JP2014016177A - Heater structure of sensor - Google Patents

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浩司 境
Ryosuke Meshii
良介 飯井
Daisuke Wakabayashi
大介 若林
Kiyotaka Yamada
清高 山田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heater structure of a sensor which further suppresses the separation of a heater part and occurrence of cracks and further enhances a long-term reliability.SOLUTION: In a heater structure of a sensor in which a heater part 5 is formed in insulating layers (a first insulating layer 3 and second insulating layer 4) formed on a semiconductor substrate 2, a thermal stress relaxing layer 6 which has a thermal expansion coefficient between the heater part 5 and the insulating layers 3 and 4 and is formed of a material having a higher thermal transmission ratio than the insulating layers 3 and 4, is arranged in contact with the heater part 5.

Description

本発明は、センサのヒータ構造に関する。   The present invention relates to a sensor heater structure.

従来より、一般的なセンサのヒータ構造として、半導体基板に形成された絶縁層に、ヒータ部(マイクロヒータ)を形成したものが知られている(例えば、特許文献1)。   2. Description of the Related Art Conventionally, as a general sensor heater structure, a heater portion (micro heater) formed on an insulating layer formed on a semiconductor substrate is known (for example, Patent Document 1).

この場合、白金から成るヒータ部とシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などから成る絶縁層の熱膨張係数の差が大きいため、ヒータ部を加熱した際に、ヒータ部と絶縁層との境界面に大きな応力が発生してしまうという問題があった。また、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などから成る絶縁層は熱伝導率が低いため、ヒータ部を急激に加熱した際に、ヒータ部の熱が偏在することで絶縁層にも大きな温度差が生じ、局所的な熱応力が発生してしまうという問題もある。このように、ヒータ部と絶縁層との間に大きな熱応力が発生してしまうと、ヒータ部の剥離やクラックの発生の原因となり、センサの長期的な信頼性を損ねてしまう虞があった。   In this case, since the difference in thermal expansion coefficient between the heater portion made of platinum and the insulating layer made of silicon oxide film, silicon nitride film, etc. is large, the boundary between the heater portion and the insulating layer is large when the heater portion is heated. There was a problem that stress was generated. Insulating layers made of silicon oxide film, silicon nitride film, etc. have low thermal conductivity, so when the heater part is heated suddenly, the heat of the heater part is unevenly distributed, resulting in a large temperature difference in the insulating layer. There is also a problem that local thermal stress is generated. Thus, if a large thermal stress is generated between the heater part and the insulating layer, the heater part may be peeled off or cracks may be generated, and the long-term reliability of the sensor may be impaired. .

そこで、ヒータ部と絶縁層の間の熱膨張係数となる酸化ハフニウム層(熱応力緩和層)を、ヒータ部と接触させて設けることで、ヒータ部と絶縁層との間で生じる熱応力を緩和し、ヒータ部の剥離やクラックの発生を抑制できるようにしたものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。   Therefore, by providing a hafnium oxide layer (thermal stress relaxation layer) that has a thermal expansion coefficient between the heater part and the insulating layer in contact with the heater part, thermal stress generated between the heater part and the insulating layer is reduced. However, there has been proposed one that can suppress the peeling and cracking of the heater portion (see, for example, Patent Document 2).

特開2007−132762号公報JP 2007-132762 A 特開2001−091486号公報JP 2001-091486 A

しかしながら、上記従来技術(特許文献2)にあっては、熱膨張係数の差による熱応力の問題は解決することができるものの、酸化ハフニウム層は熱伝導率が低い材料であるため、熱伝導率による熱応力の問題は以前として解決できていないという問題があった。   However, in the above prior art (Patent Document 2), although the problem of thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient can be solved, the hafnium oxide layer is a material having a low thermal conductivity. There was a problem that the problem of thermal stress due to was not solved as before.

そこで、本発明は、ヒータ部の剥離やクラックの発生をより抑制でき、長期的な信頼性をより高めることのできるセンサのヒータ構造を得ることを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to obtain a sensor heater structure that can further suppress the occurrence of peeling and cracking of the heater portion and can further improve long-term reliability.

上記目的を達成するために、本発明の第1の特徴は、半導体基板に形成された絶縁層にヒータ部が形成されたセンサのヒータ構造において、前記ヒータ部と前記絶縁層との間の熱膨張係数で且つ前記絶縁層よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層を、前記ヒータ部と接触させて配置したことを要旨とする。   In order to achieve the above object, a first feature of the present invention is that in a heater structure of a sensor in which a heater portion is formed on an insulating layer formed on a semiconductor substrate, heat between the heater portion and the insulating layer is obtained. The gist is that a thermal stress relaxation layer formed of a material having an expansion coefficient and higher thermal conductivity than the insulating layer is disposed in contact with the heater portion.

