(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
除去部を有する半導体基板と、
前記除去部を覆うように設けられるダイヤフラム部と、を有する測定素子を備え、
前記ダイヤフラム部は、発熱抵抗体と測温抵抗体とシリコンナイトライド膜とを有し、
前記シリコンナイトライド膜は、該発熱抵抗体および該測温抵抗体よりも上層に設けられており、
前記シリコンナイトライド膜は、前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体パターンに対応した段差が形成され、
前記シリコンナイトライド膜を二層構造とし、一層目の膜厚よりも二層目の膜厚の方が薄い熱式空気流量センサ。
【請求項２】
除去部を有する半導体基板と、
前記除去部を覆うように設けられるダイヤフラム部と、を有する測定素子を備え、
前記ダイヤフラム部は、発熱抵抗体と測温抵抗体とシリコンナイトライド膜とを有し、
前記シリコンナイトライド膜は、該発熱抵抗体および該測温抵抗体よりも上層に設けられており、
前記シリコンナイトライド膜は、前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体パターンに対応した段差が形成され、
さらに、前記シリコンナイトライド膜を多層構造とし、
前記多層構造の膜の内、最上位に位置する膜の膜厚が他の膜厚よりも薄いことを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項３】
除去部を有する半導体基板と、
前記除去部を覆うように設けられるダイヤフラム部と、を有する測定素子を備え、
前記ダイヤフラム部は、発熱抵抗体と測温抵抗体とシリコン酸化膜とシリコンナイトライド膜とを有し、
前記シリコン酸化膜は、前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体を覆うように設けられており、
前記シリコンナイトライド膜は、前記シリコン酸化膜よりも上層に設けられており、
前記シリコン酸化膜は、前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体上に位置する領域の厚みが、その他の領域の厚みよりも薄く、かつ、前記発熱抵抗体のパターンに応じた段差を有する形状である熱式空気流量センサ。
【請求項４】
前記シリコンナイトライド膜を多層構造としたことを特徴とする請求項３に記載の熱式空気流量センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４にいずれかに記載の熱式空気流量センサにおいて、
前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体にはヒロック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。
【請求項６】
除去部を有する半導体基板と、
前記除去部を覆うように設けられるダイヤフラム部と、を有する測定素子を備え、
前記ダイヤフラム部は、発熱抵抗体と測温抵抗体とシリコン酸化膜とシリコンナイトライド膜とを有し、
前記シリコン酸化膜は、前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体を覆うように設けられており、
前記シリコンナイトライド膜は、前記シリコン酸化膜の上層に設けられており、
前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体にはヒロックが形成され、
前記シリコン酸化膜の表面の段差が、前記発熱抵抗体の膜厚さ未満であることを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項７】
除去部を有する半導体基板と、
前記除去部を覆うように設けられるダイヤフラム部と、を有する測定素子を備え、
前記ダイヤフラム部は、発熱抵抗体と測温抵抗体とシリコン酸化膜とシリコンナイトライド膜とを有し、
前記シリコン酸化膜は、前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体を覆うように設けられており、
前記シリコンナイトライド膜は、前記シリコン酸化膜の上層に設けられており、
前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体にはヒロックが形成され、
前記シリコン酸化膜の表面の段差が、前記発熱抵抗体の膜厚さ未満であり、
