JPH09329576A - 化学物質の検出方法およびそのためのセンサ - Google Patents

化学物質の検出方法およびそのためのセンサ

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JPH09329576A
JPH09329576A JP9057186A JP5718697A JPH09329576A JP H09329576 A JPH09329576 A JP H09329576A JP 9057186 A JP9057186 A JP 9057186A JP 5718697 A JP5718697 A JP 5718697A JP H09329576 A JPH09329576 A JP H09329576A
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JP
Japan
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gate electrode
chemical
sensor
surface potential
resistance
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JP9057186A
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Young Sir Chung
ヤング・サー・チャン
Keenan L Evans
キーナン・エル・エバンス
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Motorola Inc
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
    • G01N27/4143Air gap between gate and channel, i.e. suspended gate [SG] FETs

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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 類似の化学種間の識別が可能で、検出可能な
濃度範囲を拡張した方法およびセンサを提供する。 【解決手段】 センサ(10)は、チャネル領域(3
4)を覆うゲート電極(20)を含む。ゲート電極(2
0)とチャネル領域(34)との間のギャップ(22)
によって、ゲート電極(20)の表面(28)を化学物
質に露出させる。化学物質に露出させると、ゲート電極
(20)の表面電位または電気的インピーダンスが変化
する。表面電位の変化を電気的インピーダンスの変化と
比較することによって、類似した化学種間の識別を行
い、しかもセンサ(10)の検出範囲を拡張する方法が
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に半導体素
子に関し、更に特定すればセンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】化学センサは、人間に対する安全性、プ
ロセス制御、健康、環境の認識のために、特定の化学種
(chemical species)の存在およびその濃度レベルを検出
または監視するために使用されている。金属酸化物半導
体(MOS)化学センサの開発は、大きな関心の的であ
った。その理由は、MOS化学センサは、他のタイプの
化学センサと比較して、携帯可能であり、安価ありで、
しかも製造が比較的簡単であるからである。しかしなが
ら、MOS化学センサは、通常、類似の化学種の間での
選択性が貧弱である。更に、MOS化学センサは、一般
的に、狭い範囲の化学的濃度の測定に限定される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】したがって、類似の化
学種間の識別が可能で、しかも特定の化学種に対して広
い範囲の濃度を検出する方法が必要とされている。この
方法は、精度が高く、価格効率的で、携帯可能で、更
に、既存の半導体製造技術を用いて製造可能なセンサを
用いるものでなければならない。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明のセンサは、チャ
ネル領域を覆うゲート電極を含む。ゲート電極とチャネ
ル領域との間のギャップによって、ゲート電極の表面を
化学物質に露出させる。化学物質に露出させると、ゲー
ト電極の表面電位または電気的インピーダンスが変化す
る。表面電位の変化を電気的インピーダンスの変化と比
較することによって、類似した化学種間の識別が可能
