JPH01195327A - 流速計測用薄膜マイクロセンサの中間構造体および同マイクロセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は流速計測用薄膜マイクロセンサおよびその製造
方法に関する。

〔発明の背景と概要〕

製造の中間工程における構造体は、アルミニウムの犠牲
薄膜層や他のエツチング可能な層を表面の一部に持つシ
リコン単結晶基板チップである。

そして、かかる層は後の工程で形成されるダイアフラム
の位置を定める。このアルミニウムの犠牲薄膜層とシリ
コンチップ表面の残部はダイアフラムを構成する窒化シ
リコンの薄膜で覆われる。

本願明細書において、犠牲（薄膜）層とは、製造プロセ
スにおける後工程で除去される層をいう。

マイクロブリッジ流量計は製造過程で生ずる様々な薄片
や物質がヒータとセンサ間の熱的遮断のだめの空洞（キ
ャビティやエッチピット）に蓄積するのを防止しなけれ
ばならない。さらに、デバイスの製造を前面からのエツ
チングで行なえることおよびシリコンチップエツジを流
体の流れ方向に対して直角にすることが必要である。

ダイアフラムの下部にエツチングにより形成した空洞を
有する封止された（シールドオフ）窒化シリコンマイク
ロダイアフラムについては、豊田中央研究所の杉山氏ら
の著によるＩ　ＥＤＭ　１９８６、ベージ１８４−１８
７の「マイクロダイアフラム圧力センサ」に示されてい
る。

この記事に開示の８００ミフロン×８ミクロンの角形窒
化シリコンダイアフラムを有するマイクロダイアフラム
圧力センサはマイクロマシニング技術によって製造され
る。

主たる特徴は、プレーナ膨圧カセンサがシリコンウェハ
の（１００）面上に片面処理技術（シングルサイドプロ
セシング）だけで形成される点にあると言われた。ダイ
アフラムと基準圧力チャンバはダイアフラムとシリコン
基板の間をアンダーカノドエツチングすることによって
形成される。

ポリシリコンの如き厚さ１５００人の中間層が界面上に
、すなわち、シリコン表面上で、かつ、ダイアフラムの
下に形成される。ポリシリコンに達するエッチホールが
ダイアフラムに開けられ、異方性エッチャントＫＯＨが
ポリシリコンの中間層を除去するためと、ダイアフラム
下のシリコン基板を異方性エツチングするために使用さ
れる。

村山発明の圧力センサダイアフラム構造と本発明の構造
とにはいくつかの類似点があるが、本発明の構造は村山
発明の製法では造れない点で大きな差異がある。両者と
もエツチングにより除去される犠牲層を利用する点、前
面からエツチングを行う点ならびにセンサ抵抗を有する
ダイアフラムの下部のシリコン内に異方性エツチングに
よりピントを形成する点で類似している。

しかし、最も重要な差異は、村山発明のエッチピットは
本発明のピットに比して面積で約６％、体積で約１〜２
％のものにすぎないことである。

さらに、村山発明のダイアフラムはヒータがなく、また
、熱する必要がない。これに対し、本発明のものはダイ
アフラムにヒータ素子が形成され、シリコン千ノブの周
囲温度より、典型的には、１６０°Ｃ高（熱する必要が
ある。

第三として、村山発明の圧力センサはポリシリコン犠牲
層とシリコン層を除去してピラミッド形のピットを形成
するのに単一のエッチャントと単一のエソチップ工程を
用いる。後で詳細に述べるが、本発明では酸エッチャン
トにより金属犠牲層のみを選択的に除去した後、アルカ
リ異方性工・ノチャントによりピントの形成部のシリコ
ン層のみを選択的に除去する。これによって、太き（て
、浅く、しかも、底面の平らなピットを正確に、かつ、
流速センサ用の薄い０．０１０インチのウェハを傷めず
に形成することが可能なのである。

