(57)【要約】本発明の半導体装置は、半導体基板１表面に配置された半導体素子２への配線の一部の領域において基板の基材が裏面から部分的に除去され表面配線３の上下の絶縁膜よりなるダイヤフラム部４が形成されダイヤフラムの裏面の絶縁膜の一部に表面配線へのコンタクトホール１０が形成され基板の裏面に絶縁膜を介して形成された裏面配線６がコンタクトホールにより表面配線と電気的に接続され裏面配線が裏面入出力パッド１２へ電気的に接続されダイヤフラム部の裏面の開口部に絶縁性の樹脂１９を埋め込んだ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の第１の面に、半導体素子と該半導体素子への第１の入出力配線とを備え、少なくとも上記第１の入出力配線の一部領域を含む部位の上記半導体基板が除去されてダイヤフラム構造をなし、該ダイヤフラム構造を介して上記第１の入出力配線と上記半導体基板の第２面に形成された入出力用部位とを第２の入出力配線で接続し、上記ダイヤフラム構造の形成された上記半導体基板の除去部に絶縁性樹脂を設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
第２の入出力配線と入出力用部位とを絶縁性樹脂で覆うことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体素子が感熱抵抗体を備え、少なくとも上記感熱抵抗体の形成された部位の半導体基板が除去されて第２のダイヤフラム構造としたことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、基板表面に形成された素子の入出力を基板裏面から取り出せるようにした半導体装置の構造に関するものである。
背景技術
第９図は、例えば特開平１１−２８１４４５号公報に開示された熱式センサの一つである流量検出素子の一部を模式的に示した素子外観図である。また第１０図は第９図の熱式センサの実装形態を含めた断面図である。
図において１０１は例えばシリコンウエハから切り出された熱式センサ素子１０００を構成する平板状基板で、１０７、１０８は平板状基板１の一方の面に形成された絶縁性の支持膜で、例えば窒化シリコン膜からなる。窒化シリコン膜１０８は保護膜も兼ねている。窒化シリコン膜１０７、１０８の間に感熱抵抗体膜１０２が形成される。この感熱抵抗体膜１０２は、発熱抵抗、測温抵抗に利用される発熱部に相当するもので、例えば白金からなる。また感熱抵抗体膜１０２で発生した熱がシリコン基板１０１に逃げずに発熱部の温度が上昇するように感熱抵抗体膜１０２の周囲のシリコン基板１０１が除去されていて（１０１ａ）窒化シリコン膜１０７、１０８からなるダイヤフラム１０５が形成されている。１０３は感熱抵抗膜１０２と入出力パッド１５０を接続する配線で例えば感熱抵抗膜１０２と同じ膜で形成されている。１５１は熱式センサのパッケージで例えばエポキシ樹脂である。熱式センサ素子１０００の基板１０１は接着剤１５５によりパッケージ１５１に固定されている。１５３は外部入出力リード、１５４は入出力パッド１５０と外部入出力リード１５３を電気的に接続するためのワイヤーボンド材で例えば２５μｍ径の金（Ａｕ）線である。また１５２はワイヤーボンド１５４を覆うパッケージ１５１の蓋である。
次に、第９図，第１０図に示される熱式センサ素子の主要部の製造方法について説明する。板状基材である厚さ約４００μｍのシリコンウエハ１０１上に、例えば厚さ約１μｍの窒化シリコン膜１０７をスパッタ法等の方法により形成し、さらにその上に例えば厚さ０．２μｍの白金等よりなる感熱抵抗体膜１０２を蒸着法やスパッタ法等により形成する。その後、安定化のために約６００℃で数時間アニールする。この白金膜１０２は写真製版法、ウェットエッチング法あるいはドライエッチング法等を用いてパターニングがおこなわれ、これにより第９図のようなパターンの発熱部１０２と配線１０３が形成される。