JP6440727B2 - 集積化ガスセンサ及びそれに関連する製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、集積化ガスセンサ及びそれに関連する製造方法に関する。

公知のように、ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）センサは、通常、電子装置デバイス、特に、スマートフォン又はタブレット等のような携帯若しくは移動電子デバイス、又はスマートウォッチ等のようなウエアラブル機器に用いられる。

ここでは、用語「ＭＥＭＳ」は、ナノ構造をも、また、次元がサブミクロンの通常の構造をも含むことを意味することを強調しておく。

ＭＥＭＳセンサは、例えば、振動加速度計若しくはジャイロスコープのような運動センサ、力覚センサ、又は圧力センサ、湿度若しくはガスセンサのような環境センサを含む。

特に、ガスセンサには、検知素子又は検出素子として、金属酸化物を用いることが知られている。金属酸化物は、所定の温度（又は複数の温度）で加熱された場合に、ある１つのガス（又はいくつかのガス）の存在によってその導電性が変化し、従って、その電気抵抗が変化する。

ＭＥＭＳセンサは、一般に、例えばシリコンからなる半導体基板又はウエハから開始される半導体産業における標準的な技術によって製造される。製造されたＭＥＭＳセンサは、通常、チップに集積化され、その後、パッケージに収容される。

集積化された電子回路、いわゆるＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）は、ＭＥＭＳセンサに動作的に結合され、通常、半導体材料からなる分割されたチップに集積化される。該ＡＳＩＣは、単体のパッケージ内にＭＥＭＳセンサチップを収容するのに都合が良く、従って、コンパクトにパッケージされたデバイスを提供する。

ＭＥＭＳセンサ及びその集積化電子回路、特に、携帯電子機器の設計においては、所望の電気的及び機械的性能を同時に保証しながら、当該機器のサイズ、消費電力及び全体の製造コストを小さくするという不断の努力がなされている。

欧州特許出願公開第２５５４９８０号明細書は、集積化センサを開示している。ガス検知素子が、パッシベーション及び金属化積層体上に形成され、該積層体内に、ガス検知素子とは別個に加熱素子が形成されている。

米国特許出願公開第２００６／２６７０５１号明細書は、半導体基板上に設けられた金属酸化物センサ、及び関連する製造プロセスを開示している。

欧州特許出願公開第２６４５０９１号明細書は、ガスセンサを備える集積回路及び関連する製造プロセスを開示している。集積回路は、主面を有する半導体基板、及びその主面上にある電気抵抗式センサ素子を有する熱伝導率に基づくガスセンサを備え、該ガスセンサは、検知する対象のガスにさらされる。

米国特許第４１９７０８９号明細書は、ヒータパッドに連結された薄い酸化タングステン膜検出素子を備えた、ガスの還元を定量的に測定するセンサを開示している。

米国特許出願公開第２００６／１８５９８０号明細書は、半導体回路と一体化されたセラミックガスセンサ、及び関連する製造プロセスを開示している。

本件出願人は、公知の集積化ガスセンサ及びそれに関連する製造方法が、上記の要求、例えば、コスト、サイズ及び消費電力に関して十分に満足できないということが分かった。

従って、本発明の目的は、改善された集積化ガスセンサ及びその製造方法を提供することにある。

本発明によると、集積化ガスセンサ及びそれに関連する製造方法は、添付の特許請求の範囲に定義したように提供される。

本発明のより良い理解のために、その好ましい実施形態は、限定されない実施例として、且つ添付した図面に関して純粋に記述される。

図１は本解決の一実施形態に係る集積化ガスセンサの模式的な断面図である。 図２Ａは図１の集積化ガスセンサの製造方法における一工程の断面図である。 図２Ｂは図１の集積化ガスセンサの製造方法における一工程の断面図である。 図２Ｃは図１の集積化ガスセンサの製造方法における一工程の断面図である。 図２Ｄは図１の集積化ガスセンサの製造方法における一工程の断面図である。 図２Ｅは図１の集積化ガスセンサの製造方法における一工程の断面図である。 図２Ｆは図１の集積化ガスセンサの製造方法における一工程の断面図である。 図２Ｇは図１の集積化ガスセンサの製造方法における一工程の断面図である。 図３は図１の集積化ガスセンサにおけるガス検知素子の等価回路図である。 図４は集積化ガスセンサにおける電気量を示すグラフである。 図５は本解決の可能な実施形態における集積化ガスセンサの模式的なブロック図である。 図６は本解決の一実施形態に係る集積化ガスセンサの制御ユニットによって実行される動作を示すフローチャートである。 図７は本解決のさらなる実施形態に係る集積化ガスセンサの検知素子を示す模式的な平面図である。 図８は本解決のさらなる実施形態に係る集積化ガスセンサの検知素子を示す模式的な平面図である。 図９は本解決のさらなる態様に係る集積化ガスセンサを組み込んだ移動デバイスを示す模式的な斜視図である。

（一実施形態）
以下に詳細に説明するように、本解決（solution）に係る一実施形態は、主として標準的なＣＭＯＳプロセス工程及び材料を用い、特に、典型的なＣＭＯＳ集積化構造の配線層（積層された金属層と誘電体層）の内部に集積化ガスセンサを設ける製造方法を考える。特に、以下に詳細に説明するように、本解決の一態様は、標準的なＣＭＯＳプロセスと、特にｖＨＦ（蒸気フッ化水素酸）による付加的なエッチング後プロセスとを用いる使用法とする。