このようなピットは村山発明の方法では形成不可能であ
り、本発明のような大きな領域のピットを形成しようと
するとピラミッド状のピットは薄いウェハを完全に貫通
してしまう。

ウェハの完全貫通はチップの強度を低下させ、また、チ
ップをパッケージに固着するのに使用するエポキシやハ
ンダがピットへ湧出して、予期し得ない熱伝導係数の変
化をもたらすので容認できるものではない。　村山発明
の圧力センサは永久真空空洞にする必要があり、このた
め、たった０゜１５ミクロンの狭いエッチチャンネルを
シールするのに非常な低圧で不浸透性の窒化シリコン層
をプラズマ法で形成してつくる。これに対し、本発明に
おいては水分やごみの侵入を防止する程度にシールした
空洞でよく、ピット内の圧力をほぼ大気圧にしてダイア
フラムの破壊を防止し、かつ、ダイアフラムの熱伝導係
数の変化を避けている。

村山発明の０．１５ミクロンの狭い幅のエッチチャンネ
ルでは、エッチャントにより本発明の如き大きな空洞を
短時間で形成することは難しい。

それゆえ、本発明では窒化シリコンダイアフラム中にス
ロット列を設ける。そして、それぞれのスロットは、典
型的には、幅２．０ミクロン、長さ５〜５０ミクロン、
深さ１ミクロンである。

このスロット列はエッチャントを用いて金属犠牲層を取
り除き、短時間でピットを形成するためのエツチングを
行うのに適した構成である。

本発明における２、０ミクロン幅のスロットは厚さ約１
ミクロンの窒化物のダイアフラムを垂直に貫いてピント
に達している。これに対し、村山発明の０．１５ミクロ
ン幅のチャンネルは空洞に至るまで数ミクロンにわたり
水平に延びている。

村山発明の０．１５ミクロンのチャンネルはその出口を
横切って窒化層を垂直に形成することによりシールされ
ている。このプロセスにおいてチャンネルの閉鎖の割合
は一定である。なぜなら、窒素分子は水平な膜形成面と
常に直接アクセスするからである。しかし、村山発明の
窒化シリコンのプラズマによる形成法においては、本発
明のような２．０ミクロン幅のスロットを短時間でシー
ルすることはできない。これはプラズマによる窒化物の
生成はスロットを閉鎖する際、スロットの垂直方向の面
へのスピードが遅（、閉鎖に至る前に外部の水平面へ析
出する傾向が強いためである。

従って、本発明ではスロットはポリイミドの粘性溶融物
を表面に素早く流して薄膜層を形成し、これによりシー
ルされる。これを堅く焼いて機械的強度のある層にする
。しかし、この層はダイアフラムを完全に覆うものでは
ない。この層はスロット部にのみ形成することができる
。　　　このように、比較的大きく、かつ独特な形状の
空洞を形成する必要から、本発明では独特なダイアフラ
ム構造と、独特な製法が必要になったのである。

〔実施例〕

第１図に上層の平面図を示す。流量計測のためのマイク
ロセンサチップは（１００）単結晶シリクンチップ、す
なわち、ウェハ基板１１上に形成される。第２図には第
１図には示されない層が示されている。第２図は犠牲ア
ルミニウム層の除去ならびにシリコンピットの形成前の
製造工程の中間段階における構造を示す。単結晶シリコ
ン基板１１は（１００）面１２を有し、この面上に望ま
しくは厚さが４００オングストロームのスパッタにより
形成されるアルミニウムなどの選択エツチング可能な犠
牲薄膜層１３が最初に形成される。

