(57)【要約】  ガス検知半導体素子。ガス検知半導体素子１’は、ＣＭＯＳ回路のソース領域およびドレイン領域と同時に形成されるドープされた単結晶シリコンから成る抵抗性ヒータ６が埋込まれる二酸化シリコン薄層３’を有するシリコン基板２’上に作製される。素子１’は、絶縁層４’によってヒータ６’から分離されたガス感知層９’を備えた検知領域を含む。作製の最終工程の１つとして、基板２’は、検知領域に薄膜を形成するためにバックエッチングされる。ヒータ６’は、熱拡散プレート１６’を包囲する略円形の構造を有し、弓形部分が互いに入れ子になって入り組んだ形態で相互接続されている２つの湾曲した抵抗器２０’，２１’から成る。ＣＭＯＳ回路のソース領域およびドレイン領域と同時にヒータを作製することは、ＣＭＯＳ工程後のバックエッチングおよびガス感知層の蒸着の他、ＩＣ処理工程で既に採用されている作製工程以外の工程を要することなくガス検知半導体素子が製造されるという点で、特に有利である。この円形の形状は、電力損失および加熱面積を一定として膜の大きさを最小にするには最善の解決策であることから、利点である。
2009507217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス検知半導体素子と、該ガス検知半導体素子に隣接して設けられ、かつソース領域およびドレイン領域（２３，２３’，２５，２５’）を有する少なくとも１つのＭＯＳトランジスタ（１０，１０’，１４，１４’）を含む電子回路（１５，１５’）とを含む集積回路であって、前記ガス検知半導体素子は、絶縁膜と、前記膜上のガス感知層（９，９’）およびガスとガス感知層との反応を促進するためにガス感知層（９，９’）を加熱する、前記膜に埋込まれたヒータ（６，６’，６’’，６’’’）を備えた検知領域（５，５’）とを含み、前記ヒータ（６，６’，６’’，６’’’）は、高濃度にドープされた単結晶シリコンから成り、前記電子回路（１５，１５’）の前記ＭＯＳトランジスタ（１０，１０’，１４，１４’）のソース領域およびドレイン領域と同時に作製されることを特徴とする集積回路。
【請求項２】
集積回路は、ＣＭＯＳ処理工程、Ｂｉ-ＣＭＯＳ処理工程、ＣＭＯＳまたはＢｉ-ＣＭＯＳ処理工程によって製造されることを特徴とする請求項１に記載の素子。
【請求項３】
集積回路は、ＳＯＩ−ＣＭＯＳ処理工程またはＳＯＩ−Ｂｉ-ＣＭＯＳ処理工程によって製造されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の素子。
【請求項４】
前記ヒータ（６，６’，６’’，６’’’）は、トレンチエッチングによって、前記ＭＯＳトランジスタ（１０，１０’，１４，１４’）から分離されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の素子。
【請求項５】
前記ヒータ（６，６’，６’’，６’’’）は、略円形であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の素子。
【請求項６】
前記膜は、略円形であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の素子。
【請求項７】
前記ヒータ（６，６’，６’’，６’’’）は、弓形抵抗器（２０，２０’，２０’’，２０’’’，２１，２１’，２１’’，２１’’’）を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の素子。
【請求項８】
前記弓形抵抗器（２０，２０’，２０’’，２０’’’，２１，２１’，２１’’，２１’’’）は、その弓形部分が互いに入れ子になって入り組んだ形態で相互接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の素子。
【請求項９】
金属から成る導電路（１８，１８’，１８’’）が前記ヒータ（６，６’，６’’，６’’’）に接続されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の素子。
【請求項１０】
前記導電路（１８，１８’，１８’’）は、タングステンから成ることを特徴とする請求項９に記載の素子。
【請求項１１】
前記導電路（１８，１８’，１８’’）は、アルミニウムから成ることを特徴とする請求項９に記載の素子。
【請求項１２】
前記導電路（１８，１８’，１８’’）は、銅から成ることを特徴とする請求項９に記載の素子。
【請求項１３】
導電路（１８’）は、前記ヒータ（６’）に接続され、ヒータ（６’）に向かうにつれて先細となることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の素子。
【請求項１４】
導電路（１８’’）は、前記ヒータに接続され、ヒータ（６’）から遠ざかるにつれて先細となることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の素子。
