JP2012202786A - 熱式センサおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 検出部と回路部とを同一基板上に形成した熱式センサにおいて、回路部の保護のための絶縁膜により、ヒータの感度低下、検出部の残留応力の変化による精度悪化等の課題があった。
【解決手段】 発熱抵抗体（２４）上に複数の絶縁膜を含む積層膜（２５―２７）を設け、その上に中間層（２９）を設け、その上に複数の絶縁膜を含む積層膜（３０、３２、３３）を設ける。そして、中間層を窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化チタン、窒化タングステン、またはチタンタングステンのいずれかからなる層とする。係る構成により、中間層をエッチストッパ層として検出部の上部における積層膜（３０、３２、３３）を除去可能になり、これらに起因する感度低下、残留応力の変化等の課題を解決する。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、熱式センサおよびその製造方法に関し、特に、発熱抵抗体を用いる熱式センサおよびその製造方法に関する。
現在、自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられ吸入空気量を測定する空気流量計に用いられる流体流量センサとしては、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流となってきている。
この中で特に半導体マイクロマシンニング技術により製造された熱式空気流量（エアフロー）センサが、コストを低減でき且つ低電力で駆動することができることから注目されてきた。このようなエアフローセンサの従来技術としては、以下の文献がある。例えば、特許文献１には、Si基板を一部異方性エッチングすることにより形成した空洞上に発熱抵抗体（ヒータ）と空気流量を測定する測温抵抗体（センサ）が開示されている。ここで、特許文献１では、ヒータ加熱制御や流量出力の補正等回路は、別基板に作成している。そのため、ワイヤボンディングで空気流量検出基板と回路基板を結線する必要があり、部品点数増加および各組立て後の検査追加による工程増加、組立て不良による歩留まり低下等コスト増加の課題があった。
係る課題を解決する技術として、特許文献２がある。特許文献２には、ＭＯＳトランジスタやダイオード素子から構成された回路部とSi基板を除去したダイヤフラムを有する流量検出部が同一基板上に形成された熱式空気流量計が開示されている。そのため、上述したワイヤボンディング等の結線工程が不要となり、部品を削減することができる。
特開昭６０-１４２２６８号公報 特開２００８-１５７７４２号公報
しかしながら特許文献２においては、回路部と流量検出部の絶縁膜構成が同一となっており、回路部最上層の厚い無機絶縁膜による保護膜が空気流量検出部にも形成されているため、ヒータの熱量が当該保護膜に奪われて減少し感度が低下する課題がある。
また、特許文献２においては、回路部最上層の保護膜が流量検出部の上層にまで位置しているため、流量検出部のヒータを加熱した際に当該保護膜の残留応力が変化し、ヒータおよびセンサの抵抗値が初期値から変化して測定精度を悪化させてしまう課題もある。保護膜はＭＯＳトランジスタとヒータおよびセンサとを接続する配線上であるため、通常４００℃以下の低温で形成した無機絶縁膜が用いられる。このような低温形成の無機絶縁膜は、熱による応力変化が大きいため、上述の残留応力が変化する課題が、特に顕著となる。
以上を踏まえ、本発明の目的は、発熱抵抗部を有する検出部と、発熱抵抗体を制御する制御回路を有する回路部とを同一基板に形成し、かつ高感度、高精度の熱式センサを提供することにある。
本願発明による課題を解決する手段のうち代表的なものを例示すれば、熱式センサであって、半導体基板と、半導体基板の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第１積層膜と、第１積層膜層上に設けられ発熱抵抗体を有する検出部と、半導体基板上に設けられ発熱抵抗体を制御する制御回路を有する回路部と、発熱抵抗体上および制御回路の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第２積層膜と、第２積層膜上に設けられる中間層と、中間層上および制御回路の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第３積層膜と、を有し、中間層は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化チタン、窒化タングステン、またはチタンタングステンのいずれかからなることを特徴とする。
または、熱式センサであって、半導体基板と、半導体基板の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第１積層膜と、第１積層膜上に設けられ発熱抵抗体を有する検出部と、半導体基板上に設けられ発熱抵抗体を制御する制御回路を有する回路部と、発熱抵抗体上および制御回路の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第２積層膜と、第２積層膜上に設けられる中間層と、中間層上のうち検出部の上方を除いた領域に設けられ複数の絶縁膜を含む第３積層膜と、を有することを特徴とする。