望ましい一つの実施例ではこの層１３は一辺が約３２５
ミクロンの正方形である。

アルミニウムは後にエツチングによりシリコン中に形成
される浅いピットのりａ域の位置を定める。

アルミニウムの輪郭（デリニエーション）のエツジ部は
最終のエッチピットの境界を正確に定めるべく＜１１０
＞方向と直角にされる。

もし、直角方向にされないとアルミニウムの輪郭（デリ
ニエーション）自体がエッチピットの境界を定め得ない
。面１２、アルミニウム層１３の上には厚さが２５００
人から７０００人の窒化シリコン層の如き絶縁薄膜層１
４がスパッタにより形成される。白金１５の如き薄膜抵
抗層が窒化シリコン層１４の上にスパッタにより形成さ
れる。

これは従来の手法による。白金層は、好ましくは８００
人程度の厚みである。窒化ステップの上に抵抗線を設け
るのにエツジに傾斜を形成する必要はない。なんとなれ
ば、最初のアルミニウムのステップは小さく、容易に窒
化層で覆うことができるからである。金属抵抗層は電気
的導通状態と化学的パシベーションを達成すべく４００
人の窒化ステップ上に形成される。回路の描写後、さら
に、抵抗回路と層１４はスパッタにより形成される窒化
シリコン層１６により覆われる。

第１図には、接点Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、１１が
示されている。これらのパッドはチップ上の回路素子と
の接点を構成し、例えば、抵抗温度センサ２０はパッド
ＡとパッドＧとの間に、抵抗ＲＡはパッドＦとバフ１Ｄ
間、抵抗ＲＢがパッドＣとバフ１Ｄ間に形成される。抵
抗ＲＢは従来のはしご状のトリム可能な構成となってい
る。

これら、抵抗Ｒ＾、ＲＢ、２０、そして、ヒータ、セン
サ（２１で示される）等は白金層１５によって形成され
る。ヒータ、センサ２１は第３．４．５図に詳細に示さ
れるシリコン中の浅いエッチビット上の薄いウェブ、す
なわち、ダイアフラム領域２２に形成される。このピッ
トは典型的には１００〜１３０ミクロンの深さを持つ。

第３図は窒化物ウェブ２２の詳細図である。

好ましい一実施例においてはウェブ領域２２の大きさは
一片が約３２５ミクロンである。

第３図にはヒータ２４とそのり一ド２５．２６、上流側
センサ部３０とそのり−ド３１，３２、下流側センサ部
３３とそのリード３４．３５および、アルミニウム、シ
リコンのエツチングの際、使用する窒化物ウェブ２２の
スロットが示されている。ウェブの左側のスロット４０
〜４７、右側のスロット５０〜５７はアルミニウム境界
とピットエツジよりやや内側に位置している（第５図参
照）。同様に、スロット６０．６１．６２．６３．６４
．６５もアルミニウム境界とピットエツジからやや内側
に位置している。これらのスロットはすべて第４．４ａ
、５図に示すように、好ましくは、２〜４ミクロンの幅
を有している。

第４図は、第３図に示した窒化シリコンウェブ２２の断
面図である。ウェブ上のヒータ２４、センサ３０．３３
、そして皮膜を有する窒化シリコンフィルム７０は米国
特許４，４７８，０７６．４．４７８．０７７．４，５
０１，１４４．４，５８１，９２８．４．６５Ｌ５６４
に示されているのと同様の薄膜形成技術で形成される。

本発明はウェブ構造とその形成方法に関するものである
。

怒熱素子による流速センサは、その使用期間中その素子
の熱伝導係数は常に一定でなければならない。使用期間
中のウェブ部への汚れの付着はこの熱伝導係数の変化を
もたらし、測定精度を落とすこととなる。

本発明の目的は、ヒータ、センサの下部のビットスペー
スをシールすることにより汚れの付着を防止することに
ある。前面エツチングによってこの目的を達成すること
は、裏面エツチングより非常に好ましく、かつ、極めて
コスト安となる。

裏面エツチングはアライメントの問題、複雑な処理とパ
ッケージングそれにチップ構造の強度の弱化をもたらす
。チップ強度を高めることは理想的な流速センサチップ
がチップ上の流体の乱流を最小にすべく非常に薄い構造
であることからもわかるとおり重要なことである。

