CN107110802B - 传感系统和器件 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于使FET型氢传感器的传感信号低噪声化。为了解决上述问题，本发明的传感系统的一个方面中，在衬底上由FET构成参照器件和传感器件，并且将两者的阱电位电隔离。

Description

传感系统和器件
技术领域
本发明涉及在FET型传感系统中，根据传感器件与参照器件的输出的差来检测对象物时，高精度地检测对象物的技术。
背景技术
从保护地球环境的观点考虑，作为温室效应气体的CO2的排量的削减成为地球规模的课题。为了抑制从汽车的排出，正在推进即使燃烧也只排出水的以氢为燃料的燃料电池汽车(FCV)的开发。在FCV中优选搭载用于氢燃烧时的氢浓度控制、来自配管的氢漏泄检测的氢浓度计。尤其是，当氢在空气中的浓度达到3.9％时将发生爆炸这样的情况是公知的，因此在氢的漏泄检测用途中，希望在达到上述爆炸极限浓度前，由氢浓度计发出警报这样的安全对策。另外，通过使燃烧时的氢浓度最佳化能够提高燃料消耗性能，因此以对燃烧条件实施反馈为目的，希望进行氢浓度的监测。
当前被实用化的氢传感器有接触燃烧式、半导体式、气体热传导式等。除上述以外，作为开发阶段的方式，具有固体电介质型和FET型。
接触燃烧式是在铂(Pt)或钯(Pd)这样的催化金属表面燃烧氢，检测由此产生的催化金属的温度上升的方式。其存在的缺点是：氢的敏感度高而选择性低；检测时需要氧；由于输出小因而需要对检测电路深入研究；由于需要将器件的工作温度保持为400℃程度的较高的温度因而耗电大。
半导体式，由于在金属氧化物半导体表面中的氢的氧化反应而使半导体内的耗尽层发生变化，因而载流子浓度发生变化，检测出与此相伴的电传导的变化。存在的缺点是：为了引发在金属氧化物半导体表面中的氧化反应而需要氧；需要将器件的工作温度保持为500℃程度的较高的温度因而耗电大。
气体热传导式，由于通过在气氛气体中混入氢而使热传导率发生变化，因此通过检测从元件释放出的热量的变化量能够检测氢。由于工作温度为200℃程度的比较低的温度，具有耗电小的优点，但低浓度的氢的检测比较困难，因此不能用于氢漏泄的检测用途中。
另外，在非专利文献1中公开了在FET(场效应晶体管)型传感器中，具有Pt-Ti-O栅极结构的例子。
现有技术文献
专利文献
非专利文献1：IEEE Sensors Journal,vol.12,No.6,June 2012.“Pt-Ti-O GateSi-MISFET Hydrogen Gas Sensors-Devices and Packagings(Pt-Ti-O栅极Si-MISFET氢气传感器件和封装)”
发明内容
发明要解决的技术问题
在将实用化的氢传感器用于FCV的氢漏泄检测的情况下，能够高精度地检测出低浓度的氢的接触燃烧式和半导体式成为候补。但是，在这些方式中，我们通过实验发现具有在作为环境物质的环硅氧烷毒害方面较差的缺点。对此，本发明的发明者们通过实验同时还确认出具有Pt-Ti-O栅极结构的FET型氢传感器对于环硅氧烷毒害的耐性良好。
图1表示实验结果的概略。纵轴以任意单位表示氢浓度，横轴表示时间。图表中对比了FET型氢传感器(FET-based sensor)、接触燃烧式(Catalytic combustion)和氧化物半导体传感器(Oxide semiconductor sensor)的测定结果。此外，在实验中所使用的具有Pt-Ti-O栅极结构的FET型氢传感器的详细结构在非专利文献1中详细记载。已知的是环硅氧烷从在道路的铺路时使用的沥青和硅产品释放到环境气氛中，在高温下有可能成为电器产品的接点的导通不良的原因。
根据图1，例如在0.5程度的氢浓度中进行测定的情况下，接触燃烧式和半导体式在环硅氧烷气氛中在100秒程度急剧地失去对于氢的活性，敏感度降低，因此被检测的氢浓度降低。另一方面，由于在FET型氢传感器中催化活性几乎不发生变化，所以被检测的氢浓度不发生变化。
接触燃烧式和半导体式是在400℃以上的高温进行工作，因此环硅氧烷在催化表面被氧化。结果是，硅氧化物附着在表面，覆盖了对于氢的催化活性一侧，考虑是对于氢的催化作用丧失的原理。在FET型氢传感器中，工作温度为100℃程度，比较低，因此不会引发这样的现象，认为能够维持活性。由于环硅氧烷耐性较高，因此可以说FET型氢传感器是能够适用于FCV的氢传感器。本发明是关于该FET型氢传感器的发明。
根据图2说明在本发明中作为对象的FET型氢传感器的氢检测原理。
图2A表示参考FET，图2B表示传感FET的器件截面的概略图。参考FET和传感FET的器件截面构造，包括尺寸和膜结构均制作成大致相同。两者形成在同一硅衬底(SUB)上。即，虽然各个衬底(SUB)在图2中分开记载在图2A、图2B中，但实际上相邻，在相同衬底(SUB)上相邻地形成参考FET和传感FET。在衬底(SUB)上设置阱(WELL)，在其中形成FET器件。
催化栅极电极(CATGATE)存在Pt-Ti-O的层叠膜或Pd膜等各种种类，在本发明的FET型氢传感器中，以对于氢气具有活性的催化栅极全体为对象。栅极绝缘膜(OXIDE)大部分情况下与通常的FET同样地由SiO2构成。但是，本发明的FET型氢传感器并不限定于此。在参考FET中，催化栅极电极(CATGATE)被检测对象阻挡膜(PASSI)覆盖。检测对象阻挡膜(PASSI)由于不具有氢透过性，氢不能到达催化栅极电极(CATGATE)，由此参考FET虽然具有与传感FET相同的构造，但不具有氢感应性。
