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JP2016219365A - Micro heater and sensor - Google Patents

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JP2016219365A
JP2016219365A JP2015106231A JP2015106231A JP2016219365A JP 2016219365 A JP2016219365 A JP 2016219365A JP 2015106231 A JP2015106231 A JP 2015106231A JP 2015106231 A JP2015106231 A JP 2015106231A JP 2016219365 A JP2016219365 A JP 2016219365A
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JP
Japan
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heating resistor
thin film
resistor
temperature
film
Prior art date
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Pending
Application number
JP2015106231A
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Japanese (ja)
Inventor
幸一 井川
Koichi Igawa
幸一 井川
加藤 友文
Tomofumi Kato
友文 加藤
水野 卓也
Takuya Mizuno
卓也 水野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micro heater and a sensor, which suppress deterioration due to the heat of a measurement resistor measuring a temperature of a heat resistor, and can maintain a measurement accuracy of the heat resistor in an extended period.SOLUTION: A micro heater 500 comprises: a substrate 100 constituted by forming a cavity part 130 penetrating between a front surface and a bottom surface; a thin film part provided on the front surface of the substrate so as to close a front surface side of the cavity part and forming a diaphragm 150; a heat resistor 400 provided to the thin film part; and a measurement resistor 300 provided to the thin film part and measuring a temperature of the heat resistor. When viewing the micro heater in a thickness direction of the thin film part, the measurement resistor is positioned on the outer peripheral side of the thin film part than the heat resistor, and a shortest distance D1 of the heat resistor and the measurement resistor in a direction along the front surface of thin film part is longer than a shortest distance D2 of the measurement resistor and the outer peripheral edge of the diaphragm.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ダイヤフラムを有する基板に搭載したマイクロヒータ及びこのマイクロヒータを採用してなるセンサに関する。   The present invention relates to a microheater mounted on a substrate having a diaphragm and a sensor employing the microheater.

従来、酸化スズ(SnO)等の金属酸化物半導体に、プラチナ等の貴金属を触媒として担持させ、環境雰囲気中の特定ガスの濃度変化によって電気的特性(例えば、抵抗値)が変化することを利用して、特定ガスの濃度変化を検知するガスセンサが知られている。このようなガスセンサのガス検知層は、常温では特定ガスと反応せず、例えば200〜400℃に加熱されることで活性化されて特定ガスに反応する。このようなことから、ガス検知層が形成される半導体基板等の基体内に発熱抵抗体が設けられるのが一般的である(例えば特許文献1参照)。
このガスセンサは、半導体基板上にダイヤフラムを形成する絶縁性の薄膜部を設け、この薄膜部に発熱抵抗体を埋設したマイクロヒータを有するガス検出素子から構成されている。そして、上記マイクロヒータを含むガス検出素子はMEMSの技術を用いて作製されている。
Conventionally, a precious metal such as platinum is supported on a metal oxide semiconductor such as tin oxide (SnO 2 ) as a catalyst, and electrical characteristics (for example, resistance value) change depending on the concentration change of a specific gas in the environmental atmosphere. A gas sensor that detects a change in the concentration of a specific gas by using it is known. The gas detection layer of such a gas sensor does not react with the specific gas at normal temperature, and is activated by being heated to, for example, 200 to 400 ° C. and reacts with the specific gas. For this reason, a heating resistor is generally provided in a substrate such as a semiconductor substrate on which a gas detection layer is formed (see, for example, Patent Document 1).
This gas sensor includes a gas detection element having a micro heater in which an insulating thin film portion for forming a diaphragm is provided on a semiconductor substrate, and a heating resistor is embedded in the thin film portion. And the gas detection element containing the said micro heater is produced using the technique of MEMS.

又、MEMSを用いたマイクロヒータを適用したセンサの別の例として、熱式空気流量(エアフロー)センサも知られている(例えば、特許文献2参照)。この熱式流体流量センサは、薄膜部に発熱抵抗体素子と、発熱抵抗体素子の温度を測定する測温抵抗素子とを離間して配置してなる。そして、空気の温度を所定の空気温度測定抵抗体で測定し、一方で発熱抵抗体素子の発熱で加熱された測温抵抗素子の温度と、空気温度との温度差(ΔTh)が一定となるよう、発熱抵抗体素子の発熱を制御する。さらに、空気流の上流及び下流にそれぞれ所定の測温抵抗体を配置し、発熱抵抗体素子の発熱で各測温抵抗体が同じ温度に加熱されるように設定する。そして、空気が流れると、上流と下流の測温抵抗体の温度が変化することから、各抵抗体の抵抗値に基づいて空気流量を検知できる。   As another example of a sensor to which a micro heater using MEMS is applied, a thermal air flow rate (air flow) sensor is also known (see, for example, Patent Document 2). In this thermal fluid flow sensor, a heating resistor element and a temperature measuring resistor element for measuring the temperature of the heating resistor element are arranged apart from each other in a thin film portion. Then, the temperature of the air is measured with a predetermined air temperature measuring resistor, and on the other hand, the temperature difference (ΔTh) between the temperature of the resistance temperature element heated by the heat generated by the heating resistor element and the air temperature becomes constant. Thus, the heat generation of the heating resistor element is controlled. Further, predetermined temperature measuring resistors are arranged upstream and downstream of the air flow, respectively, and set so that each temperature measuring resistor is heated to the same temperature by the heat generated by the heating resistor element. When air flows, the temperature of the resistance temperature detectors upstream and downstream changes, so that the air flow rate can be detected based on the resistance value of each resistor.

ここで、発熱抵抗体素子の温度をその抵抗値により算出する場合、発熱抵抗体素子自身の加熱によるストレスマイグレーション(後述)によって発熱抵抗体が経時劣化するため、抵抗値が変化して測温精度が低下する。このため、特許文献2記載の熱式流体流量センサでは、発熱抵抗体素子に隣接して、発熱抵抗体素子の温度を測定するための別個の測温抵抗素子を配置し、発熱抵抗体素子の測温精度を維持している。
そして、上記ガス検出素子においても、発熱抵抗体素子と別個の測温抵抗素子を設けることで、同様に特定ガスの検出精度を長期間にわたって維持できることが期待される。
Here, when calculating the temperature of the heating resistor element based on its resistance value, the heating resistor deteriorates with time due to stress migration (described later) due to heating of the heating resistor element itself, so the resistance value changes and temperature measurement accuracy Decreases. For this reason, in the thermal fluid flow sensor described in Patent Document 2, a separate resistance temperature measuring element for measuring the temperature of the heating resistor element is disposed adjacent to the heating resistor element, and The temperature measurement accuracy is maintained.
In the gas detection element as well, it is expected that the detection accuracy of the specific gas can be maintained over a long period of time by providing a temperature measurement resistance element separate from the heating resistor element.

特開2010−91501号公報JP 2010-91501 A 特開2010−133897号公報(図5)JP 2010-133897 A (FIG. 5)

ところで、ガス検出素子により、高温(例えば300℃以上)の被検出ガス中の特定ガスを検出したいという要望がある。この場合、発熱抵抗体素子をガスの温度以上に発熱させる必要があるが、発熱抵抗体素子に隣接する測温抵抗素子も高熱に晒される。このため、測温抵抗素子もストレスマイグレーションによって経時劣化し、発熱抵抗体素子と別個に測温抵抗素子を設けたにもかかわらず、発熱抵抗体素子の測温精度が低下するという問題が生じる。
ここで、ストレスマイグレーションとは、MEMS等により微細形成された金属配線を(およそ400℃を超える)高温下に放置すると、配線内の残留応力とその後に加えられる熱により、配線を構成する金属にボイド(空孔)が生じ、このボイドが拡散して経時劣化(電気抵抗の上昇や断線)を引き起こす現象である。
By the way, there is a demand to detect a specific gas in a gas to be detected at a high temperature (for example, 300 ° C. or higher) by a gas detection element. In this case, it is necessary to cause the heating resistor element to generate heat above the temperature of the gas, but the temperature measuring resistance element adjacent to the heating resistor element is also exposed to high heat. For this reason, the temperature measuring resistance element also deteriorates with time due to stress migration, and there arises a problem that the temperature measuring accuracy of the heating resistor element is lowered although the temperature measuring resistance element is provided separately from the heating resistor element.
Here, stress migration means that when a metal wiring finely formed by MEMS or the like is left under a high temperature (above about 400 ° C.), the residual stress in the wiring and the heat applied thereafter change the metal constituting the wiring. This is a phenomenon in which voids (voids) are generated and the voids diffuse to cause deterioration over time (an increase in electrical resistance or disconnection).

