JP2010008172A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device.
近年、チップサイズパッケージ(Chip Size Package:CSP)を有する半導体装置が各所で研究開発され、パッケージのチップサイズパッケージ化が急速に進んでいる半導体装置として、加速度センサ、ジャイロセンサ、圧力センサ、マイクロアクチュエータ、マイクロリレーなどのMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスが知られている(例えば、特許文献1参照)。なお、この種のMEMSデバイスは、機能素子が、例えば、梁状の撓み部と重り部とで構成される可動部や、支持ばね部と櫛形状の可動電極とで構成される可動部や、ダイヤフラム部などの構造を有している。 In recent years, semiconductor devices having a chip size package (CSP) have been researched and developed in various places, and as semiconductor devices whose packages are rapidly becoming chip size packages, acceleration sensors, gyro sensors, pressure sensors, microactuators MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices such as micro relays are known (for example, see Patent Document 1). In this type of MEMS device, the functional element is, for example, a movable part composed of a beam-shaped bending part and a weight part, a movable part composed of a support spring part and a comb-shaped movable electrode, It has a structure such as a diaphragm part.
上記特許文献1には、この種の半導体装置の一例として、図10に示すように、第1の半導体基板(SOI基板)を用いて形成されセンシング部であるピエゾ抵抗(図示せず)が重り部12と撓み部13とで構成される可動部に設けられたセンサ部E1およびセンサ部E1と協働するIC部E2を有するセンサ基板1と、第2の半導体基板(シリコン基板)を用いて形成されセンサ基板1の一表面側に接合されセンサ基板1側とは反対側の表面(実装面)に複数のパッド25が形成された貫通孔配線形成基板2と、第3の半導体基板(シリコン基板)を用いて形成されセンサ基板1の他表面側に接合されたカバー基板3とを備えた加速度センサが記載されている。ここにおいて、図10に示した構成の加速度センサでは、貫通孔配線形成基板2の実装面において、同図(b)に示すように、外周形状が正方形状の複数のパッド25を仮想正方格子の各格子点に配置することで複数のパッド25を2次元アレイ状に配列してあるので、加速度センサの平面サイズの小型化を図れる。
In
また、従来から半導体基板における実装面側に複数のパッドが2次元アレイ状に配列される半導体装置であって、半導体基板において機能素子が形成された表面側に線膨張率が互いに異なる2層の樹脂層からなる応力緩和層を設け、半導体基板の上記表面側で機能素子に電気的に接続された再配線用の導体パターンと各パッドとを応力緩和層に形成したコンタクトホールを通して接続してなる半導体装置が提案されている(特許文献2参照)。
ところで、図10に示した構成の半導体装置を実装基板(例えば、ガラスエポキシ樹脂基板など)に実装して用いる場合、半導体装置の複数のパッド25と、実装基板において半導体装置の投影面内に設けられた複数の導体パターンとを半田やバンプなどの接合部を介して電気的に接続する必要があるが、半導体装置と実装基板との線膨張率差に起因した応力が実装基板からセンサ基板1の可動部に伝達されて機能素子であるセンサ部E1の特性が劣化してしまうことが考えられる。
When the semiconductor device having the configuration shown in FIG. 10 is mounted on a mounting substrate (for example, a glass epoxy resin substrate) and used, the plurality of
また、上記特許文献2のように応力緩和層を設けることで実装基板との線膨張率差に起因して各パッドと実装基板との接合部に生じる応力を緩和することができ、両者の接続信頼性を高めることができるが、機能素子に生じる応力をなくすことは難しく、機能素子の特性に影響を及ぼしてしまうことがあり、特に半導体装置がMEMSデバイスの場合には機能素子の特性への影響が顕著となる。
In addition, by providing a stress relaxation layer as 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、実装基板との線膨張率差に起因して機能素子に生じる応力をより緩和することが可能な半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object thereof is to provide a semiconductor device capable of further relaxing stress generated in a functional element due to a difference in linear expansion coefficient from a mounting substrate. It is in.
請求項1の発明は、複数枚の半導体基板を用いて形成されるパッケージ内に機能素子が形成され当該複数枚の半導体基板のうちの1枚における実装面側に機能素子に電気的に接続された複数のパッドを有する半導体装置であって、前記実装面側において全てのパッドを内包する仮想円の中心に対して相対的に近いパッドである内側パッドに比べて相対的に遠いパッドである外側パッドの剛性を低くしてあることを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, a functional element is formed in a package formed using a plurality of semiconductor substrates, and is electrically connected to the functional element on the mounting surface side of one of the plurality of semiconductor substrates. In addition, a semiconductor device having a plurality of pads, on the mounting surface side, an outer pad that is relatively far from an inner pad that is a pad that is relatively close to the center of a virtual circle that includes all the pads The pad has a low rigidity.
