JPH0545179B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 半導体イオンセンサ素子のウエハ状態での水溶
液に対する反応を検査するためのパターニング方
法に関する。

（従来の技術） 従来の半導体の検査では、プローバを使用し１
つのウエハ上に多数個形成された半導体をウエハ
のまま順次テストする手法がとられていた。一般
に半導体は、外部の電気信号によつて作動し動作
速度も早いためこの様な方法にも優位性があつ
た。

光感受性トランジスタなど、物理量に感知する
半導体センサは古くから知られていたが、近年半
導体技術の発達により、圧力等に感能性を持つセ
ンサも開発されている。これら物理量を測定する
センサに於ては、プローバと光学系、プローバと
加圧系の組みあわせでウエハ段階で素子をテスト
する事が容易になりつつある。

前記物理量測定センサに加え最近各種ガス、水
溶液中のイオン濃度に感知するセンサの開発が進
められ、既に一部は実用に供せられつつある。こ
のうち、松尾正之とK.D.ワイスによつて発表さ
れたイオン感受性電界効果型トランジスタ
（ISFET）はそのイオン感能部に窒化シリコン膜
などを有する事によつて、水素イオンに対して高
い選択性を持つ有望な素子である。これについて
は、各種文献に広く紹介されているが、例えば松
尾正之、K.D.ワイス「アン インテグレ イテ
ツド フイールド エフエクト エレクトロード
フオア バイオポテンシヤル レコーデイング
（アイイーイーイー トランザクシヨン、Vol
BME−21，pp485−487，1974）」などに述べら
れている。

ISFETは、ポテンシヨメトリツクなセンシン
グ部が前記増幅器と一体化された特性を有してい
るための雑音に対して強く、更に半導体技術を用
いて一枚のウエハ上に大量のセンサを形成する事
が可能なため、大量生産、小型化の点で有利であ
る。これを実用に供するに当つて、従来は各
ISEFTをチツプに切断したあとボンデイング部
等水中で電流リーフが発生しそうな部分を防止処
理したあと測定する事で良不良を検討していた。

（発明が解決しようとする問題点） ISFETを代表とする半導体イオンセンサが検
知するものは、水中のイオンであるため、ウエハ
状態での良不良チエツクが不可能で、各チツプに
切断、防水加工を必要とする難点をかかえてい
た。ISFETを単体のPHセンサとして使用する場
合は、多少煩雑であつても上記の検定法で良品と
判定されたものを実用に供すれば良い。

しかしながら、今日酵素固定技術の発達に伴な
つてISFETのイオン感受部に酵素固定化膜を設
け、酵素が質に働きかける触媒反応によつて生じ
るPH変化をISFETで検出するISFET型バイオセ
ンサが提唱されるにいたつている。

「フイールド エフエクト トランジスターセ
ンシテイブ トウ ペニシリン（アナリテイカル
ケミストリー1980 Vol52−pp1935〜1937）」に
ペニシリン感受性ISFET型バイオセンサについ
てのはじめての報告がある。

先程も述べた様に電流リークの問題があるため
実用に際してISFETには、防水処理が必要であ
つたが、近年本願発明者らは、基板にサフアイア
を使用するシリコン・オン・サフアイアを使用す
る事で断面からの電流リークを完全に追放した
ISFETを使用、ウエハのままでウエハの特定部
位に酵素を固定化する方法を開発した。これに関
しては「第16回、1984 インタナシヨナル カン
フアレンス オン ソリツド ステート デバイ
シズ アンド マテソアルズ、レイト ニユーズ
アブストラクト（1984 Internationl
Conference on Solid State Devices and
Materials，Late News Abstracts）p66〜67）
にウエハの全面に酵素膜を形成させたあと、不要
部に紫外線を照射し失活させる方法として提案さ
れている。

この様にして半導体イオンセンサを用いた半導
体バイオセンサの製造法はシリコン・オン・サフ
アイア技術を用いて解決されたが、上記酵素固定
化膜を形成する工程がウエハ段階で行なわれるた
め、前記した様に各チツプ毎に分解したあとで一
且ISFETの良品をテストする事が不可能となつ
ていた。

又、更に一歩進んで完成したISFET型バイオ
センサの検定をウエハのままで迅速かつ正確に行
なう事が求められる様になつてきた。

本発明が解決しようとする所は、半導体イオン
センサ素子を多数実装した半導体ウエハを、各チ
ツプ毎に分解せずに容易かつ迅撰にテスト出来る
手法を提供せんとする所にある。

