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CN100533152C - 加速度传感器和加速度传感器的制造方法 - Google Patents

加速度传感器和加速度传感器的制造方法 Download PDF

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CN100533152C
CN100533152C CN 200710006797 CN200710006797A CN100533152C CN 100533152 C CN100533152 C CN 100533152C CN 200710006797 CN200710006797 CN 200710006797 CN 200710006797 A CN200710006797 A CN 200710006797A CN 100533152 C CN100533152 C CN 100533152C
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CN
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sensor
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manufacturing
acceleration sensor
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山口靖雄
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Abstract

本发明提供一种加速度传感器和加速度传感器的制造方法,该加速度传感器的特征在于包括:基板;在上述基板上形成的传感器元件;在上述基板上形成的、在平面视图内包围上述传感器元件的多晶硅接合框;以及通过使其端面与上述多晶硅接合框的上表面接合,而隔着预定的空间覆盖在上述传感器元件的上方的盖;上述多晶硅接合框中未掺杂杂质。由此可以提供可提高接合框和玻璃盖的接合强度的加速度传感器。

Description

加速度传感器和加速度传感器的制造方法

本申请是申请号为200410063839.6、申请日为2004年7月13日、

发明名称为"加速度传感器和加速度传感器的制造方法,,的申请的分 案申请。

技术领域

本发明涉及加速度传感器,尤其涉及具有隔着预定的空间覆盖传 感器元件的盖的加速度传感器。

背景技术

现在,大多数汽车上都采用气嚢系统。 一般地,在气袋系统中装 有用来检测冲击的加速度传感器。

对于各种汽车,为了可以组装该加速度传感器,努力使加速度传 感器小型化和低成本化。例如,把覆盖构成加速度传感器的加速度检 测部和信号处理部的半导体基板的封装从金属制换成树脂制。

于是,在加速度检测部的半导体基板的表面上形成由作为加速度 检测用的可动部的质量体等构成的传感器元件。为了确保该质量体的 可动空间,且防止灰尘和水等进入可动空间,在半导体基板的表面上 接合玻璃盖。由此密封质量体的可动空间。

具体地,以在平面视图内包围在半导体基板上形成的传感器元件 的方式在该半导体基板上形成接合框。在此,作为该接合框,与传感 器元件同样地使用已掺杂杂质的多晶硅。由此,在该接合框上面与盖 的端部接触。而且,在该接触状态中,为了提高气密性等理由,用阳 极接合把玻璃盖和半导体基板接合(例如,参照日本专利申请特表 2002-500961号公报、特开平9-292409号公报)。

3发明内容

但是,由于用已掺杂杂质的多晶硅形成接合框,在阳极接合时产 生以下的问题。

即,通过阳极接合时的电压施加,杂质在接合界面附近的接合框 侧析出。于是,由于用玻璃和多晶硅的结合进行阳极接合,如果在两 者之间夹有杂质,这两者的结合力下降。

因此,接合界面附近的杂质析出成为玻璃盖和接合框的接合强度 下降的原因。

于是,本发明的目的在于提供可以提高接合框和盖的接合强度的 加速度传感器和加速度传感器的制造方法。

为了实现上述目的,本发明的第一方面是一种加速度传感器,其

特征在于包括:基板;在上述基板上形成的传感器元件;在上述基板 上形成的、在平面视图内包围上述传感器元件的多晶硅接合框;以及 通过使其端面与上述多晶硅接合框的上表面接合,而隔着预定的空间 覆盖在上述传感器元件的上方的盖;上述多晶硅接合框中未掺杂杂质。

另外,本发明的第二方面是一种加速度传感器,其特征在于包括: 基板;在上述基板上形成的传感器元件;在上述基板上形成的、在平 面视图内包围上述传感器元件的接合框;以及通过使其端面与上述接 合框的上表面接合,而隔着预定的空间覆盖在上述传感器元件的上方 的盖;上述接合框由以下部件构成:摻杂杂质的第一多晶硅层;在上 迷第一多晶硅层上形成的绝缘膜;以及在上述绝缘膜上形成的、未掺 杂杂质的笫二多晶硅层,上述盖与上述第二多晶硅层接合。

另外,本发明的第三方面是一种加速度传感器,其特征在于包括: 基板;在上述基板上形成的传感器元件;在上述基板上形成的、在平 面视图内包围上述传感器元件的多晶硅接合框;通过使其端面与上迷 多晶硅接合框的上表面接合,而隔着预定的空间覆盖在上述传感器元 件的上方的盖;在上述盖的与上述传感器元件对置的面上形成的、一 部分与上述多晶硅接合框接合的金属膜;通过第一布线与上述传感器 元件电气连接的、在上述基板上形成的第一焊盘;与上述基板电气连接的第二焊盘;以及通过第二布线与上述多晶硅接合框电气连接的、 在上述基板上形成的第三焊盘。

