JP2022142596A - 検出装置及び検出方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、検出精度の向上を図ることができる検出装置及び検出方法を提供することを目的とする。【解決手段】検出装置１は、第一感応部１５Ｈ、第一電荷蓄積部１１Ｈ、第一電位制御部１２Ｈ及び第一電荷流通部１４Ｈを有する高感度検出部１０Ｈと、第一感応部１５Ｈよりも低感度に感応する第二感応部１５Ｌ、第二電荷蓄積部１１Ｌ、第二電位制御部１２Ｌ及び第二電荷流通部１４Ｌを有する低感度検出部１０Ｌと、第一感応部１５Ｈが感応した化学現象に応じて変化した半導体基板１９のＰウェル領域１３３の表面電位と、第二感応部１５Ｌが感応した化学現象に応じて変化した半導体基板１９のＰウェル領域１３３の表面電位との差によって発生する電荷を移送する電荷移送部１３と、電荷移送部１３で移送された電荷の量を検出する電荷量検出部とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の化学現象を電気信号に変換して検出する検出装置及び検出方法に関する。
イオン感応性電界効果トランジスタ（Ｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＳＦＥＴ）は、溶液中のイオン濃度測定やガス濃度測定、ＤＮＡの配列分析などにしばしば使われる。その際、被検液に電位をかけるために、ＩＳＦＥＴと共に参照電極が用いられる。しかしながら、一般的な参照電極である銀／塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極はサイズが非常に大きい。
白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）などが用いられた金属擬似参照電極は、蒸着などの方法で半導体基板上に成膜できるため、サイズを小さくすることができる。しかしながら、このような金属擬似参照電極は、液体に対して電位が不安定であるため、ＩＳＦＥＴの参照電極としては不適であるという問題を有している。
この不安定な電位を解消するために、ＩＳＦＥＴを２つ使用し、差動増幅回路に組み込んだ化学センサが知られている（例えば非特許文献１）。また、ＩＳＦＥＴの検出信号は非常に小さい。このため、この検出信号を検出回路で検出するためには、この検出信号を増幅させる必要がある。アンプノイズを含むことなく信号増幅させる技術として、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ－Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）回路を応用した化学センサが知られている（例えば特許文献１及び２）。
特開平１０－３３２４２３号公報 特開２０１８－１０９６５４号公報
ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ， ＶＯＬ． ３６， ＮＯ． ３， ＭＡＲＣＨ １９８９
しかしながら、従来の技術は、検出精度が十分でないという問題を有している。
本発明の目的は、検出精度の向上を図ることができる検出装置及び検出方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一態様による検出装置は、半導体基板に配置されて測定対象物の化学現象に感応する第一感応部、前記第一感応部に容量的に接続されて電荷を蓄積する第一電荷蓄積部、前記第一電荷蓄積部の電位を制御する第一電位制御部、及び前記第一電荷蓄積部に電荷を流通させる第一電荷流通部を有する第一検出部と、前記半導体基板に配置されて測定対象物の化学現象に前記第一感応部よりも低感度に感応する第二感応部、前記第二感応部に容量的に接続されて電荷を蓄積する第二電荷蓄積部、前記第二電荷蓄積部の電位を制御する第二電位制御部、及び前記第二電荷蓄積部に電荷を流通させる第二電荷流通部を有する第二検出部と、前記第一感応部が感応した前記化学現象に応じて変化して前記第一検出部に容量的に接続されている前記半導体基板の部分の表面電位と、前記第二感応部が感応した前記化学現象に応じて変化して前記第二検出部に容量的に接続されている前記半導体基板の部分の表面電位との差によって発生する電荷を移送する電荷移送部と、前記電荷移送部で移送された電荷の量を検出する電荷量検出部とを備える。
また、上記目的を達成するために、本発明の一態様による検出方法は、半導体基板に配置されて測定対象物の化学現象に感応する感応部、前記感応部に容量的に接続されて電荷を蓄積する電荷蓄積部及び前記電荷蓄積部に電荷を流通させる電荷流通部を備える検出装置の検出方法であって、電界効果トランジスタ型キャパシタを有する前記電荷流通部の閾値電圧を調節して前記電荷蓄積部に蓄積される電荷量を所望の量に調整し、前記電荷蓄積部の前記電荷量を前記所望の量に調整した後に、前記感応部で感応された前記化学現象に応じて前記電荷蓄積部が配置された前記半導体基板の部分の表面電位の変化に基づいて前記測定対象物の検出対象量を検出する。
本発明の一態様によれば、検出精度の向上を図ることができる。
本発明の一実施形態による検出装置の概略構成を示す平面を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態による検出装置の概略構成を説明する図であって図１中に示すＡ－Ａ線で切断した検出装置の断面を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態による検出装置の概略構成を説明する図であって図１中に示すＢ－Ｂ線で切断した検出装置の断面を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態による検出装置の等価回路を示す図である。 本発明の一実施形態による検出装置における閾値電圧の調節について説明する図であって、高感度検出部の閾値電圧及び低感度検出部の閾値電圧の関係を示す図である。 本発明の一実施形態による検出装置の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による検出装置の測定動作時の電荷移送部での電荷の移送を制御するためのタイミングチャートの一例を示す図である。 本発明の一実施形態による検出装置での１回の動作サイクルの一例を説明する図（その１）である。 本発明の一実施形態による検出装置での差動動作を説明する図である。 本発明の一実施形態による検出装置での１回の動作サイクルの一例を説明する図（その２）である。 本発明の一実施形態による検出装置での累積動作サイクルにおける複数回の動作サイクルの一例を説明する図である。
本発明の一実施形態による検出装置について図１から図１１を用いて説明する。以下、本実施形態による検出装置の一例として、Ｐ型を有するウェル領域（以下、「Ｐウェル領域」と略記する）が用いられた検出装置を例にとって説明する。しかしながら、本実施形態による検出装置は、必ずしもＰウェル領域に限定されず、Ｎ型のウェル領域やＰウェル領域及びＮ型のウェル領域が混在した構成を有していてもよい。まず、本実施形態による検出装置１の概略構成について図１から図４を用いて説明する。
＜検出装置の構成＞
図１は、本実施形態による検出装置１の平面を模式的に示す図である。図１では理解を容易にするため、感応部や配線が透過された状態で図示され、さらに絶縁膜を含む一部の構成の図示が省略されている。図２は、図１中に示すＡ－Ａ線で切断した検出装置１の断面であって、電荷移送部１３が形成された領域を切断した断面図である。図３は、図１中に示すＢ－Ｂ線で切断した検出装置１の断面であって、低感度検出部１０Ｌが形成された領域を切断した断面図である。
図１に示すように、検出装置１は、Ｐ型の半導体基板１９と、半導体基板１９に並んで配置された高感度検出部（第一検出部の一例）１０Ｈ及び低感度検出部（第二検出部の一例）１０Ｌを備えている。高感度検出部１０Ｈは、半導体基板１９に配置されて測定対象物８０（図１では不図示、図２及び図３参照）の化学現象に感応する第一感応部１５Ｈを有している。低感度検出部１０Ｌは、半導体基板１９に配置されて測定対象物８０の化学現象に感応する第二感応部１５Ｌを有している。第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌは、化学センサを含む。化学現象に感応する第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌとして、例えばｐＨセンサ、バイオセンサ又はガスセンサなどの化学センサが列挙される。
高感度検出部１０Ｈは、第一感応部１５Ｈに容量的に接続されて電荷を蓄積する第一電荷蓄積部１１Ｈと、第一電荷蓄積部１１Ｈの電位を制御する第一電位制御部１２Ｈと、第一電荷蓄積部１１Ｈに電荷を流通させる第一電荷流通部１４Ｈとを有している。低感度検出部１０Ｌは、第二感応部１５Ｌに容量的に接続されて電荷を蓄積する第二電荷蓄積部１１Ｌと、第二電荷蓄積部１１Ｌの電位を制御する第二電位制御部１２Ｌと、第二電荷蓄積部１１Ｌに電荷を流通させる第二電荷流通部１４Ｌとを有している。
検出装置１は、第一感応部１５Ｈが感応した化学現象に応じて変化して高感度検出部１０Ｈに容量的に接続されている半導体基板１９の部分の表面電位と、第二感応部１５Ｌが感応した化学現象に応じて変化して低感度検出部１０Ｌに容量的に接続されている半導体基板１９の部分の表面電位との差によって発生する電荷を移送する電荷移送部１３を備えている。ここで、「容量的に接続される」とは、導体同士が絶縁性を保ったまま接続された状態をいう。本実施形態の一態様として、導体同士が絶縁膜を介して接続された状態を示しているがこれに限定されるものではない。また、詳細は後述するが、高感度検出部１０Ｈに容量的に接続されている半導体基板１９の部分は、半導体基板１９に形成されたＰウェル領域１３３の一部であって第一電荷蓄積部１１Ｈに対向する部分である。詳細は後述するが、低感度検出部１０Ｌに容量的に接続されている半導体基板１９の部分は、半導体基板１９に形成されたＰウェル領域１３３の一部であって第二電荷蓄積部１１Ｌに対向する部分である。
検出装置１は、電荷移送部１３で移送された電荷の量を検出する電荷量検出部１６を備えている。電荷量検出部１６は、半導体基板１９に形成されたリセットトランジスタＴｒのソースＳ及びドレインＤに接続されている。また、電荷量検出部１６は、ソースフォロワ回路構成を有しているが、図１では、リセットトランジスタＴｒとの接続関係を示すために四角枠によって模式的に図示されている。電荷量検出部１６及びリセットトランジスタＴｒの詳細は後述する。
詳細は後述するが、第一感応部１５Ｈ及び第一電荷蓄積部１１Ｈは、第一感応部１５Ｈに接続されたプラグ６７５Ｈ、プラグ６７５Ｈに電気的に接続された中間配線６７４Ｈなどを有する配線部６７Ｈと、配線部６７Ｈに接続されて第一電位制御部１２Ｈに設けられたＰウェル領域１２１Ｈａ（図１では不図示、図４参照）と、Ｐウェル領域１２１Ｈａに形成された不純物拡散領域１２１Ｈｂとを介して容量的に接続されている。同様に、第二感応部１５Ｌ及び第二電荷蓄積部１１Ｌは、第二感応部１５Ｌに接続されたプラグ６７５Ｌ、プラグ６７５Ｌに電気的に接続された中間配線６７４Ｌなどを有する配線部６７Ｌと、配線部６７Ｌに接続されて第一電位制御部１２Ｈに設けられたＰウェル領域１２１Ｌａ（図１では不図示、図３参照）と、Ｐウェル領域１２１Ｌａに形成された不純物拡散領域１２１Ｌｂとを介して容量的に接続されている。
図１に示すように、電荷移送部１３は、高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌと交差して配置されている。第一電位制御部１２Ｈ、第二電位制御部１２Ｌ及び電荷移送部１３などの各構成要素が形成される半導体基板１９の表面（以下、「素子形成面」と称する場合がある）を直交する方向に見て、第一電位制御部１２Ｈ及び第一電荷流通部１４Ｈは電荷移送部１３を挟んで配置され、第二電位制御部１２Ｌ及び第二電荷流通部１４Ｌは電荷移送部１３を挟んで配置されている。
第一電荷蓄積部１１Ｈの一端部側の領域であって第一電位制御部１２Ｈが設けられた領域に配置される領域は第一領域１１１Ｈａである。第一電荷蓄積部１１Ｈの中央部分の領域であって電荷移送部１３と重なる領域は第二領域１１１Ｈｂである。第一電荷蓄積部１１Ｈの他端部側の領域であって第一電荷流通部１４Ｈが設けられた領域に配置される領域は第三領域１１１Ｈｃである。第二電荷蓄積部１１Ｌの一端部側の領域であって第二電位制御部１２Ｌが設けられた領域に配置される領域は第一領域１１１Ｌａである。第二電荷蓄積部１１Ｌの中央部分の領域であって電荷移送部１３と重なる領域は第二領域１１１Ｌｂである。第二電荷蓄積部１１Ｌの他端部側の領域であって第二電荷流通部１４Ｌが設けられた領域に配置される領域は第三領域１１１Ｌｃである。第一領域１１１Ｈａは、第三領域１１１Ｈｃよりも面積が大きい方形状を有している。また、第一領域１１１Ｌａ及び第二領域１１１Ｌｂは、第三領域１１１Ｌｃよりも面積が大きい方形状を有している。しかしながら、第一領域１１１Ｈａ、第一領域１１１Ｌａ及び第二領域１１１Ｌｂは、方形状に限られず、他の形状を有していてもよい。以下、半導体基板１９の素子形成面を直交する方向に見ることを「平面視」と称する場合がある。
第一電位制御部１２Ｈは、平面視で第一電荷蓄積部１１Ｈの第一領域１１１Ｈａの連続する二辺の周囲に配置されて半導体基板１９に設けられた不純物拡散領域１２１Ｈｂを有している。不純物拡散領域１２１Ｈｂには、配線部６７Ｈが接続されている。これにより、第一感応部１５Ｈで感応された測定対象物の化学現象に応じた電圧が配線部６７Ｈを介して第一電位制御部１２Ｈに印加される。また、第一電荷流通部１４Ｈは、平面視で第一電荷蓄積部１１Ｈの第三領域１１１Ｈｃの両側の一方に配置されたソースＳと、当該両側の他方に配置されたドレインＤと、第三領域Ｈｃ、ソースＳ及びドレインＤの三方に配置されて半導体基板１９に設けられた不純物拡散領域１４１Ｈｂとを有している。第一電荷流通部１４ＨのソースＳ及びドレインＤは、不純物拡散領域１４１Ｈｂに形成されている。詳細は後述するが、第一電荷流通部１４Ｈは、不純物拡散領域１４１Ｈｂによって第一電荷蓄積部１１Ｈとの間で電荷を流通させるようになっている。
第二電位制御部１２Ｌは、平面視で第二電荷蓄積部１１Ｌの第一領域１１１Ｌａの連続する二辺の周囲に配置されて半導体基板１９に設けられた不純物拡散領域１２１Ｌｂを有している。不純物拡散領域１２１Ｌｂには、配線部６７Ｌが接続されている。これにより、第二感応部１５Ｌで感応された測定対象物の化学現象に応じた電圧が配線部６７Ｌを介して第二電位制御部１２Ｌに印加される。また、第二電荷流通部１４Ｌは、平面視で第二電荷蓄積部１１Ｌの第三領域１１１Ｌｃの両側の一方に配置されたソースＳと、当該両側の他方に配置されたドレインＤと、第三領域Ｌｃ、ソースＳ及びドレインＤの三方に配置されて半導体基板１９に設けられた不純物拡散領域１４１Ｌｂとを有している。第二電荷流通部１４ＬのソースＳ及びドレインＤは、不純物拡散領域１４１Ｌｂに形成されている。詳細は後述するが、第二電荷流通部１４Ｌは、不純物拡散領域１４１Ｌｂによって第二電荷蓄積部１１Ｌとの間で電荷を流通させるようになっている。
図１に示すように、電荷移送部１３は、Ｐウェル領域１３３と、Ｐウェル領域１３３に形成された不純物拡散領域１３４と、Ｐウェル領域１３３に対向して配置された対向電極１３１とを有している。不純物拡散領域１３４には、配線部６１が接続されている。Ｐウェル領域１３３と第一電荷蓄積部１１Ｈの第二領域１１Ｈｂとが対向する領域には、第一電荷蓄積部１１Ｈに対応させて設けられた第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈが形成されている。Ｐウェル領域１３３と第二電荷蓄積部１１Ｌの第二領域１１Ｌｂとが対向する領域には、第二電荷蓄積部１１Ｌに対応させて設けられた第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌが形成されている。Ｐウェル領域１３３と対向電極１３１とが対向する領域には、対向電極１３１に対応させて設けられた移送量調節キャパシタＣ１３１が形成されている。第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈ、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌ及び移送量調節キャパシタＣ１３１の詳細は後述する。
また、電荷移送部１３は、Ｐウェル領域１３３に形成されたソースＳ及びドレインＤと、ソースＳ及びドレインＤの間であってＰウェル領域１３３に対向して配置されたゲートＧとを有するリセットトランジスタＴｒを有している。ソースＳには、配線部６３が接続され、ドレインＤには、配線部６５が接続されている。
電荷量検出部１６は、配線部６３，６５を介してリセットトランジスタＴｒのソースＳ及びドレインＤに電気的に接続されている。詳細は後述するが、電荷移送部１３は、第一電荷蓄積部１１Ｈ、第二電荷蓄積部１１Ｌ及び対向電極１３１に印加される電圧に応じて配線部６１から不純物拡散領域１３４に入力される電荷（本実施形態では電子）をソースＳに移送する。第一電荷蓄積部１１Ｈに対向するＰウェル領域１３３の領域には、第一感応部１５Ｈでの検出結果に応じた電荷（本実施形態では電子）が蓄積されている。また、第二電荷蓄積部１１Ｌに対向するＰウェル領域１３３の領域には、第二感応部１５Ｌでの検出結果に応じた電荷（本実施形態では電子）が蓄積されている。
第一感応部１５Ｈは、第二感応部１５Ｌよりも高感度となるように構成されている。このため、第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌには、同一の測定対象物に対して異なる量の電荷が蓄積される。これにより、第一電荷蓄積部１１Ｈに対向するＰウェル領域１３３の表面電位と、第二電荷蓄積部１１Ｌに対向するＰウェル領域１３３の表面電位とが異なる。このため、電荷移送部１３において不純物拡散領域１３４からソースＳに移送される電荷は、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌでの検出結果が反映され、かつ当該検出結果に含まれる電圧ばらつきが相殺された量（詳細は後述する）となる。電荷量検出部１６は、ソースＳに移送されて第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌでの検出結果が反映された電荷の量（以下、「電荷量」と称する場合がある）を検出する。電荷移送部１３は、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌのそれぞれにおける化学現象の感応に対して電荷を複数回、移送する。このように、検出装置１は、１つの測定対象物に対する第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌでの感応に対して電荷の移送を複数回、累積して実行できるように構成された累積型化学センサである。
