JP4966526B2 - 流量センサ - Google Patents
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Description
本発明は、流体または気体流量センサに関し、特に、発熱抵抗体と測温抵抗体とを含み、流体または気体流量を計測するセンサに適用して有効な技術に関するものである。
自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設置されて吸入空気量を測定する空気流量計では、質量空気量が直接検知できることから、熱式流体流量センサが主流となっている。なかでも、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流体流量センサは、低コストで製造でき、かつ低電力で駆動できるという利点を有していることから、注目されている。
例えば、３．１×１０−７〜２×１０−２Ωｍの範囲の材料を用いて、抵抗値がほぼ１ｋΩになるように半導体基板上に熱絶縁構造の形態で半導体微細加工技術によって形成されたヒータ線を具備する熱式マイクロフローセンサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、流体の流れる方向に上流測温抵抗体、発熱抵抗体および下流測温抵抗体が順に配列され、例えばＮｉのような抵抗温度係数の大きい材料の薄膜あるいは線で測温抵抗体を形成し、Ｎｉより抵抗温度係数の小さいＰｔで発熱抵抗体を形成したフローセンサが開示されている（例えば、特許文献２参照）。また、絶縁された基板の表面に、スパッタリング法で形成された結晶粒径が８００Å以上の白金抵抗膜からなる薄膜式抵抗体が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
さらに、同一梁上の上、下流側に上、下流側梁温度測温体を形成し、主要な測温体と流体温度測温体側に関してはバランス調整用抵抗体とともに第１の電気ブリッジ回路を形成し、上、下流側梁温度測温体に関しては他のバランス調整用抵抗体とともに第２の電気ブリッジ回路を形成し、デジタルメモリ演算回路で第１、２の電気ブリッジ回路の出力を保持してゼロ点補正を伴い流速を求める演算処理を行うように構成した感熱式流量計が開示されている（例えば、特許文献４参照）。また、主梁上に発熱抵抗体及び主測温抵抗体を形成し、下流側に副測温抵抗体を形成し、上流側に流体測温抵抗体を形成し、主測温抵抗体と副測温抵抗体と流体測温抵抗体とが接続された第１電気ブリッジ回路を設け、副測温抵抗体と流体測温抵抗体とが接続された第２電気ブリッジ回路を設けて、第１及び第２電気ブリッジ回路の出力を演算処理する感熱式マイクロブリッジ型流速計が開示されている（例えば、特許文献５参照）。また、基板上に室温校正用抵抗体を設け、基板の外部に電流計測用抵抗体を設け、発熱体測温抵抗体と流体測温抵抗体とバランス調整用抵抗体とが接続された電気ブリッジを設け、電圧降下値を随時計測し、デジタル信号として出力する電気計測回路を設け、室温変化による誤差の除去の演算処理を行う演算処理回路を設けた感熱式マイクロブリッジ型流量計が開示されている（例えば、特許文献６参照）。
さらに、物理的性質が同一または同様な２つの感熱部を有し、両感熱部は、無風時の特性である静特性が同じかもしくは同等で、流速依存特性である動特性が異なるように校正された感熱式流速計が開示されている（例えば、特許文献７参照）。
特開平８−５４２６９号公報（段落[００２７]〜[００２９]）
特開平５−２２３６１３号公報（段落[００１２]〜[００１５]）
特開平１０−２１３４７０号公報（段落[００１８]）
特開平６−２３００２１号公報（図１）
特開平６−３００６０５号公報（図１）
特開平６−３１７４４０号公報（図１）
特開平７−１９０８２２号公報（段落[００１３]、図１、図２）
電気抵抗値の温度係数（Temperature Co-efficiency of Resistance、以下ＴＣＲと略す）が相対的に高い金属膜で熱式流体流量センサの測温抵抗体を形成することにより、測温抵抗体の検知感度を向上させることができる。しかしながら、本発明者らが検討したところ、単結晶Ｓｉ（シリコン）からなる半導体基板上に絶縁膜を介して形成された金属膜のＴＣＲは、絶縁膜を介さずに単結晶Ｓｉからなる半導体基板上に直接形成された金属膜のＴＣＲよりも低くなり、金属膜を熱式流体流量センサの測温抵抗体に用いたにも係わらず、金属膜が本来持つ相対的に高いＴＣＲを得ることができず、測温抵抗体の検知感度が損なわれることが明らかとなった。
本発明の目的は、半導体基板上に絶縁膜を介して相対的に高いＴＣＲを有する金属膜を形成することにより、高感度の流量センサを実現することのできる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他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発明のうち、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。
