JP2648828B2 - マイクロヒータ - Google Patents
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- Non-Adjustable Resistors (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体基板の上に形
成されるマイクロヒータに関し、ガスフローセンサ、薄
膜式酸素センサ、ピラニーゲージ等に用いることができ
るものである。
成されるマイクロヒータに関し、ガスフローセンサ、薄
膜式酸素センサ、ピラニーゲージ等に用いることができ
るものである。
【０００２】
【従来の技術】この種のマイクロヒータにおいて、シリ
コン基板を覆う電気絶縁膜（ＳｉＯ２膜やＳｉ３Ｎ４膜
など）の一部を架橋構造（すなわち、シリコン基板に穴
があいていて、電気絶縁膜の細長い架橋がこの上を跨い
でいる。）に形成し、この電気絶縁膜の架橋の上に発熱
体を形成することにより、熱容量を極めて小さくしたも
のが知られている。
コン基板を覆う電気絶縁膜（ＳｉＯ２膜やＳｉ３Ｎ４膜
など）の一部を架橋構造（すなわち、シリコン基板に穴
があいていて、電気絶縁膜の細長い架橋がこの上を跨い
でいる。）に形成し、この電気絶縁膜の架橋の上に発熱
体を形成することにより、熱容量を極めて小さくしたも
のが知られている。
【０００３】そして、発熱体としては、電気絶縁膜の上
にスパタリングの手法でつくられた白金等の導電性膜が
用いられる。さらには、架橋構造の電気絶縁体層の上
に、不純物を添加して低抵抗化させた多結晶シリコン薄
膜を形成し、これを発熱体としたものもある。
にスパタリングの手法でつくられた白金等の導電性膜が
用いられる。さらには、架橋構造の電気絶縁体層の上
に、不純物を添加して低抵抗化させた多結晶シリコン薄
膜を形成し、これを発熱体としたものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ガスフローセンサで
は、ガスの流れの中にマイクロヒータを置いて、その温
度の下がり具合からガスの流量を検出するようになって
いる。このような用途では、発熱体の上に温度センサと
してトランジスタやダイオードを形成し、これで発熱体
の温度を正確に測定したいという要請がある。
は、ガスの流れの中にマイクロヒータを置いて、その温
度の下がり具合からガスの流量を検出するようになって
いる。このような用途では、発熱体の上に温度センサと
してトランジスタやダイオードを形成し、これで発熱体
の温度を正確に測定したいという要請がある。
【０００５】トランジスタやダイオードは単結晶半導体
薄膜中に形成されるが、上述した従来のマイクロヒータ
の発熱体は単結晶でないため、この上に単結晶半導体薄
膜をエピタキシャル成長することができなかった。した
がって、従来のマイクロヒータの発熱体の上にトランジ
スタやダイオードなどの半導体素子を形成することが困
難であった。そこで、この発明は、単結晶薄膜の発熱体
をもったマイクロヒータを得ることを目的とする。
薄膜中に形成されるが、上述した従来のマイクロヒータ
の発熱体は単結晶でないため、この上に単結晶半導体薄
膜をエピタキシャル成長することができなかった。した
がって、従来のマイクロヒータの発熱体の上にトランジ
スタやダイオードなどの半導体素子を形成することが困
難であった。そこで、この発明は、単結晶薄膜の発熱体
をもったマイクロヒータを得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明のマイクロヒータはシリコン単結晶基板の
表面に電気絶縁体の薄膜がつくられている。基板には穴
があいていて、電気絶縁体薄膜はこの穴の上に延びてい
る。そして、穴の上の部分の電気絶縁体薄膜に、該シリ
コン単結晶基板の一部に高濃度のホウ素を含有させたｐ
形単結晶シリコン薄膜の発熱体が密着形成されている。
基板の穴は、貫通したものでも、そうでないものでもよ
い。穴の上の電気絶縁体薄膜の形状は、穴を跨ぐ架橋、
穴の上にせり出したカンチレバー、さらには、穴の上を
隙間なく覆うダイアフラムなど様々の形をとることがで
きる。
に、この発明のマイクロヒータはシリコン単結晶基板の
表面に電気絶縁体の薄膜がつくられている。基板には穴
があいていて、電気絶縁体薄膜はこの穴の上に延びてい
る。そして、穴の上の部分の電気絶縁体薄膜に、該シリ
コン単結晶基板の一部に高濃度のホウ素を含有させたｐ
