(57)【要約】【課題】センシング部と協働する回路部を備えながらも実装面積を小さくすることが可能なセンサモジュールを提供する。【解決手段】センサ基板１はセンシング部Ｄｓを備える。センサ基板１は、外部回路に接続するパッド電極２５を形成した電極形成基板２と、集積回路からなる回路部Ｄｃを形成した回路形成基板３との間に積層される。センサ基板１と電極形成基板２と回路形成基板３とはそれぞれ周部に形成した封止用金属層１８，２８，３８，４８を接合することにより封着される。センサ基板１および電極形成基板２には貫通孔配線２４，４４が形成され、センサ基板１のセンシング部Ｄｓと回路形成基板３の回路部Ｄｃと電極形成基板２のパッド電極２５とが、貫通孔配線２４，４４を通して電気的に接続される。回路部Ｄｃとセンシング部Ｄｓと貫通孔配線２４，４４とは封止される。【選択図】図１
2007266320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板からなりセンシング部を有するセンサ基板と、半導体基板からなりセンシング部と協働する集積回路からなる回路部を形成した回路形成基板と、半導体基板からなり外部回路と接続される電極を積層体の外側面に配列した電極形成基板とを備え、センサ基板の一面にセンシング部に回路部を対向させた形で回路形成基板が積層されるとともに他面に電極形成基板が積層された積層体からなるセンサモジュールであって、各半導体基板は、各半導体基板の対向面の周部に全周に亘って形成した封止部同士を接合して互いに気密的に封着されることにより、センサ基板に形成されたセンシング部と回路形成基板に形成された回路部とを気密的に封止しており、センサ基板と電極形成基板とには積層体の積層方向に貫通する貫通孔配線が形成され、回路形成基板に形成された回路部とセンサ基板に形成されたセンシング部とが電極形成基板に形成された電極と貫通孔配線を介して電気的に接続され、かつ貫通孔配線が電気的に接続される接続部は、封止部に囲繞されていることを特徴とするセンサモジュール。
【請求項２】
前記積層体は、前記センサ基板と前記回路形成基板と前記電極形成基板とをそれぞれウェハレベルで形成し接合した後に分離切断することにより形成されていることを特徴とする請求項１記載のセンサモジュール。
【請求項３】
前記回路部と前記貫通孔配線とを電気的に接続する接合と、前記貫通孔配線同士を電気的に接続する接合と、前記封止部同士を封着する接合とは、金属層対金属層の常温接合であって、封止部の接合時に貫通孔配線の電気的接続が同時に行われるように接合部位の位置および寸法が設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセンサモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板にセンシング部を設けたセンサ基板を備え、かつセンシング部と協働する回路部が集積回路により形成され、センシング部ともにパッケージに収納されたセンサモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種のセンサモジュールとして、たとえば半導体基板にセンシング部および回路部（電気回路装置）を形成したセンサ基板（センサ部分）と、センシング部および回路部を保護するカバー基板（蓋部分）とを積層した構造のものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載されたセンサモジュールには、可動部分を有した角速度センサが例示されており、角速度を検出するためのセンシング部と、センシング部と協働する回路部とがセンサ基板に形成されている。また、センサ基板とは別に設けたカバー基板がセンサ基板に積層されており、カバー基板に設けた金属被覆層と回路部との電気的接続には、センサ基板およびカバー基板に形成した貫通孔配線（ブリッジ接続部、貫通接続部）を用いている。カバー基板にも回路部（評価電子装置）が形成されており、この回路部は金属被覆層に接続されている。センサ基板に形成された貫通孔配線（ブリッジ接続部）とカバー基板に形成された貫通孔配線（貫通接続部）とは互いに接合される。
【０００４】
また、特許文献１に記載された構成では、貫通孔配線を接合する部位にコンタクトパッド構造が形成され、センシング部およびコンタクトパッド構造を囲んで内部空間を密閉するためにリング状の接合部（アルミニウムリング）が形成されている。
