(57)【要約】【課題】更なる生産性の向上が可能な半導体センサを提供する。【解決手段】静電容量感知型の半導体マイクロフォンを構成する、可動ダイアフラム電極１９と固定電極２０との対向電極が半導体基板１８上に形成されたマイクロフォンチップ１５に、その半導体基板１８の表面と裏面とを連通するように導電体の埋め込まれた貫通電極２６を形成した。そのため可動ダイアフラム電極１９等により構成されたＭＥＭＳ構造を、ワイヤボンディングを用いずとも、貫通電極２６を介して直接に、プリント配線基板１１の配線に電気接続することができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成されたダイアフラムを備える半導体センサにおいて、
前記半導体基板の前記ダイアフラムの形成された側の面とその反対側の面とを連通するように導電体の埋め込まれた貫通電極を形成した
ことを特徴とする半導体センサ。
【請求項２】
前記半導体基板の前記ダイアフラムの形成された側と反対側の面は、プリント配線基板に接着されてなり、前記貫通電極は、前記反対側の面にて、前記プリント配線基板の配線に電気接続されてなる請求項１に記載の半導体センサ。
【請求項３】
当該半導体センサは、キャパシタを構成する対向電極間の距離変化に応じて検出信号を出力する静電容量感知型の半導体センサであり、前記ダイアフラムが前記対向電極の一方の電極を構成し、半導体基板に固定された固定電極が前記対向電極の他方の電極を構成する請求項１または２に記載の半導体センサ。
【請求項４】
当該半導体センサは、音圧の伝搬による前記ダイアフラムの振動に伴った前記対向電極間の距離の変化に応じた静電容量の変化に基づき、音響に応じた検出信号を出力するよう構成された請求項３に記載の半導体センサ。
【請求項５】
前記半導体基板上には、複数のダイアフラムが配列されてなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体センサ。
【請求項６】
前記半導体基板の前記ダイアフラムの形成された側の面に、当該半導体センサの制御用の集積回路が形成されてなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体センサ。
【請求項７】
前記半導体基板の前記ダイアフラムの形成された側とは反対側の面に、当該半導体センサの制御用の集積回路が形成されてなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体センサ。
【請求項８】
前記半導体基板の前記ダイアフラムの形成位置には、同半導体基板の前記ダイアフラムの形成された側の面とその反対側の面とを連通する貫通孔が形成されてなる請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に形成されたダイアフラムを備える半導体センサ、特にその生産性の向上に係る電気接続構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体の微細加工技術を応用して半導体基板に機械部品（可動部品）と電気部品とを形成するＭＥＭＳ（微細電気機械システム：Micro Electro Mechanical System ）に関する技術の進展により、半導体基板上に形成されたダイアフラムを備える微細な半導体センサが数多く開発されている。例えば音響センサ、圧力センサ、加速度センサなどがそうしたダイアフラム式半導体センサとして実用されている。
【０００３】
ダイアフラム式音響センサとしては、例えば特許文献１に見られるような、静電容量感知型の半導体マイクロフォンが提案されている。静電容量感知型の半導体マイクロフォンは、音圧の伝搬に応じて振動する可動ダイアフラム電極と、半導体基板に固定された固定電極とを備えて構成されている。これらダイアフラム電極と固定電極とは、互いに対向して配設されており、両電極によりキャパシタが形成されるようになっている。音圧の伝搬によってダイアフラム電極が振動すると、それら電極間の距離が変化して、両電極により形成されるキャパシタの静電容量が変化する。静電容量感知型の半導体マイクロフォンは、そうした静電容量の変化に伴う電圧変化に基づいて検出信号を出力するように構成されている。
【０００４】
なお、ダイアフラム式半導体センサは通常、センサの形成された半導体基板（センサチップ）を保護するため、パッケージ内に収容された状態で使用される。従来、そうしたセンサチップのパッケージングは、例えば特許文献２に見られるような態様で行われている。すなわち、上記センサチップを、その制御用の集積回路の形成されたＩＣ（集積回路：Integrated Circuit）チップと共にプリント配線基板に接着するとともに、それらの接着されたプリント配線基板の表面をカバーによって覆うことで、半導体センサのパッケージングがなされている。このとき、センサチップは、ダイアフラムを表面露出させる都合から、そのダイアフラム等のＭＥＭＳ構造は通常、プリント配線基板に接着される側とは反対側の半導体基板の面に形成される。そのため、従来は、パッケージ内でのＩＣチップやプリント配線基板の配線とセンサチップとの電気接続は、基本的にワイヤボンディングにて行うようにしていた。
