JP2004177237A

JP2004177237A - Semiconductor ion sensor

Info

Publication number: JP2004177237A
Application number: JP2002343085A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Sugiura; 義幸杉浦; Atsushi Sakai; 淳阪井; Hisatoku Shiroishi; 久徳城石
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized semiconductor ion sensor having a satisfactory joint strength against thermal fatigue with respect to a joint surface of a seal part to an ISFET (ion sensitive field effect transister). <P>SOLUTION: This semiconductor ion sensor has an ISFET mount substrate 5, and a seal part 6 for sealing the main surface side of the ISFET excluding a sensor part and the the mount substrate. The substrate 5 has a semiconductor substrate 11 and a protection film 22 for coating the surface of a portion, excluding the sensor part, of an ion-sensitive film. The ion-sensitive film is exposed to the surface of the substrate 11, which comes into contact with a water solution and serves as a sensor part 21. The substrate 11 is provided, on its main surface side, with a drain area 12, a source area, and a channel area, a drain electrode 15 and a source electrode, a field oxide film 19 used for coating with the drain electrode 15 and source electrode exposed, and the ion-sensitive film 20 for coating the surface of the oxide film therewith. A crack development preventing part 23 is provided on a joint surface of the ISFET protection film to the seal part so as to cross the direction of a straight line connecting the center position of the sensor part and the midpoint between the drain electrode and the source electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＳＦＥＴ（イオン感応性電界効果トランジスタ）を用いた半導体イオンセンサであって、水溶液中のイオンのセンシングやｐＨの測定に用いられる半導体イオンセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＩＳＦＥＴを用いた半導体イオンセンサの一例を図１８、図１９、図２０に基づいて説明する。図１８は基板に固定されたＩＳＦＥＴの平面図、図１９の図１８のＸ―Ｘの断面図、図２０の図１８のＹ―Ｙの断面図である。この半導体イオンセンサは、ＩＳＦＥＴ１、実装基板５、封止部６を主要構成部材としている。
【０００３】
ＩＳＦＥＴ１は、全体的には、例えば、縦７ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ２ｍｍの略直方体であり、大略的には、半導体基板１１にイオン感応膜２０を設け、所定個所を保護膜２２で被覆している。詳しくは、半導体基板１１は、その主表面側に、トランジスタ機能を構成するドレイン領域１２、ソース領域１３及びチャネル領域１４、外部回路と電気的に接続するためのドレイン電極１５及びソース電極１６、さらに、ドレイン領域１２とドレイン電極１５とを電気的に接続するドレイン配線部１７、ソース領域１３とソース電極１６とを電気的に接続するソース配線部１８を形成している。また、イオン感応膜２０は、チャネル領域１４の上部に設けられ、水溶液と接触するようにしてセンサ部２１を形成している。そして、保護膜２２は、外部応力等から保護するために、センサ部２１、ドレイン電極１５及びソース電極１６を露出させ、これら以外の半導体基板１１の主表面側を被覆している。
【０００４】
実装基板５は、例えば、エポキシ樹脂により平板状の形成され、ＩＳＦＥＴ１や他の回路部品を固定する。ＩＳＦＥＴ１は、この実装基板５上に、後述するように、封止部６により固定される。また、実装基板５は、図外駆動電源回路や電流検知回路を有しており、ドレイン電極１５、ソース電極１６には電線７が接続される。
【０００５】
封止部６は、例えば、エポキシ樹脂により、センサ部２１は露出させた状態で、それ以外は外部（特に、水溶液）に対して電気的に絶縁するべく封止し、それによりＩＳＦＥＴ１を実装基板５に固定する。
【０００６】
この半導体イオンセンサは、図１８のＺ―Ｚ面より先端側部分を水溶液中に浸して、水溶液中のイオンのセンシングやｐＨの測定を行う。すなわち、センサ部２１のイオン感応膜２０は、水溶液と接触すると、水溶液中のイオンとの相互作用により、特定のイオン濃度に応じてイオン感応膜２０とチャネル領域１４との界面の電圧が変化する。この結果、通常のＭＯＳＦＥＴの動作原理により、ドレイン領域１２とソース領域１３との間を流れる電流が変化する。したがって、水溶液中のイオン濃度がＩＳＦＥＴのドレイン―ソースの電流値としてセンシングできる。
【０００７】
この種の半導体イオンセンサに関する封止部の構造に関する先行技術としては、例えば、特開２００２―１６２３８０があり、ここではセンサ部に樹脂が流れ込まない構造が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２―１６２３８０号公報（第４−８頁、図１及び図２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
封止部とこれに接合しているＩＳＦＥＴの保護膜とは、熱膨張係数が異なるために、温度の上昇・降下が起こると、接合面がずれるような応力を受ける。したがって、上昇温度と降下温度の差がかなり大きい状態で温度変化が繰り返されると、接合面にクラックが発生し、それが拡大し、やがて、両者が剥離する。すなわち、温度変化が繰り返されると、外部応力を受けていなくても接合面が剥離するという熱疲労を起こす。この結果として、界面から水溶液が侵入するという事態を招く恐れがある。クラックの発生から完全に剥離するまでの温度変化が繰り返し回数は、接合面の距離に略比例するので、センサ部とドレイン電極・ソース電極との距離を長くすることで、熱疲労に対する寿命を確保していた。
【００１０】
本発明は、かかる事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、封止部とＩＳＦＥＴとの接合面について熱疲労に対する接合強度が良好で、小型な半導体イオンセンサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、大略直方体状をなす主表面側に、ドレイン領域、ソース領域及びチャネル領域と、ドレイン電極及びソース電極と、ドレイン電極及びソース電極を露出させて被覆するフィールド酸化膜と、フィールド酸化膜の表面を被覆するイオン感応膜と、を設けてイオン感応膜の露出した表面を水溶液に接触するセンサ部とした半導体基板と、イオン感応膜のセンサ部を除く部分の表面を被覆する保護膜と、を有するＩＳＦＥＴと、ＩＳＦＥＴを実装する実装基板と、センサ部を除く前記ＩＳＦＥＴの主表面側と前記実装基板とを封止する封止部と、を有する半導体イオンセンサにおいて、前記ＩＳＦＥＴの保護膜と前記封止部との接合面に、前記センサ部の中心位置と、前記ドレイン電極と前記ソース電極との中点と、を結ぶ直線方向に対して交叉するように、クラック進行抑制部を設けてなることを特徴としている。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の半導体イオンセンサにおいて、前記クラック進行抑制部は、前記接合面がその全体的な平坦な面に対し凹または凸状に設けたものであることを特徴としている。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の半導体イオンセンサにおいて、前記クラック進行抑制部は、複数個設けたものであることを特徴としている。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３記載の半導体イオンセンサにおいて、前記クラック進行抑制部は、前記半導体基板の主表面の上面から見て中心部分で折れ曲がる形状であることを特徴としている。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４記載の半導体イオンセンサにおいて、前記フィールド酸化膜上に前記ドレイン電極又は前記ソース電極と少なくともいずれかの材料と同一の材料で膜間凸部を設けることを特徴としている。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項４記載の半導体イオンセンサにおいて、前記ドレイン配線部又は前記ソース配線部の少なくともいずれかを蛇行するように設け、その表面上の前記フィールド酸化膜のみが薄いことを特徴としている。
【００１７】
請求項７に係る発明は、請求項６記載の半導体イオンセンサにおいて、前記ドレイン配線部又は前記ソース配線部の少なくともいずれかをＬＯＣＯＳ工程によって設けることを特徴としている。
【００１８】
請求項８に係る発明は、請求項１乃至請求項４記載の半導体イオンセンサにおいて、前記保護膜の表面にクラック進行抑制部を設けることを特徴としている。
【００１９】
請求項９に係る発明は、請求項８記載の半導体イオンセンサにおいて、前記クラック進行抑制部の断面形状が三角形であることを特徴としている。
【００２０】
請求項１０に係る発明は、請求項８記載の半導体イオンセンサにおいて、凸状の前記クラック進行抑制部の上部にレジスタ片を設けることを特徴としている。
【００２１】
請求項１１に係る発明は、請求項１乃至請求項１０記載の半導体イオンセンサにおいて、前記ドレイン電極と前記ソース電極の間に、前記保護膜と前記封止部の接合面に、前記センサ部の中心位置と、前記ドレイン電極と前記ソース電極との中点と、を結ぶ直線方向に沿うように、クラック進行抑制部を設けることを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
実施形態１に係る半導体イオンセンサを、図１〜図３に基づいて説明する。図１は実装基板に固定されたＩＳＦＥＴの平面図、図２は図１のＸ―Ｘの断面図、図３は図１のＹ―Ｙの断面図である。なお、従来の技術の項において説明した部材と基本的機能が同様のものは同一の符号を付している。この半導体イオンセンサは、ＩＳＦＥＴ１、実装基板５、封止部６を主要構成部材としている。
【００２３】
ＩＳＦＥＴ１は、全体的には、例えば、縦７ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ２ｍｍの略直方体であり、大略的には、半導体基板１１にイオン感応膜２０を設け、所定個所を保護膜２２で被覆している。詳しくは、半導体基板１１は、主要部はシリコンであり、その主表面側に、トランジスタ機能を構成するドレイン領域１２、ソース領域１３及びチャネル領域１４、外部回路と電気的に接続するためのドレイン電極１５及びソース電極１６、さらに、ドレイン領域１２とドレイン電極１５とを電気的に接続するドレイン配線部１７、ソース領域１３とソース電極１６とを電気的に接続するソース配線部１８を形成している。また、フィールド酸化膜１９はシリコン酸化物であり、ドレイン電極１５とソース電極１６を除く上記半導体基板１１の主表面を被覆するように形成している。次に、イオン感応膜２０は、フィールド酸化膜１９を更に被覆するように、チャネル領域１４の上部に設けられ、水溶液と接触するようにしてセンサ部２１を形成している。このイオン感応膜２０の材料は、センシングするイオンの種類で決まるが、例えば、ｐＨ測定用としては、酸化タンタル膜等が用いられる。そして、保護膜２２はシリコン窒化物であり、外部応力等から保護するために、センサ部２１、ドレイン電極１５及びソース電極１６を露出させ、これら以外の半導体基板１１の主表面側を被覆している。さらに、クラック進行抑制部２３は、短冊状の凸状であり、エッチングにより、保護膜２２の表面に、センサ部２１の中心位置と、ドレイン電極１５とソース電極１６との中点とを結ぶ直線方向に対して直交するように、形成される。
【００２４】
実装基板５は、例えば、エポキシ樹脂により平板状の形成され、ＩＳＦＥＴ１や他の回路部品を固定する。ＩＳＦＥＴ１は、この実装基板５上に、後述するように、封止部６により固定される。また、実装基板５は、図外駆動電源回路や電流検知回路を有しており、ドレイン電極１５、ソース電極１６には電線７が接続される。
【００２５】
封止部６は、例えば、エポキシ樹脂により、センサ部２１は露出させた状態で、それ以外は外部（特に、水溶液）に対して電気的に絶縁するべく封止し、それによりＩＳＦＥＴ１を実装基板５に固定する。ここで、封止部６は、未硬化状態のエポキシ樹脂をディスペンサ等により滴下させて、加熱硬化させることで、形成される。
【００２６】
上記の半導体イオンセンサは、図１のＺ―Ｚ面より先端部を水溶液中に浸して、水溶液中のイオンのセンシングやｐＨの測定を行う。すなわち、センサ部２１のイオン感応膜２０は水溶液と接触し、水溶液中のイオンとの相互作用により、特定のイオン濃度に応じて、イオン感応膜２０とチャネル領域１４との界面の電圧が変化する。この結果、通常のＭＯＳＦＥＴの動作原理により、ドレイン領域１２とソース領域１３との間を流れる電流が変化する。したがって、水溶液中のイオン濃度がＩＳＦＥＴ１のドレイン―ソースの電流値としてセンシングできる。
【００２７】
ここで、封止部６とこれに接合している保護膜２２とは、熱膨張係数が異なるために、温度の上昇・低下が起こると、接合面で両者がずれるような応力を受ける。この温度上昇・低下が繰り返し起こると、接合面にクラックが発生する。例えば、図２で、クラック２４が、接合面の場所Ａに最初に発生したとする。さらに、この温度上昇・低下の繰り返しが続くと、クラック２４の拡大する方向と前記応力の方向が一致するので、クラック２４は両側に接合面に沿って容易に拡大していく。しかし、クラック進行抑制部２３のコーナー部分Ｂまでクラック２４が拡大すると、これ以上のクラック２４の拡大はクラック進行抑制部２３のコーナー部分Ｂで抑制される。つまり、クラック２４の拡大にとってクラック進行抑制部２３は障害物となる。この後、さらに、温度上昇・低下の繰り返しが続くと、各部でクラック２４が発生し、それらが拡大することで、最後には、封止部６と保護膜２２との界面が完全に剥離してしまう。この状態によると、剥離した界面から、水溶液が進入し、ドレイン電極１５とソース電極１６とが導通して、半導体イオンセンサとしての機能を果たさなくなる。このような過程により、半導体イオンセンサが機能停止するまでの温度上昇・低下の繰り返し回数は、本実施形態のものは、保護膜と封止部の接合面にクラック進行抑制部が形成されているので、従来のものよりも多くなっている。すなわち、ＩＳＦＥＴ１の形状を同じにすれば、本実施形態のものは、従来のものよりも長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、本実施形態のものの方が小型となる。
【００２８】
（実施形態２）
実施形態２に係る半導体イオンセンサについて図４、図５に基づいて説明する。図４は実装基板に固定されたＩＳＦＥＴの平面図であり、図５は図４のＸ―Ｘの断面図である。
【００２９】
実施形態２の半導体イオンセンサの構造は、実施形態１とほぼ同様である。実施形態１の構造と異なるのは、図４、５に示すように、保護膜２２に３個の凸状のクラック進行抑制部２３ａ、２３ｂ、２３ｃを形成していることである。
