JPH05249061A - ガスセンサおよびその製造方法 - Google Patents

ガスセンサおよびその製造方法

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JPH05249061A
JPH05249061A JP4894692A JP4894692A JPH05249061A JP H05249061 A JPH05249061 A JP H05249061A JP 4894692 A JP4894692 A JP 4894692A JP 4894692 A JP4894692 A JP 4894692A JP H05249061 A JPH05249061 A JP H05249061A
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JP
Japan
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insulating layer
gas
gas sensor
silicon substrate
heater
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JP4894692A
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English (en)
Inventor
Yasuyuki Kawada
泰之 河田
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】感度に優れ、製造容易なガスセンサを得る。 【構成】所定角度にオフカットしたシリコン基板2上に
第一の絶縁層12、ヒータ6、第二の絶縁層13、ガス
感応体9順次積層し次いで空洞部11を穿設してヒータ
やガス感応体の配設されたダイアフラムを形成し、シリ
コン基板の結晶配向性や表面凹凸によりガス感応体9の
結晶配向性や表面凹凸を制御し感度の高いセンサを得
る。また第一の絶縁層は熱酸化膜3に窒化シリコン膜4
を積層して内部応力を相殺し、製造時のダイアフラムの
損傷を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はLPガス,都市ガス,
一酸化炭素,水素,アルコール等を検出するガスセンサ
及びその製造方法に係り、特に低消費電力で製造容易な
ガスセンサおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】金属酸化物半導体は空気中では酸素を吸
着して高抵抗化するが可燃性ガス中では可燃性ガスを吸
着して低抵抗化する。ガスセンサにおいてはガス反応の
応答性を高め且つ被検ガスの選択性を高めるために30
0℃乃至400℃に加熱して使用される。このような性
質を利用して酸化スズを用いたガスセンサがLPガス,
都市ガス等のガス漏れ警報器に利用される。
【0003】図3は従来のガスセンサを示し、(a)は
平面図、(b)はB−B矢視断面図である。このような
ガスセンサは単結晶シリコン基板1上に熱絶縁層である
熱酸化膜3、ヒータ6、電気絶縁層10、ガス感応体9
を形成し、次いで空洞部11をシリコン基板に穿設す
る。これらは半導体技術により加工され微細なマイクロ
ガスセンサが製造される。
【0004】空洞部11により熱絶縁層である熱酸化膜
3と電気絶縁層10は選択的にダイアフラムとなる。ダ
イアフラムにはヒータ6とガス感応体9とが配置され
る。ヒータ電極7とセンサ電極8とがそれぞれヒータと
ガス感応体に電圧を印加する。ヒータ6の発生する熱は
ダイアフラムを拡散して消失するがその拡散量が小さい
のでガスセンサの消費電力は小さくなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のよ
うな従来のガスセンサにあってはガス感応体を多孔質で
超微粒子からなる構造とするためにシリコン基板に予め
微細な凹凸を設ける必要があった。また従来の熱酸化膜
単独の第一の絶縁層では空洞部を形成したときにその残
留応力が大きいために熱酸化膜に歪みが生じ、ガス感応
体の陥落や熱酸化膜の破損が起こるという問題があっ
た。
【0006】この発明は上述の点に鑑みてなされその目
的は、シリコン基板と熱絶縁膜に改良を加えることによ
り、ガス感応体の一層の感度上昇を図るとともに、熱絶
縁膜の歪みを防止して、製造容易でかつ低消費電力のガ
スセンサおよびその製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上述の目的は第一の発明
によればシリコン基板と、この基板の一方の主面に支持
される順次積層された第一の絶縁層と、ヒータと、第二
の絶縁層と、ガス感応体とを有し、シリコン基板は所定
角度でオフカットされた基板で、前記一方の主面に対す
る他の主面に開口部を有し且つ第一の絶縁層に達する空
洞部を備え、前記順次積層された第一の絶縁層と、第二
