(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（100）面であるフラットな表面を備える単結晶半導体基板（10）を用いて造られたセンサ素子アレイに用いられるセンサ素子において、
単結晶半導体基板中に形成されたピット（16）を備え、
前記ピット（16）形成用の第１および第２の開口によって定まるブリッジゾーン（12）を備え、このブリッジゾーン（12）は、前記ピット（16）によってその下面が定まり、
前記ブリッジゾーン（12）上に形成された熱電検知手段を備え、
前記第１および第２の開口それぞれは前記単結晶半導体基板（10）の［110］方向に平行または直角の方向に延びる中間開口（25;26）とその中間開口から直角方向に延びる複数の脚部開口（20、21、22;23、24）とから形成されており、さらに前記第１の開口の中間開口（25）から延びる複数の脚部開口（20、21、22）の隣り合う脚部開口により挟まれた領域に、前記第２の開口の中間開口（26）から延びる複数の脚部開口（23、24）がそれぞれ食い込むように、かつこれら第１および第２の開口によって挟まれた領域によって一続きの蛇行形状のブリッジゾーン（12）が定まるよう構成されており、
前記ピット（16）は、前記（100）面と交差するエッチング表面を生じる異方性エッチングを、前記第１および第２の開口を介して行うことにより形成されたものであって、前記ピット（16）の形状は前記第１および第２の開口ならびに前記ブリッジゾーン（12）を含む領域の外縁によって規定されており、前記ピット（16）によって、前記ブリッジゾーン（12）が前記単結晶半導体基板（10）の当該ブリッジゾーンの下方にあたる部分から熱的に絶縁されることを特徴とするセンサ素子。
【請求項２】
前記ブリッジゾーン（16）はリードアウト領域（30、31）により前記単結晶半導体基板（10）に機械的に接続されていることを特徴とする請求項１記載のセンサ素子。
【請求項３】
前記熱電検知手段（45、46、47）は熱放射に応答するよう装着されることを特徴とする請求項１記載のセンサー素子。
【請求項４】
前記熱電検知手段は、導電度が異なる２つの材料を有し、これらの材料が前記ブリッジゾーン内で熱電結合を形成するよう接合されていることを特徴とする請求項１記載のセンサー素子。
【請求項５】
前記２つの材料は異種金属であることを特徴とする請求項４記載のセンサー素子。
【請求項６】
（100）面のフラットな表面を備える単結晶半導体基板（10）上にセンサ素子を形成する方法において、
熱電検知手段（45、46、47）を支持するための一続きの蛇行形状のブリッジゾーン（12）を前記（100）面上に定めるとともに前記ブリッジゾーン（12）の下方にピット（16）を形成するために設けられる第１および第２の開口を前記（100）面上に形成する工程を備え、この工程によって形成される第１および第２の開口それぞれは前記単結晶半導体基板（10）の［110］方向に平行または直角の方向に延びる中間開口（25;26）とその中間開口から直角方向に延びる複数の脚部開口（20、21、22;23、24）とから形成されており、さらに前記第１の開口の中間開口（25）から延びる複数の脚部開口（20、21、22）の隣り合う脚部開口により挟まれた領域に、前記第２の開口の中間開口（26）から延びる複数の脚部開口（23、24）がそれぞれ食い込むように、かつこれら第１および第２の開口によって挟まれた領域によって一続きの蛇行形状のブリッジゾーン（12）が定まるようにされており、
前記第１および第２の開口にエッチャントを導入して前記（100）面と交差するエッチング平面を生じる異方性エッチングを行うことにより、前記第１および第２の開口によって定められた一続きの蛇行形状のブリッジゾーン（12）を残して前記単結晶半導体基板（10）内にピット（16）を形成する工程を備え、該ピット（16）によって、前記熱電検知手段（45、46、47）を支持するブリッジゾーン（12）が、前記単結晶半導体基板（10）の当該ブリッジゾーンの下方にあたる部分から熱的に絶縁される
