JPH01277746A

JPH01277746A - 半導体センサ

Info

Publication number: JPH01277746A
Application number: JP10846088A
Authority: JP
Inventors: Yukinobu Takahashi; 幸伸高橋; Koji Murakami; 浩二村上; Satoshi Nishiwaki; 智西脇; Hiroshi Miyazaki; 浩宮崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-04-30
Filing date: 1988-04-30
Publication date: 1989-11-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、例えば湿α等の外的要因によって誘電率や
導電率等の電気的特性に変化の生じる感応体を備えた感
応部と、その電気的特性の変化を電気信号の変化として
取出すＭＯＳＦＥＴとを右する半導体センサに関する。

（従来の技術）検出しようとする湿度等の外的要因との物理的又は化学
的な相互作用によって誘電率や導゛眉率等の電気的特性
に変化を生じる感応体を用いた感応部とＭＯＳＦＥＴと
を組合わせて、感応体の電気的特性の変化をＭＯＳＦＥ
Ｔの出力信号により検出するようにした半導体センサが
製作されている。

このような従来の半導体センサとしては、例えば、＄１
半導体基板の主面に、その基Ｗｒ域とは異なる導電形の
ソース領域及びドレイン領域を離隔して形成し、また、
半導体基板の主面上には、素子の安定性を高めるため、
窒化シリコン膜を表層とした酸化シリコン膜との２層構
造からなる絶縁膜を形成し、その絶縁股上にゲート電極
をＪ口ねた第１の感応部電極を形成し、さらに、この第
１の感応都電極上に感応体及び第２の感応部雷神を順次
積層して、感応部とＭＯＳＦＥＴとを一体的に組合わけ
たものがある（特開昭６０−１９４３４５号公報、同６
１−１４５５５号公報）。

そして、被検知物である湿度等の外的要因が感応体に吸
収され、その誘電率の変化、即ち、第１、第２の感応都
電極間の静電容最の変化が、第２の感応部電極に加えら
れた適宜の交流信号等を介してＭＯＳＦＥＴから電気信
号の変化として出力されて湿度等が検出される。このと
き、ゲート電極を兼ねた第１の感応部電極には、ＭＯＳ
ＦＥＴの動作点を決めるための適宜値の直流バイアス電
圧が加えられるようになっている。

また、このような湿度等の検出時において、絶縁膜を構
成している窒化シリコン膜が、外部雰囲気の湿度や不純
物に対するパッシベーション膜として作用し、ＭＯＳＦ
ＥＴの安定性が得られている。

（発明が解決しようとする課題）従来の半導体センサは、窒化シリコン膜を表層とした酸
化シリコン膜との２層構造からなる絶縁膜上に、ＭＯＳ
ＦＥＴのゲート電極を兼ねた第１の感応部電極が形成さ
れていたため、パッシベーション作用を高める等の目的
で窒化シリコン膜が厚く形成されると、ゲート絶縁膜が
厚く形成されたことになって、ＭＯＳＦＥＴの相互コン
ダクタンスｇｍが下り、検出感度が低下してしまう。

また、窒化シリコン膜は、通常、ＣＶＤ法によって形成
されるが、このＣＶＤでは、製造条件により、その膜質
の化学量論比、稠密度及び膜厚等の変動が生じ易い。こ
のため、ＭＯＳＦＥＴに特性変動が生じて、センサ素子
間での特性のばらつきが生じ易い。さらに、第１の感応
部電極には、直流バイアス電圧が加えられるが、感応体
は、一般に直流電界に弱いので、その直流バイアス電圧
による直流電界が感応体に加わらないように、何らかの
手段を講じる必要があるという問題があった。

この発明は上記事情に基づいてなされたもので、検出感
度が高く、センサ素子間での特性が安定してばらつきが
少な（、さらに感応体には直流電界が加わらないように
した半導体センサを提供することを目的とする。

［発明の構成１（課題を解決するための手段）上記課題を解決するために、第１の発明は、対向形成し
た１対の感応部電極の間に被検知物との物理的又は化学
的な相互作用により電気的特性が変化する感応体が設け
られた感応部と、該感応部と一体的に形成され前記１対
の感応部電極における一方の感応部電極と絶縁膜を介し
て対向するゲート電極を備えたＭＯＳＦＥＴとを有する
ことを要旨とする。

第２の発明は、対向形成した１対の感応部電極の間に被
検知物との物理的又は化学的な相互作用により電気的特
性が変化する感応体が設けられた感応部と、該感応部と
一体的に形成され前記１対の感応部電極における一方の
感応部電極と絶れ膜を介して対向するゲート電極を備え
たＭＯＳＦＥＴと、該ＭＯＳＦＥＴ部に形成された電極
部を一方のコンデンサ電極とし前記ゲート電極の延設部
を他方のコンデンサ電極として構成され、当該−方のコ
ンデンサ電極が前記一方の感応部電極に接続されたコン
デンサとを有することを要旨とする。

