JP2006019589A - Semiconductor apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、容量素子と、前記容量素子を用いた電気信号処理回路とが、同じ半導体基板の一方の面側に形成されてなる半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a capacitive element and an electric signal processing circuit using the capacitive element are formed on one surface side of the same semiconductor substrate.
容量素子と、前記容量素子を用いた電気信号処理回路とが、同じ半導体基板の一方の面側に形成されてなる半導体装置が、例えば、特開2002−243690公報(特許文献1)に開示されている。 A semiconductor device in which a capacitive element and an electric signal processing circuit using the capacitive element are formed on one surface side of the same semiconductor substrate is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-243690 (Patent Document 1). ing.
特許文献1に開示された半導体装置は1チップに集積化された容量式湿度センサで、前記容量素子が、湿度によってその容量が変化する湿度センサ素子であり、前記電気信号処理回路が、前記湿度センサ素子の容量変化を電気信号処理するセンサ信号処理回路である。
The semiconductor device disclosed in
図11は、特許文献1に開示された容量式湿度センサ90の模式的な断面図である。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a
図11の容量式湿度センサ90では、半導体基板1の一方の面側に、湿度センサ素子とセンサ信号処理回路が形成されている。
In the
湿度センサ素子形成部では、半導体基板1上に形成されたシリコン酸化膜2上に、2個の電極9a,9bが、離間して対向するように形成されている。2個の電極9a,9bは、シリコン窒化膜3により保護されたセンサ信号処理回路の配線9hと同じアルミニウム(Al)金属層からなり、同一平面に互いの櫛歯が噛み合って対向するように離間して配置された櫛歯状の電極となっている。また、2個の電極9a,9bを覆うように、前記シリコン窒化膜3と感湿膜4が形成されている。感湿膜4は、周囲の雰囲気の湿度変化に応じて誘電率が変化するポリイミド等の誘電体膜である。感湿膜4は、スピンコートを用いて半導体基板1上の全面に形成された後、フォトリソグラフィとエッチングからなるパターニング工程で形成される。
In the humidity sensor element forming portion, two
センサ信号処理回路形成部は、基準容量(リファレンス容量)形成部と、CMOSトランジスタ等形成部とからなる。湿度センサ素子における電極9a,9b間の容量変化は、基準容量と比較され、CMOSトランジスタ等形成部で電気信号処理される。以上のようにして、図11の容量式湿度センサ90では、湿度変化に伴う電極9a,9b間の容量変化を測定し、雰囲気の湿度が測定される。
図11に示す容量式湿度センサ90では、湿度センサ素子である容量素子とセンサ信号処理回路である電気信号処理回路とが、同じ半導体基板1に集積化されており、小型化された半導体装置となっている。
In the
しかしながら、図11に示す容量式湿度センサ90には、次のような問題点がある。第一に、半導体装置90の容量素子の形成に用いられているフォトリソグラフィとエッチングからなるパターニング工程は、大きな製造コストを要する工程であり、これが半導体装置90のコストダウンの妨げとなっている。第二に、櫛歯電極型の容量素子90は、2つの電極の間に誘電体膜が挟まれた積層型の容量素子に較べて、小さな容量値しか得られない。第三に、半導体装置90では配線の保護膜であるシリコン窒化膜3を容量素子の構成要素としているため、これによっても容量値が低減され、大きな容量値が必要な場合には容量素子の占有面積が増大する。
However, the
そこで本発明の目的は、容量素子と電気信号処理回路とが同じ半導体基板に集積化された半導体装置であって、前記容量素子における広範囲の容量値に渡って、小型且つ低コストで製造できる半導体装置を提供することにある。特に、本発明は、容量式湿度センサに好適な上記半導体装置を提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is a semiconductor device in which a capacitive element and an electric signal processing circuit are integrated on the same semiconductor substrate, and can be manufactured in a small size and at low cost over a wide range of capacitance values in the capacitive element. To provide an apparatus. In particular, an object of the present invention is to provide the semiconductor device suitable for a capacitive humidity sensor.
請求項1に記載の発明は、第1電極、第2電極および誘電体膜からなる容量素子と、前記容量素子を用いた電気信号処理回路とが、同じ半導体基板の一方の面側に形成されてなる半導体装置であって、前記半導体基板上に、前記容量素子の構成要素である第1電極、第2電極もしくは誘電体膜のうち少なくとも一つの構成要素が、スクリーン印刷により形成されてなることを特徴としている。 According to the first aspect of the present invention, a capacitive element including the first electrode, the second electrode, and a dielectric film, and an electric signal processing circuit using the capacitive element are formed on one surface side of the same semiconductor substrate. In the semiconductor device, at least one component of the first electrode, the second electrode, or the dielectric film, which is a component of the capacitive element, is formed on the semiconductor substrate by screen printing. It is characterized by.