ことを特徴とするセンサ素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
関連出願の相互参照
この出願は、R.E.ヒガシおよびR.G.ジョンソン氏により1983年７月６日に米国特許出願第511,369号として出願された「集積マイクロメカニカル・センサ素子」と題する、この出願の譲受人に譲渡された出願の内容と関連する。
この出願は、R.G.ジョンソンおよびR.E.ヒガシ氏により1981年10月９日に出願された「半導体装置」と題する、この出願の譲受人に譲渡された出願の内容にも関連する。
発明の背景
極めて小さい検出・制御装置の生産は、この30年来、完成度の高い状態に進展してきた。この30年、大量生産によるシリコンウエハ上への超小型電子回路の製造は、類似の製造技術により種々の他の装置を生産する際の先駆けとなってきた。通常シリコンである半導体結晶に新規な３次元のマイクロエレクトロニクス回路を製作することは、等方性や異方性のエッチングを含む多くの技術を利用して達成されてきた。これらの技術には単結晶（single  cristal）半導体の結晶構造が利用される。2.54cm（１インチ）の数千分の一程度の大きさのデバイスが多量に製造できる点まで至っている。
そのような技術の水準は、一般的に、相互参照に記した未決の米国特許出願や、その他の論文に見ることができる。この明細書中での論文などの引用は、単に背景技術として行うものであり、本願の特許請求の範囲に記載の発明に対する公知技術であると一律にみなすべきものではない。
特に関心のある論文は、IEEE・トランズアクション・オン・エレクトロニクス・デバイセス（IEEE  Transactions  on  Electronics  Devices）、ボリュームEd−25,No.10,1978年10月,1178および1241頁に見いだされる。1178頁の論文は、E.バソース（E.Bassous）氏による「（100）および（110）シリコンの異方性エッチングによる新しい３次元微細構造の製作（Fabrication  of  Novel  Three−dimensional  Microstructures  by  the  Anisotropic  Etching  of（100）and（110）silicon）」である。1241頁の論文は、K.E.ピーターセン（K.E.Petersen）氏によるもので「シリコン上のダイナミック・マイクロメカニックス：技術と装置（Dinamic  Micromechanics  on  Silicon:Techniques  and  Devices」と題されている。一般的な背景技術として興味あるものは、サイエンティフィック・アメリカン（Scientific  American）の1983年４月号の44〜45頁に発表された「シリコン・マイクロメカニカル・デバイセス（Silicon  Micromechanical  Devices）」である。
上に引用した論文や未決の米国特許出願は、単結晶シリコンへのエッチングによるマイクロメカニカルデバイスの製造が、古くて良く知られた技術であることを、明らかに示している。エッチング技術は一般に、エッチングの最高速を得ることに依存するので、結晶内の面により、構造表面上のデバイスの向きが示される。単結晶シリコンの表面に製造されるデバイスの向きの表示は、特定の個々のデバイスの生産における実用化手法を与える。典型的には、シリコン構造体は、製造後に、各デバイスを個々に利用できるよう分離され、シリコン構造体に対しているデバイスの面は利用されないシリコン結晶表面として残される。しばしば、それらの不利用の表面は、エッチング技術により製造されたデバイスとともに機能する集積回路が配置される領域として利用される。そうでない場合には、それらの表面は単に無駄な領域となる。
発明の説明
