JP2004294207A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダストの衝突で最上層膜が損傷を受ける場合でも測定精度の低下を来したり信頼性の低下を来すことがないようにする。
【解決手段】シリコン基板１８上に、下部窒化膜２０、下部酸化膜２１、ヒータ部１６、感温部１７、上部酸化膜２２、上部窒化膜２３および最上層の酸化膜２５を形成し、メンブレン１５の形成部分のシリコン基板１８に空洞部１９を形成する。最上層の酸化膜２５の硬度よりも、上部窒化膜２３の硬度の方が高いので、測定時にメンブレン１５へのダストの衝突で最上層の酸化膜２５に損傷を受けても、上部窒化膜２３に及ぶのを抑制できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２層以上の膜が積層された膜構造を有し、測定環境においては最上層の膜の表面に微小粒子などにより損傷を受けるような使用形態のセンサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のセンサ装置としては、例えば、空気の流量を測定するためのエアフローセンサがある。センサは一般に測定環境に検出部位を曝した状態で、種々のデータを検出するものであるが、その種類によっては厳しい環境に曝されるものがある。こうした厳しい環境下においても、高い信頼性で且つ高い精度で検出動作を行うことができるようにすることが要求される。
【０００３】
例えば、自動車のエンジンの吸気経路に設けられるエアフローセンサはそのひとつである。図１５はそのエアフローセンサの模式的な断面図である。この構成では、基板１の一部に空洞部２を形成し、基板１の表面１ａ側には、下から順に、下部膜３、膜構成のヒータ４および感温部５、上部膜６、強化膜７を積層形成している。これらの積層した膜の一部が空洞部２ではメンブレン８として機能するように構成されている。
【０００４】
上記構成において、強化膜７は、メンブレン８に加わる応力でメンブレン８が破壊するのを防止するために、機械的強度を高めるように設けられている。この強化膜７としては、例えばアルミナや窒化シリコン、炭化シリコンなどの膜が用いられる。これにより、メンブレン８の全体の膜厚が厚くなるのを抑制しながら上記した応力に対する強化を図ることができるものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１９４２０１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来のものでは、次のような不具合がある。
すなわち、第１の問題点は、一般に、エアフローセンサの測定環境は、測定する空気の中にダストが含まれているとこれがセンサの測定部位にも衝突する可能性がある。上記したエアフローセンサの表面に流通する空気中のダストが衝突すると、最表面の強化膜７に亀裂（キズ）が入る。
【０００７】
そこで、第１の問題点として、亀裂が入るとその後に印加される圧力（印加される圧力の例として、ダストがメンブレン８に衝突することによる圧力，流量が急激に変化することでメンブレン８の表面と裏面の圧力差が生じるによる圧力や冷熱サイクルによる圧力がある）により亀裂が上部膜６を越えて伸展し、メンブレン８破壊をさせることになるという問題がある。
【０００８】
第２の問題点として、上部膜６がＳｉＯ２膜の場合、亀裂が上部膜６まで到達すると、測定空気中に含まれるイオンなどが透過し、ヒータ特性に変動を来すような影響を及ぼすことがあるという問題がある。
【０００９】
第３の問題点として、最表面の強化膜７の膜厚が薄い構成で、上部膜６がＳｉＯ２膜で形成されている場合には、亀裂が直接上部膜６まで達したときに、流通する測定空気中に含まれるイオンなどがヒータ４部分まで透過し、ヒータ特性に変動を起こさせることがあるという問題がある。
【００１０】
第４の問題点として、上部膜６または最表面の強化膜７がＳｉＯ２膜により形成されている場合には、そのＳｉＯ２膜が水分を吸収して吸湿状態になると、その膜応力が変動することがあり、この結果、ヒータ４を形成している抵抗体が応力を受けてピエゾ抵抗効果によりヒータ特性変動を起こしてしまうことがあるという問題がある。
【００１１】
