JP2001033274A

JP2001033274A - 物理／化学二次元分布測定装置

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Publication number: JP2001033274A
Application number: JP11209039A
Authority: JP
Inventors: Susumu Mimura; 享三村
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2001-02-09
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: JP4308374B2

Abstract

(57)【要約】【課題】物理／化学現象を高密度でセンシングするこ
とのできる物理／化学二次元分布測定装置を提供するこ
と。【解決手段】物理的または化学的な量の大きさに対応
して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸
に電荷を注入して、前記物理的または化学的な量をこの
ポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換する単位
センサ２を二次元的に複数配置するとともに、これら複
数の単位センサ２のそれぞれからの電荷を順次転送する
複数のＣＣＤ４Ｃからなる物理／化学二次元分布測定装
置において、複数のＣＣＤ４Ｃを一列に配置してなる一
つのＣＣＤ列４Ｖの両側にそれぞれ、複数の単位センサ
２からなるセンサ列３を一列ずつ配置し、前記一列のＣ
ＣＤ列４Ｖによってその両側に設けられるセンサ列３に
おける単位センサ２の電荷を順次転送するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、様々な物理現象
または化学現象を定量化する物理／化学二次元分布測定
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物理現象または化学現象（以下、物理／
化学現象と表記する）には、濃度、温度、磁気、圧力、
加速度、速度、音波、超音波、酸化還元電位、反応速度
など様々な現象があり、従来においては、前記物理／化
学現象の大きさを、電流、電圧、抵抗値、容量値、電位
など種々の電気信号を用いて定量化していた。しかしな
がら、このような従来の定量化手法では、複数点の情報
を同時に取り込むことができなかったり、物理／化学現
象を画像化するのが困難であった。

【０００３】上記従来の定量化手法の課題を解決するも
のとして、本願出願人は、前記物理／化学現象における
物理的／化学的な量を電荷に変換することにより、電荷
特有の取扱いを行い、電荷特有の定量化を行うようにし
た技術を開発し、これを「物理現象または化学現象の測
定方法および装置」として特許出願している〔特願平９
−１５７７１６号（特開平１０−３３２４２３号）〕。

【０００４】上記特許出願「物理現象または化学現象の
測定方法および装置」においては、センサとして、物理
／化学現象に感応する複数の物理／化学センサ（単位セ
ンサ）とこれらの複数の単位センサで生じた信号電荷を
転送する複数のＣＣＤ（電荷結合素子）とからなる半導
体センサを用いている。

【０００５】図７は、前記物理／化学二次元分布測定装
置における半導体センサの上面の構成を概略的に示す図
である。この図において、１は半導体センサで、物理／
化学現象に感応する複数の単位センサ２からなる。各単
位センサ２の上面は、測定対象である物理／化学現象に
対して感応する膜で覆われており、物理／化学現象の量
に応じた膜電位を感応膜と半導体との界面に生じ、この
電位の変化を利用して前記物理／化学現象の大きさを電
荷信号に変換するもので、矢印Ｖで示す方向に、例えば
１０個の単位センサ２を設けて、センサ列３を構成し、
このセンサ列３を前記矢印Ｖと直交する矢印Ｈで示す方
向に例えば５列配置してなるものである。

【０００６】４は各単位センサ２において発生した電荷
信号を転送するための電荷転送部で、複数のＣＣＤ４Ｃ
からそれぞれ構成される複数の垂直ＣＣＤ４Ｖおよび一
つの水平ＣＣＤ４Ｈとからなる。６は水平ＣＣＤ４Ｈか
らの信号を出力する出力部である。

【０００７】図８は、前記半導体センサ１の基本的な構
造を示すもので、この図において、７は例えばｐ型Ｓｉ
（シリコン）よりなる半導体基板で、厚さ５００μｍ程
度である。

【０００８】前記半導体基板７には、チャンネルストッ
パ８、電荷供給部９、電荷注入調節部１０、電荷変換部
としてのセンシング部１１、障壁部１２、電荷転送部４
を構成するＣＣＤ４Ｃ、フローティングディフュージョ
ン１３、リセットゲート１４、リセットドレイン１５、
ＭＯＳ構造の出力トランジスタ１６が形成されている。

