專利名稱：熱式流體流量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱式流體流量傳感器，尤其涉及適用于對內(nèi)燃機 的吸入空氣進行測量的熱式流體流量計的熱式流體流量傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在，作為在設(shè)置在汽車等的內(nèi)燃機的電子控制燃料噴射裝置上 并測量吸入空氣量的空氣流量計所使用的熱式流體流量傳感器，由于 能直接檢測質(zhì)量空氣流量，因此熱式流體流量傳感器成為主流。
其中，尤其是利用半導(dǎo)體微細加工技術(shù)制造的熱式空氣流量(air flow)傳感器，由于能夠降低成本、且能夠以低功率驅(qū)動，因此備受 矚目。作為這樣的空氣流量傳感器的現(xiàn)有技術(shù)，例如有專利文獻l公 開的技術(shù)，公開了將鉑(Pt)用于發(fā)熱元件(加熱器)和溫度檢測元 件(傳感器)、并除去了加熱器和傳感器下部Si膜的流量孔板 (diaphragm)構(gòu)造。尤其在專利文獻2中公開了如下方法在傳感器 中央部配置發(fā)熱元件(加熱器)和夾著該加熱器的兩個溫度檢測元件 (傳感器)，該加熱器等的氧化膜上形成槽而埋入鉑膜，采用CMP (Chemical Mechanical Polishing:化學(xué)才幾4成研磨)將其平坦化。 專利文獻1:日本特開平10-213470號公報 專利文獻2:日本特開平11-287687號公報

發(fā)明內(nèi)容
然而，在上述的以往技術(shù)中，不考慮采用CMP法形成加熱器和 傳感器部時的槽的形成方法和槽寬度等的布局，在寬幅加熱器和窄幅 傳感器等的槽寬度不同的情況下，產(chǎn)生由干刻引起的槽深偏差及由 CMP引起的凹陷、腐蝕(erosion)的布線寬度依賴性，加熱器和傳感器的電阻值發(fā)生變化。根據(jù)該加熱器和傳感器的電阻值來計算作為 基準的溫度差(ATh)，在電阻值產(chǎn)生偏差時為了與設(shè)計值相符，需 要在外部設(shè)置修正電阻，則產(chǎn)生成本增加的問題。由于槽深度的差異、 凹陷、腐蝕的程度，每個芯片的該修正電阻不同，因此，不得不確定 某一范圍地做成同一修正電阻，存在降低傳感器靈敏度、檢測精度降 低的問題，以及由于晶圓面內(nèi)分布等原因產(chǎn)生不在范圍內(nèi)的不良品， 存在成品率降低使成本進 一 步增加的問題。
本發(fā)明的目的在于提供如下這樣的熱式流體流量傳感器，在槽寬 度不同時或在晶圓面內(nèi)均勻保持槽深度，抑制電阻值相對于設(shè)計值的 偏差，不需在外部設(shè)置修正電阻，流量測量的檢測精度較高。
上述目的是通過在形成槽的絕緣膜的下層設(shè)置比上述絕緣膜更 難以蝕刻的層并使槽深度相同、以及實施在加熱器、傳感器、布線內(nèi) 排列多個浮島狀絕緣部的布局等而達成的。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供如下這樣的熱式流量傳感器，即使在由干 飾刻等形成槽時的槽寬度不同的部分的蝕刻速度存在差異、或存在蝕 刻速度的晶圓面內(nèi)分布的情況下，通過在下層具有難以蝕刻的層，因
此可抑制槽深度的偏差，且通過規(guī)定槽寬度等布局，能夠使CMP時
的凹陷、腐蝕均勻，由此能夠使加熱器、傳感器的布線高度恒定，電 阻值偏差較少精度較高。


圖1是表示本發(fā)明實施方式1的熱式流體流量傳感器的一例的要
部俯—見圖。
圖2A是本發(fā)明實施方式1的熱式流體流量傳感器的制造工序的
要部剖視圖。
圖2B是本發(fā)明實施方式1的熱式流體流量傳感器的制造工序的
要部剖視圖。
圖2C是本發(fā)明實施方式1的熱式流體流量傳感器的制造工序的 要部剖一見圖。圖2D是本發(fā)明實施方式1的熱式流體流量傳感器的制造工序的 要部剖視圖。
圖2E是本發(fā)明實施方式1的熱式流體流量傳感器的制造工序的 要部剖視圖。
圖2F是本發(fā)明實施方式1的熱式流體流量傳感器的制造工序的 要部剖視圖。
圖2G是本發(fā)明實施方式1的熱式流體流量傳感器的制造工序的
要部剖視圖。
圖3是本發(fā)明實施方式1的汽車等的內(nèi)燃機的進氣通路上所安裝 的、安裝了熱式流體流量傳感器的熱式空氣流量計的概略配置圖。 圖4是將圖3的一部分放大表示的要部俯視圖。 圖5是圖4的B-B，線的要部剖視圖。
圖6是表示本發(fā)明實施方式1的熱式流體流量傳感器的一例的電路圖。
圖7是本發(fā)明實施方式2的熱式流體流量傳感器的要部剖視圖。 圖8是表示本發(fā)明實施方式3的熱式流體流量傳感器的 一 例的要
部俯4見圖。
圖9是本發(fā)明實施方式3的熱式流體流量傳感器的要部剖視圖。 圖10是表示本發(fā)明實施方式3的熱式流體流量傳感器的一例的 電路圖。
圖11是表示本發(fā)明實施方式4的加速度傳感器的一例的要部俯視圖。
圖12是本發(fā)明實施方式4的加速度傳感器的要部剖視圖。
圖13是表示本發(fā)明實施方式4的加速度傳感器的一例的電路圖。
具體實施例方式
以下參照