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、上記した問題点を解決して、測定環境下でメンブレン部分にダストなどが衝突して最上層の膜が損傷を受ける場合でも測定精度の低下を来したり信頼性の低下を来すことがないようにしたセンサ装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、２層以上の膜を、下層側の膜の硬度は上層側の膜の硬度よりも高い材質のものを用いた構成としているので、測定環境において最上層の膜の表面に微小粒子などにより損傷を受けるような使用形態であっても、下層側の膜まで損傷が及び難いようにすることができ、これによって膜構造が破壊されたり、特性変動を来したり、あるいは測定精度の低下を抑制することができるようになり、信頼性の低下も抑制することができるようになる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、上記請求項１の発明において、下層側の膜を窒化シリコン（ＳｉＮ）膜とし、上層側の膜を酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜としたので、上記の特性を有する膜として通常の膜生成過程を経ることにより実現できるようになるので、大幅なコストアップを来たすことなく形成することができる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、上記請求項２の発明において、上層側に用いる酸化シリコン膜が最上層膜である場合には、その酸化シリコン膜の膜厚を１．５μｍ以上に設定したので、ダストなどの微粒子が最上層膜の酸化シリコン膜を貫通するのを抑制することができるようになり、下層の膜に及ぼす影響を抑制して特性変動などを防止することができるようになる。
【００１５】
請求項４の発明によれば、上記した請求項２および３の発明において、上層側に用いる酸化シリコン膜を、１０００℃以上の熱処理を経て形成するようにしたので、酸化シリコン膜の吸湿性などに起因した膜応力の変動を抑制することができるようになり、下層の膜や内部の膜構成に応力に起因した悪影響を防止することができるようになる。
【００１６】
請求項５の発明によれば、上記請求項２ないし４の発明において、下層側に用いる窒化シリコン膜を、低圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）膜としたので、他のプラズマＣＶＤ法などに比べてピンホールの発生が少ない緻密な膜であることから、ピンホールに起因した不具合を回避するための膜厚を薄くすることができるようになり、全体として特性変動を抑制するための膜構造について薄膜化を図ることができるようになる。
【００１７】
請求項６の発明によれば、上記請求項２ないし４の発明において、下層側に用いる窒化シリコン膜を、膜厚が０．８μｍ以上のプラズマＣＶＤ膜としたので、上記した低圧ＣＶＤ法に比べるとピンホールの発生が多いが、低応力膜が必要な条件の場合に膜厚を０．８μｍ以上に設定することでピンホールに起因した不具合を回避することができるようになる。
【００１８】
なお、ここでは、ピンホールに起因した不具合については膜厚が低圧ＣＶＤ法のものに比べて厚くなるが、膜応力の条件で必要となる場合や、強度的な条件で必要となる場合も存在するので、用途や条件に応じて適宜適切なものを選択的に使用することができるものである。
【００１９】
請求項７の発明は、３層以上の膜が積層された膜構造を有し、測定環境においては３層以上の膜のうちの最上層の膜の表面に微小粒子などにより損傷を受けるような使用形態のセンサ装置において、最上層の膜を含む連続した３層の膜を、最上層の膜の硬度が中間層の膜の硬度よりも高く、下層の膜の硬度が中間層の膜の硬度よりも高い材質のものを用いた構成とした。
【００２０】
これにより、上記請求項１の発明と同様にして、測定環境において最上層の膜の表面に微小粒子などにより損傷を受けるような使用形態であっても、下層側の膜まで損傷が及び難いようにすることができ、これによって膜構造が破壊されたり、特性変動を来したり、あるいは測定精度の低下を抑制することができるようになり、信頼性の低下も抑制することができるようになると共に、全体の膜厚を請求項１の発明における膜構成に比べて薄く形成しながら、損傷に強い膜とすることができる。
【００２１】
請求項８の発明によれば、上記請求項７の発明において、最上層の膜を含む連続した３層の膜を、最上層の膜を窒化シリコン膜とし、中間層の膜を酸化シリコン膜とし、下層の膜を窒化シリコン膜としたので、上記の特性を有する膜として通常の膜生成過程を経ることにより実現できるようになるので、大幅なコストアップを来たすことなく形成することができる。
