JP2001033423A - 比較電極機能付イオン感応性電界効果トランジスタ型センサ - Google Patents
比較電極機能付イオン感応性電界効果トランジスタ型センサInfo
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- JP2001033423A JP2001033423A JP11203287A JP20328799A JP2001033423A JP 2001033423 A JP2001033423 A JP 2001033423A JP 11203287 A JP11203287 A JP 11203287A JP 20328799 A JP20328799 A JP 20328799A JP 2001033423 A JP2001033423 A JP 2001033423A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 長寿命でしかも安定に動作する比較電極機能
付イオン感応性電界効果トランジスタ型センサを提供す
ること。 【解決手段】 測定電極用電界効果トランジスタ９と比
較電極用電界効果トランジスタ１０を同一半導体基板５
上に設け、前記測定電極用電界効果トランジスタ９のゲ
ート部にイオンに応答するイオン応答膜を設けるととも
に、前記比較電極用電界効果トランジスタのゲート部１
５に、撥水性および絶縁性を有し、イオンに不感応なイ
オン不感応膜としてアモルファス・フルオロカーボン薄
膜３ａを設けた。
付イオン感応性電界効果トランジスタ型センサを提供す
ること。 【解決手段】 測定電極用電界効果トランジスタ９と比
較電極用電界効果トランジスタ１０を同一半導体基板５
上に設け、前記測定電極用電界効果トランジスタ９のゲ
ート部にイオンに応答するイオン応答膜を設けるととも
に、前記比較電極用電界効果トランジスタのゲート部１
５に、撥水性および絶縁性を有し、イオンに不感応なイ
オン不感応膜としてアモルファス・フルオロカーボン薄
膜３ａを設けた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、試料溶液である
電解液中のイオン活量を測定するイオン感応性電界効果
トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）に、測定時の基準を与える
比較電極機能を持たせて小型化を実現できる新規な比較
電極機能付イオン感応性電界効果トランジスタ型センサ
に関する。
電解液中のイオン活量を測定するイオン感応性電界効果
トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）に、測定時の基準を与える
比較電極機能を持たせて小型化を実現できる新規な比較
電極機能付イオン感応性電界効果トランジスタ型センサ
に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば電解液中のｐＨ（水素イオン濃
度）をＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の中を流れる電
流値に変換して測定するＩＳＦＥＴセンサは図９に示す
ような比較電極と組み合わせて用いられている（例え
ば、実公平３−４５１７８号公報参照）。この比較電極
は、安定性が良く測定の際の基準を与えるものとして的
確性を有しているといえる。すなわち、図９において、
６１はガラス管で、その内部には例えばＫＣｌなどの内
部液６２が充填されるとともに、Ａｇ／ＡｇＣｌよりな
る内部電極６３が内部液６２に浸漬されるようにして設
けられている。そして、ガラス管６１の下端には、例え
ば多孔質セラミックよりなる液絡部６４が設けられてい
る。そして、比較電極の前記液絡部６４とＩＳＦＥＴセ
ンサのイオン応答膜を含む接液部とを電解液中に浸漬し
た状態でｐＨ値を測定する。
度）をＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の中を流れる電
流値に変換して測定するＩＳＦＥＴセンサは図９に示す
ような比較電極と組み合わせて用いられている（例え
ば、実公平３−４５１７８号公報参照）。この比較電極
は、安定性が良く測定の際の基準を与えるものとして的
確性を有しているといえる。すなわち、図９において、
６１はガラス管で、その内部には例えばＫＣｌなどの内
部液６２が充填されるとともに、Ａｇ／ＡｇＣｌよりな
る内部電極６３が内部液６２に浸漬されるようにして設
けられている。そして、ガラス管６１の下端には、例え
ば多孔質セラミックよりなる液絡部６４が設けられてい
る。そして、比較電極の前記液絡部６４とＩＳＦＥＴセ
ンサのイオン応答膜を含む接液部とを電解液中に浸漬し
た状態でｐＨ値を測定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の比較電極においては以下の問題点がある。 （１）前記内部液６２は液絡部６４を介して自然拡散し
て外部に流出するため、内部液が徒に消耗されてしまう
といった問題がある。このような問題は、上記多孔質セ
ラミックよりなる液絡部６４のみならず、液絡部がピン
ホールよりなるものや、ガラスのすり合わせ構造により
隙間を利用した液リーク方式のものや、液絡部が高分子
ゲル体よりなるものなどにおいても同様に生じていると
ころである。
成の比較電極においては以下の問題点がある。 （１）前記内部液６２は液絡部６４を介して自然拡散し
て外部に流出するため、内部液が徒に消耗されてしまう
といった問題がある。このような問題は、上記多孔質セ
ラミックよりなる液絡部６４のみならず、液絡部がピン
