JP2011085557A - Semiconductor sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センシング領域に付着する検出対象を検出する半導体センサ及び製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor sensor and a manufacturing method for detecting a detection target attached to a sensing region.
集積回路等で広く用いられているMOSFET等のFET(電界効果トランジスタ)は、溶液中のイオン濃度を検出する電荷センサに応用することができる。FETのゲート絶縁膜(以下、ゲートと略称する)をセンシング領域として溶液にさらすと、ゲートに溶液中のイオンが付着する。このイオンの付着量により、ソースとドレインとの間のチャネルの状態が変化し、チャネル内を流れる電流の流れやすさが変わる。ゲートへのイオンの付着量は溶液中のイオン濃度に比例するので、チャネル内を流れる電流を測定すれば、溶液中のイオン濃度を測定することができる。 An FET (field effect transistor) such as a MOSFET widely used in an integrated circuit or the like can be applied to a charge sensor that detects an ion concentration in a solution. When an FET gate insulating film (hereinafter abbreviated as a gate) is exposed to a solution as a sensing region, ions in the solution adhere to the gate. The amount of ions attached changes the state of the channel between the source and drain, and changes the ease of current flow through the channel. Since the amount of ions attached to the gate is proportional to the ion concentration in the solution, the ion concentration in the solution can be measured by measuring the current flowing in the channel.
電荷センサとして用いられるFETを、ISFET(イオン感応性電界効果トランジスタ)ともいう(例えば、特許文献1乃至4参照)。ISFETは、上述のイオンセンシングの他、近年ではバイオセンシング等にも応用されている。
An FET used as a charge sensor is also referred to as an ISFET (ion-sensitive field effect transistor) (see, for example,
一方、動作原理が通常のFETとは異なるトランジスタが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。このトランジスタの構造上の主な特徴に、縦積みP/N接合がソースに設けられていることがある。縦積みP/N接合は、P型半導体層とN型半導体層とが、縦方向に積層されたP/N接合である。縦積みP/N接合は、ゲートの直下に形成され、その接合面は、ゲートに対向している。 On the other hand, a transistor whose operation principle is different from that of a normal FET has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1). A main structural feature of this transistor is that a vertically stacked P / N junction is provided at the source. The vertically stacked P / N junction is a P / N junction in which a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer are stacked in the vertical direction. The vertically stacked P / N junction is formed immediately below the gate, and the junction surface faces the gate.
このトランジスタでは、ゲート側の電位が変わると、縦積みP/N接合のバンドを大きく曲げることで価電子帯と伝導帯との間の距離が短くなる。このため、トンネル効果により、バンド間トンネリング電流が流れる。トンネル効果を利用するこのトランジスタの動作原理は、ゲート下に形成されるチャネル内を流れる横方向電流を制御する通常のFETとは、全く異なるものである。 In this transistor, when the potential on the gate side is changed, the distance between the valence band and the conduction band is shortened by largely bending the band of the vertically stacked P / N junction. For this reason, an interband tunneling current flows due to the tunnel effect. The operation principle of this transistor using the tunnel effect is completely different from that of a normal FET that controls the lateral current flowing in the channel formed under the gate.
ISFETでは、検出対象の物質をゲートに付着させてはじめて出力に変化を生ずる。係る点からすると、ゲートの面積を広げ、付着する電荷量を増大させれば、ISFETの検出感度は、向上するはずである。 In an ISFET, a change in output occurs only after a substance to be detected is attached to a gate. From this point of view, the detection sensitivity of the ISFET should be improved if the area of the gate is increased and the amount of attached charge is increased.
しかしながら、この考えは必ずしも正しくない。ISFETの電流は、ゲート幅(ドレイン電流が流れる方向と垂直な方向の大きさ)には比例するが、ゲート長(電流が流れる方向と平行な方向の大きさ)には反比例する。このため、単純にセンシング領域の面積を広げても(すなわちゲート幅及びゲート長を両方大きくしても)、その面積の拡大により付着する電荷量の増分を、ゲート長の増大による電流減少が相殺してしまうので、検出感度は向上しない。 However, this idea is not necessarily correct. The current of the ISFET is proportional to the gate width (size in the direction perpendicular to the direction in which the drain current flows), but inversely proportional to the gate length (size in the direction parallel to the direction in which the current flows). For this reason, even if the sensing area is simply expanded (that is, both the gate width and gate length are increased), the increase in the amount of charge adhering to the increased area is offset by the decrease in current due to the increased gate length. Therefore, the detection sensitivity is not improved.
