DE112013006033B4 - Sensor für physikalische Größen - Google Patents

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Abstract

Sensor für physikalische Größen, dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes aufweist:einen Halbleiterchip mit einer Messeinheit (3),einen Rahmen (8a), auf dem der Halbleiterchip montiert ist,einen Formharzabschnitt (10), der den Halbleiterchip und den Rahmen (8a) verkapselt und eine Öffnung aufweist, durch die die Messeinheit (3) nach außen freiliegt, undeine spannungsabsorbierende Schicht (6), die zwischen einem Ende der Öffnung im Formharzabschnitt (10) und einer in der Messeinheit (3) ausgeformten Verdrahtungsschicht (4) ausgeformt ist und ein Metallmaterial enthält, das eine Spannung vom Ende absorbiert, dadurch gekennzeichnet,dass die spannungsabsorbierende Schicht (6) geerdet ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor für physikalische Größen, insbesondere einen Sensor für physikalische Größen, der in einem Formharz verkapselt ist und eine Öffnung im Formharz aufweist.
  • Bisheriger Stand der Technik
  • Momentan kommt meist ein thermischer Gasstromsensor zum Einsatz, der zum Messen einer Ansaugluftmenge in einem Luftstrommesser verwendet wird, der in einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Automobils o. Ä. angeordnet ist, und einen Massenluftstrom direkt messen kann.
  • Insbesondere kann ein thermisches Luftstromsensorelement, das in einem MEMS-Verfahren (MEMS=Micro Electro Mechanical Systems) mit einem Halbleiter hergestellt wird, die Kosten senken und mit wenig Strom betrieben werden, was für Interesse gesorgt hat.
  • Bei solch einem MEMS-Sensor wird der auf einem teuren Metall- oder Keramiksubstrat montierte Sensor einer Harzverkapselung unterzogen, um eine Kostensenkung und Miniaturisierung zu erzielen. In diesem Zusammenhang wurde eine Harzverkapselung vorgeschlagen, bei der ein Formharz mit einer nur an einer Position für einen Sensorelementabschnitt zur Messung ausgeformten Öffnung verwendet wird und ein Abschnitt des Sensors mit Ausnahme des Sensorelementabschnitts in Formharz verkapselt ist.
  • Als ein Beispiel eines herkömmlichen Harzverkapselungsverfahrens mit einer Öffnung in einem Teil des Harzes beschreibt PTL 1 ein Verfahren, bei dem eine Form mit einem hervorragendem Abschnitt und ein Leitungsrahmen, an dem ein Halbleiterelement befestigt ist, in Eingriff gebracht werden, um einen Abschnitt mit einer vertieften Nut zwischen einer Messeinheit und einer Elektrodeneinheit des Halbleiterelements zu formen. In PTL 1 wird ein Formharz in den Abschnitt mit der vertieften Nut eingebracht, um eine Verankerungswirkung zu erzielen, so dass die Haftfestigkeit des Formharzes auf der Oberfläche des Halbleiterelements verbessert wird, wodurch das Auftreten eines Ablösens oder die Bildung von Rissen in der Formharzschicht um die Öffnung herum vermieden wird.
  • Ferner beschreibt PTL 2 ein Verfahren, bei dem eine Pufferschicht in einem Bereich in Kontakt mit einem Gehäuse im äußeren Umfang einer Öffnung ausgeformt ist. Die Pufferschicht hat eine Funktion, um zu vermeiden, dass die Form zum Ausformen einer Öffnung die Messeinheit zerbricht, und eine Funktion als Spannungsabbauschicht zwischen einem integrierten Schaltkreis und einem elektronischen Halbleiterelement. Die Pufferschicht wird aus einem Harzmaterial wie einem Epoxidharz oder einem organischen Material wie einem Silikongummi geformt.
    PTL 3 zeigt eine Technik zum Verbessern der Leistung eines Strömungssensors durch Unterdrücken der Variation der Leistung zwischen den Strömungssensoren. Weiterhin zeigt der Strömungssensor der PTL 3 einen Leitungsrahmen, der einen angebrachten Halbleiterchip aufweist. Im Detail werden in PTL 3 ein Rahmenkörper und ein Film eines elastischen Körpers zwischen einer oberen Form und dem Leitungsrahmen angeordnet.
  • Liste der Anführungen
  • Patentliteratur
  • Technische Aufgabe
  • Beide in PTL 1 und PTL 2 beschriebenen Verfahren weisen das Problem auf, dass die Restspannung des Formharzes in der Öffnung zu einem Ablösen an der Schnittstelle mit geringer Haftung führt. Die Details sind in Bezug auf 10 und 11 beschrieben.
  • 10 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Restspannung eines Formharzes, wenn das Formharz direkt auf einem isolierenden Film auf einer Verdrahtung 4 geformt wird. Der Einfluss der Restspannung, wenn ein Abschnitt mit einer vertieften Nut ausgeformt ist, wie in PTL 1 beschrieben, kann als ähnlich wie in 10 betrachtet werden. Wie in 10 gezeigt, wird im Formharz, das beim Formen etwa 200 °C ausgesetzt war, beim Absenken der Temperatur auf Raumtemperatur eine Restspannung F1 erzeugt, so dass das gesamte Harz einem Schwund unterliegt. Beim normalen Formen ohne eine Öffnung ist die Restspannung eines Formharzes 10 gleichmäßig verteilt und stellt kein Problem dar. Beim Formen eines Harzes mit einer Öffnung hingegen ist eine Restspannung, die einen Schwund des Harzes bewirkt, unvorteilhafterweise an einem Ende der Öffnung im Formharz konzentriert. In diesem Fall ist das Formharz 10 ein Material mit einer hohen Haftkraft mit einem isolierenden Film 18, mit dem ein thermischer Gasstromsensor 1 in Kontakt steht (in PTL 1 wird die Haftkraft durch den Abschnitt mit vertiefter Nut noch weiter verbessert), und daher ist die Spannung vermutlich in der Schnittstelle zwischen der Verdrahtung 4 und einem darauf angeordneten isolierenden Film 16 oder der Schnittstelle zwischen der Verdrahtung 4 und einem darunter angeordneten isolierenden Film 14, der die Schnittstelle mit geringer Haftkraft darstellt und unterhalb der Öffnung angeordnet ist, konzentriert. Insbesondere wenn ein Haltbarkeitstest wie ein Temperaturzyklustest durchgeführt wird, wird die Restspannung F1 erhöht, so dass ein Ablösen an der oben genannten Schnittstelle bewirkt wird und sich der Widerstandswert der Verdrahtung 4 ändert, so dass die Genauigkeit der Messung abnimmt. Wenn ferner dieser Zustand unverändert belassen wird, setzt sich das Ablösen weiter fort und es entstehen Risse im isolierenden Film auf der abgelösten Verdrahtung 4, so dass die Verdrahtung 4 in Kontakt mit der Außenluft kommt, wodurch Korrosion entsteht, was ein Problem durch Drahtbruch verursacht.