形単結晶シリコン薄膜の発熱体が密着形成されている。
基板の穴は、貫通したものでも、そうでないものでもよ
い。穴の上の電気絶縁体薄膜の形状は、穴を跨ぐ架橋、
穴の上にせり出したカンチレバー、さらには、穴の上を
隙間なく覆うダイアフラムなど様々の形をとることがで
きる。
【０００７】発熱体の上には、単結晶半導体薄膜をエピ
タキシャル成長させて半導体素子を形成することができ
る。発熱体を基板から離隔させ、基板と接触しないよう
に形成すると、熱伝導および熱容量を小さくでき、した
がって、消費電力が小さくできる。反対に、発熱体の端
部を基板に支持させるようにすると、機械的に強くでき
る。この場合、絶縁のため、基板にｎシリコン単結晶基
板を用いる。
タキシャル成長させて半導体素子を形成することができ
る。発熱体を基板から離隔させ、基板と接触しないよう
に形成すると、熱伝導および熱容量を小さくでき、した
がって、消費電力が小さくできる。反対に、発熱体の端
部を基板に支持させるようにすると、機械的に強くでき
る。この場合、絶縁のため、基板にｎシリコン単結晶基
板を用いる。
【０００８】
【実施例】実施例について図面を参照して説明すると、
図１においてシリコン単結晶基板１０の上に熱酸化によ
りＳｉＯ２の膜１１を形成し、そのＳｉＯ２の膜の一部
をフォトエッチングにより除去し、窓１２をあける。
図１においてシリコン単結晶基板１０の上に熱酸化によ
りＳｉＯ２の膜１１を形成し、そのＳｉＯ２の膜の一部
をフォトエッチングにより除去し、窓１２をあける。
【０００９】この窓１２からシリコン単結晶基板１０に
塗布拡散剤を用いてホウ素を高濃度（密度は平均で３×
１０２０／ｃｍ３程度）に熱拡散し（例えば、１２００
℃、５時間）、図２に示すように、高濃度ホウ素添加単
結晶シリコン層１４を形成する。高濃度ホウ素添加単結
晶シリコン層１４は低抵抗であり、これを発熱体として
使う。
塗布拡散剤を用いてホウ素を高濃度（密度は平均で３×
１０２０／ｃｍ３程度）に熱拡散し（例えば、１２００
℃、５時間）、図２に示すように、高濃度ホウ素添加単
結晶シリコン層１４を形成する。高濃度ホウ素添加単結
晶シリコン層１４は低抵抗であり、これを発熱体として
使う。
【００１０】次いで、ＳｉＯ２膜１１を除去し、スパッ
タリングの方法で、改めて全面にＳｉＯ２の膜１５（厚
み３μｍ程度）を形成する（図３）。スパッタリングに
代えてＣＶＤ（化学的気相成長法）や熱酸化の方法も使
える。ＳｉＯ２の膜はＳｉ３Ｎ４膜でもよい。
タリングの方法で、改めて全面にＳｉＯ２の膜１５（厚
み３μｍ程度）を形成する（図３）。スパッタリングに
代えてＣＶＤ（化学的気相成長法）や熱酸化の方法も使
える。ＳｉＯ２の膜はＳｉ３Ｎ４膜でもよい。
【００１１】次いで、図４のように、ＳｉＯ２膜１５に
長細い窓１６を２つあけ、発熱体１４を覆うＳｉＯ２膜
のストリップ１８を形成する。（なお、このストリップ
１８は後で架橋になる。）他方、シリコン単結晶基板１
０の裏面にもＳｉＯ２の膜１９を形成し、この膜に長方
形の窓２０をあける。ＳｉＯ２の膜に窓をあけるのは、
いずれも、フォトエッチングの手法が使える。
長細い窓１６を２つあけ、発熱体１４を覆うＳｉＯ２膜
のストリップ１８を形成する。（なお、このストリップ
１８は後で架橋になる。）他方、シリコン単結晶基板１
０の裏面にもＳｉＯ２の膜１９を形成し、この膜に長方
形の窓２０をあける。ＳｉＯ２の膜に窓をあけるのは、
いずれも、フォトエッチングの手法が使える。
【００１２】次に、異方性エッチング液を用いて、シリ
コン単結晶基板を裏面からエッチする。異方性エッチン
グ液はシリコンの（１１１）面をほとんど侵さないの
で、表面が（１００）面であるシリコンウエハーを用い
ると、図５、図６に示すように、断面が逆Ｖ断面の穴２
１が形成できる。穴２１の側壁は（１１１）面である。
異方性エッチング液には、例えば、ヒドラジンと水の１
対１水溶液を用いる。このエッチング液は、ＳｉＯ２の
膜および高濃度ホウ素添加単結晶シリコン層、その他、
大部分の金属を侵さないので、穴２１の上にＳｉＯ２の
架橋１８と発熱体１４が残る。
コン単結晶基板を裏面からエッチする。異方性エッチン
グ液はシリコンの（１１１）面をほとんど侵さないの
で、表面が（１００）面であるシリコンウエハーを用い
ると、図５、図６に示すように、断面が逆Ｖ断面の穴２
１が形成できる。穴２１の側壁は（１１１）面である。
異方性エッチング液には、例えば、ヒドラジンと水の１
