JP2002071416A

JP2002071416A - 熱式空気流量センサ及び内燃機関制御装置

Info

Publication number: JP2002071416A
Application number: JP2000263553A
Authority: JP
Inventors: Masamichi Yamada; 雅通山田; Izumi Watanabe; 渡辺　　泉; Keiichi Nakada; 圭一中田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2002-03-08

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで高温加熱に長時間使用可能な信頼性
の高い内燃機関の吸入空気量の測定に好適な熱式空気流
量センサと、この熱式空気流量センサを用いた内燃機関
制御装置を提供する。【解決手段】空洞部８上に電気絶縁膜７ａを介して感
温抵抗体（発熱抵抗体４、測温抵抗体５ａ〜５ｄ）を形
成し、この発熱抵抗体及び測温抵抗体を不純物ドープ処
理された多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜で構成する。
この半導体薄膜に、不純物としてリン（Ｐ）又はボロン
（Ｂ）を高濃度ドーピングし、酸素又は窒素がイオン注
入した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱式空気流量セン
サと内燃機関制御装置に係り、特に内燃機関の吸入空気
量の測定に好適な熱式空気流量センサと、この熱式空気
流量センサを用いた内燃機関制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱式の空気流量センサは、質量空気量を
直接計測できるという特長がある。このため、自動車な
どの内燃機関の電子制御燃料噴射制御装置において、吸
入空気流量センサとして従来から広く利用されている。
その中でも、最近では、半導体マイクロマシニング技術
により作成した薄膜型の検出素子を用いた空気流量セン
サが、コスト低減と低電力駆動が可能である点から注目
されている。

【０００３】熱式空気流量センサは、基本的には温度依
存性を有する感温抵抗体を、発熱抵抗体や測温抵抗体に
利用するものである。その方式は種々ある。代表的なも
のとしては、空気流により熱が奪われる発熱抵抗体と空
気温度測温抵抗体との温度差を所定値に保つように発熱
抵抗体の加熱電流を制御し、その加熱電流を電気信号に
変換して空気流量を計測するものや、さらに、最近で
は、半導体基板にマイクロマシニングにより空洞部と該
空洞部を覆う電気絶縁膜（ダイヤフラム部）を形成し、
この電気絶縁膜に、発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を挟ん
で上流側と下流側に位置する測温抵抗体とを形成し、前
記上流側と下流側の測温抵抗体の温度差に基づき空気流
量を計測するものなどが提案されている。半導体タイプ
の熱式空気流量センサとしては、例えば特許公報第２８
８０６５１号公報に開示されているように、発熱抵抗体
として耐熱性および材料コストの利点から多結晶ケイ素
（ポリシリコン）が使用されている。また、ポリシリコ
ンにドーピングを施すことによって、所望の抵抗率と抵
抗値が得られるようにしている。

【０００４】なお、熱式空気流量計以外の半導体技術と
して、例えば、特開昭５５−８２４５８号公報に記載さ
れるように、半導体基板にポリシリコンにより高抵抗素
子（特に１ＭΩ以上）及びその両端に電極を製造するプ
ロセスにおいて、半導体基板上に酸化シリコン膜を介し
てポリシリコン層を形成し、ポリシリコン層にリン，ボ
ロンなどの導電性を有する不純物を相当量添加して一旦
抵抗を配線として機能する程度に充分に下げたのち、ド
ーズ量の制御性が良いイオン注入法により高抵抗素子と
なるべき領域に酸素又は窒素を相当量イオン注入して抵
抗を徐々に高めていく技術が知られている。この従来技
術は、半導体の製造プロセスにおいて、ポリシリコンに
高抵抗領域と電極領域を形成する場合に、電極領域の不
純物が抵抗領域に拡散するのを防ぐためのものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、熱式空気流
量計の分野においては、発熱抵抗体（空気流量測定素
子）として不純物をドーピングしたポリシリコン薄膜を
使用した場合、発熱抵抗体を長時間加熱通電することに
より発熱抵抗体の抵抗値に経時変化が生じるなどの傾向
がみられるので、その経時変化の抑制が望まれる。本発
明の目的は、低コスト、低消費電力で、性能的にも感度
が良く、しかも上記した抵抗値の経時変化を十分に抑制
して、長期性能信頼性の高い熱式空気流量センサおよび
内燃機関制御装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、基本的には、
次のように構成する。

【０００７】すなわち、半導体基板に空洞部が形成さ
れ、該空洞部上に電気絶縁膜を介して空気流量測定用の
少なくとも発熱抵抗体が形成され、前記発熱抵抗体は、
多結晶ケイ素薄膜（ポリシリコン）に不純物としてリン
又は／及びボロンを高濃度ドープ処理し、かつ酸素又は
／及び窒素がイオン注入された感温抵抗体よりなること
を特徴とする。