この発明によれば、前記実装面側において全てのパッドを内包する仮想円の中心に対して相対的に近いパッドである内側パッドに比べて相対的に遠いパッドである外側パッドの剛性を低くしてあるので、実装基板との線膨張率差に起因して内側パッドに比べて大きな応力が生じやすい外側パッドの応力をより緩和することができ、実装基板との線膨張率差に起因して機能素子に生じる応力をより緩和することが可能となる。 According to the present invention, the rigidity of the outer pad, which is a relatively far pad, is lower than that of the inner pad, which is a pad that is relatively close to the center of the virtual circle containing all the pads on the mounting surface side. As a result, the stress on the outer pad, which is likely to generate a larger stress than the inner pad due to the difference in linear expansion coefficient with the mounting board, can be further relaxed, and the difference in linear expansion coefficient with the mounting board can be reduced. It is possible to further relax the stress generated in the functional element.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記内側パッドに比べて前記外側パッドの材料をヤング率の低い材料とすることで前記外側パッドの剛性を低くしてあることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、前記内側パッドと前記外側パッドとの形状や下地の構造を異ならせることなく、前記内側パッドと前記外側パッドとの材料を異ならせるだけで前記外側パッドの剛性を前記内側パッドの剛性に比べて低くできる。 According to the present invention, the rigidity of the outer pad can be increased by changing the material of the inner pad and the outer pad without changing the shape of the inner pad and the outer pad and the structure of the base. It can be made lower than the rigidity.
請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記内側パッドに比べて前記外側パッドの断面積を小さくすることで前記外側パッドの剛性を低くしてあることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、前記内側パッドと前記外側パッドとの断面積を異ならせるだけで前記外側パッドの剛性を低くできるので、前記外側パッドの剛性を低くするための特別の工程を追加することなく前記外側パッドの剛性を前記内側パッドの剛性に比べて低くできる。 According to the present invention, since the rigidity of the outer pad can be reduced only by making the cross-sectional areas of the inner pad and the outer pad different, it is possible to add a special process for reducing the rigidity of the outer pad. The rigidity of the outer pad can be made lower than the rigidity of the inner pad.
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記外側パッドの下に樹脂からなる応力緩衝層が設けられてなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, a stress buffer layer made of a resin is provided under the outer pad.
この発明によれば、前記機能素子に生じる応力をより一層緩和することができる。 According to this invention, the stress generated in the functional element can be further relaxed.
請求項5の発明は、請求項4の発明において、前記応力緩衝層中に空隙を設けてなることを特徴とする。 The invention of claim 5 is characterized in that, in the invention of claim 4, a void is provided in the stress buffer layer.
この発明によれば、前記機能素子に生じる応力を更に緩和することができる。 According to this invention, the stress generated in the functional element can be further relaxed.
請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5の発明において、前記機能素子は、可動部と、当該可動部の変形量に応じた電気信号を出力するセンシング部とを有することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in any of the first to fifth aspects of the present invention, the functional element includes a movable portion and a sensing portion that outputs an electrical signal corresponding to the amount of deformation of the movable portion. To do.
この発明によれば、前記実装基板との線膨張率差に起因したセンシング部の特性変動を抑制することができる。 According to this invention, the characteristic fluctuation | variation of the sensing part resulting from the linear expansion coefficient difference with the said mounting board | substrate can be suppressed.
