JP2706252B2 - Extended gate FET ion sensor - Google Patents
Extended gate FET ion sensorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、水素または水素化合物濃度を検出するこ
とのできるFETセンサに関するものである。さらに詳し
くは、この発明は、触媒反応を有するゲート電極を用い
かつ熱絶縁されたマイクロヒータを内蔵することによ
り、温度に対応した触媒活性を制御することのできる高
感度な水素または水素化合物検知用のFETセンサに関す
るものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an FET sensor capable of detecting the concentration of hydrogen or a hydrogen compound. More specifically, the present invention uses a gate electrode having a catalytic reaction and incorporates a micro-heater that is thermally insulated, so that it is possible to control a catalytic activity corresponding to a temperature with high sensitivity for detecting hydrogen or a hydrogen compound. Related to FET sensors.
（背景技術） 従来よりFETイオンセンサが知られている。このFETイ
オンセンサは、ゲート電極上に選択的にイオンを吸着す
る膜を被覆させ、その電荷量に従ってソース・ドレイン
電流を変化させて信号を取出すものが一般的である。(Background Art) Conventionally, FET ion sensors are known. This FET ion sensor generally has a gate electrode covered with a film for selectively adsorbing ions, and takes out a signal by changing the source / drain current according to the charge amount.
イオン吸着膜を特定のものに選択することにより各種
のイオン、たとえば血液や尿などのpHやNaなどの検出が
できるという特徴をもっている。By selecting a specific ion-adsorbing film, various ions, for example, pH and Na of blood and urine can be detected.
一方、水素（H2）や硫化水素（H2S）、アンモニア（N
H3）などの水素化合物の検知やその分離測定に用いるこ
とのできるFETセンサはいまだに実現されていない。そ
の理由としては、これらの水素化合物を分解することに
よって同定するための分解法として実用化できるものが
いまだ見出されていないことによる。たとえば、Ptなど
の貴金属の触媒反応を用いることが考えられるが、この
反応を実用的に利用するためには温度を200〜300℃程度
まで上げることが必要となる。しかしながら従来のFET
の構造において、ゲート電極部分をこのように高温度に
加熱するとFETは動作しなくなり、使用することができ
ないという致命的な欠陥がある。On the other hand, hydrogen (H 2 ), hydrogen sulfide (H 2 S), ammonia (N
An FET sensor that can be used for detection of hydrogen compounds such as H 3 ) and its separation measurement has not yet been realized. The reason is that a decomposition method for identifying these hydrogen compounds by decomposing them, which can be put to practical use, has not yet been found. For example, it is conceivable to use a catalytic reaction of a noble metal such as Pt, but in order to use this reaction practically, it is necessary to raise the temperature to about 200 to 300 ° C. However, conventional FET
In the above structure, when the gate electrode portion is heated to such a high temperature, there is a fatal defect that the FET does not operate and cannot be used.
（発明の目的） この発明は、以上の通りの問題点に鑑みてなされたも
のであり、ゲート電極としてPtやPdなど、水素化合物を
分解させる能力を有する金属を用い、温度に対応して触
媒活性を制御することのできる高感度FETセンサを提供
することを目的としている。(Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above problems, and uses a metal having a capability of decomposing a hydrogen compound, such as Pt or Pd, as a gate electrode and a catalyst corresponding to the temperature. The purpose is to provide a high-sensitivity FET sensor whose activity can be controlled.
（発明の開示） この発明は、上記の目的を実現するために、シリコン
基板上に、Pt−Pd−Ptの３層の構造からなり、ソース・
ドレイン電極部の外側に延長された、露出表面を持つゲ
ート電極部と、この延長されたゲート電極部に配設した
マイクロヒータによる加熱手段とが備えられ、マイクロ
ヒータは、シリコン基板がマイクロマシニングにより除
去されたダイヤフラム上に配設されていることを特徴と
する延長ゲートFETセンサを提供する。(Disclosure of the Invention) In order to achieve the above object, the present invention has a three-layer structure of Pt-Pd-Pt on a silicon substrate,
A gate electrode portion having an exposed surface extended outside the drain electrode portion, and heating means by a microheater disposed on the extended gate electrode portion are provided, and the microheater is obtained by micromachining a silicon substrate by micromachining. Provided is an extended gate FET sensor, which is provided on a removed diaphragm.
