JP2005283578A

JP2005283578A - 流体センサ及び方法

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Publication number: JP2005283578A
Application number: JP2005081091A
Authority: JP
Inventors: Qingqiao Wei; キンジャオ・ウェイ
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2005-10-13
Also published as: DE602005014898D1; TW200532170A; EP1580547A1; US20050212531A1; EP1580547B1

Abstract

【課題】ナノスケール流体センサを製造するための効率的な方法の提供
【解決手段】周囲温度を有する環境において用いるための流体センサであって、その流体センサが、機能化された半導体ナノワイヤを含む電界効果トランジスタ(FET)(15)と、電界効果トランジスタに近接して配置され、電界効果トランジスタを周囲温度よりも高い温度まで加熱するための一体型ヒータ(110)と、電界効果トランジスタを高い温度に維持するために配置された一体型断熱材(30)とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して流体センサデバイス及びその製造方法に関する。

関連特許出願に対する相互参照
本特許出願は、２００３年４月２４日に出願され、同時係属中であり、同一の譲受人に譲渡された特許文献１に関連する。

多くのガスセンサは、適切に動作するために高温を必要とする（例えば、１００〜２００℃）。そのような従来のガスセンサを加熱するために必要な消費電力は、バルク形態または薄膜形態のいずれかにおいて用いられる材料の体積が比較的大きいことに起因して大きい。一方、これらのセンサのガス感度は、ガスを吸収するのに利用可能な表面積が限られていることに起因して制限される。感度が低く、消費電力が大きいことにより、ガスセンサの用途が制限される。

多数の応用形態においてナノスケールセンサが使用されており、特に化学的および／または生物学的センシング（検知）及び分析の分野において有用であることがわかっている。そのようなナノスケールセンサは一般に、バッチ処理製造技術を使用しない非反復的な（従って、非効率的な）方法によって個々に製造されている。ナノスケールセンサは、ガスクロマトグラフィ、イオン結合プラズマ原子分析（ＩＣＰＡＡ）、ウエット化学分析、ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）分析、電気泳動、蛍光標識法、及びレーザ揮発による質量分析法のような分析技術における用途がある。

化学的および／または生物学的センシング及び分析は従来、有意義なデータを得るために長い時間を要し、遠隔装置または扱いにくい装置を含み、大きなサンプルサイズを必要とし、高度な訓練を受けたユーザを要求し、かなりの直接費および間接費を伴う。直接費は、分析のタイプ毎に必要とされる労力、手順および装置に関連する。間接費は部分的には、例えば医療分析において、又は化学的なプロセスのモニタリングにおいて、すぐ使用可能な情報を得ることができるまでに遅れがあることから生じる。ある特定の化学的または生物学的分析の間接費は、直接費よりも多くなる可能性がある。

生物学的および／または化学的分析装置のある特定の実施形態は、電気抵抗が２端子構成を用いて測定される、固定していない円筒形ワイヤ又はチューブを使用する。用語「固定していない（loose）」は、ワイヤ又はチューブが最初に基板に固定されず、そのため後に基板に固定されなければならないことを示す。

固定していないチューブタイプのセンサ構成の利点は、実験室での実証が簡単で、容易なことである。化学蒸着法（ＣＶＤ）工程によって基板上に微小なワイヤを直接的に堆積させることもできるが、それも同様に時間がかかる。しかしながら、有用なセンシング用途に関して十分に再現可能な態様で、固定していないナノスケールワイヤ又はチューブを製造することは困難であり、コストがかかる。

また、いくつかの分析技術は、センサのアレイも必要とする。そのようなアレイを用いて、２次元または３次元構成上でいくつかのパラメータを検出することができるか、又は共通の場所において同時に種々のパラメータを検出することができる。特にチューブ又はワイヤがナノスケールの寸法を有するときに、固定していないチューブ又はワイヤを大量に製造してアレイにすることは難しい。ワイヤ又はチューブをセンサのアレイへと個々に組み立てることは、時間がかかり、コストがかかる。
米国特許出願第１０／４２３，０６３号

従って、現在の技術によって可能とされるものよりも低コストで、再現性が高く、かつより製造しやすい態様でナノスケール流体センサを製造するための効率的な方法が必要とされている。

