WO2007061054A1 - ウェハレベルパッケージ構造体、および同パッケージ構造体から得られるセンサ装置 - Google Patents

ウェハレベルパッケージ構造体、および同パッケージ構造体から得られるセンサ装置 Download PDF

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Takafumi Okudo
Yuji Suzuki
Yoshiyuki Takegawa
Toru Baba
Kouji Gotou
Hisakazu Miyajima
Kazushi Kataoka
Takashi Saijo
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Matsushita Electric Works, Ltd.
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    • G01P2015/0842—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass the mass being of clover leaf shape

Definitions

  • Wafer level package structure and sensor device obtained from the package structure force
  • the present invention relates to a wafer level package technology for manufacturing a small sensor device such as an acceleration sensor or a gyro sensor.
  • wafer level packaging technology has been spotlighted as a technology for manufacturing a sensor having a chip size package (CSP).
  • CSP chip size package
  • FIG. 24 (A) a plurality of MEMS (Micro Electro Mechanical System) elements 211 and a sensing portion (not shown) of the MEMS elements 211
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • the wafer level package structure 200 is formed by bonding the sensor wafer 210 and the package wafer 220 at the wafer level as shown in FIG. 24 (B) after facing the package wafer 220 having the recess 221 formed therein. Techniques for forming and dividing the wafer level package structure 200 into individual sensors are disclosed.
  • a MEMS element 211 as a sensor body and a metal layer 218 surrounding the metal wiring 217 electrically connected to the MEMS element 211 are formed, A metal layer 228 surrounding the recess 221 is formed on the surface of the package wafer 220 facing the sensor wafer 210.
  • a wiring layer 219 that is electrically connected to the metal wiring 217 inside the metal layer 218 is formed on the sensor wafer 210, and the through-hole wiring is formed on the inner side of the metal layer 228 on the nod / cage wafer 220.
  • a wiring layer 229 electrically connected to 224 is formed.
  • the metal layer 218 of the sensor wafer 210 and the metal layer 228 of the package wafer 220 are joined via a solder portion 238 such as AuSn, and the sensor wafer
  • the wiring layer 219 of 210 and the wiring layer 229 of the package wafer 220 are joined via the solder portion 239.
  • an acceleration sensor As the MEMS element 211, an acceleration sensor, a gyro sensor, and the like are widely known.
  • acceleration is caused by a change in resistance value due to strain of a gauge resistance, which is a piezoresistance force when acceleration is applied.
  • piezoresistive acceleration sensors to detect, and capacitive acceleration sensors to detect acceleration by changing the capacitance between the fixed electrode and the movable electrode when acceleration is applied.
  • a piezoresistive acceleration sensor is a cantilever type in which a weight portion arranged inside a rectangular frame-shaped frame portion is supported swingably on the frame portion via a squeezed portion extended in one direction.
  • a double-sided support that is swingably supported by the frame through a pair of ridges that extend in two opposite directions, with weights arranged inside the frame-shaped frame.
  • the weight part arranged inside the frame-like frame part is supported by the frame part through four slack parts extended in four directions, and is orthogonal to each other.
  • There are also proposals that can individually detect the acceleration in each of the three directions see, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 2004-109114 and 2004-233072).
  • the wafer level package structure 200 described above when joining the metal layers 218 and 228 and the wiring layers 219 and 229, a predetermined amount of solder is soldered to each of the metal layers 228 and the wiring layers 229. Then, the sensor wafer 210 and the package wafer 220 need to be superposed and reflowed. Therefore, when a piezoresistive acceleration sensor body is used as the MEMS element 211, the residual stress in the vicinity of the bonding interface is reduced. There is a problem that the fluctuation of sensor characteristics increases. The effect of such residual stress is expected to increase as the sensor becomes smaller.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and an object of the present invention is that a semiconductor wafer on which a plurality of small sensor elements such as an acceleration sensor and a gyro sensor are formed is almost formed at a bonding interface. It is bonded to the package wafer without causing residual stress, and as a result, a wafer level capable of obtaining a small sensor device with small variation in sensor characteristics. It is to provide a bell package structure.
  • the wafer level package structure of the present invention has a frame each having a force opening, a movable part that is movably held in the opening with respect to the frame, and a displacement of the movable part.
  • a semiconductor wafer having a plurality of sensor units including a detection unit for outputting an electric signal based on the first package wafer, a first package wafer bonded to one of two opposing surfaces of the semiconductor wafer, and the other surface of the semiconductor wafer.
  • a wafer level package structure comprising: a second package wafer bonded to
  • Each frame of the sensor unit has a first surface active region over the entire circumference so as to surround the movable part on the side facing the first package wafer and faces the second package wafer.
  • Side having a second surface activation region over its entire circumference so as to surround the movable part
  • Bonding between the first package wafer and the semiconductor wafer is solid phase direct bonding without diffusion between the first surface active region of each sensor unit and the surface active region provided on the first package wafer.
  • the bonding between the second package wafer and the semiconductor wafer is a solid phase direct bonding without diffusion between the second surface active region of each sensor unit and the surface active region provided on the second package wafer. It is characterized by being.
  • the first package wafer is bonded to one surface of the semiconductor wafer over the entire circumference of the frame of each sensor unit, and the other surface of the semiconductor wafer is connected to the other surface. Since the second package wafer is bonded over the entire circumference of the frame of each sensor unit, the inside of each sensor unit can be hermetically sealed with an external force. Thereby, the inside of the sensor unit can be maintained in a desired atmosphere. For example, when the sensor unit is an acceleration sensor unit, the inside of the sensor unit can be maintained in an inert gas atmosphere, and when the sensor unit is a gyro sensor unit, the inside of the sensor unit has a high-vacuum reduced pressure atmosphere. Can be held in.
  • each of the first package wafer and the second package wafer is bonded to the semiconductor wafer by solid phase direct bonding without diffusion, the bonding interface is removed when a bonding method by heat treatment such as solder reflow is adopted.
  • the problem that sensor characteristics vary due to residual stress Can be avoided. In this way, it is possible to obtain a wafer level package structure in which a sensor device having a small variation in sensor characteristics and a good airtightness inside the sensor is integrally formed despite the small size.
  • the first surface activation region, the second surface activation region, the surface activation region of the first package wafer, and the second package wafer It is preferable that the surface active region is any one of a plasma processing surface, an ion beam irradiation surface, and an atomic beam irradiation surface. Also, the junction between the first surface active region and the surface active region of the first package wafer, and between the second surface active region and the surface active region of the second package wafer. It is preferable that at least one of the bonding is either solid phase direct bonding between Au and Au, solid phase direct bonding between Cu and Cu, or solid phase direct bonding between A1 and A1.
  • the junction between the first surface active region and the surface active region of the first package wafer, and the junction between the second surface active region and the surface active region of the second package wafer is solid-phase direct bonding between Si and Si, and solid-phase direct bonding between Si and SiO
  • At least one of the first surface active region and the second surface active region surrounds the movable part.
  • the auxiliary sealing portion connecting the outer surface activation region and the inner surface activation region is provided at a predetermined distance in the circumferential direction of the frame. It is preferable to provide at a plurality of locations.
  • Each of the sensor units includes a conductor layer that is provided at a position closer to the movable portion than the first surface active region, and is electrically connected to the detection portion.
  • a through-hole wiring provided for each of the sensor units, and a wiring layer electrically connected to the through-hole wiring, and the bonding between the first package wafer and the semiconductor wafer is an activation of the conductor layer.
  • the hermetic seal inside the sensor unit and the electrical connection between the first package wafer and the semiconductor wafer can be formed simultaneously. Such a solid phase directly Sealing by bonding and formation of electrical connections can also be employed in bonding between the second package wafer and the semiconductor wafer, if necessary.
  • a further object of the present invention is to provide a sensor device obtained by cutting the wafer level package structure described above into the size of the sensor unit.
  • This sensor device is structurally different from the conventional sensor device in that there is almost no residual stress at the bonding interface and the inside of the sensor device is kept airtight by solid phase direct bonding without diffusion. To do.
  • FIG. 1 (A) and (B) are a schematic plan view and a side view of a wafer level package structure according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 (A) and (B) are a schematic plan view and a side view of a wafer level package structure according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 (A) and (B) are a schematic plan view and a side view of a wafer level package structure according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 (A) and (B) are a schematic plan view and a sectional view of a sensor device capable of obtaining wafer level package structure force.
  • FIG. 3 (A) is a top view of the sensor substrate, and (B) is a cross-sectional view taken along the line B—A ′ of (A).
  • FIG. 4 is a bottom view of the sensor substrate.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of the sensor substrate.
  • FIG. 6 (A) is a top view of the first package substrate, and (B) is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of (A).
  • FIG. 7 is a bottom view of the first package substrate.
  • FIG. 8 (A) and (B) are a top view and a cross-sectional view of the second package substrate.
  • FIG. 9 is a schematic enlarged sectional view showing a joint portion between the sensor substrate and the first package substrate.
  • FIG. 10 (A) is a top view of a sensor substrate that is useful in a modified example of the present embodiment, and (B) is a cross-sectional view taken along the line B—A ′ of (A).
  • FIG. 11 (A) is a top view of a first package substrate that is useful for a modification of the present embodiment, and (B) is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of (A).
  • FIG. 12 is a schematic enlarged sectional view showing a joint portion between the sensor substrate of FIG. 10 (A) and the first package substrate of FIG. 11 (A).
  • FIG. 13A is a cross-sectional view showing the surface activation process
  • FIG. 13B is a cross-sectional view showing the atmosphere adjustment process
  • FIG. 13C is a cross-sectional view showing the room temperature bonding process.
  • FIG. 14 (A) and (B) are a schematic plan view and a side view of the wafer level package structure in Embodiment 2
  • (C) is a schematic cross-section of the sensor device in the wafer level package structure.
  • FIG. 15A is a top view of the sensor substrate
  • FIG. 15B is a cross-sectional view taken along the line A—A ′ of FIG.
  • FIG. 16] (A) to (D) are schematic cross-sectional views showing manufacturing steps of the sensor substrate of the second embodiment.
  • FIG. 17 (A) is a top view of the first package substrate, and (B) is an A—A ′ sectional view of (A).
  • FIG. 18 (A) and (B) are a top view and a cross-sectional view of the second package substrate.
  • FIG. 19 is a schematic sectional view of a gyro sensor device according to a third embodiment.
  • FIG. 20 is a schematic plan view of a sensor substrate according to the third embodiment.
  • FIG. 21 is an enlarged view of the main part of the sensor substrate.
  • FIG. 22 is a schematic plan view of a first package substrate of Embodiment 3.
  • FIG. 23 is a schematic bottom view of the first package substrate.
  • FIG. 24 (A) and (B) are explanatory views of a conventional method for manufacturing a wafer level package structure.
  • the wafer level package structure 100 of the present embodiment includes a semiconductor wafer 10 provided with a plurality of acceleration sensor units, as shown in FIGS. 1 (A), (B) and FIGS. 2 (A), (B), This is a structure composed of a first package wafer 20 bonded to one of two opposing surfaces of a semiconductor wafer and a second package wafer 30 bonded to the other surface of the semiconductor wafer.
  • the portion of the semiconductor wafer 10 where each acceleration sensor unit is formed is referred to as a sensor substrate 1
  • the portion of the first package wafer 20 that faces each sensor substrate 1 is referred to as a first package substrate 2.
  • a portion of the second package wafer 30 that faces each sensor substrate 1 is referred to as a second package substrate 3.
  • the semiconductor wafer 10 includes a support substrate 10a having a silicon substrate force, an insulating layer (embedded oxide film) 10b made of a silicon oxide film provided on the support substrate 10a, and an insulating layer.
  • Each acceleration sensor unit is formed by processing this SOI wafer.
  • the SOI wafer is composed of an n-type silicon layer (active layer) 10c provided on 10b.
  • the first package wafer 20 and the second package wafer 30 are each formed by processing a silicon wafer.
  • the thickness of the support substrate 10a in the SOI wafer is about 300 m to 500 m
  • the thickness of the insulating layer 10b is about 0.3 / ⁇ ⁇ to 1.5 m
  • the thickness of the silicon layer 10c is about 300 m to 500 m
  • the surface of the silicon layer 10c which is the main surface of the SOI wafer, is the (100) plane.
  • the thickness of the silicon wafer for the first package weno and 20 is about 200 ⁇ m to 300 ⁇ m, and the thickness of the silicon wafer for the second package weno and 30 is about 100 to 300 ⁇ m.
  • FIGS. 3A, 3B, and 4 are a top view, a cross-sectional view, and a bottom view of one acceleration sensor unit (corresponding to region A in FIG. 1A) provided on the sensor substrate 1.
  • Each acceleration sensor unit includes a frame-like frame portion 11 having an internal opening (for example, a rectangular frame shape), and a weight portion 12 arranged inside the frame portion 11 is located on the upper surface side (FIG. 3A).
  • the frame portion 11 is supported by the frame portion 11 via four flexible strip-like stagnation portions 13 that are flexible.
  • the sensor substrate 1 is swung to the frame part 11 via four squeeze parts 13 in which a weight part 12 arranged in an inner opening of the frame-like frame part 11 is extended from the weight part 12 in four directions. Supported by the independence.
  • the frame portion 11 is formed using the above-described SOI wafer support substrate 10a, insulating layer 10b, and silicon layer 10c.
  • the stagnation portion 13 is formed using the silicon layer 10c in the above-described SOI wafer as shown in FIG. 3B, and is sufficiently thinner than the frame portion 11. .
  • the weight portion 12 includes a rectangular parallelepiped core portion 12a supported by the frame portion 11 via the above-described four stagnation portions 13 and four corners of the core portion 12a in view of the upper surface side force of the sensor substrate 1. It has four rectangular parallelepiped weights 12b connected in a continuous manner. In other words, each weight 12b is arranged in a space surrounded by the frame portion 11 and the core portion 12a and the two stagnation portions 13 extending in the direction orthogonal to each other, taking into account the upper surface side force of the sensor substrate 1. , Each weight 12b A slit 14 is formed between each frame portion 11 and the frame portion 11, and the interval between the adjacent weights 12 b across the stagnation portion 13 is longer than the width dimension of the stagnation portion 13.
  • the core portion 12a is formed using the above-described SOI wafer support substrate 10a, insulating layer 10b, and silicon layer 10c, and each weight 12b is formed using the SOI wafer support substrate 10a. .
  • the surface of each weight 12 b is located away from the plane including the surface of the core portion 12 a toward the lower surface side (FIG. 4) of the sensor substrate 1.
  • the above-described frame portion 11, the weight portion 12, and the respective stagnation portions 13 of the sensor substrate 1 may be formed using a lithography technique and an etching technique.
  • the horizontal direction of the frame part 11 is the X axis
  • the horizontal direction perpendicular to the X axis is the y axis
  • the sensor substrate If the thickness direction of 1 is defined as the z-axis, the weight portion 12 extends in the X-axis direction and sandwiches the core portion 12a.
  • Two sets of squeeze portions 13 and the core portion 12a extend in the y-axis direction. It is supported by the frame part 11 through a pair of squeeze parts 13 sandwiching the frame.
  • the center position of the weight portion 12 on the surface of the portion formed by the silicon layer 10c is defined on the sensor substrate 1. The origin.
  • the stagnation portion 13 (the stagnation portion 13 on the right side of Fig. 3 (A)) extended in the positive direction of the X-axis from the core portion 12a of the weight portion 12 has two sets in the vicinity of the core portion 12a. Piezoresistors Rx2 and Rx4 are formed, and one piezoresistor Rz2 is formed in the vicinity of the frame portion 11.
  • the stagnation part 13 (the stagnation part 13 on the left side of FIG. 3 (A)) extending in the negative direction of the X-axis from the core part 12a of the weight part 12 has two pairs in the vicinity of the core part 12a.
  • Piezoresistors Rxl and Rx3 are formed, and one piezoresistor Rz3 is formed in the vicinity of the frame portion 11.
  • the four piezoresistors Rxl, Rx2, Rx3, and Rx4 formed in the vicinity of the core portion 12a are formed to detect the acceleration in the x-axis direction, and the planar shape is an elongated rectangular shape.
  • the wiring is formed so that the longitudinal direction coincides with the longitudinal direction of the stagnation portion 13 and forms the left bridge circuit Bx in FIG. 5 (the diffusion layer wiring formed on the sensor substrate 1, the metal wiring 17 etc.).
  • the piezoresistors Rxl to Rx4 are formed in a stress concentration region where stress is concentrated in the bending portion 13 when the acceleration in the X-axis direction is large.
  • the stagnation portion 13 (Fig. 3 (A) of Fig. 3 (A)) extended from the core portion 12a of the weight portion 12 in the positive direction of the y-axis.
  • a pair of piezoresistors Ryl and Ry3 are formed in the vicinity of the core part 12a, and one piezoresistor Rzl is formed in the vicinity of the frame part 11.
  • the stagnation part 13 (the stagnation part 13 on the lower side of FIG. 3 (A)) extending from the core part 12a of the weight part 12 in the negative direction of the y-axis is a pair of piezos in the vicinity of the core part 12a.
  • Resistors Ry2 and Ry4 are formed, and one piezoresistor Rz4 is formed at the end on the frame 11 side.
