JP4665733B2 - Sensor element - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、加速度センサエレメント、ジャイロセンサエレメントなどのセンサエレメントに関するものである。 The present invention relates to a sensor element such as an acceleration sensor element or a gyro sensor element.
近年、チップサイズパッケージ(Chip Size Package:CSP)を有するセンサエレメントとして、ウェハレベルパッケージング技術を利用して形成したセンサエレメントが各所で研究開発されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, as a sensor element having a chip size package (CSP), a sensor element formed by using a wafer level packaging technique has been researched and developed in various places (for example, see Patent Document 1).
ここにおいて、上記特許文献1には、図11(a)に示すように、複数のMEMS(Micro Electro Mechanical System)素子211およびMEMS素子211のセンシング部(図示せず)に電気的に接続された金属配線(引き出し電極)217を形成した第1の半導体ウェハ210と、金属配線217に電気的に接続される貫通孔配線224およびMEMS素子211を気密封止する空間を形成するための凹所221を形成した第2の半導体ウェハ220とを対向させてから、図11(b)に示すように第1の半導体ウェハ210と第2の半導体ウェハ220とをウェハレベルで貼り合わせることでウェハレベルパッケージ構造体200を形成し、ウェハレベルパッケージ構造体200から個々のセンサエレメントに分割する技術が開示されている。なお、このようにして製造されたセンサエレメントは、第1の半導体ウェハ210から切り出された部分がセンサ基板を構成し、第2の半導体ウェハ220から切り出された部分が貫通孔配線形成基板を構成している。
Here, in
ここで、第1の半導体ウェハ210における第2の半導体ウェハ220との対向面には、各センサエレメントに対応する領域ごとに、MEMS素子211および当該MEMS素子211に電気的に接続された金属配線217を囲む第1の封止用接合金属層(封止用下地金属膜)218が形成され、第2の半導体ウェハ220における第1の半導体ウェハ210との対向面には、各センサエレメントに対応する領域ごとに、凹所221を囲み第1の封止用接合金属層218に対向する第2の封止用接合金属層(封止用下地金属膜)228が形成されている。
Here, on the surface of the
また、第1の半導体ウェハ210は、第1の封止用接合金属層218よりも内側で金属配線217と電気的に接続された第1の接続用接合金属層219が形成され、第2の半導体ウェハ220は、第2の封止用接合金属層228よりも内側に貫通孔配線224と電気的に接続された第2の接続用接合金属層229が形成されている。
Further, the
そして、上述のウェハレベルパッケージ構造体200は、第1の半導体ウェハ210の第1の封止用接合金属層218と第2の半導体ウェハ220の第2の封止用接合金属層228とが例えばAuSnなどの半田からなる第1の半田部238を介して接合されるとともに、第1の接続用接合金属層219と第2の接続用接合金属層229とが第2の半田部239を介して接合されている。
In the wafer
ところで、MEMSとしては、加速度センサやジャイロセンサなどが広く知られており、加速度センサとしては、加速度が印加されたときのピエゾ抵抗からなるゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化により加速度を検出するピエゾ抵抗形の加速度センサや、加速度が印加されたときの固定電極と可動電極との間の静電容量の変化により加速度を検出する容量形の加速度センサなどが知られている。 By the way, an acceleration sensor, a gyro sensor, and the like are widely known as MEMS, and as an acceleration sensor, a piezoelectric element that detects acceleration by a change in resistance value due to a strain of a gauge resistance composed of a piezoresistor when acceleration is applied. A resistance-type acceleration sensor, a capacitance-type acceleration sensor that detects acceleration based on a change in capacitance between a fixed electrode and a movable electrode when acceleration is applied, and the like are known.