上記の半導体装置では、前記容量素子の構成要素である第1電極、第2電極もしくは誘電体膜のうちの少なくとも一つの構成要素が、大きな製造コストを要するフォトリソグラフィとエッチングからなるパターニング工程を用いることなく、スクリーン印刷により形成される。このため、当該半導体装置は、従来に較べて低コストで製造することができ、容量素子と電気信号処理回路とが同じ半導体基板に集積化された、小型で安価な半導体装置とすることができる。 In the semiconductor device described above, at least one of the first electrode, the second electrode, and the dielectric film, which is a component of the capacitive element, uses a patterning process including photolithography and etching, which requires a large manufacturing cost. Without being formed by screen printing. For this reason, the semiconductor device can be manufactured at a lower cost than the conventional one, and a small and inexpensive semiconductor device in which the capacitor and the electric signal processing circuit are integrated on the same semiconductor substrate can be obtained. .
請求項2に記載のように、前記容量素子は、下層の前記第1電極と上層の前記第2電極の間に前記誘電体膜が挟まれた、積層型の容量素子とすることができる。 According to a second aspect of the present invention, the capacitive element may be a stacked capacitive element in which the dielectric film is sandwiched between the lower first electrode and the upper second electrode.
積層型の容量素子は、小さな占有面積にも拘わらず、大きな容量値を持った容量素子とすることができる。従って、この積層型の容量素子を上記のようにスクリーン印刷により形成することで、大きな容量値を持つ容量素子と電気信号処理回路とが同じ半導体基板に集積化された、小型且つ低コストで製造できる半導体装置とすることができる。 The laminated capacitive element can be a capacitive element having a large capacitance value despite a small occupation area. Therefore, by forming this multilayer capacitive element by screen printing as described above, the capacitive element having a large capacitance value and the electric signal processing circuit are integrated on the same semiconductor substrate, and can be manufactured in a small size and at low cost. The semiconductor device can be made.
請求項3に記載のように、上記の積層型の容量素子においては、下層の前記第1電極が、シリコン窒化膜により保護された前記電気信号処理回路の配線と同じ金属層からなり、前記誘電体膜と第2電極が、スクリーン印刷により形成されてなる半導体装置とすることができる。 According to a third aspect of the present invention, in the stacked capacitive element, the lower first electrode is made of the same metal layer as the wiring of the electric signal processing circuit protected by a silicon nitride film, and the dielectric The body film and the second electrode can be a semiconductor device formed by screen printing.
これによれば、前記容量素子の第1電極を形成するための特別な工程を必要とせず、電気信号処理回路の配線形成工程と共用することができるため、当該半導体装置の製造コストをさらに低減することができる。 According to this, a special process for forming the first electrode of the capacitive element is not required, and the process can be shared with the wiring formation process of the electric signal processing circuit, so that the manufacturing cost of the semiconductor device is further reduced. can do.
請求項4に記載のように、上記の積層型の容量素子においては、前記第1電極、誘電体膜および第2電極の全てをスクリーン印刷により形成することもできる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the laminated capacitive element, all of the first electrode, the dielectric film, and the second electrode can be formed by screen printing.
この場合には、請求項5に記載のように、前記容量素子を、絶縁膜を介して前記電気信号処理回路の直上に配置することができる。これにより、半導体基板における電気信号処理回路形成部と別位置に容量素子を配置する場合に較べて、当該半導体装置全体の占有面積をさらに小さくすることができる。また、当該容量素子は前記配線の保護膜であるシリコン窒化膜を構成要素としないため、上記の第1電極が電気信号処理回路の配線と同じ金属層からなる容量素子に較べて、より大きな容量値を持つ容量素子とすることができる。 In this case, as described in claim 5, the capacitive element can be disposed immediately above the electric signal processing circuit via an insulating film. Thereby, compared with the case where a capacitive element is arrange | positioned in the position different from the electric signal processing circuit formation part in a semiconductor substrate, the occupation area of the said semiconductor device whole can be made still smaller. In addition, since the capacitor element does not include a silicon nitride film, which is a protective film for the wiring, the capacitance of the first electrode is larger than that of a capacitor element made of the same metal layer as the wiring of the electric signal processing circuit. A capacitive element having a value can be obtained.
請求項6に記載のように、上記の半導体装置は、前記容量素子が、湿度によってその容量が変化する湿度センサ素子であり、前記電気信号処理回路が、前記湿度センサ素子の容量変化を電気信号処理するセンサ信号処理回路である、容量式湿度センサに好適である。 According to another aspect of the present invention, in the semiconductor device, the capacitance element is a humidity sensor element whose capacitance changes depending on humidity, and the electric signal processing circuit detects the capacitance change of the humidity sensor element as an electric signal. It is suitable for a capacitive humidity sensor which is a sensor signal processing circuit to be processed.
