JP2006138761A

JP2006138761A - 半導体センサチップ及び半導体センシング装置

Info

Publication number: JP2006138761A
Application number: JP2004329172A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Niwa; 大介丹羽; Ichiro Koiwa; 一郎小岩; Tetsuya Aisaka; 哲彌逢坂
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2006-06-01

Abstract

【解決手段】ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極がシリコン基板上に集積された電界効果型トランジスタチップと、ソース電極と接続されたソース電極端子配線と、ドレイン電極と接続されたドレイン電極端子配線とを備え、電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線が、電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層、ソース電極端子配線のソース電極と接続されていない端部及びドレイン電極端子配線のドレイン電極と接続されていない端部が露呈するように封止材により、又は基体と封止材とにより封止されている半導体センサチップ、及びこれを備える半導体センシング装置。
【効果】センサ部分と計測器部分とを簡単に分離でき、センサ部分のディスポーザルを可能にする。また、液体分析に対する十分な防水性、防液性を備える実用性に優れた半導体センサチップ及び半導体センシング装置を提供することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、イオンセンシング、バイオセンシングに好適に用いることができ、バイオマイクロシステム、マイクロ化学分析システムに有効である半導体センサチップ、特に、液体分析に対して十分な防水性、防液性を備える実用性に優れた半導体センサチップ、及び半導体センシング装置に関する。

イオンセンシングシステム、バイオセンシングシステムは、食品製造・管理、環境計測等、広範な分野へ適用されている。イオン・バイオセンシングにおいては、一分子認識、一塩基認識等、イオン、分子レベルでのセンシングの要求がますます高まってきており、それを感知できるシステム、デバイスが必要となっている。更に、微量測定、多種同時測定のために、システム、デバイスの微細化・集積化かつオンチップ化が必要とされる。

イオンセンシングデバイスとしては、シリコン窒化膜／シリコン酸化膜／シリコン構造を有するイオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）が代表例として挙げられるが、従来のものは、ｐＨ測定のための参照電極は別途ガラス電極が用いられており、オンチップ化、微細化が図られていない。この場合、イオン感応膜であるシリコン窒化膜の膜厚が１００〜２００ｎｍ（ナノメータ）と厚いものが用いられている状況にある。

一方、酵素、免疫、ＤＮＡセンシングにおいては、レーザースキャナを用いた蛍光・発光によるセンシングが主流となっており、最近では電気化学反応を用いた電流・電位検出も試みられるようになってきている。また、半導体検出においては、上記のＩＳＦＥＴとの組み合わせによる酵素、免疫センサ作製の事例が僅かにある。これらセンサにおける基本的な検出スタンスは、反応部（電極部）の実効表面積を増大させ、かつ反応物質の量を増加させるといった、いわゆる量的な効果によって検出を可能とするものである。また、レーザースキャナを用いた検出や電気化学検出は集積化・微細化によって応答感度（強度、応答速度等）が減少する傾向があり問題点を抱えている。

このように、従来技術では、オンチップ化、微細化、集積化といった要求を満たす上で難点があり、一分子、イオン認識・検出において最大限の効果を引き出すには抜本的な改良が必要となってくるものと考えられる。更に、イオンセンシングシステム、バイオセンシングシステムにおいては、例えば、センサ部分と共に、センサ部分により検出された電気信号を計測する計測器部分も液に接した状態を長時間維持して測定できる溶液中での測定を想定した半導体デバイスが特に必要となる。

特に、半導体センシングにおいて今後大きな需要が見込まれる医療用の分野においては、安全衛生の観点からセンサ部分を洗浄して再利用する可能性は低い。にもかかわらず、従来の半導体センシングデバイスは、電子部品に水溶液等の液体を接触させることを前提として防水性、防液性の観点からセンサ部分と計測器部分とが容易に分離できないように一体化したものとなっており、センサ部分の交換作業は極めて煩雑で、使い捨ては現実的ではない。

更に、センサ部分と計測器部分とを簡単に分離できるようにするには、このような防水性、防液性が要求される半導体センシング装置においては、センサ部分と計測器部分との接続部分の防水性、防液性も重要であり、センサ部分と計測器部分から簡単に取り外してセンサ部分をワンユースで交換するいわゆるディスポーザルにすると、その接続部から水分等が侵入するとデバイスの破壊につながるため強い密閉が必要になるが、外力によって特に破壊されやすい半導体センサにおいては、その強度に合わせた確実な密閉方法が求められる。

なお、本発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある。

特開２００４−４００７号公報ＤａｉｓｕｋｅＮｉｗａ他２名，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４３, Ｎｏ．１Ａ／Ｂ，２００４，ｐｐ．Ｌ１０５−１０７

