(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面にセンサ用ＭＩＳＦＥＴおよびヒータが形成されたセンサチップと、前記センサチップを搭載する実装基板と、前記センサチップと前記実装基板との間に挿入された断熱材を含むガスセンサであって、
前記センサチップの前記基板の主面上に、引き出し配線を介して前記ヒータに繋がるパッド電極が形成され、前記実装基板を貫通して外部との接続に用いられるリード端子が形成され、前記パッド電極と前記リード端子とはリード線により接続されており、
前記ヒータが形成されたヒータ領域から前記センサチップと前記断熱材とを挟んだ前記実装基板までの熱抵抗をＲＤとし、前記ヒータ領域から前記パッド電極までの熱抵抗と前記リード線との熱抵抗との総和の熱抵抗をＲＬとし、前記ヒータ領域の表面積と同じ面積を有する円の半径をｒＡとし、前記ヒータの加熱による雰囲気ガスの熱伝導度をλとし、前記ヒータ領域の設定温度と設置環境想定最低温度との差を温度差ΔＴｍａｘとし、前記設定温度における前記ヒータの電気抵抗と電源電圧とで決まる前記ヒータへ投入されるヒータ最大電力をＰｏｗｍａｘとすると、前記ヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘが２５ｍＷ以下で、
Ｐｏｗｍａｘ／ΔＴｍａｘ＞１／ＲＤ＋１／ＲＬ＋４πλ・ｒＡを常に満足するように前記熱抵抗ＲＤ，ＲＬおよび前記ヒータ領域の表面積が設定されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のガスセンサにおいて、前記ヒータの加熱時間をτ１、前記ヒータの加熱停止時間をτ２としたときに、ｄｕｔｙ比＝τ１／（τ１＋τ２）が１／１４から１．０の範囲であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のガスセンサにおいて、前記断熱材が、泡ガラスまたはＰＥＥＫ材によって構成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項１記載のガスセンサにおいて、前記ヒータが、ＷＳｉ、ポリシリコン、Ａｌ、またはＷにより構成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
請求項１記載のガスセンサにおいて、前記センサチップの前記基板は、Ｓｉ基板、埋め込み絶縁層、およびＳｉ層からなるＳＯＩ基板であり、前記ＳＯＩ基板の前記Ｓｉ基板がくり貫かれたＭＥＭＳ領域に前記センサ用ＭＩＳＦＥＴが形成されており、
前記センサ用ＭＩＳＦＥＴの触媒金属ゲートとソース電極との間隙および前記触媒金属ゲートとドレイン電極との間隙にそれぞれ前記ヒータが形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項１記載のガスセンサにおいて、前記センサチップの前記基板は、Ｓｉ基板、埋め込み絶縁層、およびＳｉ層からなるＳＯＩ基板であり、前記ＳＯＩ基板の前記Ｓｉ基板がくり貫かれたＭＥＭＳ領域に、２つのリード線を有する触媒領域を挟んでヒータ配線を配置した前記ヒータ領域が形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項７】
請求項１記載のガスセンサにおいて、前記センサチップの前記基板はガラス基板であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項８】
請求項７記載のガスセンサにおいて、前記センサ用ＭＩＳＦＥＴの触媒金属ゲートとソース電極との間隙および前記触媒金属ゲートとドレイン電極との間隙にそれぞれ前記ヒータが形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項９】
請求項１記載のガスセンサにおいて、前記センサチップの前記基板は、Ｓｉ基板、埋め込み絶縁層、およびシリコン層からなるＳＯＩ基板であり、前記ＳＯＩ基板には、前記Ｓｉ基板がくり貫かれたＭＥＭＳ領域と、前記ＭＥＭＳ領域内に前記センサ用ＭＩＳＦＥＴが形成された前記ＭＥＭＳ領域よりも平面面積の小さい真性ＦＥＴ領域とを有し、
前記センサ用ＭＩＳＦＥＴが形成された前記真性ＦＥＴ領域に、前記センサ用ＭＩＳＦＥＴの触媒金属ゲートとソース電極との間隙および前記触媒金属ゲートとドレイン電極との間隙にそれぞれ前記ヒータが形成されており、
前記センサ用ＭＩＳＦＥＴの前記触媒金属ゲート、前記ソース電極、および前記ドレイン電極、ならびに前記ヒータの一端と、前記ＭＥＭＳ領域の外側に設けられた複数の前記パッド電極とをそれぞれ接続する引き出し配線が形成されており、
前記真性ＦＥＴ領域が重ならない前記ＭＥＭＳ領域に、前記埋め込み絶縁層上に前記引き出し配線および前記引き出し配線を覆う保護膜が形成されたブリッジ領域と、前記埋め込み絶縁層上に前記保護膜のみが形成された補強領域とを有し、
前記ブリッジ領域および前記補強領域を除いた前記真性ＦＥＴ領域が重ならない前記ＭＥＭＳ領域に、前記保護膜および前記埋め込み絶縁層が除去された貫通孔を有し、
前記真性ＦＥＴ領域の縁と前記ＭＥＭＳ領域の縁との最も近い距離が、全ての前記ブリッジ領域の幅と全ての前記補強領域の幅との和の１倍から２０倍であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１０】
請求項９記載のガスセンサにおいて、前記保護膜は、下層の酸化シリコンからなる第１絶縁膜と、上層の窒化シリコンからなる第２絶縁膜とからなり、
前記触媒金属ゲートが形成されたゲート領域以外の前記真性ＦＥＴ領域は前記第１および第２絶縁膜により被覆され、前記ブリッジ領域は前記第１および第２絶縁膜により被覆され、前記補強領域は前記第１絶縁膜のみにより被覆されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１１】
請求項１記載のガスセンサにおいて、前記センサチップの前記基板は、Ｓｉ基板、埋め込み絶縁層、およびシリコン層からなるＳＯＩ基板であり、前記ＳＯＩ基板には、前記Ｓｉ基板がくり貫かれたＭＥＭＳ領域と、前記ＭＥＭＳ領域内に前記センサ用ＭＩＳＦＥＴが形成された前記ＭＥＭＳ領域よりも平面面積の小さい真性ＦＥＴ領域とを有し、
前記センサ用ＭＩＳＦＥＴが形成された前記真性ＦＥＴ領域に、前記センサ用ＭＩＳＦＥＴの触媒金属ゲートとソース電極との間隙および前記触媒金属ゲートとドレイン電極との間隙にそれぞれ前記ヒータが形成されており、
前記センサ用ＭＩＳＦＥＴの前記触媒金属ゲート、前記ソース電極、および前記ドレイン電極、ならびに前記ヒータの一端と、前記ＭＥＭＳ領域の外側に設けられた複数の前記パッド電極とをそれぞれ接続する引き出し配線が形成されており、
前記真性ＦＥＴ領域が重ならない前記ＭＥＭＳ領域に、前記埋め込み絶縁層上に前記引き出し配線および前記引き出し配線を覆う保護膜が形成されたブリッジ領域と、前記埋め込み絶縁層上に前記保護膜のみが形成された補強領域とを有し、
前記保護膜は、下層の酸化シリコンからなる第１絶縁膜と、上層の窒化シリコンからなる第２絶縁膜とからなり、前記ブリッジ領域を除いた前記真性ＦＥＴ領域が重ならない前記ＭＥＭＳ領域の保護膜が第１絶縁膜のみで形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１２】
請求項１１記載のガスセンサにおいて、前記ブリッジ領域および前記補強領域を除いた前記真性ＦＥＴ領域が重ならない前記ＭＥＭＳ領域に前記埋め込み絶縁層を貫通する貫通孔を有しており、前記真性ＦＥＴ領域の縁と前記ＭＥＭＳ領域の縁との最も近い距離が、全ての前記ブリッジ領域の幅と全ての前記補強領域の幅との和の１倍から２０倍であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１３】
請求項１記載のガスセンサにおいて、前記センサチップの前記基板の主面上に４つの前記パッド電極が形成されており、
前記センサ用ＭＩＳＦＥＴの触媒金属ゲート、ソース電極、およびドレイン電極、ならびに前記ヒータの一端は、４つの前記パッド電極にそれぞれ引き出し配線を介して接続されており、前記センサ用ＭＩＳＦＥＴの前記ソース電極と前記ヒータの他の一端とが電気的に接続されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１４】
請求項１記載のガスセンサにおいて、前記センサ用ＭＩＳＦＥＴの触媒金属ゲートに対して水素雰囲気ガスでアニール処理が行われていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１５】
請求項１４記載のガスセンサにおいて、前記水素雰囲気ガスは空気希釈ガスであり、アニール温度が８０℃から３００℃の範囲であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１６】
請求項１４記載のガスセンサにおいて、前記触媒金属ゲートはＰｔ−Ｔｉ−Ｏにより構成されていることを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関し、特に、水素ガスを検知する低消費電力の水素ガスセンサの構造およびその閾値電圧制御方法に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスは、無臭で、かつ、着火エネルギーが低く爆発力が大きい性質を持つ。そのため、都市ガスなどのパイプラインにおける水素ガス漏れの監視、および工業用水素ガスラインにおける水素ガス漏れの漏洩検知を確実なものにするため、小型の水素ガスセンサを多数配置して、漏洩箇所を監視するシステムの有用性が見直されている。例えば爆発限界濃度の数％の水素濃度においては、高速な応答速度（例えば１〜３秒の範囲）で水素ガスを検知できる水素ガスセンサが求められている。このような監視システムのアイデアは、例えば燃料電池、ＶＯＬ．４、Ｎｏ．４、２００５年、ｐ．６０−６３（非特許文献１）に記載されている。このような監視システムの実現には、例えば１００ｐｐｍの１０％の水素濃度に対して高速で応答する水素ガスセンサであって、さらに低電力消費、小型、および安価であることが望まれている。また、燃料電池自動車または水素自動車における水素漏れ監視においても低消費電力の水素ガスセンサは有用である。【０００３】
ところで、現在最も電流容量が取れる電池の一つとしてリチウム電池がある。リチウム電池は発火の危険性はあるが、２個までなら発火安全対策のための特段の実装構造上の対策は不要であることが法律上定められている。リチウム電池の中でも電流容量が高いリチウム電池（例えば電圧３Ｖ、電流容量２．６Ａｈ）を２個用いて水素ガスセンサを動作させた場合は、消費電力が１ｍＷならば、６５０日程度の水素ガスセンサの連続運転が可能である。すなわち、１年間の動作に限れば、１．７８ｍＷまでの消費電力が許容される。また、携帯機器用の小型ボタン電池を１個用いて水素ガスセンサを動作させる場合は、比較的容量の大きいリチウム電池であっても、電圧は３Ｖであるが電流容量が０．６１Ａｈと小さいので、水素ガスセンサを１年以上動作させるには、さらに消費電力の低減の工夫が必要となる。水素ガスセンサの消費電力は、主としてセンサ部分とインターフェイス回路で決定される。インターフェイス回路の消費電力はＩＣ化することによって低減することができる。【０００４】
大量生産が容易な水素ガスセンサとして、Ｓｉ半導体を用いる低電力動作を特徴とする水素ガスセンサとして、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）型水素ガスセンサが提案されている。しかし、このＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサであっても、高速な応答が必要な場合は、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサを１００〜２００℃に加熱する必要がある。【０００５】
本発明者は、２ｍｍ角のセンサチップを搭載したＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサとして、１００ｍＷ程度の消費電力（例えば燃料電池、Ｖｏｌ．８、Ｎｏ．３、２００９年、ｐ．８８−９６（非特許文献２））を実現しているが、前述したように、電池動作においては、更なる低消費電力化が必要である。【０００６】
上記非特許文献２に記載されたＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサでは、センサチップの表面で、センサ用ＭＩＳＦＥＴ、参照用ＭＩＳＦＥＴ、および温度を計測するＰＮ接合型ダイオードの周囲を金属からなるヒータ配線によって取り囲み、平面寸法２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのセンサチップ全体を１００〜１５０℃に加熱している。この場合、多数のリード線が用いられる。【０００７】
また、センサチップの基板としては、一般にはＳｉ単結晶からなるＳｉ基板が用いられる。しかし、Ｓｉ基板は熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・℃）である。そのため、低電力化技術としてＳｉ基板をくり貫き、そのくり貫いた領域にヒータを形成する構造をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；微小電気機械素子）構造が知られている。例えば米国特許出願公開第２００４／００７５１４０号明細書（特許文献１）には、Ｓｉ基板をくり貫き、その部分に熱伝導度が低いＳｉ３Ｎ４膜やＳｉＯ２膜などの絶縁体を薄く形成
し、その部分にＳｎＯ２膜などの薄膜を用いた可燃性ガスセンサと抵抗体によるヒータとを形成し、４００℃程度に加熱する技術が開示されている。ただし、この実施例では、くり貫き部分にＭＩＳＦＥＴは形成されていない。【０００８】
