JP5176882B2 - 熱式フローセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、空隙を覆うように基板の表面上に形成された第１絶縁膜における空隙上の部位にヒータが配置され、ヒータと基板とが空隙によって熱的に分離された熱式フローセンサの製造方法であって、及びその製造方法に関するものである。

従来、空隙を覆うように基板の表面上に形成された第１絶縁膜における空隙上の部位にヒータが配置され、ヒータと基板とが空隙によって熱的に分離された熱式フローセンサとして、例えば特許文献１に示されるように、基板表面側から空隙が形成された所謂表面加工型の熱式フローセンサが知られている。

特許文献１に示される感熱式フローセンサ（熱式フローセンサ）では、半導体基板に、表面側からのエッチングによって空隙部（空隙）が形成されており、空隙部を覆うように半導体基板の表面上に形成された絶縁膜（第１絶縁膜）において、空隙部を架橋する薄膜部位にヒータが配置されている。
特開２０００−２８３８１３号公報

特許文献１に示される表面加工型の熱式フローセンサでは、上記した絶縁膜にエッチング用の貫通孔を形成し、絶縁膜をマスクとしつつ該貫通孔を介して半導体基板を表面側からエッチングすることで、空隙部が形成される。しかしながら、半導体基板の厚さ方向及び該厚さ方向に略垂直な方向（基板表面に沿う方向）において、エッチングストッパが存在しないため、センサによる空隙部の容積ばらつきが大きいという問題がある。

また、表面加工型の熱式フローセンサでは、絶縁膜によって空隙部がほぼ閉じた空間となっており、絶縁膜における空隙部上の部位（薄膜部位）にはヒータなどが配置されている。したがって、外部環境の温度変化などにともなって空隙部が膨張乃至収縮すると、薄膜部位（薄膜部位に配置されたヒータなど）には容積変動による応力が作用し、ピエゾ抵抗効果によってセンサ出力が変動することとなる。このため、上記したように空隙部の容積がセンサごとに大きくばらつくと、センサごとの出力ばらつきも大きくなってしまう。また、センサ出力を補正するための補正回路が複雑となり、その規模も大きくなってしまう。

本発明は上記問題点に鑑み、空隙の容積ばらつきが低減された表面加工型の熱式フローセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、空隙を覆うように基板の表面上に形成された第１絶縁膜における空隙上の部位にヒータが配置され、ヒータと基板とが空隙によって熱的に分離された熱式フローセンサであって、基板は、シリコンからなる支持基板と半導体層との間に、シリコン酸化膜を含む絶縁層が介在されたＳＯＩ基板の支持基板であり、空隙は、基板としての支持基板をエッチングストッパとして、シリコン酸化膜の少なくとも一部が基板の厚さ方向（以下、単に厚さ方向と示す）に貫通除去されてなり、ヒータは、半導体層からなり、第１絶縁膜は、シリコン酸化膜とは異なる材料からなり、空隙を覆うように基板の表面上に配置されていることを特徴とする。

本発明では、ＳＯＩ基板を構成する支持基板を基板とし、半導体層によってヒータが構成されている。また、シリコンからなる基板（支持基板）を厚さ方向におけるエッチングストッパとし、絶縁層を構成するシリコン酸化膜の少なくとも一部を基板表面側から貫通除去することで空隙が形成されている。すなわち、空隙の深さは、センサによらず、シリコン酸化膜の厚さとほぼ等しくなっている。このようにＳＯＩ基板を採用することで、厚さ方向における空隙の深さのばらつきが低減され、ひいてはセンサによる空隙の容積ばらつきが低減されている。

請求項２に記載のように、第１絶縁膜がヒータを保護する絶縁材料からなり、ヒータを覆うように絶縁層上に配置された構成としても良い。これによれば、ヒータの上面及び側面を被覆する第１絶縁膜により、測定対象となる流体に含まれる異物などからヒータを効果的に保護し、耐環境性を向上することができる。

このような第１絶縁膜としては、請求項３に記載のように、シリコン窒化膜が好適である。シリコン窒化膜は、シリコン酸化膜に比べて、高硬度であり、非吸湿性に優れ防水性の高い膜である。また、シリコン酸化膜をエッチングする際に、シリコン酸化膜を選択的にエッチングすることができる。

請求項４に記載のように、第１絶縁膜上に第２絶縁膜が配置され、第２絶縁膜によって、空隙が閉じた空間とされた構成としても良い。これによれば、ヒータの下面が空隙に露出していても、下面も保護することができる。これにより、耐環境性をさらに向上することができる。

請求項５に記載のように、絶縁層として、シリコン酸化膜とはエッチングレートの異なる絶縁材料からなり、厚さ方向に略垂直な方向（以下、単に略垂直な方向と示す）において、空隙に隣接しつつ空隙を取り囲むように環状に形成されたエッチングストッパ膜を含む構成とすることが好ましい。これによれば、シリコン酸化膜をエッチングして空隙を形成する際に、エッチングストッパ膜が略垂直な方向におけるエッチングストッパとして機能するので、略垂直な方向における空隙の幅のばらつきが低減され、ひいてはセンサによる空隙の容積ばらつきが効果的に低減される。

