JP5202007B2

JP5202007B2 - 熱式流体流量センサ

Info

Publication number: JP5202007B2
Application number: JP2008017015A
Authority: JP
Inventors: 憲之佐久間
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-01-29
Also published as: EP2085754A2; CN101498596A; US20090188314A1; JP2009180504A; US7621180B2; EP2085754A3; CN101498596B

Description

本発明は、熱式流体流量センサに係り、特に内燃機関の吸入空気を測定する熱式流体流量計に好適な熱式流体流量センサに関する。

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に用いられる熱式流体流量センサとしては、熱式のもの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。

この中で特に半導体マイクロマシンニング技術により製造された熱式空気流量（エアフロー）センサが、コストを低減でき且つ低電力で駆動することができることから注目されてきた。このようなエアフローセンサの従来技術としては、例えば特許文献１に開示されているものがあり、発熱素子（ヒータ）および温度検出素子（センサ）に白金（Ｐｔ）が用いられ、ヒータおよびセンサ下部のＳｉ膜を除去したダイアフラム構造が開示されている。特に特許文献２においてはセンサ中央部に発熱素子（ヒータ）とこのヒータを挟んで２つの温度検出素子（センサ）が配置されており、このヒータ等は酸化膜に溝を形成し白金膜を埋込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）で平坦化する方法が開示されている。

特開平１０−２１３４７０号公報特開平１１−２８７６８７号公報

しかしながら、上述の従来技術においては、ＣＭＰ法を用いてヒータおよびセンサ部を形成する場合の溝の形成方法および溝幅等のレイアウトに配慮されておらず、広い幅のヒータと狭い幅のセンサ等溝幅が異なる場合、ドライエッチングによる溝深さのバラツキおよびＣＭＰによるディッシング，エロージョンの配線幅依存性が生じ、ヒータとセンサの抵抗値が変わってしまう。このヒータとセンサの抵抗値から基準となる温度差（ΔＴｈ）を計算しており、抵抗値にバラツキが生じると設計値に合わせるため外部に補正抵抗を設ける必要があり、コスト増の問題が発生する。また、この補正抵抗は溝深さの違い，ディッシング，エロージョンの程度によりチップ毎に異なるため、ある範囲を決めて同一補正抵抗とせざるをえず、センサ感度を下げることとなり検出精度が低下してしまう問題、およびウエハ面内分布などにより範囲内に入らない不良品が発生し、歩留まり低下によるさらなるコスト増の問題がある。

本発明の目的は、溝幅が異なった場合またはウエハ面内において溝深さを均一に保ち、設計値に対する抵抗値のバラツキを抑え、外部に補正抵抗を設けることなく、流量計測の検出精度の高い熱式流体流量センサを提供する。

上記目的は、溝を形成する絶縁膜の下層に前記絶縁膜よりエッチングされにくい層を設け、溝深さが同じにすること、ヒータ，センサ，配線内に浮島状の絶縁部を複数配列したレイアウトを施すこと等により達成される。

本発明によれば、ドライエッチなどによる溝形成時の溝幅が異なるエッチレートの違い、またはエッチレートのウエハ面内分布がある場合においても下層にエッチングされにくい層があることで溝深さのバラツキを抑えられ、かつ溝幅等レイアウトを規定することでＣＭＰ時のディッシングやエロージョンを等しくできるため、ヒータやセンサ等の配線高さを一定にでき、抵抗値バラツキが少ない高精度な熱式流量センサを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明による一実施例の熱式流体流量センサを示す平面図、図２Ａ〜図２Ｇは図１の熱式流体流量センサの製造過程をＡ−Ａ’断面図で示したものである。
（実施の形態１）
本実施の形態１による熱式流体流量センサの要部平面図の一例を図１に示す。

熱式流体流量センサである測定素子１は、単結晶Ｓｉからなる半導体基板２と、半導体基板２上に絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３により暖められた空気の空気温度を検知するための上流側測温抵抗体４ａおよび下流側測温抵抗体４ｂからなる測温抵抗体４と、空気の空気温度を測定するための空気温度測温抵抗体５と、測定素子１の信号を外部回路へ接続するための端子電極６ａ〜６ｇと、発熱抵抗体３の両端を端子電極６ａ．６ｂに接続する引き出し配線７ａ．７ｂと、測温抵抗体４の両端を端子電極６ｃ．６ｄに接続する引き出し配線７ｃ．７ｄと、上流測温抵抗体４ａと下流測温抵抗体４ｂとの間を端子電極６ｅに接続する引き出し配線７eと、空気温度測温抵抗体５の両端を端子電極６ｆ．６ｇに接続する引き出し配線７ｆ．７ｇとから構成されている。発熱抵抗体３の配線幅は、例えば１０〜１５０μｍ程度であり、測温抵抗体４および空気温度測温抵抗体５は例えば０．５〜２０μｍ程度、引き出し配線７ａ〜７ｇの幅は、例えば３０〜５００μｍ程度である。

なお、発熱抵抗体３と引き出し配線７ａ〜７ｇはその内部に浮島状絶縁部８が複数配置され幅の狭い配線部に分割されている。前記浮島状絶縁部８の形状は上面から見た場合、正方形または長方形となっており、隣接する浮島状絶縁部８同士の間隔および配線外側絶縁部と浮島状絶縁部８の間隔は測温抵抗体４の配線幅と同等以上が好ましい。