  • 11 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Restspannung des Formharzes, wenn, wie in PTL 2 beschrieben, ein Polyimidfilm auf einem isolierenden Film 18 ausgeformt ist, um eine Struktur zu bilden, bei der das Ende eines Formharzes 10 nicht direkt mit dem isolierenden Film 18 in Kontakt steht. In diesem Fall konzentriert sich die Restspannung des Formharzes 10 im Ende der Öffnung wie der in 10, aber der Polyimidfilm weist ein niedriges Elastizitätsmodul auf, so dass er die Restspannung F2 in einem gewissen Umfang abbauen kann. Die abgebaute Restspannung F2 bleibt in der Schnittstelle mit dem Polyimidfilm und im Film bestehen, und wenn ein Haltbarkeitstest durchgeführt wird, konzentriert sich die Spannung in der Schnittstelle zwischen dem Polyimidfilm und dem darunterliegenden isolierenden Film 18 oder dem Formharz 10, was zu einem Ablösen an der Schnittstelle führt. Wenn das zwischen dem Polyimidfilm und dem darunterliegenden isolierenden Film 18 bewirkte Ablösen fortfährt, dringt Feuchtigkeit o. Ä. in die Schnittstelle ein und bewirkt Korrosion an einem Polsterabschnitt 5, so dass ein Problem durch Drahtbruch auftritt. Wenn ein Epoxidharz mit hervorragender Haftung auf dem darunterliegenden isolierenden Film 18 statt des Polyimidfilms 28 verwendet wird, ist die Oberfläche des Epoxidharzes o. Ä. wasserabweisend, und die Haftung auf dem Harz, das als Material für das Formharz verwendet wird, o. Ä. ist gering, wodurch ebenfalls ein Problem mit Ablösung, wie in 11 dargestellt, auftritt.
  • Entsprechend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines Sensors für physikalische Größen, der wesentlich weniger von Restspannungen nach dem Formen beeinflusst wird, so dass der Sensor eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
  • Technische Lösung
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung.
  • Als ein repräsentatives Beispiel des Mittels zum Lösen der Probleme in der Erfindung ist ein Sensor für physikalische Größen zu nennen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er Folgendes umfasst: einen Halbleiterchip mit einer Messeinheit, einen Rahmen, auf dem der Halbleiterchip montiert ist, einen Formharzabschnitt, der den Halbleiterchip und den Rahmen verkapselt und eine Öffnung aufweist, durch welche die Messeinheit nach außen freigelegt ist, und eine spannungsabsorbierende Schicht, die zwischen einem Ende der Öffnung im Formharzabschnitt und einer in der Messeinheit ausgeformten Verdrahtungsschicht ausgeformt ist und ein Metallmaterial enthält, das eine Spannung vom Ende absorbiert.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Durch die Erfindung kann ein Sensor für physikalische Größen mit höherer Empfindlichkeit und hoher Zuverlässigkeit bereitgestellt werden.
  • Figurenliste
    • [1] 1 zeigt einen Detailabschnitt eines Beispiels des thermischen Gasstromsensors von Beispiel 1 der Erfindung in Draufsicht.
    • [2] 2 zeigt einen Detailabschnitt des thermischen Gasstromsensors von Beispiel 1 der Erfindung im Querschnitt.
    • [3] 3 zeigt einen Detailabschnitt eines Produktionsprozesses für ein Halbleitersubstrat des Sensorelements von Beispiel 1 der Erfindung im Querschnitt.
    • [4] 4 zeigt einen Detailabschnitt eines Produktionsprozesses für ein Halbleitersubstrat des Sensorelements von Beispiel 1 der Erfindung im Querschnitt.
    • [5] 5 zeigt einen Detailabschnitt eines Produktionsprozesses für ein Halbleitersubstrat des Sensorelements von Beispiel 1 der Erfindung im Querschnitt.
    • [6] 6 zeigt einen Detailabschnitt eines Produktionsprozesses für ein Halbleitersubstrat des Sensorelements von Beispiel 1 der Erfindung im Querschnitt.
    • [7] 7 zeigt einen Detailabschnitt eines Produktionsprozesses für den thermischen Gasstromsensor von Beispiel 1 der Erfindung im Querschnitt.
    • [8] 8 zeigt einen Detailabschnitt eines Produktionsprozesses für den thermischen Gasstromsensor von Beispiel 1 der Erfindung im Querschnitt.
    • [9] 9 zeigt die schematische Anordnung eines thermischen Luftstrommessers, auf den der thermische Gasstromsensor montiert ist, der an einem Ansaugkanal in einem Verbrennungsmotor eines Automobils o. Ä. befestigt ist, in Ausführungsform 1 der Erfindung.
