JP3001104B2 - センサー構造体及びその製造法 - Google Patents

センサー構造体及びその製造法

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    • G01N33/4915—Blood using flow cells

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、電界効果型トランジスタを用いたセンサ
ー構造体及びその製造法に関する。
［従来の技術］ 半導体の電界効果を利用した半導体イオンセンサー
（以下ISFETと称す）は、1972年にPIET BERGVELDによっ
て最初に提案され、その原理及び動作が確認された。
その後、特開昭52−26292号公報に示されているよう
に、東北大の松尾教授等によって、窒化シリコン等を用
いた多層構造での実用化に向けたセンサー機能の向上が
図られた。
また、米国においては、USP 4020830号に示されてい
るようにISFETを用いて、PH,無機イオンのみならずグル
コース，尿素，酵素，免疫物質,O2及びCO2等のガス成分
検出用のセンサーが提案されている。
このように種々提案されているISFETの基本的形状
は、生体計測，半導体素子の製作の容易さ等から針状構
造を基に開発されてきた。
ISFETの針状構造の例としては、例えば特開昭53−253
85号公報に示されている。
即ち、ここに示された構造は、個々のISFETを櫛歯状
に一体形成し、最後に個々に切り離すものであって、量
産に適した実用的な方法である。
このようにして製作されたISFETセンサーは、例えば
参照電極とともにカテーテルに装着し、生体計測用とし
て用いられたり、針状のままサンプルに浸漬して用いら
れるものである。
［発明が解決しようとする課題］ ISFETセンサーは、血液分析の場合等は、大量検査装
置として、フローセル型の連続測定方式が用いられるこ
とが多い。このような方式としては、例えばISFETの例
ではないがフローセルを用いたイオン電極の例が、旭硝
子工業技術奨励会研究報告（Vol.29.1976,P227,Fig.1
（Ｂ））の中に紹介されている。
しかし、このようなフローセルにISFETを装着して使
用する場合、ISFETが非常に小型であるため装着し難い
事や、装着時にISFET先端に被覆した感応膜を損傷する
おそれがある。また、フローセルに突出したISFETのた
め、測定サンプルの流れが乱れたり、気泡が発生したり
して測定値が不安定になる原因を生ずる問題等を有して
おり、ISFET自体の超小型な特徴を十分に活かしきれて
いなかった。
この発明は、ISFETの優れた特徴を活かすことがで
き、超微量計測及び高精度な測定が可能で、しかも耐久
性に富んだセンサー構造体及びその簡易な製造法を提供
することを目的とする。
［課題を解決するための手段及び作用］ 本発明は、半導体結晶の特定結晶面に形成された電解
効果型トランジスタからなるセンサーと、このセンサー
と同じ特定結晶面を有する半導体結晶基板とを有し、こ
の半導体結晶基板の特定結晶面に、センサーの外形形状
と係合する段部を有する透孔を設けるとともに、上記セ
ンサーを、上記透孔の段部に係合し、かつ、センサーの
ゲート部が透孔内に面するように上記半導体結晶基板に
接着固定したことを特徴とするものである。
［実施例］ 第１図乃至第４図を用いて、第１の実施例を説明す
る。
第１図（ａ）（ｂ）（ｃ）は、この実施例で用いるフ
ローセル基板１を示す図で、（ａ）は基板の表面パター
ン、（ｂ）は基板の裏面パターン、（ｃ）は（ａ）のＣ
−Ｃ線断面を示す図である。
フローセル基板１はシリコンウエハーよりなり、基板
表面には三つのゲート窓2a,2b,2c及び三つの電極端子窓
3a,3b,3cを有している。
次に上記フローセル基板１の製造プロセスを説明す
る。このプロセスは、フローセル基板の一つの窓を例に
とって説明する。
（１） マスク製作工程 ISFETの大きさに応じて、しかもISFETを組込む数量に
応じてマスクを第２図（ａ）（ｂ）に示すように基板１
用のマスクＡとマスクＢとの２枚を製作する。
（２） 洗浄，レジスト塗布工程 第３図（ａ）に示すようにSiウエハーを洗浄したの