【特許文献１】特表２００４−５３１７２７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、特許文献１に記載された構成では、センサ基板１にセンシング部と回路部とを形成してあり、センシング部は所望の感度を確保するために最小寸法が規制されるから、回路部の回路規模が大きくなればセンサ基板１の面積を大きくすることが必要である。つまり、センサ基板１にセンシング部に加えて回路部を形成すると、センサ基板１が大型化するという問題が生じる。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、センシング部と協働する回路部を備えながらも、同寸法のセンシング部を備える場合には、センサ基板にセンシング部とともに回路部を設けた従来構成よりも実装面積を小さくすることが可能なセンサモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、半導体基板からなりセンシング部を有するセンサ基板と、半導体基板からなりセンシング部と協働する集積回路からなる回路部を形成した回路形成基板と、半導体基板からなり外部回路と接続される電極を積層体の外側面に配列した電極形成基板とを備え、センサ基板の一面にセンシング部に回路部を対向させた形で回路形成基板が積層されるとともに他面に電極形成基板が積層された積層体からなるセンサモジュールであって、各半導体基板は、各半導体基板の対向面の周部に全周に亘って形成した封止部同士を接合して互いに気密的に封着されることにより、センサ基板に形成されたセンシング部と回路形成基板に形成された回路部とを気密的に封止しており、センサ基板と電極形成基板とには積層体の積層方向に貫通する貫通孔配線が形成され、回路形成基板に形成された回路部とセンサ基板に形成されたセンシング部とが電極形成基板に形成された電極と貫通孔配線を介して電気的に接続され、かつ貫通孔配線が電気的に接続される接続部は、封止部に囲繞されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、センサ基板とは別に回路形成基板を形成しているから、センサ基板においてセンシング部の周囲に回路部を形成する場合に比較すると、センサ基板の面積が小さくなり、センサモジュールの実装面積を小さくすることができる。また、センサ基板と回路形成基板と電極形成基板とが封止部により気密的に封着され、センシング部と回路部と貫通孔配線を接続する部位とが半導体基板によって封止されるから、湿気や腐食性ガスに曝されるのを防止して耐久性が高まるのはもちろんのこと、封止用に別途のパッケージを設ける必要がないから、小型化に寄与する。加えて、センサ基板と回路形成基板と電極形成基板とが各別に設けられているから、センシング部と回路部と電極との組み合わせの自由度が高く、多品種少量生産に適した構成になる。
【０００９】
ところで、センサ基板に回路部を形成する場合であっても、センシング部を保護するにはセンシング基板の両面にそれぞれ基板を配置するから、本発明の積層体の積層方向における寸法は、センサ基板に回路部を形成する場合と変わることがなく、本発明の構成では回路部をセンサ基板から分離して実装面積が縮小される分だけ全体の体積を縮小することができる。
【００１０】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記積層体は、前記センサ基板と前記回路形成基板と前記電極形成基板とをそれぞれウェハレベルで形成し接合した後に分離切断することにより形成されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、半導体ウェハを用いてセンサ基板と回路形成基板と電極形成基板とをそれぞれ形成し接合後に分離するから、半導体ウェハを扱う周知技術を採用することができ、センサ基板と回路形成基板と電極形成基板との位置合わせが容易である。しかも、分離には半導体ウェハを切断分離するダイシングの技術を用いることができ、製造が容易である。分離切断後の１個当たりの大きさは微小であるから、微小なセンサモジュールを提供することができる。
【００１２】
請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記回路部と前記貫通孔配線とを電気的に接続する接合と、前記貫通孔配線同士を電気的に接続する接合と、前記封止部同士を封着する接合とは、金属層対金属層の常温接合であって、封止部の接合時に貫通孔配線の電気的接続が同時に行われるように接合部位の位置および寸法が設定されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、センサ基板と回路形成基板と電極形成基板との機械的結合および封止と電気的接続とが同時に行われるから製造工程が少なくなる。しかも、接合の工程において位置合わせを精度よく行うだけでよく、管理項目が少ないから製造が容易である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の構成によれば、センサ基板のセンシング部と協働する回路部をセンサ基板とは別に設けた回路形成基板に形成し、電極形成基板に設けた電極と回路部およびセンシング部との電気的接続をセンサ基板および電極形成基板に設けた貫通孔配線によって行っているから、センサ基板においてセンシング部の周囲に回路部を形成する場合に比較すると、センサ基板の面積が小さくなり、センサモジュールの実装面積を小さくすることができるという利点がある。つまり、センサモジュールの実装面積を小さくすることにより、実装基板において他の部品の実装スペースを拡げることができる。
【００１５】
