JP2008026168A

JP2008026168A - Ｆｅｔセンサ

Info

Publication number: JP2008026168A
Application number: JP2006199462A
Authority: JP
Inventors: Shuji Takamatsu; 修司高松; Mikito Yamanuki; 幹人山貫; Yasushi Ueda; 康史上田
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: JP4653703B2

Abstract

【課題】液絡式の比較電極も標準液も用いず全体の完全ソリッドステート化及び小型化並びに低コスト化を図りつつ、測定感度並びに測定精度の著しい向上を達成することができるＦＥＴセンサを提供する。
【解決手段】相補的な特性をもつｐ型ＩＳＦＥＴ１１とｎ型ＩＳＦＥＴ１２並びに擬似比較電極１３を、ワンチップ基板２上に横並び配置関係に形成されてなり、ｐ型ＩＳＦＥＴ１１及びｎ型ＩＳＦＥＴ１２のゲート部を被測定対象に同時に接触させたときの擬似比較電極１３と各ＩＳＦＥＴ１１，１２との間の電位をそれぞれ検出し、それら検出電位の差を演算処理してイオン濃度を出力するように構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＦＥＴ（電界効果トランジスター）を用い、そのゲート部にアルミナ膜等のイオン感応膜を成膜（被着）して被検液中のイオン濃度を測定するイオンセンサや、前記ゲート部に酵素膜等の生体反応膜を成膜してなるバイオセンサ等として利用されるＦＥＴセンサに関する。

この種のＦＥＴセンサの代表例として、ＩＳＦＥＴ（ｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅＦＥＴ）を用いて構成されるイオンセンサについて検討してみると、現在の半導体技術の進歩によりＩＳＦＥＴ自体の小型化、微細化は容易であるが、測定電位の基準となる比較電極として、ＫＣｌ／ＡｇＣｌ／Ａｇ（銀−塩化銀電極）構造の液絡式の比較電極を用いたものでは、センサ全体の小型化に自ずと限界があった。

このような小型化の阻害要因となっている液絡式の比較電極を用いないでイオン濃度を測定できるようにしたイオンセンサとして、従来、ＦＥＴのゲート部にイオン感応膜を被着してなる測定用ＩＳＦＥＴとＦＥＴのゲート部にイオン不感応膜を被着してなる参照用ＩＳＦＥＴ及び擬似比較電極を設け、これらを被検液などの被測定対象に同時に接触させることにより、前記擬似比較電極に対する前記両ＩＳＦＥＴの検出電位の差を演算処理してイオン濃度を出力（測定）するように構成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、特性が同一の測定用及び参照用の二つのＩＳＦＥＴと擬似比較電極を設け、測定用のＩＳＦＥＴを被測定対象に接触させ、また、参照用のＩＳＦＥＴ及び擬似比較電極を標準液に接触（浸漬）させることにより、二つのＩＳＦＥＴの検出電位の差を演算処理してイオン濃度を出力（測定）するように構成したものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特公昭５８−２５２２１号公報特開平９−１７８６９７号公報

しかし、特許文献１で提案されている従来のイオンセンサ（ＦＥＴセンサ）の場合は、ＩＳＦＥＴのゲート部が窒化珪素等の無機物薄膜であるのに対して、イオン不感応膜としてはバリレンやテフロン（登録商標）等の疎水性高分子薄膜が用いられており、両薄膜の経時的ドリフト特性、誘導ノイズ感受性、温度特性を精度よく揃えることが技術的に非常に困難である。また、両ＩＳＦＥＴのゲート部における成膜工程も異なるために、両ＦＥＴ特性にも変化が生じやすくて、両ＩＳＦＥＴの前述の特性を揃えることがますます困難となり、その結果、所定の測定精度の低下は避けられないという問題がある。