【００３０】
本実施形態では、封止部６と保護膜２２との接合面に複数のクラック進行抑制部２３ａ、２３ｂ、２３ｃが存在するので、温度上昇・低下の繰り返しによって発生したクラックの拡大をさらに抑制することができる。この結果として、ＩＳＦＥＴ１の形状を同じにすれば、本実施形態のものは、実施形態１のものよりも長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、本実施形態のものの方が小型となる。
【００３１】
（実施形態３）
実施形態３に係る半導体イオンセンサについて図６、図７に基づいて説明する。図６は実装基板に固定されたＩＳＦＥＴの平面図であり、図７は図６のＸ―Ｘの断面図である。
【００３２】
実施形態３の半導体イオンセンサの構造は、実施形態２とほぼ同様である。実施形態２の構造と異なるのは、図６、図７に示すように、保護膜２２に形成した短冊状の凸状のクラック進行抑制部２３ｄ、２３ｅ、２３ｆは、半導体基板１１の主表面の上面から見て中心部分で折れ曲がる形状となり、くの字状となっている。つまり、中心付近ではセンサ部との距離が短く、周辺部ではセンサ部からの距離が長い構造となっていることである。
【００３３】
本実施形態では、クラック進行抑制部２３ｄ、２３ｅ、２３ｆが、くの字状となっているので、温度上昇・低下の繰り返しによって発生したクラックが、クラック進行抑制部のコーナー部にまで拡大し、さらに、クラック進行抑制部の長さ方向に沿って拡大したときに、くの字状の中心部で拡大が停止する。この結果として、ＩＳＦＥＴ１の形状を同じにすれば、本実施形態のものは、実施形態２のものよりも長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、本実施形態のものの方が小型となる。なお、クラック進行抑制部２３ｄ、２３ｅ、２３ｆは、上面から見て、逆の字状、すなわち、中心付近ではセンサ部との距離が長く、周辺部ではセンサ部からの距離が短い構造としてもほぼ同じ効果を得ることができる。
【００３４】
（実施形態４）
実施形態４に係る半導体イオンセンサについて図８、図９に基づいて説明する。図８は実装基板に固定されたＩＳＦＥＴの平面図であり、図９は図８のＸ―Ｘの断面図である。
【００３５】
実施形態４の半導体イオンセンサの構造は、実施形態２とほぼ同様である。実施形態２の構造と異なるのは、図８及び図９に示すように、保護膜２２に断面が鋭角三角形の４個の凸状のクラック進行抑制部２３ｇ、２３ｈ、２３ｉ、２３ｊを形成していることである。
【００３６】
実施形態２のクラック進行抑制部の断面は四角形となっているのに対して、本実施形態では、クラック進行抑制部の断面が鋭角三角形となっている。このために、接合面の長さが同じなら、本実施形態の方がより多くのクラック進行抑制部を設けることができる。この結果として、ＩＳＦＥＴの形状を同じにすれば、本実施形態のものは、実施形態２のものよりも長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、本実施形態のものの方が小型となる。なお、クラック進行抑制部の断面は、直角三角形や鈍角三角形であっても、クラック進行抑制部の個数が同一なら同じ効果を得ることができる。
【００３７】
（実施形態５）
実施形態５に係る半導体イオンセンサについて図１０、図１１に基づいて説明する。図１０は実装基板に固定されたＩＳＦＥＴの平面図であり、図１１は図１０のＸ―Ｘの断面図である。
【００３８】
実施形態５の半導体イオンセンサの構造は、実施形態２とほぼ同様である。実施形態２の構造と異なるのは、図１０、図１１に示すように、保護膜２２に形成した凸状のクラック進行抑制部２３ａ、２３ｂ、２３ｃの上部にレジスタ片２５ａ、２５ｂ、２５ｃを設けている構造となっていることである。すなわち、保護膜２２にマスキング用のレジスタ片２５ａ、２５ｂ、２５ｃを保護膜の表面に取付けてエッチングをしてクラック進行抑制部２３ａ、２３ｂ、２３ｃを形成した後に、レジスタ片２５ａ、２５ｂ、２５ｃを除去することなく、封止部６を形成することで、この構造を得ることができる。
【００３９】
本実施形態では、封止部６と保護膜２２との接合面に上部にレジスタ片を有するクラック進行抑制部が存在するので、温度上昇・低下の繰り返しによって発生したクラックの拡大をさらに抑制することができる。この結果として、ＩＳＦＥＴの形状を同じにすれば、本実施形態のものは、実施形態２のものよりも長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、本実施形態のものの方が小型となる。
【００４０】
（実施形態６）
実施形態６に係る半導体イオンセンサについて図１２、図１３に基づいて説明する。図１２は実装基板に固定されたＩＳＦＥＴの平面図であり、図１３は図１２のＸ―Ｘの断面図である。
【００４１】
実施形態６の半導体イオンセンサの構造は、実施形態２とほぼ同様である。実施形態２の構造と異なるのは、図１２、図１３に示すように、ドレイン電極１６とソース電極１７との間で、保護膜２２と封止部６との接合面に電極間クラック進行抑制部２６ａ、２６ｂ、２６ｃを形成していることである。
【００４２】
本実施形態では、例えば、センサ部２１とドレイン電極１５と間において、保護膜２２と封止部６との界面が剥離した場合でも、電極間での両者の接合が、クラック進行抑制部２６ａ、２６ｂ、２６ｃのために維持されていれば、ドレイン電極１５とソース電極１６との絶縁は維持される。この結果として、ＩＳＦＥＴ１の形状を同じにすれば、本実施形態のものは、実施形態２のものよりも長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、本実施形態のものの方が小型となる。
【００４３】
（実施形態７）
実施形態７に係る半導体イオンセンサについて図１４、図１５に基づいて説明する。図１４は実装基板に固定されたＩＳＦＥＴの平面図であり、図１５は図１４のＸ―Ｘの断面図である。
【００４４】
実施形態７の半導体イオンセンサの構造は、実施形態２とほぼ同様である。実施形態２の構造と異なるのは、図１４、図１５に示すように、フィールド酸化膜１９と保護膜２２との間に、ドレイン電極１５及びソース電極１６と同じ材料により、膜間凸部２７ａ、２７ｂ、２７ｃを形成することにより、結果的に保護膜２２と封止部６との間に凸状のクラック進行抑制部２３ａ、２３ｂ、２３ｃが形成されることである。すなわち、イオン感応膜２０を形成した後に、ドレイン電極１５及びソース電極１６の外部回路と接続する部分を、銅をスパッター等により形成するときに、同時に、フィールド酸化膜１９の表面上に膜間凸部２７ａ、２７ｂ、２７ｃを形成する。この後、従来と同様に保護膜２２を形成すれば、結果的に保護膜２２の表面にクラック進行抑制部２３ａ、２３ｂ、２３ｃが得られる。なお、イオン感応膜２０が、広い範囲に形成されている場合には、イオン感応膜２０の表面に膜間凸部２７ａ、２７ｂ、２７ｃを形成すればよい。
【００４５】
本実施形態では、ドレイン電極とソース電極を形成する工程で、膜間凸部が同時に形成され、この結果としてクラック進行抑制部が形成される。したがって、保護膜をエッチングする工程が不必要となり、実施形態２と比較して、生産性が向上する。
【００４６】
（実施形態８）
実施形態８に係る半導体イオンセンサについて図１６、図１７に基づいて説明する。図１６は実装基板に固定されたＩＳＦＥＴの平面図であり、図１７は図１６のＸ―Ｘの断面図である。
【００４７】
実施形態８の半導体イオンセンサの構造は、実施形態２とほぼ同様である。実施形態２の構造と異なるのは、図１６、図１７に示すように、ドレイン配線部１７及びソース配線部１８を蛇行するように形成し、その表面上のフィールド酸化膜である配線上酸化膜２８ａ、２８ｂを、他部分のフィールド酸化膜１９よりも薄くすることである。このことにより、結果的に保護膜２２と封止部６との間に蛇行クラック進行抑制部２９ａ、２９ｂが形成されることになる。
【００４８】
本実施形態では、まず、半導体基板１１の主表面側を酸化処理することで、フィールド酸化膜１９を形成する。次に、ドレイン領域１２、ソース領域１３、チャネル領域１４、ドレイン配線部１７、ソース配線部１８、ドレイン電極１５及びソース電極１６となる部分をエッチングすることにより、フィールド酸化膜１９を除去する。このとき、ドレイン配線部１５とソース配線部１６は、図１６に示すように、蛇行するパターンとしておく。この後、拡散処理により、ドレイン領域１２、ソース領域１３、チャネル領域１４、ドレイン配線部１７、ソース配線部１８、ドレイン電極１５及びソース電極１６を形成する。さらに、酸化処理をすることで、各部の表面にフィールド酸化膜１９を再度形成する。ここで、ドレイン配線部１７及びソース配線部１８の表面上のフィールド酸化膜は、先にエッチングされないで残存していたフィールド酸化膜よりも薄くなっている。この状態で、イオン感応膜２０、保護膜２２を形成する。このようにして得られたＩＳＦＥＴ１の保護膜２２の表面は、結果的にドレイン配線部１７及びソース配線部１８の形状の蛇行クラック進行抑制部２８ａ、２８ｂが形成される。
【００４９】
本実施形態では、ドレイン配線部とソース配線部を形成する工程の結果として、保護膜２２と封止部６との間に蛇行クラック進行抑制部２８ａ、２８ｂが形成されることになる。したがって、保護膜をエッチングする工程が不必要となり、実施形態２と比較して、生産性が向上する。
【００５０】
（実施形態９）
実施形態９に係る半導体イオンセンサについて図１６、図１７に基づいて説明する。図１６は実装基板に固定されたＩＳＦＥＴの平面図であり、図１７は図１６のＸ―Ｘの断面図である。
【００５１】
実施形態９の半導体イオンセンサの構造は、実施形態８とほぼ同様である。実施形態８と異なるのは、蛇行形状のドレイン配線部１７とソース配線部１８を形成する工程として、ＬＯＣＯＳ（ＬｏｃａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎｏｆＳｉｌｏｃｏｎ）工程を用いていることである。すなわち、半導体基板１１の主表面側で、ドレイン領域１２、ソース領域１３、チャネル領域１４、ドレイン配線部１７、ソース配線部１８、ドレイン電極１５及びソース電極１６となる部分以外の部分をＬＯＣＯＳ工程によってフィールド酸化膜１９を形成する。この後は、実施形態８と同様の工程で、保護膜２２の表面は、結果的にドレイン配線部及びソース配線部の形状に蛇行クラック進行抑制部２８ａ、２８ｂが形成されているＩＳＦＥＴ１を作成する。
【００５２】
本実施形態では、ＬＯＣＯＳ工程によってフィールド酸化膜１９を形成する工程の結果として、保護膜２２と封止部６との間に蛇行クラック進行抑制部２８ａ、２８ｂが形成されることになる。したがって、半導体基板や保護膜をエッチングする工程が不必要となり、実施形態２と比較して、生産性が向上する。
【００５３】
【発明の効果】
請求項１に係る半導体イオンセンサは、大略直方体状をなす主表面側に、ドレイン領域、ソース領域及びチャネル領域と、ドレイン電極及びソース電極と、ドレイン電極及びソース電極を露出させて被覆するフィールド酸化膜と、フィールド酸化膜の表面を被覆するイオン感応膜と、を設けてイオン感応膜の露出した表面を水溶液に接触するセンサ部とした半導体基板と、イオン感応膜のセンサ部を除く部分の表面を被覆する保護膜と、を有するＩＳＦＥＴと、ＩＳＦＥＴを実装する実装基板と、センサ部を除く前記ＩＳＦＥＴの主表面側と前記実装基板とを封止する封止部と、を有する半導体イオンセンサにおいて、前記ＩＳＦＥＴの保護膜と前記封止部との接合面に、前記センサ部の中心位置と、前記ドレイン電極と前記ソース電極との中点と、を結ぶ直線方向に対して交叉するように、クラック進行抑制部を設けたことを特徴としているので、温度上昇・低下の繰り返しによって発生するクラックの拡大を前記クラック進行抑制部によって抑制できるので、半導体イオンセンサが熱疲労に対して長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、小型とすることができる。
【００５４】
請求項２に係る半導体イオンセンサは、請求項１記載の構成において、前記クラック進行抑制部は、前記接合面がその全体的な平坦な面に対し凹または凸状に設けたものであることを特徴としているので、請求項１の効果に加えて、半導体イオンセンサがさらに長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、さらに小型とすることができる。
【００５５】
請求項３に係る半導体イオンセンサは、請求項１又は請求項２記載の構成において、前記クラック進行抑制部は、複数個設けたものであることを特徴としているので、請求項１又は請求項２の効果に加えて、半導体イオンセンサがさらに長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、さらに小型とすることができる。
【００５６】
請求項４に係る半導体イオンセンサは、請求項１乃至請求項３記載の構成において、前記クラック進行抑制部は、前記半導体基板の主表面の上面から見て中心部分で折れ曲がる形状であることをことを特徴としているので、請求項１乃至請求項３の効果に加えて、半導体イオンセンサがさらに長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、さらに小型とすることができる。
【００５７】
請求項５に係る半導体イオンセンサは、請求項１乃至請求項４記載の構成において、前記フィールド酸化膜上に、前記ドレイン電極又は前記ソース電極と少なくともいずれかの材料と同一の材料で膜間凸部を設けることを特徴としているので、工程数を増すことなく、クラック進行抑制部を得ることができるため、請求項１乃至請求項４の効果に加えて、生産性を向上することができる。
【００５８】
請求項６に係る半導体イオンセンサは、請求項１乃至請求項４記載の構成において、前記ドレイン配線部又は前記ソース配線部の少なくともいずれかを蛇行するように設け、その表面上の前記フィールド酸化膜のみが薄いことを特徴としているので、工程数を増すことなく、クラック進行抑制部を得ることができるため、請求項１乃至請求項４の効果に加えて、生産性を向上することができる。また、半導体イオンセンサを薄くするのに有効となる。
【００５９】
請求項７に係る半導体イオンセンサは、請求項６記載の構成において、前記ドレイン配線部又は前記ソース配線部の少なくともいずれかをＬＯＣＯＳ工程によって設けることを特徴としているので、請求項６の効果に加えて、ドレイン領域、ソース領域、チャネル領域等をより精密に形成することができ、この結果として、信頼性を向上することができる。
【００６０】
請求項８に係る半導体イオンセンサは、請求項１乃至請求項４記載の構成において、前記保護膜の表面にクラック進行抑制部を設けることを特徴としているので、前記保護膜よりも下部でのエッチング等の工程が不必要となるため、請求項１乃至請求項４の効果に加えて、エッチング等の工程等により配線等を傷つけることがなくなり、歩留りが向上する。
【００６１】
請求項９に係る半導体イオンセンサは、請求項８記載の構成において、前記クラック進行抑制部又は前記クラック進行抑制部の断面形状が三角形であることを特徴としているので、請求項８の効果に加えて、半導体イオンセンサがさらに長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、さらに小型とすることができる。本半導体イオンセンサは、特に、小型化に有効となる。
【００６２】
請求項１０に係る半導体イオンセンサは、請求項８記載の構成において、凸状の前記クラック進行抑制部の上部にレジスタ片を設けることを特徴としているので、請求項８の効果に加えて、半導体イオンセンサがさらに長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、さらに小型とすることができる。本半導体イオンセンサは、特に、長寿命化に有効となる。
【００６３】
請求項１１に係る半導体イオンセンサは、請求項１乃至請求項１０記載の構成において、前記ドレイン電極と前記ソース電極の間に、前記保護膜と前記封止部の接合面に、前記センサ部の中心位置と、前記ドレイン電極と前記ソース電極との中点と、を結ぶ直線方向に沿うように、クラック進行抑制部を設けることを特徴としているので、請求項１乃至請求項１０の効果に加えて、半導体イオンセンサがさらに長寿命となる。また、寿命を同じとなるように設計すれば、さらに小型とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係る実装基板に取付けたＩＳＦＥＴの平面図である。
【図２】同じく、図１のＸ―Ｘの断面図である。
【図３】同じく、図１のＹ―Ｙの断面図である。
【図４】実施形態２に係る実装基板に取付けたＩＳＦＥＴの平面図である。
【図５】同じく、図４のＸ―Ｘの断面図である。
【図６】実施形態３に係る実装基板に取付けたＩＳＦＥＴの平面図である。
【図７】同じく、図６のＸ―Ｘの断面図である。
【図８】実施形態４に係る実装基板に取付けたＩＳＦＥＴの平面図である。
