JP2019056607A - ガスセンサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 十分な性能を有するガスセンサを提供すること。【解決手段】 実施形態のガスセンサは、基板領域１，２，３と、前記基板領域上に設けられた第１の電極５ａとを含む。ガスセンサは、さらに、前記第１の電極の上方に設けられ、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材１３、前記変形部材を加熱するための加熱部材１１および第２の電極９ａを含む可動構造３０を含む。前記第１の電極と前記第２の電極との間には第１の空洞領域２１が設けられている。前記基板領域には、前記第１の空洞領域に連通する第２の空洞領域２２が設けられている。【選択図】 図１
Description
本発明の実施形態はガスセンサおよびその製造方法に関する。
ＭＥＭＳ（micro electro-mechanical systems）技術を用いて形成され、水素ガス等のガスを検出するガスセンサが提案されている。しかしながら、従来は、必ずしも十分な性能を有するガスセンサが提案されているとは言えなかった。
本発明の目的は、十分な性能を有するガスセンサおよびその製造方法を提供することにある。
実施形態のガスセンサは、基板領域と、前記基板領域上に設けられた第１の電極とを含む。ガスセンサは、さらに、前記第１の電極の上方に設けられ、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材、前記変形部材を加熱するための加熱部材および第２の電極を含む可動構造を含む。前記第１の電極と前記第２の電極との間には第１の空洞領域が設けられている。前記基板領域には、前記第１の空洞領域に連通する第２の空洞領域が設けられている。
実施形態のガスセンサの製造方法は、半導体基板上に第１の絶縁層、第２の絶縁層、第１の電極を順次形成する工程と、前記第２の絶縁層および前記第１の電極の上に第３の絶縁層を形成する工程とを含む。前記製造方法は、さらに、前記第３の絶縁層および前記第２の絶縁層を貫通して前記第１の絶縁層に達する貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔を埋め込むように、前記第１の絶縁層、前記第３の絶縁層の上に第４の絶縁層を形成する工程と、前記第４の絶縁層上に、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材、前記変形部材を加熱するための加熱部材および第２の電極を含む可動構造を形成する工程とを含む。前記製造方法は、さらに、前記第４の絶縁層を除去するとともに、前記第１の絶縁層の一部を除去することにより、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の空洞領域を形成するとともに、前記第１の空洞領域と連通する第２の空洞領域を形成する工程を含む。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図面は、模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は、必ずしも現実のものと同一であるとは限らない。また、図面において、同一符号（添字が異なるものを含む）は同一または相当部分を付してあり、重複した説明は必要に応じて行う。
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る水素センサを模式的に示す断面図である。図２Ａは、本実施形態に係る水素センサを模式的に示す平面図である。図１の断面図は図２Ａの平面図の１−１線に沿った断面図に対応する。図２Ｂは、本実施形態に係る水素センサの上部電極５ａを含む領域を模式的に示す平面図である。図２ＢＣは、本実施形態に係る水素センサのヒーター１１を含む領域を模式的に示す平面図である。本実施形態に係る水素センサは、ＭＥＭＳキャパシタを利用する容量型水素センサであり、ガス状の水素を検出する。
図１は、第１の実施形態に係る水素センサを模式的に示す断面図である。図２Ａは、本実施形態に係る水素センサを模式的に示す平面図である。図１の断面図は図２Ａの平面図の１−１線に沿った断面図に対応する。図２Ｂは、本実施形態に係る水素センサの上部電極５ａを含む領域を模式的に示す平面図である。図２ＢＣは、本実施形態に係る水素センサのヒーター１１を含む領域を模式的に示す平面図である。本実施形態に係る水素センサは、ＭＥＭＳキャパシタを利用する容量型水素センサであり、ガス状の水素を検出する。
図１において、参照符号１はシリコン基板を示しており、シリコン基板（基板領域）１上には絶縁層（基板領域）２、絶縁層３（基板領域）が順次設けられている。シリコン基板以外の半導体基板を用いても構わない。
絶縁層２の材料は絶縁層３の材料とは異なる。例えば、絶縁層２および絶縁層３を酸素（Ｏ2 ）を用いてアッシング（ドライエッチング）した場合、絶縁層３のエッチングレートが絶縁層２のエッチングレートよりも大きくなるように、絶縁層２および絶縁層３の材料は選択される。絶縁層２の材料は例えばシリコン窒化物であり、絶縁層３の材料は例えばポリイミドである。絶縁層３は例えば絶縁層２よりも厚い。
絶縁層３には絶縁層２に達する開口が設けられており、絶縁層２の上面の一部が露出している。本実施形態では、絶縁層３の側面は、図１の断面図に示すように、シリコン基板１の表面に対して上から下に向かって幅が狭くなるテーパー状の形状（下に凸の曲線）を有する。絶縁層３の側面の断面は直線で規定されても構わないし、さらに、直線および曲線で規定されても構わない。また、互いに直交する三つの軸で規定される直交座標系においては、開口を規定する絶縁層３の側面は曲面となる。当該側面は例えば負の曲率を有する。
