(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体単結晶の基板の下方に開口した空洞部と、この基板の表面側に絶縁層を介して形成された導電膜と、この導電膜と上記絶縁層を介して反対側の上記空洞部内に形成され上記半導体に所定の不純物が拡散した拡散部である発熱部と、上記発熱部と上記導電膜との間に絶縁層を介して設けられた熱伝導率の良い多結晶半導体から成る均熱層とを備えた発熱型薄膜素子センサ。
【請求項２】
半導体単結晶の基板に所定のパターンの発熱部となる不純物拡散部を形成し、この不純物拡散部が形成された上記基板表面に絶縁層を形成し、その絶縁層の表面に上記不純物拡散部と対面して上記パターンに沿って熱伝導率の高い多結晶薄膜の均熱層を真空薄膜形成技術により形成し、さらに絶縁層を介して導電膜を形成し、この後、上記基板裏面側から上記不純物拡散部に向けてエッチングを行い、上記基板裏面に空洞部を形成するとともに、上記不純物拡散部を選択的に残して上記発熱部とする発熱型薄膜素子センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発熱状態にした薄膜素子の抵抗値の変化から相対湿度や相対流量、ガス等を検出する発熱型薄膜素子を備えた発熱型薄膜素子センサとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の発熱型薄膜素子を備えたセンサは、図５に示すように、例えばシリコン単結晶等の半導体基板１の上面に下側絶縁膜２を形成し、その上に発熱部と通電部及び電極部を含む薄膜からなる導電膜３を設けたものがあった。半導体基板１には、導電膜３とは反対側の下方に開口させて下側絶縁膜２に達する空洞部４が形成されている。空洞部４は、異方性エッチングにより形成され、空洞部４内の下側絶縁膜２と発熱部を含む導電膜３とにより、発熱型薄膜素子５を構成していた。また、下側絶縁膜２の上には、導電膜３の発熱部を覆って上側絶縁膜６が設けられていた。
【０００３】
この発熱型薄膜素子５を備えたセンサの製造は、シリコン単結晶等の半導体基板１の上面にスパッタリングによりＳｉＯ2やＴａ2Ｏ5等により下側絶縁膜２を形成し、その上にＰｔ等の導電膜３を形成し、エッチング等により所定の形状に形成する。下側絶縁膜２の表面には、必要に応じて導電膜３を覆うように、スバッタリング等によりＳｉＯ2やＴａ2Ｏ5等の上側絶縁膜６を形成する。次に、半導体基板１の下方から下側絶縁膜２まで異方性エッチングして、空洞部４を形成するものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の発熱型薄膜素子を備えたセンサは、シリコンウエハの基板１に下側絶縁膜２を梁状にして導電膜３の抵抗値変化から湿度や流量を検知するため、その感度を高めるために導電膜３に電流を流して加熱し、その状態の抵抗値から検知対象のデータを検知していた。しかし、導電膜３の熱分布が不均一となるため、特定の部位の温度が常に高くなり易く、その部分の劣化を早め、断線の原因ともなっていた。さらに、感度の低下や寿命の低下にも繋がり易いものであった。
【０００５】
この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みてなされたもので、熱分布に偏りが少なく、耐久性及び検知精度が高い発熱型薄膜素子センサとその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の発熱型薄膜素子センサは、半導体の基板の下方に開口した空洞部と、この基板の表面側に絶縁層を介して形成された導電膜と、この導電膜と上記絶縁層を介して反対側の上記空洞部内に形成された発熱部と、上記発熱部と上記導電膜との間に絶縁層を介して設けられた多結晶Ｓｉ等の熱伝導率の良い均熱層とを備えたものである。上記基板は半導体単結晶のウエハであり、上記発熱部は上記半導体に所定の不純物が拡散した拡散部である。上記導電膜と発熱部の電極は上記基板の表面側に各々別々に設けられている。