図9は、金属配線の電気抵抗値の時間変化を模式的に示す。ストレスマイグレーションが顕著に生じる高温下では、時間と共に金属配線の電気抵抗値が初期値R0よりも高くなり、例えばガス検出素子の耐用年数tLに達する前に電気抵抗値が大幅に上昇し、金属配線が劣化してしまう。一方、低温(例えば400℃以下)では、ストレスマイグレーションが生じないか、生じる度合が少ないため、時間が経過しても金属配線の電気抵抗値が初期値R0から大きく変化せず、ガス検出素子の耐用年数tLに達するまで電気抵抗値がほとんど上昇しない。このため、測温抵抗素子を高熱に晒されないようにすれば、ストレスマイグレーションを抑制して発熱抵抗体素子の測温精度を長期間維持できることになる。なお、金属配線の電気抵抗値は、スタート時からしばらくの間は配線内の結晶欠陥が減少するために初期値R0よりも低くなる。
すなわち、本発明は、発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体の熱による劣化を抑制し、発熱抵抗体の測温精度を長期間維持できるマイクロヒータ及びセンサの提供を目的とする。
FIG. 9 schematically shows a temporal change in the electric resistance value of the metal wiring. Under a high temperature at which stress migration occurs remarkably, the electrical resistance value of the metal wiring becomes higher than the initial value R0 with time. For example, the electrical resistance value significantly increases before reaching the service life tL of the gas detection element. Will deteriorate. On the other hand, at low temperatures (for example, 400 ° C. or lower), stress migration does not occur or is less likely to occur. Therefore, even if time elapses, the electrical resistance value of the metal wiring does not change greatly from the initial value R0, and The electric resistance value hardly increases until the service life tL is reached. Therefore, if the resistance temperature detector is not exposed to high heat, stress migration can be suppressed and the temperature measurement accuracy of the heating resistor element can be maintained for a long time. Note that the electrical resistance value of the metal wiring is lower than the initial value R0 because crystal defects in the wiring are reduced for a while from the start.
That is, an object of the present invention is to provide a microheater and a sensor capable of suppressing deterioration due to heat of a temperature measuring resistor that measures the temperature of the heating resistor and maintaining the temperature measuring accuracy of the heating resistor for a long period of time.

上記課題を解決するため、本発明のマイクロヒータは、表面と底面との間を貫通する空洞部を形成してなる基板と、前記空洞部の表面側を閉じるように前記基板の前記表面上に設けられてダイヤフラムを形成する薄膜部と、前記薄膜部に設けられる発熱抵抗体と、前記薄膜部に設けられて前記発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体と、を備えてなるマイクロヒータにおいて、前記マイクロヒータを前記薄膜部の厚み方向に沿って見たとき、前記測温抵抗体は前記発熱抵抗体よりも前記薄膜部の外周側に位置し、前記薄膜部の表面に沿う方向に、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体との最短距離D1は、前記測温抵抗体と前記ダイヤフラムの外周縁との最短距離D2よりも長いことを特徴とする。
このマイクロヒータによれば、発熱抵抗体とダイヤフラム(薄膜部)の外周縁との概ね中間よりもダイヤフラムの外周側に測温抵抗体が位置するので、ダイヤフラム内で測温抵抗体が発熱抵抗体と適度に離間する。このため、発熱抵抗体を高温に発熱させても、測温抵抗体の温度が発熱抵抗体の温度より低くなり、測温抵抗体の熱(ストレスマイグレーション)による経時劣化を抑制し、測温抵抗体による発熱抵抗体の測温精度を長期間維持できる。
In order to solve the above-described problems, a microheater according to the present invention includes a substrate formed with a cavity penetrating between a surface and a bottom surface, and the surface of the substrate so as to close the surface side of the cavity. A microheater comprising: a thin film portion provided to form a diaphragm; a heating resistor provided in the thin film portion; and a temperature measuring resistor provided in the thin film portion to measure the temperature of the heating resistor. When the microheater is viewed along the thickness direction of the thin film portion, the resistance temperature detector is located on the outer peripheral side of the thin film portion with respect to the heating resistor and in a direction along the surface of the thin film portion. The shortest distance D1 between the heating resistor and the resistance temperature detector is longer than the shortest distance D2 between the resistance temperature detector and the outer peripheral edge of the diaphragm.
According to this microheater, since the resistance temperature detector is located on the outer peripheral side of the diaphragm rather than the middle between the heating resistance and the outer peripheral edge of the diaphragm (thin film portion), the resistance resistance element is the heating resistance in the diaphragm. And moderately spaced. For this reason, even if the heating resistor is heated to a high temperature, the temperature of the resistance thermometer becomes lower than the temperature of the heating resistor, and the deterioration over time due to the heat (stress migration) of the resistance thermometer is suppressed. The temperature measurement accuracy of the heating resistor by the body can be maintained for a long time.

前記発熱抵抗体を最高動作温度に発熱させたとき、前記測温抵抗体の温度が400℃以下となると好ましい。
測温抵抗体の温度が400℃以下であれば、ストレスマイグレーションが生じないか、生じる度合が少ないため、測温抵抗体の熱による経時劣化をより一層抑制できる。
When the heating resistor is heated to the maximum operating temperature, it is preferable that the temperature measuring resistor has a temperature of 400 ° C. or lower.
If the temperature measuring resistor has a temperature of 400 ° C. or lower, stress migration does not occur or the degree to which it occurs is small, and therefore the time-dependent deterioration due to heat of the temperature measuring resistor can be further suppressed.

前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが異なる材料からなっていてもよい。
このマイクロヒータによれば、発熱抵抗体として耐熱性に優れた材料を用いることで、発熱抵抗体の熱による経時劣化も抑制できる。
The heating resistor and the resistance temperature detector may be made of different materials.
According to this microheater, deterioration of the heating resistor over time due to heat can be suppressed by using a material having excellent heat resistance as the heating resistor.

前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが同一の材料からなると共に、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とは、前記薄膜部の厚み方向の異なる位置に異なる厚みで配置されていてもよい。
このマイクロヒータによれば、発熱抵抗体と測温抵抗体とが同一の材料からなる場合であっても、両者の厚みを変えることで、具体的には発熱抵抗体の厚みをより厚くすることで、発熱抵抗体の熱による経時劣化をさらに抑制できる。
The heating resistor and the temperature measuring resistor are made of the same material, and the heating resistor and the temperature measuring resistor may be arranged at different thicknesses at different positions in the thickness direction of the thin film portion. Good.
According to this microheater, even if the heating resistor and the resistance temperature detector are made of the same material, the thickness of the heating resistor can be specifically increased by changing the thickness of both. Thus, deterioration with time of the heating resistor due to heat can be further suppressed.

前記発熱抵抗体はポリシリコンからなり、前記測温抵抗体はPtからなると、発熱抵抗体の耐熱性がより一層向上する。   When the heating resistor is made of polysilicon and the temperature measuring resistor is made of Pt, the heat resistance of the heating resistor is further improved.

本発明のセンサは、前記マイクロヒータを備えてなる。   The sensor of the present invention includes the micro heater.

この発明によれば、マイクロヒータの発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体の熱による劣化を抑制し、発熱抵抗体の測温精度を長期間維持させることができる。   According to the present invention, it is possible to suppress deterioration of the temperature measuring resistor that measures the temperature of the heating resistor of the microheater due to heat and maintain the temperature measuring accuracy of the heating resistor for a long period of time.

