CN1739014A - 半导体压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种不损害压力测定精度及连接的可靠性且实现小型化的半导体压力传感器，该半导体压力传感器中，在由单晶硅形成的膜片的表面形成有压电电阻感压计的感压芯片的背面侧粘结玻璃基板，在膜片的背面与玻璃基板之间形成空间，且根据该空间与在膜片表面侧形成的空间的压力差来测定被测定压力。为达到该目的，该半导体压力传感器具有：树脂制突部，其形成于在感压芯片表面所配置的感压计电极或来自感压计电极的配线上；凸块，其形成为覆盖树脂制突部的一部分或整体。
Description
技术领域
本发明涉及在大气压或气体压测定等中所使用的半导体压力传感器及其制造方法，尤其涉及由经由凸块的连接来实现小型化，并且缓和由被连接物的热膨胀差而作用于凸块的应力的影响，从而实现连接及提高传感器的可靠性的半导体压力传感器及其制造方法。
背景技术
半导体压力传感器用感压芯片，由与集成电路(IC)部件相同的单晶硅来制成，在其芯片的中央部具有通过减小其厚度来形成的膜片。而且，在该膜片的表面，形成有压电电阻感压计(半导体畸变计)。当向膜片施加压力时，膜片产生变形，而发生感压计的电阻变化，该电阻的变化作为电信号被检测出来，由此来测定压力或压力的变化。半导体压力传感器，有测定相对压的相对压型半导体压力传感器以及测定绝对压的绝对压型半导体压力传感器。
图10表示绝对压型半导体压力传感器的剖视图。在感压芯片21的背面侧贴合玻璃基板23，由此，在膜片20与玻璃基板23之间形成真空空间。施加于膜片20的表面的压力，被测定为以背面侧的真空压为基准的绝对压。图表示膜片20因施加于感压芯片21的表面的压力而弯曲的状态。
作为现有的绝对压型半导体压力传感器，已提出的有由筐体来保护感压芯片21的方案(比如参照日本专利特开2000-88687号公报)。图11表示该压力传感器的例子。在硅基板上形成压电电阻感压计(未图示)而成的感压芯片21上，安装玻璃基板23，在它们之间形成有真空室24。感压芯片21与玻璃基板23由筐体25来包覆，感压芯片21经由焊接线26而与导线27连接。
在这种绝对压型半导体压力传感器中，由于筐体25的存在，可防止焊接线26的损伤及感压计电极的劣化。通过直接钎焊来连接感压计电极与外部测定用电子仪器时，由于因热膨胀差而产生应力，而成为传感器输出发生变动的原因，因而在两者的连接中，使用焊接线26及导线27。其结果是，在这种具有筐体25、焊接线26及导线27的结构中，难以实现进一步的小型化。
为实现绝对压型半导体压力传感器的小型化，已提出的有利用导电性凸块来电连接感压芯片及导线的方案(比如参照日本专利特开2002-82009号公报)。图12表示该压力传感器一例。在感压芯片31的一面32上，形成具有导电性的凸块33，在使感压芯片31的一面32与基体34的一面35相对置的状态下，将凸块33与导线36电连接。
然而，在该结构中，由于感压芯片31与导线36经由凸块33来牢固地连接，因而在发生了温度变化的情况下，会产生因感压芯片31与测定用电子设备之间的热膨胀差而引起的应力，而应力容易集中在凸块33上。这样，当凸块33的变形因该应力集中而增大时，便有可能发生电极剥离及电阻值增大等问题。此外，压电电阻感压计的电阻值因该应力而产生变动的结果是，传感器会误判为发生了压力变动。因此，在由采用了凸块33的连接来实现小型化的情况下，有必要对凸块33赋予某种应力缓和功能。