前面からエツチングを行うとき、エッチビットは小さい
ので、チップはより薄くすることができ、かつ、十分な
強度を保てる。

本発明ではピントのエツジの位置、橋部の長さは（１１
１）面によるストップ作用により決定される。これは第
３図に示したマイクロブリッジの下のアルミニウムフィ
ルムをマイクロブリッジに直交させて配列することによ
り達成される。

アルミニウムフィルムはシリコンビットエツチングの前
に選択エツチング液（例えば１００燐酸−１０アセニッ
ク酸−１硝酸）により完全に除去され、マイクロブリッ
ジの下部には浅い４００オングストロームの空洞が形成
される。

この４００オングストロームの空洞のみでは十分な熱の
遮断はできない。そのためには、この３０００倍の深さ
のエッチビットが必要である。

アルミニウムのエッチャントはシリコンおよび窒化され
たマイクロブリッジ構造を著しく浸食することはない。

シリコンエッチャントはわずかに窒化層を浸食する。４
００人程度の空洞を設けると窒化層にダメージを与えず
にエッチャントが十分迅速にシリコンを除去できるとい
うことは従来明確ではなかった。我々は窒化層のダメー
ジをおさえる十分な手段を見つけたのである。

−旦、４００人の空洞がわずかでもエツチングされると
シリコン異方性エッチャントはブリッジの下面を平らな
連続した（１００）面にし、続いて、同時、かつ、全面
にわたって迅速にピットの傾斜面である（１１１）面に
制限されつつ下方へのエツチングがおこなわれる。

最終的には寸法の正確なピットとなり、４つの側面は傾
斜した（１１１）面で形成され、底面はダイアモンド形
状のピットとするのでなければ、エッチャントの時間間
隔で決定される深さの（１００）面で形成される。マイ
クロブリッジの正確な長さは最初に描いたアルミニウム
の輪郭（デリニエーション）によって決定され、かなり
の程度までエツチング時間とは無関係である。

このようにしてマイクロブリッジの熱的な遮断がより正
確に達成され、ピットを形成するのにより小さな領域で
足りる。

すなわち、典型的には、厚さ４００人のアルミニウムの
薄膜犠牲層を形成することにより前面からの製法が確立
され、シリコン中のビット形成による熱的な分離が達成
されたのである。

他のすべての層の形成後、前述したアルミニウムは窒化
シリコンウェブのスロットを通して供給される酸エッチ
ャントにより除去される。

これはシリコンには影響を与えない。

これらのスロットはウェブのエツジ部に形成されウェブ
の温度の高くなる部分から離れている。

ダイアフラムエツジの近辺にスロットを設けることによ
りヒータを高温にしても温度の高くならないスロットの
位置にあるポリイミドにダメージを与えることはない。

アルミニウムの除去後、異方性Ｋ　ＯＨアルカリエッチ
ャントがスロットを通して与えられ、シリコン中に所望
の深さのピットが異方性エツチングにより形成される。

この深さは１００ミクロン程度のものである。

この工程の後、２〜４ミクロン幅のスロットは、ウェハ
表面に適当な粘度のポリイミドを流し閉じられる。スロ
ットは薄いミクロンの厚さの不活性のポリイミドからな
る層によりカバーされる。

この際、ポリイミドはピット中にはそんなに入り込まな
い。その後、ポリイミドはスロット近辺を除くすべての
領域からホトデリニエーションプロセスにより取り除か
れる。

適当なポリイミドの例として、チバガイギー社の２００
シリーズ　プリイミダイズ　ポリイミドのひとつプロピ
イミド（ＴＭ）２８５がある。これは内部層の絶縁のた
めに製造されたものである。

これは平面性を保ちながら拡張でき３５０°Ｃ〜４５０
°Ｃで堅く焼かれ１〜２ミクロンの薄膜を形成できる。

ポリイミドフィルムの描写（デリニエーション）は５ｉ
０２マスクとイオンエツチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　　
Ｉｏｎ　　Ｅｔｃｈｉｎｇ−ＲＩＥ）により行うことが
できる。