パターニングされた、白金膜１０２、１０３の上に、保護膜として、厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜１０８をスパッタ法等により形成する。次に、配線１０３上の裏面保護膜１０８の一部を写真製版法等を用いてエッチングして入出力部１５０を形成する。窒化シリコン膜１０７、１０８からなるダイヤフラム１０５は支持膜１０７、１０８が配置されている方の表面とは反対側の面に写真製版法等を用いて所望のパターニングをおこない、例えばアルカリエッチング等を施すことにより形成される。このように作成した熱式センサ素子をパッケージ１５１に接着剤１５５で固定し、熱式センサ素子入出力パッド１５０と外部入出力リード１５３をワイヤーボンド１５４で接続する。最後にパッケージの蓋１５２を接着固定してワイヤーボンド部を保護する。こうして素子の搭載された熱式センサが完成する。
次に熱式センサ素子を流量センサとして使用する場合の動作について説明する。感熱抵抗膜１０２に電流を流し発熱させる。第９図中矢印Ｙに示す通り、発熱部の表面を流量を計測する気体が流れるように素子を配置すると、気体の流量が大きいほど発熱部表面から奪われる熱量も大きくなる。したがって感熱抵抗膜に一定の電流を流している場合、流量が大きくなると発熱部の温度は低下する。発熱部に例えば白金抵抗膜を用いている場合、抵抗膜の温度が低下すると抵抗値も減少するので流量を抵抗値の変化として求めることができる。発熱と温度計測を別々の抵抗体で構成することもある。また流量が増加して奪われる熱量が大きくなった分だけ電流値を増加させて絶えず発熱部の温度が一定になるように制御して、この制御電流の変化を信号出力とする読み出し方法もある。また外気温度によっても出力が変化するので、温度補正用の外気温度センサを基板１０１上に形成する場合もある。パッケージ１５１は熱式センサの検出部１０２付近で気流の乱れが生じないように翼状で検出部周辺には凹凸がないような形状に設計される。したがって検出部からパッケージの蓋１５２までの距離ｘ（第１０図中に記載）は気流が乱れないように十分大きくする必要があり、おおよそ２ｍｍ以上であることが望ましい。
上記のように、従来の熱式センサはセンサ素子を構成する基板１０１の検出部１０２の形成された面と同じ面に信号出力部１５０が形成されているので、検出に影響しないように出力部を検出部から十分離して配置しなければならず、検出部から出力部への配線領域を長くとることが必要となっていた。そのため、素子サイズが大きくなり素子の製造コストが高くなるとともに、実装においてもパッケージ構造が複雑で大きくなり組み立て工数や部品コストが増大するなどの問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、小型で簡素な実装構造をもつ半導体装置を得ることを目的とするものである。即ち、半導体素子部を有する半導体装置において（上記例示では半導体素子部に感熱抵抗体膜を備える熱式センサである）、半導体素子部への入出力配線に関する実装構造を簡素で小型化することである。
発明の開示
本発明に係る半導体装置は、半導体基板の第１の面に、半導体素子と該半導体素子への第１の入出力配線とを備え、少なくとも上記第１の入出力配線の一部領域を含む部位の上記半導体基板が除去されてダイヤフラム構造をなし、該ダイヤフラム構造を介して上記第１の入出力配線と上記半導体基板の第２面に形成された入出力用部位とを第２の入出力配線で接続し、上記ダイヤフラム構造の形成された上記半導体基板の除去部に絶縁性樹脂を設けた構造とした。即ち、簡単に作成できるダイヤフラム構造のコンタクト部で基板表面に形成された素子の入出力配線を基板裏面の配線へ接続するようにしたので、従来、基板表面の検出部から十分離して形成しなければならなかった入出力部を基板裏面に形成できるようになり、素子の小型化が可能になり製造コストが削減できる。また、検出面と反対の面から出力を取り出せるため実装構造の選択肢が広がり、素子の使用状況に合わせた最適な実装形態を選択することが可能になり、実装構造の簡略化や組み立て工数と実装部品点数の削減が可能になりコストが減少する効果がある。さらにダイヤフラム部に樹脂を充填したので、裏面配線が外気から保護される効果とダイヤフラム部とコンタクト部の強度が向上する効果がある。さらに充填材によりダイヤフラム部の熱抵抗が削減できて電流印加時のコンタクト部の発熱を抑えられコンタクト部の電気的な信頼性が向上する効果がある。
