JPH04114478A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体装置に関し、主に、車両搭載用として広
い温度領域において使用される半導体式圧力センサある
いは加速度センサ等の半導体歪センサに関する。

［従来の技術］ 半導体歪センサの一種である半導体式圧力センサは、例
えば車両エンジンの吸気管圧力の検出に用いられ、燃料
噴射量の制御等に利用されている。

半導体式圧力センサは、シリコン基板の一部を薄肉の受
圧ダイヤプラムとなし、その上面に歪ゲージ抵抗体を形
成した感圧素子を台座に接合した構造のものが一般的で
ある。ダイヤフラムに圧力が作用すると、歪ゲージの抵
抗値が変化しくピエゾ抵抗効果）、圧力に応じた出力信
号が得られる。

感圧素子を支持する台座には、熱膨張係数の差による熱
応力を緩和する目的で、基板材料であるシリコンに比較
的熱膨張係数の近い硼珪酸ガラス系材料を用いることが
多く、通常、シリコン基板に静電接合（陽極接合）によ
り接合されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、車載用の圧力センサは使用温度領域が広
いため、温度変化に伴い、両者のわずかな熱膨張係数の
差により接合面に熱歪が生ずる。

この熱歪はシリコン基板の厚肉部を伝わってダイヤフラ
ム上の歪ゲージにまで及び、その出力に影響を及ぼす。

つまり、歪ゲージは歪の大きさにはぼ比例した歪出力信
号を出すので、圧力センサとしては、圧力信号以外の信
号成分（以下、オフセット電圧と称する）に熱歪信号を
含んでしまうことになる。

この熱歪の大きさは温度依存性を有し、しかも、温度に
対する変化分が、センサの使用温度領域内で一定でない
。これはオフセット電圧が温度に対し非直線的に変化す
ることを意味し、簡単な電子回路では補正が難しいとい
う問題がある。

しかして、本発明の目的は主にオフセット電圧の温度特
性を改善し、高精度かつ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］ 上記課題を解決するために、本発明では、シリコン半導
体基板を他の部材に接合してなり、部材を、センサ使用
領域内の温度Ｔ　［℃］における熱膨張係数α［℃’］
が、 α−ａＴ十すて示され、かつ ２．４Ｘ１０　　≦ａ≦７．２　Ｘ　１．０−９［℃’
］１．９Ｘ１０　　≦ｂ≦３．３　Ｘ　１０−６［℃−
１］である、シリコン以外の材料で構成しである。

［作用］ シリコンの熱膨張係数α　［℃’］は ｂ′鴇２　、５６　Ｘ　１０−６［℃’］で表わされる
。

本発明では、シリコン半導体基板と接合される他の部材
を、熱膨張係数αがａＴ＋ｂ　［℃−１］て表わされ、
かつａｈａ−である材料で構成したので、両者の接合に
より生ずる熱歪１ε１１は、εＴ　）嬌１　（ｂ−ｂ”
）Ｔ＋εＯ となる。つまり、熱歪は温度Ｔに関する一次式で示され
、温度変化に対し直線的に変化する。従って、半導体基
板より出力を得る場合に熱歪成分の補正が容易にでき、
精度が向上する。

［実施例］ 以下、本発明を半導体式圧力センサに適用した例を図面
に基づいて説明する。

第１図において、シリコン半導体基板１は、エツチング
により中央部を薄肉化してダイヤフラム２となしてあり
、該ダイヤフラム２の上面には、半導体プロセスにより
歪ゲージ抵抗体３が形成しである。ここでは歪ゲージ抵
抗体３を、上記ダイヤフラム２上面の所定箇所に不純物
を熱拡散させることによって形成した。この歪ゲージ抵
抗体３は、通常、４本でホイートストンブリッジを組む
か、あるいは２本でハーフブリッジを組むようになし、
これら歪ゲージ抵抗体３間、および歪ゲージ抵抗体３と
アルミニウム電極７間には熱拡散により抵抗体部を形成
して拡散リード４となしである。

