JPH0115015B2 - - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁ゲート型電解効果トランジスタ
（以下MOS型FETと言う）構造のガス検知素子
に関する。
本発明者は、先に特願昭50−154248号（特開昭
52−77794号公報参照）において、MOS型FET
のゲート電極としてPd（パラジウム）を用いた水
素ガスセンサーを提案した。この水素ガスセンサ
ーの動作原理は、水素ガスがPdに吸着すること
により、Pdの仕事函数が変化し、その結果MOS
型FETのしきい値特性が変化することを利用し
て水素ガスの有無を検出するものである。
また特開昭52−26292号公報には、ゲート絶縁
膜として固体電解質であるガラスからなるイオン
感応層を用いた、電解液中のイオンを検出するイ
オンセンサーが開示されている。このイオンセン
サーの動作原理も、上述の水素ガスセンサーと同
じであり、ガスセンサーにも応用可能なものであ
る。
しかし、これら水素ガスセンサーおよびイオン
センサーは、いずれも以下に示すような欠点を有
している。
すなわち、これらのセンサーは、どちらもガス
あるいはイオンの有無を感知するゲート電極ある
いはゲート絶縁膜の組成によつて、検出できるガ
スあるいはイオンの種類が限られてしまい、複数
種のガスを検出できる多目的なガスセンサーとし
ては使用でいないものである。
これを解決するため、特開昭52−26292号公報
では、ゲート絶縁膜の組成を異ならせたMOS型
FETを複数個設けることが提案されているが、
これでは検出したいガスの種類が多くなればなる
ほど、それに応じてMOS型FETの数も多くしな
ければならず、とうてい小型かつ低価格の多目的
ガスセンサーを実現することはできない。
本発明は、以上の点に鑑み、１個のMOS型
FETで、複数種のガスを検出し得るガス検知素
子を実現し、小型かつ低価格の多目的ガスセンサ
ーを提供することを目的とするものである。
以下に、１実施例を示す。
第１図および第２図は、本発明によるガス検知
素子の概略の構成を示す図であり、、、、
の部分は、通常のMOS型FETの構造である。
即わち、はＰ型Siの半導体基板であり、はｎ
型のソース領域およびドレイン領域であり、その
間にチヤンネル領域が形成されている。はフイ
ールド酸化物であり、酸化ケイ素（SiO2）から
なる。は金属の中間電極であり、この材質は
Ni（ニツケル）を選択する。は、薄膜固体電解
質であり、CaOをドープしたZrO2である。（酸化
ジルコニウム）。この場合、必然的に不純物とし
て、HfO2（酸化ヘフニウム）が含まれる。は金
属のゲート電極であり、ガスとの反応速度を高く
する目的で、格子メツシユ状の構造をとつてい
る。材質は、Pt（白金）である。
は、Cr／Auのメタライゼイシヨンされた信
号処理回路へのリード・バツド部である。
トランジスタ構造は、周知の手法で製作され、
0.05Ωcmの抵抗を有する＜100＞方位のポロン添
加のＰ型Siウエハを使う。拡散用マスクとして、
250nmの熱酸化膜で、通常の技術により、パター
ニングされる。ドレイン及びソース領域は、PH3
を添加材として、1050℃で拡散される。酸化膜
は、HFにより除去され、H2O2―NH3、H2O2―
HCl、HF、及び残水で洗浄される。
次に、400℃で、酸素中にて、SiH4の分解によ
り、200nmのSiO2膜をデポジツトする。ゲート
酸化用のホール部分がエツチングされ、その後
に、875℃で乾燥酸素中で、30nmのゲート酸化が
行なわれる。ソース・ドレインのコンタクトホー
ルが開かられ、30nmのクロムと150nmの金が蒸
着される。次に、フオトレジスト技術により、ゲ
ート部分にNiを電子ビーム蒸着する。150nmの
厚みである。このNi薄膜の上にCaO添加ZrO2膜
をデポジツトする。200〜1500nmの厚みで良好な
結果を示す。200nm以下はピンホールが発生し、
1500nm以上はインピーダンスが高くなり不適当
である。このZrO2（CaO）膜の上に、Ptの格子状
薄膜を構成する。これにより、Ni／ZrO2
（CaO）／Ptの構造の薄膜電池構造がつくられ、
この電圧が、MOS型FETのゲート電圧に付加さ
れる構成が成立する。
薄膜のデポジシヨンは、全て、10-7Torr以下
の高真空で為され、方法は、ボート加熱蒸着、電
子ビーム蒸着、スパツタリング蒸着、イオンビー
ムスパツタリング蒸着等が材質に合せて使用され
る。特に、イオンビームスパツタリング蒸着は、
膜質及び物性値がよく制御でき、好適である。基
板温度は、200〜300℃である。出発原料材質はい
ずれも4N以上の純度である。
MOS型FET部のチヤンネルに寸法は、幅20μ、
長さ1000μである。
本素子は、通常のMOS型FETと異なる特徴と
して、中間に電極を有することである。基板
に対してに電圧を印加する効果は通常のFET
効果であるが、このゲート電圧は、、間の電
圧の影響を受ける構成であり、ここにガスの効果
を生起させることにより、ガスの検知を行うもの
である。即わち、、間に下記の所定電圧を印
加した状態で、環境ガスに曝露すると、この間の
電流が流れ、インピーダンスが低下し、の電位
がそのままゲート電圧として作用することにな
る。従つて、下部のFET部を作動させることに
なり、ガスの検知が行なわれたことになる。
上記ゲート電圧が発生する原理については、薄
膜固体電解質の表面で生じる薄膜固体電解質と被
検出ガスとの電気化学反応がポイントと考えられ
る。現在のところ、個々の詳細な化学反応式は不
明であるが、被検出ガスが薄膜固体電解質の表面
