JP2004518119A

JP2004518119A - 伸張性コーティングを有するマイクロメカニカルフローセンサ

Info

Publication number: JP2004518119A
Application number: JP2002556576A
Authority: JP
Inventors: ステイナー・ファンハ、ラルフ; トムマソ、フランセスコ・シレント
Original assignee: ゼンジリオンアクチエンゲゼルシャフト
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2004-06-17
Also published as: US7713772B2; EP1350078B1; US7154372B2; US20070231942A1; WO2002055967A1; US20050087024A1; EP1350078A1

Abstract

本発明は、半導体基板（１）上に集積されたセンサ（１）、特にフローセンサは、膜（５）上の測定素子（２）を備えるに関する。膜の撓みを防止するために、伸張性のあるコーティング（９）が形成されている。このコーティングは膜を覆うが、能動電子部品の電気特性を損なわないように、好ましくは、半導体基板（１）上に組み込まれた能動電子部品を覆われていないままにする。

Description

【０００１】
本願は、２００１年１月１０日に出願され、その開示内容が参照によりここに組み込まれるスイス特許出願第００３１／０１号の優先権を主張する。
【０００２】
発明の背景
本発明は請求項１の前提部分に記載のセンサ及びセンサの製造方法に関する。
【０００３】
このタイプのセンサは、例えば、測定素子の少なくとも１つの部分が膜上に設けられてなるフローセンサ又は温度センサである。この膜は、しばしば、数マイクロメートルの厚さしかなく、半導体基板に形成された開口部又は凹部の上に張られている。
【０００４】
半導体基板上に他の能動電子部品、例えば、増幅器用のトランジスタ又は基準電圧源が組み込まれていることは好ましい。
【０００５】
膜は、通常、回路の製造中に堆積される層によって形成され、これらの層の下側にある半導体はエッチングして除去される。しかし、通常の従来の製造過程で堆積される層は、通常、圧縮応力下にあり、すなわち、圧縮力は層の面で作用している。何故ならば、例えば、高温下に層が形成され、冷却中に、基板ほどには強く収縮しなかったからである。圧縮応力の大きさは製造過程及び膜の層の構造に依存する。この圧縮応力は膜の望ましくない凹み（「座屈（Ｂｕｃｋｌｉｎｇ）」）をもたらすことがあり、膜を機械的に不安定にする。
【０００６】
従って、課題は、この問題を回避する、明細書導入部に記載されたタイプのセンサを提供することである。
【０００７】
膜の撓みを防止するために、半導体基板上に、伸張性（ｔｅｎｓｉｌｅ）コーティングを形成する。このコーティングは、半導体基板上に組み込まれた能動電子部品の、少なくとも１つの部分又は全部を覆われていないままにする。明らかなように、コーティングは、他の場合には、これらの部品の機能の変化又は損傷をもたらすことがある。何故ならば、コーティングは半導体の電気パラメータに影響を与えるからである。従って、すべての能動電子部品が伸張性コーティングによって覆われていないことは好ましい。
【０００８】
伸張性コーティングが膜全体を覆っていることは好ましい。膜の緊張に適切な引張り応力を加えるために、コーティングは、少なくとも、２つの向かい合う側で、膜に幾らか重なっている。
【０００９】
本発明は組み込まれたセンサにおける使用に特に適切である。
【００１０】
本発明の他の実施の形態、利点及び使用は従属請求項から及び図を参照した以下の記述から明らかである。
【００１１】
図１及び図２には、フローセンサの形態の本発明の具体例が示されている。このフローセンサは半導体基板１を有し、この半導体基板上には、測定素子２及び回路３が集積されている。
【００１２】
半導体基板１には、開口部又は凹部４がエッチング除去により形成されている。この開口部又は凹部は薄い膜５によって覆われる。
【００１３】
膜５上にはヒータ６が設けられている。ヒータ６に対し対称的に、２つの曲折形状のサーモパイル７，８が設けられており、これらは、温度センサとして用いられる。サーモパイル７，８及びヒータ６は、測定される媒体の流れ方向に対して、該媒体がまず第１のサーモパイル７、次にヒータ６そして最後に第２のサーモパイル８の上を流れるように、配置されている。
【００１４】
測定素子２は伸張性コーティング９によって覆われている。このコーティングは引張り応力下にあり、すべての側で、あるいは、少なくとも、凹部又は開口部４の２つの向かい合う側で膜５に重なっている。この重なりは、少なくとも、引張り応力を吸収すべく伸張性コーティング９を半導体基板１に取り付ける程度までに、亘っている。伸張性コーティング９における引張り応力は、この引張り応力が、膜５に支配的な圧縮応力を越え、結果として、全引張り応力が生じるほどに、少なくともそれほどに大きい。従って、コーティング９は膜５を緊張させて、膜が湾曲するのを防止する。
【００１５】
