JPH0625745B2

JPH0625745B2 - 半導体センサ

Info

Publication number: JPH0625745B2
Application number: JP60216593A
Authority: JP
Inventors: 正樹桂; 忠司酒井
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1994-04-06
Anticipated expiration: 2009-04-06
Also published as: JPS6275340A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は半導体センサに関し、特に溶液中での成分検出
を目的とする電界効果型化学センサの改良に係る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

半導体センサ、例えばＩＳＦＥＴは、シリコン基板表面
にソース、ドレイン領域及び絶縁膜を形成し、そのゲー
ト部を溶液中に浸漬することにより、溶液中の特定成分
のイオン濃度に応じたソース、ドレイン間のコンダクタ
ンス変化を検出するものである。このようにＩＳＦＥＴ
においては、素子が直接溶液に接するため、少なくとも
接液面を絶縁する必要がある。このためにシリコン窒化
膜、シリコン酸化膜等のゲート絶縁膜と保護膜（パッシ
ベーション膜）を兼ねる絶縁膜が用いられている。ただ
し、ソース、ドレイン拡散層からのリード引出しのため
にこの絶縁膜の一部を選択的にエッチングし、その部分
に蒸着金属膜や金属細線を形成して接続部を設けてい
る。

上記ソース、ドレイン接続部が溶液に接しないようにす
るために、従来はゲート部のみを溶液に接触させるか又
は接続部を樹脂コートしてほぼ全面に溶液を接触させる
ようにした構造のものが用いられている。こうした構造
の半導体センサはそれぞれ第４図又は第５図に示すよう
なものである。

第４図において、ｐ型シリコン基板１表面にはｎ^＋型ソ
ース、ドレイン領域２、３が形成されている。このシリ
コン基板１の全面にはゲート絶縁膜及び保護膜となる図
示しない絶縁膜が形成されている。前記ソース、ドレイ
ン領域２、３の一端側は互いに近接して設けられ、チャ
ネル領域４となっている。これらソース、ドレイン領域
２、３、チャネル領域４及び絶縁膜により電界効果トラ
ンジスタのゲート部が構成される。前記ソース、ドレイ
ン領域２、３の他端側では絶縁膜が選択的にエッチング
され、その部分にそれぞれ金属膜５、６が形成されてい
る。これら金属膜５、６にはそれぞれリード線７、８が
接続されている。こうした構造の半導体センサはゲート
部を溶液９中に浸漬して使用される。

しかし、こうした構造の半導体センサは基板１の一端側
で流体圧を受けるので強度的な問題があること及びシリ
コン層により配線抵抗が上昇することから半導体センサ
の全長を長くすることができず、リード線７、８との接
続部とゲート部との間の距離は通常数mmである。このた
め、管内の溶液の測定を行なうためにゲート部を管内に
突出させるには、管の肉厚をそれ以下に制限しなければ
ならず、管の選択にも問題がでてくる。また、この構造
では、接液面に絶縁膜を形成しようとすると結局基板１
の全周にわたって絶縁膜を形成せざるをえず、そのため
には製造時に予めセンサの外形を加工し、その後絶縁膜
を形成するという工程がとられ、通常のウェハサイズで
のプロセスが不可能である。このため、製造工程中の取
扱いに注意を要し、しかも破損しやすいという欠点があ
る。

一方、第５図において、ｐ型シリコン基板１１の主面に
はｎ^＋型ソース、ドレイン領域１２、１３が形成され、
更に基板１１主面にはゲート絶縁膜及び保護膜となるシ
リコン窒化膜、シリコン酸化膜等の絶縁膜１４が形成さ
れている。前記ソース、ドレイン領域１２、１３の間が
チャネル領域１５となる。これらソース、ドレイン領域
１２、１３、チャネル領域１５及び絶縁膜１４により電
界効果トランジスタのゲート部が構成される。前記絶縁
膜１４のソース、ドレイン領域１２、１３上に対応する
一部は選択的にエッチングされ、ソース、ドレイン領域
１２、１３と接続された金属膜１６、１７が蒸着され、
更にこれら金属膜１６、１７にはリード線１８、１９が
接続されている。こうした構造の半導体センサでは、測
定用の管２０の一部を切欠いて接着用の樹脂２１により
前記金属膜１６、１７とリード線１８、１９との接続部
を覆った状態で接着し、管２０内の溶液にゲート部を浸
漬して測定が行われる。

