ガス検知半導体装置
【課題】低コストで、処理回路と制御回路と変換回路とを一体的に集積することができ、余計なマスクや工程を必要としないガス検知半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ガス検知半導体装置１は、シリコン基板２上に形成され、当該シリコン基板２は、ＣＭＯＳ技術互換性のある高温金属からなるヒーター６が埋め込まれた酸化ケイ素絶縁薄膜３を有している。上記高温金属は、タングステンである。上記装置１は少なくとも、絶縁層４によってヒーター６から隔離されるガス感受性層を備える１つの検知領域を有している。最終製造過程工程の１つの工程として、検知領域内に薄い膜を形成するために、基板がエッチバックされる。当該エッチバック工程及びガス感受性層の形成工程を除いて、タングステンヒーター６を含む他のすべての層は、タングステン金属化を用いたＣＭＯＳプロセスが利用される。
【解決手段】ガス検知半導体装置１は、シリコン基板２上に形成され、当該シリコン基板２は、ＣＭＯＳ技術互換性のある高温金属からなるヒーター６が埋め込まれた酸化ケイ素絶縁薄膜３を有している。上記高温金属は、タングステンである。上記装置１は少なくとも、絶縁層４によってヒーター６から隔離されるガス感受性層を備える１つの検知領域を有している。最終製造過程工程の１つの工程として、検知領域内に薄い膜を形成するために、基板がエッチバックされる。当該エッチバック工程及びガス感受性層の形成工程を除いて、タングステンヒーター６を含む他のすべての層は、タングステン金属化を用いたＣＭＯＳプロセスが利用される。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、１種類以上のガスの存在及び／又はその濃度を検知するために用いるガス検知半導体装置に関するものである。
【０００２】
従来より、半導体装置内部にガス微小検知器を形成する技術が知られている。具体的には、酸化アルミニウム基板を用いて、半自動製造法によって高温金属酸化物伝導測定性検知器（high-temperature metal oxide conductimetric sensors）を製造する技術が知られている。近年では、上記検知器においてシリコンを代わり用いた形態の検知器を製造する試みがなされており、この形態では、酸化物または窒化物の絶縁薄膜と集積したプラチナヒーターを使用する。上記検知器は、作動温度が３００℃から６００℃の間である場合、従来のセンサーよりも消費電力が少ない。しかしながら、このような検知器の上記の膜の二部蒸着や二つの膜層に挟まれる金属加熱層の蒸着は、集積回路技術によるガス微小検知器の製造を困難なものとしている。また、例えばパラジウムなどの１２０℃から２００℃の間で作動する触媒ゲート（catalytic gates）を用いたＭＯＳＦＥＴ電位差測定性検知器の発展にも多くの関心が集まっている。しかしながら、このような検知器は、非効率的であるとともに、比較的高コストであるため、限定的な適用にとどまるだろう。
【０００３】
ＷＯ９８／３２００９号に、半導体基板と、当該半導体基板の片側上に設けられた絶縁薄層と、当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検知器が開示されている。このガス検知器は、上記半導体基板材料が、絶縁薄層と半導体薄層とによって形成される１つの膜を残すように取り払われた検知領域を、少なくとも１領域有している。そして、この１つの検知領域又は複数の検知領域の各々は、ガス感受性層（gas-sensitive layer）と、当該ガス感受性層とガスとの反応を促進するために当該ガス感受性層を熱するためのヒーターとを備えている。さらに、この１つ又は複数の検知領域の各々は、半導体薄層内に形成されるＭＯＳＦＥＴを、ヒーター及び／又はガス検知器の一部として組み込んでおり、上記のガス検知器は、電気的な出力方法によってガス感受性層とガスと反応を提示する。しかしながら、上記ガス検知器では、何れのＭＯＳＦＥＴ構造にも内在している寄生的なバイポーラ・トランジスタが高い温度で作動するため、比較的低い温度でのみ作動可能である。加えて、アルミニウムがＣＭＯＳ金属層として用いられた場合は、２５０℃が上限温度になり、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って長期退行（long term degradation）が起こり得ることになる。
【０００４】
そこで、ガス感受性層（たとえば、酸化スズ）の温度を上昇させるための微小ヒーターを組み込むと共に、電子回路に集積された、小型で低コストのガス検知装置を提供する必要がある。Ｇａｒｄｎｅｒ Ｊ．Ｗ．，Ｐｉｋｅ Ａ．，ｄｅ Ｒｏｏｉｊ Ｎ．Ｆ．，Ｋｏｕｄｅｌｋａ−Ｈｅｐ Ｍ．，Ｃｌｅｒｃ Ｐ．Ａ．，Ｈｉｅｒｌｅｍａｎｎ Ａ．ａｎｄ Ｇｏｐｅｌ Ｗ．，１９９５ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｂ ２６ １３５−１３９，“Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｏｒｇａｎｉｃ ｓｏｌｖｅｎｔｓ”では、プラチナ又はドープされた（doped）ポリシリコンを用いて抵抗器を形成することが報告されている。しかしながら、プラチナはＣＭＯＳ技術に不適合な材料であり、また、ポリシリコンは付加的な工程が必要になると共に、長期的な安定性を失う傾向となる熱源を形成してしまう。前述の通り、ＷＯ９８／３２００９号では、能動ヒーター（active heater）の形成にＭＯＳＦＥＴを使用しているが、シリコン技術では、約３００℃から３５０℃の間が装置の限界作動温度である（Ｕｄｒｅａ Ｆ．，Ｇａｒｄｎｅｒ Ｊ．Ｗ．，Ｓｅｔｉａｄｉ Ｄ．，Ｃｏｖｉｎｇｔｏｎ Ｊ．Ａ．，Ｄｏｇａｒｕ Ｔ．，Ｌｕ Ｃ−Ｃ． ａｎｄ Ｍｉｌｎｅ Ｗ．Ｉ．，２００１ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｂ ７８ １８０−１９０，“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｃｌａｓｓ ｏｆ ＳＯＩ ＣＭＯＳ ｍｉｃｒｏ ｈｏｔ−ｐｌａｔｅ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒｓ”を参照）ことから、約５５０℃の作動温度が必要であるメタン検出には不適当である。
【０００５】
また、高温下ＣＭＯＳプロセスにおいて、タングステン内部接続を用いる方法が知られている。例えば、Ｗ．Ｙｕｎ，Ｒ．Ｈｏｗｅ，そしてＰ．Ｇｒａｙ，による論文“Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ，ｄｉｇｉｔａｌｌｙ ｆｏｒｃｅ−ｂａｌａｎｃｅｄ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＣＭＯＳ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ，”Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ‘９２，ｐ．１２６，１９９２，には、さらなるポストＣＭＯＳ高温プロセス（further post-CMOS high temperature processing）を可能にするために、この加工に充分耐え得るタングステンを、アルミニウムの代わりに金属化（metallisation）に用いる記述がある。
【０００６】
また、タングステンは、ＳＯＩ ＣＭＯＳプロセスにおける高温金属化にも用いられてきた（“ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｍｅｔａｌｌｉｓａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＳＯＩ ｄｅｖｉｃｅ”，ｂｙ Ｊ．Ｃｈｅｎ ａｎｄ Ｊ．Ｐ．Ｃｏｌｉｎｇｅ，ｐａｐｅｒ Ｅ−Ｉ．４，Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｓｔｒａｓｂｏｕｒｇ，Ｆｒａｎｃｅ，１９９４，ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇを参照）。
【０００７】
しかしながら、これらの参考文献の何れにも、ＣＭＯＳ互換プロセスにおける抵抗ヒーター（resistive heater）としてタングステンを用いる方法については開示されていない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、従来のバルク（bulk）製造方法を用いて低コストに生産し得る、高温下における機能に関して改良がなされた、ガス検知半導体装置を提供することにある。
【０００９】
すなわち、本発明に係るガス検知半導体装置は、半導体基板と、ガス感受性層及び、当該ガス感受性層とガスとの反応を促進するためにガス感受性層を加熱するためのヒーターによって構成される少なくとも１領域の検知領域と、上記ガス感受性層のガス反応を電気的な出力として示すセンサーとを備えており、上記ヒーターには、少なくとも１層のタングステン層が設けられたガス検知半導体装置である。
【００１０】
従来の平面集積ガス検知器と比較すると、ＣＭＯＳ互換プロセスにおいて上記のタングステンヒーター（tungsten heater）を用いた場合、本発明の装置の製造は非常に簡略化され、したがって、その製造コストも減少する。さらに、本発明の装置は、抵抗性ガス検知器や、熱量測定ガス検知器（calorimetric gas sensor）であっても良く、さらには、処理ユニットや駆動回路といった処理回路ととも共に、１つのチップ上に集積されて得られる“高機能の（smart）”ガス微小検知器であっても良い。上記ヒーターは、従来のガス微小検知器とは異なり、ＩＣの製造方法として既に起用されている工程に新たな工程を追加する必要なく製造することができる。また、本発明によれば、１つ以上のタングステン抵抗ヒーターを用いることによって、２００℃を超える温度でのＣＭＯＳプロセスを可能とする（ＳＯＩの場合では最高温度２５０℃）一方で、６００℃を優に超える温度で装置の作動を可能にすると同時に、ヒーターを比較的小型化することができる。
【００１１】
ＳＯＩ技術は、一般的に、ＳＩＭＯＸとして知られているエピタキシャル成長の後に続く、ウエハ接着又は酸素イオンの注入に基づいたものである。また、スマートカット（smart-cut）といったような他の技術も用いられている。ＣＭＯＳ ＳＯＩ集積回路は、埋め込まれた酸化ケイ素（silicon oxide）を通じて基板と隔離された最表面の半導体層に様々なトランジスタを生成することによって製造される。上記の酸化ケイ素の代わりに、窒化ケイ素（silicon nitride）や、酸化ケイ素と窒化ケイ素との混合物といった他の絶縁材料を用いることもできる。そして、ＭＯＳＦＥＴ’ｓといった個々の半導体装置が、既知の製造工程を用いてシリコン薄層の中に製造される。上記電子装置（半導体装置）は、例えば０．５〜１μｍの厚さの非常に薄い能動半導体層（active semiconductor layer）中に形成されるため、ＳＯＩ技術は、結果として、簡易で効果的な装置の隔離（isolation）と同様に、寄生容量と、ラッチアップ除去（latch-up elimination）と、ショートチャンネル効果との低減が行われた、高速／低電力のＣＭＯＳ特性となる。加えて、完全空乏型装置（極薄ＳＯＩ基板を含む）が報告されているという面白い特徴がある。それらはよじれ現象（kink phenomena）を示してはおらず、鋭いサブスレッショルド係数（sub-threshold slope）を有している。そして、衝突イオン化及びチャージポンピング現象に関連する動的な基板浮遊効果という点から見れば、上記装置は安定である。ＳＯＩトランジスタもまた従来のバルクシリコン装置と比較したときには、およそ１０〜１００の要因による低いオフ状態漏電流（lower off-state leakage current）を有する。これは、待機電力の散逸の減少に重要である。加えて、ＳＯＩ技術は、主に漏電流（leakage currents）の減少によって、従来の装置よりもより高い温度での装置の作動を可能にしている。
【００１２】
タングステンヒーターを有するＣＭＯＳ互換膜の製造は、従来のバルクＣＭＯＳプロセスの場合のような高い漏電流又はラッチアップによる影響を失くし、膜領域における非常に高い温度（検知材料とガスとが反応するための６００度以上の温度）と、隣接した回路領域における比較的高い温（２５０℃までの温度）とを可能にしている。したがって、ＳＯＩ技術は、高性能のガス検知器に非常に適合している。けれども、タングステン金属化を伴うバルクＣＭＯＳプロセスもまた、わずかに安価な代替法として用いることが可能である。
【００１３】