絶縁層３上には上記開口を跨ぐように絶縁層４が設けられている。絶縁層４は開口を埋めない。その結果、絶縁層３と絶縁層４とによって空洞領域（第２の空洞領域）２２が規定されている。空洞領域２２の高さＬ２は例えば１０μｍよりも大きい。絶縁層４および６には下部電極用のばね部４ａが設けられている（図２Ａ）。絶縁層４の材料は、例えば、シリコン窒化物である。
絶縁層４上には下部電極５ａ、電導用の金属層５ｂが設けられている。
下部電極５ａはＭＥＭＳキャパシタの固定電極として用いられる。金属層５ｂはアンカー９ｂの台座として用いられる。下部電極５ａおよび金属層５ｂは同じ導電材料を含み、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）またはチタンナイトライド（ＴｉＮ）を含む。
下部電極５ａおよび絶縁層４の上には絶縁層６が設けられている。絶縁層６の材料は、例えば、シリコン窒化物である。
下部電極５ａの上方には、水素濃度の変化に対応して上方向または下方向に位置が変位する可動構造３０が配置されている。可動構造３０は、絶縁層８ａ、上部電極９ａ、絶縁層１０ａ、ヒーター１１、絶縁層１２および水素吸蔵層１３が順次積層された構造を含む。
下部電極５ａと上部電極９ａとの間には、それらの下の絶縁層６，８ａで規定される空洞領域（第１の空洞領域）２１が設けられている。空洞領域２１の高さＬ１は例えば２〜３μｍである。Ｌ２およびＬ１は、Ｌ２＞Ｌ１の大小関係を満たすように決められる。絶縁層４，６には、空洞領域２１および空洞領域２２に連通する貫通孔２０が設けられている。
絶縁層８ａ上には、下部電極５ａと対向するように、上部電極９ａが設けられている。上部電極９ａの材料は、例えば、ＴｉＮを含む。ＴｉＮの代わりにＴｉ等の他の導電材料を用いても構わない。
絶縁層１０ａは上部電極９ａの上面および側面を覆う。絶縁層１０ａの材料は、例えば、シリコン窒化物を含む。
絶縁層１０ａの上面上にはヒーター１１が設けられている。ヒーター１１の材料は例えばＴｉＮを含む。ヒーター１１の材料と上部電極９ａの材料とは同じでも、または、異なっていても構わない。ヒーター１１は例えば抵抗加熱を利用したものであり、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｐｄ−Ｎｉ等の材料を用いて構成される。
絶縁層１０ａおよびヒーター１１の上には、ヒーター１１を覆うように、絶縁層１２が設けられている。絶縁層８ａ，１０ａ，１２には空洞領域２１に連通する貫通孔２３が設けられている。
絶縁層１２上には水素吸蔵層１３が設けられている。水素吸蔵層１３の材料は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム（Ｐｄ）を含有する合金もしくは当該合金に銅（Ｃｕ）およびシリコン（Ｓｉ）を含有させた合金、チタン（Ｔｉ）を含有する合金、ランタン（Ｌａ）を含有する合金、または、金属ガラスを含む。当該金属ガラスは、例えば、上記金属（ｐｄ、ＴｉまたはＬａ）またはその合金を含んでいる。水素吸蔵層１３は水素を吸収または吸着する（蓄積する）ことで膨張する（体積が増加する）。水素吸蔵層１３が膨張すると可動構造３０が変形し、下部電極５ａと上部電極９ａとの間隔は変化する。
水素吸蔵層１３の膨張量は水素吸収量または水素吸着量に応じて変化するため、下部電極５ａと上部電極９ａとの間隔は水素吸収量に応じて変化する。その結果、水素吸蔵層１３の水素吸収量または水素吸着量に応じてＭＥＭＳキャパシタのキャパシタンスが変化する。したがって、ＭＥＭＳキャパシタのキャパシタンスを求めることで、水素吸蔵層１３の周囲の水素濃度を算出することが可能となる。上記キャパシタンスは、例えば、シリコン基板１内に形成された周知の検出回路（不図示）で算出される。当該検出回路は例えばＣＭＯＳ回路を用いて構成されている。上記検出回路は、シリコン基板１とは別のシリコン基板（半導体基板）内に、または、シリコン基板１を用いて構成されているチップとは別のチップ内に形成されていても構わない。さらに、上記検出回路は、シリコン基板１に対して外付けされるものであっても構わない。
可動構造３０の両端は、それぞれ、ばね部１４を介して絶縁層４上に設けられたアンカー９ｂに接続される。アンカー９ｂの下側には絶縁層８ｂが設けられ、アンカー９ｂの上側に絶縁層１０ｂが設けられている。
本実施形態に係る水素センサは、ヒーター１１によって水素吸蔵層１３を加熱できるように構成されている。水素吸蔵層１３の周りの湿度等は検出精度に影響を与える外乱となる。そこで、本実施形態では、ヒーター１１によって水素吸蔵層１３を加熱して湿度等を一定にすることにより、外乱の影響を小さくする。また、水素吸蔵層１３を加熱することは、センサの応答性およびヒステリシスの改善に寄与する。水素吸蔵層１３の加熱は、例えば、水素を検出する前に、ヒーター１１によって水素吸蔵層１３を加熱する。水素の検査を行う前に毎回水素吸蔵層１３を加熱する必要は必ずしもない。水素吸蔵層１３の加熱は、ある一定の回数だけ水素の検出を行った毎に行っても構わない。
ヒーター１１の消費電力の増加を抑制するためには、可動構造３０から逃げる熱を少なくすればよい。そのためには、例えば、可動構造３０下の第１の空洞領域２１を大きくしてその熱抵抗を高くする。第１の空洞領域２１を大きくするには、下部電極５ａと上部電極９ａとの間隔を広くすることが必要となる。当該間隔を広げることはＭＥＭＳキャパシタの容量低下を招く。その結果、水素濃度の検出感度は低下する。
そこで、本実施形態では、第１の空洞領域２１に連通する第２の空洞領域２２を設けている。第１の空洞領域２１と第２の空洞領域２２とは直列に接続されている。したがって、第１の空洞領域２１の熱抵抗（Ｒtemp1）と第２の空洞領域２２の熱抵抗（Ｒtemp2）との合計熱抵抗は、Ｒtemp1とＲtemp2との和となる。これにより、可動構造３０下の空洞領域の熱抵抗を大きくでき、ヒーター１１による消費電力の増加を抑制しつつ、水素濃度の検出感度を高くできる。したがって、本実施形態によれば、十分な性能を有する水素センサを提供できるようになる。
