(57)【要約】【課題】過酷な使用環境でもセンサ部分が受ける損傷を抑制してしかも配線抵抗を低抵抗化できるようにする。【解決手段】半導体基板１０にエッチングで開口部１１を形成し、その部分にメンブレン４を形成する。メンブレン４に多結晶シリコン膜１３からなるヒータ部を形成する。多結晶シリコン膜１３と電極パッド部５との間に、半導体基板１０中に不純物を高濃度で導入して形成した拡散抵抗領域６を設け、これにより両者間を電気的に接続する。低抵抗化が図れると共に、外部から受ける損傷に強い構成とすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成され、ヒータ部が設けられた薄膜部と、
前記半導体基板の端部に設けられた外部電極用のパッド部と、
前記ヒータ部と前記パッド部との間を電気的に接続する配線部とを備え、
前記配線部は、前記半導体基板の内部に設ける拡散抵抗領域により構成されていることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体センサ装置において、
前記配線部を構成する拡散抵抗領域は、不純物を高濃度で導入して熱拡散により形成したものであることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体センサ装置において、
前記ヒータ部は、前記薄膜部に形成した多結晶シリコン膜により構成されていることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体センサ装置において、
前記ヒータ部を構成する多結晶シリコン膜を前記パッド部まで連続的に形成して補助配線部として設けた構成としたことを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体センサ装置において、
前記補助配線部は、前記配線部を構成する拡散抵抗領域の上部を沿うように配置されると共に、その拡散抵抗領域と電気的に接触した状態に設けられていることを特徴とする半導体センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感知部分が測定雰囲気から物理的あるいは化学的にダメージを受ける可能性の高い環境にて使用する半導体センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体の流量を測定するセンサの１つとして熱式流量センサがある。この熱式流量センサは、半導体チップ上にメンブレン部を形成し、そのメンブレン部にヒータ部を形成すると共に、そのヒータ部で発熱させた部分の温度を測定する温度測定部を形成した構成とされている。ヒータ部で発生する熱は、近傍を通過する気体によって奪われるので、その温度を温度測定部により測定することで気体の流量を検出するものである。
【０００３】
上記したような原理に基づいて測定をするので、測定精度の向上を図るためには、メンブレン部をできるだけ薄く形成すると共に、他の部分の抵抗を低くなるような構造を採用することが必要になる。しかし、一方でそのメンブレン部は測定時に測定対象となる気体の流れる雰囲気に曝されることになるので、メンブレン部はその雰囲気中でも損傷しないような構造を採用することが要件となる。
【０００４】
従来構成の熱式流量センサとしては、チップ表面に、センサ部分から引き出し電極のパッド部分までの配線材料に金属を用いているものがある（例えば、特許文献１参照）。また、ヒータ材料として用いている多結晶シリコンをそのまま延長して配線材料として用いたものもある（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−８３５８０号
【０００６】
【特許文献２】
特許２８８０６５１号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この種の熱式流量センサは、自動車エンジン制御用のための吸入空気量の測定用として、今後、主流になると考えられている。しかし、このような利用条件においては、センサを配置する測定環境が苛酷な条件となることが避けられない。すなわち、通常においては、エアクリーナを通過してエンジン側に流入する空気の流路に設けられるので、エアクリーナを通過可能なダストがセンサチップの表面に衝突することになる。
【０００８】
また、近年では、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムを採用しているので、これによって吸入側の流路に戻されたガスにも曝されることになるし、走行場所が海岸に近い領域である場合などでは、塩水雰囲気に曝露されることになる。これらの測定環境はいずれもセンサにとっては苛酷な条件となるため、その耐久性の向上を図ることが課題となっている。