另一方面，近年来，伴随着半导体装置的小型化，力求实现半导体封装的小型化。其中，已提出的有在钎焊凸块部设置树脂接线柱结构，由该树脂接线柱来缓和钎焊凸块中所集中的应力，由此提高连接部的可靠性，并且实现小型化的方案(比如参照日本专利特开2002-280476号公报)。图13表示该半导体封装的一例。由导电层45来被覆晶片41的绝缘层43上所设置的树脂制突部44，而形成由树脂制突部44的变形来分散、吸收应力这种结构的接线柱46，由此来提高连接的可靠性，并且力求实现半导体封装的小型化。
发明内容
本发明鉴于所述问题而成，其目的在于提供一种半导体压力传感器，其利用具有应力缓和功能的凸块，来连接感压芯片与测定用电子仪器，由此在不损害压力测定精度及连接的可靠性的情况下实现了小型化。
为达到该目的，本发明涉及的第一发明是一种半导体压力传感器，在由单晶硅形成的膜片的表面形成有压电电阻感压计的感压芯片的背面侧粘结玻璃基板，在膜片的背面与玻璃基板之间形成空间，且以该空间的压力为基准压来测定施加于膜片表面的被测定压力，该半导体压力传感器的特征在于，具有：树脂制突部，其形成于在感压芯片表面所配置的感压计电极上；凸块，其形成为覆盖树脂制突部的一部分或整体。
本发明涉及的第二发明是一种半导体压力传感器，在由单晶硅形成的膜片的表面形成有压电电阻感压计的感压芯片的背面侧粘结玻璃基板，在膜片的背面与玻璃基板之间形成空间，并以施加于膜片表面的压力为基准压来测定施加于该空间的被测定压力，该半导体压力传感器的特征在于，具有：树脂制突部，其形成于在感压芯片表面所配置的感压计电极上；凸块，其形成为覆盖该树脂制突部的一部分或整体。
本发明涉及的第三发明的特征在于，在上述第一或第二发明中，凸块形成为覆盖被覆树脂制突部的导电层，感压芯片经由凸块及导电层而与测定用电子仪器电连接。
本发明涉及的第四发明是一种半导体压力传感器的制造方法，其特征在于，在感压芯片上形成树脂层，且除去覆盖感压计电极的树脂层的一部分，而形成从平面观看呈环状或C字状的开口部，而且至少除去覆盖压电电阻感压计的树脂层，由此，形成在感压计电极上突出的形状的树脂制突部、以及在该开口部周围覆盖除去感压芯片上的压电电阻感压计的部分的绝缘树脂层，然后，形成覆盖树脂制突部的一部分或整体的导电层，并与感压计电极可电导通地连接，且以覆盖该导电层的方式形成凸块。
附图说明
图1是表示本发明涉及的半导体压力传感器的结构例子的上方立体图。
图2是表示本发明涉及的绝对压型半导体压力传感器的结构例子的剖视图。
图3是表示图2的感压计电极部的剖面的放大图。
图4是表示将图2的半导体压力传感器经由凸块而安装到测定用电子仪器上的状态的剖视图。
图5是表示图2的半导体压力传感器制造方法工序的图，表示在绝缘树脂层中设有开口部的状态。
图6是表示图2的半导体压力传感器制造方法工序的图，表示在被覆抗蚀层后，开设导电层形成部的状态。
图7是表示图2的半导体压力传感器制造方法工序的图，是表示形成了导电层的状态的放大图。
图8是表示将本发明涉及的相对压型半导体压力传感器经由凸块而安装到测定用电子仪器上的状态的剖视图。
图9是表示本发明涉及的绝对压型半导体压力传感器的结构例子的剖视图。
图10是表示现有的绝对压型半导体压力传感器内的感压芯片例子的剖视图。
图11是表示现有的绝对压型半导体压力传感器示例的剖视图。
图12是表示具有连接用凸块的现有的半导体压力传感器例子的剖视图。
图13是表示具有带树脂接线柱的凸块的现有半导体封装例子的剖视图。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明涉及的半导体压力传感器的实施方式做具体说明。
图1是表示本发明涉及的半导体压力传感器的结构例子的上方立体图，图2是本发明涉及的绝对压型半导体压力传感器的剖视图，图3是图2所示的半导体压力传感器感压计电极部的放大图(沿图1的A-A线的剖视图)。
