JP6204384B2 - 半導体装置 - Google Patents
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- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
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-
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Description
方法に関する。
気の汚染モニター用途や、自動車の自動換気制御機能、飲酒チェック用のアルコール検知
器など、家庭用途から産業用途まで幅広い分野で用いられる。
抗式ガスセンサが一般的に知られている。
ができ、冷暖房や加湿、除湿などに用いられる空調機器、冷蔵機器、衣料向けの乾燥機器
を始め、気象観測機器、医療機器などの幅広い用途で用いられる。
式湿度センサ(特許文献1)や、電極間に挟まれた絶縁膜の誘電率の変化を用いた容量式
湿度センサ(特許文献2)などが知られている。
抵抗や誘電率など)が変化する検知部と、その電気的特性の変化を電気信号(例えば電圧
の変化など)に変換し、出力する回路部とを組み合わせた構成とするのが一般的である。
えば、シリコン系半導体材料を含む薄膜を用いてガラス基板上にトランジスタを作製する
技術が知られている。
ルファスシリコンを用いたトランジスタは、電界効果移動度が低いものの基板の大面積化
に対応することができる。一方、多結晶シリコンを用いたトランジスタは、電界効果移動
度が高いもののレーザーアニールなどの結晶化工程が必要であり、基板の大面積化には必
ずしも適応しないなどといった特性を有している。
性層として、電子キャリア濃度が1018/cm3未満であるインジウム(In)、ガリ
ウム(Ga)、及び亜鉛(Zn)を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されて
いる(特許文献3参照)。
、それぞれ別の作製工程により作製する必要があった。そのため、作製工程が煩雑になる
とともに、作製コストが高くなってしまう問題があった。
する。また、作製コストが抑制されたガスセンサを提供することを課題とする。
サの検知素子として用いることを考えた。
ガス濃度によって変化すること、加えて、ガスバリア性を有する膜に接する酸化物半導体
層を有するトランジスタが雰囲気中のガス濃度によらず信頼性に優れた電気特性を備える
ことを見出した。そして、雰囲気中のガスと接する酸化物半導体層を有するトランジスタ
を検知素子として用い、ガスバリア性を有する膜に接する酸化物半導体層を有するトラン
ジスタを用いて検出回路を構成し、本発明の一態様の同一基板上に検知素子と検出回路と
を備えたガスセンサとすることにより、課題の解決に至った。
する。従って、雰囲気中のガスによりトランジスタの電気的特性が変化することを利用し
てガスを検知できる。
膜に接する。従って雰囲気中のガスの影響を受けることなく、信頼性に優れた検出回路を
構成することができる。
で作製することにより、作製工程を煩雑にすることなく、また低コストでガスセンサを作
製することができる。
物半導体層がガスと接するトランジスタと、検出回路を構成する、酸化物半導体層がガス
バリア性を有する膜に接するトランジスタとを同一表面上に単一工程で作製し、これらの
トランジスタを用いたガスセンサを作製すればよい。
を含む回路部とを同一の絶縁表面上に有するガスセンサである。さらに第1のトランジス
タは絶縁表面上に第1のゲート電極層と、第1のゲート電極層上にゲート絶縁層と、第1
のゲート電極層と重なり、一方の面をゲート絶縁層に接し、他方の面を雰囲気と接する第
1の酸化物半導体層とを有する。また第1のトランジスタは第1の酸化物半導体層と接し
、第1のゲート電極層と重なる間隙を備える第1のソース電極層、及び第1のドレイン電
極層とを有する。また、第2のトランジスタは絶縁表面上に第2のゲート電極層と、第2
のゲート電極層上にゲート絶縁層と、第2のゲート電極層と重なり、一方の面をゲート絶
縁層に接し、他方の面を保護絶縁層に接する第2の酸化物半導体層と、第2の酸化物半導
体層と接し、第2のゲート電極層と重なる間隙を備える第2のソース電極層、及び第2の
ドレイン電極層とを有する。
回路を構成するトランジスタを有する。同一表面上に2種類のトランジスタを作りこむこ
とで低いコストでガスセンサを実現できる。また、検知素子の酸化物半導体層は被測定雰
囲気に曝されているため、検出感度の高いガスセンサを実現できる。
雰囲気と接しガス透過性を有する絶縁層を有するガスセンサである。
とにより、被測定雰囲気からの意図しない汚染を抑制することができ、信頼性の高いガス
センサとすることができる。
第1のゲート電極層と第2のゲート電極層上にゲート絶縁層を形成する。さらにゲート絶
縁層上に、第1のゲート電極層と重なる第1の酸化物半導体層と、第2のゲート電極層と
