JPS623655A

JPS623655A - 半導体センサ

Info

Publication number: JPS623655A
Application number: JP60143786A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Sakai; 忠司酒井; Masaki Katsura; 桂　正樹
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-06-29
Filing date: 1985-06-29
Publication date: 1987-01-09

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】〔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ｌ５ＦＥＴ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ｌ５ＦＥＴ
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ツチングし、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を溶液に接触させるよ
うにした構造のものが用いられていた。こうした構造の
半導体センサはそれぞれ第５図又は第６図に示すような
ものである。

第５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どなる図
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ツチング
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中に浸漬させて使用される。

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謔である。このた
め、ゲート部を管内に突出させるために、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６図において、ｐ型シリコン基板１１の主面に
はｎ１型ソース、ドレイン領域１２．１３が形成され、
更に基板１１主面にはゲート酸化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ｇ１１４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ｇ１１４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ツチングされ、ソース、ドレイン
領域１２．１３と接続された金属１１１６．１７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。

前記金属膜１６．１７とリード線１８．１９の一部は樹
脂２０．２１により被覆されている。

このような半導体センサでは検出面（ゲート部のある面
）が溶液に接するように配置するので、例えば管壁に沿
って取付けることができる。このため、第５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
１ｉ１１６．１７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２０．２
１が溶液に浸漬されて膨潤し、絶縁が損われることが多
い。更に、このような樹脂２０，２１は大きな流体圧に
耐えることができず、使用中にリーク電流が発生するお
それがある。

〔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、長期間にわたって溶液の
測定を安定して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導電型の半導体基板の一
部に形成された凹部と、この凹部内に設けられた貫通孔
と、基板の両表面にそれぞれ形成された第２導電型のソ
ース、ドレイン領域と、前記貫通孔内壁を含む基板表面
に形成された絶縁膜とを具備したことを特徴とするもの
である。

このような半導体センサでは、貫通孔の内壁面がゲート
部となる。また、この半導体センサで管内の溶液を測定
する場合、センサの上下両面にそれぞれ管を接合し、貫
通孔部分は管内部に位置し、センサ周辺部は管外に露出
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、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。

また、センサの上下両面にそれぞれ管を接合して測定系
を構成するので、管の厚みについては特に考慮する必要
がない。更に、このような構造の半導体センサは通常の
半導体製造プロセスで製造することができ、より大面積
のウェハで多数のセンサを製造することができる。

なお、本発明の半導体センサにおいては電界効果トラン
ジスタのチャネル長が実用的な値となるように凹部を形
成するが、凹部形成後の残りの半導体基板の厚さく貫通
孔周辺の半導体基板の厚さ）が２００−以下となるよう
にすることが望ましい。

また、トランジスタの感度はチャネル幅（１１通孔の内
周長）とチャネル長との比に比例するので、チャネル長
を短くできれば、より小さいチャネル幅で高感度なトラ
ンジスタを製造することができる。この場合、貫通孔の
大きさは長径５履以下であることが望ましい。更に、貫
通孔及び凹部のコーナー部における絶縁膜の破損を防止
するために、これらのコーナー部を角なましすることが
望ましい。このような角なましはエツチング液を選択す
ることにより容易に行なうことができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図（ａ）、（ｂ）、第２図
（ａ）〜（ｅ）及び第３図を参照して説明する。なお、
第１図（ａ）は本発明に係る半導体センサの断面図、同
図（ｂ）は同半導体センサの平面図、第２図（ａ）〜（
ｅ）は同半導体センサの製造方法を示す断面図、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（ａ）及び（ｂ）において、ｐ型シリコン基板３
１の一方の面には凹部３２が形成され、この凹部３２の
底面には基板３１の他方の面まで貫通した貫通孔３３が
設けられている。また、基板３１の両面にはそれぞれｎ
＋＋ソース、ドレイン領域３４．３５が形成されている
。これらソース、ドレイン領域３４．３５の間、すなわ
ち貫通孔３３の内壁がチャネル領域となる。また、基板
３１端面でのチャネルアクションを防止するためにソー
ス、ドレイン領域３４．３５の周辺部にはそれぞれｐ＋
型広拡散層３６形成されている。更に、貫通孔３３の内
壁を含む基板３１の両表面にはゲート絶縁膜及びパッシ
ベーション膜となる絶縁１［３７が形成されている。こ
の絶縁１１３７はソース領域３４とｐ＋型拡敢層３６上
の一部及びドレイン領域３５上の一部が選択的にエツチ
ングされ、これらの領域にそれぞれコンタクトパッド３
８．３９が形成されている。これらコンタクトパッド３
８．３９にはそれぞれリード線４０．４１が接続されて
いる。

