JPH0368857A

JPH0368857A - Ｉｓｆｅｔセンサ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0368857A
Application number: JP1206136A
Authority: JP
Inventors: Hideichiro Yamaguchi; 秀一郎山口; Takeshi Shimomura; 猛下村; Teruaki Katsube; 勝部　昭明
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1989-08-09
Filing date: 1989-08-09
Publication date: 1991-03-25

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野Ｊ本発明はＩＳＦＥＴ（イオン選択性電界効果トランジス
タ）と基準ＦＥＴを複合化してなるＩ　５ＦＥＴセンサ
に関し、特に同一基板上にＩＳＦＥＴとともに基準ＦＥ
Ｔとを一体化したＩＳＦＥＴセンサに関する。

［従来の技術］近年、半導体製造技術を用いて微細加工ができるＭＯＳ
ＦＥＴを作用電極として利用したイオンセンサ、いわゆ
るＩＳＦＥＴセンサが固体型微小センサとして種々開発
されており、最小寸法がｌ０μｍ以下の大きさのものま
で報告されている。

このようにセンサの作用電極は微小化が可能となってい
るが、センサ全体として微小化するには基準電極の微小
化が必須である。

しかしながら、従来技術では基準電極の微小化と固体化
は困難であった。これらの問題を解決するため、特開昭
５８−１０３６５８号および特開昭５８−３４３５２号
にポリスチレン薄膜を、また特開昭５４−８１８９７号
に疎水性有機高分子膜を、それぞれゲート絶縁股上に形
成した基準電極が開示されている。

［発明が解決しようとする課題］上述のように従来、微小化および固体化のために種々の
基準電極が開発されているが、これらの電極はｐＨ（水
素イオン濃度）に応答しやすく、また妨害物質が吸着し
たり、透過したりするために電位の安定性が悪く、使用
が困難であるという問題があった。

本発明は係る問題点に鑑みてなされたものであって、安
定な特性を持つ固体型の基準ＦＥＴとＩＳＦＥＴとを一
体に形成した微小なＩＳＦＥＴセンサ及びその製造方法
を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記従来の課題を解決するために本発明のｒｓＦＥＴセ
ンサは、ゲート部を有するとともに、当該ゲート部上に
導電性層、ハロゲン化銀層、疎水性樹脂層とハロゲン化
物層からなる固体膜を有し、基準電位を発生する基準Ｆ
ＥＴと、当該基準ＦＥＴと電気的に分離配置されるとと
もに被測定イオンの濃度に応じた出力電位または電流を
発生するＩＳＦＥＴとを備え、前記基準ＦＥＴと前記Ｉ
ＳＦＥＴの出力電位または電流に基づいて被測定イオン
の濃度を測定することを特徴とするものである。

本発明のＩＳＦＥＴセンサにおいては、前記基準ＦＥＴ
とＩＳＦＥＴとは同一基板上に形成することが好ましく
、また前記固体膜中のハロゲン化物層にハロゲン化物塩
を含有させ、さらに前記基準ＦＥＴおよびＩＳＦＥＴの
各ゲート部以外の部分を絶縁膜により被覆させることが
好ましい。

また、本発明のＩＳＦＥＴは、カテーテルの先端部に装
着して使用することが好ましく、さらに温度測定素子を
備え、当該温度測定素子の出力により前記出力電位また
は電流の温度補償を行うことが好ましい。

また、本発明に係るＩＳＦＥＴセンサの製造方法は、半
導体基板内にソース領域及びドレイン領域をそれぞれ形
成するとともに、当該ソース領域とドレイン領域との間
のチャネル領域上の半導体基板の表面にゲート絶縁膜を
形成して複数のＦＥＴを作製し、そのうち少なくとも一
個のＦＥＴを基準ＦＥＴとし、他のＦＥＴをＩＳＦＥＴ
とする工程と、前記基準ＦＥＴのゲート絶縁股上に導電
性層を形成するとともに、当該導電性層上にハロゲン化
銀層を形成する工程と、前記ハロゲン化銀層上に、疎水
性樹脂層とハロゲン化物層とを順次形成して固体膜を形
成する工程とを含むことを特徴とするものである。

［作　用］上記のように構成されたＩＳＦＥＴセンサにおいては、
被測定イオンを含む水溶液中に浸漬させると、水分子が
基準ＦＥＴにおける固体膜中のハロゲン化物層若しくは
疎水性樹脂膜を透過してハロゲン化銀層に達し、これに
より各ハロゲン化層中に一定濃度のハロゲン化物イオン
が生成して、その結果、導電性層に一定電位を発生させ
る。すなわち、各ハロゲン化銀層が従来の基準電極にお
ける基準電解質液および基準液室に相当する機能を果た
すことになる。したがって、この基準ＦＥＴを基準電極
として用い、当該基準ＦＥＴとＩＳＦＥＴとの出力電位
または電流に基づいてイオン濃度を求めることができる
。