このような半導体センサでは第５図に示すように、検出
面（ゲート部のある面）が溶液に接するように管壁に沿
って取付けることができるため、第４図図示の半導体セ
ンサのような問題は生じにくい。しかし、製造時の樹脂
硬化中にリード線１８、１９が切断したり、金属膜１
６、１７から剥離したりするおそれがある。また、使用
時には、検出面と同一の面にある樹脂２１が溶液に浸漬
されて膨潤し、絶縁が損われることが多い。また、第５
図図示のように管２０に半導体センサを取付ける場合、
実際には管２０を縦割りに２分割し、切欠きを設けた一
方の２分割体の内側及び外側から樹脂２１により接着し
た後、再び２分割体を貼合わせて管２０を形成するとい
う非常に繁雑な作業が必要となる。しかも、このような
構造では大きな流体圧に耐えることができないという欠
点がある。

更に、高い測定精度を得るためにはゲート部に固形物が
付着したり、ゲート部近傍で気泡が発生しないことが要
求されるが、第４図及び第５図図示の半導体センサでは
いずれもゲート部近傍で溶液の流れが乱されるため、固
形物の付着や気泡の発生が起り易く、測定精度が悪いと
いう欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記欠点を解消するためになされたものであ
り、管への取付けが容易で、しかもリード線との接続部
でのショートやリークが生じず、長期間にわたって高い
精度で溶液の測定を行なえる半導体センサを提供しよう
とするものである。

〔発明の概要〕

本発明の半導体センサは、第１導電型の第１の半導体基
板と、該第１の半導体基板の一方の面に形成された第２
導電型の拡散層と、前記第１の半導体基板の第２導電型
の拡散層が形成されている面に直接接合された第１導電
型の第２の半導体基板と、前記第１及び第２の半導体基
板の周縁部全体にわたって形成された第２導電型の拡散
層と、前記第１及び第２の半導体基板の周縁部以外の位
置に第１及び第２導電型の半導体基板を貫通して設けら
れた貫通孔と、該貫通孔の内面を含む第１及び第２の半
導体基板の表面に形成された絶縁膜を具備したことを特
徴とするものである。

上記半導体センサでは、第１及び第２の半導体基板がソ
ース、ドレイン領域として、両者の間に挟まれた第２導
電型の拡散層がチャネル領域としてそれぞれ機能し、こ
れらの領域の表面に絶縁膜を形成することにより貫通孔
内部がゲート部となる。そして、この半導体センサで溶
液を測定する場合、半導体センサの上下両面にそれぞれ
管を接合し、貫通孔部は管内に位置し、リード線との接
続部は管外に位置するようにして一体化した測定系を構
成する。

このような半導体センサによれば、管への取付けは従来
の半導体センサと比べると非常に容易になる。また、ソ
ース、ドレイン領域とリード線との接続部は管外にあ
り、この接続部が溶液に浸漬されることはない。このた
め、接続部を樹脂で被覆する必要はなく、当然樹脂の膨
潤による絶縁不良等も生じることがない。更に、溶液の
流路にもなる貫通孔内部のゲート部近傍では、溶液はな
めらかに流れるので、固形物の付着、気泡の発生が起ら
ず、測定精度を向上することができる。

なお、本発明の半導体センサを製造するにあたり、第１
の半導体基板と第２の半導体基板とを直接接合するに
は、以下のような方法が用いられる。まず、２枚のシリ
コンウェハを用意し、その被接合面を鏡面研磨して表面
粗さ５００Å以下とする。この際、シリコンウェハの表
面状態によっては、過酸化水素水＋硫酸、フッ酸、希フ
ッ酸による前処理を引続き行ない、脱脂及びシリコンウ
ェハ表面に披着しているステインフィルムの除去を行な
う。次に、このシリコンウェハ鏡面を清浄な水で数分程
度水洗し、室温でスピンナー処理のような脱水処理を実
施する。この処理工程は前記シリコンウェハ鏡面に吸着
していると想定される水分をそのまま残し、過剰な水分
を除去することを目的とするものであるため、この吸着
水分がほとんど揮散する１００℃以上の加熱乾燥は避け
る。これらの処理を経たシリコンウェハを例えばクラス
１以下の清浄な大気雰囲気に設置し、その鏡面間に異物
が介在しない状態で相互に密着させて接合する。なお、
このようにして接合したシリコンウェハを２００℃以上
好ましくは１０００〜１２００℃で加熱処理することに
より接合強度を増大することができる。

