(57)【要約】【課題】  アルミ膜に生じるひずみを抑制させ、アルミ膜の繰り返し金属疲労による断線を抑制させる半導体装置及び熱式流体流量センサを提供することである。【解決手段】本発明の半導体装置及び熱式流体流量センサは、シリコン膜とアルミ膜との高さを、流量センサ部（ダイアフラム端部直上）部Dと回路部（LSI部）D1とで、D>D1となるようにした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞部を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に積層された積層部と、を備え、
前記積層部は、前記空洞部を覆うダイアフラムを形成し、
前記積層部は、熱電対を構成するシリコン膜と、アルミ膜と、前記シリコン膜とアルミ膜とを接続する接続部と、を有し、
前記接続部は、前記ダイアフラムに設けられている半導体素子において、
前記シリコン膜は、前記ダイアフラムの中立軸よりも基板側に設けられており、
前記アルミ膜は、前記ダイアフラム端部を横切る部分において、前記中立軸よりも基板とは反対側に設けられている半導体素子。
【請求項２】
空洞部を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に積層された積層部と、を備え、
前記積層部は、前記空洞部を覆うダイアフラムを形成し、
前記積層部は、熱電対を構成するシリコン膜と、アルミ膜と、前記シリコン膜とアルミ膜とを接続する接続部と、を有し、
前記接続部は、前記ダイアフラムに設けられている半導体素子において、
前記ダイアフラム外に設けられるトランジスタと、前記積層部のうちダイアフラム外に形成される第１のアルミ層と、該第１のアルミ層の上層側に形成される第２のアルミ層と、を有する回路部と、を備え、
前記熱電対を構成するアルミ膜のうち、ダイアフラム端部を横切る部分は、前記第１のアルミ層よりも上層に形成される半導体素子。
【請求項３】
空洞部を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に積層された積層部と、を備え、
前記積層部は、前記空洞部を覆うダイアフラムを形成し、
前記積層部は、熱電対を構成するシリコン膜と、アルミ膜と、前記シリコン膜とアルミ膜とを接続する接続部と、を有し、
前記接続部は、前記ダイアフラムに設けられている半導体素子において、
前記ダイアフラム部外に設けられるトランジスタを含む回路部を有し、
前記ダイアフラム端部における前記アルミ膜と前記シリコン膜の厚さ方向の距離Dは、前記トランジスタと前記トランジスタ直上に形成されるアルミ膜の厚さ方向の距離D1よりも大きい半導体素子。
【請求項４】
前記ダイアフラム部には、中間層が形成されており、
前記シリコン膜と前記アルミ膜とは、前記中間層を介して電気的に接続されている請求項１乃至３の何れかに記載の半導体素子
【請求項５】
前記ダイアフラムには、前記アルミ膜の下層側で前記シリコン膜の上層側に中間層が形成されており、
前記接続部は、第１接続部と第２接続部を有し、
前記アルミ膜と前記中間層は第１接続部で接続され、
前記中間層と前記シリコン膜は第２接続部で接続される請求項２または３に記載の半導体素子
【請求項６】
前記中間層はアルミ膜であり、
前記第１と第２の接続部はスルーホールであり、
前記シリコン膜と前記中間層を接続するスルーホールの高さは、前記トランジスタと、前記トランジスタ直上のアルミ膜を接続するスルーホールの高さと同じである請求項５に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記ダイアフラム部端部のアルミ膜は、発生ひずみが0.015以下となる箇所に設けられている請求項１乃至３の何れかに記載の半導体素子。
【請求項８】
前記ダイアフラム端部直上に形成された前記熱電対を構成するアルミ膜は、前記積層部の最上層より2層目に配置されている請求項１乃至３の何れかに記載の半導体素子。
【請求項９】
請求項１乃至７の何れかに記載の半導体素子を備える流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子及びそれを用いた流量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられ吸入空気を測定する空気流量計が用いられている。このような空気流量計に用いられる流体流量センサとしては、発熱抵抗体を用いる熱式流体流量センサが、質量空気を直接検知できることから主流となっている。この中では半導体を用いたMEMS技術により製造された熱式空気流量センサが製造コストを低減でき、低い電力で駆動できることから注目されてきた。
【０００３】