在这些图中，1是感压芯片。感压芯片1由厚度为200～300μm左右的单晶硅形成，通过从背面实施的蚀刻等，感压芯片1的中央部的厚度被减薄到20～50μm左右。此外，该减薄部分在平面观看时比如呈圆形。在该薄部分的表面，扩散形成4个压电电阻感压计G及压电电阻感压导线L(参照图1)。在感压芯片1的外周部形成有感压计电极5，感压计电极5与压电电阻感压计G，由从各压电电阻感压计G的端部延伸到感压芯片1的外周部的压电电阻感压导线L来连接。由此来形成惠斯登电桥电路。在感压芯片1的背面侧，通过减薄感压芯片1的中央部而形成有凹部4，且在真空室内使感压芯片1底部的外周部与玻璃基板3阳极耦合，由此获得由凹部4与玻璃基板3所夹着并以保持真空的空间(第一空间)S内作为基准压的压力传感器。此外，当向感压芯片1的减薄部分(膜片2)施加外力时，膜片2便变形，形成于膜片2的表面上的各感压计电阻便发生变化。由此，利用惠斯登电桥电路中的电阻变化，来监测传感器的输出变动，并换算成压力。
感压芯片1的表面，由在感压计电极5上与膜片2上具有开口部的绝缘树脂层10来覆盖，在感压计电极5的一部分中，形成有树脂制突部6。树脂制突部6由籽晶层7及导电层8来部分或整体被覆，而形成接线柱P，并且以覆盖该接线柱P的方式形成有凸块9。凸块9经由籽晶层7及导电层8，可与感压计电极5电导通地连接，其结果是，当将凸块9与测定用电子仪器(未图示)连接时，测定用电子仪器与感压计电极5便经由凸块9可电导通地连接。作为感压计电极5，可采用各种导电性材料，但在这里采用铝。此外，关于压电电阻感压计G和感压计电极5以及压电电阻感压导线L的个数、形状、以及安装位置，可采用各种方式，没有特别限定。
树脂制突部6在感压计电极5上隆起，其截面呈梯形形状或者在顶部具有平坦部的半圆形状。
树脂制突部6比如由聚酰亚胺、环氧树脂、硅树脂等形成，其厚度比如为25～100μm，可由旋转涂布法(spin coat/旋转涂布)、印刷法、层积法等来形成。
此外，如果考虑当用作压力传感器时作用到树脂制突部6上的应力，构成树脂制突部6的树脂的硬度，其杨氏率(弹性率)最好为5GPa以下。此外，为防止当用作压力传感器时作用到该树脂制突部6上的应力偏差，最好将围绕膜片2的各树脂制突部6，配置到平面观看时以膜片2为中心而对称的位置上。
如图3所示，覆盖树脂制突部6的膜状籽晶层7还形成于在树脂制突部6的周围露出的感压计电极5上，并可与感压计电极5电导通地连接。此外，在籽晶层7上，被覆形成有膜状导电层8。
籽晶层7起着作为导电层8电解电镀(以下简称“电镀”)工序中的给电层及UBM(under bump metal/凸块下层金属)的功能。所谓作为UBM功能，是一种确保导电层8与树脂制突部6之间的密接性、以及用于防止感压计电极5与导电层8之间的金属扩散的壁垒等功能。作为籽晶层7，可采用比如Cr、Cu、Ni、Ti、W、Ta、Mg、Au等金属或合金，但不限定由一层金属层形成的构成，也可以采用层叠了多个金属层的构成。在本实施方式中，采用了二层结构，在该二层结构中，利用溅射法，使覆盖在树脂制突部6的底部周围露出的感压计电极5及树脂制突部6的表面的厚度为40nm左右的Cr层、以及覆盖该Cr层的厚度为100～150nm左右的Cu层形成层叠状态。
作为导电层8，采用电镀了Cu及Ni等金属或合金的电镀层。但是，作为该导电层8，不限定于只由一层金属层(包括合金层。以下同样)形成的构成，比如也可以采用层叠了多个金属层的构成。在本实施方式中，采用由覆盖籽晶层7的厚度为3～20μm左右的铜镀层、覆盖该铜镀层的厚度为1～10μm左右的Ni镀层、以及覆盖该Ni镀层的厚度为0.1～1.0μm左右的Au镀层所形成的三层结构。
