(57)【要約】【課題】作製工程が簡便であるガスセンサを提供することを課題の一とする。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の一とする。【解決手段】ガスセンサの検知素子として機能する、酸化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。【選択図】図１
2015079993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、ポリイミドを有し、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスを検知するガスセンサに関する。本発明はガスを検知するガスセンサの作製
方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
雰囲気中に含まれるガスを検知するガスセンサは、ガス漏れ警報機や空気清浄機などの空
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。
【０００３】
ガスセンサとしては、金属酸化物導電体のガスの吸着反応などによる抵抗変化を用いた抵
抗式ガスセンサが一般的に知られている。
【０００４】
また、ガスセンサのひとつである湿度センサは雰囲気中の水分（水蒸気）を検知すること
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。
【０００５】
湿度センサとしては、湿度の違いによる金属や金属酸化物導電体の抵抗変化を用いた抵抗
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。
【０００６】
また、ガスセンサの構成としては、ガスの吸着などの作用により電気的特性（例えば電気
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。
【０００７】
一方、基板上に形成した半導体膜を用いて半導体装置を構成する技術が知られている。例
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。
【０００８】
半導体材料としては、アモルファスシリコン、多結晶シリコンなどが知られている。アモ
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。
【０００９】
その他の材料としては、酸化物半導体が最近注目されている。例えば、トランジスタの活
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５９−１４７４０１号公報
【特許文献２】特開昭５７−１００７１４号公報
【特許文献３】特開２００６−１６５５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、従来のガスセンサでは、検知部と回路部とは異なる材料で構成されているため
、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。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、作製工程が簡便であるガスセンサを提供することを課題と
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、酸化物半導体を半導体層とした薄膜トランジスタをガスセン
サの検知素子として用いることを考えた。
【００１４】
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の電気的特性が雰囲気中の
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。
【００１５】
本発明において、検知素子となるトランジスタは、酸化物半導体層が雰囲気中のガスと接
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。
【００１６】
また、検出回路を構成するトランジスタは、その酸化物半導体層がガスバリア性を有する
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。
【００１７】
さらに、検知素子及び検出回路を構成する二種類のトランジスタを同一基板上に同一工程
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。
【００１８】
したがって上記の課題を解決するためには、ガスセンサの検知素子として機能する、酸化
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。
【００１９】
すなわち、本発明の一態様は、第１のトランジスタを含む検知部と、第２のトランジスタ
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。
【００２０】
上記本発明の一態様のガスセンサは、同一表面上に検知素子であるトランジスタと、検出
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。
【００２１】
本発明の一態様は、上記ガスセンサにおいて、第１の酸化物半導体層と雰囲気との間に、
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。
【００２２】
検知素子であるトランジスタの酸化物半導体層と被測定雰囲気との間に絶縁層を設けるこ
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。
【００２３】
本発明の一態様は、絶縁表面上に第１のゲート電極層及び第２のゲート電極層を形成し、
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。
【００２４】
上記の方法によりガスセンサを作製することにより、同じ作製工程を経て検知部を構成す
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。
【００２５】
本発明の一態様は、上記ガスセンサの作製方法において、保護絶縁層を形成した後に、第
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。
【００２６】
上記方法によりガスセンサを作製することにより、検知素子であるトランジスタの酸化物
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。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、作製工程が簡便であるガスセンサを提供できる。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ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一態様のガスセンサを説明する図。
【図２】本発明の一態様のガスセンサの作製方法を説明する図。
【図３】本発明の一態様のガスセンサを説明する図。
【図４】本発明の一態様のＲＦタグを説明する図。
【図５】本発明の一実施例のＩＤ−ＶＧ特性。
【図６】本発明の一実施例の入出力特性。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定さ
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。
【００３０】
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、明
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
。
【００３１】
（実施の形態１）
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。
【００３２】
図１（Ａ）は同一基板上に形成された、湿度センサの検知素子となる薄膜トランジスタ１
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。
【００３３】
薄膜トランジスタ１０１及び薄膜トランジスタ２０１は共に、トップコンタクト型（逆ス
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。
【００３４】
薄膜トランジスタ１０１は、基板１００上にゲート電極層１０３、ゲート絶縁層１０５、
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。
【００３５】
ここで、ボトムゲート構造のトランジスタにおいて、ゲート電極層に重畳し、且つ互いに
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。
【００３６】