在传感FET中，虽然在图2中未图示，但在覆盖催化栅极电极(CATGATE)的保护膜等中设置有贯通孔等，由此构成为催化栅极电极(CATGATE)暴露与氢中的结构。
关于传感FET和参考FET的偏置条件进行说明。对传感FET和参考FET，在各自的漏极、源极端子施加相同的漏极源极电压(VDS)。参考FET的漏极端子表示为(DREF)，源极端子表示为(SREF)，传感FET的漏极端子表示为(DSEN)，源极端子表示为(SSEN)。并且对两者的栅极施加相同的栅极电压(VG)。栅极电压(VG)是以接地电位为基准的栅极电位，而不是相对源极电位的栅极电位。将参考FET的阱电位(BREF)与源极端子(SREF)连接，并且将传感FET的阱电位(BSEN)与源极端子(SSEN)连接进行动作。由此，能够除去FET的阈值电压由于衬底的电压而发生变动的衬底效果。(VREF)是参考FET的输出，(VSEN)是传感FET的输出。
如图2B所示，通过参考FET的催化栅极电极(CATGATE)的催化作用，氢气被分解为氢原子或氢离子。该被分解后的氢吸附于催化栅极电极(CATGATE)，在与栅极绝缘膜(OXIDE)的界面附近形成偶极子(DIPOLE)。通过该偶极子(DIPOLE)的作用，在传感FET中与参考FET相比产生ΔV的阈值电压变化。通过检测电路检测该变化，确定氢浓度。
图2C是比较氢检测时的参考FET与传感FET的IDS-VDS特性的概略图。由于被施加相同的从漏极流向源极的电流(IDS)，因此动作电流是相同的。另外，由于被施加相同的漏极源极电流(VDS)，因此IDS-VDS曲线在参考FET(虚线所表示)和传感FET(实线所表示)之间成为相同的形状，成为传感FET的曲线向VGS的负侧移动ΔV而得的形状。该阈值电压变化ΔV作为参考FET中的栅极源极电压Vgs0与传感FET中的栅极源极电压Vgs之差而被体现。如上所述，VG在参考FET与传感FET中相同，因此根据Vgs＝VG－VS，ΔV作为两者的源极电位之差最终被检测出来。
此外，作为动作方法，除了如上所述使电流恒定来检测电压之差ΔV的动作方法以外，也有使电压恒定来检测电流之差ΔI的动作方法。在图2的器件中，ΔV的值较大地取得，且与氢浓度的相关性强，因此具有检测电压差的有利之处。
至此所说明的内容中，作为检测对象气体说明了氢的例子，在FET型传感器中通过变更催化金属CATGATE的种类，能够检测氢以外的各种各样的气体，在以下的说明中，关于FET型气体传感器整体的问题进行说明。
图3中表示现有的FET型气体传感器的截面结构的概略，对问题进行说明。在P型衬底(PSUB)上设置2个独立的P阱(PWELL)，其中分别各形成1个N沟道FET器件。一个是传感FET(NCHSENSOR，NCH传感器件)，另一个是参考FET(NCHREFERENCE，NCH参考器件)。催化金属(CATGATE，催化栅极)、检测对象阻挡膜(PASSI)、栅极绝缘膜(OXIDE)与图2相同。为了实现接触，P扩散区域(P+)、N扩散区域(N+)分别是高浓度地掺入了杂质的扩散层区域。
与图2相同，将传感FET的各端子表示为阱电位(BSEN)、漏极端子(DSEN)、栅极端子(GSEN)、源极端子(SSEN)。将参考FET的各端子表示为阱电位(BREF)、漏极端子(DREF)、栅极端子(GREF)、源极端子(SREF)。由(SUB)表示衬底的供给电位。这些记号在说明书中共通地使用。
根据图3可知，在同一P衬底(PSUB)上相邻地制作P阱(PWELL)，因此参考FET和传感FET的阱以低电阻电连接。因此，如图2A、图2B所示，不能将阱和源极短路。这样的状态下，在通过参考FET与传感FET的输出之差检测氢时，如以下所说明，不能除去衬底效果，检测对象物的浓度计算变得困难。
图4是包含检测图3中记载的传感器件的输出信号的电路的传感系统的一例。阱电位经由衬底被短路的部分由粗线表示。如图4所示，传感FET与参考FET的衬底电位成为共通的。独立的2个VTH检测电路(VTHSENSE)分别是用于将参考FET和传感FET的输出放大取得的模拟电路模块。
VTH检测电路(VTHSENSE)，对传感FET的漏极端子(DSEN)供给漏极电位(VDSEN)，将源极端子(SSEN)的电位(VSSEN)放大，作为传感器输出(VSEN)，输出到进行修正运算的运算电路(CAL)。
与参考FET连接的VTH检测电路(VTHSENSE)也和上述与传感FET连接的VTH检测电路(VTHSENSE)同样，具有对参考FET的漏极端子(DREF)供给漏极电位(VDREF)，将源极端子(SREF)的电位(VSREF)放大，作为传感器输出(VREF)，输出到进行修正运算的运算电路(CAL)的功能。
由上述2个VTH检测电路(VTHSENSE)检测出的参考FET输出和参考FET输出被输入到运算电路(CAL)，取得2个检测电路输出(VSEN)和(VREF)之差，作为检测对象的浓度信息(SIG)传送到上位系统(SYSTEM)。
基准电压生成电路(VGEN)，向传感FET生成漏极源极电压(VDSSEN)，向参考FET生成漏极源极电压(VDSREF)，并生成在参考FET和传感FET共通的栅极电压(VG)。
由图3和图4所示的传感系统中，参考FET的阈值电压Vth_sens和传感FET的阈值电压Vth_ref由以下的式(1)表示。
