JP2002323467A - 薄膜型ガスセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板の種類に依存すること無く応答性を高く
することができる薄膜型ガスセンサ及びその製造方法を
提供する。 【解決手段】 アルミナからなる基板１の上に、酸化ス
ズからなる感応膜２が形成されている。また、感応膜２
の上に感応膜２の物性値変化を検出するための電極３が
形成されている。また、基板１の上にて感応膜２を取り
囲むようにして感応膜２を加熱するためのヒータ４が形
成されている。基板１の上に感応膜２を形成する時は、
基板１の表面の凹凸が感応膜２の膜厚の１／５以下にな
るように平坦化した後、酸化スズを原子層成長法により
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、感応膜が薄膜から
なる薄膜型ガスセンサ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】基板上にガスの脱吸着等により物性値が
変化する感応膜が形成され、この感応膜の物性値変化を
測定することによりガスの濃度を求めることができるガ
スセンサが種々知られている。これらのガスセンサの内
でも、ＳｎＯ₂、ＺｎＯ、ｌｎ₂Ｏ₃などの金属酸化物半
導体を感応膜として利用したガスセンサが最も広く用い
られている。

【０００３】この様なガスセンサは感応膜の製造方法や
厚さにより、例えば焼結体型、厚膜型、薄膜型などに分
類することができる。なかでも、感応膜が薄膜からなる
薄膜型のガスセンサは、感応膜が薄膜からなるため感応
膜の表面に吸着したガスが感応膜全体に短時間で拡散す
ることができる。そのため、焼結体型や厚膜型のガスセ
ンサに比べて応答速度が大きく、感度も高くなると期待
されている。

【０００４】この様な薄膜型センサは、例えば絶縁性の
基板上に真空蒸着法やスパッタ法又はイオンプレーティ
ング法等により薄膜状の感応膜が形成され、感応膜上に
一対の電極が形成されている。そして、感応膜を被検ガ
スに曝した時の感応膜の物性値変化を電極から電気信号
として検出し、この物性値変化からガス種やガス濃度を
特定する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
様な感応膜の形成方法では金属酸化物半導体が微結晶と
なりやすい。その結果、感応膜では被検ガスがその微小
な結晶粒界を通じて拡散するため、実際には被検ガスの
拡散又は除去に必要な時間が数分程度にもなり、焼結型
等のガスセンサに比べて応答性が悪化する問題があっ
た。

【０００６】また、感応膜の物性値変化は感応膜の温度
に依存し、この温度に対する物性値変化の依存性はガス
種によって異なる。そのため、通常、感応膜を３００〜
４５０℃程度の各種の温度にし、その時の物性値変化を
測定することでガス種やガス濃度を特定する。しかし、
このような微結晶となっている薄膜型ガスセンサでは、
その加熱動作時に粒成長が進み、感応膜の経時的な安定
性が悪く検出精度が低下するという問題があった。

【０００７】この問題に対して、特開平８−９４５６０
号公報に記載の技術では、単結晶の絶縁性基板上に反応
性スパッタにより感応膜をエピタキシャル成長させるこ
とで単結晶の感応膜を形成し、結晶粒を大きくして粒界
を少なくし応答性の向上を図っている。

【０００８】しかしながら、上記従来公報に記載の技術
では、感応膜における粒界を少なくするために、単結晶
絶縁基板（サファイヤ等）を用いて、この基板の単結晶
構造を受け継ぐようにして感応膜をエピタキシャル成長
させているため、単結晶絶縁基板という限られた材料を
用いなければ感応膜の粒界を少なくすることができな
い。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑み、基板の種類
に依存すること無く応答性を高くすることができる薄膜
型ガスセンサ及びその製造方法を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、基板（１）と、基板上
に形成され被検ガスに反応して物性値が変化する感応膜
（２）とを有して被検ガスを検出するセンサにおいて、
感応膜の平均結晶粒径が感応膜の膜厚以上であることを
特徴としている。

【００１１】本発明では、種々の基板を用いた場合に、
感応膜の組成を制御して感応膜の平均結晶粒径を感応膜
の膜厚以上とすることで、感応膜における結晶粒界を低
減することができるため、基板の種類に依存すること無
く応答性を高くすることができる薄膜型ガスセンサを提
供することができる。

【００１２】具体的には、請求項２に記載の発明のよう
に、基板としてはアルミナ基板やムライト基板を用いる
ことができ、これらの基板の表面の凹凸が感応膜の膜厚
の１／５以下であると、好適に感応膜の平均結晶粒径を
感応膜の膜厚以上にすることができる。

【００１３】また、請求項３に記載の発明のように、請
求項１の発明において、基板としてＳｉ基板を用いる場
合は、絶縁物（５）を介して感応膜を基板の上に形成す
れば、Ｓｉ基板と感応膜との電気的な絶縁を確保でき好
ましい。

【００１４】この場合、請求項４に記載の発明のよう
に、絶縁物としてＳｉ基板上に単結晶で形成されたもの
を用いると、絶縁物の単結晶構造を引き継いで感応膜の
結晶粒径を更に大きくすることができる。

【００１５】この様な絶縁物としては、具体的には、請
求項５に記載の発明のように、Ｓｉ基板と格子定数の差
が小さいＣａＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃及びＣｅＯ₂の少なくと１つ
を用いると好適である。

【００１６】また、請求項６に記載の発明のように、請
求項１〜５の発明において、感応膜の膜厚を被検ガスが
感応膜に吸着することにより生じる空乏層の厚さ以下に
すると、更に検出感度と応答性を向上させることができ
る。

【００１７】この様な感応膜の膜厚は、請求項７に記載
の発明のように、３ｎｍ以上１２ｎｍ以下であると好適
である。

【００１８】また、請求項８に記載の発明では、請求項
１〜７の発明において、基板の上に感応膜を加熱するた
めのヒータ層（４）が形成されており、基板のうち感応
膜の直下に相当する部位は、基板における他の部位より
も厚さが薄くなった薄肉構造となっていることを特徴と
している。

【００１９】これにより、ヒータ層から発せられた熱が
基板を介して放熱されることを低減することができる。
従って、高い応答性を持ちつつ消費電力を低減した薄膜
型ガスセンサを提供することができる。

