JP2000340805A - 電子部品および製造方法 - Google Patents
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Abstract
フセット・エラーの温度係数とに反応しない、あるいは
少なくとも反応が少ない、製造可能で費用効果の良い圧
抵抗圧力センサと、その製造方法とを提供する。 【解決手段】 電子部品は、表面202を有する基板2
01と、基板により支持される抵抗構造210と、抵抗
および基板の表面上のパッシベーション層300,80
5とを備える。このとき、パッシベーション層は孔31
1,312,611,612,613,614,71
1,811を有し、基板の表面は圧縮部分と引張部分と
を有し、抵抗は表面の圧縮部分と引張部分の間に位置す
る。
Description
し、さらに詳しくは、電子部品と製造方法とに関する。
抗圧力センサ(piezoresistive pressure sensor)など
の電子部品は、薄い感圧ダイアフラム上に重ねられるパ
ッシベーション膜を有するのが普通である。このような
圧抵抗圧力センサは広範囲の用途に用いられるが、セン
サの精度を低下させる多くのエラー源を依然として有す
る。たとえば、圧抵抗圧力センサには温度ヒステリシス
・エラーがあるが、これはパッシベーション膜内の応力
の温度ヒステリシスにより起こることがある。温度ヒス
テリシス・エラーは、追加の回路構成を用いて修正する
ことができないので特に厄介である。さらに、別の例と
しては、圧抵抗圧力センサには、オフセット・エラーの
温度係数の問題が起こるが、これもパッシベーション膜
内の温度に対する膜応力の変化により起こることがあ
る。膜応力の悪影響を削減するための一方法として、パ
ッシベーション膜の品質を改善して、膜応力の量と温度
による変動とをなくする方法がある。しかし、この改善
は、温度ヒステリシスの発生源の多くが未知であるため
に実行が困難でしかも高価である。
エラーとオフセット・エラーの温度係数とに反応しな
い、あるいは少なくとも反応がより少ない、製造可能で
費用効果の良い圧抵抗圧力センサが必要とされる。ま
た、製造可能で費用効果の良い圧抵抗圧力センサの製造
方法が必要とされる。
説する。方法100は、以下の順序にいくつかの段階を
含む。方法100は、互いに対向する第1および第2表
面を有する半導体基板を設ける段階101を含む。方法
100は段階102に進み、半導体基板の第1表面をド
ーピングして圧抵抗または圧抵抗網と第1群の相互接続
線とを形成する。次に、方法100は段階103に進
み、半導体基板の第1表面上に第2群の相互接続線を付
着あるいは配置する。次に、方法100は半導体基板の
第1表面上に少なくとも1つのパッシベーション層を付
着または配置する段階104と、パッシベーション層を
パターニングする段階105とを含む。その後、方法1
00の段階106が実行されて、半導体基板の第2表面
内にキャビティをエッチングあるいは形成する。このキ
ャビティ形成により、半導体基板内に感圧ダイアフラム
が作られる。圧抵抗および第1群の相互接続線は、好ま
しくはこのダイアフラム内に位置する。キャビティ,ダ
イアフラム,パッシベーション層内のパターン,圧抵抗
および第1群と第2群の相互接続線の相対的位置,場所
または構造については、より詳細に以下に説明する。
要素は必ずしも同尺に描かれるわけではなく、異なる図
面内の同一の参照番号は同一の要素を示す。さらに、周
知の特徴および処理技術の説明および詳細は、本発明を
不必要に不明瞭にしないために省略する。
0の上面図である。詳しくは、図2は、図1の方法10
0の段階103と段階104との間の部品200を図示
する。部品200は、表面202を有する基板201を
備える。好適な実施例においては、基板201は、たと
えばシリコンなどの半導体によって構成される。半導体
基板は、表面202を形成するエピタキシャル層を備え
ることもあり、あるいは、半導体基板は絶縁体上半導体
(SOI: semiconductor-on-insulator)基板によって構
成されることもある。代替の実施例においては、基板2
01は、たとえばガラスなどの非半導体材料で構成され
ることもある。
れる抵抗構造210も備える。圧力センサにおいては、
抵抗は圧抵抗(piezoresistor)と呼ばれ、圧抵抗は個
