JP6749592B2

JP6749592B2 - 化学・物理現象検出装置

Info

Publication number: JP6749592B2
Application number: JP2016569325A
Authority: JP
Inventors: 文博太齋; 澤田　和明; 和明澤田
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2036-01-06
Also published as: EP3246699B1; EP3246699A1; WO2016114202A1; EP3246699A4; US20180003671A1; US9976981B2; JPWO2016114202A1

Description

本発明は、化学・物理現象検出装置の改良に関する。

化学・物理現象検出装置として、特許文献１に開示の累積型化学・物理現象検出装置が知られている。
この検出装置はたとえばｐＨセンサとして利用され、高感度の検出を達成するため、偽信号発生の要因である電位障壁（いわゆる電位の「こぶ」）による残存電荷の影響を除去する。
一般的な化学・物理現象検出装置では、電荷供給調節（ＩＣＧ）領域の電位を規定する第１の電荷制御電極に隣接する位置にこの電位障壁が形成される。すなわち、デバイスの製造工程の制限から、基板上においてセンシング領域を規定するシリコン窒化膜がこの第１の電荷制御電極をも被覆するので、第１の電荷制御電極の側面ではシリコン窒化膜が厚くなりすぎて外部環境が基板の電位変化に十分に反映されなくなる。
この電位障壁による残存電荷の影響を除去する方策として、電荷供給調節領域とセンシング領域の間に電荷の除去井戸を設けている。この除去井戸の電位を制御することにより、センシング領域の残存する電荷をこの除去井戸へ強制的に吸引させ、もって偽信号の発生を防止している。

特許第４１７１８２０号公報特表２０１０−５２５３６０号公報

センシング領域と電荷供給調節領域との間に形成される除去井戸の電位を制御するため第１の電荷制御電極に加えて、除去井戸に対応する位置に第２の電荷制御電極が配置される。
他方、化学・物理現象検出装置を集積してｐＨ等の外部環境の変化を二次元的に測定する技術が開発されつつあり、この開発において、化学・物理現象検出装置にはより高い集積度が求められている。
第２の電荷制御電極及びこれを駆動させるための配線が付加される構造を採用する特許文献１に開示の化学・物理現象検出装置は、その高集積化の観点から好ましくない。
勿論、化学・物理現象検出装置にはより高い感度が求められることは言うまでもないので、電位障壁に起因する偽信号の影響は消去しなければならない。
以上に鑑み、この発明の一つの目的は、電位障壁を消去しつつ高集積化に適した化学・物理現象検出装置を提供することにある。

本発明者らは、かかる目的を達成すべく鋭意検討を重ねてきた結果、第１の局面の化学・物理現象検出装置に想到した。即ち、
外部環境の変化に対応して電位が変化するセンシング領域と、
該センシング領域へ電荷を供給する電荷供給領域と、
前記センシング領域と前記電荷供給領域との間に介在する電荷供給調節領域と、
前記センシング領域から移送された電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、を区画した半導体基板を備え、
前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷の量を検出する化学・物理現象検出装置であって、
前記基板において前記電荷供給調節領域とセンシング領域との間に拡散層が形成され、該拡散層には前記電荷供給領域から供給される電荷の極性と同じ極性の電荷を生じさせるドーパントが拡散されている、化学・物理現象検出装置。

このように規定される第１の局面の化学・物理現象検出装置によれば、電荷供給調節領域とセンシング領域との間に形成される拡散層ではその電位がセンシング領域の電位に比べ、ニュートラル状態からより離れた状態となる。ここで、ニュートラル状態とは、拡散層に電荷が存在しない状態を意味し、この場合、センシング領域と拡散層の電位は異なる。すなわち、注入する電荷として電子を採用する場合には、拡散層の電位はセンシング領域の電位より常に高くなる。これにより、電荷供給制御領域とセンシング領域との間に電位障壁が形成されなくなる。
電荷の除去井戸を形成して電位障壁を消失させた従来の化学・物理現象検出装置に比べ、第１の局面で規定される化学・物理現象検出装置によれば、除去井戸の電位を制御するための電極およびその配線が不要となるので、高集積化の要請に適したものとなる。

第１の局面で規定される化学・物理現象検出装置において、電荷供給（ＩＤ）領域も拡散層と同じ半導体型にドープされる。例えば、電荷供給領域から供給される電荷が電子の場合、半導体基板に対して電荷供給領域と拡散層はｎ型にドープされる。従って、化学・物理現象検出装置の製造工程を簡素化するためには、電荷供給領域と拡散層とを、更には電荷蓄積領域も、同一のマスクを用いてドープすることが好ましい。
その結果、この発明の第２の局面での化学・物理現象検出装置は次のように規定される。
前記拡散層と前記電荷供給領域とには同じドーパントが拡散されている、請求項１に記載の化学・物理現象検出装置。