さらに、本解決に係るさらなる態様は、金属素子の集積化、特にタングステンフィラメント又はタングステンワイヤの集積化を考える。タングステンフィラメント又はタングステンワイヤは、１つ又はそれ以上の検査対象のガス濃度を測定可能とするために酸化されるように設計されており、該タングステンワイヤは、（この場合「タングステンナノワイヤ」と定義される）１μｍよりも小さい、極めて薄い幅及び厚さを有している。

図１に示すように、本解決の一実施形態に係る集積化ガスセンサ１は、半導体材料からなる基板２、例えばシリコン基板を含む。

ここでは詳細に論じない公知の方法で、符号３を付され且つ模式的に示された電気／電子部品、例えば、トランジスタ、抵抗器、ダイオード、電気接続及びこれらの類似品が、基板２の内部に設けられていてもよい。

特に、上記の電気／電子部品３は、集積化ガスセンサ１の集積化電子回路（ＡＳＩＣ）４を実現すると共に、該ＡＳＩＣ４は、集積化ガスセンサ１のガス検知構造と動作的に結合するように、且つ、例えば検出した電気信号に増幅操作及びフィルタ操作のような、処理操作を実行するように設計されている。

集積化ガスセンサ１は、基板２の上方に配置された下部誘電体層を含む。該下部誘電体層は、通常、層間誘電体（ＩＬＤ）層と呼ばれ、ドープされた酸化物（例えば、ＢＰＳＧ又は燐シリケイトグラス（ＰＳＧ））からなる下部領域５、及びノンドープ酸化物からなる上部領域６を含んでいてもよい。

集積化ガスセンサ１は、さらに、下部誘電体層５、６の上方に、（例えばアルミニウムのような金属からなる）いくつかの導体材料と、（例えば酸化シリコンからなる）いくつかの誘電体層とからなる積層体を有する多層配線構造８を含む。

特に、多層配線構造８は、下部導電層９と上部導電層１０とを含み、該上部導電層１０は、外部から下部層及び基板２の内部に集積化されたＡＳＩＣ４に対する接続を可能にする外部接続インタフェースを実現するように設計されている。

下部導電層９と上部導電層１０との間において、多層配線構造８は、例えばアルミニウムのような金属からなるいくつかの（図１の限定しない例においては２層の）付加的な導電層１１を含む。

導電層９、１０及び１１は、誘電体材料層１３（例えば酸化シリコン）によって互いに分離されており、導電性ビア１４は、所望の電気接続経路に従って、導電層９、１０及び１１と相互に接続する電気接続経路を設けるように誘電体材料層１３を横切る。典型的には、導電性ビア１４は、Ａｌ（アルミニウム）バックエンドＣＭＯＳプロセスのためのタングステンを含む。

さらに、本解決に係る一態様によると、１つ又はそれ以上の誘電体材料層１３の一部を選択的に除去し、且つ導電層１１の境界を限定（区画）することによって、多層配線構造８の内部に、空洞１５が形成されている。

集積化ガスセンサ１は、さらに、ガス検知構造２０を含む。該ガス検知構造２０は、検知素子２１と、該検知素子２１の各端部とそれぞれ電気的に接続された第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂとを有している。

特に、検知素子２１は、例えば、酸化タングステンフィラメント状又は酸化タングステンワイヤ状（フィラメント又はワイヤは、線状でもよく、又は平面視でメアンダ若しくはサーペンタイン状でもよい。）で、少なくとも１つの金属酸化物素子を含む。検知素子２１は、酸化タングステンナノワイヤ（例えばＷＯ_３）を含んでいてもよい。

これに代えて、検知素子２１は、配列した素子、例えばタングステンワイヤの配列（及び可能であるなら、電極の個数と対応した配列）を含んでいてもよい。

図示される例では、第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂは共に、同一の（特に上部導電層１０と隣接する）導電層１１に形成されている。さらに、同じ例示において、検知素子２１は、導電層１１の第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂと接触して、空洞１５の内部に吊り下げられている。

しかしながら、検知素子２１の配置に関して、他の選択肢も可能であることを強調しておく。例えば、タングステン素子は、導電層１１から吊り下げられる代わりに、１つ又はそれ以上の誘電体層１３に埋め込まれてもよい。この場合でも、タングステン素子は、やはり、導電層１１とは、第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂを介して電気的に接続される。

集積化ガスセンサ１は、さらに、導電性コラム２４ａ、２４ｂを含む。該導電性コラム２４ａ、２４ｂは、導電層１１の一部と、個々の誘電体材料層１３を貫通して形成された導電性ビア１４との積み重ねによって形成されている。該導電性コラム２４ａ、２４ｂは、第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂから下部導電層９までの電気的接続を提供する。

好都合にも、検知素子２１は、この場合も、金属材料（例えばタングステン）からなる導電性ビア１４であって、１つ又はそれ以上の導電性ビア１４を形成する同一の処理工程により同一の層内に形成されてもよい。言い換えれば、検知素子２１は、ＣＭＯＳプロセスの標準工程、すなわち多層配線構造８の内部への導電性ビア１４の形成によって、その少なくとも一部が形成される。

基板２の内部に集積化されたＡＳＩＣ４に対して電気的な接続を規定するために、また、同じＡＳＩＣ４に対してガス検知構造２０によって検出された電気信号を伝搬するために、詳細に図示はしていない方法により、下部誘電体層５、６を介してさらなる電気的接続が設けられている。