【００２０】また、請求項９に記載の発明のように、請
求項１〜８の発明において、感応膜の上に被検ガスを選
択的に透過させるフィルタ層（１１）を形成することに
より、被検ガスの選択性を向上させることができる。

【００２１】この場合のフィルタ層の膜厚は、請求項１
０に記載の発明のように、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下と
すると好適である。

【００２２】また、請求項１１に記載の発明では、基板
（１）の上に被検ガスに反応して物性値が変化する感応
膜（２）を形成し、被検ガスを検出する薄膜型ガスセン
サの製造方法において、基板の表面の凹凸を感応膜の膜
厚の１／５以下に低減させる基板処理工程と、その後、
基板の上に感応膜を原子層成長法により堆積させること
で、平均結晶粒径が膜厚以上となっている感応膜を形成
する感応膜形成工程とを有することを特徴としている。

【００２３】この様に、原子層成長法により感応膜を堆
積させることにより、単結晶構造でない基板を用いて
も、感応膜をその化学量論比に極めて近い状態で形成す
ることができる。その結果、感応膜の結晶粒径を大きく
形成することができる。従って、感応膜の結晶粒界を低
減することができるため、基板の種類に依存すること無
く応答性を高くすることができる薄膜型ガスセンサの製
造方法を提供することができる。

【００２４】また、請求項１２に記載の発明では、基板
（１）の上に被検ガスに反応して物性値が変化する感応
膜（２）を形成し、被検ガスを検出する薄膜型ガスセン
サの製造方法において、基板の上に感応膜を形成する感
応膜形成工程と、感応膜形成工程中に、感応膜に対して
イオンを注入することにより、感応膜内における厚さ方
向の途中部に基板に略平行に絶縁層（７）を形成するイ
オン注入工程とを有し、イオン注入工程では、感応膜の
うち絶縁層よりも上に位置する感応膜上層部（２ａ）に
おいて、該感応膜上層部の平均結晶粒径が感応膜上層部
の膜厚以上となるように、絶縁層の感応膜内における位
置を調節することを特徴としている。

【００２５】これにより、感応膜形成工程にて形成され
る感応膜の平均結晶粒径がたとえ小さいものであって
も、イオン注入工程で形成される絶縁層により、感応膜
上層部の膜厚を平均結晶粒径以下にすることができる。
そのため、実質的に感応膜として機能することとなる感
応膜上層部において、平均結晶粒径を膜厚以上とするこ
とができることから、感応膜上層部２ａにおける結晶粒
界を低減できる。従って、本発明によれば、基板の種類
に依存すること無く応答性を高くすることができる薄膜
型ガスセンサを製造できる。

【００２６】また、請求項１３に記載の発明では、基板
（１）の上に被検ガスに反応して物性値が変化する感応
膜（２）を形成し、被検ガスを検出する薄膜型ガスセン
サの製造方法において、基板の上に感応膜を形成する感
応膜形成工程と、感応膜形成工程中に、感応膜に対して
イオンを注入することにより、感応膜内における厚さ方
向の途中部に基板に略平行にイオン注入層（７）を形成
するイオン注入工程と、その後、イオン注入層に熱処理
を施すことにより、感応膜をイオン注入層が形成されて
いる部位において分断する分断工程とを有し、イオン注
入工程では、感応膜のうちイオン注入層よりも上に位置
する感応膜上層部（２ａ）、及び、感応膜のうちイオン
注入層より下に位置する感応膜下層部（２ｂ）の少なく
とも一方において、平均結晶粒径が膜厚以上となるよう
に、イオン注入層の感応膜内における位置を調節するこ
とを特徴としている。

【００２７】本発明によれば、分断後において感応膜上
層部及び感応膜下層部の少なくとも一方を、被検ガスの
脱吸着を行う層として用いることができ、この層を膜厚
よりも平均粒径が大きくなるように形成しているため、
請求項１２の発明と同様の効果を発揮することができ
る。

【００２８】また、請求項１４に記載の発明のように、
請求項１１〜１３の発明において、感応膜形成工程で
は、感応膜を構成する金属を含むガスと水とを交互に供
給することで感応膜を形成すれば、感応膜において適切
に膜厚よりも平均結晶粒径を大きくすることができる。

【００２９】また、請求項１５に記載の発明では、請求
項１２又は１３の発明において、感応膜形成工程で、原
子層成長法を行うことを特徴としている。

【００３０】この原子層成長法では、極めて高い金属酸
化物の組成制御が可能となるため、適切に感応膜の膜厚
よりも感応膜の平均結晶粒径を大きくすることができ
る。

【００３１】また、請求項１６の発明では、請求項１１
〜１５の発明において、感応膜を絶縁物（５）を介して
基板の上に形成し、絶縁物を原子層成長法により形成す
ることを特徴としている。

【００３２】例えば、基板の絶縁性が不十分な場合は、
本発明のように感応膜を絶縁物を介して基板の上に形成
すれば良く、この場合、絶縁物も原子層成長法により形
成することで感応膜の組成制御を極めて高い精度で行う
ことができる。

【００３３】また、請求項１７に記載の発明では、請求
項１１〜１６の発明において、感応膜形成工程の後に、
感応膜の上に選択的に被検ガスを透過させるためのフィ
ルタ層（１１）を原子層成長法により形成するフィルタ
層形成工程を有することを特徴としている。

【００３４】この様に、フィルタ層を原子層成長法によ
り形成することで、感応膜の表面を薄膜で確実に覆うこ
とができる。従って、感応膜の表面を確実に覆うために
フィルタ層の膜厚を厚くする必要がなく、選択性を確保
しつつ高応答である薄膜型ガスセンサの製造方法を提供
することができる。

【００３５】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００３６】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、図に示す
実施形態について説明する。図１は本実施形態の薄膜型
ガスセンサ（以下、単にガスセンサという）１０の斜視
図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面における概略
図である。

