JPS6290980A - イオン検出素子及びイオン検出アレイ - Google Patents
イオン検出素子及びイオン検出アレイInfo
- Publication number
- JPS6290980A JPS6290980A JP60128639A JP12863985A JPS6290980A JP S6290980 A JPS6290980 A JP S6290980A JP 60128639 A JP60128639 A JP 60128639A JP 12863985 A JP12863985 A JP 12863985A JP S6290980 A JPS6290980 A JP S6290980A
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- JP
- Japan
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- layer
- ion
- electrode
- ion beam
- silicon substrate
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、イオンを直接検出して電気信号に変換するこ
とのできるイオン検出素子及びイオン検出アレイに関す
る。
とのできるイオン検出素子及びイオン検出アレイに関す
る。
〈従来の技術）
従来より、イオンビームを用いる装置として、質は分析
計（マス・スペクトルメータ、略してＭＳ）が知られて
いる。′Ｒｍ分析計は、イオン（電気を帯びた原子又は
分子）を一定の速度で加速して磁場の中を通過させてや
ると、そのイオンの持っている質撮数に応じて軌道が曲
げられるという性質を利用したものである。
計（マス・スペクトルメータ、略してＭＳ）が知られて
いる。′Ｒｍ分析計は、イオン（電気を帯びた原子又は
分子）を一定の速度で加速して磁場の中を通過させてや
ると、そのイオンの持っている質撮数に応じて軌道が曲
げられるという性質を利用したものである。
第４図は質ａ分析計の動作原理を示す図である。
加速器１でイオンを加速して一定の速度にし、真空の一
様…場Ｂφ中を通過させると、通過するイオンはその質
量によって図に示すように軌道を変化させる。そこで、
イオン検出器Ｅａ、Ｉｂ、ＩＣを軌道の種類に応じて予
め配置しておくとイオンの種類を検出することができる
。
様…場Ｂφ中を通過させると、通過するイオンはその質
量によって図に示すように軌道を変化させる。そこで、
イオン検出器Ｅａ、Ｉｂ、ＩＣを軌道の種類に応じて予
め配置しておくとイオンの種類を検出することができる
。
質量分析計においては、イオンを検出して質量分析を行
う必要性からイオンを検出する必要がある。従来、イオ
ン乃至はイオンビーム検出に用いられるイオン検出器と
しては、２次電子放出を利用したものが用いられている
。
う必要性からイオンを検出する必要がある。従来、イオ
ン乃至はイオンビーム検出に用いられるイオン検出器と
しては、２次電子放出を利用したものが用いられている
。
２次電子放出を利用する方法とは、イオンビームが物体
に＠射されると、物体から２次電子が放出される。この
放出２次電子の量は、イオンビームの恐に比例すること
から、間接的にイオンビームを検出するようにしたもの
である。
に＠射されると、物体から２次電子が放出される。この
放出２次電子の量は、イオンビームの恐に比例すること
から、間接的にイオンビームを検出するようにしたもの
である。
（発明が解決しようとする問題点）
この２次電子放出を利用するためには、２次電子増倍管
のように２次電子を増倍する電極（ダイノード）を複数
段設けて信号増幅を行う必要がある。従って、検出器が
大形になる。更に、このような検出方式ではイオンビー
ムを直接受ける方式でないのでイオンビームの空間内拡
がりを検出することができない。又、イオンの速度や種
類によって、２次電子放出効率が変化してしまい、全て
のイオンを同一感度で検出することができなかった。