高度な製造技術を用いて、ゲート長のみを縮小しつつゲート幅を増大させれば、この問題を軽減することはできるが、製造時の歩留まりの低下やコスト高騰など、製造上の新たな問題を抱えることになる。 This problem can be mitigated by increasing the gate width while reducing only the gate length using advanced manufacturing technology, but new manufacturing problems such as lower yields and higher costs during manufacturing. Will be held.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、検出感度を向上させることができる半導体センサ及び製造方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It aims at providing the semiconductor sensor and manufacturing method which can improve a detection sensitivity.
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る半導体センサは、
半導体基板上に成膜され、検出対象が付着するセンシング領域が形成された感応膜と、
前記半導体基板内における前記センシング領域の下方に形成された第1の不純物拡散層と、
前記センシング領域と対向する接合面を有するP/N接合を、前記第1の不純物拡散層との間で形成する第2の不純物拡散層と、
前記第2の不純物拡散層とともにソース/ドレインを形成する第3の不純物拡散層と、
前記第2の不純物拡散層と前記第1の不純物拡散層との間に逆バイアス電圧を印加する第1の電圧印加手段と、
前記センシング領域への前記検出対象の付着量に応じたドレイン電流を流すために、前記第2の不純物拡散層と前記第3の不純物拡散層との間に、電圧を印加する第2の電圧印加手段と、
を備える。
In order to achieve the above object, a semiconductor sensor according to the first aspect of the present invention includes:
A sensitive film formed on a semiconductor substrate and formed with a sensing region to which a detection target is attached;
A first impurity diffusion layer formed below the sensing region in the semiconductor substrate;
A second impurity diffusion layer that forms a P / N junction having a bonding surface facing the sensing region with the first impurity diffusion layer;
A third impurity diffusion layer forming a source / drain together with the second impurity diffusion layer;
First voltage applying means for applying a reverse bias voltage between the second impurity diffusion layer and the first impurity diffusion layer;
A second voltage application for applying a voltage between the second impurity diffusion layer and the third impurity diffusion layer in order to flow a drain current corresponding to the amount of the detection target attached to the sensing region. Means,
Is provided.
この場合、前記感応膜は、
溶液中の水素イオンを付着させるイオン感応膜である、
こととしてもよい。
In this case, the sensitive membrane is
It is an ion sensitive membrane that attaches hydrogen ions in solution.
It is good as well.
また、前記感応膜では、
前記検出対象となる抗原を付着させる抗体が、前記センシング領域に固定されている、
こととしてもよい。
In the sensitive membrane,
An antibody that attaches the antigen to be detected is fixed to the sensing region,
It is good as well.
また、前記半導体基板が、P型であり、
前記第1、第3の不純物拡散層が、P型であり、
前記第2の不純物拡散層が、N型である、
こととしてもよい。
The semiconductor substrate is P-type,
The first and third impurity diffusion layers are P-type;
The second impurity diffusion layer is N-type;
It is good as well.
前記半導体基板が、N型であり、
前記第1、第3の不純物拡散層が、N型であり、
前記第2の不純物拡散層が、P型である、
こととしてもよい。
The semiconductor substrate is N-type;
The first and third impurity diffusion layers are N-type;
The second impurity diffusion layer is P-type;
It is good as well.
本発明の第2の観点に係る製造方法は、
本発明の半導体センサの製造方法であって、
半導体基板内の所定の領域に、ソースとしての不純物拡散層を形成する第1の工程と、
前記不純物拡散層が形成された領域内に、前記不純物拡散層の深さよりも浅い深さで、前記不純物拡散層との間でP/N接合を形成する不純物拡散層を形成する第2の工程と、
前記第2の工程により形成された不純物拡散層の上に、検出対象を付着させるセンシング領域が形成された感応膜を成膜する第3の工程と、
を含む。
The manufacturing method according to the second aspect of the present invention includes:
A method for manufacturing a semiconductor sensor of the present invention, comprising:
A first step of forming an impurity diffusion layer as a source in a predetermined region in the semiconductor substrate;
A second step of forming an impurity diffusion layer forming a P / N junction with the impurity diffusion layer at a depth shallower than the impurity diffusion layer in a region where the impurity diffusion layer is formed; When,
A third step of forming a sensitive film on which a sensing region for attaching a detection target is formed on the impurity diffusion layer formed by the second step;
including.
本発明に係る半導体センサによれば、感応膜のセンシング領域の下方に、第1の不純物拡散層と第2の不純物拡散層とで、センシング領域と対向する接合面を有する縦積みP/N接合が形成されている。この縦積みP/N接合には、逆バイアス電圧が印加されている。 According to the semiconductor sensor of the present invention, the first and second impurity diffusion layers below the sensing region of the sensitive film are vertically stacked P / N junctions having a joint surface facing the sensing region. Is formed. A reverse bias voltage is applied to the vertically stacked P / N junctions.
