JP3436163B2

JP3436163B2 - 半導体圧力センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3436163B2
Application number: JP37200498A
Authority: JP
Inventors: 澄夫赤井; 宏齋藤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2003-08-11
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000193547A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、検出した圧力を電
位として取り出すピエゾ抵抗素子が形成されている半導
体基板を用いたダイヤフラム型の半導体圧力センサに関
し、特に耐環境性に優れた半導体圧力センサの構造及び
その製造方法に関する。

【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
載関係や家電製品等における半導体圧力センサの使用が
急増している。

【０００３】半導体圧力センサの従来の技術としては、
ダイヤフラムを形成したシリコン基板の一方の面にピエ
ゾ抵抗を形成した構造のものが知られている。このシリ
コン基板にあっては、ガラス台座を介してパッケージに
接合されるが、シリコン基板とガラス台座とは陽極接合
法により接合されている。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。
これらの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】しかしながら、圧力を検知するダイヤフラ
ム部分がシリコンであることから、例えば圧力媒体がア
ルカリ性雰囲気である場合は、シリコンダイヤフラムが
腐食し、センサデバイスが破壊するということがあっ
た。そこで、図５に示すように、シリコン基板１の裏面
にシリコン酸化膜２を形成した後にガラス台座３ａを接
合する半導体圧力センサが検討されてきた。

【０００５】一方、台座とダイヤフラム部分との熱膨張
係数を一致させて、圧力−出力相関の温度特性、即ちデ
バイス精度を向上させるため、ガラス台座３ａの代わり
にシリコン台座３ｂを用いるプロセスも検討されてい
る。具体的には、図６に示すように水硝子や半田等の中
間材４をシリコン基板１とシリコン台座３ｂとの間に介
在させて接合する半導体圧力センサ、図７に示すように
シリコン台座３ｂ上にガラス層５をスパッタリングにて
形成した後にシリコン基板１を陽極接合する半導体圧力
センサ、図８に示すようにシリコン基板１とシリコン台
座３ｂとをオプティカルコンタクトを利用して接合する
半導体圧力センサ等が検討されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のような図５に示
す半導体圧力センサにあっては、シリコンダイヤフラム
上にシリコン酸化膜２を形成することから、腐食性の媒
体に対しての耐環境性を向上させるという効果がある。
しかしながら、シリコン酸化膜２を介してシリコン基板
１とガラス台座３ａとを陽極接合することから、シリコ
ン基板１とガラス台座３ａとの間の接合強度が小さくな
るという問題点があった。

【０００７】また、上述の図６乃至図８に示す半導体圧
力センサにあっては、温度特性は向上させることができ
るが、シリコン台座３ｂ自身及びシリコン基板１との接
合面の耐食性が小さいことから、腐食性環境下でのデバ
イスの信頼性を保証することが困難であった。

【０００８】本発明は、上記問題点を改善するために成
されたもので、その目的とするところは、半導体基板と
台座との接合強度が十分であり、温度特性及び耐環境性
に優れた半導体圧力センサを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体圧力セン
サは上記の問題を解決するために、一面の中央部をエッ
チングすることにより凹部を形成して設けたダイヤフラ
ムを有する半導体基板と、前記凹部に連通する圧力導入
孔を有する半導体台座と、を有し、前記半導体基板の一
面に前記半導体台座を陽極接合法により接合してなる半
導体圧力センサにおいて、前記半導体基板の半導体台座
対向面にガラス薄膜を形成し、前記半導体台座の半導体
基板対向面に金属薄膜を形成したことを特徴とするもの
である。

【００１０】そして、前記半導体台座の圧力導入孔内側
面に金属薄膜を形成することは、より耐環境性を向上さ
せる点で好ましく、また前記半導体台座の半導体基板対
向面の裏面に金属薄膜を形成することは、圧力センサチ
ップを支持台に接合する際に半田を要することなく接合
可能となる点で好ましい。

