JPS6026455B2 - Gas/humidity sensor - Google Patents
Gas/humidity sensorInfo
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- JPS6026455B2 JPS6026455B2 JP53101098A JP10109878A JPS6026455B2 JP S6026455 B2 JPS6026455 B2 JP S6026455B2 JP 53101098 A JP53101098 A JP 53101098A JP 10109878 A JP10109878 A JP 10109878A JP S6026455 B2 JPS6026455 B2 JP S6026455B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明はガスや水蒸気などの外的作用因子に対して感応
する超微粒子膜をMOS形電界効果トランジスタ(以下
MOS形FETと称す)とを組み合わせて構成された、
ガス、水蒸気などの分子の濃度を高感度に検知するため
のガス・湿度センサに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is constructed by combining an ultrafine particle film sensitive to external agents such as gas and water vapor with a MOS field effect transistor (hereinafter referred to as MOS FET).
This invention relates to a gas/humidity sensor for detecting the concentration of molecules such as gas and water vapor with high sensitivity.
従釆、この種の装置としては、MOS形FETのゲート
相当部分に、ほぼ100Aの厚さのPd薄膜を、真空黍
着法で形成したものが提案されている。Accordingly, as a device of this type, one has been proposed in which a thin Pd film of approximately 100 Å thick is formed on a portion corresponding to the gate of a MOS type FET by a vacuum coating method.
これは、Pd薄膜に比ガスが接触すると、その濃度に応
じてMOS形FETのしきし、電圧VTが変化し、その
結果、MOS形FETの電圧・電流特性が変化すること
を利用したものである。しかし、これには、ガスや水蒸
気などの一般的な検知対象に対して使用する上では、感
度などを解決すべき問題点が残されている。本発明は、
従来の装置におけるPd蒸着膜に代0えて、ガス中蒸発
法により作製した超微粒子膜を設けることにより、ガス
あるいは水蒸気に対する検出感度を飛躍的に高めること
ができることを見出したことにもとづくものである。This takes advantage of the fact that when a specific gas comes into contact with a Pd thin film, the threshold and voltage VT of the MOS FET change depending on its concentration, and as a result, the voltage and current characteristics of the MOS FET change. be. However, when using this method for general detection targets such as gas and water vapor, there are still problems such as sensitivity that need to be resolved. The present invention
This is based on the discovery that the detection sensitivity for gas or water vapor can be dramatically increased by replacing the Pd vapor-deposited film in conventional equipment with an ultrafine particle film produced by evaporation in gas. .
以下、図面を用いて、本発明の詳細について説明する。
タ 第1図は本発明にかかるMOS形FET構造の半導
体検知装置の一実施例の製造工程を説明するための図で
ある。Hereinafter, details of the present invention will be explained using the drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining the manufacturing process of an embodiment of a semiconductor sensing device having a MOS type FET structure according to the present invention.
まず、この製造方法から説明する。First, this manufacturing method will be explained.
1はたとえばく100>の方位を有するP形シリOコン
基板であり、IQ一肌程度の抵抗率である。1 is, for example, a P-type silicon O substrate having an orientation of 100>, and has a resistivity of approximately IQ.