本發(fā)明的實施方式。圖l是表示本發(fā)明的一實 施例的熱式流體流量傳感器的俯視圖，圖2A~圖2G是以A-A，剖視 圖表示圖1的熱式流體流量傳感器的制造過程的圖。(實施方式1 )
圖1表示本實施方式1的熱式流體流量傳感器的要部俯視圖的一例。
作為熱式流體流量傳感器的測量元件1由如下部件構(gòu)成由單晶 Si構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底2、隔著絕緣膜形成在半導(dǎo)體襯底2上的發(fā)熱電 阻體3、用于檢測因發(fā)熱電阻體3而升溫的空氣的空氣溫度的、由上 游側(cè)測溫電阻體4a和下游側(cè)測溫電阻體4b構(gòu)成的測溫電阻體4、用 于測量空氣的空氣溫度的空氣溫度測溫電阻體5、用于將測量元件1 的信號與外部電路連接的端子電極6a ~ 6g、將發(fā)熱電阻體3的兩端與 端子電極6a、 6b連接的引出布線7a、 7b、將測溫電阻體4的兩端與 端子電極6c、 6d連接的引出布線7c、 7d、將上游側(cè)測溫電阻體4a和 下游側(cè)測溫電阻體4b之間連接到端子電極6e的引出布線7e、將空氣 溫度測溫電阻體5的兩端與端子電極6f、 6g連接的引出布線7f、 7g。 發(fā)熱電阻體3的布線寬度例如是10 ~ 150nm左右，測溫電阻體4和 空氣溫度測溫電阻體5例如是0.5~20pm左右，引出布線7a~ 7g的 寬度例如是30 ~ 500|am左右。
發(fā)熱電阻體3和引出布線7a ~ 7g的內(nèi)部配置有多個浮島狀絕緣部 8,被分割成寬度較窄的布線部。俯視下看，上述浮島狀絕緣部8的 形狀為正方形或長方形，相鄰的浮島狀絕緣部8彼此之間的間隔及布 線外側(cè)絕緣部與浮島狀絕緣部8的間隔優(yōu)選是大于或等于測溫電阻體 4的布線寬度。
配置有發(fā)熱電阻體3和測溫電阻體4的部分的Si襯底被除去而成 的流量孔板9。
該測量元件1為如下構(gòu)造利用空氣溫度測量電阻體5測量空氣 流10的空氣溫度，比較其與加熱后的發(fā)熱電阻體3的電阻增加，而 計算溫度差(ATh),利用由發(fā)熱電阻體3升溫了的空氣流使測溫電 阻體4a、 4b的電阻發(fā)生變化。在本實施方式l中，發(fā)熱電阻體3的 布線寬度大于測溫電阻體4的布線寬度這樣的方式，能夠確保使空氣 升溫的熱量。接著，使用圖2A 圖2G按工序順序說明本實施方式1的熱式流 體流量傳感器的制造方法的一例。圖2A~圖2G是圖1的A-A，線的
要部剖視圖。
首先，如圖2A所示，準備由單晶Si構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底2。接著， 在半導(dǎo)體襯底2上依次形成第一絕緣膜11、第二絕緣膜12、第三絕 緣膜13。第一絕緣膜11由例如熱氧化法或CVD法形成的Si02 (氧 化硅)膜構(gòu)成，其厚度為200 ~ 1000nm左右。第二絕緣膜12由例如 采用CVD法形成的SiN(氮化硅)膜構(gòu)成，其厚度為100 200nm左 右。第三絕緣膜13由例如采用CVD法形成的Si02(氧化硅)膜構(gòu)成， 其厚度為100 200nm左右。
接著，如圖2B所示，將由光刻法形成的抗蝕圖案作為掩模，采 用干刻法等在第三絕緣膜13上形成槽14。在該槽形成中，通過使第 三絕緣膜13的蝕刻速度大于第二絕緣膜12的蝕刻速度，從而即使槽 寬度不同時或存在晶圓面內(nèi)分布等那樣的絕緣膜13的蝕刻速度產(chǎn)生 偏差時，也能夠在槽加工進行到第二絕緣膜12時使蝕刻速度變慢來 抑制槽深度的偏差。優(yōu)選此時的第二絕緣膜12與第三絕緣膜13的蝕 刻速度比為3以上。在該槽形成中，形成浮島狀絕緣部8。該浮島狀 絕緣部8的周圍被槽14包圍。槽14的截面形狀優(yōu)選形成為槽上部的 寬度大于槽底部寬度，槽14的側(cè)壁的角度優(yōu)選是60。以上89°以下。
接著，如圖2C所示，作為第一金屬膜15,采用濺射法或CVD 法等沉積厚度是槽深度的1.5 ~ 2倍左右的Mo (鉬)膜。利用濺射法 形成該第一金屬膜15時的半導(dǎo)體襯底2的溫度例如維持在200~ 500 "C左右。
接著，通過進行使用了在酸性研磨液中添加了過氧化氫水而成的 漿料的化學(xué)機械研磨(CMP)來除去槽以外的Mo膜，而如圖2D所 示那樣，形成發(fā)熱電阻體3、測溫電阻體4a、 4b及空氣溫度測溫電阻 體5和用于將它們與端子電極6a 6g連接的引出布線7a 7g。在用 CMP法對上述第一金屬膜15的Mo膜進行研磨時，發(fā)熱電阻體3和 引出布線7的布線寬度較寬，但由于被浮島狀絕緣部8分割成與測溫
9電阻體4相同程度的寬度的布線部，因此能夠抑制CMP時的凹陷、 腐蝕，能夠抑制發(fā)熱電阻體3和引出布線7的電阻值偏差。在第一金 屬膜15的沉積后或CMP后，進行800。C以上、優(yōu)選是IOO(TC以上的 熱處理。通過該熱處理來降低電阻率，提高電阻溫度系數(shù)(Temperature Co-efficiency of Resistance, 以下簡稱為TCR)。
