JP2011196740A - Pressure sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力センサとその製造方法に関する。 The present invention relates to a pressure sensor and a manufacturing method thereof.
圧力センサは、水圧や気圧等の様々な圧力を測定する目的で広く使用されている。圧力センサには様々な種類があるが、圧力を検知するセンサ部に圧電薄膜を使用するタイプのセンサでは、圧力によって圧電薄膜に誘起される電荷量を利用して圧力を測定する。 Pressure sensors are widely used for the purpose of measuring various pressures such as water pressure and atmospheric pressure. There are various types of pressure sensors. In a sensor using a piezoelectric thin film as a sensor unit for detecting pressure, the pressure is measured by using the amount of charge induced in the piezoelectric thin film by the pressure.
ただし、このタイプの圧力センサにおいては、圧電薄膜の全体に誘起される電荷量に基づいて圧力を測定するため、圧電薄膜が形成されている領域全体の圧力しか測定することができず、当該領域の局所的な圧力を測定することができない。また、局所的な圧力を測定すべく、複数個の圧力センサを一平面に並べて使用する場合、一つの圧力センサにおける圧電薄膜の膜質が悪いと、当該圧力センサにおける圧力測定値が不正確になる。 However, in this type of pressure sensor, since the pressure is measured based on the amount of charge induced in the entire piezoelectric thin film, only the pressure in the entire region where the piezoelectric thin film is formed can be measured. The local pressure cannot be measured. In addition, when a plurality of pressure sensors are used in a single plane to measure local pressure, if the film quality of the piezoelectric thin film in one pressure sensor is poor, the pressure measurement value in the pressure sensor becomes inaccurate. .
圧力センサとその製造方法において、従来よりも微小な領域の圧力を測定できるようにすることを目的とする。 An object of the pressure sensor and the manufacturing method thereof is to make it possible to measure a pressure in a smaller region than in the past.
以下の開示の一観点によれば、チャンネルとしてグラフェン層を備えたトランジスタと、前記トランジスタのゲート上に片方の端部が接続され、圧電材料を含むワイヤとを有する圧力センサが提供される。 According to one aspect of the following disclosure, there is provided a pressure sensor including a transistor including a graphene layer as a channel, and a wire including a piezoelectric material, one end of which is connected to the gate of the transistor.
また、その開示の他の観点によれば、基板上に、チャンネルとしてグラフェン層を備えたトランジスタを形成する工程と、前記トランジスタのゲート上に、圧電材料を含むワイヤを成長させる工程とを有する圧力センサの製造方法が提供される。 According to another aspect of the disclosure, the pressure includes a step of forming a transistor including a graphene layer as a channel on a substrate, and a step of growing a wire including a piezoelectric material on the gate of the transistor. A method for manufacturing a sensor is provided.
以下の開示で使用するナノワイヤは、圧電薄膜と比較して圧力センサ内で占める面積が小さいので、微小な領域の圧力を検出するのに有利である。 Since the nanowire used in the following disclosure occupies a small area in the pressure sensor as compared with the piezoelectric thin film, it is advantageous for detecting pressure in a minute region.
しかも、チャンネルとしてグラフェン層が形成されたトランジスタを利用することで、そのナノワイヤに発生した誘起電圧の微小な変動を高感度に検出することができる。 In addition, by using a transistor in which a graphene layer is formed as a channel, minute fluctuations in induced voltage generated in the nanowire can be detected with high sensitivity.
(第1実施形態)
以下に、本実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施形態に係る圧力センサの斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view of a pressure sensor according to the present embodiment.
