JP2009265012A

JP2009265012A - 半導体センサ

Info

Publication number: JP2009265012A
Application number: JP2008117219A
Authority: JP
Inventors: Mikio Hashimoto; 橋本　　幹夫; Takeshi Shiojiri; 健史塩尻; Shogo Mitani; 尚吾三谷
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2009-11-12

Abstract

【課題】構成部材の熱膨張係数の違いから生じる温度ドリフトを低減し、測定精度を向上させた半導体センサを提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体センサは、半導体基板２と、該半導体基板に配された感圧部３と、前記感圧部と隣接して配され、外部と電気的に接続されるパッド部４と、を少なくとも備えた半導体センサ１Ａ（１）であって、前記半導体基板は、前記パッド部が配された面において、前記感圧部と前記パッド部との間に溝６が配されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサとして機能する半導体センサに関する。

近年、圧力センサは、家電品、医療機器、自動車部品など様々な分野で使用されており、中でも半導体圧力センサは小型で高信頼性を有するため、その用途はますます拡大している。

その一例としては、例えば図１４に示すようなものが挙げられる。この圧力センサ１００は、シリコン等からなる半導体基板１０２の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる、基準圧力室としての空間部１０３と、該空間部１０３の一方側に位置する薄板化された領域によりなるダイアフラム部１０４と、圧力による該ダイアフラム部１０４の歪抵抗の変化を測定するために複数配された、感圧素子としての歪ゲージ１０５と、前記一面において、前記ダイアフラム部１０４を除いた外縁域に配され、前記歪ゲージ１０５ごとに電気的に接続された電極（パッド部）１０６等を備えている。

このような圧力センサ１００は、ダイアフラム部１０４が圧力を受けて撓むと、各歪ゲージ１０５にダイアフラム部１０４の歪み量に応じた応力が発生し、この応力に応じて歪ゲージ１０５の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を電気信号として取り出すことにより、圧力センサ１００は圧力を検出する（例えば、特許文献１参照。）

このような半導体基板の内部に空間部（圧力基準室）を備えてなる構造の圧力センサは、例えばS.Armbruster等により開示された方法（S.Armbruster et.al.,“A NOVEL MICROMACHINING PROCESS FOR THE FABRICATION OF MONOCRYSTALLINE SI-MEMBRANES USING POROUS SILICON”，Digest of Technical Papers Transducers ’03, 2003, pp.246.）や、“シリコンの表面マイグレーションを利用した大面積SONの形成" 応用物理（2000）第69巻第１０号p1187に記載されている技術を利用することにより作製することが可能である。

また、このような技術を用いなくとも、図１５に示す圧力センサ１１０のように、半導体基板１１１の一部が薄く加工されてなるダイアフラム部１１２を有し、該半導体基板１１１と、ガラス基板等からなる台座基板１１３とを接合することで形成される空間部１１４を備えた構造においても同様に圧カセンサとして機能する。

ところで、年々、小型、低背、軽量化された圧力センサが求められる傾向が強まり、それに対応するため、図１６に示すように、半導体センサの表面に配された電極（パッド部１０６）にはんだバンプ１２０を直接加工したタイプ（一般にＣＳＰ:Chip Size Packageと呼ばれる）の圧力センサが提案されている。このような構造をとることで、さらなる小型化が実現できる。

しかしながら、図１６に示すようにはんだバンプを有し、小型化された圧力センサには、以下に示すような問題点が挙げられる。
すなわち、半導体センサはシリコン単結晶基板からなり、その表面に圧力変化を電気信号に変換し出力する検出回路が半導体プレーナプロセス技術により形成されている。検出回路の下側にはシリコンが薄く加工された感圧部（ダイアフラム部）が形成されており、感圧部の直下は空間部となっている。この空間部は外部と完全に遮断された構造となっており、通常は加工の途中で真空になるよう工夫されている。

薄く加工された感圧部は、その空間部の圧力を基準として表面に加わる圧力により変形する。感圧部表面に加工された検出回路は複数個のピエゾ抵抗によって形成されるブリッジ回路が構成されているが、感圧部の変形にしたがってピエゾ抵抗が変形するとその抵抗値が変化して、ブリッジ回路のバランスが不均一となり、電気信号の変化として現れる。

このような原理によって動作する圧力センサにおいて、この構造の圧力センサは、はんだバンプ１２０を介して相手側の電気回路部に直接接続することでパッケージ１３０に内蔵されたり（図１７参照）、実装基板１４０上に実装されることで（図１８参照）省スペース化に貢献するものとされている。