重なる第2の酸化物半導体層と、第1の酸化物半導体層と接し、第1のゲート電極層と重
なる間隙を備える第1のソース電極層及び第1のドレイン電極層と、第2の酸化物半導体
層と接し、第2のゲート電極層と重なる間隙を備える第2のソース電極層及び第2のドレ
イン電極層とを形成する。その後、第2の酸化物半導体層の露出した部分と接する保護絶
縁層を形成するガスセンサの作製方法である。
るトランジスタと、回路部を構成するトランジスタを同時に作製することができる。従っ
て作製工程を簡便にすることができ、低コストで作製できるガスセンサを実現できる。ま
た、検知素子の酸化物半導体層は被測定雰囲気に曝されているため、検出感度の良いガス
センサを作製することができる。
1の酸化物半導体層上に、雰囲気と接し、ガス透過性を有する絶縁層を形成するガスセン
サの作製方法である。
半導体層を絶縁層により保護することができ、被測定雰囲気からの意図しない汚染を抑制
することができ、信頼性の高いガスセンサを作製することができる。
制されたガスセンサを提供することができる。
れず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し
得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の
記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において
、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、
その繰り返しの説明は省略する。
瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない
。
本実施の形態では、ガスセンサのひとつである湿度センサの一例について説明する。酸化
物半導体を半導体層とした薄膜トランジスタを用いた湿度センサの構成、及びこの湿度セ
ンサの作製方法の一形態を図1及び図2を用いて説明する。
01と、検出回路を構成する薄膜トランジスタ201の断面概略図である。
タガ型とも呼ぶ)と呼ばれるボトムゲート構造の一つである。また、薄膜トランジスタ1
01、及び薄膜トランジスタ201は共に、nチャネル型のトランジスタである。
酸化物半導体層107、ソース電極層109a、及びドレイン電極層109bを有する。
さらに、酸化物半導体層107のバックチャネルは、絶縁層111と接する。
向かい合う一対のソース電極層とドレイン電極層の端部に挟まれた、酸化物半導体層の領
域をチャネル形成領域と呼ぶこととする。また、チャネル形成領域において、ゲート電極
層とは反対側の表面をバックチャネルと呼ぶこととする。
層209a及びドレイン電極層209bが保護絶縁層213と接しているほかは、薄膜ト
ランジスタ101と同じ構成である。したがって、ゲート電極層203、ゲート絶縁層1
05、酸化物半導体層207、ソース電極層209a、及びドレイン電極層209bは、
それぞれ薄膜トランジスタ101のものと同じ材料で構成され、同一工程で形成される。
水性を有する材料を用いる。したがって、絶縁層111は被測定雰囲気の湿度に依存した
量の水蒸気を吸収する。絶縁層111は薄膜トランジスタ101のバックチャネルと接し
ているため、絶縁層111が吸収した水蒸気は酸化物半導体層107のチャネル形成領域
と接触し、電気的特性を変化させる。具体的には、水分が酸化物半導体層107中に接触
、又は浸入すると、半導体層中のキャリアが増大する。薄膜トランジスタ101はnチャ
ネル型のトランジスタであるため、半導体層中のキャリアの増大は薄膜トランジスタ10
1のしきい値電圧の低下として観測される。つまり、被測定雰囲気の湿度によって、薄膜
トランジスタ101のしきい値電圧の値が既定されるため、そのしきい値電圧の値から、
被測定雰囲気の湿度を知ることができる。
層111で覆うことにより、当該バックチャネルへの意図しない汚染などの影響を抑制す
ることができるため、繰り返し使用における特性変動の少ない、信頼性の高い湿度センサ
を作製することができる。
213には、吸水性を有さない無機絶縁膜を用いる。したがって、絶縁層111が湿度を
吸収したとしても、薄膜トランジスタ201のバックチャネルは保護絶縁層213によっ
て保護されるため、これと接する酸化物半導体層207のチャネル形成領域の電気的特性
は変化しない。したがって、保護絶縁層213を設けることにより、湿度に対して電気的
特性変動のない、信頼性の高い薄膜トランジスタ201とすることができる。
検出回路を構成する薄膜トランジスタ201を同一基板上に形成することができる。
を作製する工程を説明する。
ィ工程によりゲート電極層103及びゲート電極層203を形成する。
ンクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォ
トマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