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、センサ部分と計測器部分とを簡単に分離でき、センサ部分のディスポーザルを可能にし、液体分析に対する十分な防水性、防液性を備える実用性に優れた半導体センサチップ及び半導体センシング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極がシリコン基板上に集積された電界効果型トランジスタチップと、上記ソース電極と接続されたソース電極端子配線と、上記ドレイン電極と接続されたドレイン電極端子配線とを備える半導体センサチップであって、上記電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線が、上記電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層、上記ソース電極端子配線のソース電極と接続されていない端部及び上記ドレイン電極端子配線のドレイン電極と接続されていない端部が露呈するように封止材により、又は上記電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線が設置される基体と封止材とにより封止されていることを特徴とする半導体センサチップ、及び
上記半導体センサチップを備える半導体センシング装置として、上記半導体センサチップと、該半導体センサチップがそのソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線の各々の露呈部分と直接又は異方性導電ゴムを介して着脱可能に接続される電気信号入出力端子を備え、上記半導体センサチップを接続してその電界効果型トランジスタチップにより検出された電気信号を計測する計測器とを具備することを特徴とする半導体センシング装置を提供する。

本発明の半導体センサチップは、計測器として機能する部分を有しておらず、センサ部分として必須の構成である電界効果型トランジスタチップ、並びにソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線を基本構成として備えるものである。従って、この半導体センサチップはセンサ部分のより実用的なディスポーザルが可能である。また、微小な精密部品である電界効果型トランジスタチップや、これに接続される微細なソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線を封止材により、又は電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線が設置される基体と封止材とにより封止することにより、半導体センサチップが、その取り扱い上必要な十分な強度を備えるものになる。

更に、本発明の半導体センサチップは、半導体センサチップにおいて、その機能上外部に露呈していることが必須である電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層と、半導体センサチップで検出された電気信号の計測器への導通路をなすソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線の端部が外部に露呈したものであり、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線の端部を電気信号入出力端子と接続することにより、センサ部分と計測器部分を備える半導体センシング装置が構成され、電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層上に、直接的な検出部として有機単分子膜を形成し、検出部を被検液と接触させることにより半導体センシングが可能となる。

特に、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線の露呈した端部と電気信号入出力端子とを異方性導電ゴムを介して接触させれば、異方性導電ゴムの導電性によって導通が確保できると共に、異方性導電ゴムの弾性により、高い密着性と、外力に弱い半導体センサチップを密着させるための押圧力に対する緩衝作用とが得られ、より確実かつ安定にセンサチップと計測器との導通が確保できる。

また、本発明の半導体センサチップとして好適な第１の態様として、ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極がシリコン基板上に集積された電界効果型トランジスタチップが、基体上に形成された凹陥部に埋設されると共に、上記基体上に、上記ソース電極と一のリード細線を介して接続されたソース電極端子配線パターン、及び上記ドレイン電極と他のリード細線を介して接続されたドレイン電極端子配線パターンが形成された半導体センサチップであって、上記電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線パターン、ドレイン電極端子配線パターン並びに上記一及び他のリード細線が、上記電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層、上記ソース電極端子配線パターンのソース電極と接続されていない端部及び上記ドレイン電極端子配線パターンのドレイン電極と接続されていない端部が露呈するように上記基体上面と封止材層との間に封止されていることを特徴とする半導体センサチップ、及び
この半導体センサチップを備える半導体センシング装置として、上記半導体センサチップと、該半導体センサチップがそのソース電極端子配線パターン及びドレイン電極端子配線パターンの各々の露呈部分と直接又は異方性導電ゴムを介して着脱可能に接続される電気信号入出力端子を備え、上記半導体センサチップを接続してその電界効果型トランジスタチップにより検出された電気信号を計測する計測器とを具備することを特徴とする半導体センシング装置を提供する。

更に、本発明の半導体センサチップとして好適な第２の態様として、ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極がシリコン基板上に集積された電界効果型トランジスタチップが、基体上に形成された凹陥部に埋設されると共に、上記基体上に、上記ソース電極と一のリード細線を介して接続されたソース電極端子配線パターン、及び上記ドレイン電極と他のリード細線を介して接続されたドレイン電極端子配線パターンが形成された半導体センサチップであって、上記電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線パターン、ドレイン電極端子配線パターン並びに上記一及び他のリード細線が、上記電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層が露呈するように上記基体上面と封止材層との間に封止されていると共に、上記基体の厚さ方向に貫通して上記ソース電極端子配線パターンに接続し、上記基体下面側で端部が露呈するソース電極端子配線パターンの延長配線、及び上記基体の厚さ方向に貫通して上記ドレイン電極端子配線パターンに接続し、上記基体下面側で端部が露呈するドレイン電極端子配線パターンの延長配線が配設されていることを特徴とする半導体センサチップ、及び
この半導体センサチップを備える半導体センシング装置として、上記半導体センサチップと、該半導体センサチップがそのソース電極端子配線パターンの延長配線及びドレイン電極端子配線パターンの延長配線の各々の露呈部分と直接又は異方性導電ゴムを介して着脱可能に接続される電気信号入出力端子を備え、上記半導体センサチップを接続してその電界効果型トランジスタチップにより検出された電気信号を計測する計測器とを具備することを特徴とする半導体センシング装置を提供する。

これら第１及び第２の態様においては、基体上に電界効果型トランジスタチップとソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線とが、固定されて封止されており、より高い強度を得ることができる。また、電界効果型ドランジスタチップが基体上に形成された凹陥部に埋設されると共に、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線が配線パターンとして基体上に形成されていることから、封止材で封止する面がほぼ平らとなり、そのためこのような半導体センサチップにおいては、封止材による封止を、例えば紫外線硬化性樹脂組成物などを、スクリーン印刷等の手法で塗布して紫外線硬化性樹脂組成物を硬化させる方法を採用することができることから特に好適である。

