JPS634657B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPS634657B2 JPS634657B2 JP55188091A JP18809180A JPS634657B2 JP S634657 B2 JPS634657 B2 JP S634657B2 JP 55188091 A JP55188091 A JP 55188091A JP 18809180 A JP18809180 A JP 18809180A JP S634657 B2 JPS634657 B2 JP S634657B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gate
- gas
- thin film
- oxide film
- field oxide
- Prior art date
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- Expired
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4148—Integrated circuits therefor, e.g. fabricated by CMOS processing
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Computer Hardware Design (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
本発明は、絶縁ゲート型電解効果トランジスタ
（以下MOS型FETと言う）構造のガス検知素子
に関する。 本発明者は、特に特願昭50−154248号（特開昭
52−77794号公報参照）において、MOS型FET
のゲート電極としてPd（パラジウム）を用いた水
素ガスセンサーを提案した。この水素ガスセンサ
ーの動作原理は、水素ガスがPdに吸着すること
により、Pdの仕事函数が変化し、その結果MOS
型FETのしきい値特性が変化することを利用し
て水素ガスの有無を検出するものである。 また特開昭52−26292号公報には、ゲート絶縁
膜として固体電解質であるガラスからなるイオン
感応層を用いた。電解液中のイオンを検出するイ
オンセンサーが開示されている。このイオンセン
サーの動作原理も、上述の水素ガスセンサーと同
じであり、ガスセンサーにも応用可能なものであ
る。 しかし、これら水素ガスセンサーおよびイオン
センサーは、いずれも以下に示すような欠点を有
している。 すなわち、これらのセンサーは、どちらもガス
あるいはイオンの有無を感知するゲート電極ある
いはゲート絶縁膜の組成によつて、検出できるガ
スあるいはイオンの種類が限られてしまい、複数
種のガスを検出できる多目的なガスセンサーとし
ては使用できないものである。 これを解決するため、特開昭52−26292号公報
では、ゲート絶縁膜の組成を異ならせたMOS型
FETを複数個設けることが提案されているが、
これでは検出したいガスの種類が多くなればなる
ほど、それに応じてMOS型FETの数も多くしな
ければならず、とうてい小型かつ低価格の多目的
ガスセンサーを実現することはできない。 本発明は、以上の点に鑑み、１個のMOS型
FETで、複数種のガスを検出し得るガス検知素
子を実現し、小型かつ低価格の多目的ガスセンサ
ーを提供することを目的とするものである。 以下に、１実施例を示す。 第１図および第２図は、本発明によるガス検知
素子の概略の構成を示す図であり、１，２，３，
４の部分は、通常のMOS型FETの構造である。
即ち、１はＰ型Siの半導体基板であり、２はｎ型
のソース領域およびドレイン領域であり、その間
にチヤンネル領域が形成されている。３はフイー
ルド酸化物であり、酸化ケイ素（SiO2）からな
る。４は金属の中間電極であり、この材質は、
Au（金）、Ag（銀）、Bi（ビスマス）、Al（アルミニ
ウム）、fa（ランタン）、Pr（ブラセオジミウム）、
Nd（ネオジミウム）、Ce（セリウム）、Gd（カドリ
ニウム）Cu（銅）の中から選択された。５は、薄
膜固体電解質であり、LaF3（フツ化ランタン）、
CeF3（フツ化セリウム）、NdF3（フツ化ネオジミ
ウム）、PrF3（フツ化プラセオジミウム）の中か
ら選択された。６は金属のゲート電極であり、ガ
スとの反応速度を高くする目的で、格子メツシユ
状の構造をとつている。材質は、４の同じ元素群
の中から選択されている。７は、Cr／Auのメタ