【０００９】そして、電荷供給部９、電荷注入調節部１
０、センシング部１１および障壁部１２の各部材によっ
て一つの単位センサ２が形成されており、センシング部
１１は、後に詳しく説明するように、物理的または化学
的な量の大きさに対応して深さを変化するように構成さ
れたポテンシャル井戸からなる。また、フローティング
ディフュージョン１３、リセットゲート１４、リセット
ドレイン１５および出力トランジスタ１６の各部材によ
って出力部６が形成されている。

【００１０】そして、前記単位センサ２を、図７に示す
ように、Ｘ，Ｙ方向に二次元的に配置してアレイ化する
ことにより、複数点の情報を同時に取り込み、電荷転送
部４および出力部１３によって、複数点の信号を秩序よ
く処理することができる。

【００１１】ここで、上記単位センサ２の測定原理につ
いて、図９に示した電位図を参照しながら説明する。測
定に際しては、電荷供給部９、障壁部１２およびリセッ
トゲート１４にパルス電圧を印加する一方、フローティ
ングディフュージョン１３を除く他の電極に直流電圧を
印加する。

【００１２】ところで、通常、ｐ型半導体を用いたＭＯ
Ｓ構造においては、金属電極に正の電圧を加えることに
よって、その電圧に応じて絶縁膜と半導体の界面に空乏
層が形成されることが知られている。そこで、この現象
を用いて、図９に示すように、半導体−絶縁膜界面近傍
での電位状態を作るのである。

【００１３】状態１においては、図９（Ａ）に示すよう
に、電荷供給部９の電位は高く（矢印方向が高い）設定
されており、センシング部１１には電荷１７は注入され
ていない。

【００１４】状態２においては、同図（Ｂ）に示すよう
に、電荷供給部９の電位を下げることによって、センシ
ング部１１に電荷１７を注入する。

【００１５】状態３においては、同図（Ｃ）に示すよう
に、電荷供給部９の電位を上げることによって、電荷注
入調節部１０によってすりきられた電荷１７がセンシン
グ部１１に蓄積される。

【００１６】状態４においては、同図（Ｄ）に示すよう
に、障壁部１２の電位を上げることによって、センシン
グ部１１に蓄積された電荷１７をフローティングディフ
ュージョン１３に転送する。

【００１７】状態５においては、同図（Ｅ）に示すよう
に、センシング部１１の電荷１７が全てフローティング
ディフュージョン１３に転送されてから障壁部１２を閉
じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティング
ディフュージョン１３の電位は転送されてきた電荷１７
の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トラン
ジスタ１６のゲート部に入力し、この出力トランジスタ
１６のドレイン電流をソースフォロア回路で測定する。

【００１８】状態６においては、同図（Ｆ）に示すよう
に、フローティングディフュージョン１３の電位を読み
取った後、リセットゲート１４をオンし、リセットドレ
イン１５の電位にリセットする。このリセットにより、
再び状態１と同じ状態に戻る。つまり、状態１〜状態６
の動作を繰り返すことにより、電荷を外に出力すること
ができる。

【００１９】上記構成の物理／化学二次元分布測定装置
によれば、異なる複数の位置における現象を同時に測定
することができる。物理的／化学的な量を電荷に変換し
ているので、複数のＣＣＤ４Ｃからなる電荷転送部４を
用いることにより物理的または化学的な現象の一次元分
布または二次元分布を容易に画像化することができる。
さらに、複数点の情報を表す電荷を蓄積することにより
微弱な信号の増幅が可能であるから、現象の微小な変化
をも確実に把握することができる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
造の物理／化学二次元分布測定装置においては、図７に
例示したように、一つのセンサ列３に対して一つの垂直
ＣＣＤ４Ｖを対応させるように設けているので、物理／
化学現象のセンシングに直接寄与しないＣＣＤ４Ｃ部分
の面積が大きくならざるを得ず、これが高密度でセンシ
ングを行う上で大きな障害となっていた。

【００２１】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、物理／化学現象を高密度でセン
シングすることのできる物理／化学二次元分布測定装置
を提供することである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、物理的または化学的な量の大きさに
対応して深さを変化するように構成されたポテンシャル
井戸に電荷を注入して、前記物理的または化学的な量を
このポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換する
単位センサを二次元的に複数配置するとともに、これら
複数の単位センサのそれぞれからの電荷を順次転送する
複数のＣＣＤからなる物理／化学二次元分布測定装置に
おいて、複数のＣＣＤを一列に配置してなる一つのＣＣ
Ｄ列の両側にそれぞれ、複数の単位センサからなるセン
サ列を一列ずつ配置し、前記一列のＣＣＤ列によってそ
の両側に設けられるセンサ列における単位センサの電荷
を順次転送するようにしている。