【図９】同じく、図８のＸ―Ｘの断面図である。
【図１０】実施形態５に係る実装基板に取付けたＩＳＦＥＴの平面図である。
【図１１】同じく、図１０のＸ―Ｘの断面図である。
【図１２】実施形態６に係る実装基板に取付けたＩＳＦＥＴの平面図である。
【図１３】同じく、図１２のＸ―Ｘの断面図である。
【図１４】実施形態７に係る実装基板に取付けたＩＳＦＥＴの平面図である。
【図１５】同じく、図１４のＸ―Ｘの断面図である。
【図１６】実施形態８に係る実装基板に取付けたＩＳＦＥＴの平面図である。
【図１７】同じく、図１６のＸ―Ｘの断面図である。
【図１８】従来の技術に係る実装基板に取付けたＩＳＦＥＴの平面図である。
【図１９】同じく、図１８のＸ―Ｘの断面図である。
【図２０】同じく、図１８のＹ―Ｙの断面図である。
【符号の説明】
１ＩＳＦＥＴ
１１半導体基板
１２ドレイン領域
１３ソース領域
１４チャネル領域
１５ドレイン電極
１６ソース電極
１７ドレイン配線部
１８ソース配線部
１９フィールド酸化膜
２０イオン感応膜
２１センサ部
２２保護膜
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃクラック進行抑制部
２３ｄ、２３ｅ、２３ｆくの字状クラック進行抑制部
２３ｇ、２３ｈ、２３ｉ、２３ｊ断面三角形状のクラック進行抑制部
２４クラック
２５ａ、２５ｂ、２５ｃレジスタ片
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ電極間クラック進行抑制部
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ膜間凸部
２８ａ、２８ｂ蛇行クラック進行抑制部
５実装基板
６封止部
７電線
Ａクラック発生位置
Ｂクラック進行抑制部コーナー部分
Ｃくの字状クラック進行抑制部の中心部分[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor ion sensor using an ISFET (ion-sensitive field effect transistor), and more particularly to a semiconductor ion sensor used for sensing ions and measuring pH in an aqueous solution.
[0002]
[Prior art]
An example of a conventional semiconductor ion sensor using an ISFET will be described with reference to FIGS. 18, 19, and 20. FIG. FIG. 18 is a plan view of the ISFET fixed to the substrate, a sectional view taken along line XX of FIG. 18 of FIG. 19, and a sectional view taken along line YY of FIG. 20 of FIG. This semiconductor ion sensor has ISFET1, mounting substrate 5, and sealing portion 6 as main constituent members.
[0003]
The ISFET 1 is, for example, a substantially rectangular parallelepiped having a length of 7 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 2 mm, and is generally provided with an ion-sensitive film 20 on a semiconductor substrate 11 and a predetermined portion covered with a protective film 22. ing. Specifically, the semiconductor substrate 11 has, on its main surface side, a drain region 12, a source region 13, and a channel region 14, which constitute a transistor function, a drain electrode 15 and a source electrode 16, which are electrically connected to an external circuit, and A drain wiring portion 17 for electrically connecting the drain region 12 and the drain electrode 15 and a source wiring portion 18 for electrically connecting the source region 13 and the source electrode 16 are formed. In addition, the ion-sensitive film 20 is provided above the channel region 14 and forms the sensor unit 21 so as to be in contact with the aqueous solution. Then, the protective film 22 exposes the sensor unit 21, the drain electrode 15 and the source electrode 16 to protect the sensor unit 21, the external electrode and the like, and covers the main surface side of the semiconductor substrate 11 other than these.
[0004]
The mounting substrate 5 is formed in a plate shape by, for example, epoxy resin, and fixes the ISFET 1 and other circuit components. The ISFET 1 is fixed on the mounting board 5 by a sealing portion 6 as described later. The mounting substrate 5 has a drive power supply circuit and a current detection circuit (not shown), and the electric wire 7 is connected to the drain electrode 15 and the source electrode 16.
[0005]
The sealing portion 6 is sealed with, for example, epoxy resin so that the sensor portion 21 is exposed and the other portions are electrically insulated from the outside (especially, an aqueous solution). Fix to 5.
[0006]
This semiconductor ion sensor performs sensing of ions in the aqueous solution and measurement of pH by immersing a portion on the tip side from the ZZ plane in FIG. 18 in an aqueous solution. That is, when the ion-sensitive film 20 of the sensor unit 21 comes into contact with the aqueous solution, the voltage at the interface between the ion-sensitive film 20 and the channel region 14 changes according to the specific ion concentration due to the interaction with the ions in the aqueous solution. . As a result, the current flowing between the drain region 12 and the source region 13 changes according to the normal operation principle of the MOSFET. Therefore, the ion concentration in the aqueous solution can be sensed as the drain-source current value of the ISFET.
[0007]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-162380 discloses a prior art relating to the structure of the sealing portion of this type of semiconductor ion sensor. In this case, a structure in which resin does not flow into the sensor portion has been proposed.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-162380 (pages 4 to 8, FIGS. 1 and 2)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Since the sealing portion and the protective film of the ISFET bonded to the sealing portion have different thermal expansion coefficients, when the temperature rises or falls, a stress such that the bonding surface is displaced is received. Therefore, if the temperature change is repeated in a state where the difference between the rising temperature and the falling temperature is considerably large, cracks are generated on the joint surface, the cracks are enlarged, and the two are eventually separated. That is, when the temperature change is repeated, thermal fatigue occurs such that the joint surface is separated even if no external stress is applied. As a result, there is a possibility that a situation in which the aqueous solution enters from the interface may occur. The number of repetitions of the temperature change from the occurrence of cracks to complete peeling is approximately proportional to the distance between the bonding surfaces, so by increasing the distance between the sensor and the drain electrode / source electrode, the service life against thermal fatigue is secured. Was.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a small-sized semiconductor ion sensor which has good bonding strength against thermal fatigue at a bonding surface between a sealing portion and an ISFET and has good bonding strength. is there.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 includes, on the main surface side having a substantially rectangular parallelepiped shape, a drain region, a source region, and a channel region, a drain electrode and a source electrode, and a field oxide film that exposes and covers the drain electrode and the source electrode. , An ion-sensitive film covering the surface of the field oxide film, and a semiconductor substrate having a sensor portion for contacting the exposed surface of the ion-sensitive film with an aqueous solution, and covering a surface of a portion of the ion-sensitive film excluding the sensor portion. A protective film, and a mounting substrate on which the ISFET is mounted, and a sealing portion for sealing the main surface side of the ISFET excluding a sensor portion and the mounting substrate, and a semiconductor ion sensor including: A center position of the sensor unit and a midpoint between the drain electrode and the source electrode are connected to a bonding surface between the protective film of the ISFET and the sealing unit. To intersect with respect to the line direction, characterized by comprising providing a crack progression suppression unit.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to the first aspect, the crack progress suppressing portion is configured such that the bonding surface is provided in a concave or convex shape with respect to the entire flat surface. Features.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to the second aspect, a plurality of the crack progress suppressing portions are provided.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to any one of the first to third aspects, the crack progress suppressing portion has a shape that bends at a central portion when viewed from an upper surface of a main surface of the semiconductor substrate. And
