WO2010150477A1 - 加速度センサ - Google Patents

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WO2010150477A1
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acceleration sensor
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cap
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菅野隆行
羽迫義浩
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ミツミ電機株式会社
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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

  • the present invention relates to an acceleration sensor that detects acceleration in the X-, Y-, and Z-axis directions using a piezoresistive element.
  • semiconductor acceleration sensors are used in various fields such as automobiles and home appliances.
  • this type of semiconductor acceleration sensor there are those disclosed in Patent Documents 1 to 3, for example.
  • FIG. 1 is a plan view of the semiconductor acceleration sensor described in Patent Document 1.
  • FIG. 1 is a plan view of the semiconductor acceleration sensor described in Patent Document 1.
  • the semiconductor acceleration sensor 10 includes a sensor substrate 11 formed by processing a silicon substrate, and an upper glass cap and a lower glass cap disposed on the upper and lower surfaces thereof. In FIG. 1, the state which removed the upper glass cap is shown.
  • the sensor substrate 11 includes a rectangular frame 14, a rectangular plate-shaped weight portion 15 disposed inside the frame 14, and a pair of thin cantilevers 16 that connect the weight portion 15 to one side of the frame 14. is doing.
  • the weight portion 15 is swingably supported by the frame 14 via the cantilever 16, and when the acceleration is applied to the sensor substrate 11, the weight portion 15 is displaced and the cantilever 16 is bent with respect to the frame 14. .
  • Each of the pair of cantilevers 16 is provided with two gauge resistors 17 as sensing portions, and these four gauge resistors 17 are bridge-connected.
  • a wire bonding pad 18 is provided on one side of the frame 14 to which the cantilever 16 is connected.
  • the gauge resistor 17 and the wire bonding pad 18 are connected via a diffusion layer wiring 19, a contact portion 20, and an Al wiring 21.
  • the wire bonding pad 18 is connected to a bonding wire (not shown) made of gold or aluminum. Then, the sensor substrate 11 is electrically connected to the outside by connecting this bonding wire to the outside.
  • the upper glass cap and the lower glass cap are anodically bonded to the upper and lower surfaces of the frame 14, respectively.
  • the upper glass cap is anodically bonded to the frame 14 so as to cover the weight portion 15 and the cantilever 16 and to expose the wire bonding pad 18 outside the upper glass cap.
  • an aluminum metal thin film 23 having a thickness of about 1 to 2 ⁇ m is formed in a strip shape.
  • a convex portion 24 having the same height as that of the metal thin film 23 is formed in a portion where the metal thin film 23 is not formed, and a rectangular frame portion 25 is formed by the metal thin film 23 and the convex portion 24.
  • the upper glass cap and the frame 14 are anodically bonded through the metal thin film 23 in a state where the contour of the upper glass cap is aligned with the contour of the rectangular frame-shaped portion 25.
  • FIG. 2 is a diagram of an acceleration sensor substrate described in Patent Document 2.
  • 2B is a plan view of the acceleration sensor substrate on the piezoresistive element side
  • FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 2B.
  • the acceleration sensor chip 30 includes a piezoresistive element 31 and wiring 32, a dividing groove 33, an electrode pad 34, a joint portion 35 indicated by a two-dot chain line, a beam portion 36, a weight portion 37, and a frame portion 38. Etc.
  • the acceleration sensor chip 30 is joined to the acceleration sensor substrate by a connecting portion 39. They are separated and separated by a separation unit 41 indicated by a one-dot chain line. On the upper and lower surfaces of the acceleration sensor substrate, there are provided joint portions 35 on which a bonding material to be bonded to the cap substrate is formed.
  • the dividing groove 33 provided in the separation part 41 on the outer periphery of the acceleration sensor chip 30 is formed at the same time when the beam part 36 and the weight part 37 are formed.
  • FIG. 3 is a plan view of the acceleration sensor described in Patent Document 3.
  • FIG. 3 is a plan view of the acceleration sensor described in Patent Document 3.
  • the acceleration sensor 50 includes a substrate 51, a sensor element unit 52 installed on the right side of the substrate 51, and an electrode pad 53a (53a1 to 53a4 installed on the left side of the sensor element unit 52. ).
  • the electrode pads 53a1 to 53a4 are connected to the sensor element unit 52 via wirings LNa, LNb, LNc, and LNd, respectively.
  • the sensor element portion 52 is provided with a mass body 54 for detecting acceleration, a support portion 55 that supports the mass body 54, and a beam portion 56 that connects the mass body 54 and the support portion 55.
  • a fixed electrode 57a is connected to the wiring LNa
  • a fixed electrode 57d is connected to the wiring LNd.
  • movable electrodes 58 are provided in a comb shape so as to face the fixed electrodes 57a and 57d.
  • the mass body 54 and the movable electrode 58 are held hollow by the beam portion 56 and the support portion 55.
  • the beam portion 56 When acceleration is applied to the acceleration sensor 50, the beam portion 56 is bent and the mass body 54 is displaced. Then, the interelectrode distance between the movable electrode 58 and the fixed electrodes 57a and 57d varies, and the capacitance between the electrodes changes. The acceleration is detected by this change in capacitance.
  • FIG. 4 is a diagram showing the structure of the wiring and contact portion of the acceleration sensor commonly used in the acceleration sensors described in Patent Documents 1 to 3.
  • the acceleration sensor 60 includes a sensor substrate 61, an electrode pad 62 installed on the side surface of the sensor substrate 61, and an Al wiring 63 that connects the sensor substrate 61 and the electrode pad 62.
  • the upper part of the sensor substrate 61 is resin-bonded to an upper glass cap or a silicon cap (not shown) by an adhesive resin layer 64.
  • a wafer level package by resin bonding is a general sealing method.
  • the present invention has been made in consideration of such points, and an object of the present invention is to provide an acceleration sensor that can improve the reliability in the vicinity of an electrode pad using a wafer level package.