本発明の一実施形態によれば、周囲温度を有する環境において用いるための流体センサが提供される。その流体センサは、ａ）機能化された半導体ナノワイヤを含む電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、ｂ）前記電界効果トランジスタに近接して配置され、前記電界効果トランジスタを前記周囲温度よりも高い温度まで加熱するための一体型ヒータと、及びｃ）前記電界効果トランジスタを前記高い温度に維持するために配置された一体型断熱材とを含む。

また、本発明の一実施形態によれば、流体センサを製造するための方法が提供される。その方法は、ａ）絶縁性基板を準備するステップと、ｂ）前記絶縁性基板上にシリコンの層を堆積し、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を形成するステップと、ｃ）前記シリコンの層をパターン形成して、少なくとも１つのシリコンナノワイヤ及び少なくとも１つの一体型ヒータ抵抗を形成するステップと、ｄ）導電性ソースコンタクト及び導電性ドレインコンタクトを形成し、それにより前記ソースコンタクト及び前記ドレインコンタクトを半導体ナノワイヤと結合して、電界効果トランジスタを形成するステップと、ｅ）少なくとも１つの流体を検出するために前記少なくとも１つのシリコンナノワイヤを機能化するステップと、及びｆ）前記電界効果トランジスタを、前記流体センサの周囲温度よりも高い温度に維持するために配置される断熱材を堆積するステップとを含む。

本発明によれば、半導体製造プロセスによって製造されるＳｉナノワイヤ電界効果トランジスタを利用することにより、多重化され、高感度で、かつ低消費電力の流体センサを低コストで製造することが可能になる。

本開示の特徴および利点は、図面と共に以下の詳細な説明を読むことにより、当業者には容易に理解されよう。

説明を明瞭にするために、図面は一定の縮尺に従わずに描かれている。特に、垂直方向および水平方向のスケールは互いに異なる場合があり、図面によっても異なる場合がある。これに関連して、「上」、「下」、「正面」、「背面」、「前部」、「後部」などの方向に関する用語は、説明されている図面（単数または複数）の向きを基準にして使用される。本発明の構成要素は複数の異なる向きに配置されることができるので、方向に関する用語は、例示のために用いられており、決して制限しない。

説明を明瞭かつ簡単にするために、本明細書に記載される流体センサの実施形態は、概して気体を検出することに関して説明される。しかしながら、本発明は気体の検出に限定されない。また、説明される実施形態は、プラズマ、及び液体を含む他の流体を検出するための他の応用形態にも使用され得る。所望に応じて、従来の流体装置のような適切な流体構造を追加することもできる。

流体センサの種々の実施形態が、図１〜図７に関連して、以下の段落において説明される。本明細書で説明される実施形態の１つの態様は、周囲温度の環境において用いるための流体センサである。その流体センサの実施形態は、基板と、基板上に配置された機能化された半導体ナノワイヤを含む電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、ＦＥＴに近接して基板上に配置される一体型ヒータ（ＦＥＴを周囲温度よりも高い温度まで加熱する）と、ＦＥＴを高い温度に維持するために配置される一体型断熱材とを有する。また、いくつかの実施形態は、流体センサの温度を測定するための１つ又は複数の一体型温度センサも有する。

図１は、そのような流体センサ構造の第１の実施形態の側断面図である。図１に示されるように、その構造は、他の要素を支持するベース基板２０と、ＦＥＴを高い温度に維持するための一体型断熱材３０と、機能化された半導体ナノワイヤ４０を含み、導電性ソースコンタクト５０及び導電性ドレインコンタクト６０を備える電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）センサ１５と、ゲート誘電体７０を提供する薄い誘電体層とを有する。図１〜図５の断面図には示されないが、ＦＥＴを周囲温度よりも高い温度まで加熱するために、ＦＥＴの近くに一体型ヒータ１１０がある（しかし、図示された断面図の平面外にある）。後述されるように、一体型ヒータ１１０は図６及び図７に示される。機能化された半導体ナノワイヤ４０は、「製造」のセクションにおいて後述される方法によってナノワイヤとして形成される、シリコン又は別の半導体からなることができる。機能化された半導体ナノワイヤがシリコン又は別の半導体からなる場合でも、予め決められた所望の導電型、例えばＰ型、Ｎ型、Ｐ＋型などを与えるためにドーピングされ得る。

