JP3542614B2 - 温度センサおよび該温度センサの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、単結晶シリコンから成るフレームと、該フレームにより保持される誘電体膜とを備えた温度センサ、例えば空気量センサに用いる温度センサ、に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＷＯ８９／０５９６３号により既に、単結晶シリコンから成るフレームと、このフレームにより保持された誘電体膜を備えた温度センサが公知であるが、この温度センサの場合、膜における温度を測定するために金属製構造体が取り付けられている。しかし金属製構造体から成る温度センサは感度が著しく劣る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の課題は、このような従来技術の欠点を解決することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、誘電体膜上に単結晶シリコン構造体が被着されており、該誘電体膜の温度を表す電気的な測定出力を得るため、電気的接続部が前記単結晶シリコン構造体に接続されており、前記単結晶シリコン構造体は温度に依存する抵抗であり、該単結晶シリコン構造体は深部ドーピング材料によりドーピングされていることにより解決される。さらに上記の課題は請求項７、１１、１２、１３記載の特徴により解決される。
【０００５】
【発明の構成および利点】
請求項１の特徴部分に記載の構成を有する本発明による装置は従来技術に対して、温度測定のために単結晶シリコンから成る構造体が用いられる、という利点を有する。単結晶シリコンは、著しく大きなゼーベック係数ないし温度に対して高い導電率の感度を有し得るので、単結晶シリコン構造により著しく感度の高い温度センサを実現することができる。
【０００６】
従属請求項に記載の構成により請求項１記載の温度センサの有利な実施形態が可能である。窒化シリコン、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンから成る誘電体層上における配置構成により、単結晶シリコン構造体とフレームとの良好な熱の分離が達成される。汚染や損傷から保護するために、表面に誘電性の保護層が被覆される。単結晶シリコン構造体を膜の下面に配置することにより、膜の表面は極めて滑らかになる。この場合、単結晶シリコン構造体は、膜における開口部を通して著しく容易に接触接続される。単結晶シリコン構造体を膜の上面上に配置するためには、別の製造プロセスを用いる必要がある。これによってはシリコン構造体の接触接続のための開口部を設ける必要がない。いわゆる深部ドーピング材料を用いることにより、単結晶シリコンの電気抵抗の温度に対する感度が著しく高められる。いわゆる浅部ドーピング材料によるドーピングと比較して、１０００倍も感度を上昇させることができる。深部ドーピングのために、例えば金が適している。単結晶シリコン構造体を部分的にフレームおよび相応のリード線路の領域に配置することにより−このリード線路の接触個所は部分的にフレームの領域にあり部分的に膜の領域にある−温度センサはこのセンサがゼ−ベック効果を利用するように構成される。ゼ−ベック効果は、温度測定のためにいかなる外部電圧も用いる必要がない、という利点を有する。膜をフレームよりも高い温度に保持するヒータを設けることにより、この温度センサを流量センサとして使用できる。膜の温度を測定することにより、膜表面上を通過して流れる媒体への熱損失を測定でき、したがって通過して流れる媒体の量を測定することができる。
【０００７】
本発明による方法により、温度センサの著しく簡単な製造が可能である。例えばこの方法を、本発明による温度センサを同時に大量生産するために使用できる。シリコン構造体に電圧を印加することにより、極めて精確で再現可能なエッチングストップが得られる。ウェ−ハ表面と気体との化学反応による誘電層の形成は著しく簡単であり、スパッタリングまたは気相による分離によって誘電層を析出することにより、材料を選択する際に大きな自由度が得られ、ないしはウェーハのいっそう低い温度負荷が可能になる。本発明による温度センサのための別の製造方法ではシリコンウェーハ中への酸素の注入（インプランテーション）が用いられる。このプロセスにより、温度センサを製造する可能性が拡大される。
【０００８】