また、発熱抵抗体３と測温抵抗体４が配置されている部分のＳｉ基板は除去されたダイアフラム９となっている。

この測定素子１は空気の流れ１０の空気温度を空気温度測定抵抗体５で測定し、加熱した発熱抵抗体３の抵抗増加と比較して温度差（ΔＴｈ）を計算し、発熱抵抗体３で暖められた空気の流れにより測温抵抗体４ａ．４ｂの抵抗が変化する構造となっている。なお、本実施の形態１では発熱抵抗体３の配線幅が測温抵抗体４の配線幅より広い方が空気を暖める熱量を確保できる。

次に、本実施の形態１による熱式流体流量センサの製造方法の一例として図２Ａ〜図２Ｇを用いて工程順に説明する。図２Ａ〜図２Ｇは、図１Ａ−Ａ’線における要部断面図である。

まず、図２Ａに示すように、単結晶Ｓｉからなる半導体基板２を用意する。続いて、半導体基板２上に第１の絶縁膜１１，第２の絶縁膜１２，第３の絶縁膜１３を順次形成する。第１の絶縁膜１１は、例えば熱酸化法またはＣＶＤ法により形成したＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜からなり、その厚さは２００〜１０００ｎｍ程度である。第２の絶縁膜１２は、例えばＣＶＤ法を用いたＳｉＮ（窒化シリコン）膜からなり、その厚さは１００〜２００ｎｍ程度である。第３の絶縁膜13は、例えばＣＶＤ法を用いたＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜からなり、その厚さは１００〜２００ｎｍ程度である。

次に、図２Ｂに示すようにフォトリソグラフィ法により形成されたレジストパターンをマスクにドライエッチング法などを用いて第３の絶縁膜１３に溝１４を形成する。なお、この溝形成において、第３の絶縁膜１３のエッチングレートを第２の絶縁膜１２より速くすることにより、溝幅が異なる場合やウエハ面内分布など絶縁膜１３のエッチングレートにバラツキが生じても、第２の絶縁膜１２まで溝加工が進んだ際にエッチングレートが遅くなり溝深さのバラツキを抑制することができる。この際の第２の絶縁膜１２と第３の絶縁膜１３のエッチングレート比は３以上が望ましい。また、この溝形成において、浮島状絶縁部８が形成される。この浮島状絶縁部８の周囲は溝１４で囲まれている。また、溝１４の断面形状は溝底部より溝上部の幅が広くなっていることが望ましく、溝１４の側壁の角度は６０°以上８９°以下が好ましい。

次に、図２Ｃに示すように、第１の金属膜１５としてスパッタリング法またはＣＶＤ法などを用いて溝深さの１．５〜２倍程度の厚さのＭｏ（モリブデン）膜をデポする。この第１の金属膜１５をスパッタリング法により形成する際の半導体基板２の温度は、例えば２００〜５００℃程度に維持される。

次に、酸性研磨液に過酸化水素水を加えたスラリを用いた化学的機械研磨（ＣＭＰ）を行うことにより溝以外のＭｏ膜を除去して図２Ｄに示すように、発熱抵抗体３，測温抵抗体４ａ，４ｂおよび空気温度測温抵抗体５とこれらを端子電極６ａ〜６ｇに接続するための引き出し配線７ａ〜７ｇを形成する。なお、前記第１の金属膜１５のＭｏ膜をＣＭＰ法で研磨する場合、発熱抵抗体３および引き出し配線７は配線幅が広いが、浮島状絶縁部８により測温抵抗体４と同程度の幅の配線部に分割されているため、ＣＭＰ時のディッシング，エロージョンを抑制でき発熱抵抗体３および引き出し配線７の抵抗値バラツキを抑止することができる。また、第１の金属膜１５のデポ後またはＣＭＰ後に８００℃以上、望ましくは１０００℃の熱処理を行なう。この熱処理により抵抗率が低くなり、抵抗温度係数（Temperature Co-efficiency of Resistance、以下ＴＣＲと略す）は向上する。

次に、図２Ｅに示すように、発熱抵抗体３等の上に第４の絶縁膜１６として例えばＣＶＤ法によるＳｉＮ（窒化シリコン）膜を１００〜２００ｎｍ程度デポし、フォトリソグラフィ法により接続孔１７をドライエッチ法またはウエットエッチング法等で形成する。なお、絶縁膜１６はプラズマを用いた低温ＣＶＤ法で形成してもよく、その場合は形成後に８００℃以上の熱処理を行ない、ダイアフラム部９が引張り応力となるように膜厚を調整する。

次に、第２の金属膜として例えば厚さ１μｍ程度のＡｌ（アルミニウム）合金膜をデポしてフォトリソグラフィ法によりパターニングを行い、図２Ｆに示すように接続孔１７を介して引き出し配線７ａ〜７ｇに電気的に接続する端子電極６ａ〜６ｇを形成する。なお、図２Ｆでは端子電極６ｅのみを示し、その他の端子電極６ａ〜６ｄ，６ｆ，６ｇを省略するがこれらも端子電極６ｅと同時に形成される。また、第２の金属膜形成時は引き出し配線７ａ〜７ｇとの接触を良好とするため、デポ前にＡｒ（アルゴン）により引き出し配線７ａ〜７ｇ表面をスパッタエッチングしてもよい。さらに、その接触を確実なものとするため、第２の金属膜をＴｉＮ（窒化チタン）等のバリア金属膜とＡｌ合金膜の積層膜により形成してもよい。なお、この時のバリア金属膜を相対的に厚く形成するとコンタクト抵抗が増加するため、その厚さは２０ｎｍ程度とすることが望ましい。しかし、十分接触面積がとれて抵抗増加の問題が回避できる場合は、バリア金属膜の厚さを１００ｎｍ以下とすることができる。また、バリア金属膜としてＴｉＮ膜を挙げたがＴｉＷ膜，Ｔｉ膜およびこれらの積層膜でも良い。

