JPWO2004068096A1 - 半導体圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
絶対圧型半導体圧力センサの断面図を図10に示す。感圧チップ21の裏面側にガラス基板23を貼り合わせることにより、ダイアフラム20とガラス基板23の間に真空の空間が形成されている。ダイアフラム20の表面に印加される圧力が、裏面側の真空圧を基準とした絶対圧として測定される。図は、感圧チップ21の表面に印加された圧力によりダイアフラム20が湾曲している状態を示している。
従来の絶対圧型半導体圧力センサとして、感圧チップ21が筺体で保護されたものが提案されている(例えば、特開2000−88687号公報参照)。この圧力センサの例を図11に示す。シリコン基板にピエゾ抵抗感圧ゲージ(図示せず)が形成されてなる感圧チップ21にガラス基板23が取り付けられ、これらの間に真空室24が形成されている。感圧チップ21とガラス基板23は筐体25で覆われて、感圧チップ21はボンディングワイヤ26を介してリード27に接続されている。
このような絶対圧型半導体圧力センサでは、筐体25の存在により、ボンディングワイヤ26の損傷や感圧ゲージ電極の劣化が防止される。感圧ゲージ電極と外部測定用電子機器とを直接はんだで接続することは、熱膨張差により応力が発生し、センサ出力の変動要因となるため、両者の接続には、ボンディングワイヤ26とリード27が使用されている。その結果、筺体25、ボンディングワイヤ26及びリード27を有する構造では、更なる小型化が困難となっている。
絶対圧型半導体圧力センサの小型化を図るため、感圧チップとリードとを導電性のバンプで電気的に接続したものが提案されている(例えば、特開2002−82009号公報参照)。この圧力センサの一例を図12に示す。感圧チップ31の一面32に、導電性を有するバンプ33を形成し、感圧チップ31の一面32と基体34の一面35とを対向させた伏態で、バンプ33とリード36とを電気的に接続している。
しかしながら、この構造では、感圧チップ31とリード36がバンプ33を介して強固に接続されているため、温度変化が発生した場合、感圧チップ31と測定用電子機器との間の熱膨張差に起因する応力が発生し、バンプ33に応力が集中しやすい。そして、この応力集中によりバンプ33の歪みが大きくなると、電極の剥離や抵抗値の増大等の問題が生じる可能性がある。また、この応力によりピエゾ抵抗感圧ゲージの抵抗値に変動が生じる結果、センサが、圧力の変動が生じたものと誤認してしまう。従って、バンプ33を用いた接続により小型化を図る場合には、バンプ33に何らかの応力緩和機能を付与する必要がある。
一方、近年では、半導体装置の小型化に伴い、半導体パッケージの小型化が図られている。その中に、はんだバンプ部に樹脂ポスト構造を設け、この樹脂ポストによりはんだバンプに集中する応力を緩和させることによって、接続部の信頼性を向上させるとともに小型化を図ったものが提案されている(例えば、特開2002−280476号公報参照)。この半導体パッケージの一例を図13に示す。ウェハ41の絶縁層43上に設けられた樹脂製突部44を導電層45で被覆したもので、樹脂製突部44の変形により応力を分散、吸収する構成のポスト46を形成することによって接続の信頼性を向上させるとともに、半導体パッケージの小型化を図っている。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、応力緩和機能を有するバンプを用いて感圧チップと測定用電子機器を接続することにより、圧力測定精度と接続の信頼性を損なうことなく小型化を図った半導体圧力センサを提供することを目的とする。
