专利名称：气体流量计及其制造方法
背景技术：
本发明涉及气体流量计及其制造方法和，更特别地，它涉及热气体流量计以及它的制造方法，其中生热电阻器或热元件由硅(Si)半导体薄膜组成。
迄今为止，由于热气体流量计可直接检测气体质量，热气体流量计已主要用于如下用途作为在如用于汽车的内燃机的电子控制燃料注射系统中提供的吸入空气数量的流量计，或用于半导体生产的各种气体的流量计或在燃料电池中使用的氢气/氧气的流量计。其中，由于它可降低成本和可以在低能量下驱动，由半导体微加工技术制造的气体流量计已经被注意到。
作为使用现有半导体基材的气体流量计，由于耐热性和作为热元件的材料成本，使用多晶硅代替迄今为止使用的铂的那些是已知的，例如在日本专利No.2880651中描述的那些。
然而，其中如在此专利No.2880651中描述的那样，多晶硅用作热元件，目前已经发现时效变化的问题，其中热元件的电阻值随时间的流逝而变化。
(1)为达到以上目的，本发明提供了一种气体流量计，包括形成的含有腔室的半导体基材和通过绝缘膜在半导体基材腔室以上形成的至少热元件，以测量待测量气体的流量，其中热元件是在高浓度下采用杂质掺杂施加的硅(Si)半导体薄膜，和气体流量计含有屏蔽层，它作为硅(Si)半导体薄膜的上层和下层布置和在区域中形成以至少覆盖腔室，在热处理的生热温度范围中，屏蔽层较少渗透和吸收氢气。
采用此构造，通过使用屏蔽层可以降低热元件电阻值的时效变化和可以降低气体流量计的时效变化。
(2)在以上气体流量计(1)中，屏蔽层可包括化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜。
(3)在以上气体流量计(1)中，优选，硅(Si)半导体薄膜是采用杂质掺质施加的多晶硅(Si)半导体薄膜，和将多晶硅(Si)半导体薄膜采用作为杂质的磷(P)或硼(B)在高浓度下掺杂。
(4)在以上气体流量计(1)中，优选，在高浓度下施加掺杂使得硅(Si)半导体薄膜的电阻率为8×10-4Ωcm或更小。
(5)为达到以上目的，本发明提供一种气体流量计，包括形成的含有腔室的半导体基材和通过绝缘膜在半导体基材腔室以上形成的至少热元件，以测量待测量气体的流量，其中硅(Si)半导体薄膜是采用杂质掺杂施加的多晶的，将多晶硅(Si)薄膜采用作为杂质的磷(P)或硼(B)的掺杂在高浓度下施加，和气体流量计含有屏蔽层，它作为硅(Si)半导体薄膜的上层和下层布置和在区域中形成以至少覆盖腔室，在热处理的生热温度范围中，屏蔽层较少渗透和吸收氢气。
采用此构造，通过使用屏蔽层可以降低热元件电阻值的时效变化和可以降低气体流量计的时效变化。
(6)在以上气体流量计(5)中，在高浓度下施加掺杂处理使得硅(Si)半导体薄膜的电阻率为8×10-4Ωcm或更小。
(7)可以根据本发明在气体流量计的制造方法中达到上述目的，该气体流量计包括形成的含有腔室的半导体基材和通过绝缘膜在半导体基材腔室以上形成的至少热元件，以测量待测量气体的流量，其中半导体基材是硅半导体基材，和方法包括如下步骤在硅半导体基材的表面上形成包含化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜的第一绝缘膜，作为至少第一屏蔽层，它较少渗透和吸收氢气；在第一绝缘膜上形成硅半导体薄膜；通过热扩散施加杂质掺杂到硅半导体薄膜上，因此在高浓度下掺杂杂质；将硅半导体薄膜成图案和，至少形成热元件的图案；在热元件上堆叠包含化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜的第二绝缘膜，作为至少第二屏蔽层，它较少渗透和吸收氢气，和由第一和第二屏蔽层包围热元件；在至少包含氢气的气体气氛中或在惰性气体气氛中，将热处理退火施加到热元件上；在第二绝缘膜中形成通孔之后形成电极膜，以在热元件和外部电路之间建立电连接；和在硅基材的远面(rear face)处形成腔室。
采用上述方法，通过使用屏蔽层可以降低热元件电阻值的时效变化和可以降低气体流量计的时效变化。
(8)在以上方法(7)中，优选，热处理退火是在550℃或更高和900℃或更低下的热处理。
(9)在以上方法(7)中，优选，在其中氢气包含在待测量的气体中的情况下，在至少包含氢气的气氛中施加热处理退火。
(10)在以上方法(7)中，优选，在其中氢气不包含在待测量的气体中的情况下，在包含惰性气体的气氛中施加热处理退火。
