JP2016070765A - 熱式流体センサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】
高品質な素子基板を量産性良く製造する方法を提供し、低コスト化を実現すること
【解決手段】
シリコン基板の両面に積層膜を形成する第１膜形成工程と、前記第１膜の表面にポリシリコン膜を形成する第２膜形成工程と、前記ポリシリコン膜をエッチングにより除去する第１エッチング工程と、前記第１膜表面に導電性膜を形成する第３膜形成工程と、前記導電性膜をエッチングによりパターニングする第３膜パターニング工程と、前記シリコン基板の裏面にダイヤフラムを形成する際のマスクを形成するため、前記シリコン基板の裏面の前記ポリシリコン膜、及び、前記積層膜１２をエッチングする裏面パターニング工程と、前記シリコン基板の裏面にダイヤフラムを形成する際、前記シリコン基板をエッチングする裏面エッチング工程と、を含む。
【選択図】図２ｂ
高品質な素子基板を量産性良く製造する方法を提供し、低コスト化を実現すること
【解決手段】
シリコン基板の両面に積層膜を形成する第１膜形成工程と、前記第１膜の表面にポリシリコン膜を形成する第２膜形成工程と、前記ポリシリコン膜をエッチングにより除去する第１エッチング工程と、前記第１膜表面に導電性膜を形成する第３膜形成工程と、前記導電性膜をエッチングによりパターニングする第３膜パターニング工程と、前記シリコン基板の裏面にダイヤフラムを形成する際のマスクを形成するため、前記シリコン基板の裏面の前記ポリシリコン膜、及び、前記積層膜１２をエッチングする裏面パターニング工程と、前記シリコン基板の裏面にダイヤフラムを形成する際、前記シリコン基板をエッチングする裏面エッチング工程と、を含む。
【選択図】図２ｂ
Description
本発明は、空気流量を計測する熱式流体流量センサに用いられるシリコンウェハなどの素子基板の製造方法に関する。
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熱式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センサ（以下、「エアフローセンサ」と称す。）は、製造コストを低減でき、かつ低電力で駆動することができることから注目されている。このようなエアフローセンサとして、例えば特許文献１では、熱式空気流量計に関し単結晶シリコン基板に形成された空洞部の上面に設けた薄膜発熱部を有し、流過する測定対象の気体を加熱するマイクロヒータにて、前記薄膜発熱部を発熱抵抗体と、測温抵抗体と、空気温度測温抵抗体と、これらの抵抗体を上下から挟むように設けられる上部薄膜および下部薄膜とから構成した構造を開示している。また、前記上部薄膜および下部薄膜の少なくともいずれかを窒化シリコン膜などの引張応力膜を採用して、成膜後の薄膜の平均応力を引張応力にすることで、薄膜ダイヤフラムの撓みを防止している。
しかしながら、上述の構造においては、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜が交互に形成され、積層膜となる。このようなシリコンウェハ全面に誘電率の高い窒化シリコン膜を酸化シリコン膜で挟み込んだ構造には、非常に帯電し易く、シリコンウェハを加工する場合において、加工装置の下部電極との間に一定以上の電位差があると、下部電極に貼り付き、ウェハを搬送する際、スティッキングが発生し、傷の発生や異物が多発し、これが歩留まり低下の原因となる。また、ウェハ割れや欠けの発生により装置が稼動できなくなり、歩留まり低下だけでなく装置稼動率の低下等も引き起こす。