【０００８】上記構成において、発熱抵抗体を構成する
ポリシリコンに、リン（Ｐ）又はボロン（Ｂ）を高濃度
ドープ処理することにより、所望の抵抗率と抵抗値が得
られる。ところで、不純物ドープしたポリシリコンは、
高温における長期通電により、ポリシリコンの結晶粒間
の粒界にリン（Ｐ）やボロン（Ｂ）が拡散析出し、その
結果、結晶粒内の不純物濃度が減少して抵抗値が増大す
る経時変化が認められた。このようなリン（Ｐ）やボロ
ン（Ｂ）の拡散を抑制するには、酸素や窒素をイオン注
入することが有効である。

【０００９】なお、熱式空気流量計以外の分野において
は、既述したようにポリシリコンに高抵抗領域と電極と
を形成する場合に、その高抵抗領域に酸素や窒素のイオ
ンを注入することで抵抗を高める技術が知られている
が、これは、半導体製造プロセスにおいて電極部の不純
物（リン，ボロン等）が高抵抗領域に拡散するのを防止
するためのものであり、電極と抵抗をポリシリコンで形
成することを前提として半導体製造プロセス上の問題を
解決するものであり、また、常温で使用される半導体装
置を対象とするものであり、本願発明のように熱式空気
流量計の発熱抵抗体の使用時の熱的経時変化といった課
題を解決するものではない。本願発明は、上記構成をな
すことにより、熱式空気流量計に半導体タイプの空気流
量測定素子を成立させる場合に、高温使用時の経時変化
を防止できる発熱抵抗体（感温抵抗体）を実現させるこ
とができた。

【００１０】また、ポリシリコン薄膜の抵抗率（ρ）が
８×１０^-4Ωｃｍ以下になるように、高濃度ドープおよ
びイオン注入処理することにより発熱抵抗体として最適
な抵抗値および抵抗温度係数が実現できる。更には、前
記ポリシリコン薄膜を、１０５０℃以上の温度、３０分
以上の処理時間の不純物熱拡散工程により、リン（Ｐ）
又はボロン（Ｂ）を高濃度ドープ処理した後、ドーズ量
１×１０¹³〜１×１０¹⁶／ｃｍ²の範囲で酸素又は窒素
のいずれかをイオン注入し、その後６００〜１０００℃
の熱処理を施すことにより更に長期の加熱通電において
も抵抗値の安定化が図れる。

【００１１】また、イオン注入に際し、イオン注入は各
酸素又は窒素の平均投影飛程を考慮し、前記ポリシリコ
ン薄膜の膜厚方向に各酸素又は窒素を一様に分布させる
為に、打ち込みエネルギーを変えて複数回行うことによ
り更に長期の加熱通電においても抵抗値の安定化が図れ
る。

【００１２】そして、これらの熱式空気流量センサを用
いて、内燃機関の吸入空気量を計測し、燃料噴射量を制
御することにより、高信頼で高精度の内燃機関制御装置
を実現することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に示した実施例に基づき詳細に説明する。

【００１４】図１は、本発明の熱式空気流量センサの素
子を示す平面図、図２は、図１のＡ―Ａ′線断面図であ
る。

【００１５】図１、図２に示すように、センサ素子１
は、全体が半導体基板２をベースとして形成されてい
る。

【００１６】半導体基板２は、裏面からのエッチング加
工により空洞部８が形成されている単結晶ケイ素（Ｓ
ｉ）の板で、その一方の面（図では上側の面）に電気絶
縁膜７ａによるダイヤフラム部３が形成されている。こ
こで、空洞部８は輪郭が略矩形の孔として形成されてい
る。電気絶縁膜７ａは、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ
₂）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の多層薄膜で作られて
いる。

【００１７】ダイヤフラム部３は、空洞部８の一面全体
を覆う構造であり、空洞部８上には、電気絶縁膜７ａを
介して、発熱抵抗体４と測温抵抗体５ａ〜５ｄが形成さ
れている。測温抵抗体５ａ，５ｂは、空気流方向におい
て発熱抵抗体４の上流側に位置し、測温抵抗体５ｃ，５
ｄは、発熱抵抗体４の下流側に位置するように形成され
ている。

【００１８】本例では、上流側測温抵抗体，下流側測温
抵抗体は、符号５ａ，５ｂ及び５ｃ，５ｄに示すように
それぞれ２個あり、その回路構成は、図５に示すように
上流側測温抵抗体５ａと下流側測温抵抗体５ｃとが直列
に接続され、下流側測温抵抗体５ｄと上流側測温抵抗体
５ｂとが直列に接続され、かつこれらの測温抵抗体によ
り接続端子１２ｂ及び１２ｆを介してブリッジ回路を構
成しており、所定の電圧Ｖｒｅｆが印加されている。