  • four piezoresistors Ryl, Ry2, Ry3, and Ry4 formed in the vicinity of the core 12a are formed to detect acceleration in the y-axis direction, and have a rectangular shape with a planar shape. Are formed so that the longitudinal direction coincides with the longitudinal direction of the stagnation portion 13, and the wiring (diffuse layer wiring formed on the sensor substrate 1, Connected by metal wiring 17).
  • the piezoresistors Ryl to Ry4 are formed in a stress concentration region where stress is concentrated in the stagnation portion 13 when acceleration in the y-axis direction is high.
  • the four piezoresistors Rzl, Rz2, Rz3, and Rz4 formed in the vicinity of the frame portion 11 are formed to detect the acceleration in the z-axis direction.
  • the piezoresistors Rzl and Rz4 formed in one set of the stagnation portions 13 of the two stagnation portions 13 are formed so that the longitudinal direction thereof coincides with the longitudinal direction of the stagnation portion 13.
  • the piezoresistors Rz2 and Rz3 formed in the other set of stagnation portions 13 are formed so that the longitudinal direction thereof coincides with the width direction (short direction) of the stagnation portion 13.
  • FIG. 3 (A) only the portion in the vicinity of the second metal layer 19 (to be described later) of the metal wiring 17 on the sensor substrate 1 is shown, and the diffusion layer wiring is not shown.
  • each of the above-described piezoresistors Rxl to Rx4, Ryl to Ry4, Rzl to Rz4, and each of the diffusion layer wirings described above is obtained by doping a p-type impurity with an appropriate concentration at each formation site in the silicon layer 10c. It is formed.
  • the metal wiring 17 is formed by patterning a metal film (for example, A1 film, A1 alloy film, etc.) formed on the insulating film 16 by sputtering or vapor deposition using lithography technology and etching technology. It is formed by doing.
  • Metal wiring for example, A1 film, A1 alloy film, etc.
  • the first package substrate 2 is formed on the surface facing the sensor substrate 1 on the weight portion 12 of the sensor substrate 1 and each side.
  • a concave portion 21 that secures a displacement space of the movable portion constituted by the only portion 13 and a plurality of (for example, eight) through holes 22 that penetrate in the thickness direction are formed in the peripheral portion of the concave portion 21.
  • the outer peripheral shape of the sensor substrate 1 and the first package substrate 2 is rectangular, and the first package substrate 2 is formed to have the same outer dimensions as the sensor substrate 1.
  • the first package substrate 2 is formed with an insulating film 23 formed of a thermal insulating film (silicon oxide film) covering both surfaces in the thickness direction and the inner surface of the through hole 22, and penetrates the through hole wiring 24 and the first package substrate 2. A part of the insulating film 23 is interposed between the inner surface of the hole 22.
  • the eight through-hole wirings 24 of the first package substrate 2 are formed apart from each other in the circumferential direction of the first package substrate 2. Also, the material of the through-hole wiring 24 is not limited to the force Cu adopting Cu. For example, Ni may be adopted.
  • the through-hole wiring 24 is also preferably formed in a tapered shape on the first package substrate 2 such that the area of the end facing the sensor substrate 1 is larger than the area of the other end.
  • the through-hole wiring 24 having a uniform thickness can be efficiently formed.
  • a plurality of external connection electrodes 25 electrically connected to the respective through-hole wirings 24 are formed on the surface (upper surface) of the first package substrate 2 opposite to the sensor substrate 1 side.
  • the outer peripheral shape of the electrode 25 of this embodiment is a rectangular shape.
  • the second package substrate 3 has a predetermined depth (displacement space for the weight portion 12) on the surface facing the sensor substrate 1 ( For example, it has a recess 31 of about 5 m to about LO m.
  • the recess 31 is formed using a lithography technique and an etching technique.
  • the outer peripheral shapes of the sensor substrate 1 and the second package substrate 3 are rectangular, and the second package substrate 3 is formed to have the same outer dimensions as the sensor substrate 1.
  • the concave portion 31 is not formed on the second package substrate 3. However, it is possible to obtain a gap between the weight portion 12 and the second package substrate 3 that allows the weight portion 12 to be displaced.
  • Each frame portion 11 of the acceleration sensor unit has a frame 11 on its side facing the first package substrate 2, and all of the frame portion 11 surrounds the movable portion composed of the weight portion 12 and each stagnation portion 13.
  • the first metal layer 18 is provided over the circumference, and the joint between the sensor substrate 1 and the first package substrate 2 is formed on the active surface of each first metal layer 18 of the acceleration sensor unit as shown in FIG.
  • the first package substrate 2 are formed by solid phase direct bonding without diffusion between the activated surfaces of the frame-like metal layer 28 provided at the corresponding portion. Such solid-phase direct bonding can be obtained by pressing the activated surface at room temperature.
  • the first package substrate 2 includes a plurality of (in the present embodiment, 8) electrically connected to the respective through-hole wirings 24 around the recesses 21 inside the frame-shaped metal layer 28.
  • the wiring layer 29 is formed.
  • the wiring layer 29 has one end portion in the longitudinal direction joined to the through-hole wiring 24, and is formed on the frame portion 11 on the side closer to the weight portion 12 than the first metal layer 18 of the sensor substrate 1. 2 It is electrically connected to the metal layer 19.
  • the connection position between the second metal layer 19 and the wiring layer 29 is outside the metal wiring 17 on the sensor substrate 1.
  • the insulating film 16 made of a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film is formed on the silicon layer 10 c on the sensor substrate 1.
  • the first metal layer 18, the second metal layer 19, and the metal wiring 17 are formed on the insulating film 16.
  • the first metal layer 18 and the metal layer 28 are formed of the same metal material, and preferably Au, Cu, or A1 can be used, and the use of Au is particularly preferable. In this embodiment, A u is used. Further, in order to improve the adhesion between the first metal layer 18 made of Au and the insulating film 16, a Ti film is interposed as an intermediate layer. In other words, the first metal layer 18 is It is composed of a laminated film of a Ti film formed on the insulating film 16 and an Au film formed on the Ti film.
  • the second metal layer 19 and the wiring layer 29 are also formed of the same metal material, and Au, Cu, or A1 can be preferably used, and Au is preferably used. In this embodiment, Au is used. Further, in order to improve the adhesion between the second metal layer 19 made of Au and the insulating film 16, a Ti film is interposed as an intermediate layer. In other words, the second metal layer 19 is composed of a multilayer film of a Ti film formed on the insulating film 16 and an Au film formed on the Ti film.
  • the first metal layer 18 and the second metal layer 19 have a Ti film thickness of 15 to 50 nm and an Au film thickness of 500 nm, and the metal wiring 17 has a film thickness of 1 ⁇ m. Although set to m, these numbers are only examples and are not particularly limited. When an Au film is used, the thickness is preferably 500 nm or less from the viewpoint of improving the yield of the bonding process.
  • the material of the Au film is not limited to pure gold, but may be one added with impurities.
  • a Ti film is interposed as an adhesion layer for improving adhesion between the Au film and the insulating film 16, but the material of the adhesion layer is not limited to Ti, for example, Cr, Nb, Zr , TiN, TaN, etc.
  • first metal layer 18 and the second metal layer 19 are formed of the same metal material, they can be formed simultaneously with substantially the same thickness, which is effective in reducing the manufacturing cost. It is. That is, the first metal layer 18 and the second metal layer 19 are formed flush with each other on the sensor substrate 1, and the metal layer 28 and the wiring layer 29 are flush with each other on the first package substrate 2. Therefore, when the first package substrate 2 is bonded to the sensor substrate 1, a uniform pressure can be applied to the bonding portion, and as a result, a solid state between the first metal layer 18 and the metal layer 28 can be obtained. Phase direct bonding and solid phase direct bonding between the second metal layer 19 and the wiring layer 29 can be obtained with stable quality.
  • the first metal layer 18 is a ring-shaped outer metal formed over the entire circumference of the frame portion 11 so as to surround the weight portion 12.
  • the layer 18a may be formed of an inner metal layer 18b formed inside the outer metal layer 18a over the entire circumference of the frame portion 11 so as to surround the weight portion 12.
  • the metal layer 28 of the first package substrate 2 is also positioned so as to face the first metal layer 18 as shown in FIGS. 11 (A) and 11 (B).
  • the outer metal layer 28a is preferably composed of an annular inner metal layer 28b formed inside the outer metal layer 28a.
  • the metal layer 28 of the first package substrate 2 is made of an outer metal layer.
  • It may be formed of a single metal layer having a dimension (width) that can be connected across both 18a and the inner metal layer 18b.
  • a double joint see Fig. 12
  • the inside of the acceleration sensor unit that is, the movable part
  • a connection part 19b to the metal wiring 17 is located in the recess 21 of the first package substrate 2, and the second metal layer 19 is electrically connected to this connection part 19b.
  • reference numeral 15 denotes an auxiliary sealing layer provided so as to connect the outer metal layer 18a and the inner metal layer 18b.
  • the auxiliary sealing layer 15 is a frame. In the circumferential direction of the part 11, a plurality of them are arranged at a predetermined distance.
  • an auxiliary sealing layer 26 is also provided on the first package substrate 2 at a position corresponding to the auxiliary sealing layer 15 of the sensor substrate 1. At the time of bonding the first package substrate 2 to the first package substrate 2, the active sealing surfaces of these auxiliary sealing layers (15, 26) are also directly bonded to the solid phase.
  • the auxiliary sealing layer (15, 26) is provided, the following effects can be expected.
  • the portion where the airtightness of the joint between the outer metal layers (18a, 28a) is reduced and the portion where the airtightness of the inner metal layer (18b, 28b) is lowered are spatially separated. Can be blocked.
  • the airtightness obtained by joining the outer metal layers (18a, 28a) and joining the inner metal layers (18b, 28b) is further improved by joining the auxiliary sealing layers (15, 26). It can be made highly reliable.
  • the first metal layer 18 is provided over the entire circumference of the frame portion 11 so as to surround the weight portion 12, and the first package is also provided.
  • the metal layer 28 is provided at the corresponding part of the substrate 2, but instead of the first metal layer 18, the Si layer Alternatively, a SiO layer may be formed, and a Si layer or a SiO layer may be formed instead of the metal layer 28.
  • the bonding between the sensor substrate 1 and the first package substrate 2 is a solid phase direct bonding of Si—S ⁇ , a solid phase direct bonding between Si and SiO, or a solid phase direct bonding between SiO and SiO.
  • the first metal layer 18 and the metal layer 28 are used prior to the bonding.
  • Each activated surface is formed.
  • the surface of the first metal layer 18 and the metal layer 28 is cleaned and activated by irradiating with argon plasma, ion beam, or atomic beam in vacuum to obtain an active surface.
  • the active metal surface is formed on the second metal layer 19 and the wiring layer 29.
  • each acceleration sensor unit is subjected to a surface activation treatment over the entire circumference on the side facing the second package substrate 3 to form a surface activation region.
  • the junction between the sensor substrate 1 and the second package substrate 3 is the surface activation region of each acceleration sensor unit and the surface activation region formed by the surface activation process on the corresponding surface of the second package substrate 3. It is formed by solid phase direct bonding without mutual diffusion. Such solid-phase direct bonding can be obtained by pressing the surface active regions together at room temperature.
  • the bonding surface in this case is a solid-phase direct bonding between Si and Si, but a SiO layer is provided on one of the sensor substrate 1 and the second package substrate 3 to provide a solid-phase direct bonding between Si and SiO. Forming a bond
  • SiO layers are provided on the sensor substrate 1 and the second package substrate 3 respectively.
  • a solid phase direct junction between 2 2 2 may be formed. Furthermore, as described above, it is also possible to employ solid-phase direct bonding that does not involve diffusion between surface active regions of metal materials such as Au-AU bonding. As described above, if necessary, the solid-phase direct bonding between the sensor substrate 1 and the second package substrate can be formed in the same manner as the bonding between the sensor substrate 1 and the first package substrate 2.
  • the sensor substrate 1 has the second It is desirable to adopt a manufacturing method in which the first package substrate 2 is directly bonded to the sensor substrate 1 after directly bonding the knock substrate 3 to the point where pressure is effectively applied to the bonded portion.
  • the sensor substrate 1, the first package substrate 2 and the second package substrate 3 are arranged in the chamber CH, and the inside of the chamber CH is set to a specified degree of vacuum (for example, it evacuated so as to lxlO _5 Pa) or less. Thereafter, in the reduced pressure atmosphere, the sensor substrate 1, the first package substrate 2 and the second package substrate 3 are each subjected to cleaning of the bonding surface and surface activation treatment by sputter etching. That is, in the sensor substrate 1, the surfaces of the first metal layer 18 and the second metal layer 19, the surface of the frame portion 11 bonded to the second package substrate 3, and the metal layers (28, 29 of the first package substrate 2).
  • a surface activation process is performed on each of the surfaces of the second package substrate 3 bonded to the sensor substrate 1.
  • each surface to be treated is irradiated with an argon ion beam for a predetermined time (for example, 300 seconds).
  • the chamber one inside pressure during the surface active I spoon treatment is above low vacuum than the vacuum degree of (e.g., about lxlO _2 Pa).
  • an argon plasma or an atomic beam may be used.
  • the gas used for the surface activation treatment is not limited to argon, and an inert gas such as nitrogen or helium may be used.
  • the chamber After performing the surface activation treatment, as shown in FIG. 13 (B), the chamber is brought into an atmosphere when the bonding process between the sensor substrate 1 and the first package substrate 2 and the second package substrate 3 is performed.
  • An atmosphere adjustment process is performed to adjust the interior.
  • the inside (namely, movable part) of an acceleration sensor unit can be kept in a desired atmosphere.
  • an inert gas such as argon is filled in the chamber so as to be filled at atmospheric pressure.
  • the atmosphere is adjusted.
  • Such an atmosphere adjustment can be performed by opening and closing the gas introduction valve VI and the exhaust valve V2 provided in the chamber.
  • the active metal surfaces of the first metal layer 18 and the metal layer 28 of the first package substrate 2 (Au— AU surfaces), the active metal surfaces of the second metal layer 19 and the wiring layer 29 of the first package substrate 2 (Au—AU solid phase bonding), the frame portion 11 of the sensor substrate 1 and the second package substrate 3
  • the active metal surfaces (Si—Si solid phase bonding) are bonded at room temperature by applying an appropriate load (for example, 300 N).
  • an appropriate load for example, 300 N
  • the room-temperature bonding method is used between the sensor substrate 1 and the first package substrate 2 and between the sensor substrate 1 and the second package substrate 30.
  • the piezo resistance Rxl to Rx4, Ryl to Ry4, Rzl to Rz4 have the advantage that they are affected by thermal stress, and the process temperature can be lowered and the manufacturing process can be simplified. There is.
  • the difference is caused by the difference in linear expansion coefficient. It is possible to reduce the stress generated in the section 13 and reduce the influence of the stress due to the difference in linear expansion coefficient on the output signal of the bridge circuit Bx, By, Bz, so that the fluctuation in sensor characteristics can be reduced. It becomes.
  • the material constituting each substrate is not limited to silicon but may be other semiconductor materials.
  • the first package substrate 2 is simultaneously cut with the sensor substrate 1.
  • the second package substrate 3 can be cut into the same outer size, and a small chip size package can be efficiently manufactured.
  • acceleration sensor device manufactured from the wafer level package structure according to the present embodiment will be briefly described below.
  • the weight portion 12 acting in the negative direction of the X axis?
  • the weight part 12 is displaced with respect to the frame part 11 by the inertial force, and as a result, a pair of stagnation parts 13 with the X-axis direction as the longitudinal direction are squeezed and formed in the stagnation part 13 !,
  • the resistance values of the piezo resistors Rxl to Rx4 will change.
  • the piezoresistors Rxl and Rx3 are subjected to tensile stress, and the piezoresistors Rx2 and Rx4 are subjected to compressive stress.
  • a piezoresistor has a characteristic that the resistance value (resistivity) increases when subjected to tensile stress and the resistance value (resistivity) decreases when subjected to compressive stress. Therefore, the piezoresistors Rxl and Rx3 are resistant. As the value increases, the resistance of piezoresistors Rx2 and Rx4 decreases. Therefore, if a constant DC voltage is applied between the pair of input terminals VDD and GND shown in Fig. 5, the potential difference between the output terminals XI and X2 of the left bridge circuit Bx shown in Fig. 5 Varies depending on the acceleration in the X-axis direction.
  • the sensor board 1 described above detects the change in the output voltage of each of the bridge circuits Bx to Bz, thereby accelerating each acceleration acting on the sensor board 1 in the X-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction. Can be detected.
  • the weight portion 12 and each stagnation portion 13 constitute a movable portion, and each piezoresistor Rxl to Rx4, Ryl to Ry4, Rzl to Rz4 has a gauge resistance in the force sensor substrate 1 (that is, Configure the sensing section!
  • the sensor board 1 has two input terminals VDD and GND common to the three bridge circuits Bx, By, and B z described above, and two output terminals XI of the bridge circuit Bx. , X 2 and two output terminals Yl and ⁇ 2 of the bridge circuit By and two output terminals Zl and ⁇ 2 of the bridge circuit ⁇ , and each of these input terminals VDD, GND and each output terminal XI, X
  • the second metal layer 19 Provided as the second metal layer 19 on the side facing the first package substrate 2 and electrically connected to the through-hole wiring 24 formed in the first package substrate 2
  • eight second metal layers 19 are formed on the sensor substrate 1, and the first package substrate is formed.