請求項1の発明では、実装基板との線膨張率差に起因して機能素子に生じる応力をより緩和することが可能となるという効果がある。 According to the first aspect of the present invention, there is an effect that it is possible to further relax the stress generated in the functional element due to the difference in linear expansion coefficient from the mounting substrate.
以下、本実施形態の半導体装置について図1〜図6を参照しながら説明する。 Hereinafter, the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施形態では、半導体装置として、第1の半導体基板10を用いて形成され後述のセンシング部が設けられた可動部15を有するセンサ部E1およびセンサ部E1と協働するIC部E2が集積化されたセンサ基板1と、第2の半導体基板20を用いて形成されセンサ基板1のセンシング部に電気的に接続される貫通孔配線24を有しセンサ基板1の一表面側(図1(a)の上面側)に封着された貫通孔配線形成基板(第1のパッケージ用基板部)2と、第3の半導体基板30を用いて形成されセンサ基板1の他表面側(図1(a)の下面側)に封着されたカバー基板(第2のパッケージ用基板部)3とを備えた加速度センサについて例示する。ここにおいて、センサ基板1および貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3の外周形状は矩形状であり、貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3はセンサ基板1と同じ外形寸法に形成されている。
In this embodiment, as a semiconductor device, a sensor unit E1 having a
センサ基板1は、上述の第1の半導体基板10としてシリコン基板からなる支持基板10a上のシリコン酸化膜からなる絶縁層(埋込酸化膜)10b上にn形のシリコン層(活性層)10cを有するSOIウェハを採用し、当該SOIウェハを加工することにより形成してあり、貫通孔配線形成基板2は上述の第2の半導体基板20としてシリコンウェハ(以下、第1のシリコンウェハと称する)を採用し、当該第1のシリコンウェハを加工することにより形成し、カバー基板3は上述の第3の半導体基板30としてシリコンウェハ(以下、第2のシリコンウェハと称する)を採用し、当該第2のシリコンウェハを加工することにより形成してある。なお、本実施形態では、SOIウェハにおける支持基板10aの厚さを300μm〜500μm程度、絶縁層10bの厚さを0.3μm〜1.5μm程度、シリコン層10cの厚さを4μm〜10μm程度とし、また、第1のシリコンウェハの厚さを200μm〜300μm程度、第2のシリコンウェハの厚さを100〜300μm程度としてあるが、これらの数値は特に限定するものではない。また、SOIウェハの主表面であるシリコン層10cの表面は(100)面としてある。
The
センサ基板1におけるセンサ部E1は、図1および図3に示すように、枠状(本実施形態では、矩形枠状)のフレーム部11を備え、フレーム部11の内側に配置される重り部12が一表面側(図3(b)の上面側)において可撓性を有する4つの短冊状の撓み部13を介してフレーム部11に揺動自在に支持されている。言い換えれば、センサ基板1は、枠状のフレーム部11の内側に配置される重り部12が重り部12から四方へ延長された4つの撓み部13を介してフレーム部11に揺動自在に支持されている。ここで、フレーム部11は、上述のSOIウェハの支持基板10a、絶縁層10b、シリコン層10cそれぞれを利用して形成してある。これに対して、撓み部13は、上述のSOIウェハにおけるシリコン層10cを利用して形成してあり、フレーム部11よりも十分に薄肉となっている。
As shown in FIGS. 1 and 3, the sensor portion E <b> 1 in the
重り部12は、上述の4つの撓み部13を介してフレーム部11に支持された直方体状のコア部12aと、センサ基板1の上記一表面側から見てコア部12aの四隅それぞれに連続一体に連結された直方体状の4つの付随部12bとを有している。言い換えれば、重り部12は、フレーム部11の内側面に一端部が連結された各撓み部13の他端部が外側面に連結されたコア部12aと、コア部12aと一体に形成されコア部12aとフレーム部11との間の空間に配置される4つの付随部12bとを有している。つまり、各付随部12bは、センサ基板1の上記一表面側から見て、フレーム部11とコア部12aと互いに直交する方向に延長された2つの撓み部13,13とで囲まれる空間に配置されており、各付随部12bそれぞれとフレーム部11との間にはスリット14が形成され、撓み部13を挟んで隣り合う付随部12b間の間隔が撓み部13の幅寸法よりも長くなっている。ここにおいて、コア部12aは、上述のSOIウェハの支持基板10a、絶縁層10b、シリコン層10cそれぞれを利用して形成し、各付随部12bは、SOIウェハの支持基板10aを利用して形成してある。しかして、センサ基板1の上記一表面側において各付随部12bの表面は、コア部12aの表面を含む平面からセンサ基板1の上記他表面側(図3(b)の下面側)へ離間して位置している。なお、センサ基板1の上述のフレーム部11、重り部12、各撓み部13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ればよい。
The
ところで、図3(a),(b)それぞれの右下に示したように、センサ基板1の上記一表面に平行な面内でフレーム部11の一辺に沿った一方向をx軸の正方向、この一辺に直交する辺に沿った一方向をy軸の正方向、センサ基板1の厚み方向の一方向をz軸の正方向と規定すれば、重り部12は、x軸方向に延長されてコア部12aを挟む2つ1組の撓み部13,13と、y軸方向に延長されてコア部12aを挟む2つ1組の撓み部13,13とを介してフレーム部11に支持されていることになる。なお、上述のx軸、y軸、z軸の3軸により規定した直交座標では、センサ基板1において上述のシリコン層10cにより形成された部分の表面における重り部12の中心位置を原点としている。
By the way, as shown in the lower right of each of FIGS. 3A and 3B, one direction along one side of the
