JP2009200233A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)とLSI(Large Scale Integrated circuit)とを形成する半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a technique that is effective when applied to a semiconductor device that forms a micro electro mechanical system (MEMS) and a large scale integrated circuit (LSI).
特開2004−271312号公報(特許文献1)には、センサチップと回路チップとを積層して形成する半導体装置が記載されており、センサチップと回路チップの電気的接続における寄生容量の低減および設計自由度の向上を図ることができる技術が記載されている。具体的には、センサチップを回路チップに対してフェイスダウンで接続し、センサチップの電極パッドと回路チップの電極パッドとをバンプ電極で接続するとしている。上述したようにしてセンサチップと回路チップとを接続させたマルチチップモジュールの状態で、回路チップをパッケージに接続する。回路チップとパッケージとの電気的接続は、回路チップの電極パッドとパッケージの電極リードとをバンプ電極で接続することにより行なうとしている。
半導体製造プロセス技術を用いて半導体基板(例えば、Si基板)の表面やSOI(Silicon On Insulator)基板に空洞部を形成し、この空洞部を覆うようにダイアフラム膜を形成する技術がある。そして、外力によるダイアフラム膜の機械的な変形を電気的信号として計測するものが圧力センサや振動センサ、音波センサ(マイクロホン)である。 There is a technique in which a cavity is formed on the surface of a semiconductor substrate (for example, Si substrate) or an SOI (Silicon On Insulator) substrate by using a semiconductor manufacturing process technique, and a diaphragm film is formed so as to cover the cavity. And what measures the mechanical deformation | transformation of the diaphragm film | membrane by an external force as an electrical signal is a pressure sensor, a vibration sensor, and a sound wave sensor (microphone).
近年、このようなマイクロホンが携帯電話機やパソコンのマイクロホンとして採用されたり、小型の携帯機器での高度計測に上述した圧力センサが応用され始めたりしている。 In recent years, such a microphone has been adopted as a microphone for a mobile phone or a personal computer, or the pressure sensor described above has begun to be applied to altitude measurement in a small portable device.
ここで用いられるマイクロホンや圧力センサは、空洞部と空洞部を覆うように形成されているダイアフラム膜(以下、空洞部とダイアフラム膜を合わせてダイアフラム構造という)からなるMEMS構造体と信号処理用の集積回路(LSI)で構成される。 The microphone and the pressure sensor used here are a MEMS structure composed of a diaphragm film formed so as to cover the cavity and the cavity (hereinafter referred to as the diaphragm structure together with the cavity and the diaphragm film) and a signal processing signal. It is composed of an integrated circuit (LSI).
例えば、ダイアフラム構造によれば、外部圧力や外部からの音波などの振動によりダイアフラム膜が変形し、このダイアフラム膜の変形を歪センサや容量電極の変位としてとらえることができる。そして、歪センサでの抵抗値の変化や容量素子の容量変化を集積回路で処理することにより、外部圧力や音波振動を電気信号として出力することができる。このようにマイクロホンや圧力センサは、ダイアフラム構造と集積回路から構成されるが、今後、これらのマイクロホンや圧力センサは、小型化が推進されていくと考えられ、ダイアフラム構造や集積回路の集積化が要求される。 For example, according to the diaphragm structure, the diaphragm film is deformed by vibrations such as external pressure or sound waves from the outside, and the deformation of the diaphragm film can be regarded as a displacement of the strain sensor or the capacitive electrode. Then, by processing the change in resistance value in the strain sensor and the change in capacitance of the capacitive element with an integrated circuit, it is possible to output external pressure and sonic vibration as electrical signals. In this way, microphones and pressure sensors are composed of diaphragm structures and integrated circuits. In the future, however, these microphones and pressure sensors are considered to be miniaturized, and the integration of diaphragm structures and integrated circuits will be promoted. Required.
例えば、特許文献1に記載されている技術では、MEMS構造体と集積回路とを別々の半導体チップに形成する技術が開示されている。そして、この技術によれば、MEMS構造体を形成しているセンサチップと集積回路を形成している回路チップの電気的接続、さらには、回路チップとパッケージとの電気的接続をワイヤボンディングで接続するのではなく、バンプ電極により接続している。
For example, in the technique described in
しかし、MEMS構造体と集積回路とを別々の半導体チップに形成しているため、MEMSの薄板化を充分に行なうことができず、MEMSの小型化に限界がある。さらには、MEMS構造体を形成したセンサチップを回路チップと接続したうえで、回路チップをパッケージと電気的に接続する必要があるため、必然的に、センサチップの大きさよりも回路チップの大きさを大きくする必要があり、MEMSの小型化を阻害することになっている。 However, since the MEMS structure and the integrated circuit are formed in separate semiconductor chips, the MEMS cannot be sufficiently thinned, and there is a limit to downsizing the MEMS. Furthermore, since it is necessary to connect the sensor chip on which the MEMS structure is formed to the circuit chip and to electrically connect the circuit chip to the package, the size of the circuit chip is necessarily larger than the size of the sensor chip. Therefore, it is necessary to increase the size of the MEMS.
そこで、MEMSの小型化を実現するために、半導体基板に形成された集積回路(LSI)の上に、LSIの配線プロセスと互換性のあるプロセスを用いてダイアフラム構造を形成し、小型で高感度なMEMSを形成する技術がある。この技術のように集積回路(LSI)上にMEMS構造体(ダイアフラム構造)を積層することで、集積回路とMEMS構造体を別々の半導体チップで構成したものやMEMS構造体の横に集積回路を配置するものよりも、MEMS全体の実装面積やチップ面積を縮小できる。 Therefore, in order to realize the miniaturization of MEMS, a diaphragm structure is formed on an integrated circuit (LSI) formed on a semiconductor substrate using a process compatible with the LSI wiring process, and is small and highly sensitive. There is a technique for forming a simple MEMS. By laminating a MEMS structure (diaphragm structure) on an integrated circuit (LSI) as in this technology, the integrated circuit and the MEMS structure are configured by separate semiconductor chips, or the integrated circuit is placed beside the MEMS structure. The mounting area and chip area of the entire MEMS can be reduced as compared with the arrangement.
ところが、集積回路上にMEMS構造体を形成した半導体チップをベアチップで用いる場合、半導体チップから外部への接続端子(パッド電極)とMEMS構造体が同じ表面に配置されている。このため、半導体チップをモジュール基板(実装基板、配線基板)に実装する場合、パッド電極とモジュール基板上の配線との電気的な接続はワイヤで接続する必要がある。すなわち、MEMSの小型化のために、ベアチップ(半導体チップ)のパッド電極上にバンプ電極を設け、このバンプ電極を用いて半導体チップをモジュール基板にフェイスダウンで実装すると、バンプ電極と同じ表面に形成されているMEMS構造体がモジュール基板と対向することになる。したがって、MEMS構造体の表面が外部空間と対向しないこととなり、外部空間の圧力や音波などの振動信号を直接受信することができなくなる。このため、MEMS構造体を上にした状態で半導体チップをモジュール基板に配置した後、MEMS構造体と同じ表面に形成されているパッド電極とモジュール基板上の配線とをワイヤで接続する必要があり、MEMSの実装面積の小型化に限界がある。さらには、半導体チップを他の表面実装の部品と一緒に処理することができなくなる。 However, when a semiconductor chip having a MEMS structure formed on an integrated circuit is used as a bare chip, connection terminals (pad electrodes) from the semiconductor chip to the outside and the MEMS structure are disposed on the same surface. For this reason, when a semiconductor chip is mounted on a module substrate (mounting substrate, wiring substrate), the electrical connection between the pad electrode and the wiring on the module substrate needs to be connected with a wire. That is, when a bump electrode is provided on a pad electrode of a bare chip (semiconductor chip) and the semiconductor chip is mounted face-down on the module substrate using the bump electrode in order to reduce the size of the MEMS, it is formed on the same surface as the bump electrode. The MEMS structure formed is opposed to the module substrate. Therefore, the surface of the MEMS structure does not face the external space, and vibration signals such as pressure and sound waves in the external space cannot be directly received. For this reason, after placing the semiconductor chip on the module substrate with the MEMS structure facing up, it is necessary to connect the pad electrode formed on the same surface as the MEMS structure and the wiring on the module substrate with wires. There is a limit to downsizing the mounting area of MEMS. Furthermore, the semiconductor chip cannot be processed together with other surface mount components.