本発明の実施形態に係るマイクロヒータの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the microheater which concerns on embodiment of this invention. 図1におけるA−A線及びB−B線に沿ったマイクロヒータの断面図である。It is sectional drawing of the microheater along the AA line and BB line in FIG. マイクロヒータの製造工程を表す図である。It is a figure showing the manufacturing process of a microheater. 図3に続く図である。It is a figure following FIG. 図4に続く図である。It is a figure following FIG. 図5に続く図である。It is a figure following FIG. 図6に続く図である。It is a figure following FIG. マイクロヒータが適用されたガスセンサの主要部となるガス検出素子の構成を示す図2に対応した断面図であるIt is sectional drawing corresponding to FIG. 2 which shows the structure of the gas detection element used as the principal part of the gas sensor to which the micro heater was applied. 金属配線の電気抵抗値の時間変化を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the time change of the electrical resistance value of metal wiring.

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1はマイクロヒータ500の平面図を示し、図2は図1のA−A線切断部およびB−B線切断部におけるそれぞれの端面図を示す。尚、図1において、紙面の左右方向をその平面図の左右方向とする。また、図2において、紙面の上下方向をその断面図の上下方向とする。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view of the microheater 500, and FIG. 2 is an end view of each of the AA line cutting part and the BB line cutting part of FIG. In FIG. 1, the left-right direction of the paper surface is the left-right direction of the plan view. In FIG. 2, the vertical direction of the paper surface is the vertical direction of the sectional view.

図1に示すように、マイクロヒータ500は、平板形状(平面視四角形状)をなし、その表面にそれぞれ電極330、340、430、440、88、89が形成され、他方の面(裏面)の中心付近に、詳しくは後述する平面視矩形のダイヤフラム150が形成されている。
又、図2に示すように、マイクロヒータ500は、シリコン基板からなる半導体基板100と、この半導体基板100の表面(図2の上面)に沿い形成される絶縁層と、半導体基板100の裏面(図2の下面)120に形成される裏側絶縁膜250とを備えている。
そして、絶縁層の裏面側において、半導体基板100の板厚方向に断面八の字状に(ピラミッド形状(四角錐形状)に)半導体基板100の一部を除去することで、図2に示すように空洞部130が貫通形成されている。そして、絶縁層のうち、半導体基板100の空洞部130に対する対応部位は、この対応部位に埋設されている発熱抵抗体(発熱抵抗体素子)400をも含めて、ダイヤフラム構造部(ダイヤフラム150)を構成している。絶縁層のうち、空洞部130の上側部分であってダイヤフラム150を形成する領域が特許請求の範囲の「薄膜部」に相当する。
なお、絶縁層の下側に形成した空洞部130が半導体基板100の表裏面を貫通せず、半導体基板100が底面を有するようにダイヤフラム150を構成してもよい。
As shown in FIG. 1, the microheater 500 has a flat plate shape (square shape in plan view), and electrodes 330, 340, 430, 440, 88, and 89 are formed on the surface thereof, and the other surface (back surface) is formed. A diaphragm 150 having a rectangular shape in plan view, which will be described in detail later, is formed near the center.
As shown in FIG. 2, the microheater 500 includes a semiconductor substrate 100 made of a silicon substrate, an insulating layer formed along the surface of the semiconductor substrate 100 (upper surface in FIG. 2), and the back surface of the semiconductor substrate 100 ( 2, and a back-side insulating film 250 formed on the lower surface 120 of FIG.
Then, on the back surface side of the insulating layer, a part of the semiconductor substrate 100 is removed in the shape of an eight-section in the thickness direction of the semiconductor substrate 100 (in a pyramid shape (quadrangular pyramid shape)), as shown in FIG. A cavity portion 130 is formed through. Of the insulating layer, the corresponding part of the semiconductor substrate 100 corresponding to the cavity 130 includes the diaphragm structure part (diaphragm 150) including the heating resistor (heating resistor element) 400 embedded in the corresponding part. It is composed. Of the insulating layer, a region on the upper side of the cavity 130 and forming the diaphragm 150 corresponds to a “thin film portion” in the claims.
Note that the diaphragm 150 may be configured so that the cavity 130 formed below the insulating layer does not penetrate the front and back surfaces of the semiconductor substrate 100 and the semiconductor substrate 100 has a bottom surface.

又、絶縁層のうち空洞部130に対応する領域(薄膜部)、より具体的には下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜212、221の間には、渦巻き状にパターン形成された発熱抵抗体400が埋設されている。
発熱抵抗体400は、マイクロヒータ500の周囲の雰囲気(空気、被検出ガス等)を加熱し、ストレスマイグレーションが生じ難い導電性材料や半導体材料で構成され、本実施形態ではポリシリコン(多結晶シリコン)で形成されている。
そして、ダイヤフラム150内に発熱抵抗体400を設けることにより、発熱抵抗体400が周囲から断熱されるため、短時間にて昇温又は降温する。このため、マイクロヒータ500の熱容量を小さくすることができる。
In addition, a region (thin film portion) corresponding to the cavity 130 in the insulating layer, more specifically, between the lower thin film and the upper thin film, that is, between the two compressive stress films 212 and 221 is spirally patterned. The formed heating resistor 400 is embedded.
The heating resistor 400 is composed of a conductive material or a semiconductor material that heats the atmosphere (air, gas to be detected, etc.) around the microheater 500 and hardly causes stress migration. In this embodiment, polysilicon (polycrystalline silicon) is used. ).
Then, by providing the heating resistor 400 in the diaphragm 150, the heating resistor 400 is thermally insulated from the surroundings, so that the temperature is raised or lowered in a short time. For this reason, the heat capacity of the micro heater 500 can be reduced.

さらに、ダイヤフラム150に対応する両圧縮応力膜212、221の間には、発熱抵抗体400から離間して、より具体的にはマイクロヒータ500を絶縁層(ダイヤフラム150)の厚み方向に沿って見たとき、発熱抵抗体400よりもダイヤフラム150の外周側に測温抵抗体300が埋設されている。測温抵抗体300は、温度抵抗係数が大きい導電性材料で構成され、本実施形態では白金(Pt)で形成されている。
発熱抵抗体400の温度を自身の抵抗値変化に基づいて求めた場合、発熱抵抗体400が熱(ストレスマイグレーション)によって経時劣化して抵抗値が変化するので、測温精度が低下する。そこで、発熱抵抗体400に隣接して、発熱抵抗体400の温度を測定するための測温抵抗体300を別個に配置することで、発熱抵抗体400の測温精度を維持することができる。
発熱抵抗体400の温度は、発熱抵抗体400の発熱により加熱された測温抵抗体300の電気抵抗値に基づいて求められる。従って、発熱抵抗体400の温度をより反映する観点からは、測温抵抗体300が発熱抵抗体400に近接することが好ましいが、測温抵抗体300が発熱抵抗体400に近付き過ぎると、発熱抵抗体400を高温に発熱させた場合に、測温抵抗体300も熱(ストレスマイグレーション)によって経時劣化する。
Further, between the two compressive stress films 212 and 221 corresponding to the diaphragm 150, they are separated from the heating resistor 400, and more specifically, the microheater 500 is viewed along the thickness direction of the insulating layer (diaphragm 150). In this case, the resistance temperature detector 300 is embedded on the outer peripheral side of the diaphragm 150 with respect to the heating resistor 400. The resistance temperature detector 300 is made of a conductive material having a large temperature resistance coefficient, and is formed of platinum (Pt) in this embodiment.
When the temperature of the heating resistor 400 is obtained based on its own resistance value change, the heating resistor 400 deteriorates with time due to heat (stress migration) and the resistance value changes, so that the temperature measurement accuracy decreases. Therefore, the temperature measuring accuracy of the heating resistor 400 can be maintained by separately arranging the temperature measuring resistor 300 for measuring the temperature of the heating resistor 400 adjacent to the heating resistor 400.
The temperature of the heating resistor 400 is obtained based on the electric resistance value of the temperature measuring resistor 300 heated by the heat generation of the heating resistor 400. Therefore, from the viewpoint of more reflecting the temperature of the heating resistor 400, it is preferable that the resistance temperature detector 300 is close to the heating resistor 400. However, if the resistance temperature detector 300 is too close to the heating resistor 400, heat generation occurs. When the resistor 400 is heated to a high temperature, the resistance thermometer 300 also deteriorates with time due to heat (stress migration).