【請求項１５】
導電路（１８ａ’’’，１８ｂ’’’）は、前記ヒータに接続され、２種類の異なる材料から成る部分を有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の素子。
【請求項１６】
前記導電路は、半導体から成る内側領域（１８ａ’’’）と、金属から成る外側領域（１８ｂ’’’）とを有することを特徴とする請求項１５に記載の素子。
【請求項１７】
前記半導体は、単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１６に記載の素子。
【請求項１８】
前記半導体は、ポリシリコンであることを特徴とする請求項１６に記載の素子。
【請求項１９】
前記金属は、アルミニウムであることを特徴とする請求項１６、請求項１７または請求項１８に記載の素子。
【請求項２０】
前記金属は、タングステンであることを特徴とする請求項１６、請求項１７または請求項１８に記載の素子。
【請求項２１】
前記金属は、銅であることを特徴とする請求項１６、請求項１７または請求項１８に記載の素子。
【請求項２２】
熱拡散プレート（１２，１６，１６’，１６’’，１６’’’）が組込まれることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載の素子。
【請求項２３】
前記ヒータ（６，６’，６’’，６’’’）は、前記拡散プレート（１２，１６，１６’，１６’’，１６’’’）を包囲することを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載の素子。
【請求項２４】
前記ガス感知層（９，９’）とのガス反応を示す電気出力を発するセンサ（７，７’）を組込むことを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１項に記載の素子。
【請求項２５】
前記検知領域（５，５’）は、温度検知手段を組込むことを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載の素子。
【請求項２６】
基板の材料は、前記検知領域（５，５’）において、前記検知領域を組込んだ膜を残すように除去されていることを特徴とする請求項１〜２５のいずれか１項に記載の素子。
【請求項２７】
抵抗性ガス検知器であることを特徴とする請求項１〜２６のいずれか１項に記載の素子。
【請求項２８】
熱量測定型ガス検知器であることを特徴とする請求項１〜２７のいずれか１項に記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、１種以上のガスの存在および／またはその濃度を検知するガス検知半導体素子に関する。
【０００２】
半導体素子の内部にマイクロガスセンサを組込むことは知られている。特に、アルミナ基板を使用して、半自動製造法によって、高温金属酸化物から成る電気伝導度センサを製造することが知られている。近年では、このようなセンサに、二酸化シリコンまたは窒化シリコンから成る絶縁性薄膜を集積した白金ヒータを使用して、シリコン・バージョンとしたセンサを製造する試みがなされている。このようにしたセンサは、動作温度が概ね３００℃〜６００℃であれば、従来のセンサよりも消費電力が少ない。しかしながら、上記薄膜の２層間に挟まれる金属ヒータ層の物質およびその蒸着の性質上、集積回路（ＩＣ）技術を使用して製造することはできない。また、たとえばパラジウムなどの１２０℃〜２００℃で作動する触媒ゲート（catalytic gates）を用いたＭＯＳＦＥＴ電位差測定センサの開発にも多くの関心が集まっている。しかしながら、このようなセンサは、非効率であるとともに比較的コストが高いので、用途が限定されると思われる。
【０００３】
国際公開第９８／３２００９号パンフレットには、半導体基板と、該半導体基板の一方面に設けられた絶縁薄層と、該絶縁薄層の最上部に設けられた半導体薄層とを備えたガスセンサが開示されている。このセンサは、絶縁薄層および半導体薄層によって形成された膜を残すように基板材料を除去した検知領域を少なくとも１つ含み、この１つの検知領域または複数の検知領域のそれぞれは、ガス感知層と、該ガス感知層を加熱して該ガス感知層との気相反応を促進するヒータとを備える。さらに、上記１つの検知領域または複数の検知領域のそれぞれは、半導体薄層に形成されるＭＯＳＦＥＴをヒータおよび／またはガスセンサの一部として組込んでおり、センサは、電気出力によってガス感知層との気相反応を示す。しかしながら、あらゆるＭＯＳＦＥＴ構造に本来的に備わっている寄生バイポーラトランジスタの作動可能温度が高いことから、上記ガスセンサは、比較的低い温度でしか動作できない。これに加え、ＣＭＯＳ金属層としてアルミニウムが用いられると、上限温度は２５０℃となり、これを超えると、エレクトロマイグレーションまたはストレスによる長期劣化が生じ得る。