本発明の第2の特徴は、前記熱応力緩和層は、前記半導体基板に形成されたダイヤフラムの投影面内に収まるように配置されていることを要旨とする。   The gist of the second feature of the present invention is that the thermal stress relaxation layer is disposed so as to be within a projection plane of a diaphragm formed on the semiconductor substrate.

本発明の第3の特徴は、前記絶縁層は、厚さの異なる第1の絶縁層および第2の絶縁層から成る二層構造となっており、前記熱応力緩和層は、前記第1の絶縁層および第2の絶縁層のうちの薄い層側に設けられていることを要旨とする。   According to a third feature of the present invention, the insulating layer has a two-layer structure including a first insulating layer and a second insulating layer having different thicknesses, and the thermal stress relaxation layer includes the first insulating layer. The gist is that it is provided on the thin layer side of the insulating layer and the second insulating layer.

本発明の第4の特徴は、前記熱応力緩和層は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイヤモンドライクカーボンおよび炭化ケイ素のうち何れか1つの絶縁性材料または何れか1つの絶縁性材料を含有した複合材料で形成されていることを要旨とする。   According to a fourth aspect of the present invention, the thermal stress relaxation layer includes any one insulating material of aluminum nitride, boron nitride, diamond-like carbon, and silicon carbide, or a composite material containing any one insulating material. The gist is that it is formed.

本発明の第5の特徴は、前記ヒータ部は、前記半導体基板上に並設して複数設けられており、前記熱応力緩和層は、各ヒータ部の所定の領域ごとに分離して配置されていることを要旨とする。   A fifth feature of the present invention is that a plurality of the heater parts are provided side by side on the semiconductor substrate, and the thermal stress relaxation layer is arranged separately for each predetermined region of each heater part. It is a summary.

本発明によれば、ヒータ部と絶縁層との間の熱膨張係数で且つ絶縁層よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層をヒータ部と接触させて配置している。そのため、熱膨張係数の差による熱応力を緩和することができるとともに、熱応力緩和層により高い熱伝導率を持たせることで熱応力が局所的に大きくなってしまうのを抑制することができる。よって、ヒータ部の剥離やクラックの発生をより抑制することができるようになり、長期的な信頼性をより高めることのできるセンサのヒータ構造を得ることができる。   According to the present invention, the thermal stress relaxation layer formed of a material having a thermal expansion coefficient between the heater portion and the insulating layer and having a higher thermal conductivity than the insulating layer is disposed in contact with the heater portion. Therefore, it is possible to relieve the thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient, and it is possible to prevent the thermal stress from locally increasing by giving the thermal stress relaxation layer a higher thermal conductivity. Therefore, it becomes possible to further suppress the occurrence of peeling and cracking of the heater portion, and it is possible to obtain a sensor heater structure that can further improve long-term reliability.

本発明の第1実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した平面図である。It is the top view which showed the heater structure of the sensor concerning 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the heater structure of the sensor concerning 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態にかかるセンサのヒータ構造の熱応力緩和層を構成する絶縁性材料の説明図であって、(a)は白金とシリコン酸化膜の線膨張係数、熱伝導率および抵抗率を示した図、(b)は熱応力緩和層の物性値の目安を示した図、(c)は窒化アルミニウムと窒化ホウ素とダイヤモンドライクカーボンと炭化ケイ素の線膨張係数、熱伝導率および抵抗率を示した図である。It is explanatory drawing of the insulating material which comprises the thermal stress relaxation layer of the heater structure of the sensor concerning 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a linear expansion coefficient, thermal conductivity, and resistance of platinum and a silicon oxide film. (B) is a diagram showing the physical property values of the thermal stress relaxation layer, (c) is the linear expansion coefficient, thermal conductivity and resistance of aluminum nitride, boron nitride, diamond-like carbon and silicon carbide. It is the figure which showed the rate. 本発明の第1実施形態にかかるセンサのヒータ構造の作成工程を(a)〜(d)の順に追って説明した図である。It is the figure explaining the creation process of the heater structure of the sensor concerning 1st Embodiment of this invention later on in order of (a)-(d). 本発明の第1実施形態にかかるセンサのヒータ構造の作成工程を(e)〜(h)の順に追って説明した図である。It is the figure which followed the preparation process of the heater structure of the sensor concerning 1st Embodiment of this invention later on in order of (e)-(h). 本発明の第2実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した平面図である。It is the top view which showed the heater structure of the sensor concerning 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the heater structure of the sensor concerning 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the heater structure of the sensor concerning 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態にかかるセンサのヒータ構造の変形例を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the modification of the heater structure of the sensor concerning 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した平面図である。It is the top view which showed the heater structure of the sensor concerning 4th Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明のセンサのヒータ構造は、例えば流量センサ、気体流量センサ、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサなどの加熱を必要とするすべてのセンサに適用することができるものである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The heater structure of the sensor of the present invention can be applied to all sensors that require heating, such as a flow sensor, a gas flow sensor, a temperature sensor, a humidity sensor, and a gas sensor.