如图4所示，该绝对压型半导体压力传感器经由凸块9被安装到测定用电子仪器(电路基板12)上。此外，由膜片2的表面与电路基板12所夹着的空间(第二空间)13，经由电路基板12上所形成的孔H，而与成为压力测定对象的空间(未图示)连通，而且，通过由充填材料14密封感压芯片1的周围，来遮蔽空间13的周围。这样，经由孔H及空间13而施加到膜片2的表面的压力，被测定为以空间S内的真空压为基准的绝对压。
根据该绝对压型半导体压力传感器，由于以覆盖树脂制突部6的方式形成有凸块9，因而可由树脂制突部6的变形来吸收由感压芯片1与测定用电子仪器之间的热膨胀差所引起的应力。其结果是，可稳定地维持凸块9与测定用电子仪器的连接状态，并且可以可靠地防止电极剥离等不良现象。此外，还可抑制对传感器的应力影响。另外，由于凸块9与树脂制突部6的接触面积得到充分保证，因而可将作用到凸块9上的应力可靠地传递给树脂制突部6，而且可提高从凸块9经由树脂制突部6而传递到感压芯片1侧的固定力，并可防止因应力作用而引起的凸块9的剥离等。
接下来，对上述的绝对压型半导体压力传感器制造方法一例作以说明。图5～图9是表示图2所示的绝对压型半导体压力传感器的制造方法的工序图。在本制造方法中，感压芯片1通常形成为晶片状，但在这里对各芯片作以说明。
首先，备好感压芯片1，该感压芯片1中，形成有膜片2，且在其表面扩散形成压电电阻感压计G及压电电阻感压导线L，并且在膜片2的周围形成有感压计电极5，然后在该感压芯片1上形成绝缘树脂层10。绝缘树脂层10形成为，通过旋转涂布感光性聚酰亚胺等液态感光性树脂，以5～10μm的厚度来覆盖压电电阻感压计G及感压计电极5。
接下来，如图5所示，利用光刻技术，来除去位于感压计电极5上的绝缘树脂层10的一部分，而在感压计电极5上形成平面观看时呈环状的开口部。由此，形成在感压计电极5上具有开口部的绝缘树脂层10，并且在开口部内形成树脂制突部6。此外，与此同时除去膜片上不需要的绝缘树脂层10。在该场合下，按以下原则来除去绝缘树脂层10，即：感压计电极5的边缘部由绝缘树脂层10来覆盖，而且感压计电极5在树脂制突部6的周围露出，并且，按以下原则来除去绝缘树脂层10，即：将围绕膜片2的各树脂制突部6，配置到平面观看时以膜片2为中心而对称的位置上。
此外，开口部的平面形状不一定限于环状。比如，也可以使由开口部围绕的树脂制突部6的一部分与周围的绝缘树脂层10相连接，由此来形成上述平面形状呈C字状的开口部。
在该方法中，由于可同时形成绝缘树脂层10及树脂制突部6，因而可实现缩短形成时间和减少工序数。此外，在该工序中，可与在后续工序中形成的凸块9的形状相对应地，按所希望的形状及尺寸来形成树脂制突部6，并且可与膜片2的形状相对应地，在所希望的位置上形成各树脂制突部6。
绝缘树脂层10，也可以通过贴附由感光性聚酰亚胺等感光性树脂形成的薄片或薄膜来形成。在该场合下，同样可以利用光刻技术，环状地除去位于感压计电极5上的绝缘树脂层10的一部分而形成开口部，由此在短时间内可同时形成绝缘树脂层10及树脂制突部6。
接下来，在形成绝缘树脂层10及树脂制突部6后，形成籽晶层7。具体地说，在绝缘树脂层10的开口部内，在树脂制突部6的周围露出的感压计电极5及树脂制突部6的表面上，利用溅射法来形成厚度为40nm左右的Cr层，然后利用溅射法，形成覆盖该Cr层的厚度为100～500nm左右的Cu层。如图6所示，该籽晶层7覆盖绝缘树脂层10、树脂制突部6及开口部，并在感压芯片整个表面上形成。