ち、Wet酸化（SiO2）を行ない、表面にレジストｒを塗
布し、140℃で30分間焼付けする。次いで裏面にもレジ
ストを塗布し、80℃で20分間焼付ける。
（３） 露光，現像工程 マスクＢでSiの裏面側を露光現像したのち、第３図
（ｂ）に示すようにSiO2層をエッチングし、しかるのち
レジスト層を除去する。
（４） Siエッチング工程 ここでは、Si露出部分のエッチングを行なう工程であ
るが、特開昭53−25385号公報にも示されているよう
に、EPW（Etylenediamine,Pyrocatechol,Water）エッチ
ング液を用いて毎分２μｍの速度でエッチングを行なう
と、第３図（ｃ）に示すように結晶構造（100）面のSi
が約55゜の傾斜角の断面を持った状態でエッチングされ
る。Si層をエッチングしたのち、SiO2層を除去する。
（５） 露光，現像工程 SiO2層を除去したSiに対し、再び、RCA洗浄し、Wet酸
化して、Siの表裏面にSiO2層を形成したのち、表面にレ
ジストを塗布し、140゜で30分間焼付けする。次いで裏
面に１回目のレジストを塗布し、80℃で５分間焼いた上
に２回目のレジストを塗布して80℃で20分間焼付ける。
このようにしたのち、マスクＡを用いて露光現像し、
第３図（ｄ）に示すようなレジスト層を形成する。
（６） SiO2エッチング工程 次にポストベークしたのち、第３図（ｅ）に示すよう
にSiO2層をエッチングする。
（７） Siエッチング工程 SiO2層をエッチングしたのち、レジストを除去し第１
回目のSiエッチングと同様にEPWエッチング液を用いてS
iを毎分２μｍの速度でエッチングする。その結果第３
図（ｆ）のようになる。
（８） 仕上げ工程 次いでSiO2層を除去し、RCA洗浄したのち、再びWet酸
化処理を行なうと、第３図（ｇ）に示すようなSi基板の
エッチング部分を含めて全体にSiO2層が形成される。
なお、ここで使用した特定結晶面を有する基板は、
（100）面のSi以外に（110）−面のSiでもよい。
以上のような工程で形成されたフローセル基板１は、
第１図（ｃ）に示すように表面の開口が極めて小さく、
裏面の開口が極めて大きくなるように、夫々約55゜の傾
斜角をもった２段階構造の広がりを有している。
このように形成したフローセル基板１の裏面から、第
４図（ｂ）に示すようにISFET 4aを、そのゲート部5aが
ゲート窓2aから見えるように当接させる。そして、基板
１の裏面側でISFET 4aをエポキシ系樹脂等の接着剤６で
固定する。第４図（ａ）はフローセル基板１に三つのIS
FET 4a,4b,4cを接着固定した状態を示している。第４図
（ｂ）のようにゲート窓2aに何も充填しない場合には、
感応膜にSi3N4を用いたPH用とし、第４図（ｃ）に示す
ように、ゲート窓2cに感応膜７を充填させた場合には、
その感応物質に応じた測定用（例えばNa+イオン計測用,
K+イオン測定用など）とすることができる。この感応膜
７は、例えば、ポリビニルクロライド（PVC）をテトラ
ヒドロフラン（THF）に溶解した溶液に感応物質を混合
させることにより容易に得ることができる。
このようにしてISFETを用いたセンサー構造体を作る
ことにより、フローセル基板とISFETは同じ結晶面を有
するSi単結晶を用い、しかも同じ半導体加工プロセスを
用いているので、ISFETをフローセル基板のクレータ
（エッチング部分）に密にフィットさせることができ
る。したがって、極めて高精度な位置決めを行なうこと
ができる。また、フローセル基板の表面はSiO2で絶縁さ
れているので、SiとISFETとの間の電気的導通等の不具
合もなくなる。しかもSiの表面が絶縁膜で覆われている
ので、滑らかであり、ISFETの密着性も更に向上する。
なお、上記の例では３本のISFETで説明したが、これに
限定されるものではない。また、フローセル基板のクレ
ータを２段階の段部を有する形状に形成したが、ISFET
との係合性が確保されるのであれば、エッチングの方法
に応じてさまざまな形状とすることが可能である。
第５図は、他の実施例を示す図で、例えば、特開昭53
−25385号公報に開示されているような、櫛歯状に形成
したISFET集合体８を、切り離すことなく、そのままの
状態でフローセル基板１に埋設したものである。ただし
