JP6740949B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ、特にガス濃度に応じて閾値変化が生じる仕事関数型ガスセンサ、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）型ガスセンサ、キャパシタ型ガスセンサおよびダイオード型ガスセンサに関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１６−０８５１２４号公報（特許文献１）、特開２０１３−２４２２７１号公報（特許文献２）、米国特許出願公開第２００７／０２２０９５４号明細書（特許文献３）、特開平８−２７１４７６号公報（特許文献４）および特開昭６３−１２８２４６号公報（特許文献５）がある。

特開２０１６−０８５１２４号公報（特許文献１）には、センサＦＥＴの閾値電圧と参照ＦＥＴの閾値電圧との差分の時間変化を求め、上記差分の初期値、上記差分の時間経過および上記差分の時間変化の一次微分信号から、水素ガス由来の閾値電圧の差分と放射線由来の閾値電圧の差分とを分離して、水素ガス濃度を測定するガスセンサが記載されている。

特開２０１３−２４２２７１号公報（特許文献２）には、Ｓｉ層上にゲート絶縁膜が形成され、ゲート絶縁膜上に改質ＴｉＯｘ膜が形成され、改質ＴｉＯｘ膜上にＰｔ膜が形成された半導体ガスセンサが記載されている。Ｐｔ膜は、複数のＰｔ結晶粒から構成され、複数のＰｔ結晶粒間にある結晶粒界間隙にはＴｉとＯが存在し、特に粒界３重点近傍表面を中心にＴｉＯｘナノ結晶が形成されている。

米国特許出願公開第２００７／０２２０９５４号明細書（特許文献３）には、信号読出しのために接続されたガス感知層に、測定ガスを拡散させるガスチャネルを含むＦＥＴガスセンサが記載されている。

特開平８−２７１４７６号公報（特許文献４）には、第一の内部空所と、第二の内部空所と、第一の内部空所内の酸素分圧を制御せしめる第一の酸素ポンプ手段と、第二の内部空所内の酸素を汲み出す第二の酸素ポンプ手段と、第二の酸素ポンプ手段の作動により流れるポンプ電流を検出する電流検出手段と、を備えるガス成分の測定装置が記載されている。この測定装置では、電流検出手段により検出されるポンプ電流の値から被測定ガス成分量が求められる。

特開昭６３−１２８２４６号公報（特許文献５）には、ゲート絶縁膜上に室温で酸素イオン量に応じた起電力を生じ得る材料からなる固体電解質の膜を積層し、固体電界質の膜上に、酸素分子を酸素イオンに解離する反応を触媒する材料からなる金属膜をゲート電極として形成したＦＥＴ型センサが記載されている。

特開２０１６−０８５１２４号公報 特開２０１３−２４２２７１号公報 米国特許出願公開第２００７／０２２０９５４号明細書 特開平８−２７１４７６号公報 特開昭６３−１２８２４６号公報

ガスセンサの実使用環境では、検知対象ガス以外のガスが存在し、そのガスの中には検知対象ガスと同様にガスセンサが応答を示す妨害ガスが含まれる。このため、例えば仕事関数型ガスセンサでは、妨害ガス対策として、イオンポンプが別部品として備わっている。しかし、仕事関数型ガスセンサに別部品としてイオンポンプを組み合わせると、低コスト、小型および低消費電力という仕事関数型ガスセンサの特長が失われるという課題がある。

上記課題を解決するために、本発明は、半導体基板の主面に設けられた仕事関数型ガスセンサと、検知対象ガスから妨害ガス成分を除去するイオンポンプと、仕事関数型ガスセンサとイオンポンプとの間に設けられたガス拡散防止膜と、を備え、ガス拡散防止膜に検知対象ガスが導入される空洞が形成されたセンサ素子である。イオンポンプは、イオン伝導膜と、イオン伝導膜の下面に接して形成された第１イオンポンプ電極と、イオン伝導膜の上面に接して形成された第２イオンポンプ電極と、を含み、仕事関数型ガスセンサのゲート層の表面の一部が空洞に露出し、第１イオンポンプ電極の下面の一部が空洞に露出する。

本発明によれば、低コスト、小型および低消費電力を実現でき、かつ、妨害ガスの影響を抑制することのできるガスセンサを提供することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

実施例１によるガスセンサの構成の一例を示す概略図である。 実施例１によるガスセンサのセンサ部の構成の一例を示す平面図である。 （ａ）は、図２のセンサＦＥＴのＡ_Ｓ−Ａ_Ｓ´線に沿った断面図、（ｂ）は、参照ＦＥＴのＡ_Ｒ−Ａ_Ｒ´線に沿った断面図である。 （ａ）は、図２のセンサＦＥＴのＢ−Ｂ´線に沿った断面図、図４（ｂ）は、参照ＦＥＴのＣ−Ｃ´線に沿った断面図である。 実施例１によるセンサＦＥＴのゲート層の構成の一例を示す断面図である。 実施例１によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図である。（ａ）は、センサＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、（ｂ）は、参照ＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。 実施例１によるガスセンサの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。（ａ）は、センサＦＥＴの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図、（ｂ）は、参照ＦＥＴの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。 実施例１の第１変形例によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図である。（ａ）は、センサキャパシタの接続構造の一例を示す回路図、（ｂ）は、参照キャパシタの接続構造の一例を示す回路図、（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。 実施例１の第１変形例によるガスセンサの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。（ａ）は、センサキャパシタの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図、（ｂ）は、参照キャパシタの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。 実施例１の第２変形例によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図である。（ａ）は、センサダイオードの接続構造の一例を示す回路図、（ｂ）は、参照ダイオードの接続構造の一例を示す回路図、（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。 実施例１の第２変形例によるガスセンサの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。（ａ）は、センサダイオードの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図、（ｂ）は、参照ダイオードの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。 実施例２によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す平面図である。 実施例３によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の第１例を示す断面図である。 実施例３によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の第２例を示す断面図である。 実施例３によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の第３例を示す断面図である。 （ａ）は、実施例４によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す平面図、（ｂ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ´線に沿った断面図である。 （ａ）は、実施例４によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の製造工程の一例を示す平面図、（ｂ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ´線に沿った断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１７に続くガスセンサの製造工程を示す平面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１８に続くガスセンサの製造工程を示す平面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１９に続くガスセンサの製造工程を示す平面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図２０に続くガスセンサの製造工程を示す平面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図２１に続くガスセンサの製造工程を示す平面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図２２に続くガスセンサの製造工程を示す平面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図２３に続くガスセンサの製造工程を示す平面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図２４に続くガスセンサの製造工程を示す平面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図２５に続くガスセンサの製造工程を示す平面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図２６に続くガスセンサの製造工程を示す平面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図２７に続くガスセンサの製造工程を示す平面図および断面図である。 （ａ）は、図２８（ａ）のＥ−Ｅ´線に沿った断面図、（ｂ）は、図２８（ａ）のＦ−Ｆ´線に沿った断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図２９に続くガスセンサの製造工程を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図３０に続くガスセンサの製造工程を示す断面図である。 （ａ）は、実施例５によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す平面図、（ｂ）は、同図（ａ）のＧ−Ｇ´線に沿った断面図である。 （ａ）は、実施例６によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す平面図、（ｂ）は、同図（ａ）のＨ−Ｈ´線に沿った断面図である。 （ａ）は、実施例７による犠牲膜が充填された空洞の一例を示す平面図、（ｂ）は、実施例７による犠牲膜が除去された空洞の一例を示す平面図である。 実施例７による犠牲膜が充填されたガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す断面図である。 実施例８によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の製造工程の一例を示す断面図である。（ａ）は、コンタクト部を示す断面図、（ｂ）は、ガス拡散抵抗膜を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図３６に続くガスセンサの製造工程を示す断面図である。 実施例９によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す断面図である。

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、複数の類似の部材（部位）が存在する場合には、総称の符号に記号を追加し個別または特定の部位を示す場合がある。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

また、以下の実施の形態においては、説明上の方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向を用いる。Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交し、水平面を構成する方向であり、Ｚ方向は水平面に対して鉛直の方向である。

また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。

また、断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図が対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。

（課題の詳細な説明）
ガスセンサは、可燃性ガス（水素またはメタンなど）の爆発および有毒ガス（酸化窒素、硫化水素または一酸化炭素など）による人体への悪影響を防止することを目的とした、例えばガス濃度の計測または漏洩検知などに使用されている。また、エンジン自動車においては、ガスセンサは、燃費向上および有害ガス低減のためのエンジン制御、浄化装置制御へのフィードバックまたは故障検知などに使用されている。

近年、水素センサについて、ＦＥＴ型ガスセンサの開発が実用化に向けて進められている（前記特許文献１、２、３）。ＦＥＴ型ガスセンサは、検知対象ガスのガス濃度に応じて閾値が変化するガスセンサである。ＦＥＴ型ガスセンサと同様に、ガス濃度に応じて閾値が変化するガスセンサにキャパシタ型ガスセンサおよびダイオード型ガスセンサがある。ＦＥＴ型ガスセンサ、キャパシタ型ガスセンサおよびダイオード型ガスセンサを総称して仕事関数型ガスセンサと呼ぶ。

仕事関数型ガスセンサは半導体ウエハを用いたプロセスで製造できるため、他のガスセンサ、例えば限界電流方式のガスセンサ（前記特許文献４）と比べて低コスト、小型および低消費電力が実現できる。水素ガス以外にも、例えば酸素ガスを検知するＦＥＴ型ガスセンサの報告がある（前記特許文献５）。また、珪素（Ｓｉ）基板を用いた仕事関数型ガスセンサに加えて、高温まで動作が可能な炭化珪素（ＳｉＣ）基板を用いた仕事関数型ガスセンサも報告されている。

前述したように、ＦＥＴ型ガスセンサ、キャパシタ型ガスセンサおよびダイオード型ガスセンサは低コスト化、小型化および低消費電力化に適している。一方、ガスセンサの実使用環境では検知対象ガス以外のガスが存在し、そのガスの中には検知対象ガスと同様にガスセンサが応答を示す妨害ガスが含まれている。妨害ガス対策としては、イオンポンプを用いた方式が有効である。前記特許文献４では、限界電流方式のガスセンサにおいて、イオン伝導膜となるセラミック基板の両面に電極を形成することにより、妨害ガスとなる酸素を雰囲気から除去する技術が開示されている。また、前記特許文献３では、イオンポンプを形成した基板にＦＥＴ型水素センサを装着することで妨害ガスを除去する技術が開示されている。

しかしながら、前記特許文献４のガスセンサは、低コスト化、小型化および低消費電力化の面でＦＥＴ型ガスセンサなどの仕事関数型ガスセンサに対して不利である。また、前記特許文献３のガスセンサでは、ＦＥＴ型ガスセンサ自体は低コスト化、小型化および低消費電力化に適しているものの別部品としてイオンポンプを形成して組み合わせる必要があるため、低コスト、小型および低消費電力のＦＥＴ型ガスセンサ自体の特長が失われてしまう。

＜ガスセンサの構成＞
本実施例１によるガスセンサの構成について、図１〜図７を用いて説明する。

図１は、本実施例１によるガスセンサの構成の一例を示す概略図である。図２は、本実施例１によるガスセンサのセンサ部の構成の一例を示す平面図である。図３（ａ）は、図２のセンサＦＥＴのＡ_Ｓ−Ａ_Ｓ´線に沿った断面図、図３（ｂ）は、参照ＦＥＴのＡ_Ｒ−Ａ_Ｒ´線に沿った断面図である。図４（ａ）は、図２のセンサＦＥＴのＢ−Ｂ´線に沿った断面図、図４（ｂ）は、参照ＦＥＴのＣ−Ｃ´線に沿った断面図である。図５は、本実施例１によるセンサＦＥＴのゲート層の構成の一例を示す断面図である。図６は、本実施例１によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図であり、図６（ａ）は、センサＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、図６（ｂ）は、参照ＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、図６（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。図７は、本実施例１によるガスセンサの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図であり、図７（ａ）は、センサＦＥＴの電流−ゲート電圧特性を示すグラフ図、図７（ｂ）は、参照ＦＥＴの電流−ゲート電圧特性を示すグラフ図である。

ガスセンサ１は、図１に示すように、センサ部１００、電流測定部２０、ガス濃度測定部３０、電源部４０、制御部５０およびデータ入出力部９０などを備えている。センサ部１００は、センサ素子１００Ｓ、参照素子１００Ｒおよびヒータ１９０などを備えており、センサ素子１００Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆおよびイオンポンプ１５０Ｓからなり、参照素子１００Ｒは、参照ＦＥＴ１００Ｒｆからなる。

