JP4639487B2

JP4639487B2 - 薄膜部を有するセンサの製造方法

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Publication number: JP4639487B2
Application number: JP2001035937A
Authority: JP
Inventors: 山本　　敏雅; 弘幸和戸; 泰河野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2021-02-13
Also published as: JP2002243516A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体プロセスで製造される薄膜部を有するセンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体プロセスで製造される薄膜部を有するセンサとして、例えばフローセンサがある。図５は薄膜部を含む部位におけるフローセンサ１００の概略断面図である。フローセンサ１００では、基板１０１の表面に絶縁膜や導体膜からなる薄膜層１０２が形成され、薄膜層１０２を残して基板１０１に空洞部１０３が設けられることにより、空洞部１０３上に薄膜層１０２からなる薄膜部１０４が形成されている。
【０００３】
そして、この薄膜部１０４における導体膜でヒータや測温体等が構成され、薄膜部１０４の表面における流体の流れによるヒータの放熱量を測温体で検出することにより流量を検出するようになっている。
【０００４】
次に、この様なフローセンサ１００の製造方法について説明する。まず、基板１０１の表面に酸化膜や窒化膜からなる絶縁膜を形成し、その後、絶縁膜上に導体膜を形成してパターニングすることにより、ヒータや測温体等を形成する。次に、ヒータや測温体上に絶縁膜を形成する。この様にして薄膜層１０２を形成する。
【０００５】
続いて、ヒータや測温体等が形成された部位に対応する基板１０１の裏面側から、基板１０１の表面側に形成された薄膜層１０２を残して基板１０１をエッチングすることにより空洞部１０３を形成する。これにより、空洞部１０３上の薄膜層１０２が薄膜部１０４になる。このエッチングは、ＫＯＨ溶液やＴＭＡＨ溶液等のエッチング液を用いて行われ、基板１０１の面方位に依存した形状の空洞部１０３が形成される。一般に、空洞部１０３における基板１０１に垂直な方向の断面の形状は台形になる。
【０００６】
この様に、フローセンサ１００では薄膜部１０４にヒータ等が形成されており、薄膜部１０４は膜厚が薄いため熱容量が低いことから、ヒータのわずかな放熱量変化を検出することができ、応答性が高くなっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、薄膜部１０４の表面側から図５中の白抜き矢印で示される圧力が加わって破線の様に薄膜部１０４が変形すると、薄膜部１０４の端部Ａにおいて応力集中が起こる。従って、一般に薄膜部１０４では膜厚が薄くて強度が低くなっているため、薄膜部１０４の端部Ａにおいて亀裂が生じ、薄膜部が破壊される恐れがある。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑み、薄膜部の破壊耐圧を向上させることができる薄膜部を有するセンサの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、薄膜部１０４が破壊される機構についてシミュレーション解析を行って検討した。その結果、薄膜部１０４の表面側から圧力を加え、その圧力を徐々に大きくしていった場合、基板１０１の表面と空洞部１０３における基板１０１の側壁とのなす角度αが小さい程、薄膜部１０４の端部Ａに生じた応力が大きくなり、薄膜部１０４が破壊され易くなることが分かった。つまり、薄膜部１０４の端部において基板１０１の表面と空洞部１０３における基板１０１の側壁とのなす角度αが小さい程、薄膜部１０４の破壊耐圧が小さいことが分かった。
【００１０】
そして、上記従来の製造方法では、基板１０１の面方位に依存した異方性エッチングのみで空洞部１０３を形成しており、面方位によって空洞部１０３の形状が決定されるため、場合によっては空洞部１０３における基板１０１の側壁と基板１０１の表面とのなす角度αが小さくなってしまう。従って、従来の製造方法では薄膜部１０４の破壊耐圧が小さくなる恐れがあるため、新たな製造方法の開発が望まれる。
【００１９】
そこで、請求項１に記載の発明では、基板（１）の表面全面に不純物がドーピングされた不純物層（９）をエピタキシャル成長により形成する工程と、不純物層の上に、絶縁膜の間に導体膜が挟まれてなる薄膜層（８）を形成する薄膜層形成工程と、その後、基板の裏面側から、基板の面方位に依存したエッチングを行って不純物層を露出させ、基板の表面側から薄膜層をエッチングにより部分的に除去して開口部を形成し、不純物層を露出させた後、薄膜層の開口部から不純物層に直接通電し、露出した不純物層を電気化学エッチングにより除去して薄膜層の絶縁膜を露出させ、空洞部（２）を形成することにより、空洞部上に薄膜層からなる薄膜部（３）を形成する薄膜部形成工程とを有することを特徴としている。
