JP2007286008A - メンブレンを有するセンサ装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱式流量センサと同一チップに圧力センサもしくは加速度センサを好適に形成する。
【解決手段】半導体層１４のうち、熱式流量センサＳ１のヒータ１５ａ、１５ｂを形成するための部分をＮ型シリコンで構成し、圧力センサＳ２のゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄを形成するための部分をＰ型シリコンで構成する。これにより、熱式流量センサＳ１に関しては、ヒータ１５ａ、１５ｂはピエゾ抵抗効果による影響をほとんど受けないで済むため、好適な流量検出を行うことが可能となる。また、圧力センサＳ２に関しては、ゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄはピエゾ抵抗効果を十分に発揮して抵抗値を変化させるため、好適に圧力検出を行うことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜部により構成されるメンブレンが設けられた熱式流量センサに、同じくメンブレンが設けられた圧力センサ又は加速度センサからなる歪センサが一体的に形成されてなるセンサ装置およびその製造方法に関するものである。

従来、特許文献１において、発熱抵抗体（ヒータ）と測温抵抗体を用いた熱式流量センサが開示されている。熱式流量センサは、発熱抵抗体を被測定流体中に設置し、被測定流体によって奪われる発熱抵抗体の放熱量を測温抵抗体により検出して、被測定流体の流量を検出する。このような熱式流量センサでは、基板に凹部や空洞部を形成することにより、基板との接触を減らし、基板への熱伝達を抑制できるようにした薄膜部としてのメンブレンが設けられる。このメンブレンの上に発熱抵抗体と測温抵抗体を配置することで、熱式流量センサの応答性を高めている。

この特許文献１に示される熱式流量センサは、半導体マイクロマシンニング技術により製造され、低コスト、低消費電流という点から有用である。このような熱式流量センサでは、センサ特性の経時変化が小さく、高信頼であるという点から、単結晶シリコンに不純物をドーピングすることでヒータや温度計を構成する抵抗体を形成している。

このように単結晶シリコンを用いて抵抗体を形成する場合、メンブレンとの熱膨張の差等によりヒータに熱応力が発生する。熱応力が発生すると、応力により抵抗値が変化するピエゾ抵抗効果が生じ、温度による抵抗値変化が発生し、センサ精度の低下原因となる。このため、ピエゾ抵抗効果による影響をできるだけ小さくできるように、ピエゾ抵抗効果の結晶方位依存性を利用して、ピエゾ抵抗効果が極小となる結晶方向に抵抗体の長手方向が取られている。
特開２００１−１２９８５号公報

上述した熱式流体センサと同一チップで圧力センサを形成したいという要望がある。圧力センサでは、薄膜部として構成されるメンブレン（ダイアフラム）を形成し、単結晶シリコンで構成されるメンブレンにゲージ抵抗（感歪部）を形成することで、メンブレンに印加された圧力に応じてメンブレンが変位したときにゲージ抵抗の抵抗値が変化するピエゾ抵抗効果を利用して、圧力検出を行う。このような圧力センサでは、ピエゾ抵抗効果を積極的に利用するために、ピエゾ抵抗効果が極大となる結晶方向に抵抗体の長手方向を取るのが好ましい。

このため、特許文献１に記載された熱式流量センサと圧力センサとを一体的に形成したセンサ装置とする場合、熱式流量センサではピエゾ抵抗効果の影響を抑え、圧力センサではピエゾ抵抗効果を積極的に利用するという、互いに相反する効果を実現しなければならなくなる。

これに対して、熱式流量センサの発熱抵抗体および／または感温抵抗体の長手方向に対して、圧力センサのゲージ抵抗の長手方向を４５度ずらして形成することで、上述した相反する効果を実現することが可能となるが、シリコン基板を異方性エッチングすることによって熱式流量センサで利用される断熱用のメンブレンと圧力センサで利用される感歪用のメンブレンを形成しようとすると、熱式流量センサに適し、かつ、圧力センサに適したメンブレン形状を得るのが困難であるという問題がある。このため、これらのセンサを同一チップ上に集積して形成するのは困難であった。

なお、ここでは熱式流量センサと同一チップに形成する歪センサとして圧力センサを例に挙げたが、メンブレンに錘を備えた加速度センサを形成する場合に関しても、上記と同様のことが言える。

本発明は上記点に鑑みて、熱式流量センサと同一チップに圧力センサ又は加速度センサからなる歪センサを好適に形成することができる構造のセンサ装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、半導体層（１４）のうち、熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域と歪センサ（Ｓ２）の形成領域とで導電型が反転させられており、熱式流量センサ（Ｓ１）におけるヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向と歪センサ（Ｓ２）におけるゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向が同じ方向とされ、かつ、熱式流量センサ（Ｓ１）におけるヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向は単結晶シリコンにおけるピエゾ抵抗効果が極小となる結晶方向、歪センサ（Ｓ２）におけるゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向は単結晶シリコンにおけるピエゾ抵抗効果が極大となる結晶方向とされていることを第１の特徴としている。

