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JP4866880B2 - Electrode, gas sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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JP4866880B2 - Electrode, gas sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、半導体材料を用いたガスセンサとその製造方法に関し、特に、水素ガスの検出に適し、かつ、信頼性が高く高感度なガスセンサとその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a gas sensor using a semiconductor material and a manufacturing method thereof, and more particularly to a gas sensor suitable for detection of hydrogen gas and having high reliability and high sensitivity, and a manufacturing method thereof.

ランドストロームらにより、1975年にPd(パラジウム)をゲート電極として使用したSi−MOSFET(金属‐酸化物‐半導体電界効果型トランジスタ)が水素ガスセンサとして有効に働くことが見出され、新しい原理の水素ガスセンサが誕生した。この水素ガスセンサの原理とは以下に示すようなものである。すなわち、触媒金属であるパラジウムの表面で水素ガス分子がパラジウムの触媒作用により水素原子(水素ラジカル)に解離する。そして、解離した水素原子がパラジウムからなるゲート電極(ゲート金属)とゲート絶縁膜の界面に拡散により移動する。これにより、ゲート電極とゲート絶縁膜の界面において、水素原子が双極子モーメントを持つ形で分極し、ゲート絶縁膜上にプラスの電荷が溜まる。この結果、Si−MOSFETのしきい値電圧Vthがシフトし、このしきい値電圧Vthがシフトする現象を利用して水素ガス濃度を検出するというものである。その後、パラジウム、プラチナ(Pt)(白金)やその他の白金族金属をゲート電極に用い、センサ機構の解明や水素ガス以外のガスを検知するガスセンサへの適用可能性などの多くの研究開発がなされてきた(例えば、Applied Physics Letters,Vol26,No2,15 January、1975年 55-57ページ(非特許文献1)、レヴューとしては、例えば、Sensors and Actuators, B1(1990)15-20(非特許文献2)を参照)。Si−MOSFET(電界効果トランジスタ)以外のデバイス構造としては、MISキャパシタ((金属‐絶縁体‐半導体)コンデンサ)、ショットキーダイオード、PN接合ダイオードなどが挙げられ、これらのガスセンサの動作が調べられている。また半導体材料としてもSi(シリコン)以外に、SiC半導体材料、GaAs半導体材料、GaN半導体材料などへの適用も検討されてきた。   In 1975, Landstrom et al. Found that a Si-MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) using Pd (palladium) as a gate electrode works effectively as a hydrogen gas sensor. The gas sensor was born. The principle of this hydrogen gas sensor is as follows. That is, hydrogen gas molecules are dissociated into hydrogen atoms (hydrogen radicals) by the catalytic action of palladium on the surface of palladium which is a catalytic metal. The dissociated hydrogen atoms move to the interface between the gate electrode (gate metal) made of palladium and the gate insulating film by diffusion. As a result, hydrogen atoms are polarized in a form having a dipole moment at the interface between the gate electrode and the gate insulating film, and positive charges accumulate on the gate insulating film. As a result, the threshold voltage Vth of the Si-MOSFET shifts, and the hydrogen gas concentration is detected by utilizing the phenomenon that the threshold voltage Vth shifts. After that, many researches and developments such as elucidation of the sensor mechanism and applicability to gas sensors that detect gases other than hydrogen gas using palladium, platinum (Pt) (platinum) and other platinum group metals as gate electrodes were made. For example, Applied Physics Letters, Vol 26, No 2, 15 January, 1975, pp. 55-57 (Non-Patent Document 1). As a review, for example, Sensors and Actuators, B1 (1990) 15-20 (Non-Patent Document 1) See 2)). Device structures other than Si-MOSFETs (field effect transistors) include MIS capacitors ((metal-insulator-semiconductor) capacitors), Schottky diodes, PN junction diodes, etc. The operation of these gas sensors has been investigated. Yes. In addition to Si (silicon) as a semiconductor material, application to SiC semiconductor material, GaAs semiconductor material, GaN semiconductor material, and the like has been studied.

しかし、現在主流のパラジウムをゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサは、高濃度の水素ガスを照射すると水素応答感度が飽和するという水素被毒の問題があり、実際には高濃度であるにもかかわらず低濃度と判定してしまうリスクがある。このため、パラジウムをゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサは、高濃度領域で水素ガス濃度を正しく検知できず、水素ガスの濃度が数%以上となって水素ガス爆発の可能性がある濃度を確実に検知して危険防止を確保する点では問題が残っている。   However, Si-MOSFET type hydrogen gas sensors that currently use the mainstream palladium as the gate electrode have the problem of hydrogen poisoning that the hydrogen response sensitivity is saturated when irradiated with a high concentration of hydrogen gas. There is a risk that it will be judged as low concentration in spite of being there. For this reason, the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using palladium as a gate electrode cannot correctly detect the hydrogen gas concentration in a high concentration region, and the hydrogen gas concentration may be several percent or more, possibly causing a hydrogen gas explosion. There remains a problem in ensuring certain dangers by detecting a certain concentration.

一方、プラチナをゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサは、パラジウムをゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサに比べて、水素応答感度が低く、低濃度の水素ガスを検知する応答速度が遅くなる(例えば、水素ガスの濃度100ppmのとき500秒になる場合もある)ことが知られている。プラチナをゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサにおいては、水素に応答できるプラチナ膜の膜厚は60nm程度が上限で、プラチナ膜の膜厚が100nm以上になるとほとんど水素ガスに応答しなくなる。このように、プラチナをゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサは、パラジウムをゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサに比べて薄い膜厚でしか応答しないことも信頼性の高いガスセンサを製造する上で大きな障害となっている。しかし、プラチナをゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサは、高濃度水素ガス中で被爆がないことや10%の高濃度では応答速度が2〜5秒と速いという利点を有し、爆発危険を検知するという点では非常に魅力的である。   On the other hand, the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using platinum as the gate electrode has lower hydrogen response sensitivity than the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using palladium as the gate electrode, and detects low concentration hydrogen gas. It is known that the response speed becomes slow (for example, it may be 500 seconds when the concentration of hydrogen gas is 100 ppm). In a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using platinum as a gate electrode, the maximum thickness of a platinum film that can respond to hydrogen is about 60 nm, and when the platinum film thickness is 100 nm or more, it hardly responds to hydrogen gas. . Thus, it is highly reliable that the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using platinum as the gate electrode responds only with a thin film thickness as compared with the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using palladium as the gate electrode. This is a major obstacle to manufacturing a gas sensor. However, the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using platinum as the gate electrode has the advantage that there is no exposure in high-concentration hydrogen gas and that the response speed is as fast as 2 to 5 seconds at a high concentration of 10%. It is very attractive in terms of detecting explosion hazard.

プラチナをゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサが商品化できない最大の理由は、酸化シリコン(SiO)膜などの酸化物膜やシリコンやガリウム砒素(GaAs)などの半導体膜との接着性が悪く、長期に渡る信頼性が保証できなかった事にある。プラチナ膜の膜ハガレの問題は、ゲート電極部分を外気にさらしてしまうガスセンサでの実用上の点や寿命の保証という点でも極めて重要な問題である。 The biggest reason why a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using platinum as a gate electrode cannot be commercialized is adhesion to an oxide film such as a silicon oxide (SiO 2 ) film or a semiconductor film such as silicon or gallium arsenide (GaAs). It is inferior in nature and long-term reliability could not be guaranteed. The problem of the peeling of the platinum film is an extremely important problem in terms of practical use and guarantee of the life of the gas sensor that exposes the gate electrode portion to the outside air.

また、FET製造工程での加工プロセスにおいて、プラチナ膜に部分的な膜ハガレが生じ、実用的な製造工程では、プラチナ膜を直接ゲート絶縁膜上に安定して接着させる技術は確立していない。プラチナ膜の膜ハガレは、製造方法としてもハガレたプラチナ膜によるプロセス装置への汚染が問題となる。そこで、シリコンやガリウム砒素などの半導体材料を使用した電子デバイスの製造でプラチナ膜を用いる場合、プラチナ膜と酸化シリコン膜などの酸化物膜との間や、プラチナ膜とシリコンやガリウム砒素などの半導体材料との間に、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)などからなるバリアメタル膜を挿入してプラチナ膜との接着性を保持し、プラチナ膜の膜ハガレによる汚染を回避する技術が確立している。プラチナは貴金属であり、固体材料(酸化シリコンなどの酸化物や、シリコンやガリウム砒素(GaAs)などの半導体材料)の酸素や他の構成原子と結合するよりはプラチナ自身で凝集している方が安定するという傾向がある。これは、プラチナ本来の性質であり、プラチナ膜と固体材料からなる膜との密着性を上げるためにバリアメタル膜を挿入することは必然的な方法である。   Further, in the processing process in the FET manufacturing process, partial film peeling occurs in the platinum film, and in a practical manufacturing process, a technique for stably bonding the platinum film directly on the gate insulating film has not been established. As for the film peeling of the platinum film, as a manufacturing method, contamination of the process equipment by the peeled platinum film becomes a problem. Therefore, when a platinum film is used in the manufacture of an electronic device using a semiconductor material such as silicon or gallium arsenide, a platinum film and a semiconductor such as silicon or gallium arsenide are formed between the platinum film and an oxide film such as a silicon oxide film. A barrier metal film made of titanium (Ti), molybdenum (Mo), tungsten (W), or the like is inserted between the materials to maintain adhesion to the platinum film, thereby preventing contamination of the platinum film due to film peeling. Technology is established. Platinum is a noble metal and is more agglomerated by platinum itself than by bonding to oxygen or other constituent atoms of solid materials (oxides such as silicon oxide or semiconductor materials such as silicon or gallium arsenide (GaAs)). There is a tendency to be stable. This is an intrinsic property of platinum, and it is an inevitable method to insert a barrier metal film in order to improve the adhesion between the platinum film and the film made of a solid material.

一方、水素ガスセンサを動作する観点からは、これらのバリアメタル膜があると水素ガスがバリアメタル膜でブロック、あるいは、吸蔵され、水素ガスセンサが水素ガスにまったく反応しなくなるか、あるいは、水素応答感度が極めて低くなり、水素ガスセンサとしては使用できなくなるという本質的な問題がある(例えば、IEEE Electron Device Letters, EDL-5 (1984)14-15(非特許文献3)参照)。   On the other hand, from the viewpoint of operating the hydrogen gas sensor, when these barrier metal films are present, the hydrogen gas is blocked or occluded by the barrier metal film, and the hydrogen gas sensor does not react to the hydrogen gas at all, or the hydrogen response sensitivity. Is extremely low and cannot be used as a hydrogen gas sensor (see, for example, IEEE Electron Device Letters, EDL-5 (1984) 14-15 (Non-patent Document 3)).

ここで、プラチナやパラジウムなどの白金族金属をゲート絶縁膜上に形成するとき、充分に密着せずに部分的に白金族金属がゲート絶縁膜から剥離することがあり、このことに起因してガスセンサの初期特性がばらついたり、使用期間が長くなるにつれてガスセンサの特性が徐々に低下することを回避する目的でなされた先願技術(特開2002−107322号公報(特許文献1))がある。対象ガスは、水素、一酸化炭素(CO)、アルコール、炭化水素、アンモニア、アミンである。その技術の開示によれば、膜ハガレを回避する発明の本質は、パラジウム、プラチナ、イリジウム(Ir)などからなるゲート電極とゲート絶縁膜の間にチタン(Ti)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、タングステン(W)、ニオブ(Nb)またはモリブデン(Mo)の金属酸化物膜を挟む構造を実現することで膜ハガレの問題を回避できると記載されている。   Here, when a platinum group metal such as platinum or palladium is formed on the gate insulating film, the platinum group metal may be partially peeled off from the gate insulating film without being sufficiently adhered. There is a prior application technique (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-107322 (Patent Document 1)) for the purpose of avoiding variations in initial characteristics of a gas sensor or a gradual deterioration of the characteristics of the gas sensor as the use period becomes longer. The target gas is hydrogen, carbon monoxide (CO), alcohol, hydrocarbon, ammonia, and amine. According to the disclosure of the technology, the essence of the invention for avoiding film peeling is titanium (Ti), tantalum (Ta), chromium (between a gate electrode made of palladium, platinum, iridium (Ir), and the like and a gate insulating film. It is described that the problem of film peeling can be avoided by realizing a structure in which a metal oxide film of Cr), tungsten (W), niobium (Nb), or molybdenum (Mo) is sandwiched.

膜厚が30nm〜45nm程度の薄膜から構成されるプラチナ膜をゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサでは、水素ガス以外のアンモニア、エタンメタノールなどとは応答しない。しかし、プラチナ膜の膜厚を極薄にしたプラチナ極薄膜(〜6nm)をゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサ(例えば、Sensors and Actuators, B1(1990)15-20(非特許文献2)を参照)ではガス選択性が異なる。この研究では、プラチナ薄膜がゲート絶縁膜上で一様には被着せず、縞状に形成される結果、ゲート絶縁膜表面にプラチナのない間隙領域ができ、この構造を利用して水素ガス以外のアンモニア、エタンメタノールなども検知できるガスセンサが製作されている。これは、プラチナ膜がゲート絶縁膜上で剥がれやすいという性質を積極的に用いたガスセンサである。ガスセンサの応答メカニズムは文献Sensors and Actuators, B1(1990)15-20(非特許文献2)やその参照文献で議論されているように以下に示すようなものである。すなわち、アンモニアガスなどが縞状に形成されているプラチナ表面に付着し、プラチナ表面の表面電位φsを変化させる。このとき、ゲート絶縁膜の表面にプラチナのない間隙領域とプラチナ微結晶間の静電容量と、プラチナのない間隙領域と半導体基板(Si基板)に形成されているチャネルとの間の静電容量により、しきい値Vthが変化するというランドストロームのメカニズムとは本質的に異なる原理である。しかしながら、このプラチナ膜の極薄膜化(〜6nm)を用いたガス選択性の強いガスセンサも、プラチナの膜ハガレなどの信頼性の問題は、相変わらず解決されていない問題であり、このままでは実用化するのは困難である。   A Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using a platinum film composed of a thin film having a thickness of about 30 nm to 45 nm as a gate electrode does not respond to ammonia other than hydrogen gas, ethanemethanol or the like. However, a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor (for example, Sensors and Actuators, B1 (1990) 15-20) that uses a platinum ultrathin film (up to 6 nm) with an extremely thin platinum film as a gate electrode (non-patent literature) In 2)), the gas selectivity is different. In this study, the platinum thin film is not uniformly deposited on the gate insulating film, but is formed in a striped pattern, resulting in a gap area without platinum on the surface of the gate insulating film. Gas sensors that can detect ammonia, ethanemethanol, etc. have been manufactured. This is a gas sensor that actively uses the property that the platinum film is easily peeled off on the gate insulating film. The response mechanism of the gas sensor is as shown below as discussed in the literature Sensors and Actuators, B1 (1990) 15-20 (non-patent literature 2) and its reference literature. That is, ammonia gas or the like adheres to the platinum surface formed in stripes, and changes the surface potential φs of the platinum surface. At this time, the capacitance between the platinum-free gap region and the platinum microcrystal on the surface of the gate insulating film, and the capacitance between the platinum-free gap region and the channel formed in the semiconductor substrate (Si substrate) This is a principle that is essentially different from the Landstrom mechanism in which the threshold value Vth changes. However, even in gas sensors with strong gas selectivity using this ultra-thin platinum film (up to 6 nm), problems of reliability such as platinum film peeling are still unsolved and will be put into practical use as they are. It is difficult.

白金族をゲート電極に用いる水素ガスセンサの製造方法においては、ゲート電極を構成する金属膜の形成にスパッタリング法を用いて形成する場合が多く、水素ガスセンサの応答特性においても、素子製造プロセス終了後、例えば、1%の希釈水素ガスによるアニ―ルで水素ガスセンサの応答特性が格段に回復することが報告されている(例えば、Sensors and Actuators, B33(1996)96-99参照(非特許文献4))。   In the method of manufacturing a hydrogen gas sensor using a platinum group as a gate electrode, the metal film constituting the gate electrode is often formed using a sputtering method, and even in the response characteristics of the hydrogen gas sensor, after the element manufacturing process is completed, For example, it has been reported that the response characteristic of a hydrogen gas sensor is remarkably recovered by annealing with 1% diluted hydrogen gas (see, for example, Sensors and Actuators, B33 (1996) 96-99). ).

パラジウムをゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサの例ではあるが、水素ガスに応答するセンサFETと、水素ガスには応答しない参照FETとを同一のシリコンチップ(半導体基板)上に形成して、水素ガスがシリコンチップに照射されたときに、センサFETと参照FETの出力差を信号として取り出す差動増幅方式が検討されている。この技術において、水素ガスが無い時の両者(センサFETと参照FET)のしきい値電圧Vthをそろえる技術として、参照FETのゲート電極上に水素ガスには応答しない金属多層膜(銀(Ag)/銅(Cu)/パラジウム(Pd)/プラチナ(Pt))を形成する技術が記載されている(例えば、S.Y.Choi他 Sensors and Actuators, 9(1986)353-361(非特許文献5)参照)。
特開2002−107322号公報 ランドストローム他 Applied Physics Letters,Vol26,No2,15 January、1975年 55-57ページ ランドストローム Sensors and Actuators, B1(1990)15-20 S.Y.Choi他 IEEE Electron Device Letters, EDL-5 (1984)14-15 Y.Morita他 Sensors and Actuators, B33(1996)96-99 S.Y.Choi他 Sensors and Actuators, 9(1986)353-361
Although it is an example of a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using palladium as a gate electrode, a sensor FET that responds to hydrogen gas and a reference FET that does not respond to hydrogen gas are formed on the same silicon chip (semiconductor substrate). Thus, a differential amplification method has been studied in which the output difference between the sensor FET and the reference FET is extracted as a signal when hydrogen gas is irradiated onto the silicon chip. In this technique, a metal multilayer film (silver (Ag)) that does not respond to hydrogen gas on the gate electrode of the reference FET as a technique for aligning the threshold voltages Vth of both when there is no hydrogen gas (sensor FET and reference FET) / Cu (Cu) / Palladium (Pd) / Platinum (Pt)) is described (see, for example, SYChoi et al. Sensors and Actuators, 9 (1986) 353-361).
JP 2002-107322 A Landstrom et al. Applied Physics Letters, Vol 26, No 2, 15 January, 1975 55-57 Landstrom Sensors and Actuators, B1 (1990) 15-20 SYChoi et al. IEEE Electron Device Letters, EDL-5 (1984) 14-15 Y. Morita et al. Sensors and Actuators, B33 (1996) 96-99 SYChoi et al. Sensors and Actuators, 9 (1986) 353-361

本発明の目的(第1目的)は、プラチナ膜をゲート電極として使用する水素ガスセンサにおいて、プラチナ膜とゲート絶縁膜との密着性を維持しつつ、高濃度の水素ガス中でも水素被毒を抑制できる特徴をもち、プラチナ膜をゲート電極として用いてもパラジウムをゲート電極として使用する水素ガスセンサと同程度以上の水素応答強度を実現するガスセンサとその製造方法を提供することにある。   An object (first object) of the present invention is to suppress hydrogen poisoning even in high-concentration hydrogen gas while maintaining the adhesion between the platinum film and the gate insulating film in a hydrogen gas sensor using a platinum film as a gate electrode. Another object of the present invention is to provide a gas sensor and a method for manufacturing the same that realizes a hydrogen response strength equal to or higher than that of a hydrogen gas sensor using palladium as a gate electrode even if a platinum film is used as a gate electrode.

また、本発明の他の目的(第2目的)は、プラチナ膜をゲート電極に持つガスセンサにおいて、プラチナ膜とゲート絶縁膜の密着性を維持しつつ、ガス選択性の強いガスセンサとその製造方法を提供することにある。   Another object (second object) of the present invention is a gas sensor having a platinum film as a gate electrode, and a gas sensor having high gas selectivity while maintaining the adhesion between the platinum film and the gate insulating film, and a method for manufacturing the gas sensor. It is to provide.

さらに、本発明の他の目的(第3目的)は、プラチナやパラジウムなどの触媒金属をゲート電極に持つ水素ガスセンサにおいて、しきい値電圧Vthの再現性としきい値電圧Vthのウェハ面内均一性を実現する手段や、差動増幅方式に適用するため、センサFETのしきい値電圧Vthと水素ガスなどのガスに応答しない参照FETのしきい値電圧Vthとを観測にかかるガスがない状態でそろえる手段を提供できる技術を提供することにある。   Furthermore, another object (third object) of the present invention is to provide a reproducibility of the threshold voltage Vth and uniformity of the threshold voltage Vth within the wafer surface in a hydrogen gas sensor having a catalytic metal such as platinum or palladium as a gate electrode. In the state where there is no gas to observe the threshold voltage Vth of the sensor FET and the threshold voltage Vth of the reference FET that does not respond to a gas such as hydrogen gas. The object is to provide a technique capable of providing means for aligning.

また、本発明の他の目的(第4目的)は、ガスセンサ搭載されるセンサチップ自身の信頼性向上を図ることにある。通常、シリコンチップに形成されるLSI(大規模集積回路)では、長期信頼性を実現するためにシリコンチップの表面を樹脂によりモールド(封止)して様々な外部環境からの劣化を防ぐ技術が確立している。同じく半導体材料を使用するSi−MOSFET型のガスセンサでは、その動作原理から、少なくともゲート電極のセンシング領域だけは外気に対して開口する必要がある。このため、製品寿命はシリコンチップに形成されるLSI(大規模集積回路)に比べて短くならざるを得ず、必然的に消耗品としての位置づけになるが、製品寿命は長いことが商品価値に直接結びつくので、実用上は極めて重要な目的である。   Another object (fourth object) of the present invention is to improve the reliability of a sensor chip itself mounted with a gas sensor. Usually, in LSI (Large Scale Integrated Circuit) formed on a silicon chip, there is a technology to prevent deterioration from various external environments by molding (sealing) the surface of the silicon chip with resin in order to realize long-term reliability. Established. Similarly, in the Si-MOSFET type gas sensor using a semiconductor material, it is necessary to open at least only the sensing region of the gate electrode to the outside air from the principle of operation. For this reason, the product life is inevitably shorter than LSIs (Large Scale Integrated Circuits) formed on silicon chips, and is necessarily positioned as a consumable item. Since it is directly linked, it is an extremely important purpose in practical use.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

代表的な実施の形態によるガスセンサは、(a)半導体基板と、(b)前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、(c)前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、(d)前記半導体基板に形成されたソース領域と、(e)前記半導体基板に形成されたドレイン領域とを備える。そして、前記ゲート電極は、(c1)前記ゲート絶縁膜上に形成され、酸素を含有する酸素ドープチタン膜と、(c2)前記酸素ドープチタン膜上に形成されたプラチナ膜とを有する。このとき、前記プラチナ膜は、複数の結晶粒から構成され、前記複数の結晶粒間にある粒界領域には酸素とチタンが存在することを特徴とするものである。   A gas sensor according to a typical embodiment includes: (a) a semiconductor substrate; (b) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate; (c) a gate electrode formed on the gate insulating film; d) a source region formed on the semiconductor substrate; and (e) a drain region formed on the semiconductor substrate. The gate electrode has (c1) an oxygen-doped titanium film formed on the gate insulating film and containing oxygen, and (c2) a platinum film formed on the oxygen-doped titanium film. At this time, the platinum film is composed of a plurality of crystal grains, and oxygen and titanium exist in a grain boundary region between the plurality of crystal grains.

また、代表的な実施の形態によるガスセンサは、(a)半導体基板からなる下部電極と、(b)前記下部電極上に形成された容量絶縁膜と、(c)前記容量絶縁膜上に形成された上部電極とを備える容量素子を含むガスセンサである。そして、前記上部電極は、(c1)前記容量絶縁膜上に形成され、酸素を含有する酸素ドープチタン膜と、(c2)前記酸素ドープチタン膜上に形成されたプラチナ膜とを有する。このとき、前記プラチナ膜は、複数の結晶粒から構成され、前記複数の結晶粒間にある粒界領域には酸素とチタンが存在することを特徴とするものである。   A gas sensor according to a representative embodiment includes (a) a lower electrode made of a semiconductor substrate, (b) a capacitive insulating film formed on the lower electrode, and (c) formed on the capacitive insulating film. And a gas sensor including a capacitive element including an upper electrode. The upper electrode includes (c1) an oxygen-doped titanium film formed on the capacitor insulating film and containing oxygen, and (c2) a platinum film formed on the oxygen-doped titanium film. At this time, the platinum film is composed of a plurality of crystal grains, and oxygen and titanium exist in a grain boundary region between the plurality of crystal grains.

また、代表的な実施の形態によるガスセンサは、(a)半導体基板と、(b)前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、(c)前記ゲート絶縁膜上に形成された酸化チタン膜と、(d)前記酸化チタン膜上に形成されたゲート電極と、(e)前記半導体基板に形成されたソース領域と、(f)前記半導体基板に形成されたドレイン領域とを備える。ここで、前記ゲート電極は複数のプラチナ結晶粒が縞状構造をしており、前記複数のプラチナ結晶粒間に空隙または絶縁物質が存在することを特徴とするものである。ここに、縞状構造とは、ゲート絶縁膜の表面にプラチナ微結晶のない間隙領域が存在し、その間隔が分岐した縞状の形態、もしくは、隙間が無数の孔で形成された構造を意味するものである。   In addition, the gas sensor according to the representative embodiment includes (a) a semiconductor substrate, (b) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and (c) a titanium oxide film formed on the gate insulating film. And (d) a gate electrode formed on the titanium oxide film, (e) a source region formed on the semiconductor substrate, and (f) a drain region formed on the semiconductor substrate. Here, the gate electrode is characterized in that a plurality of platinum crystal grains have a striped structure, and voids or insulating materials exist between the plurality of platinum crystal grains. Here, the striped structure means a striped form in which a gap region without platinum microcrystals exists on the surface of the gate insulating film and the interval is branched, or a structure in which the gap is formed by an infinite number of holes. To do.

さらに、代表的な実施の形態によるガスセンサの製造方法は、(a)半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、(b)前記(a)工程後、前記ゲート絶縁膜上に膜厚が1nm以上10nm以下のチタン膜を形成する工程と、(c)前記(b)工程後、前記チタン膜上にプラチナ膜を形成する工程とを備える。このとき、前記プラチナ膜は複数の結晶粒から構成され、前記プラチナ膜の膜厚を1nm以上30nm以下にするように形成する。そして、(d)前記(c)工程後、酸素ガスを含む雰囲気中で前記半導体基板を300℃以上800℃以下の範囲の温度で加熱する工程を有することを特徴とするものである。   Further, a gas sensor manufacturing method according to a representative embodiment includes: (a) a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate; and (b) a film thickness on the gate insulating film after the step (a). A step of forming a titanium film having a thickness of 1 nm to 10 nm, and a step of (c) forming a platinum film on the titanium film after the step (b). At this time, the platinum film is composed of a plurality of crystal grains, and the platinum film is formed to have a thickness of 1 nm to 30 nm. (D) After the step (c), the method includes a step of heating the semiconductor substrate at a temperature in the range of 300 ° C. to 800 ° C. in an atmosphere containing oxygen gas.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

プラチナ膜をゲート電極として使用する水素ガスセンサにおいて、プラチナ膜とゲート絶縁膜との密着性を維持しつつ、高濃度の水素ガス中でも水素被毒を抑制できる特徴をもち、プラチナ膜をゲート電極として用いてもパラジウムをゲート電極として使用する水素ガスセンサと同程度以上の水素応答強度を実現するガスセンサとその製造方法を提供することができる。   A hydrogen gas sensor that uses a platinum film as a gate electrode, while maintaining the adhesion between the platinum film and the gate insulating film, it can suppress hydrogen poisoning even in high-concentration hydrogen gas. The platinum film is used as the gate electrode. However, it is possible to provide a gas sensor that realizes a hydrogen response intensity equal to or higher than that of a hydrogen gas sensor that uses palladium as a gate electrode, and a method for manufacturing the same.