図１に示すように、検出装置１は、不純物拡散領域１２１Ｈｂ，１２１Ｌｂ、不純物拡散領域１４１Ｈｂ，１４１Ｌｂ、Ｐウェル領域１３３、不純物拡散領域１３４、第一電荷流通部１４Ｈ、第二電荷流通部１４Ｌ及びリセットトランジスタＴｒのそれぞれのソースＳ及びドレインＤの周囲に形成された素子分離層１９６を備えている。第一電位制御部１２Ｈ、第二電位制御部１２Ｌ、電荷移送部１３、第一電荷流通部１４１Ｈ及び第二電荷流通部１４Ｌは、素子分離層１９６によって電気的に分離されている。
図２及び図３に示すように、検出装置１は、Ｐ型の半導体基板１９上にエピタキシャル成長されたＰ型結晶シリコン層１９１を備えている。図２及び図３では、Ｐ型結晶シリコン層が「Ｐ－ｅｐｉ」と表記されている。以下、検出装置１の説明に当たり、半導体基板１９側を「下」とし、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌ側を「上」として表現する場合がある。この「上」及び「下」は、説明の便宜のための規定であり、検出装置１自体の上下を規定していない。
Ｐ型結晶シリコン層１９１は、半導体基板１９と同一の導電型を有し、Ｐウェル領域や不純物拡散領域が形成される領域である。このため、Ｐ型結晶シリコン層１９１は、半導体基板１９上に形成されているものの、半導体基板１９の一部と看做される。
図２に示すように、検出装置１は、Ｐ型結晶シリコン層１９１に形成されてＮ型を有するディープＮウェル領域１９９を備えている。図２及び図３では、ディープＮウェル領域が「Ｄｅｅｐ ＮＷ」と表記されている。電荷移送部１３は、ディープＮウェル領域１９９に形成されたＰウェル領域１３３を有している。図２及び図３では、Ｐウェル領域が「ＰＷ」と表記されている。ディープＮウェル領域１９９は、Ｐウェル領域１３３よりも深い位置でＰウェル領域１３３の下部を囲んで形成されている。ディープＮウェル領域１９９がＰウェル領域１３３の下部を囲んで形成されることにより、検出装置１は、例えば電荷移送部１３が電荷を移送する際にＰウェル領域１３３に印加される電圧に基づいて、半導体基板１９にリーク電流が流れることを防止できる。
図２に示すように、電荷移送部１３は、Ｐウェル領域１３３の所定の箇所に形成されてＮ型を有する不純物拡散領域１３４を有している。また、電荷移送部１３は、Ｐウェル領域１３３の所定の箇所に形成されたソースＳ及びドレインＤを有している。不純物拡散領域１３４及びソースＳは、平面視で第一電荷蓄積部１１Ｈ、第二電荷蓄積部１１Ｌ及び対向電極１３１を挟んで配置されている（図１参照）。
図２及び図３に示すように、検出装置１は、所定形状に形成された絶縁膜１７を有している。絶縁膜１７は、不純物拡散領域１３４、リセットトランジスタＴｒのソースＳ及びドレインＤ（図２参照）、第二電位制御部１２Ｌに設けられた不純物拡散領域１２１Ｌｂ及び第二電荷流通部１４Ｌに設けられた不純物拡散領域１４１Ｌｂ（図３参照）などを開口した形状を有している。絶縁膜１７は、例えば熱酸化で形成された酸化膜であってもよく、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）や酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）などで形成されていてもよい。検出装置１は、熱酸化で形成された絶縁膜１７を備えることにより、第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌでの電荷保持特性の向上を図ることができる。
図２に示すように、電荷移送部１３は、絶縁膜１７上に形成された対向電極１３１を有している。絶縁膜１７は、半導体基板１９上に形成されて所定の形状を有している。対向電極１３１は、例えばポリシリコンで形成されている。対向電極１３１は、絶縁膜１７の一部の領域である第三絶縁部１７２に接触して配置されている。対向電極１３１とＰウェル領域１３３との間に挟まれた第三絶縁部１７２が移送量調節キャパシタＣ１３１の誘電膜として機能する。移送量調節キャパシタＣ１３１は、対向電極１３１と、対向電極１３１に対向するＰウェル領域１３３の対向部分と、第三絶縁部１７２とによって構成される。つまり、対向電極１３１は、移送量調節キャパシタＣ１３１の一方の電極となり、Ｐウェル領域１３３の当該対向部分は、移送量調節キャパシタＣ１３１の他方の電極となる。
第一電荷蓄積部１１Ｈの第二領域１１１ＨｂとＰウェル領域１３３との間に配置された絶縁膜１７の一部が第一絶縁部１７１Ｈｂとなる。第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈは、第二領域１１１Ｈｂと、第二領域１１１Ｈｂに対向するＰウェル領域１３３の対向部分と、第一絶縁部１７１Ｈｂとによって構成される。つまり、第二領域１１１Ｈｂは、第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈの一方の電極となり、Ｐウェル領域１３３の当該対向部分は、第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈの他方の電極となる。また、第一絶縁部１７１Ｈｂは、第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈの誘電膜として機能する。
第二電荷蓄積部１１Ｌの第二領域１１１ＬｂとＰウェル領域１３３との間に配置された絶縁膜１７の一部が第二絶縁部１７１Ｌｂとなる。第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌは、第二領域１１１Ｌｂと、第二領域１１１Ｌｂに対向するＰウェル領域１３３の対向部分と、第二絶縁部１７１Ｌｂとによって構成される。つまり、第二領域１１１Ｌｂは、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌの一方の電極となり、Ｐウェル領域１３３の当該対向部分は、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌの他方の電極となる。また、第二絶縁部１７１Ｌｂは、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌの誘電膜として機能する。
図２に示すように、電荷移送部１３は、絶縁膜１７上に形成されたゲートＧと、平面視でゲートＧの両側に配置されたソースＳ及びドレインＤを有するリセットトランジスタＴｒを有している。ゲートＧは、例えばポリシリコンで形成されている。ソースＳ及びドレインＤはそれぞれ、例えばｎ型の不純物拡散領域で形成されている。絶縁膜１７のうち、ゲートＧと、ゲートＧに対向するＰウェル領域１３３の対向部分との間に挟まれた部分がリセットトランジスタＴｒのゲート絶縁膜１７３となる。
本実施形態では、第一絶縁部１７１Ｈｂ、第二絶縁部１７１Ｌｂ、第三絶縁部１７２及びゲート絶縁膜１７３は、絶縁膜１７の一部であるため、同一の材料で形成されている。また、本実施形態では、第一絶縁部１７１Ｈｂ、第二絶縁部１７１Ｌｂ、第三絶縁部１７２及びゲート絶縁膜１７３は、同一の膜厚を有している。しかしながら、第一絶縁部１７１Ｈｂ、第二絶縁部１７１Ｌｂ、第三絶縁部１７２及びゲート絶縁膜１７３を形成するための材料や膜厚は、同一に限られず、異なっていてもよい。
図２及び図３に示すように、検出装置１は、第一電荷蓄積部１１Ｈ、第二電荷蓄積部１１Ｌ、第一電位制御部１２Ｈ、第二電位制御部１２Ｌ、電荷移送部１３、第一電荷流通部１４Ｈ及び第二電荷流通部１４Ｌを覆って半導体基板１９の上方に形成された層間絶縁膜６０を備えている。層間絶縁膜６０は、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌの下方に形成された下部絶縁領域６０１と、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌの上方に形成された上部絶縁領域６０２とを有している。下部絶縁領域６０１には、導電性材料で形成された配線部６１～６５（図２参照）、配線部６６Ｈ（図４参照）、配線部６６Ｌ（図３参照）、配線部６７Ｈ（図１参照）及び配線部６７Ｌ（図３参照）が埋め込まれて配置されている。上部絶縁領域６０２には、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌの一部を露出する開口部が形成されている。
配線部６１は、不純物拡散領域１３４に電気的に接続して配置されている。配線部６１は、一方の端部が不純物拡散領域１３４に接触して形成されたプラグ６１１と、プラグ６１１の他方の端部に接触して形成された中間配線６１２とを有している。また、配線部６１は、一方の端部が中間配線６１２に接触して形成されたプラグ６１３と、プラグ６１３の他方の端部に接触して形成された中間配線６１４とを有している。中間配線６１４には、下部絶縁領域６０１内に形成された配線（不図示）が接続されている。電荷移送部１３に設けられた不純物拡散領域１３４には、この配線及び配線部６１を介して所定レベルの電圧が印加できるようになっている。
配線部６２は、対向電極１３１に電気的に接続して配置されている。配線部６２は、一方の端部が対向電極１３１に接触して形成されたプラグ６２１と、プラグ６２１の他方の端部に接触して形成された中間配線６２２とを有している。また、配線部６２は、一方の端部が中間配線６２２に接触して形成されたプラグ６２３と、プラグ６２３の他方の端部に接触して形成された中間配線６２４とを有している。中間配線６２４には、下部絶縁領域６０１内に形成された配線（不図示）が接続されている。対向電極１３１、すなわち移送量調節キャパシタＣ１３１には、この配線及び配線部６２を介して所定レベルの電圧が印加できるようになっている。
配線部６３は、リセットトランジスタＴｒのソースＳに電気的に接続して配置されている。配線部６３は、一方の端部がソースＳに接触して形成されたプラグ６３１と、プラグ６３１の他方の端部に接触して形成された中間配線６３２とを有している。また、配線部６３は、一方の端部が中間配線６３２に接触して形成されたプラグ６３３と、プラグ６３３の他方の端部に接触して形成された中間配線６３４とを有している。中間配線６３４には、下部絶縁領域６０１内に形成された配線（不図示）が接続されている。
配線部６４は、リセットトランジスタＴｒのドレインＤに電気的に接続して配置されている。配線部６４は、一方の端部がドレインＤに接触して形成されたプラグ６４１と、プラグ６４１の他方の端部に接触して形成された中間配線６５２とを有している。また、配線部６５は、一方の端部が中間配線６５２に接触して形成されたプラグ６４３と、プラグ６５３の他方の端部に接触して形成された中間配線６５４とを有している。中間配線６５４には、下部絶縁領域６０１内に形成された配線（不図示）が接続されている。
配線部６５は、リセットトランジスタＴｒのゲートＧに電気的に接続して配置されている。配線部６５は、一方の端部がゲートＧに接触して形成されたプラグ６５１と、プラグ６５１の他方の端部に接触して形成された中間配線６５２とを有している。また、配線部６５は、一方の端部が中間配線６５２に接触して形成されたプラグ６５３と、プラグ６５３の他方の端部に接触して形成された中間配線６５４とを有している。中間配線６５４には、下部絶縁領域６０１内に形成された配線（不図示）が接続されている。
リセットトランジスタＴｒのソースＳには、下部絶縁領域６０１内に形成された配線及び配線部６４を介して電荷量検出部１６（図１参照）に接続されている。同様に、リセットトランジスタＴｒのドレインＤには、下部絶縁領域６０１内に形成された配線及び配線部６５を介して電荷量検出部１６に接続されている。電荷量検出部１６は、ドレインＤに所定の電圧レベルの電圧を印加した上で、ソースＳに蓄積された電荷の量を検出するように構成されている。検出装置１は、電荷量検出部１６で検出された電荷量に基づいて、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌに配置された測定対象物の検出対象量（例えばイオン濃度など）を検出するようになっている。このように、リセットトランジスタＴｒのソースＳは、トランジスタのソースの他に、電荷移送部１３が移送した電荷を蓄積するフローティングディフュージョンとしての機能を発揮するようになっている。
また、リセットトランジスタＴｒがリセット動作を実行する場合には、リセットトランジスタＴｒのゲートＧには、下部絶縁領域６０１内に形成された配線及び配線部６５を介してリセットトランジスタＴｒがオン状態となる電圧レベルの電圧が印加される。リセットトランジスタＴｒがオン状態の際にドレインＤに所定の電圧が印加されると、フローティングディフュージョン（すなわちソースＳ）に蓄積されている電荷が電荷量検出部１６に抜ける。これにより、フローティングディフュージョン内の電荷が除去される。
電荷移送部１３は、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌのそれぞれで感応された化学現象に応じて半導体基板１９の表面電位が変化する第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２（複数の変化領域の一例）を有している。電荷移送部１３は、第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２に電荷を供給する電荷供給領域（供給領域の一例）ＡＰＲを有している。また、電荷移送部１３は、第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２から移送された電荷を蓄積する電荷蓄積領域（蓄積領域の一例）ＡＬＲを有している。また、電荷移送部１３は、第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２から電荷蓄積領域ＡＬＲに移送する電荷の量を調節する電荷移送調節領域（移送調節領域の一例）ＴＡＲを有している。電荷量検出部１６は、電荷蓄積領域ＡＬＲに蓄積された電荷の量を検出する。さらに、電荷移送部１３は、電荷蓄積領域ＡＬＲに蓄積された電荷を除去する電荷除去領域（除去領域の一例）ＲＪＲを有している。検出装置１は、電荷蓄積領域ＡＬＲに蓄積された電荷の量を電荷量検出部１６によって検出した後に、電荷除去領域ＲＪＲに設けられたリセットトランジスタＴｒによって電荷蓄積領域ＡＬＲに蓄積された電荷を除去するようになっている。
電荷供給領域ＡＰＲは、不純物拡散領域１３４のうち絶縁膜１７から露出し且つ電流が流れる領域である。第一電位変化領域ＳＦＲ１は、第一電荷蓄積部１１Ｈの第二領域１１１Ｈｂの下方に配置されたＰウェル領域１３３のうちの電流が流れる領域である。第二電位変化領域ＳＦＲ２は、第二電荷蓄積部１１Ｌの第二領域１１１Ｌｂの下方に配置されたＰウェル領域１３３のうちの電流が流れる領域である。電荷移送調節領域ＴＡＲは、対向電極１３１側の第二電荷蓄積部１１Ｌの側壁と、リセットトランジスタＴｒのゲートＧ側の対向電極１３１の側壁との間の下方に配置されたＰウェル領域１３３のうちの電流が流れる領域である。電荷蓄積領域ＡＬＲは、リセットトランジスタＴｒのソースＳのうち絶縁膜１７から露出し且つ電流が流れる領域である。電荷除去領域ＲＪＲは、リセットトランジスタＴｒのゲートＧの下方に配置されたＰウェル領域１３３及びリセットトランジスタＴｒのドレインＤのうちの電流が流れる領域である。電荷供給領域ＡＰＲ、第一電位変化領域ＳＦＲ１、第二電位変化領域ＳＦＲ２、電荷移送調節領域ＴＡＲ、電荷蓄積領域ＡＬＲ及び電荷除去領域ＲＪＲのそれぞれの「電流が流れる領域」は、換言すると電荷の供給に寄与する領域である。
電荷移送部１３は、第一電位変化領域ＳＦＲ１に対応させて第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈを有している。第一電位変化領域ＳＦＲ１は、第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈの他方の電極の一部を構成している。電荷移送部１３は、第二電位変化領域ＳＦＲ２に対応させて第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌを有している。第二電位変化領域ＳＦＲ２は、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌの他方の電極の一部を構成している。電荷移送部１３は、電荷移送調節領域ＴＡＲに対応させて移送量調節キャパシタＣ１３１を有している。電荷移送調節領域ＴＡＲは、移送量調節キャパシタＣ１３１の他方の電極の一部を構成している。
電荷移送部１３は、電荷蓄積領域ＡＬＲに対応させてリセットトランジスタＴｒのソースＳを有している。上述のとおり、電荷量検出部１６は、リセットトランジスタＴｒのソースＳに蓄積された電荷の量を検出する。このため、電荷量検出部１６は、電荷蓄積領域ＡＬＲに蓄積された電荷の量を検出するように構成されている。
詳細は後述するが、検出装置１は、電圧が印加された電荷供給領域ＡＰＲに流入される電荷を第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２に引き込むようになっている。第一電位変化領域ＳＦＲ１は、第一感応部１５Ｈの出力電圧に応じて第一電位変化領域ＳＦＲ１のチャネル部のポテンシャル井戸の電位を変化させる役割をもつ。第二電位変化領域ＳＦＲ２は、第二感応部１５Ｌの出力電圧に応じて第二電位変化領域ＳＦＲ２のチャネル部のポテンシャル井戸の電位を変化させる役割をもつ。第一感応部１５Ｈの出力電圧は、測定対象物の化学現象に第一感応部１５Ｈが感応することに基づいて変化する。同様に、第二感応部１５Ｌの出力電圧は、測定対象物の化学現象に第二感応部１５Ｌが感応することに基づいて変化する。本実施形態では、同一の測定対象物に対し、第一感応部１５Ｈの出力電圧が第二感応部１５Ｌの出力電圧よりも低くなるように、高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌのそれぞれの閾値電圧が調節されている。
このため、電荷供給領域ＡＰＲを調節することで、第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２に流れ込んだ電荷は、第一電位変化領域ＳＦＲ１の表面電位によりすりきられて、第二電位変化領域ＳＦＲ２にのみ電荷が蓄積される。電荷移送調節領域ＴＡＲを調節することで、第二電位変化領域ＳＦＲ２に蓄積された電荷は、電荷蓄積領域ＡＬＲのフローティングディフュージョン部として機能するリセットトランジスタＴｒのソースＳに蓄積される。検出装置１は、電荷量検出部１６によってソースＳに蓄積された電荷を検出する。検出装置１は、リセットトランジスタＴｒのソースＳに蓄積された電荷を検出した後に、リセットトランジスタＴｒのゲート電圧を調整することで、ソースＳに蓄積された電荷を排出してリセットする。
