JP2007147409A - センサエレメント - Google Patents

Abstract

【課題】センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の接合を容易に行うことが可能なセンサエレメントを提供する。
【解決手段】センサ基板１とセンサ基板１の一表面側に封着された貫通孔配線形成基板２と他表面側に封着されたカバー基板３とを備える。センサ基板１と貫通孔配線形成基板２とは、互いの対向面に形成された第１の封止用接合金属層１８と第２の封止用接合金属層２８とが接合されるとともに、互いの対向面に形成された第１の接続用接合金属層１９と第２の接続用接合金属層２９とが接合されている。センサ基板１は、第１の接続用接合金属層１９における金属配線１７との接続部位が、貫通孔配線形成基板２におけるセンサ基板１との対向面に形成された凹所である変位空間形成用凹部２１内に位置している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、加速度センサエレメント、ジャイロセンサエレメントなどのセンサエレメントに関するものである。

近年、チップサイズパッケージ（Chip Size Package：ＣＳＰ）を有するセンサエレメントとして、ウェハレベルパッケージング技術を利用して形成したセンサエレメントが各所で研究開発されている（例えば、特許文献１参照）。

ここにおいて、上記特許文献１には、図１１（ａ）に示すように、複数のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子２１１およびＭＥＭＳ素子２１１のセンシング部（図示せず）に電気的に接続された金属配線（引き出し電極）２１７を形成した第１の半導体ウェハ２１０と、金属配線２１７に電気的に接続される貫通孔配線２２４およびＭＥＭＳ素子２１１を気密封止する空間を形成するための凹所２２１を形成した第２の半導体ウェハ２２０とを対向させてから、図１１（ｂ）に示すように第１の半導体ウェハ２１０と第２の半導体ウェハ２２０とをウェハレベルで貼り合わせることでウェハレベルパッケージ構造体２００を形成し、ウェハレベルパッケージ構造体２００から個々のセンサエレメントに分割する技術が開示されている。なお、このようにして製造されたセンサエレメントは、第１の半導体ウェハ２１０から切り出された部分がセンサ基板を構成し、第２の半導体ウェハ２２０から切り出された部分が貫通孔配線形成基板を構成している。

ここで、第１の半導体ウェハ２１０における第２の半導体ウェハ２２０との対向面には、各センサエレメントに対応する領域ごとに、ＭＥＭＳ素子２１１および当該ＭＥＭＳ素子２１１に電気的に接続された金属配線２１７を囲む第１の封止用接合金属層（封止用下地金属膜）２１８が形成され、第２の半導体ウェハ２２０における第１の半導体ウェハ２１０との対向面には、各センサエレメントに対応する領域ごとに、凹所２２１を囲み第１の封止用接合金属層２１８に対向する第２の封止用接合金属層（封止用下地金属膜）２２８が形成されている。

また、第１の半導体ウェハ２１０は、第１の封止用接合金属層２１８よりも内側で金属配線２１７と電気的に接続された第１の接続用接合金属層２１９が形成され、第２の半導体ウェハ２２０は、第２の封止用接合金属層２２８よりも内側に貫通孔配線２２４と電気的に接続された第２の接続用接合金属層２２９が形成されている。

そして、上述のウェハレベルパッケージ構造体２００は、第１の半導体ウェハ２１０の第１の封止用接合金属層２１８と第２の半導体ウェハ２２０の第２の封止用接合金属層２２８とが例えばＡｕＳｎなどの半田からなる第１の半田部２３８を介して接合されるとともに、第１の接続用接合金属層２１９と第２の接続用接合金属層２２９とが第２の半田部２３９を介して接合されている。

ところで、ＭＥＭＳとしては、加速度センサやジャイロセンサなどが広く知られており、加速度センサとしては、加速度が印加されたときのピエゾ抵抗からなるゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化により加速度を検出するピエゾ抵抗形の加速度センサや、加速度が印加されたときの固定電極と可動電極との間の静電容量の変化により加速度を検出する容量形の加速度センサなどが知られている。

ピエゾ抵抗形の加速度センサとしては、矩形枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が一方向へ延長された撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持された片持ち式のものや、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が相反する２方向へ延長された一対の撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持された両持ち式のものなどが提案されており、近年では、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が四方へ延長された４つの撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持され、互いに直交する３方向それぞれの加速度を各別に検出可能なものも提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。