次に、図２Ｇに示すように、半導体基板２の裏面に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、そのレジストパターンをマスクとしてＫＯＨ（水酸化カリウム）またはＴＭＡＨ等の水溶液を用いて半導体基板２の一部をウエットエッチングし、ダイアフラム９を形成する。このダイアフラム９は発熱抵抗体３および測温抵抗体４（上流側測温抵抗体４ａおよび下流側測温抵抗体４ｂ）が形成された領域を含む位置に形成される。

なお、発熱抵抗体３および測温抵抗体４等の第１の金属膜１５をＭｏにより構成した熱式流体流量センサに関して説明したが、第１の金属膜１５の材料としては、例えば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），Ｚｒ（ジルコニウム）を主成分とする金属膜またはＴａＮ（窒化タンタル），ＭｏＮ（窒化モリブデン）,ＷＮ（窒化タングステン）などの金属窒化化合物あるいは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でもよく、温度に対する抵抗増加（抵抗温度係数）が大きい、例えば２０００ｐｐｍ／℃以上の材料が好ましい。

また、第４の絶縁膜１６としてＣＶＤ法を用いたＳｉＮ（窒化シリコン）を記載したが、プラズマＣＶＤ法を用いたＰ−ＳｉＮ膜でもよく、前記第４の絶縁膜１６の上，下または上下にＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤ法によるＰ−ＴＥＯＳ膜が形成されていてもよい。

図３は、本発明の実施形態１による自動車等の内燃機関の吸気通路に取り付けられた熱式流体流量センサを実装した熱式空気流量計の概略配置図である。熱式空気流量計１８は、熱式流体流量センサである測定素子１と、上部および下部からなる支持体１９と、外部回路２０とから構成され、測定素子１は、空気通路２１の内部にある副通路２２に配置される。吸気空気は、内燃機関の条件によって、図３の矢印１０で示された空気流の方向またはこれとは逆の方向に流れる。

図４は、前述した図３の一部（測定素子１および支持体１９）を拡大した要部平面図であり、図５は、図４のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。

図４および図５に示すように、測定素子１は、下部の支持体１９ａ上に固定されており、測定素子１の端子電極６と外部回路２０の端子電極２３との間は、例えば金線２４等を用いたワイヤボンディング法により電気的に接続されている。これにより、外部回路２０は測定素子１と電気的に接続される。端子電極６，２３および金線２４は、上部支持体１９ｂで覆うことにより保護されている。上部の保護支持体１９ｂは、密封保護であってもよい。

次に、図６を用いて、前述した熱式空気流量計１８の動作について説明する。図６は、本実施の形態１による測定素子１と外部回路２０とを示した回路図であり、符号２５は電源、符号２６は発熱抵抗体３に加熱電流を流すためのトランジスタ、符号２７，２８は外部回路２０内に設置された抵抗、符号２９はＡ／Ｄ変換器等を含む出力回路と演算処理を行なうＣＰＵ（Central Processing Unit）からなる制御回路、符号３０はメモリ回路である。なお、外部回路２０内の抵抗２７，２８は測定素子１内に設けてもよい。

発熱抵抗体３，空気温度測温抵抗体５および抵抗２７，２８からなるブリッジ回路の端子Ａ，Ｂの電圧が制御回路２９に入力され、発熱抵抗体３が空気温度に対する空気温度測温抵抗体５の温度より、ある一定値（例えばΔＴｈ＝１００℃）高くなるように発熱抵抗体３，空気温度測温抵抗体５および抵抗２７，２８の抵抗値が設定され、制御回路２９より制御される。上記ΔＴｈが設定よりずれた場合は、制御回路２９の出力よりトランジスタ２６を制御し発熱抵抗体３の電流が流れる。

一方、測温抵抗体４の上流側測温抵抗体４ａと下流側測温抵抗体４ｂはほぼ同じ抵抗値に設定され、発熱抵抗体３の傍熱により測温抵抗体４はある一定値となる。吸気空気が空気流１０の方向に流れると上流側測温抵抗体４ａは温度が低下し下流側測温抵抗体４ｂとのバランスが崩れる。上流側測温抵抗体４ａと下流側測温抵抗体４ｂの値を制御回路２８に入力し演算処理して空気流量（Ｑ）を出力する。なお、空気流１０が逆方向になった場合においても同様に空気流量がわかるため逆流検知も可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態２では、熱式流体流量センサである測定素子に含まれる発熱抵抗体，空気温度測温抵抗体，上流側測温抵抗体，下流側測温抵抗体および引き出し配線が接着層と金属膜の２層構造となっており、かつ最上層に保護膜を設けてある。

図７は、本実施の形態２による熱式流体流量センサの一例であり、前述した実施の形態１の図１Ａ−Ａ’線における要部断面図を示している。単結晶Ｓｉからなる半導体基板４６上に第１の絶縁膜４７が形成され、さらに第２の絶縁膜４８，第３の絶縁膜４９を順次形成する。第１の絶縁膜４７は例えば高温の炉体で形成するＳｉＯ_２膜であり、厚さは２００ｎｍ程度である。第２の絶縁膜４８は例えばＳｉＮｘ膜であり、厚さは１５０〜２００ｎｍ程度である。第３の絶縁膜４９はＣＶＤ法を用いたＳｉＯｘ膜であり、厚さは２００〜５００ｎｍ程度である。