【００２２】
請求項９の発明によれば、上記請求項８の発明において、最上層に用いる窒化シリコン膜を、膜厚が０．７μｍ以上となるように設定したので、最上層に酸化膜を用いる場合に比べて薄膜化した構成としながらダストなどの微粒子により受ける損傷を下層側に与えないようにすることができるようになる。
【００２３】
請求項１０の発明によれば、上記請求項８及び９の発明において、最上層に用いる窒化シリコン膜を、プラズマＣＶＤ膜としたので、低応力膜として採用することができるようになる。
【００２４】
請求項１１の発明によれば、上記請求項８ないし１０の発明において、下層に用いる窒化シリコン膜を、低圧ＣＶＤ膜としたので、ピンホールに起因した不具合を回避するための膜厚を薄くすることができるようになり、全体として特性変動を抑制するための膜構造について薄膜化を図ることができるようになる。
【００２５】
請求項１２の発明によれば、上記請求項８ないし１０の発明において、下層に用いる窒化シリコン膜を、膜厚が０．８μｍ以上のプラズマＣＶＤ膜としたので、低圧ＣＶＤ法に比べるとピンホールの発生が多いが、低応力膜が必要な条件の場合に膜厚を０．８μｍ以上に設定することでピンホールに起因した不具合を回避することができるようになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を自動車の内燃機関の吸気経路に設けるエアフローセンサ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６を参照して説明する。
図２はエアフローセンサ１１の使用状態で示す図である。吸気通路１２はエアクリーナから内燃機関に至る空気の流路に設けられる配管であり、この吸気通路１２内には流路部材１３が配設され、内部を流通する吸気の一部が取り込まれるようになっている。流路部材１３にはエアフローセンサ１１が取り付けられ、その表面を空気が流通するように配置されている。
【００２７】
流路部材１３には、吸気通路１２の外側部分に、信号生成回路１４が付設されている。そして、エアフローセンサ１１と信号生成回路１４とは、流路部材１３内に収納されている配線（図示略）によって接続されている。エアフローセンサ１１には、メンブレン１５（図１参照）が形成されていて、この部分に形成されたヒータ部１６と感温部１７とにより流通する空気の流量を感知するようになっており、その検出結果について信号生成回路１４にて流量を示す電気信号として生成するものである。
【００２８】
図１はエアフローセンサ１１のチップの断面構造を模式的に示すものである。半導体基板としてのシリコン基板１８には、裏面側から異方性エッチング処理により形成された空洞部１９が設けられている。このシリコン基板１８の上面側にはメンブレン１５を含んだ各種層が形成されている。
【００２９】
シリコン基板１８上に、下部窒化膜（ＳｉＮ）２０、下部酸化膜（ＳｉＯ２）２１が積層形成されている。下部窒化膜２０は、例えば低圧ＣＶＤ法により膜厚０．１５μｍ程度に形成したものである。下部酸化膜２１は、例えばＣＶＤ法により０．２μｍ程度に形成したものである。
【００３０】
この上に、多結晶シリコン膜をパターニングして形成したヒータ部１６および感温部１７が設けられている。ヒータ部１６および感温部１７は、シリコン基板１８の空洞部１９部分に対応する位置すなわちメンブレン１５部分に形成されている。
【００３１】
この上部には、上部酸化膜２２、上部窒化膜２３が積層形成されている。上部酸化膜２２は、例えばＣＶＤ法により膜厚１．４μｍ程度に形成されており、上部窒化膜２３は、例えば低圧ＣＶＤ法により膜厚０．１５μｍに形成されている。この場合、上部窒化膜２３は、プラズマＣＶＤ法により形成する場合には、膜厚を０．８μｍに設定する。
【００３２】
上部酸化膜２２および上部窒化膜２３には、ヒータ部１６の端部に対応して開口部が形成されており、この部分とオーミックコンタクトをとるようにアルミニウム膜が形成され、フォトリソグラフィ処理によってパターニングされ、電極パッド２４が形成されている。これらの膜の上部には最上層膜として、酸化膜２５が形成されている。この酸化膜２５は、例えばプラズマＣＶＤ法により１．５μｍの膜厚に形成されている。また、シリコン基板１８の裏面側には、空洞部１９を形成する際に必要となるエッチングマスクとしてのシリコン窒化膜２６が形成されている。