ここで、電荷移送部１３の延在する方向に交差する方向に高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌを切断した切断面の断面構成について図３を用いて具体的に説明する。高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌは、同様の当該断面構成を有している。このため、高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌの当該断面構成に関し、図１に示すＢ－Ｂ線で切断した低感度検出部１０Ｌの断面構成を例にとって説明する。
図３に示すように、低感度検出部１０Ｌは、Ｐ型結晶シリコン層１９１に形成されてＮ型を有するディープＮウェル領域１９７Ｌ，１９８Ｌを備えている。第二電位制御部１２Ｌは、ディープＮウェル領域１９７Ｌに形成されたＰウェル領域１２１Ｌａを有している。ディープＮウェル領域１９７Ｌは、Ｐウェル領域１２１Ｌａよりも深い位置でＰウェル領域１２１Ｌａの下部を囲んで形成されている。
第二電荷流通部１４Ｌは、ディープＮウェル領域１９８Ｌに形成されたＰウェル領域１４１Ｌａを有している。ディープＮウェル領域１９８Ｌは、Ｐウェル領域１４１Ｌａよりも深い位置でＰウェル領域１４１Ｌａの下部を囲んで形成されている。
ディープＮウェル領域１９７ＬがＰウェル領域１２１Ｌａの下部を囲んで形成され、ディープＮウェル領域１９８ＬがＰウェル領域１４１Ｌａの下部を囲んで形成されている。これにより、低感度検出部１０Ｌは例えば、第二電荷蓄積部１１Ｌに電荷を注入又は第二電荷蓄積部１１Ｌから電荷を放出する際にＰウェル領域１２１Ｌａ，１４１Ｌａに印加される電圧に基づいて、半導体基板１９にリーク電流が流れることを防止できる。
Ｐウェル領域１２１ＬａとＰウェル領域１４１Ｌａとの間には、Ｐウェル領域１３３が形成されている。Ｐウェル領域１２１Ｌａの上部及びＰウェル領域１４１Ｌａの上部と、Ｐウェル領域１３３の上部との間には、素子分離層１９６が形成されている。検出装置１は、素子分離層１９６の下方であってＰウェル領域１２１Ｌａの側壁の下部の周囲に形成されてＮ型を有するウェル領域（以下、「Ｎウェル領域」と略記する）１９３Ｌを備えている。低感度検出部１０Ｌは、素子分離層１９６の下方であってＰウェル領域１４１Ｌａの側壁の下部の周囲に形成されたＮウェル領域１９３Ｌを備えている。低感度検出部１０Ｌは、素子分離層１９６の下方であってＰウェル領域１３３の側壁の下部の周囲に形成されたＮウェル領域１９５Ｌを備えている。
低感度検出部１０Ｌは、Ｎウェル領域１９５Ｌを囲んで形成されたＰウェル領域１９４Ｌを有している。Ｐウェル領域１９４Ｌは、Ｐウェル領域１２１Ｌａ及びＰウェル領域１３３の間において、Ｎウェル領域１９３Ｌ及びＮウェル領域１９５Ｌの間に配置されている。Ｐウェル領域１９４Ｌは、Ｐウェル領域１４１Ｌａ及びＰウェル領域１３３の間において、Ｎウェル領域１９３Ｌ及びＮウェル領域１９５Ｌの間に配置されている。このように、Ｐウェル領域１２１Ｌａ及びＰウェル領域１３３の間には、素子分離層１９６及びＮウェル領域１９３Ｌ，１９５Ｌが配置されている。これにより、低感度検出部１０Ｌは、Ｐウェル領域１２１Ｌａ及びＰウェル領域１３３が直接接触することを防止するようになっている。また、Ｐウェル領域１４１Ｌａ及びＰウェル領域１３３の間には、素子分離層１９６及びＮウェル領域１９３Ｌ，１９５Ｌが配置されている。これにより、低感度検出部１０Ｌは、Ｐウェル領域１４１Ｌａ及びＰウェル領域１３３が直接接触することを防止するようになっている。
Ｐウェル領域１２１Ｌａは、Ｎウェル領域１９３Ｌ及びディープＮウェル領域１９７ＬによってＰ型結晶シリコン層１９１と分離されている。Ｐウェル領域１４１Ｌａは、Ｎウェル領域１９３Ｌ及びディープＮウェル領域１９８ＬによってＰ型結晶シリコン層１９１と分離されている。Ｐウェル領域１３３は、Ｎウェル領域１９５Ｌ及びディープＮウェル領域１９９ＬによってＰ型結晶シリコン層１９１と分離されている。
図３に示すように、第二電位制御部１２Ｌは、Ｐウェル領域１２１Ｌａの所定の箇所に形成されてＰ型を有する不純物拡散領域１２１Ｌｂを有している。Ｐウェル領域１２１Ｌａ及び不純物拡散領域１２１Ｌｂは、半導体基板１９に形成された部分である。このため、第二電位制御部１２Ｌは、半導体基板１９に形成された部分を少なくとも有している。図示は省略するが、第一電位制御部１２Ｈは、Ｐウェル領域１２１Ｌａと同様の構成のＰウェル領域１２１Ｈａ（図４参照）と、Ｐウェル領域１２１Ｈａの所定の箇所に形成されてＰ側を有する不純物拡散領域１２１Ｈｂ（図１参照）を有している。このため、第一電位制御部１２Ｈは、半導体基板１９に形成された部分を少なくとも有している。
第二電位制御部１２Ｌは、第二電荷蓄積部１１Ｌの第一領域１１１Ｌａと、第一領域１１１Ｌａに対向するＰウェル領域１２１Ｌａの対向部分と、第一領域１１１Ｌａ及び当該対向部分に挟まれた絶縁膜１７の一部である制御絶縁膜１７１Ｌａとによって構成された第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌを有している。第一領域１１１Ｌａは第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌの一方の電極となり、Ｐウェル領域１２１Ｌａの当該対向部分は第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌの他方の電極となり、制御絶縁膜１７１Ｌａは第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌの誘電膜となる。
図２及び図３に示すように、第二電荷蓄積部１１Ｌは、絶縁膜１７に接触されて形成されている。絶縁膜１７に接触していない第二電荷蓄積部１１Ｌの外表面は、層間絶縁膜６０の下部絶縁領域６０１に接触している。すなわち、第二電荷蓄積部１１Ｌの外表面は、絶縁体によって囲まれている。これにより、第二電荷蓄積部１１Ｌは、第一電位制御部１２Ｈ、第二電位制御部１２Ｌ、電荷移送部１３、第一電荷流通部１４Ｈ及び第二電荷流通部１４Ｌに対して電気的なフローティング状態となるように配置されている。
図２に示すように、第一電荷蓄積部１１Ｈは、絶縁膜１７に接触されて形成されている。絶縁膜１７に接触していない第一電荷蓄積部１１Ｈの外表面は、層間絶縁膜６０の下部絶縁領域６０１に接触している。すなわち、第一電荷蓄積部１１Ｈの外表面は、絶縁体によって囲まれている。これにより、第一電荷蓄積部１１Ｈは、第一電位制御部１２Ｈ、第二電位制御部１２Ｌ、電荷移送部１３、第一電荷流通部１４Ｈ及び第二電荷流通部１４Ｌに対して電気的なフローティング状態となるように配置されている。
第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌはそれぞれ、例えばポリシリコンで形成されている。第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌはそれぞれ、少なくとも一部に電荷（本実施形態では電子）を保持するように構成されている。すなわち、第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌはそれぞれ、全体に電荷を蓄積するように構成されていてもよく、一部に電荷を蓄積するように構成されていてもよい。第一電荷蓄積部１１Ｈは、第一電荷流通部１４Ｈに設けられたＰウェル領域１４１Ｈａ（図４参照）を介して注入される電荷を保持するように構成されている。第二電荷蓄積部１１Ｌは、第二電荷流通部１４Ｌに設けられたＰウェル領域１４１Ｌａ（図３参照）を介して注入される電荷を保持するように構成されている。
図３に示すように、第二電荷蓄積部１１Ｌは、Ｐウェル領域１２１Ｌａ及びＰウェル領域１４１Ｌａに亘って絶縁膜１７上に形成されている。絶縁膜１７は、不純物拡散領域１２１Ｌｂ，１４１Ｌｂを開口し、且つＰウェル領域１２１Ｌａ，１４１Ｌａを覆う形状を有している。
第二電荷流通部１４Ｌは、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌを有している。図１に示すように、第二電荷流通部１４Ｌは、平面視で第二電荷蓄積部１１Ｌの第三領域１１１Ｌｃの両側の一方に配置されたソースＳと、当該両側の他方に配置されたドレインＤとを有している。第二電荷流通部１４Ｌに設けられたソースＳ及びドレインＤは、Ｐウェル領域１４１Ｌａに形成されている。第二電荷蓄積部１１Ｌの第三領域１１１Ｌｃは、絶縁膜１７の一部を挟んでＰウェル領域１４１Ｌａと対向して配置されている。詳細は後述するが、絶縁膜１７の当該一部は、第二電荷流通部１４Ｌ及び第二電荷蓄積部１１Ｌとの間で電荷を流通させる際に、電荷を通過させるトンネル絶縁膜１７１Ｌｃとなる。トンネル絶縁膜１７１Ｌｃは、第三領域１１１ＬｃとＰウェル領域１４１Ｌａに接触して形成されている。つまり、第二電荷流通部１４Ｌは、半導体基板１９及び第三領域１１１Ｌｃ（第二電荷蓄積部１１Ｌの一部の一例）に挟まれ且つ接触して形成されたトンネル絶縁膜１７１Ｌｃ（第二絶縁膜の一例）を有している。
このように、第二電荷流通部１４Ｌは、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃと、ソースＳと、ドレインＤと、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃを挟んでＰウェル領域１４１Ｌａに対向して配置され、平面視でソースＳ及びドレインＤに間に配置された第三領域１１１Ｌｃとを有している。第二電荷蓄積部１１Ｌには、第二電位制御部１２Ｌを介して電圧を印加することができる。このため、第三領域１１１Ｌｃにも第二電位制御部１２Ｌを介して電圧を印加することができる。したがって、第三領域１１１Ｌｃはゲート電極として機能することができ、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃはゲート絶縁膜として機能することができる。このように、第二電荷流通部１４Ｌは、ソースＳ、ドレインＤ、ゲート電極としての第三領域１１１Ｌｃ及びゲート絶縁膜としてのトンネル絶縁膜１７１Ｌｃを有しているため、電界効果型トランジスタの構造を有している。
また、第二電荷流通部１４Ｌは、第三領域１１１Ｌｃと、第三領域１１１Ｌｃに対向するＰウェル領域１４１Ｌａの対向部分と、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃとによってキャパシタの構造を有している。より具体的には、第三領域１１１Ｌｃは当該キャパシタの一方の電極となり、Ｐウェル領域１４１Ｌａの当該対向部分は当該キャパシタの他方の電極となり、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃは当該キャパシタの誘電膜となる。このように、第二電荷流通部１４Ｌは、電界効果トランジスタとキャパシタの両方の構造を兼ね備えた電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌを有する。詳細は後述するが、第二電荷流通部１４Ｌは、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧の調節動作時には電界効果トランジスタとして機能し、測定対象物の検出対象量（例えば水素イオン濃度）の検出動作時にはキャパシタとして機能する。
図３に示すように、第二電荷流通部１４Ｌは、Ｐウェル領域１４１Ｌａの所定の箇所に形成されてＰ型を有する不純物拡散領域１４１Ｌｂを有している。不純物拡散領域１４１Ｌｂには、配線部６６Ｌ（詳細は後述する）が接続されている。このため、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌには、配線部６６Ｌ及び不純物拡散領域１４１Ｌｂを介してＰウェル領域１４１Ｌａに所定の電圧が印加される。
詳細な説明は省略するが、第一電荷流通部１４Ｈも第二電荷流通部１４Ｌと同様の構成を有している。すなわち、第一電荷流通部１４Ｈは、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈ（図４参照）を有している。
トンネル絶縁膜１７１Ｌｃは、所定電圧の印加に伴って電荷が流通可能な膜厚に形成されている。トンネル絶縁膜１７１Ｌｃは、Ｐウェル領域１４１Ｌａ上に配置されている。トンネル絶縁膜１７１Ｌｃは、膜厚が６ｎｍ以上１５ｎｍ未満（例えば１２ｎｍ）の領域を少なくとも一部に有している。本実施形態では、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃは、例えば膜厚が６ｎｍ以上１５ｎｍ未満の領域を全体に有している。トンネル絶縁膜１７１Ｌｃは、６ｎｍ以上１５ｎｍ未満の範囲内の膜厚を全体に有し、表面に凹凸形状を有していてもよい。また、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃは、例えば６ｎｍ以上１５ｎｍ未満の範囲内で一定の膜厚（例えば６ｎｍで一定の膜厚）を有し、表面に平坦な形状を有していてもよい。トンネル絶縁膜１７１Ｌｃが６ｎｍより薄い膜厚を有していると、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃにおいてダイレクトトンネリングが発生しやすく、第二電荷蓄積部１１Ｌの電荷保持特性（リテンション特性）が悪化する。一方、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃが１５ｎｍより厚い膜厚を有していると、第二電荷蓄積部１１Ｌへの電荷の注入及び第二電荷蓄積部１１Ｌからの電荷の放出が低速になる。したがって、低感度検出部１０Ｌは、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃが６ｎｍ以上１５ｎｍ未満の膜厚の領域を全体に有していることにより、電荷保持特性の向上と、第二電荷蓄積部１１ＬとＰウェル領域１４１Ｌａとの間の電荷の注入速度及び放出速度の向上とを図ることができる。
第二電荷蓄積部１１Ｌと第二電位制御部１２Ｌとの間には第二絶縁部１７１Ｌｂが存在し、第二電位制御部１２Ｌと第二電荷流通部１４Ｌとの間にはトンネル絶縁膜１７１Ｌｃが存在している。このため、第二電荷流通部１４Ｌから第二電荷蓄積部１１Ｌに注入された電荷は、第二電荷蓄積部１１Ｌ内に閉じ込められる。第二電荷蓄積部１１Ｌに閉じ込められる電荷量を調整することで、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧を任意の値に調整することができる。すなわち、第二電荷蓄積部１１Ｌに閉じ込められる電荷量を調整することで、電荷移送部１３の電荷移送量を任意の値に調節することができる。
低感度検出部１０Ｌの閾値電圧は、より具体的には、電荷移送部１３に設けられた第二電位変化領域ＳＦＲ２の閾値電圧である。第二電位変化領域ＳＦＲ２の閾値電圧は、第二感応部１５Ｌが検出対象物から検出した検出対象の量（本例では水素イオン濃度）に基づく電圧が印加されていない状態での電圧である。換言すると、第二電位変化領域ＳＦＲ２の閾値電圧は、当該検出対象の量に基づく電圧が印加されていない状態での第二電位変化領域ＳＦＲ２のチャネル部分のポテンシャル井戸（詳細は後述する）の深さに相当する。
本実施形態では、制御絶縁膜１７１Ｌａ、第二絶縁部１７１Ｌｂ及びトンネル絶縁膜１７１Ｌｃは、絶縁膜１７の一部であるため、同一の材料で形成されている。しかしながら、制御絶縁膜１７１Ｌａ、第二絶縁部１７１Ｌｂ及びトンネル絶縁膜１７１Ｌｃを形成するための材料は、同一に限られず、異なっていてもよい。
制御絶縁膜１７１Ｌａ及び第二絶縁部１７１Ｌｂは、例えば６ｎｍ以上１５ｎｍ未満（例えば１２ｎｍ）の膜厚を有している。制御絶縁膜１７１Ｌａ及び第二絶縁部１７１Ｌｂは、例えばトンネル絶縁膜１７１Ｌｃと同じ膜厚を有している。制御絶縁膜１７１Ｌａ及び第二絶縁部１７１Ｌｂは、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃと同じ膜厚を有しているが、制御絶縁膜１７１Ｌａ及び第二絶縁部１７１Ｌｂには電荷が通過できるだけの電圧が印加されない。このため、低感度検出部１０Ｌは、第二電荷流通部１４ＬにおけるＰウェル領域１４１Ｌａ以外での第二電荷蓄積部１１ＬとＰウェル領域との間における電荷の流通を防止して第二電荷蓄積部１１Ｌの電荷保持特性の向上を図ることができる。
図３に示すように、層間絶縁膜６０の下部絶縁領域６０１に埋め込まれて形成された配線部６７Ｌは、第二電位制御部１２Ｌと第二感応部１５Ｌとを接続して配置されている。配線部６７Ｌは、不純物拡散領域１２１Ｌｂ及び第二感応部１５Ｌに設けられた導電部１５１Ｌ（詳細は後述する）に電気的に接続して配置されている。配線部６７Ｌは、一方の端部が不純物拡散領域１２１Ｌｂに接触して形成されたプラグ６７１Ｌと、プラグ６７１Ｌの他方の端部に接触して形成された中間配線６７２Ｌとを有している。また、配線部６７Ｌは、一方の端部が中間配線６７２Ｌに接触して形成されたプラグ６７３Ｌと、プラグ６７３Ｌの他方の端部に接触して形成された中間配線６７４Ｌとを有している。配線部６７Ｌは、一方の端部が中間配線６７４Ｌに接触して形成されたプラグ６７５Ｌを有している。プラグ６７５Ｌの他方の端部は、第二感応部１５Ｌに設けられた導電部１５１Ｌに接続されている。
層間絶縁膜６０の下部絶縁領域６０１に埋め込まれて形成された配線部６６Ｌは、第二電荷流通部１４Ｌに設けられた不純物拡散領域１４１Ｌｂに電気的に接続して配置されている。配線部６６Ｌは、一方の端部が不純物拡散領域１４１Ｌｂに接触して形成されたプラグ６６１Ｌと、プラグ６６１Ｌの他方の端部に接触して形成された中間配線６６２Ｌとを有している。また、配線部６６Ｌは、一方の端部が中間配線６６２Ｌに接触して形成されたプラグ６６３Ｌと、プラグ６６３Ｌの他方の端部に接触して形成された中間配線６６４Ｌとを有している。中間配線６６４Ｌには、下部絶縁領域６０１内に形成された配線（不図示）が接続されている。第二電荷流通部１４Ｌに設けられた不純物拡散領域１４１Ｌｂには、この配線及び配線部６６Ｌを介して所定レベルの電圧が印加できるようになっている。
詳細は後述するが、第二電位制御部１２Ｌは、配線部６７Ｌから印加される電圧を用いて第二電荷蓄積部１１Ｌの電位を制御する。当該電圧は、不純物拡散領域１２１Ｌｂ及びＰウェル領域１２１Ｌａから第二電荷蓄積部１１Ｌに印加される。不純物拡散領域１２１Ｌｂに印加された電圧がＰウェル領域１２１Ｌａに効率よく伝わるように、Ｐウェル領域１２１Ｌａ及び不純物拡散領域１２１Ｌｂは、互いに同一の導電性を有している。これにより、低感度検出部１０Ｌは、配線部６７Ｌから印加される電圧をＰウェル領域１２１Ｌａから効率よく第二電荷蓄積部１１Ｌに印加できる。