【０００４】
そこで、ガス感知層（たとえば、酸化スズ）の温度を上昇させるためのマイクロヒータを組込むとともに電子回路を集積した小型で低コストのガス検知デバイスを製造する必要がある。Gardner J.W., Pike A., de Rooij N.Ｆ．，Koudelka−Hep M., Clerc P.A., Hierlemann A.およびGopel W.著，1995 Sensors and Actuators, B 26 135-139「有機溶媒検知用集積化学センサ・アレイ（Integrated chemical sensor array for detecting organic solvents）」では、白金またはドープされたポリシリコンを用いて抵抗性導電路を形成することが報告されている。しかしながら、白金はＣＭＯＳ技術に適合しない材料であり、ポリシリコンはさらなる工程を付加することが必要になるとともに形成するヒータが長期的な安定性に欠ける傾向がある。Gardner J.W., Udrea F.およびMilne B.著，1999 SPIE Vol. 3673 104−112「ＳＯＩ技術に基づく次世代高温低消費電力型ガス・臭気センサの数値シミュレーション（Numerical simulation of a new generation of high−temperature, micropower gas and odour sensors based on SOI technology）」では、ＳＯＩ技術で作製されたＭＯＳＦＥＴ構造を使用してガスセンサおよび一体型のヒータを形成することが提案されている。また、国際公開第９８／３２００９号パンフレットでは、アクティブ・ヒータの形成にＭＯＳＦＥＴを使用することを開示しているが、シリコン技術では、約３００℃〜３５０℃が装置の限界動作温度である（Udrea F., Gardner J.W., Setiadi D., Covington J.A., Dogaru T., Lu C- C.およびMilne W.I.著，2001 Sensors and Actuators, B 78 180-190「新型ＳＯＩ−ＣＭＯＳマイクロ・ホットプレート・ガスセンサの設計およびシミュレーション（Design and simulations of a new class of SOI-CMOS micro hot−plate gas sensors）」を参照）ことから、たとえば、約５５０℃の動作温度が必要であるメタン検出には、不適当である。
【０００５】
本発明の目的は、従来のバルク作製方法を使用して低コストで製造できる改良型高温ガス検知半導体素子を提供することである。
【０００６】
本発明によれば、ガス検知半導体素子と、該ガス検知半導体素子に隣接して設けられ、かつソース領域およびドレイン領域を有する少なくとも１つのＭＯＳトランジスタを含む電子回路とを含む集積回路であって、前記ガス検知半導体素子は、たとえば二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または二酸化シリコンと窒化シリコンとの組合わせから成る絶縁膜と、前記膜上のガス感知層およびガスとガス感知層との反応を促進するためにガス感知層を加熱する、前記膜に埋込まれたヒータを備えた検知領域とを含み、前記ヒータは、高濃度にドープされた単結晶シリコンから成り、前記電子回路の前記ＭＯＳトランジスタのソース領域およびドレイン領域と同時に作製されることを特徴とする集積回路が提供される。
【０００７】
好ましくは、集積回路は、ＣＭＯＳ技術、Ｂｉ-ＣＭＯＳ技術、ＣＭＯＳとＢｉ-ＣＭＯＳとの互換技術によって製造される。
【０００８】
好ましくは、集積回路は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ＣＭＯＳまたはＢｉ-ＣＭＯＳ技術によって製造される。
【０００９】
ヒータを、これに隣接する電子回路の少なくとも１つのＭＯＳトランジスタのソース領域およびドレイン領域と同時に作製することは、ＣＭＯＳ工程後のバックエッチングおよびガス感知層の蒸着の他、ＩＣ処理工程で既に採用されている作製工程以外の工程を要することなくガス検知半導体素子が製造されるという点で、特に有利である。加えて、集積回路内において、ガス検知半導体素子を駆動させ、その信号をアナログ、デジタル、または混合信号型電子デバイスによって処理することができる。制御には、たとえばマイクロ・コントローラ・ユニットを使用してもよく、電流駆動装置を使用してヒータを加熱してもよい。
【００１０】
ガス検知半導体素子は、抵抗性ガスセンサまたは熱量測定型ガスセンサであってよい。この素子は、ガス感知層を設けずに流量センサ、温度計などの熱センサとして使用してもよい。
【００１１】
