JPH01250849A

JPH01250849A - 化学センサ

Info

Publication number: JPH01250849A
Application number: JP63078715A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Sakai; 忠司酒井; Shigeki Uno; 宇野　茂樹; Nanao Nakamura; 中村　七男; Masao Koyama; 小山　昌夫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1989-10-05
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: JP2610294B2; US4961833A

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、化学センサに係り、特に溶液中での成分検出
を目的とする電界効果型の化学センサの改良に関する。

（従来の技術）溶液成分を検出する電界効果型の化学センサとして、イ
オン感応（Ｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ）　Ｆ　Ｅ　Ｔ
（以下、ｌ５ＦＥＴと称する）が知られている。

ｌ５ＦＥＴは、半導体基板にソース、ドレイン層を形成
し、ゲート部にゲート絶縁膜とイオンに感応する感応膜
を形成して構成される。このｌ５ＦＥＴは、そのゲート
部を溶液に浸漬した時、溶液中の特定成分のイオン濃度
に応じてソース。

ドレイン間のコンダクタンスが変化する。そこでこのコ
ンダクタンスの変化を読み取ることにより、イオン濃度
を検出することができる。

ｌ５ＦＥＴは上述のように、少なくともゲート部は溶液
中に浸漬されるものであるため、リークに対する保護が
極めて重要である。このため従来より種々の対策が取ら
れている。特に、電極およびリード部の絶縁が困難であ
り、電極部分への溶液の侵入を如何に防ぐが、素子の特
性および信頼性を決定する。この点に関して本出願人は
先に、直接接合半導体基板を用いて電極保護を確実にす
る有効なｌ５ＦＥＴ構造を提案している（特開昭６２−
１２３３４８号公報）。第７図は、そのｌ５ＦＥＴの構
造である。第１のシリコン基板２１と第２のシリコン基
板２２は、間に酸化膜２３１を介在させて直接接合して
一体化されている。この直接接合構造は、基板の接合す
べき面を鏡面研磨し、少なくとも一方の面に酸化膜を形
成し、接合すべき面を清浄化して直接接着して所定の熱
処理をすることにより得られる。一体化された基板のう
ち素子形成側である第１の基板２１は島状に加工して、
この島状シリコン内にソース。

ドレイン層２４１，２４２を形成し、接着界面側１；ｐ
−型のチャネル領域２９を残して表面部にはｐ中型チャ
ネルストッパ層３０を形成している。

第２の基板２２のチャネル領域２９に対応する位置には
エツチングにより開口を設けて、第１の基板裏面を露出
させ、ここにシリコン酸化膜２３２とシリコン窒化膜２
６とを積層形成して感応部２５を構成している。この積
層絶縁膜は素子全体を覆うように形成されている。ソー
ス、ドレイン電極２８．．２８２は第１のシリコン基板
２１の表面側に取出している。ソース、ドレイン電極側
は感応膜は必要ないので、シリコン窒化膜２６について
は、感応部とソース、ドレイン電極取出し側とて別の材
料を用いることができる。

この構造では、イオンに感応する感応部２５とソース、
ドレイン電極２８□、２８２とが第１の基板２１の互い
に異なる面に形成されている。従ってソース、ドレイン
電極２８１．２８２の部分を溶液に浸漬することなく、
感応部２５のみを溶液に接触させることができる。この
ため、電極部からの溶液侵入による絶縁特性の劣化とい
う問題を回避することができる。また、素子形成をプレ
ーナ・プロセスで行うことができる、誘電体分離構造基
板を用いているので素子のマルチ化が容易であるなど、
種々の長所を有する。

しかしこの従来構造には未だ解決すべき問題がある。第
１に、感応部（即ちゲート部）が凹部内に形成されるた
め、均一な膜厚のゲート絶縁膜を再現性よく形成するこ
とが困難である。また、感応部が凹部をなしているため
、７１１１Ｊ定すべき溶液がこの凹部内によどむ。例え
ば、被測定溶液を流す管の管壁にこのｌ５ＦＥＴを管壁
に平行になるように取付けた構造を考える。この管内に
例えば次々に被１ｆｐｊ定溶液をいれる場合、先の被測
定溶液は速やかに後の被測定溶液で置換されることが望
まれるが、第７図に示す従来構造では感応部にある四部
に溶液が滞留して、この置換が速やかに行われなくなる
。

（発明が解決しようとする課題）以上のように、本出願人が先に提案した直接接合基板を
用いたｌ５ＦＥＴは、それ以前のＩ　５ＦＥＴに比べて
優れた利点を有するが、感応部が凹部に形成されている
ために、ゲート絶縁膜の均一性や、使用する際の溶液の
滞留等に難点があった。

本発明は、この様な問題を解決した、直接接合基板を用
いた化学センサを提供することを目的とする。

「発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明にかかる化学センサは、第１．第２の半導体基板
を間に絶縁膜を介して直接接合して得られる半導体ウェ
ハを用いてｌ５ＦＥＴが構成される。ｌ５ＦＥＴは、第
１の基板の表面側にイオン感応ゲート部を有し、ソース
、ドレイン層は第１の基板の裏面に達する深さに形成さ
れて、第２の基板側に形成された開口を通して第１の基
板側のソース、ドレイン層にそれぞれ接触するソース。

