(57)【要約】【課題】簡便な構成で半導体装置の内部空間の気密性を損なうことなく、より信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】凹部１ａが形成されたセラミックパッケージ１と、該セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂ側に実装された赤外線センサ素子２と、セラミックパッケージ１の凹部１ａを覆うように気密接合されたリッド３と、を有する半導体装置２０であって、セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂからセラミックパッケージ１の外底面に赤外線センサ素子２の機能面に対する窓となる貫通孔１ｃが設けられ、該貫通孔１ｃを覆ってセラミックパッケージ１に気密接合されたキャップ４が設けられてなる。【選択図】図１
2010177295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部が形成されたセラミックパッケージと、該セラミックパッケージの前記凹部の内底面側に実装された半導体素子と、前記セラミックパッケージの前記凹部を覆うように気密接合されたリッドと、を有する半導体装置であって、
前記セラミックパッケージの前記凹部の前記内底面から前記セラミックパッケージの外底面に前記半導体素子の機能面に対する窓となる貫通孔が設けられ、該貫通孔を覆って前記セラミックパッケージに気密接合されたキャップが設けられてなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記キャップは、前記セラミックパッケージの前記凹部の前記内底面側から前記貫通孔を覆うように前記セラミックパッケージと気密接合されてなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記キャップは、前記セラミックパッケージの外底面側から前記貫通孔を覆うように前記セラミックパッケージと気密接合されてなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記キャップは、前記セラミックパッケージと接合材を介して気密接合され、該接合材が共晶半田よりも融点の高い高融点半田であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記キャップが平板状であって、前記貫通孔と対向する前記キャップの一表面と反対側の前記キャップの他面側に前記半導体素子が実装され、該半導体素子は前記キャップの前記他表面に設けられた配線を介して前記セラミックパッケージの外部と通電可能に構成されてなる請求項２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に半導体素子を実装し気密封止が可能な半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種の電気機器や電子機器に用いられる半導体装置は、より耐熱性、耐湿性を向上させ高信頼性を得るために、ＩＣ素子やセンサ素子などの各種の半導体素子をパッケージの凹部の内底面に実装し、該パッケージの凹部を覆うリッドによって半導体装置の内部空間を真空或いは不活性ガス雰囲気として気密に封止されることがある。
【０００３】
このような半導体装置のうち、前記リッドに前記半導体素子の機能面に対して窓となる開口部を設け、該開口部を覆うように接合したキャップを通して半導体装置の内部状況を確認したり、例えば、半導体素子として赤外線光源素子や半導体レーザ素子を用い、キャップを通して電磁波を半導体装置から放出する或いは、半導体素子として赤外線センサ素子、撮像素子を用い、キャップを通して電磁波を半導体装置の内部に入射させるものがある。
【０００４】
より具体的には、半導体装置の一例として、図４に示すように金属ベース４１に実装された半導体素子である赤外線センサ素子２と、金属ベース４１を覆うように気密接合が可能な金属蓋４３と、該金属蓋４３に開口部４３ａが設けられ該開口部４３ａに気密接合された赤外線が透過可能なキャップ４と、を有する半導体装置２０’が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
このような所謂キャンパッケージを用いた半導体装置２０’は、キャップ４が接合された金属蓋４３と金属ベース４１とを気密接合した後、金属ベース４１に設けられたチップ管１９から半導体装置２０’の内部空間１ｄを真空排気する。そして、チップ管１９を潰して封じることで、半導体装置２０’の内部空間１ｄ’を真空に気密封止してある。また、半導体装置２０’の内部空間１ｄに不要な残留ガスは半導体装置２０’に内蔵させたゲッタ１３で吸着し真空の低下を防止することが行われている。
【０００６】
なお、赤外線センサ素子２は、駆動時に赤外線センサ素子２の温度を所定の温度に安定化させるペルチェ効果を利用した電子冷却素子１８上に搭載されており、電子冷却素子１８は金属ベース４１に実装されている。赤外線センサ素子２は、金属ワイヤ９，９を介して金属ベース４１に固定された外部電極１２’，１２’と電気的に接続されている。
【０００７】
しかしながら、キャンパッケージを用いた半導体装置２０’は、プリント基板などの配線基板に実装する場合、リード端子からなる外部電極１２’，１２’が金属ベース４１に固定されているため、外部電極１２’，１２’の配置に制約があり配線の自由度が少ない。また、金属蓋４３や金属ベース４１を金属加工により形成するため半導体装置２０’全体をより小型化にすることが難しい。そのため、小型化、実装性に優れたセラミックパッケージを用いた半導体装置も研究開発されている。
【０００８】
