JP2009079948A

JP2009079948A - 半導体加速度センサ及びその製造方法

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Publication number: JP2009079948A
Application number: JP2007248337A
Authority: JP
Inventors: Akio Nakamura; 彰男中村; Yoshifumi Sakamoto; 吉史坂本
Original assignee: Oki Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】小型化に寄与する半導体加速度センサ及びその製造方法を提供すること。また、構造の簡素化又は搭載工程の簡略化によりコストの低減に寄与する半導体加速度センサ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】半導体基板を用いて製造される半導体加速度センサにおいて、加速度の発生により変位する平板状の錘と；前記半導体基板から突出し、前記錘と当該半導体基板とを連結する錘ポストと；半導体基板上に形成され、前記錘ポストと連結され、前記錘の動きに応じて加速度を検知する検知素子と；前記半導体基板に形成され、前記検知素子に接続された第１の配線と；前記半導体基板から前記錘ポストと同じ方向に突出し、前記第１の配線と電気的に接続された外部端子とを備える。そして、前記外部端子は、実装基板に対して直接実装される。
【選択図】図４

Description

本発明は半導体加速度センサに関し、特に、構造及び製造工程の工夫により小型化及び低コスト化に寄与する半導体加速度センサ及びその製造方法に関する。

近年、半導体微細加工技術を応用したマイクロマシン技術を用い、数百ミクロン程度の非常に微小な構造体を製造する方法が注目を集めている。このような微小構造体は、各種センサや光通信分野における光スイッチ、高周波部品などへの応用が検討されている。一般に、このようなマイクロマシン応用部品は、半導体プロセスを用いて製造されるため、信号処理系LSIとチップ上で集積化することが可能である。その結果、ある一つの機能をもったシステムをチップ上に構築することが可能となる。米国ではこのような機能を持った素子はＭＥＭＳ（Micro Electrical Mechanical System）、欧州ではＭＩＳＴ（Micro System Technology）と呼ばれている。

ＭＥＭＳ（ＭＩＳＴ）の応用部品として広く用いられているものの一つに加速度センサがある。加速度センサは、自動車のエアバッグや地震活動などの地下環境情報計測システム、ＩＴ部品の耐震システムなどに幅広く利用されている。特公平８−７２２８号公報には、ＭＥＭＳ構造を採用したピエゾ型加速度センサが示されている。
特公平８−７２２８号公報

図１は、上記特許文献１に開示された半導体加速度センサの上面図（透視図）を示す。また、図２は図１のＡ−Ａ方向の断面構造を示す。この加速度センサは、セラミックス、金属、有機材などの薄板材１１により気密されている。薄板材１１の内部には、配線部１２が設けられている。配線部１２の上には、接着剤１６を介してセンサチップ１５が搭載されている。センサチップ１５は、加速度の発生によって変位する錘１３と、錘１３の振幅を制御するガラス板１４とを含んでいる。センサチップ１５上に形成されたアルミニウム電極１７とポスト２０とが金属ワイヤ１８を介して接続される。ポスト２０は、外部端子１９と電気的に接続されている。

上記のような従来の半導体加速度センサにおいては、加速度検出素子（ピエゾ抵抗素子）に接続されたチップ電極１７から外部端子１９（２０）までを金属ワイヤー１８で配線しており、また、センサを密封する必要があるため、センサ全体の高さ及び面積が大きくなってしまう。その結果、携帯電話やゲーム機の操作部などの小型携帯機器に使用することが困難であった。また、構成材料が多いため、製造工程が複雑となり、結果として装置コストが高くなっていた。

本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり、小型化に寄与する半導体加速度センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、構造の簡素化又は搭載工程の簡略化によりコストの低減に寄与する半導体加速度センサ及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、半導体基板を用いて製造される半導体加速度センサにおいて、加速度の発生により変位する平板状の錘と；前記半導体基板から突出し、前記錘と当該半導体基板とを連結する錘ポストと；半導体基板上に形成され、前記錘ポストと連結され、前記錘の動きに応じて加速度を検知する検知素子と；前記半導体基板に形成され、前記検知素子に接続された第１の配線と；前記半導体基板から前記錘ポストと同じ方向に突出し、前記第１の配線と電気的に接続された外部端子とを備える。そして、前記外部端子は、実装基板に対して直接実装される。