薄膜トランジスタ２０１は、酸化物半導体層２０７のバックチャネル、並びにソース電極
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。
【００３７】
検知素子となる薄膜トランジスタ１０１のバックチャネルと接する絶縁層１１１には、吸
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。
【００３８】
また、検知素子となる薄膜トランジスタ１０１のバックチャネルを、吸水性を有する絶縁
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。
【００３９】
一方、検出回路を構成する薄膜トランジスタ２０１のバックチャネルと接する保護絶縁層
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。
【００４０】
以上のような構成とすることにより、湿度の検知素子となる薄膜トランジスタ１０１と、
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。
【００４１】
以下、図２を用いて、同一基板上に薄膜トランジスタ１０１及び薄膜トランジスタ２０１
を作製する工程を説明する。
【００４２】
まず、絶縁表面を有する基板１００上に、導電層を形成した後、第１のフォトリソグラフ
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。
【００４３】
なお、ゲート電極層１０３及びゲート電極層２０３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。
【００４４】
基板１００は絶縁表面を有すればよく、大きな制限はないが、後の工程で加熱処理を行う
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。
【００４５】
ゲート電極層１０３及びゲート電極層２０３を形成する導電層の材料としては、モリブデ
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。
【００４６】
本実施の形態では、ゲート電極層１０３及びゲート電極層２０３を形成する導電層として
、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。
【００４７】
なお、基板１００とゲート電極層１０３及びゲート電極層２０３の間に、下地層となる絶
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。
【００４８】
また、下地として機能する絶縁膜を、後に形成する酸化物半導体膜とは異なる材料を含む
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。
【００４９】
続いて、ゲート電極層１０３及びゲート電極層２０３と、基板の露出した部分とを覆うよ
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。
【００５０】
本実施の形態ではゲート絶縁層１０５として単層の酸化珪素膜を用いたが、ゲート絶縁層
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。
【００５１】
この段階の断面概略図を図２（Ａ）に示す。
【００５２】
続いて、酸化物半導体層１０７及び酸化物半導体層２０７を形成する。
【００５３】
酸化物半導体層１０７及び酸化物半導体層２０７に用いる材料としては、四元系金属酸化
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。
【００５４】
酸化物半導体膜は、非単結晶であり、且つ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。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。
【００５５】
また、酸化物半導体層１０７及び酸化物半導体層２０７は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）
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
。
【００５６】
また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組
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。
【００５７】
また、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は、スパ
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。
【００５８】
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法
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。
【００５９】
また、酸化物半導体膜の成膜前に、不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネオン、
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。
【００６０】
酸化物半導体膜を成膜後、第２のフォトリソグラフィ工程により、酸化物半導体層１０７
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。
【００６１】
なお、酸化物半導体層１０７及び酸化物半導体層２０７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。
【００６２】
酸化物半導体層１０７及び酸化物半導体層２０７を形成した後、第１の加熱処理を行って
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。
【００６３】
第１の加熱処理の温度を３５０℃以上にすることにより、酸化物半導体層１０７及び酸化
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。
【００６４】
第１の加熱処理を行う雰囲気としては、窒素、または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴ
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。
【００６５】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱
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。
【００６６】
本実施の形態では、第１の加熱処理として、ＧＲＴＡ装置を用い、窒素雰囲気下で６５０
℃、６分の加熱処理を行った。
【００６７】
次に、ソース電極層１０９ａ、ドレイン電極層１０９ｂ、ソース電極層２０９ａ、及びド
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。
【００６８】
ＳＤ電極層に用いる材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗか
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。
【００６９】
本実施の形態では、ＳＤ電極に用いる導電層として、１５０ｎｍのＴｉ膜をスパッタリン
グ法を用いて成膜した。
【００７０】
続いて第３のフォトリソグラフィ工程により、ソース電極層１０９ａ、ドレイン電極層１
０９ｂ、ソース電極層２０９ａ、及びドレイン電極層２０９ｂが形成される。
【００７１】
なお、ソース電極層１０９ａ、ドレイン電極層１０９ｂ、ソース電極層２０９ａ、及びド
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。
【００７２】
なお、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の露出
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。
【００７３】
この段階の断面概略図を図２（Ｃ）に示す。
【００７４】
続いて、検出回路を構成する薄膜トランジスタのバックチャネルと接する保護絶縁層２１
３を形成する。
【００７５】
保護絶縁層２１３には、水分を透過しない膜を用いることができる。例えば窒化珪素膜な
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。
【００７６】
また、保護絶縁層２１３は酸化物半導体層２０７と接するため、できるだけ水素が含まれ