センサＦＥＴ１００Ｓｆは、図２、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓ、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓ、ゲート絶縁膜１０５Ｓ、ゲート層１０６Ｓ、絶縁膜１０８Ｓおよびガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｓ〜１１４Ｓなどを備えている。半導体基板１０１Ｓは、例えば珪素（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）などからなる。

ウェル１０２Ｓは、図２、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面１０１Ｓａ側に形成されている。ウェル１０２Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆの特性を規定する所定の不純物が注入されて形成された層である。ウェル１０２Ｓは、例えば導電型がＮ型またはＰ型の層である。ウェル１０２Ｓは、平面視において、例えばソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓ、ゲート絶縁膜１０５Ｓおよびゲート層１０６Ｓを取り囲むように形成されている。

絶縁膜１０８Ｓは、図４（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面１０１Ｓａ側に形成されており、トレンチアイソレーションとして機能する。絶縁膜１０８Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆのチャネル幅方向（Ｙ方向）にチャネル領域を確定している。また、絶縁膜１０８Ｓが形成された領域の半導体基板１０１Ｓの主面１０１Ｓａではゲート層１０６Ｓに印加する電圧によらず電流が流れず、いわゆる寄生トランジスタによるリーク電流などによるＦＥＴ特性の不具合が絶縁膜１０８Ｓによって抑制される。チャネル幅方向（Ｙ方向）にチャネル領域を確定する方法は、他にもＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）を用いる方法、フィールドプレートアイソレーションを用いる方法またはゲート絶縁膜を厚くする方法などがあり、本実施例１において、これらを用いることも可能である。

ソース拡散層１０３Ｓは、図２および図３（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面１０１Ｓａ側に形成されており、平面視において、例えばウェル１０２Ｓの一部領域に形成されている。ソース拡散層１０３Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆの特性を規定する所定の不純物が注入されて形成された層である。ソース拡散層１０３Ｓは、例えば導電型がＮ型またはＰ型の層であり、ウェル１０２Ｓと異なる導電型である。

ドレイン拡散層１０４Ｓは、図２および図３（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面１０１Ｓａ側に形成されており、平面視において、例えばウェル１０２Ｓの一部領域に形成されている。ドレイン拡散層１０４Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆの特性を規定する所定の不純物が注入されて形成された層である。ドレイン拡散層１０４Ｓは、例えば導電型がＮ型またはＰ型の層であり、ウェル１０２Ｓと異なる導電型である。

ゲート絶縁膜１０５Ｓは、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面１０１Ｓａ上に形成されている。ゲート絶縁膜１０５Ｓは、平面視において、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓを覆うように形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜１０５Ｓは、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓと、ゲート層１０６Ｓとを電気的に絶縁させている。ゲート絶縁膜１０５Ｓは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）などからなる。

ゲート層１０６Ｓは、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、ゲート絶縁膜１０５Ｓの上面１０５Ｓａ上に形成されている。詳しくは、ゲート層１０６Ｓは、例えばソース拡散層１０３Ｓの一部領域、ウェル１０２Ｓの一部領域およびドレイン拡散層１０４Ｓの一部領域を覆うように形成されている。具体的には、ゲート層１０６Ｓは、ソース拡散層１０３Ｓのドレイン拡散層１０４Ｓ側の一部領域、ウェル１０２Ｓのソース拡散層１０３Ｓとドレイン拡散層１０４Ｓとの間の領域、ドレイン拡散層１０４Ｓのソース拡散層１０３Ｓ側の一部領域を覆うように形成されている。

また、ゲート層１０６Ｓは、図５に示すように、例えばゲート絶縁膜１０５Ｓの上面１０５Ｓａ側から第１金属酸化物層１０６Ｓａと、第２金属酸化物層１０６Ｓｂと、電極層１０６Ｓｃとが積層された構成となっている。第１金属酸化物層１０６Ｓａは、例えばイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ_２）などからなり、第２金属酸化物層１０６Ｓｂは、例えば酸化ニッケル（ＮｉＯ）または酸化タングステン（ＷＯ_３）などからなり、電極層１０６Ｓｃは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。電極層１０６Ｓｃでは、酸素、酸化窒素または水素などのガスの分解またはイオン化が行われる。第２金属酸化物層１０６Ｓｂにおいても、検知対象ガスと金属酸化物材料との組合せによってはガスの分解またはイオン化が行われる。イオン化した酸素または水素は、第１金属酸化物層１０６Ｓａへ移動する。

ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｓ〜１１４Ｓは、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、ゲート絶縁膜１０５Ｓおよびゲート層１０６Ｓの上層に形成されている。絶縁膜１１１Ｓおよび絶縁膜１１３Ｓは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなり、絶縁膜１１２Ｓおよび絶縁膜１１４Ｓは、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）からなる。

ゲート層１０６Ｓは一部表面が絶縁膜１１１Ｓに覆われており、残りの部分（露出部１０７Ｓ）では絶縁膜１１１Ｓが除去されてゲート層１０６Ｓの表面が露出して、空洞１３０Ｓと接している。空洞１３０Ｓの周囲は、ゲート層１０６Ｓ、絶縁膜１１１Ｓ〜１１４Ｓおよびイオンポンプ１５０Ｓで覆われており、ガス拡散抵抗膜１３１Ｓを備えるガス導入部１３２Ｓを介して空洞１３０Ｓは雰囲気と繋がっている。

イオンポンプ１５０Ｓは、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、イオンポンプ電極１５１Ｓ、イオン伝導膜１５２Ｓおよびイオンポンプ電極１５３Ｓを備えている。すなわち、イオンポンプ電極１５１Ｓ上に、イオン伝導膜１５２Ｓおよびイオンポンプ電極１５３Ｓが積層されており、イオンポンプ電極１５１Ｓ、イオン伝導膜１５２Ｓおよびイオンポンプ電極１５３Ｓによってイオンポンプ１５０Ｓが形成されている。別の言い方をすれば、イオンポンプ電極１５１Ｓは、イオン伝導膜１５２Ｓの下面に接して形成されている。イオンポンプ電極１５１Ｓ，１５３Ｓは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。イオン伝導膜１５２Ｓは、例えばイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ_２）などからなる。

イオンポンプ１５０Ｓは、イオンポンプ電極１５１Ｓとイオンポンプ電極１５３Ｓとの間に電圧を印加することによりイオン電流を流すことができる。例えばイオン伝導膜１５２Ｓにイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を添加したジルコニア（ＺｒＯ_２）を用いた場合、イオン伝導膜１５２Ｓは酸素イオン伝導体となる。イオンポンプ電極１５１Ｓに、イオンポンプ電極１５３Ｓを基準にした負電圧を印加すると、イオンポンプ電極１５１Ｓの下面で酸素分子（Ｏ_２）が酸素イオン（Ｏ^２−）に分解し、酸素イオン（Ｏ^２−）がイオン伝導膜１５２Ｓを介してイオンポンプ電極１５３Ｓ側に移動する。イオンポンプ電極１５３Ｓに移動した酸素イオン（Ｏ^２−）は電子をイオンポンプ電極１５３Ｓに渡して中性となり、酸素分子となってイオンポンプ電極１５３Ｓの上面から放出される。

また、イオン伝導膜１５２Ｓに水素イオン導電体を用いて、イオンポンプ電極１５１Ｓに、イオンポンプ電極１５３Ｓを基準にした正電圧を印加すると、イオンポンプ電極１５１Ｓの下面で水素分子（Ｈ_２）が水素イオン（Ｈ^＋）に分解し、水素イオン（Ｈ^＋）がイオン伝導膜１５２Ｓを介してイオンポンプ電極１５３Ｓ側に移動する。イオンポンプ電極１５３Ｓに移動した水素イオン（Ｈ^＋）は電子をイオンポンプ電極１５３Ｓから奪い中性となり、水素分子となってイオンポンプ電極１５３Ｓの上面から放出される。

センサＦＥＴ１００Ｓｆを構成するウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓおよびゲート層１０６Ｓは、例えばチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または白金（Ｐｔ）などの金属からなる図示しない配線層を介して、図１に示す電源部４０、電流測定部２０などと接続されている。

図６（ａ）に示すように、センサＦＥＴ１００Ｓｆを構成するウェル１０２Ｓおよびソース拡散層１０３Ｓは、可変電圧ＶＳを印加する電源４１に接続されている。ドレイン拡散層１０４Ｓは、一定の電圧ＶＤを印加する電源４１と接続されており、また、電流測定部２０と接続されている。ゲート層１０６Ｓは、可変電圧ＶＧＳを印加する電源４１と接続されている。イオンポンプ電極１５１Ｓは、電流測定部２０と接続されている。また、イオンポンプ電極１５３Ｓは、イオンポンプ１５０Ｓを動作させる電圧ＶＰＵＭＰを印加する電源４１と接続されている。

図７（ａ）は、センサＦＥＴ１００Ｓｆの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。ゲート層１０６Ｓ（例えば図２、図３（ａ）および図４（ａ）参照）にガス（例えば酸化窒素ガス）が触れると、ゲート層１０６Ｓの仕事関数が変化する。そうすると、図７（ａ）に示すように、ガス濃度に応じて、センサＦＥＴ１００Ｓｆの電流−ゲート電圧特性は、図示で右方向に平行移動する。すなわち、ドレイン拡散層１０４Ｓ（例えば図２および図３（ａ）参照）に閾値電流Ｉｃが流れる場合におけるゲート層１０６Ｓの閾値電圧は、ガス濃度が高くなるに従って高くなる。

参照ＦＥＴ１００Ｒｆは、図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、半導体基板１０１Ｒ、ウェル１０２Ｒ、ソース拡散層１０３Ｒ、ドレイン拡散層１０４Ｒ、ゲート絶縁膜１０５Ｒ、ゲート層１０６Ｒおよび絶縁膜１０８Ｒおよび絶縁膜１１１Ｒなどを備えている。

参照ＦＥＴ１００Ｒｆを構成する要素の多くは、前述したセンサＦＥＴ１００Ｓｆと同様である。例えば参照ＦＥＴ１００Ｒｆの半導体基板１０１Ｒ、ウェル１０２Ｒ、ソース拡散層１０３Ｒ、ドレイン拡散層１０４Ｒ、ゲート絶縁膜１０５Ｒ、ゲート層１０６Ｒ、絶縁膜１０８Ｒおよび絶縁膜１１１Ｒは、センサＦＥＴ１００Ｓｆの半導体基板１０１Ｓ、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓ、ゲート絶縁膜１０５Ｓ、ゲート層１０６Ｓ、絶縁膜１０８Ｓおよび絶縁膜１１１Ｓのそれぞれと同様の構成である。このため、これらについての詳細な説明は省略する。

参照ＦＥＴ１００Ｒｆには、図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、絶縁膜１１１Ｒ上に絶縁膜が積層されていない。しかし、センサＦＥＴ１００Ｓｆにおいて絶縁膜１１１Ｓ上に積層されている絶縁膜１１２Ｓ〜１１４Ｓ、イオンポンプ電極１５１Ｓ、イオン伝導膜１５２Ｓおよびイオンポンプ電極１５３Ｓと同じ層を、絶縁膜１１１Ｒ上に積層させることも可能である。

ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｒは、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、ゲート層１０６Ｒの上面および側面を覆うように、ゲート絶縁膜１０５Ｒの上面１０５Ｒａ上に形成されている。すなわち、ゲート層１０６Ｒは、雰囲気から隔離されている。

参照ＦＥＴ１００Ｒｆを構成するウェル１０２Ｒ、ソース拡散層１０３Ｒ、ドレイン拡散層１０４Ｒおよびゲート層１０６Ｒは、例えばチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または白金（Ｐｔ）などの金属からなる図示しない配線層を介して、図１に示す電源部４０、電流測定部２０などと接続されている。

図６（ｂ）に示すように、参照ＦＥＴ１００Ｒｆを構成するウェル１０２Ｒおよびソース拡散層１０３Ｒは、可変電圧ＶＳを印加する電源４１に接続されている。ドレイン拡散層１０４Ｒは、一定の電圧ＶＤを印加する電源４１と接続されており、また、電流測定部２０と接続されている。ゲート層１０６Ｒは、可変電圧ＶＧＲを印加する電源４１と接続されている。

