JP2001305152A - 半導体センサチップおよびその製造方法、半導体センサチップを備えた半導体センサ - Google Patents
半導体センサチップおよびその製造方法、半導体センサチップを備えた半導体センサInfo
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Abstract
コン基板表面に金属の引き出し配線を形成した場合に優
れた密封性を有する、キャップを具備する半導体センサ
チップの提供。 【解決手段】 シリコン基板に構成される物理量検出部
と、該加速度検出部の可動によって検出した加速度を電
気信号として伝達する配線部とを有してなる半導体加速
度センサチップにおいて、前記加速度検出部と前記配線
部の一部とを覆うシリコンキャップと、前記シリコンキ
ャップおよび前記シリコン基板を隙間なく接合する接合
層とを具備し、前記シリコンキャップは端部とくぼみ部
と有し、かつ略コ字状断面を有し、前記接合層は前記加
速度検出部から所定の離間距離を有する。
Description
リコン製のキャップ(以下、シリコンキャップという)
で保護された半導体センサチップおよびその製造方法
と、該半導体センサチップを備えた半導体センサに関す
る。
器の計測および校正などの幅広い分野で使用されてい
る。半導体センサには、例えば加速度センサ、圧力セン
サ、角加速度センサなどがあるが、ここでは加速度セン
サについて説明する。
ップは、例えば、シリコン基板に、重りおよび梁からな
る加速度検出部と、この加速度検出部の変位量を静電量
の変化として出力するための配線部とが設けられること
により構成される。このような構成からなるセンサチッ
プが設けられた半導体加速度センサによる加速度の検出
は、以下のようにして行われる。すなわち、半導体加速
度センサに加速度が加わると、慣性の法則に従いセンサ
チップに設けられた加速度検出部の重りとその重りを支
える梁とが可動して、加速度検出部の静電量が変化す
る。この静電量の変化を、センサチップの外部に設けた
回路によって電気信号に変換する。そして、この電気信
号が出力されることによって加速度が発生したものとし
て判断(加速度が検出)される。
より優れたセンシング特性を得るためには、重りとその
重りを支える梁とからなる加速度検出部が、検出誤差を
招く恐れのある因子(例えば水分または異物の混入)か
ら保護されていることが望ましい。そこで、従来から、
シリコンウェハに加速度検出部を形成した後、個々のチ
ップに分離するダイシング工程時に水や異物から保護す
る目的で、さらに得られたチップのモールド工程時にモ
ールド樹脂から保護する目的で、加速度検出部をキャッ
プによって覆ういくつかの試みがなされている。また、
検出感度の向上、センシング特性の安定化のために、加
速度検出部の周辺は不活性ガス雰囲気下または真空雰囲
気下にあることが望ましく、キャップの端面と基板とが
隙間なく接する密封性に優れたキャップが望まれてい
る。
ップを接合する方法として、一般に陽極接合法、共晶接
合法、および直接接合法が知られている。陽極接合法
は、ガラスキャップを使用し、加速度検出部が設けられ
たシリコンウェハと、キャップとなるガラスとの間に高
い電圧をかけて両者を接合する方法である。また、共晶
接合法は、加速度検出部が設けられたシリコンウェハ
と、Auをメッキまたは蒸着させたシリコンキャップと
をAu−Siの共晶点以上に加熱することによって接合
する方法である。さらに、直接接合法は、シリコンキャ
ップを使用し、原子レベルで表面を管理することによっ
て、加速度検出部が設けられたシリコンウェハおよびシ
リコンキャップを互いのシリコン表面で共有結合させて
接合する方法である。
法では、以下に述べるような解決すべき課題がある。
つの問題点が挙げられる。
に接合するためにガラスキャップを使用する必要があ
る。しかし、ガラスとシリコンとの熱膨張係数の違いか
ら、200〜400℃に加熱して接合した際に残留応力
が生じる。その結果、応力に敏感な加速度検出部に狂い
が生じセンシングの誤差原因となる。例えば、温度変化
に伴いセンシング特性が変化してしまう。
を印加する必要があるため、電圧印加時に加速度検出部
とキャップとの間に静電吸引力が発生する。この静電吸
引力は、加速度検出部の破壊原因またはセンシングの誤
差原因となる。
を金属によって形成すると、金属の引き出し配線を横切
る部分で接合面に凹凸が生じキャップの密閉性が低下す
る。
するダイシングにおいて、異種材料であるシリコンとガ
ラスとを切断する必要があり、ダイシングブレードの摩
耗が激しくなる。
活性であるため自然酸化膜が形成されやすく、大口径の
シリコンウェハの全域において共晶領域を形成するのが
困難となる。また、接合部にボイドが発生しやすいとい
う欠点もある。接合部にボイドが発生すると、接合強度
にばらつきが生じてしまう。また、Auが導電性に優れ
ているため、シリコン基板の表面に形成した金属の引き
出し配線を横切って接合することができず、引き出し配