以下、本実施形態に係る水素センサをその製造工程に従いながらさらに説明する。
図３〜図１６は、本実施形態に係る水素センサの製造方法を説明するための断面図である。
まず、図３に示すように、シリコン基板１上に絶縁層２、絶縁層３（第１の絶縁層）および絶縁層４（第２の絶縁層）を順次形成する。絶縁層４上に下部電極５ａおよび金属層５ｂとなる導電層を形成し、当該導電層上にレジストパターン（不図示）を形成し、そして、当該レジストパターンをマスクに用いて上記導電層をエッチングすることにより、下部電極５ａおよび金属層５ｂを形成する。
次に図４に示すように、絶縁層４および下部電極５ａの上に絶縁層６（第３の絶縁層）を形成する。絶縁層４および下部電極５ａは絶縁層６により覆われる。絶縁層６の材料は、例えば、絶縁層４の材料と同じである。
次に図５に示すように、図示しないレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、絶縁層３に連通する貫通孔６０を絶縁層６および絶縁層４中に形成し、その後、貫通孔６０を埋めるように、図６に示すように、絶縁層６上に犠牲層５２を形成する。犠牲層５２（第４の絶縁層）の材料は、絶縁層３の材料と同じであり、例えば、ポリイミドである。このとき、犠牲層５２の表面は例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化しても構わない。
次に図７に示すように、図示しないレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより犠牲層５２を加工することにより金属層５ｂ上の絶縁層６に連通する貫通孔６１を犠牲層５２中に形成し、その後、図８に示すように、貫通孔６２の内面（側面、底面）を覆うように全面に絶縁層８を形成する。絶縁層８の材料は、例えば、絶縁層６の材料と同じである。
次に図９に示すように、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスを用いて貫通孔６１の底の絶縁層６を除去し、金属層５ｂの表面の一部を露出させる。続いて、図１に示した上部電極９ａおよびアンカー９ｂとなる導電層９を図１０に示すように、全面に形成する。導電層９は、貫通孔６１の底に露出した金属層５ｂの表面にコンタクトし、かつ、貫通孔６１の内面（側面、底面）を覆うように形成する。
次に、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスを用いて導電層９および絶縁層８を加工することにより、図１１に示すように、上部電極９ａ、アンカー９ｂを形成する。
全面に図１に示した絶縁層１０ａ，１０ｂとなる絶縁層１０を図１２に示すように形成する。
次に図１３に示すように絶縁層１０上にヒーター１１を形成する。ヒーター１１を形成する工程は、例えば、ヒーター１１となる導電層（例えばＴｉＮ層）を形成する工程と、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスを用いて当該導電層をパターニングする工程とを含む。なお、図１３の断面では、ヒーター１１は分断されているように見えるが、実際にはヒーター１１は図２Ｃに示すように分断されていない。なお、図２Ｃにおいて、２００−２は後で説明するアンカービアであり（図２２）、１５０はヒーター１１とアンカービア２００−２の配線（図２２の配線３０６）とを接続するための配線（ヒーターバイアス線）を示している。
次に図１４に示すように、ヒーター１１を覆うように全面（絶縁層１０、ヒーター１１）上に絶縁層１２を形成する。その後、図１５に示すように、絶縁層１２上にレジストパターン（不図示）を形成し、当該レジストパターンをマスクに用いて絶縁層１２、絶縁層１０、絶縁層８ａをエッチングし、犠牲層５２の表面に達する貫通孔６２を形成する。
次に図１６に示すように絶縁層１２上に水素吸蔵層１３を形成し、その後、例えば、酸素（Ｏ2 ）を用いたアッシング（等方性ドライエッチング）により、犠牲層５２を除去するとともに、絶縁層３の一部を除去することにより、図１に示した水素センサが得られる。上記酸素（Ｏ2 ）の代わりに、二弗化キセノン（ＸｅＦ2 ）を用いて等方性ドライエッチングを行っても構わない。
なお、異方性エッチングを用いては、犠牲層５２の全体を除去できず、そして、図１の空洞領域２２を形成できるように絶縁層３の一部を除去することもできない。なお、図１に示した空洞領域２２の形状は一例であり、空洞領域２２は他の形状を有していても構わない。等方性ドライエッチングを用いると絶縁層３は横方向にもエッチングされる。これは第２の空洞領域２２を横方向に広くするように作用する。
（第２の実施形態）
図１７は、第２の実施形態に係る水素センサを模式的に示す断面図である。
図１７は、第２の実施形態に係る水素センサを模式的に示す断面図である。
第１の実施形態では、開口が設けられた絶縁層３とその上の絶縁層４とによって規定される空洞領域２２を用いたが、本実施形態ではシリコン基板１に設けた貫通孔によって規定される空洞領域２２ａを用いる。空洞領域２２ａ内には空気が存在する。空気は熱抵抗が高い。絶縁層４，６を薄くすれば空洞領域２２ａは空洞領域２１に実質的に直列に接続され、空洞領域２２ａは空洞領域２２と同様に機能する。なお、第１の実施形態と同様に貫通孔を介して空洞領域２２ａを空洞領域２１に直列に接続しても構わない。
第１の実施形態ではシリコン基板１上には絶縁層２，３を設けているが、本実施形態では空洞領域２２ａの形成を容易にするために絶縁層２，３は設けていない。
空洞領域２２ａを形成するには、例えば、図１６の工程（ただし、絶縁層２，３は形成されていない）で、シリコン基板１をその裏面からエッチングすることにより形成できる。図１７には異方性エッチングにより形成された形状の空洞領域２２ａが示されているが、図１８に示すように、等方性エッチングにより形成された空洞領域２２ａ’を用いても構わない。図１８には側面が曲線の空洞領域２２ａ’が示されているが、当該側面は直線になる場合もあるし、直線と曲線の組合せになる場合もある。