第１図は、この発明のセンサの構造と動作の原理を説
明した断面図である。FIG. 1 is a sectional view for explaining the structure and operation principle of the sensor of the present invention.
この例に示したように、MOSFETのゲート電極（１）で
ある金属の薄膜を延長して、マイクロヒータ（２）上に
まで導く。このマイクロヒータ（２）のある高温部の金
属からなるゲート電極（１）延長部の露出表面では水素
（H2）や水素化合物を分解する。生成した解離水素は、
ゲート電極（１）中に拡散する。ゲート電極（１）とSi
O2等のゲート絶縁膜（３）との界面で電気二重層を形成
する。これにより、ソース・ドレイン間を流れる電流を
変調し、検知信号として取出す。As shown in this example, the metal thin film which is the gate electrode (1) of the MOSFET is extended and guided to the micro heater (2). Hydrogen (H 2 ) and hydrogen compounds are decomposed on the exposed surface of the extended portion of the gate electrode (1) made of metal at a high temperature portion where the microheater (2) is located. The generated dissociated hydrogen is
It diffuses into the gate electrode (1). Gate electrode (1) and Si
An electric double layer is formed at the interface with the gate insulating film (3) such as O 2 . Thus, the current flowing between the source and the drain is modulated and extracted as a detection signal.
以上がこの発明の基本的な構造と動作原理であるが、
さらにこの発明の特徴の一つは、マイクロマシニングと
呼ばれる三次元的な微細加工の方法を適用することにあ
る。すなわち、この方法により、シリコン基板（４）上
にその周辺のみで支持されたSiO2等の薄いダイアフラム
（５）を形成することができ、この上にマイクロヒータ
（２）を配設することによりFET部分への熱伝導を防い
だ熱絶縁された局所的な高温部分を形成することができ
る。The above is the basic structure and operation principle of the present invention.
Further, one of the features of the present invention resides in applying a three-dimensional micromachining method called micromachining. That is, by this method, a thin diaphragm (5) such as SiO 2 supported only at the periphery thereof can be formed on the silicon substrate (4), and the micro heater (2) can be provided thereon. It is possible to form a locally insulated high-temperature portion that prevents heat conduction to the FET portion.
第２図は、この発明の延長ゲートFETイオンセンサの
一つの具体例を示している。FIG. 2 shows one specific example of the extended gate FET ion sensor of the present invention.
この例においては、Ｐ−Si基板（６）上にソース
（７）、ドレイン（８）、ゲート（９）電極からなるｎ
チャンネルMOSFETを形成する。ゲート絶縁膜（10）は70
0ÅのSiO2（11）と800ÅのSi3N4（12）膜の二層として
いる。Si3N4（12）膜は、解離水素が酸化膜中に浸透し
水素誘起ドリフトを起すことを防ぐ働きがあり、これを
利用するために二層としている。ゲート電極（13）は、
Pt−Pd−Ptの三層構造としている。それぞれの膜厚は50
0〜1000Å程度である。Pdは、PECVDを用いてSiO2を形成
する際に、SiH4が分解して生成する水素によって損傷を
うけることから、このような三層の構造としている。In this example, a P-Si substrate (6) has n (source), drain (8), and gate (9) electrodes on a P-Si substrate (6).
Form a channel MOSFET. 70 for the gate insulation film (10)
It is composed of two layers of 0Å SiO 2 (11) and 800Å Si 3 N 4 (12) films. The Si 3 N 4 (12) film has a function of preventing dissociated hydrogen from penetrating into the oxide film and causing a hydrogen-induced drift, and has a two-layer structure to utilize this. The gate electrode (13)
It has a three-layer structure of Pt-Pd-Pt. Each film thickness is 50
It is about 0-1000Å. Pd has such a three-layer structure because, when forming SiO 2 using PECVD, Pd is damaged by hydrogen generated by decomposition of SiH 4 .
