JP2006194853A - ガス検知半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガス検知半導体装置1は、シリコン基板2上に形成され、当該シリコン基板2は、CMOS技術互換性のある高温金属からなるヒーター6が埋め込まれた酸化ケイ素絶縁薄膜3を有している。上記高温金属は、タングステンである。上記装置1は少なくとも、絶縁層4によってヒーター6から隔離されるガス感受性層を備える1つの検知領域を有している。最終製造過程工程の1つの工程として、検知領域内に薄い膜を形成するために、基板がエッチバックされる。当該エッチバック工程及びガス感受性層の形成工程を除いて、タングステンヒーター6を含む他のすべての層は、タングステン金属化を用いたCMOSプロセスが利用される。
【選択図】 図1
Description
ここでの1つ目の設計構造は、1つ以上の数の側方ガスセンサーと組み合わせて構成される、タングステンからなる(CMOS金属被覆工程による)単層抵抗ヒーターを表している。図1、2そして図3は、3種類の異なる実施形態を示している。すなわち、図1を参照して前述した実施の形態では、テーパー型の側壁17を形成するために(例えば100のシリコン基板(the 100 silicon substrate)のウェットエッチングを用いて)異方性エッチバックを利用しており、図2に示す他の実施形態では、平行な側壁17’を形成するように(例えば深堀り反応性イオンエッチングのようなドライエッチングを用いて)異方性エッチバックを利用している。そして、図3に示す他の実施の形態では、センサーの電極8’のためにタングステンに替えて、より望ましい金を用いている。
ここでの1つ目の設計構造では、1つ以上の数の側方ガスセンサーを有する、タングステンからなる2層抵抗ヒーターを提供する。この構造では、図6に示すように、2層のタングステン加熱層(tungsten heating layer)20・21が、2つのマイクロヒーターとして、積層された形態で設けられており、2つの要素(マイクロヒーター)があることによって、ある同一の領域に対して、1層の加熱層しか有していない構造と比較して、熱の投入量(input)の増加させることができる。
ここでの1つ目の設計構造は、図12で示すように、1つ以上の数の側方ガスセンサーを有した2層のタングステン加熱層27・28が互いに積層された構成となって配置されており、この間にタングステン拡散板29が設けられた2層抵抗ヒーターを提供する。また、このうちの1層以上の層は、熱を側方へ伝導することによってヒーター領域全域で温度をより均一にするための熱吸い込みプレート(heat sinking plate)として用いられても良い。また、より等温の膜表面を作り出すように、例えばタングステン標準ヒーター(tungsten standard heater)(金属2(Metal 2))を、1区画のヒートシンク(square heat sink)(金属1/3(Metal 1/3))の下方に配置することができる。
図15では、1つ以上の数の側方抵抗性ガスセンサー36を有する単層抵抗ヒーターを提供しており、この単層抵抗ヒーターには、1つ以上のセンサ電極が、互いに近くに配設されている(側方配置(lateral configuration))というよりむしろ、一方の最上部に他方が接触した状態で積み重なっている。この構造では、上記ガス感受性層は上記装置表面の下に並んでいることから、センサーの領域を減らすことができる。上記センサーは感度を落とすことなく、より小型に製造することができる。もし、2つの抵抗性センサー電極が1つの溝の同じ側面に形成される場合は、2つのセンサ電極間の間隔は1μm以下が良い。さらには、もし2つの抵抗性センサー電極が1つの溝を跨いだ形で形成される場合は、2つのセンサー電極間の間隔は溝の幅に依存する。
1)600℃を超えても作動可能である。これに対して、ポリシリコンはそのような高い温度では長期の安定性を得られない。また、ドーピング層の正確な特性の調節も難しい。アクティブFETヒーター(Active FET heaters)は350度以上では使用できないことから、タングステンヒーターは、特に水素やメタンを検出するためのマイクロ熱量計(microcalorimeters)として有用である。
2)Si、Al、またはPtを用いる装置と比較して、よりすぐれた機械的強度とヤング弾性率を有している。
3)一般的なCMOSプロセスではチップ中のシリコン装置と内部接続するため多くのアルミニウム膜を使用する。しかしながら、アルミニウムはその低い融点から、高温のヒーターには向いていない。
4)ヒーターの金属層は、広範囲の応用に対して適用できるために必要である条件を充たしていなければならない。具体的には、以下のような条件を充たす必要がある;