本発明は、半導体基板上に絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体と測温抵抗体とを含み、流体または気体流量を計測する流量センサであって、発熱抵抗体および測温抵抗体を、Ｔａ（タンタル）インゴットの３倍以下の抵抗率を有する体心立方晶系構造のＴａ膜で構成するものである。
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。
半導体基板上に絶縁膜を介して相対的に高いＴＣＲを有するＴａ膜が形成されるので、高感度の流量センサを実現することができる。
本実施の形態においては、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、本実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、本実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、本実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。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。
（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。
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，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，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、上流側測温抵抗体４ａと下流側測温抵抗体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の幅は、例えば１０〜２０μｍ程度であり、測温抵抗体４の幅は、例えば１〜２μｍ程度である。また、引き出し配線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇの幅は、例えば１００μｍ程度である。
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を図２〜図６を用いて工程順に説明する。図２〜図６は、図１のＡ−Ａ′線における要部断面図である。
まず、図２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上に絶縁膜８、金属を含む非晶質膜９および第１の金属膜４ｃを順次形成する。絶縁膜８は、半導体基板２と金属を含む非晶質膜９とを絶縁するために設けられ、例えばＳｉＯｘ（酸化シリコン）膜またはＳｉＮｘ（窒化シリコン）膜からなり、その厚さは、例えば２００ｎｍ程度である。金属を含む非晶質膜９は、スパッタリング法により形成された厚さ５０ｎｍ以下のＴａＯｘ（酸化タンタル）膜を例示することができる。ＴａＯｘ膜に代えて、例えばＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）膜、ＴｉＯｘ（酸化チタン）膜、ＭｏＯｘ（酸化モリブデン）膜またはＡｌＮｘ（窒化アルミニウム）膜を用いてもよい。第１の金属膜４ｃは、スパッタリング法により形成された厚さ１００ｎｍ程度の体心立方晶系構造を有するＴａ（以下、α−Ｔａと略す）膜を例示することができる。第１の金属膜４ｃ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。なお、金属を含む非晶質膜９と第１の金属膜４ｃとは、同一のスパッタリング装置を用いて、連続して成膜してもよい。
次に、図３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として第１の金属膜４ｃをエッチングし、第１の金属膜４ｃからなる発熱抵抗体３、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）、空気温度測温抵抗体５および引き出し配線７ｅを形成する。なお、図３および以下の説明で用いる図４〜図６では、引き出し配線７ｅのみを示し、その他の引き出し配線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｆ，７ｇを省略するが、これら引き出し配線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｆ，７ｇは引き出し配線７ｅと同時に形成される。
次に、図４に示すように、発熱抵抗体３、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）、空気温度測温抵抗体５および引き出し配線７ｅの上層に保護膜１０および層間絶縁膜１１を順次形成する。保護膜１０は、熱処理による影響を抑制する機能を有し、金属を含む酸化化合物または金属を含む窒化化合物からなる。保護膜１０の厚さは、層間絶縁膜１１のエッチング時の余裕を考慮すると８０ｎｍ以下が望ましい。層間絶縁膜１１は、例えば厚さ５００ｎｍ程度のＳｉＯｘ膜により構成される。
