JP2007171040A

JP2007171040A - 物理量センサ

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Publication number: JP2007171040A
Application number: JP2005370632A
Authority: JP
Inventors: Koji Goto; 浩嗣後藤; Hisakazu Miyajima; 久和宮島; Makoto Morii; 誠森井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】センサ部と外周部の電気配線を内側に含めて外周で封止する構造の物理量センサにおいて、小型化を可能とする。
【解決手段】物理量に応じて電気信号を出力するセンサ部２が形成されたセンサウエハ３と、その上下のカバーウエハ４及び下部カバー５とを備え、センサ部２が封止される。センサウエハ３の表面に、センサ部２の電気信号の入出力を行う第１の配線１１の厚みよりも深い溝状の凹部６が形成され、第１の配線１１は、センサウエハ３の接合部材１３の近傍で凹部６内に形成され、凹部６は、センサウエハ３の接合部材１３の近傍で第１の配線１１の上に、又は、第１の配線１１を覆うように設けた非導電性の保護膜１４の上に、充填材料１５を配置して埋め戻され、第１の配線１１に導通する第２の配線１２はセンサウエハ３の表面及び埋め戻された凹部６の上に形成されて各ウエハ３，４の接合部材１３，４３の内側で貫通電極４１に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、航空機、家電製品等に用いられる加速度センサをはじめとする、半導体物理量センサに関する。

従来、半導体とその加工技術を用いた小型で高性能の物理量センサが開発されて用いられている。このような物理量センサとして、加速度センサ、圧力センサ、傾斜角センサなどがある。その多くは、半導体の微細加工技術を用いて半導体ウエハに形成したセンサ部とそのセンサ部を中心部において保護するカバー部を備えて構成される。カバー部は、中心部のセンサ部を保護するように、センサ部の外周部において、センサ部を形成したウエハに接合される。また、センサ部で発生した電気信号は、電気配線によって外周部の接合部近傍まで導かれて、カバー部の外表面に設けた入出力用の電極から取り出される。

上述の物理量センサの構造を、加速度センサを例にとって説明する。加速度センサは、通常、重錘体とこれを支える梁（ビーム）を備え、重錘体に作用する加速度を、重錘体に発生する慣性力に変換して検出する。すなわち、重錘体に慣性力が発生すると、重錘体を支えるビームに歪みが発生するので、この歪みを、例えば、ピエゾ抵抗素子を用いた歪ゲージによって電気信号に変換し、その電気信号の処理により加速度が求められる。重錘体とビームなどからなるセンサ部は、外界から保護するためと、重錘体の動きを抑制するために、センサ部の周囲において接合したカバーによって囲まれている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−０７７１１３号公報

しかしながら、上述したような物理量センサにおいては、センサの更なる小型化を図るときに次のような問題がある。つまり、センサ部の小型化が図られたとしても、センサ部の外周部においてカバー部を接合する接合領域を、センサ部で発生した電気信号を外周部まで導く電気配線領域の外側に設ける必要があり、物理量センサの外形寸法の小型化ができない。これは、例えば、次のような理由による。従来、センサ部を形成したウエハの主面に設けた接合部材とカバー部の主面に設けた接合部材とが互いに接合するように接合領域が設けられ、また、電気配線がセンサ部を形成したウエハの主面に、前記接合部材よりも突出する状態となる配線パターンによって形成されている。

上述の配線パターンから成る電気配線は、接合部材よりも厚い部材で形成されたり、また、電気配線が立体交差することにより絶縁層を挟んで３層状態に形成されたりするので、接合部材よりも突出することになる。従って、高さに関する干渉を回避するため電気配線の上部にくるカバー部の主面に凹部を形成する加工を行う必要がある。つまり、電気配線領域は、センサ部を形成したウエハとカバー部との接合には、何ら寄与することができない。そこで、十分な強度を有する接合を行うには、電気配線領域の外側に、接合領域を広くとる必要があり、物理量センサの外形が大きくなってしまう。