このように、半導体層（１４）のうち、熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域と歪センサ（Ｓ２）の形成領域とで導電型が反転させられている。このようにすれば、熱式流量センサ（Ｓ１）におけるヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向と歪センサ（Ｓ２）におけるゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向が同じ方向としても、熱式流量センサ（Ｓ１）におけるヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向は単結晶シリコンにおけるピエゾ抵抗効果が極小となる結晶方向、歪センサ（Ｓ２）におけるゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向は単結晶シリコンにおけるピエゾ抵抗効果が極大となる結晶方向とすることができる。したがって、熱式流量センサ（Ｓ１）と同一チップに歪センサ（Ｓ２）を好適に形成することができる構造のセンサ装置とすることができる。

例えば、半導体層（１４）のうち、熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域をＮ型シリコン、歪センサ（Ｓ２）の形成領域をＰ型シリコンとし、熱式流量センサ（Ｓ１）におけるヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向および歪センサ（Ｓ２）におけるゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向を［０−１１］もしくは［０１１］の結晶方向と一致させれば良い。

また、本発明は、シリコン基板（１０）として、厚さ方向の結晶面方位が（１００）面となるものを用い、シリコン基板（１０）の裏面（１０ｂ）にエッチングマスク（２４）を配置し、アルカリのエッチング液にて第１、第２空洞部（１１、１２）を形成する際に、エッチングマスク（２４）のうち第１空洞部（１１）を形成するための開口部（２４ａ）を矩形状、第２空洞部（１２）を形成するための開口部（２４ｂ）を菱形もしくは十字型として第１、第２空洞部（１１、１２）を形成することことを第２の特徴としている。

半導体層（１４）のうち、熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域と歪センサ（Ｓ２）の形成領域とで導電型を同じにする場合には、熱式流量センサ（Ｓ１）におけるヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向と歪センサ（Ｓ２）におけるゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向が４５度ずれるようにすれば良い。この場合、エッチングマスク（２４）のうち第１空洞部（１１）を形成するための開口部（２４ａ）を矩形状、第２空洞部（１２）を形成するための開口部（２４ｂ）を菱形もしくは十字型とすれば、第１、第２空洞部（１１、１２）をヒータ（１５ａ、１５ｂ）やゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の形成に好適な形状とすることができる。

また、本発明は、シリコン基板（１０）として、厚さ方向の結晶面方位が（１００）面となるものを用い、シリコン基板（１０）の裏面（１０ｂ）にエッチングマスク（２４）を配置し、アルカリに有機溶剤を添加したエッチング液にて第１、第２空洞部（１１、１２）を形成する際に、エッチングマスク（２４）のうち第１空洞部（１１）を形成するための開口部（２４ａ）を矩形状、第２空洞部（１２）を形成するための開口部（２４ｂ）を円形として、第１、第２空洞部（１１、１２）を形成することを第３の特徴としている。

このように、エッチングマスク（２４）のうち第１空洞部（１１）を形成するための開口部（２４ａ）を矩形状、第２空洞部（１２）を形成するための開口部（２４ｂ）を円形としても、第１、第２空洞部（１１、１２）をヒータ（１５ａ、１５ｂ）やゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の形成に好適な形状とすることができる。

本発明の第２、第３の特徴において、半導体層（１４）を構成する単結晶シリコンをＰ型シリコンとする場合、シリコン基板（１０）の結晶面方位に対して、半導体層（１４）を構成する単結晶シリコンの結晶面方位が４５度ずらすと、第１、第２空洞部（１１、１２）をヒータ（１５ａ、１５ｂ）やゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の形成に好適な形状とすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態を適用したセンサ装置１の概略平面構成を示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＡ−Ａ線に沿ったセンサ装置１の概略断面構成を示す図である。なお、参考として、図１中に各部の結晶方向を示してある。

センサ装置１は、熱式流量センサＳ１と圧力センサＳ２とを同一チップ上に集積した構造とされており、例えば板厚が４００μｍまたは６００μｍとされた半導体基板となるシリコン基板１０をベースに形成されている。

熱式流量センサＳ１は、シリコン基板１０に空洞部１１を備えることで、この空洞部１１が形成された部位の上部において薄厚部となるメンブレンを備えた構成とされる。また、圧力センサＳ２は、シリコン基板１０に空洞部１２を備えることで、この空洞部１２が形成された部位の上部において薄厚部となるメンブレン（ダイアフラム）を備えた構成とされる。

図１（ｂ）に示されるように、空洞部１１、１２は、シリコン基板１０の表面１０ａと裏面１０ｂを貫通するように形成されている。具体的には、空洞部１１、１２は、シリコン基板１０の裏面１０ｂ側を開口部１０ｃ、１０ｄとし、シリコン基板１０の裏面１０ｂ側から表面１０ａ側へ向かって凹ませた凹部として構成されている。