(11)可以根据本发明，通过气体流量计的制造方法达到上述目的，该气体流量计包括形成的含有腔室的半导体基材和通过绝缘膜在半导体基材腔室以上形成的至少热元件，以测量待测量气体的流量。在气体流量计中，半导体基材是硅半导体基材。方法包括如下步骤在硅半导体基材表面上堆叠第一二氧化硅膜，作为较少渗透和吸收氢气的第一屏蔽层的化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜的，和第二二氧化硅膜；在第二二氧化硅膜上形成硅半导体薄膜；通过热扩散施加杂质掺杂到硅半导体薄膜上以在高浓度下施加磷(P)的掺杂，使得电阻率为8×10-4Ωcm或更小；将硅半导体薄膜成图案以形成至少用于热元件的图案；进一步在热元件上堆叠第三二氧化硅膜，作为较少渗透和吸收氢气的第二屏蔽层的化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜和第四二氧化硅膜，和采用较少渗透氢气的第一和第二屏蔽层包围热元件；在至少包含氢气的气体气氛中或在惰性气体气氛中，在550℃或更高和900℃或更低的温度下，将热处理退火施加到热元件上；在第二二氧化硅膜，第二屏蔽层和第四二氧化硅膜中形成通孔之后形成电极膜，以在热元件和外部电路之间建立电连接；和在硅基材的远面中形成腔室。
采用上述方法，通过使用屏蔽层可以降低热元件电阻值的时效变化和可以降低气体流量计的时效变化。
优选实施方案的详细描述以下参考
图1-13描述根据本发明第一实施方案的气体流量计的构造。
图1是根据本发明第一实施方案的气体流量计的传感器器件的平面图。图2是沿图1中线A-A’的横截面图。
在作为基础的半导体基材2上完全形成传感器器件1。半导体基材2是单晶硅(Si)板。如图2所示，在半导体基材2下表面侧上形成腔室9，和在腔室9上形成隔膜3。如由图1中的虚线所示，将腔室9形成为具有基本矩形刨床形状的孔。
如图2所示，在半导体基材2的一个表面上连续堆叠包括绝缘膜7a，屏蔽层8a和绝缘膜7b的三层膜。三层膜具有覆盖包括腔室9的半导体基材2整个表面的结构。绝缘膜7a和7b包括二氧化硅(SiO2)。屏蔽层8a由化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜形成，它在生热电阻器或热元件4的生热温度范围中较少渗透和吸收氢气。在构成隔膜3的绝缘膜7b的表面上形成热元件4，和上游温度测量电阻器5a和5b和下游温度测量电阻器5c和5d。此外，在隔膜3以外的区域中，在绝缘膜7b的表面上形成气体温度测量电阻器6。
如图1所示，从承受在高浓度下磷(P)或硼掺杂处理的多晶或单晶硅半导体薄膜，将热元件4，气体温度测量电阻器6，温度测量电阻器5a-5d，气体温度测量电阻器6和对应于每个电阻器的导线连接部分11(11a，11b，11c，11d，11e，11f，11g，11h，11j，11k，和11l)，每个制备为具有预定导电率(电阻值)的细条。
在绝缘膜7b的上层和每个电阻器上连续堆叠绝缘膜7c，屏蔽层8b和绝缘膜7d的三层膜。三层膜具有覆盖包括腔室9的半导体基材2整个表面的结构。绝缘膜7a和7b包括二氧化硅(SiO2)。屏蔽层8a由化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜形成，它在热元件4的生热温度范围中较少渗透和吸收氢气。提供绝缘膜7c，屏蔽层8b和绝缘膜7d的三层膜，以保护每个电阻器。
如上所述，分别构造每个电阻器的上层和下层，以被屏蔽层8a和8b所包围，它在热元件4的生热温度范围中较少渗透和吸收氢气。
在550℃或更高和900℃或更低下，将作为每个电阻器的薄硅半导体膜进行热处理退火，以降低在高温下供电时电阻的时效变化。
在端电极12(12a，12b，12c，12d，12e，12f，12g和12h)中，在绝缘膜7c，屏蔽层8b和绝缘膜7d的三层膜中形成通孔和然后形成如铝(Al)或金(Au)的薄膜垫(电极膜)，以与每个电阻器建立电连接。
基本沿垂直于由箭头10所示的待测量气体流动方向的方向，布置热元件4，形成温度测量电阻器5a，5b，5c和5d以彼此配对同时在上游和下游方向，和垂直于气体流动方向的方向上分隔开。待测量的目标气体包括空气、氢气、氮气、氧气、气态二氧化碳、城市煤气、甲烷、丙烷、丁烷和蒸汽。
在具有如上所述构造的本实施方案的气体流量计中，由于包括绝缘膜7a，7b，7c和7d和屏蔽层8a，8b的隔膜3具有覆盖腔室9整个表面的结构，可以保持隔膜3的机械强度，对于较长时间下粉尘、油和水并不侵入腔室内部和高可靠性的测量是可能的。
然后解释通过根据本发明气体流量计的测量操作。
首先，将电流通过腔室9提供到在隔热状态下的隔膜3上的热元件4，和控制电流使得温度比气体物流10的温度高一定水平。根据气体温度测量电阻器的电阻值，测量待测量气体的温度，如后所述。
通过比较位于热元件4上游的上游温度测量电阻器5a和5b的温度(电阻值)和位于热元件4下游的下游温度测量电阻器5c和5d的温度(电阻值)，测量气体流量和气体流动方向。
首先，当气体流量是零时，由于上游温度测量电阻器5a和5b和下游温度测量电阻器5c和5d在相同的加热条件下，这是由于热元件4的生热，它们显示相同的温度，不引起温度差异。