そこで、図2に示すように、絶縁層(ダイヤフラム150)の表面に沿う方向に、発熱抵抗体400と測温抵抗体300との最短距離D1を、測温抵抗体300とダイヤフラム150の外周縁150eとの最短距離D2よりも長くなるように設定する。このように、D1>D2とすることで、発熱抵抗体400とダイヤフラム(薄膜部)150の外周縁150eとの概ね中間よりもダイヤフラム150の外周側に測温抵抗体300が位置するので、ダイヤフラム150内で測温抵抗体300が発熱抵抗体400と適度に離間する。このため、発熱抵抗体400を高温に発熱させても、測温抵抗体300の温度が発熱抵抗体400の温度より低くなり、測温抵抗体300の熱(ストレスマイグレーション)による経時劣化を抑制し、測温抵抗体300による発熱抵抗体400の測温精度を長期間維持できる。
特に、発熱抵抗体400を最高動作温度に発熱させたとき、測温抵抗体300の温度が400℃以下となるよう、最短距離D1、D2を調整することが好ましい。測温抵抗体300の温度が400℃以下であれば、ストレスマイグレーションが生じないか、生じる度合が少ないため、測温抵抗体300の熱による経時劣化をより一層抑制できる。
なお、発熱抵抗体400の最高動作温度は、マイクロヒータ500に、これを制御するコントローラや制御部を接続して発熱抵抗体400を実際に発熱させたときの発熱抵抗体400の最高温度とすることができ、このときの測温抵抗体300の温度を測定すればよい。上記コントローラや制御部には、発熱抵抗体400への通電電流や通電電圧等が設定されており、その設定値に基づいて発熱抵抗体400が通電加熱され、最高温度が決まることになる。
Therefore, as shown in FIG. 2, in the direction along the surface of the insulating layer (diaphragm 150), the shortest distance D1 between the heating resistor 400 and the resistance temperature detector 300 is set to the outer peripheral edge of the resistance temperature detector 300 and the diaphragm 150. It is set to be longer than the shortest distance D2 with 150e. Thus, by setting D1> D2, the resistance temperature detector 300 is positioned on the outer peripheral side of the diaphragm 150 rather than the middle between the heating resistor 400 and the outer peripheral edge 150e of the diaphragm (thin film portion) 150. Therefore, the diaphragm Within 150, the resistance temperature detector 300 is separated from the heating resistor 400 appropriately. For this reason, even if the heating resistor 400 is heated to a high temperature, the temperature of the resistance thermometer 300 becomes lower than the temperature of the heating resistor 400, and deterioration with time due to the heat (stress migration) of the resistance thermometer 300 is suppressed. The temperature measuring accuracy of the heating resistor 400 by the temperature measuring resistor 300 can be maintained for a long time.
In particular, it is preferable to adjust the shortest distances D1 and D2 so that the temperature of the resistance temperature detector 300 is 400 ° C. or lower when the heating resistor 400 is heated to the maximum operating temperature. If the temperature of the resistance temperature detector 300 is 400 ° C. or less, stress migration does not occur or the degree to which it occurs is small, and therefore the temporal deterioration due to heat of the resistance temperature detector 300 can be further suppressed.
Note that the maximum operating temperature of the heating resistor 400 is the highest temperature of the heating resistor 400 when the microheater 500 is connected to a controller or a control unit that controls the microheater 500 and the heating resistor 400 is actually heated. In this case, the temperature of the resistance temperature detector 300 may be measured. In the controller and the control unit, an energization current and an energization voltage to the heating resistor 400 are set, and the heating resistor 400 is energized and heated based on the set value to determine the maximum temperature.

なお、D1>D2とすることで、測温抵抗体300で測定される温度は、発熱抵抗体400の実際の温度より低くなる。そこで、発熱抵抗体400を発熱させたときに、上記した絶縁層(ダイヤフラム150)の表面に沿う方向に沿って発熱抵抗体400からダイヤフラム150の外周縁150eへ向かう温度勾配を予め測定しておき、この温度勾配に基づいて測温抵抗体300で測定された温度を補正することで、発熱抵抗体400の温度を精度良く求めることが可能である。
又、最短距離D1、D2を求める際には、発熱抵抗体400のヒートパターンや測温抵抗体300を構成する配線のうち、それぞれ最も狭幅の部位を対象とする。例えば、発熱抵抗体400のリードである配線膜410、420(後述)や、発熱抵抗体400と配線膜410、420とをそれぞれ接続する接続リード410T、420Tは、発熱抵抗体400の最小幅w1よりも広幅であるので、最短距離D1、D2を求める際の対象としない。同様に、測温抵抗体300のリードである配線膜310、320(後述)も、測温抵抗体300の最小幅w2よりも広幅であるので、最短距離D1、D2を求める際の対象としない。
By setting D1> D2, the temperature measured by the resistance temperature detector 300 is lower than the actual temperature of the heating resistor 400. Therefore, when the heating resistor 400 is heated, a temperature gradient from the heating resistor 400 toward the outer peripheral edge 150e of the diaphragm 150 along the direction along the surface of the insulating layer (diaphragm 150) is measured in advance. By correcting the temperature measured by the resistance temperature detector 300 based on this temperature gradient, the temperature of the heating resistor 400 can be obtained with high accuracy.
Further, when the shortest distances D1 and D2 are obtained, the narrowest portion of each of the heat pattern of the heating resistor 400 and the wiring constituting the resistance temperature detector 300 is targeted. For example, wiring films 410 and 420 (described later) that are leads of the heating resistor 400 and connection leads 410T and 420T that connect the heating resistor 400 and the wiring films 410 and 420, respectively, have a minimum width w1 of the heating resistor 400. Therefore, the shortest distances D1 and D2 are not considered. Similarly, since the wiring films 310 and 320 (described later) that are leads of the resistance temperature detector 300 are wider than the minimum width w2 of the resistance temperature detector 300, they are not targeted for obtaining the shortest distances D1 and D2. .

さらに、絶縁層のうちダイヤフラム150の外周縁150eよりも外側には、後述する雰囲気測温抵抗体80が埋設されている。測温抵抗体80は、マイクロヒータ500の配置された空間内に存在する雰囲気(空気や被検出ガス等)の温度を検出する。
発熱抵抗体400の抵抗値変化は被検出ガスの温度による影響を受けるため、後述する測温抵抗体80の電気抵抗値に基づき検出される温度を用いて、発熱抵抗体400の電気抵抗値変化に基づき検出した被検出ガスの濃度を補正することにより、被検出ガス濃度の検出精度を向上させることができる。
但し、マイクロヒータをガスセンサに適用せずに、単に雰囲気を加熱するヒータとして用いる場合には、マイクロヒータにおいて、雰囲気測温抵抗体80は必須の構成ではない。
なお、マイクロヒータは、薄膜部に発熱抵抗体400と、測温抵抗体300が設けられた構成に該当する。センサは、このマイクロヒータに、さらに雰囲気測温抵抗体80が設けられた構成に該当する。又、後述する図8に示すように、センサ(ガスセンサ)が検知電極610やガス検知層620をさらに備えてもよい。一方、検知電極610やガス検知層620を有しないセンサとしては、水素ガス濃度を検出する熱伝導式のガスセンサや、特許文献2と同様な熱式流体流量センサが例示される。
Further, an atmospheric temperature measuring resistor 80 described later is embedded outside the outer peripheral edge 150e of the diaphragm 150 in the insulating layer. The resistance temperature detector 80 detects the temperature of the atmosphere (air, gas to be detected, etc.) existing in the space where the micro heater 500 is arranged.
Since the change in the resistance value of the heating resistor 400 is affected by the temperature of the gas to be detected, the change in the electrical resistance value of the heating resistor 400 using the temperature detected based on the electrical resistance value of the resistance temperature detector 80 described later. By correcting the concentration of the detected gas detected based on the above, the detection accuracy of the detected gas concentration can be improved.
However, when the microheater is used as a heater for simply heating the atmosphere without being applied to the gas sensor, the atmosphere temperature measuring resistor 80 is not an essential component in the microheater.
The micro heater corresponds to a configuration in which the heating resistor 400 and the temperature measuring resistor 300 are provided in the thin film portion. The sensor corresponds to a configuration in which an atmospheric temperature measuring resistor 80 is further provided on the microheater. Further, as shown in FIG. 8 described later, the sensor (gas sensor) may further include a detection electrode 610 and a gas detection layer 620. On the other hand, examples of the sensor that does not include the detection electrode 610 and the gas detection layer 620 include a heat conduction type gas sensor that detects a hydrogen gas concentration and a thermal fluid flow rate sensor similar to that of Patent Document 2.

