JPH0479650B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 技術分野 本発明は、化学的物質の濃度測定と圧力測定を
同時に行なうことが可能な半導体複合センサに関
し、特に化学的物質の濃度測定には電界効果を利
用し、圧力測定にはピエゾ抵抗効果を利用する半
導体複合センサに関する。

(2) 背景技術 従来からゲート絶縁型電界効果トランジスタ
（MISFET）の構造を利用して、電解液中のイオ
ン活量や化の化学的物質の濃度などを測定する半
導体センサは提案されている。これらは、Ion
Sensitive Field Effect Transistor（ISFET）ま
たはChemical FET（CHEMFET）と呼ばれ、特
公昭54−24317などにこれ等に関する記載がある。

第１図はCHEMFETのゲート部分を含む断面
の基体構成図である。これは、MISFETのゲー
ト金属を取り除き、ゲート絶縁層を直接被測定雰
囲気に接触させる構造としたものである。

一方、半導体において機械的応力が加わると、
ピエゾ抵抗効果によりその抵抗値が変化する性質
を利用したシリコンダイアフラム型の半導体圧力
センサも各種構成のものが提案されている。その
代表例を第２図に示す。これは、液体などの雰囲
気の圧力の測定に応用する際に測定対象雰囲気が
含む水分、アルカリ金属イオンなどが半導体セン
サに及ぼす悪影響を防ぐように考慮したものであ
る。

これらのセンサは共にシリコン基板を用いてい
るので、最近の高度なシリコンIC製造技術を駆
使することによつて小型化、補償回路の集積化が
可能で新しい応用が種々提案されている。例えば
医学的な応用としてはセンサをカテーテルの先端
に装着して血管内に挿入し、体内の情報を直接に
連続測定することが挙げられる。即ち、
CHEMFETによる血液中のイオン濃度や、生体
機能性材料を感応膜として用いたアセチルコリ
ン、尿素、ペニシリンなどの測定と圧力センサに
よる血管内または心臓内の血圧測定である。これ
らのCHEMFETおよび圧力センサをそれぞれ単
独に用いた体内連続測定も非常に有効であるが、
臨床医学的にはイオン濃度や他の物質の濃度測定
と同時に血圧をモニタしておくことは極めて重要
なデータとなる。これはCHEMFETと半導体圧
力センサを１本のカテーテル内に同時に装着する
ことにより可能ではあるが、各々単独のセンサを
同一カテーテル内に装着するのは非常に複雑な手
作業を要し、実作業上このような実装はほぼ不可
能である。

このような問題点を克服したものとして、特願
昭58−238330などに半導体複合センサが提案され
ている。これらは、第３図の構成断面図に示すよ
うに、同一半導体基板上に、ゲート絶縁型電界効
果トランジスタのゲート部上に特定の被測定物質
にのみ選択的に感応する層を設けた構造の電界効
果型半導体センサとダイアフラム上に形成した拡
散抵抗を感圧部として用いる構造の半導体圧力セ
ンサの２種類のセンサを１つの素子として組み込
んだ構造となつている。

しかしながら、単純に２種類のセンサを組合せ
ただけでは小型化という面で限界があり、多項目
の化学的物質の濃度測定と圧力測定を同時に行な
い得るカテーテル先端型のセンサを実現するには
無理がある。

(3) 発明の目的 本発明は、多項目の化学的物質の濃度測定と圧
力測定を同時に行なうことができ、かつカテーテ
ルの先端などに装着可能な超小型の半導体複合セ
ンサを提供することにある。