あるいは、発熱抵抗体を有する検出部と、発熱抵抗体を制御する制御回路を有する回路部と、を具備する熱式センサの製造方法であって、（ａ）半導体基板の上方に複数の絶縁膜を含む第１積層膜を形成する工程と、（ｂ）第１積層膜上に発熱抵抗体を形成する工程と、（ｃ）半導体基板上に制御回路を形成する工程と、（ｄ）発熱抵抗体上および制御回路の上方に複数の絶縁膜を含む第２積層膜を形成する工程と、（ｅ）第２積層膜上に中間層を形成する工程と、（ｆ）中間層上に複数の絶縁膜を含む第３積層膜を形成する工程と、（ｇ）第３積層膜のうち検出部の上方に位置する部分を、中間層をエッチストッパ層としてエッチングする工程と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、より高感度、高信頼性の熱式センサを提供しうる。
本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの一例を示す要部平面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの要部断面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの半導体基板製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの半導体基板製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの半導体基板製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの半導体基板製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの半導体基板製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの半導体基板製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの半導体基板製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの半導体基板製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの半導体基板製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの半導体基板製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの半導体基板製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１による自動車等の内燃機関の吸気通路に取り付けられた熱式流体流量センサを実装した熱式空気流量計の概略配置図である。 本発明の実施の形態２による熱式流体流量センサの一例を示す半導体基板要部断面図である。 本発明の実施の形態３による熱式流体流量センサの一例を示す半導体基板要部断面図である。 本発明の実施の形態４による熱式流体流量センサの一例を示す半導体基板要部断面図である。 本発明の実施の形態５による熱式流体流量センサの一例を示す要部平面図である。 本発明の実施の形態５による熱式流体流量センサの要部断面図である。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施例においては、特に熱式センサの例として熱式流体流量センサを用いて説明するが、本願発明は、検出部に発熱抵抗体を用いる他のセンサ、例えば湿度センサ等においても、同様に適用しうるものである。
また、以下の実施例において、「上方」とは、半導体基板の表面に垂直な向きのうち、検出部および回路部が形成される向き（絶縁膜等が積層されていく向き）を指している。
実施例１による熱式流体流量センサの要部平面図の一例を図１に示し、図１のＡ-Ａ線における要部断面図を図２に示す。
図１および図２に示すように、リードフレーム１上に搭載された半導体基板２には、流体の流量を検出する空気流量計測部３、ヒータ加熱を制御するＭＯＳトランジスタやダイオードおよびメモリ等を形成した回路部４、および外部への入出力用の電極５が形成されている。前記空気流量計測部３には、裏面Siが除去されたダイヤフラム構造８が設けられている。また、前記電極５とリードフレームの外部端子７とは、ワイヤボンディング６を介して互いに接続されている。回路部４は、これらの電極５および外部端子７を介して、外部から電源供給を受け、外部に対する空気流量の出力を行なっている。なお、前記半導体基板２のうち、空気流量計測部３以外の部分は樹脂モールド９で覆われている。
次に、実施例１における熱式流体流量センサの製造方法の一例を、図３〜図１３を用いて工程順に説明する。図３〜１３は、図２における半導体基板２を詳細に示した要部断面図である。