また、上記半導体装置において、第２の入出力配線と入出力用部位とが絶縁性樹脂で覆われるので、パッシベーション効果のある絶縁材を使用すれば外気からの水分の進入を防ぐことが可能になり、裏面配線部や表面配線とのコンタクト部の信頼性が向上する効果がある。また裏面の保護膜を省略できるようになり工程が削減できてコストを低減できる効果がある。このとき、ダイヤフラム部に配置した絶縁性樹脂と第２の入出力配線と入出力用部位とを覆う絶縁性樹脂とが同一材料であってもよい。
また、上記半導体装置において、半導体素子部に感熱抵抗体膜を設け該感熱抵抗体膜を含む領域を第２のダイヤフラム構造としたので、容易に熱式センサを構成でき、従来、基板表面の検出部から十分離して形成しなければならなかった入出力部を基板裏面に形成できるようになり、素子の小型化が可能になり製造コストが削減できる。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明の実施例を図について説明する。
実施例１．
第１図は、この発明の一実施例による半導体装置で熱式流量センサに適用した例を説明するための図で、流量センサの素子外観図である。また、第２図は第１図で示した流量センサの実装形態を示す断面図である。
図において、１は例えばシリコンウエハから切り出された熱式センサ素子の平板状基板で、７，８は平板状基板１の一方の面に形成された絶縁性の支持膜で、例えば窒化シリコン膜からなる。窒化シリコン膜８は保護膜も兼ねている。窒化シリコン膜７，８の間に感熱抵抗体膜２が形成される。この感熱抵抗体膜２は、発熱抵抗、測温抵抗に利用される発熱部に相当するもので、例えば白金（Ｐｔ）からなる。また感熱抵抗体膜２で発生した熱がシリコン基板１に逃げずに発熱部の温度が上昇するように感熱抵抗体膜２の周囲のシリコン基板１が除去されていて（１ａ）、窒化シリコン膜７，８からなるダイヤフラム５が形成されている。３は感熱抵抗体膜２と電気的に接続された表側の配線で例えば感熱抵抗体膜２と同じ膜で形成されている。表側配線３の一部の領域でシリコン基板１が除去されていて（１ｂ）、窒化シリコン膜７，８からなるダイヤフラム４が形成されている。６は裏面側配線、９は裏面配線６と基板１を電気的に絶縁する絶縁層で例えば窒化シリコン膜である。１０は裏面配線６と表面配線３を電気的に接続するために絶縁層７，９に開けられたコンタクトホールである。また１１は裏面の保護膜で例えば窒化シリコン膜で、１２は裏面保護膜１１の開口部で熱式センサの入出力パッドである。２１は熱式センサのパッケージで例えばエポキシ樹脂である。熱式センサ素子１は接着剤１８によりパッケージ２１に固定されている。２３は外部入出力リード、２４は入出力パッド１２と外部入出力リード２３を電気的に接続するためのワイヤーボンド材で例えば２５μｍ径の金（Ａｕ）線である。また２２はワイヤーボンド２４を覆うパッケージ２１の蓋である。熱式センサ素子１は接着剤１８によりパッケージ２１に固定されている。１９はダイヤフラム４の開口部に充填された絶縁性の樹脂で例えばシリコン樹脂やポリイミド樹脂である。