センサ基板と回路形成基板と電極形成基板とが封止部により気密的に封着されているから、別途に封止用のパッケージを設けることなくセンシング部と回路部と貫通孔配線とを気密的に封止することができ、パッケージを別に設ける場合に比べて小型化が可能になるという利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に説明する実施形態では、ピエゾ抵抗を用いた加速度センサをセンシング部に用いる例を示す。この加速度センサでは、支持部が質量体を囲繞するとともに、質量体から四方に延出させた可撓性を有する撓み部を介して支持部と質量体とを繋いである。各撓み部にはピエゾ抵抗体からなる歪みゲージが設けられており、質量体の変位に伴って撓み部に生じる応力が歪みゲージにより検出され、歪みゲージの抵抗変化を用いて加速度が検出される。また、各質量体から四方に延出している撓み部にそれぞれ歪みゲージが配置されることにより、４本の撓み部を含む平面内で互いに直交する方向の２軸と、これらの２軸に直交する方向の１軸との合計３軸における加速度を個別に検出することが可能になっている。ただし、本発明の技術思想は、センシング部が加速度センサを構成している場合に限らず、センシング部がパッケージ内に封止される構成であれば適用することが可能である。この種のセンシング部としては、加速度センサのほかにジャイロセンサなどもある。また、質量体の変位の検出はピエゾ抵抗に限らず、静電容量の変化として検出する構成を採用してもよい。また、撓み部は質量体から四方に延出する構成に限定されない。
【００１７】
本実施形態のセンサ装置は、図１に示すように、センシング部Ｄｓを形成した半導体基板からなるセンサ基板１と、外部回路を接続するパッド電極２５を厚み方向の一表面（図１の上面）に備えセンサ基板１の厚み方向の一表面（図１の上面）に封着される半導体基板からなる電極形成基板２と、センサ基板１の厚み方向の他表面（図１の下面）に封着される半導体基板からなる回路形成基板３とを備える。すなわち、センサ装置は３枚の半導体基板の積層体からなる。センサ基板１と電極形成基板２と回路形成基板３との外周形状は矩形状（図示例では正方形）であり、電極形成基板２と回路形成基板３とはセンサ基板１と外形寸法が一致する。
【００１８】
センサ基板１はＳＯＩウェハを加工することにより形成される。ここで用いるＳＯＩウェハは、シリコン基板からなる支持基板１０ａを有し、支持基板１０ａの厚み方向の一表面にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜としての絶縁層１０ｂを介してｎ形のシリコン層からなる活性層１０ｃが形成されている。さらに、センサ基板１において、活性層１０ｃの表面にはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなる絶縁膜１６が形成される。したがって、活性層１０ｃは絶縁膜１６により表面が覆われる。センサ基板１では支持基板１０ａの表面（図１の下面）にも絶縁膜１６と同様の絶縁膜４３が形成される。また、電極形成基板２と回路形成基板３とは、それぞれ異なるシリコンウェハを加工することにより形成してある。すなわち、センサ基板１の半導体基板としてＳＯＩウェハを用い、電極形成基板２と回路形成基板３との半導体基板としてはシリコンウェハを用いている。
【００１９】
本実施形態における寸法例を例示すると、ＳＯＩウェハにおける支持基板１０ａの厚み寸法は３００〜５００μｍ、絶縁層１０ｂの厚み寸法は０．３〜１．５μｍ、シリコン層１０ｃの厚み寸法は４〜１０μｍとする。また、電極形成基板２を形成するシリコンウェハの厚み寸法は２００〜３００μｍ、回路形成基板３を形成するシリコンウェハの厚み寸法は１００〜３００μｍとする。もっとも、これらの数値は限定する趣旨ではなく目安を示す値である。また、ＳＯＩウェハの一表面であるシリコン層１０ｃの表面は（１００）面としてある。
【００２０】
センサ基板１は、図２に示すように、平面視において（厚み方向に直交する方向から見たときに）枠状（本実施形態では矩形枠状）の支持部１１の中央部に質量体１２を備える形状に形成されている。つまり、質量体１２は支持部１１に囲繞されている。また、本実施形態では平面視において支持部１１の中心と質量体１２の中心とはほぼ一致している。支持部１１と質量体１２とは質量体１２から四方に延出する４本の撓み部１３により繋がれている。
【００２１】
各撓み部１３は、短冊状に形成された可撓性を有している。各撓み部１３は平面視において質量体１２の中心を通り互いに直交する２本の直線の上に配置される。つまり、各２本の撓み部１３がそれぞれ互いに直交する各直線上に配置される。この構成により、質量体１２は支持部１１に対して変位可能になる。支持部１１は、図３に示すように、ＳＯＩウェハの支持基板１０ａと絶縁層１０ｂと活性層１０ｃとの全体を用い、撓み部１３はＳＯＩウェハにおける支持基板１０ａと絶縁層１０ｂとを除去し活性層１０ｃのみを用いる。したがって、撓み部１３は支持部１１および質量体１２に比較して十分に薄肉に形成される。
【００２２】