【００３３】
上記説明したとおり、シリコン基板１８上に積層形成した膜構成は合計の膜厚が数μｍから５μｍの範囲に入る程度であり、これに対してシリコン基板１８の厚さ寸法は、例えば数百μｍのものを使用することが一般的であるから、図示の状態が誇張されたものであることがわかる。つまり、実際には、メンブレン１５の部分は、高々５μｍ程度の膜厚の極薄い膜構造となっており、これをシリコン基板１８が保持した状態に形成されているものである。
【００３４】
なお、上記構成において、上部窒化膜２３と最上層の酸化膜２５とが本発明でいうところの２層の膜に相当し、下層側の膜が上部窒化膜２３、上層側の膜が最上層の酸化膜２５に対応している。そして、上記構成において、最上層膜である酸化膜２５に対して、その下層に形成された上部窒化膜２３は硬度が高いので、酸化膜２５にダストにより入った亀裂（キズ）はその後に印加される圧力により伸展しても、酸化膜２５と上部窒化膜２３の界面で横に曲がり、上部窒化膜２３には亀裂伸展せずに、メンブレン１５の破壊を防ぐことができる。
【００３５】
上部窒化膜２３が低圧ＣＶＤ膜の場合は、緻密な膜として形成することがでるので、図５に示すように、膜厚を０．１５μｍ以上に形成することでピンホールの発生を抑制することができる。図５は、窒化膜の膜厚と発生するピンホールの密度の相関を測定により求めたもので、窒化膜を低圧ＣＶＤ法で形成する場合には、０．１５μｍ程度の薄い膜厚でもピンホールフリーであることがわかる。これにより、イオンの透過やその下層の上部酸化膜２２の吸湿を防ぎ、ヒータ部１６の抵抗変動を抑制することができる。
【００３６】
上部窒化膜２３がプラズマＣＶＤ膜の場合は、低圧ＣＶＤ法に比べると緻密さが低いので、図５に示すように、膜厚を０．８μｍ以上に形成することでピンホールフリーの状態に形成することができる。これにより、低圧ＣＶＤ法により形成する場合同等の効果を得ることができる。
【００３７】
なお、酸化膜（ＳｉＯ２）は、ピンホールが発生していなくてもイオンを透過させるという特性があるので、上部窒化膜２３を透過したイオンはヒータ部１６に達する可能性は大である。しかし、一方で、メンブレン１５の膜厚が薄い方が熱伝導量が小さくなり、測定の精度を向上させることができるので、上部窒化膜２３としては、プラズマＣＶＤ膜より低圧ＣＶＤ膜でピンホールフリーとなる程度の膜厚で形成した方が実用上では望ましいといえる。
【００３８】
また、図６はダストを含む流体（空気）中における酸化膜及び窒化膜に入る亀裂の深さを示している。酸化膜に入る亀裂（キズ）の深さは最大で１．５μｍであるので、最上層の酸化膜２５を１．５μｍ以上の膜厚にすれば、ダスト衝突により直接上部窒化膜２３に亀裂が入るのを抑制することができる。
【００３９】
次に、上記構成のエアフローセンサ１１の製造工程について図３および図４を参照しながら簡単に説明する。図示はしないが、実際にはエアフローセンサ１１を単体で製造するのではなく、所定の径のウエハに多数個のエアフローセンサ１１のチップを同時に形成するものである。
【００４０】
まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１８の上面側に、低圧ＣＶＤ法により下部窒化膜２０を例えば０．１５μｍの膜厚で形成する。この下部窒化膜２０は後述する空洞部１９形成時の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液での裏面エッチングで、メンブレン部１５を形成する際のエッチングストップの機能を兼ねた膜になる。
【００４１】
次に、下部窒化膜２０の上に、下部酸化膜２１をＣＶＤ法により膜厚０．２０μｍで形成する（同図（ａ）参照）。この下部酸化膜２１は、その上に形成する多結晶シリコン膜のヒータ部１６および感温部１７との密着性を高めるためと多結晶シリコン膜をフォトリソグラフィ処理によりエッチングする際のストッパー膜としても機能する。
【００４２】
次に、下部酸化膜２１上に多結晶シリコン膜を形成し、この後、不純物としてのリン（Ｐ）をデポジションする方法あるいは熱酸化の後リン（Ｐ）のイオン注入処理およびアニール処理をすることで多結晶シリコン膜の内部に不純物を導入して低抵抗化を図る。続いて、多結晶シリコン膜をフォトリソグラフィ処理によりパターニングしてヒータ部１６および感温部１７を形成する（同図（ｂ）参照）。この後、必要に応じて熱酸化工程を実施してヒータ部１６、感温部１７を構成している多結晶シリコン膜の表面に酸化膜を形成する（図示せず）。