ホールよりなるものや、ガラスのすり合わせ構造により
隙間を利用した液リーク方式のものや、液絡部が高分子
ゲル体よりなるものなどにおいても同様に生じていると
ころである。
【０００４】（２）トランジスタ型のＩＳＦＥＴセンサ
と比べて前記比較電極は大きすぎて商品としてのバラン
ス性に欠ける。
と比べて前記比較電極は大きすぎて商品としてのバラン
ス性に欠ける。
【０００５】そのため、デュアルタイプのＦＥＴ構造を
採用して一方のＦＥＴに測定電極機能を持たせるととも
に、他方のＦＥＴに測定の際の基準を与える比較電極機
能を持たせる構成は小型化を実現できる上で最適であ
る。この場合、比較電極が安定に動作するために測定範
囲内での水素イオン応答にできるだけ反応しない有機薄
膜をイオン不感応膜として用いることが重要であり、従
来からキシレンやパリレン等の膜が検討されているけれ
ども、これらの膜は親水性を持っており、完全な疎水性
膜ではなかった。
採用して一方のＦＥＴに測定電極機能を持たせるととも
に、他方のＦＥＴに測定の際の基準を与える比較電極機
能を持たせる構成は小型化を実現できる上で最適であ
る。この場合、比較電極が安定に動作するために測定範
囲内での水素イオン応答にできるだけ反応しない有機薄
膜をイオン不感応膜として用いることが重要であり、従
来からキシレンやパリレン等の膜が検討されているけれ
ども、これらの膜は親水性を持っており、完全な疎水性
膜ではなかった。
【０００６】この発明は、上述の事柄に基づいてなされ
たもので、長寿命でしかも安定に動作する比較電極機能
付イオン感応性電界効果トランジスタ型センサを提供す
ることを目的としている。
たもので、長寿命でしかも安定に動作する比較電極機能
付イオン感応性電界効果トランジスタ型センサを提供す
ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】デュアルタイプのＦＥＴ
構造を採用して比較電極機能と測定電極機能を備えた例
えばｐＨセンサのようなイオン測定センサを小型化する
にあたり、比較電極機能を一方のＦＥＴに持たせるに
は、撥水性および絶縁性を有する薄膜をイオン不感応膜
としてゲート部に設ける必要がある。しかし、前述した
キシレンやパリレンと異なり疎水性を持つ材料であって
も、容易に積層できなかったり、フォトリソグラフィに
よる加工の面において制御性良くエッチングできない等
再現性の悪いものは使用できない。すなわち、イオン不
感応膜の材料としては撥水性および絶縁性ならびに再現
性の全てを満たす必要がある。この観点から、本発明者
らは鋭意研究した結果、アモルファス・フルオロカーボ
ン（以下、ａ−Ｃ：Ｆという）薄膜がｐＨ不感応膜とし
て好適であり、その成膜、加工に例えばプラズマＣＶＤ
法を採用できることを見い出した。このａ−Ｃ：Ｆ薄膜
は撥水性の点で結晶質のフルオロカーボン薄膜より優れ
ていることも判明した。
構造を採用して比較電極機能と測定電極機能を備えた例
えばｐＨセンサのようなイオン測定センサを小型化する
にあたり、比較電極機能を一方のＦＥＴに持たせるに
は、撥水性および絶縁性を有する薄膜をイオン不感応膜
としてゲート部に設ける必要がある。しかし、前述した
キシレンやパリレンと異なり疎水性を持つ材料であって
も、容易に積層できなかったり、フォトリソグラフィに
よる加工の面において制御性良くエッチングできない等
再現性の悪いものは使用できない。すなわち、イオン不
感応膜の材料としては撥水性および絶縁性ならびに再現
性の全てを満たす必要がある。この観点から、本発明者
らは鋭意研究した結果、アモルファス・フルオロカーボ
ン（以下、ａ−Ｃ：Ｆという）薄膜がｐＨ不感応膜とし
て好適であり、その成膜、加工に例えばプラズマＣＶＤ
法を採用できることを見い出した。このａ−Ｃ：Ｆ薄膜
は撥水性の点で結晶質のフルオロカーボン薄膜より優れ
ていることも判明した。
【０００８】例えば、図２（Ａ）に示すように、ａ−
Ｃ：Ｆ層３を所定の厚みｄ2 に容易に積層できるととも
に、フォトリソグラフィを用い、酸素プラズマ中でａ−
Ｃ：Ｆ層３を制御性良くドライエッチングして所定形状
のａ−Ｃ：Ｆ膜３ａ〔図２（Ｃ）参照〕を形成できる。
これは、撥水性および絶縁性を有する上に、ａ−Ｃ：Ｆ
層３が、フォトリソグラフィを用いる加工方法に対して
適合性を持つからである。
Ｃ：Ｆ層３を所定の厚みｄ2 に容易に積層できるととも
に、フォトリソグラフィを用い、酸素プラズマ中でａ−
Ｃ：Ｆ層３を制御性良くドライエッチングして所定形状
のａ−Ｃ：Ｆ膜３ａ〔図２（Ｃ）参照〕を形成できる。
これは、撥水性および絶縁性を有する上に、ａ−Ｃ：Ｆ
層３が、フォトリソグラフィを用いる加工方法に対して
適合性を持つからである。
【０００９】而して、この発明は、測定電極用電界効果
トランジスタと比較電極用電界効果トランジスタを同一
半導体基板上に設け、前記測定電極用電界効果トランジ
スタのゲート部にイオンに応答するイオン応答膜を設け
るとともに、前記比較電極用電界効果トランジスタのゲ
ート部に、撥水性および絶縁性を有し、イオンに不感応
なイオン不感応膜としてアモルファス・フルオロカーボ
ン薄膜を設けたことを特徴とする比較電極機能付イオン
感応性電界効果トランジスタ型センサを提供する。
トランジスタと比較電極用電界効果トランジスタを同一
半導体基板上に設け、前記測定電極用電界効果トランジ
スタのゲート部にイオンに応答するイオン応答膜を設け
るとともに、前記比較電極用電界効果トランジスタのゲ
ート部に、撥水性および絶縁性を有し、イオンに不感応
なイオン不感応膜としてアモルファス・フルオロカーボ
ン薄膜を設けたことを特徴とする比較電極機能付イオン
