JP4852752B2 - 化学・物理現象検出装置 - Google Patents

Description

本発明は化学・物理現象検出装置（以下、単に「検出装置」又は「装置」と略することがある）に関する。

化学・物理現象検出装置として特許文献１、特許文献２及び特許文献３等に記載のものが知られている。
例えばイオン濃度を測定するためにこの化学・物理現象検出装置を利用する例を図１に示す。
シリコン基板１０にはｎ^＋型ドープ領域１１、１３とｐ型ドープ領域１５が形成されている。ｐ型ドープ領域１５にはゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜１９が積層されている。このシリコン酸化膜１９の上に２つのゲート電極２２及び２４が設けられている。図中の符号２３はシリコン窒化膜である。シリコン窒化膜２３の上に液槽２１が設けられ、その中にイオン濃度（ｐＨ）の測定対象となる水溶液３２が充填される。符号２６は参照電極であり、一定の電位に保たれている。
基板のｎ^＋領域１１、ゲート電極２２、ゲート電極２４及びｎ^＋領域１３はそれぞれ、端子ＩＤ、ＩＣＧ、ＴＧ及びＦＤに接続され、所定の電位が所定のタイミングで印加される。その結果、基板のｎ^＋領域１１が電荷供給部１となり、ゲート電極２２に対応する部分が電荷注入調節部２となり、シリコン窒化膜２３に対応する部分がセンシング部３となり、ゲート電極２４に対応する部分が障壁部４となり、ｎ^＋型領域１３がフローティングディフュージョン部５となる。

このように構成された従来例の累積型化学・物理現象検出装置の理論上の動作を図２に示す。
スタンバイ状態Ｓ１においてフローティングディフュージョン部５には電荷が蓄積されている。この電荷は前回までの単位検出動作により蓄積されたものである。このとき、溶液３２のイオン濃度に対応してセンシング部３のポテンシャルが変化している。
次に、電荷供給部１に印加する電位を下げることによってセンシング部３へ電荷をチャージする（ステップ３）。その後、電荷供給部１の電位を上げることによって、電荷注入調節部２によりすり切られた電荷がセンシング部３に残される（ステップ５）。そして、ステップ７においてこの残された電荷をフローティングディフュージョン部５へ蓄積する。
ステップ１〜ステップ７で示される単位検出動作を繰返すことによりフローティングディフュージョン部５に電荷が累積される。これにより、図３に示すように、検出の感度が高くなる。

特開平１０−３３２４２３号公報 特開２００２−９８６６７号公報 特願２００５−６９５０１号公報

本発明者らの検討によれば、図１に示した装置を用いて単位検出動作を繰返しても、図３に示すように、感度を増大させることが困難であった。それを解決するために、特許文献３に記載する累積型化学・物理現象検出装置が発明された。
しかしながらこれまでの発明ではフローティングディフュージョン領域の電位を検出するために金属−酸化膜−半導体型電界効果トランジスタ(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor: MOSFET) のゲート電極にフローティングディフュージョンが接続され、ソースフォロア回路でフローティングディフュージョン領域の電位を読み出していた。

本発明者らはこれまでの調査研究の結果から、MOSFETにはf分の1雑音と呼ばれる雑音が存在し、累積型化学・物理現象検出装置の当該感度（S/N比）の低下の原因になることが判明した。

本発明は次の構成を採用する。
（１）第１導電型で、被検査溶液のイオン濃度に対応してポテンシャルが変化するセンシング部と、前記第１導電型と極性の異なる第２導電型で、前記センシング部に蓄積された電荷を累積するフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷に基づく出力信号からフローティングディフュージョン部の電位変化を検出することにより、前記被検査溶液のイオン濃度を特定する接合型電界効果トランジスタ(Junction Field-Effect Transistor：JFET)とを備える化学・物理現象検出装置であって、前記センシング部に蓄積された電荷を、前記センシング部から前記フローティングディフュージョン部に転送する転送電極を備え、前記センシング部及び前記フローティングディフュージョン部を配列する方向と直交する方向で、前記フローティングディフュージョン部の１方の外側に前記接合型電界効果トランジスタのソース領域を配置し、前記直交する方向で、前記フローティングディフュージョン部の他方の外側に前記接合型電界効果トランジスタのドレイン領域を配置し、前記フローティングディフュージョン部が前記接合型電界効果トランジスタのゲート電極と一体に形成されることにより、前記フローティングディフュージョン部が前記接合型電界効果トランジスタのゲート電極を兼用し、前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷に基づく前記出力信号を、配線を経ることなく、前記接合型電界効果トランジスタのゲート電極に直接入力することにより前記被検査溶液のイオン濃度を特定することを特徴とする化学・物理現象検出装置。

