JP4770820B2 - 半導体センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体からなる抵抗体を用いて所定の物理量を感知する半導体センサ及びその製造方法に関する。

流体の流路に配置された発熱体を発熱制御する際、発熱体の生ずる熱が同発熱体付近を流通する流体によって奪われることを利用して流体の流量を検出する熱式のフローメータが周知である。すなわち、このフローメータでは、発熱体の生じる熱のうち流体によって奪われる熱量が流体の流量が多いほど増加することに着目し、流体によって奪われる熱量に基づき発熱体付近の流体の流量を検出するようにしている。

具体的には、例えば、感温体を通じて感知される発熱体の近傍の温度を所定の温度に維持するように上記発熱体へ供給する電力量を制御するとともに、上記発熱体の熱のうち流体によって奪われた熱量の指標としての同発熱体に供給される電力量等に基づいて流体の流量を検出する。また、例えば、発熱体を所定の温度に制御するとともに、上記発熱体の熱のうち流体によって奪われた熱量の指標としての同発熱体の付近の温度を感温体を通じて感知することで流体の流量を検出する。なおこの感温体は、抵抗体として構成されるとともに自身の抵抗値の変化を利用して温度を感知するものであることが多い。

こうしたフローメータに備えられるフローセンサは、通常、半導体プロセスによって製造される。ただし、このように半導体プロセスを用いる場合、上記発熱体や感温体を例えば白金（Ｐｔ）等を用いて製造すると、同半導体プロセスにおいては汚染となるという問題があった。

そこで従来は、例えば下記特許文献１〜３に見られるように、上記発熱体や感温体、更にはこれらと当該フローセンサの外部端子とを接続するリード部等を多結晶シリコンや単結晶シリコン等の半導体にて形成することも提案されている。

ところで、シリコンを用いて上記発熱体や抵抗体、リード部等を形成する場合、金属を用いて形成された場合と比較して抵抗率が高くなる。すなわち、通常の製造プロセス温度における固溶度程度の濃度（「１×１０²⁰ｃｍ^-3」）の不純物をドーピングするようにしたときのシリコンの抵抗率は、「１×１０^-3Ω・ｃｍ」程度であるのに対し、白金（Ｐｔ）の抵抗率は、「１×１０^-5Ω・ｃｍ」程度である。

ここで、フローセンサの感知精度を好適に確保する上では、またフローセンサの消費電力を抑制する上では、上記リード部の抵抗値を極力低下させることが望ましい。これは、リード部が、上記発熱体や感温体と、これらの感知結果に基づき検出信号を生成する信号生成回路との間で信号を伝搬させる経路に過ぎないためである。

しかし、フローセンサでは、流体の流通状態を乱さないために、上記発熱体及び感温体が形成されている領域とフローセンサの外部端子が形成されている領域とを、ある程度離間させることが望まれる。このため、リード部の電流の流通方向の長さを短縮することによって同リード部の抵抗値を低下させることには限界がある。

これに対し、例えば特許文献１では、上記発熱体や感温体、リード部を構成するシリコン薄膜の膜厚を「１〜２μｍ」とすることも提案されている。このように、膜厚を厚くすることで、シリコンを用いた場合であれ、その抵抗値を好適に低減させることができる。
特開２００２−７１４１６号公報 特開２００２−４８６１６号公報 特開２００１―１２９８５号公報

ところで、上記発熱体や感温体、リード部等を構成するシリコン薄膜の膜厚を厚くする場合には、これらを保護すべくその上面に形成される保護膜の上面の段差も大きなものとなる。そして、このように大きな段差を有する場合には、流体の流通状態を乱しやすくなり、その結果、流量検出精度が低下するという問題がある。

また、図１０に示すように、発熱体Ｈや感温体Ｔを覆う保護膜ＰＦＭの上面に大きな段差を有する場合には、この保護膜ＰＦＭ表面にゴミＧが付着しやすくなる。そして、保護膜ＰＦＭ上にゴミＧが付着すると、フローセンサの熱容量や熱伝導特性が変化し、流量の感知精度が低下するおそれがある。

なお、上記フローセンサに限らず、例えばガスセンサ等、半導体からなる抵抗体を用いて所定の物理量を感知する半導体センサにあっては、その上面の段差が大きくなることに起因して感知精度の低下が懸念されるこうした実情も概ね共通したものとなっている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体からなる抵抗体を用いて所定の物理量を感知するに際して、その感知精度を好適に確保することのできる半導体センサ及びその製造方法を提供することにある。

こうした目的を達成すべく、請求項１記載の発明では、半導体基板上に絶縁膜と半導体薄膜とが積層され、該半導体薄膜を用いて形成された抵抗体により所定の物理量を感知する半導体センサとして、熱処理によって部分的に絶縁物化された半導体薄膜において、同絶縁物化のなされない領域として抵抗体をパターン形成した。これにより、抵抗体に隣接して同抵抗体とその上面が略等しい絶縁物が形成されることとなる。このため、保護膜のうち抵抗体に対応する部分の近傍における段差を好適に抑制することができる。したがっ
て、その感知精度を好適に確保することができるようになる。

また、請求項２記載の半導体センサでは、前記熱処理を熱酸化処理とする。これにより、熱処理による半導体薄膜の絶縁物化を簡易に行うことができる。
また、請求項３記載の半導体センサでは、当該半導体センサを、前記抵抗体として、発熱体と、該発熱体の近傍の温度を感知する感温体とを備えて流体の流量を感知するフローセンサとする。こうしたフローセンサにあっては、抵抗体近傍の段差に起因して感知精度が低下しやすいために、上記請求項１又は２記載の半導体センサの作用効果を好適に奏することができるようになる。