本発明によれば、センサ部分と計測器部分とを簡単に分離でき、センサ部分のディスポーザルを可能にする。また、液体分析に対する十分な防水性、防液性を備える実用性に優れた半導体センサチップ及び半導体センシング装置を提供することができる。

発明を実施するための最良の形態及び実施例

以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明の半導体センサチップは、ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極がシリコン基板上に集積された電界効果型トランジスタチップと、上記ソース電極と接続されたソース電極端子配線と、上記ドレイン電極と接続されたドレイン電極端子配線とを備える半導体センサチップであり、上記電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線が、上記電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層、上記ソース電極端子配線のソース電極と接続されていない端部及び上記ドレイン電極端子配線のドレイン電極と接続されていない端部が露呈するように封止材により、又は上記電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線が設置される基体と封止材とにより封止されているものである。

本発明の半導体センサチップの電界効果型トランジスタチップとしては、例えば、特開２００４−４００７号公報（特許文献１）や、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４３, Ｎｏ．１Ａ／Ｂ，２００４，ｐｐ．Ｌ１０５−１０７（非特許文献１）で本発明者らが報告した構成の電界効果型トランジスタが挙げられ、例えば、図１（Ａ）に示されるような、シリコン基板２０上にシリコン酸化物膜等からなるゲート絶縁層２１、ソース電極２２、ドレイン電極２３を積層すると共に、ソース電極２２及びソース電極２３の各々の下方にチャンネル領域２４，２４を設け、被検物質の有無又はその量をソース電極２２及びソース電極２３の各々の下方に設けられたチャンネル領域２４，２４を介して各々の電極側で測定される表面電位変化により検出するように構成したものである。なお、図１中、２５はフィールド酸化膜、２６は保護用酸化膜である。

このような電界効果型トランジスタを用いて半導体センシングを実施する場合、例えば、図１（Ｂ）に示されるように、上記したような電界効果型トランジスタのゲート絶縁層２１上に直接的な検出部として有機単分子膜２７を設けると共に、有機単分子膜２７の近傍にゲート電極２８を設け、このゲート電極２８と、ソース電極２２及びドレイン電極２３とを電源及び電流計等の計器を介して接続した半導体センシング装置を構成し、被検液ｓを有機単分子膜２７とゲート電極２８との双方に接触させることによりセンシングが可能であるが、本発明の半導体センサチップは、このような半導体センシング装置のセンサ部分、即ち、電界効果型トランジスタと、ソース電極及びドレイン電極の各々に接続される配線の一部とを、計測器部分から計測器部分と着脱可能に分離した構成のものである。なお、図１（Ｂ）中、ａは電流計、ｅは接地（アース）、ｐは直流電源である。

本発明の半導体センサチップは、計測器（電源、測定計器などが含まれる）として機能する部分を有しておらず、センサ部分として必須の構成である電界効果型トランジスタチップ並びにソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線を基本構成として備えるものである。従って、この半導体センサチップはセンサ部分のより実用的なディスポーザルが可能である。また、微小な精密部品である電界効果型トランジスタチップや、これに接続される微細なソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線を封止材により、又は電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線が設置される基体と封止材とにより封止することにより、半導体センサチップが、その取り扱い上必要な十分な強度を備えるものになる。

更に、本発明の半導体センサチップは、半導体センサチップにおいて、その機能上外部に露呈していることが必須である電界効果型トランジスタのゲート絶縁層と、半導体センサチップで検出された電気信号の計測器への導通路をなすソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線の端部が外部に露呈したものであり、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線の端部を電気信号入出力端子と接続することにより、センサ部分と計測器部分を備える半導体センシング装置が構成され、電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層上に、直接的な検出部として有機単分子膜を形成し、検出部を被検液と接触させることにより半導体センシングが可能となる。

次に、本発明の半導体センサチップとして好適な態様について図面を参照して更に詳しく説明する。
まず、本発明の半導体センサチップとして好適な第１の態様について説明する。この第１の態様は、ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極がシリコン基板上に集積された電界効果型トランジスタチップが、基体上に形成された凹陥部に埋設されると共に、基体上に、ソース電極と一のリード細線を介して接続されたソース電極端子配線パターン、及びドレイン電極と他のリード細線を介して接続されたドレイン電極端子配線パターンが形成された半導体センサチップであり、電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線パターン、ドレイン電極端子配線パターン並びに一及び他のリード細線が、電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層、ソース電極端子配線パターンのソース電極と接続されていない端部及びドレイン電極端子配線パターンのドレイン電極と接続されていない端部が露呈するように基体上面と封止材層との間に封止されているものである。

図２〜５に、この第１の態様の具体的な実施例を示す。この半導体センサチップ１は、基体１１上に、電界効果型トランジスタチップ２、ソース電極端子配線パターン３２、ドレイン電極端子配線パターン３３、リード細線（一のリード細線）４２及びリード細線（他のリード細線）４３が配設され、これらが封止材層５で基体１１との間に封止された構造のものであり、この第１の態様は、液体に検出部を浸漬して用いるもの、検出部に液体を滴下して用いるもののいずれにも好適である。