質量体１２は、４本の撓み部１３を介して支持部１１に結合されているコア部１２ａと、コア部１２ａに連続一体に連結された４個のリーフ部１２ｂとを備える。平面視においては、質量体１２は、５個の正方形のうちの１個の正方形を中心として他の正方形を周囲に４回回転対称となるように配列し、中心の正方形の各角部に他の各正方形の１つの角部をそれぞれ重複させた形状に形成される。本実施形態では、中心に配置した正方形に対応する部分がコア部１２ａに相当し、他の正方形のうちコア部１２ａと重複する部位を除いた部分がリーフ部１２ｂに相当する。言い換えると、コア部１２ａは平面視において正方形状であり、リーフ部１２ｂは正方形の一つの角部が切欠された形状になる。撓み部１３は、コア部１２ａの各辺の中央部に一体に連続し、各撓み部１３の幅方向（平面視において撓み部１３の延長方向とは直交する方向）の両側にリーフ部１２ｂが配置される。
【００２３】
各リーフ部１２ｂは、平面視において互いに直交する２本の撓み部１３と支持部１１とに囲まれる空間に配置されており、各リーフ部１２ｂと支持部１１との間にはそれぞれセンサ基板１の厚み方向に貫通するスリット１４が形成される。また、撓み部１３と各リーフ部１２ｂとは離間しており、撓み部１３を挟んで配置された各一対のリーフ部１２ｂの間隔は、各撓み部１３の幅寸法よりも大きくなっている。質量体１２においてコア部１２ａはＳＯＩウェハの支持基板１０ａと絶縁層１０ｂと活性層１０ｃとの全体を用い、リーフ部１２ｂは支持基板１０ａのみを用いる。
【００２４】
なお、センサ基板１における支持部１１と質量体１２と撓み部１３とは、半導体装置の製造技術として知られているリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成することができる。
【００２５】
ところで、図示例は３軸の加速度センサであるから、加速度を検出する方向を定義しておく。センサ基板１の厚み方向に直交する方向をｚ軸方向とし、支持基板１０ａから活性層１０ｃに向かう向きを正の向きとする。また、活性層１０ｃの表面をｘｙ平面とし、ｘｙ平面において質量体１２の中心位置を原点とする。ｘ軸方向およびｙ軸方向は、それぞれコア部１２ａから撓み部１３が延出されている方向とし、右手系で正の向きを定義する。たとえば図３の右向きをｘ軸方向の正の向き、上向きをｙ軸方向の正の向きとする。したがって、質量体１２は、コア部１２ａを挟んで配置されたｘ軸方向の２本の撓み部１３と、コア部１２ａを挟んで配置されたｙ軸方向の２本の撓み部１３とにより支持部１１に繋がれていることになる。
【００２６】
質量体１２のコア部１２ａからｘ軸方向の正向き（図２においてコア部１２ａから右向き）に延出する撓み部１３には、コア部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ２が形成される。同様にして、コア部１２ａからｘ軸方向の負向き（図２においてコア部１２ａから左向き）に延出する撓み部１３には、コア部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ３が形成される。
【００２７】
質量体１２のコア部１２ａからｙ軸方向の正向き（図２においてコア部１２ａから上向き）に延長された撓み部１３には、コア部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ３が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ１が形成される。同様にして、コア部１２ａからｙ軸方向の負向き（図２においてコア部１２ａから下向き）に延長された撓み部１３には、コア部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｙ２，Ｒｙ４が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ４が形成される。
【００２８】
ｘ軸方向に延長された２本の撓み部１３において、コア部１２ａ側の一端部に形成された４個のピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、ｘ軸方向の加速度を検出するために形成され、ｘ軸方向の加速度が質量体１２に作用したときに撓み部１３に生じる応力が集中する領域に形成されている。ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、平面視においてｘ軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。これらのピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、図６における左端のブリッジ回路Ｂｘを構成するように接続される。
【００２９】