図面には本発明の実施例が示されており、以下で詳細に説明する。
【０００９】
【実施例の説明】
図１のａにおいて、参照番号１によりシリコンウェーハが示されており、このシリコンウェーハ１に、これとはドーピングに関して異なるシリコン構造体２が設けられている。さらにこの場合、シリコンウェーハ１の一部分だけが示されており、つまり以後の温度センサに相応する部分が示されている。シリコンウェーハ１の分割は、例えば鋸により行われる。シリコン構造体２のドーピングは、例えば注入または拡散により行われる。この場合、ドーピング材料の種類は適用される測定作用に依存する。ゼーベック効果を温度測定に適用すべきならば、半導体技術で使用される通常のドーピング材料が、例えば燐、硼素あるいは砒素などを使用することができる。これらのドーピング材料の濃度が増すにつれて、センサ素子の感度が高まる。単結晶シリコンをアルミニウムと結合すれば、ポリシリコンアルミニウムと比べて５倍高い感度を達成することができる。
【００１０】
シリコン構造体２を温度に依存する抵抗として使用すべき場合には、本発明によればいわゆる深部ドーピング材料を用いる。これらの材料は、そのエネルギーレベルがシリコンのバンドギャップのほぼ中央にある点で優れている。したがって深部ドーピング材料として例えば金、錫、コバルトまたはバナジウムが適している。このようにしてドーピングされたシリコン単結晶の導電率は、イオン化されたドーピング原子の成分により決定される。イオン化の程度は指数関数的に温度に依存し、したがって電気抵抗の温度依存性は高い。
【００１１】
シリコンウェーハ１上に誘電層３が形成される。図１のｂの場合、この誘電層３はシリコンウェーハ１の材料と気体例えば酸素との化学反応により形成されたものである。この場合、誘電体膜の一部分はシリコン構造体２により形成される。しかし一般的にドーピング濃度は著しく低いため、誘電体膜３は導電性ではない。熱による酸化つまりウェーハ表面と酸素との化学反応は、これが極めて簡単であるという利点を有する。しかし、誘電層３をシリコンウェーハ１の表面上に析出可能にするその他の技術を適用することもできる。スパッタリングによって、ほんとんど任意の材料をウェーハ表面上に析出することができる。ウェーハ１の表面上に誘電層３を析出させる他の方法には、気相法による析出いわゆる化学蒸着法がある。この方法を用いることにより、例えば酸化シリコン、窒化シリコンあるいは酸化窒化シリコンをウェーハ表面上で析出することができる。誘電層をウェーハ表面と気体との反応によって形成しない場合、誘電層３を析出する前にシリコン構造体２へのリード線路を形成することもできる。この場合の利点は、必要なプロセスステップ数を少なくできることであり、欠点は、リード線路の領域では膜が弱くなる恐れがあることである。
【００１２】
図１のｃの場合、誘電体膜３にコンタクト孔６が設けられている。これはフォトリトグラフィならびにエッチング技術による通常のプロセスにより行われる。センサ素子を保護するために、この表面上にさらに保護層５が設けられる。しかしシリコン構造体２を接触接続のために、この保護層はウェーハ１の少なくとも１つの個所にコンタクト開口部８を有する必要がある。
【００１３】
図１のｄには、電気抵抗の温度依存性を利用する完成された温度センサが示されている。このセンサを完成させるために、図１のｃに示されているシリコンウェーハ１の裏面に開口部を設ける。この温度センサは誘電体膜１３、単結晶シリコン構造体１１および単結晶シリコンから成るフレーム９を有している。単結晶シリコン構造体１１は、これがいかなる個所においてもフレーム９と接触しないように膜１３上に取り付けられている。膜１３の誘電材料は僅かな熱伝導性しか有していないので、単結晶シリコン構造体１１はフレーム９とは熱的に絶縁されている。
【００１４】
開口部７を設けるために、高い異方性を有するシリコンを例えばＫＯＨをエッチングするエッチング溶液が用いられる。例えば酸化シリコンまたは窒化シリコンのような膜１３の誘電材料は、この種のエッチング溶液により許容可能にエッチングされる。単結晶シリコン構造体１１はそのドーピングに起因して−必要に応じて電圧の印加による支援によって−エッチング溶液による侵食から保護され得る。単結晶シリコン構造体１１を電圧の印加によりエッチング溶液による侵食から保護すべき場合、単結晶シリコン構造体１１とフレーム９をそれぞれ異なる導電形にする必要がある。例えば、フレーム９をＰ形シリコンで形成し、単結晶シリコン構造体１１をＮ形シリコンで形成することが考えられる。