図７（ｂ）は、参照ＦＥＴ１００Ｒｆの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。ゲート層１０６Ｒ（例えば図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）が、ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｒ（例えば図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）に覆われているため、ゲート層１０６Ｒにガスが吸着しないので、ゲート層１０６Ｒの仕事関数は変化しない。従って、参照ＦＥＴ１００Ｒｆの電流−ゲート電圧特性は、ガス濃度によって変動しない。

なお、以下では、センサＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００ＲｆはＮ型ＦＥＴで構成されているものとして説明する。但し、両者はＰ型で構成されてもよいし、一方のＦＥＴがＮ型、他方のＦＥＴがＰ型で構成されてもよい。

ヒータ１９０は、図１に示すように、電源部４０と接続しており、両端間に電圧が印加されることによりジュール熱を発生させ、発生させたジュール熱によりセンサ部１００の温度を調整する。ヒータ１９０は、例えばチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または白金（Ｐｔ）などの金属からなる配線で構成されている。

また、ヒータ１９０は、図６（ｃ）に示すように、一方の端部が接地され、他方の端部が電圧ＶＨＬを印加する電源４１と接続されている。また、ヒータ１９０は、センサ部１００（例えば図１参照）の温度を測定するセンサ温度計としても機能し、このとき、ヒータ１９０は、例えば電流測定部２０と接続される。

センサＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００Ｒｆは、それぞれ異なる半導体基板に形成されてもよいし、同一の半導体基板に形成されてもよい。また、ヒータ１９０は、センサＦＥＴ１００Ｓｆまたは参照ＦＥＴ１００Ｒｆと一体で構成されてもよいし、これらとは別体で構成されてもよい。

電流測定部２０は、図１に示すように、センサＦＥＴ１００Ｓｆの電流および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの電流を測定する。電流測定部２０は、例えばセンサＦＥＴ１００Ｓｆのソース拡散層１０３Ｓとドレイン拡散層１０４Ｓ（例えば図２、図３（ａ）参照）との間に流れる第１ソース−ドレイン電流を測定する。また、電流測定部２０は、例えばセンサＦＥＴ１００Ｓｆのイオンポンプ電極１５１Ｓとイオンポンプ電極１５３Ｓ（例えば図３（ａ）および図４（ａ）参照）との間に流れるイオン電流を測定する。また、電流測定部２０は、例えば参照ＦＥＴ１００Ｒｆのソース拡散層１０３Ｒとドレイン拡散層１０４Ｒ（例えば図２および図３（ｂ）参照）との間に流れる第２ソース−ドレイン電流を測定する。電流測定部２０は、測定したセンサＦＥＴ１００Ｓｆの電流データおよび参照ＦＥＴ１００Ｒｆの電流データを制御部５０へ出力する。

また、電流測定部２０は、ヒータ１９０の電流を測定する。電流測定部２０は、測定したヒータ１９０の電流データを制御部５０へ出力する。

ガス濃度測定部３０は、雰囲気中の検知対象ガスのガス濃度を測定する。例えば雰囲気中に検知対象ガスと妨害ガスが存在しない場合に、参照ＦＥＴに流れる第２ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｒ（例えば図６（ｂ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＲ（０）とする。また、センサＦＥＴに流れる第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｓ（例えば図６（ａ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＳ（０）とする。そして、閾値電圧ＶＧＲ（０）と閾値電圧ＶＧＳ（０）との差分をセンサ間電位差ＶＧＲＳ（０）（＝ＶＧＲ（０）−ＶＧＳ（０））とする。

また、雰囲気中に検知対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において、参照ＦＥＴに流れる第２ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｒ（例えば図６（ｂ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）（＝ＶＧＲ（０））とする。また、センサＦＥＴに流れる第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｓ（例えば図６（ａ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）とする。そして、閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）と閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）との差分をセンサ間電位差ＶＧＲＳ（Ｘ）（＝ＶＧＲ（Ｘ）−ＶＧＳ（Ｘ））とする。

そして、センサ間電位差ＶＧＲＳ（０）（＝ＶＧＲ（０）−ＶＧＳ（０））と、センサ間電位差ＶＧＲＳ（Ｘ）（＝ＶＧＲ（Ｘ）−ＶＧＳ（Ｘ））との差分である閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）（＝ＶＧＲＳ（Ｘ）−ＶＧＲＳ（０））に基づいて所定の時刻における検知対象ガスのガス濃度を測定する。

電源部４０は、図１に示すように、ガスセンサ１を構成する各部へ電源を供給する。電源部４０は、複数の電源４１を備えている。電源部４０は、一定の電圧を印加する電源４１、可変電圧を印加する電源４１および周期的に変動する電圧を印加する電源４１などで構成されている。電源４１の個数は、図１に示す個数（４個）に限定されるものではない。

制御部５０は、図１に示すように、ガスセンサ１を構成する各部の制御を行う。

例えば制御部５０は、各部のオンオフの切り替えに係る制御を行う。

また、制御部５０は、電流測定部２０から出力された電流データに基づいて、センサＦＦＴ１００Ｓｆのゲート層１０６Ｓと接続された電源４１を制御する（例えば図６（ａ）参照）。制御部５０は、ガス濃度の測定時にセンサＦＥＴ１００Ｓｆのドレイン拡散層１０４Ｓの電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるように、電源４１の電圧を調整する（例えば図６（ａ）および図７（ａ）参照）。制御部５０は、電流測定部２０から出力されたイオンポンプ１５０Ｓの電流に基づいて、電源４１によるイオンポンプ１５０Ｓへ給電される電圧ＶＰＵＭＰを制御する（例えば図６（ａ）参照）。

また、制御部５０は、電流測定部２０から出力された電流データに基づいて、参照ＦＥＴ１００Ｒｆのゲート層１０６Ｒと接続された電源４１を制御する（例えば図６（ｂ）参照）。制御部５０は、ガス濃度の測定時に参照ＦＥＴ１００Ｒｆのドレイン拡散層１０４Ｒの電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるように、電源４１の電圧を調整する（例えば図６（ｂ）および図７（ｂ）参照）。

また、制御部５０は、電流測定部２０から出力されたヒータ１９０の電流データに基づいてセンサＦＥＴ１００Ｓｆの温度および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの温度を測定する。制御部５０は、ヒータ１９０の両端間の電圧とヒータ１９０の電流データとからヒータ１９０の抵抗値を算出する。そして、制御部５０は、例えばその抵抗値と温度とを関連付けた温度データを参照することにより温度を測定する。制御部５０は、ヒータ１９０と接続された電源４１を制御する。具体的には、制御部５０は、ガス濃度の測定時にセンサＦＥＴ１００Ｓｆの温度および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの温度が一定となるように、電源４１の電圧を調整する。

データ入出力部９０は、図１に示すように、ガスセンサ１と接続される外部装置との間でデータの入出力を行う。ガスセンサ１は、データ入出力部９０を介して、外部装置から出力された各種データの入力を受け付ける。また、ガスセンサ１は、データ入出力部９０を介して、測定したガス濃度および温度などに関するデータを外部装置へ出力する。

データ入出力部９０は、有線で外部装置と接続されてもよいし、赤外線通信または近距離無線などで外部装置と接続されてもよい。また、データ入出力部９０は、ネットワークを介して外部装置と接続されてもよい。

＜ガス濃度の測定方法＞
次に、本実施例１によるガスセンサを用いたガス濃度の測定方法について図１、図２および図６（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。以下では、検知対象ガスとして酸化窒素ガスを例示し、妨害ガスとして酸素ガスを例示して、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する場合について説明する。

まず、制御部５０は、センサ部１００の温度を調整する。例えば制御部５０は、ヒータ１９０と接続された電源４１をオンすることにより、ヒータ１９０の両端間に電圧を印加する。

次に、制御部５０は、センサＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００Ｒｆのそれぞれの各部と接続された電源４１をオンする。そして、電源４１は、センサＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００Ｒｆのそれぞれの各部に所定の電圧を印加する。

例えばセンサＦＥＴ１００Ｓｆのウェル１０２Ｓおよびソース拡散層１０３Ｓと接続された電源４１は、可変電圧ＶＳ（例えば０Ｖ）の電圧を印加する。また、ドレイン拡散層１０４Ｓと接続された電源４１は、一定の電圧ＶＤを印加する。また、ゲート層１０６Ｓと接続された電源４１は、第１ソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃとなるよう、所定の閾値電圧ＶＧＳ（０）を印加する。イオンポンプ１５０Ｓの下部側のイオンポンプ電極１５１Ｓが上部側のイオンポンプ電極１５３Ｓを基準にして負電圧となるように、イオンポンプ１５０Ｓに電圧ＶＰＵＭＰを印加する。

また、参照ＦＥＴ１００Ｒｆのウェル１０２Ｒおよびソース拡散層１０３Ｒと接続された電源４１は、可変電圧ＶＳ（例えば０Ｖ）の電圧を印加する。また、ドレイン拡散層１０４Ｒと接続された電源４１は、一定の電圧ＶＤを印加する。また、ゲート層１０６Ｒと接続された電源４１は、第２ソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃとなるよう、所定の閾値電圧ＶＧＲ（０）を印加する。

なお、ガス濃度０の場合におけるセンサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値電圧ＶＧＳ（０）および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの閾値電圧ＶＧＲ（０）は、予め測定されていてもよい。また、制御部５０は、例えば予め測定された閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＲ（０）のデータを、図示しないデータ格納部から必要に応じて読み出すようにしてもよい。制御部５０は、閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＲ（０）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。

次に、制御部５０は、酸化窒素ガスが雰囲気中に含まれている場合におけるセンサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）を測定する。制御部５０は、例えば電流測定部２０から出力される電流データを参照しながら、ゲート層１０６Ｓ，１０６Ｒと接続された電源４１の電圧を調整することにより、閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ），ＶＧＲ（Ｘ）を測定する。なお、参照ＦＥＴ１００Ｒｆのゲート層１０６Ｒは、絶縁膜１１１Ｒ（例えば図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）により雰囲気から隔離されているので、参照ＦＥＴ１００Ｒｆの閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＲ（０）と同じである。

制御部５０は、測定した閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ），ＶＧＲ（Ｘ）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。

雰囲気中に酸素ガスが妨害ガスとして含まれている場合でもイオンポンプ１５０Ｓにより空洞１３０Ｓ（例えば図３（ａ）および図４（ａ）参照）中の酸素ガスのガス濃度は閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）に影響しないように充分に低減することができる。雰囲気中のガスはガス拡散抵抗膜１３１Ｓ（例えば図４（ａ）参照）を介して空洞１３０Ｓに導入され、イオンポンプ１５０Ｓで酸素ガスが除去され、空洞１３０Ｓに露出されたゲート層１０６Ｓを持つセンサＦＥＴ１００Ｓｆに接触する。

雰囲気中のガスに酸化窒素ガスが含まれている場合には、その濃度に応じて閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）が変化する。例えばエンジン自動車の排気ガスの場合、酸化窒素ガスには一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ_２）の両方が含まれていることが多い。イオンポンプ１５０Ｓに上記電圧を印加する場合、二酸化窒素（ＮＯ_２）は一酸化窒素（ＮＯ）に変換される。ゲート層１０６Ｓを持つセンサＦＥＴ１００Ｓｆでは、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ_２）の混合ガスのうち、酸素が除去されて二酸化窒素（ＮＯ_２）が一酸化窒素（ＮＯ）に変換されたガスにおいて一酸化窒素（ＮＯ）ガスのガス濃度が測定される。

次に、ガス濃度測定部３０は、制御部５０から出力された閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＲ（０），ＶＧＳ（Ｘ），ＶＧＲ（Ｘ）に基づいて、センサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値変化量を算出する。例えばガス濃度測定部３０は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合のセンサＦＥＴ１００Ｓｆと参照ＦＥＴ１００Ｒｆとの間のセンサ間電位差ＶＧＲＳ（０）、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合のセンサＦＥＴ１００Ｓｆと参照ＦＥＴ１００Ｒｆとの間のセンサ間電位差ＶＧＲＳ（Ｘ）との差分により、センサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値変化量を算出する。すなわち、センサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、次のように表される。

ΔＶｇ（Ｘ）＝ＶＧＲＳ（０）−ＶＧＲＳ（Ｘ） （式１）
（式１）で示す閾値変化量は、参照ＦＥＴ１００Ｒｆの閾値電圧ＶＧＲ（０），ＶＧＲ（Ｘ）が考慮されている。これは、温度変化などのセンサ部１００に発生するノイズの影響を抑えるためである。