第１図（ａ）及び（ｂ）に示すような半導体センサは第
２図（ａ）〜（ｅ）に示すような方法により製造される
。

まず、通常使用されている４５０声厚、表面の結晶方位
（１００）のｐ型シリコン基板３１の両面にエツチング
のマスクとして酸化膜５１を形成する。次に、エツチン
グ液としてＥＰＷ（エチレンジアミン−ピロカテコール
−水の混合液）を用い、窒素雰囲気中、１１０℃で基板
３１をエツチングして凹部３２を形成する。このエツチ
ング液を用いた場合異方性エツチングが行われ、上記の
ように基板３１の表面の結晶方位が（１００）であるな
らば、基板３１表面に対して約５５度傾斜した面を有す
る凹部３２が形成される。なお、凹部３２の底部の一辺
は３００ｍとし、凹部３２底面と基板３１の他面との間
の残りの厚さは１００虜とした（第２図（ａ）図示）。

次いで、前記酸化［１５１を除去した後、基板３１の周
縁部にのみ不純物拡散のマスクとなる酸化膜５２を形成
する。つづいて、リンを拡散することによりｎ＋＋ソー
ス、ドレイン領域３４．３５を形成する。これらソース
、ドレイン領域３４．３５の表面のリン濃度は約１０１
８／ｃ層３、拡散深さは２０ｍとした（同図（ｂ）図示
）。

次いで、前記酸化膜５２を除去した後、ソース、ドレイ
ン領域３４．３５上に酸化膜５３を形成する。つづいて
、酸化膜５３をマスクとしてボロンを拡散することによ
りｐ＋＋チャネルストッパ領域３６を形成する（同図（
Ｃ）図示）。

次いで、前記酸化膜５３を除去した後、前記凹部３２の
底面の中央部を選択的にエツチングして孔径１５０ｍの
貫通孔３３を形成する。つづいて、全面に熱酸化膜及び
ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜からなる絶縁
膜３７を形成する（同図（ｄ）図示）。

次いで、基板３１の周縁に近い部分のソース領域３４と
これに隣接するｐ＋型型数散層３６上びドレイン領域３
５上に対応する絶縁膜３７の一部を選択的にエツチング
してコンタクトホールを開孔する。つづいて、全面に金
属膜を蒸着した後、パターニングしてコンタクトパッド
３８．３９を形成する（同図（ｅ）図示）。

以上のようにして素子が形成されたウェハをダイサーに
より切断分割する。つづいて、マイクロソルダリングペ
ーストにてコンタクトバンド３８．３９にリード線を接
続し、第１図（ａ）及び（ｂ）図示の半導体センサを製
造する。

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、半導体センサ６１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譚の測定管６２．６３を接着剤等に
より接合したものを用意する。この測定管６２．６３の
接合は被検液が外部に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６４内に収容された被検液６
５に測定管６２の一端を浸漬するとともに、参照電極６
６を浸漬する。そして、測定は被検液６５を測定管６２
．６３内に吸引し、ソースフォロア回路により半導体セ
ンサ６１のソース、ドレイン間電流を一定に保つように
参照電極６６にフィードバックすることにより行われる
。