(4) 発明の構成 本発明による半導体複合センサは、基本的に全
く別々の素子であるゲート絶縁型電界効果トラン
ジスタのゲート部上に特定の被測定物質にのみ選
択的に感応する層を設けた構造の電界効果型半導
体センサとダイアフラム上に形成した拡散抵抗を
感圧部として用いる構造の半導体圧力センサの２
種類のセンサを単純に同一半導体基板上に組み込
むことのみによつて１つの素子として実現するの
ではなく、各々のセンサの構造を有機的に統合し
て真に構造的な複合化を実現したものである。具
体的には圧力センサの全素子面積の大部分を占め
る受圧部たるダイアフラムを電界効果型半導体セ
ンサの感応部として同時に利用することにより実
現している。即ち、圧力センサのダイアフラム部
には、通常拡散抵抗が形成されているだけでダイ
アフラム部を機械的には利用しているが、他に半
導体素子としてダイアフラムのたわみに起因する
特性の変化により全く利用できないと考えられ
る。この圧力センサとしては必須の構成要素であ
りながらセンサの高感度化、多重化には利用しに
くいダイアフラム部を、同じく半導体素子として
ではなく、被測定雰囲気との接触部分として素子
表面面積だけが必要な電界効果型半導体センサの
化学感応部として利用することにより、複合化さ
れたセンサの素子表面を余すところなく機能的に
活用し全体として素子の小型化が実現できる。

実際、このような半導体複合センサを使用する
ときには半導体圧力センサは１個組み込んであれ
ばよく、複数個組み込んでも各センサの出力値を
平均して精度が若干向上することが期待されるの
みであるが、電界効果型半導体センサは種々の感
応膜を形成した数多くのセンサを組み込むことに
より多項目の同時測定が可能となり大変有効であ
る。

この感応膜の種類として考えられるものを
〔 〕内に示すその測定対象物と共に列挙すると、
Si₃N₄，Al₂O₃，Ta₃O₅〔H⁺イオン〕、各種NAS
（Na₂O−Al₂O₃−SiO₂合成）ガラス〔K⁺イオン
Na⁺イオン〕パリノマイシン固定膜〔K⁺イオ
ン〕、各種クラウンエーテル固定膜〔K⁺イオン、
Ag⁺イオン、Tl⁺イオンetc〕ウレアーゼ固定膜
〔尿素〕、リパーゼ固定膜〔中性脂質〕、ペニシリ
ナーゼ固定膜〔ペニシリン〕、坑アルプミン抗体
固定膜〔アルプミン〕、アセチルコリンエステラ
ーゼ固定膜〔アセチルコリン〕などがある。

さらに、多種類の感応膜を同時に形成する場合
には参照電極として用いるために如何なる化学的
物質にも感応しないような疎水性有機高分子膜を
形成することも考えられる。このような高分子膜
としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ
塩化ビニルテフロンなどが考えられる。

(5) 発明の実施例 以下、本発明を実施例の図面にもとずいて説明
する。

第４図は本発明の一実施例としての半導体複合
センサの構造を示す図である。この図は４個の電
界効果型センサと１個のダイアフラム型圧力セン
サを同一素子上に形成した場合のもので、ａはそ
の平面図、ｂは電界効果型センサ部を中心とした
断面図である。

図において、センサの大きさは1.0mm×3.0mm、
厚みに0.15mm、ダイアフラム部の厚みは20μmを
想定している。

この構造の複合化センサを実現するためには、
特願昭58−51145などに記載されているように電
界効果型センサのゲート酸化膜と化学感応層の間
を金属などの導電性層を含む多層構造とすること
が必須であり、この導電性層を利用してゲート部
構造と化学感応部の位置を引き離さなくてはなら
ない。即ち、本実施例の場合、４個のゲート部構
造３５，３６，３７，３８がシリコン単結晶基板
３２の上に形成されており、それぞれのゲート部
多層構造に含まれる導電性層３９，４０，４１，
４２によつて導びかれたダイアフラム部３３上も
しくはその周辺部に４種類の化学感応層４３，４
４，４５，４６が形成されている。