次に、フォトリソグラフィ法によるレジストパターンをマスクにドライエッチング法などを用いて第３の絶縁膜４９に溝を形成する。なお、前記溝の断面形状は溝底部より溝上部の幅が広く、例えば溝側壁が６０〜８９°の傾斜になるように形成する。また、第３の絶縁膜４９に対し第２の絶縁膜４８はエッチング速度を低くした条件で溝形成しているので第２の絶縁膜４８上面でエッチングがストップでき、溝深さを均一にできる。

次に、第１の金属膜としてＴｉＮ膜をスパッタ法により２０ｎｍ程度形成する。次に、第２の金属としてＭｏ膜をスパッタ法により３００ｎｍをデポし、積層膜とする。ＴｉＮ膜は、下地の第２の絶縁膜４８および第３の絶縁膜４９に対する接着層である。次に、酸性研磨液と酸化剤として例えば過酸化水素を混合したスラリを用いて溝以外のＭｏ膜とＴｉＮ膜の積層膜を除去し、発熱抵抗体５０，測温抵抗体５１（上流側測温抵抗体５１ａおよび下流側測温抵抗体５１ｂ），空気温度測温抵抗体５２および外部回路と接続するための引き出し配線５３を形成する。なお、第１の金属膜のＴｉＮを形成する前にＡｒガス等を用いたスパッタエッチングを施し、第２の絶縁膜４８および第３の絶縁膜４９との接着力を向上させる。

次に、第４の絶縁膜５４としてＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法を用いたＳｉＮｘ膜を１５０〜２００ｎｍ程度および第５の絶縁膜５５としてＣＶＤ法を用いたＳｉＯｘ膜またはＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤ法によるＰ−ＴＥＯＳ膜を１００〜５００ｎｍ程度順次形成する。

さらに、引き出し配線５３の一部を露出さる接続孔５６を形成し、次に、接続孔５６を介して引き出し配線５３に電気的に接続する第３の金属膜で端子電極５７を形成する。なお、第３の金属膜は、例えば厚さ５０ｎｍ程度のＴｉＮ（窒化チタン）等のバリア金属膜と暑さ１μｍ程度のＡｌ合金膜の積層膜により形成されている。

次に、保護膜５８を形成し、端子電極５７および発熱抵抗体５０，測温抵抗体５１上に開口部５９等を形成した後、裏面Ｓｉをエッチングしてダイアフラム６０を形成する。なお、保護膜５８は例えばポリイミド膜であり、膜厚は２〜３μｍ程度である。

本実施の形態２では、第１の金属膜に用いた材料としてＴｉＮを記載したが、ＴｉまたはＴａＮ等であってもよい。

（実施の形態３）
本実施の形態３による熱式流体流量センサの要部平面図の一例を図８に示す。

熱式流体流量センサである測定素子１０１は、単結晶Ｓｉからなる半導体基板１０２と、半導体基板１０２上に絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体１０３と、発熱抵抗体１０３の温度を検知するための発熱抵抗体用測温抵抗体１０４と、発熱抵抗体１０３により暖められた空気の空気温度を検知するための２つの上流側測温抵抗体１０５ａ，１０５ｂおよび２つの下流側測温抵抗体１０５ｃ，１０５ｄからなる測温抵抗体１０５と、空気の空気温度を測定するための空気温度測温抵抗体１０６と、ヒータ温度制御用抵抗体１０７，１０８と、測温素子１０１の信号を外部回路へ接続するための端子電極１０９ａ〜１０９ｉと、発熱抵抗体１０３を端子電極１０９ａに接続する引き出し配線１１０ａと、発熱抵抗体１０３を端子電極１０９ｂに接続する引き出し配線１１０ｂと、ヒータ温度制御用抵抗体１０７およびヒータ温度制御用抵抗体１０８を端子電極１０９ｃに接続する２つの引き出し配線１１０ｃ−１，１１０ｃ−２と、発熱抵抗体用測温抵抗体１０４およびヒータ温度制御用抵抗体１０７を端子電極１０９ｄに接続する引き出し配線１１０ｄと、空気温度測温抵抗体１０６およびヒータ温度制御用抵抗体１０８を端子電極１０９ｅに接続する引き出し配線１１０ｅと、上流側測温抵抗体１０５ａおよび下流側測温抵抗体１０５ｃを端子電極１０９ｆに接続する引き出し配線１１０ｆと、発熱抵抗体用測温抵抗体１０４，空気温度測温抵抗体１０６，上流側測温抵抗体１０５ｂおよび下流側測温抵抗体１０５ｄを端子電極１０９ｇに接続する引き出し配線１１０ｇと、上流側測温抵抗体１０５ｂおよび下流側測温抵抗体１０５ｃを端子電極１０９ｈに接続する２つの引き出し配線１１０ｈ−１，１１０ｈ−２と、上流側測温抵抗体１０５ａおよび下流側測温抵抗体１０５ｄを端子電極１０９ｉに接続する２つの引き出し配線１１０ｉ−１，１１０ｉ−２トから構成されている。

発熱抵抗体１０３の幅は例えば１０〜１５０μｍ程度であり、発熱抵抗体用測温抵抗体１０４の幅は例えば０．５〜１０μｍ程度、測温抵抗体１０５，空気温度測温抵抗体１０６およびヒータ温度制御用抵抗体１０７，１０８の各幅は例えば０．５〜１０μｍ程度であり、引き出し配線１１０ａ〜１１０ｉの各幅は、例えば３０〜５００μｍ程度である。なお、発熱抵抗体１０３および引き出し配線１１０など配線幅が測温抵抗体１０５より広い場合、配線内に浮島状絶縁部１１１を複数配置する。また、すくなくとも発熱抵抗体１０３、発熱抵抗体用測温抵抗体１０４および測温抵抗体１０５上の保護膜に開口部１１２が設けられており、下層のＳｉ基板は除去されたダイアフラム１１３構造となっている。この際、ダイアフラム１１３より保護膜の開口部１１２は５０μｍほど内側となっている。

