JP3982090B2 - Semiconductor ion sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体イオンセンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、溶液(測定液)中のイオンの濃度(活量)を電気信号に変換するデバイスとしてISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor)と呼ばれる半導体イオンセンサが提供されている。この種の半導体イオンセンサは、図3に示すように、p形シリコン基板1の主表面側にn+層よりなるドレイン領域2とn+層よりなるソース領域3とが離間して形成され、両領域2,3間のチャネル部4上にゲート絶縁膜5を介してイオン感応膜6が形成されている。また、ドレイン領域2上にはドレイン電極7が形成され、ソース領域3上にはソース電極8が形成されており、各電極7,8上には保護膜10が形成されている。なお、図3中の9はフィールド酸化膜を示す。
【0003】
要するに、図3に示す構成のISFETは、電界効果型トランジスタのドレイン・ソース間のチャネル部上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極に相当する部分に、イオン感応膜6を形成してある。したがって、ISFETでは、イオン濃度の大きさに応じてチャネル部4の電位が変わってチャネル部4の電気抵抗が変化することになり、ドレイン・ソース間の電流が変化する。
【0004】
この種の半導体イオンセンサでは、ISFETと別体の参照電極30をISFETのソース電極8に可変電圧源Vaを介して接続し、溶液(測定液)の電位を参照電極30を通してISFETのソース電位に対して一定の値にすることにより、ソース・ゲート間にはイオンの濃度に応じた電圧が加わるから、ドレイン電極7・ソース電極8間に電圧源V2を介して挿入された電流計40による測定電流によりイオン濃度を知ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来構成の半導体イオンセンサでは、製品ごとのISFETのしきい値電圧Vthの違いや温度特性などにより、参照電極30へ印加する最適な電圧が製品ごとに異なっており、ISFETのしきい値電圧Vthのばらつきや温度変化に関わらず一定の感度および精度を保つために、可変電圧源Vaによる参照電極30への印加電圧をその都度調整する必要があり、手間がかかるという不具合があった。
【0006】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、参照電極への印加電圧を調整する作業が不要で安定した感度特性を有する半導体イオンセンサを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、上記目的を達成するために、半導体基板の主表面側にドレイン領域とソース領域とが離間して形成され、半導体基板においてドレイン領域とソース領域との間に介在する領域上に絶縁膜を介してイオン感応膜が形成され、ドレイン領域上にドレイン電極が形成され、ソース領域上にソース電極が形成されたISFETと、ISFETのソース電極に接続された参照電極と、該参照電極とISFETのソース電極との間に挿入されISFETのしきい値電圧と略同じしきい値電圧を有するFETであってドレインおよびゲートが参照電極に接続され、ソースがISFETのソース電極に接続された定電圧用FETと、定電圧用FETのドレイン・ソース間に並列接続される電流制御用抵抗と電圧源との直列回路とを備えることを特徴とするものであり、参照電極の電位をISFETのしきい値電圧に略一致させることができるので、従来のように参照電極に印加する電圧を調整するような作業が不要で、半導体イオンセンサの感度特性が温度変化やISFETのしきい値電圧Vthのばらつきなどがあっても変わることなく、製品ごとの感度特性のばらつきが小さい安定した感度特性を有する。
【0008】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、定電圧用FETとISFETとは隣接して同一半導体基板に形成され、両FETのソース領域が共通化されているので、両FETのしきい値電圧を容易に一致させることができ製品ごとの感度特性のばらつきがより小さくなるとともに、センサの小型化を図ることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
本実施形態の半導体イオンセンサの基本構成は図3に示した従来構成と略同じであって、図1に示すように、参照電極30とISFETのソース電極8との間に、ISFETのしきい値電圧と略同じしきい値電圧を有するMOSFETであってドレインおよびゲートが参照電極30に接続されソースがISFETのソース電極8に接続された定電圧用MOSFET20を設けるとともに、電流制御用抵抗Rと電圧源V1との直列回路を定電圧用MOSFET20のドレイン・ソース間に並列接続した点に特徴がある。なお、図3に示した従来構成と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【0010】
ここにおいて、定電圧用MOSFET20は、ゲート・ドレイン間が短絡され、ドレイン・ソース間に上記直列回路が並列接続されているので、定電圧源として機能し、参照電極30の電位を常にISFETのドレイン電流が流れ始める電位に保つことができる。
【0011】
しかして、本実施形態の半導体イオンセンサでは、参照電極30の電位をISFETのしきい値電圧に略一致させることができるから、従来のように参照電極30に印加する電圧を可変電圧源Va(図3参照)によって調整するような作業が不要で、温度変化やISFETのしきい値電圧Vthのばらつきなどがあっても感度特性が変わることなく、製品ごとの感度特性のばらつきが小さくなり、感度特性が安定する。
【0012】
(実施形態2)
本実施形態の半導体イオンセンサの基本構成は図1に示した従来構成と略同じであって、図2に示すように、実施形態1の定電圧用MOSFET20をISFETが形成されたp形シリコン基板1に形成し、ソース領域3を共通化した点に特徴がある。すなわち、本実施形態では、ISFETと定電圧用MOSFET20とが1チップ内に隣接して形成されている。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【0013】
定電圧用MOSFET20は、ISFETが形成されたp形シリコン基板1のの主表面側にn+層よりなるドレイン領域2’とソース領域3とが離間して形成され、両領域2’,3間のチャネル部4’上にゲート絶縁膜15を介してゲート電極16が形成されている。また、ドレイン領域2’上にはドレイン電極7’が形成され、ソース領域3上にはソース電極8が形成されており、各電極7,8,16上には保護膜10が形成されている。ここに、定電圧用MOSFET20のソース領域3およびソース電極8はISFETと共通である。
【0014】
しかして、本実施形態の半導体イオンセンサでは、ISFETと定電圧用MOSFET20とが同一チップに形成されソース領域3が共通化されているので、ISFETのしきい値電圧と定電圧用MOSFET20のしきい値電圧とを容易に一致させることができ製品ごとの感度特性のばらつきがより小さくなるとともに、両FETを別々のチップに形成する場合やソース領域3を共通化しない場合に比べてセンサの小型化を図ることができる。