【特許文献１】特表昭６０−５００８４１号公報
【特許文献２】特表２００４−５３７１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところでワイヤボンディングを行う場合には、プリント配線基板およびセンサチップの双方の表面には、ボンディング用の電極パッドを形成する必要がある。そのため、プリント配線基板およびセンサチップの実装面積は、そうした電極パッドの面積の分、増大してしまうことになり、半導体センサのパッケージモジュールの大型化を招いてしまうことになる。
【０００６】
またワイヤボンディングでは、ボンディング用の電極パッドへのワイヤ接続時に発生する超音波振動によって製造不良が発生する虞がある。ＭＥＭＳ構造を持たない通常の半導体装置は、そのほぼ全体が、隙間や細線部、薄肉部の殆ど無い、強固なバルク構造となっているため、そうした超音波振動に対する耐性は比較的高くなっている。これに対してダ
イヤフラム等の可動部品を備える半導体センサは、隙間や細線部、薄肉部が形成されることが多く、超音波振動による製造不良が発生し易い構造となっている。特に音響を検出するマイクロフォンでは、その感度を高めるためにダイアフラムの剛性をあまり高めることができないため、圧力センサや加速度センサ等の他のダイアフラム式半導体センサよりも、超音波振動の影響はより顕著なものとなっている。
【０００７】
またワイヤボンディングは生産コストの面でも問題がある。一般にボンディング電極パッドとしては、金またはアルミニウムのいずれかが使用されている。ＭＥＭＳ構造を持たない通常の半導体装置では、より材料コストの低いアルミニウムがその材料として用いられることが多い。ところがＭＥＭＳ構造を有する半導体センサでは、その可動部品の形成にフッ酸による犠牲層の除去が必要となり、フッ酸による溶解性の高いアルミニウムの使用が制限されることから、より高価な金を使用せざるを得ずに生産コストの増大を招いてしまうことがある。
【０００８】
本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであって、その解決しようとする課題は、更なる生産性の向上が可能な半導体センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、半導体基板上に形成されたダイアフラムを備える半導体センサにおいて、前記半導体基板の前記ダイアフラムの形成された側の面とその反対側の面とを連通するように導電体の埋め込まれた貫通電極を形成したことをその要旨とする。
【００１０】
上記構成では、ダイアフラム等からなる半導体センサのＭＥＭＳ構造を、それが形成された面とは反対側の面においても、ワイヤボンディングを用いることなく、貫通電極を介して直接に電気接続することができる。そのため、実装面積の増大、超音波振動による製造不良の発生および生産コストの増大といった、ワイヤボンディングに伴う不具合を解消することができる。したがって上記構成によれば、更なる生産性の向上を図ることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体センサにおいて、前記半導体基板の前記ダイアフラムの形成された側と反対側の面は、プリント配線基板に接着され、前記貫通電極は、前記反対側の面にて、前記プリント配線基板の配線に電気接続されることをその要旨とする。
【００１２】
上記構成では、プリント配線基板に接着される面とは反対側の面に形成されたダイアフラム等からなる半導体センサのＭＥＭＳ構造を、ワイヤボンディングを用いることなく、貫通電極を介して直接にプリント配線基板の配線に電気接続することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の半導体センサにおいて、当該半導体センサは、キャパシタを構成する対向電極間の距離変化に応じて検出信号を出力する静電容量感知型の半導体センサであり、前記ダイアフラムが前記対向電極の一方の電極を構成し、半導体基板に固定された固定電極が前記対向電極の他方の電極を構成することをその要旨とする。
【００１４】
上記構成のような対向電極によって形成されるキャパシタの静電容量の変化に応じて検出を行う静電容量感知型の半導体センサは、対向電極間に隙間が形成されることから、超音波振動に対する耐性が低くなり易い構造となっている。こうした静電容量感知型の半導体センサの製造に際しての超音波振動を伴うワイヤボンディングを不要としたため、生産性の大幅な向上を期することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の半導体センサにおいて、当該半導体センサは、音圧の伝搬による前記ダイアフラムの振動に伴った前記対向電極間の距離の変化に応じた静電容量の変化に基づき、音響に応じた検出信号を出力するよう構成されたことをその要旨とする。