（第３の実施形態）
図１９は、第３の実施形態に係る水素センサを模式的に示す断面図である。
図１９は、第３の実施形態に係る水素センサを模式的に示す断面図である。
本実施形態に係る水素センサの可動構造３０は、二つの水素アクチュエータ３０ａ，３０ｃおよびそれらの間に設けられた一つの上部電極部３０ｂを含む。上部電極部３０ｂの一端部は、ばね部１４を介して、水素アクチュエータ３０ａに接続されている。同様に、上部電極部３０ｂの他端部は、ばね部１４を介して、水素アクチュエータ３０ｃに接続されている。
上部電極部３０ｂは、図１の可動構造３０から水素吸蔵層１３を省くとともに、ヒーター１１の代わりに導電層（ダミーメタル）１５を設けた構造を有する。導電層１５の材料はヒーター１１の材料と同じであるが、導電層１５は電源には接続されておらず、ヒーター１１としては機能しない。導電層１５は絶縁層１０ａの残留応力による反りを抑制する目的のために設けられている。上記目的のためには、導電層１５は上部電極９ａと同じ形状および同じ寸法を有することが好ましい。本実施形態に係る水素センサでは、上部電極部３０ｂ単独では下部電極５ａと上部電極９ａとの間隔は変化しない。また、上部電極部３０ｂの下方には第２の空洞領域２２は設けられていない。上部電極部３０ｂはヒーター１１および水素吸蔵層１３を含んでおらず、熱抵抗を大きくするための構造は不要だからである。上部電極部３０ｂは図示しない外部回路に接続される。
水素アクチュエータ３０ａ，ｃの構造は可動構造３０の構造と同様である。ただし、上部電極９ａの代わりにダミー電極９ａ’が設けられている。ダミー電極９ａ’下には下部電極は設けられていないので、ダミー電極９ａ’はキャパシタを構成する上部電極９としては機能しない。ダミー電極９ａは水素アクチュエータ３０ａ，ｃ中の絶縁層１０ａの残留応力による反りを抑制する機能を有する。ダミー電極９ａ’の形状は例えば板状またはメッシュ状である。水素アクチュエータ３０ａ，ｃの下方にはそれぞれ第２の空洞領域２２が設けられている。水素アクチュエータ３０ａ，ｃは可動構造３０と同様に水素を吸収すると変形する。したがって、本実施形態に係る水素センサでは、水素アクチュエータ３０ａ，ｃが変形することにより、下部電極５ａと上部電極部３０ａ中の上部電極９ａとの間隔は変化する。
本実施形態でも第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態では可動構造３０中のヒーター１１の数を減らすことができるので、消費電力をさらに低減できる。
図２０に本実施形態の水素センサを模式的に示す平面図の一例を示す。図２０において、１００はアンカーを示しており、図１の９ｂに対応する。また、１００ａはアンカー１００と水素アクチュエータ３０ａとを接続するばね部を示しており、図１のばね部１４に対応する。
ばね部１００ａの熱抵抗は例えば空洞領域２１，２２の合計熱抵抗の約１０倍である。そのため、ばね部１００aは熱抵抗が充分大きい。一般に熱抵抗が大きい部材は機械的なばね定数は小さく柔らかい。水素アクチュエータ３０ａ，３０ｃに接続されるばね１００ａのばね定数が小さいと、例えば水素を検出する際に、水素アクチュエータの変形が容量部の可動電極部３０ｂに伝わりにくくなり、水素の検出感度が悪くなる。そのため、水素アクチュエータ３０ａ，３０ｃの変形が上部電極部３０ｂに効果的に伝わるように、ばね部１００ａに接続される端部が擬似的に機械的な固定端になるように、ばね部１００aの形状および物性は決められる必要がある。その観点から、ばね１００aの形状は折り返しのないライン状のストレート形状を含む必要あり、図２０においては、二つのＹ字状のばね部を繋げた形状を有する。また、ストレート形状の効果を増すために、ばね部１００ａは半導体基板１に対して引張り応力を有する。Ｙ字状の形状は、水素アクチュエータ３０ａが水素を吸収して変形しても、ばね部１００ａが回転しないようにするためである。回転を防止できるなら、図２６に示すように、ライン状のばね部１００ａ’を用いても構わない。
１００ｂは水素アクチュエータ３０ａと上部電極９ａ（貫通孔は不図示）とを接続するばね部を示している。一般的なプロセスを用いて形成したばね部１００ｂの熱抵抗は例えば空洞領域２１，２２の合計熱抵抗の約１０倍であるが、擬似的な固定端としての機能は求められていないため、ばね部１００ａのようにライン状のストレート形状である必要はない。２００は水素アクチュエータ３０ａ中のヒーターを外部回路（不図示）に接続するためのアンカーを示している。２００ａはアンカー２００と水素アクチュエータ３０ａとを接続するばね部を示している。
図２１（ａ）は上部電極９ａおよびその下の構造の一例を示す断面図である。当該構造はＴｉＮ層９ａ１、ＳｉＮ層９ａ２が順次積層された構造を含む。ＴｉＮ層９ａ１、ＳｉＮ層９ａ２および上部電極９ａの厚さは、それぞれ、例えば、５０ｎｍ、３μｍ、５０ｎｍである。ＴｉＮ層９ａ１、ＳｉＮ層９ａ２および上部電極９ａの幅は例えば６μｍである。
なお、ＴｉＮ層９ａ，９ａ１の上面、下面および側面には、ＴｉＮ層９ａ，９ａ１の酸化を防止するために実際には絶縁膜（保護膜）が設けられているが、図２１（ａ）では簡略化のために省いてある。上記絶縁膜は、例えば、厚さ１００ｎｍ程度の薄い絶縁膜であり、その材料は例えば窒化シリコンである。同様に、図２１（ｂ）、（ｄ）および（ｅ）中のＴｉＮ層の上面、下面および側面の絶縁膜も省いてある。また、図２１（ａ），（ｂ），（ｄ），（ｅ）のＴｉＮは導電材料の一例であり、他の導電材料を用いても構わない。例えば、ＴｉＮ層（上部電極）９ａと同様に、Ｔｉを用いても構わない。
図２１（ｂ）は水素アクチュエータ３０ａの構造の一例を示す断面図である。当該構造はＴｉＮ層３０ａ１、ＳｉＮ層３０ａ２、ＴｉＮ層（ヒーター）３０ａ３、Ｐｄ層（水素吸蔵層）３０ａ４が順次積層された構造を含む。ＴｉＮ層３０ａ１、ＳｉＮ層３０ａ２、ＴｉＮ層３０ａ３およびＰｄ層３０ａ４の厚さは、それぞれ、例えば、５０ｎｍ、３μｍ、４５ｎｍおよび５００ｎｍである。