【００１９】半導体基板２におけるダイヤフラム部３の
外側にも電気絶縁膜７ａが形成されており、この外側の
電気絶縁膜７ａの表面には、空気温度測温抵抗体６が設
けられている。

【００２０】発熱抵抗体４と空気温度測温抵抗体６は、
図５に示すように抵抗２１ａと抵抗２１ｂとによりブリ
ッジ回路が構成され、ブリッジ回路と接続される制御回
路１６及びトランジスタ２０を介して、発熱抵抗体４と
空気温度測温抵抗体６との温度差が所定の差になるよう
に、発熱抵抗体４に流れる加熱電流が制御されるように
してある。

【００２１】発熱抵抗体４、空気温度測温抵抗体６およ
び測温抵抗体５ａ〜５ｄは、温度依存性を有する感温抵
抗体よりなり、多結晶ケイ素薄膜（ポリシリコン薄膜）
にリン（Ｐ）又はボロン（Ｂ）を高濃度ドープ処理した
後、ドーズ量１×１０¹³〜１×１０¹⁶／ｃｍ²の範囲で
酸素又は窒素をイオン注入してなり、所定の導電性(抵
抗値)を持つ細条の抵抗パターンとして形成されてい
る。

【００２２】発熱抵抗体４は、矢印９で示した空気の流
れ方向に対して略直交する方向に一直線に配置されてお
り、この発熱抵抗体４の上流側に位置する測温抵抗体５
ａ，５ｂ及び下流側に位置する測温抵抗体５ｃ，５ｄ
は、それぞれダイヤフラム部３の一端から発熱抵抗体４
に沿って伸びてダイヤフラム部中央付近でユーターンす
るようにパターン形成され、このようなパターン形成に
より測温抵抗体の長さをダイヤフラム部３の中で有効に
確保している。上流側の測温抵抗体５ａ，５ｂ及び下流
側の測温抵抗体５ｃ，５ｄは、対称配置されている。

【００２３】電気絶縁膜７ａの表面でダイヤフラム部３
の外側（空洞部外の半導体基板領域）には、発熱抵抗体
４，測温抵抗体５ａ〜５ｄ及び空気温度測温抵抗体６の
配線接続部１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１
１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ，１１ｊ，１１
ｋ，１１ｌ）と、それらの端子電極部１２（１２ａ，１
２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２
ｈ）が形成されている。端子電極部１２は、基板２の一
辺寄りの位置に配設され、上記した配線接続部１１を介
して発熱抵抗体４，測温抵抗体５ａ〜５ｄ，空気温度測
温抵抗体６と接続されている。

【００２４】端子電極部１２は、アルミニウム（Ａ
ｌ），金（Ａｕ）などの薄膜パッドで形成されている。
配線接続部１１も、アルミニウム，金などの金属薄膜に
よりパターニングされている。電気絶縁膜７ａの表面に
は、各抵抗体などを保護するための電気絶縁膜７ｂが、
図２に示すように設けられている。電気絶縁膜７ｂもダ
イヤフラム部３の構成要素となる。

【００２５】本実施例では、空洞部８は異方性エッチン
グにより矩形の輪郭で形成し、その空洞を電気絶縁膜７
ａ、７ｂにより覆っている。内燃機関の吸気管中には、
塵埃，油，水などが空気流に混じることがあるが、上記
空洞部８は、ダイヤフラムにより全面的に覆われている
ので、塵埃、油、水などが空洞部に進入することを防止
できる。

【００２６】次に本実施形態による空気流量計測動作に
ついて説明する。

【００２７】発熱抵抗体４には、加熱電流が供給され、
発熱抵抗体の温度が空気流９の温度よりも一定の温度だ
け高くなるように制御される。この加熱電流制御につい
ての回路動作及び測温抵抗体の回路動作については、図
５により後述する。

【００２８】空気の流量と空気の流れる方向は、発熱抵
抗体４の上流側に設けられている測温抵抗体5ａ，５ｂ
と下流側に設けられている測温抵抗体5ｃ，５ｄの温度
（抵抗値）を比較することにより計測される。

【００２９】すなわち、空気流量がゼロのときは、上流
側の測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側の測温抵抗体５ｃ，
５ｄは、発熱抵抗体４の発熱による加熱条件が同じなの
で、同じ温度を示すことになり、温度差は生じない。換
言すれば、ダイヤフラム部３上の温度分布は、上流側も
下流側も等しいことになる。空気の流れが矢印９方向
（これを順流という）のときは、上流側の測温抵抗体５
ａ，５ｂの方が下流側の測温抵抗体５ｃ，５ｄより空気
流９による冷却効果が大きいことから、上流側測温抵抗
体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄとの間に温
度差が生じ、この温度差から空気流量が計測される。

