JPS6061652A - 電界効果型半導体センサの製造方法 - 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
体センサの製造方法に関する。

（２）背景技術 ゲート絶縁型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）の構
造を利用して、電解液中のイオン活量や池の、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　Ｅｔｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　（ｌ５Ｆ
ＥＴ　）　＋ＣｈｅｍｉｃａｌＦＥＴ　（ＣＨＥＭＦＥ
Ｔ　）　と呼ばれ、例えば持分　５４・−２４，３１７
（！ｉろ′開５２−２６２９２）などにこれ等に関する
記載がある。

第１図、第２図にｌ５ＦＥＴ　のゲート部分の基本構造
を示す。例えばｐ−のシリコン基体（１）の表向にソー
ス（２）、ドレイン（３）の各拡散表面領域をチャンネ
ル領域（４）をはさんで離間して形成し、この基本表面
を絶縁層（５，５ｉｎ２）で被覆してあり、ソ−ス、ド
レインのリード・コンタクト用の金属層が設けである。

更に第１図では、各々１ｏ−ｏｏＸ程度の薄い溶液不透
過性の膜（７）と化学選択性の膜（８）が第２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。

１＼゛）、このセンサは、実使用時には被測定溶液中に
浸ｈ′オする。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、）ｆ！っコンタクト金属などは絶
対に溶液に接触しないように保護しな（てはならない。

一般にはエポキシ樹脂やシリコン樹脂により溶液不透過
性を獲得するが、これらの樹脂では長時間使用には耐え
られず膨潤する。また、ＳｉｎｇＪ・、’５　（５）は
水和し、特定の陽イオンＩ（＋＋　Ｋ＋＋　Ｎａ＋など
取り込む危険性が高く、ゲートリーク等が発生してセン
サの安定性、再現性が著しく損われることが多い。

このため少なくとも溶液中に浸漬する部分は、この溶液
に対して、不透過性であることなど不所望な影響を受け
ないように充分な対策が必要である。このような対策を
施したセンサとしては、例えは特開５５−２４・６０３
にあるいはさらに発展した形として松尾、江刺による゛
ＦＥＴ士ンサ′”：電気化学５０　Ｉｆ；、］ｐｆ３４
〜７１　（１９８２）　などに述べられている。

第３図、第４・図に上記文献に記載されたＮ−ＭＯＳ型
のｌ５ＦＥＴ　の構造と製作工程を示す。この七ンの部
分以外はプローブ状に加工して全面を溶液不透過性の拐
料で位っであるためイオンの浸入を防止している。

（１’を容液不透過性層の下の層の大部分力箱ｔ　のト
レインの拡散領域（１勺なので電気的雑音に強い。

（：：ｉ）ゲート部以外の表面に寄生チャンネルが生じ
ないようにｐ十　のチャンネルスＩ・ツバ−１ｍ　Ｑ８
）　カ形成しである。

の３点である。その製作工程の概略は以下に示す通りで
ある。

（ａ）ｐ−で表面が（１００）のシリコンウェフアヲ用
い、異方性のエツチング液により、両面から先端部を切
り抜く （ｂ）強酸系の等方性エツチング液で角を丸める。

（Ｃ）ソース（圓、ドレイン０３層の拡散（ｄ）　ｆヤ
ンネルストッパー０８）の拡散（ｅ）ゲート熱酸化（１
５１，溶液不透過性層α憧、化学感応層αつの形成とコ
ンタクト部αＤ１シの形成この製作工程における最大の
間ｊ電点は、エツチングによりシリコンウェファをプロ
ーブ状に加工してからソースドレイン層の拡散、チャン
ネルストッパーの拡散、ゲート熱酸化など１０１００（
前後の高温処理を何度も行なわなくてはならないという
ことである。即ち、シリコンウェファの一部に穴を明は
プローブ状に加工することにエリ、シリコンウェファ自
体の機械的強度が弱くなるため高温処理を縁返すことに
より、反り、歪み、割れなどが生じ、精度上（半導体製
造プロセスを処理して行くのは困難である。従って、特
性の安定したセンサを歩留りよく製造することは不可能
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＜　Ｉｍ定か行な
える超小形の電界効果型半導イセセンサを歩留よく大量
に生産できる製造方法を提案することを１」的とする。