に吸着する際に空気中の水分等が関与している可
能性があり、又、オキシ化合物の生成・分解反応
を介する電気化学反応であるように推定される。
従つて、上記電気化学反応が個々のガスに対応
して生じるものであり、その際に発生する電気化
学反応電圧も各イオンに固有のものであるため
に、各ガスごとのゲート電圧が決定され、FET
部を作動させることにより各ガスの識別・検知が
可能となるのである。
The present invention relates to a gas detection element having an insulated gate field effect transistor (hereinafter referred to as MOS FET) structure. The present inventor previously filed Japanese Patent Application No. 50-154248 (Japanese Unexamined Patent Publication No.
52-77794), MOS type FET
proposed a hydrogen gas sensor using Pd (palladium) as the gate electrode. The operating principle of this hydrogen gas sensor is that when hydrogen gas is adsorbed on Pd, the work function of Pd changes, and as a result, the MOS
The presence or absence of hydrogen gas is detected by utilizing changes in the threshold characteristics of type FETs. Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 52-26292 discloses an ion sensor that detects ions in an electrolytic solution using an ion-sensitive layer made of glass, which is a solid electrolyte, as a gate insulating film. The operating principle of this ion sensor is also the same as that of the hydrogen gas sensor described above, and it can also be applied to gas sensors. However, these hydrogen gas sensors and ion sensors both have the following drawbacks. In other words, both of these sensors are limited in the types of gases or ions that can be detected depending on the composition of the gate electrode or gate insulating film that senses the presence or absence of gases or ions. It cannot be used as a gas sensor. To solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 52-26292 proposes a MOS type with a different composition of the gate insulating film.
It has been proposed to provide multiple FETs, but
In this case, as the number of gases to be detected increases, the number of MOS FETs must also increase accordingly, making it impossible to create a very compact and low-cost multipurpose gas sensor. In view of the above points, the present invention provides one MOS type
The aim is to create a gas detection element that can detect multiple types of gases using FETs, and to provide a small, low-cost, multipurpose gas sensor. One example is shown below. FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams showing a schematic configuration of a gas detection element according to the present invention.
The part is the structure of a normal MOS FET.