また、請求項４記載の発明では、半導体基板上に絶縁膜と半導体薄膜とが積層され、該半導体薄膜を用いて形成された抵抗体により所定の物理量を感知する半導体センサを製造する方法として、半導体薄膜の上面に前記抵抗体とする部分を保護するマスクを形成する工程と、前記マスクを介して前記半導体薄膜に熱処理を施すことによって同半導体薄膜を部分的に絶縁物化する工程とを含んで、前記抵抗体を前記半導体薄膜中の前記絶縁物化のなされない領域としてパターン形成する。これにより、抵抗体に隣接して同抵抗体とその上面が略等しい絶縁物が形成されることとなる。このため、保護膜のうち抵抗体に対応する部分の近傍における段差を好適に抑制することができる。したがって、その感知精度を好適に確保することができるようになる。

また、請求項５記載の半導体センサの製造方法では、前記熱処理を熱酸化処理とする。これにより、熱処理による半導体薄膜の絶縁物化を簡易に行うことができる。
なお、請求項４又は５記載の半導体センサの製造方法は、請求項６記載の半導体センサの製造方法によるように、製造される半導体センサが、前記抵抗体として、発熱体と、該発熱体の近傍の温度を感知する感温体とを備えて流体の流量を感知するフローセンサであるようにしてもよい。こうしたフローセンサにあっては、抵抗体近傍の段差に起因して感知精度が低下しやすいために、上記請求項４又は５記載の半導体センサの製造方法の作用効果を好適に奏することができるようになる。

以上詳述したように、請求項１〜３記載の半導体センサは、保護膜のうち抵抗体に対応する部分の近傍における段差を好適に抑制することができ、その感知精度を好適に確保することができるようになる。請求項４〜６記載の半導体センサの製造方法は、保護膜のうち抵抗体に対応する部分の近傍における段差を好適に抑制することができ、その感知精度を好適に確保した半導体センサを製造することができる。

（参考例）
以下、本発明にかかる半導体センサを車載用内燃機関の吸入空気量を検出するフローメータに適用した実施形態を説明するに先立ち、その参考例を図面を参照しつつ説明する。

図１に、上記フローメータＦＭの回路構成を示す。同図１に示されるように、このフローメータＦＭは、熱式のフローセンサＦＳと、該フローセンサＦＳの感知結果に基づき電気信号を生成する信号生成回路ＳＧとを備えている。

ここで、フローセンサＦＳは、上流側ヒータＲｈａと下流側ヒータＲｈｂと、当該フローメータＦＭの環境温度を感知する上流側温度計Ｒｋａと下流側温度計Ｒｋｂとを備えている。

本参考例においては、これら上流側ヒータＲｈａと下流側ヒータＲｈｂは、発熱体であるとともに自身の温度を感知する感温体としても機能する。すなわち、これら上流側ヒータＲｈａと下流側ヒータＲｈｂは、電流の供給によって発熱する抵抗体としての機能に加えて、同抵抗体の抵抗値の変化に基づいて自身の温度をも感知するものである。そして、フローセンサＦＳでは、上流側ヒータＲｈａと下流側ヒータＲｈｂとの生じる熱のうち流体によって奪われる熱に基づき流体の流量を感知する。また、フローセンサＦＳでは、上流側ヒータＲｈａと下流側ヒータＲｈｂとのそれぞれの生じる熱のうち流体によって奪われる熱量の差に基づき、流体の流通方向を感知する。

一方、信号生成回路ＳＧは、上記フローセンサＦＳによる流体の流量及び流体の流通方向の感知結果に応じた検出信号を生成する。詳しくは、上流側ヒータＲｈａ及び上流側温度計Ｒｋａの温度差と、下流側ヒータＲｈｂ及び下流側温度計Ｒｋｂの温度差とをそれぞれ所定値（例えば「２００℃」）とするように、フローセンサＦＳへ供給する電流を制御する。そして、このフローセンサＦＳで消費される電力に基づき上記流体の流量及び流体の流通方向に応じた検出信号を生成する。

ここで、上記フローセンサＦＳ及び信号生成回路ＳＧを備えるフローメータＦＭの具体的な回路構成について更に説明する。
フローメータＦＭは、吸気通路の上流側に対応した上流側ホィーストンブリッジＵＨＢと、吸気通路の下流側に対応した下流側ホィーストンブリッジＤＨＢとを備えている。

ここで、上流側ホィーストンブリッジＵＨＢは、上流側ヒータＲｈａから抵抗Ｒ１ａへと、また、上流側温度計Ｒｋａから抵抗Ｒ２ａへとそれぞれ電流が流れる態様にて、上流側ヒータＲｈａ及び抵抗Ｒ１ａと上流側温度計Ｒｋａ及び抵抗Ｒ２ａとが並列接続された回路である。そして、上流側ヒータＲｈａと上流側温度計Ｒｋａとの接続点ＰａにトランジスタＵＴを介してバッテリＢから電流が供給される。そして、上流側ヒータＲｈａでの電圧降下と上流側温度計Ｒｋａでの電圧降下とは差動増幅回路ＵＯＰに取り込まれる。そして、この差動増幅回路ＵＯＰにより、これら２つの電圧降下を等しくすべく、換言すればブリッジの平衡条件を成立させるべく、これらの電圧降下の差に応じてトランジスタＵＴが制御される。