高感度検出部１０Ｈは、低感度検出部１０Ｌと同様の構成を有している。このため、高感度検出部１０Ｈに設けられた第一電荷流通部１４Ｈは、低感度検出部１０Ｌに設けられた第二電荷流通部１４Ｌと同様に、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈ（図４参照）を有している。
図１に示すように、第一電荷流通部１４Ｈは、平面視で第一電荷蓄積部１１Ｈの第三領域１１１Ｈｃの両側の一方に配置されたソースＳと、当該両側の他方に配置されたドレインＤとを有している。第一電荷流通部１４Ｈに設けられたソースＳ及びドレインＤは、Ｐウェル領域１４１Ｈａ（図４参照）に形成されている。第一電荷蓄積部１１Ｈの第三領域１１１Ｈｃは、絶縁膜１７の一部を挟んでＰウェル領域１４１Ｈａと対向して配置されている。詳細は後述するが、絶縁膜１７の当該一部は、第一電荷流通部１４Ｈ及び第一電荷蓄積部１１Ｈとの間で電荷を流通させる際に、電荷を通過させるトンネル絶縁膜１７１Ｈｃ（図４参照）となる。トンネル絶縁膜１７１Ｈｃは、第三領域１１１ＨｃとＰウェル領域１４１Ｈａに接触して形成されている。つまり、第一電荷流通部１４Ｈは、半導体基板１９及び第三領域１１１Ｈｃ（第一電荷蓄積部１１Ｈの一部の一例）に挟まれ且つ接触して形成されたトンネル絶縁膜１７１Ｈｃ（第一絶縁膜の一例）を有している。
このように、第一電荷流通部１４Ｈは、トンネル絶縁膜１７１Ｈｃと、ソースＳと、ドレインＤと、トンネル絶縁膜１７１Ｈｃを挟んでＰウェル領域１４１Ｈａに対向して配置され、平面視でソースＳ及びドレインＤに間に配置された第三領域１１１Ｈｃとを有している。第一電荷蓄積部１１Ｈには、第一電位制御部１２Ｈを介して電圧を印加することができる。このため、第三領域１１１Ｈｃにも第一電位制御部１２Ｈを介して電圧を印加することができる。したがって、第三領域１１１Ｈｃはゲート電極として機能することができ、トンネル絶縁膜１７１Ｈｃはゲート絶縁膜として機能することができる。このように、第一電荷流通部１４Ｈは、ソースＳ、ドレインＤ、ゲート電極としての第三領域１１１Ｈｃ及びゲート絶縁膜としてのトンネル絶縁膜１７１Ｈｃを有しているため、電界効果型トランジスタの構造を有している。
また、第一電荷流通部１４Ｈは、第三領域１１１Ｈｃと、第三領域１１１Ｈｃに対向するＰウェル領域１４１Ｈａの対向部分と、トンネル絶縁膜１７１Ｈｃとによってキャパシタの構造を有している。より具体的には、第三領域１１１Ｈｃは当該キャパシタの一方の電極となり、Ｐウェル領域１４１Ｈａの当該対向部分は当該キャパシタの他方の電極となり、トンネル絶縁膜１７１Ｈｃは当該キャパシタの誘電膜となる。このように、第一電荷流通部１４Ｈは、電界効果トランジスタとキャパシタの両方の構造を兼ね備えた電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈを有する。
トンネル絶縁膜１７１Ｈｃは、所定電圧の印加に伴って電荷が流通可能な膜厚に形成されている。トンネル絶縁膜１７１Ｈｃは、Ｐウェル領域１４１Ｈａ上に配置されている。トンネル絶縁膜１７１Ｈｃは、膜厚が６ｎｍ以上１５ｎｍ未満の領域を少なくとも一部に有している。本実施形態では、トンネル絶縁膜１７１Ｈｃは、例えば膜厚が６ｎｍ以上１５ｎｍ未満の領域を全体に有している。トンネル絶縁膜１７１Ｈｃは、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃと同様の形状を有していてもよい。これにより、高感度検出部１０Ｈは、電荷保持特性の向上と、第一電荷蓄積部１１ＨとＰウェル領域１４１Ｈａとの間の電荷の注入速度及び放出速度の向上とを図ることができる。
図２及び図３に示すように、層間絶縁膜６０は、半導体基板１９上に形成された第一電荷蓄積部１１Ｈ、第二電荷蓄積部１１Ｌ、第一電位制御部１２Ｈ、第二電位制御部１２Ｌ、電荷移送部１３、第一電荷流通部１４Ｈ及び第二電荷流通部１４Ｌの各構成要素、当該構成要素が形成された半導体基板１９の表面（すなわち素子形成面）を覆って形成されている。これにより、半導体基板１９上に形成された第一電荷蓄積部１１Ｈ、第二電荷蓄積部１１Ｌ、第一電位制御部１２Ｈ、第二電位制御部１２Ｌ、電荷移送部１３、第一電荷流通部１４Ｈ及び第二電荷流通部１４Ｌの各構成要素並びに半導体基板１９の素子形成面などを保護する保護膜としての機能を発揮する。
図２及び図３に示すように、低感度検出部１０Ｌに備えられた第二感応部１５Ｌは、第二電荷蓄積部１１Ｌ及び電荷移送部１３の上方に配置されている。第二感応部１５Ｌは、第二電位制御部１２Ｌに電気的に接続された導電部１５１Ｌと、導電部１５１Ｌの一方の面側に形成されて測定対象物が接触される感応膜１５２Ｌとを有している。感応膜１５２Ｌの一部は、層間絶縁膜６０の上部絶縁領域６０２から露出されている。これにより、低感度検出部１０Ｌは、感応膜１５２Ｌに直接接触させた状態で測定対象物８０を保持することができる。
図２及び図３では図示が省略されているが、高感度検出部１０Ｈに備えられた第一感応部１５Ｈ（図１参照）は、第一電荷蓄積部１１Ｈ及び電荷移送部１３の上方に配置されている。第一感応部１５Ｈは、第一電位制御部１２Ｈに電気的に接続された導電部１５１Ｈ（図４参照）と、導電部１５１Ｈの一方の面側に形成されて測定対象物が接触される感応膜１５２Ｈ（図４参照）とを有している。感応膜１５２Ｈの一部は、層間絶縁膜６０の上部絶縁領域６０２から露出されている。これにより、高感度検出部１０Ｈは、感応膜１５２Ｈに直接接触させた状態で測定対象物８０を保持することができる。
第一感応部１５Ｈは、第二感応部１５Ｌよりも高感度に形成されている。例えば、感応膜１５２Ｈ及び感応膜１５２Ｌを形成する材料自体を異ならせたり材料の組成比を異ならせたりすることによって第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌの互いの感度が異ならされている。本実施形態では、第一感応部１５Ｈに設けられた感応膜１５２Ｈは、例えばＴａ２Ｏ５で形成され、第二感応部１５Ｌに設けられた感応膜１５２Ｌは、例えばＡｌ２Ｏ３で形成されている。感応膜１５２Ｈ及び感応膜１５２Ｌは、これらの材料に限られず、測定対象物に対する感度が異なれば、絶縁感応膜や有機感応膜、抗体膜など、化学的な量に感応して、電位が変化する膜であればいかなる膜であってもよい。
検出装置１は、感応膜１５２Ｌに接触させた状態で保持する測定対象物８０に接触させて参照電圧が印加される金属擬似参照電極８１を備えている。金属擬似参照電極８１は、例えば白金又は金で形成されている。
第一感応部１５Ｈ、第二感応部１５Ｌ及び金属擬似参照電極８１は、測定対象物８０に同時に浸漬可能に設けられている。このため、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌには、金属擬似参照電極８１から被検試料を介して同じ参照電圧が印加される。測定対象物８０の測定範囲内において、電荷移送部１３の第一電位変化領域ＳＦＲ１での表面電位が電荷移送部１３の第二電位変化領域ＳＦＲ２での表面電位よりも常に低くなるように、第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌのそれぞれに蓄積される電荷量が調整されている。これにより、測定対象物８０の測定範囲内において、第一電位変化領域ＳＦＲ１での表面電位は、測定対象物８０の検出対象物（例えば水素イオン濃度）が反映され、且つ当該検出対象物が反映された第二電位変化領域ＳＦＲ２での表面電位よりも常に低くなる。
感応膜１５２Ｈ及び感応膜１５２Ｌによる分析対象は限定されない。検出装置１が例えば水素イオン濃度を測定する場合、感応膜１５２Ｈ及び感応膜１５２Ｌを形成するための材料は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化錫又は二酸化ケイ素などが適しているが、これに限定されない。
図１に示すように、高感度検出部１０Ｈは、第一電荷蓄積部１１Ｈへの電圧の印加を遮断する第一遮断部１８Ｈを有している。第一遮断部１８Ｈは、スイッチである。第一遮断部１８Ｈは、例えばＭＯＳトランジスタで構成されている。高感度検出部１０Ｈは、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧を調節する際に第一電荷蓄積部１１Ｈに印加される電圧が入力される第一入力端子８２Ｈを有している。第一遮断部１８Ｈは、配線部６７Ｈの中間配線６７４Ｈと第一入力端子８２Ｈとの間に接続されている。
低感度検出部１０Ｌは、第二電荷蓄積部１１Ｌへの電圧の印加を遮断する第二遮断部１８Ｌを有している。第二遮断部１８Ｌは、スイッチである。第二遮断部１８Ｌは、例えばＭＯＳトランジスタで構成されている。低感度検出部１０Ｌは、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧を調節する際に第二電荷蓄積部１１Ｌに印加される電圧が入力される第二入力端子８２Ｌを有している。第二遮断部１８Ｌは、配線部６７Ｌの中間配線６７４Ｌと第二入力端子８２Ｌとの間に接続されている。
このため、検出装置１は、金属擬似参照電極８１から電圧を印加しなくても、第一遮断部１８Ｈを導通状態とすることにより、第一入力端子８２Ｈから入力される電圧を第一遮断部１８Ｈ及び配線部６７Ｈを介して第一電位制御部１２Ｈに設けられた不純物拡散領域１２１Ｌｂに印加できる。これにより、第一電位制御部１２Ｈは、第一感応部１５Ｈに配置された化学物質を介さずに第一電荷蓄積部１１Ｈの電位を制御できる。また、検出装置１は、金属擬似参照電極８１から電圧を印加しなくても、第二遮断部１８Ｌを導通状態とすることにより、第二入力端子８２Ｌから入力される電圧を第二遮断部１８Ｌ及び配線部６７Ｈを介して第二電位制御部１２Ｌに設けられた不純物拡散領域１２１Ｌｂに印加できる。これにより、第二電位制御部１２Ｌは、第二感応部１５Ｌに配置された化学物質を介さずに第二電荷蓄積部１１Ｌの電位を制御できる。
このため、検出装置１は、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌに配置された測定対象物８０の検出対象物を検出する場合には、第一遮断部１８Ｈ及び第二遮断部１８Ｌを非導通状態にした上で、金属擬似参照電極８１から測定対象物８０に電圧を印加する。これにより、検出装置１は、測定対象物８０の検出対象物を検出することができる。一方、検出装置１は、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧を調節する場合には、第一遮断部１８Ｈを導通状態にした上で第一入力端子８２Ｈから電圧を印加する。また、検出装置１は、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧を調節する場合には、第二遮断部１８Ｌを導通状態にした上で第二入力端子８２Ｌから電圧を印加する。これにより、検出装置１は、測定対象物８０に対する金属擬似参照電極８１の電位の不安定性の影響を受けずに、高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌの閾値電圧を調節できる。
本実施形態では、電荷移送部１３の上方において第二感応部１５Ｌに設けられた導電部１５１Ｌと配線部６７Ｌとが接続され、半導体基板１９の周縁部において配線部６７Ｌと第二電位制御部１２Ｌに設けられた不純物拡散領域１２１Ｌｂとが接続されている。第二感応部１５Ｌは、配線部６７Ｌによって不純物拡散領域１２１Ｌｂに電気的に接続されている。不純物拡散領域１２１Ｌｂは、導電型が同一のＰウェル領域１２１Ｌａに形成されているので、Ｐウェル領域１２１Ｌａと接続されている。Ｐウェル領域１２１Ｌａは、絶縁膜１７の一部である制御絶縁膜１７１Ｌａを挟んで第二電荷蓄積部１１Ｌの第一領域１１１Ｌａと対向して配置されている。このため、Ｐウェル領域１２１Ｌａは、第二電荷蓄積部１１Ｌと容量的に接続されているので、第二電荷蓄積部１１Ｌは、第二感応部１５Ｌに容量的に接続される。
また、本実施形態では、電荷移送部１３の上方において第一感応部１５Ｈに設けられた導電部１５１Ｈと配線部６７Ｈとが接続され、半導体基板１９の周縁部において配線部６７Ｈと第一電位制御部１２Ｈに設けられた不純物拡散領域１２１Ｈｂとが接続されている。第一感応部１５Ｈは、配線部６７Ｈによって不純物拡散領域１２１Ｈｂに電気的に接続されている。不純物拡散領域１２１Ｈｂは、導電型が同一のＰウェル領域１２１Ｈａに形成されているので、Ｐウェル領域１２１Ｈａと接続されている。Ｐウェル領域１２１Ｈａは、絶縁膜１７の一部である制御絶縁膜１７１Ｈａを挟んで第一電荷蓄積部１１Ｈの第一領域１１１Ｈａと対向して配置されている。このため、Ｐウェル領域１２１Ｈａは、第一電荷蓄積部１１Ｈと容量的に接続されているので、第一電荷蓄積部１１Ｈは、第一感応部１５Ｈに容量的に接続される。
図１から図３では、１つの検出装置１が図示されているが、本実施形態では、複数個の検出装置１が１つの半導体基板１９に集積して形成されてもよい。また、図示は省略するが、電荷量検出部１６、第一遮断部１８Ｈ、第二遮断部１８Ｌ、第一入力端子８２Ｈ及び第二入力端子８２Ｌは、高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌが配置された場所から離れて半導体基板１９に形成されている。
（検出装置の等価回路）
次に、本実施形態による検出装置１の等価回路について電荷量検出部１６の回路構成を含めて図４を用いて説明する。
上述のとおり、第一感応部１５Ｈ、第二感応部１５Ｌ及び金属擬似参照電極８１は、測定対象物８０に同時に浸漬可能に設けられている。このため、図４では、金属擬似参照電極８１が１つであることを示すために、第二感応部１５Ｌに配置された金属擬似参照電極８１が破線で表されている。
検出装置１の高感度検出部１０Ｈに設けられた第一電位制御部１２Ｈは、リセットトランジスタＴｒと異なり、Ｐウェル領域１２１Ｈａをチャネルとして不純物拡散領域１２１Ｈｂから他の不純物拡散領域に電流を流さない。このため、第一電位制御部１２Ｈは、リセットトランジスタＴｒとは機能が異なる。しかしながら、第一電位制御部１２Ｈは、Ｐウェル領域１２１Ｈａと、Ｐウェル領域１２１Ｈａに形成された不純物拡散領域１２１Ｈｂとを有している。Ｐウェル領域１２１Ｈａの上方には、制御絶縁膜１７１Ｈａを介して第一電荷蓄積部１１Ｈが配置されている。このため、第一電位制御部１２Ｈは、リセットトランジスタＴｒのＰウェル領域１３３、ソースＳ、ゲート絶縁膜１７３及びゲートＧと類似の構造を有している。このため、図４に示すように、第一電位制御部１２Ｈは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と類似の回路記号で表すことができる。また、低感度検出部１０Ｌに設けられた第二電位制御部１２Ｌは、第一電位制御部１２Ｈと同様の理由により、ＦＥＴと類似の回路記号で表すことができる。
第一電位制御部１２Ｈに設けられたＰウェル領域１２１Ｈａと、Ｐウェル領域１２１Ｈａの下部側に設けられたＮウェル領域１９３Ｈ及びディープＮウェル領域１９７Ｈとは、ＰＮ接合されている。しかしながら、図４では、Ｐウェル領域１２１Ｈａと、Ｎウェル領域１９３Ｈ及びディープＮウェル領域１９７Ｈとの間に形成されるＰＮ接合部の図示が省略されている。
第一電荷流通部１４Ｈは、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈを有し、電界効果トランジスタとキャパシタの両方の構造を兼ね備えている。このため、図４に示すように、第一電荷流通部１４Ｈは、ＦＥＴと類似の回路記号で表すことができる。第一電荷流通部１４ＨのソースＳには、電圧入力端子６８Ｈｓが接続されている。第一電荷流通部１４ＨのドレインＤには、電圧入力端子６８Ｈｄが接続されている。第一電荷流通部１４ＨのＰウェル領域１４１Ｈａには、不純物拡散領域１４１Ｈｂを介して電圧入力端子６８Ｈｇが接続されている。
図４に示すように、第一電荷蓄積部１１Ｈは、第一電位制御部１２Ｈ及び第一電荷流通部１４Ｈに亘って設けられている。第一電荷蓄積部１１Ｈの第一領域１１１Ｈａは、第一電位制御部１２ＨのＰウェル領域１２１Ｈａに対向して配置されている。第一領域１１１Ｈａ及びＰウェル領域１２１Ｈａの間には、絶縁膜１７の一部である制御絶縁膜１７１Ｈａが挟まれて配置されている。これにより、第一電位制御部１２Ｈは、第一領域１１１Ｈａ、Ｐウェル領域１２１Ｈａ及び制御絶縁膜１７１Ｈａによって構成された第一電位制御キャパシタＣ１２Ｈを有する。
第一電荷蓄積部１１Ｈの第三領域１１１Ｈｃは、第一電荷流通部１４ＨのＰウェル領域１４１Ｈａに対向して配置されている。第三領域１１１Ｈｃ及びＰウェル領域１４１Ｈａの間には、絶縁膜１７の一部であるトンネル絶縁膜１７１Ｈｃが挟まれて配置されている。これにより、第一電荷流通部１４Ｈは、第三領域１１１Ｈｃ、Ｐウェル領域１４１Ｈａ及びトンネル絶縁膜１７１Ｈｃによって構成された電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈを有する。
第二電位制御部１２Ｌに設けられたＰウェル領域１２１Ｌａと、Ｐウェル領域１２１Ｌａの下部側に設けられたＮウェル領域１９３Ｌ及びディープＮウェル領域１９７Ｌとは、ＰＮ接合されている。しかしながら、図４では、Ｐウェル領域１２１Ｌａと、Ｎウェル領域１９３Ｌ及びディープＮウェル領域１９７Ｌとの間に形成されるＰＮ接合部の図示が省略されている。
第二電荷流通部１４Ｌは、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌを有し、電界効果トランジスタとキャパシタの両方の構造を兼ね備えている。このため、図４に示すように、第二電荷流通部１４Ｌは、第一電荷流通部１４Ｈと同様に、ＦＥＴと類似の回路記号で表すことができる。第二電荷流通部１４ＬのソースＳには、電圧入力端子６８Ｌｓが接続されている。第二電荷流通部１４ＬのドレインＤには、電圧入力端子６８Ｌｄが接続されている。第二電荷流通部１４ＬのＰウェル領域１４１Ｌａには、不純物拡散領域１４１Ｌｂを介して電圧入力端子６８Ｌｇが接続されている。
図４に示すように、第二電荷蓄積部１１Ｌは、第二電位制御部１２Ｌ及び第二電荷流通部１４Ｌに亘って設けられている。第二電荷蓄積部１１Ｌの第一領域１１１Ｌａは、第二電位制御部１２ＬのＰウェル領域１２１Ｌａに対向して配置されている。第一領域１１１Ｌａ及びＰウェル領域１２１Ｌａの間には、絶縁膜１７の一部である制御絶縁膜１７１Ｌａが挟まれて配置されている。これにより、第二電位制御部１２Ｌは、第一領域１１１Ｌａ、Ｐウェル領域１２１Ｌａ及び制御絶縁膜１７１Ｌａによって構成された第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌを有する。