另外,本发明的第四方面是一种加速度传感器的制造方法,该加

速度传感器包括:基板;在上述基板上形成的传感器元件;在上述基 板上形成的、在平面视图内包围上述传感器元件的多晶硅接合框;通 过使其端面与上述多晶硅接合框的上表面接合,而隔着预定的空间覆

盖在上述传感器元件的上方的盖;在上述盖的与上述传感器元件对置

的面上形成的、 一部分与上述多晶硅接合框接合的第一金属膜;通过

第一布线与上述传感器元件电气连接的、在上述基板上形成的第一焊

盘;与上述基板电气连接的第二焊盘;以及通过第二布线与上述多晶 硅接合框电气连接的、在上述基板上形成的第三焊盘,其特征在于该

方法包括:(a)、形成与上述笫一到第三焊盘电气连接的第二金属膜 的工序;(b)、在上述工序(a)之后,在上述基板和上述盖之间施 加电压,使上述盖与上述多晶硅接合框进行阳极接合的工序;以及(c)、

在上述工序(b)之后,除去上述第二金属膜的工序。

由于本发明的第一方面的加速度传感器,其特征在于包括:基板; 在上述基板上形成的传感器元件;在上述基板上形成的、在平面视图 内包围上述传感器元件的多晶硅接合框;以及通过使其端面与上迷多 晶硅接合框的上表面接合,而隔着预定的空间覆盖在上述传感器元件 的上方的盖;上述多晶硅接合框中未掺杂杂质,所以即使进行多晶硅 接合框和盖的阳极接合,在多晶硅接合框的接合面附近杂质也不会析 出。即,成为现有技术中阳极接合强度下降的原因的杂质不会在该接 合面附近析出。因此,可以使多晶硅接合框和盖更强固地接合。

由于本发明的第二方面的加速度传感器,其特征在于包括:基板; 在上述基板上形成的传感器元件;在上述基板上形成的、在平面视图 内包围上述传感器元件的接合框;以及通过使其端面与上述接合框的 上表面接合,而隔着预定的空间覆盖在上述传感器元件的上方的盖; 上述接合框由以下部件构成:掺杂杂质的第一多晶硅层;在上述第一 多晶硅层上形成的绝缘膜;以及在上述绝缘膜上形成的、未掺杂杂质

5的第二多晶硅层,上述盖与上述第二多晶硅层接合,所以除了具有与 上述第一方面的加速度传感器相同的效果外,还可以容易地进行接合 框的高度调整。另外,即使进行接合框和盖的阳极接合,由于存在绝 缘膜,可以防止第一多晶硅层中含有的杂质扩散到第二多晶硅层。

由于本发明的笫三方面的加速度传感器,其特征在于包括:基板; 在上述基板上形成的传感器元件;在上述基板上形成的、在平面视图 内包围上述传感器元件的多晶硅接合框;通过使其端面与上述多晶硅 接合框的上表面接合,而隔着预定的空间覆盖在上述传感器元件的上 方的盖;在上述盖的与上述传感器元件对置的面上形成的、 一部分与 上述多晶硅接合框接合的金属膜;通过第一布线与上述传感器元件电 气连接的、在上述基板上形成的第一焊盘;与上述基板电气连接的第 二焊盘;以及通过第二布线与上述多晶硅接合框电气连接的、在上述 基板上形成的第三焊盘,所以在第 一到第二焊盘被全部电气连接后, 在进行多晶硅接合框和盖的阳极接合时,即使在阳极接合时施加电压, 基板、多晶硅接合框、传感器元件和金属膜也是相同电位。因此,即 使实施阳极接合,由于静电力传感器元件被吸附到其它部件上,可以 防止移动。

由于本发明的第四方面的加速度传感器的制造方法,该加速度传 感器包括:基板;在上述基板上形成的传感器元件;在上述基板上形 成的、在平面视图内包围上述传感器元件的多晶硅接合框;通过使其 端面与上述多晶硅接合框的上表面接合,而隔着预定的空间覆盖在上 述传感器元件的上方的盖;在上述盖的与上述传感器元件对置的面上 形成的、 一部分与上述多晶硅接合框接合的金属膜;通过第一布线与 上述传感器元件电气连接的、在上述基板上形成的第一焊盘;与上述 基板电气连接的第二焊盘;以及通过第二布线与上述多晶硅接合框电 气连接的、在上述基板上形成的第三焊盘,其特征在于该方法包括:

(a) 、形成与上述第一到第三焊盘电气连接的第二金属膜的工序;

(b) 、在上述工序(a)之后,在上述基板和上述盖之间施加电压, 使上述盖与上述多晶硅接合框阳极接合的工序;以及(c)、在上述工序(b)之后,除去上述第二金属膜的工序,所以即使是多晶硅接合框 和盖的阳极接合,各部件也是相同电位。由此,在该阳极接合时可以 防止传感器元件向例如盖的方向移动。

附图说明

图l是展示加速度传感器的整体结构的平面图; 图2是根据实施方式1的加速度检测芯片的平面图; 图3是根据实施方式1的加速度检测芯片的剖面图; 图4是展示根据实施方式1的接合框附近及其周边的结构的放大 剖面图;

图5是展示在根据实施方式1的加速度检测芯片中盖是平板时的 状态的剖面图;

图6是展示在根据实施方式2的加速度检测芯片中在盖上形成金 属膜时的状态的剖面图;

图7是展示在根据实施方式2的加速度检测芯片中在盖上形成一 部分被延长的金属膜时的状态的剖面图;

图8是展示根据实施方式2的加速度检测芯片的结构的平面图;

图9是展示在根据实施方式2的加速度检测芯片中电气连接各焊 盘时的状态的剖面图。

具体实施方式

下面,基于展示实施方式的附图具体说明本发明。 (实施方式1)

图1是展示根据本实施方式的加速度传感器的整体结构的俯视 图。如图l所示,该加速度传感器包含:信号处理芯片CP1、作为加 速度检测部的加速度检测芯片CP2、引线LD和焊盘DP。

信号处理芯片CP1和加速度检测芯片CP2都被载置在焊盘DP 上。加速度检测芯片CP2的焊盘PD1和信号处理芯片CP1的焊盘PD2 由电线WR1连接,信号处理芯片CP1的焊盘PD3和引线LD由电线WR2连接。然后,用树脂制封装PK覆盖这些结构。

另外,引线LD的一部分从作为外部端子的树脂制封装PK露出。 图l中,为了展示内部结构,使树脂制封装PK透明,用虚线表示。

图2和图3分别展示加速度检测芯片CP2的上表面和剖面。另夕卜, 图3是图2内的剖切线III-III处的剖面图。

如图1-3所示,在加速度检测芯片CP2的半导体基板SB的表面 上接合用玻璃等形成的盖CA。在图2中,为了展示内部结构,使树 脂制封装PK透明,用虛线表示。

如图2所示,在半导体基板SB的表面内形成构成焊盘PD1的焊 盘PDla-PDld。另外,如图2、图3所示,在半导体基板SB的表面 内还配置与该焊盘PDla-PDld分别连接的布线LNa-LNd。而且,在 半导体基板SB的表面内还形成与布线LNc连接的保护电极SE。

另外,在半导体基板SB上形成由薄膜的多晶硅构成的传感器元 件。为了与该传感器元件电气导通,在传感器元件中用磷等的杂质掺 杂。作为杂质,除磷外,还可以用镓、硼、砷等。

该传感器元件由用来检测加速度的质量体MS、与布线LNd连接 的固定电极FE1、与布线LNa连接的固定电极FE2、与布线LNb连 接的质量体MS的支撑部SP构成。另外,质量体MS用梁部BM与 支撑部SP相连,如图3所示,该质量体MS保持为中空。

用半导体制造技术形成半导体基板SB上的传感器元件。即,用 光刻技术、蚀刻技术、杂质离子注入技术等形成图1-3所示的各部的 结构。例如,在半导体基板SB上通过用光刻法外延生长硅并用蚀刻 技术构图,以图示的形状形成质量体MS、固定电极FE1、 FE2、支撑 部SP、梁部BM等。

在质量体MS的两翼设置作为梳状电极的可动电极ME。固定电 极FE1、 FE2配置成面对该可动电极ME。如果加速度增加,则梁部 BM挠曲,质量体MS变位,可动电极ME和固定电极FE1、 FE2间 的电极间距离变化。如果电极间距离变化,两电极间的静电电容也变 化。由此,通过检测两电极间的静电电容的变化,进行加速度的检测。即,质量体MS用作检测加速度的可动部,固定电极FE1、 FE2 和质量体MS的可动电极ME用作加速度检测部。

盖CA以确保质量体MS的可动空间、密闭可动空间的方式与在 半导体基板SB上形成的接合框FD接合。

具体地,如图2、 3所示,以在平面视图内包围传感器元件的方式 在半导体基板SB上形成接合框FD。

在此,用与传感器元件的形成工序相同的工序形成接合框FD的 一部分(图4中标记FD1的部分)。由此,与传感器元件同样地,用 掺杂了磷等的杂质的多晶硅形成该接合框FD的一部分(图4的标记 FD1)。