また、傷は、製造装置搬送時にも発生する。窒化シリコン膜に直接に搬送アーム部が接触すると、図４に示すように、シリコン基板１裏面にはキズ２３が発生する。このようにキズが発生した場合、ウエットエッチング法によりシリコン裏面にダイヤフラム１４（空洞部）を形成する際に、ダイヤフラム形成領域以外のシリコン基板をエッチングしてしまい、ダイヤフラムの形が不規則になったり、特性ばらつきが生じたり、ダイヤフラム強度が低下し、破損しやすくなったりすることで、歩留まりの低下、信頼性の低下を招くという問題も起こる。
したがって、量産を行う場合には、歩留まりを向上させるために裏面保護対策が必須である。例えば、特許文献２では、基板の２つ面に窒化シリコン膜を成長した後、該窒化シリコン膜上に酸化シリコン膜を形成した基板に対して、裏面の酸化シリコン膜を例えば、フッ化水素を含む水溶液で除去した後、裏面の窒化シリコン膜を、例えばリン酸を含む水溶液により除去することにより、ドライエッチング装置を用いることなく、ウエットエッチングのみで裏面の窒化シリコン膜を剥離することが可能とし、表面（素子面）側にキズあるいは異物に起因する素子欠陥が無い電子装置を提供できるとしている。
しかしながら、ダイヤフラム形成マスクとなる裏面側の膜については、キズについての配慮がなされておらず、また、今回のような酸化シリコン膜と窒化シリコン膜が交互に形成された積層膜の場合は、シリコンウェハと装置とのスティッキングの発生の防止もできない。また、運搬時におけるキズの発生もある。
本発明の目的は、高品質な素子基板を量産性良く製造する方法を提供し、低コスト化を実現することにある。
上記目的を達成するために、本発明の熱式流体センサの製造方法は、シリコン基板の両面に積層膜を形成する第１膜形成工程と、前記第１膜の表面にポリシリコン膜を形成する第２膜形成工程と、前記ポリシリコン膜をエッチングにより除去する第１エッチング工程と、前記第１膜表面に導電性膜を形成する第３膜形成工程と、前記導電性膜をエッチングによりパターニングする第３膜パターニング工程と、前記シリコン基板の裏面にダイヤフラムを形成する際のマスクを形成するため、前記シリコン基板の裏面の前記ポリシリコン膜、及び、前記積層膜１２をエッチングする裏面パターニング工程と、前記シリコン基板の裏面にダイヤフラムを形成する際、前記シリコン基板をエッチングする裏面エッチング工程と、を含む。
本発明の素子基板の製造方法によれば、高品質な素子基板を量産性良く製造することができ、低コスト化を実現することができる。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１による熱式流体流量センサのセンシング素子の平面図である。
半導体基板１、発熱抵抗体１７、上流側測温抵抗体１９ａ、下流側測温抵抗体19ｂ、空気温度測温抵抗体１８などで構成されている。矩形状のシリコン基板からなる半導体基板１の中央部下面には空洞部１６を有する薄膜ダイヤフラムが形成されており、薄膜ダイヤフラム上に発熱抵抗体１７、上流側測温抵抗体１９ａ、下流側測温抵抗体１９ｂ、が形成され、半導体基板１の薄膜ダイヤフラムの外側に空気温度測温抵抗体１８が形成されている。半導体基板１の薄膜ダイヤフラムの外側には、発熱抵抗体１７，上流側測温抵抗体１９ａ
、下流側測温抵抗体１９ｂ、空気温度測温抵抗体１８を外部の回路と電気的に接続するための端子２０が形成されている。発熱抵抗体１７、測温抵抗体１９、空気温度測温抵抗体１８は、各々複数回折り返して形成してもよい。なお抵抗体の構成は測定方式により異なり、ここではその一例を示している。マイクロヒータとして機能する発熱抵抗体１７と測温抵抗体１９ａ、１９ｂと空気温度測温抵抗体１８とは同様の膜構造を採用しても、個別の膜構成を採用してもよい。
図１は、本実施の形態１による熱式流体流量センサのセンシング素子の平面図である。