    • [10] 10 zeigt den Einfluss einer durch das Formharz bewirkten Spannung im Querschnitt.
    • [11] 11 zeigt den Einfluss einer durch das Formharz bewirkten Spannung im Querschnitt.
    • [12] 12 zeigt den Einfluss einer durch das Formharz bewirkten Spannung im Querschnitt.
    • [13] 13 zeigt einen Detailabschnitt eines Produktionsprozesses für ein Halbleitersubstrat des Sensorelements von Beispiel 2 der Erfindung im Querschnitt.
    • [14] 14 zeigt einen Detailabschnitt eines Produktionsprozesses für ein Halbleitersubstrat des Sensorelements von Beispiel 2 der Erfindung im Querschnitt.
    • [15] 15 zeigt einen Detailabschnitt des thermischen Gasstromsensors von Beispiel 2 der Erfindung im Querschnitt.
    • [16] 16 zeigt einen Detailabschnitt des Sensorelements von Beispiel 3 der Erfindung im Querschnitt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Nachfolgend sind Beispiele der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In den folgenden Beispielen wird als ein Beispiel des Sensors für physikalische Größen insbesondere ein thermischer Gasstromsensor beschrieben; die Erfindung kann aber auf ähnliche Weise auf andere Sensoren angewendet werden, die in einem Formharz mit einer Öffnung verkapselt sind, wie etwa ein Feuchtigkeitssensor und ein Drucksensor.
  • Ferner bedeutet in den folgenden Beispielen „oben“ die Richtung, die senkrecht zur Oberfläche des Halbleitersubstrats ist und in der die Messeinheit und das Polster ausgeformt sind (die Richtung, in der ein isolierender Film o. Ä. übereinander angeordnet sind).
  • Beispiel 1
  • <Aufbau eines thermischen Gasstromsensors>
  • 1 zeigt ein Beispiel eines Detailabschnitts des thermischen Gasstromsensors 1 von Beispiel 1 in Draufsicht, und 2 zeigt einen Detailabschnitt im Querschnitt entlang der Linie A-A' von 1.
  • Wie in 1 und 2 dargestellt, sind in einem auf einem Leitungsrahmen 8a montierten Sensorelement 2 eine Luftstrommesseinheit 3 zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Gases, eine Verdrahtung 4 für eine Heizung, einen Sensor u. Ä. und eine Elektrode 5 für Ein- und Ausgabe nach außen ausgeformt. Die Luftstrommesseinheit 3 ist mit einer Membranstruktur 7 nach Entfernen der Rückseite eines Halbleitersubstrats ausgestattet. Ferner sind die Elektrode 5 und eine externe Klemme 8b des Leitungsrahmens miteinander durch eine Drahtbondung 9 verbunden. Die Verdrahtung 4 ist mit einer Stromversorgung von außen durch die Elektrode 5 und externe Klemme 8a ausgestattet, um eine Heizungstemperatur und ein Sensorsignal nach außen auszugeben. Das Sensorelement 2 ist mit Ausnahme eines Abschnitts der Luftstrommesseinheit 3 mit einem Formharz 10 abgedeckt, und eine spannungsabsorbierende Schicht 6 ist durch einen isolierenden Film zwischen dem Ende des Formharzes 10 und der Verdrahtung 4 der Luftstrommesseinheit 3 ausgeformt. Die planare Form der in 1 dargestellten Membranstruktur 7 ist eine quadratische Form, aber die planare Form der Membranstruktur ist nicht in besonderer Weise beschränkt und kann auch eine andere Form aufweisen, wie beispielsweise eine rechteckige Form mit langen Seiten in der seitlichen Richtung, wie in 1 dargestellt.
  • <Verfahren zum Herstellen des thermischen Gasstromsensors>
  • Nachfolgend wird ein Beispiel des Verfahrens zum Herstellen des thermischen Gasstromsensors von Beispiel 1 in Bezug auf 3 bis 6 in der Reihenfolge der Schritte beschrieben. 3 bis 6 zeigen einen Detailabschnitt im Querschnitt der Linie A-A' von 1.
  • Zunächst wird, wie in 3 dargestellt, ein aus einkristalligem Si geformtes Halbleitersubstrat 11 bereitgestellt. Anschließend wird ein isolierender Film 12 auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 11 ausgeformt und werden ferner nacheinander ein isolierender Film 13 und ein isolierender Film 14 ausgeformt. Der isolierende Film 12 ist ein Siliciumoxid-Film, der beispielsweise in einem Ofen bei einer hohen Temperatur ausgeformt wird und eine Dicke von etwa 200 nm aufweist. Der isolierende Film 13 ist ein Siliciumnitrid-Film, der beispielsweise in einem CVD-Verfahren ausgeformt wird und eine Dicke von etwa 100 bis 200 nm aufweist. Der isolierende Film 14 ist ein Siliciumoxid-Film, der beispielsweise in einem CVD-Verfahren ausgeformt wird und eine Dicke von etwa 300 bis 500 nm aufweist. Die isolierenden Filme 12, 13, 14 werden ebenfalls auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 11 ausgeformt.
  • Der isolierende Film 12 und der isolierende Film 14 stellen einzeln einen Film (zweiten isolierenden Film) mit einer Druckspannung dar, und der isolierende Film 13 stellt einen Film (erster isolierender Film) mit einer Zugspannung dar. Die Restspannung des ersten isolierenden Films ist eine Zugspannung von beispielsweise 700 bis 1.200 MPa, und die Restspannung des zweiten isolierenden Films ist eine Druckspannung von beispielsweise 50 bis 250 MPa. Ferner kann ein isolierender Film 17 ein Aluminiumnitrid-Film mit einer Zugspannung von 500 bis 1.200 MPa sein. Nach dem Ausformen dieser isolierenden Filme können die Filme zum Regulieren der Spannungen der Filme einer Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei etwa 1.000 °C ausgesetzt werden. Ferner können auf den resultierenden Filmen ein isolierender Film mit einer Zugspannung und ein isolierender Film mit einer Druckspannung weiter wiederholt ausgeformt und übereinander angeordnet werden.