【００２３】上記構成の物理／化学二次元分布測定装置
においては、物理／化学現象のセンシングに直接寄与し
ないＣＣＤの占める面積を減ずることができ、複数の単
位センサを高密度で集積して配置できるので、物理／化
学現象を高密度でセンシングすることができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。まず、図１は、この発明の物理／化学
現象を測定する装置における半導体センサ１８の平面的
な構成を示すもので、例えば、ｐＨの二次元分布を測定
するｐＨ二次元分布装置装置である。この図に示す半導
体センサ１８が図７に示した半導体センサ１と大きく異
なる点は、複数のＣＣＤ４Ｃを一列に配置してなる一つ
のＣＣＤ列４Ｖの両側にそれぞれ、複数の単位センサ２
からなるセンサ列３を一列ずつ配置し、前記一列のＣＣ
Ｄ列４Ｖによってその両側に設けられるセンサ列３にお
ける単位センサ２の電荷を順次転送するようにしたこと
である。以下、図２〜図６を参照しながら詳細に説明す
る。

【００２５】まず、図２は、前記半導体センサ１８の要
部を示す縦断面図で、ｐ型シリコン基板７の中央に形成
されるＣＣＤ４Ｃを中心にして対称的に、ｐＨに感応す
る単位センサ２Ａ，２Ｂが形成されており、図３におい
ては単位センサ２Ａ，２Ｂの主たる構成部材であるセン
シング部も左右対称１１Ａ，１１Ｂに形成されている。
そして、図３に示すように、電荷供給部、電荷注入調節
部、障壁部なども前記ＣＣＤ４Ｃを中心にして対称的に
形成されている。すなわち、同図において、符号９Ａ，
９Ｂは電荷供給部、１０Ａ，１０Ｂは電荷注入調節部、
１２Ａ，１２Ｂは障壁部である。なお、図２において、
１０ａ，１０ｂは電荷注入調節部電極、１２ａ，１２ｂ
は障壁部電極である。これらの電極１０ａ，１０ｂ，１
２ａ，１２ｂは、ポリシリコンよりなり、これを酸化し
た後、Ｓｉ₃Ｎ₄やＴａ₂Ｏ₅などを用いてｐＨに感応
するセンシング部２Ａ，２Ｂを形成するのである。

【００２６】上記構成の半導体センサ１８の動作を説明
する。今、ＣＣＤ４Ｃの左右のセンシング部１１Ａ，１
１Ｂが同時にセンシングを行うものとする。この場合、
ＣＣＤ４Ｃの左右に設けられる障壁部１２Ａ，１２Ｂの
開閉のタイミングがポイントになる。つまり、左右の障
壁部１２Ａ，１２Ｂが同じタイミングで開くと、左右の
センシング部１１Ａ，１１Ｂの出力が混じり合ってしま
う。これを防ぐには、例えば、左のセンシング部１１Ａ
の信号をＣＣＤ４Ｃで読み取る場合、右の障壁部１２Ｂ
は閉じ、逆に、右のセンシング部１１Ｂの信号をＣＣＤ
４Ｃで読み取る場合には、左の障壁部１２Ａは閉じるよ
うにするのである。これを、図３に示した電位図を用い
て説明する。

【００２７】状態１においては、図３（Ａ）に示すよう
に、電荷供給部９Ａ，９Ｂにそれぞれプラスの電圧（矢
印方向がプラス）を印加する。このとき、センシング部
１１Ａ，１１Ｂには電荷１７Ａ，１７Ｂは供給されてい
ない。

【００２８】状態２においては、同図（Ｂ）に示すよう
に、電荷供給部９Ａ，９Ｂの電位を０近くまで下げるこ
とによって、センシング部１１Ａ，１１Ｂに電荷１７
Ａ，１７Ｂを注入する。

【００２９】状態３においては、同図（Ｃ）に示すよう
に、電荷供給部９Ａ，９Ｂの電位を電荷注入調節部１０
Ａ，１０Ｂの電位以上にして、電荷注入調節部１０Ａ，
１０Ｂによって電荷をすりきらせ、すりきられた電荷１
７ａ，１７ｂがセンシング部１１Ａ，１１Ｂに蓄積され
る。