また、本発明に係る第二の発明は、シリコン単結晶からなるダイアフラムの表面にピエゾ抵抗感圧ゲージが形成された感圧チップの裏面側にガラス基板を張り合わせ、ダイアフラムの裏面とガラス基板との間に空間を形成し、この空間に印加される被測定圧力をダイアフラムの表面に印加される圧力を基準圧として測定する半導体圧力センサにおいて、感圧チップ表面に配設された感圧ゲージ電極上に形成された樹脂製突部と、この樹脂製突部の一部または全体を覆うように形成されたバンプとを有することを特徴としている。
また、本発明に係る第三の発明は、上記第一または第二の発明において、バンプが樹脂製突部を被覆する導電層を覆うように形成され、感圧チップがバンプ及び導電層を介して測定用電子機器と電気的に接続されていることを特徴としている。
また、本発明に係る第四の発明は、感圧チップ上に樹脂層を形成し、感圧ゲージ電極を覆う樹脂層の一部を除去して、平面視してリング状またはC字状をなす開口部を形成するとともに、少なくともピエゾ抵抗感圧ゲージを覆う樹脂層を除去することで、感圧ゲージ電極上に突出する形状の樹脂製突部と、この開口部の周囲にて感圧チップ上のピエゾ抵抗感圧ゲージを除く部分を覆う絶縁樹脂層とを形成した後、樹脂製突部の一部または全体を覆う導電層を形成して感圧ゲージ電極に電気導通可能に接続し、この導電層を覆うようにバンプを形成したことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法である。
図2は、本発明に係る絶対圧型半導体圧力センサの構造の例を示す断面図である。
図3は、図2の感圧ゲージ電極部の断面を示す拡大図である。
図4は、図2の半導体圧力センサを、バンプを介して測定用電子機器に実装した状況を示す断面図である。
図5は、図2の半導体圧力センサの製造方法の工程を示す図であって、絶縁樹脂層に開口部を設けた状態を示す。
図6は、図2の半導体圧力センサの製造方法の工程を示す図であって、レジストを被覆後、導電層形成部を開口した状態を示す。
図7は、図2の半導体圧力センサの製造方法の工程を示す図であって、導電層を形成した状態を示す拡大図である。
図8は、本発明に係る相対圧型半導体圧力センサを、バンプを介して測定用電子機器に実装した状況を示す断面図である。
図9は、本発明に係る絶対圧型半導体圧力センサの構造の例を示す断面図である。
図10は、従来の絶対圧型半導体圧力センサ内の感圧チップの例を示す断面図である。
図11は、従来の絶対圧型半導体圧力センサの例を示す断面図である。
図12は、接続用のバンプを有する従来の半導体圧力センサの例を示す断面図である。
図13は、樹脂ポスト付きバンプを有する従来の半導体パッケージの例を示す断面図である。
図1は、本発明に係る半導体圧力センサの構造の例を示す上方斜視図、図2は、本発明に係る絶対圧型半導体圧力センサの断面図、図3は、図2に示す半導体圧力センサの感圧ゲージ電極部の拡大図(図1におけるA−A線に沿った断面図)である。
これらの図において、1は感圧チップである。感圧チップ1は、厚さ200〜300μm程度のシリコン単結晶からなり、感圧チップ1の中央部は、裏面から施されたエッチング等により、20〜50μm程度に薄くなっている。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。この薄い部分の表面には、4本のピエゾ抵抗感圧ゲージG及びピエゾ抵抗感圧リードL(図1参照)が拡散形成される。感圧チップ1の外周部には感圧ゲージ電極5が形成されており、感圧ゲージ電極5とピエゾ抵抗感圧ゲージGとは、個々のピエゾ抵抗感圧ゲージGの端部から感圧チップ1の外周部に延びるピエゾ抵抗感圧リードLにより接続されている。これにより、ホイートストンブリッジ回路が形成される。感圧チップ1の裏面側には、感圧チップ1の中央部を薄くすることにより、凹部4が形成されており、感圧チップ1の底部の外周部とガラス基板3とを真空室内で陽極接合することにより、凹部4とガラス基板3とで挟まれ、かつ真空に維持された空間(第一の空間)S内を基準圧とする圧力センサが得られる。また、感圧チップ1の薄い部分(ダイアフラム2)に外力がかかると、ダイアフラム2が変形し、ダイアフラム2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。
