JP2007266319A - Method of manufacturing sensor package - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センシング部を備えるセンサ基板とセンサ基板に電気的に接続される貫通孔配線を備える電極形成基板とを接合したセンサパッケージの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a sensor package manufacturing method in which a sensor substrate having a sensing portion and an electrode forming substrate having a through-hole wiring electrically connected to the sensor substrate are joined.
従来から、SAW装置のような電子装置を複数形成した基板ウェハと、電子装置に電気的に接続される貫通孔配線(導電性経路)を形成したカバーウェハとをウェハレベルで接合した後に、切断分離することにより、個々のパッケージを形成する技術が半導体装置の製造技術として知られている(たとえば、特許文献1参照)。また、特許文献1には、基板ウェハとカバーウェハとの接合後に、プローブを用いてウェハレベルで電子装置を電気的にテストすることが記載されている。
特許文献1に記載された技術では、SAW装置のような単体の電子装置についてウェハレベルで電気的にテストしているものであり、この種の電子装置は、他の回路部と組み合わせて初めて回路として動作するものであるから、電子装置を単体で電気的にテストしても回路部を構成したときの電気的特性については、あらためて検査しなおさなければならなず、検査過程が二度手間になっている。
In the technique described in
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、センサパッケージの製造工程においてセンシング部と回路部とを同時に検査することを可能として検査工程の省力化を図ったセンサパッケージの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described reasons, and the object of the present invention is to provide a sensor package that can simultaneously inspect the sensing portion and the circuit portion in the manufacturing process of the sensor package so as to save labor in the inspection step. It is to provide a manufacturing method.
請求項1の発明は、センシング部および集積回路からなりセンシング部と協働する回路部を有するセンサ基板をセンサウェハに形成する工程と、センサ基板に設けた端子と電気的に接続される貫通孔配線を有した電極形成基板をパッケージウェハに形成する工程と、センサウェハとパッケージウェハとを接合するとともにセンサ基板に設けた端子と貫通孔配線とを電気的に接続する工程と、接合後にセンシング部と回路部との電気的特性を検査する工程と、検査後にセンサ基板および電極形成基板の積層体を個別に切断分離する工程とを含む方法である。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a step of forming on a sensor wafer a sensor substrate comprising a sensing portion and an integrated circuit and having a circuit portion cooperating with the sensing portion, and a through-hole wiring electrically connected to a terminal provided on the sensor substrate Forming a substrate having an electrode forming substrate on the package wafer, bonding the sensor wafer and the package wafer and electrically connecting the terminals provided on the sensor substrate and the through-hole wiring, and the sensing unit and the circuit after bonding The method includes a step of inspecting electrical characteristics with the part, and a step of individually cutting and separating the laminate of the sensor substrate and the electrode forming substrate after the inspection.
この方法によれば、センサ基板に形成したセンシング部と回路部との電気的特性をウェハレベルで検査するから、個別に分離した後に電気的特性を検査する場合に比較して、位置合わせなどの手間が少なく、検査に要する作業時間を短縮することができる。しかも、センサ基板にはセンシング部と回路部とを形成しているから、センサパッケージの製造過程において、センシング部と回路部とを同時に検査することができ、検査工程を省力化することが可能になる。 According to this method, since the electrical characteristics of the sensing unit and the circuit unit formed on the sensor substrate are inspected at the wafer level, compared with the case where the electrical characteristics are inspected after being individually separated, alignment and the like are performed. There is little time and work time required for inspection can be shortened. In addition, since the sensing part and the circuit part are formed on the sensor board, the sensing part and the circuit part can be inspected at the same time in the manufacturing process of the sensor package, thereby making it possible to save labor in the inspection process. Become.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記センサウェハに前記パッケージウェハを接合する前に前記センシング部と前記回路部との電気的特性を検査する工程が付加されていることを特徴とする。
The invention of
この方法によれば、センサウェハにパッケージウェハを接合する前にセンシング部と回路部とを検査するから、センシング部と回路部とが露出している状態で検査することができる。すなわち、パッケージウェハには検査用の電極を別途に設ける必要がないから、電極形成基板に検査用の貫通孔配線を余分に形成する必要がなく、コストの低減ができる。また、センサ基板に設ける端子は、貫通孔配線との電気的接続が可能であればよく、小面積に形成されるから、センシング部と回路部とに多数個の検査用の電極を設けることが可能であり多様な検査が可能になる。しかも検査工程を接合前の1つの工程で実施するから、センシング部と回路部との検査を一括して行うことができ、不良箇所があれば不良箇所の特定が容易になる。しかも、センシング部と回路部との電気的特性をそれぞれ検査するから、電気的特性の詳細な検査が可能になり、センシング部と回路部との一方に不良が生じた場合に不良発生箇所を特定しやすくなる。不良発生箇所を特定すれば、工程において不良を発生させる箇所へのフィードバックが容易になる。 