また、第３の発明は、対向形成した１対の感応部電極の
間に被検知物との物理的又は化学的な相互作用により電
気的特性が変化する感応体が設（プられた感応部と、前
記１対の感応部電極における一方の感応部電極と絶縁膜
を介してゲート電極が対向されこの一方の感応部電極、
絶縁膜及びゲート電極で形成された第１のコンデンサで
前記感応部に接続されたＭＯＳＦＥＴと、前記第１のコ
ンデンサに並列接続された第２のコンデンサとを有する
ことを要旨とする。

（作用）第１の発明では、ゲート電極が、感応部電極とは別途に
、感応部と絶縁膜を介して形成され、ＭＯＳＦＥＴの相
互コンダクタンスｇｍが高められるとともに、センサ素
子間での特性が安定化されてばらつきが少なくされる。

検出動作時には感応部における上部側の感応部電極に適
宜の交流信号が加えられ、ＭＯＳＦＥＴの動作点を決め
る直流バイアス電圧は、ゲート電極に加えられる。そし
て、被検知物である湿度等の外的要因が感応体に吸収さ
れ、その誘電率の変化、即ち、１対の感応都電極間の静
電容量の変化が、上記の交流信号を介してＭＯＳＦＥＴ
から電気信号の変化として出力されて、その湿度等が検
出される。このとき、ＭＯＳＦＥＴは相互コンダクタン
スｇｍが高められているので、高検出感度が得られ、ま
た、直流バイアス電圧による直流電界が感応体に加わる
ことが防止される。

第２、第３の発明では、感応部における一方の感応部電
極、絶縁膜及びゲート電極で構成される第１のコンデン
サに、第２のコンデンサが並列接続されて、感応部及び
ＭＯＳＦＥＴ間の結合容ｋが増大される。従って、検出
感度が−Ｕ高められ、また、ＭＯＳＦＥＴのパッシベー
ション膜として作用Ｊる絶縁膜が厚くされても、上記結
合容量の低下、云換えれば検出感度の低下が防止される
。

（実施例）以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図ないし第４図は、この発明の一実施例を示す図で
ある。

まず、半導体センサの構成を説明すると、第１図及び第
２図中、１はｐ形のＳｉ半導体基板であり、その主面に
は、ｎ＋ソース領域２及びｎ＋ドレイン領域３が適宜間
隔をおいて形成されている。

また、半導体基板１の主面上には、ゲート絶縁膜４とな
る酸化シリコン膜が熱酸化により形成され、ｎ＋ソース
領１ｆ２２とｎ＋ドレイン領域３との間における基板領
域（以下、基板領域というときも半導体基板と同一の符
号１を用いる）１上には、当該基板領域１の表面層にチ
ャネルを誘起させるためのＡｕ膜からなるゲート電極５
がゲート絶縁膜４を介して形成されてｎチャネルのＭＯ
Ｓ　Ｆ　Ｅ　第２０が構成されている。さらに、ＭＯ８
ＦＥＴ２０の表面には、パッシベーション川絶縁膜とし
ての窒化シリコン膜６が適宜の厚さに厚く形成され、ゲ
ート電極５の形成位置に対応したこの窒化シリコン膜６
の表面部には、ＡｔＪ膜からなる第１の感応部電極７、
被検知物との物理的又は化学的な相互作用により電気的
特性が変化する感応体８としてのポリイミド及びＡｕ膜
からなる第２の感応部電極９が順次積層されて感応部１
０が形成されている。１１はソース電極、１２はドレイ
ン電極、１３はゲート引出し電極である。

このようにして感応部１０とＭＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　２０
とが一体的に組合わされた半導体センサが構成されてい
る。

次いで、製造工程の一例を第３図の（ａ）〜（１）を用
いて説明プることにより、半導体センサの構成をさらに
詳述する。なお、以下の説明において（ａ）〜（＋）の
各項目記号は、第３図の（ａ）〜（ｉ）のそれぞれに対
応する。また、第３図の（ａ）〜（＋）における各部材
の形状は、前記第１図及び第２図におけるものと異なる
ように記載されているものがあるが、第３図の（ａ）〜
（ｉ）は、より具体的な形状を示したものであって半導
体センサとしての構成は、第３図のものと前記第１図及
び第２図のものとは本質的に同じである。