本発明は、上記課題を解消するものであって、中心部のセンサ部と外周部の電気配線を内側に含めてさらに外周で封止する構造において小型化を図ることが可能な物理量センサを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、測定する物理量に応じて電気信号を出力するセンサ部が形成されたセンサウエハと、前記センサ部を覆うように配置されると共に当該センサ部の周囲で前記センサウエハに接合されたカバーウエハと、を備えた物理量センサにおいて、前記センサウエハの表面には、前記センサ部の電気信号の入出力を行う第１の導電性材料から成る第１の配線と、前記第１の配線の厚みよりも深い溝状に形成した凹部と、前記第１の配線と電気的に導通された第２の導電性材料から成る第２の配線と、前記第２の導電性材料によって前記センサ部を囲むように形成された当該センサウエハを前記カバーウエハに接合するための接合部材と、が備えられ、前記カバーウエハには、外部との電気的導通をとるための貫通電極と前記センサウエハの接合部材に接合される接合部材と、が備えられ、前記第１の配線は、前記センサウエハの接合部材の近傍で前記凹部内に形成され、前記凹部は、前記第１の配線の上に、又は、当該第１の配線を覆うように設けた非導電性の保護膜の上に、充填材料を配置して埋め戻され、前記第２の配線は、前記センサウエハの表面及び前記埋め戻された凹部の上に形成されて前記カバーウエハ及びセンサウエハの接合部材の内側で前記貫通電極に接続されて外部に導通されているものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の物理量センサにおいて、前記充填材料が金属材料のものである。

請求項１の発明によれば、センサ部からの電気信号を凹部に設けた第１の配線を用いて接合部材近傍部に導くと共に凹部を埋め戻し、また、第１の配線に接続される第２の配線と同じ材料によってセンサウエハの接合部材を形成するので、例えば、接合部材を成膜技術によって形成する際に、前記埋め戻した凹部の上に第２の配線を同時に形成することにより、第２の配線の高さを接合部材の高さと同じにすることができる。これにより、電気配線が接合部材よりも突出するという不具合がなくなり、カバー部を接合する領域と電気配線領域とを互いに入り組んだ状態で配置でき、従って、物理量センサの外周形を小さくできる。また、第１の配線を凹部内に形成しているので、物理量センサの高さ外形も小さくできる。また、第２の配線をカバーウエハとの接合に用いることにより、センサウエハとカバーウエハ間のより強固な接合強度が得られるので、接合専用に設けた接合部材の領域を縮小することができ、物理量センサの外周形をさらに小さくして小型化を図ることができる。

請求項２の発明によれば、凹部を埋め戻す充填材料が金属材料であることにより、充填材料が絶縁材料の場合に比べて、第１の配線と第２の配線の電気的導通を取るためコンタクトホール加工を施すといった工程が不要となり、低コストで物理量センサの小型化を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る物理量センサについて、図面を参照して説明する。図１（ａ）（ｂ）は本発明の一実施形態に係る物理量センサ１の概要を示し、図１（ｃ）は物理量センサ１の要部詳細を示し、図２、図３は物理量センサ１の構成部品を示す。以下において、物理量の例として加速度を取り上げ、加速度センサを前提として物理量センサ１を説明する。

物理量センサ１は、測定する物理量に応じて電気信号を出力するセンサ部２が形成されたセンサウエハ３と、センサ部２の上面を覆うように配置されると共にセンサ部２の周囲でセンサウエハ３の表面に接合されたカバーウエハ４と、センサ部２の下面を覆うように配置されてセンサ部２の周囲でセンサウエハ３の裏面に接合された下部カバー５と、を備えている。センサウエハ３は、概略、中央部のセンサ部２と、センサ部２を囲む枠体３０と、から成る。センサ部２は、センサウエハ３を挟むように上下に配置した、カバーウエハ４及び下部カバー５と、センサウエハ３の枠体３０とによって囲まれた構造により、真空又は低圧に封止した状態にある。

センサ部２は、加速度に対する慣性力を検出するための重錘体２０と、重錘体２０から４方向に延びて枠体３０に至り、枠体３０側から重錘体２０を支えるビーム２１と、ビーム２１の根本近傍に形成されてビームの変形量を電気的に検出する、例えばピエゾ素子で形成された、歪ゲージ（図５参照）と、を備えて構成されている。これらの重錘体２０、ビーム２１、枠体３０は、例えば、シリコン半導体ウエハを素材として、これを半導体微細加工技術によって一体化状態で加工して構成されている（後述、図９）。歪ゲージからの電気信号は、後述する電気配線によって中央部から周辺部に引き出されて、物理量センサ１の外表面に設けた電極４４に取り出される。

