CN103003675A - 热式空气流量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供抑制形成于表面的最近处（最上层）的硅氧化膜的吸湿，降低计测误差的热式空气流量传感器。为了达成上述目的，本发明的热式空气流量传感器，对形成于表面的最近处（最上层）的硅氧化膜（4）使用硅、氧或者氩、氮等惰性元素中的至少某一种原子或者分子进行离子注入，使硅氧化膜（4）所含的原子的浓度比进行离子注入前高。

Description

热式空气流量传感器

技术领域

本发明涉及空气流量计中所用的测定元件，也即具备发热电阻体和计测温度的测温电阻体而测定空气流量的热式空气流量传感器。

背景技术

作为空气流量计，能够直接探测空气量的热式的空气流量计是主流。特别地，在具备通过半导体微加工技术制造的测定元件的热式的空气流量计中，能够降低成本、能够以低电力进行驱动，所以备受瞩目。作为这样的热式的空气流量计中所用的测定元件（热式空气流量传感器），有日本特开平10-311750号公报提出的形式。该公报所提出的热式空气流量传感器，在半导体基板上形成电绝缘膜，在该电绝缘膜上形成发热电阻体、测温电阻体，进而在发热电阻体、测温电阻体之上形成有电绝缘体。此外，形成发热电阻体、测温电阻体的区域，通过从半导体基板的背面侧进行异向性蚀刻来去除半导体基板的一部分而形成膜片（diaphragm）构造。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平10-311750号公报

发明内容

在日本特开平10-311750号公报所提出的热式空气流量传感器中，形成了发热电阻体、测温电阻体的区域为膜片构造，表面直接暴露于环境中。该热式空气流量传感器的表面由电绝缘膜覆盖着，而作为该电绝缘膜使用由常用CVD（Chemical Vapor Deposition）法形成的硅氧化膜。一般构成通过CVD法形成的硅氧化膜的原子的密度，与加热而形成氧化膜的热氧化膜相比要粗，所以易吸湿。一旦通过CVD法形成的表面的硅氧化膜吸湿，则其体积膨胀，膜应力发生变化。一旦表面的硅氧化膜的膜应力变化，则去除了半导体基板部分的膜片的形状将在膜厚方向上发生变化。一旦膜片的形状变化，则膜片的区域内形成的测温电阻体发生畸变，空气流量的计测结果将产生误差。

本发明的目的在于，提供一种抑制形成于表面的最近位置（最上层）的硅氧化膜的吸湿，并降低计测误差的热式空气流量传感器。

为了达成上述目的，本发明的热式空气流量传感器通过向形成于表面的最接近位置（最上层）的硅氧化膜进行离子注入，使包含于该硅氧化膜的原子的浓度（密度）比进行离子注入前高。

更具体而言，是一种具有半导体基板、形成于上述半导体基板上的发热电阻体、测温电阻体、包含硅氧化膜的电绝缘体、以及去除半导体基板的一部分而形成的膜片部，上述发热电阻体以及上述测温电阻体形成在上述膜片部上，并具备在上述发热电阻体以及上述测温电阻体的上层作为电绝缘体而形成的硅氧化膜的热式空气流量传感器中，通过向配置于最上层的硅氧化膜注入离子，而使至少覆盖上述膜片部的区域的、上述硅氧化膜所含的原子的浓度，比进行离子注入前的上述硅氧化膜高。

此时，在上述硅氧化膜的膜厚方向上，在表面侧的至少一部分范围内形成离子注入层是可行的。

此外，具备：通过使硅热氧化而形成于上述半导体基板上的热氧化膜、对于上述热氧化膜形成于上层的上述发热电阻体以及上述测温电阻体、对于上述发热电阻体以及上述测温电阻体形成于上层并在表面露出的上述硅氧化膜，并使上述离子注入层所含的原子的浓度提高到上述热氧化膜所含的原子的浓度以上高是可行的。

此外，上述硅氧化膜通过CVD法形成，上述离子注入层形成于上述硅氧化膜的表面侧，在与上述硅氧化膜的下层的界面侧存在维持进行离子注入前的组成的硅氧化膜是可行的。

此外，注入上述离子注入层的离子优选包含硅、氧或者惰性元素中的至少某一种原子或者分子。

此外，上述惰性元素优选地包含氩或者氮中的至少某一个。

此外，优选地，离子注入层仅设于覆盖上述膜片部的区域，在上述膜片部的外侧设有不进行离子注入的区域。

根据本发明，能够抑制硅氧化膜的吸湿，所以能够抑制在湿度等环境发生变化时的空气流量检测特性的变化。本说明书包含本申请的优先权基础即日本专利申请2010-165449号说明书以及/或者附图所记载的内容。