ピエゾ抵抗形の加速度センサとしては、矩形枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が一方向へ延長された撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持された片持ち式のものや、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が相反する2方向へ延長された一対の撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持された両持ち式のものなどが提案されており、近年では、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が四方へ延長された4つの撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持され、互いに直交する3方向それぞれの加速度を各別に検出可能なものも提案されている(例えば、特許文献2,3参照)。
As a piezoresistive acceleration sensor, a cantilever type is supported in such a manner that a weight portion arranged inside a rectangular frame-like frame portion is swingably supported by the frame portion via a bending portion extended in one direction. Also proposed is a dual-support type that is swingably supported by the frame portion through a pair of flexure portions that are extended in two opposite directions with weight portions arranged inside the frame-shaped frame portion. In recent years, a weight portion arranged inside a frame-like frame portion is supported by the frame portion through four flexible portions extended in four directions so as to be swingable, and accelerations in three directions orthogonal to each other. Have been proposed (see, for example,
なお、上述のピエゾ抵抗形の加速度センサでは、重り部および撓み部が可動部を構成し、ピエゾ抵抗がセンシング部を構成している。また、容量形の加速度センサ(例えば、特許文献4参照)やジャイロセンサ(例えば、特許文献5参照)では、可動電極を設けた重り部や可動電極を兼ねる重り部などが可動部を構成しており、固定電極と可動電極とによりセンシング部を構成している。
上記特許文献1に記載のウェハレベルパッケージング技術を利用して形成されたセンサエレメントでは、金属配線217と電気的に接続される第1の接続用接合金属層219が、金属配線217のうち厚み方向において第2の接続用接合金属層229と重なる部位上に形成されているので、第1の接続用接合金属層219と金属配線217との接触面積を比較的大きくすることができて第1の接続用接合金属層219と金属配線217とのコンタクト抵抗を小さくすることができる。
In the sensor element formed using the wafer level packaging technique described in
しかしながら、上述のセンサエレメントでは、第2の半導体ウェハ220側に形成されている第2の接続用接合金属層229と第2の封止用接合金属層228とが同一平面上において略同じ高さに形成されている一方で、第1の半導体ウェハ210側では第1の接続用接合金属層219の形成面を含む平面に対して第1の接続用接合金属層219と第1の封止用接合金属層228とで高さが異なっており、第2の接続用接合金属層229と第1の接続用接合金属層219との間の距離と、第2の封止用接合金属層228と第1の封止用接合金属層218との間の距離との距離差を吸収して接続用接合金属層229,219同士および封止用接合金属層228,218同士を接合するために、製造にあたっては、第2の接続用接合金属層229および第2の封止用接合金属層228それぞれにおける接合箇所に所定量の半田をソルダーシュート法により供給してから、第1の半導体ウェハ210と第2の半導体ウェハ220とを重ね合わせてリフローを行う必要があり、製造プロセスが複雑になるとともに、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の距離の高精度化が難しかった。また、上記特許文献1に記載の技術では、半田としてAuSnを用いる場合には、リフローの工程のプロセス温度が280℃以上になり、接合界面近傍の残留応力が大きくなって当該残留応力に起因してセンサ特性が変動してしまうという不具合があった。
However, in the above-described sensor element, the second connecting
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の接合を容易に行うことが可能なセンサエレメントを提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said reason, The objective is to provide the sensor element which can perform joining between a sensor board | substrate and a through-hole wiring formation board | substrate easily.
請求項1の発明は、第1の半導体基板を用いて形成されセンシング部およびセンシング部に電気的に接続された金属配線を有するセンサ基板と、第2の半導体基板を用いて形成され金属配線に電気的に接続される貫通孔配線を有しセンサ基板の一表面側に封着された貫通孔配線形成基板とを備え、センサ基板は、前記一表面における周部の全周に亘って第1の封止用接合金属層が形成されるとともに、第1の封止用接合金属層よりも内側に金属配線と電気的に接続された金属材料からなる第1の接続用接合金属層が形成され、貫通孔配線形成基板は、センサ基板側の表面における周部の全周に亘って第2の封止用接合金属層が形成されるとともに、第2の封止用接合金属層よりも内側に貫通孔配線と電気的に接続された金属材料からなる第2の接続用接合金属層が形成され、センサ基板と貫通孔配線形成基板とは、第1の封止用接合金属層と第2の封止用接合金属層とが接合されるとともに、第1の接続用接合金属層と第2の接続用接合金属層とが接合され、センサ基板は、第1の接続用接合金属層における金属配線との接続部位が、貫通孔配線形成基板におけるセンサ基板との対向面に形成された凹所内に位置していることを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, a sensor substrate formed using a first semiconductor substrate and having a metal wiring electrically connected to the sensing portion, and a metal wiring formed using the second semiconductor substrate. A through-hole wiring forming substrate having a through-hole wiring electrically connected and sealed to one surface side of the sensor substrate, the sensor substrate having a first circumference over the entire circumference of the peripheral portion on the one surface. The first bonding metal layer made of a metal material electrically connected to the metal wiring is formed inside the first sealing bonding metal layer. The through-hole wiring forming substrate has a second sealing bonding metal layer formed over the entire circumference of the peripheral portion of the surface on the sensor substrate side, and is further on the inner side than the second sealing bonding metal layer. Second made of a metal material electrically connected to the through-hole wiring A connection bonding metal layer is formed, and the sensor substrate and the through-hole wiring formation substrate are connected to the first sealing bonding metal layer and the second sealing bonding metal layer and to the first connection. The bonding metal layer for bonding and the second bonding metal layer for connection are bonded, and the sensor substrate has a connection portion with the metal wiring in the first connection bonding metal layer facing the sensor substrate in the through-hole wiring forming substrate. It is located in the recess formed in the surface.