【００２０】
本発明では、空洞部における基板の表面側を不純物層の電気化学エッチングにより形成しているため、薄膜部の端部において空洞部における基板の側壁と基板の表面とのなす角度を大きくすることができる。従って、薄膜部の破壊耐圧を向上させることができる。
【００２１】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１の発明において、基板として、Ｓｉからなる＜１００＞基板を使用し、空洞部において基板の＜１１１＞面を露出させることを特徴としている。
【００２２】
本発明では、請求項１の発明に示す空洞部における基板の側壁と基板の表面とのなす角度が大きくなるような製造方法を採用しているため、比較的入手し易いＳｉの＜１００＞基板を用いても好適に薄膜部の破壊耐圧を向上させることができる。
【００２３】
また、請求項３に記載の発明の様に、請求項１，２に記載の発明における不純物層としてボロンを１０ ¹⁹ ／ｃｍ ³ 程度ドーピングさせてエピタキシャル成長させた層を用いることができる。また、請求項４に記載の発明の様に、請求項１〜３に記載の発明における薄膜部を有するセンサとしてエアフローセンサを適用することができる。
【００２４】
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。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、薄膜部を有するセンサとしての感熱式エアフローセンサ（以下、単にフローセンサという）の製造方法に本発明を適用したものである。以下、図に示す実施形態について説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態のフローセンサ１０の概略断面図である。Ｓｉ等からなる基板１の表面に導体膜が絶縁膜で挟まれてなる薄膜層が形成され、基板１の裏面側から薄膜層を残す様にして空洞部２が設けられている。そして、この空洞部２上の薄膜層によってダイアフラム構造の薄膜部３が形成されている。
【００２７】
薄膜部３においては、導体膜で構成された蛇行状のヒータ４が形成され、このヒータ４の両側のうち、図中の白抜き矢印で示される流体の流れの上流側に導体膜で構成された蛇行状の測温体５が形成されている。また、ヒータ４と測温体５の上流側には、流体の温度を測定するための導体膜で構成された蛇行状の流体温度計６が形成されている。これらの導体膜としては例えばＰｔからなるものを用いることができる。
【００２８】
このようなフローセンサ１０では、流体温度計６から得られる流体温度よりも高い温度になるようにヒータ４を駆動する。そして、流体が流れることにより、図の白抜き矢印で示す順流においては、測温体５は熱を奪われて温度が下がり、白抜き矢印の逆方向である逆流では熱が運ばれて温度が上がるため、この測温体５と流体温度計６との温度差から流体の流量および流れ方向が検出される。
【００２９】
ここで、温度測定（検出）は、ヒータ４等と同様に導体膜により形成された電極取り出し部７を用いて、流体温度計６および測温体５を形成している導体膜の抵抗値変動を検出することにより行っている。そのため、測温体５を薄膜部３に形成しており薄膜部３は熱容量が小さいことから、測温体５の抵抗値変動を敏感に検出することができ、このフローセンサ１０の応答性が高くなる。
【００３０】
次に、この様な構成のフローセンサ１０の製造方法について、薄膜部３におけるフローセンサ１０の概略断面で示す工程図である図２を参照して述べる。
【００３１】
〔図２（ａ）に示す工程〕
まず、基板１を用意する。この基板１としてはＳｉの＜１００＞基板１を用いる。次に、基板１の表面側に薄膜層８を形成する薄膜層形成工程を行う。この薄膜層形成工程では、基板１の表面に窒化膜と酸化膜を積層して絶縁膜を形成し、その後、絶縁膜上に導体膜としてのＰｔ膜を形成する。そして、このＰｔ膜をパターニングして、図１に示すヒータ４、測温体５、流体温度計６等を形成する。その後、このヒータ４等の上に窒化膜と酸化膜を形成して絶縁膜を形成する。このようにして、絶縁膜の間に導体膜が挟まれてなる薄膜層８を形成する。以上が薄膜層形成工程である。
【００３２】
次に、基板１の裏面側からエッチングを行う。基板１の裏面に予め形成しておいた酸化膜のうち、空洞部２を形成する予定の部位を開口してＳｉ基板１の裏面を露出させる。そして、ＫＯＨ溶液やＴＭＡＨ溶液等のエッチング液を用いた異方性エッチング（第１のエッチング）を行う（第１のエッチング工程）。この異方性エッチングは基板１の面方位に依存しており、本実施形態では＜１１１＞面が露出する。
【００３３】