基体１１は平板状の小片で、配線パターンの形成や、加工性等の観点からガラスエポキシ基板を好適に用いることができる。この基体１１上には、電界効果型トランジスタチップ２を埋設するための、深さが電界効果型トランジスタチップ２の厚さ程度の凹陥部（ザグリ）１２が形成されており、電界効果型トランジスタチップ２はこの凹陥部１２にダイスボンディング等の手法により埋設される。

本発明において、半導体センサチップの電界効果型トランジスタチップとしては、上述したようなものを用いることができるが、この例の半導体センサチップの場合、ソース電極２２及びドレイン電極２３は、図５に示されるように、各々電界効果型トランジスタチップ２の上面に延出されて電界効果型トランジスタチップ２の上面に形成した配線パターン（アルミ配線パターン）２２ａ，２３ａの一端と接続され、更に、配線パターン（アルミ配線パターン）２２ａ，２３ａの他端部は、リード細線４２，４３との接続部としてボンディングパット（アルミパット）２２ｂ，２３ｂとして形成されて、これらにリード細線４２，４３が各々接続されている。なお、図２〜５中、２０はシリコン基板、２１はゲート絶縁層、２４はチャンネル領域、２５はフィールド酸化膜、２６は保護用酸化膜である。

また、基体１１上にはソース電極端子配線パターン３２及びドレイン電極端子配線パターン３３が形成されている。この場合、ソース電極端子配線パターン３２及びドレイン電極端子配線パターン３３は、各々銅線パターン３２ａ，３３ａをベースとし、この銅線パターン３２ａ，３３ａの両端部上にはＮｉ−Ｐ層３２ｂ，３３ｂと金層３２ｃ，３３ｃとが積層されている。このような配線パターンは、めっき等の従来公知の手法で形成可能である。そして、ソース電極端子配線パターン３２及びドレイン電極端子配線パターン３３の電界効果型トランジスタチップ２側の端部の金層３２ｃ，３３ｃと前述のボンディングパット（アルミパット）２２ｂ，２３ｂとの間にリード細線４２，４３が各々架橋されて両者が接続されている。このリード細線４２，４３の接続はワイヤーボンディングの手法により可能である。

そして、電界効果型トランジスタチップ２、ソース電極端子配線パターン３２、ドレイン電極端子配線パターン３３及びリード細線４２，４３は、電界効果型トランジスタチップ２のゲート絶縁層２１、ソース電極端子配線パターン３２のリード細線（一のリード細線）４２と接続されていない端部及びドレイン電極端子配線パターン３２のリード細線（他のリード細線）４３と接続されていない端部が露呈するように（これらの部分が封止されないように）基体１１上面と封止材層５との間に封止され、封止されていないゲート絶縁層部分に後述するように検出部が形成され、また封止されていないソース電極端子配線パターン３２及びドレイン電極端子配線パターン３３の露呈した端部が、後述する計測器の電気信号入出力端子と接続される。

また、このような半導体センサチップを用いることにより、半導体センサチップと、半導体センサチップがそのソース電極端子配線パターン及びドレイン電極端子配線パターンの各々の露呈部分と直接又は異方性導電ゴムを介して着脱可能に接続される電気信号入出力端子を備え、半導体センサチップを接続してその電界効果型トランジスタチップにより検出された電気信号を計測する計測器とを具備する半導体センシング装置を構成することができる。この場合、半導体センサチップと計測器本体との接続には、接続部の防水性、防液性を得ることができる方法、例えば、Ｏリング等によるシーリングが適用でき、接続部の固定には、ネジやクランプが使用できる。

特に、半導体センサチップのソース電極端子配線パターン及びドレイン電極端子配線パターンの各々の露呈部分と、計測器の電気信号入出力端子との接続に異方性導電ゴムを用いることが好適である。異方性導電ゴムを、ソース電極端子配線パターン及びドレイン電極端子配線パターンの露呈部分と、計測器の電気信号入出力端子とで挟持するようにして接続すれば、異方性導電ゴムの導電性によって導通が確保できると共に、異方性導電ゴムの弾性による高い密着性と、外力に弱い半導体センサチップを密着させて接続するための押圧力に対する緩衝作用とが得られ、より確実かつ安定なセンサチップと計測器との導通が確保できる。

次に、本発明の半導体センサチップとして好適な第２の態様について説明する。
この第２の態様は、ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極がシリコン基板上に集積された電界効果型トランジスタチップが、基体上に形成された凹陥部に埋設されると共に、基体上に、ソース電極と一のリード細線を介して接続されたソース電極端子配線パターン、及びドレイン電極と他のリード細線を介して接続されたドレイン電極端子配線パターンが形成された半導体センサチップであり、電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線パターン、ドレイン電極端子配線パターン並びに一及び他のリード細線が、電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層が露呈するように基体上面と封止材層との間に封止されていると共に、基体の厚さ方向に貫通してソース電極端子配線パターンに接続し、基体下面側で端部が露呈するソース電極端子配線パターンの延長配線、及び基体の厚さ方向に貫通してドレイン電極端子配線パターンに接続し、基体下面側で端部が露呈するドレイン電極端子配線パターンの延長配線が配設されているものである。

