JPS60228954A - 電界効果型半導体センサ - Google Patents

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】 （１）技術分野 本発明は化学的物質の濃度測定に用いる電界効果型半導
体センサ）で関する。

（２）背景技術 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他の化学的物
質の濃度などを測定する半導体センサは従来から知られ
ている。これらは、Ｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅＦｉｅ
ｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　（ＩＳＦ
ＥＴ）、Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ＦＥＴ（ＣＨＥＭＦＥＴ）
と呼ばれ、特公昭５４−２４８１７などにこれ等に関す
る記載がある。

第６図、第７図にＩ　５ＦＥＴのゲート部分の基本構造
を示す。例えばｐ−のシリコン基板（１）の表面にソー
ス（２）、ドレイン（３）の各拡散領域をチャンネル領
域（４）をはさんで離間して形成し、この基板表面を５
ｉＯｓ＋　のようを材料の絶縁層（５）で被覆してあり
、ソース、ドレインのリード・コンタクト用の金属層（
６）が設けである。そして、第６図では各々１０００λ
程度の薄い被測定雰囲気不透過性膜（７）と、化学選択
性膜（８）が形成され、第７図では任意の厚さの導電性
物質層（９）と、薄い化学選択性膜が形成されである。

このセンサは、実使用時には被測定雰囲気、例えば血液
などの溶液に直接浸漬する。このため化学選択性膜の部
分は直接溶液に接触し、リード線そのコンタクト金属な
どは絶対に溶液に接触しないように絶縁保護しなくては
ならない。従来、最も一般的な方法はエポキシ樹脂やシ
リコン樹脂により溶液不透過性を持たせる方法であった
が、これらの樹脂では長時間使用に耐えられず膨潤する
。

故にこの方法では充分な安定性、再現性が得られない。

このためセンサチップ自体に耐雰囲気性を持たせる方法
が提案されている。その方法は大別して次の２つである
。

（■）シリコンウェファをエツチングにより３次元的に
加工し、センサチップの表面だけでなく、側面裏面を含
めた大部分を被測定雰囲気不透過性の絶縁膜で覆う。（
例えば特開昭５５−２４６０３　）（ｎ）基板にシリコ
ンを用いず絶縁性のサファイア基板を用い、その上に必
要最小限のシリコン層を形成してセンサを構成し、かつ
、その大部分を雰囲気不透過性の絶縁膜で覆う。、４（
例えば特開昭５７−１９１５８９ン これらの方法によるセンサは実用に耐え得る安定性、再
現性があるが、両方ともその製造工程に非常に高度な技
術を必要とし、かつその工程は複雑であり、一般のシリ
コンＩＣ製造プロ七スにはない技術を用いるため、歩留
よく大量生産することは現状ではほとんど不可能である
。

（３）発明の目的 本発明は長時間にわたり安定に精度よく測定が行なえ、
かつ、歩留よく大量に生産することができる超小形の電
界効果型半導体センサを提案することを目的とする。

（４）発明の構成 本発明による電界効果型半導体センサは実用に耐え得る
安定性、再現性を獲得するために、現在一般に用いられ
ているシリコンＩＣｉ造プロセスにない特殊な技術を用
いることなく、シリコンウェファの表面加工技術のみで
製造できることを最大の特徴とする。

先に述べた様に、このセンサは実使用時には被測定雰囲
気、例えば血液などの液体に直接浸漬させるためにセン
サチップ自体が耐雰囲気性を具えておく必要がある。一
般のシリコンＩＣ製造プロ若干の困難は伴うが保護する
ことができる。しかしながら、シリコンウェファを切断
してチップ状に加工し、センサチップとして完成したと
き、切断面即ちチップ側面は半導体であるシリコン単結
晶基板が露出した状態となるため被測定雰囲気による影
響を非常に受けやすい構造となる。このため従来技術で
は、８次元加工を施し、センサチップの表面だけでなく
裏面及び側面を保護する方法か、基板自体をシリコンで
はなく、絶縁性のサファイアとする方法により、裏面及
び側面からは被測定雰囲気の影響を受けない構造として
いる。