この圧力センサ10は、熱酸化膜等の下地絶縁膜2が形成されたシリコン基板1の上にトランジスタTRを有する。
The
そのトランジスタTRは、チャンネルとして機能するグラフェン層3と、その上に順に形成されたゲート絶縁膜4及びゲート5を有する。このうち、グラフェン層3は、層数が約5層の炭素原子層を有し、例えばCVD法により形成され得る。
The transistor TR includes a
そして、ゲート絶縁膜4としては、厚さが約50nmの酸化ハフニウム(HfO2)層が形成される。また、ゲート5は、金層等の導電層をパターニングしてなる。
As the
上記のグラフェン層3の両端には、グラフェン層3を流れるドレイン電流を引き出すためのチタン層等を含むソース電極6とドレイン電極7とが形成される。
A
そして、ゲート5の上面5aには、ナノワイヤ8の片方の端部が接続される。そのナノワイヤ8の材料は圧電材料であれば特に限定されず、本実施形態ではナノワイヤ8として酸化亜鉛(ZnO)ナノワイヤをゲート5上に立設する。なお、酸化亜鉛ナノワイヤに代えて、窒化アルミニウム(AlN)ナノワイヤを形成してもよい。
Then, one end of the
また、ナノワイヤ8の長さも特に限定されないが、本実施形態では100μm〜500μm程度の長さにナノワイヤ8を形成する。長さの下限値を100μmとしたのは、これよりも短いと外部圧力が加わってもナノワイヤ8が変形し難くなるからである。ひずみによりナノワイヤ8に電荷を誘起するには、ある程度の変形が必要であり、最低でも100μm程度あれば検出に十分な電荷が誘起される。
The length of the
一方、長さの上限値を500μmとしたのは、これよりも長いとナノワイヤ8の強度が弱まり、ナノワイヤ8に欠陥が生じるおそれがあるためである。
On the other hand, the reason why the upper limit of the length is set to 500 μm is that if the length is longer than this, the strength of the
ナノワイヤ8の直径も特に限定されないが、ナノワイヤ8の強度を確保するという観点から50nm以上の直径にするのが好ましい。また、ゲート5上により多くのナノワイヤ8を立設するという点からは、ナノワイヤ8の直径を100nm以下にするのが好ましい。
The diameter of the
このような圧力センサ10によれば、外部から加わる圧力ωによって各ワイヤ8が変形し、それによりゲート5に接続している部分のワイヤ8の端部に誘起電圧が生じる。その誘起電圧によってゲート5のゲート電圧が変動するため、各電極6、7間を流れるドレイン電流Idも変動する。
According to such a
よって、この圧力センサ10では、ドレイン電流Idの変動に基づいて、各ワイヤ8に加わる圧力ωの大きさを測定することができる。
Therefore, in the
また、その圧力センサ10が備えるトランジスタTRは、チャンネルとしてグラフェン層3を備える。グラフェン層3は、シリコンと比較して非常に高い電子移動度を有するため、ワイヤ8に生じる誘起電圧の変動幅が数100nV〜数10mV程度と微小であっても、グラフェン層3中を流れるドレイン電流Idを実用に耐えられる程度の振幅に増幅できる。
The transistor TR included in the
これにより、ナノワイヤ8に発生した誘起電圧の微小な変動を高感度に捉えることができ、圧力の検出感度を高めることが可能となる。
Thereby, the minute fluctuation of the induced voltage generated in the
更に、ナノワイヤ8は、圧電薄膜と比較して圧力センサ10内で占める面積が小さいので、圧力センサ10によって微小な領域の圧力を検出することができる。
Further, since the
しかも、ゲート5上にワイヤ8を複数形成することで、そのうちの数本に欠陥があったとしても、残りのワイヤ8に正常に生じる誘起電圧によってゲート電圧を変動させることができるので、圧力ωの測定値の信頼性が高まる。
In addition, by forming a plurality of
また、図1のようにナノワイヤ8の延在方向をゲート5の上面5aに垂直な方向とすることで、基板横方向から圧力ωが加わったときに、ナノワイヤ8が基板横方向に撓みやすくなる。これにより、ナノワイヤ8の延在方向がゲート5の上面5aから傾いている場合と比較して、ワイヤ8に生じる誘起電圧を大きくすることができ、圧力ωの検出感度を高めることができる。
Further, by making the extending direction of the
図2は、図1のI−I線に沿う断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.
図2に示すように、下地絶縁膜2の上には、グラフェン層3の成長時に触媒として機能する第1の触媒層13が形成される。その第1の触媒層13として、本実施形態では、厚さが約200nmの鉄層を形成する。
As shown in FIG. 2, a
その第1の触媒層13の上面13aと側面13bの上に上記のグラフェン層3が形成され、そのグラフェン層3を覆うようにしてゲート絶縁膜4が形成される。
The
また、ゲート5は、ゲート絶縁膜4の上面4a上に形成された本体5dと、その本体5dから張り出してゲート絶縁膜4の側面4b上に形成されたオーバーハング部5cとを有する。
The
このようにオーバーハング部5cをグラフェン層3の側面3bに対向するように形成することで、上面3aを流れるドレイン電流だけでなく、側面3bにおけるドレイン電流をゲート5で制御することができる。そのため、ワイヤ8に発生する誘起電圧に対してドレイン電流が敏感に反応するようになり、圧力の検出感度を高めることができるようになる。
Thus, by forming the
次に、この圧力センサ10の動作についてのシミュレーション結果について説明する。
Next, the simulation result about the operation of the
図3は、シミュレーションに用いたモデルの斜視図である。 FIG. 3 is a perspective view of the model used for the simulation.
なお、図3において、図1で説明したのと同じ要素には同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。 In FIG. 3, the same elements as those described in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted below.