这里Vth0是包含在工艺不均等的参考FET和传感FET中共通地包含的噪声成分的阈值电压。Cox是栅极电容，ε是介电常数，q是基本电荷，NA是掺杂浓度，是费米能级，VG是栅极电位，这在各个参考FET和传感FET中是共通的。Vth_sen(1/f)是重叠于传感FET输出的1/f噪声成分，Vth_ref(1/f)是重叠于参考FET输出的1/f噪声成分。ΔV是因检测出对象气体而使传感FET的阈值电压变化的变化量，参考FET中，由于图3的检测对象阻挡膜(PASSI)，而不使对象气体与参考FET的催化栅极电极(CATGATE)接触，因此不含该项。
优选从上述2个式之差中仅存在ΔV。但是，右边第二项和第三项不能通过差来除去。其作为气体检测时的误差而存在，使传感系统整体的测量精度和可靠性劣化。右边第二项是衬底效果，是因参考FET、传感FET各自的阱与源极的电位中产生差而出现的项。右边第三项是作为FET的噪声而被公知的1/f噪声项，其为随机噪声，因此不能被除去。
用于解决问题的技术手段
为了解决上述问题，本发明的传感系统的一个方面中，在衬底上由FET构成参照器件和传感器件，并且两者的阱电位电隔离。
本发明的另一方面是一种系统，其具有：P型半导体衬底；在形成于P型半导体衬底的第一N阱内由P型FET形成的对于检测对象物具有感应性的传感FET；和在形成于P型半导体衬底的第二N阱内由P型FET形成的对于检测对象物不具有感应性的参考FET。该系统中，所述第一N阱与所述第二N阱电隔离。该系统还具有检测气体气氛中的所述传感FET与所述参考FET的阈值电压之差的检测电路。
本发明的另一方面是一种系统，其具有：半导体衬底；在形成于半导体衬底的第一阱内由FET形成的对于检测对象物具有感应性的传感FET；和在形成于半导体衬底的第二阱内由FET形成的对于检测对象物不具有感应性的参考FET。这里，第一阱与第二阱设置成电隔离，传感FET的源极与第一阱短路，参考FET的源极与第二阱短路，该系统还具有检测气体气氛中的传感FET与参考FET的阈值电压之差的检测电路。
本发明的另一方面是一种器件，其在同一半导体衬底上具有：半导体区域；在形成于半导体区域的第一阱内由FET形成的对于检测对象物具有感应性的传感FET；在形成于半导体区域的第二阱内由FET形成的对于检测对象物不具有感应性的参考FET。该器件具有阻碍第一阱与第二阱之间的电导通的结构。此外，该器件还具有：输出表示传感FET的阈值电压或者阈值电压的变化的信号的传感信号输出端子；和输出表示参考FET的阈值电压或者阈值电压的变化的信号的参考信号输出端子。输出端子包括将信号输出到该器件的外部的端子和对该器件内的其它的电路输出信号的端子这两者。
作为阻碍电导通的结构的优选的例子，可以举出：半导体区域为第一导电型的半导体区域，第一阱和第二阱为第二导电型的阱，通过用第一导电型的半导体区域将第二导电型的第一阱与第二阱之间分隔，来阻碍第二导电型的第一阱与第二阱之间的电导通。
另外，作为阻碍电导通的结构的优选的另一例，可以举出：通过在第一阱与第二阱之间设置沟槽型元件分离结构，来阻碍第一阱与第二阱之间的电导通。
在半导体衬底预先设置有产生与温度对应的信号的结构，用于各种控制或修正，从而可以进行准确的测定。
另外，作为优选的结构例，传感FET的阱电位与源极电位短路，参考FET的阱电位与源极电位短路。另外，将与阱电位短路的传感FET的源极电位输出到传感信号输出端子，将与阱电位短路的参考FET的源极电位输出到参考信号输出端子。
发明效果
能够实现FET型传感器的传感信号的低噪声化。上述以外的技术问题、结构和效果通过以下的实施方式的说明能够明确。
附图说明
图1是氢传感器的对环硅氧烷耐性比较数据的图表。
图2A是参考FET的截面图。
图2B是传感FET的截面图。
图2C是表示FET型氢传感器的电特性的图表。
图3是表示现有的N沟道FET型氢传感器元件的问题的截面图。
图4是表示现有的N沟道FET型氢传感系统的问题的截面图。
图5是P沟道FET型氢传感器元件的截面图。
图6是P沟道FET型氢传感系统的概略图。
图7A是表示P沟道FET型氢传感器的氢响应例的图表。
图7B是表示P沟道FET型氢传感器的输出特性例的图表。
图8A是表示衬底效果的例子的图表。
图8B是表示衬底效果不存在时的效果的图表。
图9是表示1/f噪声降低效果的例子的图表。
图10是表示N沟道FET型氢传感器和P沟道FET型氢传感器的输出特性比较的图表。
图11是P沟道FET型氢传感器芯片的第二实施例的框图。
图12是P沟道FET型氢传感系统的第一实施例的截面图。
图13是P沟道FET型氢传感系统的第二实施例的框图。
图14是搭载了使用PN结的温度计的第一实施例的截面图。
图15是使用图13的传感器芯片的氢传感系统的一例的框图。
图16是搭载了使用金属配线电阻的温度计的第一实施例的截面图。
图17是搭载了使用扩散层电阻的温度计的第一实施例的截面图。
图18是使用了图15和图16的传感器芯片的氢传感系统的一例的框图。
图19是P沟道FET型氢传感器芯片的第三实施例的截面图。
图20是P沟道FET型氢传感器芯片的第四实施例的截面图。
图21是N沟道FET型氢传感器芯片的第一实施例的截面图。
图22是N沟道FET型氢传感器芯片的第二实施例的截面图。
图23是N沟道FET型氢传感器芯片的第三实施例的截面图。
图24A是包括配线层和保护层地表示的传感器芯片的截面图。
图24B是包括配线层和保护层地表示的参照芯片的截面图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行详细地说明。但是，本发明并不限定地解释为以下所示的实施方式的记载内容。在不脱离本发明的思想和主旨的范围内，能够对其具体的结构进行变更，这对于本领域技术人员来说是容易理解的。此外，在用于对实施方式进行说明的全部附图中，对于相同的部件原则上标注相同的符号，省略其重复的说明。
