WO2016111096A1 - 熱式流体流量センサ - Google Patents

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WO2016111096A1
WO2016111096A1 PCT/JP2015/083201 JP2015083201W WO2016111096A1 WO 2016111096 A1 WO2016111096 A1 WO 2016111096A1 JP 2015083201 W JP2015083201 W JP 2015083201W WO 2016111096 A1 WO2016111096 A1 WO 2016111096A1
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recess
insulating film
fluid flow
thermal fluid
flow sensor
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PCT/JP2015/083201
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佐久間　憲之
保夫 小野瀬
忍 田代
良介 土井
Original Assignee
日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845—Micromachined devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B1/00—Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a thermal fluid flow sensor, and more particularly, to a technique effective when applied to a thermal fluid flow sensor using a heating resistor.
  • an air flow meter that is provided in an electronically controlled fuel injection device of an internal combustion engine such as an automobile and measures an intake air amount is used.
  • a fluid flow sensor used in such an air flow meter a thermal fluid flow sensor using a heating resistor has become mainstream because it can directly detect the mass air amount.
  • thermal air flow sensors manufactured by micro electro mechanical systems (MEMS) technology using semiconductors that is, air flow sensors, are attracting attention because they can reduce manufacturing costs and can be driven at low power. I came.
  • MEMS micro electro mechanical systems
  • a flow rate detection unit that includes a heating resistor and detects the flow rate of the fluid, and a circuit unit that controls the flow rate detection unit and the like are formed on the same substrate. is there. In such a case, since it is not necessary to electrically connect the flow rate detection board and the circuit board by a method such as wire bonding, the number of parts can be reduced.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-518119 discloses that in a micromechanical flow sensor, a measurement element and a circuit are integrated on a semiconductor substrate, and the measurement element is provided on an opening or a recess of the semiconductor substrate. Are listed.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2012-202786 discloses a detection unit including a heating resistor provided on a first stacked film on a semiconductor substrate, and controls the heating resistor provided on the semiconductor substrate.
  • a thermal fluid flow sensor having a circuit portion including a control circuit is disclosed.
  • the flow rate detection unit may have compressive stress. In such a case, since the flow rate detection unit is easily bent, the flow rate detection unit may be damaged.
  • the flow rate detection unit when the flow rate detection unit has a tensile stress, the flow rate detection unit is difficult to bend and the flow rate detection unit is less likely to be damaged.
  • the circuit unit when the flow rate detection unit has tensile stress, the circuit unit may have tensile stress. In such a case, there arises a problem that the characteristics of the circuit section fluctuate.
  • the thermal fluid flow sensor is a recess formed in the interlayer insulating film on the diaphragm portion of the sensor chip, and the side wall and the bottom surface are formed on the sidewall of the recess covered with the insulating film for stress adjustment.
  • a stepped step is provided.
  • the reliability of the thermal fluid flow sensor can be improved.
  • FIG. 1 is a plan view showing a thermal fluid flow sensor that is Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2 is a cross-sectional view of a sensor chip in the thermal fluid flow sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a thermal air flow meter including a thermal fluid flow sensor that is Embodiment 1.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the thermal fluid flow sensor according to the first embodiment.
  • FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following FIG. 5.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following FIG. 6.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following FIG. 7.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following FIG. 8.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following FIG. 9. It is sectional drawing in the manufacturing process of the thermal type fluid flow sensor following FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process subsequent to FIG. 11.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following FIG. 12.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process subsequent to FIG. 13.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a thermal fluid flow sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. FIG. 16 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following FIG. 15.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following FIG. 16.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following FIG. 17.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following FIG. 18.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following FIG. 19.
  • 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a thermal fluid flow sensor that is Embodiment 3.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process subsequent to FIG. 21.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process following that of FIG. 22; It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the thermal type fluid flow sensor which is Embodiment 4.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process subsequent to FIG. 24.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process subsequent to FIG. 25.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process subsequent to FIG. 26.
  • FIG. 28 is a cross-sectional view of the thermal fluid flow sensor during the manufacturing process subsequent to FIG. 27.
  • FIG. 10 is a plan view showing a thermal fluid flow sensor that is a fourth embodiment. It is sectional drawing of the sensor chip in the thermal type fluid flow sensor which is a comparative example.
  • the thermal fluid flow sensor of the present embodiment is a thermal fluid flow sensor that detects a fluid flow rate using a heating resistor.
  • FIG. 1 is a plan view showing a thermal fluid flow sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a sensor chip in the thermal fluid flow sensor of the present embodiment. That is, FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part of the thermal fluid flow sensor shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic view of a thermal air flow meter including the thermal fluid flow sensor of the present embodiment attached to an intake passage of an internal combustion engine such as an automobile.
  • the thermal fluid flow sensor 1 includes a lead frame 2 and a sensor chip 52 mounted on the upper surface of the lead frame 2, and a part of the lead frame 2 and the sensor chip. A part of 52 is covered with the mold resin 10.
  • the outline of each structural body covered with the mold resin 10 is indicated by a broken line.
  • an air passage groove 34b is formed so as not to hinder the air flow.
  • the lead frame 2 has a substrate mounting portion 4 and a plurality of external terminals (leads) 8 that are separated from each other.
  • the substrate mounting portion 4 is a metal plate on which the sensor chip 52 is mounted on the upper surface.
  • the external terminal 8 is a metal plate that is partially exposed from the mold resin 10 and has a role of electrically connecting a circuit formed in the sensor chip 52 and the outside of the thermal fluid flow sensor 1.
  • the lead frame 2 is made of, for example, an alloy mainly containing Cu (copper), for example.
  • the sensor chip 52 has a semiconductor substrate 3 (see FIG. 2) at the bottom, and air flow measurement arranged in a direction along the main surface of the semiconductor substrate 3. It has a part 1A and a circuit part 1B.
  • the air flow rate measuring unit 1A is a part that detects the flow rate of the fluid, and is a region that includes a heating resistor (heater) formed on the semiconductor substrate 3 and a sensor (not shown) that detects heat. .
  • a diaphragm part 9 which is a region where the film thickness of the sensor chip 52 is thin is formed.
  • the heater and the sensor are formed side by side at a position overlapping the diaphragm 9 in plan view.
  • the heater, the sensor, and the diaphragm portion 9 are disposed at a position overlapping the air flow path groove 34b.
  • the air flow channel groove 34b extends in the direction in which the heater and the sensor are arranged.
  • the circuit portion 1B is a part of the sensor chip 52, and is a portion where a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor, a diode, a memory, and the like that control heating of the heater are formed on the semiconductor substrate 3.
  • the circuit unit 1B is formed with a circuit that receives power supply from the outside via the electrode pad 6 and the external terminal 8 and outputs an air flow rate to the outside.
  • the substrate mounting part 4 and the sensor chip 52, which are part of the lead frame 2 are covered with the mold resin 10 except for the air flow rate measuring part 1A.
  • the external terminal 8 which is a part of the lead frame 2 has one end exposed from the mold resin 10 and the other end covered with the mold resin 10. In the mold resin 10, the end of the external terminal 8 and the electrode pad 6 are connected via a bonding wire 7.
  • the mold resin 10 is opened on each of the main surface side of the semiconductor substrate 3 and the back surface side opposite to the main surface.
  • the concave portion of the mold resin 10 on the main surface side of the semiconductor substrate 3 and the concave portion of the mold resin 10 on the back surface side of the semiconductor substrate 3 are formed at positions overlapping each other in plan view.
  • the semiconductor substrate 3 at the bottom of the sensor chip 52 and the insulating film at the top of the sensor chip 52 are opened. Therefore, the film thickness of the sensor chip 52 in the region is smaller than the film thickness of the sensor chip 52 in the other region.
  • the air flow rate measuring unit 1A a part of the semiconductor substrate 3 is removed to form a hole 9a (see FIG. 3), and a recess is formed on the upper surface of the sensor chip 52 directly above the hole. Has been. For this reason, in the air flow measurement unit 1A, there is a region where the thickness of the sensor chip 52 is smaller than that of the circuit unit 1B.
  • the portion where the sensor chip 52 is thinned in this way is referred to as a diaphragm portion 9.
  • the diaphragm portion 9 is a portion in which a hole opening the semiconductor substrate 3 is formed in order to prevent the temperature of the air flow rate measuring portion 1A including the heater from rising excessively. Further, as will be described later with reference to FIG. 14, the diaphragm unit 9 prevents the sensor chip 52 from being destroyed in the air flow rate measuring unit 1A and adjusts the stress of the air flow rate measuring unit 1A. It is a part where a recess is formed in the upper part. That is, the diaphragm portion (diaphragm, diaphragm structure) here refers to a part of the sensor chip 52 having a small thickness between the concave portion and the hole portion 9a.
  • an opening that penetrates the substrate mounting portion 4 is formed as a hole for security prevention. That is, the concave portion of the mold resin 10 on the back surface side of the semiconductor substrate 3, the opening that penetrates the substrate mounting portion 4, the hole that penetrates the semiconductor substrate 3, the concave portion on the upper surface of the sensor chip 52, and the semiconductor substrate 3.
  • the concave portion of the mold resin 10 on the main surface side is formed at a position overlapping in plan view. Therefore, immediately above the recess on the back surface side of the mold resin 10 in the air flow rate measurement unit 1A, the opening that penetrates the substrate mounting portion 4 and the hole 9a (see FIG. 3) on the back surface side of the semiconductor substrate 3 are the mold resin. 10 is exposed.
  • the flow rate detection unit for detecting the flow rate of the fluid and the circuit unit for controlling the flow rate detection unit are formed on the same semiconductor substrate 3.
  • the air flow rate measurement unit 1A and the circuit unit 1B exist on the same substrate, there is no need to electrically connect the flow rate detection substrate and the circuit substrate by a method such as wire bonding. . Therefore, the number of parts can be reduced.
  • the sensor chip 52 has a semiconductor substrate 3 made of, for example, single crystal silicon.
  • the bottom surface of the semiconductor substrate 3 is covered with an insulating film 29 made of, for example, a silicon oxide film.
  • a well 15 is formed in the active region of the semiconductor substrate 3 from the main surface of the semiconductor substrate 3 to a midway depth.
  • a plurality of diffusion layers 19 are formed from the main surface of the semiconductor substrate 3 to a midway depth.
  • the diffusion layer 19 is a semiconductor region having a shallower formation depth than the well 15.
  • the well 15 and the diffusion layer 19 have different conductivity types.
  • a gate electrode 17 is formed via a gate insulating film 16.
  • the gate insulating film 16 is made of, for example, a silicon oxide film
  • the gate electrode 17 is made of, for example, a polysilicon film.
  • the gate insulating film 16 and the gate electrode 17 are formed immediately above the region between the pair of diffusion layers, and the pair of diffusion layers 19 sandwiching the main surface of the semiconductor substrate 3 immediately below the gate electrode 17 and the gate electrode. Constitutes the MOS transistor 50.
  • Each of the pair of diffusion layers 19 sandwiching the main surface of the semiconductor substrate 3 immediately below the gate electrode constitutes a source / drain region of the MOS transistor 50.
  • the main surface of the semiconductor substrate 3 between the pair of diffusion layers 19 is a channel region where a channel is formed during the operation of the MOS transistor 50.
  • the element isolation region 14 is made of, for example, a silicon oxide film, and is formed from the main surface of the semiconductor substrate 3 to an intermediate depth in a region (field region) adjacent to the active region.
  • the element isolation region 14 is formed not only between the elements of the circuit unit 1B but also in the air flow rate measuring unit 1A.
  • the hole 9a penetrating the semiconductor substrate 3 is formed, so that a portion where the sensor chip 52 is thin, that is, the diaphragm portion 9 is formed. Since the insulating film 29 immediately below the hole 9 a is removed, the bottom surface of the element isolation region 14 located immediately above the hole 9 a is exposed from the semiconductor substrate 3 and the insulating film 29.
  • a heater 18 and a sensor are formed on the element isolation region 14.
  • the heater (heating resistor) 18 and the sensor (measuring element) are separated from each other and are electrically insulated.
  • the heater 18 and the sensor are made of the same conductive film formed of the same material.
  • the sensor detects the temperature of air heated by the heat generated in the heater 18.
  • a thermal resistance type or a thermocouple type is used as a method for detecting the temperature using the sensor.
  • the heater 18 and the sensor are arranged side by side in the direction along the main surface of the semiconductor substrate 3 and in the depth direction of FIG. 3, that is, the direction orthogonal to the line AA in FIG.
  • the heater 18 is disposed so as to be sandwiched between a pair of sensors.
  • the heater 18, sensor, and MOS transistor 50 are covered with an interlayer insulating film 20 formed on the semiconductor substrate 3 and the element isolation region 14.
  • the interlayer insulating film 20 is made of, for example, a silicon oxide film.
  • a plurality of contact holes (connection holes) are formed in the interlayer insulating film 20, and contact plugs 21 mainly containing W (tungsten), for example, are formed in each contact hole.
  • the upper surface of the interlayer insulating film 20 and the upper surfaces of the plurality of contact plugs 21 are planarized at the same height.
  • the height in the present application refers to a distance in a direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate 3 from the main surface at a specific position of the semiconductor substrate 3.
  • the plurality of contact plugs 21 are connected to the upper surface of the heater 18, the upper surface of a sensor (not shown), the upper surface of the diffusion layer 19, or the upper surface of the gate electrode 17, respectively.
  • a plurality of wirings 22 mainly including, for example, Al (aluminum) are formed on each of the interlayer insulating film 20 and the contact plug 21.
  • the bottom of the wiring 22 is connected to the upper surface of the contact plug 21.
  • the upper surface of the interlayer insulating film 20 and the wiring 22 are covered with an interlayer insulating film 23 formed on the interlayer insulating film 20.
  • the interlayer insulating film 23 is made of, for example, a silicon oxide film.
  • a plurality of contact plug holes are formed in the interlayer insulating film 23, and a plurality of contact plugs 51 mainly including, for example, W (tungsten) are embedded in each contact plug hole.
  • the upper surface of the interlayer insulating film 23 and the upper surfaces of the plurality of contact plugs 51 are planarized at the same height.
  • a plurality of wirings 24 mainly including, for example, Al (aluminum) are formed on the interlayer insulating film 23 and the contact plug 51.
  • the lower surface of the wiring 24 is connected to the upper surface of the contact plug 51.
  • the wiring 24 is connected to the heater 18, a sensor (not shown), the gate electrode 17 or the diffusion layer 19 through the contact plug 51, the wiring 22, and the contact plug 21.
  • an insulating film 25 made of, for example, a silicon oxide film and a protective film 26 made of, for example, a silicon nitride film are sequentially formed so as to cover the wiring 24.
  • a part of the upper surface of the part of the wiring 24 is exposed from the insulating film 25 and the protective film 26, and the upper surface of the wiring 24 exposed from the insulating film 25 and the protective film 26 constitutes the electrode pad 6.
  • the electrode pad 6 is a part for connecting a bonding wire to the upper surface of the wiring 24.
  • the insulating film 25, the protective film 26, the interlayer insulating film 20, and the element isolation region 14 are films having compressive stress therein.
  • the insulating film 25, the protective film 26, the interlayer insulating film 20, and the element isolation region 14 have a compressive stress.
  • the protection performance and moisture resistance of the wirings 22 and 24 can be improved.
  • a recess 5 is formed on the upper surface of the laminated film including the protective film 26, the insulating film 25, and the interlayer insulating films 23 and 20 in a region overlapping the hole 9a in plan view.
  • the concave portion 5 is a concave portion that reaches from the upper surface of the laminated film to an intermediate depth of the laminated film, and the bottom surface of the concave portion 5 is located above the heater 18 and a sensor (not shown). That is, the heater 18 and the sensor (not shown) are not exposed in the recess 5.
  • the depth of the recess 5, that is, the distance from the upper surface of the protective film 26 to the bottom surface of the recess 5 in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate 3 is about 2.5 ⁇ m.
  • the recess 5 is composed of a plurality of recesses 5a and 5b.
  • the recess 5b is formed immediately below the recess 5a, and the opening width of the recess 5a is larger than the opening width of the recess 5b. That is, the recess 5 includes a recess 5a formed on the upper surface of the laminated film and a recess 5b formed on the bottom surface of the recess 5a.
  • the opening width here is the width of each recess in the direction along the main surface of the semiconductor substrate 3.
  • the side wall of the recess 5b does not overlap the side wall of the recess 5a in plan view. That is, in the plan view, the recess 5b is formed inside the side wall of the recess 5a, and the side wall of the recess 5b and the side wall of the recess 5a are separated from each other. Therefore, a stepped step is formed on the side wall of the recess 5. That is, the opening width of the recess 5 increases stepwise from the bottom of the recess 5 upward.
  • the step formed by the bottom surface of the recess 5 a and the side wall of the recess 5 b is formed in one step in the recess 5.
  • the recess 5 a penetrates through the insulating film 25 and reaches a halfway depth of the interlayer insulating film 23.
  • the concave portion 5 a may be a concave portion that does not penetrate the insulating film 25 and reaches a halfway depth of the insulating film 25.
  • the recess 5 b penetrates through the interlayer insulating film 23 and reaches a halfway depth of the interlayer insulating film 20.
  • the concave portion 5 b may be a concave portion that does not penetrate the interlayer insulating film 23 and reaches a halfway depth of the interlayer insulating film 23.
  • a recess having an opening width smaller than that of the recess 5b may be further provided on the bottom surface of the recess 5b. In this case, the number of steps on the side wall of the recess 5 is increased, thereby reducing the depth of each recess constituting the recess 5.