また、図１（ｂ）に示されるように、シリコン基板１０の表面１０ａ上には、例えばシリコン窒化膜やシリコン酸化膜により構成された絶縁膜１３が形成されている。この絶縁膜１３の表面には、シリコン層に不純物を熱拡散させたことによって形成された半導体層１４がパターニングされており、この半導体層１４により、熱式流量センサＳ１の形成領域に関してはヒータ１５ａ、１５ｂと環境温度を測定するための温度計１６ａ、１６ｂおよび配線層１７ａ〜１７ｆを構成する抵抗体が形成されており、圧力センサＳ２の形成領域に関してはゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄと配線層１９ａ〜１９ｄを構成する抵抗体が形成されている。

このように構成されたシリコン基板１０と絶縁膜１３および半導体層１４は、シリコン基板１０を支持基板、絶縁膜１３を埋め込み層（ＢＯＸ層）、半導体層１４をＳＯＩ層とするＳＯＩ基板を用いて構成されたものである。

さらに、半導体層１４は、ＢＰＳＧ等からなる絶縁膜２０によって覆われ、この絶縁膜２０の所定部位に形成されたコンタクトホールを通じて、熱式流量センサＳ１の形成領域に関しては、アルミニウムなどで構成されたパッド２１ａ〜２１ｆに電気的に接続されており、圧力センサＳ２の形成領域に関してはアルミニウムなどで構成されたパッド２２ａ〜２２ｄに電気的に接続されている。

また、絶縁膜２０の表面において、シリコン基板１０のほぼ全域を覆うようにシリコン窒化膜２３が形成され、熱式流量センサＳ１および圧力センサＳ２の表面が保護されている。このシリコン窒化膜２３におけるパッド２１ａ〜２１ｆやパッド２２ａ〜２２ｄと対応する部位には、開口部が形成されており、この開口部を通じてパッド２１ａ〜２１ｆやパッド２２ａ〜２２ｄに対してワイヤボンディングがされることで、熱式流量センサＳ１や圧力センサＳ２の外部に備えられる制御回路に電気的に接続されるようになっている。

そして、シリコン基板１０における裏面側には、シリコン窒化膜２４が形成されている。このシリコン窒化膜２４のうちシリコン基板１０の空洞部１１や空洞部１２と対応する位置に開口部が形成されており、この開口部を通じてシリコン基板１０の開口部１０ｃ、１０ｄが形成されている。

以上が熱式流量センサＳ１と圧力センサＳ２を同一チップ上に集積したセンサ装置１の概略構成となっている。次に、このセンサ装置１における特徴的な構造部分について説明する。

上述したように熱式流量センサＳ１に備えられるヒータ１５ａ、１５ｂと圧力センサＳ２に備えられるゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄは、共に、ＳＯＩ層を構成する半導体層１４により形成されている。この半導体層１４は、面方位が（１００）で構成されたシリコン基板を薄厚化させることにより構成されており、半導体層１４の表面に平行な２方向のうち図１（ａ）の紙面左右方向の結晶方向が［０−１１］、紙面上下方向の結晶方向が［０１１］、半導体層１４の厚さ方向の結晶方向が［１００］となるようにシリコン基板の面方位が選択されている。

ヒータ１５ａ、１５ｂおよびゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄの長手方向は、共に、図１（ａ）に示すように［０−１１］の結晶方向と一致させられているが、半導体層１４のうちヒータ１５ａ、１５ｂを含む熱式流量センサＳ１の形成領域はＮ型シリコンで構成され、ゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄを含む圧力センサＳ２の形成領域はＰ型シリコンで構成されたものとなっている。

図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、Ｎ型シリコンとＰ型シリコンにおけるピエゾ抵抗係数と結晶方向の関係を示した相関図である。

図２（ａ）に示されるように、Ｎ型シリコンの場合には、［０−１１］および［０１１］の結晶方向でピエゾ抵抗係数が極小となり、そこから４５度ずれた［１００］の結晶方向でピエゾ抵抗係数が極大となる。このため、Ｎ型シリコンではピエゾ抵抗係数が極小となる［０−１１］および［０１１］を長手方向として抵抗体を形成するとピエゾ抵抗効果が極小となり、ピエゾ抵抗係数が極大となる［１００］の結晶方向を長手方向として抵抗体を形成するとピエゾ抵抗効果が極大となる。

したがって、本実施形態のように、熱式流量センサＳ１の形成領域をＮ型シリコンとし、ヒータ１５ａ、１５ｂの長手方向を［０−１１］の結晶方向と一致させることにより、ピエゾ抵抗効果を極小とすることが可能となる。

一方、図２（ｂ）に示されるように、Ｐ型シリコンの場合には、［０−１１］および［０１１］の結晶方向でピエゾ抵抗係数が極大となり、そこから４５度ずれた［１００］の結晶方向でピエゾ抵抗係数が極小となる。このため、Ｐ型シリコンではピエゾ抵抗係数が極大となる［０−１１］および［０１１］を長手方向として抵抗体を形成するとピエゾ抵抗効果が極大となり、ピエゾ抵抗係数が極小となる［１００］の結晶方向を長手方向として抵抗体を形成するとピエゾ抵抗効果が極小となる。

したがって、本実施形態のように、圧力センサＳ２の形成領域をＰ型シリコンとし、ゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄの長手方向を［０−１１］の結晶方向と一致させることにより、ピエゾ抵抗効果を極大とすることが可能となる。