【００１６】
上記構成のような半導体音響センサ（半導体マイクロフォン）は、感度を確保するためにダイアフラムの剛性をあまり高くすることができず、例えば圧力センサや加速度センサといった他の静電容量感知型の半導体センサに比して、更に超音波振動に対する耐性が低くなる傾向にある。こうした半導体音響センサの製造に際しての超音波振動を伴うワイヤボンディングを不要としたことによる生産性の向上効果を、より一層大きく期することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体センサにおいて、前記半導体基板上には、複数のダイアフラムが配列されてなることをその要旨とする。
【００１８】
このように単一の半導体基板上に多数のダイアフラムを形成する場合には、その分、電気接続する電極の数も多くなる。これをワイアボンディングにより行えば、上述した実装面積の増大や超音波振動による製造不良の発生、生産コストの増大といった不具合はより顕著に表れる。そのため、上述したようなワイヤボンディングを不要としたことに伴う効果をより一層顕著に得ることができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体センサ前記半導体基板の前記ダイアフラムの形成された側の面に、当該半導体センサの制御用の集積回路が形成されることをその要旨とする。また請求項７に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体センサにおいて、前記半導体基板の前記ダイアフラムの形成された側とは反対側の面に、当該半導体センサの制御用の集積回路が形成されることをその要旨とする。
【００２０】
ダイアフラム等からなるＭＥＭＳ構造とその制御用の集積回路とを単一の半導体基板に一体形成すれば、センサモジュールの更なる小型化や生産コストの低減を図ることができる。なお本発明では、半導体基板のダイアフラム形成側の面とその反対側の面とを連通するように貫通電極が形成されているため、ダイアフラム形成側の面およびその反対側の面のいずれに集積回路を形成しても、ダイアフラム等からなるＭＥＭＳ構造との電気接続を容易に行うことができる。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体センサにおいて、前記半導体基板の前記ダイアフラムの形成位置には、同半導体基板の前記ダイアフラムの形成された側の面とその反対側の面とを連通する貫通孔が形成されてなることをその要旨とする。
【００２２】
ダイアフラムを備える半導体センサの多くでは、ダイアフラムの形成位置に上記のような貫通孔の形成された構造となっており、上記構成では、そうした構造の半導体センサの生産性の更なる向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の半導体センサによれば、ワイヤボンディングを用いることなく、プリント配線基板等に実装することが可能であるため、上述したワイヤボンディングに伴う不具合を回避し、更なる生産性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１実施形態）
以下、本発明の半導体センサを具体化した第１実施形態を、図１〜図４を参照して詳細に説明する。本実施形態の半導体センサは、静電容量感知型の半導体マイクロフォンとして構成されており、音響の検出部となる対向電極が半導体基板上に形成されたマイクロフォンチップとその制御回路が半導体基板上に形成されたＩＣ回路チップとを備えている。こうした半導体マイクロフォンは、それらマイクロフォンチップおよびＩＣチップをパッケージ内に収容したパッケージモジュールとして製造されている。
【００２５】
図１は、そうした半導体マイクロフォンのパッケージモジュール１０の一例の斜視構造を示している。同図に示すように、パッケージモジュール１０の外周は、プリント配線基板１１、その表面を覆うように取り付けられるカバー１２によって構成されている。カバー１２には、同カバー１２の内外を連通する音孔１４が形成されている。
【００２６】
図２は、パッケージモジュール１０の断面構造を示している。パッケージモジュール１０の内部には、プリント配線基板１１とカバー１２とによって囲繞された空間が形成されている。そしてその内部には、マイクロフォンチップ１５とＩＣチップ１６とが、プリント配線基板１１上に接着剤１７にて接着された状態で収容されている。マイクロフォンチップ１５には、ダイアフラム等からなるＭＥＭＳ構造が形成されている。またＩＣチップ１６には、そうしたＭＥＭＳ構造により構成される静電容量感知型の音響センサを制御するための集積回路が形成されている。マイクロフォンチップ１５とＩＣチップ１６とは、プリント配線基板１１に形成された配線を介して互いに電気接続されるようになっている。
【００２７】
