(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学物質を検出する感応層と、該感応層を加熱するヒータとを有する半導体化学センサ素子であって、
前記ヒータは、前記半導体化学センサ素子内の導電層のヒータ部分によって形成され、前記半導体化学センサ素子は、更に、前記感応層の温度を検出する第１熱電対を含み、該第１熱電対は：
前記導電層の前記部分の一部として；および
前記導電層のヒータ部分に隣接して；
のいずれかの構成で形成されたＰ／Ｎ接合を含み、該Ｐ／Ｎ接合間に発生する信号が、前記感応層の温度を表し、
前記導電層は、第１導電性物質で形成され、前記第１熱電対は、前記導電層内に形成された第２導電性物質の導電性領域を含み、第１接点が前記導電性領域まで達しており、前記第２導電性物質は、前記第１導電性物質とは異なる導電型を有し、前記第１熱電対のＰ／Ｎ接合は、前記導電性領域と前記導電層との間に接合部を含み、前記第１接点に発生する電圧信号は、前記感応層の温度を表すことを特徴とする半導体化学センサ素子。
【請求項２】
前記導電性領域は、前記導電層のヒータ部分内に形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体化学センサ素子。
【請求項３】
前記導電層は、第１導電性物質で形成され、前記第１熱電対は：
前記導電層内に形成された第２導電性物質の導電性領域であって、第１接点が前記導電性領域まで達しており、前記第２導電性物質が前記第１導電性物質とは異なる導電型を有する導電性領域と、前記ヒータ部分に隣接する前記導電層の部分であって、第２接点がそこまで達している前記部分とから成り、
前記第１熱電対のＰ／Ｎ接合は、前記導電性領域と前記導電層の前記部分との間に接合部を含み、前記第１および第２接点間に発生する電圧信号が、前記感応層の温度を表すことを特徴とする請求項１記載の半導体化学センサ素子。
【請求項４】
更に、前記感応層の温度を検出する第２熱電対を含み、前記第２熱電対は、前記導電層のヒータ部分に隣接して形成されたＰ／Ｎ接合を含み、該Ｐ／Ｎ接合間に発生する信号が、前記感応層の温度を表すことを特徴とする請求項２記載の半導体化学センサ素子。
【請求項５】
前記第２熱電対は：
前記導電層内に形成された前記第２導電性物質の導電性領域であって、第１接点がそこまで達している前記導電性領域と、前記導電層のヒータ部分に隣接する前記導電層の部分であって、第２接点がそこまで達する前記部分とから成り、
前記第２熱電対のＰ／Ｎ接合は、前記導電性領域と前記導電層の前記部分との間に接合部を含み、前記第１および第２接点間に発生する電圧信号が前記感応層の温度を表すことを特徴とする請求項４記載の半導体化学センサ素子。
【請求項６】
化学物質を検出する感応層と、該感応層を加熱するヒータとを有する半導体化学センサ素子であって、前記ヒータは、前記半導体化学センサ素子内の導電層のヒータ部分によって形成され、前記半導体化学センサ素子は、更に：
前記感応層の温度を検出する第１熱電対であって、該第１熱電対は、前記導電層のヒータ部分の一部としてまたはそれに隣接して形成されたＰ／Ｎ接合を含み、該Ｐ／Ｎ接合間に発生する信号が前記感応層の温度を表す前記第１熱電対と、前記ヒータから離れた前記半導体化学センサ素子の領域の温度を検出する第２熱電対であって、該第２熱電対は、導電層内に形成されたＰ／Ｎ接合を含み、該Ｐ／Ｎ接合間に発生する信号が前記半導体化学センサ素子の前記領域の温度を表わす前記第２熱電対とから成ることを特徴とする半導体化学センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体化学センサ素子およびかかる素子のための熱電対を形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化学センサとは、液体または気体において所与の化学種の濃度を監視する素子のことである。化学センサは、例えば、作業環境または家庭環境において有毒ガスまたは爆発性ガスの危険レベルを検出するために用いられている。