ここで、上流側ホィーストンブリッジＵＨＢは、平衡条件が成立したときに、上流側ヒータＲｈａの温度が上流側温度計Ｒｋａの温度よりも上記所定値だけ高くなるように設定されている。なお、環境温度にかかわらず、上流側ヒータＲｈａの温度が上流側温度計Ｒｋａの温度よりも上記所定値だけ高くなるときに上記平衡条件が成立するようにすべく、これら上流側ヒータＲｈａと上流側温度計Ｒｋａとは、抵抗温度係数が互いに等しく設定されている。

一方、下流側ホィーストンブリッジＤＨＢは、下流側ヒータＲｈｂから抵抗Ｒ１ｂへと、また、下流側温度計Ｒｋｂから抵抗Ｒ２ｂへとそれぞれ電流が流れる態様にて、下流側ヒータＲｈｂ及び抵抗Ｒ１ｂと下流側温度計Ｒｋｂ及び抵抗Ｒ２ｂとが並列接続された回路である。この下流側ホィーストンブリッジＤＨＢも、上流側ホィーストンブリッジＵＨＢと同様、平衡条件を成立させるべく、トランジスタＤＴ及び差動増幅回路ＤＯＰを備えている。なお、この下流側ホィーストンブリッジＤＨＢの構成は、上流側ホィーストンブリッジＵＨＢの構成と同様であるため、その説明を割愛する。

これら上流側ホィーストンブリッジＵＨＢの上流側ヒータＲｈａでの電圧降下と、下流側ホィーストンブリッジＤＨＢの下流側ヒータＲｈｂでの電圧降下とは、差動増幅回路ＣＯＰに取り込まれる。そして、これら２つの電圧降下の差に応じた信号が差動増幅回路ＣＯＰにて生成され、増幅回路ＡＣによって増幅された後、信号生成回路ＳＧの端子Ｐ７を介して外部に出力される。この端子Ｐ７を介して出力される検出信号が流体の流量及び流通方向の検出信号である。

図２に、上記フローセンサＦＳの構成を示す。このフローセンサＦＳは、半導体基板１０を備えて構成されている。そして、半導体基板１０上に積層されているシリコン酸化膜２０上には、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａや下流側温度計Ｒｋｂが形成されている。そして、これら上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂは、リード部Ｌ１〜Ｌ６を介して、先の図１に示した信号生成回路ＳＧとの接続端子となるパッドＰ１〜Ｐ６と接続されている。

ちなみに、半導体基板１０は、空洞部Ｈを有する。詳しくは、半導体基板１０は、その裏面側において図２に１点鎖線にて示す矩形状の領域が開口されているとともに、この開口面積が半導体基板１０の上面側へ行くほど縮小され、同半導体基板１０の上面では図２に破線にて示されるような矩形状の領域となっている。

このように空洞部Ｈを有するために、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂは、フローセンサＦＳのうち、半導体基板１０の空洞部Ｈを架橋するようにして形成されている薄膜部ＭＢに備えられることとなる。この薄膜部ＭＢは、フローセンサＦＳの他の箇所と比べてその膜厚が薄く形成されているために、熱容量が低く抑えられ、また、フローセンサＦＳの他の箇所との熱的な絶縁が図られている。

次に、上記フローメータＦＭが車載内燃機関の吸気通路に配置された際の状態について説明する。
図３（ａ）に示すように、吸気通路ＩＭＦには、同吸気通路ＩＭＦ内を流通する流体の一部が取り込まれ、この取り込まれた流体を所定に流通させる流路部材ＦＰが取り付けられている。そして、この流路部材ＦＰには、上記フローセンサＦＳが取り付けられている。一方、吸気通路ＩＭＦの外側には、信号生成回路ＳＧが配置されている。そして、フローセンサＦＳと信号生成回路ＳＧとは、流路部材ＦＰ内に収納されている配線（図示略）によって接続されている。

なお、図３（ａ）に示すように、フローセンサＦＳの薄膜部ＭＢは、上述した上流側ヒータＲｈａ及び上流側温度計Ｒｋａが、下流側ヒータＲｈｂ及び下流側温度計Ｒｋｂよりもエアクリーナ側になるように配置されている。

図３（ｂ）に、流路部材ＦＰへのフローセンサＦＳの取り付け状態を拡大してしめす。同図３（ｂ）に示されるように、フローセンサＦＳは、その表面が露出されつつも、その側面及び裏面が流路部材ＦＰの収容部ｓｐによって保護されている。また、フローセンサＦＳの表面についても、先の図２に示したパッドＰ１〜Ｐ６の近傍の部分は、流路部材ＦＰの支持部ｈｐによって覆われている。

次に、上記フローセンサＦＳのうち、特に上記薄膜部ＭＢについて更に説明する。
図４に、フローセンサＦＳのうち薄膜部ＭＢ近傍の断面構成を示す。この図４は、先の図２のＡ−Ａ断面を示している。同図４に示すように、シリコンからなる半導体基板１０には、上記シリコン酸化膜２０が形成されている。そして、シリコン酸化膜２０上には、上流側ヒータＲｈａ、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａがそれぞれ形成されている。そして、これら上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂを覆う保護膜として、シリコン窒化膜４０が積層されている。ちなみに、上記シリコン酸化膜２０やシリコン窒化膜４０は、空洞部Ｈを含めて半導体基板１０の上方の略全ての領域に積層形成されている。更に、シリコン窒化膜４０には、リード部Ｌ５に対応してコンタクトホール４１が形成されており、このコンタクトホール４１にパッドＰ５が形成されている。