しかしながら、シリコン単結晶からなる半導体センサ１００と、はんだバンプ１２０を介して実装される電気回路部材とは材質が異なり、熱膨張係数の差が大きい。例えば図１７に示す構造においては、パッケージ１３０の材料に一般的にエポキシ、ポリフエニレンサルファイト（ＰＰＳ）などのプラスチックまたはセラミックが利用され、また、図１８に示される構造では、実装基板１４０としてＦＲ−４などを用いることが多い。

そのため、はんだバンプ１２０を介して実装された状態でセンサに温度変化が与えられると、それらの各部材の熱膨張係数の差（通常は基板の熱膨張係数が大きい）によって、図１９に示すように、特に検出回路が形成されている感圧部にはその外周部から熱応力［引張応力（実線：図には「膨張」と記載）または圧縮応力（点線図には「圧縮」と記載）］が加わり、感圧部の変形が生じる。これによって、圧力が変化していない状態においても、単にセンサの温度が変化するだけで出力が変動する、いわゆる温度ドリフトと呼ばれる現象が生じる。一般にこの温度ドリフトはセンサの測定誤差として現れるため、出来るだけ小さいことが求められる。
特開２００２−３４０７１４号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、構成部材の熱膨張係数の違いから生じる温度ドリフトと温度特性の劣化を低減し、測定精度を向上させた半導体センサを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の半導体センサは、半導体基板と、該半導体基板に配された感圧部と、前記感圧部と隣接して配され、外部と電気的に接続されるパッド部と、を少なくとも備えた半導体センサであって、前記半導体基板は、前記パッド部が配された面において、前記感圧部と前記パッド部との間に溝が配されていることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の半導体センサは、請求項１において、前記溝は、前記感圧部の外周域に配されていることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の半導体センサは、請求項１において、前記溝は、前記パッド部の外周域に配されていることを特徴とする。

本発明では、半導体基板の感圧部とパッド部との間に溝を配することで、実装される相手部材との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力が感圧部に伝播することを抑制することができる。これにより構成部材の熱膨張係数の違いから生じる温度ドリフトを低減することができる。その結果、本発明では、測定精度を向上させた半導体センサを提供することが可能である。

以下、本発明に係る半導体センサの一実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第一実施形態＞
図１は、本発明の半導体センサの一構成例を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
この半導体センサ１Ａ（１）は、例えばシリコン基板等からなる半導体基板２と、半導体基板２に配された感圧部３（「ダイアフラム部」とも言う。）と、前記感圧部３と隣接して配され、例えばはんだバンプ２０等を介して外部と電気的に接続される導電性のパッド部４と、感圧部３の表面に配された感圧素子である４つのｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ_１〜Ｒ_４（図ではＲ_１、Ｒ_２の２つのみ記載）と、から構成されている。

そして本発明の半導体センサ１Ａ（１）は、前記半導体基板２は、前記パッド部４が配された面において、前記感圧部３と前記パッド部４との間に溝６が配されていることを特徴とする。

本発明では、半導体基板２の感圧部３とパッド部４との間に溝６を配することで、図２に示すように、実装される相手部材（実装基板２１）との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力が感圧部３に伝播することを抑制することができる。これにより構成部材の熱膨張係数の違いから生じる温度ドリフトを低減することができる。その結果、半導体センサ１Ａ（１）は、測定精度が向上したものとなる。
なお、図２に示した構成では、パッド部４が、二層構造（第１電極層４ａ、第２電極層４ｂ）を有する例を示している。また、パッド部４を覆うとともに、第２電極層４ｂの中央部を露呈する開口部を設けたカバー樹脂７が配されている。

図１に示すように、この半導体センサ１Ａ（１）は、平板状の半導体基板２を基材とし、この半導体基板２の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる空間部５（基準圧力室）を備え、該空間部５の一方側に位置する薄板化された領域を感圧部３（「ダイアフラム部」とも言う）とする。この感圧部３には、感圧素子である抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４が配されている。抵抗体Ｒ_２とＲ_４の２つは特に、一軸［図１（ａ）においては紙面の上下方向］上に配される構成が好ましい。

また、前記一面において、前記感圧部３を除いた外縁域には、前記抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４ごとに電気的に接続されたパッド部４が配されている。したがって、半導体センサ１Ａ（１）は、絶対圧センサとして機能する構造を備えている。