  • the surface of the laminated film inside the recess 5 is covered with an insulating film 28.
  • the insulating film 28 is a film having a tensile stress, and is made of, for example, a silicon nitride film. In other words, the insulating film 28 has a stress on the tensile stress side as compared with the insulating film 25, the protective film 26, the interlayer insulating film 20, and the element isolation region 14.
  • the insulating film 28 is formed only on the air flow rate measuring unit 1A, not on the circuit unit 1B. That is, elements such as the MOS transistor 50 formed in the circuit portion 1B are covered with the insulating film 25 and the protective film 26 having compressive stress, but are not covered with the insulating film 28 having tensile stress.
  • the heater 18 and the sensor of the air flow rate measuring unit 1A are covered with the insulating film 28 having a tensile stress, but are not covered with the insulating film 25 and the protective film 26 having a compressive stress.
  • a semiconductor element such as the MOS transistor 50 is affected by an increase in resistance value and the like when formed in a region having tensile stress.
  • the circuit portion 1B including elements such as the MOS transistor 50 is exposed from the insulating film 28 having tensile stress.
  • an insulating film 28 which is a stress adjusting film, is provided in order to use the stress of the diaphragm 9 of the air flow rate measuring unit 1A as a tensile stress.
  • the silicon nitride film constituting the insulating film 28 is formed at a low temperature and has a low tensile stress, the laminated film including the interlayer insulating films 20 and 23, the insulating film 25, and the protective film 26 having compressive stress.
  • the stress of the laminated film 28 a tensile stress by forming the insulating film 28 on the uppermost protective film 26, it is necessary to form the insulating film 28 having a very large film thickness.
  • the insulating film 25 and the protective film 26 on the upper part of the laminated film are removed, and the recess 5 is formed in the air flow measuring unit 1A, so that the air flow measuring unit 1A of the insulating film 28 having a small film thickness is formed.
  • Stress adjustment is possible.
  • the protective film 26 and the insulating film 28 are both made of a silicon nitride film. As described above, the protective film 26 has a compressive stress, and the insulating film 28 has a tensile stress. Even if the films are made of the same silicon nitride film, the direction of the internal stress can be changed as described above by changing the film formation conditions.
  • the insulating film 28 does not completely fill the recess 5. That is, the thickness of the insulating film 28 is smaller than the depth of the recess 5. Therefore, the insulating film 28 is formed along the side walls and the bottom surface of the recesses 5a and 5b. Therefore, a recess is formed on the upper surface of the insulating film 28 along the shape of the surface of the recess 5, and a stepped step is formed on the side wall of the recess.
  • the hole 9a, the interlayer insulating film 20, the recesses 5a, 5b, and the insulating film 28 are formed at positions overlapping the heater 18 and the sensor (not shown) in plan view.
  • the insulating film 28 is formed with a film thickness larger than any depth of the recesses 5a and 5b.
  • the thickness of the insulating film 28 is larger than the height of the step formed on the side wall of the recess 5 in a stepped manner.
  • the step formed on the side wall of the recess 5 is constituted by the bottom surface of the recess 5a and the side wall of the recess 5b.
  • the height of the step here means the distance from the upper end to the lower end of the side wall of the recess 5b constituting the step in a direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate 3.
  • the height of the step is, for example, from the bottom surface of the recess 5a that is the upper surface of the step in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate 3 to the bottom surface of the recess 5b that is located at the lower end of the step.
  • the height of the step means, for example, the distance from the upper surface of the protective film 26 outside the recess 5 to the bottom surface of the recess 5a in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate 3. That is, the height of the step means a difference in height from the upper surface to the lower end of the predetermined step.
  • the coverage of the insulating film 28 can be improved by making the film thickness of the insulating film 28 larger than any depth of the recesses 5a and 5b.
  • the insulating film 28 is a film provided to prevent the sensor chip 52 from being destroyed. Since the diaphragm portion 9 is formed in the air flow rate measuring portion 1A, the thickness of the sensor chip 52 is small. Further, since the interlayer insulating film 20 and the element isolation region 14 have compressive stress, the air flow rate measuring unit 1A of the sensor chip 52 may have compressive stress as a whole. In this case, the sensor chip 52 of the air flow rate measuring unit 1A is bent and the sensor chip 52 may be damaged. On the other hand, the insulating film 28 having a tensile stress is formed on the diaphragm portion 9 to increase the overall tensile stress of the air flow measuring portion 1A of the sensor chip 52, thereby preventing the sensor chip 52 from being damaged. Can do.
  • the thermal air flow meter includes a thermal fluid flow sensor 1 that is a thermal fluid flow sensor of the present embodiment, a support 38 that supports the thermal fluid flow sensor 1, and a thermal type flow meter. It is comprised by the connection part 39 which electrically connects between the exterior of the fluid flow sensor 1 and the external terminal 8 of the thermal fluid flow sensor 1.
  • the thermal fluid flow sensor 1 is disposed in a cylindrical sub-passage 37 inside the cylindrical air passage 36. Intake air 40 indicated by arrows in the figure flows in the direction of air flow indicated by the arrows or in the opposite direction depending on the conditions of the internal combustion engine.
  • the heat generated in the heater 18 (see FIG. 3) disposed in the center of the air flow rate measuring unit 1A shown in FIG. 1 is heated in the direction along the direction in which air flows in the auxiliary passage 37 (see FIG. 4).
  • the direction and flow rate of air can be detected. That is, the air flow rate can be calculated by detecting a difference in resistance value generated between the pair of sensors when the heater 18 generates heat and air flows into the sub-passage 37. For this reason, the sensors are arranged on the upstream side and the downstream side with respect to the heater 18.
  • the recess 5 shown in FIG. 3 is formed immediately above the heater 18 and the sensor. That is, the recess 5 is provided in order to reduce the thickness of the insulating film on each of the heater 18 and the sensor in order to increase the measurement accuracy of the air flow rate.
  • FIG. 30 is a cross-sectional view showing a sensor chip of a thermal fluid flow sensor as a comparative example.
  • the shape of the recess 30 opened in the upper surface of the laminated film composed of the interlayer insulating films 20, 23, the insulating film 25, and the protective film 26 in the air flow rate measuring unit 1A is 3 is different from the shape of the recess 5 of the present embodiment shown in FIG. Further, the shape of the insulating film 28 is different between the sensor chip 53 of the comparative example and the sensor chip 52 (see FIG. 3) of the present embodiment. Except for these points, the sensor chip 53 of the comparative example and the sensor chip 52 of the present embodiment have the same structure.
  • the concave portion 30 of the comparative example is a concave portion that reaches the depth from the upper surface of the laminated film, and the heater 18 and the sensor (not shown) are not exposed inside.
  • the depth of the recessed part 30 is the same as that of the recessed part 5 (refer FIG. 3) of this Embodiment, for example, is about 2.5 micrometers.
  • the concave portion 30 of the comparative example does not include a plurality of concave portions, the side wall of the concave portion 30 is formed linearly from the upper end of the side wall to the bottom surface of the concave portion 30. For this reason, no step is formed on the side wall of the recess 30.
  • the depth of the recess 30 is larger than any of the recesses 5a and 5b shown in FIG. That is, the insulating film 28 of the comparative example is formed so as to cover the side wall and the bottom surface of the recess 30 deeper than the recesses 5a and 5b shown in FIG.
  • the depth of the recess referred to in this application refers to the distance from the upper end of the side wall of the recess to the bottom surface of the recess in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate 3.
  • the insulating film 28 When the insulating film 28 is formed so as to cover the side wall and the bottom surface in the deep concave portion like the concave portion 30, the insulating film 28 covering the side wall and the bottom surface is hardly formed. That is, the coverage by the insulating film 28 is deteriorated. For this reason, voids 32 are likely to be formed in the insulating film 28, particularly at the boundary between the side wall and the bottom surface of the recess 30, that is, in the vicinity of the corner portion 31. When the void 32 is formed, the thickness of the insulating film 28 is extremely small locally at the corner 31. In addition, when coverage is deteriorated because the depth of the recessed portion that embeds the insulating film 28 is deep, stress concentration occurs in the insulating film 28 stacked at the corner of the bottom of the recessed portion.
  • the insulating film 28 in which the void 32 is formed and the stress concentration is generated may be cracked when subjected to heat stress due to the use of the heater 18 in the sensor chip 53 or the like.
  • a crack occurs, moisture enters the sensor chip 53 from the crack, causing a problem that the sensor chip 53 malfunctions due to corrosion of wiring and the like.
  • the crack extends to the inside of the sensor chip 53, there arises a problem that the diaphragm portion 9 is broken.
  • a film having a tensile stress such as a silicon nitride film, tends to expand and contract with respect to temperature changes.
  • the thermal fluid flow sensor according to the present embodiment as shown in FIG. 3, a step is provided on the side wall of the recess 5 in which the insulating film 28 is embedded, thereby improving the coverage of the insulating film 28.
  • the recess 5 is constituted by the recesses 5a and 5b having a depth smaller than that of the recess 30 of the comparative example, thereby forming a step on the side wall in the recess 5.
  • the thickness of the insulating film 28 in the vicinity of the corner portion at the boundary between the side wall and the bottom surface of the recess 5a and the corner portion at the boundary between the side wall and the bottom surface of the recess 5b is reduced. Therefore, voids can be prevented from occurring in the insulating film 28 in the vicinity of the corners. Further, by improving the coverage of the insulating film 28 at the corners of the bottom surfaces of the recesses 5a and 5b, stress concentration of the insulating film 28 at those corners can be prevented.
  • FIGS. 5 to 14 are sectional views of the thermal fluid flow sensor according to the present embodiment during the manufacturing process.
  • 5 to 12 show a semiconductor substrate having an air flow rate measuring unit 1A and a circuit unit 1B, as in FIG.
  • a semiconductor substrate 3 made of single crystal Si is prepared.
  • a silicon oxide film 12 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 3 by performing a thermal oxidation process using a high-temperature furnace.
  • the silicon nitride film 13 is formed on the silicon oxide film 12 by using, for example, a low pressure thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
  • the silicon oxide film 12 and the silicon nitride film 13 are formed not only on the upper surface side of the semiconductor substrate 3 but also on the back surface side.
  • the silicon nitride film 13 and the silicon oxide film 12 are patterned using a photolithography method and an etching method. Thereby, the silicon oxide film 12 and the silicon nitride film 13 are removed except for a part of the circuit portion 1B. Thereafter, the upper surface of the semiconductor substrate 3 exposed in the portion where the silicon oxide film 12 and the silicon nitride film 13 are removed by the above patterning is thermally oxidized at a high temperature, whereby an element isolation region made of a thick silicon oxide film for element isolation. 14 is formed.
  • the element isolation region 14 is formed so as to cover the entire surface of the air flow rate measuring unit 1A on the semiconductor substrate 3 and to cover a part of the upper surface of the semiconductor substrate 3 of the circuit unit 1B.
  • the element isolation region 14 has a thickness of about 200 to 500 nm and has a compressive stress.
  • the element isolation region 14 formed here has, for example, a LOCOS (Local Oxidization of Silicon) structure.
  • LOCOS Local Oxidization of Silicon
  • the present invention is not limited to this, and the element isolation region 14 may have an STI (Shallow Trench Isolation) structure.
  • the semiconductor substrate 3 exposed from the element isolation region 14 in the circuit portion 1B is formed by implanting P (phosphorus), B (boron), or As (arsenic) into the semiconductor substrate 3 in the active region by an ion implantation method or the like.
  • a P-type well 15 is formed by implanting a P-type impurity (for example, B (boron)).
  • a thermal oxidation process is performed to form a gate insulating film 16 made of a silicon oxide film on the main surface of the semiconductor substrate 3 in the active region.
  • a polysilicon film is formed on the element isolation region 14 and the gate insulating film by using, for example, a CVD method.
  • the polysilicon film is patterned using a photolithography method and a dry etching method.
  • the gate electrode 17 made of the polysilicon film is formed on the semiconductor substrate 3 of the circuit portion 1B via the gate insulating film 16.
  • the heater 18 and the sensor (not shown) made of the polysilicon film are formed on the element isolation region 14 of the air flow rate measurement unit 1A by the patterning. Therefore, the heater 18 and the sensor are made of the same material.
  • the film thickness of the gate insulating film 16 varies depending on the characteristics of the circuit formed in the circuit portion 1B, but is about 5 to 50 nm, for example, and the film thickness of the gate electrode 17, the heater 18 and the sensor is about 100 to 300 nm, for example.
  • P phosphorus
  • B boron
  • As arsenic
  • Layer 19 is formed.
  • an N type diffusion layer 19 having a higher impurity concentration than the well 15 is formed by implanting an N type impurity (P (phosphorus) or As (arsenic)).
  • the diffusion layer 19 is formed on the main surface of the semiconductor substrate 3 next to the gate electrode 17 in a self-aligning manner. Thereby, the MOS transistor 50 including the gate electrode 17 and the pair of diffusion layers 19 which are the source / drain regions is formed.
  • the MOS transistor 50 When forming the MOS transistor 50 having different characteristics depending on circuit characteristics, the type and amount of ion implantation, the thickness of the gate insulating film, and the gate electrode material are changed, and the manufacturing process of the MOS transistor 50 is repeated. A transistor matching the characteristics is formed.
  • the interlayer insulating film 20 is formed thick on the semiconductor substrate 3 by using, for example, a CVD method.
  • the interlayer insulating film 20 has a larger film thickness than the gate electrode 17, the heater 18, and the sensor.
  • the element isolation region 14, the MOS transistor 50, the heater 18, and the sensor are covered with the interlayer insulating film 20.
  • the upper surface of the interlayer insulating film 20 is planarized using a CMP (Chemical-Mechanical-Polishing) method or an etch-back method.
  • CMP Chemical-Mechanical-Polishing
  • the interlayer insulating film 20 is a silicon oxide film containing B (boron) or P (phosphorus), a silicon oxide film using a plasma CVD method, or a low temperature CVD method using plasma using TEOS (Tetra Ethyl Ortho Silicate) as a raw material.
  • TEOS Tetra Ethyl Ortho Silicate
  • a plurality of contact holes for connecting to the gate electrode 17, the diffusion layer 19, the heater 18 and the sensor of the circuit portion 1B are formed in the interlayer insulating film 20.
  • a titanium nitride (TiN) film formed by a sputtering method or a CVD method and a tungsten (W) film formed by a CVD method are sequentially stacked, so that the titanium nitride film and the tungsten are formed in the plurality of contact holes.
  • a metal film having a laminated structure made of films is embedded.
  • the contact plug 21 is formed by removing the metal film formed in the region other than the inside of the contact hole by an etch back method or a CMP method.
  • the wiring 22 as the first layer wiring is formed. That is, after an Al (aluminum) alloy film having a thickness of, for example, about 400 to 800 nm is formed on the interlayer insulating film 20, an Al alloy is formed using a photolithography method and a dry etching method or a wet etching method. The wiring 22 is formed by patterning the film.
  • Al (aluminum) alloy film having a thickness of, for example, about 400 to 800 nm is formed on the interlayer insulating film 20
  • an Al alloy is formed using a photolithography method and a dry etching method or a wet etching method.
  • the wiring 22 is formed by patterning the film.
  • sputter etching with Ar (argon) gas may be performed before the formation of the Al alloy film.
  • a barrier metal film such as a TiN film is formed on the contact plug 21 before the formation of the Al alloy, and a laminated film of the barrier metal film and the Al alloy film is formed.
  • the wiring 22 may be formed by patterning the laminated film. Further, the wiring 22 may be formed by forming a TiN film on the Al alloy film and patterning the Al alloy film and the laminated film including the TiN film on the Al alloy film.
  • the thickness of the barrier metal film is desirably 200 nm or less.
  • the TiN film is mentioned as the material of the barrier metal film, a TiW (titanium tungsten) film, a Ti (titanium) film, or a laminated film thereof may be used.
  • the said Al alloy film here refers to what contains Si (silicon) or Cu (copper) several% or less.
  • an interlayer insulating film 23 is formed on the interlayer insulating film 20 and the wiring 22, thereby covering the wiring 22 with the interlayer insulating film 23.
  • the interlayer insulating film 23 is made of, for example, a silicon oxide film formed by a CVD method or a low temperature CVD method using TEOS as a raw material and plasma.
  • the film thickness of the interlayer insulating film 23 is, for example, about 500 to 1000 nm.
  • connection holes connection holes penetrating through the interlayer insulating film 23 by using a photolithography method and a dry etching method or a wet etching method
  • wiring is performed in the same manner as the contact plug 21.
  • a contact plug 51 is formed inside each of the plurality of contact holes on 22.
  • a plurality of wirings 24 that are wirings are formed.
  • the wiring 24 is made of a laminated film of an Al alloy film having a thickness of about 400 to 1000 nm, for example. Note that the wiring 24 is formed in the same manner as the wiring 22.
  • the contact plugs 21 and 51 and the wirings 22 and 24 are formed in the circuit unit 1B, but are not formed in the air flow rate measuring unit 1A.
  • an insulating film 25 is formed on the interlayer insulating film 23 and the wiring 24 to cover the wiring 24 with the insulating film 25.
  • the insulating film 25 is made of, for example, a silicon oxide film formed by a CVD method or a low temperature CVD method using TEOS as a raw material and plasma.
  • the thickness of the insulating film 25 is, for example, about 300 to 1000 nm.
  • a protective film 26 is formed on the insulating film 25.
  • the protective film 26 is made of, for example, a plasma silicon nitride film formed by a low temperature CVD method using plasma, and has a compressive stress.