この発明は、熱輻射に応答するセンサ素子アレイにおいて使用できる熱電センサ素子の設計と製造に向けられている。センサ素子群をアレイに配列すべき場合、スペースの無駄は素子製造において望ましくない。無駄にされたスペースは、素子アレイを非効率にしてしまい易く、熱放射の検出に実用できる寸法および形状において製造できるセンサ素子数を著しく減少させてしまう。この発明は、最も効率的で稠密な形に熱電型のセンサ素子を方向づけることに向けられている。この発明の配置は、デバイス全体の製造においてエッチャントを使用することに関しては、最も効率的で実用的な形では必ずしもない。そうであるから、センサ素子をシリコン半導体結晶の残部から熱的に絶縁するピットを、センサ素子の下に、エッチングするための、実用的な方法を見いださねばならない。屈曲経路中のセンサ素子をほぼ包囲する、少なくとも２つの分離した表面領域を、適切に配設することによって、デバイスの質の低下を招かずに十分に高速でデバイスを製造できるとともに、センサ素子の下にエッチングされたピットをセンサ素子にほぼ対応する領域に限定して設けることができる。
表面領域の形状を多数の凸状角部を含むものとすることにより、エッチング・プロセスは、半導体結晶の結晶構造に対する熱電センサ素子の配置における妥協にも拘わらず、高速度で進行する。屈曲経路を設けることにより、多数の凸状角部が得られるだけでなく、十分な長さの経路が作られて、第１の、すなわち「ホット」な、熱電接合が得られる。この第１の熱伝接合は、第２の、すなわち「コールド」な、熱伝接合から、熱的な意味において分離されている。
より詳細には、この発明は、異方性エッチングによりセンサ素子の下にピットを形成するのに用いる２つの表面領域を組み合わせて、半導体表面上に屈折経路をレイアウトすることに、向けられている。熱電センサ素子に作られる屈折経路は、ピットのエッチング速度の最高化を考慮にいれないが、センサ素子の下のピットの形状と寸法とがセンサ素子に対応するようなやり方で、その向きを定めることができる。分離した２つの表面領域を適切に配置することにより、センサ領域の下のピットを形成するために十分に速いエッチングができる。そのピットは、全体として、エッチングに用いた領域に対応する面によって画定される周辺部を有する。比較的早いエッチングはデバイスの劣化を考慮していないが、ピットの十分に早いエッチングを考慮したものである。表面領域を、半導体結晶内の特定の結晶構造の選択した向きに沿った方向およびそれに垂直な方向に合わせることにより、エッチングされたピットはその寸法および形状が全体としてセンサ素子に対応する。これにより、センサ素子を近接した並置関係に置くことができ、もって、半導体結晶表面の有効利用が得られて、センサ素子の稠密なアレイを構成できる。本発明によれば、次の熱電センサ素子が提供される。すなわち、熱放射に応答するセンサ素子のアレイ用のマイクロメカニカルの熱電センサ素子であって：内部に特定の単結晶構造により定まる複数の面を含む単結晶半導体手段を備え；この単結晶半導体手段には、２つの読み出し手段を持つ熱放射検知手段を含むほぼ平らな表面が設けられ；前記熱放射検知手段をほぼ囲む曲がりくねった屈曲経路を構成する、少なくとも６つの凸状角部を形成する２つの表面領域が設けられ；前記２つの表面領域により２つのリードアウトが定められ、これらのリードアウトは前記リードアウトがそれぞれ位置させられる支持部になるものであり；前記熱放射検知手段には、そのための熱電接合部となる、前記屈曲経路内で接合されて第１の熱電接合部を形成する２つの異なる導電性材料が含まれ；前記２つのリードアウトにより、前記熱放射検知手段の第２の熱電接合部が与えられ；前記ほぼ平らな表面の下において、前記２つの表面領域を通しての異方性エッチングにより前記単結晶半導体手段内に形成され、前記単結晶半導体手段の複数の面により寸法が限定されたピットにして、前記単結晶半導体手段の残りの部分から前記熱放射検知手段を熱的にほぼ絶縁するピットが設けられ；このピットを限定する前記複数の面と、前記熱放射検知手段を部分的に囲む前記２つの表面領域との交差により、前記２つの表面領域にほぼ対応して、前記ピットの周辺部が定まり；前記２つの表面領域が、前記特定の単結晶構造の選択した向きに対してそれに沿った方向の辺とそれに垂直な方向の辺とを有している、熱電センサ素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
図１は、アレイの一部である単一の熱電センサの構造の平面図である。