々の応力感知抵抗のネットワークによって構成すること
ができる。抵抗構造210は、好ましくは基板201の
表面202をドーピングすることによって形成される。
ドーパントを活性化および拡散させて、抵抗構造210
の所望の構造を形成することができる。図2に示される
実施例においては、抵抗構造210は、局在型ホイート
ストーン・ブリッジ構造(localized Wheatstone Bridg
e configuration)内に配列される4つの個別の抵抗を
有する。特に基板201が半導体材料で構成されない場
合の代替例としては、抵抗構造210を基板201の表
面202上に形成することができる。
支持され、抵抗構造210に電気的に結合される。相互
接続線220は、好ましくは基板201の表面202を
ドーピングすることにより形成される。また、好適な実
施例においては、相互接続線220は抵抗構造210よ
りも高濃度にドーピングされ、また抵抗構造210のに
先立って形成される。
表面202上に形成される。好ましくは、相互接続線2
30はアルミニウムまたは銅などの金属によって構成さ
れ、相互接続線220に電気的に結合される。相互接続
線230も、ボンディング・パッド240の少なくとも
下側支持部分を形成するために用いられる。パッド24
0は、ワイヤ・ボンディング,フリップチップ・ボンデ
ィング,テープ自動化ボンディング(tape-automated-b
onding)またはその他の同様の相互接続技術のために利
用することができる。
201の下側から後になって形成されるダイアフラムま
たはメンブレンの端部,周辺または周縁205を表す。
破線は、ダイアフラムおよび抵抗構造210と相互接続
線220,230との間の相対的位置または配置を示す
ために図2内に図示される。これについては、以下に、
より詳細に説明する。
の上面図である。詳しくは、図3は、図1の方法100
の段階106の後の部品200を示す。パッシベーショ
ン層300が基板201の表面202上に形成され、抵
抗構造210(図2)および相互接続線220,230
(図2)を覆う。層300は、下層構造を保護する。層
300は、好ましくは、基板201の表面202と物理
的に接触して、部品200の圧力感度を最大にする複合
圧力センサ・ダイアフラムの総合的な厚みを最小限に抑
える。また、パッシベーション層300は、好ましく
は、たとえば、化学蒸着プロセス,熱成長プロセスなど
により付着される窒化シリコンまたは酸化シリコンなど
の単独の誘電層あるいは複数の誘電層または膜で構成さ
れる。しかし、層300は、たとえば、スパタリング,
蒸着,化学蒸着などにより付着される金属または半導体
などの他の材料で構成することもできる。
内に少なくとも1つの孔が形成される。部品200にお
いては、層300内のパターン310は2つの孔31
1,312からなる。好適な実施例においては、層30
0の部分を除去するプロセスによって、孔311,31
2を貫通して基板201の表面202の部分が露出され
る。層300内には他の孔320も形成されて、ボンデ
ィング・パッド240を露出するが、孔320はパター
ン310の一部ではない。
10と相互接続線220,230(図2)との上に残る
ように形成される。パターン310は、抵抗構造210
または相互接続線220,230の上には重ならずに、
これらの構造を保護する。また、パターン310は層3
00を別々の連続しない部分に分けることはない。そう
ではなくて、層300はパターン310が形成された後
も基板201の表面202上の連続する1つの層として
残る。
板201の対向面すなわち裏面内にエッチングされて、
基板201内に感圧ダイアフラムまたはメンブレンを作
り出す。キャビティ形成後にキャビティの脆性が増大す
ることによる基板破断の可能性を小さくするために、キ
ャビティは、パターニング層300の後で基板201内
に形成することが好ましい。キャビティは、後の図面に
図示される。
た電子部品200の断面図であり、図5は図3の切断線
5−5に沿って切った電子部品200の断面図である。
キャビティ401は基板201の表面203からエッチ
ングされる。表面203は表面202の対向面である。
キャビティ401は、基板201内で所望の結晶面を異
方性エッチングする従来の湿式エッチャントを用いて形
成することができる。