この基板1の表面に3000A程度の酸化膜2を形成し
た後、周知の写真蝕刻法により所定領域の酸化膜を除去
して、窓3を形成する。しかるのち、酸化膜2の窓3か
らn形半導体を形成する不純物、5たとえば、リンを周
知の熱拡散法またはイオン注入法などにより拡散または
注入し、ソース領域4とドレィン領域5を形成する(第
1図A)。次に酸化膜2を完全に除去した後、基板1を
たとえば1000ooの水蒸気雰囲気中で約4び分熱処
理して、新たに3000A程度の熱酸化膜6を形成する
。この熱酸化膜6の一部分を通常の写真蝕刻法により選
択的に除去して、ゲート酸化膜を形成するための窓を開
ける。それから、基板1を日202−比S04、HF−
NH4F、HN03、超純水の順序で注意深く洗浄した
後、900ooの乾燥酸素雰囲気中で20分程度熱処理
をし、前記窓部分に約100Aの厚さのゲ−ト酸化膜7
を形成する。(第1図B)。このあと、ソース領域4と
ドレィン領域5に対するコンタクト窓を熱酸化膜6中に
選択的に形成する。After forming an oxide film 2 of about 3000 Å on the surface of the substrate 1, the oxide film in a predetermined area is removed by a well-known photolithography method to form a window 3. Thereafter, an impurity 5 for forming an n-type semiconductor, such as phosphorus, is diffused or implanted through the window 3 of the oxide film 2 by a well-known thermal diffusion method or ion implantation method to form a source region 4 and a drain region 5 ( Figure 1A). Next, after completely removing the oxide film 2, the substrate 1 is heat-treated for about 4 minutes in a steam atmosphere of 1000 Å to form a new thermal oxide film 6 of about 3000 Å. A portion of this thermal oxide film 6 is selectively removed by conventional photolithography to open a window for forming a gate oxide film. Then, the substrate 1 is converted to 202-3S04, HF-
After carefully washing in the order of NH4F, HN03, and ultrapure water, heat treatment was performed for about 20 minutes in a dry oxygen atmosphere of 900 oo, and a gate oxide film 7 with a thickness of about 100 A was formed on the window portion.
form. (Figure 1B). Thereafter, contact windows for the source region 4 and drain region 5 are selectively formed in the thermal oxide film 6.
しかるのち、AIなどの電極材料を蒸発させて金属薄膜
を形成したのち、周知の写真蝕刻法により選択的に除去
して、所定のソース電極8とドレィン電極9を形成する
(第2図c)。次に、基板1の表面に、Pdなどの金属
超微粒子膜あるいはSn02、Zn○、Ti02、Nj
○などの酸化物超微粒子膜を形成する。After that, an electrode material such as AI is evaporated to form a metal thin film, and then selectively removed by a well-known photolithography method to form a predetermined source electrode 8 and drain electrode 9 (FIG. 2c). . Next, a metal ultrafine particle film such as Pd or Sn02, Zn○, Ti02, Nj
Forms an oxide ultrafine particle film such as ○.
しかるのち、この超微粒子膜を選択的に除去しト少なく
ともゲート酸化膜7上に超微粒子膜10を残すようにす
る(第1図D)。Sn酸化物の超微粒子膜の作製を例に
あげて、第2図を用いて説明する。Thereafter, this ultrafine particle film is selectively removed so that at least the ultrafine particle film 10 remains on the gate oxide film 7 (FIG. 1D). The production of an ultrafine particle film of Sn oxide will be explained using FIG. 2 as an example.
通常の真空蒸着装暦21中の試料ホルダー22に、第1
図Cに示す構造の基板1をゲート酸化膜7側が図面下方
向に向くように取付ける。The sample holder 22 in the normal vacuum evaporation equipment
A substrate 1 having the structure shown in FIG. C is mounted so that the gate oxide film 7 side faces downward in the drawing.
蒸着用ボート23にSn、もしくはSn○、またはSn
02といった蒸発材料24をセットしてから、排気口2
5に連結された真空ポンプ(図示せず)を作動させて、
真空蒸着装層21内を5×10‐6Torr程度の真空
度にする。それから02導入口26のコックを開き、真
空蒸着装暦21内に02ガスを導入し、02圧力を0.
5Tom程度に保つ。次に、蒸発用電源27により02
ガス雰囲気のもとでボート23に通電し、発熱させて、
蒸発材料24を1■数秒から数分間蒸発させる。たとえ
ば、蒸発材料24としてSnを選び、70〜80A、4
Vの電力を1分間ボート23に印加すると、約1仏のの
厚さのSn酸化物超微粒子膜が基板1の表面に形成され
た。ここでは、蒸発材料を蒸発させる方法として、抵抗
加熱による方法について述べたが、誘導加熱法をはじめ
とする方法でもよいことは言うまでもない。このように
して作られた超微粒子膜の特性は、その作製条件により
かなり異なる。Sn, Sn○, or Sn is placed on the vapor deposition boat 23.
After setting the evaporation material 24 such as 02, open the exhaust port 2.
5 by operating a vacuum pump (not shown) connected to
The inside of the vacuum evaporation layer 21 is made to have a degree of vacuum of about 5×10 −6 Torr. Then, open the cock of the 02 inlet 26, introduce the 02 gas into the vacuum evaporation equipment 21, and reduce the 02 pressure to 0.
