(57)【要約】【課題】マイクロクラック成長による破壊強度低下の少ないダイアフラム構造を有する熱式空気流量センサを提供する。【解決手段】半導体基板１０１を支持体として、ヒータとして機能する抵抗体とそれを覆うように複数層の絶縁膜で形成されたダイアフラムを有する熱式空気流量センサにおいて、抵抗体から半導体基板１０１側に向けてのダイアフラムの絶縁膜には、少なくとも、シリコン窒化膜が２層（１０２，１０４）以上形成され、かつ、半導体基板１０１側の最下層はシリコン窒化膜１０２から成ることを特徴とした熱式空気流量センサとする。または、前記熱式空気流量センサにおいて、半導体基板１０１側の最下層のシリコン窒化膜１０２上に５０ｎｍ以上の膜厚のシリコン酸化膜１０３が形成されていることを特徴とした熱式空気流量センサとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を支持体として、ヒータとして機能する抵抗体とそれを覆うように複数層の絶縁膜で形成されたダイアフラムを有する熱式空気流量センサにおいて、
抵抗体から半導体基板側に向けてのダイアフラムの絶縁膜には、少なくとも、シリコン窒化膜が２層以上形成され、かつ、半導体基板側の最下層はシリコン窒化膜から成ることを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、半導体基板側の最下層のシリコン窒化膜上に５０ｎｍ以上の膜厚のシリコン酸化膜が形成されていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気流量センサに係わり、特に、空気流量センシング部のダイアフラム構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体式の空気流量センサにおいては、半導体基板上に絶縁膜と導電膜を形成し、導電膜を空気流量検出抵抗体として最適な値になるようにパターニングし、半導体基板をエッチングして絶縁膜および、前記抵抗体から構成されるダイアフラム部が形成される。応答速度や空気流量に対する感度の点から、ダイアフラム部は熱容量が小さく、熱絶縁性が良くなるようにできるだけ薄膜で形成されることが望ましい。しかし、ダイアフラムを薄膜化すると、強度が低下し、ダイアフラムの破壊が懸念される。
【０００３】
ダイアフラム強度向上方法としては、例えば、特開２００２−２４３５１６号公報に記載された方法がある。上記例では、ダイアフラムの端部の応力集中を低減して破壊耐圧を向上させることを目的に、シリコン基板をエッチングする際にシリコンエッチング面とダイアフラムの絶縁膜との成す角度を９０度に近くなるようシリコンエッチングを行う方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２４３５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ダイアフラムの破壊に対しては、初期耐圧の確保は必須であるが、その他にマイクロクラックの成長による絶縁膜の破壊耐圧の低下に配慮する必要がある。これは、絶縁膜成膜または、プロセス時に発生した欠陥が絶縁膜自体の持つ応力や、バックファイヤ等によりダイアフラムに印加される圧力によってマイクロクラックが成長し、ダイアフラムの破壊強度が低下する現象である。この現象は、温度や湿度により加速される。上記従来例においては、初期破壊耐圧の向上は期待できるが、経時劣化による破壊耐圧の低下については配慮されていない。
【０００６】
本発明の目的は、マイクロクラックの成長によるダイアフラム破壊耐圧の低下を抑制した信頼性の高い流量センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、半導体基板を支持体として、ヒータとして機能する抵抗体とそれを覆うように複数層の絶縁膜で形成されたダイアフラムを有する熱式空気流量センサにおいて、抵抗体から半導体基板側に向けてのダイアフラムの絶縁膜には、少なくとも、シリコン窒化膜が２層以上形成され、かつ、半導体基板側の最下層はシリコン窒化膜から成ることを特徴とする熱式空気流量センサとする。または、前記熱式空気流量センサにおいて、半導体基板側の最下層のシリコン窒化膜上に５０ｎｍ以上の膜厚のシリコン酸化膜が形成されていることを特徴とする熱式空気流量センサとすることにより達成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、シリコン窒化膜のマイクロクラックの成長を抑制できるため、ダイアフラム破壊強度が低下せず、高信頼性の熱式空気流量センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一の実施形態を表す断面模式図。