第二電荷蓄積部１１Ｌの第三領域１１１Ｌｃは、第二電荷流通部１４ＬのＰウェル領域１４１Ｌａに対向して配置されている。第三領域１１１Ｌｃ及びＰウェル領域１４１Ｌａの間には、絶縁膜１７の一部であるトンネル絶縁膜１７１Ｌｃが挟まれて配置されている。これにより、第二電荷流通部１４Ｌは、第三領域１１１Ｌｃ、Ｐウェル領域１４１Ｌａ及びトンネル絶縁膜１７１Ｌｃによって構成された電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌを有する。
電荷移送部１３に設けられた第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈ、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌ及び移送量調節キャパシタＣ１３１の他方の電極は、Ｐウェル領域１３３の一部で構成されている。このため、図４に示すように、検出装置１の等価回路において、第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈ、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌ及び移送量調節キャパシタＣ１３１の他方の電極は、配線部６１に接続された共通の直線で表すことができる。
リセットトランジスタＴｒに設けられたソースＳは、Ｎ型を有する不純物拡散領域で構成されている。このため、Ｐウェル領域１３３でそれぞれ構成された第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈ、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌ及び移送量調節キャパシタＣ１３１のそれぞれの他方の電極と、ソースＳとは、ＰＮ接合されている。しかしながら、図４では、移送量調節キャパシタＣ１３１の他方の電極とソースＳとの間に形成されるＰＮ接合部の図示が省略されている。リセットトランジスタＴｒのソースＳは、電荷移送部１３が移送した電荷を蓄積するフローティングディフュージョンとしての機能を発揮するようになっている。このため、図４では、リセットトランジスタＴｒのソースＳのフローティングディフュージョンとしての機能をキャパシタＦＤとして表されている。半導体基板１９は、素子形成面と反対側の面が例えばグランドに接続されている。このため、キャパシタＦＤは、リセットトランジスタＴｒのソースＳとグランドとの間に配置された状態で表すことができる。
図４に示すように、電荷量検出部１６は、例えばソースフォロワ回路を構成している。より具体的には、電荷量検出部１６は、リセットトランジスタＴｒのソースＳ及びドレインＤに接続されたソースフォロワトランジスタ１６１と、ソースフォロワトランジスタ１６１に接続された選択トランジスタ１６２とを有している。ソースフォロワトランジスタ１６１及び選択トランジスタ１６２は、例えばＮ型のＭＯＳＦＥＴで構成されている。ソースフォロワトランジスタ１６１のゲートＧは、リセットトランジスタＴｒのソースＳに接続されている。ソースフォロワトランジスタ１６１のドレインＤは、リセットトランジスタＴｒのドレインＤに接続されている。ソースフォロワトランジスタ１６１のドレインＤ及びリセットトランジスタＴｒのドレインＤには、電圧Ｖｄｄが入力される。ソースフォロワトランジスタ１６１のソースＳは、選択トランジスタ１６２のドレインＤに接続されている。選択トランジスタ１６２のソースＳは、電荷量検出部１６で検出された検出電圧Ｖｏｕｔが出力される出力端子となる。選択トランジスタ１６２のゲートＧには、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌでの感応結果に基づく検出電圧の検出動作を実行する際に電荷量検出部１６を選択するための選択信号が入力される。
ソースフォロワトランジスタ１６１は、ゲートＧに印加された電圧からソース・ゲート間電圧Ｖｇｓを引いた電圧をソースＳに出力する。このため、ソースフォロワトランジスタ１６１は、リセットトランジスタＴｒのソースＳに蓄積された電荷に基づく電圧をソースＳから出力できる。選択トランジスタ１６２がオン状態の場合、ソースフォロワトランジスタ１６１のソースＳから出力された電圧が検出電圧Ｖｏｕｔとして電荷量検出部１６から出力される。このように、電荷量検出部１６は、電荷移送部１３で移送された電荷に基づく電圧を検出電圧Ｖｏｕｔとして出力できる。
ここで、検出装置１の各部に形成されるキャパシタの容量値の関係について説明する。
第一電位制御キャパシタＣ１２Ｈ（第一電位制御部１２Ｈにおける容量の一例）及び第一電荷蓄積部１１Ｈに対応させて設けられた第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈを合成した直列合成容量ＣｃＨ１は、第一感応部１５Ｈにおける容量（以下、「第一感応容量」と称する場合がある）ＣｍＨよりも小さくてもよい。すなわち、直列合成容量ＣｃＨ１及び第一感応容量ＣｍＨの参照符号を直列合成容量ＣｃＨ１及び第一感応容量ＣｍＨの容量値としても用いると、検出装置１は、以下の式（１）の関係を満たしているとよい。
ＣｍＨ＞＞ＣｃＨ１ ・・・（１）
同様に、第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌ（第二電位制御部１２Ｌにおける容量の一例）及び第二電荷蓄積部１１Ｌに対応させて設けられた第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌを合成した直列合成容量ＣｃＬ１は、第二感応部１５Ｌにおける容量（以下、「第二感応容量」と称する場合がある）ＣｍＬよりも小さくてもよい。すなわち、直列合成容量ＣｃＬ及び第二感応容量ＣｍＬの参照符号を直列合成容量ＣｃＬ１及び第二感応容量ＣｍＬの容量値としても用いると、検出装置１は、以下の式（２）の関係を満たしているとよい。
ＣｍＬ＞＞ＣｃＬ１ ・・・（２）
式（１）の関係を満たしている検出装置１は、直列合成容量ＣｃＨ１が第一感応容量ＣｍＨよりも大きい構成と比較して、第一感応部１５Ｈで検出された検出対象量（例えば水素イオン濃度など）が反映された動作電圧を、第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈへ効率よく伝えられるという効果が得られる。また、式（２）の関係を満たしている検出装置１は、直列合成容量ＣｃＬ１が第二感応容量ＣｍＬよりも大きい構成と比較して、第二感応部１５Ｌで検出された検出対象量（例えば水素イオン濃度など）が反映された動作電圧を、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌへ効率よく伝えられるという効果が得られる。これにより、検出装置１は、検出感度を向上することが可能となる。
第一電位制御キャパシタＣ１２Ｈは、第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈの容量よりも大きく、第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌは、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌの容量よりも大きくてもよい。すなわち、検出装置１は、以下の式（３）及び式（４）の関係を満たしているとよい。
Ｃ１２Ｈ＞＞Ｃ１１Ｈ ・・・（３）
Ｃ１２Ｌ＞＞Ｃ１１Ｌ ・・・（４）
式（３）の関係を満たしている検出装置１は、第一電位制御キャパシタＣ１２Ｈが第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈの容量よりも小さい構成と比較して、第一感応部１５Ｈで検出された検出対象量（例えば水素イオン濃度など）が反映された動作電圧を、第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈへ効率よく伝えられるという効果が得られる。また、式（４）の関係を満たしている検出装置１は、第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌが第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌの容量よりも小さい構成と比較して、第二感応部１５Ｌで検出された検出対象量（例えば水素イオン濃度など）が反映された動作電圧を、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌへ効率よく伝えられるという効果が得られる。これにより、検出装置１は、検出感度を向上することが可能となる。
第一電位制御キャパシタＣ１２Ｈ及び電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈ（第一電荷流通部１４Ｈにおける容量の一例）を合成した直列合成容量ＣｃＨ２は、第一感応容量ＣｍＨよりも小さくてよい。また、第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌ及び電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌ（第一電荷流通部１４Ｈにおける容量の一例）を合成した直列合成容量ＣｃＬ２は、第二感応容量ＣｍＬよりも小さくてよい。すなわち、検出装置１は、以下の式（５）及び式（６）の関係を満たしているとよい。
ＣｍＨ＞＞ＣｃＨ２ ・・・（５）
ＣｍＬ＞＞ＣｃＬ２ ・・・（６）
式（５）の関係を満たしている検出装置１は、直列合成容量ＣｃＨ２が第一感応容量ＣｍＨよりも大きい構成と比較して、第一感応部１５Ｈで検出された検出対象量（例えば水素イオン濃度など）が反映された動作電圧を、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈへ効率よく伝えられるという効果が得られる。また、式（６）の関係を満たしている検出装置１は、直列合成容量ＣｃＬ２が第二感応容量ＣｍＬよりも大きい構成と比較して、第二感応部１５Ｌで検出された検出対象量（例えば水素イオン濃度など）が反映された動作電圧を、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌへ効率よく伝えられるという効果が得られる。これにより、検出装置１は、検出感度を向上することが可能となる。
第一電位制御キャパシタＣ１２Ｈは、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈよりも大きく、第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌは、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌよりも大きくてもよい。すなわち、検出装置１は、以下の式（７）及び式（８）の関係を満たしているとよい。
Ｃ１２Ｈ＞Ｃ１４Ｈ ・・・（７）
Ｃ１２Ｌ＞Ｃ１４Ｌ ・・・（８）
電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈが第一電位制御キャパシタＣ１２Ｈよりも大きい成と比較して、検出装置１は、第一電位制御部１２Ｈに入力される電圧を第一電荷流通部１４Ｈに効率よく伝えられるという効果が得られる。その結果、検出装置１は、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧の調節の効率を向上することが可能となる。また、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌが第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌよりも大きい成と比較して、検出装置１は、第二電位制御部１２Ｌに入力される電圧を第二電荷流通部１４Ｌに効率よく伝えられるという効果が得られる。その結果、検出装置１は、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧の調節の効率を向上することが可能となる。
＜検出装置の動作＞
次に、本実施形態による検出装置１の動作について水素イオン濃度の検出動作を例にとって、図１から図４を参照しつつ図５から図１１を用いて説明する。まず、検出装置１による測定対象物の検出原理について説明する。
（検出装置の検出原理）
検出装置１では、測定対象物８０を第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌ上に配置し、金属擬似参照電極８１から測定対象物８０を介して第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌに参照電圧が入力される。これにより、感応膜１５２Ｈ及び感応膜１５２Ｌのそれぞれの界面の感応基、例えばヒドロキシ基は解離し、電気化学的に平衡状態となる。この際、測定対象物８０の濃度に応じた電位が第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌの界面で発生する。感応膜１５２Ｈは、感応膜１５２Ｌよりも高感度の膜である。このため、測定対象物８０の測定範囲内において感応膜１５２Ｈは、感応膜１５２Ｌと比較して、最小の水素イオン濃度に対して界面に発生する電位と、最大の水素イオン濃度に対して界面に発生する電位との差が大きくなる。
測定対象物８０の水素イオン濃度に応じて界面電圧が変化するため、金属擬似参照電極８１から入力される参照電圧の電圧値が同じであっても、配線部６７Ｈ及び第一電位制御部１２Ｈを介して第一電荷蓄積部１１Ｈに印加される電圧の電圧値は、測定対象物８０の濃度に応じて変化する。同様に、配線部６７Ｌ及び第二電位制御部１２Ｌを介して第二電荷蓄積部１１Ｌに印加される電圧の電圧値は、測定対象物８０の濃度に応じて変化する。このため、第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈ及び第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌに印加される電圧の電圧値が測定対象物８０の濃度に応じて変化する。
検出装置１では、測定対象物８０の水素イオン濃度によらず、電荷移送部１３の第一電位変化領域ＳＦＲ１での表面電位が電荷移送部１３の第二電位変化領域ＳＦＲ２での表面電位よりも常に低くなるように高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌの閾値電圧が調節される。図５は、測定対象物の水素イオン濃度、高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌの閾値電圧及び第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈ及び第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌでの表面電位の関係を示す図である。高感度検出部１０Ｈの閾値電圧は、例えば測定対象物に対して化学的に安定な参照電極（金属擬似参照電極８１とは異なる一般的な電極）を使用し、「測定対象物→第一感応部１５Ｈ→第一電位制御部１２Ｈ→第一電荷蓄積部１１Ｈ→第一電荷流通部１４Ｈ」という経路で電圧を印加した場合に第一電荷流通部１４Ｈにおいて測定される閾値電圧である。同様に、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧は、例えば銀／塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）で形成された参照電極を使用し、「測定対象物→第二感応部１５Ｌ→第二電位制御部１２Ｌ→第二電荷蓄積部１１Ｌ→第二電荷流通部１４Ｌ」という経路で電圧を印加した場合に第二電荷流通部１４Ｌにおいて測定される閾値電圧である。第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈでの表面電位は、電荷移送部１３の第一電位変化領域ＳＦＲ１での表面電位であり、第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌでの表面電位は、電荷移送部１３の第二電位変化領域ＳＦＲ２での表面電位である。
図５（ａ）は、測定対象物の水素イオン濃度と、高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌの閾値電圧との関係を示すグラフである。図５（ａ）中の「ＣＴＨ」は測定対象物の水素イオン濃度に対する高感度検出部１０Ｈの閾値電圧特性を示し、図５（ａ）中の「ＣＴＬ」は測定対象物の水素イオン濃度に対する低感度検出部１０Ｌの閾値電圧特性を示している。図５（ａ）中に示すグラフの横軸は水素イオン濃度［ｐＨ］を表し、図５（ａ）中に示すグラフの縦軸は閾値電圧Ｖｔｈを表している。図５（ｂ）中の「ＣＶＨ」は測定対象物の水素イオン濃度に対する電荷移送部１３の第一電位変化領域ＳＦＲ１での表面電位特性を示している。図５（ｂ）中の「ＣＶＬ」は測定対象物の水素イオン濃度に対する電荷移送部１３の第二電位変化領域ＳＦＲ２での表面電位特性を示している。閾値電圧特性を示し、図５（ｂ）中の「ＣＴＬ」は測定対象物の水素イオン濃度に対する低感度検出部１０Ｌの閾値電圧特性を示している。図５（ｂ）中に示すグラフの横軸は水素イオン濃度［ｐＨ］を表し、図５（ｂ）中に示すグラフの縦軸は表面電位Φｓを表している。
第一感応部１５Ｈは、低感度検出部１０Ｌよりも測定対象物の水素イオン濃度に対して感度が高く構成されている。このため、図５（ａ）に示すように、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧特性ＣＴＨは、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧特性ＣＴＬよりも水素イオン濃度の測定範囲内における傾きが大きくなっている。さらに、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧が当該測定範囲内において低感度検出部１０Ｌの閾値電圧よりも高くなるように、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧特性ＣＴＨ及び低感度検出部１０Ｌの閾値電圧特性ＣＴＬが設定されている。高感度検出部１０Ｈの閾値電圧は、第一電荷蓄積部１１Ｈに蓄積される電荷量によって調整され、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧は、第二電荷蓄積部１１Ｌに蓄積される電荷量によって調整されている。検出装置１では、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌのそれぞれの感度、測定対象物８０の水素イオン濃度の測定範囲に基づいて、水素イオン濃度がｐＨ７における高感度検出部１０Ｈの閾値電圧Ｖｔｈ１及び低感度検出部１０Ｌの閾値電圧Ｖｔｈ２の電圧差Ｖｃｏｒが設定される。これにより、測定対象物８０の水素イオン濃度の測定範囲内において、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧は、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧よりも常に高くなる。