感応性電界効果トランジスタ型センサを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施例
を、図を参照しながら説明する。。
を、図を参照しながら説明する。。
【００１１】図１〜図２は、デュアル（２つ）のＭＯＳ
ＦＥＴ９，１０を同一Ｓｉ基板５上に設け、一方のＭＯ
ＳＦＥＴ９のゲート部１５に水素イオンに応答するｐＨ
応答膜２を設けるとともに、他方のＭＯＳＦＥＴ１０の
ゲート部１６に、撥水性および絶縁性を有し、水素イオ
ンに不感応なｐＨ不感応膜としてａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ａを
設け、更に、ＭＯＳＦＥＴ９のｐＨ応答電極、ＭＯＳＦ
ＥＴ１０のｐＨ不感応電極とは別に、第３の電極として
電源動作点制御のための白金電極１７をｐＨ応答膜２お
よびａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ａに接するように設けて２つのＭ
ＯＳＦＥＴ９，１０の動作条件を設定するように構成し
たこの発明の第１の実施形態を示す。
ＦＥＴ９，１０を同一Ｓｉ基板５上に設け、一方のＭＯ
ＳＦＥＴ９のゲート部１５に水素イオンに応答するｐＨ
応答膜２を設けるとともに、他方のＭＯＳＦＥＴ１０の
ゲート部１６に、撥水性および絶縁性を有し、水素イオ
ンに不感応なｐＨ不感応膜としてａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ａを
設け、更に、ＭＯＳＦＥＴ９のｐＨ応答電極、ＭＯＳＦ
ＥＴ１０のｐＨ不感応電極とは別に、第３の電極として
電源動作点制御のための白金電極１７をｐＨ応答膜２お
よびａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ａに接するように設けて２つのＭ
ＯＳＦＥＴ９，１０の動作条件を設定するように構成し
たこの発明の第１の実施形態を示す。
【００１２】図１において、９は、測定電極用ＭＯＳＦ
ＥＴで、１０は、比較電極用ＭＯＳＦＥＴである。この
２つのＭＯＳＦＥＴ９，１０は同一Ｓｉ基板５上に形成
されている。１１，１３はドレイン、１２，１４はソー
スであり、１５，１６はそれぞれゲートである。１７は
白金電極で、ＭＯＳＦＥＴ９，１０を最適範囲で動作さ
せるために必要なものである。１８はコンタクトホール
である。
ＥＴで、１０は、比較電極用ＭＯＳＦＥＴである。この
２つのＭＯＳＦＥＴ９，１０は同一Ｓｉ基板５上に形成
されている。１１，１３はドレイン、１２，１４はソー
スであり、１５，１６はそれぞれゲートである。１７は
白金電極で、ＭＯＳＦＥＴ９，１０を最適範囲で動作さ
せるために必要なものである。１８はコンタクトホール
である。
【００１３】そして、比較電極機能付イオン感応性電界
効果トランジスタ型センサ（ｐＨセンサという）は、前
記２つのＭＯＳＦＥＴ９，１０と白金電極１７で構成さ
れる。そして、前記Ｓｉ基板５上には、ＳｉＯ2 膜１、
Ｔａ2 Ｏ5 あるいはＳｉ3 Ｎ 4 等よりなるｐＨ応答膜２
およびアモルファス・フルオロカーボン（ａ−Ｃ：Ｆ）
よりなるｐＨ不感応膜（ａ−Ｃ：Ｆ薄膜）３ａが順次積
層されている。このａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ａは、数ＭΩ（メ
ガオーム）〜数百ＭΩの高インピーダンスを持つ。
効果トランジスタ型センサ（ｐＨセンサという）は、前
記２つのＭＯＳＦＥＴ９，１０と白金電極１７で構成さ
れる。そして、前記Ｓｉ基板５上には、ＳｉＯ2 膜１、
Ｔａ2 Ｏ5 あるいはＳｉ3 Ｎ 4 等よりなるｐＨ応答膜２
およびアモルファス・フルオロカーボン（ａ−Ｃ：Ｆ）
よりなるｐＨ不感応膜（ａ−Ｃ：Ｆ薄膜）３ａが順次積
層されている。このａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ａは、数ＭΩ（メ
ガオーム）〜数百ＭΩの高インピーダンスを持つ。
【００１４】ｐＨセンサに前記白金電極（電源動作点制
御電極）１７を設けた理由は以下の通りである。すなわ
ち、ｐＨセンサを動かす回路の電源動作点基準電位と溶
液電位は常に一定とは限らず、前記基準電位が微小量の
電位では外部の外部の電位に影響され易かったり、被測
定液が非常に大きいタンクに収容されているような場合
には、そのタンク内の溶液電位の影響を受け易い。その
上、２つのＭＯＳＦＥＴ９，１０の検出電位、つまり、
ｐＨ応答膜２での検出電位およびｐＨ不感応膜３ａでの
検出電位は、前記回路−溶液間が高インピーダンスのた
めにｐＨ応答電極とｐＨ不感応電極との電気的結合が必
要となる。この電気的結合手段の１つとして前記白金電
極１７を設けている。
御電極）１７を設けた理由は以下の通りである。すなわ
ち、ｐＨセンサを動かす回路の電源動作点基準電位と溶
液電位は常に一定とは限らず、前記基準電位が微小量の
電位では外部の外部の電位に影響され易かったり、被測
定液が非常に大きいタンクに収容されているような場合
には、そのタンク内の溶液電位の影響を受け易い。その
上、２つのＭＯＳＦＥＴ９，１０の検出電位、つまり、
ｐＨ応答膜２での検出電位およびｐＨ不感応膜３ａでの
検出電位は、前記回路−溶液間が高インピーダンスのた
めにｐＨ応答電極とｐＨ不感応電極との電気的結合が必
要となる。この電気的結合手段の１つとして前記白金電
極１７を設けている。
【００１５】以下、図２を用いてｐＨセンサの製造方法
について説明する。まず、図２（Ａ）に示すように、Ｓ
ｉＯ2 膜１、Ｔａ2 Ｏ5 膜（ｐＨ応答膜）２、ａ−Ｃ：
Ｆ層３およびＡｌ層４がこの順で積層されているＳｉ基
板５上にレジスト６を形成する（レジスト６の塗布工
程）。ＳｉＯ2 膜１の厚みは、０．１〜０．２μｍが好