重り部12のコア部12aからx軸の正方向に延長された撓み部13(図3(a)の右側の撓み部13)は、コア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Rx2,Rx4が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz2が形成されている。一方、重り部12のコア部12aからx軸の負方向に延長された撓み部13(図3(a)の左側の撓み部13)は、コア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Rx1,Rx3が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz3が形成されている。ここに、コア部12a近傍に形成された4つのピエゾ抵抗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たもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部13の長手方向に一致するように形成してあり、図5における左側のブリッジ回路Bxを構成するようにセンサ基板1に形成されている図示しない配線(拡散層配線、金属配線など)によって接続されている。なお、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4は、x軸方向の加速度がかかったときに撓み部13において応力が集中する応力集中領域に形成されている。
The bending portion 13 (the bending
また、重り部12のコア部12aからy軸の正方向に延長された撓み部13(図3(a)の上側の撓み部13)はコア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Ry1,Ry3が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz1が形成されている。一方、重り部12のコア部12aからy軸の負方向に延長された撓み部13(図3(a)の下側の撓み部13)はコア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Ry2,Ry4が形成されるとともに、フレーム部11側の端部に1つのピエゾ抵抗Rz4が形成されている。ここに、コア部12a近傍に形成された4つのピエゾ抵抗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たもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部13の長手方向に一致するように形成してあり、図5における中央のブリッジ回路Byを構成するようにセンサ基板1に形成されている図示しない配線(拡散層配線、金属配線など)によって接続されている。なお、ピエゾ抵抗Ry1〜Ry4は、y軸方向の加速度がかかったときに撓み部13において応力が集中する応力集中領域に形成されている。
Further, the bending portion 13 (the
また、フレーム部11近傍に形成された4つのピエゾ抵抗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たものであり、図5における右側のブリッジ回路Bzを構成するようにセンサ基板1に形成されている図示しない配線(拡散層配線、金属配線など)によって接続されている。ただし、2つ1組となる撓み部13,13のうち一方の組の撓み部13,13に形成したピエゾ抵抗Rz1,Rz4は長手方向が撓み部13,13の長手方向と一致するように形成されているのに対して、他方の組の撓み部13,13に形成したピエゾ抵抗Rz2,Rz3は長手方向が撓み部13,13の幅方向(短手方向)と一致するように形成されている。
Further, the four piezoresistors Rz1, Rz2, Rz3, and Rz4 formed in the vicinity of the
なお、上述の各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4および上記各拡散層配線は、シリコン層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ている。
The piezoresistors Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, Rz1 to Rz4, and the diffusion layer wirings described above are formed by doping p-type impurities with appropriate concentrations at respective formation sites in the
ここで、センサ基板1におけるセンサ部E1の動作の一例について説明する。
Here, an example of operation | movement of the sensor part E1 in the sensor board |
いま、センサ基板1に加速度がかかっていない状態で、センサ基板1に対してx軸の正方向に加速度がかかったとすると、x軸の負方向に作用する重り部12の慣性力によってフレーム部11に対して重り部12が変位し、結果的にx軸方向を長手方向とする撓み部13,13が撓んで当該撓み部13,13に形成されているピエゾ抵抗Rx1〜Rx4の抵抗値が変化することになる。この場合、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。一般的にピエゾ抵抗は引張応力を受けると抵抗値(抵抗率)が増大し、圧縮応力を受けると抵抗値(抵抗率)が減少する特性を有しているので、ピエゾ抵抗Rx1,Rx3は抵抗値が増大し、ピエゾ抵抗Rx2,Rx4は抵抗値が減少することになる。したがって、図5に示した一対の入力端子VDD,GND間に外部電源から一定の直流電圧を印加しておけば、図5に示した左側のブリッジ回路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。同様に、y軸方向の加速度がかかった場合には図5に示した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軸方向の加速度がかかった場合には図5に示した右側のブリッジ回路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。しかして、上述のセンサ基板1は、各ブリッジ回路Bx〜Bzそれぞれの出力電圧の変化を検出することにより、当該センサ基板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、重り部12と各撓み部13とで可動部15を構成しており、各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4それぞれが、センサ基板1におけるセンシング部を構成している。また、本実施形態では、センサ部E1および上述のIC部E2それぞれが機能素子を構成している。
Now, assuming that acceleration is applied to the