次に、マイクロヒータ500のその他の構成について説明する。
絶縁層は、下側薄膜及び上側薄膜を備えている。
下側薄膜は、引張応力膜211及び圧縮応力膜212を有している。窒化シリコン(Si34)からなる引張応力膜211は、半導体基板100の表面に積層され、酸化ケイ素(SiO2)からなる圧縮応力膜212は、引張応力膜211の表面に積層されている。
また、上側薄膜は、圧縮応力膜221及び引張応力膜222を有している。酸化ケイ素(SiO2)からなる圧縮応力膜221は、圧縮応力膜212の表面に積層され、窒化シリコン(Si34)からなる引張応力膜222は、圧縮応力膜221の表面に積層されている。
Next, other configurations of the micro heater 500 will be described.
The insulating layer includes a lower thin film and an upper thin film.
The lower thin film has a tensile stress film 211 and a compressive stress film 212. A tensile stress film 211 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is laminated on the surface of the semiconductor substrate 100, and a compressive stress film 212 made of silicon oxide (SiO 2 ) is laminated on the surface of the tensile stress film 211. .
The upper thin film has a compressive stress film 221 and a tensile stress film 222. The compressive stress film 221 made of silicon oxide (SiO 2 ) is laminated on the surface of the compressive stress film 212, and the tensile stress film 222 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is laminated on the surface of the compressive stress film 221. Yes.

窒化シリコン(Si34)からなる裏側絶縁膜250は、半導体基板100の裏面120に沿って形成されている。また、裏側絶縁膜250のうち、空洞部130に対する対応部位が除去されて空洞部130の開口部を形成している。
これにより、絶縁層の引張応力膜211の裏面のうち、空洞部130に対応する部位が、空洞部130の開口部を通して外方に露出している。
なお、半導体基板100のうち空洞部130以外の部位を、以下、基板部という。
また、最表層をなす引張応力膜222は、発熱抵抗体400、測温抵抗体300、雰囲気測温抵抗体80、各配線膜(後述)の汚染や損傷を防止すべくそれらを覆うように設けられている。
又、マイクロヒータ500は、縦横ともに数mm(例えば3mm×3mm)程度の大きさであり、例えば、シリコン半導体基板を用いたマイクロマシニング技術(マイクロマシニング加工)により製造される。
A back-side insulating film 250 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is formed along the back surface 120 of the semiconductor substrate 100. In addition, the corresponding portion of the back side insulating film 250 corresponding to the cavity 130 is removed to form an opening of the cavity 130.
Thereby, the part corresponding to the cavity 130 in the back surface of the tensile stress film 211 of the insulating layer is exposed to the outside through the opening of the cavity 130.
Note that a portion of the semiconductor substrate 100 other than the cavity 130 is hereinafter referred to as a substrate portion.
The tensile stress film 222 that forms the outermost layer is provided so as to cover the heating resistor 400, the resistance temperature detector 300, the ambient temperature resistance resistor 80, and each wiring film (described later) to prevent contamination and damage. It has been.
The microheater 500 is about several mm (for example, 3 mm × 3 mm) both vertically and horizontally, and is manufactured by, for example, a micromachining technique (micromachining process) using a silicon semiconductor substrate.

図1に戻り、発熱抵抗体400の左右の端は、発熱抵抗体400が形成された平面と同じ平面にそれぞれ埋設された配線(リード)をなす左側配線膜410及び右側配線膜420(図2)を介して、左側電極430及び右側電極440にそれぞれ接続されている。なお、左側電極430がグランド電極となっている。両電極430,440は、発熱抵抗体400に接続される配線の引き出し部位であり、コンタクトホール(図2には、電極430に接続されるコンタクトホール223のみ表示)を介して露出し、例えば、アルミニウム(Al)又は金(Au)で形成されている。
左側配線膜410は、下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜212、221の間で、半導体基板100の基板部に対応する位置の圧縮応力膜212の表面に薄膜状に形成されている。一方、右側配線膜420は、両圧縮応力膜212、221の間で、半導体基板100の基板部に対応する位置の圧縮応力膜212の表面に薄膜状に形成されている。
さらに、上側薄膜に形成したコンタクトホール223を通して左側配線膜410上に、左側電極430が形成されている。同様に、上側薄膜に形成したコンタクトホール(図示せず)を通して右側配線膜420上に、右側電極440が形成されている。
Returning to FIG. 1, the left and right ends of the heating resistor 400 have left wiring film 410 and right wiring film 420 (FIG. 2) forming wirings (leads) embedded in the same plane as the plane on which the heating resistor 400 is formed. ) To the left electrode 430 and the right electrode 440, respectively. The left electrode 430 is a ground electrode. Both electrodes 430 and 440 are wiring lead portions connected to the heating resistor 400, and are exposed through contact holes (in FIG. 2, only the contact hole 223 connected to the electrode 430 is displayed). It is made of aluminum (Al) or gold (Au).
The left wiring film 410 is formed as a thin film on the surface of the compressive stress film 212 at a position corresponding to the substrate portion of the semiconductor substrate 100 between the lower thin film and the upper thin film, that is, between the two compressive stress films 212 and 221. Has been. On the other hand, the right wiring film 420 is formed as a thin film on the surface of the compressive stress film 212 at a position corresponding to the substrate portion of the semiconductor substrate 100 between the two compressive stress films 212 and 221.
Further, the left electrode 430 is formed on the left wiring film 410 through the contact hole 223 formed in the upper thin film. Similarly, the right electrode 440 is formed on the right wiring film 420 through a contact hole (not shown) formed in the upper thin film.

測温抵抗体300は、図1に示すようにダイヤフラム150の外周縁150eの上辺及び右辺の内側に沿って略L字に、かつ発熱抵抗体400が形成された平面と同じ平面(下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜212、221の間)に埋設されている。
測温抵抗体300は、測温抵抗体300が形成された平面と同じ平面に埋設された配線(リード)をなす左側配線膜310及び右側配線膜320を介して、左側電極330及び右側電極340にそれぞれ接続されている。なお、左側電極330がグランド電極となっている。両電極330,340は、測温抵抗体300に接続される配線の引き出し部位であり、コンタクトホール(図2には、電極340に接続されるコンタクトホール324のみ表示)を介して露出し、例えば、アルミニウム(Al)又は金(Au)で形成されている。
As shown in FIG. 1, the resistance temperature detector 300 is substantially L-shaped along the upper and right sides of the outer peripheral edge 150e of the diaphragm 150, and the same plane (lower thin film) as the plane on which the heating resistor 400 is formed. And the upper thin film, that is, between the compressive stress films 212 and 221).
The resistance temperature detector 300 has a left electrode 330 and a right electrode 340 via a left wiring film 310 and a right wiring film 320 that form wiring (leads) embedded in the same plane as the plane on which the resistance temperature detector 300 is formed. Are connected to each. The left electrode 330 is a ground electrode. Both electrodes 330 and 340 are lead portions for wiring connected to the resistance temperature detector 300, and are exposed through contact holes (in FIG. 2, only the contact hole 324 connected to the electrode 340 is displayed). , Aluminum (Al) or gold (Au).