  • eight through-hole wirings 24 are formed.
  • the eight second metal layers 19 have a rectangular outer peripheral shape (in this embodiment, a square shape) and are spaced apart in the circumferential direction of the frame portion 11 (a rectangular frame-shaped frame portion). 2 on each of the 4 sides of 11).
  • the wafer level package structure of the present embodiment is an integrated circuit (CMOS IC) using an acceleration sensor unit and a CMOS on a sensor substrate 1 and a gauge.
  • Embodiment 1 Substantially except that an IC region E2 in which an integrated circuit cooperating with the piezoresistors Rxl to Rx4, Ryl to Ry4, and Rzl to Rz4 is provided, which is a resistor (that is, a sensing unit).
  • the integrated circuit is a signal processing circuit that performs signal processing such as amplification, offset adjustment, and temperature compensation on the output signals of the bridge circuits Bx, By, and Bz described in the first embodiment, and signal processing.
  • An EEPROM that stores data used in the circuit is integrated. Therefore, in the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the sensor substrate 1 includes a part of the frame portion 11, the weight portion 12, and the stagnation portions 13 described in the first embodiment. , Piezoresistors Rxl to Rx4, Ryl to Ry4, Rzl to Rz4, etc., a sensor region El, an IC region E2 in which the integrated circuit is formed, and the first metal layer described in the first embodiment Each region so that the sensor region E1 located at the center in plan view is surrounded by the IC region E2 and the IC region E2 is surrounded by the junction region E3.
  • the layout of parts E1 to E3 is designed. Further, in this embodiment, the outer dimensions of the frame part 11 of the sensor substrate 1 in the first embodiment are increased (in other words, the width dimension of the frame part 11 is increased).
  • a circuit is formed.
  • the semiconductor wafer 10 is formed using an SOI wafer in the same manner as in the first embodiment.
  • the occupied area of the IC area E2 in the sensor substrate 1 is obtained by using multilayer wiring technology. Is trying to reduce. For this reason, in the IC region E2 of the sensor substrate 1, on the surface side of the insulating film 16 made of a laminated film of the silicon oxide film on the silicon layer 10c and the silicon nitride film on the silicon oxide film.
  • Multi-layered structure with strong force such as interlayer insulation film and passivation film 41
  • a plurality of nodes 42 are exposed by removing appropriate portions of the passivation film, and each pad 42 is joined to a bonding region E3 through a lead wire 43 having a metal material (for example, Au) force.
  • the second metal layer 19 on the insulating film 16 is electrically connected.
  • the material of the lead-out wiring 43 and the material of the second metal layer 19 are the same, and the lead-out wiring 43 and the second metal layer 19 are formed continuously.
  • the plurality of nodes 42 formed in the IC region E2 are electrically connected to the sensing unit through the signal processing circuit, and are electrically connected to the sensing unit without passing through the signal processing circuit.
  • the through-hole wiring 24 of the first package substrate 2 is electrically connected to the gauge resistor as the sensing portion.
  • the sensor region portion E1 and the IC region portion E2 are made larger than the first embodiment so that the sensor region portion E1 and the IC region portion E2 are accommodated in the concave portion 21 of the first package substrate 2, and the IC region portion E2
  • the multi-layer structure 41 is arranged in the recess 21.
  • FIG. 16A to 16D correspond to the cross section taken along the line AA 'in FIG.
  • the diffusion layer wiring for forming each piezoresistor Rxl to Rx4, Ryl to Ry4, Rzl to Rz4, bridge circuit Bx, By, and Bz on the main surface side (surface side of the silicon layer 10c) of the SOI wafer Circuit elements such as integrated circuits are formed using CMOS process technology.
  • the multilayer structure 41 described above is also formed in the sensor region E1 and the junction region E3.
  • Metal wiring is not provided in the portions formed in the portions corresponding to the sensor region E1 and the joint region E3.
  • the portions formed in the portions corresponding to the sensor region portion E1 and the bonding region portion E3 of the multilayer structure portion 41 are exposed.
  • a patterned resist layer is formed, the resist layer is used as an etching mask, and the exposed portion of the multilayer structure 41 is removed by wet etching using the silicon nitride film of the insulating film 16 on the silicon layer 10c as an etching stopper layer. Subsequently, the resist layer is removed to obtain the structure shown in FIG.
  • the first metal layer 18, the second metal layer 19, and the drawer are formed on the main surface side of the SOI wafer.
  • the wiring 43 is formed using a thin film formation technique such as sputtering, photolithography technique, and etching technique, and then the frame part 11 and the weight part in the insulating film 16 described above are formed on the main surface side of the SOI wafer.
  • a resist layer patterned to cover the portions corresponding to the respective core portions 12a and the respective stagnation portions 13 and to expose other portions is formed, and the insulating layer 16 is formed using the resist layer as an etching mask.
  • the insulating film 16 is patterned by etching the exposed portion, and a surface side patterning process is performed in which the SOI layer is etched using the insulating layer 10b as an etching stopper layer to a depth where the main surface side force also reaches the insulating layer 10b. Then, the structure shown in FIG. 16B is obtained by removing the resist layer.
  • the silicon layer 10c in the SOI wafer has a portion corresponding to the frame portion 11, a portion corresponding to the core portion 12a, and a portion corresponding to each stagnation portion 13 respectively. Remains.
  • the insulating layer 10b is an etching stopper layer.
  • the silicon oxide film lOd is laminated on the support substrate 10a on the back side of the SOI wafer and corresponds to the part corresponding to the frame part 11 and the core part 12a.
  • a resist layer patterned so as to cover the part and the part corresponding to each weight 12b and to expose the other part is formed, and the resist layer is used as an etching mask to expose the silicon oxide film 10d.
  • the silicon oxide film 10d is patterned by etching the portion, the resist layer is removed, and then the insulating layer 10b is formed to a depth where the back side force of the SOI wafer reaches the insulating layer 10b using the silicon oxide film 10d as an etching mask.
  • the support substrate 10a in the SOI wafer has a portion corresponding to the frame portion 11, a portion corresponding to the core portion 12a, and a portion corresponding to each of the weights 12b.
  • an etching apparatus in this back side patterning process for example, an inductively coupled plasma (ICP) type dry etching apparatus may be used.
  • ICP inductively coupled plasma
  • the insulating layer 10b functions as an etching stover layer. Set conditions to do.
  • the frame portion is obtained by etching away unnecessary portions of the insulating layer 10b by wet etching while leaving the portion corresponding to the frame portion 11 and the portion corresponding to the core portion 12a. 11.
  • the structure shown in FIG. 16 (D) is obtained by carrying out the separation step of forming each stagnation part 13 and weight part 12. In this separation step, the silicon oxide film 10d on the back side of the SOI wafer is also removed by etching.
  • the wafer level package structure 100 of the present embodiment includes the above-described sensor substrate 1, the first package substrate 2 shown in FIGS. 17 (A) and 17 (B), and FIGS. 18 (A) and 18 (B). It can be obtained by bonding each of the second package substrates 3 shown in FIG.
  • the activated surfaces of the first metal layer 18 of the sensor substrate 1 and the metal layer 28 of the first package substrate 2 are integrated by room-temperature bonding of the active surfaces of each other (Au-AU solid phase bonding), and frame portion 11 of sensor substrate 1 and second package substrate 3 are The sensor substrate 1 and the second package substrate 3 are integrated by performing normal temperature bonding between the active surfaces (Si—S single phase bonding).
  • the acceleration sensor device of the present embodiment can be obtained by cutting the obtained wafer level package structure 100 into a predetermined size (desired chip size) by a dicing process.
  • 14C corresponds to a cross section of a portion surrounded by a circle A in the wafer level package structure 100 shown in FIG. 14A. Therefore, the first package substrate 2 and the second package substrate 3 have the same outer size as the sensor substrate 1, and a small chip size package can be realized and manufacturing is facilitated.
  • the acceleration sensor device of the present embodiment incorporates an IC chip that forms an integrated circuit that cooperates with the gauge resistance of the acceleration sensor device, it is smaller and less expensive than a conventional sensor module. Can be achieved.
  • the wiring length between the gauge resistor and the integrated circuit can be shortened, and the sensor performance can be improved.
  • the piezoresistive acceleration sensor unit is exemplified as the sensor unit.
  • the technical idea of the present invention is not limited to the acceleration sensor unit, and for example, a capacitive acceleration sensor, a gyro sensor, and the like. It can be applied to other sensors.
  • This embodiment The configuration is substantially the same as that of the first embodiment except that a gyro sensor unit is formed on the sensor substrate instead of the acceleration sensor unit. Therefore, joint portions between the sensor substrate 101 and the first package substrate 102 and the second package substrate 103 can be formed in the same manner as in the first embodiment.
  • the wafer level package structure of the present embodiment includes a semiconductor wafer provided with a plurality of gyro sensor units, a first package wafer bonded to one of two opposing surfaces of the semiconductor wafer, and other semiconductor wafers. It has a structure consisting of a second package wafer bonded to the surface.
  • sensor substrate 101 the portion of the semiconductor wafer on which each gyro sensor unit is formed is referred to as sensor substrate 101
  • first package substrate 102 the portion of the first package wafer that faces each sensor substrate 101
  • second A portion of the package wafer that faces each sensor substrate 101 is referred to as a second package substrate 103.
  • the sensor substrate 101 is formed using a silicon substrate having a resistivity of 0.2 Q cm, and the first package substrate 102 and the second package substrate 103 have a resistivity of 20 ⁇ cm. It is formed using a silicon substrate. Note that the resistivity value of each silicon substrate is an example and is not particularly limited.
  • the gyro sensor unit includes a movable part including a first mass body 111 that vibrates by vibration means, and a second mass body 112 that is coupled to the first mass body, and a first mass body. It is mainly composed of a detection unit that converts the positional displacement of the second mass body 112 generated when a rotational force is applied during vibration of the mass body 111 into an electrical signal.
  • the first mass body 111 and the second mass body 112 whose outer peripheral shape is rectangular in plan view are arranged along the one surface of the sensor substrate 101, and A frame portion 110 (in this embodiment, a rectangular frame shape) surrounding the periphery of the first mass body 111 and the second mass body 112 is formed.
  • the direction in which the first mass body 111 and the second mass body 112 are aligned is the y-axis direction and the sensor, as in the orthogonal coordinate system shown in the lower right of each figure in FIGS. 19 to 23.
  • the direction perpendicular to the y-axis direction in the plane along the one surface of the substrate 101 is the X-axis direction
  • the direction perpendicular to the X-axis direction and the y-axis direction (that is, the thickness direction of the sensor substrate 101) is the z-axis direction.
  • the sensor substrate 101 includes a first mass body 111 and a second mass body 112, each having an x-axis
  • the drive springs 113 extended in the direction are connected together continuously. That is, one end of the sensor substrate 101 is opened to the slit groove 114a that is slightly shorter than the entire length of the second mass body 112 in the X-axis direction and to each side edge in the X-axis direction of the first mass body 111.
  • Two slit grooves 114b arranged on a straight line in the X-axis direction are formed, and drive springs 113 are formed between the slit grooves 114a and the slit grooves 114b, respectively.
  • each drive spring 113 is continuous between each end of the slit groove 114a and the side edge of the second mass body 112, and the other end of each drive spring 113 is between the two slit grooves 114b.
  • Each part is continuous with the first mass body 111.
  • the drive spring 113 is a torsion spring capable of torsional deformation, and the first mass body 111 is displaceable around the drive spring 113 with respect to the second mass body 112. That is, the first mass body 111 is capable of translation in the z-axis direction and rotation around the axis in the X-axis direction with respect to the second mass body 112.
  • the sensor board 101 uses a torsion spring as the drive spring 113, it is easy to process the drive spring 113 when it is not necessary to reduce the size of the drive spring 113 in the thickness direction of the sensor board 101. It is.
  • one end portion of the detection spring 115 extended in the y-axis direction is continuous, and the other end portions of the two detection springs 115 are continuous.
  • the two are connected continuously and integrally via a connecting piece 116 extending in the X-axis direction. That is, the pair of detection springs 115 and the connecting piece 116 form a U-shaped member in plan view.
  • the connecting piece 116 is designed to have sufficiently high rigidity as compared with the drive spring 113 and the detection spring 115.
  • a fixing piece 117 projects from an intermediate portion of the connecting piece 116 in the longitudinal direction, and the fixing piece 117 is bonded to the second package substrate 103 and fixed in place.
  • the first mass body 111 and the second mass body 112 are separated from the detection spring 115 and the connecting piece 116 by a U-shaped slit groove 114c.
  • One end of the slit groove 114b is continuous with the slit groove 114c.
  • the detection spring 115 can be bent and deformed in the X-axis direction, and the first mass body 111 and the second mass body 112 can be displaced in the X-axis direction with respect to the fixed piece 117.
  • the stator 120 includes an electrode piece 121 disposed near both ends of the second mass body 112 in the X-axis direction, and a comb bone piece 122 extended from the electrode piece 121 in the X-axis direction. And the comb bone piece 122 form an L-shape.
  • the electrode piece 121 and the comb piece 122 are joined to the second package substrate 103, and the stator 120 is fixed in place.
  • the inner surface of the cutout hole 118 has a shape that follows the shape of the outer peripheral surface of the stator 120, and a gap is formed between the cutout hole 118 and the stator 120.
  • Two electrode pieces 121 are arranged at both ends of the second mass body 112 in the X-axis direction.
  • a large number of fixed comb teeth 123 are arranged in the X-axis direction on both end faces in the width direction of the comb bones 122.
  • a large number of movable comb teeth pieces 124 respectively facing the fixed comb tooth pieces 123 are X. It is lined up in the axial direction.
  • Each fixed comb tooth piece 123 and each movable comb tooth piece 124 are separated from each other, and the distance between the fixed comb tooth piece 123 and the movable comb tooth piece 124 when the second mass body 112 is displaced in the X-axis direction. It is designed to detect changes in capacitance that accompany changes. That is, the fixed comb tooth piece 123 and the movable comb tooth piece 124 constitute detection means for detecting the displacement of the second mass body 112.
  • the sensor substrate 101 is connected to the second package substrate 103 by joining the frame part 110, the fixed piece 117, and the stator 120 to the second package substrate 103.
  • the second package substrate 3J also serves as a support substrate that supports the sensor substrate 1J.
  • the first mass body 111 and the second mass body 112 must be displaceable in the z-axis direction, the first mass body 111 and the second mass body 112 are respectively shown in FIG.
  • the surface facing the second package substrate 103 is retracted from the second package substrate 103 (that is, the thicknesses of the first mass body 111 and the second mass body 112 in the thickness direction of the sensor substrate 101 are set to the frame portion 110).
  • the gap length between the first mass body 111 and the second package substrate 103 is set to 10 ⁇ m, but this value is an example and is not particularly limited.
  • a pair of ground pieces 119 are formed in the frame portion 110 in the vicinity of the fixed piece 117 so as to sandwich the fixed piece 117, and a pair of ground pieces 119 will be described later near one of the ground pieces 119.
  • Electrode pieces 127 to which the electrodes 125 are electrically connected are formed (each The ground piece 119 and the electrode piece 127 are joined to the second package board 103 by being joined to the second package board 103), and on the upper surface side, the fixed piece 117 and each electrode piece 121 and the other ground piece
  • a second metal layer 128 is formed on the surface of each of 119 and electrode piece 127.
  • one fixed piece 117, four electrode pieces 121, one ground piece 119, and one electrode piece 127 are arranged separately and independently on one surface side of the second package substrate 103.
  • each is electrically insulated.
  • a first metal layer 126 is formed on the frame portion 110 over the entire circumference.
  • the second metal layer 128 and the first metal layer 126 are composed of a laminated film of a Ti film and an Au film.
  • the first metal layer 126 and the second metal layer 128 are formed of the same metal material, they can be formed simultaneously so as to have the same thickness.
  • the first metal layer 126 and the second metal layer 128 have a force in which the thickness of the Ti film is set to 15 to 50 nm and the thickness of the Au film is set to 50 Onm. It is not a thing.
  • the material of each Au film is not limited to pure gold, but may be one added with impurities.
  • the first package substrate 102 has a first mass body 111 and a second mass body 1 12 on the sensor substrate 101 side (the lower surface side of the first package substrate 102 in FIG. 19). And a plurality of through-holes 132 penetrating in the thickness direction are formed, and the thermal insulating film (silicone) extends across both surfaces in the thickness direction and the inner surface of the through-hole 132. An insulating film 133 is formed, and a part of the insulating film 133 is interposed between the through-hole wiring 134 and the inner surface of the through-hole 132.
  • the material of the through-hole wiring 134 is not limited to the force Cu adopting Cu, but, for example, use Ni or the like.
  • the first package substrate 102 is formed of a laminated film of a Ti film and an Au film on the inner bottom surface of the recess 129 on the surface facing the first mass body 111 through a part of the insulating film 133.
  • the above-described electrode 125 (see FIGS. 19 and 23) is formed.