ライゼンシヨンされた、信号処理回路へのリー
ド・パツド部である。 トランジスタ構造は、周知の手法で製作され、
0.05Ωcmの抵抗を有する＜100＞方位のボロン添
加のＰ型Siウエーハを使う。拡散用マスクとし
て、250nｍの熱酸化膜で、通常の技術により、
パターニングされる。ドレイン及びソース領域
は、PH3を添加材として、1050℃で拡散される。
酸化膜はHFにより除去され、H2O2−NH3、
H2O2−HCl、HF、及び純水で洗浄される。次
に、400℃で、酸素中にてSiH4の分解により、
200nｍのSiO2膜をデポジツトする。ゲート酸化
用のゲート部分がエツチングされ、その後に875
℃で乾燥酸素中で、30nｍのゲート酸化が行なわ
れる。ソースドレインのコンタクトホールが開か
れ、30nｍのクロムと150nｍの金が蒸着される。
次に、フオトレジスト技術により、ゲート部分
に、Biを電子ビーム蒸着する。150nｍの厚みで
ある。このBi薄膜の上にLaF3膜をデポジツトす
る。200〜1500nｍの厚みで良好な結果を示す。
200nｍ以下はピンホールが発生し、1500nｍ以上
はインピーダンスが高くなり不適当である。この
LaF3膜の上に、Auの格子状薄膜を構成する。こ
れによりAu／LaF3／Biの構造の薄膜電池構造が
つくられ、この電圧がMOS型FETのゲート電圧
に付加される構成が成立する。 薄膜のデポジシヨンは、全て10-7Torr以下の
高真空で為され、方法は、ボート加熱蒸着、電子
ビーム蒸着、スパツタリング蒸着、イオンビーム
スパツタリング蒸着等が工質に合せて使用され
る。特に、イオンビームスパツタリング蒸着は、
膜質及び物性値がよく制御でき、好適である。基
板温度は200〜300℃である。出発原料材質はいず
れも4N以上の純度である。 MOS型FET部のチヤンネル寸法は、幅20μ、
長さ1000μである。 本素子は、通常のMOS型FETと異なる特徴と
して、中間に電極４を有することである。基板１
に対して６に電圧を印加する効果は通常のFET
効果であるが、このゲート電圧は、４，６間の電
圧の影響を受ける構成であり、ここにガスの効果
を生起させることにより、ガスの検知を行なうも
のである、即わち、４，６間に下記の所定電圧を
印加した状態で、環境ガスに曝露すると、この間
の電流が流れ、インピーダンスが低下し、６の電
位がそのままゲート電圧として作用することにな
る。従つて、下部のFET部を作動させることに
なり、ガスの検知が行なわれたことになる。
（以下MOS型FETと言う）構造のガス検知素子
に関する。 本発明者は、特に特願昭50−154248号（特開昭
52−77794号公報参照）において、MOS型FET
のゲート電極としてPd（パラジウム）を用いた水
素ガスセンサーを提案した。この水素ガスセンサ
ーの動作原理は、水素ガスがPdに吸着すること
により、Pdの仕事函数が変化し、その結果MOS
型FETのしきい値特性が変化することを利用し
て水素ガスの有無を検出するものである。 また特開昭52−26292号公報には、ゲート絶縁
膜として固体電解質であるガラスからなるイオン
感応層を用いた。電解液中のイオンを検出するイ
オンセンサーが開示されている。このイオンセン
サーの動作原理も、上述の水素ガスセンサーと同
じであり、ガスセンサーにも応用可能なものであ
る。 しかし、これら水素ガスセンサーおよびイオン
センサーは、いずれも以下に示すような欠点を有
している。 すなわち、これらのセンサーは、どちらもガス
あるいはイオンの有無を感知するゲート電極ある
いはゲート絶縁膜の組成によつて、検出できるガ
スあるいはイオンの種類が限られてしまい、複数
種のガスを検出できる多目的なガスセンサーとし
ては使用できないものである。 これを解決するため、特開昭52−26292号公報
では、ゲート絶縁膜の組成を異ならせたMOS型
FETを複数個設けることが提案されているが、
これでは検出したいガスの種類が多くなればなる
ほど、それに応じてMOS型FETの数も多くしな
ければならず、とうてい小型かつ低価格の多目的
ガスセンサーを実現することはできない。 本発明は、以上の点に鑑み、１個のMOS型
FETで、複数種のガスを検出し得るガス検知素
子を実現し、小型かつ低価格の多目的ガスセンサ
ーを提供することを目的とするものである。 以下に、１実施例を示す。 第１図および第２図は、本発明によるガス検知
素子の概略の構成を示す図であり、１，２，３，
４の部分は、通常のMOS型FETの構造である。
即ち、１はＰ型Siの半導体基板であり、２はｎ型