According to this method, since the sensing unit and the circuit unit are inspected before the package wafer is bonded to the sensor wafer, the inspection can be performed in a state where the sensing unit and the circuit unit are exposed. That is, since it is not necessary to separately provide an inspection electrode on the package wafer, it is not necessary to form an extra through-hole wiring for inspection on the electrode forming substrate, and the cost can be reduced. Further, the terminals provided on the sensor substrate are only required to be electrically connected to the through-hole wiring, and are formed in a small area. Therefore, a large number of inspection electrodes may be provided on the sensing unit and the circuit unit. Possible and various inspections are possible. In addition, since the inspection process is performed in one process before joining, the inspection of the sensing unit and the circuit unit can be performed collectively, and if there is a defective part, the defective part can be easily identified. In addition, since the electrical characteristics of the sensing unit and circuit unit are inspected individually, detailed inspection of the electrical characteristics is possible, and if a defect occurs in one of the sensing unit and circuit unit, the location where the defect has occurred is identified. It becomes easy to do. If a defect occurrence location is specified, feedback to a location where a failure occurs in the process becomes easy.
以下に説明する実施形態では、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ぎ、各撓み部にピエゾ抵抗体からなる歪みゲージを設けることにより、質量体の変位に伴って撓み部に生じる応力を歪みゲージにより検出し、歪みゲージの抵抗変化を用いて加速度を検出する構成を例示する。つまり、センシング部が加速度センサを構成している例を示す。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、質量体を備えるセンサ装置であれば、加速度センサではなくジャイロセンサにおいても本発明の技術思想を適用することができ、質量体の変位の検出はピエゾ抵抗に限らず、従来技術として示した技術のように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, the support portion surrounds the mass body, and the support portion and the mass body are connected via a flexible flexure portion that is extended from the mass body in all directions. An example of a configuration in which a strain gauge made of a piezoresistor is provided to detect a stress generated in a flexure portion as the mass body is displaced by the strain gauge, and an acceleration is detected using a resistance change of the strain gauge. That is, an example in which the sensing unit constitutes an acceleration sensor is shown. 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, if the sensor device includes a mass body, the technical idea of the present invention can be applied to a gyro sensor instead of an acceleration sensor, and the detection of the displacement of the mass body is not limited to the piezoresistor, but is shown as the prior art. You may employ | adopt the structure detected as a change of an electrostatic capacitance like a technique. Moreover, a bending part is not limited to the structure extended in all directions from a mass body.
本実施形態のセンサ装置は、図4に示すように、センシング部Dsおよび回路部Dcを形成した半導体基板からなるセンサ基板1と、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4の上面)に備えセンサ基板1の厚み方向の一表面(図4の上面)に封着される半導体基板からなる電極形成基板2と、センサ基板1の厚み方向の他表面(図4の下面)に封着される半導体基板からなるカバー基板3とを備える。すなわち、センサ装置は3枚の半導体基板の積層体からなる。センサ基板1と電極形成基板2とカバー基板3との外周形状は矩形状(図示例では正方形)であり、電極形成基板2とカバー基板3とはセンサ基板1と外形寸法が一致する。
As shown in FIG. 4, the sensor device of this embodiment includes a
センサ基板1はSOIウェハからなるセンサ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、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、センサ基板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、センサ基板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。
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を形成するパッケージウェハとしての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
センサ基板1は、図3、図5、図6、図7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 FIGS. 3, 5, 6, and 7, 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および質量体12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、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
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基板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。
Each
なお、センサ基板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。センサ基板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5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5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5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5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5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9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9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9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、センサ基板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9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. 9, 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
以下にセンサ基板1の動作例を説明する。いま、センサ基板1に加速度が作用していない状態からセンサ基板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9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9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9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. 9 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 bridge circuit Bz at the right end of FIG.