Keep it at around 5 Tom. Next, the evaporation power source 27
The boat 23 is energized in a gas atmosphere to generate heat,
The evaporation material 24 is evaporated for 1 second to several minutes. For example, if Sn is selected as the evaporation material 24,
When a power of V was applied to the boat 23 for 1 minute, a Sn oxide ultrafine particle film with a thickness of about 1 V was formed on the surface of the substrate 1. Here, a method using resistance heating has been described as a method for evaporating the evaporation material, but it goes without saying that methods such as induction heating may also be used. The properties of the ultrafine particle film produced in this way vary considerably depending on the production conditions.
種々の作製パラメーターの中でも、特に超微粒子形成過
程となる雰囲気すなわち02ガス圧力に強く依存する。
S舵酸化物の超微粒子の場合を例にとると、02ガス圧
lmomでは平均粒径が百数十人、02ガス圧ITor
rでは数十Aの超微粒子が形成される。一般0に、超微
粒子の粒径が小さくなるほど、粒子中に占める表面の割
合が大きくなって、粒子全エネルギー中に占める表面エ
ネルギーの割合が大きくなる。すなわち、表面活性度が
増加する。粒径100Aの超微粒子では表面原子数が全
原子数の約20%夕で、表面エネルギーが結合エネルギ
ーの数%であり、粒径20Aの超微粒子では、前者が約
80%、後者が10%以上にもなる。これから、超微粒
子膜がガス、水蒸気などの外的作用因子に対してきわめ
て敏感に相互作用するものであることがわかる。0 第
3図にSn酸化物の超微粒子膜を形成したときの02ガ
ス圧力と、イソブタンカスに対する感度との関係を示す
。Among various production parameters, it is particularly strongly dependent on the atmosphere used in the ultrafine particle formation process, that is, the 02 gas pressure.
Taking the case of ultrafine particles of S rudder oxide as an example, at 02 gas pressure lmom, the average particle size is 100 and more, and at 02 gas pressure ITor
At r, ultrafine particles of several tens of amperes are formed. In general, as the particle size of ultrafine particles becomes smaller, the proportion of the surface in the particles increases, and the proportion of surface energy in the total energy of the particles increases. That is, surface activity increases. In ultrafine particles with a particle size of 100A, the number of surface atoms is about 20% of the total number of atoms, and the surface energy is a few percent of the binding energy.In ultrafine particles with a particle size of 20A, the former accounts for about 80% and the latter accounts for 10%. It becomes more than that. This shows that the ultrafine particle film interacts extremely sensitively with external agents such as gas and water vapor. 0 Figure 3 shows the relationship between the 02 gas pressure and the sensitivity to isobutane scum when forming an ultrafine particle film of Sn oxide.
図から明らかなように、02ガス圧力が0.1Ton以
上になると、感度を示し、0.4〜0.8rorrで感
度は極大となる。それ以上の02タガス圧力になると、
感度は再び低下し、lOTon付近でほとんど感度を示
さなくなる。X線回折パターンの結果から、Sn酸化物
の超微粒子の平均粒径を求めたところ、図の波線で示す
ように、ほぼ10〜120Aの範囲で感度が示される。
特に、平0均粒径10〜20Aの範囲で感度は極大とな
る。比較のため、通常実施されている10‐4Ton程
度の02ガス圧力の雰囲気中で、Sn酸化物の蒸着膜を
形成した。それによれば、感度はほとんど認められなか
った。このように、超微粒子膜と蒸着膜とが本質的に異
なっているのは、超微粒子の次のような性質等によるも
のではないかと考えられる。As is clear from the figure, when the 02 gas pressure becomes 0.1 Ton or more, sensitivity is exhibited, and the sensitivity becomes maximum at 0.4 to 0.8 rorr. If the pressure becomes higher than that,
The sensitivity decreases again and shows almost no sensitivity near lOTon. When the average particle size of the ultrafine particles of Sn oxide was determined from the results of the X-ray diffraction pattern, the sensitivity was found to be approximately in the range of 10 to 120 A, as shown by the wavy line in the figure.