のソース領域およびドレイン領域であり、その間
にチヤンネル領域が形成されている。３はフイー
ルド酸化物であり、酸化ケイ素（SiO2）からな
る。４は金属の中間電極であり、この材質は、
Au（金）、Ag（銀）、Bi（ビスマス）、Al（アルミニ
ウム）、fa（ランタン）、Pr（ブラセオジミウム）、
Nd（ネオジミウム）、Ce（セリウム）、Gd（カドリ
ニウム）Cu（銅）の中から選択された。５は、薄
膜固体電解質であり、LaF3（フツ化ランタン）、
CeF3（フツ化セリウム）、NdF3（フツ化ネオジミ
ウム）、PrF3（フツ化プラセオジミウム）の中か
ら選択された。６は金属のゲート電極であり、ガ
スとの反応速度を高くする目的で、格子メツシユ
状の構造をとつている。材質は、４の同じ元素群
の中から選択されている。７は、Cr／Auのメタ
ライゼンシヨンされた、信号処理回路へのリー
ド・パツド部である。 トランジスタ構造は、周知の手法で製作され、
0.05Ωcmの抵抗を有する＜100＞方位のボロン添
加のＰ型Siウエーハを使う。拡散用マスクとし
て、250nｍの熱酸化膜で、通常の技術により、
パターニングされる。ドレイン及びソース領域
は、PH3を添加材として、1050℃で拡散される。
酸化膜はHFにより除去され、H2O2−NH3、
H2O2−HCl、HF、及び純水で洗浄される。次
に、400℃で、酸素中にてSiH4の分解により、
200nｍのSiO2膜をデポジツトする。ゲート酸化
用のゲート部分がエツチングされ、その後に875
℃で乾燥酸素中で、30nｍのゲート酸化が行なわ
れる。ソースドレインのコンタクトホールが開か
れ、30nｍのクロムと150nｍの金が蒸着される。
次に、フオトレジスト技術により、ゲート部分
に、Biを電子ビーム蒸着する。150nｍの厚みで
ある。このBi薄膜の上にLaF3膜をデポジツトす
る。200〜1500nｍの厚みで良好な結果を示す。
200nｍ以下はピンホールが発生し、1500nｍ以上
はインピーダンスが高くなり不適当である。この
LaF3膜の上に、Auの格子状薄膜を構成する。こ
れによりAu／LaF3／Biの構造の薄膜電池構造が
つくられ、この電圧がMOS型FETのゲート電圧
に付加される構成が成立する。 薄膜のデポジシヨンは、全て10-7Torr以下の
高真空で為され、方法は、ボート加熱蒸着、電子
ビーム蒸着、スパツタリング蒸着、イオンビーム
スパツタリング蒸着等が工質に合せて使用され
る。特に、イオンビームスパツタリング蒸着は、
膜質及び物性値がよく制御でき、好適である。基
板温度は200〜300℃である。出発原料材質はいず
れも4N以上の純度である。 MOS型FET部のチヤンネル寸法は、幅20μ、
長さ1000μである。 本素子は、通常のMOS型FETと異なる特徴と
して、中間に電極４を有することである。基板１
に対して６に電圧を印加する効果は通常のFET
効果であるが、このゲート電圧は、４，６間の電
圧の影響を受ける構成であり、ここにガスの効果
を生起させることにより、ガスの検知を行なうも
のである、即わち、４，６間に下記の所定電圧を
印加した状態で、環境ガスに曝露すると、この間
の電流が流れ、インピーダンスが低下し、６の電
位がそのままゲート電圧として作用することにな
る。従つて、下部のFET部を作動させることに
なり、ガスの検知が行なわれたことになる。
【表】
第２図に示す如くに、Ａ部はFET部分であり、
Ｂは電池構成部であり、Ｃ部はバイアス印加制御
部であり、Ｄ部は信号源である。Ｃ部は例えば
MOS型OPアンプ回路により駆動でき、Ｄ部の先
に、CPUを接続して各種の制御に適応できる。
Ａ、Ｂ、Ｃ部は、高抵抗回路で、低電圧駆動が可
能であり、極めて低消費電力である。さらに、前
述の如く、きわめて応答の早いガス検知信号の発
生が可能であり、当然本素子は常温で作動でき、
加熱回路は不要である。 以上の如く、本発明の原理による検知素子は、
小型、薄型に設計でき、低消費電力、低電圧駆動
が可能で、ガスの選択性があり、さらに信頼性も
充分期待できる素子である。 従つて、小型、携帯型のガス検知測定器、警報
器、又はモニターに絶好の素子である。この場合
周辺の信号処理回路は、基板のSiウエーハ内に集
積できることは大きな特徴であり、システムの低
コスト化が可能である。 さらに、本発明の検知素子は、中間電極とゲー
ト電極間に印加するバイアス電圧の値を変えるだ
けで、異なる複数のガスの検出が可能となるた
め、１個の検知素子で多目的のガスセンサーを構
成でき、その応用性はきわめて高いものである。