まず、図３に示すように、単結晶Siからなる半導体基板１０を用意する。続いて、半導体基板１０上に高温の炉体で酸化シリコン膜１１を形成し、ＣＶＤ法を用いて窒化シリコン膜１２を形成した後、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングを行い、絶縁膜１１と絶縁膜１２が除去されている部分を高温で熱酸化する工程により、素子分離のための厚い酸化シリコン膜１３を形成する。このときの酸化シリコン膜１３は３００〜６００nm程度である。次に絶縁膜１１と絶縁膜１２は除去し、再度炉体においてSi基板表面に酸化シリコン膜１４を１５０〜２００nm形成し、続いてＣＶＤ法を用いた窒化シリコン膜１５を１００〜２００nm程度形成し、空気流量検出部のみ前記酸化シリコン膜１４と窒化シリコン膜１５が残るようにフォトリソグラフィ法を用いてパターニングを行なう。
次に、図４に示すように、洗浄後、回路部に相当する領域の基板にインプラでリン、ボロン、または砒素を注入し、拡散層１６を形成する。なお、インプラを必要としない領域は、前記パターニング時に酸化シリコン膜１４と窒化シリコン膜１５が残るようにしておく。
次に、図５に示すように、洗浄により拡散層１６を清浄にした後、炉体による熱酸化工程によりゲート酸化膜１７を形成し、次にポリシリコン膜を形成しフォトリソグラフィ法によるパターニングを行い、ゲート電極１８を形成する。なお、ゲート酸化膜１８の膜厚は、回路特性により異なるが５〜３０nm程度であり、ゲート電極の膜厚は１００〜１５０nm程度である。この後、インプラによるイオン注入を行い、ソース、ドレインとなる拡散層１９を形成する。また、回路特性によりＭＯＳトランジスタの特性を変える場合は、インプラの種類および注入量、ゲート酸化膜厚、ゲート電極材料を変更し、前記ＭＯＳトランジスタの製造方法を繰り返して各特性に合わせたトランジススタを形成する。
次に、図６に示すように、絶縁膜２０を厚く形成し、ＣＭＰ法またはバックエッチ法を用いて絶縁膜２０の平坦化を行なう。なお、絶縁膜２０はボロンまたはリンを含む酸化シリコン膜またはプラズマＣＶＤ法を用いた酸化シリコン膜である。前記平坦化の後、絶縁膜２１および絶縁膜２２を順次形成して積層膜を形成する。なお、絶縁膜２１は、例えばＣＶＤ法を用いた窒化シリコン膜であり、厚さは１００〜２００nm程度であり、絶縁膜２２は、例えばＣＶＤ法を用いた酸化シリコン膜であり、膜厚は１００〜２００nm程度である。なお、絶縁膜１４、１９、２１は残留応力が５０MPa〜２５０MPaの圧縮応力を有する膜であり、絶縁膜１５、２０は７００MPa〜１２００MPaの引張り応力を有する膜である。なお、各工程後、特にＣＶＤ法を用いた酸化シリコン膜、プラズマＣＶＤ法を用いた窒化シリコン膜形成後は、膜の緻密化のため、炉体またはランプ加熱装置において窒素雰囲気中で８５０℃以上、好ましくは１０００℃の熱処理を施すのが良い。また、前述ではＣＭＰ後、絶縁膜２１、絶縁膜２２を形成したが、全体の応力調整により前記絶縁膜２１、絶縁膜２２を形成する工程を削除しても良い。
次に、図７に示すように、回路部のソース、ドレイン１９に接続するためのコンタクト孔、および図７には図示していないがゲート電極１８に接続するためのコンタクト孔を形成し、スパッタ法またはＣＶＤ法による窒化チタン（ＴｉＮ）膜を形成し、続けてＣＶＤ法によるタングステン（Ｗ）膜によりコンタクト孔に金属膜を埋め込み、孔以外の領域はエッチバック法またはＣＭＰ法によりＷ膜を除去して、金属プラグ２３を形成する。この後、流体流量検出部のヒータおよびセンサの金属膜として例えばスパッタリング法でＭｏ（モリブデン）膜を１００〜２５０nm形成する。この際、接着性向上および結晶性向上のため、Ｍｏデポ前にＡｒ（アルゴン）ガスを用いたスパッタエッチング法により下地絶縁膜２２を約５〜２０nmエッチングし、Ｍｏデポ時の基板温度は２００℃〜５００℃で形成する。また、Ｍｏ膜の結晶性をさらに高めるため、Ｍｏ成膜後に炉体またはランプ加熱装置において窒素雰囲気中で８００℃以上、好ましくは１０００℃の熱処理を施すのが良い。次に、フォトリソグラフィ法を用いて、金属膜２４のパターニングを行い、流量検出部のヒータおよびセンサを形成する。なお、前記金属プラグ２３上にも、ヒータおよびセンサと同一の金属膜２４を配置し、前記ヒータ膜２４の加工時に金属プラグ２３がエッチングされないようにする。なお、金属プラグ２３の材料としてＴｉＮとＷの積層を挙げたが、Ｗのみ、またはＰｏｌｙ-Ｓｉであってもよい。また、ヒータおよびセンサの金属膜２４の結晶性を向上させる手段として、下地に窒化アルミ膜(ＡｌＮ)を形成してもよい。前記窒化アルミ膜の膜厚は、２０〜１００nm程度が好ましい。
次に、図８に示したように、複数の絶縁膜を、絶縁膜２５、絶縁膜２６、絶縁膜２７と順次形成して、積層膜を形成する。絶縁膜２５は、例えばＣＶＤ法またはＴＥＯＳ(tetraethoxysilane)を原料としプラズマを用いた低温ＣＶＤ法による酸化シリコン膜であり、膜厚は３００〜５００nm程度である。絶縁膜２６は例えばＣＶＤ法またはプラズマを用いた低温ＣＶＤ法をによる窒化シリコン膜であり、膜厚は１５０〜２００nm程度である。絶縁膜２７は、例えばＣＶＤ法またはＴＥＯＳを原料としプラズマを用いた低温ＣＶＤ法による酸化シリコン膜であり、膜厚は１００〜５００nm程度である。なお、絶縁膜２５、２７は残留応力が５０MPa〜２５０MPaの圧縮応力を有する膜であり、絶縁膜２６は７００MPa〜１４００MPaの引張り応力を有する膜である。絶縁膜２６は、デポによる成膜後、８５０℃以上、好ましくは１０００℃の熱処理を施して所望の引っ張り応力となるように調整する。絶縁膜２５、２７の酸化シリコン膜に関しても同様に、デポによる成膜後、８５０℃以上、好ましくは１０００℃の熱処理を施して所望の圧縮応力になるように調整する。以上の処理は、絶縁膜２５から２７を形成した後に熱処理を一括して行ってもよいが、望ましくは絶縁膜２５の成膜および熱処理を行い、その後絶縁膜２６について同様の処理を行い、その後絶縁膜２７について同様の処理を行う、というように、順次熱処理するのが良い。係る熱処理により、絶縁膜２５〜２７のそれぞれの耐湿性が向上するためである。また、前記熱処理を行なうことにより、絶縁膜２５〜２７のそれぞれが、流量測定時にヒータ加熱を行なっても残留応力が変化しにくい絶縁膜となる。その結果、長時間のヒータ加熱による絶縁膜の抵抗経時変化を抑制することができる。