センシング領域に検出対象が付着すると、その電荷に応じて縦積みP/N接合のバンドが変化し、第1、第2の不純物拡散層の価電子帯と伝導帯との間のバンド間距離が短くなる。このため、トンネル効果により、縦積みP/N接合にバンド間トンネリング電流が流れる。第2の不純物拡散層と第3の不純物拡散層との間に印加される電圧により、バンド間トンネリング電流は、ドレイン電流として出力される。 When the detection target is attached to the sensing region, the band of the vertically stacked P / N junction changes according to the charge, and the interband distance between the valence band and the conduction band of the first and second impurity diffusion layers is changed. Shorter. For this reason, the band-to-band tunneling current flows through the vertically stacked P / N junction due to the tunnel effect. Due to the voltage applied between the second impurity diffusion layer and the third impurity diffusion layer, the interband tunneling current is output as the drain current.
ドレイン電流の大きさは、センシング領域への検出対象の付着量に比例する。この線形性に基づいて、検出対象の付着量を検出することができる。 The magnitude of the drain current is proportional to the amount of detection target attached to the sensing region. Based on this linearity, the amount of adhesion of the detection target can be detected.
上記線形性は、センシング領域への検出対象の付着状態が均一でなくても保たれる。したがって、この半導体センサでは、センシング領域を拡げれば拡げるほど、検出対象の付着量が増大し、バンド間トンネリング電流、すなわちドレイン電流も増大する。したがって、センシング領域を拡げれば拡げるほど、検出感度を向上させることができる。 The linearity is maintained even when the detection target is not uniformly attached to the sensing region. Therefore, in this semiconductor sensor, as the sensing area is expanded, the amount of adhesion of the detection target increases, and the band-to-band tunneling current, that is, the drain current also increases. Therefore, the detection sensitivity can be improved as the sensing area is expanded.
また、本発明に係る半導体センサによれば、ゲート長を長くしても検出感度が低下しないので、製造の歩留まり低下や製造コスト増大を防止することができる。 Also, according to the semiconductor sensor of the present invention, since the detection sensitivity does not decrease even when the gate length is increased, it is possible to prevent a decrease in manufacturing yield and an increase in manufacturing cost.
次に、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る半導体センサは、溶液中の水素イオン濃度、すなわちpHを検出するpHセンサである。 Next, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The semiconductor sensor according to the present embodiment is a pH sensor that detects a hydrogen ion concentration in a solution, that is, pH.
まず、半導体センサの基礎となるトランジスタの構造について説明する。図1に示すように、本実施形態に係るトランジスタ1は、半導体基板としてのP型のシリコン基板2に形成されている。
First, the structure of a transistor that is the basis of a semiconductor sensor will be described. As shown in FIG. 1, the
シリコン基板2上には、絶縁膜3が成膜されている。絶縁膜3としては、例えば、SiO2膜等が用いられる。
An insulating
絶縁膜3上には、感応膜4が形成されている。感応膜4は、溶液中の水素イオンを付着するイオン感応膜である。感応膜4としては、例えば、SiO2、Si3N3、Al2O3、Ta2O5膜など、水素イオンを付着するものを用いることができる。
A
感応膜4の上には、層間絶縁膜5が堆積されている。層間絶縁膜5が堆積されず、感応膜4が露出している領域は、pHの測定対象となる溶液に直接接するようになる。以下では、この領域を「センシング領域6」ともいう。このセンシング領域6に水素イオンが付着することにより、溶液のpHの検出が行われる。
On the
センシング領域6の下方のシリコン基板2内には、第1の不純物拡散層としてのP+拡散層7が形成されている。P+拡散層7は、センシング領域6のほぼ全体をカバーする。P+拡散層7には、例えばホウ素(B)などの不純物が添加されている。以下では、このP+拡散層7を、Pポケット7とも呼ぶ。