この場合、ISFET集合体は夫々が電気的にアイソレーシ
ョンされていなければならない。
即ち、３個のISFET集合体８は、フローセル基板１の
クレータにフィットするような間隔で一体に形成されて
おり、しかも夫々のISFETが電気的に完全に絶縁されたp
n接合アイソレーション構造をなしている。
このpn接合アイソレーション構造はｎ型の基板にホウ
素を拡散させ、ｐ型の孤立層を形成させる。この孤立層
がISFET素子に相当する。次にリンを所定のパターンに
従って拡散させ、ソースとドレインを形成する。このよ
うにして製作したISFETのpn接合部に逆バイアスが印加
されるように動作させればアイソレーションが達成でき
る。
このように、電気的にアイソレーションされた複数の
ISFET集合体を用いてセンサー構造体を製作すると、セ
ンサー構造体を簡単に作ることができる。
なお、アイソレーションとしては、pn接合型以外に、
エアアイソレーション，絶縁物アイソレーション，完全
アイソレーションなどの方法を用いることができる。ア
イソレーションの方法としては「最新LSIプロセス技
術」のP314に詳しく述べられている。
第６図及び第７図は更に別の実施例であり、特にフロ
ーセル基板１の形状を変えたものである。
第６図は、フローセル基板１に予めサンプル液流路10
を形成しておくもので、この流路10も異方性エッチング
等の半導体プロセス技術工程の中で作成してしまう。
第７図は、サンプル液流路10に連通するように参照電
極流路11を同様な方法でフローセル基板１に形成し、そ
の流路11の底面に、半導体プロセス技術の電極形成技術
と同様な方法でAg/Agclの薄膜よりなる電極12を内蔵さ
せたものである。
なお、参照電極流路11は、この位置に限定されるもの
ではなく、サンプル液流路10の反対側でもよい。また参
照電極12は、イオン選択性電極を用いて測定する時に使
用されるものであるが、このセンサー構造体において
は、Ref.ISFETの使用が可能であり、このRef.ISFETは他
のISFETと同様な配置で使用できるため、参照電極液流
路11は必ずしも必要としない。Ref.ISFETの研究例とし
ては、Anal.Letters Vol.20.（1987）P1765〜1772があ
る。
第８図（ａ）（ｂ）（ｃ）はセンサー構造体を用いて
血液等の流体サンプルの連続測定を可能にすべく実装し
たフローセルの実施例である。
フローセル基板20に接着固定した三つのISFET21a,21
b,21cのゲート窓部22a,22b,22cに直接流体物質が接触で
きる構造にした液流路23を設ける。例えばチューブの一
部を半円状に切欠させてゲート窓部22a〜22cを覆うよう
に形成する。そしてISFET 21の端子部24から導出したリ
ード線24aを電極ピン25に接続する。
このようにフローセル基板20に液流路23及び電極ピン
25を取付けたのち、第８図（ｂ）に示すように透明なモ
ールド樹脂26などで一体に固着する。
次いでモールド樹脂26部分を化粧カバー27内に収納
し、この化粧カバー27の開口部に押え板28を覆せて一体
的に固定し、三つのISFETを有したフローセルを形成す
る。
なお、カバー27の一部、即ちゲート窓部22a〜22cに対
応する部分を透明な観察窓27aとすることにより、液流
路23を流れるサンプルの状態を観察できるようにしてあ
る。
このように構成することにより、液流路23を流れてき
たサンプルは、ISFETのゲート部に直接触れながら流れ
ることになる。このためサンプルは、ISFETの必要最小
限な部分、即ちゲート領域のみに接することになる。し
たがってISFET動作機能を妨害する水分や金属イオン等
の侵入を防止することができ、耐久性が高く、かつ測定
精度の良い安定した測定を行なえる。またフローセルの
組立時あるいは操作時においてISFETに直接触れること
がないので、ISFETのセンシング機能を損傷するおそれ
もない。
第９図は、第８図で示したフローセル液流路23のサン
プル流出側に管29を接続し、これに参照電極30を連結し
たものである。なお31はガラス管、32はKcl溶液、33はA
g/Agcl電極である。
なお第９図にはISFETの駆動回路を簡単に示したが、
複数本のISFETの信号をピックアップする回路として