続いて、このようなセンサ装置１の作動について説明する。まず、熱式流量センサＳ１で被測定流体である空気の流量検出を行うときの動作の一例について説明する。

ヒータ１５ａ、１５ｂは、図示しない制御回路によって駆動され、例えば温度計１６ａ、１６ｂで測定される環境温度よりも２００℃高い温度となるように制御される。具体的には、制御回路からパッド２１ｂ、２１ｃおよび配線層１７ｂ、１７ｃを通じてヒータ１５ａに電流が流されると共に、パッド２１ｄ、２１ｃおよび配線層１７ｄ、１７ｅを通じてヒータ１５ｂに電流が流される。これにより、所定の線幅で構成された各ヒータ１５ａ、１５ｂが加熱され、これに伴ってヒータ１５ａ、１５ｂの温度が上昇する。

この時、空気の流れによって、ヒータ１５ａ、１５ｂの熱が奪われる。空気の流量によって熱の奪われ方に差が生じる。ヒータ１５ａ、１５ｂが常に一定の温度になるように、制御回路側で電流を調整する。この時の電流値の変化を信号として、流量を算出する。また、流れの方向によって、２本のヒータ１５ａ、１５ｂで熱の奪われ方に差が生じる。すなわち、下流側に較べて上流側の方が熱の奪われ方が激しく、より多くの電流が必要になってくる。この両者の差から、流量と同時に、流れの方向を検知することが出来る。各温度計１６ａ、１６ｂは基準となる環境温度の検出用として利用される。

例えば、図１（ａ）中の白抜き矢印方向から空気が流れてくるとする。ここで、上述したように、ヒータ１５ａ、１５ｂのうちヒータ１５ａは多く熱を奪われるため、制御回路がヒータ１５ａの温度（抵抗値）を一定に保とうとヒータ１５ａへの通電量を大きくする。逆に、ヒータ１５ａの発熱によって暖められた空気がヒータ１５ｂの上を通過するため放熱量が減り、ヒータ１５ｂへの通電量を小さくする。

したがって、制御回路は、ヒータ１５ａおよびヒータ１５ｂへの通電量に基づいて、空気の流量および流れの方向を検出することが可能となる。そして、このような熱式流量センサＳ１の作動に関して、ヒータ１５ａ、１５ｂはピエゾ抵抗効果による影響をほとんど受けないで済むため、好適な流量検出を行うことが可能となる。なお、ここで言うヒータ１５ａ、１５ｂとは、温度によって抵抗値が変化する発熱抵抗体であり、感温抵抗体の機能を兼ね備えている。すなわち、温度をヒータ１５ａ、１５ｂの抵抗値に置き換えて一定に保っている。このため応力による抵抗値変化（ピエゾ抵抗効果）が生じると、温度が正しく保てなくなり、誤差要因となる。

次に、圧力センサＳ２の作動について説明する。なお、ここでは図示していないが、例えば、圧力センサＳ２に関しては、空洞部１２が例えば減圧雰囲気下（真空中）において台座などによって封止されることで圧力基準室が形成され、メンブレンを挟んだ圧力基準室と外部との圧力差に基づいて作動する。

例えば、パッド２２ａを図示しない電源に接続すると共にパッド２２ｃをＧＮＤ接続し、パッド２２ａおよび配線層１９ａを通じて図示しない電源からの電流供給を行う。そして、ホイートストンブリッジ回路を構成するように接続されたゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄの中間電位、つまりゲージ抵抗１８ａとゲージ抵抗１８ｄの間の電位がパッド２２ｄを通じて出力されると共に、ゲート抵抗１８ｂとゲージ抵抗１８ｃの間の電位がパッド２２ｂを通じて出力される。

そして、圧力基準室と外部との圧力差に基づいてメンブレンが変位すると、メンブレンの変位に伴ってゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄの抵抗値が変化し、パッド２２ｂから出力される電位とパッド２２ｄから出力される電位の間に電位差が生じる。このとき、ゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄでは、ピエゾ抵抗効果を十分に発揮して抵抗値を変化させられるため、大きな電位差を発生させられ、この大きな電位差に基づいて、好適に印加された圧力の大きさを検出することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態のセンサ装置１では、半導体層１４のうち、熱式流量センサＳ１のヒータ１５ａ、１５ｂを形成するための部分をＮ型シリコンで構成し、圧力センサＳ２のゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄを形成するための部分をＰ型シリコンで構成するようにしている。このため、熱式流量センサＳ１に関しては、ヒータ１５ａ、１５ｂはピエゾ抵抗効果による影響をほとんど受けないで済むため、好適な流量検出を行うことが可能となる。また、圧力センサＳ２に関しては、ゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄはピエゾ抵抗効果を十分に発揮して抵抗値を変化させるため、好適に圧力検出を行うことが可能となる。