Cr层具有针对感压计电极5、树脂制突部6及绝缘树脂层10的良好粘结性。另一方面，Cu层具有作为后述导电层8的电镀工序中给电层的功能，并且具有良好的与导电层8的粘结性，因而起到粘结籽晶层7与导电层8之间的功能。
此外，除了溅射法之外，也可利用蒸镀法等，来形成构成籽晶层7的各金属层(上述的Cr层及Cu层)。此外，还可以利用无电解电镀法，在树脂制突部6上直接被覆金属层(这里是Cr层)。
在形成籽晶层7后，利用电镀法，以覆盖籽晶层7的方式来形成导电层8。在该导电层8的电镀工序中，首先，如图6所示，在形成有绝缘树脂层10及树脂制突部6的感压芯片1上，以与形成导电层8的区域(这里是包含感压计电极5上的开口部及其内侧的树脂制突部6的区域)对应的部分具有开口的方式形成抗蚀层11，由此，覆盖不形成导电层8的区域，只露出形成导电层8的区域。在形成抗蚀层11时，比如，在旋转涂布抗蚀剂用的液态感光性树脂，并在形成有绝缘树脂层10及树脂制突部6的感压芯片1上形成了树脂层后，利用光刻技术，除去与形成导电层8的区域对应的部分的树脂层。
在形成抗蚀层11后，如图7所示，在抗蚀层11的开口部，利用电镀来形成导电层8。具体地说，在形成覆盖籽晶层7的厚度为3～20μm左右的铜镀层后，形成覆盖该铜镀层的厚度为1～10μm左右的Ni镀层，进行，形成覆盖该Ni镀层的厚度为0.1～1.0μm左右的Au镀层，由此来形成三层结构的导电层8。
并且，具有与导电层8的形成区域对应的开口部的抗蚀层11的形成，并不限定于利用光刻技术除去感光性树脂层。比如也可以利用以下方法，即：在感压芯片上层叠干薄膜状抗蚀层，并利用激光加工、等离子蚀刻、湿式蚀刻等，来除去该抗蚀层的与上述导电层8的形成区域对应的部分，而形成导电层8电镀用的开口部的方法等。
导电层8的形成结束后，剥离抗蚀层11，利用蚀刻等，除去不需要的籽晶层7(绝缘树脂层10上及膜片2上的籽晶层7等)。然后，在导电层8的表面上，比如形成由钎焊料形成的凸块9。作为凸块9的形成方法，可举出印刷法、金属注入法、或者在焊剂上载置钎焊球的方法等。由该凸块9，来密封绝缘树脂层10的感压计电极5上的开口部。
由此，来形成图3所示的、配备具有应力缓和功能的凸块9的绝对压型半导体压力传感器。
此外，本发明不限定于下述实施方式，可以做各种变更。比如，本发明对相对压型半导体压力传感器也可适用。
图8表示将本发明涉及的相对压型半导体压力传感器，经由凸块9安装到测定用电子仪器(电路基板12)上的状态。在该相对压型半导体压力传感器中，由感压芯片1的凹部4与玻璃基板3所夹着的空间S，经由玻璃基板3上所形成的孔H2，与成为压力测定对象的空间(未图示)连通。此外，在电路基板12上具有与大气连通的孔H，其结果是，由膜片2的表面与电路基板12所夹着的空间13的气压便成为大气压。这样，经由孔H2及空间S而施加到膜片2的背面的压力，便作为以上述空间13的气压(大气压)为基准的相对压而被测定。形成压力传感器的其它构成、其制造方法以及作用效果与上述图1至图7所示的实施方式相同。
图9是表示本发明涉及的其它绝对压型半导体压力传感器的结构例子的剖视图。在该例中，另外，由开口部围绕的树脂制突部6的一部分与周围的绝缘树脂层10相连接，在延长到该树脂制突部6的端部(位于感压计电极5的侧面的树脂层10的上部)的导电层8上，形成有凸块9。在该场合下，由于凸块9的下方几乎全部成为树脂层10，因而凸块9难以受到伴随感压芯片1与测定用电子仪器的连接而产生的应力的影响。此外，可以将导电层8与凸块9的连接位置，设置在对压电电阻感压计的电阻值难以产生影响的位置(比如，尽量远离压电电阻计的位置)。