【００３０】一方、空気の流れが矢印９と反対の方向
（逆流という）のときには、今度は測温抵抗体５ｃ，５
ｄの温度の方が測温抵抗体５ａ，５ｂより低くなり、測
温抵抗体５ａ，５ｂと５ｃ，５ｄとの温度差を表す符合
が逆転する。

【００３１】従って、このことから、温度差の大きさに
より空気流量が計測でき、温度差の符号から空気の流れ
方向が判別できる。

【００３２】図３は、図１のセンサ素子１を、例えば自
動車の内燃機関の吸気通路１０に実装し、内燃機関制御
装置とした場合の一実施形態を示す断面図で、この場
合、センサ素子１は、支持体１４と外部回路１５を含ん
だ形で、吸気通路１０の内部にある副通路１３の中に配
置される。外部回路１５は、図５に示す制御回路１６，
トランジスタ２０，抵抗２１ａ，２１ｂなどで構成さ
れ、支持体１４を介してセンサ素子１の端子電極部１２
（図１）に電気的に接続されることになる。

【００３３】なお、本実施例における制御回路１６は、
加熱電流を制御するほかにＣＰＵ及びメモリ２２を備え
ることで、センサ素子の測温抵抗体の温度差検出値に基
づき吸入空気量（Ｑ）を算出する。さらにこの吸入空気
量に基づき、図示されないエンジン制御回路により内燃
機関の燃料噴射量を制御するように構成されている。内
燃機関の吸入空気は、通常は矢印９で示す方向に流れる
（順流）。内燃機関の運転条件によっては、矢印９とは
反対の方向に流れる場合（逆流）もあるが、この実施形
態によれば、順流，逆流いずれの場合でも空気流量が正
しく計測でき、且つ、それらの判別も可能である。

【００３４】内燃機関の吸入空気流量は、高流量域で
は、質量流量でＱ＝６００ｋｇ／時、流速にてｖ＝５０
ｍ／秒の高流量に達し、アイドル運転などの低流量域か
ら高負荷運転による高流量域までの広い範囲（ダイナミ
ックレンジ）での計測が要求される。

【００３５】図４は、センサ素子１と支持体１４を拡大
して示した図で、図示のように、センサ素子１は、絶縁
体からなる支持体１４に取付けられ、アルミナ等の電気
絶縁基板上に端子電極部１７と信号処理回路が形成して
ある外部回路１５が、同じく支持体１４上に取付けられ
ている。

【００３６】センサ素子１と外部回路１５は、端子電極
部１２と端子電極部１７の間を金線１８などでワイヤボ
ンディングして電気的に接続した後、金線１８、電極端
子１２，１７と外部回路１５を保護するため、上側から
図示していない支持体を設けることにより保護される。

【００３７】次に、図５により、本実施形態の回路構成
及び動作を説明する。

【００３８】図５の回路は、センサ素子１の各抵抗体
４，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，６と、それらを駆動し制
御する回路を示したものである。この図において、１９
は電源、２０は加熱電流制御用のトランジスタ、２１
ａ，２１ｂは抵抗、１６は制御回路、２２はメモリ回路
である。制御回路１６は、Ａ／Ｄ変換器などを含む出力
回路、それに演算処理などを行なうＣＰＵで構成されて
いる。

【００３９】発熱抵抗体４と空気温度測温抵抗体６は、
抵抗２１ａ，２１ｂと共にブリッジ回路を形成し、その
端子１２ａ，１２ｃの電圧が制御回路１６に入力され、
発熱抵抗体４の温度（Ｔｈ）が空気温度に対応する空気
温度測温抵抗体６の温度（Ｔａ）より、或る一定値（Δ
Ｔｈ＝Ｔｈ−Ｔａ＝１５０℃）だけ高くなるように各抵
抗２１ａ，２１ｂの値が設定され、制御回路１６により
加熱電流が制御される。

【００４０】すなわち、発熱抵抗体４の温度が設定値よ
り低い場合には、制御回路１６の出力によりトランジス
タ２０がオンし、発熱抵抗体４に加熱電流が流れ、設定
温度より高くなるとトランジスタ２０がオフし、これに
より発熱抵抗体４の温度が設定値を保つように制御され
る。

【００４１】上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温
抵抗体５ｃ，５ｄの温度差（抵抗値差）は、これらの抵
抗体により構成されたブリッジ回路の端子１２ｇ，１２
ｅの電位差により検出される。

【００４２】予め、空気流量がゼロの時にブリッジ回路
の端子１２ｇ，１２ｅの電位が一致するように、調整抵
抗（図示せず）の抵抗値を調整するか、メモリ２２に予
め空気流量がゼロの時の端子１２ｇ，１２ｅの電位差を
記憶しておく。