マスクはレプリカにより誤差なく形成できる。

直線状の側壁はほとんどアンダーカットな（形成される
。ポリイミドウェブは通常のホトリソグラフィ技術で１
〜２ミクロンの精度で形成できる。

その後、表面上に残留した不純物を取り除くためヒータ
により加熱焼却してもよい。

ポリイミドはウェブのスロット近辺にのみ形成されてお
り、しがも、シリコン裁板に近いので温度上昇による損
傷の心配はない。

アルミニウム犠牲層のエツジはシリコンの（１００）面
の＜１１０＞方向と直交しているので、ウェブの境界の
外側の窒化シリコンの望ましくないアンダーカットは阻
止される。このようにしてアルミニウム領域は空気流れ
方向に直交するピットとチップのエツジを決定してピッ
トの領域を決定する。ヒータの線も気流に対して直交す
る。

この直交性が流体速度が大きいとき従来の４５−度方位
構造で生じるチップの傾きのバラツキの影響を最小限に
する。さらに、パッケージプロセスにおけ−るデツプの
位置決めの簡易化も達成できる。

上述した実施例は多少の変更は可能であり、例えば、Ｎ
ｉＦｅのような金属層を最終の窒化シリコン層１６の表
面に加え、でもよい。

窒化シリコンは強固ではあるが、やや脆く引き延ばせる
金属層の追加により強度を高めることができる。しかし
、このような組合せは金属層が全体の熱伝導係数を大き
くし流速計測におけるレスポンスを下げるためデメリッ
トもある。

製造工程のステップを以下に示す。

■　（１００）シリコン表面に厚さ４００人のアルミニ
ウム犠牲層を形成する。

■　窒化シリコン層を約５０００人の厚さで形成する。

■　結合パッド、ヒータ抵抗、センサ抵抗、回路部を形
成する。

■　窒化層を約５０００人厚さで形成する。

■　ウェブ中にパッドと窒化層を通してスロット部を形
成する。

■　ボンディングのためにパッド部に金層を所望の厚み
に形成する。

■　アルミニウムをエツチング除去する。

■　熱遮断用ピットをエツチングにより設ける。

■　スロット封止用のポリイミドフィルムを形成する。

〔発明の効果］ 本発明はヒータ、センサの下部のピットスペースのシー
ルにより汚れの付着を防止でき、本発明の方法は従来の
裏面エツチングによってもたらされる複雑な製造工程や
チップ構造の強度不足等の問題を解決するものである。

チップ強度を高めることは流速センサがより薄い構造で
精度を高めていることからも重要なことであり、本発明
の方法を用いれば、前面からエツチングを行うことによ
り、エッチピットを十分な強度を保ちながら形成できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示す平面図。 第２図は、本発明の実施例の部分断面図。 第３図は、本発明の実施例のヒータ、センサ、スロット
を示す部分平面図。 第４図は、第３図の断面図。第４ａ図は、第３図のスロ
ット部の封止状態を示す部分断面図。 第５図はアルミニウム層の除去されたピットの詳細を示
す断面図。 ２４−一一一一−−ヒータ　３０．３３−−−−−−−
センサ４０〜４７．５０〜５７・−・・・・・スロット
特許出願人　ハネウェル・インコーポレーテッド代理人
　　　弁理士　　松下義治 Ｆ薩・Ｉ Ｆｉｇ、　２ Ｆｉｇ、　３