さらに、ヒータ材料として単結晶シリコンを使用することは、たとえばＣＭＯＳ回路を集積した金属酸化物（二酸化スズ、酸化タングステン、酸化バナジウムなど）抵抗性ガスセンサまたはパラジウム系熱量計が２５０℃未満でしか動作できない一方で、この素子は上限６００℃の温度下であれば動作できるようになるという点で、特に有利である。これは、薄膜構造によって関連回路がヒータから熱的に分離されるからである。さらに、ＣＮＴ（カーボン・ナノチューブ）の蒸着工程（たとえば７００℃）および長期的な安定性を向上させることを目的とした高温アニーリング工程など、作製中に、高温ガス感知材料を塗布することが可能になる。
【００１２】
ヒータの膜および外側領域は、両方とも湾曲している。この膜およびヒータの形状は、外形が湾曲していることによって熱的に安定するとともに放熱が抑えられるので、ダイがどのような寸法であっても、膜の大きさを可及的に最小とすることができるという点で、特に有利である。ほとんどの場合、電力損失を一定として膜の大きさを最小にするには、円形ヒータを使用することが最善の解決策である。なぜなら、円は、他の形状と比べ、同一面積であっても外周が最短になるからである。ヒータを角のない形状にすることは、機械的応力の高い部分を無くし、信頼性を高めることになる。素子の基礎となる基板の実際の寸法は、コストに影響するので、その寸法をこのような形状によって最小にすることができるということは利点である。
【００１３】
本発明の好適な実施形態において、ヒータは、略円形であり、複数の弓形抵抗器を含む。この各抵抗器は、その弓形部分が互いに入れ子になって入り組んだ形態で相互接続されている。さらに、ヒータは、単結晶シリコンから成る熱拡散プレートを包囲することができる。また、金属（タングステン、アルミニウム、銅など）またはポリシリコンから成るプレートは、シリコン抵抗性ヒータの上方に形成可能である。熱拡散プレートを使用すれば、温度がより均一になり、消費電力が減少する。
【００１４】
前記ＭＯＳトランジスタのソースまたはドレインに用いられるドープされた単結晶シリコンから成る抵抗性ヒータに加え、採り得る導電路構造は４種類ある。すなわち、金属から成る直線型導電路と、内側領域において幅が最小となるセクタ型導電路と、外側領域において幅が最小となるセクタ型導電路と、内側部分が半導体から成って外側部分は金属から成る複合型導電路とが可能である。
【００１５】
金属（タングステン、アルミニウム、銅など）から成る直線型導電路は、半導体製のものに比べて抵抗が大幅に小さいので、導電路において発生する不所望なジュール熱が少ない。したがって、この金属から成る導電路構造によれば、半導体製の導電路を有するヒータよりも消費電力が少なくなる。
【００１６】
内側領域の幅が最小となるセクタ型導電路は、導電路の内側領域の方が発生する熱が大きいので、これを使用すれば、より効率的にヒータ領域の温度を上昇させることができる。この導電路は、単結晶シリコン、ポリシリコン、または金属から成ってよい。さらに、ヒータの全幅を導電路の幅よりも広くしておくことで、ガスセンサとして使用できる面積を大きくすることができ、信号も大きくなる。
【００１７】
また外側領域の幅が最小となるセクタ型導電路も、外側領域よりも温度が高いためにエレクトロマイグレーションが生じやすい（特に導電路がアルミニウム製である場合）内側領域において、電流密度が低いという点で有利である。この導電路は、単結晶シリコン、ポリシリコン、または金属から成ってよい。さらに、ヒータの全幅を導電路の幅よりも広くしておくことで、ガスセンサとして使用できる面積を大きくすることができ、信号も大きくなる。
【００１８】
また内側部分が半導体から成って外側部分は金属から成る複合型導電路も、エレクトロマイグレーションが生じやすい内側領域がより安定した材料から成るという点で有利である。内側領域よりも温度が低く、エレクトロマイグレーションが生じにくい外側領域は、金属から成るので、シート抵抗が小さくなり、消費電力が少なくなる。
【００１９】
ＳＯＩ技術は、通常、エピタキシャル成長後、ウェハーボンディングするか、または基板深くに酸素を注入すること（ＳＩＭＯＸ技術）が基本である。スマート・カットなどの他の技術を採用してもよい。ＣＭＯＳ／ＳＯＩ集積回路は、埋込まれた二酸化シリコンによって基板から分離された半導体層の上部内に様々なトランジスタを形成することによって、作製することができる。二酸化シリコンに代えて、窒化シリコンまたは二酸化シリコンと窒化シリコンとの組合わせなど、他の絶縁材料を使用することも可能である。ＭＯＳＦＥＴなどの個々の半導体素子は、公知の作製工程でシリコン薄層の内部に作製することができる。電子デバイスは、厚みがたとえば０．１〜１μｍといった非常に薄い活性半導体層内に形成されるので、ＳＯＩ技術によれば、ＣＭＯＳの性能が高速／低電力となるだけでなく、簡単かつ効率良く素子を分離でき、寄生容量が減少し、ラッチアップが発生しなくなり、短チャネル効果が抑制される。また、完全空乏型素子（極薄ＳＯＩ層を有するもの）については、興味深い特徴が報告がされている。これらの素子は、キンク現象が生じず、閾値よりも下の傾きが急になり、また衝撃イオン化および電荷ポンピング現象に関連する動的フローティング・ボディ効果の点で安定している。また、ＳＯＩトランジスタも、待機時のリーク電流が、従来のバルクシリコン素子に比べて約１０分の１〜１００分の１に減少する。このことは、待機時の消費電力を減らす上で重要である。加えて、ＳＯＩ技術による素子は、主にリーク電流が減少するおかげで、従来の素子よりも高温で動作できる。