このモデルでは、下地絶縁膜2の全面にグラフェン層3を形成した場合を想定している。また、ゲート5については、ゲート絶縁膜4の上面のみに形成した。そして、ゲート幅Wは100μm、ゲート長L0は1μm、各電極6、7の長さL1は10μmである。また、各電極6、7とゲート5との間の間隔L2は5μmであり、ゲート絶縁膜4の膜厚は50nmである。
In this model, it is assumed that the
更に、ナノワイヤ8については、ゲート5上に一本のみ形成した場合を想定した。また、座標系については、図3中に示される方向にX軸、Y軸、及びZ軸を設定した。なお、その座標系の原点は、ナノワイヤ8の二つの端部のうち、ゲート5に接続されている方の端部に一致する。
Furthermore, it was assumed that only one
ナノワイヤ8の材料として酸化亜鉛のようなウルツ鉱構造を有する圧電材料を使用した場合、ナノワイヤ8に誘起される電荷密度PXX、PYY、PZZは次の式(1)のように表される。
When a piezoelectric material having a wurtzite structure such as zinc oxide is used as the material of the
式(1)において、PXXは、X軸方向に垂直な面に誘起される電荷密度である。同様に、PYYとPZZは、それぞれY軸方向とZ軸方向に垂直な面に誘起される電荷密度である。 In the formula (1), P XX is a charge density induced on a plane perpendicular to the X-axis direction. Similarly, P YY and P ZZ are charge densities induced on the planes perpendicular to the Y-axis direction and the Z-axis direction, respectively.
また、σijは、i面に加わるj方向の圧力である。 Σ ij is the pressure in the j direction applied to the i plane.
更に、dijは、ナノワイヤ8中の圧電材料の電気機械結合定数である。圧電材料として本実施形態のように酸化亜鉛を使用する場合、各成分の値は次のようになる。
Further, dij is an electromechanical coupling constant of the piezoelectric material in the
d15=-41.7×10-8 (CGSesu/dyn)
d33=31.8×10-8 (CGSesu/dyn)
d31=-15.6×10-8 (CGSesu/dyn)
図4は、Y軸方向に平行な方向に加わる圧力ωによって、ワイヤ8がY軸方向にたわんだ場合の斜視図である。
d 15 = -41.7 × 10 -8 (CGSesu / dyn)
d 33 = 31.8 × 10 -8 (CGSesu / dyn)
d 31 = -15.6 × 10 -8 (CGSesu / dyn)
FIG. 4 is a perspective view when the
その圧力ωがX軸方向で一様な場合、高さxにおけるワイヤ8に加わる応力fxは、次の式(2)のように表されることが知られている。
When the pressure ω is uniform in the X-axis direction, it is known that the stress f x applied to the
なお、式(2)において、Lはワイヤ8の長さである。
In Expression (2), L is the length of the
その応力fxを用いると、電気機械結合定数σXYは次の式(3)で表されることが知られている。 It is known that using the stress f x , the electromechanical coupling constant σ XY is expressed by the following equation (3).
図5は、式(3)の意義を模式的に示す図である。図5に示すように、電気機械結合定数σXYは、応力fxのグラフとX軸との間の部分の面積に等しい。 FIG. 5 is a diagram schematically showing the significance of the formula (3). As shown in FIG. 5, the electromechanical coupling constant sigma XY is equal to the area of the portion between the graph and the X-axis of stress f x.
一方、上記のようにワイヤ8がY軸方向にたわんだ場合、ワイヤ8に誘起される電荷密度のうち、PYYは、式(1)から次の式(4)のようになる。
On the other hand, when the
式(4)に式(3)を代入すると共に、式(3)の積分を計算すると、PYYは次の式(5)のように表される。 When the expression (3) is substituted into the expression (4) and the integral of the expression (3) is calculated, P YY is expressed as the following expression (5).
本実施形態に係る圧力センサの用途の一つに風速計がある。 One use of the pressure sensor according to this embodiment is an anemometer.
そこで、以下では、ナノワイヤ8に横から風を当てたときに、圧力センサ10にどの程度のドレイン電流Idが流れるかについて式(5)を用いて説明する。
Therefore, in the following, how much drain current I d flows through the
風速が5m/sのとき、圧力ωは経験的に約1.3N/m2となる。このωの値と既述のd15の値を式(5)に用い、これにより得られた電荷量PYYからナノワイヤ8に誘起される誘起電圧VIを計算すると、図6のような結果となった。
When the wind speed is 5 m / s, the pressure ω is empirically about 1.3 N / m 2 . When the value of ω and the value of d 15 described above are used in the equation (5) and the induced voltage V I induced in the
図6の結果から、ワイヤ長Lが320μmとするときは、誘起電圧VIが約1μVとなることが明らかとなった。 From the results of FIG. 6, it was found that when the wire length L is 320 μm, the induced voltage V I is about 1 μV.