図２１（ｃ）はばね部１００ａの構造の一例を示す断面図である。当該構造はＳｉＮ層１００ａ１を含む。ＳｉＮ層１００ａ１の厚さおよび幅は、それぞれ、例えば、３μｍおよび６μｍである。
図２１（ｄ）はばね部１００ｂの構造の一例を示す断面図である。当該構造はＴｉＮ層１００ｂ１、ＳｉＮ層１００ｂ２が順次積層された構造を含む。ＴｉＮ層１００ｂ１およびＳｉＮ層１００ｂ２の厚さは、それぞれ、例えば、５０ｎｍおよび３μｍである。ＴｉＮ層１００ｂ１およびＳｉＮ層１００ｂ２の幅は例えば６μｍである。
図２１（ｅ）はばね部２００ａの構造の一例を示す断面図である。当該構造はＴｉＮ層２００ａ１、ＳｉＮ層２００ａ２およびＴｉＮ層２００ａ３が順次積層された構造を含む。ＴｉＮ層２００ａ１、ＳｉＮ層２００ａ２およびＴｉＮ層２００ａ３の厚さは、それぞれ、例えば、５０ｎｍ、３μｍおよび５０ｎｍである。ＴｉＮ層２００ａ１、ＳｉＮ層２００ａ２およびＴｉＮ層２００ａ３の幅は例えば８μｍまたは６μｍである。
図２２はアンカー２００のより詳細な構造を示す断面図である。アンカー２００は、上部電極の引き出し配線用のアンカービア２００−１と、ヒーターの引き出し配線用のアンカービア２００−２とを含む。
図２２において、３００、３０２、３０３、３０５および３０７は絶縁層を示している。３０１は下部電極と同じ工程で形成された電極を示しており、３０４は上部電極と同じ工程で形成された配線を示しており、３０６はヒーターと同じ工程で形成された配線を示している。
上部電極の引き出し配線用のアンカービア２００−１では、配線３０４と配線３０６とは絶縁層３０５によって電気的に絶縁されている。また、アンカービア２００−１では、配線３０４の右側の端部が上部電極（不図示）に接続される。配線３０４は配線３０１を介して外部回路（電源）に接続される。
ヒーターの引き出し配線用のアンカービア２００−２では、配線３０４と配線３９６とは電気的に接続されている。また、アンカービア２００−２では、配線３０６の右側の端部がヒーター（不図示）に接続される。配線３０６は配線３０４および配線３０１を介して外部回路（電源）に接続される。
なお、本実施形態では、水素アクチュエータの数は二つであるが、水素アクチュエータの数は一つでもまたは三つ以上でも構わない。
（第４の実施形態）
図２３は、第４の実施形態に係る水素センサを模式的に示す平面図である。本実施形態の水素センサの断面図は、例えば、図１９（第３の実施形態）の断面図に対応する。すなわち、本実施形態の水素センサは、可動構造が水素アクチュエータと上部電極部とに分かれている水素センサに関するものであり、本実施形態の水素センサの平面パターン（平面形状）は、第３の実施形態のそれとは異なっている。
図２３は、第４の実施形態に係る水素センサを模式的に示す平面図である。本実施形態の水素センサの断面図は、例えば、図１９（第３の実施形態）の断面図に対応する。すなわち、本実施形態の水素センサは、可動構造が水素アクチュエータと上部電極部とに分かれている水素センサに関するものであり、本実施形態の水素センサの平面パターン（平面形状）は、第３の実施形態のそれとは異なっている。
上部電極９ａは六角形（多角形）の形状を有する。上部電極９ａの上面および下面は平坦である。
前記第２の電極の周囲には、六個の線状部材で構成された環状の梁構造４０が設けられている。すなわち、梁構造４０は、上部電極９ａの多角形を規定する辺の数と同じ数の線状部材を有する。各線状部材は、第１の実施形態等で説明した絶縁層１０ｂおよびばね部１４を含む。
上部電極９ａと前記梁構造４０との間には六個の可動構造３０’が設けられている。可動構造３０’は、第１の実施形態等で説明した可動構造３０から上部電極９ａを省いたものであり、絶縁層１０ａ、ヒーター１１、絶縁層１２、水素吸蔵層１３等の部材を含んでいる。なお、図２３では簡略化のために参照符号３０は一つの可動構造だけに付してある。
異なる可動構造３０の一端部は上部電極９ａの異なる部分に接続されている。異なる可動構造３０の他端部は梁構造４０の異なる部分に接続されている。可動構造３０の個数は上部電極９ａの多角形を規定する辺の数と同じである。
また、梁構造４０の六個の頂点に対応する部分はそれぞれ異なる支持構造４１に接続されている。各支持構造４１は、第１の実施形態等で説明した絶縁層８ｂ、アンカー９ｂおよび絶縁層１０ｂを含む。
本実施形態では、上部電極９ａ、梁構造４０、六個の可動構造３０’および支持構造４１は、上部電極９ａの上方から見て対称な構造を構成している。図２３の構造は回転対称を有する。
可動構造３０’の絶縁層１０ａおよび梁構造４０の絶縁層１０ｂはともに例えば窒化シリコン層である。本実施形態では、梁構造４０の絶縁層１０ｂとして使用される窒化シリコン層は、基板１に対して引張応力を有する。その結果として、可動部３０’の梁構造４０に接続されている箇所は疑似的に固定端として機能するため、高い検出感度を得ることが可能となる。ばね部１４の材料は、梁構造４０の引張応力を大きくする材料が好ましい。本実施形態では、可動構造３０は熱抵抗が高い梁構造４０に接続されるため、可動構造３０中のヒーター（不図示）により可動構造３０中の水素吸蔵層（不図示）を加熱するために必要な電力を削減できる。したがって、本実施形態によれば、十分な性能（高検出感度、低消費電力）を有する水素センサを提供できるようになる。
さらに、本実施形態では、上部電極９ａ、六個の可動構造３０、梁構造４０および支持構造４１で構成される構造は回転対称を有している。そのため、ヒーターにより加熱された水素吸蔵層が膨張して（可動構造３０の変形）、上部電極９ａと下部電極（不図示）との間隔が変化する際に、上部電極９ａはその平坦な上面に垂直な軸（回転軸）に対して所定の角度だけ回転するだけである。すなわち、下部電極の平坦な上面に対して上部電極９ａの下面が傾いて、下部電極と上部電極との間隔が場所によって変わることを抑制できる。これにより、検出感度の低下を抑制できる。