なお、上述のピエゾ抵抗形の加速度センサでは、重り部および撓み部が可動部を構成し、ピエゾ抵抗がセンシング部を構成している。また、容量形の加速度センサ（例えば、特許文献４参照）やジャイロセンサ（例えば、特許文献５参照）では、可動電極を設けた重り部や可動電極を兼ねる重り部などが可動部を構成しており、固定電極と可動電極とによりセンシング部を構成している。
特開２００５−２５１８９８号公報 特開２００４−１０９１１４号公報 特開２００４−２３３０７２号公報 特開２００４−０２８９１２号公報 特開２００５−２９２１１７号公報

上記特許文献１に記載のウェハレベルパッケージング技術を利用して形成されたセンサエレメントでは、金属配線２１７と電気的に接続される第１の接続用接合金属層２１９が、金属配線２１７のうち厚み方向において第２の接続用接合金属層２２９と重なる部位上に形成されているので、第１の接続用接合金属層２１９と金属配線２１７との接触面積を比較的大きくすることができて第１の接続用接合金属層２１９と金属配線２１７とのコンタクト抵抗を小さくすることができる。

しかしながら、上述のセンサエレメントでは、第２の半導体ウェハ２２０側に形成されている第２の接続用接合金属層２２９と第２の封止用接合金属層２２８とが同一平面上において略同じ高さに形成されている一方で、第１の半導体ウェハ２１０側では第１の接続用接合金属層２１９の形成面を含む平面に対して第１の接続用接合金属層２１９と第１の封止用接合金属層２２８とで高さが異なっており、第２の接続用接合金属層２２９と第１の接続用接合金属層２１９との間の距離と、第２の封止用接合金属層２２８と第１の封止用接合金属層２１８との間の距離との距離差を吸収して接続用接合金属層２２９，２１９同士および封止用接合金属層２２８，２１８同士を接合するために、製造にあたっては、第２の接続用接合金属層２２９および第２の封止用接合金属層２２８それぞれにおける接合箇所に所定量の半田をソルダーシュート法により供給してから、第１の半導体ウェハ２１０と第２の半導体ウェハ２２０とを重ね合わせてリフローを行う必要があり、製造プロセスが複雑になるとともに、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の距離の高精度化が難しかった。また、上記特許文献１に記載の技術では、半田としてＡｕＳｎを用いる場合には、リフローの工程のプロセス温度が２８０℃以上になり、接合界面近傍の残留応力が大きくなって当該残留応力に起因してセンサ特性が変動してしまうという不具合があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の接合を容易に行うことが可能なセンサエレメントを提供することにある。

請求項１の発明は、第１の半導体基板を用いて形成されセンシング部およびセンシング部に電気的に接続された金属配線を有するセンサ基板と、第２の半導体基板を用いて形成され金属配線に電気的に接続される貫通孔配線を有しセンサ基板の一表面側に封着された貫通孔配線形成基板とを備え、センサ基板は、前記一表面における周部の全周に亘って第１の封止用接合金属層が形成されるとともに、第１の封止用接合金属層よりも内側に金属配線と電気的に接続された金属材料からなる第１の接続用接合金属層が形成され、貫通孔配線形成基板は、センサ基板側の表面における周部の全周に亘って第２の封止用接合金属層が形成されるとともに、第２の封止用接合金属層よりも内側に貫通孔配線と電気的に接続された金属材料からなる第２の接続用接合金属層が形成され、センサ基板と貫通孔配線形成基板とは、第１の封止用接合金属層と第２の封止用接合金属層とが接合されるとともに、第１の接続用接合金属層と第２の接続用接合金属層とが接合され、センサ基板は、第１の接続用接合金属層における金属配線との接続部位が、貫通孔配線形成基板におけるセンサ基板との対向面に形成された凹所内に位置していることを特徴とする。

この発明によれば、センサ基板の第１の接続用接合金属層における金属配線との接続部位が、貫通孔配線形成基板におけるセンサ基板との対向面に形成された凹所内に位置しているので、センサ基板の第１の接続用接合金属層のうち第２の接続用接合金属層と接合する接合部位を、センサ基板の第１の封止用接合金属層とを同一平面上に形成することができ、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の接合を容易に行うことが可能になる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記各接続用接合金属層と前記各封止用接合金属層とが同一の金属材料により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、第１の接続用接合金属層と第２の接続用接合金属層とを接合するのと同時に第１の封止用接合金属層と第２の封止用接合金属層とを例えば常温接合法などにより直接接合することが可能となり、従来のように接合箇所ごとに半田を供給する工程およびリフローの工程をなくすことができ、製造プロセスの簡略化を図れるとともにセンサ基板と貫通孔配線形成基板との間の距離の高精度化を図れ、しかも、残留応力に起因したセンサ特性の変動を抑制することができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、第３の半導体基板を用いて形成され前記センサ基板の他表面側に封着されたカバー基板を備え、前記センサ基板は、前記第１の封止用接合金属層および前記第１の接続用接合金属層が形成された枠状のフレーム部と、フレーム部の内側に配置され前記一表面に交差する方向に変位可能であって前記センシング部が形成された可動部とを有し、前記貫通孔配線形成基板における前記センサ基板側の表面には、可動部の変位空間を確保する変位空間形成用凹部が形成され、当該変位空間形成用凹部が前記凹所を兼ねていることを特徴とする。