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。   In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.

また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。   Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。   Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say.

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。   Similarly, in the following embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc., of components, etc., unless otherwise specified, and in principle, it is considered that this is not clearly the case, it is substantially the same. Including those that are approximate or similar to the shape. The same applies to the above numerical values and ranges.

また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。   In all the drawings for explaining the embodiments, the same members are denoted by the same reference symbols in principle, and the repeated explanation thereof is omitted. In order to make the drawings easy to understand, even a plan view may be hatched.

(実施の形態1)
まず、本発明者らが検討した技術について説明する。背景技術でも説明した様にプラチナ膜からなるゲート電極とゲート絶縁膜の間にチタン膜を挿入すると、水素ガスには応答しなくなることが知られており、本発明者らも確認実験を行った。チタン膜の成膜スピードから割り出した5nmのチタン膜をプラチナ膜とゲート絶縁膜の間に挿入し、チタン膜上に45nmのプラチナ膜からなるゲート電極を形成したSi−MOSFET型の水素ガスセンサを試作したが、この水素ガスセンサは、水素ガスに応答しなかった。これに対し、チタン膜をプラチナ膜とゲート絶縁膜の間に挿入せず、ゲート絶縁膜上に膜厚が45nmのプラチナ膜からなるゲート電極を形成したSi−MOSFET型の水素ガスセンサは、水素ガスに応答した。チタン膜の膜厚は、水素ガスセンサの応答劣化ができるだけ小さいことが期待され、プラチナ膜の接着性が保証できる膜厚として選択した。プラチナ膜の膜厚は、プラチナ膜をゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサで用いられている標準的な値を用いた。
(Embodiment 1)
First, a technique studied by the present inventors will be described. As explained in the background art, it is known that when a titanium film is inserted between a gate electrode made of a platinum film and a gate insulating film, it does not respond to hydrogen gas, and the present inventors also conducted a confirmation experiment. . Prototype Si-MOSFET type hydrogen gas sensor in which a 5 nm titanium film calculated from the deposition speed of the titanium film is inserted between the platinum film and the gate insulating film, and a gate electrode made of a 45 nm platinum film is formed on the titanium film. However, this hydrogen gas sensor did not respond to hydrogen gas. On the other hand, a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor in which a titanium film is not inserted between a platinum film and a gate insulating film and a gate electrode made of a platinum film having a film thickness of 45 nm is formed on the gate insulating film is a hydrogen gas sensor. Responded to. The film thickness of the titanium film was selected as the film thickness that can guarantee the adhesion of the platinum film because the response deterioration of the hydrogen gas sensor is expected to be as small as possible. The thickness of the platinum film used was a standard value used in a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using the platinum film as a gate electrode.

本発明者らは更に、先願技術(特開2002−107322号公報)の記載に従い、最も先願技術で好適として開示されているプラチナ/金属酸化物/絶縁膜/半導体基板の構造を評価した。具体的には、先願技術の実施例1に記載されているパラジウムの代わりにプラチナを用いてゲート絶縁膜である酸化シリコン膜上に酸化チタン膜を形成した後、プラチナ膜からなるゲート電極を45nm被着して形成する実験を行なった。この実験では、ゲート絶縁膜(酸化シリコン膜)上に直接プラチナ膜からなるゲート電極をリフトオフして形成した場合と同じく、プラチナ膜に部分的な膜ハガレが発生し、接着性の改善効果は何ら見られなかった。すなわち、プラチナ膜を酸化チタン膜上に直接積層した場合、プラチナ膜を酸化シリコン膜上に直接形成する場合と同じく接着性が悪いことが分かった。少なくともプラチナ膜については、先願技術(特開2002−107322号公報)に開示されているプラチナ/金属酸化物/絶縁膜/半導体基板の単純な多層構造では、接着性の悪さを改善することは難しいことが分かってきた。   The present inventors further evaluated the structure of platinum / metal oxide / insulating film / semiconductor substrate that is disclosed as most suitable in the prior application technique in accordance with the description of the prior application technique (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-107322). . Specifically, after forming a titanium oxide film on a silicon oxide film that is a gate insulating film using platinum instead of palladium described in Example 1 of the prior application technique, a gate electrode made of a platinum film is formed. Experiments were performed to deposit 45 nm. In this experiment, as in the case where the gate electrode made of a platinum film is formed directly on the gate insulating film (silicon oxide film) by lift-off, a partial film peeling occurs in the platinum film, and the effect of improving the adhesion is not observed. I couldn't see it. That is, it was found that when the platinum film was directly laminated on the titanium oxide film, the adhesion was poor as in the case where the platinum film was directly formed on the silicon oxide film. At least for the platinum film, the simple multilayer structure of platinum / metal oxide / insulating film / semiconductor substrate disclosed in the prior application technique (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-107322) can improve the poor adhesion. I found it difficult.

先願技術(特開2002−107322号公報)の実施例4には、Si−MIS型ショットキーダイオードを形成する例が記載されている。具体的には、膜厚は開示されていないがチタン膜をアルゴン(Ar)雰囲気中でスパッタリング法を用いて形成した後、パラジウム膜(膜厚は開示されていない)を連続的に形成するとしている。そして、アルゴン雰囲気において400℃で60分間加熱し、この熱処理でチタン膜が酸化されて酸化チタン膜が形成され、充分な水素ガス応答を示した旨報告されている。さらにMOSFETでも同様な効果があると記載されている。   Example 4 of the prior application technique (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-107322) describes an example of forming a Si-MIS type Schottky diode. Specifically, although the film thickness is not disclosed, a titanium film is formed in an argon (Ar) atmosphere using a sputtering method, and then a palladium film (the film thickness is not disclosed) is continuously formed. Yes. It was reported that the film was heated at 400 ° C. for 60 minutes in an argon atmosphere, and the titanium film was oxidized by this heat treatment to form a titanium oxide film and showed a sufficient hydrogen gas response. Furthermore, it is described that the same effect can be obtained in the MOSFET.

そこで、先に試作したチタン膜(5nm)とプラチナ膜(45nm)からなるゲート電極と、ゲート絶縁膜(酸化シリコン膜)の間に挟んだ構造のSi−MOSFET型の水素ガスセンサ(チタン膜とプラチナ膜は連続的に形成されている)を、先願技術(特開2002−107322号公報)の実施例4に従い、アルゴン雰囲気において400℃で60分間加熱する熱処理を行って水素ガス応答を調べたが、何らの応答も示さなかった。そこで、今度は雰囲気ガスを変えて、空気中でこの水素ガスセンサを400℃で60分間加熱する熱処理を行って水素ガス応答を調べたが、やはり何らの応答も示さなかった。   Therefore, a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor (titanium film and platinum) sandwiched between a gate electrode made of a titanium film (5 nm) and a platinum film (45 nm) and a gate insulating film (silicon oxide film), which were prototyped earlier. According to Example 4 of the prior application technique (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-107322), a heat treatment was performed by heating in an argon atmosphere at 400 ° C. for 60 minutes, and the hydrogen gas response was examined. However, it did not show any response. Then, this time, the atmosphere gas was changed, and the hydrogen gas response was examined by performing a heat treatment in which the hydrogen gas sensor was heated at 400 ° C. for 60 minutes in the air. However, no response was shown.

先願技術によれば、プラチナ、パラジウム等の白金族から形成される膜/チタンなどの金属膜/絶縁膜/半導体基板からなる積層構造において、チタンなどの金属膜を酸化する方法としては、絶縁膜中の酸素を用いるか、あるいは、熱処理雰囲気中の酸素を用いると開示されているが、本発明者らの実験によれば、少なくともプラチナ膜からなるゲート電極に関しては、プラチナ膜からなるゲート電極がチタン膜を覆っている状態でチタン膜を酸化することは、接している絶縁膜(酸化シリコン膜)から酸素を引き抜いて実現することも、雰囲気ガス中の酸素を用いて酸化することも、プラチナ膜が邪魔をして一般には難しいのではないかと考える様になった。熱力学的安定性の考察から、熱酸化膜の酸化シリコン膜から酸素を奪ってチタン膜などの金属膜を酸化させることは容易ではないと判断した。   According to the prior application technique, in a laminated structure composed of a platinum group such as platinum and palladium / a metal film such as titanium / insulating film / semiconductor substrate, a method of oxidizing a metal film such as titanium is insulating. Although it is disclosed that oxygen in a film is used or oxygen in a heat treatment atmosphere is used, according to experiments by the present inventors, at least a gate electrode made of a platinum film, a gate electrode made of a platinum film Oxidizing the titanium film while covering the titanium film can be realized by extracting oxygen from the insulating film (silicon oxide film) in contact with the film, or oxidizing using oxygen in the atmospheric gas, I came to think that the platinum film would be in the way and it would be difficult in general. From the consideration of thermodynamic stability, it was determined that it is not easy to oxidize a metal film such as a titanium film by depriving oxygen from the silicon oxide film of the thermal oxide film.

一方、仮に先願技術に示されるとおり、チタン膜が酸化チタン膜に酸化できたとしてもチタン膜の体積膨張によりプラチナ膜のモフォロジーが激変することが以下の思考実験から予想された。   On the other hand, as shown in the prior application technique, even if the titanium film could be oxidized into a titanium oxide film, it was predicted from the following thought experiment that the morphology of the platinum film was drastically changed by the volume expansion of the titanium film.

基板上に一様な厚さのチタン膜が形成された試料を、酸素雰囲気中で加熱して熱酸化を行う実験を考える。基板からのチタン膜への原子拡散などの影響はないと仮定し、チタン膜は酸化されてチタン酸化物の典型であるルチル構造の酸化チタン(TiO)の微結晶の薄膜になると仮定する。金属チタン一個当たりの占める体積は17.6Å程度であり、ルチル構造の酸化チタン(TiO)の一個当たりの占める体積は31.2Åである。つまり酸化チタン(TiO)の体積がチタンの体積に比べて1.77倍大きいことになり、チタン膜がすべてルチル構造の酸化チタン(TiO)膜に変化したとすれば、膜厚は1.77倍に膨らむことになる。この体積膨張はチタンが酸化チタン(TiO以外のチタン酸化物(TiO)なども含む)に酸化される過程での不可避的現象である。この現象はシリコン基板表面を窒化シリコン膜(SiN膜)で部分的に覆い、シリコンを酸素雰囲気中で熱酸化させる工程では良く知られた現象である。この場合、窒化シリコン膜に被覆された場所のシリコンは酸化されず、窒化シリコン膜で覆われていない領域のシリコンは酸化シリコン膜になる。この過程で、酸化シリコン膜の一部はもとのシリコン表面位置からみて内部に埋め込まれ、一部はシリコンの表面位置から外側に突き出して成長することが知られている。 Consider an experiment in which a sample in which a titanium film having a uniform thickness is formed on a substrate is heated in an oxygen atmosphere for thermal oxidation. It is assumed that there is no influence such as atomic diffusion from the substrate to the titanium film, and the titanium film is oxidized to be a microcrystalline thin film of rutile titanium oxide (TiO 2 ), which is typical of titanium oxide. The volume occupied per one titanium metal is about 17.6Å 3, the volume occupied by one per titanium oxide (TiO 2) of the rutile structure is 31.2Å 3. That is, the volume of titanium oxide (TiO 2 ) is 1.77 times larger than the volume of titanium, and if the titanium film is changed to a titanium oxide (TiO 2 ) film having a rutile structure, the film thickness is 1 It will swell 77 times. This volume expansion is an unavoidable phenomenon in the process in which titanium is oxidized to titanium oxide (including titanium oxide (TiO) other than TiO 2 and the like). This phenomenon is a well-known phenomenon in the process of partially covering the silicon substrate surface with a silicon nitride film (SiN film) and thermally oxidizing silicon in an oxygen atmosphere. In this case, silicon in a place covered with the silicon nitride film is not oxidized, and silicon in a region not covered with the silicon nitride film becomes a silicon oxide film. In this process, it is known that a part of the silicon oxide film is embedded inside as viewed from the original silicon surface position, and a part protrudes outward from the silicon surface position.

次に、プラチナ(Pt)/チタン(Ti)/酸化シリコン(SiO)/シリコン(Si)の積層構造を熱酸化する場合を考える。仮に、雰囲気ガス中の酸素からチタン膜がすべてルチル構造の酸化チタン(TiO)膜に変化したとすると、酸化チタン(TiO)の体積膨張によりプラチナ膜に非常に大きなストレスがかかり、チタン膜上に一様に被着していたプラチナ膜は断裂やハガレなどが起こり、プラチナ膜のモフォロジー(形態)が激変することが予想された。この酸化チタン(TiO以外のチタン酸化物TiOなども含む)が形成される過程での体積膨張は不可避的現象であり、プラチナ膜のモフォロジーの激変は共通であると考えた。つまり、酸素ガス雰囲気中の加熱により、先願技術(特開2002−107322号公報)に開示されているプラチナ(Pt)/チタン酸化物/酸化シリコン(SiO)/Si構造のような単純な積層構造を実現することは不可能であると結論した。 Next, consider a case where a stacked structure of platinum (Pt) / titanium (Ti) / silicon oxide (SiO 2 ) / silicon (Si) is thermally oxidized. If all of the titanium film is changed from oxygen in the atmosphere gas to a titanium oxide (TiO 2 ) film having a rutile structure, the platinum film is subjected to very large stress due to the volume expansion of the titanium oxide (TiO 2 ). It was predicted that the platinum film that had been uniformly deposited on the film would break and peel, and that the morphology of the platinum film would change drastically. Volume expansion in the process of forming this titanium oxide (including titanium oxide TiO other than TiO 2 ) is an unavoidable phenomenon, and it is considered that the drastic change in the morphology of the platinum film is common. That is, by heating in an oxygen gas atmosphere, a simple structure such as a platinum (Pt) / titanium oxide / silicon oxide (SiO 2 ) / Si structure disclosed in the prior application (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-107322). It is concluded that it is impossible to realize a laminated structure.

このような背景のもと、本発明の最大の目的は、プラチナ膜をゲート電極に使用することを前提として、プラチナ膜とゲート絶縁膜の密着性を上げるには、チタン、モリブデン、タングステンなどの金属膜をゲート絶縁膜との間に挿入せざるを得ない状況の中で、プラチナ膜をゲート電極に使用するSi−MOSFET型のガスセンサの膜ハガレなどの信頼性劣化に強いガスセンサをシリコン半導体プロセス技術と適合する形で如何に実現するかということである。この目的は、プラチナ極薄膜を用いるガス選択性の強いガスセンサのときも同様である。   Against this background, assuming that the platinum film is used as a gate electrode, the greatest object of the present invention is to increase the adhesion between the platinum film and the gate insulating film by using titanium, molybdenum, tungsten, etc. In a situation where a metal film must be inserted between the gate insulating film and the silicon semiconductor process, a gas sensor that is resistant to deterioration of reliability, such as film peeling of a Si-MOSFET type gas sensor using a platinum film as the gate electrode, is used. It is how it is realized in a form that is compatible with technology. This purpose is the same for a gas sensor with a strong gas selectivity using a platinum ultrathin film.

さらに、水素検知システムへのガスセンサの適用という視点で見ると、Si−MOSFET型の水素ガスセンサのしきい値電圧Vthがウェハ内やウェハ間で均一でなければ、水素ガスセンサから外部に信号を取り出すときに必要となるインターフェース回路を設計することが難しくなる。ところが、プラチナ膜やパラジウム膜からなる金属膜をスパッタリング法で形成したSi−MOSFET型の水素ガスセンサを実際に試作して評価してみると、スパッタリング時に発生するゲート絶縁膜へのスパッタリングダメージが発生し、ゲート絶縁膜中に多くの電子トラップ準位が形成され、水素ガスセンサのしきい値電圧Vthが大きくバラツキ、背景技術の最後に記述した希釈水素アニ―ル程度では、充分に水素ガスセンサのしきい値電圧Vthのばらつきを解決できないという問題が生じている。しかしながら、従来、Si−MOSFET型の水素ガスセンサにおいて、水素ガスセンサのしきい値電圧Vthの均一性や再現性の問題を取り上げた報告例は存在していない。   Further, from the viewpoint of application of the gas sensor to the hydrogen detection system, when the threshold voltage Vth of the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor is not uniform within a wafer or between wafers, a signal is taken out from the hydrogen gas sensor. It becomes difficult to design the interface circuit required for However, when an Si-MOSFET type hydrogen gas sensor in which a metal film made of a platinum film or a palladium film is formed by sputtering is actually manufactured and evaluated, sputtering damage to the gate insulating film that occurs during sputtering occurs. Many electron trap levels are formed in the gate insulating film, the threshold voltage Vth of the hydrogen gas sensor varies greatly, and the threshold of the hydrogen gas sensor is sufficiently high at the diluted hydrogen annealing level described at the end of the background art. There is a problem that the variation in the value voltage Vth cannot be solved. However, conventionally, there is no report example that addresses the problem of uniformity and reproducibility of the threshold voltage Vth of the hydrogen gas sensor in the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor.

また、差動増幅方式のガスセンサにおいて、センサFETのしきい値電圧Vthと参照FETのしきい値電圧Vthを揃える技術として、参照FETのゲート電極に水素ガスなど観測対象となるガスに応答しない金属膜を形成する技術は、少なくともゲート電極を形成するホトマスク工程を少なくとも1つは追加せざるを得ず、プロセス工程を長く複雑にするので、ガスセンサの量産化プロセスには適合しない。   Further, in a differential amplification type gas sensor, as a technique for aligning the threshold voltage Vth of the sensor FET and the threshold voltage Vth of the reference FET, a metal that does not respond to the gas to be observed such as hydrogen gas at the gate electrode of the reference FET The technique of forming a film is not compatible with a mass production process of a gas sensor because at least one photomask process for forming a gate electrode must be added and the process process becomes long and complicated.

以上のことを踏まえ、さらに、考察を進めることにする。まず、水素応答原理に立ち戻り、プラチナ(Pt)/チタン(Ti)/酸化シリコン(SiO)/Siの構造を再考した。Si−MOSFET型の水素ガスセンサの動作原理からは、よく知られているように、しきい値電圧Vthは、シリコンの仕事関数をφSi、ゲート電極を構成する金属膜の仕事関数をφとすると、両者の差φMSがしきい値電圧Vthを決めるパラメータとなり、しきい値電圧Vthの表式にφMS−φSiの形で加わる。チタンの仕事関数は4.3eVであり、プラチナの仕事関数は5.5eVであるので、同じゲート絶縁膜上にチタン膜が形成されている場合とプラチナ膜が形成されている場合には1.2eV(5.5eV−4.3eV)のしきい値電圧Vthの差が生じる。 Based on the above, further discussion will be made. First, returning to the principle of hydrogen response, the structure of platinum (Pt) / titanium (Ti) / silicon oxide (SiO 2 ) / Si was reconsidered. As is well known from the principle of operation of the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor, the threshold voltage Vth is defined as φ Si as the silicon work function and φ M as the work function of the metal film constituting the gate electrode. Then, the difference φ MS between them becomes a parameter that determines the threshold voltage Vth, and is added to the expression of the threshold voltage Vth in the form of φ MS = φ M −φ Si . Titanium has a work function of 4.3 eV and platinum has a work function of 5.5 eV. Therefore, when a titanium film is formed on the same gate insulating film and when a platinum film is formed, 1. A difference in threshold voltage Vth of 2 eV (5.5 eV-4.3 eV) occurs.

チタンが金属である限り、プラチナ膜によって解離された水素原子はチタン膜とプラチナ膜の界面に到達したとたんに、チタン膜中にトラップされて、チタン中の電子によりプラス電荷をスクリーニング(中和)されるので、水素原子は水素ガスセンサのしきい値電圧Vthの変化には寄与しない。水素ガスセンサの動作原理からは、チタン表面に到達する水素原子数の表面密度よりこのスクリーニングに寄与する電子数シート濃度(チタン中の電子濃度を膜厚方向に積分した値)を小さくしてやれば、スクリーニング効果はなくなっていくと予想できる。   As long as titanium is a metal, the hydrogen atoms dissociated by the platinum film are trapped in the titanium film as soon as they reach the interface between the titanium film and the platinum film, and the positive charge is screened by the electrons in the titanium (neutralization) Therefore, the hydrogen atoms do not contribute to the change in the threshold voltage Vth of the hydrogen gas sensor. From the principle of operation of the hydrogen gas sensor, if the electron number sheet concentration that contributes to this screening (the value obtained by integrating the electron concentration in titanium in the film thickness direction) is made smaller than the surface density of the number of hydrogen atoms reaching the titanium surface, screening The effect can be expected to disappear.

10%の水素ガス濃度でも、しきい値電圧Vthの変化は最大で1000mV程度である。つまり、ゲート絶縁膜上に吸着する水素原子による面積あたりの電荷数密度は1012/cm2程度であり必ずしも多くはない。チタン膜に酸素をドープすることにより、構造欠陥も形成されてチタン中の電子をトラップできるので、チタン膜への酸素のドーピング量としては1021個/cm3以上あればスクリーニング効果を抑制することを実現できると考えられる。 Even at a hydrogen gas concentration of 10%, the maximum change in threshold voltage Vth is about 1000 mV. That is, the charge number density per area due to the hydrogen atoms adsorbed on the gate insulating film is about 10 12 / cm 2 and is not necessarily large. By doping oxygen into the titanium film, structural defects can be formed and electrons in the titanium can be trapped. Therefore, if the doping amount of oxygen into the titanium film is 10 21 atoms / cm 3 or more, the screening effect is suppressed. Can be realized.

そのため、チタン膜のすべてをチタン酸化物にする必要は必ずしもなく、酸素をチタン中にドープした酸素ドープチタン膜でも良いのではないかと考えた。チタン膜に酸素をドープする程度なら、文献(Journal of Applied Physics, Vol63,(1988)3431-2434)に示されているように、酸素に対しても、プラチナ膜をゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサでプラチナ膜の膜厚を薄くすれば応答するのであるから、酸素は水素に比べて原子の大きさや分子の大きさは数倍大きいが、プラチナ膜の膜厚やチタン膜の膜厚をうまく選ぶことでプラチナ膜を通過した酸素をチタン膜にドープできるのではないかと考え、以下に示すいくつかの実験を行なった。金属膜であるプラチナ膜の蓋がある状態で、チタン膜中に雰囲気ガス中の酸素を取り込むことは、一般には難しいと考えられる。しかし、上述した考察に基づいて、プラチナ膜の場合、酸化されにくい性質をうまく利用すると、プラチナ膜の表面を酸化させずに、すなわちプラチナ膜の触媒機能を劣化させないで、チタン膜の体積膨張も抑えられてプラチナ膜への影響も少なくできるのではないかと考えた。   For this reason, it was not always necessary to use titanium oxide for the entire titanium film, and it was considered that an oxygen-doped titanium film in which oxygen is doped into titanium may be used. As long as the titanium film is doped with oxygen, as shown in the literature (Journal of Applied Physics, Vol 63, (1988) 3431-2434), Si-- which uses a platinum film as a gate electrode also against oxygen. The MOSFET type hydrogen gas sensor responds if the platinum film thickness is reduced, so oxygen is several times larger in size and molecule size than hydrogen, but the platinum film thickness and titanium film thickness We thought that it would be possible to dope the titanium film with oxygen that passed through the platinum film by choosing the appropriate film thickness, and conducted the following experiments. It is generally considered difficult to incorporate oxygen in the atmosphere gas into the titanium film in the state where the platinum film which is a metal film is present. However, based on the above consideration, in the case of platinum film, if the property of being difficult to oxidize is utilized well, the surface of the platinum film is not oxidized, that is, the catalytic function of the platinum film is not deteriorated, and the volume expansion of the titanium film is also increased. I thought that it would be possible to reduce the impact on the platinum film.

プラチナは他の材料の原子との相互作用が他の白金族金属と比べて弱く、シリコン基板上の酸化シリコン膜上にプラチナからなる薄膜を形成するとfcc(面心立方格子)結晶構造の微結晶が(111)方向に配向した薄膜になることが、X線回折の実験からよく知られており、本発明者らも確かめている。   Platinum has a weaker interaction with atoms of other materials than other platinum group metals, and when a thin film made of platinum is formed on a silicon oxide film on a silicon substrate, a microcrystal having an fcc (face-centered cubic lattice) crystal structure. Is well known from X-ray diffraction experiments, and the present inventors have confirmed.

チタン膜の膜厚とプラチナ膜の膜厚を何種類か用意して、プラチナ(Pt)/チタン(Ti)/酸化シリコン(SiO)/Siの積層構造を作製して空気中で加熱した。そして、この積層構造を分析した結果、予想外の現象が複数発見され、チタン膜の膜厚とプラチナ膜の膜厚とアニール温度(熱処理温度)とをうまく選ぶことにより上述した課題のほとんどすべてを解決できることが判明した。 Several types of film thicknesses of the titanium film and the platinum film were prepared, and a laminated structure of platinum (Pt) / titanium (Ti) / silicon oxide (SiO 2 ) / Si was prepared and heated in air. As a result of analyzing this laminated structure, a number of unexpected phenomena were discovered, and almost all of the above problems were solved by properly selecting the thickness of the titanium film, the thickness of the platinum film, and the annealing temperature (heat treatment temperature). It turns out that it can be solved.

チタン膜とプラチナ膜の形成方法は、後から述べる理由によりEB(電子線ビーム)蒸着法である。シリコン基板上に形成された酸化シリコン膜上に薄膜を形成している。まず、薄膜としてチタン膜のみを形成して評価したところ、膜厚1nm〜10nmのチタン膜は非晶質で結晶粒は観測されず、表面は一様で凹凸はほとんど見られなかった。チタン膜の膜厚を45nmと厚くしても膜中のほとんどは非晶質で、部分的にチタン金属結晶粒が存在する傾向があったが、表面は一様で凹凸はほとんど見られなかった。これは、シリコン基板上に形成された酸化シリコン膜上に形成したプラチナ膜の形態(モフォロジー)とは先に述べたように大きく異なっていた。そこで、シリコン基板上に形成された酸化シリコン膜上に何種類かの膜厚のチタン膜を形成し、膜厚の異なる連続成膜でプラチナ膜を成膜した。このプラチナ膜はやはりfcc(面心立方格子)結晶構造の微結晶が(111)方向に配向した薄膜であった。   The formation method of the titanium film and the platinum film is an EB (electron beam) evaporation method for the reason described later. A thin film is formed on a silicon oxide film formed on a silicon substrate. First, when only a titanium film was formed and evaluated as a thin film, the titanium film with a film thickness of 1 nm to 10 nm was amorphous, crystal grains were not observed, the surface was uniform, and unevenness was hardly seen. Even when the thickness of the titanium film was increased to 45 nm, most of the film was amorphous and there was a tendency for the titanium metal crystal grains to partially exist, but the surface was uniform and almost no irregularities were seen. . This was greatly different from the form (morphology) of the platinum film formed on the silicon oxide film formed on the silicon substrate as described above. Therefore, several kinds of titanium films were formed on the silicon oxide film formed on the silicon substrate, and platinum films were formed by continuous film formation with different film thicknesses. This platinum film was also a thin film in which fine crystals having an fcc (face centered cubic lattice) crystal structure were oriented in the (111) direction.