本说明书中的“第一”、“第二”、“第三”等的表记，是为了识别构成要素而标注的，并不一定是限定数字或顺序的表记。另外，用于构成要素的识别的序号能够在各上下文中使用，在一个上下文中使用的序号并不限于在其它的上下文中一定表示相同的结构。另外，按某序号识别的构成要素兼具有按其它的序号识别的构成要素的功能也是没有问题的。
在附图等中表示的各结构的位置、大小、形状、范围等，为了容易理解发明，也存在没有表示实际的位置、大小、形状、范围等的情况。因此，本发明并不一定限定于图中等所公开的位置、大小、形状、范围等。
本说明书中以单种形式表示的构成要素，只要在上下文中没有特别地表示，也包含多种形式。
图5所示的传感器芯片的截面图是本发明的第一实施例。在P型衬底(PSUB)上，由P沟道FET形成的传感FET(PCHSENSOR，PCH传感器件)和同样由P沟道FET形成的参考FET(PCHREFERENCE，PCH参考器件)相互相邻地形成。通过相互相邻地形成相同构造的参考FET和传感FET，能够抑制以光刻或注入浓度为代表的制造差异(不均)，能够降低取得差时的误差。
参考FET、传感FET均具有催化栅极(CATGATE)，仅参考FET为了消除氢感应性而具有阻挡膜(PASSI)，这一点与图3所示的现有结构相同。阻挡膜(PASSI)例如只要是氮化硅、氧化硅这样的稳定的氧化物或各种有机膜等不使检测对象透过的膜即可。即，本发明的第一实施例与现有结构相比，同样使用P型衬底(PSUB)，但不同点在于不是N沟道FET，而是由P沟道FET构成传感FET和参考FET。
各个P沟道FET形成的N阱(NWELL)相互独立地设置。结果是，上述2个NWELL在将P型衬底(PSUB)的供电电位(SUB)设为接地电位时被反向偏置，所以能够电隔离。
因此，传感FET的N阱(NWELL)电位与参考FET的N阱(NWELL)能够独立地控制其电位。其结果是，如图5所示，在传感FET中能够将阱端子(BSEN)与源极端子(SSEN)短路，在参考FET中能够将阱端子(BREF)与源极端子(SREF)短路。
图6中表示使用图5所示的传感器芯片(SENSORCHIP)的传感系统的一例。在该例子中，将传感器芯片(SENSORCHIP)和检测电路(DCTCIRCUIT)设为不同的芯片，构成传感系统(SENSORSYSTEM)，并将其进一步连接到上位系统(SYSTEM)。但是，也可以将传感器芯片与检测电路集成到1个芯片，还包含将上位系统也集成到1个芯片。
VTH检测电路(VTHSEN)、基准电压生成电路(VGEN)、修正运算电路(CAL)的动作与图4的说明相同。但是，由于图4中为N沟道FET而图6中为P沟道FET，因此源极与漏极交换。在图6的传感器芯片(SENSORCHIP)中，在P沟道传感FET(PCHSENSOR，PCH传感器件)与P沟道参考FET(PCHREFERENCE，PCH参考器件)各自中，阱电位与源极电位短路这一点与图3所示的现有技术例不同。由此，在图6所示的传感系统中，参考FET的阈值电压Vth_sens与传感FET的阈值电压Vth_ref由以下的式(2)表示。
Vth_sens＝Vth0+α·Vth_sen(1/f)+ΔV
Vth_ref＝Vth0+α·Vth_ref(1/f)…式(2)
与式(1)相比，不同点在于在式(2)中没有衬底效果的项，并且1/f噪声成分分别变小(α<1)。已知在P沟道FET中1/f噪声比N沟道FET中小，能够期待右边第三项中的α为0.5程度。因此，在本发明第一实施例中，与现有结构相比较，衬底效果的项成为零，1/f噪声成分大致减半，因此能够高精度地检测出检测对象。另外，在将图3和图5相比较时，其截面构造大致不发生变化，因此制造容易性基本不会产生不同。即，不增加制造成本，就能够实现传感系统的高精度化。
在作为通常的电子器件使用FET的情况下，P沟道FET与N沟道FET相比较导通电流较小，因此，为了得到充分的电流希望增大栅极宽度。即，不得不增大器件尺寸，芯片面积变大有可能增加成本。但是，在作为根据参考FET与传感FET的阈值电压之差来检测对象的图6所示的传感系统来使用的情况下，不需要大的漏极电流。因此不能取得较大的导通电流的P沟道FET的缺点不会成为问题。
图7是表示在实际的P沟道FET中所形成的传感FET的输出特性。图7A是传感器输出VSEN的氢响应特性。纵轴是FET的输出(任意单位)，横轴是时间轴，可知随着在几十秒附近的时刻开始氢的导入，输出上升。此外，随着在180秒附近停止氢导入，输出下降。图7B是VSEN与氢浓度的关系。可知在100ppm至10000ppm的浓度确认出良好的氢响应性，并且P沟道传感FET具有与N沟道传感FET大致相同的性能。
使用图8定量地说明衬底效果对阈值电压感测造成的影响。
图8A表示衬底电压VBS与传感FET中的阈值电压变化与衬底效果引起的成分Vth_sens_body的关系。使用N沟道FET，对于不将阱与源极短路而将阱电位接地的情况进行了计算。简略的电路图如图8A的插入图所示。这里，G为栅极，D为漏极，S为源极，在源极与接地电位之间插入恒定电流源(ICONS)，实现图2C所示那样的恒定的漏极电流。(VDD)是电源电位，(VG)是栅极电位。另外，(VSEN)为传感器输出。对温度为230K、300K、400K分别进行计算。这分别相当于－40℃、室温、130℃程度，覆盖了汽车应用中所需的工作温度范围。