また、請求項６に記載のように、絶縁層として、シリコン酸化膜とともに、該シリコン酸化膜よりも半導体層側に配置されたシリコン窒化膜を含み、シリコン窒化膜が、第１絶縁膜として、空隙との対向面であるヒータの下面に接して、基板の表面上に配置された構成としても良い。

これによれば、ヒータの下面を被覆する第１絶縁膜により、ヒータを保護することができる。また、第１絶縁膜としてのシリコン窒化膜を絶縁層として含むＳＯＩ基板を予め準備しておくことで、ヒータ形成後に第１絶縁膜を形成する工程を無くし、製造工程を簡素化することもできる。

請求項７に記載のように、第１絶縁膜上には、ヒータを保護する絶縁材料からなる第２絶縁膜がヒータを覆うように積層配置され、第２絶縁膜により、空隙が閉じた空間とされた構成としても良い。

これによれば、ヒータの下面を保護する第１絶縁膜と、ヒータの上面及び側面を被覆する第２絶縁膜により、ヒータの表面全面を測定対象となる流体に含まれる異物などから効果的に保護し、耐環境性を向上することができる。また、空隙が閉じた空間となるので、これにより、耐環境性をさらに向上することができる。

次に、請求項８に記載の発明は、空隙を覆うように基板の表面上に形成された第１絶縁膜における空隙上の部位にヒータが配置され、ヒータと基板とが空隙によって熱的に分離された熱式フローセンサの製造方法であって、シリコンからなる支持基板と半導体層との間に、シリコン酸化膜を含む絶縁層が介在されたＳＯＩ基板を準備し、半導体層をパターニングしてヒータを形成するヒータ形成工程と、ヒータの上面及び側面を覆うように、絶縁層上に第１絶縁膜を成膜する第１絶縁膜形成工程と、第１絶縁膜に形成した貫通孔を介して、基板としての支持基板をエッチングストッパとしつつシリコン酸化膜の少なくとも一部を貫通除去し、空隙を形成する空隙形成工程と、を備えることを特徴とする。

これによれば、第１絶縁膜がヒータを保護する絶縁材料からなり、ヒータを覆うように絶縁層上に配置された上記構成の熱式フローセンサを形成することができる。その作用効果は、上記した熱式フローセンサの効果と同様であるのでその記載を省略する。

請求項９に記載のように、空隙の形成後、基板の表面上に、第１絶縁膜を覆うように第２絶縁膜を成膜し、該第２絶縁膜により、貫通孔における空隙とは反対側の一端を閉塞する第２絶縁膜形成工程を備えても良い。これによれば、空隙が閉じた空間とされた上記構成の熱式フローセンサとすることができる。その作用効果は、上記した熱式フローセンサの効果と同様であるのでその記載を省略する。

請求項１０に記載のように、ヒータの形成後であって第１絶縁膜の形成前に、シリコン酸化膜におけるヒータの下部領域を残すように、シリコン酸化膜の一部を貫通除去し、除去してなる凹部内にシリコン酸化膜とはエッチングレートの異なる絶縁材料を埋め込んで、上記下部領域を取り囲む環状のエッチングストッパ膜を形成するストッパ形成工程を備え、空隙形成工程において、支持基板とともにエッチングストッパ膜をエッチングストッパとすることが好ましい。これによれば、シリコン酸化膜をエッチングして空隙を形成する際に、エッチングストッパ膜が略垂直な方向におけるエッチングストッパとして機能するので、略垂直な方向においても空隙の幅のばらつきを低減し、ひいてはセンサによる空隙の容積ばらつきを効果的に低減することができる。

また、請求項１１に記載の発明は、空隙を覆うように基板の表面上に形成された第１絶縁膜における空隙上の部位にヒータが配置され、ヒータと基板とが空隙によって熱的に分離された熱式フローセンサの製造方法であって、シリコンからなる支持基板と半導体層との間に、シリコン酸化膜と、該シリコン酸化膜よりも半導体層側に配置されたシリコン窒化膜とを含む絶縁層を介在させてなるＳＯＩ基板を準備し、半導体層をパターニングしてヒータを形成するヒータ形成工程と、第１絶縁膜としてのシリコン窒化膜に形成した貫通孔を介して、基板としての支持基板をエッチングストッパとしつつシリコン酸化膜の少なくとも一部を貫通除去し、空隙を形成する空隙形成工程と、を備えることを特徴とする。

これによれば、ヒータの下面を被覆する第１絶縁膜により、ヒータが保護される上記構成の熱式フローセンサを形成することができる。その作用効果は、上記した熱式フローセンサの効果と同様であるのでその記載を省略する。

請求項１２に記載のように、空隙の形成後、基板の表面上に、第１絶縁膜を覆うようにヒータを保護する絶縁材料からなる第２絶縁膜を成膜し、該第２絶縁膜により、貫通孔における空隙とは反対側の一端を閉塞する第２絶縁膜形成工程を備えると良い。これによれば、第２絶縁膜によってヒータの上面及び側面が被覆保護され、空隙が閉じた空間とされた上記構成の熱式フローセンサとすることができる。その作用効果は、上記した熱式フローセンサの効果と同様であるのでその記載を省略する。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、熱式フローセンサにおけるセンサチップの概略構成を示す上面視平面図である。図１においては、便宜上、ヒータよりも上部に位置する第１絶縁膜などの絶縁膜については省略している。また、図１に示す白抜き矢印は、通常時における流体の流れ方向を示している。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。なお、以下においては、支持基板（ＳＯＩ基板）の厚さ方向を単に厚さ方向と示し、該厚さ方向に略垂直な方向を単に垂直方向と示すものとする。