図９は、図８のＣ−Ｃ’線における要部断面図である。まず、単結晶Ｓｉからなる半導体基板１０２を用意する。続いて、半導体基板１０２上に第１の絶縁膜１１４が形成され、さらに、第２の絶縁膜１１５，第３の絶縁膜１１６を順次形成する。第１の絶縁膜１１４は例えば高温の炉体で形成するＳｉＯ_２膜であり、厚さは２００ｎｍ程度である。第２の絶縁膜１１５は例えばＣＶＤ法を用いたＳｉＮｘ膜であり、厚さは１５０〜２００ｎｍ程度である。第３の絶縁膜１１６はＣＶＤ法を用いたＳｉＯｘ膜であり、第３の絶縁膜１１６の膜厚は１００〜２００ｎｍでこの膜厚が上記各種抵抗体１０３〜１０８および引き出し配線１１０ａ〜１１０ｉの設計膜厚となる。

次に、フォトリソグラフィ法によるレジストパターンをマスクにドライエッチング法などを用いて第３の絶縁膜１１６に溝を形成し、次に、第１の金属膜として例えば前述した実施の形態と同様のＭｏを溝深さの１．５倍以上の厚さ（例えば３００ｎｍ）でデポし、その後、窒素雰囲気中において１０００℃の熱処理を施す。

次に、酸性研磨液と酸化剤として例えば過酸化水素を混合したスラリを用いて溝以外のＭｏ膜を除去し、発熱抵抗体１０３，発熱抵抗体用測温抵抗体１０４，測温抵抗体１０５，空気温度測温抵抗体１０６，ヒータ温度制御用抵抗体１０７，１０８および引き出し配線１１０を形成する。なお、酸性研磨液に対する過酸化水素水の濃度は例えば１ｗｔ％以下とする。

次に、第４の絶縁膜１１７および第５の絶縁膜１１８を順次形成する。第４の絶縁膜１１７は例えばＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法を用いたＳｉＮｘ膜であり、膜厚は１５０〜２００ｎｍ程度である。第５の絶縁膜１１８は例えばＣＤＶ法によるＳｉＯx膜またはＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤ法によるＰ−ＴＥＯＳ膜であり、膜厚は１００〜５００ｎｍ程度である。

さらに、フォトリソグラフィ法を用いて第４の絶縁膜１１７および第５の絶縁膜１１８に接続孔１１９を形成し、引き出し配線１１０の一部を露出させ、前記接続孔１１９を介して引き出し配線１１０に電気的に接続された第２の金属膜で端子電極１０９を形成する。なお、第２の金属膜は例えば厚さ５０ｎｍ程度のＴｉＮ（窒化チタン）等のバリア金属膜と厚さ１μｍ程度のＡｌ合金膜の積層膜により形成されている。なお、バリア金属はＴａＮまたはＴｉＷ等であってもよく、その膜厚は接触抵抗の兼ね合いから２００ｎｍ以下が望ましい。

次に、保護膜１２０を形成し、フォトリソグラフィ法を用いて少なくとも端子電極１０９の一部および発熱抵抗体１０３，発熱抵抗体用測温抵抗体１０４および測温抵抗体１０５上に開口部１１２を形成した後、ダイアフラム１１３を形成する。なお、保護膜１２０は例えばポリイミド膜であり、膜厚は２〜３μｍ程度である。その他材料としては感光性の有機膜等でもよい。また、開口部１１２は、少なくともダイアフラム１１３より狭くなっており、空気の加熱効率およびその加熱した空気温度を精度よく測定する観点から、少なくとも発熱抵抗体１０３，発熱抵抗体用測温抵抗体１０４および測温抵抗体１０５上は開口していることが望ましい。なお、強度上の観点から発熱抵抗体１０３，測温抵抗体１０５の一部上に保護膜１２０が残っていても良い。

次に、図１０を用いて前述した熱式空気流量計１８の動作について説明する。図１０は、本実施の形態３による測定素子１０１と外部回路とを示した回路図であり、符号１２２は電源、符号１２３は発熱抵抗体１０３に加熱電流を流すためのトランジスタ、符号１２４はＡ/Ｄ変換器等を含む出力回路と演算処理を行なうＣＰＵ（Central Processing Unit）からなる制御回路、符号１２５はメモリ回路である。

なお、本回路には二つのブリッジ回路があり、ひとつは発熱抵抗体用測温抵抗体１０４，空気温度測温抵抗体１０６および２つのヒータ温度制御用抵抗体１０７，１０８によるヒータ制御ブリッジ回路、もうひとつは４つの測温抵抗体１０５ａ〜１０５ｄによる温度センサブリッジ回路である。

図８に示した測定素子１０１において、端子電極１０９ｃが２つの引き出し配線１１０ｃ−１，１１０ｃ−２を介して２つのヒータ温度制御用抵抗体１０７，１０８の双方に電気的に接続されており、この端子電極１０９ｃに図１０中の所定電位Ｖｒｅｆ１を供給する。また、端子電極１０９ｆが上流側測温抵抗体１０５ａおよび下流側測温抵抗体１０５ｃの双方に電気的に接続されており、この端子電極１０９ｆに図１０中の所定電位Ｖｒｅｆ２を供給する。さらに、端子電極１０９ｇが引き出し配線１１０ｇを介して空気温度測温抵抗体１０６，発熱抵抗体用測温抵抗体１０４，上流側測温抵抗体１０５ｂおよび下流側測温抵抗体１０５ｄのそれぞれに電気的に接続されており、この端子電極１０９ｇは図１０に示すようにグランド電位とする。