一方、図3のモデルにおいて、グラフェン層3におけるキャリアの移動度を105cm2/V・sと仮定したとき、ゲート電圧Vgとドレイン電流Idとの関係をシミュレーションしたところ、図7のようになった。
On the other hand, in the model of FIG. 3, when the carrier mobility in the
既述のように、風速5m/sの風によりゲート5に発生する誘起電圧は約1μVである。よって、無風状態から5m/sの風が吹いたとき、ゲート5に印加する動作点電圧を中心にしてゲート電圧Vgが約1μVだけ上昇することになる。図7によれば、約1μVのゲート電圧Vgの上昇によって、ドレイン電流が約10μAに上昇することになる。
As described above, the induced voltage generated in the
図8は、ナノワイヤ8に横から当たる風の風速と、ナノワイヤ8に誘起される誘起電圧VIとの関係をシミュレーションして得られた図である。
FIG. 8 is a diagram obtained by simulating the relationship between the wind speed of the wind hitting the
図8に示すように、風速5m/sから台風クラスの風速40m/sの範囲では、およそ数100nV〜数μVの誘起電圧VIが生じる。この範囲の誘起電圧VIによれば、トランジスタTRの動作点電圧を2.0Vとした場合に、1μA〜100μAのドレイン電流Idが流れることが明らかとなった。この値は、実用に耐えうる十分に大きな値である。 As shown in FIG. 8, an induced voltage V I of about several hundred nV to several μV is generated in the range of wind speed 5 m / s to typhoon class wind speed 40 m / s. According to the induced voltage V I in this range, it is clear that a drain current I d of 1 μA to 100 μA flows when the operating point voltage of the transistor TR is 2.0V. This value is large enough to withstand practical use.
この結果から、本実施形態に係る圧力センサを風速計に使用できることが明らかとなった。 From this result, it became clear that the pressure sensor according to the present embodiment can be used for an anemometer.
一方、その圧力センサの他の用途として血圧計がある。 On the other hand, there is a blood pressure monitor as another application of the pressure sensor.
血圧計の場合、測定する圧力の範囲は10mmHg〜200mmHg程度である。図9は、この範囲における血圧と、ナノワイヤ8に誘起される誘起電圧VIとの関係をシミュレーションして得られた図である。
In the case of a sphygmomanometer, the pressure range to be measured is about 10 mmHg to 200 mmHg. FIG. 9 is a diagram obtained by simulating the relationship between the blood pressure in this range and the induced voltage V I induced in the
図9に示すように、血圧が10mmHg〜200mmHgの範囲では、数mV〜数10mVの誘起電圧VIが生じる。この範囲の誘起電圧VIによれば、トランジスタTRの動作点電圧を2.0Vとした場合に、約10mA〜100mAの十分に大きなドレイン電流が流れることがシミュレーションによって判明した。 As shown in FIG. 9, when the blood pressure is in the range of 10 mmHg to 200 mmHg, an induced voltage V I of several mV to several tens of mV is generated. According to the induced voltage V I in this range, it has been found by simulation that a sufficiently large drain current of about 10 mA to 100 mA flows when the operating point voltage of the transistor TR is 2.0 V.
このことから、本実施形態に係る圧力センサを血圧計として使用できることが明らかとなった。 From this, it became clear that the pressure sensor according to the present embodiment can be used as a sphygmomanometer.
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態の圧力センサ10を一平面内に行列状に複数配列し、平面内での局所的な圧力を検出できるようにする。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a plurality of the
図10は、本実施形態の回路図である。 FIG. 10 is a circuit diagram of this embodiment.
図10に示すように、本実施形態では、複数のワード線WL1〜WL3の各々に複数の圧力センサ10のゲート5を電気的に接続する。
As shown in FIG. 10, in this embodiment, the
それらの圧力センサ10のうち、同じ行内にあるものは、各々のドレインが同一のビット線BL1〜BL3に電気的に接続される。
Among these
更に、各圧力センサ10のドレインは、キャパシタCを介して抵抗Rと電気的に接続される。このような回路によれば、ドレイン電流Idのうち直流成分がキャパシタCによりカットされ、ドレイン電流Idの交流成分のみが抵抗Rを流れる。そして、i行j列目の抵抗Rの両端には、ドレイン電流Idの交流成分が流れることでセンス電圧Vijが生じる。
Further, the drain of each
なお、十分な大きさのセンス電圧Vijを発生させるためには、抵抗Rの抵抗値を数10Ω〜数MΩとするのが好ましい。 In order to generate a sufficiently large sense voltage V ij , the resistance value of the resistor R is preferably several tens of Ω to several MΩ.