この発明によれば、センサ基板の第1の接続用接合金属層における金属配線との接続部位が、貫通孔配線形成基板におけるセンサ基板との対向面に形成された凹所内に位置しているので、センサ基板の第1の接続用接合金属層のうち第2の接続用接合金属層と接合する接合部位を、センサ基板の第1の封止用接合金属層とを同一平面上に形成することができ、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の接合を容易に行うことが可能になる。 According to this invention, since the connection part with the metal wiring in the 1st joining metal layer for a connection of a sensor board | substrate is located in the recess formed in the opposing surface with the sensor board | substrate in a through-hole wiring formation board | substrate. The bonding portion to be bonded to the second connecting bonding metal layer in the first connecting bonding metal layer of the sensor substrate is formed on the same plane as the first sealing bonding metal layer of the sensor substrate. Thus, the sensor substrate and the through hole wiring forming substrate can be easily joined.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記各接続用接合金属層と前記各封止用接合金属層とが同一の金属材料により形成されてなることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, each of the connecting bonding metal layers and each of the sealing bonding metal layers is formed of the same metal material.
この発明によれば、第1の接続用接合金属層と第2の接続用接合金属層とを接合するのと同時に第1の封止用接合金属層と第2の封止用接合金属層とを例えば常温接合法などにより直接接合することが可能となり、従来のように接合箇所ごとに半田を供給する工程およびリフローの工程をなくすことができ、製造プロセスの簡略化を図れるとともにセンサ基板と貫通孔配線形成基板との間の距離の高精度化を図れ、しかも、残留応力に起因したセンサ特性の変動を抑制することができる。 According to the present invention, the first sealing bonding metal layer and the second sealing bonding metal layer are simultaneously bonded to the first connecting bonding metal layer and the second connecting bonding metal layer. Can be directly bonded by, for example, a room temperature bonding method, and the conventional process of supplying solder and reflow for each bonding point can be eliminated, which simplifies the manufacturing process and penetrates the sensor substrate. It is possible to increase the accuracy of the distance to the hole wiring formation substrate, and to suppress fluctuations in sensor characteristics due to residual stress.
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、第3の半導体基板を用いて形成され前記センサ基板の他表面側に封着されたカバー基板を備え、前記センサ基板は、前記第1の封止用接合金属層および前記第1の接続用接合金属層が形成された枠状のフレーム部と、フレーム部の内側に配置され前記一表面に交差する方向に変位可能であって前記センシング部が形成された可動部とを有し、前記貫通孔配線形成基板における前記センサ基板側の表面には、可動部の変位空間を確保する変位空間形成用凹部が形成され、当該変位空間形成用凹部が前記凹所を兼ねていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a cover substrate formed using the third semiconductor substrate according to the first or second aspect of the present invention, and sealed on the other surface side of the sensor substrate. The frame-shaped frame portion on which the first sealing bonding metal layer and the first connecting bonding metal layer are formed, and the frame-shaped frame portion disposed inside the frame portion and displaceable in a direction intersecting the one surface. A displacement space forming recess that secures a displacement space of the movable portion is formed on the surface of the through hole wiring formation substrate on the sensor substrate side, and the displacement The recess for forming a space also serves as the recess.
この発明によれば、前記貫通孔配線形成基板における前記センサ基板側の表面に形成された変位空間形成用凹部が前記凹所を兼ねているので、前記凹所を変位空間形成用凹部と別途に形成する必要がなく、前記貫通孔配線形成基板の設計が容易になる。 According to the present invention, since the displacement space forming recess formed on the surface of the through hole wiring forming substrate on the sensor substrate side also serves as the recess, the recess is separately provided from the displacement space forming recess. There is no need to form it, and the design of the through-hole wiring forming substrate is facilitated.
請求項4の発明の発明は、請求項3の発明において、前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板および前記第3の半導体基板とはウェハレベルで接合されてから所望のチップサイズに切断されてなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the first semiconductor substrate, the second semiconductor substrate, and the third semiconductor substrate are bonded to each other at a wafer level to obtain a desired chip size. It is characterized by being cut.
この発明によれば、前記貫通孔配線形成基板と前記カバー基板とが前記センサ基板と同じ外形サイズとなり、小型のチップサイズパッケージを実現できる。 According to this invention, the through-hole wiring forming substrate and the cover substrate have the same outer size as the sensor substrate, and a small chip size package can be realized.
請求項1の発明では、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の接合を容易に行うことが可能で、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の距離の高精度化が可能であるいう効果がある。 According to the first aspect of the present invention, the sensor substrate and the through hole wiring formation substrate can be easily joined, and the distance between the sensor substrate and the through hole wiring formation substrate can be increased. There is an effect.
