JP4653703B2 - FET sensor - Google Patents
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Description
本発明は、FET(電界効果トランジスター)を用い、そのゲート部にアルミナ膜等のイオン感応膜を成膜(被着)して被検液中のイオン濃度を測定するイオンセンサや、前記ゲート部に酵素膜等の生体反応膜を成膜してなるバイオセンサ等として利用されるFETセンサに関する。 The present invention uses an FET (field effect transistor), and an ion sensor that measures (deposits) an ion-sensitive film such as an alumina film on the gate portion thereof to measure the ion concentration in a test solution, and the gate portion. The present invention relates to an FET sensor used as a biosensor or the like formed by forming a bioreactive film such as an enzyme film on the substrate.
この種のFETセンサの代表例として、ISFET(ion sensitive FET)を用いて構成されるイオンセンサについて検討してみると、現在の半導体技術の進歩によりISFET自体の小型化、微細化は容易であるが、測定電位の基準となる比較電極として、KCl/AgCl/Ag(銀−塩化銀電極)構造の液絡式の比較電極を用いたものでは、センサ全体の小型化に自ずと限界があった。 As a representative example of this type of FET sensor, when an ion sensor configured using an ISFET (ion sensitive FET) is examined, it is easy to reduce the size and miniaturization of the ISFET itself due to the progress of current semiconductor technology. However, in the case of using a liquid crystal type comparison electrode having a KCl / AgCl / Ag (silver-silver chloride electrode) structure as a reference electrode serving as a reference for the measurement potential, there is a limit to downsizing the entire sensor.
このような小型化の阻害要因となっている液絡式の比較電極を用いないでイオン濃度を測定できるようにしたイオンセンサとして、従来、FETのゲート部にイオン感応膜を被着してなる測定用ISFETとFETのゲート部にイオン不感応膜を被着してなる参照用ISFET及び擬似比較電極を設け、これらを被検液などの被測定対象に同時に接触させることにより、前記擬似比較電極に対する前記両ISFETの検出電位の差を演算処理してイオン濃度を出力(測定)するように構成したものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, an ion-sensitive film is applied to the gate portion of an FET as an ion sensor that can measure the ion concentration without using a liquid junction type comparative electrode that is an obstacle to downsizing. The ISFET for measurement and the reference ISFET formed by depositing an ion-insensitive film on the gate portion of the FET and the pseudo comparison electrode are provided, and the pseudo comparison electrode is brought into contact with an object to be measured such as a test solution at the same time. A configuration is proposed in which an ion concentration is output (measured) by calculating a difference between detection potentials of the two ISFETs (see, for example, Patent Document 1).
また、特性が同一の測定用及び参照用の二つのISFETと擬似比較電極を設け、測定用のISFETを被測定対象に接触させ、また、参照用のISFET及び擬似比較電極を標準液に接触(浸漬)させることにより、二つのISFETの検出電位の差を演算処理してイオン濃度を出力(測定)するように構成したものも提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, two ISFETs for reference and pseudo-reference electrodes having the same characteristics are provided, the ISFET for measurement is brought into contact with the object to be measured, and the ISFET for reference and the pseudo-reference electrode are brought into contact with the standard solution ( There has also been proposed a configuration in which the ion concentration is output (measured) by calculating the difference between detection potentials of two ISFETs by immersion (see, for example, Patent Document 2).
しかし、特許文献1で提案されている従来のイオンセンサ(FETセンサ)の場合は、ISFETのゲート部が窒化珪素等の無機物薄膜であるのに対して、イオン不感応膜としてはバリレンやテフロン(登録商標)等の疎水性高分子薄膜が用いられており、両薄膜の経時的ドリフト特性、誘導ノイズ感受性、温度特性を精度よく揃えることが技術的に非常に困難である。また、両ISFETのゲート部における成膜工程も異なるために、両FET特性にも変化が生じやすくて、両ISFETの前述の特性を揃えることがますます困難となり、その結果、所定の測定精度の低下は避けられないという問題がある。 However, in the case of the conventional ion sensor (FET sensor) proposed in Patent Document 1, the gate portion of the ISFET is an inorganic thin film such as silicon nitride, whereas the ion insensitive film is valylene or Teflon ( Hydrophobic polymer thin films such as registered trademark are used, and it is technically very difficult to accurately align the drift characteristics, sensitivity to induced noise, and temperature characteristics of both thin films over time. Also, because the film formation process at the gates of both ISFETs is different, the characteristics of both FETs are likely to change, making it more difficult to align the aforementioned characteristics of both ISFETs. There is a problem that the decline is inevitable.
