JP2007263766A - Sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板で形成され厚み方向に変位可能な可動部を有するセンサチップをパッケージに収納したセンサ装置に関するものである。 The present invention relates to a sensor device in which a sensor chip formed of a semiconductor substrate and having a movable part that can be displaced in the thickness direction is housed in a package.
この種のセンサ装置には、図8、図9に示すように、センシング部として加速度センサを構成したセンサチップ101を備える構成がある。加速度センサは、半導体基板に形成され外部回路との接続部を有する支持部111と、支持部111に対して相対的に可動である質量体112と、可撓性を有し支持部111と質量体112とを繋ぐ撓み部113とを備えている。また、質量体112に作用する加速度(外力)を電気量に変換する技術としては、質量体112の変位に伴って撓み部113に生じる応力を検出するピエゾ抵抗からなる歪みゲージを設けて加速度の変化を電気抵抗の変化として検出する構成や、質量体112に設けた可動電極と支持部111に対して相対的に固定された固定電極とが対向するように配置して加速度の変化を静電容量の変化として検出する構成が知られている。
As shown in FIGS. 8 and 9, this type of sensor device has a configuration including a
支持部111としては、質量体112に並設する構成のもののほか、質量体112の周囲を全周に囲繞する構成が採用されている。また、質量体112から一方向に延出した撓み部113を用いて質量体112を支持部111に対して片持ち梁の形式で繋ぐ構造、質量体112から一直線上で二方向に延出した撓み部113を用いて質量体112を囲繞する支持部111と質量体112とを両持ち梁の形式で繋ぐ構造が主として採用されており、また、質量体112から四方に延出した撓み部113を用いて質量体112を囲繞する支持部111と質量体112とを4箇所で繋ぐ構造も知られている。支持部111と質量体112とを4箇所で繋ぐ構造では、平面視(支持部111が質量体112を囲繞する平面)において4回回転対称となるように撓み部113を配置したものが一般的である。
As the
センサチップ101と協働する回路部はセンサチップ101とは別の回路チップ104に集積回路として形成される。センサチップ101と回路チップ104とは厚み方向に積層され、ボンディンブワイヤ108を介して電気的に接続される。また、センサチップ101および回路チップ104は、電極形成基板105とカバー基板106とからなるパッケージに収納される。電極形成基板105には外部回路と接続するための端子となる電極151が形成され、回路チップ104と電極151とがボンディングワイヤ109により電気的に接続される(たとえば、特許文献1参照)。
ところで、特許文献1に記載された構成では、センサチップ101に設けた質量体112と撓み部113とが支持部111に対して変位する可動部になるから、衝撃力などによって撓み部113が破損しないように、質量体112の変位量を規制する必要がある。質量体112の一方側への変位はパッケージを構成する電極形成基板105により規制されているが、質量体112の他方側への変位はセンサチップ101に積層した回路チップ104により規制されている。
By the way, in the structure described in
回路チップ104をセンサチップ101に積層しない場合であっても、質量体112の変位量を規制するためにセンサチップ101にはストッパを積層することが必要であり、回路チップ104あるいはストッパの存在によりセンサ装置が嵩高になるという問題が生じる。また、特許文献1に記載された構成では、回路チップ104とセンサチップ101、回路チップ104と電極151との電気的接続にはボンディングワイヤ108,109を用いているものであるから、回路チップ104の上方に、ボンディングワイヤ108,109の曲げ代を確保するための空間が必要であり、このことによってもパッケージの厚み寸法が大きくなるという問題が生じる。
Even when the
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、可動部の変位量の規制するためのストッパを別途に設けることなくパッケージで可動部の移動を規制し、しかもボンディングワイヤを用いずにフリップチップ実装を行うことによって、従来構成に比較して低背化することが可能なセンサ装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and its purpose is to regulate the movement of the movable part with the package without providing a separate stopper for regulating the displacement amount of the movable part, and to bond the bonding wire. An object of the present invention is to provide a sensor device that can be reduced in height as compared with a conventional configuration by performing flip chip mounting without using it.
請求項1の発明は、半導体基板で形成され少なくとも厚み方向への変位が許容された可動部を有するセンシング部を備えたセンサチップと、センサチップを収納するパッケージとを備え、パッケージの内側面であってセンサチップの可動部と対向する一面にはセンサチップのフリップチップ実装に用いられるバンプが形成され、バンプの突出寸法は、パッケージの前記一面と可動部との距離が可動部に許容された変位量を規定するように設定されていることを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a sensor chip including a sensing part having a movable part that is formed of a semiconductor substrate and at least allowed to be displaced in the thickness direction, and a package that houses the sensor chip. A bump used for flip chip mounting of the sensor chip is formed on one surface facing the movable portion of the sensor chip, and the bump projecting dimension allows the distance between the one surface of the package and the movable portion to be allowed to the movable portion. It is set so as to define the amount of displacement.