一方、特許文献２で提案されている従来のイオンセンサの場合は、特性が同一の二つのＩＳＦＥＴを用いればよいので、上述した従来のイオンセンサが有する問題を解消し、測定精度の向上が図れる反面、参照用のＩＳＦＥＴ及び擬似比較電極を常時接触（浸漬）させるための標準液を保持する保液部が必要であり、センサを完全ソリッドステート化できないばかりか、センサ全体を十分に小型化、微細化することができないという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、液絡式の比較電極も標準液も用いず全体の完全ソリッドステート化及び小型化並びに低コスト化を図りつつ、測定感度並びに測定精度の著しい向上を達成することができるＦＥＴセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るＦＥＴセンサは、ｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴ並びに比較電極を備え、前記ｐ型ＦＥＴ及びｎ型ＦＥＴのゲート部を被測定対象に同時に接触させたときの前記比較電極と前記各ＦＥＴとの間の電位をそれぞれ検出し、それら検出電位の差を演算処理して出力するように構成していることを特徴としている。

上記のような特徴構成を有する本発明によれば、被測定対象のゲート電位に対するｐ型ＦＥＴ及びｎ型ＦＥＴの動作が全く正反対であるので、それら出力の差をとることにより例えばイオン濃度などを液絡式の比較電極を用いずとも、固体比較電極または擬似比較電極（請求項２）を用いて所定の測定を行うことが可能であり、また、標準液が不要で保液部を設ける必要もないので、センサ全体を完全にソリッドステート化できるとともに、小型化することができる。しかも、両ＦＥＴのゲート部に対する成膜工程も同じでよいために、それだけ製造工程の簡易化が図れて製造コストを低減できるとともに、品質のばらつきがなく、品質の向上も図れる。加えて、比較電極とｐ型及びｎ型ＦＥＴとの間の検出電位の差をとるために、各ＦＥＴの経時的ドリフト、誘導ノイズ感受性及び温度特性を容易にキャンセルすることができ、かつ、同一特性のＦＥＴを用いて両者の差をとる場合に比べて出力差を非常に大きくして測定感度を凡そ倍にすることができる。したがって、上記した品質の向上と相俟って、イオン濃度等の所定の測定精度の著しい向上を達成することができるという効果を奏する。

本発明において、前記ｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴもしくはｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴ並びに比較電極をワンチップ基板上に成形する場合（請求項３）、あるいは、それら各々またはその一部が分離されてチップ状に成形されたものを一つの基板上に組み合わせて形成する場合（請求項４）のいずれであってもよいが、特に、ワンチップ基板上に成形する場合は、センサ全体を一層小型化して取扱いの利便性向上及び製造コストの一層の低減を図ることができる。

また、本発明において、前記ｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴ並びに比較電極の配置関係はどのようなものであってもよいが、請求項５に記載のように、前記ｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴを基板上に横並び配置し、この横並び配置されたｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴの中間位置に前記比較電極を配置する構成を採用することにより、センサ全体のより一層の薄型化、小型化が図れるとともに、製造も容易である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るＦＥＴセンサをイオンセンサに適用した場合の要部構造を示す縦断面図である。このイオンセンサ１は、高絶縁性のワンチップ基板であるシリコン（Ｓｉ）ウエハ２にｐ型領域３とｎ型領域４を作製するとともに、これらｐ型領域３、ｎ型領域４にｎ型チャンネルＦＥＴ５，ｐ型チャンネルＦＥＴ６を作り込み、各ドレインとソース間に亘ってアルミ配線７，８した後、全体をＳｉＯ₂ などの酸化膜９で覆い、かつ、五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅ ）などのイオン感応膜１０を前記両ＦＥＴ５，６のゲート部に堆積し成膜することにより、コンプリメンタリィー（相補的）な特性を持つｐ型ＩＳＦＥＴ１１とｎ型ＩＳＦＥＴ１２を、ワンチップのシリコンウェハ２上に横並び配置して形成してなる。

そして、横並び配置された前記ｐ型ＩＳＦＥＴ１１とｎ型ＩＳＦＥＴ１２の中間位置の前記イオン感応膜１０上に、例えばプラチナ（Ｐｔ）膜よりなる擬似比較電極１３を形成している。