【００１１】また、本発明の半導体圧力センサの製造方
法にあっては、上記の問題を解決するために、半導体基
板の一方の面をエッチングすることによりダイヤフラム
を形成し、該ダイヤフラムに重合する位置に圧力導入孔
を有する半導体台座を前記半導体基板の一面に陽極接合
法により接合してなる半導体圧力センサの製造方法にお
いて、前記半導体基板のエッチングをした面にガラス薄
膜を形成する工程及び、前記半導体台座の半導体基板対
向面に金属薄膜を形成する工程を設け、該二工程の後
に、前記半導体基板と前記半導体台座とを陽極接合法に
より接合することを特徴とするものである。

【００１２】そして、前記半導体台座の圧力導入孔内側
面に金属薄膜を形成する工程を設けることは、より耐環
境性を向上させる点で好ましく、また前記半導体台座の
半導体基板対向面の裏面に金属薄膜を形成する工程を設
けることは、圧力センサチップを支持台に接合する際に
半田を要することなく接合可能となる点で好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１〜図４
を用いて説明する。図１は本発明の半導体圧力センサの
略断面図である。図２は本発明の一実施の形態の半導体
圧力センサの製造工程を示す略断面図であり、（ａ）は
半導体基板に保護膜及びレジストマスクを形成した状
態、（ｂ）はダイヤフラムを形成した後ガラス薄膜を形
成した状態、（ｃ）は半導体台座の表面に金属薄膜を形
成した状態を示す。図３はシリコンウエハーから圧力セ
ンサチップを切り出すことを説明するイメージ図であ
る。図４は圧力センサチップを支持台に載置する様子を
示す略断面図である。

【００１４】図１において、半導体圧力センサは、半導
体基板に相当する面方位（１１０）又は面方位（１０
０）のシリコン基板１１の凹部１１ａを有する一主表面
（図１中下側面）にガラス薄膜に相当するホウ珪酸ガラ
スの薄膜１６を形成し、金属薄膜８が表面に形成された
半導体台座に相当するシリコン台座１７とシリコン基板
１１とを陽極接合法により接合し、支持台２１にマウン
トして、パッケージ２２に封止したものである。

【００１５】シリコン基板１１は、単結晶シリコン基板
に、片面に受圧面が形成され圧力を応力に変換するダイ
ヤフラム１５、歪みゲージ（不図示）及び電極（不図
示）を形成したもので、ピエゾ抵抗効果により圧力の変
化を電気抵抗の変化に変換して出力するものである。シ
リコン基板１１に形成された電極と、パッケージ２２に
設けられたリード２３とは、Ａｕ線等のボンディングワ
イヤ２５により接続されている。

【００１６】支持台２１は、筒体である圧力導入筒２１
ｂと、圧力導入筒２１ｂの一端側に設けられた鍔状の載
置部とを有して構成されており、圧力導入筒２１ｂ内部
の圧力導入孔２１ａがシリコン台座１７の圧力導入孔１
７ａと重合するようになされている。

【００１７】以下に本発明の半導体圧力センサの製造方
法を説明する。まず、図２（ａ）に示すように、一主表
面と二主表面との両面に鏡面研磨処理を施した例えば面
方位（１１０）の単結晶シリコン基板１１の一主表面
（図２（ａ）２中下側面）に、熱酸化等によりシリコン
酸化膜１２を形成し、更に化学的気相成長法（以下、Ｃ
ＶＤ（ＣｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）法という）等によりシリコン窒化膜１３を形成す
る。そして、イオン注入法、ドライエッチング法、ウェ
ットエッチング法等により、シリコン基板１１の二主表
面に拡散抵抗（不図示）と層間絶縁膜とを形成する。

【００１８】次に、一主表面のダイヤフラム形成予定領
域以外の部分にレジストマスク１４を所定のパターンに
て形成した後、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥ
ｔｃｈｉｎｇ）等のドライエッチング技術を用いて、非
マスク部分のシリコン酸化膜１２及びシリコン窒化膜１
３をエッチングにより除去する。

【００１９】そして、レジストマスク１４をアッシング
等により除去した後、例えば８０℃の水酸化カリウム溶
液等の非アルカリ系のエッチャントにてシリコン窒化膜
１３をマスクとして異方性エッチングを行い凹部１１ａ
を形成して、図２（ｂ）に示す薄肉のダイヤフラム１５
を形成する。