このような技術として、例えば特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、半導体基板上に設けられた発熱抵抗体を含む検出部と、半導体基板上に設けられ、発熱抵抗体を制御する制御回路を含む回路部（LSI部）とを有する熱式流体流量センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2012-202786号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
MEMS技術を用いた熱電対式流体流量センサはダイアフラム構造をしている。空気流体の流量を測定する上記センサは空気の流れによる圧力のため、ダイアフラムが変形する。ダイアフラムに変形が生じるとダイアフラム端部のアルミ配線に繰り返し応力が印加され金属疲労を起こし、結果として破断する可能性があることを本筆者らの検討により見出した。特許文献１には上記の課題について言及されておらず、検討の余地がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされており、その目的は、アルミ膜に生じるひずみを抑制させ、アルミ膜の繰り返し金属疲労による断線を抑制させる熱電対式流体流量センサを提供することである。
【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、本発明の熱電対式流体流量センサは、空洞部を有する半導体基板と、前記半導体基板上に積層された積層部と、前記積層部のうち前記空洞部を覆う領域であるダイアフラム部の端部を横切るように形成された熱電対と、を備え、前記熱電対は、前記積層部に設けられたシリコン膜とアルミ膜を有する半導体素子において、前記シリコン膜は、前記ダイアフラム部の中立軸よりも基板側に設けられており、前記アルミ膜は、前記ダイアフラム端部を横切る部分において、前記中立軸よりも基板とは反対側に設けられている半導体素子。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、金属膜であるアルミ膜の発生ひずみを抑制できるので、アルミ膜の破断を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施例における平面図である。
【図２】第１実施例におけるA-A断面図である。
【図３】第２実施例におけるA-A断面図である。
【図４】第３実施例におけるA-A断面図である。
【図５】本発明の作用効果を示す図である。
【図６】第４実施例におけるアルミ膜の疲労強度を示す図である。
【図７】第１実施例におけるA-A断面図である。
【図８】第５実施例における断面図である
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。
【００１１】
［第１実施例］
本発明の第１実施例について、図１、２、５、６を用いて説明する。
【００１２】
熱電対式の流体流量センサの流量検出部21は、ダイアフラム7に形成されたシリコン膜４とアルミ膜3の接続部5で発生する起電力を用いて流量を計測する。
【００１３】
熱電対式の流体流量センサは、シリコン基板1と、シリコン基板１に設けられた空洞部を覆うように形成されたダイアフラム７を備え、ダイアフラム７には発熱抵抗体25と、発熱抵抗体25の上下流に配置された熱電対の接続部5が形成されている。なお、本実施例では、１つの熱電対を発熱抵抗体の上下流に配置し、発熱抵抗体の上下流の温度を測定する構造を示しているが、複数の熱電対を接続したサーモパイルであってもよい。
【００１４】
ダイアフラム７は、シリコン基板１にシリコン酸化膜等の絶縁膜や、熱電対を形成するアルミ膜やシリコン膜を積層させたのち、ドライエッチング等によりシリコン基板１の裏面側の一部を除去することにより形成される。
【００１５】
アルミ膜やシリコン膜は、ダイアフラム端部２を横切るように形成されている。
【００１６】
本実施例の流体流量センサは、流量検出部２１からの信号の処理を行う回路部８が配置されている。
【００１７】
次に図２を用いて断面構造を説明する。流体流量センサは、ダイアフラム７の外側に回路部8となるトランジスタ22が配置されている。
【００１８】
流体流量センサは、空洞部が形成されるシリコン基板１と、シリコン基板上に形成された積層部18を備える。積層部18は、流量検出部を形成するシリコン膜4やアルミ膜3と、回路部を形成するシリコン膜28やアルミ膜14等を備えている。シリコン膜4は、アルミ膜3と、ダイアフラム７に形成されている接続部5を介し接続されている。トランジスタを構成するシリコン膜28は、第二のアルミ膜14と、回路部8に形成される接続部27を介して接続される。接続部5、27の例としてはスルーホールが挙げられる。
【００１９】