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、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
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。回路部Dcはセンサ基板1において、支持基板10aを有している部位の活性層10cに形成される。すなわち、本実施形態では、支持部11および質量体12については、支持基板10aと絶縁層10bと活性層10cとからなるSOIウェハの全体を用いて形成しているから、支持部11と質量体12とにおける活性層10cを用いて回路部Dcを形成している。
Since this embodiment is a triaxial acceleration sensor, the circuit unit Dc that cooperates with the sensing unit Ds includes a power supply circuit that applies a voltage to the input terminals T1 and T2 of the bridge circuits Bx, By, and Bz, and the bridge circuit Bx. , By, Bz
ただし、センサ基板1のうち撓み部13には支持基板10aが存在せず、また撓み部13は変形するから、撓み部13には回路部Dcは形成しない。図3において斜線部が回路部Dcを形成可能な領域を示している。本実施形態では、質量体12に回路部Dcを形成することが必須であり、質量体12の面積内に形成できない回路部Dcについては支持部11に形成する。支持部11と質量体12とに形成した回路部Dcの間は、撓み部13に拡散層配線または金属配線を形成することによって接続する。つまり、撓み部13には回路部Dcの内部配線が設けられる。
However, since the
このように、回路部Dcの一部を質量体12に設けてることにより、回路部Dcの全体を支持部11に形成する場合に比較すると、センサ基板1の面積を縮小することができ、結果的にセンサ装置の小型化を図ることができる。
Thus, by providing a part of the circuit part Dc on the
センサ基板1の一表面(図4の上面)には、封止用金属層18と接続用金属層19とが形成される。接続用金属層19は金属配線の一部であり、センシング部Dsおよび回路部Dcを外部回路と接続するための端子17として機能する。端子17は、接続用金属層19として形成されるだけではなく、図3に示すように、センシング部Dsの周囲や外部回路とは接続されない部位にも形成される。センシング部Dsの周囲の端子17は、センシング部Dsのブリッジ回路Bx,By,Bzの入力端子T1,T2および出力端子X1,X2、Y2,Y2、Z1,Z2であって、外部回路に接続しない他の端子17は、回路部Dcの電気特性の検査に用いる。これらの端子17は、矩形状のパッド電極として形成される。
A sealing
図8に接続用金属層19の近傍部位を示す。なお、拡散層配線の図示は省略してある。封止用金属層18は、センサ基板1の外周縁の全周に沿う形で形成されており、センシング部Dsおよび回路部Dcを囲繞している。また、接続用金属層19も支持部11において封止用金属層18の内側に配置される。接続用金属層19を含む金属配線および封止用金属層18は活性層10cの表面を覆う絶縁膜16の上に形成される。また、封止用金属層18と接続用金属層19とは同一の金属材料により形成されており、封止用金属層18と接続用金属層19とを同時かつ略同じ厚み寸法に形成することができる。
FIG. 8 shows the vicinity of the connection metal layer 19. Note that the illustration of the diffusion layer wiring is omitted. The sealing
センサ基板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、接続用金属層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
封止用金属層18および接続用金属層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、封止用金属層18および接続用金属層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形成されている。
The sealing
なお、封止用金属層18および接続用金属層19は、Ti膜の膜厚を15〜50nm、Au膜の膜厚を500nmに設定してあり、接続用金属層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。
The sealing
電極形成基板2は、図4に示すように、センサ基板1との対向面(図4における下面)の中央部に、センサ基板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)ための変位用凹所21が形成される。また、電極形成基板2におけるセンサ基板1との対向面の周部には電極形成基板2の外周縁の全周に沿うように封止用金属層28が形成される。電極形成基板2の封止用金属層28は、センサ基板1に電極形成基板2を重ね合わせたときに、センサ基板1の封止用金属層18に重なる部位に形成してあり、封止用金属層18,28が互いに接合されることによって、センサ基板1と電極形成基板2との間が封止されるようにしてある。
As shown in FIG. 4, the
電極形成基板2におけるセンサ基板1との対向面であって封止用金属層28と変位用凹所21との間の領域には、電極形成基板2の厚み方向に貫通する複数の貫通孔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。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。
A plurality of through