対１水溶液を用いる。このエッチング液は、ＳｉＯ２の
膜および高濃度ホウ素添加単結晶シリコン層、その他、
大部分の金属を侵さないので、穴２１の上にＳｉＯ２の
架橋１８と発熱体１４が残る。
【００１３】なお、穴の上のＳｉＯ２膜を架橋にするの
ではなくでカンチレバー形にするときは、ＳｉＯ２膜１
５に、窓１６，１６に代えてコの字形の窓をあける。窓
をあけなければ、ダイヤフラム形になる。
ではなくでカンチレバー形にするときは、ＳｉＯ２膜１
５に、窓１６，１６に代えてコの字形の窓をあける。窓
をあけなければ、ダイヤフラム形になる。
【００１４】シリコン単結晶基板をエッチングする前
に、発熱体に電極を形成しておく（図５）。すなわち、
ＳｉＯ２膜１５の上に白金をスパッタリングし、その後
でプラズマエッジングで整形して電極２２ａ，２２ｂを
形成する。これら電極２２の先端が発熱体１４と電気的
に接続するよう、スパッタリングする前に、ＳｉＯ２膜
１５にフォトエッチングで孔２３をあけておく。
に、発熱体に電極を形成しておく（図５）。すなわち、
ＳｉＯ２膜１５の上に白金をスパッタリングし、その後
でプラズマエッジングで整形して電極２２ａ，２２ｂを
形成する。これら電極２２の先端が発熱体１４と電気的
に接続するよう、スパッタリングする前に、ＳｉＯ２膜
１５にフォトエッチングで孔２３をあけておく。
【００１５】こうしてできた発熱体１４は、電極２２
ａ，２２ｂの間に電流を流すと、ジュール熱を発生し、
温度が上がる。発熱体１４はＳｉＯ２膜の架橋１８に支
持されており、熱容量が小さく、かつ、基板に接してい
ないので熱伝導も小さく、したがって、消費電力が小さ
く、応答も早い。また、発熱体１４は半導体であり、温
度上昇に伴い電気抵抗が小さくなる性質があるので、発
熱体に温度むらが生じると、温度が低くて電気抵抗が大
きい箇所が余計にジュール熱を生じ、温度むらが解消す
る方向に向う。このため、抵抗温度係数が正である白金
ヒータ等と異なり、発熱部が集中することがなく、耐久
性のよいヒータとなる。
ａ，２２ｂの間に電流を流すと、ジュール熱を発生し、
温度が上がる。発熱体１４はＳｉＯ２膜の架橋１８に支
持されており、熱容量が小さく、かつ、基板に接してい
ないので熱伝導も小さく、したがって、消費電力が小さ
く、応答も早い。また、発熱体１４は半導体であり、温
度上昇に伴い電気抵抗が小さくなる性質があるので、発
熱体に温度むらが生じると、温度が低くて電気抵抗が大
きい箇所が余計にジュール熱を生じ、温度むらが解消す
る方向に向う。このため、抵抗温度係数が正である白金
ヒータ等と異なり、発熱部が集中することがなく、耐久
性のよいヒータとなる。
【００１６】次に、発熱体の上に半導体素子を形成する
場合を説明すると、図７、図８において、まず、ＳｉＯ
２膜１５に窓をあけ、この窓から発熱体の上面にｎ形シ
リコンの薄膜２４をエピタキシャル成長させる。こうす
れば、発熱体１４である高濃度ホウ素添加シリコン層が
ｐ形であるので、発熱体１４とｎ形シリコンの薄膜２４
の間がｐ−ｎ接合になり、それぞれに電極２５，２６を
付ければ、ｐ−ｎ接合のダイオード２７が得られる。こ
のダイオードは、発熱体の温度を知るためのセンサとし
て利用される。
場合を説明すると、図７、図８において、まず、ＳｉＯ
２膜１５に窓をあけ、この窓から発熱体の上面にｎ形シ
リコンの薄膜２４をエピタキシャル成長させる。こうす
れば、発熱体１４である高濃度ホウ素添加シリコン層が
ｐ形であるので、発熱体１４とｎ形シリコンの薄膜２４
の間がｐ−ｎ接合になり、それぞれに電極２５，２６を
付ければ、ｐ−ｎ接合のダイオード２７が得られる。こ
のダイオードは、発熱体の温度を知るためのセンサとし
て利用される。
【００１７】さらに、図７に鎖線で示すように、ｎ形シ
リコンの薄膜２４の一部にホウ素をドープしてｐ形シリ
コン層２８を形成して電極（図示しない）を付ければ、
これをコレクタ、発熱体１４をエミッタ、ｎ形シリコン
薄膜２４をベースとするトランジスタが得られる。
リコンの薄膜２４の一部にホウ素をドープしてｐ形シリ
コン層２８を形成して電極（図示しない）を付ければ、
これをコレクタ、発熱体１４をエミッタ、ｎ形シリコン
薄膜２４をベースとするトランジスタが得られる。
【００１８】ところで、上述のマイクロヒータは、図５
でよく分かるように、発熱体１４がＳｉＯ２膜１５だけ
で支持されているので、基板１０への熱の逃げが少な