場合は、少なくともその温度に耐えうる耐熱性を有している必要がある。例えばバリウム
ホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、サファイア
基板、セラミック基板等を用いることができる。また、ステンレスを含む金属基板又は半
導体基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いても良い。プラスチックなどの可撓性を有
する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが
、作製工程における処理温度に耐えうるのであれば用いることが可能である。なお、基板
100の表面を、CMP法などの研磨により平坦化しておいてもよい。
ン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジ
ウム等の金属材料または、これらを主成分とする合金材料を用いて、単層でまたは積層し
て形成することができる。
、膜厚150nmのタングステン膜をスパッタリング法により形成する。
縁膜を形成しても良い。下地層は基板100から不純物元素の拡散を防止する機能があり
、窒化珪素膜、酸化珪素膜、窒化酸化珪素膜、又は酸化窒化珪素膜から選ばれた一又は複
数の膜による積層構造により形成することができる。
絶縁膜と、酸化物半導体膜と同種の成分でなる絶縁材料でなる絶縁膜との積層構造とする
ことがより好ましい。例えば、酸化ガリウム膜と酸化シリコン膜の積層構造や、酸化ガリ
ウム膜と窒化シリコン膜との積層構造などを適用することができる。
うに、ゲート絶縁層105を形成する。本実施の形態では、スパッタリング法を用いて膜
厚30nmの酸化珪素膜を成膜する。
はこれに限らず、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜等
の単層、または積層構造とすることができる。酸化物半導体層と接する層は酸化物絶縁層
を用いることが好ましい。ゲート絶縁層の成膜方法としては、プラズマCVD法又はスパ
ッタリング法等を用いることができるが、層中に水素が多量に含まれないようにするため
には、スパッタリング法で成膜することが好ましい。ゲート絶縁層の厚さは特に限定され
ないが、例えば10nm以上500nm以下とすることができる。
物であるIn−Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるIn−
Ga−Zn−O系酸化物半導体、In−Sn−Zn−O系酸化物半導体、In−Al−Z
n−O系酸化物半導体、Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Al−Ga−Zn−O系
酸化物半導体、Sn−Al−Zn−O系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるIn−
Zn−O系酸化物半導体、Sn−Zn−O系酸化物半導体、Al−Zn−O系酸化物半導
体、Zn−Mg−O系酸化物半導体、Sn−Mg−O系酸化物半導体、In−Mg−O系
酸化物半導体、In−Ga−O系酸化物半導体や、In−O系酸化物半導体、Sn−O系
酸化物半導体、Zn−O系酸化物半導体などを用いることができる。また、上記酸化物半
導体にInとGaとSn以外の元素、例えばSiO2を含ませてもよい。ここで、例えば
、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体とは、少なくともインジウム(In)、ガリウム
(Ga)、亜鉛(Zn)を有する酸化物であり、その組成比は特に問わない。また、In
とGaとZn以外の元素を含んでいてもよい。
ス状態)ではない。酸化物半導体膜全体が非晶質状態(アモルファス状態)ではないため
、電気特性が不安定な非晶質の形成が抑制される。また、酸化物半導体膜の少なくとも一
部の領域は、結晶性を有し、非単結晶であって、ab面に垂直な方向から見て、三角形、
六角形、正三角形、又は正六角形の原子配列を有し、且つ、c軸方向に金属原子が層状に
配列した相、又はc軸方向に金属原子と酸素原子が層状に配列した相を有してもよい。
m(m>0)で表記される材料を用いた薄膜により形成することができる。ここで、Mは
、Ga、Al、Mn及びCoから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えば、Mと
して、Ga、Ga及びAl、Ga及びMnまたはGa及びCoなどを用いることができる
。
成比は、原子数比で、In:Zn=50:1〜1:2(モル数比に換算するとIn2O3
:ZnO=25:1〜1:4)、好ましくはIn:Zn=20:1〜1:1(モル数比に
換算するとIn2O3:ZnO=10:1〜2:1)、さらに好ましくはIn:Zn=1
5:1〜1.5:1(モル数比に換算するとIn2O3:ZnO=15:2〜3:4)と