That is, is a P-type Si semiconductor substrate, and is n
source and drain regions of the mold, with a channel region formed therebetween. is a field oxide and consists of silicon oxide (SiO 2 ). is a metal intermediate electrode, and the material is
Select Ni. is a thin film solid electrolyte, which is ZrO2 doped with CaO. (zirconium oxide). In this case, HfO 2 (hefnium oxide) is inevitably included as an impurity. is a metal gate electrode, which has a lattice mesh structure for the purpose of increasing the reaction rate with gas. The material is Pt (platinum). is the lead butt to the Cr/Au metallized signal processing circuit. The transistor structure is fabricated using well-known techniques.
A <100> oriented poron-doped P-type Si wafer with a resistance of 0.05 Ωcm is used. As a diffusion mask,
A 250 nm thermal oxide film is patterned using conventional techniques. Drain and source regions are PH 3
as an additive and diffused at 1050℃. The oxide film is removed by HF and H 2 O 2 -NH 3 , H 2 O 2 -
Washed with HCl, HF, and residual water. Next, a 200 nm SiO 2 film is deposited by decomposition of SiH 4 in oxygen at 400°C. The holes for gate oxidation are etched, followed by a 30 nm gate oxidation in dry oxygen at 875°C. Source and drain contact holes are opened and 30nm of chromium and 150nm of gold are deposited. Next, Ni is electron-beam evaporated onto the gate portion using photoresist technology. The thickness is 150nm. A CaO-doped ZrO 2 film is deposited on top of this Ni thin film. Good results are shown for thicknesses between 200 and 1500 nm. Pinholes occur below 200nm,
A wavelength of 1500 nm or more is unsuitable due to high impedance. A Pt lattice thin film is formed on this ZrO 2 (CaO) film. This allows Ni/ZrO 2
A thin film battery structure of (CaO)/Pt was created,
A configuration is established in which this voltage is added to the gate voltage of the MOS FET. All thin film deposition is performed in a high vacuum of 10 -7 Torr or less, and methods such as boat heating evaporation, electron beam evaporation, sputtering evaporation, ion beam sputtering evaporation, etc. are used depending on the material. In particular, ion beam sputtering deposition
The film quality and physical property values can be well controlled, which is preferable. The substrate temperature is 200-300°C. All starting materials have a purity of 4N or higher. The dimensions of the channel of the MOS type FET section are width 20μ,
The length is 1000μ. This device differs from normal MOS FETs in that it has an electrode in the middle. The effect of applying voltage to the substrate is that of a normal FET.
As for the effect, this gate voltage is influenced by the voltage between , and gas is detected by causing the gas effect here. That is, when exposed to an environmental gas with the following predetermined voltage applied between them, a current flows between them, the impedance decreases, and the potential of acts directly as the gate voltage. Therefore, the lower FET section is activated, and gas detection is performed. Regarding the principle of generating the gate voltage, the key point is considered to be the electrochemical reaction between the thin film solid electrolyte and the gas to be detected that occurs on the surface of the thin film solid electrolyte. At present, detailed chemical reaction formulas are unknown, but it is possible that moisture in the air is involved when the gas to be detected is adsorbed onto the surface of the thin film solid electrolyte. It is presumed to be an electrochemical reaction involving the formation and decomposition of . Therefore, the electrochemical reaction described above occurs in response to each individual gas, and the electrochemical reaction voltage generated at that time is also unique to each ion, so the gate voltage for each gas is determined. , FET
By operating the parts, each gas can be identified and detected.