[第1実施形態]
図1〜図4は、本発明の第1実施形態にかかるセンサのヒータ構造を示した図である。
[First embodiment]
1 to 4 are diagrams showing a heater structure of a sensor according to the first embodiment of the present invention.

図1および図2に示すように、本実施形態のセンサチップ1は、半導体基板2と、半導体基板2に積層された2層構造の第1の絶縁層3および第2の絶縁層4と、第1の絶縁層3と第2の絶縁層4との間に形成されたヒータ部5とを少なくとも備えている。そして、例えばセンサチップ1が流量センサとして構成される場合には、ヒータ部5の両脇に感温抵抗(感熱素子)が並設して設けられるとともに、センサチップ1がガスセンサとして構成される場合には、第2の絶縁層4上にガス感応層が設けられる。   As shown in FIGS. 1 and 2, the sensor chip 1 of the present embodiment includes a semiconductor substrate 2, a first insulating layer 3 and a second insulating layer 4 having a two-layer structure stacked on the semiconductor substrate 2, At least a heater portion 5 formed between the first insulating layer 3 and the second insulating layer 4 is provided. For example, when the sensor chip 1 is configured as a flow rate sensor, a temperature-sensitive resistor (thermal element) is provided in parallel on both sides of the heater unit 5 and the sensor chip 1 is configured as a gas sensor. A gas sensitive layer is provided on the second insulating layer 4.

本実施形態では、第1の絶縁層3および第2の絶縁層4はシリコン酸化膜(SiO2)で形成されており、ヒータ部5は白金(Pt)で形成されている。   In the present embodiment, the first insulating layer 3 and the second insulating layer 4 are formed of a silicon oxide film (SiO 2), and the heater unit 5 is formed of platinum (Pt).

ここで、本実施形態では、ヒータ部5と絶縁層(第1の絶縁層3および第2の絶縁層4)との間の熱膨張係数で且つ絶縁層3、4よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層6を、ヒータ部5と接触させて配置するようにしている。   Here, in this embodiment, the thermal expansion coefficient between the heater unit 5 and the insulating layer (the first insulating layer 3 and the second insulating layer 4) is higher than that of the insulating layers 3 and 4. The thermal stress relaxation layer 6 formed of a material is arranged in contact with the heater unit 5.

具体的には、図1および図2に示すように、本実施形態では、熱応力緩和層6がヒータ部5の上下両面に形成されており、ヒータ部5の所定の領域となる電極部52を除く蛇腹状の密集部51を少なくとも覆うように成膜されている。   Specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, in the present embodiment, the thermal stress relaxation layers 6 are formed on the upper and lower surfaces of the heater unit 5, and the electrode unit 52 serving as a predetermined region of the heater unit 5. The film is formed so as to cover at least the bellows-like dense portion 51 except for the above.

また、図3(a)に示すように、白金(Pt)とシリコン酸化膜(SiO2)の線膨張係数、熱伝導率および抵抗率から、本実施形態では一例として、図3(b)に示す物性値を熱応力緩和層6の目安としている。そして、図3(c)に示すように、本実施形態では熱応力緩和層6を、窒化アルミニウム(AIN)、窒化ホウ素(BN)、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)および炭化ケイ素(SiC)のうち何れか1つの絶縁性材料で形成するようにしている。   Further, as shown in FIG. 3A, from the linear expansion coefficient, thermal conductivity, and resistivity of platinum (Pt) and silicon oxide film (SiO 2), as shown in FIG. 3B as an example in this embodiment. The physical property value is used as a standard for the thermal stress relaxation layer 6. As shown in FIG. 3C, in this embodiment, the thermal stress relaxation layer 6 is made of any one of aluminum nitride (AIN), boron nitride (BN), diamond-like carbon (DLC), and silicon carbide (SiC). Or a single insulating material.