電極形成基板2におけるセンサ基板1との対向面のうち変位用凹所21を囲む部位には、各貫通孔配線24とそれぞれ電気的に接続された複数の接続用金属層29が形成される。接続用金属層29は、封止用金属層28の内側に配置されている。接続用金属層29は、一部が貫通孔配線24の一端部に電気的に接合されており、他部位がセンサ基板1の接続用金属層19と接合されるように配置してある。つまり、センサ基板1に電極形成基板2を重ね合わせたときに、貫通孔配線24と当該貫通孔配線24に対応する接続用金属層19との位置がずれるように配置してある。接続用金属層29と封止用金属層28とは同一の金属材料により形成されており、接続用金属層29と封止用金属層28とを同時かつ略同じ厚み寸法に形成することができる。
A plurality of connection metal layers 29 electrically connected to the respective through-
また、センサ基板1において接続用金属層19は、他の金属配線に対して積層してあり、積層部位の厚み寸法が接続用金属層19のみの部位よりも大きくなっている。そこで、センサ基板1において接続用金属層19と他の金属配線との積層部位は、電極形成基板2と重ね合わせたときに電極形成基板2に設けた変位用凹所21に位置するように位置が決められている。
Further, in the
封止用金属層28および接続用金属層29は、接合用のAu膜を表面に備え、Au膜と絶縁膜23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、封止用金属層28および接続用金属層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形成されている。
The sealing
なお、封止用金属層28および接続用金属層29は、Ti膜の膜厚を15〜50nm、Au膜の膜厚を500nm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。
The sealing
電極形成基板2の厚み方向の各面のうちセンサ基板1の対向面とは反対側の表面には、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
パッド電極25の個数やレイアウトは様々であるから、センサ基板1に設けた接続用金属層19の位置と、当該接続用金属層19に電気的に接続するパッド電極25の位置との位置が異なる場合には、接続用金属層29の一部に再配線部(図示せず)を設けて電路を引き回すことにより各パッド電極25と接続用金属層19との電気的接続を可能にすることができる。つまり、電極形成基板2におけるパッド電極25のレイアウトに応じて、接続用金属層19と接続用金属層29との接合部位と、接続用金属層29と貫通孔配線24との接続部位との相対的な位置関係を調整する再配線部を形成する。
Since the number and layout of the
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、センサ基板1の厚み方向において電極形成基板2とは反対側の面に封着される。カバー基板3におけるセンサ基板1との対向面の中央部には、質量体12の変位を許容する(質量体12の変位量を規制する)空間を形成する変位用凹所31が形成される。変位用凹所31の深さは、たとえば、5〜10μmに設定される。変位用凹所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する。
The
なお、カバー基板3に変位用凹所31を形成する構成に代えて、質量体12の厚み寸法を調節することによって、質量体12の変位量を規制してもよい。すなわち、質量体12のコア部12aおよび各リーフ部12bのうちSOIウェハの支持基板10aを利用して形成されている部位の厚み寸法を、支持部11において支持基板10aを利用して形成されている部位の厚み寸法よりも小さくすればよい。この構成では、質量体12における支持基板10aの厚み寸法と支持部11における支持基板10aの厚み寸法との差が、センサ基板1の厚み方向において許容する質量体12の変位量になる。
Note that the displacement amount of the
上述した加速度センサを製造するにあたっては、図1に示すように、多数個のセンサ基板1を形成したセンサウェハ10(図1(a))と、多数個の電極形成基板2を形成したパッケージウェハ20(図1(b))と、多数個のカバー基板3を形成したキャップウェハ30(図1(c))とをウェハレベルで互いに接合(図1(d))した後に、ダイシング工程(図1(f))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、センサ基板1に形成された封止用金属層18および接続用金属層19と、電極形成基板2に形成された封止用金属層28および接続用金属層29とが互いに接合されることによりセンサ基板1に電極形成基板2が接合される。また、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とカバー基板3とがセンサ基板1と同じ外形寸法になり、小型のチップサイズパッケージを容易に製造することができる。
In manufacturing the acceleration sensor described above, as shown in FIG. 1, a sensor wafer 10 (FIG. 1A) on which a large number of
さらに、センサウェハ10にパッケージウェハ20を接合した後には、センシング部Dsと回路部Dcとの電気的特性に関する検査を行う。この検査によりセンシング部Dsだけではなく、回路部Dcを合わせた総合的な検査が可能になる。ここで、パッケージウェハ20には、外部回路に接続するための貫通孔配線24のほかに、一部の端子17に電気的に接続した貫通孔配線24を検査用として形成しておけば、センサウェハ10とパッケージウェハ20との接合後においてもセンシング部Dsと回路部Dcとの電気的特性を個別に検査することが可能になる。
Further, after the
この検査の工程では、配線抵抗、配線の短絡の有無、抵抗値のばらつきなどの電気的特性を検査する。この検査にあたっては、図2(a)に示すように、検査対象となる端子17に検査用プローブ4を接触させる。検査用プローブ4はロボットにより制御され、所望位置の端子17に接触するように位置決めされる。
