ガスセンサ、及びガスセンサの作製方法
【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。
【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。
【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１０１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１０１、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１０５、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１０１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−Ｚｎ−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＝１５：１〜１．５：１（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１００ｎｍ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 Ａｎｎｅａｌ）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、Ｓｃ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１０９ｂ、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２１３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２０７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、３００℃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１２１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３２４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１０００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１０１３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１００５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１０１１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１００９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８０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源５ｋＷ、アルゴン及び酸素（アルゴン：酸素＝５０ｓｃｃｍ：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１００ｎｍ）、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２０μｍ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３１１、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３０１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Ｖｉｎ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１．６Ｖ〜−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Ｖｏｕｔ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３０１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
【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１０１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１０１、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１０５、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１０１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−Ｚｎ−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＝１５：１〜１．５：１（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１００ｎｍ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 Ａｎｎｅａｌ）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、Ｓｃ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１０９ｂ、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２１３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２０７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、３００℃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１２１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３２４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１０００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１０１３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１００５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１０１１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１００９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８０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源５ｋＷ、アルゴン及び酸素（アルゴン：酸素＝５０ｓｃｃｍ：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１００ｎｍ）、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２０μｍ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３１１、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３０１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Ｖｉｎ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１．６Ｖ〜−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Ｖｏｕｔ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３０１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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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し、
前記第１のトランジスタは前記絶縁表面上に第１のゲート電極層と、
前記第１のゲート電極層上にゲート絶縁層と、
前記第１のゲート電極層と重なり、一方の面を前記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、
前記第１の酸化物半導体層と接し、前記第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、を有し、
前記第２のトランジスタは前記絶縁表面上に第２のゲート電極層と、
前記第２のゲート電極層上に前記ゲート絶縁層と、
前記第２のゲート電極層と重なり、一方の面を前記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、
前記第２の酸化物半導体層と接し、前記第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、ガスセンサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の酸化物半導体層と前記雰囲気との間に、前記雰囲気と接し、ガス透過性を有する絶縁層を有する、ガスセンサ。
【請求項３】
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、
前記第１のゲート電極層と前記第２のゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層上に、
前記第１のゲート電極層と重なる第１の酸化物半導体層と、
前記第２のゲート電極層と重なる第２の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層と接し、前記第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、
前記第２の酸化物半導体層と接し、前記第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、を形成し、
前記第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。
【請求項４】
請求項３において、
前記保護絶縁層を形成した後に、
前記第１の酸化物半導体層上に、前記雰囲気と接し、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。
【請求項１】
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し、
前記第１のトランジスタは前記絶縁表面上に第１のゲート電極層と、
前記第１のゲート電極層上にゲート絶縁層と、
前記第１のゲート電極層と重なり、一方の面を前記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、
前記第１の酸化物半導体層と接し、前記第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、を有し、
前記第２のトランジスタは前記絶縁表面上に第２のゲート電極層と、
前記第２のゲート電極層上に前記ゲート絶縁層と、
前記第２のゲート電極層と重なり、一方の面を前記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、
前記第２の酸化物半導体層と接し、前記第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、ガスセンサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の酸化物半導体層と前記雰囲気との間に、前記雰囲気と接し、ガス透過性を有する絶縁層を有する、ガスセンサ。
【請求項３】
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、
前記第１のゲート電極層と前記第２のゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層上に、
前記第１のゲート電極層と重なる第１の酸化物半導体層と、
前記第２のゲート電極層と重なる第２の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層と接し、前記第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、
前記第２の酸化物半導体層と接し、前記第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、を形成し、
前記第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。
【請求項４】
請求項３において、
前記保護絶縁層を形成した後に、
前記第１の酸化物半導体層上に、前記雰囲気と接し、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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１８１６１（Ｐ２０１２−１８１６１Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２９０６４（Ｐ２０１１−１２９０６４）
【出願日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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