JPH0239104B2 - Handotaikanatsusoshi - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体素子等に加わる応力、歪を測
定する半導体感圧素子に関する。 半導体装置は、一般に半導体素子の保護と劣化
防止または長期間にわたる電気特性維持等の目的
から絶縁性樹脂材料を用いた外囲器で封止されて
いる。しかしながら、このような外囲器で封止さ
れた所謂樹脂封止型半導体装置は、半導体素子と
外囲器の樹脂材料、半導体素子を載置固定する金
属台床等の熱膨脹係数がそれぞれ大きく異なるた
め、樹脂材料による半導体素子の封止時や、熱処
理工程の際に半導体素子に大きな歪が加わる。そ
の結果、半導体素子の電気特性が変化して所定の
性能を発揮できない問題があつた。特に、線形回
路を内蔵した半導体集積回路素子は、このような
歪による悪影響が顕著に現われる。また、半導体
素子に加わる歪の状態、大きさによつては、半導
体素子が破壊されることもある。これらの問題を
解消するには、半導体素子に加わる歪または応力
をその組立工程を追跡して評価する必要がある。 半導体素子に加わる応力、歪を測定するものと
して従来半導体感圧素子が使用されている。半導
体感圧素子としては、半導体基板そのものを用い
るものや半導体基板に形成した拡散抵抗層を用い
るもの等が知られている。いずれの半導体感圧素
子も半導体結晶のピエゾ抵抗効果を利用するもの
であるが、その主原理は外部圧力により半導体結
晶に一次元的な歪を与え、二次元応力として求め
るものである。従つて、測定精度を向上するに
は、歪感度の高い結晶方位に抵抗素子を形成する
ことと、外部圧力を半導体素子平面に平行な二次
元応力に変換する技術等が要求される。しかしな
がら、樹脂封止された半導体素子の歪又は応力は
三次元的であり、上記の歪センサにより、半導体
素子に加わる歪又は応力を組立て工程を追つて、
三次元的に評価することはできなかつた。 本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであ
り、半導体装置の組立工程毎に半導体素子に加わ
る応力、歪を高い精度で三次元的に評価できる半
導体感圧素子を提供できるものである。 以下、本発明について説明する。 第１図は、本発明に具る半導体感圧素子の平面
図である。図中１０１は、Ｎ型シリコン単結晶を
基板とする結晶面方位（111）面の半導体素子で
ある。半導体素子１０１の所定領域にはＰ型拡散
領域１０２が形成されている。Ｐ型拡散領域１０
２には、Ｎ型抵抗素子１０３，１０４が形成され
ている。半導体１０１のＮ型領域の所定のところ
にはＰ型抵抗素子１０５…１１０が形成されてい
る。抵抗素子１０３，１０５は、結晶方位が＜１
１０＞のｘ軸１２３に電流方向が平行になるよう
にして設定されている。抵抗素子１０４，１０６
は、結晶方位が＜11２＞のｙ軸に電流方向が平行
になるようにして設定されている。また、抵抗素
子１０７，１０８は、ｘ軸１２３に対して電流方
向が夫々＋60度、−60度の方向に平行になるよう
にして設定され、抵抗素子１０９，１１０は、Ｘ
軸１２３に対して電流方向が夫々＋45度、−45度
の方向に平行になるようにして設定されている。 このように構成された半導体感圧素子２００の
Ｐ型抵抗素子１０５…１１０の電流方向に対する
断面図は同図Ｂに示す通りであり、また、Ｎ型抵
抗素子１０３，１０４の電流方向に対する断面図
は同図Ｃに示す通りである。なお、図中１１１乃
至１２０は電流あるいは電圧電極端子であり、１
２１は酸化膜である。 このように構成された半導体２００によれば、
三次元応力及び歪の評価は、第１図Ａ乃至同図Ｃ
に示す各々の抵抗素子１０３…１１０の抵抗値の