【０００９】
例えば、ＥＧＲシステムで吸入側に戻る排気ガスには塩酸や硫酸あるいは硝酸などの酸が含まれているので、センサチップの表面がこれらの酸の作用で腐食されてしまったり、あるいは塩水に含まれるアルカリイオンによって特性変動を起こしてしまうなどの不具合発生要因がある。
【００１０】
このような不具合発生要因に対して、前述した従来構成のものでは次の点で実用的に採用することが難しい。すなわち、特許文献１に記載されたものでは、エアクリーナを通過してきた空気中に含まれるダストがセンサの配線材料として用いられている金属材料に衝突した場合にその保護膜を貫通して損傷を発生させることがある。この場合、保護膜を貫通するように発生した損傷は、配線材料としての金属材料に空気が触れる状態となって金属材料を腐食させることになり、断線などの故障発生につながるものである。
【００１１】
また、特許文献２に記載されたものでは、多結晶シリコンを配線材料としていることから、腐食に対する耐性はあるものの、配線材料として用いること自体にセンサとしての検出精度を制限する要素がある。つまり、配線材料として用いている多結晶シリコンは、ヒータ部の多結晶シリコンを延長したものであるから、設計上において厚膜化を図ることが難しく、また配線幅を広げることはチップサイズの増大につながるためこちらも設計上難しい点がある。この結果、多結晶シリコンによる配線を行うことは、その部分の低抵抗化を図ることが難しくなり、検出精度に影響を与えることになる。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記したような過酷な使用環境でもセンサ部分が受ける損傷を抑制してしかも配線抵抗を低抵抗化できるようにした半導体センサ装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、薄膜部に形成しているヒータ部を、外部電極用のパッド部に導く経路に設ける配線部として、半導体基板の内部に設ける拡散抵抗領域により構成しているので、薄膜部をダストが流入する雰囲気や酸や塩水などが流入する雰囲気などの苛酷な使用環境に曝して使用する場合でも、その配線部となる部分には損傷などによる悪影響が極力低減できるようになる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、上記発明において、配線部を構成する拡散抵抗領域を、不純物を高濃度で導入して熱拡散により形成したものとしているので、深さ寸法を深く設定することができると共に、不純物濃度を高くすることによりその抵抗値を低減したものとすることができるので、検出精度の向上も図ることができるようになる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、上記各発明において、ヒータ部を、薄膜部に形成した多結晶シリコン膜により構成しているので、ヒータとして必要な抵抗体を一般的なプロセスを使用して形成することができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、上記請求項３の発明において、ヒータ部を構成する多結晶シリコン膜をパッド部まで連続的に形成して補助配線部として設けた構成としているので多結晶シリコン膜を配線部としても利用することができ、配線部の抵抗値をより低減することができるようになる。
【００１７】
請求項５の発明によれば、上記請求項４の発明において、補助配線部を、配線部を構成する拡散抵抗領域の上部を沿うように配置すると共に、その拡散抵抗領域と電気的に接触した状態に設けるので、より安定した低抵抗値の配線部を形成することができるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を熱式空気流量センサ（以下流量センサと称する）に適用した場合の第１の実施形態について図１ないし図４を参照して説明する。
図４は、流量センサチップ１を測定環境である車載内燃機関の吸気流路２に配置した状態で示す概略図である。この吸気流路２には、左方に図示しないエアフィルタが設けられると共に右方には図示しない内燃機関が配設されており、そのエアフィルタを通過した空気が流通する。
【００１９】
吸気流路２を流れる空気は、外気から取り入れる空気以外に、ＥＧＲシステムを採用している場合にはエンジンから排出されるガスが再循環される。エンジンの排気ガスには塩酸、硫酸、硝酸などの酸が含まれており、これはエアフィルタを通過して吸気流路２に進入する。また、外気は、通常の空気であるが、海岸沿いなどでは海側から吹いてくる潮風に含まれる塩水成分があり、これはエアフィルタを通過するので、直接吸気流路２に進入してくる。