容量式湿度センサは、湿度変化に伴う湿度センサ素子の容量変化を、センサ信号処理回路を用いて測定する。この湿度センサ素子の感度向上には、大きな容量値を持つことが好ましい。また、車両等で多数用いられる容量式湿度センサは、小型且つ安価であることが要求される。従って、容量素子が大きな容量値を持ち、小型且つ低コストで製造できる上記の半導体装置は、容量式湿度センサに好適である。 The capacitive humidity sensor measures a change in capacitance of a humidity sensor element accompanying a change in humidity using a sensor signal processing circuit. In order to improve the sensitivity of the humidity sensor element, it is preferable to have a large capacitance value. Further, a capacitive humidity sensor used in large numbers in vehicles and the like is required to be small and inexpensive. Therefore, the above-described semiconductor device in which the capacitive element has a large capacitance value and can be manufactured in a small size and at low cost is suitable for the capacitive humidity sensor.
積層型の容量素子が形成された半導体装置を容量式湿度センサとして用いるにあたっては、上層の前記第2電極が透湿性を有することが必要である。そのためには、例えば請求項7〜9に記載のように、複数個の貫通穴を有する第2電極、櫛歯状である第2電極、あるいは透湿性を有する多孔質膜からなる第2電極を用いることが好ましい。 In using a semiconductor device in which a stacked capacitive element is formed as a capacitive humidity sensor, it is necessary that the second electrode in the upper layer has moisture permeability. For this purpose, for example, as described in claims 7 to 9, a second electrode having a plurality of through holes, a second electrode having a comb-tooth shape, or a second electrode made of a porous film having moisture permeability is used. It is preferable to use it.
請求項10に記載のように、前記容量素子は、前記容量素子が、前記誘電体膜と、同一平面に互いの櫛歯が噛み合って対向するように離間して配置された櫛歯状の前記第1電極と第2電極とを備える、櫛歯電極型の容量素子とすることもできる。 According to a tenth aspect of the present invention, the capacitive element includes a comb-teeth shape in which the capacitive element is disposed so as to be opposed to the dielectric film so that the respective comb teeth are engaged with each other on the same plane. A comb electrode type capacitive element including the first electrode and the second electrode can also be provided.
櫛歯電極型の容量素子は小さな容量値を持った容量素子であるが、第1電極と第2電極を同時に形成できるため、積層型の容量素子に較べて安価に製造することができる。従って、この櫛歯電極型の容量素子を上記のようにスクリーン印刷により形成することで、さらに低いコストで製造することができ、小さな容量値を持つ容量素子と電気信号処理回路とが同じ半導体基板に集積化された、小型で非常に安価な半導体装置とすることができる。 A comb electrode type capacitive element is a capacitive element having a small capacitance value. However, since the first electrode and the second electrode can be formed at the same time, the capacitive element can be manufactured at a lower cost than a laminated capacitive element. Therefore, by forming the comb electrode type capacitive element by screen printing as described above, it can be manufactured at a lower cost, and the capacitive element having a small capacitance value and the electric signal processing circuit are the same semiconductor substrate. Thus, a small and very inexpensive semiconductor device can be obtained.
上記の櫛歯電極型の容量素子は、例えば請求項11に記載のように、前記第1電極と第2電極が、前記半導体基板上に形成され、前記第1電極と第2電極を覆うようにして、前記誘電体膜が形成されてなる容量素子とすることができる。 In the comb electrode type capacitive element, for example, the first electrode and the second electrode are formed on the semiconductor substrate so as to cover the first electrode and the second electrode. Thus, a capacitive element in which the dielectric film is formed can be obtained.
この場合には、請求項12に記載のように、前記第1電極と第2電極上に保護膜が形成され、前記誘電体膜が、前記保護膜上に形成されてなる容量素子とすることができる。この第1電極と第2電極上に形成された保護膜により、例えば第1電極と第2電極が高い湿度雰囲気に曝される場合においても、電極の腐食を抑制することができ、信頼性の高い半導体装置とすることができる。尚、請求項15に記載のように、前記第1電極と第2電極が、シリコン窒化膜により保護された前記電気信号処理回路の配線と同じ金属層からなり、前記誘電体膜が、スクリーン印刷により形成されてなるようにすることで、第1電極と第2電極を形成するための特別な工程が必要なくなる。これによって、当該半導体装置の製造コストをさらに低減することができる。
In this case, as described in
上記の櫛歯電極型の容量素子は、請求項13に記載のように、前記誘電体膜が、前記半導体基板上に形成され、前記第1電極と第2電極が、前記誘電体膜上に形成されてなる容量素子とすることもできる。また、請求項14に記載のように、前記第1電極と第2電極が、前記半導体基板上に形成された前記誘電体膜中に形成されてなる容量素子とすることもできる。この場合には、第1電極と第2電極の形成面の両側を所定の誘電体膜とすることができるため、櫛歯電極型の容量素子であっても、その容量値を大きくすることができる。 In the comb electrode type capacitive element, the dielectric film is formed on the semiconductor substrate, and the first electrode and the second electrode are formed on the dielectric film. A capacitor element formed can also be used. According to a fourteenth aspect of the present invention, the first electrode and the second electrode may be a capacitive element formed in the dielectric film formed on the semiconductor substrate. In this case, since both sides of the formation surface of the first electrode and the second electrode can be formed as a predetermined dielectric film, the capacitance value can be increased even in a comb electrode type capacitive element. it can.