ましく、Ｔａ2 Ｏ5 膜２の厚みｄ1 は、０．１〜０．２
μｍが好ましい。
について説明する。まず、図２（Ａ）に示すように、Ｓ
ｉＯ2 膜１、Ｔａ2 Ｏ5 膜（ｐＨ応答膜）２、ａ−Ｃ：
Ｆ層３およびＡｌ層４がこの順で積層されているＳｉ基
板５上にレジスト６を形成する（レジスト６の塗布工
程）。ＳｉＯ2 膜１の厚みは、０．１〜０．２μｍが好
ましく、Ｔａ2 Ｏ5 膜２の厚みｄ1 は、０．１〜０．２
μｍが好ましい。
【００１６】続いて、Ａｌ層４を酸でエッチングしてＡ
ｌ膜４ａを形成する（Ａｌ層４のエッチング工程）〔図
２（Ｂ）参照〕。このＡｌ膜４ａは、耐酸素プラズマ用
のレジストとして用いられる。
ｌ膜４ａを形成する（Ａｌ層４のエッチング工程）〔図
２（Ｂ）参照〕。このＡｌ膜４ａは、耐酸素プラズマ用
のレジストとして用いられる。
【００１７】そして、前記Ａｌ膜４ａをマスクとして酸
素プラズマ中でａ−Ｃ：Ｆ層３をドライエッチングし、
直下に位置するＴａ2 Ｏ5 膜２を一部露出させる開口
７，８を有する状態でａ−Ｃ：Ｆ膜３ａを形成するとと
もに、前記ドライエッチングによりレジスト６を除去す
る（酸素プラズマによるａ−Ｃ：Ｆ層３およびレジスト
６のドライエッチング工程）〔図２（Ｃ）参照〕。
素プラズマ中でａ−Ｃ：Ｆ層３をドライエッチングし、
直下に位置するＴａ2 Ｏ5 膜２を一部露出させる開口
７，８を有する状態でａ−Ｃ：Ｆ膜３ａを形成するとと
もに、前記ドライエッチングによりレジスト６を除去す
る（酸素プラズマによるａ−Ｃ：Ｆ層３およびレジスト
６のドライエッチング工程）〔図２（Ｃ）参照〕。
【００１８】その後、Ａｌ膜４ａを除去する（Ａｌ膜４
ａの除去工程）〔図２（Ｄ）参照〕。
ａの除去工程）〔図２（Ｄ）参照〕。
【００１９】続いて、開口７を覆った状態でレジスト２
０をＴａ2 Ｏ5 膜２およびａ−Ｃ：Ｆ膜３ａ上に形成し
た後、その上に更に白金薄膜２１を形成する。この場
合、白金薄膜２１の一部は開口８を覆う（白金電極の加
工工程）〔図２（Ｅ）参照〕。
０をＴａ2 Ｏ5 膜２およびａ−Ｃ：Ｆ膜３ａ上に形成し
た後、その上に更に白金薄膜２１を形成する。この場
合、白金薄膜２１の一部は開口８を覆う（白金電極の加
工工程）〔図２（Ｅ）参照〕。
【００２０】最後に、前記レジスト２０を除去する。こ
のとき、開口８内にだけ白金薄膜を残す一方、それ以外
の白金薄膜２１も前記レジスト２０とともに除去して開
口８内に白金電極１７を形成する（リフトオフ工程）
〔図２（Ｆ）参照〕。これにより小型でかつ簡易な量産
性の高いワンチップのｐＨセンサを得ることができる。
のとき、開口８内にだけ白金薄膜を残す一方、それ以外
の白金薄膜２１も前記レジスト２０とともに除去して開
口８内に白金電極１７を形成する（リフトオフ工程）
〔図２（Ｆ）参照〕。これにより小型でかつ簡易な量産
性の高いワンチップのｐＨセンサを得ることができる。
【００２１】なお、図２（Ａ）でのａ−Ｃ：Ｆ層３の成
膜条件は以下の通りである。 原料ガス： Ｃ4 Ｆ8 またはＣ5 Ｆ8 原料流量： ３．２から１６ｓｃｃｍ 反応圧力： ０．２Ｔｏｒｒ 基板温度： ４５から３００℃ ＲＦ電力： ４０ｗ（電力密度は１．４ｗ／ｃｍ2 ） 電極直径： ６ｃｍ 電極間隔： ２ｃｍ なお、原料ガスとして、Ｃ4 Ｆ8 、Ｃ5 Ｆ8 以外にＣ2
Ｈ2 Ｆ4 ，ＣＨ2 Ｆ4，ＣＨＣｌＦ2 を用いてもよい。
膜条件は以下の通りである。 原料ガス： Ｃ4 Ｆ8 またはＣ5 Ｆ8 原料流量： ３．２から１６ｓｃｃｍ 反応圧力： ０．２Ｔｏｒｒ 基板温度： ４５から３００℃ ＲＦ電力： ４０ｗ（電力密度は１．４ｗ／ｃｍ2 ） 電極直径： ６ｃｍ 電極間隔： ２ｃｍ なお、原料ガスとして、Ｃ4 Ｆ8 、Ｃ5 Ｆ8 以外にＣ2
Ｈ2 Ｆ4 ，ＣＨ2 Ｆ4，ＣＨＣｌＦ2 を用いてもよい。
【００２２】そして、堆積（成膜）速度は、基板温度が
高いと堆積速度が極端に落ちることを考慮して、１６ｓ
ｃｃｍで４０００オングストローム／分から８００オン
グストローム／分、３．２ｓｃｃｍで２５００オングス
トローム／分から０オングストローム／分である。
高いと堆積速度が極端に落ちることを考慮して、１６ｓ
ｃｃｍで４０００オングストローム／分から８００オン
グストローム／分、３．２ｓｃｃｍで２５００オングス
トローム／分から０オングストローム／分である。
【００２３】また、ａ−Ｃ：Ｆ層３の層厚ｄ2 は、０．
１〜０．２μｍが好ましい。堆積時間は、例えば３０分
である。
１〜０．２μｍが好ましい。堆積時間は、例えば３０分
である。
【００２４】更に、ａ−Ｃ：Ｆ層３のエッチング条件は
以下の通りである。 原料ガス： Ｏ2 もしくはＯ2 ／Ａｒ 原料流量： 数１０から数１００ｓｃｃｍ 反応圧力： 数ｍＴｏｒｒから数十ｍＴｏｒｒ ＲＦ電力： ０．２Ｔｏｒｒ程度の圧力で平行平板の１
００ｗ程度で酸素プラズマを点灯。
以下の通りである。 原料ガス： Ｏ2 もしくはＯ2 ／Ａｒ 原料流量： 数１０から数１００ｓｃｃｍ 反応圧力： 数ｍＴｏｒｒから数十ｍＴｏｒｒ ＲＦ電力： ０．２Ｔｏｒｒ程度の圧力で平行平板の１
００ｗ程度で酸素プラズマを点灯。
【００２５】そして、エッチング速度は、１００％酸素
プラズマの場合は３μｍ／ｍｉｎが得られる。
プラズマの場合は３μｍ／ｍｉｎが得られる。
【００２６】図３、図４は、白金電極１７の代わりにＰ
Ｎダイオード電極を設けてｐＨ応答電極とｐＨ不感応電
極とを電気的に結合して２つのＭＯＳＦＥＴ９，１０の
動作条件を設定するように構成したこの発明の第２の実
施形態を示す。なお、図３、図４において、図１、図２
で示した符号と同一符号は同一または相当物である。
Ｎダイオード電極を設けてｐＨ応答電極とｐＨ不感応電
極とを電気的に結合して２つのＭＯＳＦＥＴ９，１０の