a)電気伝導率は、高速のCMOS処理を行うことを可能にするのに十分なだけ高くなければならず、あらゆる寄生的な抵抗性の内部接続回路(interconnect paths)は減らさなければならない。
b)電気伝導率は、低電力で、かつ低単位コスト(low unit cost)を充たす小型のヒーターを作るため、十分に低くなければならない。上記ヒーターの抵抗性は、CMOSボルト数(CMOS voltage)(最大5V)の処理とともに低電流で作動できるように、適度に高い必要がある。
c)ヒーターの材料は、900℃に達する温度でも作動できるように、高い融点をもっていなければならない。
5)加えて、ヒーターの設計構造は、等温構造(isothermal structure)を提供でkりうように構成されていなければならない。高温CMOSプロセスにおいてタングステン金属層を用いることでこれらのすべての条件を充たすことができる。
タングステンの電気伝導率は、アルミニウムや金よりも低く、これがより小さい抵抗性ヒーターの設計構造を助けているが、タングステンの電気伝導率もプラチナほどは低くはない。しかしながら、プラチナはCMOS技術に互換性のある材料ではない。タングステンは他の金属よりもはるかに高い降伏強さ(耐力)を有していることからより頑丈である。
6)アルミニウムに対してタングステンは、エレクトロマイグレーションの被害をうけない。これは、信頼性を失う恐れなく、アルミニウムよりも多い電力と高い電流を用いることができることを意味している。また、これは、タングステン金属溝をより狭く作ることができ、その結果、より小型のヒーターを作りだすことができることを意味している。
7)また、タングステンヒーターは温度検知手段として用いることもできる。そのTCR(温度抵抗係数)はプラチナよりも50%高い。これはつまり、タングステンヒーターは温度検知手段として50%高い感度をもつことを意味している。代わりとして、タングステンからなる分離型温度検知手段(separate temperature sensor)を用いても良い。
8)タングステンは、SOI(Bi)CMOSプロセスにおける高温内部接続金属(high temperature interconnect metal)として用いられる。これによって、ICは、250℃に達するまでの温度で作動できるようになる。したがって、センサーの電子回路領域内における温度は、アルミニウム金属被膜を伴ったICチップの上記温度をはるかに超過することができる。したがって、このようなセンサーは、非常に高温の環境中で用いることが可能になる。
Claims (31)
- 半導体基板(2)と、
ガス感受性層(9)及び、当該ガス感受性層(9)とガスとの反応を促進するためにガス感受性層(9)を加熱するためのヒーター(6)によって構成される少なくとも1領域の検知領域と、
ガスと前記ガス感受性層(9)との反応を提示する電気出力を提供するように構成されたセンサー(8)とを備えたガス検知半導体装置であって、
前記ヒーター(6)は、少なくとも1層のタングステンからなる層を有していることを特徴とするガス検知半導体装置。 - 前記半導体基板(2)の片側に、絶縁層(3)を備えていることを特徴とする請求項1に記載のガス検知半導体装置。
- 前記半導体基板の片側に設けられた絶縁層(3)の上に、受動層(4)を備えていることを特徴とする請求項2に記載のガス検知半導体装置。
- 前記受動層(4)の上に、ガス感受性層(9)膜が形成されていることを特徴とする請求項3に記載のガス検知半導体装置。
- 前記絶縁層(3)内に前記ヒーター(6)が埋め込まれていることを特徴とする請求項2〜4のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 前記絶縁層(3)が酸化ケイ素からなる層であることを特徴とする請求項2〜5のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 導電性高分子層が、前記ガス感受性層(9)として設けられていることを特徴とする請求項3に記載のガス検知半導体装置。
- 前記ヒーター(6)は、蛇行形状を有するタングステンヒーターであることを特徴とする請求項1〜7のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 前記ヒーター(6)は、2層以上の加熱層(20、21;23、24;25、26;27、28;33、34、35;38)を備えていることを特徴とする請求項1〜8のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 前記加熱層(25、26;33、34、35)は、互いが、側方に斜めに配設されている請求項8に記載のガス検知半導体装置。