接著，如圖2E所示，在發(fā)熱電阻體3等之上沉積100~200nm左 右的例如CVD法制成的SiN (氮化硅)膜來作為第四絕緣膜16，通 過光刻法采用干刻法或濕刻法形成連接孔17。也可以采用使用等離子 體的低溫CVD法形成絕緣膜16，此時，在形成后進行80(TC以上的 熱處理，調(diào)整膜厚，以使流量孔板部9應(yīng)對拉伸應(yīng)力。
接著，作為第二金屬膜例如沉積厚度為l(am左右的Al (鋁)合 金膜，并通過光刻法形成圖案，如圖2F所示那樣形成通過連接孔17 與引出布線7a 7g電連接的端子電極6a 6g。在圖2F中，僅表示端 子電極6e，省略了其他端子電極6a 6d、 6f、 6g,這些端子也與端子 電極6e同時形成。第二金屬膜形成時，為了使其與引出布線7a 7g 的接觸良好，可以在沉積前由Ar (氬)對引出布線7a~ 7g的表面進 行賊射蝕刻。而且，為了使其接觸可靠，也可以由TiN (氮化鈦)等 屏蔽金屬膜和Al合金膜的層疊膜形成第二金屬膜。若此時的屏蔽金 屬膜形成得相對厚，則會增加連接電阻，因此，優(yōu)選將其厚度做成 20nm左右。但是，在能夠取得充分接觸的面積并避免電阻增加的問 題的情況下，能夠?qū)⑵帘谓饘倌さ暮穸茸龀?00nm以下。作為屏蔽金 屬膜，舉出了 TiN膜，但也可以是TiW膜、Ti膜以及它們的層疊膜。
接著，如圖2G所示，通過光刻法在半導(dǎo)體襯底2的背面形成抗 蝕圖案，將該抗蝕圖案作為掩模而使用KOH (氫氧化鉀)或TMAH 等水溶液對半導(dǎo)體襯底2的一部分進行濕刻，形成流量孔板9。該流 量孔板9形成在包括形成有發(fā)熱電阻體3和測溫電阻體4 (上游側(cè)測 溫電阻體4a和下游側(cè)測溫電阻體4b)的區(qū)域的位置。
對由Mo構(gòu)成發(fā)熱電阻體3和測溫電阻體4的第一金屬膜15的熱 式流體流量傳感器進行了說明，作為第一金屬膜15的材料，可以是侈'J3口以a - Ta ( a鉭)、Ti ( 4太)、W (《烏)、Co ( 4# ) 、 Ni (牽臬)、 Fe (鐵)、Nb (鈮)、Hf (鉿)、Cr (鉻)、Zr (鋯)為主成分的金 屬膜、或TaN (氮化鉭)、MoN (氮化鉬)、WN (氮化鎢)等金屬 氮化物或MoSi (鉬硅化物)、CoSi (鈷硅化物)、NiSi (鎳硅化物) 等金屬硅化物，優(yōu)選是電阻相對于溫度的增加(電阻溫度系數(shù))較大 的、例如為2000ppm/。C以上的材料。
作為第四絕緣膜16,記載的是使用CVD法的SiN (氮化硅)， 但也可以是使用等離子體CVD法的P-SiN膜，也可以在上述第四絕 緣膜16之上、之下或上下形成由使用了 TEOS的等離子體CVD法制 成的P-TEOS月莫。
圖3是本發(fā)明實施方式1的安裝于汽車等的內(nèi)燃機的進氣通路上 的、安裝了熱式流體流量傳感器的熱式空氣流量計的概略配置圖。熱 式空氣流量計18由作為熱式流體流量傳感器的測量元件1、由上部和 下部構(gòu)成的支承體19、外部電路20構(gòu)成，測量元件l配置在位于空 氣通路21內(nèi)部的副通路22上。根據(jù)內(nèi)燃機的條件，進氣空氣向如圖 3的箭頭10所示的空氣流的方向或其相反方向流動。
圖4是將上述的圖3的一部分(測量元件1和支承體19)放大了 的要部俯視圖，圖5是圖4的B-B，線的要部剖視圖。
如圖4和圖5所示，測量元件1固定在下部支承體19a上，測量 元件1的端子電極6與外部電路20的端子電極23之間例如通過使用 了金屬線24等的線接合法而電連接。由此，外部電路20與測量元件 1電連接。端子電極6、 23和金屬線24被上部支承體19b覆蓋而得以 保護。上部的保護支承體19b也可以密封保護。
接著，使用圖6說明上述空氣流量計18的工作。圖6是表示本 實施方式1的測量元件1和外部電路20的電路圖，附圖標記25是電 源，附圖標記26是用于使加熱電流流過發(fā)熱電阻體3的晶體管，附 圖標記27、 28是設(shè)置在外部電路20內(nèi)的電阻，附圖標記29是由含 有A/D轉(zhuǎn)換器等的輸出電路和進行運算處理的CPU (Central Processing Unit,中央處理單元)構(gòu)成的控制電路，附圖標記30是存
ii儲器電路。外部電路20內(nèi)的電阻27、28也可以設(shè)置在測量元件1內(nèi)。
由發(fā)熱電阻體3、空氣溫度測溫電阻體5和電阻27、 28構(gòu)成的電
橋電路的端子A、 B的電壓輸入至控制電路29,設(shè)定發(fā)熱電阻體3、
空氣溫度測溫電阻體5和電阻27、 28的電阻值，使得發(fā)熱電阻體3
比相對于空氣溫度的空氣溫度測溫電阻體5的溫度高出某一定值(例
如ATh-100。C)，并由控制電路29進行控制。若上述ATh偏離設(shè)
定，則由控制電路29的輸出控制晶體管26來使發(fā)熱電阻體3流過電 、'六
/底o
另 一方面，測溫電阻體4的上游側(cè)測溫電阻體4a和下游側(cè)測溫電 阻體4b設(shè)定為大致相同的電阻值，由于發(fā)熱電阻體3的傳熱，測溫 電阻體4為某一定值。進氣空氣向空氣流10的方向流動時，上游側(cè) 測溫電阻體4a的溫度降低，與下游側(cè)測溫電阻體4b的平衡被打破。 將上游側(cè)測溫電阻體4a和下游側(cè)測溫電阻體4b的值輸入控制電^各28 并進行運算處理，輸出空氣流量(Q)。在空氣流10向相反方向流動 時，由于也同樣地可知空氣流量，因此可進行逆流-險測。 (實施方式2)