【００４３】空気流量の計測は、予め空気流量（Ｑ）と
ブリッジ回路の端子１２ｇ，１２ｅの電位差との関係を
メモリ２２にマップとして記憶しておき、端子１２ｇ，
１２ｅの電位差及び大小関係から、空気流量（Ｑ）の計
測値と流れ方向を判定して出力することができる。

【００４４】本実施形態では、図示のブリッジ回路構成
を前提として、発熱抵抗体４と空気温度測温抵抗体６の
抵抗温度係数（α）が等しくなるように、これらを同じ
不純物濃度にした多結晶のケイ素半導体薄膜で形成して
あり、これにより、発熱抵抗体４の温度（Ｔｈ）を設定
（例えばΔＴｈ＝１５０℃）する際に必要な各抵抗２１
ａ，２１ｂの抵抗値が単純な比例関係になるので、これ
らの設定が容易で簡便にできる。

【００４５】本例では、４個の測温抵抗体５ａ，５ｂ，
５ｃ，５ｄを用い、温度差検出のためのブリッジ回路
を、上流側測温抵抗体５ａと下流側測温抵抗体５ｃとの
直列接続の組と下流側測温抵抗体５ｄと上流側測温抵抗
体５ｂとの直列接続の組とを並列に組み合わせることで
構成し、このようにすることにより、端子１２ｇ，１２
ｅ間に生じる電位差が、一対の測温抵抗体からなるブリ
ッジ回路に比して、約２倍になりその結果、感度が上が
り、精度が向上する。

【００４６】なお、空気流量（Ｑ）の検出に際し、上流
側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体5ｃ，５ｄ
の温度差を検出するのに加えて、発熱抵抗体４に流す加
熱電流（図６における端子１２ｃの電位に相当）を乗算
して流量検出信号とすることも可能である。

【００４７】次に、本実施例に係る熱式空気流量センサ
素子の製造工程例について、図６を参照して説明する。

【００４８】図６（ａ）にて、シリコン半導体基板２の
上下面に、熱酸化処理により二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）
層７ａ，２３を約０．５ミクロン厚に形成する。ここ
で、シリコン半導体基板２の上面に形成した電気絶縁膜
７ａとしては、前記の二酸化ケイ素以外の構成材でも可
能である。例えば、機械強度が高く熱膨張係数がシリコ
ン半導体基板２より若干大きく引張り残留応力を有する
窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を用いてもよく、或いは二酸
化ケイ素と窒化ケイ素の多層構成とし、熱膨張係数およ
び残留応力のマッチングを図った構成とすることによ
り、熱応力および残留応力による撓みが低減でき強度向
上が図られる。

【００４９】また、ダイヤフラムを構成し上記の電気絶
縁膜７ａの上層に形成する電気絶縁膜７ｂにも同様の膜
構成とし、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜２４の上下
方向に対して対称な膜構成とすることにより、更に熱応
力および残留応力による撓みが低減でき強度向上が図ら
れる。

【００５０】次に（ｂ）にて、電気絶縁膜７ａ上に発熱
抵抗体４と測温抵抗体５ａ〜５ｄ，６の部材である非晶
質ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜２４を、約１ミクロンの厚
さでＣＶＤ等の方法で形成する。ここで、非晶質ケイ素
（Ｓｉ）半導体薄膜は、プラズマを用いたＬＰＣＶＤあ
るいは電子サイクロトロン共鳴を用いたＥＣＲ−ＰＣＶ
Ｄ、マイクロ波を用いたＣＶＤ等の方法にて形成する。
薄膜の形成温度を６００℃以下に制御することにより非
晶質ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜を得ることができる。

【００５１】次に、非晶質ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜２
４に熱拡散処理にて不純物ドープ処理を行う。このドー
プ処理は、リンガラス（ＰＯＣｌ３）を非晶質ケイ素
（Ｓｉ）半導体薄膜１３表面に形成し１０５０℃、３０
分以上の熱処理を行い、抵抗率（ρ）が８×１０^-4Ωｃ
ｍ以下となるリン（Ｐ）が高濃度ドープ処理された多結
晶化したケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜２４が形成される。

【００５２】ここでは、ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜２４
は、非晶質膜として形成された後に熱拡散工程にて多結
晶化されるが、この工程の方が、先に多結晶膜を形成し
て熱拡散した場合に比較して、リン（Ｐ）のより一層の
高濃度ドープ処理が可能となり抵抗率（ρ）の低減が図
れるとともに抵抗温度係数（α）が大きくなり抵抗体と
して適切な材料特性となる。また、この工程にて不純物
としてリン（Ｐ）を用いたが、ボロン（Ｂ）を不純物に
用いて高濃度ドープ処理を行っても効果は同じである。
また、リンとボロンの双方を高濃度ドープ処理してもよ
い。