で、しかもセンサの検出範囲を拡張する方法が得られ
る。 [発明の詳細な説明]
【0005】これより図面を参照しながら、本発明の詳
細な説明を行う。
【0006】図1は、センサ、即ち、化学プローブ・イ
ンピーダンス電界効果トランジスタ(CPIFET: ch
emical probe impedance field effect transistor)の
一実施例の部分断面図を示す。センサ10は半導体基板
12を含み、例えば、n−型シリコンまたはガリウム砒
素のような半導体で構成されている。酸化または半導体
技術において既知のその他の技術を用いて、半導体基板
12上に誘電体層17を形成する、即ち、成長させる。
注入技術または拡散プロセスを用いることによって、半
導体基板内に、チャネル領域34に隣接して、ソース領
域14およびドレイン領域16を配置、即ち、形成す
る。チャネル領域34は、ソース領域14とドレイン領
域16との間に位置する。チャネル領域34のドーピン
グ・レベルは、イオン注入または拡散プロセスによって
変調可能である。
【0007】ソース領域14およびドレイン領域16上
に、ソース接点24およびドレイン接点26を形成し、
センサ10にソース電圧およびドレイン電圧をそれぞれ
供給する。ソース接点24およびドレイン接点26は、
アルミニウム・シリコンのような金属で構成することが
でき、当技術では既知の金属堆積およびエッチング・プ
ロセス、またはシリサイド・プロセスを用いて形成する
ことができる。
【0008】半導体基板12上に、チャネル領域34を
覆うようにゲート絶縁物18を設ける。ゲート絶縁物1
8は、ゲート電極20とチャネル領域34との間の電気
的絶縁物である。ゲート絶縁物18は酸化シリコンで構
成することができ、半導体基板12の表面上に熱的に成
長させる。あるいは、ゲート酸化物18は、窒化シリコ
ンまたは酸窒化シリコンで構成することができ、この場
合は、化学蒸着技術を用いて表面36上に堆積する。
【0009】スパッタリング、蒸着、または電気メッキ
技術を用いて半導体基板12の背面上に、金属層38を
堆積する。金属層38は従来の金属構造であり、センサ
10に基板バイアス電圧を供給するもので、チタン、ニ
ッケル、銀、金、またはプラチナで構成することができ
る。
【0010】ゲート電極20をチャネル領域34上に配
置し、ゲート絶縁物18とゲート電極20の表面28と
の間に約1.01ないし20ミクロンの開口またはギャ
ップ22を設ける。ゲート電極20はチャネル領域34
上に支持されており、当技術では既知の半導体処理技術
を用いて、化学的に感応性(chemically sensitive)があ
る導電性物質で形成する。例えば、ゲート電極20は、
カンチレバー(cantilever)、ダイアフラム、または空中
ブリッジ(air bridge)に類似した構造とすることができ
る。また、ゲート電極20は感応物質(sensing materia
l)で構成され、その組成は、センサ10によって検出、
感知、または監視すべき所望の化学種によって異なる。
【0011】例えば、ゲート電極20を金およびパラデ
ィウムの合金で構成する場合、ゲート電極20は、ホス
フィン(phosphine) および砒素を検出し、化学的に反応
可能である。ゲート電極20に適した他の物質には、例
えば、酸化錫(SnO2 )または酸化チタン(TiO
2 )のような金属酸化物、あるいは、例えば、プラチナ
のような貴金属または遷移金属の薄層が含まれるが、こ
れらに限定される訳ではない。尚、ゲート電極20に用
いられる物質にドープを行い、ゲート電極20の感度お
よび選択性の向上が可能であることも理解されよう。
【0012】ゲート電極20の化学的反応性、または吸
着および脱離の力学は、ゲート電極20の温度によって
左右される。したがって、ゲート電極20に近接してヒ
ータ30を設け、ゲート電極20の温度を均一に制御
し、センサ10の応答時間および感度の改善を図る。図
1の実施例では、ゲート電極20上にヒータ30を配置
しており、例えば、ポリシリコン、ニッケル・クロム合
金、高濃度にドープしたシリコン、タンタル合金、また
はプラチナのような電気的に抵抗性の材料で、このヒー
タ30を構成する。
【0013】ゲート電極20を金およびパラディウムの
合金で構成し、ホスフィンまたは砒素を検出するように
設計する場合、ヒータ30はゲート電極20を約摂氏8
0ないし120度(℃)に加熱し、センサ10のホスフ
ィンまたは砒素を検出する感度を高める。また、ヒータ
30を用いてゲート電極20を約180ないし220℃
に加熱し、ゲート電極20のリフレッシュ、即ち、再生
(regenerate)を行い、ゲート電極20がホスフィンまた
は砒素を検出した後のその回復時間を改善することも可