在本實施方式2中，作為熱式流體流量傳感器的測量元件所含有 的發(fā)熱電阻體、空氣溫度測溫電阻體、上游側(cè)測溫電阻體、下游側(cè)測 溫電阻體和引出布線是粘結(jié)層和金屬膜這樣的雙層構(gòu)造，且在最上層 設(shè)有保護膜。
圖7是本實施方式2的熱式流體流量傳感器的一例，表示上述實 施方式1的圖1的A-A，線的要部剖視圖。在由單晶Si構(gòu)成的半導(dǎo)體 襯底46上形成第一絕緣膜47,并依次形成第二絕緣膜48、第三絕緣 膜49。第 一絕緣膜47例如是在高溫爐體形成的Si02膜，厚度是200nm 左右，第二絕緣膜48例如是SiNx膜，厚度是150 200nm左右。第 三絕緣膜49是使用CVD法的SiOx膜，厚度是150~ 200nm左右。
接著，以利用光刻法形成的抗蝕圖案為掩模而使用干刻法等在第 三絕緣膜49上形成槽。上述槽的截面形狀形成為槽上部的寬度大 于槽底部的寬度，例如槽側(cè)壁傾斜60~ 89°。相對于第三絕緣膜49,第二絕緣膜48是在降低了蝕刻速度的條件下形成槽的，因此，在第
二絕緣膜48的上表面，蝕刻能夠停止，能夠使槽深度均勻。
接著，通過濺射法形成20nm左右的TiN膜作為第一金屬膜。接 著，通過濺射法沉積300nm的Mo膜作為第二金屬膜，從而作成層疊 膜。TiN膜是對于基底的第二絕緣膜48和第三絕緣膜49的粘結(jié)層。 接著，使用例如混合了過氧化氫的漿料作為酸性研磨液和氧化劑來除 去槽以外的Mo膜和TiN膜的層疊膜，形成用于與發(fā)熱電阻體50、測 溫電阻體51 (上游側(cè)測溫電阻體51a和下游側(cè)測溫電阻體51b)、用 于連接空氣溫度測溫電阻體52和外部電路的引出布線53。形成第一 金屬膜TiN之前，實施采用了 Ar氣體等的濺射蝕刻，來提高第二絕 緣膜48和第三絕緣膜49的粘結(jié)力。
接著，依次形成150~ 200nm左右的使用了 CVD法或等離子體 CVD法的SiNx膜作為第四絕緣膜54、以及100 ~ 500nm左右的使用 CVD法的SiOx膜或使用TEOS的等離子體CVD法制得的P-TEOS 膜作為第五絕緣膜55。
然后，形成露出引出布線53 —部分的連接孔56,接著，在經(jīng)連 接孔56與引出布線53電連接的第三金屬膜形成端子電極57。第三金 屬膜由例如厚度50nm左右的TiN (氮化鈦)等的屏蔽金屬膜和厚度 l(im左右的Al合金膜的層疊膜形成。
接著，形成保護膜58,在端子電極57和發(fā)熱電阻體50、測溫電 阻體51上形成了開口部59等后，對背面Si進行蝕刻而形成流量孔 板60。保護膜58例如是聚酰亞胺膜，膜厚為2 3pm左右。
在本實施方式2中，作為第一金屬膜所使用的材料記載的是TiN， ^f旦也可以是Ti或TaN。 (實施方式3)
圖8表示本實施方式3的熱式流體流量傳感器的要部俯視圖的一例。
作為熱式流體流量傳感器的測量元件101由如下部件構(gòu)成由單 晶Si構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底102、隔著絕緣膜形成在半導(dǎo)體襯底102上的
13發(fā)熱電阻體103、用于檢測發(fā)熱電阻體103的溫度的發(fā)熱電阻體用測 溫電阻體104、用于檢測因發(fā)熱電阻體103而升溫的空氣的空氣溫度 的、由兩個上游側(cè)測溫電阻體105a、 105b和兩個下游側(cè)測溫電阻體 105c、 105d構(gòu)成的測溫電阻體105、用于測量空氣的空氣溫度的空氣 溫度測溫電阻體106、加熱器溫度控制用電阻體107、 108、用于將測 量元件101的信號與外部電路連接的端子電極109a~ 109i、將發(fā)熱電 阻體103與端子電極109a連接的引出布線UOa、將發(fā)熱電阻體103 與端子電極109b連接的引出布線110b、將加熱器溫度控制用電阻體 107和加熱器溫度控制用電阻體108與端子電極109c連接的兩個引出 布線110c-1、 110c-2、將發(fā)熱電阻體用測溫電阻體104和加熱器溫 度控制用電阻體107與端子電極109d連接的引出布線110d、將空氣 溫度測溫電阻體106和加熱器溫度控制用電阻體108與端子電極109e 連接的引出布線110e、將上游側(cè)測溫電阻體105a和下游側(cè)測溫電阻 體105c與端子電極109f連接的引出布線110f、將發(fā)熱電阻體用測溫 電阻體104、空氣溫度測溫電阻體106、上游側(cè)測溫電阻體105b和下 游側(cè)測溫電阻體105d與端子電極109g連接的引出布線110g、將上游 側(cè)測溫電阻體105b和下游側(cè)測溫電阻體105c與端子電極109h連接 的兩個引出布線110h-1、 110h-2、將上游側(cè)測溫電阻體105a和下 游側(cè)測溫電阻體105d與端子電極109i連接的兩個引出布線llOi- 1、 U0i-2。
