(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラムが形成されたシリコンチップと、前記シリコンチップに接合され、圧力導入孔を備えたガラス台座と、前記ガラス台座にメタライズ層を介して半田により接続されたパッケージとを備え、前記ダイヤフラムのたわみ量より圧力を検出するた半導体圧力センサにおいて、
−４０℃から２００℃の温度域で、前記シリコンチップの熱膨張係数が前記ガラス台座の熱膨張係数以下であり、かつ前記メタライズ層の熱膨張係数が前記ガラス台座の熱膨張係数より大きく、かつ前記半田の熱膨張係数が前記メタライズ層の熱膨張係数より大きく、かつ前記パッケージの熱膨張係数が前記半田の熱膨張係数よりも小さくされることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
前記シリコンチップの室温での熱膨張係数をαＳｉ、前記ガラス台座の室温での熱膨張係数をαＧ、前記メタライズ層の室温での熱膨張係数をαＭ、前記半田の室温での熱膨張係数をαＳ、前記パッケージの室温での熱膨張係数をαＰとするとき、
αＧ／αＳｉ≒１．０４
αＧ／αＭ≒０．２７
αＭ／αＳ≒０．６８
αＳ／αＰ≒３．５
の組み合わせとすることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤフラムが形成されているシリコンチップを用いたダイヤフラム型の半導体圧力センサに係り、特に温度特性及び高温特性に優れた高精度な半導体圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業上の様々な分野において、圧力センサが多岐にわたって用いられるようになっている。中でも、信頼性、コスト、小型軽量化の点から、車載関係や家電製品などにおける半導体圧力センサの使用が急増している。
【０００３】
ところで、半導体圧力センサの従来技術は、ダイヤフラムを形成したシリコンチップの一方の面に検出した圧力を電位として取り出すピエゾ抵抗を形成した構造が知られている。このシリコンチップは、ガラス台座を介してパッケージに接合されているが、シリコンチップとガラス台座とは陽極接合により接合されており、またガラス台座とパッケージとはメタライズ層を介して半田ろう接合されている。これら物理的に強固な接合により、使用温度領域においてリークのないセンサを得ることができる。
【０００４】
上記従来技術は、シリコンチップとガラス台座という異種の材料を接合していることから、両者の熱膨張係数の違いにより温度特性には問題があった。すなわち、熱膨張係数の違いによりシリコンチップとガラス台座間に応力が働き、その結果、ダイヤフラムが変形することにより、オフセット電圧の温度特性が悪くなるという問題があった。
【０００５】
このため、従来技術では、ガラス台座の代わりにシリコン台座を用いたプロセスが検討されてきた。例えば図８に示すように、シリコンチップ３１とシリコン台座３３の間に水硝子や半田等の中間材３２を介した接合や、図９に示すように、シリコン台座３３上にガラス３４をスパッタにて形成した後に、シリコンチップ３１を陽極接合する方法や、図１０に示すように、オプティカルコンタクト（シリコン鏡面どうしの張り合わせ）を利用してシリコンチップ３１とシリコン台座３３とを接合する接合方法などが提案されている。
【０００６】
しかし、これらの方法は、プロセスが非常に困難であることや、高コストであるという問題点があり、必ずしも量産に適した方法ではなかった。
【０００７】
また、ガラス台座に室温でシリコンに熱膨張係数が近い材料（例えば♯７７４０）を使用した場合、使用温度領域が−４０℃〜２００℃の場合、図７の関係図（熱膨張曲線図）に示されるように、ガラスの熱膨張係数とシリコンの熱膨張係数が交差する温度領域があるために、特にダイヤフラム式の半導体圧力センサでは、オフセット状態でのダイヤフラムの変形状態が変わり、センサの温度特性に影響を与えることがわかっている。