【００３７】図１及び図２に示すように、基板１の上に
被検ガスに反応して物性値が変化する感応膜２が形成さ
れている。この基板１としては本実施形態ではアモルフ
ァスのアルミナ基板を用いており、基板１の表面の凹凸
が感応膜２の膜厚の１／５以下となっている。また、感
応膜２としては酸化スズを用いており、感応膜２の膜厚
は数ｎｍ程度になっている。

【００３８】ここで、感応膜２の部分拡大図である図３
に示すように、この感応膜２の平均結晶粒径（以下、単
に平均粒径という）は感応膜２の膜厚以上となってい
る。この平均粒径とは、一般に、粒径の同定に用いられ
るインターセプト法で得られる粒径Ｄであり、感応膜２
の平均膜厚をＴとしたとき、平均粒径が膜厚以上である
とはＤ≧Ｔであることを示している。

【００３９】また、感応膜２の上には感応膜２の物性値
変化を検出する電極３が形成されている。この電極３は
一対形成されており、各々の電極３は櫛歯状になってい
る。また、電極３の端部は感応膜２の周辺部まで延設さ
れて電極パッド３ａが形成されている。この電極３とし
ては例えばＰｔからなるものを用いることができる。

【００４０】また、基板１の表面上において感応膜２と
検出電極３を囲む様にして、感応膜２を加熱するための
ヒータ層としてのヒータ４が形成されている。このヒー
タ４は枠形状に形成されており、枠形状のヒータ４から
延設されてヒータパッド４ａが形成されている。このヒ
ータ４としては例えばＰｔからなるものを用いることが
できる。

【００４１】また、図示しないが、ボンディングワイヤ
等により、ヒータパッド４ａはヒータ４からの発熱を調
節して感応膜２の温度を調節するための感応膜温度制御
回路に結線されており、電極パッド３ａは感応膜２の物
性値変化を検出するための感応膜変化解析回路に結線さ
れている。この様にして、本実施形態のガスセンサ１０
が構成されている。

【００４２】次に、上記構成のガスセンサ１０の製造方
法について説明する。まず、基板１を用意し、表面の凹
凸を減少させる基板処理工程を行う。一般に、市販のア
ルミナ基板は表面の凹凸が数１０〜１００ｎｍ程度と大
きいことや、炭化物等により表面が汚染されていること
から、粒径の大きい感応膜２を形成するために必要とな
る初期形成時の粒の合体を阻害してしまう。そこで、こ
の様に、基板１の表面の凹凸を減少させることで、粒径
の大きい感応膜２を形成することが可能となる。

【００４３】具体的には、基板処理工程では基板１の表
面に対して機械的な研磨等を行って凹凸を減少させた
り、酸洗浄やアルカリ洗浄等を繰り返すことで表面の汚
染を除去したりする。そして、基板１の表面の凹凸を感
応膜２の膜厚の１／５以下に減少させることで、感応膜
２における平均粒径を感応膜２の膜厚以上に形成するこ
とができる。

【００４４】次に、基板１の上に感応膜２を形成する感
応膜形成工程を行う。具体的には、基板１の上に感応膜
２を構成する金属を含むガスである塩化スズと水とを交
互に供給する原子層成長法により基板１の上一面に感応
膜２を堆積させる。この時の処理温度は２００〜３００
℃程度であり、感応膜２を数ｎｍ程度堆積させる。その
後、酸素雰囲気で５００℃程度の熱処理を感応膜２に施
す。

【００４５】この様に、塩化スズと水とを交互に供給し
て感応膜２を形成することにより、塩化スズを導入した
ときに基板１の上にスズを１原子層堆積させ、水を導入
したときに酸素を１原子層堆積させることが可能とな
り、感応膜２の成長初期から感応膜２の化学量論比に極
めて一致させて形成することができる。

【００４６】つまり、基板１の上に原子層単位で堆積さ
せることで組成を制御して感応膜２を形成することがで
きるため、基板１の種類に依存すること無く感応膜２を
所望の結晶構造にすることができる。

【００４７】そのため、スパッタ等の組成比を精度良く
制御することができない方法で感応膜２を堆積させるこ
とにより生じる、図４の感応膜２の部分拡大断面図に示
すような感応膜２の微結晶化を防ぐことができる。その
結果、感応膜２を大粒径化することができ、感応膜２の
平均粒径を感応膜２の膜厚以上にすることができる。

【００４８】次に、基板１の上に一面に形成した感応膜
２を、半導体製造技術でよく使われるリソグラフィ技術
を用いて、アルゴンと塩素ガスを混合させたエッチング
ガスを用いて選択的にドライエッチング（反応性エッチ
ング）することにより所望の形状にパターニングする。
この様にして感応膜形成工程を行う。

【００４９】次に、ヒータ４及び電極３となるＰｔ膜を
蒸着法により２５０ｎｍ程度形成し、リソグラフィ技術
を用いてパターニングした後、アルゴンガスを用いたド
ライエッチング法によりヒータ４、電極３及び各々のパ
ッド３ａ、４ａの形状にパターニングする（電極形成工
程）。

【００５０】この時、基板１とヒータ４及び感応膜２と
電極３の密着性を向上させるために、Ｔｉ膜（図示せ
ず）をＰｔ膜の下に５ｎｍ程度堆積させている。これに
より、加熱サイクルを行った際のヒータ４や電極３の剥
がれを極めて低減することができる。

【００５１】その後、ボンディングワイヤ等によりヒー
タパッド４ａを感応膜温度制御回路に結線し、電極パッ
ド３ａを感応膜変化解析回路に結線する。この様にし
て、上記構成のガスセンサ１０が完成する。

【００５２】この様なガスセンサ１０では、感応膜２の
温度を感応膜温度制御回路により所望の温度に変化さ
せ、感応膜２が所望の温度または時間になった時の感応
膜２の物性値変化を信号として取り込み、感応膜変化解
析回路により解析して出力する。

【００５３】そして、感応膜２の物性値変化は感応膜２
の温度に依存し、この温度に対する物性値変化の依存性
はガス種によって異なる。そのため、種々の温度におけ
る感応膜２の物性値変化を測定することにより、ガス濃
度やガス種を特定することができる。なお、この物性値
変化としては、ガスの脱吸着による感応膜２の抵抗率変
化や、誘電率や熱伝導率等の変化を検出することができ
る。