（４）発明の（１ζ成 以下、本発明を説明する。

ｆ；ｆＳ　Ｓ　図ハ不発明ニＪニア１　ｎ−ＭＯＳ型）
ＩＳＦＥＴ　ＣＤ最も基本的な構成を示すものである。

これは第３図に示すｌ５ＦＥＴ　と次の３点において異
なっている。

（１）ソースとして用いるｎ＋Ｊ：Δ（１４）が著しく
厚い。

（ｔｉ）チャンネルストッパー ンのｎ＋ＪＶＪ　ＯＱを覆うのではなくソースとドレイ
ンのＨ＋ＪＧ間のチャンネル領域にのみ形成されである
。

（ｉｉｌ）ゲート部が絶縁層だけで構成されるのではな
く導電性層（ハ）も存在する。（但し、導電性層は１０
００　Ｘ程度の溶液不透過性の絶縁ＬＤとおきかえても
よい。） これら３点のうち、本発明による固有のものは、（１）
のみで、これは第６図に示す製造工程により、センサを
作成するために生じる。その工程の概略を図に従い、以
下に示す。但し、この図はゲート部（１に造（第５図Ａ
−Ｎ断面）のみについて表示しである。

（ａ）　ｎ＋　の（１００）面を表面とするシリコンウ
ェファ（ハ）を準備する。

（ｂ）　ｎ＋　のシリコン基板」−にｐ−のシリコン層
（ハ）下の１１＋　領域（イ）と完全に接触する深さま
で拡散する。

（ｄ）ドレイン用のＩＮ　Ｊ’７Ｑ■とチャンネル・ス
トッパーのｐ十　層θ８）を拡散する。

（ｅ）ゲート酸化を行なう。（１０００Ａ程度片輪は５
ｉ０２　層） （ｆ）　（１，００）方向にエツチング速度の速い異方
性エツチング液で両面から先端部をプローブ状に切り抜
き、ソース用のｎ土層と下のｎ＋６ｒｌ域が継がった状
態で露出するようにする。

このとき用いるエツチング液はセンサの特性に悪影響を
及ぼす危険性のある特定の陽イオン（ｅＸ＋Ｎａ＋＋　
Ｋ”　）を含まないもの例えばヒドラジンと水の混合液
とか、エチレンジアミン、パイロ力テロール、水の混合
液を用いる。

（ｇ）等方性のエツチング液で角を丸める。これは先の
異方性エツチングを行なった際に理想的には（１１，１
）面だけが表面に出るが、実際には種々の条件により、
表面が荒れた状態でエツチングが終了することが多いの
で、後工程の溶液不透過性膜の形成時に容易にピンホー
ルのない良質の膜を形成できるように、センサ表面を滑
らかにするために行なう。このとぎ用いるエツチング液
はフッ酸、硝酸の混合液か、あるいはこれに適数の酢酸
を加えた液を用いる。

ｓｊＭ＞（＋・）ゲート部に、導電性層（ハ）と更にそ
の上に１じ学感応層（ハ）を形成する。

導電性層（ハ）は、１０００　Ｘ程度の薄い溶液不透過
性の絶縁層でもよい。（この件については西口、平木、
中野発明の「半導体センサ」　（昭和５８年３月２５日
出願：特願昭５８−５１１４５を参照されたい。）化学
感応層は測定対象物質により種々の月料が考えられる。

例えば、■■＋イオンに対するＴａ　２０５　、Ａｌ　
２０３　などの無機物や、特定のイオンに選択性を持つ
様に組成を変化させたガラス、さらにはクラウンエーテ
ルを固定した膜などが考えられる。また、測定対象物と
してイオンだけです＜、酵素、抗体、結合たんばく質な
どを選べば、それらに選択的に感応する生体機能性材料
（ｅｘ、グルコースに対するグルコースオキシダーゼ、
尿素に対するウレアーゼなど）を用いればよい。

（１）１ヒ学感応部、ドレイン端子部、ソース・基板端
子部を除く、センサ表面全体に安定化のために溶液不透
過性膜をピンホールがないように均一に形成する。

この溶液不透過性膜が化学感応部と同一材質でよい場合
には、この工程は先の化学感応層の形成と同時に行なう
ことが可能である。即ちｐＨセンサとして用いるとぎに
はＡＩ！２０ｇまたはＴａ２０５をＣＶＤ　（Ｃｂｅｍ
ｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）など
によりドレイン端子部、ソース・基板端子部を除く全体
に同時に形成すればよい。しかし酵素センサ、免疫セン
サとして用いる場合などは、同一工程で行なうことは無
理である。このような溶液不透過性の材料としては、先
に述べたＡｌ２Ｏ５＋　Ｔａ２０５　以外にＳｉ３Ｎ４
＋　ＴａＮ　シリコンオキシナイトライド（ＳｉＯｘＮ
ｙ　）アルミニウムオキシナイトライド（ＡｌＯｘＮｙ
）タンクルオギシナイトライドが適当であると考えられ
る。またこれらは単層だけでなく、ゲート部構造も考ｒ
、・Ｂして良好な特性を持つように適当に相合せた多層
構造とすることも考えられる。