まず、新現象発見の契機になった実験結果の概略を述べる。シリコン基板上に形成された酸化シリコン膜上に膜厚が5nmのチタン膜と膜厚が15nmのプラチナ膜を形成し、空気中で400℃の温度で2時間のアニールと800℃の温度で30分のアニールとを実施する実験を行なった。   First, an outline of the experimental results that triggered the discovery of a new phenomenon is given. A titanium film with a film thickness of 5 nm and a platinum film with a film thickness of 15 nm are formed on a silicon oxide film formed on a silicon substrate, annealed in air at a temperature of 400 ° C. for 2 hours, and 30 at a temperature of 800 ° C. An experiment was conducted in which annealing was performed for a minute.

(1)400℃2時間のアニール実験の結果
チタン原子はプラチナの結晶粒界とその近傍を伝わって、プラチナの表面に抜けるプロセスと、酸素がプラチナの結晶粒界とその近傍を伝わってチタン膜の中に侵入してくるプロセスが発現した。そのため、チタン膜は、酸素ドープチタン膜(酸素高ドープの非晶質のチタン、非晶質の酸化チタンまたは、酸化チタンの微結晶が混じり合った膜)に変質し、このプロセスの途中で、プラチナの(111)方向に配向している微結晶粒は、TiO膜内にめり込み、めり込み深さが個々のプラチナ(Pt)の(111)方向に配向している微結晶粒により異なるので、プラチナとTiO膜界面には凹凸が発生する。一方、チタンと酸素が通過したプラチナの微結晶間の粒界領域には酸素高ドープの非晶質のチタンとプラチナ−チタン拡散層からなるPt−Ti−O領域を配する構造が形成されることがわかった。すなわち、プラチナの微結晶間の粒界領域には、チタンと酸素が存在することとなり、このプラチナの粒界領域にチタンと酸素が存在することを、本明細書では、プラチナの微結晶間の粒界領域にPt−Ti−O領域が形成されているということにする。この現象を裏付ける実験の解析は後で開示するとして、成膜時5nmであったチタン膜の膜厚はこのアニール(熱処理)後、厚くなるどころかやや薄くなっているように見える。
(1) Results of an annealing experiment at 400 ° C. for 2 hours Titanium atoms are transferred to the platinum crystal grain boundary and the vicinity thereof, the process of escaping to the platinum surface, and oxygen is transferred to the platinum crystal grain boundary and the vicinity thereof to form a titanium film. The process of intruding into the inside appeared. Therefore, the titanium film is transformed into an oxygen-doped titanium film (a film in which oxygen-doped amorphous titanium, amorphous titanium oxide, or titanium oxide microcrystals are mixed). The fine crystal grains oriented in the (111) direction of platinum are sunk into the TiO x film, and the dent depth varies depending on the fine crystal grains oriented in the (111) direction of each platinum (Pt). Unevenness occurs at the interface between the platinum and the TiO x film. On the other hand, a structure in which a Pt-Ti-O region composed of oxygen-doped amorphous titanium and a platinum-titanium diffusion layer is formed in the grain boundary region between the microcrystals of platinum through which titanium and oxygen have passed. I understood it. That is, titanium and oxygen are present in the grain boundary region between the platinum microcrystals, and in this specification, the titanium and oxygen are present in the platinum grain boundary region. It is assumed that a Pt—Ti—O region is formed in the grain boundary region. The analysis of the experiment supporting this phenomenon will be disclosed later, and the film thickness of the titanium film, which was 5 nm at the time of film formation, seems to be slightly thin rather than thick after this annealing (heat treatment).

プラチナ膜という蓋がある状態でチタン膜が酸化されると体積が膨張してプラチナ膜のモフォロジーが大きく変わるという仮説とは大きく異なった結果であった。その理由は、チタン原子はプラチナの結晶粒界とその近傍を伝わって、プラチナの表面に抜けるプロセスが存在するという発見があったことから説明がつくものである。   This result was very different from the hypothesis that when the titanium film was oxidized with the platinum film covered, the volume expanded and the morphology of the platinum film changed significantly. The reason for this is explained by the discovery that there is a process in which titanium atoms pass through the crystal grain boundaries of platinum and its vicinity and escape to the surface of platinum.

(2)800℃30分のアニール実験の結果
チタン膜は酸化チタン膜(ルチル構造)に変わり、膜厚もチタン膜の5nmから10nmに倍増し、酸化シリコン膜上に一様に被膜されている。その酸化チタン膜(ルチル構造)上に形成されているプラチナの微結晶は(111)方向に配向した薄膜であるが、平面寸法が数100nmの大きさに変わり、膜厚は88nmと5.9倍に厚くなり、プラチナ微結晶が一度融解して再結晶した形状に見え、微結晶表面は平坦である。今回のプラチナは微結晶間に約100nm〜300nmの隙間が空いた島状のモフォロジーとなっている。バルクのプラチナ金属とチタン金属の融点はそれぞれ、1768.3℃と1668℃であり、実験温度は800℃と非常に低い温度であるにもかかわらず、プラチナ微結晶が融解したように見える。一方、チタン膜は酸化チタン膜(ルチル構造)にかわり、一様に被膜されているのは新たな発見である。
(2) Results of annealing experiment at 800 ° C. for 30 minutes The titanium film is changed to a titanium oxide film (rutile structure), the film thickness is doubled from 5 nm to 10 nm of the titanium film, and is uniformly coated on the silicon oxide film. . The platinum microcrystal formed on the titanium oxide film (rutile structure) is a thin film oriented in the (111) direction, but the plane dimension changes to several hundred nm, and the film thickness is 88 nm and 5.9. The platinum crystallites appear to have melted and recrystallized once, and the crystallite surface is flat. This platinum has an island-like morphology with a gap of about 100 nm to 300 nm between microcrystals. The melting points of bulk platinum metal and titanium metal are 1768.3 ° C. and 1668 ° C., respectively, and the platinum crystallites appear to have melted despite the very low experimental temperature of 800 ° C. On the other hand, it is a new discovery that the titanium film is uniformly coated instead of the titanium oxide film (rutile structure).

チタン膜の膜厚が増加し、プラチナ膜のモフォロジーが激変するのはある意味で予想通りであったが、こんな低温でプラチナ膜が融解して微結晶に変わることは予想外であった。   It was as expected that the thickness of the titanium film increased and the morphology of the platinum film changed drastically, but it was unexpected that the platinum film melted and turned into microcrystals at such a low temperature.

この実験を契機として、以下に示すような酸化プロセスの詳細な検討を行なった。実験した範囲の概略は以下の通りである。   Taking this experiment as an opportunity, detailed examination of the oxidation process as shown below was conducted. The outline of the experimental range is as follows.

チタン膜の膜厚の範囲:1nm〜30nm
プラチナ膜の膜厚の範囲:2nm〜100nm
アニール温度の範囲:100℃〜900℃
アニール時間の範囲:5分〜3000時間
アニール雰囲気の種類:空気、100%酸素、Ar、窒素
以上の条件の範囲でアニール実験を行なった。
Titanium film thickness range: 1 nm to 30 nm
Platinum film thickness range: 2 nm to 100 nm
Annealing temperature range: 100 ° C to 900 ° C
Annealing time range: 5 minutes to 3000 hours Types of annealing atmosphere: air, 100% oxygen, Ar, nitrogen Annealing experiments were performed in the range of the above conditions.

本発明に関わる主要実験結果をまとめると以下の通りである。大略の範囲で分類すると300℃以下、300〜500℃、500〜900℃の3種類の範囲で発生する現象が異なることがわかってきた。以下に、実験結果について説明する。   The main experimental results related to the present invention are summarized as follows. It has been found that the phenomena occurring in three types of ranges of 300 ° C. or lower, 300 to 500 ° C., and 500 to 900 ° C. are different when roughly classified. The experimental results will be described below.

(1)Arや窒素ガス中でのチタン膜の酸化はない。チタン膜の下層に形成されている酸化シリコン膜からの酸素の供給はほとんど見られない。   (1) There is no oxidation of the titanium film in Ar or nitrogen gas. Almost no oxygen is supplied from the silicon oxide film formed in the lower layer of the titanium film.

(2)300℃以下では、長時間アニールするとチタン膜に1021個/cm3以上の酸素をドープすることができるが、実用上はチタン膜とプラチナ膜の膜厚を薄くする必要がある。 (2) At 300 ° C. or lower, annealing for a long time allows the titanium film to be doped with 10 21 atoms / cm 3 or more, but in practice, it is necessary to reduce the thickness of the titanium film and the platinum film.

(3)350℃〜475℃の温度領域では、プラチナ膜の膜厚が45nm以上に厚くなると、チタン膜への酸素のドーピングは急速に小さくなり、チタン膜の変化はほとんどなくなり、水素ガス応答はなくなる。これは、先願技術の確認実験において、空気中で400℃の温度で60分間の加熱処理を行なうと水素ガス応答しなかったことと符合する。プラチナ膜の膜厚が厚くなると、プラチナ膜の膜垂直方向の結晶粒界長さが長くなり、結晶粒自身が大きくなる効果もあり、急激に酸素の侵入が抑えられるのである。それに伴い、チタンのプラチナ結晶粒界を通しての流出も抑えられ、本発明での所望の構造には至らなくなる。   (3) In the temperature range of 350 ° C. to 475 ° C., when the thickness of the platinum film is increased to 45 nm or more, the doping of oxygen into the titanium film rapidly decreases, the change of the titanium film is almost eliminated, and the hydrogen gas response is Disappear. This is consistent with the fact that in the confirmation experiment of the prior application technique, when a heat treatment was performed in air at a temperature of 400 ° C. for 60 minutes, no hydrogen gas response was made. When the thickness of the platinum film is increased, the crystal grain boundary length in the direction perpendicular to the platinum film is increased, which has the effect of increasing the size of the crystal grains themselves, and oxygen intrusion can be suppressed rapidly. Accordingly, the outflow of titanium through the platinum crystal grain boundary is suppressed, and the desired structure in the present invention is not achieved.

(4)350℃〜475℃の温度領域では、プラチナ膜の膜厚が1nm以上30nm以下になると以下の現象が見られ始め、水素ガスセンサに適用できる。チタン原子はプラチナの結晶粒界とその近傍を伝わって、プラチナの表面に抜けるプロセスと酸素がプラチナの結晶粒界とその近傍を伝わってチタン膜の中に侵入してくるプロセスが発現する。そのため、チタン膜は、酸素ドープチタン膜(酸素高ドープの非晶質のチタン、非晶質の酸化チタン、または、酸化チタンの微結晶が混じり合った膜)に変質し、このプロセスの途中で、プラチナの(111)方向に配向している微結晶粒は、酸素ドープチタン膜内にめり込み、めり込み深さが個々のプラチナの(111)方向に配向している微結晶粒により異なるので、プラチナと酸素ドープチタン膜の界面には凹凸が発生する。一方、チタンと酸素が通過したプラチナの微結晶間にある粒界領域には酸素高ドープの非晶質のチタンと、プラチナ−チタン拡散層からなるPt−Ti−O領域を配する構造が形成される。   (4) In the temperature range of 350 ° C. to 475 ° C., when the thickness of the platinum film becomes 1 nm or more and 30 nm or less, the following phenomenon starts to be observed and can be applied to a hydrogen gas sensor. Titanium atoms are transmitted through the crystal grain boundary of platinum and the vicinity thereof, and a process of escape to the surface of platinum and a process of oxygen entering the titanium film through the crystal grain boundary of platinum and the vicinity thereof appear. For this reason, the titanium film is transformed into an oxygen-doped titanium film (a film in which oxygen-doped amorphous titanium, amorphous titanium oxide, or titanium oxide microcrystals are mixed), The fine crystal grains oriented in the (111) direction of platinum dig into the oxygen-doped titanium film, and the depth of penetration varies depending on the fine crystal grains oriented in the (111) direction of individual platinum. Irregularities occur at the interface between the oxygen-doped titanium film. On the other hand, a structure in which an oxygen-doped amorphous titanium and a Pt—Ti—O region composed of a platinum-titanium diffusion layer are formed in a grain boundary region between titanium and platinum microcrystals through which oxygen has passed. Is done.

(5)温度を500℃〜800℃程度に更に上げると、(4)に示すプラチナ膜/チタン膜の形態が変わり始めた。特に800℃で見つかったプラチナの島状構造では、プラチナの微結晶間距離が100nm〜300nmと広すぎてガス選択性の強いセンサとして、感度が落ちる可能性が高い。このため、加熱温度を下げてプラチナの微結晶間隔が数nmから数10nmの間隙を持つ縞状の形態とすることが望ましい。このような高温でのアニールでは、プラチナの微結晶が融合し始める。その過程で、プラチナ微結晶間に小さな間隙が発生し始めると、酸素のチタン膜への侵入が劇的に加速し、チタン膜が酸素ドープの状態から、徐々に酸化チタン膜へと変わっていく。一度、プラチナ微結晶間に小さな間隙が発生し始めるとチタン原子が粒界を伝わってプラチナ膜表面に出て行くことはできなくなるので、酸化チタン膜の膜厚は初期のチタン膜の膜厚に比べて増加する。加熱温度条件とチタン膜、プラチナ膜の膜厚に依存して、プラチナ微結晶間の隙間やチタン膜がどの程度酸化されるかが決まってくる。   (5) When the temperature was further raised to about 500 ° C. to 800 ° C., the form of the platinum film / titanium film shown in (4) began to change. In particular, in an island structure of platinum found at 800 ° C., the distance between platinum microcrystals is too wide as 100 nm to 300 nm, and there is a high possibility that the sensitivity is lowered as a sensor having strong gas selectivity. For this reason, it is desirable to lower the heating temperature to form a striped form with a gap of several nanometers to several tens of nanometers of platinum. With such high temperature annealing, platinum microcrystals begin to fuse. In the process, when small gaps begin to occur between the platinum microcrystals, the penetration of oxygen into the titanium film dramatically accelerates, and the titanium film gradually changes from an oxygen-doped state to a titanium oxide film. . Once a small gap begins to occur between the platinum microcrystals, titanium atoms cannot travel through the grain boundary and go out to the platinum film surface, so the thickness of the titanium oxide film is the same as the initial titanium film thickness. Compared to increase. Depending on the heating temperature conditions and the thickness of the titanium film or platinum film, the gap between the platinum microcrystals and the extent to which the titanium film is oxidized are determined.

プラチナ微結晶間隔が数nmから数10nmの間隙を持つ縞状の形態に変化することを実現するには、650℃前後の温度で、アニール時間が20分、チタン膜の膜厚5nm、プラチナ膜の膜厚10nm程度の条件が良いことがわかってきた。もっとチタン膜やプラチナ膜を厚くして、数nmから数10nmの間隙ができはじめた条件で、温度を400℃程度まで下げてチタン膜に酸素をドープすることでも目的とする素子構造を実現できる。   In order to realize that the platinum crystallite interval changes from a few nanometers to a striped form with a gap of several tens of nanometers, an annealing time of 20 minutes at a temperature of about 650 ° C., a titanium film thickness of 5 nm, a platinum film It has been found that the film thickness of about 10 nm is good. The target device structure can also be realized by doping the titanium film with oxygen by lowering the temperature to about 400 ° C. under conditions where a titanium film or platinum film is made thicker and a gap of several nanometers to several tens of nanometers begins to be formed. .

プラチナ微結晶間の隙間長さが広くなるとゲート絶縁膜の表面にプラチナのない間隙領域とプラチナ微結晶間の静電容量Csが小さくなり、ガス応答の強さが小さくなるので、ガスセンサとして使える構造にするため、チタン膜の膜厚とプラチナ膜の膜厚とアニール温度、酸素分圧の好適条件は以下に詳しく開示する。   When the gap length between the platinum microcrystals is widened, the capacitance Cs between the platinum-free gap region on the surface of the gate insulating film and the platinum microcrystals is reduced, and the strength of the gas response is reduced. Therefore, preferable conditions for the thickness of the titanium film, the thickness of the platinum film, the annealing temperature, and the oxygen partial pressure are disclosed in detail below.

以上のように、本発明の目的を実現する方法と手段をまとめると次のように言うことができる。本発明の第1目的を実現する構成としては、以下に示すSi−MOSFET型のガスセンサである。すなわち、本発明のSi−MOSFET型のガスセンサは、プラチナ膜が平坦な絶縁膜上では、(111)配向の微結晶になる性質を利用して、プラチナ微結晶間の粒界領域に酸素高ドープの非晶質のチタン、プラチナ−チタン拡散層からなるPt−Ti−O領域を配する構造を有する。そして、Pt−Ti−O領域下にTiOx膜(酸素高ドープの非晶質のチタン、非晶質酸化チタン、または、酸化チタン微結晶が混じり合った膜)を有し、さらにその下にゲート絶縁膜(酸化シリコン膜を含む)を有する。そして、ゲート絶縁膜の下層にシリコンを配するものである。   As described above, the method and means for realizing the object of the present invention can be summarized as follows. A configuration for realizing the first object of the present invention is a Si-MOSFET type gas sensor shown below. That is, the Si-MOSFET type gas sensor according to the present invention uses the property that the platinum film is a (111) -oriented microcrystal on the flat insulating film, so that the grain boundary region between the platinum microcrystals is highly doped with oxygen. A structure in which a Pt—Ti—O region composed of amorphous titanium and platinum-titanium diffusion layers is disposed. A TiOx film (a film in which oxygen-doped amorphous titanium, amorphous titanium oxide, or titanium oxide microcrystals are mixed) is provided under the Pt-Ti-O region, and a gate is further provided thereunder. An insulating film (including a silicon oxide film) is included. Then, silicon is disposed below the gate insulating film.

次に、本発明の第2目的を実現する構成としては、以下に示すSi−MOSFET型のガスセンサである。すなわち、本発明のSi−MOSFET型のガスセンサは、プラチナ微結晶間隔が数nmから数10nmの間隙を持つ縞状の形態を持ち、プラチナ微結晶下のチタン膜が酸化チタン膜(作製条件により、ルチル構造酸化チタン微結晶の薄膜、或いはルチル構造に加え、アナターゼ構造が混じる酸化チタン微結晶の薄膜、或いは酸素ドープチタンが混じる酸化チタン微結晶の薄膜)となる構造が、ゲート絶縁膜(酸化シリコン膜など)上に形成されていることを特徴とするものである。   Next, as a configuration for realizing the second object of the present invention, there is a Si-MOSFET type gas sensor shown below. That is, the Si-MOSFET type gas sensor of the present invention has a striped form with a spacing of several nanometers to several tens of nanometers of platinum microcrystals, and the titanium film under the platinum microcrystals is a titanium oxide film (depending on the fabrication conditions, A gate insulating film (silicon oxide) is a thin film of a rutile titanium oxide microcrystal, or a thin film of a titanium oxide microcrystal mixed with an anatase structure or a titanium oxide microcrystal thin film mixed with oxygen-doped titanium in addition to a rutile structure. It is formed on a film etc.).

続いて、本発明の第3目的を実現する技術は、ゲート絶縁膜上にチタン膜とプラチナ膜を成膜する工程を有するSi−MOSFET型のガスセンサにおいて、EB(電子線ビーム)蒸着法により、チタン膜とプラチナ膜を形成することである。このとき、例えば、薄膜成長速度は0.8〜3Å/sである。   Subsequently, a technique for realizing the third object of the present invention is an Si-MOSFET type gas sensor having a step of forming a titanium film and a platinum film on a gate insulating film by an EB (electron beam) evaporation method. This is to form a titanium film and a platinum film. At this time, for example, the thin film growth rate is 0.8 to 3 cm / s.

さらに、本発明の第4目的を実現する技術は、ゲート絶縁膜上にチタン膜とプラチナ膜を成膜する工程を有するSi−MOSFET型のガスセンサにおいて、Si−MOSFETのチャネル層を形成した後、チタン膜とプラチナ膜をゲート絶縁膜上に形成し、その後、層間絶縁膜を形成する前に、酸素を含有するガス雰囲気中でアニールすることである。目標寿命の長いガスセンサを実現する場合には、Si−MOSFETのソース電極およびドレイン電極、取り出し配線およびチップ加温用ヒータの配線に金配線を用いることである。この場合、チップと実装基板のつなぎ方は金線によるボンディングが錆防止やパッド部分との接着性を上げるため望ましい。   Furthermore, in the technology for realizing the fourth object of the present invention, in the Si-MOSFET type gas sensor having a step of forming a titanium film and a platinum film on the gate insulating film, after forming the channel layer of the Si-MOSFET, A titanium film and a platinum film are formed on the gate insulating film, and then annealed in a gas atmosphere containing oxygen before forming the interlayer insulating film. In order to realize a gas sensor having a long target life, gold wiring is used for the source electrode and drain electrode of the Si-MOSFET, the extraction wiring, and the wiring of the heater for chip heating. In this case, the method of connecting the chip and the mounting substrate is desirable because bonding with a gold wire prevents rust and improves adhesion to the pad portion.

本発明の特徴は、プラチナ(Pt)/チタン(Ti)/酸化シリコン(SiO)/シリコン(Si)の構造を酸素ガス雰囲気中で加熱することにある。これにより、チタン膜がプラチナの結晶粒界を通って外部に抜けだし、かつ、酸素がプラチナの結晶粒界を通ってチタン膜に侵入する。この結果、金属であったチタン膜に酸素がドープされて、電気的には抵抗が上がり、かつ、部分的にはチタン酸化物になることにより、チタン膜のキャリア(電子)が実質的になくなるほど激減して水素ガスなどの応答を邪魔しなくなる。その一方で、チタン膜は金属でなければよく、チタンが粒界に侵入することで、プラチナの微結晶間の相互の接着性が向上する。さらには、酸素がプラチナの微結晶間(粒界領域)を通り、かつ、酸素の一部が粒界領域近傍に留まることで、水素ガスの通り道(粒界領域)が太くなる結果、ガスセンサの応答感度がよくなり、かつ、応答速度も速くなる。 A feature of the present invention is that a structure of platinum (Pt) / titanium (Ti) / silicon oxide (SiO 2 ) / silicon (Si) is heated in an oxygen gas atmosphere. As a result, the titanium film begins to escape to the outside through the crystal grain boundary of platinum, and oxygen enters the titanium film through the crystal grain boundary of platinum. As a result, the titanium film, which was a metal, is doped with oxygen to increase the electrical resistance and partially become titanium oxide, thereby substantially eliminating the carrier (electrons) of the titanium film. It decreases so much that it does not disturb the response of hydrogen gas. On the other hand, the titanium film only needs to be a metal, and the penetration of titanium into the grain boundary improves the mutual adhesion between platinum microcrystals. Furthermore, oxygen passes between platinum microcrystals (grain boundary region) and a part of oxygen stays in the vicinity of the grain boundary region, so that the hydrogen gas passage (grain boundary region) becomes thicker. The response sensitivity is improved and the response speed is also increased.

次に、本実施の形態1における水素ガスセンサの基本的な構成について説明する。図1は、プラチナ膜をゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサにおいて、ゲート電極とその直下の積層構造を示す模式図である。図1に示すように、シリコンよりなる半導体基板1上に酸化シリコン(SiO)膜2が形成されている。この酸化シリコン膜2上に形成されている膜は、酸素を含有するチタン膜を示す酸素ドープチタン膜3である。この酸素ドープチタン膜3中には酸化チタン微結晶4が混合している場合が多く、かつ、酸素ドープチタン膜3は非晶質であることが多い。この酸素ドープチタン膜3上にプラチナ膜が形成されている。プラチナ膜は、(111)方向に配向した複数のプラチナ微結晶5からなる膜であり、プラチナ微結晶5間には結晶粒界6が形成されている。この結晶粒界6に沿って形成されている粒界近傍領域7には、チタンと酸素が存在している。つまり、本実施の形態1では、プラチナ微結晶5間に形成されている結晶粒界6の近傍領域である粒界近傍領域7がPt−Ti−O領域となっている。形成条件によっては、この粒界領域6の上部には酸素ドープチタン、または、酸化チタンからなる微結晶8が形成されていることもある。ただし、この微結晶8の存在は、水素ガスセンサの動作自身には必ずしも必要ない。 Next, a basic configuration of the hydrogen gas sensor according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing a gate electrode and a laminated structure immediately below it in a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using a platinum film as a gate electrode. As shown in FIG. 1, a silicon oxide (SiO 2 ) film 2 is formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon. The film formed on the silicon oxide film 2 is an oxygen-doped titanium film 3 indicating a titanium film containing oxygen. The oxygen-doped titanium film 3 is often mixed with titanium oxide microcrystals 4 and the oxygen-doped titanium film 3 is often amorphous. A platinum film is formed on the oxygen-doped titanium film 3. The platinum film is a film made of a plurality of platinum microcrystals 5 oriented in the (111) direction, and crystal grain boundaries 6 are formed between the platinum microcrystals 5. Titanium and oxygen are present in the grain boundary vicinity region 7 formed along the crystal grain boundary 6. That is, in the first embodiment, the grain boundary vicinity region 7 which is the vicinity region of the crystal grain boundary 6 formed between the platinum microcrystals 5 is the Pt—Ti—O region. Depending on the formation conditions, a microcrystal 8 made of oxygen-doped titanium or titanium oxide may be formed on the grain boundary region 6. However, the presence of the microcrystal 8 is not necessarily required for the operation of the hydrogen gas sensor itself.

図2はプラチナ膜をゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサにおいて、ゲート電極とその直下の積層構造を示す断面TEM(透過電子顕微鏡)写真である。図2に示す構造を形成するにあたって、空気中で熱処理温度が400℃、かつ、熱処理時間が2時間の熱処理が行われている。この熱処理前は、チタン膜の膜厚は5nmであり、プラチナ膜の膜厚は15nmであった。チタン膜の下層に形成されているゲート絶縁膜は酸化シリコン(SiO)膜であり、ゲート絶縁膜の下層にシリコン(Si)よりなる半導体基板が形成されている。図2に示すように熱処理後は、チタン膜にプラチナ結晶粒が沈み込むように入り込み、プラチナの(111)方向に配向したプラチナ微結晶がよく捉えられている。チタン膜の構造解析を行った結果、チタン膜には、酸素ドープの非晶質のチタンと一部結晶化した酸化チタン(丸2)が見られ、図1の模式図とよく対応していることがわかる。 FIG. 2 is a cross-sectional TEM (transmission electron microscope) photograph showing a gate electrode and a laminated structure immediately below it in a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using a platinum film as a gate electrode. In forming the structure shown in FIG. 2, heat treatment is performed in air at a heat treatment temperature of 400 ° C. and a heat treatment time of 2 hours. Before this heat treatment, the thickness of the titanium film was 5 nm and the thickness of the platinum film was 15 nm. The gate insulating film formed under the titanium film is a silicon oxide (SiO 2 ) film, and a semiconductor substrate made of silicon (Si) is formed under the gate insulating film. As shown in FIG. 2, after the heat treatment, platinum crystal grains enter the titanium film so as to sink, and platinum fine crystals oriented in the (111) direction of platinum are well captured. As a result of structural analysis of the titanium film, oxygen-doped amorphous titanium and partially crystallized titanium oxide (circle 2) are seen in the titanium film, which corresponds well with the schematic diagram of FIG. I understand that.