マイクロヒータ（14）は、SiO2（11）とSi3N4（12）
からなるダイアフラム（15）に2000Å厚のNiを用いて、
形成している。The micro heater (14) is made of SiO 2 (11) and Si 3 N 4 (12)
Using a 2000mm thick Ni for the diaphragm (15) consisting of
Has formed.
ゲート電極（13）の表面には、マイクロヒータ（14）
部分を除外して、ゲート電極（13）中を拡散する解離水
素が大気中に飛散しないようにSiO2膜で被覆することが
好ましい。The surface of the gate electrode (13) has a micro heater (14)
Excluding the portion, it is preferable to cover with a SiO 2 film so that dissociated hydrogen diffusing in the gate electrode (13) does not fly into the atmosphere.
このような構造のセンサは、次の製造行程によって形
成することができる。A sensor having such a structure can be formed by the following manufacturing process.
（ａ）200μｍ厚のP-（100）シリコン基板（６）を酸化
後、フォトエッチングを行い、ソース・ドレイン用のn+
拡散をする。再びフォトエッチングした後、チャネルス
トッパ用のP+拡散を行う。(A) A 200 μm thick P − (100) silicon substrate (6) is oxidized and then photo-etched to obtain n + for source and drain.
Spread. After photoetching again, P + diffusion for a channel stopper is performed.
（ｂ）フォトエッチング後、ドライ酸化により700Å厚
のSiO2（11）ゲート酸化膜を形成する。両面にSi3N4（1
2）膜をCVDし、両面フォトエッチングを行って、表面に
コンタクトホール、裏側にSiエッチング用マスクをそれ
ぞれ形成する。(B) After photoetching, an SiO 2 (11) gate oxide film having a thickness of 700 mm is formed by dry oxidation. Si 3 N 4 (1
2) CVD the film and perform photo etching on both sides to form a contact hole on the surface and a mask for Si etching on the back side.
（ｃ）Niからなるマイクロヒータ（14）をEB蒸着で2000
Åの厚さに付け、フォトエッチングする。SiO2（11）を
PECVDによって5000Å堆積し、フォトエッチングしてPt
−Pd−Ptのゲート電極（13）とNiマイクロヒータ（14）
間の絶縁膜とする。(C) 2000 micro-heaters (14) made of Ni by EB evaporation
Apply photo-etching to the thickness of Å. SiO 2 (11)
5000Å deposited by PECVD, photo-etched to Pt
-Pd-Pt gate electrode (13) and Ni micro heater (14)
It is an insulating film between them.
（ｄ）Pt−Pd−Ptをマスク蒸着し、熱処理（空気中250
℃）する。SiO2をPECVDで5000Å付けフォトエッチング
してマイクロヒータ（14）上のPt−Pd−Ptを露出させ
る。なお蒸着用のマスクには、ベリリウム銅にメッキし
たNiに窓のパターンを形成したコンポジットマスクを使
用する。(D) Pt-Pd-Pt is deposited by mask and heat treated (250 in air).
° C). Pt-Pd-Pt on the micro heater (14) is exposed by photo-etching SiO 2 by PECVD at 5000 °. As a mask for vapor deposition, a composite mask in which a window pattern is formed on Ni plated on beryllium copper is used.
（ｅ）裏面からマイクロヒータ（14）部のSiをエッチン
グした後、ボンディングパッドにAlをマスク蒸着し、ス
クライブして完成する。(E) After etching the Si in the micro heater (14) from the back surface, Al is vapor-deposited on the bonding pad and scribed to complete.
もちろん、この発明は、以上の例によって何ら限定さ
れるものではない。公知技術等を用いて、様々な態様が
可能であることはいうまでもない。Of course, the present invention is not limited by the above examples. It goes without saying that various modes are possible using known techniques and the like.