然后，当气体在箭头10的方向上流动时(称为“向前流”)，由于在由气体物流10引起的冷却效果中，上游温度测量电阻器5a和5b大于下游温度测量电阻器5c和5d，引起在上游温度测量电阻器5a和5b与下游温度测量电阻器5c和5d温度之间的差异，和根据此温度差异测量气体流量。
另一方面，当气体在箭头10的相反方向上流动时(称为“向后流”)，下游温度测量电阻器5c和5d的温底低于上游温度测量电阻器5a和5b的温度，其中表示上游温度测量电阻器5a和5b和下游温度测量电阻器5c和5d之间温度差异的信号反转。
如上所述，可以根据温度差异测量气体流量，和可以由温度差异的信号判断气体流动的方向。
然后描述使用根据本发明第一实施方案的气体流量计用于内燃机的空气流量计的构造。
图3是显示安装使用根据本发明第一实施方案的气体流量计用于内燃机的空气流量计的状态的横截面图。
如图3所示，例如，将图1所示的传感器器件1安装到汽车内燃机空气吸入通道13中。将传感器器件1(包括用于其的载体15和外部电路16)，布置在亚通道(sub-passage)14中，亚通道14设置在空气吸入通道13内。通过载体15将外部电路16电连接到传感器测量器件1的端电极(图1中所示的端电极12)上。
内燃机的吸入空气通常在由箭头10所示的方向上流动(向前流)。此外，依赖于内燃机的操作条件，它有时也可以在箭头10相反的方向上流动(向后流)。如上所述，流过内燃机空气吸入通道的空气流动包括向前流和向后流，和在向前流和向后流的情况下可以精确地测量空气流量，和通过使用在此实施方案中的气体流量计可以得出它们之间的区别。
同样在测量用于半导体生产的各种气体和用于燃料电池的氢气/氧气的流量的情况下，通过在如具有图3所示构造的气体通道中放置传感器器件1来测量气体流量。特别地，在其中测量可燃气体如氢气、氧气、城市煤气、甲烷、丙烷和丁烷的空气流量的情况下，以一定的方式构造电路部分如外部电路16，以充分保持空气紧密性，以抑制可燃气体向其的泄漏以保护安全。
然后，参考图4解释根据本发明第一实施方案的气体流量计的电路构造，图4是气体流量计的电路图。在图中，与图1中那些相同的参考数字表示相同的部分。
热元件4和气体温度测量电阻器6与电阻器20a和20b一起构成桥接电路。将动力从电源18通过晶体管19提供到桥接电路。将在桥接电路端子12a和12c处的电压输入到控制电路17。控制电路17包括如下包括A/D转换器等的输入电路，包括D/A转换器等的输出电路和用于进行操作处理的CPU。在桥接电路中，设定每个电阻器20a和20b的电阻值，使得热元件4的温度(Th)比相应于气体温度的气体温度测量电阻器6温度(Ta)高预定的数值(ΔTh＝Th-Ta＝150℃)。
控制电路17控制晶体管19使得热元件4的温度(Th)比相应于气体温度的气体温度测量电阻器6温度(Ta)高预定的数值(ΔTh)。即，当热元件4的温度低于设定值时，由来自控制电路17的输出打开晶体管19以允许加热电流流向热元件4。与此相反，当温度高于设定温度时，关闭晶体管19以将用于热元件4的加热电流降低到零，因此控制温度以保持设定的温度值。
此外，上游温度测量电阻器5a和5b和下游温度测量电阻器5c和5d构成桥接电路。将在桥接电路端子12g和12e的电势差输入到控制电路17。根据在桥接电路端子12g和12e之间的电势差，控制电路17检测在上游温度测量电阻器5a和5b和下游温度测量电阻器5c和5d之间的温度差。在温度差的检测之前，预先调节调节电阻器(未示出)的电阻值使得当气体流量为零时，在桥接电路端子12g和12e之间的电势差彼此适合。或者，预先将当气体流量为零时的端子12g和12e之间的电势差贮存在存储器21中。
在气体流量的测量中，预先将气体流量(Q)与桥接电路端子12g和12e之间的电势差之间的关系贮存为存储器21中的映射和，分别根据端子12g和12e之间的电势差和大小关系，判断和输出气体流量(Q)的测量值和气体物流的流动方向。
在此实施方案中，热元件4和气体温度测量电阻器6由薄硅半导体膜在相同的杂质浓度下形成，使得根据如图所示的桥接电路构造在它们之间的电阻的温度系数(α)相等。由于每个电阻器20a和20b要求用于设定热元件4的温度(Th)的电阻值(例如，ΔTh＝150℃)在与其的简单比例关系中，所以可以容易和简单地设定它们。
此外，在此实施方案中，以其中上游温度测量电阻器5a和5b和下游温度测量电阻器5c和5d彼此交叉的方式，通过使用四个温度测量电阻器5a，5b，5c和5d构成检测温度差的桥接电路和，因此，在端子12g和12e之间表现出的电势差比包括一对温度测量电阻器的桥接电路增加约两倍，使得增加了灵敏度和改进了精度。
