(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子であって：
半導体ベース；
前記半導体ベース上に形成され、導電性物質から成るヒータであって、前記半導体ベースに対し垂直に貫通する対称形状穴が形成されたヒータ部分と、前記半導体ベース上を前記ヒータ部分から互いに反対方向に延在する第１および第２アームとを含む前記ヒータ；
前記第１アームの端部に結合された第１ヒータ接点；
前記第２アームの端部に結合された第２ヒータ接点；および
前記対称形状穴および前記ヒータ部分上に形成され、前記ヒータによって加熱され、特定の化学物質を検出するための感応層とを備え、前記半導体ベースに対し垂直でかつ前記対称形状穴の対称中心を通過する縦軸が前記感応層の中心を貫通するように、前記感応層が配置されていることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記対称形状穴は、前記縦軸について対称形状を呈する横断面を有することを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記ヒータ部分の中心は、前記対称形状穴の対称中心および前記感応層の中心と、前記縦軸に沿って整合されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子。
【請求項４】
前記ヒータ部分は正方形状横断面を有することを特徴とする前出の請求項のいずれか１項記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第１および第２アームの少なくとも一方は、四辺形状の横断面を有することを特徴とする前出の請求項のいずれか１項記載の半導体素子。
【請求項６】
前記第１アームは、前記ヒータ部分から前記第１ヒータ接点まで、一方向に第１の長さにわたって延在し、前記第２アームは、前記ヒータ部分から前記第２ヒータ接点まで、前記一方向とはほぼ反対方向に第２の長さにわたって延在し、前記第１および第２の長さの各々は１００ミクロンよりも大きく、前記第１及び第２アームの幅は互いに同じであり、前記一方向に直交する方向に沿った前記ヒータ部分の幅は、前記第１及び第２アームの前記幅と同じであることを特徴とする前出の請求項のいずれか１項記載の半導体素子。
【請求項７】
前記半導体素子は、半導体化学センサ素子から成ることを特徴とする前出の請求項のいずれか１項記載の半導体素子。
【請求項８】
半導体素子の形成方法であって：
半導体ベースを用意する段階；
前記半導体ベース上に導電性物質層を形成する段階；
前記導電性物質層にパターニングおよびエッチングを行ってヒータを形成する段階であって、前記半導体ベースに対し垂直に貫通する対称形状穴が形成されたヒータ部分と、前記半導体ベース上を前記ヒータ部分から互いに反対方向に延在する第１および第２アームとを含む前記ヒータを形成する前記段階；
前記ヒータ上に絶縁層を形成する段階；
前記絶縁層上に、前記ヒータ部分および前記対称形状穴上を延在するように、前記ヒータによって加熱され、特定の化学物質を検出するための感応層を形成する段階であって、前記半導体ベースに対し垂直でかつ前記対称形状穴の対称中心を通過する縦軸が前記感応層の中心を貫通するように、前記感応層を形成する前記段階；
前記絶縁層に第１および第２開口を形成する段階であって、前記第１開口は前記第１アームの端部まで達し、前記第２開口は前記第２アームの端部まで達するように形成する前記段階；および
前記第１および第２開口内に金属を堆積し、第１および第２ヒータ接点をそれぞれ設ける段階；
から成ることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記半導体素子は半導体化学センサ素子から成ることを特徴とする請求項８記載の半導体素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、 半導体素子および半導体素子の製造方法に関する。本発明の好適実施例は、半導体化学センサ素子および半導体化学センサ素子の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化学センサは、液体または気体内の所与の化学種の濃度を監視する素子である。化学センサは、例えば、作業環境または家庭環境における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使用される。
【０００３】
例えば、セラミック基板上に形成されたセンサのように、混成技術を使用し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。典型的に、化学センサは、当該センサが検出すべき特定の化学種に感応する感応層を含む。感応層の検出すべき化学種との反応の結果、感応層の物理的特性、例えば、抵抗率または表面電位に変化が生じる。この変化は、感応層間の電圧信号を監視することによって検出可能である。感応層の反応は熱力学的関係によって支配されるので、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は、温度が重要な役割を演じる。