一方、特許文献2で提案されている従来のイオンセンサの場合は、特性が同一の二つのISFETを用いればよいので、上述した従来のイオンセンサが有する問題を解消し、測定精度の向上が図れる反面、参照用のISFET及び擬似比較電極を常時接触(浸漬)させるための標準液を保持する保液部が必要であり、センサを完全ソリッドステート化できないばかりか、センサ全体を十分に小型化、微細化することができないという問題があった。
On the other hand, in the case of the conventional ion sensor proposed in
本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、液絡式の比較電極も標準液も用いず全体の完全ソリッドステート化及び小型化並びに低コスト化を図りつつ、測定感度並びに測定精度の著しい向上を達成することができるFETセンサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and its purpose is to achieve measurement sensitivity and a reduction in overall solid state, size reduction, and cost reduction without using a liquid junction type reference electrode and a standard solution. It is an object of the present invention to provide an FET sensor that can achieve a significant improvement in measurement accuracy.
上記目的を達成するために、本発明に係るFETセンサは、p型FETとn型FET並びに比較電極を備え、前記p型FET及びn型FETのゲート部を被測定対象に同時に接触させたときの前記比較電極と前記各FETとの間の電位をそれぞれ検出し、それら検出電位の差を演算処理して出力するように構成していることを特徴としている。 In order to achieve the above object, an FET sensor according to the present invention includes a p-type FET, an n-type FET, and a comparison electrode, and the gate portion of the p-type FET and the n-type FET is simultaneously brought into contact with a measurement object. The comparison electrode and each FET are respectively detected, and the difference between the detection potentials is calculated and output.
上記のような特徴構成を有する本発明によれば、被測定対象のゲート電位に対するp型FET及びn型FETの動作が全く正反対であるので、それら出力の差をとることにより例えばイオン濃度などを液絡式の比較電極を用いずとも、固体比較電極または擬似比較電極(請求項2)を用いて所定の測定を行うことが可能であり、また、標準液が不要で保液部を設ける必要もないので、センサ全体を完全にソリッドステート化できるとともに、小型化することができる。しかも、両FETのゲート部に対する成膜工程も同じでよいために、それだけ製造工程の簡易化が図れて製造コストを低減できるとともに、品質のばらつきがなく、品質の向上も図れる。加えて、比較電極とp型及びn型FETとの間の検出電位の差をとるために、各FETの経時的ドリフト、誘導ノイズ感受性及び温度特性を容易にキャンセルすることができ、かつ、同一特性のFETを用いて両者の差をとる場合に比べて出力差を非常に大きくして測定感度を凡そ倍にすることができる。したがって、上記した品質の向上と相俟って、イオン濃度等の所定の測定精度の著しい向上を達成することができるという効果を奏する。 According to the present invention having the above-described characteristic configuration, the operations of the p-type FET and the n-type FET with respect to the gate potential of the object to be measured are exactly opposite to each other. Even without using a liquid junction type reference electrode, it is possible to perform a predetermined measurement using a solid reference electrode or a pseudo reference electrode (Claim 2), and it is not necessary to use a standard solution and to provide a liquid holding part. Therefore, the entire sensor can be completely solid-stated and miniaturized. In addition, since the film formation process for the gate portions of both FETs may be the same, the manufacturing process can be simplified, the manufacturing cost can be reduced, and there is no variation in quality, and the quality can be improved. In addition, in order to take the difference in detection potential between the reference electrode and the p-type and n-type FETs, the drift over time, sensitivity to induced noise and temperature characteristics of each FET can be easily canceled, and the same Compared with the case where the characteristic FET is used to obtain the difference between the two, the output difference can be greatly increased, and the measurement sensitivity can be approximately doubled. Therefore, in combination with the above-described improvement in quality, it is possible to achieve a significant improvement in predetermined measurement accuracy such as ion concentration.
本発明において、前記p型FETとn型FETもしくはp型FETとn型FET並びに比較電極をワンチップ基板上に成形する場合(請求項3)、あるいは、それら各々またはその一部が分離されてチップ状に成形されたものを一つの基板上に組み合わせて形成する場合(請求項4)のいずれであってもよいが、特に、ワンチップ基板上に成形する場合は、センサ全体を一層小型化して取扱いの利便性向上及び製造コストの一層の低減を図ることができる。 In the present invention, when the p-type FET and the n-type FET or the p-type FET and the n-type FET and the comparison electrode are formed on a one-chip substrate (Claim 3), or each or a part thereof is separated. Any of the cases where the chip-shaped product is combined and formed on a single substrate (Claim 4) may be used. In particular, when forming on a one-chip substrate, the entire sensor is further downsized. Thus, the convenience of handling can be improved and the manufacturing cost can be further reduced.