[0015]
According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to any one of the first to fourth aspects, the inter-film convex portion is formed on the field oxide film by using at least one of the same material as the drain electrode or the source electrode. Is provided.
[0016]
According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to any one of the first to fourth aspects, at least one of the drain wiring portion and the source wiring portion is provided to meander, and the field oxide film on the surface thereof is provided. Only the feature is that it is thin.
[0017]
According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to the sixth aspect, at least one of the drain wiring portion and the source wiring portion is provided by a LOCOS process.
[0018]
According to an eighth aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to any one of the first to fourth aspects, a crack progress suppressing portion is provided on a surface of the protective film.
[0019]
According to a ninth aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to the eighth aspect, a sectional shape of the crack progress suppressing portion is triangular.
[0020]
According to a tenth aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to the eighth aspect, a register piece is provided above the convex crack progress suppressing portion.
[0021]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to any one of the first to tenth aspects, between the drain electrode and the source electrode, the bonding surface of the protective film and the sealing portion includes the sensor portion of the sensor portion. A crack progress suppressing portion is provided so as to extend along a linear direction connecting a center position and a midpoint between the drain electrode and the source electrode.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
The semiconductor ion sensor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 is a plan view of an ISFET fixed to a mounting substrate, FIG. 2 is a sectional view taken along line XX of FIG. 1, and FIG. 3 is a sectional view taken along line YY of FIG. The members having the same basic functions as those described in the section of the related art are denoted by the same reference numerals. This semiconductor ion sensor has ISFET1, mounting substrate 5, and sealing portion 6 as main constituent members.
[0023]
The ISFET 1 is, for example, a substantially rectangular parallelepiped having a length of 7 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 2 mm, and is generally provided with an ion-sensitive film 20 on a semiconductor substrate 11 and a predetermined portion covered with a protective film 22. ing. More specifically, the main part of the semiconductor substrate 11 is silicon, and on the main surface side, a drain region 12, a source region 13, a channel region 14, and a drain electrode for electrically connecting to an external circuit are formed. 15 and a source electrode 16, a drain wiring portion 17 for electrically connecting the drain region 12 and the drain electrode 15, and a source wiring portion 18 for electrically connecting the source region 13 and the source electrode 16 are formed. . The field oxide film 19 is made of silicon oxide and is formed so as to cover the main surface of the semiconductor substrate 11 except for the drain electrode 15 and the source electrode 16. Next, the ion-sensitive film 20 is provided above the channel region 14 so as to further cover the field oxide film 19, and forms the sensor unit 21 so as to be in contact with the aqueous solution. The material of the ion-sensitive film 20 is determined by the type of ions to be sensed. For example, for pH measurement, a tantalum oxide film or the like is used. The protective film 22 is made of silicon nitride, and exposes the sensor portion 21, the drain electrode 15 and the source electrode 16 to protect the main surface of the semiconductor substrate 11 other than the above, in order to protect from external stress and the like. I have. Further, the crack progress suppressing portion 23 has a strip-like convex shape, and a straight line connecting the center position of the sensor portion 21 and the midpoint between the drain electrode 15 and the source electrode 16 on the surface of the protective film 22 by etching. It is formed so as to be orthogonal to the direction.
[0024]
The mounting substrate 5 is formed in a plate shape by, for example, epoxy resin, and fixes the ISFET 1 and other circuit components. The ISFET 1 is fixed on the mounting board 5 by a sealing portion 6 as described later. The mounting substrate 5 has a drive power supply circuit and a current detection circuit (not shown), and the electric wire 7 is connected to the drain electrode 15 and the source electrode 16.
[0025]
The sealing portion 6 is sealed with, for example, epoxy resin so that the sensor portion 21 is exposed and the other portions are electrically insulated from the outside (especially, an aqueous solution). Fix to 5. Here, the sealing portion 6 is formed by dropping an uncured epoxy resin with a dispenser or the like and heating and curing the epoxy resin.
[0026]
The semiconductor ion sensor described above immerses the tip from the ZZ plane in FIG. 1 in an aqueous solution to perform sensing of ions in the aqueous solution and measurement of pH. That is, the ion-sensitive film 20 of the sensor unit 21 comes into contact with the aqueous solution, and the voltage at the interface between the ion-sensitive film 20 and the channel region 14 changes according to the specific ion concentration due to the interaction with the ions in the aqueous solution. . As a result, the current flowing between the drain region 12 and the source region 13 changes according to the normal operation principle of the MOSFET. Therefore, the ion concentration in the aqueous solution can be sensed as the drain-source current value of ISFET1.
[0027]
Here, since the sealing portion 6 and the protective film 22 bonded to the sealing portion 6 have different thermal expansion coefficients, when the temperature increases or decreases, a stress such that the two are shifted from each other is applied to the bonding surface. If the temperature rises and falls repeatedly, cracks occur on the joint surface. For example, in FIG. 2, it is assumed that the crack 24 first occurs at the location A of the bonding surface. Further, if the temperature rise / fall is repeated, the direction in which the crack 24 expands matches the direction of the stress, so that the crack 24 easily expands on both sides along the joint surface. However, when the crack 24 expands to the corner portion B of the crack progress suppressing portion 23, further expansion of the crack 24 is suppressed at the corner portion B of the crack progress suppressing portion 23. That is, the crack progress suppressing portion 23 becomes an obstacle to the expansion of the crack 24. Thereafter, if the temperature rise / fall is further repeated, cracks 24 are generated in each part, and the cracks 24 are enlarged. Finally, the interface between the sealing part 6 and the protective film 22 is completely peeled off. Would. According to this state, the aqueous solution enters from the separated interface, and the drain electrode 15 and the source electrode 16 are electrically connected, so that the function as a semiconductor ion sensor is not performed. By such a process, the number of repetitions of temperature increase / decrease until the semiconductor ion sensor stops functioning is such that in the present embodiment, the crack progress suppressing portion is formed on the bonding surface between the protective film and the sealing portion. So it is more than the conventional one. That is, if the ISFET 1 has the same shape, the one according to the present embodiment has a longer life than the conventional one. Further, if the life is designed to be the same, the one of the present embodiment becomes smaller.