線を半導体で形成するなどの工夫をしなければならな
い。
ャップを密着させるため、原子レベルで表面の平坦性が
要求され非常に高コストになる。また、この方法は、接
合表面の管理の難しさから特殊な材料にしか適用できな
い。
合法、共晶接合法、および直接接合法の抱える問題を生
じることなく、センシング特性に悪影響を与えず、かつ
シリコン基板の表面に金属の引き出し配線を形成した場
合にも優れた密閉性を有する物理量検出部にキャップが
接合された半導体センサチップおよび該半導体センサチ
ップを備えた半導体センサを提供することである。
工程の簡易化を実現するために、低コストかつ良好な接
合条件を与え、そのことによって高精度で信頼性の高い
半導体センサチップの大量生産を可能にする製造方法を
提供することである。
めに、本発明にもとづく半導体センサチップは、シリコ
ン基板に構成される物理量検出部と、該物理量検出部に
よって検出した物理量を電気信号として伝達する配線部
とを有してなる半導体センサチップにおいて、上記物理
量検出部と上記配線部の一部とを覆うシリコンキャップ
と、上記シリコンキャップの端部と上記シリコン基板と
を隙間なく接合する接合層とを具備し、上記接合層は上
記物理量検出部から所定の離間距離を有することを特徴
とする。
て、上記接合層が低融点ガラスを含む組成物からなるこ
とが好ましい。
数が60×10-7/℃以下であることが好ましい。
i−O、Al2O3およびSi−Al−Oからなる群から
選択されるフィラーを含むことが好ましい。
O−SiO2およびPbO−B2O3−SiO2からなる群
から選択されることが好ましい。
ことが好ましい。
上記接合層の厚さが50μm以下であることが好まし
い。
であることが好ましい。
て、上記接合層は高分子樹脂を含有することが好まし
い。
好ましい。
半導体センサチップのいずれかを備えることを特徴とす
る。
1の製造方法は、第1のシリコンウェハからなるシリコ
ンキャップと、物理量検出部および配線部を有する第2
のシリコンウェハからなるシリコン基板とを低融点ガラ
ス組成物からなる接合層を介して接合することによって
構成される半導体センサチップの製造方法であって、第
1のシリコンウェハの片面全体に低融点ガラス膜を形成
する第1の工程と、上記第1の工程によって得られた上
記低融点ガラス膜を有する上記第1のシリコンウェハ
に、接合層、くぼみ部、および貫通部を形成する第2の
工程と、上記第1および第2の工程によって加工された
上記第1のシリコンウェハと、物理量検出部および配線
部を有する第2のシリコンウェハとを接合することによ
って接合体を得る第3の工程と、上記第3の工程で得ら
れた接合体をダイシングして半導体センサチップに分割
する第4の工程とを備えることを特徴とする。
2の製造方法は、第1のシリコンウェハからなるシリコ
ンキャップと、物理量検出部および配線部を有する第2
のシリコンウェハからなるシリコン基板とを高分子樹脂
を含有する接合層を介して接合することによって構成さ
れる半導体センサチップの製造方法であって、第1のシ
リコンウェハの片面に、所定の形状に打ち抜いた高分子
樹脂を含有するフィルムを貼着することにより接合層を
形成する第1の工程と、上記第1の工程によって得られ
た接合層を有する上記第1のシリコンウェハにくぼみ部
と、貫通部とを形成する第2の工程と、上記第1および
第2の工程によって加工された上記第1のシリコンウェ
ハと、物理量検出部および配線部を有する第2のシリコ
ンウェハとを接合することによって接合体を得る第3の
工程と、上記第3の工程で得られた接合体をダイシング
して半導体センサチップに分割する第4の工程とを備え
ることを特徴とする。
子樹脂がポリイミドであることが好ましい。
ら本発明の半導体センサチップの一例として半導体加速
度センサチップの構造を説明する。
ンサチップの一例である半導体加速度センサチップの斜
視図、図1(b)は図1(a)のA−A’線に沿う断面
図である。
く半導体加速度センサチップ100は、シリコン基板1
0と、該シリコン基板10上に配設されたシリコンキャ
ップ20と、これらを接合する接合層30とによって構
成される。
うに、物理量検出部としての加速度検出部14と該加速
度検出部によって検出した物理量(加速度)を電気信号
として伝達する配線部15とを備える。加速度検出部1
4は、シリコン基板10の表面を切り欠きして形成され
たくぼみの周辺部からなる支持枠11と、該支持枠11
内に配設され、かつ加速度によって可動する重り12
と、該重り12を支持枠11と連結して支える梁13と
から構成される。また、配線部15は、加速度検出部1
4に配設された重り12の可動によって生じる応力の変
化を電気信号として伝達するための引き出し配線15a
と電極パット15bとから構成され、必要に応じてさら
に調節用抵抗16を有する。配線部15の材料は、アル
ミニウム、銅またはこれと同等のものを用いる。また、
シリコン基板10に形成した拡散層を引き出し線15a
として用いることもできる。なお、配線部15および調