【０００３】
例えば、セラミック基板上に形成されたセンサのような、混成技術を用いて形成された化学センサは既知である。また、半導体基板上に半導体化学センサを製造することも既知である。本発明は半導体化学センサに関するものである。
【０００４】
典型的な化学センサは感応層(sensitivelayer)を含み、これがセンサが検出対象とする特定の化学種に感応する。感応層の検出対象化学種との反応によって、感応層の物理的特性、例えば、抵抗率または表面電位の変化が生じる。感応層の反応は、熱力学の関係によって支配されるので、温度は、センサ素子の出力、例えば、感度や選択性を最適化するにあたって重要な役割を果たす。センサの中には、感応層の温度を上昇させるヒータを含み、センサの感度および選択性向上を図ったものもある。検出対象化学種によっては、例えば、２５０ないし６５０℃という、非常に高い温度に化学センサを加熱しなければならない場合もある。
【０００５】
化学センサの選択性は、感応層が加熱される温度によって左右されるので、２５０ないし６５０℃のような温度範囲全体にわたって感応層またはヒータの温度を精度高く監視することが望ましい。
【０００６】
半導体化学センサにおいて動作温度を監視するために、ポリ抵抗(poly resistors)および金属抵抗が用いられてきた。例えば、Sensors and Actuators B, 20 (1994)第１３９ないし１４３頁に掲載されている、Wan Young Chunによる論文を参照されたい。しかしながら、かかる技術は、かなり広いダイ空間を必要とするが、ダイの広い面積の全体的な温度監視ができるに過ぎない。したがって、かかる技術は精度が欠ける。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、先に引用した問題を生じない温度検出器を有する、改良された半導体化学センサ素子を提供することが望まれている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、特定の化学物質を検出する感応層と、この感応層を加熱するヒータとを有する半導体化学センサ素子が提供される。ヒータは、半導体化学センサ素子内の導電層のヒータ部分によって形成される。半導体化学センサ素子は、更に、感応層の温度を検出するための熱電対も含み、この熱電対は、導電層のヒータ部分の一部として形成された、またはこれに隣接して形成されたＰ／Ｎ接合を含み、このＰ／Ｎ接合間に発生する信号が感応層の温度を表わす。
【０００９】
本発明は、感応層の温度を検出するための微小熱電対を有する化学センサ素子を提供する。この熱電対は容易に化学センサ素子に集積することができる。熱電対はヒータ内またはヒータに近接して配置することができるので、非常に精度が高い温度検出を可能とするため、化学センサ素子の選択性および感度の向上が保証される。
【００１０】
この熱電対は小さいので、複数の熱電対を化学センサ素子内に集積し、大きなダイ面積全体にわたって精度高くかつ均一な温制御が可能となる。
【００１１】
半導体化学センサ素子用熱電対の形成方法も開示し、特許請求する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明による３種類の半導体化学センサ素子、およびかかる化学センサ素子のための熱電対の形成方法を、これより添付図面を参照しながら説明する。
【００１３】
まず最初に図１を参照すると、本発明の第１実施例による半導体化学センサ素子２は、特定の化学物質を検出する感応層４と、感応層４を加熱するヒータとを含む。ヒータは、半導体層１０上に形成された導電層８のヒータ部分６によって形成されている。更に、半導体化学センサ素子２は感応層４の温度を検出する熱電対１２を含み、この熱電対１２は、導電層８のヒータ部分６に隣接して形成されたＰ／Ｎ接合１４から成る。信号がＰ／Ｎ接合１４間に発生する。この信号は、ゼーベック効果(Seebeck effect)によるＰ／Ｎ接合１４における温度を表わすので、感応層４の温度を表わすことになる。