上記のような半導体加速度センサにおいて、好ましくは、前記錘と前記実装基板との間には所定の空間が形成され、前記錘は前記実装基板に対して密封されない構造とする。

また、前記錘ポストは、前記錘の重心位置に連結された１本のポストとすることが好ましい。

更に、前記検知素子は、前記錘の重心位置を中心とした仮想円上で等間隔に配置された少なくとも３つの素子であることが好ましい。

前記錘は、銅めっきにより成形することができる。

本発明の第２の態様は、半導体基板を用いて製造される半導体加速度センサの製造方法において、半導体基板上に、錘の動きに応じて加速度を検知する検知素子を形成する工程と；前記半導体基板上に、前記検知素子に接続された第１の配線を形成する工程と；前記半導体基板上に、前記検知素子と連結された第２の配線を形成する工程と；前記第２の配線に連結され、前記半導体基板から突出した錘ポストを形成する工程と；前記半導体基板から前記錘ポストと同じ方向に突出し、前記第１の配線と電気的に接続された外部端子を形成する工程と；前記錘ポストに連結され、前記半導体基板に対して概ね平行な平板状の錘を形成する工程とを含む。そして、前記第２の配線により前記錘ポストに加わる応力を前記検知素子に伝達する構造とする。また、前記外部端子を実装基板に対して直接実装する。

上記のような半導体加速度センサの製造方法において、好ましくは、前記錘と前記実装基板との間には所定の空間が形成され、前記錘は前記実装基板に対して密封されない構造とする。

前記錘は、銅めっきにより成形することができる。

上記のような構成の本発明によれば、センサチップと搭載基板との接続に金属ワイヤを用いず、外部端子を搭載基板に直接搭載する構造であるため、半導体センサ全体の高さ及び面積が小さくなる。本発明に係る半導体加速度センサは、ＷＣＳＰ（ウエハレベル・チップサイズパッケージ）とすることができる。また、金属ワイヤを用いないことにより、構造及び製造工程も簡素化され、コストの低減を図ることが可能となる。さらに、従来とは全く異なる新規な構造の錘及びその支持構造を採用していることも、装置の小型化や製造工程の簡素化に寄与する。

外部端子を搭載基板に直接搭載することにより、錘（センサチップ）を実装基板に対して密封されない構造とすることができ、装置の薄型化を図ることができる。また、センサチップを密封する工程を必要としないため、製造工程が簡略化される。

錘の重心位置に１本の錘ポストを連結する構造を採用すれば、構造及び製造工程の簡素化を図ることが可能となる。

錘の重心位置を中心とした仮想円上で等間隔に検知素子を少なくとも３つ配置することにより、各検知素子の出力に基づき３次元の加速度を正確に測定することが可能となる。

本発明に係る錘及びその支持構造においては、錘を銅めっきで容易に成形することができ、製造工程の簡素化及び製造コストの低減に寄与する。

図３は、本発明に係る半導体加速度センサの構造を示す上面図（透視図）である。図４は、図３のＡ−Ａ方向の断面図である。図５は、図４の領域Ａの構造を示す拡大断面図である。図６は、図４の領域Ｂの構造を示す拡大断面図である。図７は、本発明に係る半導体加速度センサの錘、錘ポスト、加速度検知素子、応力伝達配線との位置関係を示す説明図（平面）である。