  • the acceleration sensor according to the present invention is formed in the frame portion, the weight portion, the beam portion connecting the frame portion and the weight portion, the acceleration detecting element formed on the beam portion, and the frame portion.
  • the electrode pad has an extended portion extended in the direction of the sealed space, and the cap portion is joined to the sensor portion by the adhesive layer laminated on at least a part of the extended portion.
  • an acceleration sensor that can improve the reliability in the vicinity of the electrode pad using a wafer level package.
  • FIG. 5 is a diagram showing an external configuration of the acceleration sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing a schematic arrangement of the piezoresistive elements on the cross beam.
  • FIG. 7 is a top view showing a main part of the acceleration sensor.
  • 8 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG.
  • the present embodiment is an example applied to a triaxial acceleration sensor.
  • the acceleration sensor 100 includes a frame 111, weights 112 (112a to 112d) provided in the frame 111, and a cross beam 113 (113a to 113a) that connects the frame 111 and the weight 112. 113 d), an acceleration detection element formed on the cross beam 113, and an Al wiring 116 that connects the acceleration detection element and the electrode pads 115 (115 a to 115 d) formed on the frame 111. .
  • the electrode pad 115 (115a to 115d) has an extended portion 115A extended in the direction of the sealed space of the sensor portion 110. Since the electrode pad 115 (115a to 115d) has the extended portion 115A, the Al wiring 116 is accommodated in the sealed space in the cap portion 117 without expanding the cap portion 117 (described later) to the outside. A sufficiently wide wire bonding area, which is the original function, is secured.
  • the acceleration sensor 100 is mounted on the sensor unit 110 and is stacked on at least a part of the expansion unit 115 ⁇ / b> A, and the sensor unit 110 and the cap unit 117 are joined to each other. And an adhesive layer 118.
  • Each of the beams 113a to 113d constituting the cross beam 113 is a thin flexible member having a piezoresistive element.
  • the cross beam 113 is connected to a clover-shaped weight 112 at the center.
  • the center portion of the cross beam 113 is thin and flexible, and the cross beam 113 bends in response to acceleration, whereas the weight 112 is supported and does not bend even when acceleration is applied. It will be called 114.
  • the Al wiring 116 connects the piezoresistive element and the extension 115A of the electrode pads 115 (115a to 115d).
  • the electrode pads 115 (115a to 115d) are terminal portions for applying a voltage to the piezoresistive element and taking out an output from the piezoresistive element.
  • the cap portion 117 is a cap wafer or bonding resin that accommodates the sensor portion 110 in a sealed space via an adhesive layer 118 laminated on the extended portion 115A of the electrode pad 115 (115a to 115d).
  • the adhesive layer 118 is made of an adhesive material such as polyimide.
  • the adhesive layer 118 has the same rectangular pattern as the outer shape of the cap portion 117, and bonds the inner peripheral surface of the cap portion 117 to the extended portions 115A of the electrode pads 115 (115a to 115d) and the frame 111.
  • the adhesive layer 118 has an adhesive layer pattern in which the adhesive surface overlaps the end of the extended portion 115A of the electrode pad 115 (115a to 115d) and a part of the Al wiring 116.
  • the cap part 117 and the frame 111 on which the electrode pads 115 (115a to 115d) are formed are bonded via the adhesive layer 118, at least the end part of the extended part 115A of the electrode pad 115 (115a to 115d) is the adhesive layer.
  • the inside of 118, ie, the sealed space protected by the cap part 117, is arrange
  • the Al wiring 116 is protected in the sealed space of the cap portion 117.
  • the adhesive layer 118 is arranged at an equal distance from the cross beam 113 and has a frame shape with an equal width.
  • the adhesive layer 118 is preferably made of an adhesive material having a coefficient close to that of silicon. Specifically, an adhesive material having a coefficient close to the thermal expansion coefficient (2.5 to 4.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K ) of silicon of the device material is used.
  • the adhesive layer 118 covers the extended portion 115A of the electrode pad 115 (115a to 115d), and the film thickness on the extended portion 115A and the film height of the other frame 111 are the same. To form.
  • the Al wiring 116 is disposed inside the adhesive layer 118 formed in the cap portion 117. Any structure may be used as long as the Al wiring 116 is disposed inside the adhesive layer 118.
  • the electrode pads 115 (115a to 115d) and the adhesive layer 118 are arranged such that the ends of the extended portions 115A of the electrode pads 115 (115a to 115d) extended in the direction of the sealed space overlap the adhesive layer 118. Form. According to this configuration, the adhesive layer 118 does not overlap only the Al wiring 116, but the adhesive layer 118 also overlaps the end portions of the Al wiring 116 and the extension 115 ⁇ / b> A.
  • the electrode pad 115 (115a to 115d) has the expanded portion 115A expanded in the direction of the sealed space, so that the Al wiring 116 can be connected to the sealed space in the cap portion 117 without spreading the cap portion 117 outward. It is possible to secure a sufficiently wide wire bonding region, which is the original function of the electrode pad 115, while being accommodated in the electrode pad 115.
  • the total length of the electrode pads 115 (115a to 115d) including the extension 115A is formed to be 160 to 170 ⁇ m, for example. In this case, the length of the end portion of the extended portion 115A joined to the adhesive layer 118 is 70 to 80 ⁇ m.
  • FIG. 6 schematically shows at which position on the cross beam 113 the piezoresistive elements for the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions are arranged.
  • piezoresistive elements x1, x2, z1, and z2 for the X-axis direction and the Z-axis direction are formed in the beam 113a.
  • piezoresistive elements x3, x4, z3, and z4 for the X-axis direction and the Z-axis direction are formed on the beam 113c.
  • the piezoresistive elements x1 to x4 for the X-axis direction and the piezoresistive elements z1 to z4 for the Z-axis direction are arranged in parallel at the same position in the longitudinal direction (X direction) of the beams 113a and 113c. Therefore, the symmetry is ensured.