動作条件を設定するように構成したこの発明の第２の実
施形態を示す。なお、図３、図４において、図１、図２
で示した符号と同一符号は同一または相当物である。
【００２７】図３において、５ａは例えばＮ型Ｓｉ基板
である。このＮ型Ｓｉ基板５ａ上におけるソース１２、
ドレイン１１側の領域ｒにＰ型拡散層２０が形成されて
おり、両者５ａ，２０でＰＮダイオード型接液部２１を
構成している。このＰＮダイオード型接液部２１はＮ型
Ｓｉ基板５ａ上において露出しており、ＰＮダイオード
型外部端子として機能する。３ｂは、低インピーダンス
（１０Ω〜１００ｋΩ）のａ−Ｃ：ＦよりなるｐＨ不感
応膜で、ソース１４、ドレイン１３側の領域Ｒに形成さ
れている。すなわち、この実施形態では、ｐＨ応答膜２
上に、高インピーダンスのｐＨ不感応膜３ａと低インピ
ーダンスのｐＨ不感応膜３ｂが形成されている。
である。このＮ型Ｓｉ基板５ａ上におけるソース１２、
ドレイン１１側の領域ｒにＰ型拡散層２０が形成されて
おり、両者５ａ，２０でＰＮダイオード型接液部２１を
構成している。このＰＮダイオード型接液部２１はＮ型
Ｓｉ基板５ａ上において露出しており、ＰＮダイオード
型外部端子として機能する。３ｂは、低インピーダンス
（１０Ω〜１００ｋΩ）のａ−Ｃ：ＦよりなるｐＨ不感
応膜で、ソース１４、ドレイン１３側の領域Ｒに形成さ
れている。すなわち、この実施形態では、ｐＨ応答膜２
上に、高インピーダンスのｐＨ不感応膜３ａと低インピ
ーダンスのｐＨ不感応膜３ｂが形成されている。
【００２８】以下、図４を用いて製造方法について説明
する。まず、図４（Ａ）に示すように、Ｐ型拡散層２０
を領域ｒに有するＮ型Ｓｉ基板５ａ上に、ＳｉＯ2 膜１
およびＴａ2 Ｏ5 膜（ｐＨ応答膜）２を順次形成した
後、Ｔａ2 Ｏ5 膜２上にａ−Ｃ：Ｆを所定の厚みに積層
して高インピーダンスのａ−Ｃ：Ｆ層３を形成するとと
もに、領域Ｒにおけるａ−Ｃ：Ｆ層３に例えば、Ａｇを
ドーピングして低インピーダンスのａ−Ｃ：Ｆ（Ａｇ）
膜３ｂを形成する。
する。まず、図４（Ａ）に示すように、Ｐ型拡散層２０
を領域ｒに有するＮ型Ｓｉ基板５ａ上に、ＳｉＯ2 膜１
およびＴａ2 Ｏ5 膜（ｐＨ応答膜）２を順次形成した
後、Ｔａ2 Ｏ5 膜２上にａ−Ｃ：Ｆを所定の厚みに積層
して高インピーダンスのａ−Ｃ：Ｆ層３を形成するとと
もに、領域Ｒにおけるａ−Ｃ：Ｆ層３に例えば、Ａｇを
ドーピングして低インピーダンスのａ−Ｃ：Ｆ（Ａｇ）
膜３ｂを形成する。
【００２９】続いて、ａ−Ｃ：Ｆ層３およびａ−Ｃ：Ｆ
（Ａｇ）膜３ｂ上の全面にＡｌ層２４を形成し、その上
に所定パターンのレジスト２５を形成する〔図４（Ｂ）
参照〕。
（Ａｇ）膜３ｂ上の全面にＡｌ層２４を形成し、その上
に所定パターンのレジスト２５を形成する〔図４（Ｂ）
参照〕。
【００３０】そして、前記レジスト２５をマスクとして
酸によるエッチングをＡｌ層２４に施し、ａ−Ｃ：Ｆ層
３およびａ−Ｃ：Ｆ（Ａｇ）膜３ｂ上に、耐酸素プラズ
マ用のレジストとして機能するＡｌ膜２４ａを形成する
〔図４（Ｃ）参照〕。
酸によるエッチングをＡｌ層２４に施し、ａ−Ｃ：Ｆ層
３およびａ−Ｃ：Ｆ（Ａｇ）膜３ｂ上に、耐酸素プラズ
マ用のレジストとして機能するＡｌ膜２４ａを形成する
〔図４（Ｃ）参照〕。
【００３１】続いて、酸素プラズマによるドライエッチ
ングにより、Ｔａ2 Ｏ5 膜２を一部露出させる開口７，
８を有する状態でａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ａを形成するととも
に、レジスト２５を除去する〔図４（Ｄ）参照〕。前記
開口７は領域ｒに位置する。
ングにより、Ｔａ2 Ｏ5 膜２を一部露出させる開口７，
８を有する状態でａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ａを形成するととも
に、レジスト２５を除去する〔図４（Ｄ）参照〕。前記
開口７は領域ｒに位置する。
【００３２】その後、Ａｌ膜２４ａを除去する〔図４
（Ｅ）参照〕。
（Ｅ）参照〕。
【００３３】続いて、開口７直下に位置するＴａ2 Ｏ5
膜２およびその直下のＳｉＯ2 膜１をエッチングにより
除去してＰＮダイオード型外部端子２１をＮ型Ｓｉ基板
５ａ上に露出させる〔図４（Ｆ）参照〕。３０は露出部
分である。
膜２およびその直下のＳｉＯ2 膜１をエッチングにより
除去してＰＮダイオード型外部端子２１をＮ型Ｓｉ基板
５ａ上に露出させる〔図４（Ｆ）参照〕。３０は露出部
分である。
【００３４】なお、低インピーダンスのｐＨ不感応膜３
ｂの形成に、Ａｇをドーピングしたが、Ａｇの代わりに
Ａｕをドーピングしてもよい。更に、ＰＮ接合以外にＳ
ｉ基板５ａとのオーミック結合によりｐＨ応答電極とｐ
Ｈ不感応電極との電気的結合を行うように構成してもよ
い。
ｂの形成に、Ａｇをドーピングしたが、Ａｇの代わりに
Ａｕをドーピングしてもよい。更に、ＰＮ接合以外にＳ
ｉ基板５ａとのオーミック結合によりｐＨ応答電極とｐ
Ｈ不感応電極との電気的結合を行うように構成してもよ
い。
【００３５】この実施形態でも、比較電極と一体化した
完全なワンチツプのｐＨセンサを得ることができる。
完全なワンチツプのｐＨセンサを得ることができる。
【００３６】図５、図６は、上記第１の実施形態のｐＨ
センサの全体をａ−Ｃ：Ｆ膜で覆うことにより、耐水性
を向上させたこの発明の第３の実施形態を示す。なお、
図３、図６において、図１〜図４で示した符号と同一符
号は同一または相当物である。
センサの全体をａ−Ｃ：Ｆ膜で覆うことにより、耐水性
を向上させたこの発明の第３の実施形態を示す。なお、
図３、図６において、図１〜図４で示した符号と同一符