また、センサ基板1に集積化された上述のIC部E2は、CMOSを用いた集積回路(CMOS IC)であって上記センシング部であるピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4と協働する集積回路が形成されている。ここにおいて、IC部E2の集積回路は、上述のブリッジ回路Bx,By,Bzの出力信号に対して増幅、オフセット調整、温度補償などの信号処理を行って出力する信号処理回路や、信号処理回路において用いるデータを格納したEEPROMなどが集積化されている。
The IC part E2 integrated on the
ところで、センサ基板1は、IC部E2がセンサ部E1の周りを取り囲んで形成されており、さらに、IC部E2を取り囲むように接合用領域部E3が形成されている。要するに、センサ基板1は、平面視において中央部に位置するセンサ部E1をIC部E2が囲み、IC部E2を接合用領域部E3が囲むようにセンサ部E1、IC部E2、接合用領域部E3のレイアウトが設計されている。
By the way, the
ここにおいて、センサ基板1のIC部E2では、多層配線技術を利用してセンサ基板1における当該ICE2の占有面積の縮小化を図っている。ここで、センサ基板1のシリコン層10cの表面側には、シリコン酸化膜と当該シリコン酸化膜上のシリコン窒化膜との積層膜からなる絶縁膜16が形成されており、IC部E2では、絶縁膜16の表面側に、層間絶縁膜やパッシベーション膜などからなる多層構造部41が形成され、上記パッシベーション膜の適宜部位を除去することにより複数のパッド42を露出させてある。
Here, in the IC part E2 of the
また、センサ基板1は、上記センシング部と上述の貫通孔配線形成基板2の複数の貫通孔配線24とを電気的に接続するための複数の第1の接続用接合金属層19(図2参照)が絶縁膜16のうち接合用領域部E3に形成されている部位上に形成されており、各パッド42が金属材料(例えば、Auなど)からなる引き出し配線43を介して第1の接続用接合金属層19と電気的に接続されている(図4参照)。ここで、本実施形態では、引き出し配線43の材料と第1の接続用接合金属層19の材料とを同じとして、引き出し配線43と第1の接続用接合金属層19とが連続する形で形成されている。なお、IC部E2に形成された複数のパッド42には、信号処理回路を通して上記センシング部と電気的に接続されるものと、信号処理回路を通さずに上記センシング部と電気的に接続されるものがあるが、いずれにしても、貫通孔配線形成基板2の貫通孔配線24と上記センシング部とが電気的に接続されることとなる。
In addition, the
ここにおいて、センサ基板1の接合用領域部E3では、絶縁膜16上に、枠状(矩形枠状)の第1の封止用接合金属層18が形成されており、上述の複数の第1の接続用接合金属層19が第1の封止用接合金属層18よりも内側で絶縁膜16上に形成されている。要するに、センサ基板1は、第1の封止用接合金属層18と各接続用接合金属層19とを同一平面上に形成してある。ここで、複数の第1の接続用接合金属層19は、接合用領域部E3の周方向に離間して配置されている。
Here, in the bonding region portion E3 of the
第1の封止用接合金属層18および第1の接続用接合金属層19は、接合用のAu膜と絶縁膜16との間に密着性改善用のTi膜を介在させてある。言い換えれば、第1の封止用接合金属層18および第1の接続用接合金属層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構成されている。要するに、第1の接続用接合金属層19と第1の封止用接合金属層18とは同一の金属材料により形成されているので、第1の接続用接合金属層19と第1の封止用接合金属層18とを同時に形成することができるとともに、第1の接続用接合金属層19と第1の封止用接合金属層18とを略同じ厚さに形成することができる。なお、第1の封止用接合金属層18および第1の接続用接合金属層19は、Ti膜の膜厚を15〜50nm、Au膜の膜厚を100〜500nmに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。ここにおいて、各Au膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。また、本実施形態では、各Au膜と絶縁膜16との間に密着性改善用の密着層としてTi膜を介在させてあるが、密着層の材料はTiに限らず、例えば、Cr、Nb、Zr、TiN、TaNなどでもよい。
In the first sealing
貫通孔配線形成基板2は、図1(a)および図2に示すように、センサ基板1側(図1(a)における下面側)の表面に、センサ基板1の重り部12と各撓み部13とで構成される可動部15の変位空間を確保する変位空間形成用凹部21が形成されるとともに、変位空間形成用凹部21の形成領域に厚み方向に貫通する複数の貫通孔22が形成されており、厚み方向の両面および貫通孔22の内面とに跨って熱絶縁膜(シリコン酸化膜)からなる絶縁膜23が形成され、貫通孔配線24と貫通孔22の内面との間に絶縁膜23の一部が介在している。ここにおいて、貫通孔配線形成基板2は、変位空間形成用凹部21の開口面の投影領域内にセンサ基板1のセンサ部E1およびIC部E2が収まるように変位空間形成用凹部21の開口面積を大きくしてあり、IC部E2の多層構造部41が変位空間形成用凹部21内に配置されるようになっている(図1(a)参照)。なお、貫通孔配線形成基板2の複数の貫通孔配線24は当該貫通孔配線形成基板2の周方向に離間して形成されている。また、貫通孔配線24の材料としては、Cuを採用しているが、Cuに限らず、例えば、Niなどを採用してもよい。
As shown in FIGS. 1A and 2, the through-hole
また、貫通孔配線形成基板2は、センサ基板1側の表面において変位空間形成用凹部21の周部において、センサ基板1の複数の第1の接続用接合金属層19に対応する各部位それぞれに第2の接続用接合金属層29(図2参照)が形成されており、各接続用接合金属層29それぞれが変位空間形成用凹部21の内面に沿って引き回された中間配線26を介して各貫通孔配線24と1対1で電気的に接続されている。また、貫通孔配線形成基板2は、センサ基板1側の表面の周部の全周に亘って枠状(矩形枠状)の第2の封止用接合金属層28が形成されており、上述の複数の第2の接続用接合金属層29が第2の封止用接合金属層28よりも内側に配置されている(ここで、第2の封止用接合金属層28と各接続用接合金属層29とは同一平面上に形成してある)。ここにおいて、第2の接続用接合金属層29は、一端部が貫通孔配線24に接合された中間配線26と連続一体に形成されているが、中間配線26と別々に形成してもよい。
In addition, the through-hole