次に、図９に示すように接続孔をドライエッチ法またはウエットエッチング法等で形成する。その後回路部と流体流量検出部を接続する第１の配線金属膜として例えば厚さ４００〜８００nm程度のＡｌ合金膜の積層膜を形成する。なお、接続孔内に露出した金属膜２４との接触を良好にするため、形成前にＡｒ（アルゴン）ガスによりＭｏ表面をスパッタエッチングしてもよい。さらに、その接触を確実なものとするため、ＴｉＮ膜等のバリア金属膜をＡｌ合金デポ前に形成してバリア膜とＡｌ合金膜の２層膜や、さらにＡｌ膜上にＴｉＮ膜を形成する３層膜など積層膜構造を形成してもよい。その際にバリア金属膜の厚さは、２００nm以下が望ましいまた、バリア金属膜としてＴｉＮ膜を挙げたがＴｉＷ（チタンタングステン）膜、Ｔｉ（チタン）膜およびこれらの積層膜でも良い。次にフォトリソグラフィ法を用いて第１の配線金属膜をパターニングし、ドライエッチ法またはウエットエッチング法により第１の配線２８を形成する。
ここで、図９に示すように、発熱抵抗体として金属膜２４を形成する際に、配線層２８と制御回路１６―１９との間に、発熱抵抗体と同層に設けられる金属膜２４を、さらに形成することができる。配線層２８を形成する際に、コンタクトを取るための孔を絶縁膜２５―２７に対するエッチングにより形成しなくてはならないが、その際に、金属プラグ２３の上部に金属膜２４が形成されていることにより、エッチングによる金属プラグ２３へのダメージを抑えることができるためである。
次に図１０に示すように絶縁膜２９および絶縁膜３０を形成する。なお、絶縁膜２９はこれ以降形成する無機絶縁膜よりもエッチング時の選択比が大きい材料である必要があり、前記無機絶縁膜との選択比が、３０以上、好ましくは５０以上と高い材料が良い。具体的には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜、または酸化アルミニウム（ＡｌＯ）膜や炭化ケイ素（ＳｉＣ）膜等が該当する。ここで、絶縁膜２９の膜厚は、２００ｎｍ以下が望ましい。絶縁膜２９による残留応力の影響を低減するためである。特に望ましくは、２０〜１００nm程度が望ましい。後に絶縁膜２９を除去する際の除去しやすさをも考慮するためである。ここで、上述した絶縁膜２９の選択比とは、無機絶縁膜を除去するためのエッチング（例えばドライエッチング法ならばフッ素系のガスを用いたエッチングを、ウエットエッチング法ならばフッ酸水溶液（例えばフッ酸希釈液）を用いたエッチング）を行う際の選択比を意味する。絶縁膜３０は例えばＣＶＤ法またはＴＥＯＳを原料としプラズマを用いた低温ＣＶＤ法による酸化シリコン膜であり、膜厚は１００〜５００nm程度である。この後、第１の配線または金属膜２４と、後に形成する配線２８との接続孔を、ドライエッチング法またはウエットエッチング法等で形成する。この際、絶縁膜３０に接続孔を形成した後、絶縁膜２９に接続孔を形成する際のエッチングは、絶縁膜２９の除去のため、ドライエッチングであればフッ素系から塩素系にガス種を変更する。また、ウエットエッチングであればフッ酸希釈液からアルカリ系の液（ＫＯＨまたはＴＭＡＨ)にエッチング液を変更する。その後回路部と流体流量検出部を接続する第２の配線金属膜として例えば厚さ４００〜１０００nm程度のＡｌ合金膜の積層膜を形成する。なお、下地第１の配線２８との接触を良好にするため、形成前にＡｒ（アルゴン）ガスにより配線２８表面をスパッタエッチングしてもよい。さらに、その接触を確実なものとするため、ＴｉＮ膜等のバリア金属膜をＡｌ合金デポ前に形成してバリア膜とＡｌ合金膜の２層膜や、さらにＡｌ膜上にＴｉＮ膜を形成する３層膜など積層膜構造を形成してもよい。その際にバリア金属膜の厚さは、２００nm以下が望ましい。また、バリア金属膜としてＴｉＮ膜を挙げたがＴｉＷ（チタンタングステン）膜、Ｔｉ（チタン）膜およびこれらの積層膜でも良い。次にフォトリソグラフィ法を用いて第２の配線金属膜をパターニングし、ドライエッチング法またはウエットエッチング法により第２の配線３１を形成する。
次に、図１１に示すように絶縁膜３２と絶縁膜３３を形成し、積層膜を形成する。絶縁膜３２は例えばＣＶＤ法またはＴＥＯＳを原料としプラズマを用いた低温ＣＶＤ法による酸化シリコン膜であり、膜厚は３００〜８００nm程度である。絶縁膜３３は例えばＣＶＤ法またはプラズマを用いた低温ＣＶＤ法による窒化シリコン膜であり、樹脂モールド成型時のフィラーによるトランジスタおよび配線へのダメージを抑え、且つ外部からの水分透過による配線の腐食防止のため、膜厚は８００〜１２００nm程度と厚く形成する。