本発明の目的は、マイクロホンや圧力センサといったMEMS構造体に対して外部空間からの圧力や振動信号を直接受信できるように構成し、かつ、MEMS構造体と集積回路とを形成した半導体チップをバンプ電極でモジュール基板にフェイスダウン実装することにより、小型化を実現できる技術を提供することにある。 An object of the present invention is to configure a MEMS structure such as a microphone or a pressure sensor so that a pressure or vibration signal from an external space can be directly received, and to bump a semiconductor chip on which the MEMS structure and an integrated circuit are formed. The object is to provide a technology capable of realizing downsizing by face-down mounting on a module substrate with electrodes.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
代表的な実施の形態による半導体装置は、半導体チップを備え、前記半導体チップは、(a)半導体基板と、(b)前記半導体基板の第1面に形成された半導体素子と、(c)前記半導体素子上に形成された多層配線層と、(d)前記多層配線層の最上層に形成されたパッドと、(e)前記パッド上に形成されたバンプ電極とを有する。そして、前記バンプ電極を実装基板上に形成されている端子と接続することにより、前記半導体チップを前記実装基板に実装する。このとき、前記半導体基板の前記第1面と反対側の第2面には、電気信号と物理量とを変換するトランスデューサが形成されている。この前記トランスデューサは、(f1)前記半導体基板の前記第2面上に形成された第1絶縁膜と、(f2)前記第1絶縁膜上に形成された第2絶縁膜と、(f3)前記第2絶縁膜に形成された空洞部と、(f4)前記空洞部を覆うように形成されたダイアフラム膜とを有する。そして、前記トランスデューサは、外力による前記ダイアフラム膜の機械的変形を電気信号に変換する機能を有し、前記多層配線層と前記トランスデューサとは、前記半導体基板を貫通する貫通電極によって電気的に接続されているものである。 A semiconductor device according to a representative embodiment includes a semiconductor chip, the semiconductor chip comprising: (a) a semiconductor substrate; (b) a semiconductor element formed on a first surface of the semiconductor substrate; A multilayer wiring layer formed on the semiconductor element; (d) a pad formed on the uppermost layer of the multilayer wiring layer; and (e) a bump electrode formed on the pad. Then, the semiconductor chip is mounted on the mounting substrate by connecting the bump electrodes to terminals formed on the mounting substrate. At this time, a transducer for converting an electrical signal and a physical quantity is formed on the second surface of the semiconductor substrate opposite to the first surface. The transducer includes: (f1) a first insulating film formed on the second surface of the semiconductor substrate; (f2) a second insulating film formed on the first insulating film; A cavity formed in the second insulating film; and (f4) a diaphragm film formed so as to cover the cavity. The transducer has a function of converting mechanical deformation of the diaphragm film due to an external force into an electric signal, and the multilayer wiring layer and the transducer are electrically connected by a through electrode penetrating the semiconductor substrate. It is what.
このように構成された代表的な実施の形態による半導体装置によれば、MEMS構造体(トランスデューサ)に対して外部空間からの圧力や振動信号を直接受信できるように構成し、かつ、MEMS構造体と集積回路とを形成した半導体チップをバンプ電極でモジュール基板にフェイスダウン実装することができる。 According to the semiconductor device according to the representative embodiment configured as described above, the MEMS structure (transducer) is configured to be able to directly receive pressure and vibration signals from the external space, and the MEMS structure. And a semiconductor chip on which an integrated circuit is formed can be face-down mounted on a module substrate with bump electrodes.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
代表的な実施の形態によれば、MEMS構造体(トランスデューサ)に対して外部空間からの圧力や振動信号を直接受信できるように構成することができ、かつ、MEMS構造体と集積回路とを形成した半導体チップをバンプ電極でモジュール基板にフェイスダウン実装することができる。つまり、半導体チップの表裏の両面に集積回路(LSI)とMEMS構造体(トランスデューサ)を形成するので、半導体チップの小型化およびモジュール基板への半導体チップのフェイスダウン実装による実装面積の小型化を、MEMS構造体(トランスデューサ)への入力信号(圧力、振動信号など)を損なうことなく実現できる。 According to the representative embodiment, the MEMS structure (transducer) can be configured to directly receive pressure and vibration signals from the external space, and the MEMS structure and the integrated circuit are formed. The semiconductor chip can be mounted face-down on the module substrate with bump electrodes. In other words, since the integrated circuit (LSI) and the MEMS structure (transducer) are formed on both the front and back sides of the semiconductor chip, it is possible to reduce the size of the semiconductor chip and the mounting area by mounting the semiconductor chip face down on the module substrate This can be realized without impairing input signals (pressure, vibration signal, etc.) to the MEMS structure (transducer).
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。 Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say.
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 Similarly, in the following embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc., of components, etc., unless otherwise specified, and in principle, it is considered that this is not clearly the case, it is substantially the same. Including those that are approximate or similar to the shape. The same applies to the above numerical values and ranges.
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。 In all the drawings for explaining the embodiments, the same members are denoted by the same reference symbols in principle, and the repeated explanation thereof is omitted. In order to make the drawings easy to understand, even a plan view may be hatched.
(実施の形態1)
本実施の形態1における半導体装置について図面を参照しながら説明する。図1は、本実施の形態1における半導体装置の構成を示す断面図である。図1において、本実施の形態1における半導体装置は、集積回路とMEMS構造体(トランスデューサ)を有する構成をしており、半導体基板の一方の面に集積回路が形成され、半導体基板の他方の面にMEMS構造体が形成されている点に特徴の1つがある。
(Embodiment 1)
The semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. In FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment has a configuration including an integrated circuit and a MEMS structure (transducer), and an integrated circuit is formed on one surface of the semiconductor substrate, and the other surface of the semiconductor substrate. One of the features is that a MEMS structure is formed on the substrate.
まず、半導体基板の一方の面に形成されている集積回路の構成について説明する。図1に示すように、半導体基板1の一方の面(半導体基板1の下側の面)には、素子分離領域2が形成されており、素子分離領域で区画された活性領域にnチャネル型MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)Qnやpチャネル型MISFETQpが形成されている。そして、nチャネル型MISFETQnやpチャネル型MISFETQpを覆うように層間絶縁膜11が形成されており、この層間絶縁膜11に多層配線が形成されている。具体的には、nチャネル型MISFETQnやpチャネル型MISFETQpとプラグを介して電気的に接続する第1層配線L1が形成され、この第1層配線L1の上部にプラグを介して第1層配線L1と電気的に接続する第2層配線L2が形成されている。さらに、第2層配線L2の上層には第3層配線L3が形成されている。本実施の形態1では、多層配線の例として3層からなる多層配線を示しているが、3層の多層配線は単なる例示であり、多層配線の層数はこれ以上であってもこれ以下であってもよい。第3層配線L3と同層にはパッドPDが形成されており、このパッドPDに外部接続端子となるバンプ電極BPが形成されている。以上のようにして、半導体基板1の一方の面に、nチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQpなどからなる回路素子と、この回路素子上に形成されている多層配線よりなる集積回路が形成されている。この集積回路は、後述するように、MEMS構造体(トランスデューサ)で検出された電気信号の信号処理を行なう機能を有している。
First, the configuration of the integrated circuit formed on one surface of the semiconductor substrate will be described. As shown in FIG. 1, an
次に、半導体基板1のもう一方の面に形成されているMEMS構造体(トランスデューサ)の構成について説明する。本実施の形態1では、MEMS構造体としてトランスデューサを形成している。トランスデューサとは、物理量と電気信号とを相互に変換する機能を有する素子であり、例えば、本実施の形態1では、圧力を電気信号に変換する圧力センサについて説明する。ただし、本実施の形態1で説明するトランスデューサは、圧力センサに限定されるものではなく、音波と電気信号とを相互に変換するマイクロホンや振動センサなどにも適用することができる。
Next, the structure of the MEMS structure (transducer) formed on the other surface of the
図1に示すように、半導体基板1の集積回路形成面とは反対側の面には、MEMS構造体が形成されている。このMEMS構造体の構成について説明する。図1において、半導体基板1の集積回路形成面とは反対側の面には、絶縁膜16が形成されており、この絶縁膜16上に下部電極23が形成されている。そして、下部電極23を覆うように、下部電極23上に絶縁膜24が形成されており、この絶縁膜24に空洞部28が形成されている。空洞部28は、下部電極23上に位置するように配置されている。空洞部28を形成した絶縁膜24上には上部電極26が形成されている。空洞部28と上部電極26を合わせた構造がダイアフラム構造であり、上部電極26はダイアフラム膜と呼ばれることもある。上部電極26上には、絶縁膜29が形成されており、この絶縁膜29上にパッシベーション膜30が形成されている。本実施の形態1における圧力センサ(MEMS構造体)は、上記のように構成されており、圧力センサと上述した集積回路とは半導体基板1を貫通する貫通電極によって電気的に接続されている。具体的には、圧力センサの下部電極23と集積回路を構成する第3層配線L3は貫通電極20bで接続されており、圧力センサの上部電極26と集積回路を構成する第3層配線L3は貫通電極20aで接続されている。貫通電極20a、20bは、孔に導電材料を埋め込むことにより形成されているが、貫通電極20a、20bの側面と半導体基板1とを絶縁するために、孔の側面には絶縁膜が形成されている。
As shown in FIG. 1, a MEMS structure is formed on the surface of the
本実施の形態1における半導体装置は、上記のように構成されており、以下に、その動作について説明する。まず、外部空間から圧力が加わると、圧力センサ(MEMS構造体)を構成する上部電極(ダイアフラム膜)26が機械的に変形する。すなわち、上部電極26の下部は空洞部28が形成されているため、上部電極26の上側から圧力が加わると、上部電極26は空洞部28に食い込むように変形する。このため、空洞部28を介した上部電極26と下部電極23との間の距離が変化することになる。圧力センサでは、上部電極26と下部電極23により容量素子が形成されているので、上部電極26と下部電極23との間の距離が変化すると、この容量素子の静電容量が変化する。この静電容量の変化は、上部電極26に接続されている貫通電極20aと、下部電極23に接続されている貫通電極20bにより、集積回路に伝えられる。集積回路では、容量素子の容量変化を電気的に信号処理する。その後、集積回路で信号処理された電気信号は、外部接続端子であるバンプ電極BPを介して外部回路に出力される。このようにして、本実施の形態1における半導体装置が動作する。つまり、圧力という物理量を圧力センサ(MEMS構造体)で容量変化に変換し、この容量変化を集積回路で電気的に処理することにより、圧力に対応した電気信号を生成することができ、結果として圧力を検出することができるのである。外部空間から印加される圧力の大きさによって上部電極26の変形が変化するので、圧力の大きさに応じて上部電極26の変形が変わることになる。このことから、圧力の大きさによって、上部電極26と下部電極23の距離が変わることになるので、圧力の大きさに応じて、容量素子の静電容量の変化が異なることになる。したがって、静電容量の変化がどれくらい変化したかを検出することにより、外部空間の圧力を知ることができるのである。具体的に、圧力が大きい場合には、上部電極26の変形も大きくなり、結果として、上部電極26と下部電極23より構成される容量素子の容量変化も大きくなる。一方、圧力が小さい場合には、上部電極26の変形は小さく、結果として、容量素子の容量変化は少なくなるのである。集積回路では、例えば、容量変化を電圧値として変換することにより、圧力の大きさを電圧値の大きさとして出力することができる。
The semiconductor device according to the first embodiment is configured as described above, and the operation thereof will be described below. First, when pressure is applied from the external space, the upper electrode (diaphragm film) 26 constituting the pressure sensor (MEMS structure) is mechanically deformed. That is, since the
このように半導体基板に形成される圧力センサ(トランスデューサ)は、圧力を容量変化として検出するMEMS構造体と、容量変化を電気的に信号処理する集積回路が必要となる。このとき、MEMS構造体と集積回路とを別々の半導体チップに形成することが考えられる。しかし、MEMS構造体と集積回路とを別々の半導体チップに形成する場合、圧力センサのサイズが大きくなってしまう問題点がある。近年では、半導体基板に形成する圧力センサの小型化の要求が高まっており、圧力センサの小型化を実現する工夫が必要とされる。 Thus, a pressure sensor (transducer) formed on a semiconductor substrate requires a MEMS structure that detects pressure as a change in capacitance and an integrated circuit that electrically processes the change in capacitance. At this time, it is conceivable to form the MEMS structure and the integrated circuit on separate semiconductor chips. However, when the MEMS structure and the integrated circuit are formed on separate semiconductor chips, there is a problem that the size of the pressure sensor increases. In recent years, there is an increasing demand for miniaturization of the pressure sensor formed on the semiconductor substrate, and a device for realizing miniaturization of the pressure sensor is required.