また、引き出し配線１１０ｄを介して発熱抵抗体用測温抵抗体１０４およびヒータ温度制御用抵抗体１０７の双方に電気的に接続された端子電極１０９ｄは図１０中のノードＡに、引き出し配線１１０ｅを介して空気温度測温抵抗体１０６およびヒータ温度制御用抵抗体１０８の双方に電気的に接続された端子電極１０９ｅは図１０中のノードＢに、２つの引き出し配線１１０ｉ−１，１１０ｉ−２を介して上流側測温抵抗体１０５ａおよび下流側測温抵抗体１０５ｄの双方に接続された端子電極１０９ｉは図１０中のノードＣに、２つの引き出し配線１１０ｈ−１，１１０ｈ−２を介して上流側測温抵抗体１０５ｂおよび下流側測温抵抗体１０５ｃの双方に接続された端子電極１０９ｈは図１０中のノードＤに、それぞれ対応する。

なお、本実施の形態ではヒータブリッジ回路と温度センサブリッジ回路のグランド電位を共通の端子電極１０９ｇで供給しているが、端子電極を増やし、それぞれの端子電極をグランド電位としても良い。

ヒータ制御用ブリッジ回路は、発熱抵抗体１０３により熱せられた気体が吸気温度よりある一定温度（ΔＴｈ、例えば１００℃）高い場合にノードＡ（端子電極１０９ｄ）とノードＢ（端子電極１０９ｅ）の間の電位差が０Ｖになるように発熱抵抗体用測温抵抗体１０４，空気温度測温抵抗体１０６およびヒータ制御用抵抗体１０７，１０８の各抵抗値が設定されている。上記一定温度（ΔＴｈ）が設定よりずれた場合は、ノードＡとノードＢの間に電位差が生じ制御回路１２４よりトランジスタ１２３を制御し発熱抵抗体１０３の電流を変化させブリッジ回路を平衡状態（Ａ−Ｂ間の電位差：０Ｖ）に保つように設計されている。

一方、温度センサブリッジ回路は、発熱抵抗体１０３からそれぞれの測温抵抗体１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄまでの距離が同じに設計されているため、発熱抵抗体１０３による加熱にかかわらず無風の場合、ノードＣ（端子電極１０９ｉ）とノードＤ（端子電極１０９ｈ）の間の電位差が平衡状態となり０Ｖとなる。発熱抵抗体１０３に電圧を印加し、吸気が空気流１２６の方向に流れると発熱抵抗体１０３で暖められた上流測温抵抗体１０５ａ，１０５ｂは温度が低下し、下流側測温抵抗体１０５ｃ，１０５ｄの温度が高くなり、測温抵抗体１０５の抵抗値が上流側と下流側で異なり、温度センサブリッジのバランスが崩れ、ノードＣとノードＤの間に差電圧が発生する。この差電圧を制御回路１２４に入力し、メモリ１２５の差電圧と空気流量の対比表から求めた空気流量（Ｑ）を演算処理して出力する。なお、空気流１２６が逆方向になった場合においても同様に空気流量がわかるため逆流検知も可能である。

（実施の形態４）
本実施の形態４では、発熱抵抗体および測温抵抗体を含む測定素子を加速度センサに適用した例について説明する。

図１１は、本実施の形態４による加速度センサの一例を示す要部平面図である。

加速度センサ１２８は、単結晶Ｓｉからなる半導体基板上に絶縁膜などを介して形成された発熱抵抗体１２９と、発熱抵抗体１２９と外部回路との電気的接続を行う端子電極１３０ａ，１３０ｂと、発熱抵抗体１２９から４方向に一定の間隔をあけて配置された同じ長さ（同じ抵抗値）の測温抵抗体１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄと、測温抵抗体１３１ａ〜１３１ｄと外部回路との電気的接続を行う端子電極１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ，１３３ｄ，１３３ｅ，１３３ｆ，１３３ｇ，１３３ｈとを有し、外部回路でブリッジ回路等が構成される。

なお、発熱抵抗体１２９の配線幅は１０〜１５０μｍであり、測温抵抗体の配線幅は０．５〜１０μｍ程度である。発熱抵抗体１２９の配線内には浮島状絶縁部１３２を複数配置し、浮島状絶縁部１３２同士または配線外側絶縁部と浮島状絶縁部１３２の間隔が測温抵抗体１３１ａ〜１３１ｄの最小配線幅になるようにする。また、浮島状絶縁部１３２を上面から見た形状は正方形または長方形であり、短辺が測温抵抗体と同等以上である。

また、発熱抵抗体１２９および測温抵抗体１３１の裏面Ｓｉ基板は除去されたダイアフラム１３４構造を有している。

図１２は、図１１のＤ−Ｄ’線における要部断面図である。

単結晶Ｓｉからなる半導体基板１３６上に第１の絶縁膜１３７，第２の絶縁膜１３８，第３の絶縁膜１３９が下から積層して形成されている。第１の絶縁膜１３７は例えば高温の炉体で形成するＳｉＯ_２膜であり、厚さは２００ｎｍ程度である。第２の絶縁膜１３８は例えばＣＶＤ法を用いたＳｉＮｘ膜であり、厚さは１５０〜２００ｎｍ程度である。第３の絶縁膜１３９はＣＶＤ法またはてＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤ法によるＳｉＯｘ膜であり、第３の絶縁膜１３９の膜厚は１００〜２００ｎｍ程度である。