【００５３】次に（ｃ）にて、ドーズ量１×１０¹³〜１
×１０¹⁶／ｃｍ²の範囲で、符号２５に示すように酸素
又は／及び窒素のいずれかをポリシリコン薄膜２４にイ
オン注入する。イオン注入に先立ち、ポリシリコン薄膜
２４上に保護膜として二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層を約
０．１μｍ形成する。この膜はイオン注入後にエッチン
グにて除去される。

【００５４】イオン注入は、ポリシリコン薄膜２４の膜
厚全体にほぼ一様に分布する様に多数回に渡って実施す
る。本実施例の様に1μｍの膜厚の場合には、イオン注
入における各酸素又は窒素の平均投影飛程（Ｒｐ）と広
がり（σ）を考慮してイオン注入エネルギー（Ｅ）を設
定する。窒素のイオン注入の場合には、イオン注入エネ
ルギー（Ｅ）を４０、７０、１２０、２００、３００、
４００ＫｅＶに対して平均投影飛程と広がりは（Ｒｐ±
σ）は、０．０９±０．０３、０．１６±０．０５、
０．２８±０．０７、０．４６±０．０９、０．６８±
０．１１、０．８８±０．１３μｍとなるので各々６回
のイオン注入を繰り返すことによりほぼ1μｍの膜厚全
体に窒素を分布させることが可能となる。

【００５５】ポリシリコン薄膜２４の膜厚が１μｍ以外
の時また酸素のイオン注入においては、前記の窒素のイ
オン注入と同様に平均投影飛程（Ｒｐ）と広がり（σ）
を考慮してイオン注入エネルギー（Ｅ）および回数を設
定することができる。

【００５６】窒素および酸素のイオン注入量はドーズ量
として１×１０¹³〜１×１０¹⁶／ｃｍ²の範囲で制御す
る。また、イオン注入の工程が終了した後には、イオン
注入によってダメージを受けたポリシリコン薄膜２４を
回復させる為に６００〜１０００℃の熱処理を約30分間
施す。

【００５７】次に（ｄ）にて、公知のホトリソグラフィ
技術によりレジストを所定の形状に形成した後反応性イ
オンエッチング等の方法により半導体薄膜２４をパター
ニングし、発熱抵抗体４、測温抵抗体５ａ〜５ｄ、空気
温度測温抵抗体６（図示せず）を形成する。その後、図
示していないが端子電極１２（１２ａ〜１２ｈ）、各抵
抗体と端子電極１２を接続するための配線接続部１１
（１１ａ〜１１ｌ）が、アルミニウム、金等で形成され
る。

【００５８】（ｅ）では、端子電極１２以外の部分を保
護する為に電気絶縁膜７ｂを先の電気絶縁膜７ａと同様
に約０．５ミクロンの厚さに形成する。次に、シリコン
半導体基板２に空洞８を形成するために、エッチングの
マスク材２３を所定の形状にパターニングし半導体基板
２のエッチング部のみを露出させる。マスク材２３とし
ては二酸化ケイ素あるいはよりエッチング選択比の高い
窒化ケイ素等が用いられる。（ｆ）では、最後に、シリコ
ン半導体基板２の裏面より二酸化ケイ素あるいは窒化ケ
イ素等をマスク材２３として、水酸化カリウム（ＫＯ
Ｈ）等のエッチング液を用いて異方性エッチングするこ
とにより空洞８を形成する。この様に構成した本実施例
では、発熱抵抗体４及び測温抵抗体５ａ〜５ｄ，６をリ
ン（Ｐ）又はボロン（Ｂ）を高濃度ドープ処理し更に酸
素又は窒素のいずれかをイオン注入して、抵抗率（ρ）
が８×１０^-4Ωｃｍ以下となるように設定する。これに
より、発熱抵抗体４及び測温抵抗体５ａ〜５ｄ，６の抵
抗温度係数（α）を比較的大きく保つことが出来、測温
感度の向上が図られるとともに、発熱抵抗体４の高温に
おける長期通電による経時変化が抑制された低コストな
熱式空気流量センサが提供できる。

【００５９】図７は、ポリシリコン薄膜の抵抗率（ρ）
と不純物濃度の関係を、図８は、同じく抵抗温度係数
（α）と抵抗率（ρ）の関係を、また、図９は、抵抗率
（ρ）とイオン注入量（ドーズ量）の関係を示したもの
である。ケイ素（Ｓｉ）半導体膜は一般的にサーミスタ
的な抵抗ー温度特性を示すが、温度範囲が比較的狭く且
つ不純物ドープ処理された場合には金属的な抵抗ー温度
特性（１）式を示す。（数１）Ｒ＝Ｒ０（１＋α（Ｔ−Ｔ０）） …（１）ここで、Ｒは温度（Ｔ）における半導体膜の抵抗値、Ｒ０
は温度（Ｔ０）における半導体膜の抵抗値、αは抵抗温
度係数である。