また、この第１のエッチング工程では、基板１の表面側が残るように、基板１の裏面側から基板１の途中までエッチングする。具体的には、基板１の表面側において残される基板１の厚みが１０μｍ以下になるまでエッチングを行う。この基板１の厚みは例えば光学的に測定して制御することができる。この様にして空洞部２を部分的に形成する。ここで、第１のエッチングによってエッチングされる領域の側壁と基板１の表面との成す角度を第１の角度θ１とする。
【００３４】
〔図２（ｂ）に示す工程〕
次に、基板１の裏面側一面に酸化膜を形成し、その後、部分的に形成された空洞部２の周囲の基板１のうち、基板１の表面に略平行な面（以下、上底面という）１ａに対応する部分が開口するようにレジストを形成する。そして、このレジストをマスクとして酸化膜をエッチングし、基板１における上底面１ａを酸化膜から露出させる。
【００３５】
その後、酸化膜をマスクとして、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング等のＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を行う（第２のエッチング工程）。このＩＣＰエッチング（第２のエッチング）は基板１の面方位に依存しない異方性エッチングであり、イオンの入射角に依存するエッチングである。具体的には、ＩＣＰエッチングでは、例えばＳＦ₆を主成分とするガスを用いることができる。
【００３６】
また、第２のエッチング工程では、第１のエッチング工程において残された基板１の表面側を薄膜層８に達するまでエッチングして空洞部２を形成する。これにより、空洞部２上に薄膜層８からなる薄膜部３が形成される。
【００３７】
また、第２のエッチング工程によってエッチングされる領域における基板１の表面側の側壁と基板１の表面との成す角度を第２の角度θ２とすると、第１の角度θ１よりも第２の角度θ２の方が大きくなっている。具体的には、本実施形態では、第１の角度θ１が５４．７度であり、第２の角度θ２が９０度となっている。
【００３８】
以上、第１及び第２のエッチング工程により空洞部２を形成して薄膜部３を形成する工程を薄膜部形成工程という。この様にして、図１に示すフローセンサ１０が完成する。
【００３９】
本実施形態では、空洞部２のうち基板１の表面側の部位を基板１の面方位に依存しないエッチングにより形成しており、ＩＣＰエッチングを行っているため基板１の表面に対して直角にエッチングを行うことができる。そのため、薄膜部３の端部において空洞部２における基板１の側壁と基板１の表面とのなす角度である第２の角度θ２をほぼ９０度にすることができる。従って、薄膜部３の破壊耐圧を向上させることができる。
【００４０】
また、面方位に依存した異方性エッチングである第１のエッチングはエッチングレートが速く、基板１の表面に対して略直角な面を形成する異方性エッチングである第２のエッチングはエッチングレートが遅い。従って、本実施形態の様に、第１のエッチングにより空洞部２の大部分を形成し、第２のエッチングにより除去する基板１の厚みを数μｍ程度（１０μｍ以下）に少なくすることにより、空洞部２を形成するために必要な時間を短くすることができる。
【００４１】
また、第２のエッチングではエッチングレートのばらつきを制御する必要があるが、第２のエッチングにより除去する基板１の厚みを少なくしているため、容易にエッチングレートのばらつきを制御することができる。なお、薄膜部３の破壊耐圧を向上させる効果を好適に得るために、第２のエッチングにより除去される基板１の厚みは２μｍ以上にすると望ましい。
【００４２】
また、本実施形態では、比較的入手し易いＳｉの＜１００＞基板１を用いるようにしている。通常、＜１００＞基板１を用いて面方位に依存する異方性エッチングのみにより空洞部２を形成すると、空洞部２における基板１の側壁面が＜１１１＞面となり、薄膜部３の端部において空洞部２における基板１の側壁と基板１の表面とのなす角度が比較的小さくなってしまう。そのため、薄膜部３の端部において薄膜部３が破壊される恐れがある。
【００４３】
しかしながら、本実施形態の様に、空洞部２を第１及び第２のエッチングによる２段階のエッチングにより形成することにより、比較的入手し易いＳｉの＜１００＞基板１を用いても好適に薄膜部３の破壊耐圧を向上させることができる。
【００４４】
（第２実施形態）
本実施形態は第１実施形態と比較して第２のエッチング工程が異なる。図３は本実施形態に係るフローセンサ１０の製造工程を薄膜部３を含む概略断面図にて示している。以下、主として第１実施形態と異なる部分について述べ、図３中、図２と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。
【００４５】
〔図３（ａ）に示す工程〕
第１実施形態において示した〔図２（ａ）に示す工程〕と同様に空洞部２を部分的に形成する。
【００４６】
〔図３（ｂ）に示す工程〕
基板１の裏面に対して第１実施形態における酸化膜の代わりに窒化膜を形成し、基板１の上底面１ａを窒化膜から露出させる。そして、窒化膜をマスクとして等方性エッチング（第２のエッチング）を行うことにより薄膜層８を残して基板１のエッチングを行う（第２のエッチング工程）。この等方性エッチングは、エッチング液としてフッ硝酸を用いたウェットエッチングにより行うことができる。この様にして空洞部２を形成してフローセンサ１０を製造することができる。