セラミックパッケージを用いた半導体装置としては、図５に示すように凹部１ａが形成されたセラミックパッケージ１と、該セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂ側に実装された撮像素子５２と、セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂからセラミックパッケージ１の外底面に撮像素子５２の機能面（ここでは、受光面）に対する窓となる貫通孔１ｃが設けられ、該貫通孔１ｃを覆ってセラミックパッケージ１に固定されたキャップ４とを有する半導体装置２０’が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
なお、キャップ４は、接合材６を用いて、セラミックパッケージ１の外底面側から貫通孔１ｃを覆うようにセラミックパッケージ１と固定されている。また、撮像素子５２からの出力は、バンプ８，８およびセラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂに設けられた配線電極１０を介して外部電極１２から取り出すことができる。なお、セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂ側にバンプ８，８により実装された撮像素子５２は、撮像素子５２とセラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂとの間をアンダーフィル５１により充填してある。
【００１０】
また、気密封止を確保しつつ、小型化、実装性に優れたセラミックパッケージを用いた半導体装置としては、図６に示すように、凹部１ａ’が形成されたセラミックパッケージ１’と、該セラミックパッケージ１’の前記凹部１ａ’の内底面１ｂ’側に実装された赤外線センサ素子２と、前記セラミックパッケージ１’の前記凹部１ａ’を覆うように気密接合されたリッド３’と、前記リッド３’に開口部４３ａが設けられ該開口部４３ａを覆って気密接合する赤外線が透過可能なキャップ４と、を有する半導体装置２０’が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１１】
この半導体装置２０’には、半導体装置２０’の内部空間１ｄ’が真空になるようにキャップ４が接合されたリッド３’とセラミックパッケージ１’とを気密接合し、不要な残留ガスを半導体装置２０’に内蔵させたゲッタ１３で吸着することが行われている。また、赤外線センサ素子２は、駆動時に赤外線センサ素子２の温度を所定の温度に安定化させるペルチェ効果を利用した電子冷却素子１８上に搭載されており、電子冷却素子１８はセラミックパッケージ１’に実装されている。赤外線センサ素子２は、金属ワイヤ９を介してセラミックパッケージ１’に設けられた外部電極１２’と電気的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平９−２２９７６５号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２４３６号公報
【特許文献３】特開２００４−３０１６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図６に示した構成の半導体装置２０’の製造時において、リッド３’とセラミックパッケージ１’とを気密性よく接合するには、真空シーム溶接などによりリッド３’とセラミックパッケージ１’との当接面をリッド３’側からセラミックパッケージ１’側に押圧して接合する場合もあり、この押圧による応力によりリッド３’に気密接合されたキャップ４自身、リッド３’とキャップ４との気密接合部が破損し半導体装置２０’の気密性が損なわれるおそれがあった。
【００１４】
したがって、より信頼性の高い半導体装置が求められる現在においては、図６に示した構成の半導体装置２０’では十分ではない。
【００１５】
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、簡便な構成で半導体装置の内部空間の気密性を損なうことなく、より信頼性の高い半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１の発明は、凹部が形成されたセラミックパッケージと、該セラミックパッケージの前記凹部の内底面側に実装された半導体素子と、前記セラミックパッケージの前記凹部を覆うように気密接合されたリッドと、を有する半導体装置であって、前記セラミックパッケージの前記凹部の前記内底面から前記セラミックパッケージの外底面に前記半導体素子の機能面に対する窓となる貫通孔が設けられ、該貫通孔を覆って前記セラミックパッケージに気密接合されたキャップが設けられてなることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、前記セラミックパッケージに設けられた前記貫通孔を覆って前記キャップを気密接合することで、前記リッドへの前記キャップの接合が不要となる。そのため、半導体装置の製造時において、前記リッドと前記セラミックパッケージとを接合する際にシーム溶接などを用いて気密接合をさせても、半導体装置の内部空間の気密性を損なうことなく、より信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【００１８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記キャップは、前記セラミックパッケージの前記凹部の前記内底面側から前記貫通孔を覆うように前記セラミックパッケージと気密接合されてなることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、前記キャップが前記セラミックパッケージの外部に突出することなく、突出したキャップに外力が加わることを防止しうることができる。また、前記キャップを該キャップと比較して強度が強く厚みの厚い前記セラミックパッケージに封止すれば薄型で気密性が高く信頼性のより高い半導体装置とすることができる。