この発明によれば、前記貫通孔配線形成基板における前記センサ基板側の表面に形成された変位空間形成用凹部が前記凹所を兼ねているので、前記凹所を変位空間形成用凹部と別途に形成する必要がなく、前記貫通孔配線形成基板の設計が容易になる。

請求項４の発明の発明は、請求項３の発明において、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板および前記第３の半導体基板とはウェハレベルで接合されてから所望のチップサイズに切断されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記貫通孔配線形成基板と前記カバー基板とが前記センサ基板と同じ外形サイズとなり、小型のチップサイズパッケージを実現できる。

請求項１の発明では、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の接合を容易に行うことが可能で、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の距離の高精度化が可能であるいう効果がある。

以下、本実施形態のセンサエレメントについて図１〜図１０を参照しながら説明する。

本実施形態のセンサエレメントは、加速度センサエレメントであり、図１および図２に示すように第１の半導体基板を用いて形成されたセンサ基板１と、第２の半導体基板を用いて形成されセンサ基板１の金属配線１７に電気的に接続される貫通孔配線２４を有しセンサ基板１の一表面側（図１（ａ）の上面側）に封着された貫通孔配線形成基板２と、第３の半導体基板を用いて形成されセンサ基板１の他表面側（図１（ａ）の下面側）に封着されたカバー基板３とを備えている。ここにおいて、センサ基板１および貫通孔配線形成基板２およびカバー基板３の外周形状は矩形状であり、貫通孔配線形成基板２およびカバー基板３はセンサ基板１と同じ外形寸法に形成されている。なお、図１（ａ）は図２のＡ−Ａ’概略断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の要部拡大図、図１（ｃ）は図２のＣ−Ｃ’概略断面図である。

上述のセンサ基板１は、シリコン基板からなる支持基板１０ａ上のシリコン酸化膜からなる絶縁層（埋込酸化膜）１０ｂ上にｎ形のシリコン層（活性層）１０ｃを有するＳＯＩウェハを加工することにより形成してあり、貫通孔配線形成基板２は第１のシリコンウェハを加工することにより形成し、カバー基板３は第２のシリコンウェハを加工することにより形成してある。すなわち、本実施形態では、ＳＯＩウェハが第１の半導体基板を構成し、第１のシリコンウェハが第２の半導体基板を構成し、第２のシリコンウェハが第３の半導体基板を構成している。なお、本実施形態では、ＳＯＩウェハにおける支持基板１０ａの厚さを３００μｍ〜５００μｍ程度、絶縁層１０ｂの厚さを０．３μｍ〜１．５μｍ程度、シリコン層１０ｃの厚さを４μｍ〜１０μｍ程度とし、また、第１のシリコンウェハの厚さを２００μｍ〜３００μｍ程度、第２のシリコンウェハの厚さを１００〜３００μｍ程度としてあるが、これらの数値は特に限定するものではない。また、ＳＯＩウェハの主表面であるシリコン層１０ｃの表面は（１００）面としてある。

センサ基板１は、図３〜図５に示すように、枠状（本実施形態では、矩形枠状）のフレーム部１１を備え、フレーム部１１の内側に配置される重り部１２が一表面側（図１（ａ）および図３（ｂ）の上面側）において可撓性を有する４つの短冊状の撓み部１３を介してフレーム部１１に揺動自在に支持されている。言い換えれば、センサ基板１は、枠状のフレーム部１１の内側に配置される重り部１２が重り部１２から四方へ延長された４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に揺動自在に支持されている。ここで、フレーム部１１は、上述のＳＯＩウェハの支持基板１０ａ、絶縁層１０ｂ、シリコン層１０ｃそれぞれを利用して形成してある。これに対して、撓み部１３は、上述のＳＯＩウェハにおけるシリコン層１０ｃを利用して形成してあり、フレーム部１１よりも十分に薄肉となっている。