次に、図１２に示すようにフォトリソグラフィ法を用いてパターニングを行い、外部との接続のための電極３４（配線３１のうち、上層の絶縁膜３２、３３が除去されパッドを形成している部分を指す。以下同様）上の絶縁膜３３と絶縁膜３２をドライエッチングにより除去する。この時、流量検出部の上方の絶縁膜３３、絶縁膜３２および絶縁膜３０もドライエッチングにより除去し、開口部３５を形成する。なお、流量検出する部分は絶縁膜２９がドライエッチングのエッチストッパ層となるため、これより下層の残留応力を制御した絶縁膜は前記ドライエッチングのオーバーエッチングおよび面内分布の影響を受けることが無く、設計した膜厚、および残留応力範囲内に制御して形成することが可能でなる。
次に、図１３に示すように有機保護膜３６として例えばポリイミド膜を形成し、フォトリソグラフィ法を用いて、少なくとも外部との接続のための電極３４および空気流量検出部３７のポリイミド膜を除去した形状にする。次に、半導体基板１０の裏面にフォトリソグラフィ法によりレジストパターンを形成し、裏面に形成されている絶縁膜１４、１５をドライエッチング法またはウエットエッチング法により除去した後、残された絶縁膜１４、１５をマスクに裏面Si基板をＫＯＨ（水酸化カリウム）またはＴＭＡＨ等またはこれらを主成分とする水溶液でウエットエッチングし、ダイヤフラム３８を形成する。なお、ダイヤフラム３８は保護膜３６の流量検出部３７より大きく設計される。好ましくは、ダイヤフラム３８のそれぞれの辺は、保護膜３６の流量検出部３７のそれぞれの辺より約５０μm以上大きく形成する。保護膜３６のうち、ダイヤフラム３８の外周より内側の部分に、外部からの空気に混ざったダストからダイヤフラムを守る効果があるためである。このダイヤフラム３８を構成する無機絶縁膜の総膜厚は１.５μm〜２.５μmが望ましい。これより薄い場合はダイヤフラム３８の強度が低下し、自動車の吸気に含まれるダスト衝突などで破壊する確率が高くなるためである。
なお、前記ヒータおよびセンサの金属膜２４をＭｏにより構成された熱式流体流量センサに関して説明したが、例えばα-Ｔａ（アルファタンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｚｒ（ジルコニウム）を主成分とする金属膜、またはＴａＮ（窒化タンタル）、ＭｏＮ（窒化モリブデン)、ＷＮ（窒化タングステン）などの金属窒化化合物およびＭＯＳｉ(モリブデンシリサイド)、ＣｏＳｉ（コバルトシリサイド）、ＮｉＳｉ(ニッケルシリサイド)などの金属シリサイド化合物、多結晶シリコンに不純物として燐またはボロンをドーピングした膜でもよい。
以上を踏まえると、本実施例に係る熱式センサの製造方法の特徴は以下の通りである。すなわち、発熱抵抗体を有する検出部（３）と、発熱抵抗体を制御する制御回路を有する回路部（４）と、を具備する熱式センサの製造方法であって、（ａ）半導体基板の上方に複数の絶縁膜を含む第１積層膜（２０―２２）を形成する工程と、（ｂ）第１積層膜上に、発熱抵抗体（２４）を形成する工程と、（ｃ）半導体基板上に、制御回路（１６―１９）を形成する工程と、（ｄ）発熱抵抗体上および制御回路の上方に、複数の絶縁膜を含む第２積層膜（２５―２７）を形成する工程と、（ｅ）第２積層膜上に、中間層（２９）を形成する工程と、（ｆ）中間層上に、複数の絶縁膜を含む第３積層膜（３０、３２、３３）を形成する工程と、（ｇ）第３積層膜のうち検出部の上方に位置する部分（３５）を、中間層をエッチストッパ層としてエッチングする工程（図１２）と、を有することを特徴とする。
また、本実施例に係る発明の特徴を、熱式センサの構造面に着目すると次のようになる（図１３）。すなわち、熱式センサであって、半導体基板と、半導体基板の上方に設けられ、複数の絶縁膜を含む第１積層膜と、第１積層膜上に設けられ発熱抵抗体を有する検出部と、半導体基板上に設けられ発熱抵抗体を制御する制御回路を有する回路部と、発熱抵抗体上および制御回路の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第２積層膜と、第２積層膜上に設けられる中間層と、中間層上のうち検出部の上方を除いた領域に設けられ複数の絶縁膜を含む第３積層膜と、を有することを特徴とする。
係る熱式センサ、およびその製造方法は、以下の効果を奏する。すなわち、回路部においては、積層膜３０、３２および３３による配線の保護および耐湿性の向上を実現する。同時に、検出部においては、当該積層膜が除去されているため、積層膜２０―２２および積層膜２５―２７によって設計された所望の残留応力となり、かつ積層膜３０、３２および３３を介してヒータの熱量が奪われることも無いため、ヒータの精度向上を実現する。
次に、上述の工程（ｅ）において、特に中間層を窒化アルミニウム、酸化アルミウム、炭化ケイ素、のいずれかとすることをさらなる特徴とする。
また、係る発明の特徴を、熱式センサの構造面に着目すると次のようになる。すなわち、熱式センサであって、半導体基板と、半導体基板の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第１積層膜と、第１積層膜上に設けられ発熱抵抗体を有する検出部と、半導体基板上に設けられ発熱抵抗体を制御する制御回路を有する回路部と、発熱抵抗体上および制御回路の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第２積層膜と、第２積層膜上に設けられる中間層と、中間層上かつ制御回路の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第３積層膜と、を有し、中間層は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、または炭化ケイ素のいずれかからなることを特徴とする。