【０００４】
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を高めたものがある。検出すべき化学種によっては、化学センサを、例えば、２５０ないし６５０℃の範囲のかなり高い温度に、加熱する必要がある場合もある。薄膜技術を用いて形成された半導体センサでは、ヒータは典型的にポリ抵抗(polyresistor)から成り、これは薄膜技術とは適合性がある。また、プラチナ・ワイヤ・ヒータを用いることも既知であるが、かかるヒータはＣＭＯＳプロセスとの適合性がない。ヒータは、通常、電力消費を低減するために感応層の中心部に置かれる。ヒータの幾何学的形状は、センサ層全体にわたる温度の均一性、ひいてはセンサの選択性に影響を及ぼす可能性がある。
【０００５】
Ｓ字状を有し「Ｓ」字の各端部にヒータ接点を設けたポリ・ヒータを形成することは既知である。しかしながら、かかるヒータは、感応層全体にわたる温度均一性に乏しい（約４０％）。更に、ヒータ接点は高温になるので、そのためにシリコンの金属接点へのマイグレーション(migration) が発生し得る。シリコンのマイグレーションは、ヒータ接点の抵抗を変化させる可能性があり、センサ層のベースラインにおいてドリフトを発生するという効果がある。即ち、化学種がない場合の感応層間の電圧信号レベルが変化する。
【０００６】
Robert Aigner, Markus Dietl, Rainer Katterloher, Veit Kleeによって著され、Lehrstuhl fur Technishe Electronik, Technishe UniversitatMunchenにおいて発表された、"SI Planar Pellistor/Designs for Temperature ModulatedOperation"と題する論文は、プラチナ・ワイヤで形成された螺旋状ヒータについて記載している。このヒータ構成は均一性を改善したが、ＣＭＯＳプロセスとの適合性がない。更に、ヒータは、ヒータ接点においてホット・スポットを生じ、これが、上述のようなシリコン・マイグレーションの原因となり得る。螺旋形状をポリ抵抗ヒータに適用する場合、かかるヒータの抵抗は非常に高くなろう。かかるヒータは、したがって、高い供給電圧を必要とするが、供給電圧を５ボルト未満にしなければならない多くの用途には高すぎてしまうであろう。
【０００７】
米国特許番号第５，３４５，２１３号は、蛇腹状ヒータ(concertina-shaped heater)と、このヒータ上に形成されヒートシンクとして作用する導電性熱分散板とを有する、化学センサを開示する。導電性熱分散板はヒータからの熱を均一に分散し、センサの感応層全体に良好な温度均一性を与える。しかしながら、この構成はホット・スポットを完全に回避せず、更に２回のフォト工程および堆積工程の追加を必要とするので、この解決案ではかえって複雑性が増大することになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、上述の問題を軽減する、半導体化学センサ素子用の改善されたヒータを提供することが望まれている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、半導体素子が提供され、この半導体素子は：半導体ベース；半導体ベース上に形成され、導電性物質から成るヒータであって、半導体ベースに対し垂直に貫通する対称形状穴が形成されたヒータ部分と、半導体ベース上をヒータ部分から互いに反対方向に延在する第１および第２アームとを含むヒータ；第１アームの端部に結合された第１ヒータ接点；第２アームの端部に結合された第２ヒータ接点；および対称形状穴およびヒータ部分上に形成され、ヒータによって加熱され、特定の化学物質を検出するための感応層とを備え、半導体ベースに対し垂直でかつ対称形状穴の対称中心を通過する縦軸が感応層の中心を貫通するように、感応層が配置されている。
【００１０】
本発明によるヒータは、層全体にわたってほぼ均一な温度を供給し、ヒータ接点における低温を保証する。
【００１１】