感圧チップ1の表面は、感圧ゲージ電極5上とダイアフラム2上に開口部を有する絶縁樹脂層10で覆われ、感圧ゲージ電極5の一部には、樹脂製突部6が形成されている。樹脂製突部6はシード層7及び導電層8により一部または全体が被覆されてポストPを形成し、このポストPを覆うようにバンプ9が形成されている。バンプ9はシード層7及び導電層8を介して感圧ゲージ電極5と電気導通可能に接続されており、その結果、バンプ9を測定用電子機器(図示せず)に接続すると、バンプ9を介して測定用電子機器と感圧ゲージ電極5とが電気導通可能に接続される。感圧ゲージ電極5としては、各種の導電性材料が採用可能であるが、ここではアルミニウムが採用されている。なお、ピエゾ抵抗感圧ゲージG及び感圧ゲージ電極5並びにピエゾ抵抗感圧リードLの個数や形状及び取付け位置については各種の形態が採用可能であり、特に限定されない。
樹脂製突部6は、感圧ゲージ電極5上に隆起し、断面が台形状あるいは頂上に平坦部を有する半円形状をしている。
樹脂製突部6は、例えば、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等からなり、その厚さは、例えば25〜100μmであり、回転塗布法(スピンコート)、印刷法、ラミネート法等により形成可能である。
また、圧力センサとして使用した際に樹脂製突部6に作用する応力を考慮すると、樹脂製突部6を構成する樹脂の硬度は、ヤング率(弾性率)が5GPa以下であることが望ましい。また、ダイアフラム2を囲む個々の樹脂製突部6は、圧力センサとして使用した際にこれら樹脂製突部6に作用する応力のばらつきを防止するため、平面視した際にダイアフラム2を中心として対称となる位置に配置されることが望ましい。
樹脂製突部6に被覆された膜状のシード層7は、図3に示すように、樹脂製突部6の周囲に露出している感圧ゲージ電極5上にも形成されて、感圧ゲージ電極5に対して電気導通可能に接続されている。また、シード層7上には、膜状の導電層8が被覆形成されている。
シード層7は、導電層8の電解めっき(以下「めっき」と略称する)工程での給電層やUBM(アンダーバンプメタル)としての機能を果たす。UBMとしての機能とは、導電層8と樹脂製突部6との間の密着性の確保や、感圧ゲージ電極5と導電層8との間の金属拡散を防止する為のバリア等の機能である。シード層7としては、例えばCr、Cu、Ni、Ti、W、Ta、Mg、Auなどの金属或いは合金が採用可能であるが、一層の金属層からなる構成に限定されず、複数の金属層を積層した構成も採用可能である。本実施形態では、樹脂製突部6の底部の周囲に露出している感圧ゲージ電極5や樹脂製突部6の表面を覆う厚さ40nm程度のCr層と、このCr層を覆う厚さ100〜150nm程度のCu層とをスパッタ法によって積層状態に形成した二層構造を採用している。
導電層8としては、CuやNiなどの金属あるいは合金をめっきしためっき層が採用される。但し、この導電層8としては、一層の金属層(合金層を含む。以下同様)のみからなる構成に限定されず、例えば、複数の金属層が積層された構成も採用可能である。本実施形態では、シード層7を覆う厚さ3〜20μm程度の銅めっき層と、この銅めっき層を覆う厚さ1〜10μm程度のNiめっき層と、更に、このNiめっき層を覆う厚さ0.1〜1.0μm程度のAuめっき層からなる三層構造を採用している。
この絶対圧型半導体圧力センサは、図4に示すように、バンプ9を介して測定用電子機器(回路基板12)に実装される。また、ダイアフラム2の表面と回路基板12とで挟まれた空間(第二の空間)13は、回路基板12に形成された孔Hを介して、圧力測定の対象となる空間(図示せず)に連通されるとともに、空間13の周囲は、感圧チップ1の周囲を充填材14でシールすることにより遮蔽される。そして、孔H及び空間13を介してダイアフラム2の表面に印加される圧力が、空間S内の真空圧を基準とした絶対圧として測定される。