また、例えば米国特許第６１１１２８０号明細書（特許文献２）には、ＳＯＩ（Silicon On Isolator）基板を用い、そしてＳｉ基板をくり貫いた領域にＳｉ−ＭＩＳＦＥＴを形成してヒータとして用い、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ上に感応膜（例えばＳｎＯ２膜）を配して、これをガスセンサ膜として用いた可燃性ガスセンサが開示されている。さらに、Ｓｉ基板をくり貫いた領域に形成したＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜上に触媒機能のある材料をドープした金属酸化物などの感応膜を形成し、その上にＰｔ電極を形成した水素ガスセンサが開示されている。また、Ｓｉ基板をくり貫いた領域のＳｉＯ２膜の裏側に抵抗体によるヒータを形成して、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴを加熱することも記載されている。しかし、このような水素ガスセンサの構造では、ＳＯＩ基板表面でのリソグラフィープロセス後に、凹凸面のあるＳＯＩ基板裏面のリソグラフィープロセスを複数回行うなど製造工程を用いている。【０００９】
一方、連続通電で低消費電力化を十分に達成できない場合には、間歇動作方式が有効である。加熱時間をτ１、加熱停止時間をτ２とすると、加熱消費電力をｄｕｔｙ比（τ１／（τ１＋τ２））分だけ実効的に小さくする間歇動作方式を使うこともできる。この間歇動作方式は、対象部位の熱容量とこれに繋がる熱抵抗の積で決まる時定数が、加熱時間τ１や加熱停止時間τ２に比べて十分短ければ、有効である。この方式では、加熱停止時間τ2を長くすれば、原理的にはいくらでも低消費電力化が可能であるが、ガス漏れ感知能力は低下する。【００１０】
従来の水素ガスセンサの応答速度の限界もあり、現行法規では、水素ガスセンサの応答速度は３０秒以下と決められている。従って、高速な応答速度（例えば、1秒程度）の水素ガスセンサがあれば、ヒータを２秒間加熱した後、２８秒間加熱を停止するという間歇動作であっても安全性を損なわずに水素ガスの漏洩爆発を防ぐことが可能になるので、１／１４程度がｄｕｔｙ比の下限となる。つまり、例えばコードレス監視システムまたは上記非特許文献１に記載されている無線監視システムのセンサノードにリチウム電池を法律上規制がない２個使用した場合は、２５ｍＷ×（１／１４）≒１．７８ｍＷとなる。このことから、１年間の動作を保証できるヒータ加熱の消費電力の上限は２５ｍＷ程度と考えられる。【００１１】
前述した非特許文献２で実現している２ｍｍ角のセンサチップ（Ｓｉ基板の厚さ０．４ｍｍ）を搭載したＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサでは、２ｍｍ角のセンサチップの熱容量が約２７０μＷ秒／℃と大きい。そのため、環境温度（例えば−３５℃）から１５０℃ほどチップ温度を上げようとすると、その到達時間ｔ０は、熱容量Ｃと温度差ΔＴとの積と、投入されるヒータ電力Ｐｏｗの商とで求められ、１００ｍＷで１秒程度、１ｍＷで１００秒程度かかる。このような水素ガスセンサにおいてヒータを連続動作させる場合には、この到達時間ｔ０はセンサ温度を急激に変化させることはないので問題とならないが、ヒータの間歇動作を実現しようとすると大きな障害になる。つまり、既存の公知技術では、電池で長期間使用できるヒータを備えた水素ガスセンサは存在しない。【００１２】
さらに、水素ガスセンサの設置環境温度が−５０℃の低温から７０℃の高温までの広い温度範囲で使用される場合があり、設置環境温度が１日単位あるいは年単位で変動する場所への設置が必要な場合もある。例えば福井清、表面技術、第５７巻、Ｎｏ．４、２００６年、ｐ．２４４−２４９（非特許文献３）などに記載されている接触燃焼式の水素ガスセンサでは、水素ガスセンサと同等な構造を持つ温度補償素子、例えばバランス回路（ホイートストーンブリッジ回路など）を用いて、温度変動の問題を解決している。【００１３】
さらに、ゲートにＰｔを用いたＰｔゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサでは、ＰｔとＳｉＯ２などの酸化物との接着性が悪く、長期に渡る信頼性が保証できないこと、およびＳｉ−ＭＩＳＦＥＴを製造する加工プロセスにおいて、部分的にＰｔ膜が剥がれて、剥がれたＰｔ膜により製造装置が汚染されることなどが問題となっている。そのため、Ｐｔを用いる場合にはＰｔとＳｉＯ２との間に、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどのバリアメタルを挿入して接着性を保持し、剥がれによる汚染を回避している。しかし、水素ガスセンサを動作させた場合、これらのバリアメタル層があると水素ガスがバリアメタル層でブロックあるいは吸蔵されて、水素ガスに全く反応しなくなるか、水素応答感度が極めて低くなり水素ガスセンサとしては使えなくなるという問題があった（例えばS.Y.Choi, et.al, IEEE Electron Device Letters, EDL-5, 14-15 (1984)（非特許文献４））。【００１４】
Ｐｄ触媒をスパッタリング法によりゲート絶縁膜（ＳｉＯ２膜）上に形成したＰｄゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサでは、空気希釈１％水素ガスで１００℃の熱処理を行うことにより、空気希釈１％水素ガスに対する応答時間が５０時間から５５秒に大幅に短縮する効果が見出されている（例えばY.Morita, et,al, Sensors and Actuators, B33, 96-99 (1996)（非特許文献５））。ただし、空気希釈１％水素ガス照射を止めた時、水素応答強度が僅かに残り、水素応答の停止に要する時間は６５５秒程度となる。上記非特許文献５によれば、水素アニール前にはｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴおよびｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの閾値電圧Ｖｔｈがそれぞれ１．３Ｖおよび−０．６Ｖであったものが、空気希釈１％水素ガスで１００℃の熱処置を行った後、両者共に閾値電圧Ｖｔｈは０．２Ｖに変化することが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／００７５１４０号明細書
【特許文献２】米国特許第６１１１２８０号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】横澤、他３名、燃料電池、ＶＯＬ．４、Ｎｏ．４、２００５年、ｐ．６０−６３
【非特許文献２】宇佐川、他３名、燃料電池、Ｖｏｌ．８、Ｎｏ．３、２００９年、ｐ．８８−９６
【非特許文献３】福井清、表面技術、第５７巻、Ｎｏ．４、２００６年、ｐ．２４４−２４９
【非特許文献４】S.Y.Choi, et.al, IEEE Electron Device Letters, EDL-5, 14-15 (1984)
【非特許文献５】Y.Morita, et,al, Sensors and Actuators, B33, 96-99 (1996)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
低消費電力の水素ガスセンサは、例えば前述した特許文献２において開示されたＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサによって実現することはできるが、製造工程が複雑となり、製造歩留まりが低下するという課題などがある。さらに、電池などを用いた低電圧電源（例えば１．５−３Ｖ）によって１年以上の動作を可能とする低消費電力の水素ガスセンサを実現することは難しいという問題があった（第１の課題）。【００１８】
本発明の目的は、低電圧電源（例えば１．５〜３Ｖ）で１年以上の動作を可能とする低消費電力のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサを容易に実現することのできる技術を提供することにある。【００１９】
さらに、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサのセンサ用ＭＩＳＦＥＴの閾値電圧の制御性を向上させ（第２の課題）、温度補償素子を形成せずに、環境温度の変化に対して動作温度を一定に保つことのできるＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサを実現する（第３の課題）ことができる技術を提供することにある。【００２０】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態を簡単に説明すれば、次のとおりである。【００２２】
この実施の形態は、基板の主面にセンサ用ＭＩＳＦＥＴおよびヒータが形成されたセンサチップと、センサチップを搭載する実装基板と、センサチップと実装基板との間に挿入された断熱材を含む水素ガスセンサであって、センサチップの基板の主面上に、引き出し配線を介してヒータに繋がるパッド電極が形成され、実装基板を貫通して外部との接続に用いられるリード端子が形成され、パッド電極とリード端子とはリード線により接続されており、ヒータが形成されたヒータ領域からセンサチップと断熱材とを挟んだ実装基板までの熱抵抗をＲＤとし、ヒータ領域からパッド電極までの熱抵抗とリード線との熱抵抗との総和の熱抵抗をＲＬとし、ヒータ領域の表面積と同じ面積を有する円の半径をｒＡとし、ヒータの加熱による雰囲気ガスの熱伝導度をλとし、ヒータ領域の設定温度と設置環境想定最低温度との差を温度差ΔＴｍａｘとし、設定温度におけるヒータの電気抵抗と電源電圧とで決まるヒータへ投入されるヒータ最大電力をＰｏｗｍａｘとすると、ヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘが２５ｍＷ以下で、
Ｐｏｗｍａｘ／ΔＴｍａｘ＞１／ＲＤ＋１／ＲＬ＋４πλ・ｒＡを満足するように熱抵抗ＲＤ，ＲＬおよびヒータ領域の表面積を設定する。
【発明の効果】
【００２３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。【００２４】
低電圧電源（例えば１．５〜３Ｖ）で１年以上の動作を可能とする低消費電力のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１によるセンサ用ＭＩＳＦＥＴの要部断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１によるセンサチップの要部平面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１によるＭＥＭＳ領域に形成されたブリッジ領域の一部を拡大した要部平面図および同図（ａ）のＡ−Ａ′線に沿った要部断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）はそれぞれ本発明の実施の形態１によるセンサチップを実装した水素ガスセンサの断面模式図、本発明の実施の形態１によるステム台座の裏面模式図、および本発明の実施の形態１によるステム台座の表面模式図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による消費電力特性を説明するグラフ図および本発明の実施の形態１による水素ガスセンサのヒータ消費電力特性を説明するグラフ図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による閾値電圧の制御性を説明するグラフ図および本発明の実施の形態１による水素応答出力の時間応答を説明するグラフ図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による閾値電圧のウェハ面内分布と再現性を説明する閾値電圧のウェハ面内分布図および本発明の実施の形態１による水素応答出力のウェハ面内分布を説明する図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による制御回路図および本発明の実施の形態１による制御回路の動作（電流−電圧特性）を説明するグラフ図である。
【図９】本発明の実施の形態２によるガラス基板上に形成したポリシリコンをチャネル層に用いたセンサ用ＭＩＳＦＥＴの要部断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２によるセンサ用ＭＩＳＦＥＴの製造方法を示す要部断面図である。
【図１１】発明の実施の形態２によるセンサチップの要部平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２によるセンサチップを実装した水素ガスセンサの断面模式図である。
【図１３】本発明の実施の形態２による水素ガスセンサのヒータ消費電力特性を説明するグラフ図である。
【図１４】本発明の実施の形態３によるセンサ用ＭＩＳＦＥＴの要部断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態３によるセンサチップの要部平面図である。
【図１６】本発明の実施の形態３の他の例によるセンサ用ＭＩＳＦＥＴの要部断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態３の他の例によるセンサチップの要部平面図である。
【図１８】本発明の実施の形態４によるセンサチップの要部平面図である。
【図１９】本発明の実施の形態５による可燃性ガスセンサの要部断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態５によるセンサチップの要部平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００２７】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００２８】