【０００８】
また、この問題を解決するために各温度域において、シリコンとガラスの熱膨張係数を制限したガラスを使用することで、温度特性の改善を図っている（特開平４−８３７３３号、特開平７−２４７１３４号）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この方法でも半導体圧力センサの温度特性は改善されるが、近年の半導体圧力センサの使用温度域の拡大に伴い、シリコンチップとガラス台座だけではなく、半田やパッケージの熱膨張係数がセンサ特性に及ぼす影響が大きくなっていることから、他の部材についても検討が必要である。仮に、陽極接合時に発生する応力を最小にできたとしても、半田ろう接合のプロセスでは、シリコンやガラスと比較して熱膨張係数が大きい半田材料を使用することから、これらより発生する熱応力（半田溶融状態から凝固する際に発生する熱応力）を効果的に緩和しないと、センサの温度特性に悪影響を及ぼすことが考えられる。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は低コストで温度特性に優れた半導体圧力センサを容易に提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、ダイヤフラムが形成されたシリコンチップと、前記シリコンチップに接合され、圧力導入孔を備えたガラス台座と、前記ガラス台座にメタライズ層を介して半田により接続されたパッケージとを備え、前記ダイヤフラムのたわみ量より圧力を検出するた半導体圧力センサにおいて、−４０℃から２００℃の温度域で、前記シリコンチップの熱膨張係数が前記ガラス台座の熱膨張係数以下であり、かつ前記メタライズ層の熱膨張係数が前記ガラス台座の熱膨張係数より大きく、かつ前記半田の熱膨張係数が前記メタライズ層の熱膨張係数より大きく、かつ前記パッケージの熱膨張係数が前記半田の熱膨張係数よりも小さくされることを特徴とする。
【００１２】
また、前記シリコンチップの室温での熱膨張係数をαＳｉ、前記ガラス台座の室温での熱膨張係数をαＧ、前記メタライズ層の室温での熱膨張係数をαＭ、前記半田の室温での熱膨張係数をαＳ、前記パッケージの室温での熱膨張係数をαＰとするとき、αＧ／αＳｉ≒１．０４、αＧ／αＭ≒０．２７、αＭ／αＳ≒０．６８、αＳ／αＰ≒３．５の組み合わせとすることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の基本構成を図１を用いて説明する。図示せぬピエゾ抵抗素子を備えたダイヤフラム６を有するシリコンチップ１は、ダイヤフラム６が形成されていない側がガラス台座２に陽極接合などにより取り付けられている。また、ガラス台座２はメタライズ層３を介して、半田４でパッケージ５と半田ろう接合されている。ガラス台座２及びパッケージ５には、シリコンチップ１に圧力を印加するための圧力導入孔７が形成されており、ダイヤフラム５のたわみによるピエゾ抵抗素子の電気信号により圧力が検出できる。
【００１４】
ここで、シリコンチップ１の厚さは約０．３ｍｍ、ガラス台座２の厚さは約１〜４ｍｍ、メタライズ層３の厚さは約０．９μｍ、半田４の厚さは約１０〜３０μｍとなる。
【００１５】
このように構成される半導体圧力センサの製造方法を示す。まず、図２（ａ）に示すように、両面に鏡面研磨処理を施した面方位（１１０）の単結晶シリコン基板１１上に熱酸化によりシリコン酸化膜１２を形成し、フォトレジストマスクを所定の位置に形成した後、ウェットエッチングにてシリコン酸化膜１２をエッチングし、イオン注入および熱拡散を行う。
【００１６】
その後、拡散抵抗配線を形成した後、ＬＰＣＶＤにより単結晶シリコン基板１１の両面にシリコン窒化膜１３を形成し、ドライエッチング、および８０℃の水酸化カリウム水溶液による異方性エッチングを行い、図２（ｂ）に示すようにダイヤフラム１５を形成する。その後、所定の位置にフォトレジストによりパターニングを行い、図２（ｃ）に示すように、ドライエッチングによりシリコン酸化膜１２、シリコン窒化膜１３を除去した後、スパッタリングによりアルミ１４を形成し、フォトレジストマスクによりパターニングした後、ドライエッチングによりアルミ配線を形成する。