【００５４】ところで、実際に感応膜２の平均粒径を変
化させて抵抗率変化の時間変化を測定したところ、平均
粒径が大きくなるとともに応答速度は早くなり、膜厚よ
りも平均粒径が大きくなったときに極めて応答性が高く
なった。

【００５５】これは、表面に脱吸着するガスによる感応
膜２の特性変化が、粒界に拡散して粒界に及ぼす変化よ
りも強くなり、粒界の影響が極めて減少して応答性が高
くなるためであると思われる。また、感応膜２を大粒径
化したことでその加熱動作時に粒成長が進み、経時的安
定性が悪いという問題もなくなった。

【００５６】また、感応膜２の膜厚を変化させた時のガ
スセンサ１０の応答性を調べた。具体的には、被検ガス
として濃度１％の水素を用いた場合の抵抗率変化の時間
変化を測定した。その結果を図５に示す。この図に示す
ように、感応膜２の膜厚が薄くなるほど高応答になり、
また、検出感度(抵抗率変化)も増大した。

【００５７】特に、膜厚が１２ｎｍ以下、即ち、被検ガ
スが感応膜２に吸着することにより生じる空乏層の厚さ
以下の場合に、応答性と感度が極めて高くなった。ただ
し、膜厚が３ｎｍ以下では下地基板１との熱膨張係数差
による熱ストレスで破壊しやすい。そのため、感応膜２
の膜厚は３〜１２ｎｍが望ましい。

【００５８】この様に、本実施形態では基板１の種類に
依存すること無く感応膜２の平均粒径を大きくして結晶
粒界を低減することができるため、応答性の高いガスセ
ンサ１０を提供することができる。

【００５９】従って、単結晶の絶縁性基板という特殊な
基板１を用いなくても応答性の高いガスセンサ１０を提
供することができ、単結晶の絶縁性基板は一般に高価で
あるため、低コストなガスセンサ１０を提供することが
できる。 （第２実施形態）上記第１実施形態では基板１としてア
ルミナ基板を用いる例について示したが、本実施形態で
は単結晶のＳｉ基板を用いる例について説明する。図６
は本実施形態のガスセンサ１０の概略断面図である。以
下、主として第１実施形態と異なる部分について説明
し、図６中、図２と同一部分は同一符号を付して説明を
省略する。

【００６０】図６に示すように、基板１の上に絶縁物と
しての絶縁膜５が形成されている。この絶縁膜５は半導
体製造技術で良く用いられるシリコン酸化膜やシリコン
窒化膜からなる。そして、この絶縁膜５を介して基板１
の上に感応膜２とヒータ４が形成されている。これによ
り、基板１と感応膜２との電気的な絶縁を確保すること
ができる。

【００６１】ここで、絶縁膜５として酸化膜、特に熱酸
化膜を用いると、基板１との密着力を確保することがで
き信頼性の高いガスセンサ１０を提供することができ
る。また、絶縁膜５上には第１実施形態と同様に感応膜
２が形成されている。

【００６２】この様に、低コストで入手しやすいＳｉ基
板１を用いても、感応膜２の平均粒径を大きくすること
ができ、高応答なガスセンサ１０を提供することができ
る。

【００６３】なお、Ｓｉ基板の表面の平坦性は元々高い
ため、第１実施形態における基板処理工程は必要ない。 （第３実施形態）図７は本実施形態のガスセンサ１０の
概略断面図である。図７に示すように、基板１のうち感
応膜２の直下に相当する部位において、基板１が除去さ
れて空洞部６が形成されている。

【００６４】基板１としては、Ｓｉの（１００）基板１
を用いており、基板１上に絶縁膜５が形成されている。
この絶縁膜５はシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリ
コン窒化膜、シリコン酸化膜の順に積層されてなる。ま
た、この絶縁膜５の上に感応膜２とヒータ４とが形成さ
れている。また、基板１に空洞部６が形成されることに
より、空洞部６における感応膜２側の開口部に絶縁膜５
が橋絡された状態となっている。

【００６５】次に、この様な構成のガスセンサ１０の製
造方法について、図８のガスセンサ１０の断面にて示す
工程図を用いて説明する。

【００６６】［図８（ａ）に示す工程］ 基板１の上に
絶縁膜５を形成する。具体的には、ＬＰ−ＣＶＤ法にて
シリコン窒化膜を１２０ｎｍ形成後、プラズマＣＶＤ法
にてシリコン酸化膜を１μｍ堆積する。その後、再度Ｌ
Ｐ−ＣＶＤによりシリコン窒化膜を１３０ｎｍ形成させ
た後、熱酸化することでシリコン窒化膜の表面のわずか
な層をシリコン酸化膜に変化させる。

【００６７】［図８（ｂ）に示す工程］ 上記第１実施
形態と同様に感応膜形成工程を行う。

【００６８】［図８（ｃ）に示す工程］ 上記第１実施
形態と同様にヒータ４や電極３を形成する。

【００６９】［図８（ｄ）に示す工程］ 基板１におけ
る感応膜２を形成している面とは反対側の面に、プラズ
マＣＶＤ法により酸化膜を形成し、空洞部６を形成する
ためのエッチング用のマスク（図示せず）を形成する。
その後、ＴＭＡＨ溶液によりマスクを介して基板１をエ
ッチングすることにより空洞部６を形成する。

【００７０】これにより、空洞部６の開口部に絶縁膜５
が橋絡された状態となるが、絶縁膜５はシリコン窒化膜
とシリコン酸化膜を積層してなるため、橋絡された部位
における反りを低減することができる。また、絶縁膜５
に引張応力が働くようにしているため、絶縁膜５や絶縁
膜５の上に形成されている感応膜２などが挫屈して破壊
することはない。

【００７１】この様に、空洞部６を設けることにより、
ヒータ４層から発せられた熱が基板１を介して放熱され
ることを抑制することができる。従って、感応膜２の加
熱に必要な電力を大幅に低減させることができ、高い応
答性を持ちつつ消費電力を低減したガスセンサ１０を提
供することができる。