また、ｙ軸方向に延長された２本の撓み部１３において、コア部１２ａ側の一端部に形成された４個のピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は、ｙ軸方向の加速度を検出するために形成され、ｙ軸方向の加速度が質量体１２に作用したときに撓み部１３に生じる応力が集中する領域に形成されている。ピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は、平面視においてｙ軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。これらのピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は、図６における中央のブリッジ回路Ｂｙを構成するように接続される。
【００３０】
４本の撓み部１３において、それぞれ支持部１１側の一端部に形成された４個のピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は、ｚ軸方向の加速度を検出するために形成されている。ピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は、いずれもｙ軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。すなわち、ｙ軸方向に延長された２本の撓み部１３に形成されたピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ４の長手方向は撓み部１３の延長方向に一致し、ｘ軸方向に延長された２本の撓み部１３に形成されたピエゾ抵抗Ｒｚ２，Ｒｚ３の長手方向は撓み部１３の延長方向に直交する。これらのピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は、図８における右端のブリッジ回路Ｂｚを構成するように接続されている。
【００３１】
上述した各ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４の接続には、センサ基板１に形成されている拡散層配線や金属配線を用いる。
【００３２】
図６に示した回路構成では、３個のブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚに電圧を印加する入力端子Ｔ１，Ｔ２を共通に接続し、各ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚには個別の出力端子Ｘ１，Ｘ２、Ｙ１，Ｙ２、Ｚ１，Ｚ２を設けている。本実施形態では、入力端子Ｔ１，Ｔ２に印加する電圧は直流電圧であって、入力端子Ｔ１に電圧ＶＤＤを印加し、入力端子Ｔ２を回路グランドＧＮＤに接続する。したがって、質量体１２の変位に伴って撓み部１３に生じる応力が、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４により電気量（抵抗値）に変換され、さらに、ブリッジＢｘ，Ｂｙ，Ｂｚにより電気量（電圧）に変換されて出力されるのである。
【００３３】
以下にセンサ基板１の動作例を説明する。いま、センサ基板１に加速度が作用していない状態からセンサ基板１に対してｘ軸方向の正向きに加速度が作用したとすると、ｘ軸方向の負向きに作用する質量体１２の慣性力によって支持部１１に対して質量体１２が変位し、コア部１２ａからｘ軸方向に延長された２本の撓み部１３が撓んで当該撓み部１３に形成されているピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４の抵抗値が変化する。このとき、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３は引張応力を受け、ピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４は圧縮応力を受ける。一般に、ピエゾ抵抗は引張応力を受けると抵抗値（抵抗率）が増加し、圧縮応力を受けると抵抗値（抵抗率）が減少する。したがって、ｘ軸方向の正向きに加速度が作用したときには、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３の抵抗値が増加し、ピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４の抵抗値が減少する。この動作によって、図６の左端のブリッジ回路Ｂｘの出力端子Ｘ１，Ｘ２間の電位差がｘ軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。
【００３４】
同様にして、ｙ軸方向の加速度が作用すれば図６の中央のブリッジ回路Ｂｙの出力端子Ｙ１，Ｙ２間の電位差がｙ軸方向の加速度の大きさに応じて変化し、ｚ軸方向の加速度が作用すれば図６の右端のブリッジ回路Ｂｚの出力端子Ｚ１，Ｚ２間の電位差がｚ軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。
【００３５】
したがって、各ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの出力電圧の変化をそれぞれ検出することにより、センサ基板１に作用したｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向それぞれの加速度を検出することができる。本実施形態では、質量体１２と４本の撓み部１３とピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４とによりセンシング部Ｄｓが構成される。