節用抵抗16の上には、それぞれ、シリコン酸化膜ある
いはシリコン窒化膜からなる保護膜(不図示)、あるい
はこれらの保護膜を組み合わせて2層からなる保護膜
(不図示)が設けられている。なお、このような保護膜
は当業者に公知であるため、以下単に保護膜と称して詳
細な説明は省略する。
出部14に接触せず、かつその断面が略コ字状の端部
と、くぼみ部40aとから構成される蓋状の部材であ
る。このようなシリコンキャップ20の端部と上述のシ
リコン基板10とを接合層30を介して隙間なく接合す
ることにより、加速度検出部14の周辺にシリコンキャ
ップ20のくぼみ部40aと支持枠11とからなる密閉
された空間が形成される。
て、シリコンキャップの端部の面全体に接合剤からなる
接合層を設けてシリコンキャップと接合層とを一体化す
ることにより、シリコン基板とシリコンキャップとの接
合が容易に達成できる。
度センサチップにおいて、シリコンキャップ20を取り
外した状態を示す斜視図である。図中の斜線部分はシリ
コンキャップ20の端部とシリコン基板10との接合部
分を示す。引き出し配線15aの一端は、シリコンキャ
ップ20の接合部分を横断してキャップ外部に延び、こ
の外部に延びた引き出し配線15aの上に電極パット1
5bが設けられている。
検出部14の等価回路を示す図である。梁13a,13
b,13c,および13d(図2を参照)の各々には、
それぞれ半導体ストレンゲージ17a,17b,17
c,および17dが不純物拡散によって形成されてい
る。これら4つの半導体ストレンゲージによって図に示
すようなホイートストーンブリッジを形成する。このホ
イートストーンブリッジは、引き出し配線15aを通し
て電極パット15bに接続されており、さらに各電極パ
ット15bは、アルミワイヤのボンディングによって定
電圧電源部Vcc、グランド部GND、および出力部V
+、V-にそれぞれ接続されている。
プは、シリコン基板とシリコンキャップとが接合層を介
して一体化されている。接合層を構成する接合剤とし
て、加熱によって形状変形可能な低融点ガラス組成物ま
たは高分子樹脂を使用することが好ましい。低融点ガラ
ス組成物または高分子樹脂を接合剤として使用すること
により、接合層がシリコン基板表面に形成される引き出
し配線を横断してもシリコン基板とシリコンキャップと
の間の密閉性を保持することができる。
合剤として使用することによって、通常の陽極接合法の
ようにガラスキャップを使う必要がなくなる。そのた
め、シリコン基板と同一材料のシリコンキャップを使用
することができる。このことにより、キャップと基板と
の熱膨張差が実質的になくなり、熱膨張差に起因する半
導体加速度センサのセンシング特性の低下を防止でき
る。また、キャップと基板とが実質的に同一材料からな
るため、キャップと基板との接合によって得られる接合
体のダイシングが容易となり、低コストで加工すること
が可能となる。さらに、陽極接合法において発生するよ
うな電圧印加に起因するセンシング特性に対する悪影響
もない。
プの性能をより向上するためには、接合層を構成する接
合剤の熱膨張係数、接合層の厚さ「t」(図1(b)を
参照)、接合層の幅「w」および接合層と加速度検出部
との間隔「d」(それぞれ図2を参照)といった接合層
の条件についてさらに詳しく検討する必要がある。以
下、低融点ガラス組成物を接合剤として使用する場合に
ついて検討する。
討 シリコンキャップの接合に使用する低融点ガラスの熱膨
張係数を、シリコン基板の熱膨張係数と近似の値に設定
することは、センシング特性の誤差をより少なくするた
めに重要なことである。そこで、シリコン基板の熱膨張
係数を考慮した場合、接合に使用する低融点ガラスの熱
膨張係数を20〜60×10-7/℃に設定することが望
ましい。
2O3、PbO−SiO2またはPbO−B2O3−SiO2
が当業者に公知である。本発明ではPbO−B2O3−S
iO2を使用して低融点ガラス組成物を調製する。低融
点ガラス組成物の熱膨張係数を調整するために、例え
ば、Pb−Ti−O、Al2O3、Si−Al−Oなどの
フィラーを添加する。添加するフィラーとしては、特に
限定されるものではないが、低融点ガラス中で比較的安
定であるためPb−Ti−Oが好適である。
O−B2O3−SiO2を使用し、さらにフィラーとして
Pb−Ti−Oを使用して低融点ガラス組成物を調製し
た。低融点ガラスに対するフィラーの添加量を変化させ
ることにより5種類の低融点ガラス組成物を調製した。
得られた各低融点ガラス組成物の熱膨張係数は、それぞ
れ32,38,40,60,70×10-7/℃であっ
た。このような低融点ガラス組成物によって形成された
接合層を有するシリコンキャップを、加速度検出部およ
び配線部が設けられたシリコン基板に接合することによ
り試験サンプルを作製し、それぞれのVoff特性を検
討した。各試験サンプルのVoff特性を図4に示す。
速度センサチップのホイートストンブリッジにVccを
かけたとき(Voff) =(V-)−(V+)によって算
出されるもので、センシング特性の1つの評価項目とな