従つて第４図ａの左半分、換言するとダイアフ
ラム部３３とその周辺部に感圧部たる４個の拡散
ピエゾ抵抗３４と４種類の被測定物質に選択的な
化学感応部４３，４４，４５，４６が集中的に形
成された構造となる。このとき注意すべきこと
は、ブリツジを形成している４個の拡散抵抗３４
に加わる機械的応力が正確に等しく伝わるかもし
くは少なくとも規則的な対称性を持つて伝わるよ
うな構造になつていることである。例えば、ダイ
アフラム部は総合的な厚みは約20μmでその大部
分は単結晶シリコン基板３２であるが、その上部
には約1μmのSiO₂などの絶縁層４９、Alまたは
不純物イオンの注入により導電性を持つたポリシ
リコンなどの導電性層３９，４０，４１，４２４
種類の化学感応層４３，４４，４５，４６および
保護層たる絶縁層５０が形成されているが、少な
くとも機械的強度が異なる導電性層３９，４０，
４１，４２はダイアフラム部３３上において拡散
ピエゾ抵抗３４に対し、幾何学的に対称な位置に
形成されているべきであり、かつ保護層たる絶縁
層５０も不自然な応力が加わらないように平担化
されている必要がある。

導電性層３９，４０，４１，４２は、厚さ1μm
程度なので材質はAlまたはポリシリコンであれ
ばダイアフラムのたわみ方に大きな影響を与える
とは考えられない。

また保護層としては、プラズマCVDなど低温
で形成可能なSi₃N₄，Al₂O₃，SiOxNy，
AlOxNy，PSG（Phospho−Silicate P₂O₅・
SiO₂），PbO・Al₂O₃・SiO₂（Lead−Alumino−
Silicate），PbO・B₂O₃・SiO₂（Lead−Boro−
Silicate），PbO・Al₂O₃・B₂O₃・SiO₂（Lead−
Alumino−Boro−Silicate）もしくはポリイミド
系樹脂の単層構造、またはこれらの組み合せによ
る多層構造が考えられる。さらに化学感応層４
３，４４，４５，４６に関してもその膜厚および
機械的強度を考慮してその配置を決定しなくては
ならない。

一方、第４図ｂの右半分には電界効果型センサ
のゲート部３５，３６，３７，３８および４個の
電界効果型センサと拡散ピエゾ抵抗３４のブリツ
ジから取り出される信号を処理する信号処理回路
部４７、さらにこの回路と入出力を行なうための
リード線を接続するためのコンタクト用金属層４
８が形成されている。

信号処理の内容としては(i)拡散ピエゾ抵抗ブリ
ツジにより検出される電位差の温度補償、感度補
償とそれの圧力値への変換、(ii)電界効果型センサ
の経時変化補正と各測定値への変換、(iii)各測定項
目の正異常の判断などが考えられる。

(6) 発明の効果 本発明の最大の効果は、シリコンダイアフラム
型の圧力センサと電界効果型半導体センサの複合
化、多重化が容易になつたことである。特に１個
の圧力センサと複数個の電界効果型半導体センサ
を組み合せる場合に有効で、素子の大きさを圧力
センサ単独の素子と比べてほとんど大きくするこ
となく電界効果型センサを組み入れることが可能
となる。

本発明の半導体複合センサの最も有力な応用例
である医学応用のカテーテル先端型センサにおい
て、このように半導体センサの大きな特長である
小型化という利点を保つたまま多重化が可能であ
るということは、カテーテルへの実装が容易とな
るため従来技術では臨床医学的に大きな意義があ
るとされながら事実上不可能であつた体内の同一
部位の圧力と種々の化学的物質濃度の同時測定が
初めて実現されることとなり、その臨床医学的意
義は計り知れない。

本発明の副次的な効果は、圧力と多種類の化学
的物質に対する感応部をダイアフラム部周辺に集
中的に形成することができるので、カテーテルな
どへの実装が単一機能のセンサと同程度に容易と
なることである。