由于源极与阱的电位不同，随着恒定电流源(ICONS)的增加，传感器输出(VSEN)和Vth_sens_body增大。将恒定电流源(ICONS)设定为感应所需要的大小时的VBS为－1.85V程度，由于阱接地，传感器输出(VSEN)成为1.85程度。将该状态设为检测对象为0％时。在检测对象存在3％的情况下，传感器输出为1.0V，这意味着VBS成为－2.85V。在参考FET中，即使有检测对象，输出也不变化，所以VBS保持－1.85V不变。因此，在传感FET与参考FET产生1.0V的差。由此，在传感FET的阈值电压与参考FET的阈值电压之间产生的差Δ成为27mV。由于相对于3％的检测对象产生27mV的误差，因此产生2.7％的测量误差。
图8B是相对于温度描绘出图8A所示的衬底效果引起的检测对象的浓度检测相对误差的图。此外，按室温中的相对误差进行标准化。检测对象以浓度3％存在时，在－40℃检测3％的检测对象时，意味着－3％的相对误差因衬底效果而被重叠。另一方面，在130℃检测3％的检测对象时，意味着+4％的相对误差因衬底效果而被重叠。要注意的是，如上所述，因衬底效果而被重叠的误差中存在温度依赖性，因此为了对其进行修正，温度校正作为传感器的出厂前调整是必须的。这成为传感器成本增加的原因。上述的衬底效果引起的Vth变动Vth_body由下述的式(3)表示。
这里，kb是玻尔兹曼常数，T是温度，Ni是本征载流子密度。杂质密度NA具有温度依赖性，因此Vth_body依赖于温度而变化。
因为在图5和图6所示的本发明实施例中VBS＝0V，所以成为Vth_sens_body＝0V，上述的相对误差实质上不产生。由此，如图8B所示，依赖于温度的相对误差成为零，能够省略多余调整的麻烦，能够提供廉价且精度高的传感器。
至此，通过本发明实施例说明了除去衬底效果而产生的优点。接着，使用图9说明1/f噪声的降低效果。
图9是表示使用由某半导体制造工艺FAB-A提供的标准N沟道FET模式TypN和标准P沟道FET模式TypP来计算1/f噪声，在P沟道FET和N沟道FET之间进行比较的图。计算时，使用了BSIM3中的1/f噪声计算式，即下述的式(4)。
这里，vn是栅极输入换算噪声，Δf是带宽，KF是1/f噪声参数，L是FET的栅极长度，W是FET的栅极宽度，F是测定频率。当计算6标准差噪声时，FAB-A中的噪声电平与检测对象存在10ppm时的输出相比较，N沟道、P沟道均小2个数量级程度。但是，在使用了作为KF>1E-23的制造线时，1/f噪声的大小成为与检测对象10ppm的信号输出相同程度，成为不能无视的大小。
这时，由于P沟道FET中的1/f噪声为N沟道FET的1/2以下的大小，因此P沟道型相比于N沟道型在高精度方面是有利的。如上所述，1/f噪声为随机噪声，因此参考FET与传感FET之差不能除去。由此，优选尽可能减小传感器芯片电平。另外，1/f噪声由于测量时间越长变得越大，通过用P沟道FET来构成传感FET和参考FET，能够提高相对长时间工作的稳定性和可靠性。
接下来使用图10对P沟道FET中特有的特征进行说明。图10中将对检测对象气体进行检测时的动作(Gas detecting：气体检测)和环境温度上升时的动作(Temperaturerising：温度上升)在P沟道FET(PCH)与N沟道FET(NCH)之间进行比较来表示。作为温度范围，例如在器件的能够工作的范围内，设定使温度上升下降的情况。
首先，关于对检测对象气体进行检测时的传感FET的动作进行说明。图中虚线表示气体不存在时、实线表示气体存在时的IDS-VDS特性。在N沟道传感FET中，检测对象气体气氛中阈值电压VTH变小，在P沟道传感FET中相反，阈值电压VTH变大。但是，在P沟道传感FET中，VTH变小意味着为了得到相同漏极电流IDS所需要的栅极源极电压VGS变小。
另一方面，当环境温度上升时，与温度上升前相比较，在N沟道FET中VTH减少，在P沟道FET中VTH也减少。虚线是温度上升前、实线是温度上升后的IDS-VDS特性。
在N沟道传感FET中，VTH的变化的方向在检测对象气体的检测时和温度上升时是相同的，而在P沟道传感FET中是相反的。检测对象气体随着温度上升而产生的情况下，在P沟道传感FET中输出的方向变成相反的，因此能够明确地分离检测对象气体的检测引起的VTH变化与温度上升引起的VTH变化。另一方面，在N沟道传感FET中不能够分离。这意味着：在FCV或核电站等，检测对象气体伴随温度上升而产生的应用时，能够降低误检测的可能性，P沟道传感FET相比N沟道变得更有利。相反，可以说在检测对象气体伴随温度降低而产生的情况下，N沟道传感FET相比P沟道更适合。
以上是通过用P沟道FET来构成传感FET和参考FET而能够得到的效果。
图11中关于图6所示的传感系统(SENSORSYSTEM)中的VTH检测电路(VTHSENSE)的具体的结构的一例进行说明。产生恒定的漏极电流的漏极源极电流生成电路(IDSGEN)的输出向着传感FET(SENSOR，传感器件)连接到源极电位(VSSEN)。源极电压缓冲器(SBUF)输入源极电压(VSSEN)，对传感FET器件的输出(VSEN)输出与输入相同的电压。由此，即使传感FET器件输出(VSEN)的负载变大，也能够将源极电位(VSSEN)的电压电平传送到运算电路(CAL)。
漏极源极电压生成电路(VDSGEN)输入由电压生成电路(VGEN)生成的向传感FET的漏极源极电压(VDSSEN)和传感FET器件的输出(VSEN)，输出(VDS0)。(VDS0)的电压成为以传感FET器件的输出(VSEN)为基准，在其上加上向传感FET的漏极源极电压(VDSSEN)与接地的相差电压的大小。即，VDS0＝VSEN+VDSSEN。