図２の（ａ）〜（ｈ）は上記のような構造を持つイオンセンサ１の具体的な製作プロセス例を説明する概略断面図であって、シリコンウェハ２の上面にＳｉＯ₂ 層１４を介してｎ型半導体からなる活性層１５を形成し、この活性層１５上に、ｐ型領域３の形成、ｎ型領域４の形成、ｎ型チャンネルＦＥＴ５及びｐ型チャンネルＦＥＴ６の作り込みという（ａ）〜（ｃ）のプロセスを経てコンプリメンタリィー（相補的）な特性を持つｐ型ＩＳＦＥＴ１１とｎ型ＩＳＦＥＴ１２を横並びに形成する。次に、不要な活性層１５をエッチングにより除去して両ＩＳＦＥＴ１１，１２を分離し相互に絶縁し（ｄ）、それぞれドレインとソース間に亘ってアルミ配線７，８した（ｅ）のち、絶縁のためにＳｉＯ₂などの酸化膜９を被覆形成する（ｆ）。さらに、五酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）などのイオン感応膜１０を前記両ＦＥＴ５，６のゲート部に成膜し（ｇ）、最後にイオン感応膜１０上に擬似比較電極１３を形成する（ｈ）。

なお、上記した製作プロセスにおいて、ウェハ２としては、例えばエピタキシャル層を埋め込んだものを使用してもよく、ゲート感応膜にアルミナ膜を使用してもよい。また、バイオセンサとする場合は、酵素膜などの生体反応膜を形成すればよい。さらに、活性層１５としてｐ型半導体を形成してもよい。

図３は、上記構造を持つイオンセンサ１の動作回路例の構成を示すもので、前記ｐ型ＩＳＦＥＴ１１とｎ型ＩＳＦＥＴ１２を単一の駆動源１６にて駆動すべく負荷抵抗１１Ｒ，１２Ｒを介して相互に接続されており、それらｐ型ＩＳＦＥＴ１１とｎ型ＩＳＦＥＴ１２の出力、つまり、擬似比較電極１３と各ＩＳＦＥＴ１１，１２との間の電位を検出し、それら検出電位を差動アンプ１７並びにＡＤ変換器（ＡＤＣ）１８を通して演算処理部（ＭＰＵ）１９に入力させるように構成されている。そして、このＭＰＵ１９には、該ＭＰＵ１９で前記両検出電位の差を演算処理した結果であるイオン濃度値を出力表示する表示部２０が設けられている。

上記のように構成されたイオンセンサ１においては、前記ｐ型ＩＳＦＥＴ１１、ｎ型ＩＳＦＥＴ１２の各ゲート部及び擬似比較電極１３が被検液等の被測定対象に同時に接触するように用いられる。そして、それらが被測定対象に同時に接触したときに各ＩＳＦＥＴ１１，１２のゲート部にかかる電位は、擬似比較電極１３の電位と被測定対象のプロトンが各ゲート部のイオン感応膜１０に結合してできる電位の和になっている。すなわち、被測定対象のプロトン濃度（ｐＨ）に比例した電位となる。

図３の動作回路の場合、各ＩＳＦＥＴ１１，１２の負荷抵抗１１Ｒ，１２Ｒの電位はゲート電位に比例して変化するが、その値は横軸をｐＨ、縦軸を出力（ｍＶ）としてプロットすると、図４の（ａ）に示すように、傾きが正反対のネルンスト電位になっており、それぞれの出力の差（ｐ型ＩＳＦＥＴ出力−ｎ型ＩＳＦＥＴ出力）をとると、図４の（ｂ）に示すように、ネルンスト電位の２倍の傾きの直線が得られる。このようにコンプリメンタリィーな特性を持つｐ型ＩＳＦＥＴ１１とｎ型ＩＳＦＥＴ１２を用いて両者の出力差をとることによって、同一特性のＩＳＦＥＴを用いて両者の差をとる場合に比べて、出力差を非常に大きくして測定感度を凡そ倍にすることができる。