図2に示す(丸1)、(丸2)、(丸5)、(丸6)、(丸7)の部分について、EDX(エネルギー分散型X線分光法)分析を行い、プラチナ微結晶の中心部位(丸6)と粒界近傍領域(丸5)、プラチナ表面近傍領域(丸7)では、チタンと酸素が多く存在している解析結果を得ており、これまで説明してきた酸素ドープの非晶質のチタン、プラチナ−チタン拡散層からなるPt−Ti−O領域を配する構造が形成されていることに対応した結果を得ている。   The (circle 1), (circle 2), (circle 5), (circle 6), and (circle 7) portions shown in FIG. 2 were subjected to EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy) analysis, and platinum microcrystals were analyzed. In the central region (circle 6), the region near the grain boundary (circle 5), and the platinum surface vicinity region (circle 7), we have obtained an analysis result in which a large amount of titanium and oxygen are present. A result corresponding to the formation of a structure in which a Pt—Ti—O region composed of amorphous titanium and platinum-titanium diffusion layers is formed is obtained.

図3は、熱処理後の表面のモフォロジー観察をSEM(走査型電子顕微鏡)により観察した結果を示す写真である。図3において、表面に白く見える粒状のものはTiOxであり、図2に示す(丸7)の部分に対応している。図3において、黒く見える縞状の領域は粒界近傍領域に形成されているPt−Ti−O領域を示している。   FIG. 3 is a photograph showing the result of observation of the morphology of the surface after heat treatment by SEM (scanning electron microscope). In FIG. 3, the granular material that appears white on the surface is TiOx, which corresponds to the portion (circle 7) shown in FIG. In FIG. 3, the striped region that appears black indicates a Pt—Ti—O region formed in the region near the grain boundary.

図4および図5は、熱処理前後のゲート構造(ゲート電極とその直下の積層構造)についてのオージェ分析により、Pt,Ti,O,Si,Si(Oxide)の断面方向の分布プロファイルを示す図である。図4は熱処理後の解析結果を示しており、図5は熱処理前の解析結果を示している。両者ともに図1に対応した積層構造をしている。図4や図5の横軸を示すスパッタ時間(表面深さに対応)が0分から5分までの表面付近において、チタン(Ti)、酸素(O)、プラチナ(Pt)の分布は、本実施の形態1における構造をよく反映しているといえる。熱処理前のゲート構造を示す図5では、チタン膜やプラチナ膜に酸素はほとんど見られず、ゲート構造がPt/Ti/SiOの構造になっているのが見られる。しかし、熱処理後のゲート構造を示す図4ではチタン膜に多量の酸素がドープされ、プラチナ膜内にもチタンと酸素が入り込んでいる様子がわかる。チタン膜の膜厚は熱処理前と熱処理後で変わっていないので、熱処理後、チタン自身がプラチナの粒界を通ってプラチナの表面に流出することの証拠の1つとなっている。オージェ分析は膜内情報を平均した結果であるので、プラチナ膜内にチタンや酸素が見えている状況は、プラチナの粒界領域近傍にチタンや酸素が集まっていると考えられる。以上のように、EDX解析とオージェ分析の結果から本実施の形態1におけるゲート構造が裏付けられているといえる。 4 and 5 are diagrams showing distribution profiles in the cross-sectional direction of Pt, Ti, O, Si, and Si (Oxide) by Auger analysis of the gate structure before and after the heat treatment (the gate electrode and the laminated structure immediately below it). is there. FIG. 4 shows the analysis results after the heat treatment, and FIG. 5 shows the analysis results before the heat treatment. Both have a laminated structure corresponding to FIG. The distribution of titanium (Ti), oxygen (O), and platinum (Pt) in the vicinity of the surface where the sputtering time (corresponding to the surface depth) indicated by the horizontal axis in FIGS. It can be said that the structure in Form 1 is well reflected. In FIG. 5 showing the gate structure before the heat treatment, almost no oxygen is seen in the titanium film or the platinum film, and it can be seen that the gate structure is a Pt / Ti / SiO 2 structure. However, in FIG. 4 showing the gate structure after the heat treatment, it can be seen that the titanium film is doped with a large amount of oxygen, and titanium and oxygen enter the platinum film. Since the thickness of the titanium film does not change before and after the heat treatment, it is one proof that after the heat treatment, the titanium itself flows out to the platinum surface through the platinum grain boundary. Since the Auger analysis is the result of averaging the information in the film, the situation where titanium and oxygen are visible in the platinum film is considered to be that titanium and oxygen are gathered in the vicinity of the grain boundary region of platinum. As described above, it can be said that the gate structure in the first embodiment is supported from the results of EDX analysis and Auger analysis.

図6は、パラジウム膜をゲート電極として使用し、このパラジウム膜をスパッタリング法で形成したSi−MOSFET型のガスセンサにおいて、Si−MOSFET型のガスセンサのしきい値電圧Vthと水素応答強度ΔVgとをそれぞれ複数の素子(Si−MOSFET型のガスセンサ)で計測した結果を示す図である。32個の素子(Si−MOSFET型のガスセンサ)でしきい値電圧Vthが2400mVもの大きなバラツキが発生し、このしきい値電圧Vthのバラツキは、背景技術で説明した希釈水素アニ―ル程度では、充分に解決できないという問題が生じていた。この結果は、パラジウム膜をゲート電極として使用するSi−MOSFET型のガスセンサで生じているものであるが、プラチナ膜をゲート電極として使用するSi−MOSFET型のガスセンサについても同様な傾向を得ている。この問題は、金属膜をスパッタリング法でゲート絶縁膜上に形成するときに発生する不可避的なスパッタリングダメージの影響によるものであり、水素アニールなどの熱処理ではしきい値電圧Vthのバラツキを充分に抑えることには限界がある。   FIG. 6 shows a threshold voltage Vth and a hydrogen response strength ΔVg of an Si-MOSFET type gas sensor in an Si-MOSFET type gas sensor using a palladium film as a gate electrode and formed by sputtering. It is a figure which shows the result measured with the several element (Si-MOSFET type gas sensor). A large variation of the threshold voltage Vth of 2400 mV occurs in 32 elements (Si-MOSFET type gas sensor). The variation of the threshold voltage Vth is about the diluted hydrogen anneal described in the background art. There was a problem that it could not be solved sufficiently. This result is generated in the Si-MOSFET type gas sensor using the palladium film as the gate electrode, but the same tendency is obtained for the Si-MOSFET type gas sensor using the platinum film as the gate electrode. . This problem is due to the influence of unavoidable sputtering damage that occurs when the metal film is formed on the gate insulating film by the sputtering method, and the variation in the threshold voltage Vth is sufficiently suppressed in the heat treatment such as hydrogen annealing. There are limits to this.

そこで、本発明では、金属膜を形成する際のダメージを軽減する目的で、スパッタリング法に代えてEB(電子線ビーム)蒸着法により、Pt/Ti/SiO/Siの積層構造を形成している。この場合、チタンやプラチナをEB蒸着法で連続形成したSi−MOSFET型のガスセンサを作製し、このSi−MOSFET型のガスセンサのしきい値電圧Vthのウェハ面内分布やロット間依存性を調べてみた。すると、スパッタリング法でチタン膜やプラチナ膜を形成するよりもEB蒸着法でチタン膜やプラチナ膜を形成した場合のほうが、しきい値電圧Vthのバラツキが小さく、成長速度によりしきい値電圧Vthのバラツキが異なることが分ってきた。例えば、図7は、EB蒸着法でチタン膜やプラチナ膜などの金属膜を形成する場合において、成膜速度としきい値電圧のバラツキとの関係を示す図である。図7に示すように、EB蒸着法でチタン膜やプラチナ膜などのゲート電極を構成する金属膜を形成すると、しきい値電圧Vthのバラツキが小さく、成膜速度によりしきい値電圧Vthのバラツキが異なることがわかる。このように、本発明では、ゲート電極を構成するチタン膜やプラチナ膜の成膜にEB蒸着法を使用することにより、実際に用いる熱処理後のしきい値電圧Vthのバラツキを極めて小さく出来ることを見出している。 Therefore, in the present invention, for the purpose of reducing damage when forming the metal film, a Pt / Ti / SiO 2 / Si laminated structure is formed by EB (electron beam) evaporation instead of sputtering. Yes. In this case, a Si-MOSFET type gas sensor in which titanium or platinum is continuously formed by the EB vapor deposition method is manufactured, and the distribution of the threshold voltage Vth of the Si-MOSFET type gas sensor on the wafer surface and the lot-to-lot dependency are investigated. saw. Then, the variation of the threshold voltage Vth is smaller when the titanium film or the platinum film is formed by the EB vapor deposition method than when the titanium film or the platinum film is formed by the sputtering method, and the threshold voltage Vth varies depending on the growth rate. I have found that the variation is different. For example, FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the deposition rate and the variation in threshold voltage when a metal film such as a titanium film or a platinum film is formed by the EB vapor deposition method. As shown in FIG. 7, when a metal film constituting a gate electrode such as a titanium film or a platinum film is formed by the EB vapor deposition method, the variation in the threshold voltage Vth is small, and the variation in the threshold voltage Vth depends on the deposition rate. Are different. As described above, in the present invention, by using the EB vapor deposition method for forming the titanium film or platinum film constituting the gate electrode, the variation in the threshold voltage Vth after the heat treatment actually used can be extremely reduced. Heading.

続いて、本実施の形態1におけるSi−MOSFET型のガスセンサの製造方法について説明する。Si−MOSFET型のガスセンサの製造方法自体はすでに良く理解されている技術であるので、本実施の形態1では、本発明の主要部分であるゲート構造を製造する工程と、酸素雰囲気中でのアニール処理する工程を中心に説明する。本実施の形態1では、ゲート長(Lg)が20μmでゲート幅(Wg)が300μmのnチャネル型MOSFETを製造している。以下にこの製造方法について図8を参照しながら説明する。   Then, the manufacturing method of the Si-MOSFET type gas sensor in this Embodiment 1 is demonstrated. Since the manufacturing method itself of the Si-MOSFET type gas sensor itself is a well-understood technique, in the first embodiment, a process for manufacturing a gate structure, which is a main part of the present invention, and annealing in an oxygen atmosphere are performed. The process will be described mainly. In the first embodiment, an n-channel MOSFET having a gate length (Lg) of 20 μm and a gate width (Wg) of 300 μm is manufactured. This manufacturing method will be described below with reference to FIG.

まず、図8に示すように、p型不純物を導入した半導体基板10に局所分離領域11、11aを形成する。この局所分離領域11、11aは、ゲート電極形成領域を定義するため、局所酸化を行って、例えば膜厚が250nmの酸化シリコン膜から形成される。次に、半導体基板10の表面にn型チャネル領域を形成するため、不純物のイオン注入をドーズ量10×1011/cmで行う。その後、半導体基板10内にソース領域12とドレイン領域13となるn型半導体領域を形成するためのイオン注入を行ないSi−MOSFETの能動層を形成する。 First, as shown in FIG. 8, local isolation regions 11 and 11a are formed in a semiconductor substrate 10 into which p-type impurities are introduced. The local isolation regions 11 and 11a are formed from a silicon oxide film having a thickness of, for example, 250 nm by performing local oxidation in order to define a gate electrode formation region. Next, in order to form an n-type channel region on the surface of the semiconductor substrate 10, impurity ion implantation is performed at a dose of 10 × 10 11 / cm 2 . Thereafter, ion implantation for forming n + type semiconductor regions to be the source region 12 and the drain region 13 is performed in the semiconductor substrate 10 to form an active layer of the Si-MOSFET.

続いて、半導体基板10(ウェハ)に対して前処理を実施した後、半導体基板10の表面に膜厚が18nmのゲート絶縁膜14を形成する。このゲート絶縁膜14は、例えば、酸化シリコン膜から形成され、酸素雰囲気中の熱酸化法により形成することができる。その後、例えば、リフトオフ法により、ゲート絶縁膜14上にゲート電極15を形成する。ゲート電極15は、この段階では、ゲート絶縁膜14上に形成されたチタン膜と、チタン膜上に形成されたプラチナ膜との積層膜から構成される。チタン膜の膜厚は、例えば、5nmであり、プラチナ膜の膜厚は、例えば、15nmである。このとき、図8に示すように、ゲート電極15の形成領域を規定する局所分離領域11に合わせてソース領域12とドレイン領域13を構成するn型半導体領域を形成されている。そして、ゲート電極15は、ゲート絶縁膜14上だけでなく、局所分離領域11の淵上を覆うように形成され、ゲート電極15の端部がn型半導体領域の端部上と重なるように配置される。これは、本実施の形態1では、Si−MOSFETの形成方法として主流であるゲート電極15に対して自己整合的にn型半導体領域を形成する技術が使えないからである。ゲート電極15を構成するチタン膜とプラチナ膜は電子線照射蒸着法(EB蒸着法)で形成し、その成膜速度は1Å/sである。 Subsequently, after pre-processing the semiconductor substrate 10 (wafer), a gate insulating film 14 having a film thickness of 18 nm is formed on the surface of the semiconductor substrate 10. The gate insulating film 14 is formed of, for example, a silicon oxide film, and can be formed by a thermal oxidation method in an oxygen atmosphere. Thereafter, the gate electrode 15 is formed on the gate insulating film 14 by, for example, a lift-off method. At this stage, the gate electrode 15 is composed of a laminated film of a titanium film formed on the gate insulating film 14 and a platinum film formed on the titanium film. The thickness of the titanium film is, for example, 5 nm, and the thickness of the platinum film is, for example, 15 nm. At this time, as shown in FIG. 8, n + type semiconductor regions constituting the source region 12 and the drain region 13 are formed in accordance with the local isolation region 11 that defines the formation region of the gate electrode 15. The gate electrode 15 is formed so as to cover not only the gate insulating film 14 but also the top of the local isolation region 11, and is arranged so that the end of the gate electrode 15 overlaps the end of the n + type semiconductor region. Is done. This is because the first embodiment cannot use a technique for forming an n + -type semiconductor region in a self-aligned manner with respect to the main gate electrode 15 as a Si-MOSFET formation method. The titanium film and the platinum film constituting the gate electrode 15 are formed by an electron beam irradiation vapor deposition method (EB vapor deposition method), and the deposition rate is 1 Å / s.

次に、高純度の空気中(酸素を含む雰囲気中)において、熱処理温度が400℃で熱処理時間が2時間であるアニール処理(熱処理)を実施することにより、図1に示す本実施の形態1の特徴であるゲート構造(積層構造)を実現することができる。すなわち、この熱処理により、チタンがプラチナの結晶粒界を通って外部に抜けだし、かつ、酸素がプラチナの結晶粒界を通ってチタン膜に侵入する現象が発現して図1に示すゲート構造が形成される。この結果、金属であったチタン膜に酸素がドープされて、電気的には抵抗が上がり、かつ、部分的にはチタン酸化物になることにより、チタン膜のキャリア(電子)が実質的になくなるほど激減して水素ガスなどの応答を邪魔しなくなる。その一方で、チタン膜は金属でなければよく、チタンが粒界に侵入することで、プラチナの微結晶間の相互の接着性が向上する。さらには、酸素がプラチナの微結晶間(粒界領域)を通り、かつ、酸素の一部が粒界領域近傍に留まることで、水素ガスの通り道(粒界領域)が太くなる結果、ガスセンサの応答感度がよくなり、かつ、応答速度も速くなるのである。   Next, in the high-purity air (in an atmosphere containing oxygen), the annealing process (heat treatment) in which the heat treatment temperature is 400 ° C. and the heat treatment time is 2 hours is performed, so that the first embodiment shown in FIG. The gate structure (laminated structure) that is the feature of the above can be realized. That is, the heat treatment causes the titanium to escape to the outside through the crystal grain boundary of platinum and the phenomenon that oxygen enters the titanium film through the crystal grain boundary of platinum. It is formed. As a result, the titanium film, which was a metal, is doped with oxygen to increase the electrical resistance and partially become titanium oxide, thereby substantially eliminating the carrier (electrons) of the titanium film. It decreases so much that it does not disturb the response of hydrogen gas. On the other hand, the titanium film only needs to be a metal, and the penetration of titanium into the grain boundary improves the mutual adhesion between platinum microcrystals. Furthermore, oxygen passes between platinum microcrystals (grain boundary region) and a part of oxygen stays in the vicinity of the grain boundary region, so that the hydrogen gas passage (grain boundary region) becomes thicker. The response sensitivity is improved and the response speed is also increased.

その後、図8に示すように、ゲート電極15上を含む半導体基板10上にPSG(リンドープガラス)からなる絶縁膜16を形成する。そして、この絶縁膜16を貫通するコンタクトホールを形成し、表面処理などの工程を経る。絶縁膜16の膜厚は、500nmとした。通常、絶縁膜16の膜厚は、400nm〜1000nmの範囲で選ぶことが多い。そして、コンタクトホール内を含む絶縁膜16上にシリコンを含有するアルミニウム(Al)膜からなるソース電極17およびドレイン電極18を形成する。ソース電極17およびドレイン電極18の膜厚は、例えば、500nmである。図8には図示していないが、ゲート電極15の引き出し電極やチップを加熱するヒータとして、ソース電極17やドレイン電極18と同じシリコンを含有するアルミニウム膜から形成されるアルミニウム配線も形成される。このアルミニウム配線の配線幅は、例えば、10μmであり、配線長は29000μmである。   Thereafter, as shown in FIG. 8, an insulating film 16 made of PSG (phosphorus doped glass) is formed on the semiconductor substrate 10 including the gate electrode 15. Then, a contact hole penetrating the insulating film 16 is formed, and a process such as surface treatment is performed. The film thickness of the insulating film 16 was 500 nm. Usually, the thickness of the insulating film 16 is often selected in the range of 400 nm to 1000 nm. Then, a source electrode 17 and a drain electrode 18 made of an aluminum (Al) film containing silicon are formed on the insulating film 16 including the inside of the contact hole. The film thickness of the source electrode 17 and the drain electrode 18 is, for example, 500 nm. Although not shown in FIG. 8, an aluminum wiring formed of an aluminum film containing the same silicon as the source electrode 17 and the drain electrode 18 is also formed as a lead electrode for the gate electrode 15 and a heater for heating the chip. The wiring width of the aluminum wiring is, for example, 10 μm, and the wiring length is 29000 μm.

続いて、アルミニウム配線上に保護膜として機能する絶縁膜19を半導体基板10上に形成する。この絶縁膜19は、例えば、窒化シリコン膜から形成され、低温プラズマCVD法によって形成することができる。絶縁膜19の膜厚は、例えば、700nmである。最後に、ボンディングワイヤと接続するために電極パッド(図示せず)上に開口部を形成し、かつ、図8に示すようにセンサ部であるゲート電極15を露出するように開口部を形成する。このようにして、本実施の形態1におけるSi−MOSFET型のガスセンサを形成することができる。   Subsequently, an insulating film 19 functioning as a protective film is formed on the semiconductor substrate 10 on the aluminum wiring. The insulating film 19 is made of, for example, a silicon nitride film and can be formed by a low temperature plasma CVD method. The film thickness of the insulating film 19 is 700 nm, for example. Finally, an opening is formed on an electrode pad (not shown) for connection to the bonding wire, and an opening is formed so as to expose the gate electrode 15 as the sensor as shown in FIG. . In this way, the Si-MOSFET type gas sensor according to the first embodiment can be formed.

本実施の形態1では、ゲート絶縁膜14に酸化シリコン膜を使用しているが、この酸化シリコン膜上に酸化タンタル(Ta)膜、酸化アルミニウム(Al)膜や窒化シリコン(Si)膜などの絶縁膜を形成してもよい。この工程後、ゲート電極15を構成するチタン膜とプラチナ膜からなる積層膜を形成し、その後は上述した工程と同様の工程を経て、本実施の形態1におけるSi−MOSFET型のガスセンサを形成してもよい。例えば、ゲート絶縁膜14とゲート電極15の間に酸化タンタル膜などを形成することで、水素ガス照射を切った後にガスセンサから水素が抜ける過程を迅速にすることができる。つまり、ゲート絶縁膜14上に酸化タンタル膜などを形成することにより、ゲート絶縁膜(酸化シリコン膜)中に存在するトラップ準位から水素が抜け出る時定数を早くすることができる効果が得られる。この結果、ガスセンサにおける水素応答のテール残りを充分に除去することができる。 In the first embodiment, a silicon oxide film is used as the gate insulating film 14, but a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) film, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film, or silicon nitride is formed on the silicon oxide film. An insulating film such as a (Si 3 N 4 ) film may be formed. After this process, a laminated film composed of a titanium film and a platinum film constituting the gate electrode 15 is formed, and thereafter, the Si-MOSFET type gas sensor in the first embodiment is formed through the same process as described above. May be. For example, by forming a tantalum oxide film or the like between the gate insulating film 14 and the gate electrode 15, it is possible to speed up the process of removing hydrogen from the gas sensor after the hydrogen gas irradiation is turned off. That is, by forming a tantalum oxide film or the like on the gate insulating film 14, an effect can be obtained that the time constant at which hydrogen escapes from the trap level existing in the gate insulating film (silicon oxide film) can be increased. As a result, the tail residue of the hydrogen response in the gas sensor can be sufficiently removed.

また、高純度空気中において、熱処理温度が400℃で熱処理時間が2時間のアニール処理は、ゲート電極15の形成直後に行なわなくてもよく、ガスセンサの製造工程が完了した後に実施することもできる。しかし、ガスセンサの製造工程が終了した後に400℃で2時間のアニール処理を行うと、アルミニウム配線からなる電極パッドの表面が酸化されたり、アルミニウム自身がシリコン酸化物と反応する。このため、電極パッドと接続するワイヤとの接着性などが弱まる問題が生じやすく、さらには、保護膜である絶縁膜19にクラックが発生して信頼性を損なうおそれがある。例えば、長時間(2400時間)の温度加熱試験や高温高湿(85℃95%湿度)試験において、ガスセンサの製造工程が完了した後に熱処理温度が400℃で熱処理時間が2時間のアニール処理を行なうと、保護膜である絶縁膜19にクラックが発生したり、電極パッドに由来する不良が発生した。これに対し、上述したアニール処理をゲート電極15の形成直後に行なった場合には、ガスセンサの不良は起こらなかった。したがって、熱処理温度が400℃で熱処理時間が2時間のアニール処理は、本実施の形態1で説明したように、ゲート電極15の形成直後に行なうことが望ましい。   Further, in high-purity air, the annealing process at a heat treatment temperature of 400 ° C. and a heat treatment time of 2 hours may not be performed immediately after the formation of the gate electrode 15 but may be performed after the gas sensor manufacturing process is completed. . However, when annealing is performed at 400 ° C. for 2 hours after the gas sensor manufacturing process is completed, the surface of the electrode pad made of aluminum wiring is oxidized, or aluminum itself reacts with silicon oxide. For this reason, the problem that the adhesiveness with the wire connected to the electrode pad is weakened easily occurs, and further, the insulating film 19 as a protective film may be cracked to deteriorate the reliability. For example, in a long-term (2400 hours) temperature heating test or high-temperature and high-humidity (85 ° C. and 95% humidity) test, after the gas sensor manufacturing process is completed, annealing is performed at a heat treatment temperature of 400 ° C. and a heat treatment time of 2 hours. As a result, cracks occurred in the insulating film 19 serving as a protective film, and defects derived from the electrode pads occurred. On the other hand, when the annealing treatment described above was performed immediately after the formation of the gate electrode 15, no gas sensor defect occurred. Therefore, it is desirable to perform the annealing process at a heat treatment temperature of 400 ° C. and a heat treatment time of 2 hours immediately after the formation of the gate electrode 15 as described in the first embodiment.

本実施の形態1に示すSi−MOSFET型のガスセンサにおいては、アルミニウム膜を使用して配線や電極(ソース電極17、ドレイン電極18)を形成する例を説明したが、本実施の形態1の変形例では、配線の信頼性を向上する目的で、金膜を使用した配線とシリコンへのオーミックコンタクトを確実にとる例について図9を参照しながら説明する。本変形例において、絶縁膜16にコンタクトホールを形成するまでの工程は、図8に示す本実施の形態1と同様である。   In the Si-MOSFET type gas sensor shown in the first embodiment, an example in which wirings and electrodes (source electrode 17 and drain electrode 18) are formed using an aluminum film has been described. In the example, for the purpose of improving the reliability of the wiring, an example in which the ohmic contact to the wiring using the gold film and the silicon is surely described will be described with reference to FIG. In this modification, the process until the contact hole is formed in the insulating film 16 is the same as that of the first embodiment shown in FIG.

続いて、コンタクトホール内を含む絶縁膜16上にモリブデン膜(100nm)、金膜(500nm)、モリブデン膜(10nm)を順次形成する。このとき、モリブデン膜(100nm)は、EB蒸着法で形成し、最後に、スパッタリング法で金膜(500nm)とモリブデン膜(10nm)を形成する。そして、これらの積層膜をパターニングすることにより、図9に示すソース電極17(ドレイン電極18は図示せず)と配線20を形成する。金はシリコン中を比較的低温でも拡散する影響があるので、バリアメタルとしてモリブデン膜(100nm)を使用している。この場合、配線20などを形成した後に加熱処理を行なうと、例えば、ソース電極17と半導体基板10の接触領域に、モリブデンとシリコンの合金膜であるモリブデンシリサイド(MoSi)膜21を形成することができる。モリブデン膜(100nm)は金のシリコンへの拡散を抑制するバリア膜として機能する。モリブデン膜(10nm)は絶縁膜19との接着性を良くするために挿入されている。このモリブデン膜(100nm)、金膜(500nm)、モリブデン膜(10nm)からなる配線20はパッド部分にも用いているので、パッド部分の形成時には、表面に出るモリブデン膜(10nm)を除去する。この場合、チップと実装基板のつなぎ方は、金線によるボンディングが錆防止やパッド部分との接着性を上げるため、金線を用いている。   Subsequently, a molybdenum film (100 nm), a gold film (500 nm), and a molybdenum film (10 nm) are sequentially formed on the insulating film 16 including the inside of the contact hole. At this time, the molybdenum film (100 nm) is formed by EB vapor deposition, and finally, a gold film (500 nm) and a molybdenum film (10 nm) are formed by sputtering. Then, by patterning these laminated films, the source electrode 17 (the drain electrode 18 is not shown) and the wiring 20 shown in FIG. 9 are formed. Since gold has an effect of diffusing in silicon even at a relatively low temperature, a molybdenum film (100 nm) is used as a barrier metal. In this case, when heat treatment is performed after the wiring 20 or the like is formed, for example, a molybdenum silicide (MoSi) film 21 that is an alloy film of molybdenum and silicon may be formed in a contact region between the source electrode 17 and the semiconductor substrate 10. it can. The molybdenum film (100 nm) functions as a barrier film that suppresses diffusion of gold into silicon. The molybdenum film (10 nm) is inserted in order to improve the adhesiveness with the insulating film 19. Since the wiring 20 comprising the molybdenum film (100 nm), the gold film (500 nm), and the molybdenum film (10 nm) is also used for the pad portion, the molybdenum film (10 nm) that appears on the surface is removed when the pad portion is formed. In this case, the method of connecting the chip and the mounting substrate uses a gold wire because bonding with the gold wire prevents rust and improves the adhesion to the pad portion.