發(fā)熱電阻體103的寬度例如是10 ~ 150pm左右，發(fā)熱電阻體用測 溫電阻體104的寬度例如0.5~ lO(im左右，測溫電阻體105、空氣溫 度測溫電阻體106和加熱器溫度控制用電阻體107、 108的各寬度例 如是0.5~10|im左右，引出布線110a~110i的各寬度例如是30 ~ 500)Lim左右。發(fā)熱電阻體103和引出布線IIO等的布線寬度大于測溫 電阻體105時，在布線內(nèi)配置多個浮島狀絕緣部111。至少在發(fā)熱電 阻體103、發(fā)熱電阻體用測溫電阻體104和測溫電阻體105上的保護 膜設(shè)置開口部112，作成除去了下層Si襯底的流量孔板113構(gòu)造。此 時，保護膜的開口部112位于流量孔板113向內(nèi)50pm處。圖9是圖8的C-C'線的要部剖視圖。首先，準備由單晶Si構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底102。接著，在半導(dǎo)體襯底102上形成第一絕緣膜114，并依次形成第二絕緣膜115、第三絕緣膜116。第一絕緣膜114例如是在高溫爐體形成的Si02膜，厚度是200nm左右，第二絕緣膜115例如是使用CVD法得到的SiNx膜，厚度是150 200nm左右。第三絕緣膜116是使用CVD法得到的SiOx膜，第三絕緣膜116的厚度是150 200nm左右，該膜厚作為上述各種電阻體103 ~ 108以及引出布線110a~ llOi的設(shè)計膜厚。
接著，以利用光刻形成的抗蝕圖案為掩模使用干刻法等在第三絕緣膜116上形成槽，接著例如沉積厚度(例如300nm)為槽深度的1.5倍以上的與上述實施方式相同的Mo膜作為第一金屬膜，其后，在氮氣氣氛中實施1000。C的熱處理。
接著，使用例如混合了過氧化氫的漿料作為酸性研磨液和氧化劑來除去槽以外的Mo膜，形成發(fā)熱電阻體103、發(fā)熱電阻體用測溫電阻體104、測溫電阻體105、空氣溫度測溫電阻體106、加熱器溫度控制用電阻體107、 108和引出布線110。過氧化氫相對于酸性研磨液的濃度例如是lwt。/o以下。
接著，依次形成第四絕緣膜117和第五絕緣膜118。第四絕緣膜117是例如使用了 CVD法或等離子體CVD法的SiNx膜，膜厚是150 200nm左右。第五絕緣膜118是例如使用CVD法形成的SiOx膜或使用TEOS的等離子體CVD法制得的P-TEOS膜，膜厚是100~500nm左右。
然后，使用光刻法在第四絕緣膜117和第五絕緣膜118上形成連接孔119,而使引出布線IIO—部分露出，在經(jīng)上述連接孔119與引出布線110電連接的第二金屬膜形成端子電極109。第二金屬膜由例如厚度50nm左右的TiN (氮化鈦)等的屏蔽金屬膜和厚度lpm左右的Al合金膜的層疊膜形成。屏蔽金屬可以是TaN或TiW等，從接觸電阻的均衡方面考慮，其膜厚優(yōu)選是200nm以下。
接著，形成保護膜120，使用光刻法至少在端子電極109的一部分和發(fā)熱電阻體103、發(fā)熱電阻體用測溫電阻體104和測溫電阻體105上形成了開口部112后，形成流量孔板113。保護膜120例如是聚酰亞胺膜，膜厚為2 3pm左右。作為其他材料，也可以是感光性有機膜等。開口部U2至少比流量孔板113窄，從高精度地測量空氣的加熱效率和其加熱后的空氣溫度方面考慮，優(yōu)選是至少在發(fā)熱電阻體
103、 發(fā)熱電阻體用測溫電阻體104和測溫電阻體105上形成開口。從強度方面考慮，也可以在發(fā)熱電阻體103和測溫電阻體105的一部分上殘留保護膜120。
接著，使用圖10說明上述的熱式空氣流量計18的工作。圖10是表示本實施方式3的測量元件101和外部電路的電路圖，附圖標記122是電源，附圖標記123是用于使加熱電流流過發(fā)熱電阻體103的晶體管，附圖標記124是由含有A/D轉(zhuǎn)換器等的輸出電路和進行運算處理的CPU ( Central Processing Unit,中央處理單元)構(gòu)成的控制電路，附圖標記125是存儲器電路。
本電路中有兩個電橋電路， 一個是由發(fā)熱電阻體用測溫電阻體
104、 空氣溫度測溫電阻體106和兩個加熱器溫度控制用電阻體107、108構(gòu)成的加熱器控制電橋電路，另一個是由四個測溫電阻體105a 105d構(gòu)成的溫度傳感器電橋電路。
在圖8所示的測量元件101中，端子電極109c經(jīng)兩個引出布線110c-l、 110c-2與兩個加熱器溫度控制用電阻體107、 108這二者電連接，對該端子電極109c供給圖10中的^L定電位Vrefl。端子電極109f與上游側(cè)測溫電阻體105a和下游側(cè)測溫電阻體105c這二者電連接，對該端子電極109f供給圖10中的規(guī)定電位Vref2。并且，端子電極109g經(jīng)引出布線110g與空氣溫度測溫電阻體106、發(fā)熱電阻體用測溫電阻體104、上游側(cè)測溫電阻體105b和下游側(cè)測溫電阻體105d分別電連接，該端子電極109g為圖IO所示的接地電位。