変化率を次のように測定することにより実現する
ことができる。ｘ軸１２３及びｙ軸１２４と直交
し、かつ第１図mAの紙面と直交する方向のｚ軸
からなるxyz座標を定義し、半導体素子１０１に
加わる応力テンソル成分をσx，σy，σz，τ_yz，
τ_zx，τ_xyとすると、ピエゾ抵抗効果から各抵抗素
子の応力による変化率δRiが求まる。ここで、ｉ
は抵抗素子の番号であり、 δRi＝Ri−Ri₀／Ri₀である。ただし、Ri₀は応力が 零のときの抵抗値である。ピエゾ抵抗効果より抵
抗素子Riの変化率は δRi＝π′₁₁σ′x＋π′₁₂σ′y＋π′₁₃σ′z ＋π′₁₄τ′_yz＋π′₁₅τ′_zx＋π′₁₆τ′_xy (1) となる。ここでπ_klはピエゾ抵抗係数テンソル成
分であり、′′′記号はxyz座標系の回転により得
られるx′y′z′座標系での値を示す。π′_kl，σ′，
τ′は
いずれもテンソル成分の座標変換さら求まり、例
えばπ′_klのシリコン（111）結晶面内における値を
示したものが第２図Ａ及び同図Ｂである。第２図
ＡはＰ型抵抗、第２図ＢはＮ型抵抗に対するπ_kl
である。第１図Ａに示すR₁乃至R₈に関して、xyz
座標系における応力テンソル成分を用いてδRiを
求め整理すると(2)〜(7)式が得られる。 δR₁＋δR₂＝（π^P ₁＋π^P ₂）（σx＋σy） ＋2π^P ₃σz (2) δR₁−δR₂＝（π^P ₁−π^P ₂）（σx−σy） ＋2π^P ₄τ_yz (3) δR₃＋δR₄＝（π^N ₁＋π^N ₂）（σx＋σy）＋2π^N ₃σz(4
) δR₃−δR₄＝（π^N ₁−π^N ₂）（σx−σy）＋2π^N ₄τ_yz(
5) δR₅−δR₆＝＋π^P ₄τ_zx＋２（π^P ₁−π^P ₂τ_xy (6) δR₇−δR₈＝＋√３π^P ₄τ_zx＋√３（π^P ₁−π^P ₂）τ_xy
(7) ここで、π₁，π₂，π₃，π₄はシリコン（111）結
晶面内＜１１０＞方位におけるπ′₁₁，π′₁₂，π′₁₃
，
π′₁₄にそれぞれ対応し、又、π^P _iはＰ型抵抗素子、
π^N _iはＮ型抵抗素子に対する値である。(1)〜(6)式か
ら各応力成分が以下のように求まる。(3)(5)式から
（σx−σy）及びτ_yzが求まる。又、(4)式において、
Ｎ型シリコンでは（π^N ₁＋π^N ₂）≪2π^N ₃が成立するた
め、近似的にσzを求めることができる。従つて、
(2)式から（σx＋σy）が求まるため、先に求めた
（σx−σy）からσx，σyが求まる。なお、(2)(4)式
からσz，（σx＋σy）を求めることもできるが精度
が若干悪くなるときがある。又、多くの半導体素
子においては半導体素子の大きさはその厚みに比
べて十分大きいためσx，σy≫σzが成立すること
が多く、このような場合σzを無視してもさしつ
かえない。更に、(6)(7)式からτ_zx及びτ_xyを求める
ことができるため、第１図Ａに示す構造の半導体
素子により３次元応力テンソル成分を決定するこ
とが可能となる。なお、ピエゾ抵抗係数は抵抗素
子の不純物濃度等により異なる為、(2)〜(7)式から
応力を決定するためには、ピエゾ抵抗係数の測定
が必要となる。シリコン結晶の対称性から独立な
定数はπ₁₁，π₁₂，π₄₄の３つであるが、これらは従
来の既知応力を加えて測定する方法により決定で
きる。また、不純物濃度を制御することにより、
応力測定精度を改善することも可能である。更
に、応力テンソルから弾性定数テンソルを用いて
歪テンソルを求めることもできる。又、応力テン
ソルがわかるので、ピエゾ抵抗効果を用いて任意
の結晶面内の任意方位に形成された抵抗素子の変
化率も求められる。 上述の如く、本発明に係る半導体感圧素子２０