对于检测气体流量(Q)的方法，除检测上游温度测量电阻器5a和5b和下游温度测量电阻器5c和5d之间温度差的方法以外，也可以采用如下方法使用流向加热元件4的加热电流(相应于图4中端子12c处的电势)作为流量检测信号。此外，也可以采用如下方法将上游温度测量电阻器5a和5b和下游温度测量电阻器5c和5d之间温度差的信号乘以流向热元件4的加热电流(相应于图4中端子12c处的电势)，因此获得流量检测信号。
然后参考图5描述根据本发明第一实施方案的气体流量计的传感器器件的生产步骤。
图5是显示根据本发明第一实施方案的气体流量计的传感器器件的制备步骤的步骤图。与图1中那些相同的参考数字显示相同的部分。
如图5A所示，通过热氧化处理，分别在硅半导体基材2的上和下表面上形成二氧化硅(SiO2)层7a和22，每个的厚度约为0.2μm。然后，在770-800℃的温度下，通过真空CVD方法(化学气相沉积以后称为LPCVD方法)，将化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜形成到约0.15μm的厚度，该氮化硅薄膜在热元件4的生热温度范围(＜550℃)中较少渗透和吸收氢气。化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜具有密集的膜质量，它是高机械强度的膜，具有残余的拉伸应力和也具有如下特征在热元件4的生热温度范围(＜550℃)中较少渗透和吸收氢气。
尽管是相同的氮化硅薄膜，通过用于在低沉积温度下在等离子体气氛(等离子体氮化硅薄膜)中形成膜的等离子体CVD方法或溅射方法形成的薄氮化硅膜，具有不同于化学计量稳定的氧化硅(Si3N4)薄膜的SixNy(x，y＝不定值)化学结构，因此，它具有粗糙、不稳定的膜质量，低机械强度，和大量包含的氢气，和氢气渗透容易，使得它们不适于此实施方案的屏蔽层。
然后，在屏蔽层8a上通过LPCVD方法将二氧化硅(SiO2)层7b形成到约0.5μm的厚度。通过LPCVD方法形成的二氧化硅(SiO2)膜在膜中具有相反的压缩应力和与上述氮化硅(Si3N4)薄膜相比导热率小一个数位。
因此，由于这样提供了二氧化硅(SiO2)层7a和7b和薄氮化硅(Si3N4)膜8a的多层结构，和氮化硅(Si3N4)薄膜在膜中具有拉伸应力同时二氧化硅(SiO2)膜在膜中具有压缩应力，残余应力在与彼此偏移的方向上起作用，使得可以降低在隔膜3中由残余应力引起的变形以改进强度。
然后，如图5B所示，通过如LPCVD的方法，在绝缘膜7b上形成多晶硅(Si)半导体薄膜23，用于形成热元件4和温度测量电阻器5a-5d和6，每个的厚度约为1μm。也可以通过使用等离子体的LPCVD，使用电子回旋加速器共振的ECR-PCVD或使用微波的CVD，作为使用其它等离子体的制造方法，形成多晶硅(Si)半导体薄膜。尽管在此实施方案中多晶硅(Si)半导体薄膜用于硅(Si)半导体薄膜23，也可以形成外延生长的单晶结构的硅(Si)半导体薄膜。
然后，通过热扩散处理，将杂质掺杂处理施加到这样形成的硅(Si)半导体薄膜23上。在硅(Si)半导体薄膜23的表面上形成磷玻璃(POCl3)和施加在1000℃下的热处理30分钟或更多，以形成在高浓度下采用磷(P)掺杂的硅(Si)半导体薄膜23，以提供8×10-4Ωcm或更小的电阻率(ρ)。
尽管磷(P)在此步骤中用作杂质，也可以通过使用硼(B)作为杂质进行高浓度掺杂。关于这样形成的硅(Si)半导体膜的电阻值稳定性(时效变化)，磷(P)作为杂质的使用可提供更大的效果。
然后，如图5(c)所示，在以预定形状通过已知光刻法形成抗蚀剂之后，通过如下方式将硅(Si)半导体薄膜23形成图案例如，反应性干燥蚀刻以形成热元件4，温度测量电阻器5a-5d，气体测量温度电阻器6(未示出)和用于连接每个电阻器和端电极12的导线连接部分11(11a-111)(未示出)。
然后，如图5D所示，以图5A步骤相同的方式将二氧化硅(SiO2)层形成到约0.5μm的厚度作为绝缘膜7c，在770-800℃的温度下，通过LPCVD方法，将化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜形成到约0.15μm的厚度作为屏蔽层8b，和将二氧化硅(SiO2)层堆叠到约0.2μm的厚度作为绝缘膜7d。
在形成绝缘膜7c和7d和屏蔽层8b之后，施加热处理以增强多晶硅(Si)半导体薄膜的电阻值的稳定性(时效变化)。在其中氢气包含在待测量气体中的情况下，在至少包含氢气的气氛中施加热处理退火和在其中氢气不包含在待测量气体中的情况下，在惰性气体气氛中，在550℃或更高和900℃或更低下施加热处理退火。
如上所述，形成包括绝缘膜7a和7b和屏蔽层8a的三层结构作为热元件4的下层，同时形成包括绝缘膜7c和7d和屏蔽层8b的三层结构作为热元件4的上层。由于它们提供关于硅(Si)半导体薄膜23上方向和下方向对称的膜结构，可以降低由于热应力的隔膜3的变形以改进强度。