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。
【００７７】
また、保護絶縁層２１３の酸化物半導体層２０７と接する膜は、酸化物絶縁膜で形成する
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。
【００７８】
本実施の形態では、保護絶縁層２１３に用いる絶縁膜として、膜厚２０ｎｍの酸化珪素膜
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。
【００７９】
その後、第４のフォトリソグラフィ工程により、保護絶縁層２１３が形成される。この段
階の断面概略図を図２（Ｄ）に示す。
【００８０】
なお、保護絶縁層２１３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。
【００８１】
保護絶縁層２１３を形成した後、第２の加熱処理を行っても良い。第２の加熱処理の温度
、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。
【００８２】
続いて、酸化物半導体層１０７と接し、吸水性を有する絶縁層１１１を形成する。
【００８３】
吸水性を有する絶縁層１１１としては、被測定雰囲気の湿度による水分を吸収する膜を用
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。
【００８４】
本実施の形態では、絶縁層１１１として、スピンコートによりポリイミドを塗布し、３０
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。
【００８５】
なお、絶縁層１１１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スピンコート、デ
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。
【００８６】
なお、本実施の形態では吸水性を有する絶縁層１１１が酸化物半導体層１０７と接する構
成としたが、これらの間に空間があっても良い。
【００８７】
以上の工程により、湿度センサの検知素子となる薄膜トランジスタ１０１と、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。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。
【００８８】
なお、図１（Ｂ）に示すような、吸水性を有する絶縁層１１１のない薄膜トランジスタ１
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。
【００８９】
なお、本実施の形態ではトップコンタクト型の薄膜トランジスタを作製したが、図１（Ｃ
）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。
【００９０】
なお、図示しないが、上記のようなボトムコンタクト型の薄膜トランジスタとした場合で
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。
【００９１】
なお、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構成について説明したが
、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。
【００９２】
上記のようなガスを検知する場合、検知素子となる薄膜トランジスタのバックチャネルを
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。
【００９３】
以上のように同一基板上にガスセンサの検知素子となる薄膜トランジスタと、検出回路を
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。
【００９４】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【００９５】
（実施の形態２）
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。
【００９６】
図３は、本実施の形態における湿度センサ回路の一構成例である。
【００９７】
湿度センサ３００は、トランジスタ３０１、トランジスタ３１１、トランジスタ３１２、
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。
【００９８】
トランジスタ３１１は第１端子とゲート電極が電源線３２０に接続され、第２端子がトラ
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。
【００９９】
湿度センサ３００において、トランジスタ３１２及びトランジスタ３１３のそれぞれの第
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。
【０１００】
トランジスタ３０１は湿度センサの検知素子であり、実施の形態１に示した薄膜トランジ
スタ１０１と同じ構成のものを用いる。
【０１０１】
一方、トランジスタ３１１、トランジスタ３１２、及びトランジスタ３１３は実施の形態
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。
【０１０２】
従ってこの湿度センサ３００が被測定雰囲気下に置かれると、被測定雰囲気の湿度に対応
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。
【０１０３】
なお、本実施の形態では、湿度センサ３００を構成する全てのトランジスタのサイズは同
じとする。
【０１０４】
次に回路動作について説明する。湿度センサ３００の電源線３２０には、電源電圧Ｖｉｎ
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。
【０１０５】
ここで、トランジスタ３１２を流れる電流の全てはトランジスタ３１１を流れる。またト
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。
【０１０６】
さらに、トランジスタ３１１とトランジスタ３１２は等しいサイズのトランジスタである
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。
【０１０７】
このとき、トランジスタ３０１に着目すると、トランジスタ３０１のゲートとソース（第
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。
【０１０８】
ここで、被測定雰囲気の湿度に応じて、トランジスタ３０１のしきい値電圧がΔＶだけ下
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。
【０１０９】
またこのとき、トランジスタ３１３のソースとドレインの間の電圧はΔＶだけ下がるが、
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。
【０１１０】
以上のように、検知素子となるトランジスタ３０１のしきい値電圧が、被測定雰囲気の湿
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。
【０１１１】
以上のような湿度センサを用いることにより、被測定雰囲気の湿度の変化を出力電圧の変
化として検出することができる。
【０１１２】
なお、本実施の形態では検知素子となるトランジスタ３０１を実施の形態１で示した薄膜
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。
【０１１３】
なお、本実施の形態では湿度センサの回路構成として図３の回路を用いたが、これに限ら
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。
【０１１４】
また、本実施の形態では、湿度センサ３００を構成する全てのトランジスタのサイズが等
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。
【０１１５】
なお、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回路構成について説明し
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
。
【０１１６】
以上のようなガスセンサを用いることにより、単一の作製工程で作製したｎチャネル型の
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。
【０１１７】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０１１８】
（実施の形態３）