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記キャップは、前記セラミックパッケージの外底面側から前記貫通孔を覆うように前記セラミックパッケージと気密接合されてなることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、前記キャップを該キャップと比較して強度が強く厚みの厚い前記セラミックパッケージに封止すれば薄型で気密性が高く信頼性のより高い半導体装置とすることができる。また、前記キャップと前記半導体素子とにより前記セラミックパッケージの前記貫通孔を狭持することにより、前記キャップと前記セラミックパッケージや前記半導体素子と前記セラミックパッケージとの接合部の機械的強度を向上させることもできる。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記キャップは、前記セラミックパッケージと接合材を介して気密接合され、該接合材が共晶半田よりも融点の高い高融点半田であることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、前記セラミックパッケージと前記キャップとの線膨張係数の違いに伴う応力を前記高融点半田からなる前記接合材によって緩和することができる。特に、前記キャップの材料として、前記セラミックパッケージと比較して強度が弱く、線膨張係数が小さい半導体材料を用いた場合においては、熱応力により前記キャップが割れることを防止し、半導体装置の内部空間における気密性の低下を防ぐことが可能となる。また、半導体装置を共晶半田などの溶融によりプリント基板などの配線基板に実装する際、前記接合材が再び溶融して気密性が低下することを防止することが可能となる。
【００２４】
請求項５の発明は、請求項２の発明において、前記キャップが平板状であって、前記貫通孔と対向する前記キャップの一表面と反対側の前記キャップの他面側に前記半導体素子が実装され、該半導体素子は前記キャップの前記他表面に設けられた配線を介して前記セラミックパッケージの外部と通電可能に構成されてなることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、前記キャップは前記半導体素子の台座としての機能を併せ持たせることができる。そのため、前記半導体素子の大きさとは関係なく、前記セラミックパッケージに前記キャップによって気密接合が可能な前記貫通孔を設けることができる。また、前記キャップは前記半導体素子の台座としての機能に加え、前記キャップに前記半導体素子と電気的に接続させるための配線機能を併せ持つことができる。そのため、前記半導体素子の実装自由度を高くし、比較的簡便に実装することが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１の発明では、セラミックパッケージの凹部の内底面から前記セラミックパッケージの外底面に半導体素子の機能面に対する窓となる貫通孔が設けられ、該貫通孔を覆って前記セラミックパッケージに気密接合されたキャップが設けられていることにより、半導体装置の内部空間の気密性を損なうことなく、より信頼性の高い半導体装置とすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態１の半導体装置を示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面に相当する概略断面図である。
【図２】同上の半導体素子を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’概略断面図である。
【図３】実施形態２の半導体装置を示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ’断面に相当する概略断面図である。
【図４】従来の半導体装置を示す概略断面図である。
【図５】従来の別の半導体装置を示す概略断面図である。
【図６】従来の他の半導体装置を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（実施形態１）
本実施形態の半導体装置について図１および図２を参照して説明する。
【００２９】
本実施形態の半導体装置は、図１（ｂ）の断面図で示すように、凹部１ａが形成されたセラミックパッケージ１と、該セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂ側に実装された半導体素子となる赤外線センサ素子２と、セラミックパッケージ１の凹部１ａを覆うように気密接合されたリッド３と、を有する半導体装置２０であって、セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂからセラミックパッケージ１の外底面に赤外線センサ素子２の機能面（受光面）に対する窓となる貫通孔１ｃが設けられ、該貫通孔１ｃを覆ってセラミックパッケージ１に気密封止されたキャップ４が設けられている。
【００３０】
以下、本実施形態に用いられる各構成について、詳述する。
【００３１】
セラミックパッケージ１は、半導体素子である赤外線センサ素子２を収納するための凹部１ａが形成されており、凹部１ａの内底面１ｂ側に赤外線センサ素子２が実装されている。
【００３２】
本実施形態において、より具体的には、セラミックパッケージ１の凹部１ａは、断面視において階段状に二段構成で形成され、凹部１ａの内底面１ｂは、半導体装置２０の厚み方向において深さが異なる第一段目の底面１ｂ’と、より深い第二段目の底面１ｂ’’とからなっている。いいかえれば、第一段目の底面１ｂ’には、窪み１ａ’が好適に設けられ、この窪み１ａ’により第一段目の底面１ｂ’から、さらに一段下がった第二段目の底面１ｂ’’が形成されることになる。さらに、第二段目の底面１ｂ’’には、セラミックパッケージ１の厚み方向に貫通孔１ｃが設けられている。