［実施例１以下、本発明の実施例を添付図面を参照して具体的に説
明する。

（実施例１）第１図は本発明の一実施例に係るＩＳＦＥＴセンサＩの
全体構成を示す斜視図である。

このＩＳＦＥＴセンサ１は、ＳＯ３（シリコン・オン・
サファイア）基板２の表面に互いに電気的に絶縁された
基準ＦＥＴ３、ＩＳＦＥＴ４および温度補償用のダイオ
ード５．６を有している。

基準ＦＥＴ３は基準電極となるもので、この基準ＦＥＴ
３の出力電位（基７＄電位）とＩＳＦＥＴ４の出力電位
との差動出力より被測定イオンの濃度を検出するもので
ある。

第２図は上記基準ＦＥＴ３の断面構造を示すものであり
、ＳＯ３基板２上のシリコン層２ａにはｎ型不純物たと
えばヒ素（Ａ、）の拡散により形成されたソース領域７
およびドレイン領域８がそれぞれ設けられ、これら領域
７．８間のチャネル領域上には酸化シリコン（Ｓｉｎ２
）膜９ａおよび窒化シリコン（Ｓ　ｉ　３Ｎ４）膜９ｂ
からなるゲート絶縁膜９が形成されている。ゲート絶縁
膜９上にはクロム（Ｃｒ）層１０ａおよび銀（Ａｇ）層
ｌＯｂからなる導電性層が形成されている。また銀層１
０ｂ上には当該銀層ｆｏｂの全面を被覆するように塩化
銀（ＡｇＣＩ２）層１１が形成されている。さらにこの
塩化銀層１１の上には疎水性樹脂の薄膜たとえばポリテ
トラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）薄膜１２ａおよび塩
化ナトリウム（ＮａＣ１）を含有する塩化銀薄膜１２ｂ
を交互に積層してなる積層体膜１３が形成されている。

ここで、ポリテトラフルオルエチレン薄膜１２ａを最上
層にして塩化銀薄膜１２ｂが外部に露出しないようにす
れば、塩素イオンにより積層体膜１３の端部が侵食され
ることがない。

一方ＩＳＦＥＴ４側には図示しないがイオン感応膜が形
成されている。なお、第３図ないし第７図はそれぞれ第
１図の各部の断面構造を示すものである。

上記ＩＳＦＥＴセンサ１は次のようにして製造した。す
なわち、エツチング液としてヒドラジンを用いたウェッ
トエツチングにより、ＳＯ３基板２上の膜厚約６０００
Åのシリコン層２ａを島状にパターン化した後、イオン
注入装置（ＵＬＡＶＣ，ＩＸＫ７０００）　ｉ、：より
ｌ　００ＫｅＶ　テ１〜５Ｘ　１０　”ａｔｍ／ｃｍ２
のヒ素イオン（Ａｓ”　）を選択的に注入してソース領
域７およびドレイン領域８を形成するとともにダイオー
ド５，６のＰＮ接合１４を形成した。次に、基準ＦＥＴ
３およびＩＳＦＥＴ４の各ゲート部に熱酸化により膜厚
ｔ　ｏｏｏ入のシリコン酸化膜９ａを形成した後、熱Ｃ
Ｖ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｗｒ　Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ、化学的気相成長）法を用いて膜厚１５０
０Ａの窒化シリコン（ＳｉｓＮ−）膜９ｂを形成した。

次にソース領域７．ドレイン領域８．ダイオード５，６
の各アノード、カソードに対応させてコンタクトホール
を開け、このコンタクトホールにそれぞれ真空蒸着法を
用いて膜厚５００Åのクロム層および膜厚２μｍの銅層
からなる電極１５を形成した。なお、各ＦＥＴのソース
領域７と基板とが短絡するようにコンタクトホールな開
け、またソース電極とダイオードのアノード電極とは結
線されるように電極を形成した。

そして、第２図に示した基準ＦＥＴ３のゲート絶縁膜９
上に第１のメタルマスクを通して真空蒸着法により膜厚
５０〜２００Åのクロム層１０ａを形成し、さらにこの
上に膜厚１０００〜２０００人の銀層１０ａを蒸着形成
した後、第１のメタルマスクよりやや大きめの第２のマ
スクに交換し、銀層ｌＯｂ表面の全体を被覆するように
して膜厚２００〜３００人の塩化銀層１１を形成した。