なお、本実施形態では、図3(b)に示す物性値を熱応力緩和層6の目安としたが、これに限定されない。また、熱応力緩和層6は、窒化アルミニウム(AIN)、窒化ホウ素(BN)、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)および炭化ケイ素(SiC)のうち何れか1つの絶縁性材料を含有した複合材料で形成されていてもよい。   In the present embodiment, the physical property values shown in FIG. 3B are used as references for the thermal stress relaxation layer 6, but the present invention is not limited to this. The thermal stress relaxation layer 6 is formed of a composite material containing any one insulating material of aluminum nitride (AIN), boron nitride (BN), diamond-like carbon (DLC), and silicon carbide (SiC). It may be.

次に図4を参照して、本実施形態にかかるセンサのヒータ構造の製造方法を説明する。   Next, with reference to FIG. 4, the manufacturing method of the heater structure of the sensor concerning this embodiment is demonstrated.

先ずは、図4(a)に示すように、シリコンウェハである半導体基板2の上下両面にシリコン酸化膜(SiO2)から成る第1の絶縁層3を熱酸化処理あるいはCVD等の成膜手段で形成する。   First, as shown in FIG. 4A, a first insulating layer 3 made of a silicon oxide film (SiO2) is formed on the upper and lower surfaces of a semiconductor substrate 2 which is a silicon wafer by a film forming means such as thermal oxidation treatment or CVD. Form.

次に、図4(b)に示すように、半導体基板2の片面(上面)に熱応力緩和層6をスパッタなどの方法によって成膜する。そして、ヒータ部5(蛇腹状の密集部51)となる部分に熱応力緩和層6を残すようにフォトリソグラフィなどの方法でパターニングする。   Next, as shown in FIG. 4B, a thermal stress relaxation layer 6 is formed on one surface (upper surface) of the semiconductor substrate 2 by a method such as sputtering. Then, patterning is performed by a method such as photolithography so that the thermal stress relaxation layer 6 is left in a portion that becomes the heater portion 5 (the bellows-like dense portion 51).

次に、図4(c)に示すように、ヒータ部5となる白金をスパッタなどで成膜し、ヒータ部5の配線パターンをフォトリソグラフィなどの方法により形成する。   Next, as shown in FIG. 4C, a platinum film to be the heater unit 5 is formed by sputtering or the like, and a wiring pattern of the heater unit 5 is formed by a method such as photolithography.

次に、図4(d)に示すように、ヒータ部5の配線パターン上に熱応力緩和層6をスパッタなどの方法で再び成膜する。そして、ヒータ部5の蛇腹状の密集部51上に熱応力緩和層6を残すようにフォトリソグラフィなどの方法によりパターニングする。   Next, as shown in FIG. 4D, a thermal stress relaxation layer 6 is formed again on the wiring pattern of the heater portion 5 by a method such as sputtering. Then, patterning is performed by a method such as photolithography so that the thermal stress relaxation layer 6 is left on the bellows-like dense portion 51 of the heater portion 5.

次に、図4(e)に示すように、シリコン酸化膜(SiO2)から成る第2の絶縁層4をCVD等の成膜手段で形成する。   Next, as shown in FIG. 4E, a second insulating layer 4 made of a silicon oxide film (SiO 2) is formed by film forming means such as CVD.

次に、図4(f)に示すように、電極パッド53を形成するために、ヒータ部5の電極部52に対応する位置の第2の絶縁層4をフォトリソグラフィによって開口して開口部41を形成する。このとき、裏側に位置する第1の絶縁層3が一緒に除去されてしまわないように保護をしておく。   Next, as shown in FIG. 4 (f), in order to form the electrode pad 53, the second insulating layer 4 at a position corresponding to the electrode portion 52 of the heater portion 5 is opened by photolithography to open the opening portion 41. Form. At this time, protection is provided so that the first insulating layer 3 located on the back side is not removed together.

次に、図4(g)に示すように、金(Au)から成る電極パッド53をスパッタあるいは蒸着によって成膜し、フォトリソグラフィによりパターンを形成する。   Next, as shown in FIG. 4G, an electrode pad 53 made of gold (Au) is formed by sputtering or vapor deposition, and a pattern is formed by photolithography.

最後に、図4(h)に示すように、半導体基板2の反対面(下面)側の第1の絶縁層3を開口し、TMAHなどのエッチング液を用いて凹部7を設けることで半導体基板2にダイヤフラム8を形成する。   Finally, as shown in FIG. 4 (h), the first insulating layer 3 on the opposite surface (lower surface) side of the semiconductor substrate 2 is opened, and a recess 7 is provided using an etching solution such as TMAH. A diaphragm 8 is formed on 2.

そして、ダイシングによりセンサチップ1に切り分けられて使用される。ヒータ部5には、電極パッド53がワイヤボンディングされることによって電力が供給される。   And it is cut and used for sensor chip 1 by dicing. Electric power is supplied to the heater unit 5 by wire bonding of the electrode pad 53.