０によれば、通常の半導体素子と同一の大きさで
かつ同一条件の組立工程について３次元的な歪及
び応力の測定が可能となり、組立工程における集
積回路素子の抵抗値の変化量の予測が（111）面
のみならず他の結晶面を用いた素子についても可
能である。また、半導体素子の割れる現象の機構
解析及びその構造、材料などに関する対策を容易
にたてることができる。また、格別の製造技術を
駆使する必要がなく、しかも、測定は通常の抵抗
値測定のみで評価できるため簡便で実用的に半導
体素子表面の３次元的な歪及び応力評価ができる
ものである。 次に、本発明の一実施例を第３図を参照して説
明する。 大きさが３mm×３mm、厚さ290μmの半導体素子
３１は、フエノールノボラツクエポキシ樹脂から
なる外囲器３２で封止されている。今、半導体素
子３１の中心を通り、その辺に平行または垂直と
なるｘ軸３３、ｙ軸３４及びこれらと直交するｚ
軸からなるxyz軸座標を定義する。なお、半導体
素子３１は、濃度１×10¹⁵cm^-3のＮ型シリコン単
結晶（111）面からなり、ｘ軸３３方位は＜１１
０＞である。また、Ｐ型抵抗及び領域１０２は、
表面濃度が１×10¹⁶cm^-3でホウ素(B)拡散で形成さ
れており、Ｎ型抵抗は、表面濃度が１×10¹⁶cm^-3
でリン（Ｐ）拡散で形成されている。 この半導体素子３１の０点及びａ乃至ｈ点に夫
夫第１図に示す抵抗群を形成し、任意の１点にお
ける抵抗群の各電極を形成する。なお、ａ乃至ｈ
点のxy座標を表１に示す。 【表】
（μｍ）
しかる後、半導体素子３１を金属台床３５に固
定載置し、外部端子と通じる金属リード３６と半
導体素子を金属台床３５に固定載置し、外部端子
と通ずる金属リード３６と半導体素子３１に設け
られた電極間を金属細線３７にてボンデイング接
続し、外囲器３２に樹脂封止する。外囲器３２は
厚さ3.5mmの28pinDIP型である。応力測定は各抵
抗素子の抵抗値を樹脂封止前で四端子法で測定
し、(2)〜(7)式から応力を求める。サンプル数は各
点共20〜30箇である。なお、ピエゾ係数は既知の
１軸性応力を加え、抵抗値変化を求めるにより較
正され、（111）面＜１10＞方位では表２に示す値
となつた。 【表】 【表】 表３は評価結果を示しており、σx及びσyはそ
れぞれｙ軸、ｘ軸に関してほぼ対称、σzは測定
誤差範囲内程度−100Kg/cm²以下、τ_yz及びτ_zxはそ
れぞれｙ軸及びｘ軸に関して符号反転を伴なう対
称τ_xyはｘ軸、ｙ軸の両座標軸に関して符号反転
を伴なう対称値となつた。この結果から、第１図
に示す応力センサは半導体素子３１の1/4の領域
例えば38内に構成すれば十分であることもわか
る。 第４図は、本発明の他の実施例を示すものであ
る。半導体素子４１は絶縁性樹脂材料からなる外
囲器４２で封止されている。半導体素子４１の面
方位は（111）でその一辺に平行なｘ軸４３及び
ｙ軸４４の方位はそれぞれ＜１１０＞，＜11２＞
である。この半導体素子４１の＜１１０＞結晶軸
に平行なｘ軸４３上に第４図Ｂに示す如く、３本
のＰ型抵抗素子４５…４７がそれぞれの電流方位
が＜11２＞結晶軸方位、＜１１０＞結晶軸方位か
ら60゜の方位及び−60゜の方位に平行になるように
して形成されている。このように構成された半導
体感圧素子５０の応力と各々の抵抗素子４５…４
７の変化率は、 δR_a＝π′₂σx＋π′₁σy＋π′₄τ_yz＋π′₃σz (8) δR_b＋δR_c＝１／２（π′₁＋3π′₂）σx＋１／２（3
π′₁ ＋π′₂）σy＋π′₄τ_yz＋2π′₃σz (9) δR_b−δR_c＝−√３π′₄τ_zx ＋√３（π′₁−π′₂）τ_xy (10) となるが、第３図の実施例からもわかるように、
ｘ軸上ではほぼτ_xy＝τ_yz＝０が成立し、かつσzも