請求項16に記載のように、前記第1電極と第2電極がシリコン窒化膜により保護された前記電気信号処理回路の配線と同じ金属層からなる場合を除いて、前記第1電極、第2電極および誘電体膜は、全てスクリーン印刷により形成されてなることが好ましい。 The first electrode, the second electrode, except for the case where the first electrode and the second electrode are made of the same metal layer as the wiring of the electric signal processing circuit protected by a silicon nitride film. The electrodes and the dielectric film are all preferably formed by screen printing.
この場合には、請求項17に記載のように、前記容量素子を、絶縁膜を介して前記電気信号処理回路の直上に配置することができる。これにより、半導体基板における電気信号処理回路形成部と別位置に容量素子を配置する場合に較べて、当該半導体装置全体の占有面積を小さくすることができる。また、当該容量素子では前記配線の保護膜であるシリコン窒化膜を構成要素としないため、上記の第1電極と第2電極が電気信号処理回路の配線と同じ金属層からなる容量素子に較べて、より大きな容量値を持つ容量素子とすることができる。 In this case, as described in claim 17, the capacitive element can be disposed immediately above the electric signal processing circuit via an insulating film. Thereby, compared with the case where a capacitive element is arrange | positioned in the position different from the electric signal processing circuit formation part in a semiconductor substrate, the occupation area of the said semiconductor device whole can be made small. In addition, since the capacitor element does not include a silicon nitride film that is a protective film for the wiring, as compared with a capacitor element in which the first electrode and the second electrode are made of the same metal layer as the wiring of the electric signal processing circuit. Thus, a capacitive element having a larger capacitance value can be obtained.
請求項18に記載のように、積層型の容量素子が形成された半導体装置と同様にして、櫛歯電極型の容量素子がスクリーン印刷により形成されてなる上記半導体装置も小型且つ低コストで製造でき、容量式湿度センサに好適である。 The semiconductor device in which the comb electrode type capacitive element is formed by screen printing is manufactured in the same manner as the semiconductor device in which the stacked type capacitive element is formed. This is suitable for a capacitive humidity sensor.
請求項19に記載のように、容量素子がスクリーン印刷により形成されてなる上記半導体装置においては、前記第1電極もしくは第2電極が、前記半導体基板上に形成された保護膜の開口部を介して、前記電気信号処理回路のアルミニウム(Al)からなる配線パッドに、スクリーン印刷により一体的に接続されてなることが好ましい。これにより、ワイヤボンディング等に較べて信頼性の高い電気接続を得ることができ、また製造コストも低減することができる。 20. The semiconductor device according to claim 19, wherein the capacitive element is formed by screen printing, and the first electrode or the second electrode is provided through an opening of a protective film formed on the semiconductor substrate. It is preferable that the electric signal processing circuit is integrally connected to the wiring pad made of aluminum (Al) by screen printing. Thereby, it is possible to obtain a highly reliable electrical connection as compared with wire bonding or the like, and to reduce the manufacturing cost.
上記のように、第1電極もしくは第2電極を電気信号処理回路のAlからなる配線パッドにスクリーン印刷により一体的に接続する場合には、請求項20に記載のように、前記開口部に露出する配線パッド上に、前記第1電極もしくは第2電極の材料である導電ペーストを充填しておくことが好ましい。また、請求項21に記載のように、前記保護膜と配線パッドを、平坦化してもよい。これらにより、前記開口部の上面と開口部の底面に露出する配線パッドの段差を低減できるため、より確実な接続を得ることができる。 As described above, when the first electrode or the second electrode is integrally connected to the wiring pad made of Al of the electric signal processing circuit by screen printing, it is exposed to the opening as described in claim 20. It is preferable to fill a conductive paste, which is a material of the first electrode or the second electrode, on the wiring pad to be formed. In addition, as described in claim 21, the protective film and the wiring pad may be planarized. As a result, the step difference between the wiring pads exposed on the top surface of the opening and the bottom surface of the opening can be reduced, so that more reliable connection can be obtained.