【００７２】また、被検ガスを検出する際に間欠的に感
応膜２を加熱する場合、空洞部６を設けたことにより、
その間欠動作を非常に早くできるという利点もある。ま
た、感応膜２をシリコン酸化膜上に形成しているため、
感応膜２と絶縁膜５の剥がれを極めて少なくすることが
できる。

【００７３】なお、空洞部６を形成する際はＴＭＡＨ溶
液を用いなくても、その他、強アルカリ溶液であるＫＯ
Ｈ溶液等も用いることができる。

【００７４】また、空洞部６を絶縁膜５が露出するまで
基板１をエッチングすることにより形成しなくても、基
板１における感応膜２の直下に相当する部位において、
基板１における他の部位よりも基板１の厚さが薄くなっ
た薄肉構造としても同様の効果を得ることができる。こ
の場合、薄肉構造部の厚さは、例えば数μｍ程度にする
と好ましい。 （第４実施形態）本実施形態は、基板１として単結晶の
Ｓｉ基板を用い、絶縁膜５として上記第２及び第３実施
形態とは異なるものを用いる例である。本実施形態のガ
スセンサ１０の断面構成は上記図６または図７と同様で
あるため省略する。以下、主として第２または第３実施
形態と異なる部分について説明する。

【００７５】上記第２及び第３実施形態では基板１の上
の絶縁膜５としてシリコン酸化膜やシリコン絶縁膜とい
ったアモルファス層を形成しているが、本実施形態で
は、絶縁膜５として、基板１の上にヘテロエピタキシャ
ル成長させた単結晶を用いている。この絶縁膜５として
具体的には、Ａｌ₂Ｏ₃膜を用いることができる。そし
て、この絶縁膜５の上に感応膜２が形成されている。

【００７６】この様な絶縁膜５を形成するには、まず、
ＴＭＡとＮ₂Ｏガスを用いたＣＶＤ法により９００℃程
度にてγ−Ａｌ₂Ｏ₃層を１００ｎｍ形成する。このγ−
Ａｌ ₂Ｏ₃層とＳｉ基板とは格子不整合が約２％と小さ
く、Ｓｉ基板の（１００）面とγ−Ａｌ₂Ｏ₃層の（１０
０）面が平行になるように、γ−Ａｌ₂Ｏ₃層をエピタキ
シャル成長させることができる。

【００７７】そして、このγ−Ａｌ₂Ｏ₃膜上に酸化すず
を原子層成長法により形成することにより、上記第２及
び第３実施形態に示したようなシリコン酸化膜上に形成
する場合よりも、さらに感応膜２を大粒径化することが
できる。

【００７８】これは、シリコン酸化膜等のアモルファス
層上では、上述のように酸化すず膜は高い配向性を持つ
膜として形成されるが、γ−Ａｌ₂Ｏ₃膜上に感応膜２を
形成することでエピタキシャルに近い膜を成長させるこ
とができ、更に大粒径化させることができるものと思わ
れる。この様に感応膜２が大粒径化することにより粒界
を低減することができ、更に応答性の高いガスセンサ１
０を得ることができる。

【００７９】また、γ−Ａｌ₂Ｏ₃以外にも、絶縁膜５と
してＣａＦ₂膜やＣｅＯ₂の膜を原子層成長法により形成
しても、これらの膜は非常にＳｉ基板と格子定数が近い
ため欠陥が少ない膜を形成することができる。また、原
子層成長法で形成することで非常に高い平坦性を持った
絶縁膜５を形成することができる。その結果、感応膜２
の組成制御を極めて高い精度で行うことができるため、
ＣａＦ₂膜やＣｅＯ₂の膜を絶縁膜５として用いても応答
性の高いガスセンサ１０を得ることができる。

【００８０】また、上記従来公報に記載の技術の様に、
基板全部が高価な絶縁性の単結晶基板であるのではな
く、安価なＳｉ基板の上に単結晶の絶縁膜５を形成する
ようにしているため、応答性を確保しつつ低コストなガ
スセンサを提供することができる。

【００８１】なお、絶縁膜５としては、γ−Ａｌ₂Ｏ
₃膜、ＣａＦ₂膜、ＣｅＯ₂膜以外にも、Ｓｉ基板に対し
てエピタキシャル成長することができる絶縁物を用いる
ことができる。 （第５実施形態）本実施形態は上記各実施形態における
ガスセンサ１０よりも更に応答性を高くするために、感
応膜２に絶縁層を挿入するものである。図９は本実施形
態のガスセンサ１０の製造方法を断面にて示す工程図で
ある。以下、主として第３実施形態と異なる部分につい
て述べ、図９中、図８と同一部分は同一符号を付して説
明を省略する。

【００８２】本実施形態のガスセンサ１０が完成した状
態を示す図９（ｄ）のように、感応膜２における結晶粒
の途中に感応膜２よりも電気伝導性の小さいイオン注入
層（絶縁層）７が形成されている。

【００８３】次に、この様なイオン注入層７が形成され
たガスセンサ１０の製造方法を示す。

【００８４】［図９（ａ）に示す工程］ 上記第３実施
形態と同様に、Ｓｉの（１００）基板１の上にシリコン
窒化膜とシリコン酸化膜とからなる絶縁膜５を形成し、
その後、上述の感応膜形成工程と同様に原子層成長法に
より酸化スズよりなる感応膜２を形成する。但し、この
感応膜２は０．８μｍの厚さにする。

【００８５】このときの感応膜２の平均粒径は１μｍ程
度になっており、感応膜２の膜厚よりも若干大きくなっ
ている。

【００８６】［図９（ｂ）に示す工程］ 次に、感応膜
２に対してイオン注入を行うことでイオン注入層７を形
成するイオン注入工程を行う。具体的には、Ｓｎイオン
を用いて、感応膜２内における厚さ方向の途中部である
感応膜２の表面から０．２μｍ程度の深さの部位におい
て、基板１に略平行にアモルファスに近いＳｎリッチと
なるイオン注入層７を形成する。その後、欠陥を減少さ
せるために、再度酸素雰囲気で５００℃程度の熱処理を
行う。