以下、本実施形態のセンサエレメントについて図1〜図10を参照しながら説明する。 Hereinafter, the sensor element of this embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施形態のセンサエレメントは、加速度センサエレメントであり、図1および図2に示すように第1の半導体基板を用いて形成されたセンサ基板1と、第2の半導体基板を用いて形成されセンサ基板1の金属配線17に電気的に接続される貫通孔配線24を有しセンサ基板1の一表面側(図1(a)の上面側)に封着された貫通孔配線形成基板2と、第3の半導体基板を用いて形成されセンサ基板1の他表面側(図1(a)の下面側)に封着されたカバー基板3とを備えている。ここにおいて、センサ基板1および貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3の外周形状は矩形状であり、貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3はセンサ基板1と同じ外形寸法に形成されている。なお、図1(a)は図2のA−A’概略断面図、図1(b)は図1(a)の要部拡大図、図1(c)は図2のC−C’概略断面図である。
The sensor element of the present embodiment is an acceleration sensor element, and as shown in FIGS. 1 and 2, a
上述のセンサ基板1は、シリコン基板からなる支持基板10a上のシリコン酸化膜からなる絶縁層(埋込酸化膜)10b上にn形のシリコン層(活性層)10cを有するSOIウェハを加工することにより形成してあり、貫通孔配線形成基板2は第1のシリコンウェハを加工することにより形成し、カバー基板3は第2のシリコンウェハを加工することにより形成してある。すなわち、本実施形態では、SOIウェハが第1の半導体基板を構成し、第1のシリコンウェハが第2の半導体基板を構成し、第2のシリコンウェハが第3の半導体基板を構成している。なお、本実施形態では、SOIウェハにおける支持基板10aの厚さを300μm〜500μm程度、絶縁層10bの厚さを0.3μm〜1.5μm程度、シリコン層10cの厚さを4μm〜10μm程度とし、また、第1のシリコンウェハの厚さを200μm〜300μm程度、第2のシリコンウェハの厚さを100〜300μm程度としてあるが、これらの数値は特に限定するものではない。また、SOIウェハの主表面であるシリコン層10cの表面は(100)面としてある。
The
センサ基板1は、図3〜図5に示すように、枠状(本実施形態では、矩形枠状)のフレーム部11を備え、フレーム部11の内側に配置される重り部12が一表面側(図1(a)および図3(b)の上面側)において可撓性を有する4つの短冊状の撓み部13を介してフレーム部11に揺動自在に支持されている。言い換えれば、センサ基板1は、枠状のフレーム部11の内側に配置される重り部12が重り部12から四方へ延長された4つの撓み部13を介してフレーム部11に揺動自在に支持されている。ここで、フレーム部11は、上述のSOIウェハの支持基板10a、絶縁層10b、シリコン層10cそれぞれを利用して形成してある。これに対して、撓み部13は、上述のSOIウェハにおけるシリコン層10cを利用して形成してあり、フレーム部11よりも十分に薄肉となっている。
As shown in FIGS. 3 to 5, the
重り部12は、上述の4つの撓み部13を介してフレーム部11に支持された直方体状のコア部12aと、センサ基板1の上記一表面側から見てコア部12aの四隅それぞれに連続一体に連結された直方体状の4つの付随部12bとを有している。言い換えれば、重り部12は、フレーム部11の内側面に一端部が連結された各撓み部13の他端部が外側面に連結されたコア部12aと、コア部12aと一体に形成されコア部12aとフレーム部11との間の空間に配置される4つの付随部12bとを有している。つまり、各付随部12bは、センサ基板1の上記一表面側から見て、フレーム部11とコア部12aと互いに直交する方向に延長された2つの撓み部13,13とで囲まれる空間に配置されており、各付随部12bそれぞれとフレーム部11との間にはスリット14が形成され、撓み部13を挟んで隣り合う付随部12b間の間隔が撓み部13の幅寸法よりも長くなっている。ここにおいて、コア部12aは、上述のSOIウェハの支持基板10a、絶縁層10b、シリコン層10cそれぞれを利用して形成し、各付随部12bは、SOIウェハの支持基板10aを利用して形成してある。しかして、センサ基板1の上記一表面側において各付随部12bの表面は、コア部12aの表面を含む平面からセンサ基板1の上記他表面側(図1(a)および図3(b)の下面側)へ離間して位置している。なお、センサ基板1の上述のフレーム部11、重り部12、各撓み部13は、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成すればよい。
The
ところで、図3(a),(b)それぞれの右下に示したように、センサ基板1の上記一表面に平行な面内でフレーム部11の一辺に沿った一方向をx軸の正方向、この一辺に直交する辺に沿った一方向をy軸の正方向、センサ基板1の厚み方向の一方向をz軸の正方向と規定すれば、重り部12は、x軸方向に延長されてコア部12aを挟む2つ1組の撓み部13,13と、y軸方向に延長されてコア部12aを挟む2つ1組の撓み部13,13とを介してフレーム部11に支持されていることになる。なお、上述のx軸、y軸、z軸の3軸により規定した直交座標では、センサ基板1において上述のシリコン層10cにより形成された部分の表面における重り部12の中心位置を原点としている。
By the way, as shown in the lower right of each of FIGS. 3A and 3B, one direction along one side of the