この構成によれば、センサチップをフリップチップ実装しバンプの突出寸法によってセンシング部における可動部の変位量を規制するから、パッケージが可動部の移動を規制するストッパとして機能して別途のストッパを設ける必要がなくなる。つまり、別途のストッパを設けていた構成に比較するとストッパが不要になる分だけ低背化が可能になる。しかも、パッケージに対する電気的接続にあたり、ワイヤボンディングではなくバンプを用いたフリップチップ実装を行うから、このことによっても低背化が可能になる。 According to this configuration, since the sensor chip is flip-chip mounted and the displacement amount of the movable part in the sensing part is regulated by the bump protruding dimension, the package functions as a stopper that regulates the movement of the movable part and the separate stopper is provided. There is no need. That is, the height can be reduced by the amount that the stopper is not required as compared with the configuration in which a separate stopper is provided. Moreover, since flip chip mounting using bumps is used instead of wire bonding for electrical connection to the package, this also makes it possible to reduce the height.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記センサチップは、前記センシング部に加えてセンシング部と協働する回路部を備えることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the sensor chip includes a circuit unit that cooperates with the sensing unit in addition to the sensing unit.
この構成によれば、センサチップに回路部を形成していることによりセンシング部と回路部との間の配線が短くなり、ノイズの影響を受けにくくなるとともに、センシング部とは別の半導体基板に回路部を形成する場合に比較すると、パッケージの寸法を小さくすることが可能になる。つまり、実装面積の縮小あるいは低背化が可能になる。 According to this configuration, since the circuit portion is formed on the sensor chip, the wiring between the sensing portion and the circuit portion is shortened, and is less susceptible to noise. Compared with the case where the circuit portion is formed, the size of the package can be reduced. That is, the mounting area can be reduced or the height can be reduced.
請求項3の発明では、請求項1または請求項2の発明において、前記パッケージは、半導体基板からなり厚み方向に貫通する貫通孔配線が形成されるとともに貫通孔配線の一端に外部回路を接続する電極を有し他端に前記バンプが電気的に接続された電極形成基板と、電極形成基板に接合される半導体基板からなり電極形成基板との間にセンサチップを収納する収納空間を形成するカバー基板とからなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the package is formed of a semiconductor substrate and a through-hole wiring penetrating in the thickness direction is formed, and an external circuit is connected to one end of the through-hole wiring. A cover comprising an electrode forming substrate having an electrode and the bump electrically connected to the other end, and a semiconductor substrate bonded to the electrode forming substrate and forming a storage space for storing the sensor chip between the electrode forming substrate And a substrate.
この構成によれば、パッケージが電極形成基板とカバー基板との2枚の半導体基板により構成されるから、セラミック材料のパッケージを用いる場合に比較すると低温工程になり、センサチップが受ける熱応力の影響を軽減することができる。しかも、セラミック材料に比較してパッケージの精度が高く歩留まりを向上させることができるからコストの低減が可能である。 According to this configuration, since the package is composed of two semiconductor substrates, an electrode forming substrate and a cover substrate, the process becomes a low temperature process compared to the case of using a ceramic material package, and the influence of the thermal stress on the sensor chip Can be reduced. In addition, since the accuracy of the package is higher than that of the ceramic material and the yield can be improved, the cost can be reduced.
本発明の構成によれば、センサチップをパッケージに収納するにあたってセンサチップのフリップチップ実装を行い、バンプの突出寸法によってセンシング部における可動部の変位量を規制しているから、パッケージが可動部の移動を規制するストッパとして機能する。その結果、別途のストッパを設ける必要がなく、別途のストッパを設けていた構成に比較するとストッパが不要になる分だけ低背化が可能になるという利点を有する。また、パッケージに対する電気的接続にあたり、ワイヤボンディングではなくバンプを用いたフリップチップ実装を行うから、ボンディングワイヤの曲げ代に必要であった空間が不要になり、低背化が可能になるという利点を有する。 According to the configuration of the present invention, the sensor chip is flip-chip mounted when the sensor chip is housed in the package, and the displacement amount of the movable part in the sensing part is regulated by the protruding dimension of the bump. It functions as a stopper that restricts movement. As a result, there is no need to provide a separate stopper, and there is an advantage that the height can be reduced by the amount that the stopper is not required as compared with a configuration in which a separate stopper is provided. Also, since flip chip mounting using bumps is used for electrical connection to the package instead of wire bonding, the space required for the bending margin of the bonding wire is not required, and the height can be reduced. Have.