なお、ノイズによる閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＳ（Ｘ）の変動が小さければ、ガス濃度測定部３０は、センサＦＥＴ１００Ｓｆのみを用いてガス濃度を測定してもよい。この場合、ガス濃度測定部３０は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（０）と、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）との差分である閾値変化量Ｖｇ（Ｘ）、および閾値変化量Ｖｇ（Ｘ）の時間微分に基づいて、所定の時刻における酸化窒素ガスのガス濃度を測定する。ここで、閾値電圧ＶＧＳ（０）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合に、第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。また、閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合に、所定の時刻において第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。

従って、この場合の閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、次のように表される。

ΔＶｇ（Ｘ）＝ＶＧＳ（０）−ＶＧＳ（Ｘ） （式２）
＜仕事関数型素子の第１変形例＞
本実施例１の第１変形例による仕事関数型センサについて図８および図９を用いて説明する。図８は、本実施例１の第１変形例によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図であり、図８（ａ）は、センサキャパシタの接続構造の一例を示す回路図、図８（ｂ）は、参照キャパシタの接続構造の一例を示す回路図、図８（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。図９は、本実施例１の第１変形例によるガスセンサの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図であり、図９（ａ）は、センサキャパシタの静電容量−ゲート電圧特性を示すグラフ図、図９（ｂ）は、参照キャパシタの静電容量−ゲート電圧特性を示すグラフ図である。

第１変形例によるガスセンサは、センサ素子１００Ｓにセンサキャパシタ１００Ｓｃ、参照素子１００Ｒに参照キャパシタ１００Ｒｃを用いている。センサキャパシタ１００Ｓｃおよび参照キャパシタ１００Ｒｃには、図２〜図５に示したデバイス構造およびゲート層構造とほぼ同じものを用いることができる。

センサキャパシタ１００Ｓｃでは、ゲート層１０６Ｓとウェル１０２Ｓとの間の容量、あるいはゲート層１０６Ｓとソース拡散層１０３Ｓまたはドレイン拡散層１０４Ｓとの間の容量のゲート電圧依存性が検知対象ガスのガス濃度に応じて変化する現象を利用して、ガス濃度を検知することができる。

参照キャパシタ１００Ｒｃでは、ゲート層１０６Ｒが絶縁膜１１１Ｒ（例えば図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）により覆われているため、雰囲気中の検知対象ガスのガス濃度が変化しても容量のゲート電圧依存性は変化しない。

ゲート層１０６Ｓとウェル１０２Ｓとの間の容量を用いる場合には、ソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓ（例えば図２および図３（ａ）参照）は、センサキャパシタ１００Ｓｃのデバイス構造から省くことができる。参照キャパシタ１００Ｒｃも対応して、ゲート層１０６Ｒとウェル１０２Ｒとの間の容量を用いる場合には、ソース拡散層１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｒ（例えば図２および図３（ｂ）参照）は、参照キャパシタ１００Ｒｃのデバイス構造から省くことができる。ソース拡散層１０３Ｓ，１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｓ，１０４Ｒをデバイス構造から省くことができるので、センサ素子１００Ｓおよび参照素子１００Ｒの製造工程数を減らすことができる。

以下では、図２、図３（ａ）および図４（ａ）に示したセンサＦＥＴ１００Ｓｆからソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓを除いたセンサキャパシタ１００Ｓｃ、および図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示した参照ＦＥＴ１００Ｒｆからソース拡散層１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｒを省いた参照キャパシタ１００Ｒｃについて説明する。センサキャパシタ１００Ｓｃのデバイス構造は、図２、図３（ａ）および図４（ａ）に示したセンサＦＥＴ１００Ｓｆのデバイス構造からソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓを省いただけなので詳しい説明は省く。同様に、参照キャパシタ１００Ｒｃのデバイス構造は、図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示した参照ＦＥＴ１００Ｒｆのデバイス構造からソース拡散層１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｒを省いただけなので詳しい説明は省く。

なお、以下では、ウェル１０２Ｓ，１０２Ｒは、導電型がＮ型で構成されているものとして説明する。但し、ウェル１０２Ｓ，１０２Ｒは、導電型がＰ型で構成されてもよく、または、一方のウェルがＮ型、他方のウェルがＰ型で構成されてもよい。

図８（ａ）、（ｂ）に示すように、センサキャパシタ１００Ｓｃのウェル１０２Ｓおよび参照キャパシタ１００Ｒｃのウェル１０２Ｒは、例えば正弦波などのように電圧が周期的に変化する交流電圧を印加する電源４１とそれぞれ接続されている。

センサキャパシタ１００Ｓｃのゲート層１０６Ｓは、可変電圧ＶＧＳを印加する電源４１と接続されており、参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒは、可変電圧ＶＧＲを印加する電源４１と接続されている。また、センサキャパシタ１００Ｓｃのゲート層１０６Ｓおよび参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒは、電流測定部２０とそれぞれ接続されている。

図８（ａ）に示すように、イオンポンプ電極１５１Ｓは、電流測定部２０と接続されている。また、イオンポンプ電極１５３Ｓは、イオンポンプ１５０Ｓを動作させる電圧ＶＰＵＭＰを印加する電源４１と接続されている。

センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量は、ゲート層１０６Ｓに印加される電圧、ウェル１０２Ｓに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｓに流れる電流（例えば交流電流）に基づいて測定される。また、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量は、ゲート層１０６Ｒに印加される電圧、ウェル１０２Ｒに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｒに流れる電流（例えば交流電流）に基づいて測定される。これらの静電容量は、例えばガス濃度測定部３０（例えば図１参照）などで測定される。

電流測定部２０は、例えばセンサキャパシタ１００Ｓｃのゲート層１０６Ｓに流れる電流を測定する。また、電流測定部２０は、例えば参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒに流れる電流を測定する。

例えばゲート層１０６Ｓに印加される電圧、ウェル１０２Ｓに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｓに流れる電流（例えば交流電流）に基づいて、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量は、図１に示したガス濃度測定部３０によって測定される。

また、例えばゲート層１０６Ｒに印加される電圧、ウェル１０２Ｒに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｒに流れる電流（例えば交流電流）に基づいて、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量は、図１に示したガス濃度測定部３０によって測定される。

図９（ａ）は、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。図９（ｂ）は、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。

センサキャパシタ１００Ｓｃでは、ゲート層１０６Ｓ（例えば図３（ａ）および図４（ａ）参照）の表面が露出している。このため、図９（ａ）に示すように、ガス濃度（例えば酸化窒素ガスのガス濃度）が高くなると、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量−ゲート電圧特性は、図示で右方向に平行移動する。すなわち、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるときのゲート層１０６Ｓの閾値電圧は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＳ（０）からガス濃度Ｘのときの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）へと変化し、ガス濃度が高くなるに従って高くなる。

＜第１変形例におけるガス濃度の測定方法＞
次に、本実施例１の第１変形例によるガスセンサを用いたガス濃度の測定方法について図１、図２および図８（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。以下では、検知対象ガスとして酸化窒素ガスを例示し、妨害ガスとして酸素ガスを例示して、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する場合について説明する。

まず、制御部５０は、センサ部１００の温度を調整する。

次に、制御部５０は、センサキャパシタ１００Ｓｃおよび参照キャパシタ１００Ｒｃのそれぞれの各部に所定の電圧を印加する。

例えば電源４１は、ウェル１０２Ｓに所定の交流電圧を印加し、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるように、ゲート層１０６Ｓに所定の閾値電圧ＶＧＳ（０）を印加する。また、電源４１は、ウェル１０２Ｒに所定の交流電圧を印加し、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるように、ゲート層１０６Ｒに所定の閾値電圧ＶＧＲ（０）を印加する。

なお、ガス濃度０の場合におけるセンサキャパシタ１００Ｓｃの閾値電圧ＶＧＳ（０）および参照キャパシタ１００Ｒｃの閾値電圧ＶＧＲ（０）は、予め測定されていてもよい。また、制御部５０は、例えば予め測定された閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＲ（０）のデータを、図示しないデータ格納部から必要に応じて読み出すようにしてもよい。制御部５０は、閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＲ（０）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。

次に、制御部５０は、酸化窒素ガスが雰囲気中に含まれている場合におけるセンサキャパシタ１００Ｓｃの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）および参照キャパシタ１００Ｒｃの閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）を測定する。なお、参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒは、絶縁膜１１１Ｒ（例えば図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）により雰囲気から隔離されているので、参照キャパシタ１００Ｒｃの閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＲ（０）と同じである。

制御部５０は、測定した閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ），ＶＧＲ（Ｘ）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。

雰囲気中に酸素ガスが妨害ガスとして含まれている場合でもイオンポンプ１５０Ｓにより空洞１３０Ｓ（例えば図３（ａ）および図４（ａ）参照）中の酸素ガスのガス濃度は閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）に影響しないように充分に低減することができる。雰囲気中のガスはガス拡散抵抗膜１３１Ｓ（例えば図４（ａ）参照）を介して空洞１３０Ｓに導入され、イオンポンプ１５０Ｓで酸素ガスが除去され、空洞１３０Ｓに露出されたゲート層１０６Ｓを持つセンサキャパシタ１００Ｓｃに接触する。

雰囲気中のガスに酸化窒素ガスが含まれている場合には、そのガス濃度に応じて閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）が変化する。例えばエンジン自動車の排気ガスの場合、酸化窒素ガスには一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ_２）の両方が含まれていることが多い。イオンポンプ１５０Ｓに上記電圧を印加する場合、二酸化窒素（ＮＯ_２）は一酸化窒素（ＮＯ）に変換される。ゲート層１０６Ｓを持つセンサキャパシタ１００Ｓｃでは、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ_２）の混合ガスのうち、酸素が除去されて二酸化窒素（ＮＯ_２）が一酸化窒素（ＮＯ）に変換されたガスにおいて一酸化窒素（ＮＯ）ガスのガス濃度が測定される。

次に、ガス濃度測定部３０は、制御部５０から出力された閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＲ（０），ＶＧＳ（Ｘ），ＶＧＲ（Ｘ）に基づいて、センサキャパシタ１００Ｓｃの閾値変化量を算出する。例えばガス濃度測定部３０は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合のセンサキャパシタ１００Ｓｃと参照キャパシタ１００Ｒｃとの間のセンサ間電位差ＶＧＲＳ（０）、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合のセンサキャパシタ１００Ｓｃと参照キャパシタ１００Ｒｃとの間のセンサ間電位差ＶＧＲＳ（Ｘ）との差分により、センサキャパシタ１００Ｓｃの閾値変化量を算出する。すなわち、センサキャパシタ１００Ｓｃの閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、前述の（式１）で表される。

（式１）で示す閾値変化量は、参照キャパシタ１００Ｒｃの閾値電圧ＶＧＲ（０），ＶＧＲ（Ｘ）が考慮されている。これは、温度変化などのセンサ部１００に発生するノイズの影響を抑えるためである。

なお、ノイズによる閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＳ（Ｘ）の変動が小さければ、ガス濃度測定部３０は、センサキャパシタ１００Ｓｃのみを用いてガス濃度を測定してもよい。この場合、ガス濃度測定部３０は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（０）と、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）との差分である閾値変化量Ｖｇ（Ｘ）に基づいて、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する。ここで、閾値電圧ＶＧＳ（０）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合に、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。また、閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合に、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。

従って、この場合の閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、前述の（式２）のように表される。

＜仕事関数型素子の第２変形例＞
本実施例１の第２変形例による仕事関数型センサについて図１０および図１１を用いて説明する。図１０は、本実施例１の第２変形例によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図であり、図１０（ａ）は、センサダイオードの接続構造の一例を示す回路図、図１０（ｂ）は、参照ダイオードの接続構造の一例を示す回路図、図１０（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。図１１は、本実施例１の第２変形例によるガスセンサの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフであり、図１１（ａ）は、センサダイオードの電流−ゲート電圧特性を示すグラフ図、図１１（ｂ）は、参照ダイオードの電流−ゲート電圧特性を示すグラフ図である。

第２変形例によるガスセンサは、センサ素子１００Ｓにセンサダイオード１００Ｓｄ、参照素子１００Ｒに参照ダイオード１００Ｒｄを用いている。

センサダイオード１００Ｓｄは、図２、図３（ａ）および図４（ａ）に示したデバイス構造において、ゲート絶縁膜１０５Ｓの一部が除去され、ゲート層１０６Ｓが直接ウェル１０２Ｓに接した構造で実現できる。センサキャパシタ１００Ｓｃの場合と同様に、ソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓを省くことができる。