另外,以隔着预定的空间覆盖传感器元件的上表面的方式,使该 FD的上表面和盖CA的且接合,通过该盖CA和接合框FD的接合密 封传感器元件。

盖CA用玻璃形成,与接合框FD的接合用阳极接合进行。阳极 接合指在包含钠、锂等的碱金属离子的玻璃与金属(或半导体)之间, 在产生碱金属离子的热扩散的—400。C左右的温度下,通过以金属侧作 为阳极施加几百V左右的电压而使两者接合的方法。 一般地,该阳极 接合处理进行几十分钟到几个小时。

另外,该阳极接合处理可以在真空中进行,也可以在由不活泼气 体保持预定压力的环境下进行。由此,可以使接合后的盖CA内部的 压力成为预定的压力。

另外,盖CA的侧面部具有从其上表面向接合面末端展宽的倾斜 面。理由如下:

在形成覆盖该加速度传感器的树脂封装的模具时,向盖CA的侧 面施加由树脂封装的热收缩等导致的力。该力通过接合框FD传到半 导体基板SB。与该半导体基板SB重直的方向上的力传到该半导体基 板SB时,几乎对传感器元件无影响。但是,如果与该半导体基板SB 平行方向上的力传到该半导体基板SB,传感器元件受该平行方向上的 力的影响,成为传感器元件的精度恶化的原因。

9于是,通过使盖CA的侧面部成为上述末端展宽的倾斜形状,在

形成树脂封装的模具时,可以使加到该盖CA的侧面上的力分散成与 半导体基板SB垂直的方向上的力。

由此,通过使盖CA的侧面部的形成也与半导体基板SB的主表 面垂直,可以减小与半导体基板SB平行的方向上的力,可以提高传 感器元件的精度。

另外,如果在盖CA的侧面部的至少一部分上形成盖CA的侧面 部的该末端展宽的倾斜面,虽然比整个侧面部都是末端展宽的形状的 场合效果减小,但即使这样也可以发挥上述效果。

另外,由于盖CA隔着预定的空间覆盖传感器元件的上表面,在 盖CA上形成挖入部CAa。通过形成该挖入部CAa,可以防止传感器 元件与盖CA接触。另外,通过对盖CA的传感器元件对置的面进行 蚀刻处理和喷砂处理,形成挖入部CAa。

另外,根据传感器元件的厚度决定挖入部CAa的深度。例如,通 过使传感器元件的厚度与挖入部CAa的深度相近,可以限制该传感器 元件向盖CA方向的移动。另外,通过减小传感器元件和盖CA的距 离,即使传感器元件向盖CA方向移动,与该盖CA冲撞,由于传感 器元件与盖CA冲撞的能量小,可以把与盖CA的冲撞导致的该传感 器元件的损坏抑制到最小限度。

下面,用图4说明接合框FD的具体的结构。图4是图3的圓圏 部分被放大的图。

如图4所示,接合框FD具有把已掺杂杂质的多晶硅层FD1、由 氧化膜和氮化膜等构成的绝缘膜FD2、和未掺杂杂质的多晶硅层FD3 依次层叠而成的层叠结构。

为了把该层叠结构的接合框FD和盖CA阳极接合,必须施加比 把已掺杂杂质的多晶硅和玻璃盖阳极接合时施加的电压大1倍左右的 施力口电压。

具体地,把已掺杂杂质的多晶硅和玻璃盖阳极接合时施加的电压 为200V左右,把未掺杂杂质的多晶硅层FD3和盖CA阳极接合时施加的电压为400V左右。该阳极接合时的加热条件相同。

这样,通过使接合框FD成为上述层叠结构,即使把该层叠结构

的接合框FD和盖CA阳极接合时,通过绝缘膜FD2可以抑制已掺杂

杂质的多晶硅层FD1的杂质的扩散,由此可以防止该杂质向未掺杂杂

质的多晶硅层FD3扩散。

由此,即使实施阳极接合,在未掺杂杂质的多晶硅层FD3的接合

面附近也不会析出杂质,可以防止现有的问题(因已掺杂杂质的多晶

硅层与玻璃盖的阳极接合产生的问题),即接合力的下降,可以提高

接合框FD和盖CA的接合力。

另外,在上述中说明了接合框FD是层叠结构的场合,但是,即

使接合框FD仅由未掺杂杂质的多晶硅层FD3构成也没有问题。此时,

向传感器元件掺杂杂质时,用掩模覆盖接合框FD,必须防止向接合框

FD掺杂杂质。

另外,在接合框FD是层叠结构时,通过调整该层叠结构的高度, 可以用没有挖入部CAa的盖CA (即平板状盖CA)作为传感器元件 的盖(参照图5)。因此,无须对盖CA进行用来形成挖入部CAa的 喷巧、处理等,可以削减制造成本。 (实施方式2)