1内に感圧メンブレンまたはダイアフラム403が作ら
れる。基板201内のエッチ・ストップ層を用いて、ダ
イアフラム403の厚みを制御することができる。たと
えば、基板201がSOI基板である場合はエッチ・スト
ップ層を酸化層とすることができ、基板201が表面2
02を形成するエピタキシャル層を有し、このエピタキ
シャル層が基板201の下側部分と比べて異なるドーピ
ング・レベルを有する場合はエッチ・ストップ層をドー
ピングされたエピタキシャル層とすることができる。
めに、抵抗構造210および相互接続線220,230
は図5には図示しない。しかし、抵抗構造210および
相互接続線220がダイアフラム403内あるいはその
上に位置するように、またパターン310がダイアフラ
ム403上に位置するがダイアフラム403の少なくと
も1つの端部上には位置しないように、ダイアフラム4
03が形成される。同様に、キャビティ401は抵抗構
造210,相互接続線220およびパターン310の下
に位置する。部品200の信頼性と電気的性能を高める
ために、相互接続線220はダイアフラム403の周縁
205を超えて延在することが好ましく、それによって
相互接続線230とボンディング・パッド240とはダ
イアフラム403上に重ならない。あるいはその上にな
い。
ダイアフラム403の表面202に圧力がかけられ、ダ
イアフラム403はかけられた圧力に応じて湾曲する。
ダイアフラム403が湾曲すると、抵抗構造210内の
各抵抗の抵抗値は、個別の抵抗の整合によって異なる量
だけ変わることがある。与えられる圧力に対する部品2
00の感度を最大にするために、ダイアフラム403の
端部の中心部分は抵抗構造210に位置するか、あるい
はそれに隣接することが好ましい。
状態で、トランスデューサ・オフセットが抵抗構造21
0内で測定される。以下に説明するように、部品200
の製造プロセスと、それに由来する部品200の構造と
が、抵抗構造210の平衡ホイートストーン・ブリッジ
構造に関して好適なゼロのトランスデューサ・オフセッ
トを提供する助けとなる。
03および層300の変形または湾曲を生む。しかし、
層300内のパターン310は、変形構造を制御するよ
う設計される。図4および図5に示されるように、ダイ
アフラム403の表面202の部分は圧縮応力を有し、
表面202の他の部分は引張応力を有する。表面202
のさらに別の部分の応力はゼロになる。この応力ゼロの
部分が圧縮部分と引張部分との間に位置して、変曲部分
(inflection portions)と呼ばれる。ダイアフラム4
03の図示されるような変形構造を得るためには、層3
00は圧抵抗に近い周縁部205上に維持される。層3
00内のパターン310は圧抵抗に近い周縁部205上
にはない。また、パターン310は圧抵抗の近くにはあ
るが、その上には重ならない。
表面202は、変曲部分501,502,503,50
4と、引張部分505,506,507と、圧縮部分5
08,509とを有する。温度ヒステリシス・エラーお
よびオフセット・エラーの温度係数に対する部品200
の感度をなくするか、あるいは少なくとも最小限に抑え
るために、抵抗構造210(図2)は、好ましくは、変
曲部分501,502,503,504の1つの中心領
域に位置する。抵抗構造210を表面202の圧縮部分
と引張部分との間の応力変曲点に置くことにより、固有
の応力や温度によるその変動により、部品200の電気
特性が劣化することはない。図2ないし図5に示される
実施例においては、抵抗構造210は変曲部分504に
位置する。
は、ダイアフラム403は、厚みが約10〜30マイク
ロメートル,幅が約0.5〜3ミリメートルで長さが約
0.5〜3ミリメートルであり、層300は約0.1〜
2マイクロメートルの厚みを有する。また、孔311は
孔幅392(図3)と孔位置391(図3)とを有し、
これはダイアフラム403の中心から測定される。孔3
11,312(図3,4)は対称である。従って、孔は
312は孔311と等しい位置と幅とを有するが、孔3
12がダイアフラム403の対向面に位置することが異
なる。さらにこの実施例においては、抵抗構造210が
図2の周縁部205の右側端部の中央から約50〜75
0マイクロメートルに位置する。コンピュータ・シミュ
レーションによって、孔311,312が以下の範囲内
