JP6362913B2 - 熱式空気流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、空気流量計に用いられる測定素子であって、発熱抵抗体と測温抵抗体とを備えて空気流量を測定する熱式空気流量センサに関する。

空気流量計として、空気量を直接検知できる熱式の空気流量計が主流になっている。特に、半導体マイクロマシニング技術により製造された測定素子を備えた熱式の空気流量計は、コストが低減できることや、低電力で駆動できることなどから注目されている。このような熱式の空気流量計に用いられる測定素子（熱式空気流量センサ）としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。この公報に記載されている熱式空気流量センサは、半導体基板上に電気絶縁膜が形成され、この電気絶縁膜上に発熱抵抗体や測温抵抗体が形成されており、さらに発熱抵抗体、測温抵抗体の上には電気絶縁体が形成されている。また、発熱抵抗体や測温抵抗体が形成された領域は、半導体基板の裏面側から異方性エッチングすることにより半導体基板の一部が除去されてダイヤフラム構造となっている。

特開平１１−２７１１２３号公報

特許文献１に記載されている熱式空気流量センサは、例えば、図６に示すように、発熱抵抗体８や測温抵抗体７が形成されている領域がダイヤフラム構造となっており、前記両抵抗体の表面、裏面には、圧縮応力を有するシリコン酸化膜１８，１９や引っ張り応力を有するシリコンナイトライド膜１７，２０が積層され、さらに、前記両抵抗体の表面側に存在する膜の平均応力（（Σ（膜厚×膜応力））／表面側の全膜厚）σｕｐと、裏面側に存在する膜の平均応力（（Σ（膜厚×膜応力））／裏面側の全膜厚）σｄｏｗｎをほぼゼロとし（結果的にσｄｏｗｎ−σｕｐ＝０）、さらに、発熱抵抗体８や測温抵抗体７を膜全体の中立軸１６に配置させるようにしている。これはダイヤフラム１４の反り無くし、発熱抵抗体８や測温抵抗体７に、この反りによるにひずみ発生を極力生させないようにしたものであるが、上記に示したシリコン酸化膜１８，１９やシリコンナイトライド膜１７、２０は製造時に約２０％程度の膜厚ばらつきが生じる。圧縮応力を保有するシリコン酸化膜１８，１９の膜厚がばらつきにより増加した場合、この圧縮応力を開放するように、ダイヤフラム１４には大きな反りが発生する。ダイヤフラム１４に反りが発生すると、その変形により前記発熱抵抗体８や測温抵抗体７にひずみが発生し、上記ひずみはピエゾ抵抗効果により、前記発熱抵抗体８や測温抵抗体７の抵抗変化を引き起こすので測定精度の低下をもたらす。そのため、ダイヤフラム１４全体の膜の平均応力を、膜厚のばらつきを考慮し、ダイヤフラムに破壊を生じさせない程度の強い引っ張り応力とすることが好ましい。しかし、特許文献１に記載されている熱式空気流量センサでは、前記両抵抗体の表面側に存在する膜の平均応力σｕｐと、裏面側に存在する膜の平均応力σｄｏｗｎをほぼゼロとしているため、膜厚の製造ばらつきによる考慮がされていなかった。

一方でダイヤフラム１４全体を強い引っ張り応力にすることで膜厚ばらつきによる反りは抑制できるが、発熱抵抗体８のセンサ感度を向上させるため数百度の高温にした場合、製造上の課題及び、膜の強度から発熱抵抗体や測温抵抗体は膜全体の中立軸１６に配置することが難しい（理由は実施例で説明）。そのため、前記両抵抗体の表面側に存在する膜の平均応力（（Σ（膜厚×膜応力））／表面側の全膜厚）σｕｐと裏面側に存在する膜の平均応力（（Σ（膜厚×膜応力））／裏面側の全膜厚）σｄｏｗｎの差が大きくなり、これによって金属膜となる発熱抵抗体８や測温抵抗体７に加わる応力が大きくなり、前記両抵抗体の抵抗値に変化を与え、計測誤差が大きくなってしまう。

本発明の目的は、計測誤差を低減した熱式空気流量センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の熱式空気流量センサは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された発熱抵抗体と測温抵抗体と、前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体の上層および下層に形成されたシリコン酸化膜およびシリコンナイトライド膜と、半導体基板の一部を除去して形成したダイヤフラム部と、を有し、前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体が前記ダイヤフラム部上に形成された熱式空気流量センサにおいて、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体は、金属膜で形成され、前記ダイヤフラム部は、凹状の形状からなり、前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体の上層に堆積されたシリコンナイトライド膜とシリコン酸化膜との平均応力をσｕｐとし、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体の下層に堆積されたシリコンナイトライド膜とシリコン酸化膜との平均応力をσｄｏｗｎとしたとき、σｄｏｗｍ−σｕｐを−１００〜３００ＭＰａの範囲内となるように設定した。