  • the force in which the gap length between the first mass body 111 and the fixed drive electrode 125 is set to 10 m. This numerical value is an example and is not particularly limited.
  • the first package substrate 102 is provided on the surface on the sensor substrate 101 side with each through-hole wiring 134. A plurality of metal layers 138 electrically connected to each are formed. Further, the first package substrate 102 is formed with a frame-shaped (rectangular frame-shaped) metal layer 136 over the entire circumference of the peripheral portion of the surface on the sensor substrate 101 side.
  • the metal layer 138 is arranged so as to be joined and electrically connected to the second metal layer 128 of the sensor substrate 101, and the metal layer 136 is joined to the first metal layer 126 of the sensor substrate 101. It is arranged to be done.
  • the metal layer 136 and the second metal layer 128 are constituted by a laminated film of a Ti film formed on the insulating film 133 and an Au film formed on the Ti film.
  • the metal layer 136 and the metal layer 138 are formed of the same metal material, they can be simultaneously formed to have the same thickness.
  • the metal layer 136 and the metal layer 138 have a Ti film thickness set to 15 to 50 nm and an Au film thickness set to 500 nm. These numbers are merely examples and are not particularly limited.
  • the material of each Au film is not limited to pure gold, but may be a material added with impurities.
  • a Ti film is interposed as an adhesion layer for improving adhesion between each Au film and the insulating film 133.
  • the material of the adhesion layer is not limited to Ti, and for example, Cr, Nb, Zr, TiN, TaN, etc. may be used.
  • a plurality of external connection electrodes 135 that are electrically connected to the respective through-hole wirings 134 are formed on the surface of the first package substrate 102 opposite to the sensor substrate 101 side. .
  • the outer peripheral shape of the electrode 135 is rectangular.
  • Each electrode 135 is composed of a laminated film of a Ti film and an Au film.
  • the second package substrate 103 has insulating films 141 and 142 made of a thermal insulating film (silicon oxide film) on both surfaces in the thickness direction.
  • the sensor substrate 101 and the first package substrate 102 have the first metal layer 126 and the metal layer 136 directly bonded to the solid phase (the first package substrate 102 is the sensor substrate 10).
  • the second metal layer 128 and the metal layer 138 are directly bonded to each other and electrically connected to each other. By these solid-phase direct bonding, the outside air force inside the mouth sensor unit is kept airtight.
  • the first metal layer 128 of the sensor substrate 101 is electrically connected to the electrode 135 through the metal layer 138 and the through-hole wiring 134.
  • a wiring portion 125a (see FIG. 23) extending from the electrode 125 to the periphery of the recess 129 is joined to the first metal layer 128 on the electrode piece 127 of the sensor substrate 101.
  • the metal layer 138 is continuously integrated.
  • each bonding surface is irradiated with argon plasma, ion beam or atomic beam in a vacuum before bonding to clean and activate each bonding surface, and then the bonding surfaces are bonded together in a vacuum. And contact directly at normal temperature.
  • the first metal layer 126 and the metal layer 136 are directly bonded, and at the same time, the second metal The layer 128 and the metal layer 138 are directly bonded, and the frame portion 110 of the sensor substrate 101 and the peripheral portion of the second package substrate 103 are hermetically sealed at room temperature in vacuum by the above-described room temperature bonding method. It is directly joined to.
  • Appropriate micromachining force is applied to the sensor substrate 101, and after the sensor substrate 101 and the second package substrate 103 are joined at room temperature, the portion that becomes a movable part in the sensor substrate 101 is separated from other part forces. An etching process is performed, and a metal layer forming process for forming the first metal layer 126 and the second metal layer 128 is performed. In the present embodiment, the sensor substrate 101 and the second package substrate 103 are bonded by room temperature bonding of a combination of Si—SiO.
  • the sensor substrate composed of the sensor substrate 101 and the second package substrate 103 and the first package substrate 102 are introduced into the chamber 1, and the inside of the chamber has a specified vacuum level (for example, 1 X 10 _5 Pa) or less.
  • a specified vacuum level for example, 1 X 10 _5 Pa
  • an activation process is performed in which the bonding surfaces of the sensor substrate 101 and the first package substrate 102 in the sensor substrate in the vacuum are cleaned and activated by sputtering.
  • the degree of vacuum in the chamber 1 during the activation process is about 1 ⁇ 10_2 Pa, which is lower than the specified vacuum before the activation process is started.
  • an atmosphere adjustment process is performed in which the atmosphere in the chamber in which the sensor substrate 101 and the second package substrate 103 are present is adjusted to a design atmosphere provided in accordance with the gyro sensor characteristics. .
  • the resonance frequency is added.
  • a predetermined degree of vacuum high vacuum of 1 X 10 _4 Pa or less
  • the mechanical Q value mechanical quality factor Qm
  • the atmosphere in the chamber is designed as described above by performing vacuum exhaust until the degree of vacuum in the chamber reaches a predetermined degree of vacuum. I try to adjust to the atmosphere.
  • a step of room-temperature bonding of the sensor substrate 101 and the first package substrate 102 is performed in the atmosphere adjusted in the atmosphere adjustment step.
  • an appropriate load for example, 300 N
  • the first metal layer 126 and the metal layer 136 are bonded at room temperature at the same time.
  • the metal layer 128 and the metal layer 138 are joined at room temperature.
  • the sensor substrate 101 and the first package substrate 102 are bonded by room temperature bonding of a combination of Au—Au.
  • the surface activation process it is preferable to continuously perform the surface activation process, the atmosphere adjustment process, and the bonding process in the same chamber. Good performance by bonding at room temperature in an atmosphere adjusted to the design atmosphere in the hermetic package designed according to the desired sensor characteristics without exposing the joint surface and the joint surface of the first package substrate 102 to the atmosphere. Bonding strength can be obtained. Further, in the atmosphere adjustment process, after the surface activation process, the atmosphere in the chamber is adjusted to the designed atmosphere by evacuating so that the inside of the chamber has a predetermined degree of vacuum. The mechanical Q value (mechanical quality factor Qm) that represents the sharpness of mechanical vibration near the resonance frequency of the gyro sensor can be increased, and high sensitivity can be achieved.
  • the mechanical Q value mechanical quality factor Qm
  • the room-temperature bonding method is used between the sensor substrate 101 and the first package substrate 102 and between the sensor substrate 101 and the second package substrate 103.
  • the sensor substrate 101 is bonded to the first package substrate 102 and the second package substrate 103 by a method that requires heat treatment such as solder reflow.
  • This has the advantage that it is less susceptible to the effects of the sensor and variations in sensor characteristics can be reduced.
  • the process temperature can be reduced, and the manufacturing process can be simplified.
  • the sensor substrate 101 and the second package substrate 103 are bonded via the insulating film 141, it is possible to suppress a reduction in electrical noise resistance.
  • each substrate is a silicon wafer and the insulating film 141 is a silicon oxide film, variation in sensor characteristics that facilitates room-temperature bonding between the sensor substrate 101 and each package substrate (102, 103) is further reduced. be able to.
  • a small gyro sensor device can be obtained easily and efficiently.
  • the mass productivity can be increased.
  • the gyro sensor of the present embodiment detects a displacement of the second mass body 112 when a predetermined vibration is applied to the first mass body 111 and an angular velocity due to an external force is applied.
  • an oscillating voltage having a sine waveform or a rectangular waveform may be applied between the electrode 125 and the first mass body 111.
  • the oscillating voltage is preferably an AC voltage, but it is not essential to reverse the polarity.
  • the first mass body 111 is electrically connected to the fixed piece 117 via the drive spring 113, the second mass body 112, the detection spring 115, and the connecting piece 116, and the second metal layer 128 is formed on the surface of the fixed piece 117.
  • the electrode 125 is electrically connected to the second metal layer 128 on the electrode piece 127, the second metal layer 128 on the fixed piece 117 and the second metal layer 128 on the electrode piece 127 are
  • an oscillating voltage is applied between the metal layer 128 and the first mass body 111 and the electrode 125, an electrostatic force can be applied to vibrate the first mass body 111 in the z-axis direction. If the frequency of the oscillating voltage matches the resonance frequency determined by the masses of the first mass body 111 and the second mass body 112 and the spring constants of the drive spring 113 and the detection spring 115, it is relatively small and large by the driving force. Amplitude can be obtained.