そこで、MEMS構造体と集積回路とを同一の半導体基板上に形成することが考えられる。例えば、半導体基板上に集積回路を形成し、この集積回路の上部にMEMS構造体を形成する構造が検討されている。この構造によれば、MEMS構造体と集積回路とを別々の半導体チップに形成する場合に比べて小型化を実現することができるが、この構造では小型化に限界があり、さらなる圧力センサの小型化が求められている。すなわち、集積回路の上部にMEMS構造体を形成する場合、MEMS構造体を外部空間に向けて配置する必要があるため、集積回路から外部回路への接続にバンプ電極を用いることができず、ワイヤによる接続をする必要がある。これは、集積回路とMEMS構造体が半導体基板の同じ側に形成されているので、集積回路と実装基板(インターポーザ、配線基板)と接続する際に、バンプ電極を使用すると、半導体基板の集積回路形成面が実装基板に接着することになるからである。つまり、半導体基板の集積回路形成面には、MEMS構造体が形成されており、このMEMS構造体が半導体基板と実装基板で挟まれるように配置されることになる。したがって、MEMS構造体は外部空間に向けて配置されないことになり、MEMS構造体で外部空間からの圧力を検出できないことになる。このため、集積回路の上部にMEMS構造体を形成する構造では、半導体基板の集積回路形成面(MEMS構造体形成面)を上側にして、半導体基板を実装基板に搭載する必要がある。この構造では、半導体基板に形成されている集積回路と実装基板の配線とはワイヤで接続することになる。 Therefore, it is conceivable to form the MEMS structure and the integrated circuit on the same semiconductor substrate. For example, a structure in which an integrated circuit is formed on a semiconductor substrate and a MEMS structure is formed on the integrated circuit has been studied. According to this structure, the size can be reduced as compared with the case where the MEMS structure and the integrated circuit are formed on separate semiconductor chips. However, there is a limit to the size reduction in this structure, and the pressure sensor is further reduced in size. Is required. That is, when the MEMS structure is formed on the integrated circuit, the bump structure cannot be used for the connection from the integrated circuit to the external circuit because the MEMS structure needs to be arranged toward the external space. It is necessary to make a connection. This is because the integrated circuit and the MEMS structure are formed on the same side of the semiconductor substrate, so that when the bump circuit is used when connecting the integrated circuit and the mounting substrate (interposer, wiring substrate), the integrated circuit of the semiconductor substrate This is because the formation surface adheres to the mounting substrate. That is, a MEMS structure is formed on the integrated circuit formation surface of the semiconductor substrate, and the MEMS structure is disposed so as to be sandwiched between the semiconductor substrate and the mounting substrate. Therefore, the MEMS structure is not arranged toward the external space, and the pressure from the external space cannot be detected by the MEMS structure. Therefore, in the structure in which the MEMS structure is formed on the integrated circuit, it is necessary to mount the semiconductor substrate on the mounting substrate with the integrated circuit formation surface (MEMS structure formation surface) of the semiconductor substrate facing upward. In this structure, the integrated circuit formed on the semiconductor substrate and the wiring of the mounting substrate are connected by wires.
この場合、集積回路の平面的な大きさをMEMS構造体の平面的な大きさよりも大きくして外部接続端子のスペースを確保する必要がある。つまり、集積回路の平面的な大きさをMEMS構造体の平面的な大きさよりも大きくすることにより、MEMS構造体の外側の領域で、集積回路のパッドと実装基板の配線とをワイヤで接続することになる。このため、この構造では、MEMS構造体よりも必ず集積回路の大きさを大きくする必要があるので、MEMS構造体を小型化しても、集積回路を含む半導体装置全体としての小型化を実現するには限界があり、さらなる小型化を実現することができていない。 In this case, it is necessary to secure the space for the external connection terminals by making the planar size of the integrated circuit larger than the planar size of the MEMS structure. That is, by making the planar size of the integrated circuit larger than the planar size of the MEMS structure, the pad of the integrated circuit and the wiring of the mounting substrate are connected by a wire in a region outside the MEMS structure. It will be. For this reason, in this structure, the size of the integrated circuit must be larger than that of the MEMS structure. Therefore, even if the MEMS structure is downsized, the semiconductor device including the integrated circuit can be downsized as a whole. However, there is a limit, and further downsizing cannot be realized.
そこで、本実施の形態1における半導体装置では、図1に示すような構造を提案している。すなわち、図1に示すように、半導体基板1の一方の面に集積回路を形成する一方、半導体基板1の他方の面にMEMS構造体を形成するものである。このように半導体基板1の両面を使用して集積回路とMEMS構造体を形成することにより、MEMS構造体と集積回路を含む半導体装置の小型化を推進することができるのである。この理由について説明する。まず、図1に示すように、集積回路を構成する多層配線の最上層(第3層)にパッドPDが形成されており、このパッドPD上にバンプ電極BPが形成されている。そして、本実施の形態1では、このバンプ電極BPを使用することにより、半導体基板(半導体チップ)1と実装基板とを電気的に接続している。
Therefore, a structure as shown in FIG. 1 is proposed for the semiconductor device according to the first embodiment. That is, as shown in FIG. 1, an integrated circuit is formed on one surface of a
図2は、図1に示す半導体装置を実装基板に接続している様子を示す断面図である。図2に示すように、集積回路上に形成されているバンプ電極BPによって、実装基板34に形成されている配線35と集積回路が電気的に接続されることになる。このとき、半導体基板1に形成されている集積回路は実装基板34と対向するように配置されるので、集積回路の反対側に形成されているMEMS構造体は上側を向くように配置される。すなわち、MEMS構造体は外部空間に向けて配置されることになる。したがって、MEMS構造体では外部空間の圧力を検出することができる。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state where the semiconductor device shown in FIG. 1 is connected to a mounting substrate. As shown in FIG. 2, the
このように、本実施の形態1では、半導体基板1の一方の面に集積回路を形成し、かつ、半導体基板1の他方の面にMEMS構造体を形成するように構成しているので、集積回路をバンプ電極BPでフェイスダウン接続すると、MEMS構造体が外部空間に向けて配置されることになる。つまり、本実施の形態1における半導体装置では、集積回路と実装基板34とをバンプ電極BPでフェイスダウン接続しても、MEMS構造体を外部空間に向けて配置することができるのである。このことは、集積回路をワイヤで実装基板34と接続する場合に比べて小型化を図ることができることを意味する。具体的には、図1に示す構造では、MEMS構造体の平面的な大きさよりも集積回路の平面的な大きさを大きくする必要がないのである。例えば、上述したように、集積回路とMEMS構造体とを半導体基板の同じ側に形成し、集積回路の上部にMEMS構造体を配置する場合、集積回路の平面的な大きさをMEMS構造体の平面的な大きさよりも大きくして、集積回路上のパッドと実装基板の配線とをワイヤで接続する必要がある。これに対し、本実施の形態1では、半導体基板1の一方の面に集積回路を形成する一方、半導体基板1の他方の面にMEMS構造体を形成するように構成し、集積回路と実装基板34とをバンプ電極BPでフェイスダウン接続している。すなわち、集積回路と同じ側にMEMS構造体が配置されていないので、MEMS構造体の大きさに関係なく集積回路を形成することができるのである。つまり、集積回路の平面的な大きさをMEMS構造体の平面的な大きさよりも大きくする必要がないのである。したがって、集積回路の平面的な大きさをMEMS構造体と同じかそれ以下のサイズにすることができるので、集積回路とMEMS構造体を備える半導体装置の小型化を推進することができるのである。