【００６０】特に測温抵抗体５ａ〜５ｄ，６としては、
抵抗温度係数（α）の大きいことが検出感度が向上する
ことから望まれる。また、発熱抵抗体４としては、抵抗率
（ρ）が小さいことが、所望の温度（例えば２００℃）
に加熱しようとしたときの発熱抵抗体を駆動する電圧を
低減する上で望まれる。

【００６１】特に、発熱抵抗体４としては、抵抗値を下
げるためには、ポリシリコンの膜厚を厚くする対応が考
えられるが、膜厚を厚くすると所望のパターンに精度良
くエッチングすることが難しくなり材料コストの面から
も好ましくない。エッチングが精度良く実現出来るポリ
シリコンの膜厚は約１ミクロンが限界であり、この厚さ
で１０ボルト以下の駆動電圧で駆動出来る発熱抵抗体４
の抵抗値は１ｋΩ以下であり、図７の領域２７で示した
不純物濃度が２×１０²⁰（ｃｍ^-3）以上で抵抗率（ρ）
が８×１０^-4Ωｃｍ以下の領域が選択される。

【００６２】図８には、抵抗温度係数（α）と抵抗率
（ρ）の関係２８を示したが、抵抗率（ρ）が８×１０
^-4Ωｃｍ以下の領域２９で抵抗温度係数（α）が増加す
る。

【００６３】従って、図８に示した抵抗率（ρ）が８×
１０^-4Ωｃｍ以下の領域２８では、低い抵抗率（ρ）に
て大きい抵抗温度係数（α）（１０００（×１０^-6／
℃）以上）が実現できる。この結果、測温抵抗体５ａ〜
５ｄ，６、及び発熱抵抗体４とも、抵抗率（ρ）が８×
１０^-4Ωｃｍ以下の領域２８を適用することにより、同
一不純物濃度のポリシリコン薄膜を一括して同時に形成
できるので製造プロセスが簡略化され低コストな熱式空
気流量センサが提供できる。

【００６４】本実施例の発熱抵抗体４の抵抗値として
は、電源電圧および発熱量の関係から５０〜９００Ω，
測温抵抗体５ａ〜５ｄ，６の抵抗値としては１〜１０ｋ
Ωを選択した。

【００６５】また、図９は、抵抗率（ρ）とイオン注入
量（ドーズ量）の関係３０を示した。酸素および窒素の
イオン注入量（ドーズ量）は１×１０¹³〜１×１０¹⁶／
ｃｍ ²の範囲が選択される。ドーズ量が１×１０¹⁶／ｃ
ｍ²以上では、イオン注入された窒素および酸素量が増
大することによりポリシリコン膜内に二酸化ケイ素（Ｓ
ｉＯ２）および窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の絶縁領域が
形成され抵抗率（ρ）が大きくなる。一方、ドーズ量が
１×１０¹³／ｃｍ²以下では、イオン注入量（ドーズ
量）が少な過ぎて発熱抵抗体４の高温における長期通電
による経時変化の抑制効果が十分では無くなる。

【００６６】リン（Ｐ）およびボロン（Ｂ）がドープ処
理されたポリシリコン薄膜では、高温における長期通電
によりポリシリコンの結晶粒間の粒界に不純物ドープさ
れたリン（Ｐ）およびボロン（Ｂ）が拡散析出し、その
結果結晶粒内の不純物濃度が減少し抵抗値が増大する経
時変化が認められる。

【００６７】この高温における長期通電による抵抗値が
増大する経時変化は、リン（Ｐ）およびボロン（Ｂ）の
不純物濃度が増大するに従い減少するが、更に酸素およ
び窒素のイオン注入が効果的である。酸素および窒素の
イオン注入により、酸素および窒素のケイ素（Ｓｉ）内
での拡散係数がリン（Ｐ）およびボロン（Ｂ）に比較し
て一桁小さいことで、高温における長期通電による多結
晶ケイ素（Ｓｉ）の結晶粒界に不純物ドープされたリン
（Ｐ）およびボロン（Ｂ）が拡散することを阻害し安定
化が図られる。

【００６８】図１０に比較例と本発明の発熱抵抗体４の
高温通電による抵抗経時変化の結果を示す。加熱温度が
２５０℃で長時間通電した後に室温に戻した時の抵抗値
の経時変化を試験前の抵抗値との比率にて示してある。
比較例は、リン（Ｐ）又はボロン（Ｂ）を高濃度ドープ
し、酸素および窒素のイオン注入が無いポリシリコン膜
で符号３２で示し、本発明の実施例が符号３３で示して
ある。図から、本発明のポリシリコン膜（リン（Ｐ）お
よびボロン（Ｂ）を高濃度にドープし酸素および窒素を
イオン注入したもの）では、発熱抵抗体４の高温におけ
る長期通電による経時変化の抑制効果が十分であること
が分かる。