  • Anschließend wird als ein Metallfilm 15 ein Mo-Film (Molybdän-Film) beispielsweise durch ein Sputterverfahren mit einer Dicke von etwa 100 bis 200 nm ausgeformt. In diesem Fall wird zum Verbessern der Haftung und der kristallinen Eigenschaften vor dem Aufbringen eines Mo-Films der darunterliegende isolierende Film 14 um etwa 5 bis 20 nm durch ein Sputterätzverfahren mit Ar-Gas (Argongas) angeätzt, und ein Mo-Film wird unter solchen Bedingungen ausgeformt, dass die Temperatur des Halbleitersubstrats 11 bei Aufbringen des Mo-Films etwa 200 bis 500 °C beträgt. Zum weiteren Verbessern der kristallinen Eigenschaften des Mo-Films wird der ausgeformte Mo-Film einer Wärmebehandlung in einer Stickstoffumgebung bei etwa 1.000 °C in einem Ofen oder einer Lampenheizvorrichtung unterzogen.
  • Anschließend wird, wie in 4 dargestellt, der Metallfilm 15 einer Musterung durch Ätzen mit einem photolithographischen Verfahren für das Ausformen eines Heizwiderstandselements zum Bilden der Luftstrommesseinheit 3, eines Temperaturmesswiderstandselements für das Heizwiderstandselement, eines Temperaturmesswiderstandselements, eines im Formharz angeordneten Lufttemperaturmesswiderstandselements, eines Widerstandselements zur Heiztemperatursteuerung und einer Leitungsverdrahtung 4 unterzogen. Anschließend wird als ein isolierender Film 16 zum Schutz der Verdrahtung beispielsweise durch ein CVD-Verfahren oder ein Niedertemperatur-CVD-Verfahren mit Plasma und unter Verwendung von TEOS (Tetraethoxysilan) als Ausgangsmaterial ein Siliciumoxid-Film mit einer Dicke von etwa 300 bis 600 nm ausgeformt, und anschließend werden ein isolierender Film 17 und ein isolierender Film 18 ausgeformt. Der isolierende Film 17 ist ein Siliciumnitrid-Film, der beispielsweise in einem CVD-Verfahren oder einem Niedertemperatur-CVD-Verfahren unter Plasma aufgebracht wird und eine Dicke von etwa 150 bis 200 nm aufweist. Der isolierende Film 18 ist ein Siliciumoxid-Film, der beispielsweise in einem CVD-Verfahren oder einem Niedertemperatur-CVD-Verfahren unter Plasma aufgebracht wird und eine Dicke von etwa 100 bis 500 nm aufweist. Zum Regulieren der Spannung und Verbessern der Feuchtigkeitsbeständigkeit können die isolierenden Filme 16, 17, 18 einer Wärmebehandlung bei etwa 1.000 °C unterzogen werden. Nach dem Ausformen des isolierenden Films 16 kann ein CMP (chemisch-mechanisches Polieren) durchgeführt werden, um die Dicke des isolierenden Films im Heizungsabschnitt und Sensorabschnitt der Messeinheit anzupassen.
  • Als nächstes wird ein Kontaktloch zum Freilegen eines Teils der Verdrahtung 4 durch Trockenätzen oder Nassätzen mit einem photolithographischen Verfahren ausgeformt. Anschließend wird als ein Metallfilm beispielsweise ein Aluminiumlegierungsfilm mit einer Dicke von 1 µm ausgeformt, um das Kontaktloch auszufüllen. Zum Erzielen eines hervorragenden Kontakts des Metallfilms kann vor dem Ausformen des Metallfilms die Oberfläche der Verdrahtung 4 im Kontaktloch einem Sputterätzen unter Ar-Gas (Argongas) unterzogen werden. Um noch sicherer einen hervorragenden Kontakt zu gewährleisten, kann vor dem Aufbringen des Aluminiumlegierungsfilms als ein dritter Metallfilm ein Barrieremetallfilm wie etwa ein TiN-Film (Titannitrid-Film) aufgebracht werden, um einen Film mit Anordnung von Barrieremetallfilm und Aluminiumlegierungsfilm übereinander auszuformen. Als ein Beispiel für den Barrieremetallfilm wird ein TiN-Film genannt; es kann aber ebenfalls ein TiW-Film (Titanwolfram-Film), ein Ti-Film (Titan-Film) oder ein Film mit Anordnung dieser Filme übereinander verwendet werden. Anschließend wird der Metallfilm einer Musterung durch Trockenätzen oder Nassätzen mit einem photolithographischen Verfahren für das Ausformen eines durch das Kontaktloch mit der Verdrahtung 4 verbundenen Polsterabschnitts 5 und einer unterhalb des Bereichs, in dem später ein Ende einer Öffnung des Formharzes ausgeformt wird, angeordneten spannungsabsorbierenden Schicht 6 unterzogen, wodurch die in 5 dargestellte Struktur erzeugt wird.
  • Anschließend wird, wie in 6 dargestellt, ein Muster eines lichtempfindlichen Films (nicht dargestellt) auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 11 mit einem photolithographischen Verfahren ausgeformt, und die isolierenden Filme 12, 13 und der auf der Rückseite ausgeformte isolierende Film 14 werden mit einem Trockenätzverfahren oder einem Nassätzverfahren entfernt. Anschließend wird unter Verwendung der isolierenden Filme 12, 13, 14 als Maske die Rückseite des Halbleitersubstrats 11 einem Nassätzen mit einer wässrigen Lösung aus KOH (Kaliumhydroxid) oder TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) bzw. diese enthaltend zum Ausformen einer Membranstruktur 7 unterzogen.