この絶対圧型半導体圧力センサによれば、バンプ9が樹脂製突部6を覆うよう形成されているため、感圧チップ1と測定用電子機器との間の熱膨張差に起因する応力を樹脂製突部6の変形によって吸収することができる。その結果、バンプ9と測定用電子機器との接続状態を安定に維持できるとともに、電極の剥離等の不都合を確実に防止できる。更に、センサへの応力の影響も抑えることができる。また、バンプ9と樹脂製突部6との接触面積が十分確保されるため、バンプ9に作用する応力を、樹脂製突部6に確実に伝達させることが可能となるとともに、バンプ9から樹脂製突部6を介して感圧チップ1側に伝わる固着力が向上し、応力の作用によるバンプ9の剥離等を防止できる。
次に、上記した絶対圧型半導体圧力センサの製造方法の一例を説明する。図5〜図9は、図2に示す絶対圧型半導体圧力センサの製造方法を示す工程図である。なお、本製造方法においては、通常、感圧チップ1はウエハ状で形成されるが、ここでは、個々のチップについて説明する。
まず、ダイアフラム2が形成され、その表面にピエゾ抵抗感圧ゲージG及びピエゾ抵抗感圧リードLが拡散形成されるとともに、ダイアフラム2の周囲に感圧ゲージ電極5が形成された感圧チップ1を用意し、この感圧チップ1上に絶縁樹脂層10を形成する。絶縁樹脂層10は、感光性ポリイミド等の液状の感光性樹脂をスピンコートすることにより、ピエゾ抵抗感圧ゲージG及び感圧ゲージ電極5を、5〜10μm程度の厚さで覆うよう形成される。
次いで、図5に示すように、フォトリソグラフィー技術により、感圧ゲージ電極5上に位置する絶縁樹脂層10の一部を除去し、感圧ゲージ電極5上に平面視してリング状をなす開口部を形成する。これにより感圧ゲージ電極5上に開口部を有する絶縁樹脂層10が形成されるとともに、開口部内に樹脂製突部6が形成される。また、これと同時にダイアフラム上の不要な絶縁樹脂層10を除去する。この場合、感圧ゲージ電極5の縁部が絶縁樹脂層10で覆われ、樹脂製突部6の周囲で感圧ゲージ電極5が露出するように絶縁樹脂層10を除去するとともに、ダイアフラム2を囲む個々の樹脂製突部6が、平面視した際にダイアフラム2を中心として対称となる位置に配置されるように絶縁樹脂層10を除去する。
なお、開口部の平面形状は必ずしもリング状に限定されない。例えば、開口部で囲まれた樹脂製突部6の一部を周囲の絶縁樹脂層10と繋げることにより、上記平面形状がC字状をなす開口部を形成してもよい。
この手法では、絶縁樹脂層10と樹脂製突部6とを同時に形成することができるため、形成時間の短縮や工程数の削減を実現できる。また、この工程では、後の工程で形成するバンプ9の形状に対応して、樹脂製突部6を所望の形状、寸法に形成することができるとともに、ダイアフラム2の形状に対応して、個々の樹脂製突部6を所望の位置に形成することができる。
絶縁樹脂層10は、感光性ポリイミド等の感光性樹脂から形成されたシートあるいはフィルムの貼り付けによっても形成可能である。この場合も、フォトリソグラフィー技術により感圧ゲージ電極5上に位置する絶縁樹脂層10の一部をリング状に除去して開口部を形成することで、絶縁樹脂層10と樹脂製突部6とを同時に短時間で形成することができる。
次いで、絶縁樹脂層10及び樹脂製突部6の形成後、シード層7を形成する。具体的には、絶縁樹脂層10の開口部内にて、樹脂製突部6の周囲で露出している感圧ゲージ電極5及び樹脂製突部6の表面にスパッタ法により厚さ40nm程度のCr層を形成した後、このCr層を覆う厚さ100〜500nm程度のCu層をスパッタ法により形成する。このシード層7は、図6に示すように、絶縁樹脂層10、樹脂製突部6及び開口部を覆い、感圧チップ表面全体にわたって形成される。
Cr層は、感圧ゲージ電極5、樹脂製突部6及び絶縁樹脂層10に対する密着性に優れている。一方、Cu層は、後述する導電層8のめっき工程の給電層としての機能を果たすとともに、導電層8との密着性にも優れているため、シード層7と導電層8との間を密着させる機能を果たす。