随后，尽管未说明，例如，采用铝或金在绝缘膜7c和7d和屏蔽层8b，端电极12(12a-12h)预定位置处，形成通孔，以在端电极和电阻器之间建立电连接。然后，为在硅半导体基材2中形成腔室9，将用于蚀刻的掩蔽材料22以预定形状形成图案，以仅曝露半导体基材2的蚀刻部分。对于掩蔽材料22，使用二氧化硅或具有更高蚀刻选择性的氮化硅。
然后，如图5(e)所示，通过使用二氧化硅或氮化硅作为掩蔽材料和使用例如，氢氧化钾(KOH)的蚀刻溶液，通过从硅半导体基材2的远面施加各向异性蚀刻，形成腔室9。
在半导体生产工艺的最终步骤处或在形成作为端电极12的铝或金之后，在氢气或惰性气体气氛中，在400℃或更低温度下施加热处理退火1小时或更多，以增强电极材料如铝或金的膜质量和以保证电连接。在400℃或更低温度下进行1小时或更多的热处理退火中，当待测量的气体是空气、氮气、氧气、气态二氧化碳或蒸汽时，在测量的气体或作为惰性气体的氮气、氩气、氦气或氟的气体气氛中，施加热处理退火。此外，当测量的气体是包含氢原子的气体如氢气、城市煤气、甲烷、丙烷和丁烷时，在测量的气体或氢气的气体气氛中施加热处理退火。通过热处理退火，可以进一步改进硅(Si)半导体薄膜电阻值的稳定性(时效变化)。
此外，由于将热元件4和温度测量电阻器5a-5d、和6在磷(P)或硼(B)的高浓度下掺杂，使得电阻率(ρ)为8×10-4Ωcm或更小，热元件4和温度测量电阻器5a-5d、和6的电阻的温度系数(α)保持相对较高。因此，可以提供具有降低的成本和改进的温度测量灵敏度的气体流量计。
然后，参考图6和7解释用于作为根据本发明第一实施方案气体流量计的电阻器的电阻率和电阻的温度系数。
图6是显示用于根据本发明第一实施方案气体流量计的硅(Si)半导体薄膜的电阻率(ρ)和杂质浓度之间关系的解释性视图。图7是显示用于根据本发明第一实施方案气体流量计的硅(Si)半导体薄膜的电阻的温度系数(α)和电阻率(ρ)之间关系的解释性视图。
硅(Si)半导体薄膜一般显示如电阻器的电阻-温度特性。然而，它具有相对窄的温度范围和当在高浓度下采用杂质掺杂处理施加时，它显示如金属的电阻-温度特性，例如在如下公式(1)中所示的那样。
R＝RO(1+α(T-TO)) ----(1)
其中R是半导体膜在温度(T)时的电阻值，RO是半导体膜在温度(TO)时的电阻值，和α是电阻的温度系数。
优选，温度测量电阻器5a-5d和6具有大的电阻的温度系数(α)，以改进检测灵敏度。此外，当要将它加热到所需温度(例如，200℃)时，考虑到降低用于驱动热元件4的电压，优选热元件4具有小的电阻率(ρ)。
图7中的实线26显示电阻的温度系数(α)和电阻率(ρ)之间的关系。在图7中，电阻的温度系数(α)在区域27中增加，其中电阻率(ρ)为8×10-4Ωcm或更小。考虑到检测灵敏度中的改进，优选温度测量电阻器5a-5d和6具有大的电阻的温度系数(α)。此外，由于优选热元件4具有小的电阻率(ρ)，在低电阻率(ρ)下在区域27中可以达到大的电阻的温度系数(α)(1000(×10-6/℃)或更大)，其中电阻率(ρ)为8×10-4Ωcm或更小。
特别地，对于热元件4，增加硅(Si)半导体膜的厚度是降低电阻值的可能措施。然而，如果增加膜厚度，难以在良好的精度下将它蚀刻成所需的图案和考虑到材料成本这也不是优选的。能够在高精度下获得多晶硅(Si)半导体膜的厚度的极限是约1μm，和在此厚度下可以由10V或更低驱动电压驱动的热元件4的电阻值是1kΩ或更小。如先前所述，在其中电阻率(ρ)为8×10-4Ωcm或更小的情况下，如果热元件4尺寸为1mm长，0.1mm宽，1μm厚，热元件4的电阻值是80Ω。此外，包括远至要与热元件4连接的导线连接部分11的电阻，整个电阻值为约2000Ω，它小于1kΩ。
然后，考虑到由图6中实线24所示的硅(Si)半导体薄膜的电阻率(ρ)和杂质浓度之间的关系，当电阻率(ρ)为8×10-4Ωcm或更小时的杂质浓度是由图6中区域25所示的2×1020(cm-3)或更大的区域。考虑到电源电压和在此实施方案中的生热，从50-900Ω选择热元件的电阻值，同时从1-10kΩ选择温度测量电阻器5a-5d和6的电阻值。
然后，参考图8-10描述用于根据本发明第一实施方案的气体流量计的传感器器件的屏蔽层。
图8-10是用于根据本发明第一实施方案的气体流量计的传感器器件的屏蔽层的解释性视图。与图1中那样相同的参考数字显示相同的部分。
图8显示图2中部分B的放大视图，它缺少图1中所示的屏蔽层8a和8b。在包括多晶硅(Si)半导体膜的热元件4以上和以下形成包括二氧化硅(SiO2)的绝缘膜7a，7b，7c和7d。硅(Si)的晶粒29，晶界28，和与二氧化硅(SiO2)的边界面30存在于多晶硅(Si)半导体膜4中。