重錘体２０は、重錘体２０に発生する慣性力の大きさがビーム２１の変形に感度よく反映されるように、中央部から離れたところに重心を有する４つの質量部分からなる（図３参照）。なお、３次元空間の任意の方向の加速度を測定できるように、つまり、重錘体２０が、ねじれ、回転、平行移動などの必要十分な動きができるように、各重錘体２０と各ビーム２１とが干渉するのを防止する目的で、ビーム２１の位置より一段下がったところに、重錘体２０が形成されている。また、カバーウエハ４の下面と下部カバー５の上面には、それぞれ凹部が形成されている。これらの凹部は、重錘体２０の上下方向の可動空間を形成すると共に、その凹部の底面は、重錘体２０の過度の移動を防止するストッパを構成する。

ここで、物理量センサ１の各部の寸法について説明する。物理量センサ１の外形寸法は、例えば、縦及び横寸法が２．０〜５．０ｍｍ、厚みが０．６ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。また、重錘体２０の厚み寸法は、例えば、３００〜５００μｍである。ビーム２１の寸法は、例えば、長さが３００〜７００μｍ程度、幅が６０〜１５０μｍ程度、厚みが４〜１０μｍ程度である。なお、ビーム２１の厚みは、重錘体２０の厚みに対し十分小さい値とされる。

次に、図１（ｃ）を参照して、物理量センサ１の電気配線について説明する。センサウエハ３の上部表面には、センサ部２の電気信号の入出力を行う第１の導電性材料から成る第１の配線１１と、第１の配線１１と電気的に導通された第２の導電性材料から成る第２の配線１２と、第２の導電性材料によってセンサ部２を囲むように形成されたセンサウエハ３をカバーウエハ４に接合するための接合部材１３と、が備えられている。接合部材１３は、センサウエハ３の最外周部に一周して設けられている。センサウエハ３の上表面に形成されたこれらの第２の配線１２と接合部材１３は、同時に形成された導電性膜をパターニングして形成されたものであり、従って、同一膜厚に成っている。

また、カバーウエハ４には、上部表面に設けた電極４４との電気的導通をとるための貫通電極４１と、貫通電極４１に配線を引き回す配線パターン４２と、センサウエハ３の接合部材１３に接合される接合部材４３と、が備えられている。接合部材４３は、センサウエハ３の最外周部に一周して設けられている。カバーウエハ４の下部表面に形成されたこれらの配線パターン４２と接合部材４３は、同時に形成された導電性膜からパターン形成されたものであり、従って、同一膜厚に成っている。

そして、センサウエハ３の上部表面には、第１の配線１１の厚みよりも深い溝からなる凹部６が形成され、第１の配線１１は、少なくともセンサウエハ３の接合部材１３の近傍で凹部６内に形成され、第２の配線１２はカバーウエハ４及びセンサウエハ３の接合部材１３，４３の内側で貫通電極４１に接続されて外部に導通され、凹部６は、少なくともセンサウエハ３の接合部材１３の近傍で第１の配線１１の上に、又は、第１の配線１１を覆うように設けた非導電性の保護膜１４の上に、充填材料１５を配置して埋め戻されている。つまり、第２の配線１２は、センサウエハ３の上部表面及び埋め戻された凹部６の上に形成されている。

上述の第１の配線１１は、例えば、アルミニウムの薄膜からなる配線である。また、第２の配線１２は、金の薄膜から成る配線である。従って、センサウエハ３の接合部材１３は、金の薄膜から成る。この場合、第１の導電性材料がアルミニウムであり、第２の導電性材料が金である。また、カバーウエハ４に設けられた接合部材４３は、例えば、接合部材１３と同様に金の薄膜で形成される。このように、互いに接合される接合部材１３，４３が金で形成されている場合、センサウエハ３とカバーウエハ４とは、その接合部材１３，４３の表面を、プラズマ照射によって活性化した後、互いの表面を接して圧接することにより、他の接合材を介在させることなく、互いに直接接合される。