  • the protective film 26 suppresses damage to the wiring due to the thermal stress of the transistor and the mold resin caused by the filler at the time of molding the mold resin in a later process, and prevents corrosion of the wiring due to moisture permeation from the outside. It is formed with a film thickness of about 1000 nm.
  • the upper surface of the insulating film 25 may be planarized by a CMP method. If planarization is performed in this manner, the protective film 26 formed on the insulating film 25 is less likely to be uneven, and the mechanical strength of the protective film 26 increases.
  • a powder containing silicon oxide is used for the filler.
  • the insulating film 25 and the protective film 26 having compressive stress are also opened by dry etching in the air flow rate measuring unit 1A including the diaphragm unit 9.
  • the first-stage recess 5a is formed on the upper surface of the laminated film including the insulating film 25 and the protective film 26 of the air flow rate measuring unit 1A.
  • the bottom surface of the recess 5 a reaches the middle depth of the interlayer insulating film 23.
  • the depth of the recess 5 a may be up to a midway depth of the insulating film 25.
  • the interlayer insulating film 23 which is a part of the bottom surface of the recess 5a formed in the air flow rate measuring unit 1A, is opened by using a photolithography method and a dry etching method, thereby providing 2 A stepped recess 5b is formed.
  • the concave portion 5 having the concave portions 5a and 5b and having a stepped step on the side wall is formed.
  • the bottom surface of the recess 5 b reaches a depth halfway through the interlayer insulating film 20.
  • the depth of the recess 5 b may be up to a midway depth of the interlayer insulating film 23.
  • the bottom surface of the recess 5b that is, the bottom surface of the recess 5 does not reach the upper surfaces of the heater 18 and the sensor (not shown).
  • the insulating film is formed on the laminated insulating film including the interlayer insulating films 20, 23, the insulating film 25, and the protective film 26, and covers the side wall and the bottom surface in the recess 5.
  • a film 28 is formed.
  • the insulating film 28 is made of, for example, a silicon nitride film formed by a low temperature CVD method using plasma, and has a tensile stress of 150 MPa.
  • the insulating film 28 is formed with a film thickness of 800 to 2000 nm so that the stress of the diaphragm portion formed in a later process in the air flow rate measuring portion 1A becomes a tensile stress.
  • the insulating film 28 is patterned using a photolithography method and an etching method to expose the stacked insulating film of the circuit unit 1B and form a pattern that covers the stacked insulating film of the air flow rate measuring unit 1A.
  • the insulating film 28 is left in a region overlapping with a diaphragm portion described later in plan view. Further, the insulating film 28 is left so that the area in plan view is larger than that of the diaphragm portion.
  • characteristics of a semiconductor element such as the MOS transistor 50 vary when formed in a region having tensile stress. In order to prevent such characteristic variation, the insulating film 28 of the circuit portion 1B including elements such as the MOS transistor 50 is removed in the patterning step.
  • the insulating film 28 is formed along the side wall and the bottom surface of the underlying recess 5. That is, the insulating film 28 is formed along the side wall of the recess 5a, the bottom surface of the recess 5a, the side wall of the recess 5b, and the bottom surface of the recess 5b. Therefore, the insulating film 28 is formed stepwise along the side wall of the recess 5. A recess is formed on the upper surface of the insulating film 28, and a step is formed on the side wall of the recess.
  • the insulating film 28 is formed with a film thickness larger than any depth of the recesses 5a and 5b.
  • the depth of the recesses 5a and 5b is preferably 1.5 ⁇ m or less, and the depth of the recess 5 is about 3 ⁇ m, considering the coverage of the insulating film 28.
  • an insulating film 29 covering the back surface opposite to the main surface of the semiconductor substrate 3 is formed.
  • the insulating film 29 is made of, for example, a silicon oxide film formed by a low temperature CVD method using plasma using TEOS as a raw material, or a silicon nitride film formed by a low temperature CVD method using plasma.
  • a resist pattern is formed by photolithography, and dry etching or wet etching is performed using the resist pattern as a mask, thereby removing a part of the insulating film 29 of the air flow rate measuring unit 1A.
  • a part of the back surface of the semiconductor substrate 3 of the air flow rate measuring unit 1A is exposed.
  • the insulating film 29 immediately below the bottom surface of the recess 5b is removed.
  • wet etching is performed using the remaining insulating film 29 as a mask to remove a part of the semiconductor substrate 3, thereby forming a hole 9 a penetrating the semiconductor substrate 3.
  • the wet etching is performed using KOH (potassium hydroxide) or TMAH (tetramethylammonium hydroxide) or an aqueous solution containing these as a main component as a chemical solution.
  • the area of the lower surface of the element isolation region 14 exposed in the hole 9a is at least smaller than the area of the insulating film 28 in plan view.
  • the insulating film 29 may be formed of a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film. Further, when the patterning performed to form the insulating film 28 is completed, if a film that can sufficiently withstand the KOH solution remains on the back surface of the semiconductor substrate 3, the step of forming the insulating film 29 is omitted. Also good.
  • the opening width of the hole 9 a is larger on the back surface side of the semiconductor substrate 3 than on the main surface side of the semiconductor substrate 3 when the hole 9 a is formed by wet etching. In the step of forming the hole 9a, a dry etching method may be used.
  • the heater 18 and the sensor are formed using the same polysilicon film as that of the gate electrode 17.
  • the heater 18 and the sensor may be formed of a film different from the gate electrode 17.
  • the heater 18 and the sensor and the gate electrode 17 may be formed in layers having different heights.
  • ⁇ -Ta alpha tantalum
  • Ti titanium
  • W tungsten
  • Co cobalt
  • Ni nickel
  • Fe iron
  • Nb niobium
  • Hf hafnium
  • Cr chromium
  • Zr zirconium
  • a metal nitride compound such as TaN (tantalum nitride), MoN (molybdenum nitride), or WN (tungsten nitride) can be used.
  • a metal silicide compound such as MoSi (molybdenum silicide), CoSi (cobalt silicide), NiSi (nickel silicide), or the like may be used.
  • the heater 18 and the sensor made of a laminated film may be formed by continuously forming and laminating the conductive films made of the various materials described above.
  • a plurality of conductive films made of the various materials described above are arranged at different heights, and the conductive films are connected via contact plugs, so that the heater 18 and sensor having a multilayer structure are connected. May be formed.
  • the formation of the two wiring layers including the wirings 22 and 24 has been described, but the number of wirings may be three or more.
  • the number of the concave portions constituting the concave portion 5 may be increased to increase the step on the side wall of the concave portion 5.
  • the depth of each concave portion constituting the concave portion 5 should not exceed 1.5 ⁇ m.
  • the lowest surface of the top surface of the insulating film 28, that is, the bottom surface of the recess formed on the top surface of the insulating film 28 has a width IP 1 in the direction along the main surface of the semiconductor substrate 3.
  • the shortest distance from the end portion of the bottom surface to the end portion of the insulating film 28 on the protective film 26 has a width IP2 in the direction along the main surface of the semiconductor substrate 3.
  • the width IP1 is larger than the width IP2.
  • the lateral insulating film 28 is wider than the insulating film 28 directly above the diaphragm portion 9, so that the tensile stress in the vicinity of the diaphragm portion 9 becomes excessively large and the sensor chip 52 may be destroyed. Because there is. Therefore, here, the width of the insulating film 28 in the lateral region of the diaphragm portion 9 is reduced.
  • the sensor chip 52 shown in FIG. 12 is mounted on the upper surface of the substrate mounting portion 4 that is the lead frame 2 and fixed, and wire bonding is performed, thereby
  • the terminal 8 is connected to the electrode pad 6 of the sensor chip 52.
  • the sensor chip 52 and the external terminal 8 are electrically connected via the bonding wire 7.
  • the board mounting portion 4, which is the lead frame 2, is opened at a position directly below the diaphragm portion 9.
  • the lead frame 2 on which the sensor chip 52 is mounted is placed in a mold 35 for molding, and resin (not shown) is filled from the mold resin inlet 33.
  • resin (not shown) is filled from the mold resin inlet 33.
  • a groove is formed in the mold resin of the air flow measurement unit so that the mold resin to be formed does not disturb the air flow in the air flow measurement unit.
  • a convex part 34 for air flow path which is a part of the mold 35 disposed above the sensor chip 52 and formed at a position facing the insulating film 28, is brought into contact with the sensor chip 52, and the mold resin is It does not flow into the recess on the upper surface of the insulating film 28.
  • the diaphragm portion 9 In particular, if mold resin adheres to the upper surface of the diaphragm portion 9, that is, the bottom surface of the concave portion of the insulating film 28, flow measurement cannot be performed normally. Therefore, the uppermost surface of the insulating film 28 next to the concave portion and the air channel convex The bottom surface of the portion 34 is brought into close contact with each other, and the mold resin is prevented from entering the concave portion. Further, when the insulating film 28 directly above the diaphragm portion 9 and the convex portion 34 for direct air flow path come into contact with each other, the diaphragm portion 9 may be damaged. Therefore, the diaphragm portion 9 also has a compressive stress for adjusting the stress.
  • a recess 5 is formed by removing the interlayer insulating film 23 and the insulating film 25. This prevents contact between the insulating film 28 under the concave portion and the direct air flow path convex portion 34. Further, the interlayer insulating film 20 may be further removed at the bottom of the recess 5 so that the stress of the diaphragm 9 becomes a tensile stress.
  • the air flow path convex portion 34 is not in contact with the side wall and the bottom surface of the concave portion on the upper surface of the insulating film 28. That is, the insulating film 28 is in contact with the air flow path convex portion 34 outside the diaphragm portion 9.
  • the air flow path convex portion 34 is used as a sensor to prevent corrosion of the wirings 22 and 24 due to moisture absorption. It is important that the end portion of the insulating film 28 and the protective film 26 are laminated below the portion in contact with the chip 52.
  • a convex portion 34 a which is a part of the mold 35 is also provided under the air flow path convex portion 34. . That is, the mold 35 on the back surface side of the sensor chip 52 is provided with a convex portion 34 a that protrudes toward the sensor chip 52, and the upper surface of the convex portion 34 a contacts the back surface of the substrate mounting portion 4 that is the lead frame 2. is doing. The upper surface of the convex portion 34a closes the opening of the substrate mounting portion 4 below the hole 9a. For this reason, the mold resin does not flow into the hole 9a.
  • the thermal fluid flow sensor 1 including the hardened mold resin 10 and the sensor chip 52 is taken out from the mold 35 (see FIG. 2). Thereby, the thermal fluid flow sensor 1 (refer FIG. 2) which is the thermal fluid flow sensor of this Embodiment is formed. As described with reference to FIG. 4, the thermal fluid flow sensor 1 is attached to an intake passage of an internal combustion engine such as an automobile.
  • the insulating film 28 having a tensile stress is not formed, but the protective film 26 having a compressive stress is formed, thereby preventing changes in characteristics of elements such as the MOS transistor 50. Meanwhile, the wirings 22 and 24 are protected and the moisture resistance is improved.
  • the coverage of the insulating film 28 is improved by providing a step on the side wall of the recess 5 in which the insulating film 28 is embedded.
  • the concave portion 5 including the concave portions 5 a and 5 b is formed, thereby forming a step on the side wall in the concave portion 5. That is, the recessed part 5 which has a step-shaped level
  • the thermal fluid flow sensor according to the present embodiment is a metal in the same layer as the Al wiring when the concave portion is formed on the upper surface of the laminated insulating film in the air flow measurement unit, as compared with the first embodiment. The difference is that the film is used as a stopper.
  • FIGS. 15 to 20 are cross-sectional views of the thermal fluid flow sensor according to the present embodiment during the manufacturing process.
  • the semiconductor substrate 3 shown in FIGS. 15 to 20 includes an air flow rate measurement unit 1A and a circuit unit 1B arranged in the direction along the main surface of the semiconductor substrate 3, as in FIGS.
  • an element isolation region 14 by performing almost the same steps as those described with reference to FIGS. 5 to 8, an element isolation region 14, a heater 18, a sensor (not shown), a MOS are formed on the semiconductor substrate 3.
  • a transistor 50, wirings 22 and 24, interlayer insulating films 20 and 23, an insulating film 25, a protective film 26, and the like are formed.
  • the stopper film 41 made of the metal film is formed by processing the metal film.
  • the interlayer insulating film 23, the contact plug 51, the wiring 24, the insulating film 25, and the protective film 26 are formed as in the first embodiment. Accordingly, the stopper film 41 covered with the interlayer insulating film 23, the insulating film 25, and the protective film 26 remains on the interlayer insulating film 20 of the air flow rate measuring unit 1A. The stopper film 41 is formed immediately above the heater 18 and the sensor.
  • a recess is formed on the upper surface of the laminated insulating film including the interlayer insulating film 23, the insulating film 25, and the protective film 26 of the air flow rate measuring unit 1A in the same manner as described with reference to FIG. 5a is formed.
  • the recess 5 a is formed immediately above the stopper film 41.
  • the electrode pad 6 is exposed from the insulating film 25 and the protective film 26.
  • a recess 5b is formed on the bottom surface of the recess 5a by performing a process similar to the process described with reference to FIG.
  • dry etching for forming the recess 5 b stops on the upper surface of the stopper film 41. That is, the stopper film 41 is resistant to a reactive gas used for dry etching for removing a part of the interlayer insulating film 23. In other words, the stopper film 41 has a high processing selectivity with respect to the reaction gas that partially removes the interlayer insulating film 23. Therefore, since the stopper film 41 is not removed, it is possible to prevent the recess 5b from becoming excessively deep due to overetching.
  • the stopper film 41 may be formed in a layer having a different height. For example, when the film thickness from the upper surface of the sensor to the upper surface of the interlayer insulating film 23 is small, a stopper film made of a metal film in the same layer as the wiring 24 may be formed on the interlayer insulating film 23.
  • a part of the stopper film 41 exposed on the bottom surface of the recess 5b is removed by a photolithography method and a dry etching method, thereby forming the recess 5c penetrating the stopper film 41.
  • a part of the upper surface of the interlayer insulating film 20 is exposed from the stopper film 41.
  • the recess 5c has a smaller opening area and opening width in plan view than the recess 5b, and the side wall of the recess 5b and the side wall of the recess 5c do not overlap in plan view. That is, the recess 5c is formed inside the recess 5b in plan view.
  • the bottom surfaces of the recesses 5a and 5b have an annular shape in plan view.
  • the concave portions 5 a, 5 b and 5 c constitute the concave portion 5.
  • the upper surface and the side wall of the end portion of the stopper film 41 are exposed. That is, the step is formed on the side wall of the recess 5 by one step more than in the first embodiment. Therefore, when the depth of the recess 5 is the same in the present embodiment and the first embodiment, the depth of each recess constituting the recess 5 in the present embodiment is smaller than that in the first embodiment. can do.
  • a total of two steps are formed in the recess 5 including the step formed by the bottom surface of the recess 5a and the side wall of the recess 5b, and the step formed by the bottom surface of the recess 5b and the side wall of the recess 5c.
  • an insulating film 28 having a tensile stress is formed in the air flow rate measuring unit 1A by performing the same process as that described with reference to FIG.
  • a part of the insulating film 28 is formed so as to cover the upper surface of the stopper film 41 that is the bottom surface of the recess 5b and the side wall of the stopper film 41 that is the side wall of the recess 5c.
  • the number of stepped steps in the recess 5 is larger than that in the first embodiment, the depth of each recess constituting the recess 5 can be reduced. For this reason, since the coverage of the insulating film 28 embedded in each concave portion is improved, generation of voids and generation of stress concentration can be prevented. Therefore, since the coverage of the insulating film 28 can be further improved, a sensor chip having high resistance to heat stress and high moisture resistance can be formed.
  • the film thickness of the insulating film 28 formed in the recess 5 is larger than any depth of the recesses 5a, 5b and 5c constituting the recess 5. That is, the film thickness of the insulating film 28 formed in the recess 5 is larger than any height of the plurality of steps formed on the side wall of the recess 5.
  • the insulating film 29 and the hole 9a are formed by performing the same process as described with reference to FIG. Thereby, the sensor chip 52 having the diaphragm portion 9 is formed.
  • the thermal fluid flow sensor according to the present embodiment can be formed by performing the same steps as those described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • the stopper film 41 is used as the etching stopper film, it is possible to prevent processing variations due to etching in the step of forming the recess 5b described with reference to FIG. Thereby, the stress adjustment of the diaphragm part 9 can be performed accurately. Further, as described above, by increasing the stepped step in the recess 5, it is possible to form a sensor chip that is highly resistant to thermal stress and highly moisture-proof, so that the reliability of the thermal fluid flow sensor is improved. Can be improved.
  • the thermal fluid flow sensor according to the present embodiment is provided with an inclination in the side wall of the concave portion of the laminated insulating film of the air flow rate measurement unit and is formed along the side wall as compared with the second embodiment. This is different in that the insulating film is formed with a uniform film thickness.
  • FIGS. 21 to 23 are sectional views of the thermal fluid flow sensor according to the present embodiment during the manufacturing process.
  • the semiconductor substrate 3 shown in FIGS. 21 to 23 includes an air flow rate measuring unit 1A and a circuit unit 1B arranged in the direction along the main surface of the semiconductor substrate 3 as in FIGS.
  • the recessed part 5 which consists of recessed part 5a, 5b and 5c is formed in the upper surface of the laminated insulating film on the sensor of the air flow measurement part 1A.
  • an insulating film 43 made of a silicon oxide film is formed to cover the protective film 26, the side walls and bottom surface of the recess 5 and the electrode pad 6.
