JP4356159B2

JP4356159B2 - センシング部を有する半導体装置

Info

Publication number: JP4356159B2
Application number: JP34086799A
Authority: JP
Inventors: 康利鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: JP2001153708A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、エアフローセンサや赤外線センサ等に用いられ、それ自身の温度変化に基づく信号を出力するセンシング部と、このセンシング部からの出力信号を処理する回路部とを備える半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のセンシング部を有する半導体装置としては、シリコンチップ上にセンシング部を形成した熱線式空気流量計（エアフローセンサ）がある。このものにおけるセンシング部は、いわゆる熱線式センシング部といわれるもので、各々熱線よりなるヒータ及び温度測定用抵抗を有し、空気の流れとヒータによって該抵抗を冷却、加熱し、該抵抗の温度変化に基づく電気信号を出力し、該出力信号を回路部にて処理するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の熱線式空気流量計は、これまでの熱線をボビン構造としたものに比べ、応答性に優れる、逆流検知ができる等の利点を有するが、実装上、シリコンチップと回路素子基板とが平面方向に別置きになっているため、センシング部及び回路部を含めた半導体装置としての体格の大型化は避けられない。また、シリコンチップは、センシング部以外に放熱のための大きな面積を要する。
【０００４】
一方、この種のセンシング部を有する半導体装置を赤外線センサに適用したものとしては、赤外線のみを吸収することにより温度変化する金−ブラック膜等を用いて、該温度変化に基づく信号を出力するセンシング部を備えた赤外線センサが知られている。
【０００５】
このような赤外線センサでは、センシング部と該センシング部からの信号を処理する回路部とを集積化した例があり、それによれば、体格の大型化は避けられるものの、この集積化素子では、ＭＯＳトランジスタ等の表面が敏感な回路素子が、センシング部とともに測定環境にさらされてしまい、汚染物質によって素子特性が劣化してしまう。そのため、自動車用センサ等の悪環境で用いられるセンサには、適さない。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑み、体格の増大を抑えつつ、センシング部を測定環境にさらし、回路部をさらさないようにすることのできる半導体装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、センシング媒体の存在する第１の空間とそれ以外の第２の空間とを仕切る仕切部材（３０）を備え、センシング部（１０）と回路部（２０）とを積層して積層体を構成し、該第１の空間側に該センシング部が位置し該第２の空間側に該回路部が位置するように、該仕切部材に該積層体を支持させ、積層体における回路部は、仕切部材（３０）の一部に形成された貫通穴である穴部（３２）に対して穴部を塞ぐように取り付けられ、積層体におけるセンシング部は、穴部（３２）に対して入り込むように取り付けられ、積層体は第１及び第２の空間を仕切る機能の一部として作用させるようにし、仕切部材（３０）を、センシング部（１０）及び回路部（２０）と電気的に接続されたリードフレーム（３１）を有するものとし、センシング部（１０）と回路部（２０）とを互いの一面同士を背中合わせにして接着固定したことを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、第２の空間は、仕切部材によってセンシング媒体の存在する第１の空間即ち測定環境とは仕切られている。そして、センシング部と回路部とを積層構造としているから、実質的に体格の増大を抑えることができるとともに、仕切部材を挟むように積層を行う等によって、簡単に、センシング部と回路部とを、第１及び第２の空間に区分けして位置させることができる。