【００１７】
その後、図３に示すように、圧力導入孔１６ａを形成した陽極接合用のガラス基板１６（例えば（株）岩城硝子製ＳＷ−３ガラス）において、片面を表面の凹凸が小さくなるように研磨処理を行い、また、その反対面にメタライズ層である金属蒸着膜１７を蒸着形成したガラス基板１６の研磨面と、上述のようにダイヤフラム１５が形成された単結晶シリコン基板１１とを位置合わせした後、直流電圧６００Ｖ、４００℃、真空雰囲気において陽極接合により接合する。尚、図３では単結晶シリコン基板１１表面のアルミなどは図示していない。また、ＳＷ−３ガラスの温度に対する線膨張率の関係を図７に示している。
【００１８】
そして次に、図４（ａ）に示すように、ガラス基板１６を接合した単結晶シリコン基板１１より、ダイシングレーン１８にて、個々のガラス台座付きチップ１９を切り出す。図４（ｂ）は、ガラス台座付きチップ１９を示す斜視図であり、上から順番にシリコンチップ２０、ガラス台座２１、金属蒸着膜２２を示している。
【００１９】
そして、図５（ａ）に示すように、半田２３（例えば、Ａｕ−Ｓｎ系）を用いて３６０℃にて、ガラス台座付きチップ１９と表面に金を蒸着形成したパッケージである支持台２４とを、窒素雰囲気中で半田ろう結合する。その後、図５（ｂ）に示すように、ガラス台座付きチップ１９の図示せぬパッドと支持台２４とをワイヤボンディングにて結線した後、表面に樹脂を塗布しキャップ２５で覆い、半導体圧力センサ２６を完成する。
【００２０】
このとき、上述のように製造される半導体圧力センサ２６を構成する各部材の熱膨張係数を、−４０℃から２００℃の使用温度域において、シリコンチップ２０の熱膨張係数がガラス台座２１の熱膨張係数以下であり、かつメタライズ層である金属蒸着膜２２の熱膨張係数がガラス台座２１の熱膨張係数より大きく、かつ半田２３の熱膨張係数が金属蒸着膜２２の熱膨張係数より大きく、かつパッケージである支持台２４の熱膨張係数が半田２３の熱膨張係数よりも小さくすることが望ましい。
【００２１】
このようにすることで、半田部で発生した熱応力がメタライズ層である金属蒸着膜２２、ガラス台座２１、シリコンチップ２０と伝達する際に徐々に緩和されながら伝達され、また最も熱容量が大きいと考えられるパッケージである支持台２４の熱応力がシリコンチップ２０に与える影響が小さくなることから、広い温度領域において、温度特性に優れた半導体圧力センサを提供することができる。
【００２２】
本実施形態では、ガラス台座２１として（株）岩城硝子製ＳＷ−３ガラスを用い、金属蒸着膜２２はＣｒ−Ｐｔ−Ａｕを用いている。また、半田２３はＡｕ−２０％Ｓｎを用い、支持台２４はコバール製である。
【００２３】
ここで、室温２０℃でのシリコンチップ２０の熱膨張係数αＳｉは約２．８ｐｐｍ／℃、室温２０℃でのガラス台座２１の熱膨張係数αＧは約２．９３ｐｐｍ／℃、室温２０℃でのメタライズ層である金属蒸着膜２２の熱膨張係数αＭは約１０．８８ｐｐｍ／℃、室温２０℃での半田２３の熱膨張係数αＳは１５．９ｐｐｍ／℃、室温２０℃でのパッケージである支持台２４の熱膨張係数αＰは約４．５ｐｐｍ／℃である。
【００２４】
そして、各部材の熱膨張係数の比率は、以下のようになる。
熱膨張係数αＧ／熱膨張係数αＳｉ≒１．０４
熱膨張係数αＧ／熱膨張係数αＭ≒０．２７
熱膨張係数αＭ／熱膨張係数αＳ≒０．６８
熱膨張係数αＳ／熱膨張係数αＰ≒３．５