ソース電極17と半導体基板10の間にモリブデンシリサイド膜21を形成することにより、ソース電極17と半導体基板10とのオーミックコンタクトを確実にとることができる。このように配線材料として金膜を使用する構造では、配線材料としてアルミニウム膜を使用する構造に比べて高価になるが、耐湿性や耐酸化性に優れている。このことから、配線の信頼性を確保する観点からは配線に金膜を使用し、コストを低減する観点からは配線にアルミニウム膜を使用するというように配線材料を使い分けることができる。   By forming the molybdenum silicide film 21 between the source electrode 17 and the semiconductor substrate 10, an ohmic contact between the source electrode 17 and the semiconductor substrate 10 can be ensured. As described above, the structure using the gold film as the wiring material is more expensive than the structure using the aluminum film as the wiring material, but is excellent in moisture resistance and oxidation resistance. From this, it is possible to use different wiring materials, such as using a gold film for the wiring from the viewpoint of ensuring the reliability of the wiring and using an aluminum film for the wiring from the viewpoint of reducing the cost.

次に、本実施の形態1とその変形例で開示したSi−MOSFET型のガスセンサにおいて、水素応答強度のアニール温度依存性について説明する。図10は、チタン膜の膜厚を5nm、プラチナ膜の膜厚を15nmにそれぞれ固定し、かつ、空気中でのアニール時間を2時間に固定した状態での水素応答強度ΔVgとアニール温度との関係を示す図である。また、図11は、アニール温度を400℃に固定した状態での水素応答強度ΔVgとアニール時間との関係を示す図である。図10に示すように、アニール温度としては、350℃〜500℃までの温度範囲で良好な水素応答強度ΔVgを得ることができることがわかる。なお、図10において、室温から300℃までのデータは、素子作製工程での熱工程が異なるウェハ間のバラツキを生んだと理解している。また、図11に示すように、アニール温度を400℃とする場合には、アニール時間を、例えば、20分以上にすることにより、良好な水素応答強度ΔVgを得ることができることがわかる。   Next, the annealing temperature dependence of the hydrogen response strength in the Si-MOSFET type gas sensor disclosed in the first embodiment and its modification will be described. FIG. 10 shows the relationship between the hydrogen response intensity ΔVg and the annealing temperature in a state where the thickness of the titanium film is fixed to 5 nm and the thickness of the platinum film is fixed to 15 nm, and the annealing time in air is fixed to 2 hours. It is a figure which shows a relationship. FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the hydrogen response intensity ΔVg and the annealing time in a state where the annealing temperature is fixed at 400 ° C. As shown in FIG. 10, it can be seen that a good hydrogen response strength ΔVg can be obtained in the temperature range from 350 ° C. to 500 ° C. as the annealing temperature. In FIG. 10, it is understood that the data from room temperature to 300 ° C. produced variations between wafers in different thermal processes in the element manufacturing process. Further, as shown in FIG. 11, when the annealing temperature is set to 400 ° C., it can be seen that a good hydrogen response strength ΔVg can be obtained by setting the annealing time to, for example, 20 minutes or more.

続いて、4枚の異なるウェハ(#1−#4)について、空気で希釈した3種類の水素濃度ガスについての水素応答電圧を調べた。図12は、4枚の異なるウェハにおいて、水素濃度と水素応答電圧との関係をそれぞれ示す図である。図12に示す結果から、通例のプラチナをゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサに比べて、はるかに高感度であり、通例のパラジウムをゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサの性能をも凌駕している。特に、本実施の形態1における水素ガスセンサでは、1000ppmと10000ppmの水素濃度での応答速度は1〜2秒と高速であることがわかった。   Subsequently, for four different wafers (# 1- # 4), the hydrogen response voltages for three types of hydrogen concentration gases diluted with air were examined. FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the hydrogen concentration and the hydrogen response voltage in four different wafers. From the results shown in FIG. 12, the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using the conventional palladium as the gate electrode is much more sensitive than the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using the usual platinum as the gate electrode. It surpasses the performance of. In particular, in the hydrogen gas sensor according to the first embodiment, it has been found that the response speed at hydrogen concentrations of 1000 ppm and 10000 ppm is as high as 1 to 2 seconds.

次に、本実施の形態1および変形例のガスセンサにおいて、MOSFET特性のウェハ面内分布や、ロット間やウェハ間におけるMOSFET特性の再現性や均一性について説明する。図13は、水素ガスセンサを構成するMOSFETの100℃における電流電圧特性を示す図である。図13では、高純度空気中において、熱処理する前の状態の5インチウェハ内で、しきい値電圧Vthが大きく離れた2つのMOSFETの特性を示している。両者におけるしきい値電圧Vthの差は300mV程度である。   Next, in the gas sensor of the first embodiment and the modified example, the distribution of MOSFET characteristics in the wafer surface, and the reproducibility and uniformity of the MOSFET characteristics between lots and between wafers will be described. FIG. 13 is a diagram showing current-voltage characteristics at 100 ° C. of a MOSFET constituting the hydrogen gas sensor. FIG. 13 shows the characteristics of two MOSFETs in which the threshold voltage Vth is far apart in high-purity air in a 5-inch wafer in a state before heat treatment. The difference in threshold voltage Vth between them is about 300 mV.

図14は熱処理後のロットの異なる2個のウェハ(#2、#3)におけるしきい値電圧Vthの面内分布と再現性を示す図である。図14からわかるように、しきい値電圧Vthのバラツキは178mVと非常に小さく再現性も極めてよい。このしきい値電圧Vthのバラツキは図7と図13に示すアニール前のしきい値電圧のバラツキに比べても2倍以上優れていることがわかる。これは、アニール処理によりチタン膜が酸素ドープチタン膜に変わったことで、熱的にも安定なプラチナがしきい値電圧Vthを支配できるようになった効果であると理解している。また、図15は、1000ppmの空気希釈水素ガスに対する規格化水素応答出力の面内分布を示す図である。図15に示すように、本実施の形態1における水素ガスセンサによれば、非常に均一な面内分布を得ることができることがわかる。   FIG. 14 is a diagram showing in-plane distribution and reproducibility of the threshold voltage Vth in two wafers (# 2, # 3) having different lots after the heat treatment. As can be seen from FIG. 14, the variation of the threshold voltage Vth is as small as 178 mV, and the reproducibility is very good. It can be seen that the variation in the threshold voltage Vth is more than twice as great as the variation in the threshold voltage before annealing shown in FIGS. This is understood to be the effect that the thermally stable platinum can control the threshold voltage Vth by changing the titanium film to the oxygen-doped titanium film by the annealing treatment. FIG. 15 is a diagram showing the in-plane distribution of the normalized hydrogen response output with respect to 1000 ppm of air diluted hydrogen gas. As shown in FIG. 15, according to the hydrogen gas sensor in the first embodiment, it can be seen that a very uniform in-plane distribution can be obtained.

これまでは、チタン膜の膜厚を5nm、プラチナ膜の膜厚を15nmに固定して水素ガスセンサの特性を評価したが、続いて、チタン膜とプラチナ膜の膜厚を変化させて水素ガスセンサの特性を評価した結果について説明する。図16および図17は、チタン膜とプラチナ膜の膜厚を変化させるとともに、400℃でのアニール時間を変えて1000ppmの空気希釈水素ガスに対する水素応答電圧を調べた結果を示す図である。図16および図17に示すように、水素応答があるのは、チタン膜の膜厚では1nm以上10nm以下であり、プラチナ膜の膜厚では1nm以上30nm以下であることがわかる。   Until now, the thickness of the titanium film was fixed to 5 nm and the thickness of the platinum film was fixed to 15 nm, and the characteristics of the hydrogen gas sensor were evaluated. Subsequently, the thickness of the titanium film and the platinum film was changed to change the thickness of the hydrogen gas sensor. The result of evaluating the characteristics will be described. 16 and 17 are diagrams showing the results of examining the hydrogen response voltage with respect to 1000 ppm air-diluted hydrogen gas while changing the film thickness of the titanium film and the platinum film and changing the annealing time at 400 ° C. FIG. As shown in FIGS. 16 and 17, it can be seen that the hydrogen response is 1 nm to 10 nm in the thickness of the titanium film and 1 nm to 30 nm in the thickness of the platinum film.

以上のように、本実施の形態1では製造工程中にゲート電極を構成するプラチナ膜の下層にチタン膜を形成しているSi−MOSFET型の水素ガスセンサについて説明しているが、チタン膜の代わりに、タングステン(W)膜、モリブデン(Mo)膜、タンタル(Ta)膜、ニオブ(Nb)膜、クロム(Cr)膜などを用いても本実施の形態1で説明したのと同様の手法により高信頼性、かつ、高感度の水素ガスセンサを形成できることは言うまでもない。   As described above, the first embodiment describes the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor in which the titanium film is formed under the platinum film constituting the gate electrode during the manufacturing process. Even if a tungsten (W) film, a molybdenum (Mo) film, a tantalum (Ta) film, a niobium (Nb) film, a chromium (Cr) film, or the like is used, the same method as described in the first embodiment is used. Needless to say, a highly reliable and highly sensitive hydrogen gas sensor can be formed.

(実施の形態2)
本実施の形態2では、プラチナ微結晶間に、結晶粒界ではなく、実際に隙間が形成されることを利用して、水素ガス以外のアンモニアやエタノールガスに反応するガス選択性の高いSi−MOSFET型のガスセンサについて説明する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, Si-- having high gas selectivity that reacts with ammonia or ethanol gas other than hydrogen gas by utilizing the fact that gaps are actually formed between platinum microcrystals, not crystal grain boundaries. A MOSFET type gas sensor will be described.

図18は、プラチナをゲート電極に使用しているSi−MOSFET型のガスセンサにおいて、ガス選択性の高いガスセンサを実現するゲート構造を模式的に示す図である。図18において、シリコンよりなる半導体基板1上に酸化シリコン膜2が形成されている。そして、酸化シリコン膜2上に酸化チタン膜22が形成されている。この酸化チタン膜22は、作製条件により、ルチル構造をした酸化チタン微結晶からなる薄膜、ルチル構造に加えアナターゼ構造が混じる酸化チタン微結晶からなる薄膜、あるいは、酸素ドープチタン膜が混じる酸化チタン微結晶の薄膜である。   FIG. 18 is a diagram schematically showing a gate structure for realizing a gas sensor with high gas selectivity in a Si-MOSFET type gas sensor using platinum as a gate electrode. In FIG. 18, a silicon oxide film 2 is formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon. A titanium oxide film 22 is formed on the silicon oxide film 2. The titanium oxide film 22 may be a thin film made of a titanium oxide microcrystal having a rutile structure, a thin film made of a titanium oxide microcrystal mixed with an anatase structure in addition to a rutile structure, or a titanium oxide fine film mixed with an oxygen-doped titanium film, depending on manufacturing conditions. It is a thin film of crystals.

本実施の形態2におけるガスセンサのゲート構造の特徴は、(111)方向に配向したプラチナ微結晶23間の粒界領域が消出し、プラチナ微結晶23間に隙間23aが形成されている点である。実用的には、プラチナ微結晶23間に形成される隙間23aの幅は数nmから数10nmであることが望ましい。   The feature of the gate structure of the gas sensor in the second embodiment is that the grain boundary region between the platinum microcrystals 23 oriented in the (111) direction disappears and a gap 23 a is formed between the platinum microcrystals 23. . Practically, the width of the gap 23a formed between the platinum microcrystals 23 is desirably several nm to several tens of nm.

図19は、Pt/Ti/SiO/Siの構造を空気中において800℃の熱処理温度で30分の熱処理時間のアニール処理を行ったときの断面TEM写真と、アニール処理前のPt/Ti/SiO/Siの構造を写真の右側領域に示す図である。図19に示す断面TEM写真から、アニール処理後、チタン膜の膜厚とプラチナ膜の膜厚が大きく変化していることがわかる。このとき、チタン膜はX線回折からほぼTiO(ルチル構造)の結晶であることが分かっている。プラチナ膜のモフォロジーも図2に示す400℃の熱処理温度で2時間の熱処理時間のアニール処理後のゲート構造とは大きく異なっていることがわかる。 FIG. 19 shows a cross-sectional TEM photograph of the structure of Pt / Ti / SiO 2 / Si when annealed in air at a heat treatment temperature of 800 ° C. for a heat treatment time of 30 minutes, and Pt / Ti / before annealing. it is a diagram showing a structure of SiO 2 / Si in the right area of the photograph. It can be seen from the cross-sectional TEM photograph shown in FIG. 19 that the film thickness of the titanium film and the film thickness of the platinum film change greatly after the annealing treatment. At this time, it is known from the X-ray diffraction that the titanium film is almost a TiO 2 (rutile structure) crystal. It can be seen that the morphology of the platinum film is also significantly different from the gate structure after annealing with a heat treatment time of 2 hours at a heat treatment temperature of 400 ° C. shown in FIG.

続いて、図18を参照しながら本実施の形態2におけるガスセンサの動作原理について説明する。センサ応答のメカニズムはSensors and Actuators, B1(1990)15-20(非特許文献2)やその参照文献で議論されているように、アンモニアガスなどが島状のプラチナ微結晶23の表面に付着し、プラチナ微結晶23の表面電位φsを変化させる。これにより、プラチナ微結晶23と酸化シリコン膜2の表面にプラチナの存在しない間隙領域(隙間23a)との間の電気容量C、間隙領域とチャネル領域1aとの間の電気容量C、プラチナ微結晶23とチャネル領域1aとの間の電気容量Cの容量系に対して、電気容量Cと電気容量Cが直列に入り、電気容量Cとは並列に構成されている。このため、表面電位φsの変化量Δφsとの間にΔV=ΔφsC・C/[C・C+ C(C+C)]の関係があり、ガス吸着に対してゲート電位の変化ΔVを観測できる。このようにして、本実施の形態2におけるガスセンサはガス濃度をゲート電位の変化ΔVとして検出することができる。つまり、本実施の形態2におけるガスセンサは、上述した動作原理からプラチナ微結晶の表面電位を変化させるガスであれば検出することができることを意味し、ガス選択性の高いガスセンサであることがわかる。なお、図18に示す隙間23aには、製造工程で絶縁材料が形成される場合があるが、その場合でもガスセンサとしては上述した動作によりガス濃度を検知することができる。 Next, the operation principle of the gas sensor according to the second embodiment will be described with reference to FIG. As discussed in Sensors and Actuators, B1 (1990) 15-20 (Non-Patent Document 2) and its references, the mechanism of sensor response is that ammonia gas or the like adheres to the surface of island-like platinum microcrystals 23. The surface potential φs of the platinum microcrystal 23 is changed. As a result, the capacitance C S between the platinum microcrystal 23 and the gap region (gap 23a) where platinum does not exist on the surface of the silicon oxide film 2, the capacitance C E between the gap region and the channel region 1a, platinum With respect to the capacitance system of the capacitance C M between the microcrystal 23 and the channel region 1a, the capacitance C S and the capacitance C E enter in series, and the capacitance C M is configured in parallel. Therefore, there is a relationship of ΔV = Δφs C S · C E / [C S · C E + C M (C S + C E )] between the change amount Δφs of the surface potential φs, and the gate potential with respect to gas adsorption. Change ΔV can be observed. In this way, the gas sensor according to the second embodiment can detect the gas concentration as the change ΔV in the gate potential. In other words, the gas sensor according to the second embodiment means that any gas that changes the surface potential of platinum microcrystals can be detected from the operation principle described above, and it can be seen that the gas sensor has high gas selectivity. Note that an insulating material may be formed in the gap 23a shown in FIG. 18 in the manufacturing process, but even in that case, the gas concentration can be detected by the above-described operation as the gas sensor.

次に、本実施の形態2におけるSi−MOSFET型のガスセンサの製造方法について説明する。前記実施の形態1と本実施の形態2に共通する部分については、詳しく言及せず、本実施の形態2に直接関係する部分を中心に説明する。本実施の形態2では、前記実施の形態1と同様に、ゲート長(Lg)が20μmでゲート幅(Wg)が300μmのnチャネル型MOSFETを製造している。以下にこの製造方法について図20〜図22を参照しながら説明する。図20〜図22中に記載されている符号のうち図8と同じ符号は、同じ構成要素を示している。   Next, a manufacturing method of the Si-MOSFET type gas sensor according to the second embodiment will be described. The portions common to the first embodiment and the second embodiment will not be described in detail, and the portions directly related to the second embodiment will be mainly described. In the second embodiment, similar to the first embodiment, an n-channel MOSFET having a gate length (Lg) of 20 μm and a gate width (Wg) of 300 μm is manufactured. This manufacturing method will be described below with reference to FIGS. 20 to 22, the same reference numerals as those in FIG. 8 indicate the same components.

まず、図20において、半導体基板10上に局所分離領域11、11aを形成し、イオン注入によりソース領域12およびドレイン領域13であるMOSFETの能動層を形成する工程までは前記実施の形態1と同じである。   First, in FIG. 20, the steps up to the step of forming local isolation regions 11 and 11a on a semiconductor substrate 10 and forming active layers of MOSFETs as source region 12 and drain region 13 by ion implantation are the same as those in the first embodiment. It is.

続いて、半導体基板10(ウェハ)に対して前処理を実施した後、半導体基板10の表面に膜厚が18nmのゲート絶縁膜14を形成する。このゲート絶縁膜14は、例えば、酸化シリコン膜から形成され、酸素雰囲気中の熱酸化法により形成することができる。その後、電子ビーム照射によるEB蒸着法により、半導体基板10の全面上にチタン膜とプラチナ膜からなる積層膜24を形成する。このとき、チタン膜の膜厚は5nmであり、プラチナ膜の膜厚は15nmである。そして、チタン膜とプラチナ膜の成膜速度は、1Å/sである。   Subsequently, after pre-processing the semiconductor substrate 10 (wafer), a gate insulating film 14 having a film thickness of 18 nm is formed on the surface of the semiconductor substrate 10. The gate insulating film 14 is formed of, for example, a silicon oxide film, and can be formed by a thermal oxidation method in an oxygen atmosphere. Thereafter, a laminated film 24 composed of a titanium film and a platinum film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10 by EB vapor deposition by electron beam irradiation. At this time, the thickness of the titanium film is 5 nm, and the thickness of the platinum film is 15 nm. The deposition rate of the titanium film and the platinum film is 1 Å / s.

次に、図21に示すように、高純度空気中において、熱処理温度が650℃で、熱処理時間が20分のアニール処理を行って積層膜24を薄膜25に変化させる。薄膜25は、プラチナ微結晶間の隙間(5nm程度)と無数の孔(5nm程度)が形成された構造をしている。この薄膜25を形成する条件と同じ条件で形成したダミーのべた膜をX線で評価するとチタン膜はルチル構造の酸化チタンにアナターゼ構造の酸化チタンが少し混じる構造に変化していた。その後、図22に示すように、フォトリソグラフィ技術により、ゲート電極26と取り出し電極(図示せず)を残す一方、イオンミリング法により、不要なプラチナと酸化チタン膜を除去する。酸化チタン膜は、電気伝導度が極めて低い状態の場合、表面保護膜として残しておく方法もあるが、本実施の形態2では、ゲート電極26の形成領域以外の不要な酸化チタン膜を除去している。これにより、図18に示すゲート構造を実現することができる。   Next, as shown in FIG. 21, annealing is performed at a heat treatment temperature of 650 ° C. and a heat treatment time of 20 minutes in high-purity air to change the laminated film 24 into a thin film 25. The thin film 25 has a structure in which gaps between platinum microcrystals (about 5 nm) and innumerable holes (about 5 nm) are formed. When a dummy solid film formed under the same conditions as those for forming the thin film 25 is evaluated by X-ray, the titanium film is changed to a structure in which a titanium oxide having an anatase structure is slightly mixed with a titanium oxide having a rutile structure. Thereafter, as shown in FIG. 22, while leaving the gate electrode 26 and the extraction electrode (not shown) by photolithography, unnecessary platinum and titanium oxide films are removed by ion milling. Although there is a method in which the titanium oxide film is left as a surface protective film when the electrical conductivity is extremely low, in Embodiment 2, unnecessary titanium oxide film other than the formation region of the gate electrode 26 is removed. ing. Thereby, the gate structure shown in FIG. 18 can be realized.

その後、図22に示すように、ゲート電極26上を含む半導体基板10上にPSG(リンドープガラス)からなる絶縁膜16を形成する。そして、この絶縁膜16を貫通するコンタクトホールを形成し、表面処理などの工程を経る。そして、コンタクトホール内を含む絶縁膜16上にシリコンを含有するアルミニウム(Al)膜からなるソース電極17およびドレイン電極18を形成する。ソース電極17およびドレイン電極18の膜厚は、例えば、500nmである。図22には図示していないが、ゲート電極26の引き出し電極やチップを加熱するヒータとして、ソース電極17やドレイン電極18と同じシリコンを含有するアルミニウム膜から形成されるアルミニウム配線も形成される。このアルミニウム配線の配線幅は、例えば、20μmであり、配線長は29000μmである。   Thereafter, as shown in FIG. 22, an insulating film 16 made of PSG (phosphorus-doped glass) is formed on the semiconductor substrate 10 including the gate electrode 26. Then, a contact hole penetrating the insulating film 16 is formed, and a process such as surface treatment is performed. Then, a source electrode 17 and a drain electrode 18 made of an aluminum (Al) film containing silicon are formed on the insulating film 16 including the inside of the contact hole. The film thickness of the source electrode 17 and the drain electrode 18 is, for example, 500 nm. Although not shown in FIG. 22, an aluminum wiring formed from an aluminum film containing the same silicon as the source electrode 17 and the drain electrode 18 is also formed as a lead electrode of the gate electrode 26 and a heater for heating the chip. The wiring width of the aluminum wiring is, for example, 20 μm, and the wiring length is 29000 μm.

続いて、アルミニウム配線上に保護膜として機能する絶縁膜19を半導体基板10上に形成する。この絶縁膜19は、例えば、窒化シリコン膜から形成され、低温プラズマCVD法によって形成することができる。絶縁膜19の膜厚は、例えば、700nmである。最後に、ボンディングワイヤと接続するために電極パッド(図示せず)上に開口部を形成し、かつ、図22に示すようにセンサ部であるゲート電極26を露出するように開口部を形成する。このようにして、本実施の形態2におけるSi−MOSFET型のガスセンサを形成することができる。   Subsequently, an insulating film 19 functioning as a protective film is formed on the semiconductor substrate 10 on the aluminum wiring. The insulating film 19 is made of, for example, a silicon nitride film and can be formed by a low temperature plasma CVD method. The film thickness of the insulating film 19 is 700 nm, for example. Finally, an opening is formed on an electrode pad (not shown) for connection to the bonding wire, and an opening is formed so as to expose the gate electrode 26 as the sensor as shown in FIG. . In this manner, the Si-MOSFET type gas sensor according to the second embodiment can be formed.

この場合、図18に示す隙間23aには絶縁膜(PSG)16が残ることがあるがセンサとしては動作するので問題はない。なお、前記実施の形態1の変形例と同様に、配線をMo/Au/Moによる積層構造から形成するガスセンサも形成している。   In this case, the insulating film (PSG) 16 may remain in the gap 23a shown in FIG. 18, but there is no problem because it operates as a sensor. As in the modification of the first embodiment, a gas sensor is also formed in which the wiring is formed from a laminated structure of Mo / Au / Mo.

本実施の形態2では、ゲート絶縁膜14に酸化シリコン膜を使用しているが、この酸化シリコン膜上に酸化タンタル(Ta)膜、酸化アルミニウム(Al)膜や窒化シリコン(Si)膜などの絶縁膜を形成してもよいことは、前記実施の形態1と同様である。ただし、本実施の形態2では、図18に示す隙間23aに残存する絶縁膜(PSG)16を確実に除去したい場合には、酸化シリコン膜とエッチング選択性のある酸化タンタル(Ta)膜、酸化アルミニウム(Al)膜や窒化シリコン(Si)膜などの絶縁膜を酸化シリコン膜上に形成することが有効となる。 In the second embodiment, a silicon oxide film is used as the gate insulating film 14. On this silicon oxide film, a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) film, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film, or silicon nitride is used. As in the first embodiment, an insulating film such as a (Si 3 N 4 ) film may be formed. However, in the second embodiment, when it is desired to surely remove the insulating film (PSG) 16 remaining in the gap 23a shown in FIG. 18, tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) having etching selectivity with respect to the silicon oxide film. It is effective to form an insulating film such as a film, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film, or a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film on the silicon oxide film.

本実施の形態2ではチタン膜の膜厚を5nm、プラチナ膜の膜厚を15nmというように前記実施の形態1と同じ値を用いている。このように構成されている本実施の形態2におけるガスセンサのアニール温度依存性とアニール時間依存性を調べる。図23は、アニール時間を30分に固定した状態での水素応答強度ΔVgとアニール温度との関係を示す図である。また、図24は、アニール温度を650℃に固定した状態での水素応答強度ΔVgとアニール時間との関係を示す図である。   In the second embodiment, the same values as those of the first embodiment are used such that the thickness of the titanium film is 5 nm and the thickness of the platinum film is 15 nm. The annealing temperature dependency and annealing time dependency of the gas sensor according to the second embodiment configured as described above are examined. FIG. 23 is a diagram showing the relationship between the hydrogen response intensity ΔVg and the annealing temperature with the annealing time fixed at 30 minutes. FIG. 24 is a diagram showing the relationship between the hydrogen response intensity ΔVg and the annealing time when the annealing temperature is fixed at 650 ° C.

図23に示すように、アニール温度が800℃に近づくと、プラチナ微結晶間の距離が開き、相互のプラチナ微結晶が分離されている隙間が広がり、水素応答特性(水素応答強度ΔVg)が悪くなる。一方、アニール温度が500℃よりも低温側では、プラチナ微結晶は間隙を有した縞状構造をとり始めるが、隙間のゲート電極平面内での面積が少なく水素応答特性が悪くなる。このことから、結局、チタン膜の膜厚を5nmにし、プラチナ膜の膜厚を15nmとする構造では、アニール温度を650℃近傍にすることで、縞状構造をとる構造で水素応答特性を向上できることがわかる。続いて、図24に示すように、アニール温度が650℃でのアニール時間依存性は、15分〜20分程度がよいことが示されている。   As shown in FIG. 23, when the annealing temperature approaches 800 ° C., the distance between the platinum microcrystals increases, the gap where the platinum microcrystals are separated from each other widens, and the hydrogen response characteristic (hydrogen response intensity ΔVg) is poor. Become. On the other hand, when the annealing temperature is lower than 500 ° C., the platinum microcrystal begins to take a striped structure having a gap, but the area of the gap in the plane of the gate electrode is small and the hydrogen response characteristic is deteriorated. As a result, in the structure where the thickness of the titanium film is 5 nm and the thickness of the platinum film is 15 nm, the hydrogen response characteristics are improved with the structure having a striped structure by setting the annealing temperature to around 650 ° C. I understand that I can do it. Subsequently, as shown in FIG. 24, it is shown that the annealing time dependency at an annealing temperature of 650 ° C. is preferably about 15 to 20 minutes.