  • In der vorhergehenden Ausführungsform ist der thermische Gasstromsensor beschrieben, in dem der Metallfilm 15, der die Verdrahtung 4 für ein Heizwiderstandselement u. Ä. bildet, aus Mo ausgeformt ist; der Metallfilm kann aber auch aus einem anderen Metall als Mo, einer Metallnitrid-Verbindung, einer Metallsilicid-Verbindung, einem polykristallinen Silicium oder einem mit Phosphor oder Bor als Verunreinigung dotierten polykristallinen Silicium ausgeformt sein. Beispiele für die Metalle sind Metalle, die als Hauptbestandteil a-Ta (alpha-Tantal), Ti (Titan), W (Wolfram), Co (Kobalt), Ni (Nickel), Fe (Eisen), Nb (Niobium), Hf (Hafnium), Cr (Chrom), Zr (Zirconium) o. Ä. enthalten. Beispiele für die Metallnitrid-Verbindungen sind etwa TaN (Tantalnitrid), MoN (Molybdännitrid) und WN (Wolframnitrid). Beispiele für Metallsilicid-Verbindungen sind etwa MoSi (Molybdänsilicid), CoSi (Kobaltsilicid) und NiSi (Nickelsilicid). Ein weiteres Beispiel ist etwa mit Phosphor oder Bor dotiertes Polysilicium.
  • Andererseits ist in der vorhergehenden Ausführungsform das Material für den Polsterabschnitt 5 und die spannungsabsorbierende Schicht 6 Al; das Material kann aber ein Metallmaterial mit einem Elastizitätsmodul sein, das niedriger als jenes des Metallfilms 15 ist, der die Verdrahtung 4 bildet. Spezifische Beispiele für Metallmaterialien sind beliebige Elemente in der Metallgruppe, die Al (Aluminium), Cu (Kupfer), Au (Gold), Ni (Nickel), Pt (Platin) und Ag (Silber) umfasst, eine Legierung, die ein beliebiges Element der Metallgruppe enthält, und eine Verbindung von einem beliebigen Element der Metallgruppe mit Si (Silicium). Ferner kann wie oben erwähnt die spannungsabsorbierende Schicht 6 einen übereinander angeordneten. Aufbau mit einem aus dem oben genannten Metallmaterial ausgeformten Metallfilm und wenigstens einem TiN-Film (Titannitrid-Film), einem TiW-Film (Titanwolfram-Film) oder einem Ti-Film (Titan-Film) aufweisen.
  • <Aufbau eines thermischen Gasstrommessers>
  • 7 zeigt den Zustand des thermischen Gasstromsensors von Beispiel 1, der auf einem Leitungsrahmen 8 montiert ist. Ein Sensorelement 2 wird mit einer Silberpaste, einem Harzklebedichtmittel o. Ä. auf einen Leitungsrahmen 8a befestigt und anschließend wird ein Leitungsrahmen 8B, der als externe Klemme dient, mit einem gewünschten Polster 5 durch eine Drahtbondung 9 verbunden.
  • Anschließend wird, wie in 8 dargestellt, das auf dem in 7 dargestellten Leitungsrahmen 8a angeordnete Sensorelement 2 zum Formen an einer Form 21 befestigt, und ein Einsatzstück 22 zum Ausformen einer Öffnung wird durch einen Abschirmfilm 23 zum Schutz der Luftstrommesseinheit 3 gepresst, gefolgt von Einspritzen eines Formharzes. Danach wird ein nicht erforderlicher Leitungsrahmen abgeschnitten, um einen geformten thermischen Stromsensor mit einer Öffnung wie in 2 dargestellt auszuformen.
  • 9 zeigt die schematische Anordnung eines an einem Ansaugkanal 24 in einem Verbrennungsmotor eines Automobils o. Ä. befestigten thermischen Luftstrommessers 25. Der Luftstrommesser 25 weist außerhalb des Ansaugkanals einen Steckverbinder zum Anschließen einer Stromversorgung und eines elektronischen Signals einer elektronischen Steuereinheit (ECU) zur Steuerung eines Automobils auf und ist mit einer externen Klemme 8b eines thermischen Gasstromsensors 1 durch eine interne Verdrahtung 26 des Luftstrommessers verbunden. Ferner ist im thermischen Luftstrommesser 25 ein Unterkanal 27 angeordnet, so dass Luft in die durch Pfeile dargestellte Richtung strömt. Die Strommesseinheit 3 des thermischen Gasstromsensors 1 ist an der Stelle des Unterkanals 27 angeordnet, an der die Luft passiert. Die Luft sorgt für Ströme in der durch einen Pfeil dargestellten Richtung eines Luftstroms 28 oder in der entgegengesetzten Richtung je nach den Bedingungen des Verbrennungsmotors, und es kann in jedem Zustand ein Luftstrom gemessen werden. Ferner ist eine Abdeckung über der internen Verdrahtung 26, der externen Klemme 8b und dem Unterkanal 27 des thermischen Gasstromsensors 1 angeordnet.
  • <Charakteristisches Merkmal von Beispiel 1 und Wirkungen von diesem>
  • Der Sensor für physikalische Größen von Beispiel 1 ist somit dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes aufweist: einen Halbleiterchip mit einer Messeinheit 3, einen Rahmen 8a, auf dem der Halbleiterchip montiert ist, einen Formharzabschnitt 10, der den Halbleiterchip und den Rahmen verkapselt und eine Öffnung aufweist, durch welche die Messeinheit nach außen freigelegt ist, und eine spannungsabsorbierende Schicht 6, die zwischen einem Ende der Öffnung im Formharzabschnitt und einer in der Messeinheit ausgeformten Verdrahtungsschicht 4 ausgeformt ist und ein Metallmaterial enthält, das eine Spannung vom Ende absorbiert. Nachfolgend werden die Wirkungen der Erfindung von Beispiel 1 in Bezug auf 12 beschrieben.