また、配線パッドのAlとの密着性を向上して接続抵抗を低減するために、請求項22に記載のように、前記開口部に露出する配線パッド上に、金(Au)層を形成し、当該Au層を介して、前記第1電極もしくは第2電極を、前記Alからなる配線パッドに接続するようにしてもよい。 In addition, in order to improve the adhesion of the wiring pad with Al and reduce the connection resistance, a gold (Au) layer is formed on the wiring pad exposed in the opening as described in claim 22. The first electrode or the second electrode may be connected to the wiring pad made of Al via the Au layer.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(a)は、容量素子と電気信号処理回路とが同じ半導体基板の一方の面側に形成されてなる本発明の半導体装置の一例で、容量式湿度センサ100の模式的な断面図である。尚、図1(a)の容量式湿度センサ100において、図11に示した従来の容量式湿度センサ90と同様の部分については、同じ符号を付けた。
FIG. 1A is an example of a semiconductor device of the present invention in which a capacitive element and an electric signal processing circuit are formed on one surface side of the same semiconductor substrate. is there. In the
図1(a)の容量式湿度センサである半導体装置100では、半導体基板1の一方の面側に、容量素子として、湿度によってその容量が変化する湿度センサ素子10が形成されている。また、半導体基板1の湿度センサ素子10と同じ面側に、電気信号処理回路として、湿度センサ素子10の容量変化を電気信号処理する、基準容量やCMOSトランジスタ等からなるセンサ信号処理回路が形成されている。
In the
図1(a)の容量式湿度センサ100では、湿度センサ素子である容量素子10が、センサ信号処理回路形成部と別位置において、半導体基板1上のシリコン酸化膜2とシリコン窒化膜3からなる積層膜上に配置されている。尚、シリコン酸化膜2はセンサ信号処理回路形成部におけるアルミニウム(Al)金属層からなる配線10hの層間絶縁膜であり、シリコン窒化膜3は配線10hの保護膜である。
In the
図1(a)に示す容量素子10は、下層の第1電極10aと上層の第2電極10bの間に誘電体膜4が挟まれた、積層型の容量素子である。積層型の容量素子10は、小さな占有面積にも拘わらず、大きな容量値を持った容量素子とすることができる。湿度センサ素子である容量素子10の誘電体膜4は、周囲の雰囲気の湿度変化に応じて誘電率が変化する、ポリイミドからなる感湿膜である。
A
図1(a)の積層型の容量素子10は、第1電極10a、誘電体膜4および第2電極10bの全てがスクリーン印刷により形成される。従って、図11に示した従来の容量式湿度センサ90と異なり、大きな製造コストを要するフォトリソグラフィとエッチングからなるパターニング工程は用いていない。このため、図1(a)の容量式湿度センサ100は、従来に較べて低コストで製造することができ、大きな容量値を持つ積層型の湿度センサ素子10とセンサ信号処理回路とが同じ半導体基板1に集積化された、小型で安価な容量式湿度センサとすることができる。
In the
図1(b)は、積層型の容量素子10を持つ別の半導体装置の例で、容量式湿度センサ101の模式的な断面図である。
FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of a
図1(b)の容量式湿度センサ101では、湿度センサ素子である容量素子10を、シリコン窒化膜3からなる絶縁膜を介して、センサ信号処理回路の直上に配置している。このため、図1(b)の容量式湿度センサ101は、センサ信号処理回路形成部と別位置に容量素子10を配置する図1(a)の容量式湿度センサ100に較べて、全体の占有面積を小さくすることができる。
In the
図2は、別の積層型の容量素子11を持つ半導体装置の例で、容量式湿度センサ110の模式的な断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a
図2の容量式湿度センサ110における積層型の容量素子11は、下層の第1電極11aが、シリコン窒化膜3により保護されたセンサ信号処理回路の配線10hと同じ、アルミニウム(Al)金属層からなる。尚、誘電体膜4と第2電極10bは、図1(a),(b)に示す容量素子10と同様に、スクリーン印刷により形成される。
2 is the same as the
図2の容量式湿度センサ110では、容量素子11の第1電極11aを形成するための特別な工程を必要とせず、センサ信号処理回路の配線10h形成工程と共用することができるため、図1(a),(b)の容量式湿度センサ100,101に較べて、製造コストを低減することができる。尚、第1電極11aの形成をセンサ信号処理回路の配線10h形成工程と共用しているため、図2の容量式湿度センサ110では、配線10hの保護膜であるシリコン窒化膜3が、必然的に誘電体膜として容量素子11の構成要素となる。一方、図1(a),(b)の容量式湿度センサ100,101では、容量素子10が配線10hの保護膜であるシリコン窒化膜3を構成要素としないため、誘電体膜4の厚さを同じとした場合には、図2の容量式湿度センサ110における容量素子11に較べて、より大きな容量値を持つ容量素子とすることができる。
The