これらの材料は、積層膜をなす絶縁膜３０、３２および３３を構成する材料（例えば、酸化シリコン、窒化シリコン）よりも、フッ素系ドライエッチングまたはフッ酸水溶液によるウエットエッチングにおける選択比が大きく、積層膜に対するエッチストッパ層として有効に機能するためである。
また、ダイヤフラム３８より開口部３５は大きい関係にある。すなわち、積層膜３０、３２および３３は、ダイヤフラム３８よりも大きい面積となるよう除去され、開口部３５が形成される。これは、ダイヤフラム３８の上部に積層膜３０、３２および３３が残存することにより、検出部３の残留応力が変化することを防止するためである。
図１４は、本発明の実施形態１による自動車等の内燃機関の吸気通路に取り付けられた熱式流体流量センサを実装した熱式空気流量計の概略配置図である。熱式空気流量計４４は、熱式流体流量センサである測定素子１と、支持体４２と、外部と測定素子１とを電気的に接続する連結部４３とから構成され、測定素子１は、空気通路４０の内部にある副通路４１に配置される。吸気空気４５は、内燃機関の条件によって、図１４の矢印で示された空気流の方向、またはこれとは逆の方向に流れる。
実施例２に係る熱式流量センサは、実施例１のものと比較して、エッチストッパ層となる絶縁膜２９が流量検出部３６の最上層から除去された構造となっている点が異なる。
図１５は、実施例２による熱式流体流量センサの一例であり、半導体基板２の要部断面図を示している。実施例２に係る熱式流量センサは、実施例１によるものと共通するものが多いため、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、実施例１に示した要素と同一の要素には、同一の符号を用いる。
実施例１では、流量検出部３７の最上層にはエッチストッパ層となる絶縁膜２９が残した構造であるが、前記絶縁膜２９の膜厚が厚く流量検出部３７全体の応力バランスが崩れる場合には、本実施の形態２に示したように、有機保護膜３６をマスクとして前記絶縁膜２９が除去されることを特徴としている。この構造にすることで、流量検出部３７の残留応力が制御でき信頼性向上の効果がある。ここで、絶縁膜２９の除去の工程は、ドライエッチングでは塩素系のガスを、ウエットエッチングであればアルカリ系の液（ＫＯＨまたはＴＭＡＨ）を用いたエッチングにより行う。また、実施例１において述べた、第１の配線または金属膜２４と配線２８との接続孔を形成する工程においても、絶縁膜２９を除去することとなるが、当該工程においてさらに流量検出部３７の上方の絶縁膜２９も除去することで、工程数を削減することができる。
なお、実施の形態２では有機保護膜３６をマスクとしたが、有機保護膜３６を形成する前、即ち絶縁膜３３、絶縁膜３２、絶縁膜３０をドライエッチにより除去して開口部３５を加工した後、連続して前記エッチストッパ層となる絶縁膜２９を除去しても実施の形態２と同様の効果が得られる。
実施例３では、エッチストッパ層に金属膜を採用した構造となっている。
図１６は、実施例３による熱式流体流量センサの一例であり、半導体基板２の要部断面図を示している。実施例３に係る熱式流量センサは、実施例１によるものと共通するものが多いため、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、実施例１に示した要素と同一の要素には、同一の符号を用いる。
実施例１ではエッチストッパ層となる絶縁膜２９を用いたが、実施例３では、前記絶縁膜の代わりにエッチストッパ層となる金属膜３９を形成している。図１６では特に、実施例２と同様、流量検出部３７の最上層からエッチストッパ層となる金属膜３９が除去された構造を示しているが、実施例１と同様に流量検出部３７の最上層の金属膜３９を残す構造も可能である。
前記ストッパとなる金属膜３９は、窒化チタン(ＴｉＮ)、窒化タングステン(ＷＮ)、チタンタングステン(ＴｉＷ)等の前記第１の配線２８に用いたバリア膜を活用してＡｌ膜を加工後、再度フォトリソグラフィ法を用いて、流量検出部３７やダイヤフラム３８より広い面積を覆うようにパターニングを行い当該Ａｌ膜から金属膜３９となる部分を残したものである。その際、実施例１および２との相違点として、配線２８のそれぞれの上層には金属膜３９を残していない点がある。係る位置に金属膜３９を残しておくと、配線２８間で互いに導通してしまうためである。
この後、実施例１と同様に工程を進め、絶縁膜３３、絶縁膜３２、および絶縁膜３０をドライエッチングすることにより開口部３５を加工した後、有機保護膜３６を形成およびパターニングすることで、実施例１と同様の効果が得られる。さらに、その後にエッチストッパ層となる金属膜３９を除去することで、実施例２と同様の効果が得られる。
以上をまとめると、本実施例に係る熱式センサの製造方法は、上述した実施例１の工程（ｅ）において、特に中間層を窒化チタン、窒化タングステン、チタンタングステン、のいずれかとすることを特徴とする。