（問題点を解決するための手段） 即ち、本発明は半導体ウエハ上に二次元的に多
数形成された半導体イオンセンサ素子検出方法に
おいて、該半導体ウエハ上に各々に半導体イオン
センサ素子に対応するスイツチ切換え素子とこれ
らを配線する配線群を形成し、該配線群と外部側
定回路を接続し、半導体ウエハを所定の水溶液に
浸漬して各半導体イオンセンサ毎に検査すること
を特徴とする半導体イオンセンサの検査方法であ
る。

半導体イオンセンサウエハの設計に当つて各チ
ツプ毎に分解されたあとは既に機能を有しない、
半導体イオンセンサ素子の任意の一点を選びうる
配線群と各半導体イオンセンサ素子群から選ばれ
た１つの半導体イオンセンサ素子を駆動うるため
の各半導体イオンセンサ素子に対応するスイツチ
ング素子を有するパターニングを施こしておき、
これらを外部のスイツチ回路で駆動する事によつ
てウエハ全体を評価しうる事によつて水中に全ウ
エハを水没させる事によつて簡単に全半導体イオ
ンセンサを評価出来る様にしたパターニング法に
よつて解決される。

（作用） 本発明は、１つのウエハ内に多数個設けられた
水中のイオン濃度を検出する半導体イオンセンサ
素子のテスト方法を開発する事をその目的として
おり、ウエハ上にマトリツクス状に配列した半導
体イオンセンサ素子に対応したダイオードマトリ
ツクスなどのマトリツクス回路を対応せしめ、外
部との信号の接点をウエハの一端に位置せしめ外
部信号によつてマトリツクスの任意の一点を選択
しその出力を観測する事を可能ならしめている。
この場合各ISFETに対応するスイツチング素子
は出来る限り単純で良品率の高いものが有利であ
り一例としてダイオードマトリツクスなどが最も
望ましい形であるが、トランジスタによるマトリ
ツクス回路を形成することも可能である。又、こ
こで形成されたテスト用パターンに関しては、ウ
エハを各素子に切断する時スクライブによつて除
去されるか、残存しても水溶液への露出部が素子
と導通しない様設計する必要がある。

（実施例） 第１図は、本発明による典型的な実施例を示す
図であり、ここには２個で１組となる６組12個の
１aIから３aDで示す12個のISFETとその個々に
対応する１aDから３dDで示した12個のダイオー
ドが示されている。このうち破線内で示されたも
のがウエハ上に位置するものであり、外部測定回
路とスイツチ１，２，３，ａ，ｂ，ｃ，ｄはウエ
ハ外部のものである。以下実施例にもとづいて説
明する。第１図に示すのが本発明の一実施例を４
×３計12素子を持つウエハによつて模式的に示し
たものである。図中、１alから３dIが12個の
ISFETを示している。通常これだけがウエハ上
にパターニングされている。１aDから３dDが
各々のISFETに直列に結線されたダイオードで
ある。

図中、１０，２０，３０で示されたのは、横方
向３本の線を選択するための接点で横方向４つの
ISFETとダイオードのカツプルのダイオード側
アノードを集線している。

一方ao，bo，co，doは縦方向４本の線から１
本を選択する接点を示しており、縦方向３つの
ISFETとダイオードのカツプルのISFETソース
を集線している。なおここに示した７つの接点は
一般にボンデイングパツドの形で形成されるが２
つの接点の組合わせによつて１つの回路が選択さ
れる。

図中点線内がウエハ内の回路を示すが外部スイ
ツチ１，２，３，ａ，ｂ，ｃ，ｄのうち前３者か
ら１つ、後４者から１つを選択出来る。

例えばスイツチ２とスイツチｂをオンの状態に
すると外部測定回路の負側がISFET２bIのソー
スに正側がダイオード２bDのアノードと電気的
に接続する。この場合、ダイオードの整流性によ
つてすべてのダイオードの中より唯一ダイオード
２bDのみに正方向に電流が流れ、電流は外部測
定回路よりダイオード２bD、ISFET２bIスイツ
チｂを経由して外部測定回路の負側へと流れる。
その結果としてISFET２bIの信号のみが外部測
定回路で測定可能となる。この様にして順次スイ
ツチを切り替える事で次々と各素子の特性を測定
することが可能となり、更には水溶液に浸漬した
ウエハの全特性がウエハ状態で測定出来る訳であ
る。

この場合問題となるのがウエハからの信号端子
１０，２０，３０，４０，ao，bo，co，doと外
部回路の接続であり、この部分と液との絶縁は極
めて重要である。

上記の処理を示したのが第２図，第３図であ
り、第２図には縦系列の接続端子７と、横方向の
接続端子を示している。ここに第１図と同様縦系
列の端子が上下に分けらられているのは、横方向
への素子の密度が高く、数多くの縦系列の線を有
するためである。