このような半導体センサによれば、測定時にソース、ド
レイン領域３４．３５とリード線４０゜４１との接続部
は測定管６２．６３の外部にあり、この接続部が溶液に
浸漬されることはない。このため、第６図図示の従来の
半導体センサと異なり、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。また、接続部の周囲は絶縁１１３７で覆われてい
るので、万一接続部でリード線４０．４１の断線が生じ
ても、何回でも修復が可能である。また、センサの上下
両面にそれぞれ測定管６２．６３を接合して測定系を構
成するので、第５図図示の従来の半導体センサと異なり
、測定管６２．６３の厚みについては特に考慮する必要
がない。更に、このような構造の半導体センサでは、基
板３１の側面には絶縁膜３７を形成する必要がない。こ
のため、第５図図示の従来の半導体センサを製造する場
合と異なり、全面にわたって絶縁膜を形成するために予
めセンサの外形を加工しておくような工程は不要となり
、通常の半導体製造プロセスで製造することができる。

したがって、より大面積のウェハで多数のセンサを製造
することができる。

実際に、第３図に示す測定装置で緩衝溶液の測定を行な
ったところ、ゲート電位は約５５ｍＶ／ｐＨという良好
なｐＨＭ答性を示し、長時間使用しても絶縁破壊は見ら
れなかった。

なお、上記実施例では第２図（ａ）の工程で凹部を形成
する際、異方性エツチングを行なったが、これに限らず
等方性エツチングを行なってもよい。

このように等方性エツチングを用いた場合、エツチング
のマスクとなる酸化膜５１の下へのまわりごみが生じる
が、凹部の底面は異方性エツチングを用いた場合よりも
平滑にすることが容易であるという利点がある。また、
上記実施例では基板３１の一方の面にのみ凹部３２を形
成したが、両方の面に凹部を形成してもよい。第２図（
ｄ）の工程で形成される貫通孔３３についても異方性エ
ツチングを用いてもよいし、等方性エツチングを用いて
もよい。また、凹部及び貫通孔の形状は四角形に限らず
、いかなる形状でもよい。

更に、本発明の半導体センサは通常の半導体製造プロセ
スを用いることができるので、１つの基板上に複数のセ
ンサを形成することができる。このような半導体センサ
の平面図を第４図に示す。

第４図においては、基板とソース領域が共通であり、基
板の中央部に４つの貫通孔３３、・・・が形成されてい
る。これら貫通孔３３、・・・の周囲にはｎ＋型トドレ
イン領域３５・・・が形成され、これらｎ＋型トドレイ
ン領域３５・・・はｐ＋型型数散層３６より分離されて
いる。そして、１各ドレイン領域３５、・・・にはそれ
ぞれコンタクトバッド３９、・・・が形成されている。

このような半導体センサでは、各センサを例えばＨ＋イ
オン用、Ｎａ＋イオン用、Ｋ＋イオン用等として用いる
ことができ、複数成分の同時測定が可能となる。

（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、絶縁
不良等を招くことなく長時間にわたって安定して溶液中
の特定成分を検出することができ、その製造も極めて容
易である等工業的価値は極めて大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の実施例における半導体センサの
断面図、同図（ｂ）は同半導体センサの平面図、第２図
（ａ）〜（ｅ）は同半導体センサを得るための製造工程
を示す断面図、第３図は同半導体センサの使用状態を示
す説明図、第４図は本発明の他の実施例における半導体
センサの平面図、第５図は従来の半導体センサの正面図
、第６図は従来の他の半導体センサの断面図である。３１・・・ｐ型シリコン基板、３２・・・凹部、３３・
・・貫通孔、３４．３５・・・ｎ＋＋ソース、ドレイン
領域、３６・・・ｐ＋型拡敢層、３７・・・絶縁膜、３
８．３９・・・コンタクトパッド、４０．４１・・・リ
ード線、５１．５２．５３・・・酸化膜、６１・・・半
導体センサ、６２．６３・・・測定管、６４・・・容器
、６５・・・被検液、６６・・・参照電極。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図第２図第３図第５図第６ｒｌＡ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１導電型の半導体基板の一部に形成された凹部
と、この凹部内に設けられた貫通孔と、基板の両表面に
それぞれ形成された第２導電型のソース、ドレイン領域
と、前記貫通孔内壁を含む基板表面に形成された絶縁膜
とを具備したことを特徴とする半導体センサ。
（２）貫通孔周辺の半導体基板の厚さが２００μｍ以下
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。
（３）貫通孔の大きさが長径５ｍｍ以下であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体センサ。
（４）貫通孔及び凹部のコーナー部を角なまししたこと
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
。