また、センサ部２を一周して取り囲む各接合部材１３，４３の内部において、第２の配線１２と配線パターン４２とが、接合部材１３，４３と同時に接合される。これらの配線による接合は、接合部材１３，４３による接合を強化するので、機械的強度に対する信頼性や、内部封止の信頼性が向上する利点がある。なお、下部カバー５をシリコンウエハやガラスで形成することにより、センサウエハ３の下面とこれらの下部カバー５との接合は、陽極接合で行うことができる。

上述の配線構造を有する物理量センサ１は、センサ部２からの電気信号を凹部６に設けた第１の配線１１を用いて接合部材１３近傍部に導くと共に凹部６を埋め戻し、また、第１の配線１１に接続される第２の配線１２と同じ材料によってセンサウエハ３の接合部材１３を形成するので、上述のように、接合部材１３を成膜技術によって形成する際に、埋め戻した凹部６の上に第２の配線１２を同時に形成することにより、第２の配線１２の高さを接合部材１３の高さと同じにすることができる。

従って、従来の問題点である、「電気配線の高さが接合部材１３より高いので、センサウエハ３の接合部材１３にカバーウエハ４の接合部材４３を当接できない」という干渉不具合が解消される。そこで、電気配線の高さを回避するためにカバーウエハ４に凹部を設ける必要がなくなり、カバーウエハ４を接合する領域と、電気配線領域とを互いに入り組んだ状態で配置できる。従って、物理量センサ１の外周形を小さくできる。

また、第１の配線１１を凹部６内に形成しているので、物理量センサ１の高さ外形も小さくできる。また、第２の配線１２をカバーウエハ４との接合に用いることにより、センサウエハ３とカバーウエハ４間のより強固な接合強度が得られるので、接合専用に設けた接合部材１３，４３の領域を縮小することができ、物理量センサ１の外周形をさらに小さくして小型化が図られる。

なお、凹部６を埋め戻す充填材料１５を金属材料とすることにより、第１の配線１１と第２の配線１２の電気的導通を充填材料１５によって取ることができるので、絶縁材料で充填する場合にビアホールを形成するなどという工程が、不要となり、低コストで物理量センサ１の小型化が図られる。ところで、凹部６を埋め戻した充填材料１５の表面には、第２の配線１２が形成され、その第２の配線１２が接合部材として用いられるので、充填材料１５の表面が平滑でないと、第２の配線１２の表面も平滑ではなくなり、接合強度が弱くなってしまう。この点、導体粉入りの導電性樹脂などのように仕上げ表面が粗くなる材料と異なり、金属材料は、表面を平滑に仕上げることができるので、充填材料１５として好的である。

次に、物理量センサ１の加速度センサとしての動作原理を説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は重錘体の動作を示し、図５はセンサ部２と接合部材を示すセンサウエハ３の上面を示し、図６（ａ）は電気信号検出に用いられるブリッジ回路を示し、図６（ｂ）は各歪ゲージの加速度に対する正負の応答を示す。物理量センサ１が、図４（ａ）に示すように、ビーム２１と平行な矢印ｕの方向の加速度を受けると、枠体３０が矢印ｕ方向に動き、重錘体２０は、（取り残されて）矢印ｖの方向の慣性力を受ける。そこで、左側のビーム２１には圧縮応力（例えば、＋符号で表示）が発生し、右側のビーム２１には引っ張り応力（例えば、−符号で表示）が発生する。

また、物理量センサ１が、図４（ｂ）に示すように、ビーム２１と平行ではない矢印ｕの方向の加速度を受けると、重錘体２０は、上下方向に傾いた矢印ｖの方向の慣性力を受ける。そして、左右のビーム２１には、図４（ｃ）に示すように、それぞれ圧縮応力と引っ張り応力とが発生する。そこで、各ビーム２１の両端近傍に歪ゲージを設けて、圧縮応力と引っ張り応力の発生具合を計測すると、重錘体２０に作用する慣性力、従って、物理量センサ１が受ける加速度を計測することができる。歪ゲージは、例えば、歪を受けることによって、抵抗が変化する抵抗体で構成される。