次に、第１図，第２図に示される熱式センサ素子の主要部の製造方法について説明する。板状基材である厚さ約４００μｍのシリコンウエハ１上に、例えば厚さ約１μｍの窒化シリコン膜７をスパッタ法等の方法により形成し、さらにその上に例えば厚さ０．２μｍの白金等よりなる感熱抵抗体膜２を蒸着法やスパッタ法等により形成する。その後、安定化のために約６００℃で数時間アニールする。この白金膜２は写真製版法、ウェットエッチング法あるいはドライエッチング法等を用いてパターニングがおこなわれ、これにより第１図のようなパターンの発熱部２と表面配線３が形成される。パターニングされた、白金膜２，３の上に、保護膜として、厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜８をスパッタ法等により形成する。窒化シリコン膜７，８からなるダイヤフラム５は支持膜７，８が配置されている方の表面とは反対側の面に写真製版法等を用いて所望のパターニングをおこない、例えばアルカリエッチング等を施すことにより形成される。この時ダイヤフラム４を同時に形成してもよい。次に裏面に厚さ約０．５μｍの窒化シリコン膜９をスパッタ法等により形成する。裏面側から写真製版法等を用いて所望のパターニングをおこない絶縁膜９，１０をエッチングしてコンタクトホール１０を形成する。コンタクトホール１０では表面配線３が露出する。その後、裏面の配線膜として例えばＡｌＳｉ膜をスパッタ法等により形成する。裏面配線膜を写真製版法等を用いて所望のパターニングをおこないエッチングして裏面配線６を形成する。これで表面配線３と裏面配線６はコンタクトホール１０で電気的に接続される。次に裏面保護膜１１として厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜をスパッタ法等により形成する。次に裏面配線６上の裏面保護膜１１の一部を写真製版法等を用いてエッチングして出力部１２を形成する。最後にダイヤフラム４の開口部にシリコン樹脂の絶縁材１９を充填する。このように作成した熱式センサ素子をパッケージ２１に接着剤１８で固定し、熱式センサ素子入出力パッド１２と外部入出力リード２３をワイヤーボンド２４で接続する。接着材１８は絶縁材１９と同種であってもよい。最後にパッケージの蓋２２を接着固定してワイヤーボンド部を保護する。
実施例２．
第３図は本発明の他の実施例による熱式センサの断面を示す図である。第１図、第２図と同一番号は同一または相当部を示している。この実施例では第２図の裏面保護膜１１が省略され、裏面配線６上に直接絶縁性の樹脂１９が充填されている。絶縁性樹脂１９は例えばシリコン樹脂やポリイミド樹脂である。また３１は裏面配線６の露出部を覆うように塗布された絶縁材で例えばシリコン樹脂やポリイミド樹脂である。これらの絶縁材１９，３１には外部からの水分などの浸入を防ぐパッシベーション効果のある樹脂が使用される。この絶縁材３１と埋め込み絶縁材１９によって裏面配線６は完全に覆われている。絶縁材３１は絶縁材１９と同種であってもよい。また接着材１８と同種であってもよい。
実施例３．
第４図は本発明の他の実施例による熱式センサの断面を示す図で、第３図の絶縁材３１が埋め込み絶縁材１９と同一材料であって同時に形成した例を示す。この実施例では熱式センサ素子をパッケージ２１に接着剤１８で固定し、熱式センサ素子入出力パッド１２と外部入出力リード２３をワイヤーボンド２４で接続した後にダイヤフラム４の開口部にシリコン樹脂１９を充填する。この時裏面配線６が完全に覆われるようにワイヤーボンド部も含めて絶縁材１９を塗布する。最後にパッケージの蓋２２を接着固定してワイヤーボンド部を保護する。
なお第３図、第４図の実施例では第２図に記載の裏面の保護膜１１を省略した構造を示したが、これらは裏面の保護膜１１がある構造でもよい。この場合絶縁材１９，３１と保護膜１１により外部からの水などの浸入を２重に防ぐことが可能になりより信頼性を高めることができる。
実施例４．
第５図は本発明の他の実施例による熱式センサの断面を示す図である。第１図、第２図と同一番号は同一または相当部を示している。１５は金または半田などからなるバンプである。また３２はバンプ１５の周辺に充填された絶縁性の封止材である。この封止材３２は接着材１８と同種であってもよい。また絶縁材１９と同種であってもよい。