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態においては、電界効果トランジスタを代表するＭＩＳＦＥＴをＦＥＴと略す場合もある。なお、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）は、そのゲート絶縁膜がＳｉＯ２膜からなる構造の電界効果トランジスタであり、上記ＭＩＳＦＥＴの下位概念に含まれるものとする。また、以下の実施の形態において、Ｓｉ３Ｎ４は、所謂窒化シリコン、窒化ケイ素またはシリコンナイトライドであるが、シリコンの窒化物で類似組成の絶縁膜を含むものとし、ＳｉＯ２は、所謂酸化シリコンであるが、シリコンの酸化物で類似組成の絶縁膜を含むものとする。また、以下の実施の形態において、ウェハと言うときは、Ｓｉ単結晶ウェハを主とするが、それのみではなく、ＳＯＩウェハ、ガラスウェハ、集積回路をその上に形成するための絶縁膜基板等を指すものとする。その形も円形またはほぼ円形のみでなく、正方形、長方形等も含むものとする。
【００２９】
また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
本発明の実施の形態では、ガスセンサの一例としてＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサを用いて、第１の課題、第２の課題、および第３の課題を解決する手段について説明するが、別方式のガスセンサに適用できることは言うまでもない。また、本発明の実施の形態では、主として電圧３Ｖ、電流容量２．６Ａｈのリチウム電池を２個用いて動作させるＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサについて説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
本実施の形態１は、第１の課題を解決するための第１の手段、第２の課題を解決するための手段、および第３の課題を解決するための手段に関するものである。
【００３２】
まず、第１の課題を解決するための第１の手段について説明する。
【００３３】
Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサの低消費電力化は、ヒータ領域の表面積を小さくしてヒータ領域の表面からの熱放散を小さくし、ヒータ領域の熱拡散を以下に説明するＭＥＭＳ構造にすることによって断熱化することにより実現することができる。また、ガラス基板上にセンサ用ＦＥＴを形成することによってガラス基板からの熱放散を抑え、これらに加えて、さらにセンサチップ自身も小型にし、センサチップの面積と同程度の断熱材を挟んで実装し、取り出し配線よってヒータ領域と繋がれたパッド電極を通して実装リード線からの熱放散を抑える構造とするにより実現することができる。ガラス基板上にＭＩＳＦＥＴを形成する一例は、後述する実施の形態２に記載する。
【００３４】
本実施の形態１による第１の課題を解決するための基本的なコンセプトは、以下の通りである。
（１）センサチップ全体を１００〜１５０℃に加熱すると熱効率が悪く、熱容量が大きくなりすぎるので、真性ＦＥＴ領域の熱容量を従来の１／１０００以下にすることによって、昇温速度を低消費電力でも数１０ｍ秒以下にする。
（２）ヒータ領域の表面から雰囲気ガス中への熱流出を少なくするため、ソース電極とゲート電極およびドレイン電極とゲート電極との間隙部分にそれぞれヒータ配線を挿入する構造とすることによって、ヒータ領域の表面積を小さく、例えば３００μｍ×３００μｍ以下とする。
（３）センサ用ＦＥＴの寄生抵抗を僅かに増加させるのみで、真性ＦＥＴ領域からパッド電極までの取り出し配線の熱抵抗を大きく取る。
（４）実装リード線からの熱流出を防ぐため、実装リード線を４本とし、実装リード線の直径を８〜２５μｍとし、長さを３〜１２ｍｍ程度とする。
（５）センサチップと実装基板（ステム台座）との間に挿入した断熱材を通じての熱流出を防ぐために、熱伝導率の極めて低い泡ガラス断熱材を用いる。
（６）上記（１）〜（５）により、３Ｖ電圧の電池動作の場合、２５〜０．３ｍＷ程度の低消費電力の水素ガスセンサを実現する。
【００３５】
Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサの場合、所定の温度に保つ必要性があるのは、センサ用ＦＥＴのチャネルを制御する触媒金属ゲートの部分だけである。ヒータ配線の抵抗の温度特性が分かれば、センサチップの温度を計測することができるので、温度計としてヒータ配線の抵抗値を使うことができる。
【００３６】
従って、センサチップ内にはチップ温度を計測するためのＰＮ接合ダイオードは必ずしも必要ないので、ＰＮ接合ダイオードを削除することにより、センサチップの面積を小さくすることができる。センサ用ＦＥＴのみをチップ化することによって、センサチップの面積を小さくでき、センサ用ＦＥＴの触媒金属ゲートのみを加熱すればよいので、熱源（ヒータ配線）の面積を小さくできる。これにより、低電力化が可能になる。
【００３７】
さらに、実装リード線を、例えば４本に減らせるので、実装リード線からの熱の流出を防ぐことができる。センサ用ＦＥＴの触媒金属ゲートの温度は、１００〜１５０℃の所定の温度に保持できればよく、典型的な水素ガスセンサの動作温度４００℃に比べて低温となる。
【００３８】
これらを考慮して、本実施の形態１では、まず、ＳＯＩ基板を採用し、ＳＯＩ基板のセンサ用ＦＥＴ部分のＳｉ基板を埋め込み絶縁層に達するまでくり貫き（ＭＥＭＳ領域）、ソース電極と触媒金属ゲートとの間隙およびドレイン電極と触媒金属ゲートとの間隙に折り曲げ状のヒータ配線を配置（ヒータ領域）する。これにより、センサ用ＦＥＴ全体を加熱する他のヒータ配置の加熱構造に比べてヒータ領域が小さくなるので、ヒータ領域の表面から雰囲気ガス中への熱流量を少なくすることができ、また、ヒータ領域に触媒金属ゲートを配置することで製造プロセスが簡便になる。
【００３９】
以下、センサ用ＦＥＴの触媒金属ゲート、ソース電極、およびドレイン電極、ならびに上記ヒータ領域を含む領域を真性ＦＥＴ領域と言う。
【００４０】
さらに、ＭＥＭＳ領域に真性ＦＥＴ領域が重ならない領域を形成し、この領域を覆う絶縁薄膜の熱抵抗を大きくする構造にすることで、ヒータ配線で加熱されたヒータ領域の熱が周囲に逃げない構造（熱的に絶縁、断熱構造）にする。さらに、熱抵抗の高い断熱材上にセンサチップを設置し、実装リード線までの取り出し配線の熱抵抗がセンサ用ＦＥＴまたはヒータ配線ヘの電気抵抗へ及ぼす影響を大きくすることがないように取り出し配線を配置し、実装リード線の熱抵抗を大きくし、ヒータ領域から実装基板（ステム台座）への熱拡散を断熱構造にする。これにより、２５〜０．３ｍＷの低消費電力センサを実現する。
【００４１】
さらに、ＭＥＭＳ領域に真性ＦＥＴ領域が重ならない領域を形成し、この領域を覆う絶縁薄膜の熱抵抗をさらに上げるため、絶縁薄膜にいくつかの貫通孔を形成する。これにより、さらに低消費電力化が可能になる。
【００４２】
なお、ＭＥＭＳ領域が大きくなりすぎるとＭＥＭＳ領域の機械的強度が弱くなり長期信頼性がなくなる。そこで、真性ＦＥＴ領域とＭＥＭＳ領域とが重ならない領域に絶縁薄膜を残した補強領域に加えて、ヒータ配線の取り出し配線、ならびにセンサ用ＦＥＴのソース電極、ドレイン電極および触媒金属ゲートの取り出し配線を用いて、真性ＦＥＴ領域とＭＥＭＳ領域の外側とを繋ぐことで、ＭＥＭＳ領域の機械的強度劣化を防ぐことができる。
【００４３】
さらに、これらの取り出し配線で真性ＦＥＴ領域とＭＥＭＳ領域の外側とを繋いだ領域（以下、ブリッジ領域と言う）の熱抵抗を、真性ＦＥＴ領域とＭＥＭＳ領域とが重ならない領域を覆う絶縁薄膜の熱抵抗と同等以下にすることで、ヒータ領域の熱が周囲に逃げない構造（熱的に絶縁、断熱構造）を実現する。
【００４４】
本実施の形態１では、真性ＦＥＴ領域とＭＥＭＳ領域の最も近い距離が全てのブリッジ領域の幅とすべての補強領域の幅の和に比べて１倍から２０倍に形成されている。
【００４５】
以下に、第１の課題を解決する第１の手段を実現するためのセンサチップの構成条件および動作条件をまとめる。
【００４６】
センサチップから断熱材を挟んで実装基板に流れる熱流の熱抵抗をＲＤとし、ヒータ領域から実装リード線が接続されるセンサチップ上に形成された複数のパッド電極までの熱抵抗と複数の実装リード線の熱抵抗とを総和した熱抵抗を熱抵抗ＲＬとし、ヒータ領域の表面から雰囲気ガス中への熱流失に伴う熱抵抗をＲＡとする。そして、ヒータ領域の表面積と同じ面積の円の半径をｒＡとし、ヒータ配線の温度における空気の熱伝導率をλとすると、半径ｒＡの円状加熱体からの熱抵抗１／（４πλ・ｒＡ）を用いて熱抵抗ＲＡを近似することができる。
【００４７】
従って、ヒータ領域の設定温度Ｔｓと水素ガスセンサの設置環境想定最低温度Ｔｅｍｉｎとの温度差をΔＴｍａｘ（＝Ｔｓ−Ｔｅｍｉｎ）とし、設定温度Ｔｓでのヒータ配線の電気抵抗Ｒ（Ｔｓ）と使用する電源電圧Ｖｄｄとで決まるヒータ配線へ投入するヒータ最大電力をＰｏｗｍａｘとすると、ヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘが２５ｍＷ以下で、
Ｐｏｗｍａｘ／ΔＴｍａｘ＞１／ＲＤ＋１／ＲＬ＋４πλ・ｒＡ      式（１）
を満足するように熱抵抗ＲＤ，ＲＬおよびヒータ領域の表面積を設定することが必要条件となる。
【００４８】
水素ガスセンサの設置環境想定最低温度Ｔｅｍｉｎは−６５℃程度であり、ヒータ領域の設定温度Ｔｓは、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサの場合には、標準的なチップ温度である１１５℃での動作の場合、ほぼこの動作温度１１５℃と考えてよい。従って、この場合、温度差ΔＴｍａｘは１８０℃（＝Ｔｓ−Ｔｅｍｉｎ）となる。
【００４９】
さらに、このようなＭＥＭＳ構造にすれば、ヒータ領域の熱容量を３桁以上も減少させることができるので、温度の上昇速度や下降速度などの到達時間ｔ０を小さくすることができる。従って、ヒータ配線の間歇動作には好適であり、ｄｕｔｙ比（τ１／（τ１＋τ２））を、例えば後述するように１／１４程度まで小さくできるので、連続動作に比べて実効的に消費電力を１桁以上低減することができる。実用的には水素ガスの場合、ｄｕｔｙ比は１／１４から１．０の範囲である。
【００５０】
ヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘは、電源電圧Ｖｄｄ（電流容量２．６Ａｈのリチウム電池２個で動作させる水素ガスセンサの場合は３Ｖ）と、設定温度Ｔｓでのヒータ配線の電気抵抗Ｒ（Ｔｓ）から決まる。実際には、ヒータ配線の電気抵抗Ｒ（Ｔｓ）を大きく設定しすぎると、ヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘは小さくなりすぎ、また、水素ガスセンサの動作温度を上げて温度差ΔＴを大きくしすぎると、式（１）を満足する熱抵抗ＲＤ，ＲＬとヒータ領域の表面積との現実的な組み合わせは存在しなくなる。従って、ヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘが小さくなるに連れて、水素ガスセンサの場合、温度差ΔＴ＝１５０℃、動作チップ温度１１５℃を実現できる構造は格段に難しくなる。
【００５１】
一方、ヒータ電力Ｐｏｗを上げていけば、必然的に式（１）を満足する熱抵抗ＲＤ，ＲＬとヒータ領域の表面積との現実的な組み合わせは容易に存在するが、水素ガスセンサの場合、３０秒以内の応答速度が求められているので、ｄｕｔｙ比には制限が加わる。このため、むやみにヒータ電力Ｐｏｗを上げることができず、ヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘは２５ｍＷが、以下に説明するように上限となる。本実施の形態１に係わるＰｔ−Ｔｉ−ＯゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサの場合、１０００ｐｐｍから数％の水素濃度の領域で１秒に近い応答速度を示すので、ｄｕｔｙ比の下限としては１／１４程度まで可能である。リチウム電池２個で１年間動作を保証できる連続運転の消費電力は１．７８ｍＷが上限であるので、２５ｍＷ×１／１４≒１．７８ｍＷであることから、リチウム電池２個で１年間動作できる消費電力の上限は２５ｍＷ程度である。そのため、電池の容量と水素ガス検知の安全性を両立できる最大消費電力は２５ｍＷ程度となる。
【００５２】
実際の構造では、真性ＦＥＴ領域とＭＥＭＳ領域の外側とを結ぶブリッジ領域を流れる熱流の熱抵抗ＲＭが存在する。熱抵抗ＲＭが小さくなると実効的なヒータ領域が広がり、熱抵抗１／（４πλ・ｒＡ）が小さくなり、式（１）を満たさなくなる。つまり電力をヒータ配線に投入してもチップ温度が設定温度Ｔｓに達しなくなる。しかし、熱抵抗ＲＭを真性ＦＥＴ領域とＭＥＭＳ領域縁、またはパッド電極との間の温度差が温度差ΔＴｍａｘの約５０％以上にとれれば、ヒータ領域から周辺の薄膜または基板への熱拡散を防ぐことができる。
【００５３】
熱抵抗ＲＤ，ＲＬ，ｒＡに対しては構成の自由度が高いので、２５〜０．３ｍＷの領域では、式（１）を満足させる水素ガスセンサ構造を実現することができる。
【００５４】
ところで、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサに用いる触媒金属ゲートの温度を、例えば１１５℃に固定したまま消費電力を下げようとすると、ヒータ配線の断面積を小さくして、ヒータ抵抗を上げる必要がある。しかし、ヒータ配線を流れる電流密度が高すぎると、断線などの信頼性に問題を引き起こすので、ヒータ配線の断面積をむやみに小さくできない。そのため、抵抗率の低いＡｌやＡｕからなるヒータ配線に代えて、抵抗率の高いＷＳｉ、Ｗ、ポリシリコン（多結晶シリコン）などを用いる。これによって、上記電流密度の問題を回避できる程度にヒータ配線の断面積を保持し、ヒータ配線の長さをより小さくすることができるので、結果としてヒータ領域の表面積が小さくなり、更なる低消費電力化につながる。
【００５５】