図５（ａ）に示す閾値電圧特性のように、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧特性ＣＴＨ及び低感度検出部１０Ｌの閾値電圧特性ＣＴＬが設定されると、電荷移送部１３の第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２での表面電位特性は、図５（ｂ）に示す特性のようになる。すなわち、第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２でのそれぞれの表面電位特性は、水素イオン濃度ｐＨ７において表面電位の差が電圧差Ｖｃｏｒとなり、且つ測定対象物の水素イオン濃度の測定範囲内において互いに交差しない。これにより、当該測定範囲内において、第一電位変化領域ＳＦＲ１の表面電位は、第二電位変化領域ＳＦＲ２での表面電位よりも常に低くなる。
このように、高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌの閾値電圧が調節された検出装置１では、第一電位変化キャパシタＣ１１Ｈ及び第二電位変化キャパシタＣ１１Ｌに電圧が印加された状態で、電荷移送部１３で移送される電荷（すなわち電荷移送部１３に流れる電流）を電圧に変換して直読することにより、測定対象物８０の濃度を検出することができる。
（検出装置の動作）
図６は、本実施形態による検出装置１の動作（すなわち、検出装置１の検出方法）の一例を示すフローチャートである。
図６に示すように、本実施形態による検出装置１の検出方法は、半導体基板に配置されて測定対象物の化学現象に感応する感応部、前記感応部に容量的に接続されて電荷を蓄積する電荷蓄積部及び前記電荷蓄積部に電荷を流通させる電荷流通部を備える検出装置の検出方法である。より具体的には、検出装置１の検出方法は、半導体基板１９に配置されて測定対象物８０の化学現象に感応する第一感応部１５Ｈ、第一感応部１５Ｈに容量的に接続されて電荷を蓄積する第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第一電荷蓄積部１１Ｈに電荷を流通させる第一電荷流通部１４Ｈと、半導体基板１９に配置されて測定対象物８０の化学現象に感応する第二感応部１５Ｌ、第二感応部１５Ｌに容量的に接続されて電荷を蓄積する第二電荷蓄積部１１Ｌ及び第二電荷蓄積部１１Ｌに電荷を流通させる第二電荷流通部１４Ｌとを備える検出装置の検出方法である。
検出装置１の検出方法は、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈを有する第一電荷流通部１４Ｈの閾値電圧を調節して第一電荷蓄積部１１Ｈに蓄積される電荷量を所望の量に調節する。次に、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌを有する第二電荷流通部１４Ｌの閾値電圧を調節して第二電荷蓄積部１１Ｌに蓄積される電荷量を所望の量に調整する。次に、第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌの電荷量を所望の量にそれぞれ調整した後に、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌで感応された化学現象に応じて第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌが配置された半導体基板１９のＰウェル領域１３３（半導体基板の部分の一例）の表面電位の変化に基づいて測定対象物８０の検出対象量（本例では水素イオン濃度）を検出する。以下、検出装置１の動作（検出装置１の検出方法）についてより具体的に説明する。
（ステップＳ１１）
図６に示すように、ステップＳ１１において検出装置１は、第一電荷蓄積部１１Ｈに電荷（本実施形態では電子）を注入又は第一電荷蓄積部１１Ｈから電荷を放出し、第一電荷流通部１４Ｈの閾値電圧を調節し、ステップＳ１３の処理に移行する。
ステップＳ１１において、第一電荷蓄積部１１Ｈに電荷を注入して高感度検出部１０Ｈをエンハンスメント状態にする場合には、第一感応部１５Ｈからではなく、第一遮断部１８Ｈを導通状態にして第一入力端子８２Ｈから正の電圧レベルのパルス信号が入力される。具体的には、第一入力端子８２Ｈには正の電圧レベルのパルス信号が入力される。電圧入力端子６８Ｈｓ、電圧入力端子６８Ｈｄ及び電圧入力端子６８Ｈｇには、負の電圧レベルのパルス信号が入力される。さらに、参照電極（不図示）、配線部６１、配線部６３及び配線部６４への電圧の入力が遮断される。ステップＳ１１から後述するステップＳ２１までの処理では、金属擬似参照電極８１ではなく、例えば測定対象物に対して化学的に安定な参照電極（金属擬似参照電極８１とは異なる一般的な電極）が用いられる。
これにより、第一電位制御部１２Ｈに設けられたＰウェル領域１２１Ｈａには、第一遮断部１８Ｈ、配線部６７Ｈ及び不純物拡散領域１２１Ｈｂを介して正の電圧レベルのパルス電圧が印加される。さらに、高感度検出部１０Ｈをエンハンスメント状態にする場合には、第一電荷流通部１４Ｈに設けられたＰウェル領域１４１Ｈａには、ソースＳ、ドレインＤ及び不純物拡散領域１４１Ｌｂを介して負の電圧レベルのパルス電圧が印加される。その結果、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃにおいてファウラーノルドハイム型のトンネル伝導（ＦＮトンネル）が発生し、図４中に下向きの直線矢印で示すように、電子ｅ－が第一電荷流通部１４Ｈに設けられたＰウェル領域１４１Ｈａからトンネル絶縁膜１７１Ｈｃを通って第一電荷蓄積部１１Ｈに注入される。式（７）に示すように、第一電位制御部１２Ｈの第一電位制御キャパシタＣ１２Ｈは、第一電荷流通部１４Ｈの電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈよりも大きい容量値を有している。第一電位制御キャパシタＣ１２Ｈが電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈより小さい構成と比較して、検出装置１は、第一電位制御キャパシタＣ１２Ｈに入力される電圧が、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌへ効率よく伝えられるという効果が得られる。その結果、検出装置１は、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧の調節の効率を向上することが可能となる。
ステップＳ１１において、第一電荷蓄積部１１Ｈから電荷を放出して高感度検出部１０Ｈをディプレッション状態にする場合にも、第一感応部１５Ｈからではなく、第一遮断部１８Ｈを導通状態にして第一入力端子８２Ｈから負の電圧レベルのパルス信号が入力される。具体的には、第一入力端子８２Ｈには負の電圧レベルのパルス信号が入力される。電圧入力端子６８Ｈｓ、電圧入力端子６８Ｈｄ及び電圧入力端子６８Ｌｇには、正の電圧レベルのパルス信号が入力される。さらに、参照電極（不図示）、配線部６１、配線部６３及び配線部６４への電圧の入力が遮断される。
これにより、第一電荷流通部１４Ｈに設けられたＰウェル領域１４１Ｈａには、ソースＳ、ドレインＤ及び不純物拡散領域１４１Ｈｂを介して正の電圧レベルのパルス電圧が印加される。その結果、トンネル絶縁膜１７１ＨｃにおいてＦＮトンネルが発生し、図４中に上向きの直線矢印で示すように、電子ｅ－が第一電荷蓄積部１１Ｈからトンネル絶縁膜１７１Ｈｃを通って第一電荷流通部１４Ｈに設けられたＰウェル領域１４１Ｈａに放出される。
このように、第一電位制御部１２ＨのＰウェル領域１２１Ｈａと、第一電荷流通部１４ＨのＰウェル領域１４１Ｈａに印加する電圧を制御することで、トンネル絶縁膜１７１Ｈｃを介して第一電荷蓄積部１１Ｈに電荷を注入したり第一電荷蓄積部１１Ｈから電荷を放出したりすることができる。第一電荷蓄積部１１Ｈに蓄積された電荷量によって高感度検出部１０Ｈの閾値電圧、すなわち電荷移送部１３における電荷移送量（電流量）を任意に調節することができる。
高感度検出部１０Ｈの閾値電圧は、第一電位制御部１２Ｈ及び第一電荷流通部１４Ｈに印加するパルス電圧の振幅だけでなく、パルス電圧の印加時間を変えて調節することもできる。
（ステップＳ１３）
図６に示すように、ステップＳ１３において検出装置１は、標準溶液に対する出力を検出し、ステップＳ１５の処理に移行する。第一電荷蓄積部１１Ｈへの電荷の流通は、上述のとおり、第一電位制御部１２Ｈと第一電荷流通部１４Ｈとの間に電位を印加することにより、第一電荷流通部１４Ｈを電荷の通り道として、電荷を流通させる。一般的に、電荷蓄積部内の電荷量は、電荷移送部の電位変化領域での閾値電圧を測定することによって確認される。電荷移送部の電位変化領域での閾値電圧が所望値よりも高ければ電荷量が多く、当該閾値電圧が所望値よりも低ければ電荷量が小さいことを意味する。しかしながら、本実施形態による検出装置１では、電荷移送部１３の第一電位変化領域ＳＦＲ１は、電界効果トランジスタ構造ではなく、閾値電圧を評価できる構造を有していない。そこで、本実施形態による検出装置１では、電界効果トランジスタ構造を有する第一電荷流通部１４Ｈにおいて閾値電圧を評価することにより、電荷移送部１３と重なり、第一電位変化領域ＳＦＲ１に対応する第一電荷蓄積部１１Ｈの第二領域１１１Ｈｂでの電荷量が調整される。
第一感応部１５Ｈに設けられた感応膜１５２Ｈの測定対象物８０の水素イオン濃度に対する感度、第二感応部１５Ｌに設けられた感応膜１５２Ｌの測定対象物８０の水素イオン濃度に対する感度及び測定対象物８０の測定範囲に基づいて、校正用の標準溶液における第一電荷流通部１４Ｈでの閾値電圧が予め設定される。
ステップＳ１１の処理によって、第一電荷蓄積部１１Ｈには所定量の電荷が蓄積されているので、第一電荷蓄積部１１Ｈの第三領域１１１Ｈｃは所定の電位となっている。そこで、ステップＳ１３では、第一遮断部１８Ｈは非導通状態に設定され、「参照電極→標準溶液→第一感応部１５Ｈ→第一電位制御部１２Ｈ→第一電荷蓄積部１１Ｈ→第一電荷流通部１４Ｈ」という経路で電圧を印加される。このように高感度検出部１０Ｈに電圧が印加されている際に、第一電荷流通部１４ＨのソースＳ及びドレインＤに所定の電圧が印加されて、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈの電流－電圧特性が取得される。第一電荷流通部１４Ｈの閾値電圧が予め設定された閾値電圧に一致しているか否かが、取得された電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｈの電流－電圧特性に基づいて確認される。このようにして、ステップＳ１３では、標準溶液に対する第一電荷流通部１４Ｈの出力が検出される。
（ステップＳ１５）
図６に示すように、ステップＳ１５において検出装置１は、ステップＳ１３での検出結果が所望の出力値であったか否かを判定し、所望の出力値であった場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１７の処理に移行し、所望の出力値でなかった場合には（ＮＯ）、ステップＳ１１の処理に戻る。所望の出力値は、標準溶液に対して予め設定された第一電荷流通部１４Ｈでの閾値電圧である。このため、ステップＳ１３における検出結果が所望の出力値である場合には、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧が所望の値に設定されたことを示すため、検出装置１は次のステップＳ１７の処理に移行する。
一方、ステップＳ１３における検出結果が所望の出力値でない場合には、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧が所望の値に設定されていないことを示すため、検出装置１は第一電荷蓄積部１１Ｈに蓄積された電荷の量を調節するためにステップＳ１１の処理に戻る。例えば、検出結果が所望の出力値よりも大きい場合には、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧が所望の値よりも高い判定し、検出結果が所望の出力値よりも小さい場合には、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧が所望の値よりも低いと判定する。ステップＳ１５において検出結果が所望の出力値よりも大きいと判定された場合には、次のステップＳ１１では、検出装置１は、第一電荷蓄積部１１Ｈに電荷を注入して閾値電圧が低くなるように動作する。一方、ステップＳ１５において検出結果が所望の出力値よりも大きいと判定された場合には、次のステップＳ１１では、検出装置１は、第一電荷蓄積部１１Ｈから電荷を放出して閾値電圧が高くなるように動作する。このように、検出装置１は、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧が所望の値になるまで、ステップＳ１１からステップＳ１５の処理を繰り返し実行する。
（ステップＳ１７）
図６に示すように、ステップＳ１７において検出装置１は、第二電荷蓄積部１１Ｌに電荷（本実施形態では電子）を注入又は第二電荷蓄積部１１Ｌから電荷を放出し、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧を調節し、ステップＳ１９の処理に移行する。
ステップＳ１７において、第二電荷蓄積部１１Ｌに電荷を注入して低感度検出部１０Ｌをエンハンスメント状態にする場合には、第二感応部１５Ｌからではなく、第二遮断部１８Ｌを導通状態にして第二入力端子８２Ｌから正の電圧レベルのパルス信号が入力される。具体的には、第二入力端子８２Ｌには正の電圧レベルのパルス信号が入力される。電圧入力端子６８Ｌｓ、電圧入力端子６８Ｌｄ及び電圧入力端子６８Ｌｇには、負の電圧レベルのパルス信号が入力される。さらに、金属擬似参照電極８１、配線部６１、配線部６３及び配線部６４への電圧の入力が遮断される。
これにより、第二電位制御部１２Ｌに設けられたＰウェル領域１２１Ｌａには、第二遮断部１８Ｌ、配線部６７Ｌ及び不純物拡散領域１２１Ｌｂを介して正の電圧レベルのパルス電圧が印加される。さらに、低感度検出部１０Ｌをエンハンスメント状態にする場合には、第二電荷流通部１４Ｌに設けられたＰウェル領域１４１Ｌａには、ソースＳ、ドレインＤ及び不純物拡散領域１４１Ｌｂを介して負の電圧レベルのパルス電圧が印加される。その結果、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃにおいてファウラーノルドハイム型のトンネル伝導（ＦＮトンネル）が発生し、図４中に下向きの直線矢印で示すように、電子ｅ－が第二電荷流通部１４Ｌに設けられたＰウェル領域１４１Ｌａからトンネル絶縁膜１７１Ｌｃを通って第一電荷蓄積部１１Ｈに注入される。式（８）に示すように、第二電位制御部１２Ｌの第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌは、第二電荷流通部１４Ｌの電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌよりも大きい容量値を有している。第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌが電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌより小さい構成と比較して、検出装置１は、第二電位制御キャパシタＣ１２Ｌに入力される電圧が、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌへ効率よく伝えられるという効果が得られる。その結果、検出装置１は、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧の調節の効率を向上することが可能となる。
ステップＳ１７において、第二電荷蓄積部１１Ｌから電荷を放出して低感度検出部１０Ｌをディプレッション状態にする場合にも、第二感応部１５Ｌからではなく、第二遮断部１８Ｌを導通状態にして第二入力端子８２Ｌから負の電圧レベルのパルス信号が入力される。具体的には、第二入力端子８２Ｌには負の電圧レベルのパルス信号が入力される。電圧入力端子６８Ｌｓ、電圧入力端子６８Ｌｄ及び電圧入力端子６８Ｌｇには、正の電圧レベルのパルス信号が入力される。さらに、参照電極（不図示）、配線部６１、配線部６３及び配線部６４への電圧の入力が遮断される。
これにより、第一電荷流通部１４Ｈに設けられたＰウェル領域１４１Ｈａには、ソースＳ、ドレインＤ及び不純物拡散領域１４１Ｈｂを介して正の電圧レベルのパルス電圧が印加される。その結果、トンネル絶縁膜１７１ＨｃにおいてＦＮトンネルが発生し、図４中に上向きの直線矢印で示すように、電子ｅ－が第一電荷蓄積部１１Ｈからトンネル絶縁膜１７１Ｈｃを通って第一電荷流通部１４Ｈに設けられたＰウェル領域１４１Ｈａに放出される。
このように、第二電位制御部１２ＬのＰウェル領域１２１Ｌａと、第二電荷流通部１４ＬのＰウェル領域１４１Ｌａに印加する電圧を制御することで、トンネル絶縁膜１７１Ｌｃを介して第二電荷蓄積部１１Ｌに電荷を注入したり第二電荷蓄積部１１Ｌから電荷を放出したりすることができる。第二電荷蓄積部１１Ｌに蓄積された電荷量によって低感度検出部１０Ｌの閾値電圧、すなわち電荷移送部１３における電荷移送量（電流量）を任意に調節することができる。
低感度検出部１０Ｌの閾値電圧は、第二電位制御部１２Ｌ及び第二電荷流通部１４Ｌに印加するパルス電圧の振幅だけでなく、パルス電圧の印加時間を変えて調節することもできる。
（ステップＳ１９）
図６に示すように、ステップＳ１９において検出装置１は、標準溶液に対する出力を検出し、ステップＳ２１の処理に移行する。ステップＳ２１では、ステップＳ１３と同様に、電界効果トランジスタ構造を有する第二電荷流通部１４Ｌにおいて閾値電圧を評価することにより、電荷移送部１３と重なり、第二電位変化領域ＳＦＲ２に対応する第二電荷蓄積部１１Ｌの第二領域１１１Ｌｂでの電荷量が調整される。
第一感応部１５Ｈに設けられた感応膜１５２Ｈの測定対象物８０の水素イオン濃度に対する感度、第二感応部１５Ｌに設けられた感応膜１５２Ｌの測定対象物８０の水素イオン濃度に対する感度及び測定対象物８０の測定範囲に基づいて、校正用の標準溶液における第二電荷流通部１４Ｌでの閾値電圧が予め設定される。校正用の標準溶液における第二電荷流通部１４Ｌでの閾値電圧は、これらの条件に加えて、例えば測定範囲の中央の水素イオン濃度において、予め設定された第一電荷流通部１４Ｈの閾値電圧よりも電圧差Ｖｃｏｒだけ高くなるように予め設定される。これにより、上述のとおり、測定対象物８０の水素イオン濃度測定範囲内において、第一電位変化領域ＳＦＲ１の表面電位は、第二電位変化領域ＳＦＲ２での表面電位よりも常に低くなる。