ここで、上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂ、リード部Ｌ１〜Ｌ６は全てシリコンからなる半導体膜にて形成されている。そして、図４に示されるように、この半導体膜のうち、上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂを構成する領域が局所的に薄膜化されている。

詳しくは、先の図２に示すように、半導体膜のうち、フローセンサＦＳの先端側の領域については全て局所的に薄膜化されている。このため、リード部Ｌ２、Ｌ５についてもフローセンサＦＳの先端側は局所的に薄膜化されることとなる。

これにより、流体の流通方向に上流側ヒータＲｈａと下流側ヒータＲｈｂとが投影される領域の近傍の領域については、半導体膜が局所的に薄膜化されることとなる。このため、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ等の保護膜としてのシリコン窒化膜４０の段差を好適に抑制することができる。したがって、流体の流通状態が乱されることや、シリコン窒化膜４０上にゴミが付着することを好適に抑制することができるようになる。

更に、リード部Ｌ２、Ｌ５のうちパッドＰ２、Ｐ５側の部分やリード部Ｌ１、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ６と比較して、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂの膜厚を薄くすることで、リード部Ｌ１〜Ｌ６に対する上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂの抵抗値の比を大きく確保することができる。詳しくは、リード部Ｌ２、Ｌ３に対する上流側ヒータＲｈａの抵抗値の比や、リード部Ｌ４、Ｌ５に対する下流側ヒータＲｈｂの抵抗値の比を大きく確保することができる。そして、この抵抗値の比を大きくすることで、フローセンサＦＳの消費電力の抑制及び感度の向上を図る。

ちなみに、先の図２及び図３に示したように、フローセンサＦＳのパッドＰ１〜Ｐ６の近傍は、支持部ｈｐによって覆われている。そして、図２に示す支持部ｈｐと薄膜部ＭＢとの間の距離Ｌｇは、流体の流通状態を乱さないためには、ある程度の長さ（例えば「２．０ｍｍ」以上）を確保することが望ましい。このため、リード部Ｌ１〜Ｌ６の電流の流通方向の長さには下限があることがわかる。

一方、フローセンサＦＳは、極力小面積にて形成することが望まれている。これは、例えば一枚の半導体ウエハから製造することのできるフローセンサの数を極力大きなものとするためである。こうした観点からすれば、上記支持部ｈｐと薄膜部ＭＢとの間の距離Ｌｇについての制約の範囲で極力フローセンサＦＳの面積を小さくすることが望ましい。このため、リード部Ｌ１〜Ｌ６の線幅を拡大させることでその抵抗値を低減することには限界があることとなる。

更に、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂの抵抗を大きくすべく、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂの長さを増大させることは薄膜部ＭＢの面積の増大をもたらす。これは、フローセンサＦＳの小型化と両立しないのみならず、薄膜部ＭＢの熱容量の増大に起因したフローセンサＦＳの消費電力の増大を招くこととなる。

以上の点からも、上記抵抗値の比を大きくするために、リード部Ｌ２、Ｌ５のうちパッドＰ２、Ｐ５側の部分やリード部Ｌ１、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ６と比較して、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂの膜厚を薄くすることは有効である。

なお、図４に示すフローセンサＦＳの断面図は、模式図であり、その縦横比は正確ではない。例えば、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂは、実際には、その幅は膜厚の数十倍に設定されることが望ましい。

次に、本参考例にかかるフローセンサＦＳの製造工程を図５及び図６を用いて説明する。ちなみに、図５及び図６に示す断面は、先の図２に示したＡ−Ａ断面である。
この一連の製造工程においては、まず図５（ａ）に示すようなＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意する。ここでは、このＳＯＩ基板は、例えばＮ型の導電型を有する単結晶シリコンからなる半導体基板１０上に、シリコン酸化膜２０と、例えばＰ型の導電型
を有する単結晶シリコン膜３０とが積層されたものである。なお、ここで、単結晶シリコン膜３０には、例えば「２×１０^１５ｃｍ^−２」のボロンが注入されることで、Ｐ型の導電型が付与されている。また、半導体基板１０の厚さは例えば「６２５μｍ」とし、シリコン酸化膜２０の膜厚は、例えば「１μｍ」とし、また、単結晶シリコン膜３０の膜厚は例えば「１．０〜５．０μｍ」とすればよい。

次に、図５（ｂ）に示す工程において、上記単結晶シリコン膜３０にボロンを所定の濃度（例えば「２×１０¹⁶ｃｍ^-2」）にて注入する。そして、不純物の注入された上記単結晶シリコン膜３０を活性化すべく、所定温度（例えば「１１５０℃」）にて所定時間（例えば「５時間」）の熱処理を行う。

次に、図５（ｃ）に示す工程において、上記単結晶シリコン膜３０のうち、先の図２に示した薄膜化する領域以外の部分をレジスト３１にてマスクする。そして、レジスト３１をマスクとして用いつつ単結晶シリコン膜３０の上面を局所的に反応性イオンエッチングにてエッチングすることで、先の図２に示した領域を薄膜化する。この単結晶シリコン膜３０のうち薄膜化された領域における膜厚は、「０．５〜１．５μｍ」とすることが望ましい。ちなみに、この単結晶シリコン膜３０の上面のエッチング量は、反応性エッチングのエッチング時間によって制御するようにすればよい。