前記シリコンナイトライド膜は多層構造であ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、空気流量計に用いられる測定素子であって、発熱抵抗体と測温抵抗体とを備えて空気流量を測定する熱式空気流量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気流量計として、空気量を直接検知できる熱式の空気流量計が主流になっている。特に、半導体マイクロマシニング技術により製造された測定素子を備えた熱式の空気流量計は、コストが低減できることや、低電力で駆動できることなどから注目されている。このような熱式の空気流量計に用いられる測定素子（熱式空気流量センサ）としては、例えば特許文献１に提案されているものがある。この公報に提案されている熱式空気流量センサは、半導体基板上に電気絶縁膜が形成され、この電気絶縁膜上に発熱抵抗体や測温抵抗体が形成されており、さらに発熱抵抗体、測温抵抗体の上には電気絶縁体が形成されている。また、発熱抵抗体や測温抵抗体が形成された領域は、半導体基板の裏面側から異方性エッチングすることにより半導体基板の一部が除去されてダイヤフラム構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１３３８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に提案されている熱式空気流量センサは、発熱抵抗体や測温抵抗体が形成されている領域がダイヤフラム構造となっており、前記両抵抗体の表面には、プラズマＣＶＤ（chemical Vapor Deposition）法によって形成されたシリコン酸化膜、シリコンナイトライド膜、シリコン酸化膜が積層される。一般にＣＶＤ法によって形成した膜は粗な膜（原子密度が低い）であることから、緻密化を目的に高温（１０００℃）の熱処理が行われるが、シリコンナイトライド膜はこの熱処理の際に特に高い応力を発生させる。【０００５】
発熱抵抗体や測温抵抗体は、モリブデン膜等の金属膜が堆積・パターニングされたものであり、その表面に堆積された、シリコン酸化膜、シリコンナイトライド膜表面には、上記金属膜の膜厚に応じた段差が生じる。シリコンナイトライド膜の高い応力は、この段差部に集中し、場合によっては膜内にクラックが発生する。クラックが発生すると、表面から酸素や水分が吸入して抵抗体が酸化する。酸化が進行すると抵抗体の抵抗が変化するので空気流量計測に誤差を生じさせる。【０００６】
本発明の目的は、計測誤差を低減した熱式空気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】
上記目的を達成するために、本発明の熱式空気流量センサは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、発熱抵抗体、測温抵抗体、及び、シリコン酸化膜を含む電気絶縁体と、前記半導体基板の一部を除去して形成したダイヤフラム部と、を有し、前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体が前記ダイヤフラム部上に形成され、前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体の上層に前記電気絶縁体として形成されたシリコンナイトライド膜を備えた熱式空気流量センサにおいて、前記シリコンナイトライド膜は、前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体パターンに対応した段差が形成され、さらに、前記シリコンナイトライド膜を多層構造とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、計測誤差を低減した熱式空気流量センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本願に係る第一実施例における測定素子の概略平面図である。
【図２】本願に係る第一実施例における断面図である。
【図３】シリコンナイトライド膜中に発生する応力の分布図。
【図４】シリコンナイトライド膜中に発生する応力のシリコンナイトライド膜厚依存性を表した図。
【図５】一回目のシリコンナイトライド膜上に二回目のシリコンナイトライド膜を堆積した場合、界面が形成されることを示した写真。
【図６】本願に係る第二実施例における断面図である。
【図７】シリコンナイトライド膜中に発生する応力の段差依存性を表した図。
【図８】シリコン酸化膜に発生した段差を機械研磨、エッチバック法により低減した図。
【図９】発熱抵抗体や測温抵抗体にヒロックが発生した様子を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の第一の実施例である熱式空気流量センサを図１と図２を用いて説明する。図１は熱式空気流量センサの概略平面図、図２は図１のＡ−Ａ′位置における断面図である。【００１２】
本実施例の熱式空気流量センサ（熱式空気流量計に用いられる測定素子）は、図１に示すように、シリコン基板１、発熱抵抗体１０、空気温度を測定するための測温抵抗体９，１１、端子電極１２、ダイヤフラム部６を備えている。なお、８はダイヤフラム部６の端部である。【００１３】
図２を用いて本実施例の製造方法を説明する。  