由于传感FET器件的输出(VSEN)与传感FET的源极电位相等，通过漏极源极电压生成电路(VDSGEN)，传感FET的源极漏极电压成为被维持为恒定的向传感FET的漏极源极电压(VDSSEN)。漏极电压缓冲器(DBUF)对向传感FET的漏极电位(VDSEN)输出(VDS0)的电压。由此，具有即使在向传感FET的漏极电位(VDSEN)连接了较大的负载的情况下，也能够实现驱动的优点。即使在VTH检测电路(VTHSENSE)与P型FET传感器芯片(PCHSENSORCHIP，PCH传感器芯片)由长的电缆连接的状况下，通过漏极电压缓冲器(DBUF)，传感FET的漏极源极电压被维持为(VDS0)。参考FET(REFERENCE，参考器件)侧的VTH检测电路(VTHSENSE)也基本上与传感FET侧相同。此外，图11中的运算放大器可以是由具有通常的特性的市场销售的运算放大器。
以下，关于第二实施例进行说明。
图12是传感器芯片的第二实施例。P沟道传感FET(PCHSENSOR，PCH传感器件)与P沟道参考FET(PCHREFERENCE，PCH参考器件)形成在P型衬底(PSUB)上这一点与图5所示的第一实施例相同，但不同点在于参考FET的栅极由相对于检测对象不具有催化作用的栅极(GATE)构成。在本结构中，由于图5中所示的阻挡膜(PASSI)的劣化，能够实质上避免参考FET相对于检测对象具有敏感度这样的不良情况。但是，需要将不具有催化作用的非催化栅极(GATE)和催化栅极电极(CATGATE)的制膜分别进行，制膜工艺成本、掩模数量增大。
图13是传感系统的第二实施例。与图6所示的第一实施例相比较，不同点在于，将VTH检测电路(VTHSENSE)减少为1个，在传感FET和参考FET经由开关SW共有一个VTH检测电路(VTHSENSE)。开关控制信号(SWCTRL)由修正运算电路(CAL)生成。通过上述结构与在传感FET与参考FET分别设置VTH检测电路(VTHSENSE)的情况相比较，能够降低电路的差异引起的误差，并且电路结构变得简单，成本降低。按时间分隔交替地切换传感FET输出与参考信号输出，因此丧失了测量的同时性。但是，通过相比于气体浓度的变化时间常数充分快地进行切换，能够消除该不利因素。具体而言，以1Hz以上的速度进行开关，就对测量精度没有影响。
图14是表示传感器芯片的第三实施例。在图5所示的第一实施例中追加了PN结温度计(TEMPMETER)而构成。PN结与P沟道传感FET(PCHSENSOR，PCH传感器件)和P沟道参考FET(PCHREFERENCE，PCH参考器件)形成在相同的P型衬底(PSUB)上。阳极端子(APN)与P扩散区域(P+)连接，阴极端子(CPN)与N扩散区域(N+)连接。通过将衬底电位(SUB)设为接地电位，而使传感FET、参考FET、PN结的各自的阱(NWELL)相互电隔离。
图14中的参考FET的栅极为催化栅极电极(CATGATE)，但也可以如图12所示为没有催化作用的栅极(GATE)。也就是说，将PN结温度计设置在传感器芯片上，这对参考FET的结构没有影响。
图15中表示包含图14的传感器芯片的第三传感系统的实施例。与图6相比较不同点在于，在传感器芯片上包括由PN结构成的温度计(TEMPMETER)这一点，和追加了控制该温度计(TEMPMETER)的电路模块这一点。
由电流源(IDIODEGE)生成供给到温度计(TEMPMETER)的电流。由基准电压生成电路(VGEN)生成用于适当地控制温度计(TEMPMETE)的电压(VDIODE)。使用温度计(TEMPMETER)的阳极电位(VF)在运算电路(CAL)中得到传感器芯片的温度。使用在运算电路(CAL)中所得到的芯片温度信息，实施将芯片温度保持为恒定的控制和传感器输出的温度修正运算。FET型气体传感器为了通过在催化金属吸附检测对象气体来得到输出，灵敏度因芯片温度而发生变化。由此，通过在芯片上设置温度计来进行灵敏度修正，在环境温度发生变化的应用中，为了确保可靠性而优选。
图16是传感器芯片的第四实施例。与图14所示的第三实施例相比较，温度计(TEMPMETER)由配线电阻构成。图16表示配线电阻整体的某一截面，实际上必要长度的配线形成在芯片上。配线的一个端子作为RH端子(RH)，另一个端子作为RL端子(RL)引出。由于金属配线电阻是温度的函数，所以通过测量电阻值能够得到芯片温度的信息。上述的配线温度计能够作为调整芯片温度的电热加热器充分利用。这时，RH端子(RH)和RL端子(RL)兼作为加热器电源的连接端子和电阻测定端子。为了高精度地测量电阻值，优选4端子测量，因此也有将RH端子(RH)分为RH1和RH2、将RL端子(RL)分为RL1和RL2来设置的方法。如图14中所说明那样，也可以将参考FET的栅极置换为非催化栅极(GATE)，除去检测对象阻挡膜(PASSI)。即，在图12所示的传感器芯片的第二实施例中应用配线电阻温度计的情况也包含在本发明的范围中。
