JPH0233979B2 - Yokyokusankaarumikanshitsumakunoseiho - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、小形の機能化センサ等に用いられ
る高感度の感湿膜を陽極酸化Al₂O₃（略称：陽極
酸化アルミ）で半導体基板上に形成し、しかもそ
れを再現性よく大量に容易に得られるようにし
た、陽極酸化Al₂O₃感湿膜の製法に関する。

Alを酸性電解液中で陽極酸化する事により形
成される多孔質のAl₂O₃膜は、雰囲気中の湿度変
化に応じてその静電容量と電気抵抗が変化するの
で、従来より様々な湿度センサに用いられて来
た。これらの陽極酸化膜の製法には次のようなも
のであつた。すなわち、Alの板や棒等（焼結体
を含む）の表面を陽極酸化して多孔質Al₂O₃膜を
形成し、Alはそのまま支持棒材兼片側の電極と
して使用する方法（特公和47−39916号）：Al箔
の表面に多孔質Al₂O₃を形成し、残りのAlはBr₂
やI₂を混和したメタノール等で溶解除去した後
Al₂O₃膜の両面に改めて電極を取り付ける方法
（特公昭54−8119号）：絶縁性基板上に設けたAl
薄膜の上層部のみを多孔質Al₂O₃と成し、下層に
残つたAlを下部電極として用い、後で上部電極
を取り付ける方法：Al薄膜の下に設けた異種金
層の下部電極を陽極とし、Alはすべて陽極酸化
してAl₂O₃と成す方法などがそれである。

しかし、Alの板や棒を陽極酸化する方法では、
構造上小形化に限界があり、数cm以下のサイズは
実現困難であり、また上部電極を取りつける際に
下部電極を兼ねたAl本体と短絡を起こしやすい
欠点があつた。Al箔の表面にAl₂O₃膜を形成し、
残つたAlを除去する方法は、比較的小形の湿度
センサに用いられるが、この方法で得られる
Al₂O₃膜の機械的強度が弱く扱いに熟練を要する
し、膜厚を数十μｍより薄くする事は困難である
ため面積をなるべく大きくして十分大きな静電容
量を得るよう設計せねばならず、小形化の要請と
矛盾する。またハロゲンや重金属を含む廃液が出
る。絶縁性基板上のAl薄膜の上層のみを陽極酸
化する方法は数mmサイズのセンサに用いられる
が、得られるAl₂O₃層の厚さの制御が困難で、厚
さの再現性や面内の厚さ均一性が悪い。また、こ
の方法で感湿膜の両面に電極を設けるサンドイツ
チ形構造は実現できるが感湿膜の片面に２つの櫛
形電極を相対して設ける構造は実現できない。
Al薄膜の下に異種金属の下部電極を設け、これ
を陽極としてAlを全層にわたつて陽極酸化する
方法では、Al薄膜の厚さによつて得られるAl₂O₃
膜の厚さが決まるまで膜厚制御が容易であり、サ
ンドイツチ形構造も櫛形電極構造も実現できる
が、下部電極の材質によつては陽極酸化中にAl
が剥離しやすい。また陽極酸化電流のわずかな面
内不均一によつて、Al薄膜の一部が他の部分よ
り先に陽極酸化され、その部分に電流が集中して
他の部分の陽極酸化が停帯する現象がある。この
ため、いわゆるバルブ作用のある金属材料が下部
電極を形成する必要があり、Tiなどの高価な金
属が必要である。というように、小形の湿度セン
サを効率よく生産するためには、それぞれ欠点が
あり、問題解決が必要とされていた。

本発明の目的は、SiやAl等の安価な材料で製
造でき、バツチ処理により基板上に多数の小形で
均一な薄膜のAl₂O₃膜を容易に形成でき、機能化
センサの製造に適する、感湿膜製法を提供する事
にある。

本発明においては、半導体基板はセンサの支持
材として用いられると同時に、陽極酸化時には半
導体自身が陽極、すなわち、陽極側の電流供給
路、として使用されるので、その表面は適宜絶縁
膜で覆われ、Alに電流を伝える部分のみ絶縁膜
に窓が設けられていて、そこでAlと電気的導通
を持つて接触している。この構造により、陽極酸
化の化成電流は基板上のAl全体にわたつて均一
に供給され、基板全面に高品質の多孔質Al₂O₃が
形成される。このAl₂O₃膜を、陽極酸化後の工程
で不要な部分を除去し、所望の形状を得る。前の
工程で連続していたAl₂O₃膜を、この工程で多数
に分割する事もでき、小形のセンサを大量に生産
するのに有利である。