前記第３の絶縁膜１３９にフォトリソ法によるレジストをマスクにドライエッチ法で溝を形成し、その上に第１の金属膜として、例えばＭｏ膜を溝深さの１．５倍以上の膜厚で形成する。次に、酸性研磨液と酸化剤として例えば過酸化水素を混合したスラリを用いて溝以外のＭｏ膜を除去し、発熱抵抗体１２９および測温抵抗体１３１を形成する。

次に、発熱抵抗体１２９および測温抵抗体１３１の上層には第４の絶縁膜１４０，第５の絶縁膜１４１を順次形成する。第４の絶縁膜１４０は例えばＣＶＤ法を用いたＳｉＮｘ膜であり、その膜厚は１５０〜２００ｎｍ程度である。第５の絶縁膜１４１は、例えばＣＶＤ法またはＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤ法によるＳｉＯｘ膜であり、その膜厚は１００〜５００ｎｍ程度である。

さらに、発熱抵抗体１２９および測温抵抗体１３１ａ，１３１ｃを外部回路と接続するため接続孔１４２をドライエッチにより形成し、その上に端子電極１３３ｂ，１３３ｅを形成する。この端子電極１３３ｂ，１３３ｅは例えば２０ｎｍのＴｉＮ膜上に１μｍのＡｌ膜を積層して形成されている。次に、発熱抵抗体１２９および測温抵抗体１３１ａ，１３１ｃ直下のＳｉ膜をＫＯＨまたはＴＭＡＨ溶液を用いて除去し、ダイアフラム１３４を形成する。

なお、図１３では、測温抵抗体１３１ａ，１３１ｃのみを示し、その他の測温抵抗体１３１ｂ，１３１ｄを省略しているが、これら測温抵抗体１３１ｂ，１３１ｄも測温抵抗体１３１ａ，１３１ｃと同時に形成される。さらに、図１３では、端子電極１３３ｂ，１３３ｅのみを示し、その他の端子電極１３３ａ，１３３ｃ，１３３ｄ，１３３ｆ，１３３ｇ，１３３ｈを省略しているが、これら端子電極１３３ａ，１３３ｃ，１３３ｄ，１３３ｆ，１３３ｇ，１３３ｈも端子電極１３３ｂ，１３３ｅと同時に形成される。

次に、図１３および前述した図１１を用いて、加速度センサの動作について説明する。図１３は、本実施の形態４による加速度センサおよび外部回路を示した回路図である。

まず、外部電源１４５からトランジスタ１４６を通して発熱抵抗体１２９に傍熱するための加熱電流を流す。この傍熱により各測温抵抗体１３１ａ〜１３１ｄが熱せられて抵抗値が変化する。この時、発熱抵抗体１２９の抵抗値が一定に保たれるよう加熱電流を流すことにより測温抵抗体１３１ａ〜１３１ｄの温度は安定し、抵抗値も安定する。また、発熱抵抗体１２９からの各測温抵抗体１３１ａ〜１３１ｄまでの距離が一定であるため、各測温抵抗体１３１ａ〜１３１ｄの温度は等しくなり、かつ形状が同じであるため、抵抗値も等しくなる。

この状態で、例えば図１１に示すように、加速度センサ１２８に外部から力１３５が加わることによって加速度センサ１２８が動くと、均衡していた傍熱状態が崩れ、測温抵抗体１３１ａと測温抵抗体１３１ｃとの温度が異なり、抵抗値が変動して加速度を検知することができる。この抵抗値の相違（電圧差）を外部の入力回路１４７に送り、メモリ１４８に記憶している静止状態のデータと比較し、動いた方向および温度差（ΔＴｈ）をＣＰＵ等で計算して外部へ出力する。加速度センサ１２８の出力より、加速度の調整またはスイッチのオン，オフ等の処理を行なうことができる。
なお、本実施の形態４では、４つの測温抵抗体１３１ａ〜１３１ｄが４方向に配置された加速度センサ１２８について述べたが、さらに測温抵抗体の角度を変えて数を増やすことで、力１３５の加わる方向を精度よく知ることも可能である。
このように、本実施の形態４によれば、熱式流体流量センサのみではなく、加速度センサにも適用することができて、好感度の加速度センサを実現することができる。
以上、本発明者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。
例えば、前記実施の形態では、発熱抵抗体および測温抵抗体の金属膜をＭｏにより構成された熱式流体流量センサに関して説明したが、例えば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），Ｚｒ（ジルコニウム）を主成分とする金属膜、またはＴａＮ（窒化タンタル），ＭｏＮ（窒化モリブデン），ＷＮ（窒化タングステン）などの金属窒化化合物および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としてもよい。
また、前記実施の形態では第１の金属膜と第２の金属膜に異なる金属膜を用いているが、同一の金属膜であってもよい。

本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの一例を示す要部平面図である。本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの製造工程の要部断面図である。本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの製造工程の要部断面図である。本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの製造工程の要部断面図である。本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの製造工程の要部断面図である。本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの製造工程の要部断面図である。本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの製造工程の要部断面図である。本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの製造工程の要部断面図である。本発明の実施の形態１による自動車等の内燃機関の吸気通路に取り付けられた熱式流体流量センサを実装した熱式空気流量計の概略配置図である。図３の一部を拡大した要部平面図である。図４のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。本発明の実施の形態１による熱式流体流量センサの一例を示した回路図である。本発明の実施の形態２による熱式流体流量センサの要部断面図である。本発明の実施の形態３による熱式流体流量センサの一例を示す要部平面図である。本発明の実施の形態３による熱式流体流量センサの要部断面図である。本発明の実施の形態３による熱式流体流量センサの一例を示した回路図である。本発明の実施の形態４による加速度センサの一例を示す要部平面図である。本発明の実施の形態４による加速度センサの要部断面図である。本発明の実施の形態４による加速度センサの一例を示した回路図である。