本発明によれば、計測誤差を低減した熱式空気流量センサを提供することが可能となる。

本願に係る第一実施例における測定素子の概略平面図である。 本願に係る第一実施例の断面図である。 本願に係る第一実施例の製造工程を示す断面図である。 本願に係る第一実施例において中立軸から金属膜がずれた様子を示す断面図である。 本願に係る第一実施例における応力差と抵抗変化率を示した図である。 本願に係る課題の説明を表した断面図である。

以下、本発明の実施例を説明する。

まず初めに、本発明の第一の実施例である熱式空気流量センサを図１と図２を用いて説明する。図１は熱式空気流量センサの概略平面図、図２は図１のＡ−Ａ位置における断面図である。

本実施例の熱式空気流量センサ（熱式空気流量計に用いられる測定素子）は、図１に示すように、シリコン基板１、発熱抵抗体８、空気温度を測定するための測温抵抗体７、端子電極１５、ダイヤフラム部１４を備えている。なお、１２はダイヤフラム部１４の端部である。

次に図３を用いて本実施例の製造方法を説明する。
シリコン基板１を熱酸化して熱酸化膜２を２００ｎｍの厚さで形成し、熱酸化膜２の上に、熱によって材料を分解し、減圧下で化学気相成長法（ＣＶＤ法）によって作製したＬＰ−ＳｉＮ膜３を１５０ｎｍ堆積し、次に熱によって材料を分解し、ＣＶＤ法で製作したＣＶＤシリコン酸化膜４を２００ｎｍ、ＬＰ−ＳｉＮ膜５を１５０ｎｍ、ＣＶＤシリコン酸化膜６を２００ｎｍを順次堆積する（図３（ａ））。次に堆積した膜の焼きしめを行うため、８００℃以上、好ましくは１０００℃で熱処理を行う。次にモリブデン（Ｍｏ）膜をスパッタ法により、厚さ１５０ｎｍほど堆積し、１０００℃で熱処理してパターニングを行うことにより、発熱抵抗体８、測温抵抗体７を形成する（図３（ｂ））。ここで、発熱抵抗体８、測温抵抗体７としてモリブデン膜を堆積したが、モリブデン膜ではなくプラチナ（Ｐｔ）膜、チタン（Ｔｉ）膜、タングステン（Ｗ）膜等の温度変化によって抵抗変化が大きい金属膜であればその他の膜でも良い。次にプラズマによって材料を分解して、ＣＶＤ法により製作したシリコン酸化膜（Ｐ−ＳｉＯ２）９を５００ｎｍ、次にプラズマによって材料を分解して、ＣＶＤ法により製作したシリコンナイトライド膜（Ｐ−ＳｉＮ膜）１０を１５０ｎｍ、シリコン酸化膜（Ｐ−ＳｉＯ２）１１を厚さ２００ｎｍ順次堆積し（図３（ｃ））、その後、堆積した膜の焼きしめを行うため、８００℃以上、好ましくは１０００℃で熱処理を行う。