さらに、機能化された半導体ナノワイヤ４０は、触媒８０、例えば金属触媒も含むことができる。適切な触媒の例には、プラチナ、パラジウム、イリジウム、レニウム、ルテニウム、金、銀、及びそれらの混合物または合金あるいは化合物；炭素；タングステン、チタン、スズ、亜鉛、及びそれらの酸化物；コバルト、鉄およびニッケルからなるグループからの元素を含む有機金属化合物；ならびに元素の周期表のIIIＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶIIＡ、ＶIIIＡ、ＩＢ、IIＢ族からの元素を含む遷移金属錯体が含まれる。従って、具体的には、機能化された半導体ナノワイヤ４０は、このリストの適切な触媒またはそれらの機能的な等価物から選択される触媒８０で機能化されたシリコンナノワイヤからなることができる。一般に、検出されるべき流体と相互作用することができ、かつ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の電気的特性の変化をもたらすことができる任意の材料が、本発明の実施形態に用いるための触媒８０として選択され得る。電界効果トランジスタの電気的特性の変化は、例えば、コンダクタンス、キャパシタンス、周波数応答、相互コンダクタンス、利得、キャリア濃度、又はいくつかの他の電気的な変化とすることができる。触媒８０は、図１及び図２では、明瞭に図示するために小さな丸によって概略的に示されるが、触媒は薄膜またはメッシュとすることができ、連続または不連続とすることができる。

基板２０は複数の態様で設けられることができ、それらの態様のいくつかは、基板自体の一部として他の要素を組み込む。例えば、図１では、基板２０はセミコンダクタオンインシュレータ（ＳＯＩ）の層を含むことができる。その半導体層を用いて、半導体ナノワイヤ４０を形成することができる。そのようなＳＯＩ基板の１つの適切な例は、酸化ケイ素からなる絶縁体層３０上にあるシリコンの層である。従って、一体型断熱材３０は、基板内に組み込まれ、ひいては流体センサデバイスに一体化される、酸化ケイ素のような誘電体層とすることができる。図１〜図５では、ベース基板２０及び誘電体層３０の組み合わせは、参照番号３５によって示される。

図２は、流体センサ構造の第２の実施形態の側断面図である。図２の実施形態は図１の実施形態に類似するが、図２の実施形態では、基板２０の一部が背面からエッチングにより除去され、電界効果トランジスタを含む流体センサの活性部分と少なくとも部分的に位置合わせされた薄い領域が形成される点が異なる。その薄い領域は熱質量が小さく、それにより、より低い消費電力で所望の動作温度まで加熱されることが可能になる。

図３は、固体触媒８０の薄い層を備える、流体センサ構造の第３の実施形態の側断面図である。

図４は、流体センサ構造の第４の実施形態の側断面図である。この実施形態は、複数の細孔または開口部９５を有する触媒８０からなる多孔性の薄い層９０を有し、その細孔または開口部９５は、図示されるように、薄い層９０を貫通して延びることができる。また、細孔９５は、一定量の触媒の面積を拡大し、流体が電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート表面に容易に到達することを可能にする。また、細孔９５は、触媒の面積／体積比も増大させる。

流体センサ構造の第５の実施形態が、やはり側断面図で図５に示される。この実施形態では、触媒８０は細いワイヤ又はフィラメント１００から構成されたメッシュとして形成される。そのようなメッシュは、上述した細孔９５の利点と同じような利点を有する。そのようなメッシュを形成するための方法は、「製造」のセクションで後述される。

種々の要素の特定の構成がこれらの実施形態の図面に示されるが、他の構成でも動作することができることは当業者には理解されよう。例えば、一体型断熱材は基板上に配置される場合もあり、一体型ヒータは基板上に、又は一体型断熱材上に配置される場合もあり、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は基板上に、又は一体型断熱材上に配置される場合もある。ＦＥＴ及びヒータの双方が一体型断熱材上に配置される場合に、消費電力が削減されるという利点が改善される。いくつかの実施形態では、絶縁性基板が一体型断熱材である。