また、第2の封止用接合金属層28および第2の接続用接合金属層29は、接合用のAu膜と絶縁膜23との間に密着性改善用のTi膜を介在させてある。言い換えれば、第2の封止用接合金属層28および第2の接続用接合金属層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構成されている。要するに、第2の接続用接合金属層29と第2の封止用接合金属層28とは同一の金属材料により形成されているので、第2の接続用接合金属層29と第2の封止用接合金属層28とを同時に形成することができるとともに、第2の接続用接合金属層29と第2の封止用接合金属層28とを略同じ厚さに形成することができる。なお、第2の封止用接合金属層28および第2の接続用接合金属層29は、Ti膜の膜厚を15〜50nm、Au膜の膜厚を100〜500nmに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。ここにおいて、各Au膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。また、本実施形態では、各Au膜と絶縁膜23との間に密着性改善用の密着層としてTi膜を介在させてあるが、密着層の材料はTiに限らず、例えば、Cr、Nb、Zr、TiN、TaNなどでもよい。
The second sealing bonding
また、貫通孔配線形成基板2におけるセンサ基板1側とは反対側の表面(第2の半導体基板20の実装面側)には、各貫通孔配線24それぞれと電気的に接続された複数のパッド(外部接続用電極)25が形成されている。各パッド25は、外周形状が矩形状(本実施形態では、正方形状)であり、貫通孔配線形成基板2におけるセンサ基板1側とは反対側の表面に略等間隔で離間して配置されている。図1に示した例では、各パッド25を、貫通孔配線形成基板2の上記表面に設定した4×4の仮想正方格子の各格子点に配置してある。ここで、本実施形態では、各パッド25が半田リフロー用パッドを構成しており、各パッド25の大きさを、半田リフローに適した大きさ(200μm□以上)を下回らないように設計してあり、隣り合うパッド25間の距離を、半田リフローに適した距離を下回らないように設計してある。ここにおいて、本実施形態では、貫通孔配線形成基板2に上述の中間配線26を設けていることにより、第2の接続用接合金属層29のレイアウトの制約を受けずに各パッド25の大きさおよび配置を決定することができる。なお、各パッド25の外周形状は矩形状となっているが、矩形状に限らず、例えば円形状でもよい。
In addition, a plurality of pads electrically connected to each of the through-
カバー基板3は、図6に示すように、センサ基板1との対向面に、重り部12の変位空間を形成する所定深さ(例えば、5μm〜10μm程度)の凹部31を形成してある。ここにおいて、凹部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してある。なお、本実施形態では、カバー基板3におけるセンサ基板1との対向面に、重り部12の変位空間を形成する凹部31を形成してあるが、重り部12のコア部12aおよび各付随部12bのうち支持基板10aを利用して形成されている部分の厚さを、フレーム部11において支持基板10aを利用して形成されている部分の厚さに比べて、センサ基板1の厚み方向への重り部12の許容変位量分だけ薄くするようにすれば、カバー基板3に凹部31を形成しなくても、センサ基板1の上記他表面側には上記他表面に交差する方向への重り部12の変位を可能とする隙間が重り部12とカバー基板3との間に形成される。
As shown in FIG. 6, the
ところで、上述の加速度センサにおけるセンサ基板1と貫通孔配線形成基板2とは、第1の封止用接合金属層18と第2の封止用接合金属層28とが全周に亘って接合されるとともに、第1の接続用接合金属層19と第2の接続用接合金属層29とが接合され、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全周に亘って接合されている。また、本実施形態の加速度センサは、上述のSOIウェハにセンサ基板1を複数形成したセンサウェハと、上述の第1のシリコンウェハに貫通孔配線形成基板2を複数形成した第1のパッケージウェハと、上述の第2のシリコンウェハにカバー基板3を複数形成した第2のパッケージウェハとをウェハレベルで接合することでウェハレベルパッケージ構造体を形成してから、センサ基板1のサイズにダイシング工程により分割されている。したがって、貫通孔配線形成基板2とカバー基板3とがセンサ基板1と同じ外形サイズとなり、小型のチップサイズパッケージからなるパッケージPGを実現できるとともに、製造が容易になる。
By the way, the
ここにおいて、本実施形態では、センサウェハと第1のパッケージウェハおよび第2のパッケージウェハとの接合方法として、センサ基板1の残留応力を少なくするためにより低温での直接接合が可能な常温接合法を採用している。常温接合法では、接合前に互いの接合表面へアルゴンのプラズマ若しくはイオンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して各接合表面の清浄化・活性化を行ってから、接合表面同士を接触させ、常温下で直接接合する。本実施形態では、上述の常温接合法により、常温下で適宜の荷重を印加して、第1の封止用接合金属層18と第2の封止用接合金属層28とを直接接合するのと同時に、第1の接続用接合金属層19と第2の接続用接合金属層29とを直接接合しており、また、上述の常温接合法により、常温下でセンサ基板1の周部とカバー基板3の周部とを直接接合している。
Here, in the present embodiment, as a bonding method of the sensor wafer, the first package wafer, and the second package wafer, a room temperature bonding method that enables direct bonding at a lower temperature to reduce the residual stress of the
しかして、本実施形態におけるウェハレベルパッケージ構造体では、センサウェハと第1のパッケージウェハとの封止用接合金属層18,28同士および接続用接合金属層19,29同士が直接接合されており、センサウェハと第2のパッケージウェハとが常温接合法のような低温プロセスで直接接合されており、センサウェハと第1のパッケージウェハおよび第2のパッケージウェハとを半田リフローや陽極接合法のような熱処理を必要とする方法により接合する場合に比べて、センシング部を構成するピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4が熱応力の影響を受けにくくなるという利点があり、また、プロセス温度の低温化を図れるとともに、製造プロセスの簡略化を図れるという利点がある。また、本実施形態におけるウェハレベルパッケージ構造体および加速度センサでは、センサウェハがSOIウェハを用いて形成され、第1のパッケージウェハおよび第2のパッケージウェハがそれぞれシリコンウェハを用いて形成されているので、センサウェハと各パッケージウェハとの線膨張率差に起因して撓み部13に発生する応力を低減でき、線膨張率差に起因した応力が上記ブリッジ回路Bx,By,Bzの出力信号に与える影響を低減できるから、センサ部E1の出力特性の温度依存性を小さくすることが可能となる。なお、本実施形態では、センサ基板1の基礎となる半導体基板としてSOIウェハを採用しているが、センサ基板1の基礎となる半導体基板は、SOIウェは限らず、例えば、シリコンウェハでもよい。