【００１４】
熱電対１２は、ヒータ部分６に隣接する導電層８の一部分１６と、導電層８内に形成された導電性領域１８とを含む。導電性領域１８は、導電層８とは異なる導電型を有する導電性物質で形成されている。導電層８の部分１６と導電性領域１８との間の接合部が、熱電対１２のＰ／Ｎ接合１４を形成する。第１接点２０が導電層８の部分１６まで達し、第２接点２２が導電領域１８まで達している。第１接点２０および第２接点２２間に電圧信号が発生する。この電圧信号はＰ／Ｎ接合１４間の信号、即ち、感応層４の温度に対応する。
【００１５】
好ましくは、導電層８は、酸化シリコン層のような、半導体層１０上に形成された第１絶縁層２４上に形成された、Ｎ＋ドープ・ポリシリコンで形成する。半導体層１０はシリコン基板とすることができる。導電領域１８は、好ましくは、Ｐ＋ドープ・ポリシリコンであり、これによって、ポリＰ＋とポリＮ＋との接合部がＰ／Ｎ接合１４を形成する。Ｎ＋ドープ・ポリシリコンとＰ＋ドープ・ポリシリコンは、高濃度にドープされると、金属として機能する。かかる接合部は、ゼーベック効果によって、温度の関数としての電圧信号を生成する。
【００１６】
ＴＥＯＳ層または酸化シリコン層のような第２絶縁層２６が、感応層４と導電層８との間に絶縁を与える。感応層４は第２絶縁層２６上に形成され、ヒドリド・ガス(hydride gasese)を検出するために、金層、または金−パラジウム合金層で形成することができる。一酸化炭素検出素子では、感応層４は酸化錫層で構成することができる。感応層４を形成するために使用される感応物質のタイプは、金属からドープ／化合物までの様々な物質に及び、用途および半導体化学センサ素子２が検出する化学物質のタイプによって異なる。
【００１７】
第１実施例では、熱電対１２は導電層８のヒータ部分６に隣接して形成されている。加えてまたは代替的に、熱電対は、図２に示すように、ヒータの一部として形成してもよい。
【００１８】
次に図２を参照すると、本発明の第２実施例による半導体化学センサ素子２００が示されている。図１と類似の構造には、同一の参照番号に１００を加えた番号で引用してある。
【００１９】
半導体化学センサ素子２００は、特定の化学物質を検出する感応層１０４と、感応層１０４を加熱するヒータとを含む。ヒータは、半導体層１１０上に形成された、導電層１０８のヒータ部分１０６によって形成されている。更に、半導体化学センサ素子２００は、感応層１０４の温度を検出する熱電対１５０を含む。熱電対１５０は、導電層１０８のヒータ部分１０６内に形成された、Ｐ／Ｎ接合１１４で構成されている。Ｐ／Ｎ接合１１４の温度、したがって、感応層１０４の温度を表わす信号が、Ｐ／Ｎ接合１１４間に発生する。
【００２０】
熱電対１５０は、導電層１０８のヒータ部分１０６内に形成された、導電性領域１１８を含む。導電性領域１１８は、導電層１０８とは異なる導電型の導電性物質で形成されている。接点１５２が導電領域１１８まで達している。接点１５２およびヒータ部分１０６への接点（図示せず）間に電圧信号が発生する。この電圧信号は、熱電対１５０のＰ／Ｎ接合１１４間の信号に対応する。したがって、接点１５２における電圧信号は、感応層１０４の温度を表わす。
【００２１】
第１実施例におけるように、好ましくは、導電層１０８は、半導体層１１０上に形成された酸化シリコン層のような第１絶縁層１２４上に形成された、Ｎ＋ドープ・ポリシリコンで形成される。導電性領域１１８は、好ましくは、Ｐ＋ドープ・ポリシリコンであり、これによって、ポリＰ＋とポリＮ＋との接合部がＰ／Ｎ接合１１４を形成する。かかる接合部は、ゼーベック効果により、温度の関数としての電圧信号を生成する。
【００２２】