回路部8は、集積化や小型化のために配線層が複数存在するため、アルミ膜が多層3、14、15で形成される。また、配線層同士の絶縁を図るために、各層間に絶縁膜12、13、16が形成されている。絶縁膜12、13は、単層を例として挙げたか、複数種類の絶縁膜を積層させてもよく、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等が適用可能である。
【００２０】
本実施例では、ダイアフラム7に形成されている接続部5の高さDと、回路部8に形成されている接続部27の高さD1とが、D>D1の関係を満たす。言い換えると、アルミ膜３は、アルミ膜14よりも表面側に配置される。さらに言い換えると、ダイアフラム端部2におけるアルミ膜3とシリコン膜4の厚さ方向の距離Dは、トランジスタ10とトランジスタ10のほぼ直上に形成されるアルミ膜14の厚さ方向の距離D1よりも大きい。
【００２１】
次に本実施例の作用効果について説明する。図5はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜の積層膜内にアルミ膜を配置させ、ダイアフラム加圧時のアルミ膜の応力（ひずみ）を解析したものである。解析条件としては、ダイアフラム幅500μｍ、ダイアフラム厚さ1μｍ、印加圧力10kPaであり、アルミ膜は弾塑性材料とした。図5（ａ）は、アルミ膜がダイアフラム端部2に一番近い場合、(b)はアルミ膜をダイアフラム厚さの中間に配置した場合、(c)はアルミ膜を表面近くに配置した場合である。図5から、アルミ膜をダイアフラム端部2から遠ざけることでアルミ膜の発生ひずみが小さくなることがわかる。アルミ膜をダイアフラム端部2から遠ざけることで、ダイアフラム曲げ変形によるダイアフラム端部の影響が少なくなるのでこのような結果になったと考えられる。そのため、アルミ膜のダイアフラム変形に伴う発生ひずみを抑制するには、ダイアフラム端部2より、アルミ膜を遠ざけることが有効である。
【００２２】
本実施例では、流量検出部21のダイアフラム端部2直上でのアルミ膜3が、回路部8よりも表面側に配置させるようにすることで、ダイアフラム端部2で発生する応力がアルミ膜3へ影響することを抑制でき、アルミ膜3の発生ひずみを抑制することが可能である。
【００２３】
回路部8と流量検出部21のシリコン膜4は同一プロセスで製造される。本知見を知らないで回路部8を有する熱式流体流量センサを設計した場合には、従来同様アルミ膜3とアルミ膜14を同一層に形成し、スルーホール5とスルーホール27の高さが同一となる。そのため、アルミ膜3は本発明と比べて、ダイアフラム端部2により近づくので、圧力印加時に発生するアルミ膜内のひずみが本実施例に比べて大きくなる。
【００２４】
シリコン膜4はシリコン基板1表面側に形成される。アルミ膜３は、ダイアフラム端部２よりより遠ざけると発生ひずみは減少する。シリコン膜４は、トランジスタ１０を形成するステップと同一ステップで形成することが好ましいので、シリコン基板１側に設けられる。図７に示すようにダイアフラム膜の中立軸26に対して、シリコン膜４はシリコン基板１側、アルミ膜３は、シリコン基板側とは反対側（表面側）に配置されるとより好ましい。
【００２５】
更なる好例として、ダイアフラム7中のアルミ膜3は、ひずみ抑制の観点からはダイアフラム表面にあることが好ましいが、アルミ膜3を外部環境から保護する必要があるため、保護膜16が形成される。そのため、表面より2層目に熱電対を構成するアルミ膜３を配置する場合が、アルミ膜3の保護と歪抑制の両立の点で好ましい。
【００２６】
［第２実施例］
次に第２実施例について図３を用いて説明する。なお、第１実施例と同様の構成については説明を省略する。
【００２７】
第二の実施例では、熱電対を形成するシリコン膜４とアルミ膜３との接続を、中間アルミ膜29を介して接続するようにしている。
【００２８】
中間アルミ膜29は、第二のアルミ膜14と同一プロセスで形成するものであり、第二のアルミ膜14と同層に形成される。中間アルミ膜14は、ダイアフラム端部直上近傍を横切らないように設けられており、ダイアフラム端部2に発生する応力の影響が小さいように形成している。
【００２９】
アルミ膜3と中間アルミ膜29は第１接続部5ａにより接続され、中間アルミ膜29とシリコン膜4は第2接続部5ａにより接続される。接続部5ａ、ｂの例としてはスルーホールが挙げられる。
【００３０】
接続部5ｂと接続部27は同一プロセスで形成され、接続部5ａと接続部30は同一プロセスで形成し、高さを等しくすることでアスペクト比を同一としている。
【００３１】