【００３６】
センサ基板１の一表面（図１の上面）には、封止用金属層１８と接続用金属層１９とが形成される。接続用金属層１９は金属配線の一部であり、センシング部Ｄｓを外部回路と接続するための接続部として機能する。図５に金属配線のうち接続用金属層１９の近傍部位を示す。なお、拡散層配線の図示は省略してある。
【００３７】
封止用金属層１８は、センサ基板１の外周縁の全周に沿う形で形成されており、センシング部Ｄｓを囲繞している。また、接続用金属層１９も支持部１１において封止用金属層１８の内側に配置される。接続用金属層１９を含む金属配線および封止用金属層１８は活性層１０ｃの表面を覆う絶縁膜１６の上に形成される。また、封止用金属層１８と接続用金属層１９とは同一の金属材料により形成されており、封止用金属層１８と接続用金属層１９とを同時かつ略同じ厚み寸法に形成することができる。
【００３８】
センサ基板１において、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４および拡散層配線は、活性層１０ｃにおけるそれぞれの形成部位に適宜濃度のｐ形不純物をドーピングすることにより形成される。また、接続用金属層１９を除いた金属配線は、絶縁膜１６上にスパッタ法や蒸着法などにより成膜した金属膜（たとえば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより形成されており、金属配線は絶縁膜１６に設けたコンタクトホールを通して拡散層配線と電気的に接続されている。
【００３９】
封止用金属層１８および接続用金属層１９は、接合用のＡｕ膜を表面に備え、Ａｕ膜と絶縁膜１６との間には密着性改善用のＴｉ膜を介在させてある。つまり、封止用金属層１８および接続用金属層１９は、絶縁膜１６上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により形成されている。
【００４０】
なお、封止用金属層１８および接続用金属層１９は、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあり、接続用金属層１９を除く金属配線の膜厚は１μｍに設定してある。ただし、これらの数値は一例であって限定する趣旨ではない。
【００４１】
本実施形態は３軸の加速度センサであるから、センシング部Ｄｓと協働する回路部Ｄｃを設けることが望ましい。回路部Ｄｃとしては、ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの入力端子Ｔ１，Ｔ２に電圧を印加する電源回路、ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの出力端子Ｘ１，Ｘ２、Ｙ２，Ｙ２、Ｚ１，Ｚ２に接続されブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの出力電圧を増幅する増幅回路などが必要であり、回路部Ｄｃは集積回路として形成される。
【００４２】
回路部Ｄｃはセンサ基板１に積層される回路形成基板３においてセンサ基板１との対向面に形成される。回路形成基板３は、センサ基板１の厚み方向において電極形成基板２とは反対側の面に封着される。回路形成基板３がセンサ基板１に対向しているから、質量体１２の変位を許容する空間を確保するために、センサ基板１の厚み方向において、質量体１２の厚み寸法は支持部１１の厚み寸法よりもやや小さくしてある。言い換えると、センサ基板１に回路形成基板３を積層したときに、質量体１２と回路形成基板３との間に隙間が生じるように、質量体１２の厚み寸法を調節してある。ここに、質量体１２と回路形成基板３との間の間隙の寸法は、たとえば、５〜１０μｍに設定される。
【００４３】
回路部Ｄｃとセンシング部Ｄｓとは、センサ基板１に設けた貫通孔配線４４を用いて電気的に接続される。センサ基板１における支持部１１には厚み方向の表裏に貫通する貫通孔４２が形成されており、上述した絶縁膜４３の一部が貫通孔４２の内周面に連続して形成されている。この絶縁膜４３に囲まれた領域内に貫通孔配線４４を形成する金属が充填されている。貫通孔４２の内周面に形成された絶縁膜４３は絶縁膜１６にも連続する。また、貫通孔配線４４の一端（図１の上端）は接続用金属層１９に接続される。また、貫通孔配線４４の他端はセンサ基板１において回路形成基板３との対向面に形成された接続用金属層４９に接続される。センサ基板１において回路形成基板３との対向面には、接続用金属層４９およびセンシング部Ｄｓを囲む周部の全周に亘って封止用金属層４８が形成される（図４参照）。
【００４４】