また、係る発明の特徴を、熱式センサの構造面に着目すると次のようになる。すなわち、熱式センサであって、半導体基板と、半導体基板の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第１積層膜と、第１積層膜上に設けられ発熱抵抗体を有する検出部と、半導体基板上に設けられ発熱抵抗体を制御する制御回路を有する回路部と、発熱抵抗体上および制御回路の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第２積層膜と、第２積層膜上に設けられる中間層と、中間層上かつ制御回路の上方に設けられ複数の絶縁膜を含む第３積層膜と、を有し、中間層は、窒化チタン、窒化タングステン、またはチタンタングステンのいずれかからなることを特徴とする。
これらの材料は、前述の窒化アルミニウム等の絶縁膜と同様に、積層膜３０、３２に対するエッチストッパ層として有効に機能するためである。
なお、前述では有機保護膜３６をマスクとしたが、有機保護膜３６を形成する前、即ち絶縁膜３３、絶縁膜３２、絶縁膜３０をドライエッチングにより開口部３５を加工した後、連続して前記エッチストッパ層となる金属膜３９を除去しても実施例２と同様の効果が得られる。
本実施例４では、ヒータおよびセンサを形成する金属膜と同層の金属膜２４を回路部の配線として用いた構造となっている。
図１７は、実施例４による熱式流体流量センサの一例であり、半導体基板２の要部断面図を示している。実施例４に係る熱式流量センサは、実施の形態１によるものと共通するものが多いため、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、実施例１に示した要素と同一の要素には、同一の符号を用いる。
実施例１では、流量検出部３と回路部４の接続、および回路部内の接続のため第１の配線２８を用い、回路部内の配線および外部との接続のための電極５を第２の配線３１を用いているが、本実施の形態４では回路部内の配線をヒータおよびセンサに用いている金属膜２４を配線層として用い、図１３で示した第２の配線層３１を割愛し、外部との電極３４を第１の配線２８とした構造となっている。係る電極３４は、上述した開口部３５（工程（ｇ））と同時に形成される。
すなわち、本実施例に係る熱式センサの製造方法の特徴は、上述した実施例１の工程（ｆ）の前に発熱抵抗体と制御回路とを接続する配線層（２８）を形成する工程（ｉ）をさらに有し、工程（ｇ）において第３積層膜のうち配線層の上方に位置する部分をさらにエッチングすることを特徴とするものである。
また、係る発明の特徴を、熱式センサの構造面に着目すると次のようになる。すなわち、熱式センサであって、発熱抵抗体と制御回路とを接続する配線層をさらに有し、制御回路と熱式センサの外部とを接続する電極が配線層上に形成されることを特徴とするものである。
係る構造とすることで、実施例１と同様の効果が得られると共に、電極３４の形成を開口部３５の形成と同時に行うことが可能となるため、製造工程を削減しコスト低減を図ることができる。
図１８は、本実施例５による熱式流体流量センサの一例であり、図１９は、図１８のＢ-Ｂ線における要部断面図である。実施例５に係る熱式流量センサは、実施例１によるものと共通するものが多いため、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、実施例１に示した要素と同一の要素には、同一の符号を用いる。
本実施例５は、リードフレーム１上に搭載された半導体基板２、および外部への入出力用の電極５とリードフレームの外部端子７へのワイヤボンディング６による接続は実施例１と同様であるが、樹脂モールド９の覆い方に特徴がある。本実施例では少なくともリードフレーム１が全て樹脂モールド９で覆われ、且つ半導体基板２の流量検出部３の少なくともダイヤフラム８を含む領域が露出しており、且つ空気が流れる方向に沿って溝４７が形成されている構造となっている。この溝４７上に他の部材で蓋（図示しない）を設置することで空気の流路を簡単に且つ精度良く形成することができる。また、空気流量測定に重要な空気流量の調整を樹脂モールド９の厚みを変えることや、溝47の形状、または前記蓋の形状等を変えることにより簡単に行なうことができるため、組立工程を簡素化することができコスト低減を図ることができる。
なお、樹脂モールドが接触する半導体基板２の構造は少なくとも、有機保護膜３６、絶縁膜３３、絶縁膜３２が下層に形成されており、樹脂モールド成型時のフィラーによる衝撃から守られている。
また、本実施例では流量検出部と回路部を同一基板に形成する例を挙げたが、同一基板上に、例えば湿度センサ、圧力センサ等他のセンサを形成した複合センサにも適用できる。
１ 熱式流体流量センサ
２ 半導体基板
３ 空気流量計測部
４ 回路部
５ 電極
６ ワイヤボンディング
７ 外部端子
８ ダイヤフラム
９ 樹脂モールド
１０ 半導体基板
１１、１３、１４ 酸化シリコン膜
１２、１５ 窒化シリコン膜
１６、 拡散層
１７、 ゲート酸化膜
１８、 ゲート電極
１９、 拡散層
２０、 酸化シリコン膜
２１、 窒化シリコン膜
２２、 酸化シリコン膜
２３、 金属プラグ
２４、 金属膜
２５、２７、３２ 酸化シリコン膜
２６、 窒化シリコン膜
２８、 第１の配線層
２９ エッチストッパ層
３０ 酸化シリコン膜
３１ 第２の配線層
３３ 窒化シリコン膜
３４ 電極
３５ 開口部
３６ 有機保護膜
３７ 流量検出部
３８ ダイヤフラム
３９ エッチストッパ層
４０ 空気流量センサ
４１ 空気通路
４２ 副通路
４３ 支持体
４４ 連結部
４５ 空気流量計
４６ 吸気空気
４７ 溝