図６及び図７に示されるように、個々の流体センサ構造体が組み合わされて、アレイに集積化され得る。図６は、マルチセンサ流体センサ構造の第１の実施形態の平面図であり、図７は、マルチセンサ構造の第２の実施形態の平面図である。図６は、ベース基板、及び一体型断熱材３０を提供する誘電体層からなる共通の表面上に６個のセンサ１５からなるアレイを含む、マルチセンサ構造１０を示す。一体型断熱材３０は図１〜図５に示される。図示を簡単にするために、ＦＥＴセンサ１５の従来のソースコンタクト、ドレインコンタクト及びゲートコンタクトは、図６及び図７に示されない。単一の一体型ヒータ１１０が、この実施形態ではセンサアレイの三方を取り囲み、その端部コンタクト１３０及び１４０を通して与えられる電流によって電力供給される。電気コンタクト１６０、１７０、１８０、１９０を介して温度を検出するために、センサ１５の近くに２つの一体型温度センサ１５０及び１５５が配置される。一体型温度センサ１５０及び１５５は、既知の温度依存性の電気的特性を有するダイオードとすることができる。図６におけるアレイの種々のセンサ１５のそれぞれの電界効果トランジスタは、ある特定の気体を検出するために機能化され得る。その応用形態が多数の気体を検出することを必要とする場合には、アレイの各流体センサ１５の電界効果トランジスタは、別個の気体を検出するために機能化され得る。代案として、アレイの多数のセンサ１５の電界効果トランジスタが、同じ気体を検出するために機能化され得る。そのような構成は、信頼性を得るために冗長性を与え、ノイズ低減および／または他のエラー低減等のための統計的な温度結果を与えるために有用であろう。

図７は、一体型断熱材３０を含む共通の複合表面３５０上に、４個のセンサ１５、１６、１７、１２０のアレイを含むマルチセンサ構造１０を示す。一体型断熱材３０は図１〜図５に示される。やはり、単一の一体型ヒータ１１０が、この実施形態ではセンサアレイの三方を取り囲み、その端部コンタクト１３０及び１４０を通して与えられる電流によって電力供給される。電気コンタクト１６０、１７０を通じて温度を検出するために、センサ１５、１６、１７、１２０の近くに一体型温度センサ１５０が配置される。この実施形態では、アレイの各流体センサ１５、１６、１７の電界効果トランジスタは、別個の気体を検出するために機能化されることができ、制御センサ１２０は、電界効果トランジスタが任意の気体を検出するために機能化されないが、他の点ではセンサ１５、１６、１７と同じである制御デバイスとすることができる。

以下の「製造」のセクションにおいて説明されるように、流体センサデバイス１５はそれぞれ、「ナノスケール」、即ち約１マイクロメートル未満の寸法を有するように製造され得る。従って、上述の種々の実施形態は、周囲温度を有する環境において用いるためのナノスケール流体センサを提供する。別々に、又はアレイに構成される各流体センサは、ナノスケール流体検出器１５（例えば、機能化されたナノスケール電界効果トランジスタ）と、ナノスケール流体検出器を加熱するための一体型ヒータ１１０と、少なくともナノスケール流体検出器のための一体型断熱材と、ナノスケール流体検出器、一体型ヒータ及び一体型断熱材のための機械的な支持体とを含むことができる。一体型ヒータ１１０は、各ナノスケール流体検出器１５を周囲温度よりも高い温度まで加熱することができ、一体型断熱材３０は、ナノスケール流体検出器１５をその高い温度に維持することができる。

較正の目的で温度の制御と選択を可能にするために、かつガス感度を設定するために、一体型温度センサ（例えば、図６及び図７に示される温度センサ１５０及び１５５）が、そのデバイス内に含められることができる。例えば、プラチナ触媒８０を用いる電界効果トランジスタ１５は、１００℃において、気体Ａに対して感度を高くし、別の気体Ｂに対して感度を低くすることができ、２００℃において、気体Ｂに対して感度を高くし、気体Ａに対して感度を低くすることができる。従って、一体型温度センサによる測定値に基づいてセンサ動作温度を選択することにより、ユーザは、どの流体を検出するかを選択することができる。従って、個々のセンサが異なる温度にそれぞれ設定された、流体センサのアレイは、種々の流体の混合物を検出することもできる。一体型温度センサは、例えば、半導体薄膜をパターン形成し、接合を形成して、既知の温度依存性の電気的特性を有するダイオードを作成することにより形成され得る。一体型ヒータ及び一体型温度センサを有する流体センサを使用するこの方法を要約すると、ユーザは、検出されるべき２つ以上の各流体を、検出されるべき流体を検出するための異なる実効的な動作温度範囲に関連付け、一体型温度センサを動作させることにより流体センサの温度を検出し、一体型ヒータを付勢して、流体センサの温度を選択された動作温度範囲内になるように調整し、それにより検出されるべき流体のうちの１つが検出のために選択される。