A P + diffusion layer 7 as a first impurity diffusion layer is formed in the
また、シリコン基板2内には、第2の不純物拡散層としてのN+拡散層8が形成されている。N+拡散層8には、例えばリン(P)などの不純物が添加されている。このN+拡散層8がトランジスタ1のソースである。
Further, an N + diffusion layer 8 as a second impurity diffusion layer is formed in the
Pポケット7とN+拡散層8とで、縦積みP/N接合が形成されている。この縦積みP/N接合は、センシング領域6の下方に形成され、センシング領域6と対向する(実質的に平行な)接合面50を有する。縦積みP/N接合の接合面50は、センシング領域6のほぼ全体をカバーしている。
The
さらに、シリコン基板2内には、第3の不純物拡散層としてのP+拡散層9が形成されている。このP+拡散層9は、N+拡散層8と所定の間隔を隔てて形成されている。P+拡散層9は、N+拡散層8とともに、トランジスタ1のソース/ドレインを形成する。すなわち、このP+拡散層9がトランジスタ1のドレインである。
Further, a P + diffusion layer 9 as a third impurity diffusion layer is formed in the
図2に示すように、本実施形態に係る半導体センサ100は、図1のトランジスタ1を中心に構成されている。半導体センサ100は、参照電極10と、直流電源11と、溶液漕12と、直流電源15と、電流計16と、をさらに備える。
As shown in FIG. 2, the
参照電極10は、センシング領域6の上方に設置されている。参照電極10は、直流電源11の負極側に接続されている。一方、直流電源11の正極側は、ソースとしてのN+拡散層8に接続されている。これにより、N+拡散層8とP+拡散層7とで形成される縦積みP/N接合には、逆バイアス電圧が印加される。この参照電極10と、直流電源11とで、第1の電圧印加手段が形成されている。なお、直流電源11の正極側には、シリコン基板2も接続されている。
The
感応膜4上には、溶液漕12が形成されている。この溶液漕12に検出対象の溶液13が充填される。溶液13中には、水素イオン14が含まれている。水素イオン14の一部は、センシング領域6に付着する。
A
直流電源15の正極側にはN+拡散層(ソース)8が接続され、負極側にはP+拡散層(ドレイン)9が接続されている。直流電源15は、N+拡散層(ソース)8とP+拡散層(ドレイン)9との間に、電圧を印加する。この電圧により、水素イオン14のセンシング領域6への付着量に応じたドレイン電流が流れる。電流計16は、ドレイン電流を測定する。なお、直流電源15の正極側には、シリコン基板2も接続されている。
An N + diffusion layer (source) 8 is connected to the positive electrode side of the DC power supply 15, and a P + diffusion layer (drain) 9 is connected to the negative electrode side. The DC power supply 15 applies a voltage between the N + diffusion layer (source) 8 and the P + diffusion layer (drain) 9. This voltage causes a drain current corresponding to the amount of
次に、本発明の一実施形態に係る半導体センサ100の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、半導体センサ100の動作原理について説明する。図3、図4には、トランジスタ1におけるエネルギ準位のバンド図が示されている。
First, the operation principle of the
センシング領域6に、水素イオン14が付着しておらず、図3に示すように、ゲート側の電位が変化しない場合には、オフ状態となり、トンネル効果は発生せず、縦積みP/N接合の接合面50に、バンド間トンネリング電流は流れない。
When the
一方、センシング領域6に、水素イオン14が付着すると、図4に示すように、ゲート側の電位VGが変化し、オン状態になり、縦積みP/N接合のバンドが大きく曲がる。このバンドの曲がりにより、Pポケット7の価電子帯とN+拡散層(ソース)8の伝導帯との間の距離が短くなるので、トンネル効果により、Pポケット7からN+拡散層(ソース)8へ電子がトンネルし、P/N接合の接合面50をバンド間トンネリング電流が流れるようになる。
On the other hand, the
このように、半導体センサ100の動作原理は、ゲート下に形成されるチャネル内を流れる横方向の電流を制御する一般的なMOSFETとは全く異なるものである。
As described above, the operating principle of the
ここで、図5に示すように、センシング領域6に水素イオン14が1つ付着した場合について考える。この場合、センシング領域6において水素イオン14が付着した場所に対応する位置で、トンネル効果により、バンド間トンネリング電流17が発生する。N+拡散層(ソース)8とP+拡散層(ドレイン)9との間には電圧が印加されているため、発生したトンネリング電流17は、最終的にドレイン電流18となって出力される。
Here, consider a case where one
さらに、図6に示すように、センシング領域6に水素イオン14が複数付着した場合について考える。この場合にも、センシング領域6において水素イオン14がそれぞれ付着した場所に対応する位置で、トンネル効果により、バンド間トンネリング電流17が複数発生する。各バンド間トンネリング電流17は、束ねられ、最終的にドレイン電流18となって出力される。
Furthermore, as shown in FIG. 6, a case where a plurality of
図5、図6を総合すると分かるように、出力されるドレイン電流18の大きさは、センシング領域6への水素イオン14の付着量に応じたものとなる。すなわち、溶液13中の水素イオン14の濃度が高ければ高いほど、センシング領域6に付着する水素イオン14の数が多くなって、ドレイン電流18が大きくなる。
As can be seen from a combination of FIGS. 5 and 6, the magnitude of the drain current 18 that is output depends on the amount of