例如,如果对图3所示的结构的加速度传感器实施接合框FD和 盖CA的阳极接合,传感器元件的可动部即质量体MS由于静电力向 盖CA的上表面方向移动。如果由于该移动,质量体MS与盖CA的 挖入部CAa的底部接触,在质量体MS和盖CA之间也形成阳极接合, 把该质量体MS贴附在盖CA上。

为了防止质量体MS和盖CA间的阳极接合,如图6所示,在盖 CA的挖入部CAa的底部(即,盖CA的与传感器元件对置的面)上 形成金属膜IO。由此,在接合框FD和盖CA进行阳极接合时在半导 体基板SB和盖CA之间施加电压,即使质量体MS和盖CA的挖入部 CAa的底部接触,由于中间存在金属膜IO,阳极接合结束后,质量体 MS回到原来的位置,可以防止贴附到盖CA上。但是,图6所示的结构也不能防止由于实施阳极接合,质量体

MS受静电力作用而向盖CA的方向移动。如果实施阳极接合,质量 体MS不仅与盖CA之间还与其它部件(固定电极FE1、 FE2、保护 电极SE等)之间产生静电力,该质量体MS向该其它部件方向移动, 与该其它部件接触。由此,在制造工序中质量体MS不必要地移动, 这是不优选的。

为此,在根据本实施方式的加速度传感器中,把盖CA的挖入部 CAa的底部形成的金属膜10的一部分设置为隔在接合框FD和盖CA 之间。即,如图7所示,使金属膜10的一部分延长,使该延长的金属 膜IO与接合框FD连接。

而且,在根据本实施方式的加速度传感器中,如图8的平面图所 示,对图2所示的加速度传感器,在半导体基板SB的表面内新设焊 盘PDle、 PDlf。而且,在半导体基板SB的表面内还配设分别与焊盘 PDle、 PDlf连接的布线LNe、 LNf。即,焊盘PDle和半导体基板SB 通过布线LNe连接。而布线LNf也与接合框PD也连接。即,焊盘 PDlf和接合框FD通过布线LNf连接。

图8中,为了展示内部结构,使盖CA透明,用虚线表示该盖CA 的形状。

在上述结构的加速度传感器中,在接合框FD上阳极接合盖CA 之前,在焊盘PDla-PDlf上形成电气连接全部焊盘PDla-PDlf的金属 膜ll。形成该金属膜ll时的状态示于图9。

这样,在形成有金属膜11的状态下,在半导体基板SB和盖CA 之间施加电压,实施阳极接合。

由于半导体基板SB、金属膜10、质量体MS、固定电极FE1、 FE2、 保护电极SE、接合框FD等通过金属膜11电气连接,所以即使在阳 极接合时施加电压,这些部件也是电位相同。

因此,在阳极接合时,由于处于相同电位的各部件之间不产生静 电力,在该阳极接合时,可以防止质量体MS被其它部件吸引而移动。 由此,可以提高阳极接合时的质量体MS的移动可能导致其降低的、加速度传感器的生产率。

而且,在阳极接合后除去金属膜ll。因此,在阳极接合后的加速

度传感器中,存在把电气分离的各焊盘PD1 a-PDlf与接合框的一部分 接合的金属膜10。

由此,在阳极接合后,各焊盘PDla-PDlf可以分别用作用于引线 键合的焊盘。另外,金属膜10被残留,可以阻挡在加速度传感器动作 时来自外部的噪音。由此,可以防止该噪音对传感器元件的电气特性 的不良影响。

Claims (1)

1. 一种加速度传感器,其特征在于包括:基板;在上述基板上形成的传感器元件;在上述基板上形成的、在平面视图内包围上述传感器元件的多晶硅接合框;通过使其端面与上述多晶硅接合框的上表面接合,而隔着预定的空间覆盖在上述传感器元件的上方的盖;在上述盖的与上述传感器元件对置的面上形成的、一部分与上述多晶硅接合框接合的金属膜;通过第一布线与上述传感器元件电气连接的、在上述基板上形成的第一焊盘;与上述基板电气连接的第二焊盘;以及通过第二布线与上述多晶硅接合框电气连接的、在上述基板上形成的第三焊盘。
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