伸張性コーティング９は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素又はポリマー、特にポリイミド樹脂からなることができる。他の可能な物質は、例えば、ダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）又はシリコーンである。窒化ケイ素は特に適切であることが明らかになった。
【００１６】
コーティング９の引張り応力は、知られた方法により、製造パラメータの適切な選択によって制御することができる。例えば、「Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ９７」（固体センサ及びアクチュエータに関する国際学会、ＩＥＥＥ１９９７）に所収の、Ｕ．ミュンヒ他の「ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＣＭＯＳＩｎｆｒａｒｅｄＳｅｎｓｏｒＡｒｒａｙｓ」を参照されたい。この論文には、ＰＥＣＶＤ法での低周波数電力及び圧力の適切な選択によって、酸窒化ケイ素からなる層の引張り応力を如何に調整することができるかが記載されている。
【００１７】
引張り応力下にあるコーティングは、ケイ素よりも大きな熱膨張率を有するコーティング材料を、高温下に、半導体基板１に施すことによっても、製造することができる。基板を冷却するとき、伸張性コーティングが必然的に生じる。
【００１８】
引張り応力を、引張り応力が膜５において起こり得る圧縮応力を補償することができるように大きく、選択することができる。好ましくは、引張り応力は少なくとも１００ＭＰａである。
【００１９】
伸張性コーティング９の空間的な延在を構造化する又は画定するために、フォトリソグラフィー法を用いることができる。シャドウマスクも用いることができる。あるいは、コーティング９の下側にある追加の物質層を、コーティング９が除去されるべき箇所で溶かすリフトオフ法を用いることができる。
【００２０】
測定素子２の一般的な操作原理は、会報ＩＥＥＥ微小電気機械システム（ＩＥＥＥ，１９９６）の１１６頁以降の、Ｆ．マイヤー他による「ＳｃａｌｉｎｇｏｆＴｈｅｒｍａｌＣＭＯＳＧａｓＦｌｏｗＭｉｋｒｏｓｅｎｓｏｒｓ：ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ」に詳述されている。特に、センサの上の質量流量（Ｍａｓｓｅｎｆｌｕｓｓ）を定めるべくサーモパイル７，８の上の温度を測定する。これらの温度の差は質量流量の関数である。
【００２１】
サーモパイル７，８の信号をこのように処理するために、例えばＣＭＯＳ技術で実施されている回路３が設けられている。回路は増幅器と、基準電圧源を有するＡ／Ｄコンバータと、インタフェースを有するディジタル式の処理回路とを具備する。回路３を外界と接続するために、複数のコンタクトパッド１０が設けられている。
【００２２】
図１から明らかなように、伸張性コーティング９は半導体基板１の一部分のみ、すなわち、測定される媒体に曝されている部分のみを覆う。特に、伸張性コーティング９は回路３の上まで延びていない。複数の実験は、伸張性コーティングによって引き起こされる機械応力が、半導体基板１の電気パラメータに影響を与え得ることを明らかにした。このことは、例えば、トランジスタ、基準電圧源及び他の部品、特に能動部品及び抵抗の特性の変化をもたらすことがある。伸張性コーティング９を、これらの部品の上に置かないことによって、このような故障を回避することができる。このことは製造を容易化する。何故ならば、回路をモデル設計する際に、半導体の知られた電気パラメータを前提とすることができるからである。
【００２３】
既述の如く、伸張性コーティング９の故に、膜５の「座屈」を防止することができる。圧力差が膜の上にあるとき、このコーティングは膜５の撓みを防止するか又は減じる。
【００２４】
上記の実施の形態では、本発明はフローディテクタの枠内で記述された。しかし、本発明は他の用途にも用いることができる。
【００２５】
図２に示したタイプの膜５は、測定される圧力差が膜上に存在する圧力センサにも、用いることができる。この場合、センサの感度に影響を与えるためにも、伸張性コーティング９を用いることができる。コーティング９において引張り応力及び弾性係数が高くなれば高くなるほど、感度はそれだけ低くなる。
【００２６】
更に、伸張性コーティング９を、図２に示したタイプの膜が用いられる他のタイプのセンサのために、例えば、赤外線センサのために用いることができる。
【００２７】
伸張性コーティング９はセンサの能動部分であってさえよい。かくして、コーティングは、測定されるパラメータに従って変化する誘電特性又は電気特性を有する物質からなってもよい。湿度センサのン場合、例えば、現在の湿度に従って変化する誘電率又は導電率を有する、ポリマー製の伸張性コーティングを用いることができる。物質センサの場合、伸張性コーティング９は、測定される物質との化学的又は生物学的反応を行なうか、あるいは、コーティングの化学ポテンシャル又はコーティングの仕事関数が変化することができる。伸張性コーティングの光学的性質も、測定されるパラメータに依存し得る。
【００２８】