  • Die spannungsabsorbierende Schicht 6 unterliegt voraussichtlich einer plastischen Verformung und gleitet entsprechend dem Schwund des Formharzes 10 nach dem Formen, wodurch der Einfluss der Restspannung des Formharzes 10 auf andere Filme, wie beispielsweise den isolierenden Film 19 und die darunterliegende Verdrahtung, erheblich verringert wird. Um den Einfluss auf die Luftstrommesseinheit 3 sicher zu verringern, ist es wünschenswert, dass in der Ebene parallel zur Substratfläche des Halbleiterchips die spannungsabsorbierende Schicht 6 außerhalb des äußeren Umfangs der Membran 7 ausgeformt ist.
  • Ferner weist der Al-Film hervorragende Kompatibilität mit dem darunterliegenden isolierenden Film 18 und dem Formharz 10 auf und weist ein Elastizitätsmodul auf, das niedriger ist als jenes des Metallfilms 15, der die Verdrahtung 4 bildet, d. h. es ist ein flexibler Film, und daher wird der Film vermutlich kein Trennen und Ablösen verursachen. Auf Grundlage der vorgehenden Erläuterung kann ein Vergleich der Restspannungen von 10 bis 12 wie folgt dargestellt werden. F 1 ≈ F 2 > F 3
    Figure DE112013006033B4_0001
  • Daher wird der Einfluss der Restspannung auf das Ende der Öffnung im Formharz im Vergleich zu einem herkömmlichen Verfahren wesentlich verringert und es können stabile Eigenschaften auch bei Durchführen eines Haltbarkeitstests erhalten werden.
  • Die spannungsabsorbierende Schicht 6 ist mit einem Halbleitersubstrat 11 verbunden und das Halbleitersubstrat 11 ist mit einer Masse verbunden, so dass die spannungsabsorbierende Schicht ein Massepotential aufweist und somit Ladungen des durch die Öffnung freigelegten Abschnitts nach außen wandern können, wodurch die Eigenschaften des thermischen Sensors stabilisiert werden können. Alternativ kann die spannungsabsorbierende Schicht 6 so angeordnet sein, dass ein Polster der Masseelektrode und die spannungsabsorbierende Schicht 6 miteinander verbunden sind. Es ist darauf hinzuweisen, dass die spannungsabsorbierende Schicht 6 zur Öffnung zeigt und somit zur Korrosion neigt; daher muss in diesem Fall die Verdrahtungsbreite verringert werden und der Abstand zwischen der Verdrahtung und dem Polster muss vergrößert werden, indem ein Schaltungskreis o. Ä. vorgesehen wird. Ferner wird, wenn die spannungsabsorbierende Schicht 6 geerdet ist, eine staubsammelnde Wirkung erzeugt.
  • Beispiel 2
  • Die Position, an der die Spannungsregulierungsschicht 6 ausgeformt ist, ist nicht auf eine in dem Fall begrenzt, in dem die Spannungsregulierungsschicht direkt in Kontakt mit dem Formharz 10 steht. In Beispiel 2 ist ein Aufbau beschrieben, bei dem eine Deckschicht zwischen der Spannungsregulierungsschicht 6 und dem Formharz 10 zum Vermeiden eines Eindringens von Feuchtigkeit am Polsterabschnitt 5 durch das Formharz 10, welche Korrosion verursacht, ausgeformt ist.
  • 13 und 14 zeigen einen Detailabschnitt der Schritte zum Ausformen des thermischen Gasstromsensors von Beispiel 2 im Querschnitt. Die Schritte in 3 und 4 und die vorhergehenden Schritte sind die gleichen wie in Beispiel 1 und somit werden nachfolgend die darauf folgenden Schritte beschrieben.
  • Nach dem Schritt von 4 wird, wie in 13 dargestellt, ein Kontaktloch zum Freilegen eines Teils der Verdrahtung 4 durch Trockenätzen oder Nassätzen mit einem photolithographischen Verfahren ausgeformt. Anschließend wird als ein Metallfilm beispielsweise ein Aluminiumlegierungsfilm mit einer Dicke von 1 µm ausgeformt, um das Kontaktloch auszufüllen. Zum Erzielen eines hervorragenden Kontakts des Metallfilms kann vor dem Ausformen des Metallfilms die Oberfläche der Verdrahtung 4 im Kontaktloch einem Sputterätzen unter Ar-Gas (Argongas) unterzogen werden. Um noch sicherer einen hervorragenden Kontakt zu gewährleisten, kann vor dem Aufbringen des Aluminiumlegierungsfilms als ein dritter Metallfilm ein Barrieremetallfilm wie etwa ein TiN-Film (Titannitrid-Film) aufgebracht werden, um einen Film mit Anordnung von Barrierefilm und Aluminiumlegierungsfilm übereinander auszuformen. Als ein Beispiel für den Barrieremetallfilm wird ein TiN-Film genannt; es kann aber ebenfalls ein TiW-Film (Titanwolfram-Film), ein Ti-Film (Titan-Film) oder ein Film mit Anordnung dieser Filme übereinander verwendet werden; dieser Schritt und die vorhergehenden Schritte sind mit denen im Beispiel identisch.