図６〜９に、この第２の態様の具体的な実施例を示す。この半導体センサチップ１は、基体１１上に、電界効果型トランジスタチップ２、ソース電極端子配線パターン３２，３２、ドレイン電極端子配線パターン３３，３３、リード細線（一のリード細線）４２，４２、リード細線（他のリード細線）４３，４３が配設され、これらが封止材層５で基体１１との間に封止された構造のものであり、この第２の態様は、特に、検出部に液体を滴下して用いるものとして好適である。

基体１１は平板状の小片で、配線パターンの形成や、加工性等の観点からガラスエポキシ基板を好適に用いることができる。この基体１１上には、電界効果型トランジスタチップ２を埋設するための、深さが電界効果型トランジスタチップ２の厚さ程度の凹陥部（ザグリ）１２が形成されており、この凹陥部１２に電界効果型トランジスタチップ２がダイスボンディング等の手法により埋設される。

本発明において、半導体センサチップの電界効果型トランジスタチップとしては、上述したようなものを用いることができるが、この例の半導体センサチップの場合、図７（Ｂ）に示されるように、電界効果型トランジスタチップ２上に、２つのゲート絶縁層２１，２１が形成されたものを示している。また、ソース電極２２，２２及びドレイン電極２３，２３は、各々電界効果型トランジスタチップ２の上面に延出されて電界効果型トランジスタチップ２の上面に形成した配線パターン（アルミ配線パターン）２２ａ，２２ａ，２３ａ，２３ａの一端と接続され、更に、配線パターン（アルミ配線パターン）２２ａ，２２ａ，２３ａ，２３ａの他端部は、リード細線４２，４２，４３，４３との接続部としてボンディングパット（アルミパット）２２ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２３ｂとして形成されて、これらにリード細線４２，４２，４３，４３が各々接続されている。なお、図６〜８中、２０はシリコン基板、２４はチャンネル領域、２５はフィールド酸化膜、２６は保護用酸化膜である。

また、基体１１上にはソース電極端子配線パターン３２，３２及びドレイン電極端子配線パターン３３，３３が形成されている。この場合、ソース電極端子配線パターン３２，３２及びドレイン電極端子配線パターン３３，３３は、銅線パターン３２ａ，３２ａ，３３ａ，３３ａをベースとし、この銅線パターン３２ａ，３２ａ，３３ａ，３３ａ上にはＮｉ−Ｐ層３２ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３３ｂと金層３２ｃ，３２ｃ，３３ｃ，３３ｃとが積層されたものになっている。このような配線パターンは、めっき等の従来公知の手法で形成可能である。そして、ソース電極端子配線パターン３２，３２及びドレイン電極端子配線パターン３３，３３各々の電界効果型トランジスタチップ２側の端部の金層３２ｃ，３２ｃ，３３ｃ，３３ｃと前述のボンディングパット（アルミパット）２２ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２３ｂとの間にリード細線４２，４２，４３，４３が各々接続されている。このリード細線の接続はワイヤーボンディングの手法により可能である。

そして、電界効果型トランジスタチップ２、ソース電極端子配線パターン３２，３２、ドレイン電極端子配線パターン３３，３３及びリード細線４２，４２，４３，４３は、電界効果型トランジスタチップ２のゲート絶縁層２１，２１が露呈するように（この部分が封止されないように）基体１１上面と封止材層５との間に封止され、封止されていないゲート絶縁層の部分に後述するように検出部が形成される。

この第２の態様においては、基体１１の厚さ方向に貫通してソース電極端子配線パターン３２，３２（銅線パターン３２ａ，３２ａ）の下面に接続し、基体１１下面側で端部が露呈するソース電極端子配線パターンの延長配線３２１，３２１、及び基体１１の厚さ方向に貫通してドレイン電極端子配線パターン３３，３３（銅線パターン３３ａ，３３ａ）の下面に接続し、基体１１下面側で端部が露呈するドレイン電極端子配線パターンの延長配線３３１，３３１が配設されている。これらソース電極端子配線パターンの延長配線３２１，３２１及びドレイン電極端子配線パターンの延長配線３３１，３３１の各々の露呈した側の端部はパット状に形成されており、ソース電極端子配線パターンの延長配線３２１，３２１及びドレイン電極端子配線パターンの延長配線３３１，３３１の露呈した端部（パット状の端子）が、後述する計測器の電気信号入出力端子と接続される。

また、このような半導体センサチップを用いることにより、半導体センサチップと、該半導体センサチップがそのソース電極端子配線パターンの延長配線及びドレイン電極端子配線パターンの延長配線の各々の露呈部分と直接又は異方性導電ゴムを介して着脱可能に接続される電気信号入出力端子を備え、半導体センサチップを接続してその電界効果型トランジスタチップにより検出された電気信号を計測する計測器とを具備する半導体センシング装置を構成することができる。この場合、半導体センサチップと計測器本体との接続には、接続部の防水性、防液性を得ることができる方法、例えば、Ｏリング等によるシーリングが適用でき、接続部の固定には、ネジやクランプが使用できる。

