JP2004521354A - マイクロメカニカルマスフローセンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

シリコン基板（１）の表面上に配置された層構造体と、層構造体の導電層からパターニングされている少なくとも１つのヒータ素子（８）とを有するマスフローセンサにおいて、ヒータ素子（８）とシリコン基板（１）との熱分離を行うアイソレーション部が二酸化シリコンブロック（５）によって形成される。このブロックはヒータ素子（８）の下方でシリコン基板（１）上の層構造体の表面またはシリコン基板（１）の表面に製造されている。これによりセンサはフロント面のみのマイクロメカニカル技術により、つまりウェハのリア面のプロセスを行うことなしに製造可能となる。

Description

【０００１】
本発明はシリコン技術によるマイクロメカニカルマスフローセンサに関する。本発明はまたこのようなセンサの製造方法に関する。
【０００２】
シリコンマイクロメカニカル技術により、半導体テクノロジの手法を用いて微小なセンサチップを低コストで作成することができる。数１００μｍのオーダーの寸法を有するマスフローセンサは例えば車両内で空気供給を制御する領域において使用される。
【０００３】
独国特許出願公開第１９５２７８６１号明細書から公知のシリコンマイクロメカニカル技術によるマスフローセンサはヒータ素子と典型的には複数の温度測定素子とを有している。温度測定素子は金属の抵抗層からパターニングされ、誘電体材料から成る薄いメンブレン上に配置される。このメンブレンはシリコン基板内の切欠の上方に架けわたされている。
【０００４】
媒体流、例えば空気流がメンブレンの表面上をこれに沿って流れるとき、この媒体流はメンブレンを冷却する作用を有する。この冷却作用は特に（ヒータ素子に対して）上流に配置された温度測定素子と下流に配置された温度測定素子とにより評価される。その際に上流に配置された温度測定素子は下流に配置された温度測定素子よりも強い冷却作用を受ける。これに代えてヒータ素子の抵抗測定によりメンブレンの冷却作用を測定することもできる。温度測定素子は同様にその抵抗値が温度に依存する材料から成る抵抗であってもよい。ヒータおよび温度測定素子に特に適した材料は白金である。
【０００５】
独国特許出願公開第１９５２７８６１号明細書からはさらに、この種のメンブレンセンサを製造するために、シリコン基板の表面に最初にシリコン酸化物層、シリコン窒化物層またはその他の材料から成るメンブレン層を堆積することが知られる。メンブレン層上には全面にわたって金属層が被着され、この金属層からフォトリソグラフィとエッチングとにより測定素子、ヒータ素子、導体路などがパターニングされる。さらなるプロセスステップではシリコン基板のリア面からエッチングフレームを用いた切欠のエッチングを行い、その際にシリコンから成るフレームおよびその内部に架けわたされているメンブレンのみを残す。続いてメンブレン層の下方を（フレームが覆っている個所を除いて）露出させ、空気に接触させる。
【０００６】
公知のメンブレンの構成によれば、金属層からパターニングされた抵抗と基板とのあいだの熱分離は切欠またはそこに存在する空気により保証される（空気またはＳｉＯ_２の熱伝導率はケイ素よりもほぼオーダー２ほど小さい）。切欠が設けられないとヒータ素子で形成される熱の大部分はそばを流れる媒体により放出されず、メンブレン層を介してシリコン基板へ流れこんでしまう。ラテラル方向およびバーティカル方向で基板内へ流れる熱は大きな問題となる。なぜなら測定感度にとって重要な設定動作温度はどんな場合でもヒータのエネルギ消費を上昇させることにより実現されるものだからである。
【０００７】