[0028]
(Embodiment 2)
The semiconductor ion sensor according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a plan view of the ISFET fixed to the mounting board, and FIG. 5 is a sectional view taken along line XX of FIG.
[0029]
The structure of the semiconductor ion sensor of the second embodiment is almost the same as that of the first embodiment. The difference from the structure of the first embodiment is that, as shown in FIGS. 4 and 5, three convex crack progress suppressing portions 23a, 23b and 23c are formed on the protective film 22.
[0030]
In the present embodiment, since the plurality of crack progress suppressing portions 23a, 23b, and 23c are present on the joint surface between the sealing portion 6 and the protective film 22, the expansion of cracks caused by repeated temperature rise and fall is further suppressed. be able to. As a result, if the shape of the ISFET 1 is the same, the life of the embodiment is longer than that of the embodiment 1. Further, if the life is designed to be the same, the one of the present embodiment becomes smaller.
[0031]
(Embodiment 3)
The semiconductor ion sensor according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a plan view of the ISFET fixed to the mounting substrate, and FIG. 7 is a sectional view taken along line XX of FIG.
[0032]
The structure of the semiconductor ion sensor of the third embodiment is almost the same as that of the second embodiment. The difference from the structure of the second embodiment is that, as shown in FIGS. 6 and 7, the strip-shaped convex crack progress suppressing portions 23 d, 23 e and 23 f formed on the protective film 22 are formed on the main surface of the semiconductor substrate 11. It has a shape that bends at the center when viewed from the top, and has a U shape. That is, the distance from the sensor unit is short near the center, and the distance from the sensor unit is long near the center.
[0033]
In the present embodiment, since the crack progress suppressing portions 23d, 23e, and 23f are in a V shape, the cracks generated by the repetition of the temperature increase / decrease extend to the corners of the crack progress suppressing portions. Furthermore, when expanding along the length direction of the crack progress suppressing portion, the expansion stops at the center of the V shape. As a result, if the shape of the ISFET 1 is made the same, the life of this embodiment is longer than that of the second embodiment. Further, if the life is designed to be the same, the one of the present embodiment becomes smaller. The crack progress suppressing portions 23d, 23e, and 23f have an inverted character when viewed from above, that is, a structure in which the distance from the sensor portion is long near the center and short from the sensor portion in the peripheral portion. The same effect can be obtained.
[0034]
(Embodiment 4)
A semiconductor ion sensor according to a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a plan view of the ISFET fixed to the mounting board, and FIG. 9 is a sectional view taken along line XX of FIG.
[0035]
The structure of the semiconductor ion sensor of the fourth embodiment is almost the same as that of the second embodiment. The difference from the structure of Embodiment 2 is that, as shown in FIGS. 8 and 9, four convex crack progress suppressing portions 23 g, 23 h, 23 i, and 23 j each having an acute triangular cross section are formed on the protective film 22. It is that you are.
[0036]
In the second embodiment, the cross section of the crack progress suppressing portion is an acute triangle, while the cross section of the crack progress suppressing portion of the second embodiment is a quadrangle. For this reason, if the lengths of the joining surfaces are the same, this embodiment can provide more crack progress suppressing portions. As a result, if the shape of the ISFET is the same, the life of the present embodiment is longer than that of the second embodiment. Further, if the life is designed to be the same, the one of the present embodiment becomes smaller. Note that the same effect can be obtained even if the cross section of the crack progress suppressing portion is a right triangle or an obtuse triangle if the number of crack progress suppressing portions is the same.
[0037]
(Embodiment 5)
A semiconductor ion sensor according to a fifth embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a plan view of the ISFET fixed to the mounting board, and FIG. 11 is a sectional view taken along line XX of FIG.
[0038]
The structure of the semiconductor ion sensor of the fifth embodiment is almost the same as that of the second embodiment. The difference from the structure of the second embodiment is that, as shown in FIGS. 10 and 11, register pieces 25 a, 25 b, and 25 c are provided above convex crack progress suppressing portions 23 a, 23 b, and 23 c formed on the protective film 22. It is a structure that has. That is, after the mask pieces 25a, 25b, and 25c are attached to the surface of the protective film and etched to form crack progress suppressing portions 23a, 23b, and 23c on the protective film 22, the register pieces 25a, 25b, and 25c are removed. This structure can be obtained by forming the sealing portion 6 without removing it.
[0039]
In the present embodiment, since the crack progress suppressing portion having the register piece at the upper portion is present on the joint surface between the sealing portion 6 and the protective film 22, it is possible to further suppress the expansion of the crack generated by the repetition of the temperature rise / fall. Can be. As a result, if the shape of the ISFET is the same, the life of the present embodiment is longer than that of the second embodiment. Further, if the life is designed to be the same, the one of the present embodiment becomes smaller.
[0040]
(Embodiment 6)
A semiconductor ion sensor according to Embodiment 6 will be described with reference to FIGS. FIG. 12 is a plan view of the ISFET fixed to the mounting substrate, and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
[0041]
The structure of the semiconductor ion sensor of the sixth embodiment is almost the same as that of the second embodiment. The difference from the structure of the second embodiment is that, as shown in FIGS. 12 and 13, between the drain electrode 16 and the source electrode 17, the joint surface between the protective film 22 and the sealing portion 6 suppresses the inter-electrode crack progress. That is, the portions 26a, 26b, and 26c are formed.
[0042]