- 前記加熱膜(23、24;23’、24’)は、互いが交錯するように配設されていることを特徴とする請求項8に記載のガス検知半導体装置。
- 前記ヒーター(6)は、拡散板(22;29;31)を組み合わせた構成であることを特徴とする請求項1〜11のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 前記センサーには、前記ガス感受性層(9)近傍に、側方に間隔をあけて設けられた複数の電極(8)が組み込まれていることを特徴とする請求項1〜12のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 前記電極(8)が、タングステン電極であることを特徴とする請求項13に記載のガス検知半導体装置。
- 前記ガス感受性層(36)は、前記電極(8)と電極(8)との間に配設されていることを特徴とする請求項13又は14に記載のガス検知半導体装置。
- 前記電極には、互いに垂直方向に間隔をあけて設けられた2つ以上の電極(37;38)を有していることを特徴とする請求項13〜15のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 前記ガス感受性層(39)は、膜に広がる空隙(40)の周縁部を囲むように設けられていることを特徴とする請求項1〜16のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- CMOS又はBi−CMOS又はSOI CMOSプロセス、あるいは、ポストCMOSプロセスエッチバックが続いて行われるBi−CMOSプロセスを利用して製造されたものであることを特徴とする請求項1〜17のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 前記ガス感受性層が、酸化スズであることを特徴とする請求項1〜18のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 前記検知領域、又は複数の前記検知領域の各々には、温度検知手段が組み込まれていることを特徴とする請求項1〜19のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 前記検知領域を含む膜を残すために、少なくとも1つの検知領域における前記半導体基板の材料が取り除かれていることを特徴とする請求項1〜20のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 少なくとも1つの検知領域における前記半導体基板の材料が、エッチバックによって取り除かれていることを特徴とする請求項1〜21のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 前記検知領域、又は複数の前記検知領域の各々は、関連する回路を含む少なくとも1つの電子回路領域と集積されたものであることを特徴とする請求項1〜22のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 抵抗性ガス検知装置であることを特徴とする請求項1〜23のうちのいずれか1項に記載のガス検知半導体装置。
- 熱量測定ガス検知装置であることを特徴とする請求項1〜23のうちのいずれか1項に記載の装置。
- 検知層(9)から構成された検知領域を少なくとも1つ有している半導体基板(2)と、
前記検知層(9)を加熱するためのヒーター(6)と、
前記検知層(9)に起きる変化を示す電気出力を提供するように構成されたセンサー(8)とを備えた半導体装置であって、
前記ヒーター(6)は、少なくとも1層のタングステンからなる層を有した抵抗ヒーターであることを特徴とする半導体装置。 - 駆動機能と、制御機能と、変換機能とを有する電子回路が、一体的に集積されたガス検知装置を備えているスマートセンサーであって、
タングステンが、接続のための金属層、及び電子回路内における内部接触部として用いられるとともに、前記ガス検知装置のヒーター(6)として配設されていることを特徴とするスマートセンサー。 - CMOS、Bi−CMOS、SOI技術を用いて製造されたものであることを特徴とする請求項27に記載のスマートセンサー。
- 膜を残すように、少なくとも一部の領域における基板材料を取り除いていることを特徴とする請求項27又は28に記載のスマートセンサー。
- 前記膜を規定するための前記基板材料の除去は、深堀り反応性イオンエッチングによって行われたものであることを特徴とする請求項29に記載のスマートセンサー。
- 前記基板材料の除去が、異方性ウェットエッチングによって行われたものであることを特徴とする請求項29又は30に記載のスマートセンサー。
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