【００２０】
吸気流路２の途中にセンサ取り付け部３が設けられ、ここに半導体センサ装置である流量センサチップ１を配置している。流量センサチップ１には、吸気流路２に露出されている薄膜部としてのメンブレン４が形成されており、後述するように、この部分で流量を検知するように構成されている。
【００２１】
流量センサチップ１の基端部側にはパッド部としての電極パッド５が形成されており、この電極パッド５とメンブレン４との間は、後述する配線部としての配線用拡散領域６（図１参照）が形成されている。また、図示状態では、電極パッド５部分は露出しているが、実際には、取り付け部３により覆われた状態に設けられている。したがって、流量センサチップ１のうちの吸気流路２内で露出しているのは、メンブレン４の部分と配線用拡散領域６の一部である。
【００２２】
取り付け部３の吸気流路２の外側部分には、信号処理回路部７が配設されており、空気流量検出のための検出処理を行うようになっている。この信号処理回路７の接続ターミナル８は、流量センサチップ１の電極パッド５からボンディングワイヤ９により電気的に接続されている。
【００２３】
図示の状態で流量センサチップ１のメンブレン４には、面方向に沿って左側から空気が流通するように配置されているが、実際には、空気の流量が多くなると、ランダムな流れの成分が発生するので、メンブレン４の面にも鉛直方向から空気が吹き付けられることがある。そして、吸入する空気にはエアクリーナを通過してきたダストや前述した酸あるいは塩分などが含まれているので、それらがメンブレン４の面に衝突しながら流通することになる。
【００２４】
流量センサチップ１は、メンブレン４部分のヒータ部で加熱した熱が近傍を流れる空気により熱を奪われて低下する温度を感温部で測定することにより流通している空気の流量を検出するものである。したがって、メンブレン４は、流通する空気によってのみ熱が奪われるようにするために、できるだけ薄く形成することが要求され、配線部となる部分はできるだけ低抵抗に形成することが要求されている。
【００２５】
図１は、流量センサチップ１の断面構造を模式的に示すものである。流量センサチップ１が形成されるシリコンなどの半導体基板１０には、メンブレン４の部分に対応してエッチングによって除去された開口部１１が設けられている。その半導体基板１０の表面１０ａ側には、不純物を高濃度で導入して拡散することで所定深さ寸法に形成した配線部（拡散抵抗領域）としての配線用拡散領域６が所定の平面パターンで形成されている。
【００２６】
半導体基板１０の表面１０ａには絶縁膜１２が形成されており、配線用拡散領域６のメンブレン４側の一部に開口部１２ａが形成されている。メンブレン４および絶縁膜１２の開口部１２ａを覆うように多結晶シリコン膜１３が形成されている。この多結晶シリコン膜１３により、メンブレン４部分にヒータ部および感温部が形成されている。
【００２７】
多結晶シリコン膜１３を覆うようにしてこれらの上面に第１の保護膜１４および第２の保護膜１５が順次積層形成されている。第１の保護膜１４は、例えばＳｉＯ２膜が形成され、第２の保護膜１５は、例えばＳｉＮ膜がＣＶＤ法などにより形成される。
【００２８】
配線用拡散領域６のメンブレン４と反対側の端部には、絶縁膜１２、第１の保護膜１４及び第２の保護膜１５に開口部が形成され、この部分を覆うようにアルミニウム膜が成膜されて電極パッド５がパターニングにより形成されている。この電極パッド５は、ボンディングワイヤ９をボンディングするのに必要な程度の大きさに設定されている。半導体基板１０の裏面側には開口部１１を形成する際に設けたエッチングマスク用のＳｉＮ膜１６が全面に形成されている。
【００２９】
以上のように形成されているので、多結晶シリコン１３により形成されたヒータ部は電極パッド５との間を配線用拡散領域６と電気的に接続することで両者の間が電気的に接続されている。そして、配線用拡散領域６は、高濃度で不純物が導入された拡散領域として形成されているので、抵抗値を低く設定することができる。
【００３０】
次に、上記構成の流量センサチップ１の製造工程について図２および図３を参照して説明する。半導体基板１０は、実際には多数の流量センサチップ１を形成するようにウエハのに複数のパターンが形成される。ここでは、１つの流量センサチップ１についてその製造過程にしたがって示している。
【００３１】
まず、半導体基板１０は、例えばｐ型のシリコン基板を用いており、その表面１０ａに酸化膜１６を形成する（同図（ａ）参照）。この酸化膜１６は、拡散のマスクとして用いるもので、続いて配線部となる部分に開口部１６ａをエッチングにより形成し、この開口部１６ａからｎ型の不純物として例えばリン（Ｐ）を高濃度で導入する。