図1(a),(b)および図2に示す積層型の容量素子10,11は、容量式湿度センサ100,101,110における湿度センサ素子であるため、上層の第2電極10bが透湿性を有することが必要である。図3(a)〜(c)に、透湿性を有する第2電極の例を示す。図3(a)は、複数個の貫通穴hを有する第2電極10bhの上面図である。図3(b)は、櫛歯状である第2電極10bkの上面図である。図3(c)は、透湿性を有する多孔質膜からなる第2電極10bpの上面図である。図3(c)の第2電極10bpは、例えば、ベーク時に揮発する樹脂成分を多く導電ペーストに混入させることにより、形成することができる。これらの図3(a)〜(c)に示す第2電極を用いれば、貫通穴hや櫛歯の隙間、あるいは膜に多く形成された孔を通して、湿度成分である水分子を誘電体膜4に素早く吸着または脱離させることができる。
Since the laminated
上記の図1(a),(b)および図2に示す半導体装置100,101,110は、スクリーン印刷により積層型の容量素子10,11が形成された半導体装置であった。次に、スクリーン印刷により別の型の容量素子が形成された半導体装置の例を示す。
The
図4(a)は、容量式湿度センサである半導体装置120の模式的な断面図であり、図4(b)は、半導体装置120に形成された湿度センサ素子である容量素子12の模式的な上面図である。尚、図4(a)に示す半導体装置120において、図1(a)に示す半導体装置100と同様の部分については、同じ符号を付けた。
4A is a schematic cross-sectional view of the
半導体装置120における容量素子12は、図4(a),(b)に示すように、ポリイミドからなる感湿膜である誘電体膜4と、同一平面に互いの櫛歯が噛み合って対向するように離間して配置された櫛歯状の第1電極12aと第2電極12bとを備える、櫛歯電極型の容量素子である。図4(a),(b)の半導体装置120における櫛歯電極型の容量素子12では、第1電極12aと第2電極12bが半導体基板1上のシリコン酸化膜2とシリコン窒化膜3からなる積層膜上に形成され、第1電極12aと第2電極12bを覆うようにして、誘電体膜4が形成されている。第1電極12a、第2電極12bおよび誘電体膜4は、全てスクリーン印刷により形成される。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the
櫛歯電極型の容量素子12は、積層型の容量素子と較べると小さな容量値を持った容量素子ではあるが、第1電極12aと第2電極12bを同時に形成できるため、積層型の容量素子に較べて安価に製造することができる。従って、この櫛歯電極型の容量素子12を上記のようにスクリーン印刷により形成することで、さらに低いコストで製造することができ、小さな容量値を持つ容量素子12と電気信号処理回路とが同じ半導体基板1に集積化された、小型で非常に安価な半導体装置とすることができる。
Although the comb electrode
図5は、櫛歯電極型の容量素子12を持つ別の半導体装置の例で、容量式湿度センサ121の模式的な断面図である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a
図5の容量式湿度センサ121では、図1(b)の容量式湿度センサ101と同様に、湿度センサ素子である容量素子12を、シリコン窒化膜3からなる絶縁膜を介して、センサ信号処理回路の直上に配置している。このため、図5の容量式湿度センサ121は、センサ信号処理回路形成部と別位置に容量素子12を配置する図4(a)の容量式湿度センサ120に較べて、全体の占有面積を小さくすることができる。尚、図5の容量式湿度センサ121では、センサ信号処理回路上のシリコン窒化膜3を平坦化して、容量素子12の容量値の安定化が図られている。
In the
図6〜8は、別の櫛歯電極型の容量素子を持つ半導体装置の例で、それぞれ、櫛歯電極型の容量素子13〜15が形成された容量式湿度センサ130,140,150の模式的な断面図である。
FIGS. 6 to 8 are examples of semiconductor devices having other comb-teeth-type capacitive elements, and are schematic diagrams of
図6に示す容量式湿度センサ130の容量素子13においては、図4,5に示す櫛歯電極型の容量素子12と異なり、第1電極12aと第2電極12b上に保護膜4cが形成され、ポリイミドからなる感湿膜の誘電体膜4が、前記保護膜4c上に形成されている。この第1電極と第2電極上に形成された保護膜4cにより、第1電極12aと第2電極12bが高い湿度雰囲気に曝される場合においても、電極の腐食を抑制することができ、信頼性の高い半導体装置とすることができる。一方、図4,5に示す櫛歯電極型の容量素子12では、図6に示す保護膜4cが無く、また配線10hの保護膜であるシリコン窒化膜3を容量素子の構成要素としていないため、図6の容量素子13や上記の第1電極と第2電極が電気信号処理回路の配線と同じ金属層からなる容量素子に較べて、より大きな容量値を持つ容量素子とすることができる。
In the
図7に示す容量式湿度センサ140の容量素子14においては、図4〜6に示す櫛歯電極型の容量素子12,13と異なり、第1電極14aと第2電極14bが、半導体基板1(シリコン酸化膜2とシリコン窒化膜3からなる積層膜)上に形成された誘電体膜4上に形成されている。
In the
また、図8(a)に示す容量式湿度センサ150の容量素子15では、第1電極15aと第2電極15bが、半導体基板1(シリコン酸化膜2とシリコン窒化膜3からなる積層膜)上に形成された誘電体膜4中に形成されている。この場合には、図8(b)に示すように、第1電極15aと第2電極15bの形成面の両側を所定の誘電体膜4とすることができるため、図4,5に示す櫛歯電極型の容量素子12に較べて、約2倍の大きな容量値を持つ容量素子とすることができる。
Further, in the
次に、本発明の半導体装置における第1電極と第2電極の電気信号処理回路への接続構造を説明する。 Next, a connection structure of the first electrode and the second electrode to the electric signal processing circuit in the semiconductor device of the present invention will be described.