以上説明したように、本実施形態のセンサのヒータ構造によれば、ヒータ部5と絶縁層(第1の絶縁層3および第2の絶縁層4)との間の熱膨張係数で且つ絶縁層3、4よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層6をヒータ部5と接触させて配置している。そのため、熱膨張係数の差による熱応力を緩和することができるとともに、熱応力緩和層6により高い熱伝導率を持たせることで熱応力が局所的に大きくなってしまうのを抑制することができる。よって、ヒータ部5の剥離やクラックの発生をより抑制することができるようになり、長期的な信頼性をより高めることのできるセンサのヒータ構造を得ることができる。   As described above, according to the heater structure of the sensor of the present embodiment, the thermal expansion coefficient between the heater unit 5 and the insulating layers (the first insulating layer 3 and the second insulating layer 4) and the insulating layer A thermal stress relaxation layer 6 made of a material having a higher thermal conductivity than 3 and 4 is disposed in contact with the heater unit 5. Therefore, it is possible to relieve the thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient, and it is possible to suppress the thermal stress from being locally increased by giving the thermal stress relaxation layer 6 a high thermal conductivity. . Therefore, peeling of the heater part 5 and generation of cracks can be further suppressed, and a sensor heater structure that can further improve long-term reliability can be obtained.

また、本実施形態では、熱応力緩和層6は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイヤモンドライクカーボンおよび炭化ケイ素のうち何れか1つの絶縁性材料または何れか1つの絶縁性材料を含有した複合材料で形成されている。そのため、熱の分布を均一化させて熱応力が局所的に大きくなってしまうのを抑制できるのは勿論のこと、抵抗率を高めて絶縁性を確保することができる。よって、長期的な信頼性をより一層高めることのできるセンサのヒータ構造を得ることができる。   In the present embodiment, the thermal stress relaxation layer 6 is formed of any one insulating material or a composite material containing any one insulating material of aluminum nitride, boron nitride, diamond-like carbon, and silicon carbide. Has been. Therefore, it is possible not only to suppress the local increase in thermal stress by making the heat distribution uniform, but also to increase the resistivity and ensure the insulation. Therefore, it is possible to obtain a sensor heater structure that can further improve long-term reliability.

[第2実施形態]
図5および図6は、本発明の第2実施形態を示した図であり、上記第1実施形態と同一構成部分には同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。
[Second Embodiment]
5 and 6 are diagrams showing a second embodiment of the present invention. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

本実施形態のセンサのヒータ構造が、上記第1実施形態のセンサのヒータ構造と主に異なる点は、センサチップ1Aの熱応力緩和層6が、半導体基板2に形成されたダイヤフラム8の投影面内に収まるように配置されていることにある。   The sensor heater structure of the present embodiment is mainly different from the sensor heater structure of the first embodiment in that the thermal stress relaxation layer 6 of the sensor chip 1A is a projection surface of the diaphragm 8 formed on the semiconductor substrate 2. It is that it is arranged so as to fit in.

すなわち、上記第1実施形態のセンサチップ1では、図2に示すように、熱応力緩和層6が半導体基板2にオーバーラップする位置までダイヤフラム8からはみ出して配置されていたため、ヒータ部5の熱が半導体基板2に逃げてしまう虞があった。このように、ヒータ部5の熱が熱応力緩和層6を介して半導体基板2に逃げてしまうと、ヒータ部5が検出部(図示せぬ)を機能させるための所定の温度まで上がらなくなったり、ヒータ効率が悪化したりしてしまう。   That is, in the sensor chip 1 of the first embodiment, as shown in FIG. 2, the thermal stress relaxation layer 6 is disposed so as to protrude from the diaphragm 8 to the position where it overlaps the semiconductor substrate 2. May escape to the semiconductor substrate 2. As described above, when the heat of the heater unit 5 escapes to the semiconductor substrate 2 via the thermal stress relaxation layer 6, the heater unit 5 may not rise to a predetermined temperature for causing the detection unit (not shown) to function. Heater efficiency will deteriorate.

これに対し、本実施形態では、図5および図6に示すように、熱応力緩和層6がダイヤフラム8の投影面内に収まるように配置されている。そのため、ヒータ部5の熱が熱応力緩和層6を介して半導体基板2に逃げてしまうのを抑制することができ、ヒータ部5が所定の温度まで上がらなくなったり、ヒータ効率が悪化したりしてしまうのを抑制することができる。   On the other hand, in this embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, the thermal stress relaxation layer 6 is disposed so as to be within the projection plane of the diaphragm 8. Therefore, it is possible to prevent the heat of the heater unit 5 from escaping to the semiconductor substrate 2 through the thermal stress relaxation layer 6, and the heater unit 5 cannot be raised to a predetermined temperature or the heater efficiency is deteriorated. Can be suppressed.