る。Voff値は、加速度検出部にかかる応力によって
値が変化し、一般に−30〜+30mVが許容範囲とな
る。この範囲外では、外部から加速度検出部にかかる応
力によって生じる加速度検出部の歪みが大きくなりすぎ
るため、センシングの安定性および信頼性の面から好ま
しくない。
熱膨張係数が70×10-7/℃のものでは、Voff値
が大きく変動し、上述の許容範囲から外れた。通常、接
合部分と加速度検出部との距離「d」(図2を参照)を
長くすることでVoff値の変動を小さくできると考え
られる。しかし、接合部分と加速度検出部との距離
「d」を長くすると、それに伴ってセンサチップ寸法が
大きくなるため好ましくない。一方、シリコンキャップ
を接合している低融点ガラスの熱膨張係数を60×10
-7/℃以下に調整することにより、接合部分と加速度検
出部との距離「d」を長くすることなしに、Voff値
の変動が少ない良好なセンシング特性を達成することが
可能になることが分かった。したがって、上述の低融点
ガラスとフィラーとを適宜選択して、低融点ガラス組成
物の熱膨張係数を20×10-7〜60×10-7/℃に調
整することが望ましい。
−B2O3−SiO2は、CaO、MgO、ZnOなどが
添加されたものであってもよい。さらに、低融点ガラス
組成物に酸化防止剤、紫外線安定剤などの当業者に知ら
れた添加剤を必要に応じて添加してもよい。
接合層の厚さ「t」、接合層の幅「w」といった接合層
の各寸法によっても変動する。
た場合は、接合層の各寸法による影響が顕著に現れる。
したがって、接合剤として熱膨張係数が30×10-7/
℃のPbO−B2O3−SiO2を使用し、接合層の各寸
法が異なる半導体加速度センサチップを作製し、それぞ
れのVoff値を検討した。その結果を表1に示す。
接合層との間隔「d」が50μm以上離れており、接合
層の幅「w」が300μm以下、接合層の厚さ「t」が
50μm以下のとき、良好なセンシング特性が得られる
ことが分かった。さらに、接合層の幅「w」が狭くなる
と接合強度が低下するため、接合層の幅「w」は100
〜300μmの範囲にあることが望ましい。また、接合
層の厚さ「t」が薄くなると接合強度が低下するため、
接合層の厚さは20〜50μmの範囲にあることが望ま
しい。
検討 先の検討において作製したセンサチップの断面を顕微鏡
により観察したところ、接合層の厚さ「t」がフィラー
として使用したPb−Ti−Oの最大粒子径と同等の3
0μmであることが分かった。このことから、フィラー
は、低融点ガラスとして使用したPbO−B2O3−Si
O2の接合温度においても形状変化することがなく、フ
ィラーの粒子の大きさによって接合層の厚さ「t」を精
度良く制御できることが分かった。そこで、フィラーの
粒子径と接合層の厚さ「t」との関係をより詳しく検討
することにした。
2O3−SiO2を用い、フィラー粒子径が異なるPb−
Ti−Oの一定量を添加することにより低融点ガラス組
成物を調製した。フィラーには、フィラーの最大粒子径
が32μm、45μm、50μm、75μmのものをそ
れぞれ使用した。このような低融点ガラス組成物を用い
て、シリコンキャップを作製し、シリコン基板に接合す
ることにより試験サンプルを作製し、それぞれの接合層
の厚さ「t」を検討した。その結果を図5に示す。
のもので接合層の厚さ「t」は30μm、45μmのも
ので接合層の厚さ「t」は44μm、50μmのもので
接合層の厚さ「t」は50μm、75μmのもので接合
層の厚さ「t」は85μmになった。最大粒子径と接合
層の厚さ「t」の値は、最大粒子径が50μm以下のフ
ィラーを用いた場合についてほぼ同じになった。したが
って、接合層の厚さ「t」を50μm以下にする場合、
フイラーの最大粒子径を50μm以下にすればよいこと
が分かった。
において十分に機能するためには、低融点ガラス組成物
に対して10wt%〜85wt%、より好ましくは40
wt%〜75wt%の範囲で使用することが好ましい。
だたし、フィラーは低融点ガラス組成物の熱膨張係数を
調整する目的でも使用されるため、熱膨張係数との兼ね
合いで添加量を調整する必要があることは当業者にとっ
て容易に理解できるであろう。
プを接合している低融点ガラスの熱膨張係数を、加速度
検出部および配線部を有するシリコン基板の熱膨張係数
と近似する20〜60×10-7/℃に設定することが好
ましい。
部の一部とを取り囲み、かつシリコン基板にシリコンキ
ャップを接合する接合層は、その接合層と加速度検出部
との間隔「d」が50μm以上、接合部分の幅「w」が
300μm以下、さらに接合層の厚さ「t」が50μm
以下であることが好ましい。
膨張係数および接合層の各寸法をそれぞれ設定すること
により、接合後のキャップの残留応力が極めて小さくな
り、センシング特性へ悪影響を防ぐことが可能となる。
その結果、使用時の温度特性に優れた半導体加速度セン
サチップを提供することが可能となる。
を使用する場合、該低融点ガラス組成物をPbO−B2