本発明の半導体センサは上述した直接接合法を用い、貫
通孔を設ければ、その他の領域は通常の半導体プロセス
を用いて簡便な工程で製造することができ、しかも拡散
層の深さや貫通孔の大きさを適当に設定するだけで感度
の制御ができるという効果も得られる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図〜第３図を参照して説明
する。なお、第１図は本発明に係る半導体センサの断面
図、第２図は同半導体センサの平面図、第３図は同半導
体センサの使用状態を示す説明図である。

第１図において、ｎ⁻型の第１のシリコン基板３１の一
方の面にはＰ⁻型拡散層３２が形成されており、第１の
シリコン基板３１のｐ⁻型拡散層３２が形成されている
面にはｎ^＋型の第２のシリコン基板３３が直接接合され
ている。また、第１のシリコン基板３１及び第２のシリ
コン基板３３の周縁部には全体にわたってｐ^＋型チャネ
ルストッパー領域３４、３５が形成されている。また、
第１のシリコン基板３１の他方の面にはｎ^＋型拡散層３
６が形成されている。そして、第１のシリコン基板３１
及び第２のシリコン基板３３の積層体の中央部には第１
のシリコン基板３１及び第２のシリコン基板３３を貫通
する貫通孔３７が形成されている。この貫通孔３７の内
面を含む第１のシリコン基板３１及び第２のシリコン基
板３３の表面にはゲート絶縁膜及び保護膜を兼ねる絶縁
膜３８が形成されている。更に、第１のシリコン基板３
１に設けられたｎ^＋型拡散層３６上及び第２のシリコン
基板３３とｐ^＋型チャネルストッパー領域３５との境界
上の絶縁膜３８の一部は選択的にエッチングされ、その
部分にそれぞれ電極３９、４０が形成されている。これ
ら電極３９、４０にはそれぞれリード線４１、４２が接
続されている。

第１図図示の半導体センサでは、第１のシリコン基板３
１がドレイン領域、第２のシリコン基板３３がソース領
域、第１のシリコン基板３１に設けられたｐ型拡散層３
２がチャネル領域としてそれぞれ機能し、これらの領域
の表面に絶縁膜３８を形成することにより貫通孔３７の
内面がゲート部となる。

第１図及び第２図図示の半導体センサは以下のようにし
て製造された。まず、それぞれ直径１インチのｎ⁻型の
第１のシリコン基板３１とｎ^＋型の第２のシリコン基板
３３とを用意し、これらの接合面の凹凸が５００Å以下
となるようにそれぞれ鏡面研磨した。次に、第１のシリ
コン基板３１の研磨面の全面にホウ素を１０μｍの深さ
まで拡散し、チャネル領域となるｐ⁻型拡散層３２を形
成した。このｐ⁻型拡散層３２の拡散深さがチャネル長
となるので、所定の拡散深さとなるように拡散条件を制
御する。また、第１のシリコン基板３１のｐ⁻型拡散層
３２が形成された面とは反対側の面に周縁部を除いてリ
ンを拡散し、ｎ^＋型拡散層３６を形成した。このｎ^＋型
拡散層３６は、チャネル領域となるｐ⁻型拡散層３２を
形成するために第１のシリコン基板３１としては不純物
濃度の低いものが用いられているので、ドレイン領域と
なる第１のシリコン基板３１の低抵抗化及び良好なコン
タクトを得る目的で形成される。

次いで、第１及び第２のシリコン基板３１、３３の接合
面をそれぞれ有機溶剤、硫酸、フッ酸水溶液等で標準的
な洗浄を行なった後、脱イオン水で表面を処理した。こ
の後、両者の接合すべき面を重ね合わせ、電気炉にて空
気中、１１００℃で１時間加熱処理して接合した。