本実施の形態１では、センサ用ＦＥＴにｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴに適用した場合について説明する。センサ用ＦＥＴのゲートには触媒金属ゲートを用いたが、本実施の形態１では、Ｔｉ（厚さ５ｎｍ）およびＰｔ（厚さ１５ｎｍ）を電子ビーム蒸着法によりゲート絶縁膜上にリフトオフ法により順次形成し、その後、４００℃、２時間の空気アニール処理を施すことにより形成されたＰｔ−Ｔｉ−Ｏ構造のゲートを例示する。
【００５６】
本実施の形態１によるＰｔ−Ｔｉ−Ｏ構造のゲートについて以下に説明する。
【００５７】
本発明者は、Ｔｉ膜とＰｔ膜とを積層したゲートを備えたＳｉ−ＭＩＳＦＥＴを空気中で熱処理することにより、高い水素ガス感応感度を有する水素ガスガスセンサが得られることを見いだした。Ｐｔ膜の厚さは、例えば１５ｎｍ、Ｔｉ膜の厚さは、例えば１５ｎｍ、熱処理の温度は、例えば４００℃、熱処理の時間は、例えば２時間である。この熱処理による効果は以下のように理解することができる。すなわち、上記Ｔｉ／Ｐｔ積層膜に熱処理を施すことによって、Ｔｉ原子がＰｔ結晶粒界とその近傍を伝わってＰｔ膜の表面に抜けるプロセスと、Ｏ原子がＰｔ結晶粒界とその近傍を伝わってＴｉ膜の中に侵入するプロセスとが生じる。そのため、Ｔｉ膜は、ＴｉＯｘ層（高濃度の酸素がドープした非晶質Ｔｉ、非晶質ＴｉＯ、または微結晶ＴｉＯが混じり合った層）に変質し、このプロセスの途中で、Ｐｔ（１１１）配勾の微結晶粒がＴｉＯｘ層内にめり込む。めり込み深さが個々のＰｔ（１１１）配勾の微結晶粒により異なることから、Ｐｔ膜とＴｉＯｘ層との界面には凹凸が発生する。一方、Ｔｉ原子およびＯ原子が通過したＰｔ微結晶粒間の粒界領域には高濃度の酸素がドープされたＰｔ−ＴｉからなるＰｔ−Ｔｉ−Ｏ領域を配する構造が形成されている。以下、このようなＰｔ−Ｔｉ−Ｏ領域を配する構造の触媒金属ゲートをＰｔ−Ｔｉ−Ｏゲートと言い、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲートを有するＭＩＳＦＥＴをＰｔ−Ｔｉ−ＯゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと言う。
【００５８】
次に、前述した第１の課題を解決する第１の手段を実現するためのセンサチップの構成条件および動作条件を適用した本実施の形態１によるＰｔ−Ｔｉ−ＯゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサの構造について詳細に説明する。
【００５９】
図１〜図５を用いて、本実施の形態１による第１の課題を解決する第１の手段を説明する。図１および図２はそれぞれセンサ用ＦＥＴの要部断面図およびセンサチップの要部平面図であり、図３（ａ）および（ｂ）はそれぞれＭＥＭＳ領域に形成されたブリッジ領域の一部を拡大した要部平面図および同図（ａ）のＡ−Ａ′線に沿った要部断面図であり、図４（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）はそれぞれセンサチップを実装した水素ガスセンサの断面模式図、ステム台座の裏面模式図、およびステム台座の表面模式図であり、図５（ａ）および（ｂ）はそれぞれ消費電力特性（式（１））を説明するグラフ図および水素ガスセンサのヒータの消費電力特性を説明するグラフ図である。
【００６０】
まず、図１、図２、および図３を用いてセンサチップについて説明する。図１には、ＳＯＩ基板に形成したセンサ用ＦＥＴの主要部分、ヒータ配線、および取り出し配線などを示している。図２には、ＳＯＩ基板に形成したセンサチップの主要部分、ヒータ配線、取り出し配線、およびパッド電極などを示している。
【００６１】
図１に示すように、Ｓｉ基板２２上には、埋め込み絶縁層（ＳｉＯ２層）２３、チャネル層（Ｓｉ層）２４、ｎ＋Ｓｉ層２８Ｓ，２８Ｄ、ゲート絶縁膜（ＳｉＯ２膜）２７、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏからなるゲート電極（Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート、触媒金属ゲート）２８、ソース電極３１Ｓ、ドレイン電極３１Ｄなどが形成されている。Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８のゲート長は、例えば５μｍ、ゲート幅は、例えば２０μｍである。チャネル層２４の厚さは、例えば０．１〜５μｍであり、代表的な厚さとしては０．２μｍを例示することができる。埋め込み絶縁層２３の厚さは、例えば０．１〜５μｍの範囲であり、代表的な厚さとして３μｍを例示することができる。Ｓｉ基板２２の厚さは、例えは２００〜７５０μｍであり、代表的な厚さとして５００μｍを例示することができる。
【００６２】
また、Ｓｉ結晶はドーピングにより熱伝導率λが下がるので、本実施の形態１のように断熱をしたい場合には、Ｓｉ基板２２に高濃度のｐ型不純物を添加したｐ型のＳｉ基板を用いる。これにより、熱伝導率λが不純物を添加していないＳｉ結晶の１／３程度に下がるので、断熱特性が向上する。本実施の形態１では、Ｓｉ基板２２にＢ（ボロン）を添加したｐ型のＳｉ基板を用いたが、高濃度基板のＳＯＩ基板を用いることもできる。
【００６３】
本実施の形態１では、ｎ＋Ｓｉ層２８Ｓ，２８Ｄをイオン注入法で形成した後、活性化のための熱アニール処理を施すが、この熱アニール処理時の増殖酸化により局所酸化膜（ＳｉＯ２膜）２６を形成する。局所酸化膜２６の下にｎ＋Ｓｉ層２８Ｓ，２８Ｄを形成した後、センサ用ＦＥＴのソース電極３１Ｓ、ドレイン電極３１Ｄ、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８の主要部が形成される真性ＦＥＴ領域３５以外の領域のｎ＋Ｓｉ層２８Ｓ，２８Ｄ、チャネル層２４を選択的に除去する。この目的は、チャネル層２４は熱伝導率がＳｉＯ２に比べて２桁程度高いため、チャネル層２４の面積が大きいとヒータ配線３２により加熱された真性ＦＥＴ領域３５に流入した熱量が周囲に逃げやすくなるので、真性ＦＥＴ領域３５を効率的に断熱するためである。例えばアンドープ単結晶Ｓｉ基板の熱伝導率λは１４８Ｗ／（ｍ・℃）、ＳｉＯ２の熱伝導率λは１．４Ｗ／（ｍ・℃）、Ｓｉ３Ｎ４の熱伝導率λは２５Ｗ／（ｍ・℃）である。Ｓｉ３Ｎ４の熱伝導率λは作製条件により０．９から４０Ｗ／（ｍ・℃）程度の範囲で変化するが、膜厚を変えることでＳｉ３Ｎ４膜の熱伝導度を設計することができる。
【００６４】
図１および図２に示すように、ゲート領域２５は局所酸化膜２６およびＰＳＧ（リンドープガラス）保護膜２９に囲まれた長方形状であり、このゲート領域２５にゲート絶縁膜２７を介してチャネル層２４が形成されている。Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８は、電子ビーム蒸着法によりＴｉ膜（例えば厚さ５ｎｍ）およびＰｔ膜（例えば厚さ１５ｎｍ）を順次形成し、局所酸化膜２６の縁に乗り上がる様にリフトオフ法により形成されている。このときに、４００℃２時間の空気アニール処理を行っている。Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８の幅はゲート長に比べて３μｍ広く設計し、例えば８μｍである。
【００６５】
ゲート領域２５を除いて、ｎ＋Ｓｉ層２８Ｓ，２８Ｄおよび局所酸化膜２６上には、ゲート保護用のＰＳＧ保護膜２９が熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成されている。さらにＰＳＧ保護膜２９上にはＷＳｉからなるヒータ配線３２が形成されている。ＰＳＧ保護膜２９の厚さは、例えば３００ｎｍである。ヒータ配線３２の厚さは、例えば３００ｎｍ、線幅は、例えば１μｍ、１１５℃での抵抗率は、例えば３００μΩｃｍである。Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８とソース電極３１Ｓとの間に、例えばヒータ配線３２が長さ３０μｍを単位として１μｍ間隔で４本つづれ折形状で形成され、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８とドレイン電極３１Ｄとの間にも同様にヒータ配線３２が形成されている。この場合、ヒータ配線３２の全長は約２５０μｍとなる。ヒータ配線３２の抵抗は、例えば１１５℃で１．５ｋΩである。
【００６６】
ヒータ配線３２上にはＰＳＧ保護膜３０が熱ＣＶＤ法により形成されている。ＰＳＧ保護膜３０の厚さは、例えば３００ｎｍである。さらに、ＰＳＧ保護膜３０には、ヒータ配線３２との接続をとるためのコンタクト孔（例えば３μｍ角）４４Ｈ，４４Ｓ、およびＰｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８との接続をとるためのコンタクト孔（例えば３μｍ角）４４Ｇが形成されており、ＰＳＧ保護膜２９，３０には、ｎ＋Ｓｉ層２８Ｓ，２８Ｄとの接続をとるためのコンタクト孔３７が形成されている。
【００６７】
さらに、コンタクト孔４４Ｈを介してヒータ配線３２の一端と接続する取り出し配線２０Ｈが形成され、コンタクト孔４４Ｓを介してヒータ配線３２の他の一端と接続する取り出し配線２０Ｓが形成され、コンタクト孔４４Ｇを介してＰｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８と接続する取り出し配線２０Ｇが形成されている。そして、ｎ＋Ｓｉ層２８Ｓと接続するソース電極３１Ｓおよびこれと同一層の取り出し配線２０Ｓが形成され、ｎ＋Ｓｉ層２８Ｄと接続するドレイン電極３１Ｄおよびこれと同一層の取り出し配線２０Ｄが形成されている。取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈは、例えばスパッタリング法により形成されたＡｌからなり、その厚さは、例えば５００ｎｍである。取り出し配線２０Ｓはコンタクト孔４４Ｓを介してヒータ配線３２の他の一端と、コンタクト孔３７を介してソース電極３１Ｓとに電気的に接続している。取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈは、それぞれセンサチップ４５Ｓの周囲に形成されたパッド電極４０，４１，４２，４３と接続している。
【００６８】
さらに、取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈ、ソース電極３１Ｓ、およびドレイン領域３１Ｄなどの上には最終の保護膜３３が形成されている。この最終の保護膜３３は、例えばＰＳＧ膜を下層とし、Ｓｉ３Ｎ４膜を上層とする積層膜からなる。下層のＰＳＧ膜は、例えば熱ＣＶＤ法により形成され、その厚さは、例えば２００ｎｍであり、上層のＳｉ３Ｎ４膜は、例えば低温プラズマＣＶＤ法により形成され、その厚さは、例えば１μｍである。
【００６９】
ヒータ配線３２の主要部が形成されるヒータ領域１０（平面寸法は、例えば３０μｍ×２４μｍ）と、センサ用ＦＥＴのソース電極３１Ｓ，ドレイン電極３１ＤおよびＰｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８の主要部が形成される真性ＦＥＴ領域３５（平面寸法は、例えば４４μｍ×４４μｍ）とが配置されるＭＥＭＳ領域３４（平面寸法は、例えば２００μｍ×２００μｍ）では、Ｓｉ基板２２が埋め込み絶縁層２３に達するまでくり貫かれている。この構造は、異方性ドライエッチングとＫＯＨ溶液によるウェットエッチングとを組み合わせせる方法により形成される。センサ用ＦＥＴの閾値電圧は、例えば１Ｖに設計されている。センサ用ＦＥＴの閾値電圧は、ドレイン電圧Ｖｄｓ＝１．５〜３Ｖの範囲でソース−ドレイン電流Ｉｄｓ＝５μＡとなるゲート電圧Ｖｇで定義している。
【００７０】
次に、本実施の形態１によるヒータ領域１０の熱を、ＭＥＭＳ領域３４で断熱的に閉じ込める構造について説明する。
【００７１】
水素ガスセンサの場合には、１００〜１５０℃での動作が望ましく、マージンも考慮してヒータ領域１０の設定温度（標準動作温度）Ｔｓを１１５℃とすると、水素ガスセンサが設置された環境温度Ｔｅが低いほど、水素ガスセンサの加熱による発熱量（ヒータ電力Ｐｏｗ）を多くする必要がある。真性ＦＥＴ領域３５のヒータ配線３２の下には熱伝導率の良いＳｉからなるチャネル層２４およびｎ＋Ｓｉ層２８Ｓ，２８Ｄがあり、ヒータ配線３２による発熱による温度の均一性を上げる効果がある。
【００７２】
本実施の形態１では、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８を挟んでヒータ領域１０が配置されており、きわめて小型であるため、ヒータ領域１０の温度とＰｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８の温度とはほぼ等しいと考えることができる。ヒータ領域１０と水素ガスセンサが設置された環境までの熱拡散を考えた場合、両者間の熱抵抗をＲｔｈとすると、環境温度Ｔｅ、ヒータ電力Ｐｏｗで、ヒータ領域の温度がＴとなったときの温度差ΔＴ（＝Ｔ−Ｔｅ）は、
ΔＴ＝Ｒｔｈ×Ｐｏｗ                                  式（２）
となる。
【００７３】
環境温度Ｔｅとして−３５℃を平均的に設置される環境の最低温度とすると、１１５℃動作の場合、温度差ΔＴは１５０℃になる。本実施の形態１では、動作温度１１５℃時のヒータ抵抗は１．５ｋΩであり、３Ｖの電池動作を考えるとヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘは６ｍＷで、温度差ΔＴｍａｘは１８０℃である。
【００７４】
一般に、最も高い温度差ΔＴは１５０℃程度であり、連続通電の場合、ヒータ電力Ｐｏｗは５ｍＷであり、間歇動作によるヒータ制御を考えると、リチウム電池が２個で１年以上の連続動作は可能となる。ＭＥＭＳ領域３４の熱容量は、例えば前述した非特許文献２に記載された２ｍｍ角センサチップ（Ｓｉ基板の厚さ０．４ｍｍ）でのＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサの熱容量（約２７０μＷ秒／℃）の１／１０,０００程度となり、５ｍＷの電力を投入した時の環境温度Ｔｅから１５０℃へチップ温度を上げようとすると、その到達時間ｔ０を２．０ｍ秒程度と非常に短くすることができる。従って、６秒間ヒータ配線３２をオン（加熱）し、２４秒間ヒータ配線３２をオフ（加熱停止）する間歇動作によって、ｄｕｔｙ比を１／５に取ることができ、水素ガスセンサの検知能力の信頼性を落とすことなく、実効的な水素ガスセンサの消費電力を１ｍＷに低減できる。これにより、３Ｖリチウム電池２個で１年程度の動作が可能になる。