次に、図６（ａ）に示す工程において、上記レジスト３１を除去する。次に、局所的に薄膜化された単結晶シリコン膜３０を反応性イオンエッチングにてパターニングすることで、上流側温度計Ｒｋａや、上流側ヒータＲｈａ、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５を形成する。なお、ここでは図示しないが、この工程においては、下流側温度計Ｒｋｂや、リード部Ｌ１、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ６も形成する。

このように、上流側ヒータＲｈａと上流側温度計Ｒｋａとを、また、下流側ヒータＲｈｂと下流側温度計Ｒｋｂとを同一工程にて形成することで、上流側ヒータＲｈａ及び上流側温度計Ｒｋａの抵抗温度係数や、下流側ヒータＲｈｂ及び下流側温度計Ｒｋｂの抵抗温度係数を簡易に一致させることができる。

更に、図６（ｂ）に示す工程において、低圧ＣＶＤ法にてシリコン窒化膜４０を所定の膜厚（例えば「１．５μｍ」）にて堆積する。このときの成膜条件を以下に例示する。
ガス流量比 ＳｉＨ₂Ｃｌ₂：ＮＨ₃＝４：１
雰囲気温度 ８５０℃
圧力 ２０Ｐａ
次に、図６（ｃ）に示す工程において、シリコン窒化膜４０を反応性イオンエッチングにてエッチングすることでコンタクトホール４１を形成する。更に、図６（ｃ）に示すように、メタル（例えばアルミニウム）を所定の膜厚（例えば「１．０μｍ」）に成膜した後、パターニングすることで上記コンタクトホール４１に先の図２に示したパッドＰ５を形成する。なお、この図６（ｃ）に示す工程においては、図示しないパッドＰ１〜Ｐ４、Ｐ６も同様にして形成される。

続いて、同図６（ｃ）に示すように、半導体基板１０の裏面側に、シリコン窒化膜５０を、プラズマＣＶＤ法により所定の膜厚（例えば「１μｍ」）にて成膜する。更に、同図６（ｃ）に示すように、先の図２に一点鎖線にて示した領域に対応した開口部を形成すべく、反応性イオンエッチングにてシリコン窒化膜５０をエッチングする。

更に、シリコン窒化膜５０をマスクとして半導体基板１０をエッチングすることで、半導体基板１０に先の図４に示した空洞部Ｈを形成する。これにより、空洞部Ｈを架橋するように薄膜部ＭＢが形成されることとなる。

なお、この図６（ｃ）に示すエッチングは、以下のようにして行うことが望ましい。
Ａ．エッチング液としてＫＯＨやＴＭＡＨ等のアルカリ性のエッチング液を用いたウェットエッチングとする。
Ｂ．半導体基板１０の裏面を単結晶シリコンの基本格子の等価な６面である｛１００｝とする。
Ｃ．上記シリコン窒化膜５０の開口部を矩形にして形成すると共に、その各辺を結晶方位＜１１０＞と一致させる。

これにより、半導体基板１０を上記エッチング液により｛１１１｝面に沿ってエッチングすることができる。したがって、薄膜部ＭＢを矩形に形成することができる。更に、この際、薄膜部ＭＢの２つの辺を流通方向に直交させるような設定とすることも容易となる。

もっとも、薄膜部ＭＢの形成に際しては、必ずしもウェットエッチングに限らず、ドライエッチングによって行うようにしてもよい。このようにドライエッチングを用いる場合には、少なくとも同ドライエッチングからの要請として半導体基板１０の面方位が規定されることはない。

このように、本参考例では、単結晶シリコン膜３０の上面の局所的なエッチングや、パターニングに先立ち、同単結晶シリコン膜３０へ不純物を注入するようにした。これにより、その下地膜であるシリコン酸化膜２０へ不純物が注入されることを好適に抑制することができる。したがって、単結晶シリコン膜３０への不純物の注入後、同不純物の拡散及や活性化のための熱処理を的確に行うことができる。これに対し、シリコン酸化膜２０に不純物が注入された状態で上記熱処理を行うと、シリコン酸化膜２０に熱流動性が生じ、熱処理に際して不都合が生じることがある。

更に、本参考例では、単結晶シリコン膜３０を局所的にエッチングした後、これをパターニングするようにした。これにより、局所的にエッチングする工程においてその下地膜であるシリコン酸化膜２０がエッチングされるおそれを回避することができる。また、パターニング後に局所的なエッチングを行う場合には、パターニングされる各抵抗体（上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈ等）の線幅が細るおそれがあるが、これを回避することもできる。

以上詳述した本参考例によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂと、リード部Ｌ２、Ｌ５のうちの先端側の領域を局所的に薄膜化して形成した。これにより、こうした領域においてシリコン窒化膜４０の段差を好適に抑制することができる。このため、シリコン窒化膜４０へのゴミの付着や、段差によって流体の流通が乱されることを抑制することができる。したがって、その感知精度をいっそう好適に確保することができるようになる。

更に、リード部Ｌ１〜Ｌ６に対する上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂの抵抗値の比を大きく確保することができるため、フローセンサＦＳの消費電力の抑制及び感度の向上を図ることもできる。