この実施例の実装方法を以下に示す。まず熱式センサ素子の入出力パッド１２と出力リード２３のパッド部の両方またはいずれかに例えば高さ数１０μｍの金バンプを形成する。金バンプはワイヤーボンダを用いて個々のパッド上に金を圧接固定して形成したり、メッキで形成したりする。熱式センサ素子のパッド１２が出力リード２３のパッド部の真上にくるようにアライメントした後に加圧し温度を上げてパッド間を金バンプで電気的に接続する。この時接合をより強固にするため超音波を印加することもある。またバンプ１５として半田などの溶融金属を用いる場合は以下のように作成する。熱式センサ素子の入出力パッド１２と出力リード２３のパッド部の両方またはいずれかに例えばメッキで数十μｍ程度の半田バンプを形成する。熱式センサ素子のパッド１２が配線基板１３のパッド１４の真上にくるようにアライメントした後に半田が溶ける温度まで加熱してパッド間を半田バンプで電気的に接続する。最後にエポキシ樹脂などの封止材３２と接着剤１８を素子とパッケージ２１の間に入れて硬化する。またパッシベーション効果のある封止材３２と埋め込み絶縁材１９で裏面配線６を完全に覆うようにすれば第４図の実施例と同様に裏面の絶縁保護膜１１を省略することができて作成工程を削減できる。
実施例５．
第６図は本発明の他の実施例による熱式センサの断面を示す図である。第５図と同一番号は同一または相当部を示している。図において１３は熱式センサ素子と信号処理回路素子１７を接続する配線基板で例えばガラスエポキシ樹脂で形成される。１４は配線基板１３の配線層であってバンプ１５で熱式センサの入出力パッド１２と電気的に接続されていて信号処理回路素子１７の入出力パッドにもバンプ１６で接続されている。バンプ１５，１６は例えば金や半田などの溶融金属で形成される。この実施例の実装方法を以下に示す。熱式センサ素子の入出力パッド１２と配線基板１３のパッド１４の両方またはいずれかに例えば高さ数十μｍ金バンプを形成する。金バンプはワイヤーボンダを用いて個々のパッド上に金を圧接固定して形成したり、メッキで形成したりする。熱式センサ素子のパッド１２が配線基板１３のパッド１４の真上にくるようにアライメントした後に加圧し温度を上げてパッド間を金バンプで電気的に接続する。この時、接合をより強固にするため超音波を印加することもある。またバンプ１５として半田などの溶融金属を用いる場合は以下のように作成する。熱式センサ素子の入出力パッド１２と配線基板１３のパッド１４の両方またはいずれかに例えばメッキで数十μｍ程度あるいはそれより若干大の半田バンプを形成する。熱式センサ素子のパッド１２が配線基板１３のパッド１４の真上にくるようにアライメントした後に半田が溶ける温度まで加熱してパッド間を半田バンプで電気的に接続する。信号処理回路の素子１７や抵抗などの素子（図示せず）も同様な方法で配線基板に接続される。次にエポキシ樹脂などの封止材３２と接着剤１８を素子と回路基板の間に入れて硬化する。封止材３２と接着剤１８は同一材料でもよい。またパッシベーション効果のある封止材３２と埋め込み絶縁材１９で裏面配線６を完全に覆うようにすれば第４図の実施例と同様に裏面の絶縁保護膜１１を省略することができて作成工程を削減できる。最後にモールド樹脂２５で検出面除く全体を封止する。この構造により信号処理回路を含めた小型化が可能になる。
実施例６．
第７図は本発明の他の実施例による熱式センサの断面を示す図である。第６図と同一番号は同一または相当部を示している。図において２６は信号処理回路素子１７の回路部分、２７は表面配線である。また、２８は信号処理回路素子１７の裏面配線、２９は表面配線２７と裏面配線２８を接続するためのダイヤフラム開口部で、センサ素子のダイヤフラム４の開口部と同じように絶縁性の樹脂１９が充填されている。これらはセンサ素子と同様な方法で作成される。この実施例ではバンプ１５でセンサ素子の裏面配線６と信号処理回路素子１７の表面配線２７が電気的に接続される。