本実施形態に係る熱式フローセンサは、ヒータの生じる熱が流体によって奪われることを利用して、流体の流量などを検出するものであり、例えば車両内燃機関の吸気管内に配置される。

図１及び図２に示す熱式フローセンサ１００は、要部として、一部が被測定流体（例えば空気）に露出されてその流量を検出するセンサチップ１０を有している。センサチップ１０は、図１及び図２に示すように、単結晶シリコンからなる支持基板１１と、単結晶シリコンからなり、ボロンやリンなどの不純物が注入された半導体層１２との間に、絶縁層としてのシリコン酸化膜１３が介在されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板と、半導体層１２を覆うようにセンサチップ１０の表面に形成された第１絶縁膜１４とによって構成されている。換言すれば、厚さ方向において、支持基板１１、シリコン酸化膜１３、半導体層１２、第１絶縁膜１４の順に積層一体化されている。

半導体層１２には、厚さ方向においてその表面からシリコン酸化膜１３に達する溝（トレンチ）が形成されて、センシング部としてのヒータ１５などが区画形成されている。具体的には、ヒータ１５として、流体の流れ方向に対して上流側に配置された上流側ヒータ１５ａと、下流側に配置された下流側ヒータ１５ｂが形成されている。なお、本実施形態では、ヒータ１５以外にも、一対のヒータ１５ａ，１５ｂを挟むようにして、一対の感温体１６ａ，１６ｂが、流体の上流側と下流側にそれぞれ形成されている。そして、これらヒータ１５ａ，１５ｂと感温体１６ａ，１６ｂとによってセンシング部が構成されている。また、これらヒータ１５ａ，１５ｂや感温体１６ａ，１６ｂは、同じく半導体層１２を用いて構成された繋ぎ配線１７を介して、回路チップ等との接続用端子としてのパッド１８と電気的に接続されている。

絶縁層としてのシリコン酸化膜１３は、所謂犠牲層であり、ヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）の形成領域に対応した部位（図１では、破線で囲まれた部位）が、半導体層１２側からのエッチングにより、例えば平面略矩形状に貫通除去されている。そして、この除去部位に、空隙１９が構成されている。

第１絶縁膜１４は、空隙１９を覆うように支持基板１１上に形成されることで、空隙１９上の架橋部位がセンサチップ１０の他部位よりも薄肉の薄肉部とされ、この薄肉部にヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）を保持するものである。これにより、発熱体としてのヒータ１５が、支持基板１２（センサチップ１０における薄肉部を除く厚肉部）と熱的に分離されている。なお、ヒータ１５とともにセンシング部を構成する感温体１６ａ，１６ｂは、空隙１９上ではなく空隙１９よりも外周側のシリコン酸化膜１３上（薄肉部ではなく厚肉部）に形成されている。

本実施形態では、上記したように、第１絶縁膜１４が、区画された半導体層１２を覆うようにセンサチップ１０の表面に形成されており、より詳しくは図２に示すように、ヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）の上面及び側面に接して該部位を保護している。その構成材料としては、シリコン酸化膜とは異なり、絶縁層（シリコン酸化膜１３）のエッチング時に殆どエッチングされない絶縁材料であれば採用することができるが、特にシリコン窒化膜が好ましい。シリコン窒化膜は、シリコン酸化膜に比べて、高硬度であり、非吸湿性に優れ防水性の高い膜であり、ヒータ１５の保護膜及び薄肉部の構成材料として好適である。本実施形態では、第１絶縁膜１４としてシリコン窒化膜が形成されている。

また、第１絶縁膜１４には、図２に示すように、絶縁層を構成するシリコン酸化膜１３をエッチングして空隙１９を形成する際のエッチャントを、シリコン酸化膜１３に対して供給するための孔部２０が形成されている。本実施形態では、シリコン窒化膜からなる第１絶縁膜１４が、ヒータ１５などの保護膜としての機能も果たし、半導体層１２上に絶縁膜として第１絶縁膜１４のみが配置されているため、孔部２０が貫通孔となっている。この孔部２０は、上記薄肉部の力学的強度の観点から、小さいほど好ましい。また、孔部２０としての貫通孔において、空隙１９への異物などの浸入を抑制し、空隙１９に対して下面が露出するヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）の保護（耐環境性の向上）の観点からも、小さいほど好ましい。本実施形態では、孔部２０としての貫通孔の直径が、その深さよりも短くなっている。そして、このような小径の孔部２０が、薄肉部を構成する第１絶縁膜１４の部位であって、ヒータ１５の配置位置を除く部位に、互いに離間して複数個形成されている。