詳細に図示はしていないが、また、上部導電層１０及び集積化ガスセンサ１の外部に対して（例えば、検出された電気信号にＡＳＩＣ４によって実行された処理操作の一機能である）電気信号を伝搬するために、導電層９、１０及び１１によって、さらなる電気的接続が設けられている。

上部導電層１０には、いくつかの貫通孔２６が設けられており、（以下に詳述するように）これらを通して、ＨＦ（フッ化水素酸）のようなエッチング剤が多層配線構造８に対して、特に空洞１５の形成のために導入されてもよい。

上部導電層１０の上には、パッシベーション層（ここでは図示せず）が設けられており、検知素子２１によって環境ガスが検知可能となるように、環境ガスが外部から空洞１５の下地に到達できるように適切に構成されている。

通常、酸化タングステン、特にＷＯ_３は、とりわけＮＯ_ｘ、ＣＯ_ｘ、エタノール、水及びオゾンのような、あるガス分子の存在に依存して、その電気抵抗率が変化する。この電気抵抗率の変化は、また、タングステン素子の温度にも依存する。

本解決の一態様によると、ガス濃度を検知するために、第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂを介して検知素子２１に印加された電流又は電圧の時間掃引は、そのガス温度の対応する掃引を生じるように実行される。検知素子２１の抵抗は、掃引中に、例えば第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂを介して再度測定される。

従って、検知素子２１の加熱は、付加的な加熱装置を必要とすることなく、ジュール効果によって遂行され、言い換えれば、検知素子２１の「自己加熱」が実行される。

好都合にも、電流の印加及び抵抗の測定は、基板２の内部に集積化されたＡＳＩＣ４を介して実効することができる。別の選択として、できるなら、第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂ並びに／又はＡＳＩＣ４とインタフェースする外部電子機器を用いてもよい。

温度ごとに、各ガスに対する検知素子２１の感度は異なる。従って、空気中で用いている各種ガスの組成を求め、これらのガスの濃度を測定することができる。

これに代えて、検知素子２１が酸化タングステンワイヤの配列を含む場合には、一定期間を通して電流を掃引することなく、各ガスの濃度を一度に測定するために、（個々のガスを検知するための適切な温度に達するように）、これらのワイヤごとに異なる電流又は電圧を印加してもよい。

さらに他の選択として、検知素子２１を、それぞれが異なるサイズ及び／又は形状を有し且つ直列又は並列に接続された酸化タングステンワイヤの配列を含む構成とすることができる。この場合、異なるサイズ及び／又は形状により、各タングステンワイヤは、同じ電流又は電圧が印加された場合に、異なる温度に設定される。配列を用いるとすると、どの配列を考える場合でも、個々の酸化タングステンワイヤに対する電圧又は電流の測定手段が、印加される電流又は電圧によって各素子の抵抗を検知するために設けられる。

次に、集積化ガスセンサ１の製造方法について、最初の図２Ａを用いて説明する。

製造方法は、ほぼ完了したＣＭＯＳウエハ又はチップ、すなわち、ＡＳＩＣ４を実現するために、電気／電子部品３を基板２の内部に形成した後で、且つ、下部誘電体層５、６及び多層配線構造８の少なくとも一部が形成された後に開始する。

例として、図２Ａは、プロセスを開始したＣＭＯＳウエハ３０（その明瞭化のために、ここの説明に関係する部位のみ）を示している。ここで、下部導電層９（ここでは図示せず）の上方に、導電性コラム２４ａ、２４ｂの下部を形成するために、導電層１１は、（標準的なＣＭＯＳプロセス技術によって）既に形成されている。特に、導電性コラム２４ａ、２４ｂは、対応する導電層１１を形成し、対応する誘電体層１３をエッチングし、導電性ビア１４を形成することにより、あらかじめ形成されている。

その後、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）を含む誘電体層１３の上部を、図２Ｂに示すように、導電性コラム２４ａと導電性コラム２４ｂとの間の領域に中央凹部３１を形成するために、適当なマスク及び標準的なＣＭＯＳ工程を用いてエッチングしてパターン化する。また、同時に、下地導電層１１の中央部を露出するように、横リセス３２ａと横リセス３２ｂとを形成する。

後者のエッチングは、導電層１１で止まる。一方、中央凹部３１は、横リセス３２ａ、３２ｂに関して誘電体材料を通ってより深く進行する。従って、中央凹部３１の底面は、下地誘電体層１３に深く侵入する結果、最上層に位置する導電層１１よりも低くなる。

さらに、中央凹部３１の（平面図における）形状は、検知素子２１における所望の形態の一機能であり、当該検知素子２１は、同じ中央凹部３１の内部に後で形成される。

その後、図２Ｃに示すように、導電層（多層配線構造８の積層内の次のビア層と対応する）、特に、タングステン材料からなる導電層を、例えばスパッタ法により堆積し、（適当なマスクを用いて）パターン化する。これにより、中央凹部３１の内部に検知素子２１の金属体２１ａが形成され、同時に、横リセス３２ａ、３２ｂの内部に導電性コラム２４ａ、２４ｂのさらなる導電性ビア１４が形成される。

図２Ｄに示すように、金属層（多層配線構造８の積層内の次に追加される導電層１１と対応する）、例えば、アルミニウムからなる金属層を、ウエハ３０の上に堆積し、適当なマスクによってパターン化する。これにより、検知素子２１の端部と導電性コラム２４ａ、２４ｂとが接触する、第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂが形成される（図２Ｄに示すように、検知素子２１の上の第１電極２２ａと第２電極２２ｂとの間に中空領域が残る）。