本発明の実施例に係る半導体加速度センサ１００は、加速度の発生により変位する平板状の錘１０１と；半導体基板１３１から突出し、錘１０１と半導体基板１３１とを連結する錘ポスト１０２と；半導体基板１３１上に形成され、錘１０１の動きに応じて加速度を検知する検知素子１０３と；半導体基板１３１に形成され、錘ポスト１０２と検知素子１０３との間に連結され、錘ポスト１０２に加わる応力を検知素子１０３に伝達する第２の配線（応力伝達用配線）１１８と；半導体基板１３１に形成され、検知素子１０３に接続された第１の配線１０６と；半導体基板１３１から錘ポスト１０２と同じ方向に突出し、第１の配線１０６と電気的に接続された外部端子（１０５，１０８）とを備える。そして、外部端子（１０５，１０８）は、実装基板に対して直接実装される。

本発明に係る「半導体加速度センサ」は、自動車のエアバッグや地震活動などの地下環境情報計測システム、ＩＴ部品の耐震システムなどの比較的大きな装置に適用することができる他、携帯電話やゲーム機の操作部などの小型携帯機器に使用することも可能である。

錘１０１は、銅めっきにより厚さ約１００マイクロメートル、１辺約１．５ｍｍの矩形に成形されている。なお、錘の平面形状は矩形以外に、円形、正多角形などの他の形状を採用することもできる。図４に示すように、錘１０１の上面と外部端子１０８の上面との差（距離）ｄは約１００マイクロメートルとすることができる。この隙間ｄによって錘１０１が実装基板（図示せず）から離れて自由に変位することができる半面、実装基板方向への過剰な移動が防止される。すなわち、実装基板自体がストッパーの役割を果たすことになる。

錘ポスト１０２は、錘１０１と同様に銅によって、直径約１５０マイクロメートル、高さ（厚み）約９０マイクロメートルに成形されている。また、図３及び図７から分かるように、錘ポスト１０２は錘１０１の重心位置（中心）に連結されている。なお、錘ポストを複数配置することもできる。

検知素子１０３としては、加速度センサにおいて一般的なピエゾ抵抗素子を使用することができる。本実施例においては、検知素子１０３は錘１０１の重心位置を中心とした仮想円上で等間隔に４つ配置されている。なお、検知素子１０３は３つ又は４つ以上とすることもできる。

応力伝達用配線１１８は、厚さ約５マイクロメーター〜１０マイクロメーターの銅によって形成される。なお、錘ポスト（１０２）を複数設けた場合には、錘ポスト（１０２）を直接ピエゾ抵抗素子（１０３）に直接連結し、応力伝達用配線１１８を省略することも可能である。ただし、応力伝達用配線１１８を用いることによりピエゾ抵抗素子１０３の配置自由度が増すこととなる。すなわち、錘１０１から離れた位置にピエゾ抵抗素子１０３を配置することが可能となる。

端子ポスト１０５は、錘ポスト１０２と同様に、銅により直径約１５０マイクロメートル、高さ（厚み）約９０マイクロメートルに成形される。端子ポスト１０５の上には半田端子（半田ボール）１０８が設けられている。半田端子１０８は、直径約２００マイクロメーターに成形されており、上述したように、錘１０１よりも図の上方に突出した格好となっている。半田端子１０８としては、通常の半田の他に中心部に樹脂を含むいわゆる「樹脂コア」タイプの半田を用いることができ、この場合には通常の半田の場合に比べて高さ（厚み）を大きくすること及び、高さを調整することが容易となる。

端子ポスト１０５と検知素子１０３とは金属配線１０６，１１５によって接続されている。ここで、金属配線１１５及び検知素子１０３は半導体基板１３１上の第一層目に形成され、絶縁膜１３２に覆われている。一方、配線１０６及び１０８は、第二層目に形成され、絶縁膜１３３に覆われている。

上述したような本発明の実施例に係る半導体加速度装置においては、当該装置に加速度が発生したときに、錘１０１を支える金属ポスト１０２が変形する。ポスト１０２が変形すると、応力伝達用配線１１８を介して検知素子１０３に応力が伝達され、当該検知素子１０３の電気特性が変化する。この変化は検知素子１０３の出力信号として配線１１５，１０６、端子ポスト１０５、半田端子１０８を介して実装基板１５０（図１１参照）に送信される。