  • Anschließend wird der Metallfilm einer Musterung durch Trockenätzen oder Nassätzen mit einem photolithographischen Verfahren zum Ausformen eines Polsterabschnitts 5 und einer spannungsabsorbierenden Schicht 6 unterzogen. In diesem Fall wird in Beispiel 2 die Musterung so durchgeführt, dass die spannungsabsorbierende Schicht 6 einschließlich des Bereichs, der die Membran 7 ausformt, erhalten bleibt. Anschließend wird eine Deckschicht 29 ausgeformt. Die Deckschicht 29 kann ein zwischen dem Formharz 10 und der spannungsabsorbierenden Schicht 6 ausgeformter isolierender Film sein und ist ein Siliciumnitrid-Film, der beispielsweise in einem CVD-Verfahren oder einem Niedertemperatur-CVD-Verfahren unter Plasma aufgebracht wird und eine Dicke von etwa 1.000 bis 2.000 nm aufweist. Die Deckschicht 29 kann ein Film mit einem in einem CVD-Verfahren unter Verwenden von Plasma und Niedertemperatur-TEOS als Ausgangsmaterial aufgebrachten Siliciumoxid-Films und dem oben genannten Siliciumnitrid-Film in einer Anordnung übereinander oder ein Aluminiumnitrid-Film, ein Siliciumcarbid-Film oder ein Film mit dem oben genannten Film, einem Siliciumoxid-Film und einem Siliciumnitrid-Film in Anordnung übereinander sein. Durch Ausformen der Deckschicht 29 kann nicht nur eine Korrosion der spannungsabsorbierenden Schicht 6 verhindert werden, sondern es kann auch das Haften. des Formharzes 10 und der spannungsabsorbierenden Schicht 6 zusätzlich verbessert werden. Wenn ein Teil der spannungsabsorbierenden Schicht 6, wie nachfolgend in Bezug auf 14 beschrieben, entfernt ist, wird ein Bereich, der nicht mit der Deckschicht 29 abgedeckt ist, in der spannungsabsorbierenden Schicht 6 erzeugt; dieser Bereich ist aber mit einem isolierenden Film 30 abgedeckt und verursacht daher keine Probleme, und die Deckschicht 29 kann wenigstens einen Teil der spannungsabsorbierenden Schicht 6 abdecken.
  • Danach wird der isolierende Film 29 durch Trockenätzen oder Nassätzen mit einem photolithographischen Verfahren unter Verwendung der darunterliegenden spannungsabsorbierenden Schicht 6 und des Polsterabschnitts 5 als Ätzstoppschicht bearbeitet.
  • Anschließend wird, wie in 14 dargestellt, der Bereich der spannungsabsorbierenden Schicht 6, der größer als die Membran 7 ist, durch Trockenätzen oder Nassätzen mit einem photolithographischen Verfahren entfernt. Für diesen Schritt gibt es folgenden Grund: Wenn der oben genannte Bereich unverändert belassen bleibt, macht es die hohe Wärmeleitfähigkeit des Al-Films unmöglich, einen Temperaturgradienten in der Sensorverdrahtung beim Erwärmen der Membran 7 durch eine Heizung zu erzeugen. Dieser Schritt wird durchgeführt, so dass die spannungsabsorbierende Schicht in der Ebene parallel zur Oberfläche des Substrats wenigstens außerhalb des äußeren Umfangs der Oberfläche der Membran ausgeformt wird.
  • Anschließend wird als ein Schutzfilm 30 ein isolierender Film, beispielsweise in Polyimid-Film, aufgebracht und anschließend werden ein oberhalb des Polsterabschnitts 5 angeordneter Abschnitt des aufgebrachten Schutzfilms 30, das Ende des Formharzes 10 und bei Bedarf die Membran 7 durch Trockenätzen oder Nassätzen mit einem photolithographischen Verfahren entfernt. Schließlich wird die Rückseite des Si-Substrats einem Nassätzen mit einer Flüssigkeit, die KOH oder TMAH enthält, in einem photolithographischen Verfahren zum Ausformen einer Membran 7 unterzogen. Der Schutzfilm 30 dient zum Abdecken des Abschnitts der spannungsabsorbierenden Schicht 6, der nicht von der Deckschicht 29 abgedeckt ist und durch Entfernen eines Teils der spannungsabsorbierenden Schicht 6 erzeugt wird, um die Wirkung des Vermeidens der Korrosion der spannungsabsorbierenden Schicht 6 zusätzlich zu verbessern.
  • In diesem Fall kann die Stelle, an der das Ende des Formharzes 10 angeordnet ist, entweder der Al-Film 6 oder der Schutzfilm 30 sein. Der Grund hierfür ist, dass die Restspannung des Formharzes 10 auf die spannungsabsorbierende Schicht 6 durch den Schutzfilm 30 und die Deckschicht 29 einwirkt, so dass die spannungsabsorbierende Schicht 6 wie in Beispiel 1 gleitet, um den Einfluss der Spannung auf die darunterliegende Verdrahtung 4 wesentlich zu verringern.
  • Es ist wünschenswert, dass in der Ebene parallel zur Oberfläche des Substrats der Schutzfilm 30 im Ende der Öffnung im Formharz 10 positioniert ist. Der Grund, warum der Schutzfilm 30 in solch einer Position ausgeformt ist, ist, dass so eine Wirkung erzielt werden kann, dass ein Fließen des Harzes vermieden wird, wenn eine Öffnung im Formharz 10 ausgeformt wird.
  • 15 zeigt einen thermischen Gasstromsensor 1, indem das in 14 dargestellte Sensorelement 2 geformt ist. Wie in dieser Figur dargestellt, wird eine Struktur ausgeformt, in der die spannungsabsorbierende Schicht 6 unter dem Ende des Formharzes 10 der Luftstrommesseinheit 3 angeordnet ist, und die Verdrahtung 4 für eine Heizung und einen Sensor unter der spannungsabsorbierenden Schicht angeordnet ist.