附图说明

图1是本申请的第一实施例中的测定元件的概略平面图。

图2是本申请的第一实施例中的放大截面图。

图3是表示膜片部6的翘曲量的图。

图4是表示离子注入层5的氧化硅（SiO₂）的密度与通过CVD法作成的硅氧化膜4中的氧化硅（SiO₂）的密度的比的图表。

图5是表示硅氧化膜4中的氧化硅（SiO₂）与热氧化膜2中的氧化硅（SiO₂）的密度比的图表。

图6是对图5改善了氧化硅（SiO₂）的密度比的分布的例子。

图7是将离子注入层5设于包含膜片部6的区域，并在膜片部6的外侧不进行离子注入的区域的例子。

图8是在膜片部6的端部堆积作为保护膜的PIQ膜的例子。

符号说明

1：硅基板；2：热氧化膜；3：SiN膜；4：硅氧化膜；5：离子注入层；6：膜片部；7：蚀刻掩模端部；8：膜片部的端部；9、11：测温电阻体；10：发热电阻体；12：端子电极；13：PIQ膜。

具体实施方式

以下，说明本发明的实施例。

【实施例1】

用图1和图2说明本发明的第一实施例中的热式空气流量传感器。图1是热式空气流量传感器的概略平面图，图2是图1的A-A′位置中的放大截面图。

本实施例的热式空气流量传感器（热式空气流量计中所用的测定元件），如图1所示，构成为具备：作为半导体基板的硅基板1、发热电阻体10、用于测定空气温度的测温电阻体9、11、端子电极12、膜片部6。另外，8是膜片部6的端部。

用图2说明本实施例的制造方法。

将硅基板1热氧化，形成作为下部电绝缘膜的热氧化膜2，在热氧化膜2之上堆积多晶硅（Si），而进行图案化，从而形成发热电阻体10、测温电阻体9、11。多晶Si掺杂磷等来调整电阻值。发热电阻体10、测温电阻体9、11也可以不是多晶Si而是由铂、钼等的金属体形成。在发热电阻体10、测温电阻体9、11之上通过CVD法堆积作为上部电绝缘膜的氮化硅（SiN）膜3、硅氧化膜4。然后，对硅氧化膜4将硅（Si）或氧（O或者O₂）以单体或者将它们两者通过离子注入法而进行注入，以700~850℃进行30~60分钟左右的退火，形成离子注入层5。图1所示的端子电极12在多晶Si堆积后，堆积铝或金等而形成。最后，从背面将硅氧化膜等作为掩模材料，使用KOH等的蚀刻液形成膜片部6。膜片部6也可以使用干蚀刻法来形成。图2的符号8，示出作为掩模材料的蚀刻掩模端部的位置，从由符号8示出的蚀刻掩模端部以掩模材料覆盖外侧并进行蚀刻，从而去除膜片部6的部分的硅基板材料。

接下来，说明本实施例的作用效果。

在本实施例中，上部绝缘电极膜由氮化硅（SiN）膜3以及硅氧化膜4这两层的膜构成，但也可以以由更多的层构成的膜构成。不管怎样，上部绝缘电极膜的最上层配置的硅氧化膜4通过CVD法而形成，所以与热氧化膜相比，构成膜的原子（或者分子，以下仅称为原子）的密度（浓度）变粗。所以，容易吸收水分等，易吸湿。如果以CVD法形成于最上层的硅氧化膜4吸湿，则膜将膨胀，所以膜应力将变化。在膜片部6中，去除了硅基板1的一部分，所以受到最上层的硅氧化膜4的膜应力的变化的影响，膜片部6的形状变化。

图3是表示膜片部6的翘曲量的图，表示图1的A-A′线上的、膜片部6的两端部间的翘曲量。膜片部6的形状变化，一般如图3所示，膜片部6在膜厚方向上产生翘曲。测温电阻体9、11形成于膜片部6之上，所以如果膜片部6的形状发生变化，则测温电阻体9、11发生畸变，并且由于伴随吸湿量的变化的膜应力的变化，测温电阻体9、11的畸变量变化。如果测温电阻体9、11的畸变量变化，则由于压电电阻效应，电阻值变化，所测定的空气流量将产生误差。