図9(a),(b)は、上記接続構造の一例である。図9(a)は、半導体装置160における容量素子16形成部の上面図であり、図9(b)は、図9(a)におけるA−A断面図である。
FIGS. 9A and 9B are examples of the connection structure. FIG. 9A is a top view of the
図9(a),(b)に示す半導体装置160では、容量素子16における第1電極16aと第2電極16bが、配線保護膜であるシリコン窒化膜3の開口部を介して、それぞれ、電気信号処理回路の配線パッド10ha,10hbに、スクリーン印刷により一体的に接続されている。これにより、ワイヤボンディング等に較べて信頼性の高い電気接続を得ることができ、また製造コストも低減することができる。尚、図9(a),(b)に示す容量素子16は積層型の容量素子であるが、櫛歯電極型の容量素子における第1電極と第2電極の電気信号処理回路への接続構造についても同様に形成することができる。
In the
図10(a)〜(c)は別の接続構造の例で、それぞれ、容量素子の電極配線と電気信号処理回路の配線パッドとの接続部分の模式的な断面図である。 FIGS. 10A to 10C are examples of other connection structures, and are schematic cross-sectional views of the connection portion between the electrode wiring of the capacitive element and the wiring pad of the electric signal processing circuit, respectively.
図10(a)に示す半導体装置170では、シリコン窒化膜3の開口部に露出する配線パッド10hc上に電極材料である導電ペースト17dが予め充填されており、この充填された導電ペースト17dに、容量素子の電極配線17cがスクリーン印刷により一体的に接続されている。図10(a)の半導体装置170では、シリコン窒化膜3の開口部の上面と開口部の底面に露出する配線パッド10hcの段差を予め充填された導電ペースト17dにより低減できるため、電極配線17cの段切れ不良が抑制され、図9(a),(b)に示す半導体装置160に較べて、より確実な接続を得ることができる。
In the
図10(b)に示す半導体装置180では、保護膜であるシリコン窒化膜3と配線パッド10hcが予め研磨されて平坦化されており、この平坦化されたシリコン窒化膜3と配線パッド10hc上に、容量素子の電極配線18cがスクリーン印刷により一体的に接続されている。これによっても、シリコン窒化膜3の開口部周りにおける段差がなくなるため、電極配線18cの段切れ不良を防止することができ、確実な接続を得ることができる。
In the
図10(c)に示す半導体装置190では、シリコン窒化膜3の開口部に露出するアルミニウム(Al)からなる配線パッド10hc上に、金(Au)層5hを形成し、Au層5hを介して、容量素子の電極配線19cがスクリーン印刷により一体的に接続されている。これにより、電極配線19cと配線パッド10hcの密着性が向上し、電極配線19cと配線パッド10hcの接続抵抗を低減することができる。
In the
以上、容量式湿度センサを例にして、本発明の半導体装置を説明した。容量式湿度センサは、湿度変化に伴う湿度センサ素子の容量変化を、センサ信号処理回路を用いて測定する。この湿度センサ素子の感度向上には、大きな容量値を持つ積層型の容量素子が好ましい。しかしながら、櫛歯電極型の容量素子であっても、例えば図8(a)に示す容量素子15のように電極の両側に所定の誘電体膜を配置して、容量値を高めることができる。また、車両等で多数用いられる容量式湿度センサは、小型且つ安価であることが要求される。従って、容量素子が大きな容量値を持ち、小型且つ低コストで製造できる上記本発明の半導体装置は、容量式湿度センサに好適である。しかしながら、容量素子がスクリーン印刷により形成されてなる本発明の半導体装置は、容量式湿度センサに限らず、容量素子と電気信号処理回路とが同じ半導体基板の一方の面側に形成されてなる任意の半導体装置に適用することができる。
The semiconductor device of the present invention has been described above by taking the capacitive humidity sensor as an example. The capacitive humidity sensor measures a change in capacitance of a humidity sensor element accompanying a change in humidity using a sensor signal processing circuit. In order to improve the sensitivity of the humidity sensor element, a laminated capacitive element having a large capacitance value is preferable. However, even in the case of a comb electrode type capacitive element, for example, a predetermined dielectric film can be arranged on both sides of the electrode as in the
以上のようにして、本発明の半導体装置は、容量素子と電気信号処理回路とが同じ半導体基板に集積化された半導体装置であって、容量素子における広範囲の容量値に渡って、小型且つ低コストで製造できる半導体装置であり、特に、容量式湿度センサに好適な半導体装置となっている。 As described above, the semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which the capacitor element and the electric signal processing circuit are integrated on the same semiconductor substrate, and is small and low over a wide range of capacitance values in the capacitor element. The semiconductor device can be manufactured at low cost, and is particularly suitable for a capacitive humidity sensor.
