CN111684240A - 半导体元件及使用该半导体元件的流量测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体装置及热式流体流量传感器，其抑制在铝膜上产生的应变，抑制由铝膜的反复金属疲劳引起的断线。本发明的半导体装置及热式流体流量传感器使硅膜和铝膜的高度在流量传感器部(隔膜端部正上方)部D和电路部(LSI部)D1中为D>D1。

Description

半导体元件及使用该半导体元件的流量测定装置

技术领域

本发明涉及一种半导体元件及使用该半导体元件的流量测定装置。

背景技术

现在，使用设置在汽车等的内燃机的电子控制燃料喷射装置中并测定吸入空气的空气流量计。作为用于这样的空气流量计的流体流量传感器，使用发热电阻体的热式流体流量传感器由于能够直接检测质量空气而成为主流。其中，通过使用半导体的MEMS技术制造的热式空气流量传感器能够降低制造成本，能够以低电力驱动，因此受到关注。

作为这样的技术，例如有专利文献1中记载的技术。在专利文献1中公开了一种热式流体流量传感器，其具有：检测部，其包含设置在半导体基板上的发热电阻体；以及电路部(LSI部)，其设置在半导体基板上，包含控制发热电阻体的控制电路。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2012-202786号公报

发明内容

发明要解决的问题

使用MEMS技术的热电偶式流体流量传感器具有隔膜结构。由于空气的流动所产生的压力，测定空气流体的流量的上述传感器的隔膜变形。通过本发明人等的研究发现，当隔膜发生变形时，会在隔膜端部的铝布线上被反复施加应力，引起金属疲劳，结果有可能断裂。专利文献1中没有提及上述问题，存在研究的余地。

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种热电偶式流体流量传感器，其抑制在铝膜上产生的应变，抑制由铝膜的反复金属疲劳引起的断线。

解决问题的技术手段

为了实现上述目的，本发明的热电偶式流体流量传感器具备：半导体基板，其具有空洞部；层叠部，其层叠在所述半导体基板上；以及热电偶，其以横穿所述层叠部中的覆盖所述空洞部的区域即隔膜部的端部的方式形成，所述热电偶具有设置在所述层叠部的硅膜和铝膜，该半导体装置的特征在于，所述硅膜设置在比所述隔膜部的中立轴更靠基板侧的位置，所述铝膜在横穿所述隔膜端部的部分中，设置在所述中立轴的与基板相反侧的位置。

发明的效果

根据本发明，由于能够抑制作为金属膜的铝膜的发生应变，因此能够抑制铝膜的断裂。

附图说明

图1是第一实施例中的俯视图。

图2是第一实施例中的A-A剖面图。

图3是第二实施例中的A-A剖面图。

图4是第三实施例中的A-A剖面图。

图5是表示本发明的作用效果的图。

图6是表示第四实施例中的铝膜的疲劳强度的图。

图7是第一实施例中的A-A剖面图。

图8是第五实施例的剖面图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。

[第一实施例]

使用图1、2、5、6说明本发明的第1实施例。

热电偶式的流体流量传感器的流量检测部21使用形成在隔膜7上的硅膜4和铝膜3的连接部5产生的电动势来测量流量。

热电偶式的流体流量传感器具备硅基板1和以覆盖设置在硅基板1上的空洞部的方式形成的隔膜7，在隔膜7上形成有发热电阻体25和配置在发热电阻体25的上下游的热电偶的连接部5。另外，在本实施例中，示出了将一个热电偶配置在发热电阻体的上下游，测定发热电阻体的上下游的温度的结构，但也可以是连接多个热电偶的热电堆。

隔膜7通过在硅基板1上层叠硅氧化膜等绝缘膜、形成热电偶的铝膜、硅膜后，通过干蚀刻等除去硅基板1的背面侧的一部分而形成。

铝膜、硅膜以横穿隔膜端部2的方式形成。

本实施例的流体流量传感器配置有对来自流量检测部21的信号进行处理的电路部8。

接着,使用图2说明剖面结构。流体流量传感器在隔膜7的外侧配置有成为电路部8的晶体管22。

流体流量传感器具备形成有空洞部的硅基板1和形成在硅基板上的层叠部18。层叠部18具备形成流量检测部的硅膜4、铝膜3、和形成电路部的硅膜28、铝膜14等。硅膜4经由形成在隔膜7上的连接部5与铝膜3连接。构成晶体管的硅膜28经由形成在电路部8上的连接部27与第二铝膜14连接。作为连接部5、27的例子，可以举出通孔。

电路部8由于为了集成化、小型化而存在多个布线层，所以以多层3、14、15形成铝膜。另外，为了实现布线层彼此的绝缘，在各层间形成有绝缘膜12、13、16。绝缘膜12、13以单层为例进行了列举，但也可以层叠多种绝缘膜，可以应用硅氧化膜、硅氮化膜等。

在本实施例中，形成于隔膜7的连接部5的高度D与形成于电路部8的连接部27的高度D1满足D>D1的关系。换言之，铝膜3配置在比铝膜14更靠表面侧的位置。进一步换言之，隔膜端部2的铝膜3与硅膜4的厚度方向的距离D比晶体管10与形成于晶体管10的大致正上方的铝膜14的厚度方向的距离D1大。