以下に説明する実施形態では、ピエゾ抵抗を用いた加速度センサをセンシング部に用いる例を示す。この加速度センサでは、支持部が質量体を囲繞するとともに、質量体から四方に延出させた可撓性を有する撓み部を介して支持部と質量体とを繋いである。各撓み部にはピエゾ抵抗体からなる歪みゲージが設けられており、質量体の変位に伴って撓み部に生じる応力が歪みゲージにより検出され、歪みゲージの抵抗変化を用いて加速度が検出される。また、各質量体から四方に延出している撓み部にそれぞれ歪みゲージが配置されることにより、4本の撓み部を含む平面内で互いに直交する方向の2軸と、これらの2軸に直交する方向の1軸との合計3軸における加速度を個別に検出することが可能になっている。ただし、本発明の技術思想は、センシング部が加速度センサを構成している場合に限らず、センシング部がパッケージ内に封止される構成であれば適用することが可能である。この種のセンシング部としては、加速度センサのほかにジャイロセンサなどもある。また、質量体の変位の検出はピエゾ抵抗に限らず、静電容量の変化として検出する構成を採用してもよい。また、撓み部は質量体から四方に延出する構成に限定されない。 In the embodiment described below, an example in which an acceleration sensor using a piezoresistor is used for a sensing unit is shown. In this acceleration sensor, the support portion surrounds the mass body, and the support portion and the mass body are connected via a flexible bending portion extending from the mass body in all directions. Each flexure is provided with a strain gauge made of a piezoresistor. The stress generated in the flexure as the mass body is displaced is detected by the strain gauge, and the acceleration is detected using the resistance change of the strain gauge. . In addition, by arranging strain gauges in the flexures that extend in four directions from each mass body, two axes in directions orthogonal to each other in a plane including the four flexures, and perpendicular to these two axes Thus, it is possible to individually detect the acceleration in a total of three axes including one axis in the direction to be performed. However, the technical idea of the present invention is not limited to the case where the sensing unit constitutes an acceleration sensor, but can be applied as long as the sensing unit is sealed in the package. As this type of sensing unit, there is a gyro sensor in addition to an acceleration sensor. Further, the detection of the displacement of the mass body is not limited to the piezoresistor, and a configuration for detecting the change of the capacitance may be adopted. Moreover, a bending part is not limited to the structure extended in all directions from a mass body.
(実施形態1)
本実施形態のセンサ装置は、図1に示すように、センシング部Dsを形成した半導体基板からなるセンサチップ1と、センサチップ1を収納したパッケージとを備える。パッケージは、外部回路を接続するパッド電極25を厚み方向の一表面(図1の下面)に備えセンサチップ1がフリップチップ実装により実装される半導体基板からなる電極形成基板2と、半導体基板により形成され電極形成基板2においてセンサチップ1を実装した一面に封着されセンサチップ1を電極形成基板2との間に収納するカバー基板3とを備える。センサチップ1の外周形状は矩形状(図示例では正方形)に形成される。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the sensor device of the present embodiment includes a
図2〜図5にセンサチップ1を示す(図4、図5は図1とは上下が逆になっている)。センサチップ1はSOIウェハを加工することにより形成される。ここで用いるSOIウェハは、図4、図5に示すように、シリコン基板からなる支持基板10aを有し、支持基板10aの厚み方向の一表面にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜としての絶縁層10bを介してn形のシリコン層からなる活性層10cが形成されている。さらに、センサチップ1において、活性層10cの表面には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が形成される。したがって、活性層10cは絶縁膜16により表面が覆われる。また、電極形成基板2とカバー基板3とは、それぞれ異なる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、センサチップ1の半導体基板としてSOIウェハを用い、電極形成基板2とカバー基板3との半導体基板としてはシリコンウェハを用いている。
2 to 5 show the sensor chip 1 (FIGS. 4 and 5 are upside down from FIG. 1). The