  • the insulating film 43 is formed by repeatedly performing deposition (film formation) and etching in one apparatus (chamber).
  • the insulating film 43 having an inclined surface can be formed between the side wall and the bottom surface of the recess, not the film along the side wall and the bottom surface of the recess in each recess. .
  • the surface (lower surface) of the insulating film 43 facing the side wall and bottom surface of the recess 5 is in contact with the side wall and bottom surface of the recess 5, whereas the upper surface of the insulating film 43 in the recess 5.
  • a part of has an inclination angle with respect to the main surface of the semiconductor substrate 3. That is, a recess is formed in the air flow measurement unit 1A on the upper surface of the insulating film 43, and the side wall of the recess extends from the end of the bottom surface of the recess to the upper surface of the insulating film 43 outside the recess. And has an inclination.
  • an inclined surface formed from the end of the bottom surface of the recess to the outside of the recess is referred to as a sidewall of the recess.
  • the insulating film 43 is formed, for example, by HDP (High Density Plasma) CVD method.
  • an insulating film 28 having a tensile stress is formed in the air flow rate measuring unit 1A by performing the same process as that described with reference to FIG. At this time, the insulating film 28 is formed along the surface of the insulating film 43. Therefore, the insulating film 28 formed along the side wall of the recess formed on the upper surface of the insulating film 43 in the recess 5 is formed with a uniform film thickness in an oblique direction with respect to the main surface of the semiconductor substrate 3. . That is, the insulating film 28 is not formed along the side walls of the recesses 5a, 5b, and 5c.
  • the insulating film 28 is not formed at the corner of the recess 5.
  • a step is also formed on the side wall of the recess formed on the upper surface of the insulating film 43 in the recess 5, thereby tilting the insulating film 28 in the recess 5. It is conceivable that a step is formed in the middle of the surface.
  • the level difference formed on the insulating film 28 formed along the slope that is the side wall of the recess is relatively small. That is, by inclining the insulating film 28 in the recess 5, it is possible to prevent the insulating film 28 from being bent at an angle close to 90 degrees and the coverage by the insulating film 28 from being deteriorated.
  • the insulating film 43 is formed so as to cover the side wall and the bottom surface of the recess 30 of the comparative example shown in FIG. 30, since the recess 30 is relatively deep, the insulating film 43 having an inclination is formed. It becomes difficult.
  • the recess 5 is configured by the recesses 5 a, 5 b, and 5 c, thereby providing a plurality of steps on the side wall of the recess 5. Therefore, since the maximum film thickness of the insulating film 43 formed over the plurality of steps can be reduced, the insulating film 43 having an inclined surface can be easily formed in a short time.
  • the electrode pad 6 is exposed from the insulating film 43 by removing the insulating film 43 immediately above the electrode pad 6 using a photolithography method and an etching method. Then, the insulating film 29 and the hole 9a are formed by performing the same process as that described with reference to FIG. Thereby, the sensor chip 52 having the diaphragm portion 9 is formed.
  • the thermal fluid flow sensor according to the present embodiment can be formed by performing the same steps as those described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • the thermal fluid flow sensor of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that the corner of the bottom of the recess of the air flow measurement unit 1A is rounded.
  • FIGS. 24 to 28 are sectional views of the thermal fluid flow sensor according to the present embodiment during the manufacturing process.
  • the semiconductor substrate 3 shown in FIGS. 24 to 28 has an air flow rate measuring unit 1A and a circuit unit 1B arranged in the direction along the main surface of the semiconductor substrate 3, as in FIGS.
  • FIG. 29 is a plan view showing the thermal fluid flow sensor of the present embodiment.
  • a laminated insulating film composed of the interlayer insulating films 20 and 23, the insulating film 25, and the protective film 26 is formed on the sensor of the air flow rate measuring unit 1A.
  • the insulating film 25 in a region where an electrode pad for connection between the sensor chip and the outside is formed is formed. Expose the top surface. Further, in this etching step, the upper surface of the insulating film 25 is exposed from the protective film 26 in the air flow rate measuring unit 1 ⁇ / b> A that will form a diaphragm portion later. At this time, it is conceivable that a part of the upper surface of the insulating film 25 recedes and a recess is formed on the upper surface of the insulating film 25 by the etching process.
  • a part of the insulating film 25 is removed by performing wet etching using an etching solution containing hydrogen fluoride water as a main component and using the protective film 26 as a mask.
  • a recess (opening) 6a in which the upper surface of the wiring 24 is exposed at the bottom surface is formed.
  • the exposed upper surface of the wiring 24 is used as an electrode pad 6 for connection between the sensor chip and the outside.
  • the insulating film 25 and the interlayer insulating film 23 exposed from the protective film 26 are removed in the air flow rate measuring unit 1A.
  • a recess 45 is formed on the upper surface of the laminated film composed of the interlayer insulating film 23 and the insulating film 25 exposed from the recess of the protective film 26 in the air flow rate measuring unit 1A.
  • the etching rate can be accurately controlled by controlling the liquid temperature, so that the etching amounts of the insulating film 25 and the interlayer insulating film 23 exposed from the protective film 26 are kept uniform. Can do. Therefore, the insulating film 25 and the interlayer insulating film 23 can be uniformly removed in the wafer surface.
  • the protective film 26 made of a silicon nitride film has a high selectivity with respect to the etching solution, it is hardly removed in the etching step and can be used as a mask.
  • the etching directivity is isotropic. Accordingly, the recess 45 formed by the etching (isotropic etching) has a rounded boundary between the bottom surface and the side wall.
  • the surface of the insulating film exposed inside the recess 45 has a curved surface between the bottom side and the side wall of the recess 45, and no corner is formed at the boundary between the bottom surface and the side wall of the recess 45. Therefore, as in the comparative example described with reference to FIG. 30, the surface of the insulating film exposed inside the recess 45 shown in FIG. 25 is smaller than the corner 45 of the recess 30 formed by dry etching. Is smoothly connected between the bottom surface and the side wall.
  • an overhang portion 46 that is the protective film 26 on each of the upper end of the concave portion 6a exposing the electrode pad 6 and the upper end of the concave portion 45 is used. Remove. Thereby, the protective film 26 immediately above the recess 45 and directly above the electrode pad 6 is removed.
  • the overhang portion 46 is removed because the insulating film 28 is not formed in the vicinity of the bottom surface of the bowl-shaped overhang portion 46 in the step of forming the insulating film 28 described later with reference to FIG. This is because problems such as a decrease in strength occur.
  • the bottom surface of the recess 45 is etched back, and the bottom surface recedes to the semiconductor substrate 3 side.
  • the protective film 26 in a region wider than the concave portion 6a is removed so that the protective film 26 terminates outside the concave portion 6a.
  • the protective film 26 in a region wider than the concave portion 45 is removed so that the protective film 26 terminates outside the concave portion 45.
  • a recess 5d is formed on the upper part of the laminated film composed of the insulating film 25 and the protective film 26 at a position adjacent to the recess 45.
  • the recessed part 5 containing the recessed part 5d and the recessed part 45 is formed. Since the recess 5 is composed of a plurality of recesses, a stepped step is formed on the side wall of the recess 5.
  • the corner between the side wall and the bottom surface of the recess 5d formed by the etching step has an angle close to a right angle. .
  • the corner is actually small and rounded.
  • the bottom end of the recess 45 formed by wet etching is greatly rounded compared to the corner of the recess 5d.
  • the curved surface between the side wall and the bottom surface of the recess 45 has a larger radius of curvature than the corner of the recess 5d.
  • the recess 6 a is a recess (opening) formed by wet etching for forming the recess 45.
  • the upper surface of the wiring 24 functions as a stopper film, so that the depth of the recesses 6a is very small compared to the depth of the recesses 45. That is, when the insulating film 25 on the electrode pad 6 is opened, the insulating film 25 recedes in the lateral direction along the main surface of the semiconductor substrate 3 after the upper surface of the wiring 24 is exposed during the wet etching process. Thus, the recess 6a is enlarged.