このように、半導体センサ100では、溶液13中の水素イオン14の濃度とドレイン電流18との関係は、線形となる。したがって、ドレイン電流18を測定すれば、溶液13のpHをその測定値から求めることができる。ドレイン電流18は、電流計16によって測定されている。その測定値から、溶液13のpHを求めることができる。
Thus, in the
ドレイン電流18は、発生したバンド間トンネリング電流17を加算したものであるため、溶液13中の水素イオン14の濃度とドレイン電流18との関係は、線形性に優れたものとなる。この点も、ゲート下に形成されるチャネル内を流れる横方向の電流を制御する一般的なMOSFETとは著しく異なる点である。
Since the drain current 18 is the sum of the generated band-to-
半導体センサ100では、センシング領域6を大きくすればするほど、検出感度を高めることができる。図7に示すように、半導体センサ100のセンシング領域6が小さく、ゲート長が短い場合には、水素イオン14の付着量が少なくなるので、発生するドレイン電流18は小さくなる。
In the
一方、図8に示すように、半導体センサ100のセンシング領域6が大きく、ゲート長が長い場合には、水素イオン14の付着量が多くなるので、発生するドレイン電流18も大きくなる。
On the other hand, as shown in FIG. 8, when the
これに対し、図9に示すように、ISFET200では、センシング領域6が小さく、ゲート長が短い場合には、水素イオン14の付着量は少なくなるものの、センシング領域6のゲート長方向に、水素イオン14が均一に付着する確率は高くなる、このため、水素イオン14の付着量に応じたドレイン電流18が流れる。
On the other hand, as shown in FIG. 9, in the
しかしながら、図10に示すように、センシング領域6が大きくなって、ゲート長が長くなると、ゲート長方向に渡る水素イオン14のセンシング領域6への付着状態は、不均一となる。このため、水素イオン14が付着していない部分のチャネルが狭くなって、ドレイン電流18が流れにくくなる。
However, as shown in FIG. 10, when the
このように、半導体センサ100では、ドレイン電流18の元となるバンド間トンネリング電流17がN+拡散層(ソース)8とゲート(センシング領域6)の重なり合った部分を縦方向に流れるため、センシング領域6を拡げた場合に、電流駆動力が低下するどころか、むしろ向上する。
As described above, in the
すなわち、半導体センサ100では、センシング領域6の増大、すなわちゲート幅とソース・ゲートの重なり部分の長さの積の増大は、水素イオン14の付着電荷量の増大と、出力されるドレイン電流18の増大とに直結する。これに対し、ISFET200では、センシング領域6の増大は、電流駆動力の低下を招く。
That is, in the
すなわち、本実施形態に係る半導体センサ100では、センシング領域6を大きくすればするほど、大きな電流駆動力が得られ、逆に検出感度を向上させることができるという点がISFET200とは著しく異なる。
That is, the
次に、半導体センサ100の製造工程について説明する。
Next, the manufacturing process of the
まず、図11に示すように、P型のシリコン基板2に対して、素子分離が行われる(ステップS1)。より具体的には、例えば図12に示すように、フィールド酸化膜(SiO2)20が形成される。フィールド酸化膜20は、その間の活性領域を分離する。フィールド酸化膜20に囲まれた活性領域に、素子が作り込まれていく。
First, as shown in FIG. 11, element isolation is performed on the P-type silicon substrate 2 (step S1). More specifically, for example, as shown in FIG. 12, a field oxide film (SiO 2 ) 20 is formed.
この素子分離工程は、同じシリコン基板上に形成される複数個の素子同士が寄生効果を及ぼし合わないように、電気的に分離するための工程である。 This element isolation process is a process for electrically isolating a plurality of elements formed on the same silicon substrate so as not to exert a parasitic effect.
図11に戻り、続いて、フィールド酸化膜20が形成されたシリコン基板2に対して、ソース形成が行われる(ステップS2)。より具体的には、例えば図13に示すように、シリコン基板2上に、フォトレジスト21が塗布され、露光、現像、エッチングが行われ、ソースに対応する部分のフォトレジスト21が取り除かれる。続いて、Pイオン60がシリコン基板2に打ち込まれる。
Returning to FIG. 11, subsequently, the source is formed on the
これにより、フォトレジスト21が塗布されていない領域にのみPイオン60が注入される。この結果、N+拡散層(ソース)8が形成される。Pイオン60注入後、フォトレジスト21が除去される。
As a result,
図11に戻り、続いて、N+拡散層(ソース)8が形成されたシリコン基板2に対して、ドレイン形成が行われる(ステップS3)。より具体的には、例えば図14に示すように、シリコン基板2上に、フォトレジスト21が塗布され、露光、現像、エッチングが行われ、ドレインに対応する部分のフォトレジスト21が取り除かれる。そして、Bイオン61がシリコン基板2に打ち込まれる。
Returning to FIG. 11, subsequently, drain formation is performed on the
これにより、フォトレジスト21が塗布されていない領域にのみBイオン61が注入される。この結果、P+拡散層(ドレイン)9が形成される。P+拡散層(ドレイン)9の深さは、N+拡散層(ソース)8とほぼ同じ程度である。Bイオン61注入後、フォトレジスト21は除去される。
Thereby, the
なお、ステップS2、S3の順序は、逆であってもよい。 Note that the order of steps S2 and S3 may be reversed.