重り部12のコア部12aからx軸の正方向に延長された撓み部13(図3(a)の右側の撓み部13)は、コア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Rx2,Rx4が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz2が形成されている。一方、重り部12のコア部12aからx軸の負方向に延長された撓み部13(図3(a)の左側の撓み部13)は、コア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Rx1,Rx3が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz3が形成されている。ここに、コア部12a近傍に形成された4つのピエゾ抵抗Rx1,Rx2,Rx3,Rx4は、x軸方向の加速度を検出するために形成されたもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部13の長手方向に一致するように形成してあり、図6における左側のブリッジ回路Bxを構成するように配線(センサ基板1に形成されている拡散層配線、金属配線17など)によって接続されている。なお、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4は、x軸方向の加速度がかかったときに撓み部13において応力が集中する応力集中領域に形成されている。
The bending portion 13 (the bending
また、重り部12のコア部12aからy軸の正方向に延長された撓み部13(図3(a)の上側の撓み部13)はコア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Ry1,Ry3が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz1が形成されている。一方、重り部12のコア部12aからy軸の負方向に延長された撓み部13(図3(a)の下側の撓み部13)はコア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Ry2,Ry4が形成されるとともに、フレーム部11側の端部に1つのピエゾ抵抗Rz4が形成されている。ここに、コア部12a近傍に形成された4つのピエゾ抵抗Ry1,Ry2,Ry3,Ry4は、y軸方向の加速度を検出するために形成されたもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部13の長手方向に一致するように形成してあり、図6における中央のブリッジ回路Byを構成するように配線(センサ基板1に形成されている拡散層配線、金属配線17など)によって接続されている。なお、ピエゾ抵抗Ry1〜Ry4は、y軸方向の加速度がかかったときに撓み部13において応力が集中する応力集中領域に形成されている。
Further, the bending portion 13 (the
また、フレーム部11近傍に形成された4つのピエゾ抵抗Rz1,Rz2,Rz3,Rz4は、z軸方向の加速度を検出するために形成されたものであり、図6における右側のブリッジ回路Bzを構成するように配線(センサ基板1に形成されている拡散層配線、金属配線17など)によって接続されている。ただし、2つ1組となる撓み部13,13のうち一方の組の撓み部13,13に形成したピエゾ抵抗Rz1,Rz4は長手方向が撓み部13,13の長手方向と一致するように形成されているのに対して、他方の組の撓み部13,13に形成したピエゾ抵抗Rz2,Rz3は長手方向が撓み部13,13の幅方向(短手方向)と一致するように形成されている。
Further, the four piezoresistors Rz1, Rz2, Rz3, Rz4 formed in the vicinity of the
なお、図1〜図3では、センサ基板1における金属配線17のうち第1の接続用接合金属層19近傍の部位のみを図示してあり、拡散層配線の図示は省略してある。
1 to 3, only the portion in the vicinity of the first connecting
ここで、センサ基板1の動作の一例について説明する。
Here, an example of the operation of the
いま、センサ基板1に加速度がかかっていない状態で、センサ基板1に対してx軸の正方向に加速度がかかったとすると、x軸の負方向に作用する重り部12の慣性力によってフレーム部11に対して重り部12が変位し、結果的にx軸方向を長手方向とする撓み部13,13が撓んで当該撓み部13,13に形成されているピエゾ抵抗Rx1〜Rx4の抵抗値が変化することになる。この場合、ピエゾ抵抗Rx1,Rx3は引張応力を受け、ピエゾ抵抗Rx2,Rx4は圧縮応力を受ける。一般的にピエゾ抵抗は引張応力を受けると抵抗値(抵抗率)が増大し、圧縮応力を受けると抵抗値(抵抗率)が減少する特性を有しているので、ピエゾ抵抗Rx1,Rx3は抵抗値が増大し、ピエゾ抵抗Rx2,Rx4は抵抗値が減少することになる。したがって、図6に示した一対の入力端子VDD,GND間に外部電源から一定の直流電圧を印加しておけば、図6に示した左側のブリッジ回路Bxの出力端子X1,X2間の電位差がx軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。同様に、y軸方向の加速度がかかった場合には図6に示した中央のブリッジ回路Byの出力端子Y1,Y2間の電位差がy軸方向の加速度の大きさに応じて変化し、z軸方向の加速度がかかった場合には図6に示した右側のブリッジ回路Bzの出力端子Z1,Z2間の電位差がz軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。しかして、上述のセンサ本体1は、各ブリッジ回路Bx〜Bzそれぞれの出力電圧の変化を検出することにより、当該センサ基板1に作用したx軸方向、y軸方向、z軸方向それぞれの加速度を検出することができる。本実施形態では、重り部12と各撓み部13とで可動部を構成しており、各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4それぞれが、センサ基板1におけるセンシング部を構成している。