本願が特許法第30条第１項の規定の適用を求め
た講演予稿集（第１回「センサの基礎と応用」シ
ンポジウム、昭56−６−18〜19、電気学会電子デ
バイス技術委員会主催、A6−１、pp.83〜84）と
本願との関係について説明を加えておく。

(a) 絶縁膜が一面もしくは二面につけても良い、
あるいはどちらにつけても良い点で差異がある
のではないかという疑念があるかもしれない。

本発明による陽極酸化アルミ感湿膜の製法で
は一般のMOSIC製造プロセスと同様に、ウエ
ーハの表側の面に素子の機能部分を形成し、ウ
エーハ本体および裏面は非機能部分となる。

機能部分は、微細加工された0.01〜1μｍ厚の
薄膜を積層した多層構造を有し、その厚さは１
〜10μｍでウエーハの厚さ100〜500μｍのおよ
そ１％を占めるにすぎない。

非機能部分は、もつぱら力学的支持材、放熱
材あるいは電気的接地材となる。

従つて、本発明による陽極酸化アルミ感湿膜
の製法の各工程は機能部分たる表面の微細加工
及び薄膜形成に係わる加工を示す。

本発明における絶縁膜は、表側の面の半導体
基板を覆うように形成され、裏面に関しては何
ら限定されない。一方、講演予稿集においても
に「通常のMOSICプロセスに従つて」と記
載のあるとおり表側の面に絶縁膜を形成してお
り、裏面についてはに「通常の半導体プロセ
スに従つて（中略）裏面メタライズ」の処理を
行うのみで絶縁膜については限定していない。
裏面に絶縁膜がある場合は絶縁膜を除去し、そ
の後に裏面メタライズを行うことができるのは
明らかである。

従つて、本発明の製法と講演予稿集に示され
ている製法は差異がないことは明らかであろ
う。

(b) 予め、絶縁膜を設けない部分を形成している
点で差異があるのではないかという疑念がある
かもしれない。

本発明の第１工程では必要な部分のみ絶縁膜
を形成している。

この形成方法についてＡ系統では、まず全面
に絶縁膜を形成した後に不要な部分を選択的に
除去するか、または不要部分をマスクして絶縁
膜を堆積しており、Ｂ系統では不要な部分を選
択的に除去している。

通常のMOSIC製造プロセスでは、絶縁膜の
選択的形成は上記のいずれかの方法で行われて
いる。本発明においても選択的形成の方式およ
び不要部分の形状を何ら限定するものではな
い。

一方、講演予稿集では、でSiO₂膜を形成
し、でその一部に窓をあけると記載がありま
す。これはMOSIOプロセスで最も典型的な絶
縁膜選択的形成の工程です。これは、選択的形
成の方式を限定する記載ではない。

また、不要部分を、後工程で電流が流れ込む
ため「窓」と称しているが、不要部分の形状が
窓の形であつたり、必要部分の形状が島状でな
かつたりとの限定の記載ではない。

従つて、本発明の製法と講演予稿集に示されて
いる製法は差異がないことは明らかであろう。

次に図面によつて本発明の実施例について具体
的に説明する。第１図は本発明の実施例について
その各製造工程を示した断面図である。各図の左
右を切つて同じ形状が平面的に多数繰り返した構
造であることを示している。

この実施例では、半導体基板としてSiを用いて
いるが、他の半導体でもさしつかえない。

第１工程は２つの系統に大別される。左側のＡ
系統に示す第１工程では工程前段でSiの半導体基
板１の表面の必要な部分にSiO₂の絶縁膜２を形
成する。この実施例では絶縁膜として熱酸化によ
るSiO₂を用い、不要な部分をホトリソグラフイ
技術によつて選択的に除去して工程の前段を完了
したが、SiO₂膜の形成法としてCVD法、スパツ
タ法を用いても良く、また必要なSiO₂形状を得
るために、基板の一部を金属板でマスクしてスパ
ツタする手段により、必要な部分のみSiO₂膜を
形成しても良い。第１工程の後段では、絶縁膜上
に所望の形状の導電膜３を形成してセンサの電極
と成す。

この実施例ではCrを用いたが、Ni、Ar等、Al
以外の適当な金属であれば良い。この工程も、蒸
着法、スパツタ法等により実施される。必要に応
じて、エツチング法、リフトオフ法で形状加工を
行つても良い。いずれの場合でも特別な熟練を要
せずこの工程を完了できる。また、製造するセン
サの種類によつてはこの工程の後段を省略して
SiO₂上に直接Al₂O₃を形成してもさしつかえな
い。