In particular, the sensitivity is maximum in the range of 10 to 20A in average particle size. For comparison, a vapor-deposited film of Sn oxide was formed in an atmosphere of 02 gas pressure of about 10-4 tons, which is commonly practiced. According to this, almost no sensitivity was observed. The reason why the ultrafine particle film and the vapor-deposited film are essentially different in this way is considered to be due to the following properties of the ultrafine particles.
すなわち、個々の超微粒子は、十数Aから数百Aの平均
粒径を有する単結晶であり、バルクの性質とよく似た性
質をもっているが、その表面のエネルギーがバルクのそ
れに比べ非常に高い。超微粒子膜は、このような特徴を
有する個々の超微粒子が適当な密度、すなわち作製条件
により異なるが全体積中の十数分の−から数百分の一の
充填率で集合、堆積したものであるから、蒸着膜に比べ
て、対象とするガス、水蒸気に直接接する表面積がはる
かに広く、かつ前述のごとく表面エネルギーもはるかに
高いものである。このようなことから超微粒子膜の表面
活性度が非常に高く、蒸着膜の特性から予想することの
できない特長が得られる。以上のような理由から、第1
図Dに示すように、ゲート酸化膜上に、ガスまたは水蒸
気に感ずる金属あるいは酸化物の超微粒子膜を付着形成
したMOS形FET構造の装置は、従釆の単なる蒸着膜
をゲート酸化膜上に付着形成したMOS形FET構造の
装置に比べてきわめて高い感度でガス、水蒸気などの濃
度を検知しうるものである。In other words, each ultrafine particle is a single crystal with an average particle diameter of several tens of amps to several hundred amps, and has properties very similar to those of the bulk, but its surface energy is much higher than that of the bulk. . An ultrafine particle film is a film in which individual ultrafine particles with these characteristics are aggregated and deposited at an appropriate density, that is, a filling rate ranging from tenths to several hundredths of the total volume, depending on the manufacturing conditions. Therefore, compared to a vapor-deposited film, the surface area in direct contact with the target gas or water vapor is much larger, and as mentioned above, the surface energy is also much higher. For this reason, the surface activity of the ultrafine particle film is extremely high, and features that cannot be predicted from the characteristics of the deposited film can be obtained. For the above reasons, the first
As shown in Figure D, a device with a MOS type FET structure in which an ultrafine particle film of a metal or oxide that is sensitive to gas or water vapor is deposited on a gate oxide film is a device with a simple vapor deposition film on the gate oxide film. It is possible to detect the concentration of gas, water vapor, etc. with extremely high sensitivity compared to a device with an attached MOS type FET structure.
第4図は本発明の異なる他の例を示す主要断面図である
。FIG. 4 is a main sectional view showing another example of the present invention.
すなわち、ゲート酸化膜上7上、あるいはゲート酸化膜
7からフィールド酸化膜6に延在した部分上、またはフ
ィールド酸化膜6上に、金属あるいは酸化物の超微粒子
膜10と電気的接触を有すように、AIまたはAu/C
rはどからなる電極11を形成し、金属あるいは酸化物
の超微粒子膜10に外部から任意の電圧を与えられるよ
うに構成したものである。この電極11に外部から印加
する電圧でガスまたは水蒸気に対する感度が最大となる
ようにゲート電位を設定することができる。本発明の大
きな特徴の一つは、従来のMOS形FETのゲート相当
部分上に薄い絶縁膜を介して超微粒子膜を形成している
点であり、そのためきわめて高い感度でガスや水蒸気な
どの濃度を検知することができるということである。That is, electrical contact is made with the metal or oxide ultrafine particle film 10 on the gate oxide film 7, on the portion extending from the gate oxide film 7 to the field oxide film 6, or on the field oxide film 6. Like, AI or Au/C
An electrode 11 made of material r is formed so that an arbitrary voltage can be applied to the metal or oxide ultrafine particle film 10 from the outside. The gate potential can be set so that the sensitivity to gas or water vapor is maximized by applying a voltage to this electrode 11 from the outside. One of the major features of the present invention is that an ultrafine particle film is formed on a portion corresponding to the gate of a conventional MOS FET via a thin insulating film, which allows extremely high sensitivity to detect concentrations of gases and water vapor. This means that it can be detected.