  • the recess 6a is mainly formed by side etching. Therefore, even if the corner between the side wall and the bottom surface of the recess 6a has a roundness, the roundness is relatively small.
  • the curved surface between the side wall and the bottom surface of the recess 45 has a larger radius of curvature than the corner between the side wall and the bottom surface of the recess 6a.
  • an insulating film 28 having a tensile stress is formed in the air flow rate measuring unit 1A by performing the same process as described with reference to FIG. At this time, the insulating film 28 is formed along the surface of the insulating film exposed inside the recess 45. That is, the insulating film 28 is formed along a surface that continues smoothly from the side wall to the bottom surface in the recess 45.
  • the recess 45 is not formed with a corner that deteriorates the coverage when the insulating film 28 is embedded. Therefore, the insulating film 28 in the recess 45 is formed with a uniform film thickness. Therefore, generation of voids and stress concentration due to deterioration of the coverage of the insulating film 28 formed in the recess 45 can be prevented. By improving the coverage of the insulating film 28 in this way, a sensor chip having high resistance to heat stress and high moisture resistance can be formed.
  • the insulating film 29 and the hole 9a are formed by performing the same process as described with reference to FIG. Thereby, the sensor chip 52 having the diaphragm portion 9 is formed.
  • the thermal fluid flow sensor according to the present embodiment can be formed by performing the same steps as those described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • the elements and wirings constituting the circuit unit 1B are provided only between the air flow rate measuring unit 1A and the electrode pad 6.
  • the circuit unit 1B may be provided so as to surround the air flow rate measuring unit 1A in a plan view.
  • the layout of FIG. 1 or FIG. 29 is applicable to any of Embodiments 1 to 4.
  • the present invention can be widely used for a thermal fluid flow sensor having a diaphragm portion.

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Abstract

　検出部と回路部とを同一基板上に形成した熱式流体流量センサにおいて、検出部の層間絶縁膜に深い凹部を形成し、その上に引っ張り応力を有する絶縁膜を形成することで応力調整を行った場合に、当該絶縁膜にクラック等が生じることに起因して、熱式流体流量センサの信頼性が低下することを防ぐ。その手段として、ダイヤフラム部上において層間絶縁膜に形成した凹部の側壁に、階段状の段差を設ける。これにより、凹部を構成する第１の凹部および第２の凹部のそれぞれの深さを低減し、凹部の側壁および底面を覆う応力調整用の絶縁膜の被覆性を向上させる。

Description

熱式流体流量センサ
　本発明は、熱式流体流量センサに関し、特に、発熱抵抗体を用いる熱式流体流量センサに適用して有効な技術に関する。
　現在、自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられ吸入空気量を測定する空気流量計が用いられている。そしてこのような空気流量計に用いられる流体流量センサとしては、発熱抵抗体を用いる熱式流体流量センサが、質量空気量を直接検知できることから、主流となってきている。
　この中では、半導体を用いた微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）技術により製造された熱式空気流量センサ、すなわちエアフローセンサが、製造コストを低減でき、低電力で駆動できることから注目されてきた。
　このような熱式流体流量センサとして、発熱抵抗体を含み、流体の流量を検出する流量検出部と、流量検出部の制御などを行う回路部とが、同一の基板上に形成されたものがある。このような場合、流量検出基板と回路基板とを、ワイヤボンディングなどの方法により電気的に接続する必要がないため、部品点数を減らすことができる。
　特許文献１（特表２００４-５１８１１９号公報）には、マイクロメカニカルフローセンサにおいて、半導体基板に測定素子と回路とが集積され、測定素子を、半導体基板の開口部上または凹部上に設けることが記載されている。
　特許文献２（特開２０１２-２０２７８６号公報）には、半導体基板上の第１積層膜上に設けられた発熱抵抗体を含む検出部と、半導体基板上に設けられ、発熱抵抗体を制御する制御回路を含む回路部と、を有する熱式流体流量センサが開示されている。
特表２００４-５１８１１９号公報 特開２０１２-２０２７８６号公報
　同一の基板上に形成された流量検出部と回路部とを有する熱式流体流量センサにおいて、流量検出部が圧縮応力を有することがある。このような場合、流量検出部がたわみやすくなるので、流量検出部が破損する虞がある。
　一方、流量検出部が引っ張り応力を有する場合には、流量検出部はたわみにくく、流量検出部が破損する虞は少ない。しかし、流量検出部が引っ張り応力を有する場合には、回路部が引っ張り応力を有することがある。このような場合、回路部の特性が変動する問題が生じる。
　本発明の前記の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
　本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
　一実施の形態である熱式流体流量センサは、センサチップのダイヤフラム部上において層間絶縁膜に形成した凹部であって、側壁および底面を応力調整用の絶縁膜に覆われた凹部の側壁に、階段状の段差を設けるものである。
　本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
　本発明によれば、熱式流体流量センサの信頼性を向上させることができる。
実施の形態１である熱式流体流量センサを示す平面図である。 図１のＡ－Ａ線における断面図である。 実施の形態１である熱式流体流量センサにおけるセンサチップの断面図である。 実施の形態１である熱式流体流量センサを含む熱式空気流量計の概略図である。 実施の形態１である熱式流体流量センサの製造工程を説明する断面図である。 図５に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図６に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図７に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図８に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図９に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図１０に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図１１に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図１２に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図１３に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 実施の形態２である熱式流体流量センサの製造工程を説明する断面図である。 図１５に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図１６に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図１７に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図１８に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図１９に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 実施の形態３である熱式流体流量センサの製造工程を説明する断面図である。 図２１に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図２２に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 実施の形態４である熱式流体流量センサの製造工程を説明する断面図である。 図２４に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図２５に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図２６に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 図２７に続く熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。 実施の形態４である熱式流体流量センサを示す平面図である。 比較例である熱式流体流量センサにおけるセンサチップの断面図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
　（実施の形態１）
　本発明の一実施の形態である熱式流体流量センサを、図面を参照して説明する。本実施の形態の熱式流体流量センサは、発熱抵抗体を用いて流体の流量を検出する熱式流体流量センサである。
　＜熱式流体流量センサの構造＞
　以下に、図１～図４を用いて、本実施の形態の熱式流体流量センサの構造について説明する。図１は、本実施の形態の熱式流体流量センサを示す平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線における断面図である。図３は、本実施の形態の熱式流体流量センサにおけるセンサチップの断面図である。つまり、図３は図２に示す熱式流体流量センサの要部断面図である。図４は、自動車などの内燃機関の吸気通路に取り付けられた本実施の形態の熱式流体流量センサを含む熱式空気流量計の概略図である。
　図１および図２に示すように、熱式流体流量センサ１は、リードフレーム２と、リードフレーム２の上面上に搭載されたセンサチップ５２とを有し、リードフレーム２の一部およびセンサチップ５２の一部は、モールド樹脂１０により覆われている。図１では、モールド樹脂１０に覆われた部分の各構造体の輪郭を破線で示している。モールド樹脂１０の上面には、空気の流れを阻害しないための空気流路用溝３４ｂが形成されている。
　リードフレーム２は、互いに分離している基板搭載部４と複数の外部端子（リード）８とを有している。基板搭載部４は、その上面上にセンサチップ５２を搭載する金属板である。外部端子８は、一部がモールド樹脂１０から露出しており、センサチップ５２に形成された回路と熱式流体流量センサ１の外部とを電気的に接続する役割を有する金属板である。リードフレーム２は、例えば主にＣｕ（銅）を含む合金からなる
　センサチップ５２は、底部に半導体基板３（図２参照）を有し、半導体基板３の主面に沿う方向において並ぶ空気流量計測部１Ａと回路部１Ｂとを有している。また、センサチップ５２の上面には、外部への入出力用の電極パッド（電極）６が複数形成されており、電極パッド６と外部端子８とはボンディングワイヤ７を介して電気的に接続されている。空気流量計測部１Ａは、流体の流量を検出する部分であり、半導体基板３上に形成された発熱抵抗体（ヒータ）と、熱を検出するセンサ（図示しない）とを含んでいる領域である。
　空気流量計測部１Ａには、センサチップ５２の膜厚が薄い領域であるダイヤフラム部９が形成されている。上記ヒータと上記センサとは、平面視においてダイヤフラム部９と重なる位置に並んで形成されている。また、平面視において、上記ヒータ、上記センサおよびダイヤフラム部９は、空気流路用溝３４ｂと重なる位置に配置されている。また、空気流路用溝３４ｂは、上記ヒータと上記センサとが並ぶ方向に延在している。
　回路部１Ｂは、センサチップ５２の一部であって、半導体基板３上に、上記ヒータの加熱を制御するＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、ダイオードおよびメモリなどを形成した部分である。また、回路部１Ｂには、電極パッド６および外部端子８を介して、外部から電源供給を受け、外部に対する空気流量の出力を行なう回路が形成されている。
　図２に示すように、リードフレーム２の一部である基板搭載部４およびセンサチップ５２は、空気流量計測部１Ａを除きモールド樹脂１０により覆われている。また、リードフレーム２の一部である外部端子８は、一方の端部がモールド樹脂１０から露出しており、他方の端部がモールド樹脂１０により覆われている。モールド樹脂１０内において、外部端子８の端部と電極パッド６とはボンディングワイヤ７を介して接続されている。
　空気流量計測部１Ａでは、半導体基板３の主面側と、当該主面の反対側の裏面側とのそれぞれにおいてモールド樹脂１０が開口している。半導体基板３の主面側のモールド樹脂１０の凹部と、半導体基板３の裏面側のモールド樹脂１０の凹部とは、平面視において重なる位置に形成されている。半導体基板３の主面側および裏面側のモールド樹脂１０の凹部のそれぞれの間の領域では、センサチップ５２の底部の半導体基板３と、センサチップ５２の上部の絶縁膜とがそれぞれ開口しているため、当該領域のセンサチップ５２の膜厚は、他の領域のセンサチップ５２の膜厚に比べて小さい。
　すなわち、空気流量計測部１Ａでは半導体基板３の一部が除去されて孔部９ａ（図３参照）が形成されており、さらに、当該孔部の直上において、センサチップ５２の上面に凹部が形成されている。このため、空気流量計測部１Ａでは、センサチップ５２の厚さが回路部１Ｂに比べて小さい領域が存在する。
　本願では、このようにセンサチップ５２が薄膜化されている部分をダイヤフラム部９と呼ぶ。ダイヤフラム部９は、ヒータを含む空気流量計測部１Ａの温度が過度に上昇することを防ぐために半導体基板３を開口する孔部を形成した部分である。また、ダイヤフラム部９は、図１４を用いて後述するように、空気流量計測部１Ａにおけるセンサチップ５２の破壊を防ぎ、かつ、空気流量計測部１Ａの応力を調整するために、センサチップ５２の上部に凹部を形成した部分である。つまり、ここでいうダイヤフラム部（ダイヤフラム、ダイヤフラム構造）とは、当該凹部と孔部９ａとの間において、厚さが小さいセンサチップ５２の一部を指す。
　ここでは、半導体基板３を貫通する当該孔部内に空気を流入させるために、機密防止用の孔として、基板搭載部４を貫通する開口部を形成している。つまり、半導体基板３の裏面側におけるモールド樹脂１０の凹部と、基板搭載部４を貫通する開口部と、半導体基板３を貫通する上記孔部と、センサチップ５２の上面の凹部と、半導体基板３の主面側のモールド樹脂１０の凹部とは、平面視において重なる位置に形成されている。よって、空気流量計測部１Ａにおけるモールド樹脂１０の裏面側の凹部の直上では、基板搭載部４を貫通する開口部と、半導体基板３の裏面側の孔部９ａ（図３参照）とがモールド樹脂１０から露出している。
　上記のように、本実施の形態では、同一の半導体基板３上に、流体の流量を検出する流量検出部と、流量検出部の制御などを行う回路部とが形成されている。これに対し、流体の流量を検出する流量検出部と、流量検出部の制御または外部出力のための流量変換の演算などを行う回路部とを、互いに異なる基板上に形成することが考えられる。このような場合、流量検出部が形成された流量検出基板と、制御回路などが形成された回路基板とを、ワイヤボンディングなどの方法により電気的に接続する必要がある。そのため、部品数が増加し、流量検出基板と回路基板とを組み立てる組立工程後に検査工程を追加して行うことにより、製造工程の工程数が増加し、組立工程において不良が発生することにより歩留まりが低下する虞があり、製造コストが増加する問題が生じる。
　これに対し、本実施の形態では、同一基板に空気流量計測部１Ａおよび回路部１Ｂが存在するため、流量検出基板と回路基板とを、ワイヤボンディングなどの方法により電気的に接続する必要がない。よって、部品点数を減らすことができる。
　次に、図３を用いてセンサチップ５２の構造について説明する。センサチップ５２は、例えば単結晶シリコンからなる半導体基板３を有している。半導体基板３の底面は、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁膜２９により覆われている。回路部１Ｂにおいて、半導体基板３のアクティブ領域には、半導体基板３の主面から途中深さに亘ってウエル１５が形成されている。ウエル１５の上面には、半導体基板３の主面から途中深さに亘って複数の拡散層１９が形成されている。拡散層１９はウエル１５よりも形成深さが浅い半導体領域である。ウエル１５と拡散層１９とは互いに異なる導電型を有している。
　ウエル１５の上面上、つまりアクティブ領域の半導体基板３の上面上には、ゲート絶縁膜１６を介してゲート電極１７が形成されている。ゲート絶縁膜１６は例えば酸化シリコン膜からなり、ゲート電極１７は例えばポリシリコン膜からなる。ゲート絶縁膜１６およびゲート電極１７は、一対の拡散層の相互間の領域の直上に形成されており、ゲート電極１７と、ゲート電極の直下の半導体基板３の主面を挟む一対の拡散層１９とは、ＭＯＳトランジスタ５０を構成している。ゲート電極の直下の半導体基板３の主面を挟む一対の拡散層１９のそれぞれはＭＯＳトランジスタ５０のソース・ドレイン領域を構成している。一対の拡散層１９の相互間の半導体基板３の主面は、ＭＯＳトランジスタ５０の動作時にチャネルが形成されるチャネル領域である。
　図３の回路部１Ｂには複数のＭＯＳトランジスタ５０を示し、他の素子を示していないが、図示していない領域には、メモリまたはダイオードなどの素子が半導体基板３上に形成されている。半導体基板３上に形成された各素子は、各素子間の半導体基板３上に形成された素子分離領域１４により分離されている。素子分離領域１４は例えば酸化シリコン膜からなり、アクティブ領域と隣り合う領域（フィールド領域）において、半導体基板３の主面から途中深さまで形成されている。素子分離領域１４は、回路部１Ｂの素子同士の間のみならず、空気流量計測部１Ａにも形成されている。
　空気流量計測部１Ａでは、半導体基板３を貫通する孔部９ａが形成されていることで、センサチップ５２の厚さが薄い部分、つまりダイヤフラム部９が形成されている。孔部９ａの直下の絶縁膜２９は除去されているため、孔部９ａの直上に位置する素子分離領域１４の底面は、半導体基板３および絶縁膜２９から露出している。