なお、本実施形態に係るガスセンサは、第１〜４の実施形態に係る水素センサと同様に、シリコン基板１、固定電極５ａおよび第１の空洞領域２１などは含むが、第２の空洞領域２２は存在してもまたは存在しなくても構わない。
また、本実施形態では上部電極９ａおよび可動構造３０’の形状を六角形としたが他の多角形でも構わない。対称構造のためには正多角形を採用することが好ましい。
また、本実施形態では、可動構造３０’は複数の線状部材で構成された形状を有するが、図２４に示すように、可動構造３０’は曲線形状を含む部材で構成された形状を有していても構わない。
（第５の実施形態）
図２５は、第５の実施形態に係る水素センサを模式的に示す平面図である。
図２５は、第５の実施形態に係る水素センサを模式的に示す平面図である。
梁構造４０を構成する一つの線状部材の両端部には二つの線状部材４２の一端部が接続されている。二つの線状部材４２の他端部には二つの線状部材４３の一端部が接続されている。二つの線状部材４３の他端部は互いに接続されている。すなわち、梁構造４０の構成する一つの線状部材、二つの線状部材４２および二つの線状部材４３は、梁構造４０とは別の梁構造を構成している。このような梁構造は梁構造４０を構成する他の複数の線状部材毎に形成され、全体としてくもの巣状（ハニカム状）の梁構造が構成されている。このようなハニカム状の梁構造を採用することでより硬い梁構造を実現できるので、検出感度の高い水素センサを実現することが可能となる。
なお、上述した実施形態では水素センサについて説明したが、水素吸蔵層の代わりに他のガスを吸収する吸蔵層を用いることで、他のガスセンサも同様に実施することが可能である。
以上述べた実施形態の上位概念、中位概念および下位概念の一部または全ては、例えば以下のような付記１−２０で表現できる。
［付記１］
基板領域と、
前記基板領域上に設けられた第１の電極と、
前記第１の電極の上方に設けられており、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材、前記変形部材を加熱するための加熱部材および第２の電極を含む可動構造と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた第１の空洞領域と、
前記基板領域に設けられ、前記第１の空洞領域に連通する第２の空洞領域と
を具備してなることを特徴とするガスセンサ。
基板領域と、
前記基板領域上に設けられた第１の電極と、
前記第１の電極の上方に設けられており、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材、前記変形部材を加熱するための加熱部材および第２の電極を含む可動構造と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた第１の空洞領域と、
前記基板領域に設けられ、前記第１の空洞領域に連通する第２の空洞領域と
を具備してなることを特徴とするガスセンサ。
［付記２］
前記基板領域は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第１の絶縁層とを含み、
前記第２の空洞領域は前記第１の絶縁層に設けられていることを特徴とする付記１に記載のガスセンサ。
前記基板領域は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第１の絶縁層とを含み、
前記第２の空洞領域は前記第１の絶縁層に設けられていることを特徴とする付記１に記載のガスセンサ。
［付記３］
前記第２の空洞領域を規定する前記第１の絶縁層の側面はテーペー状の形状を有することを特徴とする付記２に記載のガスセンサ。
前記第２の空洞領域を規定する前記第１の絶縁層の側面はテーペー状の形状を有することを特徴とする付記２に記載のガスセンサ。
［付記４］
前記第１の絶縁層上に設けられた第２の絶縁層をさらに具備してなり、
前記第２の絶縁層には、前記第１の空洞領域と前記第２の空洞領域とを連通する貫通孔が設けられていることを特徴とする付記２または３に記載のガスセンサ。
前記第１の絶縁層上に設けられた第２の絶縁層をさらに具備してなり、
前記第２の絶縁層には、前記第１の空洞領域と前記第２の空洞領域とを連通する貫通孔が設けられていることを特徴とする付記２または３に記載のガスセンサ。
［付記５］
前記第１の電極は前記第２の絶縁層上に固定されていることを特徴とする付記４に記載のガスセンサ。
前記第１の電極は前記第２の絶縁層上に固定されていることを特徴とする付記４に記載のガスセンサ。
［付記６］
前記第１の電極から前記可動構造に向かう方向における前記第２の空洞領域の距離は、前記方向における前記第１の空洞領域の距離よりも大きいことを特徴とする付記５に記載のガスセンサ。
前記第１の電極から前記可動構造に向かう方向における前記第２の空洞領域の距離は、前記方向における前記第１の空洞領域の距離よりも大きいことを特徴とする付記５に記載のガスセンサ。
［付記７］
前記基板領域は半導体基板を含み、
前記第２の空洞領域は前記半導体基板に設けられていることを特徴とする付記１に記載のガスセンサ。
前記基板領域は半導体基板を含み、
前記第２の空洞領域は前記半導体基板に設けられていることを特徴とする付記１に記載のガスセンサ。
［付記８］
前記可動構造は、少なくとも一つの可動部と、電極部とを含み、
前記少なくとも一つの可動部の各々の下方には前記第２の空洞領域が設けられていることを特徴とする付記１ないし６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
前記可動構造は、少なくとも一つの可動部と、電極部とを含み、
前記少なくとも一つの可動部の各々の下方には前記第２の空洞領域が設けられていることを特徴とする付記１ないし６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
［付記９］