する。例えば、In−Zn−O系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比が
In:Zn:O=X:Y:Zのとき、Z>1.5X+Yとする。
ッタリング法で成膜することができる。また希ガス(代表的にはアルゴン)雰囲気下、酸
素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下において成膜することができる。その際の
ガスは、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いる
ことが好ましい。
により酸化物半導体層107及び酸化物半導体層207に用いる酸化物半導体膜を100
nm成膜する。
アルゴン等)下において加熱処理(400℃以上であって基板の歪み点未満)を行い、ゲ
ート絶縁層内に含まれる水素及び水などの不純物を除去してもよい。
及び酸化物半導体層207が形成される。なお、この段階の断面概略図を図2(B)に示
す。
をインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成すると
フォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
も良い。この第1の加熱処理によって酸化物半導体層107及び酸化物半導体層207中
の過剰な水(水酸基を含む)や水素などを除去することができる。第1の加熱処理の温度
は350℃以上基板の歪み点未満、好ましくは400℃以上基板の歪み点未満とすること
ができる。
物半導体層207の脱水化または脱水素化が行え、膜中の水素濃度を低減することができ
る。また第1の加熱処理の温度を450℃以上とすることにより、膜中の水素濃度をさら
に低減することができる。また第1の加熱処理の温度を550℃以上とすることにより、
膜中の水素濃度をさらに低減することができる。
ン等)を主成分とする不活性気体であって、水、水素などが含まれない気体を用いるのが
望ましい。例えば、加熱処理装置に導入する気体の純度を6N(99.9999%)以上
、好ましくは7N(99.99999%)以上とすることができる。これにより、第1の
加熱処理の間、酸化物半導体層107及び酸化物半導体層207は大気に触れることなく
、水や水素の再混入が行われないようにすることができる。
輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていても良い。例えば、GRTA(Gas
Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid
Thermal Anneal)装置などのRTA(Rapid Thermal A
nneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハラ
イドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高
圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装
置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。気体には、ア
ルゴンなどの希ガスまたは窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性
気体が用いられる。
℃、6分の加熱処理を行った。
レイン電極層209b(以下、これらをまとめてSD電極層とも呼ぶ)を形成する。
らから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わ
せた合金等を用いることができる。また、Al膜、Cu膜などの金属膜の下側又は上側の
一方または双方にTi膜、Mo膜、W膜などの高融点金属膜を積層させた構成としても良
い。また、Al膜に生ずるヒロックやウィスカーの発生を防止する元素(Si、Nd、S
cなど)が添加されているAl材料を用いることで耐熱性を向上させることが可能となる
。SD電極層は、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。導電性の金属酸化物とし
ては酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化
インジウム酸化スズ合金(In2O3−SnO2、ITOと略記する)、酸化インジウム
酸化亜鉛合金(In2O3−ZnO)またはこれらの金属酸化物材料に酸化珪素を含ませ
たものを用いることができる。
グ法を用いて成膜した。
09b、ソース電極層209a、及びドレイン電極層209bが形成される。
レイン電極層209bを形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成しても
よい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、
