JP2003501657A - Low power consumption sensor - Google Patents
Low power consumption sensorInfo
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- G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
Abstract
(57)【要約】 本発明のＭＯＳＦＥＴアレイガスセンサは、シリコンバルクマイクロマシニングを用いて製造される。誘電膜により懸架されたシリコンアイランドに、加熱抵抗器、温度センサとして用いられるダイオードおよび４つのガス感受性ＦＥＴが配置されている。膜は、低い熱伝導率を有し、したがって、チップフレームからシリコンアイランド上の電子成分を熱的に分離する。この低熱質量デバイスにより、175℃の動作温度で消費電力を80ｍＷの値まで減少できる。この低消費電力ＭＯＳＦＥＴガスセンサアレイは、ポータブルガスセンサ器具および自動車における用途に適している。 (57) Abstract The MOSFET array gas sensor of the present invention is manufactured by using silicon bulk micromachining. On a silicon island suspended by a dielectric film, a heating resistor, a diode used as a temperature sensor, and four gas-sensitive FETs are arranged. The membrane has a low thermal conductivity and therefore thermally separates the electronic components on the silicon island from the chip frame. This low thermal mass device reduces power consumption to a value of 80 mW at an operating temperature of 175 ° C. This low power MOSFET gas sensor array is suitable for portable gas sensor equipment and automotive applications.
Description
【０００１】
概論
ガス感受性電界効果トランジスタ（ＧａｓＦＥＴ）デバイスが約25年間に亘り
研究されてきた。ＭＯＳＦＥＴゲートを、触媒特性を有する材料（Ｐｔ、Ｐｄ、
Ｉｒ等）で置換することにより、幾種類かの気体を検出できるようになる。この
期間に、それらの材料は、水素モニタや漏れ検出器や電子ノーズのような異なる
用途に適していることが示されてきた。ポータブル機器および自動車産業は、低
コストで低消費電力のデバイスが常に開発されている市場である。ここ最近では
、ガス検知分野において、抵抗ガスセンサデバイスの消費電力を減少させること
に多くの研究が行われてきたが、ＭＯＳＦＥＴ型ガスセンサには、全く報告され
ていない。これらのガスセンサは、使用時に、感度を高めるために通常100℃を
超える温度まで加熱され、標準的なシリコン製造技術を使用するために、その温
度は175-200℃に制限されている。あるセンサの現在の消費電力は約0.5から1.0
Ｗであり、その大部分は、センサを動作温度まで加熱するために用いられる。こ
の技術をこれらの市場の他のものに負けないようにするために、ＧａｓＦＥＴの
低消費電力アレイが開発された。Introduction Gas sensitive field effect transistor (GasFET) devices have been studied for about 25 years. The MOSFET gate is made of a material having catalytic properties (Pt, Pd,
By substituting it with Ir, etc.), several kinds of gas can be detected. During this period, those materials have been shown to be suitable for different applications such as hydrogen monitors, leak detectors and electronic noses. The portable equipment and automotive industries are markets where low cost and low power consumption devices are constantly being developed. Recently, much research has been conducted in the field of gas detection to reduce the power consumption of resistive gas sensor devices, but no report has been made on MOSFET gas sensors. In use, these gas sensors are typically heated to temperatures above 100 ° C. to increase sensitivity, and their temperature is limited to 175-200 ° C. to use standard silicon fabrication techniques. The current power consumption of a sensor is about 0.5 to 1.0
W, the majority of which is used to heat the sensor to operating temperature. To keep this technology competitive with others in these markets, low power arrays of GasFETs were developed.
【０００２】
本発明の目的は、ガス感受性電界効果トランジスタ（ＧａｓＦＥＴ）デバイス
について、このような比較的高い消費電力を低下させることにある。It is an object of the present invention to reduce such relatively high power consumption for gas sensitive field effect transistor (GasFET) devices.