以上の本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。   Also according to this embodiment described above, the same operations and effects as those of the first embodiment can be achieved.

また、本実施形態では、熱応力緩和層6が、半導体基板2に形成されたダイヤフラム8の投影面内に収まるように配置されている。そのため、熱伝導率の高い材料で熱応力緩和層6を形成した場合にはヒータ部5の熱が逃げ易くなってしまうが、それを抑制することができるという利点がある。すなわち、ヒータ部5の熱が熱応力緩和層6を介して半導体基板2に逃げてしまうのを抑制することができる。   In the present embodiment, the thermal stress relaxation layer 6 is disposed so as to be within the projection plane of the diaphragm 8 formed on the semiconductor substrate 2. Therefore, when the thermal stress relaxation layer 6 is formed of a material having high thermal conductivity, the heat of the heater portion 5 is easily escaped, but there is an advantage that it can be suppressed. That is, it is possible to suppress the heat of the heater unit 5 from escaping to the semiconductor substrate 2 through the thermal stress relaxation layer 6.

[第3実施形態]
図7は、本発明の第3実施形態を示した図であり、上記第1実施形態と同一構成部分には同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。
[Third embodiment]
FIG. 7 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

本実施形態のセンサのヒータ構造が、上記第1実施形態のセンサのヒータ構造と主に異なる点は、センサチップ1Bの熱応力緩和層6が、第1の絶縁層3および第2の絶縁層4のうちの薄い層側に設けられていることにある。   The sensor heater structure of the present embodiment is mainly different from the sensor heater structure of the first embodiment in that the thermal stress relaxation layer 6 of the sensor chip 1B includes the first insulating layer 3 and the second insulating layer. 4 is provided on the thin layer side.

すなわち、本実施形態では、図7に示すように、第1の絶縁層3と第2の絶縁層4の厚さが異なっており、第1の絶縁層3が第2の絶縁層4よりも厚さが厚くなるように形成されている。このような場合、ヒータ部5は第1の絶縁層3と第2の絶縁層4との間に形成されることになるが、ヒータ部5の上側と下側では、上側に位置する第2の絶縁層4の方が厚さが薄いため、上側の境界面によりクラックが発生し易くなると考えられる。   That is, in this embodiment, as shown in FIG. 7, the first insulating layer 3 and the second insulating layer 4 have different thicknesses, and the first insulating layer 3 is more than the second insulating layer 4. It is formed so as to be thick. In such a case, the heater portion 5 is formed between the first insulating layer 3 and the second insulating layer 4, but on the upper side and the lower side of the heater portion 5, the second located on the upper side. Since the insulating layer 4 is thinner, it is considered that cracks are likely to occur on the upper boundary surface.

そこで、本実施形態では、熱応力緩和層6を薄い層側となる第2の絶縁層4側に設けることで、より強度が低くなる薄い層側のクラックの発生を抑制できるようにしたものである。   Therefore, in this embodiment, by providing the thermal stress relaxation layer 6 on the second insulating layer 4 side, which is the thin layer side, generation of cracks on the thin layer side where the strength is further reduced can be suppressed. is there.

なお、本実施形態では、熱応力緩和層6が薄い層側となる第2の絶縁層4側のみに設けられているため、第1の絶縁層3側となるヒータ部5の下面には熱応力緩和層6が接触せず上面側のみに熱応力緩和層6が存在することになる。   In this embodiment, since the thermal stress relaxation layer 6 is provided only on the second insulating layer 4 side which is the thin layer side, the lower surface of the heater portion 5 which is the first insulating layer 3 side is exposed to heat. The stress relaxation layer 6 is not in contact, and the thermal stress relaxation layer 6 exists only on the upper surface side.

以上の本実施形態によっても、上記第1および第2実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。   Also according to the present embodiment described above, the same operations and effects as the first and second embodiments can be obtained.

また、本実施形態では、絶縁層が厚さの異なる第1の絶縁層3および第2の絶縁層4から成る二層構造となっており、熱応力緩和層6は、第1の絶縁層3および第2の絶縁層4のうちの薄い層側に設けられている。そのため、強度が低くなる薄い層側の境界面のクラックの発生をより確実に抑制することができるようになるという利点がある。   Further, in the present embodiment, the insulating layer has a two-layer structure including the first insulating layer 3 and the second insulating layer 4 having different thicknesses, and the thermal stress relaxation layer 6 is the first insulating layer 3. The second insulating layer 4 is provided on the thin layer side. Therefore, there is an advantage that generation of cracks at the boundary surface on the thin layer side where the strength is lowered can be more reliably suppressed.