吸湿所致的膜应力变化的原因在于构成由CVD法制作的最上层的硅氧化膜4的原子的密度（浓度）低。所以，对于提高构成最上层的硅氧化膜4的原子的密度（浓度）的目的，在堆积硅氧化膜4之后，对硅氧化膜4从硅及氧及氩、氮等惰性元素之中，注入至少某一种的原子或者分子，然后，以700~850℃左右进行用于缺陷恢复的退火。

在本实施例中，对由CVD法做成的硅氧化膜4进行离子注入而形成离子注入层5。硅氧化膜4是由二氧化硅（SiO₂）构成的膜。因此，在进行离子注入的情况下，离子注入层5中至少包含分子，也有时与分子一起含有硅、氧、或其它杂质的原子。在本实施例中，不管原子和分子的种类，重要的是掺杂了膜所含的全部的原子和构成分子的原子的原子的浓度（密度）。所以，本说明书中，将掺杂了膜所包含的全部的原子和构成分子的原子的原子的浓度（密度）仅记为“原子浓度”或“原子的浓度”。

在本实施例中，因为将硅以及氧对硅氧化膜4进行了离子注入，所以二氧化硅（SiO₂）的密度不同，但离子注入层5也与未进行离子注入的其它部分（层）4a同样地是硅氧化膜的层这点没有变化。如后所述，通过离子注入而注入氩、氮这样的惰性元素的情况下，离子注入层5变为含有杂质的硅氧化膜的层。不管怎样，如图2所示，在由CVD法生成的硅氧化膜4之上表面侧的一部分4b中构成离子注入层5，下表面侧（深层侧）的一部分4a，作为与进行离子注入之前的硅氧化膜4具有相同组成的硅氧化膜的层而残留。

在硅氧化膜4的厚度小或者需要大的吸湿抑制效果等情况下，也有时硅氧化膜4的层整体成为离子注入层5。

图4是以构成由CVD法制成的硅氧化膜4的二氧化硅（SiO₂）的密度为基准而示出，离子注入层5的二氧化硅（SiO₂）的浓度（密度）与该二氧化硅（SiO₂）的浓度（密度）之比的图表。横轴是从硅氧化膜4的表面向着与底层膜的界面（在本实施例中为SiN膜3）在膜厚方向上取的距离。如图4所示，能够使表面附近的二氧化硅（SiO₂）的浓度（密度）高于与底层膜的界面附近（未进行离子注入的硅氧化膜4）的二氧化硅（SiO₂）的浓度，所以能够抑制吸湿，也能够抑制膜应力的变化，所以能够减小空气流量的计测误差。

接下来，用图5说明离子的注入量。图5以热氧化膜2中的二氧化硅（SiO₂）的密度为基准，表示硅氧化膜4中的二氧化硅（SiO₂）的密度与该热氧化膜2中的二氧化硅（SiO₂）的密度之比。另外，横轴是从硅氧化膜4的表面向着与底层膜的界面（本实施例中为SiN膜3）在膜厚方向上取的距离。

通过向以CVD法等制造的硅氧化膜4注入从硅和氧和氩、氮等惰性元素中选择的至少某一种的原子或者分子，从而提高离子注入层5所含的原子的浓度（密度），所以不用说，即使用少量的注入量也能具有效果。根据我们进行的实验，不能认为是热氧化膜2的吸湿所致的膜应力变化。所以，优选地，使构成离子注入层5的原子的密度与构成热氧化膜2的原子的密度相等，或者比构成热氧化膜2的原子的密度高。

如图5所示，在离子注入层5中，在其膜厚方向的一部分的范围中，进行硅以及氧的离子注入，以使二氧化硅（SiO₂）的浓度（密度）大于热氧化膜2的二氧化硅（SiO₂）的浓度（密度）以上。

图6示出了对于图5改善了二氧化硅（SiO₂）的浓度比（密度比）的分布的例子。吸湿从表面发生，所以构成离子注入层5的原子的浓度（密度），如图6所示，设定为在表面附近较高即可。图6记载了通过CVD法制造的硅氧化膜的情况，但，优选地与热氧化膜相同地，原子浓度设定为在表面附近较高。通过原子浓度（原子密度）的提高达成目的，所以也可以不是将硅与氧的原子浓度同时提高，而是以单体将硅或者氧进行离子注入。