なお、シード層7を構成する各金属層(前述のCr層やCu層)は、スパッタ法のほか、蒸着法等によっても形成できる。また、無電解めっき法によって樹脂製突部6に直接金属層(ここではCr層)を被覆させることも可能である。
シード層7の形成後、めっき法により、シード層7を覆うように導電層8を形成する。この導電層8のめっき工程では、先ず、図6に示すように、絶縁樹脂層10及び樹脂製突部6が形成された感圧チップ1上に、導電層8を形成する領域(ここでは、感圧ゲージ電極5上の開口部とその内側の樹脂製突部6とを含む領域)に対応する部分に開口を有するよう、レジスト11を形成することにより、導電層8を形成しない領域を覆い、導電層8を形成する領域のみを露出させる。レジスト11の形成に際しては、例えば、レジスト用の液状の感光性樹脂をスピンコートして、絶縁樹脂層10や樹脂製突部6が形成された感圧チップ1上に樹脂層を形成した後、導電層8を形成する領域に対応する部分の樹脂層を、フォトリソグラフィー技術により除去する。
レジスト11を形成した後、図7に示すように、レジスト11の開口部に、導電層8をめっきにより形成する。具体的には、シード層7を覆う厚さ3〜20μm程度の銅めっきを形成した後、この銅めっき層を覆う厚さ1〜10μm程度のNiめっき層を形成し、更に、このNiめっき層を覆う厚さ0.1〜1.0μm程度のAuめっき層を形成することにより、三層構造の導電層8を形成する。
なお、導電層8の形成領域に対応する開口部を有するレジスト11の形成は、フォトリソグラフィー技術による感光性樹脂層の除去に限定されない。例えば、ドライフィルム状のレジストを感圧チップ上にラミネートし、このレジストの前記導電層8の形成領域に対応する部分を、レーザ加工、プラズマエッチング、ウエットエッチング等により除去して、導電層8めっき用の開口部を形成する手法等も採用可能である。
導電層8の形成が完了したら、レジスト11を剥離し、不要なシード層7(絶縁樹脂層10上及びダイアフラム2上のシード層7等)をエッチング等により除去する。その後、導電層8の表面上に、例えばはんだ製のバンプ9を形成する。バンプ9の形成方法としては。印刷法、メタルジェット法、またはフラックス上にはんだボールを載置する方法等が挙げられる。このバンプ9により、絶縁樹脂層10の感圧ゲージ電極5上の開口部が封止される。
これにより、図3に示すような、応力緩和機能を有するバンプ9付きの絶対圧型半導体圧力センサが形成される。
なお、本発明は、下記実施の形態に限定されず、各種の変更が可能である。例えば、本発明は、相対圧型半導体圧力センサに対しても適用が可能である。
図8は、本発明に係る相対圧型半導体圧力センサを、バンプ9を介して測定用電子機器(回路基板12)に実装した状況を示している。この相対圧型半導体圧力センサでは、感圧チップ1の凹部4とガラス基板3とで挟まれた空間Sが、ガラス基板3に形成された孔H2を介して、圧力測定の対象となる空間(図示せず)に連通される。また、回路基板12には、大気と連通する孔Hがあり、その結果、ダイアフラム2の表面と回路基板12とで挟まれた空間13の気圧は、大気圧となっている。そして、孔H2及び空間Sを介してダイアフラム2の裏面に印加される圧力が、上記空間13の気圧(大気圧)を基準とした相対圧として測定される。圧力センサを形成する他の構成、その製造方法、及び作用効果は、上記図1ないし図7に示す実施形態と同様である。
また、図9は、本発明に係る他の絶対圧型半導体圧力センサの構造の例を示す断面図である。この例では、なお、開口部で囲まれた樹脂製突部6の一部が周囲の絶縁樹脂層10と繋がっており、この樹脂製突部6の端部(感圧ゲージ電極5の側方に位置する樹脂層10の上部)に延びる導電層8上に、バンプ9が形成されている。この場合、バンプ9の下方がほぼ全て樹脂層10となっているため、バンプ9が、感圧チップ1と測定用電子機器との接続に伴い生じる応力の影響を受けにくくなる。また、導電層8とバンプ9との接続位置を、ピエゾ抵抗感圧ゲージの抵抗値に影響が生じにくい位置(例えばピエゾ抵抗ゲージからなるべく遠い位置)とすることが可能となる。