【００６９】本実施例では、発熱抵抗体と測温抵抗体に
対して示したが、発熱抵抗体のみの構成でも、またその
他いかなる方式の場合においても、半導体基板２上に少
なくも感温抵抗体で構成された熱式空気流量センサに対
して前記した本発明が適用できる。

【００７０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、空気流量
計測の精度に優れ、長期の加熱通電においても抵抗値の
安定化が図れる低コストな信頼性の高い内燃機関の吸入
空気量の測定に好適な熱式空気流量センサと、この熱式
空気流量センサを用いた内燃機関制御装置を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による熱式空気流量センサの一実施形態
におけるセンサ素子の平面図である。

【図２】本発明による熱式空気流量センサの一実施形態
におけるセンサ素子の断面図である。

【図３】本発明による熱式空気流量センサの一実施形態
におけるセンサ素子の実装状態の一例を示す説明図であ
る。

【図４】本発明による熱式空気流量センサの一実施形態
におけるセンサ素子の実装状態の一例を示す要部拡大図
である。

【図５】本発明による熱式空気流量センサの一実施形態
における回路図である。

【図６】本発明による熱式空気流量センサの製造方法を
説明するためのプロセス図である。

【図７】本発明による熱式空気流量センサの抵抗体の抵
抗率と不純物濃度の特性図である。

【図８】本発明による熱式空気流量センサの抵抗体の抵
抗率と抵抗温度係数の特性図である。

【図９】本発明による熱式空気流量センサの抵抗体の抵
抗率とイオン注入量（ドーズ量）の特性図である。

【図１０】本発明による熱式空気流量センサと比較例と
の発熱抵抗体の高温通電による経時変化の比較特性図で
ある。

【符号の説明】

１…センサ素子、２…半導体基板、３…ダイヤフラム
部、４…発熱抵抗体（感温抵抗体）、５ａ，５ｂ…上流
側測温抵抗体（感温抵抗体）、５ｃ，５ｄ…下流側測温
抵抗体（感温抵抗体）、６…空気温度測温抵抗体（感温
抵抗体）、７ａ…電気絶縁膜、７ｂ…保護膜、８…空洞
部、２４…多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体膜、２５…酸素
または窒素のイオン注入。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡辺泉茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者中田圭一茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器グループ内Ｆターム(参考） 2F035 AA02 EA05 EA08 3G084 BA13 DA22 FA08 3G301 JA16 JA20 MA12 PA01Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板に空洞部が形成され、該空洞
部上に電気絶縁膜を介して空気流量測定用の少なくとも
発熱抵抗体が形成され、前記発熱抵抗体は、多結晶ケイ
素薄膜に不純物としてリン又は／及びボロンを高濃度ド
ープ処理し、かつ酸素又は／及び窒素がイオン注入され
た感温抵抗体よりなることを特徴とする熱式空気流量セ
ンサ。
【請求項２】半導体基板に空洞部が形成され、該空洞
部上に電気絶縁膜を介して空気流量測定用の発熱抵抗体
及び測温抵抗体が形成され、前記発熱抵抗体及び測温抵
抗体は、多結晶ケイ素薄膜に不純物としてリン又は／及
びボロンを高濃度ドープ処理しかつ酸素又は／及び窒素
がイオン注入された感温抵抗体により構成され、前記半
導体基板の空洞部外の電気絶縁膜上には、端子電極と、
前記発熱抵抗体及び測温抵抗体の各々とそれに対応する
前記端子電極とを接続する配線接続部とが金属の導電膜
によりパターニング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３】前記発熱抵抗体及び測温抵抗体は、前記
多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜の抵抗率（ρ）が８×
１０^-4Ωｃｍ以下になるように高濃度ドープおよびイオ
ン注入処理されている請求項１又は２記載の熱式空気流
量センサ。
【請求項４】前記多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜に
は、ドーズ量１×１０¹³〜１×１０¹⁶／ｃｍ²の範囲で
酸素又は窒素がイオン注入されている請求項１から３の
いずれか１項記載の熱式空気流量センサ。
【請求項５】前記酸素又は窒素のイオン注入は、打ち
込みエネルギーを変えて複数回行われており、このイオ
ン注入により、前記多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜の
膜厚方向に前記酸素又は窒素が一様に分布している請求
項１から４のいずれか１項記載の熱式空気流量センサ。
【請求項６】請求項１から請求項５のいずれか１項記
載の熱式空気流量センサを用いて内燃機関の吸入空気量
を計測し、燃料噴射量を制御するように設定されている
ことを特徴とする内燃機関制御装置。