JP4215424B2 - メンブランセンサーアレーの製造方法およびメンブランセンサーアレー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１または５の上位概念に記載のメンブランセンサーアレーの製造方法および請求項６の上位概念に記載のメンブランセンサーアレーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体材料支持体を有し、該支持体上にセンサー層の支持体として少なくとも１個の平坦なメンブラン領域が配置されているメンブランセンサーの製造方法はすでに公知となっている。メンブランセンサーアレーが複数の平坦なメンブラン領域を有する場合は、このメンブラン領域は、メンブランおよびウェブの横方向の周囲部分に比較して明らかに改良された熱伝導性を有する材料からなるウェブにより規則的に互いに断熱されている。
【０００３】
現在市販されているメンブランセンサーは多くの場合に薄膜として実現されている。このために支持体基板上に数１０ｎｍから数μｍの厚さの層系を析出し、その後自立するメンブラン領域を得るために、支持体基板を決められた領域で除去する。引き続きメンブランの中心に、例えばメンブランの自立する配置により、包囲する支持体基板から断熱されているセンサー素子を配置し、これは温度センサーおよび流量センサーに好ましい。
【０００４】
メンブランを露出するために、２つの方法に分類することができる。
【０００５】
１.一般にメンブランを析出する前に、支持体基板の表面に被覆される犠牲層を使用する表面マイクロメカニック（ＯＭＭ）。犠牲層は後でセンサーの表面からメンブラン中の溶解開口により除去し、これにより自立する構造が生じる。この表面マイクロメカニック法は分離した犠牲層が必要であることにより比較的経費がかかる。
【０００６】
２.支持体基板の裏面からエッチング工程によりメンブランを露出する、すなわち、例えば全部の厚さのウェハを通過して開口をエッチングすることによる、バルクマイクロメカニック。
【０００７】
多くの使用のためにセンサーアレー（配列）が必要である。このために複数の同じセンサーを線状に並列してまたは二次元的に配置する。温度センサーを使用する場合は、測定信号の空間的分解を可能にするために、これは放熱体により互いに分離しなければならない。
【０００８】
放熱体を製造するために、種々の可能性が存在する。良好な熱伝導性材料からなる層をメンブランの表面に析出し、構造化し、良好な熱伝導性材料の残りの構造を放熱体として用いる。
【０００９】
しかしながらメンブランを、バルクマイクロメカニック工程を用いて、個々のメンブラン領域の間にバルク材料からなるウェブが残留するように、露出することもできる。バルクマイクロメカニックメンブランセンサーの場合は、一般に裏面のメンブランを異方性エッチング法で、例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）を用いて露出する。この場合にエッチングは、その異方性にもかかわらず、基板の裏面に、本来のメンブラン構造に必要であるよりかなり多くの場所を必要とする。これによりこの方法では集積密度が制限される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、メンブランセンサーアレーの製造費用を減少し、特に改良された集積密度を有するメンブランセンサーアレーを提供することであり、これは同様に製造費用の減少を可能にする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、請求項１または５記載の方法および請求項６記載のメンブランセンサーにより解決される。
【００１２】
本発明は、まず半導体材料支持体上にセンサー素子の支持体層として複数の平坦なメンブラン領域が配置され、平坦なメンブラン領域が、メンブラン領域およびウェブの横方向の周囲部分と比較して明らかに改良された熱伝導性を有する材料からなるウェブにより互いに断熱されている、半導体材料支持体を有するメンブランセンサーアレーの製造方法から出発する。メンブラン領域の語は、本発明の範囲で、自立する層だけでなく、最も簡単な場合はウェブより熱伝導性が低い容積部分に配置される１個の層であると理解される。