In this inspection process, electrical characteristics such as wiring resistance, presence / absence of wiring short-circuiting, and variation in resistance value are inspected. In this inspection, as shown in FIG. 2A, the
また、図2(b)に示すように、複数本の検査用プローブ4を保持具5で一括して保持するようにしてもよい。この場合、たとえば、複数本の検査用プローブ4をセンシング部Dsに対応する端子17に合わせて配列したグループと、複数本の検査用プローブ4を回路部Dcに対応する端子17に合わせて配列したグループとを構成しておけば、センシング部Dsと回路部Dcとをそれぞれ一括して検査することが可能になる。さらには、グループ分けをせずに、1個のセンサウェハ10において検査対象となる全端子に対応した検査用プローブ4を保持具5で保持してもよい。あるいはまた、センサウェハ10の上で複数のセンサ基板1に跨るように検査用プローブ4を配置しておけば、複数個のセンサ基板1について一括して検査することが可能になる。
Further, as shown in FIG. 2B, a plurality of inspection probes 4 may be held together by a
ところで、センサ基板1と電極形成基板2およびカバー基板3との接合方法としては、接合後におけるセンサ基板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、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、封止用金属層18と封止用金属層28とが接合されると同時に、接続用金属層19と接続用金属層29とが接合され、また常温下でセンサ基板1の支持部11とカバー基板3の周部とが接合される。
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 sealing
本実施形態のセンサ装置では、センサ基板1と電極形成基板2との間の接合がAu−Au接合になり、センサ基板1とカバー基板3との接合がSi−Si接合になる。また、本実施形態では、センサ基板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、センサ基板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(センサ基板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とがセンサ基板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 sensor device of this embodiment, the bonding between the
ここに、互いに接合される接続用金属層19,29と封止用金属層18,28とにそれぞれ同じ金属材料を用いているので、接続用金属層19と接続用金属層29との接合と封止用金属層18と封止用金属層28との接合とを同時に行うことが可能であり、接合箇所ごとに半田を供給する工程およびリフロー工程を伴う製造方法に比較すると、製造プロセスの大幅な簡素化が図れるとともに、センサ基板1の厚み方向における電極形成基板2の位置精度を高めることができる。なお、上述した構成例では、センサ基板1を形成するセンサウェハとして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。
Here, since the same metal material is used for each of the connecting
上述した加速度センサでは、電極形成基板2においてセンサ基板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。また、接続用金属層19と接続用金属層29との接合部位と接続用金属層29と貫通孔配線24との接続部位との相対的な位置関係を調整する再配線部を必要に応じて設けているので、電極形成基板2におけるパッド電極25の大きさや位置などのレイアウトの自由度が高くなり、加速度センサにおける平面寸法(パッド電極25を配列した面の面積)の小型化が図れる。再配線部は電極形成基板2の接続用金属層29に設けるほか、センサ基板1の接続用金属層19に形成することも可能である。
In the acceleration sensor described above, since the
上述した実施形態では、センサウェハ10とパッケージウェハ20とキャップウェハ30とを接合した後に、センシング部Dsと回路部Dcとの総合的な検査をウェハレベルで行っているが、上述した検査とともに、センサウェハ10にパッケージウェハ20およびキャップウェハ30を接合する前に、センサウェハ10に形成したセンシング部Dsおよび回路部Dcの電気的特性を検査する工程(図10(d))を付加してもよい。なお、図10では接合とダイシングとの間に上述した検査工程を含むが図示は省略している。
In the above-described embodiment, after the
図10(d)に示す検査工程を含めることによって、センサウェハ10にパッケージウェハ20を接合する前にセンシング部Dsと回路部Dcとを検査するから、センシング部Dsと回路部Dcとが露出している状態で検査することができ、パッケージウェハ20には検査用の電極を別途に設ける必要がなくなるから、コストの低減につながる。しかも、センサウェハ10に設ける端子は、パッケージウェハ20に形成する電極よりも小面積に形成されるから、多数個の検査用の電極を設けることが可能であり多様な検査が可能になる。
By including the inspection process shown in FIG. 10 (d), the sensing unit Ds and the circuit unit Dc are inspected before the
1 センサ基板
2 電極形成基板
10 センサウェハ
17 端子
20 パッケージウェハ
24 貫通孔配線
Dc 回路部
Ds センシング部
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