なお、ｐ型ＩＳＦＥＴ１１とｎ型ＩＳＦＥＴ１２の特性に差があって、ネルンスト電位に対する感度差が大きい場合は、直接に出力差をとらず、ＡＤＣ１８でＡＤ変換し、ＭＰＵ１９で校正演算処理した後、差をとることにより両ＩＳＦＥＴ１１，１２の特性差に起因する感度差を校正することが可能である。

また、上記のように構成されたイオンセンサ１においては、擬似比較電極１３と両ＩＳＦＥＴ１１，１２との間の検出電位の差をとるために、ＩＳＦＥＴ１１，１２の経時的ドリフト、誘導ノイズ感受性及び温度変化並びに擬似比較電極１３自体の電位変動は容易に相殺しキャンセルすることが可能であり、ＫＣｌ／ＡｇＣｌ／Ａｇ（銀−塩化銀電極）構造の液絡式の比較電極を使用する必要がなく、また、標準液の使用の必要もないので、イオンセンサ１全体を完全にソリッドステート化できるとともに、小型化でき、かつ、製作工程も容易で低コスト化も図ることができる。

なお、上記実施の形態では、前記ｐ型ＩＳＦＥＴ１１とｎ型ＩＳＦＥＴ１２を単一の駆動源１６にて駆動するような回路構成のもので示したが、図５に示すように、前記ｐ型ＩＳＦＥＴ１１とｎ型ＩＳＦＥＴ１２を各別の駆動源１６Ａ，１６Ｂを用いて個別に駆動し、それらの検出電位の差を演算処理して出力するような回路構成としてもよい。

また、上記実施の形態では、基板としてＳｉウェハを使用したが、ｎ−Ｓｉやｐ−Ｓｉ基板上にそれぞれｐ型領域、ｎ型領域を作り、ｐ型ＩＳＦＥＴとｎ型ＩＳＦＥＴを製作してもよい。ただし、この場合は、ｐ型ＩＳＦＥＴとｎ型ＩＳＦＥＴを分離するために、チャンネルストッパーを両ＩＳＦＥＴ間に設ける必要がある。

さらに、上記実施の形態では、比較電極として、擬似比較電極を用いたが、これに代えて、金や白金などの固体金属電極を用いてもよく、また、ｐ型ＩＳＦＥＴとｎ型ＩＳＦＥＴ並びに擬似比較電極の配置関係は、横並びに限らず、ｐ型ＩＳＦＥＴとｎ型ＩＳＦＥＴを対向配置させたり、任意の角度に配置してもよい。

本発明に係るＦＥＴセンサをイオンセンサに適用した場合の要部構造を示す縦断面図である。（ａ）〜（ｈ）は上記イオンセンサの具体的な製作プロセス例を説明する概略断面図である。上記イオンセンサの動作回路例の構成図である。（ａ），（ｂ）は上記イオンセンサの動作説明図である。上記イオンセンサの他の動作回路例の構成図である。

符号の説明

１イオンセンサ（ＦＥＴセンサの例）
２シリコンウェハ（基板の例）
１１ｐ型ＩＳＦＥＴ
１２ｎ型ＩＳＦＥＴ
１３擬似比較電極
１７差動アンプ

Claims

ｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴ並びに比較電極を備え、前記ｐ型ＦＥＴ及びｎ型ＦＥＴのゲート部を被測定対象に同時に接触させたときの前記比較電極と前記各ＦＥＴとの間の電位をそれぞれ検出し、それら検出電位の差を演算処理して出力するように構成していることを特徴とするＦＥＴセンサ。
前記比較電極が、固体比較電極または擬似比較電極である請求項１に記載のＦＥＴセンサ。
前記ｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴもしくはｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴ並びに比較電極が、ワンチップ基板上に成形されている請求項１または２に記載のＦＥＴセンサ。
前記ｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴもしくはｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴ並びに比較電極が、各々またはその一部が分離されてチップ状に成形されたものを一つの基板上に組み合わせて形成されている請求項１または２に記載のＦＥＴセンサ。
前記ｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴが、基板上に横並び配置され、この横並び配置されたｐ型ＦＥＴとｎ型ＦＥＴの中間位置に前記比較電極が配置されている請求項３または４に記載のＦＥＴセンサ。