【００７５】
また、引き出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０ＨはＡｌ膜により形成されるが、Ａｌ膜の熱伝導率λは金属としては２３７Ｗ／（ｍ・℃）であるが、薄膜にした場合には１８０Ｗ／（ｍ・℃）まで低下する。ＷＳｉ膜の熱伝導率λは９０Ｗ／（ｍ・℃）程度であり、両者ともヒータ領域１０からの主たる熱流路になる。そのため、以下に説明する工夫が必要である。
【００７６】
本実施の形態１では、ヒータ領域１０での発熱をより良く断熱する目的で、真性ＦＥＴ領域３５とＭＥＭＳ領域３４とが重ならない領域に、部分的にＰＳＧ保護膜２９，３０および保護膜３３を除去し、さらに埋め込み絶縁層２３を貫通させた貫通孔３６を複数配置することにより、センサチップ４５を断熱特性が各段に優れる空気により支配される構造とした。真性ＦＥＴ領域３５とＭＥＭＳ領域３４との相対距離は７８μｍであり、ＭＥＭＳ領域３４の下は空気であり、空気の１１５℃での熱伝導率λは０．０３２２７Ｗ／（ｍ・℃）ときわめて低いので、この構造の断熱特性は格段に良い。しかし、貫通孔３６を大きくしすぎると、ＭＥＭＳ領域３４の機械的強度が劣化する。一方、Ｓｉ３Ｎ４膜からなる保護膜３３はヒータ配線３２や取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ、２０Ｈを保護するために必要であるが、ＳｉＯ２に比べて熱伝導率が１桁程度高いので、消費電力が下がってくると、引き出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈが形成されたブリッジ領域の断熱特性が無視できなくなる。
【００７７】
これらの点を考慮して、断熱化の方法を図３（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す平面図および断面図を用いて説明する。図３（ａ）は図２のブリッジ領域９０の周辺部分の拡大図である。ブリッジ領域９０の長さは、例えば７８μｍである。ブリッジ領域９０の取り出し配線２０Ｚの線幅は、例えば２μｍ、保護膜３３Ｓの線幅は、例えば３μｍ、ＰＳＧ保護膜２９，３０の積層膜９３の線幅は、例えば６μｍである。また、真性ＦＥＴ領域３５の周辺部分では取り出し配線２０ＺＳと保護膜３３ＳＳとの相対距離は、例えば３μｍ、保護膜３３ＳＳとＰＳＧ保護膜２９，３０の積層膜９３ＳＳとの相対距離は、例えば３μｍである。この構造はＰｔ−Ｔｉ−Ｏゲート２８に繋がる取り出し配線２０Ｇのブリッジ領域９０Ｇ、ヒータ配線３２の一端に繋がる取り出し配線２０Ｈのブリッジ領域９０Ｈ、ソース電極３１Ｓおよびヒータ配線３２の他の一端に繋がる取り出し配線２０Ｓに繋がるブリッジ領域９０Ｓでも同じ構造になっている。ＭＥＭＳ領域３４を補強するために、ＰＳＧ保護膜２９，３０の積層膜を形成した補強領域９１の幅も、例えば６μｍである。貫通孔３６が形成される領域のＭＥＭＳ領域の縁とＦＥＴ領域の縁との距離をブリッジ領域９０の長さと定義すると、本実施の形態１では７８μｍであり、真性ＦＥＴ領域の縁とＭＥＭＳ領域の縁との最も近い距離になるので、全てのブリッジ領域９０，９０Ｓ，９０Ｇ，９０Ｈの幅および全て補強領域９１の幅の和３６μｍ（６μｍ×６本）と比べて約２．２倍であり、通例１倍から２０倍に形成される。
【００７８】
ブリッジ領域９０，９０Ｓ，９０Ｇ，９０Ｈでは、保護膜３３を構成するＳｉ３Ｎ４膜の厚さは、例えば１μｍ、ＰＳＧをＳｉＯ２とみなすと、ＰＳＧ保護膜２９，３０の厚さはＳｉＯ２換算で３．８μｍ形成されている。ＳｉＯ２の熱伝導率１．４Ｗ／（ｍ・℃）、Ｓｉ３Ｎ４の熱伝導率２５Ｗ／（ｍ・℃）、Ａｌ薄膜の熱伝導率１８０Ｗ／（ｍ・℃）、ＷＳｉ薄膜の熱伝導率９０Ｗ／（ｍ・℃）を考慮すると、ブリッジ領域９０の熱抵抗は、取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇに係わる３個のブリッジ部分で９．１×１０４℃／Ｗ、取り出し配線２０Ｈに係わる１個のブリッジ部分で３９．６５×１０４℃／Ｗ、補強領域９１に係わる２個のブリッジ部分で１２．２２×１０４℃／Ｗとなる。この３つの熱抵抗が並列につながり、ヒータ領域１０からＭＥＭＳ領域までの熱抵抗ＲＭは４．６１×１０４℃／Ｗとなる。この場合、貫通孔３６による熱伝導は無視できる。
【００７９】
また、ＭＥＭＳ領域３４からＭＥＭＳ領域３４のくり貫き領域を通じて、センサチップとステム台座に挟まれた断熱材（後述する図４（ａ）の符号５０）の表面までの熱抵抗は、空気の熱伝導度０．０３２２７Ｗ／（ｍ・℃）から７．７５×１０５℃／Ｗと見積もれるが、ヒータ領域１０の熱抵抗ＲＭに比べて１桁以上高く、無視できる。つまり、ヒータ領域１０に５ｍＷの電力が投入された場合、ブリッジ領域とヒータ領域１０との温度差は２３０．５℃（＝４．６１×１０４℃／Ｗ×５ｍＷ）となり、十分な断熱効果を期待することができる。
【００８０】
一方、保護膜３３を構成するＳｉ３Ｎ４膜は熱伝導度がＳｉＯ２に比べて１桁大きいので、真性ＦＥＴ領域３５および取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈが形成された領域上、および前述したブリッジ領域の周辺領域を残して除去している。また取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈにハッチングで示した取り出し配線の一部分は、取り出し配線の電気抵抗のセンサ用ＦＥＴに及ぼす影響を小さく保ち、熱抵抗を大きくする。そのため、例えばジグザグ構造（図２では省略している）を取り入れる等によって、その幅は、例えば１０μｍ、長さは、例えば７００μｍに設計している。このとき、取り出し配線全体の熱抵抗は１．９４×１０５℃／Ｗ程度であるが、ＭＥＭＳ領域３４以外では熱伝導度が高いＳｉ基板２２を経由して熱伝導が起こるので、ＭＥＭＳ方式では熱抵抗ＲＬへの寄与は小さい。
【００８１】
次に、本実施の形態１によるヒータ領域１０の熱を、センサチップの断熱材により実装基板から断熱する構造について説明する。図４は、本実施の形態１によるセンサチップを４本のリード端子を備えるステムに実装した水素ガスセンサの基本的な構成を説明する図である。図４（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）はそれぞれセンサチップを実装した水素ガスセンサの断面図、裏面から水素ガスセンサを見たときのステム台座の底面図、およびセンサチップを実装したステム台座の上面図である。本実施の形態１に示した実装は簡易的な防爆実装なので、市販品を用いて実装部分が構築される事が望ましい。
【００８２】
本実施の形態１に示した実装では、例えば厚さ３ｍｍのＰＥＥＫ材（ポリエーテル・エーテル・ケトン材）５７によって内部よりカシメている。Ｋｏｖａｒ製キャップ５６とステム台座の鍔５４との溶接は抵抗溶接法により行っている。本実施の形態１の水素ガスセンサで用いた防水透湿性素材５８としては、フッ素樹脂の典型であるポリテトラフルオロエチレンを延伸加工したフィルムとポリウレタンポリーマーとを複合化して作るゴアテックス（登録商標）膜を用いている。防水透湿性素材５８は、水蒸気は通すが水は通さない点（防水性と透湿性の両立）が特徴である。ゴアテックス膜の例では、１ｃｍ２当り１４億個の微細な穴を含んでいる。吸気孔６０の直径は０．５〜２ｍｍ程度の範囲で用いているが、水素応答に格段の変化は見られなかった。防水透湿性素材５８の穴径および厚さもそれぞれ１〜３μｍおよび０．３〜１ｍｍの範囲性能を比較したが特段の変化は観測できなかった。
【００８３】
４ピンＫｏｖａｒ製ステム台座(台座内径４．２２φ)５１上に形成された断熱材５０としては泡ガラス（熱伝導度０．０６１Ｗ／（ｍ・℃））を用い、例えばこれを平面寸法０．６ｍｍ×０．６ｍｍ、高さ３ｍｍの直方体状に加工して、ステム台座５１に接着している。センサチップ９の厚さは、例えば５００μｍ、センサチップ９の平面寸法は、例えば０．５５ｍｍ×０．５５ｍｍである。キャップ５６の高さは、例えば１２ｍｍ、吸気穴６０の直径は、例えば１．５ｍｍである。防水透湿性素材５８の穴径は、例えば１．０μｍ、その厚さは、例えば０．３ｍｍである。ステム台座５１には、ステム台座５１を貫通してステム台座５１の表面および裏面に突出する４本のリード端子５５が備わっており、リード端子５５は、リード端子５５の外周に設けられたガラス材６１によってステム台座５１に固定されている。図４（ａ）中、符号５９で示す寸法がキャップサイズである。
【００８４】
リード線（ワイヤボンディング）８は金線であり、その直径は、例えば８〜２５μｍ、とり長さは３〜１２ｍｍである。代表的には、例えば８μφ金線６ｍｍのリード線が用いられ、前述の図２に示す４つのパッド電極４０，４１，４２，４３と４本のリード端子５５とがそれぞれリード線８によって接続されている。この４本のリード線８の合計の熱抵抗ＲＬは、例えば９．４１×１０４℃／Ｗ程度である。この場合、ヒータ領域１０からパッド電極４０，４１，４２，４３までの熱抵抗を含んでいないので、９．４１×１０４℃／Ｗは熱抵抗ＲＬの最小値と考えられる。また断熱材５０の熱抵抗ＲＤでは１．３６×１０５℃／Ｗである。
【００８５】
ヒータ領域１０の面積は、例えば３０μｍ×２４μｍであるので、この面積の円の半径ｒＡは１５．１μｍとなり、１１５℃での空気の熱伝導率λ(０．０３２２７Ｗ／（ｍ・℃）を用いて４πλｒＡは０．６１３×１０−５Ｗ／℃となる。
【００８６】
次に、前述した式（１）および式（２）の物理的意味を図５（ａ）を用いて説明する。図５（ａ）は水素ガスセンサの動作温度Ｔと水素ガスセンサを設置した環境温度Ｔｅとの温度差ΔＴ（＝Ｔ−Ｔｅ）と、ヒータ配線に投与されるヒータ電力Ｐｏｗとの関係を説明するグラフ図である。設定温度Ｔｓでのヒータ配線の電気抵抗Ｒ（Ｔｓ）と使用する電源電圧Ｖｄｄで決まるヒータ配線へ投入するヒータ最大電力をＰｏｗｍａｘとする。
【００８７】
本実施の形態１の場合、Ｔｓ＝１１５℃、Ｒ（Ｔｓ）＝１．５ｋΩ、Ｖｄｄ＝３Ｖであるので、ヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘは６ｍＷとなる。一方、ヒータ領域の設定温度Ｔｓと水素ガスセンサを設置した環境想定最低温度Ｔｅｍｉｎとの温度差ΔＴｍａｘ（＝Ｔｓ−Ｔｅｍｉｎ）は、Ｔｅｍｉｎ＝−６５℃、Ｔｓ＝１１５℃であるので、１８０℃となる。熱抵抗ΔＴｍａｘ／Ｐｏｗｍａｘを傾きとする温度差ΔＴとヒータ電力Ｐｏｗとの関係を、図５（ａ）に点線による直線で示している。
【００８８】
本実施の形態１による水素ガスセンサの温度差ΔＴとヒータ電力Ｐｏｗとの関係を、図５（ａ）の実線による直線で示している。この熱抵抗Ｒｔｈは熱抵抗ΔＴｍａｘ／Ｐｏｗｍａｘより高く、
Ｒｔｈ＞ΔＴｍａｘ／Ｐｏｗｍａｘ                      式（３）
の関係がある。この場合、想定している外部環境温度の最低環境温度−６５℃での温度差ΔＴｍａｘ＝１８０℃と最高環境温度７０℃での温度差ΔＴ＝４５℃の範囲内で、必ずヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘ以下の消費電力で水素ガスセンサを動作できることを示している。通例の環境温度である２５℃の場合（温度差ΔＴ＝９０℃の場合）、温度差ΔＴｍａｘ＝１８０℃の場合に比べて１／２の消費電力でよく、最も熱抵抗の低いＲｔｈ＝ΔＴｍａｘ／Ｐｏｗｍａｘでも３ｍＷの消費電力ですむことが分かる。
【００８９】
つまり、式（３）を満たしている場合、図５（ａ）では、必ずヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘ以下の消費電力で所望の範囲の温度差ΔＴを実現できることを示している。式（３）を満たすための必要条件が前述した式（１）であり、式（１）の右辺は全て測定できる量であり、左辺は水素ガスセンサの動作仕様から決まる量である。
【００９０】
本実施の形態１で用いる条件であるセンサ温度１１５℃動作の場合、最低環境温度−６５℃での温度差ΔＴｍａｘ＝１８０℃と最高環境温度７０℃での温度差ΔＴ＝４５℃の範囲で熱抵抗ΔＴｍａｘ／Ｐｏｗｍａｘから決まる温度差ΔＴ＝１５０℃に対応するヒータ電力Ｐｏｗ（１５０）は、本実施の形態１の場合、５ｍＷである。
【００９１】
以上、本実施の形態１において例示した水素ガスセンサでは、１／ＲＤ＝０．７３５×１０−５Ｗ／℃、１／ＲＬ＝１．０６３×１０−５Ｗ／℃、４πλｒＡ＝０．６１３×１０−５Ｗ／℃であるので、式（１）の左辺のＰｏｗｍａｘ／ΔＴｍａｘは３．３３３×１０−５Ｗ／℃となり、式（１）を満足している。
【００９２】
このようにして実装した水素ガスセンサを外部温度−３５℃の環境下で、１１５℃で動作させて、ヒータ配線に通電した場合のヒータ配線の抵抗と消費電力との関係を説明するグラフ図を図５（ｂ）に示す。電流を１．８３ｍＡ流したとき、ヒータ配線の抵抗は１．５ｋΩでゲート領域の温度は１１５℃である。ヒータ配線の取り出し配線（パッド電極４１とパッド電極４２）に掛かる電圧は２．７４Ｖ程度であり、消費電力は５ｍＷである。
【００９３】
次に、第２の課題を解決するための手段について説明する。
【００９４】
図６および図７を用いて、本実施の形態１による第２の課題を解決する手段を説明している。図６（ａ）および（ｂ）はそれぞれ閾値電圧の制御性を説明するグラフ図、水素応答出力の時間応答を説明するグラフ図（４００℃、２時間の空気アニール処理前後の水素応答出力の時間応答、および４００℃、２時間の空気アニール処理＋空気希釈０．１％水素による１１５℃、１０分の水素アニール処理後の水素応答出力の時間応答を説明するグラフ図）であり、図７（ａ）および（ｂ）はそれぞれ閾値電圧のウェハ面内分布と再現性を説明する閾値電圧のウェハ面内分布図および水素応答出力のウェハ面内分布を説明する図である。図６に示す測定結果を得るための実験では、閾値電圧Ｖｔｈは水素応答を測定するときのゲート電圧Ｖｇであり、ソース−ドレイン電圧Ｖｄｓが１．５Ｖのとき、ソース−ドレイン電流Ｉｄｓが１０μＡを示すゲート電圧Ｖｇを閾値電圧Ｖｔｈと定義している。