【０００９】
よって、本発明によれば、体格の増大を抑えつつ、センシング部を測定環境にさらし、回路部をさらさないようにすることのできる半導体装置を提供することができる。ここで、センシング部と回路部とを、第１及び第２の空間に区分けして位置させるための具体的構成としては、積層体を、仕切部材（３０）の一部に形成された穴部（３２）に対して、この穴部を塞ぐように取り付け、第１及び第２の空間を仕切る機能の一部として作用させるようにすることができる。
【００１０】
また、本発明のように、仕切部材（３０）に、センシング部（１０）及び回路部（２０）と電気的に接続されたリードフレーム（３１）を備えれば、簡易な構成にてセンシング部及び回路部の信号経路を良好に確保できる。なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の半導体装置をエアフローセンサに具体化したものとして説明する。図１は本実施形態に係る半導体装置の第１の例を示す概略断面図、図２は本実施形態に係る半導体装置の第２の例を示す概略断面図である。図１及び図２中、同一部分には同一符号を付してある。
【００１２】
これら両図に示す半導体装置においては、センシング部１０及び回路部２０が積層された積層体と、空気（センシング媒体）の存在する測定環境空間（第１の空間）Ａとそれ以外の実装空間（第２の空間）Ｂとを仕切る仕切部材３０とを備え、測定環境空間Ａ側にセンシング部１０が位置し、実装空間Ｂ側に回路部２０が位置するように、積層体が仕切部材３０に支持されている。
【００１３】
まず、図１に示す第１の例について述べる。センシング部１０は、支持基板であるＳｉ（シリコン）ダイアフラム１１の一面側に、ＳｉＯ₂／ＳｉＮ（シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜）よりなる絶縁膜（第１絶縁膜）１２、パターニングされた熱線としてのＰｔ（白金）よりなる抵抗体（熱線部）１３、ＳｉＯ₂／ＳｉＮよりなる絶縁膜（第２絶縁膜）１４を順次成膜したものである。
【００１４】
この抵抗体１３は、図示しないが、ヒータ及び温度測定用抵抗（測温体）を構成する熱線のパターンを有する。そして、測定環境空間Ａの空気の流れと上記ヒータによって、上記測温体が冷却、加熱され、上記測温体の温度変化に基づく電気信号が出力されるようになっている。このようにセンシング部１０は、測定環境空間Ａの空気流量変化に伴い、自身の温度変化に基づく信号を出力する。
【００１５】
ここで、抵抗体（熱線部）１３を両絶縁膜１２、１４で挟んだサンドイッチ状の薄膜部が形成されているが、抵抗体１３の温度精度即ちセンシング感度を良好とするために、この薄膜部の裏面（第１絶縁膜１２側の面）では、該薄膜部の裏面が露出するように、Ｓｉダイアフラム１１は除去されている。また、このサンドイッチ構造により、抵抗体１３は、両絶縁膜１２、１４により面方向に沿って僅かに引っ張られた状態となり、薄膜状態を維持できる。
【００１６】
回路部２０は、ＭＯＳトランジスタ等の回路素子２１がＳｉ基板２２の一面側に、周知のＩＣ製造技術等を用いて形成されてなる。回路部２０は、センシング部１０からの出力信号を処理するもので、該出力信号を増幅して外部へ出力したり、温度検出素子が他に設けられている場合には、その温度検出素子からの信号とセンシング部１０の出力信号とを比較して差動検出する等の処理を行う。
【００１７】
図１に示す様に、この回路部２０におけるＳｉ基板２２の他面とセンシング部１０におけるＳｉダイアフラム１１の他面とは、エポキシ樹脂等よりなる接着剤４０により接着固定されている。つまり、センシング部１０のセンシング面と回路部２０の回路素子形成面とが、互いに反対を向くように、両部１０、２０は背中合わせに積層されている。
【００１８】
仕切部材３０は、リードフレーム３１と、リードフレーム３１の空隙部を埋めて両空間Ａ、Ｂを遮断するための樹脂３２とが一体化したもので、例えば板形状をなす。この仕切部材３０は、例えば図１中の図示しない左右の両端部分にて、被測定体に取付けられ、それによって、仕切部材３０の一側が測定環境空間Ａ、他側が実装空間Ｂがとなり、両空間Ａ、Ｂは互いに遮断されたものとなる。
