成されているので、ボンディング作業時においては、弾性支持部が主として変形し、ボンディング範囲自体の変形が抑制された状態で基板層の表面でボンディング範囲を支持することができる。これにより、ボンディング範囲と基板層が接する際の両者の平行度を維持することができるので、基板層がボンディング範囲を支持する面を広くすることができる。さらに、ボンディング範囲自体の変形が抑制されているので、ボンディング作業完了後のボンディング範囲自体のスプリングバックによる変形に起因するボンディング不良を予め防止することができるという利点もある。

第３構成例は、第１構成例または第２構成例の半導体基板において、
前記弾性支持部が、前記ボンディング範囲内の前記ボンディングパッドを前記基板層から離反させる向きの予備荷重を印加する予備荷重印加膜を有する。こうすれば、たとえばボンディングパッドと基板層の対向面の距離を大きくして寄生容量を低減させることができる。

第１構成例によれば、ボンディング作業を過度に困難にすることなく、寄生容量を低減させることができる。第２構成例によれば、ボンディングの信頼性を高めることができる。第３構成例によれば、電極本体と導電層の対向面の距離を大きくしてさらに寄生容量を低減させることができる。

本発明の第１実施例におけるボンディングパッド１００を有する半導体基板１０の構成を示す立体図。 本発明の第１実施例における半導体基板１０の構成を示す平面図。 本発明の第１実施例における半導体基板１０の構成を示す側面図。 本発明の第１実施例の電極本体１１０に対するボンディング作業の状態を示す側面図。 本発明の第１実施例の電極本体１１０に対するボンディング作業後の状態を示す側面図。 本発明の第２実施例における半導体基板１０ａの構成を示す平面図。 本発明の第２実施例における半導体基板１０ａの構成を示す側面図。 本発明の変形例における半導体基板１０ｂの構成を示す平面図。 本発明の変形例における半導体基板１０ｂ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）弾性支持部が有する予備荷重印加膜は、タングステンとクロムの少なくとも一方を含む金属膜である。
（特徴２）弾性支持部が有する予備荷重印加膜は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、およびアルミニウムのいずれか一つを主成分とする膜である。
（特徴３）弾性支持部が有する予備荷重印加膜は、アニールされた多結晶シリコンを主成分とする膜である。
（特徴４）ボンディングパッドは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の一部として形成されている。
（特徴５）ボンディングパッドは、静電容量の検出によって加速度や角速度を計測する慣性センサとして機能する半導体基板に形成されている。
（特徴６）半導体基板は、電極本体の変位を機械的に制限するとともに、制限された方向に予備荷重を印加するように構成されている。

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実施例におけるボンディングパッドの構成：
Ｂ．本発明の第２実施例におけるボンディングパッドの構成：
Ｃ．変形例：

Ａ．本発明の第１実施例におけるボンディングパッドの構成：
図１は、本発明の第１実施例におけるボンディングパッド１００を有する半導体基板１０の構成を示す立体図である。図２は、本発明の第１実施例における半導体基板１０の構成を示す平面図である。図３は、本発明の第１実施例における半導体基板１０の構成を示す側面図である。半導体基板１０は、基板層ＳＬと、絶縁層ＢＬ（絶縁体の一例）と、配線層ＷＬと、を有している。配線層ＷＬには、ボンディングパッド１００が形成されている。

ボンディングパッド１００は、図２に示されるように、電極本体１１０（ボンディング範囲の一例）と、電極本体支持部１２０（張り出し部の要素の一例）と、弾性支持部１３０（張り出し部の要素の一例）と、固定支持部１４０（固定部の一例）とを有している。電極本体１１０は、ワイヤボンディングが行われる電極面を有している。電極本体１１０には、ほぼ均一の十分に小さなピッチでエッチング孔１００ｈが形成されているので、たとえばエッチング孔１００ｈを通じたエッチングにより、電極本体１１０と基板層ＳＬと間の絶縁層ＢＬを除去することができる。これにより、図３に示されるように、絶縁層ＢＬの厚さに相当する離隔距離ｄの空隙１００ｖを電極本体１１０と基板層ＳＬと間に形成することができる。