半導体としてシリコンを用いる実施形態では、選択的な触媒ナノ粒子または薄膜でシリコンナノワイヤを機能化することにより、シリコンナノワイヤ（ＳｉＮＷ）がＦＥＴ導電チャネルを形成し、誘電体薄膜によって断熱される、断熱されたシリコンナノワイヤ電界効果トランジスタ（ＳｉＮＷＦＥＴ）が、高感度および低電力の流体センサに変換される。結果としてのＳｉＮＷ／触媒表面上に高い温度（例えば、１００〜２００℃）で気体分子が化学吸着することによって、検出される帯電した吸着物の電界効果に起因して、ＳｉＮＷのコンダクタンスが変化する。ここでは化学吸着効果に関連する動作理論が参照されるが、本発明は、そのような理論または任意の特定の動作理論の結果に限定されるものと解釈されるべきではない。ナノワイヤの表面積／体積比が大きいことによって、感度が高くなり、応答時間が速くなり、さらにそれらの熱分離とともに体積が小さいことによって、加熱に必要な消費電力が小さくなる。ＳｉＮＷＦＥＴデバイスに加えて、シリコンベースの抵抗およびダイオードも、ＳｉＮＷを局所的に加熱し、それらの温度をモニタするために、各センサチップ上で好都合に使用され得る。さらに、ＳｉＮＷＦＥＴは、高密度のアレイベースのセンシングに適用でき、各ＳｉＮＷを異なる触媒金属で機能化することにより、又は各ＳｉＮＷＦＥＴを異なる温度で動作させることにより、複数の気体を同時に検出することが可能になる。一般に、触媒によって機能化されたＳｉＮＷＦＥＴセンサは、多重化され、高感度で、かつ低電力で流体を検出するための汎用のプラットフォームであり、後述されるように、半導体製造技術によって低コストで大量生産され得る。

一例として、気体を検出するための動作時に、ナノワイヤは所望の温度（例えば、１００〜２００℃）まで加熱され、気体に曝露される。ナノワイヤ上の触媒は選択的に、Ｓｉナノワイヤ上にある特定の気体を吸着し、分解するのを容易にする。これらの吸着物は、Ｓｉナノワイヤに電界効果を有し、それらのコンダクタンスを変化させる。気体検出の選択性は、Ｓｉナノワイヤ上にコーティングされる触媒によって、及び／又はナノワイヤＦＥＴの動作温度によって決定され、それは多重センサアレイ内のナノワイヤＦＥＴ毎に個別に選択され得る。

このように、半導体製造プロセスによって製造されるＳｉナノワイヤ電界効果トランジスタを利用することにより、多重化され、高感度で、かつ低消費電力の流体センサを低コストで製造することが可能になる。特に、シリコンナノワイヤＦＥＴは、ナノワイヤを種々の触媒物質で機能化することによりカスタマイズされた様々な流体センサの汎用のプラットフォームとしての役割を果たす。

製造
本発明の別の態様は流体センサを製造する方法である。そのような流体センサの製造方法の一実施形態が、図８に示される流れ図によって例示される。その方法の種々のステップが参照番号Ｓ１０、Ｓ２０、Ｓ３０、・・、Ｓ８０によって示される。これらの参照番号は、それらのステップが実行されなければならない一定の順序を暗示するものではない。なぜなら、図８のステップを結ぶ矢印によって従来どおりに示される順序を含む、種々のステップの順序が実現可能であるからである。また、いくつかのステップは他のステップと組み合わせられることができ、及び／又は他のステップと同時に実行されることができる。図８に示されるように、その方法は、基板を準備するステップＳ１０を含む。準備される基板は、滑らかで、平坦な絶縁性基板とすることができる。ステップＳ２０において、半導体薄膜が設けられる。ステップＳ２０は、例えば、基板上にシリコンの薄膜を堆積することにより実行され得る。シリコンのような半導体薄膜が絶縁性基板上に堆積される場合には、ステップＳ１０及びＳ２０は合わせて、セミコンダクタオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を提供する。また、その操作は、以下に説明されるステップＳ８０を組み込むこともできる。