このように構成されるセンサチップ１０においては、ヒータ１５ａ，１５ｂが、電流の供給量によって発熱する機能に加えて、それ自身の抵抗値の変化に基づいて、自身の温度を感知する機能も有している。そして、上流側と下流側の各ヒータ１５ａ，１５ｂで生じる熱のうち、流体によって奪われる熱に基づき、流体の流量が検出されるようになっている。また、上流側ヒータ１５ａと下流側ヒータ１５ｂとのそれぞれに生じる熱のうち、流体によって奪われる熱量の差に基づき、流体の流通方向が検出されるようにもなっている。さらには、上流側ヒータ１５ａと上流側の感温体１６ａとの温度差、及び、下流側ヒータ１５ｂと下流側の感温体１６ｂとの温度差に基づき、ヒータ１５ａ，１５ｂに供給される電流量が制御されるようにもなっている。このようなセンサチップ１０の構成は、ＳＯＩ基板を採用する点を除けば、本出願人による例えば特開２００８−１８０７３９号公報などに説明されているものと基本的に同じであり、詳細については参照されたい。

なお、図１に示す符号２１は、センサチップ１０において、被測定流体に晒される部位と晒されない部位との境界線を示しており、測定環境において、該境界線２１よりもヒータ１５側の部位が、被測定流体に晒されるようになっている。また、該境界線２１よりもパッド１８側の部位は、図示しない樹脂などによって保護されている。

次に、上記したセンサチップ１０（表面加工型の熱式フローセンサ１００）の製造方法について、図３（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図３は、図１及び図２に示したセンサチップの製造方法を示す工程別の断面図であり、（ａ）は基板準備工程、（ｂ）はヒータ形成工程、（ｃ）は第１絶縁膜形成工程、（ｄ）は空隙形成工程を示している。なお、各図は、図２に対応している。

先ず図３（ａ）に示すように、単結晶シリコンからなる支持基板１１と、単結晶シリコンからなり、ボロンなどの不純物が注入された半導体層１２との間に、絶縁層としてのシリコン酸化膜１３が介在されたＳＯＩ基板を準備する。

次に、図示しないが、アルミニウム（Ａｌ）などの導電材料を、半導体層１２の表面に蒸着し、パターニングしてパッド１８を所定位置に形成し、その後、半導体層１２にシリコン酸化膜１３に到達する溝（トレンチ）を形成する。換言すれば、半導体層１２をパターニングする。具体的には、半導体層１２の表面にレジストなどからなるマスクを形成し、該マスクを介して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの周知のトレンチ形成技術により、溝を形成する。これにより、図３（ｂ）に示すヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）や、感温体１６ａ，１６ｂ、繋ぎ配線１７が区画形成される。

このようにヒータ１５などを区画形成した後、半導体層１２（ヒータ１５、感温体１６ａ，１６ｂ、繋ぎ配線１７）を覆うように、第１絶縁膜１４としてのシリコン窒化膜を、ＣＶＤ法などによって堆積形成する。具体的には、例えばＬＰ−ＣＶＤ（減圧ＣＶＤ）法を用いることで、挫屈を抑制すべく薄肉部を構成する膜全体の平均応力が引っ張り応力となり、且つ、ヒータ１５などを被覆する所定厚さを有するように形成する。このとき、膜厚を確保するために、堆積（デポ）を複数回行っても良い。

次に、図３（ｄ）に示すように、第１絶縁膜１４において、薄肉部となる部位であってヒータ１５とは異なる位置に、シリコン酸化膜１３に達する貫通孔を孔部２０として形成する。具体的には、第１絶縁膜１４の表面にレジストなどからなるマスクを形成し、該マスクを介して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの周知のトレンチ形成技術により、孔部２０を形成する。そして、孔部２０の形成後、一般的なシリコン酸化膜の犠牲層エッチング技術により、孔部２０を介した犠牲層エッチングを行う。

具体的には、シリコンからなる支持基板１１を、厚さ方向におけるエッチングストッパとし、フッ酸（ＨＦ）を含むエッチング液を用いたウェットエッチングやＨＦガスによるドライエッチングなどにより、シリコン酸化膜１３におけるヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）の下部に位置する部位を貫通除去する。本実施形態では、ＨＦガスを用いてエッチングする。このようにＨＦガスを用いると、ウェットエッチングに比べて、孔部２０を小さくすることができ、ひいては、薄肉部の力学的強度の低下を抑制することができる。また、孔部２０としての貫通孔において、空隙１９への異物などの浸入を抑制し、耐環境性を向上することができる。このエッチングにより、空隙１９が形成され、第１絶縁膜１４における空隙１９上の部位が薄肉部となる。

なお、ここまでの工程は、一般的にウェハ状態のＳＯＩ基板に対して実施される。そして、ウェハ状のＳＯＩ基板を所定のチップ形状にダイシングすることにより、図１に示した熱式フローセンサ１００のセンサチップ１０を得ることができる。