号は同一または相当物である。
【００３７】この実施形態のｐＨセンサと、図１に示し
た上記第１の実施形態のｐＨセンサとの違いは、第１の
実施形態のｐＨセンサの開口７と白金電極１７以外の表
面全体をａ−Ｃ：Ｆ薄膜で覆うようにした点である。
た上記第１の実施形態のｐＨセンサとの違いは、第１の
実施形態のｐＨセンサの開口７と白金電極１７以外の表
面全体をａ−Ｃ：Ｆ薄膜で覆うようにした点である。
【００３８】図５において、３ｃは、ａ−Ｃ：Ｆよりな
るパッシベーション膜で、ａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ａ、白金電
極１７および開口７以外を覆っている。
るパッシベーション膜で、ａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ａ、白金電
極１７および開口７以外を覆っている。
【００３９】製造方法は以下の通りである。図６（Ａ）
は、図２（Ｅ）と同一の工程を示している。また、図６
（Ｂ）は、図２（Ｆ）と同一の工程を示している。つま
り、この実施形態では、白金電極を加工した後、リフト
オフを行い上記第１の実施形態のｐＨセンサを得る。
は、図２（Ｅ）と同一の工程を示している。また、図６
（Ｂ）は、図２（Ｆ）と同一の工程を示している。つま
り、この実施形態では、白金電極を加工した後、リフト
オフを行い上記第１の実施形態のｐＨセンサを得る。
【００４０】続いて、各デバイス（ｐＨセンサ）を分離
する。図６（Ｃ）の５ｃはＳｉ基板５を分離した得たＳ
ｉ基板である。そして、ａ−Ｃ：Ｆ膜３ａ、白金電極１
７および開口７を保護膜３６で覆った状態でＳｉ基板５
ｃが上向きになるようにデバイスを反転させる。続い
て、Ｓｉ基板５ｃ上にａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ｃを形成する
〔図６（Ｃ）参照〕。
する。図６（Ｃ）の５ｃはＳｉ基板５を分離した得たＳ
ｉ基板である。そして、ａ−Ｃ：Ｆ膜３ａ、白金電極１
７および開口７を保護膜３６で覆った状態でＳｉ基板５
ｃが上向きになるようにデバイスを反転させる。続い
て、Ｓｉ基板５ｃ上にａ−Ｃ：Ｆ薄膜３ｃを形成する
〔図６（Ｃ）参照〕。
【００４１】最後に、保護膜３６を剥離し、続いて、洗
浄を行うことにより、耐水性を向上させたｐＨセンサを
得る〔図６（Ｄ）参照〕。
浄を行うことにより、耐水性を向上させたｐＨセンサを
得る〔図６（Ｄ）参照〕。
【００４２】図７、図８は、ｐＨ応答電極、ｐＨ不感応
電極およびＰＮダイオード電極の３つの電極を持つ上記
第２の実施形態のｐＨセンサの動作回路を低い電源電圧
で動作させるように構成したこの発明の第４の実施形態
を示す。なお、図７、図８において、図１〜図６で示し
た符号と同一符号は同一または相当物である。
電極およびＰＮダイオード電極の３つの電極を持つ上記
第２の実施形態のｐＨセンサの動作回路を低い電源電圧
で動作させるように構成したこの発明の第４の実施形態
を示す。なお、図７、図８において、図１〜図６で示し
た符号と同一符号は同一または相当物である。
【００４３】ｐＨ応答電極とｐＨ不感応電極とを電気的
に結合するために設けたＰＮダイオード電極では、被測
定液が酸化還元反応を示す場合には、酸化還元電位（Ｏ
ＲＰ電位）を含んでしまう。そして、その酸化還元電位
の変動分は約２ｖ（２ボルト）以内であるが、その２ｖ
分の電位を持たせるために、その分の電位を拡大する電
源を維持しなければならない。つまり、上記第２の実施
形態のｐＨセンサでは、前記３つの電極を持つ動作回路
を動作させるために、ｐＨ応答電極とｐＨ不感応電極側
の電位（１４ｐＨ×６０ｍｖ）と酸化還元電位の変動分
２ｖ（２０００ｍｖ）の和に相当する高い電源電圧を必
要とする。
に結合するために設けたＰＮダイオード電極では、被測
定液が酸化還元反応を示す場合には、酸化還元電位（Ｏ
ＲＰ電位）を含んでしまう。そして、その酸化還元電位
の変動分は約２ｖ（２ボルト）以内であるが、その２ｖ
分の電位を持たせるために、その分の電位を拡大する電
源を維持しなければならない。つまり、上記第２の実施
形態のｐＨセンサでは、前記３つの電極を持つ動作回路
を動作させるために、ｐＨ応答電極とｐＨ不感応電極側
の電位（１４ｐＨ×６０ｍｖ）と酸化還元電位の変動分
２ｖ（２０００ｍｖ）の和に相当する高い電源電圧を必
要とする。
【００４４】そこで、できるだけ低い電源電圧で、つま
り、低い電圧の電池を用いて動作回路を動作させるた
め、この実施形態では、低い電圧の電池で使用する場
合、被測定溶液がｐＨ応答電位とｐＨ不感応電位との中
間電位が電源電圧の中間にあれば最適となるという観点
から、以下の構成を採用している。
り、低い電圧の電池を用いて動作回路を動作させるた
め、この実施形態では、低い電圧の電池で使用する場
合、被測定溶液がｐＨ応答電位とｐＨ不感応電位との中
間電位が電源電圧の中間にあれば最適となるという観点
から、以下の構成を採用している。
【００４５】図７、図８は、被測定溶液との電位調整用
の電源動作点制御回路を上記第２の実施形態のｐＨセン
サの動作回路に組み入れた構成を示す。
の電源動作点制御回路を上記第２の実施形態のｐＨセン
サの動作回路に組み入れた構成を示す。
【００４６】図７、図８において、４０はｐＨ応答電極
（ｐＨ応答膜２に相当する）、４１はｐＨ不感応電極
（ｐＨ不感応膜３ａに相当する）、４２は電源動作点制
御電極（ＰＮダイオード電極２１に相当する）である。
４３は、電位調整用電源動作点制御回路で、上記第２の
実施形態のｐＨセンサのＦＥＴ動作回路に組み込まれて
いる。この制御回路４３は、図示しないがＣＭＯＳ回路
よりなり、デュアルタイプのＦＥＴ９，１０と同じ半導