参照ダイオード１００Ｒｄは、図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示したデバイス構造において、ゲート絶縁膜１０５Ｒの一部が除去され、ゲート層１０６Ｒが直接ウェル１０２Ｒに接した構造で実現できる。参照キャパシタ１００Ｒｃの場合と同様に、ソース拡散層１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｒを省くことができる。

なお、以下では、ウェル１０２Ｓ，１０２Ｒは、導電型がＮ型で構成されているものとして説明する。但し、ウェル１０２Ｓ，１０２Ｒは、導電型がＰ型で構成されてもよく、または、一方のウェルがＮ型、他方のウェルがＰ型で構成されてもよい。

図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、センサダイオード１００Ｓｄのウェル１０２Ｓおよび参照ダイオード１００Ｒｄのウェル１０２Ｒは、接地されている。なお、ウェル１０２Ｓ，１０２Ｒは、所定の電圧を印加する電源４１とそれぞれ接続してもよい。

センサダイオード１００Ｓｄのゲート層１０６Ｓは、可変電圧ＶＧＳを印加する電源４１と接続されており、参照ダイオード１００Ｒｄのゲート層１０６Ｒは、可変電圧ＶＧＲを印加する電源４１と接続されている。また、センサダイオード１００Ｓｄのゲート層１０６Ｓおよび参照ダイオード１００Ｒｄのゲート層１０６Ｒは、電流測定部２０と接続されている。

図１０（ａ）に示すように、イオンポンプ電極１５１Ｓは、電流測定部２０と接続されている。また、イオンポンプ電極１５３Ｓは、イオンポンプ１５０Ｓを動作させる電圧ＶＰＵＭＰを印加する電源４１と接続されている。

電流測定部２０は、例えばセンサダイオード１００Ｓｄのゲート層１０６Ｓとウェル１０２Ｓとの間に流れるダイオード電流を測定する。また、電流測定部２０は、例えば参照ダイオード１００Ｒｄのゲート層１０６Ｒとウェル１０２Ｒとの間に流れるダイオード電流を測定する。

図１１（ａ）は、センサダイオード１００Ｓｄの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。図１１（ｂ）は、参照ダイオード１００Ｒｄの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。なお、図１１（ａ）では、センサダイオード１００Ｓｄに順バイアスが印加された場合の電流−ゲート電圧特性を示し、図１１（ｂ）では、参照ダイオード１００Ｒｄに順バイアスが印加された場合の電流−ゲート電圧特性を示している。

センサダイオード１００Ｓｄでは、ゲート層１０６Ｓ（例えば図３（ａ）および図４（ａ）参照）の表面が露出している。このため、図１１（ａ）に示すように、ガス濃度（例えば酸化窒素ガスのガス濃度）が高くなると、センサダイオード１００Ｓｄの電流−ゲート電圧特性は、図示で右方向に平行移動するとともに、波形が変形する。すなわち、センサダイオード１００Ｓｄのダイオード電流が閾値電流Ｉｃとなるときのゲート層１０６Ｓの閾値電圧は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＳ（０）からガス濃度Ｘのときの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）へと変化し、ガス濃度が高くなるに従って高くなる。

＜第２変形例におけるガス濃度の測定方法＞
次に、本実施例１の第２変形例によるガスセンサを用いたガス濃度の測定方法について図１、図２および図１０（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。以下では、検知対象ガスとして酸化窒素ガスを例示し、妨害ガスとして酸素ガスを例示して、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する場合について説明する。

まず、制御部５０は、センサ部１００の温度を調整する。

次に、制御部５０は、センサダイオード１００Ｓｄおよび参照ダイオード１００Ｒｄのそれぞれの各部に所定の電圧を印加する。

例えば電源４１は、ウェル１０２Ｓに所定の交流電圧を印加し、センサダイオード１００Ｓｄのダイオード電流が閾値電流Ｉｃとなるように、ゲート層１０６Ｓに所定の閾値電圧ＶＧＳ（０）を印加する。また、電源４１は、ウェル１０２Ｒに所定の電圧を印加し、参照ダイオード１００Ｒｄのダイオード電流が閾値電流Ｉｃとなるように、ゲート層１０６Ｒに所定の閾値電圧ＶＧＲ（０）を印加する。

なお、ガス濃度０の場合におけるセンサダイオード１００Ｓｄの閾値電圧ＶＧＳ（０）および参照ダイオード１００Ｒｄの閾値電圧ＶＧＲ（０）は、予め測定されていてもよい。また、制御部５０は、例えば予め測定された閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＲ（０）のデータを、図示しないデータ格納部から必要に応じて読み出すようにしてもよい。制御部５０は、閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＲ（０）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。

次に、制御部５０は、酸化窒素ガスが雰囲気中に含まれている場合におけるセンサダイオード１００Ｓｄの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）および参照ダイオード１００Ｒｄの閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）を測定する。なお、参照ダイオード１００Ｒｄのゲート層１０６Ｒは、絶縁膜１１１Ｒ（例えば図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）により雰囲気から隔離されているので、参照ダイオード１００Ｒｄの閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＲ（０）と同じである。

制御部５０は、測定した閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ），ＶＧＲ（Ｘ）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。

雰囲気中に酸素ガスが妨害ガスとして含まれている場合でもイオンポンプ１５０Ｓにより空洞１３０Ｓ（例えば図３（ａ）および図４（ａ）参照）中の酸素ガスのガス濃度は閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）に影響しないように充分に低減することができる。雰囲気中のガスはガス拡散抵抗膜１３１Ｓ（例えば図４（ａ）参照）を介して空洞１３０Ｓに導入され、イオンポンプ１５０Ｓで酸素ガスが除去され、空洞１３０Ｓに露出されたゲート層１０６Ｓを持つセンサダイオード１００Ｓｄに接触する。

雰囲気中のガスに酸化窒素ガスが含まれている場合には、そのガス濃度に応じて閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）が変化する。例えばエンジン自動車の排気ガスの場合、酸化窒素ガスには一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ_２）の両方が含まれていることが多い。イオンポンプ１５０Ｓに上記電圧を印加する場合、二酸化窒素（ＮＯ_２）は一酸化窒素（ＮＯ）に変換される。ゲート層１０６Ｓを持つセンサダイオード１００Ｓｄでは、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ_２）の混合ガスのうち、酸素が除去されて二酸化窒素（ＮＯ_２）が一酸化窒素（ＮＯ）に変換されたガスにおいて一酸化窒素（ＮＯ）ガスのガス濃度が測定される。

次に、ガス濃度測定部３０は、制御部５０から出力された閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＲ（０），ＶＧＳ（Ｘ），ＶＧＲ（Ｘ）に基づいて、センサダイオード１００Ｓｄの閾値変化量を算出する。例えばガス濃度測定部３０は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合のセンサダイオード１００Ｓｄと参照ダイオード１００Ｒｄとの間のセンサ間電位差ＶＧＲＳ（０）、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合のセンサダイオード１００Ｓｄと参照ダイオード１００Ｒｄとの間のセンサ間電位差ＶＧＲＳ（Ｘ）との差分により、センサダイオード１００Ｓｄの閾値変化量を算出する。すなわち、センサダイオード１００Ｓｄの閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、前述の（式１）で表される。

（式１）で示す閾値変化量は、参照ダイオード１００Ｒｄの閾値電圧ＶＧＲ（０），ＶＧＲ（Ｘ）が考慮されている。これは、温度変化などのセンサ部１００に発生するノイズの影響を抑えるためである。

なお、ノイズによる閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＳ（Ｘ）の変動が小さければ、ガス濃度測定部３０は、センサダイオード１００Ｓｄのみを用いてガス濃度を測定してもよい。この場合、ガス濃度測定部３０は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（０）と、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）との差分である閾値変化量Ｖｇ（Ｘ）に基づいて、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する。ここでで、閾値電圧ＶＧＳ（０）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合に、センサダイオード１００Ｓｄのダイオード電流が閾値電流Ｉｃとなるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。また、閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合に、センサダイオード１００Ｓｄのダイオード電流が閾値電流Ｉｃとなるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。

従って、この場合の閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、前述の（式２）のように表される。

＜本実施例１による効果＞
本実施例１によれば、雰囲気ガス中に含まれる検知対象ガス以外の妨害ガスを除去するイオンポンプ機能を半導体チップ上で実現することができる。その結果、低コスト化、小型化および低消費電力化と、妨害ガス除去による高精度なガスセンシングとを両立させることができる。また、イオン伝導膜の薄膜形成ができるので、イオンポンプによる妨害ガスの除去を高効率に実現することができる。イオン伝導膜中の拡散による妨害ガスのゲート層の露出部への浸入は、ガス拡散防止膜を配置することで抑制される。

本実施例２によるガスセンサの構成について図１２を用いて説明する。図１２は、本実施例２によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す平面図である。

前述の実施例１では、トレンチアイソレーション（絶縁膜１０８Ｓ，１０８Ｒ）を用いたセンサＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００Ｒｆについて説明したが、本実施例２では、トレンチアイソレーションのような絶縁部が不要なガスセンサの構成について説明する。

図１２に示すように、ゲート層１０６Ｓは、平面視において円形の外形と円形の内形とで囲まれた環状の形状であり、外形を構成する円形よりも内形を構成する円形の方が小さい。すなわち、平面視においてゲート層１０６Ｓをリング状とし、このリング状のゲート層１０６Ｓの内側および外側のそれぞれに、ソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓを配置している。これにより、チャネル幅方向に端部がなくなるのでチャネル幅方向を確定させる部位が不要になる。特に高温でガスセンサを使用する際に、寄生ＦＥＴの抑制に効果が大きい。

リング状のゲート層１０６Ｓに沿って、リング状のゲート層１０６Ｓの表面には露出部１０７Ｓが形成される。ゲート層１０６Ｓの外周部および内周部に沿って複数のガス導入部１３２Ｓを形成し、イオンポンプ１５０Ｓをリング状のゲート層１０６Ｓに沿って形成することで、ゲート層１０６Ｓの露出部１０７Ｓの全体を均一に雰囲気に接触させることができる。

ところで、リング状の電界効果トランジスタは知られている技術であるが、センサＦＥＴ１００Ｓｆではゲート層１０６Ｓの表面が露出するため、中央部の拡散層（図１２ではソース拡散層１０３Ｓ）への給電を半導体チップの配線層で行うことが困難である。リング状のゲート層１０６Ｓを跨ぐように配線をレイアウトすると、通常は配線の下部に層間絶縁膜が必要となり、ゲート層１０６Ｓの表面が層間絶縁膜で被覆される部分が生じてしまう。センサＦＥＴ１００Ｓｆのソース拡散層１０３Ｓとドレイン拡散層１０４Ｓとの間の一部分はガスに応答するが、別の部分は応答しないことになるため、応答特性に不具合が生じる。

そこで、本実施例２では、ソース拡散層１０３Ｓへの給電を半導体基板１０１Ｓの主面上の配線を介して行うのではなく、ワイヤボンディングでコンタクト部１７１Ｓを介して直接給電する。コンタクト部１７１Ｓへの給電は、電極パッドへの給電を行うことのできる他の方法、例えば圧着接続などを用いることもできる。

本実施例３によるガスセンサの構成について図１３〜図１５を用いて説明する。図１３〜図１５はそれぞれ、本実施例３によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の第１例〜第３例を示す断面図である。

前述の実施例１では、センサ素子１００Ｓが備えるイオンポンプ１５０Ｓの電極は、イオンポンプ電極１５１Ｓとイオンポンプ電極１５３Ｓの１対であった。しかし、イオンポンプ１５０Ｓの電極はこれに限定されるものではなく、複数対形成してもよい。

図１３に示すように、例えばイオンポンプ１５０Ｓの電極を２対形成することができる。これにより、下層のイオンポンプ電極１５１−１Ｓ、イオン伝導膜１５２−１Ｓおよび上層のイオンポンプ電極１５３−１Ｓからなるイオンポンプ１５０−１Ｓと、下層のイオンポンプ電極１５１−２Ｓ、イオン伝導膜１５２−２Ｓおよび上層のイオンポンプ電極１５３−２Ｓからなるイオンポンプ１５０−２Ｓの２つのイオンポンプ１５０Ｓが形成される。この場合、イオンポンプ１５０−１Ｓとイオンポンプ１５０−２Ｓとの間の分離部には絶縁膜１１４Ｓを残して、センサ素子１００ＳＡの外部と空洞１３０Ｓとの間に上記分離部を介してガスが侵入しないようにすることが重要である。