本発明のガス検知半導体装置によれば、上記の検知領域は、少なくとも一層の絶縁薄層と抵抗ヒーターを設けるための金属層とによって形成されるものであり、膜上に形成されることが好ましい。上記の膜は、例えば、等方性深堀り反応性イオンバックエッチング法を用いて、基板材料が除去されることによって形成されることが好ましい。バルクＣＭＯＳプロセスの場合は、誘電体層が、標準のＣＭＯＳ内部誘電体層又はフィールド酸化物（a field oxide）であってもよい。ＣＭＯＳ ＳＯＩの場合は、上記絶縁薄層は、一般的なＳＯＩ構造の一部分である酸化ケイ素埋め込み層（the silicon oxide buried layer）である。この層は二つの目的の役に立っている。すなわち、（１）上記検知領域のエッチストップとして働くと共に、高温下での電力消費を抑えるために熱的に上記検知領域を隔離する目的、そして、（２）特殊な場合の低電力のＣＭＯＳ ＳＯＩ集積回路内における干渉の減少と、ラッチアップ除去と、静電容量の減少と同様に、例えば、あらゆる関連集積回路領域と、組み込まれている変換器と、関連する処理回路とからの高水準な電気的隔離を可能にする目的に役立つものである。
【００１４】
膜の上記した高い熱的隔離特性（high thermal isolation properties）により、非常に低い電力消費で高温を生じさせることができる。これは、ガス感受性層の活性材料（active material）と反応するために高温が必要であるガスに対して適用するのに特に有利である。種々のガスの性質や濃度又は、上記ガスの混合物の性質や濃度が種々の温度でのガス感受性層の伝導性の変化を測定することによって決定されても良い。金属酸化物ガス感受性層が２００℃を超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こと考慮して、有機金属や触媒金属（catalytic-metal）ガス感受性層は、低い温度（１００℃以下）又は中ぐらいの温度（１００℃から２００℃）で反応することができる。したがって、ガス微小検知アレイ装置（a gas microsensor array device）は、同じチップ中に利用可能な種々のガス感受性層を用いたいくつかのセンサーセル（sensor cell）を個々に集積することによって構築しても良い。上記センサーセルの各々は、同じ膜上又は別々の膜上に構築することができる。このようなガス微小検知アレイ装置は、個々のセンサーにわたって、ガス選択性の向上、低ノイズ、卓越した設計構造又は信号工程（signal processing）による悪影響を低減させるといった優位性を有している。
【００１５】
添付の図の説明と、種々の実施の形態の詳細な説明により、本発明はより詳細に理解されるであろう。なお、添付の図には以下のものがある。
【００１６】
図１から図５は、単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態の検知領域の断面図であり、図１ａは検知電極の平面図を示したものである。
【００１７】
図６、図７、図８、図１１は、二層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態における検知領域の断面図を示したものであり、図９と図１０とは、ヒーターの構造に関する二種類の代案の平面図である。
【００１８】
図１２と図１４とは、多層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態に検知領域の断面図である。
【００１９】
図１５と図１７とは、さらに他の実施形態における検知領域の断面図であり、図１８は、図１７に示した実施形態の平面図である。
【００２０】
本発明に関するガス検知半導体装置における複数の実施の形態は、後述するように、非ＳＯＩ（例えば一般的なバルク（bulk））技術又はＳＯＩ（例えばスマートカットＵＮＩＢＯＮＤ（Smart Cut UNIBOND））ＣＭＯＳ技術を用いて製造されるものであり、これによって、１枚のチップ内に、ガス検知領域とＩＣ回路を集積するように製造されるものである。また、それぞれの検知領域は、少なくとも１枚の絶縁薄層と、抵抗ヒーターとして機能するタングステン金属層とから形成される薄い膜である。これらの実施形態の構造をとることで、優に６００℃を超える温度での作動が可能になる。絶縁薄層は、熱的な隔離を行い、その材料としては、酸化物、窒化物、酸化物と窒化物の混合物、又は、他の絶縁性材料を用いることができる。従来のガス微小検知器と異なり、高価で複雑な製造工程を含む低ストレスである特殊な層蒸着法（low-stress special layer deposition）を必要としない。より詳細な説明に関しては、検知領域内の装置の製造に関する記載中で説明するが、ＩＣの製造が、装置の他の場所における関連回路を設けるために非常に大きな影響を与えることは理解できるであろう。
【００２１】
図１の実施の形態では、装置１が、検知領域中の片面にＳｉＯ２薄層３と、当該ＳｉＯ２薄層３の表面上に設けられた絶縁薄層４とを有するシリコン基板２上に製造されている。熱酸化物（thermal oxide）は、シリコンよりも低い熱伝導性をもつため、検知領域では熱による電力消費（thermal power losses）は大幅に減少するようになっている。タングステンからなる抵抗ヒーター６は、検知領域内に形成される。この抵抗ヒーターは、標準的なＣＭＯＳ金属化プロセスの一部であるＣＭＯＳプロセス中に形成される（ポストＣＭＯＳプロセスの一部ではない）。したがって、検知領域中の抵抗ヒーター６と、電子回路領域中のソースとドレイン金属被膜１３とは、個々の金属構造を定義づけるためのフォトリソグラフィによるパターン形成が施された同じタングステン層から形成することができる。
【００２２】
ヒーター６に加えて、常温動作型化学抵抗器センサー（chemoresistor sensor）７が、検知領域内において２つの電極８をつなぐように、無機物（錫酸化物のような）又は有機物（ポリマーかフタロシアニン（ptharlocyanine）のような）かからなるガス感受性層９が配置されることによって製造される。上記ガス感受性層９は、スパッタリングなどで蒸着されるか、又は上記の２つの電極８の上に電気化学的成長によって形成しても良い（伝導ポリマーのように）。上記の２つの電極８は、ＣＭＯＳプロセス中における金属被膜の一部として形成される最上層の金属層の１層を利用した第２のタングステン金属層から形成されるか、または金のような他の材料から形成されるか、ポストＣＭＯＳで蒸着されても良い。代替案として、電極８が、一連のＣＭＯＳ工程の一部、又はポストＣＭＯＳプロセスの一部を用いて形成される、いくつかの層を組み合わせたものから形成されても良い。製造工程の最終段階の１つとして、上記基板２は、ＳｉＯ２層３をバックエッチングの停止層として用いてエッチバックされ、検知領域に薄膜を形成される。上記エッチバックは、ウェットエッチング（例えば、ＫＯＨエッチング）によるものであっても、ドライエッチング（例えば、深堀り反応性イオンエッチング）によるものであっても良い。
【００２３】
上記したような電子回路の領域では、既知のＣＭＯＳプロセスを用いて部品が形成され、ｎ−ｔｕｂ、ｐ−ｔｕｂ、ｔｗｉｎ−ｔｕｂ、又はＳＯＩ技術を用いた、多くのＣＭＯＳ又はＢｉ−ＣＭＯＳプロセスが利用可能である。隔離と、いくつかの層における結晶の外面的形態及びその構成と、並びに、各製造工程の順番とは、それぞれ異なる工程ではあるが、これらは、一般的な埋め込み（implantation）工程、及び、ゲート酸化物形成と、ポリ（poly）（１層又は２層）蒸着と、トランジスタ端末に接触するように形成された１層以上の金属膜形成といったドライブイン工程（dorive-in step）であり、これらによって、ＩＣ内に内部接続回路が形成される。図１に示すように、酸化ケイ素基板は、ＮＭＯＳトランジスタ１４やＰＭＯＳトランジスタ１０のゲート酸化物（gate oxide）を形成するために表面において成長し、続いて、当該ゲート酸化物の表面上にポリシリコン膜の蒸着及びパターニングが行なわれる。また、ｐ＋ソース層１１とｐ＋ドレイン層１２が埋め込まれ、上記ゲートに対して自己整列（self-aligned）しても良い。ＮＭＯＳトランジスタ１４は、上記ゲートに埋め込まれて自己整列するｎ＋ソース層１５及びｎ＋ドレイン層１６を略同じような方法によって形成することができる。どちらのタイプのトランジスタが形成される場合であっても、ソースとドレイン拡散層上にタングステン金属被膜層１３が塗布され、パターン形成される。また、タングステン金属被膜１３は、膜領域中における抵抗ヒーター６の形成にも用いられる。その後、他のタングステン金属層を、内部接続として形成してもよく、互いを、一般に酸化ケイ素を材料にした内部絶縁層を通じて隔離しても良い。最後に、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、ガラス又は有機物を材料にした保護膜を、少なくとも金属膜表面を含む（好ましくは積層した金属膜とともに含む）パッドを除いた集積回路の表面に、ＩＣの全体を覆うように形成される。
【００２４】
電流か電圧がヒーター６に供給されると、検知領域の高い断熱性と非常に低い熱容量（thermal capacitances）のため、検知領域において温度が急速に上昇する。すると、ガス分子が、常温動作型化学抵抗器センサー７のガス感受性層９と反応することができる。ヒーター６は、開ループ制御システムにおいて定電流又は、低電圧を与えられて作動させることができる。しかしながら、ヒーターの抵抗率をモニタリングする場合は、閉ループ制御システムでヒーターの電流と電圧を変更することが可能である。これにより非常に正確なヒーター温度の設定が可能になり、それゆえ、ガス感受性層９の温度の設定も非常に正確に行うことができるようになる。ガスがガス感受性層９と反応すると、ガス感受性層の伝導率が変化する。そして、この変化を適切な検出回路（図示せず）によって検出することができる。上記温度は、参照する室温に対する、ヒーターの抵抗性の変化を検出することによってモニターされても良い。図１ａの平面図に示されている、ガス感受性膜９の下にある、互いに組み合わされた電極８１と電極８２から形成される一対の電極８は、ガス感受性層９の伝導率と抵抗性を測定するのに用いられ、ガス感受性層９の電気抵抗率は、分析中のガスの濃度と相関する。電極８１と電極８２の個々の指状突起は、１〜１００μｍの幅を有し、指状突起内部のギャップ（interfinger gap）は概して１〜１０μｍの範囲に収まっている。この場合、アスペクト比は、指状突起の長さと指状突起の対の数を、ギャップの幅で割ることでおおよそ求められる。
【００２５】
検知領域の温度をモニターするため、ＣＭＯＳ又は、Ｂｉ−ＣＭＯＳが集積された温度検知手段が、ガス感受性層９に近接した検知領域に形成されても良い。そのような温度検知手段は、金属抵抗器、ポリシリコン抵抗器、又はシリコン抵抗器からなる受動センサー（passive sensor）か、ＣＭＯＳプロセスで形成される単極性又は二極性の装置を材料にした能動センサー（active sensor）であり、温度とともに、抵抗率、担体移動度（carrier mobility）、又はエミッタ・ベース電圧といったものにも用いることができる。このような温度検知手段は、幅広く用いることができるとともに、正確な結果を示すものである。
【００２６】
上記ヒーター６は、検知領域を均一に加熱するように、蛇行構造（meandering structure）を形成していても良い。もし、前記センサー（検知装置）が個々のセンサーセルの配列（アレイ）を有する場合、単一の一般的なヒーターを全センサーセルに用いても良いし、又は、その代わりにヒーターの配列（アレイ）を用いても良い。もし、必要ならば、そのようなヒーター配列が、異なるセンサーセルを異なる温度で加熱するように構成されていても良い。
【００２７】
ＣＭＯＳプロセスにおいてタングステン内部接続（回路）を用いることで多様な設計構造の選択が可能になる。いくつかの実現可能なガス検知器の設計構造については後述する。また、後述する設計構造は、用いたタングステン層の数によって列記している。タングステン層の数が最小になるのは、タングステンからなる側方ヒーター（lateral heater）が側方抵抗性ガス検知器に隣接している場合になるだろう。また、抵抗性ガス検知器の代わりに、同様の構造の熱量測定ガス検知器を用いてもよく、その場合には、熱量測定性ガス検知器が、ガス感受性膜の温度の上昇又は、降下の測定に用いるヒーター又は温度検知手段を除いた構造であればよい。また、場合によっては、電気化学的に蒸着されるガス感受性材料を、金属平板の上に設ける必要があるしかしながら、これは、スパッタリング、非電解メッキ、物理的又は化学的な気相蒸着法などによって蒸着される上記のガス感受性層膜に対しては、通常、必要ない。
【００２８】