Claims (15)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上方に設けられ、複数の絶縁膜を含む第１積層膜と、
    前記第１積層膜層上に設けられ、発熱抵抗体を有する検出部と、
    前記半導体基板上に設けられ、前記発熱抵抗体を制御する制御回路を有する回路部と、
    前記発熱抵抗体上および前記制御回路の上方に設けられ、複数の絶縁膜を含む第２積層膜と、
    前記第２積層膜上に設けられる中間層と、
    前記中間層上および前記制御回路の上方に設けられ、複数の絶縁膜を含む第３積層膜と、を有し、
    前記中間層は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化チタン、窒化タングステン、またはチタンタングステンのいずれかからなることを特徴とする熱式センサ。
  2. 請求項１において、
    前記中間層は、前記検出部の上方には設けられず、かつ、前記制御回路の上方に設けられることを特徴とする熱式センサ。
  3. 請求項１において、
    前記中間層は、前記検出部の上方および前記制御回路の上方に設けられることを特徴とする熱式センサ。
  4. 請求項１において、
    前記発熱抵抗体と前記制御回路とを接続する配線層をさらに有し、
    前記配線層と前記制御回路とは、前記発熱抵抗体と同層に設けられる金属層を介して導通することを特徴とする熱式センサ。
  5. 請求項１において、
    前記発熱抵抗体と前記制御回路とを接続する配線層をさらに有し、
    前記制御回路と前記熱式センサの外部とを接続する電極は、前記配線層上に形成されることを特徴とする熱式センサ。
  6. 請求項１において、
    前記中間層の膜厚は、２００ｎｍ以下であることを特徴とする熱式センサ。
  7. 請求項６において、
    前記中間層の膜厚は、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする熱式センサ。
  8. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上方に設けられ、複数の絶縁膜を含む第１積層膜と、
    前記第１積層膜上に設けられ、発熱抵抗体を有する検出部と、
    前記半導体基板上に設けられ、前記発熱抵抗体を制御する制御回路を有する回路部と、
    前記発熱抵抗体上および前記制御回路の上方に設けられ、複数の絶縁膜を含む第２積層膜と、
    前記第２積層膜上に設けられる中間層と、
    前記中間層上のうち前記検出部の上方を除いた領域に設けられ、複数の絶縁膜を含む第３積層膜と、を有することを特徴とする熱式センサ。
  9. 請求項８において、
    前記中間層は、前記検出部の上方には設けられず、かつ、前記制御回路の上方に設けられることを特徴とする熱式センサ。
  10. 請求項８において、
    前記中間層は、フッ素系ガスによるドライエッチングまたはフッ酸水溶液によるウエットエッチングにおける選択比が前記第３積層膜に含まれるどの絶縁膜よりも大きい材料からなることを特徴とする熱式センサ。
  11. 発熱抵抗体を有する検出部と、前記発熱抵抗体を制御する制御回路を有する回路部と、を具備する熱式センサの製造方法であって、
    （ａ）半導体基板の上方に、複数の絶縁膜を含む第１積層膜を形成する工程と、
    （ｂ）前記第１積層膜上に、前記発熱抵抗体を形成する工程と、
    （ｃ）前記半導体基板上に、前記制御回路を形成する工程と、
    （ｄ）前記発熱抵抗体上および前記制御回路の上方に、複数の絶縁膜を含む第２積層膜を形成する工程と、
    （ｅ）前記第２積層膜上に、中間層を形成する工程と、
    （ｆ）前記中間層上に、複数の絶縁膜を含む第３積層膜を形成する工程と、
    （ｇ）前記第３積層膜のうち前記検出部の上方に位置する部分を、前記中間層をエッチストッパ層としてエッチングする工程と、
    を有することを特徴とする熱式センサの製造方法。
  12. 請求項１１において、
    前記工程（ｅ）において、前記中間層を、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化チタン、窒化タングステン、チタンタングステンのいずれかで形成することを特徴とする熱式センサの製造方法。
  13. 請求項１１において、
    （ｈ）前記工程（ｇ）の後に、前記中間層のうち前記検出部の上方に位置する部分をエッチングする工程を、さらに有することを特徴とする熱式センサの製造方法。
  14. 請求項１１において、
    （ｉ）前記工程（ｆ）の前に、前記発熱抵抗体と前記制御回路とを接続する配線層を形成する工程を、さらに有し、
    前記工程（ｂ）において、前記配線層と前記制御回路とを接続する金属層を、さらに形成することを特徴とする熱式センサの製造方法。
  15. 請求項１１において、
    （ｉ）前記工程（ｆ）の前に、前記発熱抵抗体と前記制御回路とを接続する配線層を形成する工程を、さらに有し、
    前記工程（ｇ）において、前記第３積層膜のうち前記配線層の上方に位置する部分を、さらにエッチングすることを特徴とする熱式センサの製造方法。
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