【００４３】
次に、同図（ｃ）に示すように、ヒータ部１６および感温部１７の上に、上部酸化膜２２膜をＣＶＤ法により膜厚１．４μｍで形成する。この上部酸化膜２２は多結晶シリコン膜からなるヒータ部１６および感温部１７との密着性を高めるためと被覆性を高めるために形成するものである。その後に上部窒化膜２３を低圧ＣＶＤ法により膜厚０．１５μｍで形成する（同図（ｃ）参照）。
【００４４】
なお、上部窒化膜２３は、低圧ＣＶＤ法以外にもプラズマＣＶＤ法で形成することができるが、この場合には、前述した理由により、その膜厚を０．７μｍとすることで上記した場合と同等の効果を得ることができる。
【００４５】
次に、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を行う。ここでは、上部窒化膜２３と上部酸化膜２２との一部にコンタクト窓２７を形成すると共に、チップ外周部にスクライブ上の上部窒化膜２３と上部酸化膜２２と下部酸化膜２１と下部窒化膜２０をエッチングしてシリコン基板１８の面を露出させる（図４（ｄ）参照）。
【００４６】
続いて、この上面にアルミニウム膜を蒸着法などにより全面に形成し、フォトリソグラフィ処理でエッチング処理を行うことによりパターニングして電極パッド２４を形成する。その後、プラズマＣＶＤ法により、酸化膜２５を膜厚１．５μｍで形成する（同図（ｅ）参照）。
【００４７】
次に、同図（ｆ）に示すように、最上層の酸化膜２５をフォトリソグラフィ処理によりエッチングしてパッド電極２４部分に窓部２８を開口形成する。このとき、同時にスクライブ上の酸化膜２５もエッチングで除去する。
【００４８】
続けて、裏面にプラズマＣＶＤ法で窒化膜２６を形成し、メンブレン１５を形成したい領域のみ窒化膜２６をエッチングして除去し、その後、窒化膜２６をマスクとして水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液でシリコン基板１８をエッチングしてメンブレン１５を形成する（同図（ｆ）参照）。
【００４９】
以上の製造工程を経ることによりエアフローセンサ１１を形成することができる。なお、この後、ウエハ状態で形成したものを各チップ単位にスクライブラインに沿ってダイシング装置などで切断し、リードフレームなどにダイボンディングをしてパッケージングする。この場合、メンブレン１５の部分は測定環境に露出した状態となるようにパッケージングされる。
【００５０】
このような第１の実施形態によれば、メンブレン１５を構成している積層膜の構造として、最上層の膜として酸化膜２５を１．５μｍ程度設け、その下層に上部窒化膜２３を設ける構成としたので、酸化膜２５に衝突するダストが貫通しない程度の膜厚（１．５μｍ）により、直接上部窒化膜２３にダメージが及ぶのを防止すると共に、酸化膜２５よりも硬度の高い上部窒化膜２３により、酸化膜２５側で発生する亀裂が上部窒化膜２３に及ぶのを防止できる。
【００５１】
また、上部窒化膜２３を低圧ＣＶＤ法により形成するので、膜厚を０．１５μｍ程度の薄い構成としてもピンホールフリーにすることができ、メンブレン１５の膜厚を薄くすることができるようになるので、検出精度の向上を図ることができるようになる。
【００５２】
（第２の実施形態）
図７ないし図１１は本発明の第２の実施形態を示すもので、以下、第１の実施形態と異なる部分について説明する。図７は、エアフローセンサ２９のチップの断面構造を模式的に示すものである。この構成においては、膜の積層構成はほぼ同じであるが、製造工程の順序を入れ替えることで、最上層の酸化膜２５を高温熱処理するようにしている。
【００５３】
すなわち、最上層の酸化膜２５は膜厚が１．５μｍでノンドープのＳｉＯ２膜で形成され、デポ後は１０００℃以上でアニール処理をしている。このために最上層の酸化膜２５を形成した後にコンタクト窓３０を形成し、電極パッド３１を形成している。これにより、最上層の酸化膜２５が応力変動でヒータ部１６の抵抗値が変動するのを抑制するようにしている。
【００５４】
図１０は各種の熱処理した酸化膜（ＳｉＯ２）を高湿高温環境下に置いた時の酸化膜応力の変動を測定した実験結果である。この結果からわかるように、高温で熱処理を行った酸化膜と低温で熱処理を行った酸化膜とで応力変動量に大きな差があることがわかった。これよりノンドープの酸化膜を高温で熱処理した膜を最上層の酸化膜として用いることによって吸湿による応力変動は抑制でき、ピエゾ抵抗効果によるヒータ抵抗変動を抑制できる。
