JP5440295B2 - Pressure sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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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. .

特開2006−308559号公報JP 2006-308559 A 特開2008−162885号公報JP 2008-162885 A 特開2007−182370号公報JP 2007-182370 A

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し、前記トランジスタは、基板上に形成された触媒層と、前記触媒層の側面と上面とに形成された前記グラフェン層と、前記グラフェン層の一部の側面上と上面上とに形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の側面上と上面上とに形成され、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前記ゲートとを備えている圧力センサが提供される。 According to one aspect discussed herein, a transistor having a graphene layer as a channel, one end portion on the gate of the transistor is connected, have a wire including a piezoelectric material, wherein the transistor is on the substrate A catalyst layer formed on the side surface and an upper surface of the catalyst layer; a gate insulating film formed on a part of the side surface and the upper surface of the graphene layer; and the gate insulation It is formed and on the sides and on the upper surface of the membrane, the pressure sensor that has a said gate having an overhang portion which faces a side surface of the graphene layer.

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し、前記トランジスタを形成する工程は、基板上に触媒層を形成する工程と、前記触媒層の側面と上面とに前記グラフェン層を形成する工程と、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前記ゲートを形成す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, on a substrate, forming a transistor having a graphene layer as a channel, on the gate of the transistor, have a growing a wire comprising a piezoelectric material Forming the transistor on the substrate; forming the graphene layer on a side surface and an upper surface of the catalyst layer; and forming a gate on the side surface and the upper surface of the graphene layer. forming an insulating film, on the on side and on the upper surface of the gate insulating film, a manufacturing method of the pressure sensor for chromatic and forming the gate with an overhang portion which faces a side surface of the graphene layer 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.

図1は、第1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 first embodiment. 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3は、第1実施形態において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 a model used for the simulation in the first embodiment. 図4は、第1実施形態に係る圧力センサにおいてナノワイヤがたわんだ場合の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view when the nanowire is bent in the pressure sensor according to the first embodiment. 図5は、式(3)の意義を模式的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing the significance of the formula (3). 図6は、第1実施形態において、ナノワイヤの長さと誘起電圧との関係をシミュレーションして得られたグラフである。FIG. 6 is a graph obtained by simulating the relationship between the length of the nanowire and the induced voltage in the first embodiment. 図7は、第1実施形態において、ゲート電圧とドレイン電流との関係をシミュレーションして得られたグラフである。FIG. 7 is a graph obtained by simulating the relationship between the gate voltage and the drain current in the first embodiment. 図8は、第1実施形態において、風速と誘起電圧との関係をシミュレーションして得られたグラフであるFIG. 8 is a graph obtained by simulating the relationship between wind speed and induced voltage in the first embodiment. 図9は、第1実施形態において、血圧と誘起電圧との関係をシミュレーションして得られたグラフである。FIG. 9 is a graph obtained by simulating the relationship between blood pressure and induced voltage in the first embodiment. 図10は、第2実施形態の回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram of the second embodiment. 図11は、第2実施形態の機能ブロック図である。FIG. 11 is a functional block diagram of the second embodiment. 図12は、第3実施形態に係る圧力センサの製造途中の斜視図(その1)である。FIG. 12 is a perspective view (No. 1) in the middle of manufacturing of the pressure sensor according to the third embodiment. 図13は、第3実施形態に係る圧力センサの製造途中の斜視図(その2)である。FIG. 13: is a perspective view (the 2) in the middle of manufacture of the pressure sensor which concerns on 3rd Embodiment. 図14は、第3実施形態に係る圧力センサの製造途中の斜視図(その3)である。FIG. 14 is a perspective view (No. 3) in the middle of manufacturing the pressure sensor according to the third embodiment. 図15は、第3実施形態に係る圧力センサの製造途中の斜視図(その4)である。FIG. 15: is a perspective view (the 4) in the middle of manufacture of the pressure sensor which concerns on 3rd Embodiment. 図16(a)〜(c)は、第3実施形態に係る圧力センサの製造途中の断面図と側面図(その1)である。16A to 16C are a cross-sectional view and a side view (No. 1) in the middle of manufacturing the pressure sensor according to the third embodiment. 図17(a)〜(c)は、第3実施形態に係る圧力センサの製造途中の断面図と側面図(その2)である。17A to 17C are a cross-sectional view and a side view (part 2) in the middle of manufacturing the pressure sensor according to the third embodiment. 図18(a)、(b)は、第3実施形態に係る圧力センサの製造途中の断面図と側面図(その3)である。18A and 18B are a sectional view and a side view (No. 3) in the middle of manufacturing the pressure sensor according to the third embodiment. 図19(a)、(b)は、第3実施形態に係る圧力センサの製造途中の断面図と側面図(その4)である。FIGS. 19A and 19B are a cross-sectional view and a side view (part 4) in the middle of manufacturing the pressure sensor according to the third embodiment. 図20(a)、(b)は、第3実施形態に係る圧力センサの製造途中の断面図と側面図(その5)である。20A and 20B are a cross-sectional view and a side view (part 5) in the middle of manufacturing the pressure sensor according to the third embodiment. 図20(a)、(b)は、第3実施形態に係る圧力センサの製造途中の断面図と側面図(その6)である。20A and 20B are a cross-sectional view and a side view (No. 6) in the middle of manufacturing the pressure sensor according to the third embodiment.

