CN103975226B - 热式空气流量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供减少了测量误差的热式空气流量传感器。上述热式空气流量传感器包括：半导体衬底；形成于上述半导体衬底上的发热电阻体、测温电阻体和包含氧化硅膜的电绝缘体；和将上述半导体衬底的一部分除去而形成的膜片部，上述发热电阻体和上述测温电阻体形成在上述膜片部上，在上述发热电阻体和上述测温电阻体的上层具有作为上述电绝缘体而形成的氮化硅膜，其中，上述氮化硅膜形成有与上述发热电阻体和上述测温电阻体图案对应的台阶，并且，上述氮化硅膜为多层构造。

Description

热式空气流量传感器
技术领域
本发明涉及热式空气流量传感器，其为用于空气流量计的测定元件，具备发热电阻体和测温电阻体以测定空气流量。
背景技术
空气流量计的主流是能够直接检测空气量的热式的空气流量计。特别是具备利用半导体微加工技术制造的测定元件的热式的空气流量计，由于能够减少成本、能够用低功率驱动等而备受关注。作为用于这种热式空气流量计的测定元件(热式空气流量传感器)，例如有在专利文献1中提出的测定元件。该公报中提出的热式空气流量传感器，在半导体衬底上形成有电绝缘膜，在该电绝缘膜上形成有发热电阻体、测温电阻体，并且在发热电阻体、测温电阻体之上形成有电绝缘体。另外，形成有发热电阻体、测温电阻体的区域通过从半导体衬底的背面侧进行各向异性蚀刻而除去半导体衬底的一部分，成为膜片构造。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010－133897号公报
发明内容
发明想要解决的技术问题
在专利文献1中提出的热式空气流量传感器，形成有发热电阻体、测温电阻体的区域为膜片构造，在上述两电阻体的表面层叠有通过等离子体CVD(chemical VaporDeposition)法形成的氧化硅膜、氮化硅膜、氧化硅膜。由于通常通过CVD法形成的膜为粗膜(原子密度低)，因此以致密化为目的进行了高温(1000℃)的热处理，但氮化硅膜在进行该热处理时会产生特别高的应力。
发热电阻体、测温电阻体是堆积钼膜等金属膜并进行图案化而形成的电阻体，在堆积于其表面的氧化硅膜、氮化硅膜表面产生与上述金属膜的膜厚对应的台阶。氮化硅膜的高应力集中于该台阶部，在该情况下，在膜内发生裂纹。当裂纹产生时，会从表面吸入氧、水分，电阻体发生氧化。当氧化持续进行时，电阻体的电阻会发生变化，因此会使空气流量测量产生误差。
本发明的目的在于提供减少了测量误差的热式空气流量传感器。
用于解决上述问题的技术方案
为了完成上述目的，本发明提供一种热式空气流量传感器，其包括：半导体衬底；形成于上述半导体衬底上的发热电阻体、测温电阻体和包含氧化硅膜的电绝缘体；和将上述半导体衬底的一部分除去而形成的膜片部，上述发热电阻体和上述测温电阻体形成在上述膜片部上，在上述发热电阻体和上述测温电阻体的上层具有作为上述电绝缘体而形成的氮化硅膜，上述氮化硅膜形成有与上述发热电阻体和上述测温电阻体图案对应的台阶，并且，上述氮化硅膜为多层构造。
发明效果
根据本发明，能够提供减少了测量误差的热式空气流量传感器。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的测定元件的概略平面图。
图2是本发明的第一实施例的截面图。
图3是氮化硅膜中产生的应力的分布图。
图4是表示氮化硅膜中产生的应力的氮化硅膜厚度依赖性的图。
图5是表示在第一次氮化硅膜上堆积有第二次氮化硅膜后，形成界面的情况的照片。
图6是本发明的第二实施例的截面图。
图7是表示氮化硅膜中产生的应力的台阶依存性的图。
图8是通过机械抛光、蚀刻法减少了氧化硅膜中产生的台阶的图。
图9是表示发热电阻体或测温电阻体产生了凸起的样子的图。
具体实施方式
下面，说明本发明的实施例。
实施例1
利用图1和图2说明作为本发明第一实施例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′位置的截面图。