【００２０】
また本発明は、半導体基板と、ガス感知層および該ガス感知層とのガス反応を促進するために該ガス感知層を加熱するヒータを備える、少なくとも１つの検知領域とを含むガス検知半導体素子において、導電路は、前記ヒータに接続され、前記ヒータに向かうにつれて、その幅が前記ヒータの全幅よりも狭くなるまで先細となるガス検知半導体素子を提供する。
【００２１】
また本発明は、半導体基板と、ガス感知層および該ガス感知層とのガス反応を促進するために該ガス感知層を加熱するヒータを備える、少なくとも１つの検知領域とを含むガス検知半導体素子において、導電路は、前記ヒータに接続され、前記ヒータから遠ざかるにつれて、その幅が前記ヒータの全幅よりも狭くなるまで先細となるガス検知半導体素子を提供する。
【００２２】
ここで、本発明をより充分に理解するために、添付の図面を参照し、実施例によって、本発明の複数の実施形態を説明する。
【００２３】
図面を参照して説明する、本発明に係るガス検知半導体素子の各実施形態は、単一のチップにＩＣ制御回路とガス検知領域とを集積するために、非ＳＯＩ（バルクまたはエピなど）またはＳＯＩ（たとえばスマート・カット・ユニボンド（Smart Cut  UNIBOND））ＣＭＯＳ技術を使用して作製される。各検知領域は、少なくとも１層の絶縁薄層と、抵抗性ヒータであるドープされた単結晶シリコン層と、抵抗性導電路である金属層（アルミニウム、タングステン、銅など）とによって形成される薄膜である。これらの実施形態における各構造は、検知領域が６００℃を優に超える温度であっても動作可能である。熱絶縁性を有する絶縁薄層は、二酸化シリコン、窒化シリコン、二酸化シリコンと窒化シリコンとの組合わせ、または他の絶縁材料から成ればよい。従来のマイクロガスセンサと違って、高費用で難易度の高い作製工程を伴う低ストレスで特殊な層蒸着を行う必要はない。ＩＣを製造すれば、それと同時に、素子の別の部分に関連の制御回路を設けることになることは理解できることであるが、添付の説明中では、検知領域の素子の製造について特に注目している。
【００２４】
図１および図２の実施形態において、素子１は、一方面に二酸化シリコン薄層３を有するシリコン基板２と、二酸化シリコン薄層３上の窒化シリコン絶縁薄層４とで作製される。熱酸化物は、熱伝導率がシリコンよりもはるかに低いので、検知領域５の熱による電力損失が大幅に減少することになる。ドープされた単結晶シリコンから成る抵抗性ヒータ６は、検知領域５に形成される。このヒータ６は、（ＣＭＯＳ工程を終えた後の工程の一部ではなく）ＣＭＯＳ工程中に、関連回路のソース領域およびドレイン領域を形成するのと同時に形成される。したがって、検知領域５のヒータ６および電子ＩＣ領域１５のソース領域およびドレイン領域１３は、同一の単結晶シリコン層から同時に形成することができ、フォトリソグラフィーでパターンが形成され、トレンチエッチングによって分離されて、個々の構造が決まる。
【００２５】
ヒータ６に加え、検知領域５には、２つの電極８に架かるようにガス感知層９を設けることで化学抵抗性センサ７が作製され、無機材料（二酸化スズなど）または有機材料（ポリマーまたはフタロシアニンなど）のいずれかから成る。ガス感知層９は、スパッタリングなどによって蒸着させることができ、また（導電性ポリマーの場合と同様）２つの電極８に電気化学的に形成させてもよい。２つの電極８は、ＣＭＯＳ金属化部分の一部として形成された上部金属のうちの１つを使用した第３金属層から形成してよく、またＣＭＯＳ工程後に金などの別の材料で形成してもよい。また、電極８は、複数の層の組合わせであってよく、一部をＣＭＯＳ処理中に、別の一部をＣＭＯＳ処理後に形成してもよい。
【００２６】
作製プロセスの最終工程の１つとして、基板２は、検知領域５に薄膜を形成するためにバックエッチングされ、このバックエッチングは二酸化シリコン層３によって止められ、二酸化シリコン層３は、薄膜の反対側の表面で窒化シリコン絶縁薄層４に対向する。このバックエッチングは、ウェットエッチング（ＫＯＨエッチングなど）またはドライエッチング（深堀り反応性イオンエッチングなど）のいずれによって行われてもよい。
【００２７】