好ましくは、半導体素子は、半導体化学センサ素子から成る。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、半導体素子の形成方法が提供され、この方法は：半導体ベースに対し垂直に貫通する対称形状穴が形成されたヒータ部分と、半導体ベース上をヒータ部分から互いに反対方向に延在する第１および第２アームとを含むヒータを形成する段階；ヒータ上に絶縁層を形成する段階；絶縁層上に、ヒータ部分および対称形状穴上を延在するように、ヒータによって加熱され、特定の化学物質を検出するための感応層を形成する段階であって、半導体ベースに対し垂直でかつ対称形状穴の対称中心を通過する縦軸が感応層の中心を貫通するように、感応層を形成する段階；絶縁層に第１および第２開口を形成する段階であって、第１開口は第１アームの端部まで達し、第２開口は第２アームの端部まで達するように形成する段階；および第１および第２開口内に金属を堆積し、第１および第２ヒータ接点をそれぞれ設ける段階；から成る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
これより、添付図面を参照しながら、本発明による半導体素子およびかかる素子の製造方法を、その一例について説明する。
【００１４】
図１は、上述の既知のＳ字状ヒータ２の平面図であり、ヒータ２を用いて化学センサ素子の感応層４を加熱する。ヒータ２は、Ｓ字状のポリシリコン物質で形成されたヒータ部分３と、Ｓ字の各端部にある２つの金属接点６，８とから成る。感応層４は、ヒータ部分３の殆どの部分にわたって形成されている。
【００１５】
ヒータ２には多くの問題がある。ヒータ部分３の形状について言えば、ヒータ２は、感応層４の面積のわずか４０％にしか均一な温度を与えることができない。このように温度均一性が乏しいことの結果、センサ感度の低下を招く。このタイプのヒータ２に伴う他の問題は、金属接点６，８が使用中に高温となり、シリコンの金属接点へのマイグレーションが生じる可能性があることである。
【００１６】
本発明は、これら従来技術の問題点を克服するか、あるいは少なくとも軽減するヒータを提供する。
【００１７】
次に図２を参照すると、本発明による半導体化学センサ素子５０の平面図が示されている。半導体化学センサ素子５０は、感応層２２を加熱する際に使用するための、本発明の好適実施例によるヒータ２０を含む。ヒータ２０は、導電性物質で形成された半導体ベース（図示せず）上に形成されている。本好適実施例では、導電性物質はポリシリコン物質である。ヒータ２０は、第１アーム２４および第２アーム２６、ならびにヒータ部分２８から成る。第１アーム２４および第２アーム２６は、ヒータ部分２８から、半導体ベース（図示せず）上に延在する。第１ヒータ接点３０が第１アーム２４の端部に結合され、第２ヒータ接点３２が第２アーム２６の端部に結合されている。
【００１８】
ヒータ２０は、更に、ヒータ部分２８を縦方向に貫通する開口３４を含む。感応層２２はこの開口３４およびヒータ部分２８上に形成され、感応層２２および開口３４は、開口３４の中心３６を通る縦軸が感応層２２の中心３６を貫通するように配置されている。接点３８，４０が感応層２２の２カ所の対向端に結合されている。接点３８，４０間の電圧信号が、特定の化学物質の存在についての指示を与える。
【００１９】
開口３４は、中心３６を通過する縦軸について対称な形状を有する横方向断面を有する。開口３４は、感応層２２全体に、縦軸に垂直な全ての方向に温度分布を拡大する。開口３４は縦軸について対称であり、開口３４および感応層２２の中心３６が一致するので、温度分布は感応層２２全体にわたってほぼ均一となる。好ましくは、ヒータ部分２８の中心は、縦軸に沿って、開口３４および感応層２２の中心と整合している。
【００２０】
第１アーム２４は、ヒータ部分２８から第１ヒータ接点３０まで、一方向に第１の長さ２５にわたって延び、第２アームは、ヒータ部分２８から第２ヒータ接点３２まで、前記一方向とほぼ反対方向に第２の長さ２７にわたって延びている。第１の長さおよび第２の長さの各々は１００ミクロンよりも大きい。
【００２１】
好ましくは、第１アーム２４および第２アーム２６は、双方とも矩形状の横断面を有する。第１アーム２４および第２アーム２６の断面の長さは、それぞれ第１および第２の長さであり、断面の幅は等しい。ヒータ接点３０，３２は、第１アーム２４および第２アーム２６を介して、ヒータ部分２８に結合されているので、ヒータ接点３０，３２における温度は低下する。温度の低下は、第１アーム２４および第２アーム２６それぞれの第１の長さ２５および第２の長さ２７によって異なる。好適実施例では、第１の長さおよび第２の長さは同一であり、２００ミクロンである。こうして、第１アーム２４および第２アーム２６は、ホット・スポットおよびシリコンのマイグレーションによる問題の抑制を図る。
【００２２】
ヒータ部分２８は、正方形状横断面を有し、その幅は第１および第２アームの幅と等しいことが好ましい。正方形状のヒータ部分２８、ならびに矩形状の第１アーム２４および第２アーム２６が意味するのは、ヒータ２０が低い抵抗を有するということであり、低い電源電圧（５ボルト未満）を用いてヒータ２０に給電可能なことを保証する。しかしながら、ヒータ部分２８は矩形状または低い抵抗を有するその他のあらゆる形状でもよい。
【００２３】