O3、PbO−SiO2およびPbO−B2O3−SiO2
からなる群から選択される低融点ガラスと、Pb−Ti
−Oからなるフィラーとから構成することが好ましい。
上述の低融点ガラスを使用することによってシリコンキ
ャップの接合温度を低くすることができ、またフィラー
を添加することによって熱膨張係数を小さく抑えること
ができる。さらにフィラーの最大粒子径を50μm以下
とすることで接合層の厚さを精度良く50μm以下に調
整することができる。
果を記載したが、接合剤として高分子樹脂を使用するこ
ともできる。接合剤として使用する高分子樹脂は、シリ
コン基板への接着力が強く、ガスの発生が少なく、吸水
および透湿性が低く、かつ気密性が高く、さらにシート
として用いた場合の取り扱いが容易であることが好まし
い。このような高分子樹脂として、ポリイミドやエポキ
シ系樹脂などが挙げられる。特に限定されるものではな
いが、シリコン基板への接着力が高く、ガスの発生が少
なく、透湿性が低く、かつフィルムとした際の取り扱い
性に優れたポリイミドが好適である。なお、接合剤とし
て使用する高分子樹脂に酸化防止剤、紫外線安定剤、な
どの当業者に知られた添加剤を必要に応じて添加しても
よい。
ップの一例である半導体加速度センサチップを備えた半
導体加速度センサの一例を示すブロック図である。図6
に示すように半導体加速度センサは、半導体加速度セン
サチップ100に、さらに増幅回路110と、ハイパス
フィルタ120aおよびローパスフィルタ120bと、
デジタル調整回路130とを備えることにより構成され
る。
ンサ出力は、増幅回路110で増幅され、ハイパスフィ
ルタ120aおよびローパスフィルタ120bを通した
後に出力Voutとして得られる。また、感度補正のた
めのデータVgと、感度の温度特性を補正するためのデ
ータTCSと、オフセット電圧Voff(加速度を印加
しない状態でのセンサ出力)と、オフセット電圧のずれ
を補正するための補正値ΔVoffは、デジタル調整回
路130から増幅回路110に入力される。
ーパスフィルタ120bは外部回路であってもよい。ま
た、それら周波数応答領域の調整部分などをデジタル調
整回路130に組み込んでもよい。その他、本発明の半
導体加速度センサチップを様々な形態のセンサに組み込
んで半導体加速度センサチップを構成できることは当業
者であれば容易に理解されよう。さらに、加速度センサ
チップ100と増幅回路110などの電子回路を一つの
チップとして形成することも可能である。
サチップの製造方法について説明する。
との接合に低融点ガラス組成物を使用する本発明にもと
づく半導体センサチップの一例である半導体加速度セン
サチップの製造方法について図7および図8を参照しな
がら説明する。図7は、半導体加速度センサチップの製
造方法を示す模式的断面図であり、(a)から(d)は
各工程に対応する。図8は、半導体加速度センサチップ
の製造方法を示すフローチャートである。
リコンウェハ21の片面全面に接合層30aとなる低融
点ガラス膜を形成する(S801)。低融点ガラス膜の
形成は、例えば、低融点ガラス組成物のペーストを塗布
した後、加熱して脱バインダーおよび仮焼成を行うこと
によって達成できる。
融点ガラス膜の所定位置に保護膜(不図示)を形成し、
接合層30aおよび第1のシリコンウェハ21にサンド
ブラスト加工を施すことにより、複数のくぼみ部40a
と隣接するくぼみ部40a間に複数の貫通部40bとを
形成する(S802)。なお、図では、貫通部40bの
形成によって、あたかも第1のシリコンウェハ21が個
々のチップに分断されたように見えるが、実際のところ
図示されていない部分でつながっており、この時点では
個々に分離されていない。
aとなる低融点ガラス膜側から低融点ガラス膜と第1の
シリコンウェハ21とを一度に掘り込むことが可能であ
る。そのため、あらかじめ低融点ガラス膜をパターニン
グによって形成すること、または2段エッチングを行う
必要がない。また、サンドブラスト加工に限らず、低融
点ガラス膜のエッチングと第1のシリコンウェハ21の
異方性エッチングとを行うことで、同様に加工すること
もできる。
検出部14と配線部15、および該配線部15上に設け
られる保護膜(不図示)が形成された第2のシリコンウ
ェハ(センサ形成シリコンウェハともいう)18と、先
の工程で加工した第1のシリコンウェハ21とを接合す
る(S803)。接合は、先ずシリコンウェハ同士の位
置決めを行った後、それらの周囲をばね式のクランプで
仮止する。次いで、仮止めした第1のシリコンウェハ2
1とセンサ成形シリコンウェハ18とをホットプレス炉
に挿入し、室温付近で内部雰囲気を窒素に置換し、40
0〜500℃に加熱しながら5〜20×104Paで加
圧することにより達成できる。また、センサ形成シリコ
ンウェハ18は、当業者に周知の技術を用いてシリコン
ウェハに加速度検出部および配線部を設けることによっ
て作製することができる。
程で得られた接合体を、ダイシングにより個々の半導体
加速度センサチップに分離する(S804)。