(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 pressure sensor 10 includes a transistor TR on a silicon substrate 1 on which a base insulating film 2 such as a thermal oxide film is formed.

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 graphene layer 3 that functions as a channel, and a gate insulating film 4 and a gate 5 that are sequentially formed thereon. Among these, the graphene layer 3 has about 5 carbon atom layers, and can be formed by, for example, a CVD method.

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 gate insulating film 4, a hafnium oxide (HfO 2 ) layer having a thickness of about 50 nm is formed. The gate 5 is formed by patterning a conductive layer such as a gold layer.

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 source electrode 6 and a drain electrode 7 including a titanium layer for drawing a drain current flowing through the graphene layer 3 are formed at both ends of the graphene layer 3.

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 nanowire 8 is connected to the upper surface 5 a of the gate 5. The material of the nanowire 8 is not particularly limited as long as it is a piezoelectric material. In this embodiment, a zinc oxide (ZnO) nanowire is erected on the gate 5 as the nanowire 8. Instead of zinc oxide nanowires, aluminum nitride (AlN) nanowires may be formed.

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 nanowire 8 is not particularly limited, but in this embodiment, the nanowire 8 is formed to a length of about 100 μm to 500 μm. The reason why the lower limit of the length is set to 100 μm is that if the length is shorter than this, the nanowire 8 is not easily deformed even when an external pressure is applied. In order to induce a charge in the nanowire 8 by strain, a certain amount of deformation is required, and if it is at least about 100 μm, a sufficient charge for detection is induced.

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 nanowire 8 is weakened and the nanowire 8 may be defective.

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 nanowire 8 is not particularly limited, but is preferably 50 nm or more from the viewpoint of ensuring the strength of the nanowire 8. From the standpoint that more nanowires 8 are erected on the gate 5, the diameter of the nanowires 8 is preferably 100 nm or less.

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 pressure sensor 10, each wire 8 is deformed by an externally applied pressure ω, and an induced voltage is generated at the end of the wire 8 connected to the gate 5. Since the gate voltage of the gate 5 is changed by the induced voltage also varies the drain current I d flowing between the electrodes 6,7.

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 pressure sensor 10, it may be based on a variation of the drain current I d, measuring the magnitude of the pressure ω applied to the respective wires 8.

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 pressure sensor 10 includes the graphene layer 3 as a channel. Since the graphene layer 3 has very high electron mobility compared to silicon, even if the fluctuation range of the induced voltage generated in the wire 8 is as small as several hundred nV to several tens mV, the drain flowing in the graphene layer 3 The current I d can be amplified to an amplitude that can be practically used.

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 nanowire 8 can be captured with high sensitivity, and the pressure detection sensitivity can be increased.