【図２】ダイアフラム破壊応力の温湿度加速試験結果を表す図。
【図３】シリコン基板上に成膜したシリコン酸化膜厚とダイアフラム寿命を表す図。
【図４】本発明の製造方法を表す断面模式図。
【図５】本発明の製造方法を表す断面模式図。
【図６】本発明の製造方法を表す断面模式図。
【図７】本発明の製造方法を表す断面模式図。
【図８】本発明の製造方法を表す断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。本発明の一実施形態を図１に示す。（１００）結晶面方位のＳｉ半導体基板１０１上にダイアフラム２０１が形成される。ダイアフラム２０１は、シリコン窒化膜１０２，シリコン酸化膜１０３，シリコン窒化膜１０４，シリコン酸化膜１０５，ポリシリコン１０６，シリコン酸化膜１０７，シリコン窒化膜１０８，シリコン酸化膜１０９の積層膜から構成される。上記において、ポリシリコン１０６は抵抗体であり、熱式流量センサのヒータ部および、センシング部として機能する。他のシリコン酸化膜，シリコン窒化膜は、ダイアフラム強度確保と、抵抗体保護の役目をする。
【００１１】
応答速度や空気流量に対する感度の点から、ダイアフラム部は熱容量が小さく、熱絶縁性が良くなるようにできるだけ薄膜で形成されることが望ましい。従ってダイアフラム厚みは薄いほうがセンサ特性としては好ましい。しかし、薄くすると強度が不足しダイアフラムが破損に至る。シリコン窒化膜は、ヤング率が高く強度向上に有利である。一方、成膜時の膜応力も大きな引張り応力を持っている。このため、膜厚を厚くすると膜自体の応力によりクラックが発生するため、厚膜化には制限がある。また、応力による反りを緩和するためにポリシリコン１０６の上下対象にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜を積層させて応力緩和する必要がある。このような配慮により、反りの発生なしに所望のダイアフラム強度が得られる。
【００１２】
しかしながら、上記により初期のダイアフラム強度が得られても、長時間の稼動状態では強度低下が起こることがわかった。図２に試験結果を示す。図は、８５℃，８５％ＲＨ中にサンプルを放置し、ダイアフラム破壊応力の変化を調べたものである。放置時間とともに破壊応力が低下していることがわかる。破壊応力が、成膜時応力と稼動時応力の和よりも小さくなった時、ダイアフラムは破壊する。ダイアフラム強度は、シリコン窒化膜によるところが大きいため、ダイアフラム破壊応力低下の主因は、シリコン窒化膜の破壊応力低下によるものと考えられる。シリコン窒化膜の破壊応力低下の原因としては、次のことが考えられる。
【００１３】
成膜、または、プロセス時に微小欠陥がありシリコン窒化にマイクロクラックが存在する。そこに水分が入り込みマイクロクラックを成長させる。従って、クラック成長による破壊強度低下は、温度，湿度によって加速されることが予想される。
【００１４】
図３は、シリコン酸化膜の厚みとダイアフラム寿命を示す。図３におけるサンプル形態は、図１に示した構造ではなく、図１におけるシリコン窒化膜１０２の無い構造である。また、シリコン酸化膜の厚みとは、図１におけるシリコン酸化膜１０３に相当する。ダイアフラム寿命とは、ダイアフラム破壊圧力が低下し、破壊に至るまでの時間であり、各シリコン酸化膜の厚みにおけるダイアフラム破壊圧力の低下量から求めたものである。図からダイアフラム寿命は、シリコン酸化膜の厚みに大きく依存しており、シリコン酸化膜の厚みを５０ｎｍ以上に設定すれば十分なダイアフラム寿命を確保できる。
【００１５】
このように、シリコン窒化膜にマイクロクラックが存在してもシリコン酸化膜膜厚が十分であれば吸湿を防止できるためマイクロクラックが成長することが無く、ダイアフラムの破壊強度が低下することも無い。