ステップＳ１７の処理によって、第二電荷蓄積部１１Ｌには所定量の電荷が蓄積されているので、第二電荷蓄積部１１Ｌの第三領域１１１Ｌｃは所定の電位となっている。そこで、ステップＳ１７では、第二遮断部１８Ｌは非導通状態に設定され、「参照電極→標準溶液→第二感応部１５Ｌ→第二電位制御部１２Ｌ→第二電荷蓄積部１１Ｌ→第二電荷流通部１４Ｌ」という経路で電圧を印加される。このように低感度検出部１０Ｌに電圧が印加されている際に、第二電荷流通部１４ＬのソースＳ及びドレインＤに所定の電圧が印加されて、電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌの電流－電圧特性が取得される。第二電荷流通部１４Ｌの閾値電圧が予め設定された閾値電圧に一致しているか否かが、取得された電界効果トランジスタ型キャパシタＣ１４Ｌの電流－電圧特性に基づいて確認される。このようにして、ステップＳ１９では、標準溶液に対する第二電荷流通部１４Ｌの出力が検出される。
（ステップＳ２１）
図６に示すように、ステップＳ２１において検出装置１は、ステップＳ１７での検出結果が所望の出力値であったか否かを判定し、所望の出力値であった場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２３の処理に移行し、所望の出力値でなかった場合には（ＮＯ）、ステップＳ１７の処理に戻る。所望の出力値は、標準溶液に対して予め設定された第二電荷流通部１４Ｌでの閾値電圧である。このため、ステップＳ１９における検出結果が所望の出力値である場合には、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧が所望の値に設定されたことを示すため、検出装置１は次のステップＳ２３の処理に移行する。
一方、ステップＳ１９における検出結果が所望の出力値でない場合には、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧が所望の値に設定されていないことを示すため、検出装置１は第二電荷蓄積部１１Ｌに蓄積された電荷の量を調節するためにステップＳ１７の処理に戻る。ステップＳ２１において低感度検出部１０Ｌの閾値電圧が所望の値であるか否かの判定方法は、ステップＳ１５における高感度検出部１０Ｈに対する判定方法と同様であるため、説明は省略する。また、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧が所望の値でない場合にステップＳ２１に続いて実行されるステップＳ１７の処理は、ステップＳ１５に引き続いて実行されるステップＳ１１の処理と同様であるため、説明は省略する。検出装置１は、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧が所望の値になるまで、ステップＳ１７からステップＳ２１の処理を繰り返し実行する。
検出装置１は、標準溶液に対して第一電荷流通部１４Ｈ及び第二電荷流通部１４Ｌの閾値電圧を調節することで、第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌ以外の箇所に存在する外乱蓄積電荷の補正だけでなく、電荷移送部１３の製造ばらつきも含めて補正することができる。
また、ステップＳ１１からステップＳ２１までの処理によって、検出装置１が半導体ウェハの面内のどの位置に形成されていても、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧を同一の値に調節でき、かつ低感度検出部１０Ｌの閾値電圧を同一の値に調節できる。さらに、ステップＳ１１からステップＳ２１までの処理によって、１つの半導体ウェハに形成された複数の検出装置１のそれぞれの高感度検出部１０Ｈの閾値電圧を同一の値に調節でき、かつ低感度検出部１０Ｌの閾値電圧を同一の値に調節できる。これにより、検出装置１が半導体ウェハのいずれの位置に形成されていても、同一の測定対象物に対して同一の電荷量の電荷を電荷移送部１３で移送できる。同様に、１つの半導体ウェハに形成された複数の検出装置１は互いに、同一の測定対象物に対して同一の電荷量の電荷を電荷移送部１３で移送できる。
このように、本実施形態による検出装置１は、ステップＳ１１からステップＳ１５の動作を繰り返し、その後にステップＳ１７からステップＳ２１の動作を繰り返すことによって高感度検出部１０Ｈ及び低感度検出部１０Ｌのそれぞれの閾値電圧を調節できる。これにより、後述するステップＳ２３における測定対象物の測定処理において、電荷移送のための第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌの電圧調整やソフトウェアによる補正を必要としない。これにより、検出装置１は、測定対象物の測定処理において電荷移送のための電圧調整や補正を必要とする装置と比較して、面積を大幅に縮小でき且つデータ処理にかかる負担を大幅に低減できる。
ステップＳ１１からステップＳ２１までの処理は、検出装置１の出荷前のテスト時に実行されてもよいし、検出装置１の使用者が測定対象物の測定前に調整してもよい。ステップＳ１１からステップＳ２１までの処理が検出装置１の出荷前のテスト時に実行される場合、閾値電圧調節プロセスが不要であるため、昇圧回路を備える必要がなく、検出装置１の小型化を図ることができる。
（ステップＳ２３）
図６に示すように、ステップＳ２３において検出装置１は、測定対象物を測定する。ここで、検出装置１による測定対象物の測定動作について図１から図４を参照しつつ、図７から図１１を用いて説明する。図７は、検出装置１の測定動作時の電荷移送部１３での電荷の移送を制御するためのタイミングチャートの一例を示す図である。図７中に示す「Ｖａｐ」は、電荷供給領域ＡＰＲに印加される電圧の電圧波形を示し、図７中に示す「Ｖｓｆ１」は、第一電位変化領域ＳＦＲ１に印加される電圧の電圧波形を示し、図７中に示す「Ｖｓｆ２」は、第二電位変化領域ＳＦＲ２に印加される電圧の電圧波形を示している。図７中に示す「Ｖｔａ」は、電荷移送調節領域ＴＡＲに印加される電圧の電圧波形を示している。図７中に示す「Ｖｇ」は、リセットトランジスタＴｒのゲートＧに印加される電圧の電圧波形を示し、図７中に示す「Ｖｄ」は、リセットトランジスタＴｒのドレインＤに印加される電圧の電圧波形を示している。図７中に示す「Ｖ０」は、各電圧の基準電圧（本実施形態では０Ｖ）を示している。図７では、左から右に向かって時の経過が表されている。
図８及び図１０は、検出装置１での１回の動作サイクルの一例を説明する図である。図９は、電荷移送部１３での電圧差分動作を説明する図である。図１１は、検出装置１での累積動作サイクルの一例を説明する図である。図８（ａ）から図８（ｃ）、図１０（ａ）から図１０（ｃ）及び図１１には、電荷移送部１３に設けられた電荷供給領域ＡＰＲ、電荷供給調節領域ＡＡＲ、電位変化領域ＳＦＲ、電荷移送調節領域ＴＡＲ、電荷蓄積領域ＡＬＲ及び電荷除去領域ＲＪＲの電位及び電荷の移送状態が模式的に図示されている。図８（ａ）から図８（ｃ）及び図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、この順に時の経過が表されている。図９（ａ）は、従来の電荷移送部での問題点を説明する図であり、図９（ｂ）は、本実施形態における電荷移送部１３での差分動作による作用・効果を説明する図である。
電荷供給領域ＡＰＲはｎ型の不純物拡散領域１３４で構成され、第一電位変化領域ＳＦＲ１、第二電位変化領域ＳＦＲ２及び電荷移送調節領域ＴＡＲは主にＰウェル領域１３３で構成され、電荷蓄積領域ＡＬＲは主にソースＳで構成され、電荷除去領域ＲＪＲは主にＰウェル領域１３３で構成されている。
第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌに測定対象物８０が滴下された後に金属擬似参照電極８１から参照電圧が入力されると、測定対象物８０、第一感応部１５Ｈ、配線部６７Ｈ及び第一電位制御部１２Ｈの不純物拡散領域１２１Ｈｂを介してＰウェル領域１２１Ｈａに電圧が印加される。同様に、当該参照電圧が入力されると、測定対象物８０、第二感応部１５Ｌ、配線部６７Ｌ及び第二電位制御部１２Ｌの不純物拡散領域１２１Ｌｂを介してＰウェル領域１２１Ｌａに電圧が印加される。これにより、第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌのそれぞれの電位が変化するので、図７に示すように、期間Ｔ１において、第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２のそれぞれの電位が変化する。すなわち、図８（ａ）に示すように、第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２のそれぞれのチャネル部分のポテンシャル井戸の深さが変化する。上述のとおり、検出装置１では、高感度検出部１０Ｈの閾値電圧は、低感度検出部１０Ｌの閾値電圧よりも常に高くなるように設定されているので、第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位ＶＦ１は、第二電位変化領域ＳＦＲ２の電位ＶＦ２よりも低くなる。また、この時にＰウェル領域１２１Ｈａ及びＰウェル領域１２１Ｌａに印加される電圧には、化学現象によって測定対象物８０から検出される検出対象の量（本例では水素イオン濃度）が反映されている。このため、第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２のそれぞれの電位は、測定対象物８０から検出された対象物の量に応じて異なる。
また、図７に示すように、期間Ｔ１において、電荷移送部１３に設けられた不純物拡散領域１３４には、電圧レベルが高レベルＶＨの正の供給電圧Ｖａｐが印加される。また、期間Ｔ１において、電荷移送部１３に設けられた対向電極１３１には、負の電圧レベルＶＬの移送調節電圧Ｖｔａが印加される。さらに、期間Ｔ１において、電荷移送部１３に設けられたリセットトランジスタＴｒのゲートＧには、電圧レベルが基準電圧Ｖ０と同じゲート電圧Ｖｇが印加され、リセットトランジスタＴｒのドレインには、電圧レベルが高レベルの正の電圧Ｖｄｄ（図４参照）のドレイン電圧Ｖｄが印加される。期間Ｔ１において、供給電圧Ｖａｐは、移送調節電圧Ｖｔａよりも高い値に設定される。
このため、図８（ａ）に示すように、電荷移送部１３は例えば、「ドレインＤに対応する電荷除去領域ＲＪＲ＝電荷供給領域ＡＰＲ＞電荷蓄積領域ＡＬＲ＞第二電位変化領域ＳＦＲ２＞第一電位変化領域ＳＦＲ１＞電荷移送調節領域ＴＡＲ＝ゲートＧに対応する電荷除去領域ＲＪＲ」という電位の高低関係を有する。第一電位変化領域ＳＦＲ１は、第一感応部１５Ｈから電圧が印加される前と比較して、測定対象物８０から検出された対象物の量が多いほど第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位が高くなる。このため、第一電位変化領域ＳＦＲ１のポテンシャル井戸は、測定対象物８０から検出された対象物の量が多いほど深くなる。同様に、第二電位変化領域ＳＦＲ２は、第二感応部１５Ｌから電圧が印加される前と比較して、測定対象物８０から検出された対象物の量が多いほど第二電位変化領域ＳＦＲ２の電位が高くなる。このため、第二電位変化領域ＳＦＲ２のポテンシャル井戸は、測定対象物８０から検出された対象物の量が多いほどが深くなる。第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２のそれぞれの電位が高い（すなわちポテンシャル井戸が深い）方が電位変化領域ＳＦＲで溜め込める電荷量が多くなる。
図７に示すように、期間Ｔ１の次の期間Ｔ２において、電荷移送部１３に設けられた不純物拡散領域１３４に電圧レベルが低レベルの正の供給電圧Ｖａｐが印加される。期間Ｔ２において、不純物拡散領域１３４以外の各構成要素には、期間Ｔ１と同様の電圧が印加される。これにより、図８（ｂ）に示すように、電荷供給領域ＡＰＲの電位が低下し、第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２に電荷（本実施形態では電子ｅ－）が流れ込む。このとき、電荷移送調節領域ＴＡＲの電位は、第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位より低くしておく。こうすることで、供給される電子ｅ－は、第一電位変化領域ＳＦＲ１を超えて第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２に流れ込むが、電荷移送調節領域ＴＡＲを越えて流れることはない。
図７に示すように、期間Ｔ２の次の期間Ｔ３において、電荷移送部１３に設けられた不純物拡散領域１３４に電圧レベルが高レベルの正の供給電圧Ｖａｐが印加される。期間Ｔ３において、不純物拡散領域１３４以外の各構成要素には、期間Ｔ２と同様の電圧が印加される。これにより、図８（ｃ）に示すように、電荷供給領域ＡＰＲの電位が高くなり、第一電位変化領域ＳＦＲ１に流れ込んだ電子ｅ－が引き抜かれる。このとき、第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位ですりきられた電子ｅ－が第二電位変化領域ＳＦＲ２のポテンシャル井戸に残される。第二電位変化領域ＳＦＲ２に残された電子ｅ－の量（電荷量）には、水素イオン濃度が反映されている。
ここで、検出装置１の電荷移送部１３での電圧差分の作用・効果について図９を用いて説明する。図９（ａ）に示すように、従来の累積型化学センサは、電荷移送部の電位変化領域ＳＦＲに電荷を蓄積する。感応部から入力される電圧に外乱などが含まれていない場合には、図９（ａ）中の左側に示すように、電位変化領域ＳＦＲの電位は電位Ｖｓｆとなる。一方、感応部から入力される電圧に外乱などに基づくオフセット電圧Ｖσが含まれていると、図９（ａ）中の右側に示すように、電位変化領域ＳＦＲの電位は電位Ｖｖａ（＝Ｖｓｆ＋Ｖσ）となる。感応部から入力される電圧に外乱などが含まれている場合、従来の累積型化学センサの電荷移送部は、電位Ｖｖａに基づいて蓄積された電荷を移送するため、従来の累積型化学センサによる最終的な検出結果にはオフセット電圧Ｖσに基づく誤差が含まれる。
一方、本実施形態による検出装置１は、上述のとおり、第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位によって電荷をすり切る構成を有している。第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌから入力される電圧に外乱などが含まれていない場合には、図９（ｂ）中の左側に示すように、第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位は電位Ｖｓｆ１となり、第二電位変化領域ＳＦＲ２の電位は電位Ｖｓｆ２となる。電荷が第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位Ｖｓｆ１によってすり切られることにより、第二電位変化領域ＳＦＲ２には、電位Ｖｓｆ１及び電位Ｖｓｆ２の差分の電位（電位Ｖｓｆ１及び電位Ｖｓｆ２の電位差（＝Ｖｓｆ２－Ｖｓｆ１））に基づく電荷が蓄積される。
上述のとおり、検出装置１では、第一感応部１５Ｈ、第二感応部１５Ｌ及び金属擬似参照電極８１は、測定対象物８０に同時に浸漬可能に設けられている。このため、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌから入力されるそれぞれの電圧に外乱が含まれていたとしても、この外乱に基づいて第一感応部１５Ｈの出力電圧に重畳するオフセット電圧と、第二感応部１５Ｌの出力電圧に重畳するオフセット電圧Ｖσは、ほぼ同じ大きさになる。
このため、図９（ｂ）中の右側に示すように、第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位は、電位Ｖｖａ１（＝Ｖｓｆ１＋Ｖσ）となり、第二電位変化領域ＳＦＲ２の電位は、電位Ｖｖａ２（＝Ｖｓｆ２＋Ｖσ）となる。この場合に、電荷が第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位Ｖｖａ１によってすり切られることにより、第二電位変化領域ＳＦＲ２には、電位Ｖｖａ１及び電位Ｖｖａ２の差分の電位（電位Ｖｖａ１及び電位Ｖｖａ２の電位差に基づく電荷が蓄積される。すなわち、第二電位変化領域ＳＦＲ２には、以下の式（９）に示すように、外乱に基づくオフセット電圧Ｖσが生じていない場合と同じ電位差に基づく電荷が蓄積される。
Ｖｖａ２－Ｖｖａ１＝（Ｖｓｆ２＋Ｖσ）－（Ｖｓｆ１＋Ｖσ）
＝Ｖｓｆ２－Ｖｓｆ１ ・・・（９）
このため、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌから入力される電圧に外乱などに基づくオフセット電圧が重畳していたとしても、検出装置１は、このオフセット電圧が除去された電位に基づいて、第二電位変化領域ＳＦＲ２に電荷を蓄積できる。これにより、検出装置１は、測定対象物８０の水素イオン濃度に基づく電圧を検出できるので、検出精度の向上を図ることができる。
また、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌは、測定対象物８０に対する感度が異なっているため、第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位と第二電位変化領域ＳＦＲ２の電位との差分の電位（電位差）は、測定対象物８０の水素イオン濃度に応じて異なる値となる。このため、検出装置１は、第二電位変化領域ＳＦＲ２に蓄積された電荷に基づいて、測定対象物８０の水素イオン濃度を検出できる。
図７に戻って、期間Ｔ３の次の期間Ｔ４において、電荷移送部１３に設けられた対向電極１３１には、電圧レベルが高レベルの正の移送調節電圧Ｖｔａが印加される。期間Ｔ４において、対向電極１３１以外の各構成要素には、期間Ｔ３と同様の電圧が印加される。これにより、図１０（ａ）に示すように、電荷移送調節領域ＴＡＲの電位が上昇し、第二電位変化領域ＳＦＲ２に蓄積された電子ｅ－が電荷蓄積領域ＡＬＲに移送される。
図７に示すように、期間Ｔ４の次の期間Ｔ５において、電荷移送部１３に設けられた対向電極１３１には、期間Ｔ１から期間Ｔ３における電圧レベルと同じ電圧レベルの移送調節電圧Ｖｔａが印加される。期間Ｔ５において、電荷移送部１３に設けられた不純物拡散領域１３４、対向電極１３１、リセットトランジスタＴｒのゲートＧ及びドレインＤには、期間Ｔ４と同様の電圧が印加される。さらに、期間Ｔ５において、電荷量検出部１６に設けられた選択トランジスタ１６２（図４参照）が選択されてオン状態（導通状態）となる。これにより、図１０（ｂ）に示すように、電荷蓄積領域ＡＬＲに蓄積された電子ｅ－に基づく電圧が、電荷量検出部１６に設けられたソースフォロワトランジスタ１６１（図４参照）及び選択トランジスタ１６２によって検出され、検出電圧Ｖｏｕｔとして電荷量検出部１６から出力される。