次に、本実施形態に係る熱式フローセンサ１００（センサチップ１０）及びその製造方法の特徴部分について、その効果を説明する。本実施形態では、ＳＯＩ基板の表面上（ヒータ１５などが区画形成された半導体層１２を覆うよう）に第１絶縁膜１４を形成し、第１絶縁膜１４に形成した孔部２０を介して、第１絶縁膜１４の下方に位置するシリコン酸化膜１３のうち、ヒータ１５の下部に位置する部位をエッチングする。その際、ＳＯＩ基板を構成する支持基板１１をエッチングストッパとすることで、シリコン酸化膜１３を貫通除去し、空隙１９を形成する。このように、支持基板１１をエッチングストッパとするので、空隙１９の深さは、熱式フローセンサ１００によらず、シリコン酸化膜１３の厚さとほぼ等しくなる。したがって、厚さ方向における空隙１９の深さのばらつきを低減し、ひいては熱式フローセンサ１００ごとの空隙１９の容積ばらつきを低減することができる。これによれば、センサ出力を補正するための補正回路を簡素化し、補正回路を含めた熱式フローセンサ１００の体格を小型化することもできる。なお、補正回路は、センサチップ１０に集積されてもよいし、別チップ（回路チップ）に構成されても良い。

また、本実施形態では、第１絶縁膜１４としてのシリコン窒化膜が、ヒータ１５などの区画された半導体層１２を覆うように配置されている。このように、被測定流体に晒される側の、ヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）の表面（上面及び側面）がシリコン窒化膜で被覆保護された構成とすると、耐環境性を向上することができる。また、薄肉部がシリコン窒化膜からなるので、薄肉部の力学的強度を向上することができる。なお、本実施形態では、シリコン窒化膜の例を示したが、被測定流体に含まれる異物などからヒータ１５などを効果的に保護し、且つ、シリコン酸化膜１３をエッチングする際に、シリコン酸化膜１３を選択的にエッチングすることができる絶縁材料からなる膜であれば採用することができる。

なお、本実施形態では、半導体層１２上に絶縁膜として第１絶縁膜１４のみが配置され、第１絶縁膜１４に形成された空隙１９形成用の孔部２０が、熱式フローセンサ１００（センサチップ１０）において貫通孔である例を示した。しかしながら、図４に示すように、第１絶縁膜１４上に第２絶縁膜２２が配置され、第２絶縁膜２２によって空隙１９が閉じた空間とされた構成としても良い。これによれば、空隙１９に露出するヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）の下面も保護する、すなわちヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）の表面全面を保護する（外部環境に晒さない）ので、耐環境性をさらに向上することができる。この第２絶縁膜２２は、空隙１９の形成後、第１絶縁膜１４を覆うように堆積形成される。また、その構成材料は特に限定されるものではなく、第１絶縁膜１４と同じシリコン窒化膜や、シリコン酸化膜、ＳＯＧ、ＢＰＳＧなどを採用することができる。なかでも、第２絶縁膜２２としてシリコン窒化膜を採用すると、上記したように耐環境性を向上することができる。また、プラズマＣＶＤ法を用いてシリコン窒化膜を形成すると、シリコン窒化膜の膜厚を厚くすることができ、異物などの衝突による薄肉部の破損を抑制し、耐環境性をさらに向上することができる。図４は、変形例を示す断面図であり、図２に対応している。

なお、図４に示す例では、孔部２０における空隙１９とは反対側の端部が第２絶縁膜２２によって閉塞されるとともに、該端部から一部の孔内に第２絶縁膜２２が埋められている。しかしながら、熱式フローセンサ１００（センサチップ１０）において、孔部２０が第２絶縁膜２２によって完全に埋められた構成も可能である。また、第１絶縁膜１４上に配置される絶縁膜は、第２絶縁膜２２のみに限定されるものではない。第２絶縁膜２２を含む多層膜としても良い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図５及び図６に基づいて説明する。図５は、第２実施形態に係る熱式フローセンサにおけるセンサチップの概略構成を示す断面図であり、第１実施形態に示した図２に対応している。図６は、熱式フローセンサにおけるセンサチップの製造方法を示す断面図であり、ストッパ形成工程を示している。

第２実施形態に係る熱式フローセンサ及びその製造方法は、第１実施形態に示した熱式フローセンサ及びその製造方法と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第１実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

本実施形態では、図５に示すように、ＳＯＩ基板を構成する絶縁層が、シリコン酸化膜１３とはエッチングレートの異なる絶縁材料からなり、垂直方向において、空隙１９に隣接しつつ空隙１９を取り囲むように環状に形成されたエッチングストッパ膜２３を含む点を特徴とする。図５に示す例では、絶縁層が、平面略矩形状の空隙１９に隣接する平面略矩形環状のエッチングストッパ膜２３と、該エッチングストッパ膜２３の外周側に隣接して並設されたシリコン酸化膜１３を含んでいる。

エッチングストッパ膜２３としては、シリコン酸化膜１３をエッチングして空隙１９を形成する際に、垂直方向におけるエッチングストッパとなりうる絶縁膜、例えば、シリコン窒化膜や、単結晶シリコン膜、多結晶シリコン膜を採用することができる。本実施形態では、エッチングストッパ膜２３としてシリコン窒化膜を採用している。

なお、このようなセンサチップ１０（熱式フローセンサ１００）は、例えば以下に示すようにして形成することができる。ヒータ１５などを区画形成する工程までは、第１実施形態に示した工程と同じである。