本实施例的热式空气流量传感器(用于热式空气流量计的测定元件)如图1所示，具备硅衬底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。其中，8是膜片部6的端部。
利用图2说明本实施例的制造方法。
对硅衬底1进行热氧化形成作为下部电绝缘膜的热氧化膜2，通过在热氧化膜2之上堆积150nm左右的钼(Mo)膜并进行图案化，形成发热电阻体10、测温电阻体9、11。下部电绝缘膜仅为热氧化膜2即可，也可以层叠氮化硅(SiN)膜、氧化硅膜(SiO2)。另外，构造发热电阻体10、测温电阻体9、11也可以不用钼膜而用铂等金属膜形成。接着，在发热电阻体10、测温电阻体9、11之上通过等离子体CVD法堆积作为上部电绝缘膜的、500nm左右的氧化硅膜3，然后，以膜的致密化为目的在800℃以上进行热处理。此时，形成与钼堆积膜厚相当的台阶13。接着，分两次堆积氮化硅膜4使其达到200nm左右。此时，在第一次氮化硅膜堆积后进行热处理，接着，在第二次氮化硅膜堆积后进行热处理的情况下，在膜堆积后必须进行热处理。另外，该热处理温度设定为氮化硅膜能够致密化的800℃以上。由于在氧化硅膜3的台阶13上堆积有氮化硅膜4，因此在氮化硅膜4也形成有台阶14。然后，通过等离子体CVD法将氧化硅膜5堆积至300～500nm的膜厚，然后，在800℃以上进行热处理。接着，堆积聚酰亚胺类树脂膜并进行图案化，形成PIQ膜15。图1所示的端子电极12通过在形成氧化硅膜5后的上部电绝缘膜开设接触用的孔并堆积铝或金等而形成(未图示)。最后，从背面将氧化硅膜等作为掩模件，使用KOH等蚀刻液形成膜片部6(未图示)。膜片部6也可以用干蚀刻法形成。图2的符号7表示作为掩模件的蚀刻掩模端部的位置，从用符号7表示的蚀刻掩模端部将外侧用掩模件覆盖进行蚀刻，由此除去膜片部6的部分硅衬底材料。
在本实施例中，上部电绝缘膜由氧化硅膜3和氮化硅膜4、氧化硅膜5的三层膜构成，但也可以用由更多的层形成的膜构成。
接着，对本实施例的作用效果进行说明。
对由单层膜形成氮化硅膜4时产生的裂纹的原因进行了研究，根据我们的分析明确得知，由于氮化硅膜4堆积后的高温的热处理，氮化硅膜4发生致密化，在膜内产生了1000MPa左右的高拉伸应力，该应力在台阶14的表面集中而产生裂纹。
热式空气流量传感器中，使发热电阻体10总是发热至200～300℃左右，但该发热温度越高，空气流量传感器的灵敏度越增加。当发热电阻体10发热时，热被施加于配置在其周围的热氧化膜2、氧化硅膜3、氮化硅膜4、氧化硅膜5。这些膜的膜应力因热处理温度而变化。因此，在进行高温的热处理的情况下，因发热电阻体10的发热，膜应力发生变化，膜片发生变形，发热电阻体10、测温电阻体9、11的电阻值因压电效应而变化，引起空气流量检测的误差。在本实施例中，为了防止上述误差，在上部、下部电绝缘膜堆积后必须施行800℃以上的热处理。
另外，一般的LSI的配线材料使用铝，在铝膜堆积后形成有氧化硅膜或氮化硅膜的电绝缘膜。由于铝的融点为550℃左右，所以形成在铝上的氧化硅膜或氮化硅膜堆积后，不必实施500℃以上的高温退火，因此，在氮化硅膜中不会发生高的拉伸应力。另外，LSI的发热温度较低，最高为125℃，几乎没有因发热引起的膜应力变化。另外，由于LSI不是膜片构造，所以也几乎没有膜应力变化引起的衬底的翘曲量，因此，也不会对LSI电特性产生影响。根据上述情况，氮化硅膜4产生的裂纹的技术问题是热式空气流量传感器所特有的。
图3表示氮化硅膜4中产生的应力分析结果。可知产生应力集中在氮化硅膜4表面。另外，图4表示产生应力的氮化硅膜4厚度依赖性。产生应力随着膜厚的减少而减少。根据上述结果。氮化硅膜4的薄膜化对产生应力减少是有效的，但氮化硅膜4的薄膜化会使尘埃冲击时的膜片强度降低。因此不优选将氮化硅膜4的薄膜化作为对策。