他の大きな特徴は、その製造工程の大部分が、通常の半
導体集積回路の製造方法と薄膜集積回路の製造方法とに
共適しているので、比較的容易に、大量に製造すること
ができる点であり、そのため信頼性が高く、かつ均一な
特性を有する装置を比較的安価に製造できる点である。Another major feature is that most of the manufacturing processes are suitable for both normal semiconductor integrated circuit manufacturing methods and thin film integrated circuit manufacturing methods, so they can be manufactured in large quantities with relative ease. Therefore, a device with high reliability and uniform characteristics can be manufactured at a relatively low cost.
第1図A,B,C,Dは本発明にかかる半導体検知装置
の−実施例とその製造工程を説明するための工程図、第
2図は超微粒子膜の製造装置の一例を示す図、第3図は
Sn酸化物の超微粒子膜の製造時における02ガス圧力
とィソブタンカスに対する感度、超微粒子の平均粒径と
の関係を示す図、第4図は半導体検知装置の他の実施例
を説明するための断面図である。
1・・・・・・基板、2・・・・・・酸化膜、3・・・
・・・窓、4・・・・・・ソース領域、5……ドレィン
領域、6……酸化膜、7・・・・・・ゲート酸化膜、8
・・・・・・ソース電極、9・・・・・・ドレィン電極
、10・・・・・・超微粒子膜、11・・・・・・ゲー
ト電極。
第4図
第1図
第2図
図
の
船1A, B, C, and D are process diagrams for explaining an embodiment of a semiconductor detection device according to the present invention and its manufacturing process; FIG. 2 is a diagram showing an example of an apparatus for manufacturing an ultrafine particle film; Figure 3 is a diagram showing the relationship between the 02 gas pressure, the sensitivity to isobutane gas, and the average particle diameter of the ultrafine particles during the production of an ultrafine particle film of Sn oxide, and Figure 4 explains another embodiment of the semiconductor detection device. FIG. 1...Substrate, 2...Oxide film, 3...
... window, 4 ... source region, 5 ... drain region, 6 ... oxide film, 7 ... gate oxide film, 8
. . . Source electrode, 9 . . . Drain electrode, 10 . . . Ultrafine particle film, 11 . . . Gate electrode. Figure 4 Figure 1 Figure 2 Ship
Claims (1)
この半導体基板上に形成されているゲート絶縁膜、およ
び、このゲート絶縁膜上に平均粒径が10〜120Åの
超微粒子で形成された超微粒子膜を具備していることを
特徴とするガス・湿度センサ。 2 超微粒子膜にゲート電極を電気的に接触させてなる
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のガス・湿
度センサ。 3 超微粒子膜が金属酸化物の超微粒子で形成されてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項
に記載のガス・湿度センサ。 4 金属酸化物がSn酸化物であることを特徴とする特
許請求の範囲第3項に記載のガス・湿度センサ。[Claims] 1. A semiconductor substrate having a source region and a drain region;
A gas which is characterized by comprising a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and an ultrafine particle film formed of ultrafine particles having an average particle size of 10 to 120 Å on the gate insulating film. Humidity sensor. 2. The gas/humidity sensor according to claim 1, characterized in that the gate electrode is electrically contacted with the ultrafine particle film. 3. The gas/humidity sensor according to claim 1 or 2, wherein the ultrafine particle film is formed of ultrafine metal oxide particles. 4. The gas/humidity sensor according to claim 3, wherein the metal oxide is Sn oxide.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP53101098A JPS6026455B2 (en) | 1978-08-18 | 1978-08-18 | Gas/humidity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP53101098A JPS6026455B2 (en) | 1978-08-18 | 1978-08-18 | Gas/humidity sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5527950A JPS5527950A (en) | 1980-02-28 |
| JPS6026455B2 true JPS6026455B2 (en) | 1985-06-24 |
Family
ID=14291611
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP53101098A Expired JPS6026455B2 (en) | 1978-08-18 | 1978-08-18 | Gas/humidity sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6026455B2 (en) |
-
1978
- 1978-08-18 JP JP53101098A patent/JPS6026455B2/en not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5527950A (en) | 1980-02-28 |
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