第１図のＢ系統では右側に示すように、工程の
前段で絶縁膜と導電膜を形成し、後段で絶縁膜の
不要な部分のみを選択的に除去する。この場合も
絶縁膜と導電膜の形成法と形状加工法はＡ系統と
全く同様である。Ｂ系統ではSiO₂を除去してた
だちに次の工程に進むので、Si露出部が汚染され
て素子の電気的特性が低下する危険が少ない。い
ずれの方法を取つても、所望の形状のSiO₂膜を
形成でき、しかも１枚の基板上に容易に多数の繰
り返し構造を実現でき、大量生産に適合する事は
明らかである。

第２工程では、Al膜４を蒸着法、スパツタ法
等を用いて基板上に形成し、Si基板と良好な電気
的導通を得るため適宜熱処理を行う。本実施例で
はAl膜の厚さは2000Å〜10000ÅでN₂ガス中にて
300〜450℃で30〜120分間熱処理を行つた。

第３の工程では、硫酸、蓚酸、燐酸等の水溶液
中に基板を保持し、液面上に露出した部分よりSi
基板に電流を供給し、Al膜を陽極酸化して多孔
質の陽極酸化Al₂O₃５と成す。電流はSi基板を介
してAl膜全体に均一供給させる。この時、Al膜
の基板に直接接している部分からAl膜中を通つ
て、絶縁膜上のAlへも電流が供給されるので、
SiO₂膜の窓が基板全体にわたつて適宜配置され
ていればAl膜全面が一様に陽極酸化されて、一
部分がAlのまま残るような事はない。また陽極
酸化が基板上の一部分で他より早く完了してもSi
と多孔質Al₂O₃の界面に絶縁性の層が形成される
ので、そこに電流が集中するような事はない。こ
のように本発明によれば薄いAl膜でも支障はな
く陽極酸化されて均一なAl₂O₃感湿膜が再現性よ
く得られる。

第４の工程では、酸性水溶液を用いてAl₂O₃膜
を選択的に除去する。従来多孔質Al₂O₃膜の薬品
による選択的除去は困難とされていたが、第４の
工程で均質でかつ非常に薄いAl₂O₃膜が形成され
ていれば燐酸等の酸性水溶液を用いて再現性よく
加工できる。実施例では10〜50％の燐酸水溶液を
20〜60℃で用いホトリソグラフイ技術により
Al₂O₃膜の不要部分を除去した。この手法によ
り、数μｍの精度で所望の形状に加工できる。

第１図の実施例で製造された感湿素子は感湿膜
の片側に金属電極を２つ設けて両電極間の電気抵
抗または静電気容量を測定して湿度を知る構造で
あるが本発明の製法の適用はこの構造に限定され
ず、いくつかの応用がある。第２図のように本発
明の製法で用いられる感湿膜の上にさらに上部電
極６を設けて、いわゆるサンドイツチ形の素子と
して両電極間の静電容量を検出する構造に応用す
る事もできる。また第３図は下部電極３を省略し
た形の素子で半導体基板を下部電極として上部電
極との間の静電容量を測るものである。この場合
は、SiO₂膜の静電容量を同時に測るので感度は
若干低下するが、製造工程は少なくなるという利
点もある。工程の省略を優先するか、性能第一と
するかによつて適宜変更して実施できる。

第４図には、半導体基板としてソース拡散層７
とドレイン拡散層８を設けたSiを用いた素子を示
す。この素子は、湿度変化をソースとドレイン間
に流れる電流として検出する能動的センサであ
る。

第３図の素子は下部電極３を省略した素子であ
るが、その応答特性を第５図に示す。この素子
は、Si基板を用い感湿膜の厚さは約2000Åで平面
形状は直径450μｍの円形である。この特性は素
子を温度24℃湿度30％R.H.（相対温度）の大気中
に放置し、これに湿度５５％の湿つたN₂ガスと
湿度０％の乾燥N₂ガスを交互に吹き付けた時の
素子の静電容量変化である。この素子は下部電極
３のあるものに比して、湿度に対する感度は20〜
30％程度低下したが、応答特性についての差異は
認められなかつた。すなわち、第５図に示した通
り応答は１〜２秒を極めて速く、本発明による薄
くて高品質の感湿材の優れた特徴を示している。

第４図の素子は能動的な素子なので第６図のよ
うに外部に22kΩの純抵抗を直列に接続しインバ
ータの回路を形成でき、ソースとドレインの間の
電位差V_dsを通常のペンレコーダに直接入力して
湿度変化を記録する事ができる。この時の特性を
第７図に示す。ゲート電圧V_gとして一定の電圧
を印加した状態で湿度を０％R.H.から55％R.H.
まで変化させた時、前記V_dsは約４ボルト変化し
ている。このように本発明の製法により、半導体
基板上に非常に小形の能動素子を実現でき、外部
に特別な測定回路や増巾回路を必要とせず直接表
示器に接続して使用できる。