  • the above-described gyro sensor forms four variable edge capacitance capacitors. It is possible to detect the displacement of the second mass body 112 by detecting the capacitance of each variable capacitor or detecting the combined capacitance of the variable capacitors connected in parallel. it can. Since the vibration of the first mass body 111 is known, the Coriolis can be obtained by detecting the displacement of the second mass body 112.
  • the first mass body 111, the drive spring 113, the second mass body 112, the detection spring 115, and the connecting piece 116 constitute a movable portion disposed inside the frame portion 110
  • the fixed comb tooth piece 123 and the movable comb tooth piece 124 provided on the second mass body 112 constitute a sensing unit.
  • a part of the sensing part is provided in the movable part arranged inside the frame part 110.
  • the displacement of the movable comb tooth piece 124 is proportional to (mass of the first mass body 111) Z (mass of the first mass body 111 + mass of the second mass body 112).
  • the mass of the body 111 is larger than the mass of the second mass body 112
  • the displacement of the movable comb-tooth piece 124 is increased, and as a result, the sensitivity is improved. Therefore, in the present embodiment, the thickness dimension of the first mass body 111 is made larger than the thickness dimension of the second mass body 112.
  • the semiconductor wafer and the package wafer on which a plurality of small sensor units are formed are solid-phase directly without diffusion between the surface active regions provided on each of them. Since bonding is performed by bonding, a wafer level package structure that does not substantially generate residual stress at the bonding interface can be obtained. Further, since the inside of the sensor unit is sealed airtightly by solid phase direct bonding, the inside of the sensor unit can be maintained in a desired atmosphere according to the type of sensor such as an acceleration sensor or a gyro sensor.
  • the wafer level package structure is If the wafer level package structure is cut to the size of the sensor cut at a desired location, it is possible to obtain a small sensor device with little variation in sensor characteristics. Therefore, there is an advantage that failure or loss of the small sensor unit during transportation can be prevented. As described above, the wafer level package structure of the present invention is expected to be widely used in fields where further downsizing of the sensor device is required.

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Abstract

　内部に複数の加速度センサやジャイロセンサのような小型センサが形成されたウェハレベルパッケージ構造体を提供する。このパッケージ構造体は、センサユニットが複数個形成された半導体ウェハと、半導体ウェハの両面に接合される一対のパッケージウェハとで構成される。各センサユニットは、開口を有するフレームと、フレームに対して可動に開口内に保持される可動部、および可動部の位置変位に基づいて電気信号を出力する検出部を有する。半導体ウェハと各パッケージウェハとは、フレーム上に設けた表面活性化領域とパッケージウェハに設けた表面活性化領域同士の拡散を伴わない固相直接接合によって接合されるので、接合界面の残留応力によりセンサ特性にばらつきが生じるのを防止できる。

Description

ウェハレベルパッケージ構造体、および同パッケージ構造体力ら得られる センサ装置
技術分野
[0001] 本発明は、加速度センサやジャイロセンサのような小型センサ装置を製造するため のウェハレベルパッケージ技術に関するものである。
背景技術
[0002] 近年、チップサイズパッケージ（Chip Size Package： CSP)を有するセンサの製造技 術として、ウェハレベルパッケージング技術が脚光を浴びて 、る。
[0003] 例えば、特開 2005— 251898号公報には、図 24 (A)に示すように、複数の MEM S (Micro Electro Mechanical System)素子 211および MEMS素子 211のセンシ ング部（図示せず）に電気的に接続された金属配線（引き出し電極） 217を形成した センサウェハ 210と、金属配線 217に電気的に接続される貫通孔配線 224および M EMS素子 211を気密封止する空間を形成するための凹所 221を形成したパッケ一 ジウェハ 220とを対向させてから、図 24 (B)に示すように、センサウェハ 210とパッケ ージウェハ 220とをウェハレベルで貼り合わせることでウェハレベルパッケージ構造体 200を形成し、ウェハレベルパッケージ構造体 200から個々のセンサに分割する技 術が開示されている。
[0004] ここで、センサウェハ 210におけるパッケージウェハ 220との対向面には、センサ本 体である MEMS素子 211および MEMS素子 211に電気的に接続された金属配線 217を囲む金属層 218が形成され、パッケージウェハ 220におけるセンサウェハ 210 との対向面には、凹所 221を囲む金属層 228が形成される。また、センサウェハ 210 には、金属層 218よりも内側で金属配線 217と電気的に接続される配線層 219が形 成され、ノ¾ /ケージウェハ 220には、金属層 228よりも内側に貫通孔配線 224と電気 的に接続される配線層 229が形成される。そして、上述のウェハレベルパッケージ構 造体 200においては、センサウェハ 210の金属層 218とパッケージウェハ 220の金属 層 228とが例えば AuSnなどの半田部 238を介して接合されるとともに、センサウェハ 210の配線層 219とパッケージウェハ 220の配線層 229とが半田部 239を介して接 合される。
[0005] MEMS素子 211としては、加速度センサやジャイロセンサなどが広く知られており 、加速度センサとしては、加速度が印加されたときのピエゾ抵抗力 なるゲージ抵抗 のひずみによる抵抗値の変化により加速度を検出するピエゾ抵抗形の加速度センサ や、加速度が印加されたときの固定電極と可動電極との間の静電容量の変化により 加速度を検出する容量形の加速度センサなどがある。ピエゾ抵抗形の加速度センサ としては、矩形枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が一方向へ延長された 橈み部を介してフレーム部に揺動自在に支持された片持ち式のものや、枠状のフレ ーム部の内側に配置される重り部が相反する 2方向へ延長された一対の橈み部を介 してフレーム部に揺動自在に支持された両持ち式のものなどが提案されており、近年 では、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が四方へ延長された 4つの橈み 部を介してフレーム部に揺動自在に支持され、互いに直交する 3方向それぞれの加 速度を個別に検出可能なものも提案されている（例えば、特開 2004— 109114号公 報、特開 2004— 233072号公報参照）。
[0006] しかしながら、上記のウェハレベルパッケージ構造体 200においては、金属層 218 、 228同士および配線層 219、 229同士を接合するにあたって、金属層 228および 配線層 229それぞれに所定量の半田がソルダーシュート法により供給され、次いで センサウェハ 210とパッケージウェハ 220とを重ね合わせてリフローを行う必要がある ので、 MEMS素子 211としてピエゾ抵抗形の加速度センサ本体を採用した場合、接 合界面近傍の残留応力が橈み部に伝達され、センサ特性のノ ラツキが大きくなると いう問題がある。このような残留応力の影響は、センサが小型化されるほど大きくなる と予想される。
発明の開示
[0007] そこで、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、加速度セン サゃジャイロセンサなどの小型のセンサ素子が複数個形成された半導体ウェハが、 接合界面にほとんど残留応力を生じることなくパッケージウェハに接合され、結果的 に小型で且つセンサ特性のバラツキの小さいセンサ装置を得ることのできるウェハレ ベルパッケージ構造体を提供することにある。
[0008] すなわち、本発明のウェハレベルパッケージ構造体は、各々力 開口を有するフレ ーム、前記フレームに対して可動に前記開口内に保持される可動部、および前記可 動部の位置変位に基づいて電気信号を出力する検出部を含む複数のセンサュ-ッ トを備えた半導体ウェハと、前記半導体ウェハの対向する 2面の一方に接合される第 1パッケージウェハと、前記半導体ウェハの他面に接合される第 2パッケージウェハと を含むウェハレベルパッケージ構造体であって、
前記センサユニットの各々のフレームは、第 1パッケージウェハに面する側において 、前記可動部を囲むようにその全周にわたつて第 1表面活性ィ匕領域を有するとともに 、第 2パッケージウェハに面する側において、前記可動部を囲むようにその全周にわ たって第 2表面活性化領域を有し、
第 1パッケージウェハと半導体ウェハとの間の接合は、センサユニットの各々の第 1 表面活性ィ匕領域と第 1パッケージウェハに設けた表面活性ィ匕領域同士の拡散を伴わ ない固相直接接合であり、
第 2パッケージウェハと半導体ウェハとの間の接合は、センサユニットの各々の第 2 表面活性ィ匕領域と第 2パッケージウェハに設けた表面活性ィ匕領域同士の拡散を伴わ ない固相直接接合であることを特徴とする。
[0009] 本発明によれば、半導体ウェハの一方の面にお!、て、各センサユニットのフレーム の全周にわたって第 1パッケージウェハが接合されるとともに、半導体ウェハの他方の 面にぉ 、て、各センサユニットのフレームの全周にわたつて第 2パッケージウェハが 接合されるので、各センサユニット内部を外部力も気密に封止することができる。これ により、センサユニットの内部を所望の雰囲気に保持することができる。例えば、セン サユニットが加速度センサユニットである場合は、センサユニット内部を不活性ガス雰 囲気に保持でき、センサユニットがジャイロセンサユニットである場合は、センサュ- ット内部を高真空度の減圧雰囲気に保持することができる。また、第 1パッケージゥヱ ハおよび第 2パッケージウェハのそれぞれが半導体ウェハに拡散を伴わない固相直 接接合によって接合されるので、半田リフローのような熱処理による接合方法が採用 される場合に接合界面の残留応力によってセンサ特性にばらつきが生じるという問題 を回避することができる。このように、小型であるにもかかわらず、センサ特性のバラッ キが小さぐ且つセンサ内部の良好な気密性を有するセンサ装置が一体に形成され たウェハレベルパッケージ構造体を得ることができる。
[0010] 上記した固相直接接合の良好な接着強度を得るため、第 1表面活性化領域、第 2 表面活性化領域、第 1パッケージウェハの表面活性ィ匕領域、および第 2パッケージゥ ェハの表面活性ィヒ領域は、プラズマ処理面、イオンビーム照射面、または原子ビーム 照射面のいずれかであることが好ましい。また、第 1表面活性ィ匕領域と第 1パッケージ ウェハの表面活性ィ匕領域との間の接合と、第 2表面活性ィ匕領域と第 2パッケージゥェ ハの表面活性ィ匕領域との間の接合の少なくとも一方は、 Au—Au間の固相直接接合 、 Cu— Cu間の固相直接接合、または A1—A1間の固相直接接合のいずれかである ことが好ましい。あるいは、第 1表面活性ィ匕領域と第 1パッケージウェハの表面活性ィ匕 領域との間の接合と、第 2表面活性ィ匕領域と第 2パッケージウェハの表面活性ィ匕領域 との間の接合の少なくとも一方は、 Si— Si間の固相直接接合、 Si-SiO間の固相直
2 接接合、または SiO— SiO間の固相直接接合のいずれ力とすることも好ましい。
2 2
[0011] また、センサユニット内部の気密性の向上を図るとともに、接合信頼性を高める観点 から、第 1表面活性ィ匕領域と第 2表面活性ィ匕領域の少なくとも一方は、上記可動部を 囲むようにフレームの全周にわたつて形成される環状の外部表面活性化領域と、前 記外部表面活性化領域の内側において、上記可動部を囲むようにフレームの全周 にわたつて形成される環状の内部表面活性ィ匕領域とで構成されることが好ましぐ特 に、外部表面活性化領域と内部表面活性化領域との間を連結する補助封止部をフ レームの周方向に所定距離はなして複数箇所に設けることが好ましい。
[0012] また、上記センサユニットの各々は、第 1表面活性ィ匕領域よりも可動部に近い位置 に設けられ、検出部に電気的に接続される導体層を有し、第 1パッケージウェハは、 センサユニットの各々に対して設けられる貫通孔配線と、貫通孔配線に電気的に接 続される配線層を有し、第 1パッケージウェハと半導体ウェハとの間の接合は、導体 層の活性ィ匕表面と配線層の活性ィ匕表面同士の拡散を伴わない固相直接接合をさら に含むことが好ましい。センサユニット内部の気密封止と、第 1パッケージウェハと半 導体ウェハとの間の電気接続とを同時に形成することができる。このような固相直接 接合による封止と電気接続の形成は、必要に応じて、第 2パッケージウェハと半導体 ウェハとの間の接合においても採用することができる。
[0013] 本発明のさらなる目的は、上記したウェハレベルパッケージ構造体をセンサユニット のサイズに切断することにより得られるセンサ装置を提供することにある。このセンサ 装置は、接合界面に残留応力がほとんど発生しない点と、拡散を伴わない固相直接 接合によってセンサ装置内部が気密に保持されている点とにおいて従来のセンサ装 置とは構造的に相違するものである。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1] (A)および (B)は、実施形態 1におけるウェハレベルパッケージ構造体の概略 平面図および側面図である。
[図 2] (A)および (B)は、ウェハレベルパッケージ構造体力も得られるセンサ装置の概 略平面図および断面図である。
[図 3] (A)はセンサ基板の上面図であり、 (B)は (A)の B— A'断面図である。
[図 4]センサ基板の下面図である。
[図 5]センサ基板の回路図である。
[図 6] (A)は第 1パッケージ基板の上面図であり、 (B)は (A)の A— A'断面図である。
[図 7]第 1パッケージ基板の下面図である。
[図 8] (A)および (B)は、第 2パッケージ基板の上面図および断面図である。
[図 9]センサ基板と第 1パッケージ基板との間の接合部を示す概略拡大断面図である
[図 10] (A)は本実施形態の変更例に力かるセンサ基板の上面図であり、 (B)は (A) の B— A'断面図である。
[図 11] (A)は本実施形態の変更例に力かる第 1パッケージ基板の上面図であり、 (B) は（A)の A— A'断面図である。
[図 12]図 10 (A)のセンサ基板と図 11 (A)の第 1パッケージ基板との間の接合部を示 す概略拡大断面図である。
[図 13] (A)は表面活性ィ匕工程を示す断面図であり、 (B)は雰囲気調節工程を断面図 であり、（C)は常温接合工程を示す断面図である。 [図 14] (A)および (B)は、実施形態 2におけるウェハレベルパッケージ構造体の概略 平面図および側面図であり、（C)は、同ウェハレベルパッケージ構造体内のセンサ装 置の概略断面図である。
[図 15] (A)はセンサ基板の上面図であり、 (B)は (A)の A— A'断面図である。
[図 16] (A)〜 (D)は、実施形態 2のセンサ基板の製造工程を示す概略断面図である
[図 17] (A)は第 1パッケージ基板の上面図であり、 (B)は (A)の A— A'断面図である
[図 18] (A)および (B)は、第 2パッケージ基板の上面図および断面図である。
[図 19]実施形態 3のジャイロセンサ装置の概略断面図である。
[図 20]実施形態 3のセンサ基板の概略平面図である。
[図 21]センサ基板の要部拡大図である。
[図 22]実施形態 3の第 1パッケージ基板の概略平面図である。
[図 23]第 1パッケージ基板の概略下面図である。
[図 24] (A)および (B)は、従来例のウェハレベルパッケージ構造体の製造方法の説 明図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照しながら、本発明のウェハレベルパッケージ構造体および同 構造体力 得られるセンサ装置を詳細に説明する。
(実施形態 1)
本実施形態のウェハレベルパッケージ構造体 100は、図 1 (A)、（B)および図 2 (A )、（B)に示すように、複数の加速度センサユニットが設けられた半導体ウェハ 10と、 半導体ウェハの対向する 2面の一方に接合される第 1パッケージウェハ 20と、半導体 ウェハの他面に接合される第 2パッケージウェハ 30とでなる構造体である。尚、以下 の説明においては、半導体ウェハ 10の各加速度センサユニットが形成される部分を センサ基板 1と呼び、第 1パッケージウェハ 20の各センサ基板 1に対向する部分を第 1パッケージ基板 2と呼び、第 2パッケージウェハ 30の各センサ基板 1に対向する部 分を第 2パッケージ基板 3と呼ぶことにする。 [0016] 本実施形態においては、半導体ウェハ 10は、シリコン基板力もなる支持基板 10aと 、支持基板 10a上に設けられるシリコン酸ィ匕膜からなる絶縁層（埋込酸化膜) 10bと、 絶縁層 10b上に設けられる n形のシリコン層（活性層） 10cとでなる SOIウェハで構成 され、各加速度センサユニットは、この SOIウェハを加工することにより形成される。第 1パッケージウェハ 20および第 2パッケージウェハ 30は、それぞれシリコンウェハを加 工することにより形成される。尚、本実施形態では、 SOIウェハにおける支持基板 10a の厚さを 300 m〜500 m程度、絶縁層 10bの厚さを 0. 3 /ζ πι〜1. 5 m程度、 シリコン層 10cの厚さを 4 πι〜10 /ζ πι程度としている。また、 SOIウェハの主表面で あるシリコン層 10cの表面は（100)面である。第 1パッケージウエノ、 20用のシリコンゥ ェハの厚さは 200 μ m〜300 μ m程度であり、第 2パッケージウエノ、 30用のシリコンゥ ヱハの厚さは 100〜300 μ m程度である。これらの数値は例示であって本発明を限 定するものではない。
[0017] 図 3 (A)、（B)および図 4に、センサ基板 1に設けた加速度センサユニット 1個（図 1 ( A)の領域 Aに対応）の上面図、断面図および下面図を示す。加速度センサユニット の各々は、内部開口を有する枠状 (例えば矩形枠状)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が上面側（図 3 (A) )にお 、て可撓性を有する 4 つの短冊状の橈み部 13を介してフレーム部 11に揺動自在に支持されて 、る。言 ヽ 換えれば、センサ基板 1は、枠状のフレーム部 11の内部開口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つの橈み部 13を介してフレーム部 11に揺動自 在に支持されている。フレーム部 11は、上述の SOIウェハの支持基板 10a、絶縁層 1 0b、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、橈み部 13は、 図 3 (B)に示すように、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。