【００３２】
ここでは、例えば、リンをデポジションした後に熱拡散により所定深さ寸法まで押し込むことにより配線用拡散部６を形成する（同図（ｂ）参照）。これにより、高濃度ｎ型不純物領域として低抵抗の配線用拡散領域６が形成されるので、配線に用いるのに十分なものとして得ることができる。
【００３３】
次に、熱拡散用のマスクとして用いた酸化膜１６を剥離し、新たに絶縁膜１２を全面に形成する（同図（ｃ）参照）。この絶縁膜１２は、メンブレン４として機能するように形成されるものであるから、膜応力を制御して形成することが重要な要素となる。このため、この実施形態に示す図示の状態では単層の膜として形成しているが、膜応力をコントロールするために必要に応じて複合膜として形成することもある。
【００３４】
続いて、上記のようにして成膜した絶縁膜１２にフォトリソグラフィ処理により開口部１２ａを形成する（同図（ｄ）参照）。開口部１２ａは、配線用拡散領域６のメンブレン４側の端部に形成される。また、このとき、流量センサチップ１の外周部のスクライブラインに対応した部分の絶縁膜１２も除去される。
【００３５】
この後、ウエハの全面に多結晶シリコン膜１３を成膜し、リン等のｎ型不純物を導入して所定の抵抗値が得られるようにする。続いて、その多結晶シリコン膜１３をヒータ部あるいは感温部の形状となるようにフォトリソグラフィ処理によってパターニングする（図３（ｅ）参照）。このとき、多結晶シリコン膜１３の一端部は、絶縁膜１２に設けた開口部１２ａ部分に露出している配線用拡散領域６の表面と接触するように形成され、これにより電気的に接続された状態に形成できる。
【００３６】
次に、これらの上面に、第１の保護膜１４及び第２の保護膜１５を順次成膜する（同図（ｆ）参照）。ここでは、下層に形成する第１の保護膜１４は、多結晶シリコン膜１３を成膜したことにより発生している段差部分をカバーすることが主な目的とされるもので、例えばＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−ｄｏｐｅｄ  Ｐｈｏｓｈｐｏｒ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）膜を用いることができる。また、上層に形成する第２の保護膜１５は、耐環境性、特に耐ダスト性の確保ができるような材質の膜を選ぶ必要があり、例えば、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）のような硬質な膜を選ぶことが好ましい。
【００３７】
続いて、形成した保護膜１４，１５の一部に電極パッド５形成用の開口部をフォトリソグラフィ処理によりパターニングしてエッチングし、全面にアルミニウムなどの金属を蒸着して電極用の金属膜を成膜する。金属膜をフォトリソグラフィ処理により電極パッド５の形状となるようにパターニングしてエッチング処理する。これにより、配線用拡散領域６のメンブレン４と反対側の端部と電気的に接触した状態に電極パッド５を形成することができる（同図（ｇ）参照）。
【００３８】
次に、上記各工程を実施する過程で半導体基板１０の裏面側に回り込んで形成されている膜を研削などの処理方法により除去した上で、その裏面に全面にエッチングマスク用のＳｉＮ膜１６を成膜する。フォトリソグラフィ処理により、メンブレン４を形成する領域に開口部１６ａを形成し、半導体基板１０を異方性エッチング処理によりエッチングする。このエッチングでは、半導体基板１０を絶縁膜１２が露出した状態となるまで除去することでメンブレン４を形成する（同図（ｈ）参照）。
【００３９】
以上のようにして形成された流量センサチップ１は、支持する取り付け部３に固定され、電極パッド５にボンディングワイヤでボンディング処理をすることで信号処理回路７の接続ターミナル８と電気的に接続される。
【００４０】
上記構成を採用することにより、メンブレン４の部分に多結晶シリコン膜１３により形成されたヒータ部や感温部を形成し、半導体基板１０に設けた配線用拡散領域６により電極パッド５との間の電気的な接続をすることができるので、配線抵抗を十分に低くすることができ、これによって検出精度の向上を図ることができると共に、配線部が測定環境から受けるダメージを極力低減することができるようになり、信頼性あるいは耐久性の向上も図ることができるようになる。
【００４１】
（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、多結晶シリコン膜１３の形成パターンである。すなわち、この実施形態においては、電極パッド５と配線用拡散領域６との間に多結晶シリコン膜１３ａを介在させた構成としている。