タングステンヒーターは、タングステンの高い電気伝導率のために、プラチナからなるヒーターに対応する設計よりも大きくならなければならないだろう。したがって、必然的な代替案は、ヒーターがいくつもの垂直方向に並んだ加熱層（heating layer）を含むことが好ましいだろう。
【００２９】
（単層のタングステン層を有するヒーター）
ここでの１つ目の設計構造は、１つ以上の数の側方ガスセンサーと組み合わせて構成される、タングステンからなる（ＣＭＯＳ金属被覆工程による）単層抵抗ヒーターを表している。図１、２そして図３は、３種類の異なる実施形態を示している。すなわち、図１を参照して前述した実施の形態では、テーパー型の側壁１７を形成するために（例えば１００のシリコン基板（the 100 silicon substrate）のウェットエッチングを用いて）異方性エッチバックを利用しており、図２に示す他の実施形態では、平行な側壁１７’を形成するように（例えば深堀り反応性イオンエッチングのようなドライエッチングを用いて）異方性エッチバックを利用している。そして、図３に示す他の実施の形態では、センサーの電極８’のためにタングステンに替えて、より望ましい金を用いている。
【００３０】
２つ目の設計構造は、ＳＯＩ ＣＭＯＳ又は、Ｂｉ−ＣＭＯＳプロセスに基づいている。この設計構造では、タングステンからなる抵抗ヒーターは、１つ以上の数の、側方抵抗性ガス検知器及び側方酸化絶縁物（lateral oxide isolation）と組み合わせて用いられる。図４に示す実施の形態では、ＳＯＩ技術に特異的な埋没酸化層（buried oxide layer）１８を、電子回路領域において基板からトランジスタを絶縁するために用いられている。また、この埋没酸化層１８は、エッチバック・ストップとして用いることもできる。埋没酸化層１８の上にある能動シリコン（active silicon）は、検知領域では（エッチング又は、酸化によって）取り除かれており、そして取り除かれた場所には、効果的な熱隔離（thermal isolation）を行う酸化ケイ素の層がある。
【００３１】
３つ目の設計構造では、タングステンからなる抵抗ヒーターが、電気化学的エッチ・ストップ及び１つ以上の数の側方抵抗性ガスセンサー（lateral resistive gas sensor）と組み合わせて用いられている。図５に示す実施の形態では、原基板（original substrate）２の一部であるシリコン薄層１９が、熱拡散板として、エッチングを受けずに残されている。熱拡散板は、検知領域において温度がより均一になるように手助けをするが、結果として多大な電力を消費する。シリコン薄層１９は、ドーピングされるとともに、シリコン基板との整流接合部（rectifying junction）を形成する。整流接合部がエッチングされた道（etched way）である場合、当該整流接合部を流れる電流は、その流れが変わる。
【００３２】
（２層のタングステン層を有するヒーター）
ここでの１つ目の設計構造では、１つ以上の数の側方ガスセンサーを有する、タングステンからなる２層抵抗ヒーターを提供する。この構造では、図６に示すように、２層のタングステン加熱層（tungsten heating layer）２０・２１が、２つのマイクロヒーターとして、積層された形態で設けられており、２つの要素（マイクロヒーター）があることによって、ある同一の領域に対して、１層の加熱層しか有していない構造と比較して、熱の投入量（input）の増加させることができる。
【００３３】
２つ目の設計構造は、第２のタングステン層から構成される拡散板を有する第１のタングステン層から構成される抵抗ヒーターと、側方抵抗性ガスセンサーとを提供する。この構造は、図７で示すように、タングステン加熱層２０とタングステン拡散板２２とが一方を他方の上に配置しており、２つの要素ある抵抗ヒーターによって、ある同一の領域に対して、１層の加熱層しか有していない構造と比較して、熱の投入量（input）の増加させることができる。拡散板２２は、加熱層２０で発生した熱を、ガス感受性層９の方向へ拡散させる構成となっている。
【００３４】
３つ目の設計構造は、１つ以上の数の側方抵抗性ガスセンサーを有する２層抵抗ヒーターを提供する。この構造では、図８で示すように、２層のタングステン加熱層２３・２４が一方を他方の上に配置した構造であるとともに、それぞれが織り交ぜられた構造となっており、２つの要素ある抵抗ヒーターによって、ある同一の領域に対して、１層の加熱層しか有していない構造と比較して、熱の投入量（input）の増加させることができるまた、織り交ぜられた構造とすることによって、より等温な表面プロファイルが作り出される。図９は、設計構造の実施例を示した平面図であり、互いが側方にオフセットされ、蛇行構造を有するように配置された加熱層２３・２４を示している。それに対して図１０は、他の実施例を示した平面図であり、一方が他方と直行するように、蛇行構造を有するように配置された加熱層２３’・２４’を示している。
【００３５】
４つ目の設計構造は、１つ以上の数の側方抵抗性ガスセンサーを有する２層抵抗ヒーターを提供する。この構造は、図１１に示すように、２層のタングステン加熱層２５と２６とが、ガスセンサー電極８と相対的に温度勾配を生み出すように、互いが側方に配設された構造となっている。この構造によって、２種類の異なった（定常状態）温度でのセンサー材料のレシオ測定に用いることができる。
【００３６】
５つ目の設計構造は、１つ以上の数の側方抵抗性ガスセンサーを有する２層の抵抗ヒーターを提供する。この構造は（図示せず）、２層のタングステン加熱層を積層させた構造とし、これらを直列につなぐことによって、ヒーターの電気抵抗を増加させ、流れる電流を制限している。上記２層の加熱層は、側方抵抗性ガスセンサーの信頼性を高めために、エッチバックによって形成される膜の領域の外側に位置する層間の接合部を経由して内部接続されていても良い。
【００３７】
（２層以上のタングステン層を有するヒーター）
ここでの１つ目の設計構造は、図１２で示すように、１つ以上の数の側方ガスセンサーを有した２層のタングステン加熱層２７・２８が互いに積層された構成となって配置されており、この間にタングステン拡散板２９が設けられた２層抵抗ヒーターを提供する。また、このうちの１層以上の層は、熱を側方へ伝導することによってヒーター領域全域で温度をより均一にするための熱吸い込みプレート（heat sinking plate）として用いられても良い。また、より等温の膜表面を作り出すように、例えばタングステン標準ヒーター（tungsten standard heater）（金属２（Metal 2））を、１区画のヒートシンク（square heat sink）（金属１／３（Metal 1/3））の下方に配置することができる。
【００３８】
２つ目の設計構造は、図１３で示すように、１つ以上の数の側方ガスセンサーを有した、１層のタングステン加熱層３０と、タングステン拡散板３１と、温度検知手段３２とを含む単層抵抗ヒーターを提供する。上記温度検知手段３２は、タングステンからなっており、その役割としては、この設計構造を加熱するのではなく、高温下における当該構造の抵抗性変化を測定するために設けられる。なお、上記温度検知手段３２によって発生する熱量（power）は実際の加熱層３０によって発生する熱量に比較すれば、取るに足らないものである。
【００３９】
３つ目の設計構造は、図１４で示すように、１つ以上の数の側方ガスセンサーを有する、互いに側方へ配設される３層のタングステン加熱層３０、３４、３５からなる３層抵抗ヒーターを提供する。この構造によって、設置領域を減少させることができるとともに、３つの異なった作動温度をデジタル方式で切り替えることができるようになる。
【００４０】
同じ膜内に１つ以上のヒーターを用いることが、有利となる場合がある。例えば、上記ヒーターのうち１つを温度直流バイアス（temperature DC bias）の調整に用いて、他のヒーターを熱の調節に用いることができる。また、この調整を、低周波の交流信号を印加することによって行ってもよい。
【００４１】
（複数のタングステン層及び垂直センサー構造を有するヒーター）
図１５では、１つ以上の数の側方抵抗性ガスセンサー３６を有する単層抵抗ヒーターを提供しており、この単層抵抗ヒーターには、１つ以上のセンサ電極が、互いに近くに配設されている（側方配置（lateral configuration））というよりむしろ、一方の最上部に他方が接触した状態で積み重なっている。この構造では、上記ガス感受性層は上記装置表面の下に並んでいることから、センサーの領域を減らすことができる。上記センサーは感度を落とすことなく、より小型に製造することができる。もし、２つの抵抗性センサー電極が１つの溝の同じ側面に形成される場合は、２つのセンサ電極間の間隔は１μｍ以下が良い。さらには、もし２つの抵抗性センサー電極が１つの溝を跨いだ形で形成される場合は、２つのセンサー電極間の間隔は溝の幅に依存する。
【００４２】
図１６は、多数の垂直電極（vertical electrodes）３７を有する単層抵抗ヒーターを示している。この構造によって、時空測定のための、溝内へのガス拡散を行うのと同じくらいの一連の高速測定が可能になる。
【００４３】
図１７では、空隙４０及び垂直抵抗性ガスセンサー３９を囲むように設けられた垂直方向に間隙を有する電極４１を囲むように設けられた単層以上の抵抗性側方ヒーター（resistive lateral heater）３８を示している。この構造は、フローセンサー（flow sensor）やその他の形式の装置に用いることが可能である。図１８は、装置の平面図であり、円形（四角などに置き換えても良い）の空隙、及び一方を他方の上に重ね合わせた（この図では分かれて見えない）２層の抵抗性加熱層（resistive heating layers）を示したものである。
【００４４】
このような方法による多層構造とすることにより、抵抗ヒーターの新しい設計構造が可能になり、異なった方法で作動することができる新しい抵抗ヒーターを提供することができる。つまり、このような設計構造のヒーターの１つとしては、基底温度（base temperature）（例えば１００℃くらい）まで加熱するのに用いると共に、測定温度（例えば３００℃くらい）まで加熱するよう増加させる切り替えをできるようにしても良い。そのようなヒーターは、デジタル方式で切り替えを行うように構成すればよく、このように構成すれば、非常に単純な制御回路が必要となるだけである。さらには、側方の２層のヒーター構造が、上記ガスセンサーを介して温度勾配を形成するように構成されていてもよい。しかしながら、そのような構造は、場所を多く必要とするため、垂直構造に比較してより効率が悪くなるだろう。
【００４５】
本発明の実施の形態によって、従来のガスセンサーよりも優れた、以下の効果が得られるだろう。
１）６００℃を超えても作動可能である。これに対して、ポリシリコンはそのような高い温度では長期の安定性を得られない。また、ドーピング層の正確な特性の調節も難しい。アクティブＦＥＴヒーター（Active FET heaters）は３５０度以上では使用できないことから、タングステンヒーターは、特に水素やメタンを検出するためのマイクロ熱量計（microcalorimeters）として有用である。
２）Ｓｉ、Ａｌ、またはＰｔを用いる装置と比較して、よりすぐれた機械的強度とヤング弾性率を有している。
３）一般的なＣＭＯＳプロセスではチップ中のシリコン装置と内部接続するため多くのアルミニウム膜を使用する。しかしながら、アルミニウムはその低い融点から、高温のヒーターには向いていない。
４）ヒーターの金属層は、広範囲の応用に対して適用できるために必要である条件を充たしていなければならない。具体的には、以下のような条件を充たす必要がある；
ａ）電気伝導率は、高速のＣＭＯＳ処理を行うことを可能にするのに十分なだけ高くなければならず、あらゆる寄生的な抵抗性の内部接続回路（interconnect paths）は減らさなければならない。
ｂ）電気伝導率は、低電力で、かつ低単位コスト（low unit cost）を充たす小型のヒーターを作るため、十分に低くなければならない。上記ヒーターの抵抗性は、ＣＭＯＳボルト数（CMOS voltage）（最大５Ｖ）の処理とともに低電流で作動できるように、適度に高い必要がある。
ｃ）ヒーターの材料は、９００℃に達する温度でも作動できるように、高い融点をもっていなければならない。
５）加えて、ヒーターの設計構造は、等温構造（isothermal structure）を提供でｋりうように構成されていなければならない。高温ＣＭＯＳプロセスにおいてタングステン金属層を用いることでこれらのすべての条件を充たすことができる。
タングステンの電気伝導率は、アルミニウムや金よりも低く、これがより小さい抵抗性ヒーターの設計構造を助けているが、タングステンの電気伝導率もプラチナほどは低くはない。しかしながら、プラチナはＣＭＯＳ技術に互換性のある材料ではない。タングステンは他の金属よりもはるかに高い降伏強さ（耐力）を有していることからより頑丈である。