また、本発明において、前記p型FETとn型FET並びに比較電極の配置関係はどのようなものであってもよいが、請求項5に記載のように、前記p型FETとn型FETを基板上に横並び配置し、この横並び配置されたp型FETとn型FETの中間位置に前記比較電極を配置する構成を採用することにより、センサ全体のより一層の薄型化、小型化が図れるとともに、製造も容易である。 In the present invention, the p-type FET, the n-type FET, and the comparison electrode may be arranged in any arrangement. However, as described in claim 5, the p-type FET and the n-type FET are By adopting a configuration in which the reference electrodes are arranged side by side on the substrate and the comparison electrode is arranged at an intermediate position between the side-by-side p-type FET and n-type FET, the entire sensor can be further reduced in thickness and size. It is easy to manufacture.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明に係るFETセンサをイオンセンサに適用した場合の要部構造を示す縦断面図である。このイオンセンサ1は、高絶縁性のワンチップ基板であるシリコン(Si)ウエハ2にp型領域3とn型領域4を作製するとともに、これらp型領域3、n型領域4にn型チャンネルFET5,p型チャンネルFET6を作り込み、各ドレインとソース間に亘ってアルミ配線7,8した後、全体をSiO2 などの酸化膜9で覆い、かつ、五酸化タンタル(Ta2O5 )などのイオン感応膜10を前記両FET5,6のゲート部に堆積し成膜することにより、コンプリメンタリィー(相補的)な特性を持つp型ISFET11とn型ISFET12を、ワンチップのシリコンウェハ2上に横並び配置して形成してなる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the structure of the main part when the FET sensor according to the present invention is applied to an ion sensor. This ion sensor 1 has a p-
そして、横並び配置された前記p型ISFET11とn型ISFET12の中間位置の前記イオン感応膜10上に、例えばプラチナ(Pt)膜よりなる擬似比較電極13を形成している。
Then, a
図2の(a)〜(h)は上記のような構造を持つイオンセンサ1の具体的な製作プロセス例を説明する概略断面図であって、シリコンウェハ2の上面にSiO2 層14を介してn型半導体からなる活性層15を形成し、この活性層15上に、p型領域3の形成、n型領域4の形成、n型チャンネルFET5及びp型チャンネルFET6の作り込みという(a)〜(c)のプロセスを経てコンプリメンタリィー(相補的)な特性を持つp型ISFET11とn型ISFET12を横並びに形成する。次に、不要な活性層15をエッチングにより除去して両ISFET11,12を分離し相互に絶縁し(d)、それぞれドレインとソース間に亘ってアルミ配線7,8した(e)のち、絶縁のためにSiO2などの酸化膜9を被覆形成する(f)。さらに、五酸化タンタル(Ta2 O5 )などのイオン感応膜10を前記両FET5,6のゲート部に成膜し(g)、最後にイオン感応膜10上に擬似比較電極13を形成する(h)。
FIGS. 2A to 2H are schematic cross-sectional views for explaining a specific manufacturing process example of the ion sensor 1 having the above-described structure, and a SiO 2 layer 14 is interposed on the upper surface of the
なお、上記した製作プロセスにおいて、ウェハ2としては、例えばエピタキシャル層を埋め込んだものを使用してもよく、ゲート感応膜にアルミナ膜を使用してもよい。また、バイオセンサとする場合は、酵素膜などの生体反応膜を形成すればよい。さらに、活性層15としてp型半導体を形成してもよい。
In the manufacturing process described above, as the
図3は、上記構造を持つイオンセンサ1の動作回路例の構成を示すもので、前記p型ISFET11とn型ISFET12を単一の駆動源16にて駆動すべく負荷抵抗11R,12Rを介して相互に接続されており、それらp型ISFET11とn型ISFET12の出力、つまり、擬似比較電極13と各ISFET11,12との間の電位を検出し、それら検出電位を差動アンプ17並びにAD変換器(ADC)18を通して演算処理部(MPU)19に入力させるように構成されている。そして、このMPU19には、該MPU19で前記両検出電位の差を演算処理した結果であるイオン濃度値を出力表示する表示部20が設けられている。
FIG. 3 shows the configuration of an operation circuit example of the ion sensor 1 having the above-described structure. The p-
上記のように構成されたイオンセンサ1においては、前記p型ISFET11、n型ISFET12の各ゲート部及び擬似比較電極13が被検液等の被測定対象に同時に接触するように用いられる。そして、それらが被測定対象に同時に接触したときに各ISFET11,12のゲート部にかかる電位は、擬似比較電極13の電位と被測定対象のプロトンが各ゲート部のイオン感応膜10に結合してできる電位の和になっている。すなわち、被測定対象のプロトン濃度(pH)に比例した電位となる。