Now, assuming that acceleration is applied to the
ところで、センサ基板1は、図6に示すように、上述の3つのブリッジ回路Bx,By,Bzに共通の2つの入力端子VDD,GNDと、ブリッジ回路Bxの2つの出力端子X1,X2と、ブリッジ回路Byの2つの出力端子Y1,Y2と、ブリッジ回路Bzの2つの出力端子Z1,Z2とを備えており、これらの各入力端子VDD,GNDおよび各出力端子X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2が、上記一表面側(つまり、貫通孔配線形成基板2側)に第1の接続用接合金属層19として設けられており、貫通孔配線形成基板2に形成された貫通孔配線24と電気的に接続されている。すなわち、センサ基板1には、8つの接続用接合金属層19が形成され、貫通孔配線形成基板2には、8つの貫通孔配線24が形成されている。なお、8つの第1の接続用接合金属層19は、外周形状が矩形状(本実施形態では、正方形状)であり、フレーム部11の周方向に離間して配置されている(矩形枠状のフレーム部11の4辺それぞれに2つずつ配置されている)。
By the way, as shown in FIG. 6, the
また、センサ基板1のフレーム部11上には、フレーム部11よりも開口面積が大きな枠状(矩形枠状)の第1の封止用接合金属層18が形成されており、上述の8つの接続用接合金属層19は、フレーム部11において第1の封止用接合金属層18よりも内側に配置されている。要するに、センサ基板1は、第1の封止用接合金属層18の幅寸法をフレーム部11の幅寸法に比べて小さく設定し、第1の封止用接合金属層18と各接続用接合金属層19とを同一平面上に形成してある。
In addition, a frame-shaped (rectangular frame-shaped) first sealing
ここにおいて、センサ基板1は、上記一表面側において上記シリコン層10c上にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなる絶縁膜16が形成されており、第1の接続用接合金属層19および第1の封止用接合金属層18および金属配線17は絶縁膜16上に形成されている。
Here, in the
また、第1の封止用接合金属層18および第1の接続用接合金属層19は、接合用のAu膜と絶縁膜16との間に密着性改善用のTi膜を介在させてある。言い換えれば、第1の封止用接合金属層18および第1の接続用接合金属層19は、絶縁膜16上に形成されたTi膜と当該Ti膜上に形成されたAu膜との積層膜により構成されている。要するに、第1の接続用接合金属層19と第1の封止用接合金属層18とは同一の金属材料により形成されているので、第1の接続用接合金属層19と第1の封止用接合金属層18とを同時に形成することができるとともに、第1の接続用接合金属層19と第1の封止用接合金属層18とを略同じ厚さに形成することができる。なお、第1の封止用接合金属層18および第1の接続用接合金属層19は、Ti膜の膜厚を30nm、Au膜の膜厚を500nmに設定してあり、金属配線17の膜厚は1μmに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
In addition, the first sealing
上述の各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4および上記各拡散層配線は、上記シリコン層10cにおけるそれぞれの形成部位に適宜濃度のp形不純物をドーピングすることにより形成されており、上述の金属配線17は、絶縁膜16上にスパッタ法や蒸着法などにより成膜した金属膜(例えば、Al膜、Al−Si膜など)をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより形成されており、金属配線17は絶縁膜16に設けたコンタクトホールを通して拡散層配線と電気的に接続されている。また、第1の接続用接合金属層19と金属配線17とは、第1の接続用接合金属層19における金属配線17との接続部位19b(図1(b),(c)参照)が、貫通孔配線形成基板2におけるセンサ基板1との対向面に形成された後述の変位空間形成用凹部21内に位置する形で電気的に接続されている。本実施形態では、貫通孔配線形成基板2における変位空間形成用凹部21が、センサ基板1の第1の接続用接合金属層19における金属配線17との接続部位19bが配置される凹所を兼ねている。
Each of the above-described piezoresistors Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, Rz1 to Rz4, and each of the diffusion layer wirings is formed by doping a p-type impurity with an appropriate concentration in each formation site in the
貫通孔配線形成基板2は、図7〜図9に示すように、センサ基板1側(図2(a)における下面側)の表面に、センサ基板1の重り部12と各撓み部13とで構成される可動部の変位空間を確保する上述の変位空間形成用凹部21が形成されるとともに、変位空間形成用凹部21の周部に厚み方向に貫通する複数(本実施形態では、8つ)の貫通孔22が形成されており、厚み方向の両面および貫通孔22の内面とに跨って熱絶縁膜(シリコン酸化膜)からなる絶縁膜23が形成され、貫通孔配線24と貫通孔22の内面との間に絶縁膜23の一部が介在している。ここにおいて、貫通孔配線形成基板2の8つの貫通孔配線24は当該貫通孔配線形成基板2の周方向に離間して形成されている。また、貫通孔配線24の材料としては、Cuを採用しているが、Cuに限らず、例えば、Niなどを採用してもよい。