次に、図２Ｅに示すように、標準的なＣＭＯＳ処理工程の実行により、さらなる誘電体層１３（上述の中空領域も埋める）と、上部導電層１０とを形成する。

さらに、図２Ｆに示すように、貫通孔２６を上部導電層１０に形成する（例として、これらの貫通孔２６のうちの２つのみを図示する。）。

本解決の一態様によると、エッチング、好ましくはウエットエッチング、さらに好ましくは、ｖＨＦ（蒸気フッ化水素酸）による蒸気エッチングを、貫通孔２６を介して実施する。特に、エッチング剤は、多層配線構造８の内部に浸透し、且つ、誘電体層１３の誘電体材料を除去することにより、検知素子２１の周囲に空洞１５を形成する。検知素子２１は、第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂと接触した状態で、同じ空洞１５の上方に吊り下がって残される。

次に、図２Ｇに示すように、処理工程の金属体２１ａの酸化を行う。これにより、金属酸化物体２１ｂが形成され、従って、ＣＭＯＳウエハ３０における多層配線構造８の内部に検知素子２１の形成が完了する。

本解決の特別な一態様は、金属体２１ａのいわゆる「自己酸化」を実施することである。酸化電流Ｉ_ＯＸは、第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂを介して金属体２１ａを流れ、ジュール効果によって該金属体２１ａを加熱するようにできている。このため、標準的な大気雰囲気で酸化を行うことができ、場合によっては、酸素リッチな雰囲気の必要性がなくなる。

可能な解決によると、このように、酸化は、検知素子２１における金属体２１ａの「自己酸化」、すなわち外部加熱素子を用いることなく実行される（従って、構造及び製造プロセスを簡単化する。）。

この点で、本件出願人は、タングステンワイヤの電流（又はそれと対応する温度）が、ある閾値（これは設計に依存するが、さらに、複数で同一の設計パラメータが与えられた場合にばらつきがより広がる）を超える場合には、タングステンワイヤが断線し、２つ又はそれ以上に分割され、従って、もはや使用できないというおそれがあることを認識している。

それ故に、ジュール加熱によって検知素子２１の金属体２１ａを加熱するための正しい電流レベル（又は同様の方法で、所望の電流レベルを生じさせるのに相当する電圧）を決定しなければならなかった。

本件出願人は、また、電流源が上記の自己酸化を起こす目的と合致し得ないことも理解している。実際、タングステンワイヤが酸化した際に、その抵抗値は１０倍から１００倍の範囲で増大し、これにより、ジュール熱は、突然、ワイヤに損傷又は破壊を起こす程高くなる。

従って、図３に模式的に示すように、検知素子２１の金属体２１ａを、酸化抵抗Ｒ_ＯＸを持つ抵抗器として表すと、本解決の一態様は、ジュール効果によって加熱を生じる金属体２１ａにより酸化電流Ｉ_ＯＸを生成するために、酸化電圧Ｖ_ＯＸを供給する電圧源４０を用いるとする。

酸化電圧Ｖ_ＯＸの最適な値（タングステンワイヤを壊さないように高すぎず、また、酸化に時間が掛かりすぎないように低すぎず）を決定するために、本解決の一態様は、適当な酸化アルゴリズムを実行するとする。

詳細には、図４も参照しながら、このアルゴリズムは、破壊又は危険域に対して十分に低いと分かっている値から開始し、酸化電圧Ｖ_ＯＸを徐々に段階的に増大することを考える。

従って、前もって設定した時間間隔（電圧値が一定に保持される期間）で徐々に増大するように、酸化電圧Ｖ_ＯＸを段階的に増大させる。この前もって設定した時間間隔は、例えば１ｍｉｎから１０ｍｉｎの範囲であってもよい。

酸化電圧Ｖ_ＯＸの新しい電圧値ごとに、供給された酸化電流Ｉ_ＯＸの値を評価することにより、酸化抵抗Ｒ_ＯＸの実際の値を決定する。

酸化抵抗Ｒ_ＯＸの実際の値が、初期値に関して前もって設定した量（例えば、１０倍高い値）まで増大したことが確定した場合、又は前もって設定した閾値に達したことが確定した場合に、当該アルゴリズムは、金属体２１ａの加熱を停止するとする。これにより、金属体２１ａが十分に酸化された（従って、検知素子２１の形成が完了した）ことが確定する。

特に、抵抗値の前もって設定した領域だけ増大が確定したら直ちに、又は閾値に達したことが確定したら直ちに加熱を停止してもよい。また、この確定した時間間隔が終わったら直ちに、でなければ、この確定を起点とする所定の待機時間が経過したら直ちに加熱を停止する。

上記の酸化アルゴリズムは、ＣＭＯＳ製造プロセスの終了時、すなわち、ファウンドリすなわち処理工場で実施される最終処理工程の終了後、又は製造済みのＣＭＯＳウエハ３０の検査期間中に実施されてもよい。

この場合、上記の酸化アルゴリズムは、プロセス操作を監視する適当な制御ユニットによって、集積化ガスセンサ１の外部から実行されてもよい。特に、酸化電圧Ｖ_ＯＸは、上部導電層１０中に適当に設けられた接続パッド（図示せず）を介して印加されてもよい。これにより、酸化電圧Ｖ_ＯＸは、外部から同じ集積化ガスセンサ１のパッケージ（図示せず）に発生する。