次に、さらに大きな第３のマスクに交換した後、アルゴ
ン原子ビームスバッタリング装置を用いて、加速電圧８
　ＫＶ、電流１．０ｍＡの条件でポリテトラフルオルエ
チレン（ＰＴＦＥ）をターゲットにして１時間スパッタ
リングを行い、膜厚約２００〜３００人のポリテトラフ
ルオルエチレン薄膜１２ａを形成した。続いてマスクを
第２のメタルマスクに戻し、真空蒸着法を用いて塩化ナ
トＪウム（ＮａＣβ）をｌ〜■００ｍｏＩ２％含有する
膜厚２００〜３００Åの塩化銀層］．　２　ｂを形成し
た後、上述と同様にしてスパッタリングを行い、膜厚２
００〜３００人のポリテトラフルオルエチレン薄膜１２
ａを形成した。

このようにしてポリテトラフルオルエチレン薄膜１２ａ
と塩化ナトリウムを含有する塩化銀層１２ｂとを交互に
累積し積層体膜１３を形成して基準ＦＥＴ３を作製した
。

次に、ポリイミド樹脂材料により形成されたフレキシブ
ル基板に銅層のプリントパタ、−ンを形成したものをリ
ード線に用いて、各コンタク１一用重極をペーストハン
ダを用いて接続した。そしてＩＳＦＥＴ４と基準ＦＥＴ
３の各ゲート部を除いてポリイミド樹脂とシリコーン樹
脂とからなる絶縁膜により被覆し、電気的絶縁を図った
。

上述のように作製したＩＳＦＥＴセンサ１の駆動装置と
しては、たとえば第８図に示すような、差動増幅器ＯＰ
Ｉ〜ＯＰ５，定電流源■１〜エイおよび抵抗Ｒ１−Ｒ６
からなる駆動回路が用いられる。すなわち、基準ＦＥＴ
３とＩＳＦＥＴ４とを、定電流源Ｉ３，Ｉ４とフローテ
ィング状態の定電圧源（ＶＤｓ＋，　Ｖｏｍ□）とで駆
動し、ソースフ４０ワとして動作させるもので、このソ
ースフォロワの出力が差動増幅器ＯＰＩ−ＯＩ）５によ
り差動増幅され、出力端子Ｖｏｕｔから出力される。こ
れによりＩＳＦＥＴ４と基準ＦＥＴ３との差の電位が得
られ、被検液１６中のイオン濃度を求めることができる
。

ここで、ＩＳＦＥＴ４と基ｉ＄ＦＥＴ３とを同一プロセ
スにて作製するとスレッショルド（しきい値）電圧やド
リフト等をほぼ同じにすることが可能であり、また差動
出力とすることで安定で精度の高い測定が可能となる。

ただし、差動増幅器ＯＰＩ〜ＯＰ５の電気的接地（電位
設定）のためにコモン電極ｉ５をセンサと一緒に浸漬さ
せる必要がある。このコモン電極１５には白金（Ｐｔ）
、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タ
ングステン（Ｗ）など腐食しにくい金属を用いることが
できる。

（実験例１〉実施例１で作製したＩＳＦＥＴセンサを第８図に示した
ＩＳＦＥＴ駆動回路に接続した後、被測定液中に浸漬し
、ｐＨ値を変化させて出力電位（Ｖｏｕｔ）を測定した
結果、２５℃でｐＨ２〜１０の範囲で良い直線関係を示
し、その直線の傾きは５６〜６０ｍ’Ｖ／ｐＨと理想的
な感度を示した。また、このときの応答時間はｉ秒以内
と非常に速いことがわかった。

（実験例２）実施例１で作製したＩＳＦＥＴセンサｌを第９図のよう
なダイオード５，６の順方向の電位差を測定できるよう
に改良したＩＳＦＥＴ駆動回路を用いて、ＩＳＦＥＴ４
を浸漬している溶液の温度を０〜５０℃まで変化させて
、ダイオード５。

６の出力電圧（Ｖｏｗ）の温度特性を測定した。その結
果０〜５０℃の範囲で電圧（ＶＯ．）は温度と直線関係
を持ち、その傾きは１．８〜２．８ｍＶ／℃であること
がわかった。

なお、ＩＳＦＥ７４例の回路構成は第８図と同様である
ので第９図においては省略されている。

以上のことから、本実施例のＩ　ＳＦＥＴセンサでは、
基準ＦＥＴ３とＩＳＦＥＴ４との出力電位から起電力、
またダイオード５，６の出力電位（ｖｏ　ｉ　ｌから温
度を同時に測定できるので、イオン濃度を縮度補償して
測定することができることがわかった。

以上実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記
実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しな
い範囲で種々変更可能である。たとえば、上記実施例に
おいては、各ＦＥＴ３．４の出力電位によりイオン濃度
を検出する構成としたが、これは出力電流によりイオン
濃度を検出する構成としてもよい。