６）アルミニウムに対してタングステンは、エレクトロマイグレーションの被害をうけない。これは、信頼性を失う恐れなく、アルミニウムよりも多い電力と高い電流を用いることができることを意味している。また、これは、タングステン金属溝をより狭く作ることができ、その結果、より小型のヒーターを作りだすことができることを意味している。
７）また、タングステンヒーターは温度検知手段として用いることもできる。そのＴＣＲ（温度抵抗係数）はプラチナよりも５０％高い。これはつまり、タングステンヒーターは温度検知手段として５０％高い感度をもつことを意味している。代わりとして、タングステンからなる分離型温度検知手段（separate temperature sensor）を用いても良い。
８）タングステンは、ＳＯＩ（Ｂｉ）ＣＭＯＳプロセスにおける高温内部接続金属（high temperature interconnect metal）として用いられる。これによって、ＩＣは、２５０℃に達するまでの温度で作動できるようになる。したがって、センサーの電子回路領域内における温度は、アルミニウム金属被膜を伴ったＩＣチップの上記温度をはるかに超過することができる。したがって、このようなセンサーは、非常に高温の環境中で用いることが可能になる。
【００４６】
上述の理由により、タングステンが、高温のマイクロホットプレートガス検知装置に用いられる抵抗ヒーターに特に有利な材料であることが高く評価されるべきだろう。下記の表１では、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔにおける対応する特性と比較した場合のＷの望ましい特性を例証している。
【００４７】
【表１】
【００４８】
上述した構造は、検出対象であるガスの存在下において、ガス感受性層による付加的な放熱又は吸熱を行うマイクロ熱量計として（又は、化学抵抗器（chemoresistors）とマイクロ熱量計の両方として）用いることもできる。この場合では、センサー材料の温度がガスとの反応によって変化するので、ガスの性質及び／又はその濃度を、検出対象であるガスの存在下においてガス感受性層による付加的な放熱又は吸熱をモニターすることで決定することができるようになる。そのような構成のために適当なガス感受性層としては、Γ―アルミナ（ぺリシトール（pellistor））のような非電気伝導率の材料からなるものが良い。酸化スズのような化学抵抗性（chemoresisitive）の材料は、熱伝導率を変化させるため、高温下における、熱伝導率と、放熱と、電気伝導率のそれぞれの変化をモニターすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る実施形態の検知領域の断面図である。
【図１ａ】検知電極を示した平面図である。
【図２】単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態の検知領域の断面図である。
【図３】単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態の検知領域の断面図である。
【図４】単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態の検知領域の断面図である。
【図５】単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態の検知領域の断面図である。
【図６】二層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る実施形態における検知領域の断面図を示したものである。
【図７】二層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態における検知領域の断面図を示したものである。
【図８】二層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態における検知領域の断面図を示したものである。
【図９】ヒーターの構造を示す平面図である。
【図１０】ヒーターの他の構造を示す平面図である。
【図１１】二層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態における検知領域の断面図を示したものである。
【図１２】多層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る実施形態に検知領域の断面図である。
【図１３】多層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る実施形態に検知領域の断面図である。
【図１４】多層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る実施形態に検知領域の断面図である。
【図１５】他の実施形態における検知領域の断面図である。
【図１６】他の実施形態における検知領域の断面図である。
【図１７】他の実施形態における検知領域の断面図である。
【図１８】図１７に示した実施形態の平面図である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、１種類以上のガスの存在及び／又はその濃度を検知するために用いるガス検知半導体装置に関するものである。
【０００２】
従来より、半導体装置内部にガス微小検知器を形成する技術が知られている。具体的には、酸化アルミニウム基板を用いて、半自動製造法によって高温金属酸化物伝導測定性検知器（high-temperature metal oxide conductimetric sensors）を製造する技術が知られている。近年では、上記検知器においてシリコンを代わり用いた形態の検知器を製造する試みがなされており、この形態では、酸化物または窒化物の絶縁薄膜と集積したプラチナヒーターを使用する。上記検知器は、作動温度が３００℃から６００℃の間である場合、従来のセンサーよりも消費電力が少ない。しかしながら、このような検知器の上記の膜の二部蒸着や二つの膜層に挟まれる金属加熱層の蒸着は、集積回路技術によるガス微小検知器の製造を困難なものとしている。また、例えばパラジウムなどの１２０℃から２００℃の間で作動する触媒ゲート（catalytic gates）を用いたＭＯＳＦＥＴ電位差測定性検知器の発展にも多くの関心が集まっている。しかしながら、このような検知器は、非効率的であるとともに、比較的高コストであるため、限定的な適用にとどまるだろう。
【０００３】
ＷＯ９８／３２００９号に、半導体基板と、当該半導体基板の片側上に設けられた絶縁薄層と、当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検知器が開示されている。このガス検知器は、上記半導体基板材料が、絶縁薄層と半導体薄層とによって形成される１つの膜を残すように取り払われた検知領域を、少なくとも１領域有している。そして、この１つの検知領域又は複数の検知領域の各々は、ガス感受性層（gas-sensitive layer）と、当該ガス感受性層とガスとの反応を促進するために当該ガス感受性層を熱するためのヒーターとを備えている。さらに、この１つ又は複数の検知領域の各々は、半導体薄層内に形成されるＭＯＳＦＥＴを、ヒーター及び／又はガス検知器の一部として組み込んでおり、上記のガス検知器は、電気的な出力方法によってガス感受性層とガスと反応を提示する。しかしながら、上記ガス検知器では、何れのＭＯＳＦＥＴ構造にも内在している寄生的なバイポーラ・トランジスタが高い温度で作動するため、比較的低い温度でのみ作動可能である。加えて、アルミニウムがＣＭＯＳ金属層として用いられた場合は、２５０℃が上限温度になり、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って長期退行（long term degradation）が起こり得ることになる。
【０００４】
そこで、ガス感受性層（たとえば、酸化スズ）の温度を上昇させるための微小ヒーターを組み込むと共に、電子回路に集積された、小型で低コストのガス検知装置を提供する必要がある。Ｇａｒｄｎｅｒ Ｊ．Ｗ．，Ｐｉｋｅ Ａ．，ｄｅ Ｒｏｏｉｊ Ｎ．Ｆ．，Ｋｏｕｄｅｌｋａ−Ｈｅｐ Ｍ．，Ｃｌｅｒｃ Ｐ．Ａ．，Ｈｉｅｒｌｅｍａｎｎ Ａ．ａｎｄ Ｇｏｐｅｌ Ｗ．，１９９５ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｂ ２６ １３５−１３９，“Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｏｒｇａｎｉｃ ｓｏｌｖｅｎｔｓ”では、プラチナ又はドープされた（doped）ポリシリコンを用いて抵抗器を形成することが報告されている。しかしながら、プラチナはＣＭＯＳ技術に不適合な材料であり、また、ポリシリコンは付加的な工程が必要になると共に、長期的な安定性を失う傾向となる熱源を形成してしまう。前述の通り、ＷＯ９８／３２００９号では、能動ヒーター（active heater）の形成にＭＯＳＦＥＴを使用しているが、シリコン技術では、約３００℃から３５０℃の間が装置の限界作動温度である（Ｕｄｒｅａ Ｆ．，Ｇａｒｄｎｅｒ Ｊ．Ｗ．，Ｓｅｔｉａｄｉ Ｄ．，Ｃｏｖｉｎｇｔｏｎ Ｊ．Ａ．，Ｄｏｇａｒｕ Ｔ．，Ｌｕ Ｃ−Ｃ． ａｎｄ Ｍｉｌｎｅ Ｗ．Ｉ．，２００１ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｂ ７８ １８０−１９０，“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｃｌａｓｓ ｏｆ ＳＯＩ ＣＭＯＳ ｍｉｃｒｏ ｈｏｔ−ｐｌａｔｅ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒｓ”を参照）ことから、約５５０℃の作動温度が必要であるメタン検出には不適当である。
【０００５】
また、高温下ＣＭＯＳプロセスにおいて、タングステン内部接続を用いる方法が知られている。例えば、Ｗ．Ｙｕｎ，Ｒ．Ｈｏｗｅ，そしてＰ．Ｇｒａｙ，による論文“Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ，ｄｉｇｉｔａｌｌｙ ｆｏｒｃｅ−ｂａｌａｎｃｅｄ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＣＭＯＳ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ，”Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ‘９２，ｐ．１２６，１９９２，には、さらなるポストＣＭＯＳ高温プロセス（further post-CMOS high temperature processing）を可能にするために、この加工に充分耐え得るタングステンを、アルミニウムの代わりに金属化（metallisation）に用いる記述がある。
【０００６】
また、タングステンは、ＳＯＩ ＣＭＯＳプロセスにおける高温金属化にも用いられてきた（“ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｍｅｔａｌｌｉｓａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＳＯＩ ｄｅｖｉｃｅ”，ｂｙ Ｊ．Ｃｈｅｎ ａｎｄ Ｊ．Ｐ．Ｃｏｌｉｎｇｅ，ｐａｐｅｒ Ｅ−Ｉ．４，Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｓｔｒａｓｂｏｕｒｇ，Ｆｒａｎｃｅ，１９９４，ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇを参照）。
【０００７】
しかしながら、これらの参考文献の何れにも、ＣＭＯＳ互換プロセスにおける抵抗ヒーター（resistive heater）としてタングステンを用いる方法については開示されていない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、従来のバルク（bulk）製造方法を用いて低コストに生産し得る、高温下における機能に関して改良がなされた、ガス検知半導体装置を提供することにある。
【０００９】
すなわち、本発明に係るガス検知半導体装置は、半導体基板と、ガス感受性層及び、当該ガス感受性層とガスとの反応を促進するためにガス感受性層を加熱するためのヒーターによって構成される少なくとも１領域の検知領域と、上記ガス感受性層のガス反応を電気的な出力として示すセンサーとを備えており、上記ヒーターには、少なくとも１層のタングステン層が設けられたガス検知半導体装置である。
【００１０】