【００３３】
キャップ４は、接合材６を介してセラミックパッケージ１の貫通孔１ｃを覆うようにセラミックパッケージ１と気密接合されている。本実施形態において、キャップ４は、板状体であって窪み１ａ’内に収納されており、キャップ４の厚みは、凹部１ａの内底面１ｂにおける第一段目の底面１ｂ’から第二段目の底面１ｂ’’までの深さと略等しい。そのため、キャップ４をセラミックパッケージ１の凹部１ａの底面１ｂ側に実装させた状態で、貫通孔１ｃと対向するキャップ４の一表面と反対側のキャップ４の他面側は、セラミックパッケージ１の凹部１ａの第一段目の底面１ｂ’と略同一の高さとしてある。
【００３４】
平面視においては、図１（ａ）に示すようにセラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂは、外形が長方形状の第一段目の底面１ｂ’と、第一段目の底面１ｂ’内に前記長方形状の中心からずれて正方形状の第二段目の底面１ｂ’’が形成（図中左側）されており、第二段目の底面１ｂ’’が形成されていない第一段目の底面１ｂ’（図中右側）には、半導体装置２０の内部空間１ｄで不要な残留ガスを吸着可能なゲッタ１３が配置可能なスペースが設けられている。
【００３５】
また、第二段目の底面１ｂ’’には、第二段目の底面１ｂ’’と略相似形であって、より小さい正方形状の貫通孔１ｃが設けられている。第二段目の底面１ｂおよび貫通孔１ｃと略相似形で第二段目の底面１ｂ’’より小さく貫通孔１ｃより大きな正方形状のキャップ４は、接合材６を介して貫通孔１ｃと気密封止してある。
【００３６】
なお、図１（ａ）は、半導体装置２０の内部配置を参照するためリッド３が接合されていない状態で示してある。
【００３７】
また、配線電極１０は、セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂのうち第一段目の底面１ｂ上に複数個設けられている。この配線電極１０の一部は、キャップ４の前記他表面上に設けられた配線１５のランド１６と、金属ワイヤ（例えば、金線など）９によってワイヤボンディングされている。キャップ４の前記他表面上に設けられた配線には、バンプ８を介して赤外線センサ素子２がフリップチップ実装されている。従って、赤外線センサ素子２は、キャップ４の前記他表面側に実装されることになる。
【００３８】
同様に、他の配線電極１０の一部には、溶接用電極（例えば、コバール）１４，１４がろう付けされ、溶接部１７，１７によって平板形状（いわゆるリボン状）のゲッタ１３を溶接用電極１４，１４に溶接し電気的に接続させている。
【００３９】
配線電極１０は、セラミックパッケージ１の厚み方向に設けられた貫通配線１１を介してセラミックパッケージ１の裏面と側面とに跨って設けられた外部電極１２と電気的に接続させてある。したがって、赤外線センサ素子２からの信号は、バンプ８、キャップ４の前記他表面に設けられた配線１５、金属ワイヤ９、配線電極１０、貫通配線１１を通って外部電極１２に引き出すことができる。
【００４０】
また、セラミックパッケージ１の凹部１ａを覆うようにリッド３が気密接合してある。リッド３とセラミックパッケージ１とを気密性よく強固に接合するためには、リッド３とセラミックパッケージ１の当接面をリッド３側からセラミックパッケージ１側に押圧しながら抵抗シーム溶接により行うことができる。そのため、セラミックパッケージ１上には、リッド３と抵抗シーム溶接が可能なようにシームリング（例えば、コバールからなるリングなど）５が設けられている。なお、抵抗シーム溶接する場合には、シームリング５と当接するセラミックパッケージ１上に、シーム溶接用の金属膜（例えば、Ｗ膜、Ｎｉメッキ膜およびＡｕメッキ膜など）７を形成することが好ましい。
【００４１】
セラミックパッケージ１の凹部１ａの形状、貫通孔１ｃの形状、セラミックパッケージ１に設けられた配線電極１０、貫通配線１１、外部電極１２やシーム溶接用の金属膜７の一部は、セラミックパッケージ１の焼成と同時に形成させることができる。
【００４２】
そのため、セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂ側に設けられる貫通孔１ｃの形状は、キャップ４と気密封止可能なものであれば種々選択することができ、セラミックパッケージ１の形成時に円形、楕円形、正方形や長方形など所望に応じて種々形成することができる。また、セラミックパッケージ１を形成後、凹部１ａの内底面１ｂ側に貫通孔１ｃをドリルなどにより形成してもよい。
【００４３】
同様に、セラミックパッケージ１は、その形成時に配線電極１０、貫通配線１１、外部電極１２等を所望の形状に形成することも容易で、キャンパッケージと比較して複雑な配線を行うことが可能になる。そのため、半導体装置２０をプリント配線板などの配線基板（図示しない）に実装するときに実装配置の自由度が向上する。また、セラミックパッケージ１は、半導体装置２０を前記配線基板へ実装させる際に、セラミックパッケージ１の前記裏面と前記側面に設けられた外部電極１２で表面実装することもできるし、上記外部電極１２の代わりにリード端子を用いて挿入実装するなど所望に応じて実装方法の選択の幅を広くすることもできる。
【００４４】
このような、セラミックパッケージ１の材料としては、リッド３やキャップ４と接合可能であり、不活性ガスを封入したり真空排気させるなど気密封止させるため、ガスバリア性が高いことが要求される。また、内部に実装させる半導体素子に悪影響が生じさせないことが重要であり、例えば、赤外線センサ素子２を用いた場合には、ノイズが生じないように赤外線の透過率が低いものが好ましい。
【００４５】
そのため、セラミックパッケージ１の材料としては、例えば、窒化アルミニウム、炭化珪素、アルミナやシリカ系セラミックが挙げられる。なお、セラミックパッケージ１をアルミナで形成させた場合は、線膨張係数がおよそ７．１ｐｐｍ／Ｋとなる。
【００４６】