【００２０】次に、シリコン基板１１の裏面に形成され
ているシリコン酸化膜１２及びシリコン窒化膜１３をエ
ッチングにて除去した後、図２（ｂ）に示すように、ス
パッタリングによりダイヤフラム１５を含むシリコン基
板１１の一主表面全体にガラス薄膜に相当するホウ珪酸
ガラスの薄膜１６を形成する。ホウ珪酸ガラスの薄膜１
６はシリコン基板１１を浸食から保護するものである。

【００２１】そして、圧力導入孔１７ａを形成したシリ
コン台座１７のシリコン基板１１に対向する面に対し、
表面の凹凸が小さくなるように研磨処理を行い、更に該
シリコン台座１７のシリコン基板１１対向面、その裏
面、圧力導入孔１７ａ内側面に対し、蒸着又はスパッタ
リングにより金等の金属よりなる金属薄膜１８を形成す
る。その後に、シリコン台座１７の前記研磨処理をした
面と、シリコン基板１１のホウ珪酸ガラスの薄膜１６を
形成した一主表面とを、圧力導入孔１７ａとダイヤフラ
ム１５とが重合するように位置合わせをした後、例えば
直流電圧６００Ｖ、４００℃、真空雰囲気の条件下にお
いて、陽極接合法により接合する。この時、ホウ珪酸ガ
ラスの場合には可動イオンが存在するので、従来の技術
で説明したシリコン酸化膜と比較すると、より強固な接
合が可能となる。そして、図３に示すように、ダイシン
グレーンに沿ってシリコンウエハー２４からチップを切
り出して、シリコン台座付き圧力センサチップ１９を得
る。

【００２２】更に、図４に示すように、例えばＡｕ−Ｓ
ｎ系の半田２０を用いて、例えば３６０℃にて、シリコ
ン台座付き圧力センサチップ１９と、表面に金層を形成
した支持台２１とを、例えば窒素雰囲気中で半田ろう接
合する。その際、シリコン台座１７の金属薄膜１８と、
支持台２１の金薄膜との膜圧を調整することにより、半
田２０を介することなく直接接合することも可能であ
る。

【００２３】そして、シリコン台座付き圧力センサチッ
プ１９の電極と支持台２１のリード２３とをワイヤボン
ディングにて結線した後、シリコン基板１１の二主表面
に樹脂を塗布し、パッケージ２２に封止して半導体圧力
センサが完成する。

【００２４】なお、本実施の形態では、ガラス薄膜は非
晶質ガラスであるホウ珪酸ガラスの薄膜として説明して
いるが、これに限られるものではなく、可動イオンを含
むガラスであればよい。従って、ガラス薄膜として結晶
性ガラスの薄膜を形成するものであってもよい。ホウ珪
酸ガラスの場合には、結晶性ガラスよりも硬度が低いた
めシリコンウエハーをダイシングする速度が結晶性ガラ
スを用いた場合よりも速いという利点がある。一方、結
晶性ガラスの場合には、ホウ珪酸ガラスよりも硬いとい
う利点がある。

【００２５】

【発明の効果】本発明の半導体圧力センサ及びその製造
方法は上述のように構成してあるから、請求項１記載の
発明にあっては、半導体基板の半導体台座対向面にガラ
ス薄膜を形成し、半導体台座の半導体基板対向面に金属
薄膜を形成して、半導体基板及び半導体台座を接合して
いるので、接合強度が十分であり、温度特性及び耐環境
性に優れた半導体圧力センサを提供できるという効果を
奏する。

【００２６】請求項２記載の発明にあっては、請求項１
記載の発明の効果に加えて、圧力導入孔内側面に金属薄
膜を形成したので、更に耐環境性を向上させることので
きる半導体圧力センサを提供できるという効果を奏す
る。

【００２７】請求項３記載の発明にあっては、請求項１
記載の発明の効果に加えて、半導体台座の半導体基板対
向面の裏面に金属薄膜を形成したので、半導体圧力セン
サをマウントする支持台の金属薄膜との膜圧を調整する
ことにより、半田を介することなく直接接合することが
可能となる半導体圧力センサを提供できるという効果を
奏する。