[0018] 重り部 12は、上述の 4つの橈み部 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の上面側力も見てコア部 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つのウェイト 12bとを有している。つまり、各ウェイト 12b は、センサ基板 1の上面側力も見て、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つの橈み部 13とで囲まれる空間に配置されており、各ウェイト 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、橈み部 13を挟んで隣り合 うウェイト 12b間の間隔が橈み部 13の幅寸法よりも長くなつている。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、各ウェイト 12bは、 SOIウェハの支持基板 10aを利用して形成してある。センサ 基板 1の上面側にお 、て各ウェイト 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の下面側（図 4)へ離間して位置している。尚、センサ基板 1の上述のフ レーム部 11、重り部 12、各橈み部 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。
[0019] ところで、図 3 (A)、（B)および図 4それぞれの右下に示したように、フレーム部 11 の水平方向を X軸、 X軸に直交する水平方向を y軸、センサ基板 1の厚み方向を z軸と 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組の橈み部 13と、 y軸方向に延長されてコア部 12aを挟む 2つ 1組の橈み部 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 、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する。
[0020] 重り部 12のコア部 12aから X軸の正方向に延長された橈み部 13 (図 3 (A)の右側の 橈み部 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橈み部 13 (図 3 (A)の左側の橈み部 13)は、コ ァ部 12a近傍に 2つ 1組のピエゾ抵抗 Rxl、 Rx3力形成されるとともに、フレーム部 1 1近傍に 1つのピエゾ抵抗 Rz3が形成される。ここに、コア部 12a近傍に形成された 4 つのピエゾ抵抗 Rxl、 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、長手方向が橈み部 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 ように配線 (センサ基板 1に形成されている拡散層配線、金属配線 17など）によって 接続される。なお、ピエゾ抵抗 Rxl〜Rx4は、 X軸方向の加速度がカゝかったときに撓 み部 13にお 、て応力が集中する応力集中領域に形成される。
[0021] 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橈み部 13 (図 3 (A)の 上側の橈み部 13)はコア部 12a近傍に 2つ 1組のピエゾ抵抗 Ryl、 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 Rzlが形成される。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橈み部 13 (図 3 (A)の下側の橈み部 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が形成される。ここに、コア部 12a近傍に形 成された 4つのピエゾ抵抗 Ryl、 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、長手方向が橈み部 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 構成するように配線 (センサ基板 1に形成されて ヽる拡散層配線、金属配線 17など） によって接続される。なお、ピエゾ抵抗 Ryl〜Ry4は、 y軸方向の加速度がカゝかった ときに橈み部 13にお 、て応力が集中する応力集中領域に形成される。
[0022] さらに、フレーム部 11近傍に形成された 4つのピエゾ抵抗 Rzl、 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における右側のプリ ッジ回路 Bzを構成するように配線 (センサ基板 1に形成されて!ヽる拡散層配線、金属 配線 17など）によって接続される。ただし、 2つ 1組となる橈み部 13のうち一方の組の 橈み部 13に形成したピエゾ抵抗 Rzl、 Rz4は、長手方向が橈み部 13の長手方向と 一致するように形成されて!、るのに対して、他方の組の橈み部 13に形成したピエゾ 抵抗 Rz2、Rz3は長手方向が橈み部 13の幅方向（短手方向）と一致するように形成 されている。
[0023] なお、図 3 (A)では、センサ基板 1における金属配線 17のうち後述する第 2金属層 19近傍の部位のみを図示してあり、拡散層配線の図示は省略してある。
[0024] 上述の各ピエゾ抵抗 Rxl〜Rx4、 Ryl〜Ry4、 Rzl〜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〖こより形成される。また、金属配線 17は、絶縁膜 16上にスパッタ法ゃ蒸 着法などにより成膜した金属膜 (例えば、 A1膜、 A1合金膜など)をリソグラフィ技術お よびエッチング技術を利用してパター-ングすることにより形成される。尚、金属配線
17は絶縁膜 16に設けたコンタクトホールを通して拡散層配線と電気的に接続される [0025] 図 6 (A)、図 6 (B)および図 7に示すように、第 1パッケージ基板 2は、センサ基板 1 に対向する側の表面に、センサ基板 1の重り部 12と各橈み部 13とで構成される可動 部の変位空間を確保する凹部 21と、凹部 21の周部に厚み方向に貫通する複数 (例 えば、 8つ）の貫通孔 22とが形成されている。センサ基板 1および第 1パッケージ基板 2の外周形状は矩形状であり、第 1パッケージ基板 2はセンサ基板 1と同じ外形寸法 に形成されている。
[0026] 第 1パッケージ基板 2は、厚み方向の両面および貫通孔 22の内面に跨って熱絶縁 膜 (シリコン酸ィ匕膜)カゝらなる絶縁膜 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。第 1パッケージ基板 2の 8つの貫通孔 配線 24は当該第 1パッケージ基板 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を採用している力 Cuに限らず、例えば、 Niなどを 採用してちょい。
[0027] また、貫通孔配線 24は、センサ基板 1に面する端部の面積が、他端の面積より大き くなるように第 1パッケージ基板 2にテーパ状に形成されることも好ましい。第 1パッケ ージ基板に設けたテーパ状の貫通孔に電気メツキして貫通孔配線を形成する際に、 開口径が大きい方力 メツキ液が侵入し、配線を形成する金属は開口径の小さい方 力も大きい方へ向力つて析出する。これにより、貫通孔の開口径が一定である場合に 比して、貫通孔内で発生した気泡が外部に抜けやすくなる。また、貫通孔内にメツキ 液が侵入しやすぐ貫通孔内での金属イオン濃度の低下を抑制でき、金属の析出速 度を高めることができる。結果として、均一な厚みの貫通孔配線 24を効率よく形成で きるという効果がある。第 1パッケージ基板 2におけるセンサ基板 1側とは反対側の表 面 (上面）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外部接続用 の電極 25が形成される。本実施形態の電極 25の外周形状は、矩形状である。
[0028] 図 8 (A)および図 8 (B)に示すように、第 2パッケージ基板 3は、センサ基板 1との対 向する表面に、重り部 12の変位空間を形成する所定深さ（例えば、 5 m〜： LO m 程度)の凹部 31を有する。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。センサ基板 1および第 2パッケージ基板 3の外周形状は矩形状で あり、第 2パッケージ基板 3はセンサ基板 1と同じ外形寸法に形成されている。 [0029] 尚、重り部 12のコア部 12aおよび各ウェイト 12bのうち支持基板 10aを利用して形 成されて!/ヽる部分の厚さを、フレーム部 11にお ヽて支持基板 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 分だけ薄く形成すれば、第 2パッケージ基板 3に凹部 31を形成しなくても、重り部 12 の変位を可能とする隙間を重り部 12と第 2パッケージ基板 3との間に得ることができる
[0030] 次に、センサ基板 1と第 1パッケージ基板 2との接合部について説明する。加速度セ ンサユニットの各々のフレーム部 11には、第 1パッケージ基板 2に面する側にお!、て 、重り部 12と各橈み部 13とで構成される可動部を囲むようにその全周にわたって第 1 金属層 18が設けられ、センサ基板 1と第 1パッケージ基板 2との接合部は、図 9に示 すように、加速度センサユニットの各々の第 1金属層 18の活性ィ匕表面と第 1パッケ一 ジ基板 2の対応する部位に設けた枠状の金属層 28の活性化表面同士の拡散を伴わ ない固相直接接合によって形成される。このような固相直接接合は、活性化表面同 士を常温下で押圧することにより得られる。
[0031] また、第 1パッケージ基板 2には、枠状の金属層 28の内側において、凹部 21の周 部に各貫通孔配線 24それぞれと電気的に接続される複数 (本実施形態では、 8つ） の配線層 29が形成されている。この配線層 29は、長手方向の一端部が貫通孔配線 24と接合されており、センサ基板 1の第 1金属層 18よりも重り部 12に近い側でフレー ム部 11上に形成された第 2金属層 19と電気的に接続される。尚、第 2金属層 19と配 線層 29との接続位置は、センサ基板 1の金属配線 17よりも外側である。
[0032] ここに、センサ基板 1には、第 1パッケージ基板 2に面する表面において、シリコン層 10c上にシリコン酸ィ匕膜と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、第 1金属層 18および第 2金属層 19および金属配線 17は絶縁膜 16上に形成さ れている。
[0033] 第 1金属層 18および金属層 28は、互いに同じ金属材料で形成され、好ましくは Au 、 Cu、または A1を使用でき、特に Auの使用が好ましい。本実施形態においては、 A uが使用されている。また、 Auでなる第 1金属層 18と絶縁膜 16との間の密着性向上 を図るため、中間層として Ti膜を介在させてある。言い換えれば、第 1金属層 18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。
[0034] 同様に、第 2金属層 19と配線層 29についても互いに同じ金属材料で形成され、好 ましくは Au、 Cu、または A1を使用でき、好ましくは Auが使用される。本実施形態に おいては、 Auが使用されている。また、 Auでなる第 2金属層 19と絶縁膜 16との間の 密着性向上を図るため、中間層として Ti膜を介在させてある。言い換えれば、第 2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。
[0035] 尚、第 1金属層 18および第 2金属層 19は、 Ti膜の膜厚を 15〜50nm、 Au膜の膜 厚を 500nmに設定してあり、金属配線 17の膜厚は 1 μ m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。尚、 Au膜を採用する場合は、接 合工程の歩留まりの向上を図る観点から、その厚みを 500nm以下とすることが好まし い。また、 Au膜の材料は、純金に限らず不純物を添カ卩したものでもよい。本実施形 態では、 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
[0036] 上記のように、第 1金属層 18と第 2金属層 19とを同一の金属材料により形成する場 合は、略同じ厚さで同時に形成でき、製造コストの低減を図る上で有効である。すな わち、センサ基板 1上においては第 1金属層 18と第 2金属層 19とが面一に形成され 、第 1パッケージ基板 2上においては金属層 28と配線層 29とが面一に形成されるの で、第 1パッケージ基板 2をセンサ基板 1に接合する際に接合部に均一に圧力をかけ ることができ、結果的に、第 1金属層 18と金属層 28の間の固相直接接合と第 2金属 層 19と配線層 29の間の固相直接接合とを安定した品質で得ることができる。
[0037] また、第 1金属層 18は、図 10 (A)および 10 (B)に示すように、重り部 12を囲むよう にフレーム部 11の全周にわたつて形成される環状の外部金属層 18aと、外部金属層 18aの内側にお!/、て、重り部 12を囲むようにフレーム部 11の全周にわたつて形成さ れる環状の内部金属層 18bとで構成してもよい。この場合、第 1パッケージ基板 2の 金属層 28も、図 11 (A)および 11 (B)に示すように、第 1金属層 18に対面する位置 に、環状の外部金属層 28aと、外部金属層 28aの内側に形成される環状の内部金属 層 28bとで構成することが好ましいが、第 1パッケージ基板 2の金属層 28は、外部金 属層 18aと内部金属層 18bの両方に跨って接続可能な寸法 (幅）の単一の金属層で 形成してもよい。このように、第 1金属層 18と金属層 28との間に 2重の接合箇所（図 1 2参照）を設ける場合は、加速度センサユニットの内部（すなわち、可動部）を気密に 保持する効果が向上する。尚、図 12において、第 1パッケージ基板 2の凹部 21内に は、金属配線 17との接続部位 19bが位置しており、第 2金属層 19はこの接続部位 1 9bに電気的に接続される。
[0038] 尚、図 10 (A)において、符号 15は、外部金属層 18aと内部金属層 18bとの間を連 結するように設けた補助封止層であり、補助封止層 15はフレーム部 11の周方向に おいて所定距離はなして複数配置される。また、図 11 (A)に示すように、第 1パッケ ージ基板 2上にもセンサ基板 1の補助封止層 15に対応する位置に補助封止層 26が 設けられており、センサ基板 1と第 1パッケージ基板 2との接合時に、これらの補助封 止層（15、 26)の活性ィ匕表面同士も固相直接接合される。補助封止層（15、 26)を 設ける場合は以下の効果を期待できる。すなわち、外部金属層 28a上に存在する異 物のため、外部金属層（18a、 28a)同士の接合において気密性が低下し、内部金属 層 28b上に存在する異物のため、内部金属層（18b、 28b)同士の接合において気 密性が低下した場合、センサ内部を気密に封止することが困難になる。しかしながら 、補助封止層（15、 26)同士の接合を設けることで、外部金属層 18aと内部金属層 1 8bとの間に複数の気密空間が形成されるので、異物の存在箇所が離れている場合 、外部金属層（18a、 28a)同士の接合の気密性を低下させている部位と、内部金属 層（18b、 28b)同士の接合の気密性を低下させている部位とを空間的に遮断するこ とができる。要するに、外部金属層（18a、 28a)同士の接合と内部金属層（18b、 28b )同士の接合とによって得られる気密性を、補助封止層（15、 26)同士の接合によつ てさらに信頼性の高いものとすることができるのである。
[0039] また、本実施形態では、第 1パッケージ基板 2に面する側において、重り部 12を囲 むようにフレーム部 11の全周にわたつて第 1金属層 18を設けるとともに、第 1パッケ ージ基板 2の対応する部位に金属層 28を設けたが、第 1金属層 18の代わりに、 Si層 または SiO層を形成し、金属層 28の代わりに Si層または SiO層を形成してもよい。
2 2
要するに、センサ基板 1と第 1パッケージ基板 2との間の接合が、 Si— S澗の固相直 接接合、 Si -SiO間の固相直接接合、または SiO -SiO間の固相直接接合のい
2 2 2
ずれかで形成されても良!、。
[0040] 上記したように、センサ基板と第 1パッケージ基板との間の拡散を伴わない固相直 接接合を形成するには、接合に先立って、第 1金属層 18および金属層 28のそれぞ れの活性化表面を形成しておく。本実施形態では、アルゴンのプラズマ若しくはィォ ンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して第 1金属層 18および金属層 28の 表面を清浄化 ·活性化して活性ィ匕表面を得ている。同様にして、第 2金属層 19と配 線層 29上に活性ィ匕表面が形成される。この後、上述の常温接合法により、常温下で 適宜の荷重を印カロして、第 1金属層 18と金属層 28同士を直接接合すると同時に、第 2金属層 19と配線層 29同士を直接接合する。
[0041] 次に、センサ基板 1と第 2パッケージ基板 3との接合部について説明する。各加速 度センサユニットのフレーム部 11には、第 2パッケージ基板 3に面する側においてそ の全周にわたって表面活性ィ匕処理が施され、表面活性化領域が形成される。センサ 基板 1と第 2パッケージ基板 3との接合部は、各加速度センサユニットの表面活性ィ匕 領域と第 2パッケージ基板 3の対応する表面に表面活性化処理により形成された表 面活性ィ匕領域同士の拡散を伴わない固相直接接合によって形成される。このような 固相直接接合は、表面活性ィ匕領域同士を常温下で押圧することにより得られる。した がって、この場合の接合面は、 Si— Si間の固相直接接合でなるが、センサ基板 1と第 2パッケージ基板 3の一方に SiO層を設けて Si— SiO間の固相直接接合を形成し
2 2
たり、センサ基板 1と第 2パッケージ基板 3のそれぞれに SiO層を設けて SiO -SiO
2 2 2 間の固相直接接合を形成してもよい。さらに、上記したように、 Au—AU接合のような 金属材料の表面活性ィ匕領域同士の拡散を伴わない固相直接接合を採用することも 可能である。このように、必要に応じて、センサ基板 1と第 1パッケージ基板 2との間の 接合と同様に、センサ基板 1と第 2パッケージ基板との間の固相直接接合を形成する ことができる。
[0042] 尚、ウェハレベルパッケージ構造体 100の製造にあたっては、センサ基板 1に第 2 ノ ッケージ基板 3を直接接合した後、センサ基板 1に第 1パッケージ基板 2を直接接 合するような製造方法を採用することが、接合部に効果的に圧力を作用させる観点 力 望ましい。
[0043] 以下に、図 13 (A)〜13 (C)を参照しながら、センサ基板 1と第 1パッケージ基板 2 および第 2パッケージ基板 3との接合工程を具体的に説明する。
[0044] まず、図 13 (A)に示すように、センサ基板 1と第 1パッケージ基板 2および第 2パッ ケージ基板 3をチャンバ一 CH内に配置し、チャンバ一 CH内を規定の真空度（例え ば、 lxlO_5Pa)以下となるように真空排気する。その後、減圧雰囲気下において、セ ンサ基板 1、第 1パッケージ基板 2および第 2パッケージ基板 3のそれぞれにスパッタ エッチングによって接合面の洗浄と、表面活性化処理を施す。すなわち、センサ基板 1においては、第 1金属層 18および第 2金属層 19の表面、第 2パッケージ基板 3に接 合されるフレーム部 11の表面、第 1パッケージ基板 2の金属層（28、 29)、センサ基 板 1に接合される第 2パッケージ基板 3の表面のそれぞれに表面活性化処理が施さ れる。表面活性ィ匕処理としては、各被処理面にアルゴンのイオンビームを所定時間（ 例えば、 300秒)照射する。また、表面活性ィ匕処理時のチャンバ一内圧力は、上記し た真空度よりも低真空度 (例えば、 lxlO_2Pa程度)である。アルゴンビームの代わり に、アルゴンのプラズマや原子ビームを使用しても良い。また、表面活性化処理に使 用されるガスはアルゴンに限定されず、窒素やヘリウムなどの不活性ガスを使用して も良い。
[0045] 表面活性化処理を行った後、図 13 (B)に示すように、センサ基板 1と第 1パッケ一 ジ基板 2および第 2パッケージ基板 3との接合工程を行う際の雰囲気にチャンバ一内 を調節する雰囲気調節工程が行われる。これにより、接合後、加速度センサユニット の内部 (すなわち、可動部）を所望の雰囲気に保持することができる。例えば、本実 施形態のように、加速度センサユニットの場合は、ダンピング効果により周波数特性 および耐衝撃性を向上するため、アルゴンのような不活性ガスが大気圧で満たされる ようにチャンバ一内の雰囲気が調節される。このような雰囲気調整は、チャンバ一に 設けたガス導入バルブ VIと排気ノ レブ V2を開閉制御することにより行える。尚、表 面活性化処理後は、外気との接触により接合面が汚染されるのを防止するため、外 気に曝すことなくチャンバ一内において雰囲気調節工程およびそれに続く接合工程 を連続して行うことが特に好まし 、。