【0015】
【発明の効果】
請求項1の発明は、半導体基板の主表面側にドレイン領域とソース領域とが離間して形成され、半導体基板においてドレイン領域とソース領域との間に介在する領域上に絶縁膜を介してイオン感応膜が形成され、ドレイン領域上にドレイン電極が形成され、ソース領域上にソース電極が形成されたISFETと、ISFETのソース電極に接続された参照電極と、該参照電極とISFETのソース電極との間に挿入されISFETのしきい値電圧と略同じしきい値電圧を有するFETであってドレインおよびゲートが参照電極に接続され、ソースがISFETのソース電極に接続された定電圧用FETと、定電圧用FETのドレイン・ソース間に並列接続される電流制御用抵抗と電圧源との直列回路とを備えるので、参照電極の電位をISFETのしきい値電圧に略一致させることができるから、従来のように参照電極に印加する電圧を調整するような作業が不要で、半導体イオンセンサの感度特性が温度変化やISFETのしきい値電圧Vthのばらつきなどがあっても変わることなく、製品ごとの感度特性のばらつきが小さい安定した感度特性を有するという効果がある。
【0016】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、定電圧用FETとISFETとは隣接して同一半導体基板に形成され、両FETのソース領域が共通化されているので、両FETのしきい値電圧を容易に一致させることができ製品ごとの感度特性のばらつきがより小さくなるとともに、センサの小型化を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1を示す概略構成図である。
【図2】実施形態2を示す概略構成図である。
【図3】従来例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
1 p形シリコン基板
2 ドレイン領域
3 ソース領域
4 チャネル部
5 ゲート絶縁膜
6 イオン感応膜
7 ドレイン電極
8 ソース電極
9 フィールド酸化膜
10 保護膜
20 定電圧用MOSFET
30 参照電極
R 電流制御用抵抗
V1 電圧源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor ion sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a semiconductor ion sensor called an ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) has been provided as a device that converts the concentration (activity) of ions in a solution (measurement solution) into an electrical signal. In this type of semiconductor ion sensor, as shown in FIG. 3, a
[0003]
In short, the ISFET having the configuration shown in FIG. 3 has an ion
[0004]
In this type of semiconductor ion sensor, a
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the semiconductor ion sensor having the above-described conventional configuration, the optimum voltage to be applied to the
[0006]
The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide a semiconductor ion sensor having a stable sensitivity characteristic that does not require an operation of adjusting a voltage applied to a reference electrode.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, in order to achieve the above object, a drain region and a source region are formed apart from each other on the main surface side of a semiconductor substrate, and the region interposed between the drain region and the source region in the semiconductor substrate. An ISFET having an ion sensitive film formed thereon via an insulating film, a drain electrode formed on the drain region, a source electrode formed on the source region, a reference electrode connected to the source electrode of the ISFET, An FET that is inserted between the reference electrode and the source electrode of ISFET and has a threshold voltage substantially the same as the threshold voltage of ISFET, the drain and gate are connected to the reference electrode, and the source is connected to the source electrode of ISFET And a series circuit of a current control resistor and a voltage source connected in parallel between the drain and source of the constant voltage FET. Since the potential of the reference electrode can be made to substantially match the threshold voltage of the ISFET, there is no need to adjust the voltage applied to the reference electrode as in the prior art. The sensitivity characteristic of the sensor does not change even if there is a change in temperature or a variation in threshold voltage Vth of the ISFET, and the sensor has a stable sensitivity characteristic with a small variation in sensitivity characteristic for each product.