製造コストを低減できる。
する部分がエッチングされ、分断することのないようにエッチング条件を最適化すること
が望まれる。しかしながら、導電層のみをエッチングし、酸化物半導体層107及び酸化
物半導体層207をまったくエッチングしないという条件を得ることは難しく、導電層の
エッチングの際に酸化物半導体層107及び酸化物半導体層207は一部のみがエッチン
グされ、溝部(凹部)を有する酸化物半導体層107及び酸化物半導体層207となるこ
ともある。
3を形成する。
どを用いることができる。スパッタリング法を用いて成膜することで、より緻密で水分を
透過しにくい膜を得ることができる。
ないよう、成膜方法に水素を用いないことが重要である。保護絶縁層213に水素が含ま
れると、その水素の酸化物半導体層207への浸入、又は水素による酸化物半導体層20
7中の酸素の引き抜きが生じ、酸化物半導体層207のバックチャネルが低抵抗化してし
まい寄生チャネルが形成されるおそれがある。
ことが好ましい。水素濃度が低減された酸化物絶縁膜で形成することで、酸化物半導体層
207の欠陥に、保護絶縁層213から酸素が供給されるため、トランジスタの電気特性
が良好になる。従って保護絶縁層213は酸化物絶縁膜と窒化珪素膜との積層膜を用いる
ことが好ましい。
と膜厚20nmの窒化珪素膜をそれぞれスパッタリング法により成膜した積層膜とした。
階の断面概略図を図2(D)に示す。
もよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため
、製造コストを低減できる。
、時間などの条件は、SD電極層に用いた導電性材料の耐熱性などを考慮して最適な温度
に適宜設定すればよい。
いることができる。好ましくは吸水率が3%以上の膜を用いることができる。例えば、ポ
リイミドや、アクリル、シロキサン系樹脂などの有機樹脂膜を用いることができる。
0℃の温度で焼成して熱重合させた、膜厚1μmのポリイミド膜を用いた。
ィップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印
刷等)、ロールコート、カーテンコート、ナイフコート等を用いることができる。
成としたが、これらの間に空間があっても良い。
構成する薄膜トランジスタ201を同一基板上に形成することができる。この段階の断面
概略図を図2(E)に示す。なお、図2(E)は図1(A)と同じ図となる。
21及び薄膜トランジスタ221とした構成としても良い。この場合、検知素子となる薄
膜トランジスタ121のバックチャネルは被測定雰囲気に曝露された構成となる。この場
合、被測定雰囲気の湿度の変化をより敏感に検知することができるため、応答速度を早く
することができると共に、より検出感度を高めることができる。
)に示すような、ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタとしてもよい。このような薄膜
トランジスタ141及び薄膜トランジスタ241を作製するには、ゲート絶縁層105を
形成した後、ソース電極層109a、及びドレイン電極層109b、並びにソース電極層
209a、及びドレイン電極層209bを形成し、その後酸化物半導体層107、及び酸
化物半導体層207を形成すればよい。このように酸化物半導体層をソース電極層、及び
ドレイン電極層を形成した後に形成することにより、ソース電極層、及びドレイン電極層
のエッチング時の、酸化物半導体層の膜減りをなくすことができ、より信頼性の高い薄膜
トランジスタとすることができる。
も、吸水性を有する絶縁層111のない構成としてもよい。この場合においても、上述の
ように応答速度が高く、より検知感度の高い湿度センサを作製することができる。
、本発明のガスセンサは水素、一酸化炭素、アルコール、塩素、フロン、アンモニア、オ
ゾン、硫化水素等の反応性の高いガスを検知することもできる。
被測定雰囲気下に曝露した構成としてもよいし、吸水性を有する絶縁層111の代わりに
当該ガスに対するガス透過性を有する膜を用い、バックチャネルと接する構成としてもよ
い。ガス透過性を有する膜としては、例えば多孔質の無機絶縁膜などを用いることができ
る。
構成する薄膜トランジスタの2種類の薄膜トランジスタとを、単一工程で作製することに
より、作製工程を煩雑にすることなく、また低コストでガスセンサを作製することができ
る。
本実施の形態では、本発明のガスセンサのひとつである湿度センサの回路構成の一例につ
いて説明する。
及びトランジスタ313を有する。これらトランジスタは全てnチャネル型のトランジス
タである。
ンジスタ312の第1端子及びゲート電極に接続されている。トランジスタ312は第1
端子とゲート電極がトランジスタ313のゲート電極に接続され、第2端子が、グランド
線322に接続されている。トランジスタ301は第1端子とゲート電極が電源線320