本発明の核心は、半導体材料支持体に、断熱のためにウェブが形成されている位置で、多孔質半導体材料を形成させる次の工程のためのマスキングを維持し、マスキングにより保護されない半導体材料を多孔質化し、その上に、例えば半導体材料支持体もしくは多孔質化した位置に連続するメンブラン層を被覆することにより、メンブラン領域を製造することにある。この方法により、個々のセンサーが十分な程度で断熱されている、メンブランセンサーアレーの高い集積密度を達成することが可能である。この場合に多孔質の半導体材料の製造を、適当なマスキングにより比較的微細な構造で行うことができるという知見を利用する。これにより、それに応じて密に並列に配置することができる、相当する微細なウェブを製造することができ、これは全体としてアレーのセンサーの高い密度を可能にする。断熱は、残りの半導体ウェブが、多孔質の半導体材料に比較して、または以下に詳しく記載するように、除去され、かつ多孔質化した半導体材料により、その際生じる、場合によりガス充填口を有する中空に比較して、明らかに高い熱伝導性を有することにより得られる。
【００１３】
本発明の特に有利な実施態様において、マスキングのために、多孔質化した半導体材料を製造する際に安定した層、例えば酸化珪素、窒化珪素または炭化珪素もしくはこれらの組合せ物を使用する場合が有利である。これは更にマスキング層を除去した後にアンダーエッチング工程にもとづきウェブの形の放熱体を、突出する領域なしに実現することができる、マスキングの比較的簡単な可能性である。しかしながらこの方法では自立するウェブを形成することは不可能である。すなわちウェブは常に半導体材料支持体のバルク材料と結合したままてある。
【００１４】
決められた幅および高さを有する自立するウェブの形の放熱体を製造するために、更に半導体材料支持体に、断熱のためにウェブが形成される位置で、マスキングとして所定の深さを有する適当なドーピング部を維持し、ドーピング部により割り付けられなかった半導体材料をウェブの周囲部分で多孔質化することが提案される。
【００１５】
有利には多孔質化した半導体領域を、メンブラン領域を被覆した後にエッチングにより除去する。このやり方で、連続する槽中のウェブを包囲する半導体領域を多孔質化する場合に、特に自立するウェブ構造が形成される。自立するウェブは、好ましい断熱に十分である放熱体を提供するために十分である。この場合にこの方法は、付加的な犠牲層も、他の、例えば放熱体を形成する金属層も必要でないという利点を有する。むしろメンブラン領域の下側のメンブランセンサーアレーの土台は、例えば連続するメンブラン層の形で、完全に支持体の半導体材料から形成することができる。
【００１６】
多孔質シリコンを製造する自体公知の方法の場合は、一般にフッ化水素酸と珪素の電気化学的反応を利用し、この場合に珪素中にスポンジ状の構造を生じる。このためにシリコン半導体支持体（一般にシリコンウェハ）は、フッ化水素酸電解質に対して陽極に接続されていなければならない。例えばフッ化水素酸／エタノールからなる混合物中のシリコンの電気化学的エッチング（陽極化）により、前記深さに部分的にエッチングすることにより多孔質シリコンが生じる。シリコンのエッチングのために、シリコンと電解質の境界面に欠陥電子（ホール）が必要であり、これは流動する電流により供給される。電流密度が臨界電流密度ｊ_ＫＲＩＴより小さい場合は、表面に存在するくぼみで印加された電界によりホールが拡散し、ここで有利なエッチングが行われる。例えばｐ−ドーピングシリコンの場合は、量子効果によりホールがこの領域にもはや浸入できず、エッチング工程が停止するまで、くぼみの間の領域を最小の厚さまで横方向にエッチングする。このやり方で珪素および自由エッチングしたホールからなるスポンジ状の骨格構造が生じる。骨格構造を形成する際にエッチング工程を、ホール先端の領域にのみ行うので、すでにエッチングしたシリコンのスポンジ構造が維持される。これによりすでにエッチングした領域の孔径がほぼ変化せず残る。孔径はフッ化水素酸中のＨＦ濃度、ドーピングおよび電流密度に依存し、数ナノメートルから数１０ナノメートルであってもよい。同様に気孔率を約１０％から９０％以上の範囲に調節できる。
【００１７】
多孔質シリコンを製造するために、種々のドーピング基板を使用することができる。一般に種々のドーピング程度のｐ−ドーピングウェハを使用する。ドーピングにより多孔質シリコン内部で構造の大きさを決定することができる。
【００１８】