図２は、センサ素子の下にエッチングされたピットを示す平面図である。
図３は、完成された熱電センサ素子の平面図である。
図４は、金属−酸化物半導体電界効果トランジスタに接続された熱電センサ素子の概略図である。
好ましい実施例の説明
図１には、マイクロメカニカル素子の製作用のマスクが図示されている。マイクロメカニカル素子は、単結晶半導体手段10の表面に設けられる。単結晶半導体手段10は典型的にはシリコンであり、その表面の形成は、高品質・高密度の集積回路に関する技術におけるものと同様にして行われる。センサ構造は、その配向も含めて、全体として11で示されている。構造11の配向は本発明にとって重要であり、構造11は、シリコン10の（100）面上に、その結晶構造の［110］軸またはそれに等価な向きに対して、平行な軸および垂直な軸を有するよう、配置される。この点は、構造の説明後により詳細に説明する。構造11には、検知用領域12が設けられる。検知用領域12は破線13で特定される囲みの中にあり、破線13の囲みは、一対の表面領域14および15も含む。２つの表面領域14,15には、明確化のために斜線が付されている。領域14,15は、発明の背景に述べたような適切なプロセスにより、シリコン半導体結晶10の表面に設けられる。半導体結晶10の表面は、２つの領域14,15を除いて全面的に、エッチャントから保護され、異方性エッチャントにより２つの表面領域14,15を通してピットをエッチングすることにより、周辺部13を持つピット16（図２）が領域12の下に与えられる。
図１において、領域14,15はいくつかの平行な脚部20,21,22,23,および24を有する。平行な脚部20,21および22は垂直な中間部25によって接続され、一方、２本の脚部23と24は中間部26によって接続されている。中間部26は中間部25に平行である。２つの組み合わされた領域14と15は、一方の端部すなわち表面30から始まり他方の端部すなわち表面31へと至る長い曲がりくねった屈曲表面（12）を与える。図３から明らかな様に、２つの表面30と31は、表面12上に配設される熱電センサ素子のリードアウトを与える。さらに、領域14,15が、６つの凸状角部32,33、34,35,36および37を定めることに留意すべきである。以下に説明する様に、６つの凸状角部はピット16を迅速に適切にエッチングするために大変重要である。
図１に示されるように表面を構成すると、検知素子が形成される表面領域12を部分的に囲む曲がりくねった屈曲経路が、脚部20,21,22,23,24および中間部25,26によって定められるよう、半導体10の表面上に表面領域14,15が形成される。検知素子はかなり長く、２つのリードアウト30と31において、半導体10の表面の残された部分に結合される。図１に示されたパターンにより、図２に示される異方性エッチングで形成されたピットは、半導体すなわちシリコン結晶10の結晶構造の選択した特定の方向に対してこれに沿った方向の辺および垂直な方向の辺を持った方形の外形線13を与えることができる。示された様な方向付け、すなわち、２つの領域14,15の脚部に平行な方向および垂直な方向における整列をすると、周辺部13により定められた方形のピット16のエッチングをすることができる。ピットは既知の技術によりエッチングされ、６つの凸状角部は迅速なエッチングを可能とするものであり、エッチングは凸状角部から始まりそして図２に示されるパターンに広がる。図２にはピット16のパターンが示される。ピットの領域は、方形であり、センサが設けられる表面12の直ぐ下に存在している。シリコン10の結晶構造のため、ピットは６つの凸状角部から極めて急速にエッチングされ、エッチングされた形状は（111）面の四つの傾斜面40,41,42,および43を持つ形に制限される。領域14と15の形状およびそれら角により、妥当なエッチング速度が得られる。それ故、構造体の向きをエッチングに最適な方向付けとなるよう選択する必要はない。領域14と15の向きを、表面上の素子の集積度が最大となるようにしても、ピット16のエッチング時間が過度に長くなることはない。