図11に戻り、続いて、N+拡散層(ソース)8、P+拡散層(ドレイン)9が形成されたシリコン基板2に対して、Pポケット形成が行われる(ステップS4)。より具体的には、例えば図15に示すように、シリコン基板2上に、フォトレジスト21が塗布され、露光、現像、エッチングが行われ、Pポケット7を形成する領域のフォトレジスト21だけが取り除かれる。続いて、Pイオン60がシリコン基板2に打ち込まれる。
Returning to FIG. 11, subsequently, P pocket formation is performed on the
これにより、フォトレジスト21が塗布されていない領域にのみ、Pイオン60が注入され、Pポケット7が形成される。このPポケット7の深さは、N+拡散層(ソース)8よりも浅くなっている。この結果、Pポケット7とN+拡散層(ソース)8との縦積みP/N接合が形成される。イオン注入後、フォトレジスト21は除去される。
As a result,
図11に戻り、続いて、N+拡散層(ソース)8、P+拡散層(ドレイン)9及びPポケット7が形成されたシリコン基板2に対して、絶縁膜3、感応膜4の成膜が行われる(ステップS5)。より具体的には、例えば図16に示すように、シリコン基板2上に、例えば熱酸化法等を用いて、絶縁膜3が成膜され、その上に、例えば、スパッタ法等を用いて感応膜4が成膜される。感応膜4の種類については、上述した通りであるが、その種類に応じて、成膜方法が適宜選択される。
Returning to FIG. 11, subsequently, the insulating
図11に戻り、続いて、絶縁膜3、感応膜4が形成されたシリコン基板2に対して、層間絶縁膜5の堆積及びコンタクトホールの形成が行われる(ステップS6)。より具体的には、図17に示すように、感応膜4上に、例えば化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法等を用いて、層間絶縁膜5を堆積させる。この堆積後、ソース、ドレインに各々1箇所ずつコンタクトホールが形成される。
Returning to FIG. 11, subsequently, the
図11に戻り、続いて、Al電極が形成される(ステップS7)。より具体的には、図18に示すように、形成されたコンタクトホール内を通ってソース、ドレインに接続されるAl電極22が、スパッタ法等を用いて形成される。このAl電極22に、直流電源11、15、電流計16等が接続される。
Returning to FIG. 11, subsequently, an Al electrode is formed (step S7). More specifically, as shown in FIG. 18, an
図11に戻り、最後に、センシング領域6が形成される(ステップS8)。より具体的には、図19に示すように、センシング領域6の形成は、SiO2エッチングにより層間絶縁膜5をエッチングすることにより行われる。センシング領域6は、Pポケット7の上に形成される。
Returning to FIG. 11, finally, the
本実施形態に係る半導体センサ100は、このようにして製造される。製造する半導体センサ100のサイズに特に制限はなく、センシング領域6の大きさは、検出対象に応じて適宜決定することができる。
The
以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、感応膜4のセンシング領域6の下方に、Pポケット7と、N+拡散層(ソース)8とで、センシング領域6に対向する接合面50を有する縦積みP/N接合が形成されている。この縦積みP/N接合には、逆バイアス電圧が印加されている。
As described above in detail, according to the present embodiment, the
センシング領域6に水素イオン14が付着すると、付着した水素イオン14による電荷に応じて縦積みP/N接合のバンドが変化し、Pポケット7の価電子帯とN+拡散層(ソース)8の伝導帯との間の距離が短くなる。このため、トンネル効果により、P/N接合の接合面50にバンド間トンネリング電流17が流れる。N+拡散層(ソース)8とP+拡散層(ドレイン)9との間に印加される電圧により、バンド間トンネリング電流17は、ドレイン電流18となって出力される。
When the
ドレイン電流18の大きさは、センシング領域6への水素イオン14の付着量(すなわち水素イオン14の濃度)に比例する。この線形性に基づいて、pHを検出することができる。原理上、この線形性は広い範囲で保たれるので、線形性に優れ、ダイナミックレンジの広い高精度なセンシングが可能となる。
The magnitude of the drain current 18 is proportional to the amount of
また、上記線形性は、センシング領域への水素イオン14の付着状態が均一でなくても保たれる。したがって、半導体センサ100では、センシング領域6を拡げれば拡げるほど、水素イオン14の付着量が増大し、バンド間トンネリング電流17、すなわちドレイン電流18も増大する。この性質により、半導体センサ100は、センシング領域14を拡げれば拡げるほど、その検出感度を高めることができる。
In addition, the linearity is maintained even when the
すなわち、本実施形態に係る半導体センサ100によれば、素子サイズを大きくすることで、容易に検出感度を向上させられる。集積回路は、従来型のMOSFETの微細化により性能と集積度を向上させられるという、いわゆるスケーリング則に基づいて性能を向上させてきた。これに対して、本実施形態に係る半導体センサ100は、逆に、センシング領域6の面積を増大することにより性能を改善することができる。すなわち、この半導体センサ100は、逆スケーリングともいう特徴を有するものであるといえる。
That is, according to the
逆スケーリング特性は、簡便な製造技術で製造可能であることにつながる。この結果、製造の歩留まり低下や製造コスト増大を防止することができる。 The inverse scaling characteristic leads to being able to be manufactured with a simple manufacturing technique. As a result, it is possible to prevent a decrease in manufacturing yield and an increase in manufacturing cost.
