(57)【要約】【課題】ヒータ部の剥離やクラックの発生をより抑制でき、長期的な信頼性をより高めることのできるセンサのヒータ構造を得る。【解決手段】半導体基板２に形成された絶縁層（第１の絶縁層３および第２の絶縁層４）にヒータ部５が形成されたセンサのヒータ構造において、ヒータ部５と絶縁層３、４との間の熱膨張係数で且つ絶縁層３、４よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層６を、ヒータ部５と接触させて配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成された絶縁層にヒータ部が形成されたセンサのヒータ構造において、
前記ヒータ部と前記絶縁層との間の熱膨張係数で且つ前記絶縁層よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層を、前記ヒータ部と接触させて配置したことを特徴とするセンサのヒータ構造。
【請求項２】
前記熱応力緩和層は、前記半導体基板に形成されたダイヤフラムの投影面内に収まるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサのヒータ構造。
【請求項３】
前記絶縁層は、厚さの異なる第１の絶縁層および第２の絶縁層から成る二層構造となっており、
前記熱応力緩和層は、前記第１の絶縁層および第２の絶縁層のうちの薄い層側に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサのヒータ構造。
【請求項４】
前記熱応力緩和層は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイヤモンドライクカーボンおよび炭化ケイ素のうち何れか１つの絶縁性材料または何れか１つの絶縁性材料を含有した複合材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載のセンサのヒータ構造。
【請求項５】
前記ヒータ部は、前記半導体基板上に並設して複数設けられており、
前記熱応力緩和層は、各ヒータ部の所定の領域ごとに分離して配置されていることを特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項に記載のセンサのヒータ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサのヒータ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、一般的なセンサのヒータ構造として、半導体基板に形成された絶縁層に、ヒータ部（マイクロヒータ）を形成したものが知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
この場合、白金から成るヒータ部とシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などから成る絶縁層の熱膨張係数の差が大きいため、ヒータ部を加熱した際に、ヒータ部と絶縁層との境界面に大きな応力が発生してしまうという問題があった。また、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などから成る絶縁層は熱伝導率が低いため、ヒータ部を急激に加熱した際に、ヒータ部の熱が偏在することで絶縁層にも大きな温度差が生じ、局所的な熱応力が発生してしまうという問題もある。このように、ヒータ部と絶縁層との間に大きな熱応力が発生してしまうと、ヒータ部の剥離やクラックの発生の原因となり、センサの長期的な信頼性を損ねてしまう虞があった。
【０００４】
そこで、ヒータ部と絶縁層の間の熱膨張係数となる酸化ハフニウム層（熱応力緩和層）を、ヒータ部と接触させて設けることで、ヒータ部と絶縁層との間で生じる熱応力を緩和し、ヒータ部の剥離やクラックの発生を抑制できるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１３２７６２号公報
【特許文献２】特開２００１−０９１４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術（特許文献２）にあっては、熱膨張係数の差による熱応力の問題は解決することができるものの、酸化ハフニウム層は熱伝導率が低い材料であるため、熱伝導率による熱応力の問題は以前として解決できていないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、ヒータ部の剥離やクラックの発生をより抑制でき、長期的な信頼性をより高めることのできるセンサのヒータ構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、半導体基板に形成された絶縁層にヒータ部が形成されたセンサのヒータ構造において、前記ヒータ部と前記絶縁層との間の熱膨張係数で且つ前記絶縁層よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層を、前記ヒータ部と接触させて配置したことを要旨とする。
【０００９】
本発明の第２の特徴は、前記熱応力緩和層は、前記半導体基板に形成されたダイヤフラムの投影面内に収まるように配置されていることを要旨とする。
【００１０】
本発明の第３の特徴は、前記絶縁層は、厚さの異なる第１の絶縁層および第２の絶縁層から成る二層構造となっており、前記熱応力緩和層は、前記第１の絶縁層および第２の絶縁層のうちの薄い層側に設けられていることを要旨とする。
【００１１】