As described above, in the first embodiment, the integrated circuit is formed on one surface of the
次に、本実施の形態1における半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。まず、図3に示すように、半導体基板1上にMISFETを形成する。図3では、半導体基板1を拡大して示している。この図3に示すMISFETの形成工程について説明する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. First, as shown in FIG. 3, a MISFET is formed on the
半導体基板1は、略円盤形状をした半導体ウェハの状態になっている。そして、半導体基板1のCMISFET形成領域に素子間を分離する素子分離領域2を形成する。素子分離領域2は、素子が互いに干渉しないようにするために設けられる。この素子分離領域2は、例えばLOCOS(local Oxidation of silicon)法やSTI(shallow trench isolation)法を用いて形成することができる。
The
次に、素子分離領域2で分離された活性領域に不純物を導入してウェルを形成する。例えば、活性領域のうちnチャネル型MISFET形成領域には、p型ウェル3を形成し、pチャネル型MISFET形成領域には、n型ウェル4を形成する。p型ウェル3は、例えばホウ素などのp型不純物をイオン注入法により半導体基板1内に導入することで形成される。同様に、n型ウェル4は、例えばリン(P)や砒素(As)などのn型不純物をイオン注入法により半導体基板1内に導入することで形成される。
Next, impurities are introduced into the active region isolated in the
続いて、p型ウェル3の表面領域およびn型ウェル4の表面領域にチャネル形成用の半導体領域(図示せず)を形成する。このチャネル形成用の半導体領域は、チャネルを形成するしきい値電圧を調整するために形成される。
Subsequently, channel forming semiconductor regions (not shown) are formed in the surface region of the p-
次に、半導体基板1上にゲート絶縁膜5を形成する。ゲート絶縁膜5は、例えば、酸化シリコン膜から形成され、例えば熱酸化法を使用して形成することができる。ただし、ゲート絶縁膜5は、酸化シリコン膜に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば、ゲート絶縁膜5を酸窒化シリコン膜(SiON)や酸化ハフニウムなどの高誘電率膜から形成してもよい。
Next, a
続いて、ゲート絶縁膜5上にポリシリコン膜を形成する。ポリシリコン膜は、例えば、CVD法を使用して形成することができる。そして、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用して、nチャネル型MISFET形成領域に形成されているポリシリコン膜中にリンや砒素などのn型不純物を導入する。同様に、pチャネル型MISFET形成領域に形成されているポリシリコン膜中にホウ素などのp型不純物を導入する。
Subsequently, a polysilicon film is formed on the
次に、パターニングしたレジスト膜をマスクにしたエッチングによりポリシリコン膜を加工して、nチャネル型MISFET形成領域にゲート電極6aを形成し、pチャネル型MISFET形成領域にゲート電極6bを形成する。 Next, the polysilicon film is processed by etching using the patterned resist film as a mask to form the gate electrode 6a in the n-channel MISFET formation region and the gate electrode 6b in the p-channel MISFET formation region.
ここで、nチャネル型MISFET形成領域のゲート電極6aには、ポリシリコン膜中にn型不純物が導入されている。このため、ゲート電極6aの仕事関数値をシリコンの伝導帯近傍(4.15eV)の値にすることができるので、nチャネル型MISFETのしきい値電圧を低減することができる。一方、pチャネル型MISFET形成領域のゲート電極6bには、ポリシリコン膜中にp型不純物が導入されている。このため、ゲート電極6bの仕事関数値をシリコンの価電子帯近傍(5.15eV)の値にすることができるので、pチャネル型MISFETのしきい値電圧を低減することができる。このように本実施の形態1では、nチャネル型MISFETとpチャネル型MISFETの両方でしきい値電圧を低減することができる(デュアルゲート構造)。 Here, an n-type impurity is introduced into the polysilicon film in the gate electrode 6a in the n-channel type MISFET formation region. Therefore, the work function value of the gate electrode 6a can be set to a value in the vicinity of the conduction band of silicon (4.15 eV), so that the threshold voltage of the n-channel MISFET can be reduced. On the other hand, a p-type impurity is introduced into the polysilicon film in the gate electrode 6b in the p-channel type MISFET formation region. For this reason, since the work function value of the gate electrode 6b can be set to a value in the vicinity of the valence band of silicon (5.15 eV), the threshold voltage of the p-channel MISFET can be reduced. Thus, in the first embodiment, the threshold voltage can be reduced in both the n-channel MISFET and the p-channel MISFET (dual gate structure).
続いて、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、nチャネル型MISFET形成領域のゲート電極6aに整合した浅いn型不純物拡散領域7を形成する。浅いn型不純物拡散領域7は、半導体領域である。同様に、pチャネル型MISFET形成領域に浅いp型不純物拡散領域8を形成する。浅いp型不純物拡散領域8は、pチャネル型MISFET形成領域のゲート電極6bに整合して形成される。この浅いp型不純物拡散領域8は、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより形成することができる。
Subsequently, by using a photolithography technique and an ion implantation method, a shallow n-type
次に、半導体基板1上に酸化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜は、例えば、CVD法を使用して形成することができる。そして、酸化シリコン膜を異方性エッチングすることにより、サイドウォール9をゲート電極6a、6bの側壁に形成する。サイドウォール9は、酸化シリコン膜の単層膜から形成するようにしたが、これに限らず、例えば、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の積層膜からなるサイドウォールを形成してもよい。
Next, a silicon oxide film is formed on the
続いて、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、nチャネル型MISFET形成領域にサイドウォール9に整合した深いn型不純物拡散領域10aを形成する。深いn型不純物拡散領域10aは、半導体領域である。この深いn型不純物拡散領域10aと浅いn型不純物拡散領域7によってソース領域が形成される。同様に、深いn型不純物拡散領域10aと浅いn型不純物拡散領域7によってドレイン領域が形成される。このようにソース領域とドレイン領域を浅いn型不純物拡散領域7と深いn型不純物拡散領域10aで形成することにより、ソース領域およびドレイン領域をLDD(Lightly Doped Drain)構造とすることができる。
Subsequently, a deep n-type
同様に、pチャネル型MISFET形成領域にサイドウォール9に整合した深いp型不純物拡散領域10bを形成する。この深いp型不純物拡散領域10bと浅いp型不純物拡散領域8によってソース領域およびドレイン領域が形成される。したがって、pチャネル型MISFETにおいてもソース領域およびドレイン領域はLDD構造をしている。
Similarly, a deep p-type
このようにして、深いn型不純物拡散領域10aおよび深いp型不純物拡散領域10bを形成した後、1000℃程度の熱処理を行なう。これにより、導入した不純物の活性化が行なわれる。
After forming the deep n-type
本実施の形態1では、ゲート電極6a、6bをポリシリコン、ソース領域およびドレイン領域(拡散領域)をシリコンに形成した不純物領域で形成したが、それぞれの表面にチタンやコバルト、ニッケル膜を堆積し、熱処理によってシリサイド化することにより、ゲート電極6a、6bと拡散領域の低抵抗化を図ることもできる。このようにして、図3に示すnチャネル型MISFETQnやpチャネル型MISFETQpを半導体基板1上に形成することができる。
In the first embodiment, the gate electrodes 6a and 6b are formed by using polysilicon and impurity regions in which the source and drain regions (diffusion regions) are formed in silicon. However, titanium, cobalt, and nickel films are deposited on the respective surfaces. The resistance of the gate electrodes 6a and 6b and the diffusion region can be reduced by silicidation by heat treatment. In this way, the n-channel MISFET Qn and the p-channel MISFET Qp shown in FIG. 3 can be formed on the
次に、図4に示すように、nチャネル型MISFETQnやpチャネル型MISFETQpを覆うように層間絶縁膜11を形成する。そして、層間絶縁膜11の表面を、例えば、化学的機械的研磨法(CMP;Chemical Mechanical Polishing)により平坦化する。層間絶縁膜11は、例えば、酸化シリコン膜から形成され、例えば、CVD法(Chemical Vapor Deposition)により形成することができる。
Next, as shown in FIG. 4, an