特に問題となるのは、測定素子が典型的にはヒータのラテラル方向で隣接して配置されることから、ラテラル方向の熱流である。この熱流の関数は温度グラジエントの発生に基づいて生じる。これはヒータ素子によって加熱されるメンブレン中央部とセンサの縁とのあいだに発生するが、本来なるべく周囲温度に近くあるべきものである。ラテラル方向の熱流があると（たとえメンブレンそのものを介した直接の熱結合に大きく寄与しなくとも）、温度測定素子は基板を介してともに加熱されてしまう。ヒータ素子または測定素子の温度グラジエントを低減すれば、直接にセンサの感度が低減されてしまう。したがってラテラル方向およびバーティカル方向の熱結合は不可避のことのように見える。
【０００８】
しかも周知のメンブレンセンサは製造の際に、前述のように、基板のリア面からのボリュームマイクロメカニカルプロセスを前提としている。メンブレンのこうしたパターニングは通常の場合ＫＯＨエッチングプロセスにより、ウェハをエッチング剤に浸して行われる。リア集積面の処理プロセスをともなうバルクシリコンマイクロメカニカルプロセスの製造方法はきわめて煩雑であり、高いコストがかかる。さらに典型的には１μｍ〜２μｍの厚さの薄いメンブレンは機械的な安定性に乏しいために望ましくない振動を発生しやすい。
【０００９】
したがって本発明の課題は、従来のものよりも簡単に製造でき、充分な感度と機械的な安定性とを有するマイクロメカニカルマスフローセンサを提供することである。さらにこうしたセンサを相応に製造する方法も提供する。
【００１０】
この課題は請求項１に記載の本発明のセンサおよび請求項７に記載の本発明の方法により解決される。本発明の別の実施形態は従属請求項に記載されている。
【００１１】
本発明は、シリコン基板の表面に層構造体が配置されており、この層構造体の導電層から少なくとも１つのヒータ素子がパターニングされており、ヒータ素子とシリコン基板とのあいだの熱分離を行うアイソレーション部が設けられており、アイソレーション部は二酸化シリコンブロックを有しており、このブロックはヒータ素子の下方でシリコン基板上の層構造体の表面またはシリコン基板の表面に製造されていることを特徴とするマイクロメカニカルマスフローセンサを提供する。
【００１２】
本発明は白金抵抗とシリコン基板とのあいだの熱分離を充分な厚さの二酸化シリコン層により達成し、同時に充分な機械的安定性を得るという着想に基づいている。二酸化シリコン層は酸化物ブロックとして構成されており、直接に表面からシリコン基板内へパターニングされるか、またはシリコン基板上の相応の層構造体内に製造される。後者の場合にはシリコン基板上にはシリコン酸化物層が配置され、さらにその上にシリコン層が被着される。二酸化シリコン層はこのシリコン層内に製造される。
【００１３】
本発明のセンサは、製造にフロント面マイクロメカニカルプロセスしか必要とせず、すなわち一方面のプロセスのみで煩雑なリア面処理のプロセスを省略できる利点を有している。リア面のＫＯＨエッチングを省略できることにより、さらにモジュールの微細化も可能となる。またリア面処理のプロセスに関連してこれまでほとんど回避できなかったウェハ表面のかきざきまたは粒子も低減される。
【００１４】
センサの特に有利な実施形態によれば、二酸化シリコンブロックに垂直方向の空隙状の複数の中空スペースが形成される。中空スペースは空気を含むかまたは真空であるので、パターニングされた二酸化シリコンブロックによる熱分離の効果は著しく高められる。
【００１５】
前述の二酸化シリコンブロックを層構造体の内部に構成する実施形態として、二酸化シリコンブロックの下方のシリコン酸化物層が除去され、そこにシリコン基板へ向かって水平方向の中空スペースが形成される。この場合にも熱分離への寄与は大きい。
【００１６】
有利には、水平方向の中空スペースでは、上方で二酸化シリコンブロックに接し、下方でシリコン基板に接する少なくとも１つの支承部が配置されている。これにより機械的な安定性がさらに改善される。
【００１７】