そのセンス電圧Vijは、キャパシタCを介して各ビット線BL1〜BL3に出力される。なお、同一行内におけるセンス電圧Vijのどれをビット線BL1〜BL3に出力するかは、ワード線WL1〜WL3に列選択電圧Vg1〜Vg3を印加することで選択し得る。例えば、列選択電圧Vg1のみをハイレベルにし、これ以外の列選択電圧Vg2、Vg3をローレベルにすれば、ワード線WL1に接続されたセンサ10のみがオン状態となり、これらのセンサ10からセンス電圧V11、V21、V31がビット線BL1〜BL3に出力される。
The sense voltage V ij is output to the bit lines BL 1 to BL 3 via the capacitor C. Note that which of the sense voltages V ij in the same row is output to the bit lines BL 1 to BL 3 can be selected by applying column selection voltages V g1 to V g3 to the word lines WL 1 to WL 3 . For example, if only the column selection voltage V g1 is set to the high level and other column selection voltages V g2 and V g3 are set to the low level, only the
図11は、各ビット線BL1〜BL3の後段の機能ブロック図である。 FIG. 11 is a functional block diagram of the subsequent stage of each of the bit lines BL 1 to BL 3 .
図11に示すように、各ビット線BL1〜BL3から出力されたセンス電圧Vijは、増幅回路101において増幅された後、波形整形回路102において波形が整えられる。
As shown in FIG. 11, the sense voltage V ij output from each of the bit lines BL 1 to BL 3 is amplified by the
その後、センス電圧Vijに含まれる余分なノイズ成分がノイズ除去フィルタ103により除去され、A/D変換回路においてセンス電圧Vijがデジタル化される。
Thereafter, an excess noise component included in the sense voltage V ij is removed by the
そして、デジタル化されたセンス電圧Vijに基づいて、i行j列目の圧力値がモニタ等の表示機105に表示される。
Based on the digitized sense voltage V ij , the i-th and j-th column pressure values are displayed on the
以上説明した本実施形態によれば、図10に示したように、一平面内に複数の圧力センサ10を設けたので、平面内の局所的な圧力を各圧力センサ10によって測定することができる。
According to the present embodiment described above, since a plurality of
更に、各圧力センサ10が備えるナノワイヤ8(図1参照)はゲート5上に立てて設けられるため、圧電薄膜を利用して圧力を検出する従来例と比較して、圧力センサ10の基板横方向のサイズが小さくなる。そのため、従来例では1cm2の領域に1個しか圧力センサを設けることができないのに対し、本実施形態では1cm2の領域に1000個の圧力センサ10を設けることができるようになる。このように各圧力センサ10を一平面内に高密度に配列することで、従来よりも微小な領域における圧力変化を検出することが可能となる。
Furthermore, since the nanowires 8 (see FIG. 1) included in each
また、一つの圧力センサ10に設けるナノワイヤ8の数を複数にすることで、当該ナノワイヤ8のいずれかに欠陥があっても、残りのナノワイヤにより圧力を検出できる。よって、一つの圧力センサ10が完全に故障するのが稀になり、一平面内における局所的な圧力の測定値が不正確になるのを抑制できる。
In addition, by making the number of
(第3実施形態)
本実施形態では、第2実施形態で説明した圧力センサの製造方法について説明する。
(Third embodiment)
In the present embodiment, a manufacturing method of the pressure sensor described in the second embodiment will be described.
図12〜図15は、本実施形態に係る圧力センサの製造途中の斜視図であり、図16〜図21はその断面図と側面図である。 12 to 15 are perspective views in the course of manufacturing the pressure sensor according to the present embodiment, and FIGS. 16 to 21 are sectional views and side views thereof.
圧力センサの製造にあたっては、まず、図12に示すように、シリコン基板1の表面を熱酸化することにより、下地絶縁膜2として熱酸化膜を形成する。
In manufacturing the pressure sensor, first, as shown in FIG. 12, the surface of the
そして、その下地絶縁膜2の上にアルミニウム等の金属膜をスパッタ法により形成し、その金属膜をパターニングすることにより、行方向に延在するワード線WL1〜WL3とキャパシタCとを形成する。
Then, a metal film such as aluminum is formed on the
本工程では、キャパシタCの形成と同時に、そのキャパシタCの両極板に接続された第1及び第2の配線21、22と、既述の抵抗R(図10参照)に接続される第3の配線23も形成される。
In this step, simultaneously with the formation of the capacitor C, the first and
また、各ワード線WL1〜WL3には、列方向に延在する第1の延在部24が形成される。
Each word line WL 1 to WL 3 is formed with a first extending