回路形成基板３におけるセンサ基板１との対向面には集積回路からなる回路部Ｄｃの端子である接続用金属層３９が形成されており、接続用金属層３９および回路部Ｄｃを囲繞するように、回路形成基板３の周部の全周に亘って封止用金属層３８が形成される。接続用金属層３９はセンサ基板１における接続用金属層４９と対向する部位に形成され、また封止用金属層３８はセンサ基板１における封止用金属層４８に対向する部位に形成される。したがって、センサ基板１と回路形成基板３との位置合わせを行い、封止用金属層３８に封止用金属層４８を接合し、接続用金属層３９に接続用金属層４９を接合すると、センサ基板１と回路形成基板３とが一体に結合されるとともに、回路部Ｄｃが貫通孔配線４４を介して接続用金属層１９と電気的に接続される。
【００４５】
接続用金属層１９の一部はセンシング部Ｄｓに接続されるが、多くの接続用金属層１９にはセンシング部Ｄｓには接続されない。センシング部Ｄｓに接続された接続用金属層１９は、貫通孔配線４４を介して回路部Ｄｃに接続される。
【００４６】
ところで、電極形成基板２は、図１に示すように、センサ基板１との対向面（図１における下面）の中央部に、センサ基板１の厚み方向における質量体１２および撓み部１３の変位空間を確保する（質量体１２の変位量を規制する）ための変位用凹所２１が形成される。また、電極形成基板２におけるセンサ基板１との対向面の周部には電極形成基板２の外周縁の全周に沿うように封止用金属層２８が形成される。電極形成基板２の封止用金属層２８は、センサ基板１に電極形成基板２を重ね合わせたときに、センサ基板１の封止用金属層１８に重なる部位に形成してあり、封止用金属層１８と封止用金属層２８とが互いに接合されることによって、センサ基板１と電極形成基板２との間が封止されるようにしてある。
【００４７】
電極形成基板２におけるセンサ基板１との対向面の適所には、電極形成基板２の厚み方向に貫通する複数の貫通孔２２が形成される。電極形成基板２の厚み方向の両面および貫通孔２２の内周面には熱酸化により形成したシリコン酸化膜である絶縁膜２３が連続して形成される。また、貫通孔２２には電極形成基板２の厚み方向の表裏に貫通する貫通孔配線２４が形成される。したがって、貫通孔配線２４と貫通孔２２の内周面との間に絶縁膜２３の一部が介在する。電極形成基板２に設けられる複数の貫通孔配線２４は互いに離間して配置される。貫通孔配線２４，４４の材料としてはＣｕを採用するのが望ましいが、Ｃｕに限らず、たとえば、Ｎｉなどを採用してもよい。
【００４８】
電極形成基板２におけるセンサ基板１との対向面のうち変位用凹所２１を囲む部位には、各貫通孔配線２４とそれぞれ電気的に接続された複数の接続用金属層２９が形成され、接続用金属層２９は封止用金属層２８の内側に配置される。接続用金属層２９は、貫通孔配線２４の一端部に電気的に接続されており、かつセンサ基板１の接続用金属層１９と接合されるように配置してある。接続用金属層２９と封止用金属層２８とは同一の金属材料により形成されており、接続用金属層２９と封止用金属層２８とを同時かつ略同じ厚み寸法に形成することができる。
【００４９】
封止用金属層２８，３８，４８と接続用金属層２９，３９，４９とは、接合用のＡｕ膜を表面に備え、Ａｕ膜と絶縁膜２３との間には密着性改善用のＴｉ膜を介在させてある。つまり、封止用金属層２８，３８，４８と接続用金属層２９，３９，４９とは、それぞれ絶縁膜２３，３３，４３上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により形成されている。
【００５０】
なお、封止用金属層２８，３８，４８と接続用金属層２９，３９，４９とは、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してある。ただし、これらの数値は一例であって限定する趣旨ではない。
【００５１】
電極形成基板２の厚み方向の各面のうちセンサ基板１の対向面とは反対側の表面には、外部回路との接続用電極となる半田リフロー用のパッド電極２５が形成されている。各パッド電極２５は、各貫通孔配線２４の他端部にそれぞれ電気的に接続される。各パッド電極２５は、外周形状が矩形状（たとえば、正方形状）であり、電極形成基板２の表面に略等間隔で離間して配置されている。各パッド電極２５の大きさ、および隣り合うパッド電極２５の間の距離は、それぞれ半田リフローに適した大きさを下回らないように設計してある。
【００５２】
各パッド電極２５は、厚み方向に積層されたＴｉ膜とＣｕ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されており、最上層がＡｕ膜となっている。各パッド電極２５は、厚み方向に積層された少なくとも二層の金属膜により構成され、かつ最上層の金属膜がＡｕにより形成されるとともに最上層直下の金属膜がＮｉにより形成されていれば、最上層の金属膜がＡｕで形成されていることにより酸化を防止することができ、また、最上層直下の金属膜がＮｉで形成されていることにより、Ｃｕにより形成されている場合に比べて半田に溶食されにくくなり、膜厚を薄くすることが可能になる。また、各パッド電極２５の厚み方向の最下層の金属膜がＴｉにより形成されていることにより、各パッド電極２５と絶縁膜２３との密着性を高めることができる。
【００５３】