本発明はさらに、請求項１記載のマイクロメカニカルマスフローセンサの製造方法において、エッチングマスクをパターニングした後、このマスクをシリコン酸化物層の上方でシリコン基板に被着されたシリコン層上に被着するかまたは直接にシリコン基板上に被着し、エッチングによりほぼ垂直なトレンチをエッチングマスクの下方に存在するシリコン材料内に形成し、その際にトレンチ間にシリコンから成るランド部（Ｓｔｅｇ）を残し、続いてランド部を熱酸化により完全に酸化させ、このようにしてフロント面マイクロメカニカル技術によって形成された二酸化シリコンブロックを二酸化シリコンの封止層を堆積することによりカバーし、導電層の堆積およびパターニング前に二酸化シリコンブロック上で平坦化ステップを行い、平坦な表面を製造することを特徴とするセンサの製造方法を提供する。
【００１８】
本発明の方法によりセンサを簡単に製造することができる。ここでは方法ステップとして半導体技術で周知のステップのみが使用される。これにより再現性のある酸化物ブロックの層厚さおよびパターンを製造することができる。特に良好な多孔性と酸化物ブロックのアイソレーションとの観点から、エッチングマスク下方のシリコン層またはシリコン基板が等方性のエッチングによりアンダエッチされる。エッチングマスクがエッチング後にもランド部上に残され、後にともにカバーされるようにすれば、薄いランド部でも幅広のトレンチを用意に形成することができる。一般に本発明によれば層数もフォトリソグラフィステップの数も僅かしか必要とならない。
【００１９】
本発明の方法の特に有利な実施形態によれば、平坦化のためにシリコン酸化物層を堆積し、続いて化学的機械的研磨ＣＭＰを行う。これはシリコン酸化物の補助層または二酸化シリコンの封止層を用いて行われる。このようにして後に被着される過敏な薄膜導電層に対して必要なトポグラフィのためのプレーナプロセスステップを特に簡単に行うことができる。
【００２０】
本発明を以下に図示の実施例に則して詳細に説明する。図は縮尺通りではないことに注意されたい。
【００２１】
図１〜図２０には本発明のセンサを種々の製造方法で製造したときのそれぞれのバリエーションの断面図が示されている。
【００２２】
図１〜図７には本発明の製造方法の第１の実施例が示されている。図８〜図１０には本発明の製造方法の第２の実施例が示されている。図１１〜図１４には本発明の製造方法の第３の実施例が示されている。図１５には使用される製造方法の全てのバリエーションが示されている。図１６〜図２０にはプレーナプロセスに使用される２通りの製造方法の連続ステップが示されている。
【００２３】
図１にはシリコン基板１が示されており、この基板の表面からトレンチ２がエッチングにより形成されている。これに類似した（別の目的のための）約２０μｍまでの深さのトレンチがフロント面マイクロメカニカル技術から知られている。トレンチ２を分離しているランド部３の幅は、このランド部３が続く熱酸化のステップでどんな場合にも完全に酸化されるような大きさに選定されている。ランド部３の完全な酸化の後、これらのあいだに空隙４が残るようにトレンチ２の幅が選定されているケースにおいて次に達成される状態が図２に示されている。トレンチ２の初期的な幅はトレンチ２が完全に閉鎖されるように選定されている（図３を参照）。
【００２４】
付加的な中空スペースを形成するために、最初からトレンチ２を横切る方向で付加的なトレンチをエッチングすることもできる。ランド部３はこの場合中断され、厳密に云えばピラー状のランド部エレメントから形成されることになる。
【００２５】
熱酸化は比較的緩慢な表面プロセスであるが、トレンチ内でもコンフォーマルな酸化物の成長は発生する。いずれにしてもプロセスは典型的には１μｍ〜５μｍの幅でランド部３がそれぞれＳｉＯ_２から形成されるまでのあいだ続行される。
【００２６】
図２、図３の状態では、本発明固有の酸化物ブロック５は所望の低い熱伝導性で既に製造されている。以下に図２の空隙４を備えた構成を詳細に説明する。このようにパターニングされる酸化物ブロック５はアイソレーションの利点を有するからである。酸化物ブロック５に必要な厚さは一方では要求に応じて選定されるが、他方では垂直方向および／または水平方向の中空スペースにより低減されてしまうこともある。典型的には１００μｍまでの厚さがあれば充分である。酸化物ブロック５の厚さによりセンサの機械的な安定性が向上する。
【００２７】