ステップＳ３０において、半導体技術分野の当業者に知られているナノリソグラフィ技術、例えばナノインプリントリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、イオンビームリソグラフィ、深ＵＶリソグラフィ、及びＸ線リソグラフィを用いて、半導体薄膜をパターン形成することによって、ナノワイヤが形成される。ステップＳ５０において、半導体薄膜をパターン形成し、所望の抵抗率を与えるようにパターン形成された半導体の部分を必要に応じてドーピングすることによって、一体型ヒータが形成される。ステップＳ４０において、例えば半導体薄膜をパターン形成し、接合を形成して、既知の温度依存性の電気的特性を有するダイオードを作成することにより、一体型温度センサを形成することができる。半導体内にダイオードを形成するための多くの詳細な方法が当業者によく知られている。

ステップＳ４０及びＳ５０は組み合わせられて、同時に実行されることができ、これらのステップの一方または両方が、ナノワイヤを形成するステップＳ３０と組み合わせられて、同時に実行されることもできる。ステップＳ６０において、ナノワイヤと電気的に接触する導電性ソースコンタクト及び導電性ドレインコンタクトが形成され、それによりソースコンタクト及びドレインコンタクトが半導体ナノワイヤと結合され、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が形成される。そのＦＥＴにゲートを付加する別の方法が以下に説明される。導電性ソースコンタクト及び導電性ドレインコンタクトを形成するステップＳ４０、及び一体型ヒータを形成するステップＳ５０は、ナノインプリントリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、イオンビームリソグラフィ、及びＸ線リソグラフィのようなナノリソグラフィ法を用いて実行されることもできる。図８に矢印で示されるように、一体型ヒータを形成すること、及び必要に応じて一体型温度センサを形成することを実施する順序は変更されることもできる。

ステップＳ７０において、少なくとも１つの流体を検出するためにナノワイヤが機能化される。図８の例は気体を基準とするが、ナノワイヤはガス状でない流体を検出するように機能化され得る。ナノワイヤを機能化するステップＳ７０は、必要に応じて、ナノワイヤ上に薄いゲート誘電体を形成し、このように準備されたナノワイヤ上に、ある量の触媒を堆積することによって実施され得る。ナノワイヤ上の自然酸化膜によって、ゲート誘電体を形成するためのステップを行う必要性が除去される場合もある。もしそうでなければ、薄いゲート誘電体を形成する多くの方法、例えばナノワイヤ上に薄い熱酸化膜（ＳｉＯ_２）を成長させる方法、又はナノワイヤ上にＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、又は別の適切な酸化物または窒化物からなる薄い層を堆積する方法が、半導体製造の当業者に知られている。ステップＳ７０において、触媒は、コロイド溶液から堆積されることができるか、或いは真空蒸着またはスパッタリングによって堆積され得る。

ステップＳ７０において用いられる触媒８０は、金属触媒とすることができるが、金属触媒には限定されない。その触媒は、例えば、プラチナ、パラジウム、イリジウム、レニウム、ルテニウム、金、銀、及びこれらの元素の混合物または合金あるいは化合物；炭素；タングステン、チタン、スズ、亜鉛、及びそれらの酸化物；コバルト、鉄またはニッケルからなるグループからの元素を含む有機金属化合物；又は元素の周期表のIIIＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶIIＡ、ＶIIIＡ、ＩＢ、IIＢ族からの元素を含む遷移金属錯体のうちの１つ、或いはこれらの任意の触媒の機能的な等価物とすることができる。より一般的には、分析されるべき気体と相互作用することができ、かつＦＥＴの電気的特性の変化をもたらすことができる任意の材料が、触媒８０として選択され、ステップＳ７０において使用され得る。