これにより、半導体センサ１Ａ（１）では、感圧部３を形成するにあたって、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４が配されている面とは反対側の面より半導体基板２をエッチングして薄く形成する必要もなく、半導体基板２を外から見た場合に、その外縁域と中央域とがほぼ同じ厚さをもつ構成とすることができる。

また、半導体センサ１Ａ（１）において、バンプ２０を載置するためのパッド部４を除く外縁域は、絶縁部（不図示）によって覆われる形態が好ましい。絶縁部を設けることにより、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４が絶縁部によって被覆した構成が得られる。この構成とした半導体センサ１Ａ（１）では、図２に示すように、バンプ２０を例えば実装基板２１やパッケージ３０と接続させる際に、バンプ２０以外の外縁域は全て絶縁部によって被覆されているので、実装基板２１やパッケージ３０に対して抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４の絶縁性が十分に確保される。また、絶縁部は、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４の外気との接触を遮断するため抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４の耐食性を向上させると共に、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４が感圧部３を介さずに直接、外部から受ける機械的な影響を大幅に削減する効果も有する。

感圧素子として機能するｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ_１〜Ｒ_４は、リード配線７を介して、いわゆるホイットストーンブリッジ回路を構成するよう互いが接続され、感圧部３の圧力変動を検出する検出回路を構成する。それぞれの抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４は半導体センサ外周部のパッド部４までを配線部８によって電気配線接続されている。

このような抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４は、感圧部３の周縁部に配置すると良い。周縁部においては圧縮と引張の両応力が抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４に加わり易いので、感度の良い半導体センサが得られる。また、各抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４は、感圧部３の表面に配されており、例えばシリコン基板中にボロンなどの拡散源を注入することによって形成することができる。

また、半導体基板２には、配線部８が設けられている。この配線部８は、例えばシリコン基板中にボロン（ｐ型抵抗体よりも高濃度のもの）などの拡散源を注入することによって形成することができる。または、アルミなどの金属を成膜し、エッチングによるパターニングを施すことにより形成することもできる。そして、この配線部８の一端部は、ｐ型抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４と電気的に接続され、他端部は、半導体基板２上に例えばアルミニウムなどによって形成されたパッド部４と電気的に接続されている。

はんだバンプ２０は、例えばはんだボールを搭載して形成することができる。なお、はんだバンプ２０は、必ずしもパッド部４上に直接搭載されるもののみを示すものではなく、一度再配線層を形成しておき、該配配線層を介してパッド部４とは別の場所で当該再配線層と電気的に接続するようにはんだボールを搭載することもできる。
これにより、実装基板２１やパッケージ３０との接続位置について高い自由度を有することができる。

そして本発明の半導体センサ１Ａ（１）では、半導体基板２の表面において、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４が形成されている感圧部３と、パッド部４との間に溝６を配している。
本発明は、実装される相手部材との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力が、はんだバンプ２０を介して半導体センサ１表面の感圧部３に伝播することを、熱応力伝播の最も強い応力の発生基点となるパッド部４と感圧部３との間に溝６を配することで阻止又は低減するものである。これにより本発明の半導体センサ１Ａ（１）は温度特性が改善され、測定精度が向上したものとなる。

このような溝６は、半導体基板２表面から例えばドライエッチング、レーザ加工、ウェットエッチングなどの技術を用いて形成することができる。
溝６の位置や形状としては、パッド部４と感圧部３との間であれば特に限定されるものではなく、様々な位置、形状とすることができる。使用材料や必要とされる効果等によって最適な位置を適宜設定すればよい。

図３〜図６は、溝６の位置、形状の例を示す平面図である。例えば図３及び図４に示す例では、前記溝６は、前記感圧部３の外周域に配されている。溝６が感圧部３の外周域に配されることにより、圧力センサのオフセット電圧温度特性、温度ドリフトなどの特性が良くなる。また、例えば図５及び図６に示すように、前記溝６を、前記パッド部４の外周域に配してもよい。溝６がパッド部４の外周域に配される構成とした場合も、圧力センサのオフセット電圧温度特性、温度ドリフトなどの特性が改善される。特に、図５及び図６に示す例では、溝６は感圧部３の外周を囲むものではないが、熱応力が感圧部３に伝播することを防止することにおいて同等の効果がある。