前記少なくとも一つの可動部は第１の可動部と第２の可動部とを含み、前記電極部は前記第１の可動部と前記第２の可動部との間に設けられていることを特徴とする付記８に記載のガスセンサ。
前記少なくとも一つの可動部は第１の可動部と第２の可動部とを含み、前記電極部は前記第１の可動部と前記第２の可動部との間に設けられていることを特徴とする付記８に記載のガスセンサ。
［付記１０］
前記少なくとも一つの可動部の各々は前記変形部材および前記加熱部材を含み、前記電極部は前記第２の電極を含み、かつ、前記変形部材を含まないことを特徴とする付記８または９に記載のガスセンサ。
前記少なくとも一つの可動部の各々は前記変形部材および前記加熱部材を含み、前記電極部は前記第２の電極を含み、かつ、前記変形部材を含まないことを特徴とする付記８または９に記載のガスセンサ。
［付記１１］
少なくとも一つのばね部をさらに具備してなり、前記少なくとも一つの可動部にはそれぞれ前記少なくとも一つのばね部が接続されており、前記少なくとも一つのばね部の各々は前記第１の空洞領域の熱抵抗と前記第２の空洞領域の熱抵抗との和よりも大きいことを特徴とする付記８ないし１０のいずれか１項に記載のガスセンサ。
少なくとも一つのばね部をさらに具備してなり、前記少なくとも一つの可動部にはそれぞれ前記少なくとも一つのばね部が接続されており、前記少なくとも一つのばね部の各々は前記第１の空洞領域の熱抵抗と前記第２の空洞領域の熱抵抗との和よりも大きいことを特徴とする付記８ないし１０のいずれか１項に記載のガスセンサ。
［付記１２］
前記少なくとも一つのばね部の各々は直線状の形状を有することを特徴とする付記１１に記載のガスセンサ。
前記少なくとも一つのばね部の各々は直線状の形状を有することを特徴とする付記１１に記載のガスセンサ。
［付記１３］
前記少なくとも一つのばね部の各々は引張り応力を有することを特徴とする付記１１または１２に記載のガスセンサ。
前記少なくとも一つのばね部の各々は引張り応力を有することを特徴とする付記１１または１２に記載のガスセンサ。
［付記１４］
前記少なくとも一つの可動部および前記少なくとも一つのばね部はそれらの上方から見て回転対称な構造を有することを特徴とする付記１１ないし１３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
前記少なくとも一つの可動部および前記少なくとも一つのばね部はそれらの上方から見て回転対称な構造を有することを特徴とする付記１１ないし１３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
［付記１５］
前記所定のガスは水素を含むことを特徴とする付記１ないし１４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
前記所定のガスは水素を含むことを特徴とする付記１ないし１４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
［付記１６］
前記変形部材は、パラジウム、パラジウムを含有する合金もしくは当該合金に銅（Ｃｕ）およびシリコン（Ｓｉ）を含有させた合金、チタンを含有する合金、ランタンを含有する合金、または、金属ガラスを具備することを特徴とする付記１５に記載のガスセンサ。
前記変形部材は、パラジウム、パラジウムを含有する合金もしくは当該合金に銅（Ｃｕ）およびシリコン（Ｓｉ）を含有させた合金、チタンを含有する合金、ランタンを含有する合金、または、金属ガラスを具備することを特徴とする付記１５に記載のガスセンサ。
［付記１７］
前記可動構造は、前記変形部材の変形に対応して前記第１の電極と前記第２の電極との間隔が変化するように可動することを特徴とする付記１ないし１６に記載のガスセンサ。
前記可動構造は、前記変形部材の変形に対応して前記第１の電極と前記第２の電極との間隔が変化するように可動することを特徴とする付記１ないし１６に記載のガスセンサ。
［付記１８］
半導体基板上に第１の絶縁層、第２の絶縁層、第１の電極を順次形成する工程と、
前記第２の絶縁層および前記第１の電極の上に第３の絶縁層を形成する工程と、
前記第３の絶縁層および前記第２の絶縁層を貫通して前記第１の絶縁層に達する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を埋め込むように、前記第１の絶縁層、前記第３の絶縁層の上に第４の絶縁層を形成する工程と、
前記第４の絶縁層上に、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材、前記変形部材を加熱するための加熱部材および第２の電極を含む可動構造を形成する工程と、
前記第４の絶縁層を除去するとともに、前記第１の絶縁層の一部を除去することにより、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の空洞領域を形成するとともに、前記第１の空洞領域と連通する第２の空洞領域を形成する工程と
を具備してなることを特徴とするガスセンサの製造方法。
半導体基板上に第１の絶縁層、第２の絶縁層、第１の電極を順次形成する工程と、
前記第２の絶縁層および前記第１の電極の上に第３の絶縁層を形成する工程と、
前記第３の絶縁層および前記第２の絶縁層を貫通して前記第１の絶縁層に達する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を埋め込むように、前記第１の絶縁層、前記第３の絶縁層の上に第４の絶縁層を形成する工程と、
前記第４の絶縁層上に、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材、前記変形部材を加熱するための加熱部材および第２の電極を含む可動構造を形成する工程と、
前記第４の絶縁層を除去するとともに、前記第１の絶縁層の一部を除去することにより、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の空洞領域を形成するとともに、前記第１の空洞領域と連通する第２の空洞領域を形成する工程と