  • piezoresistive elements y1 to y4 for the Y-axis direction are formed.
  • the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4 are formed in the beam 113 in the vicinity of the frame 111 and in the vicinity of the center non-movable part 114. That is, the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4 are formed at the base portion of the beam 113 where the beam 113 is easily bent by acceleration.
  • the piezoresistive elements x1 to x4 for the X-axis direction and the piezoresistive elements z1 to z4 for the Z-axis direction are formed on the same beam, but the three-axis acceleration of the present embodiment Since the sensor 100 is structurally equivalent to the X-axis and Y-axis, the piezoresistive elements y1 to y4 for the Y-axis direction and the piezoresistive elements z1 to z4 for the Z-axis direction are arranged in parallel at the same position on the same beam. May be.
  • FIG. 9 is a manufacturing process diagram of the acceleration sensor 100.
  • S indicates each step.
  • Accelerometer chip, front cap wafer, and back cap wafer are manufactured by a semiconductor process using a Si substrate as a material.
  • the acceleration sensor chip constitutes a cap part 117 that covers the sensor part 110 of the acceleration sensor 100 from above.
  • the surface cap wafer constitutes a cap portion 117 and an adhesive layer 118.
  • the back surface cap wafer constitutes a cap portion (not shown) that seals the sensor portion 110 of the acceleration sensor 100 from the bottom.
  • S2 The Si wafer is processed using photolithography and dry etching to form a cross beam 113. Specifically, impurities such as B (boron) or P (phosphorus) are implanted into the Si substrate by ion implantation to form the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4. Further, a TEOS (tetra-ethyl-ortho-silicate) film is formed on the SiO 2 oxide film of the Si wafer. An Al wiring is formed on the TEOS film with a photo resist.
  • impurities such as B (boron) or P (phosphorus) are implanted into the Si substrate by ion implantation to form the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4.
  • a TEOS (tetra-ethyl-ortho-silicate) film is formed on the SiO 2 oxide film of the Si wafer.
  • S3 A structure such as a weight and a flexible part is formed by dry etching on the Si wafer after the formation of the Al wiring protective film.
  • S4 Front and back sealing substrate bonding for bonding the acceleration sensor wafer on which the cross beam 113 is formed, the front cap wafer separately manufactured in steps S21 and S22, and the back cap wafer separately manufactured in steps S31 and S32. I do.
  • the acceleration sensor wafer, the front surface cap wafer, and the back surface cap wafer are bonded to the front and back surface sealing substrates.
  • the surface sealing substrate bonding in the above step S4 when the surface cap wafer is bonded to the acceleration sensor wafer, alignment is performed so that the extended portion 115A of the electrode pad 115 and the adhesive layer 118 overlap each other and bonding is performed.
  • the electrode pad 115 has an extended portion 115 ⁇ / b> A extended to the center side of the sensor portion 110, and the frame 111 of the extended portion 115 ⁇ / b> A is bonded to the surface cap wafer via the adhesive layer 118. That is, the bonding between the acceleration sensor wafer and the surface cap wafer is performed by the Al wiring 116 region including the end portion of the extended portion 115A on the frame 111.
  • the electrode pad 115 can ensure a sufficiently wide wire bonding region, which is the original purpose of the pad.
  • the adhesive layer 118 is arranged at an equal distance from the cross beam 113 in order to improve the stress balance in the device plane, and has a frame shape with a uniform width.
  • a post-process such as a resin package is applied to the diced acceleration sensor to finish the manufacturing process.
  • the adhesive layer 118 is formed on the Si wafer on which the thermal oxide film is formed.
  • the manufactured surface cap wafer is bonded to the acceleration sensor wafer as a cap part 117 that houses the sensor part 110 in a sealed space (see step S4 or S7).
  • FIG. 10 is a manufacturing process diagram of the surface cap wafer.
  • the surface cap wafer is a cap part 117 that covers the sensor part 110 of the acceleration sensor 100 from above.
  • the cap wafer is manufactured by, for example, a semiconductor process using a Si wafer as a material.
  • a thermal oxide film (here, SiO 2 oxide film) 119 is formed on the Si wafer 117a (see FIG. 10B).
  • An adhesion layer 118a such as polyimide is applied on the SiO 2 oxide film 119 of the Si wafer (see FIG. 10C).
  • the adhesive layer 118a is patterned on the SiO 2 oxide film 119 of the Si wafer with a photo resist (see FIG. 10D). After patterning, the adhesive layer 118 is formed. As shown in FIGS. 7 and 8, the adhesive layer 118 pattern has a shape that surrounds the end of the extended portion 115 ⁇ / b> A of the electrode pad 115 and the periphery of the cap portion 117.
  • Etching is performed on the Si wafer 117a to which the adhesive layer 118 is bonded to expose the electrode pads 115 on the frame 111 during wafer bonding (see FIG. 10E).
  • etching for exposing the electrode pad 115 is performed after the adhesive layer 118 is patterned into a frame shape. After the etching, the Si wafer 117b is obtained.
  • Wafer bonding is performed to bond the surface cap wafer to the acceleration sensor wafer.
  • alignment and bonding are performed so that the extended portion 115A of the electrode pad 115 and the adhesive layer 118 overlap each other.
  • FIG. 11 is another manufacturing process diagram of the surface cap wafer. The same steps as those in FIG.
  • the exposed etched portion of the electrode pad 115 and the outer side of the frame of the adhesive layer 118b can be made the same surface, a large wire bonding area of the electrode pad 115 can be secured, or the device size can be reduced. Can be small.
  • the acceleration sensor 100 includes the sensor unit 110 including the Al wiring 116 that connects the acceleration detection element and the electrode pads 115 (115a to 115d) formed on the frame 111.
  • a cap part 117 mounted on the sensor part 110 and accommodating the sensor part 110 in a sealed space; and an adhesive layer 118 that joins the sensor part 110 and the cap part 117, and the electrode pad 115 seals the sensor part 110.