  • Beispiel 3
  • 16 zeigt eine Struktur, in der die gesamte Oberfläche mit Ausnahme des Polsterabschnitts 5 mit der Deckschicht 29 abgedeckt ist, wobei der Schritt des Entfernens der am Abschnitt der Membran 7 positionierten Deckschicht 29 von Beispiel 2 zur Kostensenkung weggelassen wird. In diesem Beispiel 3 muss die Spannung des Siliciumnitrid-Films als Deckschicht 29 reguliert werden, um die Filmspannung der gesamten Membran 7 zu regulieren. Es ist mit anderen Worten wünschenswert, dass der isolierende Film 29 eine Zugspannung von 200 MPa oder mehr aufweist, so dass die Filmverformung sehr gering ist, wenn sich die Heizung der Membran 7 erwärmt. Um dies zu erreichen, kann die Dicke des isolierenden Films 29 beispielsweise 1.000 nm oder mehr betragen. Auch in diesem Fall wirkt die Restspannung der Schicht unter dem Ende des Formharzes 10 auf die spannungsabsorbierende Schicht 6 durch den Schutzfilm 30 und die Deckschicht 29 ein, so dass die spannungsabsorbierende Schicht 6 gleitet, um den Einfluss der Spannung auf die darunterliegende Verdrahtung 4 für eine Heizung und einen Sensor zu verringern, wodurch eine ähnliche Wirkung wie in Beispiel 1 erzielt wird. Zur Wirkung der vorliegenden Erfindung kann die spannungsabsorbierende Schicht 6 wenigstens auf der Verdrahtung 4 am Ende des Formharzes 10 von der Unterseite aus gesehen angeordnet sein. Ferner ist eine Korrosion der spannungsabsorbierenden Schicht 6 in Beispiel 3 unwahrscheinlich, und diese Schicht kann daher in einer Verdrahtung verwendet werden, deren Widerstandsänderung die Genauigkeit nicht beeinflusst, wie einer Masseleitung.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Sensor für physikalische Größen
    2
    Sensorelement
    3
    Luftstrom-Messeinheit
    4
    Verdrahtung
    5
    Polsterabschnitt
    6
    Spannungsabsorbierende Schicht
    7
    Membran
    8a; 8b
    Leitungsrahmen
    9
    Drahtbondung
    10
    Formharz
    11
    Halbleitersubstrat
    12; 14; 16; 18
    Siliciumoxid-Film
    13; 17
    Siliciumnitrid-Film
    15
    Metallfilm
    19
    Kontaktloch
    21
    Form
    22
    Einsatzstück
    23
    Abschirmfilm
    24
    Ansaugkanal
    25
    Luftstrommesser
    26
    Interne Verdrahtung
    27
    Unterkanal
    28
    Luftstrom
    29
    Deckschicht
    30
    Schutzfilm

Claims (12)

  1. Sensor für physikalische Größen, dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes aufweist: einen Halbleiterchip mit einer Messeinheit (3), einen Rahmen (8a), auf dem der Halbleiterchip montiert ist, einen Formharzabschnitt (10), der den Halbleiterchip und den Rahmen (8a) verkapselt und eine Öffnung aufweist, durch die die Messeinheit (3) nach außen freiliegt, und eine spannungsabsorbierende Schicht (6), die zwischen einem Ende der Öffnung im Formharzabschnitt (10) und einer in der Messeinheit (3) ausgeformten Verdrahtungsschicht (4) ausgeformt ist und ein Metallmaterial enthält, das eine Spannung vom Ende absorbiert, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsabsorbierende Schicht (6) geerdet ist.
  2. Sensor für physikalische Größen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallmaterial ein Material mit einem Elastizitätsmodul ist, das kleiner als jenes der Verdrahtungsschicht (4) ist.
  3. Sensor für physikalische Größen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallmaterial eines der Elemente in einer Metallgruppe, die aus Aluminium, Kupfer, Gold, Nickel, Platin und Silber besteht, eine Legierung, die ein beliebiges Element der Metallgruppe enthält, oder eine Verbindung von einem beliebigen Element der Metallgruppe mit Silicium ist.
  4. Sensor für physikalische Größen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsabsorbierende Schicht (6) eine Anordnung mit einem aus dem Metallmaterial gebildeten Metallfilm (15) und wenigstens einem Titannitrid-Film, einem Titanwolfram-Film und einem Titan-Film übereinander aufweist.
  5. Sensor für physikalische Größen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (3) eine Membran (7) aufweist.
  6. Sensor für physikalische Größen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ebene parallel zu einer Substratoberfläche des Halbleiterchips die spannungsabsorbierende Schicht (6) außerhalb des äußeren Umfangs der Membran (7) ausgeformt ist.
  7. Sensor für physikalische Größen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Deckschicht (29) aufweist, die zwischen dem Formharzabschnitt (10) und der spannungsabsorbierenden Schicht (6) und als ein isolierender Film ausgeformt ist.
  8. Sensor für physikalische Größen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (29) ein Siliciumoxid-Film (12, 14, 16, 18), ein Siliciumnitrid-Film (13, 17), ein Aluminiumnitrid-Film, ein Siliciumcarbid-Film oder ein Film mit Anordnung dieser Filme übereinander ist.
  9. Sensor für physikalische Größen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (3) eine Membran (7) aufweist und die Deckschicht (29) an einer Position unter Ausschluss des oberen Abschnitts der Membran (7) ausgeformt ist.
  10. Sensor für physikalische Größen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner einen Schutzfilm (30) aufweist, der einen Bereich der spannungsabsorbierenden Schicht (6) abdeckt, der nicht mit der Deckschicht (29) abgedeckt ist, und als ein isolierender Film ausgeformt ist.
  11. Sensor für physikalische Größen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ebene parallel zu einer Substratoberfläche des Halbleiterchips der Schutzfilm (30) innerhalb des Endes der Öffnung im Formharzabschnitt (10) angeordnet ist.
  12. Sensor für physikalische Größen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor für physikalische Größen ein thermischer Gasstromsensor (1) ist, die Messeinheit (3) ein Heizwiderstandselement und ein Temperaturmesswiderstandselement umfasst, und die Verdrahtungsschicht (4) eine Schicht ist, die das Heizwiderstandselement oder das Temperaturmesswiderstandselement darstellt.
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