半導体基板１、発熱抵抗体１７、上流側測温抵抗体１９ａ、下流側測温抵抗体19ｂ、空気温度測温抵抗体１８などで構成されている。矩形状のシリコン基板からなる半導体基板１の中央部下面には空洞部１６を有する薄膜ダイヤフラムが形成されており、薄膜ダイヤフラム上に発熱抵抗体１７、上流側測温抵抗体１９ａ、下流側測温抵抗体１９ｂ、が形成され、半導体基板１の薄膜ダイヤフラムの外側に空気温度測温抵抗体１８が形成されている。半導体基板１の薄膜ダイヤフラムの外側には、発熱抵抗体１７，上流側測温抵抗体１９ａ
、下流側測温抵抗体１９ｂ、空気温度測温抵抗体１８を外部の回路と電気的に接続するための端子２０が形成されている。発熱抵抗体１７、測温抵抗体１９、空気温度測温抵抗体１８は、各々複数回折り返して形成してもよい。なお抵抗体の構成は測定方式により異なり、ここではその一例を示している。マイクロヒータとして機能する発熱抵抗体１７と測温抵抗体１９ａ、１９ｂと空気温度測温抵抗体１８とは同様の膜構造を採用しても、個別の膜構成を採用してもよい。
発熱抵抗体１７はヒータの役割として、配線幅は、例えば、１μｍ〜１５０μｍ程度である。発熱抵抗体用測温抵抗体１９ａ、１９ｂの配線幅は、例えば、０．５μｍ〜１００μｍ程度である。測温抵抗体１９ａ、１９ｂは上流側測温抵抗体１９ａと下流側測温抵抗体１９ｂからなり、発熱抵抗体１７により暖められた空気の温度検知に用いられる。空気温度測温抵抗体１８は、空気温度の測定に用いられ、配線幅は、例えば、０．５μｍ〜１０μｍ程度である。
無風状態においては、発熱抵抗体１７により測温抵抗体１９ａ、１９ｂが同じ温度に加熱されているが、白抜き矢印方向から空気流が流れてくると、上流側測温抵抗体１９ａは冷却され、下流側測温抵抗体１９ｂは、発熱抵抗体１７により暖められた空気流により無風状態よりも温度が上昇する。上記、測温抵抗体の温度差により生じる抵抗変化により空気流量を計測する。
本発明による素子基板の製造方法の一例は図２（ａ）〜（ｌ）を用いて工程順に説明する。図２ａおよび図２ｂは、図１中のＡ−Ａ線に対応する要部断面図である。
まず、図２ａ（ａ）に示すように、シリコン基板１上に第１膜形成工程によって積層膜１２を形成する。積層膜１２は、シリコン基板側から絶縁膜２、絶縁膜３、絶縁膜４、絶縁膜５、絶縁膜６の順に、絶縁膜２は、例えば高温の炉体で形成する酸化シリコン膜であり、厚さは１００〜５００ｎｍ程度である。絶縁膜３、５は、例えばＣＶＤ法を用いた窒化シリコン膜であり、厚さは５０〜２５０ｎｍ程度である。絶縁膜４、６は、例えば、ＣＶＤ法を用いた酸化シリコン膜であり、膜厚は５００ｎｍ程度である。酸化シリコン膜と窒化シリコン膜が交互に形成され、かつ、窒化シリコン膜は２層以上を有している。これら、積層膜１２は、シリコン基板１の裏面にも成膜される。
次に、図２ａ（ｂ）に示すように、積層膜１２の上層に第２膜形成工程によりポリシリコン膜７を形成する。ポリシリコン膜７は、例えば、低圧ＣＶＤ法を用いたポリシリコン膜であり、膜厚は５０〜１０００ｎｍ程度である。ポリシリコン膜５はシリコン基板１の裏面にも成膜される。
次に、図２ａ（ｃ）に示すように、第１エッチング工程により、第２膜形成工程により形成した表面側のポリシリコン膜７をドライエッチング法により除去し、シリコン基板1の裏面だけにポリシリコン膜を残させるような構造になる。
次に、図２ａ（ｄ）に示すように、第３膜形成工程により導電性膜８を形成する。導電性膜８として、例えばスパッタリング法でＭｏ（モリブデン）膜を１５０ｎｍ程度成膜する。この際、接着性向上および結晶性向上のため、Ｍｏ膜の堆積前にＡｒ（アルゴン）ガスを用いたスパッタエッチング法により、下地の絶縁膜３を５ｎｍ〜２０ｎｍ程度エッチングし、Ｍｏ膜堆積時のシリコン基板１の温度を２００℃〜５００℃程度として形成する。また、Ｍｏ膜の結晶性をさらに高めるため、Ｍｏ膜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約１０００℃の熱処理を施す。なお、上記の実施の形態では、抵抗体になる導電性膜８にMoを使用したが、Ｍｏ以外の金属、金属窒化化合物、金属シリサイド化合物、多結晶シリコンあるいは不純物としてリンまたはホウ素がドープされた多結晶シリコンから形成してもよい。