Ｂは電池構成部であり、Ｃ部はバイアス印加制御
部であり、Ｄ部は信号源である。Ｃ部は例えば
MOS型OPアンプ回路により駆動でき、Ｄ部の先
に、CPUを接続して各種の制御に適応できる。
Ａ、Ｂ、Ｃ部は、高抵抗回路で、低電圧駆動が可
能であり、極めて低消費電力である。さらに、前
述の如く、きわめて応答の早いガス検知信号の発
生が可能であり、当然本素子は常温で作動でき、
加熱回路は不要である。 以上の如く、本発明の原理による検知素子は、
小型、薄型に設計でき、低消費電力、低電圧駆動
が可能で、ガスの選択性があり、さらに信頼性も
充分期待できる素子である。 従つて、小型、携帯型のガス検知測定器、警報
器、又はモニターに絶好の素子である。この場合
周辺の信号処理回路は、基板のSiウエーハ内に集
積できることは大きな特徴であり、システムの低
コスト化が可能である。 さらに、本発明の検知素子は、中間電極とゲー
ト電極間に印加するバイアス電圧の値を変えるだ
けで、異なる複数のガスの検出が可能となるた
め、１個の検知素子で多目的のガスセンサーを構
成でき、その応用性はきわめて高いものである。
第１図および第２図は、本発明の原理的な構成
を示す図である。第３図は本発明の１実施例に係
る回路概念図である。
を示す図である。第３図は本発明の１実施例に係
る回路概念図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板、該半導体基板に形成されたソー
スおよびドレイン領域、少なくとも該ソース領域
およびドレイン領域間のチヤンネル領域上に形成
されたフイールド酸化膜、該フイールド酸化膜上
に形成された中間電極、該中間電極上に形成され
た薄膜固体電解質および該薄膜固体電解質上に形
成されたゲート電極からなることを特徴とするガ
ス検知素子。 ２ 前記ゲート電極を格子メツシユ状に形成した
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のガ
ス検知素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP55188091A JPS57111439A (en) | 1980-12-29 | 1980-12-29 | Gas detecting element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP55188091A JPS57111439A (en) | 1980-12-29 | 1980-12-29 | Gas detecting element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57111439A JPS57111439A (en) | 1982-07-10 |
| JPS634657B2 true JPS634657B2 (ja) | 1988-01-29 |
Family
ID=16217540
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP55188091A Granted JPS57111439A (en) | 1980-12-29 | 1980-12-29 | Gas detecting element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57111439A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62250352A (ja) * | 1986-04-23 | 1987-10-31 | Seitai Kinou Riyou Kagakuhin Shinseizou Gijutsu Kenkyu Kumiai | 電界効果トランジスタ型酸素ガスセンサ |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5226292A (en) * | 1975-08-23 | 1977-02-26 | Res Dev Corp Of Japan | Ion sensor |
-
1980
- 1980-12-29 JP JP55188091A patent/JPS57111439A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57111439A (en) | 1982-07-10 |
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