【０００３】
本発明
本発明の目的は、「加熱板デバイス」を含むマイクロマシニングされた半導体
デバイスの設計および製造方法論により解決され、これにより、マイクロマシニ
ング加工を、周囲に露出される活性マイクロ電子化学センサの加熱板上の集積と
組み合わせることができる。このデバイスは、支持基板、該基板のウェル上に延
在する膜、および該膜に取り付けられ、前記支持基板から熱的に分離された半導
体アイランドを備えている。半導体アイランドは、マイクロ電子化学センサを組
み込むための基板として働き、これらセンサは、例えば、膜内の孔を通して周囲
に露出される。このデバイスは、他の活性マイクロ電子成分、例えば、制御およ
び検出のための回路を含んでもよく、これらは、必要であれば、前記膜により保
護してもよい。前記アイランド中に電気加熱器および温度センサを含めることに
より、非常に低い電力を用いて温度制御下で加熱できるマイクロ加熱板化学セン
サデバイスが得られる。従来のデバイスと比較して、開示されたデバイスの最も
重要な利点は、デバイスを囲む周囲の気体または液体にまだ露出されながら、前
記加熱板上で任意の活性マイクロ電子化学センサを組み込めることである。開示
されたデバイスにより、いわゆる電界効果検出機構に基づいて、化学センサを用
いることができる。電界効果ガスセンサは、単独のセンサとして、いくつかのセ
ンサからなるアレイとして、もしくは異なる検出機構を用いた１つ以上のセンサ
と組み合わせたいずれかの多くの用途において非常に有用であることが証明され
た。開示されたデバイスを用いることにより、低消費電力電界効果ガスセンサお
よびセンサアレイを製造できるようになる。開示されたマイクロ加熱板デバイス
の低熱質量(thermal mass)のために、この電界効果ガスセンサの動作温度は、い
くつかの他の様式で迅速にパルスにしたり、変化させることができ、同じマイク
ロ加熱板に組み込まれたセンサを異なる温度で動作させることができる。多数の
センサのアレイを、制御および検出のための個々の回路と共に開示されたマイク
ロ加熱板上に組み込むことができ、個々のセンサを各々独立して動作させられる
。また、動作温度までの加熱は、非常に迅速で、ほとんど瞬時にすることができ
る。得られたデバイスは、例えば、自動車、ポータブルガスセンサ器具、および
配布されたセンサシステムを用いたオンライン測定の用途に適している。The Invention The object of the present invention is solved by a design and manufacturing methodology for micromachined semiconductor devices, including “hot plate devices”, whereby the micromachining process is activated by the active microelectronic chemistry exposed to the surroundings. It can be combined with the integration of the sensor on the heating plate. The device comprises a support substrate, a film extending over a well of the substrate, and a semiconductor island attached to the film and thermally isolated from the support substrate. The semiconductor island serves as a substrate for incorporating microelectrochemical sensors, which are exposed to the environment, for example through holes in the membrane. The device may include other active microelectronic components, such as circuitry for control and detection, which may be protected by the membrane if desired. The inclusion of an electric heater and a temperature sensor in the island results in a micro hot plate chemical sensor device that can be heated under temperature control with very low power. The most important advantage of the disclosed device over conventional devices is that it can incorporate any active microelectrochemical sensor on the hot plate while still being exposed to the surrounding gas or liquid surrounding the device. . The disclosed device allows the use of chemical sensors based on so-called field effect detection mechanisms. Field effect gas sensors have proven very useful in many applications, either as a single sensor, as an array of several sensors, or in combination with one or more sensors using different detection mechanisms. It was By using the disclosed device, low power consumption field effect gas sensors and sensor arrays can be manufactured. Due to the low thermal mass of the disclosed micro hot plate device, the operating temperature of this field effect gas sensor can be rapidly pulsed or varied in several other ways, and the same micro hot plate The sensors incorporated in the can be operated at different temperatures. An array of multiple sensors can be incorporated on the disclosed micro-heating plate with individual circuits for control and detection, each individual sensor being operated independently. Also, heating to operating temperature is very quick and can be almost instantaneous. The resulting device is suitable, for example, for automobiles, portable gas sensor instruments, and for on-line measurement applications with distributed sensor systems.