左側配線膜310は、下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜212、221の間で、半導体基板100の基板部に対応する位置の圧縮応力膜212の表面に薄膜状に形成されている。一方、右側配線膜320は、両圧縮応力膜212、221の間で、半導体基板100の基板部に対応する位置の圧縮応力膜212の表面に薄膜状に形成されている。
さらに、上側薄膜に形成したコンタクトホール(図示せず)を通して左側配線膜310上に、左側電極330が形成されている。同様に、上側薄膜に形成したコンタクトホール324を通して右側配線膜320上に、右側電極340が形成されている。
The left wiring film 310 is formed as a thin film on the surface of the compressive stress film 212 at a position corresponding to the substrate portion of the semiconductor substrate 100 between the lower thin film and the upper thin film, that is, between the two compressive stress films 212 and 221. Has been. On the other hand, the right wiring film 320 is formed as a thin film on the surface of the compressive stress film 212 at a position corresponding to the substrate portion of the semiconductor substrate 100 between the two compressive stress films 212 and 221.
Further, a left electrode 330 is formed on the left wiring film 310 through a contact hole (not shown) formed in the upper thin film. Similarly, the right electrode 340 is formed on the right wiring film 320 through the contact hole 324 formed in the upper thin film.

雰囲気測温抵抗体80は、図1に示すようにマイクロヒータ500の上辺(一辺)に沿って左側電極330よりも右側にて、圧縮応力膜212と圧縮応力膜221の間に埋設されている。雰囲気測温抵抗体80は、電気抵抗値が温度に比例して変化(本実施形態では、温度の上昇に伴って抵抗値が増大)する導電性材料で構成され、本実施形態では白金(Pt)で形成されている。
雰囲気測温抵抗体80は、雰囲気測温抵抗体80が形成された平面と同じ平面に埋設された配線膜(図示せず)を介して電極88及びグランド電極89に接続されている。電極88及びグランド電極89は、コンタクトホール(図示せず)を介して露出し、例えば、アルミニウム(Al)又は金(Au)で形成されている。
As shown in FIG. 1, the atmospheric temperature measuring resistor 80 is embedded between the compressive stress film 212 and the compressive stress film 221 on the right side of the left electrode 330 along the upper side (one side) of the microheater 500. . The ambient temperature measuring resistor 80 is made of a conductive material whose electric resistance value changes in proportion to the temperature (in this embodiment, the resistance value increases as the temperature increases). In this embodiment, platinum (Pt ).
The atmospheric temperature measuring resistor 80 is connected to the electrode 88 and the ground electrode 89 through a wiring film (not shown) embedded in the same plane as the plane on which the atmospheric temperature measuring resistor 80 is formed. The electrode 88 and the ground electrode 89 are exposed through a contact hole (not shown), and are formed of, for example, aluminum (Al) or gold (Au).

次に、図3〜図7を参照し、マイクロヒータ500の製造工程について説明する。なお、図3〜図7では、各工程について、図1におけるマイクロヒータ500のA−A線切断部およびB−B線切断部におけるそれぞれの端面状態を表している。なお、マイクロヒータ500は、マイクロマシン技術を利用して製造される。
(1)引張応力膜211及び裏側絶縁膜250の成膜工程
まず、図3に示すように、洗浄したシリコン基板を半導体基板100として準備し、この半導体基板100の表面に、窒化シリコンからなる引張応力膜211を低圧CVD法(LP−CVD法)により、所定膜厚(例えば、0.2μm)で成膜する。なお、引張応力膜211の成膜の際に、裏側絶縁膜250も半導体基板100の裏面120に薄膜状に成膜する。
(2)圧縮応力膜212成膜工程
次に、図3に示すように、引張応力膜211の表面に、酸化シリコンからなる圧縮応力膜212をプラズマCVD法により、所定膜厚(例えば、0.1μm)で成膜する。
Next, the manufacturing process of the micro heater 500 will be described with reference to FIGS. 3 to 7, the respective end surface states in the AA line cutting part and the BB line cutting part of the microheater 500 in FIG. 1 are shown for each step. The micro heater 500 is manufactured using micro machine technology.
(1) Film Forming Step of Tensile Stress Film 211 and Back Side Insulating Film 250 First, as shown in FIG. 3, a cleaned silicon substrate is prepared as a semiconductor substrate 100, and a tensile layer made of silicon nitride is formed on the surface of the semiconductor substrate 100. The stress film 211 is formed with a predetermined film thickness (for example, 0.2 μm) by a low pressure CVD method (LP-CVD method). Note that when the tensile stress film 211 is formed, the back-side insulating film 250 is also formed as a thin film on the back surface 120 of the semiconductor substrate 100.
(2) Compressive Stress Film 212 Film Formation Step Next, as shown in FIG. 3, a compressive stress film 212 made of silicon oxide is formed on the surface of the tensile stress film 211 by a plasma CVD method to a predetermined film thickness (for example, 0. 1 μm).

(3)発熱抵抗体400及び左右両側配線膜410、420の成膜工程
次に、図4に示すように、圧縮応力膜212の表面に、ポリシリコンからなる膜を低圧CVD法(LP−CVD法)により成膜した後、不純物(PまたはB)をドープする。この膜にパターニング処理を施して、発熱抵抗体400及び左右両側配線膜410、420(図4には配線膜410のみ表示)を圧縮応力膜212の表面に一体に形成する。
(3) Film Forming Step of Heating Resistor 400 and Left and Right Both Side Wiring Films 410 and 420 Next, as shown in FIG. 4, a film made of polysilicon is formed on the surface of the compressive stress film 212 by a low pressure CVD method (LP-CVD). After the film formation by the method, the impurity (P or B) is doped. The film is subjected to patterning to integrally form the heating resistor 400 and the left and right wiring films 410 and 420 (only the wiring film 410 is shown in FIG. 4) on the surface of the compressive stress film 212.

(4)測温抵抗体300及び左右両側配線膜310、320の成膜工程
次に、図5に示すように、圧縮応力膜212の表面に、必要に応じて図示しないTa又はNbからなる密着層を成膜し、次いで白金(Pt)のスパッタリングにより薄膜状の白金膜を成膜した後、この白金膜にパターニング処理を施して、測温抵抗体300及び左右両側配線膜310、320(図5には配線膜320のみ表示)を圧縮応力膜212の表面に一体に形成する。なお、酸化シリコンからなる圧縮応力膜212の表面に、白金膜を直接成膜すると密着性が劣る場合があり、上述の密着層を形成することで白金膜の密着性が向上する。
(4) Film forming process of resistance temperature detector 300 and left and right wiring films 310 and 320 Next, as shown in FIG. 5, the surface of the compressive stress film 212 is adhered to Ta or Nb (not shown) as required. After forming a layer, and then forming a thin platinum film by sputtering of platinum (Pt), the platinum film is subjected to patterning treatment, and the resistance temperature detector 300 and the left and right side wiring films 310 and 320 (FIG. 5 shows only the wiring film 320) on the surface of the compressive stress film 212. Note that if a platinum film is directly formed on the surface of the compressive stress film 212 made of silicon oxide, the adhesion may be inferior, and the adhesion of the platinum film is improved by forming the above-mentioned adhesion layer.

(5)雰囲気測温抵抗体80の成膜工程
次に、図示はしないが、圧縮応力膜212の表面に、白金(Pt)のスパッタリングにより薄膜状の白金膜を成膜した後、この白金膜にパターニング処理を施して、雰囲気測温抵抗体80及びその配線膜を圧縮応力膜221の表面に一体に形成する。
(6)圧縮応力膜221の成膜工程
次に、図6に示すように、発熱抵抗体400及び左右両側配線膜410、420、測温抵抗体300及び左右両側配線膜310、320、並びに図示しない雰囲気測温抵抗体80及びその配線膜を覆うようにして、圧縮応力膜212の表面に、酸化シリコンからなる圧縮応力膜221をプラズマCVD法により、所定膜厚(例えば、0.1μm)で成膜する。
(5) Film forming step of atmospheric temperature measuring resistor 80 Next, although not shown, after forming a thin platinum film on the surface of the compressive stress film 212 by sputtering of platinum (Pt), this platinum film Then, the ambient temperature measuring resistor 80 and its wiring film are integrally formed on the surface of the compressive stress film 221.
(6) Film Formation Step of Compressive Stress Film 221 Next, as shown in FIG. 6, the heating resistor 400 and the left and right side wiring films 410 and 420, the temperature measuring resistor 300 and the left and right side wiring films 310 and 320, and the figure The compressive stress film 221 made of silicon oxide is formed on the surface of the compressive stress film 212 so as to cover the ambient temperature measuring resistor 80 and its wiring film by a plasma CVD method with a predetermined film thickness (for example, 0.1 μm). Form a film.