図３（ａ）は、上記ＭＥＭＳ構造の形成された側の面（以下、同面をマイクロフォンチップ１５の「表面」という）におけるマイクロフォンチップ１５の構造を示している。同図に示すように、マイクロフォンチップ１５の半導体基板１８の表面側には、キャパシタとなる対向電極を形成する可動ダイアフラム電極１９および固定電極２０が形成されている。これら可動ダイアフラム電極１９および固定電極２０は、同じく半導体基板１８の表面に形成されたアルミニウム製の電極パッド２１に配線接続されている。
【００２８】
図３（ｂ）は、そうしたＭＥＭＳ構造の形成された側とは反対側の面（以下、同面をマイクロフォンチップ１５の「裏面」という）の構造をそれぞれ示している。また図３（ｃ）は、マイクロフォンチップ１５の断面構造を示している。同図に示すように、マイクロフォンチップ１５には、その上記可動ダイアフラム電極１９の形成位置に対応して、半導体基板１８の表面から裏面までを貫通する貫通孔２２が形成されている。また半導体基板１８の裏面側の周縁部には、間隔をおいて複数のはんだボール２３が搭載されている。
【００２９】
図３（ｃ）は、マイクロフォンチップ１５の断面構造を示している。同図に示すように、半導体基板１８の表面および裏面には、酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）からなる保護膜２４が形成されている。固定電極２０の表面側は、その全体がそうした保護膜２４により固定されている。そうした固定電極２０と可動ダイアフラム電極１９との間には、間隙（エアギャップ）が形成されている。これにより、可動ダイアフラム電極１９は、その周縁部のみが固定され、その中心部はその表面側および裏面側の双方が、周囲の構造から完全に遊離した状態で配設されている。なお固定電極２０には、上記エアギャップからの空気抜きを行うための複数の孔２５が形成されている。
【００３０】
一方、これら可動ダイアフラム電極１９および固定電極２０の配線接続された、半導体基板１８表面の電極パッド２１からは、同半導体基板１８の表面と裏面とを連通するように導電体（例えば銅など）の埋め込まれた貫通電極２６が形成されている。こうした貫通電極２６の半導体基板１８裏面側には、はんだボール２３が搭載されている。
【００３１】
図４は、そうした貫通電極２６およびその周辺部の拡大断面構造を示している。同図に示すように導電体によって形成された貫通電極２６の周囲には、窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリア層２７および酸化シリコンからなる保護膜２８が形成されている。そしてそれらバリア層２７と保護膜２８とによって、貫通電極２６と半導体基板１８とが隔離されている。また必要に応じて、半導体基板１８の裏面上には、銅などの導電体からなる配線層２９が形成される。こうした配線層２９は、例えば半導体基板１８裏面側での貫通電極２６の形成位置と上記はんだボール２３の搭載位置とが一致しない場合に、それらを接続する目的等で設けられる。こうした貫通電極２６は、はんだボール２３を介してプリント配線基板１１（図２参照）の配線に電気接続される。
【００３２】
以上説明した本実施形態の半導体センサによれば、次の効果を奏することができる。
【００３３】
・半導体基板１８の表面側に形成されるＭＥＭＳ構造を、貫通電極２６を介して直接にプリント配線基板１１の配線に接続することができる。そのため、ワイヤボンディングは不要となり、実装面積の増大、超音波振動による製造不良の発生および生産コストの増大といった不具合を解消して、更なる生産性の向上を図ることができる。
【００３４】
（第２実施形態）
続いて本発明に係る半導体センサを具体化した第２実施形態について、上記実施形態と異なる点を中心として、図５〜図８に基づき詳細に説明する。なお本実施形態において左記の実施形態と機能、構造の共通する構成については同一の番号を付してその説明を省略する。
【００３５】
本実施形態では、マイクロフォンチップとＩＣチップとを単一の半導体基板に一体に形成するようにしている。このようにチップの一体化を図れば、センサモジュールの更なる小型化や生産コストの低減を図ることができる。
【００３６】
図５（ａ）は、そうしたマイクロフォン、ＩＣの一体化チップ３０の表面構造を示している。同図に示すように、この一体化チップ３０の半導体基板３１表面には、マイクロフォン制御用の集積回路３２が形成されている。この一体化チップ３０では、この集積回路３２は、可動ダイアフラム電極１９および固定電極２０に直接配線接続されている。また集積回路３２は、複数の電極パッド２１にも配線接続されている。なお図５（ｂ）は一体化チップ３０の裏面構造を示している。
【００３７】
図５（ｃ）は、一体化チップ３０の断面構造を示している。同図に示すように、集積回路３２に配線接続された各電極パッド２１の形成位置には、半導体基板３１の表面から裏面まで連通する貫通電極２６がそれぞれ形成されている。各貫通電極２６は、半導体基板３１裏面に搭載されたはんだボール２３にそれぞれ接続されている。
【００３８】