本実施形態における寸法例を例示すると、SOIウェハにおける支持基板10aの厚み寸法は300〜500μm、絶縁層10bの厚み寸法は0.3〜1.5μm、シリコン層10cの厚み寸法は4〜10μmとする。また、電極形成基板2を形成するシリコンウェハの厚み寸法は200〜300μm、カバー基板3を形成するシリコンウェハの厚み寸法は100〜300μmとする。もっとも、これらの数値は限定する趣旨ではなく目安を示す値である。また、SOIウェハの一表面であるシリコン層10cの表面は(100)面としてある。
When the dimension example in this embodiment is illustrated, the thickness dimension of the
センサチップ1は、図2に示すように、平面視において(厚み方向に直交する方向から見たときに)枠状(本実施形態では矩形枠状)の支持部11の中央部に質量体12を備える形状に形成されている。つまり、質量体12は支持部11に囲繞されている。また、本実施形態では平面視において支持部11の中心と質量体12の中心とはほぼ一致している。支持部11と質量体12とは質量体12から四方に延出する4本の撓み部13により繋がれている。
As shown in FIG. 2, the
各撓み部13は、短冊状に形成された可撓性を有している。各撓み部13は平面視において質量体12の中心を通り互いに直交する2本の直線の上に配置される。つまり、各2本の撓み部13がそれぞれ互いに直交する各直線上に配置される。この構成により、質量体12は支持部11に対して変位可能になる。支持部11は、図4,図5に示すように、SOIウェハの支持基板10aと絶縁層10bと活性層10cとの全体を用い、撓み部13はSOIウェハにおける支持基板10aと絶縁層10bとを除去し活性層10cのみを用いる。したがって、撓み部13は支持部11および質量体12に比較して十分に薄肉に形成される。
Each bending
質量体12は、4本の撓み部13を介して支持部11に結合されているコア部12aと、コア部12aに連続一体に連結された4個のリーフ部12bとを備える。平面視においては、質量体12は、5個の正方形のうちの1個の正方形を中心として他の正方形を周囲に4回回転対称となるように配列し、中心の正方形の各角部に他の各正方形の1つの角部をそれぞれ重複させた形状に形成される。本実施形態では、中心に配置した正方形に対応する部分がコア部12aに相当し、他の正方形のうちコア部12aと重複する部位を除いた部分がリーフ部12bに相当する。言い換えると、コア部12aは平面視において正方形状であり、リーフ部12bは正方形の一つの角部が切欠された形状になる。撓み部13は、コア部12aの各辺の中央部に一体に連続し、各撓み部13の幅方向(平面視において撓み部13の延長方向とは直交する方向)の両側にリーフ部12bが配置される。
The
各リーフ部12bは、平面視において互いに直交する2本の撓み部13と支持部11とに囲まれる空間に配置されており、各リーフ部12bと支持部11との間にはそれぞれセンサチップ1の厚み方向に貫通するスリット14が形成される。また、撓み部13と各リーフ部12bとは離間しており、撓み部13を挟んで配置された各一対のリーフ部12bの間隔は、各撓み部13の幅寸法よりも大きくなっている。質量体12においてコア部12aはSOIウェハの支持基板10aと絶縁層10bと活性層10cとの全体を用い、リーフ部12bは支持基板10aのみを用いる。
Each
なお、センサチップ1における支持部11と質量体12と撓み部13とは、半導体装置の製造技術として知られている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ることができる。
In addition, the
ところで、図示例は3軸の加速度センサであるから、加速度を検出する方向を定義しておく。センサチップ1の厚み方向に直交する方向をz軸方向とし、支持基板10aから活性層10cに向かう向きを正の向きとする。また、活性層10cの表面をxy平面とし、xy平面において質量体12の中心位置を原点とする。x軸方向およびy軸方向は、それぞれコア部12aから撓み部13が延出されている方向とし、右手系で正の向きを定義する。たとえば図2の右向きをx軸方向の正の向き、上向きをy軸方向の正の向きとする。したがって、質量体12は、コア部12aを挟んで配置されたx軸方向の2本の撓み部13と、コア部12aを挟んで配置されたy軸方向の2本の撓み部13とにより支持部11に繋がれていることになる。
By the way, since the illustrated example is a triaxial acceleration sensor, a direction in which acceleration is detected is defined. A direction orthogonal to the thickness direction of the
質量体12のコア部12aからx軸方向の正向き(図2においてコア部12aから右向き)に延出する撓み部13には、コア部12a側の一端部に2個1組のピエゾ抵抗Rx2,Rx4が形成され、支持部11側の一端部に1個のピエゾ抵抗Rz2が形成される。同様にして、コア部12aからx軸方向の負向き(図2においてコア部12aから左向き)に延出する撓み部13には、コア部12a側の一端部に2個1組のピエゾ抵抗Rx1,Rx3が形成され、支持部11側の一端部に1個のピエゾ抵抗Rz3が形成される。
A pair of piezoresistors Rx2 is provided at one end on the
質量体12のコア部12aからy軸方向の正向き(図2においてコア部12aから上向き)に延長された撓み部13には、コア部12a側の一端部に2個1組のピエゾ抵抗Ry1,Ry3が形成され、支持部11側の一端部に1個のピエゾ抵抗Rz1が形成される。同様にして、コア部12aからy軸方向の負向き(図2においてコア部12aから下向き)に延長された撓み部13には、コア部12a側の一端部に2個1組のピエゾ抵抗Ry2,Ry4が形成され、支持部11側の一端部に1個のピエゾ抵抗Rz4が形成される。
A pair of piezoresistors Ry1 at one end on the
x軸方向に延長された2本の撓み部13において、コア部12a側の一端部に形成された4個のピエゾ抵抗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、x軸方向の加速度が質量体12に作用したときに撓み部13に生じる応力が集中する領域に形成されている。ピエゾ抵抗Rx1,Rx2,Rx3,Rx4は、平面視においてx軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。これらのピエゾ抵抗Rx1,Rx2,Rx3,Rx4は、図6における左端のブリッジ回路Bxを構成するように接続される。