次に、図５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として層間絶縁膜１１および保護膜１０を順次エッチングし、第１の金属膜４ｃからなる引き出し配線７ｅの一部を露出させる接続孔１２を形成する。上記エッチングにはドライエッチング法またはウエットエッチング法が用いられる。続いて、接続孔１２の内部を含む層間絶縁膜１１の上層に第２の金属膜を形成する。その後、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として第２の金属膜をエッチングし、接続孔１２を介して引き出し配線７ｅに電気的に接続する端子電極６ｅを形成する。なお、図５および以下の説明で用いる図６では、端子電極６ｅのみを示し、その他の端子電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｆ，６ｇを省略するが、これら端子電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｆ，６ｇは端子電極６ｅと同時に形成される。
第２の金属膜は、例えば厚さ１μｍ程度のＡｌ（アルミニウム）合金膜により構成されるが、第１の金属膜４ｃからなる引き出し配線７ｅとの接触を良好にするため、形成前にＡｒ（アルゴン）により第１の金属膜４ｃの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合金膜と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、十分に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。
次に、図６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）水溶液またはＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）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、ダイヤフラム１３を形成する。このダイヤフラム１３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、本実施の形態１では、第１の金属膜４ｃおよび第２の金属膜からなる２層の金属膜構造を記載したが、抵抗体のレイアウトで配線が交差してしまう場合などは第１の金属膜４ｃおよび第２の金属膜と同様の材料を用いた他の金属膜を形成して、３層の金属膜構造としてもよい。
図７は、本実施の形態１による金属を含む非晶質膜上に成膜されたＴａ膜の抵抗率（室温）とＴＣＲ（室温〜３００℃）との関係を示すグラフ図である。
ＳｉＯｘ膜等の絶縁膜上に直接Ｔａ膜を形成した場合は、正方晶系構造を有するＴａ（以下、β−Ｔａと略す）が主体的となり、その抵抗率はα−Ｔａインゴットの抵抗率の１０倍以上となってＴＣＲはほぼ零に近い値となる。ここでインゴットとは、融液から成長して凝固した単結晶からなる固体の塊をいう。
これに対し、金属を含む非晶質膜上にＴａ膜を形成した場合は、α−Ｔａが主体的となり、図７に示すように、Ｔａ膜の抵抗率が減少するに従い、α−Ｔａインゴットの抵抗率に近づいて、Ｔａ膜のＴＣＲは増加する。また、α−Ｔａが５０％以上を占有するＴａ膜では、その抵抗率がα−Ｔａインゴットの３倍以下となり、これに伴い約２５００ｐｐｍ／℃以上のＴＣＲが確保されて、実用上十分高いＴＣＲが得られることがわかる。さらに、抵抗率を制御することにより、Ｔａ膜のＴＣＲのバラツキを低減できることがわかる。
なお、金属膜の抵抗率ρは一般に（式１）で近似される。
ρ＝ρ０＋α１＋α２＋α３ （式１）
上記（式１）において、ρ０は金属膜を構成する主成分の金属元素からなるインゴットの抵抗率、α１は表面散乱による抵抗増加、α２は粒界散乱による抵抗増加、α３は粒内散乱による抵抗増加である。従って、上記（式１）のα１〜α３の項を抑えることにより、その金属膜本来のＴＣＲが得られることになる。但し、単結晶Ｓｉからなる半導体基板などに形成した金属膜では、微細なパターンを形成すると、表面散乱による抵抗増加α１が大きくなり、その抵抗率ρをインゴットの抵抗率ρ０にすることは非常に困難となる。そのため、少なくとも粒界散乱による抵抗増加α２および粒内散乱による抵抗増加α３を小さくすることが重要となる。
上記（式１）において、ρ０は金属膜を構成する主成分の金属元素からなるインゴットの抵抗率、α１は表面散乱による抵抗増加、α２は粒界散乱による抵抗増加、α３は粒内散乱による抵抗増加である。従って、上記（式１）のα１〜α３の項を抑えることにより、その金属膜本来のＴＣＲが得られることになる。但し、単結晶Ｓｉからなる半導体基板などに形成した金属膜では、微細なパターンを形成すると、表面散乱による抵抗増加α１が大きくなり、その抵抗率ρをインゴットの抵抗率ρ０にすることは非常に困難となる。そのため、少なくとも粒界散乱による抵抗増加α２および粒内散乱による抵抗増加α３を小さくすることが重要となる。