能である。更に、ヒータ30は、ゲート電極20の温度
抵抗率の変更または調節に用い、センサ10の感度を最
大に高めることも可能である。
【0014】ゲート電極20とヒータ30との間に絶縁
体32を設け、即ち、配置し、それらの間で電気的絶縁
を行う。絶縁体32は、窒化物、酸化物、または酸窒化
物で構成される。絶縁体32が薄い程、ゲート電極20
に効率の高い加熱形態(heating scheme)をもたらし、セ
ンサ10の電力消費が減少する。したがって、絶縁体3
2の厚さは、電力消費を最少にしつつ、電気的絶縁およ
び機械的安定を維持するように選択する。
【0015】当技術では既知の温度センサ40をヒータ
30に近接して設け、ヒータ30の温度を監視する。図
1の好適実施例では、温度センサ40をヒータ30の上
に配置する。
【0016】ギャップ22のために、流体、即ち、気体
(図示せず)がゲート絶縁体18およびゲート電極20
間を通過して、ゲート電極20の表面28に接触可能と
なっている。一実施例では、流体、即ち、気体は、表面
28と化学的に反応する化学物質を含み、この化学反応
が、ゲート電極20の表面電位および電気的インピーダ
ンスの双方に変化を及ぼす。ゲート電極20の表面電位
は、当技術では、仕事関数としても知られており、検出
対象の化学物質への露出による、ゲート電極の表面極性
(surface polarity)の関数である。ゲート電極20の電
気的インピーダンスも、当技術では抵抗として知られて
おり、表面28上および内部への化学物質の拡散度(dif
fusivity) の関数であり、更に、化学物質への露出によ
って変化する、ゲート電極20の表面状態の関数でもあ
る。
【0017】別の実施例では、表面28および気体、即
ち、流体間の化学反応は、ゲート電極20の表面電位の
みを変化させ、ゲート電極20の電気的インピーダンス
はほぼ一定のままであっても、またはこの逆であっても
よい。以下でより詳細に説明するが、ゲート電極20の
組成、ゲート電極20と反応する特定の化学種、および
センサ10によって検出される特定の化学種の濃度は、
表面電位のみ、電気的インピーダンスのみ、または表面
電位と電気的インピーダンスのどれが変化するのかを決
定する。
【0018】動作中、ゲート電極20、ソース接点2
4、およびドレイン接点26は、通常、ほぼ一定の電圧
で各々バイアスされる。ゲート電極20のほぼ一定の電
圧は、チャネル領域34内の電流の大きさを制御する。
しかしながら、ゲート電極20の表面電位が、ギャップ
22内の化学物質との反応の結果として変化すると、ト
ランジスタ、即ち、センサ10のスレシホルド電圧が変
化し、これによって、チャネル領域34内の電流の大き
さにも変化が生じる。したがって、表面電位における変
調がチャネル領域34内の電流を変化させ、一方ゲート
電極20、ソース接点24、およびドレイン接点26は
各々ほぼ一定の電圧でバイアスされ続ける。
【0019】チャネル領域34内の電流変動が、ソース
接点24およびドレイン接点26を通じて検出、即ち、
測定されたなら、測定された電流変動から、当技術では
既知の技術を用いてゲート電極20の表面電位における
変化を決定することができる。
【0020】図1の実施例に示すように、電極、即ち、
電気接続部42,44がゲート電極20に結合されてい
る。ゲート電極20がほぼ一定の電圧にバイアスされて
いる間、電気接続部42,44は、ゲート電極20の電
気的インピーダンス、即ち、抵抗を決定または測定する
機能を与える。
【0021】例えば、電気接続部42,44を用いて、
抵抗であるゲート電極20間にほぼ一定の電流を強制す
ることができる。また、電気接続部42,44を用い
て、ゲート電極20間の電圧降下を測定することもでき
る。ゲート電極20の電気的インピーダンス、即ち、抵
抗は、ゲート電極20間に強制したほぼ一定の電流で測
定電圧降下を除算ことによって計算する。ほぼ一定の電
流をゲート電極20間に強制している間に、ゲート電極
20の抵抗が所望の化学物質との反応によって変化する
と、ゲート電極20間の測定電圧も変化する。したがっ
て、ゲート電極20間の電圧測定値における変化を用い
て、ゲート電極20を横切る抵抗変化を決定し、更にこ
れを用いて、化学物質の濃度変化を指示する。
【0022】ゲート電極20の抵抗測定をより精度高く
するために、4端子測定技術を用いることができる。例
えば、電気接続部42,44、および更に2つの追加電
気接続部(図示せず)をゲート電極20に結合すること
ができる。この例では、2つの追加電気接続部がゲート
電極20間にほぼ一定の電流を強制し、一方、電気接続
部42,44はゲート電極20間の電圧降下を測定す
る。
【0023】要約すれば、ゲート電極20の表面電位の
変動、およびゲート電極20の電気的インピーダンスの