そして、このような構成を熱式流量センサＳ１のヒータ１５ａ、１５ｂと圧力センサＳ２のゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄの各長手方向が一致するような構造により実現しているため、各センサＳ１、Ｓ２に適したメンブレン形状を容易に得ることができる。つまり、本実施形態の場合、各センサＳ１、Ｓ２のメンブレンを構成するための空洞部１１、１２の側壁を同じ面方位にできるため、エッチングの結晶面方位依存性があったとしても、容易に各センサＳ１、Ｓ２に適したメンブレン形状を得ることができる。したがって、熱式流量センサＳ１と同一チップに圧力センサＳ２を好適に形成することができる構造のセンサ装置１とすることができる。

なお、このようなセンサ装置１の製造方法に関しては、半導体層１４のうち、熱式流量センサＳ１のヒータ１５ａ、１５ｂを形成するための部分をＮ型シリコンで構成し、圧力センサＳ２のゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄを形成するための部分をＰ型シリコンで構成すること以外に関しては、従来と同様である。そして、この工程に関しても、ＳＯＩ層を構成するシリコン基板のうち熱式流量センサＳ１の形成予定領域に予めＮ型不純物をドーピングしておくと共に、圧力センサＳ２の形成予定領域に予めＰ型不純物をドーピングしておけば良い。勿論、半導体層１４をパターニングする前に、各センサの形成予定領域に選択的にＮ型不純物やＰ型不純物をイオン注入など行うようにしても良い。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態のセンサ装置１は、第１実施形態に対して、半導体層１４をすべてＮ型シリコンで構成している点と、圧力センサＳ２のゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄの長手方向の向きが熱式流量センサＳ１のヒータ１５ａ、１５ｂの長手方向と異なる方向にしている点が異なっている。以下、本実施形態のうち第１実施形態と異なる点について説明するが、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図３（ａ）は、本実施形態を適用したセンサ装置１の概略平面構成を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿ったセンサ装置１の概略断面構成を示す図である。なお、参考として、図３中に各部の結晶方向を示してある。

上述したように、本実施形態のセンサ装置１では、熱式流量センサＳ１のヒータ１５ａ、１５ｂや圧力センサＳ２のゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄを構成する半導体層１４をすべてＮ型シリコンで構成している。そして、図３（ａ）に示すように、熱式流量センサＳ１に形成されるヒータ１５ａ、１５ｂの長手方向を［０−１１］の結晶方向と一致させることによりピエゾ抵抗効果を極小とし、圧力センサＳ２に形成されるゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄの長手方向を［０−１１］から４５度ずらした［１００］の結晶方向と一致させることによりピエゾ抵抗効果を極大としている。

以上のような構造としても、熱式流量センサＳ１に関しては、ヒータ１５ａ、１５ｂはピエゾ抵抗効果による影響をほとんど受けないで済むため、好適な流量検出を行うことが可能となる。また、圧力センサＳ２に関しては、ゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄはピエゾ抵抗効果を十分に発揮して抵抗値を変化させるため、好適に圧力検出を行うことが可能となる。

このようなセンサ装置１の製造方法に関しては、シリコン基板１０の厚さ方向の面方位を（１００）とし、かつ、シリコン基板１０の裏面１０ｂに形成するシリコン窒化膜２４のうち圧力センサＳ２の空洞部１２の位置に形成される開口部が本実施形態のゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄに対応できる形状となるようにすることが必要になる。

図４（ａ）、（ｂ）は、シリコン基板１０の裏面１０ｂからのエッチングを行うときのエッチングマスクとなるシリコン窒化膜２４のレイアウトおよび断面形状を示した図である。

図４（ａ）に示されるように、シリコン窒化膜２４には熱式流量センサＳ１における空洞部１１と対応する開口部２４ａと、圧力センサＳ２の空洞部１２と対応する開口部２４ｂが形成されている。開口部２４ａは、長方形を為しており、相対する２組の辺のうち一方が［０−１１］の結晶方向と平行、他方が［０１１］の結晶方向と平行になっている。開口部２４ｂは、菱形を為しており、相対する２組の辺が共に［１００］の結晶方向と平行になっている。

このようなエッチングマスクを用いて、水酸化カリウム等のアルカリのエッチング液を用いてエッチングを行うと、圧力センサＳ２の空洞部１２の各辺が熱式流量センサＳ１の各辺に対して、４５度ずつずれた構造、つまり［１００］の結晶方向と一致する辺を有した構造となる。このため、圧力センサＳ２における各ゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄを空洞部１２のうち［１００］の結晶方向と一致する各辺に延設できるように、空洞部１２の形状、つまりメンブレンの出来映え形状を圧力センサＳ２の形成に適したものとすることができる。

なお、ここでは、圧力センサＳ２の空洞部１２の形成に用いるエッチングマスクの開口部が菱形となるようにしているが、他の形状であっても良い。例えば、図５に示すシリコン窒化膜２４のレイアウト図のように、［０−１１］の結晶方向と［０１１］方向に伸びる辺を持つ十字型としても良い。このようなエッチングマスクを用いても、上記と同様に、空洞部１２の形状、つまりメンブレンの出来映え形状を圧力センサＳ２の形成に適したものとすることができる。