ボンディングパッド１００は、図３に示されるように、固定支持部１４０によって絶縁層ＢＬを介して基板層ＳＬに結合されているとともに空隙１００ｖの離隔距離ｄの大きさが変動可能な弾性状態を実現するように構成されている。具体的には、図２に示されるように、電極本体１１０は、電極本体支持部１２０を介して弾性支持部１３０に接続されている。弾性支持部１３０は、固定支持部１４０を介して基板層ＳＬに接続（積層）されている。弾性支持部１３０は、絶縁層ＢＬを介して基板層ＳＬに対してＺ軸を含む方向に電極本体１１０を変位可能な弾性状態で支持している。この弾性状態は、弾性支持部１３０が有する２つのＵ字バネ１３１、１３２によって実現されている。このような構造を有するボンディングパッド１００は、ボンディング作業において以下のように機能する。

図４は、本発明の第１実施例の電極本体１１０に対してボンディング作業が行われている状態を示す側面図である。ボンディング作業は、電極本体１１０にボンディングワイヤ７００を接続する作業である。ボンディングワイヤ７００の接続作業においては、Ｚ軸方向（負の方向）に荷重Ｆ（本明細書では、「ボンディング荷重」とも呼ばれる。）が加えられる。荷重Ｆは、図４に示されるように、電極本体１１０と接している基板層ＳＬによって直接的に受けることができる。電極本体１１０は、弾性支持部１３０によってＺ軸方向（負の方向）に変位することができるからである。これにより、ボンディング作業時におけるボンディングパッド１００の損傷を抑制することができる。

図５は、本発明の第１実施例の電極本体１１０に対するボンディング作業の終了後の状態を示す側面図である。ボンディング作業が終了すると、ボンディング荷重が無くなって、弾性支持部１３０の弾性力で電極本体１１０の位置が復元することになる。これにより、電極本体１１０と基板層ＳＬの間の絶縁状態が再び確保されるとともに、絶縁層ＢＬの除去による比誘電率の低下に起因する寄生容量の低減が実現されることになる。

このような機械的な支持を実現する弾性支持部１３０は、このような機能の観点からバネ係数を設定することが好ましい。具体的には、ボンディング作業時においてはしなやかに変形し、ボンディング作業後においてはボンディングワイヤ７００が有する内部残留応力に起因する荷重によって電極本体１１０が殆ど変位しないように弾性支持部１３０のばね係数をボンディングワイヤ７００のばね係数よりも大きく設定することが好ましい。こうすれば、電極本体１１０の変位による離隔距離ｄの変動に起因する寄生容量の変動を抑制することができるからである。

このように、第１実施例では、電極本体１１０が基板層ＳＬに接するまで変位可能な弾性状態によって、ボンディングパッド１００が絶縁層に接続されているので、たとえばボンディング時のような電極本体１１０が荷重を受ける状態においては空隙１００ｖを無くして基板層ＳＬによって支持することができるとともに、ボンディング作業の完了後は空隙１００ｖを復元させて絶縁を確保し、寄生容量を低減させることができる。これにより、ボンディングパッド１００の電極面の面積確保と、寄生容量の低減や空隙１００ｖの形成に起因するボンディングパッド１００の剛性の低下に起因するボンディング時の破壊を抑制することができる。

Ｂ．本発明の第２実施例におけるボンディングパッドの構成：
図６は、本発明の第２実施例における半導体基板１０ａの構成を示す平面図である。図７は、本発明の第２実施例における半導体基板１０ａの構成を示す側面図である。第２実施例の半導体基板１０ａは、ボンディングパッド１００がボンディングパッド１００ａに変更されている点で第１実施例の半導体基板１０と相違する。

ボンディングパッド１００ａは、弾性支持部１３０および電極本体支持部１２０（図２）が、弾性支持部１３０ａに変更されている点で第１実施例のボンディングパッド１００と相違する。第２実施例の弾性支持部１３０ａは、配線層ＷＬに形成された弾性支持構造１３５に対して予備荷重印加膜１３０ｍ（図７）を付加することによって構成されている。予備荷重印加膜１３０ｍは、弾性支持構造１３５に対して予備荷重（引張り荷重）を印加するように構成されている。この結果、弾性支持部１３０ａは、半径Ｒの曲線を形成するように弾性変形を起こすことになるので、電極本体１１０が基板層ＳＬから離れることになる（図７）。