図８（Ａ）−図８（Ｄ）、図９（Ｅ）−図９（Ｇ）、図１０（Ｈ）−図１０（Ｊ）、図１１（Ｋ），図１１（Ｌ）は、本発明に係る半導体加速度センサ１００の製造工程を示す断面図である。半導体加速度センサ１００の製造に際しては、まず図８（Ａ）に示すように、半導体基板（ウエハ）１３１の表面にピエゾ抵抗素子１０３及び金属配線１１５が形成され、さらに絶縁膜１３２が形成される。

次に、図８（Ｂ）に示すように、絶縁膜１３３がウエハ全面に形成される。その後、図８（Ｃ）に示すように、絶縁膜１３３上及び表面に応力伝達用配線１１８及び金属配線１０６を形成する。次に、図８（Ｄ）に示すように、金属配線１０６，１１８を保護する絶縁膜１３４を形成する。

続いて、絶縁層１３４の上に絶縁フィルム１３５を形成する。その後、一般的なフォトリソグラフィック工程及びエッチング工程により、図９（Ｅ）に示すように、絶縁層１３４及び絶縁フィルム１３５を貫通して配線１１８及び１０６に到達する円柱孔１３６を形成する。

次に、電解メッキ工程によって、図９（Ｆ）に示すように、後に錘ポスト１０２及び端子ポスト１０５となる銅などの金属を円柱孔１３６内部に充填する。その後、図９（Ｇ）に示すように、別の絶縁フィルム１４０を絶縁フィルム１３５上に形成し、一般的なフォトリソグラフィック工程及びエッチング工程により、当該絶縁フィルム１４０中の錘１０１に対応する個所に孔１４２を形成する。

続いて、図１０（Ｈ）に示すように、孔１４２内部にめっき処理により銅を形成する。次に、絶縁フィルム１３５及び１４０をフィルム除去工程によって除去することにより、図１０（Ｉ）に示すように、錘ポスト１０２，錘１０１，端子ポスト１０５を成形する。その後、図１０（Ｊ）に示すように、端子ポスト１０５の先端に半田１０８を半田印刷工程及びリフロー工程によって成形する。

次に、図１１（Ｋ）に示すように、切削刃やレーザーによってウエハ１３１を切断し、各チップ１００に個片化する。その後、チップ１００を裏返して実装基板１５０上に実装する。このとき、半田１０８が実装基板１５０のパッドに直接接続される。

以上のように、本実施例においては装置構成がチップと金属配線と絶縁膜だけになり、さらにウエハにて一括処理できるため加工コストを低減できる。センサチップ１００と搭載基板１５０との接続に金属ワイヤを用いず、外部端子１０５，１０８を搭載基板１５０に直接搭載する構造であるため、半導体センサ１００全体の高さ及び面積が小さくなる。本実施例に係る半導体加速度センサ１００は、ＷＣＳＰ（ウエハレベル・チップサイズパッケージ）とすることができる。また、金属ワイヤを用いないことにより、構造及び製造工程も簡素化され、コストの低減を図ることが可能となる。さらに、従来とは全く異なる新規な構造の錘及びその支持構造を採用していることも、装置の小型化や製造工程の簡素化に寄与する。

外部端子１０５，１０８を搭載基板に直接搭載することにより、錘（センサチップ）を実装基板１５０に対して密封されない構造とすることができ（図１１（Ｌ）参照）、装置の薄型化を図ることができる。また、センサチップ１００を密封する工程を必要としないため、製造工程が簡略化される。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。上述した実施例においては、配線形成の後に絶縁膜を形成する工程順としているが、ポスト形成後に絶縁膜を形成する工程順とすることもできる。また、錘１０１は金属（銅）としているが、樹脂などの絶縁物や、シリコンなどの半導体を使用することもできる。