次いで、図13に示すように、ビット線BL1〜BL3と交差する部分のワード線WL1〜WL3上に、層間絶縁膜30として酸化シリコン膜を選択的に形成する。このように層間絶縁膜30を選択的に形成するには、例えば、シリコン基板1の上側全面にレジストパターンを形成し、そのレジストパターンの窓内に層間絶縁膜30を形成した後、レジストパターンをリフトオフすればよい。
Then, as shown in FIG. 13, on the word line WL 1 to WL 3 of a portion intersecting the bit lines BL 1 to BL 3, to selectively form a silicon oxide film as the
その後に、下地絶縁膜2と層間絶縁膜30の上に、列方向に延在するBL1〜BL3を形成する。そのビット線BL1〜BL3は、層間絶縁膜30と同様に、レジストパターンを用いてアルミニウム膜等の金属膜をリフトオフすることにより形成される。
Thereafter, BL 1 to BL 3 extending in the column direction are formed on the
また、本工程では、各ビット線BL1〜BL3の形成と同時に、これらのビット線BL1〜BL3に接続されて列方向に延在する第2の延在部25も形成される。
Further, in this step, simultaneously with the formation of the bit lines BL 1 to BL 3, the second extending
次に、図14に示すように、レジストパターンを用いたリフトオフにより選択的に抵抗Rを形成する。その抵抗Rの材料としては、例えば、ニクロム、シクロム、窒化タンタル等が使用される。そして、既述の第2の配線22と第3の配線23がその抵抗Rの両端に電気的に接続される。
Next, as shown in FIG. 14, a resistor R is selectively formed by lift-off using a resist pattern. As the material of the resistance R, for example, nichrome, cyclome, tantalum nitride or the like is used. The
ここまでの工程により回路基板35の基本構造が完成した。
The basic structure of the
この後は、その回路基板35のセンサ形成領域35aに応力センサを形成する工程に移る。その工程について、図16〜図21を参照しながら説明する。
Thereafter, the process proceeds to a step of forming a stress sensor in the
なお、図16〜図21における断面図は図1のI−I線に沿う断面に相当する。また、これら図16〜図21における側面図は、図1のトランジスタTRをそのチャンネル幅方向Aから見た側面に相当する。 16 to 21 corresponds to a cross section taken along line I-I in FIG. The side views in FIGS. 16 to 21 correspond to the side surfaces of the transistor TR in FIG. 1 viewed from the channel width direction A.
まず、図16(a)に示すように、不図示のレジストパターンを用いたリフトオフにより、下地絶縁膜2の上に第1の触媒層13として厚さが約200nmの鉄層を形成する。
First, as shown in FIG. 16A, an iron layer having a thickness of about 200 nm is formed on the
次いで、図16(b)に示すように、上記の第1の触媒層13の上面13aと側面13bに、第1の触媒層13中の鉄を触媒に使用しながら、CVD法によりグラフェン層3を成長させる。そのCVD法では、アセチレンガスとアルゴンガスとの混合ガスが反応ガスとして使用され、基板温度は約650℃とされる。
Next, as shown in FIG. 16B, the
また、そのCVD法では、成膜時間をコントロールすることにより、約5層の炭素原子層が積層された時点でグラフェン層3の成長を停止させる。
In the CVD method, the growth of the
次に、図16(c)に示すように、ALD(Atomic Layer Deposition)法により、グラフェン層3の上面3a上と側面3b上とに、ゲート絶縁膜4として酸化ハフニウム膜を選択的に形成する。そのゲート絶縁膜4の厚さは特に限定されないが、本実施形態ではグラフェン層3の上面3a上でのゲート絶縁膜4の厚さを約50nmとする。
Next, as shown in FIG. 16C, a hafnium oxide film is selectively formed as the
また、このように上面3a上と側面3b上のみに選択的にゲート絶縁膜4を形成する方法としては、不図示のレジストパターンを用いたリフトオフが使用される。
As a method for selectively forming the
次いで、図17(a)に示すように、シリコン基板1の上側全面にフォトレジストを塗布し、そのフォトレジストをベークして第1のレジスト層32を形成する。
Next, as shown in FIG. 17A, a photoresist is applied to the entire upper surface of the
そして、ゲート絶縁膜4の側面4aに接する部分の第1のレジスト層32を選択的に露光することにより、当該部分に溝状の潜像32aを形成する。
Then, by selectively exposing the portion of the first resist
続いて、図17(b)に示すように、第1のレジスト層32を現像することにより上記の潜像32aを除去し、ゲート絶縁膜4の側面4aが現れる溝32bをレジスト層32に形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 17B, the first resist
その溝32bの深さは特に限定されないが、本実施形態では溝32bの底面と下地絶縁膜2の上面との距離を約10μm程度とする。
The depth of the
次いで、図17(c)に示すように、第1のレジスト層32の上側全面に第1の導電層5xとして金層を蒸着法により形成し、その第1の導電層5xによりレジスト層32の溝32bを完全に埋め込む。
Next, as shown in FIG. 17C, a gold layer is formed as a first