続いて、図5に示すように、層間絶縁膜11を貫通してnチャネル型MISFETQnのソース領域、ドレイン領域やpチャネル型MISFETQpのソース領域、ドレイン領域に達するプラグPLG1を形成する。なお、図5では図示されていないが、nチャネル型MISFETQnのゲート電極やpチャネル型MISFETQpのゲート電極に達するプラグも形成される。その後、プラグPLG1を形成した層間絶縁膜11上に第1層配線L1を形成する。プラグPLG1は、例えば、タングステン膜を埋め込むことにより形成されており、第1層配線L1はアルミニウムやアルミニウムとチタン、窒化チタンの積層膜から形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 5, a plug PLG1 that penetrates the
次に、図6に示すように、第1層配線L1を覆うように層間絶縁膜11を形成し、この層間絶縁膜11にプラグPLG2を形成する。このプラグPLG2は第1層配線L1と接続されるように形成される。そして、プラグPLG2を形成した層間絶縁膜11上に第2層配線L2を形成し、この第2層配線L2を覆うように層間絶縁膜11を形成する。その後、層間絶縁膜11の表面を、例えば、CMP法で平坦化する。このとき、層間絶縁膜11の表面を窒化シリコン膜などCMP耐性の高い材料や、後続する工程での銅の拡散を抑える膜とすることが望ましい。
Next, as shown in FIG. 6, an
続いて、図7に示すように、層間絶縁膜11にプラグPLG3を形成する。このプラグPLG3は、第2層配線L2に接続するように形成される。そして、プラグPLG3を形成した層間絶縁膜11の表面にレジスト膜12を塗布する。その後、塗布したレジスト膜12に露光・現像処理を施すことによりパターニングする。レジスト膜12のパターニングは、貫通電極形成領域に開口部12aが形成されるように行なわれる。
Subsequently, as shown in FIG. 7, a
次に、図8に示すように、開口部12aを形成したレジスト膜12をマスクとして、層間絶縁膜11、素子分離領域2および半導体基板1の一部をエッチングする。これにより、貫通口となる溝13を形成することができる。その後、パターニングしたレジスト膜12を除去し、半導体基板1を洗浄する。
Next, as shown in FIG. 8, the
続いて、図9に示すように、溝13内を含む層間絶縁膜11上に酸化シリコン膜14を形成する。この酸化シリコン膜14は、例えば、プラズマCVD法により形成することができる。そして、この酸化シリコン膜14をエッチバックする。これにより、層間絶縁膜11上および溝13の底部に存在する酸化シリコン膜14が除去される一方、溝13の側面にだけ酸化シリコン膜14を残存させることができる。その後、溝13の内部を埋め込む金属膜15を形成する。本実施の形態1では、例えば、溝13を埋め込む金属膜15として、まず、タンタル膜(Ta膜)とシード層となる銅膜(Cu膜)をスパッタリング法で積層して形成した後、めっき法で銅膜を溝13に埋め込むようにしている。
Subsequently, as shown in FIG. 9, a
次に、図10に示すように、層間絶縁膜11上に形成されている不要な金属膜15を除去する。不要な金属膜15を構成する銅膜の除去はCMP法で実施し、銅膜の下層に形成されているタンタル膜に関しては、フッ素系のプラズマガスによって除去する。これにより、層間絶縁膜11上に形成されている金属膜15が除去され、溝13の内部にだけ金属膜15が埋め込まれる。
Next, as shown in FIG. 10, the
その後、図11に示すように、第3層配線L3を形成する。例えば、第3層配線L3は、層間絶縁膜11上に窒化チタン膜/アルミニウム膜/窒化チタン膜をスパッタリング法で積層膜として形成し、この積層膜に対してフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を使用することで形成される。このとき、第3層配線L3と同層でパッドPDも形成される。そして、第3層配線L3およびパッドPDを覆うようにパッシベーション膜を形成する。図11では、パッシベーション膜も層間絶縁膜11として記載されている。なお、第3層配線L3の一部が金属膜15を埋め込んだ溝13の上部を被覆するようになっている。
Thereafter, as shown in FIG. 11, a third layer wiring L3 is formed. For example, for the third layer wiring L3, a titanium nitride film / aluminum film / titanium nitride film is formed as a laminated film on the
本実施の形態1では、図10に示すように、層間絶縁膜11上に形成されている不要な金属膜15を除去する際、銅膜と銅膜の下層に形成されているタンタル膜も除去しているが、銅膜の下層に形成されているタンタル膜を残した状態で、第3層配線L3の成膜から加工までを実施してもよい。
In the first embodiment, as shown in FIG. 10, when the
ここまでの工程で半導体基板1上に集積回路を形成することができる。これまでの工程は、一般的な集積回路の製造工程に、貫通電極用の溝13を形成する工程およびこの溝13に金属膜15を埋め込む工程を追加したものである。
An integrated circuit can be formed on the
続いて、半導体基板1の集積回路を形成した面とは反対側の面にMEMS構造体を形成する製造工程について図面を参照しながら説明する。
Next, a manufacturing process for forming the MEMS structure on the surface of the
まず、図12に示すように、半導体基板1の集積回路を形成した面とは反対側の面(裏面)を洗浄した後、絶縁膜16を形成する。絶縁膜16は、例えば、窒化シリコン膜より形成することができる。本実施の形態1では、絶縁膜16を形成する前までの工程で裏面に形成された膜を除去して半導体基板1を露出させてから、絶縁膜16を形成している。この際、半導体基板1の裏面に研磨処理を実施してもよい。
First, as shown in FIG. 12, the surface (back surface) opposite to the surface on which the integrated circuit is formed of the
次に、図13に示すように、フォトリソグラフィ技術を使用してパターニングしたレジスト膜(図示せず)を形成する。このレジスト膜のパターニングは、貫通電極形成領域を開口するように行なわれる。そして、パターニングしたレジスト膜をマスクにして、絶縁膜16および半導体基板1の一部をエッチングする。これにより、溝13に接続する溝17を形成する。
Next, as shown in FIG. 13, a patterned resist film (not shown) is formed using a photolithography technique. The patterning of the resist film is performed so as to open the through electrode formation region. Then, the insulating
そして、図14に示すように、溝17内を含む絶縁膜16上に酸化シリコン膜18を形成する。この酸化シリコン膜18は、例えば、プラズマCVD法により形成することができる。そして、この酸化シリコン膜18をエッチバックする。これにより、絶縁膜16上および溝17の底部に存在する酸化シリコン膜18が除去される一方、溝17の側面にだけ酸化シリコン膜18を残存させることができる。図13〜図14では、溝13と溝17の径を同サイズとしたが、溝13の径を溝17の径と変えて、フォトリソグラフィの合わせ余裕を大きくとる場合は、溝13の側壁に酸化シリコン膜14を形成した後、窒化シリコン膜を積層し、エッチバックせずに金属膜15を埋め込み、CMP法で溝13内部にだけ金属膜15を形成した後、前述の窒化シリコン膜と酸化シリコン膜14を除去するものとし、溝13の底部に絶縁膜(窒化シリコン膜と酸化シリコン膜14)が残存するようにするとよい。その後、溝17の径を溝13の径よりも小さく開口した後、接続部の絶縁膜(窒化シリコン膜と酸化シリコン膜14)を除去し、溝17の側壁に酸化シリコン膜18を形成すれば、半導体基板1に対して、溝13、17表面を絶縁膜で覆うことができる。
Then, as shown in FIG. 14, a
続いて、図15に示すように、溝17の内部を埋め込む金属膜19を形成する。本実施の形態1では、例えば、溝17を埋め込む金属膜19として、まず、タンタル膜(Ta膜)とシード層となる銅膜(Cu膜)をスパッタリング法で積層して形成した後、めっき法で銅膜を溝17に埋め込むようにしている。
Subsequently, as shown in FIG. 15, a
その後、図16に示すように、絶縁膜16上に形成されている不要な金属膜19を除去する。不要な金属膜19を構成する銅膜の除去はCMP法で実施し、銅膜の下層に形成されているタンタル膜に関しては、フッ素系のプラズマガスによって除去する。これにより、絶縁膜16上に形成されている金属膜19が除去され、溝17の内部にだけ金属膜19が埋め込まれる。以上の工程により、貫通電極20a、20bが形成される。本実施の形態1では、集積回路の形成工程で貫通電極の一部(溝13)を形成し、その後、MEMS構造体の製造工程で貫通電極の一部(溝17)を形成しているが、集積回路の形成工程で貫通電極20a、20bの全部を形成してもよいし、MEMS構造体の形成工程で貫通電極20a、20bの全部を形成してもよい。
Thereafter, as shown in FIG. 16, the
次に、図17に示すように、貫通電極20a、20b上を含む絶縁膜16上に導体膜21を形成する。導体膜21は、例えば、タングステン(W)膜から形成することができる。導体膜21は、MEMS構造体の下部電極となる膜であり、貫通電極20bと接続される一方、その後の工程で上部電極と接続される貫通電極20aとは絶縁される。したがって、導体膜21のパターニングにより、導体膜21は貫通電極20bと接続する一方、貫通電極20a上の導体膜21は除去される。このとき、貫通電極20aの表面を保護するため、図18に示すように、貫通電極20a、20b上を含む絶縁膜16上に絶縁膜22を形成し、この絶縁膜22に貫通電極20bに達する開口部を形成してから、絶縁膜22上に導体膜21を形成してもよい。より望ましくは、貫通電極20aの表面を金属層などで保護するとよい。これにより、下部電極を形成する際、貫通電極20aの表面を保護することができる。ただし、本実施の形態1では、工程を簡略化するために、図17に示す構成としている。
Next, as shown in FIG. 17, a
続いて、図19に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、導体膜21をパターニングして下部電極23を形成する。下部電極23は、貫通電極20bと接続されるようにパターニングされる。このとき、貫通電極20a上に形成されている導体膜21はエッチングで除去されるので、貫通電極20aの表面が変質しないように注意する必要がある。具体的には、貫通電極20aを埋め込んでいる材料は銅膜であるため、この銅膜の表面が下部電極23の形成工程で変質しないように、導体膜21の材料と、この導体膜21のドライエッチングに用いるエッチングガスの組み合わせに注意を要する。本実施の形態1では、銅膜で形成されている貫通電極20aの表面が変質しないように、導体膜21としてタングステン膜を使用し、このタングステン膜の加工にNF3ガスを用いている。
Subsequently, as shown in FIG. 19, the
本実施の形態1では、貫通電極20bと接続する部分にのみ下部電極23を形成したが、同時に貫通電極20aの表面を保護するように、貫通電極20bとは電気的に分離した導体膜を、貫通電極20aを覆うように配置することもできる。この場合、貫通電極20aの表面がエッチング雰囲気にさらされることがないため、エッチングガスにSF6など銅を変質するガスを用いることができるし、後述する工程でMEMS構造体の上部電極と貫通電極20aとを導通させるが、この導通に対する信頼性を高くすることができる。その反面、貫通電極20aを覆う導体膜により段差が発生するため、上部電極の加工時に段差により、オーバーエッチングを多くするなどの考慮をする必要がある。
In the first embodiment, the