シリコン基板１を熱酸化して下部電気絶縁膜となる熱酸化膜２を形成し、熱酸化膜２の上にモリブデン（Ｍｏ）膜を１５０ｎｍ厚ほど堆積してパターニングを行うことにより、発熱抵抗体１０、測温抵抗体９，１１を形成する。下部電気絶縁膜は熱酸化膜２だけでも良いが、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）膜やシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）を積層しても良い。また、構造発熱抵抗体１０、測温抵抗体９，１１はモリブデン膜ではなくプラチナ等の金属膜で形成しても良い。次に発熱抵抗体１０、測温抵抗体９，１１の上に上部電気絶縁膜となる、シリコン酸化膜３を５００ｎｍ程度プラズマＣＶＤ法により堆積し、その後、膜の緻密化を目的に８００℃以上で熱処理を行う。この際にはモリブデン堆積膜厚に相当する段差１３が形成される。次に２回に分けてシリコンナイトライド膜４を２００ｎｍ程度堆積する。この際、一回目のシリコンナイトライド膜堆積後に熱処理を行い、次に２回目のシリコンナイトライド膜堆積後に熱処理を行うという具合に、膜堆積後には必ず熱処理を行う。また、この熱処理温度はシリコンナイトライド膜の緻密化が可能な８００℃以上とする。シリコン酸化膜３の段差１３上にシリコンナイトライド膜４が堆積されるので、シリコンナイトライド膜４にも段差１４が形成される。その後、シリコン酸化膜５を３００〜５００ｎｍの膜厚でプラズマＣＶＤ法により堆積し、その後、８００℃以上で熱処理を行う。次にポリイミド系の樹脂膜を堆積・パターニングして、ＰＩＱ膜１５を形成する。図１に示す端子電極１２はシリコン酸化膜５形成後の上部電気絶縁膜にコンタクト用の穴を開けてアルミニウムや金等を堆積して形成する（図示せず）。最後に、裏面よりシリコン酸化膜等をマスク材として、ＫＯＨなどのエッチング液を用いてダイヤフラム部６を形成する（図示せず）。ダイヤフラム部６は、ドライエッチング法を用いて形成しても良い。図２の符号７は、マスク材であるエッチングマスク端部の位置を示しており、符号７で示すエッチングマスク端部から外側をマスク材で覆い、エッチングを行うことにより、ダイヤフラム部６の部分のシリコン基板材が除去される。【００１４】
本実施例では、上部電気絶縁膜はシリコン酸化膜３及びシリコンナイトライド膜４、シリコン酸化膜５の三層の膜で構成させたが、さらに多くの層からなる膜で構成しても良い。【００１５】
次に、本実施例の作用効果について説明する。  
シリコンナイトライド膜４を単層膜で形成した場合に発生するクラックの原因を検討したところ、シリコンナイトライド膜４堆積後の高温の熱処理によって、シリコンナイトライド膜４が緻密化し、膜内に１０００ＭＰａ程度の高い引張り応力が生じ、この応力が段差１４の表面で集中して発生することが我々の解析から明らかとなった。【００１６】
熱式空気流量センサでは、発熱抵抗体１０を常時２００〜３００℃程度に発熱させるが、この発熱温度が高ければ高いほど空気流量センサの感度が増す。発熱抵抗体１０が発熱すると、その周りに配置される熱酸化膜２、シリコン酸化膜３、シリコンナイトライド膜４、シリコン酸化膜５に熱が印加されることになる。これらの膜は、熱処理温度により膜応力が変化する。そのため、高温の熱処理を行わない場合には、発熱抵抗体１０の発熱によって膜応力が変化し、ダイヤフラムが変形し、発熱抵抗体１０、測温抵抗体９，１１の抵抗値がピエゾ抵抗効果により変化して空気流量検出の誤差を生じさせる。本実施例ではこれを防ぐために、上部、下部電気絶縁膜堆積後には必ず８００℃以上の熱処理を施している。【００１７】
また、一般的なＬＳＩでは、配線材料にアルミニウムを用いており、アルミニウム膜堆積後には、シリコン酸化膜やシリコンナイトライド膜の電気絶縁膜が形成される。アルミニウムの融点は５５０℃程度であるので、アルミニウム上に形成されるシリコン酸化膜やシリコンナイトライド膜堆積後には５００℃以上の高温のアニールが実施されず、そのため、シリコンナイトライド膜中には高い引張りの応力は発生しない。また、ＬＳＩの発熱温度は最高で１２５℃と低く、発熱による膜応力変化もほとんどない。さらにＬＳＩはダイヤフラム構造となっていないので、膜応力変化による基板の反り量もほとんどなく、そのため、ＬＳＩ電気的特性への影響もない。これらのことから、シリコンナイトライド膜４に発生するクラックの課題は熱式空気流量センサ特有である。【００１８】
シリコンナイトライド膜４中に発生する応力解析結果を図３に示す。発生応力はシリコンナイトライド膜４表面に集中することが分かる。また、発生応力のシリコンナイトライド膜４厚依存性を図４に示す。発生応力は膜厚の減少とともに減少する。この結果から、発生応力低減にはシリコンナイトライド膜４の薄膜化が有効となるが、シリコンナイトライド膜４の薄膜化は、ダスト衝突時のダイヤフラム強度を低下させる。そのため、シリコンナイトライド膜４の薄膜化は対策として好ましくない。【００１９】
応力集中個所は、図３に示すようにシリコンナイトライド膜４の表面であった。また、シリコンナイトライド膜４内に発生する応力の発生源は熱処理による膜収縮であった。さらに、シリコンナイトライド膜４の薄膜化により発生応力が低減した。この薄膜化による低応力化は、膜厚が薄くなることで、膜収縮量が減少し発生応力が減少したものである。以上のことから、シリコンナイトライド膜４を多層膜で形成し、最後に形成される膜の膜厚を薄くすることで表面に発生応力が減少すると考えられる。具体的には、１層目の膜堆積後に熱処理を行って膜収縮をさせ、２回目の膜堆積後に熱処理を実施する。本方法により、シリコンナイトライド膜４表面に発生する応力は２層目の膜収縮分だけとなる。そのため、膜厚を変えることなく発生応力を減少させることができる。【００２０】