次に、図２ａ（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィ法を用いたエッチングによりの導電性膜８のパターニングを行い、図１に示す、熱式流体流量センサの発熱抵抗体１５、発熱抵抗体用測温抵抗体１６、測温抵抗体１７、空気温度測温抵抗体１８、ヒータ温度制御用抵抗体１９、出および引き出し配線２０を形成する。
次に、図２ａ（ｆ）に示すように、パターニングされた導電性膜８の上層に第４膜形成工程により積層膜１３を形成する。積層膜１３は、シリコン基板１側から絶縁膜９、絶縁膜１０および絶縁膜１１を順次に成膜する。絶縁膜９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法で堆積した酸化シリコン膜であり、膜厚は５００ｎｍ程度とする。絶縁膜１０は、例えばＣＶＤ法またはプラズマを用いた低温ＣＶＤ法で堆積した窒化シリコン膜であり、膜厚は５０〜２０００ｎｍ程度とする。絶縁膜１１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法で堆積した酸化シリコン膜であり、膜厚は１００〜２０００ｎｍ程度である。
次に、図２ｂ（ｇ）、（ｈ）に示すように、フォトリソグラフィ法を用いたドライエッチングにより、引き出し配線１４の一部を露出させる接続孔を形成する。その後、第２の導電性膜として、例えば厚さ１μｍ程度の接続孔を埋め込むＡｌ合金膜を成膜する。なお、引き出し配線１４との接触を良好にするため、形成前にＡｒ（アルゴン）ガスにより引き出し配線の表面をスパッタエッチングングしてもよい。さらに、エレクトロマイグレーション耐性向上のため、Ａｌ合金膜の堆積前に第３の導電性膜としてＴｉＮ（窒化チタン）膜等のバリア金属膜を成膜してバリア膜とＡｌ合金膜の積層膜を形成してもよい。なお、この時のバリア金属膜を相対的に厚く形成するとコンタクト抵抗が増加するため、その厚さは２０ｎｍ程度とすることが望ましい。しかし、十分接触面積がとれて抵抗増加の問題が回避できる場合は、バリア金属膜の厚さを２００ｎｍ以下とすることができる。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としてもよい。次に、フォトリソグラフィ法を用いたドライエッチングにより第２の金属膜をパターニングし、端子電極を形成する。
次に、図２ｂ（ｇ）、（ｈ）に示すように、フォトリソグラフィ法を用いたドライエッチングにより、引き出し配線１４の一部を露出させる接続孔を形成する。その後、第２の導電性膜として、例えば厚さ１μｍ程度の接続孔を埋め込むＡｌ合金膜を成膜する。なお、引き出し配線１４との接触を良好にするため、形成前にＡｒ（アルゴン）ガスにより引き出し配線の表面をスパッタエッチングングしてもよい。さらに、エレクトロマイグレーション耐性向上のため、Ａｌ合金膜の堆積前に第３の導電性膜としてＴｉＮ（窒化チタン）膜等のバリア金属膜を成膜してバリア膜とＡｌ合金膜の積層膜を形成してもよい。なお、この時のバリア金属膜を相対的に厚く形成するとコンタクト抵抗が増加するため、その厚さは２０ｎｍ程度とすることが望ましい。しかし、十分接触面積がとれて抵抗増加の問題が回避できる場合は、バリア金属膜の厚さを２００ｎｍ以下とすることができる。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としてもよい。次に、フォトリソグラフィ法を用いたドライエッチングにより第２の金属膜をパターニングし、端子電極を形成する。