く、熱容量も小さいという利点があるが、振動等で破損
することのないよう、ＳｉＯ２膜１５は充分に厚くしな
ければならない。これに対し、図９に示すマイクロヒー
タは、発熱体１２の両端が基板４１に埋もれていて、基
板で支持されている。そして、発熱体の厚みも５μｍと
厚くしてある。こうすれば、充分な機械強度が得られ、
また、ＳｉＯ２膜１５は絶縁の機能だけを果せばよいの
で、０．１μｍ程度に薄くできる。
でよく分かるように、発熱体１４がＳｉＯ２膜１５だけ
で支持されているので、基板１０への熱の逃げが少な
く、熱容量も小さいという利点があるが、振動等で破損
することのないよう、ＳｉＯ２膜１５は充分に厚くしな
ければならない。これに対し、図９に示すマイクロヒー
タは、発熱体１２の両端が基板４１に埋もれていて、基
板で支持されている。そして、発熱体の厚みも５μｍと
厚くしてある。こうすれば、充分な機械強度が得られ、
また、ＳｉＯ２膜１５は絶縁の機能だけを果せばよいの
で、０．１μｍ程度に薄くできる。
【００１９】この場合、発熱体１２を基板４１から絶縁
するために、基板４１はｎ形シリコン単結晶基板を用い
る。こうすると、発熱体と基板の間はｐ−ｎ接合とな
り、図９に示すように、発熱体１２に電圧を掛けるとマ
イナス側がｎ形シリコン単結晶基板との間で逆方向バイ
アスとなり、大きな空乏層４９ができ、発熱体１２は電
気的に絶縁される。
するために、基板４１はｎ形シリコン単結晶基板を用い
る。こうすると、発熱体と基板の間はｐ−ｎ接合とな
り、図９に示すように、発熱体１２に電圧を掛けるとマ
イナス側がｎ形シリコン単結晶基板との間で逆方向バイ
アスとなり、大きな空乏層４９ができ、発熱体１２は電
気的に絶縁される。
【００２０】なお、基板の穴２１の上のＳｉＯ２膜の形
状がダイアフラム形の場合、発熱体の対向する２辺だけ
を図９のように基板に埋め込めば、他の２辺は基板から
離しても充分な強度が得られる。
状がダイアフラム形の場合、発熱体の対向する２辺だけ
を図９のように基板に埋め込めば、他の２辺は基板から
離しても充分な強度が得られる。
【００２１】
【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、次の効果がある。シリコン単結晶基板に
あけられた穴の上の部分の電気絶縁体薄膜に密着して、
単結晶基板の一部に高濃度のホウ素を含有させた単結晶
シリコン薄膜の発熱体を宙に浮いた状態に形成したの
で、熱容量が小さいマイクロヒータが得られる。また、
発熱体が単結晶シリコン薄膜であるので、この発熱体の
上に単結晶半導体薄膜がエピタキシャル成長でき、この
エピタキシャル単結晶薄膜を利用して半導体素子を形成
することができ、この半導体素子を温度センサとして用
いることで、発熱体の温度を正確に計測することが可能
になる。また、単結晶シリコン薄膜の発熱体は、通常使
用する１００℃以上の温度では、負の温度係数をもち、
発熱体全体が均一に加熱される。単結晶シリコン薄膜の
発熱体は、基板と同じ材料であるから、ひずみが小さ
く、割れも少ない。
れているので、次の効果がある。シリコン単結晶基板に
あけられた穴の上の部分の電気絶縁体薄膜に密着して、
単結晶基板の一部に高濃度のホウ素を含有させた単結晶
シリコン薄膜の発熱体を宙に浮いた状態に形成したの
で、熱容量が小さいマイクロヒータが得られる。また、
発熱体が単結晶シリコン薄膜であるので、この発熱体の
上に単結晶半導体薄膜がエピタキシャル成長でき、この
エピタキシャル単結晶薄膜を利用して半導体素子を形成
することができ、この半導体素子を温度センサとして用
いることで、発熱体の温度を正確に計測することが可能
になる。また、単結晶シリコン薄膜の発熱体は、通常使
用する１００℃以上の温度では、負の温度係数をもち、
発熱体全体が均一に加熱される。単結晶シリコン薄膜の
発熱体は、基板と同じ材料であるから、ひずみが小さ
く、割れも少ない。
【００２２】発熱体を基板から離隔し、基板と接触しな
いように形成すれば、熱伝導および熱容量のいっそう小
さなマイクロヒータが得られる。反対に、基板をｎ形シ
リコンで形成し、発熱体の端部を基板に支持させれば、
機械的な衝撃に強くでき、発熱体を基板から電気的に絶
縁することもできる。
いように形成すれば、熱伝導および熱容量のいっそう小
さなマイクロヒータが得られる。反対に、基板をｎ形シ
リコンで形成し、発熱体の端部を基板に支持させれば、
機械的な衝撃に強くでき、発熱体を基板から電気的に絶
縁することもできる。