にある位置を有するとき、変曲点は抵抗構造210の場
所に位置することが実証されている。すなわち、約20
0〜1400マイクロメートルの孔位置と約20〜75
0マイクロメートルの孔幅である。
部品600は、図3の部品200のパターン310とは
異なるパターン610を有するパッシベーション層30
0を備える。パターン610は、各々が圧力センサ・ダ
イアフラムの異なる角に隣接して位置する4つの孔61
1,612,613,614を有する。部品600の圧
抵抗は、図2の抵抗構造210の局在型ホイートストー
ン・ブリッジ構造を有することができ、あるいは、部品
600の圧抵抗は分布型ホイートストーン・ブリッジ構
造(distributed Wheatstone Bridge configuration)
を有することができる。これは下記の図9に示す。
部品700は、図3の部品200のパターン310とは
異なるパターン710を有するパッシベーション層30
0を備える。パターン310とは異なり、パターン71
0は1つの孔711を有し、この孔が、圧力センサ・ダ
イアフラム上で層300を少なくとも2つの連続しない
部分に分割する。図6のパターン610と同様に、パタ
ーン710は図2に示される局在型ホイートストーン・
ブリッジ構造または図9に後述される分布型ホイートス
トーン・ブリッジ構造と共に用いることができる。
部品800は、複数の個別層からなるパッシベーション
層805を備える。図8に図示される実施例において
は、パッシベーション層805は2つの層すなわち上層
806と下層807とから構成される。本実施例におい
ては、層807は基板の表面上に付着することができ、
層806は層807の上に付着することができる。層8
06,807は、図3のパッシベーション層300に関
して説明されたものと同様の材料で構築することがで
き、また、層806,807は、同一のあるいは互いに
異なる材料で構築することができる。
上層806内に形成あるいはエッチングして、層807
の部分を露出させることができる。パターン810は以
前の例のように、圧力センサ・ダイアフラムの中心上で
対称形ではないことに留意されたい。パターン810
は、層806を別々の部分に分割しない1つの孔811
で構成することができる。層806内にパターン810
を形成するプロセスによって、層806,807が異な
る材料で構成される場合に、層807がパターンに重な
らないようにすることが容易にできる。層806,80
7が同様の材料で構成される場合、パターン810を両
層806,807内に容易に形成することができる。パ
ターン810は、図2に示される抵抗構造210と共に
用いることが好ましい。
ジ構造を示す電子部品900の上面図である。部品90
0は、図2の電子部品200の異なる実施例である。部
品900は、非局在型すなわち分布型のホイートストー
ン・ブリッジ構造で基板201の表面202上に位置す
る抵抗構造910を有する。分布型構造においては、ホ
イートストーン・ブリッジ内の4つの抵抗は、局在型構
造のように圧力センサ・ダイアフラムの同じ端部に隣接
して位置しない。代わりに、分布型構造の4つの抵抗の
各々は、圧力センサ・ダイアフラムの異なる端部に隣接
して位置する。このような分布型構造においては、図9
に示されるような追加のボンディング・パッドの必要性
を当業者は認識されよう。部品900では、図6のパタ
ーン610または図7のパターン710と同様のパター
ンを有するパッシベーション層を用いることが好まし
い。
改良された電子部品が提供される。本明細書に開示され
る圧抵抗圧力センサは、温度ヒステリシス・エラーとオ
フセット・エラーの温度係数とに対する感度が低くなっ
ている。この改善は、パッシベーション層を特定の構造
にパターニングして、圧力センサ・ダイアフラムの変形
を制御し、圧抵抗を圧力センサ・ダイアフラムの比較的
応力のない場所に配置することにより達成することがで
きる。信頼性と電気的性能のこの改善は、部品のコスト
を著しく高くせず、部品を著しく複雑にすることなく実
行することができる。
実施例はすべて、過度の実験を行わずに可能であり、実
現および実用化をすることができる。発明者が意図する
本発明を実行する最良の方法を上記に開示したが、本発
明の実行はそれに限らない。さらに、本発明は好適な実
施例を参照して特定的に図示および説明されたが、本発