電子ＩＣ領域１５の各素子は、公知のＣＭＯＳ処理によって形成される。利用可能な処理として、ｎタブ、ｐタブ、ツインタブ、またはＳＯＩ技術を用いたＣＭＯＳ処理またはＢｉ-ＣＭＯＳ処理が複数挙げられる。これらの処理は、処理ごとにそれぞれ、絶縁性、いずれかの層の配置および組成、ならびに処理工程の順序が異なるが、どの処理も、一般的な主要インプランテーションおよびドライブイン工程、ゲート酸化物の形成、ポリシリコンの蒸着（１層以上）、ならびにトランジスタ端子に接触してＩＣ内部を相互に接続する１または複数の金属層の形成については共通している。
【００２８】
図１を参照して、ゲート酸化物の上部のポリシリコン層を蒸着してパターニングした後、二酸化シリコン層を表面に形成し、ＮＭＯＳトランジスタ１０およびＰＭＯＳトランジスタ１４のゲート酸化物を形成する。さらにＮＭＯＳトランジスタ１０のｎ＋ソース，ｎ＋ドレイン２３を埋込み、それぞれゲートに対して自己整合させ、またＰＭＯＳトランジスタ１４のｐ＋ソース，ｐ＋ドレイン２５を埋込み、それぞれゲートに対して自己整合させる。どちらの種類のトランジスタを製造する場合であっても、ソース拡散物およびドレイン拡散物の上部には、タングステン金属化層１７が塗布されてパターンが形成される。
【００２９】
上述したように、ドープされたシリコン層１３も、薄膜領域の抵抗性ヒータ６の製造に使用する。このドーピング処理は、通常、ホウ素、リン、ヒ素、アンチモンなどの不純物をイオン注入した後、ドーパントを電気的に活性化させるためにアニーリングを行う。また、ドーパントの熱拡散によるものであってもよい。続いて、金属化導電路１７’を含む第１金属層を相互接続の目的で形成し、一般的に二酸化シリコンから成る層間誘電体によって、他の層から絶縁する。最終の保護層は、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、ガラス、ＳＵ８などの有機材料から成り、集積回路の上部に形成され、少なくとも上部金属層、好ましくは複数の金属層を含むパッド以外のＩＣ全体を覆う。
【００３０】
検知領域は、熱絶縁性が高く、熱キャパシタンスが非常に小さいので、ヒータ６に電流または電圧を付与すると急速に熱くなり、ガスの分子がセンサ７のガス感知層９と反応できるようになる。ヒータ６は、一定の電圧または一定の電流を付与するオープンループ制御で動作可能であるが、ヒータの抵抗をモニタリングすれば、閉ループ制御システムでヒータの電流または電圧を変更することが可能である。これによって、ヒータの温度ひいてはガス感知層９の温度を非常に正確に設定することができる。ガスがガス感知層９と相互作用すると、ガス感知層９の導電率が変化し、その変化は、適切な検出回路（図示せず）によって検知可能である。温度は、ヒータの抵抗の変化を検出することによって、室温を基準としてモニタリングすることができる。
【００３１】
拡散プレート１２は、ヒータ６上で第２タングステン層として、ヒータ６が発する熱を拡散するとともに、その熱をガス感知層９に向ける。各電極８は、それぞれが互いにかみ合う状態であってもよく、ガス感知層９の下方に位置付けられ、分析対象のガスの濃度に関連するガス感知層９の導電率または抵抗を測定するために使用される。
【００３２】
検知領域の温度をモニタリングするために、ガス感知層９付近の検知領域にＣＭＯＳまたはＢｉ-ＣＭＯＳ一体型温度センサ（図示せず）を作製してもよい。このような温度センサは、金属、ポリシリコン、またはシリコン抵抗器から成るパッシブ・センサでも、ＣＭＯＳ処理中に形成されるユニポーラ・デバイスまたはバイポーラ・デバイスから成るアクティブ・センサでもよく、抵抗率、キャリアの流動性、またはエミッタ側の電圧および温度の変化を利用するものであってよい。このような温度センサは、広く使用されており、正確な結果が得られる。
【００３３】
ヒータ６は、図２の平面図でより詳細に図示するように、概して円形の構造を有し、単結晶シリコンから成る熱拡散プレート１６を包囲する。図２は、ヒータ６に供給される加熱電流用の、ヒータ６の各端部に接続される導電路１８と、ヒータ６の温度を示す検知信号用の、ヒータ６の各端部に接続される導電路１９とをさらに示す。ヒータ６自体は、ｎ＋，ｐ＋ドーピングがなされた２つの湾曲した抵抗器２０，２１から成り、これらは、その弓形部分が互いに入れ子になって入り組んだ形態で相互接続されている。円形の構造は、円の輪郭が必然的に等温線となり、膜自体が円形であるヒータ６にとっては最適な形状であるという点で、特に有利である。特に、電力損失およびガス検知領域を一定として膜の大きさを最小とするには、円形ヒータ（弓形部分間に環状空間があり、熱損失を巻込むもの）を使用することが最善の解決策である。加えて、このような形状を使用すれば、本来的にヒータおよび膜に角が無くなるので、機械的応力の高い部分が無くなり、信頼性の観点からも最適な形状である。素子の基礎となるシリコンダイの実際の寸法は、コストに影響するので、このような設計は寸法の減少を可能にするという点で有利である。ダイの面積が２０％減少すれば、大量に素子を製造するためのコストは約２０％減少する。