に接続され、第2端子が出力端子350、及びトランジスタ313の第1端子に接続され
ている。トランジスタ313の第2端子は、グランド線322に接続されている。
2電極はグランド線322に接続されているとともに、互いのゲート電極は接続され、こ
れら2つのトランジスタはカレントミラー回路を構成している。
スタ101と同じ構成のものを用いる。
1に示した薄膜トランジスタ201と同じ構成のものを用いる。
して、トランジスタ301のしきい値電圧が下がる。一方、トランジスタ311、トラン
ジスタ312、トランジスタ313のしきい値電圧は変化しない。
じとする。
が印加される。トランジスタ312及びトランジスタ313はカレントミラー回路を構成
しているため、電源電圧Vinが電源線320に与えられると、トランジスタ312とト
ランジスタ313には同じ値の電流が流れる。
ランジスタ313を流れる電流の全てはトランジスタ301を流れる。このとき、トラン
ジスタ311及びトランジスタ312を流れる電流値は、トランジスタ311とトランジ
スタ312の電気特性によって既定される。従って、トランジスタ301を流れる電流値
は常に一定値をとる。
ため、トランジスタ312及びトランジスタ313のゲートに接続されているノード32
4は常にVin/2を満たす。つまり、トランジスタ313のゲートには常にVin/2
の電圧が印加される。
2端子)との間にはトランジスタ311を流れる電流に応じて電圧Vgsが印加される。
ここでVgsはトランジスタのゲートとソースの間の電圧である。
がったとする。このとき、トランジスタ301を流れる電流は一定値となる必要があるた
め、この電流値を保つために、トランジスタ301のソース電位、つまり出力端子350
の電圧がΔVだけ上昇する。
ゲートには一定電圧Vin/2だけ印加されているため、トランジスタ313において、
|Vgs−Vth|≦|Vds|の関係が常に成立し、飽和領域での動作が担保される(
ここでVthはトランジスタのしきい値電圧、Vdsはトランジスタのソースとドレイン
の間の電圧である)。従って、出力端子350の電圧がΔVだけ上昇し、VdsがΔVだ
け上昇したとしてもトランジスタ313に流れる電流値は変化しない。
度に応じて低電圧化した場合、出力端子350にはそのしきい値電圧の変動に対応した電
圧が出力される。
化として検出することができる。
トランジスタ101と同じ構成としたが、これに限られず、薄膜トランジスタ121や、
薄膜トランジスタ141などといった検知素子としての役割を果たすトランジスタを用い
ることができる。同様に、本実施の形態では検出回路を構成するトランジスタは実施の形
態1で示した薄膜トランジスタ201と同じ構成としたが、薄膜トランジスタ221や薄
膜トランジスタ241などといった、同様な効果を奏するトランジスタを用いることがで
きる。
ず、nチャネル型のトランジスタのみの組み合わせで、検知素子としての役割を果たすト
ランジスタのしきい値電圧の変動を検出できる回路であれば、どのようなものを用いても
良い。
しいとしたが、これらのサイズを適宜変えることもできる。例えば、トランジスタ301
のトランジスタサイズを大きくすることにより被測定雰囲気との接触面積を大きくするこ
とができ、検知感度を向上させることができる。
たが、トランジスタ301を実施の形態1で例示した反応性の高いガスを検知可能な構成
のトランジスタに置き換えることにより、当該ガスを検知するセンサとすることができる
。
薄膜トランジスタのみで構成することができ、作製工程を煩雑にすることなく、低コスト
のガスセンサを実現できる。
本実施の形態では、本発明のガスセンサのひとつである湿度センサを搭載したRFタグの
、構成の一例について説明する。
000は、アンテナ回路1001、整流回路1003、復調回路1005、レギュレータ
1007、変調回路1009、論理回路1011、湿度センサ300、及び変換回路10
13を有している。
ると、アンテナ回路1001において該電波が交流電圧に変換される。整流回路1003
では、アンテナ回路1001からの交流電圧を整流し、電源用の電圧を生成する。整流回
路1003において生成された電源用の電圧は、レギュレータ1007に与えられる。レ
ギュレータ1007は、整流回路1003からの電源用の電圧を安定化させるか、または
その高さを調整した後、論理回路1011、湿度センサ300、変換回路1013、変調
回路1009などの各種回路に供給する。
回路1011に出力する。論理回路1011は復調回路1005から入力された信号にし
たがって演算処理を行い、別途信号を生成する。また論理回路1011は、復調回路10
05から入力された信号を解析し、質問器から送られてきた命令の内容にしたがって、湿
度センサ300及び変換回路1013に信号を送る。
路1011から駆動電圧Vinが供給されると、被測定雰囲気の湿度に依存したアナログ
信号が出力される。
する。変換回路1013によってデジタル信号に変換された出力信号は、論理回路101