又、特に第１図では例えば１aIと１bIなどの横
に２個一組の形をとつているため、２個の
ISFETを使用する場合の切り分け時にチツプ内
にテスト用回線がわずかしか入らないため有利で
ある。

第３図に第２図で示したウエハの端子の処理を
示しているが少なくとも必要な接点の個数の配線
からなる配線束６がウエハ上の各端子にハンダ付
け等によつて接続され、その上を樹脂５等でモー
ルドしている。なお各ISFET単体毎の電極用ボ
ンデイングパツド部についてもモールドが必要で
あるが、これはフオトポリマー塗付等によつて容
易に実現出来る。更に第３図で示した例ではウエ
ハ側面、裏面のモールドについて省略されている
が、シリコン・オン・サフアイア型の場合は不要
であり、バルクシリコンの場合でも同じくフオト
ポリマ塗付等によつて容易に実現出来る。

第４図に示すのは、回路の一部の具体的パター
ン例である。

点線２３で示された領域が１つのウエハに占め
る２個で１組のISFET回路である。図中、１１
が２つのISFETを示している。ｐ形高濃度不純
物共通アノード領域１２が横方向の選択用配線と
して用いられ、これは、ｎ形高濃度不純物ドレイ
ン、カソード領域と接合する事でダイオードを形
成している。１６はゲート領域である。ｎ形高濃
度不純物領域ソース領域１７、ｐ形高濃度不純物
アース領域１８およびポリシリコンで形成された
共通ソース１３は２つのコンタクトホール１９上
に形成された金属ボンデイングパツト部２１で接
続されている。なおここに示すコンタクトホール
は各チツプに切り離したあとで実際のボンデイン
グパツト部として使用されるためのものである。
図中、点線２２で示すのが各チツプへの切り出し
例であるが、この場合は２個のISFETを持つチ
ツプとして切り出される。第５図から第１１図に
第４図ｆ−f′からｌ−l′で示す、７つの断面を示
している。ここに示す様に横方向の配線はｐ型共
通アノード領域１２によつて行なわれ、縦方向の
配線は、ポリシリコン共通ソース１３によつて行
なわれている。

３１はサフアイア基板、３２は酸化シリコン
膜、３３は窒化シリコン膜、３４はポリシリコン
領域である。

シリコン・オン・サフアイア基板に第１図に示
す様なダイオードマトリツクスとISFETを多数
個持つ基板に第３図の様に配線しテストを行なつ
た。１つの基板内に144個のISFETを持つウエハ
に於て全てのISFETをテストした。直径約51mm
のシリコン・オン・サフアイア基板を使用し、１
ビーカ内に既に検定された通常のガラス電極と
共に浸漬、0.02規定塩酸溶液500mlに0.1規定苛性
ソーダを滴定しながら外部スイツチによつて全素
子を検定した。測定したPHはPHから0.5きざみで
PHにまで計21点で測定だけに費した時間は約30分
であつた。

準備を含めて全ての検査が終了するまでの時間
はモールド材硬化時間を含めて丸１日であつた。
従来の各素子毎に分解して検討する方法では丸３
日以上費しており、大幅なテスト工数の削減が実
現された。

（発明の効果） 今まで述べてきた様に、本発明によるあらかじ
めダイオード・マトリツクスなどの様に任意の１
つの半導体イオンセンサ素子を選んで測定しうる
様にパターニングした半導体イオンセンサ素子に
於て、外部スイツチ回路によつて順次個々の素子
を選んでテストする事によりテスト時間は大幅に
削減された。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるパターニングを模式的
に示した図である。第２図，第３図は、本発明に
よるパターニングを持つウエハへの電気的接続方
法を示す図で、第２図は配線前、第３図は配線後
を示す。第４図は、やはり実施例における具体的
パターニングの２つのISFETとそれに対応する
スイツチング回路の平面図を示している。第５図
から第１１図は、第４図ｆ−f′からｌ−l′にいた
る７つの断面を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体ウエハ上に二次元的に多数形成された
   半導体イオンセンサ素子検査方法において、該半
   導体ウエハ上に各々の半導体イオンセンサ素子に
   対応するダイオードマトリツクスよりなるスイツ
   チ切り替え素子とこれらを配線する配線群を形成
   し、該配線群と外部測定回路を接続し、半導体ウ
   エハを所定の水溶液に浸漬し、半導体素子の任意
   のものを選択して各半導体イオンセンサを検査す
   ることを特徴とする半導体イオンセンサの検査方
   法。 ２ 外部取出し電極が半導体ウエハの周辺部に設
   けられ配線群はこの電極を介して外部測定回路に
   接続されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の半導体イオンセンサの検査方法。