【００３０】状態４においては、同図（Ｄ）に示すよう
に、左側のセンシング部１１Ａの信号を読み取るため、
左側の障壁部１２Ａのみ電位をプラスにし、センシング
部１１Ａに蓄積されている電荷１７ａをＣＣＤ４Ｃに転
送する。

【００３１】状態５においては、同図（Ｅ）に示すよう
に、左側の障壁部１２Ａの電位を下げ、ＣＣＤ４Ｃに送
られた電荷１７ａを出力アンプに転送する。

【００３２】状態６においては、同図（Ｆ）に示すよう
に、右側のセンシング部１１Ｂの信号を読み取るため、
右側の障壁部１２Ｂのみ電位をプラスにし、センシング
部１１Ｂに蓄積されている電荷１７ｂをＣＣＤ４Ｃに転
送する。

【００３３】状態７においては、同図（Ｇ）に示すよう
に、右側の障壁部１２Ｂの電位を下げ、ＣＣＤ４Ｃに送
られた電荷１７ｂを出力アンプに転送する。

【００３４】上記状態１〜状態７の動作を繰り返すこと
により、ＣＣＤ４Ｃの左右にそれぞれ設けられたセンシ
ング部１１Ａ，１１Ｂの信号を混じり合わせることな
く、出力アンプに転送することができる。

【００３５】上述の説明では、左右のセンシング部１１
Ａ，１１Ｂが同時にセンシングを行い、このセンシング
によって各センシング部１１Ａ，１１Ｂに蓄積された電
荷を順次転送するようにしていたが、これに代えて、い
ずれか一方のセンシング部、例えば左側のセンシング部
１１Ａによってセンシングを行い、これによって蓄積さ
れた電荷をＣＣＤ４Ｃによって転送し、さらに出力アン
プに転送し、その後、右側のセンシング部１１Ｂによっ
てセンシングを行い、これによって蓄積された電荷をＣ
ＣＤ４Ｃによって転送し、さらに出力アンプに転送する
ようにしてもよい。このようにした場合、センシング部
１１Ａ，１１Ｂに電荷が蓄積される時間が短いので、蓄
積されている時間内の信号のロスが少なくなり、より精
度の高いセンシングを行うことができる。

【００３６】そして、前記ＣＣＤ４Ｃの駆動方式は、４
相駆動、３相駆動、２相駆動、１相駆動など各種の方式
があるが、このいずれを用いてもよい。

【００３７】上記構成のｐＨ二次元分布装置装置によれ
ば、溶液の異なる複数の位置におけるｐＨを同時に測定
することができる。そして、同時に測定したｐＨを電荷
に変換しているので、この電荷信号をＣＣＤなどの技術
を用いることにより、ｐＨの二次元分布を容易に画像化
することができる。

【００３８】次に、上記装置を製造する標準プロセス
を、図４〜図６を参照しながら説明する。このプロセス
はあくまでも一例であり、また、このプロセスで製作し
たデバイスは、ｓｕｒｆａｃｅｃｈａｎｎｅｌ（表面
チャンネル）の電荷転送方式を用いるものである。

【００３９】（１）まず、抵抗率が１０Ωｃｍ程度のｐ
型Ｓｉウェーハ２１を、酸化炉を用いて１１００℃で４
５分程度酸化を行い、上面に１０００Å程度の酸化膜
（フィールド酸化膜）２２を形成する（図４（Ａ）参
照）。

【００４０】（２）次いで、チャンネルストッパ８を形
成する（図４（Ｂ）参照）。このチャンネルストッパ８
の形成方法は、前記酸化膜２２の上面にＳｉ₃Ｎ₄膜２
３を堆積する。次に、Ｓｉ₃Ｎ₄膜２３の上面にレジス
トを塗布し、チャンネルストッパ８を形成する部分のレ
ジストのみを除去し、その部分のＳｉ₃Ｎ₄膜２３およ
び酸化膜２２をエッチングによって除去し、その箇所に
ボロン（Ｂ）を１×１０¹³／ｃｍ²イオン注入して、拡
散させる。このボロンの拡散方法は、例えば固体の拡散
源をウェーハ２１とともに１１００℃で１５分プレデポ
ジションし、その後、ボロンガラスを除去した後、１１
４０℃で１時間程度ドライブイン酸化し、１０分程度窒
素ガス雰囲気中でアニールする。