【００２８】請求項４記載の発明にあっては、半導体圧
力センサの製造工程において、半導体基板の半導体台座
対向面にガラス薄膜を形成し、半導体台座の半導体基板
対向面に金属薄膜を形成して、半導体基板及び半導体台
座を接合するので、接合強度が十分であり、温度特性及
び耐環境性に優れた半導体圧力センサの製造方法を提供
することができるという効果を奏する。

【００２９】請求項５記載の発明にあっては、請求項４
記載の発明の効果に加えて、圧力導入孔内側面に金属薄
膜を形成する工程を有するので、更に耐環境性を向上さ
せることのできる半導体圧力センサの製造方法を提供で
きるという効果を奏する。

【００３０】請求項６記載の発明にあっては、請求項４
記載の発明の効果に加えて、半導体台座の半導体基板対
向面の裏面に金属薄膜を形成する工程を有するので、半
導体圧力センサをマウントする支持台の金属薄膜との膜
圧を調整することにより、半田を介することなく直接接
合することが可能となる半導体圧力センサの製造方法を
提供できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の半導体圧力センサの略
断面図である。

【図２】本発明の一実施の形態の半導体圧力センサの製
造工程を示す略断面図であり、（ａ）は半導体基板に保
護膜及びレジストマスクを形成した状態、（ｂ）はダイ
ヤフラムを形成した後ガラス薄膜を形成した状態、
（ｃ）は半導体台座の表面に金属薄膜を形成した状態を
示す。

【図３】シリコンウエハーから圧力センサチップを切り
出すことを説明するイメージ図である。

【図４】圧力センサチップを支持台に載置する様子を示
す略断面図である。

【図５】従来の技術の半導体圧力センサの略断面図であ
る。

【図６】従来の技術の半導体圧力センサの略断面図であ
る。

【図７】従来の技術の半導体圧力センサの略断面図であ
る。

【図８】従来の技術の半導体圧力センサの略断面図であ
る。

【符号の説明】

１１半導体基板１１ａ凹部１５ダイヤフラム１６ガラス薄膜１７半導体台座１７ａ圧力導入孔１８金属薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平８−278218（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−149992（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−69781（ＪＰ，Ａ) 特開平７−307479（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−15942（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 9/04 101 H01L 29/84

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一面の中央部をエッチングすることによ
り凹部を形成して設けたダイヤフラムを有する半導体基
板と、前記凹部に連通する圧力導入孔を有する半導体台
座と、を有し、前記半導体基板の一面に前記半導体台座
を陽極接合法により接合してなる半導体圧力センサにお
いて、前記半導体基板の半導体台座対向面にガラス薄膜を形成
し、前記半導体台座の半導体基板対向面に金属薄膜を形
成したことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】前記半導体台座の圧力導入孔内側面に金
属薄膜を形成したことを特徴とする請求項１記載の半導
体圧力センサ。
【請求項３】前記半導体台座の半導体基板対向面の裏
面に金属薄膜を形成したことを特徴とする請求項１又は
請求項２記載の半導体圧力センサ。
【請求項４】半導体基板の一面の中央部をエッチング
することにより凹部を形成してダイヤフラムを設け、前
記凹部に連通する圧力導入孔を有する半導体台座を前記
半導体基板の一面に陽極接合法により接合してなる半導
体圧力センサの製造方法において、前記半導体基板のエッチングをした面にガラス薄膜を形
成する工程及び、前記半導体台座の半導体基板対向面に
金属薄膜を形成する工程を設け、該二工程により形成さ
れた前記半導体基板と前記半導体台座とを陽極接合法に
より接合することを特徴とする半導体圧力センサの製造
方法。
【請求項５】前記半導体台座の圧力導入孔内側面に金属
薄膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項４
記載の半導体圧力センサの製造方法。
【請求項６】前記半導体台座の半導体基板対向面の裏面
に金属薄膜を形成する工程を有することを特徴とする請
求項４又は請求項５記載の半導体圧力センサの製造方
法。