重り部１２は、上述の４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に支持された直方体状のコア部１２ａと、センサ基板１の上記一表面側から見てコア部１２ａの四隅それぞれに連続一体に連結された直方体状の４つの付随部１２ｂとを有している。言い換えれば、重り部１２は、フレーム部１１の内側面に一端部が連結された各撓み部１３の他端部が外側面に連結されたコア部１２ａと、コア部１２ａと一体に形成されコア部１２ａとフレーム部１１との間の空間に配置される４つの付随部１２ｂとを有している。つまり、各付随部１２ｂは、センサ基板１の上記一表面側から見て、フレーム部１１とコア部１２ａと互いに直交する方向に延長された２つの撓み部１３，１３とで囲まれる空間に配置されており、各付随部１２ｂそれぞれとフレーム部１１との間にはスリット１４が形成され、撓み部１３を挟んで隣り合う付随部１２ｂ間の間隔が撓み部１３の幅寸法よりも長くなっている。ここにおいて、コア部１２ａは、上述のＳＯＩウェハの支持基板１０ａ、絶縁層１０ｂ、シリコン層１０ｃそれぞれを利用して形成し、各付随部１２ｂは、ＳＯＩウェハの支持基板１０ａを利用して形成してある。しかして、センサ基板１の上記一表面側において各付随部１２ｂの表面は、コア部１２ａの表面を含む平面からセンサ基板１の上記他表面側（図１（ａ）および図３（ｂ）の下面側）へ離間して位置している。なお、センサ基板１の上述のフレーム部１１、重り部１２、各撓み部１３は、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成すればよい。

ところで、図３（ａ），（ｂ）それぞれの右下に示したように、センサ基板１の上記一表面に平行な面内でフレーム部１１の一辺に沿った一方向をｘ軸の正方向、この一辺に直交する辺に沿った一方向をｙ軸の正方向、センサ基板１の厚み方向の一方向をｚ軸の正方向と規定すれば、重り部１２は、ｘ軸方向に延長されてコア部１２ａを挟む２つ１組の撓み部１３，１３と、ｙ軸方向に延長されてコア部１２ａを挟む２つ１組の撓み部１３，１３とを介してフレーム部１１に支持されていることになる。なお、上述のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３軸により規定した直交座標では、センサ基板１において上述のシリコン層１０ｃにより形成された部分の表面における重り部１２の中心位置を原点としている。

重り部１２のコア部１２ａからｘ軸の正方向に延長された撓み部１３（図３（ａ）の右側の撓み部１３）は、コア部１２ａ近傍に２つ１組のピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４が形成されるとともに、フレーム部１１近傍に１つのピエゾ抵抗Ｒｚ２が形成されている。一方、重り部１２のコア部１２ａからｘ軸の負方向に延長された撓み部１３（図３（ａ）の左側の撓み部１３）は、コア部１２ａ近傍に２つ１組のピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３が形成されるとともに、フレーム部１１近傍に１つのピエゾ抵抗Ｒｚ３が形成されている。ここに、コア部１２ａ近傍に形成された４つのピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、ｘ軸方向の加速度を検出するために形成されたもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部１３の長手方向に一致するように形成してあり、図６における左側のブリッジ回路Ｂｘを構成するように配線（センサ基板１に形成されている拡散層配線、金属配線１７など）によって接続されている。なお、ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４は、ｘ軸方向の加速度がかかったときに撓み部１３において応力が集中する応力集中領域に形成されている。

また、重り部１２のコア部１２ａからｙ軸の正方向に延長された撓み部１３（図３（ａ）の上側の撓み部１３）はコア部１２ａ近傍に２つ１組のピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ３が形成されるとともに、フレーム部１１近傍に１つのピエゾ抵抗Ｒｚ１が形成されている。一方、重り部１２のコア部１２ａからｙ軸の負方向に延長された撓み部１３（図３（ａ）の下側の撓み部１３）はコア部１２ａ近傍に２つ１組のピエゾ抵抗Ｒｙ２，Ｒｙ４が形成されるとともに、フレーム部１１側の端部に１つのピエゾ抵抗Ｒｚ４が形成されている。ここに、コア部１２ａ近傍に形成された４つのピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は、ｙ軸方向の加速度を検出するために形成されたもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部１３の長手方向に一致するように形成してあり、図６における中央のブリッジ回路Ｂｙを構成するように配線（センサ基板１に形成されている拡散層配線、金属配線１７など）によって接続されている。なお、ピエゾ抵抗Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、ｙ軸方向の加速度がかかったときに撓み部１３において応力が集中する応力集中領域に形成されている。