【００４２】
この構成によっても、形成された流量センサチップ１７は、第１の実施形態で示した流量センサチップ１と同等の作用効果を得ることができるものである。また、この構成を採用する場合には、電極パッド５を形成する際にアルミニウムを成膜する工程で、開口部での段差が少なくなるので段切れに対する信頼性が向上するようになる。
【００４３】
上記構成のものについて、第１の実施形態と製造工程での違いは、次の２点である。第１の相違点は、図２（ｄ）に示した絶縁膜１２に開口部１２ａを形成する工程で、電極パッド５に対応する部分にも開口部１２ｂを形成するところである。第２の相違点は、図３（ｄ）に示した多結晶シリコン膜１３のパターニングする部分が電極パッド５に対応する部分にも多結晶シリコン膜１３ａを残すように形成したところである。
【００４４】
なお、上述の製造工程での相違点は、いずれも第１の実施形態と同じ製造プロセスを用いているので、本実施形態の構造を採用する場合においても工程上でのコストの上昇を伴うことなく実施することができる。
【００４５】
（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、流量センサチップ１８として、多結晶シリコン膜１３を配線用拡散領域６の上部に接触しながら電極パッド５部分まで沿うようにパターン形成したところである。
【００４６】
すなわち、この実施形態では、配線用拡散領域６の上部に形成されている絶縁膜１２が開口されていて、補助配線部としての多結晶シリコン膜１３ｂは、その配線用拡散領域６と電気的に接触する状態で並行して電極パッド５まで延ばされた状態に形成した構成としている。この構成を採用することにより、配線部の抵抗値をさらに低くすることができるようになる。
【００４７】
上記構成のものについて、第１の実施形態と製造工程での違いは、次の２点である。第１の相違点は、図２（ｄ）に示した絶縁膜１２に開口部１２ａを形成する工程で、開口部１２ａを形成することに代えて、配線用拡散領域６の上部および電極パッド５に対応する部分に渡って開口部１２ｃを形成するところである。第２の相違点は、図３（ｄ）に示した多結晶シリコン膜１３のパターニングする部分が絶縁膜１２の開口部１２ｃを覆うように配線用拡散領域６の上部および電極パッド５に対応する部分にも多結晶シリコン膜１３ｂを残すように形成したところである。
【００４８】
なお、この実施形態においても、製造工程での相違点は、いずれも第１の実施形態と同じ製造プロセスを用いているので、本実施形態の構造を採用する場合においても工程上でのコストの上昇を伴うことなく実施することができる。
【００４９】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
電極パッド５は、保護膜の開口部の肩部にかかるように形成する他、開口部の内部領域にのみ形成する構成としても良い。
【００５０】
第３の実施形態においては、電極パッド部５の直下に多結晶シリコン膜１３ｂを形成しない構成とすることもできる。
絶縁膜１２や保護膜１４，１５などは、適宜の材料を用いて形成することができる。
【００５１】
半導体基板１０は導電型がｐ型のものを用いたが、ｎ型のものを用いても良い。この場合には、拡散抵抗領域６はｐ型の不純物を導入することで形成することができる。
本実施形態においては、流量センサに用いた場合について説明したが、このほかにも、圧力センサやガスセンサなど種々のセンサに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における流量センサチップの模式的な断面図
【図２】製造工程の各段階における流量センサチップの模式的な断面図（その１）
【図３】製造工程の各段階における流量センサチップの模式的な断面図（その２）
【図４】測定環境に配置した状態で示す断面図
【図５】本発明の第２の実施形態における図１相当図
【図６】本発明の第３の実施形態における図１相当図
【符号の説明】
１，１７，１８は流量センサチップ、２は吸気流路、３は取り付け部、４はメンブレン（薄膜部）、５は電極パッド（パッド部）、６は配線用拡散領域（配線部、拡散抵抗領域）、７は信号処理回路部、８は接続ターミナル、９はボンディングワイヤ、１０は半導体基板、１２は絶縁膜、１３は多結晶シリコン膜（ヒータ部）、１３ｂは多結晶シリコン膜（補助配線部）、１４は第１の保護膜、１５は第２の保護膜である。
【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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