（２）単結晶シリコン膜３０の上面の局所的なエッチングや、パターニングに先立ち、同単結晶シリコン膜３０へ不純物を注入するようにした。これにより、その下地膜であるシリコン酸化膜２０へ不純物が注入されることを好適に抑制することができる。

（３）単結晶シリコン膜３０を局所的にエッチングした後、これをパターニングするようにした。これにより、パターニング後に局所的なエッチングを行う場合には、パターニングされる各抵抗体（上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈ等）の線幅が細るおそれがあるが、これを回避することもできる。

（実施形態）
以下、本発明にかかる半導体センサを車載用内燃機関の吸入空気量を検出するフローメータに適用した一実施形態について、先の参考例との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、先の参考例と同一の機能を有する部材の一部には、便宜上、同一の符号を用いる。

上記フローメータも先の図１と同様の構成を有し、先の図３に示す態様にて吸気通路に配置される。また、本実施形態にかかるフローセンサの平面構成も、先の図２に示した構成と同様である。

図７に、本実施形態にかかるフローセンサＦＳの断面構成を示す。この図７は、先の図２に示したＡ−Ａ断面と同様の断面を示している。同図７に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板１１０上には、シリコン酸化膜１２０が形成されている。このシリコン酸化膜１２０上には、上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａがそれぞれ単結晶シリコンにて形成されている。そして、これら上流側ヒータＲｈａ、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａを覆うようにして、シリコン窒化膜１４０が積層されている。更に、シリコン窒化膜１４０には、リード部Ｌ５に対応してコンタクトホール１４１が形成されており、このコンタクトホール１４１にパッドＰ５が形成されている。ちなみに、上記シリコン窒化膜１４０やシリコン酸化膜１２０も、空洞部Ｈを含めて半導体基板１１０の上方の略全ての領域に積層形成されている。

ここで、上流側ヒータＲｈａ、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａは、単結晶シリコン膜に部分的に熱酸化処理が施されることでパターン形成されたものである。すなわち、単結晶シリコン膜が部分的に熱酸化処理されたときに、熱酸化膜（シリコン酸化膜）１３１とならない領域としてパターン形成されたものである。

こうした態様にて形成されることで、上流側ヒータＲｈａ、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａの上面と熱酸化膜１３１の上面とはその高さが略等しくなる。このため、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ等の保護膜としてのシリコン窒化膜１４０の段差を好適に抑制することができる。したがって、流体の流通状態が乱されることや、シリコン窒化膜１４０上にゴミが付着することを好適に抑制することができるようになる。

なお、図７に示すフローセンサＦＳの断面図は、模式図であり、その縦横比は正確ではない。例えば、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂは、実際には、その幅は膜厚の数十倍に設定されることが望ましい。

次に、本実施形態にかかるフローセンサＦＳの製造工程を図８及び図９を用いて説明する。ちなみに、図８及び図９に示す断面は、先の図７に示したものと同様の断面である。
この一連の製造工程においては、まず図８（ａ）に示す工程において、先の図５（ａ）と同様、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意する。ここでも、このＳＯＩ基板は、例えばＮ型の導電型を有する単結晶シリコンからなる半導体基板１１０上に、シリコン酸化膜１２０と、例えばＰ型の導電型を有する単結晶シリコン膜１３０とが積層されたものである。なお、ここで、単結晶シリコンには、例えば「２×１０¹⁵ｃｍ^-2」のボロンが注入されることで、Ｐ型の導電型を有している。また、半導体基板１１０の厚さは例えば「６２５μｍ」とし、シリコン酸化膜１２０の膜厚は、例えば「１．０〜３．０μｍ」とし、また、単結晶シリコン膜１３０の膜厚は例えば「０．６〜２．０μｍ」とすればよい。

次に、図８（ｂ）に示す工程において、上記単結晶シリコン膜１３０にボロンを所定の濃度（例えば「２×１０16ｃｍ^-2」）にて注入する。そして、ボロンの注入された上記単結晶シリコン膜１３０を活性化すべく、所定温度（例えば「１１５０℃」）にて所定時間（例えば「５時間」）の熱処理を行う。

次に、図８（ｃ）に示す工程において、上記単結晶シリコン膜１３０の上面に、パッド酸化膜１３５及び所定の膜厚（例えば「１００ｎｍ」）のシリコン窒化膜１３６を積層形成する。次に、これらパッド酸化膜１３５及びシリコン窒化膜１３６のうち、上記熱酸化膜１３１に対応する部分をエッチング除去する。

次に、図９（ａ）に示す工程において、上記シリコン窒化膜１３６をマスクとして単結晶シリコン膜１３０に熱酸化処理を施すことで、これを部分的に絶縁物化し、上記熱酸化膜１３１を形成する。これにより、上記単結晶シリコン膜１３０のうち、熱酸化処理によって絶縁物化のなされない領域として、上流側ヒータＲｈａ、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａがパターン形成される。その後、上記パッド酸化膜１３５及びシリコン窒化膜１３６を除去する。

ちなみに、これら図８（ｃ）及び図９（ａ）に示した工程は、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）酸化工程と同様の工程である。なお、ここでは図示しないが、これら図８（ｃ）及び図９（ａ）に示した工程においては、下流側温度計Ｒｋｂや、リード部Ｌ１、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ６も形成する。