別の可能性として、やはり、製造プラント内でウエハレベルでの酸化を再度考える。この場合、パッケージと接続されていない可能性があるパッドを用い、電気的な接続は、プローブカード又はインサーキットテスタを用いてなされ得る。この手法の１つの利点は、ある環境下では、より良い、より速い及びより均一な酸化を導く酸素リッチな雰囲気を使用する可能性があり得るということである。

これに代えて、また、本解決のさらなる一態様は、その場で、すなわち、（電子デバイス、例えば移動デバイスに組み込まれた）集積化ガスセンサ１の最初の操作中に、その最初の操作で実行される初期化ルーチンによって、自己酸化を実施してもよい。この可能性により、関連するＡＳＩＣ４と共に検知素子２１がＣＭＯＳと集積化されていることが十分に活かされる。

可能な実施形態において、酸化抵抗Ｒ_ＯＸが検知され得る。また、検知された酸化抵抗Ｒ_ＯＸが閾値以下と判定された場合に、自己酸化は実施され得る。この解決は、電源投入の直後に電源断が起きた場合に、酸化が不完全となる可能性を避けるのに有利となり得る。

他の実施形態において、自己酸化は、始動フェーズで、又は最初の電源オン若しくは電源（例えば移動デバイスの電源供給ユニット）による電気エネルギーが供給された時点で実施されてもよい。

いずれの場合でも、自己酸化の手順の実行に関する情報を不揮発性メモリ素子に蓄積することは、（同じ手順をもう一度実行することを防ぐために）好適となり得る。

図５に模式的に示すように、ＡＳＩＣ４には、適当な制御ユニット４２、例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、ＦＰＧＡ（書き換え可能ゲートアレイ）又は他のプロセッシングユニットと共に設けられてもよい。この制御ユニット４２は、集積化ガスセンサ１の最初の操作が検出された場合に、上記で議論した酸化アルゴリズムをその場で実行するように設計されている。

この場合に、ＡＳＩＣ４は、電源４０と、酸化電流Ｉ_ＯＸの値を監視する制御ユニット４２のための適当なフィードバック素子（ここでは図示せず）とをさらに含んでいる。

同じ図５において、集積化ガスセンサ１のパッケージは、符号４６を付して模式的に示されている。公知のように、パッケージ４６は、ＣＭＯＳチップ３０を収容し、且つ、外部（例えば、外部ＰＣＢ：プリント回路基板）との適当な電気的接続を提供し、また、同じＣＭＯＳチップ３０の内部の空洞１５に到達可能とすると共に、検出対象の１種以上のガスを導入可能とする。

このように、初期化及び自己酸化ルーチンは、（この場合、最後の酸化工程を必要としない）製造プロセスをさらに簡単化し且つ合理化を可能とするＡＳＩＣ４によって、ユーザに分かり易い、その場で実施されてもよい。

図６に模式的に示すように、初期化及び自己酸化ルーチンは、第１ステップ５０において、検知素子２１の金属体２１ａの酸化を実施するか否かを、集積化ガスセンサ１におけるＡＳＩＣ４の内部の制御ユニット４２によって決定することを考えてもよい。

例えば、この決定は、集積化ガスセンサ１の始動若しくは最初の電源投入を検知した後、又は同じ金属体２１ａの抵抗を測定し、その値が所定の閾値よりも低いことが分かった後になされる。

上記の決定が、肯定的な結果を与える場合には、検知素子２１の金属体２１ａの自己酸化がステップ５１において実施される。以前に詳細に説明したように、この目的のために、制御ユニット４２は、酸化電流Ｉ_ＯＸの値を監視しながら、徐々に段階的に増大する酸化電圧Ｖ_ＯＸを供給するように、電源４０を制御してもよい。

自己酸化は、酸化抵抗Ｒ_ＯＸの値が適当に増大したと制御ユニット４２によって確定したときに終了する。その後、ステップ５２に示すように、標準的なガスの検知動作を実施してもよい。

代わりに、第１ステップ５０において、制御ユニット４２が、自己酸化が既に実施されていると決定すると、ステップ５２において、標準的なガスの検知動作を直ちに実施してもよい。

本件出願人は、さらに、集積化ガスセンサ１の雑音を最小化するために、酸化される面積を最大化することが好ましいことも認識している。

しかしながら、本件出願人は、タングステンナノワイヤは、どのような長さ及び形状（例えば、平面視で直線又はメアンダ形状）であっても、通常は、その中央部分のみが、十分に酸化されるのに必要とされる高温（理想的には、８００℃〜９００℃のオーダ）に達することを認識している。タングステンナノワイヤの残りの部分は、適切に酸化されず、従って、ガスの検知に寄与又は十分に関与しない可能性がある。これは、ガスセンサの雑音を増大させる可能性があり、好ましいことではない。

そこで、図７に示すように、本解決のさらなる一態様は、検知素子２１の適当な形状として、その中央部により広い部分を持つという形状を考える。（図７は、例として、平面視で集積化ガスセンサ１を全体に線形としているが、検知素子２１は、メアンダ状のような、種々の形状を持つこともできる。）。

詳細には、検知素子２１は、平面視で、第１の幅（長軸方向を横切る方向）Ｗ_１を持つ（第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂと接続された）側部６１と、第１の幅Ｗ_１をよりもかなり大きい（非限定的な例として、１０倍から１００倍大きい）第２の幅Ｗ_２を持つ中央部６２とを含む。