本方法を適用することにより、図５に示すように１層目と２層目に界面が形成される。また、２層構造における、１層目と２層目の膜厚比は、２層目の方を多くしてもトータルの膜厚より、２層目の膜厚が薄くなるので効果があるが、１層目よりも２層目の方を薄くした方が応力低減には有効である。【００２１】
上記の第一の実施例はシリコンナイトライド膜４を２層まで記載したが、当然ながら３層、４層膜構造としてもよい。【００２２】
いずれの場合でも多層膜内の各々の膜厚を同じ膜厚とするか、または、最後に形成される膜の膜厚を多層膜内の各々の膜に比べて最小とすると、シリコンナイトライド膜４表面に発生応力が効果的に低減される。
【実施例２】
【００２３】
第二の実施例は第一の実施例の製造方法のみが異なるので、図６（ａ）〜（ｃ）を用いてその製造方法を説明する。【００２４】
まず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板１を熱酸化して下部電気絶縁膜となる熱酸化膜２を形成し、熱酸化膜２の上にモリブデン（Ｍｏ）膜を１５０ｎｍ堆積してパターニングを行うことにより、発熱抵抗体１０、測温抵抗体９，１１を形成する。下部電気絶縁膜は熱酸化膜２だけでも良いが、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）膜やシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）を積層しても良い。また、発熱抵抗体１０、測温抵抗体９，１１はモリブデン膜ではなくプラチナ等の金属膜で形成しても良い。発熱抵抗体１０、測温抵抗体９，１１の上に上部電気絶縁膜となる、シリコン酸化膜３を６００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の厚さでプラズマＣＶＤ法により堆積し、その後、膜の緻密化を目的に８００℃以上の熱処理を行う。この際、膜厚に相当する段差１３が形成される。次に図６（ｂ）に示すように、機械研磨（ＣＭＰ）によりこの段差１４を平坦化し、シリコン酸化膜３の膜厚を約５００ｎｍとする。ここで言う平坦化とは、発熱抵抗体１０、測温抵抗体９，１１のパターンに応じて段差がないことを言う。その後、図６（Ｃ）に示すように、シリコンナイトライド膜４を２００ｎｍ程度堆積し、シリコンナイトライド膜４の緻密化を目的に８００℃以上の熱処理を行う。その後、シリコン酸化膜５を３００〜５００ｎｍの膜厚でプラズマＣＶＤ法により堆積し、その後、８００℃以上で熱処理を行う。その後は実施例１と同じ方法により、端子電極１２、ダイヤフラム部６を形成する。【００２５】
次に、本実施例の作用効果について説明する。  
シリコンナイトライド膜４内のクラックの発生原因は高い膜応力と段差形成による応力集中である。実施例１では膜応力を低減した。実施例２では、機械研磨によりこの段差１４を除去したので応力集中が抑制され、クラックの発生が抑制される。【００２６】
一般的なＬＳＩ配線層形成での平坦化は、下層配線と上層配線を接続するコンタクト配線の接続不良を無くすために行われ、本実施例のように電気絶縁膜のクラック発生を防止するためではない。そのため、平坦化の目的が異なる。【００２７】
発生応力の低減は図６（ｂ）に示すようにシリコン酸化膜３を完全に平坦化しなくても、図７に示すように、段差を低減することで小さくなる。機械研磨、エッチバック方式により段差を低減できるので発生応力が小さくなり、クラックの発生を抑制できる。この際のエッチング量は、当然ながら、発熱抵抗体１０、測温抵抗体９，１１の膜厚よりも小さくなる。また、この場合には図８に示すように、発熱抵抗体１０や測温抵抗体９，１１が堆積されている領域のＡ膜厚と、堆積されていない領域のＢ膜厚で、機械研磨後のシリコン酸化膜３の膜厚はＢ＞Ａとなり、さらに、発熱抵抗体１０、測温抵抗体９，１１のパターンに応じた段差１４が残るものとなる。【００２８】
段差を低減した場合では、実施例１に示したシリコンナイトライド４の多層膜化を併用することで、さらに応力が低減し、クラック発生抑止に有効であることは言うまでもない。【００２９】
発熱抵抗体１０、測温抵抗体９，１１に金属材料を用いて高温のアニールを行うと図９に示すようにヒロック１６（部分的な盛り上がり）が発生する場合がある。このヒロック１６が発生すると段差１３が拡大し、発生応力が大きくなる。そのため、ヒロック１６が発生した場合では実施例１，２に示した方法は特に有効となる。
【符号の説明】
【００３０】
１  シリコン基板
２  熱酸化膜
３，５  シリコン酸化膜
４  シリコンナイトライド膜
６  ダイヤフラム部
７  エッチングマスク端部
８  ダイヤフラム部の端部
９，１１  測温抵抗体
１０  発熱抵抗体
１２  端子電極
１３，１４  段差
１５  ＰＩＱ膜
１６  ヒロック
【図１】
0005982398.tif 000002
【図２】
0005982398.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005982398.tif 000005
【図５】
0005982398.tif 000006
【図６】
0005982398.tif 000007
【図７】
0005982398.tif 000008
【図８】
0005982398.tif 000009
【図９】
0005982398.tif 000010