特に、半導体センサチップのソース電極端子配線パターンの延長配線及びドレイン電極端子配線パターンの延長配線の各々の露呈部分と、計測器の電気信号入出力端子との接続に異方性導電ゴムを用いることが好適である。異方性導電ゴムを、ソース電極端子配線パターンの延長配線及びドレイン電極端子配線パターンの延長配線の露呈部分と、計測器の電気信号入出力端子とで挟持するようにして接続すれば、異方性導電ゴムの導電性によって導通が確保できると共に、異方性導電ゴムの弾性による高い密着性と、外力に弱い半導体センサチップを密着させて接続するための押圧力に対する緩衝作用が得られ、より確実かつ安定にセンサチップと計測器との導通が確保できる。

具体的には、図８（Ｃ）に示されるように、半導体センサチップ１のソース電極端子配線パターンの延長配線３２１，３２１及びドレイン電極端子配線パターンの延長配線３３１，３３１と、これら各々に対向する位置に設けられた計測器７の電気信号入出力端子７２，７２，７３，７３との間に、異方性導電ゴム８，８，８，８を各々配置し、半導体センサチップ１と計測器７とを両側から押圧して、ソース電極端子配線パターンの延長配線３２１，３２１及びドレイン電極端子配線パターンの延長配線３３１，３３１と、異方性導電ゴム８，８，８，８と、電気信号入出力端子７２，７２，７３，７３とを各々密着させることにより半導体センサチップ１と計測器７とを導通させることができる。なお、図８（Ｃ）中、ｃは半導体センサチップ１と検出器７との押圧力を保持するクランプである。

上述した第１及び第２の態様においては、電界効果型ドランジスタチップが基体上に形成された凹陥部に埋設されると共に、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線が配線パターンとして基体上に形成されていることから、封止材で封止する面がほぼ平らである。そのためこのような半導体センサチップにおいては、封止材による封止を、例えば紫外線硬化性樹脂組成物などを、スクリーン印刷等の手法で塗布して紫外線硬化性樹脂組成物を硬化させる方法を採用することができる。

また、上述した第１及び第２の態様においては、検出部に液体を滴下する方法で半導体センサチップを用いる場合、封止材層上に液溜まり（ディッピングエリヤ）を形成することも好適である。

具体的には、図６〜８に示されるように、ゲート絶縁層２１，２１の露呈部を囲む半導体センサチップ１の封止材層５上に、所定の容積の液溜まり９１を形成するように、堰部材層６１を積層することができる。特に、半導体センサチップ１と計測器７とを両側から押圧して配線パターン又は配線パターンの延長配線と電気信号入出力端子とを接続する場合、図８に示されるように、堰部材層６１の封止材層５との間にゴム層６２を設ければ、ソース電極端子配線パターンの延長配線３２１，３２１及びドレイン電極端子配線パターンの延長配線３３１，３３１の端部と電気信号入出力端子７２，７２，７３，７３との接続の際の押圧力に対して、半導体センサデバイスへの衝撃緩衝機能を付与することが可能であることから特に好適である。

更に、ゲート絶縁層２１，２１の露呈部を囲む半導体センサチップ１の封止材層５上に、被検液の流路となるように所定の容積のキャビティ９２を形成することも好適である。

具体的には、図９に示されるように、ゲート絶縁層２１，２１の露呈部を含む半導体センサチップ１の封止材層５上に、被検液の流路となる被検液の流入口６３ａ及び排出口６３ｂを有するキャビティ９２を形成する蓋６３を設ければ、被検液を半導体センサチップの検出部に連続的に流通させて接触させることができる。なお、この場合も、図９に示されるように、蓋６３の封止材層５側にゴム層６２を設ければ、上述した堰部材層と同様の衝撃緩衝機能を付与することが可能である。なお、図９中、図６〜８で示したものと同一の部位は、同一の符号を付してその説明を省略する。

更に、本発明の半導体センサチップとしては、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようなカテーテルタイプのものも好適である。この場合、電界効果型トランジスタチップ２と、ソース電極（図示省略）と接続されたソース電極端子配線３２０と、ドレイン電極（図示省略）と接続されたドレイン電極端子配線３３０とが、トランジスタチップ２のゲート絶縁層２１、ソース電極端子配線３２０のソース電極（図示省略）と接続されていない端部及びドレイン電極端子配線３２０のドレイン電極（図示省略）と接続されていない端部が露呈するように封止材５０により封止されている。なお、図１０（Ａ）及び（Ｂ）中、ｗはカテーテルの芯軸である。

このようなカテーテルタイプの半導体センサチップの場合、電界効果型トランジスタとして、上述したようなものを用いることも可能であるが、ソース電極とソース電極配線、及びドレイン電極とドレイン電極配線の接続部をカテーテルの中心部に設けることが好ましいことから、電界効果型トランジスタのシリコン基板の厚さ方向に貫通して一端がソース電極に接続し、他端がシリコン基板下面側で露呈するソース電極貫通配線、及びシリコン基板の厚さ方向に貫通して一端がドレイン電極端子に接続し、他端がシリコン基板下面側で露呈するドレイン電極貫通配線を設けて、ソース電極のソース電極配線との接続部、及びドレイン電極のドレイン電極配線との接続部をシリコン基板の下面側に設けたものが好適である。

このようなものとして、具体的には、図１０（Ｃ）に示されるような、シリコン基板２０の厚さ方向に貫通して一端がソース電極２２下面に接続し、他端がシリコン基板２０下面側で露呈するソース電極貫通配線２２０、及びシリコン基板２０の厚さ方向に貫通して一端がドレイン電極２３の下面に接続し、他端がシリコン基板２０下面側で露呈するドレイン電極貫通配線２３０が配設されたものが挙げられる。なお、図１０中、２１はゲート絶縁層、２４はチャンネル領域、２６は保護用酸化膜である。

