JPH01116442A - 半導体イオンセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体イオンセンサに関し、特に半導体の電界
効果を利用するイオン感応性電界効果トランジスタを用
いた半導体イオンセンサの構造に関する。

［従来の技術］ 従来、溶液中のイオン濃度を測定する半導体装置にイオ
ン感応性電界効果トランジスタ（ＴｏｎＳｅｎｓｉｔｉ
ｖｅ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏ
ｒ　、以後ｌ５ＦＥＴと略称する）がある。これは電界
効果トランジスタの一種で、たとえばシリコンを半導体
として用いた場合、該シリコンの表面が酸化シリコン（
ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（
八で２０３）、酸化タンタル（Ｔａ２０５　）などの絶
縁膜あるいはそれらの組合わせからなるイオン感応膜で
覆われた構造をもち、該Ｉ　Ｓ　Ｆ　Ｅ　Ｔが溶液中に
浸された際、該溶液中のイオンによって該ｌ５ＦＥＴの
イオン感応膜表面の電位が変化するという現象を利用し
ている。

このようなｌ５ＦＥＴは、イオン選択性電極を用いたイ
オンセンサに比へ、（１）トランジスタの集積化技術を
用いて製作されているので、超微小電極を容易に大量生
産でき、（２）イオン感応膜が完全な絶縁膜でも使用で
き、（３）種々の機能膜と組合わせることにより、セン
サの多機能化が可能で、（４）出力インピーダンスが低
く、（５）信号処理回路などの周辺電気回路が一体化で
きるなどの利点を有している。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、微小なｌ５ＦＥＴを製作する場合、ｌ５
ＦＥＴを溶液から電気的に絶縁することが不可欠である
が、従来報告された方法にはそれぞれ欠点があった。

すなわち、シリコンウェー八にエツチングで穴をあけ、
該ウェーハ内に針状構造のシリコンを設けた後、熱酸化
および化学的蒸着法（Ｃｈｅｍ　ｉ　ｃａ　１Ｖａｐｏ
ｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法、以下ＣＶＤ法と略称する
）などにより絶縁膜を全面に形成する方法（松尾正之、
江刺正画：応用物理、Ｖｏ　Ｉ　、　４９、Ｎｏ、　８
．９．５８６．１９８０　）は、製造工程が複雑でデバ
イスとしての歩留りが悪いという欠点があった。

また、シリコン・オン・サファイア（Ｓｉｌｉｃｏｎｏ
ｎ　５ａｐｐｈｉｒｅ　、以下ＳＯ８と略称する）基板
を用い、サファイア上の島状シリコン層にｌ５ＦＥＴを
形成する構造（秋山竜雄仙：分析、Ｖｏ　Ｉ　、　３０
、ｐ、７５４．１９８１）では、上記の欠点が解決され
、通常の集積回路技術を用いて製作できるが、ＳＯＳウ
ェーハが高価であること、シリコン中の電子の゛移動度
が低いこと等の欠点があった。

また、ｐｎ接合を用いてｌ５ＦＥＴを溶液から電気的に
絶縁する方法が報告されている（伊藤善孝：第４６回秋
季応用物理学会講演予稿集、ｐ、　７７６．１９８５）
が、この場合、セン１ノに光が照則されるとｐｎ接合を
電流が流れ、絶縁が不完全になるという欠点があった。

本発明の目的は、このような従来の欠点を除去せしめて
、絶縁が完全で、かつ容易に製造できると共に、シリコ
ン中の電子の移動度が低下せず、ざらにセンサの複合化
が簡単に実現できる新規な半導体イオンセンサを提供す
ることにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、多結晶シリコン基板内に酸化シリコン膜で包
囲された単結晶シリコンが埋込まれてなる誘電体分離型
シリコン基板の前記単結晶シリコン領域にイオン感応性
電界効果トランジスタが設けられ、かつ前記イオン感応
性電界効果トランジスタのソースおよびドレイン領域が
絶縁膜で包囲された多結晶シリコン電極を介して前記多
結晶シリコン基板上を延長され、それぞれ金属電極と電
気的に結合されてなることを特徴とする半導体イオンセ
ンサである。