次に、半導体素子について説明する。半導体装置２０の内部に実装される半導体素子は、ＩＣ素子などの他、赤外線光源素子や半導体レーザ素子などの発光素子、撮像素子や赤外線センサ素子などの受光素子が好適に挙げられる。特に、セラミックパッケージ１は、断熱性に優れることから半導体素子として赤外線センサ素子２を好適に用いることができる。ここでは、本実施形態の半導体素子の一例として赤外線センサ素子２について図２を用いて説明する。
【００４７】
赤外線センサ素子２は、平面視形状が矩形板状となるベース基板２１、ベース基板２１の一表面側に配置され赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部２３、および温度検知部２３がベース基板２１から離間して配置されるように温度検知部２３を支持する支持部４１から構成されている。また、温度検知部２３がベース基板２１の一表面から離間して配置されており、ベース基板２１の前記一表面上に、温度検知部２３を透過した赤外線を温度検知部２３側へ反射する赤外線反射部２６が形成されている。
【００４８】
ベース基板２１は、シリコン基板２１ａと、当該シリコン基板２１ａの前記一表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜２１ｂと、当該シリコン基板２１ａの他表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜２１ｃとで構成してある。なお、図２（ｂ）における赤外線センサ素子２の断面は、同図（ａ）における赤外線センサ素子２のＤ−Ｄ’断面に相当する。
【００４９】
ベース基板２１には、２つの支持ポスト部４２ａ，４２ａが立設され、ベース基板２１側とは反対側に温度検知部２３が形成される支持部４１が梁部４２ｂ，４２ｂを介して支持ポスト４２ａ，４２ａと連結保持されている。
【００５０】
温度検知部２３は、温度に応じて電気的抵抗値が変化する抵抗ボロメータ形のセンシングエレメントを用いており、支持部４１側のＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上のＴｉＯ２膜との積層膜を例えば、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの薄膜形成方法により形成してある。なお、温度検知部２３は、Ｔｉ膜とＴｉＯ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＴｉＯＮ膜との積層膜で形成してもよいし、抵抗ボロメータ形のセンシングエレメントの材料としては、Ｔｉに限られず、例えば、アモルファスＳｉ、ＶＯｘなどを採用してもよい。
【００５１】
また、温度検知部２３は、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントに限られず、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメントなどを採用してもよく、いずれのセンシングエレメントを採用した場合でも、材料を適宜選択することで一般的な薄膜形成技術を利用して形成することができる。ここにおいて、温度に応じて誘電率の変化するセンシングエレメントの材料としては、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）などを採用することができる。
【００５２】
温度検知部２３は、平面視形状において、蛇行した形状（ここでは、つづら折れ状の形状）に形成されており、両端部が脚部４２，４２に沿って延長された配線層２８，２８を介してベース基板２１の上記一表面上の金属膜（例えば、Ａｕ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる上記導体パターン２９，２９と電気的に接続されている（図２（ａ）を参照）。なお、配線層２８，２８を温度検知部２３と同じ積層膜で構成し、配線層２８，２８と温度検知部２３とを同時に形成することができるが、配線層２８，２８の材料は、特に限定するものではなく、Ａｌ、Ｗ、ＷＮ、ＷＳｉ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｍｏ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉの群から選択される１種類でもよい。配線層２８，２８を複数層により形成する場合には、これらの群から選択される複数種類の材料を適宜採用すればよい。
【００５３】
温度検知部２３は、支持部４１に保持され、支持部４１は、ベース基板２１側の表面に形成され多孔質シリカ膜４１ａが水分を吸着するのを防止するシリコン酸化膜からなる第１のバリア膜４１ｂと、支持部４１のベース基板２１側とは反対側の表面に形成されたシリコン酸化膜からなる第２のバリア膜４１ｃとから構成されている。すなわち、多孔質シリカ膜４１ａがシリコン酸化膜からなる第１および第２のバリア膜４１ｂ，４１ｃで挟まれた板状に構成され、この板状の第２のバリア膜４１ｃ上に温度検知部２３を設けている。
【００５４】
支持部４１を構成する多孔質シリカの材料としては、多孔質の酸化シリコンの一種である多孔質シリカを採用することができ、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマーの一種であるメチル含有ポリシリキサン、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの一種であるＳｉ−Ｈ含有ポリシロキサン、シリカエアロゲルなどを採用してもよい。ここで、支持部４１として、多孔質シリカを用いているため、シリコンと比較して熱伝導率を低くし、赤外線センサ素子２の感度を向上することができる。多孔質シリカの多孔度は、小さすぎると断熱し難くなり、多孔度を大きくし過ぎると機械的強度が低くなる傾向にある。そのため、支持部４１に用いられる多孔質シリカの多孔度は、所望の特性によって適宜設定することができるが、１０％から９０％が好ましい。