In the two
また、y軸方向に延長された2本の撓み部13において、コア部12a側の一端部に形成された4個のピエゾ抵抗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、y軸方向の加速度が質量体12に作用したときに撓み部13に生じる応力が集中する領域に形成されている。ピエゾ抵抗Ry1,Ry2,Ry3,Ry4は、平面視においてy軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。これらのピエゾ抵抗Ry1,Ry2,Ry3,Ry4は、図6における中央のブリッジ回路Byを構成するように接続される。
In the two
4本の撓み部13において、それぞれ支持部11側の一端部に形成された4個のピエゾ抵抗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ている。ピエゾ抵抗Rz1,Rz2,Rz3,Rz4は、いずれもy軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。すなわち、y軸方向に延長された2本の撓み部13に形成されたピエゾ抵抗Rz1,Rz4の長手方向は撓み部13の延長方向に一致し、x軸方向に延長された2本の撓み部13に形成されたピエゾ抵抗Rz2,Rz3の長手方向は撓み部13の延長方向に直交する。これらのピエゾ抵抗Rz1,Rz2,Rz3,Rz4は、図6における右端のブリッジ回路Bzを構成するように接続されている。
In the four
上述した各ピエゾ抵抗Rx1,Rx2,Rx3,Rx4、Ry1,Ry2,Ry3,Ry4、Rz1,Rz2,Rz3,Rz4の接続には、センサチップ1に形成されている拡散層配線や金属配線を用いる。
For the connection of each of the piezoresistors Rx1, Rx2, Rx3, Rx4, Ry1, Ry2, Ry3, Ry4, Rz1, Rz2, Rz3, Rz4, a diffusion layer wiring or a metal wiring formed on the
図6に示した回路構成では、3個のブリッジ回路Bx,By,Bzに電圧を印加する入力端子T1,T2を共通に接続し、各ブリッジ回路Bx,By,Bzには個別の出力端子X1,X2、Y1,Y2、Z1,Z2を設けている。本実施形態では、入力端子T1,T2に印加する電圧は直流電圧であって、入力端子T1に電圧VDDを印加し、入力端子T2を回路グランドGNDに接続する。したがって、質量体12の変位に伴って撓み部13に生じる応力が、ピエゾ抵抗Rx1,Rx2,Rx3,Rx4、Ry1,Ry2,Ry3,Ry4、Rz1,Rz2,Rz3,Rz4により電気量(抵抗値)に変換され、さらに、ブリッジBx,By,Bzにより電気量(電圧)に変換されて出力されるのである。
In the circuit configuration shown in FIG. 6, input terminals T1 and T2 for applying a voltage to the three bridge circuits Bx, By and Bz are connected in common, and each bridge circuit Bx, By and Bz has an individual output terminal X1. , X2, Y1, Y2, Z1, Z2 are provided. In the present embodiment, the voltage applied to the input terminals T1 and T2 is a DC voltage, the voltage VDD is applied to the input terminal T1, and the input terminal T2 is connected to the circuit ground GND. Therefore, the stress generated in the bending
以下にセンサチップ1の動作例を説明する。いま、センサチップ1に加速度が作用していない状態からセンサチップ1に対してx軸方向の正向きに加速度が作用したとすると、x軸方向の負向きに作用する質量体12の慣性力によって支持部11に対して質量体12が変位し、コア部12aからx軸方向に延長された2本の撓み部13が撓んで当該撓み部13に形成されているピエゾ抵抗Rx1,Rx2,Rx3,Rx4の抵抗値が変化する。このとき、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。一般に、ピエゾ抵抗は引張応力を受けると抵抗値(抵抗率)が増加し、圧縮応力を受けると抵抗値(抵抗率)が減少する。したがって、x軸方向の正向きに加速度が作用したときには、ピエゾ抵抗Rx1,Rx3の抵抗値が増加し、ピエゾ抵抗Rx2,Rx4の抵抗値が減少する。この動作によって、図6の左端のブリッジ回路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。
Hereinafter, an operation example of the
同様にして、y軸方向の加速度が作用すれば図6の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軸方向の加速度が作用すれば図6の右端のブリッジ回路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。 Similarly, if the acceleration in the y-axis direction acts, the potential difference between the output terminals Y1 and Y2 of the center bridge circuit By in FIG. 6 changes according to the magnitude of the acceleration in the y-axis direction, and the acceleration in the z-axis direction. As a result, the potential difference between the output terminals Z1 and Z2 of the rightmost bridge circuit Bz in FIG. 6 changes according to the magnitude of acceleration in the z-axis direction.