第１次的には無視できるので、(8)〜(10)式は δR_a＝π′₂σx＋π′₁σy (8)′ δR_b＋δR_c＝１／２（π′₁＋3π′₂）σx ＋１／２（3π′₁＋π′₂）σ_y (9)′ δR_b−δR_c＝√３π′₄τ_zx (10)′ となり、(8)′〜(10)′式よりσx，σy，τ_zxを求める
こ
とができる。また、第４図Ａで外囲器４２をxy
座標系に対して、90度回転した配置にすると、第
４図Ａの外囲器の長手方向におけるσx，σy，τ_zx
を求めるとができる。 第４図は素子数が少ないため、半導体素子４１
内の応力分布、電極端子リードの少ない外囲器４
２での応力測定に適している。抵抗素子４５…４
７は４端子法測定で測定できる構造としても良
い。 尚、本発明は上記の実施例に限定されず、例え
ば第３図に示す実施例のものでは、半導体素子３
１は方形ではなく矩形であつても良い。半導体素
子３１の一辺は必ずしも＜110＞結晶方位に平行
もしくは垂直でなくても良い。要は、第１図に示
すｘ軸１２３の方位が＜１１０＞結晶方位に平行
であれば良い。また、抵抗素子は、拡散法のみな
らずイオン注入法などで形成しても良い。要は導
電型の異なる領域内に形成されていれば良い。 以上説明した如く、本発明に係る半導体感圧素
子によれば、半導体素子内の歪または応力を３次
元応力（歪）成分まで求めることができるので、
半導体装置の組立工程毎に半導体素子に加わる応
力、歪を求めて高い精度で評価できるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは、本発明に係る半導体素子の構成を
示す平面図、同図Ｂ及び同図Ｃは、同半導体素子
の要部を示す断面図、第２図Ａ及び同図Ｂは、シ
リコン単結晶（111）面におけるピエゾ抵抗係数
の分布を示す特性図、第３図は、本発明の一実施
例の平面図、第４図Ａ及び同図Ｂは、本発明の他
の実施例の説明図である。 １０１，３１，４１…半導体素子、４５，４
６，４７…抵抗素子、１０３，１０４，１０５，
１０６，１０７，１０８，１０９，１１０…抵抗
素子、５０，２００…半導体感圧素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリコン単結晶（111）面を基板とする半導
   体素子と、該半導体素子内に形成され、かつ電流
   方向が該半導体素子の＜１１０＞結晶方位から角
   度０度、45度、−45度、60度、−60度及び90度のそ
   れぞれに平行に配置されたＰ型抵抗素子と、該半
   導体素子内に形成され、かつ電流方向が該半導体
   素子の＜１１０＞結晶方位と平行及び垂直の方向
   にそれぞれ配置されたＮ型抵抗素子とを具備する
   ことを特徴とする半導体感圧素子。 ２ 半導体素子の一辺の方位が＜１１０＞結晶方
   位に平行もしくは垂直である特許請求の範囲第１
   項記載の半導体感圧素子。 ３ 半導体素子が絶縁性樹脂材料からなる外囲器
   で封止されている特許請求の範囲第１項または第
   ２項記載の半導体感圧素子。 ４ シリコン単結晶（111）面を基板とし、その
   一辺が＜１１０＞結晶軸に平行もしくは垂直であ
   る半導体素子と、該半導体素子内に形成され、か
   つ電流方向が該半導体素子の＜１１０＞結晶方位
   から角度60度、−60度、90度の方位にそれぞれ平
   行にかつ該半導体素子の中心を通り＜11２＞結晶
   軸方位または＜110＞結晶軸方位に平行な中心線
   近傍に配置された３個のＰ型抵抗素子とを具備す
   ることを特徴とする半導体感圧素子。 ５ 半導体素子が絶縁性樹脂材料からなる外囲器
   で封止されている特許請求の範囲第４項記載の半
   導体感圧素子。