変動を測定して、特定の化学種の濃度を判定する。この
2つの測定を用いて、以下に説明するように、センサの
濃度測定範囲を拡張ことも可能である。
【0024】図2は、センサ10の動作の実施例を示
す。図2のグラフの横軸、即ち、x軸は、ゲート電極2
0の表面28と化学的に反応する、ギャップ22におけ
る化学物質「A」の濃度を表わす。図2のグラフの第1
縦軸、即ち、y軸は、ゲート電極20の表面電位の大き
さを表わす。x軸の単位は立方センチメートル(c
-3)であり、第1y軸の単位はミリボルト(mV)で
ある。したがって、曲線201は、ギャップ22におけ
る化学種「A」の濃度対ゲート電極20の表面電位の関
係を示す、即ち、プロットしたものである。曲線201
は、化学種「A」の濃度が上昇すると、ゲート電極20
の表面電位も上昇することを示している。既に論じたよ
うに、ゲート電極20の表面電位は、チャネル領域34
における電流の測定値から計算される。
【0025】図2のグラフは、ゲート抵抗、即ち、ゲー
ト電極20の電気的インピーダンスを表わす、第2縦
軸、即ち、y軸も有する。第2y軸の単位はオーム
(W)である。曲線202は、ゲート電極20のゲート
抵抗が、ギャップ22内の化学種「A」の濃度の上昇に
伴って増大することを示す。
【0026】図2の曲線201,202を調べることに
よって、表面電位および電気的抵抗の測定値を組み合わ
せて用いることにより、センサ10の濃度測定範囲が拡
張することが当業者にはわかるであろう。より具体的に
は、図2に示すこの特定実施例では、ゲート電極20と
反応する化学種「A」の濃度が低いとゲート電極20の
表面電位、即ち、仕事関数に大幅な変化をもたらすが、
ゲート電極20の抵抗には大きな影響を及ぼさない。化
学種「A」の濃度が高い領域において、表面電位の変化
が飽和すると、ゲート電極20の抵抗変化がより顕著と
なる。したがって、図2の実施例では、表面電位の変動
を用いて、化学種「A」の低い方の濃度の検出または監
視を行い、一方ゲート抵抗の変動を用いて、化学種
「A」の高い方の濃度の検出または監視を行う。
【0027】このように、センサ10は、広い範囲の濃
度にわたって化学物質の検出または監視を行うために用
いることができる。このように検出範囲を改良したこと
により、従来技術に比較して、電力消費を低減すること
ができる。複数のヒータの代わりに単一のヒータ30を
用いて、抵抗変化および表面電位変化双方の測定のため
に、動作温度の規制を行う。したがって、センサ10
は、その低電力消費のために、携帯用機器の用途に適し
たものとなる。
【0028】図3は、センサ10の動作の他の実施例を
示す。図3のグラフは、ギャップ22内の化学種「B」
の濃度を表わす横軸、即ち、x軸を有し、更に、ゲート
電極20の表面電位を表わす第1縦軸、即ち、y軸も有
する。x軸および第1y軸の単位は、それぞれcm-3
よびmVである。したがって、曲線301は、化学種
「B」の濃度対ゲート電極20の表面電位の関係をプロ
ットするものであり、化学物質の濃度が大きい、即ち、
高い程、表面電位も大きく、即ち、高くなる。
【0029】図3のグラフは、ゲート電極20の抵抗を
表わす第2縦軸、即ち、y軸も有し、その単位はWであ
る。したがって、曲線302は、化学種「B]の濃度の
ゲート電極20のゲート抵抗に対する関係を示し、化学
物質の濃度が高い程、ゲート抵抗も高くなる。
【0030】図2の化学種「A」は組成が図3の化学種
「B」に類似すると仮定する。すると、化学種「A」と
同様に、化学種「B」もゲート電極20と反応する。図
3に示すように、化学種「B」の濃度が低い、即ち、小
さい場合、ゲート電極20の表面電位の大幅な変化、即
ち、変更をもたらすが、ゲート電極20の抵抗には大き
な変化が生じない。化学種「B」の濃度が高い領域で
は、ゲート電極20の抵抗が大幅に変化し始めるが、ゲ
ート電極20の表面電位信号は、化学種「B」の高い濃
度では飽和状態となる。
【0031】ゲート電極20の組成は、種「A」および
「B」のような2つの類似した化学種と反応することが
できる。しかしながら、表面電位および抵抗に対するこ
れら2つの類似した化学種の効果は異なり得るものであ
り、この相違を利用して、これら2つの類似した化学種
間の識別を行うことができる。例えば、図2および図3
のグラフを比較すると、ゲート電極20の表面電位は、
低い方の濃度では、双方の化学種「A」および「B」に
同様に応答することを当業者は認めよう。しかしなが
ら、ゲート電極20の抵抗は、ゲート電極20をより高
い濃度の化学種「A」に晒す、即ち、露出させると、化
学種「B」と比較して、より素早く変化することも当業
者は認めよう。したがって、表面電位の変動およびゲー