90,100,101,110,120,121,130,140,150,160, 170,180,190 半導体装置(容量式湿度センサ)
1 半導体基板
2 シリコン酸化膜
3 シリコン窒化膜
4 誘電体膜(感湿膜)
4c 保護膜
10〜16 容量素子(湿度センサ素子)
10a,11a,12a〜16a 第1電極
10b,10bh,10bk,10bp,12b〜16b 第2電極
10h 配線
10ha,10hb,10hc 配線パッド
17c〜19c 電極配線
17d 導電ペースト
5h 金(Au)層
90, 100, 101, 110, 120, 121, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190 Semiconductor device (capacitive humidity sensor)
DESCRIPTION OF
4c Protective film 10-16 Capacitance element (humidity sensor element)
10a, 11a, 12a to
Claims (22)
前記半導体基板上に、前記容量素子の構成要素である第1電極、第2電極もしくは誘電体膜のうち少なくとも一つの構成要素が、スクリーン印刷により形成されてなることを特徴とする半導体装置。 A capacitive device composed of a first electrode, a second electrode and a dielectric film, and an electric signal processing circuit using the capacitive element are formed on one surface side of the same semiconductor substrate,
A semiconductor device, wherein at least one of the first electrode, the second electrode, and the dielectric film, which are components of the capacitive element, is formed on the semiconductor substrate by screen printing.
前記誘電体膜と第2電極が、スクリーン印刷により形成されてなることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The first electrode is made of the same metal layer as the wiring of the electric signal processing circuit protected by a silicon nitride film,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the dielectric film and the second electrode are formed by screen printing.
前記電気信号処理回路が、前記湿度センサ素子の容量変化を電気信号処理するセンサ信号処理回路であることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置。 The capacitive element is a humidity sensor element whose capacitance changes with humidity,
6. The semiconductor device according to claim 2, wherein the electrical signal processing circuit is a sensor signal processing circuit that performs electrical signal processing on a capacitance change of the humidity sensor element.
前記誘電体膜が、スクリーン印刷により形成されてなることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。 The first electrode and the second electrode are made of the same metal layer as the wiring of the electric signal processing circuit protected by a silicon nitride film,
The semiconductor device according to claim 12, wherein the dielectric film is formed by screen printing.
前記電気信号処理回路が、前記湿度センサ素子の容量変化を電気信号処理するセンサ信号処理回路であることを特徴とする請求項10乃至17のいずれか一項に記載の半導体装置。 The capacitive element is a humidity sensor element whose capacitance changes with humidity,
18. The semiconductor device according to claim 10, wherein the electrical signal processing circuit is a sensor signal processing circuit that performs electrical signal processing on a capacitance change of the humidity sensor element.
前記半導体基板上に形成された保護膜の開口部を介して、前記電気信号処理回路のアルミニウム(Al)からなる配線パッドに、スクリーン印刷により一体的に接続されてなることを特徴とする請求項2乃至18のいずれか一項に記載の半導体装置。 The first electrode or the second electrode is
2. The wiring board made of aluminum (Al) of the electric signal processing circuit is integrally connected by screen printing through an opening of a protective film formed on the semiconductor substrate. The semiconductor device according to any one of 2 to 18.
当該Au層を介して、前記第1電極もしくは第2電極が、前記Alからなる配線パッドに接続されてなることを特徴とする請求項19に記載の半導体装置。 A gold (Au) layer is formed on the wiring pad exposed in the opening,
The semiconductor device according to claim 19, wherein the first electrode or the second electrode is connected to the wiring pad made of Al through the Au layer.
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