【０００４】
実施の形態
本発明のさらなる利点および発展が、特許請求の範囲、並びに本発明の実施の
形態の断面を示す図面の図１に関する実施の形態の以下の説明から明らかである
。この断面は、非常に拡大されており、よく見えるように、垂直方向（見た目の
）の寸法が水平方向よりも何倍も拡大されているので、一定の縮尺で作製されて
いないことに留意すべきである。図２は、請求項１３により製造される、いくぶ
ん単純化された同様のデバイスを示している。図３は、今度は請求項１５による
、マイクロ加熱板を製造するさらに別の様式を示している。図４には、請求項１
６により製造されたマイクロ加熱板が示されている。図５は、図１に似たデバイ
スの断面であるが、ここでは、このセンサは、例えば、周囲の気体により直接的
な様式で接触可能である。Embodiments Further advantages and developments of the invention will be apparent from the claims and the following description of an embodiment with reference to FIG. 1 of the drawings showing a cross section of an embodiment of the invention. Note that this cross section is very enlarged and, as you can see, the vertical (visual) dimensions are many times larger than the horizontal dimension, so it is not made to scale. Should be. FIG. 2 shows a somewhat simplified similar device made according to claim 13. FIG. 3 shows yet another way of manufacturing a micro-heating plate, in turn according to claim 15. In FIG. 4, claim 1
6 shows a micro-heating plate manufactured according to No. 6. FIG. 5 is a cross-section of a device similar to that of FIG. 1, but here the sensor is contactable in a direct manner, for example by the surrounding gas.
【０００５】
センサチップ
実施されたＭＯＳＦＥＴアレイガスセンサ（図１）は、このタイプのガスセン
サのソースとドレインの漏れ電流および消費電力を減少させる目的で設計されて
きた。各々のデバイスは、４つのＧａｓＦＥＴ、温度センサ（ダイオード）およ
び加熱器からなる。実際のチップのサイズは、4.0×4.0ｍｍ2である。Sensor Chips Implemented MOSFET array gas sensors (FIG. 1) have been designed to reduce the source and drain leakage current and power consumption of this type of gas sensor. Each device consists of four GasFETs, a temperature sensor (diode) and a heater. The actual chip size is 4.0 × 4.0 mm 2 .
【０００６】
電子成分
加熱器は、ＭＯＳＦＥＴ製造プロセスのｐ−ウェル打込み中に製造される半導
体抵抗器である。トランジスタ（ＮＭＯＳ）およびダイオード温度センサは、Ｃ
ＶＤ酸化物フイルムからの原子ドーピングの１つの拡散工程中に製造される。そ
れぞれ、13.0および5.0μｍのチャネル長さを有する４つの中型または小型ＭＯ
ＳＦＥＴを有するアレイが設計された。ｐ−ウェル技術におけるＮＭＯＳトラン
ジスタの製造により、それらを別々に駆動できる。それらのソース／ドレイン漏
れ電流は、ソースおよびドレイン領域でｐ−ｎ接合表面を最小にすることにより
制限されてきた。したがって、金属／半導体接触は、ゲートのすぐ近くのソース
およびドレイン上で直接生じる。ＧａｓＦＥＴは、ソースとドレインとの間の一
定電流バイアスと共に接続されるドレインおよびゲートにより動作する。この設
計において、ドレインおよびゲートは互いに接続されなかったので、ＭＯＳＦＥ
Ｔの電気的特性の特徴付け中に融通性が多くなる。The electronic component heater is a semiconductor resistor manufactured during the p-well implant of the MOSFET manufacturing process. The transistor (NMOS) and diode temperature sensor are C
It is manufactured during one diffusion step of atomic doping from a VD oxide film. 4 medium or small MO with channel lengths of 13.0 and 5.0 μm respectively
An array with SFETs was designed. The manufacture of NMOS transistors in p-well technology allows them to be driven separately. Their source / drain leakage currents have been limited by minimizing the pn junction surface in the source and drain regions. Therefore, metal / semiconductor contacts occur directly on the source and drain in the immediate vicinity of the gate. GasFETs operate with a drain and gate connected with a constant current bias between the source and drain. In this design, the drain and gate were not connected to each other, so
Greater flexibility during characterization of the electrical properties of T.
【０００７】
電力消費
センサの熱質量およびしたがって電力消費は、設計により最小にされる。Ｇａ
ｓＦＥＴ、加熱器およびダイオードは、誘電膜によりチップフレームから分離さ
れたシリコンアイランド内に位置する。この膜は、ＰＬＣＶＤ低応力窒化ケイ素
から作製される。ＰＥＣＶＤ窒化ケイ素膜は、アルミニウム金属層のパッシベー
ション層として用いられる。膜のサイズは1.8×1.8ｍｍ2であり、シリコンアイ
ランド区域は、900×900μｍ2で、10μｍの厚さである。Power Consumption The thermal mass of the sensor and thus the power consumption is minimized by design. Ga
The sFET, heater and diode are located in a silicon island separated from the chip frame by a dielectric film. This film is made from PLCVD low stress silicon nitride. The PECVD silicon nitride film is used as a passivation layer for the aluminum metal layer. The membrane size is 1.8 × 1.8 mm 2 and the silicon island area is 900 × 900 μm 2 with a thickness of 10 μm.