１０００℃の熱処理後の上記各膜の内部応力（室温）は熱酸化膜２で約−２００ＭＰａ、ＬＰ−ＳｉＮ膜３，５は約１２００ＭＰａ、Ｐ−ＳｉＮ膜１０は約１５００ＭＰａ、ＣＶＤシリコン膜４，６やＰ−ＳｉＯ２膜９，１１は約−２００ＭＰａである。そのため、発熱抵抗体８、測温抵抗体７の表面側に存在する膜（Ｐ−ＳｉＯ２膜９、Ｐ−ＳｉＮ膜１０、Ｐ−ＳｉＯ２膜１１）の平均応力（（Σ（膜厚×膜応力））／表面側の全膜厚）σｕｐと裏面側に存在する膜（熱酸化膜２、ＬＰ−ＳｉＮ膜３、ＣＶＤ酸化膜４、ＬＰ−ＳｉＮ膜５、ＣＶＤ酸化膜６）の平均応力（（Σ（膜厚×膜応力））／裏面側の全膜厚）σｄｏｗｎの差（σｄｏｗｎ−σｕｐ）は約１５０ＭＰａとなっている。
図１に示す端子電極１５はシリコン酸化膜Ｐ−ＳｉＯ２、１１を形成後、上部電気絶縁膜にコンタクト用の穴を開けてアルミニウムや金等を堆積して形成する（図示せず）。最後に、裏面よりシリコン酸化膜等をマスク材として、ＫＯＨなどのエッチング液を用いてダイヤフラム部１４を形成する（図３（ｄ））。ダイヤフラム部１４は、ドライエッチング法を用いて形成しても良い。図３の符号１３は、マスク材であるエッチングマスク端部の位置を示しており、符号１３で示すエッチングマスク端部から外側をマスク材で覆い、エッチングを行うことにより、ダイヤフラム部１４の部分のシリコン基板材が除去される。
次に、本実施例の作用効果について説明する。
ダイヤフラム全体を強い引っ張り応力とするには、引っ張り応力を有するシリコンナイトライド膜の多層膜化、厚膜化が有効と考えられる。しかし、８００〜１０００℃のアニールをした場合、膜の厚膜化は、シリコンナイトライド膜の内部応力の影響で膜剥がれが生じるので適用が難しい。そのため、シリコンナイトライド膜をシリコン酸化膜で挟んで多層膜化することが有効となる。
センサの感度を高めるために、前記発熱抵抗体８を数百度の高温で熱式空気流量センサを動作させた場合、この熱により、シリコン酸化膜やシリコンナイトライド膜の内部応力が除々に変化する。そのため、長時間、熱式空気流量センサを動作させた場合には、前記発熱抵抗体８や測温抵抗体７にひずみによる抵抗変化が生じる。これを抑制するため、本実施例ではシリコン酸化膜やシリコンナイトライド膜を８００℃以上、好ましくは１０００℃程度で熱処理している。
シリコンナイトライド膜はその製造方法により、材料を熱で分解し、減圧下で化学気相成長法（ＣＶＤ法）により作製したＬＰ−ＳｉＮ膜や、プラズマで原料を分解してＣＶＤ法で製作したＰ−ＳｉＮ膜がある。上記Ｐ−ＳｉＮ膜を１０００℃程度で熱処理した場合、強い収縮が発生し、高い応力を発生させる。また、このＰ−ＳｉＮ膜はＬＰ−ＳｉＮ膜に対して強度が約６０〜７０％と低い。一般的に、前記発熱抵抗体８や測温抵抗体７にＰｔ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏなどの金属膜を使用した場合には、プロセス上の関係から、前記発熱抵抗体８や測温抵抗体７上にＬＰ−ＳｉＮ膜は堆積することは出来ない。そのため、前記発熱抵抗体８や測温抵抗体７上には強度の低いＰ−ＳｉＮ膜が堆積されることになる。ダイヤフラム全体を強い引っ張り応力とするには、破壊強度が低く、膜収縮量が大きいＰ−ＳｉＮ膜を使用するよりも、破壊強度が高く、熱処理による収縮量が小さいＬＰ−ＳｉＮ膜を使用し、膜を多層膜化した方がよい。そのため、前記発熱抵抗体８や測温抵抗体７の上下に存在するシリコンナイトライド膜の膜数が上下で異なることになり、前記発熱抵抗体や測温抵抗体の上のシリコンナイトライド膜よりも、下に配置されるシリコンナイトライド膜の膜数が多くなる。

前記発熱抵抗体８や測温抵抗体７の上下に存在するシリコンナイトライド膜の膜数が異なることによって、発熱抵抗体８や測温抵抗体７の位置が図３に示すように中立軸からずれ、前記発熱抵抗体８や測温抵抗体７は中立軸から上方側（表面側）に配置される。スパッタ法で作製した前記発熱抵抗体や測温抵抗体に使われる金属膜は密度が低いため、熱処理により膜収縮を生じる。そのため、ダイヤフラムは微小ながら凹状に反ることになる。また、前記発熱抵抗体や測温抵抗体が中立軸からずれることで、前記発熱抵抗体８や測温抵抗体７の金属膜表面側に存在する膜の平均応力σｕｐと裏面側に存在する膜の平均応力σｄｏｗｎの差が大きくなる。図５は発熱抵抗体を数百度に加熱させ、熱式空気流量センサを動作させて、２０００時間の耐久試験を実施したものであるが、σｄｏｗｎとσｕｐの差がある範囲を超えると、測温抵抗体の抵抗変化率に大きな変化が生じることが分かった。この測温抵抗体の抵抗変化は流量測定誤差を大きくさせる。抵抗値の変化量は流量測定誤差の上限から約０．０３％以下が好ましい。そのため、抵抗値の変化を０．０３％とするには、σｄｏｗｎ−σｕｐの差は図５より、−１００〜３００ＭＰａの範囲とすることが必要である。また、抵抗値の変化を極力抑制するため、好ましくは、σｄｏｗｎ−σｕｐの差を−５０〜２００ＭＰａ範囲とすることが必要である。