この発明の第１の実施形態のｐＨセンサの構成を示す断面図である。第１の実施形態のｐＨセンサから拡散層を省略した場合に形成される電位障壁を示す模式図である。同じくｐＨセンサの平面構造を示す。第１の実施形態のｐＨセンサの動作を示す。この発明の第２の実施形態のｐＨセンサの構成を示す断面図である。第２の実施形態のｐＨセンサから拡散層を省略した場合に形成される電位障壁を示す模式図である。

（第１の実施形態）
この発明の第１の実施形態の化学・物理現象検出装置１の原理的な構成を図１に示す。
この化学・物理現象検出装置１はシリコン基板１０とその上に積層される構造体とから構成される。
シリコン基板１０には、電荷が注入される電荷供給（ID）領域２から電荷移送方向へ順に、電荷供給調節（ICG）領域３、拡散層４、センシング領域５、電荷移送制御（TG）領域６、電荷蓄積（FD）領域７が区画される。図３の例では、矩形のセンシング領域を採用して、隣り合う２辺の一方の辺へ、当該辺から順に拡散層４−電荷供給調節領域３−電荷供給領域２を形成し、他方の一辺へ、当該辺から順に電荷移送制御領域６、電荷蓄積領域７を設けているが、各領域を直線状のならべてもよい。
各領域の区画は半導体基板１０の表面における半導体型の違いにより規定される。例えば、電荷として電子を用いた場合、電荷供給（ID）領域２、拡散層４及び電荷蓄積（FD）領域７はｎ⁺型の領域であり、電荷供給調節（ICG）領域３及びセンシング領域５はｐ型の領域である。

電荷蓄積領域７にはこれに蓄積された電荷を排出するリセット部８と蓄積された電荷量を検出する電荷量検出部９と接続される。これらリセット部８及び電荷検出部９には汎用的な回路が採用される。
基板１０の表面には酸化シリコン絶縁膜１１が積層され、その上に、電荷供給調節領域３の対向位置に電荷供給調節領域３の電位を制御するICG電極１５が積層され、同様に電荷移送制御領域６の対向位置にその電位を制御するTG電極１６が積層される。センシング領域５に対応する部分には感応膜として窒化シリコン膜１３が積層される。この窒化シリコン膜１３は、ICG電極１５やTG電極１６よりも後に形成されるため、これらの電極も被覆している。
各領域の面積や平面形状、ドーパントの導入量、更には感応膜の材質はセンサの測定対象、測定条件及び要求される感度等を考慮して任意に設計できる。

なお、電荷供給領域２、拡散層４及び電荷蓄積領域７はともにｎ型ドーパントでドープされている。当該ドープは、絶縁膜１１を形成する前に、基板１０の表面へマスクをしてｎ型ドーパントを打ち込んで行う。マスク処理の回数をできる限り少なくする見地から、電荷供給領域２、拡散層４及び電荷蓄積領域７のドープ条件を同じにすることが好ましい。その結果、これら３層には１度のドープ処理により同一のドーパントが同一の濃度で導入される。

図１に示す化学・物理現象検出装置１によれば、ＩＣＧ電極１５の側面側に窒化シリコン層１３が存在しても、これに対向する基板の領域は拡散層４とされ、拡散層４の電位を高めるドーパントが拡散されているので、電位障壁の形成が防止される。
図２には、拡散層４を省略したときの各領域のポテンシャルを示している。図２において、符号２０が電位障壁を示す。図１の例では、電位障壁２０が形成される位置にセンシング領域５より高い電位を有する拡散層４が形成されているので、電位障壁２０はその中に埋没し、消失する。
なお、電荷として正孔を用いるときは、拡散層４はセンシング領域５よりも低い電位を持つ。換言すれば、拡散層４の電位は、ニュートラル状態からみたとき、センシング領域５の電位より、離れている。
拡散層４はＩＣＧ電極１５のセンシング領域５側の側面を被覆する窒化シリコン膜１３を図１で下方の拡散層４に投影したとき、窒化シリコン膜１３が拡散層４内に収まるようにする。
図３に化学・物理現象検出装置１の平面構造を示す。図３に示すとおり、拡散層４はＩＣＧ領域３とセンシング領域５との間に形成される。なお、図１は、図３のＩ−Ｉ指示線の断面構造である。
拡散層４の幅は、エッチング変換差やマスクズレを考慮して任意に設定可能である。この実施形態では２．０μｍプロセス（即ち、最少チャンネル長が２．０μｍ）において、拡散層４の幅を１．２０μｍとした。

次に、図４を参照しながら、化学・物理現象検出装置１の動作を説明する。
図４(a)はリセット状態を示す。このリセット状態においてリセット部８のリセットゲートＲＧが高電位となり、電荷蓄積（ＦＤ）領域（以下、単に「ＦＤ領域」ということがある）７の電荷が外部へ排出されている。
図４(b)はスタンバイ状態を示す。このスタンバイ状態においてリセット部８のリセットゲートＲＧが低電位となり、ＦＤ領域７によって電荷が蓄積され得る状態となる。
図４(c)、(d)は測定状態を示す。この状態の前提として、センシング領域５の電位は外部環境（測定対象のｐＨ）に依存して変化している。まず、図４(c)に示すように電荷供給（ＩＤ）領域（以下、単に「ＩＤ領域」ということがある）２から電荷（この場合、電子）を注入すると、電荷は電荷供給調節（ＩＣＧ）領域（以下、単に「ＩＣＧ領域」ということがある）３を超えてセンシング領域５に至り、その後、図４(d)に示すようにＩＤ領域２からの電荷供給を止めると、センシング領域５上の電荷はＩＣＧ領域３にすり切られる。このとき、ＩＣＧ領域３の電位とセンシング領域５の電位差は、測定対象のｐＨに依存しており、当該電位差に対応した量の電荷がセンシング領域５の上に残存する。