【０００７】
この発熱型薄膜素子センサは、検知部である導電膜と、この導電膜を加熱する発熱部とを絶縁層及び均熱層を介して別々に形成したものである。検知に際しては、発熱部に電流を流して、導電膜を所定の温度に加熱して所定の検知を行う。また、表面に埃等が付着した場合は、発熱部により導電膜を高温に加熱して埃を除去する。
【０００８】
この発明の発熱型薄膜素子センサの製造方法は、基板に所定のパターンの発熱部を形成し、この発熱部の表面側に絶縁層を形成し、その絶縁層の表面に上記不純物拡散部と対面して熱伝導率の高い均熱層を真空薄膜形成技術により形成し、さらに絶縁層を介して導電膜を形成し、上記基板裏面側から上記発熱部に向けてエッチングを行い、上記基板裏面に空洞部を形成するとともに、この空洞部内に上記発熱部を残すようにする発熱型薄膜素子センサの製造方法である。
【０００９】
特に、この発明の発熱型薄膜素子センサの製造方法は、半導体基板に所定のパターンの発熱部となる不純物拡散部を形成する。そして、この不純物拡散部が形成された上記基板表面に絶縁層を形成し、その絶縁層の表面に、上記不純物拡散部と対面して熱伝導率の高いＳｉ等の均熱層を真空薄膜形成技術により形成し、さらに絶縁層を介して導電膜を形成する。そして、この導電膜を覆って保護する絶縁層を形成する。この後、上記基板裏面側から上記不純物拡散部に向けて異方性エッチングを行い、上記基板裏面に空洞部を形成しする。このとき、上記不純物拡散部は、エッチングされずに選択的に残るように上記異方性エッチングを行う。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の発熱型薄膜素子センサの一実施の形態について図面に基づいて説明する。この実施形態の発熱型薄膜素子センサは、シリコン（Ｓｉ）単結晶の半導体基板１０を有し、この半導体基板１０には、下方に開口した空洞部１４が形成され、この空洞部１４の上部は、ＳｉＯ2の１μｍ程度の薄い絶縁層１２により覆われている。
【００１１】
絶縁層１２にはさらにＳｉＯ2の１μｍ程度の薄い絶縁層１３が積層され、絶縁層１２，１３の間の中央部には、Ｓｉの多結晶薄膜からなる均熱層１５が挟み込まれている。均熱層１５の厚さは、例えば、５０００〜１００００Å程度の厚さである。
【００１２】
絶縁層１３の表面側には、４０００〜５０００Å程度の厚さの導電膜１６がコ字状に形成されている。導電膜１６は、プラチナ（Ｐｔ）やチタン（Ｔｉ）等の温度係数の大きい金属薄膜からなる。この導電膜１６の両端部には、基板１０の表面の側方に形成された図示しない電極が形成されている。さらに、導電膜１６の表面には、保護膜である１μｍ程度の薄いＳｉＯ2の絶縁層１８が積層されている。
【００１３】
空洞部１４内の絶縁層１２の裏面側には、導電膜１６に沿って対面した形状のコ字型の発熱部２０が形成されている。発熱部２０は、シリコンに高濃度に不純物であるボロン（Ｂ）を拡散したＰ+Ｓｉによって構成される。この不純物拡散部である発熱部２０のボロン濃度は、例えば約１０20ｃｍ-3である。コ字形の発熱部２０の両端部から続く拡散部は、絶縁層１２の裏面に沿って基板１０の側方に至り、基板１０の表面に形成された電極に接続されている。導電膜１６の電極と発熱部２０の電極とは、基板１０の表面側方で各々別々に位置している。
【００１４】
次に、この実施形態の発熱型薄膜素子センサの製造方法について、図３をもとにして説明する。この製造方法では、先ず図３（Ａ）に示すように、Ｎ型Ｓｉ単結晶の基板１０の表面に、酸化膜２２を形成し、発熱部２０の形状を形成するパターンに窓２４を開ける。そして、ボロン等のＰ型ドーパントをＳｉ基板１０中に高濃度に拡散させる。これにより、不純物拡散部２６が所定形状、例えばコ字状に形成される。
【００１５】