これによりセンサ素子の入出力は表面配線２７で回路部分２６に接続されて駆動及び信号処理される。回路部分２５の出力の表面配線はダイヤフラム開口２９で裏面配線２８に接続されバンプ１６により回路基板１３に接続されてリード２３により外部につながっている。バンプの接続方法は実施例５と同様であるが、この実施例ではバンプ１６で回路基板と信号処理回路１７の裏面配線を接続した後にセンサ素子の裏面配線と信号処理回路の表面配線をバンプ１５で接続してもよいし、信号処理回路１７の表面配線とセンサ素子１の裏面配線をバンプ１５で接続してから信号処理回路１７の裏面配線と回路基板１３をバンプ１６で接続してもよい。最後にモールド樹脂２５で検出面除く全体を封止する。この構造により信号処理回路を含めた小型化が可能になる。
なお裏面出力の半導体装置として半導体素子部に感熱抵抗体膜を設けた熱式流量センサの場合を例に示したが、これは他のセンサでもよい。またメモリやロジックなどの一般の半導体素子でもよい。第８図にメモリ素子５０とロジック素子６０を第７図と同様な構造で接続した場合の半導体装置の一部断面図を示す。図において５１はメモリ素子５０の回路部分、５２は表面配線である。また、５３はメモリ素子５０の裏面配線、５４は表面配線５２と裏面配線５３を接続するためのダイヤフラム開口部で、上記実施例で示したセンサ素子のダイヤフラム４の開口部と同じように絶縁性の樹脂１９が充填されている。また６１はロジック素子６０の回路部分、６２は表面配線である。また、６３はロジック素子６０の裏面配線、６４は表面配線６２と裏面配線６３を接続するためのダイヤフラム開口部で、上記実施例で示したセンサ素子のダイヤフラム４の開口部と同じように絶縁性の樹脂１９が充填されている。またバンプ６５でメモリ素子５０の裏面配線５３とロジック素子６０の表面配線６２が接続され、バンプ６６でロジック素子６０の裏面配線６３と回路基板１３が接続されている。実装組み立て方法は第７図の場合と同様である。最後にモールド樹脂２５で全体を封止する。２素子を組み合わせた場合を例に示したが２素子以上の素子を同様に接続することは当然可能である。この構造により複数素子から構成される半導体装置の小型化が可能になる。
産業上の利用可能性
この発明による半導体装置は、基板表面に形成された素子の入出力を基板裏面から取り出せるようにした半導体装置の構造に関するもので、応用例としては熱式センサ等が考えられ、この熱式センサは例えば車両用等の内燃機関の吸入空気量の計測等の流量センサや圧力センサに利用される。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例による半導体装置として熱式センサを説明するための模式図で、第２図は実装形態を示す断面図である。
第３図は、本発明の第２の実施例による熱式センサの説明するための断面図である。
第４図は、本発明の第３の実施例による熱式センサを説明するための断面図である。
第５図は、本発明の第４の実施例による熱式センサを説明するための断面図である。
第６図は、本発明の第５の実施例による熱式センサを説明するための断面図である。
第７図は、本発明の第６の実施例による熱式センサを説明するための断面図である。
第８図は、本発明の他の実施例による半導体装置を説明するための断面図である。
第９図は、従来の熱式センサの外観を示したセンサ素子外観図、第１０図は第９図の熱式センサの実装形態を含んだ断面模式図である。
【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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【図１０】
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【国際調査報告】
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