Therefore, in the wafer level package structure in the present embodiment, the bonding metal layers 18 and 28 for sealing and the bonding metal layers 19 and 29 for connection between the sensor wafer and the first package wafer are directly bonded, The sensor wafer and the second package wafer are directly bonded by a low temperature process such as a room temperature bonding method, and the sensor wafer and the first package wafer and the second package wafer are subjected to heat treatment such as solder reflow or anodic bonding. Compared with the case of joining by a required method, there is an advantage that the piezoresistors Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, Rz1 to Rz4 constituting the sensing unit are less susceptible to thermal stress, and the process temperature is low. There is an advantage that the manufacturing process can be simplified and the manufacturing process can be simplified. In the wafer level package structure and the acceleration sensor in the present embodiment, the sensor wafer is formed using an SOI wafer, and the first package wafer and the second package wafer are each formed using a silicon wafer. The stress generated in the bending
ところで、上述のセンサ基板1は、IC部E2がセンサ部E1の周りを取り囲んで形成されているので、IC部E2側からの外部応力に起因して各撓み部13に発生する応力のバランスがとれ、IC部E2側からの外部応力に起因したセンサ部E1の出力特性(センサ特性)の劣化を抑制することが可能となる。
By the way, since the above-mentioned
しかしながら、本実施形態の加速度センサを実装基板(例えば、ガラスエポキシ樹脂基板など)に実装して用いる場合、各パッド25と、実装基板において当該加速度センサの投影面内に設けられた複数の導体パターンとを半田やバンプなどの接合部を介して電気的に接続する必要があるが、加速度センサと実装基板との線膨張率差に起因した応力が実装基板からセンサ基板1の可動部15に伝達されて機能素子であるセンサ部E1の特性が劣化してしまうことが考えられる。
However, when the acceleration sensor according to the present embodiment is used by being mounted on a mounting substrate (for example, a glass epoxy resin substrate), each
そこで、本実施形態の加速度センサは、図1(b)に示すように貫通孔配線形成基板2におけるセンサ基板1側とは反対側の上記表面(実装基板との対向面)において全てのパッド25を内包する仮想円VCの中心Mに対して相対的に近いパッド25である内側パッド25aに比べて相対的に遠いパッド25である外側パッド25bの剛性を低くしてある。ここにおいて、本実施形態では、内側パッド25aと外側パッド25bとをヤング率の異なる材料により形成してあり、外側パッド25bの材料を内側パッド25aに比べてヤング率の低い材料とすることで外側パッド25bの剛性を低くしてある。具体的には、例えば、内側パッド25aの材料としてNi、Cuなどを採用し、外側パッド25bの材料として、Auなどを採用すればよいが、内側パッド25aおよび外側パッド25bのいずれも密着性改善用の密着層としてTi膜などを絶縁膜23との間に設けることが好ましい。ここで、Ni、Cu、Auのヤング率は、それぞれ、199〜220GPa、130GPa、78GPaである。なお、各パッド25の材料は、外側パッド25bの材料を内側パッド25aに比べてヤング率の低い材料とすることで外側パッド25bの剛性を低くしてあればよく、Ni、Cu、Auに限らず、他の金属や合金などでもよい。
Therefore, in the acceleration sensor of this embodiment, as shown in FIG. 1B, all the
しかして、本実施形態の加速度センサでは、貫通孔配線形成基板2の上記表面(第2の半導体基板20の実装面側)において全てのパッド25を内包する仮想円VCの中心Mに対して相対的に近いパッド25である内側パッド25aに比べて相対的に遠いパッド25である外側パッド25bの剛性を低くしてあるので、実装基板との線膨張率差に起因して内側パッド25aに比べて大きな応力が生じやすい外側パッド25bの応力をより緩和することができ、実装基板との線膨張率差に起因して機能素子であるセンサ部E1の撓み部13やIC部E2に生じる応力をより緩和することが可能となる。要するに、本実施形態の半導体装置は、機能素子が、上述の重り部12と各撓み部13とで構成される可動部15と、当該可動部15の変形量に応じた電気信号を出力する上記センシング部(ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4)とを有しているので、実装基板との線膨張率差に起因したセンシング部の特性変動を抑制することができる。
Thus, in the acceleration sensor of the present embodiment, relative to the center M of the virtual circle VC including all the