従来の平面集積ガス検知器と比較すると、ＣＭＯＳ互換プロセスにおいて上記のタングステンヒーター（tungsten heater）を用いた場合、本発明の装置の製造は非常に簡略化され、したがって、その製造コストも減少する。さらに、本発明の装置は、抵抗性ガス検知器や、熱量測定ガス検知器（calorimetric gas sensor）であっても良く、さらには、処理ユニットや駆動回路といった処理回路ととも共に、１つのチップ上に集積されて得られる“高機能の（smart）”ガス微小検知器であっても良い。上記ヒーターは、従来のガス微小検知器とは異なり、ＩＣの製造方法として既に起用されている工程に新たな工程を追加する必要なく製造することができる。また、本発明によれば、１つ以上のタングステン抵抗ヒーターを用いることによって、２００℃を超える温度でのＣＭＯＳプロセスを可能とする（ＳＯＩの場合では最高温度２５０℃）一方で、６００℃を優に超える温度で装置の作動を可能にすると同時に、ヒーターを比較的小型化することができる。
【００１１】
ＳＯＩ技術は、一般的に、ＳＩＭＯＸとして知られているエピタキシャル成長の後に続く、ウエハ接着又は酸素イオンの注入に基づいたものである。また、スマートカット（smart-cut）といったような他の技術も用いられている。ＣＭＯＳ ＳＯＩ集積回路は、埋め込まれた酸化ケイ素（silicon oxide）を通じて基板と隔離された最表面の半導体層に様々なトランジスタを生成することによって製造される。上記の酸化ケイ素の代わりに、窒化ケイ素（silicon nitride）や、酸化ケイ素と窒化ケイ素との混合物といった他の絶縁材料を用いることもできる。そして、ＭＯＳＦＥＴ’ｓといった個々の半導体装置が、既知の製造工程を用いてシリコン薄層の中に製造される。上記電子装置（半導体装置）は、例えば０．５〜１μｍの厚さの非常に薄い能動半導体層（active semiconductor layer）中に形成されるため、ＳＯＩ技術は、結果として、簡易で効果的な装置の隔離（isolation）と同様に、寄生容量と、ラッチアップ除去（latch-up elimination）と、ショートチャンネル効果との低減が行われた、高速／低電力のＣＭＯＳ特性となる。加えて、完全空乏型装置（極薄ＳＯＩ基板を含む）が報告されているという面白い特徴がある。それらはよじれ現象（kink phenomena）を示してはおらず、鋭いサブスレッショルド係数（sub-threshold slope）を有している。そして、衝突イオン化及びチャージポンピング現象に関連する動的な基板浮遊効果という点から見れば、上記装置は安定である。ＳＯＩトランジスタもまた従来のバルクシリコン装置と比較したときには、およそ１０〜１００の要因による低いオフ状態漏電流（lower off-state leakage current）を有する。これは、待機電力の散逸の減少に重要である。加えて、ＳＯＩ技術は、主に漏電流（leakage currents）の減少によって、従来の装置よりもより高い温度での装置の作動を可能にしている。
【００１２】
タングステンヒーターを有するＣＭＯＳ互換膜の製造は、従来のバルクＣＭＯＳプロセスの場合のような高い漏電流又はラッチアップによる影響を失くし、膜領域における非常に高い温度（検知材料とガスとが反応するための６００度以上の温度）と、隣接した回路領域における比較的高い温（２５０℃までの温度）とを可能にしている。したがって、ＳＯＩ技術は、高性能のガス検知器に非常に適合している。けれども、タングステン金属化を伴うバルクＣＭＯＳプロセスもまた、わずかに安価な代替法として用いることが可能である。
【００１３】
本発明のガス検知半導体装置によれば、上記の検知領域は、少なくとも一層の絶縁薄層と抵抗ヒーターを設けるための金属層とによって形成されるものであり、膜上に形成されることが好ましい。上記の膜は、例えば、等方性深堀り反応性イオンバックエッチング法を用いて、基板材料が除去されることによって形成されることが好ましい。バルクＣＭＯＳプロセスの場合は、誘電体層が、標準のＣＭＯＳ内部誘電体層又はフィールド酸化物（a field oxide）であってもよい。ＣＭＯＳ ＳＯＩの場合は、上記絶縁薄層は、一般的なＳＯＩ構造の一部分である酸化ケイ素埋め込み層（the silicon oxide buried layer）である。この層は二つの目的の役に立っている。すなわち、（１）上記検知領域のエッチストップとして働くと共に、高温下での電力消費を抑えるために熱的に上記検知領域を隔離する目的、そして、（２）特殊な場合の低電力のＣＭＯＳ ＳＯＩ集積回路内における干渉の減少と、ラッチアップ除去と、静電容量の減少と同様に、例えば、あらゆる関連集積回路領域と、組み込まれている変換器と、関連する処理回路とからの高水準な電気的隔離を可能にする目的に役立つものである。
【００１４】
膜の上記した高い熱的隔離特性（high thermal isolation properties）により、非常に低い電力消費で高温を生じさせることができる。これは、ガス感受性層の活性材料（active material）と反応するために高温が必要であるガスに対して適用するのに特に有利である。種々のガスの性質や濃度又は、上記ガスの混合物の性質や濃度が種々の温度でのガス感受性層の伝導性の変化を測定することによって決定されても良い。金属酸化物ガス感受性層が２００℃を超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こと考慮して、有機金属や触媒金属（catalytic-metal）ガス感受性層は、低い温度（１００℃以下）又は中ぐらいの温度（１００℃から２００℃）で反応することができる。したがって、ガス微小検知アレイ装置（a gas microsensor array device）は、同じチップ中に利用可能な種々のガス感受性層を用いたいくつかのセンサーセル（sensor cell）を個々に集積することによって構築しても良い。上記センサーセルの各々は、同じ膜上又は別々の膜上に構築することができる。このようなガス微小検知アレイ装置は、個々のセンサーにわたって、ガス選択性の向上、低ノイズ、卓越した設計構造又は信号工程（signal processing）による悪影響を低減させるといった優位性を有している。
【００１５】
添付の図の説明と、種々の実施の形態の詳細な説明により、本発明はより詳細に理解されるであろう。なお、添付の図には以下のものがある。
【００１６】
図１から図５は、単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態の検知領域の断面図であり、図１ａは検知電極の平面図を示したものである。
【００１７】
図６、図７、図８、図１１は、二層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態における検知領域の断面図を示したものであり、図９と図１０とは、ヒーターの構造に関する二種類の代案の平面図である。
【００１８】
図１２と図１４とは、多層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態に検知領域の断面図である。
【００１９】
図１５と図１７とは、さらに他の実施形態における検知領域の断面図であり、図１８は、図１７に示した実施形態の平面図である。
【００２０】
本発明に関するガス検知半導体装置における複数の実施の形態は、後述するように、非ＳＯＩ（例えば一般的なバルク（bulk））技術又はＳＯＩ（例えばスマートカットＵＮＩＢＯＮＤ（Smart Cut UNIBOND））ＣＭＯＳ技術を用いて製造されるものであり、これによって、１枚のチップ内に、ガス検知領域とＩＣ回路を集積するように製造されるものである。また、それぞれの検知領域は、少なくとも１枚の絶縁薄層と、抵抗ヒーターとして機能するタングステン金属層とから形成される薄い膜である。これらの実施形態の構造をとることで、優に６００℃を超える温度での作動が可能になる。絶縁薄層は、熱的な隔離を行い、その材料としては、酸化物、窒化物、酸化物と窒化物の混合物、又は、他の絶縁性材料を用いることができる。従来のガス微小検知器と異なり、高価で複雑な製造工程を含む低ストレスである特殊な層蒸着法（low-stress special layer deposition）を必要としない。より詳細な説明に関しては、検知領域内の装置の製造に関する記載中で説明するが、ＩＣの製造が、装置の他の場所における関連回路を設けるために非常に大きな影響を与えることは理解できるであろう。
【００２１】
図１の実施の形態では、装置１が、検知領域中の片面にＳｉＯ２薄層３と、当該ＳｉＯ２薄層３の表面上に設けられた絶縁薄層４とを有するシリコン基板２上に製造されている。熱酸化物（thermal oxide）は、シリコンよりも低い熱伝導性をもつため、検知領域では熱による電力消費（thermal power losses）は大幅に減少するようになっている。タングステンからなる抵抗ヒーター６は、検知領域内に形成される。この抵抗ヒーターは、標準的なＣＭＯＳ金属化プロセスの一部であるＣＭＯＳプロセス中に形成される（ポストＣＭＯＳプロセスの一部ではない）。したがって、検知領域中の抵抗ヒーター６と、電子回路領域中のソースとドレイン金属被膜１３とは、個々の金属構造を定義づけるためのフォトリソグラフィによるパターン形成が施された同じタングステン層から形成することができる。
【００２２】
ヒーター６に加えて、常温動作型化学抵抗器センサー（chemoresistor sensor）７が、検知領域内において２つの電極８をつなぐように、無機物（錫酸化物のような）又は有機物（ポリマーかフタロシアニン（ptharlocyanine）のような）かからなるガス感受性層９が配置されることによって製造される。上記ガス感受性層９は、スパッタリングなどで蒸着されるか、又は上記の２つの電極８の上に電気化学的成長によって形成しても良い（伝導ポリマーのように）。上記の２つの電極８は、ＣＭＯＳプロセス中における金属被膜の一部として形成される最上層の金属層の１層を利用した第２のタングステン金属層から形成されるか、または金のような他の材料から形成されるか、ポストＣＭＯＳで蒸着されても良い。代替案として、電極８が、一連のＣＭＯＳ工程の一部、又はポストＣＭＯＳプロセスの一部を用いて形成される、いくつかの層を組み合わせたものから形成されても良い。製造工程の最終段階の１つとして、上記基板２は、ＳｉＯ２層３をバックエッチングの停止層として用いてエッチバックされ、検知領域に薄膜を形成される。上記エッチバックは、ウェットエッチング（例えば、ＫＯＨエッチング）によるものであっても、ドライエッチング（例えば、深堀り反応性イオンエッチング）によるものであっても良い。
【００２３】
上記したような電子回路の領域では、既知のＣＭＯＳプロセスを用いて部品が形成され、ｎ−ｔｕｂ、ｐ−ｔｕｂ、ｔｗｉｎ−ｔｕｂ、又はＳＯＩ技術を用いた、多くのＣＭＯＳ又はＢｉ−ＣＭＯＳプロセスが利用可能である。隔離と、いくつかの層における結晶の外面的形態及びその構成と、並びに、各製造工程の順番とは、それぞれ異なる工程ではあるが、これらは、一般的な埋め込み（implantation）工程、及び、ゲート酸化物形成と、ポリ（poly）（１層又は２層）蒸着と、トランジスタ端末に接触するように形成された１層以上の金属膜形成といったドライブイン工程（dorive-in step）であり、これらによって、ＩＣ内に内部接続回路が形成される。図１に示すように、酸化ケイ素基板は、ＮＭＯＳトランジスタ１４やＰＭＯＳトランジスタ１０のゲート酸化物（gate oxide）を形成するために表面において成長し、続いて、当該ゲート酸化物の表面上にポリシリコン膜の蒸着及びパターニングが行なわれる。また、ｐ＋ソース層１１とｐ＋ドレイン層１２が埋め込まれ、上記ゲートに対して自己整列（self-aligned）しても良い。ＮＭＯＳトランジスタ１４は、上記ゲートに埋め込まれて自己整列するｎ＋ソース層１５及びｎ＋ドレイン層１６を略同じような方法によって形成することができる。どちらのタイプのトランジスタが形成される場合であっても、ソースとドレイン拡散層上にタングステン金属被膜層１３が塗布され、パターン形成される。また、タングステン金属被膜１３は、膜領域中における抵抗ヒーター６の形成にも用いられる。その後、他のタングステン金属層を、内部接続として形成してもよく、互いを、一般に酸化ケイ素を材料にした内部絶縁層を通じて隔離しても良い。最後に、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、ガラス又は有機物を材料にした保護膜を、少なくとも金属膜表面を含む（好ましくは積層した金属膜とともに含む）パッドを除いた集積回路の表面に、ＩＣの全体を覆うように形成される。
【００２４】