したがって、各ブリッジ回路Bx,By,Bzの出力電圧の変化をそれぞれ検出することにより、センサチップ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、質量体12と4本の撓み部13とピエゾ抵抗Rx1,Rx2,Rx3,Rx4、Ry1,Ry2,Ry3,Ry4、Rz1,Rz2,Rz3,Rz4とによりセンシング部Dsが構成される。
Therefore, by detecting the change in the output voltage of each bridge circuit Bx, By, Bz, the acceleration in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction acting on the
センサチップ1の一表面(図1の下面)には、電極19が形成される。電極19はセンサチップ1に形成された金属配線の一部であり、センサチップ1を外部回路と接続するための接続部として機能する。なお、拡散層配線の図示は省略してある。電極19を含む金属配線は活性層10cの表面を覆う絶縁膜16の上に形成される。
An
センサチップ1において、ピエゾ抵抗Rx1,Rx2,Rx3,Rx4、Ry1,Ry2,Ry3,Ry4、Rz1,Rz2,Rz3,Rz4および拡散層配線は、活性層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る。また、電極19を除いた金属配線は、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(たとえば、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。
In the
電極19は、接合用のAu膜を表面に備え、Au膜と絶縁膜16との間には密着性改善用のTi膜を介在させてある。つまり、電極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形成されている。
The
なお、電極19は、Ti膜の膜厚を15〜50nm、Au膜の膜厚を500nmに設定してあり、電極19を除く金属配線の膜厚は1μmに設定してある。ただし、これらの数値は一例であって限定する趣旨ではない。
In the
本実施形態は3軸の加速度センサであるから、センシング部Dsと協働する回路部Dcを設けている。回路部Dcとしては、ブリッジ回路Bx,By,Bzの入力端子T1,T2に電圧を印加する電源回路、ブリッジ回路Bx,By,Bzの出力端子X1,X2、Y2,Y2、Z1,Z2に接続されブリッジ回路Bx,By,Bzの出力電圧を増幅する増幅回路などが必要であり、回路部Dcは集積回路として形成される。本実施形態では、回路部Dcはセンサチップ1の周部にセンシング部Dsを囲繞する形で形成してある。すなわち、回路部Dcは支持部11の一表面(図1の下面)に集積回路として形成される。したがって、上述した電極19は図2のように回路部Dcの周囲に配列される。
Since the present embodiment is a triaxial acceleration sensor, a circuit unit Dc that cooperates with the sensing unit Ds is provided. As the circuit unit Dc, a power supply circuit that applies a voltage to the input terminals T1 and T2 of the bridge circuits Bx, By, and Bz, and an output terminal X1, X2, Y2, Y2, Z1, and Z2 of the bridge circuits Bx, By, and Bz are connected. An amplifier circuit that amplifies the output voltage of the bridge circuits Bx, By, Bz is required, and the circuit portion Dc is formed as an integrated circuit. In the present embodiment, the circuit portion Dc is formed in a shape surrounding the sensing portion Ds on the peripheral portion of the
ところで、電極形成基板2は、図1に示すように、センサチップ1との対向面(図1における上面)に、センサチップ1に設けた各電極19と接合される複数個のバンプ21が突設されている。また、電極形成基板2において各バンプ21に対応する部位には厚み方向の表裏に貫通する複数個の貫通孔22が形成される。電極形成基板2の厚み方向の両面および貫通孔22の内周面には熱酸化により形成したシリコン酸化膜である絶縁膜23が連続して形成される。また、貫通孔22には電極形成基板2の厚み方向の表裏に貫通する貫通孔配線24が形成される。したがって、貫通孔配線24と貫通孔22の内周面との間に絶縁膜23の一部が介在する。電極形成基板2に設けられる複数の貫通孔配線24は互いに離間して配置される。バンプ21の材料にはAuを用いる。また、貫通孔配線24の材料としてはCuを採用するのが望ましいが、Cuに限らず、たとえば、Niなどを採用してもよい。
By the way, as shown in FIG. 1, the