【００１９】
そして、センシング部１０及び回路部２０よりなる積層体は、仕切部材３０の一部に形成された穴部（貫通穴）３２に対して、この穴部３２を塞ぐように取り付けられ、両空間Ａ、Ｂを仕切る機能の一部として作用している。本例では、図１に示す様に、回路部２０のＳｉ基板２２の他面の周辺部とリードフレーム３１とを、エポキシ樹脂等よりなる接着剤４１を介して固定することにより、上記積層体を仕切部材３０に支持している。
【００２０】
また、センシング部１０と回路部２０との電気的接続、及び、回路部２０とリードフレーム３１との電気的接続は、ワイヤボンディング等にて形成された各ワイヤ４２、４３、４４、４５によりなされている。それにより、センシング部１０の出力信号は、ワイヤ４２、４３、リードフレーム３１を通って回路部２０へ伝達され、そこで信号処理され、回路部２０の出力は、ワイヤ４４、４５、リードフレーム３１を通って外部へ送られる。こうして、空気流量の検出が可能となっている。
【００２１】
次に、図２に示す第２の例につき、上記第１の例と異なるところを述べる。本第２の例では、リードフレーム３１に穴部３２は形成されておらず、上記積層体は、センシング部１０と回路部２０とが仕切部材３０を挟むように仕切部材３０に取り付けられてなる。
【００２２】
ここで、センシング部１０のＳｉダイアフラム１１の他面とリードフレーム３１の測定環境空間Ａ側の面、及び、回路部２０のＳｉ基板２２の他面とリードフレーム３１の実装空間Ｂ側の面は、それぞれ、エポキシ樹脂等よりなる接着剤４６、４７にて接着固定されている。なお、上記第１及び第２の例において、センシング部１０のセンシング面を露出させた状態で、その他の部分全体を樹脂でモールドしてもよい。
【００２３】
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図３及び図４を参照して述べる。図３及び図４は、本製造方法を説明するための工程図（概略断面図）である。まず、図３（ａ）に示す様に、最終的にＳｉダイアフラム１１となるＳｉウェハ（原石）Ｋ１を用意し、図３（ｂ）に示す様に、その一面上にＳｉＯ₂／ＳｉＮ膜をプラズマＣＶＤやＬＰＣＶＤ等により成膜し、第１絶縁膜１２を形成する。
【００２４】
次に、図３（ｃ）に示す様に、第１絶縁膜１２の上に、スパッタ等によりＰｔ薄膜を成膜し、この薄膜をエッチングしてパターニングすることにより、抵抗体１３を形成する。そして、図３（ｄ）に示す様に、その上に、プラズマＣＶＤによりＳｉＯ₂／ＳｉＮ膜を成膜して第２絶縁膜１４を形成する。こうして、上記サンドイッチ状の薄膜部が形成される。
【００２５】
次に、図３（ｅ）に示す様に、フォトリソグラフ技術を用いて、第２絶縁膜１４の所定位置にコンタクトホールを形成した後、該ホールを埋めるように第２絶縁膜１４上にスパッタによりＡｌ（アルミニウム）膜を成膜し、更に、このＡｌ膜をフォトリソグラフ技術を用いてエッチングする。それにより、抵抗体１３と導通したＡｌ電極パッド５０が形成される。このパッド５０は、ワイヤ４２、４３と結線される部分である。
【００２６】
次に、図３（ｆ）に示す様に、ＳｉウェハＫ１の他面を研磨して薄肉化するバックポリッシュ工程を行った後、該他面に対して、次工程である異方性エッチング工程時の保護膜となるプラズマシリコン窒化膜（ｐ−ＳｉＮ）Ｋ２を形成する。続いて、図３（ｇ）に示す様に、ＫＯＨ溶液を用いた異方性エッチングを行うことにより、ＳｉウェハＫ１の他面から除去し、ダイアフラムを形成する。そして、上記窒化膜Ｋ２をドライエッチング等で除去して、図３（ｈ）に示すセンシング部１０が出来上がる。
【００２７】
次に、センシング部１０と回路部２０との積層、積層体の仕切部材３０への取付け、ワイヤボンディングを経て、上記第１及び第２の例に示す半導体装置が出来上がるのであるが、これら一連の工程につき、図４では、第２の例の場合を示している。なお、第１の例においては、上述のように、センシング部１０と回路部２０とを接着剤４０にて固定し、積層体を仕切部材３０に接着した後、ワイヤボンディングすることで、図１に示す構成の半導体装置を完成させる。
【００２８】