　空気流量計測部１Ａにおいて、素子分離領域１４上には、ヒータ１８およびセンサ（図示しない）が形成されている。ヒータ（発熱抵抗体）１８およびセンサ（測定素子）は、互いに離間しており、電気的に絶縁されている。ただし、ヒータ１８およびセンサは、互いに同じ材料により形成された同層の導電膜からなる。センサは、ヒータ１８において発生した熱により温められた空気の温度を検出するものである。センサを用いて温度の検出を行う方式は、例えば熱抵抗式または熱電対式などを用いる。
　ヒータ１８およびセンサは、半導体基板３の主面に沿う方向であって、図３の奥行き方向、つまり、図１においてＡ－Ａ線に対し直交する方向において並んで配置されている。ヒータ１８は、一対のセンサに挟まれるように配置されている。
　ヒータ１８、センサおよびＭＯＳトランジスタ５０は、半導体基板３および素子分離領域１４の上に形成された層間絶縁膜２０により覆われている。層間絶縁膜２０は、例えば酸化シリコン膜からなる。層間絶縁膜２０には複数のコンタクトホール（接続孔）が形成されており、各コンタクトホール内には、例えば主にＷ（タングステン）を含むコンタクトプラグ２１が形成されている。層間絶縁膜２０の上面と複数のコンタクトプラグ２１のそれぞれの上面とは、同じ高さで平坦化されている。なお、本願でいう高さとは、半導体基板３の特定の位置の主面のから、半導体基板３の主面に対して垂直な方向における距離を指す。
　複数のコンタクトプラグ２１は、ヒータ１８の上面、センサ（図示しない）の上面、拡散層１９の上面、またはゲート電極１７の上面などにそれぞれ接続されている。
　層間絶縁膜２０およびコンタクトプラグ２１のそれぞれの上には、例えば主にＡｌ（アルミニウム）を含む配線２２が複数形成されている。配線２２の底部は、コンタクトプラグ２１の上面に接続されている。層間絶縁膜２０の上面および配線２２は、層間絶縁膜２０上に形成された層間絶縁膜２３により覆われている。層間絶縁膜２３は、例えば酸化シリコン膜からなる。
　層間絶縁膜２３には、複数のコンタクトプラグホールが形成されており、各コンタクトプラグホール内には、例えば主にＷ（タングステン）を含む複数のコンタクトプラグ５１が埋め込まれている。層間絶縁膜２３の上面と複数のコンタクトプラグ５１のそれぞれの上面とは、同じ高さで平坦化されている。層間絶縁膜２３上およびコンタクトプラグ５１上には、例えば主にＡｌ（アルミニウム）を含む配線２４が複数形成されている。配線２４の下面はコンタクトプラグ５１の上面に接続されている。配線２４は、コンタクトプラグ５１、配線２２、コンタクトプラグ２１を介して、ヒータ１８、センサ（図示しない）、ゲート電極１７または拡散層１９などに接続されている。
　層間絶縁膜２３上には、配線２４を覆うように、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁膜２５と、例えば窒化シリコン膜からなる絶縁膜である保護膜２６とが順に形成されている。一部の配線２４は、その上面の一部が絶縁膜２５および保護膜２６から露出しており、絶縁膜２５および保護膜２６から露出する配線２４の上面は、電極パッド６を構成している。電極パッド６は、配線２４の上面にボンディングワイヤを接続する部分である。
　絶縁膜２５、保護膜２６、層間絶縁膜２０および素子分離領域１４は、内部に圧縮応力を有する膜である。言い換えれば、絶縁膜２５、保護膜２６、層間絶縁膜２０および素子分離領域１４は、圧縮側の応力を有する。ここでは絶縁膜２５、保護膜２６および層間絶縁膜２０に圧縮応力を有する膜を用いることで、配線２２、２４の保護性能および耐湿性を向上させることができる。
　空気流量計測部１Ａでは、平面視において孔部９ａと重なる領域において、保護膜２６、絶縁膜２５、層間絶縁膜２３および２０を含む積層膜の上面に凹部５が形成されている。凹部５は、当該積層膜の上面から当該積層膜の途中深さまで達している凹部であり、凹部５の底面は、ヒータ１８およびセンサ（図示しない）よりも上に位置している。つまり、凹部５内において、ヒータ１８およびセンサ（図示しない）は露出していない。凹部５の深さ、つまり、半導体基板３の主面に対して垂直な方向における、保護膜２６の上面から凹部５の底面までの距離は、２．５μｍ程度である。
　凹部５は、複数の凹部５ａ、５ｂにより構成されている。凹部５ｂは凹部５ａの直下に形成されており、凹部５ａの開口幅は凹部５ｂの開口幅よりも大きい。つまり、凹部５は、上記積層膜の上面に形成された凹部５ａと、凹部５ａの底面に形成された凹部５ｂとを含んでいる。なお、ここでいう開口幅とは、半導体基板３の主面に沿う方向における、各凹部の幅である。
　また、凹部５ｂの側壁は、平面視において凹部５ａの側壁と重なっていない。つまり、平面視において、凹部５ｂは、凹部５ａの側壁よりも内側に形成されており、凹部５ｂの側壁と、凹部５ａの側壁とは互いに離間している。したがって、凹部５の側壁には、階段状の段差が形成されている。すなわち、凹部５の開口幅は、凹部５の底部から上方に向かうにつれて、段階的に大きくなっている。ここでは、凹部５ａの底面と凹部５ｂの側壁とからなる段差が、凹部５内に１段形成されている。
　凹部５ａは、例えば図３に示すように、絶縁膜２５を貫通し、層間絶縁膜２３の途中深さまで達している。ただし、凹部５ａは、絶縁膜２５を貫通せず、絶縁膜２５の途中深さまで達する凹部であってもよい。凹部５ｂは、例えば図３に示すように、層間絶縁膜２３を貫通し、層間絶縁膜２０の途中深さまで達している。ただし、凹部５ｂは、層間絶縁膜２３を貫通せず、層間絶縁膜２３の途中深さまで達する凹部であってもよい。
　また、凹部５ｂの底面に、凹部５ｂよりも開口幅が小さい凹部をさらに設けてもよい。この場合、凹部５の側壁の段差の数が増加し、これにより、凹部５を構成する各凹部の深さが小さくなる。
　凹部５の内側における上記積層膜の表面は、絶縁膜２８により覆われている。絶縁膜２８は引っ張り応力を有する膜であり、例えば窒化シリコン膜からなる。言い換えれば、絶縁膜２８は、絶縁膜２５、保護膜２６、層間絶縁膜２０および素子分離領域１４に比べて、引っ張り応力側の応力を有している。
　絶縁膜２８は空気流量計測部１Ａにのみ形成されており、回路部１Ｂには形成されていない。つまり、回路部１Ｂに形成されたＭＯＳトランジスタ５０などの素子は、圧縮応力を有する絶縁膜２５および保護膜２６に覆われているが、引っ張り応力を有する絶縁膜２８には覆われていない。また、空気流量計測部１Ａのヒータ１８およびセンサは、引っ張り応力を有する絶縁膜２８に覆われているが、圧縮応力を有する絶縁膜２５および保護膜２６には覆われていない。
　ＭＯＳトランジスタ５０などの半導体素子は、引っ張り応力を有する領域に形成されることで、抵抗値が上昇するなどの影響を受ける。このような特性変動を防ぐために、ＭＯＳトランジスタ５０などの素子を含む回路部１Ｂは、引っ張り応力を有する絶縁膜２８から露出させている。
　ここでは、空気流量計測部１Ａのダイヤフラム部９が有する応力を引っ張り応力とするために、応力調整用の膜である絶縁膜２８を設けている。しかし、絶縁膜２８を構成する窒化シリコン膜は低温で形成することから引っ張り応力が小さい膜であるため、圧縮応力を有する層間絶縁膜２０、２３、絶縁膜２５および保護膜２６を含む積層膜の最上層である保護膜２６上に絶縁膜２８を形成することで当該積層膜の応力を引っ張り応力とするためには、非常に膜厚が大きい絶縁膜２８を形成する必要がある。
　そこで、ここでは当該積層膜の上部の絶縁膜２５および保護膜２６などを除去し、空気流量計測部１Ａに凹部５を形成することで、膜厚が小さい絶縁膜２８による空気流量計測部１Ａの応力調整を可能としている。ただし、当該積層膜の上面に凹部５を形成して圧縮応力を低減するためには、２．５μｍ程度の深い凹部５を形成する必要がある。このような凹部５の深さは、図３０を用いて後述する比較例におけるカバレッジの問題の原因となる。
　なお、保護膜２６および絶縁膜２８はいずれも窒化シリコン膜からなるが、上記のように保護膜２６は圧縮応力を有し、絶縁膜２８は引っ張り応力を有する。同じ窒化シリコン膜からなる膜であっても、成膜条件を変更することで、上記のように内部応力の向きを変えることが可能である。
　絶縁膜２８は、凹部５を完全に埋め込んではいない。つまり、絶縁膜２８の膜厚は、凹部５の深さよりも小さい。よって、絶縁膜２８は、凹部５ａおよび５ｂのそれぞれの側壁および底面に沿って形成されている。したがって、絶縁膜２８の上面には凹部５の表面の形状に沿って凹部が形成されており、当該凹部の側壁には、階段状の段差が形成されている。ここでは、孔部９ａ、層間絶縁膜２０、凹部５ａ、５ｂおよび絶縁膜２８は、ヒータ１８およびセンサ（図示しない）と平面視において重なる位置に形成されている。
　なお、ここでは絶縁膜２８を、凹部５ａ、５ｂのいずれの深さよりも大きい膜厚で形成している。言い換えれば、絶縁膜２８の膜厚は、凹部５の側壁に階段状に形成された段差の高さよりも大きい。凹部５の側壁に形成された段は、凹部５ａの底面と、凹部５ｂの側壁とにより構成されている。ここでいう段差の高さとは、半導体基板３の主面に対して垂直な方向において、当該段を構成する凹部５ｂの側壁の上端から下端までの距離をいう。
　言い換えれば、段差の高さとは、例えば、半導体基板３の主面に対して垂直な方向における、当該段の上面である凹部５ａの底面から、当該段の下端に位置する凹部５ｂの底面までの距離をいう。また、段差の高さとは、例えば、半導体基板３の主面に対して垂直な方向における、凹部５の外側の保護膜２６の上面から、凹部５ａの底面までの距離をいう。つまり、段差の高さとは、所定の段の上面から下端までの高低差をいう。
　ここでは、絶縁膜２８の膜厚を凹部５ａ、５ｂのいずれの深さよりも大きくすることで、絶縁膜２８の被覆性を向上させることができる。
　絶縁膜２８は、センサチップ５２の破壊を防ぐために設けられた膜である。空気流量計測部１Ａにはダイヤフラム部９が形成されているため、センサチップ５２の厚さが小さい。また、層間絶縁膜２０および素子分離領域１４などが圧縮応力を有することから、センサチップ５２の空気流量計測部１Ａは全体として圧縮応力を有することが考えられる。この場合、空気流量計測部１Ａのセンサチップ５２に撓みが生じ、センサチップ５２が破損する虞がある。これに対し、引っ張り応力を有する絶縁膜２８をダイヤフラム部９上に形成し、センサチップ５２の空気流量計測部１Ａの全体の引っ張り応力を大きくすることで、センサチップ５２が破損することを防ぐことができる。
　次に、図４を用いて、自動車などの内燃機関の吸気通路に取り付けられた熱式空気流量計の構造について説明する。図４に示すように、熱式空気流量計は、本実施の形態の熱式流体流量センサである熱式流体流量センサ１と、熱式流体流量センサ１を支持する支持体３８と、熱式流体流量センサ１の外部および熱式流体流量センサ１の外部端子８の間を電気的に接続する連結部３９とにより構成されている。熱式流体流量センサ１は、筒状の空気通路３６の内部にある筒状の副通路３７内に配置される。図において矢印で示す吸気空気４０は、内燃機関の条件によって、当該矢印で示された空気流の方向、またはこれと逆の方向に流れる。
　ここでは、図１に示す空気流量計測部１Ａの中央に配置されたヒータ１８（図３参照）において生じた熱を、副通路３７（図４参照）内で空気が流れる方向に沿う方向においてヒータ１８を挟むように配置された一対のセンサ（図示しない）が検出することで、空気の流れる方向および流量を検出することができる。つまり、ヒータ１８を発熱させ、副通路３７内に空気が流れた際に、上記一対のセンサ同士の間に生じる抵抗値の差などを検出することで、空気流量を算出することができる。このため、センサは、ヒータ１８に対して上流側および下流側のそれぞれに配置されている。
　ここでは、ヒータ１８において生じた熱が、副通路３７内を流れる空気を介してセンサに伝わるようにするため、図３に示す凹部５を、ヒータ１８およびセンサの直上に形成している。つまり、凹部５は、空気流量の計測精度を高めるために、ヒータ１８およびセンサのそれぞれの上の絶縁膜の膜厚を小さくするために設けられたものである。
　＜本実施の形態の熱式流体流量センサの効果＞
　本実施の形態の熱式流体流量センサの効果について、図３０に示す比較例を用いて説明する。図３０は、比較例である熱式流体流量センサのセンサチップを示す断面図である。
　図３０に示す比較例のセンサチップ５３は、空気流量計測部１Ａにおいて、層間絶縁膜２０、２３、絶縁膜２５および保護膜２６からなる積層膜の上面に開口された凹部３０の形状が、図３に示す本実施の形態の凹部５の形状と異なる。また、比較例のセンサチップ５３と、本実施の形態のセンサチップ５２（図３参照）とでは、絶縁膜２８の形状が異なる。これらの点を除いて、比較例のセンサチップ５３と本実施の形態のセンサチップ５２とは同様の構造を有している。
　比較例の凹部３０は、上記積層膜の上面から途中深さまで達する凹部であり、その内側においてヒータ１８およびセンサ（図示しない）は露出していない。凹部３０の深さは、本実施の形態の凹部５（図３参照）と同様であり、例えば２．５μｍ程度である。本実施の形態と異なり、比較例の凹部３０は複数の凹部を包含していないため、凹部３０の側壁は、当該側壁の上端から凹部３０の底面に亘って直線状に形成されている。このため、凹部３０の側壁に段差は形成されていない。
　よって、凹部３０の深さは、図３に示す凹部５ａおよび５ｂのいずれの深さよりも大きい。つまり、比較例の絶縁膜２８は、図３に示す凹部５ａおよび５ｂに比べて深い凹部３０の側壁および底面を覆うように形成されている。本願でいう凹部の深さとは、半導体基板３の主面に対して垂直な方向における、凹部の側壁の上端から当該凹部の底面までの距離を指す。
　凹部３０のように、深い凹部内の側壁および底面を覆うように絶縁膜２８を形成する場合、当該側壁および底面を被覆する絶縁膜２８が形成されにくくなる。つまり、絶縁膜２８によるカバレッジが悪化する。このため、特に凹部３０の側壁と底面との境界、つまり角部３１の近傍では、絶縁膜２８内にボイド３２が形成されやすくなる。ボイド３２が形成された場合、角部３１では局所的に絶縁膜２８の膜厚が非常に小さくなる。また、絶縁膜２８を埋め込む凹部の深さが深いためにカバレッジが悪化した場合、当該凹部の底の角部に積層された絶縁膜２８に応力集中が生じる。
　ボイド３２が形成され、応力集中が生じている絶縁膜２８には、センサチップ５３内のヒータ１８の使用などにより耐熱ストレスを受けた場合に、クラックが生じる虞がある。クラックが生じた場合には、当該クラックからセンサチップ５３内に水分が浸入し、配線などが腐食することによりセンサチップ５３が動作不良を起こす問題が生じる。また、クラックがセンサチップ５３の内部にまで延びることで、ダイヤフラム部９が破壊される問題が生じる。絶縁膜２８においてクラックが発生しやすい理由の一つは、窒化シリコン膜のように、引っ張り応力を有する膜が温度変化に対して伸縮しやすい性質を有することにある。
　これに対し、本実施の形態の熱式流体流量センサでは、図３に示すように、絶縁膜２８を埋め込む凹部５の側壁に段差を設けることで、絶縁膜２８の被覆性を向上させている。すなわち、本実施の形態では、凹部５を、比較例の凹部３０よりも深さが小さい凹部５ａおよび５ｂにより構成し、これにより凹部５内の側壁に段差を形成している。比較例に比べて、本実施の形態では絶縁膜２８により覆う各凹部の深さが小さいため、凹部５ａ、５ｂそれぞれの側壁および底面を覆う絶縁膜２８のカバレッジを比較例に比べて向上させることができる。
　これにより、凹部５ａの側壁と底面との境界の角部、および、凹部５ｂの側壁と底面との境界の角部のそれぞれの近傍の絶縁膜２８の膜厚が小さくなることを防ぐことができるため、それらの角部近傍の絶縁膜２８にボイドが生じることを防ぐことができる。また、凹部５ａ、５ｂのそれぞれの底面の角部における絶縁膜２８のカバレッジを向上させることで、それらの角部における絶縁膜２８の応力集中を防ぐことができる。
　これにより、絶縁膜２８の被覆性を向上させ、応力集中を防ぐことで、センサチップ５２における耐熱ストレスによるクラックの発生防止およびセンサチップ５２の耐湿性の向上を実現することができる。したがって、熱式流体流量センサの信頼性を向上させることができる。
　＜熱式流体流量センサの製造工程＞
　次に、本実施の形態における熱式流体流量センサの製造方法を、図５～図１４を用いて工程順に説明する。図５～１４は、本実施の形態の熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。図５～図１２では、図３と同様に、空気流量計測部１Ａおよび回路部１Ｂを有する半導体基板を示す。
　まず、図５に示すように、単結晶Ｓｉからなる半導体基板３を用意する。続いて、半導体基板３の上面に高温の炉体を用いて熱酸化処理を施すことで、酸化シリコン膜１２を形成する。続いて、例えば低圧熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、酸化シリコン膜１２上に窒化シリコン膜１３を形成する。このとき、酸化シリコン膜１２および窒化シリコン膜１３は、半導体基板３の上面側のみならず裏面側にも形成される。
　続いて、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて窒化シリコン膜１３および酸化シリコン膜１２をパターニングする。これにより、回路部１Ｂの一部を除いて、酸化シリコン膜１２および窒化シリコン膜１３を除去する。その後、上記パターニングにより酸化シリコン膜１２および窒化シリコン膜１３が除去された部分において露出する半導体基板３の上面を高温で熱酸化することで、素子分離のための厚い酸化シリコン膜からなる素子分離領域１４を形成する。素子分離領域１４は、空気流量計測部１Ａの半導体基板３上の全面を覆い、また、回路部１Ｂの半導体基板３の上面の一部を覆うように形成される。素子分離領域１４の膜厚は２００～５００ｎｍ程度であり、圧縮応力を有している。
　ここで形成する素子分離領域１４は、例えばＬＯＣＯＳ（Local Oxidization of Silicon）構造を有している。ただし、これに限らず、素子分離領域１４はＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造を有していてもよい。
　次に、図６に示すように、素子分離領域１４の形成用マスクとして用いた酸化シリコン膜１２および窒化シリコン膜１３を除去した後、回路部１Ｂにおいて素子分離領域１４から露出する半導体基板３、つまりアクティブ領域の半導体基板３に、Ｐ（リン）、Ｂ（ホウ素）、またはＡｓ（ヒ素）をイオン注入法などにより打ち込むことで、ウエル１５を形成する。例えばここではＰ型の不純物（例えばＢ（ホウ素））を打ち込むことで、Ｐ型のウエル１５を形成する。その後、熱酸化処理を行うことで、アクティブ領域の半導体基板３の主面上に、酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜１６を形成する。続いて、例えばＣＶＤ法を用いて素子分離領域１４上およびゲート絶縁膜上にポリシリコン膜を形成する。
　続いて、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて、当該ポリシリコン膜をパターニングする。当該パターニングにより、回路部１Ｂの半導体基板３上にゲート絶縁膜１６を介して、当該ポリシリコン膜からなるゲート電極１７を形成する。また、当該パターニングにより、空気流量計測部１Ａの素子分離領域１４上に当該ポリシリコン膜からなるヒータ１８およびセンサ（図示しない）を形成する。したがって、ヒータ１８およびセンサは同じ材料からなる。ゲート絶縁膜１６の膜厚は、回路部１Ｂに形成する回路の特性により異なるが、例えば５～５０ｎｍ程度であり、ゲート電極１７、ヒータ１８およびセンサの膜厚は例えば１００～３００ｎｍ程度である。
　その後、回路部１Ｂのアクティブ領域における半導体基板３の主面に、Ｐ（リン）、Ｂ（ホウ素）、またはＡｓ（ヒ素）をイオン注入法などにより打ち込むことで、ソース、ドレイン領域を構成する拡散層１９を形成する。ここでは、例えばＮ型の不純物（Ｐ（リン）またはＡｓ（ヒ素））を打ち込むことで、ウエル１５に比べて不純物濃度が高いＮ型の拡散層１９を形成する。拡散層１９は、自己整合的にゲート電極１７の横の半導体基板３の主面に形成される。これにより、ゲート電極１７と、ソース・ドレイン領域である一対の拡散層１９とを含むＭＯＳトランジスタ５０を形成する。
　なお、回路特性により特性の異なるＭＯＳトランジスタ５０を形成する場合は、イオン注入法の種類および注入量、ゲート絶縁膜の膜厚、ゲート電極材料を変更し、ＭＯＳトランジスタ５０の製造工程を繰り返して各特性に合わせたトランジスタを形成する。
　次に、図７に示すように、例えばＣＶＤ法を用いて、半導体基板３上に、層間絶縁膜２０を厚く形成する。層間絶縁膜２０は、ゲート電極１７、ヒータ１８およびセンサよりも大きい膜厚を有する。これにより、素子分離領域１４、ＭＯＳトランジスタ５０、ヒータ１８およびセンサ（図示しない）は、層間絶縁膜２０により覆われる。続いて、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法またはエッチバック法を用いて層間絶縁膜２０の上面の平坦化を行なう。層間絶縁膜２０は、Ｂ（ホウ素）またはＰ（リン）を含む酸化シリコン膜、プラズマＣＶＤ法を用いた酸化シリコン膜、または、ＴＥＯＳ(Tetra Ethyl Ortho Silicate)を原料としプラズマを用いた低温ＣＶＤ法により形成した酸化シリコン膜からなる。