本発明の第４の特徴は、前記熱応力緩和層は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイヤモンドライクカーボンおよび炭化ケイ素のうち何れか１つの絶縁性材料または何れか１つの絶縁性材料を含有した複合材料で形成されていることを要旨とする。
【００１２】
本発明の第５の特徴は、前記ヒータ部は、前記半導体基板上に並設して複数設けられており、前記熱応力緩和層は、各ヒータ部の所定の領域ごとに分離して配置されていることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ヒータ部と絶縁層との間の熱膨張係数で且つ絶縁層よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層をヒータ部と接触させて配置している。そのため、熱膨張係数の差による熱応力を緩和することができるとともに、熱応力緩和層により高い熱伝導率を持たせることで熱応力が局所的に大きくなってしまうのを抑制することができる。よって、ヒータ部の剥離やクラックの発生をより抑制することができるようになり、長期的な信頼性をより高めることのできるセンサのヒータ構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかるセンサのヒータ構造の熱応力緩和層を構成する絶縁性材料の説明図であって、（ａ）は白金とシリコン酸化膜の線膨張係数、熱伝導率および抵抗率を示した図、（ｂ）は熱応力緩和層の物性値の目安を示した図、（ｃ）は窒化アルミニウムと窒化ホウ素とダイヤモンドライクカーボンと炭化ケイ素の線膨張係数、熱伝導率および抵抗率を示した図である。
【図４−１】本発明の第１実施形態にかかるセンサのヒータ構造の作成工程を（ａ）〜（ｄ）の順に追って説明した図である。
【図４−２】本発明の第１実施形態にかかるセンサのヒータ構造の作成工程を（ｅ）〜（ｈ）の順に追って説明した図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した平面図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態にかかるセンサのヒータ構造の変形例を示した断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明のセンサのヒータ構造は、例えば流量センサ、気体流量センサ、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサなどの加熱を必要とするすべてのセンサに適用することができるものである。
【００１６】
[第１実施形態]
図１〜図４は、本発明の第１実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した図である。
【００１７】
図１および図２に示すように、本実施形態のセンサチップ１は、半導体基板２と、半導体基板２に積層された２層構造の第１の絶縁層３および第２の絶縁層４と、第１の絶縁層３と第２の絶縁層４との間に形成されたヒータ部５とを少なくとも備えている。そして、例えばセンサチップ１が流量センサとして構成される場合には、ヒータ部５の両脇に感温抵抗（感熱素子）が並設して設けられるとともに、センサチップ１がガスセンサとして構成される場合には、第２の絶縁層４上にガス感応層が設けられる。
【００１８】
本実施形態では、第１の絶縁層３および第２の絶縁層４はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）で形成されており、ヒータ部５は白金（Ｐｔ）で形成されている。
【００１９】
ここで、本実施形態では、ヒータ部５と絶縁層（第１の絶縁層３および第２の絶縁層４）との間の熱膨張係数で且つ絶縁層３、４よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層６を、ヒータ部５と接触させて配置するようにしている。
【００２０】
具体的には、図１および図２に示すように、本実施形態では、熱応力緩和層６がヒータ部５の上下両面に形成されており、ヒータ部５の所定の領域となる電極部５２を除く蛇腹状の密集部５１を少なくとも覆うように成膜されている。
【００２１】
また、図３（ａ）に示すように、白金（Ｐｔ）とシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の線膨張係数、熱伝導率および抵抗率から、本実施形態では一例として、図３（ｂ）に示す物性値を熱応力緩和層６の目安としている。そして、図３（ｃ）に示すように、本実施形態では熱応力緩和層６を、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうち何れか１つの絶縁性材料で形成するようにしている。
【００２２】
なお、本実施形態では、図３（ｂ）に示す物性値を熱応力緩和層６の目安としたが、これに限定されない。また、熱応力緩和層６は、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうち何れか１つの絶縁性材料を含有した複合材料で形成されていてもよい。
【００２３】
次に図４を参照して、本実施形態にかかるセンサのヒータ構造の製造方法を説明する。
【００２４】
先ずは、図４（ａ）に示すように、シリコンウェハである半導体基板２の上下両面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）から成る第１の絶縁層３を熱酸化処理あるいはＣＶＤ等の成膜手段で形成する。
【００２５】