本発明ではシリコンＩＣ及びＬＳＩ製造プロ七スにおい
て用いられている・シリコン基板表面に形成された各素
子を電気的に分離する技術（以下、素子分離技術と称す
る）を利用して、センサの基礎構造であるゲート絶縁型
電界効果トランジスタ部を裏面及び側面から電気的に分
離することにより、センサチップの裏面及び側面が被測
定雰囲気によつて影響を受けたとしても、それがトラン
ジスタ部には及ばないのでトランジスタとしては安定に
動作し、ひいてはセンサとして安定に動作することが可
能となる。また、このときゲート部構造は第６図に示す
ような絶縁層だけで構成されたものではなく、第７図に
示すような導電性層を含む構成の方が望ましい。これは
特願昭５９−５９９４６号において、提案されているよ
うに、化学感応部とトランジスタ部の位置を物理的に離
すことができるからである。化学感応部がトランジスタ
部に連続した上部にあると、化学感応部は直接被測定雰
囲気に浸漬するため素子分離技術によりセンサチツプ側
面からの影響は除外しているにもかかわらず、その分離
しであるトランジスタ部自体が被測定雰囲気により影響
を受けてしまう危険性が高いが、化学感応部とトランジ
スタ部が離れているとトランジスタ部の保護が容易とな
り、特性の長期安定化が望める。

また素子分離技術としては、次に示す様な方法があり、
これらを単独に用いてもよいし、これらを組み合せて、
より一層の効果を挙げることも考えられる。

（１）選択酸化法（ＬＯＧＯ５：　Ｌｏｃａｌ　０ｘｉ
ｄａｔｉｏｎ　ｏｆＳｉｌｉｃｏｎ　）・・・　各素子
領域の間に厚い酸化膜を形成して、各素子を絶縁物であ
る酸化膜で分離する。

（ＩＩ）　ｐｎ接合法・・・ｐｎ接合により絶縁する。

（ｍ）　ａ　板エツチング法・・・エツチングにより各
素子領域の間に溝を形成し、素子領域を構造的に分離す
る。

ＯＶ）選択エピタキシャル成長法・・・最初に素子領域
として用いない領域にのみ選択的に酸化膜等の絶縁層を
形成しておき、次に素子領域に分離された状態で単結晶
シリコンをエピタキシャル成長させる。

（Ｖ）絶縁物分離法・・・基板エツチング法と同様の溝
を形成し、その部分をＳｉ３Ｎ４などの絶縁物を埋込む
か、最初に絶縁物薄膜を形成した後にポリシリコン等を
埋込む。

（５）発明の実施例　１ 以下、本発明を実施例の図面にもとすいて説明する。

最も有効な素子分離法の組合せの１つとして、センサチ
ップの側面からの影響を選択酸化法で防ぎ、裏面からの
影響をｐｎ　接合で防ぐ方法が考えられるが、ここでは
簡単のために選択酸化法のみを用いて素子分離を行なっ
た電界効果型半導体センサについて述べる。第１図は本
発明の一実施例たる電界効果型半導体センサの構造を示
す平面図で、第２図は第１図の１点鎖線ａ　−ａ’にお
ける断面図、同じく第３図はｂ　−ｂ’、第４図はｃ　
−ｃ’、第５図はｄ　−ｄ’における断面図である。

本実施例のセンサチップの大きさは１．Ｑｍｘ５．Ｑｍ
ｘである。第１図に示す様に、トランジスタ部はチップ
上の一方の端に集中的に形成されており、化学感応層（
８）は他方の端に形成され、平面的に約８悲離れた構成
となっている。この実施例の最大の特徴はトランジスタ
部を素子分離用酸化層αＤによりセンサチップ周辺部か
ら電気的に分離していることである。

即ち、電気的に分離するのに充分な厚さを持つ酸化層σ
Ｄに囲まれた領域内にソース拡散領域（２）、ドレイン
拡散領域（３）が形成されている。この領域からはリー
ドコンタクト用金属層（６）と化学感応用絶縁層（８）
との接続のための導電性物質層（９）により情報の伝達
は行なわれるが、これ以外は上部も保護層叫により完全
に保護されているのでトランジスタ自体の動作特性とし
ては非常に安定したものとなる。

上記導電性層（９）としては、Ａｌ　またはイオン注入
により導電性を持たせたポリシリコンを用いる。

また保護層αＯとしては、プラズマＣＶＤなど低温で形
成可能な５ｉｓＮ４ｙ　ｋｌｓｏｓｍ　ＳｉＯｘＮｙ＋
　ＡＩ！０ｘＮｙ、　ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−５ｉｌ
ｉｃａｔｅ　ＰｇＯｓ　Ｓｉｎｇ　）＋　Ｐｂ０−ＡＡ
’ｇＯａ・Ｓｉｎｇ　（Ｌｅａｄ−Ａｌｕｍｉｎｏ−５
ｉｌｉｃａｔｅ　）　＃　ＰｂＯ・ＢｇＯｓ・Ｓｉｎｇ
　（Ｌｅａｄ−Ｂｏｒｏ−５ｉｌｉｃａｔｅ　）　＋　
ＰｂＯ−Ａｌ！ｇｏｓ・ＢｇＯａ・５ｉＯｓ＋　（Ｌｅ
ａｄ−Ａｌｕｍｉｎｏ−Ｂｏｒｏ−３ｉｌｉｃａｔｅ）
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、膜厚としては１μｍ
以上が望ましい。