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）〈１１０〉方向を有し、（１００）平面を有する
   単結晶シリコンウェハと、 このウェハの平面上に形成され、厚さが約４００Åでエ
   ッジ部が前記シリコン結晶の〈１１０〉方向と直交する
   アルミニウムの犠牲薄膜層と、前記アルミニウム層およ
   び残りのシリコン平面上に形成された窒化シリコン薄膜
   層と、 前記窒化シリコン薄膜層上で前記アルミニウム層の中央
   部の上部に形成された薄膜ヒータ抵抗素子と、 前記窒化シリコン薄膜層上で前記アルミニウム層の上部
   に形成され、かつ、前記ヒータ抵抗素子の各側面に形成
   された第１および第２の薄膜抵抗流速センサ素子と、 前記ヒータ抵抗素子、前記流速センサ素子および前記窒
   化シリコン薄膜層上に形成された別の窒化シリコン薄膜
   層と、 前記アルミニウム層のエッジ部の近辺にではあるが、エ
   ッジ部からやや離れた内側の位置で、かつ、前記ヒータ
   抵抗素子からも離れた位置に形成され、さらに、前記窒
   化シリコン薄膜層を貫通し前記アルミニウム層に達する
   複数の細長いスロットとからなる流速計測用薄膜マイク
   ロセンサの中間構造体。
2. （２）〈１１０〉方向を有し、（１００）平面を有する
   単結晶シリコンウェハの平面上に選択エッチング可能な
   材料からなる矩形の犠牲薄膜領域を形成し、 前記選択エッチング可能な材料上および残りのシリコン
   平面上に前記選択エッチング可能な材料からなる膜より
   厚い窒化シリコン薄膜を形成し、センサ抵抗、回路抵抗
   、ヒータ抵抗の如き所望の回路素子を形成すべく前記窒
   化シリコン薄膜上に電気抵抗薄膜層を形成し、その際、
   前記ヒータ抵抗とセンサ抵抗は前記犠牲薄膜領域上に位
   置するようにし、前記各回路素子および窒化シリコン薄
   膜上に、さらに、窒化シリコン薄膜を形成し、前記犠牲
   薄膜層のエッジ近辺に前記窒化シリコン薄膜を貫通し、
   犠牲薄膜層に達する複数の細長いスロットを形成し、 前記犠牲薄膜層を除去し、その場所に浅い空洞を形成す
   べく前記スロットを通して選択エッチングし、 前記スロットおよび前記空洞を通してシリコンウェハに
   熱遮断用のピットを異方性エッチングにより形成し、 前記スロット上にポリイミド膜を形成して前記スロット
   を封止する 製造工程からなる流速計測用薄膜マイクロセンサの製造
   方法。
3. （３）〈１１０〉方向を有し、（１００）平面を有する
   単結晶シリコンウェハの平面上に厚さが約４００Åで、
   エッジ部が前記シリコン結晶の〈１１０〉方向と直交す
   るアルミニウムの犠牲薄膜層をスパッタにより形成し、 前記アルミニウム層および残りのシリコン平面上に約５
   ０００Åの厚みで窒化シリコンをスパッタにより形成し
   、 センサ抵抗、回路抵抗、ヒータ抵抗の如き所望の回路素
   子を形成すべく前記窒化シリコン層上に約８００Åの厚
   みの白金層を形成し、その際、前記ヒータ抵抗とセンサ
   抵抗は前記アルミニウム層上に位置するようにし、 前記白金層および窒化シリコン層上に、さらに、約５０
   ００Åの厚みで窒化シリコン層をスパッタにより形成し
   、 前記アルミニウム層のエッジ部の近辺にではあるが、エ
   ッジ部からやや離れた内側の位置で、前記窒化シリコン
   層を貫通し、アルミニウム層に達する複数の細長いスロ
   ットを形成し、 前記スロットを通して前記アルミニウム層を酸エッチン
   グし、深さ約４００Åの空洞を形成し、前記スロットと
   空洞とを通してＫＯＨ異方性エッチングを行いシリコン
   ウェハ中に熱遮断用のピットを形成し、 前記スロット上にポリイミド膜を形成してスロットを封
   止する 製造工程からなる流速計測用薄膜マイクロセンサの製造
   方法。