のように２次電子を増倍する電極（ダイノード）を複数
段設けて信号増幅を行う必要がある。従って、検出器が
大形になる。更に、このような検出方式ではイオンビー
ムを直接受ける方式でないのでイオンビームの空間内拡
がりを検出することができない。又、イオンの速度や種
類によって、２次電子放出効率が変化してしまい、全て
のイオンを同一感度で検出することができなかった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであって、
その目的は、直接イオンビームを検出できるようにして
、イオンビームの空間内拡がりも検出できるようにした
イオン検出素子及びイオン検出アレイを実現することに
ある。
その目的は、直接イオンビームを検出できるようにして
、イオンビームの空間内拡がりも検出できるようにした
イオン検出素子及びイオン検出アレイを実現することに
ある。
（問題点を解決するための手段）
前記した問題点を解決する第１の発明は、シリコン基板
と、該シリコン基板の上に形成されたＳｉ ０２ ＆Ｓ
！ ｓ Ｎ４の２重層（ＭＮＯＳ）と、該２重層の両端
に設けられた電流信号取出し用電極とＳｉ３Ｎ４層表面
に設けられたバイアス電圧印加用電極とにより構成され
てなることを特徴とするものであり、第２の発明は、５
Ｉ０２とＳｉ３Ｎ４の２重層（ＭＮＯＳ）と、該２重層
の両端に設けられた電流信号取出し用Ｎ極とＳｉ ３
Ｎ４層表面に設けられたバイアス電圧印加用電極とによ
り構成されたセルをシリコン基板上に複数明記してなる
ことを特徴とするものである。
と、該シリコン基板の上に形成されたＳｉ ０２ ＆Ｓ
！ ｓ Ｎ４の２重層（ＭＮＯＳ）と、該２重層の両端
に設けられた電流信号取出し用電極とＳｉ３Ｎ４層表面
に設けられたバイアス電圧印加用電極とにより構成され
てなることを特徴とするものであり、第２の発明は、５
Ｉ０２とＳｉ３Ｎ４の２重層（ＭＮＯＳ）と、該２重層
の両端に設けられた電流信号取出し用Ｎ極とＳｉ ３
Ｎ４層表面に設けられたバイアス電圧印加用電極とによ
り構成されたセルをシリコン基板上に複数明記してなる
ことを特徴とするものである。
本発明の原理は、半導体内に捕獲される電子又は正孔の
増減を測定することによりイオンを検出するものである
。即ち、電荷の中和を測定する方式のために、イオンの
種類や速度に影響されないという特長がある。更に、イ
オン捕獲用の半導体セルは、シリコン（Ｓｉ ）ウェー
ハ（基板）上に集積回路として作ることができるために
、イオンビームの空間内拡がりを数ミクロン単位で検出
することができ、応答速度もマイクロ秒である。
増減を測定することによりイオンを検出するものである
。即ち、電荷の中和を測定する方式のために、イオンの
種類や速度に影響されないという特長がある。更に、イ
オン捕獲用の半導体セルは、シリコン（Ｓｉ ）ウェー
ハ（基板）上に集積回路として作ることができるために
、イオンビームの空間内拡がりを数ミクロン単位で検出
することができ、応答速度もマイクロ秒である。
（実施例）
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。
。
第１図は本発明に係るイオン検出素子の一実施例を示す
構成図である。図において、１１はベースとなるシリコ
ン基板（ウェーハ）、１２はシリコン基板１１の上に形
成された５ｉＯｚ（２酸化シリコン）層、１３はＲＳ
ｆ ０２層１２の上に形成された５ＩｓＮ４ ＜４窒化
ケイ素）層である。
構成図である。図において、１１はベースとなるシリコ
ン基板（ウェーハ）、１２はシリコン基板１１の上に形
成された５ｉＯｚ（２酸化シリコン）層、１３はＲＳ
ｆ ０２層１２の上に形成された５ＩｓＮ４ ＜４窒化
ケイ素）層である。
５ｔＯ２層１２の厚さとしては例えば２０人、Ｓｉ３Ｎ
４層１３の厚さとしては例えば５００人程度が用いられ
る。５ｉＯｚ層１２とＳＩ３Ｎ４層１３より構成される
２重層は、ＭＮＯＳ （ＭｅｔａｌＮ １ｔｒｉｄｅ
Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ＞と呼ば