In the present embodiment, for example, even when the interface between the protective film 22 and the sealing portion 6 is separated between the sensor portion 21 and the drain electrode 15, the bonding between the electrodes is performed by the crack progress suppressing portion 26a, If it is maintained for 26b and 26c, the insulation between the drain electrode 15 and the source electrode 16 is maintained. As a result, if the shape of the ISFET 1 is made the same, the life of this embodiment is longer than that of the second embodiment. Further, if the life is designed to be the same, the one of the present embodiment becomes smaller.
[0043]
(Embodiment 7)
A semiconductor ion sensor according to a seventh embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 14 is a plan view of the ISFET fixed to the mounting board, and FIG. 15 is a sectional view taken along line XX of FIG.
[0044]
The structure of the semiconductor ion sensor of the seventh embodiment is almost the same as that of the second embodiment. The structure of the second embodiment is different from that of the second embodiment in that an inter-film convex portion 27a is formed between the field oxide film 19 and the protective film 22 by using the same material as the drain electrode 15 and the source electrode 16, as shown in FIGS. , 27b, and 27c, the result is that the convex crack progress suppressing portions 23a, 23b, and 23c are formed between the protective film 22 and the sealing portion 6. That is, after the ion-sensitive film 20 is formed, the portions of the drain electrode 15 and the source electrode 16 connected to the external circuit are formed on the surface of the field oxide film 19 at the same time when copper is formed by sputtering or the like. The parts 27a, 27b, 27c are formed. Thereafter, if the protective film 22 is formed in the same manner as in the related art, the crack progress suppressing portions 23a, 23b, and 23c are finally obtained on the surface of the protective film 22. In the case where the ion-sensitive film 20 is formed in a wide range, the inter-film protrusions 27a, 27b, 27c may be formed on the surface of the ion-sensitive film 20.
[0045]
In the present embodiment, in the step of forming the drain electrode and the source electrode, the inter-film convex portion is formed at the same time, and as a result, the crack progress suppressing portion is formed. Therefore, the step of etching the protective film becomes unnecessary, and the productivity is improved as compared with the second embodiment.
[0046]
(Embodiment 8)
The semiconductor ion sensor according to the eighth embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 16 is a plan view of the ISFET fixed to the mounting board, and FIG. 17 is a sectional view taken along line XX of FIG.
[0047]
The structure of the semiconductor ion sensor of the eighth embodiment is almost the same as that of the second embodiment. The structure of the second embodiment is different from that of the second embodiment in that a drain wiring portion 17 and a source wiring portion 18 are formed so as to meander as shown in FIGS. 28a and 28b are to be thinner than the other portions of the field oxide film 19. As a result, meandering crack progress suppressing portions 29a and 29b are formed between the protective film 22 and the sealing portion 6.
[0048]
In the present embodiment, first, a field oxide film 19 is formed by oxidizing the main surface side of the semiconductor substrate 11. Next, the field oxide film 19 is removed by etching the portions to be the drain region 12, the source region 13, the channel region 14, the drain wiring portion 17, the source wiring portion 18, the drain electrode 15 and the source electrode 16. At this time, the drain wiring portion 15 and the source wiring portion 16 have a meandering pattern as shown in FIG. Thereafter, the drain region 12, the source region 13, the channel region 14, the drain wiring portion 17, the source wiring portion 18, the drain electrode 15, and the source electrode 16 are formed by a diffusion process. Further, by performing an oxidation treatment, the field oxide film 19 is formed again on the surface of each part. Here, the field oxide film on the surfaces of the drain wiring portion 17 and the source wiring portion 18 is thinner than the remaining field oxide film which has not been etched before. In this state, the ion-sensitive film 20 and the protective film 22 are formed. On the surface of the protective film 22 of the ISFET 1 thus obtained, meandering crack progress suppressing portions 28a and 28b having the shapes of the drain wiring portion 17 and the source wiring portion 18 are formed as a result.
[0049]
In the present embodiment, the meandering crack progress suppressing portions 28a and 28b are formed between the protective film 22 and the sealing portion 6 as a result of the step of forming the drain wiring portion and the source wiring portion. Therefore, the step of etching the protective film becomes unnecessary, and the productivity is improved as compared with the second embodiment.
[0050]
(Embodiment 9)
A semiconductor ion sensor according to Embodiment 9 will be described with reference to FIGS. FIG. 16 is a plan view of the ISFET fixed to the mounting board, and FIG. 17 is a sectional view taken along line XX of FIG.
[0051]
The structure of the semiconductor ion sensor of the ninth embodiment is almost the same as that of the eighth embodiment. The difference from the eighth embodiment is that a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) process is used as a process for forming the meandering drain wiring portion 17 and the source wiring portion 18. That is, on the main surface side of the semiconductor substrate 11, portions other than the portions that become the drain region 12, the source region 13, the channel region 14, the drain wiring portion 17, the source wiring portion 18, the drain electrode 15, and the source electrode 16 are formed by the LOCOS process. A field oxide film 19 is formed. Thereafter, in the same process as in Embodiment 8, the ISFET 1 in which the meandering crack progress suppressing portions 28a and 28b are formed on the surface of the protective film 22 in the shape of the drain wiring portion and the source wiring portion as a result is formed. .
[0052]
In the present embodiment, meandering crack progress suppressing portions 28a and 28b are formed between the protective film 22 and the sealing portion 6 as a result of the process of forming the field oxide film 19 by the LOCOS process. Therefore, the step of etching the semiconductor substrate and the protective film becomes unnecessary, and the productivity is improved as compared with the second embodiment.
[0053]
【The invention's effect】
The semiconductor ion sensor according to claim 1, wherein a field oxide that exposes and covers the drain region, the source region, and the channel region, the drain electrode and the source electrode, and the drain electrode and the source electrode on the substantially rectangular parallelepiped main surface side. A semiconductor substrate provided with a film and an ion-sensitive film covering the surface of the field oxide film, and the exposed surface of the ion-sensitive film serving as a sensor for contacting an aqueous solution; and the surface of the ion-sensitive film excluding the sensor. A protective film that covers the ISFET, a mounting substrate on which the ISFET is mounted, and a sealing portion that seals the main surface side of the ISFET excluding a sensor portion and the mounting substrate, and a semiconductor ion sensor including: A bonding position between the protective film of the ISFET and the sealing portion, a center position of the sensor portion, and a connection between the drain electrode and the source electrode. Since the crack progress suppressing portion is provided so as to intersect with a point and a linear direction connecting the crack, the crack progress suppressing portion can suppress the expansion of the crack caused by the repetition of the temperature rise / fall. Therefore, the semiconductor ion sensor has a long life against thermal fatigue. Further, if the life is designed to be the same, the size can be reduced.