[0046] チャンバ一内を所望の雰囲気に調節した後、図 13 (C)に示すように、第 1金属層 1 8と第 1パッケージ基板 2の金属層 28の活性ィ匕表面同士 (Au—AU表面同士）、第 2 金属層 19と第 1パッケージ基板 2の配線層 29の活性ィ匕表面同士 ( Au— AU固相接 合）、センサ基板 1のフレーム部 11と第 2パッケージ基板 3の活性ィ匕表面同士（Si— S i固相接合)を適宜の荷重 (例えば 300N)を印加してそれぞれ常温接合する。これに より、センサユニット内部を所望の雰囲気に保持した状態で、接合部において実質的 に残留応力のない固相直接接合を実現することができる。
[0047] 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 100では、センサ基 板 1と第 1パッケージ基板 2の間、およびセンサ基板 1と第 2パッケージ基板 30との間 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、センサ基板 1と第 1パッケ ージ基板 2および第 2パッケージ基板 3とを半田リフロー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、ピエゾ抵抗 Rxl〜Rx4, Ryl〜Ry4, Rzl〜Rz 4が熱応力の影響を受けに《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ィ匕を図れると 、う利点がある。
[0048] また、センサ基板 1が SOIウェハを用いて形成され、第 1パッケージ基板 2および第 2パッケージ基板 3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、線膨張率 差に起因して橈み部 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、センサ特 性のノラツキを小さくすることが可能となる。尚、各基板を構成する材料は、シリコン に限らず、他の半導体材料でもよい。
[0049] そして、このようにして得られたウェハレベルパッケージ構造体 100から、センサ基 板 1に設けた加速度センサユニットのサイズにダイシングすることにより、センサ基板 1 の切断と同時に第 1パッケージ基板 2および第 2パッケージ基板 3とが同じ外形サイズ に切断でき、小型のチップサイズパッケージを効率よく製造することができる。
[0050] 以下に、本実施形態のウェハレベルパッケージ構造体から製造された加速度セン サ装置の動作を簡単に説明する。 [0051] センサ基板 1に加速度がかかって!/ヽな 、状態で、センサ基板 1に対して X軸の正方 向に加速度が力かったとすると、 X軸の負方向に作用する重り部 12の慣性力によつ 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一 対の橈み部 13が橈んで橈み部 13に形成されて!、るピエゾ抵抗 Rxl〜Rx4の抵抗 値が変化することになる。この場合、ピエゾ抵抗 Rxl、 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 Rxl、 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、 GN D間に外部電源力 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 XI、 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。
[0052] 同様に、 y軸方向の加速度が力かった場合には図 5に示した中央のブリッジ回路 B yの出力端子 Yl、 Υ2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 方向の加速度が力かった場合には図 5に示した右側のブリッジ回路 Bzの出力端子 Z
1、 Z2間の電位差力 ^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と各橈み部 13とで可動部を構 成しており、各ピエゾ抵抗 Rxl〜Rx4、 Ryl〜Ry4、 Rzl〜Rz4それぞれ力 センサ 基板 1におけるゲージ抵抗 (つまり、センシング部）を構成して!/、る。
[0053] ところで、センサ基板 1は、図 5に示すように、上述の 3つのブリッジ回路 Bx、 By、 B zに共通の 2つの入力端子 VDD、 GNDと、ブリッジ回路 Bxの 2つの出力端子 XI、 X 2と、ブリッジ回路 Byの 2つの出力端子 Yl、 Υ2と、ブリッジ回路 Βζの 2つの出力端子 Zl、 Ζ2とを備えており、これらの各入力端子 VDD、 GNDおよび各出力端子 XI、 X
2、 Yl、 Υ2、 Zl、 Ζ2力 第 1パッケージ基板 2に面する側に第 2金属層 19として設け られており、第 1パッケージ基板 2に形成された貫通孔配線 24と電気的に接続される 。すなわち、センサ基板 1には、 8つの第 2金属層 19が形成され、第 1パッケージ基板 2には、 8つの貫通孔配線 24が形成されている。尚、 8つの第 2金属層 19は、外周形 状が矩形状 (本実施形態では、正方形状)であり、フレーム部 11の周方向に離間し て配置されている（矩形枠状のフレーム部 11の 4辺それぞれに 2つずつ配置されて いる）。
[0054] (実施形態 2)
本実施形態のウェハレベルパッケージ構造体は、図 14 (A)〜 14 (C)に示すように 、センサ基板 1に、加速度センサユニットと、 CMOSを用いた集積回路 (CMOS IC )であってゲージ抵抗（つまり、センシング部）たるピエゾ抵抗 Rxl〜Rx4、 Ryl〜Ry 4、 Rzl〜Rz4と協働する集積回路が形成された IC領域部 E2とを設けた点を除いて 実質的に実施形態 1と同じである。尚、集積回路は、実施形態 1にて説明したブリツ 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などが集積ィ匕されている。したがって、以下において、実施形態 1と 同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
[0055] 本実施形態におけるセンサ基板 1は、図 15 (A)および 15 (B)に示すように、実施 形態 1にて説明したフレーム部 11の一部、重り部 12、各橈み部 13、ピエゾ抵抗 Rxl 〜Rx4、 Ryl〜Ry4、 Rzl〜Rz4などが形成されたセンサ領域部 Elと、上記集積回 路が形成された IC領域部 E2と、実施形態 1にて説明した第 1金属層 18などが形成さ れた接合領域部 E3とを備え、平面視において中央部に位置するセンサ領域部 E1を IC領域部 E2が囲み、 IC領域部 E2を接合領域部 E3が囲むように各領域部 E1〜E3 のレイアウトが設計されている。また、本実施形態では、実施形態 1におけるセンサ基 板 1のフレーム部 11の外形寸法を大きくしてあり（言い換えれば、フレーム部 11の幅 寸法を大きくしてあり）、フレーム部 11に上記集積回路を形成してある。
[0056] 半導体ウェハ 10は、実施形態 1と同様に SOIウェハを用いて形成されており、 IC領 域部 E2では、多層配線技術を利用してセンサ基板 1における IC領域部 E2の占有面 積の縮小化を図っている。このため、センサ基板 1の IC領域部 E2では、シリコン層 10 c上のシリコン酸ィ匕膜と当該シリコン酸ィ匕膜上のシリコン窒化膜との積層膜からなる絶 縁膜 16の表面側に、層間絶縁膜やパッシベーシヨン膜など力もなる多層構造部 41 が形成され、上記パッシベーシヨン膜の適宜部位を除去することにより複数のノッド 4 2を露出させてあり、各パッド 42が金属材料 (例えば、 Auなど)力もなる引き出し配線 43を介して接合領域部 E3の絶縁膜 16上の第 2金属層 19と電気的に接続されてい る。本実施形態では、引き出し配線 43の材料と第 2金属層 19の材料とを同じとして、 引き出し配線 43と第 2金属層 19とが連続する形で形成されている。なお、 IC領域部 E2に形成された複数のノッド 42には、信号処理回路を通して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、第 1パッケージ基板 2の貫通孔配線 24とセンシング部 である上記ゲージ抵抗とが電気的に接続されることとなる。
[0057] また、本実施形態では、第 1パッケージ基板 2の凹部 21内にセンサ領域部 E1およ び IC領域部 E2が収まるように実施形態 1に比べて大きくしてあり、 IC領域部 E2の多 層構造部 41が凹部 21内に配置されるようになって 、る。
[0058] 以下、本実施形態のセンサ基板 1の製造方法について、図 16を参照しながら説明 する。尚、図 16 (A)〜16 (D)は図 15 (A)の A—A'線における断面に相当する。
[0059] まず、 SOIウェハの主表面側（シリコン層 10cの表面側）に各ピエゾ抵抗 Rxl〜Rx4 、 Ryl〜Ry4、 Rzl〜Rz4、ブリッジ回路 Bx、 By、 Bz形成用の拡散層配線や上記集 積回路などの回路要素を CMOSプロセス技術などを利用して形成する。 IC領域部 E 2の各パッド 42を露出させる工程が終了した段階では、上述の多層構造部 41がセン サ領域部 E1および接合領域部 E3にも形成されているが、多層構造部 41のうちセン サ領域部 E1および接合領域部 E3に対応する部位に形成されている部分には金属 配線は設けられていない。
[0060] 上述の各パッド 42を露出させる工程が終了した後、多層構造部 41のうちセンサ領 域部 E1および接合領域部 E3それぞれに対応する部位に形成されている部分を露 出させるようにパターニングされたレジスト層を形成し、当該レジスト層をエッチングマ スクとして、多層構造部 41の露出部分をシリコン層 10c上の絶縁膜 16のシリコン窒化 膜をエッチングストッパ層としてウエットエッチングによりエッチング除去し、続いて、レ ジスト層を除去することによって、図 16 (A)に示す構造を得る。
[0061] その後、 SOIウェハの主表面側に第 1金属層 18、第 2金属層 19、および引き出し 配線 43をスパッタ法などの薄膜形成技術およびフォトリソグラフィ技術およびエツチン グ技術などを利用して形成してから、 SOIウェハの主表面側に、上述の絶縁膜 16に おいてフレーム部 11、重り部 12のコア部 12a、各橈み部 13それぞれに対応する部 位を覆うとともに他の部位を露出させるようにパターユングされたレジスト層を形成し、 当該レジスト層をエッチングマスクとして、絶縁膜 16の露出部分をエッチングすること で絶縁膜 16をパターユングし、 SOIウェハを主表面側力も絶縁層 10bに達する深さ まで絶縁層 10bをエッチングストッパ層としてエッチングする表面側パター-ング工程 を行い、続いてレジスト層を除去することによって、図 16 (B)に示す構造を得る。この 表面側パターユング工程を行うことによって、 SOIウェハにおけるシリコン層 10cは、 フレーム部 11に対応する部位と、コア部 12aに対応する部位と、各橈み部 13それぞ れに対応する部位とが残る。なお、この表面側パター-ング工程におけるエッチング に際しては、例えば、誘導結合プラズマ (ICP)型のドライエッチング装置を用いてドラ ィエッチングを行えばよぐエッチング条件としては、絶縁層 10bがエッチングストッパ 層として機能するような条件を設定する。
上述の表面側パター-ング工程の後、 SOIウェハの裏面側で支持基板 10aに積層 されて 、るシリコン酸ィ匕膜 lOdにお 、てフレーム部 11に対応する部位とコア部 12aに 対応する部位と各ウェイト 12bそれぞれに対応する部位とを覆 ヽ且つ他の部位を露 出させるようにパターニングされたレジスト層を形成し、当該レジスト層をエッチングマ スクとして、シリコン酸ィ匕膜 10dの露出部分をエッチングすることでシリコン酸ィ匕膜 10d をパターニングし、レジスト層を除去してから、シリコン酸化膜 10dをエッチングマスク として、 SOIウェハを裏面側力も絶縁層 10bに達する深さまで絶縁層 10bをエツチン ダストッパ層として略垂直にドライエッチングする裏面側パター-ング工程を行うこと によって、図 16 (C)に示す構造を得る。この裏面側パター-ング工程を行うことにより 、 SOIウェハにおける支持基板 10aは、フレーム部 11に対応する部位と、コア部 12a に対応する部位と、各ウェイト 12bそれぞれに対応する部位とが残る。なお、この裏 面側パター-ング工程におけるエッチング装置としては、例えば、誘導結合プラズマ (ICP)型のドライエッチング装置を用いればよぐエッチング条件としては、絶縁層 10 bがエッチングストツバ層として機能するような条件を設定する。 [0063] 裏面側パター-ング工程の後、絶縁層 10bのうちフレーム部 11に対応する部位お よびコア部 12aに対応する部位を残して不要部分をウエットエッチングによりエツチン グ除去することでフレーム部 11、各橈み部 13、重り部 12を形成する分離工程を行う ことによって、図 16 (D)に示す構造を得る。なお、この分離工程において、 SOIゥェ ハの裏面側のシリコン酸ィ匕膜 10dもエッチング除去される。
[0064] 本実施形態のウェハレベルパッケージ構造体 100は、上記したセンサ基板 1に、図 17 (A)および 17 (B)に示す第 1パッケージ基板 2および図 18 (A)および 18 (B)に 示す第 2パッケージ基板 3のそれぞれをウェハレベルで常温接合することで得られる 。すなわち、センサ基板 1の第 1金属層 18と第 1パッケージ基板 2の金属層 28の活性 化表面同士 (Au—AU表面同士）、第 2金属層 19と第 1パッケージ基板 2の配線層 2 9の活性ィ匕表面同士 (Au—AU固相接合)を常温接合することにより、センサ基板 1と 第 1パッケージ基板 2とが一体化され、センサ基板 1のフレーム部 11と第 2パッケージ 基板 3の活性ィ匕表面同士 (Si— S個相接合)を常温接合することにより、センサ基板 1と第 2パッケージ基板 3とが一体化される。
[0065] また、本実施形態の加速度センサ装置は、得られたウェハレベルパッケージ構造体 100をダイシング工程により所定のサイズ (所望のチップサイズ）に切断することで得 られる。尚、図 14 (C)の加速度センサ装置は、図 14 (A)に示すウェハレベルパッケ ージ構造体 100のうち丸 Aで囲んだ部分の断面に相当している。したがって、第 1パ ッケージ基板 2と第 2パッケージ基板 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を実現できるとともに、製造が容易になる。
[0066] また、本実施形態の加速度センサ装置では、加速度センサ装置のゲージ抵抗と協 働する集積回路を形成した ICチップを内蔵するため、従来のセンサモジュールに比 ベて小型化および低コストィ匕を図ることができる。また、ゲージ抵抗と集積回路との間 の配線長を短くすることができ、センサ性能の向上を図ることができる。
(実施形態 3)
上述の各実施形態では、センサユニットとしてピエゾ抵抗型の加速度センサュ-ッ トを例示したが、本発明の技術思想は、加速度センサユニットに限らず、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る。本実施形態 は、加速度センサユニットの代わりにジャイロセンサユニットがセンサ基板に形成され ることを除く他の構成は実施形態 1と実質的に同じである。したがって、センサ基板 1 01と第 1パッケージ基板 102および第 2パッケージ基板 103との接合部は、実施形 態 1と同様に形成できる。
[0067] 本実施形態のウェハレベルパッケージ構造体は、複数のジャイロセンサユニットが 設けられた半導体ウェハと、半導体ウェハの対向する 2面の一方に接合される第 1パ ッケージウェハと、半導体ウェハの他面に接合される第 2パッケージウェハとでなる構 造を有する。以下の説明においては、半導体ウェハの各ジャイロセンサユニットが形 成される部分をセンサ基板 101と呼び、第 1パッケージウェハの各センサ基板 101に 対向する部分を第 1パッケージ基板 102と呼び、第 2パッケージウェハの各センサ基 板 101に対向する部分を第 2パッケージ基板 103と呼ぶ。
[0068] 本実施形態において、センサ基板 101は、抵抗率が 0. 2 Q cmのシリコン基板を用 いて形成され、第 1パッケージ基板 102および第 2パッケージ基板 103は、抵抗率が 20 Ω cmのシリコン基板を用いて形成される。尚、各シリコン基板の抵抗率の値は一 例であって、特に限定するものではない。
[0069] 図 19に示すように、ジャイロセンサユニットは、振動手段によって振動する第 1質量 体 111と、第 1質量体に連結される第 2質量体 112とで構成される可動部と、第 1質 量体 111の振動中に回転力が付加された時に生じる第 2質量体 112の位置変位を 電気信号に変換する検出部とで主として構成される。
[0070] すなわち、センサ基板 101は、平面視において外周形状が矩形状である第 1質量 体 111および第 2質量体 112がセンサ基板 101の上記一表面に沿って並設されると ともに、第 1質量体 111および第 2質量体 112の周囲を囲む枠状 (本実施形態では、 矩形枠状)のフレーム部 110が形成されている。なお、本実施形態では、図 19〜図 2 3の各図の右下に示す直交座標系のように、第 1質量体 111と第 2質量体 112とが並 ぶ方向を y軸方向、センサ基板 101の上記一表面に沿う面内で y軸方向に直交する 方向を X軸方向、 X軸方向と y軸方向とに直交する方向（つまり、センサ基板 101の厚 み方向）を z軸方向として説明する。
[0071] 図 20に示すように、センサ基板 101は、第 1質量体 111と第 2質量体 112とが、 x軸 方向に延長された一対の駆動ばね 113を介して連続一体に連結される。すなわち、 センサ基板 101は、 X軸方向にぉ ヽて第 2質量体 112の全長よりもやや短 ヽスリット溝 114aと、第 1質量体 111における X軸方向の各側縁にそれぞれ一端が開放され X軸 方向の一直線上に並ぶ 2本のスリット溝 114bとが形成され、スリット溝 114aと各スリツ ト溝 114bとの間にそれぞれ駆動ばね 113が形成されて 、る。各駆動ばね 113の一 端部はスリット溝 114aの各一端と第 2質量体 112の側縁との間に連続し、各駆動ば ね 113の他端部は 2本のスリット溝 114bの間の部位にぉ 、て第 1質量体 111にそれ ぞれ連続している。駆動ばね 113は、ねじれ変形が可能なトーシヨンばねであって、 第 1質量体 111は、第 2質量体 112に対して駆動ばね 113の回りで変位可能になつ ている。つまり、第 1質量体 111は、第 2質量体 112に対して z軸方向の並進と X軸方 向の軸回りの回転とが可能となっている。また、センサ基板 101は、駆動ばね 113に トーシヨンばねを用いているから、当該センサ基板 101の厚み方向における駆動ば ね 113の寸法を小さくする必要がなぐ駆動ばね 113を形成する際の加工が容易で ある。
[0072] センサ基板 101の第 2質量体 112における X軸方向の各側縁には、 y軸方向に延 長された検出ばね 115の一端部がそれぞれ連続し、両検出ばね 115の他端部同士 は X軸方向に延長された連結片 116を介して連続一体に連結されて ヽる。すなわち、 一対の検出ばね 115と連結片 116とにより平面視コ字状の部材が形成されている。 ただし、連結片 116は駆動ばね 113および検出ばね 115に比較して十分に剛性が 高くなるように設計されている。連結片 116の長手方向の中間部には固定片 117が 突設され、固定片 117は第 2パッケージ基板 103に接合され定位置に固定されてい る。第 1質量体 111および第 2質量体 112と検出ばね 115および連結片 116との間 は、コ字状のスリット溝 114cにより分離されており、スリット溝 114bの一端は、スリット 溝 114cに連続して 、る。検出ばね 115は X軸方向に曲げ変形が可能であって第 1質 量体 111および第 2質量体 112は固定片 117に対して X軸方向に変位可能になって いる。
[0073] ところで、センサ基板 101は、第 2質量体 112に、厚み方向に貫通する 4個の切抜 孔 118が形成されており、各切抜孔 118それぞれの内側に固定子 120が配置されて いる。固定子 120は、第 2質量体 112の X軸方向の両端付近に配置される電極片 12 1と、電極片 121から X軸方向に延長された櫛骨片 122とを有し、電極片 121と櫛骨 片 122とで L字状の形状をなして 、る。電極片 121と櫛骨片 122とは第 2パッケージ 基板 103に接合され、固定子 120は定位置に固定されている。切抜孔 118の内側面 は固定子 120の外周面の形状に沿った形状であって、固定子 120との間には間隙 が形成されている。第 2質量体 112の X軸方向の両端部には 2個ずつの電極片 121 が配置されている。図 21に示すように、櫛骨片 122の幅方向の両端面にはそれぞれ 多数本の固定櫛歯片 123が X軸方向に列設されている。一方、切抜孔 118の内側面 であって櫛骨片 122との対向面には、図 21に示すように、固定櫛歯片 123にそれぞ れ対向する多数本の可動櫛歯片 124が X軸方向に列設されている。各固定櫛歯片 1 23と各可動櫛歯片 124とは互いに離間しており、第 2質量体 112が X軸方向に変位 する際の固定櫛歯片 123と可動櫛歯片 124との距離変化に伴う静電容量の変化を 検出できるようにしてある。すなわち、固定櫛歯片 123と可動櫛歯片 124とにより第 2 質量体 112の変位を検出する検出手段が構成されている。
[0074] センサ基板 101は、フレーム部 110、固定片 117および固定子 120が第 2パッケ一 ジ基板 103に接合されることで第 2パッケージ基板 103に連結されている。言い換え れば、第 2パッケージ基板 3Jは、センサ基板 1Jを支持する支持基板を兼ねている。こ れらに対し、第 1質量体 111および第 2質量体 112は、 z軸方向に変位可能でなけれ ばならないから、図 19に示すように、第 1質量体 111および第 2質量体 112それぞれ における第 2パッケージ基板 103との対向面を第 2パッケージ基板 103から後退させ る（すなわち、センサ基板 101の厚み方向における第 1質量体 111および第 2質量体 112それぞれの厚さをフレーム部 110に比べて薄くする）ことにより、第 1質量体 111 および第 2質量体 112と第 2パッケージ基板 103との間に間隙を確保している。なお 、本実施形態では、第 1質量体 111と第 2パッケージ基板 103との間のギャップ長を 1 0 μ mに設定してあるが、この数値は一例であって特に限定するものではない。