このように、上流側ヒータＲｈａ及び上流側温度計Ｒｋａとを、また、下流側ヒータＲｈｂ及び下流側温度計Ｒｋｂとを同一工程にて形成することで、上流側ヒータＲｈａ及び上流側温度計Ｒｋａの抵抗温度係数や、下流側ヒータＲｈｂ及び下流側温度計Ｒｋｂの抵抗温度係数を簡易に一致させることができる。

更に、図９（ｂ）に示す工程において、低圧ＣＶＤ法にてシリコン窒化膜１４０を所定の膜厚（例えば「１．５μｍ」）にて堆積する。このときの成膜条件は、先の図６（ｂ）に示したものと同様である。

次に、図９（ｃ）に示す工程において、先の図６（ｃ）に示す工程と同様、シリコン窒化膜１４０を反応性イオンエッチングにてエッチングすることでコンタクトホール１４１を形成する。更に、図９（ｃ）に示すように、メタル（例えばアルミニウム）を所定の膜厚（例えば「１．０μｍ」）に成膜した後、パターニングすることで上記コンタクトホール１４１に先の図２に示したパッドＰ５を形成する。なお、この図９（ｃ）に示す工程においては、図示しないパッドＰ１〜Ｐ４、Ｐ６も同様にして形成される。

続いて、同図９（ｃ）に示すように、半導体基板１１０の裏面側に、シリコン窒化膜１５０を、プラズマＣＶＤ法により所定の膜厚（例えば「１μｍ」）にて成膜する。更に、同図９（ｃ）に示すように、先の図２に一点鎖線にて示した領域に対応した開口部を形成すべく、反応性イオンエッチングにてシリコン窒化膜１５０をエッチングする。

更に、シリコン窒化膜１５０をマスクとして半導体基板１１０をエッチングすることで、半導体基板１１０に先の図６に示した空洞部Ｈを形成する。これにより、空洞部Ｈを架橋するように薄膜部ＭＢが形成されることとなる。

なお、この図９（ｃ）に示すエッチングは、先の図６（ｃ）に示したものと同様である。
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（４）熱酸化処理によって部分的に単結晶シリコン膜１３０を絶縁物化することで、上流側ヒータＲｈａ、下流側ヒータＲｈｂ等をパターン形成した。このため、保護膜としてのシリコン窒化膜１４０の段差を好適に抑制することができる。したがって、その感知精度を好適に確保することができるようになる。

なお、上記参考例及び実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・参考例について、必ずしも図２に示した領域全てを薄膜化するものに限らない。例えば、流体の流通方向に上流側ヒータＲｈａ及び下流側ヒータＲｈｂが投影される領域を局所的に薄膜化するなら、流体の流通状態の乱れを好適に抑制することができる。また、少なくとも上流側ヒータＲｈａ及び下流側ヒータＲｈｂを(リード部Ｌ１〜Ｌ６と
比べて)薄膜化することで、これらを覆う保護膜上の段差を好適に抑制することはできる。

・参考例について、単結晶シリコン膜３０を形成した後、これを局所的に薄膜化する代わりに、単結晶シリコン膜を一旦堆積した後、薄膜化したい部分をマスクして再度単結晶シリコン膜を堆積するようにしてもよい。

・参考例について、製造プロセスとしては、必ずしも図５（ｃ）及び図６（ａ）に示す工程に限らない。例えば、単結晶シリコン膜をパターニングして上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂを形成した後、これら上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ等を局所的に薄膜化するようにしても上記（１）等の効果を得ることはできる。なお、この場合、薄膜化のためのエッチング工程において、下地膜(シリコン酸化膜２０)との選択比を確保することが望ましい。

・参考例について、製造プロセスとしては、必ずしも図５（ｂ）〜図６（ａ）に示す工程に限らない。例えば、単結晶シリコン膜を局所的に薄膜化した後に不純物の注入を行ったとしても、先の参考例の上記（１）の効果を得ることはできる。

・参考例及びその変形例について、製造プロセスとしては、必ずしもＳＯＩ基板を使用するものに限らない。
・参考例及びその変形例において、上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ等を形成する半導体膜としては、単結晶シリコン膜に限らない。例えば多結晶シリコン膜でもよい。

・実施形態について、必ずしも上流側ヒータＲｈａ及び下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａ及び下流側温度計Ｒｋｂ、リード部Ｌ１〜Ｌ６の全てを単結晶シリコン膜の局所的な熱酸化処理によって形成するものに限らない。例えば上流側ヒータＲｈａ及び下流側ヒータＲｈｂのみこうした態様にて形成するようにしても、薄膜部ＭＢ上のシリコン窒化膜１４０の段差を好適に抑制することはできる。

・実施形態において、熱酸化処理を施す工程は、図８（ｃ）〜図９（ａ）に例示したものに限らない。
・熱処理によって部分的に単結晶シリコン膜を絶縁物化するとともに、同絶縁物化のなされない領域として上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂをパターン形成する際の熱処理としては、必ずしも熱酸化処理に限らない。例えば熱窒化処理でもよい。

・熱処理を施すに先立ち、不純物を注入する代わりに、熱処理後に不純物を注入するようにしても実施形態の上記（４）の効果を得ることはできる。
・実施形態及びその変形例について、製造プロセスとしては、必ずしもＳＯＩ基板を使用するものに限らない。

・実施形態及びその変形例において、上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ等を形成する半導体薄膜としては、単結晶シリコン膜に限らない。例えば多結晶シリコン膜でもよい。