以上のように本発明は半導体基板上に、非常に
薄く小形の高感度感湿膜を高精度で再現性よく形
成できるので、小形の受動的湿度センサの製造の
みならず、半導体集積回路と一体化した機能化セ
ンサ、集積化センサの製造に大変有利である。

すなわち、本発明の製造方法は半導体基板上に
形成する陽極酸化Al₂O₃膜を半導体基板を陽極と
し、半導体基板に電気的に接続するAlを、（ま
た、そのAlに接続するAlを）陽極酸化して得る
ようにしたから、次のような効果が得られる。

(イ) 基板上に非常に薄いAl₂O₃感湿膜が形成でき
る。従つて単位面積当りの静電容量の大きな感
湿膜が得られる。

(ロ) Al₂O₃膜が終始基板に密着した状態で製造さ
れるので破損させずに扱える。従つて作業が簡
単になり、歩留りも高くなる。

(ハ) 厚さの制御が容易であり再現性が良い。

(ニ) 製造時に下部電極の導電膜に通電しないの
で、電極材料に制約がなく、安価な材料が使用
できる。

(ホ) 基板表面全体に一様な化成電流を供給する構
造であるから、全面にわたつて均一で高品質の
感湿膜が形成される。

(ヘ) 平面形状を非常に小さくして高精度に製造で
きるので小形のセンサに有利であり、大量生産
ができる。

(ト) 絶縁膜上にも支障なく陽極酸化Al₂O₃膜を形
成できるのでMOSFETのゲート絶縁膜上に感
湿膜を設けて能動的センサと成す事ができる。

(チ) Si基板上に小形に形成できるので電気回路と
検出部を同一チツプ上に形成し、集積化センサ
と成す事ができる。

本発明の製法は、同一発明者、同一出願人によ
る特願昭56−136341号の発明である「陽極酸化ア
ルミ感湿膜の製法に対して、第４工程すなわち、
第３の工程で得られた陽極酸化Al₂O₃膜を酸性水
溶液を用いて選択的に除去し、導電性膜上に所望
の形状の陽極酸化Al₂O₃膜を形成することとした
から、上記(イ)〜(チ)の効果に加えて、とくに、感湿
膜を数μｍの精度で加工する新技術を提供し、た
とえば能動素子で成る他の集積回路と同一基板上
に、感湿センサを一体化した機械化センサを実現
する技術を生んだという大きな効果がある。

従つて本発明の製法は、SiIC技術を応用して同
一チツプ上に検出部と信号処理部を一体化したい
わゆる集積化センサないし固体化センサに実現に
必要欠くべからざる技術である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による感湿膜製法の各工程を示
す断面図、第２図は本発明の製法による感湿素子
（その２）の断面図、第３図は本発明の製法によ
る感湿素子（その３）の断面図、第４図は本発明
の製法による感湿素子（その４）の断面図、第５
図は、第３図で示した素子の応答特性を示す図、
第６図は、第４図で示した素子の特性を測定する
ための回路図、第７図は、第４図で示した素子の
特性を示す図である。 図中１は半導体基板、２は絶縁膜、３は導電
膜、４はAl薄膜、５は陽極酸化Al₂O₃膜、６は上
部電極、７はソース拡散層、８はドレイン拡散
層、９は感湿素子を示す、第５図中のイは温度24
℃で55％R.H.の湿つたN₂を吹き付け状態を示す、
ロは同じく30％R.H.の大気中に放置した状態を
示す、ハは同じく０％R.H.の乾燥N₂ガス吹き付
け状態を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板１表面の一部を覆う絶縁膜２上の
   一部に導電性膜３を形成する第１の工程と； 該第１の工程を経た半導体基板表面を覆い、該
   絶縁膜が形成されていない半導体表面において該
   半導体基板と電気的導通が得られるように、Al
   薄膜４を形成する第２の工程と； 該半導体基板を陽極とし、第２の工程により形
   成されたAl薄膜を陽極酸化する第３の工程と； 該第３の工程で陽極酸化された陽極酸化Al₂O₃
   膜５を酸性水溶液を用いて選択的に除去し、該導
   電性膜上に所望の形状の陽極酸化Al₂O₃膜を形成
   する第４の工程からなる陽極酸化アルミ感湿膜の
   製法。 ２ 前記半導体基板がSi基板であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の陽極酸化アルミ
   感湿膜の製法。 ３ 前記酸性水溶液が燐酸水溶液であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の陽極酸化ア
   ルミ感湿膜の製法。