製することによって、低融点ガラス組成物のペーストを
塗布する際にマスキングおよび位置決めが不要になり、
センサチップを簡便に製造することができる。また、接
合層となる低融点ガラス膜を精度良く形成した第1のシ
リコンウェハからなるシリコンキャップを作製すること
が可能となる。
脂を使用した本発明にもとづく半導体センサチップの一
例である半導体加速度センサチップの製造方法について
図9および図10を参照しながら説明する。図9は、半
導体加速度センサチップの製造方法を示す模式的断面図
であり、(a)から(d)は各工程に対応する。図10
は、半導体加速度センサチップの製造方法を示すフロー
チャートである。
0bとしてあらかじめパターニングして打ち抜いた高分
子樹脂フィルムを、第1のシリコンウェハ21の片面に
で荷重を掛けながら、で熱処理することにより貼着する
(S1001)。
30bを有する第1のシリコンウェハ21の所定位置に
保護膜(不図示)を形成し、第1のシリコンウェハ21
にサンドブラスト加工を施すことにより、複数のくぼみ
部40aと隣接するくぼみ部40a間に複数の貫通部4
0bとを形成する(S1002)。なお、図では、貫通
部40bの形成によって、あたかも第1のシリコンウェ
ハ21が個々のチップに分断されたように見えるが、実
際のところ図示されていない部分でつながっており、こ
の時点では個々に分離されていない。
検出部14と配線部15、および該配線部15上に設け
られる保護膜(不図示)が形成された第2のシリコンウ
ェハ(以下、センサ形成シリコンウェハともいう)18
と、先の工程によって加工した第1のシリコンウェハ2
1とを接合する(S1003)。接合は、先ずシリコン
ウェハ同士の位置決めを行った後、それらの周囲をばね
式のクランプで仮止する。次いで、仮止めした第1のシ
リコンウェハ21とセンサ形成シリコンウェハ18とを
ホットプレス炉に挿入し、室温付近で内部雰囲気を窒素
に置換し、150〜250℃に加熱しながら1×104
〜10×104Paで加圧することにより達成される。
また、センサ形成シリコンウェハ18は、当業者に周知
の技術を用いてシリコンウェハに加速度検出部および配
線部を設けることによって作製することができる。
程で得られた接合体を、ダイシングにより個々のセンサ
チップに分離する(S1004)。
樹脂フィルムを接合層としてシリコンウェハに設けるこ
とにより、サンドブラストでは抜けない高分子樹脂を使
用しても接合層を有するキャップを容易かつ精度よく加
工することが可能となる。
導体加速度センサチップのそれぞれの製造方法は、あら
かじめ接合層を設けたシリコンウェハ(第1のシリコン
ウェハ21)をキャップ材料として使用するため、接合
層を精度よく形成することができる。また、センサ形成
シリコンウェハとの位置合わせおよび接合が容易とな
る。また、キャップ材料と基板材料とが同種のシリコン
ウェハであるため、ダイシング工程におけるダイシング
ブレードの摩耗を低減できる。さらに、大口径のシリコ
ンウェハを使用することにより大量生産が容易になる。
プおよびその製造方法について実施例により具体的に説
明する。しかし、本発明はこれらの実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々
変更可能であることはいうまでもない。
に低融点ガラス組成物を使用する半導体加速度センサチ
ップの製造を例示するものである。
面全面に低融点ガラス組成物のペーストをスクリーン印
刷によって塗布した。それを150℃で乾燥し、350
℃に加熱して脱バインダーおよび仮焼成を行うことによ
り、シリコンウェハの片面全面に膜厚35μmの低融点
ガラス膜を形成した。なお、本実施例で使用する低融点
ガラス組成物は、低融点ガラスPbO−B2O3−SiO
2と最大粒子径が30μmであるフィラーPb−Ti−O
とからなり、この低融点ガラス組成物の重量を基準にし
て65重量%のフィラーを使用することにより調製し
た。
ハの所定位置に保護膜を形成し、サンドブラスト加工を
施すことにより、低融点ガラス膜とシリコン基板とを掘
り込み、くぼみ部を形成した。さらに、電極パットに対
応する部分を貫通させることにより貫通部を形成した。
ハと、あらかじめ作製したセンサ形成シリコンウェハと
の位置決めを行い、これらのシリコンウェハの周囲をば
ね式のクランプで仮止めした。次いで、仮止めしたシリ
コンウェハをホットプレス炉に挿入し、室温付近でホッ
トプレス炉内部を窒素雰囲気に置換させた後、450℃
に加熱しながら15×104Paで加圧することにより
接合した。
を、ダイシングにより切断し、個々のセンサチップを得
た。得られたセンサチップは、接合部の厚さが30μ
m、幅250μm、加速度検出部と接合部との間隔が50
μmであった。
プの電極パットと外部の電子回路とをワイヤーボンディ
ングにより接続することで半導体加速度センサを作製し
た。その半導体加速度センサを使用して半導体センシン
グ特性を評価した結果、精度良く加速度を検出すること
ができた。