In the ion sensor 1 configured as described above, the gate portions of the p-
図3の動作回路の場合、各ISFET11,12の負荷抵抗11R,12Rの電位はゲート電位に比例して変化するが、その値は横軸をpH、縦軸を出力(mV)としてプロットすると、図4の(a)に示すように、傾きが正反対のネルンスト電位になっており、それぞれの出力の差(p型ISFET出力−n型ISFET出力)をとると、図4の(b)に示すように、ネルンスト電位の2倍の傾きの直線が得られる。このようにコンプリメンタリィーな特性を持つp型ISFET11とn型ISFET12を用いて両者の出力差をとることによって、同一特性のISFETを用いて両者の差をとる場合に比べて、出力差を非常に大きくして測定感度を凡そ倍にすることができる。
In the case of the operation circuit of FIG. 3, the potentials of the
なお、p型ISFET11とn型ISFET12の特性に差があって、ネルンスト電位に対する感度差が大きい場合は、直接に出力差をとらず、ADC18でAD変換し、MPU19で校正演算処理した後、差をとることにより両ISFET11,12の特性差に起因する感度差を校正することが可能である。
If there is a difference in the characteristics of the p-
また、上記のように構成されたイオンセンサ1においては、擬似比較電極13と両ISFET11,12との間の検出電位の差をとるために、ISFET11,12の経時的ドリフト、誘導ノイズ感受性及び温度変化並びに擬似比較電極13自体の電位変動は容易に相殺しキャンセルすることが可能であり、KCl/AgCl/Ag(銀−塩化銀電極)構造の液絡式の比較電極を使用する必要がなく、また、標準液の使用の必要もないので、イオンセンサ1全体を完全にソリッドステート化できるとともに、小型化でき、かつ、製作工程も容易で低コスト化も図ることができる。
Further, in the ion sensor 1 configured as described above, in order to obtain a difference in detection potential between the
なお、上記実施の形態では、前記p型ISFET11とn型ISFET12を単一の駆動源16にて駆動するような回路構成のもので示したが、図5に示すように、前記p型ISFET11とn型ISFET12を各別の駆動源16A,16Bを用いて個別に駆動し、それらの検出電位の差を演算処理して出力するような回路構成としてもよい。
In the above-described embodiment, the p-
また、上記実施の形態では、基板としてSiウェハを使用したが、n−Siやp−Si基板上にそれぞれp型領域、n型領域を作り、p型ISFETとn型ISFETを製作してもよい。ただし、この場合は、p型ISFETとn型ISFETを分離するために、チャンネルストッパーを両ISFET間に設ける必要がある。 In the above embodiment, a Si wafer is used as a substrate. However, a p-type region and an n-type region are formed on an n-Si or p-Si substrate, respectively, and a p-type ISFET and an n-type ISFET are manufactured. Good. However, in this case, in order to separate the p-type ISFET and the n-type ISFET, it is necessary to provide a channel stopper between both ISFETs.
さらに、上記実施の形態では、比較電極として、擬似比較電極を用いたが、これに代えて、金や白金などの固体金属電極を用いてもよく、また、p型ISFETとn型ISFET並びに擬似比較電極の配置関係は、横並びに限らず、p型ISFETとn型ISFETを対向配置させたり、任意の角度に配置してもよい。 Furthermore, in the above embodiment, the pseudo comparison electrode is used as the comparison electrode. Instead, a solid metal electrode such as gold or platinum may be used, and the p-type ISFET, the n-type ISFET, and the pseudo-electrode are used. The arrangement relationship of the comparison electrodes is not limited to the horizontal arrangement, and the p-type ISFET and the n-type ISFET may be arranged opposite to each other or arranged at an arbitrary angle.
1 イオンセンサ(FETセンサの例)
2 シリコンウェハ(基板の例)
11 p型ISFET
12 n型ISFET
13 擬似比較電極
17 差動アンプ
1 Ion sensor (example of FET sensor)
2 Silicon wafer (example of substrate)
11 p-type ISFET
12 n-type ISFET
13
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