図７に示すように、期間Ｔ５の次の期間Ｔ６において、電荷移送部１３に設けられたリセットトランジスタＴｒのゲートＧには、電圧レベルが高レベルの正のゲート電圧Ｖｇが印加される。期間Ｔ６において、ゲートＧ以外の各構成要素には、期間Ｔ５と同様の電圧が印加される。これにより、図１０（ｃ）に示すように、電荷除去領域ＲＪＲの電位が上昇し、電荷蓄積領域ＡＬＲに蓄積された電子ｅ－がリセットトランジスタＴｒのドレインＤを介して外部に排出される。こうして、検出装置１は、測定対象物８０の測定を終了する。
次に、検出装置１での累積動作について図１１を用いて説明する。検出装置１は、図７、図８及び図１０を用いて説明したように、期間Ｔ１から期間Ｔ４までの１回目の電荷移送及び電荷蓄積の動作を実行する。
図１１に示すように、期間Ｔ４の次の期間Ｔ５において検出装置１は、前回までに電荷蓄積領域ＡＬＲに蓄積した電荷を残したまま、第二電位変化領域ＳＦＲ２に蓄積された電荷を電荷蓄積領域ＡＬＲに蓄積する。各回の電荷移送動作において電荷蓄積領域ＡＬＲに移送される電子ｅ－の量は、ほぼ同じ（検出装置１の設計上は同一）である。このため、１回の電荷移送動作によって蓄積される電子ｅ－の量に累積回数を乗算した量の電子ｅ－が電荷蓄積領域ＡＬＲに蓄積される。
ところで、検出装置１に設けられた電荷移送部１３の閾値電圧がばらつくと、第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２のポテンシャル井戸に溜まる電荷がばらついてしまうので、検出装置１は、測定対象物を正確に定量評価することが困難になる。
しかしながら、本実施形態による検出装置１は、第一電位変化領域ＳＦＲ１及び第二電位変化領域ＳＦＲ２のポテンシャル井戸に溜まる電荷のばらつきを防止するために、ステップＳ１１からステップＳ２１の処理において、第一電荷蓄積部１１Ｈ及び第二電荷蓄積部１１Ｌに蓄積される電荷を調節して電荷移送部１３の閾値電圧のばらつきを抑制するようになっている。これにより、検出装置１は、測定対象物から検出される検出対象（例えば水素イオン濃度）を定量評価するための補正処理を実行する補正回路が不要となり、小型化を図ることができ、データ処理量を抑制することができる。
また、本実施形態による検出装置１は、第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位と第二電位変化領域ＳＦＲ２の電位との差分の電位に基づく電荷によって、測定対象物の検出対象量（例えば水素イオン濃度）を検出する。これにより、検出装置１は、第一電位変化領域ＳＦＲ１の電位及び第二電位変化領域ＳＦＲ２の電位に外乱に基づくオフセット電圧が生じていたとしても、当該オフセット電圧を除去して測定対象物の検出対象量（例えば水素イオン濃度）を検出できる。これにより、検出装置１は、検出精度の向上を図ることができる。
また、検出装置１は、電荷移送部１３の閾値電圧を調節することによって電荷蓄積領域ＡＬＲにおいて蓄積できる電荷量を超えた電荷が電荷移送部１３において移送されることを防止できる。
上述のとおり、検出装置１は、累積動作が可能に構成されている。ここで、電荷蓄積領域ＡＬＲの容量をＣｆｄとし、電荷移送部１３において１回の動作で移送される電荷をＱｓｉｇとすると、ｎ回の電荷移送動作で電荷量検出部１６から出力される検出電圧Ｖｏｕｔは、以下の式（１０）で表すことができる。
Ｖｏｕｔ＝ｎ×Ｑｓｉｇ／Ｃｆｄ ・・・（１０）
式（１０）に示すように、検出電圧Ｖｏｕｔは、移送動作の回数を増やすことによって大きくなる。このため、検出装置１は、第一感応部１５Ｈ及び第二感応部１５Ｌに配置された測定対象物の検出感度の向上を図ることができる。また、累積動作を実行できないＩＳＦＥＴは、２５℃の測定環境において５９ｍＶ／ｐＨが理論限界と考えられているが、検出装置１は、累積動作が可能であるため、この理論限界を突破することができる。
また、１回の電荷移送動作において電荷量検出部１６から出力される検出電圧Ｖｏｕｔに対応する出力信号をＳ０とすると、ｎ回の電荷移送動作において電荷量検出部１６から出力される検出電圧Ｖｏｕｔに対応する出力信号Ｓｎは、以下の式（１１）で表すことができる。
Ｓｎ＝ｎ×Ｓ０ ・・・（１１）
また、ｎ回の電荷移送動作の各回のノイズをＮ０とすると、ｎ回の電荷移送動作において電荷量検出部１６から出力される検出電圧Ｖｏｕｔに重畳されるノイズＮは、以下の式（１２）で表すことができる。
Ｎ＝√（ｎ×Ｎ０） ・・・（１２）
さらに、式（１１）及び式（１２）より、Ｓ／Ｎ比は、以下の式（１３）で表すことができる。
Ｓ／Ｎ ＝Ｓｎ／Ｎ
＝（ｎ×Ｓ０）／（√（ｎ×Ｎ０）
＝√ｎ×Ｓ０／Ｎ０ ・・・（１３）
式（１３）に示すように、検出装置１は、ｎ回の電荷移送動作を実行することによって、１回の電荷移送動作に対してＳ／Ｎ比を√ｎ倍改善することができる。
以上説明したように、本実施形態による検出装置１は、半導体基板１９に配置されて測定対象物の化学現象に感応する第一感応部１５Ｈ、第一感応部１５Ｈに容量的に接続されて電荷を蓄積する第一電荷蓄積部１１Ｈ、第一電荷蓄積部１１Ｈの電位を制御する第一電位制御部１２Ｈ、及び第一電荷蓄積部１１Ｈに電荷を流通させる第一電荷流通部１４Ｈを有する高感度検出部１０Ｈと、半導体基板１９に配置されて測定対象物の化学現象に第一感応部１５Ｈよりも低感度に感応する第二感応部１５Ｌ、第二感応部１５Ｌに容量的に接続されて電荷を蓄積する第二電荷蓄積部１１Ｌ、第二電荷蓄積部１１Ｌの電位を制御する第二電位制御部１２Ｌ、及び第二電荷蓄積部１１Ｌに電荷を流通させる第二電荷流通部１４Ｌを有する低感度検出部１０Ｌと、第一感応部１５Ｈが感応した化学現象に応じて変化して高感度検出部１０Ｈに容量的に接続されている半導体基板１９のＰウェル領域１３３の表面電位と、第二感応部１５Ｌが感応した化学現象に応じて変化して低感度検出部１０Ｌに容量的に接続されている半導体基板１９のＰウェル領域１３３の表面電位との差によって発生する電荷を移送する電荷移送部１３と、電荷移送部１３で移送された電荷の量を検出する電荷量検出部とを備えている。
これにより、検出装置１は、検出精度の向上を図ることができる。また、検出装置１は、移送電荷量のばらつきを補正するための処理を不要とすることにより、移送電荷量のばらつきを補正するための補正回路が不要となる。さらに、検出装置１は、参照電極として白金や金で形成できる金属擬似参照電極を用いることができる。これにより、検出装置１は、小型化を図ることができる。さらに、検出装置１は、移送電荷量のばらつきの補正処理が不要になるため、データ処理量の低減を図ることができる。
本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。
上記実施形態による検出装置１では、第一電位変化領域ＳＦＲ１が電荷供給領域ＡＰＲ側に配置され、第二電位変化領域ＳＦＲ２が電荷移送調節領域ＴＡＲ側に配置されているが、本発明はこれに限られない。例えば、電荷供給領域ＡＰＲ側に配置された変化領域が電荷移送調節領域ＴＡＲ側に配置された変化領域よりも電位が低くなるように閾値電圧が設定されていれば、第一電位変化領域及び第二電位変化領域ＳＦＲ２は、上記実施形態とは逆に配置されていてもよい。
上記第１実施形態による検出装置では、第一感応部及び第二感応部は、測定対象物の化学現象に感応する感応膜を有しているが、本発明はこれに限られない。
第一及感応部及び第二感応部は、物理現象に感応する感応膜を有していてもよい。この場合、第一感応部及び第二感応部として、例えば磁気センサ、圧力センサ、歪センサ又は温度センサなどの物理センサが列挙される。
また、第一感応部及び第二可能部は、測定対象物の物理現象又は化学現象に感応して電圧を出力（すなわち電位が変化）する構成要素であれば、膜の形状に限られず他の形状を有していてもよい。すなわち、感応部は、感応膜ではなく、測定対象物の物理現象又は化学現象に感応する感応部材を有していてもよい。
上記実施形態による検出装置では、第一感応部及び第二感応部と第一電荷蓄積部及び第二電荷蓄積部とが半導体基板の一方の面側、すなわち同じ側に配置されているが、本発明は、これに限られない。検出装置では、第一感応部及び第二感応部は、半導体基板の他方の面、すなわち半導体基板の一方の面とは反対側である裏面側に配置されていてもよい。つまり、第一感応部及び第二感応部並びに第一電荷蓄積部及び第二電荷蓄積部は、半導体基板を挟んで配置されていてもよい。この場合、第一感応部及び第二感応部は、半導体基板の他方の面側（裏面側）からウェル領域（上記実施形態におけるＰウェル領域１２１Ｈａ，１２１Ｌａに対応する）に電気的に接続される。検出装置は、第一感応部及び第二感応部とウェル領域とを接続させるために種々の接続形態を有することができる。
例えば、検出装置は、半導体基板に形成されたウェル領域（上記実施形態におけるＰウェル領域１２１Ｈａ，１２１Ｌａに対応する）と、当該ウェル領域から当該半導体基板の他方の面まで形成された穴部と、当該穴部に埋め込まれたプラグや当該プラグに接続された中間配線などで構成された導電部材とを有する。第一感応部及び第二感応部が当該他方の面側に露出した当該導電部材に電気的に接続されてもよい。これにより、第一感応部及び第二感応部と対向電極層とが電気的に接続される。
また例えば、検出装置は、半導体基板に形成されたウェル領域（上記実施形態におけるＰウェル領域１２１Ｈａ，１２１Ｌａに対応する）と、当該ウェル領域から当該半導体基板の他方の面まで形成された穴部とを有する。半導体基板の他方の面側（裏面側）に配置された第一感応部及び第二感応部のそれぞれの一部が当該ウェル領域に接触した状態で当該穴部に配置されてもよい。これにより、第一感応部及び第二感応部とウェル領域とが電気的に接続される。またこの場合、被検試料は、当該穴部に配置されてもよい。
上記実施形態による検出装置におけるウェル領域などの各領域及び半導体基板の導電型は、一例であり、Ｐ型及びＮ型は逆転されていてもよく、あるいは適宜異なる組み合わせであってもよい。
本発明の技術的範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の技術的範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。
１ 検出装置
１０Ｈ 高感度検出部
１０Ｌ 低感度検出部
１１Ｈ 第一電荷蓄積部
１１Ｈｂ，１１Ｌｂ 第二領域
１１Ｌ 第二電荷蓄積部
１２Ｈ 第一電位制御部
１２Ｌ 第二電位制御部
１３ 電荷移送部
１４Ｈ 第一電荷流通部
１４Ｌ 第二電荷流通部
１５Ｈ 第一感応部
１５Ｌ 第二感応部
１６ 電荷量検出部
１７ 絶縁膜
１８Ｈ 第一遮断部
１８Ｌ 第二遮断部
１９ 半導体基板
６０ 層間絶縁膜
６１，６２，６３，６４，６５，６６Ｈ，６６Ｌ，６７Ｈ，６７Ｌ 配線部
６８Ｈｄ，６８Ｈｇ，６８Ｈｓ，６８Ｌｄ，６８Ｌｇ，６８Ｌｓ 電圧入力端子
８０ 測定対象物
８１ 金属擬似参照電極
８２Ｈ 第一入力端子
８２Ｌ 第二入力端子
１１１Ｈａ，１１１Ｌａ 第一領域
１１１Ｈｂ，１１１Ｌｂ 第二領域
１１１Ｈｃ，１１１Ｌｃ 第三領域
１２１Ｈａ，１２１Ｌａ，１３３，１４１Ｌａ，１４１Ｈａ，１４１Ｈａ，１４１Ｌａ，１９４Ｌ Ｐウェル領域
１２１Ｈｂ，１２１Ｌｂ，１３４，１４１Ｈｂ，１４１Ｈｂ，１４１Ｌｂ 不純物拡散領域
１３１ 対向電極
１４１Ｈ 第一電荷流通部
１５１Ｈ，１５１Ｌ 導電部
１５２Ｈ，１５２Ｌ 感応膜
１６１ ソースフォロワトランジスタ
１６２ 選択トランジスタ
１７１Ｈａ，１７１Ｌａ 制御絶縁膜
１７１Ｈｂ 第一絶縁部
１７１Ｈｃ，１７１Ｌｃ トンネル絶縁膜
１７１Ｌｂ 第二絶縁部
１７２ 第三絶縁部
１７３ ゲート絶縁膜
１９１ Ｐ型結晶シリコン層
１９３Ｈ，１９３Ｌ，１９５Ｌ Ｎウェル領域
１９６ 素子分離層
１９７Ｈ，１９７Ｌ，１９８Ｌ，１９９，
１９９Ｌ ディープＮウェル領域
６０１ 下部絶縁領域
６０２ 上部絶縁領域
６１１，６１３，６２１，６２３，６３１，６３３，６４１，６４３，６５１，６５３，６６１Ｌ，６６３Ｌ，６７１Ｌ，６７３Ｌ，６７５Ｈ，６７５Ｌ プラグ
６１２，６１４，６２２，６２４，６３２，６３４，６５２，６５４，６６２Ｌ，６６４Ｌ，６７２Ｌ，６７４Ｈ，６７４Ｌ 中間配線
ＡＡＲ 電荷供給調節領域
ＡＬＲ 電荷蓄積領域
ＡＰＲ 電荷供給領域
Ｃ１１Ｈ 第一電位変化キャパシタ
Ｃ１１Ｌ 第二電位変化キャパシタ
Ｃ１２Ｈ 第一電位制御キャパシタ
Ｃ１２Ｌ 第二電位制御キャパシタ
Ｃ１４Ｈ，Ｃ１４Ｌ 電界効果トランジスタ型キャパシタ
Ｃ１３１ 移送量調節キャパシタ
Ｄ ドレイン
ＦＤ キャパシタ
Ｇ ゲート
Ｈｃ，Ｌｃ 第三領域
ＲＪＲ 電荷除去領域
Ｓ ソース
ＳＦＲ 電位変化領域
ＳＦＲ１ 第一電位変化領域
ＳＦＲ２ 第二電位変化領域
ＴＡＲ 電荷移送調節領域
Ｔｒ リセットトランジスタ

Claims (15)

  1. 半導体基板に配置されて測定対象物の化学現象に感応する第一感応部、
    前記第一感応部に容量的に接続されて電荷を蓄積する第一電荷蓄積部、
    前記第一電荷蓄積部の電位を制御する第一電位制御部、及び
    前記第一電荷蓄積部に電荷を流通させる第一電荷流通部
    を有する第一検出部と、
    前記半導体基板に配置されて測定対象物の化学現象に前記第一感応部よりも低感度に感応する第二感応部、
    前記第二感応部に容量的に接続されて電荷を蓄積する第二電荷蓄積部、
    前記第二電荷蓄積部の電位を制御する第二電位制御部、及び
    前記第二電荷蓄積部に電荷を流通させる第二電荷流通部
    を有する第二検出部と、
    前記第一感応部が感応した前記化学現象に応じて変化して前記第一検出部に容量的に接続されている前記半導体基板の部分の表面電位と、前記第二感応部が感応した前記化学現象に応じて変化して前記第二検出部に容量的に接続されている前記半導体基板の部分の表面電位との差によって発生する電荷を移送する電荷移送部と、
    前記電荷移送部で移送された電荷の量を検出する電荷量検出部と
    を備える検出装置。
  2. 前記第一電荷流通部及び前記第二電荷流通部のそれぞれは、電界効果トランジスタ型キャパシタを有している
    請求項１に記載の検出装置。
  3. 前記第一電位制御部は、前記半導体基板に形成された部分を少なくとも有して前記第一感応部に接続され、
    前記第二電位制御部は、前記半導体基板に形成された部分を少なくとも有して前記第二感応部に接続されている
    請求項１又は２に記載の検出装置。
  4. 前記第一電位制御部は、前記第一感応部に配置された化学物質を介さずに前記第一電荷蓄積部の電位を制御でき、
    前記第二電位制御部は、前記第二感応部に配置された化学物質を介さずに前記第二電荷蓄積部の電位を制御できる
    請求項１から３までのいずれか一項に記載の検出装置。
  5. 前記第一検出部は、前記第一電荷蓄積部への電圧の印加を遮断する第一遮断部を有し、
    前記第二検出部は、前記第二電荷蓄積部への電圧の印加を遮断する第二遮断部を有する
    請求項４に記載の検出装置。
  6. 前記第一遮断部及び前記第二遮断部のそれぞれは、スイッチである
    請求項５に記載の検出装置。
  7. 前記電荷移送部は、
    前記第一感応部及び前記第二感応部のそれぞれで感応された前記化学現象に応じて前記半導体基板の表面電位が変化する複数の変化領域と、
    前記複数の変化領域に電荷を供給する供給領域と、
    前記複数の変化領域から移送された電荷を蓄積する蓄積領域と、
    前記複数の変化領域から前記蓄積領域に移送する電荷の量を調節する移送調節領域と
    を有し、
    前記電荷量検出部は、前記蓄積領域に蓄積された電荷の量を検出する
    請求項１から６までのいずれか一項に記載の検出装置。
  8. 前記電荷移送部は、前記蓄積領域に蓄積された電荷を除去する除去領域を有する
    請求項７に記載の検出装置。
  9. 前記電荷移送部は、前記第一感応部及び前記第二感応部のそれぞれにおける前記化学現象の感応に対して電荷を複数回、移送する
    請求項７又は８に記載の検出装置。
  10. 前記第一電位制御部における容量及び前記第一電荷蓄積部に対応させて設けられた第一電位変化キャパシタの容量を合成した直列合成容量は、前記第一感応部における容量よりも小さく、
    前記第二電位制御部における容量及び前記第二電荷蓄積部に対応させて設けられた第二電位変化キャパシタの容量を合成した直列合成容量は、前記第二感応部における容量よりも小さい
    請求項１から９までのいずれか一項に記載の検出装置。
  11. 前記第一電位制御部における容量は、前記第一電位変化キャパシタの容量よりも大きく、
    前記第二電位制御部における容量は、前記第二電位変化キャパシタの容量よりも大きい
    請求項１０に記載の検出装置。
  12. 前記第一電位制御部における容量及び前記第一電荷流通部における容量を合成した直列合成容量は、前記第一感応部における容量よりも小さく、
    前記第二電位制御部における容量及び前記第二電荷流通部における容量を合成した直列合成容量は、前記第二感応部における容量よりも小さい
    請求項１から１１までのいずれか一項に記載の検出装置。
  13. 前記第一電位制御部における容量は、前記第一電荷流通部における容量よりも大きく、
    前記第二電位制御部における容量は、前記第二電荷流通部における容量よりも大きい
    請求項１２に記載の検出装置。
  14. 前記第一電荷流通部は、前記半導体基板及び前記第一電荷蓄積部の一部に挟まれ且つ接触して形成された第一絶縁膜を有し、
    前記第二電荷流通部は、前記半導体基板及び前記第二電荷蓄積部の一部に挟まれ且つ接触して形成された第二絶縁膜を有し、
    前記第一絶縁膜及び前記第二絶縁膜のそれぞれは、膜厚が６ｎｍ以上１５ｎｍ未満の領域を少なくとも一部に有している
    請求項１から１３までのいずれか一項に記載の検出装置。
  15. 半導体基板に配置されて測定対象物の化学現象に感応する感応部、前記感応部に容量的に接続されて電荷を蓄積する電荷蓄積部及び前記電荷蓄積部に電荷を流通させる電荷流通部を備える検出装置の検出方法であって、
    電界効果トランジスタ型キャパシタを有する前記電荷流通部の閾値電圧を調節して前記電荷蓄積部に蓄積される電荷量を所望の量に調整し、
    前記電荷蓄積部の前記電荷量を前記所望の量に調整した後に、前記感応部で感応された前記化学現象に応じて前記電荷蓄積部が配置された前記半導体基板の部分の表面電位の変化に基づいて前記測定対象物の検出対象量を検出する
    検出方法。
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