次に、ヒータ１５などを区画形成した後、第１絶縁膜１４を堆積形成する前に、シリコン酸化膜１３におけるヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）の下部領域、すなわち空隙１９を形成したい部位のシリコン酸化膜１３を残すように、シリコン酸化膜１３の一部を周知のトレンチ形成技術などによって貫通除去する。本実施形態では、平面略矩形環状の凹部（溝）を形成する。これにより、支持基板１１の全面に形成されたシリコン酸化膜１３が、後にエッチングされるヒータ１５の下部領域と、エッチング後も残される外周部位とに分けられる。

そして、図６に示すように、除去してなる凹部内にシリコン酸化膜１３とはエッチングレートの異なる絶縁材料をＣＶＤ法などにより埋め込んで、上記下部領域を取り囲む環状のエッチングストッパ膜２３を形成する。本実施形態では、ＣＶＤ法により、凹部内にシリコン窒化膜を堆積させてエッチングストッパ膜２３を形成する。

このエッチングストッパ膜２３を形成した後は、第１実施形態に示したように、第１絶縁膜１４を形成し、その後に空隙１９を形成する。この空隙形成工程において、本実施形態では、支持基板１１が厚さ方向のエッチングストッパとして機能し、エッチングストッパ膜２３が垂直方向のエッチングストッパとして機能する。したがって、支持基板１１とエッチングストッパ膜２３に囲まれたシリコン酸化膜１３の領域全域、すなわちシリコン酸化膜１３におけるヒータ１５の下部領域全域がエッチングされて空隙１９となる。そして、必要に応じてダイシングすることにより、熱式フローセンサ１００のセンサチップ１０を得ることができる。

このように本実施形態では、支持基板１１を厚さ方向のエッチングストッパとし、エッチングストッパ膜２３を垂直方向のエッチングストッパとして、支持基板１１とエッチングストッパ膜２３に囲まれたシリコン酸化膜１３の領域全域をエッチングし、空隙１９とする。したがって、厚さ方向において空隙１９の深さのばらつきが低減されるだけでなく、垂直方向において空隙１９の幅のばらつきが低減される。これにより、熱式フローセンサ１００ごとの空隙１９の容積ばらつきをより効果的に低減することができる。また、センサ出力を補正するための補正回路をさらに簡素化し、補正回路を含めた熱式フローセンサ１００の体格をより小型化することもできる。

なお、図５では、ヒータ１５（半導体層１２）上に配置される絶縁膜が第１絶縁膜１４のみの例を示した。しかしながら、図４に示したように、第２絶縁膜２２を有する構成にも、上記したエッチングストッパ膜２３を適用することができる。

また、図５及び図６に示す例では、センサチップ１０（熱式フローセンサ１００）の状態で、エッチングストッパ膜２３の外周側に、シリコン酸化膜１３が残っている例を示した。しかしながら、エッチングストッパ膜２３の形成において、シリコン酸化膜１３のうち、後にエッチングされるヒータ１５の下部領域のみを残し、該領域よりも外周側を全てエッチングストッパ膜２３としても良い。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図７及び図８に基づいて説明する。図７は、第３実施形態に係る熱式フローセンサにおけるセンサチップの概略構成を示す断面図であり、第１実施形態に示した図２に対応している。図８は、図７に示すセンサチップの製造方法を示す工程別の断面図であり、（ａ）は基板準備工程、（ｂ）はヒータ形成工程、（ｃ）は空隙形成工程を示している。なお、各図は、図２に対応している。

第３実施形態に係る熱式フローセンサ及びその製造方法は、第１実施形態に示した熱式フローセンサ及びその製造方法と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、上記各実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

第１実施形態では、空隙１９を覆うように支持基板１１上に形成されることで、空隙１９上の架橋部位がセンサチップ１０の他部位よりも薄肉の薄肉部とされ、この薄肉部にヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）を保持する第１絶縁膜１４が、ヒータ１５などの区画された半導体層１２を覆うように配置される例を示した。換言すれば、ヒータ１５の下面が空隙１９に露出される例を示した。

これに対し、本実施形態では、ＳＯＩ基板の絶縁層が、シリコン酸化膜１３とシリコン窒化膜を積層してなり、このシリコン窒化膜が上記した第１絶縁膜１４として機能する点を特徴とする。そして、図７に示すように、絶縁層としての第１絶縁膜１４上に、ヒータ１５などの区画された半導体層１２が配置されている。

なお、このようなセンサチップ１０（熱式フローセンサ１００）は、例えば以下に示すようにして形成することができる。先ず、図８（ａ）に示すように、単結晶シリコンからなる支持基板１１と、単結晶シリコンからなり、ボロンなどの不純物が注入された半導体層１２との間に、絶縁層としてシリコン酸化膜１３及び第１絶縁膜１４としてのシリコン窒化膜が介在されたＳＯＩ基板を準備する。換言すれば、支持基板１１、シリコン酸化膜１３、第１絶縁膜１４、半導体層１２の順で積層されてなるＳＯＩ基板を準備する。このようなＳＯＩ基板は、本出願人による例えば特開２００７−３０９９１４号公報に示されるように、周知の半導体プロセスによって形成することができる。

ＳＯＩ基板の準備後は、第１実施形態同様にパッド１８を形成し、その後、半導体層１２を溝によって区画し、図８（ｂ）に示すようにヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）などを形成する。その際、第１絶縁膜１４を溝形成のエッチングストッパとする。