次に、図２ｂ（ｉ）、（ｊ）に示すように、引き出し配線１４上の保護膜１５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たエッチングにより少なくとも発熱抵抗体１７、発熱抵抗体用測温抵抗体１９、測温抵抗体上に開口部および引き出し配線１４を外部回路と接続するための開口部（図示は省略）を形成する。なお、保護膜１５は感光性の有機膜等としてもよく、膜厚は２〜３μｍ程度とする。
次に、図２ｂ（ｋ）に示すように、シリコン基板１の裏面にダイヤフラム１６（空洞部）をつくる際のマスクを形成するため、シリコン基板１の裏面にフォリソグラフィ法によりフォトレジスト膜のパターンを形成し、裏面に残された積層膜１２とポリシリコン膜７をウエットエッチング法またはドライエッチング法により除去する。
次に、図２ｂ（ｌ）に示すように、残された積層膜１２、ポリシリコン膜７をマスクとしてシリコン基板１を裏面からＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（Tetramethylammonium hydroxide）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１６（空洞部）を形成する。このダイヤフラム１６で構成された絶縁膜２、絶縁膜３、絶縁膜４、絶縁膜５、絶縁膜６、絶縁膜８、絶縁膜９、絶縁膜１０、絶縁膜１１の総膜厚は１．５μｍ程度以上が望ましい。これより薄い場合には、ダイヤフラム１６で構成された絶縁膜の強度が低下し、吸気した空気中に含まれる微細なダストの衝突などで破壊するおそれが大きくなる。
本実施の形態の熱式流体流量センサのような酸化シリコン膜と窒化シリコン膜が交互に形成されている構造を採用していると、窒化シリコン膜の誘電率が高く、酸化シリコン膜で挟み込んだ構造になり、シリコンウェハ全体は非常に帯電し易く、シリコンウェハを加工する場合において、加工装置の下部電極との間に一定以上の電位差があると、下部電極に貼り付くスティッキング現象が発生し、ウェハを搬送する際、ウェハの欠け、割れが発生し、歩留まりが低下してしまう。本実施の形態において、上述した問題を解消するために、シリコン基板裏面にポリシリコン膜７を形成し、ポリシリコン膜７を介して、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との間に溜まっている電荷を逃がさせ、スティッキング現象を防ぐことができる。
また、製造工程中、シリコンウェハ裏面と製造装置の治具を接触することによる傷の発生も防げる。例えば、製造装置の治具については、搬送系としては、搬送ベルトやフォーク等がある。シリコン基板１を固定するものとしては、真空チャックやステージ等がある。これらの治具との摩擦や接触が、洗浄工程、成膜工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程等の各製造工程で繰り返される。本実施の形態において、シリコン基板の各製造工程終了まで、ポリシリコン膜７をシリコン基板裏面の保護膜として、シリコン基板の裏面と製造装置の治具と接触することが防げる役割も果せることによって、製造工程中発生した傷を防ぐことができる。
（実施の形態２）
本実施の形態２による熱式流体流量センサに用いられる素子基板の製造方法の一例は図３ａおよび図３ｂを用いて工程順に説明する。本実施形態においても平面パターンは、図１と同様であり、図１中のＡ−Ａ線に対応する要部断面図である。本実施の形態が前記実施の形態１と異なるのは、図２ａ（ｂ）に示すように、第２膜形成工程前に、シリコン基板１の裏面に形成する積層膜１２中の２層以上の酸化シリコン膜と窒化シリコン膜をドライエッチング法により除去する第２エッチング工程を追加することである。