經(jīng)引出布線110d與發(fā)熱電阻體用測溫電阻體104和加熱器溫度控制用電阻體107這二者電連接的端子電極109d與圖10中節(jié)點A對應(yīng)，經(jīng)引出布線110e與空氣溫度測溫電阻體106和加熱器溫度控制用電阻體108這二者電連接的端子電極109e與圖10中節(jié)點B對應(yīng)，經(jīng)兩個引出布線110i-l、 110i-2與上游側(cè)測溫電阻體105a和下游側(cè)測溫電阻體105d這二者電連接的端子電極109i與圖10中節(jié)點C對應(yīng)，經(jīng)兩個引出布線110h-l、 110h-2與上游側(cè)測溫電阻體105b和下游側(cè)測溫電阻體105c這二者電連接的端子電極109h與圖10中節(jié)點D對應(yīng)。
在本實施方式中，由共用的端子電極109g供給加熱器電橋電路和溫度傳感器電橋電路的接地電位，但也可以增加端子電極，使各端子電極都為接地電位。
對加熱器控制用電橋電路的發(fā)熱電阻體用測溫電阻體104、空氣溫度測溫電阻體106和加熱器溫度控制用電阻體107、 108的各電阻值進行設(shè)定，使得在因發(fā)熱電阻體103而升溫的氣體比進氣溫度高出某一定溫度(ATh例如為100°C )時，節(jié)點A (端子電極109d)與節(jié)點B (端子電極109e)之間的電位差為OV。在上述一定溫度(ATh)偏離設(shè)定的情況下設(shè)計成在節(jié)點A與節(jié)點B之間產(chǎn)生電位差，由控制電路124控制晶體管123,使發(fā)熱電阻體103的電流發(fā)生變化來將電橋電路保持平衡狀態(tài)(A-B之間電位差為OV)。
另一方面，溫度傳感器電橋電路設(shè)計成各測溫電阻體105a、 105b、105c、 105d與發(fā)熱電阻體103的距離相同，因此，無論是否被發(fā)熱電阻體103加熱，在無風時，節(jié)點C (端子電極109i)與節(jié)點D (端子電極109h)之間的電位差為平衡狀態(tài)，為0V。對發(fā)熱電阻體103施加電壓，進氣向空氣流126方向流動時，因發(fā)熱電阻體103升溫的上游側(cè)測溫電阻體105a、 105b的溫度降Y氐，下游側(cè)測溫電阻體105c、105d的溫度升高，測溫電阻體105的電阻值在上游側(cè)和下游側(cè)不同，溫度傳感器橋的平衡被打破，在節(jié)點C與節(jié)點D之間產(chǎn)生電壓差。將該電壓差輸入控制電路124，對根據(jù)存儲器125的電壓差與空氣流量的對比表求出空氣流量(Q)進行運算處理并輸出。在空氣流126向相反方向流時，也同樣i也可知空氣流量，因此可進4亍逆流;險測。(實施方式4)在本實施方式4中，說明的是將包括發(fā)熱電阻體和測溫電阻體的測量元件應(yīng)用于加速度傳感器的例子。
圖11是表示本實施方式4的加速度傳感器的 一 例的要部俯視圖。加速度傳感器128具有隔著絕緣膜等形成在由單晶Si構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底上的發(fā)熱電阻體129、進行發(fā)熱電阻體129與外部電^^的電連接的端子電極130a、 130b、在四個方向上與發(fā)熱電阻體129隔開恒定間隔地配置的相同長度(相同電阻值)的測溫電阻體131a、 131b、131c、 131d、進行測溫電阻體131a 131d與外部電路的電連接的端子電極133a、 133b、 133c、 133d、 133e、 133f、 133g、 133h，在外部電路構(gòu)成電橋電路等。
發(fā)熱電阻體129的布線寬度是10 150pm，測溫電阻體的布線寬度是0.5 10|jim左右。在發(fā)熱電阻體129的布線內(nèi)配置多個浮島狀絕緣部132，使浮島狀絕緣部132彼此之間或布線外側(cè)絕緣部與浮島狀絕緣部132之間間隔為測溫電阻體131a 131d的最小布線寬度。俯視下浮島狀絕緣部132的形狀為正方形或長方形，短邊大于等于測溫電阻體。
具有發(fā)熱電阻體129和測溫電阻體131的背面Si襯底被除去而成的流量孔板134構(gòu)造。
圖12是圖11的D-D，線的要部剖視圖。
在由單晶Si構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底136上自下方起依次層疊形成第一絕緣膜137、第二絕緣膜138、第三絕緣膜139。第一絕緣膜137例如是在高溫爐體形成的Si02膜，厚度是200nm左右，第二絕緣膜138例如是使用CVD法的SiNx膜，厚度是150 200nm左右。第三絕緣膜139是使用CVD法或由使用TEOS的等離子體CVD法制成的SiOx膜，第三絕緣膜139的膜厚是100 200nm左右。
以通過光刻法形成的抗蝕圖案為掩模而使用干刻法等在第三絕緣膜139上形成槽，并在其上形成例如膜厚為槽深度的1.5倍以上的Mo膜作為第一金屬膜，接著，使用例如混合了過氧化氫的漿料作為酸性研磨液和氧化劑來除去槽以外的Mo膜，形成發(fā)熱電阻體129和測溫電阻體131。