上述したように、本実施形態では、センシング部Ｄｓを備えるセンサ基板１とは別に回路部Ｄｃを備える回路形成基板３を設け、センサ基板１の表裏に電極形成基板２と回路形成基板３とを積層した３層構造の積層体とし、センサ基板１と電極形成基板２および回路形成基板３とを封着することにより、電極形成基板２および回路形成基板３とによりセンサ基板１のパッケージを構成している。また、回路形成基板３においてセンサ基板１との対向面に回路部Ｄｃを形成しているから、回路部Ｄｃも封止されることになる。
【００５４】
上述した加速度センサを製造するにあたっては、多数個のセンサ基板１を形成したＳＯＩウェハと、多数個の電極形成基板２を形成したシリコンウェハと、多数個の回路形成基板３を形成したシリコンウェハとをウェハレベルで互いに接合した後に、ダイシング工程により個別に切断分離する。ウェハレベルでの接合時には、センサ基板１に形成された封止用金属層１８および接続用金属層１９と、電極形成基板２に形成された封止用金属層２８および接続用金属層２９とが互いに接合されることによりセンサ基板１に電極形成基板２が接合される。また、センサ基板１に形成された封止用金属層４８および接続用金属層４９と回路形成基板３に形成された封止用金属層３８および接続用金属層３９とが互いに接合されることによりセンサ基板１に回路形成基板３が接合される。このような製造工程を採用することにより、電極形成基板２と回路形成基板３とがセンサ基板１と同じ外形寸法になり、小型のチップサイズパッケージを容易に製造することができる。
【００５５】
ところで、センサ基板１と電極形成基板２および回路形成基板３との接合方法としては、接合後におけるセンサ基板１の残留応力を少なくすることが望ましい。したがって、低温での接合が可能な接合方法を採用することが望ましい。そこで、本実施形態では、金属層対金属層の常温接合法を採用している。
【００５６】
常温接合法では、接合前に互いの接合面へアルゴンのプラズマもしくはイオンビームもしくは原子ビームを真空中で照射することにより、各接合面の清浄化および活性化を行い、次に接合面同士を接触させ、常温下で適宜の荷重を印加する。このとき、封止用金属層１８，２８，３８，４８が互いに接合されると同時に、接続用金属層１９，２９，３９，４９が互いに接合される。
【００５７】
本実施形態のセンサ装置では、センサ基板１と電極形成基板２および回路形成基板３との間の接合がそれぞれＡｕ−Ａｕ接合になる。また、本実施形態では、センサ基板１と電極形成基板２と回路形成基板３とが同じ半導体材料であるＳｉにより形成されているので、センサ基板１と電極形成基板２と回路形成基板３との線膨張率差に起因した応力（センサ基板１における残留応力）がブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの出力に与える影響を低減できる。つまり、電極形成基板２と回路形成基板３とがセンサ基板１とは異なる材料により形成されている場合に比較すると、製品毎のセンサ特性のばらつきを低減することができる。
【００５８】
ここに、互いに接合される接続用金属層１９，２９、３９，４９と封止用金属層１８，２８、３８，４９とにそれぞれ同じ金属材料を用いているので、接続用金属層１９，２９，３９，４９の接合と封止用金属層１８，２８，３８，４８の接合とを同時に行うことが可能であり、接合箇所ごとに半田を供給する工程およびリフロー工程を伴う製造方法に比較すると、製造プロセスの大幅な簡素化が図れるとともに、センサ基板１の厚み方向における電極形成基板２の位置精度を高めることができる。なお、上述した構成例では、センサ基板１の形成にＳＯＩウェハを用いているが、この構成は必須ではなく、ＳＯＩウェハに代えて、たとえばシリコンウェハを採用してもよい。
【００５９】
上述した加速度センサでは、電極形成基板２においてセンサ基板１との対向面とは反対側の表面にパッド電極２５が形成されているので、インターポーザを用いることなく半田リフローにより実装基板に実装することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施形態を示す縦断面図である。
【図２】同上に用いるセンサ基板の平面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ′線断面の断面図である。
【図４】同上の要部縦断面図である。
【図５】同上の要部縦断面図である。
【図６】同上の回路図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  センサ基板
２  電極形成基板
３  回路形成基板
１８  封止用金属層（封止部）
１９  接続用金属層（接続部）
２４  貫通孔配線
２５  パッド電極
２８  封止用金属層（封止部）
２９  接続用金属層（接続部）
３８  封止用金属層（封止部）
３９  接続用金属層（接続部）
４４  貫通孔配線
４８  封止用金属層（封止部）
４９  接続用金属層（接続部）
Ｄｃ  回路部
Ｄｓ  センシング部
【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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