【００８７】［図９（ｃ）に示す工程］ 次に、感応膜
２の上にレジストを形成し、フォトリソグラフィ技術を
用いてレジストをパターニングした後、このレジストを
介してエッチングを行うことにより感応膜２を所望の形
状にパターニングして感応膜２が完成する。従って、感
応膜形成工程においてイオン注入工程を行っている。

【００８８】その後、上記第３実施形態と同様にヒータ
４と電極３を形成する。

【００８９】［図９（ｄ）に示す工程］ 続いて、上記
第３実施形態と同様に空洞部６を形成する。この様にし
て、本実施形態のガスセンサ１０が完成する。

【００９０】このように、感応膜２にイオン注入層７を
形成することで、感応膜上層部２ａ（本実施形態では厚
さ０．２μｍの部位）のみを実質的に感応膜２として機
能させることができ、この感応膜上層部２ａにおいて被
検ガスの脱吸着を行うことができる。

【００９１】そして、このイオン注入層７は結晶粒の途
中に形成しているため、感応膜上層部２ａでは、膜厚よ
りも結晶粒径を極めて大きくすることができる。従っ
て、結晶粒界を更に低減して更に応答性を高めることが
できる。

【００９２】なお、イオン注入層７は、イオン注入時の
加速電圧を低下させたり、感応膜２の表面を酸化シリコ
ン膜等で被覆した状態でイオンを注入させる等すること
により、感応膜２のより浅い部位に形成することができ
る。この様に、イオン注入層７を浅く形成し、感応膜２
として機能する膜厚をさらに薄くすることで、さらに高
応答にすることができ、また、被検ガスの脱吸着による
抵抗率変化を増大して検出感度を大きくすることができ
る。

【００９３】特に、この感応膜２として機能する膜厚を
１０ｎｍ以下、つまり感応膜２にガスが吸着することに
より生じる空乏層の厚さ以下にすると、極めて高い応答
性と感度を持つガスセンサ１０を形成することができ
る。

【００９４】また、イオン注入層７を形成する原子とし
てはＳｎを用いる例について示したが、ＳｉやＡ１等の
イオン注入層７に絶縁性を持たすことができる原子であ
れば何でも良い。

【００９５】また、感応膜形成工程にて形成される感応
膜の平均結晶粒径がたとえ小さいものであっても、イオ
ン注入工程で、感応膜２のうちイオン注入層７よりも上
に位置する感応膜上層部２ａにおいて、感応膜上層部２
ａの平均粒径が感応膜上層部２ａの膜厚以上となるよう
に、イオン注入層７の感応膜２内における位置を調節す
ることにより、高応答なガスセンサを形成することがで
きる。 （第６実施形態）本実施形態は、感応膜２の平均粒径を
感応膜２の膜厚以上にする他の製造方法について説明す
る。図１０は本実施形態の製造方法をガスセンサ１０の
断面にて示す工程図であり、図１１は図１０に続く工程
図である。

【００９６】［図１０（ａ）に示す工程］ 上記第５実
施形態と同様に、Ｓｉの（１００）基板１の上に、シリ
コン窒化膜とシリコン酸化膜とからなる絶縁膜５を形成
し、絶縁膜５上に感応膜２を形成する。この感応膜２は
０．８μｍの厚さとなっている。この時の感応膜２の平
均粒径は、第５実施形態と同様に１μｍ程度となってい
る。

【００９７】［図１０（ｂ）に示す工程］ 次に、感応
膜２に対してイオン注入することにより、感応膜２内に
おける厚さ方向の途中部に、基板１に略平行にイオン注
入層７を形成するイオン注入工程を行う。このイオンと
しては水素イオンを用いており、感応膜２の表面から約
０．１５μｍの部位にイオン注入法によりイオン注入層
７を形成する。

【００９８】その後、プラズマＣＶＤ法により３００℃
程度で感応膜２の上にシリコン酸化膜８を５μｍ程度堆
積させる。そして、このシリコン酸化膜８の表面の凹凸
を平坦化するために、研磨処理等を行ってシリコン酸化
膜８の膜厚を２μｍ程度にする。

【００９９】［図１０（ｃ）に示す工程］ 次に、別に
用意したＳｉ基板（以下、別基板という）９の表面を熱
酸化して酸化膜を形成しておき、この酸化膜と［図１０
（ｂ）に示す工程］で平坦化したシリコン酸化膜８の表
面とを、３００℃程度で両酸化膜間の水を脱水させて貼
り合わせる。

【０１００】［図１１（ａ）に示す工程］ 次に、基板
１と別基板９を貼り合わせた状態でイオン注入層７に熱
処理を施す。その結果、イオン注入層７が脆化し、イオ
ン注入層７が形成されている部位において感応膜２が分
断される（分断工程）。

【０１０１】［図１１（ｂ）に示す工程］ 別基板９に
形成されている感応膜上層部２ａを用いて、フォトリソ
グラフィ技術により感応膜上層部２ａ上にレジストをパ
ターニングし、エッチングにより感応膜上層部２ａを所
望の形状にパターニングする。

【０１０２】以上、［図１０（ａ）に示す工程］におい
て絶縁膜５上に感応膜２を形成してから［図１１（ｂ）
に示す工程］において感応膜上層部２ａを所望の形状に
パターニングするまでの工程が感応膜形成工程である。
つまり、感応膜形成工程において、イオン注入工程と分
断工程とを行っている。

【０１０３】その後、上記第５実施形態と同様にヒータ
４及び電極３を形成することで本実施形態のガスセンサ
１０が完成する。

【０１０４】ところで、この様な製造方法によりガスセ
ンサ１０を製造することにより、上記第５実施系形態と
同様に、感応膜上層部２ａ（本実施形態では厚さが０．
１５μｍとなっている部位）を感応膜として用いること
ができる。従って、第５実施形態と同様の効果を発揮す
ることができる。

【０１０５】なお、イオン注入工程を、感応膜２の表面
にシリコン酸化膜８を堆積して、このシリコン酸化膜８
を平坦化した後に行っても良い。これにより、平坦化さ
れた面からイオン注入することができるため、イオン注
入層７を平坦に形成することができる。その結果、感応
膜２の分断面を平坦にすることができるため、電極３を
平坦な面に形成することができ、電極３の接続信頼性を
向上させることができる。