  • the cap part 117 has an extension part 115A extended in the direction of the space, and the cap part 117 is joined to the sensor part 110 by the adhesive layer 118 laminated on the end part of the extension part 115A.
  • the cap wafer and the device wafer are bonded so that the adhesive layer 118 and the extended portion 115A of the electrode pad 115 overlap. Thereby, the following effects can be acquired.
  • the adhesive layer 118 laminated with the end portion of the extended portion 115A of the electrode pad 115 surrounds the sensor portion 110 in a frame shape, whereby the Al wiring 116 of the device wafer can be protected.
  • the cap wafer over the extended portion 115A of the electrode pad 115 all the Al wiring 116 (several ⁇ m to several tens ⁇ m) can be physically and chemically protected, and a hygroscopic resin. Even when packaging is performed, the reliability of the Al wiring 116 can be ensured.
  • Resin packaging has advantages in terms of productivity and cost compared to ceramic packages. Therefore, productivity and cost can be improved while ensuring reliability.
  • the wire bonding area of the electrode pad 115 can be secured without spreading the cap portion 117 outward.
  • the portions exposed to the outside before the resin mold sealing are only the cap chip, the silicon of the device chip, and the electrode pad 115 (width of about 100 ⁇ m) on the device.
  • the adhesive layer 118 uses a bonding material having a coefficient close to the thermal expansion coefficient (2.5 to 4.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K ) of silicon of the device material, thereby deteriorating device characteristics due to thermal stress. Can be prevented.
  • acceleration sensor In the above embodiment, the name “acceleration sensor” is used. However, this is for convenience of explanation, and a three-axis acceleration sensor, a semiconductor sensor, or the like may be used.
  • the acceleration sensor of the present invention can be widely applied to various devices such as toys such as game controllers, automobile impact detection devices, hard disk drop detection devices, and mobile phone input devices.

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Abstract

　ウエハレベルパッケージを用いて、電極パッド近傍の信頼性を向上させることができる加速度センサを提供する。加速度センサ（１００）は、加速度検出素子と枠（１１１）に形成された電極パッド（１１５）とを接続するＡｌ配線（１１６）とからなるセンサ部（１１０）と、センサ部（１１０）に実装されてセンサ部（１１０）を密閉空間に収容するキャップ部（１１７）と、センサ部（１１０）とキャップ部（１１７）とを接合する接着層（１１８）とを備え、電極パッド（１１５）は、センサ部（１１０）の密閉空間の方向に拡張された拡張部（１１５Ａ）を有し、キャップ部（１１７）は、拡張部（１１５Ａ）の端部と積層される接着層（１１８）によりセンサ部１１０と接合する。

Description

加速度センサ
　本発明は、ピエゾ抵抗素子を用いてＸ、Ｙ及びＺ軸方向の加速度を検出する加速度センサに関する。
　近年、自動車や家電製品など様々な分野において、半導体加速度センサが用いられる。従来、この種の半導体加速度センサとして、例えば特許文献１乃至３で開示されているものがある。
　図１は、特許文献１に記載の半導体加速度センサの平面図である。
　図１に示すように、半導体加速度センサ１０は、シリコン基板を加工して形成されるセンサ基板１１とその上下面に配置される上部ガラスキャップと下部ガラスキャップとを備える。図１では、上部ガラスキャップを取り除いた状態を示している。
　センサ基板１１は、矩形枠状のフレーム１４、フレーム１４の内側に配設された矩形板状の錘部１５、及び錘部１５をフレーム１４の一辺に接続する一対の薄肉状のカンチレバー１６を有している。錘部１５は、カンチレバー１６を介してフレーム１４に揺動自在に支持されており、センサ基板１１に加速度が作用すると錘部１５が変位してカンチレバー１６がフレーム１４に対して撓むようになっている。