【００１６】
以下、図４〜図８を用い、本発明の製造方法を説明する。
【００１７】
まず、図４に示すように、シリコン基板１０１上にシリコン窒化膜１０２，シリコン酸化膜１０３を成膜する。ここで、シリコン酸化膜１０３の膜厚は、ダイアフラム寿命の低下が発生しないよう、５０ｎｍ以上の膜厚にする。また、シリコン窒化膜１０２は、後述のシリコン基板１０１のエッチングを行う際のエッチストップ用の膜である。次に、１０００℃以上の高温でアニール処理を行う。これにより、シリコン酸化膜１０３の膜質が改善し、耐薬品性が熱酸化膜と同等に向上する。
【００１８】
次に、図５に示すように、シリコン窒化膜１０４，シリコン酸化膜１０５を成膜する。次に、抵抗体であるポリシリコンを成膜し、リン処理を行ってリンをドーピングし抵抗をコントロールする。その後、ホトレジストをマスクとしてポリシリコンをエッチングし、抵抗パターン１０６を形成する。
【００１９】
次に、図６に示すように、シリコン酸化膜１０７，シリコン窒化膜１０８，シリコン酸化膜１０９を成膜する。以上の絶縁膜成膜工程および、ポリシリコンのパターニング工程によりダイアフラム構成膜が完成する。
【００２０】
本実施形態では、ダイアフラム強度は、シリコン窒化膜１０４，１０７で確保し、シリコン酸化膜１０３，１０５，１０７，１０９で全体の膜応力バランスを図っている。シリコン酸化膜１０９は、応力バランスの他、シリコン窒化膜１０７の保護膜の役目もしている。
【００２１】
次に図７に示すように、ダイアフラムを形成するためのエッチングマスク加工を行う。加工精度を上げるためあらかじめ、シリコン酸化膜１０９，１０７，シリコン窒化膜１０８，ポリシリコン１０６は除去しておく。その後、ホトレジストをマスクとしてシリコン酸化膜１０５，１０３，シリコン窒化膜１０２をエッチングする。
【００２２】
次に図８に示すように、シリコン基板１０１をエッチングし、空洞部１１０を形成する。以上により熱式空気流量センサのセンシング部が完成する。
【００２３】
シリコンエッチングは、ＫＯＨを用いる。通常、ＫＯＨ液の温度ばらつきや劣化によるシリコンのエッチングレートのばらつき、シリコンの膜厚ばらつきを考慮してオーバーエッチングを行う。オーバーエッチングにより、シリコン窒化膜１０２がＫＯＨにエッチングされるが、シリコンの（１００）面のエッチングレートに対するシリコン窒化膜のエッチングレートの比は十分大きい。これに対し、シリコン窒化膜１０２を設けない場合は、シリコンの（１００）面のエッチングレートに対する、シリコン酸化膜のエッチングレートの比はシリコン窒化膜に比べ小さく、シリコン酸化膜にばらつきが生じることになる。ダイアフラム寿命を確保するためには、シリコン酸化膜厚が５０ｎｍ以上必要であることから、シリコン窒化膜１０２を設けない場合、成膜時のシリコン酸化膜１０３の膜厚を厚くする必要がある。前に述べたように、応答速度や空気流量に対する感度の点から、ダイアフラム部は熱容量が小さく、熱絶縁性が良くなるようにできるだけ薄膜化することが望まれる。応力バランスの観点から、シリコン酸化膜１０３の膜厚を厚くするとダイアフラムを厚くせざるを得なくなる。ダイアフラムを厚くすると、熱容量が大きくなり応答速度が低下する。また、ダイアフラムの熱抵抗が下がるために、熱絶縁性が悪くなり、空気への放熱量が減少して感度が低下する。このように、シリコン窒化膜１０２を用いない場合は、センサ特性の向上を図れなくなるため、ダイアフラム信頼性との両立が困難になる。
【００２４】
本実施形態においては、シリコン窒化膜１０２をエッチストップ膜として用いていることから、シリコン酸化膜１０３は、５０ｎｍ以上あれば良くセンサ特性の向上とダイアフラム信頼性確保の両立が可能になる。
【符号の説明】
【００２５】
１０１  半導体基板
１０２，１０４，１０８  シリコン窒化膜
１０３，１０５，１０７，１０９  シリコン酸化膜
１０６  ポリシリコン
１１０  空洞部（シリコン基板エッチング部）
２０１  ダイアフラム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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