その後、図18(a)に示すように、上記の第1のレジスト層32をリフトオフすることにより、ゲート絶縁膜4の側面4b上に第1の導電層5xをゲートのオーバーハング部5cとして残す。
Thereafter, as shown in FIG. 18A, the first resist
次に、図18(b)に示すように、シリコン基板1の上側全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、窓36aを備えた第2のレジスト層36を形成する。その窓36aからは、ゲートのオーバーハング部5cとゲート絶縁膜4の上面4aが露出する。
Next, as shown in FIG. 18B, a second resist
続いて、図19(a)に示すように、第2のレジスト層36の上面と窓36a内に第2の導電層5yとして蒸着法により金層を形成し、その第2の導電層5yで窓36aを完全に埋め込む。
Subsequently, as shown in FIG. 19A, a gold layer is formed by vapor deposition as the second
その後に、図19(b)に示すように、第2のレジスト層36をリフトオフすることにより、オーバーハング部5cとゲート絶縁膜4の上面4aとに、ゲート5の本体5dを形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 19B, the
次いで、図20(a)に示すように、不図示のレジスト層を用いたリフトオフにより、下地絶縁膜2の上にソース電極6とドレイン電極7としてチタン層を形成する。なお、各電極6、7の材料はチタンに限定されず、鉄、パラジウム、白金、及びバナジウムのいずれかであってもよい。
Next, as shown in FIG. 20A, a titanium layer is formed as a
ここまでの工程により、シリコン基板1の上方に、チャンネルとしてグラフェン層3を備えたトランジスタTRが形成されたことになる。
Through the steps so far, the transistor TR including the
この後は、そのトランジスタTRのゲート5上にナノワイヤを成長させる工程に移る。
Thereafter, the process proceeds to a process of growing nanowires on the
まず、図20(b)に示すように、下地絶縁膜2とゲート5のそれぞれの上にフォトレジストを塗布し、それを現像することにより、ゲート電極5の上に複数の微細な窓38aを備えた第3のレジスト層38を形成する。
First, as shown in FIG. 20B, a photoresist is applied on each of the
そして、その窓38a内と第3のレジスト層38上に、スパッタ法や蒸着法により第2の触媒層39としてニッケル層を形成する。
Then, a nickel layer is formed as the
なお、ニッケル層に代えて、酸化亜鉛層を第2の触媒層39として形成してもよい。
A zinc oxide layer may be formed as the
その後、図21(a)に示すように、第3のレジスト層38をリフトオフし、ゲート5の上面5aにのみ第2の触媒層39をドット状に残す。
Thereafter, as shown in FIG. 21A, the third resist
次に、図21(b)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。 Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.
まず、不図示の成長炉内にシリコン基板1を入れ、そのシリコン基板1を800〜1000℃程度の温度に加熱する。その後、上記の成長炉内に、加熱により気化したジエチルジンク((C2H5)2Zn)を亜鉛の原料として供給すると共に、酸素の原料として気体の水を供給する。
First, the
なお、ジエチルジンクに代えて、パウダー状の亜鉛を加熱により気化したものを亜鉛の材料として成長炉内に供給してもよい。 Instead of diethyl zinc, powdered zinc vaporized by heating may be supplied into the growth furnace as a zinc material.
これにより、第2の触媒層39中のニッケルが触媒となり、その第2の触媒層39上にナノワイヤ8として酸化亜鉛ナノワイヤが成長する。
As a result, nickel in the
そのナノワイヤ8の長さは成長時間を変えることにより制御することができ、本実施形態では100μm〜500μm程度の長さにナノワイヤ8を形成する。また、ナノワイヤ8の直径は、ドット状の第2の触媒層39の直径により制御でき、50nm〜100nm程度の直径にナノワイヤ8を形成する。
The length of the
なお、ナノワイヤ8の材料は、圧電材料であれば酸化亜鉛に限定されず、窒化アルミニウムであってもよい。
The material of the
以上により、圧力センサ10の基本構造が完成する。
As described above, the basic structure of the
図15は、本工程を終了した後の斜視図である。 FIG. 15 is a perspective view after this process is completed.
図15に示すように、上記の圧力センサ10のドレイン電極7は、第1の配線21と第2の延在部25の各々に接続される。また、圧力センサ10のゲート5は、第1の延在部24に接続される。
As shown in FIG. 15, the
以上説明した本実施形態によれば、第2実施形態のように複数の圧力センサ10を行列状に配列することができ、一平面内における局所的な圧力を各圧力センサ10により検出することができる。
According to this embodiment described above, a plurality of
また、図17(b)〜図18(a)に示したように、第1の導電層5xをリフトオフすることにより、ゲート5のオーバーハング部5cを形成することができる。そのオーバーハング部5cにより、第1実施形態で説明したように、グラフェン層3の側面3bを流れるドレイン電流がゲート電圧に敏感に反応するようになり、圧力の検出感度を高めることができるようになる。
Further, as shown in FIGS. 17B to 18A, the
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。 The following additional notes are disclosed for each embodiment described above.