化学感応層（８）も第７図では簡単のために単層で示し
であるが、実際には膜と膜の密着性などの問題から化学
感応膜を最外層とした多層構造とすることも多い。

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、５ｉａＮ＊＋Ａ１ｇ
Ｏａｙ　Ｔａｇ’ｓ　（Ｈ＋イオン〕、各種ＮＡＳ　（
Ｎａ　ｓＯ−ＡｌｇＯａ−５ｉｎｇ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、八
ｇ＋　イオン、ＴＩ＋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〕、ベニシリナ
ーゼ固定膜〔ペニシリン〕坑アルブミン抗体固定膜〔ア
ルブミン〕、ア七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。

（６）発明の効果 本発明は、実用に耐え得る安定性・再現性、信頼性を具
えた電界効果型半導体センサを製造するのに従来技術に
よるような一般のシリコンＩＣ及びＬＳＩ製造プロ七ス
にない特殊な技術、例えばシリコンウェファの３次元加
工技術やＳＯ３（Ｓｉ−１ｉｃｏｎ　ｏｎ　５ａｐｐｈ
ｉｒｅ　）技術などを必要とせず表面加工技術のみで製
造できることを最大の特徴としている。このため血液な
どの半導体デバイスとしては劣悪な環境下で用いる特殊
なデバイスでありながら、一般のシリコンＩＣと同様に
確立された信頼性の高いプロ七スのみを用いて製造でき
るので歩留よく大量に生産することが可能となり、低コ
スト化が実現される。

またセンサの特性の安定化のために素子分離技術を導入
したが、素子分離技術自体は、元来シリコンウェファ上
に形成されるデバイスの集積度を高めるために開発され
た技術なので、先の実施例のような単機能センサだけで
はなく、多機能化を実現する際に大きな利点となる。即
ち、複数個の化学感応層を同一センサ・チップ上に形成
した場合に各々に対応するゲート絶縁型電界効果トラン
ジスタを集中的に形成しても、これらのトランジスタ間
も周辺部から分離するのと同様に絶縁分離してふ・けば
各々の測定値が干渉し合うことは少なくともトランジス
タ部においては起こり得ない。

さらにセンサの特性を補償したり、多機能化センサとし
た場合の多項目の測定結果を分析したりするような電気
回路を同一チップ上に集積化することにも充分に対応可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例たる選択酸化法によりゲー
ト絶縁型電界効果トランジスタ部を周辺部構造から電気
的に分離した電界効果型半導体センサの構造を示す平面
図である。 第２図は、第１図の１点鎖線ａ　−ａ’における断面図
で、同じく第８図はｂ　−ｂ’における断面図、第４図
はｃ　−ｃ’における断面図、第５図はｄ　−ｄ’にお
ける断面図である。 第６図、第７図は、従来のシリコンを基板として用いた
電界効果型半導体センサのゲート部分の基本構成断面図
で、第６図は薄い絶縁層のみの多層構造を示す図、第７
図は導電体層を含む多層構造の場合を示す図である。 １６　シリコン単結晶基板 ２、　ソース拡散領域 ３、　ドレイン拡散領域 生　チャンネル部 ５、　絶縁層（その１） ６、　リードコンタクト用金属層 ７、　絶縁層（その２）。 ８、化学感応用絶縁層 ９、　金属等の導電性物質層 １０、保護層 １１、素子分離用酸化層 肯６図 Ｗ７図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （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において、基礎構造たるトラン
   ジスタ部が被測定物質を含む雰囲気に直接さらされる周
   辺部構造と被測定物質に感応する層を除いて、素子分離
   技術により電気的に分離されていることを特徴とする電
   界効果型半導体センサ。
2. （２）シリコン単結晶基板上に形成されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の電界効果型半導体
   センサ。
3. （３）上記素子分離技術が選択酸化法ｐｎ　接合法、基
   板エツチング法、選択エピタキシャル成長法、及び酸化
   物以外の絶縁物分離法の中の１種であるか、もしくはこ
   れらの組合せであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項及び第２項記載の電界効果型半導体センサ。
4. （４）上記ゲート絶縁型電界効果トランジスタを複数個
   設け、かつ個々の感応層の組成を変化させ、複数個の物
   質に対する選択特性を具えたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項、第２項及び第３項記載の電界効果型半導
   体センサ。
5. （５）上記ゲート絶縁型電界効果トランジスタが形成さ
   れている部分もしくはその周辺にこのトランジスタ同様
   に周辺部構造とは電気的に分離された状態で、感度補償
   、温度補償、情報処理等を行なう電気回路が形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、
   第３項及び第４項記載の電界効果型半導体センサ。