【０００８】
製造
３つの主要部分が製造プロセスを構成する：
１．電子成分を製造するためのシリコン内のドープ領域の製造；
２．ゲート酸化物の成長並びに膜、金属層、およびパッシベーション層の成膜；
３．例えば、シリコンのウェット異方性エッチングによる膜の剥離およびシリコ
ンアイランドの形成。Manufacturing Three main parts make up the manufacturing process: 1. Fabrication of doped regions in silicon to fabricate electronic components; 2. Growth of gate oxide and deposition of film, metal layer and passivation layer; For example, film exfoliation and silicon island formation by wet anisotropic etching of silicon.
【０００９】
電子成分
このプロセスは、ＭＯＳＦＥＴのｐ−ウェル、ダイオードのｐ側および抵抗加
熱器を形成するために、４インチのシリコン基板（25Ωｃｍ、ｎ型、300μｍ厚
の両面研磨）内のホウ素の打込みで開始する。この最初の部分には、電子デバイ
スのｎ＋およびｐ＋領域を形成するために、ホウ素およびリンドープＣＶＤ酸化
物膜の成膜とパターン形成およびドープ元素の拡散も含まれる。Electronic Component This process uses boron in a 4 inch silicon substrate (25 Ωcm, n-type, 300 μm thick double sided polished) to form the p-well of a MOSFET, the p-side of a diode and a resistance heater. Start by typing. This first part also includes the deposition and patterning of boron and phosphorus doped CVD oxide films and the diffusion of doped elements to form the n + and p + regions of the electronic device.
【００１０】
膜、金属層およびパッシベーション
第２の部分は、熱的なゲート酸化物の成長（100ｎｍ）で始まり、低応力のケ
イ素の豊富な窒化物ＬＣＰＶＤ膜の成膜がその後に続く。次いで、ゲートおよび
コンタクトが窒化物中に画成される。金属層は、アルミニウムのｅ−ビーム蒸発
により成膜され、これがアニールされて、シリコン上にオーミックコンタクトを
形成する。ＰＥＣＶＤ反応器を用いて、デバイス上に窒化ケイ素パッシベーショ
ン層を成膜する。パッシベーション膜にパターンを形成した後、薄い触媒金属（
ＣＭ：Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ）を成膜し、パターンを形成し、アニールする。４つの
異なる触媒金属を有するＧａｓＦＥＴを製造できるか、またはそれらの内の１つ
をアルミニウムで被覆し、参照として使用できる。ＣＭ層の成膜は、バルクシリ
コンマイクロマシニングの前に行われるので、ＫＯＨ中のシリコンの背面エッチ
ングの最中にウェハーの前面を保護するために、加工の第３と最後の部分でチャ
ックを用いる。Membrane, Metal Layer and Passivation The second part begins with thermal gate oxide growth (100 nm), followed by deposition of a low stress, silicon-rich nitride LCPVD film. The gate and contacts are then defined in the nitride. The metal layer is deposited by e-beam evaporation of aluminum, which is annealed to form ohmic contacts on silicon. A PECVD reactor is used to deposit a silicon nitride passivation layer on the device. After patterning the passivation film, a thin catalytic metal (
CM: Pt, Ir, Pd) is formed into a film, a pattern is formed, and annealing is performed. GasFETs with four different catalytic metals can be manufactured, or one of them can be coated with aluminum and used as a reference. Since the CM layer is deposited prior to bulk silicon micromachining, a chuck is used during the third and last part of the process to protect the front side of the wafer during the backside etch of silicon in KOH. .