このようなカテーテルタイプの半導体センサチップの場合、血管中を流れる血液中の成分変化をリアルタイムで迅速に計測することが可能であり、例えば、血中のｐＨ、二酸化炭素濃度、酸素濃度の変化や特定の生体物質の増減などをリアルタイムで計測することが可能である。

本発明の半導体センサチップを用いて半導体センシングを行う場合、図１（Ｂ）に示されるように、電界効果型トランジスタチップ２のゲート絶縁層２１上に、直接的な検出部として有機単分子膜２７を形成し、この検出部に被検液ｓを接触させてセンシングを行うことができる。なお、センシングの際には、ゲート電極２８を被検液ｓと接触するように設ける。

このように、電界効果型トランジスタを用いることによって、そのゲート絶縁層上に有機単分子膜を液面と接する箇所に局所的に形成し、これを直接的な検出部とするデバイスを構成し、表面上のイオン吸着・バイオ反応等に伴う表面電位変化を電気信号として計測することを基本原理とする半導体センシングを行うことができる。

なお、この場合、上記有機単分子膜は、ＤＮＡ、酵素、免疫等で修飾することができ、また、必要に応じてレポーター分子を用いることも可能である。

有機単分子膜としては有機シラン単分子膜が好ましく、所用のパターニング手法によりパターニングして形成することができる。

この有機シラン単分子膜に関しては、有機シラン分子を用い、公知の方法でゲート絶縁層上に気相化学反応又は液相反応によって形成し、有機シラン単分子膜はその最適化によって細密パッキングされた膜が形成される。

この場合、有機シラン単分子膜としては、反応性の官能基、特にアミノ系の官能基（ＮＨ₂−、−ＮＨ−、Ｃ₅Ｈ₅Ｎ−、Ｃ₄Ｈ₄Ｎ−等）又はカルボキシル系の官能基（−ＣＯＯＨ等）を少なくとも１個含有する炭素数３〜２０の直鎖状炭化水素基（アルキル基等）を有するアルコキシシランの単分子膜、非反応性の炭素数８〜２０の直鎖アルキル基又はフッ素化アルキル基を有するアルコキシシランの単分子膜が挙げられる。

この場合、アミノ系の官能基、カルボキシル系の官能基等の反応性官能基の導入は、このような官能基を有するアルコキシシランを用いるほか、このような官能基に置換可能な基、例えば−Ｂｒ、−ＣＮ等のアミノ誘導基を有するアルコキシシランを用いて単分子膜を形成後、これらアミノ誘導基をアミノ基に置換する方法で導入することができる。

なお、アルコキシシランとしては、密着性等の点でトリアルコキシシランが好ましく、またアルコキシ基としては炭素数１〜４のアルコキシ基、特にメトキシ基、エトキシ基が好ましい。

上記アルコキシシランの具体例としては、ＮＨ₂（ＣＨ₂）₃Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃、ＣＨ₃（ＣＨ₂）₁₇Ｓｉ（ＯＣＨ₃）₃、ＣＦ₃（ＣＦ₂）₇（ＣＨ₂）₂Ｓｉ（ＯＣＨ₃）₃等が挙げられる。

本発明によれば、センサチップと計測器とを容易に接続、分離できるので、計測器は継続的に使用し、安価なセンサチップをディスポーザルとすることができるので、医療用など、ワンユースが基本とされる分野において好適に使用できる。また、医療計測、環境測定、食品管理、生化学分析（ＤＮＡ解析・タンパク解析・細胞解析・分泌物質の同定等)などに安全かつ衛生的に応用することができる。

なお、上述した本発明の具体的態様においては、検出部が一つ又は二つのものを例に挙げて説明したが、検出部を同一シリコン基板上に更に多数形成してマルチ化することも可能である。また、本発明の半導体センサチップを用いてセンシングを実施する場合、ゲート電極を有機単分子膜近傍に設置することになるが、このゲート電極を半導体センサチップと予め一体化しておくこともでき、これによりセンサ部分とゲート電極のディスポーザルが可能となり、よりセンシングの作業性が向上することから好適である。

電解効果型トランジスタとこれを備える半導体センシング装置を示す図であり、（Ａ）は電界効果型トランジスタを示す断面図、（Ｂ）は電界効果型トランジスタを用いた半導体センシング装置の構成を示す概念図である。本発明の半導体センサチップの第１の態様の一実施例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は封止材層で封止する前（封止材層を取り除いた状態）を示す平面図である。図２の半導体センサチップの断面図であり、（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）は各々図２のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図２の半導体センサチップの断面図であり、（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）は各々図２のＤ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線及びＦ−Ｆ線に沿った断面図である。図２の半導体センサチップの電界効果型トランジスタチップを示す図であり（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。本発明の半導体センサチップの第２の態様の一実施例を示す平面図である。図６の半導体センサチップの拡大図であり、（Ａ）は図６のＹ部分の拡大平面図、（Ｂ）は（Ｃ）の封止材層で封止する前（封止材層を取り除いた状態）を示す平面図である。図６の半導体センサチップ及びこれと計測器とを接続した状態を示す図であり、（Ａ）は図６のＺ−Ｚ線に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）の電界効果型トランジスタチップの拡大断面図、（Ｃ）は（Ａ）の半導体センサチップと計測器とを接続した状態を示す断面図である。本発明の半導体センサチップの第２の態様の別の実施例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＺ−Ｚ線に沿った断面図である。本発明の他の態様の半導体センサチップ（カテーテルタイプの半導体センサチップ）を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＷ−Ｗ線に沿った断面図、（Ｃ）は電界効果型トランジスタチップを示す断面図である。