シリコン基板１の表面は、シリコン酸化膜等の保護膜５
で覆われており、該保護膜５の一部に基板１に達するコ
ンタクト孔６を設けて、その上に上記アルミニウム電極
７を形成しである。このようにして形成される各部を含
む全体を感圧素子１１と称する。

上記感圧素子１１は、中央部に圧力導入孔９を設けた台
座８に静電接合される。この台座８の高さは、台座８の
下部に接合される部材による熱歪が感圧素子１１の出力
に影響を及ぼさない程度に適宜設定される。

台座８を構成する材料としては、シリコンを除き、セン
サ使用領域内の温度Ｔ　［℃］における熱膨張係数α［
℃’］がα＝ａＴ十すで示され、２．４Ｘ１０’≦ａ≦
７　、２　Ｘ　１０−９［℃−２］１．９Ｘ１０−９≦
ｂ≦３．３Ｘ１０−６［℃−１１を満たす各種材料が好
適に使用できる。

ここで、台座８の材料の熱膨張係数の違いが、シリコン
との接合面における熱歪に及ぼす影響について検討する
。

まず、台座８として、従来材であるパイレックス（登録
商標：コーニング社ガラスコード＃７７４０、ＮａｚＯ
−８ｉＯ２−Ｂ２０３系ガラス材料〉を用い、シリコン
と静電接合のような強固な接合を施した場合の熱歪につ
いて検討する。

このとき熱歪１εＴ　１は下式、 式中、Ｔ：温度 Ｔｏ：接合時温度 α、；従来材の熱膨張係数 α、ｉ：シリコンの熱膨張係数 で表わされる。第２図に示されるように、ｂ″嬌２、５
６　Ｘ　１０”６［℃’］であるので、 ε０：Ｔ＝０℃の熱歪 となり、熱歪１ε■１は温度依存性を持つ。上式の第１
項は温度Ｔについての２次成分であり、これが熱歪の温
度依存性の非直線成分を表わしている。一般的には、２
次以上の成分が非直線成分といえ、従って、熱歪の温度
依存性の非直線性をなくすには、このＴについての２次
以上の成分がなければよいことがわかる。すなわち、台
座８の材料の熱膨張係数をαとすると、 α＝ａＴ＋ｂ　［℃−１］のとき、ａｉ＝＝ａ−て゛あ
る材料を選択すれば、 ε、−１１（ｂ−ｂ−）’ｒ＋εＯ。

となり、温度依存性の非直線性が改善されることがわか
る。

なお、ここで、ａ＝ａ−かつｂ＝ｂ−ならば両者の熱膨
張係数は完全に一致し、熱歪は生じないが、温度依存性
の非直線性をなくすという本発明の目的を達成するため
には、ａｈａ−１つまりＴの２次以上の成分がなければ
十分である。

次に、ａおよびｂがどの範囲にあれば良好な改善効果が
得られるかを検討する。上記従来材を用いた場合に対し
、温度依存性の非直線性が半減すればよいとすると、 ａ＝ａ−±０．５　ｔ　ａ　　−ａ　−１［℃−２］＝
２．４Ｘ１０’〜７　、２　Ｘ　１０−９［”Ｃ−”］
また、熱歪の大゛きさを従来付程度におさえようとする
と、Ｔ＝Ｏ℃において、シリコンと従来材の熱膨張係数
の差は約０　、７　Ｘ　１０’　［”Ｃ−１１であるか
ら、 ｂ＝ｂ　　−±０．　７ｘｌＯ−６［℃−１コ＝２．　
６Ｘ１０　　　±０．　７Ｘ１０−６［℃−１コロ ＝１．９Ｘ１０’〜３　、３　Ｘ　１０−”　［℃−１
］となる。以上より、台座８の材料の熱膨張係数α［℃
−１］が、α＝ａＴ＋ｂで示され、 ２．４Ｘ１０’≦ａ≦７　、２　Ｘ　１０−９［℃−”
］＝９ １．９Ｘ１０　　≦ｂ≦３．３Ｘ１０−６［”Ｃ−’］
であれば、温度特性の非直線性を改善できることがわか
る。