1に出力される。
1009に出力する。論理回路1011から出力される信号は符号化され、変調回路10
09に送られる。変調回路1009は該信号に従ってアンテナ回路1001が受信してい
る電波を変調する。アンテナ回路1001において変調された電波は質問器で受け取られ
る。
を変調することで行われる。キャリアは125kHz、13.56MHz、950MHz
など規格により様々である。また変調の方式も規格により振幅変調、周波数変調、位相変
調など様々な方式があるが、規格に即した変調方式であればどの変調方式を用いても良い
。
式など様々な種類に分類することができる。
ストで作製された湿度センサを用いて、RFタグ1000を配置した環境の湿度を、接続
配線を引き回すことなく無線で測定できることを特徴としている。
ジスタ201を用いて形成しても良い。薄膜トランジスタ201は酸化物半導体を半導体
層とした薄膜トランジスタであるため、そのオフ電流が極めて小さいことを特徴としてい
る。従って、RFタグ1000を構成している回路の一部に適用することにより、作製工
程を増やすことなく回路の消費電流を抑えることができ、その結果RFタグ1000の消
費電力を低減することができる。
説明しているが、本発明の一態様にかかるRFタグは、必ずしもアンテナ回路をその構成
要素に含む必要はない。また図4に示したRFタグに、発振回路または二次電池を設けて
も良い。
明したが、実施の形態1で示したような反応性の高いガスを検知するセンサを搭載するこ
ともできる。
る薄膜トランジスタを作製し、その電気的特性を評価した結果を示す。
成し、連続して厚さ150nmの酸化窒化珪素膜を形成し、酸化窒化珪素膜上にゲート電
極層としてスパッタリング法により厚さ100nmのタングステン膜を形成した。ここで
、タングステン膜を選択的にエッチングすることにより、ゲート電極層を形成した。
化窒化珪素膜を形成した。
:Ga2O3:ZnO=1:1:1)を用いて、基板とターゲットの間との距離を80m
m、圧力0.4Pa、直流(DC)電源5kW、アルゴン及び酸素(アルゴン:酸素=5
0sccm:50sccm)雰囲気下、200℃でスパッタリング法による成膜を行い、
厚さ30nmの酸化物半導体膜を形成した。ここで、酸化物半導体膜を選択的にエッチン
グし、島状の酸化物半導体層を形成した。
nm)、アルミニウム膜(厚さ400nm)、及びチタン膜(厚さ100nm)の積層を
、スパッタリング法により100℃で形成した。ここで、ソース電極層及びドレイン電極
層を選択的にエッチングし、トランジスタのチャネル長Lが20μm、チャネル幅Wが2
0μmとなるようにした。
ート法により厚さ1.5μmの感光性ポリイミド樹脂を形成し、感光性ポリイミド樹脂を
選択的に露光、及び現像を行い、ゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層上に開
口部を形成し、感光性ポリイミド樹脂を硬化させるため、大気雰囲気下、350℃で1時
間、熱処理を行った。
るトランジスタをガラス基板上に作製した。
説明する。
ドレイン間電圧(以下、ドレイン電圧)を1V、10Vとし、ソース−ゲート間電圧(以
下、ゲート電圧という)を−20V〜+20Vまで変化させたときの、ソース−ドレイン
間電流(以下、ドレイン電流という)の変化特性、すなわちID−VG特性を測定した。
基板を60時間保存した。
同様の条件でID−VG特性を測定した。
を行った。
特性と同様の条件でID−VG特性を測定した。
り、縦軸はゲート電圧に対するドレイン電流(ID)を対数目盛で示している。
は温度85℃、湿度85%で保存した後のID−VG特性である。また点線503はその
後乾燥させたときのID−VG特性である。
ャネル型のトランジスタの場合は、多くはVgが0V近傍からマイナスの領域)で、Id
が測定器の検出下限値以下となってしまった。このため、図5では、Idが測定器の検出
下限値以下となった部分については表記していない。
比べてしきい値電圧がマイナス方向に2.00V変化している。さらにその後乾燥させた
後の特性である503は、502に比べてプラス方向に1.72Vプラス方向に変化して
おり、初期特性に近い値となっている。
トすること、またこの電圧変化が可逆的な変化であることが確認でき、湿度センサの検知
素子として用いることができることが確認できた。
ついて示す。
1、トランジスタ312及びトランジスタ313のチャネル長L、及びチャネル幅Wなど
のサイズは全て等しいとして計算を行った。また計算に際し、これら全てのトランジスタ
のサブスレッショルド係数(S値)を100mV/decadeとした。さらに、本実施
例ではトランジスタ311、トランジスタ312、及びトランジスタ313のしきい値電
圧(以下Vth)を1.6Vとして計算を行った。また、検知素子となるトランジスタ3
01のVthを1.6Vから低電圧側に変化させた。
350に出力される電圧を計算した。またその際、トランジスタ301のVthを、1.