は、本出願人がすでに提案している特開昭60−128345号
公報のシステムが好適である。
［発明の効果］ 本発明によれば、センサーと同じ特定結晶面を有する
半導体結晶基板に、センサーの外形形状と係合する段部
を有する透孔を設けるとともに、上記センサーを、上記
透孔の段部に係合し、かつ、センサーのゲート部が透孔
内に面するように上記半導体結晶基板に接着固定したこ
とにより、耐久性が向上し、高精度な測定が可能なセン
サー構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図〜第４図は本発明の第１実施例を示す図で、第１
図（ａ）（ｂ）（ｃ）はフローセル基板の構成を示す表
面図と裏面図とＣ−Ｃ線矢視断面図である。第２図
（ａ）（ｂ）は第１エッチング用マスクと第２エッチン
グ用マスクを示す平面図、第３図（ａ）〜（ｇ）はフロ
ーセル基板の製造プロセスを示す工程図、第４図（ａ）
（ｂ）（ｃ）はフローセル基板の透孔にISFETが装着さ
れるもようを示す図である。 第５図〜第９図は本発明の他の実施例を示す図である。
第５図は櫛歯状ISFET集合体をフローセル基板に埋設し
た例を示す第２実施例を示す図である。第６図及び第７
図はフローセル基板にサンプル液流路を設けた例及び同
流路に参照電極流路を連通させた例を夫々示す第３実施
例の斜視図、第８図（ａ）（ｂ）（ｃ）はセンサー構造
体の使用例であるフローセルを示す第４実施例の平面図
及び二方向からみた側断面図、第９図は第８図の例を実
際に計測する際に用いる参照電極及び駆動回路を例示し
た図である。 １……フローセル基板、2a〜2c……ゲート窓、3a〜3c…
…電極端子窓、4a〜4c……ISFET、5a（5b,5cは不図示）
……ゲート部、６……接着剤、７……感応膜、８……IS
FET集合体、10……サンプル液流路、11……参照電極流
路、12……Ag/Agcl電極、20……フローセル基板、21a〜
21c……ISFET、22……ゲート窓、23……液流路、24……
端子部、25……電極ピン、26……モールド樹脂、27……
化粧カバー、28……押え板、29……管、30……参照電
極。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 27/00 - 27/24 G01N 27/414,27/28 G01N 27/416

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体プロセスに基づいて、特定結晶面を
    有する基板に透孔を穿つとともに、該透孔の内面を含め
    て該基板表面に絶縁層を形成する第１の工程と、 上記第１の工程で作成した基板の透孔部に、基板と同じ
    特定結晶面に形成された電界効果型トランジスタよりな
    るセンサーを、上記透孔の開口部に上記センサーのゲー
    ト領域が位置するように接着固定する第２の工程と、 を有することを特徴とするセンサー構造体の製造方法。
  2. 【請求項２】半導体プロセスに基づいて、特定結晶面を
    有する基板にエッチングにより穴を穿つ第１の工程と、 半導体プロセスに基づいて、上記第１の工程において作
    成した穴を該穴より小さな寸法でエッチングして、基板
    に透孔を形成する第２の工程と、 半導体プロセスに基づいて、上記透孔の内面を含めて上
    記基板表面に絶縁層を形成する第３の工程と、 上記基板の透孔部に、基板と同じ特定結晶面に形成され
    た電界効果型トランジスタよりなるセンサーを、上記透
    孔の開口部に上記センサーのゲート領域が位置するよう
    に接着固定する第４の工程と、 を有することを特徴とするセンサー構造体の製造方法。
  3. 【請求項３】半導体結晶の特定結晶面に形成された電界
    効果型トランジスタからなるセンサーと、上記センサー
    と同じ特定結晶面を有し、上記特定結晶面に透孔が設け
    られた半導体結晶基板とを具備し、 上記センサーは上記基板に、上記透孔の開口部に上記セ
    ンサーのゲート領域が位置するように、接着剤により接
    合されていることを特徴とするセンサー構造体。
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