接着,对本实施例的作用效果进行说明。图5是在硅氧化膜、硅氮化膜的层叠膜内配置铝膜，分析隔膜加压时的铝膜的应力(应变)的图。作为分析条件，使得隔膜宽度为500μm、隔膜厚度为1μm、施加压力为10kPa，铝膜为弹塑性材料。图5的(a)是铝膜最接近隔膜端部2的情况，(b)是将铝膜配置在隔膜厚度的中间的情况，(c)是将铝膜配置在表面附近的情况。从图5可知，通过使铝膜远离隔膜端部2，铝膜的发生应变变小。通过使铝膜远离隔膜端部2，隔膜弯曲变形对隔膜端部的影响减少，因此认为是这样的结果。因此，为了抑制伴随铝膜的隔膜变形的发生应变，使铝膜远离隔膜端部2是有效的。

在本实施例中，通过使流量检测部21的隔膜端部2正上方的铝膜3配置在比电路部8更靠表面侧，能够抑制在隔膜端部2产生的应力对铝膜3的影响，能够抑制铝膜3的发生应变。

电路部8和流量检测部21的硅膜4通过相同的工艺制造。在不知道该知识而设计具有电路部8的热式流体流量传感器的情况下，与以往同样地在同一层形成铝膜3和铝膜14，通孔5和通孔27的高度相同。因此，与本发明相比，铝膜3更接近隔膜端部2，因此，施加压力时产生的铝膜内的应变与本实施例相比变大。

硅膜4形成于硅基板1表面侧。当铝膜3远离隔膜端部2时，发生应变减少。硅膜4优选以与形成晶体管10的步骤相同的步骤形成，因此设置在硅基板1侧。如图7所示，相对于隔膜的中立轴26，硅膜4更优选配置在硅基板1侧，铝膜3更优选配置在与硅基板侧相反的一侧(表面侧)。

作为更优选的例子，从抑制应变的观点出发，优选隔膜7中的铝膜3位于隔膜表面，但由于需要保护铝膜3不受外部环境的影响，因此形成保护膜16。因此，在自表面第二层配置构成热电偶的铝膜3的情况下，从兼顾铝膜3的保护和应变抑制的观点出发是优选的。

[第二实施例]

接着,使用图3对第二实施例进行说明。另外，对于与第一实施例相同的构成省略说明。

在第二实施例中，经由中间铝膜29连接形成热电偶的硅膜4和铝膜3。

中间铝膜29通过与第二铝膜14相同的工艺形成，与第二铝膜14形成在同一层。中间铝膜14以不横穿隔膜端部正上方附近的方式设置，以受在隔膜端部2产生的应力的影响小的方式形成。

铝膜3与中间铝膜29通过第一连接部5a连接，中间铝膜29与硅膜4通过第二连接部5a连接。作为连接部5a、b的例子，可以举出通孔。

连接部5b和连接部27以相同的工艺形成，连接部5a和连接部30以相同的工艺形成，通过使高度相等，来使纵横比相同。

在本实施例中，通过形成中间铝膜29，使形成于隔膜7的连接部5a、b与形成于电路部8的连接部30、27的形状的差异比实施例1小。在电路部8上形成有多个金属层。若如本发明那样，以从隔膜端部2离开的方式在表面侧形成铝层3，则形成于隔膜7的连接部5的高度与形成于电路部的连接部的高度27、30的高度不同。在该情况下，在形成不同高度的通孔的情况下，需要复杂的工艺，但在本实施例中，由于只要形成相同高度的通孔即可，所以能够以简单的工艺形成。

在本实施例中，以流量检测部21为金属2层的结构为例，示出了在M1层形成中间铝膜29，在M2层形成铝膜3的例子，但不限于此。例如，在电路部8为金属n层的结构的情况下，只要在M1～Mn-1层分别形成中间铝膜29，在Mn层形成铝膜3，就能够起到同样的效果。

[第三实施例]

使用图4对第三实施例进行说明。另外，对于与第一实施例相同的构成省略说明。

在本实施例中，将硅膜4配置在形成于第一绝缘膜11上的第六绝缘膜20上。通过设置绝缘膜20，使从硅基板1的表面到硅膜4的表面的距离d比从硅基板1的表面到硅膜28的表面的距离d1高。

在硅膜4与铝膜3的连接部5的高度相对于硅膜28与铝膜14的连接部27的高度相同或大的情况下，由于铝膜3远离隔膜端部2，因此能够抑制铝膜的应变。

[第四实施例]

使用图6对第四实施例进行说明。另外，对于与第一实施例1至第三实施例相同的构成省略说明。

图6是获取到的亚微米厚度的铝膜的疲劳强度(断裂应变的断裂次数依赖性)的图。为了获取通常的块状材料的疲劳强度，反复拉伸材料的两端，由其次数和拉伸力求出，但在亚微米厚度的样品中，难以在单层膜上独立加工，而且需要反复拉伸该膜的两端，因此疲劳试验本身非常困难。因此，我们开发出亚微米厚度的薄膜的疲劳强度试验法，测定了铝膜的疲劳强度。其结果如图6所示。