明の精神および範囲から逸脱することなく形態および詳
細における変更を本明細書の開示に加えることが可能で
あることは当業者には理解頂けよう。例を挙げると、た
とえば基板とパッシベーション層の材料組成,パッシベ
ーション層パターンと圧力センサ・ダイアフラムの特定
の幾何学形状およびパッシベーション層内のダイアフラ
ムおよび孔の寸法など本明細書に明記される数多くの詳
細事項は、本発明の理解を助けるために記述されたもの
であって、本発明の範囲を制限するために記述されたわ
けではない。
は、図2の抵抗構造210または図9の抵抗構造910
に示されるもののように、局在型または分布型のホイー
トストーン・ブリッジ構造を用いる必要はない。そうで
はなく、たとえば、図2および図3の抵抗構造210の
代わりに部分的に分布型のホイートストーン・ブリッジ
構造を用いることもできる。この実施例では、4つの圧
抵抗のうち2つを図3において抵抗構造210が現在位
置するダイアフラムの右側に配置し、残りの2つをダイ
アフラムの左側で、孔311と312との間であって、
最初の2つの圧抵抗に直接的に対向する位置に配置する
こともできる。さらに、本明細書に開示されるホイート
ストーン・ブリッジ構造の代わりに、任意の適切な2端
子または4端子抵抗測定法を用いることもできる。
のパターンを、本明細書に説明される単層または多層パ
ッシベーション層のうち任意のものと共に用いることが
できる。さらに、パターンをパッシベーション層の底
部,中間または上部のみに形成したり、パターンを複数
の多層パッシベーション層内に形成することもできる。
しかし、一般的に、圧力センサ・ダイアフラムの所望の
変形構造を得るためには、パッシベーション層開口部
は、圧抵抗の位置に近いことが好ましい。また、一般的
に、パッシベーション層は、圧力センサ・ダイアフラム
の少なくとも約20ないし80パーセントを覆うことが
好ましい。また、圧力センサ・ダイアフラムの所望の圧
縮部分および引張部分は、圧力センサ・ダイアフラムの
両面上にパッシベーション層を付着し、1つまたは両方
の層をパターニングすることによって得ることができ
る。
が単層で構成される場合でも、パッシベーション層内の
パターンをパッシベーション層全体を貫通してエッチン
グする必要はない。さらに、パッシベーション層は、圧
力センサ・ダイアフラムの全周縁部に重なる必要もな
い。しかし、本明細書に述べた利点を最大限に生かすた
めには、パッシベーション層は、圧抵抗に隣接する周縁
部上に留まることが好ましい。
のものではない。そうではなく、本発明の開示は、特許
請求の範囲に明記される本発明の範囲を説明するための
ものである。本発明の範囲は、実施例および均等物に限
定されるものと解釈すべきではない。
施例の上面図である。
の実施例の上面図である。
部品の断面図である。
部品の断面図である。
である。
面図である。
面図である。
上面図である。
る半導体基板を設ける 102 半導体基板の第1表面をドーピングして、圧抵
抗と第1群の相互接続線とを形成する 103 半導体基板の第1表面上に第2群の相互接続線
を付着する 104 半導体基板の第1表面上にパッシベーション層
を付着する 105 パッシベーション層をパターニングする 106 半導体基板の第2表面内にキャビティをエッチ
ングして半導体基板内にダイアフラムを形成し、このと
き圧抵抗と第1群の相互接続線とはダイアフラム内に位
置する
Claims (5)
- 【請求項1】 電子部品(200)を製造する方法(1
00)であって:表面(202)を有する基板(20
1)を設ける段階;前記基板(201)によって支持さ
れる抵抗(210)を設ける段階;前記抵抗(210)
と前記基板(201)の前記表面(202)上にパッシ
ベーション層(300,805)を付着する段階;およ
び前記パッシベーション層(300,805)をパター
ニングして、前記パッシベーション層(300,80
5)内に少なくとも1つの孔(311,312,61
1,612,613,614,711,811)を形成
する段階;によって構成され、前記表面(202)が圧
縮部分(508,509)と引張部分(505,50
6,507)とを有し、前記抵抗(210)が前記表面
(202)の前記圧縮部分(508,509)と前記引
張部分(505,506,507)との間に位置するこ