さらに、エッチング液にイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等の有機溶剤を添加すると、結晶面方位の選択比が変わることを利用することもできる。例えば、図６（ａ）に示すシリコン窒化膜２４のレイアウト図に示すように、円形状の開口部２４ｂを形成しておき、有機溶剤を添加したエッチング液を用いてエッチングを行うことで、図６（ｂ）に示すシリコン基板１０に形成された空洞部１１、１２のレイアウト図に示すように、空洞部１１、１２の形状、つまりメンブレンの出来映え形状を圧力センサＳ２の形成に適したものとすることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第２実施形態に対して、半導体層１４をＰ型シリコンで構成している点と、熱式流量センサＳ１のヒータ１５ａ、１５ｂおよび圧力センサＳ２のゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄの長手方向を４５度ずらしている点、および、半導体層１４の結晶方向に対してシリコン基板１０の結晶方向を４５度ずらしている点が異なる。以下、本実施形態のうち第１実施形態と異なる点について説明するが、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図７（ａ）は、本実施形態を適用したセンサ装置１の概略平面構成を示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）中のＣ−Ｃ線に沿ったセンサ装置１の概略断面構成を示す図である。なお、参考として、図７中に各部の結晶方向を示してある。

上述したように、本実施形態のセンサ装置１では、熱式流量センサＳ１のヒータ１５ａ、１５ｂや圧力センサＳ２のゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄを構成する半導体層１４をすべてＰ型シリコンで構成している。そして、図７（ａ）に示すように、熱式流量センサＳ１に形成されるヒータ１５ａ、１５ｂの長手方向を［１００］の結晶方向と一致させることによりピエゾ抵抗効果を極小とし、圧力センサＳ２に形成されるゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄの長手方向を［１００］から４５度ずらした［０−１１］もしくは［０１１］の結晶方向と一致させることによりピエゾ抵抗効果を極大としている。

以上のような構造としても、熱式流量センサＳ１に関しては、ヒータ１５ａ、１５ｂはピエゾ抵抗効果による影響をほとんど受けないで済むため、好適な流量検出を行うことが可能となる。また、圧力センサＳ２に関しては、ゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄはピエゾ抵抗効果を十分に発揮して抵抗値を変化させるため、好適に圧力検出を行うことが可能となる。

このようなＰ型シリコンにヒータ１５ａ、１５ｂを形成した場合、図２（ａ）、（ｂ）から分かるようにＮ型シリコンではピエゾ抵抗効果が極小になってもある程度残るが、Ｐ型シリコンではピエゾ抵抗効果をほとんど無しの状態にできるため、よりピエゾ抵抗効果の影響が少ない熱式流量センサＳ１とすることが可能となる。

ただし、このようなセンサ装置１の場合、シリコン基板１０に空洞部１１、１２を形成するに際し、半導体層１４の面方位にシリコン基板１０の面方位を一致させると、エッチングの面方位依存性により、空洞部１１、１２が第２実施形態（図３参照）で示した形状にならない。このため、上述したように、本実施形態では、空洞部１１、１２の形成に関しては第２実施形態に示した形状にできるように、半導体層１４の結晶方向に対してシリコン基板１０の結晶方向を４５度ずらしている。このようにすれば、第２実施形態と同様の手法により、シリコン基板１０に対して空洞部１１、１２を形成することが可能となる。

これにより、空洞部１１、１２の形状、つまりメンブレンの出来映え形状を圧力センサＳ２の形成に適したものとすることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態において、センサ装置１の様々な形態を示したが、ここに記したものは単なる一例であり、各実施形態に示した手法を組み合わせることも可能である。例えば、上記第１実施形態では、半導体層１４のうち熱式流量センサＳ１のヒータ１５ａ、１５ｂが形成される領域をＮ型シリコンとし、圧力センサＳ２のゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄが形成される領域をＰ型シリコンとしている。このような形態に対して、第３実施形態で示したように、半導体層１４の面方位とシリコン基板１０の面方位を４５度ずらすようにしても良い。勿論、第２実施形態に示したように、半導体層１４をすべてＮ型シリコンとする場合において、第３実施形態で示したように、半導体層１４の面方位とシリコン基板１０の面方位を４５度ずらすようにしても良い。

また、上記実施形態では、ヒータ１５ａ、１５ｂは特許文献１の発熱抵抗体と測温抵抗体を兼用した構成であるものを例に挙げて説明したが、発熱抵抗体と測温抵抗体を別体とした構成であっても構わない。

さらに、上記実施形態では、ゲージ抵抗１８ａ〜１８ｄを有した歪センサとして圧力センサＳ２を例に挙げたが、加速度センサに関しても、上記各実施形態と同様に本発明を適用することができる。

また、空洞部１１、１２をシリコン基板１０の裏面１０ｂから表面１０ａまで貫通するように形成したが、予め表面１０ａに凹部を形成しておき、ＳＯＩ層（半導体層１４）を形成するためのシリコン基板の一面に絶縁膜１３を形成した状態で、凹部を形成しておいたシリコン基板１０とＳＯＩ層を形成するためのシリコン基板を貼り合わせるようにすれば、圧力基準室を構成することができるため、このような構造としても構わない。