を具備してなることを特徴とするガスセンサの製造方法。
［付記１９］
前記第１および第４の絶縁層は第１の材料を含み、前記第２および第３の絶縁層は前記第１の材料とは種類が異なる第２の材料を含むことを特徴とする付記１８に記載のガスセンサの製造方法。
前記第１および第４の絶縁層は第１の材料を含み、前記第２および第３の絶縁層は前記第１の材料とは種類が異なる第２の材料を含むことを特徴とする付記１８に記載のガスセンサの製造方法。
［付記２０］
前記第１および第２の空洞領域を形成する工程は、前記第１および第４の絶縁層のエッチングレートが前記第２および第３の絶縁層のエッチングレートよりも高くなる条件で、前記第１および第４の絶縁層をエッチングする工程を含むことを特徴とする付記１９に記載のガスセンサの製造方法。
前記第１および第２の空洞領域を形成する工程は、前記第１および第４の絶縁層のエッチングレートが前記第２および第３の絶縁層のエッチングレートよりも高くなる条件で、前記第１および第４の絶縁層をエッチングする工程を含むことを特徴とする付記１９に記載のガスセンサの製造方法。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…シリコン基板、２，３，４…絶縁層、５ａ…下部電極、５ｂ…金属層、６，８，８ａ，８ｂ…絶縁層、９…導電層、９ａ…上部電極、９ａ'…ダミー電極、９ｂ…アンカー、１０，１０ａ，１０ｂ…絶縁層、１１…ヒーター、１２…絶縁層、１３…水素吸蔵層、１４…ばね部、２０…貫通孔、２１…第１の空洞領域、２２…第２の空洞領域、２３…貫通孔、３０，３０’…可動構造、３０ａ，３０ｃ…水素アクチュエータ、３０ｂ…上部電極部、４０…梁構造、４１…支持部材、４２，４３…線状部材、５２…犠牲層、６０，６１，６２…貫通孔、１００…アンカー、１００ａ，１００ａ'…ばね部、１００ｂ…水素アクチュエータ、２００…アンカー、２００ａ…ばね部、２００−１，２００−２…アンカービア、３００，３０２，３０３，３０５，３０７…絶縁層、３０４，３０６…配線。
Claims (9)
- 基板領域と、
前記基板領域上に設けられた第１の電極と、
前記第１の電極の上方に設けられており、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材、前記変形部材を加熱するための加熱部材および第２の電極を含む可動構造と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた第１の空洞領域と、
前記基板領域に設けられ、前記第１の空洞領域に連通する第２の空洞領域と
を具備してなることを特徴とするガスセンサ。 - 前記基板領域は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に設けられた第２の絶縁層とを含んでおり、
前記第２の空洞領域は前記第１の絶縁層に設けられており、
前記第２の絶縁層には前記第１の空洞領域と前記第２の空洞領域とを連通する貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。 - 前記第１の電極から前記可動構造に向かう方向における前記第２の空洞領域の距離は、前記方向における前記第１の空洞領域の距離よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
- 前記可動構造は、少なくとも一つの可動部と、電極部とを含み、
前記少なくとも一つの可動部の各々の下方には前記第２の空洞領域が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガスセンサ。 - 前記少なくとも一つの可動部の各々は前記変形部材および前記加熱部材を含み、前記電極部は前記第２の電極を含み、かつ、前記変形部材を含まないことを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ。
- 少なくとも一つのばね部をさらに具備してなり、前記少なくとも一つの可動部にはそれぞれ前記少なくとも一つのばね部が接続されており、前記少なくとも一つのばね部の各々は前記第１の空洞領域の熱抵抗と前記第２の空洞領域の熱抵抗との和よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載のガスセンサ。
- 前記少なくとも一つのばね部の各々は直線状の形状を有することを特徴とする請求項６に記載のガスセンサ。
- 前記少なくとも一つのばね部の各々は引張り応力を有することを特徴とする請求項６または７に記載のガスセンサ。
- 半導体基板上に第１の絶縁層、第２の絶縁層、第１の電極を順次形成する工程と、
前記第２の絶縁層および前記第１の電極の上に第３の絶縁層を形成する工程と、
前記第３の絶縁層および前記第２の絶縁層を貫通して前記第１の絶縁層に達する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を埋め込むように、前記第１の絶縁層、前記第３の絶縁層の上に第４の絶縁層を形成する工程と、
前記第４の絶縁層上に、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材、前記変形部材を加熱するための加熱部材および第２の電極を含む可動構造を形成する工程と、
前記第４の絶縁層を除去するとともに、前記第１の絶縁層の一部を除去することにより、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の空洞領域を形成するとともに、前記第１の空洞領域と連通する第２の空洞領域を形成する工程と
を具備してなることを特徴とするガスセンサの製造方法。
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