接著，在發(fā)熱電阻體129和測溫電阻體131的上層依次形成第四絕緣膜140和第五絕緣膜141。第四絕緣膜140是例如使用了 CVD法的SiNx膜，膜厚是150 200nm左右。第五絕緣膜141是例如使用CVD法或由使用TEOS的等離子體CVD法制得的SiOx膜，膜厚是100 500nm左右。
然后，利用干刻形成用于將發(fā)熱電阻體129和測溫電阻體131a、131c與外部電路連接的連接孔142,在其上形成端子電極133b、 133e。該端子電極133b、 133e例如是在20nm的TiN膜上層疊ljim的Al膜而形成。接著，使用KOH或TMAH溶液除去發(fā)熱電阻體129和測溫電阻體131a、 131c正下方的Si膜，形成流量孔板134。
在圖13中，僅圖示了測溫電阻體131a、 131c，省略了其他測溫電阻體131b、 131d，但這些測溫電阻體131b、 131d也與測溫電阻體131a、 131c同時形成。在圖13中，僅圖示了端子電極133b、 133e，省略了其他端子電極133a、 133c、 133d、 133f、 133g、 133h,但這些端子電極133a、 133c、 133d、 133f、 133g、 133h也與端子電極133b、133e同時形成。
接著，使用圖13和上述的圖11說明加速度傳感器的工作。圖13是表示本實施方式4的加速度傳感器和外部電路的電路圖。
首先，使用于旁熱的加熱電流從外部電源145通過晶體管146流過發(fā)熱電阻體129。由于該旁熱，各測溫電阻體131a 131d升溫而電阻值發(fā)生變化。此時，流過加熱電流以使發(fā)熱電阻體129的電阻值保持恒定，從而測溫電阻體131a 131d的溫度恒定，電阻值也穩(wěn)定。由于從發(fā)熱電阻體129到各測溫電阻體131a 131d的距離為恒定，因此各測溫電阻體131a 131d的溫度相同，且形狀相同，因此電阻值也相等。
在該狀態(tài)下，例如如圖11所示，通過從外部對加速度傳感器128施加力135,加速度傳感器128動作，則均衡的旁熱狀態(tài)被打破，測溫電阻體131a和測溫電阻體131c的溫度不同，電阻值發(fā)生變動而能夠檢測加速度。將該電阻值的差異(電壓差)發(fā)送到外部的輸入電路
147，與存儲于存儲器148中的靜止狀態(tài)的數(shù)據(jù)相比，用CPU等計算動作方向和溫度差(ATh)并向外部輸出。利用加速度傳感器128的輸出，能夠進行加速度的調(diào)整或開關(guān)的通斷等處理。
在本實施方式4中，說明的是在四個方向配置4個測溫電阻體131a 131d的加速度傳感器128,還可通過改變測溫電阻體的角度增加數(shù)量，來高精度地得知力135的施力方向。
如此，根據(jù)本實施方式4,不僅可適用于熱式流體流量傳感器，還可適用于加速度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏度高的加速度傳感器。
以上，基于實施方式具體說明了本發(fā)明人完成的發(fā)明，但本發(fā)明不限于上述實施方式，不言而喻，在不脫離其要旨的范圍內(nèi)可進行各種變更。
例如，在上述實施方式中，對于由Mo構(gòu)成發(fā)熱電阻體和測溫電阻體的金屬膜的熱式流體流量傳感器進行了說明，也可以是以a-Ta(a鉭)、Ti (鈦)、W (鎢)、Co (鈷)、Ni (鎳)、Fe (鐵)、Nb (鈮)、Hf (鉿)、Cr (鉻)、Zr (鋯)為主成分的金屬膜、或TaN (氮化鉭)、MoN (氮化鉬)、WN (氮化鎢)等金屬氮化物和MoSi (鉬硅化物)、CoSi (鈷硅化物)、NiSi (鎳硅化物)等金屬硅化物。
在上述實施方式中，第一金屬膜和第二金屬膜使用不同的金屬膜，但也可以是相同的金屬膜。
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權(quán)利要求
1. 一種熱式流體流量傳感器，用于測量空氣流量，其具有發(fā)熱電阻體和設(shè)置在上述發(fā)熱電阻體旁邊的測溫電阻體，其特征在于，具有半導(dǎo)體襯底；形成在上述半導(dǎo)體襯底上的第一絕緣膜；以及形成在上述第一絕緣膜上且具有從其底部露出了上述第一絕緣膜的槽的第二絕緣膜，上述發(fā)熱電阻體和上述測溫電阻體由被埋入上述槽內(nèi)的導(dǎo)體膜構(gòu)成，在上述發(fā)熱電阻體的內(nèi)部配置有由上述第二絕緣膜構(gòu)成的浮島狀絕緣部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于， 上述發(fā)熱電阻體的寬度大于上述測溫電阻體的寬度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于，在上述測溫電阻體內(nèi)部未配置由上述第二絕緣膜構(gòu)成的浮島狀絕緣部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于，形成上述槽的上述第二絕緣膜的蝕刻速度比從上述槽的底部露 出的上述第 一 絕緣膜的蝕刻速度快，上述第二絕緣膜的蝕刻速度與上 述第一絕緣膜的蝕刻速度之比為3以上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于， 上述第 一絕緣膜由氮化硅膜構(gòu)成，上述第二絕緣膜由氧化硅膜構(gòu)成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于， 上述槽的上部寬度大于上述槽的底部寬度，上述槽的側(cè)壁角度為60°以上89°以下。