体プロセスで製作でき、図８に示すようにＦＥＴ９，１
０と制御回路４３は同一基板５ａ上に一体化されてい
る。
（ｐＨ応答膜２に相当する）、４１はｐＨ不感応電極
（ｐＨ不感応膜３ａに相当する）、４２は電源動作点制
御電極（ＰＮダイオード電極２１に相当する）である。
４３は、電位調整用電源動作点制御回路で、上記第２の
実施形態のｐＨセンサのＦＥＴ動作回路に組み込まれて
いる。この制御回路４３は、図示しないがＣＭＯＳ回路
よりなり、デュアルタイプのＦＥＴ９，１０と同じ半導
体プロセスで製作でき、図８に示すようにＦＥＴ９，１
０と制御回路４３は同一基板５ａ上に一体化されてい
る。
【００４７】而して、制御回路４３の電源動作点を調整
するように、ｐＨ応答電極４０の電位とｐＨ不感応電極
４１の電位の中間電位５０を検出し、その電位と被測定
溶液の電位を調整することにより、最大４２０ｍｖ（＝
６０×７ｐＨ）以内の電源でｐＨ測定ができることにな
り、極めて少ない電源電圧でｐＨセンサの動作回路を動
作させることが可能となる。
するように、ｐＨ応答電極４０の電位とｐＨ不感応電極
４１の電位の中間電位５０を検出し、その電位と被測定
溶液の電位を調整することにより、最大４２０ｍｖ（＝
６０×７ｐＨ）以内の電源でｐＨ測定ができることにな
り、極めて少ない電源電圧でｐＨセンサの動作回路を動
作させることが可能となる。
【００４８】なお、上記各実施形態では、電解液中の水
素イオン濃度を検出するｐＨセンサについて説明した
が、この発明は、カリウム、鉛、ナトリウム、塩素、水
銀等のイオンの検出にも適用できる。これらの場合は、
イオン応答膜の材質をイオン種に応じて変更するだけで
よい。
素イオン濃度を検出するｐＨセンサについて説明した
が、この発明は、カリウム、鉛、ナトリウム、塩素、水
銀等のイオンの検出にも適用できる。これらの場合は、
イオン応答膜の材質をイオン種に応じて変更するだけで
よい。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように、２つの電界効果ト
ランジスタを同一半導体基板上に設け、一方の電界効果
トランジスタのゲート部にイオンに応答するイオン応答
膜を設けるとともに、他方の電界効果トランジスタのゲ
ート部に、撥水性および絶縁性を有し、イオンに不感応
なイオン不感応膜としてアモルファス・フルオロカーボ
ン薄膜を設けたので、小型でかつ簡易な量産性の高いワ
ンチップのイオンセンサを得ることができる。
ランジスタを同一半導体基板上に設け、一方の電界効果
トランジスタのゲート部にイオンに応答するイオン応答
膜を設けるとともに、他方の電界効果トランジスタのゲ
ート部に、撥水性および絶縁性を有し、イオンに不感応
なイオン不感応膜としてアモルファス・フルオロカーボ
ン薄膜を設けたので、小型でかつ簡易な量産性の高いワ
ンチップのイオンセンサを得ることができる。
【図１】（Ａ）は、この発明の第１の実施形態を示す構
成説明図である。（Ｂ）は、その平面図である。
成説明図である。（Ｂ）は、その平面図である。
【図２】上記実施形態の製造方法を説明するための図で
ある。
ある。
【図３】（Ａ）は、この発明の第２の実施形態を示す構
成説明図である。（Ｂ）は、その平面図である。
成説明図である。（Ｂ）は、その平面図である。
【図４】上記第２の実施形態の製造方法を説明するため
の図である。
の図である。
【図５】この発明の第３の実施形態を示す構成説明図で
ある。
ある。
【図６】上記第３の実施形態の製造方法を説明するため
の図である。
の図である。
【図７】この発明の第４の実施形態を示す回路構成図で
ある。
ある。
【図８】上記第４の実施形態の平面図である。
【図９】従来の比較電極を示す構成説明図である。
２…イオン応答膜、３ａ…ａ−Ｃ：Ｆ薄膜（イオン不感
応膜）、５…Ｓｉ基板、９，１０…ＭＯＳＦＥＴ、１
５，１６…ゲート、１７…白金電極。
応膜）、５…Ｓｉ基板、９，１０…ＭＯＳＦＥＴ、１
５，１６…ゲート、１７…白金電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F040 DA30 DC01 EB11 EB15 EC04 ED02 5F048 AA07 AB10 AC01 AC10 BA01 BB04 BB11 BB13
Claims (2)
- 【請求項１】 測定電極用電界効果トランジスタと比較
電極用電界効果トランジスタを同一半導体基板上に設
け、前記測定電極用電界効果トランジスタのゲート部に
イオンに応答するイオン応答膜を設けるとともに、前記
比較電極用電界効果トランジスタのゲート部に、撥水性
および絶縁性を有し、イオンに不感応なイオン不感応膜
としてアモルファス・フルオロカーボン薄膜を設けたこ
とを特徴とする比較電極機能付イオン感応性電界効果ト
ランジスタ型センサ。 - 【請求項２】 前記アモルファス・フルオロカーボン薄
膜をプラズマＣＶＤ法で形成した請求項１に記載の比較
電極機能付イオン感応性電界効果トランジスタ型セン
サ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11203287A JP2001033423A (ja) | 1999-07-16 | 1999-07-16 | 比較電極機能付イオン感応性電界効果トランジスタ型センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11203287A JP2001033423A (ja) | 1999-07-16 | 1999-07-16 | 比較電極機能付イオン感応性電界効果トランジスタ型センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001033423A true JP2001033423A (ja) | 2001-02-09 |