　一対のカンチレバー１６には、それぞれに２個のセンシング部としてのゲージ抵抗１７が設けられており、これら４つのゲージ抵抗１７がブリッジ接続されている。カンチレバー１６が接続されたフレーム１４の一辺にはワイヤボンディングパッド１８が設けられている。ゲージ抵抗１７とワイヤボンディングパッド１８とは、拡散層配線１９、コンタクト部２０及びＡｌ配線２１を介して接続されている。また、ワイヤボンディングパッド１８には金やアルミニウムなどで形成されたボンディングワイヤ（図示せず）が接続されている。そして、このボンディングワイヤを外部に接続することによりセンサ基板１１と外部との電気的接続がなされている。
　上部ガラスキャップ及び下部ガラスキャップは、フレーム１４の上下面にそれぞれ陽極接合されている。上部ガラスキャップは、錘部１５及びカンチレバー１６を覆うとともにワイヤボンディングパッド１８を上部ガラスキャップ外に露出させるようにフレーム１４に陽極接合されている。
　カンチレバー１６が接続されている一辺に隣接する二辺に沿ったフレーム１４上には、厚さ約１～２μｍのアルミニウム製の金属薄膜２３が帯状に形成されている。金属薄膜２３が形成されていない部分には金属薄膜２３とほぼ同じ高さの凸部２４が形成されており、金属薄膜２３と凸部２４とで矩形枠状部２５が形成されている。
　上部ガラスキャップとフレーム１４とは、上部ガラスキャップの輪郭を矩形枠状部２５の輪郭に位置合わせした状態で金属薄膜２３を介して陽極接合されている。
　図２は、特許文献２に記載の加速度センサ基板の図である。図２Ｂは、加速度センサ基板のピエゾ抵抗素子側の平面図、図２Ａは、図２ＢのＡ－Ａ’断面図である。
　図２に示すように、加速度センサチップ３０は、ピエゾ抵抗素子３１と配線３２、分割溝３３、電極パッド３４、２点鎖線で示した接合部３５、梁部３６、錘部３７、枠部３８等から構成される。
　加速度センサ基板は、加速度センサチップ３０が連結部３９で接合されている。一点鎖線で示した分離部４１で分離し個片化される。加速度センサ基板の上下面には、キャップ基板と接合する接合材が形成された接合部３５を設ける。加速度センサチップ３０の外周の分離部４１に設けた分割溝３３は、梁部３６と錘部３７を形成するときに同時に形成する。
　図３は、特許文献３に記載の加速度センサの平面図である。
　図３に示すように、加速度センサ５０は、基板５１と、基板５１の上の右側部分に設置されたセンサ素子部５２と、センサ素子部５２の左側に設置された電極パッド５３ａ（５３ａ１～５３ａ４）とを備える。電極パッド５３ａ１～５３ａ４は、それぞれ配線ＬＮａ、ＬＮｂ、ＬＮｃ、ＬＮｄを介してセンサ素子部５２と接続されている。
　センサ素子部５２には、加速度を検出するための質量体５４、質量体５４を支持する支持部５５、質量体５４と支持部５５とを接続する梁部５６が設けられている。配線ＬＮａには固定電極５７ａが接続され、配線ＬＮｄには固定電極５７ｄが接続されている。質量体５４の両翼には、固定電極５７ａ，５７ｄと対向するように、可動電極５８が櫛状に設けられている。質量体５４及び可動電極５８は、梁部５６及び支持部５５により中空保持されている。
　上記加速度センサ５０に加速度が加わると、梁部５６が撓んで質量体５４が変位する。すると、可動電極５８と固定電極５７ａ，５７ｄとの間の電極間距離が変動し、電極間の静電容量が変化する。この静電容量の変化により、加速度が検出される。
　図４は、特許文献１乃至３に記載の加速度センサにおいて、共通して用いられている加速度センサの配線及びコンタクト部の構造を示す図である。
　図４に示すように、加速度センサ６０は、センサ基板６１と、センサ基板６１の側面に設置された電極パッド６２と、センサ基板６１と電極パッド６２とを接続するＡｌ配線６３とを備える。センサ基板６１の上部は、接着剤樹脂層６４により上部ガラスキャップ、又はシリコンキャップ（図示略）に樹脂接合される。このような半導体センサの製造方法において、樹脂接合によるウエハレベルパッケージは、一般的な封止方法である。
特開２００８－１８５３５５号公報 特開２００８－０９１８４５号公報 特開２００８－０８９３２７号公報
　しかしながら、このような従来の加速度センサの製造方法にあっては、以下の課題があった。
　（１）樹脂接合によるウエハレベルパッケージでは、電極パッド６２近傍のＡｌ配線６３のことを考慮せずに封止していたため、Ａｌ配線６３が保護されず、信頼性を確保することができない。例えば、図４では、電極パッド６２近傍のＡｌ配線６３の上部６５が保護されていない。
　特許文献１乃至３に記載の加速度センサについてみてみると、図１では、ワイヤボンディングパッド１８及びＡｌ配線２１、図２では、配線３２及び電極パッド３４、図３では、電極パッド５３及び配線ＬＮａ、ＬＮｂ、ＬＮｃ、ＬＮｄであり、いずれも電極パッド近傍のＡｌ配線が保護されていない。パッド近傍のＡｌ配線が保護されておらず、ウエハ接合によってＡｌ配線の信頼性が確保できない。
　（２）Ａｌ配線の信頼性を確保するためには、ダイシングによるセンサチップ個片化後にＡｌ配線に保護膜を施す必要があり生産性が悪化してしまう。
　本発明は、かかる点を考慮してなされたものであり、ウエハレベルパッケージを用いて、電極パッド近傍の信頼性を向上させることができる加速度センサを提供することを目的とする。
　本発明の加速度センサは、枠部と、錘部と、前記枠部と前記錘部とを連結する梁部と、前記梁部上に形成された加速度検出素子と、前記枠部に形成された電極パッドとを接続する金属配線とを有するセンサ部と、前記センサ部上に配置され、該センサ部に密閉空間を形成するキャップ部と、前記センサ部と前記キャップ部とを接合する接着層とを備え、前記電極パッドは、前記密閉空間の方向に拡張された拡張部を有し、前記キャップ部は、前記拡張部の少なくとも一部と積層される前記接着層により前記センサ部と接合する構成を採る。
　本発明によれば、ウエハレベルパッケージを用いて、電極パッド近傍の信頼性を向上させることができる加速度センサを得ることができる。
特許文献１に記載の半導体加速度センサの平面図 特許文献２に記載の加速度センサ基板の図 特許文献３に記載の加速度センサの平面図 従来の加速度センサの配線及びコンタクト部の構造を示す図 本発明の実施の形態に係る加速度センサの外観構成を示す図 上記実施の形態に係る加速度センサのピエゾ抵抗素子の十字梁での概略配置を示す平面図 上記実施の形態に係る加速度センサの要部を示す上視図 図７のＡ－Ａ’矢視断面図 上記実施の形態に係る加速度センサの製造工程図 上記実施の形態に係る加速度センサの表面キャップウエハの製造工程図 上記実施の形態に係る加速度センサの表面キャップウエハの他の製造工程図
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
　（実施の形態）