センサウエハ３のビーム２１には、図５に示すように、Ｘ方向に長い抵抗体から成るＸ方向の加速度計測用の歪ゲージＸ１〜Ｘ４と、Ｙ方向に長い抵抗体から成るＹ方向の加速度計測用の歪ゲージＹ１〜Ｙ４とが、応力集中部となるビーム２１のセンサ中央側の端部に配置されている。また、Ｙ方向に長い抵抗体から成るＺ方向の加速度計測用の歪ゲージＺ１〜Ｚ４が他の応力集中部となるビーム２１の周辺側の端部に配置されている。

上述の各歪ゲージは、それぞれ長手方向の両端に接続された電気配線（不図示）によって、センサウエハ３の外周部に配置された電極Ｘａ，Ｘｂ，Ｙａ，Ｙｂ，Ｚａ，Ｚｂ，Ｅ１，Ｅ２に、図６（ａ）に示すブリッジ回路を形成するように、接続される。このようにブリッジ回路を形成すれば、例えば、Ｘ軸に加速度が印加されたときにブリッジ回路の抵抗値バランスが崩れるので、電源電極Ｅ１とグランド電極Ｅ２間に一定電圧が加わっているとき、電極Ｘａ，Ｘｂ間の電位差が加速度の大きさに応じて変化し、加速度を電圧として検出することができる。同様にして、各ＸＹＺ軸の加速度に対する応力の変化は、図６（ｂ）に示すようになるので、この物理量センサ１は、各ＸＹＺ軸について独立、かつ同時に加速度を検出できる。

ここで、図５に加えて、前出の図１（ａ）〜（ｃ）を参照して、再度、電気配線について説明する。図５において、センサウエハ３の周辺部ハッチング領域Ｓは、外周部が、カバーウエハ４との封止接合のための封止領域であり、内周部が、各電極Ｘａ等に電気配線を引き回すための配線領域である。この配線領域は、上述した「接合部材の近傍」である。従って、この配線領域においては、上述の凹部６と、第１の電気配線１１や第２の電気配線１２を用いて電気配線がなされる。凹部６では、必要に応じて、非導電性の保護膜１４を用いることにより、配線同士の立体交差も行われる。また、電極Ｘａ等は、カバーウエハ４に設けた配線パターン４２と貫通電極４１とを介して、外部表面に設けた電極４４に接続される。

次に、物理量センサ１の製造工程を説明する。図７は物理量センサ１の製造工程の概略フローを示し、図８（ａ）〜（ｇ）、図９（ａ）〜（ｄ）は製造工程の主要段階を物理量センサ１の断面によって時系列的に示す。まず、図８（ａ）（ｂ）に示すように、センサウエハ３となるＳＯＩウエハを準備し、その表面に配線用の凹部６を形成する（Ｓ１）。ＳＯＩウエハは、シリコンウエハ３１の上に、シリコン酸化膜３２、シリコン層３３、シリコン酸化膜３４を、この順に積層したウエハである。凹部６は、センサウエハ３の外周部において、シリコン酸化膜３４を貫通し、シリコン層３３の一部に達する深さに形成される。凹部６の形成は、例えば、ＴＭＡＨエッチングを用いて行う。凹部６の深さは、例えば、１μｍ〜５μｍ程度である。

次に、上述の凹部６を形成したセンサウエハ３におけるビーム２１形成領域に、歪ゲージ、及び歪ゲージから凹部６に至る拡散配線を不純物拡散配線形成技術により形成する（Ｓ２）。その後、凹部６の表面よりも内部に形成されている拡散配線に、後述の第１の配線１１を接続するためのコンタクトホールを形成する（Ｓ３）。次に、図８（ｃ）に示すように、凹部６とコンタクトホール（不図示）に、例えば、アルミニウムを用いて、第１の配線１１を形成する。

さらに、図８（ｄ）に示すように、第１の配線１１の上に、例えば、シリコンガラス膜による保護膜１４を形成する（Ｓ５）。次に、図８（ｅ）に示すように、第１の配線１１の上部の保護膜１４の一部をエッチングによって除去し、部分的に第１の配線を露出する（Ｓ６）。