图17是传感器芯片的第五实施例。与图16所示的第四实施例相比较，不同点在于由扩散层电阻形成电阻温度计(TEMPMETER)这一点。与配线电阻温度计比较，具有稳定性高的优点。另外由于高电阻化是容易的，作为电热加热器灵活运用的情况下，认为有提高发热效率的优点。另外，由于是配线埋入到P型衬底(PSUB)中的结构，所以与配线电阻温度计相比较，能够提高作为加热器灵活运用使的发热效率。在作为电热加热器灵活运用的情况下，RH端子(RH)和RL端子(RL)兼作为加热器电源的连接端子和电阻测定端子。为了高精度地测量电阻值，优选4端子测量，因此也有将RH端子(RH)分为RH1和RH2、将RL端子(RL)分为RL1和RL2来设置的方法。由于扩散层电阻温度计能够在扩散层制造工序中同时制作，具有抑制工艺成本的增加的优点，因而优选。如图14中所说明的那样，也可以将参考FET的栅极置换为非催化栅极(GATE)，除去检测对象阻挡膜(PASSI)。即，在图12所示的传感器芯片的第二实施例中，即使应用了扩散层电阻温度计的情况也包含在本发明的范围中。
图18是使用图16和图17所示的传感器芯片的传感系统的第四传感系统的实施例。与图15相比较不同点在于，温度计(TEMPMETER)由电阻构成这一点。电流源(IRESGEN)是生成温度计(TEMPMETER)控制用的电流的电路模块。由基准电压生成电路(VGEN)生成电阻温度计控制用的电压(VRES)。电阻温度计输出(VR)被输入运算电路(CAL)。如图15中所说明的那样，使用包含芯片温度信息的电阻温度计输出(VR)进行芯片温度的控制、传感器输出的修正运算，由此能够实现高可靠性、高稳定性。
图19是传感器芯片的第六实施例。在使用N型衬底(NSUB)的情况下，在N型衬底(NSUB)上设置深P阱(DPWELL)，并且在其上形成P沟道传感FET和P沟道参考FET。虽然构成深P阱(DPWELL)的工艺成本增大，但在必须使用N型衬底(NSUB)的应用中是有效的。这时，要注意的是，衬底电位(SUB)并不接地而形成为高电位。
图20是在N型衬底(NSUB)上将P沟道传感FET和P沟道参考FET构成为无深阱的传感器芯片的第七实施例。为了将传感FET的阱电位与参考FET的阱电位隔离，在两者之间设置沟槽型元件隔离部(STI)。由此，由于在传感FET的阱与参考FET的阱之间的阻抗增大，因此能够将阱电位分别独立地控制，结果是，能够将源极与阱短路，实现没有衬底效果的结构。
在图19、图20虽然没有明记，但如图12所示那样，参考FET具有非催化栅极(GATE)的情况、或具有图14所示的PN结温度计(TEMPMETER)的情况，图16所示的具有配线电阻温度计(TEMPMETER)的情况，图17所示的具有扩散层电阻(TEMPMETER)的情况也同样地作为衍生实施例，包含在本发明的范围中。
虽然不能期待1/f噪声的降低效果，但通过将阱和源极短路，形成没有衬底效果的结构，即使在使用了N沟道FET的情况下也能够实现。
图21是在图5所示的第一实施例中将P型衬底置换为N型衬底(NSUB)，将P沟道FET置换为N沟道FET的第八实施例。
图22是在图19所示的第六实施例中将N型衬底置换为P型衬底(PSUB)，将深P阱置换为深N阱(DNWELL)，将P沟道FET置换为N沟道FET的第九实施例。
图23是在图20所示的第七实施例中将N型衬底置换为P型衬底(PSUB)，将P沟道FET置换为N沟道FET的第十实施例。
图24是在图5所示的P沟道FET中构成了半导体元件的情况下的截面结构图的一例。在P型衬底(PSUB)中形成N阱(NWELL)，并在其中形成P型FET。与传感FET(PCHSENSOR，PCH传感器件)、参考FET(PCHREFERENCE，PCH参考器件)一起具有催化栅极电极(SCATGATE、RCATGATE)，传感FET的催化栅极电极(SCATGATE，SCAT栅极)在形成于阻挡膜(PASSI)的贯通孔中露出，相对于此，参考FET的催化栅极电极(RCATGATE，RCAT栅极)被阻挡膜(PASSI)覆盖。在催化栅极电极下，存在栅极氧化膜(OXIDE)。另外，具有元件隔离膜(OX1)、层间膜(OX2)。
参考FET的漏极端子(DREF)连接到漏极焊盘(DRAINPAD)，参考FET的源极端子(SREF)连接到源极焊盘(SREFPAD，SREF焊盘)，参考FET的阱端子(BREF)连接到基体焊盘(BREFPAD，BREF焊盘)，催化栅极电极(RCATGATE，RCAT栅极)连接到栅极焊盘(RCATGATEPAD，RCAT栅极焊盘)，衬底(SUB)连接到衬底电位焊盘(SUBPAD，SUB焊盘)，由此能够输入输出信号。
传感FET的漏极端子(DSEN)连接到漏极焊盘，参考FET的源极端子(SSEN)连接到源极焊盘(SSENPAD，SSEN焊盘)，参考FET的阱端子(BSEN)连接到基体焊盘(BSENPAD，BSEN焊盘)，催化栅极电极(SCATGATE，SCAT栅极)连接到栅极焊盘(SCATGATEPAD，SCAT栅极焊盘)，由此能够输入输出信号。
此外，传感FET(PCHSENSOR，PCH传感器件)与参考FET(PCHREFERENCE，PCH参考器件)为了进行对比说明分别表示在图24A和图24B中，实际上，都形成在P型衬底(PSUB)上。
在第八是第十实施例中，虽然没有明记，但由非催化栅极(GATE)构成参考FET的栅极的模式、具有图14所示的PN结温度计(TEMPMETER)的情况，具有图16所示的配线电阻温度计(TEMPMETER)的情况，具有图17所示的扩散层电阻(TEMPMETER)的情况也同样作为衍生实施例包含在本发明的范围内。即，本发明并不限定于上述的实施方式，能够包括各种变形例。例如，能够将某实施例的结构的一部分置换为其它的实施例的结构，或者，也能够在某实施例的构成中追加其它的实施例的构成。另外，关于各实施例的构成的一部分，也能够进行其它的实施例的构成的追加、删除、置换。
晶体管的“源极”和“漏极”的功能，在采用不同的机型的晶体管的情况下、或者在电路动作中电流的方向发生变化的情况下等存在替换的情况。因此，在本说明书中，“源极”或“漏极”的用语根据情况也能够替换使用。