本実施例では、中間アルミ膜29を形成することにより、ダイアフラム7に形成される接続部5ａ、bと、回路部8に形成される接続部30,27の形状の差異が実施例１に比べて小さくなるようにしている。回路部8には複数のメタル層が形成される。本発明のようにアルミ層3をダイアフラム端部2から離すように表面側に形成すると、ダイアフラム7に形成される接続部5の高さと回路部に形成される接続部の高さ27,30の高さが異なる。その場合、異なる高さのスルーホールを形成する場合には、複雑なプロセスが必要となるところ、本実施例では、同一高さのスルーホールを形成すればよいので、簡略なプロセスで形成することが可能となる。
【００３２】
本実施例では、流量検出部２１がメタル２層の構造を例にしており、M1層に中間アルミ膜29を、M2層にアルミ膜3を形成する例を示したがこれに限定されるものではない。例えば、回路部8がメタルｎ層の構造の場合には、M1〜Mn-1層にそれぞれ中間アルミ膜29を形成し、Mｎ層にアルミ膜3を形成すれば、同様の効果を奏する。
【００３３】
［第３実施例］
第三の実施例について図4を用いて説明する。なお、第１実施例と同様な構成については説明を省略する。
【００３４】
本実施例では、シリコン膜４を、第一の絶縁膜11上に形成した第六の絶縁膜20上に配置させた。絶縁膜20を設けることで、シリコン基板１の表面からシリコン膜4の表面までの距離dが、シリコン基板1の表面からシリコン膜28の表面までの距離d1より高くしている。
【００３５】
シリコン膜4とアルミ膜3との接続部5の高さが、シリコン膜28とアルミ膜14との接続部27の高さに対して、同じ、もしくは、大きい場合には、アルミ膜３はダイアフラム端部2から遠ざかるのでアルミ膜のひずみを抑制することが可能である。
【００３６】
［第４実施例］
第四の実施例について図６を用いて説明する。なお、第１実施例１から第３実施例と同様な構成については説明を省略する
図６は、サブミクロン厚さのアルミ膜の疲労強度（破断ひずみの破断回数依存性）を取得したものである。通常のバルク材の疲労強度を取得するには、材料の両端を繰り返し引張り、その回数と引張り力から求めるが、サブミクロン厚さのサンプルでは、単層膜に自立加工することが難しく、さらにこの膜の両端を繰り返し引張る必要があるので、疲労試験そのものが大変難い。そこで我々は、サブミクロン厚さの薄膜での疲労強度試験法を開発し、アルミ膜の疲労強度を測定した。その結果が図６である。
【００３７】
自動車からの脈動圧力の周波数は最大100Hz程度と考えられる。一日5時間、３６５日、１１年を自動車を乗り続けると考えると、脈動回数は約1E10回程度になる。図６に示した疲労強度カーブより、アルミ膜の破断をさせないためには発生ひずみを0.015以下に押さえることが有効であると言える。すなわち、これを超えないように設計することでアルミ膜の破断を抑制できる。
【００３８】
［第５実施例］
本発明の第５実施例について図８を用いて説明する。なお、実施例１から４と同様の構成については説明を省略する。
【００３９】
本実施例の、流体流量センサは、演算回路8を一体に形成しておらず、別の半導体素子にその機能を持たせている。本実施例でも、シリコン膜4は、ダイアフラム７の中立軸26よりも基板１側に設けられており、アルミ膜3は、ダイアフラム端部2を横切る部分において、中立軸26よりも基板1とは反対側に設けられているように構成することで、アルミ膜3をダイアフラム端部2から離すように構成しており、実施例１と同様の効果を奏する。
【００４０】
なお、上述した各実施例では、熱電対を備える半導体素子として、流体流量センサを例にして説明したが、これに限られるものでなく、温度センサ、湿度センサ等、種々のセンサへ適用可能である。
【００４１】
また、各実施例に記載した半導体素子は、内燃機関の流量を測定する流量検出装置や、湿度を測定する湿度測定装置といった物理量測定装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１…シリコン基板
２…ダイアフラム端部
３…アルミ膜
４…シリコン膜
５…接続部
５ａ…第１接続部
５ｂ…第２接続部
７…ダイアフラム
８…回路部
９…アルミパッド
１０…拡散層
１１…第一の絶縁膜
１２…第二の絶縁膜
１３…第三の絶縁膜
１４…第二のアルミ膜    
１５…第三のアルミ膜
１６…第四の絶縁膜
１７…第五の絶縁膜
１８…積層部
２０…絶縁膜
２１…流量検出部
２２…トランジスタ
２３…回路部でのシリコン基板表面からシリコン膜表面までの距離
２４…流量センサ部でのシリコン基板表面からシリコン膜表面までの距離
２５…発熱抵抗体
２６…中立軸
２７…接続部
２８…シリコン膜
２９…中間アルミ膜
３０…接続部
【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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