ハと、センサ形成シリコンウェハとの接合をヘリウムガ
ス雰囲気下で行うことを除いて、実施例1と同様の方法
により半導体加速度センサチップを作製し、次いで、得
られた半導体加速度センサチップの密閉性についてガス
リークテストを行った。密閉された容器中にセンサチッ
プを入れ、次いで真空で引きながらガス分析を行い、セ
ンサチップからのヘリウムガスの流出を調べたところ、
ヘリウムガスが検出されることはなく、キャップは完全
に密閉されていることが分かった。もちろん、キャップ
内部への水分の進入も認められなかった。このように、
シリコンキャップの接合に低融点ガラス組成物を使用す
ることで、引き出し配線の数μmの段差に関わらず、キ
ャップ内部を完全に密閉することができた。
プの接合に高分子樹脂を使用する半導体加速度センサチ
ップの製造を例示するものである。
イミド製フィルムをパターニングによって打ち抜く。次
に、6インチ径のシリコンウェハと打ち抜いたポリイミ
ド製フィルムを、30×104Paの荷重を掛けながら
160℃で熱処理してシリコンウェハの片面に貼着し
た。
膜付きシリコンウェハの所定位置に保護膜を形成し、サ
ンドブラストで加工を施すことによりシリコンウェハを
掘り込み、くぼみ部を形成した。さらに、電極パットに
対応する部分を貫通させることにより、貫通部を形成し
た。
ハと、あらかじめ作製したセンサ形成シリコンウェハと
の位置決めを行い、これらのシリコンウェハの周囲をば
ね式のクランプで仮止めした。次いで、仮止めしたシリ
コンウェハをホットプレス炉に挿入し、室温付近でホッ
トプレス炉内部を窒素雰囲気に置換させた後、180℃
に加熱しながら5×104Paで加圧することにより接
合した。
を、ダイシングにより切断し、個々のセンサチップを得
た。得られたセンサチップは、接合部の厚さが50μ
m、幅250μm、加速度検出部と接合部との間隔が50
μmであった。
プの電極パットと外部の電子回路とをワイヤーボンディ
ングにより接続することで半導体加速度センサを作製し
た。その半導体加速度センサを使用して半導体センシン
グ特性を評価した結果、精度良く加速度を検出すること
ができた。
ハと、センサ形成シリコンウェハとの接合をヘリウムガ
ス雰囲気下で行うことを除いて、実施例3と同様の方法
により半導体加速度センサチップを作製し、次いで、得
られた半導体加速度センサチップの密閉性についてガス
リークテストを行った。密閉された容器中にセンサチッ
プを入れ、次いで真空で引きながらガス分析を行い、セ
ンサチップからのヘリウムガスの流出を調べたところ、
ヘリウムの流出が認められた。しかし、キャップ内部へ
の水分の進入は認められず、キャップは完全に密閉性を
確保していることが分かった。つまり、シリコンキャッ
プの接合にポリイミドを使用した場合には、引き出し配
線の数μmの段差に関わらず、キャップ内部への水分の
進入を防ぐことができる。
いて半導体加速度センサを例に挙げて説明した。しか
し、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、
半導体圧力センサ、半導体角加速度センサをはじめ物理
量を検出するものにも同様に適用可能である。
導体加速度センサチップは、加速度検出部を覆うように
接合層を介してシリコンキャップを設けることにより、
センシング特性に悪影響を与えず、シリコン基板表面に
金属の引き出し配線を形成した場合においても優れた密
封性を提供することが可能となる。また、このような半
導体加速度センサチップを用いることにより高精度で信
頼性の高い半導体加速度センサを実現することが可能と
なる。さらに、上記実施の形態にもとづく製造方法を用
いることにより、低コストで精度よく半導体加速度セン
サチップを大量生産することが可能となる。
半導体センサチップは、シリコンウェハ(シリコン基
板)上に設けられた物理量検出部を覆うように接合層を
介してシリコンウェハ(シリコンキャップ)を設けるこ
とにより、センシング特性に悪影響を与えず、シリコン
基板表面に金属の引き出し配線からなる配線部を形成し
た場合においても優れた密封性を提供することが可能と
なる。また、このような半導体センサチップを用いるこ
とにより高精度で信頼性の高い半導体センサを実現する
ことが可能となる。さらに、本発明にもとづく製造方法
を用いることにより、低コストで精度よく半導体センサ
チップを大量生産することが可能となる。
体加速度センサチップを示すものであり、(a)は斜視
図、(b)は(a)のA−A’線に沿う断面図である。
体加速度センサチップにおいて、キャップを外した状態
での斜視図である。
体加速度センサチップにおける加速度検出部の配線を示
す模式図である。
点ガラス組成物の熱膨張係数とVoff特性の関係を示
すグラフである。
を示すグラフである。
導体加速度センサの一実施形態例を示すブロック図であ
る。
ある半導体加速度センサチップの第1の製造方法を示す
模式的断面図であり、(a)〜(d)は各工程に対応す
る図である。
ある半導体加速度センサチップの第1の製造方法を説明