次のステップとして基板１の全面にわたって酸化物の封止層６が堆積され、その上に断湿のための窒化物層が堆積される。これにより図４の状態が得られる。続くステップでは抵抗８（ヒータ素子および測定素子）やパッドなどのための白金層が堆積され、パターニングされる（図５を参照）。抵抗８間の間隔は典型的には数μｍであり、場合によっては多数の抵抗を並べて配置することもできる。白金に代えて他の導電層を、例えば金属、ポリシリコンまたはゲルマニウムから形成してパターニングすることもできる。さらに酸化物の保護層９が数ｎｍの厚さで堆積され、パターニングされる（図６を参照）。続いてアルミニウム導体路１０の堆積およびパターニングが行われ、図７に完成したセンサが示されている。
【００２８】
図８、図９にはセンサのバリエーションが示されており、ここでは酸化物ブロック５が基板１そのものにではなく、基板の表面上に配置された適切な層構造体内に形成されている。図８によれば、基板１上に埋め込まれた酸化物層１１と例えばエピタキシャル成長されたポリシリコン層１２が被着されている。酸化物層１１は有利にはシリコンランド部３およびトレンチ２を形成する際のエッチングストッパとして用いられる。図９には、図２と同様に、シリコンランド部３を熱酸化で完全に酸化することにより形成された酸化物ブロック５が示されている。さらなる方法ステップは図４〜図６に則して説明したものと同様である。図１０には最終的に作成されたセンサが示されている。
【００２９】
最後に示したバリエーションは他のバリエーションの出発点として使用するのに特に有効である。ここではまず気相エッチングステップが行われ、酸化物層１１の部分的な除去がパターニングされたシリコン層の下方で行われている。そこに水平方向の中空スペース１３（図１１を参照）が形成され、白金抵抗８と基板１とのあいだの付加的な熱分離に用いられる。その後再び酸化物ブロック５がシリコン層１２内に図８、図９と同様に形成され、図１２の状態が得られる。このほかのステップは前述の手法と同様に行われ、最終的な状態が図１３に示されている。酸化物５の必要な厚さが付加的な中空スペース１３によって部分的に低減されていてもよい。
【００３０】
図１４には図１３の構成に一致する完成したセンサ１が示されているが、水平方向の中空スペース１３には付加的に、上方で酸化物ブロック５に接し、下方で基板１に接する少なくとも１つの支承部１４が設けられている。このためにはプロセスのシーケンスからシリコン層１２の被着の前に酸化物層１１を相応にパターニングしなければならない。支承部１４によりセンサの構造の機械的な安定性が高められ、酸化物ブロック５は測定すべき空気流による振動を生じない。
【００３１】
図１５には幅広のトレンチ２を薄いランド部２のもとで形成するために特に有利な手段が示されている。その際にはトレンチ２のエッチング後に残されたエッチングマスク１５（ハードマスク、例えばＳｉＯ_２）は除去されず、続く熱酸化の際にも基板１上に残される。有利にはこの実施例においては、強い等方性エッチングによるアンダエッチをともなうトレンチプロセスが行われ、このことは図１５から見て取れる。エッチングマスク１５はこの場合にトレンチプロセスの後にもトレンチ幅よりも小さな開口で残る。これによりランド部３の酸化後、幅広のトレンチ２または空隙４の閉鎖は例えばＳｉＯ_２の封止層により行われる。幅広のトレンチ２または空隙４により高度の多孔性と相応のアイソレーションの利点とが得られる。
【００３２】
図１６に示されているように、酸化物ブロック５のカバーは例えば酸化物の封止層６により平坦な表面に直接にはかからない。ＲＥＭ検査で見られるように、凹部１６が空隙４の上に存在する。僅か数μｍの望ましくないトポグラフィにもかかわらず、これは後に被着される金属層にとって大きな問題となる。白金層の典型的な厚さはこのトポグラフィよりもおおよそオーダー１だけ小さく、このため破壊の重大な危険が生じることになる。
【００３３】