【００３４】
膜は熱絶縁性が高いので、非常に低い電力消費で高温になることが可能であり、このことは、ガス感知層の活物質がガスと反応するために温度が高くなくてはならない場合に用いるには、特に有利な点である。様々な種類のガスまたは複数のガスの混合物の性質および濃度は、異なる温度におけるガス感知層の導電率の変化を測定することによって決められる。有機ガス感知層および触媒金属ガス感知層は、低温（１００℃未満）または中温（１００℃〜２００℃）において反応可能である一方、金属酸化物ガス感知層は２００℃を越える温度を必要とし、触媒酸化物が５００℃を超える温度を必要とするであろう。したがって、異なるガス感知層を用いた個々のセンサ・セルを同一のチップに複数個、集積して、マイクロガスセンサ配列素子を構成することができる。個々のセンサ・セルは、同一の膜に形成されても、別々の膜を有してもよい。このようなマイクロセンサ配列素子は、個々のセンサと比べて、構造設計または信号処理が優れているので、ガスの選択性が向上し、ノイズが減少し、またポイズニングの影響が少ない。
【００３５】
図３および図４の実施形態は、隣合った導電路が金属ではなく、ドープされたシリコンから成ること以外、図１および図２の実施形態に概ね類似し、抵抗性ヒータならびにソースおよびドレインと同時に形成され、ＦＥＴと同時にトレンチエッチングによって分離される。図３および図４において、図１および図２と同一部分には同一の参照符号を付す。第１実施形態のように、素子１’は、一方面に二酸化シリコン薄層３’を有するシリコン基板２’と、二酸化シリコン薄層３’上の窒化シリコン絶縁薄層４’とで作製される。抵抗性ヒータ６’は、検知領域に形成され、化学抵抗性センサ７’は、ガス感知層９’が２つの電極（図示せず）に架かる状態で、検知領域に作製される。
【００３６】
一方、この場合、図４の平面図に示すように、熱拡散プレート１６’を包囲する円形ヒータ６’は、その各端部で、ヒータ６’に供給される加熱電流用の先細状導電路１８’に接続される。図４には示していないが、ヒータ６’の温度を示す検知信号用に、図２に示す導電路に類似する導電路をヒータ６’の各端部にさらに接続してもよい。上述のものと同様、ヒータ６’自体は、ｎ＋，ｐ＋ドーピングがなされた２つの湾曲した弓形導電路２０’，２１’から成る。このドーピング処理は、通常、ホウ素、リン、ヒ素、アンチモンなどの不純物をイオン注入した後、ドーパントを電気的に活性化させるためにアニーリングを行う。また、ドーパントを熱拡散してもよい。ヒータ６’は、アルミニウム、タングステン、または銅の金属化導電路１７’によって、隣接の電子部品（図示せず）に接続される。
【００３７】
このような実施形態の重要な特徴は、ヒータ６’に接続される各導電路１８’は、ヒータ６’に向かうにつれて先細となっていることであり、その結果、導電路１８’を形成するためのドープされたシリコンは、導電率および電気抵抗率が比較的高い。理想としては、導電路１８’を介する熱損失を最小限に抑えるために導電路１８’は比較的薄くあるべきである一方、導電路１８’で発生する電力を最小限に抑えるために導電路１８’は比較的厚くあるべきである。これらを両立させるための妥協点として、ヒータ６’直近では比較的薄く、ヒータ６’から遠ざかるにつれて比較的厚くなるように、導電路１８’を先細状に形成する。このような先細状の構造は、金属製の導電路がシリコンヒータに至るまで使用されている場合には不要である。熱拡散プレート１６’は、シリコンから成り、このことは、金属（アルミニウム、タングステン、銅など）から成る熱拡散プレートがさらに設けられる場合、温度がさらに均一となることから、より有利な点である。
【００３８】
抵抗性ガスセンサに代えて、ヒータまたは温度センサによってガス感知層の温度の上昇または下降を測定すること以外は同様の構成を有する熱量測定型ガスセンサを設けてもよい。ガス感知物質を電気化学的に蒸着させることができる金属プレートを設ける必要が生じる場合もあるが、ガス感知層は、スパッタリング、無電解めっき、物理蒸着、化学蒸着などによって蒸着することができるので、通常、その必要はない。
【００３９】
上述の構造は、マイクロ熱量計（または化学抵抗器およびマイクロ熱量計の両方）として使用することもでき、ガスが存在するときにガス感知層が放出または吸収した新たな熱を検出する。この場合、検知物質は、ガスと反応して温度が変化するので、ガスが存在するときにガス感知層が放出または吸収した新たな熱をモニタリングすることによって、ガスの性質および／またはそのガスの濃度を決めることが可能である。このような使用に適したガス感知層は、パラジウムをドープしたアルミナ（たとえばペリスタ（pellistor））などの非導電性材料から成るものがよい。二酸化スズのような化学抵抗性材料であれば、その熱伝導率が変化するので、高温時における熱伝導率の変化、放出熱および導電率をモニタリングすることができる。