(7)引張応力膜222の成膜工程
さらに、圧縮応力膜221の表面に、窒化シリコンからなる引張応力膜222を低圧CVD法により、所定膜厚(例えば、0.2μm)で成膜する。これにより、圧縮応力膜221及び引張応力膜222からなる上側薄膜が、発熱抵抗体400及び測温抵抗体300、換言すれば両圧縮応力膜212、221の間を基準に、引張応力膜211及び圧縮応力膜212からなる下側薄膜に対し対称的に形成される。
(7) Film Formation Step of Tensile Stress Film 222 Further, a tensile stress film 222 made of silicon nitride is formed on the surface of the compression stress film 221 with a predetermined film thickness (for example, 0.2 μm) by low pressure CVD. As a result, the upper thin film composed of the compressive stress film 221 and the tensile stress film 222 is formed on the basis of the heating resistor 400 and the resistance temperature detector 300, in other words, between the two compressive stress films 212 and 221. It is formed symmetrically with respect to the lower thin film made of the compressive stress film 212.

(8)電極及び貫通孔の形成工程
次に、図7に示すように、引張応力膜222を成膜した後の上側薄膜のうち、左右両側配線膜310、320、410、420に対する各対応部位に、各コンタクトホール(図7では、コンタクトホール223、324のみ表示)をエッチング形成する。これに伴い、左右両側配線膜310、320、410、420は、その各表面にて、各対応コンタクトホールを通して外部に露呈する。同様に、雰囲気測温抵抗体80の両配線膜(図示せず)に対する各対応部位に、各コンタクトホール(図示せず)をエッチング形成する。
次いで、各コンタクトホールの内部を含む引張応力膜222の表面に、スパッタリングにより、金(Au)等からなるコンタクト金属膜を成膜する。さらに、当該コンタクト金属膜にパターニング処理及びエッチング処理を施し、各コンタクトホールに対応する左右両側電極310、320、430、440、並びに電極88及びグランド電極89(図7では、電極340、430のみ表示)をそれぞれ形成する。
(8) Formation Step of Electrode and Through Hole Next, as shown in FIG. 7, the corresponding portions for the left and right wiring films 310, 320, 410, 420 among the upper thin film after the tensile stress film 222 is formed. Then, each contact hole (only the contact holes 223 and 324 are shown in FIG. 7) is formed by etching. Accordingly, the left and right wiring films 310, 320, 410, and 420 are exposed to the outside through the corresponding contact holes on their respective surfaces. Similarly, each contact hole (not shown) is formed by etching in each corresponding part of the ambient temperature measuring resistor 80 with respect to both wiring films (not shown).
Next, a contact metal film made of gold (Au) or the like is formed on the surface of the tensile stress film 222 including the inside of each contact hole by sputtering. Further, the contact metal film is subjected to patterning and etching, and left and right electrodes 310, 320, 430, and 440 corresponding to each contact hole, and an electrode 88 and a ground electrode 89 (in FIG. 7, only the electrodes 340 and 430 are displayed). ) Respectively.

(9)空洞部形成工程
次に、電極の形成後、裏側絶縁膜250に対し、空洞部130を形成するに要するパターニング処理及びエッチング処理を施す。ここで、空洞部130を形成するエッチング部位130Eは、発熱抵抗体400及び測温抵抗体300の形成部位より面方向の外側とする。
ついで、異方性エッチング液(例えば、TMAH)を用いて、半導体基板100にエッチング処理を施す。これにより、半導体基板100に空洞部130を形成し(図2参照)、マイクロヒータ500の製造が終了する。
(9) Cavity Formation Process Next, after the electrodes are formed, the back side insulating film 250 is subjected to a patterning process and an etching process necessary for forming the cavity 130. Here, the etching site 130 </ b> E that forms the cavity 130 is outside in the surface direction from the site where the heating resistor 400 and the resistance temperature detector 300 are formed.
Next, an etching process is performed on the semiconductor substrate 100 using an anisotropic etching solution (for example, TMAH). Thereby, the cavity 130 is formed in the semiconductor substrate 100 (see FIG. 2), and the manufacture of the microheater 500 is completed.

次に、図8を参照し、本発明の実施形態に係るマイクロヒータ500が適用されたガスセンサ1について説明する。図8は、マイクロヒータ500が適用されたガスセンサ1の主要部となるガス検出素子600の構成を示す。
図8において、ガス検出素子600は、被検知ガス中のアンモニア(NH)、硫化水素(HS)、二硫化メチル((CH)、メチルメルカプタン(CHSH)、トリメチルアミン((CH)N)などの特定ガスを検知するように構成されている。
具体的には、ガス検出素子600は、図2のマイクロヒータ500のダイヤフラム150に対応した引張応力膜222の表面に、検知電極610を形成し、さらに検知電極610を覆うガス検知層620を形成してなる。
Next, the gas sensor 1 to which the micro heater 500 according to the embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows a configuration of a gas detection element 600 that is a main part of the gas sensor 1 to which the microheater 500 is applied.
In FIG. 8, the gas detection element 600 includes ammonia (NH 3 ), hydrogen sulfide (H 2 S), methyl disulfide ((CH 3 ) 2 S 2 ), methyl mercaptan (CH 3 SH), It is configured to detect a specific gas such as trimethylamine ((CH 3 ) 3 N).
Specifically, in the gas detection element 600, the detection electrode 610 is formed on the surface of the tensile stress film 222 corresponding to the diaphragm 150 of the microheater 500 in FIG. 2, and the gas detection layer 620 that covers the detection electrode 610 is further formed. Do it.

ガス検知層620は複数の粒子が結合してなり、被検知ガス中の特定ガスによって自身の抵抗値が変化する性質を有する。また、ガス検知層620は、複数の粒子間に存在する空隙を通じて当該ガス検知層620の厚み方向におけるガス透過性を有するようにも構成されている。ここで、酸化スズ(SnO)に0.2重量%の酸化カルシウムを触媒として含有させてガス検知層620が設けられている。酸化カルシウムを含む酸化スズが、ガス検知能を発揮する金属酸化物半導体である。そして、このガス検知層620を用いて、被検知ガス中の上述のアンモニア(NH)などの特定ガスを検知する。
上記金属酸化物半導体の他の例としては、酸化スズのガス検知層620に対する含有量を90質量%以上とした上で、Ir、P、Ptを含有させた構成を採ることもできる。より具体的には、Ir換算で0.50質量%のIrと、P換算で0.01質量%のPと、Pt換算で0.05質量%のPtとを含みつつ、残部が酸化スズからなる金属酸化物半導体を用いることもできる。
The gas detection layer 620 has a property in which a plurality of particles are combined, and its own resistance value changes depending on the specific gas in the gas to be detected. Further, the gas detection layer 620 is also configured to have gas permeability in the thickness direction of the gas detection layer 620 through voids existing between a plurality of particles. Here, the gas detection layer 620 is provided by containing 0.2% by weight of calcium oxide as a catalyst in tin oxide (SnO 2 ). Tin oxide containing calcium oxide is a metal oxide semiconductor that exhibits gas detection ability. The gas detection layer 620 is used to detect a specific gas such as the above-described ammonia (NH 3 ) in the gas to be detected.
As another example of the metal oxide semiconductor, a configuration in which Ir, P, and Pt are contained after the content of tin oxide in the gas detection layer 620 is set to 90% by mass or more can be employed. More specifically, it contains 0.50% by mass of Ir in terms of Ir, 0.01% by mass of P in terms of P, and 0.05% by mass of Pt in terms of Pt, with the balance being tin oxide. A metal oxide semiconductor can also be used.