次に、図８（ｆ）に示すように、凹部６の第１の配線１１と保護膜１４の上に、例えば銅を用いて充填し（Ｓ７）、センサウエハ３の表面と均一に成るように、充填した銅の上面を研磨する（Ｓ８）。次に、図８（ｇ）及び図９（ａ）に示すように、センサウエハ３の表面に、例えば、金を用いて成膜し、パターニングして、第２の配線１２と接合部材１３とを形成する（Ｓ９）。

次に、図９（ｂ）に示すように、センサウエハ３のシリコンウエハ３１部分をエッチングして、重錘体２０とビーム２１から成るセンサ部の構造体、及びセンサウエハ３の枠体３０を形成する（Ｓ１０）。

次に、図９（ｃ）に示すように、センサウエハ３の下面に、別途形成した下部カバー５を接合する（Ｓ１１）。また、図９（ｃ）に示すように、下面に配線パターン４２と接合部材４３、上面に電極４４、及び上下に貫通して配線パターン４２と電極４４とを接続する貫通電極４１を備えたカバーウエハ４を別途形成する（Ｓ１２）。

次に、図９（ｄ）に示すように、接合部材１３，４３を接合することにより、センサウエハ３にカバーウエハ４を接合し、同時に、配線を接続して、加速度センサとなる物理量センサ１が完成する（Ｓ１３）。この接合は、真空雰囲気で行うことにより、重錘体２０等から成るセンサ部が真空空間に封止される。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、第１の導電性材料は、アルミニウムに限らず、金や銅を用いることができる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る物理量センサの上平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ部拡大図。同上物理量センサの分解斜視図。同上物理量センサの重錘体部分の斜視図。（ａ）（ｂ）は同上物理量センサの動作時の様子を示す模式的断面図、（ｃ）は（ｂ）の状態に対応する応力のビーム方向の分布図。同上物理量センサのセンサ部と接合部材を示すセンサウエハの上平面図。（ａ）は同上物理量センサの電気信号検出に用いられるブリッジ回路図、（ｂ）は同物理量センサの歪ゲージの加速度に対する応答関係図。同上物理量センサの製造工程の概略フロー図。（ａ）〜（ｇ）は同上物理量センサの製造工程の略前半部分を時系列的に示す断面図。（ａ）〜（ｄ）は同上物理量センサの製造工程の略後半部分を時系列的に示す断面図。

符号の説明

１物理量センサ
２センサ部
３センサウエハ
４カバーウエハ
６凹部
１１第１の配線
１２第２の配線
１３接合部材
１４保護膜
１５充填材料
４１貫通電極
４２配線パターン
４３接合部材

Claims

測定する物理量に応じて電気信号を出力するセンサ部が形成されたセンサウエハと、前記センサ部を覆うように配置されると共に当該センサ部の周囲で前記センサウエハに接合されたカバーウエハと、を備えた物理量センサにおいて、
前記センサウエハの表面には、前記センサ部の電気信号の入出力を行う第１の導電性材料から成る第１の配線と、前記第１の配線の厚みよりも深い溝状に形成した凹部と、前記第１の配線と電気的に導通された第２の導電性材料から成る第２の配線と、前記第２の導電性材料によって前記センサ部を囲むように形成された当該センサウエハを前記カバーウエハに接合するための接合部材と、が備えられ、
前記カバーウエハには、外部との電気的導通をとるための貫通電極と前記センサウエハの接合部材に接合される接合部材と、が備えられ、
前記第１の配線は、前記センサウエハの接合部材の近傍で前記凹部内に形成され、
前記凹部は、前記第１の配線の上に、又は、当該第１の配線を覆うように設けた非導電性の保護膜の上に、充填材料を配置して埋め戻され、
前記第２の配線は、前記センサウエハの表面及び前記埋め戻された凹部の上に形成されて前記カバーウエハ及びセンサウエハの接合部材の内側で前記貫通電極に接続されて外部に導通されていることを特徴とする物理量センサ。
前記充填材料が金属材料であることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。