電流か電圧がヒーター６に供給されると、検知領域の高い断熱性と非常に低い熱容量（thermal capacitances）のため、検知領域において温度が急速に上昇する。すると、ガス分子が、常温動作型化学抵抗器センサー７のガス感受性層９と反応することができる。ヒーター６は、開ループ制御システムにおいて定電流又は、低電圧を与えられて作動させることができる。しかしながら、ヒーターの抵抗率をモニタリングする場合は、閉ループ制御システムでヒーターの電流と電圧を変更することが可能である。これにより非常に正確なヒーター温度の設定が可能になり、それゆえ、ガス感受性層９の温度の設定も非常に正確に行うことができるようになる。ガスがガス感受性層９と反応すると、ガス感受性層の伝導率が変化する。そして、この変化を適切な検出回路（図示せず）によって検出することができる。上記温度は、参照する室温に対する、ヒーターの抵抗性の変化を検出することによってモニターされても良い。図１ａの平面図に示されている、ガス感受性膜９の下にある、互いに組み合わされた電極８１と電極８２から形成される一対の電極８は、ガス感受性層９の伝導率と抵抗性を測定するのに用いられ、ガス感受性層９の電気抵抗率は、分析中のガスの濃度と相関する。電極８１と電極８２の個々の指状突起は、１〜１００μｍの幅を有し、指状突起内部のギャップ（interfinger gap）は概して１〜１０μｍの範囲に収まっている。この場合、アスペクト比は、指状突起の長さと指状突起の対の数を、ギャップの幅で割ることでおおよそ求められる。
【００２５】
検知領域の温度をモニターするため、ＣＭＯＳ又は、Ｂｉ−ＣＭＯＳが集積された温度検知手段が、ガス感受性層９に近接した検知領域に形成されても良い。そのような温度検知手段は、金属抵抗器、ポリシリコン抵抗器、又はシリコン抵抗器からなる受動センサー（passive sensor）か、ＣＭＯＳプロセスで形成される単極性又は二極性の装置を材料にした能動センサー（active sensor）であり、温度とともに、抵抗率、担体移動度（carrier mobility）、又はエミッタ・ベース電圧といったものにも用いることができる。このような温度検知手段は、幅広く用いることができるとともに、正確な結果を示すものである。
【００２６】
上記ヒーター６は、検知領域を均一に加熱するように、蛇行構造（meandering structure）を形成していても良い。もし、前記センサー（検知装置）が個々のセンサーセルの配列（アレイ）を有する場合、単一の一般的なヒーターを全センサーセルに用いても良いし、又は、その代わりにヒーターの配列（アレイ）を用いても良い。もし、必要ならば、そのようなヒーター配列が、異なるセンサーセルを異なる温度で加熱するように構成されていても良い。
【００２７】
ＣＭＯＳプロセスにおいてタングステン内部接続（回路）を用いることで多様な設計構造の選択が可能になる。いくつかの実現可能なガス検知器の設計構造については後述する。また、後述する設計構造は、用いたタングステン層の数によって列記している。タングステン層の数が最小になるのは、タングステンからなる側方ヒーター（lateral heater）が側方抵抗性ガス検知器に隣接している場合になるだろう。また、抵抗性ガス検知器の代わりに、同様の構造の熱量測定ガス検知器を用いてもよく、その場合には、熱量測定性ガス検知器が、ガス感受性膜の温度の上昇又は、降下の測定に用いるヒーター又は温度検知手段を除いた構造であればよい。また、場合によっては、電気化学的に蒸着されるガス感受性材料を、金属平板の上に設ける必要があるしかしながら、これは、スパッタリング、非電解メッキ、物理的又は化学的な気相蒸着法などによって蒸着される上記のガス感受性層膜に対しては、通常、必要ない。
【００２８】
タングステンヒーターは、タングステンの高い電気伝導率のために、プラチナからなるヒーターに対応する設計よりも大きくならなければならないだろう。したがって、必然的な代替案は、ヒーターがいくつもの垂直方向に並んだ加熱層（heating layer）を含むことが好ましいだろう。
【００２９】
（単層のタングステン層を有するヒーター）
ここでの１つ目の設計構造は、１つ以上の数の側方ガスセンサーと組み合わせて構成される、タングステンからなる（ＣＭＯＳ金属被覆工程による）単層抵抗ヒーターを表している。図１、２そして図３は、３種類の異なる実施形態を示している。すなわち、図１を参照して前述した実施の形態では、テーパー型の側壁１７を形成するために（例えば１００のシリコン基板（the 100 silicon substrate）のウェットエッチングを用いて）異方性エッチバックを利用しており、図２に示す他の実施形態では、平行な側壁１７’を形成するように（例えば深堀り反応性イオンエッチングのようなドライエッチングを用いて）異方性エッチバックを利用している。そして、図３に示す他の実施の形態では、センサーの電極８’のためにタングステンに替えて、より望ましい金を用いている。
【００３０】
２つ目の設計構造は、ＳＯＩ ＣＭＯＳ又は、Ｂｉ−ＣＭＯＳプロセスに基づいている。この設計構造では、タングステンからなる抵抗ヒーターは、１つ以上の数の、側方抵抗性ガス検知器及び側方酸化絶縁物（lateral oxide isolation）と組み合わせて用いられる。図４に示す実施の形態では、ＳＯＩ技術に特異的な埋没酸化層（buried oxide layer）１８を、電子回路領域において基板からトランジスタを絶縁するために用いられている。また、この埋没酸化層１８は、エッチバック・ストップとして用いることもできる。埋没酸化層１８の上にある能動シリコン（active silicon）は、検知領域では（エッチング又は、酸化によって）取り除かれており、そして取り除かれた場所には、効果的な熱隔離（thermal isolation）を行う酸化ケイ素の層がある。
【００３１】
３つ目の設計構造では、タングステンからなる抵抗ヒーターが、電気化学的エッチ・ストップ及び１つ以上の数の側方抵抗性ガスセンサー（lateral resistive gas sensor）と組み合わせて用いられている。図５に示す実施の形態では、原基板（original substrate）２の一部であるシリコン薄層１９が、熱拡散板として、エッチングを受けずに残されている。熱拡散板は、検知領域において温度がより均一になるように手助けをするが、結果として多大な電力を消費する。シリコン薄層１９は、ドーピングされるとともに、シリコン基板との整流接合部（rectifying junction）を形成する。整流接合部がエッチングされた道（etched way）である場合、当該整流接合部を流れる電流は、その流れが変わる。
【００３２】
（２層のタングステン層を有するヒーター）
ここでの１つ目の設計構造では、１つ以上の数の側方ガスセンサーを有する、タングステンからなる２層抵抗ヒーターを提供する。この構造では、図６に示すように、２層のタングステン加熱層（tungsten heating layer）２０・２１が、２つのマイクロヒーターとして、積層された形態で設けられており、２つの要素（マイクロヒーター）があることによって、ある同一の領域に対して、１層の加熱層しか有していない構造と比較して、熱の投入量（input）の増加させることができる。
【００３３】
２つ目の設計構造は、第２のタングステン層から構成される拡散板を有する第１のタングステン層から構成される抵抗ヒーターと、側方抵抗性ガスセンサーとを提供する。この構造は、図７で示すように、タングステン加熱層２０とタングステン拡散板２２とが一方を他方の上に配置しており、２つの要素ある抵抗ヒーターによって、ある同一の領域に対して、１層の加熱層しか有していない構造と比較して、熱の投入量（input）の増加させることができる。拡散板２２は、加熱層２０で発生した熱を、ガス感受性層９の方向へ拡散させる構成となっている。
【００３４】
３つ目の設計構造は、１つ以上の数の側方抵抗性ガスセンサーを有する２層抵抗ヒーターを提供する。この構造では、図８で示すように、２層のタングステン加熱層２３・２４が一方を他方の上に配置した構造であるとともに、それぞれが織り交ぜられた構造となっており、２つの要素ある抵抗ヒーターによって、ある同一の領域に対して、１層の加熱層しか有していない構造と比較して、熱の投入量（input）の増加させることができるまた、織り交ぜられた構造とすることによって、より等温な表面プロファイルが作り出される。図９は、設計構造の実施例を示した平面図であり、互いが側方にオフセットされ、蛇行構造を有するように配置された加熱層２３・２４を示している。それに対して図１０は、他の実施例を示した平面図であり、一方が他方と直行するように、蛇行構造を有するように配置された加熱層２３’・２４’を示している。
【００３５】
４つ目の設計構造は、１つ以上の数の側方抵抗性ガスセンサーを有する２層抵抗ヒーターを提供する。この構造は、図１１に示すように、２層のタングステン加熱層２５と２６とが、ガスセンサー電極８と相対的に温度勾配を生み出すように、互いが側方に配設された構造となっている。この構造によって、２種類の異なった（定常状態）温度でのセンサー材料のレシオ測定に用いることができる。
【００３６】
５つ目の設計構造は、１つ以上の数の側方抵抗性ガスセンサーを有する２層の抵抗ヒーターを提供する。この構造は（図示せず）、２層のタングステン加熱層を積層させた構造とし、これらを直列につなぐことによって、ヒーターの電気抵抗を増加させ、流れる電流を制限している。上記２層の加熱層は、側方抵抗性ガスセンサーの信頼性を高めために、エッチバックによって形成される膜の領域の外側に位置する層間の接合部を経由して内部接続されていても良い。
【００３７】
（２層以上のタングステン層を有するヒーター）
ここでの１つ目の設計構造は、図１２で示すように、１つ以上の数の側方ガスセンサーを有した２層のタングステン加熱層２７・２８が互いに積層された構成となって配置されており、この間にタングステン拡散板２９が設けられた２層抵抗ヒーターを提供する。また、このうちの１層以上の層は、熱を側方へ伝導することによってヒーター領域全域で温度をより均一にするための熱吸い込みプレート（heat sinking plate）として用いられても良い。また、より等温の膜表面を作り出すように、例えばタングステン標準ヒーター（tungsten standard heater）（金属２（Metal 2））を、１区画のヒートシンク（square heat sink）（金属１／３（Metal 1/3））の下方に配置することができる。
【００３８】
２つ目の設計構造は、図１３で示すように、１つ以上の数の側方ガスセンサーを有した、１層のタングステン加熱層３０と、タングステン拡散板３１と、温度検知手段３２とを含む単層抵抗ヒーターを提供する。上記温度検知手段３２は、タングステンからなっており、その役割としては、この設計構造を加熱するのではなく、高温下における当該構造の抵抗性変化を測定するために設けられる。なお、上記温度検知手段３２によって発生する熱量（power）は実際の加熱層３０によって発生する熱量に比較すれば、取るに足らないものである。
【００３９】
３つ目の設計構造は、図１４で示すように、１つ以上の数の側方ガスセンサーを有する、互いに側方へ配設される３層のタングステン加熱層３０、３４、３５からなる３層抵抗ヒーターを提供する。この構造によって、設置領域を減少させることができるとともに、３つの異なった作動温度をデジタル方式で切り替えることができるようになる。
【００４０】
同じ膜内に１つ以上のヒーターを用いることが、有利となる場合がある。例えば、上記ヒーターのうち１つを温度直流バイアス（temperature DC bias）の調整に用いて、他のヒーターを熱の調節に用いることができる。また、この調整を、低周波の交流信号を印加することによって行ってもよい。
【００４１】
（複数のタングステン層及び垂直センサー構造を有するヒーター）
図１５では、１つ以上の数の側方抵抗性ガスセンサー３６を有する単層抵抗ヒーターを提供しており、この単層抵抗ヒーターには、１つ以上のセンサ電極が、互いに近くに配設されている（側方配置（lateral configuration））というよりむしろ、一方の最上部に他方が接触した状態で積み重なっている。この構造では、上記ガス感受性層は上記装置表面の下に並んでいることから、センサーの領域を減らすことができる。上記センサーは感度を落とすことなく、より小型に製造することができる。もし、２つの抵抗性センサー電極が１つの溝の同じ側面に形成される場合は、２つのセンサ電極間の間隔は１μｍ以下が良い。さらには、もし２つの抵抗性センサー電極が１つの溝を跨いだ形で形成される場合は、２つのセンサー電極間の間隔は溝の幅に依存する。
【００４２】
図１６は、多数の垂直電極（vertical electrodes）３７を有する単層抵抗ヒーターを示している。この構造によって、時空測定のための、溝内へのガス拡散を行うのと同じくらいの一連の高速測定が可能になる。
【００４３】