図６は、こうした一体化チップ３０の収容されたパッケージモジュール３３の断面構造を示している。同図に示すように、一体化チップ３０の裏面側は、接着剤１７にてプリント配線基板１１に接着されている。そして一体化チップ３０の半導体基板３１の表面に形成された集積回路３２は、貫通電極２６およびはんだボール２３を介して、プリント配線基板１１の配線に電気接続されている。
【００３９】
また同様の一体化チップは、半導体基板のダイアフラム形成側とは反対側の面に集積回路を配設するように構成することもできる。上記のような貫通電極を用いれば、半導体基板表面に形成されたダイアフラム等からなるＭＥＭＳ構造と半導体基板裏面に形成された集積回路との電気接続を容易に行うことができる。そのため、このような構成も比較的容易に実現することができる。
【００４０】
図７（ａ）はそうした一体化チップ４０の表面構造を示している。同図に示すように、一体化チップ４０の半導体基板４１の表面側には、可動ダイアフラム電極１９および固定電極２０と、それらに配線接続された電極パッド２１とが形成されている。
【００４１】
図７（ｂ）は、一体化チップ４０の裏面構造を示している。同図に示すように、この一体化チップ４０の半導体基板４１の裏面側には、集積回路４２が形成されている。図７（ｃ）にそうした一体化チップ４０の断面構造を示すように、可動ダイアフラム電極１９および固定電極２０に配線接続された電極パッド２１の形成位置には、半導体基板３１の表面から裏面まで連通する貫通電極２６がそれぞれ形成されている。各貫通電極２６は、半導体基板４１裏面に形成された配線層２９を介して集積回路４２に配線接続されている。
【００４２】
図８は、こうした一体化チップ４０の収容されたパッケージモジュール４３の断面構造を示している。同図に示すように、一体化チップ４０の裏面側は、接着剤１７にてプリント配線基板１１に接着されている。そして一体化チップ４０の半導体基板３１裏面に形成された集積回路４２は、はんだボール２３を介してプリント配線基板１１の配線に電気接続されている。
【００４３】
なお以上説明した各実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
【００４４】
・音響検出に指向性を持たせたり、ノイズ低減するなどの目的で、半導体マイクロフォンを、図９に示すようにアレイ化させた場合、すなわち単一の半導体基板上に多数の半導体マイクロフォンを配列して形成した場合にも、上記各実施形態と同様の電気接続構造を適用することができる。このようなアレイ化を図った場合には、半導体マイクロフォンの数が多い分、電気接続する電極の数も多くなる。これをワイアボンディングにより行えば、上述した実装面積の増大や超音波振動による製造不良の発生、生産コストの増大といった不具合はより顕著に表れる。そのため、上述したようなワイヤボンディングを不要としたことに伴う効果をより一層顕著に得ることができる。
【００４５】
・上記実施形態と同様の電気接続構造は、例えば圧力センサや加速度センサ等、他の静電容量感知型の半導体センサにも適用することができる。また静電容量感知型以外の半導体センサであれ、半導体基板上に形成されたダイアフラムを備えるものであれば、上記実施形態と同様あるいはそれに準じた態様で、本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施形態の半導体センサについてそのパッケージモジュールの斜視構造を示す斜視図。
【図２】同パッケージモジュールの断面構造を示す断面図。
【図３】同実施形態のマイクロフォンチップについて（ａ）その表面構造を示す平面図、（ｂ）その裏面構造を示す平面図および（ｃ）その断面構造を示す断面図を併せ示す図。
【図４】同マイクロフォンチップの貫通電極近傍の拡大断面構造を示す断面図。
【図５】本発明の第２実施形態の半導体センサに採用される一体化チップについて（ａ）その表面構造を示す平面図、（ｂ）その裏面構造を示す平面図および（ｃ）その断面構造を示す断面図を併せ示す図。
【図６】同実施形態のパッケージモジュールの断面構造を示す断面図。
【図７】一体化チップの変形例について（ａ）その表面構造を示す平面図、（ｂ）その裏面構造を示す平面図および（ｃ）その断面構造を示す断面図を併せ示す図。
【図８】同変形例のパッケージモジュールの断面構造を示す断面図。
【図９】半導体マイクロフォンをアレイ化した上記実施形態の変形例の平面構造を示す平面図。
【符号の説明】
【００４７】
１０，３３，４３…パッケージモジュール、１１…プリント配線基板、１２…カバー、１４…音孔、１５…マイクロフォンチップ、１６…ＩＣチップ、１７…接着剤、１８，３１，４１…半導体基板、１９…可変ダイアフラム電極、２０…固定電極、２１…電極パッド、２２…貫通孔、２３…はんだボール、２４，２８…保護膜、２５…孔、２６…貫通電極、２７…バリア層、２９…配線層、３０，４０…一体化チップ、３２，４２…集積回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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