　図５は、本発明の実施の形態に係る加速度センサの外観構成を示す図である。図６は、ピエゾ抵抗素子の十字梁での概略配置を示す平面図である。図７は、加速度センサの要部を示す上視図である。図８は、図７のＡ－Ａ’矢視断面図である。本実施の形態は、３軸加速度センサに適用した例である。
　図５乃至図８に示すように、加速度センサ１００は、枠１１１と、枠１１１内に設けられた錘１１２（１１２ａ～１１２ｄ）と、枠１１１と錘１１２とを連結する十字梁１１３（１１３ａ～１１３ｄ）と、十字梁１１３上に形成された加速度検出素子と、加速度検出素子と枠１１１に形成された電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）とを接続するＡｌ配線１１６とからなるセンサ部１１０を備える。
　電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）は、センサ部１１０の密閉空間の方向に拡張された拡張部１１５Ａを有する。電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）が、拡張部１１５Ａを有することで、キャップ部１１７（後述）を外側に広げることなくＡｌ配線１１６をキャップ部１１７内の密閉空間に収容しつつ、電極パッド１１５の本来の機能である十分な広さのワイヤボンディング領域を確保する。
　また、加速度センサ１００は、センサ部１１０に実装されてセンサ部１１０を密閉空間に収容するキャップ部１１７と、拡張部１１５Ａの少なくとも一部に積層され、センサ部１１０とキャップ部１１７とを接合する接着層１１８とを有する。
　十字梁１１３を構成する各梁１１３ａ～１１３ｄは、ピエゾ抵抗素子を有する肉薄の可撓性部材となっている。十字梁１１３は、中心部分でクローバ状の錘１１２と連結されている。この十字梁１１３の中心部分は、肉薄で可撓性の十字梁１１３が加速度に応じて撓むのに対して、加速度が加わっても錘１１２を支持して撓まないため、中心非可動部１１４と呼ぶことにする。
　Ａｌ配線１１６は、ピエゾ抵抗素子と電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）の拡張部１１５Ａとを接続する。電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）は、当該ピエゾ抵抗素子に電圧を印加し及びピエゾ抵抗素子からの出力を取り出すための端子部である。
　キャップ部１１７は、電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）の拡張部１１５Ａ上に積層された接着層１１８を介してセンサ部１１０を密閉空間に収容するキャップウエハ又は接合樹脂である。
　接着層１１８は、ポリイミド等の接着材料からなる。接着層１１８は、キャップ部１１７の外形形状と同じ矩形形状パターンを有し、キャップ部１１７の内周面と電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）の拡張部１１５Ａ及び枠１１１とを接着する。特に、接着層１１８は、接着面が電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）の拡張部１１５Ａの端部及びＡｌ配線１１６の一部に重なるような接着層パターンを有する。キャップ部１１７と電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）が形成された枠１１１とを接着層１１８を介して接合した場合、電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）の拡張部１１５Ａの少なくとも端部は、接着層１１８の内側、すなわちキャップ部１１７で保護された密閉空間内に配置される。Ａｌ配線１１６は、キャップ部１１７の密閉空間内で保護される。
　図７に示すように、接着層１１８は、十字梁１１３から等距離に離して配置し、かつ等幅の枠形状とする。接着層１１８は、シリコンの熱膨張係数に近い係数をもつ接着材料を用いることが好ましい。具体的には、デバイス材料のシリコンの熱膨張係数（２．５～４．５×１０－６/K）に近い係数をもつ接着材料を用いる。
　また、図８に示すように、接着層１１８は、電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）の拡張部１１５Ａを覆い、かつ拡張部１１５Ａ上の膜厚とその他枠１１１の膜の高さが同じになるように形成する。
　上記構成を採ると、図７に示すように、Ａｌ配線１１６は、キャップ部１１７に形成される接着層１１８の内側に配置される。Ａｌ配線１１６が、接着層１１８の内側に配置される構造であればどのような構造でもよい。本実施の形態では、密閉空間の方向に拡張された電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）の拡張部１１５Ａの端部が接着層１１８に重なるように、電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）及び接着層１１８を形成する。この構成によれば、Ａｌ配線１１６のみに接着層１１８が重なるのではなく、Ａｌ配線１１６及び拡張部１１５Ａの端部にも接着層１１８が重なる。このため、接着層１１８を介して伝達される応力を拡張部１１５Ａの端部が受けることで、Ａｌ配線１１６の破損を未然に防止することができる。その一方で、電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）は、密閉空間の方向に拡張された拡張部１１５Ａを有することで、キャップ部１１７を外側に広げることなくＡｌ配線１１６をキャップ部１１７内の密閉空間に収容しつつ、電極パッド１１５の本来の機能である十分な広さのワイヤボンディング領域を確保することができる。
　拡張部１１５Ａを含む電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）の全長は、例えば１６０～１７０μｍに形成する。この場合、接着層１１８に接合される拡張部１１５Ａの端部の長さは、７０～８０μｍである。
　本実施の形態では、ピエゾ抵抗素子がある梁部にかかる応力を均等にするために各梁端部から等距離になるように離し、等幅にする。以下、具体的に説明する。
　図６に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子が、十字梁１１３上のどの位置に配置されているかの概略を示す。
　梁１１３ａには、Ｘ軸方向用及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１，ｘ２，ｚ１，ｚ２が形成されている。同様に、梁１１３ｃには、Ｘ軸方向用及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ３，ｘ４，ｚ３，ｚ４が形成されている。
　Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４とＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１～ｚ４は、梁１１３ａ，１１３ｃの長手方向（Ｘ方向）の同位置に並列に配置されている。よって、その対称性が確保されている。
　梁１１３ｄ，１１３ｂには、Ｙ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｙ１～ｙ４が形成されている。ここで各ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４は、梁１１３における、枠１１１の近傍位置と、中心非可動部１１４の近傍位置に形成されている。つまり、ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４は、加速度によって梁１１３が撓み易い、梁１１３の付け根部分に形成されている。
　なお、本実施の形態では、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４と、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１～ｚ４を同一の梁上に形成したが、本実施の形態の３軸加速度センサ１００は構造上、Ｘ軸とＹ軸は等価なので、Ｙ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｙ１～ｙ４とＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１～ｚ４を同一梁上の同位置に並列に配置してもよい。
　次に、加速度センサ１００の製造方法について説明する。
　図９は、加速度センサ１００の製造工程図である。図中、Ｓは各工程を示す。
　加速度センサチップ、表面キャップウエハ、及び裏面キャップウエハは、Ｓｉ基板を材料として、半導体プロセスにより製造する。加速度センサチップは、加速度センサ１００のセンサ部１１０を上部から覆うキャップ部１１７を構成する。表面キャップウエハは、キャップ部１１７及び接着層１１８を構成する。裏面キャップウエハは、加速度センサ１００のセンサ部１１０を底部から封止するキャップ部（図示略）を構成する。
　<加速度センサチップ>
　Ｓ１：Ｓｉウエハ上に表面処理を行う。
　Ｓ２：Ｓｉウエハをフォトリソとドライ・エッチングを用いて加工し、十字梁１１３を形成する。具体的には、Ｂ（ボロン）又はＰ（リン）といった不純物を、イオン・インプランテーションによってＳｉ基板中に注入することでピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４を形成する。また、ＳｉウエハのＳｉＯ２酸化膜上にＴＥＯＳ（tetra-ethyl-ortho-silicate）膜を形成する。ＴＥＯＳ膜の上に、フォト・レジストによりＡｌ配線を形成する。
　Ｓ３：Ａｌ配線保護膜形成後のＳｉウエハに、ドライ・エッチングによって錘及び可撓部など構造体を形成する。
　Ｓ４：十字梁１１３が形成された加速度センサウエハと、工程Ｓ２１，Ｓ２２で別途作製された表面キャップウエハと、工程Ｓ３１，Ｓ３２で別途作製された裏面キャップウエハとを接合する表裏面封止基板ボンティングを行う。本実施の形態では、加速度センサウエハ完成後に、加速度センサウエハと表面キャップウエハと裏面キャップウエハとを表裏面封止基板ボンディングしている。
　上記工程Ｓ４の表面封止基板ボンディングにおいて、表面キャップウエハを加速度センサウエハに接合する際、電極パッド１１５の拡張部１１５Ａと接着層１１８とを重ねるようにアライメントを行いボンディングする。電極パッド１１５は、センサ部１１０の中央側に延長した拡張部１１５Ａを有し、この拡張部１１５Ａの枠１１１が接着層１１８を介して表面キャップウエハと接合される。すなわち、加速度センサウエハと表面キャップウエハとの接合は、枠１１１上の拡張部１１５Ａの端部を含むＡｌ配線１１６領域が担う。このため、電極パッド１１５は、パッド本来の目的である十分な広さのワイヤボンディング領域を確保することができる。また、図７に示すように、接着層１１８は、デバイス面内の応力バランスを良くするために十字梁１１３から等距離に配置し、等幅の枠形状とする。
　Ｓ５：研削処理により電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）を露出させる。
　Ｓ６：全数検査により合格した加速度センサをダイシングする。
　Ｓ７：ダイシングした加速度センサに樹脂パッケージなどの後工程を施して製造工程を終了する。
　<表面キャップウエハ>
　Ｓ２１：Ｓｉウエハ上に熱酸化膜（ここではＳｉＯ２酸化膜）を形成する。
　Ｓ２２：熱酸化膜を形成したＳｉウエハ上に接着層１１８を形成する。作製された表面キャップウエハは、センサ部１１０を密閉空間に収容するキャップ部１１７として加速度センサウエハに接合される（工程Ｓ４又はＳ７参照）。
　<裏面キャップウエハ>
　Ｓ３１：Ｓｉウエハ上に熱酸化膜（ここではＳｉＯ２酸化膜）を形成する。
　Ｓ３２：熱酸化膜を形成したＳｉウエハ上に接着層（図示略）を形成する。作製された裏面キャップウエハは、加速度センサウエハの底面に接合される（工程Ｓ４参照）。
　図１０は、表面キャップウエハの製造工程図である。表面キャップウエハは、加速度センサ１００のセンサ部１１０を上部から覆うキャップ部１１７である。
　キャップウエハは、図１０Ａに示すように、例えばＳｉウエハを材料として、半導体プロセスにより製造する。
　Ｓ４１：Ｓｉウエハ１１７ａ上に熱酸化膜（ここではＳｉＯ２酸化膜）１１９を形成する（図１０Ｂ参照）。
　Ｓ４２：ＳｉウエハのＳｉＯ２酸化膜１１９上にポリイミド等の接着層１１８ａを塗布する（図１０Ｃ参照）。
　Ｓ４３：ＳｉウエハのＳｉＯ２酸化膜１１９上に、フォト・レジストにより接着層１１８ａをパターニングする（図１０Ｄ参照）。パターニング後は、接着層１１８となる。図７及び図８に示すように、接着層１１８パターンは、電極パッド１１５の拡張部１１５Ａの端部で、かつキャップ部１１７周囲を取り囲む形状である。
　Ｓ４４：接着層１１８が接着されたＳｉウエハ１１７ａに対して、ウエハボンディング時に枠１１１上の電極パッド１１５を露出させるためのエッチングを行う（図１０Ｅ参照）。すなわち、接着層１１８のパターニングを完成させた後、接着層１１８が枠形状にパターニングされた後に電極パッド１１５を露出させるためのエッチングを行う。エッチング後は、Ｓｉウエハ１１７ｂとなる。
　Ｓ４５：上記表面キャップウエハを加速度センサウエハに接合するウエハボンディングを行う。特に、電極パッド１１５の拡張部１１５Ａと接着層１１８とを重ねるようにアライメントを行いボンディングする。