図１７では、空隙４０及び垂直抵抗性ガスセンサー３９を囲むように設けられた垂直方向に間隙を有する電極４１を囲むように設けられた単層以上の抵抗性側方ヒーター（resistive lateral heater）３８を示している。この構造は、フローセンサー（flow sensor）やその他の形式の装置に用いることが可能である。図１８は、装置の平面図であり、円形（四角などに置き換えても良い）の空隙、及び一方を他方の上に重ね合わせた（この図では分かれて見えない）２層の抵抗性加熱層（resistive heating layers）を示したものである。
【００４４】
このような方法による多層構造とすることにより、抵抗ヒーターの新しい設計構造が可能になり、異なった方法で作動することができる新しい抵抗ヒーターを提供することができる。つまり、このような設計構造のヒーターの１つとしては、基底温度（base temperature）（例えば１００℃くらい）まで加熱するのに用いると共に、測定温度（例えば３００℃くらい）まで加熱するよう増加させる切り替えをできるようにしても良い。そのようなヒーターは、デジタル方式で切り替えを行うように構成すればよく、このように構成すれば、非常に単純な制御回路が必要となるだけである。さらには、側方の２層のヒーター構造が、上記ガスセンサーを介して温度勾配を形成するように構成されていてもよい。しかしながら、そのような構造は、場所を多く必要とするため、垂直構造に比較してより効率が悪くなるだろう。
【００４５】
本発明の実施の形態によって、従来のガスセンサーよりも優れた、以下の効果が得られるだろう。
１）６００℃を超えても作動可能である。これに対して、ポリシリコンはそのような高い温度では長期の安定性を得られない。また、ドーピング層の正確な特性の調節も難しい。アクティブＦＥＴヒーター（Active FET heaters）は３５０度以上では使用できないことから、タングステンヒーターは、特に水素やメタンを検出するためのマイクロ熱量計（microcalorimeters）として有用である。
２）Ｓｉ、Ａｌ、またはＰｔを用いる装置と比較して、よりすぐれた機械的強度とヤング弾性率を有している。
３）一般的なＣＭＯＳプロセスではチップ中のシリコン装置と内部接続するため多くのアルミニウム膜を使用する。しかしながら、アルミニウムはその低い融点から、高温のヒーターには向いていない。
４）ヒーターの金属層は、広範囲の応用に対して適用できるために必要である条件を充たしていなければならない。具体的には、以下のような条件を充たす必要がある；
ａ）電気伝導率は、高速のＣＭＯＳ処理を行うことを可能にするのに十分なだけ高くなければならず、あらゆる寄生的な抵抗性の内部接続回路（interconnect paths）は減らさなければならない。
ｂ）電気伝導率は、低電力で、かつ低単位コスト（low unit cost）を充たす小型のヒーターを作るため、十分に低くなければならない。上記ヒーターの抵抗性は、ＣＭＯＳボルト数（CMOS voltage）（最大５Ｖ）の処理とともに低電流で作動できるように、適度に高い必要がある。
ｃ）ヒーターの材料は、９００℃に達する温度でも作動できるように、高い融点をもっていなければならない。
５）加えて、ヒーターの設計構造は、等温構造（isothermal structure）を提供でｋりうように構成されていなければならない。高温ＣＭＯＳプロセスにおいてタングステン金属層を用いることでこれらのすべての条件を充たすことができる。
タングステンの電気伝導率は、アルミニウムや金よりも低く、これがより小さい抵抗性ヒーターの設計構造を助けているが、タングステンの電気伝導率もプラチナほどは低くはない。しかしながら、プラチナはＣＭＯＳ技術に互換性のある材料ではない。タングステンは他の金属よりもはるかに高い降伏強さ（耐力）を有していることからより頑丈である。
６）アルミニウムに対してタングステンは、エレクトロマイグレーションの被害をうけない。これは、信頼性を失う恐れなく、アルミニウムよりも多い電力と高い電流を用いることができることを意味している。また、これは、タングステン金属溝をより狭く作ることができ、その結果、より小型のヒーターを作りだすことができることを意味している。
７）また、タングステンヒーターは温度検知手段として用いることもできる。そのＴＣＲ（温度抵抗係数）はプラチナよりも５０％高い。これはつまり、タングステンヒーターは温度検知手段として５０％高い感度をもつことを意味している。代わりとして、タングステンからなる分離型温度検知手段（separate temperature sensor）を用いても良い。
８）タングステンは、ＳＯＩ（Ｂｉ）ＣＭＯＳプロセスにおける高温内部接続金属（high temperature interconnect metal）として用いられる。これによって、ＩＣは、２５０℃に達するまでの温度で作動できるようになる。したがって、センサーの電子回路領域内における温度は、アルミニウム金属被膜を伴ったＩＣチップの上記温度をはるかに超過することができる。したがって、このようなセンサーは、非常に高温の環境中で用いることが可能になる。
【００４６】
上述の理由により、タングステンが、高温のマイクロホットプレートガス検知装置に用いられる抵抗ヒーターに特に有利な材料であることが高く評価されるべきだろう。下記の表１では、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔにおける対応する特性と比較した場合のＷの望ましい特性を例証している。
【００４７】
【表１】
【００４８】
上述した構造は、検出対象であるガスの存在下において、ガス感受性層による付加的な放熱又は吸熱を行うマイクロ熱量計として（又は、化学抵抗器（chemoresistors）とマイクロ熱量計の両方として）用いることもできる。この場合では、センサー材料の温度がガスとの反応によって変化するので、ガスの性質及び／又はその濃度を、検出対象であるガスの存在下においてガス感受性層による付加的な放熱又は吸熱をモニターすることで決定することができるようになる。そのような構成のために適当なガス感受性層としては、Γ―アルミナ（ぺリシトール（pellistor））のような非電気伝導率の材料からなるものが良い。酸化スズのような化学抵抗性（chemoresisitive）の材料は、熱伝導率を変化させるため、高温下における、熱伝導率と、放熱と、電気伝導率のそれぞれの変化をモニターすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る実施形態の検知領域の断面図である。
【図１ａ】検知電極を示した平面図である。
【図２】単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態の検知領域の断面図である。
【図３】単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態の検知領域の断面図である。
【図４】単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態の検知領域の断面図である。
【図５】単層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態の検知領域の断面図である。
【図６】二層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る実施形態における検知領域の断面図を示したものである。
【図７】二層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態における検知領域の断面図を示したものである。
【図８】二層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態における検知領域の断面図を示したものである。
【図９】ヒーターの構造を示す平面図である。
【図１０】ヒーターの他の構造を示す平面図である。
【図１１】二層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る他の実施形態における検知領域の断面図を示したものである。
【図１２】多層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る実施形態に検知領域の断面図である。
【図１３】多層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る実施形態に検知領域の断面図である。
【図１４】多層抵抗ヒーターに利用した本発明に係る実施形態に検知領域の断面図である。
【図１５】他の実施形態における検知領域の断面図である。
【図１６】他の実施形態における検知領域の断面図である。
【図１７】他の実施形態における検知領域の断面図である。
【図１８】図１７に示した実施形態の平面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（２）と、
ガス感受性層（９）及び、当該ガス感受性層（９）とガスとの反応を促進するためにガス感受性層（９）を加熱するためのヒーター（６）によって構成される少なくとも１領域の検知領域と、
ガスと前記ガス感受性層（９）との反応を提示する電気出力を提供するように構成されたセンサー（８）とを備えたガス検知半導体装置であって、
前記ヒーター（６）は、少なくとも１層のタングステンからなる層を有していることを特徴とするガス検知半導体装置。
【請求項２】
前記半導体基板（２）の片側に、絶縁層（３）を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガス検知半導体装置。
【請求項３】
前記半導体基板の片側に設けられた絶縁層（３）の上に、受動層（４）を備えていることを特徴とする請求項２に記載のガス検知半導体装置。
【請求項４】
前記受動層（４）の上に、ガス感受性層（９）膜が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のガス検知半導体装置。
【請求項５】
前記絶縁層（３）内に前記ヒーター（６）が埋め込まれていることを特徴とする請求項２〜４のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁層（３）が酸化ケイ素からなる層であることを特徴とする請求項２〜５のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項７】
導電性高分子層が、前記ガス感受性層（９）として設けられていることを特徴とする請求項３に記載のガス検知半導体装置。
【請求項８】
前記ヒーター（６）は、蛇行形状を有するタングステンヒーターであることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項９】
前記ヒーター（６）は、２層以上の加熱層（２０、２１；２３、２４；２５、２６；２７、２８；３３、３４、３５；３８）を備えていることを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１０】
前記加熱層（２５、２６；３３、３４、３５）は、互いが、側方に斜めに配設されている請求項８に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１１】
前記加熱膜（２３、２４；２３’、２４’）は、互いが交錯するように配設されていることを特徴とする請求項８に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１２】
前記ヒーター（６）は、拡散板（２２；２９；３１）を組み合わせた構成であることを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１３】
前記センサーには、前記ガス感受性層（９）近傍に、側方に間隔をあけて設けられた複数の電極（８）が組み込まれていることを特徴とする請求項１〜１２のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１４】
前記電極（８）が、タングステン電極であることを特徴とする請求項１３に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１５】
前記ガス感受性層（３６）は、前記電極（８）と電極（８）との間に配設されていることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１６】
前記電極には、互いに垂直方向に間隔をあけて設けられた２つ以上の電極（３７；３８）を有していることを特徴とする請求項１３〜１５のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１７】
前記ガス感受性層（３９）は、膜に広がる空隙（４０）の周縁部を囲むように設けられていることを特徴とする請求項１〜１６のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１８】