As shown in FIGS. 7 to 9, the through-hole
また、貫通孔配線形成基板2は、センサ基板1側の表面において変位空間形成用凹部21の周部に、各貫通孔配線24それぞれと電気的に接続された複数(本実施形態では、8つ)の第2の接続用接合金属層29が形成されている。貫通孔配線形成基板2は、センサ基板1側の表面の周部には、全周に亘って枠状(矩形枠状)の第2の封止用接合金属層28が形成されており、上述の8つの第2の接続用接合金属層29は、外周形状が細長の長方形状であり、第2の封止用接合金属層28よりも内側に配置されている。ここにおいて、第2の接続用接合金属層29は、長手方向の一端部が貫通孔配線24と接合されており、他端側の部位がセンサ基板1の金属配線17よりも外側でセンサ基板1の第1の接続用接合金属層19と接合されて電気的に接続されるように配置してある。
In addition, the through-hole
また、第2の封止用接合金属層28および第2の接続用接合金属層29は、接合用のAu膜と絶縁膜23との間に密着性改善用のTi膜を介在させてある。言い換えれば、第2の封止用接合金属層28および第2の接続用接合金属層29は、絶縁膜23上に形成されたTi膜と当該Ti膜上に形成されたAu膜との積層膜により構成されている。要するに、第2の接続用接合金属層29と第2の封止用接合金属層28とは同一の金属材料により形成されているので、第2の接続用接合金属層29と第2の封止用接合金属層28とを同時に形成することができるとともに、第2の接続用接合金属層29と第2の封止用接合金属層28とを略同じ厚さに形成することができる。なお、第2の封止用接合金属層28および第2の接続用接合金属層29は、Ti膜の膜厚を30nm、Au膜の膜厚を500nmに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
The second sealing bonding
また、貫通孔配線形成基板2におけるセンサ基板1側とは反対側の表面には、各貫通孔配線24それぞれと電気的に接続された複数の外部接続用電極25が形成されている。ここで、各外部接続用電極25は、例えば、Cu膜とNi膜とAu膜との積層膜により構成されており、例えば、リフロー用パッドとして利用することができる。なお、各外部接続用電極25の外周形状は矩形状となっている。
A plurality of
カバー基板3は、図10に示すように、センサ基板1との対向面に、重り部12の変位空間を形成する所定深さ(例えば、5μm〜10μm程度)の凹部31を形成してある。ここにおいて、凹部31は、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成してある。なお、本実施形態では、カバー基板3におけるセンサ基板1との対向面に、重り部12の変位空間を形成する凹部31を形成してあるが、重り部12のコア部12aおよび各付随部12bのうち支持基板10aを利用して形成されている部分の厚さを、フレーム部11において支持基板10aを利用して形成されている部分の厚さに比べて、センサ基板1のの厚み方向への重り部12の許容変位量分だけ薄くするようにすれば、カバー基板3に凹部31を形成しなくても、センサ基板1の上記他表面側には上記他表面に交差する方向への重り部12の変位を可能とする隙間が重り部12とカバー基板3との間に形成される。
As shown in FIG. 10, the
ところで、上述の加速度センサエレメントにおけるセンサ基板1と貫通孔配線形成基板2とは、第1の封止用接合金属層18と第2の封止用接合金属層28とが接合されるとともに、第1の接続用接合金属層19と第2の接続用接合金属層29とが接合され、センサ基板1とカバー基板3とは、互いの対向面の周部同士が接合されている。また、本実施形態の加速度センサエレメントは、センサ基板1を多数形成したSOIウェハと貫通孔配線形成基板2を多数形成した第1のシリコンウェハおよびカバー基板3を多数形成した第2のシリコンウェハとをウェハレベルで接合してから、ダイシング工程により所望のチップサイズの加速度センサエレメントに切断されている。したがって、貫通孔配線形成基板2とカバー基板3とがセンサ基板1と同じ外形サイズとなり、小型のチップサイズパッケージを実現できるとともに、製造が容易になる。
By the way, the
ここにおいて、センサ基板1と貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3との接合方法としては、センサ基板1の残留応力を少なくするためにより低温での接合が可能な接合方法を採用することが望ましく、本実施形態では、常温接合法を採用している。常温接合法では、接合前に互いの接合面へアルゴンのプラズマ若しくはイオンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して各接合面の清浄化・活性化を行ってから、接合面同士を接触させ、常温下で接合する。本実施形態では、上述の常温接合法により、常温下で適宜の荷重を印加して、第1の封止用接合金属層18と第2の封止用接合金属層28とを接合するのと同時に、第1の接続用接合金属層19と第2の接続用接合金属層29とを接合しており、また、上述の常温接合法により、常温下でセンサ基板1のフレーム部11とカバー基板3の周部とを接合している。