提高硅氧化膜4所含的原子的浓度（密度），也能够不用硅、氧，而用其它元素。有时注入非惰性元素会使电气绝缘性变差，所以作为其它杂质元素将惰性元素（例如氩、氮）进行离子注入即可。对于这时的浓度比（密度比）的考虑与图4、图5、图6中说明的相同。

膜应力变化所致的膜片形状的变化，在应力变化的膜配置于膜片部6上的情况下发生。对此，在硅基板1中，基板的厚度厚、刚性高，所以即使在硅基板1上硅氧化膜4的膜应力变化，膜片部6的形状也不变化。所以，离子注入层5，如图7所示，设于包含膜片部6的区域，也可以在膜片部6的外侧设置不进行离子注入的区域。或者，也可以在膜片部6的外侧的区域，对于含有膜片部6的区域，减少离子注入量。

通过SIMS分析等能够测定构成未进行离子注入的硅氧化膜4a、离子注入层5的硅、氧等原子的浓度（密度）。

本实施例中，将成为发热电阻体10以及测温电阻体9、11的下层膜的电绝缘膜，假定为了热氧化膜2，但当然用热氧化膜与SiN膜的复合膜，其效果也是有效的。即，在膜片构造中，将其膜片部由膜等构成的情况下，膜片形状的膜应力依赖性是显著的，所以，在这种构造的情况下，上述所示的方法是有效的。

在本实施例中，对硅氧化膜形成了离子注入层，但如果是吸湿而存在膜应力变化的膜，则用其它膜也是有效的。现状中，作为硅氧化膜4，一般为由CVD法制作的膜、等离子体TEOS氧化膜等，但在使用在最上层形成的硅氧化膜4或与该硅氧化膜4相同配置而使用的膜所包含的原子的浓度（密度）比热氧化膜2小、易吸湿的膜的制成方法的情况下，对本实施例的硅氧化膜4或者与该硅氧化膜4相同配置而使用的膜的离子注入是有效的。

作为保护测定元件不受灰尘影响的目的，如图8所示，有时在膜片部6的端部堆积PIQ膜13等保护膜，但PIQ膜13的堆积仅在膜片部6的端部附近，所以在这种情况下，本方法也是有效的。

Claims (7)

1.一种热式空气流量传感器，具有：半导体基板、形成于所述半导体基板上的发热电阻体和测温电阻体、包含硅氧化膜的电绝缘体、以及去除半导体基板的一部分而形成的膜片部，所述发热电阻体以及所述测温电阻体形成于所述膜片部上，在所述发热电阻体以及所述测温电阻体的上层具备作为电绝缘体而形成的硅氧化膜，该热式空气流量传感器的特征在于，

通过对配置于最上层的硅氧化膜注入离子，使至少覆盖所述膜片部的区域的、所述硅氧化膜所含的原子的浓度高于进行注入离子前的所述硅氧化膜。

2.根据权利要求1所述的热式空气流量传感器，其特征在于，

在所述硅氧化膜的膜厚方向上，在表面侧的至少一部分的范围形成离子注入层。

3.根据权利要求2所述的热式空气流量传感器，其特征在于，

具备：通过将硅热氧化而在所述半导体基板上形成的热氧化膜、对于所述热氧化膜在上层形成的所述发热电阻体以及所述测温电阻体、对于所述发热电阻体以及所述测温电阻体在上层形成的表面露出的所述硅氧化膜；

使所述离子注入层所含的原子的浓度提高到所述热氧化膜所含的原子的浓度以上。

4.根据权利要求2或3所述的热式空气流量传感器，其特征在于，

所述硅氧化膜通过CVD法而形成，所述离子注入层在所述硅氧化膜的表面侧形成，在与所述硅氧化膜的下层的界面侧存在维持进行离子注入前的组成的硅氧化膜。

5.根据权利要求2至4中任意一项所述的热式空气流量传感器，其特征在于，

注入所述离子注入层的离子包含硅、氧或者惰性元素的至少某一种的原子或者分子。

6.根据权利要求5所述的热式空气流量传感器，其特征在于，

所述惰性元素是氩或者氮中的至少某一种。

7.根据权利要求2至6中任意一项所述的热式空气流量传感器，其特征在于，

离子注入层仅设于覆盖所述膜片部的区域，在所述膜片部的外侧设有不进行离子注入的区域。

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