ところで、Ｔａは幾つかの結晶構造体を持っており、抵抗率ρ０がより低い結晶構造を有するＴａ膜、すなわちα−Ｔａ膜を形成することが重要である。しかしながら、ＳｉＯｘ膜等の絶縁膜上にスパッタリング法などで形成したＴａ膜は、Ｔａが堆積する過程において被着したＴａ粒子が絶縁膜の表面を移動して一箇所に凝集し、β−Ｔａ多結晶となる。このため、粒界散乱による抵抗増加α２および粒内散乱による抵抗増加α３等の電子散乱に起因した抵抗増加によって、上記Ｔａ膜は高抵抗となる。また、一度形成されたβ−Ｔａをα−Ｔａへ変えるには、高い熱エネルギーが必要となる。これらのことから、α−Ｔａ膜の形成は容易ではなく、従来は相対的に高いＴＣＲを得ることが難しかった。
しかし、本実施の形態１では、第１の金属膜４ｃの下層に金属を含む非晶質膜９を形成することにより、これまで困難であったα−Ｔａ膜の形成を容易とする。これは、金属を含む非晶質膜９が金属元素の結合手が存在する表面状態を有することから、α−Ｔａの核が生成されてα−Ｔａの成長が進むことにより、α−Ｔａ膜の形成が容易となると考えられる。さらに、このα−Ｔａ膜は１００ｎｍ以上の粗大粒径を有する大結晶粒を形成し、かつその大結晶粒が全体の５０％以上を占める多結晶である。その複数の大結晶粒の間は、粒内の結晶格子配列が双晶の関係にある、または２０度以内の格子面傾角である小傾角粒界の関係にあり、このような隣接粒界接触を有する大結晶粒の集団が多結晶領域の３０％を占めている。
従って、金属膜であっても粒界での異物の偏析が少なく、また、金属膜の抵抗増加の原因となる粒界での電子散乱を抑制できるので、第１の金属膜４ｃの抵抗全体に占める粒内の結晶格子上の金属粒子熱振動成分が増大することにより、相対的に高いＴＣＲを実現することができる。
なお、本実施の形態１では、α−Ｔａ膜を形成するために第１の金属膜４ｃの下層に金属を含む非晶質膜９を形成したが、その他の方法として、例えば第１の金属膜４ｃの下層を絶縁膜８（例えばＳｉＯｘ膜のような金属を含まない非晶質膜）とし、Ａｒガス等を用いたスパッタエッチング法またはイオン打ち込み法により、前記絶縁膜８の表面を、例えば金属を含む非晶質膜９と同様の表面状態、すなわち元素の結合手が存在する表面状態にしてもよく、あるいは、例えば第１の金属膜４ｃの下層を配向性が弱く、α−Ｔａの成長を妨げない結晶膜としてもよい。第１の金属膜４ｃ全体に占めるα−Ｔａの割合は少なくとも５０％以上であればよい。
図８は、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。
熱式空気流量計１４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１５と、外部回路１６とから構成され、測定素子１は、空気通路１７の内部にある副通路１８に配置される。外部回路１６は支持体１５を介して測定素子１の端子に電気的に接続される。吸気空気は、内燃機関の条件によって、図８に矢印で示された空気流１９の方向、またはこれとは逆の方向に流れる。
図９は、前述した図８の一部（測定素子１および支持体１５）を拡大した要部平面図であり、図１０は、図９のＢ−Ｂ′線における要部断面図である。
図９および図１０に示すように、測定素子１は、下部の支持体１５ａ上に固定されており、測定素子１の端子電極２０と外部回路１６の端子電極２１との間は、例えば金線２２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。端子電極２０，２１および金線２２は、上部の支持体１５ｂで覆うことにより保護されている。上部の支持体１５ｂは、密封保護であってもよい。
次に、図１１を用いて、前述した熱式空気流量計１４の動作について説明する。図１１は、本実施の形態１による測定素子１と外部回路１６とを示した回路図であり、符号２３は電源、符号２４は発熱抵抗体３に加熱（傍熱）電流を流すためのトランジスタ、符号２５，２６，２７は外部回路１６内に設置された抵抗、符号２８はＡ／Ｄ変換器等を含む出力回路と演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）からなる制御回路、符号２９はメモリ回路である。
測温抵抗体４、空気温度測温抵抗体５、抵抗２６，２７からなるブリッジ回路の端子Ｃ，Ｄの電圧が制御回路２８に入力され、発熱抵抗体３から傍熱された測温抵抗体４の温度（Ｔｈ）が空気温度に対応する空気温度測温抵抗体５の温度（Ｔｒ）より、ある一定値（例えばΔＴｈ＝１５０℃）高くなるように発熱抵抗体３、測温抵抗体４、空気温度測温抵抗体５および抵抗２５，２６，２７の抵抗値が設定され、制御回路２８より制御される。測温抵抗体４の温度が設定値より低い場合は、制御回路２８の出力によりトランジスタ２４がオンするように制御されて発熱抵抗体３に加熱電流が流れる。一方、測温抵抗体４の温度が設定値より高い場合は、トランジスタ２４がオフするように制御されて設定値になるように制御される。この時、発熱抵抗体３に流す加熱電流（抵抗２５の電位Ｂに対応）が空気流量（Ｑ）となる。