多孔質構造を形成することにより、シリコンは大きな内部表面およびこれにより包囲するバルクシリコンのような他の化学的および物理的特性（例えば他のエッチング速度、熱伝導性、熱容量等）を取得する。従って反応性が明らかに向上し、これによりバルクシリコンに対する多孔質シリコンの選択的エッチングが可能である。
【００１９】
この場合にシリコン中のウェブの製造は以下のように実施する。
【００２０】
シリコンの場合は、特にｐ−ドーピングシリコンおよびｎ−ドーピングシリコンが著しく異なるエッチング特性を有するという知見を利用することができる。ｐ-ドーピングシリコン中に多孔質シリコンを製造することができる条件下では、これはｎ−ドーピングシリコン中では不可能であるかまたはきわめて少ない範囲でのみ可能である。従ってマスキング層として、例えばｐ−ドーピング基板の表面の薄い層を再度ｎ−ドーピングすることができる（イオン注入または拡散により）。電気化学的エッチングの場合にはｐ−ドーピング領域でのみ多孔質シリコンが生じる。マスキング層の厚さは処理パラメータ（ドーピング量、注入エネルギー、ドーピング物質の後での打ち込み）により変動することができる。多孔質シリコンの形成は等方性工程であるので、それに応じてマスクをアンダーエッチングする。ドーピングにより特徴づけられるウェブ領域を完全にアンダーエッチングする場合は、多孔質シリコンを除去した後に自立するウェブ構造が生じる。
【００２１】
多孔質半導体材料のエッチングのために、シリコンの場合は、特にセンサー層を析出した後に実質的に２つの可能性が存在する。１つは強度に希釈した水酸化カリウム溶液（ＫＯＨ）を使用し、１つはフッ化水素酸（ＨＦ）を使用する。この場合に多孔質シリコンを、メンブラン領域を被覆する前になお酸化工程で処理する。
【００２２】
本発明のもう１つの有利な実施態様において、半導体材料支持体上にセンサー素子の支持体層として複数の平坦なメンブラン領域が配置され、複数の平坦なメンブラン領域が、メンブラン領域およびウェブの横方向の周囲部分と比較して明らかに改良された熱伝導性を有する材料からなるウェブにより断熱されている、半導体材料支持体を有するメンブランセンサーアレーの製造方法において、半導体材料の前面上に、有利には半導体材料支持体上に、直接メンブラン層を被覆させ、半導体中に少なくともほぼ垂直なエッチング側面を実現させることができる、引き続く異方性プラズマエッチング工程によりウェブを、半導体材料支持体の裏面から形成させることが有利である。この方法により、バルクマイクロメカニック法を使用するにもかかわらず、かなりの程度で、特にメンブランセンサーアレーに関する集積密度の改良を達成することができる。
【００２３】
更に本発明は、半導体材料からなる支持体を有し、該支持体上に並列に存在する平坦なメンブラン領域がセンサー素子の支持体層として配置され、このメンブラン領域が、メンブラン領域およびウェブの横方向の周囲部分と比較して明らかに改良された熱伝導性を有する材料からなるウェブにより互いに断熱され、ウェブが支持体の半導体材料から形成されているメンブランセンサーアレーから出発する。本発明のこの構成の中心的思想は、メンブラン領域に直接接触するウェブの幅が５０μｍ未満であることにある。この思想の基礎となる認識は、例えばウェブが連続するメンブランの下側に配置され、メンブランがメンブラン領域に分かれている場合に、この種の形成されたウェブが十分な程度で放熱体の機能を満たすことにある。
【００２４】
メンブランセンサーアレーの簡単な構造を得るために、更にウェブが支持体の半導体材料からのみ形成されていることが提案される。
【００２５】
例えばシリコンウェハの場合に、ウェブを製造するために、ｐ−ドーピングウェハをドーピングすることによりマスキングを使用する場合は、ウェブ幅およびウェブ厚さをドーピング工程により簡単に調節することができ、これにより熱伝導値を感度よい方法で制御することができる。まさにこのマスキング工程により、垂直方向で見て薄いウェブを製造することができ、これが放熱体の要求を満たす。３０μｍ未満のウェブの厚さがすでに十分であることが判明した。
【００２６】
放熱体の構造は、有利にはウェブ、例えば十字形に配置されたウェブおよびウェブと結合している枠領域からなる。多孔質半導体材料を形成する工程で、包囲する半導体材料に対してこの放熱体構造を生じるために、ウェブおよび枠領域が相当してドーピングされている場合が有利である。
【００２７】
【実施例】
本発明を、図面に示された実施例により詳細に説明する。