次いで、第１のシリコン基板３１及び第２のシリコン基
板３３のほぼ中央部を貫通するように機械加工により直
径３mmの貫通孔３７を形成した。つづいて、上記のよう
に接合したままの状態では積層体の周縁部でもチャネル
が形成されることになるので、全面に熱酸化膜を形成
し、外周に形成されている部分を選択的にエッチングし
た後、これをマスクとしてホウ素を拡散し、第１及び第
２のシリコン基板３１、３３の周縁部にｐ^＋型チャネル
ストッパー領域３４、３５を形成した。

次いで、前記熱酸化膜をフッ酸処理で除去した後、新た
に熱酸化を行ない、膜厚５００ÅのＳｉＯ_２膜を形成
し、更にＣＶＤ法により膜厚１０００ÅのＳｉ_３Ｎ_４膜
を堆積するという工程により貫通孔３７内面を含む第１
及び第２のシリコン基板３１、３２の表面に絶縁膜３８
を形成した。

次いで、ｎ^＋型拡散層３６上及び第２のシリコン基板３
３とｐ^＋型チャネルストッパー領域３５との境界上の絶
縁膜３８の一部を選択的にエッチングしてコンタクトホ
ールを開孔した。つづいて、全面に金属膜を蒸着した
後、パターニングして電極３９、４０を形成した。つづ
いて、これら電極３９、４０にリード線４１、４２を接
続し、第１図及び第２図図示の半導体センサを製造し
た。

上記のような半導体センサは第３図に示すようにして使
用される。まず、リード線４１、４２が接続された半導
体センサ５１の上下両面に、貫通孔部分が管内に位置
し、接続部が管外に位置するように、例えば内径５００
μｍの測定管５２、５３を接着剤等により接合したもの
を用意する。この測定管５２、５３の接合は被検液が外
部へもれないようにすることを考慮するだけでよい。次
に、容器５４内に収容された被検液５５に測定管５２の
一端を浸漬するとともに、参照電極５６を浸漬する、そ
して、測定は被検液５５を測定管５２、５３内に吸引
し、ソースフォロア回路により半導体センサ５１のソー
ス、ドレイン間電流を一定に保つように参照電極５６に
フィードバックすることにより行なわれる。

実際に、第３図図示の測定系で参照電極５６として飽和
カロメル電極を用い、ｐＨの異なる緩衝溶液について順
次ゲート電位を調べたところ、５５ｍＶ／ｐＨという良
好な感度を示した。

このような半導体センサによれば、第３図に示すように
測定管５２、５３への取付けは従来の半導体センサと比
べると非常に容易になる。また、ソース、ドレイン領域
とリード線との接続部は測定管５２、５３の外部に配置
されるので、この接続部が溶液に浸漬されることはな
い。このため、接続部を樹脂で被覆する必要はなく、当
然樹脂の膨潤による絶縁不良等も生じることがない。更
に、被検液５５の流路にもなる貫通孔３７内部のゲート
部近傍では、被検液５５はなめらかに流れるので、固形
物の付着、気泡の発生が起らず、測定精度を向上するこ
とができる。

また、第１図図示のような構造を有する半導体センサ
は、上記実施例で用いたのとは異なる方法によっても製
造し得る可能性はある。例えば、ｐ型シリコン基板の両
面からｎ型不純物を拡散して中央部に薄いｐ型層を残し
た後、チャネルストッパー領域、貫通孔、絶縁膜、電極
を順次形成し、最後にリード線を接続するという工程が
考えられる。しかし、シリコン基板は通常３００μｍ程
度の厚さを有するため、上記のような方法を用いる場
合、中央部に薄いＰ型層を残そうとすると、ｎ型不純物
の拡散時間が例えば２日間というように非常に長くなっ
てしまう。しかも、不純物の拡散は温度と時間で制御さ
れるが、シリコン基板の中央部に残すｐ型層の厚さが両
側のｎ型拡散層の厚さと比べて極めて薄い場合、その制
御は困難であり、上下のｎ型拡散層が接触したり、ｐ型
層の厚さが不均一となるおそれが大きい。

このように上記実施例で用いた以外の方法では拡散時間
が長く、しかもｐ型層の厚みの制御が困難であることか
ら実用性が低いのに対し、上記実施例のように２つのシ
リコン基板同士の直接接合を利用するという方法を用い
た場合にはｐ⁻型拡散層３２形成のための拡散時間は１
〜２時間ですみ、しかもその厚みの制御も容易である。