【００９５】
本実施の形態１によるＰｔ−Ｔｉ−ＯゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサにおいては、未だＰｔ−Ｔｉ−ＯゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの閾値電圧の均一性および再現性の向上に係わる検討がなされていない。センサ用ＭＩＳＦＥＴの水素ガス応答信号を取り出すためのインターフェイス回路の設計マージンを広くとるためには、Ｐｔ−Ｔｉ−ＯゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴにおいて、水素ガス照射をオフした後の残留応答強度を減少させて、閾値電圧の制御性（均一性および再現性）を向上させる必要がある。
【００９６】
第２の課題は、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏ構造のゲートを備えるＳｉ−ＭＩＳＦＥＴへの水素ガス照射を止めた後に発生する残留応答強度を低減して、閾値電圧Ｖｔｈの制御性（均一性と再現性）を向上させることである。
【００９７】
すなわち、Ｐｔ−Ｔｉ−ＯゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴへの水素ガス照射を止めた時に、非常に長い時定数を有する残留水素ガス応答強度ΔＶｇｒｅｓがたびたび発生する。この残留水素ガス応答強度ΔＶｇｒｅｓは水素ガス検知にとっては望ましくなく、水素ガス応答強度ΔＶｇに比べて非常に小さいことが望ましい。本発明者が検討したところ、この現象の原因は、酸素ドープＴｉ層に、水素原子の吸着は速いが、水素原子の離脱を遅くする深いトラップ準位が発生することに起因することが分かった。さらに、この深い水素トラップ準位を水素で終端する事によって、残留水素ガス応答強度ΔＶｇｒｅｓが非常に小さく低減し、合わせて閾値電圧Ｖｔｈの制御性（均一性と再現性）が著しく向上できることを見出した。すなわち、この水素終端プロセスによって、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲートの表面で水素分子を解離させ、そして拡散工程（Ｐｔ粒界近傍を通しての水素拡散）を経て上記酸素ドープＴｉ層中の深い水素トラップを水素で終端させることで、閾値電圧Ｖｔｈを安定化させることができ、また、水素ガス応答強度ΔＶｇの均一性と再現性を著しく改善することができる。この水素終端プロセスでは、閾値電圧Ｖｔｈが減少する方向（従来の水素ガス照射時の閾値電圧Ｖｔｈと逆方向）に動くことが特徴である。
【００９８】
本発明者は、Ｐｄをスパッタリング法によりゲート絶縁膜上に形成するとゲート絶縁膜中にスパッタダメージが発生して閾値電圧Ｖｔｈが約２Ｖもバラツクことを見出しているが、前述した非特許文献２において記載されている水素処理による効果も、スパッタダメージに起因していると考えられる。この非特許文献２では、本実施の形態１によるＰｔ−Ｔｉ−ＯゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの閾値電圧Ｖｔｈの変化の結果と正負が逆方向に変化する点が異なる。さらに、この非特許文献２では、水素ガス応答強度の改善ではなく、応答速度の改善（５０時間から５５秒への改善）であり、水素アニール処理後も、空気希釈１％水素ガスに対する応答速度が５５秒と、本実施の形態１によるＰｔ−Ｔｉ−ＯゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサの同条件における応答速度１秒程度に比べると極めて遅い点が異なっている。これら２つの相違点を考慮すると水素処理の効果が異なり、そのメカニズムが異なるものと考えられる。
【００９９】
次に、本実施の形態１による第２の課題であるセンサ用ＦＥＴの閾値電圧Ｖｔｈの均一性と再現性に対する改善方法およびその効果を具体的に説明する。なお、ここで、閾値電圧Ｖｔｈの均一性とは、センサチップを製造する際のウェハ面内における均一性を言う。
【０１００】
複数のセンサチップをウェハ状態で製造する工程の途中または製造が終了した後に、ウェハに対して４００℃、２時間の空気アニール処理を行ったところ、いずれも、０．１％空気希釈水素ガスに対する応答では、水素ガス照射をとめた後、非常に長い残留水素ガス応答強度ΔＶｇｒｅｓとして０．４Ｖが残り、閾値電圧Ｖｔｈのウェハ間ばらつきが大きく、ウェハ面内分布でも±０．３Ｖ程度となった。
【０１０１】
そこで、本発明者は、以下の実験を行った。５インチウェハの試料番号＃４のウェハ内の５点（上中下左右）からそれぞれ５個のチップと、試料番号＃１１のウェハ内から１個のチップを取り出し、４００℃、２時間の空気アニール処理を行い、室温に戻るまで放置した。その後、センサチップを１１５℃に加熱して、空気希釈０．１％水素ガスを２分間照射した（以下、２分間水素アニール処理と言う）。この２分間水素アニール処理を行う前にセンサチップの閾値電圧Ｖｔｈを測定し、さらに、この２分間水素アニール処理を繰り返して行った後の閾値電圧Ｖｔｈを測定した。
【０１０２】
図６（ａ）に、２分間の水素アニール処理を繰り返したときの閾値電圧Ｖｔｈの測定結果を説明するグラフ図を示す。縦軸は閾値電圧Ｖｔｈ、横軸は２分間の水素アニール処理の回数である。図６（ａ）に示したデータの測定には、ゲート長２０μｍ、ゲート幅３００μｍのセンサ用ＦＥＴを用いた。図６（ａ）の測定回数１の表示は４００℃、２時間の空気アニール処理を行い、室温に戻るまで放置し、その後、２分間の水素アニール処理を行う前に測定した閾値電圧Ｖｔｈである。この実験結果から、２分間の水素アニール処理を繰り返すと一定値に収斂することが分かる。
【０１０３】
さらに、これに伴い残留水素ガス応答強度ΔＶｇｒｅｓの値も非常に小さな値０．０５Ｖ程度に減少した。そこで、センサ用ＦＥＴの４００℃、２時間の空気アニール処置後の残留水素ガス応答強度ΔＶｇｒｅｓの低減と閾値電圧Ｖｔｈのバラツキ低減を目的に、センサチップを１１５℃に加熱し、空気希釈０．１％水素ガスを１０分間照射する処理（以下、標準ポスト水素アニール処理と言う）を行った。
【０１０４】
図６（ｂ）に、試料番号＃２４のウェハにおいて、空気希釈１０００ｐｐｍ水素に対するセンサ用ＦＥＴの時間応答特性を説明するグラフ図を示す。４００℃、２時間の空気アニール処理前の試料の特性を小さい白丸で示し、４００℃、２時間の空気アニール処理後の試料の特性を白四角で示し、４００℃、２時間の空気アニール処理後に１１５℃に加熱し、空気希釈０．１％水素ガスを１０分間照射する処理（標準ポスト水素アニール処理）を行った試料の特性を大きい白丸で示す。標準ポスト水素アニール処理により、残留水素ガス応答強度ΔＶｇｒｅｓの値が０．０５Ｖ程度に減少しているのが分かる。このような標準ポスト水素アニール処理により、閾値電圧Ｖｔｈのウェハ面内の均一性も著しく向上した。
【０１０５】
具体例として、図７（ａ）に、閾値電圧Ｖｔｈのウェハ面内分布と再現性を説明するグラフ図を示す。ここでは、試料番号＃２、＃３のウェハ対して標準ポスト水素アニール処理を行った後の閾値電圧Ｖｔｈのウェハ面内分布を示す。＃２のウェハについては、閾値電圧Ｖｔｈ＝１．０８Ｖに対して、閾値電圧Ｖｔｈ分散の標準偏差をσとすると、３σ＝１７８ｍＶであり、非常に分散が少なく、センサ信号を取り出すインターフェイス回路の設計に好適である。また、閾値電圧Ｖｔｈのバラツキは半分程度に低減している。＃３のウェハの閾値電圧Ｖｔｈもこの３σ＝１７８ｍＶの範囲内に入っており、ウェハ間の再現性も改善されている。
【０１０６】
図７（ｂ）に、空気希釈１０００ｐｐｍ水素に対するセンサ用ＦＥＴの水素ガス応答強度ΔＶｇのウェハ面内分布を示す。水素ガス応答強度ΔＶｇも優れた均一性を示していることが分かる。
【０１０７】
なお、本実施の形態１では、水素アニール処理を１１５℃の温度で行った場合について説明したが、アニール温度はこれに限定されるものではなく、他の条件によっては８０〜３００℃の範囲のアニール温度で水素希釈ガスは照射されるが、同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
次に、第３の課題を解決するための手段について説明する。
【０１０９】
前述したように、接触燃焼式水素ガスセンサでは、センサ機能とヒータ機能とを同一のＰｔ線で実現できる。従って、温度補償素子を形成することにより、水素ガスセンサの設置環境温度が−５０℃の低温から７０℃の高温まで広い範囲で変化してもセンサチップの温度を一定に保つことができるので、ヒータに投入される電力を制御することができる。しかし、ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサではＭＩＳＦＥＴ自身をヒータにすることは難しいので、温度補償素子にすることは難しく、できたとしても温度補償素子の形成は、水素ガスセンサの小型化を阻害する要因の一つとなっている。
【０１１０】
第３の課題は、水素ガスセンサの設置環境温度が−５０℃程度の低温から７０℃程度の高温まで広い範囲で変化する場合に、センサチップの温度を設定温度に保つため、温度補償素子方式に代わり、水素ガスセンサの設置環境温度の変化に対応してヒータ配線に投入される消費電力の消費量を制御する手法を提案することである。
【０１１１】
図８（ａ）および（ｂ）を用いてセンサの設置環境温度の変化に対応してヒータ配線に投入される消費電力の消費量を制御する手法について説明する。図８（ａ）および（ｂ）は制御回路図および制御回路の動作（電流−電圧特性）を説明するグラフ図である。図８（ａ）には、本実施の形態１による水素ガスセンサを構成するヒータ抵抗８２、センサ用ＦＥＴ８０、電源電圧Ｖｄｄ、およびエンハンスメント型制御用ＦＥＴ８１が記載されている。
【０１１２】
図８（ａ）に示すように、ヒータ抵抗８２が制御用ＦＥＴ８１のソース電極に接続し、ドレイン電極が電源電圧Ｖｄｄに直列接続している。その接続部分から電流または電圧をモニタする必要がある場合には、モニタ端子を接続する。センサ用ＦＥＴ８０のソース電極は接地電圧に接続し、ドレイン電極は電源電圧Ｖｄｄに接続している。水素ガスの有無によりセンサ用ＦＥＴ８０のソース−ドレイン電流が変化することに対してソース−ドレイン電流が一定の値（閾値電圧Ｖｔｈを実現する値）になるように、オペアンプなどのリニア回路によって、センサ用ＦＥＴ８０のゲート端子８４に電圧を印加する。さらに、本実施の形態１では、ヒータ抵抗８２に流れる電流を制御用ＦＥＴ８１のゲート端子８３に外部から電圧を印加することによって制御する。通常、この制御にはマイコンを用いている。制御用ＦＥＴ８１にエンハンスメント型（ノーマリーオフタイプ）を用いている理由は、ゲート端子８３のゲート電圧Ｖｇが０Ｖの時は、制御用ＦＥＴ８１はオンせず、高抵抗になり、事実上、ヒータ抵抗８２に電流が流れず、消費電力はほぼゼロとなるからである。本実施の形態１では、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴで説明している。
【０１１３】
ヒータ抵抗８２の抵抗はセンサ温度１１５℃でのＲ（Ｔｓ）である。すなわち、ヒータ抵抗８２の電流Ｉ−電圧Ｖ特性を考えると、Ｉ＝Ｖ／Ｒ（Ｔｓ）となる。図８（ｂ）に示すように、この直線を一定にするように、つまりこの直線の傾きを一定にして、制御用ＦＥＴ８１のゲート電圧を変えることで、温度差ΔＴの変化（環境温度の変化）に対してヒータ抵抗８２に流す電流を制御することができる。これにより、消費電力を変えて、動作温度１１５℃を一定にすることができる。制御用ＦＥＴ８１のＩＶ特性とＩ＝Ｖ／Ｒ（Ｔｓ）との交点が実際に流れる電流とヒータ抵抗８２に印加される電圧である。図８（ｂ）には、温度差ΔＴが１５０℃の電圧をＶ(１５０)、温度差ΔＴが９０℃の電圧をＶ（９０）と示している。制御用ＦＥＴ８１に印加するゲート電圧Ｖｇを変化させることで、所望の温度差ΔＴに対応することができる。現実には、ヒータ抵抗８２に流れる電流または電圧をモニタできれば良く、抵抗を測定することでフィードバックをかけることができる。
【０１１４】
このように、本実施の形態１によれば、環境温度が−３５℃の時にゲートの温度を１１５℃にする場合、温度差ΔＴが１５０℃であり、Ｖ（１５０）＝２．７４Ｖ、Ｉ（ΔＴ＝１５０℃）＝１．８３ｍＡであり、ヒータ配線を連続通電すると５ｍＷの消費電力が必要であっても、ｄｕｔｙ比１／５（６秒加熱、２４秒加熱停止）で１．０ｍＷの消費電力を達成し、３Ｖ系の電池で１年以上の動作を達成することができる。
【０１１５】
ＭＥＭＳ領域３４に真性ＦＥＴ領域３５が重ならない領域を形成し、この領域を覆う絶縁薄膜の熱抵抗を大きくする構造にする方法として、このＭＥＭＳ領域３４に真性ＦＥＴ領域３５が重ならない領域を覆う絶縁薄膜の熱抵抗をさらに上げるため、本実施の形態１では、絶縁薄膜にいくつかの貫通孔３６を形成する場合について詳しく説明した。しかし、貫通孔３６を大きくしすぎると、ＭＥＭＳ領域３４の機械的強度が劣化するので、保護膜３３を構成するＳｉ３Ｎ４膜はの熱伝導度がＳｉＯ２膜の熱伝導率に比べて１桁大きいことから、ＭＥＭＳ領域３４に真性ＦＥＴ領域３５が重ならない領域上の保護膜３３を構成するＳｉ３Ｎ４膜を除去する構造も有効である。この場合、ブリッジ領域９０，９０Ｓ，９０Ｇ，９０Ｈは、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、Ｓｉ３Ｎ４膜は保護膜として残している。
【０１１６】
この場合は、補強領域９１は存在しないが、真性ＦＥＴ領域３５の縁とＭＥＭＳ領域３４の縁との最も近い距離が全てのブリッジ領域の幅の和に比べて１倍から２０倍に形成されている。本実施の形態１では、例えばＭＥＭＳ領域３４の平面寸法は、例えば３００μｍ×３００μｍ）程度に拡大することで、本実施の形態１と同程度の消費電力特性を実現することができる。