この後、酸化膜２２を除去し、図３（Ｂ）に示すように、基板１０の表面に絶縁層１２をスパッタリング等により形成する。さらに、図４等に示すように、多結晶薄膜からなる均熱層１５をスパッタリングにより絶縁層１２の中央部に形成する。均熱層１５の形状は、マスクを用いて形成する。そして、均熱層１５及びその周囲の絶縁層１２を覆うように、絶縁層１３をスパッタリング等により形成する。
【００１６】
さらに、金属薄膜の導電膜１６を絶縁層１３の表面で均熱層１５の内側に位置するように形成する。所定形状に形成する方法は、金属薄膜を全面に蒸着やスパッタリングにより形成した後エッチングして、図３（Ｃ）、図４等に示すように、導電膜１６を所定形状に形成する。そして、導電膜１６及びその周囲の絶縁層１３を覆うように、保護膜である絶縁層１８をスパッタリング等により形成する。
【００１７】
次に、基板１０の裏面側から異方性エッチングし、図３（Ｄ）に示すように、発熱部２０を形成する不純物拡散部２６が選択的に残るようにする。不純物拡散部２６は、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等のアルカリエッチング液により、Ｓｉを異方性エッチングすると、選択的にエッチングされずに残る。
【００１８】
この実施形態の発熱型薄膜素子センサは、絶縁層１２，１３を介して検知部分となる導電膜１６と発熱部２０とが別々に設けられ、導電膜１６に汚れが着いた際も発熱部２０を、例えば７００℃程度に発熱させて導電膜１６を加熱すれば良く、加熱が均一に適切に行われ、導電膜１６の一部に発熱が集中したりして断線することがない。しかも、絶縁層１２，１３の間に比較的熱伝導率の高い均熱層１５を設け、発熱部２０の熱を均一に周囲に広げているので、導電膜１６がより均一に加熱されるものである。これにより、導電膜１６に加熱ムラが発生しにくくなり、均一な加熱が可能となり、寿命を延ばすことができ、測定精度も高いものとなる。
【００１９】
さらに、検知時の加熱にも、発熱部２０により例えば２００〜３００℃に導電膜１６を間接的に加熱するので、導電膜１６には常時発熱に必要な大きな電流を流す必要がなく、検知に必要なわずかな電流を流すだけで良く、導電膜１６の耐久性がより高くなる。
【００２０】
なお、この発明の発熱型薄膜素子センサとその製造方法は、上記実施形態に限定されず、基板はＳｉ単結晶以外に、他の半導体や絶縁体を用いても良い。また絶縁層は、ＳｉＯ2やＴａ2Ｏ5等を適宜選択可能である。また発熱部は、ボロンを拡散する他、他の不純物の拡散によるものでも良く、また拡散により選択的にエッチングする他、基板表面に所定形状に発熱部を蒸着等により形成し絶縁層を形成した後、基板をエッチングし、絶縁層の裏面に所定形状に発熱部が形成されるようにしても良い。さらに、均熱層は、シリコン以外に、金属や他の比較的熱伝導率の高い材料でも良い。
【００２１】
【発明の効果】
この発明の発熱型薄膜素子センサによれば、検知を行う導電膜に直接大きな電流を流して発熱させる必要がなく、発熱部により間接的に導電膜を加熱するので、導電膜に加熱むらが生じたり、さらに局部的に高温になることがなく、センサの耐久性が向上する。さらに、発熱部の熱は均熱層により、より均一に導電膜に伝えられ、導電膜の位置による温度むらを抑えることができ、測定精度も上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の発熱型薄膜素子センサの一実施形態部分破断斜視図である。
【図２】この実施形態の発熱型薄膜素子センサの縦断面図である。
【図３】この実施形態の発熱型薄膜素子センサの製造工程を示す縦断面図である。
【図４】この実施形態の発熱型薄膜素子センサの均熱層の部分破断平面図である。
【図５】従来の技術の発熱型薄膜素子センサの縦断面図である。
【符号の説明】
１０    基板
１２，１３，１８    絶縁層
１４    空洞部
１５    均熱層
１６    導電膜
２０    発熱部
【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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