図４（ａ）に示す様に、リードフレーム３１に樹脂３２を一体化させた仕切部材３０を準備しておき、図４（ｂ）に示す様に、この仕切部材３０の一面に接着剤４６を塗布する。続いて、図４（ｃ）に示す様に、センシング部１０におけるＳｉダイアフラム１１の他面（上記薄膜部形成面と反対の面）を接着剤４６上に搭載し、接着剤４６に対して仮加熱及び硬化処理を行うことにより、センシング部１０は仕切部材３０に固定される。
【００２９】
次に、図４（ｄ）に示す様に、仕切部材３０の他面に接着剤４７を塗布し、この接着剤４７を介して、回路部２０のＳｉ基板２２の他面（回路素子２１形成面と反対の面）を仕切部材３０に接着し、仮加熱及び硬化処理を行うことにより、回路部２０を仕切部材３０に固定する。その後、Ａｕ（金）やＡｌ等のワイヤボンディングによりワイヤ４２〜４５を形成すると、図４（ｅ）に示す様に、第２の例としての半導体装置が出来上がる。
【００３０】
ところで、本実施形態によれば、実装空間（第２の空間）Ｂは、仕切部材３０によって空気（センシング媒体）の存在する測定環境空間（第１の空間）Ａとは仕切られている。そして、センシング部１０と回路部２０とを積層構造としているから、体格の増大を抑えることができるとともに、第１の例や第２の例に示す構成とすることによって、簡単に、センシング部１０と回路部２０とを、第１及び第２の空間Ａ、Ｂに区分けして位置させることができる。また、抵抗体（熱線部）１３と回路部２０とが離れているため、熱による回路素子２１への影響が小さい。
【００３１】
よって、本実施形態によれば、体格の増大を抑えつつ、センシング部１０を測定環境にさらし、回路部２０をさらさないようにすることのできる半導体装置を提供することできる。そして、回路部２０は測定環境にさらされないため、測定環境中の汚染物質によって回路素子２１の特性が劣化するのを防止でき、信頼性の高い半導体装置（エアフローセンサ）が実現できる。
【００３２】
また、仕切部材３０を、例えば樹脂板より構成し、リードフレームを仕切部材とは別体に設けた構成としてもよいが、本実施形態によれば、仕切部材３０が、リードフレーム３１を一体に備えているので、より簡易な構成にてセンシング部及び回路部の信号経路を良好に確保でき、好ましい。
【００３４】
なお、本発明は、エアフローセンサ以外にも、例えば、上記した赤外線センサに適用してもよい。また、上記実施形態では、センシング部には、感度を向上させるためにダイアフラムが形成されているが、抵抗体１３の対応する位置のＳｉ基板を除去せずにダイアフラムを形成しないものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の第１の例を示す概略断面図である。
【図２】上記実施形態に係る半導体装置の第２の例を示す概略断面図である。
【図３】上記実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程図である。
【図４】図３に続く製造方法の工程図である。
【符号の説明】
１０…センシング部、２０…回路部、３０…仕切部材、３１…穴部、
３２…リードフレーム。

Claims

それ自身の温度変化に基づく信号を出力するセンシング部（１０）と、このセンシング部からの出力信号を処理する回路部（２０）とを備える半導体装置において、
センシング媒体の存在する第１の空間とそれ以外の第２の空間とを仕切る仕切部材（３０）を備え、
前記センシング部と前記回路部とは積層されて積層体を構成しており、この積層体は、前記第１の空間側に前記センシング部が位置し、前記第２の空間側に前記回路部が位置するように前記仕切部材に支持されており、
前記積層体における前記回路部は、前記仕切部材（３０）の一部に形成された貫通穴である穴部（３２）に対して穴部を塞ぐように取り付けられ、前記積層体におけるセンシング部は、前記穴部（３２）に対して入り込むように取り付けられ、前記積層体は前記第１及び第２の空間を仕切る機能の一部として作用しており、
前記仕切部材（３０）は、前記センシング部（１０）及び前記回路部（２０）と電気的に接続されたリードフレーム（３１）を有するものであり、
前記センシング部（１０）と前記回路部（２０）とは互いの一面同士を背中合わせにして接着固定されていることを特徴とするセンシング部を有する半導体装置。