しかして、本実施形態の加速度センサエレメントでは、センサ基板1と貫通孔配線基板2との間の接合がAu−Au接合となり、センサ基板1とカバー基板3との接合がSi−Si接合となっており、センサ基板1と貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3とを半田リフローや陽極接合などの加熱を必要とする方法により接合する場合に比べて、センシング部を構成するピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4が熱応力の影響を受けにくくなるという利点がある。また、本実施形態では、センサ基板1と貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3とが同じ半導体材料であるSiにより形成されているので、センサ基板1と貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3との線膨張係数差に起因した応力(センサ基板1における残留応力)が上記ブリッジ回路の出力信号に与える影響を低減でき、貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3がセンサ基板1と異なる材料により形成されている場合に比べて、センサ特性のばらつきを低減することができる。なお、センサ基板1は、SOIウェハを加工して形成してあるが、SOIウェハに限らず、例えば、シリコンウェハを加工して形成してもよい。
Here, as a method for bonding the
以上説明した本実施形態の加速度センサエレメントでは、センサ基板1の第1の接続用接合金属層19における金属配線17との接続部位19bが、貫通孔配線形成基板2におけるセンサ基板1との対向面に形成された凹所である変位空間形成用凹部21内に位置しているので、センサ基板1の第1の接続用接合金属層19のうち第2の接続用接合金属層29と接合する接合部位を、センサ基板1の第1の封止用接合金属層19とを同一平面上に形成することができ、センサ基板1と貫通孔配線形成基板2との間の接合を容易に行うことが可能になる。
In the acceleration sensor element of the present embodiment described above, the
また、上述のように、各接続用接合金属層19,29と各封止用接合金属層18,28とが同一の金属材料により形成されているので、第1の接続用接合金属層19と第2の接続用接合金属層29とを接合するのと同時に第1の封止用接合金属層18と第2の封止用接合金属層28とを例えば常温接合法などにより直接接合することが可能となり、従来のように接合箇所ごとに半田を供給する工程およびリフローの工程をなくすことができ、製造プロセスの簡略化を図れるとともにセンサ基板1と貫通孔配線形成基板2との間の距離の高精度化を図れ、しかも、残留応力に起因したセンサ特性の変動を抑制することができる。
Further, as described above, since each of the connecting bonding metal layers 19 and 29 and each of the sealing bonding metal layers 18 and 28 are formed of the same metal material, the first connecting
また、貫通孔配線形成基板2における変位空間形成用凹部21が、センサ基板1の第1の接続用接合金属層19における金属配線17との接続部位19bが配置される凹所を兼ねているので、上記凹所を変位空間形成用凹部21と別途に形成する必要がなく、貫通孔配線形成基板2の設計が容易になる。
Further, the displacement
上述の実施形態では、センサエレメントとしてピエゾ抵抗形の加速度センサエレメントを例示したが、本発明の技術思想は、ピエゾ抵抗形の加速度センサエレメントに限らず、例えば、容量形の加速度センサエレメントやジャイロセンサエレメントなど他のセンサエレメントにも適用でき、容量形の加速度センサエレメントやジャイロセンサエレメントでは、可動電極を設けた重り部や可動電極を兼ねる重り部などが可動部を構成し、固定電極と可動電極とによりセンシング部を構成することとなる。 In the above-described embodiment, the piezoresistive acceleration sensor element is exemplified as the sensor element. However, the technical idea of the present invention is not limited to the piezoresistive acceleration sensor element, and for example, a capacitive acceleration sensor element or a gyro sensor. It can also be applied to other sensor elements such as elements. In capacitive acceleration sensor elements and gyro sensor elements, the weight part with a movable electrode or the weight part that also serves as the movable electrode constitutes the movable part, and the fixed electrode and the movable electrode Thus, a sensing unit is configured.
1 センサ基板
2 貫通孔配線形成基板
3 カバー基板
11 フレーム部
12 重り部
13 撓み部
17 金属配線
18 第1の封止用接合金属層
19 第1の接続用接合金属層
21 変位空間形成用凹部
24 貫通孔配線
25 外部接続用電極
28 第2の封止用接合金属層
29 第2の接続用接合金属層
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