なお、本実施形態では、第1の絶縁層3が第2の絶縁層4よりも厚さが厚くなるように形成されていたが、図8に示す変形例のように、第2の絶縁層4が第1の絶縁層3よりも厚さが厚くなるように形成されていてもよい。この場合には、センサチップ1Cの熱応力緩和層6は薄い層側となる第1の絶縁層3側のみに設けられることになる。そして、第2の絶縁層4側となるヒータ部5の上面には熱応力緩和層6が接触せず下面側のみに熱応力緩和層6が存在することになる。   In the present embodiment, the first insulating layer 3 is formed so as to be thicker than the second insulating layer 4, but the second insulating layer as in the modification shown in FIG. 4 may be formed to be thicker than the first insulating layer 3. In this case, the thermal stress relaxation layer 6 of the sensor chip 1C is provided only on the first insulating layer 3 side which is the thin layer side. The thermal stress relaxation layer 6 is not in contact with the upper surface of the heater portion 5 on the second insulating layer 4 side, and the thermal stress relaxation layer 6 exists only on the lower surface side.

[第4実施形態]
図9は、本発明の第4実施形態を示した図であり、上記第1実施形態と同一構成部分には同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。
[Fourth embodiment]
FIG. 9 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

本実施形態のセンサのヒータ構造が、上記第1実施形態のセンサのヒータ構造と主に異なる点は、ヒータ部5が半導体基板2上に並設して複数設けられており、熱応力緩和層6が各ヒータ部5の所定の領域ごとに分離して配置されていることにある。   The sensor heater structure of the present embodiment is mainly different from the sensor heater structure of the first embodiment in that a plurality of heater portions 5 are provided side by side on the semiconductor substrate 2, and a thermal stress relaxation layer is provided. 6 is arranged separately for each predetermined region of each heater unit 5.

すなわち、本実施形態では、図9に示すように、一対のヒータ部5(第1のヒータ部5Aと第2のヒータ部5B)が並設されており、一対の熱応力緩和層6,6が各ヒータ部5A、5Bの蛇腹状の密集部(所定の領域)51ごとに分離して配置されている。このとき、本実施形態では、一対の熱応力緩和層6,6の双方ともダイヤフラム8の投影面内に収まりつつ配置されるようにしている。   That is, in this embodiment, as shown in FIG. 9, a pair of heater parts 5 (the first heater part 5A and the second heater part 5B) are arranged in parallel, and the pair of thermal stress relaxation layers 6, 6 Are arranged separately for each bellows-like dense part (predetermined region) 51 of each heater part 5A, 5B. At this time, in the present embodiment, both of the pair of thermal stress relaxation layers 6 and 6 are arranged so as to be within the projection plane of the diaphragm 8.

このように、本実施形態では、センサチップ1Dの各ヒータ部5A、5Bごとに熱応力緩和層6を分離したので、例えば各ヒータ部5A、5Bごとで加熱温度を異ならせたい場合などに有利である。   Thus, in this embodiment, since the thermal stress relaxation layer 6 is separated for each of the heater portions 5A and 5B of the sensor chip 1D, it is advantageous when, for example, it is desired to vary the heating temperature for each of the heater portions 5A and 5B. It is.

すなわち、第1のヒータ部5Aの加熱温度を500℃とし、第2のヒータ部5Bの加熱温度を300℃として運転したい場合に、熱応力緩和層6が一体型であると各ヒータ部5A、5Bの加熱温度を中和してしまうことになる。   That is, when it is desired to operate the first heater unit 5A at a heating temperature of 500 ° C. and the second heater unit 5B at a heating temperature of 300 ° C., if the thermal stress relaxation layer 6 is integrated, each heater unit 5A, The heating temperature of 5B will be neutralized.

これに対し、本実施形態では、各ヒータ部5A、5Bごとに熱応力緩和層6を分離したので、各ヒータ部5A、5Bごとの加熱温度で運転させることができるようになる。   On the other hand, in this embodiment, since the thermal stress relaxation layer 6 is separated for each of the heater portions 5A and 5B, it can be operated at the heating temperature for each of the heater portions 5A and 5B.

以上の本実施形態によっても、上記第1および第2実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。   Also according to the present embodiment described above, the same operations and effects as the first and second embodiments can be obtained.