【００５５】
また、図１１は各種の熱処理をした酸化膜を高温環境下において放置した時の酸化膜応力の変動を測定した実験結果である。これよりノンドープの酸化膜を高温で熱処理した膜の応力変動は抑制でき、ピエゾ抵抗効果によるヒータ抵抗変動を抑制できることがわかる。よって、最上層の酸化膜２５の形成後に１０００℃以上の熱処理を実施することにより、センサが３００℃の高温になってもヒータ抵抗変動を抑制できるようになる。
【００５６】
図８および図９はその製造工程に対応した模式的な断面を示している。図８（ａ）〜（ｃ）の過程では、前述の第１の実施形態と同様に各膜が形成される。同図（ｃ）に示すように、シリコン基板１８上に、下部窒化膜２０、下部酸化膜２１、ヒータ部１６、感温部１７、上部酸化膜２２、上部窒化膜２３が積層形成された状態である。
【００５７】
次に、図９（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法により酸化膜２５を１．５μｍ形成し、この後１０００℃で１０分の熱処理（アニール処理）を行う。そして、最上層の酸化膜２５と上部窒化膜２３と上部酸化膜２２をエッチングし、コンタクト窓３０を形成する。同時にスクライブライン上の最上層の酸化膜２５、上部窒化膜２３、上部酸化膜２２、下部酸化膜２１および下部窒化膜２０をエッチングにより除去する。
【００５８】
次に、全面にアルミニウム膜を形成し、フォトリソグラフィ処理でエッチングして電極パッド３１を形成する。そして、裏面にプラズマＣＶＤ法で窒化膜２６を形成し、前述同様にして空洞部１９を形成する（同図（ｅ）参照）。
【００５９】
このような第２の実施形態によれば、電極パッド３１を最後の工程で形成することで、最上層の酸化膜２５を１０００℃で熱処理をすることができる製造プロセスを採用するようにしたので、酸化膜２５が吸湿することによる応力変動を抑制することができるようになり、多結晶シリコン膜からなるヒータ部１６のピエゾ抵抗効果によるヒータ抵抗変動を抑制することができ、これによって検出精度の向上を図ることができるようになる。
【００６０】
（第３の実施形態）
図１２ないし図１４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、エアフローセンサ３２として、上部窒化膜２３の上に、酸化膜３３を形成すると共に、さらに最上層の膜として窒化膜３４を形成する構成としたところである。
【００６１】
図１２は、エアフローセンサ３２のチップの断面構造を模式的に示すものである。最上層の膜は窒化膜３４で膜厚が０．７μｍである。その直下の膜は酸化膜３３で厚さは０．２０μｍであり、１０００℃以上の熱処理（アニール）を行っている。この酸化膜３３の直下の膜は上部窒化膜２３で、その膜が低圧ＣＶＤのＳｉＮ膜の場合は０．１５μｍの膜厚で、プラズマＳｉＮ膜の場合は０．７μｍの膜厚である。
【００６２】
上記構成において、最上層の窒化膜３４、酸化膜３３および上部窒化膜２３が本発明でいうところの３層の膜構造に相当しており、最上層の膜が窒化膜３４、中間層の膜が酸化膜３３、下層の膜が上部窒化膜２３に対応している。
【００６３】
このような層構成を採用することで、酸化膜の硬度に比べて窒化膜の硬度が高いことにより、最上層の窒化膜３４に対してダストにより入った亀裂（キズ）はその後に印加される圧力により伸展し、酸化膜３３に達してからさらに伸展して上部窒化膜２３に達してもここで抑止することができる。
【００６４】
すなわち、酸化膜３３と上部窒化膜２３との界面で、亀裂が横方向つまり面に平行な方向に曲がるようになるので、上部窒化膜２３内には亀裂が伸展するのを抑止できるようになり、これによってメンブレン１５の破壊を防ぐことができるようになる。
【００６５】
ここで、上部窒化膜２３が低圧ＣＶＤ法で形成した膜である場合は、第１の実施形態における図５に示すように、膜厚が０．１５μｍでピンホールフリーとなり、イオンの透過やその上部酸化膜２２の吸湿を防ぎ、ヒータ抵抗変動を抑制することができる。
【００６６】
また、上部窒化膜２３がプラズマＣＶＤ法で形成した膜である場合は、同様に図５に示すように、膜厚が０．７μｍでピンホールフリーとなり、イオンの透過やその下層の上部酸化膜２２の吸湿を防ぎ、ヒータ抵抗変動を抑制する（ＳｉＯ２膜はピンホールがなくてもイオンを透過させる）。
【００６７】