【００４０】
図５の実施形態は、ヒータ６’’に接続される各導電路１８’’がヒータから遠ざかるにつれて先細になること以外、図１および図２の実施形態に概ね類似する。図５において、図１および図２と同一部分には同一の参照符号を付す。第１実施形態のように、素子は、一方面に二酸化シリコン薄層を有するシリコン基板と、二酸化シリコン薄層上の窒化シリコン絶縁薄層とで作製される。抵抗性ヒータ６’’は、検知領域に形成され、化学抵抗性センサは、ガス感知層が２つの電極（図示せず）に架かる状態で、検知領域に作製される。
【００４１】
しかしながら、この場合、熱拡散プレート１６’’を包囲する円形ヒータ６’は、その各端部で、ヒータ６’’に供給される加熱電流用の、外側領域の幅が狭くなった先細状導電路１８’’に接続される。図５には示していないが、ヒータ６’’の温度を示す検知信号用に、図２に示す導電路に類似する導電路をヒータ６’’の各端部にさらに接続してもよい。上述のものと同様、ヒータ６’’自体は、ｎ＋，ｐ＋ドーピングがなされた２つの湾曲した弓形導電路２０’’，２１’’から成る。ヒータ６’’は、アルミニウム、タングステン、または銅の金属化導電路によって、隣接の電子部品（図示せず）に接続される。
【００４２】
このような実施形態の重要な特徴は、ヒータ６’’に接続される各導電路１８’’が、膜の外側領域に向かうにつれて先細となっている（そのため、導電路の外側領域の幅が狭くなっている）ことであり、その結果、膜の内側領域が高温に加熱されるので、該内側領域においてエレクロトマイグレーションが生じやすくなる。この導電路の構成によって、内側領域の電流密度が下がり、導電路のエレクトロマイグレーションに対する安定性が向上する。これらの導電路１８’’は、金属（タングステン、アルミニウム、銅など）または半導体（ポリシリコン、単結晶シリコンなど）から成るものであってよい。
【００４３】
図６の実施形態は、ヒータ６’’’に接続される各導電路が２種類の異なる材料から成る２つの部分１８a’’, １８b’’’を含むこと以外、図１および図２の実施形態に概ね類似する。図６において、図１および図２と同一部分には同一の参照符号を付す。第１実施形態のように、素子は、一方面に二酸化シリコン薄層を有するシリコン基板と、二酸化シリコン薄層上の窒化シリコン絶縁薄層とで作製される。抵抗性ヒータ６’’’は、検知領域に形成され、化学抵抗性センサは、ガス感知層が２つの電極（図示せず）に架かる状態で、検知領域に作製される。
【００４４】
一方、この場合、熱拡散プレート１６’’を包囲する円形ヒータ６’’’は、その各端部で、ヒータ６’’’に供給される加熱電流用の、２種の材料から成る導電路に接続され、内側領域１８ａ’’’はポリシリコン、単結晶シリコンなどの半導体から成り、外側領域１８ｂ’’’はアルミニウム、タングステンなどの金属から成る。図６には示していないが、ヒータ６’’’の温度を示す検知信号用に、図２に示す導電路に類似する導電路をヒータ６’’’の各端部にさらに接続してもよい。上述のものと同様、ヒータ６’’’自体は、ｎ＋，ｐ＋ドーピングがなされた２つの湾曲した弓形導電路２０’’’，２１’’’から成る。ヒータ６’’’は、アルミニウム、タングステン、または銅の金属化導電路よって、隣接の電子部品（図示せず）に接続される。
【００４５】
このような実施形態の重要な特徴として、内側領域付近で温度が上昇し、一般にエレクトロマイグレーションが生じやすくなる傾向にあるとされる高温の時であってもエレクトロマイグレーションの影響を受けにくい半導体によって、導電路の内側領域１８ａ’’’が形成されている。また、導電路の外側領域１８ｂ’’が、低抵抗率で消費電力が抑えられる金属から成ることも利点である。この導電路の複合的な構造は、図４および図５に示すように先細状になっていてもよく、そのようにすれば、上述の理由で利点となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施形態の検知領域および制御領域の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の検知領域の平面図である。
【図３】本発明の第２実施形態の検知領域の断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態の検知領域の平面図である。
【図５】本発明の第３実施形態の検知領域の平面図である。
【図６】本発明の第４実施形態の検知領域の平面図である。
【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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【国際調査報告】
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