次に、図20に示すように、下部電極23上を含む絶縁膜16上に絶縁膜24を形成する。この絶縁膜24は、例えば、酸化シリコン膜から形成される。そして、図21に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、絶縁膜24に貫通電極20aに達する開口部を形成した後、この開口部内を含む絶縁膜24上に導体膜25を形成する。この導体膜25は、開口部内に存在する貫通電極20aと電気的に接続される。導体膜25は、例えば、タングステンシリサイド膜から形成される。本実施の形態1では、この導体膜25をパターニングすることにより上部電極(ダイアフラム膜)が形成される。この導体膜25を形成する際、先の集積回路形成工程で形成したMISFET(nチャネル型MISFETQn、pチャネル型MISFETQp)のソース領域、ドレイン領域の不純物プロファイルの変動や貫通電極20a、20bの変質を抑制するために、500℃以下の成膜温度に抑えることが望ましい。このため、タングステンシリサイド膜からなる導体膜25の成膜には、スパッタリング法を用いることが望ましい。さらに、導体膜25として、タングステンシリサイド膜の他に、タングステン、モリブデン(Mo)、モリブデンシリサイドやチタンシリサイドなどの材料が望ましい。
Next, as shown in FIG. 20, an insulating
続いて、図22に示すように、導体膜25をパターニングすることにより、上部電極(ダイアフラム膜)26を形成する。このとき、上部電極26には、空洞部を形成するためのエッチング孔27を複数個形成する。そして、図23に示すように、上部電極26に形成されているエッチング孔27を用いたウェットエッチングにより、上部電極26と下部電極23の間にある絶縁膜24を除去して空洞部28を形成する。これにより、上部電極26が機械的に変形可能なダイアフラム構造を形成することができる。なお、空洞部28を形成する際、ウェットエッチングを使用しているが、上部電極26の周辺部の絶縁膜24がエッチングされることを防止するため、上部電極26の周辺部はレジスト膜で保護している。
Subsequently, as shown in FIG. 22, the upper electrode (diaphragm film) 26 is formed by patterning the
その後、図24に示すように、レジスト膜を除去した後、上部電極26上を含む絶縁膜24上に絶縁膜29およびパッシベーション膜30を積層して形成する。これにより、上部電極26に形成されているエッチング孔27は、絶縁膜29で塞がれ、空洞部28を気密封止している。絶縁膜29を成膜する際、空洞部28が埋まらないようにエッチング孔27は、小さく形成するとともに、上部電極26と下部電極23との間のギャップ(絶縁膜24の厚さ)を所定の間隔になるように設計する。本実施の形態1では、絶縁膜29として、TEOS(tetra ethyl ortho silicate)膜を等方的に形成している。このため、空洞部28の内部に絶縁膜29の回りこみが発生するが、空洞部28の内部が完全に埋め込まれないように設計している。また、パッシベーション膜30の表面に、窒化シリコン膜を形成することで、外部の湿度などによりTEOS膜が変質するのを抑制することが可能となる。そして、パッシベーション膜30上にMEMS構造体の表面を保護するために、有機フィルム31を形成している。以上のようにして、下部電極23と上部電極26からなる容量素子と、下部電極23と上部電極26の間に設けられた空洞部28によるMEMS構造体を形成することができる。
Thereafter, as shown in FIG. 24, after removing the resist film, an insulating
引き続き、集積回路の上部に外部接続端子であるバンプ電極を形成する工程について説明する。図25に示すように、集積回路を形成した層間絶縁膜11(ここではパッシベーション膜)上に感光性ポリイミド膜32を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術を用いることにより、この感光性ポリイミド膜32に開口部32aを形成する。開口部32aは、パッドPDの上部に形成される。
Subsequently, a process of forming a bump electrode which is an external connection terminal on the integrated circuit will be described. As shown in FIG. 25, a
次に、図26に示すように、感光性ポリイミド膜32に形成された開口部32aから露出する層間絶縁膜11(パッシベーション膜)に開口部33を形成する。この開口部33により、パッドPDの表面が露出する。そして、図27に示すように、パッドPD上にフラックスを塗布した後、バンプ電極BPを配置する。続いて、半導体基板1に対して、リフロー処理を施した後、MEMS構造体の表面を保護している有機フィルム31を剥離することにより、図1に示す本実施の形態1における半導体装置を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 26, an
本実施の形態1では、半導体基板1の一方の面に集積回路を形成する一方、半導体基板1の他方の面にMEMS構造体を形成するように構成し、集積回路と実装基板34とをバンプ電極BPでフェイスダウン接続する構造をしている。すなわち、集積回路と同じ側にMEMS構造体が配置されていないので、MEMS構造体の大きさに関係なく集積回路を形成することができる。つまり、集積回路の平面的な大きさをMEMS構造体の平面的な大きさよりも大きくする必要がなく、集積回路の平面的な大きさをMEMS構造体と同じかそれ以下のサイズにすることができるので、集積回路とMEMS構造体を備える半導体装置の小型化を図ることができる。
In the first embodiment, an integrated circuit is formed on one surface of the
(実施の形態2)
前記実施の形態1では、通常の半導体基板の一方の面に集積回路を形成する一方、他方の面に容量検出型のMEMS構造体(ダイアフラム構造)を形成する例について説明した。本実施の形態2では、SOI(Silicon On Insulator)基板の一方の面に集積回路を形成する一方、他方の面に抵抗変化型のMEMS構造体(ダイアフラム構造)を形成する例について説明する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, an example in which an integrated circuit is formed on one surface of a normal semiconductor substrate and a capacitance detection type MEMS structure (diaphragm structure) is formed on the other surface has been described. In the second embodiment, an example in which an integrated circuit is formed on one surface of an SOI (Silicon On Insulator) substrate and a resistance change type MEMS structure (diaphragm structure) is formed on the other surface will be described.
図28は、本実施の形態2における半導体装置の構成を示す断面図である。図28に示すように、半導体基板はSOI基板を使用している。具体的に、SOI基板は、基板層40と、基板層40上に形成されている埋め込み絶縁層41と、埋め込み絶縁層41上に形成されているシリコン層42から構成されている。基板層40およびシリコン層42は、どちらもシリコンを主成分とする層であるが、基板層40の厚さは、シリコン層42の厚さに比べて充分に厚くなっている。通常、SOI基板では、厚さの薄いシリコン層42に集積回路を形成するが、本実施の形態2では、厚さの薄いシリコン層42を使用してMEMS構造体のダイアフラム膜を形成するので、厚さの厚い基板層40に集積回路を形成している。すなわち、図28に示すように、基板層40に集積回路が形成されている。この集積回路は、前記実施の形態1と同様の構造をしている。具体的には、基板層40に素子分離領域2が形成されており、この素子分離領域2で分離されている活性領域にnチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQpが形成されている。そして、nチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQpを覆うように、層間絶縁膜11が形成されており、この層間絶縁膜11に多層配線が形成されている。具体的に、本実施の形態2でも、3層の多層配線が形成されている。そして、最上層配線として第3層配線L3が形成されており、この第3層配線L3と同層でパッドPDが形成されている。パッドPD上は開口されており、外部接続端子であるバンプ電極BPが形成されている。以上が本実施の形態2における集積回路の構成である。
FIG. 28 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment. As shown in FIG. 28, an SOI substrate is used as the semiconductor substrate. Specifically, the SOI substrate includes a
次に、本実施の形態2におけるMEMS構造体の構成について説明する。図28に示すように、本実施の形態2におけるMEMS構造体は、シリコン層42に形成されている。すなわち、厚さの薄いシリコン層42がダイアフラム膜となっており、この膜の下層に空洞部44が形成されている。すなわち、空洞部44は、埋め込み絶縁層41を除去することにより形成されている。ここで、シリコン層42には、不純物が導入されて拡散抵抗(歪センサ)43aおよび拡散抵抗43bが形成されている。そして、拡散抵抗43aは貫通電極20aにより集積回路と電気的に接続されており、拡散抵抗43bは貫通電極20bにより集積回路と電気的に接続されていることになる。シリコン層42には、エッチング孔45が設けられており、このエッチング孔45からウェットエッチングすることにより、シリコン層42の下層に形成されている埋め込み絶縁層41に空洞部44が形成できるようになっている。最終的に、シリコン層42に形成されているエッチング孔45は、封止膜46により封止されている。
Next, the configuration of the MEMS structure according to the second embodiment will be described. As shown in FIG. 28, the MEMS structure according to the second embodiment is formed in the
このとき、拡散抵抗(歪センサ)43aは、空洞部44上に配置されるようになっており、拡散抵抗43bは空洞部44とはなっていない埋め込み絶縁層41上に配置されるようになっている。ここで、MEMS構造体の平面構成を説明する。図29は、図28に示すMEMS構造体側から見た平面図である。図29のA−A線で切断した断面が図28に対応する。図29に示すように、シリコン層42にはエッチング孔45が設けられており、このエッチング孔45の下層に空洞部44が形成されている。一方、シリコン層42には、拡散抵抗43a、拡散抵抗43b、拡散抵抗43cおよび拡散抵抗43dが形成されている。これらの拡散抵抗のうち、拡散抵抗43aだけが、空洞部44上に形成されている。したがって、拡散抵抗43aは、圧力や音波などの振動を受けると、空洞部44側に歪むことになる。このような歪みを受けると拡散抵抗43aは、抵抗値が変化する。一方、拡散抵抗43b〜43dは、埋め込み絶縁層上に形成されており、空洞部44上には形成されていない。このため、圧力や音波などの外力が働いても拡散抵抗43b〜43dは歪まず、抵抗値も変化しない。そこで、これらの4つの拡散抵抗43a〜43dでホイートストンブリッジを構成することにより、圧力や音波を電気信号に変換することができる。以下では、この動作について説明する。
At this time, the diffusion resistance (strain sensor) 43 a is arranged on the