6V〜−0.4Vまで変化させた。
inに対する出力端子350の電圧Voutを示している。
V〜−0.4Vまで−0.4Vごとに変化させた際の電源電圧Vinに対する出力電圧V
outである。トランジスタ301のVthが低電圧化するに従って、Voutは上昇す
る。
1のVthに対してプロットしたグラフである。横軸はトランジスタ301のVthであ
り、縦軸はトランジスタ301のVthに対する出力電圧Voutである。
に推移することが確認できた。
電圧の変化を出力電圧の変化として検出することができることが確認でき、実施例1に示
したようなトランジスタと組み合わせることにより、ガスセンサとして機能することが確
認できた。
101 薄膜トランジスタ
103 ゲート電極層
105 ゲート絶縁層
107 酸化物半導体層
109a ソース電極層
109b ドレイン電極層
111 絶縁層
121 薄膜トランジスタ
141 薄膜トランジスタ
201 薄膜トランジスタ
203 ゲート電極層
207 酸化物半導体層
209a ソース電極層
209b ドレイン電極層
213 保護絶縁層
221 薄膜トランジスタ
241 薄膜トランジスタ
300 湿度センサ
301 トランジスタ
311 トランジスタ
312 トランジスタ
313 トランジスタ
320 電源線
322 グランド線
324 ノード
350 出力端子
501 ID−VG特性
502 ID−VG特性
503 ID−VG特性
601 出力電圧
602 出力電圧
603 出力電圧
604 出力電圧
605 出力電圧
606 出力電圧
1000 RFタグ
1001 アンテナ回路
1003 整流回路
1005 復調回路
1007 レギュレータ
1009 変調回路
1011 論理回路
1013 変換回路
Claims (2)
- 絶縁表面上の、第1のゲート電極と、第2のゲート電極と、
前記第1のゲート電極上、及び前記第2のゲート電極上の、ゲート絶縁層と、
前記第1のゲート電極と重なる領域を有する、第1の酸化物半導体層と、
前記第2のゲート電極と重なる領域を有する、第2の酸化物半導体層と、
前記第1の酸化物半導体層と電気的に接続された、第1のソース電極と、
前記第1の酸化物半導体層と電気的に接続された、第1のドレイン電極と、
前記第2の酸化物半導体層と電気的に接続された、第2のソース電極と、
前記第2の酸化物半導体層と電気的に接続された、第2のドレイン電極と、
前記第1の酸化物半導体層と接する領域を有する、第1の絶縁層と、
前記第2の酸化物半導体層と接する領域を有する、第2の絶縁層と、を有し、
前記第1の絶縁層は、前記第2の絶縁層よりも、吸水性が高く、
前記第1のソース電極又は前記第1のドレイン電極の一方は、出力端子と電気的に接続され、
前記第2のソース電極又は前記第2のドレイン電極の一方は、前記出力端子と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1において、
前記第1の絶縁層は、前記第2の酸化物半導体層と重なる領域を有することを特徴とする半導体装置。
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