次に、図４（ｂ）に示すように、半導体基板２の片面（上面）に熱応力緩和層６をスパッタなどの方法によって成膜する。そして、ヒータ部５（蛇腹状の密集部５１）となる部分に熱応力緩和層６を残すようにフォトリソグラフィなどの方法でパターニングする。
【００２６】
次に、図４（ｃ）に示すように、ヒータ部５となる白金をスパッタなどで成膜し、ヒータ部５の配線パターンをフォトリソグラフィなどの方法により形成する。
【００２７】
次に、図４（ｄ）に示すように、ヒータ部５の配線パターン上に熱応力緩和層６をスパッタなどの方法で再び成膜する。そして、ヒータ部５の蛇腹状の密集部５１上に熱応力緩和層６を残すようにフォトリソグラフィなどの方法によりパターニングする。
【００２８】
次に、図４（ｅ）に示すように、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）から成る第２の絶縁層４をＣＶＤ等の成膜手段で形成する。
【００２９】
次に、図４（ｆ）に示すように、電極パッド５３を形成するために、ヒータ部５の電極部５２に対応する位置の第２の絶縁層４をフォトリソグラフィによって開口して開口部４１を形成する。このとき、裏側に位置する第１の絶縁層３が一緒に除去されてしまわないように保護をしておく。
【００３０】
次に、図４（ｇ）に示すように、金（Ａｕ）から成る電極パッド５３をスパッタあるいは蒸着によって成膜し、フォトリソグラフィによりパターンを形成する。
【００３１】
最後に、図４（ｈ）に示すように、半導体基板２の反対面（下面）側の第１の絶縁層３を開口し、ＴＭＡＨなどのエッチング液を用いて凹部７を設けることで半導体基板２にダイヤフラム８を形成する。
【００３２】
そして、ダイシングによりセンサチップ１に切り分けられて使用される。ヒータ部５には、電極パッド５３がワイヤボンディングされることによって電力が供給される。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態のセンサのヒータ構造によれば、ヒータ部５と絶縁層（第１の絶縁層３および第２の絶縁層４）との間の熱膨張係数で且つ絶縁層３、４よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層６をヒータ部５と接触させて配置している。そのため、熱膨張係数の差による熱応力を緩和することができるとともに、熱応力緩和層６により高い熱伝導率を持たせることで熱応力が局所的に大きくなってしまうのを抑制することができる。よって、ヒータ部５の剥離やクラックの発生をより抑制することができるようになり、長期的な信頼性をより高めることのできるセンサのヒータ構造を得ることができる。
【００３４】
また、本実施形態では、熱応力緩和層６は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイヤモンドライクカーボンおよび炭化ケイ素のうち何れか１つの絶縁性材料または何れか１つの絶縁性材料を含有した複合材料で形成されている。そのため、熱の分布を均一化させて熱応力が局所的に大きくなってしまうのを抑制できるのは勿論のこと、抵抗率を高めて絶縁性を確保することができる。よって、長期的な信頼性をより一層高めることのできるセンサのヒータ構造を得ることができる。
【００３５】
[第２実施形態]
図５および図６は、本発明の第２実施形態を示した図であり、上記第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。
【００３６】
本実施形態のセンサのヒータ構造が、上記第１実施形態のセンサのヒータ構造と主に異なる点は、センサチップ１Ａの熱応力緩和層６が、半導体基板２に形成されたダイヤフラム８の投影面内に収まるように配置されていることにある。
【００３７】
すなわち、上記第１実施形態のセンサチップ１では、図２に示すように、熱応力緩和層６が半導体基板２にオーバーラップする位置までダイヤフラム８からはみ出して配置されていたため、ヒータ部５の熱が半導体基板２に逃げてしまう虞があった。このように、ヒータ部５の熱が熱応力緩和層６を介して半導体基板２に逃げてしまうと、ヒータ部５が検出部（図示せぬ）を機能させるための所定の温度まで上がらなくなったり、ヒータ効率が悪化したりしてしまう。
【００３８】
これに対し、本実施形態では、図５および図６に示すように、熱応力緩和層６がダイヤフラム８の投影面内に収まるように配置されている。そのため、ヒータ部５の熱が熱応力緩和層６を介して半導体基板２に逃げてしまうのを抑制することができ、ヒータ部５が所定の温度まで上がらなくなったり、ヒータ効率が悪化したりしてしまうのを抑制することができる。
【００３９】
以上の本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。
【００４０】
また、本実施形態では、熱応力緩和層６が、半導体基板２に形成されたダイヤフラム８の投影面内に収まるように配置されている。そのため、熱伝導率の高い材料で熱応力緩和層６を形成した場合にはヒータ部５の熱が逃げ易くなってしまうが、それを抑制することができるという利点がある。すなわち、ヒータ部５の熱が熱応力緩和層６を介して半導体基板２に逃げてしまうのを抑制することができる。
【００４１】
[第３実施形態]
図７は、本発明の第３実施形態を示した図であり、上記第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。
【００４２】
本実施形態のセンサのヒータ構造が、上記第１実施形態のセンサのヒータ構造と主に異なる点は、センサチップ１Ｂの熱応力緩和層６が、第１の絶縁層３および第２の絶縁層４のうちの薄い層側に設けられていることにある。
【００４３】