【表】
第２図に示す如くに、Ａ部は、FET部分であ
りＢは、電池構成部であり、Ｃ部は、バイアス印
加制御部であり、Ｄ部は信号源である。Ｃ部は例
えば、MOS型OPアンプ回路により駆動でき、Ｄ
部の先に、CPUを接続して各種の制御に適応で
きる。Ａ，Ｂ，Ｃ部は、高抵抗回路で、低電圧駆
動が可能であり、極めて低消費電力である。さら
に、前述の如く、きわめて応答の早いガス検知信
号の発生が可能であり、当然本素子は常温で作動
でき、加熱回路は不要である。
以上の如く、本発明の原理による検知素子は、
小型・薄型に設計でき、低消費電力、低電圧駆動
が可能で、ガスの選択性があり、さらに、信頼性
も充分期待できる素子である。
従つて、小型・携帯型のガス検知測定器、警報
器、１又はモニターに絶好の素子である。この場
合、周辺の信号処理回路は、基板のSiウエハー内
に集積できることは、大きな特徴であり、システ
ムの低コスト化が可能である。
さらに、本発明の検知素子は、中間電極とゲー
ト電極間に印加するバイアス電圧の値を変えるだ
けで、異なる複数のガスの検出が可能となるた
め、１個の検知素子で多目的のガスセンサーを構
成でき、その応用性はきわめて高いものである。
ことに、薄膜固体電解質が、酸化カルシウムが添
加された酸化ジルコニウムからなる薄膜であるの
で製造上の品質が安定し、且つ薄膜自身の耐久性
に優れており、ガス検知の繰り返しによる劣化を
防止し、長寿命のガス検知素子が得られる。[Table] As shown in FIG. 2, section A is a FET section, section B is a battery component, section C is a bias application control section, and section D is a signal source. For example, the C section can be driven by a MOS type OP amplifier circuit, and the D section can be driven by a MOS type OP amplifier circuit.
A CPU can be connected to the end of the unit to adapt to various types of control. Sections A, B, and C are high resistance circuits that can be driven at low voltage and have extremely low power consumption. Furthermore, as mentioned above, it is possible to generate a gas detection signal with an extremely quick response, and of course the device can be operated at room temperature without the need for a heating circuit. As described above, the sensing element according to the principle of the present invention is
It is a device that can be designed to be small and thin, has low power consumption, can be driven at low voltage, has gas selectivity, and can be expected to be highly reliable. Therefore, it is an ideal element for small and portable gas detection and measuring instruments, alarms, and monitors. In this case, a major feature is that the peripheral signal processing circuits can be integrated into the Si wafer of the substrate, making it possible to reduce the cost of the system. Furthermore, the sensing element of the present invention can detect multiple different gases by simply changing the value of the bias voltage applied between the intermediate electrode and the gate electrode, so a single sensing element can be used as a multipurpose gas sensor. can be configured, and its applicability is extremely high.
In particular, since the thin film solid electrolyte is a thin film made of zirconium oxide to which calcium oxide is added, the manufacturing quality is stable, and the thin film itself has excellent durability, preventing deterioration due to repeated gas detection. , a long-life gas sensing element can be obtained.
第１図ａ，ｂは、本発明の原理的な構成を示す
図である。第２図は、本発明の１実施例に係る回
路概念図である。
FIGS. 1a and 1b are diagrams showing the basic configuration of the present invention. FIG. 2 is a conceptual diagram of a circuit according to an embodiment of the present invention.
Claims (1)
スおよびドレイン領域、少なくとも該ソース領域
およびドレイン領域間のチヤンネル領域上に形成
されたフイールド酸化膜、該フイルード酸化膜上
に形成された中間電極、該中間電極上に形成され
た酸化カルシウムが添加された酸化ジルコニウム
からなる薄膜固体電解質および該薄膜固体電解質
上に形成されたゲート電極からなることを特徴と
するガス検知素子。1. A semiconductor substrate, a source and drain region formed on the semiconductor substrate, a field oxide film formed on at least a channel region between the source region and the drain region, an intermediate electrode formed on the field oxide film, and an intermediate electrode formed on the field oxide film. A gas sensing element comprising: a thin film solid electrolyte made of zirconium oxide doped with calcium oxide formed on an electrode; and a gate electrode formed on the thin film solid electrolyte.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP56004853A JPS57119253A (en) | 1981-01-16 | 1981-01-16 | Gas sensor element |
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| JP56004853A JPS57119253A (en) | 1981-01-16 | 1981-01-16 | Gas sensor element |
Publications (2)
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|---|---|
| JPS57119253A JPS57119253A (en) | 1982-07-24 |
| JPH0115015B2 true JPH0115015B2 (en) | 1989-03-15 |
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ID=11595230
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56004853A Granted JPS57119253A (en) | 1981-01-16 | 1981-01-16 | Gas sensor element |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JPS57119253A (en) |
Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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1981
- 1981-01-16 JP JP56004853A patent/JPS57119253A/en active Granted
Also Published As
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