（２）前記フローティングディフュージョン部に残留する電荷を除去するために、前記フローティングディフュージョン部からリセット部に電荷を転送するリセット電極を備えることを特徴とする（１）記載の化学・物理現象検出装置。

このように構成された発明によれば、累積型化学・物理現象検出装置からの信号が出力されるフローティングディフュージョンの電位変化をJFETのゲートに入力し、JFETに流れる電流の変化により検出を行う。累積型化学・物理現象検出装置からの出力信号は周波数が低いものであるが、JFETにはf分の1雑音が発生しないため、JFETに流れる電流にf分の1雑音が混入することなく、雑音が減少し、感度が上昇する。

実施例の装置の模式図を図４、そのレイアウト図を図５に示す。累積型化学・物理現象検出装置のフローティングディフュージョン領域がJFETのゲートに接続されており、さらにそのJFETに負荷の役割を担う、もう一つのJFETが直列に接続されている。負荷の役割を担うJFETは適当な直流電圧が印加される。この２つのJFETの間から出力を得るようになっている。この２つのJFETはソースフォロア回路と呼ばれるものであり、センサ出力であるフローティングディフュージョンの電位変化を電圧として出力する役割を担う。

図５にそのレイアウト図を示す。たとえばp型のシリコン基板を用い、インプットダイオード、フローティングディフュージョン、リセットダイオードはn型の不純物拡散層により構成されている。センシングエリアには、pHセンサ感応膜であるSi₃N₄膜が150nm堆積されている。もちろんTa₂O₅やAl₂O₃、ダイヤモンドなどの薄膜でもpH感応膜としての役割をはたす。さらに、グルコースオキシダーゼ膜をSi₃N₄膜の上部に積層する事でグルコースセンサとしても働く。
フローティングディフュージョン領域はJFETのゲート電極に配線材料でつながれている。JFETのゲート電極はｎ型ドーピングされた拡散層で作製されている。もちろん、JFETのゲート電極とフローティングディフュージョン領域はｎ型拡散層で作製できるため、両者をかねることで、配線材料を用いなくても良い。
チャンネルはｐ型シリコン拡散層で構成され、基板はｎ型シリコン基板を用いる。

第２の実施例としてそのレイアウト図を図６に示す。JFETのゲート電極と累積型化学・物理現象検出装置のフローティングディフュージョン領域が兼ねあわせた構造になっており別々にくるものに比べて高感度化、小型化が期待できる。通常、累積型化学・物理現象検出装置を作製する工程では実施例２のデバイスを作ることはできないため、通常の作製プロセスに加えてｐ型拡散層をあらかじめ作製する必要がある。これを実現するために、新たにフォトリソ工程を追加してｐ型拡散層を作製した。このようにして作製した実施例のセンサは、JFETによりf分の１雑音を抑制できた効果はもちろんのことである。実施例１ではフローティングディフュージョンとゲート電極を配線で結ぶ構造であるため、配線による寄生容量が増加してしまい外部からの雑音が重畳され、さらに寄生容量のため実質上フローティングディフュージョンの容量が増加して感度が低下していた。これらの問題を実施例２の構造では、フローティングディフュージョンを一体化することで解決することが可能である。