【０１１７】
なお、本実施の形態１では、取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ、２０ＨをＡｌ膜により構成するとしたが、例えばＭｏ／Ａｕ／Ｍｏ積層膜により構成することにより、さらに高い信頼性を得ることができる。Ｍｏ／Ａｕ／Ｍｏ積層膜またはＡｕ／Ｍｏ積層膜を用いる場合も、膜厚を調整することによりＡｌ膜と同等の熱抵抗を持たせることができる。
【０１１８】
また、本実施の形態１では、４ピンＫｏｖａｒステム台座（内径は４．２２φ）を用いたが、他の実装法にも適用できることは言うまでもない。例えばＴ０５ステム台座における４本のリード線による実装も可能である。ステム構造の変形例として、ソース電極が接続されるリード端子をステム台座で代用し、リード端子の本数を３本にして使用することも可能である。
【０１１９】
また、本実施の形態１では、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴを用いた水素ガスセンサを例示して本発明を説明したが、他の方式の水素ガスセンサ、例えばＭＩＳ型キャパシタによる水素ガスセンサにも本発明を適用することができる。
【０１２０】
（実施の形態２）
本実施の形態２は、第１の課題を解決するための第２の手段に関するものである。本実施の形態２による第１の課題を解決するための手段について、以下に説明する。
【０１２１】
ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサの場合、デジタルＩＣまたはアナログＩＣなどと異なり、素子の真性性能（相互コンダクタンスＧｍ、または単位ゲート幅あたりに流せるソース−ドレイン電流Ｉｄｓなど）やソース−ゲート間の寄生抵抗Ｒｓｇなどが問題になることはあまりない。この点を考慮すると、再現性のあるＭＩＳＦＥＴ構造ができればよいのであり、Ｓｉ単結晶を基板に用いる必然性はない。Ｓｉ結晶の熱伝導率が良すぎるのが問題であるので、Ｓｉ単結晶に比べてはるかに熱伝導率が低いガラスを基板に用い、そのガラス基板上に水素ガスセンサを形成することにより、低消費電力の水素ガスセンサを実現することができる。例えばガラス基板上に、ポリシリコンのチャネル層とＳｉＯ２などのゲート絶縁膜を形成し、前述した実施の形態１で説明したと同様にしてＰｔ−Ｔｉ−ＯゲートＳｉ−ＭＩＳＦＥＴを形成し、真性ＦＥＴ領域以外の熱抵抗の低いポリシリコンを除去することにより、ガラス基板上にセンサ用ＦＥＴを形成することができる。この場合には、ＭＥＭＳ構造でなくても前述した式（１）を満足することができる。
【０１２２】
次に、本実施の形態２によるガラス基板上にＴＦＴ（Thin Film Transistor）プロセスを用いて形成される水素ガスセンサについて図９〜図１３を用いて詳しく説明する。図９は本実施の形態２によるガラス基板上に形成したポリシリコンをチャネル層に用いたセンサ用ＦＥＴの要部断面図、図１０はセンサ用ＦＥＴの製造方法を示す要部断面図、図１１はセンサチップの要部平面図、図１２はセンサチップを実装した水素ガスセンサの断面模式図、および図１３は水素ガスセンサのヒータ消費電力特性を説明するグラフ図である。ＴＦＴプロセスは液晶パネルに用いられる低温ポリシリコンＴＦＴプロセスに準じて製造した。ここでは、触媒金属ゲートを形成する工程、センサ用ＦＥＴのゲート電極上の絶縁膜を除去する工程、およびヒータ部分の形成を中心に詳細に説明する。
【０１２３】
本実施の形態２は、基板をガラス基板とするため、ＭＥＭＳ構造になっていないが、ヒータ領域を断熱構造で囲むという考え方は変わらない。また、本実施の形態２ではヒータ配線にＷＳｉを用いた。ＷＳｉの１１５℃での抵抗率は、例えば３００μΩｃｍである。
【０１２４】
本実施の形態１による水素ガスセンサの基本構成および製造方法を図９および図１０を用いて説明する。
【０１２５】
まず、耐熱泡ガラス基板（この段階ではガラスウェハと称する平面略円形状の薄板）１３を準備し、このガラス基板１３からの汚染防止膜として、ＳｉＯ２をＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法により、例えば３００ｎｍ成膜する(図９中では省略している)。次に、プリカーサとしてのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜をＰＥＣＶＤ法により、例えば５０ｎｍ成膜し、続いて４５０℃の熱アニール処理によりａ−Ｓｉ膜中の水素を離脱させる（脱水素処理）。次に、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）紫外光エキシマレーザアニ-ル法を用いて、エネルギー密度２５０ｍＪ／ｃｍ２のレーザビームをａ−Ｓｉ膜に照射して、全面をポリシリコン層に変化させる。次に、フォトリソグラフィ工程を経て真性ＦＥＴ領域以外のポリシリコン層をドライエッチング法により除去する。このポリシリコン層がチャネル層１４となる。
【０１２６】
次に、ＰＥＣＶＤ法により絶縁膜（ＳｉＯ２）を、例えば４０ｎｍ形成する。フォトレジストをマスクにしてソース領域およびドレイン領域となる領域にＰをイオン注入法により導入してｎ＋Ｓｉ層１５Ｓ，１５Ｄを形成した後、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法により、イオン注入した不純物（Ｐ）を活性化する。次に、絶縁膜（ＳｉＯ２膜）１６を、例えば２００ｎｍ形成し、その後、ゲート領域の絶縁膜１６を除去する。続いて、ＰＥＣＶＤ法によりゲート絶縁膜（ＳｉＯ２膜）１７を、例えば４０ｎｍ形成する。次に、フォトレジストをマスクにして電子ビーム蒸着法により、Ｔｉ膜を、例えば５ｎｍ、さらにＰｔ膜を、例えば１５ｎｍ成膜し、その後、Ｐｔ膜およびＴｉ膜をリフトオフ法により加工してゲート電極１８を形成する。
【０１２７】
この場合、チャネル層１４からゲート絶縁膜１７を連続成膜しないと、ＦＥＴ特性に経時変化が見られることがあるため、チャネル層１４とゲート絶縁膜１７は連続成膜することが望ましい。このチャネル層１４からゲート絶縁膜１７を連続成膜する製造工程の一例を図１０（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。
【０１２８】
図１０（ａ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜、およびゲート絶縁膜１７を連続成膜し、さらに、ダミーゲート用のＳｉ３Ｎ４膜７０を、例えば４０ｎｍ形成する。続いて、フォトレジスト７１をマスクとしてＳｉ３Ｎ４膜７０およびゲート絶縁膜１７を順次除去した後、Ｐをａ−Ｓｉ膜へイオン注入法により導入してｎ＋Ｓｉ層１５Ｓ，１５Ｄを形成する。
【０１２９】
次に、図１０（ｂ）に示すように、フォトレジスト７１を除去した後、ＰＥＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜７３を、例えば４００ｎｍ成膜する。さらにＲＴＡ法により、ａ−Ｓｉ膜へイオン注入した不純物（Ｐ）を活性化する。続いて、フォトレジスト７２をマスクとしてゲート領域のＳｉＯ２膜７３をドライエッチングおよびＢＨＦによるウェットエッチングにより除去する。
【０１３０】
次に、図１０（ｃ）に示すように、燐酸系ウェットエッチングによりダミーゲート用のＳｉ３Ｎ４膜７０を除去した後、フォトレジスト７２を除去する。
【０１３１】
次に、図１０（ｄ）に示すように、ゲートメタルを成膜した後、ゲートメタルのリフトオフ用ゲートレジストを用いてゲート電極１８を形成する。本実施の形態２では、ゲート領域の幅（ゲート長）は、例えば５μｍ、ゲート幅は、例えば１５μｍである。
【０１３２】
次に、ゲート電極１８を形成した後、ＰＥＣＶＤ法により絶縁膜（ＳｉＯ２膜）１９を、例えば４００ｎｍ形成する。次に、絶縁膜１９上にＷＳｉからなるヒータ配線３２Ｐを形成する。ヒータ配線３２Ｐの幅は、例えば１μｍ、高さは、例えば０．１μｍ、長さは、例えば１５０μｍである。また、ヒータ配線３２Ｐの１１５℃における抵抗率は３００μΩｃｍである。ヒータ配線３２Ｐは、長さ２５μｍを単位として１μｍ間隔で３本つづれ折状態で形成されている。１１５℃でのヒータ抵抗は４．５ｋΩである。
【０１３３】
次に、ヒータ配線３２Ｐを覆うＰＳＧ保護膜３０を、例えば４００ｎｍ成膜した後、ＰＳＧ保護膜３０、絶縁膜１９、ゲート絶縁膜１７および絶縁膜１６にコンタクト孔を開ける。続いて、コンタクト孔の内部にソース電極１１Ｓおよびドレイン電極１１Ｄを形成し、さらに取り出し配線を形成する。続いて、ソース電極１１Ｓ、ドレイン電極１１Ｄ、および取り出し配線を覆うＳｉ３Ｎ４からなる保護膜３３を、例えば１μｍ成膜する。センサ部分のゲート電極１８上の保護膜３３、ＰＳＧ保護膜３０および絶縁膜１９をドライエッチングおよびウェットエッチングを用いて除去する。最後に、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート構造を実現するため、４００℃、２時間の空気アニール処理を行い、さらに室温に戻した後、空気希釈０．１％水素による１１５℃、１０分の標準ポスト水素アニール処理を行う。この後、ガラスウェハを、例えば０．５５ｍｍ角に切り出して、センサチップを形成する。図１１に略完成したセンサチップ４５Ｓの要部平面図を示す。
【０１３４】
その後、前述した実施の形態１と同様にして、図１２に示すように、センサチップ４５Ｓを４本のリード端子を備えるステム台座５１に実装する。
【０１３５】
４ピンＫｏｖａｒステム台座（台座内径４．２２φ）５１上には、泡ガラス（熱伝導度０．０６１Ｗ／（ｍ・℃））を、例えば平面寸法０．６０ｍｍ×０．６０ｍｍ、高さ３．５ｍｍの直方体状に加工した断熱材５０１が接着されている。センサチップ４５Ｓの厚さは、例えば５００μｍ、チップサイズ（平面寸法）は、例えば０．５５ｍｍ×０．５５ｍｍである。前述した実施の形態１と異なり、ソース用の取り出し配線２０Ｓの形状とドレイン用の取り出し配線２０Ｄの形状は変えてあるが、取り出し配線２０Ｓ、２０Ｄの幅は、例えば８μｍ、長さは、ジグザグ構造（図では省略している）を取り入れる等によって、例えば８００μｍである。この場合、熱抵抗を低減するために、真性ＦＥＴ領域３５および取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈが形成された領域上、領域縁を２μｍ程度設置して、それぞれ真性ＦＥＴ領域および取り出し配線と呼ぶと、その部分以外の保護膜３３のＳｉ３Ｎ４膜は除去してもよい。この場合、センサ用ＦＥＴのゲート領域２５上には、保護膜は形成されていない。
【０１３６】
このような水素ガスセンサでは、４本の取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈの合計熱抵抗は、例えば２．７８×１０５℃／Ｗ、ヒータ配線３２Ｐの抵抗は、例えば１１５℃で４．５ｋΩであった。３Ｖ電源電圧では２ｍＡの電流が流れ、ヒータ最大電力Ｐｏｗｍａｘは２ｍＷであった。泡ガラスの断熱材５０１の熱抵抗ＲＤは３．５７×１０５℃／Ｗと大きく、ＴＦＴ型Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ水素ガスセンサの場合、ＴＦＴ基板自身も熱抵抗の高い泡ガラスで構成されているので、ヒータ領域からパッド電極４０，４１，４２，４３までの熱抵抗が大きく、ヒータ領域とパッド電極４０，４１，４２，４３との間の熱抵抗は取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈの熱抵抗２．７８×１０５℃／Ｗの寄与が大きい。
【０１３７】
図１３に、ヒータ配線に通電した場合のヒータ配線の抵抗と消費電力との関係を説明するグラフ図を示す。図１３に示すように、温度差ΔＴ＝１５０℃を実現する消費電力１．７ｍＷ（電流０．６１５ｍＡ、電圧２．７６４Ｖ）、動作温度１１５℃での動作が可能である。
【０１３８】
以上、本実施の形態２において例示した水素ガスセンサでは、１／ＲＤ＝０．２８×１０−５Ｗ／℃、１／ＲＬ＝０．２６９×１０−５Ｗ／℃、４πλｒＡ＝０．５１２×１０−５Ｗ／℃であるので、式（１）左辺のＰｏｗｍａｘ／ΔＴｍａｘは１．１１３×１０−５Ｗ／℃となり、式（１）を満足している。
【０１３９】
なお、消費電力をある程度犠牲にすれば、耐熱泡ガラス基板の代わりに石英ガラスを用いてＴＦＴセンサを形成しても良い。
【０１４０】
このように、本実施の形態２によれば、Ｓｉ単結晶に比べてはるかに熱伝導率の低いガラス基板上に水素ガスセンサを形成しているので、断熱特性が極めて良く、そして低消費電力の水素ガスセンサを実現することができる。また、ガラス基板を用いていることから、放射能環境、例えば原子炉排ガス用水素ガスセンサや宇宙応用にも水素ガスセンサを適用することができる。また、Ｓｉ基板を用いる場合のようにＭＥＭＳ構造を使う必要がないので、安価に水素ガスセンサを製造することができる。
【０１４１】
（実施の形態３）
本実施の形態３では、ＳｉをドープしたＡｌ膜からなるヒータ配線を備える、３Ｖ電源電圧、Ｐｏｗｍａｘ１１．７ｍＷの水素ガスセンサの一例を図１４および図１５を用いて説明する。ヒータ配線を流れる電流の最大値は３．９ｍＡである。図１４および図１５はそれぞれセンサ用ＦＥＴの要部断面図およびセンサチップの要部平面図である。前述した実施の形態１と同様に、ＳＯＩ基板を用いてセンサチップを作製している。ヒータ配線３２Ａには１１５℃での抵抗率が４μΩｃｍのＳｉドープＡｌ膜を用いており、その幅は、例えば１μｍ、高さは、例えば０．５μｍ、長さは、例えば約９．６ｍｍである。真性ＦＥＴ領域３５の平面寸法は、例えば１７０μｍ×１５０μｍ、ヒータ領域の平面寸法は、例えば１６０μｍ×１３０μｍであり、１６０μｍのＳｉドープＡｌ膜からなるヒータ配線３２Ａが６０本形成されている。センサチップ４５のチップサイズ（平面寸法）は、例えば１ｍｍ×１ｍｍである。ＭＥＭＳ領域３４は、例えば３００μｍ×３００μｍである。取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈの幅は、例えば２０μｍ、長さは、例えば７００μｍ程度である。センサ用ＦＥＴのゲート長は、例えば５μｍ、ゲート幅は、例えば１５０μｍである。本実施の形態３では、折り曲げ配線数が多いので、図１４および図１５ではヒータ配線３２Ａを省略して記載している。