（ａｌｐ形のＳｉ半導体基板１を準備する。

（ｂ）図示省略のマスクを用いて、８１半＞９　Ｋ基板
１の主面にｎ形不純物をイオン注入し、アニーリングす
ることによりｎ＋ソース領域２及びｎ“ドレイン領域３
を形成する。

（Ｃ）ゲート絶縁膜４としての酸化シリコン膜を熱酸化
により所要の厚さに形成し、ざらにｎ＋ソース領域２及
びｎ＋ドレイン領域３の部位には、電極引出し用のコン
タクト孔１４ａ、１４ｂをそれぞれ開口する。

（ｄ）ＡＭ膜を蒸着してパターニングし、ゲート電極５
、ソース電極１１及びドレイン電極１２を形成してｎチ
ャネルのＭ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　２０を構成する。

（ｅ）ＭＯ８ＦＥＴ２０の表面にＣＶＤ法により窒化シ
リコン躾６を所要の厚さに厚く堆積する。

（ｆ）窒化シリコン膜６におけるソース電極１１及びド
レイン電極１２上の部位に電極引出し口１５ａ、１５ｂ
をそれぞれ開口する。

（ｇ）窒化シリコン膜６の表面部にＡＬＩ膜を蒸着し、
所要形状にパターニングして第１の感応部電極７を形成
する。

（ｈ）Ｔｙｆｔ応休８と体てのポリイミドをスピンコー
ド法により塗布しフォトエッヂングによりパターニング
して、第１の感応部電極７上に感応体８を形成する。

（ｉ）再びＡＵ膜を蒸着し、パターニングして感応体８
上に第２の感応部電極９を形成し、感応部１０を構成す
る。そしてこの感応部１０とＭＯ８ＦＥＴ２０とが一体
的に組合わされた半導体セン号を完成させる。

次に、上述のように構成された半導体センサの作用を第
４図を用いて説明づる。

この実施例の半導体センサは、Ｍ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ１
０におけるゲート電極５が、感応部１０における感応部
電極７とは共用されず、熱酸化で形成された酸化シリコ
ン膜からなるゲート絶縁膜４上に別途に形成されて、Ｍ
ＯＳＦＥＴの相互コンダクタンスが高められている。

そして、検出動作時には、第４図に示すように、感応部
１０における第２の感応部電極９に、信号発生器１８か
ら一定振幅Ｖｏの交流信号が加えられ、ＭＯ８ＦＥＴ２
０におけるゲート電極５には、その動作点を決めるため
の所要の直流バイアス電圧が加えられる。第４図中、ｃ
ｏはＭＯ８ＦＥＴ２０の入力容量、Ｃ１は感応部１０に
おける第１の感応部電極７、絶縁膜６及びゲート電極５
で形成された第１のコンデンサ、Ｃ３は第１、第２の１
対の感応部電極７．９及び感応体８で形成された感応部
１０の容ωであり、感応部１０とＭＯ８ＦＥＴ２０とは
、第１のコンデンサＣ１によりコンデンサ結合されてい
る。

このような結合態様により、ＭＯ８ＦＥＴ２０における
ゲート電極５の電位Ｖｏは、結合用の第１のコンデンサ
の容量Ｃ１及びＭＯ８ＦＥＴ２０の入力音ｆｆ１ｃｏ及
び感応部１０の容ｆｆ１ｃ３の総和により変化する。

そして、被検知物である湿度等の外的要因が感応体８に
吸収され、そのＭｌ率が変化すると容６１Ｃ３が変化し
、ＭＯ３ＦＥＴＩＯのゲート電位ＶＧが変化してこの変
化が電気信号の変化として出力され、湿度等が検出され
る。

そして、このような検出動作において、前述のようにＭ
ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　２０は、相互コンダクタンスｇｍが
高められているので、高検出感度が得られ、また、直流
バイアス電圧による直流電界が感応部１０における感応
体８に加わるのか防止される。

次いで、第５図及び第６図には、この発明の他の実施例
を示す。

なお、第５図及び第６図において、前記第１図、第、２
図及び第４図にお番プる部材及び部位等と同一ないし均
等のものは、前記と同一符号を以って示し重複した説明
を省略する。

この実施例の半導体センυは、ＭＯ８ＦＥＴ２０におけ
るゲート電極５に延設部５ａが形成され、この延設部５
ａに対応した半導体基板１の主面にｎ＋拡散層からなる
コンデンサ電極１６が形成され、上述の延設部５ａ及び
このコンデンサ電極１６を１対のコンデンサ電極とし、
ゲート絶縁膜４を形成している酸化シリコン膜を誘電体
として第２のコンデンサＣ２が形成されている。そして
、コンデンサ電極１６が接続導体１７を介して感応部１
０における第１の感応部電極７に接続されることにより
、第６図の等価回路に示すように、第２のコンデンサＣ
２が、前述の第１のコンデンサＣ１に並列接続されてい
る。