【００１１】
シリコンバルクマイクロマシニング
最初に、シリコンアイランドを画成し、標準的なＫＯＨ（60℃で40％）中の10
μｍのシリコンのエッチング中に熱的に成長された酸化物膜により保護して、シ
リコンアイランドの厚さを確定する。二番目に、保護酸化物を除去した後、シリ
コンを、70℃で52％ＫＯＨ（室温での水中のＫＯＨの溶解度限界）により完全に
エッチングし、52％の濃度のＫＯＨを用いて、シリコンアイランドの底部を形成
する面である(100)面のエッチング速度と比較して、(311)面のエッチング速度を
減少させ、シリコンアイランドの側部を形成する。ウェハー表面に対して平行な
方向のエッチング速度と垂直な＜100＞方向のエッチング速度との間の比率は、
この特定のＫＯＨ溶液については約1.4である。Silicon Bulk Micromachining First, silicon islands were defined and 10% in standard KOH (40% at 60 ° C.).
The thickness of the silicon islands is defined by protection by a thermally grown oxide film during the etching of the μm silicon. Second, after removing the protective oxide, the silicon was completely etched with 52% KOH (solubility limit of KOH in water at room temperature) at 70 ° C. and a silicon island with 52% concentration of KOH was used. The etching rate of the (311) plane is reduced as compared with the etching rate of the (100) plane which is the plane forming the bottom of the silicon island to form the side portion of the silicon island. The ratio between the etch rate parallel to the wafer surface and the etch rate perpendicular to the <100> direction is
About 1.4 for this particular KOH solution.
【００１２】
膜として用いられる窒化物層および酸化物層がＫＯＨに選択的であるという事
実にもかかわらず、所望のシリコンアイランドの厚さを得るためには、膜の除去
は、シリコンエッチング速度の正確な時間制御により行わなければならない。ウ
ェハー全体のシリコンアイランドの厚さの均一性はこのパラメータに依存するの
で、できるだけ小さいＴＴＶ（平坦度）を有する両面研磨ウェハーが必要とされ
る。Despite the fact that the nitride and oxide layers used as a film are selective to KOH, in order to obtain the desired silicon island thickness, the removal of the film requires a silicon etch rate. It must be done with precise time control. Since the thickness uniformity of the silicon islands across the wafer depends on this parameter, a double sided polished wafer with a TTV (flatness) as small as possible is required.
【００１３】
全製造プロセスは50工程を含み、その内の15工程は、フォトリソグラフィーで
ある（12マスク）。製造プロセスは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、窒化ケイ素（
Ｓｉ3Ｎ4）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）および酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）の
ような異なるゲート絶縁体の使用に共用できる。The entire manufacturing process includes 50 steps, 15 of which are photolithography (12 masks). The manufacturing process uses silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (
It can be shared for use with different gate insulators such as Si 3 N 4 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).
【００１４】
特徴
この低消費電力デバイスのために設計されたＭＯＳＦＥＴの電気的特徴は、そ
れらが、225℃までの温度でのガス検出に適していることを示している。この最
高動作温度で、漏れ電流の干渉を避けるために、（ゲートに接続された）ソース
とドレインとの間には少なくとも200μＡの一定電流バイアスが必要である。薄
いＣＭ層（ＩｒおよびＰｔ）により被覆されたバルクデバイスは、140℃の動作
温度でＨ2およびＮＨ3に対する良好な感度を示す（図４）。Features The electrical features of the MOSFETs designed for this low power device indicate that they are suitable for gas detection at temperatures up to 225 ° C. At this maximum operating temperature, a constant current bias of at least 200 μA is required between the source (connected to the gate) and the drain to avoid leakage current interference. Bulk devices coated with thin CM layers (Ir and Pt) show good sensitivity to H 2 and NH 3 at an operating temperature of 140 ° C. (FIG. 4).
【００１５】
加熱器の抵抗値は、1175Ω±30％であり、半導体に予測される挙動により温度
の関数として減少する。このデバイスの消費電力は、温度の関数として事前に校
正されたダイオードにより評価されている。ある標準的なＧａｓＦＥＴの0.5-1.
0Ｗと比較して、４つのＧａｓＦＥＴのアレイに関して、175℃の動作温度で、80
ｍＷの低消費電力が達成される。The resistance of the heater is 1175Ω ± 30%, which decreases as a function of temperature due to the expected behavior of the semiconductor. The power consumption of this device has been evaluated with a pre-calibrated diode as a function of temperature. 0.5-1 for a standard GasFET.