【００１５】
リード線路４を介して単結晶シリコン構造体１１の抵抗値を測定する。この抵抗値は著しく温度に依存するので、この測定により誘電体膜１３における温度を表わすことができる。
【００１６】
図１のｅには、ゼ−ベック効果を利用した温度センサの構成が示されている。この目的で、図１のｃによるウェ−ハ中に、裏面から出発する開口部７ｂが設けられる。この開口部７ｂは誘電体膜１３および単結晶シリコン構造体１２まで延在している。単結晶シリコン構造体１２の一方の端部は、単結晶シリコンから成るフレーム９に埋め込まれている。この領域には、コンタクト孔６の１つ（コンタクト１）も設けられている。単結晶シリコン構造体１２の他方の端部は、誘電体膜１３上に置かれている。この領域には、別のコンタクト孔６（コンタクト２）が設けられている。
【００１７】
コンタクト１とコンタクト２の間に温度差が生じると、両方のリード線路４の間に電圧差いわゆるゼ−ベック電圧が生じ、この電圧差を測定により検出することができる。開口部７ｂはやはり誘電体膜１３まで延在しており、さらに単結晶シリコン構造体１２まで延在している。単結晶シリコン構造体１２の保護は、やはり相応のドーピングないし電圧の印加により達成できる。電圧の印加による保護は、図１のｄと同じようにして行われる。
【００１８】
図２には、本発明による温度センサの別の製造方法が示されている。図２のａの場合、シリコンウェ−ハ３１において単結晶シリコン層３３の下に酸化シリコン層が形成される。このように埋められた酸化シリコン層３２を形成するために、シリコンウェ−ハ３１内に酸素イオンを注入する。相応のプロセスは、雑誌”Sensors and Actuators, A 21 - A 23, (1990) 1003 - 1006, SIMOX : a technology for high temperature silicon sensors ”に記載されている。図２のｂの場合、単結晶シリコン層３３の構造化により、単結晶シリコン構造体３５が形成されている。この単結晶シリコン構造体にはリード線路３４が設けられる。単結晶シリコン層３３の構造化は、フォトリトグラフィおよびエッチングプロセスにより行われる。リード線路３４を形成するために、例えば上方からの金属層のスパッタリングが適している。
【００１９】
図２のｃにおいて、開口部３７を設けることにより、単結晶シリコンから成るフレーム９と誘電体膜１３を備えた温度センサが形成される。この温度センサの表面上にさらに、酸化シリコンまたは窒化シリコンから成る保護層が析出される。開口部３７のエッチングはこの方法の場合とりわけ簡単である。それというのはエッチングストップとして誘電体膜１３が用いられるからである。ここに示されているセンサもやはり、単結晶シリコン構造体３５における電気抵抗の温度依存性を利用している。単結晶シリコン構造体３５の一方の端部がフレーム９の領域内に置かれていれば、このセンサに対しても同じようにゼ−ベック効果を温度測定に利用することができる。
【００２０】
図３には、空気量センサに使用する場合の本発明による温度センサが示されている。この空気量センサは、単結晶シリコンから成るフレーム９を有しており、このフレーム内に誘電体膜１３が取り付けられている。この誘電体膜上に単結晶シリコン構造体１１および１２が配置されており、その際、単結晶シリコン構造体１２は部分的にフレーム９の領域内に置かれている。平面図としてここに示されている構成の場合、これらの単結晶シリコン構造体１１、１２が膜１３の上面に配置されているか下面に配置されているかは重要ではない。したがってここに示されている構成は、図１および図２に示されたセンサに対して同じようにあてはまる。単結晶シリコンは１１、１２はリード線路１４により接触接続されている。これらのリード線路１４を介して、ここには示されていない評価電子機構との接触接続を形成することができる。この評価電子機構は、センサの外部に設けることもできるし、あるいはシリコンフレーム内にモノリシックに集積化することもできる。さらに、膜１３上にリード線路１５を有するヒータ１６が配置されている。このヒータ１６は、ここには図示されていないようにしてリード線路１５の横断面を先細りにしていくことにより、著しく簡単に形成されたものである。しかし、電流から熱への変換にもとづく任意の別のヒータも考えられる。ヒータ１６により、膜１３はフレーム９よりも高い温度に保持される。