なお、メンブレン１５の膜厚が薄い方が熱伝導量が小さくなるので、最上層の窒化膜３４は、プラズマＣＶＤ膜より低圧ＣＶＤ膜の方が望ましい。また、酸化膜３３には１０００℃以上の熱処理がしてあるので、最上層の窒化膜３４の亀裂により酸化膜３３が流体（空気）と直接接しても吸湿による応力変動を抑制でき、ピエゾ抵抗効果によるヒータ抵抗変動を抑制できる。
【００６８】
また、第１の実施形態における図６で示したように、最上層の膜はダストを含む流体中における酸化膜が１．５μｍで貫通しないようになったのに対して、窒化膜では、膜厚を０．７μｍ程度に形成することでダストの貫通を抑制できるようになるので、最上層の窒化膜３４を０．７μｍにすれば、ダスト衝突により上部窒化膜２３に亀裂が入ることはなくなる。
【００６９】
図１３および図１４は、製造工程に対応した模式的な断面を示している。図１３（ａ），（ｂ）の過程では、前述の第１の実施形態と同様に各膜が形成される。同図（ｂ）に示すように、シリコン基板１８上に、下部窒化膜２０、下部酸化膜２１、ヒータ部１６、感温部１７が積層形成された状態である。
【００７０】
次に、ヒータ部１６および感温部１７を形成した下部酸化膜２１の上に、前述同様にして上部酸化膜２２および上部窒化膜２３を形成するが、この実施形態においては、さらにその上に酸化膜３３を積層形成する（同図（ｃ）参照）。ここでは、酸化膜３３として、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を膜厚０．２μｍ形成し、形成後に１０００℃で１０分の熱処理（アニール処理）を行う。
【００７１】
次に、図１４（ｄ）に示すように、酸化膜３３、上部窒化膜２３および上部酸化膜２２をエッチングし、コンタクト窓３５を形成する。同時にスクライブライン上の酸化膜３３、上部窒化膜２３、上部酸化膜２２、下部酸化膜２１および下部窒化膜２０をエッチングにより除去する。
【００７２】
次に、前述同様にして、全面にアルミニウム膜を形成し、フォトリソグラフィ処理でエッチングして電極パッド２４を形成する。この後、最上層の窒化膜３４として、プラズマＣＶＤ法で膜厚０．７μｍに設定して形成する（図６（ｅ）参照）。
【００７３】
次に、同図（ｆ）に示すように、最上層の窒化膜３４をフォトリソグラフィ処理によりエッチングしてパッド電極２４部分に窓部３６を開口形成する。このとき、同時にスクライブ上の窒化膜３４もエッチングで除去する。そして、裏面にプラズマＣＶＤ法により窒化膜２６を形成し、前述同様にして空洞部１９を形成する。
【００７４】
このような第３の実施形態によれば、最上層に窒化膜３４を設けることにより、メンブレン１５部分が受けるダストのダメージを膜厚０．７μｍ程度でダストの貫通を防止することができ、しかも、その下層に酸化膜３３を設ける構成としているので、酸化膜３３まで及んだ亀裂などを上部窒化膜２３に及ぶのを防止することができるようになる。この結果、メンブレン１５部分の全体の膜厚を薄くすることができ、検出精度の向上を図ることができるようになる。
【００７５】
また、上部窒化膜２３の上部に形成する酸化膜３３は、１０００℃で熱処理するようにしているので、応力変動によるヒータ部１６のピエゾ抵抗効果による抵抗値変動を抑制することができ、これによって信頼性の高いものを提供することができるようになる。
【００７６】
（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。
上記各実施形態においては、エアフローセンサに適用した場合で説明したが、これに限らず、過酷な測定環境に曝されるセンサ装置として、例えば圧力センサや、ガスセンサなどにも適用することができる。
【００７７】
上記各実施形態においては、電極パッド２４や３１を、開口部を形成する膜の肩部分に差し掛かるようにパターニング形成しているが、これに限らず、開口部の露出している多結晶シリコンの面のみに接触する形状にパターニングすることもできる。
【００７８】
なお、上記各実施形態においては、メンブレン１５部分を形成する膜構造は、膜厚が薄くなりすぎると、内的あるいは外的な応力による歪みでヒータ部１６や感温部１７の多結晶シリコン膜がピエゾ抵抗効果で抵抗値変動を起こす場合もあるので、検出精度や信頼性との相関関係で適宜の膜厚となるように設定することが好ましいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すエアフローセンサの模式的な縦断側面図