なお、結晶の方位を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー（−）を付すべきであるが、パソコン出願に基づく表現上の制限が存在するため、本明細書においては、所望の数字の前にバーを付すものとする。

（ａ）は、本発明の第１実施形態を適用したセンサ装置１の概略平面構成を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ線に沿ったセンサ装置１の概略断面構成を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、Ｎ型シリコンとＰ型シリコンにおけるピエゾ抵抗係数と結晶方向の関係を示した相関図である。 （ａ）は、本実施形態を適用したセンサ装置１の概略平面構成を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿ったセンサ装置１の概略断面構成を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、シリコン基板１０の裏面１０ｂからのエッチングを行うときのエッチングマスクとなるシリコン窒化膜２４のレイアウトおよび断面形状を示した図である。 シリコン基板１０の裏面１０ｂからのエッチングを行うときのエッチングシリコン窒化膜２４のレイアウト図である。 （ａ）は、シリコン基板１０の裏面１０ｂからのエッチングを行うときのシリコン窒化膜２４のレイアウト図、（ｂ）は、シリコン基板１０に形成された空洞部１１、１２のレイアウト図である。 （ａ）は、本実施形態を適用したセンサ装置１の概略平面構成を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＣ−Ｃ線に沿ったセンサ装置１の概略断面構成を示す図である。

符号の説明

１…センサ装置、１０…シリコン基板、１０ａ…表面、１０ｂ…裏面、
１０ｃ、１０ｄ…開口部、１１、１２…空洞部、１３…絶縁膜、１４…半導体層、
１５ａ、１５ｂ…ヒータ、１６ａ、１６ｂ…温度計、１７ａ〜１７ｆ…配線層、
１８ａ〜１８ｄ…ゲージ抵抗、１９ａ〜１９ｄ…配線層、２０…絶縁膜、
２１ａ〜２１ｆ…パッド、２２ａ〜２２ｄ…パッド、２３…シリコン窒化膜、
２４…シリコン窒化膜、２４ａ、２４ｂ…開口部、Ｓ１…熱式流量センサ、
Ｓ２…圧力センサ。

Claims (7)