れるものである。
４層１３の厚さとしては例えば５００人程度が用いられ
る。５ｉＯｚ層１２とＳＩ３Ｎ４層１３より構成される
２重層は、ＭＮＯＳ （ＭｅｔａｌＮ １ｔｒｉｄｅ
Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ＞と呼ば
れるものである。
１４．１５はそれぞれＭＮＯ８２重層の両端に取イ４け
られた電極取出し用アルミ（△ｆり＠、１６はＭＮＯ８
２Φ層の上部に取付けられた電極取出し用アルミ層、１
７．１８はＭＮＯ３２重層の両側に形成されたＳ！Ｏｚ
＠である。Ｄはアルミ層１４から引出さ札たドレイン電
極、Ｓはアルミ層１５から引出されたソース電極、Ｒは
アルミ層１６から引出されたバイアス電圧印加用ゲート
電極（リセット電Ｎｉ） 、１９．２０＋、ｔＭＮＯ８
２Ｉ層の下部であって且つ両側のシリコン基板１１内に
形成されたＰ十拉致層である。このように構成された装
置の動作を説明すれば、以下の通りである。
られた電極取出し用アルミ（△ｆり＠、１６はＭＮＯ８
２Φ層の上部に取付けられた電極取出し用アルミ層、１
７．１８はＭＮＯ３２重層の両側に形成されたＳ！Ｏｚ
＠である。Ｄはアルミ層１４から引出さ札たドレイン電
極、Ｓはアルミ層１５から引出されたソース電極、Ｒは
アルミ層１６から引出されたバイアス電圧印加用ゲート
電極（リセット電Ｎｉ） 、１９．２０＋、ｔＭＮＯ８
２Ｉ層の下部であって且つ両側のシリコン基板１１内に
形成されたＰ十拉致層である。このように構成された装
置の動作を説明すれば、以下の通りである。
第１図に示ｔ Ｍ Ｎ ＯＳ構造のイオン検出セルのヒ
ステリシス特性（状８遷移特性）を示すと第２図に示す
ようなものとなる。図において、横軸はゲート・ソース
間電圧Ｒを、縦軸はドレイン電流が流れ出すトレイン電
極りの単位（閾値電圧）ｖｔｈをそれぞれ示す。第１図
に示すイオン検出セルのゲートＲとソースＳ間に電圧Ｖ
Ｒを印加し、ＶＲを正方向及び負方向に変化させるとＭ
ＮＯ８セルの状態は図のａ点から矢印方向にａ−＋ ｂ
−＞Ｃ→ｄ→ａという遷移のヒステリシスループを描く
。
ステリシス特性（状８遷移特性）を示すと第２図に示す
ようなものとなる。図において、横軸はゲート・ソース
間電圧Ｒを、縦軸はドレイン電流が流れ出すトレイン電
極りの単位（閾値電圧）ｖｔｈをそれぞれ示す。第１図
に示すイオン検出セルのゲートＲとソースＳ間に電圧Ｖ
Ｒを印加し、ＶＲを正方向及び負方向に変化させるとＭ
ＮＯ８セルの状態は図のａ点から矢印方向にａ−＋ ｂ
−＞Ｃ→ｄ→ａという遷移のヒステリシスループを描く
。
同図中に示す（Ｉ）から（ｒＶ）までの図は各層に蓄積
されている電子又は正孔を示している。
されている電子又は正孔を示している。
今、ＭＮＯＳセルの状態が第２図のａ点にあるものとす
る。この状態で角イオンビームがＳｉ３Ｎ４層１３の表
面に照射されると、基板１１からの正孔はＳｉ０２層１
２を通って該Ｓｉ ０２層１２とＳ！ ３Ｎ４層１３と
の境界面に捕獲される。
る。この状態で角イオンビームがＳｉ３Ｎ４層１３の表
面に照射されると、基板１１からの正孔はＳｉ０２層１
２を通って該Ｓｉ ０２層１２とＳ！ ３Ｎ４層１３と
の境界面に捕獲される。
今、所定の負電位ｖｔｈをドレイン電極りに印加すると
、前記正孔が基板１１上に作る電荷を打消すに十分大き
なドレイン電流が流れ始める。
、前記正孔が基板１１上に作る電荷を打消すに十分大き
なドレイン電流が流れ始める。
次にゲート・ソース間電圧ＶＲを正方向に増大させると
状態はａ点からｂ点まで移動する。状態がｂ点にある時
に、Ｓ！３Ｎ＋Ｒ１３に正イオンが照射されると、ゲー
ト・ソース間電圧ＶＲを更に正方向に増大させたのと同
様の効果を生ぜしめ（即も、Ｓ！ ３Ｎ４層１３表面の
正電位が増し）、５１０２層１２と５１ｓＮ４層１３と
の境界面に電子が捕獲され、０点に状態が移りこの点で
安定する。ＭＮＯＳセルの状態が０点にある場合には、
ドレイン電流は流れない。