また、溝６の本数、溝６の幅や深さとしても特に限定されるものではなく、使用材料や必要とされる効果等によって最適なものを適宜設定すればよい。

このような本発明の半導体センサ１Ａ（１）は、図７に示すように、はんだバンプ２０を介してパッケージ３０の端子部３１上に実装され、パッケージ３０に内蔵される。このパッケージ３０は、圧力導入口３２を備えている。このとき、本発明の半導体センサ１Ａ（１）では、溝６が配されていることで、実装される相手部材（パッケージ３０）との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力が感圧部３に伝播することを抑制することができる。これにより温度ドリフトを低減することができ、測定精度が向上したものとなる。

そして、半導体センサ１Ａ（１）において、半導体基板２の感圧部３（ダイアフラム部）に外力がかかると、感圧部３が変形し、感圧部３の表面に形成された個々のゲージ抵抗が変化する。この、ホイートストンブリッジ回路における抵抗の変化を用いてセンサの出力の変動をモニタし、圧力に換算する。

なお、上述した例では、はんだバンプ２０を介して実装基板２１やパッケージ３０と電気的に接続される場合であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図８に示すように、はんだバンプ２０の代わりに金属線２２を介してパッケージ３０の端子部３１に電気的に接続された構造であってもよい。この場合、半導体センサ１Ａ（１）の感圧部３が配された面を上にし、反対側の面（底面）を接着剤２３等によりパッケージ３０に固定されている。

このようにセンサ底面が固定されている場合も同様に、パッケージや接着剤等、実装される相手部材との熱膨張係数が異なることで半導体センサ１Ａ（１）に熱応力が生じ、温度ドリフト問題を生じる。
この場合においても、本発明の半導体センサ１Ａ（１）では、溝６が配されていることで、実装される相手部材との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力が感圧部３に伝播することを抑制することができる。これにより温度ドリフトを低減することができ、測定精度が向上したものとなる。

また、本発明の半導体センサ１Ａ（１）は、図９に示すように、前記空間部５の他方側に、当該半導体基板２の他面に向かって開口し前記空間部５と前記半導体基板２の外部とを連通する孔部（以下、「連通孔」と呼ぶ。）２４を設けた構造としても良い。
このような構成の半導体センサ１Ａ（１）では、圧力基準室である空間部５が連通孔２４によって外部（例えば、大気）に開放されているので、基準圧が外圧（例えば、大気圧）となり、測定時に必要としていた外圧の測定による補正を行なう必要がなく、ゲージ圧を直接測定することができるゲージ圧センサとして機能する。

＜第二実施形態＞
次に、本発明の半導体センサの第二実施形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第一実施形態と異なる部分について主に説明し、共通する部分についてはその説明を省略する。

図１０は、本実施形態に係る半導体センサ１Ｂ（１）の一例を示す模式的な断面図である。
上述した半導体センサ１Ａ（１）は、半導体基板２が中空構造（空間部５）を有するものであったが、本実施形態の半導体センサ１Ｂ（１）は、半導体基板２の一部が薄く加工されてなる感圧部１０を有し、該半導体基板２と、ガラス基板等からなる台座基板１１とを接合することで形成される空間部１３を備えたものである。

厚さ２００〜３００μｍ程度のシリコン単結晶からなる半導体基板２の中央部は、裏面から施されたエッチング等により、２０〜５０μｍ程度の薄板部をなす感圧部１０（ダイアフラム部）とされている。また、この薄い部分は、平面視して例えば円形状をなしている。

感圧部１０の表面にはｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ_１〜Ｒ_４が配されている。ｐ型抵抗体は感圧部１０の圧力変動を検出する検出回路（ストレンゲージ）を構成するものであり、いわゆるホイットストーンブリッジ回路を構成するよう互いが接続されている。

また、半導体基板２の裏面側には、半導体基板２の中央部を薄くすることにより、凹部１２が形成されており、半導体基板２の底部の外周部と、ガラス基板等からなる台座基板１１とが真空室内で陽極接合されている。これにより、凹部１２と台座基板１１とで挟まれ、かつ真空に維持された空間部１３内を基準圧とする半導体センサ１Ｂ（１）が得られる。

そして半導体センサ１Ｂ（１）では、前記半導体基板２は、前記パッド部４が配された面において、前記感圧部１０と前記パッド部４との間に溝６が配されている。
このようにセンサ底面が固定されている場合も同様に、パッケージや接着剤等、実装される相手部材との熱膨張係数が異なることで半導体センサ１Ｂ（１）に熱応力が生じ、温度ドリフト問題を生じる。