如图9A所示，在由图8所示的硅(Si)的晶粒29中，硅(Si)原子规则地排列和以单晶态键合以形成化学稳定的理想结构。另一方面，如图9B所示，在晶界28中，在与二氧化硅(SiO2)的边界面处和在晶粒29中的缺陷(未示出)中，硅(Si)原子的规则排列和键合被干扰到不稳定的状态。特别地，在形成多晶硅(Si)半导体膜或二氧化硅(SiO2)膜的LPCVD方法中，在生产工艺期间产生氢气组分，如图9B所示，在晶界28，缺陷区域中或在多晶硅(Si)半导体膜的边界面30处，形成由规则排列的干扰引起的硅(Si)和氢(H)之间的键合(悬空键)。由于Si-H键(悬空键)能量是3.1eV，它与在其它气体中的Si-N或Si-F键合相比更低，和例如，通过温度的升高，容易形成和分离悬空键。在其中如图9B所示形成Si-H悬空键的情况下，由于降低了晶界或多晶硅(Si)半导体膜中缺陷区域中的能垒，降低了电阻值。
然而，在没有含有图8所示的屏蔽层8a和8b的结构中，当将热元件加热和测量流量较长的时间时，如图9C所示容易分离Si-H悬空键，和氢气在二氧化硅(SiO2)膜中扩散和分离，使得增加晶界或多晶硅(Si)半导体薄膜中缺陷区域中的能垒，以因此增加电阻值，它引起时效变化。
另一方面，图10显示在此实施方案中形成屏蔽层8a和8b的构造。由于屏蔽层8a和8b的停止氢气的扩散和分离，将Si-H悬空键稳定化，和在通过加热热元件测量流量较长时间的情况下，也降低了电阻的老化变化。
然后参考图11，根据用于本发明第一实施方案的气体流量计的传感器器件的屏蔽层的存在或不存在，描述时效变化。
图11是用于根据本发明第一实施方案的气体流量计的传感器器件的屏蔽层的解释性视图。
图11显示在其中在包括多晶硅(Si)半导体膜的热元件4以上和以下形成屏蔽层8a和8b的情况下(实线32)和在没有屏蔽层的构造的情况下(实线31)，热元件4的电阻时效变化的试验结果。在图11中，横坐标表示供电时间而纵坐标显示在供电之后的电阻变化。在此实施方案中，在供电下将热元件4加热到250℃。
如由实线31所示，在没有屏蔽层的构造中，在1000小时的用于加热的供电时间之后电阻的时效变化是约1％。相反地，如由实线32所示，可以看出通过在包括多晶硅(Si)半导体膜的热元件4以上和以下形成屏蔽层8a和8b，可以极大地改进热元件4的时效变化。
尽管未说明，当仅形成屏蔽层8a时，结果基本与缺乏屏蔽层的结果相等。在热元件4的时效变化的抑制中，在包括多晶硅(Si)半导体膜的热元件4以上和以下形成屏蔽层8a和8b两者是有效的，因此采用屏蔽层包围热元件4。
此外，参考图12和13，描述防止根据本发明第一实施方案的气体流量计的传感器器件的时效变化的另外方法。
图12和13是防止根据本发明第一实施方案的气体流量计的传感器器件中时效变化的另外方法的解释性图。
在防止时效变化的方法中，在形成屏蔽层8a和8b之后，分别在其中氢气包含在待测量气体中的情况下，在至少包含氢气的气氛中施加热处理退火和在其中氢气不包含在待测量气体中的情况下，在惰性气体气氛中，在550℃-900℃的温度范围中施加热处理退火。
图12和13分别显示在惰性气体(氮气、氩气、氦气、氟等)气氛中，热元件4，在其中氢气不包含在待测量的气体中的情况下，采用屏蔽层8a和8b形成的包括多晶硅(Si)半导体膜的热元件4的电阻热处理退火和电阻时效变化的效果。
屏蔽层8a和8b的化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜具有如下特征在550℃或更低下较少渗透和吸收氢气但在550℃或更高温度下容易渗透氢气。由于以上情况，在其中氢气不包含在待测量的气体中的情况下，当在550℃或更高下预先通过热处理退火，将在由屏蔽层8a和8b包围的多晶硅(Si)半导体膜中形成过量Si-H悬空键的氢气驱出时，在热元件4的生热温度范围(＜550℃)中，在随后的阶段中，可以进一步降低电阻器的时效变化。
由于在550℃或更高下通过热处理退火消除形成过量Si-H悬空键的氢气，在一定程度上通过能垒的增加而增加图12所示的电阻值33，但显著改进了图13所示的电阻时效变化34。
另一方面，在900℃或更高的热处理退火温度下，将在高浓度下掺杂入多晶硅(Si)半导体膜的磷(P)杂质活化和磷(P)开始从晶界和其中磷大量被沉淀的边界扩散入晶粒，和磷(P)在晶界和边界的减小导致了Si-H悬空键的增加，使得电阻的老化变化相当地增加。由于以上情况，550℃-900℃的温度范围对于热处理退火是最优的。
以上内容描述了其中氢气不包含在待测量的气体中的情况。当氢气包含在待测量的气体中时，随时间的消逝，在待测量气体中的氢气稍微进入多晶硅(Si)半导体膜，以增加显示其中热元件4电阻值降低的时效变化的Si-H悬空键。因此，在其中氢气包含在待测量的气体中的情况下，必须预先吸收足够量的氢气，它在由屏蔽层8a和8b包围的多晶硅(Si)半导体膜中形成Si-H悬空键。为此目的，在550℃-900℃的温度范围中，在含氢气的气氛中，施加热处理退火，以从外部(热处理气氛)通过屏蔽层8a和8b吸收氢气，通过该方式，甚至在其中氢气包含在待测量的气体中的情况下，也可以达到具有较小电阻时效变化的热元件4。