ステップＳ８０において、一体型断熱材が設けられる（電界効果トランジスタを流体センサの周囲温度よりも高い温度に維持するために配置される）。セミコンダクタオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板、例えばＳＯＩウェーハを設けることにより、図８のステップＳ１０、ステップＳ２０及びステップＳ８０は組み合わせられて、同時に実行され得ることに留意されたい。ＳＯＩウェーハの絶縁体は、一体型断熱材を提供する。ＳＯＩウェーハの半導体薄膜は、ナノワイヤを形成するためにステップＳ３０においてパターニングされることになる材料を提供する。ＳＯＩウェーハの一例として、所定の導電型を有する平坦なシリコンウェーハが、単結晶または多結晶シリコンの薄い層（例えば、約３０〜５００ナノメートル）によって覆われた、約２００ナノメートル（約２，０００オングストローム）の厚みのシリコン酸化物の層を有する。そのような構造が用いられるとき、絶縁層の下にある平坦なシリコンウェーハは、ＦＥＴのゲートとしての役割を果たすことができる。これは、「バックゲート」ＦＥＴ構造と呼ばれる場合がある。代案として、金属触媒が、その目的を果たすために従来どおりに外部コンタクトに接続され、基板から絶縁されて、ＦＥＴゲートとしての役割を果たすことができる。従って、機能化された半導体ナノワイヤは、基板から絶縁された導電性の触媒を含み、ＦＥＴのゲートを提供することができる。他の実施形態では、別個の小さなパターン形成された導電性ゲート電極（図示せず）がナノワイヤの一部（例えば、その上側ゲート−絶縁体表面の一部）の上に形成され、外部コンタクトまで延在することができる。

図８には示されないが、例えば基板の背面をエッチングすることにより、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の下にある基板の少なくとも一部を除去し、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の反対側に少なくとも部分的に位置合わせされた開口部を形成し、それにより図２に示されるように基板を局所的に薄くするオプションのステップが存在する。そのように薄くすることにより、加熱されることになる材料の質量が減少し、一体型ヒータの消費電力が低減される。

図５に示される一実施形態では、触媒８０は、細いワイヤ又はフィラメント１００から構成されるメッシュとして形成される。そのようなメッシュ構造は、例えば、触媒材料の薄い層を堆積し、レジスト及びリソグラフィを用いて、メッシュワイヤ１００のパターンを画定するマスクを形成し、そのパターンを方向性エッチングし、触媒メッシュを選択的に「アンダーカット」するために等方性エッチングすることにより形成され得る。代案として、当業者に知られている他の方法を用いて、触媒メッシュを形成することができる。

従って、本発明の別の態様は、上述の構造的な実施形態またはそれらの機能的な等価物のうちの１つにおいて流体センサを製造するように特に適合された製造方法である。こうして製造される流体センサ又はそのような流体センサのアレイは、集積回路として作成され得る。

標準的なシリコン半導体製造技術において一般的に使用されるステップを用いる方法によって、ナノワイヤＦＥＴが製造される。そのような実施形態では、そのＦＥＴは、導電チャネルとしてのドーピングされたＳｉナノワイヤ、並びにＦＥＴのソース電極及びドレイン電極として、そのナノワイヤに接続される２つの導電性電極からなる。シリコンナノワイヤは、ナノリソグラフィ及びＳｉエッチングを用いて、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハから好都合に製造され得る。シリコンナノワイヤは、ＳＯＩウェーハに埋め込まれた酸化物によって絶縁され、かつ断熱される。酸化物または窒化物のようなゲート誘電体の薄い層がシリコンナノワイヤ上に形成される。ゲート誘電体材料上には、触媒（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒなど）が、ナノ粒子または薄膜の形態で堆積される。そのようなナノワイヤＦＥＴのアレイを製造することができ、各ナノワイヤは、特定の気体を検出するために、それ自体の固有の触媒によって機能化されることができる。また、各流体センサは、それ自体の一体型ナノスケールヒータと、それ自体の一体型ナノスケール温度センサとを有することができる。

本発明に従って作成されるデバイスは、ある環境において気体を検出する際に有用であると同時に、高感度で、消費電力が小さい。流体センサアレイを含む流体センサの種々の実施形態は、種々の気体を検出することを必要とする応用形態、加熱されたセンサを必要とする応用形態、一体型の温度検出を必要とする応用形態、センサの冗長性を必要とする応用形態、気体に反応を示さない制御デバイスを必要とする応用形態、又はアレイの１つの領域上で複数の流体を検出することを必要とする応用形態において使用され得る。説明された製造方法は、本明細書に記載された流体センサの構造的な実施形態を作成するように特に適合される際に有用である。