前記発熱抵抗体８や測温抵抗体７下に存在する引っ張り応力が有するシリコンナイトライド膜（ＬＰ−ＳｉＮ膜）を、ＣＶＤ酸化膜を介して多層膜とすることにより、ダイヤフラム全体を従来よりも強い引っ張り応力（本実施例では約２００ＭＰａ、圧縮応力を有する酸化膜厚が２０％増加しても約１５０ＭＰａ）とすることができるので、膜厚のばらつきによるダイヤフラムの大きな反りを抑制することができる。これにより、発熱抵抗体や測温抵抗体に加わるひずみ（応力）を抑制し、計測誤差を低減した熱式空気流量センサを提供することが可能となる。
本実施例では圧縮応力を有する膜にシリコン酸化膜、引っ張り応力を有する膜にシリコンナイトライド膜を想定し記載したが、σｄｏｗｎ−σｕｐの差の応力範囲は上記、シリコン酸化膜、シリコンナイトライド膜に限定した膜ではないことは言うまでもない。

１…シリコン基板、２…熱酸化膜、３…ＬＰ−ＳｉＮ膜、４…ＣＶＤシリコン酸化膜、５…ＬＰ−ＳｉＮ膜、６…ＣＶＤシリコン酸化膜、７…測温抵抗体、８…発熱抵抗体、９…シリコン酸化膜Ｐ−ＳｉＯ２、１０…シリコンナイトライド膜Ｐ−ＳｉＮ、１１…シリコン酸化膜Ｐ−ＳｉＯ２、１２…ダイヤフラム端部、１３…エッチングマスク端部、１４…ダイヤフラム部、１５…端子電極、１６…中立軸、１７…シリコンナイトライド膜、１８…シリコン酸化膜、１９…シリコンナイトライド膜、２０…シリコン酸化膜

Claims (5)

1. 半導体基板と、前記半導体基板上に形成された発熱抵抗体と測温抵抗体と、前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体の上層および下層に形成されたシリコン酸化膜およびシリコンナイトライド膜と、半導体基板の一部を除去して形成したダイヤフラム部と、を有し、前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体が前記ダイヤフラム部上に形成された熱式空気流量センサにおいて、
   前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体は、金属膜で形成され、
   前記ダイヤフラム部は、凹状の形状からなり、
   前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体の上層に堆積されたシリコンナイトライド膜とシリコン酸化膜との平均応力をσｕｐとし、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体の下層に堆積されたシリコンナイトライド膜とシリコン酸化膜との平均応力をσｄｏｗｎとしたとき、σｄｏｗｍ−σｕｐを−５０〜２００ＭＰａの範囲内となるように設定したことを特徴とする熱式空気流量センサ。
2. 半導体基板と、前記半導体基板上に形成された発熱抵抗体と測温抵抗体と、前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体の上層および下層に形成されたシリコン酸化膜およびシリコンナイトライド膜と、半導体基板の一部を除去して形成したダイヤフラム部と、を有し、前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体が前記ダイヤフラム部上に形成された熱式空気流量センサにおいて、
   前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体は、金属膜で形成され、
   前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体はダイヤフラムの中立軸より表面側にあり、
   前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体の上層に堆積されたシリコンナイトライド膜とシリコン酸化膜との平均応力をσｕｐとし、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体の下層に堆積されたシリコンナイトライド膜とシリコン酸化膜との平均応力をσｄｏｗｎとしたとき、σｄｏｗｍ−σｕｐを−５０〜２００ＭＰａの範囲内となるように設定したことを特徴とする熱式空気流量センサ。
3. 請求項１または２に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体の上層側よりも下層側のシリコンナイトライド膜の膜数が多いことを特徴とする熱式空気流量センサ。
4. 請求項１または２に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体の下層側の前記シリコンナイトライド膜をＬＰ−ＳｉＮ膜とし、
   前記発熱抵抗体および前記測温抵抗体の上層側の前記シリコンナイトライド膜をＰ−ＳｉＮ膜としたことを特徴する熱式空気流量センサ。
5. 請求項１または２に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記金属膜はモリブデン膜であることを特徴とする熱式空気流量センサ。