【００５５】
赤外線反射部２６は、赤外線を反射し温度検知部２３で効率よく吸収できるようにベース基板２１上に好適に設けられる。赤外線反射部２６の材料としては、例えば、人体から放射される８μｍから１３μｍの波長帯の赤外線を検出対象とする場合、導体パターン２９，２９の材料と同じＡｕを採用することができる。なお、製造プロセスの簡略化のため、導体パターン２９，２９の材料としてＡｕ−Ｓｉを用いた場合は、赤外線反射部２６の材料としてＡｕ−Ｓｉを用いることもできる。
【００５６】
脚部４２，４２は、ベース基板２１の上記一表面側において導体パターン２９，２９に立設された２つの円筒状の支持ポスト部４２ａ，４２ａと、各支持ポスト部４２ａ，４２ａそれぞれの上端部と支持部４１とを連結した梁部４２ｂ，４２ｂとで構成されており、支持部４１とベース基板２１との間に間隙２７が形成されている。ここで、支持部４１の外周形状が矩形状であって、各梁部４２ｂ，４２ｂは、支持部４１の一側縁の長手方向の一端部から当該一側縁に直交する方向に延長され更に当該一側縁の上記一端部から他端部に向う方向に沿って延長された平面形状に形成されており、支持部４１の厚み方向に沿った中心軸に対して回転対称性を有するように配置されている。
【００５７】
また、配線層２８，２８のうち脚部４２，４２の梁部４２ｂ，４２ｂ上に形成された部位の幅は、当該配線層２８，２８を通した熱伝導を抑制するために梁部４２ｂ，４２ｂの幅寸法よりも小さく設定してある。また、配線層２８，２８のうち支持ポスト部４２ａ，４２ａに形成されている部位は、支持ポスト部４２ａ，４２ａの内周面の全体と導体パターン２９，２９の表面とに跨って形成されており、支持ポスト部４２ａ，４２ａが配線層２８，２８により補強されている。なお、支持ポスト部４２ａ，４２ａは、例えば、Ｔｉ膜からなる金属で構成させるよりも、Ｔｉ膜とＡｕ膜などとの積層膜により構成し、当該積層膜の膜厚を適宜設定することで支持ポスト部４２ａ，４２ａの機械的強度を高めることもできる。
【００５８】
このような赤外線センサ素子２を形成するためには、例えば、ベース基板２１の基礎となる単結晶のシリコン基板２１ａの前記一表面側および前記他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜２１ｂ，２１ｃを熱酸化法により形成した後、ベース基板２１の一表面側に金属膜をＣＶＤ法や蒸着など各種成膜方法で成膜し、所望の形状にエッチングすることで導体パターン２９，２９や赤外線反射部２６を形成する。
【００５９】
次に、ベース基板２１の前記一表面の全面に、後にアッシング除去され間隙２７を構成する樹脂層（例えば、ポリイミドなど）を回転塗布により形成する。この樹脂層を支持部４１を形成するために利用する。すなわち、前記樹脂層上に、スパッタ法などによりシリコン酸化膜からなる第１のバリア層４１ｂ、ゾルゲル法などにより多孔質シリカ膜４１ａ、スパッタ法などによりシリコン酸化膜からなる第２のバリア層４１ｃをそれぞれ成膜し、所望の形状にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることで、支持部４１を形成する。
【００６０】
こうして形成された支持部４１上に温度検知部２３を所望の形状に形成した後、ＮＨ３ガス、Ｈ２ガス、Ｈ２ガスとＨｅガスとの混合ガスやＮ２ガスとＨｅガスとの混合ガスの群から選択される１種のガスのプラズマを利用してアッシング処理することで、前記樹脂層を除去して図２のごとき間隙２７を有する赤外線センサ素子２を形成することができる。
【００６１】
なお、図２では、赤外線センサ素子２の一部分として、ベース基板１の上記一表面側に一対の導体パターン２９，２９と電気的に接続された１個の温度検知部２３を図示してあるが、図１の半導体装置２０に用いられる赤外線センサ素子２では、このような温度を検知可能な部位を複数のアレイ状に配置し、熱画像を検出可能な構成としてある。また、赤外線センサ素子２は、温度検知部２３が配置された赤外線センサ素子２の機能面側がキャップ４と対向配置され、キャップ４の前記他表面に設けられた配線１５とバンプ８を介してフリップチップ実装される。そのため、赤外線センサ素子２がキャップ４の前記他表面側でフリップチップ実装が可能なように、言い換えれば、温度検知部２３がキャップ４と接触しないようする必要がある。そのため、赤外線センサ素子２の平面視においてベース基板２１の外周縁の端部が、温度検知部２３が形成されるベース基板２１の内側よりも高く形成され、ベース基板２１の外周縁の端部まで導体パターン２９，２９が引き伸ばされている。ベース基板２１の外周縁の端部上の導体パターン２９，２９は、それぞれキャップ４の前記他表面に設けられた配線１５とバンプ８（例えば、半田バンプ）を介して電気的に接続することができる。また、赤外線センサ素子２の温度検知部２３がキャップ４と接触しないようにキャップ４の前記他表面側に窪みを設けてもよい（図示しない）。なお、キャップ４の前記他表面上でフリップチップ実装させた赤外線センサ素子２には、バンプ８間にアンダーフィルを入れて二重気密構造とさせてもよい。
【００６２】
次に、半導体装置２０に用いられるリッド３は、セラミックパッケージ１の凹部１ａを覆うように接合され気密封止が可能な蓋として用いられる。リッド３には、セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂ側に実装させた半導体素子に悪影響を与えるものを防ぐものが好ましく、例えば、半導体素子として赤外線センサ素子２を用いた場合、リッド３は不要な赤外線を遮蔽すると共に気密封止ができるものが好ましい。また、リッド３は、セラミックパッケージ１とシーム溶接するため導電性を有することが好ましい。そのため、リッド３を抵抗シーム溶接する場合、接合不良が生じないようにリッド３の表面が酸化されることを防止することが好ましい。