【００４７】
本実施形態でも、第２のエッチングを等方性エッチングで行うことにより、薄膜部３の端部において空洞部２における基板１の側壁と基板１の表面とのなす角度（第２の角度θ２）を９０度に近づけることができるため、第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００４８】
（第３実施形態）
第１及び第２実施形態では基板１を２段階でエッチングすることにより第２の角度θ２を大きくする方法について説明したが、本実施形態では基板１と薄膜層８との間に異なる層を挿入して２段階でエッチングする製造方法について説明する。図４は本実施形態に係るフローセンサ１０の製造工程を薄膜部３を含む概略断面図にて示している。以下、主として第１実施形態と異なる部分について述べ、図４中、図２と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。
【００４９】
〔図４（ａ）に示す工程〕
まず、基板１の表面に不純物がドーピングされた不純物層９を形成する（不純物層を形成する工程）。この不純物層９としては、高濃度にＢ（ボロン）をドーピングさせてエピタキシャル成長させた層を用いることができる。Ｂの濃度は、例えば１０¹⁹／ｃｍ³程度にすると良い。
【００５０】
そして、第１実施形態と同様に薄膜層８を形成した後、基板１の裏面側から面方位に依存したエッチングを行うことにより、不純物層９を露出させて空洞部２を部分的に形成する。
【００５１】
また、後述の電気化学エッチングにおいて不純物層９に通電するために、基板１の表面側から薄膜層８をエッチング等により部分的に除去して開口部８ａを形成し、不純物層９を露出させる。
【００５２】
〔図４（ｂ）に示す工程〕
基板１の表面側における薄膜層８の開口部８ａから不純物層９に通電し、部分的に形成された空洞部２において露出した不純物層９を電気化学エッチングにより除去する。これにより、空洞部２が形成され、空洞部２上の薄膜層８が薄膜部３となってフローセンサ１０が完成する。
【００５３】
この不純物層９の電気化学エッチングは基板１の面方位に依存したエッチングではなく等方性エッチングであるため、本実施形態でも、第２の角度θ２を９０度に近づけることができる。従って、第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００５４】
（他の実施形態）
上記各実施形態ではフローセンサ１０の製造方法に本発明を適用したが、フローセンサ以外にも、一般的に基板に半導体プロセスを用いて形成される薄膜部を有するセンサに対して本発明を適用することができ、例えば、赤外線センサや湿度センサ、ガスセンサ等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るフローセンサの斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るフローセンサの製造工程を示す概略断面図である。
【図３】第２実施形態に係るフローセンサの製造工程を示す概略断面図である。
【図４】第３実施形態に係るフローセンサの製造工程を示す概略断面図である。
【図５】従来のフローセンサの概略断面図である。
【符号の説明】
１…基板、２…空洞部、３…薄膜部、８…薄膜層、９…不純物層。

Claims

基板（１）の表面全面に不純物がドーピングされた不純物層（９）をエピタキシャル成長により形成する工程と、
前記不純物層の上に、絶縁膜の間に導体膜が挟まれてなる薄膜層（８）を形成する薄膜層形成工程と、
その後、前記基板の裏面側から、前記基板の面方位に依存したエッチングを行って前記不純物層を露出させ、前記基板の表面側から前記薄膜層をエッチングにより部分的に除去して開口部を形成し、前記不純物層を露出させた後、前記薄膜層の開口部から前記不純物層に直接通電し、前記露出した不純物層を電気化学エッチングにより除去して前記薄膜層の絶縁膜を露出させ、空洞部（２）を形成することにより、前記空洞部上に前記薄膜層からなる薄膜部（３）を形成する薄膜部形成工程とを有することを特徴とする薄膜部を有するセンサの製造方法。
前記基板として、Ｓｉからなる＜１００＞基板を使用し、前記空洞部において前記基板の＜１１１＞面を露出させることを特徴とする請求項１に記載の薄膜部を有するセンサの製造方法。
前記不純物層としてボロンを１０ ¹⁹ ／ｃｍ ³ 程度ドーピングさせてエピタキシャル成長させた層を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜部を有するセンサの製造方法。
前記薄膜部を有するセンサは、エアフローセンサとして用いられるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の薄膜部を有するセンサの製造方法。