するフローチャートである。
ある半導体加速度センサチップの第2の製造方法を示す
模式的断面図であり、(a)〜(d)は各工程に対応す
る図である。
である半導体加速度センサチップの第2の製造方法を説
明するフローチャートである。
ジ 18 第2のシリコンウェハ、センサ形成シリコンウェ
ハ 20 シリコンキャップ 21 第1のシリコンウェハ 30、30a、30b 接合層 40a くぼみ部 40b 貫通部 100 半導体加速度センサチップ 110 増幅回路 120a ハイパスフィルタ 120b ローパスフィルタ 130 デジタル調整回路 w 接合部分の幅 t 接合層の厚さ d 接合部分と加速度検出部との間隔
Claims (14)
- 【請求項1】 シリコン基板に構成される物理量検出部
と、該物理量検出部によって検出した物理量を電気信号
として伝達する配線部とを有してなる半導体センサチッ
プにおいて、 前記物理量検出部と前記配線部の一部とを覆うシリコン
キャップと、 前記シリコンキャップの端部と前記シリコン基板とを隙
間なく接合する接合層とを具備し、 前記接合層は前記物理量検出部から所定の離間距離を有
することを特徴とする半導体センサチップ。 - 【請求項2】 前記接合層が低融点ガラスを含む組成物
からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体セン
サチップ。 - 【請求項3】 前記低融点ガラスを含む組成物の熱膨張
係数が60×10-7/℃以下であることを特徴とする請
求項2に記載の半導体センサチップ。 - 【請求項4】 前記低融点ガラスを含む組成物がPb−
Ti−O、Al2O3およびSi−Al−Oからなる群か
ら選択されるフィラーを含むことを特徴とする請求項2
または3のいずれかに記載の半導体センサチップ。 - 【請求項5】 前記低融点ガラスがPbO−B2O3、P
bO−SiO2およびPbO−B2O3−SiO2からなる
群から選択されることを特徴とする請求項2から4のい
ずれかに記載の半導体センサチップ。 - 【請求項6】 前記所定の離間距離が50μm以上であ
ることを特徴とする請求項2から5のいずれかに記載の
半導体センサチップ。 - 【請求項7】 前記接合層の幅が300μm以下であ
り、前記接合層の厚さが50μm以下であることを特徴
とする請求項2から6のいずれかに記載の半導体センサ
チップ。 - 【請求項8】 前記フィラーの最大粒子径が50μm以
下であることを特徴とする請求項4から7のいずれかに
記載の半導体センサチップ。 - 【請求項9】 前記接合層が高分子樹脂を含有すること
を特徴とする請求項1に記載の半導体センサチップ。 - 【請求項10】 前記高分子樹脂がポリイミドであるこ
とを特徴とする請求項9に記載の半導体センサチップ。 - 【請求項11】 請求項1から10のいずれかに記載の
半導体センサチップを備えることを特徴とする半導体セ
ンサ。 - 【請求項12】 第1のシリコンウェハからなるシリコ
ンキャップと、物理量検出部および配線部を有する第2
のシリコンウェハからなるシリコン基板とを低融点ガラ
ス組成物からなる接合層を介して接合することによって
構成される半導体センサチップの製造方法であって、 第1のシリコンウェハの片面全体に低融点ガラス膜を形
成する第1の工程と、 前記第1の工程によって得られた前記低融点ガラス膜を
有する前記第1のシリコンウェハに、接合層、くぼみ
部、および貫通部を形成する第2の工程と、 前記第1および第2の工程によって加工された前記第1
のシリコンウェハと、物理量検出部および配線部を有す
る第2のシリコンウェハとを接合することによって接合
体を得る第3の工程と、 前記第3の工程で得られた接合体をダイシングして半導
体センサチップに分割する第4の工程とを備えることを
特徴とする半導体センサチップの製造方法。 - 【請求項13】 第1のシリコンウェハからなるシリコ
ンキャップと、物理量検出部および配線部を有する第2
のシリコンウェハからなるシリコン基板とを高分子樹脂
を含有する接合層を介して接合することによって構成さ
れる半導体センサチップの製造方法であって、 第1のシリコンウェハの片面に、所定の形状に打ち抜い
た高分子樹脂を含有するフィルムを貼着することにより
接合層を形成する第1の工程と、 前記第1の工程によって得られた接合層を有する前記第
1のシリコンウェハにくぼみ部と、貫通部とを形成する
第2の工程と、 前記第1および第2の工程によって加工された前記第1
のシリコンウェハと、物理量検出部および配線部を有す
る第2のシリコンウェハとを接合することによって接合
体を得る第3の工程と、 前記第3の工程で得られた接合体をダイシングして半導
体センサチップに分割する第4の工程とを備えることを
特徴とする半導体センサチップの製造方法。 - 【請求項14】 前記高分子樹脂がポリイミドであるこ
とを特徴とする請求項13に記載の半導体センサチップ
の製造方法。
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