また、フレーム部１１近傍に形成された４つのピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は、ｚ軸方向の加速度を検出するために形成されたものであり、図６における右側のブリッジ回路Ｂｚを構成するように配線（センサ基板１に形成されている拡散層配線、金属配線１７など）によって接続されている。ただし、２つ１組となる撓み部１３，１３のうち一方の組の撓み部１３，１３に形成したピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ４は長手方向が撓み部１３，１３の長手方向と一致するように形成されているのに対して、他方の組の撓み部１３，１３に形成したピエゾ抵抗Ｒｚ２，Ｒｚ３は長手方向が撓み部１３，１３の幅方向（短手方向）と一致するように形成されている。

なお、図１〜図３では、センサ基板１における金属配線１７のうち第１の接続用接合金属層１９近傍の部位のみを図示してあり、拡散層配線の図示は省略してある。

ここで、センサ基板１の動作の一例について説明する。

いま、センサ基板１に加速度がかかっていない状態で、センサ基板１に対してｘ軸の正方向に加速度がかかったとすると、ｘ軸の負方向に作用する重り部１２の慣性力によってフレーム部１１に対して重り部１２が変位し、結果的にｘ軸方向を長手方向とする撓み部１３，１３が撓んで当該撓み部１３，１３に形成されているピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４の抵抗値が変化することになる。この場合、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３は引張応力を受け、ピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４は圧縮応力を受ける。一般的にピエゾ抵抗は引張応力を受けると抵抗値（抵抗率）が増大し、圧縮応力を受けると抵抗値（抵抗率）が減少する特性を有しているので、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３は抵抗値が増大し、ピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４は抵抗値が減少することになる。したがって、図６に示した一対の入力端子ＶＤＤ，ＧＮＤ間に外部電源から一定の直流電圧を印加しておけば、図６に示した左側のブリッジ回路Ｂｘの出力端子Ｘ１，Ｘ２間の電位差がｘ軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。同様に、ｙ軸方向の加速度がかかった場合には図６に示した中央のブリッジ回路Ｂｙの出力端子Ｙ１，Ｙ２間の電位差がｙ軸方向の加速度の大きさに応じて変化し、ｚ軸方向の加速度がかかった場合には図６に示した右側のブリッジ回路Ｂｚの出力端子Ｚ１，Ｚ２間の電位差がｚ軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。しかして、上述のセンサ本体１は、各ブリッジ回路Ｂｘ〜Ｂｚそれぞれの出力電圧の変化を検出することにより、当該センサ基板１に作用したｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向それぞれの加速度を検出することができる。本実施形態では、重り部１２と各撓み部１３とで可動部を構成しており、各ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４それぞれが、センサ基板１におけるセンシング部を構成している。

ところで、センサ基板１は、図６に示すように、上述の３つのブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚに共通の２つの入力端子ＶＤＤ，ＧＮＤと、ブリッジ回路Ｂｘの２つの出力端子Ｘ１，Ｘ２と、ブリッジ回路Ｂｙの２つの出力端子Ｙ１，Ｙ２と、ブリッジ回路Ｂｚの２つの出力端子Ｚ１，Ｚ２とを備えており、これらの各入力端子ＶＤＤ，ＧＮＤおよび各出力端子Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２，Ｚ１，Ｚ２が、上記一表面側（つまり、貫通孔配線形成基板２側）に第１の接続用接合金属層１９として設けられており、貫通孔配線形成基板２に形成された貫通孔配線２４と電気的に接続されている。すなわち、センサ基板１には、８つの接続用接合金属層１９が形成され、貫通孔配線形成基板２には、８つの貫通孔配線２４が形成されている。なお、８つの第１の接続用接合金属層１９は、外周形状が矩形状（本実施形態では、正方形状）であり、フレーム部１１の周方向に離間して配置されている（矩形枠状のフレーム部１１の４辺それぞれに２つずつ配置されている）。

また、センサ基板１のフレーム部１１上には、フレーム部１１よりも開口面積が大きな枠状（矩形枠状）の第１の封止用接合金属層１８が形成されており、上述の８つの接続用接合金属層１９は、フレーム部１１において第１の封止用接合金属層１８よりも内側に配置されている。要するに、センサ基板１は、第１の封止用接合金属層１８の幅寸法をフレーム部１１の幅寸法に比べて小さく設定し、第１の封止用接合金属層１８と各接続用接合金属層１９とを同一平面上に形成してある。

ここにおいて、センサ基板１は、上記一表面側において上記シリコン層１０ｃ上にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなる絶縁膜１６が形成されており、第１の接続用接合金属層１９および第１の封止用接合金属層１８および金属配線１７は絶縁膜１６上に形成されている。