次に、ヒータ１５などを区画形成した後、本実施形態では、図８（ｃ）に示すように、第１絶縁膜１４において、薄肉部となる部位であってヒータ１５とは異なる位置に、シリコン酸化膜１３に達する貫通孔を孔部２０として形成し、一般的なシリコン酸化膜の犠牲層エッチング技術により、孔部２０を介した犠牲層エッチングを行う。このエッチングにより、空隙１９が形成され、第１絶縁膜１４における空隙１９上の部位が薄肉部となる。そして、必要に応じてダイシングすることにより、熱式フローセンサ１００のセンサチップ１０を得ることができる。

このように本実施形態では、ＳＯＩ基板の絶縁層として、シリコン酸化膜１３とともに、該シリコン酸化膜１３よりも半導体層１２側に配置されたシリコン窒化膜を有しており、このシリコン窒化膜を第１絶縁膜とする。したがって、絶縁層としての第１絶縁膜１４により、ヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）の下面を被覆保護することができ、これにより、耐環境性を向上することができる。

また、薄肉部を構成する第１絶縁膜１４としてのシリコン窒化膜を、ＳＯＩ基板の絶縁層として準備するので、本実施形態では、ヒータ１５などの区画形成後において、第１実施形態に示した第１絶縁膜１４の形成工程が不要となる。これにより、製造工程を簡素化することもできる。

なお、図７に示す例では、ヒータ１５などの半導体層１２上の絶縁膜については特に言及しなかった。しかしながら、例えば図９に示すように、ヒータ１５（１５ａ，１５ｂ）などの半導体層１２を保護する絶縁材料からなる第２絶縁膜２４が、半導体層１２を覆うように第１絶縁膜１４上に積層配置され、この第２絶縁膜２４により、空隙１９が閉じた空間とされた構成としても良い。これによれば、ヒータ１５の下面を保護する第１絶縁膜１４と、ヒータ１５の上面及び側面を被覆する第２絶縁膜２４により、ヒータ１５の表面全面を被測定流体に含まれる異物などから効果的に保護し、耐環境性をさらに向上することができる。また、空隙１９が閉じた空間となるので、これによっても、耐環境性をさらに向上することができる。この第２絶縁膜２４は、空隙１９の形成後、第１絶縁膜１４を覆うように堆積形成される。また、その構成材料としては、ヒータ１５などの半導体層１２を保護できる絶縁材料であれば良いが、第２絶縁膜２４としてシリコン窒化膜を採用すると、上記したように耐環境性を向上することができる。また、プラズマＣＶＤ法を用いてシリコン窒化膜を形成すると、シリコン窒化膜の膜厚を厚くすることができ、異物などの衝突による薄肉部の破損を抑制し、耐環境性をさらに向上することができる。図９は、センサチップの変形例を示す断面図であり、図２に対応している。

なお、図９に示す例では、孔部２０における空隙１９とは反対側の端部が第２絶縁膜２４によって閉塞されるとともに、該端部から一部の孔内に第２絶縁膜２４が埋められている。しかしながら、熱式フローセンサ１００（センサチップ１０）において、孔部２０が第２絶縁膜２４によって完全に埋められた構成も可能である。また、第１絶縁膜１４上に配置される絶縁膜は、第２絶縁膜２４のみに限定されるものではない。第２絶縁膜２４を含む多層膜としても良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、熱式フローセンサ１００（センサチップ１０）がセンシング部として、一対のヒータ１５ａ，１５ｂと感温体１６ａ，１６ｂを有する例を示した。しかしながら、熱式フローセンサ１００（センサチップ１０）の構成は上記例に限定されるものではない。空隙１９上の第１絶縁膜１４における薄肉部に、少なくとも１つのヒータ１５を有し、ヒータ１５の生じる熱が流体によって奪われることを利用して、ヒータ１５の電気的特性（例えば電圧、電流、抵抗値）の変化から、流体の流量などを検出する構成であれば良い。

熱式フローセンサにおけるセンサチップの概略構成を示す上面視平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１及び図２に示したセンサチップの製造方法を示す工程別の断面図であり、（ａ）は基板準備工程、（ｂ）はヒータ形成工程、（ｃ）は第１絶縁膜形成工程、（ｄ）は空隙形成工程を示している。 センサチップの変形例を示す断面図である。 第２実施形態に係る熱式フローセンサにおけるセンサチップの概略構成を示す断面図である。 熱式フローセンサにおけるセンサチップの製造方法を示す断面図であり、ストッパ形成工程を示している。 第３実施形態に係る熱式フローセンサにおけるセンサチップの概略構成を示す断面図である。 図７に示すセンサチップの製造方法を示す工程別の断面図であり、（ａ）は基板準備工程、（ｂ）はヒータ形成工程、（ｃ）は空隙形成工程を示している。 センサチップの変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０・・・センサチップ
１１・・・支持基板
１２・・・半導体層
１３・・・シリコン酸化膜
１４・・・第１絶縁膜
１５，１５ａ，１５ｂ・・・ヒータ
１９・・・空隙
２０・・・孔部
１００・・・熱式フローセンサ

Claims (12)