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 nanowire 8 occupies a small area in the pressure sensor 10 compared to the piezoelectric thin film, the pressure in the minute region can be detected by the pressure sensor 10.

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 wires 8 on the gate 5, even if several of them are defective, the gate voltage can be changed by the induced voltage normally generated in the remaining wires 8, so that the pressure ω The reliability of the measured value increases.

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 nanowire 8 perpendicular to the upper surface 5a of the gate 5 as shown in FIG. 1, when the pressure ω is applied from the lateral direction of the substrate, the nanowire 8 is easily bent in the lateral direction of the substrate. . Thereby, compared with the case where the extending direction of the nanowire 8 is inclined from the upper surface 5a of the gate 5, the induced voltage generated in the wire 8 can be increased and the detection sensitivity of the pressure ω can be increased.

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 first catalyst layer 13 that functions as a catalyst during the growth of the graphene layer 3 is formed on the base insulating film 2. In the present embodiment, an iron layer having a thickness of about 200 nm is formed as the first catalyst layer 13.

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 graphene layer 3 is formed on the upper surface 13 a and the side surface 13 b of the first catalyst layer 13, and the gate insulating film 4 is formed so as to cover the graphene layer 3.

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 gate 5 has a main body 5 d formed on the upper surface 4 a of the gate insulating film 4 and an overhang portion 5 c that protrudes from the main body 5 d and is formed on the side surface 4 b of the gate insulating film 4.

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 overhang portion 5 c so as to face the side surface 3 b of the graphene layer 3, not only the drain current flowing through the upper surface 3 a but also the drain current at the side surface 3 b can be controlled by the gate 5. Therefore, the drain current responds sensitively to the induced voltage generated in the wire 8, and the pressure detection sensitivity can be increased.

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 pressure sensor 10 will be described.

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 graphene layer 3 is formed on the entire surface of the base insulating film 2. Further, the gate 5 was formed only on the upper surface of the gate insulating film 4. The gate width W is 100 μm, the gate length L 0 is 1 μm, and the lengths L 1 of the electrodes 6 and 7 are 10 μm. The distance L 2 between the electrodes 6 and 7 and the gate 5 is 5 μm, and the thickness of the gate insulating film 4 is 50 nm.

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 nanowire 8 was formed on the gate 5. For the coordinate system, an X axis, a Y axis, and a Z axis were set in the directions shown in FIG. The origin of the coordinate system coincides with the end connected to the gate 5 among the two ends of the nanowire 8.

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 nanowire 8, the charge densities P XX , P YY , and P ZZ induced in the nanowire 8 are expressed by the following formula (1). The

Figure 0005440295
Figure 0005440295

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 nanowire 8. When zinc oxide is used as the piezoelectric material as in the present embodiment, the value of each component is as follows.

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 wire 8 is bent in the Y-axis direction by a pressure ω applied in a direction parallel to the Y-axis direction.

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 wire 8 at the height x is expressed by the following equation (2).

Figure 0005440295
Figure 0005440295

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 wire 8.

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).

Figure 0005440295
Figure 0005440295

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 wire 8 bends in the Y-axis direction as described above, P YY of the charge density induced in the wire 8 is represented by the following equation (4) from the equation (1).

Figure 0005440295
Figure 0005440295

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).

Figure 0005440295
Figure 0005440295

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 pressure sensor 10 when wind is applied to the nanowire 8 from the side will be described using Equation (5).

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 nanowire 8 is calculated from the charge amount P YY obtained thereby, the result shown in FIG. 6 is obtained. It became.

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 graphene layer 3 is assumed to be 10 5 cm 2 / V · s, the relationship between the gate voltage V g and the drain current I d is simulated. It became so.

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 gate 5 by the wind having a wind speed of 5 m / s is about 1 μV. Therefore, when the wind 5 m / s blew from no wind, so that the gate voltage V g around the operating point voltage applied to the gate 5 increases by about 1 uV. According to FIG. 7, by increasing the gate voltage V g to about 1 uV, so that the drain current rises to approximately 10 .mu.A.