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。
【０１１９】
図４は、本発明のＲＦタグの一形態を示すブロック図である。図４において、ＲＦタグ１
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。
【０１２０】
次いで、ＲＦタグ１０００の動作の一例について説明する。質問器から電波が送られてく
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。
【０１２１】
復調回路１００５は、アンテナ回路１００１が受信した交流信号を復調して、後段の論理
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。
【０１２２】
湿度センサ３００は実施の形態２で示した回路を使用することができる。従って、論理回
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。
【０１２３】
変換回路１０１３は湿度センサ３００から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換
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。
【０１２４】
論理回路１０１１は変換回路１０１３から入力された信号を解析し、その結果を変調回路
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。
【０１２５】
このようにＲＦタグ１０００と質問器との通信は、キャリア（搬送波）として用いる電波
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
。
【０１２６】
信号の伝送方式は、キャリアの波長によって電磁結合方式、電磁誘導方式、マイクロ波方
式など様々な種類に分類することができる。
【０１２７】
本実施の形態では、湿度センサ３００が上記実施の形態に示した構成を有しており、低コ
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。
【０１２８】
また、ＲＦタグ１０００を構成している回路の一部を、実施の形態１で示した薄膜トラン
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。
【０１２９】
なお、本実施の形態ではアンテナ回路１００１を有するＲＦタグ１０００の構成について
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。
【０１３０】
なお、本実施の形態ではＲＦタグに搭載するセンサに湿度センサを用いる構成について説
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。
【０１３１】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【実施例１】
【０１３２】
本実施例では、本発明の一形態のガスセンサのひとつである湿度センサの、検知素子とな
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。
【０１３３】
ガラス基板上に下地膜として、プラズマＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍの窒化珪素膜を形
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。
【０１３４】
次に、ゲート電極層上にゲート絶縁膜としてプラズマＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍの酸
化窒化珪素膜を形成した。
【０１３５】
次に、ゲート絶縁膜上に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３
：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。
【０１３６】
次に、大気雰囲気下、３５０℃で１時間、熱処理を行った。
【０１３７】
次に、酸化物半導体層上にソース電極層及びドレイン電極層としてチタン膜（厚さ１００
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。
【０１３８】
次に、吸水性を有する絶縁層として、ポリイミド膜を成膜した。ポリイミド膜はスピンコ
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。
【０１３９】
以上の工程により、チャネル長Ｌの長さを２０μｍ、チャネル幅Ｗの長さを２０μｍとす
るトランジスタをガラス基板上に作製した。
【０１４０】
次に本実施例のトランジスタについて、湿度環境を変化させ、電気特性を測定した結果を
説明する。
【０１４１】
まず、作製したトランジスタの初期特性を測定するため、常温常湿下において、ソース−
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。
【０１４２】
次に、恒温槽を用いて温度８５℃、湿度８５％の環境で、上記トランジスタが形成された
基板を６０時間保存した。
【０１４３】
恒温槽から基板を取り出した後、基板を常温まで冷却し、常温常湿下において初期特性と
同様の条件でＩＤ−ＶＧ特性を測定した。
【０１４４】
その後、基板を乾燥させるため、ホットプレートを用いて１５０℃、１時間のベーク処理
を行った。
【０１４５】
その後、ホットプレートから取り出し、基板を常温まで冷却し、常温常湿下において初期
特性と同様の条件でＩＤ−ＶＧ特性を測定した。
【０１４６】
図５に、測定したＩＤ−ＶＧ特性を示す。図５において、横軸はゲート電圧（ＶＧ）であ
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。
【０１４７】
図５の実線５０１は、トランジスタのＩＤ−ＶＧ特性の初期特性であり、一点鎖線５０２
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。
【０１４８】
なお、これらＩＤ−ＶＧ特性の測定において、本実施例のトランジスタはオフ領域（ｎチ
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。
【０１４９】
図５から、湿度８５％の環境下で保存した特性である５０２は、初期特性である５０１に
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。
【０１５０】
以上のことから、本実施例のトランジスタは湿度に対しそのしきい値電圧がマイナスシフ
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。
【実施例２】
【０１５１】
本実施例では、実施の形態２で示した回路を用いて、入出力特性について計算した結果に
ついて示す。
【０１５２】
入出力特性は、図３に示す構成の回路について計算を行った。
【０１５３】
本実施例では、図３に示すセンサ回路を構成するトランジスタ３０１、トランジスタ３１
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。
【０１５４】
入出力特性は、電圧電源線３２０の電圧を０Ｖ〜１０Ｖまで変化させたときの、出力端子
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。
【０１５５】
図６（Ａ）に計算結果を示す。図６（Ａ）の横軸は電源線の電圧Ｖｉｎであり、縦軸はＶ
ｉｎに対する出力端子３５０の電圧Ｖｏｕｔを示している。
【０１５６】
図６（Ａ）において、６０１〜６０６は、それぞれトランジスタ３０１のＶｔｈを１．６
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。
【０１５７】
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるＶｉｎ＝５ＶのときのＶｏｕｔを、トランジスタ３０
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。
【０１５８】
図６（Ｂ）から、Ｖｉｎを５Ｖとしたとき、出力電圧ＶｏｕｔはＶｔｈに対してほぼ線形
に推移することが確認できた。
【０１５９】
以上のように本実施例のセンサ回路は、検知素子として機能するトランジスタのしきい値
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。
【符号の説明】
【０１６０】
１００  基板
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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