在本说明书等中，“电极”和“配线”的用语并不是对这些构成要素进行功能性的限定。例如，存在“电极”作为“配线”的一部分使用的情况，相反也是一样的。并且，“电极”和“配线”的用语也包括多个“电极”和“配线”形成为一体的情况等。
产业上的利用可能性
本发明的FET型传感器是能够应用于以燃料电池汽车或加氢站这样的以氢能基础设施为主的各种工厂、核电站的氢浓度计的技术。
附图标记的说明
FET：场效应晶体管
FCV：燃料电池汽车
VDS：漏极源极电压
VG：以接地电位为基准的栅极电位
VREF：参考FET器件的输出
PASSI：检测对象阻挡膜
OXIDE：栅极氧化膜
CATGATE：催化栅极
DREF：参考FET的漏极端子
SREF：参考FET的源极端子
BREF：参考FET的阱端子
IDS：漏极源极电流
WELL：阱
SUB：半导体衬底
PSUB：P型半导体衬底
VSEN：传感FET器件的输出
DIPOLE：氢偶极子
DSEN：传感FET的漏极端子
SSEN：传感FET的源极端子
BSEN：传感FET的阱端子
DCTCIRCUIT：检测电路
VTHSENSE：VTH检测电路
VDSEN：向传感FET的漏极电位
VSSEN：向传感FET的源极电位
VDSSEN：向传感FET的漏极源极电压
VGEN：基准电压生成电路
VDSREF：向参考FET的漏极源极电压
VDREF：向参考FET的漏极电压
VSREF：向参考FET的源极电压
CAL：修正运算电路
VDD：高电平侧电源电位
VBS：衬底电压
VGS：栅极源极电压
VTH：阈值电压
GATE：非催化栅极
IDSGEN：漏极源极电流生成电路
SBUF：源极电压缓冲器
DBUF：漏极电压缓冲器
VDSGEN：漏极源极电压生成电路
SW：切换开关
SWCTRL：切换开关控制线
APN：PN结的阳极端子
CPN：PN结的阴极端子
TEMPMETER：温度计
VDIODE：向PN结的控制电压
IDIODEGEN：向PN结的控制电流生成电路
VF：PN结温度计的输出
RH：向电阻温度计的高端子
RL：向电阻温度计的低端子
VRES：向电阻温度计的控制电压
IRESGEN：向电阻温度计的控制电流生成电路
DPWELL：深P阱
DNWELL：深N阱
STI：沟槽型元件隔离部。

Claims (9)

1.一种以氢为检测对象物的传感系统，具有：
P型半导体衬底；
在形成于所述P型半导体衬底的第一N阱内由P型FET形成的传感FET；
在形成于所述P型半导体衬底的第二N阱内由P型FET形成的参考FET；和
检测在气体气氛中的所述传感FET与所述参考FET的阈值电压之差的检测电路，
所述传感系统的特征在于：
所述传感FET和所述参考FET相互相邻地形成，并且各自的P型FET具有相同构造，
所述传感FET对氢具有感应性，所述参考FET因具有氢无法透过的阻挡膜而对氢不具有感应性，
所述第一N阱和所述第二N阱相互独立地设置，所述P型半导体衬底为接地电位从而所述第一N阱与所述第二N阱电隔离，并且，所述第一N阱的电位和所述第二N阱的电位能够独立控制，
所述传感FET的源极端子与所述第一N阱的阱端子短路，所述参考FET的源极端子与所述第二N阱的阱端子短路。
2.如权利要求1所述的传感系统，其特征在于，具有：
测量所述传感FET的阈值电压的第一源极跟随器电路；和
测量所述参考FET的阈值电压的相对于所述第一源极跟随器电路独立地设置的第二源极跟随器电路。
3.如权利要求1所述的传感系统，其特征在于：
具有测量所述传感FET的阈值电压和所述参考FET的阈值电压的源极跟随器电路，
在测量所述传感FET的阈值电压和所述参考FET的阈值电压时，通过开关来切换连接所述源极跟随器电路与所述传感FET或者所述源极跟随器电路与所述参考FET。
4.如权利要求1所述的传感系统，其特征在于：
在所述P型半导体衬底还具有用于测量温度的PN结部。
5.如权利要求1所述的传感系统，其特征在于，具有：
与短路的所述传感FET的源极端子和所述第一N阱的阱端子连接的传感FET用漏极电流源；
输入所述传感FET的源极电位，并将该输入输出到所述检测电路的传感FET用源极电压缓冲器；
将所述传感FET的源极漏极电压维持为恒定的传感FET用源极漏极电压生成电路；
与短路的所述参考FET的源极端子和所述第二N阱的阱端子连接的参考FET用漏极电流源；
输入所述参考FET的源极电位，并将该输入输出到所述检测电路的参考FET用源极电压缓冲器；和
将所述参考FET的源极漏极电压维持为恒定的参考FET用源极漏极电压生成电路。
6.如权利要求1所述的传感系统，其特征在于：
在所述P型半导体衬底设置有产生与温度对应的信号的结构。
7.如权利要求6所述的传感系统，其特征在于：
设置PN结来作为所述产生与温度对应的信号的结构。
8.如权利要求6所述的传感系统，其特征在于：
设置电阻部件来作为所述产生与温度对应的信号的结构。
9.如权利要求1所述的传感系统，其特征在于，具有：
输出表示所述传感FET的阈值电压或者阈值电压的变化的信号的传感信号输出端子；和
输出表示所述参考FET的阈值电压或者阈值电压的变化的信号的参考信号输出端子，
将与所述第一N阱的阱端子短路的所述传感FET的源极端子的源极电位输出到所述传感信号输出端子，将与所述第二N阱的阱端子短路的所述参考FET的源极端子的源极电位输出到所述参考信号输出端子。
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