図２では、開口３４は正方形状の横断面を有するものとして示されている。しかしながら、開口の横断面は、例えば、図３ないし図５に示すような、他の形状を取ることも可能である。図３は、円形の横断面を有する開口４２を示す。図４は、菱形状の横断面を有する開口４４を示す。図５は、正方形状の横断面を有し角部が丸い開口４６を示す。開口の横断面に可能な他の形状には、六角形、または星形、または十二角形断面が含まれる。
【００２４】
次に図６も参照する。図６は、図２の半導体化学センサ素子５０のＸ方向における拡大断面図を示す。
【００２５】
半導体化学センサ素子５０は、ブリッジ状に組まれ、好ましくはシリコン物質で形成された半導体ベース５２を含む。第１絶縁層５４を半導体ベース５２上に形成する。導電性物質層を第１絶縁層５４上に形成する。当技術では既知のように、導電性物質層にパターニングおよびエッチングを行い、ヒータ部分２８を形成する。ヒータ部分２８は、第１絶縁層５４まで達する開口３４と、ヒータ部分２８から延びる第１アーム２４および第２アーム２６（図６には示されていない）とを有する。ヒータ部分２８および第１絶縁層５４上に第２絶縁層５６を形成する。第２絶縁層５６上に感応物質層を形成する。次に、この層にパターニングおよびエッチングを行い、ヒータ部分２８上に感応層２２を形成する。次に、金属を堆積して、感応層２２への接点３８，４０を形成する。
【００２６】
好適実施例では、第１絶縁層５４は二酸化シリコン物質で形成し、第２絶縁層５６はＴＥＯＳ物質で形成する。感応層２２を形成するために使用する感応物質の種類は、金属からドープ／化合物材料(doped/compound materials)まで様々なものが可能であり、用途および半導体化学センサ素子が検出すべき化学物質の種類によって異なる。また、感応層２２は、水素化物ガスを検出するためには、金層、または金−パラディウム合金層で形成してもよい。一酸化炭素センサ素子では、検出素子２２は酸化錫層で構成してもよい。
【００２７】
次に図７も参照すると、図２の半導体化学センサ素子５０のＹ方向の拡大断面図が示されている。第１アーム２４および第２アーム２６は、上述のように、導電性物質層にパターニングおよびエッチングを行うことによって形成する。感応層２２は、ヒータ部分２８および開口３４上に形成されている。第１アーム２４および第２アーム２６の端部において、第２絶縁層５６に開口を形成し、その中に金属を堆積して、第１ヒータ接点３０および第２ヒータ接点３２を形成する。感応層２２を形成するのは、接点開口を形成する前でも後でもよい。
【００２８】
以上のように、本発明による半導体素子は、既知のプロセス工程を用い、本発明による形状のヒータを生成するようにヒータ用マスクを単に修正するだけで製造することができる。したがって、本発明による半導体化学センサ素子は、複雑なプロセス工程を追加する必要なく、製造可能であることが認められよう。
【００２９】
要約すれば、本発明は、感応層全体にわたる温度均一性の改善を図り、ヒータ接点の温度を低下させることによりポリ／金属マイグレーションの問題を抑制するヒータを提供する。ヒータ部分は低抵抗形状を有し、好ましくは、矩形状または正方形状である。ヒータは、既知のプロセスを使用し、複雑な工程を追加する必要なく形成可能である。したがって、本発明はＣＭＯＳプロセスと適合性がある。
【００３０】
以上、半導体化学センサ素子を参照しながら本発明の好適実施例について説明したが、本発明によるヒータは、層を加熱するヒータを必要とするあらゆる半導体素子において使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】既知のヒータの拡大簡略平面図。
【図２】本発明による半導体化学センサ素子の一部の拡大簡略平面図。
【図３】本発明によるヒータの円形横断面を有する開口を示す拡大簡略図。
【図４】本発明によるヒータの菱形横断面を有する開口を示す拡大簡略図。
【図５】本発明によるヒータの正方形横断面を有し角部が丸い開口を示す拡大簡略図。
【図６】Ｘ方向における図２の半導体化学センサ素子の拡大簡略断面図。
【図７】Ｙ方向における図２の半導体化学センサ素子の拡大簡略断面図。
【符号の説明】
２    Ｓ字状ヒータ
３    ヒータ部分
４    感応層
６，８    金属接点
２０    ヒータ
２２    感応層
２４    第１アーム
２６    第２アーム
２８    ヒータ部分
３０    第１ヒータ接点
３２    第２ヒータ接点
３４    開口
３８，４０    接点
４２，４４，４６    開口
５０    半導体化学センサ素子
５２    半導体ベース
５４    第１絶縁層
５６    第２絶縁層
【図１】
0003949771.tif 000002
【図２】
0003949771.tif 000003
【図３】
0003949771.tif 000004
【図４】
0003949771.tif 000005
【図５】
0003949771.tif 000006
【図６】
0003949771.tif 000007
【図７】
0003949771.tif 000008