【図２】測定環境への設置状態で示す縦断側面図
【図３】製造工程の各段階に対応して示す模式的な縦断側面図（その１）
【図４】製造工程の各段階に対応して示す模式的な縦断側面図（その２）
【図５】窒化膜の膜厚に対するピンホール発生密度の相関関係を示す図
【図６】ダストを含む流体（空気）中における酸化膜及び窒化膜に入る亀裂の深さを示す図
【図７】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【図８】図３相当図
【図９】図４相当図
【図１０】各種の熱処理をしたＳｉＯ２膜を高湿高温環境下に置いた時のＳｉＯ２膜応力の変動を測定した実験結果の図
【図１１】各種の熱処理をしたＳｉＯ２膜を高温環境下において放置した時のＳｉＯ２膜応力の変動を測定した実験結果の図
【図１２】本発明の第３の実施形態を示す図１相当図
【図１３】図３相当図
【図１４】図４相当図
【図１５】従来例を示す図１相当図
【符号の説明】
１１，２９，３２はエアフローセンサ、１２は吸気通路、１３は流路部材、１４は信号生成回路、１５はメンブレン、１６はヒータ部、１７は感温部、１８はシリコン基板（半導体基板）、１９は空洞部、２０は下部窒化膜、２１は下部酸化膜、２２は上部酸化膜、２３は上部窒化膜、２４，３１は電極パッド、２５は酸化膜（最上層膜）、２６は窒化膜、３３は酸化膜、３４は窒化膜（最上層膜）である。

Claims (12)

1. 少なくとも測定部位に２層以上の膜が積層された膜構造を有し、測定環境においてはその測定部位が最上層の膜の表面に微小粒子などにより損傷を受けるような使用形態のセンサ装置において、
   前記２層以上の膜は、下層側の膜の硬度は上層側の膜の硬度よりも高い材質のものを用いた構成としていることを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   前記下層側の膜を窒化シリコン（ＳｉＮ）膜とし、前記上層側の膜を酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜としたことを特徴とするセンサ装置。
3. 請求項２に記載のセンサ装置において、
   前記上層側に用いる酸化シリコン膜が最上層膜である場合には、その酸化シリコン膜の膜厚を１．５μｍ以上に設定することを特徴とするセンサ装置。
4. 請求項２または３に記載のセンサ装置において、
   前記上層側に用いる酸化シリコン膜は、１０００℃以上の熱処理を経て形成されたものであることを特徴とするセンサ装置。
5. 請求項２ないし４のいずれかに記載のセンサ装置において、
   前記下層側に用いる窒化シリコン膜は、低圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）膜であることを特徴とするセンサ装置。
6. 請求項２ないし４のいずれかに記載のセンサ装置において、
   前記下層側に用いる窒化シリコン膜は、膜厚が０．８μｍ以上のプラズマＣＶＤ膜であることを特徴とするセンサ装置。
7. ３層以上の膜が積層された膜構造を有し、測定環境においては前記３層以上の膜のうちの最上層の膜の表面に微小粒子などにより損傷を受けるような使用形態のセンサ装置において、
   前記最上層の膜を含む連続した３層の膜は、前記最上層の膜の硬度が中間層の膜の硬度よりも高く、下層の膜の硬度が前記中間層の膜の硬度よりも高い材質のものを用いた構成としたことを特徴とするセンサ装置。
8. 請求項７に記載のセンサ装置において、
   前記最上層の膜を含む連続した３層の膜は、前記最上層の膜を窒化シリコン膜とし、中間層の膜を酸化シリコン膜とし、下層の膜を窒化シリコン膜としたことを特徴とするセンサ装置。
9. 請求項８に記載のセンサ装置において、
   前記最上層に用いる窒化シリコン膜は、膜厚が０．７μｍ以上のものが形成されていることを特徴とするセンサ装置。
10. 請求項８または９に記載のセンサ装置において、
    前記最上層に用いる窒化シリコン膜は、プラズマＣＶＤ膜であることを特徴とするセンサ装置。
11. 請求項８ないし１０のいずれかに記載のセンサ装置において、
    前記下層に用いる窒化シリコン膜は、低圧ＣＶＤ膜であることを特徴とするセンサ装置。
12. 請求項８ないし１０のいずれかに記載のセンサ装置において、
    前記下層に用いる窒化シリコン膜は、膜厚が０．８μｍ以上のプラズマＣＶＤ膜であることを特徴とするセンサ装置。

Images