　Ｓ４６：ウエハボンディング後のＳｉウエハ１１７ｂを研削して電極パッド１１５を露出させ（図１０Ｆ参照）、キャップウエハ作製フローを終了する。
　図１０では、接着層１１８のパターニングを完成させた後、すなわち接着層１１８が枠形状にパターニングされた後に電極パッド１１５を露出させるためのエッチングを行っている。図１１の変形例も可能である。
　図１１は、表面キャップウエハの他の製造工程図である。図１０と同一工程には同一番号を付している。
　Ｓ４３’：ＳｉウエハのＳｉＯ２酸化膜１１９上に、フォト・レジストにより接着層１１８ａの中央部のみをパターニングする（図１１Ｄ参照）。このパターニング後は、接着層１１８ｂとなる。
　Ｓ４４’：中央部のみをパターニングされた接着層１１８ｂが接着されたＳｉウエハ１１７ａに対して、接着層１１８ｂの枠外側とＳｉウエハ１１７ｂのパッド露出部を継続してエッチングを行う（図１１Ｅ参照）。パターニング後は、接着層１１８となる。図７及び図８に示すように、接着層１１８パターンは、電極パッド１１５の拡張部１１５Ａの端部で、かつキャップ部１１７周囲を取り囲む形状である。また、電極パッド１１５を露出させるためのエッチングも同時に完了する。
　図１１では、デバイス内部にかかる接着層１１８ａの枠中央部のみパターニングした後に、接着層１１８ｂの枠外側とＳｉウエハ１１７ｂのパッド露出部を継続してエッチングを行っている。
　図１１の工法によれば、電極パッド１１５の露出エッチ部と接着層１１８ｂの枠外側を同じ面にすることができ、電極パッド１１５のワイヤボンディング領域を大きく確保することができ、又はデバイスサイズを小さくすることができる。
　以上詳細に説明したように、本実施の形態の加速度センサ１００は、加速度検出素子と枠１１１に形成された電極パッド１１５（１１５ａ～１１５ｄ）とを接続するＡｌ配線１１６とからなるセンサ部１１０と、センサ部１１０に実装されてセンサ部１１０を密閉空間に収容するキャップ部１１７と、センサ部１１０とキャップ部１１７とを接合する接着層１１８とを備え、電極パッド１１５は、センサ部１１０の密閉空間の方向に拡張された拡張部１１５Ａを有し、キャップ部１１７は、拡張部１１５Ａの端部と積層される接着層１１８によりセンサ部１１０と接合する。接着層１１８と電極パッド１１５の拡張部１１５Ａが重なるようにキャップウエハとデバイスウエハを接合する。これにより、以下の効果を得ることができる。
　（１）電極パッド１１５の拡張部１１５Ａの端部と積層される接着層１１８が、センサ部１１０を枠形状で取り囲むことにより、デバイスウエハのＡｌ配線１１６を保護することができる。特に、電極パッド１１５の拡張部１１５Ａと重ねてキャップウエハを接合することで、Ａｌ配線１１６（数μｍ～数十μｍ）を全て物理的、化学的に保護することができ、吸湿性を有する樹脂パッケージングを行った場合でもＡｌ配線１１６の信頼性を確保することができる。また、樹脂パッケージングは、セラミックパッケージと比較して生産性、コスト面でメリットがある。よって、信頼性を確保しながら生産性、コスト面の向上を図ることができる。
　（２）キャップ部１１７を外側に広げることなく、電極パッド１１５のワイヤボンディング領域を確保することができる。樹脂モールド封止前に外部に露出している部分は、キャップチップとデバイスチップのシリコンとデバイス上の電極パッド１１５（幅約１００μｍ）のみである。
　（３）接着層パターンを十字梁１１３から等距離に離隔し、等幅の枠形状とすることで、デバイス面内で応力バランスを良くし、応力によるデバイス特性（オフセット電圧、感度）の悪化を防ぐことができる。
　（４）接着層１１８は、デバイス材料のシリコンの熱膨張係数（２．５～４．５×１０－６/K）に近い係数をもつ接着材料を用いることで、熱応力によるデバイス特性の悪化を防ぐことができる。
　以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更が可能であり、本発明がこれらに及ぶことは当然である。
　上記実施の形態では、３軸加速度センサに適用した例であるが、同様の構成により、半導体加速度センサ全般に適用することができる。
　また、上記実施の形態では、加速度センサという名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、３軸加速度センサ、半導体センサ等であってもよい。
　２００９年６月２６日出願の特願２００９－１５２２６９の日本出願に含まれる明細書、図面及び要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
　本発明の加速度センサは、例えばゲームコントローラ等の玩具や、自動車の衝撃検出装置、ハードディスクの落下検知装置、携帯電話機の入力装置等の種々の装置に広く適用し得る。
　１００　加速度センサ
　１１０　センサ部
　１１１　枠
　１１２ａ～１１２ｄ　錘
　１１１，１１３ａ～１１３ｄ　梁
　１１５，１１５ａ～１１５ｄ　電極パッド
　１１６　Ａｌ配線
　１１７　キャップ部
　１１８　接着層
　ｘ１～ｘ４　Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子
　ｙ１～ｙ４　Ｙ軸方向用のピエゾ抵抗素子
　ｚ１～ｚ４　Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子
 

Claims (5)

  1. 　枠部と、
    　錘部と、
    　前記枠部と前記錘部とを連結する梁部と、
    　前記梁部上に形成された加速度検出素子と、前記枠部に形成された電極パッドとを接続する金属配線とを有するセンサ部と、
    　前記センサ部上に配置され、該センサ部に密閉空間を形成するキャップ部と、
    　前記センサ部と前記キャップ部とを接合する接着層とを備え、
    　前記電極パッドは、前記密閉空間の方向に拡張された拡張部を有し、
    　前記キャップ部は、前記拡張部の少なくとも一部と積層される前記接着層により前記センサ部と接合する加速度センサ。
  2. 　前記拡張部は、前記金属配線に接続される端部が前記接着層と積層される請求項１記載の加速度センサ。
  3. 　前記接着層は、前記センサ部を取り囲み、かつ前記梁部から等距離に離隔する枠形状である請求項１記載の加速度センサ。
  4. 　前記接着層は、前記センサ部を取り囲み、かつ等幅の枠形状である請求項１記載の加速度センサ。
  5. 　前記接着層は、前記枠部又は前記キャップ部の材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数をもつ接着材料からなる請求項１記載の加速度センサ。
     
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