ＴＥＯＳ層または酸化シリコン層のような第２絶縁層１２６が、感応層１０４と導電層１０８との間に絶縁を与える。感応層１０４を形成する物質は、用途および半導体化学センサ素子２００が検出する化学物質のタイプによって異なる。次に、本発明による半導体化学センサ素子のための熱電対の形成方法について、本発明の第１実施例による半導体化学センサ２の熱電対１２の形成を引用しながら、図１および図３ないし図７を参照して説明する。
【００２３】
好ましくはシリコン基板である半導体層１０を用意し、酸化シリコン（熱酸化物）の第１絶縁層２４をシリコン基板１０上に形成する。好ましくは、Ｎ＋ドープ・ポリシリコン層から成る導電層８を、酸化シリコン第１絶縁層２４上全体に形成する（図３参照）。これらは、半導体化学センサ素子のヒータを形成するために用いるのと同一工程である。
【００２４】
フォトレジストのようなマスク２３を導電層８上全体に形成し、次いでこれにパターニングおよびエッチングを行って、フォトレジスト２３を貫通し導電層８に達する開口２５を設ける（図４参照）。次に、硼素またはその他のいずれかのＰ種を、非常に高い投与量で開口２５を通じて導電層８に注入し、ＰドーパントでＮ＋ポリシリコン導電層８をドープする。次に、フォトレジスト２３を除去する。こうして、導電層８とは異なる導電型を有する導電領域１８が、導電層８内に形成される（図５）。異なる導電型とは、それぞれ、ポリＰ＋とポリＮ＋のことである。
【００２５】
次に、導電層８にパターニングおよびエッチングを行い、ヒータ部分６（図６には示されていない）および熱電対１２の部分１６を形成する。
【００２６】
次に、導電層８および絶縁層２４上全体に第２絶縁層２６を形成する。第２絶縁層２６にパターニングおよびエッチングを行って、導電領域１８および導電層８への接点開口を形成する。次に、接点開口内にメタライゼーションを形成し、第１接点２０および第２接点２２を形成する。接点開口１９，２１は、メタライゼーション前の図６の斜視図を示す、図７においてより明確に見ることができる。
【００２７】
本発明による半導体化学センサ素子のヒータは導電層８で形成される。したがって、これまでの説明から、導電層８内に導電領域１８を形成する初期工程は、ヒータを形成する工程に対応することが認められよう。熱電対１２を形成するためには、追加のフォトおよび注入工程のみを行えばよいので、本発明による熱電対を半導体化学センサ素子内に集積するために必要な工程はわずかである。
【００２８】
ほぼ同一の方法を用いて第２実施例の熱電対１５０が形成可能であることが認められよう。熱電対１５０がヒータ自体の一部となっているので、導電層１０８のパターニングおよびエッチング工程は、第２実施例では多少異なる。
【００２９】
本発明の第１および第２実施例による半導体化学センサ素子の各々について、これまで１つの熱電対を含むものとして説明してきた。しかしながら、これは例示の目的のために過ぎない。本発明による化学センサ素子は、１つ以上の熱電対を含むことも可能である。即ち、本発明による化学センサ素子は、第１実施例による熱電対１２を１つ以上、または第２実施例による熱電対１５０を１つ以上含むことができる。更に、本発明による化学センサ素子は、少なくとも１つの第１および少なくとも１つの第２の異なる熱電対を含むことを可能である。即ち、第１熱電対をヒータの一部として形成し、第２熱電対をヒータに隣接して形成する訳である。
【００３０】
図８にその他の可能な組み合わせを示す。図８に示すのは、本発明の第３実施例による半導体化学センサ素子３００の一部の平面構成図である。
【００３１】
化学センサ素子３００はヒータ６０を含む。ヒータ６０は、Ｎ＋ドープ・ポリシリコンのような導電層で形成され、ヒータの一部としての第１熱電対３０２と、例えば、半導体化学センサ素子のダイの縁部に、ヒータから離れて設けられた第２熱電対３０４とを有する。第１熱電対３０２は上述の熱電対１５０に対応し、一方、第２熱電対３０４は上述の熱電対１２に対応する。接点３１０が、ヒータ内に形成された、第１熱電対３０２のＰ＋導電領域に接続されている。また、接点３０６，３０８が、第２熱電対３０４のＰ＋導電領域とＮ＋導電層の一部とに、それぞれ接続されている。接点３１２，３１４はヒータの接点である。