第４図（ａ）（ｂ）は、この発明のFETセンサの検知
例を示す図であり、第４図（ａ）はマイクロヒータに通
電しない場合を示し、第４図（ｂ）はマイクロヒータに
通電し、ヒータ温度を250℃とした場合の、各々の水素
（H2）濃度1000ppmに対する検知出力を示している。FIGS. 4 (a) and 4 (b) are diagrams showing an example of detection by the FET sensor of the present invention. FIG. 4 (a) shows a case where the micro heater is not energized, and FIG. 4 (b) shows a micro heater. When the heater temperature is set to 250 ° C. and the heater temperature is set to 250 ° C., the detection output for each hydrogen (H 2 ) concentration of 1000 ppm is shown.
この図から明らかなように、通電しない場合は、飽和
出力が5mVであるのに対して、250℃の加熱により25mVと
なり、４倍以上に感度が増大したことを示している。As is clear from this figure, when no current is applied, the saturation output is 5 mV, whereas the heating at 250 ° C. is 25 mV, indicating that the sensitivity has increased four times or more.
（発明の効果） 以上のように、この発明によって、触媒活性を温度に
よって制御可能とし、かつ高感度なFETセンサが実現さ
れる。(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, a highly sensitive FET sensor capable of controlling catalyst activity by temperature is realized.
第１図は、この発明のセンサの構造および動作原理を例
示した断面図である。 第２図は、この発明のセンサの実施例を示した断面図で
ある。第３図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、その
製造工程プロセスを順次に示した断面図である。 第４図（ａ）（ｂ）は、この発明のFETセンサの検知例
を示した出力電圧図である。 １……ゲート電極、２……マイクロヒータ、３……ゲー
ト絶縁膜 ４……シリコン基板、５……ダイヤフラム、６……Ｐ−
Si基板 ７……ソース、８……ドレイン、９……ゲート 10……ゲート絶縁膜、11……SiO2、12……Si3N4 13……ゲート電極、14……マイクロヒータ、15……ダイ
ヤフラムFIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure and operating principle of a sensor according to the present invention. FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment of the sensor of the present invention. 3 (a), (b), (c), (d), and (e) are cross-sectional views sequentially showing the manufacturing process. FIGS. 4 (a) and 4 (b) are output voltage diagrams showing detection examples of the FET sensor of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gate electrode 2, 2 ... micro heater, 3 ... Gate insulating film 4 ... Silicon substrate, 5 ... Diaphragm, 6 ... P-
Si substrate 7 Source 8 Drain 9 Gate 10 Gate insulating film 11 SiO 2 12 Si 3 N 4 13 Gate electrode 14 Micro heater 15 … Diaphragm
Claims (1)
造からなり、ソース・ドレイン電極部の外側に延長され
た、露出表面を持つゲート電極部と、この延長されたゲ
ート電極部に配設されたマイクロヒータによる加熱手段
とが備えられ、マイクロヒータは、シリコン基板がマイ
クロマシニングにより除去されたダイヤフラム上に配設
されていることを特徴とする水素または水素化合物検知
用の延長ゲートFETセンサ。1. A gate electrode portion having a three-layer structure of Pt-Pd-Pt on a silicon substrate, the gate electrode portion having an exposed surface extending outside the source / drain electrode portion, and the extended gate electrode portion. Heating means by a micro-heater provided in the section, wherein the micro-heater is provided on a diaphragm from which a silicon substrate has been removed by micro-machining, and the extension for detecting hydrogen or a hydrogen compound is provided. Gate FET sensor.
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1988
- 1988-02-21 JP JP63037803A patent/JP2706252B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2015178754A1 (en) * | 2014-05-20 | 2015-11-26 | Mimos Berhad | Isfet integrated with a micro-heater and fabrication method thereof |
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| JPH01213563A (en) | 1989-08-28 |
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