【００６３】
また、リッド３はキャップ４が取り付けられるわけではないので、キャップ４との線膨張係数を考慮する必要はないが、より高い気密性を確保するためセラミックパッケージ１の線膨張係数を考慮して、線膨張係数が４〜６ｐｐｍ／Ｋ程度の材料を用いることが好ましい。このようなリッド３の材料として、コバール、ステンレスや鉄などを用いることができる。本実施形態のリッド３として、例えば、コバールからなる板状体の表面にシーム溶接を行うための金属メッキ層（例えば、Ｎｉメッキ層など）を施したものを好適に用いることができる。
【００６４】
キャップ４は、セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂからセラミックパッケージ１の外底面に設けられた貫通孔１ｃを覆うように接合され、キャップ４を通して気密封止したセラミックパッケージ１の内部状況を確認する、キャップを通して電磁波を半導体装置から放出する或いは、キャップを通して電磁波を半導体装置の内部に入射することができるものである。
【００６５】
キャップ４の材料としては、例えば、半導体素子として赤外線センサ素子２を用いた場合は、赤外線が入射可能なＳｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅなどの半導体材料が好適に用いられ、半導体素子としてフォトダイオード素子や半導体レーザ素子を用いた場合は、可視光等が透過可能なガラスなどを好適に用いることができる。
【００６６】
また、キャップ４の前記他表面側に半導体素子を実装させる場合は、キャップ４の前記他表面上に半導体素子と電気的に接続可能な配線１５を設けることができる。キャップ４の前記他表面上に設けられた配線１５は、キャップ４の材料として半導体を用いた場合には、各種金属（例えば、Ｎｉ／Ａｕ）をスパッタリング法や蒸着法により成膜し、エッチングによりパターニングすることで所望の形状に形成することができる。同様に、半導体からなるキャップ４に各種不純物をイオンインプランテーションなどより埋め込み熱処理したものを配線１５として利用することもできる。また、キャップ４の材料としてガラスを用いた場合では、キャップ４上に前記各種金属や金属酸化膜（例えば、ＺｎＯやＩＴＯなど）を形成させ配線１５として用いることもできる。
【００６７】
また、キャップ４の前記他表面に設けた配線１５が半導体素子の機能を阻害する材質からなる場合には、キャップ４に形成される配線１５のパターンを調整することが好ましい。例えば、キャップ４の前記他表面側に実装された赤外線センサ素子２と電気的に接続するための配線１５は、赤外線センサ素子２の受光面を遮光しないように、平面視において赤外線センサ素子２をフリップチップ実装させたバンプ８の接合部よりもキャップ４の外周縁側に設けることが好ましい（図１（ａ）を参照）。これにより配線１５は、キャップ４の赤外線を透過するフィルタとしての機能を損なうことなく、セラミックパッケージ１の外部と赤外線センサ素子２とを電気的に導通させる配線機能とを併せ持たせることができる。
【００６８】
なお、キャップ４には、セラミックパッケージ１と当接する面に金属膜（例えば、Ｎｉ／Ａｕ）を予めメッキなどにより形成することで、接合材６として半田を用いた場合、半田の濡れ性を高くすることが可能になる。そのため、キャップ４を制御性よくセラミックパッケージ１に気密封止することができる。このようなキャップ４の材料の線膨張係数としては、セラミックパッケージ１や接合材６の材料にもよるが、２．７〜３ｐｐｍ／Ｋのものを好適に用いることができる。
【００６９】
シームリング５は、セラミックパッケージ１とリッド３とを抵抗シーム溶接が可能なように好適に設けられ、例えば、コバールからなるリングにより形成することができる。
【００７０】
接合材６は、セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂに設けられた貫通孔１ｃを塞ぐようにキャップ４と気密接合が可能なものであり、このような接合材６の材料としては、低融点ガラスや半田などが挙げられる。接合材６は、セラミックパッケージ１とキャップ４との中間的な線膨張係数とすることができるものが好ましいが、キャップ４とセラミックパッケージ１の線膨張係数の差が大きい場合、接合材６は発生する熱応力を緩和可能な金属材料、特に材料として柔らかい半田を用いることが好ましい。
【００７１】
また、接合材６の材料として半田を用いる場合は、半導体装置２０をプリント基板などの配線基板に共晶半田などの溶融により実装する際にも、接合材６が再び溶融して気密性が低下することを防ぎ量産性よく気密接合するために共晶半田よりも融点の高い高融点半田（例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を用いることが好ましい。
【００７２】
したがって、例えば、キャップ４としてＳｉの半導体基板を用い、キャップ４をアルミナからなるセラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂに設けられた貫通孔１ｃの周縁に合わせて接合する場合、接合材６として共晶半田よりも融点の高い高融点半田を好適に用いることができる。
【００７３】
ゲッタ１３は、活性化させて気密封止した半導体装置２０の内部空間１ｃの不要なガスを除去するものであって、半導体装置２０の信頼性をより高めるために好適に設けられるものである。ゲッタ１３の形状は、配置される半導体装置２０の内部空間１ｃによって、種々選択することができるが、活性表面積が大きく機械強度を高めやすい平板形状に形成することが好ましい。また、ゲッタ１３の材料としては、例えば、ニッケルクロム鉄からなる平板の基体上にＴｉとＺｒ−Ｖ−Ｆｅ合金とを焼結させたものを用いることができる。このようなゲッタ１３は、平面板のゲッタ１３の長手方向における両端部において、配線電極１０上に設けられた一対の溶接用電極１４，１４とをそれぞれ溶接固定することで比較的簡単に形成することができる。