これまで本発明の特定の実施形態が説明および図示されてきたが、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲および思想から逸脱することなく、それらの実施形態に対する種々の修正および変更が当業者によって行われることができる。例えば、本明細書の説明において明確に列挙されない触媒または他の材料が、説明されたようなそれらの機能的な等価物の代わりに使用され得る。方法のステップの順序は変更されることができ、方法のいくつかのステップは、より効率的に製造するために組み合わせられ得る。また、いくつかの応用形態では、流体センサの実施形態は、その周囲温度において、即ち周囲温度よりも高い温度まで流体センサを加熱することなく使用され得る。

流体センサ構造の第１の実施形態の側断面図である。流体センサ構造の第２の実施形態の側断面図である。流体センサ構造の第３の実施形態の側断面図である。流体センサ構造の第４の実施形態の側断面図である。流体センサ構造の第５の実施形態の側断面図である。マルチセンサ流体センサ構造の第１の実施形態の平面図である。マルチセンサ流体センサ構造の第２の実施形態の平面図である。流体センサを製造するための方法に関する一実施形態の流れ図である。

符号の説明

15 ＦＥＴセンサ
20 ベース基板
30 一体型断熱材
40 半導体ナノワイヤ
50 ソースコンタクト
60 ドレインコンタクト
70 ゲート誘電体
80 触媒
110 一体型ヒータ
150 一体型温度センサ

Claims

周囲温度を有する環境において用いるための流体センサであって、その流体センサが、
ａ）機能化された半導体ナノワイヤを含む電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、
ｂ）前記電界効果トランジスタに近接して配置され、前記電界効果トランジスタを前記周囲温度よりも高い温度まで加熱するための一体型ヒータと、及び
ｃ）前記電界効果トランジスタを前記高い温度に維持するために配置された一体型断熱材とを含む、流体センサ。
前記機能化された半導体ナノワイヤが、所定の導電型を与えるようにドーピングされたシリコンからなる、請求項１に記載の流体センサ。
前記機能化された半導体ナノワイヤが、検出されるべき流体と相互作用し、かつ前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の電気的特性の変化をもたらすことができる触媒を含む、請求項１又は２に記載の流体センサ。
前記触媒が、プラチナ、パラジウム、イリジウム、レニウム、ルテニウム、金、銀、及びそれらの混合物または合金または化合物；炭素；タングステン、チタン、スズ、亜鉛、及びそれらの酸化物；コバルト、鉄およびニッケルからなるグループからの元素を含む有機金属化合物；並びに元素の周期表のIIIＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶIIＡ、ＶIIIＡ、ＩＢ、IIＢ族からの元素を含む遷移金属錯体からなるリストから選択された材料である、請求項３に記載の流体センサ。
前記一体型ヒータが前記一体型断熱材の上に配置される、請求項１に記載の流体センサ。
前記電界効果トランジスタを支持するための基板をさらに含み、前記電界効果トランジスタ及び前記基板が、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）の層から形成される、請求項１に記載の流体センサ。
前記一体型断熱材および前記一体型ヒータが、前記基板上に配置される、請求項６に記載の流体センサ。
前記基板が前記電界効果トランジスタのゲートとしての役割を果たす、請求項６に記載の流体センサ。
前記電界効果トランジスタに近接して配置され、前記電界効果トランジスタの温度を測定するための少なくとも１つの一体型温度センサをさらに含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の流体センサ。
流体センサを製造するための方法であって、
ａ）絶縁性基板を準備するステップと、
ｂ）前記絶縁性基板上にシリコンの層を堆積し、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を形成するステップと、
ｃ）前記シリコンの層をパターン形成して、少なくとも１つのシリコンナノワイヤ及び少なくとも１つの一体型ヒータ抵抗を形成するステップと、
ｄ）導電性ソースコンタクト及び導電性ドレインコンタクトを形成し、それにより前記ソースコンタクト及び前記ドレインコンタクトを半導体ナノワイヤと結合して、電界効果トランジスタを形成するステップと、
ｅ）少なくとも１つの流体を検出するために前記少なくとも１つのシリコンナノワイヤを機能化するステップと、及び
ｆ）前記電界効果トランジスタを、前記流体センサの周囲温度よりも高い温度に維持するために配置される断熱材を堆積するステップとを含む、方法。