　上記平坦化工程の後、回路部１Ｂのゲート電極１７、拡散層１９、ヒータ１８およびセンサに接続するための複数のコンタクト孔を層間絶縁膜２０に形成する。その後、スパッタリング法またはＣＶＤ法により形成した窒化チタン（ＴｉＮ）膜、および、ＣＶＤ法により形成したタングステン（Ｗ）膜を順に積層することで、上記複数のコンタクト孔内に当該窒化チタン膜および当該タングステン膜からなる積層構造を有する金属膜を埋め込む。続いて、コンタクト孔内以外の領域に形成された当該金属膜を、エッチバック法またはＣＭＰ法により除去することで、複数のコンタクトプラグ２１を形成する。
　続いて、第１層目の配線である配線２２を形成する。すなわち、層間絶縁膜２０上に、例えば厚さ４００～８００ｎｍ程度のＡｌ（アルミニウム）合金膜の積層膜を形成した後、フォトリソグラフィ法と、ドライエッチング法またはウェットエッチング法とを用いて、Ａｌ合金膜をパターニングすることで、配線２２を形成する。
　なお、コンタクトプラグ２１と配線２２との接触を良好にするため、上記Ａｌ合金膜の形成前にＡｒ（アルゴン）ガスによるスパッタエッチングを行ってもよい。さらに、その接触を確実なものとするため、ＴｉＮ膜などのバリア金属膜をＡｌ合金の形成前にコンタクトプラグ２１上に形成して、バリア金属膜とＡｌ合金膜との積層膜を形成し、当該積層膜をパターニングすることにより配線２２を形成してもよい。さらに、Ａｌ合金膜上にＴｉＮ膜を形成し、Ａｌ合金膜および当該Ａｌ合金膜上のＴｉＮ膜を含む積層膜をパターニングして配線２２を形成してもよい。
　上記バリア金属膜の厚さは、２００ｎｍ以下であることが望ましい。また、バリア金属膜の材料としてＴｉＮ膜を挙げたが、ＴｉＷ（チタンタングステン）膜、Ｔｉ（チタン）膜またはこれらの積層膜を用いてもよい。なお、ここでいう上記Ａｌ合金膜とは、Ｓｉ（シリコン）またはＣｕ（銅）を数％以下含むものを指す。
　次に、図８に示すように、層間絶縁膜２０上および配線２２上に層間絶縁膜２３を形成することで、配線２２を層間絶縁膜２３により覆う。層間絶縁膜２３は、例えばＣＶＤ法またはＴＥＯＳを原料としプラズマを用いた低温ＣＶＤ法により形成した酸化シリコン膜からなる。層間絶縁膜２３の膜厚は、例えば５００～１０００ｎｍ程度である。
　続いて、層間絶縁膜２３を貫通する複数のコンタクトホール（接続孔）を、フォトリソグラフィ法と、ドライエッチング法またはウェットエッチング法とを用いて形成した後、上記コンタクトプラグ２１と同様にして、配線２２上の複数のコンタクトホールのそれぞれの内側にコンタクトプラグ５１を形成する。
　続いて、回路部１Ｂの回路と、空気流量計測部１Ａのヒータ１８もしくはセンサとの電気的接続、または、後に形成するセンサチップと外部との間の電気的接続に用いられる第２層目の配線である配線２４を複数形成する。配線２４は例えば厚さ４００～１０００ｎｍ程度のＡｌ合金膜の積層膜からなる。なお、配線２４は、配線２２と同様の方法で形成する。コンタクトプラグ２１、５１、配線２２および２４は回路部１Ｂに形成されており、空気流量計測部１Ａには形成されていない。
　続いて、層間絶縁膜２３上および配線２４上に、絶縁膜２５を形成することで、配線２４を絶縁膜２５により覆う。絶縁膜２５は、例えばＣＶＤ法またはＴＥＯＳを原料としプラズマを用いた低温ＣＶＤ法により形成した酸化シリコン膜からなる。絶縁膜２５の膜厚は、例えば３００～１０００ｎｍ程度である。
　続いて、絶縁膜２５上に保護膜２６を形成する。保護膜２６は、例えばプラズマを用いた低温ＣＶＤ法により形成したプラズマ窒化シリコン膜からなり、圧縮応力を有する。保護膜２６は、後の工程でのモールド樹脂成型時のフィラーに起因するトランジスタおよびモールド樹脂の熱応力による配線へのダメージを抑え、かつ外部からの水分透過による配線の腐食防止のため、６００～１０００ｎｍ程度の膜厚で形成する。なお、絶縁膜２５を形成した後、絶縁膜２５の上面をＣＭＰ法により平坦化してもよい。このように平坦化を行えば、絶縁膜２５上に形成する保護膜２６に凹凸が発生しにくくなるため、保護膜２６の機械強度が増す。なお、上記フィラーには、酸化シリコンを含む粉末が用いられる。
　次に、図９に示すように、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いてパターニングを行うことで、保護膜２６および絶縁膜２５からなる積層膜の一部を開口する。これにより、配線２４の上面の一部を露出させる。当該パターニング工程により露出した部分の配線２４は、センサチップ５２の外部との接続のための電極パッド６として用いられる。このパターニング工程では、ダイヤフラム部９を含む空気流量計測部１Ａにおいても、圧縮応力を有する絶縁膜２５および保護膜２６をドライエッチングにより開口する。これにより、空気流量計測部１Ａの絶縁膜２５および保護膜２６を含む積層膜の上面に、１段目の凹部５ａを形成する。ここでは、凹部５ａの底面は層間絶縁膜２３の途中深さまで達している。ただし、凹部５ａの深さは絶縁膜２５の途中深さまでであってもよい。
　次に、図１０に示すように、空気流量計測部１Ａに形成した凹部５ａの底面の一部である層間絶縁膜２３を、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法とを用いて開口することで、２段目の凹部５ｂを形成する。これにより、凹部５ａおよび５ｂを有する凹部であって、側壁に階段状の段差を有する凹部５を形成する。ここでは、凹部５ｂの底面は層間絶縁膜２０の途中深さまで達している。ただし、凹部５ｂの深さは層間絶縁膜２３の途中深さまでであってもよい。凹部５ｂの底面、つまり凹部５の底面は、ヒータ１８およびセンサ（図示しない）のそれぞれの上面には達していない。
　次に、図１１に示すように、空気流量計測部１Ａにおいて層間絶縁膜２０、２３、絶縁膜２５および保護膜２６を含む積層絶縁膜上に形成され、凹部５内の側壁および底面を覆う絶縁膜２８を形成する。絶縁膜２８は、例えばプラズマを用いた低温ＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜からなり、１５０ＭＰａの引っ張り応力を有する。絶縁膜２８は、空気流量計測部１Ａにおいて後の工程で形成するダイヤフラム部の応力が引っ張り応力となるようにするため、８００～２０００ｎｍの膜厚で形成する。続いて、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて絶縁膜２８をパターニングすることで、回路部１Ｂの上記積層絶縁膜を露出し、空気流量計測部１Ａの上記積層絶縁膜を覆うパターンを形成する。
　上記パターニング工程では、平面視において、後述するダイヤフラム部と重なる領域に絶縁膜２８を残す。また、当該ダイヤフラム部よりも、平面視における面積が大きくなるように、絶縁膜２８を残す。ただし、ＭＯＳトランジスタ５０などの半導体素子は、引っ張り応力を有する領域に形成されることで特性が変動する。このような特性変動を防ぐため、上記パターニング工程では、ＭＯＳトランジスタ５０などの素子を含む回路部１Ｂの絶縁膜２８を除去する。
　絶縁膜２８は、下地の凹部５の側壁および底面に沿って形成される。つまり、絶縁膜２８は、凹部５ａの側壁、凹部５ａの底面、凹部５ｂの側壁、および凹部５ｂの底面に沿って形成される。このため、絶縁膜２８は凹部５の側壁に沿って階段状に形成される。また、絶縁膜２８の上面には凹部が形成され、当該凹部の側壁には段差が形成される。ここでは、絶縁膜２８を凹部５ａ、５ｂのいずれの深さよりも大きい膜厚で形成している。凹部５ａ、５ｂの深さは、絶縁膜２８の被覆性を考慮した場合、それぞれ１．５μｍ以下が望ましく、凹部５の深さは約３μｍである。
　次に、図１２に示すように、半導体基板３の主面の反対側の裏面を覆う絶縁膜２９を形成する。絶縁膜２９は、例えばＴＥＯＳを原料としプラズマを用いた低温ＣＶＤ法により形成した酸化シリコン膜、または、プラズマを用いた低温ＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜からなる。その後、フォトリソグラフィ法によりレジストパターンを形成し、当該レジストパターンをマスクとしてドライエッチングまたはウェットエッチングを行うことで、空気流量計測部１Ａの絶縁膜２９の一部を除去する。これにより、空気流量計測部１Ａの半導体基板３の裏面の一部が露出する。このエッチング工程では、凹部５ｂの底面の直下の絶縁膜２９を除去する。
　続いて、残された絶縁膜２９をマスクとしてウェットエッチングを行うことで、半導体基板３の一部を除去し、これにより半導体基板３を貫通する孔部９ａを形成する。これにより、空気流量計測部１Ａにダイヤフラム部９を形成する。当該ウェットエッチングは、ＫＯＨ（水酸化カリウム）またはＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等、またはこれらを主成分とする水溶液を薬液として用いて行うものである。以上の工程により、空気流量計測部１Ａにおいて裏面に開口部を有する半導体基板３と、ＭＯＳトランジスタ５０などを含む回路と、ヒータ１８およびセンサ（図示しない）と、ヒータ１８およびセンサ（図示しない）の直上において積層絶縁膜に形成された凹部５と、凹部５を覆う絶縁膜２８と、を含むセンサチップ５２を形成する。
　孔部９ａ内において露出する素子分離領域１４の下面の面積は、少なくとも平面視における絶縁膜２８の面積より小さい。絶縁膜２９は、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜により形成してもよい。また、絶縁膜２８を形成するために行う上記パターニングが終了した段階で、ＫＯＨ液などに十分耐えうる膜が半導体基板３の裏面に残っている場合は、絶縁膜２９の形成工程を省略してもよい。また、孔部９ａの開口幅は、孔部９ａをウェットエッチングにより形成した場合、半導体基板３の主面側よりも、半導体基板３の裏面側が大きくなる。また、孔部９ａの形成工程では、ドライエッチング法を用いてもよい。
　ここでは、ヒータ１８およびセンサをゲート電極１７と同じポリシリコン膜を用いて形成することについて説明した。これに対し、ヒータ１８およびセンサをゲート電極１７とは異なる膜により形成してもよい。このとき、ヒータ１８およびセンサとゲート電極１７とは、違う高さの層に形成されても構わない。
　ヒータ１８およびセンサの材料としては、α-Ｔａ（アルファタンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｃｒ（クロム）、またはＺｒ（ジルコニウム）を主成分とする金属膜を用いることができる。また、ヒータ１８およびセンサの材料としては、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＭｏＮ（窒化モリブデン)、またはＷＮ（窒化タングステン）などの金属窒化化合物を用いることができる。また、ヒータ１８およびセンサの材料としては、ＭｏＳｉ(モリブデンシリサイド)、ＣｏＳｉ（コバルトシリサイド）、ＮｉＳｉ(ニッケルシリサイド)などの金属シリサイド化合物を用いてもよい。
　また、上述した各種の材料からなる導電膜を連続で形成して積層することで、積層膜からなるヒータ１８およびセンサを形成してもよい。また、上述した各種の材料からなる複数の導電膜を、互いに異なる高さに離間させて配置し、それらの導電膜を、コンタクトプラグを介して接続することで、多層構造を有するヒータ１８およびセンサを形成してもよい。
　ここでは、配線２２および２４を含む２層の配線層を形成することについて説明したが、配線の積層数は３層以上であっても良い。そのように配線層を３層以上形成する場合、凹部５を構成する凹部の数を増やすことで、凹部５の側壁の段差を増やしても良い。このとき、凹部５を構成する各凹部の深さは１．５μｍを超えないようにする。
　ここでは、絶縁膜２８の上面のうち最も低い位置の面、つまり、絶縁膜２８の上面に形成された凹部の底面は、半導体基板３の主面に沿う方向において幅ＩＰ１を有する。また、当該底面の端部から、絶縁膜２８の保護膜２６上における終端部までの最短距離は、半導体基板３の主面に沿う方向において幅ＩＰ２を有する。ここで、幅ＩＰ１は、幅ＩＰ２よりも大きい。
　これは、ダイヤフラム部９直上の絶縁膜２８よりも、その横の絶縁膜２８の幅が大きくなることで、ダイヤフラム部９の近傍の引っ張り応力が過度に大きくなり、センサチップ５２が破壊される虞があるためである。よって、ここでは、ダイヤフラム部９の横の領域における絶縁膜２８の幅を小さくしている。
　次に、図１３に示すように、図１２に示すセンサチップ５２を、リードフレーム２である基板搭載部４の上面に搭載して固定し、ワイヤボンディングを行うことで、リードフレーム２である外部端子８と、センサチップ５２の電極パッド６とを接続する。これにより、センサチップ５２と外部端子８とは、ボンディングワイヤ７を介して電気的に接続される。リードフレーム２である基板搭載部４は、ダイヤフラム部９の直下の位置において開口している。
　次に、図１４に示すように、センサチップ５２を搭載したリードフレーム２をモールド成型用の金型３５内に配置し、モールド樹脂流入口３３から樹脂（図示しない）を充填する。このとき、形成するモールド樹脂が、空気流量計測部において空気の流れを乱さないように、空気流量計測部のモールド樹脂には溝を形成する。このため、センサチップ５２の上方に配置する金型３５の一部であって、絶縁膜２８と対向する位置に形成された空気流路用凸部３４をセンサチップ５２に接触させ、モールド樹脂が絶縁膜２８の上面の凹部に流れ込まないようにする。
　特に、ダイヤフラム部９の上面、つまり絶縁膜２８の上記凹部の底面に、モールド樹脂が付着すると流量計測が正常に行えなくなるため、当該凹部の横の絶縁膜２８の最上面と空気流路用凸部３４の底面とを密着させ、当該凹部内にモールド樹脂が浸入することを防ぐ。また、ダイヤフラム部９の直上の絶縁膜２８と直接空気流路用凸部３４とが接触すると、ダイヤフラム部９が破損する虞があるため、ダイヤフラム部９の応力調整も兼ねて、圧縮応力を有する層間絶縁膜２３および絶縁膜２５を除去した凹部５を形成している。これにより、上記凹部の下の絶縁膜２８と直接空気流路用凸部３４との接触を防いでいる。また、凹部５の底部では、ダイヤフラム部９が有する応力が引っ張り応力になるように、さらに層間絶縁膜２０を除去してもよい。
　したがって、空気流路用凸部３４は、絶縁膜２８の上面の凹部の側壁および底面と接触していない。つまり、絶縁膜２８はダイヤフラム部９の外側で空気流路用凸部３４と接触している。また、空気流路用凸部３４の押し込みが強く、絶縁膜２８にクラックが入った場合においても、吸湿による配線２２、２４の腐食を防止するためには、空気流路用凸部３４がセンサチップ５２と接触する箇所の下において、絶縁膜２８の端部と保護膜２６とが積層されていることが重要である。
　また、絶縁膜２８と空気流路用凸部３４との密着を確かなものとするため、空気流路用凸部３４の下にも金型３５の一部である凸部３４ａを設けている。つまり、センサチップ５２の裏面側の金型３５には、センサチップ５２側に突出する凸部３４ａが設けられており、凸部３４ａの上面はリードフレーム２である基板搭載部４の裏面に接触している。凸部３４ａの上面は、孔部９ａの下の基板搭載部４の開口部を塞いでいる。このため、モールド樹脂は孔部９ａ内に流入しない。
　次に、上記のモールド樹脂の充填工程の後、固まったモールド樹脂１０およびセンサチップ５２を含む熱式流体流量センサ１を金型３５から取り出す（図２参照）。これにより、本実施の形態の熱式流体流量センサである熱式流体流量センサ１（図２参照）を形成する。熱式流体流量センサ１は、図４を用いて説明したように、自動車などの内燃機関の吸気通路に取り付けて使用する。
　＜本実施の形態の熱式流体流量センサの製造方法の効果＞
　本実施の形態の熱式流体流量センサの製造方法は、図３および図３０を用いて上述した効果と同様の効果を奏する。
　つまり、図１２に示すように、回路部１Ｂでは、引っ張り応力を有する絶縁膜２８を形成せず、圧縮応力を有する保護膜２６を形成することで、ＭＯＳトランジスタ５０などの素子の特性変化を防ぎつつ、配線２２、２４の保護および耐湿性の向上を実現する。
　また、本実施の形態では、図１２に示すように、絶縁膜２８を埋め込む凹部５の側壁に段差を設けることで、絶縁膜２８の被覆性を向上させている。ここでは、図９および図１０を用いて説明したように、凹部５ａおよび５ｂからなる凹部５を形成し、これにより凹部５内の側壁に段差を形成している。つまり、複数の開口工程を行うことで、側壁に階段状の段差を有する凹部５を形成する。
　これにより、絶縁膜２８により覆う各凹部の深さを小さくすることで、凹部５ａ、５ｂそれぞれの角部にボイドが生じることを防ぐことができる。また、凹部５ａ、５ｂのそれぞれの底面の角部における絶縁膜２８のカバレッジを向上させることで、それらの角部における絶縁膜２８の応力集中を防ぐことができる。よって、センサチップ５２における耐熱ストレスによるクラックの発生防止とセンサチップ５２の耐湿性の向上とを実現することができる。したがって、同一基板上に流量検出部と制御回路部とを有する熱式流体流量センサの信頼性を向上させることができる。
　（実施の形態２）
　本実施の形態に係る熱式流体流量センサは、前記実施の形態１のものと比較して、空気流量計測部において積層絶縁膜の上面に凹部を形成する際に、Ａｌ配線と同層の金属膜をストッパとして用いている点で異なる。
　以下に、本実施の形態の熱式流体流量センサの製造方法を、図１５～図２０を用いて説明する。図１５～図２０は、本実施の形態の熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。図１５～図２０に示す半導体基板３は、図５～図１２と同様に、半導体基板３の主面に沿う方向において並ぶ空気流量計測部１Ａと回路部１Ｂとを有している。
　まず、図１５に示すように、図５～図８を用いて説明した工程とほぼ同様の工程を行うことで、半導体基板３上に素子分離領域１４、ヒータ１８、センサ（図示しない）、ＭＯＳトランジスタ５０、配線２２、２４、層間絶縁膜２０、２３、絶縁膜２５および保護膜２６などを形成する。ただし、前記実施の形態１と異なり、ここでは図７を用いて説明した配線２２の形成工程において、層間絶縁膜２０上の金属膜を加工して配線２２を形成する際、素子分離領域１４の当該金属膜を加工することで、当該金属膜からなるストッパ膜４１を形成する。
　その後は、前記実施の形態１と同様に層間絶縁膜２３、コンタクトプラグ５１、配線２４、絶縁膜２５および保護膜２６を形成する。これにより、空気流量計測部１Ａの層間絶縁膜２０上には、層間絶縁膜２３、絶縁膜２５および保護膜２６に覆われたストッパ膜４１が残る。ストッパ膜４１は、ヒータ１８およびセンサのそれぞれの直上に形成されている。
　次に、図１６に示すように、図９を用いて説明した工程と同様にして、空気流量計測部１Ａの層間絶縁膜２３、絶縁膜２５および保護膜２６を含む積層絶縁膜の上面に凹部５ａを形成する。ここでは、凹部５ａをストッパ膜４１の直上に形成する。また、ここでは電極パッド６を絶縁膜２５および保護膜２６から露出させる。
　次に、図１７に示すように、図１０を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、凹部５ａの底面に凹部５ｂを形成する。ただし、凹部５ｂを形成するドライエッチングは、ストッパ膜４１の上面で止まる。つまり、ストッパ膜４１は、層間絶縁膜２３を一部除去するドライエッチングに用いる反応ガスに対して耐性がある。言い換えれば、ストッパ膜４１は、層間絶縁膜２３を一部除去する当該反応ガスに対する加工選択比が高い。よって、ストッパ膜４１は除去されないため、オーバーエッチングにより、凹部５ｂが過度に深くなることを防ぐことができる。
　なお、ストッパ膜４１を別の高さの層に形成してもよい。例えば、センサの上面から、層間絶縁膜２３の上面までの膜厚が小さい場合には、配線２４と同層の金属膜からなるストッパ膜を層間絶縁膜２３上に形成してもよい。
　次に、図１８に示すように、凹部５ｂの底面において露出するストッパ膜４１の一部を、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法により除去することで、ストッパ膜４１を貫通する凹部５ｃを形成する。これにより、層間絶縁膜２０の上面の一部がストッパ膜４１から露出する。
　凹部５ｃは凹部５ｂよりも平面視における開口面積および開口幅が小さく、平面視において、凹部５ｂの側壁と凹部５ｃの側壁とは重なっていない。つまり、平面視において、凹部５ｃは凹部５ｂの内側に形成されている。凹部５ａおよび５ｂのそれぞれの底面は、平面視において環状の形状を有している。
　凹部５ａ、５ｂおよび５ｃは、凹部５を構成している。凹部５内では、ストッパ膜４１の端部の上面および側壁が露出している。つまり、凹部５の側壁には、前記実施の形態１よりも１段多く段差が形成されている。よって、凹部５の深さが本実施の形態と前記実施の形態１とで同じである場合、本実施の形態において凹部５を構成する各凹部の深さを、前記実施の形態１よりも小さくすることができる。ここでは、凹部５ａの底面と凹部５ｂの側壁とからなる段差、および、凹部５ｂの底面と凹部５ｃの側壁とからなる段差が凹部５内に計２段形成されている。
　次に、図１９に示すように、図１１を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、空気流量計測部１Ａに引っ張り応力を有する絶縁膜２８を形成する。絶縁膜２８の一部は、凹部５ｂの底面であるストッパ膜４１の上面と、凹部５ｃの側壁であるストッパ膜４１の側壁とを覆うように形成される。本実施の形態では、前記実施の形態１に比べて凹部５内の階段状の段差が多いため、凹部５を構成する各凹部の深さを低減することができる。このため、当該各凹部に埋め込む絶縁膜２８のカバレッジが向上するため、ボイドの発生を防ぐこと、および応力集中の発生を防ぐことができる。よって、絶縁膜２８の被覆性をさらに改善することができるため、熱ストレスに対する耐性が高く、防湿性の高いセンサチップを形成することができる。