（実施の形態２）
本実施の形態２による熱式流体流量センサに用いられる素子基板の製造方法の一例は図３ａおよび図３ｂを用いて工程順に説明する。本実施形態においても平面パターンは、図１と同様であり、図１中のＡ−Ａ線に対応する要部断面図である。本実施の形態が前記実施の形態１と異なるのは、図２ａ（ｂ）に示すように、第２膜形成工程前に、シリコン基板１の裏面に形成する積層膜１２中の２層以上の酸化シリコン膜と窒化シリコン膜をドライエッチング法により除去する第２エッチング工程を追加することである。
裏面エッチングにより、シリコン基板１裏面の酸化シリコン膜、窒化シリコン膜の積層膜数を減らしたために、シリコンウェハ裏面の帯電量を少なくしており、さらにポリシリコン膜７を介して、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との間に溜まっている電荷を逃がさせ、製造過程中のスティッキングを防止する効果を高めることができる。
以上のように、本発明の素子基板の製造方法によれば、空気流量を計測する熱式流体流量センサに用いられるシリコンウェハなどの素子基板の製造工程途中で、シリコンウェハと製造装置とのスティッキング発生と、運搬キズの発生を抑制することが可能になり、高品質な素子基板を量産性良く製造することができ、低コスト化を実現することができる。
１…シリコン基板、２〜６…絶縁膜（酸化シリコン膜）、７…ポリシリコン膜、８…導電性膜、９〜１１…絶縁膜（酸化シリコン膜）、１２，１３…積層膜、１４…端子電極（Ａｌ合金）、１５…保護膜、１６…ダイヤフラム、１７…発熱抵抗体、１８…測温抵抗体、１９Ａ …上流側測温抵抗体、１９Ｂ…下流側測温抵抗体、２０…端子、２２…引き出し配線、２３…キズ
Claims (4)
- シリコン基板の両面に積層膜を形成する第１膜形成工程と、
前記第１膜の表面にポリシリコン膜を形成する第２膜形成工程と、
前記ポリシリコン膜をエッチングにより除去する第１エッチング工程と、
前記第１膜表面に導電性膜を形成する第３膜形成工程と、
前記導電性膜をエッチングによりパターニングする第３膜パターニング工程と、
前記シリコン基板の裏面にダイヤフラムを形成する際のマスクを形成するため、前記シリコン基板の裏面の前記ポリシリコン膜、及び、前記積層膜１２をエッチングする裏面パターニング工程と、
前記シリコン基板の裏面にダイヤフラムを形成する際、前記シリコン基板をエッチングする裏面エッチング工程と、
を含むことを特徴とする熱式流体センサの製造方法。 - 請求項１記載の熱式流体センサの製造方法において、
前記積層膜は、前記シリコン基板から酸化シリコン膜と窒化シリコン膜が交互に形成され、かつ、前記窒化シリコン膜を２層以上形成することを特徴とする熱式流体センサの製造方法。 - 請求項２記載の熱式流体センサの製造方法において、
前記シリコン基板の裏面側の積層膜の２層目以降に成膜した酸化シリコン膜、窒化シリコン膜を除去する工程を有することを特徴とする熱式流体センサの製造方法。 - 請求項１記載の熱式流体センサの製造方法において、
前記第３膜パターニング工程と前記裏面エッチング工程の間に、前記導電性膜表面に酸化シリコン膜と窒化シリコン膜が交互に形成された積層膜、引き出し線の一部を露出させる接続孔、引き出し線、端子電極、および、端子電極上の保護膜を形成する工程を有することを特徴とする熱式流体センサの製造方法。
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