如图3所示，应力集中部位为氮化硅膜4的表面。另外，氮化硅膜4内产生的应力的发生源是热处理引起的膜收缩。进而，产生应力因氮化硅膜4的薄膜化而减少。该薄膜化导致的低应力化是由于膜厚变薄，膜收缩量减少，从而产生应力减少。根据以上情况认为，由多层膜形成氮化硅膜4，通过减薄最后所形成的膜的膜厚，产生应力在表面减少。具体地说，在第一层膜堆积后进行热处理使膜收缩，在第二次膜堆积后实施热处理。利用本方法，在氮化硅膜4表面产生的应力仅为第二层膜收缩量。因此，能够不改变膜厚地减少产生应力。
通过应用本方法，如图5所示在第一层和第二层形成界面。另外，对于两层构造中的第一层和第二层的膜厚比，即使增加第二层，第二层的膜厚也比总体膜厚薄，因此具有效果，但是使第二层比第一层薄的方法对应力减小是有效的。
在上述第一实施例中，记载的氮化硅膜4为两层，当然，也可以采用三层、四层膜构造。
无论在哪种情况下，若使多层膜内的各自的膜厚为相同膜厚、或者与多层膜内的各自的膜相比使最后形成的膜的膜厚为最小，则能够有效地减小氮化硅膜4表面的产生应力。
实施例2
第二实施例与第一实施例仅制造方法不同，因此利用图6(a)～(c)说明其制造方法。
首先，如图6(a)所示，对硅衬底1进行热氧化，形成作为下部电绝缘膜的热氧化膜2，在热氧化膜2之上堆积钼(Mo)膜至150nm并进行图案化，由此，形成发热电阻体10、测温电阻体9、11。下部电绝缘膜仅为热氧化膜2即可，但也可以层叠氮化硅(SiN)膜、氧化硅膜(SiO2)。另外，发热电阻体10、测温电阻体9、11也可以不用钼膜而用铂等金属膜形成。在发热电阻体10、测温电阻体9、11之上，通过等离子体CVD法将作为上部电绝缘膜的氧化硅膜3堆积至600nm～700nm左右的厚度，之后，以膜的致密化为目的进行800℃以上的热处理。此时，形成与膜厚相当的台阶13。接着，如图6(b)所示，通过机械抛光(CMP)使上述台阶14平坦化，使氧化硅膜3的膜厚成为约500nm。在此所说的平坦化是使得没有与发热电阻体10、测温电阻体9、11的图案对应的台阶。之后，如图6(C)所示，将氮化硅膜4堆积200nm左右，以氮化硅膜4的致密化为目的进行800℃以上的热处理。之后，通过等离子体CVD法将氧化硅膜5堆积至300～500nm膜厚，之后，在800℃以上进行热处理。之后，通过与实施例1相同的方法形成端子电极12、膜片部6。
接着，对本实施例的作用效果进行说明。
氮化硅膜4内裂纹的产生原因是高的膜应力和台阶形成导致的应力集中。在实施例1中，减少了膜应力。在实施例2中，由于通过机械抛光除去了该台阶14，因此能够抑制应力集中，从而能够抑制裂纹的产生。
通常的LSI配线层形成中的平坦化是为了消除连接下层配线和上层配线的接触配线的连接不良而进行的，不是如本实施例的方式用于防止电绝缘膜的裂纹产生。因此，平坦化的目的不同。
对于产生应力的减少，如图6(b)所示，即使不使氧化硅膜3完全平坦化，如图7所示，通过减少台阶，产生应力也变小。通过机械抛光、背面蚀刻方式能够减少台阶，所以产生应力变小，能够抑制裂纹的产生。当然，此时的蚀刻量，比发热电阻体10、测温电阻体9、11的膜厚小。另外，在上述情况下，如图8所示，在堆积有发热电阻体10或测温电阻体9、11的区域的A膜厚和没有堆积发热电阻体10或测温电阻体9、11的区域的B膜厚中，机械抛光后氧化硅膜3的膜厚变为B＞A，还残留有与发热电阻体10、测温电阻体9、11的图案对应的台阶14。
自不必说，在减少台阶后的情况下，通过并用实施例1中所示的氮化硅4的多层膜化，应力进一步减少，对于抑制裂纹产生是有效的。
使用金属材料对发热电阻体10、测温电阻体9、11进行高温退火时，如图9所示，有时产生凸起16(局部的鼓起)。若产生上述凸起16，则台阶13扩大，产生的应力增大。因此，在产生了凸起16的情况下，实施例1、2所示的方法变得特别有效。
附图标记说明
1 硅衬底
2 热氧化膜
3、5 氧化硅膜
4 氮化硅膜
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、14 台阶
15 PIQ膜