【０１０６】また、感応膜２を分断する際に酸化膜同士
を接合するようにして別基板９を貼り合わせる方法の他
に、多結晶ＳｉやＡｕＳｉ共晶を用いて同様に別基板９
を貼り合わせても良い。

【０１０７】また、別基板９に形成する膜を、シリコン
酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の順に積層す
る等して膜全体に引張り応力を持たせたものとすること
で、上記第３実施形態のように、空洞部６を形成するこ
とができる。

【０１０８】また、上記第５実施形態に記述したよう
に、イオン注入層７を感応膜２のより浅い部位に形成し
ても良い。

【０１０９】また、感応膜２を分断して感応膜上層部２
ａを用いる例について示したが、感応膜２のうちイオン
注入層７よりも下に位置する感応膜下層部２ｂを用いて
も良い。

【０１１０】また、感応膜形成工程にて形成される感応
膜の平均結晶粒径がたとえ小さいものであっても、イオ
ン注入工程で、感応膜上層部２ａ又は感応膜下層部２ｂ
の少なくとも一方において、平均粒径が膜厚以上となる
ように、イオン注入層７の感応膜２内における位置を調
節することにより、高応答なガスセンサを形成すること
ができる。 （第７実施形態）水素ガスを検知対象とした場合、他の
ガスによる影響を少なくするために、一般に水素ガスを
選択的に透過させるＳｉＯ₂膜やＡｌ₂Ｏ₃膜等のフィル
タ層を感応膜２の表面に形成し、選択性を向上させるよ
うにする。

【０１１１】ただし、この様なフィルタ層を形成する場
合、スパッタ等の通常の成膜方法では感応膜２の表面状
態により感応膜２を確実に覆えない恐れがあるため、感
応膜２の表面を確実に覆って選択性を確保するためにフ
ィルタ層は数１００ｎｍの厚さに厚くする必要がある。
しかし、フィルタ層の膜厚が厚いと被検ガスが感応膜２
に到達するのに時間がかかり、応答性が低下してしま
う。

【０１１２】そこで、本実施形態では図１２のガスセン
サ１０の概略断面図に示すように、感応膜２の表面に原
子層成長法により、フィルタ層１１としてＡｌ₂Ｏ₃膜が
堆積されている。これにより、原子層成長法により形成
したフィルタ層１１は極めて緻密であるため、薄膜でも
適切に感応膜２の表面を覆うことができ、応答性を損な
わずに高い選択性を確保することができる。特に、感応
膜２の表面を確実に覆いつつ応答性の劣化を抑制するた
めに、フィルタ層１１の膜厚は１０〜５０ｎｍ程度が好
ましいことを発明者らは確認した。

【０１１３】このフィルタ層１１は、感応膜形成工程の
後に原子層成長法により形成すればよい（フィルタ層形
成工程）。その後、フィルタ層１１にコンタクトホール
を形成する等して電極３と感応膜２とを電気的に接続す
る。

【０１１４】なお、図１２では、上記第１実施形態に示
す構成においてフィルタ層１１を形成したものとして示
しているが、上記第１〜第６実施形態においてフィルタ
層１１を形成することで、同様の効果を発揮することが
できる。 （他の実施形態）なお、上記各実施形態では感応膜２の
材料として酸化スズを用いる場合について示したが、そ
の他、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化タングステン等
の被検ガスが吸着することにより物性値が変化するとと
もに、エピタキシャルに近い膜として形成できるものを
用いることができる。

【０１１５】また、酸化インジウムや酸化亜鉛を感応膜
２として用いる場合、原子層成長法により形成すること
ができる。

【０１１６】また、基板１として高純度のアモルファス
のムライト基板を用いると、ムライト基板と感応膜２の
酸化スズとの熱膨張係数が極めて近いため、感応膜２を
成膜する際や熱処理を行う際に基板１との熱膨張の差に
より感応膜２が剥がれることを抑制することができる。
その結果、ガスセンサ１０の信頼性を向上させることが
できる。

【０１１７】また、上記各実施形態では、電極３及びヒ
ータ４としてはＰｔを用いる場合について示したが、Ｐ
ｔ以外にも例えばＰｔとＴｉとが積層されたものやＡｕ
等、他の電気伝導性の物質を用いても良い。また、電極
３及びヒータ４と下地膜との密着層としてＴｉ膜を形成
しているが、Ｔｉ膜の代わりに、Ｃｒやその他の密着力
を向上させるものを用いてもよい。また、電極３及びヒ
ータ４と下地膜との密着力があれば密着層を設けなくて
も良い。

【０１１８】また、感応膜２に電極３を形成して感応膜
２の物性値変化を電気信号として検出する方法以外に
も、光によって感応膜２の屈折率の変化を検出しても良
く、感応膜２へのガスの拡散により変化した感応膜２の
物性値を検出することができればどのような手段でもよ
い。

【０１１９】また、上記第５及び第６実施形態のよう
に、イオン注入層７を形成して感応膜２に加工を施す場
合は、単結晶の感応膜材料を用いても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係るガスセンサの斜視図であ
る。

【図２】図１におけるＡ−Ａ断面の概略図である。

【図３】図２における感応膜を部分的に拡大した断面図
である。

【図４】感応膜が微結晶で形成されている比較例の部分
断面図である。

【図５】第１実施形態において感応膜の膜厚を変化させ
た場合の抵抗率変化の時間変化を示す図である。

【図６】第２実施形態に係るガスセンサの概略断面図で
ある。

【図７】第３実施形態に係るガスセンサの概略断面図で
ある。

【図８】第３実施形態に係るガスセンサの製造方法を示
す工程図である。

【図９】第５実施形態に係るガスセンサの製造方法を示
す工程図である。

【図１０】第６実施形態に係るガスセンサの製造方法を
示す工程図である。

【図１１】図１０に続く工程図である。

【図１２】第７実施形態に係るガスセンサの概略断面図
である。

【符号の説明】

１…基板、２…感応膜、２ａ…感応膜上層部、２ｂ…感
応膜下層部、５…絶縁物、７…イオン注入層（絶縁
層）、１１…フィルタ層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 幸裕 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 2G046 AA01 BA01 BA08 BA09 BB02 BB04 BD02 BE03 EA02 EA04 EA07 EA10 EA11 FB02 FB08 FE00 FE03 FE07