（５）実施例 第７１ｇＮよ、本発明の一実施例としてのカテーテレ先
ｊ７ａｆ形のセンサの具体的構造を示すものである。

第７図において、第７図（ａ）はカテーテル先端形セン
サの断面図であり、第７図（ｂ）は化学感応用ゲート部
が見える方向からの図（但し、一部断面図、親木性ポリ
マー（４０）は除去）である。図中２９はｌ５ＦＥＴ　
チップ、３０は化学感応用ゲート部、３１は比較電極（
Ａｇ／ＡｇＣ１）、３２は内部液（ＫＣ４）、３３は液
絡、３４１は内部液ケース、３５はカテーテルチューブ
、３６はｌ５ＦＥＴ　比較電極支持用絶縁台、３７は絶
縁兼接着剤（シリコン樹脂）、３８はｌ５ＦＥＴ　用リ
ード線（ドレイン端子用ソース・基板共通端子用　計２
本）、３９は比較電極用リード線、４０は親木性ポリマ
ーである。

に絶縁兼接着剤で実装する。被測定液の電位は、比較電
極（３１）により一定に保たれた内部液（３２）と、液
絡（３３）を通しで電気的に接触することにより一定に
保つ、例えば、ｐＨセンサとしては感応層としてＴａ　
Ｑｏ　５、比較電極にＡｇ／ＡｇＣ１，内部液にＫＣｌ
を用・）る。ｐＩ（センサ以外としても先に示した材料
を感応層として用いることにより実現できるし、さらに
は複数個のセンサを設置し、その各々に異なる感応層を
用いれば多項目センサが実現される。

また、これら以外にもこの原理を利用したガスセンサ、
温度センサとしての応用も可能である。

（６）発明の効果 本発明により期待される最大の効果はセンサの製造工程
における歩留が飛躍的に大きくなることである。

従来の製造方法では、エツチングによりシリコンウェフ
ァをプローブ状に加工するよりｌの後にソース層、ドレ
イン層の拡散、チャンネル・ストッパ一層の拡散ゲート
熱酸化などの１０００℃前後の高温処理が必要な工程が
数多くある。プローブ状に加工する際に、シリコンウェ
ファの一部に穴を明けるためウェファの機械的強度が弱
くなるので高温処理を繰返す間に反り、歪み、割れなど
が生じる。このため、マスクの位置合せを精度Ｊコ＜行
なうのは困つ１（［となり、特性の安定したセンサを歩
留よく製造することはとても期待できない。

ようにソース層、ドレイン層の拡散、チャンネルストッ
パ一層の拡散、ゲート熱酸化などの高温処理を要する工
程を、エツチングの前に行なうことができる。このため
機械的強度が弱くなったシリコンウェファに加えられる
負担を最小限に食い止めることができ、シリコンウェフ
ァの変形をほとんど抑えることができる。従って、マス
クの位置合せに必要以上の困難を生じることはなく、プ
ロセスは安定する。即ち特性の安定したセンサを歩留り
よ（製造することが可能となる。実際３インチウェファ
１枚から３００個程度のセンサが安定に製造できる。

断面図、（但し、第１図はゲート部が薄い絶縁層のみの
多層構造、第２図は導電体層を含む多層構造の場合）、
第３図は特性の安定化、長寿命化対策が施されたｌ５Ｆ
ＥＴ　の構成図、第４・図（ａ）　、　（ｂ）　。

（Ｃ）　、　（ｄ）及び（ｅ）は、その従来技術による
製造方法の概略図、第５１２０よ本発明の製造方法によ
るｌ５ＦＥＴの構成図、第６図（ａ）　、　（ｂ）　、
　（Ｃ）　、　（ｄ）　、　（ｅ）　、　（ｆ）　、　
（ｇ）　。