【００３２】
熱電対３０２，３０４が発生する電圧信号から、半導体化学センサ素子の２つの領域間の温度差と、ヒータ中央における温度も判定することができる。
【００３３】
好ましくは、第２熱電対３０４は、シリコンの厚みが最大である、ダイの縁部に配置する。かかる構成では、第２熱電対３０４は、温度が化学センサ素子のパッケージングの温度とほぼ同一である位置にある。したがって、第２熱電対３０４によって測定される温度は周囲の外部温度にほぼ対応する。かかる構成は、ポリの抵抗率のばらつきによるロット毎のばらつきに対する不感性(immunity)を与えるために使用することができる。抵抗の小さな変化によって、測定可能な温度変化が生じる。これは、各ロット毎に第１および第２熱電対間の温度差を観察することによって、検出可能である。
【００３４】
以上のように、半導体化学センサ素子内に１つ以上の熱電対を設けることによって、より均一にかつより精度高く温度の監視および制御が可能となる。
【００３５】
ヒータ全体において温度は均一ではない場合があるので、２つの熱電対をヒータ内に配置すると特に有用である。こうすれば、ヒータの温度を異なる地点で監視して、それに応じて制御を行うことができる。
【００３６】
本発明による熱電対は、ヒータに隣接しておよび／またはヒータの一部として集積されたＰ／Ｎ接合から成る。従来技術のポリ抵抗と比較すると、かかる熱電対の寸法は非常に小さく、約３０ないし５０ミクロンであるので、ダイ上での良好な空間解像度が保証される。熱電対のサイズが小さいことは、半導体化学センサ素子全体に複数の熱電対を集積可能であることを意味するので、正確な温度検出を保証するものである。
【００３７】
ヒータをポリ導電層で形成すると、熱電対をヒータの一部として集積可能である。この場合、Ｐ／Ｎ接合は、ヒータ自体と、ヒータ内に注入された導電領域との間に形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による半導体化学センサ素子を示す簡略構成断面図。
【図２】本発明の第２実施例による半導体化学センサ素子を示す簡略構成断面図。
【図３】本発明による図１の半導体化学センサ素子を、異なる製造段階において示す簡略構成断面図。
【図４】本発明による図１の半導体化学センサ素子を、異なる製造段階において示す簡略構成断面図。
【図５】本発明による図１の半導体化学センサ素子を、異なる製造段階において示す簡略構成断面図。
【図６】本発明による図１の半導体化学センサ素子を、異なる製造段階において示す簡略構成断面図。
【図７】メタライゼーション前の図１の半導体化学センサ素子の熱電対を示す簡略構成平面図。
【図８】本発明の第３実施例による半導体化学センサ素子の一部を示す簡略構成平面図。
【符号の説明】
２    半導体化学センサ素子
４    感応層
６    ヒータ部分
８    導電層
１０    半導体層
１２    熱電対
１４    Ｐ／Ｎ接合
１６    導電層部分
１８    導電性領域
２０    第１接点
２２    第２接点
２４    第１絶縁層
２６    第２絶縁層
６０    ヒータ
１０４    感応層
１０６    ヒータ部分
１０８    導電層
１１０    半導体層
１１４    Ｐ／Ｎ接合
１１８    導電性領域
１２４    第１絶縁層
１２６    第２絶縁層
１５０    熱電対
１５２    接点
２００    半導体化学センサ素子
３００    化学センサ素子
３０２    第１熱電対
３０４    第２熱電対
３０６，３０８，３１０，３１２，３１４    接点
【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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