(付記1) チャンネルとしてグラフェン層を備えたトランジスタと、
前記トランジスタのゲート上に片方の端部が接続され、圧電材料を含むワイヤと、
を有することを特徴とする圧力センサ。
(Supplementary note 1) a transistor having a graphene layer as a channel;
A wire having one end connected on the gate of the transistor and comprising a piezoelectric material;
A pressure sensor comprising:
(付記2) 前記ワイヤが複数本設けられたことを特徴とする付記1に記載の圧力センサ。
(Supplementary note 2) The pressure sensor according to
(付記3) 前記ワイヤは、前記ゲートの上面に垂直な方向に延在することを特徴とする付記1に記載の圧力センサ。
(Supplementary note 3) The pressure sensor according to
(付記4) 前記ワイヤは、直径が50nm〜100nmであり長さが100μm〜500μmであることを特徴とする付記1に記載の圧力センサ。
(Supplementary note 4) The pressure sensor according to
(付記5) 前記ゲートは、前記グラフェン層の側面に対向するオーバーハング部を有することを特徴とする付記1に記載の圧力センサ。
(Additional remark 5) The said gate has an overhang part which opposes the side surface of the said graphene layer, The pressure sensor of
(付記6) 前記トランジスタは、一平面内に行列状に複数配置されたことを特徴とする付記1に記載の圧力センサ。
(Supplementary note 6) The pressure sensor according to
(付記7) 前記圧電材料は、酸化亜鉛又は窒化アルミニウムであることを特徴とする付記1に記載の圧力センサ。
(Supplementary note 7) The pressure sensor according to
(付記8) 基板上に、チャンネルとしてグラフェン層を備えたトランジスタを形成する工程と、
前記トランジスタのゲート上に、圧電材料を含むワイヤを成長させる工程と、
を有することを特徴とする圧力センサの製造方法。
(Appendix 8) Forming a transistor having a graphene layer as a channel on a substrate;
Growing a wire comprising a piezoelectric material on the gate of the transistor;
A method for manufacturing a pressure sensor, comprising:
(付記9) 前記ワイヤを成長させる工程は、
前記ゲートの上面に、ドット状の第1の触媒層を形成する工程と、
前記基板を加熱しながら、前記第1の触媒層の上に圧電材料の原料を供給することにより、前記触媒層の上に前記ワイヤを成長させる工程とを有することを特徴とする付記8に記載の圧力センサの製造方法。
(Supplementary Note 9) The step of growing the wire includes
Forming a dot-shaped first catalyst layer on the upper surface of the gate;
The method further includes the step of growing the wire on the catalyst layer by supplying a raw material of piezoelectric material onto the first catalyst layer while heating the substrate. Manufacturing method of pressure sensor.
(付記10) 前記トランジスタを形成する工程は、
前記基板上に、第2の触媒層を形成する工程と、
前記第2の触媒層の側面と上面に前記グラフェン層を成長させる工程と、
前記グラフェン層の側面上と上面上とにゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の側面上と上面上とに前記ゲートを形成する工程と、
を有することを特徴とする付記7に記載の圧力センサの製造方法。
(Supplementary Note 10) The step of forming the transistor includes
Forming a second catalyst layer on the substrate;
Growing the graphene layer on side and top surfaces of the second catalyst layer;
Forming a gate insulating film on a side surface and an upper surface of the graphene layer;
Forming the gate on a side surface and an upper surface of the gate insulating film;
The method for manufacturing a pressure sensor according to
1…シリコン基板、2…下地絶縁膜、3…グラフェン層、3a…上面、3b…側面、4…ゲート絶縁膜、4a…上面、4b…側面、5…ゲート、5a…上面、5c…オーバーハング部、5d…本体、5x…第1の導電層、5y…第2の導電層、6…ソース電極、7…ドレイン電極、8…ナノワイヤ、10…圧力センサ、13…第1の触媒層、21〜23…第1〜第3の配線、24、25…第1及び第2の延在部、30…層間絶縁膜、32…第1のレジスト層、32a…潜像、32b…溝、35…回路基板、35a…センサ形成領域、36…第2のレジスト層、36a…窓、38…第3のレジスト層、38a…窓、39…第2の触媒層、101…増幅回路、102…波形整形回路、103…ノイズ除去フィルタ、104…A/D変換回路、105…表示器。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記トランジスタのゲート上に片方の端部が接続され、圧電材料を含むワイヤと、
を有することを特徴とする圧力センサ。 A transistor with a graphene layer as a channel;
A wire having one end connected on the gate of the transistor and comprising a piezoelectric material;
A pressure sensor comprising:
前記トランジスタのゲート上に、圧電材料を含むワイヤを成長させる工程と、
を有することを特徴とする圧力センサの製造方法。 Forming a transistor with a graphene layer as a channel on a substrate;
Growing a wire comprising a piezoelectric material on the gate of the transistor;
A method for manufacturing a pressure sensor, comprising:
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