また、応力の影響を受けやすいダイアフラムに対する、バンプを介した接続に起因する応力の影響を排除できるため、半導体圧力センサの測定精度が向上する。更に、測定用電子機器との接続により発生する応力を吸収するための緩衝部材を新たに設ける等の対策が不要となる。その結果、感圧チップと測定用電子機器との接続による圧力センサの厚さの増加が抑制され、半導体圧力センサの小型化が可能となるとともに、低コスト化が可能となる
また、本発明に係る半導体圧力センサの製造方法では、感圧チップ上に形成された樹脂層に開口部を形成することで、樹脂製突部と周囲の絶縁樹脂層とを同時に形成できるため、これら樹脂製突部及び絶縁樹脂層を形成するための工程数の削滅による形成時間の短縮及び低コスト化が可能となる。その結果、半導体圧力センサの製造能率の向上及び低コスト化が可能となる。
Claims (8)
- シリコン単結晶からなるダイアフラムの表面にピエゾ抵抗感圧ゲージが形成された感圧チップの裏面側にガラス基板を張り合わせ、前記ダイアフラムの裏面と前記ガラス基板との間に第一の空間を形成し、前記ダイアフラムの表面に印加される被測定圧力を前記第一の空間の圧力を基準圧として測定する半導体圧力センサにおいて、
前記感圧チップ表面に配設された感圧ゲージ電極上に形成された樹脂製突部と、この樹脂製突部の一部または全体を覆うように形成されたバンプとを有する半導体圧力センサ。 - 前記バンプが前記樹脂製突部を被覆する導電層を覆うように形成され、前記感圧チップが前記バンプ及び前記導電層を介して測定用電子機器と電気的に接続されている請求項1記載の半導体圧力センサ。
- シリコン単結晶からなるダイアフラムの表面にピエゾ抵抗感圧ゲージが形成された感圧チップの裏面側にガラス基板を張り合わせ、前記ダイアフラムの裏面と前記ガラス基板との間に第一の空間を形成し、この第一の空間に印加される被測定圧力を前記ダイアフラムの表面に印加される圧力を基準圧として測定する半導体圧力センサにおいて、
前記感圧チップ表面に配設された感圧ゲージ電極上に形成された樹脂製突部と、この樹脂製突部の一部または全体を覆うように形成されたバンプとを有する半導体圧力センサ。 - 前記バンプが前記樹脂製突部を被覆する導電層を覆うように形成され、前記感圧チップが前記バンプ及び前記導電層を介して測定用電子機器と電気的に接続されている請求項3記載の半導体圧力センサ。
- 前記バンプの周囲にて前記感圧チップを覆う絶縁樹脂層が形成されるとともに、少なくとも前記ピエゾ抵抗感圧ゲージ上の前記絶縁樹脂層が除去されている請求項2または4記載の半導体圧力センサ。
- 前記感圧チップの表面側が、前記バンプを介して前記測定用電子機器で覆われ、前記ダイアフラムの表面と前記測定用電子機器との間に形成された第二の空間と前記第一の空間との間における、前記ダイヤフラムを介した圧力差を、前記被測定圧力として測定する請求項2または4記載の半導体圧力センサ。
- 前記測定用電子機器が、前記半導体圧力センサが実装される回路基板である請求項6記載の半導体圧力センサ。
- 感圧チップ上に配設された感圧ゲージ電極及びピエゾ抵抗感圧ゲージ電極を覆う樹脂層を形成し、この樹脂層の前記感圧ゲージ電極上に位置する部分の一部を除去して、平面視してリング状またはC字状をなす開口部を形成することで、前記感圧ゲージ電極上に突出する形状の樹脂製突部と、この開口部の周囲にて前記感圧チップを覆う絶縁樹脂層とを形成した後、前記樹脂製突部を覆う導電層を前記感圧ゲージ電極に電気導通可能に接続するよう形成し、この導電層を覆うようにバンプを形成した後、前記ピエゾ抵抗感圧ゲージ上の前記絶縁樹脂層を除去する半導体圧力センサの製造方法。
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