図１３に示したセンサ素子１００ＳＡの場合、イオンポンプ１５０Ｓが２つ（イオンポンプ１５０−１Ｓとイオンポンプ１５０−２Ｓ）形成されるので、例えばイオンポンプ１５０−１Ｓで酸素ガスを除去し、イオンポンプ１５０−２Ｓで水素ガスを除去する方法で、空洞１３０Ｓ内のガスに対して酸化と還元の両方の処理を行い、妨害ガスを除去することができる。また、例えばイオンポンプ１５０−１Ｓで酸素ガスを除去し、イオンポンプ１５０−２Ｓのイオン電流を測定することで酸素ガスを除去した後の酸素ガスのガス濃度の確認を行うことができる。

また、センサ素子１００ＳＡでは、イオンポンプ電極１５１−１Ｓ、イオンポンプ電極１５３−１Ｓ、イオンポンプ電極１５１−２Ｓおよびイオンポンプ電極１５３−２Ｓの４つの電極が形成されているが、印加する電位は４つの電極が互いに異なる必要はない。

例えばイオンポンプ電極１５１−１Ｓ，１５１−２Ｓに０Ｖを印加し、イオンポンプ電極１５３−１Ｓに負電位を印加し、イオンポンプ電極１５３−２Ｓに正電圧を印加すると、イオンポンプ１５０−２Ｓで酸素ガスを除去し、イオンポンプ１５０−１Ｓで水素ガスを除去するという動作が可能である。また、例えばイオンポンプ電極１５１−１Ｓ，１５１−２Ｓに０Ｖを印加し、イオンポンプ電極１５３−１Ｓとイオンポンプ電極１５３−２Ｓに互いに異なる正電圧を印加すると、イオンポンプ１５０−２Ｓで酸素ガスを除去し、イオンポンプ１５０−１Ｓで残留する酸素ガスのガス濃度を測定するという動作が可能である。

ところで、センサ素子１００ＳＡでは、下層の電極はイオンポンプ電極１５１−１Ｓとイオンポンプ電極１５１−２Ｓとに分離し、上層の電極はイオンポンプ電極１５３−１Ｓとイオンポンプ電極１５３−２Ｓとに分離しているが、同じ電位が印加される電極同士は物理的に接続してもよい。

図１４に示すセンサ素子１００ＳＢでは、下層の電極であるイオンポンプ電極１５１−１Ｓとイオンポンプ電極１５１−２Ｓとを物理的に接続して、一体化している。上層の電極であるイオンポンプ電極１５３−１Ｓとイオンポンプ電極１５３−２Ｓとを物理的に接続して、一体化してもよいことは言うまでもない。

また、センサ素子１００ＳＡ，１００ＳＢでは、イオンポンプ１５０−１Ｓにイオン伝導膜１５２−１Ｓを形成し、イオンポンプ１５０−２Ｓにイオン伝導膜１５２−２Ｓを形成し、イオン伝導膜１５２−１Ｓおよびイオン伝導膜１５２−２Ｓを互いに分離している。しかし、イオン伝導膜１５２−１Ｓとイオン伝導膜１５２−２Ｓとを接続してもよい。

図１５に示すセンサ素子１００ＳＣでは、下層の電極であるイオンポンプ電極１５１−１Ｓとイオンポンプ電極１５１−２Ｓとを物理的に接続して、一体化している。さらに、イオン伝導膜１５２−１Ｓとイオン伝導膜１５２−２Ｓとを物理的に接続して、一体化している。

上述したセンサ素子１００ＳＡ，１００ＳＢ，１００ＳＣでは、イオンポンプ１５０Ｓは、２つ形成されているが、３つ以上形成してもよい。

＜ガスセンサの構成＞
本実施例４によるガスセンサの構成について図１６を用いて説明する。図１６（ａ）は、本実施例４によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す平面図である。図１６（ｂ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ´線に沿った断面図である。なお、図１６（ａ）では、イオンポンプ１５０Ｓを透過した平面図を示している。

前述の実施例１によるセンサ素子１００Ｓでは、センサＦＥＴ１００Ｓｆの空洞１３０ＳのＸ方向とＹ方向の寸法が数１００μｍ程度よりも大きくなる場合がある。この場合、応力で空洞１３０Ｓの上面側の膜と下面側の膜が歪んで、空洞１３０Ｓの上面と下面とが接触して空洞１３０Ｓが潰れる虞がある。空洞１３０Ｓは、ガス導入部１３２Ｓからゲート層１０６Ｓの露出部１０７Ｓへのガスの通路なので、空洞１３０Ｓが潰れるとガス濃度の測定ができなくなる。

そこで、図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例４によるセンサ素子１００Ｓでは、空洞１３０Ｓの内部に柱状の構造物である複数の柱状部１４０Ｓを形成し、これら柱状部１４０Ｓによって空洞１３０Ｓの上面と下面との間を繋ぐことで空洞１３０Ｓを補強している。柱状部１４０Ｓは、例えば絶縁膜１１３Ｓ，１１４Ｓの積層膜からなる。これにより、空洞１３０Ｓが潰れるのを防止することができる。

＜ガスセンサの製造方法＞
本実施例４によるガスセンサの製造方法の一例について図１７〜図３１を用いて説明する。図１７〜図２８の各（ａ）は、本実施例４によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す平面図である。図１７〜図２８の各（ｂ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ´線に沿った断面図である。図２９〜図３２の各（ａ）は、図２８のＥ−Ｅ´線に沿った断面図である。図２９〜図３２の各（ｂ）は、図２８のＦ−Ｆ´線に沿った断面図である。

まず、図１７（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば単結晶珪素（Ｓｉ）からなる半導体基板１０１Ｓを準備する。次に、半導体基板１０１Ｓの主面１０１Ｓａ側に絶縁膜１０８Ｓからなるトレンチアイソレーションを形成した後、半導体基板１０１Ｓに不純物をイオン注入してウェル１０２Ｓを形成する。次に、半導体基板１０１Ｓの主面１０１Ｓａ（ウェル１０２Ｓおよび絶縁膜１０８Ｓ）上にゲート絶縁膜１０５Ｓおよびゲート層１０６Ｓを順次形成する。

次に、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、ゲート層１０６Ｓを覆う絶縁膜１１１Ｓをゲート絶縁膜１０５Ｓ上に成膜した後、ゲート層１０６Ｓの一部表面上の絶縁膜１１１Ｓを除去して、ゲート層１０６Ｓの一部表面を露出させる。絶縁膜１１１Ｓは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる。これにより、ゲート層１０６Ｓの露出部１０７Ｓを形成する。

次に、図１９（ａ）、（ｂ）に示すように、犠牲膜１８１ａによって、絶縁膜１１１Ｓに形成された凹部を埋め込み、ゲート層１０６Ｓの露出部１０７Ｓを覆う。犠牲膜１８１ａは、例えばレジストなどの有機物または金属などからなる。

次に、図２０（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜１１１Ｓおよび犠牲膜１８１ａ上に絶縁膜１１２Ｓを成膜した後、絶縁膜１１２Ｓの一部を除去して、犠牲膜１８１ａの一部を露出させる。絶縁膜１１２Ｓは、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）からなる。

次に、図２１（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜１１２Ｓおよび露出した犠牲膜１８１ａ上に絶縁膜１１３Ｓを成膜した後、絶縁膜１１３Ｓの一部を除去して、絶縁膜１１２Ｓおよび犠牲膜１８１ａのそれぞれの一部を露出させる。このとき、後に空洞１３０Ｓとなる領域に、絶縁膜１１３Ｓからなる柱状の構造物も形成する。絶縁膜１１３Ｓは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる。

次に、図２２（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜１１３Ｓ、露出した絶縁膜１１２Ｓおよび露出した犠牲膜１８１ａ上にガス拡散抵抗膜１３１Ｓを成膜した後、ガス拡散抵抗膜１３１Ｓを加工して、ガス拡散抵抗膜１３１Ｓを、例えば後に空洞１３０Ｓとなる領域において絶縁膜１１２の一部領域上に形成する。ガス拡散抵抗膜１３１Ｓは、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などからなる。

次に、図２３（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜１１３Ｓ、ガス拡散抵抗膜１３１Ｓ、露出した絶縁膜１１２Ｓおよび露出した犠牲膜１８１ａ上に犠牲膜１８１ｂを成膜した後、例えば犠牲膜１８１ｂを研磨して、互いに隣り合う絶縁膜１１３Ｓなどのスペース部に犠牲膜１８１ｂを埋め込む。犠牲膜１８１ｂは、例えばレジストなどの有機物または金属などからなる。このとき、絶縁膜１１３Ｓの上面から犠牲膜１８１ｂを除去する。

次に、図２４（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜１１３Ｓ、ガス拡散抵抗膜１３１Ｓおよび犠牲膜１８１ｂ上に絶縁膜１１４Ｓを成膜した後、絶縁膜１１４Ｓの一部を除去して、ガス拡散抵抗膜１３１Ｓの一部および犠牲膜１８１ｂの一部を露出させる。このとき、絶縁膜１１４Ｓは、絶縁膜１１３Ｓの上面、およびガス拡散抵抗膜１３１Ｓと犠牲膜１８１ｂとの境界部を覆う。また、後に空洞１３０Ｓとなる領域に形成された、絶縁膜１１３Ｓからなる柱状の構造物の上面に、絶縁膜１１４Ｓからなる柱状の構造物も重ねて、柱状部１４０Ｓを形成する。絶縁膜１１４Ｓは、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）からなる。

さらに、絶縁膜１１４Ｓの上面に、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）または酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）などの金属酸化物を数ｎｍ程度成膜しておく。

なお、後の工程においてイオンポンプ１５０Ｓを分離する場合には（前述の実施例３参照）、分離部を絶縁膜１１４Ｓにより覆う。

次に、図２５（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜１１４Ｓ、露出したガス拡散抵抗膜１３１Ｓおよび露出した犠牲膜１８１ｂ上に犠牲膜１８１ｃを成膜した後、例えば犠牲膜１８１ｃを研磨して、互いに隣り合う絶縁膜１１４Ｓなどのスペース部に犠牲膜１８１ｃを埋め込む。犠牲膜１８１ｃは、例えばレジストなどの有機物または金属などからなる。このとき、絶縁膜１１４Ｓの上面から犠牲膜１８１ｃを除去するが、絶縁膜１１４Ｓの上面に成膜した金属酸化物は残す。

次に、図２６（ａ）、（ｂ）に示すように、イオンポンプ電極１５１Ｓ、イオン伝導膜１５２Ｓおよびイオンポンプ電極１５３Ｓからなるイオンポンプ１５０Ｓを形成する。イオンポンプ電極１５１Ｓ，１５３Ｓは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｆ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。イオン伝導膜１５２Ｓは、例えばイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を添加したジルコニア（ＺｒＯ_２）などからなる。絶縁膜１１４Ｓとイオンポンプ電極１５１Ｓとの界面には、上述した金属酸化物が残存しており、絶縁膜１１４Ｓとイオンポンプ電極１５１Ｓとの接着層の役割を果たす。

次に、図２７（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜１１４Ｓの一部を除去して、犠犠牲膜１８１ｃの一部が露出するコンタクト部１４１Ｓを形成する。

次に、図２８（ａ）、（ｂ）に示すように、コンタクト部１４１Ｓから犠牲膜１８１ａ，１８１ｂ，１８１ｃを、例えばウェットエッチングまたはアッシングなどで除去して、空洞１３０Ｓを形成する。

この工程において、空洞１３０Ｓが形成されるが、ガス拡散抵抗膜１３１Ｓが形成されたガス導入部１３２Ｓとは別に、コンタクト部１４１Ｓを介して雰囲気と空洞１３０Ｓが接続されている。そこで、次に、コンタクト部１４１Ｓを塞ぐ方法について説明する。

図２９（ａ）は、図２８（ａ）に示したＥ−Ｅ´線に沿った断面図であり、コンタクト部１４１Ｓの断面を示している。また、図２９（ｂ）は、図２８（ａ）に示したＦ−Ｆ´線に沿った断面図であり、ガス拡散抵抗膜１３１Ｓの断面を示している。

次に、図３０（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜１１４Ｓ、イオンポンプ１５０Ｓおよび露出したガス拡散抵抗膜１３１Ｓを覆うように封止膜１１９Ｓを成膜する。封止膜１１９Ｓは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）または窒化珪素（ＳｉＮ）からなる。ここで、コンタクト部１４１Ｓは封止膜１１９Ｓによって塞がれる。