また、第１の封止用接合金属層１８および第１の接続用接合金属層１９は、接合用のＡｕ膜と絶縁膜１６との間に密着性改善用のＴｉ膜を介在させてある。言い換えれば、第１の封止用接合金属層１８および第１の接続用接合金属層１９は、絶縁膜１６上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。要するに、第１の接続用接合金属層１９と第１の封止用接合金属層１８とは同一の金属材料により形成されているので、第１の接続用接合金属層１９と第１の封止用接合金属層１８とを同時に形成することができるとともに、第１の接続用接合金属層１９と第１の封止用接合金属層１８とを略同じ厚さに形成することができる。なお、第１の封止用接合金属層１８および第１の接続用接合金属層１９は、Ｔｉ膜の膜厚を３０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあり、金属配線１７の膜厚は１μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。

上述の各ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４および上記各拡散層配線は、上記シリコン層１０ｃにおけるそれぞれの形成部位に適宜濃度のｐ形不純物をドーピングすることにより形成されており、上述の金属配線１７は、絶縁膜１６上にスパッタ法や蒸着法などにより成膜した金属膜（例えば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより形成されており、金属配線１７は絶縁膜１６に設けたコンタクトホールを通して拡散層配線と電気的に接続されている。また、第１の接続用接合金属層１９と金属配線１７とは、第１の接続用接合金属層１９における金属配線１７との接続部位１９ｂ（図１（ｂ），（ｃ）参照）が、貫通孔配線形成基板２におけるセンサ基板１との対向面に形成された後述の変位空間形成用凹部２１内に位置する形で電気的に接続されている。本実施形態では、貫通孔配線形成基板２における変位空間形成用凹部２１が、センサ基板１の第１の接続用接合金属層１９における金属配線１７との接続部位１９ｂが配置される凹所を兼ねている。

貫通孔配線形成基板２は、図７〜図９に示すように、センサ基板１側（図２（ａ）における下面側）の表面に、センサ基板１の重り部１２と各撓み部１３とで構成される可動部の変位空間を確保する上述の変位空間形成用凹部２１が形成されるとともに、変位空間形成用凹部２１の周部に厚み方向に貫通する複数（本実施形態では、８つ）の貫通孔２２が形成されており、厚み方向の両面および貫通孔２２の内面とに跨って熱絶縁膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜２３が形成され、貫通孔配線２４と貫通孔２２の内面との間に絶縁膜２３の一部が介在している。ここにおいて、貫通孔配線形成基板２の８つの貫通孔配線２４は当該貫通孔配線形成基板２の周方向に離間して形成されている。また、貫通孔配線２４の材料としては、Ｃｕを採用しているが、Ｃｕに限らず、例えば、Ｎｉなどを採用してもよい。

また、貫通孔配線形成基板２は、センサ基板１側の表面において変位空間形成用凹部２１の周部に、各貫通孔配線２４それぞれと電気的に接続された複数（本実施形態では、８つ）の第２の接続用接合金属層２９が形成されている。貫通孔配線形成基板２は、センサ基板１側の表面の周部には、全周に亘って枠状（矩形枠状）の第２の封止用接合金属層２８が形成されており、上述の８つの第２の接続用接合金属層２９は、外周形状が細長の長方形状であり、第２の封止用接合金属層２８よりも内側に配置されている。ここにおいて、第２の接続用接合金属層２９は、長手方向の一端部が貫通孔配線２４と接合されており、他端側の部位がセンサ基板１の金属配線１７よりも外側でセンサ基板１の第１の接続用接合金属層１９と接合されて電気的に接続されるように配置してある。

また、第２の封止用接合金属層２８および第２の接続用接合金属層２９は、接合用のＡｕ膜と絶縁膜２３との間に密着性改善用のＴｉ膜を介在させてある。言い換えれば、第２の封止用接合金属層２８および第２の接続用接合金属層２９は、絶縁膜２３上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。要するに、第２の接続用接合金属層２９と第２の封止用接合金属層２８とは同一の金属材料により形成されているので、第２の接続用接合金属層２９と第２の封止用接合金属層２８とを同時に形成することができるとともに、第２の接続用接合金属層２９と第２の封止用接合金属層２８とを略同じ厚さに形成することができる。なお、第２の封止用接合金属層２８および第２の接続用接合金属層２９は、Ｔｉ膜の膜厚を３０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。

また、貫通孔配線形成基板２におけるセンサ基板１側とは反対側の表面には、各貫通孔配線２４それぞれと電気的に接続された複数の外部接続用電極２５が形成されている。ここで、各外部接続用電極２５は、例えば、Ｃｕ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されており、例えば、リフロー用パッドとして利用することができる。なお、各外部接続用電極２５の外周形状は矩形状となっている。