At an operating temperature of 175 ° C. for an array of 4 GasFETs compared to 0 W, 80
A low power consumption of mW is achieved.
【００１６】
このシリコンアイランドにより、活性区域全体に亘り均一な温度の分布が確実
になる。低熱質量により、デバイスの消費電力を向上させ、抵抗ガスセンサにお
けるような選択性に影響を与えうる温度周期モードでセンサを動作させることが
できる。This silicon island ensures a uniform temperature distribution over the active area. The low thermal mass can improve the power consumption of the device and allow the sensor to operate in a temperature cycle mode which can affect the selectivity as in resistive gas sensors.
【００１７】
結論
低消費電力ＭＯＳＦＥＴアレイガスセンサの設計、製造および特徴を提示する
。このセンサは、加熱抵抗器、ダイオード温度センサおよび誘電膜によりチップ
フレームから熱的に分離されたシリコンアイランド内に位置する４つのＧａｓＦ
ＥＴからなる。これらのデバイスを製造するために、マイクロエレクトロニクス
およびＭＥＭＳ（シリコンバルクマイクロマシニング）製造技術の組合せを用い
た。４つのＧａｓＦＥＴのアレイは、175℃の動作温度で80ｍＷの低消費電力を
有する。シリコンアイランドはまた、検出区域全体に亘り均一な温度を提供する
。デバイスの低熱質量により、温度周期モードでセンサを動作できる。Conclusion We present the design, manufacture and features of a low power MOSFET array gas sensor. The sensor consists of four GasFs located in a silicon island that is thermally isolated from the chip frame by a heating resistor, a diode temperature sensor and a dielectric film.
It consists of ET. A combination of microelectronics and MEMS (silicon bulk micromachining) manufacturing technology was used to fabricate these devices. The array of four GasFETs has a low power consumption of 80 mW at an operating temperature of 175 ° C. Silicon islands also provide a uniform temperature across the detection area. The low thermal mass of the device allows the sensor to operate in temperature cycling mode.
【００１８】
上記および図面に、支持体に関して膜内に半導体（例えば）シリコンのない状
態でそのアイランドが説明され、図示されている場合でも、膜は、熱分離の損失
なくシリコンを含んでもよい。膜内のシリコンは、薄く、スポークまたは低ドー
プまたは非ドープまたはそれらの組合せとして形成してもよく、シリコンを通し
ての熱損失が小さくなる。In the above and in the drawings, the islands are described in the absence of semiconductor (eg) silicon in the membrane with respect to the support, and even if shown, the membrane may comprise silicon without loss of thermal isolation. The silicon in the film may be thin and formed as spokes or lightly doped or undoped or a combination thereof, resulting in low heat loss through the silicon.
【図１】 本発明の実施の形態の断面図[Figure 1] Sectional view of an embodiment of the present invention
【図２】 いくぶん単純化された同様のデバイスを示す断面図[Fig. 2] Cross-section showing a somewhat simplified similar device
【図３】 マイクロ加熱板を製造するさらに別の様式を示す断面図[Figure 3] Sectional drawing which shows another manufacturing method of a micro heating plate.