（１１）及び（ｉ）は本発明の製造方法を示す概略図、
第７図は本発明により製造されたｌ５ＦＥＴ　の実施例
としてのカテーテル先端形センサを示す図であり、第７
図（ａ）は断面図、第７図（ｂ）はイオン感応用ゲート
部が見える方向からの図（但し、一部所面図、親水性ポ
リマー（４０）は除去）である。

■、・・・半導体基体 ２、・・・ソース拡散領域 ３、・・・ドレイン拡散領域 ４・、・・・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、・・・比学感応用絶縁層 ９、・・・金属等の導電性物質層 １０、・・・化学感応部（ゲート部） １１、・・・ドレイン端子部 １２、・・・ソース・基板共通端子部 １３、・・・ドレイン拡散領域 １４・、・・・ソース拡散領域 １５、・・・５ｉＯ２ＪＩご（約１００ＯＡ）１（ｉ、
・−・溶液不透過性絶縁層（ｅｘＳｉｓＮ４約１ｏｏｏ
Ｘ）１７、・・・化学感応層 １　Ｂ、・・・チャンネル・ストッパー用拡ｕｔ　領域
１９、・・・５ｉ０２　）音（約６０００λ）２０、　
・・・Ｃｒ　（１００ＯＸ） ２１、−−・Ｃｕ　（１０００λ） ２２．・・・ハンダ ２３、−−−５ｉｎ２）’：Ｊ　（ゲート部約１０００
″にその他約１μｍ）２４・、・・・金属等の導電性物
質層 ２５、・・・化学感応層 ２６゜・・・溶液不透過性絶縁層 ２７、・・・ｎ＋　（１００）表面のシリコン基板２８
、・・・ｐ−シリコンエピタキシャル成長層２９、・・
・ｌ５ＦＥＴ　チップ ３０、・・・化学感応用ゲート部 ３１、・・・比較電極（Ａｇ／ＡｇＣ１）３２、・・・
内部液（ＫＣｌ） ３３、・・・液絡 ３４・、・・・内部液ケース ３５、・・・カテーテルチューブ ３６、・・・ｌ５ＦＥＴ比較電極支持用絶縁台３７、・
・・絶縁兼接着剤 ３８、・・・　ｌ５ＦＥＴ用リード線 ３９・・・比較電極用リード線 ４１０、・・・親水性ポリマー 芳１図 方２図 ５００ハ ３ 芳４図 （０） （ｅ） 第５圀 ０．７ｍｍ アロ図 １、事件の表示 昭和５８年特許願　第１７ρ０（？０　号２、発明の名
称 電界効果型半導体センサの製造方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　大阪市東区北浜５丁目１５番地 名称（２１３）住友電気工業株式会社 社長　用上哲部 ４・９代理人 住所　大阪市此花区島屋１丁目１番３号住友電気工業株
式会社内 （電話　大阪４・６１〜１０３１） 氏名（７８８１）弁理士　上代哲司 ６、補正の対象 願潜及び明細山中発明の詳細な説明のれ・Ｙ（７、補正
の内容 （１）別紙の如く願出中発明者（西口勝規）の氏名を訂
正致しまず。

（２）明細書第２臼１２行口 ＪＥｔｆｅｃｌ、Ｊを［Ｅｆ（ｅｃｔｊに訂正しまず。

８、添付書類の１」録 （１）譲　渡　証　書　１通 （２）理　由　出　１通

Claims (1)

【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ａｔｔ＋定物質にのみ選択的に感応する層を
   形成し、素子表面のほぼ全体をこの表面が接触する物質
   に対しては不透過性の材料で覆い、かつ、この直ぐ下の
   層の大部分が一導電形の低抵抗層である電界効果型半導
   体センサを１枚のシリコ１ンウエフアから同時に複数個
   製造するにあたり一導電形の低抵抗のシリコン基体上に
   反導電形の高抵抗のシリコン層をエピタキシャル成長さ
   せ、その表面に前記低抵抗基体と同導電形でかつこれと
   接続する様なソース領域を形成するなどの必要な工程を
   行ない、その間あるいはその後にエツチングによりソー
   ス領域と低抵抗基体が接続した状態で露出し、かつ各セ
   ンサは、その一部で互いに分離しないで継がっている状
   態に加工し、更にセンサ表面の大部分を絶縁層で覆い、
   最後に各センサを互いに分離することを特徴とする電界
   効果型半導体センサの製造方法。