【００４１】（３）前記チャンネルストッパ８を形成し
た状態で、１１００℃で２００分間ウェット酸化を行う
ことにより、チャンネルストッパ８のみ選択的に酸化さ
れ、酸化膜２４が形成される。このウェット酸化の後、
Ｓｉ₃Ｎ₄膜２３をエッチングにより除去する（図４
（Ｃ）参照）。

【００４２】（４）次いで、始めに形成した酸化膜２２
をエッチングし、１０００℃で８０分間ドライ酸化を行
い、ゲート酸化膜２５を形成する（図４（Ｄ）参照）。

【００４３】（５）前記ゲート酸化膜２５の上面にポリ
シリコン２６を３０００Åの厚みに堆積し、Ｐドープを
施す（１０００℃、２０分、ドライブイン２０分）（図
５（Ａ）参照）。

【００４４】（６）前記ポリシリコン層２６のパターニ
ングを行い、１０００℃、４５分でドライ酸化を施す
（図５（Ｂ）参照）。２７は導電部である。

【００４５】前記ドライ酸化の後、ポリシリコン２８を
４０００Åの厚みに堆積し、Ｐドープを施す（１０００
℃、２０分、ドライブイン２０分）（図５（Ｃ）参
照）。

【００４６】前記ポリシリコン層２８のパターニングを
行い、１０００℃、４５分でドライ酸化を施す（図５
（Ｄ）参照）。２９は導電部である。

【００４７】次いで、レジスト３０をパターニングする
ことにより、選択的にイオン注入（１００ｋｅＶ、５×
１０¹⁵／ｃｍ²）を行って、ソース、ドレインなどのｎ
拡散層３１を形成する（図６（Ａ）参照）。

【００４８】前記レジスト３０を剥離し、Ｓｉ₃Ｎ₄膜
よりなるｐＨ感応膜３２を堆積する（図６（Ｂ）参
照）。

【００４９】各電極、拡散層に電圧を印加するため、ｐ
Ｈ感応膜３２や酸化膜２５にコンタクトホール３３を形
成する（図６（Ｃ）参照）。

【００５０】アルミニウムをスパッタ装置でスパッタし
て、コンタクトホール３３を導体化するとともに、パタ
ーニングを行う（図６（Ｄ）参照）。３４は導電部であ
る。

【００５１】上記構成のｐＨ二次元分布装置装置によれ
ば、溶液の異なる複数の位置におけるｐＨを同時に測定
することができる。そして、同時に測定したｐＨを電荷
に変換しているので、この電荷信号をＣＣＤなどの技術
を用いることにより、ｐＨの二次元分布を容易に画像化
することができる。

【００５２】

【発明の効果】この発明の物理／化学二次元分布測定装
置においては、物理／化学現象のセンシングに直接寄与
しないＣＣＤの占める面積を減ずるようにして、複数の
単位センサを高密度で集積して配置しているので、物理
／化学現象を高密度でセンシングすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の物理／化学現象を測定する装置にお
ける半導体センサの平面構成を概略的に示す図である。

【図２】前記半導体センサの要部を示す縦断面図であ
る。

【図３】前記半導体センサにおける測定原理を説明する
ための図である。

【図４】前記半導体センサの製造プロセスの一例を、図
５および図６とともに示す図である。

【図５】前記半導体センサの製造プロセスの一例を、図
４および図６とともに示す図である。

【図６】前記半導体センサの製造プロセスの一例を、図
４および図５とともに示す図である。

【図７】従来の物理／化学現象を測定する装置における
半導体センサの平面構成を概略的に示す図である。

【図８】前記半導体センサの縦断面図である。

【図９】前記半導体センサにおける測定原理を説明する
ための図である。

【符号の説明】

２…単位センサ、３…センサ列、４Ｃ…ＣＣＤ、４Ｖ…
ＣＣＤ列。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物理的または化学的な量の大きさに対応
して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸
に電荷を注入して、前記物理的または化学的な量をこの
ポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換する単位
センサを二次元的に複数配置するとともに、これら複数
の単位センサのそれぞれからの電荷を順次転送する複数
のＣＣＤからなる物理／化学二次元分布測定装置におい
て、複数のＣＣＤを一列に配置してなる一つのＣＣＤ列
の両側にそれぞれ、複数の単位センサからなるセンサ列
を一列ずつ配置し、前記一列のＣＣＤ列によってその両
側に設けられるセンサ列における単位センサの電荷を順
次転送するようにしたことを特徴とする物理／化学二次
元分布測定装置。