1. 空隙を覆うように基板の表面上に形成された第１絶縁膜における前記空隙上の部位にヒータが配置され、前記ヒータと前記基板とが前記空隙によって熱的に分離された熱式フローセンサであって、
   前記基板は、シリコンからなる支持基板と半導体層との間に、シリコン酸化膜を含む絶縁層が介在されたＳＯＩ基板の前記支持基板であり、
   前記空隙は、前記基板としての前記支持基板をエッチングストッパとして、前記シリコン酸化膜の少なくとも一部が前記基板の厚さ方向に貫通除去されてなり、
   前記ヒータは、前記半導体層からなり、
   前記第１絶縁膜は、前記シリコン酸化膜とは異なる材料からなり、前記空隙を覆うように前記基板の表面上に配置されていることを特徴とする熱式フローセンサ。
2. 前記第１絶縁膜は、前記ヒータを保護する絶縁材料からなり、前記ヒータを覆うように前記絶縁層上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式フローセンサ。
3. 前記第１絶縁膜は、シリコン窒化膜であることを特徴とする請求項２に記載の熱式フローセンサ。
4. 前記第１絶縁膜上には第２絶縁膜が配置され、
   前記第２絶縁膜により、前記空隙が閉じた空間とされていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の熱式フローセンサ。
5. 前記絶縁層として、前記シリコン酸化膜とはエッチングレートの異なる絶縁材料からなり、前記厚さ方向に略垂直な方向において、前記空隙に隣接しつつ前記空隙を取り囲むように環状に形成されたエッチングストッパ膜を含むことを特徴とする請求項２〜４いずれか１項に記載の熱式フローセンサ。
6. 前記絶縁層として、前記シリコン酸化膜とともに、該シリコン酸化膜よりも前記半導体層側に配置されたシリコン窒化膜を含み、
   前記シリコン窒化膜は、前記第１絶縁膜として、前記空隙との対向面である前記ヒータの下面に接して、前記基板の表面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式フローセンサ。
7. 前記第１絶縁膜上には、前記ヒータを保護する絶縁材料からなる第２絶縁膜が、前記ヒータを覆うように積層配置され、
   前記第２絶縁膜により、前記空隙が閉じた空間とされていることを特徴とする請求項６に記載の熱式フローセンサ。
8. 空隙を覆うように基板の表面上に形成された第１絶縁膜における前記空隙上の部位にヒータが配置され、前記ヒータと前記基板とが前記空隙によって熱的に分離された熱式フローセンサの製造方法であって、
   シリコンからなる支持基板と半導体層との間に、シリコン酸化膜を含む絶縁層が介在されたＳＯＩ基板を準備し、前記半導体層をパターニングして前記ヒータを形成するヒータ形成工程と、
   前記ヒータの上面及び側面を覆うように、前記絶縁層上に前記第１絶縁膜を成膜する第１絶縁膜形成工程と、
   前記第１絶縁膜に形成した貫通孔を介して、前記基板としての前記支持基板をエッチングストッパとしつつ前記シリコン酸化膜の少なくとも一部を貫通除去し、前記空隙を形成する空隙形成工程と、を備えることを特徴とする熱式フローセンサの製造方法。
9. 前記空隙の形成後、前記基板の表面上に、前記第１絶縁膜を覆うように第２絶縁膜を成膜し、該第２絶縁膜により、前記貫通孔における前記空隙とは反対側の一端を閉塞する第２絶縁膜形成工程を備えることを特徴とする請求項８に記載の熱式フローセンサの製造方法。
10. 前記ヒータの形成後であって前記第１絶縁膜の形成前に、前記シリコン酸化膜における前記ヒータの下部領域を残すように、前記シリコン酸化膜の一部を貫通除去し、除去してなる凹部内に前記シリコン酸化膜とはエッチングレートの異なる絶縁材料を埋め込んで、前記下部領域を取り囲む環状のエッチングストッパ膜を形成するストッパ形成工程を備え、
    前記空隙形成工程において、前記支持基板及び前記エッチングストッパ膜をエッチングストッパとすることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の熱式フローセンサの製造方法。
11. 空隙を覆うように基板の表面上に形成された第１絶縁膜における前記空隙上の部位にヒータが配置され、前記ヒータと前記基板とが前記空隙によって熱的に分離された熱式フローセンサの製造方法であって、
    シリコンからなる支持基板と半導体層との間に、シリコン酸化膜と、該シリコン酸化膜よりも前記半導体層側に配置されたシリコン窒化膜とを含む絶縁層を介在させてなるＳＯＩ基板を準備し、前記半導体層をパターニングして前記ヒータを形成するヒータ形成工程と、
    前記第１絶縁膜としての前記シリコン窒化膜に形成した貫通孔を介して、前記基板としての前記支持基板をエッチングストッパとしつつ前記シリコン酸化膜の少なくとも一部を貫通除去し、前記空隙を形成する空隙形成工程と、を備えることを特徴とする熱式フローセンサの製造方法。
12. 前記空隙の形成後、前記基板の表面上に、前記第１絶縁膜を覆うように前記ヒータを保護する絶縁材料からなる第２絶縁膜を成膜し、該第２絶縁膜により、前記貫通孔における前記空隙とは反対側の一端を閉塞する第２絶縁膜形成工程を備えることを特徴とする請求項１１に記載の熱式フローセンサの製造方法。

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