状態はａ点からｂ点まで移動する。状態がｂ点にある時
に、Ｓ！３Ｎ＋Ｒ１３に正イオンが照射されると、ゲー
ト・ソース間電圧ＶＲを更に正方向に増大させたのと同
様の効果を生ぜしめ（即も、Ｓ！ ３Ｎ４層１３表面の
正電位が増し）、５１０２層１２と５１ｓＮ４層１３と
の境界面に電子が捕獲され、０点に状態が移りこの点で
安定する。ＭＮＯＳセルの状態が０点にある場合には、
ドレイン電流は流れない。
次にゲート・ソース間電圧ＶＲを負方向に変化させると
ＭＮＯＳセルの状態は０点から矢印方向に移動してｄ点
に達する。ａ点に来ると、基板１１上にはＰ−Ｆ−ヤネ
ルが形成されかける。この状態で、Ｓｔ ３ Ｎ４層１
３表面に負イオンビームが照射されるとＰチャネ、ルが
形成される。このようにして基板１１上にＰチャネルが
形成されると、ゲート・ソース間電圧ＶＲを更に負方向
に増大させたのと同様の効果を生ぜしめ、再びドレイン
電流が流れ始め、状態はｄ点からａ点に移動する。この
ように、本発明によれば、ＶＲ対ｖｔｈのヒステリシス
特性を利用してイオンビームの有無を検出１”ることが
でき、ＭＮＯＳセルの状態をｂ点から０点へ移動させる
ことにより正イオンを検出することができ、ｄ点からａ
点に移動させることにより負イオンを検出することがで
きる。
ＭＮＯＳセルの状態は０点から矢印方向に移動してｄ点
に達する。ａ点に来ると、基板１１上にはＰ−Ｆ−ヤネ
ルが形成されかける。この状態で、Ｓｔ ３ Ｎ４層１
３表面に負イオンビームが照射されるとＰチャネ、ルが
形成される。このようにして基板１１上にＰチャネルが
形成されると、ゲート・ソース間電圧ＶＲを更に負方向
に増大させたのと同様の効果を生ぜしめ、再びドレイン
電流が流れ始め、状態はｄ点からａ点に移動する。この
ように、本発明によれば、ＶＲ対ｖｔｈのヒステリシス
特性を利用してイオンビームの有無を検出１”ることが
でき、ＭＮＯＳセルの状態をｂ点から０点へ移動させる
ことにより正イオンを検出することができ、ｄ点からａ
点に移動させることにより負イオンを検出することがで
きる。
尚、状態の読出しには、適当な電圧（図に示す閾値電圧
ｖｔｈ とｖｔｈ の中間の電圧ＶＲ）をゲート電
１ｉＲに与えた時、ドレイン電流が流れるがどうかで知
ることができる。即ち、ドレイン電流が流れたら状態は
ｄ点にあったことになるので、正イオンを検出したこと
になる。ドレイン電流が流れない時には状態はａ点にあ
ったことになるので、負イオンを検出したことになる。
ｖｔｈ とｖｔｈ の中間の電圧ＶＲ）をゲート電
１ｉＲに与えた時、ドレイン電流が流れるがどうかで知
ることができる。即ち、ドレイン電流が流れたら状態は
ｄ点にあったことになるので、正イオンを検出したこと
になる。ドレイン電流が流れない時には状態はａ点にあ
ったことになるので、負イオンを検出したことになる。
第１図に示すイオン検出素子をリセット・する場合には
、以下のような操作を行えばよい。正イオンを検出する
場合にはゲート・ソース間電圧Ｖｌ！を変えて状態をｂ
点に移動し、負イオンを検出する場合には状態をｄ点に
移動すればよい。このようなイオンビーム検出状態の読
出しとリセットにマイクロプロセッサを用いれば、一般
のＩＣメモリと同様、高速動作が可能になる。
、以下のような操作を行えばよい。正イオンを検出する
場合にはゲート・ソース間電圧Ｖｌ！を変えて状態をｂ
点に移動し、負イオンを検出する場合には状態をｄ点に
移動すればよい。このようなイオンビーム検出状態の読
出しとリセットにマイクロプロセッサを用いれば、一般
のＩＣメモリと同様、高速動作が可能になる。
第１図に示すイオン検出セルを、第３図に示すように２
次元方向に複数個配列することにより、イオンビームの
空間内拡がりも検出することができる。図に示すイオン
検出アレイは、シリコン基板３０上に第１図に示すよう
なイオン検出セルを複数個マド・リクス状に配列する。
次元方向に複数個配列することにより、イオンビームの
空間内拡がりも検出することができる。図に示すイオン
検出アレイは、シリコン基板３０上に第１図に示すよう