図１７には図１６に示されているトポグラフィのための平坦化手段が示されている。酸化物の封止層６上にはまず窒化物層７が堆積され、図示されているようにそこに凹部１６が残される。窒化物層７上には続いて次の平坦化ステップのためのＳｉＯ_２の補助層１７が堆積される。補除層１７の平坦化は周知の化学的機械的研磨プロセスＣＭＰを用いて窒化物層まで行われ、この窒化物層はこの場合さしあたって平坦化のストッパとして用いられる。残留酸化物１８は凹部１６内に残され、その表面は図１８から見て取れるように平坦化される。続いて白金構造体、酸化物保護層およびアルミニウム導体路が前述の場合と同様に堆積され、パターニングされる。
【００３４】
平坦化のための別の手段が図１９に示されている。この変形実施例では窒化物層７が酸化物の封止層５の前に堆積される。これにより前述の酸化物の補助層１７を後から堆積する必要がなくなる。
【００３５】
図１９には堆積された窒化物層７とその上方に堆積された酸化物の封止層６とが示されている。封止層には凹部１６が設けられる。平坦化プロセスでのストッパとして用いられる窒化物層７まで構造体を平坦化するステップが前述のようにＣＭＰにより行われる。次に予めクリティカルな凹部が存在する位置に酸化物の封止層６の残留部１８を残す（図２０を参照）。白金構造体の接着性を改善するために、窒化物層７は周知の手法で再酸化プロセスにより表面の部分が再び酸化物層へ変換される。続いて白金構造体、酸化物保護層、アルミニウム導体路などが前述のように堆積され、パターニングされる。
【００３６】
ＣＭＰ平坦化の代替手段としてパッシベーション層をスピンオンガラスプロセスで表面上に被着することもできる。フローによりパッシベーション層が凹部１６を充填する。続いて薄い酸化物層が白金層の接着のために堆積される。
【００３７】
別の平坦化手段として、ＢＰＳＧまたはＰＳＧがフローガラスプロセスにより被着される。このプロセスはスピンオンガラスプロセスとともに集積回路技術から周知である。フローにより凹部１６が充填され、平坦な表面が形成される。続いて薄い酸化物層が堆積される。
【００３８】
さらにトポグラフィは周知のＣＶＤ堆積プロセスによっても充分に低減することができる。適切な堆積のパラメータによりここでは凹部１６のみがＳｉＯ_２で充填される。これによりほぼ平坦な面が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の製造方法の第１の実施例を示す図である。
【図２】
本発明の製造方法の第１の実施例を示す図である。
【図３】
本発明の製造方法の第１の実施例を示す図である。
【図４】
本発明の製造方法の第１の実施例を示す図である。
【図５】
本発明の製造方法の第１の実施例を示す図である。
【図６】
本発明の製造方法の第１の実施例を示す図である。
【図７】
本発明の製造方法の第１の実施例を示す図である。
【図８】
本発明の製造方法の第２の実施例を示す図である。
【図９】
本発明の製造方法の第２の実施例を示す図である。
【図１０】
本発明の製造方法の第２の実施例を示す図である。
【図１１】
本発明の製造方法の第３の実施例を示す図である。
【図１２】
本発明の製造方法の第３の実施例を示す図である。
【図１３】
本発明の製造方法の第３の実施例を示す図である。
【図１４】
本発明の製造方法の第３の実施例を示す図である。
【図１５】
使用される製造方法の全てのバリエーションを示す図である。
【図１６】
第１の平坦化プロセスを示す図である。
【図１７】
第１の平坦化プロセスを示す図である。
【図１８】
第１の平坦化プロセスを示す図である。
【図１９】
第２の平坦化プロセスを示す図である。
【図２０】
第２の平坦化プロセスを示す図である。

Claims (14)

1. シリコン基板（１）の表面に層構造体が配置されており、
   該層構造体の導電層から少なくとも１つのヒータ素子（８）がパターニングされており、
   ヒータ素子（８）とシリコン基板（１）とのあいだの熱分離を行うアイソレーション部が設けられており、該アイソレーション部は二酸化シリコンブロック（５）を有しており、
   該ブロックはヒータ素子（８）の下方でシリコン基板（１）上の層構造体内またはシリコン基板（１）の表面に製造されている