この解決において、側部６１は、自己酸化中、及び動作温度点を設定するガス検知動作中の双方でのジュール加熱（又は自己加熱）中に、温度の上昇要因となる。その代わり、中央部６２は酸化し、従って、検出対象のガスの存在により且つ側部６１によって設定された動作温度により、その抵抗値が変化する要因となる。

他に改良を施す余地があるとすれば、それは、幅が狭い側部６１から幅が広い中央部６２にその幅が急に変化することを避けることである。

従って、図８に示すように、さらなる実施形態は、側部６１を中央部６２に接続し、平面視で台形状の（それ故に、狭い部分から広い部分に向かって増大する部分、すなわち第１の幅Ｗ_１から第２の幅Ｗ_２へと幅が増大するテーパ状を持つ）過渡領域６４の存在を考える。

この実施形態は、酸化を目的として動作温度のマージンを拡大して設定することができる。これにより、より高い歩留まりと信頼性との向上につながる。

提案した解決の効果は、以上の説明から明らかである。

具体的には、集積化ガスセンサ１は、概ね標準的なプロセス、例えば、ＣＭＯＳプロセスを用いて製造することができ、シングルチップ、例えばＣＭＯＳチップの内部に、関係する電子機器と共に検知素子２１を集積化することができる。特に、ＡＳＩＣ４は、ＣＭＯＳチップの基板２の内部に集積化でき、一方、集積化ガスセンサ１の検知素子２１は、多層配線構造８の重なる構造体の内部に集積化され得る。

説明した解決は、ごく標準的なＣＭＯＳ工程に限られず、場合によっては、デザインルールチェック（ＤＲＣ）ルールにいくつか反して、Ａｌバックエンド工程を伴う標準的なＣＭＯＳにおける標準的なビア層を用いたタングステンワイヤを実現する、標準的なＣＭＯＳプロセスによっても実現され得る。

集積化ガスセンサ１における最終的な寸法及び製造コストは、従来の解決と比べて大きく減少する。

さらに、概ね標準的なＣＭＯＳプロセスを用いた製造プロセスは、ＨＶＭ（大量生産）用に用意され、且つ、集積化ガスセンサ１の設計においてＴＴＭ（製品の市場に出るまでの時間）が極めて短くなる。

また、上述の処理工程は、製造プロセス中での実施及びその場での実施の双方の場合においても、好適には、空洞１５を形成し且つ多層配線構造８の誘電体材料をエッチングした後に、検知素子２１を形成するために酸化を行うとすることも強調しておく。これにより、誘電体材料（例えば酸化シリコン）のエッチングは、検知素子２１の（後で形成される）金属酸化物に影響を与えることがない。

言い換えれば、自己酸化による解決は、プロセスの最終工程として酸化工程を後に残すことを可能とする。また、検知素子２１の金属体２１ａ（例えば、タングステンワイヤ）は、酸化される前に解放（露出）されてもよい。従って、ウエットエッチング又はドライエッチング、好ましくはｖＨＦのいずれを用いた場合でも、酸化シリコンは、金属材料、例えばタングステンに関して選択的に容易にエッチングすることができる。これとは逆に、検知素子２１を酸化した後に解放するのであれば（この解放は、後処理工程中に空洞１５の扱いにおける問題の発生を避けるために、プロセスの終盤近くで行わなければならないということを強調しておく。）、この場合、検知素子２１を囲んでいる酸化シリコンに関して、金属酸化物を選択的にエッチングすることは極めて困難であろう。

上記で説明した特徴は、集積化ガスセンサ１が、携帯電話、タブレット、又は通常の移動デバイス若しくはハンドセットに組み込まれている場合に、特に有益である。実際に、議論している集積化ガスセンサ１は、一般に移動デバイスに要求される低コスト、低電力及び小型化の要件を満たすことを可能とする。

故に、議論している集積化ガスセンサ１は、単一のガス又は複数のガスの検知能力を持つ移動ハンドセットとして実現される。図９に模式的に示すように、符号７０で示された移動デバイスには、集積化ガスセンサ１が設けられる。

適切なソフトウエア若しくはアプリケーション（いわゆる「アプリ（Ａｐｐ）」）を有する、この移動ハンドセット７０は、血中アルコール分測定器としての機能、空気質の監視、ガス漏れの検知、食料及び飲料の品質の知覚、並びに／又は病気若しくは体調不良、例えばユーザが話している最中のユーザの口臭の検知を行うように構成されていてもよい。最後に挙げられた場合に、適切なソフトウエア若しくはアプリを有する移動ハンドセット７０により、例えば、薬剤又はユーザの健康状態を改善するための手段を、オンラインで購入したり、別な方法で入手したりするという可能性がもたらされる。

最後に、添付の特許請求の範囲に定義したように、本発明の範囲から離れることなく、本明細書に記載され、図示された内容に対して種々の改変及び変形を施してもよいことは明らかである。

特に、ＣＭＯＳ構造内の検知素子２１を形成する製造工程においては、種々の改変を施し得る。

例えば、上部導電層１０により、第１電極２２ａ及び第２電極２２ｂを形成し、検知素子２１を吊り下げ状態で取り付けることができる。この場合、検知素子２１は、完全に露出しているものの、パッケージによって、外部環境からの機械的保護を十分に得られるはずである。