【００７４】
ゲッタ１３は、その活性化時に半導体装置２０の内部に配置される半導体素子や接合材６に熱的な悪影響を与えないように、ゲッタ１３だけを部分的に加熱できるようなものが好ましい。このような加熱手段として、ゲッタ１３を溶接固定した一対の溶接用電極１４，１４を介して外部から電流を流し、ゲッタ１３を抵抗加熱させることで活性化を行うことができる。なお、配線電極１０は、ゲッタ１３を抵抗加熱により活性化させるために十分な電流が流せるように形成する必要があり、ゲッタ１３の種類によって大きさ、厚みや材料を適宜選択すればよい。
【００７５】
次に、本実施形態の半導体装置２０を形成する工程について説明する。具体的には、セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂを構成する第二段目の底面１ｂ’’上であって、貫通孔１ｃの外周側に接合材６となる高融点半田をリング状に設置し、その上に貫通孔１ｃを覆って塞ぐように窪み１ａ’にキャップ４を落とし込み重ね合わせる。キャップ４には、赤外線を透過させる部位を除いて、赤外線センサ素子２がフリップチップ実装できるようにキャップの前記他表面に配線１５が形成されている。このようなキャップ４を接合材６として高融点半田を用いてセラミックパッケージ１に溶融固着することで気密性を確保することができる。
【００７６】
続いて、赤外線センサ素子２をキャップ４の前記他表面に設けた配線１５の一端部と電気的に接続できるように位置を合わせて、バンプ８を介してフリップチップ実装させる。配線１５の他端部に設けられたランド１６は、セラミックパッケージ１の第一段目の底面１ｂ’に設けられた配線電極１０と金属ワイヤ９によってワイヤボンディング接続させる。
【００７７】
同様に、セラミックパッケージ１の第一段目の底面１ｂ’に設けられた配線電極１０上にコバールからなる溶接用電極１４，１４がろう付けによって取り付けられ、溶接用電極１４，１４にリボン状のゲッタ１３が溶接部１７，１７で溶接固定されている。なお、溶接用電極１４，１４にはセラミックパッケージ１に設けた配線電極１０と同様のＮｉ／Ａｕメッキ膜を好適に施してある。
【００７８】
次に、凹部１ａの内底面１ｂ側に赤外線センサ素子２が配置されたセラミックパッケージ１と、リッド３と、を気密封止する。セラミックパッケージ１のリッド３と当接する部位には、シーム溶接用の金属膜７が形成されており、金属膜７上にコバールからなるシームリング５が取り付ける。なお、シームリング５もＮｉ／Ａｕのメッキ膜を形成してある。このリッド３をシームリング５を介してセラミックパッケージ１上に積層させる。この積層物をＮ２ガス雰囲気のチャンバ中で、真空シーム溶接機を用いて溶接することにより半導体装置２０の内部にＮ２が封入された気密封止をすることができる。なお、Ｎ２ガスの代わりに他の不活性ガスを封入してもよいし、チャンバ内を真空排気し真空気密封止を行ってもよい。
【００７９】
なお、本実施形態においては、キャップ４をセラミックパッケージ１に接合材６により封止した後に、赤外線センサ素子２をフリップチップ実装させてあるが、予め赤外線センサ素子２をキャップ４に実装させたキャップ４を、セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂからセラミックパッケージ１の外底面に設けられた貫通孔１ｃを覆うように接合材６で気密封止させてもよい。
【００８０】
（実施形態２）
本実施形態の半導体装置２０における基本構成は実施形態１と略同一であり、キャップ４をセラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂ側から貫通孔１ｃを覆うようにセラミックパッケージ１に気密接合する代わりに、セラミックパッケージ１の外底面側１ｆから貫通孔１ｃを覆うようにセラミックパッケージ１に気密接合する点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００８１】
本実施形態の半導体装置２０は、図３に示すように凹部１ａを有するセラミックパッケージ１の内底面１ｂに孔加工により貫通孔１ｃが施されてあり、セラミックパッケージ１の外底面にもキャップ４を内包するための窪み１ｅを形成し、セラミックパッケージ１の外底面１ｆ側から貫通孔１ｃを塞ぐようにＳｉよりなるキャップ４を接合材６により取り付けてある。キャップ４の厚みは、半導体装置２０をプリント基板などの配線基板と実装しやすくするため、セラミックパッケージ１の底面から飛び出さない厚みとして窪み内１ｅに収納させてある。
【００８２】
セラミックパッケージ１の凹部１ａの内底面１ｂには、赤外線センサ素子２が貫通孔１ｃを覆うように赤外線センサ素子２の機能面を貫通孔１ｃ側に向けてキャップ４と対向配置されている。赤外線センサ素子２は、バンプ８によりセラミックパッケージ１の配線電極１０に直接搭載されると共に電気的に接続させてある。
【００８３】
これにより、キャップ４がセラミックパッケージ１の外部に突出することなく、突出したキャップ４に外力が加わることを防止しうることができる。また、薄型で気密性が高く信頼性のより高い半導体装置とすることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１  セラミックパッケージ
１ａ  凹部
１ｂ  内底面
１ｃ  貫通孔
２  赤外線センサ素子（半導体素子）
３  リッド
４  キャップ
６  接合材
２０  半導体装置
【図１】
2010177295.tif 000003
【図２】
2010177295.tif 000004
【図３】
2010177295.tif 000005
【図４】
2010177295.tif 000006
【図５】
2010177295.tif 000007
【図６】
2010177295.tif 000008