なイオン検出セルを複数個マド・リクス状に配列する。
この状態で、図に示すようなイオンビームＢ１を照射す
ると、該イオンビームＢｉの照射を受けるイオン検出セ
ル（図の斜線領域）からイオンを検出した旨の信号を取
出すことができる。各セルからのイオン検出信号を合算
することによりイオンビームＢｉの空間内拡がりを検出
することができる。
ると、該イオンビームＢｉの照射を受けるイオン検出セ
ル（図の斜線領域）からイオンを検出した旨の信号を取
出すことができる。各セルからのイオン検出信号を合算
することによりイオンビームＢｉの空間内拡がりを検出
することができる。
（発明の効果）
以上詳細に説明したように、本発明によれば、シリコン
基板上にＭＮＯＳ層を形成することによりイオンビーム
を正確且つ確実に検出することのできるイオン検出素子
を実現することができ、このイオン検出素子をマトリク
ス状に複数個配列することにより、イオンビームの空間
内拡がりも検出することができるイオン検出アレイを実
現することができる。本発明によれば、検出セルをμｍ
オーダで作成することができるので７ツタ（Ｍ ａｔｔ
ａｕｃｈ ）形分析器の乾板の代わりに使用することが
でき、しがも高分解能且つ高速のサンプリングができる
。
基板上にＭＮＯＳ層を形成することによりイオンビーム
を正確且つ確実に検出することのできるイオン検出素子
を実現することができ、このイオン検出素子をマトリク
ス状に複数個配列することにより、イオンビームの空間
内拡がりも検出することができるイオン検出アレイを実
現することができる。本発明によれば、検出セルをμｍ
オーダで作成することができるので７ツタ（Ｍ ａｔｔ
ａｕｃｈ ）形分析器の乾板の代わりに使用することが
でき、しがも高分解能且つ高速のサンプリングができる
。
第１図は第１の発明の一実施例を示す構成図、第２図は
ＭＮＯＳの状態遷移図、第３図は第２の発明の一実施例
を示す構成図、第４図は質隋分析装置の原理説明図であ
る。 １・・・加算器 １１．３０・・・シリコン基板 １２Ｓｉ ０２ ｔｌｌ １３・”Ｓｉ ｓ Ｎ
４層１４〜１６・・・アルミ層 １７．１８・・・５ｉＯｚ層 １９．２０・・・Ｐ十拉致層 ！ａ〜［・・・イオン検出器 Ｂφ・・・磁場 Ｒ，Ｓ、Ｄ・・・を楊特許出
願人 日本電子株式会社 代 理 人 弁理士 井島藤治 外１名 第１ 図 １１；シリコンウェーハ 負町２図
ＭＮＯＳの状態遷移図、第３図は第２の発明の一実施例
を示す構成図、第４図は質隋分析装置の原理説明図であ
る。 １・・・加算器 １１．３０・・・シリコン基板 １２Ｓｉ ０２ ｔｌｌ １３・”Ｓｉ ｓ Ｎ
４層１４〜１６・・・アルミ層 １７．１８・・・５ｉＯｚ層 １９．２０・・・Ｐ十拉致層 ！ａ〜［・・・イオン検出器 Ｂφ・・・磁場 Ｒ，Ｓ、Ｄ・・・を楊特許出
願人 日本電子株式会社 代 理 人 弁理士 井島藤治 外１名 第１ 図 １１；シリコンウェーハ 負町２図
Claims (2)
- （１）シリコン基板と、該シリコン基板の上に形成され
たＳｉＯ＿２とＳｉ＿３Ｎ＿４の２重層（ＭＮＯＳ）と
、該２重層の両端に設けられた電流信号取出し用電極と
Ｓｉ＿３Ｎ＿４層表面に設けられたバイアス電圧印加用
電極とにより構成されてなるイオン検出素子。 - （２）ＳｉＯ＿２とＳｉ＿３Ｎ＿４の２重層（ＭＮＯＳ
）と、該２重層の両端に設けられた電流信号取出し用電
極とＳｉ＿３Ｎ＿４層表面に設けられたバイアス電圧印
加用電極とにより構成されたセルをシリコン基板上に複
数個配してなるイオン検出アレイ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60128639A JPS6290980A (ja) | 1985-06-13 | 1985-06-13 | イオン検出素子及びイオン検出アレイ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60128639A JPS6290980A (ja) | 1985-06-13 | 1985-06-13 | イオン検出素子及びイオン検出アレイ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6290980A true JPS6290980A (ja) | 1987-04-25 |