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 nanowire 8 from the side and the induced voltage V I induced in the nanowire 8.

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 nanowire 8.

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 pressure sensors 10 of the first embodiment are arranged in a matrix in one plane so that a local pressure in the plane can be detected.

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 gates 5 of the plurality of pressure sensors 10 are electrically connected to the plurality of word lines WL 1 to WL 3 .

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 pressure sensors 10, those in the same row have their drains electrically connected to the same bit lines BL 1 to BL 3 .

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 pressure sensor 10 is electrically connected to the resistor R via the capacitor C. According to such a circuit, the DC component of the drain current I d is cut by the capacitor C, only an AC component of the drain current I d flows through the resistor R. The sense voltage V ij is generated by the alternating current component of the drain current I d flowing at both ends of the resistor R in the i-th row and j-th column.

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 sensor 10 connected to the word line WL 1 is turned on, and these sensors 10, sense voltages V 11 , V 21 and V 31 are output to bit lines BL 1 to BL 3 .

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 amplifier circuit 101, and then the waveform shaping circuit 102 adjusts the waveform.

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 noise removal filter 103, and the sense voltage V ij is digitized in the A / D conversion circuit.

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 display 105 such as a monitor.

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 pressure sensors 10 are provided in one plane as shown in FIG. 10, a local pressure in the plane can be measured by each pressure sensor 10. .

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 pressure sensor 10 are provided upright on the gate 5, the substrate in the lateral direction of the pressure sensor 10 is compared with the conventional example in which pressure is detected using a piezoelectric thin film. The size of becomes smaller. Therefore, in the conventional example, only one pressure sensor can be provided in a 1 cm 2 region, whereas in the present embodiment, 1000 pressure sensors 10 can be provided in a 1 cm 2 region. As described above, by arranging the pressure sensors 10 at a high density in one plane, it is possible to detect a pressure change in a region smaller than the conventional one.

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 nanowires 8 provided in one pressure sensor 10 plural, even if any of the nanowires 8 has a defect, the pressure can be detected by the remaining nanowires. Therefore, it is rare that one pressure sensor 10 completely fails, and it is possible to suppress an inaccurate local pressure measurement value in one plane.

(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 silicon substrate 1 is thermally oxidized to form a thermal oxide film as the base insulating film 2.

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 base insulating film 2 by sputtering, and the metal film is patterned to form word lines WL 1 to WL 3 and capacitors C extending in the row direction. To do.

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 second wirings 21 and 22 connected to the bipolar plates of the capacitor C and the third resistor R connected to the resistor R (see FIG. 10) described above. A wiring 23 is also formed.

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 portion 24 extending in the column direction.

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 interlayer insulating film 30. In order to selectively form the interlayer insulating film 30 in this manner, for example, a resist pattern is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 1, the interlayer insulating film 30 is formed in the window of the resist pattern, and then the resist pattern is formed. Just lift off.

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 base insulating film 2 and the interlayer insulating film 30. The bit lines BL 1 to BL 3 are formed by lifting off a metal film such as an aluminum film using a resist pattern, like the interlayer insulating film 30.

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 portion 25 extending in the column direction are connected to the bit lines BL 1 to BL 3 is also formed.

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 second wiring 22 and the third wiring 23 described above are electrically connected to both ends of the resistor R.

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 circuit board 35 is completed through the steps so far.

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 sensor formation region 35a of the circuit board 35. The process will be described with reference to FIGS.

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 base insulating film 2 as a first catalyst layer 13 by lift-off using a resist pattern (not shown).

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 graphene layer 3 is formed on the upper surface 13a and the side surface 13b of the first catalyst layer 13 by the CVD method while using iron in the first catalyst layer 13 as a catalyst. Grow. In the CVD method, a mixed gas of acetylene gas and argon gas is used as a reaction gas, and the substrate temperature is set to about 650 ° C.

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 graphene layer 3 is stopped when about five carbon atom layers are stacked by controlling the film formation time.