このように、センサチップ1を電極形成基板2に対してバンプ21を用いてフリップチップ実装することにより、センサチップ1と電極形成基板2との間にはバンプ21の突出寸法に相当する間隙が生じる。したがって、この間隙が所望寸法になるようにバンプ21の突出寸法を設定することにより、センサチップ1の厚み方向における質量体12および撓み部13の変位空間を確保する(質量体12の変位量を規制する)ことができる。要するに、センサチップ1において質量体12と撓み部13とからなる可動部の変位を許容する空間を上記間隙によって確保し、かつ衝撃力などが作用した場合の質量体の12の変位量を規制するストッパとして電極形成基板2を用いることができる。
As described above, the
電極形成基板2の厚み方向の各面のうちセンサチップ1の対向面とは反対側の表面(図1の下面)には、外部回路との接続用電極となる半田リフロー用のパッド電極25が形成されている。各パッド電極25は、各貫通孔配線24の他端部にそれぞれ電気的に接続される。各パッド電極25は、外周形状が矩形状(たとえば、正方形状)であり、電極形成基板2の表面に略等間隔で離間して配置されている。各パッド電極25の大きさ、および隣り合うパッド電極25の間の距離は、それぞれ半田リフローに適した大きさを下回らないように設計してある。
A solder
各パッド電極25は、厚み方向に積層されたTi膜とCu膜とNi膜とAu膜との積層膜により構成されており、最上層がAu膜となっている。各パッド電極25は、厚み方向に積層された少なくとも二層の金属膜により構成され、かつ最上層の金属膜がAuにより形成されるとともに最上層直下の金属膜がNiにより形成されていれば、最上層の金属膜がAuで形成されていることにより酸化を防止することができ、また、最上層直下の金属膜がNiで形成されていることにより、Cuにより形成されている場合に比べて半田に溶食されにくくなり、膜厚を薄くすることが可能になる。また、各パッド電極25の厚み方向の最下層の金属膜がTiにより形成されていることにより、各パッド電極25と絶縁膜23との密着性を高めることができる。
Each
カバー基板3は、電極形成基板2においてセンサチップ1が実装される面と同じ面に封着される。カバー基板3には、電極形成基板2との間にセンサチップ1を収納する収納空間を形成するために、電極形成基板2との対向面に収納凹所31が形成されている。電極形成基板2とカバー基板3とは平面視における外形寸法が等しく、カバー基板3は全周に亘って電極形成基板2と気密的に接合される。ここに、カバー基板3において電極形成基板2と接合される部位にはシリコン酸化膜である接合膜32が形成されている。
The
また、カバー基板3を電極形成基板2に接合した状態で、カバー基板3に形成された収納凹所31の内底面とセンサチップ1に設けた質量体12との間に、質量体12の変位を許容する間隙が形成されるように、収納凹所31の深さ寸法を設定してある。ここに、収納凹所31の内底面と質量体12との間の隙間を確保するために、質量体12の厚み寸法を調節してもよい。質量体12とカバー基板3との間の間隙の寸法は、たとえば、5〜10μmに設定される。この間隙の寸法を越える変位を生じさせる加速度が質量体12に作用するときには質量体12がカバー基板3に当接するから、カバー基板3は図1の上方への質量体12の変位量を規制するストッパとして機能する。
Further, the
上述した加速度センサを製造するにあたっては、多数個のセンサチップ1を形成したSOIウェハを切断分離して個別のセンサチップ1を形成し、電極形成基板2を形成するシリコンウェハに貫通孔配線24およびバンプ21を形成し、シリコンウェハにおいて各電極形成基板2に相当する部位に、各センサチップ1をフリップチップ実装する。センサチップ1の電極19とバンプ21との接合面はAu−Au接合であるから、常温バンプ接合で接合する。
In manufacturing the above-described acceleration sensor, the SOI wafer on which a large number of
次に、多数個のセンサチップ1をフリップチップ実装したシリコンウェハと、多数個のカバー基板3を形成したシリコンウェハとをウェハレベルで互いに接合し、ダイシング工程により個別に切断分離する。ウェハレベルでの接合時には、電極形成基板2に形成された絶縁膜23とカバー基板3に形成された接合膜32とを互いに接合する。このような製造工程を採用することにより、電極形成基板2とセンサチップ1とがボンディングワイヤを用いることなく接続され、しかもセンサチップ1に設けた可動部の変位量を規制するために別途にストッパを設ける必要がないから、ボンディングワイヤを用いたりストッパを用いたりする構成と比較すると、電極形成基板2とカバー基板3とにより構成されるパッケージの高さ寸法(センサチップ1の厚み方向における寸法)を小さくすることが可能になる。
Next, a silicon wafer on which a large number of
ところで、電極形成基板2とカバー基板3との接合方法としては、接合後におけるセンサチップ1の残留応力を少なくすることが望ましい。したがって、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い。そこで、本実施形態では、シリコン酸化膜対シリコン酸化膜の常温接合法を採用している。
By the way, as a joining method of the
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もしくはイオンビームもしくは原子ビームを真空中で照射することにより、各接合面の清浄化および活性化を行い、次に接合面同士を接触させ、常温下で適宜の荷重を印加する。このとき、絶縁膜23とと接合膜32とが接合されることにより、常温下で電極形成基板2とカバー基板3との周部同士が接合される。