伸張性コーティング９は他の機能を有することができる。特に、コーティングは、例えば、膜上に設けられた部品を測定される媒体から分離する絶縁層であってもよい。コーティングは、例えば、酸又は水による部品の損傷を防止するパッシベーションとして、用いることができる。
【００２９】
膜５の層は、回路３の製造のために用いられるプロセス中に結果として生じる層であってもよい。従って、これらの層の機械特性及び特に引張り応力は自由に選択できない。しかし、追加の伸張性コーティング９は、用いられるプロセスに係わりなく、膜５を緊張状態に保ち、膜の曲げ特性を制御することができる。
【００３０】
上記の実施の形態では、伸張性コーティング９は、膜５の上及び膜５に設けられた部品の上に位置している。しかし、コーティングは、膜５の下側に又は層として膜５内に設けられていてもよい。
【００３１】
更に、電子半導体基板は、しばしば、保護層を有する。この保護層は好ましくは窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなり、特に、基板の最上の金属層を腐蝕から保護するために用いられる。保護層が出来る限り密であるためには、保護層は通常圧縮性があり、すなわち、半導体の表面に平行に圧縮応力下にある。通常のＣＭＯＳ製造法で、保護層は最後の段階で基板に形成され、コンタクトパッド１０を除いて、実質的に完全に基板を覆う。
【００３２】
このような保護層は、伸張性コーティング９の作用に逆らうことがある。従って、保護層が少なくとも膜５の上まで延びていないように、保護層を構成することが好ましい。この目的のためには、保護層を膜５の領域で除くか、あるいは、伸張性コーティングを形成する前に除去することができる。
【００３３】
このようなセンサは図３に示されている。このセンサは、圧縮応力下にあり、少なくとも回路３を覆いかつ保護する保護層１２を有する。
【００３４】
圧縮性のある保護層１２の保護作用は、通常、伸張性コーティング９の保護作用よりも良い。何故ならば、後者のコーティングは、そこに支配的な引張り応力の故に、孔の形成及び亀裂を生じ易くするからである。従って、伸張性コーティング９を、（腐蝕し易い）金属層に直接設けないほうがよい。
【００３５】
通常のＣＭＯＳ基板の場合、通常、図４に示すように、複数の金属層が設けられている。この実施の形態では、最上の金属層１３は保護層１２によって覆われており、酸化ケイ素層１５によって、最上の次の金属層１４から分離されている。下方の金属層１４の下には、場合によっては、他の複数の層１６が続く。
【００３６】
保護層１２は伸張性コーティング９で代用されるとき、図５に示すように、最上の金属層１３を省略するほうがよい。この場合には、最上の金属層１３の構造体がコーティング９の領域に設けられていないほうがよい。このことによって、コーティング９の領域にすべての金属構造体が酸化ケイ素層１５によって保護されていることが保証される。従って、酸化ケイ素層１５はコーティング９と基板の金属構造体との間の分離層を形成し、該金属構造体を環境の影響から保護する。
【００３７】
既述の如く、保護層１２を膜５の領域で除くか、あるいは、伸張性コーティング９の形成の前に除去することができる。後者の場合、保護層９を、膜５の領域でエッチングして除去しなければならない。しかし、この場合、下方の金属層１４の構造体を保護するために用いる酸化ケイ素層１５が損なわれることを、回避せねばならない。
【００３８】
酸化ケイ素と窒化ケイ素の間の良好な選択性を有するエッチング法がほとんどないので、保護層１２をエッチングして除去するとき、最上の金属層１３をエッチングストップとして用いることは好ましい。この目的のために、金属層は、この金属層が少なくとも全体の膜５上にまで延びているように、構成されている。次に、基板にコーティング１２を設ける。今や、コーティング１２を、膜の領域で、第１のエッチング剤によって除去することができる。この際、最上の金属層１３は下にある酸化ケイ素層１５を保護する。次に、最上の金属層１３を、膜５の領域で、金属に対し選択的な第２のエッチング剤によって、再度酸化ケイ素層１４を損なうことなく、同様に除去することができる。最後に、コーティング９を酸化ケイ素層１４に形成する。
【００３９】
コーティング９が金属構造体上に直接位置していないという規則を、起こり得る「スクライブライン」の領域でも守らねばならない。「スクライブライン」は、任意の或る領域で金属層を除いてすべての層をエッチングして除去することによって形成される拡散バリアである。任意の或るスクライブラインがコーティング９の下方に設けられているとき、スクライブライン上に酸化ケイ素層１５を残しておくほうがよい。
【００４０】
本願には本発明の好ましい実施の形態が記載されているが、本発明が該実施の形態に限定されておらず、上記の請求項の範囲内で他の方法で実施されることができることを、明確に指摘しておかねばならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】伸張性コーティングの下側に位置する構造体が破線で示されているところのフローセンサの平面図。
【図２】図２の線Ｉ−Ｉに沿った断面図。
【図３】伸張性コーティングの他に追加の保護層が示されている、フローセンサの平面図。
【図４】保護層の領域にある構造体の例を示す図。
【図５】伸張性コーティングの領域にある構造体の例を示す図。