カバー基板３は、図１０に示すように、センサ基板１との対向面に、重り部１２の変位空間を形成する所定深さ（例えば、５μｍ〜１０μｍ程度）の凹部３１を形成してある。ここにおいて、凹部３１は、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成してある。なお、本実施形態では、カバー基板３におけるセンサ基板１との対向面に、重り部１２の変位空間を形成する凹部３１を形成してあるが、重り部１２のコア部１２ａおよび各付随部１２ｂのうち支持基板１０ａを利用して形成されている部分の厚さを、フレーム部１１において支持基板１０ａを利用して形成されている部分の厚さに比べて、センサ基板１のの厚み方向への重り部１２の許容変位量分だけ薄くするようにすれば、カバー基板３に凹部３１を形成しなくても、センサ基板１の上記他表面側には上記他表面に交差する方向への重り部１２の変位を可能とする隙間が重り部１２とカバー基板３との間に形成される。

ところで、上述の加速度センサエレメントにおけるセンサ基板１と貫通孔配線形成基板２とは、第１の封止用接合金属層１８と第２の封止用接合金属層２８とが接合されるとともに、第１の接続用接合金属層１９と第２の接続用接合金属層２９とが接合され、センサ基板１とカバー基板３とは、互いの対向面の周部同士が接合されている。また、本実施形態の加速度センサエレメントは、センサ基板１を多数形成したＳＯＩウェハと貫通孔配線形成基板２を多数形成した第１のシリコンウェハおよびカバー基板３を多数形成した第２のシリコンウェハとをウェハレベルで接合してから、ダイシング工程により所望のチップサイズの加速度センサエレメントに切断されている。したがって、貫通孔配線形成基板２とカバー基板３とがセンサ基板１と同じ外形サイズとなり、小型のチップサイズパッケージを実現できるとともに、製造が容易になる。

ここにおいて、センサ基板１と貫通孔配線形成基板２およびカバー基板３との接合方法としては、センサ基板１の残留応力を少なくするためにより低温での接合が可能な接合方法を採用することが望ましく、本実施形態では、常温接合法を採用している。常温接合法では、接合前に互いの接合面へアルゴンのプラズマ若しくはイオンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して各接合面の清浄化・活性化を行ってから、接合面同士を接触させ、常温下で接合する。本実施形態では、上述の常温接合法により、常温下で適宜の荷重を印加して、第１の封止用接合金属層１８と第２の封止用接合金属層２８とを接合するのと同時に、第１の接続用接合金属層１９と第２の接続用接合金属層２９とを接合しており、また、上述の常温接合法により、常温下でセンサ基板１のフレーム部１１とカバー基板３の周部とを接合している。しかして、本実施形態の加速度センサエレメントでは、センサ基板１と貫通孔配線基板２との間の接合がＡｕ−Ａｕ接合となり、センサ基板１とカバー基板３との接合がＳｉ−Ｓｉ接合となっており、センサ基板１と貫通孔配線形成基板２およびカバー基板３とを半田リフローや陽極接合などの加熱を必要とする方法により接合する場合に比べて、センシング部を構成するピエゾ抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４が熱応力の影響を受けにくくなるという利点がある。また、本実施形態では、センサ基板１と貫通孔配線形成基板２およびカバー基板３とが同じ半導体材料であるＳｉにより形成されているので、センサ基板１と貫通孔配線形成基板２およびカバー基板３との線膨張係数差に起因した応力（センサ基板１における残留応力）が上記ブリッジ回路の出力信号に与える影響を低減でき、貫通孔配線形成基板２およびカバー基板３がセンサ基板１と異なる材料により形成されている場合に比べて、センサ特性のばらつきを低減することができる。なお、センサ基板１は、ＳＯＩウェハを加工して形成してあるが、ＳＯＩウェハに限らず、例えば、シリコンウェハを加工して形成してもよい。

以上説明した本実施形態の加速度センサエレメントでは、センサ基板１の第１の接続用接合金属層１９における金属配線１７との接続部位１９ｂが、貫通孔配線形成基板２におけるセンサ基板１との対向面に形成された凹所である変位空間形成用凹部２１内に位置しているので、センサ基板１の第１の接続用接合金属層１９のうち第２の接続用接合金属層２９と接合する接合部位を、センサ基板１の第１の封止用接合金属層１９とを同一平面上に形成することができ、センサ基板１と貫通孔配線形成基板２との間の接合を容易に行うことが可能になる。