また、センシング領域6の面積を大きくすれば、小さなゲート電圧(直流電源11の電圧)で大きな電流駆動力が得られる。この特徴も、更なる検出感度の向上に寄与する。
Moreover, if the area of the
なお、上記実施形態に係る半導体センサ100は、溶液のpHを検出するセンサであった。しかしながら、センシング領域6に付着させるイオンは、水素イオン14以外であってもよい。この場合、半導体センサ100は、pHセンサではなく、特定のイオンの含有量を検出するイオンセンサとして動作させることができる。
The
また、本発明は、抗原を検出する抗原検出センサにも適用可能である。 The present invention is also applicable to an antigen detection sensor that detects an antigen.
図20には、抗原検出センサとしての半導体センサ101の断面図が示されている。図20に示すように、感応膜4では、抗体30が、センシング領域6のほぼ全面に固定されている。
FIG. 20 shows a cross-sectional view of a
溶液35中には、種類の異なる抗原40、41、42が混在している。抗体30は、抗原40〜42のうち、抗原40だけを付着する。
In the
半導体センサ101には、上記実施形態に係る半導体センサ100と同様に、抗原40の抗体30への付着量に応じたドレイン電流が流れる。したがって、このドレイン電流を測定すれば、溶液35中の抗原40の量を計測することができる。
Similar to the
図21には、抗原検出センサとしての半導体センサ102の断面図が示されている。図21に示すように、半導体センサ102では、感応膜4に、抗体30ではなく、抗体31が固定されている点が、図20の半導体センサ101と異なっている。抗体31は、抗原40〜42のうち、抗原41だけを付着する。したがって、半導体センサ102では、溶液中の抗原41の量を計測することができる。
FIG. 21 shows a cross-sectional view of a
このように、感応膜3の抗体を変更(抗体30→抗体31)するだけで、検出対象の抗原を変更(抗原40→抗原41)することができる。
Thus, the antigen to be detected can be changed (
上述のように、本発明は、バイオセンシングにも適用することができる。電気的極性を有する有機体であれば、本発明を適用することができる。 As described above, the present invention can also be applied to biosensing. The present invention can be applied to any organic substance having electrical polarity.
また、上記実施形態では、シリコン基板2をP型とし、第1、第3の不純物拡散層を、それぞれP型とし、第2の不純物拡散層をN型とした。しかしながら、本発明はこれには限られない。図22に示すように、シリコン基板2を、N型とし、第1、第3の不純物拡散層をそれぞれN型とし、第2の不純物拡散層をP型としてもよい。いずれのタイプを選択するかは、検出対象などを考慮して適宜決定することができる。
In the above embodiment, the
なお、上記実施形態では、縦積みP/N接合の接合面50は、センシング領域6のほぼ全体をカバーするように形成されているが、センシング領域6の大部分をカバーしていればよい。しかしながら、縦積みP/N接合の接合面50が、センシング領域6全体をカバーしているのが最も望ましい。
In the above-described embodiment, the
水素イオン14や抗原40、41などの他、センシング領域6に付着される検出対象としては、特定の気体や有機体など、様々なものを設定することができる。それ自体は電荷を帯びていなくても、電荷を帯びた物質と結合させることにより、検出が可能である場合もある。
In addition to the
本発明は、イオンなどの電気的極性を有する物質の検出に好適である。特に、本発明は、溶液のpHの測定、抗体の検出、特定のガスの検出等に好適である。また、検出対象の物質自体が、電気的極性を有しなくても、その物質に電荷を帯びた物質を付着させて、検出することも可能である。 The present invention is suitable for detection of substances having electrical polarity such as ions. In particular, the present invention is suitable for measuring the pH of a solution, detecting an antibody, detecting a specific gas, and the like. Even if the substance to be detected does not have electrical polarity, it is possible to detect the substance by attaching a charged substance to the substance.