【０１４２】
泡ガラス（熱伝導度０．０６１Ｗ／（ｍ・℃））を、例えば平面寸法１ｍｍ×１ｍｍ、高さ３．０ｍｍの直方体状に加工した断熱材を用い、この断熱材を、前述の実施の形態１に示した図４（ａ）と同様にステム台座に接着した。ヒータ配線３２Ａがチップ温度１１５℃で７６８Ωになることから、チップ温度１１５℃での最大消費電力Ｐｏｗｍａｘは１１．７ｍＷである。ＭＥＭＳ領域３４の平面寸法は、例えば３００μｍ×３００μｍ、真性ＦＥＴ領域３５の平面寸法は、例えば１７０μｍ×１５０μｍなので、本実施の形態３では、真性ＦＥＴ領域３５の縁とＭＥＭＳ領域３４の縁との最も近い距離は、例えば６５μｍであり、全てのブリッジ領域の幅とすべての補強領域の幅の和３６μｍ（６μｍ×６本）に比べて約１．８倍で形成されている。
【０１４３】
以上、本実施の形態３において例示した水素ガスセンサでは、１／ＲＤ＝２．０４×１０−５Ｗ／℃、１／ＲＬ＝１．０６×１０−５Ｗ／℃、４πλｒＡ＝３．３０×１０−５Ｗ／℃であるので、３項の合計は６．４×１０−５Ｗ／℃となり、式（１）左辺のＰｏｗｍａｘ／ΔＴｍａｘは６．７×１０−５Ｗ／℃となり、条件（１）を満足している。
【０１４４】
さらに、２層構造のＳｉドープＡｌ膜からなるヒータ配線を備える、３Ｖ電源電圧、Ｐｏｗｍａｘ１１．７ｍＷの水素ガスセンサの一例を図１６および図１７を用いて説明する。ヒータ配線を流れる電流は３．９ｍＡである。図１６および図１７はそれぞれセンサ用ＦＥＴの要部断面図およびセンサチップの要部平面図である。前述した実施の形態１と同様に、ＳＯＩ基板を用いてセンサチップを作製している。ヒータ配線３２Ａ，３２２には１１５℃での抵抗率が４μΩｃｍのＳｉドープＡｌ膜を用いており、その幅は、例えば１μｍ、高さは、例えば０．５μｍ、長さは、例えば約９．６ｍｍである。真性ＦＥＴ領域３５の平面寸法は、例えば１１０μｍ×１３０μｍ、ヒータ領域の平面寸法は、例えば１００μｍ×１１０μｍであり、１００μｍのＳｉドープＡｌ膜からなるヒータ配線３２Ａ，３２２が４８本２層になって形成されている。本実施の形態３では、折り曲げ配線数が多いので、図１６ではヒータ配線３２Ａを省略して記載している。図１７では、上層のヒータ配線３２２は省略している。センサチップ４５のチップサイズ（平面寸法）は、例えば１ｍｍ×１ｍｍである。ＭＥＭＳ領域３４は、例えば２００μｍ×２２０μｍである。取り出し配線２０Ｓ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈの幅は、例えば２０μｍ、長さは、例えば７００μｍ程度である。センサ用ＦＥＴのゲート長は、例えば５μｍ、ゲート幅は、例えば９０μｍである。ブリッジ領域の薄膜構造は、寸法が違う点を除き、前述した実施の形態１と同じである。ＭＥＭＳ領域３４の平面寸法は、例えば２００μｍ×２２０μｍ、真性ＦＥＴ領域３５の平面寸法は、例えば１１０μｍ×１３０μｍなので、本実施の形態３では、真性ＦＥＴ領域３５の縁とＭＥＭＳ領域３４の縁との最も近い距離は、例えば４５μｍであり、全てのブリッジ領域の幅とすべての補強領域の幅の和３６μｍ（６μｍ×６本）に比べて約１．２５倍で形成されている。
【０１４５】
泡ガラス（熱伝導度０．０６１Ｗ／（ｍ・℃））を、例えば平面寸法１ｍｍ×１ｍｍ、高さ３．０ｍｍの直方体状に加工した断熱材を用い、この断熱材を、前述の実施の形態１に示した図４（ａ）と同様にステム台座に接着した。ヒータ配線がチップ温度１１５℃で７６８Ωになることから、チップ温度１１５℃での消費電力は１１．７ｍＷであることが分かる。詳しくい説明は省略するが、式（１）を満足している。
【０１４６】
このように、本実施の形態３によれば、ＷＳｉを使用せず、ＳｉドープＡｌ膜をヒータ配線で構成しても、消費電力は少し高くなるが、間歇動作を用いることで、例えばｄｕｔｙ比０．０８（２．４秒加熱、２７．６秒加熱停止）を用いて、１年間以上の動作が可能になる水素ガスセンサを作製することができる。
【０１４７】
（実施の形態４）
本実施の形態４は、第３の課題を解決するための手段に関するものである。水素ガスセンサの設置環境温度が−５０℃程度の低温から７０℃程度の高温までの広い範囲で変化する場合に、センサチップの温度を設定温度に保つため、温度補償素子方式に代わり、センサの設置環境温度の変化に対応してヒータ配線に投入される消費電力の消費量を制御する手法を前述の実施の形態１において図８を用いて説明した。本実施の形態４によるセンサチップでは、前述した実施の形態１で説明したエンハンスメント型制御用ＦＥＴ８１をＭＥＭＳ領域３４の外側のＳＯＩ基板上に形成した。
【０１４８】
図１８に、本実施の形態４によるセンサチップの要部平面図を示す。本実施の形態４では、制御用ＦＥＴ８１の作製では、センサ用ＦＥＴ８０を形成するときに、ゲート電極上の絶縁膜を除去する過程を省略した。ただし、４００℃２時間の空気アニール処理と、その後の標準ポスト水素アニール処理はゲート電極を形成した後、直ちに行い、その後、絶縁膜を形成した。図１８には、ヒータ抵抗８２、センサ用ＦＥＴ８０、エンハンスメント型制御用ＦＥＴ８１を示している。ヒータ抵抗８２が制御用ＦＥＴ８１のソース電極につながり、ドレイン電極が電源Ｖｄｄのパッド電極４０に直列接続している。ヒータ抵抗８２と制御用ＦＥＴ８１のソース電極の接続部分から電圧をモニタする必要がある場合には、モニタ端子を接続するが、本実施の形態４では作製していない。センサ用ＦＥＴ８０のソース電極に接続するパッド電極４２、制御用ＦＥＴ８１のゲート電極に接続するパッド電極４１、センサ用ＦＥＴ８０のゲート電極に接続するパッド電極４３が図示されている。制御用ＦＥＴ８１の閾値電圧Ｖｔｈは、例えば１．０Ｖであり、そのゲート長は、例えば２μｍ、ゲート幅は、例えば１００μｍである。ソース−ドレイン電圧Ｖｄｓが０．２６１４Ｖのときにソース−ドレイン電流は１．８２６ｍＡとなる。すなわち、前述の図８（ｂ）のＶ（１５０）の制御用ＦＥＴ８１のＩＶ特性とＩ＝Ｖ／Ｒ（Ｔｓ）との交点になるようにゲート電圧を選んでいる。
【０１４９】
制御用ＦＥＴ８１は、ヒータ領域の温度の影響を受けにくくするため、ＭＥＭＳ領域３４から外れたパッド電極の近くに作製している。
【０１５０】
このように、本実施の形態４によれば、ヒータ領域の消費電力を制御する制御用ＦＥＴ８１をＩＣ化したので、オペアンプＩＣなどのアナログ回路への接続を容易にし、環境温度の変動に対して簡単に水素ガスセンサの動作温度を一定に保つことができる。
【０１５１】
（実施の形態５）
本実施の形態５による酸化錫膜（ＳｎＯ２膜）を適用した可燃性ガスセンサについて図１９および図２０を用いて説明する。
【０１５２】
本実施の形態５では、前述した実施の形態１と相違する点を中心に説明する。図１９および図２０はそれぞれヒータ配線にポリシリコン膜を用いた場合のセンサチップ部断面図およびセンサチップの要部平面図である。前述した実施の形態１と同様に、ＳＯＩ基板を用いてセンサチップを作製している。ヒータ配線３２ＰＰでは、４００℃での抵抗率が４５０μΩｃｍのポリシリコン膜を用いており、その幅は、例えば１μｍ、高さは、例えば０．５μｍ、長さは、例えば約１００μｍであり、９００Ωの抵抗である。ヒータ領域の平面寸法は、例えば２５μｍ×２０μｍである。
【０１５３】
本実施の形態５によるセンサチップ４５は、まず、埋め込み絶縁層２３上にＳｉ層２４ＰＰおよび熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）２６ＰＰを順次形成する。Ｓｉ層２４ＰＰの厚さは、例えば０．２μｍである。さらに、熱酸化膜２６ＰＰ上にポリシリコン膜３２ＰＰを形成する。ポリシリコン膜３２ＰＰの厚さは、例えば０．５μｍである。続いて、ヒータ領域に対してＰをイオン注入法により導入した後、ヒータ配線に合わせてポリシリコン膜３２ＰＰを加工する。続いて、ポリシリコン膜３２ＰＰを覆うＰＳＧ保護膜３０を、例えば３００ｎｍ形成した後、アニール処理を行うことにより、ポリシリコン膜３２ＰＰを活性化させる。その後、センサ領域１００上のＰＳＧ保護膜３０を除去し、酸化錫膜（ＳｎＯ２膜）１０１をスパッタリング法で成膜し、さらに加工する。その後、Ａｌからなる取り出し配線２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを形成し、ＰＳＧ保護膜３０とＳｉ３Ｎ４膜からなる保護膜３３を前述した実施の形態１と同様に形成する。
【０１５４】
温度特性は異なるが、ポリシリコン膜３２ＰＰからなるヒータ配線は４００℃で９００Ωとなり、前述した実施の形態１の図４（ａ）を用いて説明した方法と同じ方法で実装して、４００℃動作で１０ｍＷの消費電力が得られた。ブリッジ領域の貫通孔３６や補強領域９１、取り出し配線２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄのブリッジ領域９５，９６の使用は、前述した実施の形態１と同様である。センサチップ４５のチップサイズ（平面寸法）は、例えば０．４５ｍｍ×０．４５ｍｍである。泡ガラス（熱伝導度０．０６１Ｗ／（ｍ・℃））を、例えば平面寸法０．５ｍｍ×０．５ｍｍ、高さ４．０ｍｍの直方体状に加工した断熱材を用い、この断熱材を、前述の実施の形態１に示した図４（ａ）と同様にステム台座に接着した。
【０１５５】
このように、本実施の形態５により、酸化錫膜（ＳｎＯ２膜）１０１を適用した可燃性ガスセンサに対しても本発明が有効であることが分かった。なお、本実施の形態５では、前述した実施の形態４のように制御用ＦＥＴを同一の基板上に形成し、ヒータ配線に流れる電流を制御することもできる。
【０１５６】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【０１５７】
例えば、前述の実施の形態１〜５において、取り出し配線にＭｏ／Ａｕ／Ｍｏ配線を適用することができ、これにより、さらに高い信頼性を得ることができる。また、実装構造では、泡ガラスによる断熱材を用いる実施の形態について説明したが、消費電力は多少大きくなるが、例えば厚さ３ｍｍのＰＥＥＫ材を用いても、式（１）を満たすことができる。
【０１５８】
また、前述の実施の形態１〜５では、本発明を対象ガスに応答するセンサ用ＦＥＴについて説明したが、前述の実施の形態１〜４と同様の構造を形成し、さらにゲート部分をＳｉＯ２、ＰＳＧ、Ｓｉ３Ｎ４などからなる保護膜で覆うことによって参照用センサを形成し、各実施の形態１〜４に倣って実装するこの参照用センサとこれまで説明したセンサ用ＦＥＴを用いて、センサ信号の差分を検出する方式で感度を上げることもできる。この場合、参照用ＦＥＴは、ゲート電極を形成した後、４００℃、２時間の空気アニール処理および標準水素アニール処理を施し、その後、ゲート電極上に絶縁膜を形成するプロセスを用いて実現できる。
【０１５９】
また、前述の実施の形態１〜４では、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴで説明したが、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴを適用し、極性を反転させて、実行できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
本発明は、水素ガスのみでなく、種々の可燃性ガスを検知するガスセンサに適用することができる。
【符号の説明】
【０１６１】
８  リード線
９  センサチップ
１０  ヒータ領域
１１Ｓ  ソース電極
１１Ｄ  ドレイン電極
１３  ガラス基板
１４  チャネル層
１５Ｓ，１５Ｄ  ｎ＋Ｓｉ層
１６  絶縁膜（ＳｉＯ２膜）
１７  ゲート絶縁膜（ＳｉＯ２膜）
１８  ゲート電極
１９  絶縁膜（ＳｉＯ２膜）
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０Ｄ，２０Ｇ，２０Ｈ，２０Ｓ  取り出し配線
２０Ｚ  ブリッジ領域の取り出し配線
２０ＺＳ  取り出し配線
２２  Ｓｉ基板
２３  埋め込み絶縁層（ＳｉＯ２層）
２４  チャネル層（Ｓｉ層）
２４ＰＰ  Ｓｉ層
２５  ゲート領域
２６  局所酸化膜（ＳｉＯ２膜）
２６ＰＰ  熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）
２７  ゲート絶縁膜（ＳｉＯ２膜）
２８  ゲート電極（Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート、触媒金属ゲート）
２８Ｓ，２８Ｄ  ｎ＋Ｓｉ層
２９，３０  ＰＳＧ保護膜
３１Ｓ  ソース電極
３１Ｄ  ドレイン電極
３２，３２Ａ，３２Ｐ  ヒータ配線
３２ＰＰ  ポリシリコン膜（ヒータ配線）
３３，３３Ｓ，３３ＳＳ  保護膜
３４  ＭＥＭＳ領域
３５  真性ＦＥＴ領域
３６  貫通孔
３７  コンタクト孔
４０，４１，４２，４３  パッド電極
４４Ｇ，４４Ｈ，４４Ｓ  コンタクト孔
４５，４５Ｓ  センサチップ
５０  断熱材
５１  ステム台座
５４  ステム台座の鍔
５５  リード端子
５６  キャップ
５７  ＰＥＥＫ材
５８  防水透湿性素材
５９  キャップサイズ
６０  吸気孔
６１  ガラス材
７０  Ｓｉ３Ｎ４膜
７１，７２  フォトレジスト
７３  ＳｉＯ２膜
８０  センサ用ＦＥＴ
８１  制御用ＦＥＴ
８２  ヒータ抵抗
８３  制御用ＦＥＴのゲート端子
８４  センサ用ＦＥＴのゲート端子
９０，９０Ｓ，９０Ｇ，９０Ｈ，９５，９６  ブリッジ領域
９１  補強領域
９３，９３ＳＳ  積層膜
１００  センサ領域
１０１  酸化錫膜（ＳｎＯ２膜）
３２２  ヒータ配線
５０１  断熱材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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