なお、本実施の形態１では、熱式流体流量センサである測定素子１と外部回路１６とが分かれている例を示したが、本実施の形態１で示した抵抗体（発熱抵抗体３および測温抵抗体４）はＳｉ半導体プロセスにおいて一般的に用いられる材料であることから、専用の製造ラインを用いなくても熱式流体流量センサである測定素子１と外部回路１６とを同一の半導体基板２上に形成することができる。従って、１チップ化することで、コスト低減が可能となる。
このように、本実施の形態１によれば、金属を含む非晶質膜（例えばＴａＯｘ膜、ＡｌＯｘ膜、ＴｉＯｘ膜、ＭｏＯｘ膜またはＡｌＮｘ膜）上にスパッタリング法によりＴａ膜を形成することにより、少なくとも１００ｎｍ以上の粗大粒径を有する大結晶粒が形成されて、粒界での異物の偏析や粒内の欠陥が少なく、金属膜の抵抗起因となる電子散乱が抑制されるので、Ｔａインゴットの３倍以下の抵抗率を有するα−Ｔａ膜を形成することができる。その結果、Ｔａ膜本来が持つ相対的に高いＴＣＲ、例えば約２５００ｐｐｍ／℃以上のＴＣＲが得られて、Ｔａ膜から構成される測温抵抗体を含む熱式流体流量センサの検出感度を向上させることができる。
（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および測温抵抗体を構成する金属膜に、Ｍｏ（モリブデン）膜を用いる。図１２は、本実施の形態２による熱式流体流量センサの一例を示す要部断面図であり、前述した実施の形態１の図６と同一箇所（図１のＡ−Ａ′線における要部断面図）を示している。
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および測温抵抗体を構成する金属膜に、Ｍｏ（モリブデン）膜を用いる。図１２は、本実施の形態２による熱式流体流量センサの一例を示す要部断面図であり、前述した実施の形態１の図６と同一箇所（図１のＡ−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３０上に絶縁膜３１が形成され、さらに絶縁膜３１上には第３の金属膜、例えばＭｏからなる発熱抵抗体３２、測温抵抗体（上流側測温抵抗体３３ａおよび下流側測温抵抗体３３ｂ）、空気温度測温抵抗体３４および引き出し配線３５が形成されている。絶縁膜３１は、半導体基板３０と第３の金属膜とを絶縁するために設けられ、例えばＳｉＯｘ膜またはＳｉＮｘ膜からなり、その厚さは、例えば２００ｎｍ程度である。また、絶縁膜３１の表面には、その上に形成される第３の金属膜の配向を向上させる機能を有する改質層３１ａが設けられている。この改質層３１ａは、例えば絶縁膜３１の表面をＡｒガス等を用いてスパッタエッチングする、または絶縁膜３１の表面に不純物をイオン打ち込みすることにより形成され、元素の結合手が存在する状態を有している。発熱抵抗体３２、測温抵抗体（上流側測温抵抗体３３ａおよび下流側測温抵抗体３３ｂ）、空気温度測温抵抗体３４および引き出し配線３５の上層には、例えば厚さ１５０ｎｍ程度のＳｉＮｘ膜により構成される層間絶縁膜３６が形成されている。
さらに、前述した実施の形態１と同様に、第４の金属膜からなる引き出し配線３５の一部を露出させる接続孔３７、接続孔３７を介して引き出し配線３５に電気的に接続する端子電極３８、およびダイヤフラム３９が形成されている。
なお、図１２では、第３の金属膜（例えばＭｏ膜）からなる発熱抵抗体３２、測温抵抗体（上流側測温抵抗体３３ａおよび下流側測温抵抗体３３ｂ）、空気温度測温抵抗体３４および引き出し配線３５の上層に、直接層間絶縁膜３６を形成したが、第３の金属膜と層間絶縁膜３６との間に金属を含む窒化化合物（例えばＭｏＮ（窒化モリブデン）、ＴｉＮ、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＷＮ（窒化タングステン）またはＮｉＮ（窒化ニッケル）等）、あるいは酸化化合物（例えばＡｌＯｘ、ＭｏＯｘ、ＴａＯｘまたはＴｉＯｘ等）を形成してもよく、これにより、接着性の向上を図ることができる。また、本実施の形態２では、第３および第４の金属膜からなる２層の金属膜構造を記載したが、抵抗体のレイアウトで配線が交差してしまう場合などは第３および第４の金属膜と同様の材料を用いた他の金属膜を形成して、３層の金属膜構造としてもよい。
図１３は、本実施の形態２による改質層上に成膜されたＭｏ膜の抵抗率（室温）とＴＣＲ（室温〜３００℃）との関係を示すグラフ図である。
前述したＴａ膜と同様に、Ｍｏ膜の抵抗率とＴＣＲとは密接な関係があることがわかる。すなわち、Ｍｏ膜の抵抗率が減少するに従い、Ｍｏ膜のＴＣＲは増加し、Ｍｏ膜の抵抗率がＭｏインゴットの３倍以下であれば、約２０００ｐｐｍ／℃以上のＴＣＲが確保されて、実用上十分高いＴＣＲが得られる。従って、少なくとも測温抵抗体にＭｏインゴットの３倍以下の抵抗率を有するＭｏ膜を用いることにより、検出精度が向上して精度の高い温度補正が可能となる。