図３に、図１の形状を利用して、ほぼ完成した熱電検知素子が示されている。熱電センサ素子を完成するため、２つの異種の導電性材料45と46を、接合部47を含む屈曲した形で、表面12上に付着する。２つの異なった材料の接合により、熱電素子のための接合部が形成される。この接合部は、典型的には「ホット」接合部と呼ばれる。「コールド」接合部は、金属45,46がリードアウト30,31へと出る位置50と51にある。リードアウト30,31は、ピット16の上方に、２つの異なった金属45,46とホット接合部47が設けられた表面12を支持する。この様にして、曲がりくねった熱電センサ素子をシリコン結晶10から基本的に熱的に絶縁する。センサ素子の部分50と51（それらの電気的な接続は図４に図示される）は、シリコン結晶10と直接接触し、それによって、「コールド」接合部が形成される。シリコン結晶が大きなヒートシンクすなわち冷たい表面をなしているからである。かくして、高能率の熱電検知素子のための必要な要素が得られる。
２つの金属45と46のための好ましい金属は純粋な鉄とモリブデンであろうが、シリコンやゲルマニウムの様な半導体の組み合わせや金属の他の組み合わせも使用することができる。金属線の付着にスッパタ付着を使用することは、多種の材料に適応でき、センサ12用の導体45と46を付着する好ましい方法であろう。２つの異なった導電性材料のパターンを配設する技術にはその様なものでも使用でき、スパッタ付着を使用することは単に好ましい方法の一例であるに過ぎない。表面で赤外線放射を効果的に吸収するため、抵抗性材料の薄膜を、図３に示された構造の製作後に、その上部に付着することもできる。この材料は図には示されておらず、本発明の一部ではない。
図３に示したデバイスでは、特定の配列を持つ曲がりくねった屈曲経路を利用しているが、この配列は無限に延長できるので、所望の長さの熱電センサ素子を得られることは、明白である。開示したデバイスにおいて、熱電センサ素子の大きさは約51ミクロン×60ミクロンである。この形状においては、２つのループが実用的であり、アレイに密に配置できるセンサ素子が与えられる。そのアレイは複合化でき、各センサ素子がシリコン表面10の上にマウントされた金属−酸化膜半導体電界効果トランジスタを動作させることができる。それは図４に例示されている。
図４において、センサの金属46は接地接続55に接続され、金属45は位置50にてシリコン半導体手段の表面10上に直接集積された導電体に接続されている。典型的な金属−酸化膜半導体電界効果トランジスタの断面が56に示され、シリコン表面10にソース57とドレイン58が集積され、ゲート61が端子62と63の間に設けられている。この構造で、金属45は金属−酸化膜半導体電界効果トランジスタ56のフローティングゲート61に接続され、他の金属46は接地されている。接合部47は、曲がりくねった屈曲経路構造のシリコン基板への取り付け点から対称的に最も離れたところに位置させられ、結果として最も熱的に絶縁された点に置かれる。そのため、接合部47は、センサ素子12上に注ぐ局所的に一様な放射を吸収する際に、曲がりくねった屈曲経路構造上で最も大きな温度差を呈する点に位置する。これにより、熱電対すなわち熱電センサ素子の電圧出力が最大になり、その電圧出力は金属−酸化膜半導体電界効果トランジスタのドレイン電流に変換されてから測定される。前記したように、単体素子として、またはアレイとして製造でき、さらに、検知，表示，またはその他の有用な目的のために複合化できる。
結晶構造上にセンサ素子を配置するための材料や配列の種々の変形を開示した。開示した全ての場合において、異方性エッチングにより、方形状で検知領域に対して十分に整合した形状のピット領域が得られる。このようにして、多数の検知領域を、単結晶半導体手段またはシリコンウエハに密に経済的に製造することができ、それによって経済的で効果的な放射センサのアレイを得られる。種々の形状や技術を開示したので、発明の範囲は特許請求の範囲のみによって限定されるべきものである。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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