一対の検知電極610は、ガス検知層620における電気的特性の変化を検出するための一対の電極であり、互いに離間した両電極の間にガス検知層620が介在している。一例として一対の検知電極610は、それぞれ櫛歯状の平面形状を有し、一方の電極の櫛歯の間に、他方の電極の櫛歯が挿入されている。この検知電極610は、この検知電極610のガス検知層620に対向する側の面及びその両側面は、それらの全面でガス検知層620と当接し、ガス検知層620と検知電極610とが電気的に接続されている。一対の検知電極610は、それぞれ図示しない配線膜に接続されてダイヤフラム150の外側に引き出され、配線膜に接続された電極を介して検知電極610の電気信号が外部に取り出される。
また、ガス検知層620は発熱抵抗体400と積層方向に重なるように配置され、発熱抵抗体400により加熱され、速やか且つ良好に活性化し、ガス感度を高めるようになっている。
以上のように、マイクロヒータ500を適用してガスセンサ1が構成されているので、高温(例えば500℃以上)の被検知ガス中の特定ガスの有無や濃度を検知できる。
The pair of detection electrodes 610 are a pair of electrodes for detecting a change in electrical characteristics in the gas detection layer 620, and the gas detection layer 620 is interposed between both electrodes that are separated from each other. As an example, each of the pair of detection electrodes 610 has a comb-like planar shape, and the comb teeth of the other electrode are inserted between the comb teeth of one electrode. The detection electrode 610 has a surface facing the gas detection layer 620 and both side surfaces of the detection electrode 610 in contact with the gas detection layer 620 over the entire surface, and the gas detection layer 620 and the detection electrode 610 are electrically connected. Connected. The pair of detection electrodes 610 are respectively connected to a wiring film (not shown) and drawn out of the diaphragm 150, and an electric signal of the detection electrode 610 is taken out through the electrodes connected to the wiring film.
In addition, the gas detection layer 620 is disposed so as to overlap the heating resistor 400 in the stacking direction, and is heated by the heating resistor 400 to be quickly and satisfactorily activated to increase gas sensitivity.
As described above, since the gas sensor 1 is configured by applying the microheater 500, it is possible to detect the presence or concentration and the concentration of the specific gas in the detected gas at a high temperature (for example, 500 ° C. or higher).

検知電極610は、例えばDCスパッタ装置を用い、引張応力膜222の表面にタンタル(Ta)層を形成し、さらにその表面上に白金(Pt)層をスパッタ形成して形成できる。スパッタ後、フォトリソグラフィによりレジストのパターニングを行い、ウエットエッチング処理にて、櫛歯状の平面形状を有する検知電極610や、それに接続される配線膜等を形成する。
ガス検知層620は、例えば酸化スズ(酸化スズ粒子)を主成分とし、酸化カルシウムを添加した酸化物半導体ペーストを厚膜印刷により塗布し、焼成して形成できる。
The detection electrode 610 can be formed by using a DC sputtering apparatus, for example, by forming a tantalum (Ta) layer on the surface of the tensile stress film 222 and further forming a platinum (Pt) layer on the surface by sputtering. After sputtering, resist is patterned by photolithography, and a detection electrode 610 having a comb-like planar shape, a wiring film connected thereto, and the like are formed by wet etching.
The gas detection layer 620 can be formed by, for example, applying and baking an oxide semiconductor paste containing tin oxide (tin oxide particles) as a main component and adding calcium oxide by thick film printing.

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、発熱抵抗体の形状は上記実施形態に限定されない。
又、上記実施形態では、発熱抵抗体400と測温抵抗体300とが異なる材料からなっていたが、両者が同一の材料からなり、かつ薄膜部の厚み方向の異なる位置に異なる厚みでそれぞれ配置されていてもよい。この場合、発熱抵抗体400と測温抵抗体300とが同一の材料からなる場合であっても、両者の厚みを変えることで、具体的には発熱抵抗体の厚みをより厚くすることで、発熱抵抗体の熱による経時劣化をさらに抑制できる。
又、上記実施形態では、特定ガスの濃度変化によって金属酸化物半導体の電気的特性が変化することを利用して、特定ガスの濃度変化を検知する場合について説明したが、本発明のセンサは他の測定原理に基づくガスセンサにも適用可能である。
又、本発明のセンサはガスセンサの他、上述の熱式流体流量センサにも適用可能である。
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but extends to various modifications and equivalents included in the spirit and scope of the present invention. For example, the shape of the heating resistor is not limited to the above embodiment.
Further, in the above embodiment, the heating resistor 400 and the resistance temperature detector 300 are made of different materials, but both are made of the same material and arranged at different thicknesses at different positions in the thickness direction of the thin film portion. May be. In this case, even if the heating resistor 400 and the resistance temperature detector 300 are made of the same material, by changing the thickness of both, specifically, by increasing the thickness of the heating resistor, It is possible to further suppress deterioration over time due to heat of the heating resistor.
In the above embodiment, the case where the change in the concentration of the specific gas is detected by utilizing the change in the electrical characteristics of the metal oxide semiconductor due to the change in the concentration of the specific gas has been described. The present invention can also be applied to a gas sensor based on this measurement principle.
In addition to the gas sensor, the sensor of the present invention can be applied to the above-described thermal fluid flow sensor.

1 ガスセンサ(センサ)
100 基板
130 空洞部
150 ダイヤフラム
150e ダイヤフラムの外周縁
300 測温抵抗体
400 発熱抵抗体
500 マイクロヒータ
D1 発熱抵抗体と測温抵抗体との最短距離
D2 測温抵抗体とダイヤフラムの外周縁との最短距離
1 Gas sensor (sensor)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Substrate 130 Cavity 150 Diaphragm 150e Diaphragm outer periphery 300 Resistance thermometer 400 Heating resistor 500 Micro heater D1 Shortest distance between heating resistor and RTD D2 Shortest distance between resistance thermometer and outer periphery of diaphragm distance

Claims (6)

表面と底面との間を貫通する空洞部を形成してなる基板と、
前記空洞部の表面側を閉じるように前記基板の前記表面上に設けられてダイヤフラムを形成する薄膜部と、
前記薄膜部に設けられる発熱抵抗体と、
前記薄膜部に設けられて前記発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体と、を備えてなるマイクロヒータにおいて、
前記マイクロヒータを前記薄膜部の厚み方向に沿って見たとき、前記測温抵抗体は前記発熱抵抗体よりも前記薄膜部の外周側に位置し、
前記薄膜部の表面に沿う方向における、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体との最短距離D1は、前記測温抵抗体と前記ダイヤフラムの外周縁との最短距離D2よりも長いことを特徴とするマイクロヒータ。
A substrate formed with a cavity penetrating between the surface and the bottom;
A thin film portion which is provided on the surface of the substrate so as to close a surface side of the cavity portion and forms a diaphragm;
A heating resistor provided in the thin film portion;
In a microheater provided with a resistance temperature detector provided in the thin film portion and measuring the temperature of the heating resistor,
When the micro heater is viewed along the thickness direction of the thin film portion, the resistance temperature detector is located on the outer peripheral side of the thin film portion with respect to the heating resistor,
The shortest distance D1 between the heating resistor and the resistance temperature detector in the direction along the surface of the thin film portion is longer than the shortest distance D2 between the resistance temperature detector and the outer peripheral edge of the diaphragm. Micro heater to be used.
前記発熱抵抗体を最高動作温度に発熱させたとき、前記測温抵抗体の温度が400℃以下となる請求項1記載のマイクロヒータ。   The microheater according to claim 1, wherein when the heating resistor is heated to a maximum operating temperature, the temperature measuring resistor has a temperature of 400 ° C or lower. 前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが異なる材料からなる請求項1又は2記載のマイクロヒータ。   The microheater according to claim 1 or 2, wherein the heating resistor and the resistance temperature detector are made of different materials. 前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが同一の材料からなると共に、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とは、前記薄膜部の厚み方向の異なる位置に異なる厚みで配置されている請求項1又は2記載のマイクロヒータ。   The heating resistor and the temperature measuring resistor are made of the same material, and the heating resistor and the temperature measuring resistor are disposed at different positions in the thickness direction of the thin film portion with different thicknesses. Item 3. The microheater according to Item 1 or 2. 前記発熱抵抗体はポリシリコンからなり、前記測温抵抗体はPtからなる請求項3記載のマイクロヒータ。   4. The microheater according to claim 3, wherein the heating resistor is made of polysilicon, and the temperature measuring resistor is made of Pt. 請求項1〜5のいずれか一項に記載のマイクロヒータを備えたセンサ。   The sensor provided with the micro heater as described in any one of Claims 1-5.
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