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 gate insulating film 4 on the upper surface 3a and the side surface 3b of the graphene layer 3 by an ALD (Atomic Layer Deposition) method. . The thickness of the gate insulating film 4 is not particularly limited, but in this embodiment, the thickness of the gate insulating film 4 on the upper surface 3a of the graphene layer 3 is about 50 nm.

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 gate insulating film 4 only on the upper surface 3a and the side surface 3b as described above, lift-off using a resist pattern (not shown) is used.

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 silicon substrate 1, and the photoresist is baked to form a first resist layer 32.

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 layer 32 in contact with the side surface 4a of the gate insulating film 4, a groove-like latent image 32a is formed in that portion.

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 layer 32 is developed to remove the latent image 32a, and a groove 32b in which the side surface 4a of the gate insulating film 4 appears is formed in the resist layer 32. To do.

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 groove 32b is not particularly limited, but in this embodiment, the distance between the bottom surface of the groove 32b and the upper surface of the base insulating film 2 is about 10 μm.

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 conductive layer 5x on the entire upper surface of the first resist layer 32 by vapor deposition, and the resist layer 32 is formed by the first conductive layer 5x. The groove 32b is completely embedded.

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 layer 32 is lifted off to leave the first conductive layer 5x on the side surface 4b of the gate insulating film 4 as the gate overhang portion 5c. .

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 layer 36 having a window 36a is formed by applying a photoresist to the entire upper surface of the silicon substrate 1 and exposing and developing it. From the window 36a, the gate overhang 5c and the upper surface 4a of the gate insulating film 4 are exposed.

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 conductive layer 5y in the upper surface of the second resist layer 36 and in the window 36a, and the second conductive layer 5y The window 36a is completely embedded.

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 body 5d of the gate 5 is formed on the overhang portion 5c and the upper surface 4a of the gate insulating film 4 by lifting off the second resist layer 36.

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 source electrode 6 and a drain electrode 7 on the base insulating film 2 by lift-off using a resist layer (not shown). In addition, the material of each electrode 6 and 7 is not limited to titanium, Any of iron, palladium, platinum, and vanadium may be sufficient.

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 graphene layer 3 as a channel is formed above the silicon substrate 1.

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 gate 5 of the transistor TR.

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 base insulating film 2 and the gate 5 and developed to form a plurality of fine windows 38 a on the gate electrode 5. The provided third resist layer 38 is formed.

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 second catalyst layer 39 in the window 38a and on the third resist layer 38 by sputtering or vapor deposition.

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 second catalyst layer 39 instead of the nickel layer.

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 layer 38 is lifted off, and the second catalyst layer 39 is left in the form of dots only on the upper surface 5a of the gate 5.

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 silicon substrate 1 is placed in a growth furnace (not shown), and the silicon substrate 1 is heated to a temperature of about 800 to 1000 ° C. Thereafter, diethyl zinc ((C 2 H 5 ) 2 Zn) vaporized by heating is supplied as a zinc raw material into the growth furnace, and gaseous water is supplied as an oxygen raw material.

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 second catalyst layer 39 becomes a catalyst, and zinc oxide nanowires grow as nanowires 8 on the second catalyst layer 39.

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 nanowire 8 can be controlled by changing the growth time. In this embodiment, the nanowire 8 is formed to a length of about 100 μm to 500 μm. The diameter of the nanowire 8 can be controlled by the diameter of the dot-like second catalyst layer 39, and the nanowire 8 is formed to a diameter of about 50 nm to 100 nm.

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 nanowire 8 is not limited to zinc oxide as long as it is a piezoelectric material, and may be aluminum nitride.

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 pressure sensor 10 is completed.

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 drain electrode 7 of the pressure sensor 10 is connected to each of the first wiring 21 and the second extending portion 25. The gate 5 of the pressure sensor 10 is connected to the first extending portion 24.

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 pressure sensors 10 can be arranged in a matrix as in the second embodiment, and a local pressure in one plane can be detected by each pressure sensor 10. it can.

