グリーンＭＥＭＳセンサ端末・ネットワークシステムを実現する共通基盤技術

グリーンセンサ端末機能集積化技術の開発（財）マイクロマシンセンター、（独）産業技術総合研究所、（株）デンソー、（株）アルバック、大日本印刷（株）
大日本印刷（株）
富樫 和義
ＮＭＥMＳ技術研究機構

発表内容
１．背景と目的
２．開発テーマ概要・目標
３．開発内容と取り組み
４．端末機能集積化技術の開発
４－１．センサ端末共通プラットフォーム構築と集積化モジュールの開発
４－２．Siインターポーザ大口径化プロセス開発と機能集積化
４－３．高容量キャパシタの集積化技術
４－４．ビアキャパシタ向け高速Siエッチング技術開発
５．ネットワーク・応用分野
６．まとめ
ＮＭＥMＳ技術研究機構

１．背景と目的
グリーンセンサネットワークシステムの普及のためには、取付け場所を選ばない小型、且つ低消費電力で、安価なグリーンセンサ端末が求められる。
本研究では、これらを実現すべく、超低消費電力型RF-LSIの開発をはじめ、シリコンの加工プロセスを適用した端末機能集積化に関する要素技術を開発した。
Si上にワンチップ化集積する事で構造がシンプルになり信頼性の向上が期待できる。
超低消費電力型RF-LSI

無線モジュール
センサ端末

TSV
ビアキャパシタ

Si上への機能集積化（ワンチップ化）
ＮＭＥMＳ技術研究機構

２．開発テーマ概要・目的
低消費電力化、端末機能集積化の要素技術の開発担当
モジュール設計 ： 産総研、MMC
超低消費電力RF-LSIの開発 ： 産総研、MMC
RF-LSIの ﾁｯﾌﾟ to ｳｪﾊ接合技術 ： MMC、産総研
チップ部品

Φ300mm Si-インターポーザ開発：
大日本印刷
TSV

ビア形成のための高速エッチング技術 ： アルバック
高アスペクト大容量ビアキャパシタ向け絶縁層/配線層の開発 ： デンソー
ＮＭＥMＳ技術研究機構

２．開発テーマ概要・目的
H23年度の取り組み① 市販温湿度センサを用いた端末試作（1stプロトタイピング）
RF-LSI仕様、チップtoウェハ接合評価仕様の決定② シミュレーションによるΦ300mmウェハ均一めっき条件の確立③ 超臨界成膜装置仕様の設計と装置導入～立ち上げ④ ボッシュ・非ボッシュプロセス可能なＩＣＰ装置の準備

1st 端末試作

成膜装置の導入ＮＭＥMＳ技術研究機構

２．開発テーマ概要・目的
H24年度の取り組み① 小型集積化技術を適用した端末試作（2ndプロトタイピング）
Si-インターポーザによる集積化構造を設計② Φ300mmウェハ対応めっき装置の導入～立ち上げ③ 流体シミュレーションによる成膜チャンバー内気流の把握④ 非ボッシュ法で速度4.7um/minの異方性エッチングを達成

2nd 端末試作

Φ300mmウェハ対応めっき装置

ＮＭＥMＳ技術研究機構

２．開発テーマ概要・目的
H25年度の取り組み① センサ端末に太陽電池を接続、データ通信テストを行い、30mの通信が可能であることを確認（3rdプロトタイピング）② Si-インターポーザへの機能集積化技術を検証するための無線モジュール試作を開始、ビアキャパシタ形成まで確認③ 超臨界成膜のチャンバー内構造の改良（改造）④ ボッシュ/非ボッシュの融合プロセスを開発
電極部
キャパシタ部

10um

3rd 端末試作

ビアキャパシタ
ＮＭＥMＳ技術研究機構

２．開発テーマ概要・目的
H26年度の取り組み① グリーンセンサ端末共通プラットフォームを構築② ビアキャパシタ内蔵Si-インターポーザ（Si-IP）集積による無線モジュールの試作③ ビアキャパシタを試作し正常に機能する事を確認④ ボッシュ/非ボッシュの融合プロセスにて、アスペクト比25、エッチングレート2.0um/minを達成

TSV
無線モジュール外観

ビアキャパシタ↑
Si-IP部の断面

無線モジュール試作（Si-IP集積技術の適用）
ＮＭＥMＳ技術研究機構

高アスペクト比エッチング

３．開発内容と取り組み
低消費電力化、端末機能集積化の要素技術の開発
モジュール設計： ｾﾝｻｰ端末共通ﾌﾟﾗｯﾄﾌｫｰﾑ化
超低消費電力RF-LSIの開発： 低消費電力＆各種Gｾﾝｻｰに対応
チップ部品

RF-LSIの ﾁｯﾌﾟ to ｳｪﾊ接合技術：
ｳｪﾊﾚﾍﾞﾙﾌﾟﾛｾｽによる生産性向上
Φ300mm Si-インターポーザ開発：
大口径ﾌﾟﾛｾｽによる生産効率UP
TSV