予備荷重印加膜１３０ｍは、たとえばタングステンとクロムの少なくとも一方を含む金属膜として構成することができる。こうすれば、室温付近の温度で予備荷重印加膜１３０ｍを成膜するという簡易な方法によって、で引っ張り応力を発生させて予備荷重を印加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。

このように、第２実施例では、電極面として機能する電極本体１１０を基板層ＳＬから離隔する方向に予備荷重を印加する予備荷重印加膜１３０ｍが弾性支持部に形成されているので、電極本体１１０と基板層ＳＬの対向面の距離を大きくして寄生容量をさらに低減させることができる。一方、ボンディング作業時においては、第１実施例と同様に基板層ＳＬでボンディング荷重を受けることができるので、ボンディング作業時におけるボンディングパッド１００の破損を抑制することができる。

なお、予備荷重印加膜１３０ｍは、たとえば酸化アルミニウム、炭化ケイ素、およびアルミニウムのいずれか一つを主成分とする膜としても良い。このようにしても、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、およびアルミニウムは、室温よりも高い温度で成膜され、シリコンよりも熱膨張係数が大きいので、室温状態では予備荷重を印加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。

また、予備荷重印加膜１３０ｍは、アニールされた多結晶シリコンを主成分とする膜としても良い。このようにしても、アニール化によって縮小して引張り応力を発生させることが本願発明者によって見出された。

さらに、予備荷重は、必ずしも電極本体１１０を基板層ＳＬから離反させるために利用される場合に限られず、たとえば電極本体１１０が上方（Ｚ軸の正の方向）への変位を機械的に制限する構造（たとえば配線層ＷＬの上に別の層が付加された多層基板）とするとともに、変位が制限された方向に予備荷重を加えるような構成としても良い。こうすれば、ボンディング作業性の向上や寄生容量の低減のために電極本体１１０を変位可能としても、電極本体１１０の意図しない変位を抑制して寄生容量の変動をさらに抑制することができる。

Ｃ．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。

Ｃ−１．第１変形例：上述の各実施例では、単一の弾性支持部１３０、１３０ａが一方の方向から電極本体１１０を片持ち状態で支持しているが、複数の弾性支持部によって両端から支持するように構成しても良い。さらに、固定支持部は、矩形形状に限られず、電極本体１１０の少なくとも一部を包囲する枠状（閉じた枠あるは一方に開いた枠）の形状としても良い。

さらに、弾性支持部は、必ずしも本発明の必須の構成要素ではなく、電極本体が変形するように構成してもよい。たとえば図８および図９に示される変形例の半導体基板１０ｂでは、詳細については後述するが、電極本体１１０ｂ自体が変形し、これにより電極本体１１０ｂが基板層ＳＬに接するまで変位可能な弾性状態が実現されている。このように、本発明で利用可能な張り出し部は、一般に、その張り出し部の裏面が基板層の表面に接するまで弾性変形可能であるように構成されていれば良い。ただし、両者は、それぞれ以下の利点を有している。

弾性支持部と電極本体とが別体で、弾性支持部が電極本体を支持する構成の利点は以下のとおりである。
（１）ボンディング作業時においては、弾性支持部が主として変形し、電極本体自体の変形が抑制された状態で基板層の表面でボンディング範囲を支持することができる。これにより、ボンディング範囲と基板層が接する際の両者の平行度を維持することができるので、基板層がボンディング範囲を支持する面を広くすることができる。
（２）上述のように、ボンディング範囲自体の変形が抑制されているので、ボンディング作業完了後のボンディング範囲自体のスプリングバックによる変形に起因するボンディング不良を予め防止することができる。

加えて、弾性支持部と電極本体とが別体の構成は、上述の効果によって、ボンディングの信頼性を高めることができるとともに、両者が別体として構成されているので、それぞれの設計自由度を高めることができる。具体的には、たとえば電極本体の設計に関しては、ボンディングワイヤの太さに対して柔軟な設計自由度を提供することができるとともに、弾性支持部の設計に関しては、電極本体の設計にほとんど拘束されることなく、ばね係数を自由に設定することができる。