同様に、検知素子２１は、多層配線構造８において高さが異なる別の導電層１１に製造してもよい。

さらに、少なくともある動作状態において、いわゆる「４線式測定法」、すなわち、通電用電極及び電圧検知用電極の別々の電極対を用いて検知性能を向上させる方法を実現するために、３つ以上の電極を検知素子２１に結合することができる。

議論している解決は、Ｂｉ−ＣＭＯＳプロセスにおいて、又は一般にソリッドステート電子集積化回路を製造するための、好ましくは（通常、Ａｌバックエンド処理に見られる）タングステンビアを設ける、他の標準的な半導体マイクロ電子プロセスで実施してもよいことも強調しておく。

自己加熱と同様に、その場での初期化及び自己酸化が他の製造プロセスの場合にも使用できるということを考える解決は、検知素子２１の製造に（上記で議論したＣＭＯＳプロセスと異なっていてさえも）使用することができる。

いかなる場合にも、検知素子２１は、外部機器から自律的に且つ独立して酸化プロセスを監視し制御する適当な制御ユニット４２を含む、対応するＡＳＩＣ４と結合される。ここで、ＡＳＩＣ４は、同じ又は異なるチップに製造され、場合によっては、同じパッケージ内に設けられる。実際、いかなる場合にも、この解決は、関連する製造プロセス、特に、検知素子２１の解放（又は該検知素子２１を囲む酸化シリコンのエッチング）に関して改善且つ簡単化を可能にする。

さらに、最適化された酸化を達成しながら、該酸化に必要な時間を最小限にするという普遍的な目的を伴って、検知素子２１における自己酸化を実施するための他のアルゴリズムを検討することができる。

Claims (16)