図１は、従来の半導体加速度センサの構造を示す上面図（透視図）である。図２は、図１のＡ−Ａ方向の断面図である。図３は、本発明に係る半導体加速度センサの構造を示す上面図（透視図）である。図４は、図３のＡ−Ａ方向の断面図である。図５は、図４の領域Ａの構造を示す拡大断面図である。図６は、図４の領域Ｂの構造を示す拡大断面図である。図７は、本発明に係る半導体加速度センサの錘、錘ポスト、加速度検知素子、応力伝達配線との位置関係を示す説明図（平面）である。図８（Ａ）−図８（Ｄ）は、本発明に係る半導体加速度センサの製造工程を示す断面図である。図９（Ｅ）−図９（Ｇ）は、本発明に係る半導体加速度センサの製造工程を示す断面図である。図１０（Ｈ）−図１０（Ｊ）は、本発明に係る半導体加速度センサの製造工程を示す断面図である。図１１（Ｋ），図１１（Ｌ）は、本発明に係る半導体加速度センサの製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１００半導体加速度センサ
１０１錘
１０２錘ポスト
１０３ピエゾ抵抗素子（加速度検知素子）
１０５端子ポスト
１０８半田端子
１１５金属配線（第１の配線）
１１８応力伝達用配線（第２の配線）
１３１半導体基板（ウエハ）

Claims

半導体基板を用いて製造される半導体加速度センサにおいて、
加速度の発生により変位する平板状の錘と；
前記半導体基板から突出し、前記錘と当該半導体基板とを連結する錘ポストと；
前記半導体基板上に形成され、前記錘ポストと連結され、前記錘の変位に応じて加速度を検知する検知素子と；
前記半導体基板上に形成され、前記検知素子に接続された第１の配線と；
前記半導体基板から前記錘ポストと同じ方向に突出し、前記第１の配線と電気的に接続された外部端子とを備え、
前記外部端子は、実装基板に対して直接実装されることを特徴とする半導体加速度センサ。
前記半導体基板上に形成され、前記錘ポストと前記検知素子との間に連結され、前記錘ポストに加わる応力を前記検知素子に伝達する第２の配線を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体加速度センサ。
前記錘と前記実装基板との間には所定の空間が形成され、前記錘は前記実装基板に対して密封されないことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体加速度センサ。
前記錘ポストは、前記錘の重心位置に連結された１本のポストであることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の半導体加速度センサ。
前記検知素子は、前記錘の重心位置を中心とした仮想円上に等間隔で配置された少なくとも３つの素子であることを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の半導体加速度センサ。
前記錘は、銅めっきにより成形されることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５に記載の半導体加速度センサ。
半導体基板を用いて製造される半導体加速度センサの製造方法において、
半導体基板上に、錘の変位に応じて加速度を検知する検知素子を形成する工程と；
前記半導体基板上に、前記検知素子に接続された第１の配線を形成する工程と；
前記半導体基板上に、前記検知素子と連結された第２の配線を形成する工程と；
前記第２の配線に連結され、前記半導体基板から突出した錘ポストを形成する工程と；
前記半導体基板から前記錘ポストと同じ方向に突出し、前記第１の配線と電気的に接続された外部端子を形成する工程と；
前記錘ポストに連結され、前記半導体基板に対して概ね平行な平板状の錘を形成する工程とを含み、
前記第２の配線により前記錘ポストに加わる応力を前記検知素子に伝達する構造とし、
前記外部端子を実装基板に対して直接実装することを特徴とする半導体加速度センサの製造方法。
前記錘と前記実装基板との間には所定の空間が形成され、前記錘は前記実装基板に対して密封されないことを特徴とする請求項７に記載の半導体加速度センサの製造方法。
前記錘ポストは、前記錘の重心位置に連結された１本のポストであることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体加速度センサの製造方法。
前記検知素子は、前記錘の重心位置を中心とした仮想円上で等間隔に配置された少なくとも３つの素子であることを特徴とする請求項７，８又は９に記載の半導体加速度センサの製造方法。
前記錘は、銅めっきにより成形されることを特徴とする請求項７，８，９又は１０に記載の半導体加速度センサの製造方法。