このように、本実施の形態２によれば、絶縁膜３１の表面に形成した改質層３１ａ上にスパッタリング法によりＭｏ膜を成膜することにより、Ｍｏインゴットの３倍以下の抵抗率を有するＭｏ膜を形成することができる。その結果、Ｍｏ膜本来が持つ相対的に高いＴＣＲ、例えば約２０００ｐｐｍ／℃以上のＴＣＲが得られて、Ｍｏ膜から構成される測温抵抗体を含む熱式流体流量センサの検出感度を向上させることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態３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。
本実施の形態３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１４は、本実施の形態３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４１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４２と、発熱抵抗体４２と外部回路との電気的接続を行う端子電極４３ａ，４３ｂと、発熱抵抗体４２から４方向に一定の間隔を開けて配置された同じ長さ（同じ抵抗値）の測温抵抗体４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄと、測温抵抗体４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄと外部回路との電気的接続を行う端子電極４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆとを有し、外部回路でブリッジ回路等が構成される。
図１５は、図１４のＣ−Ｃ′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４６上に絶縁膜４７が形成され、絶縁膜４７上には金属を含む非晶質膜４８が形成されている。さらに、金属を含む非晶質膜４８上には第５の金属膜からなる発熱抵抗体４２、測温抵抗体４４ｂ，４４ｄおよび引き出し配線４９が形成されている。金属を含む非晶質膜４８は、前述した実施の形態１の金属を含む非晶質膜９と同様であり、厚さ５０ｎｍ以下のＴａＯｘ膜、ＡｌＯｘ膜、ＴｉＯｘ膜、ＭｏＯｘ膜、またはＡｌＮｘ膜を例示することができる。また、第５の金属膜も、前述した実施の形態１の第１の金属膜４ｃと同様であり、厚さ１００ｎｍ程度のα−Ｔａ膜を例示することができる。
発熱抵抗体４２、測温抵抗体４４ｂ，４４ｄおよび引き出し配線４９の上層には、例えば厚さ１５０ｎｍ程度のＳｉＮｘ膜により構成される層間絶縁膜５０が形成されている。さらに、前述した実施の形態１と同様に、第５の金属膜からなる引き出し配線４９の一部を露出させる接続孔５１、接続孔５１を介して引き出し配線４９に電気的に接続する端子電極４５ｃ，４５ｆ、およびダイヤフラム５２が形成されている。
なお、図１５では、測温抵抗体４４ｂ，４４ｄのみを示し、その他の測温抵抗体４４ａ，４４ｃを省略するが、これら測温抵抗体４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄは同時に形成される。さらに、図１５では、端子電極４５ｃ，４５ｆのみを示し、その他の端子電極４３ａ，４３ｂおよび端子電極４５ａ，４５ｂ，４５ｄ，４５ｅを省略するが、これら端子電極４３ａ，４３ｂおよび端子電極４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆは同時に形成される。
次に、図１６および前述した図１４を用いて、加速度センサの動作について説明する。図１６は、本実施の形態３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５３から発熱抵抗体４２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４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄが熱せられて抵抗値が変化する。この時、加熱電流を一定に保つことにより測温抵抗体４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄの温度は安定し、抵抗値も安定する。また、発熱抵抗体４２から各測温抵抗体４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄまでの距離が一定であるため、各測温抵抗体４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ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１４に示すように、加速度センサ４１に外部から力５４が加わることによって加速度センサ４１が動くと、均衡していた傍熱状態が崩れ、測温抵抗体４４ｂと測温抵抗体４４ｄとの温度が異なり、抵抗値が変動して加速度を感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５５に送り、メモリ５６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（ΔＴ）をＣＰＵ等で計算して外部へ出力する。加速度センサ４１の出力結果より、加速度の調整またはスイッチのオン、オフ等の処理を行うことができる。符号５７，５８はヒータ出力調整用の抵抗体である。