誘電体膜１３は僅かな熱伝導性しか有していないので、ヒータ１６からは僅かな熱しか膜１３を介してフレーム９へ放出されない。したがって膜１３は比較的高い温度にあり、この温度を温度センサによって検出することができる。膜１３を流動媒体中に例えば空気流中にさらすと、膜１３は熱をこの流動媒体へ放出するので、この膜は冷される。この場合、熱損失は、通過して流れる媒体の流量に依存する。したがって温度を測定することにより、単位時間ごとに通過して流れる媒体の量を決定することができる。温度測定の感度が高くなるにつれて、センサはいっそう高感度に、精確に、そして障害を受けないようになる。それ故単結晶シリコン構造体１１、１２を用いることにより、流動体センサの感度、障害に対する強さ、ならびに精度が高められる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明により、単結晶シリコンから成る構造体を用いた温度測定用のセンサが提供され、このような単結晶シリコン構造により著しく感度の高い温度センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による温度センサの製造方法を示す図である。
【図２】本発明による温度センサの別の製造方法を示す図である。
【図３】温度センサの平面図である。
【符号の説明】
１ シリコンウェーハ
２ シリコン構造体
３ 誘電層
４ リード線路
５ 保護層
６ コンタクト孔
７，８ 開口部
９ フレーム
１１，１２ シリコン構造体
１３ 誘電体膜
３１ シリコンウェーハ
３２ 酸化シリコン層
３３ 単結晶シリコン層
３４ リード線路
３５ シリコン構造体
３７ 開口部

Claims (21)

1. 単結晶シリコンから成るフレーム（９）と、該フレーム（９）により保持される誘電体膜（１３）とを備えた温度センサにおいて、
   前記誘電体膜（１３）の上面または下面に単結晶シリコン構造体（２，１１，３５）が被着されており、
   該誘電体膜（１３）の温度を表す電気的な測定出力を得るため、電気的接続部（４，１４）が前記単結晶シリコン構造体（２，１１，３５）に接続されており、
   前記単結晶シリコン構造体（２，１１，３５）は温度に依存する抵抗であり、該単結晶シリコン構造体（２，１１，３５）は深部ドーピング材料によりドーピングされていることを特徴とする温度センサ。
2. 前記深部ドーピング材料は、エネルギーレベルがシリコンのエネルギーギャップの少なくともほぼ中央にある材料から成る、請求項１記載の温度センサ。
3. 前記深部ドーピング材料は金、錫、コバルトまたはバナジウムである、請求項１記載の温度センサ。
4. 前記単結晶シリコン構造体（１１）は誘電体膜（１３）の下面に被着されている、請求項１記載の温度センサ。
5. 前記誘電体膜（１３）に開口部（６）が設けられており、該開口部を貫通して前記電気的接続部（４，１４）が単結晶シリコン構造体（２，１１，３５）と接続されている、請求項４記載の温度センサ。
6. 前記誘電体膜（１３）によってのみ支持されており、フレーム（９）とオーバラップしていない、請求項１記載の温度センサ。
7. 単結晶シリコンから成るフレーム（９）と、該フレーム（９）により保持される誘電体膜（１３）とを備えた温度センサにおいて、
   前記誘電体膜（１３）の上面または下面に単結晶シリコン構造体（２，１２，３５）が被着されており、
   該誘電体膜（１３）の温度を表す電気的な測定出力を得るため、電気的接続部（４，１４）が前記単結晶シリコン構造体（２，１２，３５）に接続されており、
   前記単結晶シリコン構造体（２，１２，３５）はゼーベック効果をもつ半導体から成り、該単結晶シリコン構造体（１２）は一部分が前記フレーム（９）の領域に配置されていてそれとオーバラップしており、
   前記電気的接続部（４，１４）はシリコンから作られず、
   該電気的接続部（４，１４）の２つの接続点のうちの一方は、単結晶シリコン構造体（２，１２）とともに前記フレーム（９）の領域に配置されており、他方の接続点は前記膜（１３）の領域に配置されていることを特徴とする、
   温度センサ。
8. 前記単結晶シリコン構造体（２，１２，３５）は少なくとも、燐、硼素または砒素の少なくとも１つから成るドーピング材料でドーピングされており、選択的に前記ドーピング材料の濃度が高められている、請求項７記載の温度センサ。
9. 前記単結晶シリコン構造体（１２）は誘電体膜（１３）の下面に被着されている、請求項７記載の温度センサ。