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the constant voltage FET and the ISFET are formed adjacent to each other on the same semiconductor substrate, and the source regions of both FETs are made common. The value voltages can be easily matched, and variations in sensitivity characteristics among products can be further reduced, and the size of the sensor can be reduced.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
The basic configuration of the semiconductor ion sensor of the present embodiment is substantially the same as the conventional configuration shown in FIG. 3, and as shown in FIG. 1, the threshold of the ISFET is between the
[0010]
Here, the
[0011]
Thus, in the semiconductor ion sensor of the present embodiment, the potential of the
[0012]
(Embodiment 2)
The basic configuration of the semiconductor ion sensor of this embodiment is substantially the same as the conventional configuration shown in FIG. 1, and as shown in FIG. 2, the
[0013]
The
[0014]
Therefore, in the semiconductor ion sensor of this embodiment, the ISFET and the
[0015]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the drain region and the source region are formed on the main surface side of the semiconductor substrate so as to be separated from each other, and ions are interposed on the region interposed between the drain region and the source region in the semiconductor substrate via the insulating film. A sensitive film is formed, a drain electrode is formed on the drain region, a source electrode is formed on the source region, a reference electrode connected to the source electrode of the ISFET, the reference electrode and the source electrode of the ISFET, A constant voltage FET having a threshold voltage substantially the same as the threshold voltage of the ISFET and having a drain and a gate connected to the reference electrode and a source connected to the source electrode of the ISFET; Since it has a series circuit of a current control resistor and a voltage source connected in parallel between the drain and source of the constant voltage FET, the potential of the reference electrode is set to ISF Since it can be made substantially equal to the threshold voltage of T, there is no need to adjust the voltage applied to the reference electrode as in the prior art, and the sensitivity characteristics of the semiconductor ion sensor are affected by temperature changes and the threshold of ISFET. Even if there is a variation in the voltage Vth or the like, there is an effect that there is a stable sensitivity characteristic with a small variation in sensitivity characteristic among products.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the constant voltage FET and the ISFET are formed adjacent to each other on the same semiconductor substrate, and the source regions of both FETs are made common. The value voltages can be easily matched to each other, so that variations in sensitivity characteristics among products are further reduced, and the sensor can be miniaturized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 p-
30 Reference electrode R Current control resistor V1 Voltage source
Claims (2)
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