続いて、本発明の効果を確認するために、下記第１表お
よび第２図に示す熱膨張係数α（３０℃〜１５０℃〉を
有する試料（実施例１．２）を用いて、検証した。これ
らは、静電接合可能で、かつ熱膨張係数の温度依存性の
傾きがシリコンに近い（ａｈａ−）という条件をあわせ
もつように成分調合されたガラス材料である。

第１表 これら実施例１．２のガラス材料を台座８材料として用
いて、上記第１図の圧力センサを試作した。オフセット
電圧変動量ΔＶｏＦ、の温度依存性を測定した結果を第
３図に示す。図に明らかなように、従来材ではオフセッ
ト電圧変動量△■ＯＦＦが非直線的に変化しているのに
対し、実施例１．２では非直線性がほとんどなく、温度
特性が大幅に改善されていることがわかる。

ところで、オフセット電圧変動量の大きさは、シリコン
の熱膨張係数に近い実施例１の方が実施例２よりも大き
くなっており、−見矛盾しているかのように見えるが、
これは歪ゲージ抵抗体３がシリコン酸化膜等で形成され
た保護膜５とシリコン基板１との間に生じる熱歪の影響
をも受けているからと考えられる。

なお、ここでは台座８の材料としてガラス系材料を例示
したが、上記条件を満たすシリコン以外の材料であれば
、ガラス系材料に限られない。

また、本実施例では圧力センサのシリコン基板１と台座
８との接合について説明したが、接合される部材は台座
に限らず、シリコン基板１と接合されるそれ以外の用途
、役割のものでも同様の効果が得られる。また接合方法
も静電接合（陽極接合）である必要はない。

上記実施例において、歪ゲージ抵抗体３および拡散リー
ド４は熱拡散によって形成したが、それ以外の形成方法
によってもよく、また歪ゲージ抵抗体３はブリッジ回路
を構成している必要はない。

さらに台座８は圧力導入孔９がない構成のものでもよく
、保護膜５およびアルミニウム電極６はなくてもよい。

上記実施例では圧力センサについて説明したが、本発明
は加速度センサ等、他の半導体装置に適用することもも
ちろん可能である。

［発明の効果］ このように、本発明によれば、シリコン基板に接合され
る部材を、熱膨張係数が所定の温度依存性を有する材料
で構成したので、これらの接合面に生じる熱歪が、温度
変化に対し非直線性を有することがない。従って、シリ
コン基板から出力信号を得る場合に温度補正が容易にで
き、センサ精度を著しく向上することができるので、車
両用など広い温度領域で使用される歪センサ等として有
用である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示し、第１図は半
導体式圧力センサの全体断面図、第２図は熱膨張係数の
温度依存性を示す図、第３図はオフセット電圧変動量の
温度依存性を示す図である。 １・・・・・・シリコン基板 ２・・・・・・ダイヤフラム ３・・・・・・歪ゲージ抵抗体 ８・・・・・・台座（部材） １１・・・・・・感圧素子 第２図 編 度 Ｔ　じｃ］−＋ 第３図 騙 曵　Ｔ　［’ｃ　］　−ｍ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　シリコン半導体基板を他の部材に接合してなり、上記
   部材を、半導体装置使用領域内の温度Ｔ［℃］における
   熱膨張係数α［℃＾−＾１］が、 α＝ａＴ＋ｂで示され、かつ ２．４×１０＾−＾９≦ａ≦７．２×１０＾−＾９［℃
   ＾−＾２］１．９×１０＾−＾６≦ｂ≦３．３×１０＾
   −＾６［℃＾−＾１］である、シリコン以外の材料で構
   成したことを特徴とする半導体装置。