10. 前記誘電体膜（１３）に開口部（６）が設けられており、該開口部を貫通して前記電気的接続部（４，１４）が単結晶シリコン構造体（２，１１，３５）と接続されている、請求項９記載の温度センサ。
11. 空気流量センサで使用するための温度センサにおいて、
    請求項１記載のセンサを備えており、
    誘電体膜（１３）をフレーム（９）よりも高温に維持するために、該膜（１３）に隣り合って単結晶シリコン構造体（１１，３５）の近傍にヒータ（１６）が配置されており、
    前記電気的接続部（１４）は評価電子機構と接続されており、該評価電子機構により前記膜（１３）の表面を流れる媒体の熱損失が評価され、前記センサは該誘電体膜（１３）の温度を測定することを特徴とする、
    温度センサ。
12. 空気流量センサで使用するための温度センサにおいて、
    請求項７記載のセンサを備えており、
    誘電体膜（１３）をフレーム（９）よりも高温に維持するために、該膜（１３）に隣り合って単結晶シリコン構造体（１２，３５）の近傍にヒータ（１６）が配置されており、
    前記電気的接続部（１４）は評価電子機構と接続されており、該評価電子機構により前記膜（１３）の表面を流れる媒体の熱損失が評価され、前記センサは該誘電体膜（１３）の温度を測定することを特徴とする、
    温度センサ。
13. 単結晶シリコンから成るフレーム（９）と、該フレーム（９）により保持される誘電体膜（１３）とを備えており、
    前記誘電体膜（１３）上に単結晶シリコン構造体（２，１１，１２）が被着されており、
    該誘電体膜（１３）の温度を表す電気的な測定出力を得るため、電気的接続部（４，１４）が前記単結晶シリコン構造体（２，１１，１２）に接続されている温度センサの製造方法において、
    単結晶シリコンウェハ（３１）を用意するステップと、
    該ウェハ（３１）に酸素イオンを注入して、その中に埋め込まれた酸化シリコン層（３２）を形成し、該ウェハに単結晶部分（３１）を形成し、前記酸化シリコン層（３２）の上に単結晶シリコン層（３３）を残すステップと、
    該単結晶シリコン層（３３）を成形または構造形成して、前記酸化シリコン層（３２）の上に単結晶シリコン構造体（３５）を形成するステップと、
    前記単結晶シリコン構造体（３５）を深部ドーピング材料を用いてドーピングして、該単結晶シリコン構造体（３５）に温度に依存する抵抗を形成するステップと、
    該単結晶シリコン構造体（３５）に接続部（３４）を形成するステップと、
    前記単結晶シリコンウェハ（３１）のフレーム（９）を残しながら前記シリコンウェハ（３１）を酸化シリコン層（３２）までエッチングして開口部（３７）を形成し、酸化シリコン層（３３）を膜（１３）とするステップ、
    を有することを特徴とする、
    温度センサの製造方法。
14. 前記エッチングステップはエッチング溶液を用いるステップを有しており、電圧の印加または高い濃度のドーピング材料の適用により前記シリコン構造体（２，３５）をエッチング溶液による作用から保護するステップが設けられている、請求項１３記載の方法。
15. ウェハ表面と気体との化学反応により誘電層を形成する、請求項１３記載の方法。
16. 気相によるデポジションにより誘電層を形成する、請求項１３記載の方法。
17. スパッタリングにより誘電層を形成する、請求項１３記載の方法。
18. 前記ドーピングステップは、エネルギーレベルがシリコンのエネルギーギャップの少なくともほぼ中央にあるドーピング材料を用いて単結晶シリコン構造体（２，３５）を深部ドーピングするステップを有する、請求項１３記載の方法。
19. 酸素イオンを注入する前記ステップは、イオンインプランテーションにより酸素イオンを前記ウェハ（３１）に打ち込むステップを有する、請求項１３記載の方法。
20. 前記エッチングステップは、フレーム（９）を残しながら酸化シリコン層（３２）までシリコンウェハ（３１）の裏面からエッチングして開口部を形成するステップを有する、請求項１３記載の方法。
21. 前記エッチングステップは、フレーム（９）を残しながら酸化シリコン層（３２）までシリコンウェハ（３１）の裏面からエッチングして開口部（３７）を形成するステップを有する、請求項１９記載の方法。

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