【００２８】
図１はｐ−ドーピングシリコンウェハ１を示し、ウェハの領域２，３は、例えばイオン注入工程によりｎ−ドーピングされている。ｎ−ドーピング領域は、多孔質シリコン９を製造する場合に損なわれない。多孔質シリコンを製造する場合に、等方性エッチングにもとづき、図１では領域２，３の下側に横方向のアンダーエッチングが認められる。このやり方でシリコンウェハは領域３の下側で完全に多孔質化される。図２により多孔質化したシリコン９を選択的エッチング工程で除去した後に、相当してｎ−ドーピングシリコンからなる自立するウェブが生じる。
【００２９】
図３ａにシリコンウェハ４が示され、シリコンウェハ上に多孔質化した領域をマスキングするために、酸化珪素および窒化珪素からなるマスク５，６を形成する。多孔質シリコン７を除去する前に、まず酸化珪素、窒化珪素または炭化珪素またはこれらの組合せ物からなるマスクを除去することができ、これにより図３ｂによりくぼみ８が残り、くぼみは周辺領域に図２の実施例のような突出するマスク部分を有しない。
【００３０】
図５ａはメンブランセンサーアレー２０の１つの例の平面図を示す。バルクシリコン２１上に自立するメンブラン領域２２が形成され（図５ｂ参照）、メンブラン領域は、放熱体として作用する、ｎ−ドーピングシリコンからなる枠領域２５とともに格子２３により互いに断熱されている。格子２３および枠領域２５の一部は自立性であり、これは断熱を更に改良する。
【００３１】
図５ａおよび５ｂの配置は、例えば中間工程として多孔質シリコンを製造する、表面マイクロメカニック法により実現する。マスキングとして枠領域２５を有する格子状のｎ−ドーピング領域２３を使用する。例えばｐ−ドーピングバルクシリコン２１中のｎ−ドーピング格子２３および枠２５のドーピングはイオン注入によりまたは拡散工程により行う。イオン注入の場合は注入エネルギーにより注入領域の深さを調節することができる。放熱体の厚さおよびそれとともにこれから生じる、特に周辺領域に対する熱伝導性は、これにより広い範囲で測定することができる。拡散工程の場合はドーピング物質の量、拡散時間および拡散温度によりドーピング深さを調節できる。
【００３２】
一般に拡散により１０μｍより大きいドーピング深さが達成されるが、イオン注入の場合は５μｍまでの範囲の深さである。中間工程として多孔質シリコンの製造を用意する工程は、以下のように概略的に分類できる。
【００３３】
ａ）多孔質シリコンの製造
ｂ）多孔質化したシリコンの場合による部分的酸化
ｃ）メンブラン２４の析出（図５ｂ参照）
ｄ）センサー層の析出および構造化（図５ａおよび５ｂに示されていない）
ｅ）メンブランの不活性化
ｆ）メンブラン中の開口の製造（図示されていない）
ｇ）多孔質シリコンもしくは酸化した多孔質シリコンの除去。
【００３４】
ｎ−ドーピングマスキングを使用する代わりに、十分な厚さを有する、例えば酸化珪素／窒化珪素層３０（図６参照）のようなマスキング層を使用することができる。多孔質シリコンを製造する場合は、マスキングをｎ−ドーピングマスキングと同じ方法で等方性エッチング工程にもとづき横方向にアンダーエッチングする。図６ａにはシリコンウェハ３２に形成されている多孔質化した領域３１がマスキング３０の下側に明らかなアンダーエッチングで示されている。多孔質シリコンを局所的に製造した後にマスキング３０を除去し、多孔質シリコンを場合により酸化した後にセンサーメンブラン３３（図６ｂ参照）を析出する。センサー素子（図示されていない）を製造した後に、場合により酸化した多孔質シリコンを、メンブラン３３中の相当する開口により表面から除去する。より簡単な使用のために、多孔質または場合により酸化した多孔質シリコン３１を放置することもでき、これによりくぼみ３４（図６ｂ参照）が生じない。約１００分の１に減少した熱伝導性により、多孔質または場合により酸化した多孔質シリコンを放置する場合にも断熱が保証される。しかしながら空気、真空または充填ガスが衝突するくぼみ３４の熱伝導性に関するＱ値は達成されない。
【００３５】
本発明の方法により、個々のメンブラン領域３５の間隔を約２０〜５０μｍの最小値に減少することができる、メンブランセンサーを実現することができる。
【００３６】
メンブランセンサーアレーの構成は格子構造に限定されない。放熱体の他の自由な選択可能な形が考えられる。図７は、例えばシリコンバルク材料４２内部の自立するメンブラン領域４１を分離するための線形の放熱体としてのウェブ４０を有する実施態様を示す。