また、本実施形態の加速度センサでは、外側パッド25bの材料を内側パッド25aに比べてヤング率の低い材料とすることで外側パッド25bの剛性を低くしてあるので、内側パッド25aと外側パッド25bとの形状や下地(絶縁膜23や上記密着層など)の構造を異ならせることなく、内側パッド25aと外側パッド25bとの材料を異ならせるだけで外側パッド25bの剛性を内側パッド25aの剛性に比べて低くできる。
In the acceleration sensor of the present embodiment, the
なお、本実施形態では、加速度センサと実装基板との接合部を半田により形成することを想定して内側パッド25aおよび外側パッド25bの形状や材料を設定してあるが、上記接合部は半田に限らず、Auバンプなどのバンプにより形成してもよく、上記接合部をAuバンプにより形成する場合には、上記接合部を半田により形成する場合に比べて各パッド25の大きさを小さくすることが可能となる(例えば、半田により形成する場合には200μm□以上の大きさに設定するのが望ましいが、Auバンプにより形成する場合には100μm□以下の大きさに設定することが可能となる)。ここにおいて、上記接合部を半田により形成する場合の接合温度は270℃程度、上記接合部をAuバンプにより形成する場合の接合温度は100〜400℃程度に設定すればよい。
In this embodiment, the shape and material of the
ところで、上述の例では、貫通孔配線形成基板2の上記表面において全てのパッド25を内包する仮想円VCの中心Mに対して相対的に近いパッド25である内側パッド25aに比べて相対的に遠いパッド25である外側パッド25bの剛性を低くする手段として、外側パッド25bと内側パッド25aとを互いにヤング率の異なる材料で形成してあるが、このような手段を採用した場合には製造時の工程数の増加によるコストアップの要因になり、また、外側パッド25bと内側パッド25aとで半田濡れ性が異なってしまう。
By the way, in the above-mentioned example, it is relatively compared with the
そこで、内側パッド25aと外側パッド25bとを同じ材料により形成するようにして、図7に示すように、内側パッド25aに比べて外側パッド25bの断面積を小さくする(平面サイズを小さくする)ことで外側パッド25bの剛性を低くするようにしてもよく、この場合には、内側パッド25aと外側パッド25bとの断面積を異ならせるだけで外側パッド25bの剛性を低くできるので、外側パッド25bの剛性を低くするための特別の工程を追加することなく外側パッド25bの剛性を内側パッド25aの剛性に比べて低くできる。なお、図7(a),(b)に示した例では、貫通孔配線形成基板2の上記表面側において絶縁膜23上に、貫通孔配線24とパッド25とを接続する中間配線26’を形成し、中間配線26’を保護するシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などからなる保護層226を設けてある。
Therefore, the
また、外側パッド25bと内側パッド25aとを同一材料で形成し且つ同一の平面サイズで形成するために、図8(a)に示す内側パッド25aを図7(a)と同様の構成とし、図8(b)に示す外側パッド25bについては、当該外側パッド25bの下に樹脂(例えば、ポリイミドなど)からなる応力緩衝層27を設けるようにしてもよく、この場合も機能素子であるセンサ部E1やIC部E2に生じる応力をより緩和することができる。
Further, in order to form the
また、図9(a)に示すように内側パッド25aを図8(b)の外側パッド25bと同様に形成して、図9(b)に示すように外側パッド25b直下の応力緩衝層27中に空隙27aを設けるようにしてもよく、この場合には、機能素子であるセンサ部E1やIC部E2に生じる応力を更に緩和することができる。
Further, as shown in FIG. 9 (a), the
上述の実施形態では、半導体装置としてピエゾ抵抗形の加速度センサを例示したが、本発明の技術思想は、ピエゾ抵抗形の加速度センサに限らず、例えば、容量形の加速度センサやジャイロセンサなど他のセンサにも適用でき、容量形の加速度センサやジャイロセンサでは、可動電極を設けた重り部や可動電極を兼ねる重り部などが可動部を構成し、固定電極と可動電極とによりセンシング部を構成することとなる。また、パッド25の数や配置は上述の例に特に限定するものではなく、半導体装置の構造に応じて適宜変更すればよい。
In the above-described embodiment, the piezoresistive acceleration sensor is exemplified as the semiconductor device. However, the technical idea of the present invention is not limited to the piezoresistive acceleration sensor. For example, a capacitive acceleration sensor or a gyro sensor may be used. It can also be applied to sensors, and in capacitive acceleration sensors and gyro sensors, a weight part provided with a movable electrode or a weight part that also serves as a movable electrode constitutes a movable part, and a sensing part comprises a fixed electrode and a movable electrode. It will be. Further, the number and arrangement of the
1 センサ基板
2 貫通孔配線形成基板
3 カバー基板
10 第1の半導体基板
12 重り部
13 撓み部
15 可動部
20 第2の半導体基板
25(25a) パッド(内側パッド)
25(25b) パッド(外側パッド)
27 応力緩衝層
27a 空隙
30 第3の半導体基板
Rx1〜Rx4 ピエゾ抵抗(センシング部)
Ry1〜Ry4 ピエゾ抵抗(センシング部)
Rz1〜Rz4 ピエゾ抵抗(センシング部)
E1 センサ部(機能素子)
E2 IC部(機能素子)
PG パッケージ
VC 仮想円
M 中心
DESCRIPTION OF
25 (25b) Pad (outside pad)
27
Ry1-Ry4 Piezoresistor (Sensing part)
Rz1-Rz4 Piezoresistor (Sensing part)
E1 Sensor part (functional element)
E2 IC part (functional element)
PG package VC Virtual circle M Center
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