即ち、血液中という非常に劣悪な液体中で半導
体センサを使用するためには感応部は直接血液に
接触するようにしてリード線などは完全に血液か
ら絶縁分離しなくてはならない。実際にはエポキ
シ樹脂、シリコン樹脂などを接着剤兼絶縁剤とし
て用いて実装を行なうため感応部が離れた位置に
何箇所も存在すると現状の樹脂塗布技術では対応
できなくなるため感応部が一箇所に集中している
のが望ましいのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術のシリコン単結晶基板を用
いた電界効果型半導体センサのゲート部分を含む
断面の基本構成を示す図、第２図は、従来技術に
よる耐雰囲気性を向上させた半導体圧力センサの
基本構成断面を示す図である。第３図は、従来技
術による電界効果型センサとダイアフラム型圧力
センサを同一素子上に形成した半導体複合センサ
の構成断面を示す図である。第４図は、本発明の
一実施例たる４個の電界効果型センサと１個のダ
イアフラム型圧力センサを同一素子上に形成した
半導体複合センサの構造を示す図で、ａはその平
面図、ｂは電界効果型センサ部を中心とした断面
図である。 １…シリコン単結晶基板（p^-型）、２…ソース
拡散領域（n⁺型）、３…ドレイン拡散領域（n⁺
型）、４…チヤンネル部、５…絶縁層（その１、
SiO₂）、６…絶縁層（その２、Si₃N₄）、７…化学
感応層、８…リードコンタクト用金属層（Al）、
９…シリコン単結晶基板（n^-型）、１０…ダイア
フラム部、１１…拡散ピエゾ抵抗（p^-型）、１２
…拡散リード部（p⁺型）、１３…シリコンエピタ
キシヤル成長層（n^-型）、１４…p⁺型拡散領域、
１５…絶縁層（ex Si₃N₄）、１６…リードコンタ
クト用金属層（Al）、１７…シリコン単結晶基板
（p^-型）、１８…ダイアフラム部、１９…拡散ピ
エゾ抵抗（n^-型）、２０…拡散リード部（n⁺型）、
２１…シリコンエピタキシヤル成長層（p^-型）、
２２…ソース拡散領域（n⁺型）、２３…ドレイン
拡散領域（n⁺型）、２４…チヤンネル部、２５…
基板コンタクト用拡散領域（p⁺型）、２６…n⁺型
拡散領域、２７…絶縁層（SiO₂）、２８…化学感
応層、２９…拡散抵抗リードコンタクト用金属層
（Al）、３０…ソース・基板共通リードコンタク
ト用金属層（Al）、３１…ドレイン・リードコン
タクト用金属層（Al）、３２…シリコン単結晶基
板、３３…ダイアフラム部、３４…拡散ピエゾ抵
抗（４個）、３５…電界効果型センサゲート部
（その１）、３６…電界効果型センサゲート部（そ
の２）、３７…電界効果型センサゲート部（その
３）、３８…電界効果型センサゲート部（その
４）、３９…導電性物質層（その１）、４０…導電
性物質層（その２）、４１…導電性物質層（その
３）、４２……導電性物質層（その４）、４３…化
学感応層（その１）、４４…化学感応層（その
２）、４５…化学感応層（その３）、４６……化学
感応層（その４）、４７…信号処理回路部、４８
…リードコンタクト用金属層（Al）、４９…絶縁
層（ex SiO₂）、５０…保護用絶縁層（ex
Si₃N₄）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ゲート絶縁型電界効果トランジスタのゲート
   部上に特定の被測定物質にのみ選択的に感応する
   層を設けた電界効果型半導体センサとダイアフラ
   ム上に形成した拡散抵抗を感圧部として用いる半
   導体圧力センサがそれぞれ少なくとも１個ずつ以
   上同一半導体基板に形成されている半導体複合セ
   ンサにおいて、圧力センサの受圧部たるダイアフ
   ラム上に電界効果型半導体センサの感応層を１個
   あるいは複数個形成したことを特徴とする半導体
   複合センサ。 ２ 上記半導体基板が単結晶シリコン基板である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半
   導体複合センサ。