在本发明涉及的半导体压力传感器，由于与测定用电子仪器连接的凸块形成为覆盖树脂制突部，因而可由树脂制突部的变形(由压缩、弯曲、剪切力等引起的变形)来分散、吸收因感压芯片与测定用电子仪器之间的热膨胀差而产生的应力对凸块的作用。其结果是，可稳定地维持凸块相对于测定用电子仪器的连接状态，并可以可靠地防止因连接状态的变化而引起的电阻值增大、电极剥离、凸块的极端变形等不良现象。
此外，由于可以排除针对易于受应力影响的膜片的、因经由凸块的连接而引起的应力的影响，因而可提高半导体压力传感器的测定精度。此外，无需另外设置用于吸收因与测定用电子仪器的连接而产生的应力的缓冲构件等的措施。其结果是，可抑制因感压芯片与测定用电子仪器的连接而造成的压力传感器厚度的增加，可实现半导体压力传感器的小型化，并且可降低成本。
此外，在本发明涉及的半导体压力传感器的制造方法中，由于可通过在感压芯片上所形成的树脂层上形成开口部，而同时形成树脂制突部及周围的绝缘树脂层，因而可以实现因削减用于形成这些树脂制突部及绝缘树脂层的工序数而产生的缩短形成时间及低成本化。其结果是，可提高半导体压力传感器的制造效率，且可降低成本。
Claims (8)
1.一种半导体压力传感器，在由单晶硅形成的膜片的表面形成有压电电阻感压计的感压芯片的背面侧粘结玻璃基板，在上述膜片的背面与上述玻璃基板之间形成第一空间，且以上述第一空间的压力为基准压来测定施加于上述膜片表面的被测定压力，该半导体压力传感器的特征在于，具有：
树脂制突部，其形成于在上述感压芯片表面所配置的感压计电极上；
凸块，其形成为覆盖该树脂制突部的一部分或整体。
2.根据权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，
上述凸块形成为覆盖被覆上述树脂制突部的导电层，上述感压芯片经由上述凸块及上述导电层而与测定用电子仪器电连接。
3.一种半导体压力传感器，其特征在于，在由单晶硅形成的膜片的表面形成有压电电阻感压计的感压芯片的背面侧粘结玻璃基板，在上述膜片的背面与上述玻璃基板之间形成第一空间，并以施加于上述膜片表面的压力为基准压来测定施加于该第一空间的被测定压力，该半导体压力传感器的特征在于，具有：
树脂制突部，其形成于在上述感压芯片表面所配置的感压计电极上；
凸块，其形成为覆盖该树脂制突部的一部分或整体。
4.根据权利要求3所述的半导体压力传感器，其特征在于，
上述凸块形成为覆盖被覆上述树脂制突部的导电层，上述感压芯片经由上述凸块及上述导电层而与测定用电子仪器电连接。
5.根据权利要求2或4所述的半导体压力传感器，其特征在于，
形成在上述凸块的周围覆盖上述感压芯片的绝缘树脂层，并且至少除去上述压电电阻感压计上的上述绝缘树脂层。
6.根据权利要求2或4所述的半导体压力传感器，其特征在于，
上述感压芯片的表面侧隔着上述凸块而被上述测定用电子仪器覆盖，且将在上述膜片的表面与上述测定用电子仪器之间形成的第二空间与上述第一空间之间的、隔着上述膜片的压力差，作为上述被测定压力来测定。
7.根据权利要求6所述的半导体压力传感器，其特征在于，上述测定用电子仪器是安装有上述半导体压力传感器的电路基板。
8.一种半导体压力传感器的制造方法，其特征在于，
形成覆盖感压芯片上所配置的感压计电极、及压电电阻感压计电极的树脂层，且除去该树脂层的位于上述感压计电极上的部分的一部分，而形成从平面观看呈环状或C字状的开口部，由此，形成在上述感压计电极上突出的形状的树脂制突部、以及在该开口部周围覆盖上述感压芯片的绝缘树脂层，然后，以可与上述感压计电极电导通地连接的方式，形成覆盖上述树脂制突部的导电层，以覆盖该导电层的方式形成凸块，然后，除去上述压电电阻感压计上的上述绝缘树脂层。
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