次に、図３１（ａ）、（ｂ）に示すように、リソグラフィ技術およびエッチング（ドライエッチングまたはウェットエッチング）技術を用いて、コンタクト部１４１Ｓの周囲以外の領域の封止膜１１９Ｓを除去する。封止膜１１９Ｓはガス拡散を防止するので、コンタクト部１４１Ｓを介した雰囲気と空洞１３０Ｓとの間のガス拡散は防止される。コンタクト部１４１Ｓでは、封止膜１１９Ｓが空洞１３０Ｓ内に浸入して残存するので、コンタクト部１４１Ｓは、ガス導入部１３２ＳからセンサＦＥＴ１００Ｓｆのゲート層１０６Ｓの露出部１０７Ｓまでの流路に影響を与えない箇所に形成することが望ましい。

以上の工程により、図１６に示した本実施例４によるガスＦＥＴ１００Ｓｆが略完成する。

本実施例５によるガスセンサの構成について図３２を用いて説明する。図３２（ａ）は、本実施例５によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す平面図である。図３２（ｂ）は、同図（ａ）のＧ−Ｇ´線に沿った断面図である。なお、図３２（ａ）では、イオンポンプ１５０Ｓを透過した平面図を示している。

前述の実施例４によるセンサ素子１００Ｓでは、空洞１３０Ｓの内部に柱状の構造物からなる柱状部１４０Ｓを設けて、空洞１３０Ｓの上面と下面との間を繋ぐことで空洞１３０Ｓを補強した。しかし、空洞１３０Ｓの補強は、これに限定されるものではない。

図３２（ａ）、（ｂ）に示すように、空洞１３０Ｓの形状をＸＹ面内で蛇行させることでも空洞１３０Ｓの補強が可能である。さらに、ガス導入部１３２ＳからセンサＦＥＴ１００Ｓｆのゲート層１０６Ｓの露出部１０７Ｓまでのガス流路が長くなり、その大部分で空洞１３０Ｓの上面にイオンポンプ１５０Ｓが接していることから、空洞１３０Ｓを雰囲気のガスが拡散する間にＺ方向の拡散が充分に生じる。

これにより、本実施例５によるセンサＦＥＴ１００Ｓｆでは、空洞１３０Ｓの補強という効果に加えて、雰囲気全体がイオンポンプ１５０Ｓに触れることで妨害ガスの除去を充分に行えるという特長を有する。

本実施例６によるガスセンサの構成について図３３を用いて説明する。図３３（ａ）は、本実施例６によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す平面図である。図３３（ｂ）は、同図（ａ）のＨ−Ｈ´線に沿った断面図である。なお、図３３（ａ）では、イオンポンプ１５０Ｓ，１６０Ｓおよび絶縁膜１１５Ｓ〜１１８Ｓを透過した平面図を示している。

前述の実施例３によるセンサ素子１００ＳＡでは、２つのイオンポンプ１５０−１Ｓおよびイオンポンプ１５０−２Ｓにおいて、イオンポンプ電極１５１−１Ｓとイオンポンプ電極１５１−２Ｓとを同層の膜で形成し、イオン伝導膜１５２−１Ｓとイオン伝導膜１５２−２Ｓとを同層の膜で形成し、イオンポンプ電極１５３−１Ｓとイオンポンプ電極１５３−２Ｓとを同層の膜で形成した。しかし、これに限定されるものではなく、互いに異なる層の膜で２つのイオンポンプ１５０Ｓおよびイオンポンプ１６０Ｓを形成することができる。

図３３（ａ）、（ｂ）に示すように、イオンポンプ電極１５１Ｓ、イオン伝導膜１５２Ｓおよびイオンポンプ電極１５３Ｓからなるイオンポンプ１５０Ｓを形成した後、さらに、イオンポンプ１５０Ｓ上にガス拡散防止膜となる絶縁膜１１５Ｓ〜１１８Ｓを形成する。絶縁膜１１５Ｓおよび絶縁膜１１７Ｓは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなり、絶縁膜１１６Ｓおよび絶縁膜１１８Ｓは、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）からなる。

絶縁膜１１５Ｓ〜１１８Ｓの一部に空洞１３０−２Ｓが形成されている。この空洞１３０−２Ｓは、ゲート層１０６Ｓ、絶縁膜１１１Ｓ〜１１４Ｓおよびイオンポンプ１５０Ｓでその周囲を覆われた空洞１３０−１Ｓと繋がっている。また、空洞１３０−１Ｓと空洞１３０−２Ｓとの間にはガス拡散抵抗膜１３１−１Ｓが設けられている。

空洞１３０−２Ｓの周囲は、絶縁膜１１２Ｓ〜１１８Ｓおよびイオンポンプ１６０Ｓで覆われており、ガス拡散抵抗膜１３１−２Ｓを備えるガス導入部１３２Ｓを介して空洞１３０−２Ｓは雰囲気と繋がっている。

イオンポンプ１６０Ｓは、イオンポンプ電極１６１Ｓ、イオン伝導膜１６２Ｓおよびイオンポンプ電極１６３Ｓを備えている。すなわち、イオンポンプ電極１６１Ｓ上に、イオン伝導膜１６２Ｓおよびイオンポンプ電極１６３Ｓが積層されており、イオンポンプ電極１６１Ｓ、イオン伝導膜１６２Ｓおよびイオンポンプ電極１６３Ｓによってイオンポンプ１６０Ｓが形成されている。イオンポンプ電極１６１Ｓ，１６３Ｓは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。イオン伝導膜１６２Ｓは、例えばイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ_２）などからなる。

本実施例６によるセンサ素子１００Ｓでは、イオンポンプ１５０Ｓ，１６０Ｓが２つ形成されるので、例えばイオンポンプ１６０Ｓで酸素ガスを除去し、イオンポンプ１５０Ｓで水素ガスを除去する方法で、空洞１３０−１Ｓ，１３０−２Ｓ内のガスに対して酸化と還元の両方の処理を行い、妨害ガスを除去することができる。また、例えばイオンポンプ１６０Ｓで酸素ガスを除去し、イオンポンプ１５０Ｓのイオン電流を測定することで酸素ガスを除去した後の酸素ガスのガス濃度の確認を行うことができる。

これらの動作は前述の実施例３によるセンサ素子１００ＳＡにおいても可能である。しかし、本実施例６によるセンサ素子１００Ｓでは、イオンポンプ１５０Ｓとイオンポンプ１６０Ｓとで互いに異なる電極材料およびイオン伝導膜材料を用いることができる。これにより、イオンポンプ１５０Ｓおよびイオンポンプ１６０Ｓのそれぞれの役割に適した電極材料およびイオン伝導膜材料を独立に選ぶことができるので、前述の実施例３によるセンサ素子１００ＳＡよりも妨害ガス除去を適切に実現することができる。本実施例６では、２つのイオンポンプ１５０Ｓ，１６０Ｓを形成したが、３つ以上形成してもよい。

本実施例７によるガスセンサの製造工程における犠牲膜の除去方法について図３４および図３５を用いて説明する。図３４（ａ）は、本実施例７による犠牲膜が充填された空洞の一例を示す平面図である。図３４（ｂ）は、本実施例７による犠牲膜が除去された空洞の一例を示す平面図である。図３５は、本実施例７による犠牲膜が充填されたガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す断面図である。

例えば前述の実施例５に示すセンサＦＥＴ１００Ｓｆ（例えば図３２参照）は、空洞１３０Ｓに沿った経路が長い構造であり、空洞１３０Ｓの一端部に形成した１つのコンタクト孔を介して犠牲膜を除去すると、処理時間が長くなり製造コストの増加が生じる。

しかし、図３４（ａ）に示すように、前述の実施例５に示すセンサＦＥＴ１００Ｓｆの場合は、蛇行する経路に沿って複数のコンタクト部１４１Ｓを形成し、複数のコンタクト部１４１Ｓを介して犠牲膜を除去する。これにより、コンタクト部１４１Ｓを介して犠牲膜を除去する処理時間を短縮することができる。

さらに、図３４（ｂ）に示すように、例えば前述の実施例４の図２９〜図３１を用いて説明した方法と同様にして、複数のコンタクト部１４１Ｓを封止膜１１９Ｓで全て塞ぎ、空洞１３０Ｓが雰囲気と介する部分がガス導入部１３２Ｓだけになるようにする。封止膜１１９Ｓはガス拡散を防止するので、コンタクト部１４１Ｓを介した雰囲気と空洞１３０Ｓとの間のガス拡散は防止される。コンタクト部１４１Ｓでは、封止膜１１９Ｓが空洞１３０Ｓ内に浸入して残存するので、コンタクト部１４１Ｓは、ガス導入部１３２ＳからセンサＦＥＴ１００Ｓｆのゲート層１０６Ｓの露出部１０７Ｓまでの流路に影響を与えない箇所に形成することが望ましい。

また、例えば前述の実施例３に示すセンサＦＥＴ１００Ｓｆ（例えば図１３参照）および前述の実施例６に示すセンサＦＥＴ１００Ｓｆ（例えば図３３参照）では、空洞１３０Ｓが、ガス拡散抵抗膜１３１−１Ｓによって２つに分離されている。このような構造を製造する際には、ガス拡散抵抗膜１３１−１Ｓによって犠牲膜が分離されることになる。

例えば前述の実施例３に示すセンサＦＥＴ１００Ｓｆでは、図３５に示すように、犠牲膜が、ガス拡散抵抗膜１３１−１Ｓによって犠牲膜１８１−１Ｓと犠牲膜１８１−２Ｓとに分離されている。

このような場合には、分離された犠牲膜１８１−１Ｓと犠牲膜１８１−２Ｓのそれぞれの部位に対して１つ以上のコンタクト部を形成し、犠牲膜１８１−１Ｓおよび犠牲膜１８１−２Ｓを除去する。

犠牲膜１８１−１Ｓおよび犠牲膜１８１−２Ｓを除去した後は、例えば前述の実施例４の図２９〜図３１を用いて説明した方法と同様にして、複数のコンタクト部を封止膜で全て塞ぎ、空洞１３０Ｓが雰囲気と介する部分がガス導入部１３２Ｓだけになるようにする。封止膜１１９Ｓはガス拡散を防止するので、コンタクト部１４１Ｓを介した雰囲気と空洞１３０Ｓとの間のガス拡散は防止される。コンタクト部では、封止膜が空洞１３０Ｓ内に浸入して残存するので、コンタクト部は、ガス導入部１３２ＳからセンサＦＥＴ１００Ｓｆのゲート層１０６Ｓの露出部１０７Ｓまでの流路に影響を与えない箇所に形成することが望ましい。

本実施例８によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成について図３６および図３７を用いて説明する。図３６（ａ）および図３７（ａ）は、本実施例８によるセンサ部（センサ素子）のコンタクト部を示す断面図（例えば実施例４における図２８に示したＥ−Ｅ´線に沿った断面に対応する図）である。図３６（ｂ）および図３７（ｂ）は、本実施例８によるセンサ部（センサ素子）のガス拡散抵抗膜を示す断面図（例えば実施例４における図２８に示したＦ−Ｆ´線に沿った断面に対応する図）である。

前述の実施例４によるセンサ素子１００Ｓでは、コンタクト部１４１Ｓを塞ぐ際、イオンポンプ１５０Ｓおよび露出したガス拡散抵抗膜１３１Ｓなどを覆うように封止膜１１９Ｓを成膜した後、コンタクト部１４１Ｓの周囲以外の領域の封止膜１１９Ｓを除去した（例えば図３０（ａ）、（ｂ）および図３１（ａ）、（ｂ）参照）。すなわち、イオンポンプ１５０Ｓの上面および側面は封止膜１１９Ｓによって覆われていない。

しかし、イオンポンプ１５０Ｓの端部の側面に封止膜１１９Ｓを残存させることもできる。

例えば図３６（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜１１４Ｓ、イオンポンプ１５０Ｓおよび露出したガス拡散抵抗膜１３１Ｓを覆うように封止膜１１９Ｓを成膜する。封止膜１１９Ｓは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）または窒化珪素（ＳｉＮ）からなる。ここで、コンタクト部１４１Ｓは封止膜１１９Ｓによって塞がれる。

次に、図３７（ａ）、（ｂ）に示すように、リソグラフィ技術およびエッチング（ドライエッチングまたはウェットエッチング）技術を用いて、封止膜１１９Ｓを加工する。ここで、コンタクト部１４１Ｓの周囲に封止膜１１９Ｓを残存させることにより、コンタクト部１４１Ｓは封止膜１１９Ｓによって塞がれる。さらに、イオンポンプ電極１５３Ｓの上面の一部は封止膜１１９Ｓから露出させるが、イオン伝導膜１５２Ｓの露出している端部側面を覆うように封止膜１１９Ｓを残存させる。