尽管以上内容已经描述了热元件4，通过将以上内容应用到硅(Si)半导体膜如用于温度测量电阻器5a-5d，气体温度测量电阻器6和用于连接每个电阻器和端电极12的导线连接部分11(11a-111)，也可以达到相似的效果。
此外，由于在晶界，缺陷和硅(Si)半导体膜边界面处以较大量沉淀的磷(P)抑制了Si-H悬空键的形成，通过在高浓度下施加如磷(P)的杂质的掺杂处理使得硅(Si)半导体薄膜的电阻率(ρ)为8×10-4Ωcm或更小，可以获得每个电阻器的最优电阻值和电阻的温度系数，可以降低每个电阻器的电阻时效变化。
此外，尽管已经描述了实施例，其中将化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜施加为屏蔽层8a和8b，也可以通过施加具有如下特征的屏蔽膜材料获得相似的效果在热元件4的生热温度范围中较少渗透和吸收氢气，例如，金(Au)或银(Ag)。
在此情况下，吸氢和贮氢类型金属如钛(Ti，Ti合金)体系或镍(Ni，Ni合金)体系作为用于屏蔽层8a和8b的材料的使用不是合适的。在吸氢和贮氢类型屏蔽层中，一次贮存在屏蔽层中的氢气重复沉淀和随热元件4生热时间的消逝而贮存。因此，在硅(Si)半导体膜中Si-H悬空键的形成随时间波动和热元件4的电阻值不稳定和不能保持恒定。
此外，由于这在热元件4的生热温度范围中可容易地渗透氢气，二氧化硅(SiO2)不适于作为用于屏蔽层8a和8b的材料，和由于它是吸氢和贮氢类型材料，硅(Si)半导体膜也不适于屏蔽层材料。
不包含氢的待测量气体包括，例如，空气、氮气、氧气、气态二氧化碳和蒸汽，而包含氢的待测量气体包括氢气、城市煤气、甲烷、丙烷或丁烷作为目标。
在以上内容中，硅(Si)半导体膜已经描述为多晶的。然而，同样在单晶硅(Si)半导体膜中，硅(Si)原子的规则排列/键合被干扰成不稳定态，如图9B所示，在与二氧化硅(SiO2)的边界面30处和在图8所示的晶粒29的缺陷(未示出)中，形成其中规则排列/键合被干扰的硅(Si)和氢(H)的键合(悬空键)。因此，此实施方案也对单晶硅(Si)半导体膜具有相似的效果。
如先前所述，根据此实施方案，由于在热元件以上和以下将较少渗透和吸收氢气的屏蔽层，形成为分别在高浓度下杂质掺杂的硅(Si)半导体膜，以包围热元件，可以降低气体流量测量时的时效变化和可以在高可靠性下测量气体流量。
此外，在550℃或更高和900℃或更低的温度下，在至少包含氢气的气氛中，在形成上述上屏蔽层之后，在其中氢气包含在待测量的气体中的情况下，和在惰性气体气氛中，在形成屏蔽层之后，在其中氢气不包含在待测量的气体中的情况下，施加热处理退火，通过该方式可以降低气体流量测量时的时效变化和，因此，可以在高可靠性下测量气体流量。
然后参考图14描述根据本发明第二实施方案的气体流量计的构造。在此实施方案中气体流量计的传感器器件的平面构造与图1中所示的相同。
图14是显示根据本发明第二实施方案的气体流量计构造的横截面图。与图1中那些的相同参考数字显示相同的部分。
在此实施方案中的气体流量计的主要构造与图1-2中所示的相同，但特征在于节省了位于图2所示的第一实施方案中的屏蔽层8a和8b之间的绝缘膜7b和7c。
采用上述结构，由于硅(Si)半导体薄膜的每个电阻器4，5b和5d更可靠地被屏蔽层8a和8b包围，可以降低气体流量测量时的时效变化。
根据此实施方案，由于在热元件以上和以下将较少渗透和吸收氢气的屏蔽层，形成为分别在高浓度下杂质掺杂的硅(Si)半导体膜，以包围热元件，可以降低气体流量测量时的时效变化和可以在高可靠性下测量气体流量。
然后参考图15描述根据本发明第三实施方案的气体流量计的构造。在此实施方案中气体流量计的传感器器件的平面构造与图1中所示的相同。
图15是显示根据本发明第三实施方案的气体流量计构造的横截面图。与图1中那些的相同参考数字显示相同的部分。
在此实施方案中的气体流量计的主要构造与图14中所示的相同和它进一步具有的特征在于节省了在图14中所示的第二实施方案中提供的绝缘膜7c。也可以节省绝缘膜7b。
根据此实施方案，由于分别在高浓度下杂质掺杂的硅(Si)半导体膜的热元件以上和以下，布置在热元件的生热温度范围中较少渗透和吸收氢气的屏蔽层，以包围热元件，使得可以降低气体流量测量时的时效变化和，因此，可以在高可靠性下测量气体流量。
根据本发明，可以降低气体流量计的时效变化。
尽管已经在它的优选实施方案中描述了本发明，可以理解的是已经使用的词语是描述而不是限制的词语，和在它的更宽方面中，在不背离本发明的真实范围和精神的情况下，可以进行在所附权利要求范围之内的变化。
权利要求