［発明の効果］以上説明したように本発明に係るＩＳＦＥＴセンサは、
基準ＦＥＴを、当該ゲート部上に導電性層、ハロゲン化
銀層、疎水性樹脂層およびハロゲン化物層からなる固体
膜を順次形成することにより固体型としたので、微小化
が容易であるとともに、ｐＨ等の影響を受けることなく
一定電位が得られ、安定性および耐久性が向上する。

また、この基準ＦＥＴとＩＳＦＥＴとを一体に形成し、
基準ＦＥＴとＩＳＦＥＴとの出力電位または電流に基づ
いて被測定イオンの濃度を測定するようにしたので、セ
ンサ全体の固体化および微小化が可能となり、さらに温
度測定素子を一体化することにより温度補償されたイオ
ン濃度が得られ、測定精度が向上する。また、前記固体
膜の形成には原子ビームスバッタリング装置を用いるこ
とができるため、室温下で成膜が可能であり、パターン
形成の寸法精度が高く、半導体製造プロセスに組み込む
ことにより、大量生産が可能になるという効果を奏する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るＩＳＦＥＴセンサの構
造を示す斜視図、第２図は第１図のＩＩ　−ＩＩ線に沿
う断面図、第３図は第１図のＩＩＩ　−ＩＩＩ線に沿う
断面図、第４図は第１図のＩＶ　−ＩＶ線に沿う断面図
、第５図は第１図のＶ−Ｖ線に沿う断面図、第６図は第
１図のｖｉ　−ｖｒ線に沿う断面図、第７図は第１図の
■−■に沿う断面図、第８図および第９図はそれぞれＩ
ＳＦＥＴ駆動回路の構成図である。（−・・ＩＳＦＥＴセンサ、２・・・ＳＯ３基板２ａ・
・・酸化シリコン層、３・・・基準ＦＥＴ４・・・ＩＳ
ＦＥＴ、　　　　５，６・・・ダイオード７・・・ソー
ス領域、　　　　８・・・ドレイン領域９・・・ゲート
絶縁膜、　　　ｌＯａ・・・クロム層ｆｏｂ・・・銀層
、　　　　　１１・・・塩化銀層１２ａ・・−ポリテト
ラフルオロエチレン薄膜１２ｂ・・・塩化銀薄膜（Ｎ　
ａ　ｃ　Ｉ２含有）■３・・・積層体膜

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ゲート部を有するとともに、当該ゲート部上に導
電性層、ハロゲン化銀層、疎水性樹脂層およびハロゲン
化物層からなる固体膜を有し、基準電位を発生する基準
ＦＥＴと、当該基準ＦＥＴと電気的に分離配置されると
ともに被測定イオンの濃度に応じた出力電位または電流
を発生するＩＳＦＥＴとを備え、前記基準ＦＥＴと前記ＩＳＦＥＴ
との出力電位また電流に基づいて被測定イオンの濃度を
測定することを特徴とするＩＳＦＥＴセンサ。
（２）前記基準ＦＥＴとＩＳＦＥＴとを同一基板上に形
成してなる請求項１記載のＩＳＦＥＴセンサ。
（３）前記固体膜中のハロゲン化物層がハロゲン化物塩
を含有してなる請求項１または２記載のＩＳＦＥＴセン
サ。
（４）前記基準ＦＥＴおよびＩＳＦＥＴの各ゲート部以
外の部分を絶縁膜により被覆してなる請求項１ないし３
のいずれか１つに記載のＩＳＦＥＴセンサ。
（５）カテーテルの先端部に装着されてなる請求項１な
いし４のいずれか１つに記載のＩＳＦＥＴセンサ。
（６）温度測定素子を備え、当該温度測定素子の出力に
より前記出力電位または電流の温度補償を行うようにし
た請求項１ないし５のいずれか１つに記載のＩＳＦＥＴ
センサ。
（７）請求項１または２記載のＩＳＦＥＴセンサの製造
方法であって、半導体基板内にソース領域およびドレイ
ン領域をそれぞれ形成するとともに、当該ソース領域と
ドレイン領域との間のチャネル領域上にゲート絶縁膜を
形成して複数のＦＥＴを作製し、そのうち少なくとも一
個のＦＥＴを基準ＦＥＴとし、他のＦＥＴをＩＳＦＥＴ
とする工程と、前記基準ＦＥＴのゲート絶縁膜上に導電
性層を形成するとともに、当該導電性層上にハロゲン化
銀層を形成する工程と、前記ハロゲン化銀層上に、疎水
性樹脂層とハロゲン化物層とを順次形成して固体膜を形
成する工程とを含むことを特徴とするＩＳＦＥＴセンサ
の製造方法。