すなわち、本実施形態では、図７に示すように、第１の絶縁層３と第２の絶縁層４の厚さが異なっており、第１の絶縁層３が第２の絶縁層４よりも厚さが厚くなるように形成されている。このような場合、ヒータ部５は第１の絶縁層３と第２の絶縁層４との間に形成されることになるが、ヒータ部５の上側と下側では、上側に位置する第２の絶縁層４の方が厚さが薄いため、上側の境界面によりクラックが発生し易くなると考えられる。
【００４４】
そこで、本実施形態では、熱応力緩和層６を薄い層側となる第２の絶縁層４側に設けることで、より強度が低くなる薄い層側のクラックの発生を抑制できるようにしたものである。
【００４５】
なお、本実施形態では、熱応力緩和層６が薄い層側となる第２の絶縁層４側のみに設けられているため、第１の絶縁層３側となるヒータ部５の下面には熱応力緩和層６が接触せず上面側のみに熱応力緩和層６が存在することになる。
【００４６】
以上の本実施形態によっても、上記第１および第２実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。
【００４７】
また、本実施形態では、絶縁層が厚さの異なる第１の絶縁層３および第２の絶縁層４から成る二層構造となっており、熱応力緩和層６は、第１の絶縁層３および第２の絶縁層４のうちの薄い層側に設けられている。そのため、強度が低くなる薄い層側の境界面のクラックの発生をより確実に抑制することができるようになるという利点がある。
【００４８】
なお、本実施形態では、第１の絶縁層３が第２の絶縁層４よりも厚さが厚くなるように形成されていたが、図８に示す変形例のように、第２の絶縁層４が第１の絶縁層３よりも厚さが厚くなるように形成されていてもよい。この場合には、センサチップ１Ｃの熱応力緩和層６は薄い層側となる第１の絶縁層３側のみに設けられることになる。そして、第２の絶縁層４側となるヒータ部５の上面には熱応力緩和層６が接触せず下面側のみに熱応力緩和層６が存在することになる。
【００４９】
[第４実施形態]
図９は、本発明の第４実施形態を示した図であり、上記第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。
【００５０】
本実施形態のセンサのヒータ構造が、上記第１実施形態のセンサのヒータ構造と主に異なる点は、ヒータ部５が半導体基板２上に並設して複数設けられており、熱応力緩和層６が各ヒータ部５の所定の領域ごとに分離して配置されていることにある。
【００５１】
すなわち、本実施形態では、図９に示すように、一対のヒータ部５（第１のヒータ部５Ａと第２のヒータ部５Ｂ）が並設されており、一対の熱応力緩和層６，６が各ヒータ部５Ａ、５Ｂの蛇腹状の密集部（所定の領域）５１ごとに分離して配置されている。このとき、本実施形態では、一対の熱応力緩和層６，６の双方ともダイヤフラム８の投影面内に収まりつつ配置されるようにしている。
【００５２】
このように、本実施形態では、センサチップ１Ｄの各ヒータ部５Ａ、５Ｂごとに熱応力緩和層６を分離したので、例えば各ヒータ部５Ａ、５Ｂごとで加熱温度を異ならせたい場合などに有利である。
【００５３】
すなわち、第１のヒータ部５Ａの加熱温度を５００℃とし、第２のヒータ部５Ｂの加熱温度を３００℃として運転したい場合に、熱応力緩和層６が一体型であると各ヒータ部５Ａ、５Ｂの加熱温度を中和してしまうことになる。
【００５４】
これに対し、本実施形態では、各ヒータ部５Ａ、５Ｂごとに熱応力緩和層６を分離したので、各ヒータ部５Ａ、５Ｂごとの加熱温度で運転させることができるようになる。
【００５５】
以上の本実施形態によっても、上記第１および第２実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、ヒータ部５が半導体基板２上に並設して複数（本実施形態では、第１のヒータ部５Ａと第２のヒータ部５Ｂ）設けられており、熱応力緩和層６が各ヒータ部５Ａ、５Ｂの蛇腹状の密集部（所定の領域）５１ごとに分離して配置されている。そのため、例えば各ヒータ部５Ａ、５Ｂごとで加熱温度を異ならせたい場合などに、各ヒータ部５Ａ、５Ｂの加熱温度が中和されてしまうのを防止でき、各ヒータ部５Ａ、５Ｂごとの加熱温度で運転させることができるという利点がある。
【００５７】
なお、本実施形態では、ヒータ部５として第１のヒータ部５Ａと第２のヒータ部５Ｂの２つを用いたが、３つ以上用いるようにしてもよい。
【００５８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。
【００５９】
例えば、上記実施形態では、絶縁層をシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）ヒータ部を白金（Ｐｔ）で形成したが、その他の材料で形成してもよい。この場合、ヒータ部と絶縁層との間の熱膨張係数で且つ絶縁層よりも熱伝導率が高い材料として熱応力緩和層を適宜に変更することができる。
【符号の説明】
【００６０】
２  半導体基板
３  第１の絶縁層（絶縁層）
４  第２の絶縁層（絶縁層）
５  ヒータ部
６  熱応力緩和層
８  ダイヤフラム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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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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【図９】
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