しかし、温度を650℃から変えてアニール時間依存性を取ると図25に示すような特異な傾向が顕在化している。図25は、様々なアニール温度でのアニール時間とガス応答電圧との関係を示す図である。図25に示すように、アニール温度が800℃という高温では、アニール時間を小さくすることでガス応答特性(ガス応答電圧)は向上する。これに対し、アニール温度550℃という低温では、長時間のアニール処理が有効であることがわかる。   However, when the temperature is changed from 650 ° C. and the annealing time dependency is taken, a unique tendency as shown in FIG. 25 becomes apparent. FIG. 25 is a diagram showing the relationship between the annealing time and gas response voltage at various annealing temperatures. As shown in FIG. 25, when the annealing temperature is as high as 800 ° C., the gas response characteristic (gas response voltage) is improved by reducing the annealing time. On the other hand, it can be seen that long-term annealing is effective at a low annealing temperature of 550 ° C.

次に、チタン膜の膜厚とプラチナ膜の膜厚とを変化させて、ガス応答電圧とチタン(Ti)/プラチナ(Pt)膜厚比との関係を調べてみた。図26は、アニール時間を30分に固定した状態で、3種類のアニール温度でのガス応答電圧とチタン(Ti)/プラチナ(Pt)膜厚比との関係を示す図である。図26に示すように、アニール温度が800℃という高温では、例えば、チタン膜の膜厚を10nmとし、かつ、プラチナ膜の膜厚を20nmというように、チタン膜の膜厚およびプラチナ膜の膜厚を厚くしても、まだガス応答特性(ガス応答電圧)が飽和しない。本実施の形態2で説明したガス選択性の高いガスセンサの場合、チタン膜の膜厚とプラチナ膜の膜厚との最適な膜厚比、最適なアニール温度、最適なアニール時間には大きな幅があり、特別に厚いチタン膜とプラチナ膜でなければガス応答特性を最適化する条件は見つけ出せるのである。例えば、チタン膜の膜厚を1nm以上10nm以下にし、かつ、プラチナ膜の膜厚を1nm以上30nm以下にする条件でもガス応答特性を最適化することができる。   Next, the relationship between the gas response voltage and the titanium (Ti) / platinum (Pt) film thickness ratio was examined by changing the film thickness of the titanium film and the film thickness of the platinum film. FIG. 26 is a diagram showing the relationship between the gas response voltage and the titanium (Ti) / platinum (Pt) film thickness ratio at three types of annealing temperatures with the annealing time fixed at 30 minutes. As shown in FIG. 26, when the annealing temperature is 800 ° C., the thickness of the titanium film and the thickness of the platinum film are set such that, for example, the thickness of the titanium film is 10 nm and the thickness of the platinum film is 20 nm. Even if the thickness is increased, the gas response characteristic (gas response voltage) is not yet saturated. In the case of the gas sensor having high gas selectivity described in the second embodiment, there is a wide range in the optimum film thickness ratio between the titanium film thickness and the platinum film thickness, the optimum annealing temperature, and the optimum annealing time. Yes, the conditions for optimizing the gas response characteristics can be found without a particularly thick titanium and platinum film. For example, the gas response characteristics can be optimized even when the thickness of the titanium film is 1 nm to 10 nm and the thickness of the platinum film is 1 nm to 30 nm.

(実施の形態3)
次に、本実施の形態3における水素ガスセンサについて説明する。図27は、本実施の形態3における水素ガスセンサを形成している半導体チップの光学顕微鏡写真である。図27に示すように、2mm×2mmの半導体チップ(シリコンチップ)CHP上には、センサFET27、参照FET28、金属配線からなるヒータ29およびチップ温度を計測するためのPN接合ダイオード30が形成されている。この場合配線幅30μmであり、配線長19000μmの配線ヒータである。センサFET27および参照FET28は、前記実施の形態1で説明したSi−MOSFETを使用している。このセンサFET27および参照FET28の構成を前記実施の形態1と基本的に相違する構成を主として説明する。
(Embodiment 3)
Next, the hydrogen gas sensor according to the third embodiment will be described. FIG. 27 is an optical micrograph of the semiconductor chip forming the hydrogen gas sensor according to the third embodiment. As shown in FIG. 27, a sensor FET 27, a reference FET 28, a heater 29 made of metal wiring, and a PN junction diode 30 for measuring the chip temperature are formed on a 2 mm × 2 mm semiconductor chip (silicon chip) CHP. Yes. In this case, the wiring heater has a wiring width of 30 μm and a wiring length of 19000 μm. The sensor FET 27 and the reference FET 28 use the Si-MOSFET described in the first embodiment. The configurations of the sensor FET 27 and the reference FET 28 that are basically different from those of the first embodiment will be mainly described.

本実施の形態3における水素ガスセンサは、半導体チップCHPに2種類のFET(センサFET27と参照FET28)とPN接合ダイオード30を集積させるので、これらのデバイス間を分離する素子間分離が必要である。本実施の形態3では互いに素子を分離するために、最も良く知られているPN接合分離技術を用いている。図28にはn型半導体基板上に形成されたセンサFET27の断面構造が示されており、図29には、n型半導体基板上に形成された参照FET28の断面構造が示されている。図28〜図29中に記載されている符号のうち図8と同じ符号は、同じ構成要素を示している。   In the hydrogen gas sensor according to the third embodiment, since two types of FETs (sensor FET 27 and reference FET 28) and PN junction diode 30 are integrated on the semiconductor chip CHP, element separation is required to separate these devices. In the third embodiment, the most well-known PN junction isolation technique is used to isolate elements from each other. FIG. 28 shows a cross-sectional structure of the sensor FET 27 formed on the n-type semiconductor substrate, and FIG. 29 shows a cross-sectional structure of the reference FET 28 formed on the n-type semiconductor substrate. 28 to 29, the same reference numerals as those in FIG. 8 indicate the same components.

図28に示すように、センサFET27には、n型半導体基板10a中にセンサFETの形成領域を定義するp型ウェル31が形成されている。このp型ウェル31は、例えば、イオン注入法により形成されたp型半導体領域から構成される。この場合、p型ウェル31の電位を固定するため、n型半導体基板10aにp型半導体領域34が、例えば、イオン注入法で形成されている。そして、ソース電極17やドレイン電極18と同じくアルミニウム膜から形成されたp型ウェル電極32をp型半導体領域34に接続するように形成している。同様にn型半導体基板10aの電位を固定するため、n型半導体基板10aにn型半導体領域35が、例えば、イオン注入法で形成されている。そして、アルミニウム膜から形成された基板電極33をn型半導体領域35に接続するように形成している。 As shown in FIG. 28, in the sensor FET 27, a p-type well 31 that defines a formation region of the sensor FET is formed in an n-type semiconductor substrate 10a. The p-type well 31 is composed of, for example, a p-type semiconductor region formed by ion implantation. In this case, in order to fix the potential of the p-type well 31, a p + -type semiconductor region 34 is formed in the n-type semiconductor substrate 10a by, for example, an ion implantation method. Then, like the source electrode 17 and the drain electrode 18, a p-type well electrode 32 formed of an aluminum film is formed so as to be connected to the p + -type semiconductor region 34. Similarly, in order to fix the potential of the n-type semiconductor substrate 10a, an n + -type semiconductor region 35 is formed in the n-type semiconductor substrate 10a by, for example, an ion implantation method. Then, the substrate electrode 33 formed of an aluminum film is formed so as to be connected to the n + type semiconductor region 35.

図29に示すように、参照FET28にも、n型半導体基板10a中に参照FET28の形成領域を定義するp型ウェル31が形成されている。このp型ウェル31は、例えば、イオン注入法により形成されたp型半導体領域から構成される。この場合、p型ウェル31の電位を固定するため、n型半導体基板10aにp型半導体領域34が、例えば、イオン注入法で形成されている。そして、ソース電極17やドレイン電極18と同じくアルミニウム膜から形成されたp型ウェル電極32をp型半導体領域34に接続するように形成している。同様にn型半導体基板10aの電位を固定するため、n型半導体基板10aにn型半導体領域35が、例えば、イオン注入法で形成されている。そして、アルミニウム膜から形成された基板電極33をn型半導体領域35に接続するように形成している。 As shown in FIG. 29, also in the reference FET 28, a p-type well 31 that defines a formation region of the reference FET 28 is formed in the n-type semiconductor substrate 10a. The p-type well 31 is composed of, for example, a p-type semiconductor region formed by ion implantation. In this case, in order to fix the potential of the p-type well 31, a p + -type semiconductor region 34 is formed in the n-type semiconductor substrate 10a by, for example, an ion implantation method. Then, like the source electrode 17 and the drain electrode 18, a p-type well electrode 32 formed of an aluminum film is formed so as to be connected to the p + -type semiconductor region 34. Similarly, in order to fix the potential of the n-type semiconductor substrate 10a, an n + -type semiconductor region 35 is formed in the n-type semiconductor substrate 10a by, for example, an ion implantation method. Then, the substrate electrode 33 formed of an aluminum film is formed so as to be connected to the n + type semiconductor region 35.

このように構成されたセンサFET27と参照FET28との相違する点は、センサFET27では、ゲート電極15が絶縁膜19から露出しているのに対し、参照FET28では、ゲート電極15が絶縁膜16と19に覆われている点である。この相違は、センサFET27では、水素ガスと接触させる必要があるのに対し、参照FET28は水素ガスと接触させないように構成するためである。   The difference between the sensor FET 27 and the reference FET 28 thus configured is that the gate electrode 15 is exposed from the insulating film 19 in the sensor FET 27, whereas the gate electrode 15 is different from the insulating film 16 in the reference FET 28. It is a point covered with 19. This difference is because the sensor FET 27 needs to be in contact with hydrogen gas, whereas the reference FET 28 is configured not to be in contact with hydrogen gas.

PN接合ダイオード(図示せず)の断面図は省略されているが、接合面積は60μm×200μmである。ダイオード特性である順方向バイアスの立ち上がり電圧Vf=0.3Vで10μAの電流が流れる状態がチップ温度100℃に対応することを温度校正条件から見出している。   Although a sectional view of a PN junction diode (not shown) is omitted, the junction area is 60 μm × 200 μm. It has been found from the temperature calibration condition that a state in which a current of 10 μA flows at a forward bias rising voltage Vf = 0.3 V, which is a diode characteristic, corresponds to a chip temperature of 100 ° C.

本実施の形態3における水素ガスセンサの配線は、例えば、Mo/Au/Mo構造を採用している。同様に、ヒータ29の配線とソース電極17およびドレイン電極18もMo/Au/Mo構造を採用している。一方、ヒータ29の配線とソース電極17およびドレイン電極18は前記実施の形態1で使用しているアルミニウム配線を使用する試作品も製作している。本実施の形態3では、このような2種類の配線材料を使用して信頼性試験を行なっている。この結果、高温熱加速試験や高温高湿試験では、金配線の方がアルミニウム配線に比べて長い寿命である一方、製造コストは高くつくので、適用製品で使い分ける必要がある。   The wiring of the hydrogen gas sensor according to the third embodiment employs, for example, a Mo / Au / Mo structure. Similarly, the wiring of the heater 29 and the source electrode 17 and the drain electrode 18 also adopt a Mo / Au / Mo structure. On the other hand, for the wiring of the heater 29 and the source electrode 17 and the drain electrode 18, a prototype using the aluminum wiring used in the first embodiment is also manufactured. In the third embodiment, the reliability test is performed using such two kinds of wiring materials. As a result, in the high-temperature thermal acceleration test and the high-temperature and high-humidity test, the gold wiring has a longer life than the aluminum wiring, but the manufacturing cost is high.

ここで、ゲート電極を形成した後、絶縁膜(PSG)16を形成する。その後、絶縁膜16上に配線を形成し、配線を覆う半導体基板の全面に絶縁膜(窒化シリコン膜)19を形成する。その後、センサFET27の形成領域では、プラチナ膜からなるゲート電極15(センサ感応部)上の絶縁膜16と絶縁膜19とを除去してセンサFET27を形成している。一方、参照FET28の形成領域では、プラチナ膜からなるゲート電極15上の絶縁膜16と絶縁膜19とを除去せずに残存させている。このように構成することで、センサFET27と参照FET28の両者は、ほぼ同じしきい値電圧Vth=1.02Vを実現している。   Here, after forming the gate electrode, an insulating film (PSG) 16 is formed. Thereafter, a wiring is formed on the insulating film 16, and an insulating film (silicon nitride film) 19 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate covering the wiring. Thereafter, in the formation region of the sensor FET 27, the insulating film 16 and the insulating film 19 on the gate electrode 15 (sensor sensitive portion) made of a platinum film are removed to form the sensor FET 27. On the other hand, in the formation region of the reference FET 28, the insulating film 16 and the insulating film 19 on the gate electrode 15 made of a platinum film are left without being removed. With this configuration, both the sensor FET 27 and the reference FET 28 realize substantially the same threshold voltage Vth = 1.02V.

センサFET27だけを単独で形成するのであれば、高純度空気中において、アニール温度が400℃でアニール時間が2時間であるアニール処理は、ガスセンサの製造工程の途中で行わなくてもよく、ガスセンサの製造工程が完了した時点で行うこともできる。このアニール処理(熱処理)により、熱処理前にはチタンの仕事関数がしきい値電圧Vthの支配的要因であったものが、プラチナの仕事関数がしきい値電圧Vthの支配的要因に変わるので、しきい値電圧Vthは1.2V近く浅くなる。   If only the sensor FET 27 is formed alone, the annealing process in which the annealing temperature is 400 ° C. and the annealing time is 2 hours in high-purity air may not be performed during the gas sensor manufacturing process. It can also be performed when the manufacturing process is completed. By this annealing treatment (heat treatment), the work function of titanium before the heat treatment is the dominant factor of the threshold voltage Vth, but the work function of platinum is changed to the dominant factor of the threshold voltage Vth. The threshold voltage Vth becomes shallow near 1.2V.

しかし、参照FET28も同時に半導体チップCHPに集積化して、センサFET27としきい値電圧Vthを揃えようとすると、参照FET28のゲート電極15を保護する絶縁膜16と絶縁膜19が酸素を通さないので、参照FET28のしきい値電圧Vthは元のチタンの仕事関数がしきい値電圧Vthの支配的要因のままである。   However, if the reference FET 28 is also integrated on the semiconductor chip CHP at the same time and the threshold voltage Vth is made uniform with the sensor FET 27, the insulating film 16 and the insulating film 19 that protect the gate electrode 15 of the reference FET 28 do not pass oxygen. As for the threshold voltage Vth of the reference FET 28, the work function of the original titanium remains the dominant factor of the threshold voltage Vth.

図30は、絶縁膜16および絶縁膜19(PSG/SiN)の有無によりゲート電圧Vgsとソースドレイン電流Idsの関係が変化することを示す図である。図30に示すように、ゲート電極15上の絶縁膜16と絶縁膜19の有無により、1mm程度隔てた隣り合うセンサFET27と参照FET28で、しきい値電圧Vthが1.2V程度異なることがわかる。したがって、ガスセンサの製造工程が終了した後に参照FET28とセンサFET27に熱処理を行なって、互いのしきい値電圧Vthを揃えたい場合、ガスセンサの製造工程の途中で、両方のFET(センサFET27と参照FET28)のゲート電極15(センサ感応部)上の絶縁膜16および絶縁膜19(PSG/SiN)を除去する必要がある。そして、両方のFET(センサFET27と参照FET28)とも、高純度空気中において、アニール温度が400℃でアニール時間が2時間のアニール処理を行った後、参照FET28のゲート電極15上に形成された開口部を水素ガスに応答しないように新たな絶縁膜で覆う必要がある。   FIG. 30 is a diagram showing that the relationship between the gate voltage Vgs and the source / drain current Ids changes depending on the presence or absence of the insulating film 16 and the insulating film 19 (PSG / SiN). As shown in FIG. 30, it can be seen that the threshold voltage Vth differs by about 1.2 V between the adjacent sensor FET 27 and the reference FET 28 separated by about 1 mm depending on the presence or absence of the insulating film 16 and the insulating film 19 on the gate electrode 15. . Therefore, when the reference FET 28 and the sensor FET 27 are subjected to heat treatment after the gas sensor manufacturing process is completed and the threshold voltages Vth are equalized, both FETs (the sensor FET 27 and the reference FET 28 are processed during the gas sensor manufacturing process). It is necessary to remove the insulating film 16 and the insulating film 19 (PSG / SiN) on the gate electrode 15 (sensor sensitive part). Both FETs (the sensor FET 27 and the reference FET 28) were formed on the gate electrode 15 of the reference FET 28 after performing an annealing process in high-purity air with an annealing temperature of 400 ° C. and an annealing time of 2 hours. It is necessary to cover the opening with a new insulating film so as not to respond to hydrogen gas.

(実施の形態4)
次に、本実施の形態4では、ゲート電極を構成するプラチナ膜上にパラジウム膜を形成するSi−MOSFET型の水素ガスセンサについて説明する。パラジウム膜をゲート電極に使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサは、低濃度の水素ガスに対して高速応答するという特徴があるので、前記実施の形態1で説明した構造を有するSi−MOSFET型の水素ガスセンサを改良し、プラチナ膜上にパラジウム膜を形成してみる。
(Embodiment 4)
Next, in the fourth embodiment, a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor in which a palladium film is formed on a platinum film constituting a gate electrode will be described. Since the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using a palladium film as a gate electrode has a feature of high-speed response to a low concentration of hydrogen gas, the Si-MOSFET type hydrogen sensor having the structure described in the first embodiment is used. Improve the hydrogen gas sensor and try to form a palladium film on the platinum film.

パラジウム膜をゲート絶縁膜上に形成したSi−MOSFET型の水素ガスセンサでは、水素被爆やエタノールガス被爆により、吸蔵水素が原因でパラジウムの格子定数が膨張する現象が発生する。この現象により、パラジウム膜に機械的ストレスが発生し、パラジウム膜とゲート絶縁膜(酸化シリコン膜)の界面で、パラジウム膜が部分的に膨れてしまうブリスタ(Blister)という現象が発現することが知られている。このブリスタを回避する方法としては、ゲート絶縁膜上に形成するゲート電極をパラジウム膜とプラチナ膜の2層構造とすることが知られている。すなわち、ゲート絶縁膜上にプラチナ膜を形成し、このプラチナ膜上にパラジウム膜を形成することが知られている。   In a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor in which a palladium film is formed on a gate insulating film, a phenomenon occurs in which the lattice constant of palladium is expanded due to occluded hydrogen due to hydrogen exposure or ethanol gas exposure. It is known that this phenomenon causes mechanical stress in the palladium film, and a phenomenon called a blister occurs where the palladium film partially swells at the interface between the palladium film and the gate insulating film (silicon oxide film). It has been. As a method for avoiding this blister, it is known that the gate electrode formed on the gate insulating film has a two-layer structure of a palladium film and a platinum film. That is, it is known that a platinum film is formed on a gate insulating film and a palladium film is formed on the platinum film.

しかし、プラチナ膜を直接ゲート絶縁膜上に形成する構造では、プラチナ膜自身の膜ハガレが発生するので実用にならないのである。そこで、ゲート構造としてPd/Pt/Ti/SiO/Siの構造を形成し、この構造に対して、酸素雰囲気中で熱処理温度が400℃近くの熱処理をかける。すると、パラジウム膜の表面が酸化されてしまうので、パラジウム膜の触媒作用が減少してしまう。そこで、ゲート構造をPt/Ti/SiO/Siの構造で形成した状態で上述した熱処理を加え、この熱処理が終了した後、パラジウム膜をプラチナ膜上に形成する。つまり、プラチナ膜をゲート電極形状に加工して上述した熱処理を実施した後、プラチナ膜をすべて覆うようにパラジウム膜を形成するのである。このようにパラジウム膜を上述した熱処理を加えた後に形成することで、パラジウム膜の表面が酸化されて触媒機能が低下することを抑制できる。 However, the structure in which the platinum film is directly formed on the gate insulating film is not practical because the film peeling of the platinum film itself occurs. Therefore, a Pd / Pt / Ti / SiO 2 / Si structure is formed as a gate structure, and this structure is subjected to heat treatment at a heat treatment temperature of about 400 ° C. in an oxygen atmosphere. Then, since the surface of the palladium film is oxidized, the catalytic action of the palladium film is reduced. Therefore, the above-described heat treatment is applied in a state where the gate structure is formed of a Pt / Ti / SiO 2 / Si structure, and after this heat treatment is finished, a palladium film is formed on the platinum film. That is, after the platinum film is processed into the gate electrode shape and the above-described heat treatment is performed, the palladium film is formed so as to cover the entire platinum film. Thus, by forming the palladium film after the above-described heat treatment is applied, it is possible to suppress the surface of the palladium film from being oxidized and the catalytic function from being lowered.

本実施の形態4では、前記実施の形態1における水素ガスセンサの製造方法に即して水素ガスセンサを製造している。本実施の形態4においても、Pt/Ti/SiO/Siの構造を形成した後、高純度空気中において、熱処理温度が400℃で熱処理時間が2時間の熱処理を実施することにより、図1に示すゲート構造を実現する。その後、再度必要なセンサFETのゲート電極を構成するプラチナ膜を覆うように膜厚が70nmのパラジウム膜(パラジウム電極)をリフトオフ法により形成する。パラジウム電極の厚さは、30nm〜300nmの範囲にすることが望ましい。このとき、プラチナ膜の膜厚は、5nm〜15nmの範囲であり、チタン膜の膜厚は、3nm〜5nmの範囲で用いることが多い。 In the fourth embodiment, the hydrogen gas sensor is manufactured in accordance with the method for manufacturing the hydrogen gas sensor in the first embodiment. Also in the fourth embodiment, after the Pt / Ti / SiO 2 / Si structure is formed, heat treatment is performed in high-purity air at a heat treatment temperature of 400 ° C. and a heat treatment time of 2 hours. The gate structure shown in FIG. Thereafter, a palladium film (palladium electrode) having a thickness of 70 nm is formed by a lift-off method so as to cover the platinum film constituting the gate electrode of the sensor FET that is necessary again. The thickness of the palladium electrode is preferably in the range of 30 nm to 300 nm. At this time, the film thickness of the platinum film is in the range of 5 nm to 15 nm, and the film thickness of the titanium film is often used in the range of 3 nm to 5 nm.

プラチナ膜とパラジウム膜を含むゲート電極を形成した後、空気中において、比較的低温(250℃〜300℃)な温度で30分程度の時間だけアニール処理(熱処理)することにより、パラジウム膜の表面層をPdO(Pd酸化物)に変換させることができる。この場合、水素応答強度は多少減少するが、長期安定性の高い水素ガスセンサを得ることができる。なぜなら、パラジウムはプラチナと異なり比較的安定な酸化物を形成するからである。このような構造を実現することで、低濃度(約500ppm以下)の水素ガス濃度領域で高速応答し、かつ、ゲート電極の膜ハガレを抑制して信頼性が高い水素ガスセンサを実現することができる。したがって、半導体チップ(シリコンチップ)内に前記実施の形態1における水素ガスセンサと本実施の形態4における水素ガスセンサを形成することにより、低濃度(100ppm)の水素ガスから高濃度(10%)の水素ガスまで広い範囲で水素ガスを検知する水素ガスセンサを製造することができる。つまり、低濃度の水素ガスに対しては、パラジウム膜の触媒作用を積極的に利用した本実施の形態4における水素ガスセンサが有効に機能し、高濃度の水素ガスに対しては、前記実施の形態1における水素ガスセンサが有効に機能するのである。   After forming the gate electrode including the platinum film and the palladium film, the surface of the palladium film is annealed (heat treatment) at a relatively low temperature (250 ° C. to 300 ° C.) for about 30 minutes in the air. The layer can be converted to PdO (Pd oxide). In this case, the hydrogen response intensity is somewhat reduced, but a hydrogen gas sensor with high long-term stability can be obtained. This is because, unlike platinum, palladium forms a relatively stable oxide. By realizing such a structure, it is possible to realize a highly reliable hydrogen gas sensor that responds at high speed in a low concentration (about 500 ppm or less) hydrogen gas concentration region and suppresses film peeling of the gate electrode. . Therefore, by forming the hydrogen gas sensor according to the first embodiment and the hydrogen gas sensor according to the fourth embodiment in a semiconductor chip (silicon chip), a hydrogen gas having a low concentration (100 ppm) is changed to a hydrogen gas having a high concentration (10%). A hydrogen gas sensor that detects hydrogen gas in a wide range up to gas can be manufactured. That is, the hydrogen gas sensor according to the fourth embodiment that positively utilizes the catalytic action of the palladium film functions effectively for low-concentration hydrogen gas, and the above-described implementation is performed for high-concentration hydrogen gas. The hydrogen gas sensor in the form 1 functions effectively.

(実施の形態5)
前記実施の形態1〜前記実施の形態4では、MOSFETを水素ガスセンサに適用する例について説明したが、MOSFETに代えて、MIS型キャパシタやショットキーダイオードを用いても本発明を実現できる。特に、MIS型キャパシタは前記実施の形態1で説明した図8において、ゲート電極15の平面形状をたとえば直径50μm〜100μmの円形形状にし、ソース電極17およびドレイン電極18は、ゲート電極15を同心円状に囲む形状とすることができる。このMIS型キャパシタでは、例えばフラットバンド状態での電圧をしきい値電圧Vthと定義して、水素ガスの応答を測定できる。MIS型キャパシタでは、ゲート電極15が上部電極として機能し、ゲート電極15直下の半導体基板10が下部電極として機能する。そして、この半導体基板10は電気的にソース電極17とドレイン電極18と接続されるように構成することにより、下部電極の引き出し電極がソース電極17およびドレイン電極18となる。さらに、ゲート電極15と半導体基板10との間のゲート絶縁膜14が容量絶縁膜として機能する。このように構成されたMIS型キャパシタによれば、水素ガスの有無によって半導体基板10の表面に形成されるチャネル領域が形成されたり消滅する(水素ガスによってしきい値電圧Vthが変化することに対応する)ことを利用するものである。つまり、半導体基板10に形成されるチャネル領域の有無によってMIS型キャパシタの電気容量が変化するので、この電気容量の変化を検出することで間接的に水素ガスの存在を検知することができるのである。
(Embodiment 5)
In the first to fourth embodiments, the example in which the MOSFET is applied to the hydrogen gas sensor has been described. However, the present invention can be realized by using a MIS type capacitor or a Schottky diode instead of the MOSFET. In particular, in the MIS type capacitor shown in FIG. 8 described in the first embodiment, the planar shape of the gate electrode 15 is, for example, a circular shape having a diameter of 50 μm to 100 μm, and the source electrode 17 and the drain electrode 18 are concentric with the gate electrode 15. The shape can be surrounded by In this MIS capacitor, for example, the voltage in the flat band state is defined as the threshold voltage Vth, and the response of hydrogen gas can be measured. In the MIS type capacitor, the gate electrode 15 functions as an upper electrode, and the semiconductor substrate 10 immediately below the gate electrode 15 functions as a lower electrode. The semiconductor substrate 10 is configured to be electrically connected to the source electrode 17 and the drain electrode 18, so that the extraction electrode of the lower electrode becomes the source electrode 17 and the drain electrode 18. Furthermore, the gate insulating film 14 between the gate electrode 15 and the semiconductor substrate 10 functions as a capacitive insulating film. According to the MIS type capacitor configured as described above, a channel region formed on the surface of the semiconductor substrate 10 is formed or disappears depending on the presence or absence of hydrogen gas (corresponding to the threshold voltage Vth being changed by hydrogen gas). To use). That is, since the electric capacity of the MIS type capacitor changes depending on the presence or absence of the channel region formed in the semiconductor substrate 10, the presence of hydrogen gas can be detected indirectly by detecting the change in electric capacity. .