なお、本実施の形態３では、測温抵抗体４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄが４方向に配置された加速度センサ４１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５４の加わる方向を精度良く知ることも可能である。
また、発熱抵抗体４２および測温抵抗体４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄを、前述した実施の形態１のα−Ｔａ膜で構成したが、前述した実施の形態２のＭｏ膜で構成してもよく、同様な効果が得られる。また、相対的に高いＴＣＲを有する抵抗体を備えることから、単に温度センサとしても用いることができる。
このように、本実施の形態３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、高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、測温抵抗体等をＴａまたはＭｏを主成分とする金属膜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Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｚｒ（ジルコニウム）またはＦｅ（鉄）を主成分とする金属膜を用いてもよく、これら金属膜の下地に金属を含む非晶質膜を設ける、または下地に元素の結合手が存在する絶縁膜の改質層を設けることにより、前述した実施の形態１および２と同様の効果が得られる。すなわち、１００ｎｍ以上の粗大粒径を有する大結晶粒が形成され、かつ粒界での異物の偏析が少なくなることにより、金属膜の抵抗増加起因となる粒界での電子散乱が抑制されて、抵抗全体に占める粒内の結晶格子上の金属粒子熱振動成分が増大し、その結果相対的に高いＴＣＲを実現することができる。従って、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒまたはＦｅを主成分とする金属膜に関してもインゴットの抵抗率の３倍以下の形成することにより、検出精度が向上して精度の高い温度補正が可能となる。
本発明は、前述した実施の形態による熱式流体流量センサまたは加速度センサの他、温度センサ、湿度センサまたはガスセンサなどの様々なセンサに適用することができる。
１ 測定素子
２ 半導体基板
３ 発熱抵抗体
４ 測温抵抗体
４ａ 上流側測温抵抗体
４ｂ 下流側測温抵抗体
４ｃ 第１の金属膜
５ 空気温度測温抵抗体
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ 端子電極
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ 引き出し配線
８ 絶縁膜
９ 金属を含む非晶質膜
１０ 保護膜
１１ 層間絶縁膜
１２ 接続孔
１３ ダイヤフラム
１４ 熱式空気流量計
１５ 支持体
１５ａ 下部支持体
１５ｂ 上部支持体
１６ 外部回路
１７ 空気通路
１８ 副通路
１９ 空気流
２０，２１ 端子電極
２２ 金線
２３ 電源
２４ トランジスタ
２５，２６，２７ 抵抗
２８ 制御回路
２９ メモリ回路
３０ 半導体基板
３１ 絶縁膜
３１ａ 改質層
３２ 発熱抵抗体
３３ａ 上流側測温抵抗体
３３ｂ 下流側測温抵抗体
３４ 空気温度測温抵抗体
３５ 引き出し電極
３６ 層間絶縁膜
３７ 接続孔
３８ 端子電極
３９ ダイヤフラム
４１ 加速度センサ
４２ 発熱抵抗体
４３ａ，４３ｂ 端子電極
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ 測温抵抗体
４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ、４５ｆ 端子電極
４６ 半導体基板
４７ 絶縁膜
４８ 金属を含む非晶質膜
４９ 引き出し配線
５０ 層間絶縁膜
５１ 接続孔
５２ ダイヤフラム
５３ 外部電源
５４ 力
５５ 入力回路
５６ メモリ
５７，５８ 抵抗体
２ 半導体基板
３ 発熱抵抗体
４ 測温抵抗体
４ａ 上流側測温抵抗体
４ｂ 下流側測温抵抗体
４ｃ 第１の金属膜
５ 空気温度測温抵抗体
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ 端子電極
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ 引き出し配線
８ 絶縁膜
９ 金属を含む非晶質膜
１０ 保護膜
１１ 層間絶縁膜
１２ 接続孔
１３ ダイヤフラム