一方、電極本体自体が変形し、これにより電極本体が基板層に接する構成は以下の利点を有している。
（１）ボンディングパッドの必要面積を小さくして、高密度の実装を可能とすることができる。
（２）電極本体の設計において、ボンディングとして機能する部分の設計と、弾性変形して基板からの支持を実現する部分の設計と、を有機的に関係付けた設計を実現することができる。具体的には、たとえば図８および図９に示される変形例の半導体基板１０ｂは、このような観点から好ましい設計がなされた一例として例示されている。

変形例の半導体基板１０ｂは、固定支持部として機能する電極本体１１０ｂを包囲する包囲枠１１０ｂ１と、ボンディング面の中央領域として機能する中央領域部と、を備えている。中央領域部は、外側の内部枠１１０ｂ２（低密度でドットが付された領域）と、内側の内部枠１１０ｂ３（高密度でドットが付された領域）と、複数の外部梁部１１１と、複数の内部梁部１１２と、を備えている。複数の外部梁部１１１は、外側の内部枠１１０ｂ２と包囲枠１１０ｂ１とを接続している。複数の内部梁部１１２は、外側の内部枠１１０ｂ２と内側の内部枠１１０ｂ３とを接続している。

この構成では、複数の外部梁部１１１のピッチが複数の内部梁部１１２のピッチよりも大きくなっている（すなわち疎になっている）。これにより、包囲枠１１０ｂ１の近傍では低いばね係数を有し、中心部では高いばね係数を有する構成を実現することができる。なお、外部梁部１１１の長さを内部梁部１１２の長さよりも長くして、包囲枠１１０ｂ１の近傍での低いばね係数を実現するようにしてもよい。

このような構成は、好ましい形態の一つとして、中央領域部１１０ｂ２のＺ軸方向のしなやかな変位を可能としつつ、ボンディングが行われる領域における弾性変形を小さくすることができるので、スプリングバックに起因するボンディング不良を予め防止することができる。

Ｃ−２．第２変形例：上述の実施例や変形例では、ワイヤボンディングが行われているが、たとえばボンディングパッド同士（あるいは一端のみボンディングパッド）を直接的に接合するフリップチップ接合を行うボンディングパッドにも本願発明は適用可能である。本発明が利用可能なボンディングパッドは、ワイヤボンディングやフリップチップ接合といった電気的な外部接合を全て含むものである。

ただし、フリップチップ接合は、特に、予備荷重印加膜が弾性支持部に形成されている構成との組み合わせが好ましい。本願発明の構成例のボンディンパッドが接合対象のボンディングパッドによって機械的に拘束されるので、寄生容量の変動が抑制されるという利点を有するとともに、離反する方向には接合対象のボンディングパッドが存在するので意図しない電気的な接続をも抑制されるからである。

Ｃ−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慣性センサを搭載する半導体基板において顕著な効果を奏する。

１０、１０ａ、１０ｂ…半導体基板
１００、１００ａ…ボンディングパッド
１００ｈ…エッチング孔
１００ｖ…空隙
１１０、１１０ｂ…電極本体
１１０ｂ１…包囲枠
１１０ｂ２…中央領域部
１１１…梁部
１１２…内部枠
１２０…電極本体支持部
１３０、１３０ａ…弾性支持部
１３０ｍ…予備荷重印加膜
１３５…弾性支持構造
１４０…固定支持部
７００…ワイヤー

Claims (3)

1. ボンディングパッドが形成されている半導体基板であって、
   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性の絶縁体と、
   前記絶縁体の表面に積層されている固定部と、前記絶縁体の存在範囲を超えて伸びる張り出し部と、を有するボンディングパッドと、
   を備え、
   前記張り出し部が、前記張り出し部の裏面が前記基板層の表面に接するまで弾性変形可能であることを特徴とする半導体基板。
2. 請求項１記載の半導体基板であって、
   前記張り出し部が、前記張り出し部の表面のボンディング範囲と、前記ボンディング範囲と前記固定部との間に形成された弾性支持部と、を有し、
   前記弾性支持部が、前記ボンディング範囲内の前記ボンディングパッドの裏面が前記基板層の表面に接するまで弾性変形可能であることを特徴とする半導体基板。
3. 請求項１または２に記載の半導体基板であって、
   前記張り出し部が、前記張り出し部を前記基板層から離反させる向きの予備荷重を印加する予備荷重印加膜を有することを特徴とする半導体基板。

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