[0075] また、センサ基板 101は、フレーム部 110において固定片 117の近傍部位に、固定 片 117を挟む形で一対の接地片 119が形成されるとともに、一方の接地片 119の近 傍に後述の電極 125が電気的に接続される電極片 127が形成されており（なお、各 接地片 119および電極片 127は、第 2パッケージ基板 103に接合されることで第 2パ ッケージ基板 103に連結されている）、上面側において、固定片 117および各電極 片 121および他方の接地片 119および電極片 127それぞれの表面に第 2金属層 12 8が形成されている。ここにおいて、 1つの固定片 117、 4つの電極片 121、 1つの接 地片 119、 1つの電極片 127は第 2パッケージ基板 103の一表面側において分離独 立して配置されており、第 1パッケージ基板 102をフレーム部 110に接合していない 状態では、それぞれ電気的に絶縁されている。また、センサ基板 101の上面側にお いて、フレーム部 110上には第 1金属層 126が全周に亘つて形成されている。ここで 、第 2金属層 128および第 1金属層 126は、 Ti膜と Au膜との積層膜により構成されて いる。要するに、第 1金属層 126と第 2金属層 128とは同一の金属材料により形成さ れているので、これらを同じ厚さになるように同時に形成することができる。なお、第 1 金属層 126および第 2金属層 128は、 Ti膜の膜厚を 15〜50nm、 Au膜の膜厚を 50 Onmに設定してある力 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カ卩したものでもよい。
[0076] 図 22および図 23に示すように、第 1パッケージ基板 102は、センサ基板 101側（図 19における第 1パッケージ基板 102の下面側）に第 1質量体 111および第 2質量体 1 12の変位空間を確保する凹部 129が形成されるとともに、厚み方向に貫通する複数 の貫通孔 132が形成されており、厚み方向の両面および貫通孔 132の内面とに跨つ て熱絶縁膜 (シリコン酸ィ匕膜)カゝらなる絶縁膜 133が形成され、貫通孔配線 134と貫 通孔 132の内面との間に絶縁膜 133の一部が介在している。ここにおいて、貫通孔 配線 134の材料としては、 Cuを採用している力 Cuに限らず、例えば、 Niなどを採 用してちょい。
[0077] また、第 1パッケージ基板 102は、凹部 129の内底面において第 1質量体 111との 対向面には上記絶縁膜 133の一部を介して Ti膜と Au膜との積層膜からなる上述の 電極 125 (図 19および図 23参照）が形成されている。なお、本実施形態では、第 1質 量体 111と固定駆動電極 125との間のギャップ長を 10 mに設定してある力 この 数値は一例であつて特に限定するものではな 、。
[0078] また、第 1パッケージ基板 102は、センサ基板 101側の表面に、各貫通孔配線 134 それぞれと電気的に接続された複数の金属層 138が形成されている。また、第 1パッ ケージ基板 102は、センサ基板 101側の表面の周部の全周に亘つて枠状 (矩形枠状 )の金属層 136が形成されている。ここにおいて、金属層 138は、センサ基板 101の 第 2金属層 128と接合されて電気的に接続されるように配置してあり、金属層 136は 、センサ基板 101の第 1金属層 126と接合されるように配置してある。また、金属層 13 6および第 2金属層 128は、絶縁膜 133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、金属層 136と金属層 138とは 同一の金属材料により形成されているので、これらを同じ厚さになるように同時に形 成することができる。なお、金属層 136および金属層 138は、 Ti膜の膜厚を 15〜50 nm、 Au膜の膜厚を 500nmに設定してある力 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カロ したものでもよい。また、本実施形態では、各 Au膜と絶縁膜 133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。
[0079] また、第 1パッケージ基板 102におけるセンサ基板 101側とは反対側の表面には、 各貫通孔配線 134それぞれと電気的に接続された複数の外部接続用の電極 135が 形成されている。なお、電極 135の外周形状は矩形状となっている。また、各電極 13 5は、 Ti膜と Au膜との積層膜により構成されている。
[0080] 一方、第 2パッケージ基板 103は、厚み方向の両面に熱絶縁膜 (シリコン酸ィ匕膜)か らなる絶縁膜 141、 142が形成されている。
[0081] 実施形態 1と同様に、センサ基板 101と第 1パッケージ基板 102とは、第 1金属層 1 26と金属層 136とが固相直接接合される（第 1パッケージ基板 102はセンサ基板 10 1のフレーム部 110の全周に亘つて封着される）とともに、第 2金属層 128と金属層 13 8とが固相直接接合されて電気的に接続される。これらの固相直接接合によりジャィ 口センサユニット内部が外気力も気密に保持される。また、センサ基板 101の第 1金 属層 128は、金属層 138および貫通孔配線 134を介して電極 135と電気的に接続さ れる。第 2パッケージ基板 102は、電極 125から凹部 129の周部まで延長された配線 部 125a (図 23参照）が、センサ基板 101の電極片 127上の第 1金属層 128に接合さ れる金属層 138と連続一体となって ヽる。
[0082] センサ基板 101と第 1パッケージ基板 102および第 2パッケージ基板 103との接合 部の形成には、センサ基板 101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が採用される。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 ·活性ィ匕を行ってから、真空中で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、真空中において 常温下で適宜の荷重を印力!]して、第 1金属層 126と金属層 136とを直接接合するの と同時に、第 2金属層 128と金属層 138とを直接接合しており、また、上述の常温接 合法により、真空中において常温下でセンサ基板 101のフレーム部 110と第 2パッケ ージ基板 103の周部とを気密に直接接合している。
[0083] 以下、本実施形態におけ常温接合工程について説明するが、実施形態 1と同様の 工程については説明を適宜省略する。
[0084] センサ基板 101に適宜のマイクロマシユング力卩ェを施し、センサ基板 101と第 2パッ ケージ基板 103とを常温接合した後に、センサ基板 101において可動部となる部分 を他の部位力 分離するエッチング工程、および第 1金属層 126および第 2金属層 1 28を形成する金属層形成工程を行う。本実施形態においては、センサ基板 101と第 2パッケージ基板 103とが Si— SiOの組み合わせの常温接合により接合されている
2
。その後、センサ基板 101と第 2パッケージ基板 103とからなるセンサ基板と第 1パッ ケージ基板 102とをチャンバ一内に導入し、チャンバ一内が規定真空度 (例えば、 1 X 10_5Pa)以下となるように真空排気する。その後、真空中においてセンサ基板に おけるセンサ基板 101と第 1パッケージ基板 102との互いの接合面それぞれをスパッ タエッチングすることで清浄'活性化する活性化工程を行う。なお、活性化工程を行 つているときのチャンバ一内の真空度は、活性化工程を開始する前の上記規定真空 度よりも低真空の 1 X 10_2Pa程度となる。
[0085] 表面活性ィ匕工程の後、センサ基板 101と第 2パッケージ基板 103の存在するチャン バー内の雰囲気をジャイロセンサ特性に応じて設される設計雰囲気に調整する雰囲 気調整工程を行う。ここにおいて、本実施形態のジャイロセンサでは、共振周波数付 近における機械的な振動の鋭さを表す機械的 Q値 (機械的品質係数 Qm)を高めて 高感度化を図るために、所定真空度（1 X 10_4Pa以下の高真空)の雰囲気に設計し てあり、本実施形態における雰囲気調整工程では、活性ィ匕工程が終了した後で、チ ヤンバー内の真空度が所定真空度になるまで真空排気を行うことでチャンバ一内の 雰囲気を上記設計雰囲気に調整するようにしている。
[0086] 上記雰囲気調整工程が終了した後、雰囲気調整工程にて調整された雰囲気下に おいてセンサ基板 101と第 1パッケージ基板 102とを常温接合する工程を行う。セン サ基板 101と第 1パッケージ基板 102とを常温接合する際は、適宜の荷重 (例えば、 300N)を印加して、第 1金属層 126と金属層 136とを常温接合するのと同時に、第 2 金属層 128と金属層 138とを常温接合している。要するに、本実施形態では、センサ 基板 101と第 1パッケージ基板 102とが Au—Auの組み合わせの常温接合により接 合されている。
[0087] 尚、表面活性ィ匕工程と雰囲気調整工程と接合工程とを同一チャンバ一内で連続的 に行うことが好ましぐ表面活性ィ匕工程により清浄'活性化されたセンサ基板 101の接 合面と第 1パッケージ用基板 102の接合面とを大気に曝すことなぐ所望のセンサ特 性に応じて設計した気密パッケージ内の設計雰囲気に調整された雰囲気下で常温 接合することで、良好な接合強度を得ることができる。また、雰囲気調整工程では、 表面活性ィ匕工程の後でチャンバ一内が所定真空度となるように真空排気を行うこと でチャンバ一内の雰囲気を上記設計雰囲気に調整するので、センサ素子であるジャ イロセンサの共振周波数付近における機械的な振動の鋭さを表す機械的 Q値 (機械 的品質係数 Qm)を高めることができ、高感度化を図れる。
[0088] 上記のように、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、センサ基 板 101と第 1パッケージ基板 102の間、およびセンサ基板 101と第 2パッケージ基板 103との間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、センサ基板 1 01と第 1パッケージ基板 102および第 2パッケージ基板 103とを半田リフローのような 熱処理を必要とする方法により接合する場合に比べて、熱応力の影響を受けにくくな り、センサ特性のバラツキを小さくすることができるという利点がある。また、プロセス温 度の低温ィ匕を図れるとともに、製造プロセスの簡略ィ匕を図れるという利点がある。しか も、センサ基板 101と第 2パッケージ基板 103とが絶縁膜 141を介して接合されてい るので、耐電気ノイズ性の低下を抑制できる。さらに、各基板がシリコンウェハであり、 絶縁膜 141がシリコン酸ィ匕膜であるので、センサ基板 101と各パッケージ基板（102 、 103)とを常温接合し易ぐセンサ特性のバラツキをより小さくすることができる。
[0089] 尚、本実施形態では、第 2パッケージ基板 103のセンサ基板 101に対向する面に 形成された絶縁膜 141を介して第 2パッケージ基板 103をセンサ基板 101と接合して いる力 センサ基板 101と第 2パッケージ基板 103との互いの対向面の少なくとも一 方に形成された絶縁膜を介して接合すればょ ヽ。
[0090] また、ジャイロセンサユニットが複数個一体に形成されたウェハレベルパッケージ構 造体をジャイロセンサユニットのサイズでダイシングすることにより、小型のジャイロセ ンサ装置を容易に且つ効率よく得ることができるとともに、その量産性を高めることが できる。
[0091] 以下に、このようにして得られたジャイロセンサ装置の動作を簡単に説明する。
[0092] 本実施形態のジャイロセンサは、第 1質量体 111に規定の振動を与えておき、外力 による角速度が作用したときの第 2質量体 112の変位を検出するものである。ここに おいて、第 1質量体 111を振動させるには電極 125と第 1質量体 111との間に正弦 波形ないし矩形波形の振動電圧を印加すればよい。振動電圧は、交流電圧が望ま しいが、極性を反転させることは必須ではない。第 1質量体 111は駆動ばね 113と第 2質量体 112と検出ばね 115と連結片 116とを介して固定片 117に電気的に接続さ れ、固定片 117の表面には第 2金属層 128が形成されており、また、電極 125は電 極片 127上の第 2金属層 128に電気的に接続されているから、固定片 117上の第 2 金属層 128と電極片 127上の第 2金属層 128との間に振動電圧を印加すれば、第 1 質量体 111と電極 125との間に静電力を作用させて第 1質量体 111を z軸方向に振 動させることができる。振動電圧の周波数は、第 1質量体 111および第 2質量体 112 の質量や駆動ばね 113および検出ばね 115のばね定数などにより決まる共振周波 数に一致させれば、比較的小さ 、駆動力で大きな振幅を得ることができる。
[0093] 第 1質量体 111を振動させている状態において、ジャイロセンサに y軸方向の軸回 りの角速度が作用したときに、 X軸方向にコリオリカが発生し、第 2質量体 112 (およ び第 1質量体 111)は固定子 120に対して X軸方向に変位する。可動櫛歯片 124が 固定櫛歯片 123に対して変位すれば、可動櫛歯片 124と固定櫛歯片 123との距離 が変化し、結果的に可動櫛歯片 124と固定櫛歯片 123との間の静電容量が変化す る。この静電容量の変化は、 4個の固定子 120に接続された第 2金属層 128から取り 出すことができるから、上述のジャイロセンサでは、 4個の可変縁容量コンデンサが形 成されているとみなすことができ、各可変容量コンデンサの静電容量をそれぞれ検出 したり、可変容量コンデンサを並列に接続した合成容量を検出したりすることにより、 第 2質量体 112の変位を検出することができる。第 1質量体 111の振動は既知である から、第 2質量体 112の変位を検出することにより、コリオリカを求めることができる。 なお、本実施形態では、第 1質量体 111と駆動ばね 113と第 2質量体 112と検出ば ね 115と連結片 116とでフレーム部 110の内側に配置される可動部を構成しており、 固定櫛歯片 123と第 2質量体 112に設けられた可動櫛歯片 124とでセンシング部を 構成している。要するに、フレーム部 110の内側に配置される可動部にセンシング部 の一部が設けられている。
[0094] ここに、可動櫛歯片 124の変位は、（第 1質量体 111の質量) Z (第 1質量体 111の 質量 +第 2質量体 112の質量）に比例するから、第 1質量体 111の質量が第 2質量 体 112の質量に比較して大きいほど可動櫛歯片 124の変位が大きくなり、結果的に 感度が向上することになる。そこで、本実施形態では第 1質量体 111の厚み寸法を 第 2質量体 112の厚み寸法よりも大きくしてある。
産業上の利用可能性
[0095] 上記したように、本発明によれば、複数の小型センサユニットが形成された半導体 ウェハとパッケージウェハとが、それぞれに設けた表面活性ィ匕領域同士の拡散を伴 わない固相直接接合によって接合されるので、接合界面に実質的に残留応力を生じ ないウェハレベルパッケージ構造体を得ることができる。また、固相直接接合によって センサユニットの内部が外気力 気密に封止されるので、加速度センサやジャイロセ ンサなどのセンサの種類に応じてセンサユニット内部を所望の雰囲気に保つことがで きる。
[0096] また、センサユニットの特性向上の効果の他に、ウェハレベルパッケージ構造体は 持ち運びが容易であり、所望の場所でウェハレベルパッケージ構造体をセンサュ-ッ トのサイズに切断すれば、小型で且つセンサ特性のばらつきの小さいセンサ装置を 得ることができる。したがって、小型のセンサユニットの搬送時における故障や紛失を 防ぐことができるという長所もある。このように、本発明のウェハレベルパッケージ構造 体は、センサ装置のさらなる小型化が必要とされる分野においての広範な利用が期 待される。

Claims

請求の範囲
[1] 各々が、開口を有するフレーム、前記フレームに対して可動に前記開口内に保持さ れる可動部、および前記可動部の位置変位に基づ!/、て電気信号を出力する検出部 を含む複数のセンサユニットを備えた半導体ウェハと、前記半導体ウェハの対向する
2面の一方に接合される第 1パッケージウェハと、前記半導体ウェハの他面に接合さ れる第 2パッケージウェハとを含むウェハレベルパッケージ構造体であって、
前記センサユニットの各々のフレームは、前記第 1パッケージウェハに対向する表 面において、前記可動部を囲むようにその全周にわたって第 1表面活性ィ匕領域を有 するとともに、前記第 2パッケージウェハに対向する表面において、前記可動部を囲 むようにその全周にわたつて第 2表面活性ィ匕領域を有し、
第 1パッケージウェハと前記半導体ウェハとの間の接合は、前記センサユニットの各 々の前記第 1表面活性ィ匕領域と第 1パッケージウェハに設けた表面活性ィ匕領域同士 の拡散を伴わない固相直接接合であり、
第 2パッケージウェハと前記半導体ウェハとの間の前記接合は、前記センサユニット の各々の前記第 2表面活性ィ匕領域と第 2パッケージウェハに設けた表面活性ィ匕領域 同士の拡散を伴わない固相直接接合であることを特徴とするウェハレベルパッケージ 構造体。
[2] 上記第 1表面活性ィ匕領域、第 2表面活性化領域、第 1パッケージウェハの表面活性 化領域、および第 2パッケージウェハの表面活性ィ匕領域は、プラズマ処理面、イオン ビーム照射面、または原子ビーム照射面の 、ずれかであることを特徴とする請求項 1 に記載のウェハレベルパッケージ構造体。
[3] 上記第 1表面活性ィ匕領域と第 1パッケージウェハの表面活性ィ匕領域との間の接合と、 上記第 2表面活性ィ匕領域と第 2パッケージウェハの表面活性ィ匕領域との間の接合の 少なくとも一方は、 Si— Si間の固相直接接合、 Si-SiO間の固相直接接合、または
2
SiO -SiO間の固相直接接合のいずれかであることを特徴とする請求項 1に記載
2 2
のウェハレべノレパッケージ構造体。
[4] 上記第 1表面活性ィ匕領域と第 1パッケージウェハの表面活性ィ匕領域との間の接合と、 上記第 2表面活性ィ匕領域と第 2パッケージウェハの表面活性ィ匕領域との間の接合の 少なくとも一方は、 Au—Au間の固相直接接合、 Cu—Cu間の固相直接接合、また は A1—A1間の固相直接接合のいずれかであることを特徴とする請求項 1に記載のゥ エノヽレべノレノ ッケージ構造体。
[5] 上記第 1表面活性化領域と第 2表面活性化領域の少なくとも一方は、上記可動部を 囲むようにフレームの全周にわたつて形成される環状の外部表面活性化領域と、前 記外部表面活性化領域の内側において、上記可動部を囲むようにフレームの全周 にわたつて形成される環状の内部表面活性化領域とで構成されることを特徴とする 請求項 1に記載のウェハレベルパッケージ構造体。
[6] 上記外部表面活性ィ匕領域と内部表面活性ィ匕領域との間を連結する補助封止部をフ レームの周方向に所定距離はなして複数箇所に設けたことを特徴とする請求項 5に 記載のウェハレベルパッケージ構造体。
[7] 上記センサユニットの各々は上記検出部と協働する集積回路を有し、前記集積回路 は上記フレームの開口に隣接して配置され、上記第 1パッケージウェハに設けた貫通 孔配線に電気的に接続されることを特徴とする請求項 1に記載のウェハレベルパッケ ージ構造体。
[8] 上記集積回路は、上記フレームの開口を囲むように配置されることを特徴とする請求 項 7に記載のウェハレベルパッケージ構造体。
[9] 上記貫通孔配線は、センサユニットに面する端部の面積が、他端の面積より大きくな るように上記第 1パッケージウェハにテーパ状に形成されることを特徴とする請求項 7 に記載のウェハレベルパッケージ構造体。
[10] 上記センサユニットの各々は加速度センサユニットであり、上記可動部は、重りと、上 記フレームと前記重りの間に延出する梁部を含み、前記検出部は、前記梁部の各々 に形成される少なくとも 1個のピエゾ抵抗体を含むことを特徴とする請求項 1に記載の ウエノヽレべノレノ ッケーシ構造体。
[11] 上記センサユニットの各々はジャイロセンサユニットであり、上記可動部は、振動手段 によって振動する第 1質量体と、第 1質量体に連結される第 2質量体とで構成され、 上記検出部は、前記第 1質量体の振動中に回転力が付加された時に生じる第 2質量 体の位置変位を電気信号に変換することを特徴とする請求項 1に記載のウェハレべ ルパッケージ構造体。
[12] 上記センサユニットの各々は、上記第 1表面活性ィ匕領域よりも可動部に近い位置に 設けられ、上記検出部に電気的に接続される導体層を有し、上記第 1パッケージゥェ ハは、センサユニットの各々に対して設けられる貫通孔配線と、前記貫通孔配線に電 気的に接続される配線層を有し、上記第 1パッケージウェハと前記半導体ウェハとの 間の接合は、前記導体層の活性化表面と前記配線層の活性化表面同士の拡散を 伴わない固相直接接合をさらに含むことを特徴とする請求項 1に記載のウェハレベル パッケージ構造体。
[13] 請求項 1に記載のウェハレベルパッケージ構造体を、上記センサユニットのサイズで 切断することにより得られるセンサ装置。
PCT/JP2006/323453 2005-11-25 2006-11-24 ウェハレベルパッケージ構造体、および同パッケージ構造体から得られるセンサ装置 WO2007061054A1 (ja)

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