Family
ID=16471555
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11203287A Pending JP2001033423A (ja) | 1999-07-16 | 1999-07-16 | 比較電極機能付イオン感応性電界効果トランジスタ型センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001033423A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009084675A1 (ja) * | 2007-12-27 | 2009-07-09 | Horiba, Ltd. | 極性有機溶媒の水分又は有機酸の含有量の測定方法及びその装置 |
| JP2010122219A (ja) * | 2008-11-20 | 2010-06-03 | Commissariat A L'energie Atomique & Aux Energies Alternatives | 生物要素検出用チップの製造方法 |
| JP2010151659A (ja) * | 2008-12-25 | 2010-07-08 | Toyota Central R&D Labs Inc | エタノール用ガスセンサ |
| US8502277B2 (en) | 2003-08-29 | 2013-08-06 | Japan Science And Technology Agency | Field-effect transistor, single-electron transistor and sensor using the same |
| CN110618167A (zh) * | 2019-09-23 | 2019-12-27 | 张家港万众一芯生物科技有限公司 | 一种ph值检测装置及其制备方法、ph值检测方法 |
-
1999
- 1999-07-16 JP JP11203287A patent/JP2001033423A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8502277B2 (en) | 2003-08-29 | 2013-08-06 | Japan Science And Technology Agency | Field-effect transistor, single-electron transistor and sensor using the same |
| US8766326B2 (en) | 2003-08-29 | 2014-07-01 | Japan Science And Technology Agency | Field-effect transistor, single-electron transistor and sensor |
| US8772099B2 (en) | 2003-08-29 | 2014-07-08 | Japan Science And Technology Agency | Method of use of a field-effect transistor, single-electron transistor and sensor |
| US9506892B2 (en) | 2003-08-29 | 2016-11-29 | Japan Science And Technology Agency | Field-effect transistor, single-electron transistor and sensor using the same |
| WO2009084675A1 (ja) * | 2007-12-27 | 2009-07-09 | Horiba, Ltd. | 極性有機溶媒の水分又は有機酸の含有量の測定方法及びその装置 |
| CN101855543A (zh) * | 2007-12-27 | 2010-10-06 | 株式会社堀场制作所 | 极性有机溶剂的水分或有机酸的含量的测定方法及其装置 |
| US8436622B2 (en) | 2007-12-27 | 2013-05-07 | Horiba, Ltd. | Method for measurement of content of water or organic acid in polar organic solvent, and apparatus for the method |
| JP2010122219A (ja) * | 2008-11-20 | 2010-06-03 | Commissariat A L'energie Atomique & Aux Energies Alternatives | 生物要素検出用チップの製造方法 |
| JP2010151659A (ja) * | 2008-12-25 | 2010-07-08 | Toyota Central R&D Labs Inc | エタノール用ガスセンサ |
| CN110618167A (zh) * | 2019-09-23 | 2019-12-27 | 张家港万众一芯生物科技有限公司 | 一种ph值检测装置及其制备方法、ph值检测方法 |
| CN110618167B (zh) * | 2019-09-23 | 2022-04-29 | 张家港万众一芯生物科技有限公司 | 一种pH值检测装置及其制备方法、pH值检测方法 |
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