この場合においても、本発明の半導体センサ１Ｂ（１）では、溝６が配されていることで、実装される相手部材との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力が感圧部３に伝播することを抑制することができる。これにより温度ドリフトを低減することができ、測定精度が向上したものとなる。

図１１は、半導体センサ１Ｂ（１）がはんだバンプ２０を介してパッケージ３０の端子部３１に実装され、パッケージ３０に内蔵された状態を示す断面図である。半導体センサ１Ｂ（１）では、溝６が配されていることで、実装される相手部材（パッケージ３０）との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力が感圧部１０に伝播することを抑制することができる。これにより温度ドリフトを低減することができ、測定精度が向上したものとなる。

また、半導体センサ１Ｂ（１）は、例えば図１２に示すように、はんだバンプ２０の代わりに金属線２２を介してパッケージ３０の端子部３１に電気的に接続された構造であってもよい。
この場合においても、本発明の半導体センサ１Ｂ（１）では、溝６が配されていることで、実装される相手部材（パッケージ３０）との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力が感圧部３に伝播することを抑制することができる。これにより温度ドリフトを低減することができ、測定精度が向上したものとなる。

また、半導体センサ１Ｂ（１）は、図１３に示すように、前記空間部１５の他方側に、当該半導体基板２の他面に向かって開口し前記空間部１３と前記半導体基板２の外部とを連通する孔部（連通孔）２４を設けた構成としても良い。

以上、本発明の半導体センサについて説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、ストレンゲージとして機能するｐ型抵抗体の配置および数に関しては、種々の変形例が考えられ、要は、感圧部の圧力歪を検出できれば、その配置や数はいかなるものでも構わない。

本発明は、圧力センサとして機能する半導体センサに適用可能である。このような半導体センサは、例えば一般工業用計測用、電子血圧計、高度、気圧、水深計測機能付き電子機器、携帯機器、自動車などに用いられる。

本発明の半導体センサの一例（第一実施形態）を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図１に示す半導体センサが実装基板に実装された場合に働く熱応力を説明するための図である。溝の位置、形状の他の一例を模式的に示す平面図である。溝の位置、形状の他の一例を模式的に示す平面図である。溝の位置、形状の他の一例を模式的に示す平面図である。溝の位置、形状の他の一例を模式的に示す平面図である。図１に示す半導体センサがはんだバンプを介してパッケージに内蔵された状態を模式的に示す断面図である。図１に示す半導体センサが金属線を介してパッケージに内蔵された状態を模式的に示す断面図である。図１に示す半導体センサが連通孔を有する場合を模式的に示す断面図である。本発明の半導体センサの一例（第二実施形態）を模式的に示す断面図である。図１０に示す半導体センサがはんだバンプを介してパッケージに内蔵された状態を模式的に示す断面図である。図１０に示す半導体センサが金属線を介してパッケージに内蔵された状態を模式的に示す断面図である。図１０に示す半導体センサが連通孔を有する場合を模式的に示す断面図である。従来の半導体センサの一例を模式的に示す断面図である。従来の半導体センサの他の一例を模式的に示す断面図である。はんだバンプを備えた半導体センサの一例を模式的に示す断面図である。図１４に示す半導体センサがはんだバンプを介してパッケージに内蔵された状態を模式的に示す断面図である。図１４に示す半導体センサがはんだバンプを介して実装基板に実装された状態を模式的に示す断面図である。図１４に示す半導体センサがはんだバンプを介して実装基板に実装された場合に働く熱応力を説明するための図である。

符号の説明

Ｒ_１〜Ｒ_４ｐ型抵抗体、１（１Ａ，１Ｂ）半導体センサ、２半導体基板、３，１０感圧部（ダイアフラム部）、４パッド部、５，１３空間部、６溝、７リード配線、８配線部、１１台座基板、１２凹部、２０はんだバンプ、２１実装基板、２２金属線、２３接着剤、２４連通孔、３０パッケージ、３１端子部、３２圧力導入口。

Claims

半導体基板と、該半導体基板に配された感圧部と、前記感圧部と隣接して配され、外部と電気的に接続されるパッド部と、を少なくとも備えた半導体センサであって、
前記半導体基板は、前記パッド部が配された面において、前記感圧部と前記パッド部との間に溝が配されていることを特徴とする半導体センサ。
前記溝は、前記感圧部の外周域に配されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
前記溝は、前記パッド部の外周域に配されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。