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板（１）と、前記基板上に形成され被
   検ガスに反応して物性値が変化する感応膜（２）とを有
   して前記被検ガスを検出するセンサにおいて、 前記感応膜の平均結晶粒径が前記感応膜の膜厚以上であ
   ることを特徴とする薄膜型ガスセンサ。
2. 【請求項２】 前記基板はアルミナ基板又はムライト基
   板であり、前記基板の表面の凹凸が前記感応膜の膜厚の
   １／５以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄
   膜型ガスセンサ。
3. 【請求項３】 前記基板はＳｉ基板であり、前記感応膜
   は前記基板上に絶縁物（５）を介して形成されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の薄膜型ガスセンサ。
4. 【請求項４】 前記絶縁物は前記Ｓｉ基板上に単結晶で
   形成されていることを特徴とする請求項３に記載の薄膜
   型ガスセンサ。
5. 【請求項５】 前記絶縁物は、ＣａＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃及び
   ＣｅＯ₂の少なくとも１つからなることを特徴とする請
   求項４に記載の薄膜型ガスセンサ。
6. 【請求項６】 前記感応膜の膜厚は、前記被検ガスが前
   記感応膜に吸着することにより生じる空乏層の厚さ以下
   になっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれ
   か１つに記載の薄膜型ガスセンサ。
7. 【請求項７】 前記感応膜の膜厚は３ｎｍ以上１２ｎｍ
   以下となっていることを特徴とする請求項６に記載の薄
   膜型ガスセンサ。
8. 【請求項８】 前記基板の上に前記感応膜を加熱するた
   めのヒータ層（４）が形成されており、 前記基板のうち前記感応膜の直下に相当する部位は、前
   記基板における他の部位よりも厚さが薄くなった薄肉構
   造となっていることを特徴とする請求項１乃至７のいず
   れか１つに記載の薄膜型ガスセンサ。
9. 【請求項９】 前記感応膜の上に、前記被検ガスを選択
   的に透過させるフィルタ層（１１）が形成されているこ
   とを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の
   薄膜型ガスセンサ。
10. 【請求項１０】 前記フィルタ層は膜厚が１０ｎｍ以上
    ５０ｎｍ以下となっていることを特徴とする請求項９に
    記載の薄膜型ガスセンサ。
11. 【請求項１１】 基板（１）の上に被検ガスに反応して
    物性値が変化する感応膜（２）を形成し、前記被検ガス
    を検出する薄膜型ガスセンサの製造方法において、 前記基板の表面の凹凸を前記感応膜の膜厚の１／５以下
    に低減させる基板処理工程と、 その後、前記基板の上に前記感応膜を原子層成長法によ
    り堆積させることで、平均結晶粒径が膜厚以上となって
    いる前記感応膜を形成する感応膜形成工程とを有するこ
    とを特徴とする薄膜型ガスセンサの製造方法。
12. 【請求項１２】 基板（１）の上に被検ガスに反応して
    物性値が変化する感応膜（２）を形成し、前記被検ガス
    を検出する薄膜型ガスセンサの製造方法において、 前記基板の上に前記感応膜を形成する感応膜形成工程
    と、 前記感応膜形成工程中に、前記感応膜に対してイオンを
    注入することにより、前記感応膜内における厚さ方向の
    途中部に前記基板に略平行に絶縁層（７）を形成するイ
    オン注入工程とを有し、 前記イオン注入工程では、前記感応膜のうち前記絶縁層
    よりも上に位置する感応膜上層部（２ａ）において、該
    感応膜上層部の平均結晶粒径が前記感応膜上層部の膜厚
    以上となるように、前記絶縁層の前記感応膜内における
    位置を調節することを特徴とする薄膜型ガスセンサの製
    造方法。
13. 【請求項１３】 基板（１）の上に被検ガスに反応して
    物性値が変化する感応膜（２）を形成し、前記被検ガス
    を検出する薄膜型ガスセンサの製造方法において、 前記基板の上に前記感応膜を形成する感応膜形成工程
    と、 前記感応膜形成工程中に、前記感応膜に対してイオンを
    注入することにより、前記感応膜内における厚さ方向の
    途中部に前記基板に略平行にイオン注入層（７）を形成
    するイオン注入工程と、 その後、前記イオン注入層に熱処理を施すことにより、
    前記感応膜を前記イオン注入層が形成されている部位に
    おいて分断する分断工程とを有し、 前記イオン注入工程では、前記感応膜のうち前記イオン
    注入層よりも上に位置する感応膜上層部（２ａ）、及
    び、前記感応膜のうち前記イオン注入層より下に位置す
    る感応膜下層部（２ｂ）の少なくとも一方において、平
    均結晶粒径が膜厚以上となるように、前記イオン注入層
    の前記感応膜内における位置を調節することを特徴とす
    る薄膜型ガスセンサの製造方法。
14. 【請求項１４】 前記感応膜形成工程では、前記感応膜
    を構成する金属を含むガスと水とを交互に供給すること
    で前記感応膜を形成することを特徴とする請求項１１乃
    至１３のいずれか１つに記載の薄膜型ガスセンサの製造
    方法。
15. 【請求項１５】 前記感応膜形成工程では、原子層成長
    法を行うことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の
    薄膜型ガスセンサの製造方法。
16. 【請求項１６】 前記感応膜を絶縁物（５）を介して前
    記基板の上に形成し、 前記絶縁物を原子層成長法により形成することを特徴と
    する請求項１１乃至１５のいずれか１つに記載の薄膜型
    ガスセンサの製造方法。
17. 【請求項１７】 前記感応膜形成工程の後に、前記感応
    膜の上に選択的に前記被検ガスを透過させるためのフィ
    ルタ層（１１）を原子層成長法により形成するフィルタ
    層形成工程を有することを特徴とする請求項１１乃至１
    ６のいずれか１つに記載の薄膜型ガスセンサの製造方
    法。