【図１】マイクロヒータの一製造過程を示すもので、Ｓ
ｉＯ２膜に窓をあけた状態の斜視図である。
ｉＯ２膜に窓をあけた状態の斜視図である。
【図２】同じく、ＳｉＯ２膜の窓からホウ素を拡散して
発熱体を形成した状態の断面図である。
発熱体を形成した状態の断面図である。
【図３】同じく、基板の全面にＳｉＯ２膜を形成した状
態の断面図である。
態の断面図である。
【図４】同じく、エッチングに先立ってＳｉＯ２膜に窓
をあけた状態の斜視図である。
をあけた状態の斜視図である。
【図５】同じく、異方性エッチングをおこなって架橋を
形成した状態の断面図である。
形成した状態の断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】発熱体の上にダイオードを形成した状態の断面
図である。
図である。
【図８】発熱体の上にダイオードを形成したマイクロヒ
ータの斜視図である。
ータの斜視図である。
【図９】図５に対応する変形例を示す断面図である。
１０ シリコン単結晶基板 １４ 発熱体 １５ ＳｉＯ２膜 １８ 架橋 ２１ 穴 ２４ ｎ形シリコンの薄膜 ４１ ｎ形シリコン単結晶基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−103654（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−14401（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】シリコン単結晶基板（１０，４１）と、こ
の基板の表面につくられた電気絶縁体の薄膜（１５）
と、該基板にあけられた穴（２１）の上の部分の電気絶
縁体薄膜（１８）に密着形成され、かつ、該シリコン単
結晶基板の一部に高濃度のホウ素を含有させたｐ形単結
晶シリコン薄膜の発熱体（１４）からなるマイクロヒー
タ。 - 【請求項２】 該発熱体の上に単結晶半導体薄膜（２
４）をエピタキシャル成長させ、このエピタキシャル単
結晶薄膜を利用して半導体素子を形成した請求項１のマ
イクロヒータ。 - 【請求項３】該発熱体が該基板から離隔している請求項
１または２のマイクロヒータ。 - 【請求項４】 該基板がｎ形シリコン単結晶基板（４
１）であり、該発熱体の端部が該基板に支持されている
請求項１または２のマイクロヒータ。
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|---|---|---|---|
| JP3268310A JP2648828B2 (ja) | 1991-09-19 | 1991-09-19 | マイクロヒータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3268310A JP2648828B2 (ja) | 1991-09-19 | 1991-09-19 | マイクロヒータ |
Publications (2)
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|---|---|
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ID=17456759
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP3268310A Expired - Fee Related JP2648828B2 (ja) | 1991-09-19 | 1991-09-19 | マイクロヒータ |
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| JP (1) | JP2648828B2 (ja) |
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-
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- 1991-09-19 JP JP3268310A patent/JP2648828B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH0684604A (ja) | 1994-03-25 |
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