16 凸起

Claims (7)

1.一种热式空气流量传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
形成于所述半导体衬底上的发热电阻体、测温电阻体和包含氧化硅膜的电绝缘体；和
将所述半导体衬底的一部分除去而形成的膜片部，
所述发热电阻体和所述测温电阻体形成在所述膜片部上，在所述发热电阻体和所述测温电阻体的上层具有作为所述电绝缘体而形成的氮化硅膜，其中，
所述氮化硅膜形成有与所述发热电阻体和所述测温电阻体图案对应的台阶，
并且，所述氮化硅膜为两层构造，第二层的膜厚比第一层的膜厚薄。
2.一种热式空气流量传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
形成于所述半导体衬底上的发热电阻体、测温电阻体和包含氧化硅膜的电绝缘体；和
将所述半导体衬底的一部分除去而形成的膜片部，
所述发热电阻体和所述测温电阻体形成在所述膜片部上，在所述发热电阻体和所述测温电阻体的上层具有作为所述电绝缘体而形成的氮化硅膜，其中，
所述氮化硅膜形成有与所述发热电阻体和所述测温电阻体图案对应的台阶，
并且，所述氮化硅膜为多层构造，
所述多层构造的膜中位于最上方的膜的膜厚比其它膜的膜厚薄。
3.一种热式空气流量传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
形成于所述半导体衬底上的发热电阻体、测温电阻体和包含氧化硅膜的电绝缘体；和
将半导体衬底的一部分除去而形成的膜片部，
所述发热电阻体和所述测温电阻体形成在所述膜片部上，在所述发热电阻体和所述测温电阻体上配置有作为所述电绝缘体而形成的氧化硅膜，在所述氧化硅膜上层叠有氮化硅膜，其中，
所述氧化硅膜的表面被除去小于所述发热电阻体的膜厚的厚度，并且在所述氧化硅膜的表面残留与发热电阻体以及测温电阻体的图案对应的台阶。
4.一种热式空气流量传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
形成于所述半导体衬底上的发热电阻体、测温电阻体和包含氧化硅膜的电绝缘体；和
将半导体衬底的一部分除去而形成的膜片部，
所述发热电阻体和所述测温电阻体形成在所述膜片部上，在所述发热电阻体和所述测温电阻体上配置有作为所述电绝缘体而形成的氧化硅膜，在所述氧化硅膜上层叠有氮化硅膜，其中，
所述氧化硅膜的表面被除去小于所述发热电阻体的膜厚的厚度，所述氮化硅膜为多层构造。
5.如权利要求1～4任一项所述的热式空气流量传感器，其特征在于：
在所述发热电阻体和所述测温电阻体形成有凸起。
6.一种热式空气流量传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
形成于所述半导体衬底上的发热电阻体、测温电阻体和包含氧化硅膜的电绝缘体；和
将半导体衬底的一部分除去而形成的膜片部，
所述发热电阻体和所述测温电阻体形成在所述膜片部上，在所述发热电阻体和所述测温电阻体上配置有作为所述电绝缘体而形成的氧化硅膜，在所述氧化硅膜上层叠有氮化硅膜，其中，
在所述发热电阻体和所述测温电阻体形成有凸起，
所述氧化硅膜表面的台阶小于所述发热电阻体的膜厚度。
7.一种热式空气流量传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
形成于所述半导体衬底上的发热电阻体、测温电阻体和包含氧化硅膜的电绝缘体；和
将半导体衬底的一部分除去而形成的膜片部，
所述发热电阻体和所述测温电阻体形成在所述膜片部上，在所述发热电阻体和所述测温电阻体上配置有作为所述电绝缘体而形成的氧化硅膜，在所述氧化硅膜上层叠有氮化硅膜，其中，
在所述发热电阻体和所述测温电阻体形成有凸起，
所述氧化硅膜表面的台阶小于所述发热电阻体的膜厚度，
所述氮化硅膜为多层构造。
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