まず、図29において、紙面の上側から圧力が加わったとする。すると、拡散抵抗43aは下層が空洞部44になっていることから、空洞部44の内側へ歪むことになる。拡散抵抗43aを構成するダイアフラム膜が歪むと抵抗値が変化する。一方、拡散抵抗43b〜43dは、下層が空洞部44となっていないことから、圧力を受けても、歪むことはない。したがって、拡散抵抗43b〜43dの抵抗値は変化しない。このことから、拡散抵抗43a〜43dでホイートストンブリッジを構成すると、1つの拡散抵抗43aの抵抗値が変化することから、抵抗変化に起因した電流が流れることになる。この抵抗値変化を
ホイートストンブリッジを構成する集積回路で読み出すことにより、圧力に起因した電気信号を取り出すことができる。特に、圧力の大きさによって、拡散抵抗43aの歪みも変わるので、抵抗値の変化も圧力の大きさに応じて変化する。このことから、圧力を電気信号として検出することができることがわかる。以上の動作により、本実施の形態2による半導体装置で圧力や音波を検出することができることがわかる。
First, in FIG. 29, it is assumed that pressure is applied from the upper side of the drawing. Then, the diffused
本実施の形態2でも、SOI基板の一方の面に集積回路を形成する一方、SOI基板の他方の面にMEMS構造体を形成するように構成し、集積回路と実装基板とをバンプ電極BPでフェイスダウン接続する構造をしている。すなわち、集積回路と同じ側にMEMS構造体が配置されていないので、MEMS構造体の大きさに関係なく集積回路を形成することができる。つまり、集積回路の平面的な大きさをMEMS構造体の平面的な大きさよりも大きくする必要がなく、集積回路の平面的な大きさをMEMS構造体と同じかそれ以下のサイズにすることができるので、集積回路とMEMS構造体を備える半導体装置の小型化を図ることができる。 Also in the second embodiment, an integrated circuit is formed on one surface of the SOI substrate while a MEMS structure is formed on the other surface of the SOI substrate, and the integrated circuit and the mounting substrate are formed by bump electrodes BP. It is structured to be connected face down. That is, since the MEMS structure is not arranged on the same side as the integrated circuit, the integrated circuit can be formed regardless of the size of the MEMS structure. In other words, the planar size of the integrated circuit does not need to be larger than the planar size of the MEMS structure, and the planar size of the integrated circuit can be the same as or smaller than that of the MEMS structure. Therefore, the semiconductor device including the integrated circuit and the MEMS structure can be downsized.
続いて、本実施の形態2における半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。まず、図30に示すように、基板層40と、埋め込み絶縁層41およびシリコン層42からなるSOI基板を用意する。そして、シリコン層42にイオン注入法を使用して不純物を導入することにより、拡散抵抗43aおよび拡散抵抗43bを形成する。このとき、イオン注入法で不純物を導入した後、熱処理を実施し、シリコン層42に導入した不純物を活性化させる。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. First, as shown in FIG. 30, an SOI substrate including a
次に、基板層40の表面に集積回路を形成する。具体的には、基板層40に、nチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQpを形成した後、nチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQp上に多層配線を形成する。この多層配線を形成する工程で貫通電極20a、20bを形成する。ここで、シリコン層42に形成した拡散抵抗43a、43bに対する熱処理は、nチャネル型MISFETQnのソース領域、ドレイン領域およびpチャネル型MISFETQpのソース領域、ドレイン領域を形成する際の熱処理で実施してもよい。
Next, an integrated circuit is formed on the surface of the
前記実施の形態1では、集積回路形成工程とMEMS構造体形成工程の両方を使用して貫通電極20a、20bを形成しているが、本実施の形態2では、集積回路形成工程で、基板層40から貫通電極20a、20bを形成している。図30では、第3層配線L3に接続されている貫通電極20a、20bが、基板層40および埋め込み絶縁層41を貫通し、シリコン層42に達している。
In the first embodiment, the through
続いて、図28に示すように、シリコン層42に複数のエッチング孔45を形成し、このエッチング孔45を用いたウェットエッチングにより、埋め込み絶縁層41の一部を除去する。これにより、埋め込み絶縁層41に空洞部44を形成する。その後、エッチング孔45を塞ぐように、シリコン層42上に封止膜46を形成する。この封止膜46によりエッチング孔45が塞がれ、空洞部44が気密封止される。封止膜46としては、前記実施の形態1と同様にTEOS膜を使用することができるが、TEOS膜は、大気中の水分に起因する膜質変動が起きやすいため、TEOS膜上に窒化シリコン膜を積層してもよい。さらに、TEOS膜に代えてポリイミド膜などの有機膜を成膜してもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 28, a plurality of etching holes 45 are formed in the
その後、基板層40上に形成されているパッドPDを開口する開口部を形成し、この開口部にバンプ電極BPを配置することにより、本実施の形態2における半導体装置を製造することができる。
Thereafter, an opening for opening the pad PD formed on the
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
前記実施の形態によれば、表面マイクロマシニング技術やバルクマイクロマシニング技術を用いたトランスデューサ(例えば、圧力センサやマイクロホン)と集積回路とを1つの半導体チップの両面に形成できるので小型化できる。このトランスデューサと集積回路を一体化した半導体装置によれば、半導体装置を実装基板に実装する際、集積回路側に形成されたバンプ電極により半導体装置をフリップチップ接続することにより、トランスデューサが外部空間に向いた状態で配置できる。このため、トランスデューサが外部空間と直接対話する機能を損なうことなく、半導体装置を小型化することができる。 According to the embodiment, a transducer (for example, a pressure sensor or a microphone) using a surface micromachining technique or a bulk micromachining technique and an integrated circuit can be formed on both surfaces of one semiconductor chip, so that the size can be reduced. According to the semiconductor device in which the transducer and the integrated circuit are integrated, when the semiconductor device is mounted on the mounting substrate, the semiconductor device is flip-chip connected by the bump electrode formed on the integrated circuit side so that the transducer is brought into the external space. Can be placed in a facing state. For this reason, the semiconductor device can be reduced in size without impairing the function of the transducer directly interacting with the external space.
前記実施の形態1では、MEMS構造体として容量検出型のトランスデューサを例にして説明したが、MEMS構造体として前記実施の形態2で説明した抵抗変化型のトランスデューサを形成する場合も適用することができる。つまり、通常の半導体基板の一方の面に集積回路を形成し、半導体基板の他方の面に抵抗変化型のトランスデューサを形成することができる。同様に、前記実施の形態2では、SOI基板を使用し、SOI基板のシリコン層を利用してMEMS構造体として抵抗変化型のトランスデューサを形成する例を説明しているが、SOI基板のシリコン層上に容量検出型のトランスデューサを形成することもできる。 In the first embodiment, the capacitance detection type transducer is described as an example of the MEMS structure. However, the case where the resistance change type transducer described in the second embodiment is formed as the MEMS structure may be applied. it can. That is, an integrated circuit can be formed on one surface of a normal semiconductor substrate, and a resistance variable transducer can be formed on the other surface of the semiconductor substrate. Similarly, in the second embodiment, an example in which an SOI substrate is used and a resistance change type transducer is formed as a MEMS structure using the silicon layer of the SOI substrate is described. However, the silicon layer of the SOI substrate is described. A capacitive detection type transducer can also be formed on top.
本発明は、半導体装置を製造する製造業に幅広く利用することができる。 The present invention can be widely used in the manufacturing industry for manufacturing semiconductor devices.