   ことを特徴とするマイクロメカニカルマスフローセンサ。
2. 二酸化シリコンブロック（５）には垂直方向の空隙状の複数の中空スペース（４）が形成されている、請求項１記載のセンサ。
3. シリコン基板（１）上にはシリコン酸化物層（１１）が被着されており、その上にシリコン層（１２）が被着されており、該シリコン層（１２）内に二酸化シリコンブロック（５）が製造されている、請求項１または２記載のセンサ。
4. 二酸化シリコンブロック（５）の下方のシリコン酸化物層（１１）が除去されており、そこにシリコン基板（１）へ向かって水平方向の中空スペース（１３）が形成されている、請求項３記載のセンサ。
5. 水平方向の中空スペース（１３）には、上方で二酸化シリコンブロック（５）に接し、下方でシリコン基板（１）に接する少なくとも１つの支承部（１４）が配置されている、請求項４記載のセンサ。
6. 二酸化シリコンブロック（５）とパターニングされた導電層とのあいだに二酸化シリコンの封止層（６）およびシリコン窒化物層（７）が被着されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ。
7. 請求項１記載のマイクロメカニカルマスフローセンサの製造方法において、
   エッチングマスクをパターニングした後、該マスクをシリコン酸化物層（１１）の上方でシリコン基板（１）上に被着されたシリコン層（１２）上に被着するかまたは直接にシリコン基板（１）上に被着し、
   エッチングによりほぼ垂直なトレンチ（２）をエッチングマスクの下方に存在するシリコン材料（１、１２）内に形成し、その際にトレンチ（２）間にシリコンから成るランド部（３）を残し、
   続いてランド部（３）を熱酸化により完全に酸化させ、
   このようにフロント面マイクロメカニカル技術によって形成された二酸化シリコンブロック（５）を二酸化シリコンの封止層（６）を堆積することによりカバーし、
   導電層の堆積およびパターニングの前に二酸化シリコンブロック（５）上で平坦化ステップを行い、平坦な表面を製造する
   ことを特徴とするセンサの製造方法。
8. エッチングマスクをシリコン層（１２）上に被着し、ランド部（３）の酸化前にシリコン酸化物層（１１）を少なくとも部分的に気相エッチングステップにより除去して水平方向の中空スペース（１３）をシリコン層（１２）のパターニング領域の下方に形成する、請求項７記載の方法。
9. シリコン酸化物層（１１）をシリコン層（１２）の被着前にパターニングして中空スペース（１３）内に少なくとも１つの支承部（１４）を形成する、請求項８記載の方法。
10. シリコン層（１２）またはシリコン基板（１）をハードマスク（１５）の下方で等方性エッチングによりアンダエッチし、ハードマスク（１５）をエッチング後にランド部（３）上に残し、後にともにカバーする、請求項７記載の方法。
11. 二酸化シリコンの封止層（６）上に窒化物層（７）を堆積し、該窒化物層上にシリコン酸化物の補助層（１７）を平坦化のために堆積し、続いて窒化物層（７）まで平坦化する、請求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. シリコン層（１２）内の酸化された構造体上またはシリコン基板（１）内にまず窒化物層（７）を堆積し、次に二酸化シリコンの封止層（６）を堆積し、続いてこれらを窒化物層（７）まで平坦化する、請求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。
13. 平坦化をシリコン酸化物の補助層（１７）または二酸化シリコンの封止層（６）の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により行い、その際に窒化物層（７）を平坦化のストッパとして用いる、請求項１１または１２記載の方法。
14. 平坦化をスピンオンガラスプロセスまたはフローガラスプロセスにより行う、請求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。