［作用］ 本発明によれば、ｌ５ＦＥＴが形成される単結晶シリコ
ン領域は、酸化シリコン膜および表面に形成されたＳ　
ｉ３Ｎ４　、Ａｆｔ２０３やＴ　ａ２０５などの絶縁体
で囲まれているため、溶液から完全に絶縁される。また
、単結晶シリコンの電子の移動度は通常のバルクシリコ
ンウェーハの場合と同等で、ＳＯＳウェーハの場合問題
となった電子の移動度の低下は起らない。さらに、ソー
ス、ドレイン領域は絶縁膜で覆われた多結晶シリコンを
介して延長され、センサ部分から離れた金属電極と結合
されるため、複数のＩ　Ｓ　Ｆ　Ｅ、Ｔを同一チップ上
に設けた場合でも、それぞれの金属電極をセンサ領域か
ら離すことができ電極部分の絶縁も容易である。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例について図面を参照して詳細に
説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すｎチャンネル形の半導
体イオンセンサの概略平面図で、二重破線で囲まれた領
域は、酸化シリコン膜で囲まれた単結晶シリコンであり
、その中にｌ５ＦＥＴＩＩが形成される。ｌ５ＦＥＴＩ
Ｉのソース領域１２およびドレイン領域１３はそれぞれ
絶縁体で覆われた多結晶シリコン８を介して延長され、
多結晶基板上のセンサ部分から離れた位置におる金属電
極９と結合されている。

第２図（ａ）、（ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ第１図
のａ−ａ＝線、ｂ−ｂ−線およびｃ−ｃ−線における縦
断面図で、１は多結晶シリコン基板、２は酸化シリコン
、３はｐ形シリコン、４はｎ　形シリコン、５はｐ＋形
シリコン、６は酸化シリコン、７はＳ　ｉ３Ｎ４　、Ａ
ｆｆｉ２０３　、Ｔａ２Ｏ，ｓなどの絶縁性イオン感応
膜、８は多結晶シリコン、９は金属電極である。

図かられかるように、ｌ５ＦＥＴＩＩは多結晶シリコン
基板１内に酸化シリコン２を介して埋込まれた単結晶シ
リコン領域に形成されていると共に、表面は酸化シリコ
ン６およびイオン感応１１１４７に覆われた構造となっ
ている。このため溶液との電気的絶縁が完全で、かつ光
の照射によるリークが起ることもない。

第３図は、本発明の他の実施例を示したもので、複数の
ｌ５ＦＥＴ３１を同一チップ上に集積した構造を示す概
略平面図である。この場合にも、各々のｌ５ＦＥＴ３１
は互いに電気的に絶縁され、ざらに金属電極３９もセン
サ部分から離れた部分に設けることができるので溶液か
らの絶縁が容易である。

また、各ｌ５ＦＥＴ上には、同一の機能膜を設けること
もできるが、それぞれ別の機能膜、たとえばナトリウム
イオン感応膜、カリウムイオン感応膜などのイオン感応
膜、酵素固定化膜を設けることにより、種々のセンサが
でき、その組合わせにより多機能化したセンサを形成す
ることも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明による半導体イオンセンサ
は、ｌ５ＦＥＴが、多結晶シリコン基板内に酸化シリコ
ンを介して埋込まれた単結晶シリコン領域に形成され、
また絶縁性イオン感応膜に覆われているため、溶液との
電気的絶縁は完全であり、光の照射によるリークは起ら
ない。また、電子の移動度も通常の単結晶シリコンと同
様に良好なｌ５ＦＥＴ特性が得られるという利点を有し
ている。さらに、複数のｌ５ＦＥＴを同一チップ上に集
積化することが可能で、この場合にも各々のｌ５ＦＥＴ
は互いに電気的に絶縁され、ざらに、金属電極もセンサ
部分から離れた部分に設けることかでｉ溶液からの絶縁
が容易になるという利点を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略平面図、第２図（
ａ）、（ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ第１図のａ−ａ′
線、ｂ−ｂ−線およびｃ−ｃ−線における縦断面図、第
３図は本発明の他の一実施例を示すｍ略平面図である。 １・・・多結晶シリコン基板 ２．６・・・酸化シリコン　　３・・・ｐ形シリコン４
・・・ｎ　形シリコン　　　５・・・ｐ　形シリコン７
・・・イオン感応膜 ８．３８・・・多結晶シリコン　９，３９・・・金属電
極１１．３１・・・Ｉ　Ｓ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　　　　１２・
・・ソース領域１３・・・ドレイン領域

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）多結晶シリコン基板内に酸化シリコン膜で包囲さ
   れた単結晶シリコンが埋込まれてなる誘電体分離型シリ
   コン基板の前記単結晶シリコン領域にイオン感応性電界
   効果トランジスタが設けられ、かつ前記イオン感応性電
   界効果トランジスタのソースおよびドレイン領域が絶縁
   膜で包囲された多結晶シリコン電極を介して前記多結晶
   シリコン基板上を延長され、それぞれ金属電極と電気的
   に結合されてなることを特徴とする半導体イオンセンサ
   。