また、上述のように、各接続用接合金属層１９，２９と各封止用接合金属層１８，２８とが同一の金属材料により形成されているので、第１の接続用接合金属層１９と第２の接続用接合金属層２９とを接合するのと同時に第１の封止用接合金属層１８と第２の封止用接合金属層２８とを例えば常温接合法などにより直接接合することが可能となり、従来のように接合箇所ごとに半田を供給する工程およびリフローの工程をなくすことができ、製造プロセスの簡略化を図れるとともにセンサ基板１と貫通孔配線形成基板２との間の距離の高精度化を図れ、しかも、残留応力に起因したセンサ特性の変動を抑制することができる。

また、貫通孔配線形成基板２における変位空間形成用凹部２１が、センサ基板１の第１の接続用接合金属層１９における金属配線１７との接続部位１９ｂが配置される凹所を兼ねているので、上記凹所を変位空間形成用凹部２１と別途に形成する必要がなく、貫通孔配線形成基板２の設計が容易になる。

上述の実施形態では、センサエレメントとしてピエゾ抵抗形の加速度センサエレメントを例示したが、本発明の技術思想は、ピエゾ抵抗形の加速度センサエレメントに限らず、例えば、容量形の加速度センサエレメントやジャイロセンサエレメントなど他のセンサエレメントにも適用でき、容量形の加速度センサエレメントやジャイロセンサエレメントでは、可動電極を設けた重り部や可動電極を兼ねる重り部などが可動部を構成し、固定電極と可動電極とによりセンシング部を構成することとなる。

実施形態の加速度センサエレメントを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図、（ｃ）は他の要部拡大図である。 同上の加速度センサエレメントの概略平面図である。 同上におけるセンサ基板を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ａ’概略断面図である。 同上におけるセンサ基板を示し、（ａ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図、（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ’概略断面図である。 同上におけるセンサ基板を示す概略下面図である。 同上におけるセンサ基板の回路図である。 同上における貫通孔配線形成基板を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。 同上における貫通孔配線形成基板を示し、図７（ｂ）の要部拡大図である。 同上における貫通孔配線形成基板の下面図である。 同上におけるカバー基板を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。 従来例のウェハレベルパッケージ構造体の製造方法の説明図である。

符号の説明

１ センサ基板
２ 貫通孔配線形成基板
３ カバー基板
１１ フレーム部
１２ 重り部
１３ 撓み部
１７ 金属配線
１８ 第１の封止用接合金属層
１９ 第１の接続用接合金属層
２１ 変位空間形成用凹部
２４ 貫通孔配線
２５ 外部接続用電極
２８ 第２の封止用接合金属層
２９ 第２の接続用接合金属層

Claims (4)

1. 第１の半導体基板を用いて形成されセンシング部およびセンシング部に電気的に接続された金属配線を有するセンサ基板と、第２の半導体基板を用いて形成され金属配線に電気的に接続される貫通孔配線を有しセンサ基板の一表面側に封着された貫通孔配線形成基板とを備え、センサ基板は、前記一表面における周部の全周に亘って第１の封止用接合金属層が形成されるとともに、第１の封止用接合金属層よりも内側に金属配線と電気的に接続された第１の接続用接合金属層が形成され、貫通孔配線形成基板は、センサ基板側の表面における周部の全周に亘って第２の封止用接合金属層が形成されるとともに、第２の封止用接合金属層よりも内側に貫通孔配線と電気的に接続された第２の接続用接合金属層が形成され、センサ基板と貫通孔配線形成基板とは、第１の封止用接合金属層と第２の封止用接合金属層とが接合されるとともに、第１の接続用接合金属層と第２の接続用接合金属層とが接合され、センサ基板は、第１の接続用接合金属層における金属配線との接続部位が、貫通孔配線形成基板におけるセンサ基板との対向面に形成された凹所内に位置していることを特徴とするセンサエレメント。
2. 前記各接続用接合金属層と前記各封止用接合金属層とが同一の金属材料により形成されてなることを特徴とする請求項１記載のセンサエレメント。
3. 第３の半導体基板を用いて形成され前記センサ基板の他表面側に封着されたカバー基板を備え、前記センサ基板は、前記第１の封止用接合金属層および前記第１の接続用接合金属層が形成された枠状のフレーム部と、フレーム部の内側に配置され前記一表面に交差する方向に変位可能であって前記センシング部が形成された可動部とを有し、前記貫通孔配線形成基板における前記センサ基板側の表面には、可動部の変位空間を確保する変位空間形成用凹部が形成され、当該変位空間形成用凹部が前記凹所を兼ねていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセンサエレメント。
4. 前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板および前記第３の半導体基板とはウェハレベルで接合されてから所望のチップサイズに切断されてなることを特徴とする請求項３記載のセンサエレメント。

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