この実施例の半導体センサは、上述のように構成されて
いるので、感応部１０及びＭＯ８ＦＥＴ２０間の結合容
量が第２のコンデンサＣ２の容量分だけ増大し、ＭＯ８
ＦＥＴ２０のゲート電位の変化が大きくなって、検出感
度が一層高められる。

また、Ｍ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　２０のパッシベーション
膜として機能する窒化シリコン膜６が、その機能増大の
ため、厚くされても、結合容量の低下が防止されて高検
出感度が維持される。さらに、容量値を制御し易い熱酸
化による酸化シリコン膜を誘電体とした第２のコンデン
サＣ２が並列接続されているので、窒化シリコン膜６の
膜特性ないしは厚さの変動に基づくセンサ索子間での特
性のばらつきも一層少なくされる。

［発明の効果］以上説明したように、第１の発明によれば、ＭＯＳＦＥ
Ｔのゲート電極が、感応部電極とは別途に、これと絶縁
膜を介して対向する部位に形成され、比較的厚く形成さ
れる絶縁膜がゲート絶縁膜とされていないので、ＭＯＳ
ＦＥＴの相互コンダクタンスが高められて高検出感度が
得られ、また、ＭＯＳＦＥＴの特性が、保護膜として作
用するその絶縁膜の膜質及び厚さ等の影響を受けること
がなくなってセンサ素子間での特性が安定化し、ばらつ
きが顕箸に少なくなる。さらに、一般に直流電界に弱い
感応体に対し、ゲート電極に加えられる直流バイアス電
圧による直流電界の及ぶことを防止することができると
いう利点がある。

また、第２、第３の発明によれば、一方の感応部電極、
絶縁膜及びゲート電極で構成される第１のコンデンサに
、第２のコンデンサを並列接続したので、上記第１の発
明の効果に加えて、さらに、感応部及びＭＯＳＦＥＴ間
の結合容量が増大されて、検出感度を一層高めることが
でき、また、ＭＯＳＦＥＴの保護膜として作用する絶縁
膜が厚く形成されても、結合容量の低下が防止されて検
出感度を高く維持することができ、さらには、センサ素
子間での特性のばらつきを一層少なくすることができる
という利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図はこの発明に係る半導体センサの一
実施例を示すもので、第１図は縦断面図、第２図は第１
図のＩＩ−Ｉ線断面図、第３図は製造工程の一例を示づ
工程図、第４図は等価回路を示す回路図、第５図はこの
発明の伯の実施例を示！ｌｉ萌記第２図と同様の断面図
、第６図は同上他の実施例の等価回路を示す回路図であ
る。１：半導体基板、　　　５：ゲート電極、６：窒化シリ
コン膜（絶縁膜）、７．９：第１、第２の感応部電極、８：感応体　　　１０：感応部、１６　：　ＩＩ　ンテン”ｊ　Ｍ極、　２０　：ＭＯＳ
ＦＥＴ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）対向形成した１対の感応部電極の間に被検知物と
の物理的又は化学的な相互作用により電気的特性が変化
する感応体が設けられた感応部と、該感応部と一体的に
形成され前記１対の感応部電極における一方の感応部電
極と絶縁膜を介して対向するゲート電極を備えたＭＯＳ
ＦＥＴとを有することを特徴とする半導体センサ。
（２）対向形成した１対の感応部電極の間に被検知物と
の物理的又は化学的な相互作用により電気的特性が変化
する感応体が設けられた感応部と、該感応部と一体的に
形成され前記１対の感応部電極における一方の感応部電
極と絶縁膜を介して対向するゲート電極を備えたＭＯＳ
ＦＥＴと、該ＭＯＳＦＥＴ部に形成された電極部を一方
のコンデンサ電極とし前記ゲート電極の延設部を他方の
コンデンサ電極として構成され、当該一方のコンデンサ
電極が前記一方の感応部電極に接続されたコンデンサと
を有することを特徴とする半導体センサ。
（３）対向形成した１対の感応部電極の間に被検知物と
の物理的又は化学的な相互作用により電気的特性が変化
する感応体が設けられた感応部と、前記１対の感応部電
極における一方の感応部電極と絶縁膜を介してゲート電
極が対向されこの一方の感応部電極、絶縁膜及びゲート
電極で形成された第１のコンデンサで前記感応部に接続
されたＭＯＳＦＥＴと、前記第１のコンデンサに並列接
続された第２のコンデンサとを有することを特徴とする
半導体センサ。