1 半導体基板
2 素子分離領域
3 p型ウェル
4 n型ウェル
5 ゲート絶縁膜
6a ゲート電極
6b ゲート電極
7 浅いn型不純物拡散領域
8 浅いp型不純物拡散領域
9 サイドウォール
10a 深いn型不純物拡散領域
10b 深いp型不純物拡散領域
11 層間絶縁膜
12 レジスト膜
12a 開口部
13 溝
14 酸化シリコン膜
15 金属膜
16 絶縁膜
17 溝
18 酸化シリコン膜
19 金属膜
20a 貫通電極
20b 貫通電極
21 導体膜
22 絶縁膜
23 下部電極
24 絶縁膜
25 導体膜
26 上部電極
27 エッチング孔
28 空洞部
29 絶縁膜
30 パッシベーション膜
31 有機フィルム
32 感光性ポリイミド膜
32a 開口部
33 開口部
34 実装基板
35 配線
40 基板層
41 埋め込み絶縁層
42 シリコン層
43a 拡散抵抗
43b 拡散抵抗
43c 拡散抵抗
43d 拡散抵抗
44 空洞部
45 エッチング孔
46 封止膜
BP バンプ電極
L1 第1層配線
L2 第2層配線
L3 第3層配線
PD パッド
PLG1 プラグ
PLG2 プラグ
PLG3 プラグ
Qn nチャネル型MISFET
Qp pチャネル型MISFET
DESCRIPTION OF
Qp p-channel MISFET
Claims (10)
前記半導体チップは、
(a)半導体基板と、
(b)前記半導体基板の第1面に形成された半導体素子と、
(c)前記半導体素子上に形成された多層配線層と、
(d)前記多層配線層の最上層に形成されたパッドと、
(e)前記パッド上に形成されたバンプ電極とを有し、
前記バンプ電極を実装基板上に形成されている端子と接続することにより、前記半導体チップを前記実装基板に実装する半導体装置であって、
前記半導体基板の前記第1面と反対側の第2面には、電気信号と物理量とを変換するトランスデューサが形成されており、
前記トランスデューサは、
(f1)前記半導体基板の前記第2面上に形成された第1絶縁膜と、
(f2)前記第1絶縁膜上に形成された第2絶縁膜と、
(f3)前記第2絶縁膜に形成された空洞部と、
(f4)前記空洞部を覆うように形成されたダイアフラム膜とを有し、
前記トランスデューサは、外力による前記ダイアフラム膜の機械的変形を電気信号に変換する機能を有し、
前記多層配線層と前記トランスデューサとは、前記半導体基板を貫通する貫通電極によって電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 With a semiconductor chip,
The semiconductor chip is
(A) a semiconductor substrate;
(B) a semiconductor element formed on the first surface of the semiconductor substrate;
(C) a multilayer wiring layer formed on the semiconductor element;
(D) a pad formed on the uppermost layer of the multilayer wiring layer;
(E) a bump electrode formed on the pad;
A semiconductor device for mounting the semiconductor chip on the mounting substrate by connecting the bump electrodes to terminals formed on the mounting substrate,
On the second surface opposite to the first surface of the semiconductor substrate, a transducer that converts electrical signals and physical quantities is formed,
The transducer is
(F1) a first insulating film formed on the second surface of the semiconductor substrate;
(F2) a second insulating film formed on the first insulating film;
(F3) a cavity formed in the second insulating film;
(F4) having a diaphragm film formed so as to cover the cavity,
The transducer has a function of converting mechanical deformation of the diaphragm film due to external force into an electrical signal,
The semiconductor device, wherein the multilayer wiring layer and the transducer are electrically connected by a through electrode penetrating the semiconductor substrate.
前記トランスデューサは、前記ダイアフラム膜の機械的変形に起因した前記ダイアフラム膜の歪を電気信号に変換する歪センサを有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the transducer includes a strain sensor that converts strain of the diaphragm film due to mechanical deformation of the diaphragm film into an electric signal.
前記歪センサは、前記ダイアフラム膜に発生する歪によって前記歪センサの抵抗値が変化することを利用して、外力による前記ダイアフラム膜の歪を電気信号に変換することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The strain sensor converts a strain of the diaphragm film due to an external force into an electric signal by utilizing a change in resistance value of the strain sensor due to a strain generated in the diaphragm film.
前記トランスデューサは、容量素子を有し、
前記容量素子は、
前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜の間に形成された下部電極と、
前記ダイアフラム膜から形成された上部電極とを有し、
前記下部電極と前記上部電極との間に前記空洞部が形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The transducer has a capacitive element;
The capacitive element is
A lower electrode formed between the first insulating film and the second insulating film;
An upper electrode formed from the diaphragm film,
The semiconductor device, wherein the cavity is formed between the lower electrode and the upper electrode.
前記上部電極となる前記ダイアフラム膜の機械的変形により、前記空洞部を介した前記上部電極と前記下部電極との間の距離が変化し、前記上部電極と前記下部電極との間の距離が変化することにより、前記容量素子の静電容量が変化することを利用して、外力による前記ダイアフラム膜の機械的変形を電気信号に変換することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4,
Due to the mechanical deformation of the diaphragm film serving as the upper electrode, the distance between the upper electrode and the lower electrode through the cavity changes, and the distance between the upper electrode and the lower electrode changes. Thus, the semiconductor device is characterized in that the mechanical deformation of the diaphragm film due to an external force is converted into an electric signal by utilizing the change in the capacitance of the capacitor element.
前記トランスデューサは、圧力センサあるいは振動センサであることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the transducer is a pressure sensor or a vibration sensor.
前記半導体チップは、
(a)半導体基板と、
(b)前記半導体基板の第1面に形成された半導体素子と、
(c)前記半導体素子上に形成された多層配線層と、
(d)前記多層配線層の最上層に形成されたパッドと、
(e)前記パッド上に形成されたバンプ電極とを有し、
前記バンプ電極を実装基板上に形成されている端子と接続することにより、前記半導体チップを前記実装基板に実装する半導体装置であって、
前記半導体基板の前記第1面と反対側の第2面には、電気信号と物理量とを変換するトランスデューサが形成されており、
前記トランスデューサは、
(f1)前記半導体基板の前記第2面上に形成された第1絶縁膜と、
(f2)前記第1絶縁膜上に形成された下部電極と、
(f3)前記下部電極上に形成された第2絶縁膜と、
(f4)前記第2絶縁膜に形成され、前記下部電極を露出する空洞部と、
(f5)前記空洞部を覆うように形成された上部電極とを有し、
前記トランスデューサは、外力による前記上部電極の機械的変形を電気信号に変換する機能を有し、
前記多層配線層と前記トランスデューサとは、前記半導体基板を貫通する貫通電極によって電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 With a semiconductor chip,
The semiconductor chip is
(A) a semiconductor substrate;
(B) a semiconductor element formed on the first surface of the semiconductor substrate;
(C) a multilayer wiring layer formed on the semiconductor element;
(D) a pad formed on the uppermost layer of the multilayer wiring layer;
(E) a bump electrode formed on the pad;
A semiconductor device for mounting the semiconductor chip on the mounting substrate by connecting the bump electrodes to terminals formed on the mounting substrate,
On the second surface opposite to the first surface of the semiconductor substrate, a transducer that converts electrical signals and physical quantities is formed,
The transducer is
(F1) a first insulating film formed on the second surface of the semiconductor substrate;
(F2) a lower electrode formed on the first insulating film;
(F3) a second insulating film formed on the lower electrode;
(F4) a cavity formed in the second insulating film and exposing the lower electrode;
(F5) having an upper electrode formed to cover the cavity,
The transducer has a function of converting mechanical deformation of the upper electrode due to an external force into an electric signal,
The semiconductor device, wherein the multilayer wiring layer and the transducer are electrically connected by a through electrode penetrating the semiconductor substrate.
前記上部電極の機械的変形により、前記空洞部を介した前記上部電極と前記下部電極との間の距離が変化し、前記上部電極と前記下部電極との間の距離が変化することにより、前記上部電極と前記下部電極から構成される容量素子の静電容量が変化することを利用して、外力による前記上部電極の機械的変形を電気信号に変換することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
Due to the mechanical deformation of the upper electrode, the distance between the upper electrode and the lower electrode through the cavity changes, and the distance between the upper electrode and the lower electrode changes, A semiconductor device characterized in that mechanical deformation of the upper electrode due to an external force is converted into an electric signal by utilizing a change in capacitance of a capacitive element including an upper electrode and the lower electrode.
前記半導体チップは、
(a)前記SOI基板の前記基板層に形成された半導体素子と、
(b)前記半導体素子上に形成された多層配線層と、
(c)前記多層配線層の最上層に形成されたパッドと、
(d)前記パッド上に形成されたバンプ電極とを有し、
前記バンプ電極を実装基板上に形成されている端子と接続することにより、前記半導体チップを前記実装基板に実装する半導体装置であって、
前記SOI基板の前記半導体層には、電気信号と物理量とを変換するトランスデューサが形成されており、
前記トランスデューサは、
(e1)前記埋め込み絶縁層に形成された空洞部と、
(e2)前記空洞部を覆い、かつ、前記半導体層から構成されるダイアフラム膜と、
(e3)外力による前記ダイアフラム膜の歪を電気信号に変換する歪センサとを有し、
前記多層配線層と前記トランスデューサとは、前記SOI基板を貫通する貫通電極によって電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor chip having an SOI substrate including a substrate layer, a buried insulating layer formed on the substrate layer, and a semiconductor layer formed on the buried insulating layer;
The semiconductor chip is
(A) a semiconductor element formed on the substrate layer of the SOI substrate;
(B) a multilayer wiring layer formed on the semiconductor element;
(C) a pad formed on the uppermost layer of the multilayer wiring layer;
(D) having a bump electrode formed on the pad;
A semiconductor device for mounting the semiconductor chip on the mounting substrate by connecting the bump electrodes to terminals formed on the mounting substrate,
In the semiconductor layer of the SOI substrate, a transducer for converting an electrical signal and a physical quantity is formed,
The transducer is
(E1) a cavity formed in the buried insulating layer;
(E2) a diaphragm film that covers the cavity and is composed of the semiconductor layer;
(E3) a strain sensor that converts strain of the diaphragm film due to external force into an electrical signal;
The semiconductor device, wherein the multilayer wiring layer and the transducer are electrically connected by a through electrode penetrating the SOI substrate.
前記基板層の厚さは、前記半導体層の厚さに比べて厚く形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9,
The semiconductor device is characterized in that the substrate layer is formed thicker than the semiconductor layer.
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