1.一种测量待测量气体的流量的气体流量计，包括形成的含有腔室的半导体基材；和通过绝缘膜在半导体基材腔室以上形成的至少热元件；其中热元件是在高浓度下采用杂质掺杂施加的硅(Si)半导体薄膜，和气体流量计含有屏蔽层，它作为硅(Si)半导体薄膜上层和下层布置和在区域中形成以至少覆盖腔室，在热元件的生热温度范围中，屏蔽层较少渗透和吸收氢气。
2.权利要求1的气体流量计，其中屏蔽层包括化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜。
3.权利要求1的气体流量计，其中硅(Si)半导体薄膜是采用杂质掺质施加的多晶硅(Si)半导体薄膜，和将多晶硅(Si)半导体薄膜采用作为杂质的磷(P)或硼(B)在高浓度下掺杂。
4.权利要求1的气体流量计，其中在高浓度下施加掺杂使得硅(Si)半导体薄膜的电阻率为8×10-4Ωcm或更小。
5.一种测量待测量气体的流量的气体流量计，包括形成的含有腔室的半导体基材；和通过绝缘膜在半导体基材腔室以上形成的至少热元件；其中硅(Si)半导体薄膜是采用杂质掺杂施加的多晶的，将多晶硅(Si)薄膜采用作为杂质的磷(P)或硼(B)的掺杂在高浓度下施加，气体流量计含有屏蔽层，它作为硅(Si)半导体薄膜上层和下层布置和在区域中形成以至少覆盖腔室，在热元件的生热温度范围中，屏蔽层较少渗透和吸收氢气。
6.权利要求5的气体流量计，其中在高浓度下施加掺杂使得硅(Si)半导体薄膜的电阻率为8×10-4Ωcm或更小。
7.一种气体流量计的制造方法，该气体流量计包括形成的含有腔室的半导体基材和通过绝缘膜在半导体基材腔室以上形成的至少热元件，以测量待测量气体的流量；其中半导体基材是硅半导体基材，和该方法包括如下步骤形成包含化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜的第一绝缘膜，作为至少第一屏蔽层，它较少渗透和吸收氢气，作为在硅半导体基材表面上形成的绝缘膜；在第一绝缘膜上形成硅半导体薄膜，作为上层；通过热扩散施加杂质掺杂到硅半导体薄膜上，因此在高浓度下掺杂杂质；将硅半导体薄膜成图案和，至少，形成热元件的图案；在热元件上堆叠包含化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜的第二绝缘膜，作为至少第二屏蔽层，它较少渗透和吸收氢气，作为热元件的上层，和由第一和第二屏蔽层包围热元件；在至少包含氢气的气体气氛中或在惰性气体气氛中，将热处理退火施加到热元件上；在第二绝缘膜中形成通孔之后形成电极膜，以在热元件和外部电路之间建立电连接；和在硅基材的远面处形成腔室。
8.权利要求7的气体流量计的制造方法，其中热处理退火是在550℃或更高和900℃或更低下的热处理。
9.权利要求7的气体流量计的制造方法，其中在其中氢气包含在待测量的气体中的情况下，在至少包含氢气的气氛中施加热处理退火。
10.权利要求7的气体流量计的制造方法，其中在其中氢气不包含在待测量的气体中的情况下，在包含惰性气体的气氛中施加热处理退火。
11.一种气体流量计的制造方法，该气体流量计包括形成的含有腔室的半导体基材和通过绝缘膜在半导体基材腔室以上形成的至少热元件，以测量待测量气体的流量；其中半导体基材是硅半导体基材，和该方法包括如下步骤在硅半导体基材表面上堆叠第一二氧化硅膜，作为较少渗透和吸收氢气的第一屏蔽层的化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜，和第二二氧化硅膜；在第二二氧化硅膜上形成硅半导体薄膜；通过热扩散施加杂质掺杂到硅半导体薄膜上以在高浓度下施加磷(P)的掺杂，使得电阻率为8×10-4cm或更小；将硅半导体薄膜成图案以形成至少用于热元件的图案；进一步在热元件上堆叠第三二氧化硅膜，作为较少渗透和吸收氢气的第二屏蔽层的化学计量稳定的氮化硅(Si3N4)薄膜，和第四二氧化硅膜，和采用较少渗透氢气的第一和第二屏蔽层包围热元件上；在至少包含氢气的气体气氛中或在惰性气体气氛中，在550℃或更高和900℃或更低的温度下，将热处理退火施加到热元件上；在第二二氧化硅膜，第二屏蔽层和第四二氧化硅膜中形成通孔之后形成电极膜，以在热元件和外部电路之间建立电连接；和在硅基材的远面中形成腔室。
全文摘要
一种能够降低时效变化的气体流量计，包括形成的含有腔室的半导体基材和在半导体基材腔室以上通过绝缘膜形成的热元件。该热元件是在高浓度下杂质掺杂的硅(Si)半导体薄膜。在硅(Si)半导体薄膜以上和以下形成作为屏蔽层的化学计量稳定的氮化硅(Si
文档编号G01F1/692GK1447098SQ02147069
公开日2003年10月8日 申请日期2002年10月29日 优先权日2002年3月27日
发明者山田雅通, 堀江润一, 渡边泉, 中田圭一 申请人:株式会社日立制作所, 株式会社日立汽车工程