これまでの例では、Si−MOSFETを水素ガスセンサについて適用した例を示しているが、例えば、炭化シリコン(SiC)、ガリウム砒素(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)などの他の半導体材料を用いた素子でも本発明を適用することができる。例えば、このような半導体材料を用いたMIS型キャパシタ、ショットキーゲートのFET、PN接合ゲートのFETについても適用することができる。   In the examples so far, the Si-MOSFET is applied to the hydrogen gas sensor, but other semiconductor materials such as silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), and gallium nitride (GaN) are used. The present invention can also be applied to an element. For example, the present invention can also be applied to an MIS capacitor, a Schottky gate FET, and a PN junction gate FET using such a semiconductor material.

(実施の形態6)
前記実施の形態1〜前記実施の形態5では、MOS構造を有するガスセンサに本発明を適用する例について説明したが、本発明の技術的思想は、プラチナ薄膜を積極的に用いる別の原理のガスセンサもしくはプラチナを絶縁体(絶縁膜)もしくは半導体膜上に形成して用いる電極についても適用して有効である。本実施の形態6では、別の原理のガスセンサもしくは電極に、本発明を適用する例について開示する。
(Embodiment 6)
In the first to fifth embodiments, the example in which the present invention is applied to the gas sensor having the MOS structure has been described. However, the technical idea of the present invention is a gas sensor based on another principle that actively uses a platinum thin film. Alternatively, the present invention is effective when applied to an electrode formed by using platinum on an insulator (insulating film) or a semiconductor film. In the sixth embodiment, an example in which the present invention is applied to a gas sensor or an electrode of another principle will be disclosed.

まずEMF型水素ガスセンサ(表面技術 2006年57巻N04、15-18ページ)における水素ガスの検出電極に本発明を適用した場合の例を図31に開示する。図31はセンサの平面図を示しており、図32はセンサの断面図(図31のA−A線による断面図)を示している。図31および図32に示すように、アルミナ基板41に固体電解質38としてリンタングステン酸(P・24WO・nHO)をイオン交換水に濃度25g/10mlになるように溶解させた溶液を1ml滴下し、乾燥させて固着させた。この固体電解質38に接続するように、5nmのチタン膜と15nmのプラチナ膜よりなる検出電極36を形成した後、空気中において、熱処理温度が400℃で熱処理温度が2時間のアニール処理を実施した。その後、基準電極37として、膜厚が300nmのニッケル膜を形成し、取り出し電極39、40としてアルミニウム膜を700nmの膜厚で形成した。乾燥して固化させた固体電解質38の補強剤として、グラスウールを使用している。 First, FIG. 31 discloses an example in which the present invention is applied to a hydrogen gas detection electrode in an EMF type hydrogen gas sensor (Surface Technology 2006, Vol. 57, N04, pages 15-18). FIG. 31 shows a plan view of the sensor, and FIG. 32 shows a sectional view of the sensor (a sectional view taken along line AA in FIG. 31). As shown in FIGS. 31 and 32, phosphotungstic acid (P 2 O 5 .24WO 3 .nH 2 O) as a solid electrolyte 38 was dissolved in ion-exchanged water in an alumina substrate 41 so as to have a concentration of 25 g / 10 ml. 1 ml of the solution was added dropwise and dried to fix. After forming the detection electrode 36 composed of a 5 nm titanium film and a 15 nm platinum film so as to be connected to the solid electrolyte 38, an annealing process was performed in air at a heat treatment temperature of 400 ° C. and a heat treatment temperature of 2 hours. . Thereafter, a nickel film having a thickness of 300 nm was formed as the reference electrode 37, and an aluminum film was formed as the extraction electrodes 39 and 40 with a thickness of 700 nm. Glass wool is used as a reinforcing agent for the solid electrolyte 38 dried and solidified.

このように構成されたEMF型水素ガスセンサでは、ニッケル膜から形成されている基準電極37の電位に対して、プラチナ膜を含む検出電極36の電位が水素ガスによって変化することを利用して水素ガスを検知するものである。   In the EMF type hydrogen gas sensor configured as described above, the hydrogen gas is obtained by utilizing the fact that the potential of the detection electrode 36 including the platinum film is changed by the hydrogen gas with respect to the potential of the reference electrode 37 formed of the nickel film. Is detected.

このとき、例えば、検出電極36を構成するプラチナ膜を直接アルミナ基板41や固体電解質38上に形成すると、プラチナ膜の膜ハガレが発生することが懸念されるが、本実施の形態6で説明している構造では、プラチナ膜の膜ハガレに対する耐性が著しく向上するという効果が得られる。つまり、本実施の形態6の特徴は、プラチナ(Pt)/チタン(Ti)/アルミナ基板41の構造およびプラチナ(Pt)/チタン(Ti)/固体電解質38の構造を酸素ガス雰囲気中で加熱することにある。これにより、チタンがプラチナの粒界に侵入することで、プラチナの微結晶とアルミナ基板41(あるいは、プラチナの微結晶と固体電解質38)間の相互の接着性が向上するのである。なお、アニール処理(熱処理)として、熱処理温度を300℃とする場合には、熱処理時間を240時間としている。また、パラジウムを水素ガスの検出電極36に用いる場合には、前記実施の形態4と同様に、検出電極36をパラジウム(Pd)/プラチナ(Pt)/チタン(Ti)の積層構造とすることで、検出電極36の接着性を向上することができる。   At this time, for example, if a platinum film constituting the detection electrode 36 is directly formed on the alumina substrate 41 or the solid electrolyte 38, there is a concern that film peeling of the platinum film may occur, but this will be described in the sixth embodiment. With the structure, the effect of the platinum film with respect to film peeling is significantly improved. That is, the feature of the sixth embodiment is that the structure of platinum (Pt) / titanium (Ti) / alumina substrate 41 and the structure of platinum (Pt) / titanium (Ti) / solid electrolyte 38 are heated in an oxygen gas atmosphere. There is. As a result, when titanium enters the platinum grain boundary, the mutual adhesion between the platinum microcrystal and the alumina substrate 41 (or the platinum microcrystal and the solid electrolyte 38) is improved. As the annealing treatment (heat treatment), when the heat treatment temperature is 300 ° C., the heat treatment time is 240 hours. Further, when palladium is used for the hydrogen gas detection electrode 36, the detection electrode 36 has a laminated structure of palladium (Pd) / platinum (Pt) / titanium (Ti) as in the fourth embodiment. The adhesion of the detection electrode 36 can be improved.

次に、プラチナ電極は広く産業応用で用いられている。本発明のプラチナ薄膜構造(前記実施の形態1で説明している構造)を、例えば、電解結晶成長法などで使用するプラチナ電極に適用できる。電解結晶成長法では、プラチナ電極として、1φ程度のプラチナ線(Pt線)を用いることが多い。例えば、電解移動型有機結晶であるFA2PF6結晶の電界結晶成長法では、電解質を有機溶媒に溶かして通電することでFA2PF6結晶を得ている。電解結晶成長法は、結晶原料を溶解した溶液に電流を流し、陽極に結晶を成長させる手法である。電解結晶成長法で用いる結晶セルは、図33に示すように、ガラス製三角型フラスコ47にニッケルよりなる陽極43を配置し、円柱状試験管48に陰極44を配置している。そして、陽極43の先端には陽極42が形成されており、陽極42と陰極44とを電解溶液でつないでいる。このとき、電解反応で陰極44から発生する異物が陽極42側に拡散しないようにフィルタ45が形成されている。さらに、結晶セルを真空引きして窒素置換できるように真空コック46が設けられている(「伝導性低次元物質の化学」、日本化学会編、化学総記No.42,1983年、学会出版センター参照)。 Next, platinum electrodes are widely used in industrial applications. The platinum thin film structure of the present invention (the structure described in the first embodiment) can be applied to, for example, a platinum electrode used in an electrolytic crystal growth method or the like. In the electrolytic crystal growth method, a platinum wire (Pt line) of about 1φ is often used as the platinum electrode. For example, in the field crystal growth method of the FA 2 PF 6 crystal, which is an electrolytically mobile organic crystal, the FA 2 PF 6 crystal is obtained by dissolving the electrolyte in an organic solvent and energizing it. The electrolytic crystal growth method is a method in which a current is passed through a solution in which a crystal raw material is dissolved to grow a crystal on an anode. As shown in FIG. 33, the crystal cell used in the electrolytic crystal growth method has an anode 43 made of nickel in a glass triangular flask 47 and a cathode 44 in a cylindrical test tube 48. An anode 42 is formed at the tip of the anode 43, and the anode 42 and the cathode 44 are connected by an electrolytic solution. At this time, the filter 45 is formed so that the foreign matter generated from the cathode 44 by the electrolytic reaction does not diffuse to the anode 42 side. Further, a vacuum cock 46 is provided so that the crystal cell can be evacuated and purged with nitrogen ("Chemistry of Conductive Low Dimensional Materials", edited by the Chemical Society of Japan, Chemistry General No. 42, 1983, Academic Press reference).

ここで、陽極43の先端に設けられている陽極42は、通常、単純な1φ程度のプラチナ線から形成されている。この場合、プラチナ線というバルク状態のプラチナを使用するため、プラチナ量が多く必要となり高価になる。そこで、陽極42として、バルク状態のプラチナ線ではなくプラチナの薄膜を使用することが考えられる。例えば、図34は、陽極42としてプラチナの薄膜を使用する構成例を示す図である。図34に示すように、セラミックス基板50の両面を含む全面にわたりプラチナ薄膜49を形成する。そして、このプラチナ薄膜49に陽極43が電気的に接続するように構成するのである。この図34に示すように陽極42をプラチナ薄膜49から構成することにより、陽極42をバルク状態のプラチナ線を使用する場合に比べて、プラチナの使用量を節約することができる。したがって、例えば、FA2PF6結晶を大量、かつ、安価に製造したいときには、図34に示す構造の陽極42を使用することで、プラチナの使用量を著しく節約することができる。 Here, the anode 42 provided at the tip of the anode 43 is usually formed of a simple platinum wire of about 1φ. In this case, since platinum in a bulk state called platinum wire is used, a large amount of platinum is necessary and expensive. Therefore, it is conceivable to use a platinum thin film as the anode 42 instead of a bulk platinum wire. For example, FIG. 34 is a diagram illustrating a configuration example in which a platinum thin film is used as the anode 42. As shown in FIG. 34, a platinum thin film 49 is formed over the entire surface including both surfaces of the ceramic substrate 50. The anode 43 is electrically connected to the platinum thin film 49. As shown in FIG. 34, the anode 42 is composed of a platinum thin film 49, so that the amount of platinum used can be saved as compared with the case where the anode 42 uses a platinum wire in a bulk state. Therefore, for example, when it is desired to manufacture a large amount of FA 2 PF 6 crystal at a low cost, the amount of platinum used can be remarkably saved by using the anode 42 having the structure shown in FIG.

ただし、陽極42として図34に示す構造を使用する場合、セラミックス基板50とプラチナ薄膜49との間の膜ハガレが懸念される。そこで、前記実施の形態1に示した構造と同様に、セラミックス基板50上に、膜厚が5nmのチタン膜と膜厚が15nmのプラチナ膜を形成し、その後、空気中において、熱処理温度が400℃で熱処理時間が2時間のアニール処理を行なう。つまり、プラチナ(Pt)/チタン(Ti)/セラミックス基板50の構造を酸素ガス雰囲気中で加熱する。これにより、チタンがプラチナの粒界に侵入することで、プラチナの微結晶とセラミックス基板50間の相互の接着性が向上するのである。この場合、前記実施の形態1と同様に、チタン膜は酸素ドープチタン膜となっているので、電解溶液中での通電によるチタン膜の劣化も、酸素ドープチタン膜とすることで抑制できるのである。なお、本実施の形態6における電極構造は、電解結晶成長法による電極に使用されるだけでなく、燃料電池などに使用する電極としても有効に働くものである。   However, when the structure shown in FIG. 34 is used as the anode 42, there is a concern about film peeling between the ceramic substrate 50 and the platinum thin film 49. Therefore, similarly to the structure shown in the first embodiment, a titanium film having a thickness of 5 nm and a platinum film having a thickness of 15 nm are formed on the ceramic substrate 50, and then the heat treatment temperature is 400 in air. Annealing treatment is performed at a temperature of 2 ° C. for 2 hours. That is, the structure of platinum (Pt) / titanium (Ti) / ceramics substrate 50 is heated in an oxygen gas atmosphere. Thereby, titanium penetrates into the grain boundaries of platinum, thereby improving the mutual adhesion between the platinum microcrystals and the ceramic substrate 50. In this case, since the titanium film is an oxygen-doped titanium film as in the first embodiment, the deterioration of the titanium film due to energization in the electrolytic solution can be suppressed by using the oxygen-doped titanium film. . Note that the electrode structure in the sixth embodiment not only is used as an electrode by an electrolytic crystal growth method but also works effectively as an electrode used in a fuel cell or the like.

なお、チタン膜の代わりに、タングステン(W)膜、モリブデン(Mo)膜、タンタル(Ta)膜、ニオブ(Nb)膜、クロム(Cr)膜などを用いても本実施の形態6で説明したのと同様の手法により高信頼性の電極を形成できることは言うまでもない。   Note that in the sixth embodiment, a tungsten (W) film, a molybdenum (Mo) film, a tantalum (Ta) film, a niobium (Nb) film, a chromium (Cr) film, or the like is used instead of the titanium film. Needless to say, a highly reliable electrode can be formed by the same method as described above.

以上、共通する技術的思想としては、触媒電極Ptを絶縁体や半導体に薄膜形成して用いるガスセンサもしくは電極にあっては、本発明の構造と製造方法は非常に効力を発揮する。以上の実施の形態などの説明はすべて、Nチャネル型MISFETの場合で説明したが、Pチャネル型MISFETの場合にも同様に適用できることは言うまでもない。   As described above, as a common technical idea, the structure and the manufacturing method of the present invention are very effective in a gas sensor or electrode that uses the catalyst electrode Pt by forming a thin film on an insulator or semiconductor. Although all the descriptions of the above embodiments and the like have been described in the case of the N-channel type MISFET, it is needless to say that the present invention can be similarly applied to the case of the P-channel type MISFET.

以上のように、本発明を前記実施の形態1〜前記実施の形態6を用いて説明したが、本発明の効果をまとめると以下に示すようになる。   As described above, the present invention has been described using the first to sixth embodiments. The effects of the present invention are summarized as follows.

(1)プラチナ微結晶間の粒界領域がPt−Ti−O領域で埋まり、プラチナ膜の直下
に形成されているTiOxに繋がっているので、プラチナ膜がしっかり固定され、剥がれ
なくなる効果が得られる。つまり、プラチナ膜の接着強度が向上し、ガスセンサの信頼性
を向上することができる。
(1) The grain boundary region between the platinum microcrystals is filled with the Pt—Ti—O region and is connected to TiOx formed immediately below the platinum film. . That is, the adhesive strength of the platinum film is improved, and the reliability of the gas sensor can be improved.

(2)プラチナ結晶粒界が酸素雰囲気でのアニール処理を実施することにより、プラチ
ナ結晶粒界を通ってチタンが抜け出し、さらに、プラチナ結晶粒界を通って酸素が進入す
ることで粒界領域(Pt−Ti−O領域)を新たに形成でき、単純なプラチナ結晶粒界と
比べて水素ガスを通過しやすくなる。このため、プラチナ膜をゲート電極として使用する
Si−MOSFET型のガスセンサでも、パラジウムをゲート電極として使用するSi−
MOSFET型のガスセンサ並みの高感度と高速応答を実現できる。
(2) The platinum crystal grain boundary is annealed in an oxygen atmosphere, so that titanium escapes through the platinum crystal grain boundary, and further, oxygen enters through the platinum crystal grain boundary so that the grain boundary region ( Pt—Ti—O region) can be newly formed, and hydrogen gas can easily pass through compared with a simple platinum crystal grain boundary. Therefore, even in a Si-MOSFET type gas sensor that uses a platinum film as a gate electrode, Si-- that uses palladium as a gate electrode.
High sensitivity and high-speed response equivalent to MOSFET type gas sensors can be realized.

(3)本構造を実現するには、チタン膜を形成した後にプラチナ膜を形成するので、チ
タン膜が接着剤の役割を果たして、素子作成工程中のプラチナ膜の膜剥がれを防止する機
能を果たす。さらに、プラチナ膜をマスクとして、空気中または不活性ガスに混合された
酸素ガスなど実質的に酸素ガスが支配的なガス雰囲気中でアニールすることで、プラチナ
結晶粒界を通して、チタンが外部(プラチナ結晶粒上の表面)に析出するとともに、酸素
がプラチナ結晶粒界から入ってきてPt−Ti−O領域を形成することができる。
(3) To realize this structure, the platinum film is formed after the titanium film is formed. Therefore, the titanium film serves as an adhesive and functions to prevent peeling of the platinum film during the element manufacturing process. . Furthermore, by using a platinum film as a mask and annealing in a gas atmosphere in which oxygen gas is dominant, such as oxygen gas mixed with an inert gas in the air, titanium is exposed to the outside through the crystal grain boundary (platinum). It precipitates on the surface of the crystal grains) and oxygen can enter from the platinum grain boundaries to form Pt—Ti—O regions.

(4)酸素中のアニ−ル温度を上げることでプラチナ微結晶間隔が数nmから数10n
mの間隙を持つ縞状のプラチナ微結晶を酸化チタン膜(主としてルチル型二酸化チタン、
アナターゼ結晶や酸素ドープの非晶質のチタンが混じることもある)上に形成する構造に
することができるので、水素ガス以外のアンモニア(NH)、エタノール(COH)、CO,Cにも応答する選択性の高いガスセンサを実現することができる。もともと接着性の高いPt/Ti構造から形成されるPt/酸化チタン構造であり、さらにプラチナ膜の膜厚が厚いこともあり、プラチナ膜の膜ハガレにも強く信頼性の高いガスセンサを提供することができる。
(4) By increasing the annealing temperature in oxygen, the interval between platinum microcrystals is several nanometers to several tens of nanometers.
Striped platinum microcrystals with a gap of m are formed on a titanium oxide film (mainly rutile type titanium dioxide,
Anatase crystals or oxygen-doped amorphous titanium may be mixed), so that ammonia (NH 3 ) other than hydrogen gas, ethanol (C 2 H 5 OH), CO, A highly selective gas sensor that also responds to C 2 H 4 can be realized. To provide a highly reliable gas sensor that is a Pt / titanium oxide structure that is originally formed from a highly adhesive Pt / Ti structure, and that the platinum film is thick, and is resistant to platinum film peeling. Can do.

(5)EB(電子ビーム)蒸着法を採用すると、スパッタリング法よりも、しきい値電圧Vthのバラツキが小さい膜を形成することができ、実際に用いる熱処理後のしきい値電圧Vthのバラツキを極めて小さくすることができる。   (5) When the EB (electron beam) vapor deposition method is employed, a film having a smaller threshold voltage Vth variation than the sputtering method can be formed, and the variation in the threshold voltage Vth after the heat treatment actually used is reduced. It can be made extremely small.

このように、Si−MOSFETのゲート構造と製造方法を工夫することで、従来から長寿命化が困難といわれていたSi−MOSFET型のガスセンサにおいて、3年〜5年という長寿命化を実現できている。さらに、本発明は、ゲート電極に用いるプラチナ膜の特殊なゲート構造とその製造方法を工夫することで、ガスセンサの信頼性が格段に高まり、危険予知に必要な1000ppm以上の高濃度の水素ガスに対して、非常に速い応答速度(例えば、1秒)を実現することができる。さらに、本構造をゲート電極にプラチナ膜を使用するSi−MOSFETだけでなく、ゲート電極にプラチナ膜とパラジウム膜を使用するSi−MOSFETにも適用し、両方のSi−MOSFETを組み合わせたガスセンサを形成することで、例えば、100ppm〜10%までの広い濃度領域で高感度な検出を実現することができる。   Thus, by devising the gate structure and manufacturing method of the Si-MOSFET, it is possible to realize a long life of 3 to 5 years in the Si-MOSFET type gas sensor, which has been said to be difficult to extend the life. ing. Furthermore, the present invention devised a special gate structure of platinum film used for the gate electrode and a manufacturing method thereof, so that the reliability of the gas sensor is remarkably increased, and the hydrogen gas having a high concentration of 1000 ppm or more necessary for danger prediction is obtained. On the other hand, a very fast response speed (for example, 1 second) can be realized. Furthermore, this structure is applied not only to Si-MOSFETs that use platinum films as gate electrodes, but also to Si-MOSFETs that use platinum and palladium films as gate electrodes to form gas sensors that combine both Si-MOSFETs. Thus, for example, highly sensitive detection can be realized in a wide concentration range of 100 ppm to 10%.

今回開発した水素ガスセンサは、100℃〜110℃という低温での動作においてHMDS(ヘキサメチルジシロキサン)ガスによる被毒性がなく、ガス干渉性の目安である、メタンガス、エタン、イソオクタン、COガスにも反応しないという優れた特性が見出されている。この水素ガスセンサは、チップサイズが2mm×2mmという半導体チップ(シリコンチップ)としては大きいが、消費電力が100mWと極めて小さくすることを実現している。さらに、水素ガスセンサの応答領域も100ppmから10%ときわめて広く、1%以上の高濃度の水素ガスに対しては、応答速度が2秒と高速である結果が得られている。   The newly developed hydrogen gas sensor is not toxic by HMDS (hexamethyldisiloxane) gas in operation at a low temperature of 100 ° C. to 110 ° C., and is also a measure of gas interference, such as methane gas, ethane, isooctane, and CO gas. An excellent property of not reacting has been found. This hydrogen gas sensor is large as a semiconductor chip (silicon chip) having a chip size of 2 mm × 2 mm, but realizes an extremely small power consumption of 100 mW. Further, the response region of the hydrogen gas sensor is extremely wide from 100 ppm to 10%, and the result is that the response speed is as high as 2 seconds for hydrogen gas having a high concentration of 1% or more.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

本発明は、半導体材料を使用して形成されるガスセンサを製造する製造業に幅広く利用することができる。   The present invention can be widely used in manufacturing industries that manufacture gas sensors formed using semiconductor materials.