【図４】 マイクロ加熱板の断面図[Figure 4] Cross section of micro heating plate
【図５】 図１に似たデバイスの断面図[Figure 5] Cross-section of a device similar to Figure 1.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ， ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 デゥ ローイェ，ニコラース エフ スイス国 ＣＨ−3962 モンタナ−ヴェル マラ イム ラ ルーヴィエ 10 (72)発明者 スンドグレン，ハンス スウェーデン国 Ｓ−590 51 ヴィキン グスタッド グンノプス バックゴード (72)発明者 ルンドストロム，インイェマル スウェーデン国 Ｓ−582 52 リンケー ピン ファーガレガーダン 10 Ｆターム(参考） 2G046 AA01 BA09 EB01 FB02 2G060 AA01 AE19 AF07 BA01 BA07 BD10 DA01 DA02 DA27 JA01─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ , CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, K E, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ, UG , ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, C N, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, EE, ES , FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, K R, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV , MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, S I, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, TZ, UA , UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Duroje, Nikolasev Switzerland CH-3962 Montana-Vel Mala Im La Rouvier 10 (72) Inventor Sundgren, Hans Sweden S-590 51 Vikin Gstad Gunnops Back Gordo (72) Inventor Lundstrom, Injemal Sweden S-582 52 Linke Pin Fagare Gardan 10 F-term (reference) 2G046 AA01 BA09 EB01 FB02 2G060 AA01 AE19 AF07 BA01 BA07 BD10 DA01 DA02 DA27 JA01
Claims (26)
アイランドであって、少なくとも一部が半導体材料からなるアイランド、 d) 該アイランド内に組み込まれた１つ以上の加熱要素、 e) 前記アイランド内に組み込まれた１つ以上の検出要素、 f) 前記アイランド内に組み込まれた１つ以上の活性マイクロエレクトロニク
スデバイスであって、その一部が、その化学的活性層が周囲に露出される化学セ
ンサである活性マイクロエレクトロニクスデバイス、 を含むことを特徴とするマイクロ加熱板デバイス。1. A micro hot plate device having an integrated chemical sensor, comprising: a) a support substrate, b) a support film attached to the support substrate and extending over wells in the support substrate, c) electricity from the substrate. An island attached to the membrane so as to be electrically and thermally separated, said island comprising at least a portion of a semiconductor material, d) one or more heating elements incorporated within said island, e) said One or more sensing elements incorporated within an island, f) one or more active microelectronic devices incorporated within said island, a portion of which has its chemically active layer exposed to the surroundings A micro-heating plate device comprising an active microelectronic device which is a chemical sensor.
を特徴とする請求項１記載のマイクロ加熱板デバイス。2. The micro hot plate device of claim 1, wherein at least one heating element comprises a heating transistor.
とする請求項１記載のマイクロ加熱板デバイス。3. The micro hot plate device of claim 1, wherein at least one heating element comprises a heating resistor.
徴とする請求項１から３いずれか１項記載のマイクロ加熱板デバイス。4. The micro hot plate device according to claim 1, wherein at least one temperature detecting element is a temperature sensitive resistor.
特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のマイクロ加熱板デバイス。5. Micro-heating plate device according to claim 1, characterized in that it is at least one temperature-sensing element temperature-sensitive diode.
１から５いずれか１項記載のマイクロ加熱板デバイス。6. The micro heating plate device according to claim 1, wherein the film comprises one or more insulating layers.
る請求項６記載のマイクロ加熱板デバイス。7. The micro hot plate device of claim 6, wherein at least one insulator is silicon nitride.
エレクトロニクスデバイスへの導電リードが配置されることを特徴とする請求項
６または７記載のマイクロ加熱板デバイス。8. A micro hot plate device according to claim 6 or 7, characterized in that conductive leads to the active microelectronic device on the island are arranged between different insulating layers.
特徴とする請求項１から８いずれか１項記載のマイクロ加熱板デバイス。9. The micro hot plate device according to claim 1, wherein the semiconductor material in the island is silicon.
とを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載のマイクロ加熱板デバイス。10. The micro hot plate device according to claim 1, wherein the semiconductor material in the island is silicon carbide.
れていることを特徴とする請求項１から１０いずれか１項記載のマイクロ加熱板
デバイス。11. The micro heating plate device according to claim 1, wherein the support substrate and the island are made of the same material.
て、該デバイスの寸法を画成するために、マスキング工程およびエッチング工程
の組合せを使用することを特徴とする方法。12. A method of manufacturing a micro hot plate device according to claim 1, characterized in that a combination of a masking step and an etching step is used to define the dimensions of the device.
の深さまでエッチングにより除去することにより、該アイランドの厚さを確定す
るために１つのエッチング工程が用いられること、 c) 前記アイランドが前記支持基板から分離されるまで、該アイランドおよび
周囲領域をエッチングするために、別のエッチング工程が用いられること、 を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。13. The use of a continuous backside etching step comprises: a) depositing a support film on the support substrate, b) surrounding the island to a desired depth equal to the desired thickness of the island. One etching step is used to determine the thickness of the island by etching away, c) to etch the island and surrounding areas until the island is separated from the supporting substrate. 13. The method of claim 12, comprising: using a separate etching step.
、それによって、該ＳＩＯウェハー内に埋め込まれた絶縁層が、前記デバイスの
アイランドの厚さを確定するためにエッチング停止体として用いられ、背面に絶
縁層を有するシリコンアイランドが形成されることを特徴とする請求項１２記載
の方法。14. An SIO (silicon-on-insulator) wafer is used as a substrate, whereby an insulating layer embedded in the SIO wafer serves as an etch stop to define the thickness of the island of the device. 13. Method according to claim 12, characterized in that a silicon island is used which has an insulating layer on the back side.