また、第１図図示のような電解効果型トランジスタを用
いた半導体センサの感度は種々の因子により支配される
が、最も端的にはゲート長ｌとゲート幅ｗで表現でき
る。すなわち、入力電圧感度はｗ／ｌに比例した量とな
る。ここで、ゲート長ｌはｐ⁻型拡散層３２の厚みに、
ゲート幅Ｗは貫通孔３７の内周長にそれぞれ相当する。

上述したような実施例で用いた以外の方法では制御可能
なｐ型層の厚みはせいぜい５０μｍ程度であるのに対
し、実施例で用いた方法では５〜１０μｍ程度でも十分
制御可能である。したがって、貫通孔３７の直径を同一
とした場合、５〜１０倍良好な感度が期待できる。

なお、本発明の半導体センサは、ゲート部を種々の修飾
材で覆うことにより上記実施例で測定した水素イオン
（ｐＨ）だけでなく、その他のイオンに対しても選択性
をもたせることができる。例えば、樹脂とバリノマイシ
ン膜を用いてＫ^＋センサとしたり、樹脂とクラウンエー
テル類を用いてＮａ^＋センサとすることができる。これ
らの修飾材を用いた場合、樹脂が膨潤するため、第４図
又は第５図図示の従来の半導体センサに適用した場合、
水中で剥離や破損が生じていた。これに対して本発明の
半導体センサでは樹脂が膨潤しても貫通孔を拡げる方向
に作用するので、樹脂の付着強度が高く、容易に剥離し
ないため、寿命が従来の２〜３倍となった。

また、上記のような手法で得られる機能の異なる複数の
半導体センサを貫通孔の位置を一致させるようにして水
密構造で積層した後、第３図と同様に測定系を構成すれ
ば、多機能のセンサ集合体とすることができる。

また、本発明の半導体センサを得るための工程は適宜変
更することができる。例えば、第１及び第２のシリコン
基板はｎ型に限らずｐ型のものを用いてもよい。また、
直接接合時の処理温度は４００〜１２００℃の範囲で選
択することができる。また、貫通孔は機械加工に限ら
ず、エッチングにより形成してもよい。また、絶縁膜と
しては、ＳｉＯ_２膜単独又はＳｉ_３Ｎ_４膜単独でもよ
い。更に、各工程の順序は適宜いれかえることができ
る。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く本発明の半導体センサによれば、管へ
の取付けが容易で、接続部の信頼性が高く、しかも測定
精度を向上することができる等、工業上極めて大きな価
値を有するものである。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の実施例における半導体センサの断面
図、第２図は同半導体センサの平面図、第３図は同半導
体センサの使用状態を示す説明図、第４図は従来の半導
体センサの正面図、第５図は従来の他の半導体センサの
使用状態を示す断面図である。３１……第１のシリコン基板、３２……ｐ⁻型拡散層、
３３……第２のシリコン基板、３４、３５……ｐ^＋型チ
ャネルストッパー領域、３６……ｎ^＋型拡散層、３７…
…貫通孔、３８……絶縁膜、３９、４０……電極、４
１、４２……リード線、５１……半導体センサ、５２、
５３……測定管、５４……容器、５５……被検液、５６
……参照電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の第１の半導体基板と、該第１
の半導体基板の一方の面に形成された第２導電型の拡散
層と、前記第１の半導体基板の第２導電型の拡散層が形
成されている面に直接接合された第１導電型の第２の半
導体基板と、前記第１及び第２の半導体基板の周縁部全
体にわたって形成された第２導電型の拡散層と、前記第
１及び第２の半導体基板の周縁部以外の位置に第１及び
第２の半導体基板を貫通して設けられた貫通孔と、該貫
通孔の内面を含む第１及び第２の半導体基板の表面に形
成された絶縁膜を具備したことを特徴とする半導体セン
サ。
【請求項２】第１の半導体基板として不純物濃度の低い
ものを用い、第１の半導体基板の他方の面に第１導電型
の高濃度拡散層を形成したことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の半導体センサ。
【請求項３】絶縁膜がＳｉＯ_２膜であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の半導体センサ。
【請求項４】絶縁膜がＳｉ_３Ｎ_４膜であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の半導体センサ。
【請求項５】絶縁膜がＳｉＯ_２膜及びＳｉ_３Ｎ_４膜を順
次積層したものであることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の半導体センサ。