の絶縁層は前記空洞部上に張り出してダイアフラムとな
るものであり、第一の絶縁層は、熱酸化膜と、窒化シリ
コン膜と、酸化シリコン膜が順次積層されてなり、ヒー
タは前記ダイアフラム内に配置され、ガス感応体は前記
ダイアフラム上に配置されるものであるとすることによ
り達成される。
【0008】また第二の発明によれば第一の工程と、第
二の工程と、第三の工程を有し、第一の工程はシリコン
基板を所定角度でオフカットする工程であり、第二の工
程は、熱酸化膜と窒化シリコン膜と酸化シリコン膜から
なる第一の絶縁層、ヒータ、第二の絶縁層、ガス感応体
を前記シリコン基板の一方の主面に順次積層する工程で
あり、第三の工程は、前記シリコン基板の他方の主面に
開口部を有し、且つ第一の絶縁層に達する空洞部を穿設
して第一の絶縁層と第二の絶縁層とからなりヒータとガ
ス感応体が配置されるダイアフラムを形成する工程であ
るとすることにより達成される。
【0009】
【作用】シリコン基板は所定の角度でオフカットする
と、微細な表面凹凸を有し且つ所定の結晶配向性を有す
る基板が得られる。第一の絶縁層として熱酸化膜に適当
な製法による窒化シリコン膜を積層すると熱酸化膜と窒
化シリコン膜の内部応力が相殺され、歪みのない第一の
絶縁層が得られる。酸化シリコン膜はヒータおよびガス
感応体の密着性を向上させ電気的絶縁を行う。
【0010】第二の絶縁層はガス感応体の密着性を向上
させ、電気的絶縁を行う。熱酸化膜はプラズマエッチン
グに対して高い抵抗力を示し、プラズマエッチングによ
る空洞部の形成を容易にする。化学気相成長法による酸
化シリコン膜は内部応力が小さい。
【0011】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1はこの発明の実施例に係るガスセンサを示
し、(a)は平面図、(b)はAA矢視断面図である。
図3とはタイアフラムの構成のみが異なる。本発明の第
一の絶縁層は熱酸化膜の他、窒化シリコン膜と酸化シリ
コン膜とを有している。このようなガスセンサは以下の
ようにして調製される。市販の単結晶シリコン基板表面
に対し3度のオフカットを行い、2.5mm角のSi基
板を調製する。このシリコン基板上に熱酸化膜3を0.
5μm厚さに形成する。次にRFマグネトロンスパッタ
リング法により、水素化窒化シリコン膜4を1μm厚さ
に形成する。次に化学気相成長法により低温でSiO2
を0.05μm成膜する。このような積層構造により内
部応力が従来の1/10で且つ表面に微細な凹凸を有す
る第一の絶縁層が形成される。この微細な凹凸はシリコ
ン基板のオフカットにより生じた凹凸がそのまま反映さ
れる。
【0012】次にヒータ材料である白金をスパッタしフ
ォトリソグラフィにより白金をパターニングしてヒータ
6とヒータ電極7を同一面内に形成する。続いてメタル
マスクを用い、ヒータ上部に反応性スパッタリングによ
り酸化シリコン膜からなる第二の絶縁層10を形成す
る。続いて前述したのと同様にしてセンサ電極8を形成
する。
【0013】次にメタルマスクを用い、RF反応性スパ
ッタリング法により低真空度で酸化スズを用いガス感応
体9を形成する。このようにして調製されたガス感応体
は下地基板の影響を受けて、表面に微細な凹凸を有した
繊維構造の膜となり、有効表面積が増大して感度の増大
したガス感応体が得られる。このようにしてシリコン基
板のオフカット角度によりガス感応体の結晶配向性と表
面凹凸を制御できることが電子顕微鏡観察とX線回折法
とにより確認された。本実施例では3度のオフカット角
度を用いているがこれに限定されるものではない。
【0014】次にプラズマエッチング法によりSi基板
の裏面から直径1mmの空洞部を形成する。この際第一
の絶縁層の熱酸化膜によりプラズマエッチングによるガ
ス感応体の損傷を軽減することができる。酸化シリコン
膜5は化学気相成長法により調製されるので内部応力は
小さく、ダイアフラムを損傷させることなく密着性向上
や電気絶縁の目的を達する。
【0015】ヒータ電極7とセンサ電極8に白金のリー
ド線を接続し、ヒータを間欠動作させることにより低消
費電力で製造歩留りの大きなガスセンサが得られる。図
2はこの発明の実施例に係るガスセンサの水素(特性線
ロ)とイソブタン(特性線ニ)に対するガス感度を従来
のガスセンサのガス感度と対比して示す線図である。特
性線ロと特性線ニはそれぞれこの発明の実施例に係るガ
スセンサの水素とイソブタンに対するガス感度特性であ
る。特性線イと特性線ハはそれぞれ従来のガスセンサの
水素とイソブタンに対するガス感度特性である。本発明
のセンサは水素に対してもイソブタンに対しても従来の
ものより低いセンサ温度で駆動でき、従って低消費電力
であることがわかる。ガス感度は空気中でのガスセンサ
の電気抵抗をR0,被検ガス中での電気抵抗値をRgとし
てR0 /Rgにより表現した。また被検ガスの濃度は空
気希釈した0.5%濃度とした。
【0016】
【発明の効果】第一の発明によればシリコン基板と、こ