１４ 熱式空気流量計
１５ 支持体
１５ａ 下部支持体
１５ｂ 上部支持体
１６ 外部回路
１７ 空気通路
１８ 副通路
１９ 空気流
２０，２１ 端子電極
２２ 金線
２３ 電源
２４ トランジスタ
２５，２６，２７ 抵抗
２８ 制御回路
２９ メモリ回路
３０ 半導体基板
３１ 絶縁膜
３１ａ 改質層
３２ 発熱抵抗体
３３ａ 上流側測温抵抗体
３３ｂ 下流側測温抵抗体
３４ 空気温度測温抵抗体
３５ 引き出し電極
３６ 層間絶縁膜
３７ 接続孔
３８ 端子電極
３９ ダイヤフラム
４１ 加速度センサ
４２ 発熱抵抗体
４３ａ，４３ｂ 端子電極
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ 測温抵抗体
４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ、４５ｆ 端子電極
４６ 半導体基板
４７ 絶縁膜
４８ 金属を含む非晶質膜
４９ 引き出し配線
５０ 層間絶縁膜
５１ 接続孔
５２ ダイヤフラム
５３ 外部電源
５４ 力
５５ 入力回路
５６ メモリ
５７，５８ 抵抗体
Claims (16)
- 半導体基板上に絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体と測温抵抗体とを含み、流体または気体流量を計測する流量センサであって、少なくとも前記測温抵抗体は金属膜で構成され、前記絶縁膜上に金属を含む非晶質膜が設けられ、前記金属膜が前記金属を含む非晶質膜の直上に形成され、前記金属膜の抵抗率が、前記金属膜を構成する主成分の金属元素からなるインゴットの３倍以下の抵抗率を有することを特徴とする流量センサ。
- 請求項１記載の流量センサにおいて、前記金属膜は、Ｔａ膜、Ｍｏ膜、Ｔｉ膜、Ｗ膜、Ｃｏ膜、Ｎｉ膜、Ｎｂ膜、Ｈｆ膜、Ｃｒ膜、Ｚｒ膜またはＦｅ膜であることを特徴とする流量センサ。
- 請求項１記載の流量センサにおいて、前記金属膜がＴａ膜であり、体心立方晶系構造のＴａが、前記Ｔａ膜の５０％以上を占めることを特徴とする流量センサ。
- 請求項１記載の流量センサにおいて、前記金属膜は、１００ｎｍ以上の径を有する結晶粒が全体の５０％以上を占める多結晶であることを特徴とする流量センサ。
- 請求項３記載の流量センサにおいて、前記Ｔａ膜は複数のＴａ結晶粒を含み、複数の前記Ｔａ結晶粒の間は、粒内の結晶格子配列が双晶の関係にある、または２０度以内の格子面傾角である小傾角粒界の関係にあることを特徴とする流量センサ。
- 請求項５記載の流量センサにおいて、粒内の結晶格子配列が双晶の関係にある、または２０度以内の格子面傾角である小傾角粒界の関係にある隣接粒界接触を有する複数の前記Ｔａ結晶粒が、多結晶領域の約３０％を占めることを特徴とする流量センサ。
- 請求項１記載の流量センサにおいて、前記金属を含む非晶質膜の厚さは、５０ｎｍ以下であることを特徴とする流量センサ。
- 請求項１記載の流量センサにおいて、前記金属を含む非晶質膜は、ＴａＯｘ膜、ＡｌＯｘ膜、ＴｉＯｘ膜、ＭｏＯｘ膜またはＡｌＮｘ膜であることを特徴とする流量センサ。
- 請求項１記載の流量センサにおいて、前記金属膜の上層に金属を含む酸化化合物が形成されていることを特徴とする流量センサ。
- 請求項９記載の流量センサにおいて、前記金属を含む酸化化合物は、ＡｌＯｘ、ＭｏＯｘ、ＴａＯｘまたはＴｉＯｘであることを特徴とする流量センサ。
- 請求項１記載の流量センサにおいて、前記金属膜の上層に金属を含む窒化化合物が形成されていることを特徴とする流量センサ。
- 請求項１１記載の流量センサにおいて、前記金属を含む窒化化合物は、ＭｏＮ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮまたはＮｉＮであることを特徴とする流量センサ。
- 請求項１記載の流量センサにおいて、前記流量センサは、支持体および外部回路と共に熱式空気流量計に実装されて、空気流量を計測することを特徴とする流量センサ。
- 半導体基板上に絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体と測温抵抗体とを含み、流体または気体流量を計測する流量センサであって、少なくとも前記測温抵抗体は金属膜で構成され、前記絶縁膜上に金属を含む非晶質膜が設けられ、前記金属膜が前記金属を含む非晶質膜の直上に形成され、前記金属膜の抵抗率が、前記金属膜を構成する主成分の金属元素からなるインゴットの３倍以下の抵抗率を有し、前記金属膜の抵抗温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以上であることを特徴とする流量センサ。
- 請求項１４記載の流量センサにおいて、前記金属膜がＭｏ膜であることを特徴とする流量センサ。
- 請求項１４記載の流量センサにおいて、前記金属膜がＴａ膜であり、前記Ｔａ膜の抵抗温度係数が２５００ｐｐｍ／℃以上であることを特徴とする流量センサ。
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