本発明のプラチナ膜をゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサにおいて、ゲート電極とその直下の積層構造を示す模式図である。In the Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using the platinum film of the present invention as a gate electrode, it is a schematic diagram showing a gate electrode and a laminated structure immediately below the gate electrode. プラチナ膜をゲート電極として使用するSi−MOSFET型の水素ガスセンサにおいて、ゲート電極とその直下の積層構造を示す断面TEM(透過電子顕微鏡)写真である。5 is a cross-sectional TEM (transmission electron microscope) photograph showing a gate electrode and a laminated structure immediately below the gate electrode in a Si-MOSFET type hydrogen gas sensor using a platinum film as a gate electrode. 熱処理後の表面のモフォロジー観察をSEM(走査型電子顕微鏡)により観察した結果を示す写真である。It is a photograph which shows the result of having observed the morphology observation of the surface after heat processing by SEM (scanning electron microscope). 熱処理後のゲート構造(ゲート電極とその直下の積層構造)についてのオージェ分析により、Pt、Ti、O、Si、Si(Oxide)の断面方向の分布プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the distribution profile of the cross-sectional direction of Pt, Ti, O, Si, and Si (Oxide) by the Auger analysis about the gate structure (gate electrode and laminated structure immediately under it) after heat processing. 熱処理前のゲート構造(ゲート電極とその直下の積層構造)についてのオージェ分析により、Pt、Ti、O、Si、Si(Oxide)の断面方向の分布プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the distribution profile of the cross-sectional direction of Pt, Ti, O, Si, and Si (Oxide) by the Auger analysis about the gate structure (gate electrode and laminated structure immediately under it) before heat processing. パラジウム膜をゲート電極として使用し、このパラジウム膜をスパッタリング法で形成したSi−MOSFET型のガスセンサにおいて、Si−MOSFET型のガスセンサのしきい値電圧Vthと水素応答強度ΔVgとをそれぞれ複数の素子(Si−MOSFET型のガスセンサ)で計測した結果を示す図である。In a Si-MOSFET type gas sensor in which a palladium film is used as a gate electrode and this palladium film is formed by a sputtering method, a threshold voltage Vth and a hydrogen response strength ΔVg of the Si-MOSFET type gas sensor are respectively set to a plurality of elements ( It is a figure which shows the result measured with the Si-MOSFET type gas sensor. EB蒸着法でチタン膜やプラチナ膜などの金属膜を形成する場合において、成膜速度としきい値電圧のバラツキとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film-forming speed | rate and the variation in threshold voltage, when forming metal films, such as a titanium film and a platinum film, by EB vapor deposition. 実施の形態1におけるSi−MOSFET型のガスセンサを製造する工程を示す図である。5 is a diagram showing a process of manufacturing the Si-MOSFET type gas sensor in the first embodiment. FIG. 実施の形態1の変形例におけるSi−MOSFET型のガスセンサを製造する工程を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a process of manufacturing a Si-MOSFET type gas sensor according to a modification of the first embodiment. チタン膜の膜厚を5nm、プラチナ膜の膜厚を15nmにそれぞれ固定し、かつ、空気中でのアニール時間を2時間に固定した状態での水素応答強度とアニール温度との関係を示す図である。The figure shows the relationship between the hydrogen response strength and the annealing temperature with the titanium film thickness fixed at 5 nm and the platinum film thickness fixed at 15 nm and the annealing time in air fixed at 2 hours. is there. アニール温度を400℃に固定した状態での水素応答強度とアニール時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the hydrogen response intensity | strength in the state which fixed the annealing temperature at 400 degreeC, and annealing time. 4枚の異なるウェハにおいて、水素濃度と水素応答電圧との関係をそれぞれ示す図である。It is a figure which shows the relationship between hydrogen concentration and a hydrogen response voltage in four different wafers, respectively. 水素ガスセンサを構成するMOSFETの100℃における電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current voltage characteristic in 100 degreeC of MOSFET which comprises a hydrogen gas sensor. 熱処理後のロットの異なる2個のウェハにおけるしきい値電圧Vthの面内分布と再現性を示す図である。It is a figure which shows in-plane distribution and reproducibility of the threshold voltage Vth in two wafers from which the lot after heat processing differs. 1000ppmの空気希釈水素ガスに対する規格化水素応答出力の面内分布を示す図である。It is a figure which shows in-plane distribution of the normalized hydrogen response output with respect to 1000 ppm air dilution hydrogen gas. チタン膜とプラチナ膜の膜厚を変化させるとともに、400℃でのアニール時間を変えて1000ppmの空気希釈水素ガスに対する水素応答電圧を調べた結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having investigated the hydrogen response voltage with respect to 1000 ppm air dilution hydrogen gas while changing the annealing time at 400 degreeC while changing the film thickness of a titanium film and a platinum film | membrane. チタン膜とプラチナ膜の膜厚を変化させるとともに、400℃でのアニール時間を変えて1000ppmの空気希釈水素ガスに対する水素応答電圧を調べた結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having investigated the hydrogen response voltage with respect to 1000 ppm air dilution hydrogen gas while changing the annealing time at 400 degreeC while changing the film thickness of a titanium film and a platinum film | membrane. プラチナをゲート電極に使用しているSi−MOSFET型のガスセンサにおいて、ガス選択性の高いガスセンサを実現するゲート構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the gate structure which implement | achieves a gas sensor with high gas selectivity in the Si-MOSFET type gas sensor which uses platinum for the gate electrode. Pt/Ti/SiO/Siの構造を空気中において800℃の熱処理温度で30分の熱処理時間のアニール処理を行ったときの断面TEM写真と、アニール処理前のPt/Ti/SiO/Siの構造を写真の右側領域に示す図である。A cross-sectional TEM photograph of the structure of Pt / Ti / SiO 2 / Si when annealed at a heat treatment temperature of 800 ° C. for 30 minutes in the air, and Pt / Ti / SiO 2 / Si before annealing. It is a figure which shows this structure in the right area | region of a photograph. 実施の形態2におけるSi−MOSFET型のガスセンサを製造する工程を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a process of manufacturing the Si-MOSFET type gas sensor in the second embodiment. 図20に続くSi−MOSFET型のガスセンサを製造する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of manufacturing the gas sensor of a Si-MOSFET type following FIG. 図21に続くSi−MOSFET型のガスセンサを製造する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of manufacturing the Si-MOSFET type gas sensor following FIG. アニール時間を30分に固定した状態での水素応答強度とアニール温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the hydrogen response intensity | strength in the state which fixed the annealing time to 30 minutes, and annealing temperature. アニール温度を650℃に固定した状態での水素応答強度とアニール時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the hydrogen response intensity | strength in the state which fixed annealing temperature at 650 degreeC, and annealing time. 様々なアニール温度でのアニール時間とガス応答電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the annealing time in various annealing temperature, and a gas response voltage. アニール時間を30分に固定した状態で、3種類のアニール温度でのガス応答電圧とチタン(Ti)/プラチナ(Pt)膜厚比との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the gas response voltage in three types of annealing temperature, and a titanium (Ti) / platinum (Pt) film thickness ratio in the state which fixed annealing time for 30 minutes. 実施の形態3における水素ガスセンサを形成している半導体チップの光学顕微鏡写真である。5 is an optical micrograph of a semiconductor chip forming a hydrogen gas sensor in a third embodiment. n型半導体基板上に形成されたセンサFETの断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of sensor FET formed on the n-type semiconductor substrate. n型半導体基板上に形成された参照FETの断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of reference FET formed on the n-type semiconductor substrate. 積層された絶縁膜(PSG/SiN)の有無によりゲート電圧とソースドレイン電流の関係が変化することを示す図である。It is a figure which shows that the relationship between a gate voltage and a source-drain current changes with the presence or absence of the laminated | stacked insulating film (PSG / SiN). EMF型水素ガスセンサの模式的な構成を示す平面図である。It is a top view which shows the typical structure of an EMF type | mold hydrogen gas sensor. 図31のA−A線で切断した断面図である。It is sectional drawing cut | disconnected by the AA line of FIG. 電解結晶成長法で用いる結晶セルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the crystal cell used with the electrolytic crystal growth method. 陽極としてプラチナの薄膜を使用する構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example which uses the thin film of platinum as an anode.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
1a チャネル領域
2 酸化シリコン膜
3 酸素ドープチタン膜
4 酸化チタン微結晶
5 プラチナ微結晶
6 結晶粒界
7 粒界近傍領域
8 微結晶
10 半導体基板
10a n型半導体基板
11 局所分離領域
11a 局所分離領域
12 ソース領域
13 ドレイン領域
14 ゲート絶縁膜
15 ゲート電極
16 絶縁膜
17 ソース電極
18 ドレイン電極
19 絶縁膜
20 配線
21 モリブデンシリサイド膜
22 酸化チタン膜
23 プラチナ微結晶
23a 隙間
24 積層膜
25 薄膜
26 ゲート電極
27 センサFET
28 参照FET
29 ヒータ
30 PN接合ダイオード
31 p型ウェル
32 p型ウェル電極
33 基板電極
34 p型半導体領域
35 n型半導体領域
36 検出電極
37 基準電極
38 固体電解質
39 取り出し電極
40 取り出し電極
41 アルミナ基板
42 陽極
43 陽極
44 陰極
45 フィルタ
46 真空コック
47 ガラス製三角型フラスコ
48 円柱状試験管
49 プラチナ薄膜
50 セラミックス基板
CHP 半導体チップ
Vth しきい値電圧
ΔVg 水素応答強度
Vgs ゲート電圧
Id ソースドレイン電流
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 1a Channel region 2 Silicon oxide film 3 Oxygen doped titanium film 4 Titanium oxide microcrystal 5 Platinum microcrystal 6 Crystal grain boundary 7 Grain boundary region 8 Microcrystal 10 Semiconductor substrate 10a N-type semiconductor substrate 11 Local isolation region 11a Local Isolation region 12 Source region 13 Drain region 14 Gate insulating film 15 Gate electrode 16 Insulating film 17 Source electrode 18 Drain electrode 19 Insulating film 20 Wiring 21 Molybdenum silicide film 22 Titanium oxide film 23 Platinum microcrystal 23a Gap 24 Laminated film 25 Thin film 26 Gate Electrode 27 Sensor FET
28 Reference FET
29 heater 30 PN junction diode 31 p-type well 32 p-type well electrode 33 substrate electrode 34 p + -type semiconductor region 35 n + -type semiconductor region 36 detection electrode 37 reference electrode 38 solid electrolyte 39 extraction electrode 40 extraction electrode 41 alumina substrate 42 anode 43 Anode 44 Cathode 45 Filter 46 Vacuum cock 47 Glass triangular flask 48 Cylindrical test tube 49 Platinum thin film 50 Ceramic substrate CHP Semiconductor chip Vth Threshold voltage ΔVg Hydrogen response strength Vgs Gate voltage Id Source drain current

Claims (23)

(a)半導体基板と、
(b)前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
(c)前記ゲート絶縁膜上に形成された密着膜と、
(d)前記密着膜上に形成されたゲート電極と、
(e)前記半導体基板に形成されたソース領域と、
(f)前記半導体基板に形成されたドレイン領域とを備え、
前記密着膜は、酸素ドープの非晶質のチタンと、非晶質の酸化チタンまたは酸化チタン微結晶と、が混じり合って形成された膜である酸素ドープチタン膜を有し、
前記ゲート電極は、前記酸素ドープチタン膜上に形成されたプラチナ膜を有し、
前記プラチナ膜は、複数の結晶粒から構成され、前記複数の結晶粒間にある粒界領域には酸素とチタンが存在することを特徴とするガスセンサ。
(A) a semiconductor substrate;
(B) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(C) an adhesion film formed on the gate insulating film;
(D) a gate electrode formed on the adhesion film;
(E) a source region formed in the semiconductor substrate;
(F) a drain region formed in the semiconductor substrate;
The adhesion film has an oxygen-doped titanium film which is a film formed by mixing oxygen-doped amorphous titanium and amorphous titanium oxide or titanium oxide microcrystals,
The gate electrode has a platinum film formed on the oxygen-doped titanium film,
The platinum film is composed of a plurality of crystal grains, and oxygen and titanium exist in a grain boundary region between the plurality of crystal grains.
請求項1記載のガスセンサであって、
前記酸素ドープチタン膜に導入されている酸素量は1021個/cm3以上であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
The gas sensor characterized in that the amount of oxygen is introduced into said oxygen-doped titanium film is 10 21 / cm 3 or more.
請求項1記載のガスセンサであって、
前記プラチナ膜の膜厚は1nm以上30nm以下であり、前記酸素ドープチタン膜の膜厚は1nm以上10nm以下であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
The platinum film has a thickness of 1 nm to 30 nm, and the oxygen-doped titanium film has a thickness of 1 nm to 10 nm.
請求項1記載のガスセンサであって、
前記ゲート電極は、さらに、前記プラチナ膜上にパラジウム膜を有することを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
The gate sensor further includes a palladium film on the platinum film.
(a)半導体基板からなる下部電極と、
(b)前記下部電極上に形成された容量絶縁膜と、
(c)前記容量絶縁膜上に形成された密着膜と、
(d)前記密着膜上に形成された上部電極とを備える容量素子を含むガスセンサであって、
前記密着膜は、酸素ドープの非晶質のチタンと、非晶質の酸化チタンまたは酸化チタン微結晶と、が混じり合って形成された膜である酸素ドープチタン膜を有し、
前記上部電極は、前記酸素ドープチタン膜上に形成されたプラチナ膜を有し、
前記プラチナ膜は、複数の結晶粒から構成され、前記複数の結晶粒間にある粒界領域には酸素とチタンが存在することを特徴とするガスセンサ。
(A) a lower electrode made of a semiconductor substrate;
(B) a capacitive insulating film formed on the lower electrode;
(C) an adhesion film formed on the capacitive insulating film;
(D) a gas sensor including a capacitive element including an upper electrode formed on the adhesion film,
The adhesion film has an oxygen-doped titanium film which is a film formed by mixing oxygen-doped amorphous titanium and amorphous titanium oxide or titanium oxide microcrystals,
The upper electrode has a platinum film formed on the oxygen-doped titanium film,
The platinum film is composed of a plurality of crystal grains, and oxygen and titanium exist in a grain boundary region between the plurality of crystal grains.
請求項5記載のガスセンサであって、
前記酸素ドープチタン膜に導入されている酸素量は1021個/cm3以上であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 5, wherein
The gas sensor characterized in that the amount of oxygen is introduced into said oxygen-doped titanium film is 10 21 / cm 3 or more.
請求項5記載のガスセンサであって、
前記プラチナ膜の膜厚は1nm以上30nm以下であり、前記酸素ドープチタン膜の膜厚は1nm以上10nm以下であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 5, wherein
The platinum film has a thickness of 1 nm to 30 nm, and the oxygen-doped titanium film has a thickness of 1 nm to 10 nm.
請求項5記載のガスセンサであって、
前記上部電極は、さらに、前記プラチナ膜上にパラジウム膜を有することを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 5, wherein
The upper electrode further includes a palladium film on the platinum film.
同一の半導体基板上に形成された第1ガスセンサと第2ガスセンサを有し、
前記第1ガスセンサは、
(a)前記半導体基板上に形成された第1ゲート絶縁膜と、
(b)前記第1ゲート絶縁膜上に形成された第1密着膜と、
(c)前記第1密着膜上に形成された第1ゲート電極と、
(d)前記半導体基板に形成された第1ソース領域と、
(e)前記半導体基板に形成された第1ドレイン領域とを備え、
前記第1密着膜は、酸素ドープの非晶質のチタンと、非晶質の酸化チタンまたは酸化チタン微結晶と、が混じり合って形成された膜である第1酸素ドープチタン膜を有し、
前記第1ゲート電極は、前記第1酸素ドープチタン膜上に形成された第1プラチナ膜を有し、
前記第1プラチナ膜は、複数の結晶粒から構成され、前記複数の結晶粒間にある粒界領域には酸素とチタンが存在し、
前記第2ガスセンサは、
(f)前記半導体基板上に形成された第2ゲート絶縁膜と、
(g)前記第2ゲート絶縁膜上に形成された第2密着膜と、
(h)前記第2密着膜上に形成された第2ゲート電極と、
(i)前記半導体基板に形成された第2ソース領域と、
(j)前記半導体基板に形成された第2ドレイン領域とを備え、
前記第密着膜は、酸素ドープの非晶質のチタンと、非晶質の酸化チタンまたは酸化チタン微結晶と、が混じり合って形成された膜である第2酸素ドープチタン膜を有し、
前記第2ゲート電極は、
(h1)前記第2酸素ドープチタン膜上に形成された第2プラチナ膜と、
(h2)前記第2プラチナ膜上に形成されたパラジウム膜とを有し、
前記第2プラチナ膜は、複数の結晶粒から構成され、前記複数の結晶粒間にある粒界領域には酸素とチタンが存在するガスセンサであって、
前記ガスセンサは、100ppmから10%にわたる濃度範囲のガスを検知することを特徴とするガスセンサ。
Having a first gas sensor and a second gas sensor formed on the same semiconductor substrate;
The first gas sensor
(A) a first gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(B) a first adhesion film formed on the first gate insulating film;
(C) a first gate electrode formed on the first adhesion film;
(D) a first source region formed in the semiconductor substrate;
(E) a first drain region formed in the semiconductor substrate;
The first adhesion film includes a first oxygen-doped titanium film which is a film formed by mixing oxygen-doped amorphous titanium and amorphous titanium oxide or titanium oxide microcrystals,
The first gate electrode has a first platinum film formed on the first oxygen-doped titanium film,
The first platinum film is composed of a plurality of crystal grains, and oxygen and titanium exist in a grain boundary region between the plurality of crystal grains,
The second gas sensor
(F) a second gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(G) a second adhesion film formed on the second gate insulating film;
(H) a second gate electrode formed on the second adhesion film;
(I) a second source region formed in the semiconductor substrate;
(J) a second drain region formed in the semiconductor substrate;
The second adhesion film includes a second oxygen-doped titanium film which is a film formed by mixing oxygen-doped amorphous titanium and amorphous titanium oxide or titanium oxide microcrystals,
The second gate electrode is
(H1) a second platinum film formed on the second oxygen-doped titanium film;
(H2) a palladium film formed on the second platinum film,
The second platinum film is composed of a plurality of crystal grains, and a gas sensor in which oxygen and titanium are present in a grain boundary region between the plurality of crystal grains,
The gas sensor detects a gas having a concentration range of 100 ppm to 10%.
(a)半導体基板と、
(b)前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
(c)前記ゲート絶縁膜上に形成された酸化チタン膜と、
(d)前記酸化チタン膜上に形成されたゲート電極と、
(e)前記半導体基板に形成されたソース領域と、
(f)前記半導体基板に形成されたドレイン領域とを備え、
前記ゲート電極は複数のプラチナ結晶粒が縞状構造をしており、
前記複数のプラチナ結晶粒間に空隙または絶縁物質が存在することを特徴とするガスセンサ。
(A) a semiconductor substrate;
(B) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(C) a titanium oxide film formed on the gate insulating film;
(D) a gate electrode formed on the titanium oxide film;
(E) a source region formed in the semiconductor substrate;
(F) a drain region formed in the semiconductor substrate;
The gate electrode has a plurality of platinum crystal grains in a striped structure,
A gas sensor, wherein a void or an insulating material exists between the plurality of platinum crystal grains.
請求項10記載のガスセンサであって、
前記酸化チタン膜は、ルチル構造の酸化チタン微結晶からなる膜、ルチル構造に加えてアナテーゼ構造が混じる酸化チタン微結晶の膜、あるいは、酸素を含有する酸素ドープチタンが混じる酸化チタン微結晶の膜のいずれかを含む膜であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 10, wherein
The titanium oxide film is a film composed of a rutile titanium oxide microcrystal, a titanium oxide microcrystal film mixed with an anatase structure in addition to a rutile structure, or a titanium oxide microcrystal film mixed with oxygen-doped titanium containing oxygen. A gas sensor comprising any one of the above.
請求項10記載のガスセンサであって、
前記ゲート電極の厚さは1nm以上30nm以下であり、前記酸化チタン膜の膜厚は1nm以上10nm以下であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 10, wherein
The gas sensor according to claim 1, wherein the gate electrode has a thickness of 1 nm to 30 nm, and the titanium oxide film has a thickness of 1 nm to 10 nm.
(a)半導体基板からなる下部電極と、
(b)前記下部電極上に形成された容量絶縁膜と、
(c)前記容量絶縁膜上に形成された酸化チタン膜と、
(d)前記酸化チタン膜上に形成された上部電極とを備える容量素子を含むガスセンサであって、
前記上部電極は、複数のプラチナ結晶粒が縞状構造をしており、
前記複数のプラチナ結晶粒間に空隙または絶縁物質が存在することを特徴とするガスセンサ。
(A) a lower electrode made of a semiconductor substrate;
(B) a capacitive insulating film formed on the lower electrode;
(C) a titanium oxide film formed on the capacitive insulating film;
(D) a gas sensor including a capacitive element including an upper electrode formed on the titanium oxide film,
The upper electrode has a striped structure with a plurality of platinum crystal grains,
A gas sensor, wherein a void or an insulating material exists between the plurality of platinum crystal grains.
請求項13記載のガスセンサであって、
前記酸化チタン膜は、ルチル構造の酸化チタン微結晶からなる膜、ルチル構造に加えてアナテーゼ構造が混じる酸化チタン微結晶の膜、あるいは、酸素を含有する酸素ドープチタンが混じる酸化チタン微結晶の膜のいずれかを含む膜であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 13, wherein
The titanium oxide film is a film composed of a rutile titanium oxide microcrystal, a titanium oxide microcrystal film mixed with an anatase structure in addition to a rutile structure, or a titanium oxide microcrystal film mixed with oxygen-doped titanium containing oxygen. A gas sensor comprising any one of the above.
請求項13記載のガスセンサであって、
前記上部電極の厚さは1nm以上30nm以下であり、前記酸化チタン膜の膜厚は1nm以上10nm以下であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 13, wherein
The gas sensor according to claim 1, wherein the upper electrode has a thickness of 1 nm to 30 nm, and the titanium oxide film has a thickness of 1 nm to 10 nm.
請求項1記載のガスセンサであって、
前記半導体基板上には、さらに、前記ガスセンサを加熱するヒータが形成されていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
A heater for heating the gas sensor is further formed on the semiconductor substrate.
請求項16記載のガスセンサであって、
前記ソース領域あるいは前記ドレイン領域と接続する取り出し電極を有し、
前記取り出し電極は、上層から金膜/モリブデン膜の順で積層された積層膜から形成され、
さらに、前記ガスセンサを加熱する前記ヒータは、モリブデン膜/金膜/モリブデン膜よりなる積層膜で形成されていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 16, wherein
An extraction electrode connected to the source region or the drain region;
The extraction electrode is formed from a laminated film laminated in the order of gold film / molybdenum film from the upper layer,
Further, the heater for heating the gas sensor is formed of a laminated film of molybdenum film / gold film / molybdenum film.
(a)半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記(a)工程後、前記ゲート絶縁膜上に膜厚が1nm以上10nm以下のチタン膜を形成する工程と、
(c)前記(b)工程後、前記チタン膜上にプラチナ膜を形成する工程とを備え、
前記プラチナ膜は複数の結晶粒から構成され、前記プラチナ膜の膜厚を1nm以上30nm以下にするガスセンサの製造方法であって、
(d)前記(c)工程後、酸素ガスを含む雰囲気中で前記半導体基板を350℃以上475℃以下の範囲の温度で加熱する工程を有することを特徴とするガスセンサの製造方法。
(A) forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) after the step (a), forming a titanium film having a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less on the gate insulating film;
(C) after the step (b), a step of forming a platinum film on the titanium film,
The platinum film is composed of a plurality of crystal grains, and is a method of manufacturing a gas sensor, wherein the thickness of the platinum film is 1 nm or more and 30 nm or less,
(D) A method of manufacturing a gas sensor, comprising a step of heating the semiconductor substrate at a temperature in the range of 350 ° C. to 475 ° C. in an atmosphere containing oxygen gas after the step (c).
請求項18記載のガスセンサの製造方法であって、
前記(b)工程での前記チタン膜の成膜および前記(c)工程での前記プラチナ膜の成膜に電子ビーム蒸着法を使用することを特徴とするガスセンサの製造方法。
A method of manufacturing a gas sensor according to claim 18,
A method of manufacturing a gas sensor, wherein an electron beam evaporation method is used for forming the titanium film in the step (b) and forming the platinum film in the step (c).
(a)半導体基板と、
(b)前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
(c)前記ゲート絶縁膜上に形成された密着膜と、
(d)前記密着膜上に形成されたゲート電極と、
(e)前記半導体基板に形成されたソース領域と、
(f)前記半導体基板に形成されたドレイン領域とを備え、
前記密着膜は、酸素ドープの非晶質の金属と、非晶質の金属酸化物または金属酸化物微結晶と、が混じり合って形成された膜である酸素ドープ金属膜を有し、
前記ゲート電極は、前記酸素ドープ金属膜上に形成されたプラチナ膜を有し、
前記プラチナ膜は、複数の結晶粒から構成され、前記複数の結晶粒間にある粒界領域には酸素と前記酸素ドープ金属膜を構成する金属が存在し、
前記金属は、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ、クロムのいずれかであることを特徴とするガスセンサ。
(A) a semiconductor substrate;
(B) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(C) an adhesion film formed on the gate insulating film;
(D) a gate electrode formed on the adhesion film;
(E) a source region formed in the semiconductor substrate;
(F) a drain region formed in the semiconductor substrate;
The adhesion layer comprises an amorphous metal oxygen doping, and fine crystals of amorphous metal oxides or metal oxide, oxygen doping metal film is a film formed by commingled is,
The gate electrode has a platinum film formed on the oxygen-doped metal film,
The platinum film is composed of a plurality of crystal grains, and oxygen and a metal constituting the oxygen-doped metal film exist in a grain boundary region between the plurality of crystal grains,
The gas sensor according to claim 1, wherein the metal is any one of tungsten, molybdenum, tantalum, niobium, and chromium.
(a)半導体基板からなる下部電極と、
(b)前記下部電極上に形成された容量絶縁膜と、
(c)前記容量絶縁膜上に形成された密着膜と、
(d)前記密着膜上に形成された上部電極とを備える容量素子を含むガスセンサであって、
前記密着膜は、酸素ドープの非晶質の金属と、非晶質の金属酸化物または金属酸化物微結晶と、が混じり合って形成された膜である酸素ドープ金属膜を有し、
前記上部電極は、前記酸素ドープ金属膜上に形成されたプラチナ膜を有し、
前記プラチナ膜は、複数の結晶粒から構成され、前記複数の結晶粒間にある粒界領域には酸素と前記酸素ドープ金属膜を構成する金属が存在し、
前記金属は、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ、クロムのいずれかであることを特徴とするガスセンサ。
(A) a lower electrode made of a semiconductor substrate;
(B) a capacitive insulating film formed on the lower electrode;
(C) an adhesion film formed on the capacitive insulating film;
(D) a gas sensor including a capacitive element including an upper electrode formed on the adhesion film,
The adhesion layer comprises an amorphous metal oxygen doping, and fine crystals of amorphous metal oxides or metal oxide, oxygen doping metal film is a film formed by commingled is,
The upper electrode has a platinum film formed on the oxygen-doped metal film,
The platinum film is composed of a plurality of crystal grains, and oxygen and a metal constituting the oxygen-doped metal film exist in a grain boundary region between the plurality of crystal grains,
The gas sensor according to claim 1, wherein the metal is any one of tungsten, molybdenum, tantalum, niobium, and chromium.
絶縁材料または半導体材料よりなる下地上に形成された電極であって、
前記電極は、
(a)前記下地上に形成された膜であって、酸素ドープの非晶質の金属と、非晶質の金属酸化物または金属酸化物の微結晶と、が混じり合って形成された前記膜である酸素ドープ金属膜と、
(b)前記酸素ドープ金属膜上に形成されたプラチナ膜とを有し、
前記プラチナ膜は、複数の結晶粒から構成され、前記複数の結晶粒間にある粒界領域には酸素と前記酸素ドープ金属膜を構成する金属が存在し、
前記金属は、チタン、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ、クロムのいずれかであることを特徴とする電極。
An electrode formed on a base made of an insulating material or a semiconductor material,
The electrode is
(A) The film formed on the base and formed by mixing oxygen-doped amorphous metal and amorphous metal oxide or metal oxide microcrystal An oxygen-doped metal film,
(B) having a platinum film formed on the oxygen-doped metal film,
The platinum film is composed of a plurality of crystal grains, and oxygen and a metal constituting the oxygen-doped metal film exist in a grain boundary region between the plurality of crystal grains,
The electrode is characterized in that the metal is any one of titanium, tungsten, molybdenum, tantalum, niobium, and chromium.
水素ガスに応答するセンサFETと、水素ガスに応答しない参照FETとを同一の半導体基板上に形成するガスセンサの製造方法であって、
(a)前記半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記(a)工程後、前記ゲート絶縁膜上に膜厚が1nm以上10nm以下のチタン膜を形成する工程と、
(c)前記(b)工程後、前記チタン膜上に、複数の結晶粒から構成され、かつ、膜厚が1nm以上30nm以下であるプラチナ膜を形成する工程と、
(d)前記(c)工程後、前記プラチナ膜をパターニングすることにより、前記センサFETの第1ゲート電極と、前記参照FETの第2ゲート電極とを形成する工程と、
(e)前記(d)工程後、酸素ガスを含む雰囲気中で前記半導体基板を350℃以上475℃以下の範囲の温度で加熱する工程と、
(f)前記(e)工程後、前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極を覆う絶縁膜を形成する工程と、
(g)前記(f)工程後、前記絶縁膜をパターニングすることにより、前記第1ゲート電極上を露出する一方、前記第2ゲート電極上を覆う前記絶縁膜を残存させる工程と、を備えることを特徴とするガスセンサの製造方法。
A gas sensor manufacturing method for forming a sensor FET that responds to hydrogen gas and a reference FET that does not respond to hydrogen gas on the same semiconductor substrate,
(A) forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) after the step (a), forming a titanium film having a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less on the gate insulating film;
(C) after the step (b), a step of forming a platinum film composed of a plurality of crystal grains and having a film thickness of 1 nm to 30 nm on the titanium film;
(D) after the step (c), patterning the platinum film to form a first gate electrode of the sensor FET and a second gate electrode of the reference FET;
(E) after the step (d), heating the semiconductor substrate in an atmosphere containing oxygen gas at a temperature in the range of 350 ° C. to 475 ° C .;
(F) After the step (e), a step of forming an insulating film covering the first gate electrode and the second gate electrode;
(G) After the step (f), patterning the insulating film to expose the first gate electrode while leaving the insulating film covering the second gate electrode remaining. A method of manufacturing a gas sensor.
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