Family
ID=14989791
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60128639A Pending JPS6290980A (ja) | 1985-06-13 | 1985-06-13 | イオン検出素子及びイオン検出アレイ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6290980A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4974565A (en) * | 1988-02-26 | 1990-12-04 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel swirl generation type fuel injection valve and direct fuel injection type spark ignition internal combustion engine mounted with the fuel injection valve |
| US5058549A (en) * | 1988-02-26 | 1991-10-22 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel swirl generation type fuel injection valve and direct fuel injection type spark ignition internal combustion engine |
| WO2015029449A1 (ja) * | 2013-08-30 | 2015-03-05 | アトナープ株式会社 | 分析装置 |
-
1985
- 1985-06-13 JP JP60128639A patent/JPS6290980A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4974565A (en) * | 1988-02-26 | 1990-12-04 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel swirl generation type fuel injection valve and direct fuel injection type spark ignition internal combustion engine mounted with the fuel injection valve |
| US5058549A (en) * | 1988-02-26 | 1991-10-22 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel swirl generation type fuel injection valve and direct fuel injection type spark ignition internal combustion engine |
| WO2015029449A1 (ja) * | 2013-08-30 | 2015-03-05 | アトナープ株式会社 | 分析装置 |
| US9666422B2 (en) | 2013-08-30 | 2017-05-30 | Atonarp Inc. | Analyzer |
| US10366871B2 (en) | 2013-08-30 | 2019-07-30 | Atonarp Inc. | Analyzer |
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