図７に作製したJFETの顕微鏡写真を示す。また図８にそのJFETの電気特性を示す。ゲート電圧を大きくすることにより電流が減少することが分かる。また、作製したこのJFETを実際に雑音特性を測定した結果を図９に示す。同時に作製したMOSFETの雑音特性も同時に示す。この測定結果から分かるようにJFETを用いることで雑音が１００分の１程度に下がることが分かる。

センシング部３の面積は１００００μｍ^２、フローティングディフュージョン部５の面積は１５００μｍ^２とした。

図１０は図４に示す装置を縦１０個、横１０個並べてなるセンサチップを示す。各装置は同一の水溶液の中に浸漬されており、各装置からの信号は、信号の大きさに対応した色若しくは模様として画像表示できる。
また、図１１には実施例の装置を縦３２個、横３２個並べ、かつ縦方向及び横方向にそれぞれシフトレジスタを付加したアレイセンサを示す。

この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

この発明により、たいへん容易に高感度なpHの計測ができるようになり、電気的な専門の知識を持たない研究者（医学部、生物学者、バイオ研究者など）にこのセンサが使いやすくなるため産業上の利用価値が飛躍的に向上する。

従来例の累積型化学・物理現象検出装置の構成を示す断面図である。 累積型化学・物理現象検出装置の理論上の動作を示す。 累積型化学・物理現象検出装置の理論上の出力特性を示す。 本発明の累積型化学・物理現象検出装置の構成を模式的に示す。 本発明の累積型化学・物理現象検出装置のレイアウトを模式的に示す。 第２の累積型化学・物理現象検出装置の実施例を示す 本発明に用いたJFETの写真を示す。 本発明に用いたJFETの電気的特性を示す。 本発明に用いたJFETの雑音特性を従来のMOSFETの雑音と併せて示す。 実施例の累積型化学・物理現象検出装置をアレイ化したセンサチップを示す。 実施例の累積型化学・物理現象検出装置を集積した他のセンサチップの例を示す。

１ 電荷供給部
２ 電荷注入制御部
３ センシング部
４ 障壁部
５ フローティングディフュージョン部
１０ 基板
１１、１３ ｎ^＋領域
１５ ｐ領域
１９ シリコン酸化膜
２２、２４、６２ 電極
２３ シリコン窒化膜
２６ 参照電極
３２ 水溶液
５０ ｐチャネルJFET
５１ ｐチャネルJFETで作製した負荷部
５２ 出力

Claims (2)

1. 第１導電型で、被検査溶液のイオン濃度に対応してポテンシャルが変化するセンシング部と、
   前記第１導電型と極性の異なる第２導電型で、前記センシング部に蓄積された電荷を累積するフローティングディフュージョン部と、
   前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷に基づく出力信号からフローティングディフュージョン部の電位変化を検出することにより、前記被検査溶液のイオン濃度を特定する接合型電界効果トランジスタ(Junction Field-Effect Transistor：JFET)とを備える化学・物理現象検出装置であって、
   前記センシング部に蓄積された電荷を、前記センシング部から前記フローティングディフュージョン部に転送する転送電極を備え、
   前記センシング部及び前記フローティングディフュージョン部を配列する方向と直交する方向で、前記フローティングディフュージョン部の１方の外側に前記接合型電界効果トランジスタのソース領域を配置し、前記直交する方向で、前記フローティングディフュージョン部の他方の外側に前記接合型電界効果トランジスタのドレイン領域を配置し、
   前記フローティングディフュージョン部が前記接合型電界効果トランジスタのゲート電極と一体に形成されることにより、前記フローティングディフュージョン部が前記接合型電界効果トランジスタのゲート電極を兼用し、
   前記フローティングディフュージョン部に蓄積された電荷に基づく前記出力信号を、配線を経ることなく、前記接合型電界効果トランジスタのゲート電極に直接入力することにより前記被検査溶液のイオン濃度を特定することを特徴とする化学・物理現象検出装置。
2. 前記フローティングディフュージョン部に残留する電荷を除去するために、前記フローティングディフュージョン部からリセット部に電荷を転送するリセット電極を備えることを特徴とする請求項１記載の化学・物理現象検出装置。