・上記参考例や実施形態及びその変形例において、注入する不純物としては、これら参考例及び実施形態で例示したものに限らない。
・半導体への不純物のドーピング手法としては、イオン注入法に限らない。例えば、気相から半導体中へドーパント原子（不純物）を拡散させる手法でもよい。

・当該フローメータＦＭの環境温度を感知する上流側温度計Ｒｋａや下流側温度計ＲｋｂをフローセンサＦＳに備える構成とする代わりに、信号生成回路ＳＧに備える構成としてもよい。この場合であれ、上流側ヒータＲｈａと上流側温度計Ｒｋａとの抵抗温度係数や、下流側ヒータＲｈｂと下流側温度計Ｒｋｂとの抵抗温度係数は、互いに一致させるようにする。

・発熱体と、該発熱体の近傍（発熱体自身又は発熱体の付近）の温度を感知する感温体とを上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂのように同一とする代わりに、これらを別部材にて構成してもよい。

・上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂを備えなくても、単一のヒータ（発熱体、及び該発熱体の近傍の温度を感知する感温体）を備える構成であっても、発熱体に供給される電力量等に基づいて流体の流量を感知することはできる。

更に、例えば上記特許文献１に記載のように、発熱体自身を第２の感温体としてこれによって自身の温度を感知しつつ発熱体を所定に制御するとともに、この付近の温度を上記感温体によって感知し、これに基づいて発熱体の生じる熱量のうち流体によって奪われた熱量を感知する構成としてもよい。

・フローセンサＦＳの構成としては、ａ．半導体膜は、少なくとも発熱体及び該発熱体の近傍の温度を感知する感温体を構成する領域が局所的に薄膜化されてなる。又は、ｂ．発熱体及び該発熱体の近傍の温度を感知する感温体は、熱処理によって部分的に絶縁物化された半導体薄膜において、同絶縁物化のなされない領域としてパターン形成されてなる。という構成要件を備える範囲において、適宜変更してよい。例えば、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂを覆う保護膜は、シリコン窒化膜に限らず、シリコン酸化膜としてもよい。

・フローセンサＦＳとしては、車載用内燃機関の吸入空気量を感知するものに限らず、適宜の流体の流量を感知するものであればよい。
・半導体からなる抵抗体により所定の物理量を感知する半導体センサとしては、フローセンサに限らず、例えば、ガスセンサやＩＲセンサ、赤外線センサ等であってもよい。

参考例にかかるフローメータの回路図。 同参考例にかかるフローセンサの構成を示す平面図。 （ａ）及び（ｂ）は同参考例にかかるフローメータの配置態様を示す図。 同参考例にかかるフローセンサの断面構成を示す断面図。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、同参考例の製造工程を示す断面図。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、同参考例の製造工程を示す断面図。 一実施形態にかかるフローセンサの断面構成を示す断面図。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、同実施形態の製造工程を示す断面図。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、同実施形態の製造工程を示す断面図。 従来のフローセンサにおいて、ヒータや温度計を覆う保護膜の上部の段差を示す断面図。

符号の説明

１０…半導体基板、２０…シリコン酸化膜、３０…単結晶シリコン膜、３１…レジスト、４０…シリコン窒化膜、４１…コンタクトホール、５０…シリコン窒化膜、１１０…半導体基板、１２０…シリコン酸化膜、１３０…単結晶シリコン膜、１３１…熱酸化膜、１３５…パッド酸化膜、１３６…シリコン窒化膜、１４０…シリコン窒化膜、１４１…コンタクトホール、１５０…シリコン窒化膜。

Claims (6)

1. 半導体基板上に絶縁膜と半導体薄膜とが積層され、該半導体薄膜を用いて形成された抵抗体により所定の物理量を感知する半導体センサにおいて、
   前記抵抗体は、熱処理によって部分的に絶縁物化された前記半導体薄膜中の絶縁物化されない領域としてパターン形成されてなる
   ことを特徴とする半導体センサ。
2. 請求項１記載の半導体センサにおいて、
   前記熱処理が熱酸化処理である
   ことを特徴とする半導体センサ。
3. 請求項１又は２記載の半導体センサにおいて、
   当該半導体センサは、前記抵抗体として、発熱体と、該発熱体の近傍の温度を感知する感温体とを備えて流体の流量を感知するフローセンサである
   ことを特徴とする半導体センサ。
4. 半導体基板上に絶縁膜と半導体薄膜とが積層され、該半導体薄膜を用いて形成された抵抗体により所定の物理量を感知する半導体センサを製造する方法において、
   前記半導体薄膜の上面に前記抵抗体とする部分を保護するマスクを形成する工程と、前記マスクを介して前記半導体薄膜に熱処理を施すことによって同半導体薄膜を部分的に絶縁物化する工程とを含んで、前記抵抗体を前記半導体薄膜中の前記絶縁物化のなされない領域としてパターン形成する
   ことを特徴とする半導体センサの製造方法。
5. 請求項４記載の半導体センサの製造方法において、
   前記熱処理が熱酸化処理である
   ことを特徴とする半導体センサの製造方法。
6. 請求項４又は５記載の半導体センサの製造方法において、
   製造される半導体センサが、前記抵抗体として、発熱体と、該発熱体の近傍の温度を感知する感温体とを備えて流体の流量を感知するフローセンサである
   ことを特徴とする半導体センサの製造方法。

Images