拡散層４の電位はセンシング領域５の電位より充分に高く設定されているので、ＩＣＧ領域３とセンシング領域５との間に電位障壁が形成されることはない。
図４(d)に示す測定状態において、拡散層４にも電荷が存在し、そのうえに注入された電荷が残存するが、この残存した電荷も含め、ＩＣＧ領域３とセンシング領域５の電位差に起因する電荷量が検出対象のｐＨ値を規定する。換言すれば、拡散層４の形成する電荷井戸内に存在する電荷はｐＨ値を規定する電荷量に何ら影響を与えない。

図４(e)、(f)は電荷移送状態を示す。電荷移送制御（ＴＧ）領域（以下、単に「ＴＧ」領域ということがある）６の電位を上げて、図４(d)の状態で残存している電荷を電荷蓄積（ＦＤ）領域（以下、単に「ＦＤ領域」ということがある）７へ移送する。
なお、図４(c)〜図４(f)の操作を繰り返すことにより、小さなｐＨ変化を大きな電荷量変化に変換可能となる。
図４(g)において、電荷検出部９によりＦＤ領域７に蓄積された電荷量を電気信号に変換する。これにより、ｐＨ値の特定が可能となる。
以下、図４(a)〜図４(g)のステップが繰り返される。

図５にはエクステンデッドタイプの化学・物理現象検出装置１０１を示す。
なお、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を部分的に省略する。
ダイレクトタイプの図１の化学・物理現象検出装置１と図５の化学・物理現象検出装置１０１とは、基板１０において同等の構成を採用し、その上に、酸化シリコン絶縁膜１１を介して積層される構造体において異なる。
図５に示す化学・物理現象検出装置１０１では、絶縁膜１１の全面に酸化シリコン層１０２が積層され、この酸化シリコン層１０２の表面に感応層としての窒化シリコン層１１３が積層される。この窒化シリコン層１１３の電位変化は酸化シリコン層１０２内に埋設された金属材料などからなる導電層１１５、１１６、１１７を介してセンシング領域規定電極１２３に伝達される。
これにより、測定対象のｐＨに対応する窒化シリコン層１１３の電位がセンシング領域５の電位に反映される。
なお、図５に示すエクステンデッドタイプの化学・物理現象検出装置１０１は汎用のプロセスで形成が可能であり、勿論、酸化シリコン層を多層とすることもできる（特表２０１０−５３５３６０号公報参照。この文献の記載はこの明細書の一部として取り入れられる。）。

図５に示す化学・物理現象検出装置１０１であっても、基板１０においてＩＣＧ領域３とセンシング領域５との間に拡散層４を形成しないと、図６に示す通り、そこに電位障壁１２０が形成され、偽信号の原因となる電荷がセンシング領域５に残存する。
これに対し、図５に示すように、拡散層４をＩＣＧ層３とセンシング領域５の間に形成することにより、電位障壁１２０の発生が防止される。
この化学・物理現象検出装置１０１も、図１の化学・物理現象検出装置と同様に動作する（図４参照）。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求に範囲の記載の趣旨を逸脱せず、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。

１１０１化学・物理現象検出装置
２電荷供給（ＩＤ）領域
３電荷供給調節（ＩＣＧ）領域
４拡散層
５センシング領域
６電荷移送制御（ＴＧ）領域
７電荷蓄積（ＦＤ）領域
８リセット部
９電荷量検出部
１０基板
１５ＩＣＧ電極
１６ＴＧ電極
１１５、１１６、１１７導電層
１２３センシング領域規定電極

Claims

外部環境の変化に対応して電位が変化するセンシング領域と、
該センシング領域へ電荷を供給する電荷供給領域と、
前記センシング領域と前記電荷供給領域との間に介在する電荷供給調節領域と、
前記センシング領域から移送された電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、を区画した半導体基板を備え、
前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷の量を検出する化学・物理現象検出装置であって、
前記基板において前記電荷供給調節領域とセンシング領域との間に拡散層が介在され、該拡散層には前記電荷供給領域から供給される電荷の極性と同じ極性の電荷を生じさせるドーパントが拡散されている、化学・物理現象検出装置。
前記拡散層と前記電荷供給領域とには同じドーパントが拡散されている、請求項１に記載の化学・物理現象検出装置。
前記電荷供給領域から供給する電荷は電子である、請求項１に記載の化学・物理現象検出装置。