Claims

半導体基板（１）を有するセンサであって、この半導体基板上に、測定素子（２）と、能動電子部品を有する回路（３）とが集積され、前記測定素子（２）は、前記半導体基板（１）の開口部（４）又は凹部上の膜（５）上に設けられ、前記半導体基板（１）上に、前記膜（５）を緊張させるために、伸張性コーティング（９）が設けられてなるセンサにおいて、前記伸張性コーティング（９）は、前記回路（３）の前記能動電子部品の少なくとも一部を覆わないことを特徴とするセンサ。
前記伸張性コーティング（９）は、少なくとも、前記回路（３）の前記能動電子部品を覆わない請求項１に記載のセンサ。
前記伸張性コーティング（９）は、前記膜（５）の上に延びている、請求項１又は２に記載のセンサ。
前記回路（３）の前記能動電子部品はトランジスタを含む、請求項１乃至３のいずれか１に記載のセンサ。
前記回路（３）は前記測定素子（２）の信号を処理するために構成されており、特に、前記回路（３）は前記伸張性コーティング（９）によって覆われていない、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ。
前記伸張性コーティング（９）は、少なくとも２つの向かい合う側で、好ましくは全ての側で前記膜（５）に重なっている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ。
前記コーティング（９）の引張り応力は少なくとも１００ＭＰａである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンサ。
前記膜には複数の部品（６，７，８）が設けられており、前記伸張性コーティングは前記膜（５）上に及び前記部品（６，７，８）上に設けられている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ。
前記電子部品を保護するための保護層（１２）が前記センサに設けられており、この保護層は圧縮応力下にあり、前記保護層は前記膜（５）の上に延びていない、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサ。
前記保護層（１２）及び前記伸張性コーティング（９）は窒化ケイ素からなる、請求項９に記載のセンサ。
前記半導体基板上には、金属製の構造体（１３，１４）が設けられており、前記伸張性コーティング（９）は、好ましくは酸化ケイ素からなる少なくとも１つの分離層（１５）によって、前記金属製の構造体から分離されている、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のセンサ。
以下の工程、すなわち、圧縮性のある保護層（１２）を前記半導体基板（１）に形成すること、前記圧縮性のある保護層（１２）を、少なくとも前記膜（５）の領域で、除去すること、及び前記伸張性コーティング（９）を、少なくとも前記膜（５）の領域に、形成することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のセンサを製造する方法。
前記保護層（１２）の下方に最上の金属層（１３）を設け、前記保護層（１２）を除去するために、この保護層（１２）を第１のエッチング剤でエッチングして除去し、その際、前記最上の金属層（１３）はエッチングストップとして作用し、次に、前記最上の保護層（１３）を第２のエッチング剤で除去する、請求項１２に記載の方法。
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のセンサの、フローセンサとしての使用。
前記半導体基板の一部分は測定される媒体に曝され、この部分は前記伸張性コーティングによって覆われていることを特徴とする請求項１４に記載の使用。