1. 熱式流量センサ（Ｓ１）と歪センサ（Ｓ２）が同一チップに形成された構成とされ、
   前記熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域に形成された第１空洞部（１１）と、前記歪センサ（Ｓ２）の形成領域に形成された第２空洞部（１２）とを有したシリコン基板（１０）と、
   前記シリコン基板（１０）の表面（１０ｂ）側において、前記第１、第２空洞部（１１、１２）を覆うように形成された絶縁膜（１３）と、
   前記絶縁膜（１３）の上において、前記熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域に備えられたヒータ（１５ａ、１５ｂ）および配線層（１７ａ〜１７ｆ）と、前記歪センサ（Ｓ２）の形成領域に備えられたゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）を単結晶シリコンで構成した半導体層（１４）とを有し、
   前記シリコン基板（１０）を支持基板、前記絶縁膜（１３）を埋め込み層、前記半導体層（１４）をＳＯＩ層としたＳＯＩ基板を用いて形成され、前記シリコン基板（１０）における前記第１、第２空洞部（１１、１２）に形成された前記絶縁膜（１３）をメンブレンとして構成されたセンサ装置であって、
   前記半導体層（１４）のうち、前記熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域と前記歪センサ（Ｓ２）の形成領域とで導電型が反転させられており、前記熱式流量センサ（Ｓ１）における前記ヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向と前記歪センサ（Ｓ２）における前記ゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向が同じ方向とされ、かつ、前記熱式流量センサ（Ｓ１）における前記ヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向は前記単結晶シリコンにおけるピエゾ抵抗効果が極小となる結晶方向、前記歪センサ（Ｓ２）における前記ゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向は前記単結晶シリコンにおけるピエゾ抵抗効果が極大となる結晶方向とされていることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記半導体層（１４）のうち、前記熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域はＮ型シリコン、前記歪センサ（Ｓ２）の形成領域はＰ型シリコンとされており、前記熱式流量センサ（Ｓ１）における前記ヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向および前記歪センサ（Ｓ２）における前記ゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向は［０−１１］もしくは［０１１］の結晶方向と一致していることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記シリコン基板（１０）の結晶面方位に対して、前記半導体層（１４）を構成する前記単結晶シリコンの結晶面方位が４５度ずらされていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
4. 熱式流量センサ（Ｓ１）と歪センサ（Ｓ２）が同一チップに形成された構成とされ、
   前記熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域に形成された第１空洞部（１１）と、前記歪センサ（Ｓ２）の形成領域に形成された第２空洞部（１２）とを有したシリコン基板（１０）と、
   前記シリコン基板（１０）の表面（１０ｂ）側において、前記第１、第２空洞部（１１、１２）を覆うように形成された絶縁膜（１３）と、
   前記絶縁膜（１３）の上において、前記熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域に備えられたヒータ（１５ａ、１５ｂ）および配線層（１７ａ〜１７ｆ）と、前記歪センサ（Ｓ２）の形成領域に備えられたゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）を単結晶シリコンで構成した半導体層（１４）とを有し、
   前記シリコン基板（１０）を支持基板、前記絶縁膜（１３）を埋め込み層、前記半導体層（１４）をＳＯＩ層としたＳＯＩ基板を用いて形成され、前記シリコン基板（１０）における前記第１、第２空洞部（１１、１２）に形成された前記絶縁膜（１３）をメンブレンとして構成され、
   前記半導体層（１４）のうち、前記熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域と前記歪センサ（Ｓ２）の形成領域とで導電型が同じにされており、前記熱式流量センサ（Ｓ１）における前記ヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向と前記歪センサ（Ｓ２）における前記ゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向が４５度ずらされ、かつ、前記熱式流量センサ（Ｓ１）における前記ヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向は前記単結晶シリコンにおけるピエゾ抵抗効果が極小となる結晶方向、前記歪センサ（Ｓ２）における前記ゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向は前記単結晶シリコンにおけるピエゾ抵抗効果が極大となる結晶方向とされたセンサ装置の製造方法であって、
   前記シリコン基板（１０）として、厚さ方向の結晶面方位が（１００）面となるものを用い、前記シリコン基板（１０）の裏面（１０ｂ）にエッチングマスク（２４）を配置し、アルカリのエッチング液にて前記第１、第２空洞部（１１、１２）を形成する際に、前記エッチングマスク（２４）のうち前記第１空洞部（１１）を形成するための開口部（２４ａ）を矩形状、前記第２空洞部（１２）を形成するための開口部（２４ｂ）を菱形もしくは十字型として前記第１、第２空洞部（１１、１２）を形成することことを特徴とするセンサ装置の製造方法。
5. 熱式流量センサ（Ｓ１）と歪センサ（Ｓ２）が同一チップに形成された構成とされ、
   前記熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域に形成された第１空洞部（１１）と、前記歪センサ（Ｓ２）の形成領域に形成された第２空洞部（１２）とを有したシリコン基板（１０）と、
   前記シリコン基板（１０）の表面（１０ｂ）側において、前記第１、第２空洞部（１１、１２）を覆うように形成された絶縁膜（１３）と、
   前記絶縁膜（１３）の上において、前記熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域に備えられたヒータ（１５ａ、１５ｂ）および配線層（１７ａ〜１７ｆ）と、前記歪センサ（Ｓ２）の形成領域に備えられたゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）を単結晶シリコンで構成した半導体層（１４）とを有し、
   前記シリコン基板（１０）を支持基板、前記絶縁膜（１３）を埋め込み層、前記半導体層（１４）をＳＯＩ層としたＳＯＩ基板を用いて形成され、前記シリコン基板（１０）における前記第１、第２空洞部（１１、１２）に形成された前記絶縁膜（１３）をメンブレンとして構成され、
   前記半導体層（１４）のうち、前記熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域と前記歪センサ（Ｓ２）の形成領域とで導電型が同じにされており、前記熱式流量センサ（Ｓ１）における前記ヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向と前記歪センサ（Ｓ２）における前記ゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向が４５度ずらされ、かつ、前記熱式流量センサ（Ｓ１）における前記ヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向は前記単結晶シリコンにおけるピエゾ抵抗効果が極小となる結晶方向、前記歪センサ（Ｓ２）における前記ゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向は前記単結晶シリコンにおけるピエゾ抵抗効果が極大となる結晶方向とされたセンサ装置の製造方法であって、
   前記シリコン基板（１０）として、厚さ方向の結晶面方位が（１００）面となるものを用い、前記シリコン基板（１０）の裏面（１０ｂ）にエッチングマスク（２４）を配置し、アルカリに有機溶剤を添加したエッチング液にて前記第１、第２空洞部（１１、１２）を形成する際に、前記エッチングマスク（２４）のうち前記第１空洞部（１１）を形成するための開口部（２４ａ）を矩形状、前記第２空洞部（１２）を形成するための開口部（２４ｂ）を円形として、前記第１、第２空洞部（１１、１２）を形成することを特徴とするセンサ装置の製造方法。
6. 前記シリコン基板（１０）の結晶面方位に対して、前記半導体層（１４）を構成する前記単結晶シリコンの結晶面方位が４５度ずらして配置することを特徴とする請求項４または５に記載のセンサ装置の製造方法。
7. 前記半導体層（１４）のうち、前記熱式流量センサ（Ｓ１）の形成領域はＰ型シリコン、前記歪センサ（Ｓ２）の形成領域はＮ型シリコンとされており、
   前記熱式流量センサ（Ｓ１）における前記ヒータ（１５ａ、１５ｂ）の長手方向および前記歪センサ（Ｓ２）における前記ゲージ抵抗（１８ａ〜１８ｄ）の長手方向は［０１０］の結晶方向と等価な方向と一致しており、
   前記シリコン基板（１０）の結晶面方位に対して、前記半導体層（１４）を構成する前記単結晶シリコンの結晶面方位が４５度ずらされていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
   

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