封止膜１１９Ｓはガス拡散を防止できるので、コンタクト部１４１Ｓを介した雰囲気と空洞１３０Ｓとの間のガス拡散を防止することができる。また、イオンポンプ電極１５１Ｓ，１５３Ｓによって覆われていないイオン伝導膜１５２Ｓの側面を介した不要なガス拡散を防止することができる。

本実施例９によるガスセンサの構成について図３８を用いて説明する。図３８は、本実施例９によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す断面図である。

前述の実施例８によるセンサ素子では、雰囲気に露出するイオン伝導膜１５２Ｓの端部側面を封止膜１１９Ｓによって覆い、不要なガス拡散を防止した。しかし、イオン伝導膜１５２Ｓの端部側面のみでなく、イオン伝導膜１５２Ｓの一部が雰囲気に露出した構成のイオンポンプ１５０Ｓにおいては、イオン伝導膜１５２Ｓの露出した他の面を封止膜１１９Ｓによって覆うことができる。

例えば前述の実施例３の第３例によるセンサ素子１００ＳＣでは、イオン伝導膜１５２−１Ｓ，１５２−２Ｓの上面の一部が雰囲気に露出している。この場合は、図３８に示すように、イオン伝導膜１５２−１Ｓ，１５２−２Ｓの上面のイオンポンプ電極１５３−１Ｓ，１５３−２Ｓにより覆われていない部分を封止膜１１９Ｓで覆うことができる。これにより、イオン伝導膜１５２−１Ｓ，１５２−２Ｓの上面が露出した部分を介した不要なガス拡散を防止することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は少なくとも以下の実施の形態を含む。

〔付記１〕
（ａ）半導体基板の主面から第１深さを有するウェルを前記半導体基板に形成する工程、
（ｂ）前記ウェル上にゲート絶縁膜を形成する工程、
（ｃ）前記ゲート絶縁膜上にゲート層を形成する工程、
（ｄ）前記ゲート層上に犠牲膜を形成する工程、
（ｅ）前記犠牲膜上に第１ガス拡散防止膜を形成する工程、
（ｆ）前記第１ガス拡散防止膜に前記犠牲膜に至る孔を形成する工程、
（ｇ）前記孔を介して前記犠牲膜を除去して前記ゲート層の表面の一部を露出する空洞を形成する工程、
を含む、ガスセンサの製造方法。

〔付記２〕
付記１記載のガスセンサの製造方法において、
前記（ｆ）工程において、複数の前記孔を形成し、
前記（ｇ）工程の後、さらに、
（ｈ）前記空洞が完全に埋まらないように、前記第１ガス拡散防止膜上に第１封止膜を形成する工程、
（ｉ）前記第１封止膜を加工して、複数の前記孔のそれぞれを前記第１封止膜によって封止する工程、
を含む、ガスセンサの製造方法。

〔付記３〕
付記１記載のガスセンサの製造方法において、
前記（ｅ）工程と前記（ｆ）工程との間に、さらに、
（ｊ）前記第１ガス拡散防止膜に開口部を形成する工程、
（ｋ）前記開口部を覆うように前記第１ガス拡散防止膜上に、第１イオンポンプ電極、イオン伝導膜および第２イオンポンプ電極が積層されたイオンポンプを形成する工程、
を含み、
前記（ｇ）工程において、前記第１イオンポンプ電極の下面の一部が前記空洞に露出する、ガスセンサの製造方法。

〔付記４〕
付記３記載のガスセンサの製造方法において、
前記（ｋ）工程の後に、さらに、
（ｌ）前記イオン伝導膜の露出する部分を覆う第２封止膜を形成する工程、
を含む、ガスセンサの製造方法。

〔付記５〕
付記１記載のガスセンサの製造方法において、
前記（ｃ）工程と前記（ｄ）工程との間に、さらに、
（ｍ）前記ゲート層上に第２ガス拡散防止膜を形成する工程、
（ｎ）前記第２ガス拡散防止膜の一部を除去して、前記ゲート層の表面の一部を露出させる工程、
を含む、ガスセンサの製造方法。

〔付記６〕
付記１記載のガスセンサの製造方法において、
前記（ｄ）工程と前記（ｅ）工程との間に、さらに、
（ｏ）前記犠牲膜に接するガス拡散抵抗膜を形成する工程、
を含み、
前記ガス拡散抵抗膜の上面の一部には、前記第１ガス拡散防止膜が形成されない、ガスセンサの製造方法。

１ ガスセンサ
２０ 電流測定部
３０ ガス濃度測定部
４０ 電源部
４１ 電源
５０ 制御部
９０ データ入出力部
１００ センサ部
１００Ｒ 参照素子
１００Ｒｃ 参照キャパシタ
１００Ｒｄ 参照ダイオード
１００Ｒｆ 参照ＦＥＴ
１００Ｓ，１００ＳＡ，１００ＳＢ，１００ＳＣ センサ素子
１００Ｓｃ センサキャパシタ
１００Ｓｄ センサダイオード
１００Ｓｆ センサＦＥＴ
１０１Ｒ，１０１Ｓ 半導体基板
１０１Ｒａ，１０１Ｓａ 主面
１０２Ｒ，１０２Ｓ ウェル
１０３Ｒ，１０３Ｓ ソース拡散層
１０４Ｒ，１０４Ｓ ドレイン拡散層
１０５Ｒ，１０５Ｓ ゲート絶縁膜
１０５Ｒａ，１０５Ｓａ 上面
１０６Ｒ，１０６Ｓ ゲート層
１０６Ｓａ 第１金属酸化物層（第２層）
１０６Ｓｂ 第２金属酸化物層
１０６Ｓｃ 電極層（第１層）
１０７Ｓ 露出部
１０８Ｒ，１０８Ｓ 絶縁膜
１１１Ｒ，１１１Ｓ，１１２Ｓ，１１３Ｓ，１１４Ｓ 絶縁膜
１１５Ｓ，１１６Ｓ，１１７Ｓ，１１８Ｓ 絶縁膜
１１９Ｓ 封止膜
１３０Ｓ，１３０−１Ｓ 空洞（第１空洞）
１３０−２Ｓ 空洞（第２空洞）
１３１Ｓ ガス拡散抵抗膜（第１ガス拡散抵抗膜）
１３１−１Ｓ ガス拡散抵抗膜（第３ガス拡散抵抗膜）
１３１−２Ｓ ガス拡散抵抗膜（第２ガス拡散抵抗膜）
１３２Ｓ ガス導入部
１４０Ｓ 柱状部
１４１Ｓ コンタクト部
１５０Ｓ，１５０−１Ｓ，１５０−２Ｓ イオンポンプ（第１イオンポンプ）
１５１Ｓ，１５１−１Ｓ，１５１−２Ｓ イオンポンプ電極（第１イオンポンプ電極）
１５２Ｓ，１５２−１Ｓ，１５２−２Ｓ イオン伝導膜（第１イオン伝導膜）
１５３Ｓ，１５３−１Ｓ，１５３−２Ｓ イオンポンプ電極（第２イオンポンプ電極）
１６０Ｓ イオンポンプ（第２イオンポンプ）
１６１Ｓ イオンポンプ電極（第３イオンポンプ電極）
１６２Ｓ イオン伝導膜（第２イオン伝導膜）
１６３Ｓ イオンポンプ電極（第４イオンポンプ電極）
１７１Ｓ コンタクト部
１８１ａ，１８１ｂ，１８１ｃ 犠牲膜
１８１−１Ｓ，１８１−２Ｓ 犠牲膜
１９０ ヒータ

Claims (15)

1. 半導体基板の主面に設けられた仕事関数型センサと、
   検知対象ガスから第１妨害ガス成分を除去する第１イオンポンプと、
   前記仕事関数型センサと前記第１イオンポンプとの間に形成された第１ガス拡散防止膜と、
   を備え、
   前記仕事関数型センサは、
   前記半導体基板と、
   前記半導体基板の主面から第１深さを有して前記半導体基板内に形成されたウェルと、
   前記ウェル上に形成されたゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート層と、
   を含み、
   前記第１イオンポンプは、
   第１イオン伝導膜と、
   前記第１イオン伝導膜の下面に接して形成された第１イオンポンプ電極と、
   前記第１イオン伝導膜の上面に接して形成された第２イオンポンプ電極と、
   を含み、
   前記第１ガス拡散防止膜に、前記検知対象ガスが導入される第１空洞が形成されており、
   前記ゲート層の表面の一部が前記第１空洞に露出し、
   前記第１イオンポンプ電極の下面の一部が前記第１空洞に露出する、ガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記仕事関数型センサは、
   前記半導体基板の主面から前記第１深さよりも浅い第２深さを有して前記ウェル内に形成されたソース拡散層と、
   前記半導体基板の主面から前記第１深さよりも浅い第３深さを有し、前記ウェル内に前記ソース拡散層と離間して形成されたドレイン拡散層と、
   をさらに含み、
   前記仕事関数型センサは、電界効果トランジスタ型センサである、ガスセンサ。
3. 請求項２記載のガスセンサにおいて、
   前記ゲート層は、平面視において円形の外形と円形の内形とで囲まれた環状の形状であり、外形を構成する円形よりも内形を構成する円形の方が小さい、ガスセンサ。
4. 請求項３記載のガスセンサにおいて、
   平面視において前記ゲート層の前記外形の外側および前記ゲート層の前記内形の内側に、前記第１空洞へ前記検知対象ガスを導入する複数のガス導入部が形成されている、ガスセンサ。
5. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記第１ガス拡散防止膜は、前記仕事関数型センサ側の第１部分と、前記第１イオンポンプ側の第２部分とからなり、
   前記第１空洞の下面には、前記ゲート層の表面の一部および前記第１ガス拡散防止膜の前記第１部分の一部が露出し、
   前記第１空洞の上面には、前記第１イオンポンプ電極の下面の一部および前記第１ガス拡散防止膜の前記第２部分の一部が露出する、ガスセンサ。
6. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記第１イオン伝導膜が、ジルコニアを含む、ガスセンサ。
7. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記ゲート層が、白金、ロジウムまたはパラジウムを含む、ガスセンサ。
8. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記ゲート層が、白金、ロジウムまたはパラジウムを含む第１層と、前記ゲート絶縁膜と前記第１層との間に形成され、ジルコニアを含む金属酸化物からなる第２層と、から構成される、ガスセンサ。
9. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記第１イオンポンプ電極および前記第２イオンポンプ電極が、白金、ロジウムまたはパラジウムを含む、ガスセンサ。
10. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
    前記第１ガス拡散防止膜は、二酸化珪素膜と窒化珪素膜とが交互に積層された多層構造を有する、ガスセンサ。
11. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
    前記第１イオンポンプ電極、前記第２イオンポンプ電極、または前記第１イオンポンプ電極および前記第２イオンポンプ電極は、それぞれ２以上に分離され、互いに異なる電位が供給される、ガスセンサ。
12. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
    前記第１空洞は、第１ガス拡散抵抗膜を介して外部の雰囲気と繋がっている、ガスセンサ。
13. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
    前記第１空洞の上面と前記第１空洞の下面とが、絶縁膜で形成された柱状部で接続されている、ガスセンサ。
14. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
    前記検知対象ガスから第２妨害ガス成分を除去する第２イオンポンプと、
    前記第１イオンポンプと前記第２イオンポンプとの間に形成された第２ガス拡散防止膜と、
    をさらに備え、
    前記第２イオンポンプは、
    第２イオン伝導膜と、
    前記第２イオン伝導膜の下面に接して形成された第３イオンポンプ電極と、
    前記第２イオン伝導膜の上面に接して形成された第４イオンポンプ電極と、
    を含み、
    前記半導体基板の主面から前記第１イオン伝導膜までの第１距離よりも、前記半導体基板の主面から前記第２イオン伝導膜までの第２距離の方が大きく、
    前記第２ガス拡散防止膜に、前記第１空洞に繋がり前記検知対象ガスが導入される第２空洞が形成されており、
    前記第３イオンポンプ電極の下面の一部が前記第２空洞に露出する、ガスセンサ。
15. 請求項１４記載のガスセンサにおいて、
    前記第２空洞は、第２ガス拡散抵抗膜を介して外部の雰囲気と繋がり、
    前記第１空洞と前記第２空洞との間に第３ガス拡散抵抗膜が設けられている、ガスセンサ。

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