　前記実施の形態１と同様に、凹部５内に形成された絶縁膜２８の膜厚は、凹部５を構成する各凹部５ａ、５ｂおよび５ｃのいずれの深さよりも大きい。つまり、凹部５内に形成された絶縁膜２８の膜厚は、凹部５の側壁に形成された複数の段差のいずれの高さよりも大きい。
　次に、図２０に示すように、図１２を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、絶縁膜２９および孔部９ａを形成する。これにより、ダイヤフラム部９を有するセンサチップ５２を形成する。この後の工程は、図１３および図１４を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、本実施の形態の熱式流体流量センサを形成することができる。
　本実施の形態では、エッチングストッパ膜としてストッパ膜４１を用いているため、図１７を用いて説明した凹部５ｂの形成工程で、エッチングによる加工ばらつきの発生を防ぐことができる。これにより、ダイヤフラム部９の応力調整を精度良く行うことができる。また、上述したように、凹部５内の階段状の段差を増やすことにより、熱ストレスに対する耐性が高く、防湿性の高いセンサチップを形成することができるため、熱式流体流量センサの信頼性を向上させることができる。
　（実施の形態３）
　本実施の形態の熱式流体流量センサは、実施の形態２のものと比較して、空気流量計測部の積層絶縁膜の凹部の側壁に傾斜を設け、当該側壁に沿って形成する応力調整用の絶縁膜を均一な膜厚で形成する点で異なる。
　以下に、本実施の形態の熱式流体流量センサの製造方法を、図２１～図２３を用いて説明する。図２１～図２３は、本実施の形態の熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。図２１～図２３に示す半導体基板３は、図５～図１２と同様に、半導体基板３の主面に沿う方向において並ぶ空気流量計測部１Ａと回路部１Ｂとを有している。
　まず、図１５～図１８を用いて説明した工程と同様の工程を行う。これにより、空気流量計測部１Ａのセンサ上の積層絶縁膜の上面に、凹部５ａ、５ｂおよび５ｃからなる凹部５を形成する。
　続いて、保護膜２６、凹部５の側壁および底面並びに電極パッド６を覆う酸化シリコン膜からなる絶縁膜４３を形成する。ここでは、絶縁膜４３は、１つの装置（チャンバ）内でデポジション（成膜）とエッチングを繰り返し行うことで形成する。このような成膜方法を用いることで、各凹部内において凹部の側壁および底面に沿う膜ではなく、凹部の側壁と底面との間で、表面に傾斜を有する絶縁膜４３を形成することができる。
　すなわち、凹部５の側壁および底面と対向する絶縁膜４３の面（下側の面）は、凹部５の側壁および底面に接しているのに対し、凹部５内において、絶縁膜４３の上側の面の一部は、半導体基板３の主面に対して傾斜角を有している。つまり、絶縁膜４３の上面には、空気流量計測部１Ａにおいて凹部が形成されており、当該凹部の側壁は、当該凹部の底面の端部から、当該凹部の外側の絶縁膜４３の上面に亘って傾斜を有している。ここでは、絶縁膜４３の上面に形成された当該凹部内において、当該凹部の底面の端部から、当該凹部の外側に亘って形成された傾斜面を、当該凹部の側壁と呼ぶ。
　当該凹部の側壁の一部は、凹部５ｂの底面に沿って形成されるため、当該凹部の側壁には段が形成されている。絶縁膜４３は、例えばＨＤＰ（High Density Plasma）ＣＶＤ法などにより形成する。
　次に、図２２に示すように、図１９を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、空気流量計測部１Ａに引っ張り応力を有する絶縁膜２８を形成する。このとき、絶縁膜２８は、絶縁膜４３の表面に沿って形成される。このため、凹部５内の絶縁膜４３の上面に形成された凹部の側壁に沿って形成される絶縁膜２８は、半導体基板３の主面に対して斜め方向に均一な膜厚で形成される。つまり、絶縁膜２８は、凹部５ａ、５ｂおよび５ｃのそれぞれの側壁に沿って形成されない。
　したがって、絶縁膜２８は凹部５の角部に形成されない。ただし、凹部５の側壁に段差が形成されることで、凹部５内の絶縁膜４３の上面に形成された凹部の側壁にも段差が形成され、これにより、凹部５内の絶縁膜２８の傾斜面の途中に段差が形成されることが考えられる。しかし、当該凹部の側壁である斜面に沿って形成される絶縁膜２８に形成される段差は比較的小さい。つまり、凹部５内の絶縁膜２８を傾斜させることで、絶縁膜２８が９０度に近い角度で折れ曲がり、絶縁膜２８によるカバレッジが悪化することを防ぐことができる。
　よって、絶縁膜２８の当該段差部分において、カバレッジの悪化に起因するボイドおよび応力集中の発生を防ぐことができる。よって、絶縁膜２８による被覆性を改善することで、熱ストレスに対する耐性が高く、防湿性の高いセンサチップを形成することができる。
　ここで、図３０に示す比較例の凹部３０の側壁および底面を覆うように上記絶縁膜４３を形成する場合、凹部３０の深さが比較的深いため、傾斜を有する絶縁膜４３を成膜することが困難となる。
　これに対し、本実施の形態では、図２２に示すように、凹部５を凹部５ａ、５ｂおよび５ｃにより構成することで、凹部５の側壁に複数の段差を設けている。よって、当該複数の段差上に形成する絶縁膜４３の最大膜厚を低減することができるため、表面に傾斜を有する絶縁膜４３を短時間で容易に成膜することができる。
　次に、図２３に示すように、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて、電極パッド６の直上の絶縁膜４３を除去することで、絶縁膜４３から電極パッド６を露出させる。その後、図２０を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、絶縁膜２９および孔部９ａを形成する。これにより、ダイヤフラム部９を有するセンサチップ５２を形成する。この後の工程は、図１３および図１４を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、本実施の形態の熱式流体流量センサを形成することができる。
　（実施の形態４）
　本実施の形態の熱式流体流量センサは、空気流量計測部１Ａの凹部の底辺の角部に丸みを持たせている点で前記実施の形態１と異なる。
　以下に、本実施の形態の熱式流体流量センサの製造方法を、図２４～図２８を用いて説明する。図２４～図２８は、本実施の形態の熱式流体流量センサの製造工程中の断面図である。図２４～図２８に示す半導体基板３は、図５～図１２と同様に、半導体基板３の主面に沿う方向において並ぶ空気流量計測部１Ａと回路部１Ｂとを有している。また、図２９を用いて、本実施の形態の熱式流体流量センサのレイアウトについて説明する。図２９は、本実施の形態の熱式流体流量センサを示す平面図である。
　まず、図５～図８を用いて説明した工程と同様の工程を行う。これにより、空気流量計測部１Ａのセンサ上に、層間絶縁膜２０、２３、絶縁膜２５および保護膜２６からなる積層絶縁膜を形成する。
　次に、図２４に示すように、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて保護膜２６をパターニングすることで、センサチップと外部との接続のための電極パッドを形成する領域における絶縁膜２５の上面を露出させる。また、このエッチング工程では、後にダイヤフラム部を形成する空気流量計測部１Ａにおいて、絶縁膜２５の上面を保護膜２６から露出させる。このとき、当該エッチング工程により、絶縁膜２５の上面の一部が後退し、絶縁膜２５の上面に凹部が形成されることが考えられる。
　次に、図２５に示すように、フッ化水素水を主成分とするエッチング液を用いて、保護膜２６をマスクとしてウェットエッチングを行うことで、絶縁膜２５を一部除去する。ここでは、保護膜２６から露出する絶縁膜２５を除去することで、底面において配線２４の上面が露出する凹部（開口部）６ａを形成する。これにより露出した配線２４の上面は、センサチップと外部との接続のための電極パッド６として用いられる。また、当該エッチング工程では、空気流量計測部１Ａにおいて保護膜２６から露出する絶縁膜２５および層間絶縁膜２３を除去する。当該エッチングにより、空気流量計測部１Ａにおいて保護膜２６の凹部から露出する層間絶縁膜２３および絶縁膜２５からなる積層膜の上面には凹部４５が形成される。
　上記フッ化水素水によるエッチングでは、液温を管理することでエッチングレートを精度良くコントロールすることができるため、保護膜２６から露出する絶縁膜２５および層間絶縁膜２３のエッチング量を均一に保つことができる。したがって、絶縁膜２５および層間絶縁膜２３を、ウエハ面内において均一に除去することができる。なお、窒化シリコン膜からなる保護膜２６は上記エッチング液に対して選択比が高いため、当該エッチング工程では殆ど除去されず、マスクとして用いることができる。
　ここで、当該エッチング工程はウェットエッチングであるため、エッチングの指向性は等方的である。したがって、当該エッチング（等方性エッチング）により形成された凹部４５は、その底面と側壁との境界が丸みを持った形状となる。
　つまり、凹部４５の内側において露出する絶縁膜の表面は、凹部４５の底辺と側壁との間において曲面を有しており、凹部４５の底面と側壁との境界には角が形成されていない。このため、図３０を用いて説明した比較例のように、ドライエッチング法により形成した凹部３０の角部に比べて、図２５に示す凹部４５の内側において露出する絶縁膜の表面は、凹部４５の底面と側壁との間において滑らかに繋がっている。
　ここでは、横方向における絶縁膜２５のサイドエッチングが進み、凹部６ａ上および凹部４５上の保護膜２６の端部が飛び出したオーバーハング部４６が形成される。つまり、凹部４５の直上において開口する保護膜２６の端部は、平面視において、凹部４５の側壁よりも凹部４５の中央に近い位置で終端している。よって、保護膜２６は凹部４５の側壁よりも突出することで、庇状に形成されている。なお、凹部４５の底面は、層間絶縁膜２０の途中深さまで達していてもよい。
　次に、図２６に示すように、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて、電極パッド６を露出する凹部６ａの上端、および、凹部４５の上端のそれぞれの保護膜２６であるオーバーハング部４６を除去する。これにより、凹部４５の直上および電極パッド６の直上の保護膜２６を除去する。オーバーハング部４６を除去するのは、図２７を用いて後述する絶縁膜２８の成膜工程において、庇状のオーバーハング部４６の底面近傍に絶縁膜２８が成膜されず、絶縁膜２８の強度が低下するなどの問題が生じるためである。なお、当該エッチング工程では凹部４５の底面がエッチバックされ、当該底面が半導体基板３側に後退する。
　ここでは、平面視において、凹部６ａよりも外側において保護膜２６が終端するように、凹部６ａよりも広い領域の保護膜２６を除去する。同様に、平面視において、凹部４５よりも外側において保護膜２６が終端するように、凹部４５よりも広い領域の保護膜２６を除去する。このとき、保護膜２６と共に、当該保護膜の直下の絶縁膜２５の上面の一部が除去されることが考えられる。
　当該エッチング工程により、空気流量計測部１Ａでは、凹部４５と隣接する位置において、絶縁膜２５および保護膜２６からなる積層膜の上部に凹部５ｄが形成される。これにより、凹部５ｄおよび凹部４５を含む凹部５が形成される。凹部５は複数の凹部により構成されているため、凹部５の側壁には、階段状の段差が形成されている。
　ここでは、ドライエッチング法を用いて上記積層膜の上部を除去しているため、当該エッチング工程により形成された凹部５ｄの側壁および底面の間の角部は、直角に近い角度を有している。ただし、当該角部は、実際には小さく丸みを持っていることが考えられる。その場合においても、凹部５ｄの当該角部に比べ、ウェットエッチングにより形成された凹部４５の底面端部は大きく丸みを有している。言い換えれば、凹部５ｄの角部に比べ、凹部４５の側壁と底面との間の曲面は曲率半径が大きい。
　また、凹部６ａは、凹部４５を形成するウェットエッチングにより形成された凹部（開口部）である。ただし、凹部４５とは異なり、ウェットエッチング法により凹部６ａが形成される際、配線２４の上面がストッパ膜として働くため、凹部６ａの深さは凹部４５の深さに比べて非常に小さい。すなわち、電極パッド６上の絶縁膜２５が開口される際、当該ウェットエッチング工程中に配線２４の上面が露出した後は、半導体基板３の主面に沿う横方向において絶縁膜２５が後退することで、凹部６ａが拡大する。
　つまり、当該ウェットエッチングは等方性エッチングであるが、凹部６ａは主にサイドエッチにより形成される。したがって、凹部６ａの側壁および底面の間の角部が丸みを有していたとしても、その丸みは比較的小さい。言い換えれば、凹部６ａの側壁および底面の間の角部に比べ、凹部４５の側壁と底面との間の曲面は曲率半径が大きい。
　次に、図２７に示すように、図１１を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、空気流量計測部１Ａに引っ張り応力を有する絶縁膜２８を形成する。このとき、絶縁膜２８は、凹部４５の内側において露出する絶縁膜の表面に沿って形成される。つまり、絶縁膜２８は、凹部４５内の側壁から底面に亘って滑らかに連続する面に沿って形成される。
　すなわち、凹部４５には、絶縁膜２８が埋め込まれた際にカバレッジが悪化する角部が形成されていない。このため、凹部４５内の絶縁膜２８は均一な膜厚で形成される。したがって、凹部４５内に形成される絶縁膜２８のカバレッジが悪化することに起因するボイドおよび応力集中の発生を防ぐことができる。このようにして絶縁膜２８の被覆性を改善することで、熱ストレスに対する耐性が高く、防湿性の高いセンサチップを形成することができる。
　次に、図２８に示すように、図２０を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、絶縁膜２９および孔部９ａを形成する。これにより、ダイヤフラム部９を有するセンサチップ５２を形成する。この後の工程は、図１３および図１４を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、本実施の形態の熱式流体流量センサを形成することができる。
　なお、前記実施の形態１では、図１に示すように、回路部１Ｂを構成する素子および配線などを、空気流量計測部１Ａと電極パッド６との間にのみ設けることについて説明したが、図２９に示すように、平面視において空気流量計測部１Ａを囲むように回路部１Ｂが設けられていてもよい。図１または図２９のレイアウトは、実施の形態１～４のいずれにも適用可能である。
　以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
　本発明は、ダイヤフラム部を有する熱式流体流量センサに幅広く利用することができる。
１　　熱式流体流量センサ
１Ａ　　空気流量計測部
１Ｂ　　回路部
３　　半導体基板
５、５ａ～５ｄ、６ａ、３０、４５　　凹部
６　　電極パッド
９　　ダイヤフラム部
１４　　素子分離領域
１８　　ヒータ（発熱抵抗体）
２０、２３　　層間絶縁膜
２１、５１　　コンタクトプラグ
２２、２４　　配線
２５、２８、２９、４３　　絶縁膜
２６　　保護膜
５０　　ＭＯＳトランジスタ
５２、５３　　センサチップ

Claims (15)

  1. 　半導体基板と、
    　前記半導体基板に設けられたダイヤフラム部に形成された発熱抵抗体および測定素子と、
    　前記発熱抵抗体および前記測定素子のそれぞれの上に形成された第１絶縁膜と、
    　前記発熱抵抗体および前記測定素子のそれぞれの直上において、前記第１絶縁膜の上面に形成された第１凹部と、
    　前記第１凹部の側壁および底面を覆う第２絶縁膜と、
    を有し、
    　前記第１凹部は、側壁に階段状の段差を有する、熱式流体流量センサ。
  2. 　請求項１に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　前記第１絶縁膜は、酸化シリコン膜を含み、圧縮側の応力を有し、
    　前記第２絶縁膜は、窒化シリコン膜を含み、前記第１絶縁膜に比べて引っ張り応力側の応力を有する、熱式流体流量センサ。
  3. 　請求項１に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　前記第１凹部は、第２凹部と、前記第２凹部の直上に形成された、前記第２凹部よりも開口幅が大きい第３凹部とを有する、熱式流体流量センサ。
  4. 　請求項１に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　前記段差の高さは、前記第２絶縁膜の膜厚より小さい、熱式流体流量センサ。
  5. 　請求項１に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　前記半導体基板は、前記半導体基板の主面に沿う方向において隣り合う第１領域および第２領域を有し、
    　前記ダイヤフラム部は前記第１領域に形成され、
    　前記第２領域に、前記発熱抵抗体および前記測定素子を制御する回路が形成されている、熱式流体流量センサ。
  6. 　請求項５に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　前記第１絶縁膜の段差は、前記発熱抵抗体、前記測定素子または前記回路と電気的に接続された配線層と同層の導電膜により構成されている、熱式流体流量センサ。
  7. 　請求項１に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　前記第１凹部の直上において、前記第２絶縁膜の上面には、第４凹部が形成され、
    　当該第４凹部内の側壁には、階段状の段差が形成されている、熱式流体流量センサ。
  8. 　請求項７に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　前記半導体基板の主面に沿う方向において、前記第４凹部の底面の幅は、前記第４凹部の底面の端部から、前記第２絶縁膜の終端部までの幅よりも大きい、熱式流体流量センサ。
  9. 　半導体基板と、
    　前記半導体基板に設けられたダイヤフラム部に形成された発熱抵抗体および測定素子と、
    　前記発熱抵抗体および前記測定素子のそれぞれの上に形成された第１絶縁膜と、
    　前記発熱抵抗体および前記測定素子のそれぞれの直上において、前記第１絶縁膜の上面に形成された第１凹部と、
    　前記第１凹部の側壁および底面を覆う第２絶縁膜と、
    　前記第１凹部の直上において前記第２絶縁膜の上面に形成された第４凹部と、
    を有し、
    　前記第４凹部の側壁は、傾斜を有する、熱式流体流量センサ。
  10. 　請求項９に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　前記第１凹部の側壁には、階段状の段差が形成されている、熱式流体流量センサ。
  11. 　請求項９に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　傾斜を有する前記第４凹部の側壁には、段差が形成されている、熱式流体流量センサ。
  12. 　請求項９に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　前記第１凹部と前記第２絶縁膜との間に介在する第３絶縁膜と、
    　前記第１凹部の直上において前記第３絶縁膜の上面に形成された第５凹部と、
    をさらに有し、
    　前記第５凹部の側壁は、傾斜を有する、熱式流体流量センサ。
  13. 　半導体基板と、
    　前記半導体基板に設けられたダイヤフラム部に形成された発熱抵抗体および測定素子と、
    　前記発熱抵抗体および前記測定素子のそれぞれの上に形成された第１絶縁膜と、
    　前記発熱抵抗体および前記測定素子のそれぞれの直上において、前記第１絶縁膜の上面に形成された第１凹部と、
    　前記第１凹部の側壁および底面を覆う第２絶縁膜と、
    を有し、
    　前記第１凹部の内側において露出する前記第１絶縁膜の表面は、前記第１凹部の側壁と底面との間において丸みを有する、熱式流体流量センサ。
  14. 　請求項１３に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　前記第１凹部の前記側壁は段差を有する、熱式流体流量センサ。
  15. 　請求項１３に記載の熱式流体流量センサにおいて、
    　前記半導体基板は、前記半導体基板の主面に沿う方向において隣り合う第１領域および第２領域を有し、
    　前記第１領域に、前記ダイヤフラム部が形成され、
    　前記第２領域に、前記発熱抵抗体および前記測定素子を制御する回路が形成され、
    　前記回路と電気的に接続された配線層が設けられ、
    　前記第１絶縁膜の上面に第６凹部が形成され、
    　前記第６凹部において露出する前記配線層の上面に形成され、前記回路と前記熱式流体流量センサの外部とを接続する電極を有し、
    　前記第６凹部の側壁および底面の間の角部より、前記第１凹部の前記側壁と前記底面との間の曲面の曲率半径が大きい、熱式流体流量センサ。
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