とを特徴とする方法(100)。 - 【請求項2】 前記基板(201)を設ける段階が、前
記表面(202)に対向する異なる表面(203)を有
する前記基板(201)を設ける段階によってさらに構
成され、前記抵抗(210)を設ける段階が、前記基板
(201)の前記表面(202)内に前記抵抗(21
0)を形成する段階によってさらに構成されることを特
徴とし、前記基板(201)の前記異なる表面(20
3)内に凹部(401)をエッチングして前記基板(2
01)内にダイアフラム(403)を形成する段階であ
って、このとき前記凹部(401)が前記抵抗(21
0)と前記パッシベーション層(300,805)内の
前記少なくとも1つの孔(311,312,611,6
12,613,614,711,811)の下に位置
し、前記抵抗(210)が前記ダイアフラム(403)
内に位置し、前記パッシベーション層(300,80
5)内の前記少なくとも1つの孔が前記ダイアフラム
(403)上に位置する段階によってさらに構成される
ことを特徴とする請求項1記載の方法(100)。 - 【請求項3】 電子部品(200)を製造する方法(1
00)であって:基板(201)内に抵抗(210)を
形成する段階;および前記基板(201)を屈曲させて
圧縮部分(508,509)と引張部分(505,50
6,507)とを形成し、このとき前記抵抗(210)
が前記基板(201)の前記圧縮部分(508,50
9)と前記引張部分(505,506,507)との間
に位置する段階;によって構成されることを特徴とする
方法(100)。 - 【請求項4】 電子部品(200)を製造する方法(1
00)であって:互いに対向する第1表面(202)と
第2表面(203)とを有する半導体基板(201)を
設ける段階;前記半導体基板(201)をドーピングし
て、圧抵抗網と第1群の相互接続線(220)とを前記
半導体基板(201)の前記第1表面(202)内に形
成する段階であって、前記第1群の相互接続線(22
0)が前記圧抵抗網に電気的に結合される段階;前記半
導体基板(201)の前記第1表面(202)上に第2
群の相互接続線(230)を付着し、前記第2群の相互
接続線(230)が前記第1群の相互接続線(220)
と電気的に結合され、金属によって構成される段階;前
記半導体基板(201)の前記第1表面(202),前
記圧抵抗網および前記第1群(220)および第2群
(230)の相互接続線上に誘電層を付着する段階;前
記誘電層の一部を除去して、前記誘電層内に少なくとも
1つの孔(311,312,611,612,613,
614,711,811)からなるパターン(310)
を形成する段階;および前記半導体基板の前記第2表面
(203)内にキャビティ(401)をエッチングし
て、前記誘電層部分の除去後に前記半導体基板(20
1)内に圧力センサ・ダイアフラム(403)を形成す
る段階であって、前記圧抵抗網と前記第1群の相互接続
線(220)とが前記圧力センサ・ダイアフラム内に位
置し、前記第1群の相互接続線(220)が前記圧力セ
ンサ・ダイアフラム(403)を超えて延在し、前記誘
電層内の前記パターン(310)が前記圧力センサ・ダ
イアフラム(403)上に位置し、前記第2群の相互接
続線(230)が前記圧力センサ・ダイアフラム(40
3)上にはない段階;によって構成されることを特徴と
する方法(100)。 - 【請求項5】 表面(202)を有する基板(20
1);前記基板(201)によって支持される抵抗(2
10);および前記基板(201)の前記抵抗(21
0)および前記表面(202)上のパッシベーション層
(300,805)であって、前記パッシベーション層
(300,805)が前記パッシベーション層(30
0,805)内の少なくとも1つの孔(311,31
2,611,612,613,614,711,81
1)によって構成されるパターン(310)を有するパ
ッシベーション層(300,805);によって構成さ
れ、前記表面(202)が圧縮部分(508,509)
と引張部分(505,506,507)とを有し、前記
抵抗(210)が前記表面(202)の前記圧縮部分
(508,509)と前記引張部分(505,506,
507)との間に位置することを特徴とする電子部品
(200)。
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