来自汽车的脉动压力的频率被认为最大100Hz左右。如果考虑一天5小时、365天、11年持续乘坐汽车，则脉动次数约为1E10次左右。根据图6所示的疲劳强度曲线，可以说，为了不使铝膜断裂，将发生应变控制在0.015以下是有效的。即，通过设计成不超过该范围，能够抑制铝膜的断裂。

[第五实施例]

使用图8对本发明的第五实施例进行说明。另外，对于与实施例1至4相同的构成省略说明。

本实施例的流体流量传感器不一体地形成运算电路8，而使其他半导体元件具有其功能。在本实施例中，硅膜4也设置在比隔膜7的中立轴26更靠基板1侧的位置，铝膜3在横穿隔膜端部2的部分中，设置在中立轴26的与基板1相反侧的位置，由此，使铝膜3离开隔膜端部2，起到与实施例1同样的效果。

另外，在上述各实施例中，作为具备热电偶的半导体元件，以流体流量传感器为例进行了说明，但不限于此，也可以适用于温度传感器、湿度传感器等各种传感器。

另外，各实施例中记载的半导体元件可适用于测定内燃机的流量的流量检测装置、测定湿度的湿度测定装置等物理量测定装置。

符号说明

1…硅基板

2…隔膜端部

3…铝膜

4…硅膜

5…连接部

5a…第一连接部

5b…第二连接部

7…隔膜

8…电路部

9…铝垫

10…扩散层

11…第一绝缘膜

12…第二绝缘膜

13…第三绝缘膜

14…第二铝膜

15…第三铝膜

16…第四绝缘膜

17…第五绝缘膜

18…层叠部

20…绝缘膜

21…流量检测部

22…晶体管

23…电路部处的从硅基板表面到硅膜表面的距离

24…流量传感器部处的从硅基板表面到硅膜表面的距离

25…发热电阻体

26…中立轴

27…连接部

28…硅膜

29…中间铝膜

30…连接部。

Claims (9)

1.一种半导体元件，其具备：

半导体基板，其具有空洞部；以及

层叠部，其层叠在所述半导体基板上，

所述层叠部形成覆盖所述空洞部的隔膜，

所述层叠部具有构成热电偶的硅膜、铝膜、以及连接所述硅膜与铝膜的连接部，

所述连接部设置在所述隔膜上，

该半导体元件的特征在于，

所述硅膜设置在比所述隔膜的中立轴更靠基板侧的位置，

所述铝膜在横穿所述隔膜端部的部分中，设置在所述中立轴的与基板相反侧的位置。

2.一种半导体元件，其具备：

半导体基板，其具有空洞部；以及

层叠部，其层叠在所述半导体基板上，

所述层叠部形成覆盖所述空洞部的隔膜，

所述层叠部具有构成热电偶的硅膜、铝膜、以及连接所述硅膜与铝膜的连接部，

所述连接部设置在所述隔膜上，

该半导体元件的特征在于，

具备电路部，该电路部具有：晶体管，其设置在所述隔膜外；第一铝层，其形成在所述层叠部中的隔膜外；以及第二铝层，其形成在该第一铝层的上层侧，

构成所述热电偶的铝膜中的横穿隔膜端部的部分形成在所述第一铝层的上层。

3.一种半导体元件，其具备：

半导体基板，其具有空洞部；以及

层叠部，其层叠在所述半导体基板上，

所述层叠部形成覆盖所述空洞部的隔膜，

所述层叠部具有构成热电偶的硅膜、铝膜、以及连接所述硅膜与铝膜的连接部，

所述连接部设置在所述隔膜上，

该半导体元件的特征在于，

具有电路部，该电路部包括设置在所述隔膜部外的晶体管，

所述隔膜端部中的所述铝膜和所述硅膜的厚度方向的距离D比所述晶体管和形成在所述晶体管正上方的铝膜的厚度方向的距离D1大。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体元件，其特征在于，

所述隔膜部形成有中间层，

所述硅膜与所述铝膜经由所述中间层电连接。

5.根据权利要求2或3所述的半导体元件，其特征在于，

在所述隔膜上，在所述铝膜的下层侧且所述硅膜的上层侧形成有中间层，

所述连接部具有第一连接部和第二连接部，

所述铝膜与所述中间层经由第一连接部连接，

所述中间层与所述硅膜经由第二连接部连接。

6.根据权利要求5所述的半导体元件，其特征在于，

所述中间层是铝膜，

所述第一连接部和所述第二连接部是通孔，

连接所述硅膜与所述中间层的通孔的高度与连接所述晶体管与所述晶体管正上方的铝膜的通孔的高度相同。

7.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体元件，其特征在于，

所述隔膜部端部的铝膜设置在发生应变为0.015以下的部位。

8.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体元件，其特征在于，

形成在所述隔膜端部正上方的构成所述热电偶的铝膜配置在自所述层叠部的最上层的第二层。

9.一种流量测定装置，其特征在于，

具备权利要求1～7中任一项所述的半导体元件。

Images