このとき、室温での各熱膨張係数は図６で示すとおりになる。尚、金属蒸着膜２２は、下から順番にＣｒ、Ｐｔ、Ａｕで構成され、各熱膨張係数は４．９ｐｐｍ／℃、８．８ｐｐｍ／℃、１４．１ｐｐｍ／℃であり、各熱膨張係数値にＣｒ、Ｐｔ、Ａｕの厚みを乗じて平均を出した値がメタライズ層である金属蒸着膜２２の熱膨張係数１０．８８ｐｐｍ／℃となる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の半導体圧力センサによれば、ダイヤフラムが形成されたシリコンチップと、前記シリコンチップに接合され、圧力導入孔を備えたガラス台座と、前記ガラス台座にメタライズ層を介して半田により接続されたパッケージとを備え、前記ダイヤフラムのたわみ量より圧力を検出するた半導体圧力センサにおいて、−４０℃から２００℃の温度域で、前記シリコンチップの熱膨張係数が前記ガラス台座の熱膨張係数以下であり、かつ前記メタライズ層の熱膨張係数が前記ガラス台座の熱膨張係数より大きく、かつ前記半田の熱膨張係数が前記メタライズ層の熱膨張係数より大きく、かつ前記パッケージの熱膨張係数が前記半田の熱膨張係数よりも小さくされるようにしたので、半田部で発生した熱応力がメタライズ層、ガラス台座、シリコンチップと伝達する際に徐々に緩和されながら伝達され、またパッケージの熱応力がシリコンチップに与える影響が小さくなることから、シリコンチップ−ガラス台座間、ガラス台座−メタライズ層間、メタライズ層−半田間、半田−パッケージ間で発生する熱応力を効果的に緩和し、広い温度領域にわたり温度特性に優れた半導体圧力センサを低コストで実現できる。
【００２６】
また、前記シリコンチップの室温での熱膨張係数をαＳｉ、前記ガラス台座の室温での熱膨張係数をαＧ、前記メタライズ層の室温での熱膨張係数をαＭ、前記半田の室温での熱膨張係数をαＳ、前記パッケージの室温での熱膨張係数をαＰとするとき、αＧ／αＳｉ≒１．０４、αＧ／αＭ≒０．２７、αＭ／αＳ≒０．６８、αＳ／αＰ≒３．５の組み合わせとなるようにしたので、請求項１と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体圧力センサの基本構成を示す構成図である。
【図２】（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ本発明の半導体圧力センサを構成するシリコンチップの製造過程中の状態を示す断面図である。
【図３】本発明の半導体圧力センサの製造過程中のシリコン基板にガラス基板を接合した状態を示す断面図である。
【図４】本発明の製造過程中の半導体圧力センサを示す図であり、（ａ）はガラス基板が接合されたシリコン基板を示す上面図、（ｂ）は個々のガラス台座付きチップの構造を示す斜視図である。
【図５】本発明の製造過程中の半導体圧力センサを示す図であり、（ａ）はガラス台座付きチップの支持台への接合状態を示す断面図、（ｂ）は完成した半導体圧力センサの断面図である。
【図６】本発明の半導体圧力センサを構成する各部材の室温での熱膨張係数を示す関係図である。
【図７】各物体の温度に対する線膨張率の関係を示す関係図である。
【図８】従来の半導体圧力センサの一部の構造を示す断面図である。
【図９】従来の他の半導体圧力センサの一部の構造を示す断面図である。
【図１０】従来の更に他の半導体圧力センサの一部の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１    シリコンチップ
２    ガラス台座
３    メタライズ層
４    半田
５    パッケージ
６    ダイヤフラム
７    圧力導入孔
【図１】
0003617346.tif 000002
【図２】
0003617346.tif 000003
【図３】
0003617346.tif 000004
【図４】
0003617346.tif 000005
【図５】
0003617346.tif 000006
【図６】
0003617346.tif 000007
【図７】
0003617346.tif 000008
【図８】
0003617346.tif 000009
【図９】
0003617346.tif 000010
【図１０】
0003617346.tif 000011