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 overhang portion 5c of the gate 5 can be formed by lifting off the first conductive layer 5x. Due to the overhang portion 5c, as described in the first embodiment, the drain current flowing through the side surface 3b of the graphene layer 3 is sensitive to the gate voltage, so that the pressure detection sensitivity can be increased. Become.

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 supplementary note 1, wherein a plurality of the wires are provided.

(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 supplementary note 1, wherein the wire extends in a direction perpendicular to an upper surface of the gate.

(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 supplementary note 1, wherein the wire has a diameter of 50 nm to 100 nm and a length of 100 μm to 500 μm.

(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 Additional remark 1 characterized by the above-mentioned.

(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 supplementary note 1, wherein a plurality of the transistors are arranged in a matrix in one plane.

(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 supplementary note 1, wherein the piezoelectric material is zinc oxide or aluminum nitride.

(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 appendix 7, wherein:

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 SYMBOLS 1 ... Silicon substrate, 2 ... Base insulating film, 3 ... Graphene layer, 3a ... Upper surface, 3b ... Side surface, 4 ... Gate insulating film, 4a ... Upper surface, 4b ... Side surface, 5 ... Gate, 5a ... Upper surface, 5c ... Overhang Part, 5d ... main body, 5x ... first conductive layer, 5y ... second conductive layer, 6 ... source electrode, 7 ... drain electrode, 8 ... nanowire, 10 ... pressure sensor, 13 ... first catalyst layer, 21 ˜23... First to third wirings 24, 25, first and second extending portions, 30, interlayer insulating film, 32, first resist layer, 32 a, latent image, 32 b, groove, 35,. Circuit board 35a ... sensor formation region 36 ... second resist layer 36a ... window 38 ... third resist layer 38a ... window 39 ... second catalyst layer 101 ... amplifier circuit 102 ... waveform shaping Circuit 103 ... Noise removal filter 104 ... A / D conversion circuit 105 ...示器.

Claims (7)

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、
を有し、
前記トランジスタは、
基板上に形成された触媒層と、
前記触媒層の側面と上面とに形成された前記グラフェン層と、
前記グラフェン層の一部の側面上と上面上とに形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の側面上と上面上とに形成され、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前記ゲートとを備えてい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;
I have a,
The transistor is
A catalyst layer formed on the substrate;
The graphene layer formed on the side and top surfaces of the catalyst layer;
A gate insulating film formed on a side surface and an upper surface of a part of the graphene layer;
Wherein formed on the gate insulating the side of the membrane and the upper surface, the pressure sensor, characterized that you have a said gate having an overhang portion which faces a side surface of the graphene layer.
前記ゲートのオーバーハング部は、前記ゲート絶縁膜のチャンネル幅方向の側面上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the overhang portion of the gate is formed on a side surface of the gate insulating film in the channel width direction. 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請求項1又は請求項2に記載の圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 1 , wherein the wire extends in a direction perpendicular to an upper surface of the gate. 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請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 1 , wherein the wire has a diameter of 50 nm to 100 nm and a length of 100 μm to 500 μm. 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請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧力センサ。 The pressure sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the piezoelectric material is zinc oxide or aluminum nitride. 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、
を有し、
前記トランジスタを形成する工程は、
基板上に触媒層を形成する工程と、
前記触媒層の側面と上面とに前記グラフェン層を形成する工程と、
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;
I have a,
The step of forming the transistor comprises:
Forming a catalyst layer on the substrate;
Forming the graphene layer on a side surface and an upper surface of the catalyst layer;
Forming a gate insulating film on a side surface and an upper surface of the graphene layer;
On the on side and on the upper surface of the gate insulating film, a manufacturing method of the pressure sensor, characterized by chromatic and forming the gate with an overhang portion which faces a side surface of the graphene layer.
前記ゲートを形成する工程では、前記ゲートのオーバーハング部を、前記ゲート絶縁膜のチャンネル幅方向の側面上に形成することを特徴とする請求項6に記載の圧力センサの製造方法。The method for manufacturing a pressure sensor according to claim 6, wherein in the step of forming the gate, an overhang portion of the gate is formed on a side surface in a channel width direction of the gate insulating film.
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