1 トランジスタ
2 シリコン基板
3 絶縁膜
4 感応膜
5 層間絶縁膜
6 センシング領域
7 P+拡散層(Pポケット)
8 N+拡散層(ソース)
9 P+拡散層(ドレイン)
10 参照電極
11 直流電源
12 溶液漕
13 溶液
14 水素イオン
15 直流電源
16 電流計
17 バンド間トンネリング電流
18 ドレイン電流
20 フィールド酸化膜
21 フォトレジスト
22 Al電極
30、31 抗体
35 溶液
40、41、42 抗原
50 接合面
60 Pイオン
61 Bイオン
100、101、102 半導体センサ
200 ISFET
DESCRIPTION OF
8 N + diffusion layer (source)
9 P + diffusion layer (drain)
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記半導体基板内における前記センシング領域の下方に形成された第1の不純物拡散層と、
前記センシング領域と対向する接合面を有するP/N接合を、前記第1の不純物拡散層との間で形成する第2の不純物拡散層と、
前記第2の不純物拡散層とともにソース/ドレインを形成する第3の不純物拡散層と、
前記第2の不純物拡散層と前記第1の不純物拡散層との間に逆バイアス電圧を印加する第1の電圧印加手段と、
前記センシング領域への前記検出対象の付着量に応じたドレイン電流を流すために、前記第2の不純物拡散層と前記第3の不純物拡散層との間に、電圧を印加する第2の電圧印加手段と、
を備える半導体センサ。 A sensitive film formed on a semiconductor substrate and formed with a sensing region to which a detection target is attached;
A first impurity diffusion layer formed below the sensing region in the semiconductor substrate;
A second impurity diffusion layer that forms a P / N junction having a bonding surface facing the sensing region with the first impurity diffusion layer;
A third impurity diffusion layer forming a source / drain together with the second impurity diffusion layer;
First voltage applying means for applying a reverse bias voltage between the second impurity diffusion layer and the first impurity diffusion layer;
A second voltage application for applying a voltage between the second impurity diffusion layer and the third impurity diffusion layer in order to flow a drain current corresponding to the amount of the detection target attached to the sensing region. Means,
A semiconductor sensor comprising:
溶液中の水素イオンを付着させるイオン感応膜である、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体センサ。 The sensitive membrane is
It is an ion sensitive membrane that attaches hydrogen ions in solution.
The semiconductor sensor according to claim 1.
前記検出対象となる抗原を付着させる抗体が、前記センシング領域に固定されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体センサ。 In the sensitive membrane,
An antibody that attaches the antigen to be detected is fixed to the sensing region,
The semiconductor sensor according to claim 1.
前記第1、第3の不純物拡散層が、P型であり、
前記第2の不純物拡散層が、N型である、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体センサ。 The semiconductor substrate is P-type;
The first and third impurity diffusion layers are P-type;
The second impurity diffusion layer is N-type;
The semiconductor sensor according to claim 1, wherein the semiconductor sensor is a semiconductor sensor.
前記第1、第3の不純物拡散層が、N型であり、
前記第2の不純物拡散層が、P型である、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体センサ。 The semiconductor substrate is N-type;
The first and third impurity diffusion layers are N-type;
The second impurity diffusion layer is P-type;
The semiconductor sensor according to claim 1, wherein the semiconductor sensor is a semiconductor sensor.
半導体基板内の所定の領域に、ソースとしての不純物拡散層を形成する第1の工程と、
前記不純物拡散層が形成された領域内に、前記不純物拡散層の深さよりも浅い深さで、前記不純物拡散層との間でP/N接合を形成する不純物拡散層を形成する第2の工程と、
前記第2の工程により形成された不純物拡散層の上に、検出対象を付着させるセンシング領域が形成された感応膜を成膜する第3の工程と、
を含む製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor sensor according to claim 1,
A first step of forming an impurity diffusion layer as a source in a predetermined region in the semiconductor substrate;
A second step of forming an impurity diffusion layer that forms a P / N junction with the impurity diffusion layer at a depth shallower than the impurity diffusion layer in a region where the impurity diffusion layer is formed; When,
A third step of forming a sensitive film in which a sensing region for attaching a detection target is formed on the impurity diffusion layer formed by the second step;
Manufacturing method.
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