符号の説明

１半導体センサチップ
１１基体
１２凹陥部
２電界効果型トランジスタチップ
２１ゲート絶縁層
２２ソース電極
２２０ソース電極貫通配線
２３ドレイン電極
２３０ドレイン電極貫通配線
３２ソース電極端子配線パターン
３２０ソース電極端子配線
３２１ソース電極端子配線パターンの延長配線
３３ドレイン電極端子配線パターン
３３０ドレイン電極端子配線
３３１ドレイン電極端子配線パターンの延長配線
４２リード細線（一のリード細線）
４３リード細線（他のリード細線）
５封止材層
５０封止材
６１堰部材層
６２ゴム層
６３蓋
７計測器
７２，７３電気信号入出力端子
８異方性導電ゴム
９１液溜まり
９２キャビティ

Claims

ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極がシリコン基板上に集積された電界効果型トランジスタチップと、上記ソース電極と接続されたソース電極端子配線と、上記ドレイン電極と接続されたドレイン電極端子配線とを備える半導体センサチップであって、
上記電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線が、上記電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層、上記ソース電極端子配線のソース電極と接続されていない端部及び上記ドレイン電極端子配線のドレイン電極と接続されていない端部が露呈するように封止材により、又は上記電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線が設置される基体と封止材とにより封止されていることを特徴とする半導体センサチップ。
ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極がシリコン基板上に集積された電界効果型トランジスタチップが、基体上に形成された凹陥部に埋設されると共に、上記基体上に、上記ソース電極と一のリード細線を介して接続されたソース電極端子配線パターン、及び上記ドレイン電極と他のリード細線を介して接続されたドレイン電極端子配線パターンが形成された半導体センサチップであって、
上記電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線パターン、ドレイン電極端子配線パターン並びに上記一及び他のリード細線が、上記電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層、上記ソース電極端子配線パターンのソース電極と接続されていない端部及び上記ドレイン電極端子配線パターンのドレイン電極と接続されていない端部が露呈するように上記基体上面と封止材層との間に封止されていることを特徴とする請求項１記載の半導体センサチップ。
ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極がシリコン基板上に集積された電界効果型トランジスタチップが、基体上に形成された凹陥部に埋設されると共に、上記基体上に、上記ソース電極と一のリード細線を介して接続されたソース電極端子配線パターン、及び上記ドレイン電極と他のリード細線を介して接続されたドレイン電極端子配線パターンが形成された半導体センサチップであって、
上記電界効果型トランジスタチップ、ソース電極端子配線パターン、ドレイン電極端子配線パターン並びに上記一及び他のリード細線が、上記電界効果型トランジスタチップのゲート絶縁層が露呈するように上記基体上面と封止材層との間に封止されていると共に、
上記基体の厚さ方向に貫通して上記ソース電極端子配線パターンに接続し、上記基体下面側で端部が露呈するソース電極端子配線パターンの延長配線、及び上記基体の厚さ方向に貫通して上記ドレイン電極端子配線パターンに接続し、上記基体下面側で端部が露呈するドレイン電極端子配線パターンの延長配線が配設されていることを特徴とする請求項１記載の半導体センサチップ。
上記ゲート絶縁層上に、直接的な検出部として有機単分子膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体センサチップ。
請求項１記載の半導体センサチップと、該半導体センサチップがそのソース電極端子配線及びドレイン電極端子配線の各々の露呈部分と直接又は異方性導電ゴムを介して着脱可能に接続される電気信号入出力端子を備え、上記半導体センサチップを接続してその電界効果型トランジスタチップにより検出された電気信号を計測する計測器とを具備することを特徴とする半導体センシング装置。
請求項２記載の半導体センサチップと、該半導体センサチップがそのソース電極端子配線パターン及びドレイン電極端子配線パターンの各々の露呈部分と直接又は異方性導電ゴムを介して着脱可能に接続される電気信号入出力端子を備え、上記半導体センサチップを接続してその電界効果型トランジスタチップにより検出された電気信号を計測する計測器とを具備することを特徴とする半導体センシング装置。
請求項３記載の半導体センサチップと、該半導体センサチップがそのソース電極端子配線パターンの延長配線及びドレイン電極端子配線パターンの延長配線の各々の露呈部分と直接又は異方性導電ゴムを介して着脱可能に接続される電気信号入出力端子を備え、上記半導体センサチップを接続してその電界効果型トランジスタチップにより検出された電気信号を計測する計測器とを具備することを特徴とする半導体センシング装置。
上記ゲート絶縁層上に、直接的な検出部として有機単分子膜が形成されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載の半導体センシング装置。