符号の説明

１…熱式流体流量センサ
２…基板
３…発熱抵抗体
４…測温抵抗体
４ａ…上流測温抵抗体
４ｂ…下流測温抵抗体
５…空気測温抵抗体
６…端子電極
７…引出配線
８…浮島状絶縁部
９…ダイアフラム
１０…空気の流れ
１１，１２，１３，１６…絶縁層
１７…接続孔
１８…熱式空気流量計
１９…支持体
１９ａ…下部支持体
１９ｂ…上部支持体
２０…外部回路
２１…空気通路
２２…副通路
２３…端子電極
２４…金線
２５…電源
２６…トランジスタ
２７，２８…抵抗
２９…制御回路
３０…メモリ回路
１２８…加速度センサ
１２９…発熱抵抗体
１３０ａ，１３０ｂ…端子電極
１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ…測温抵抗体
１３２…浮島状絶縁部
１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ，１３３ｄ，１３３ｅ，１３３ｆ，１３３ｇ，１３３ｈ…端子電極
１３５…力
１３６…半導体基板
１３７，１３８，１３９，１４０，１４１…絶縁膜
１４５…外部電源
１４６…トランジスタ
１４７…制御回路
１４８…メモリ回路。

Claims

発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の横に設けられた測温抵抗体を有し、空気流量を計測する熱式流体流量センサにおいて、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成され、その底部から前記第１の絶縁膜が露出した溝を有する第２の絶縁膜とを有し、
前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体が、前記溝内に埋め込まれた導体膜により構成され、
前記発熱抵抗体の内部に前記第２の絶縁膜からなる浮島状絶縁部が配置され、
さらに、前記溝内に埋め込まれた導体膜により構成され前記発熱抵抗体を第１の端子電極に接続する第１の引き出し配線と、前記溝内に埋め込まれた導体膜により構成され前記測温抵抗体を第２の端子電極に接続する第２の引き出し配線とを有し、
前記第１の引き出し配線の内部及び前記第２の引き出し配線の内部に前記第２の絶縁膜からなる浮島状絶縁部が配置されていることを特徴とする熱式流体流量センサ。
前記発熱抵抗体の幅が、前記測温抵抗体の幅より広いことを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
前記測温抵抗体内部には前記第２の絶縁膜からなる浮島状絶縁部が配置されていないことを特徴とする請求項２に記載の熱式流体流量センサ。
前記第１の絶縁膜が窒化シリコン膜からなり、前記第２の絶縁膜が酸化シリコン膜からなることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
前記溝の上部の幅が前記溝の底部の幅より広く、前記溝の側壁の角度が６０°以上８９°以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
前記第２の絶縁膜からなる浮島状絶縁部の平面形状が正方形又は長方形であることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
前記導体膜が、モリブデン，アルファタンタル，チタン，タングステン，コバルト，ニッケル，鉄，ニオブ，ハフニウム，クロム，ジルコニウム，白金，ベータタンタルのうちのいずれかを主成分とする金属膜又は窒化チタン，窒化タンタル，窒化モリブデン，窒化タングステンのうちのいずれかの金属窒化化合物膜又はタングステンシリサイド，モリブデンシリサイド，コバルトシリサイド，ニッケルシリサイドのうちのいずれかの金属シリサイド化合物膜であることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量流体センサ。
前記測温抵抗体が上流側測温抵抗体と下流側測温抵抗体とからなり、前記発熱抵抗体が前記上流側測温抵抗体と下流側測温抵抗体の間に配置され、前記上流側抵抗体と前記発熱抵抗体の距離が前記下流側抵抗体と前記発熱抵抗体の距離と等しいことを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
前記上流側測温抵抗体がさらに第１の上流側測温抵抗体と第２の上流側測温抵抗体とからなり、前記下流側測温抵抗体がさらに第１の下流側測温抵抗体と第２の下流側測温抵抗体とからなり、前記第１の上流側測温抵抗体，前記第２の上流側測温抵抗体，前記第１の下流側測温抵抗体及び前記第２の下流側測温抵抗体により温度センサブリッジ回路が構成されていることを特徴とする請求項８に記載の熱式流体流量センサ。
発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の横に設けられた測温抵抗体を有し、空気流量を計測する熱式流体流量センサにおいて、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成され、その底部から前記第１の絶縁膜が露出した溝を有する第２の絶縁膜とを有し、
前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体が、前記溝内に埋め込まれた導体膜により構成され、
前記発熱抵抗体の内部に前記第２の絶縁膜からなる浮島状絶縁部が配置され、
さらに、発熱抵抗体用測温抵抗体と空気温度測温抵抗体と第１のヒータ温度制御用抵抗体と第２のヒータ温度制御用抵抗体により構成されたヒータ制御ブリッジ回路と、
前記溝内に埋め込まれた導体膜により構成され前記ヒータ制御ブリッジ回路の各抵抗体間のノードを第３の端子電極に接続する第３の引き出し配線とを有し、
前記第３の引き出し配線の内部に前記第２の絶縁膜からなる浮島状絶縁部が配置されていることを特徴とする熱式流体流量センサ。
前記第１の絶縁膜が窒化シリコン膜からなり、前記第２の絶縁膜が酸化シリコン膜からなることを特徴とする請求項１０に記載の熱式流体流量センサ。