【００３７】
図４による実施態様においては、シリコンウェハ１１の裏面の異方性プラズマエッチング工程により放熱体としてウェブ１０を形成する。ウェブ１０は自立性である。メンブラン１２上に、ウェブ１０の間にセンサー素子を配置することができ、センサー素子は放熱体として作用するウェブ１０により互いに断熱されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】多孔質シリコンを製造するためのマスキングとしてドーピング領域を有するシリコンウェハの断面図である。
【図２】図１による多孔質シリコンをエッチングにより除去した断面図である。
【図３】図１および図２に匹敵する配置であるが、多孔質シリコンを製造するために後で析出したマスキング層を使用したシリコンウェハの断面図である。
【図４】ウェハ裏面をエッチングした後のシリコンウェハの断面図である。
【図５】メンブランセンサーアレーの平面図および断面図である。
【図６】異なる製造段階の他のメンブランセンサーアレーの断面図である。
【図７】他のメンブランセンサーアレーの平面図である。

Claims (11)

1. 半導体材料支持体（１，４，１１，２１，３２，４２）を有し、該支持体上に複数の平坦なメンブラン領域（２２，３５，４１）がセンサー素子のための支持体層として配置され、平坦なメンブラン領域（２２，３５，４１）が、メンブラン領域（２２，３５，４１）およびウェブ（２３，４０）の横方向の周囲部分と比較して改良された熱伝導性を有する材料からなるウェブ（２３，４０）により互いに断熱されているメンブランセンサーアレーの製造方法において、まず半導体材料支持体（１，４，１１，２１，３２，４２）に、断熱のためにウェブ（２３，４０）が形成される位置で、多孔質の半導体材料を形成させる次の工程のためのマスキングを維持し、マスキングにより保護されない半導体材料を多孔質化し、この上にメンブラン領域を形成させることを特徴とする、メンブランセンサーアレーの製造方法。
2. マスキングのために、多孔質化した半導体材料の製造の際に安定した層（５，６，３０）を使用する請求項１記載の方法。
3. マスキングのために、酸化珪素、窒化珪素または炭化珪素もしくはこれらの組合せ物を使用する請求項２記載の方法。
4. 半導体材料支持体（１，４，１１，２１，３２，４２）に、断熱のためにウェブ（２３，４０）が形成される位置で、マスキングとして所定の深さを有するドーピング部を維持し、ドーピング部により割り付けられなかった半導体材料を、ウェブの周囲部分で多孔質化する請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. メンブラン領域（２２，３５，４１）を被覆した後に、多孔質化した半導体領域をエッチングにより除去する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 半導体材料からなる支持体（２１）を有し、該支持体上に並列して存在する平坦なメンブラン領域（２２）がセンサー素子の支持体層として配置され、このメンブラン領域が、メンブラン領域（２２）およびウェブ（２３）の横方向の周囲部分と比較して改良された熱伝導性を有する材料からなるウェブ（２３）により互いに断熱され、その際ウェブ（２３）が支持体の半導体材料から形成されているメンブランセンサーアレー（２０）において、メンブラン領域に直接接触するウェブの幅が５０μｍ未満であることを特徴とするメンブランセンサーアレー。
7. ウェブ（２３）が支持体の半導体材料のみから形成されている請求項６記載のメンブランセンサーアレー。
8. ウェブ（２３）がメンブラン領域（２２）の下側に自立して配置されている請求項６または７記載のメンブランセンサーアレー。
9. ウェブ（２３）の厚さが３０μｍ未満である、請求項６から８までのいずれか１項記載のメンブランセンサーアレー。
10. メンブラン領域（２２）が、連続するメンブラン（２４）を形成する請求項６から９までのいずれか１項記載のメンブランセンサーアレー。
11. ウェブ（２３）およびウェブの周囲の枠領域（２５）が、残りの半導体材料と比較してドーピングされている、請求項６から１０までのいずれか１項記載のメンブランセンサーアレー。

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