[0054]
In the semiconductor ion sensor according to the second aspect, in the configuration according to the first aspect, the crack progress suppressing portion is configured such that the bonding surface is provided in a concave or convex shape with respect to the entire flat surface. Because of this feature, in addition to the effect of the first aspect, the semiconductor ion sensor has a longer life. Further, if they are designed to have the same life, the size can be further reduced.
[0055]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the semiconductor ion sensor according to the first or second aspect, wherein a plurality of the crack progress suppressing portions are provided. In addition to the effect, the semiconductor ion sensor has a longer life. Further, if they are designed to have the same life, the size can be further reduced.
[0056]
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to the first to third aspects, the crack progress suppressing portion has a shape that bends at a central portion when viewed from an upper surface of a main surface of the semiconductor substrate. Therefore, in addition to the effects of the first to third aspects, the semiconductor ion sensor has a longer life. Further, if they are designed to have the same life, the size can be further reduced.
[0057]
According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to any one of the first to fourth aspects, the film oxide is formed on the field oxide film using the same material as at least one of the drain electrode and the source electrode. Since a crack is suppressed, the crack progress suppressing portion can be obtained without increasing the number of steps, so that productivity can be improved in addition to the effects of claims 1 to 4.
[0058]
7. The semiconductor ion sensor according to claim 6, wherein at least one of the drain wiring portion and the source wiring portion is provided to meander, and the field oxide film on the surface thereof is provided. Since only the thin film is characterized in that it is thin, a crack progress suppressing portion can be obtained without increasing the number of steps, so that productivity can be improved in addition to the effects of claims 1 to 4. Further, this is effective for making the semiconductor ion sensor thin.
[0059]
According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to the sixth aspect, at least one of the drain wiring portion and the source wiring portion is provided by a LOCOS process. As a result, the drain region, the source region, the channel region, and the like can be formed more precisely, and as a result, the reliability can be improved.
[0060]
An eighth aspect of the present invention provides the semiconductor ion sensor according to any one of the first to fourth aspects, wherein a crack progress suppressing portion is provided on the surface of the protective film, so that etching is performed below the protective film. Since the steps such as steps are unnecessary, in addition to the effects of claims 1 to 4, wirings and the like are not damaged by steps such as etching, and the yield is improved.
[0061]
According to a ninth aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to the eighth aspect, the crack progress suppressing portion or the sectional shape of the crack progress suppressing portion is triangular. Thus, the semiconductor ion sensor has a longer life. Further, if they are designed to have the same life, the size can be further reduced. The present semiconductor ion sensor is particularly effective for miniaturization.
[0062]
According to a tenth aspect of the present invention, in the semiconductor ion sensor according to the eighth aspect, a register piece is provided above the convex crack progress suppressing portion. The ion sensor has a longer life. Further, if they are designed to have the same life, the size can be further reduced. The present semiconductor ion sensor is particularly effective for extending the life.
[0063]
The semiconductor ion sensor according to claim 11 is the semiconductor ion sensor according to any one of claims 1 to 10, wherein the sensor section is provided between the drain electrode and the source electrode, on a bonding surface between the protective film and the sealing section. The crack progress suppressing portion is provided along a linear direction connecting a center position and a midpoint between the drain electrode and the source electrode. Thus, the semiconductor ion sensor has a longer life. Further, if they are designed to have the same life, the size can be further reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of an ISFET mounted on a mounting board according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along the line YY of FIG. 1;
FIG. 4 is a plan view of an ISFET mounted on a mounting board according to a second embodiment.
5 is a sectional view taken along line XX of FIG. 4;
FIG. 6 is a plan view of an ISFET mounted on a mounting board according to a third embodiment.
7 is a sectional view taken along line XX of FIG. 6;
FIG. 8 is a plan view of an ISFET mounted on a mounting board according to a fourth embodiment.
9 is a sectional view taken along line XX of FIG. 8;
FIG. 10 is a plan view of an ISFET mounted on a mounting board according to a fifth embodiment.
FIG. 11 is a sectional view taken along line XX of FIG. 10;
FIG. 12 is a plan view of an ISFET mounted on a mounting board according to a sixth embodiment.
FIG. 13 is a sectional view taken along line XX of FIG. 12;
FIG. 14 is a plan view of an ISFET mounted on a mounting board according to a seventh embodiment.
FIG. 15 is a sectional view taken along line XX of FIG. 14;
FIG. 16 is a plan view of an ISFET mounted on a mounting board according to an eighth embodiment.
FIG. 17 is a sectional view taken along line XX of FIG. 16;
FIG. 18 is a plan view of an ISFET mounted on a mounting board according to a conventional technique.
FIG. 19 is a sectional view taken along line XX of FIG. 18;
FIG. 20 is a sectional view taken along the line YY in FIG. 18;
[Explanation of symbols]
1 ISFET
11 Semiconductor substrate
12 Drain region
13 Source area
14 Channel area
15 Drain electrode
16 Source electrode
17 Drain wiring section
18 Source wiring section
19 Field oxide film
20 Ion-sensitive membrane
21 Sensor section
22 Protective film
23, 23a, 23b, 23c Crack progress suppressing part
23d, 23e, 23f V-shaped crack progress suppressing part
23g, 23h, 23i, 23j Crack progress suppressing portion having a triangular cross section
24 cracks
25a, 25b, 25c Register pieces
26a, 26b, 26c Inter-electrode crack progress suppressing portion
27a, 27b, 27c Inter-membrane projection
28a, 28b meandering crack progress suppressing part
5 Mounting board
6 Sealing part
7 Electric wire
A Crack occurrence position
B Crack progress control section corner
C Central part of the crack-shaped crack progress suppression part