また、本実施形態では、ヒータ部5が半導体基板2上に並設して複数(本実施形態では、第1のヒータ部5Aと第2のヒータ部5B)設けられており、熱応力緩和層6が各ヒータ部5A、5Bの蛇腹状の密集部(所定の領域)51ごとに分離して配置されている。そのため、例えば各ヒータ部5A、5Bごとで加熱温度を異ならせたい場合などに、各ヒータ部5A、5Bの加熱温度が中和されてしまうのを防止でき、各ヒータ部5A、5Bごとの加熱温度で運転させることができるという利点がある。   In the present embodiment, a plurality of heater portions 5 are provided side by side on the semiconductor substrate 2 (in this embodiment, the first heater portion 5A and the second heater portion 5B), and a thermal stress relaxation layer is provided. 6 is arranged separately for each bellows-like dense part (predetermined region) 51 of each heater part 5A, 5B. Therefore, for example, when it is desired to change the heating temperature for each of the heater units 5A and 5B, it is possible to prevent the heating temperature of each of the heater units 5A and 5B from being neutralized. There is an advantage that it can be operated at temperature.

なお、本実施形態では、ヒータ部5として第1のヒータ部5Aと第2のヒータ部5Bの2つを用いたが、3つ以上用いるようにしてもよい。   In the present embodiment, the first heater unit 5A and the second heater unit 5B are used as the heater unit 5. However, three or more heater units 5 may be used.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.

例えば、上記実施形態では、絶縁層をシリコン酸化膜(SiO2)ヒータ部を白金(Pt)で形成したが、その他の材料で形成してもよい。この場合、ヒータ部と絶縁層との間の熱膨張係数で且つ絶縁層よりも熱伝導率が高い材料として熱応力緩和層を適宜に変更することができる。   For example, in the above embodiment, the insulating layer is formed of a silicon oxide film (SiO 2) heater portion of platinum (Pt), but may be formed of other materials. In this case, the thermal stress relaxation layer can be appropriately changed as a material having a thermal expansion coefficient between the heater portion and the insulating layer and a higher thermal conductivity than the insulating layer.

2 半導体基板
3 第1の絶縁層(絶縁層)
4 第2の絶縁層(絶縁層)
5 ヒータ部
6 熱応力緩和層
8 ダイヤフラム
2 Semiconductor substrate 3 First insulating layer (insulating layer)
4 Second insulating layer (insulating layer)
5 Heater part 6 Thermal stress relaxation layer 8 Diaphragm

Claims (5)

半導体基板に形成された絶縁層にヒータ部が形成されたセンサのヒータ構造において、
前記ヒータ部と前記絶縁層との間の熱膨張係数で且つ前記絶縁層よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層を、前記ヒータ部と接触させて配置したことを特徴とするセンサのヒータ構造。
In the heater structure of the sensor in which the heater portion is formed on the insulating layer formed on the semiconductor substrate,
A thermal stress relaxation layer formed of a material having a thermal expansion coefficient between the heater portion and the insulating layer and having a higher thermal conductivity than the insulating layer is disposed in contact with the heater portion. Sensor heater structure.
前記熱応力緩和層は、前記半導体基板に形成されたダイヤフラムの投影面内に収まるように配置されていることを特徴とする請求項1に記載のセンサのヒータ構造。   2. The sensor heater structure according to claim 1, wherein the thermal stress relaxation layer is disposed so as to be within a projection plane of a diaphragm formed on the semiconductor substrate. 前記絶縁層は、厚さの異なる第1の絶縁層および第2の絶縁層から成る二層構造となっており、
前記熱応力緩和層は、前記第1の絶縁層および第2の絶縁層のうちの薄い層側に設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のセンサのヒータ構造。
The insulating layer has a two-layer structure including a first insulating layer and a second insulating layer having different thicknesses,
3. The sensor heater structure according to claim 1, wherein the thermal stress relaxation layer is provided on a thin layer side of the first insulating layer and the second insulating layer.
前記熱応力緩和層は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイヤモンドライクカーボンおよび炭化ケイ素のうち何れか1つの絶縁性材料または何れか1つの絶縁性材料を含有した複合材料で形成されていることを特徴とする請求項1〜3のうち何れか1項に記載のセンサのヒータ構造。   The thermal stress relaxation layer is formed of any one insulating material of aluminum nitride, boron nitride, diamond-like carbon, and silicon carbide, or a composite material containing any one insulating material. The heater structure of the sensor according to any one of claims 1 to 3. 前記ヒータ部は、前記半導体基板上に並設して複数設けられており、
前記熱応力緩和層は、各ヒータ部の所定の領域ごとに分離して配置されていることを特徴とする請求項1〜4のうち何れか1項に記載のセンサのヒータ構造。
A plurality of the heater parts are provided side by side on the semiconductor substrate,
5. The sensor heater structure according to claim 1, wherein the thermal stress relaxation layer is arranged separately for each predetermined region of each heater portion. 6.
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