ト抵抗の変動を比較対照することによって、2つの類似
した化学種「A」および「B」間の識別を行うことがで
きる。
【0032】このように、本発明によれば、従来技術の
欠点を克服した、改良されたセンサが提供されたことが
明白である。本発明は、従来技術の検出範囲の限界およ
び低精度を打破するものである。本発明は、化学濃度の
検出範囲を拡張し、センサの応答時間、感度、および選
択性を向上させる多検出機能を提供する。本発明は、表
面電位特性を用いて化学種の低い方の濃度を測定し、抵
抗特性を用いて同一化学種の高い方の濃度を測定する。
【0033】また、本発明は、表面電位および抵抗特性
を用いて、特定の化学種の存在を判定し、類似した2つ
の化学種間の識別を行う。更に、本発明は、その低消費
電力のために、携帯用機器への用途にも適したものであ
る。更にまた、本発明は価格効率的であり、従来の半導
体製造技術を用いて製造可能である。
【0034】以上、本発明について、好適実施例を参照
しながら特定して示しかつ説明してきたが、本発明の精
神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の
変更が可能であることは当業者には理解されよう。例え
ば、図2および図3のグラフは、化学物質の濃度対表面
電位の関係をプロットしたものであるが、化学物質の濃
度対チャネル電流を表わす同様のグラフも使用可能であ
ることは理解されよう。したがって、本発明の開示は限
定を意図するのではなく、むしろ、特許請求の範囲に記
載された本発明の範囲の例示を意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるセンサの実施例を示す部分断面
図。
【図2】本発明によるセンサの動作の実施例を示す図。
【図3】本発明によるセンサの動作の実施例を示す図。
【符号の説明】
10 センサ 12 半導体基板 14 ソース領域 16 ドレイン領域 17 誘電体層 18 ゲート絶縁物 20 ゲート電極 22 ギャップ 24 ソース接点 26 ドレイン接点 30 ヒータ 32 絶縁体 34 チャネル領域 38 金属層 40 温度センサ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】化学物質の検出方法であって:感応物質
    (20)を用意する段階;前記感応物質(20)の表面
    電位を検出する段階;前記感応物質(20)の電気的イ
    ンピーダンスを検出する段階;および前記表面電位を前
    記電気的インピーダンスと比較して、前記化学物質の存
    在を判定する段階;から成ることを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】化学物質の検出方法であって:チャネル領
    域(34)を覆うゲート電極(20)を有するトランジ
    スタ(10)を用意する段階;前記ゲート電極(20)
    を用いて、前記チャネル領域(34)内の電流を制御す
    る段階;前記ゲート電極(20)の抵抗を測定する段
    階;前記電流の大きさを測定する段階;および前記ゲー
    ト電極(20)の抵抗を前記電流の大きさと比較する段
    階;から成ることを特徴とする方法。
  3. 【請求項3】センサであって:半導体基板(12);前
    記半導体基板(12)内のチャネル(34);前記チャ
    ネル(34)を覆うゲート電極(20)であって、前記
    ゲ−ト電極(20)と前記半導体基板(12)との間に
    ギャップが存在する前記ゲート電極(20);前記ゲー
    ト電極(20)に結合された第1電気接続部;および前
    記ゲート電極(20)に結合された第2電気接続部;か
    ら成ることを特徴とするセンサ。
JP9057186A 1996-02-28 1997-02-26 化学物質の検出方法およびそのためのセンサ Pending JPH09329576A (ja)

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US08/608,357 US5683569A (en) 1996-02-28 1996-02-28 Method of sensing a chemical and sensor therefor
US608357 1996-02-28

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EP (1) EP0793096B1 (ja)
JP (1) JPH09329576A (ja)
DE (1) DE69729017T2 (ja)

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