In the room temperature bonding method, each bonding surface is cleaned and activated by irradiating the bonding surfaces with argon plasma, ion beam or atomic beam in vacuum before bonding, and then the bonding surfaces are brought into contact with each other. And apply an appropriate load at room temperature. At this time, the insulating
本実施形態では、センサチップ1と電極形成基板2とカバー基板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、センサチップ1と電極形成基板2とカバー基板3との線膨張率差に起因した応力(センサチップ1における残留応力)がブリッジ回路Bx,By,Bzの出力に与える影響を低減できる。つまり、電極形成基板2とカバー基板3とがセンサチップ1とは異なる材料により形成されている場合に比較すると、製品毎のセンサ特性のばらつきを低減することができる。
In the present embodiment, since the
なお、上述した構成例では、センサチップ1の形成にSOIウェハを用いているが、この構成は必須ではなく、SOIウェハに代えて、たとえばシリコンウェハを採用してもよい。上述した加速度センサでは、電極形成基板2においてセンサチップ1との対向面とは反対側の表面にパッド電極25が形成されているので、インターポーザを用いることなく半田リフローにより実装基板に実装することが可能である。
In the configuration example described above, an SOI wafer is used to form the
(実施形態2)
実施形態1では、センサチップ1にセンシング部Dsとともに回路部Dcを形成する例を示したが、本実施形態では、図7に示すように、センサチップ1にはセンシング部Dsのみを形成し、回路部Dcをセンサチップ1とは別に設けた回路チップ4に形成した例を示す。回路チップ4はセンサチップ1とともに、電極形成基板2とカバー基板3とで形成されたパッケージに収納される。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the example in which the circuit portion Dc is formed together with the sensing portion Ds on the
回路チップ4は、実施形態1においてセンサチップ1に形成した電極19と同様の構成である電極41を有している。電極形成基板2においてセンサチップ1を実装する面には接続用金属層26からなる接続パターンが形成され、センサチップ1と回路チップ4とは接続パターンを介して電気的に接続される。接続パターンにおいてセンサチップ1を実装する部位にはバンプ21が形成され、実施形態1と同様に、バンプ21の突出寸法によってセンサチップ1における可動部の変位量を確保および規制がなされる。
The
一方、貫通孔配線24は回路チップ4を実装する部位に形成されている。回路チップ4の実装にはバンプを用いることが可能であるが、センサチップ1を実装する部位以外にバンプを形成するのは手間がかかる。そこで、電極形成基板2において回路チップ4を実装する部位では、各電極41に対応する部位に接続用金属層26が形成してあり、接続用金属層26と電極41とを金属対金属の常温接合により接合する。
On the other hand, the through-
つまり、接合前に接続用金属層26と電極41とにアルゴンのプラズマもしくはイオンビームもしくは原子ビームを真空中で照射することにより、各接合面の清浄化および活性化を行った後に、接続用金属層26と電極41とを接触させ、センサチップ1と電極形成基板2との間に常温下で適宜の荷重を印加する。このとき、接続用金属層26と電極41とが接合され、常温下で接続用金属層26と電極41とを接合することができる。つまり、回路チップ4の電極は接続用金属層26を介してセンサチップ1およびパッド電極25に接続される。
That is, after the bonding surfaces are cleaned and activated by irradiating the
本実施形態では、実施形態1に比較すると実装面積が大きくなるが、回路チップ4をセンサチップ1とは分離しているから、センサチップ1と回路チップ4との組み合わせによって複数の仕様のセンサ装置を構成することが可能になる。他の構成および動作は実施形態1と同様である。
In the present embodiment, the mounting area is larger than that in the first embodiment, but the
1 センサチップ
2 電極形成基板
3 カバー基板
12 質量体(可動部)
13 撓み部(可動部)
19 電極
21 バンプ
24 貫通孔配線
25 パッド電極(電極)
31 収納凹所
Dc 回路部
Ds センシング部
DESCRIPTION OF
13 Deflection part (movable part)
19
31 Storage recess Dc Circuit part Ds Sensing part
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Cited By (5)
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-
2006
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A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070827 |