Claims

On the substantially rectangular parallelepiped main surface side, a drain region, a source region, and a channel region, a drain electrode and a source electrode, a field oxide film that exposes and covers the drain electrode and the source electrode, and covers a surface of the field oxide film. ISFET having an ion-sensitive film to be provided, a semiconductor substrate having a sensor portion provided with an exposed surface of the ion-sensitive film in contact with an aqueous solution, and a protective film covering the surface of the ion-sensitive film excluding the sensor portion. When,
A mounting substrate for mounting the ISFET,
A sealing portion for sealing the main surface side of the ISFET excluding a sensor portion and the mounting substrate,
In a semiconductor ion sensor having
A crack is formed on a joint surface between the protective film of the ISFET and the sealing portion so as to intersect with a linear direction connecting a center position of the sensor portion and a midpoint between the drain electrode and the source electrode. A semiconductor ion sensor comprising a progress suppression unit.

2. The semiconductor ion sensor according to claim 1, wherein the crack progress suppressing portion is provided such that the bonding surface is provided in a concave or convex shape with respect to the entire flat surface. 3.

The semiconductor ion sensor according to claim 2, wherein a plurality of the crack progress suppressing portions are provided.

4. The semiconductor ion sensor according to claim 1, wherein the crack progress suppressing portion has a shape that bends at a central portion when viewed from an upper surface of a main surface of the semiconductor substrate. 5.

5. The semiconductor ion sensor according to claim 1, wherein an inter-film projection is formed on the field oxide film using the same material as at least one of the drain electrode and the source electrode.

5. The semiconductor ion sensor according to claim 1, wherein at least one of the drain wiring portion and the source wiring portion is provided so as to meander, and only the field oxide film on the surface thereof is thin.

7. The semiconductor ion sensor according to claim 6, wherein at least one of the drain wiring portion and the source wiring portion is provided by a LOCOS process.

The semiconductor ion sensor according to claim 1, wherein a crack progress suppressing portion is provided on a surface of the protective film.

9. The semiconductor ion sensor according to claim 8, wherein a sectional shape of the crack progress suppressing portion is triangular.

9. The semiconductor ion sensor according to claim 8, wherein a register piece is provided above the convex crack progress suppressing portion.

Between the drain electrode and the source electrode, a junction surface between the protective film and the sealing portion, along a linear direction connecting a center position of the sensor portion and a midpoint between the drain electrode and the source electrode. The semiconductor ion sensor according to claim 1, further comprising a crack progress suppressing portion.