ビア形成のための高速エッチング技術： 高ｽﾙｰﾌﾟｯﾄの実現
高アスペクト大容量ビアキャパシタ向け絶縁層/配線層の開発：
超臨界成膜による高性能ｷｬﾊﾟｼﾀの実現
ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．端末機能集積化技術の開発
４－１．センサ端末共通プラットフォーム構築と集積化モジュールの開発
プロトタイピングによる集積化技術の検証
1st

RF-LSI仕様の決定

2nd

集積化レイアウトの決定3rd

小型化の検証Siインターポーザ集積化技術を適用した無線モジュール仕様の決定
ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．端末機能集積化技術の開発の成果
４－１．センサ端末共通プラットフォーム構築と集積化モジュールの開発
・グリーンセンサ端末共通プラットフォームを構築
センサ端末共通プラットフォームWGで決定
自立電源

1.8V

1.8V~3.3V
静止時1μA

3.6μA
100～500μA
センサ

RMS‐DC
コンバータ（交流の実効値を直流に変換）

ﾚｷﾞｭﾚｰﾀ回路

10mA

アナログ値
8bit

内部電圧
1.55V
送信アンプ
AIST無線モジュール

グリーンセンサ端末共通プラットフォームの一例

ＮＭＥMＳ技術研究機構

プラットフォーム端末部（2×5cm）

４．端末機能集積化技術の開発
４－２． Siインターポーザ大口径化プロセス開発と機能集積化
シミュレーションによる均一めっき条件の検討 → 装置仕様へ
実めっき結果とほぼ一致

Φ300mmサイズ対応 Cu充填めっき装置とCuめっき後のウェハ
ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．端末機能集積化技術の開発の成果
４－２． Siインターポーザ大口径化プロセス開発と機能集積化
・Φ300mm Si-インターポーザのボイドレスTSVめっき技術確立

めっき充填後TSVのX線透過像

TSVの断面SEM像

従来サイズ（～8インチ）と同等レベルのめっき品質を達成、生産効率の大幅アップが期待できる大面積プロセスの実現可能性を見出した
配線めっき後ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．端末機能集積化技術の開発の成果
４－２． Siインターポーザ大口径化プロセス開発と機能集積化
・高容量ビアキャパシタ内蔵Si-インターポーザを開発し、無線モジュールへ適用

Si-IP部（拡大）

TSV

ビアキャパシタ↑
ビアキャパシタ内蔵Si-インタポーザ（断面構造）

試作した無線モジュール

ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．端末機能集積化技術の開発
４－３．高容量キャパシタの集積化技術
高アスペクト比ビア構造を用いたキャパシタを開発■ 開発したキャパシタチップ■ キャパシタ容量特性

試作品【キャパシタ断面】【キャパシタ上面斜視】

容量［Ｆ］

90nF＠0.81mm2

キャパシタ部

電圧［Ｖ］
10μm

10μm

アスペクト比：５０

キャパシタ容量：1μF@3×3mm（=110nF/mm2）を達成

ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．端末機能集積化技術の開発
４－３．高容量キャパシタの集積化技術
高アスペクト比ビア構造への絶縁層/配線層成膜技術を開発■ 大口径ウェハへの成膜チャンバ■ 大口径ウェハへの成膜結果＜超臨界状態での原料流れ解析＞＜Ｃｕ成膜の面内均一性＞

流速：小40mm

シャワーヘッド

中心部

対流発生

ウェハ

吹き出し口 一様分布（開口率5%）

対流無し

最適化

5mm

集中吹き出し開<発 >中心部

流速：大ウェハ

吹き出し口 中央集中

自然対流の影響を受けないチャンバ構造を開発

流速の最適化により、ウェハレベルの膜厚均一性を実現

ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．端末機能集積化技術の開発
４－４．ビアキャパシタ向け高速Siエッチング技術開発
直径4umの1:1ピッチ高密度Viaをエッチング深さ101um 、アスペクト比25以上の加工を(下図)、エッチング速度2um/min(従来技術1um/min)と高速レートで達成開発した融合エッチングシーケンス例

高アスペクト比エッチング結果

ＮＭＥMＳ技術研究機構

５．ネットワーク・応用分野
高集積化技術の適用によって小型化を実現し、設置自由度を高めた省電力グリーンセンサ端末には、環境モニタリング、エネルギー消費コントロールなど、きわめて広範囲な応用分野が期待されている。

グリーンセンサ端末
高集積化技術を適用したﾓｼﾞｭｰﾙ
他のセンサ端末への展開

ＮＭＥMＳ技術研究機構

６．まとめ・ グリーンセンサ端末機能集積化技術として、ビアキャパシタ内蔵
Si-インターポーザを開発し無線モジュールへ適用
・ 様々なグリーンセンサに対応可能な共通プラットフォームを構築
・ 超低消費電力にカスタマイズされたRF-LSIを開発
・ φ300mm Si-インターポーザ製造技術を確立
・ Si-インターポーザに内蔵可能な高アスペクト比構造/大容量のビアキャパシタを開発（１ｕＦ＠３×３ｍｍ）
・ 大口径ウェハ（～8インチ）に対応可能な超臨界成膜装置を開発
・ ビアキャパシタ向けの高品質/高スループット加工を可能とする
高速エッチングプロセス技術を確立

ＮＭＥMＳ技術研究機構