ＣＭＯＳ又はＢｉ−ＣＭＯＳ又はＳＯＩ ＣＭＯＳプロセス、あるいは、ポストＣＭＯＳプロセスエッチバックが続いて行われるＢｉ−ＣＭＯＳプロセスを利用して製造されたものであることを特徴とする請求項１〜１７のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１９】
前記ガス感受性層が、酸化スズであることを特徴とする請求項１〜１８のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２０】
前記検知領域、又は複数の前記検知領域の各々には、温度検知手段が組み込まれていることを特徴とする請求項１〜１９のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２１】
前記検知領域を含む膜を残すために、少なくとも１つの検知領域における前記半導体基板の材料が取り除かれていることを特徴とする請求項１〜２０のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２２】
少なくとも１つの検知領域における前記半導体基板の材料が、エッチバックによって取り除かれていることを特徴とする請求項１〜２１のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２３】
前記検知領域、又は複数の前記検知領域の各々は、関連する回路を含む少なくとも１つの電子回路領域と集積されたものであることを特徴とする請求項１〜２２のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２４】
抵抗性ガス検知装置であることを特徴とする請求項１〜２３のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２５】
熱量測定ガス検知装置であることを特徴とする請求項１〜２３のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
検知層（９）から構成された検知領域を少なくとも１つ有している半導体基板（２）と、
前記検知層（９）を加熱するためのヒーター（６）と、
前記検知層（９）に起きる変化を示す電気出力を提供するように構成されたセンサー（８）とを備えた半導体装置であって、
前記ヒーター（６）は、少なくとも１層のタングステンからなる層を有した抵抗ヒーターであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２７】
駆動機能と、制御機能と、変換機能とを有する電子回路が、一体的に集積されたガス検知装置を備えているスマートセンサーであって、
タングステンが、接続のための金属層、及び電子回路内における内部接触部として用いられるとともに、前記ガス検知装置のヒーター（６）として配設されていることを特徴とするスマートセンサー。
【請求項２８】
ＣＭＯＳ、Ｂｉ−ＣＭＯＳ、ＳＯＩ技術を用いて製造されたものであることを特徴とする請求項２７に記載のスマートセンサー。
【請求項２９】
膜を残すように、少なくとも一部の領域における基板材料を取り除いていることを特徴とする請求項２７又は２８に記載のスマートセンサー。
【請求項３０】
前記膜を規定するための前記基板材料の除去は、深堀り反応性イオンエッチングによって行われたものであることを特徴とする請求項２９に記載のスマートセンサー。
【請求項３１】
前記基板材料の除去が、異方性ウェットエッチングによって行われたものであることを特徴とする請求項２９又は３０に記載のスマートセンサー。
【請求項１】
半導体基板（２）と、
ガス感受性層（９）及び、当該ガス感受性層（９）とガスとの反応を促進するためにガス感受性層（９）を加熱するためのヒーター（６）によって構成される少なくとも１領域の検知領域と、
ガスと前記ガス感受性層（９）との反応を提示する電気出力を提供するように構成されたセンサー（８）とを備えたガス検知半導体装置であって、
前記ヒーター（６）は、少なくとも１層のタングステンからなる層を有していることを特徴とするガス検知半導体装置。
【請求項２】
前記半導体基板（２）の片側に、絶縁層（３）を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガス検知半導体装置。
【請求項３】
前記半導体基板の片側に設けられた絶縁層（３）の上に、受動層（４）を備えていることを特徴とする請求項２に記載のガス検知半導体装置。
【請求項４】
前記受動層（４）の上に、ガス感受性層（９）膜が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のガス検知半導体装置。
【請求項５】
前記絶縁層（３）内に前記ヒーター（６）が埋め込まれていることを特徴とする請求項２〜４のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁層（３）が酸化ケイ素からなる層であることを特徴とする請求項２〜５のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項７】
導電性高分子層が、前記ガス感受性層（９）として設けられていることを特徴とする請求項３に記載のガス検知半導体装置。
【請求項８】
前記ヒーター（６）は、蛇行形状を有するタングステンヒーターであることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項９】
前記ヒーター（６）は、２層以上の加熱層（２０、２１；２３、２４；２５、２６；２７、２８；３３、３４、３５；３８）を備えていることを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１０】
前記加熱層（２５、２６；３３、３４、３５）は、互いが、側方に斜めに配設されている請求項８に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１１】
前記加熱膜（２３、２４；２３’、２４’）は、互いが交錯するように配設されていることを特徴とする請求項８に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１２】
前記ヒーター（６）は、拡散板（２２；２９；３１）を組み合わせた構成であることを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１３】
前記センサーには、前記ガス感受性層（９）近傍に、側方に間隔をあけて設けられた複数の電極（８）が組み込まれていることを特徴とする請求項１〜１２のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１４】
前記電極（８）が、タングステン電極であることを特徴とする請求項１３に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１５】
前記ガス感受性層（３６）は、前記電極（８）と電極（８）との間に配設されていることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１６】
前記電極には、互いに垂直方向に間隔をあけて設けられた２つ以上の電極（３７；３８）を有していることを特徴とする請求項１３〜１５のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１７】
前記ガス感受性層（３９）は、膜に広がる空隙（４０）の周縁部を囲むように設けられていることを特徴とする請求項１〜１６のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１８】
ＣＭＯＳ又はＢｉ−ＣＭＯＳ又はＳＯＩ ＣＭＯＳプロセス、あるいは、ポストＣＭＯＳプロセスエッチバックが続いて行われるＢｉ−ＣＭＯＳプロセスを利用して製造されたものであることを特徴とする請求項１〜１７のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項１９】
前記ガス感受性層が、酸化スズであることを特徴とする請求項１〜１８のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２０】
前記検知領域、又は複数の前記検知領域の各々には、温度検知手段が組み込まれていることを特徴とする請求項１〜１９のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２１】
前記検知領域を含む膜を残すために、少なくとも１つの検知領域における前記半導体基板の材料が取り除かれていることを特徴とする請求項１〜２０のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２２】
少なくとも１つの検知領域における前記半導体基板の材料が、エッチバックによって取り除かれていることを特徴とする請求項１〜２１のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２３】
前記検知領域、又は複数の前記検知領域の各々は、関連する回路を含む少なくとも１つの電子回路領域と集積されたものであることを特徴とする請求項１〜２２のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２４】
抵抗性ガス検知装置であることを特徴とする請求項１〜２３のうちのいずれか１項に記載のガス検知半導体装置。
【請求項２５】
熱量測定ガス検知装置であることを特徴とする請求項１〜２３のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
検知層（９）から構成された検知領域を少なくとも１つ有している半導体基板（２）と、
前記検知層（９）を加熱するためのヒーター（６）と、
前記検知層（９）に起きる変化を示す電気出力を提供するように構成されたセンサー（８）とを備えた半導体装置であって、
前記ヒーター（６）は、少なくとも１層のタングステンからなる層を有した抵抗ヒーターであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２７】
駆動機能と、制御機能と、変換機能とを有する電子回路が、一体的に集積されたガス検知装置を備えているスマートセンサーであって、
タングステンが、接続のための金属層、及び電子回路内における内部接触部として用いられるとともに、前記ガス検知装置のヒーター（６）として配設されていることを特徴とするスマートセンサー。
【請求項２８】
ＣＭＯＳ、Ｂｉ−ＣＭＯＳ、ＳＯＩ技術を用いて製造されたものであることを特徴とする請求項２７に記載のスマートセンサー。
【請求項２９】
膜を残すように、少なくとも一部の領域における基板材料を取り除いていることを特徴とする請求項２７又は２８に記載のスマートセンサー。
【請求項３０】
前記膜を規定するための前記基板材料の除去は、深堀り反応性イオンエッチングによって行われたものであることを特徴とする請求項２９に記載のスマートセンサー。
【請求項３１】
前記基板材料の除去が、異方性ウェットエッチングによって行われたものであることを特徴とする請求項２９又は３０に記載のスマートセンサー。
【図１】
【図１ａ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１ａ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００６−１９４８５３（Ｐ２００６−１９４８５３Ａ）
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００５−１０６０２５（Ｐ２００５−１０６０２５）
【出願日】平成１７年４月１日（２００５．４．１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行者 ＩＥＥＥ、刊行物名 ＣＡＳ ２００４ ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ、第２巻、発行年月日 ２００４年１０月４日
【出願人】（５０２００１９４９）ユニバーシティー オブ ウォリック (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０６０２５（Ｐ２００５−１０６０２５）
【出願日】平成１７年４月１日（２００５．４．１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行者 ＩＥＥＥ、刊行物名 ＣＡＳ ２００４ ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ、第２巻、発行年月日 ２００４年１０月４日
【出願人】（５０２００１９４９）ユニバーシティー オブ ウォリック (1)
【Ｆターム（参考）】
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