の基板の一方の主面に支持される順次積層された第一の
絶縁層と、ヒータと、第二の絶縁層と、ガス感応体とを
有し、シリコン基板は所定角度でオフカットされた基板
で、前記一方の主面に対する他の主面に開口部を有し且
つ第一の絶縁層に達する空洞部を備え、前記順次積層さ
れた第一の絶縁層と、第二の絶縁層は前記空洞部上に張
り出してダイアフラムとなるものであり、第一の絶縁層
は、熱酸化膜と、窒化シリコン膜と、酸化シリコン膜が
順次積層されてなり、ヒータは前記ダイアフラム内に配
置され、ガス感応体は前記ダイアフラム上に配置される
ものであり、また第二の発明によれば第一の工程と、第
二の工程と、第三の工程を有し、第一の工程はシリコン
基板を所定角度でオフカットする工程であり、第二の工
程は、熱酸化膜と窒化シリコン膜と酸化シリコン膜から
なる第一の絶縁層、ヒータ、第二の絶縁層、ガス感応体
を前記シリコン基板の一方の主面に順次積層する工程で
あり、第三の工程は、前記シリコン基板の他方の主面に
開口部を有し、且つ第一の絶縁層に達する空洞部を穿設
して第一の絶縁層と第二の絶縁層とからなりヒータとガ
ス感応体が配置されるダイアフラムを形成する工程であ
るので、熱酸化膜に窒化シリコン膜の積層された第一の
絶縁層は内部応力が相殺され、ガスセンサ製造時にダイ
アフラムの破損やガス感応体の陥没等がなくなり、製造
の歩留りが向上する。またガス感応体はオフカットされ
たシリコン基板上に第一の絶縁層および第二の絶縁層を
介して形成されるので、オフカットされたシリコン基板
の結晶方位や、シリコン基板表面の微細な凹凸により酸
化物半導体の結晶配向性や表面凹凸が制御され感度の高
いガスセンサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はこの発明の実施例に係るガスセンサを示
し、(a)は平面図、(b)はA−A矢視断面図
【図2】この発明の実施例に係るガスセンサの水素(特
性線ロ)とイソブタン(特性線ニ)に対するガス感度を
従来のガスセンサのガス感度と対比して示す線図
【図3】従来の一般家庭用ガス漏れ警報器を示し、
(a)は平面図、(b)はB−B矢視断面図
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 オフカットシリコン基板 3 熱酸化膜 4 窒化シリコン膜 5 酸化シリコン膜 6 ヒータ 7 ヒータ電極 8 センサ電極 9 ガス感応体 10 電気絶縁層 11 空洞部 12 第一の絶縁層 13 第二の絶縁層

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン基板と、この基板の一方の主面に
    支持される順次積層された第一の絶縁層と、ヒータと、
    第二の絶縁層と、ガス感応体とを有し、 シリコン基板は所定角度でオフカットされた基板で、前
    記一方の主面に対する他の主面に開口部を有し且つ第一
    の絶縁層に達する空洞部を備え、 前記順次積層された第一の絶縁層と、第二の絶縁層は前
    記空洞部上に張り出してダイアフラムとなるものであ
    り、 第一の絶縁層は、熱酸化膜と、窒化シリコン膜と、酸化
    シリコン膜が順次積層されてなり、 ヒータは前記ダイアフラム内に配置され、 ガス感応体は前記ダイアフラム上に配置されるものであ
    ることを特徴とするガスセンサ。
  2. 【請求項2】請求項1記載のガスセンサにおいて、ガス
    感応体は金属酸化物半導体であることを特徴とするガス
    センサ。
  3. 【請求項3】請求項2記載のガスセンサにおいて、金属
    酸化物半導体は酸化スズであることを特徴とするガスセ
    ンサ。
  4. 【請求項4】請求項1記載のガスセンサにおいて、シリ
    コン基板は3度の角度でオフカットされるものであるこ
    とを特徴とするガスセンサ。
  5. 【請求項5】第一の工程と、第二の工程と、第三の工程
    を有し、 第一の工程はシリコン基板を所定角度でオフカットする
    工程であり、 第二の工程は、熱酸化膜と窒化シリコン膜と酸化シリコ
    ン膜からなる第一の絶縁層、ヒータ、第二の絶縁層、ガ
    ス感応体を前記シリコン基板の一方の主面に順次積層す
    る工程であり、 第三の工程は、前記シリコン基板の他方の主面に開口部
    を有し、且つ第一の絶縁層に達する空洞部を穿設して第
    一の絶縁層と第二の絶縁層とからなりヒータとガス感応
    体が配置されるダイアフラムを形成する工程であること
    を特徴とするガスセンサの製造方法。
  6. 【請求項6】請求項5記載の製造方法において、酸化シ
    リコン膜は化学気相成長法により成膜されることを特徴
    とするガスセンサの製造方法。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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