絶縁層までエッチングにより除去し、 b) 該アイランドの下にある前記領域のシリコンおよび該アイランドの周囲領
域を、該デバイスの背面から、該アイランドに埋め込まれた絶縁層が露出され、
該アイランドが該絶縁層により支持体に取り付けられるまで、エッチングにより
除去する、 各工程を含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。15. The following steps: a) etching away a peripheral region of the island from the front side of the device to the buried insulating layer; and b) silicon in the region below the island and the island. An insulating layer embedded in the island, exposing the surrounding area from the back of the device,
15. The method of claim 14 including the steps of etching away the island until it is attached to the support by the insulating layer.
層を前記埋め込まれた絶縁層まで酸化し、 b) 前記デバイスの前面から、前記アイランドの周囲領域にある酸化物を、下
にあるシリコン基板が露出されるまでエッチングにより除去し、 c) 該デバイスの背面から、該アイランドの下にある領域のシリコンを、該ア
イランド上の埋め込まれた絶縁層が露出され、該アイランドが該絶縁層の残りの
部分により前記支持体に取り付けられるまで、エッチングにより除去する、 各工程を含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。16. The steps of: a) oxidizing a silicon layer on the front surface of the device to the buried insulating layer, except for regions that should be the islands, and b) from the front surface of the device to the islands of the island. The oxide in the surrounding area is etched away until the underlying silicon substrate is exposed, and c) from the backside of the device, the silicon in the area under the island is buried over the island. 15. The method of claim 14 including the steps of etching away until the layer is exposed and the island is attached to the support by the remainder of the insulating layer.
リウムエッチング工程であることを特徴とする請求項１２−１６いずれか１項記
載の方法。17. The method according to claim 12, wherein at least one of the etching steps is an anisotropic potassium hydroxide etching step.
トラメチルアンモニウムエッチング工程であることを特徴とする請求項１２−１
６いずれか１項記載の方法。18. The method according to claim 12, wherein at least one of the etching steps is an anisotropic tetramethylammonium hydroxide etching step.
6. The method according to any one of 6 above.
エッチング工程であることを特徴とする請求項１２−１６いずれか１項記載の方
法。19. The method according to claim 12, wherein at least one of the etching steps is a deep reactive ion etching step.
ことを特徴とする請求項１から１１いずれか１項記載のマイクロ加熱板デバイス
。20. The micro hot plate device according to claim 1, wherein one or more of the chemical sensors utilize a field effect detection mechanism.
る検出機構を用いる１つ以上の化学センサと組み合わされることを特徴とする請
求項２０記載のマイクロ加熱板デバイス。21. The micro hot plate device of claim 20, wherein the one or more field effect chemical sensors are combined with one or more chemical sensors using a detection mechanism different from the field effect.
ことを特徴とする請求項１から１１および２１いずれか１項記載のマイクロ加熱
板デバイス。22. A micro hot plate device according to any one of claims 1 to 11 and 21, characterized in that one or more of the chemical sensors is operated as a gas sensor.
抗変化を用いる１つ以上のガスセンサと組み合わされることを特徴とする請求項
２２記載のマイクロ加熱板デバイス。23. The micro hot plate device of claim 22, wherein the one or more field effect gas sensors are combined with one or more gas sensors that use resistance change as a detection mechanism.
とも１つが、半導体金属酸化物から作製されることを特徴とする請求項２３記載
のマイクロ加熱板デバイス。24. The micro hot plate device of claim 23, wherein at least one of the gas sensors that uses resistance change as a detection mechanism is made from a semiconductor metal oxide.
とも１つが、高分子から作製されることを特徴とする請求項２３記載のマイクロ
加熱板デバイス。25. The micro-heating plate device according to claim 23, wherein at least one of the gas sensors using resistance change as a detection mechanism is made of a polymer.
ことを特徴とする請求項１から１１および２０から２５いずれか１項記載のマイ
クロ加熱板デバイス。26. A micro hot plate device according to any one of claims 1 to 11 and 20 to 25, characterized in that the support substrate contains an array of several islands.
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