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于，由上述第二絕緣膜構(gòu)成的浮島狀絕緣部的俯視形狀是正方形或長方形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于，上述導(dǎo)體膜是以鉬、a鉭、鈦、鴒、鈷、鎳、鐵、鈮、鉿、鉻、 鋯、柏、、(3鉭中任一種為主成分的金屬膜、或氮化鈦、氮化鉭、氮化鉬、氮化鎢中任一種金屬氮化物膜、或鵠硅化物、鉬硅化物、鈷硅 化物、鎳硅化物中任一種金屬硅化物膜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于，還 具有由埋入上述槽內(nèi)的導(dǎo)體膜構(gòu)成且將上述發(fā)熱電阻體與第一端子 電極連接的第一引出布線；和由埋入上述槽內(nèi)的導(dǎo)體膜構(gòu)成且將上述測溫電阻體與第二端子 電極連接的第二引出布線，其中，在上述第一引出布線的內(nèi)部和上述第二引出布線的內(nèi)部配置有 由上述第二絕緣膜構(gòu)成的浮島狀絕緣部。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于， 上述測溫電阻體由上游側(cè)測溫電阻體和下游側(cè)測溫電阻體構(gòu)成，上述發(fā)熱電阻體配置在上述上游側(cè)測溫電阻體和下游側(cè)測溫電阻體 之間，上述上游側(cè)測溫電阻體與上述發(fā)熱電阻體的距離同上述下游側(cè) 測溫電阻體與上述發(fā)熱電阻體的距離相等。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于， 上述上游側(cè)測溫電阻體還由第一上游側(cè)測溫電阻體和第二上游側(cè)測溫電阻體構(gòu)成，上述下游側(cè)測溫電阻體還由第 一 下游側(cè)測溫電阻 體和第二下游側(cè)測溫電阻體構(gòu)成，由上述第一上游側(cè)測溫電阻體、上 述第二上游側(cè)測溫電阻體、上述第 一下游側(cè)測溫電阻體和上述第二下 游側(cè)測溫電阻體構(gòu)成溫度傳感器電橋電路。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于， 還具有由發(fā)熱電阻體用測溫電阻體、空氣溫度測溫電阻體、第一加熱器 溫度控制用電阻體和第二加熱器溫度控制用電阻體構(gòu)成的加熱器控制電橋電路；和由埋入上述槽內(nèi)的導(dǎo)體膜構(gòu)成且將上述加熱器控制電橋電路的 各電阻體之間的節(jié)點與第三端子電極連接的第三引出布線，其中，在上述第三引出布線的內(nèi)部配置有由上述第二絕緣膜構(gòu)成的浮 島狀絕緣部。
13. —種熱式流體流量傳感器，用于測量空氣流量，其具有發(fā)熱電阻體和設(shè)置在上述發(fā)熱電阻體旁邊的測溫電阻體，其特征在于，具有半導(dǎo)體襯底；形成在上述半導(dǎo)體襯底上的第一絕緣膜；形成在上述第一絕緣膜上且具有從其底部露出了上述第一絕緣 膜的槽的第二絕緣膜，上述發(fā)熱電阻體和上述測溫電阻體由被埋入上述槽內(nèi)的導(dǎo)體膜 構(gòu)成，形成上述槽的上述第二絕緣膜的蝕刻速度比從上述槽的底部露 出的上述第 一 絕緣膜的蝕刻速度快，上述第二絕緣膜的蝕刻速度與上 述第一絕緣膜的蝕刻速度之比為3以上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于， 上述第 一 絕緣膜由氮化硅膜構(gòu)成，上述第二絕緣膜由氧化硅膜構(gòu)成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱式流體流量傳感器，其特征在于， 上述槽的上部寬度大于上述槽的底部寬度，上述槽的側(cè)壁角度為60°以上89°以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)熱電阻體和測溫電阻體使用金屬薄膜且提高了檢測靈敏度的熱式流體流量傳感器。做成在硅襯底(2)上形成有發(fā)熱電阻體(3)、測量發(fā)熱電阻體(3)的溫度的發(fā)熱電阻體用測溫電阻體(4)、上游側(cè)測溫電阻體(5a)、下游側(cè)測溫電阻體(5b)和空氣測溫電阻體(6)的構(gòu)造，在上述發(fā)熱電阻體(3)和其引出布線內(nèi)配置多個浮島狀的絕緣部。
文檔編號B81B7/00GK101498596SQ20091000280
公開日2009年8月5日 申請日期2009年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者佐久間憲之 申請人:株式會社日立制作所