1. ガス検知素子（２１）を有する集積化ガスセンサ（１）であって、
   半導体材料を含む基板（２）と、
   前記基板（２）の上方に配置され、積層された複数の導電層（９、１０、１１）及び複数の誘電体層（１３）を含む多層配線構造（８）とを備え、
   前記ガス検知素子（２１）は、前記多層配線構造（８）の内部に集積化されており、
   少なくとも１つの電極（２２ａ、２２ｂ）は、前記多層配線構造（８）の内部に設けられており、前記ガス検知素子（２１）と電気的に接続され、且つ前記ガス検知素子（２１）に加熱を生じさせるために、該ガス検知素子（２１）に電流（Ｉ_ＯＸ）を供給するように設計されており、
   前記基板（２）の内部に、前記ガス検知素子（２１）と動作的に結合された集積化電子回路（４）を含み、
   前記集積化電子回路（４）は、少なくとも１つの動作状態において、前記電流（Ｉ _ＯＸ ）を前記ガス検知素子（２１）に流すように構成され、
   前記集積化電子回路（４）は、電源（４０）と制御ユニット（４２）とを含み、
   前記制御ユニット（４２）は、前記少なくとも１つの動作状態の間に前記電流（Ｉ _ＯＸ ）を前記ガス検知素子（２１）に供給するために、前記電源（４０）を制御するように構成されることにより、前記ガス検知素子（２１）の金属体（２１ａ）の酸化を生じさせることを特徴とする、集積化ガスセンサ。
2. 請求項１に記載の集積化ガスセンサにおいて、
   前記ガス検知素子（２１）は、タングステンからなる金属体（２１ａ）を含む、集積化ガスセンサ。
3. 請求項１又は２に記載の集積化ガスセンサにおいて、
   前記多層配線構造（８）の内部には、空洞（１５）が設けられており、
   前記ガス検知素子（２１）は、前記空洞（１５）の内部に配置されている、集積化ガスセンサ。
4. 請求項３に記載の集積化ガスセンサにおいて、
   前記ガス検知素子（２１）は、前記複数の導電層（９、１０、１１）のうちの支持導電層（１１）に取り付けられ、前記支持導電層（１１）は、前記少なくとも１つの電極（２２ａ、２２ｂ）をさらに形成し、
   少なくとも１つの導電性コラム（２４ａ、２４ｂ）は、前記多層配線構造（８）の内部に設けられ、前記少なくとも１つの電極（２２ａ、２２ｂ）と電気的に接続され且つ前記少なくとも１つの同じ電極（２２ａ、２２ｂ）から前記基板（２）に向かって延びており、
   前記少なくとも１つの導電性コラム（２４ａ、２４ｂ）は、前記支持導電層（１１）の一部の積層体と、個々の前記誘電体層１３を貫通するように形成された複数の導電性ビア（１４）とを含む、集積化ガスセンサ。
5. 請求項４に記載の集積化ガスセンサにおいて、
   前記ガス検知素子（２１）は、前記複数の導電性ビア（１４）の少なくとも１つと同じ層によって実現されている、集積化ガスセンサ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の集積化ガスセンサにおいて、
   前記ガス検知素子（２１）は、長軸を有すると共に、前記長軸を横切る第１の寸法（Ｗ_１）を持つ複数の側部（６１）と、前記長軸を横切り、対応する第２の寸法（Ｗ_２）を持つ中央部（６２）とを含み、
   前記第２の寸法（Ｗ_２）は、前記第１の寸法（Ｗ_１）をよりも大きく、
   前記複数の側部（６１）の少なくとも１つは、前記少なくとも１つの電極（２２ａ、２２ｂ）と接続されている、集積化ガスセンサ。
7. 請求項６に記載の集積化ガスセンサにおいて、
   前記ガス検知素子（２１）は、前記中央部（６２）を前記複数の側部（６１）と接続すると共に、前記第１の寸法（Ｗ_１）から前記第２の寸法（Ｗ_２）まで増大するテーパ形状を有する過渡部（６４）をさらに含む、集積化ガスセンサ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の集積化ガスセンサにおいて、
   前記制御ユニット（４２）は、前記動作状態の発生を決定するように、且つ、その発生に応じて、前記金属体２１ａの抵抗値（Ｒ_ＯＸ）が酸化閾値に到達するまで徐々に増大する酸化電圧（Ｖ_ＯＸ）を印加することにより、前記金属体２１ａに酸化を生じさせるように、構成されている、集積化ガスセンサ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の集積化ガスセンサにおいて、
   前記動作状態は、前記集積化ガスセンサ（１）における始動及び最初の電源投入の少なくとも１つに対応し、
   前記金属体２１ａの抵抗値（Ｒ_ＯＸ）は、前もって設定された閾値よりも低い、集積化ガスセンサ。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の集積化ガスセンサ（１）を含む、移動デバイス（７０）。
11. 請求項１０に記載の移動デバイスにおいて、
    血中アルコール分測定器、空気質の監視、食料及び／又は飲料の検査、ガス漏れの検知並びに病気検出のための呼気分析器の各機能のうち少なくとも１つの機能を有している、移動デバイス。
12. ガス検知素子（２１）を有する集積化ガスセンサ（１）の製造方法であって、
    半導体材料を含む基板（２）を用意すること、
    前記基板（２）の上方に、積層された複数の導電層（９、１０、１１）及び複数の誘電体層（１３）を含む多層配線構造（８）を形成すること、
    並びに前記多層配線構造（８）の内部に、前記ガス検知素子（２１）と、該ガス検知素子（２１）と電気的に接続された少なくとも１つの電極（２２ａ、２２ｂ）とを集積化することとを含み、
    前記少なくとも１つの電極（２２ａ、２２ｂ）は、前記ガス検知素子（２１）に加熱を生じさせるために、電流（Ｉ_ＯＸ）を前記ガス検知素子（２１）に供給するように設計されており、
    前記ガス検知素子（２１）を集積化することは、
    ウエットエッチング又はｖＨＦエッチング工程で前記誘電体層（１３）の一部を除去することにより、前記多層配線構造（８）の内部に空洞（１５）を形成すること、
    及び前記空洞（１５）を形成した後に、前記電流（Ｉ _ＯＸ ）を前記少なくとも１つの電極（２２ａ、２２ｂ）に印加することにより、前記ガス検知素子（２１）の金属体（２１ａ）に酸化を生じさせることを含む、集積化ガスセンサの製造方法。
13. 請求項１２に記載の集積化ガスセンサの製造方法において、
    前記ガス検知素子（２１）を集積化することは、
    凹部（３１）を区画するために、少なくとも１つの前記誘電体層（１３）の一部を選択的に除去すること、
    前記ガス検知素子（２１）の金属体（２１ａ）を前記凹部（３１）に充填するために、少なくとも１つの前記誘電体層（１３）の上に金属層を形成すること、
    前記金属層の上に、積層された前記複数の導電層（９、１０、１１）のうちの支持導電層（１１）を形成し、前記少なくとも１つの電極（２２ａ、２２ｂ）を設けるために、前記金属体（２１ａ）と接続される前記支持導電層（１１）を区画すること、
    及び前記多層配線構造（８）の内部に空洞（１５）を形成するために、ウエットエッチング又はｖＨＦエッチングにより、前記金属体（２１ａ）の周囲の前記誘電体層（１３）をエッチングすることを含み、
    前記ガス検知素子（２１）は、前記空洞（１５）の内部に配置されると共に、前記支持導電層（１１）と接触する、集積化ガスセンサの製造方法。
14. 請求項１２又は１３に記載の集積化ガスセンサの製造方法において、
    前記基板（２）を用意することは、
    前記基板（２）の内部に前記ガス検知素子（２１）と動作的に結合され、且つ、前記電流（Ｉ_ＯＸ）を前記ガス検知素子（２１）に流すように構成された集積化電子回路（４）を形成することを含む、集積化ガスセンサの製造方法。
15. ガス検知素子（２１）を有する集積化ガスセンサ（１）の操作方法であって、
    前記ガス検知素子（２１）は、
    半導体材料を含む基板（２）と、
    前記基板（２）の上方に配置され、積層された複数の導電層（９、１０、１１）及び複数の誘電体層（１３）を含む多層配線構造（８）とを備え、
    前記ガス検知素子（２１）は、前記多層配線構造（８）の内部に集積化されており、
    少なくとも１つの電極（２２ａ、２２ｂ）は、前記多層配線構造（８）の内部に設けられており、前記ガス検知素子（２１）と電気的に接続され、且つ前記ガス検知素子（２１）に加熱を生じさせるために、該ガス検知素子（２１）に電流（Ｉ_ＯＸ）を供給するように設計されており、
    前記集積化ガスセンサ（１）の最初の動作において、前記少なくとも１つの電極（２２ａ、２２ｂ）に前記電流（Ｉ_ＯＸ）を印加することによって、前記集積化ガスセンサ（１）における前記ガス検知素子（２１）に酸化を生じさせることを特徴とする、ガス検知方法。
16. 請求項１５に記載の集積化ガスセンサの操作方法において、
    前記集積化ガスセンサ（１）を製造した後に、その場で実行される、ガス検知方法。