ドレイン電極を有する。

（作用）・本発明によるｌ５ＦＥＴは、感応部が平坦面に形成され
るため、ゲート絶縁膜の膜厚の均一性。

制御性に優れている。また、感応部が平坦面に形成され
るため、従来例のような感応部での溶液の滞留がなく、
溶液成分測定の作業性が優れて０る。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図、一実施例のｌ５ＦＥＴを示す断面図である。こ
れを、第２図（ａ）〜（ｅ）に示す製造工程に従って説
明する。第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２
を用意し、その互いに接合すべき面を鏡面研磨して、こ
こに約１μｍのシリコン酸化膜３１．３２を形成する（
第２図（ａ））。第１の基板１が素子形成用であり、こ
の実施例ではこれをｐ−型とする。これらの基板を通常
の洗浄プロセスで洗浄し、酸化膜３□。

３２表面に親水基を導入した後、研磨面同志を接触させ
て、窒素雰囲気中で１１００℃で熱処理して一体化する
（第２図（ｂ））。なお第１の基板１の接着界面側に予
めチャネルストッパ用にｐ＋型層を形成しておくことも
素子の安定性のために有用である。この場合、ｐ＋型層
は後に形成されるソース、ドレインのｎ十型層に比べて
低濃度にすることが必要である。こうして、接合界面に
酸化膜３を介在させたシリコン・ウェハが得られる。

この後、ウェハの素子形成側および基板側を機械研磨し
て必要な厚みに調整する。例えば、素子形成を行う第１
の基板１側は１２μｍ程度の厚みとし、第２の基板２は
２００μｍ程度とする。その後節１の基板１側を、フッ
酸−硝酸−酢酸の混合エッチャントを用いてエツチング
して、島状に加工する（第２図（Ｃ））。次に第２の基
板２側を、エチレンジアミン−ピロカテコール−水の混
合エッチャントを用いて異方性エツチングし、第１の基
板１に達するソース、ドレイン電極取出し用の開口４１
．＋４２を形成する（第２図（ｄ））。こうして素子領
域を加工した後、全体を熱酸化して酸化膜３３で覆い、
第１の基板１の表面の酸化膜３３を選択エツチングして
ｎ型不純物のイオン注入を行ない、ｎ中型のソース、ド
レイン層５１゜５２を形成する（第２図（ｅ））。ソー
ス、ドレイン層５．．５２は、図示のように接合界面に
達する深さに形成される。なお、ソース、ドレイン層形
成に上からの拡散と同時に下からの拡散を利用してもよ
く、これにより、拡散距離を半分にすることができる。

この後、−旦酸化膜を除去し、第１図に示すように、熱
酸化を行って両面にシリコン酸化膜３４を形成し、更に
両面に耐水性保護膜と水素イオン感応膜を兼ねるＣＶＤ
シリコン窒化膜６を形成し、第２の基板２の開口部４１
゜４２にコンタクト孔を開けて、ソース、ドレイン層５
□、５２に接触するソース、ドレイン電極７．．７２を
形成する。こうして、第１の基板１の表面のソース、ド
レイン層５１＋５２で挟まれた領域を感応部（ゲート部
）８として、ｌ５ＦＥＴが構成される。

第３図は、この実施例のｌ５ＦＥＴを、被７ＴＦＩ定溶
液を流す管１０に取付けた状態を示す。管１０に設けら
れた孔に接着樹脂１１を用いて、図示のように感応部８
を内側にした状態で取付けられる。

ソース、ドレイン電極７１．７２にはそれぞれリード１
２１，１２２を付けた後、この電極部を保護モールド樹
脂１３で覆っている。

この実施例によれば、感応部とソース、ドレイン電極は
誘電体分離構造のウェハの表裏面に形成されており、感
応部８側のみ溶液に浸すことができるため、ソース、ド
レイン間の絶縁特性が優れたものとなる。しかも、感応
部８は平坦面に形成されているから、ゲート絶縁膜や感
応膜の均一性が優れている。また感応部８での溶液の滞
留もないから、第３図の構成で各種の溶液の成分検出を
行う場合等、感応部８での溶液の置換が速やかに行われ
、測定の信頼性や作業性が大きく改善される。

実際この実施例のｌ５ＦＥＴでは、ｐＨ感度はｐＨ３か
ら１１の範囲で約５３　ｍ　Ｖ　／　ｐ　Ｈであり、ｐ
Ｈ９と４の標準ｐＨ溶液を繰返し測定した実験では約３
月以上も安定な出力が得られた。

第４図は、本発明の他の実施例であり、マルチｌ５ＦＥ
Ｔ構造である。第１図と対応する部分には、第１図と同
一符号を付して詳細な説明は省略する。この実施例では
、第１の基板１側を二つの島状シリコン１．．１２とし
て加工し、それぞれの島領域に第１図と同様の構造のｌ
５ＦＥＴを構成している。各ｌ５ＦＥＴの感応部８ｔ、
８２は独立である。

このように、誘電体分離構造の接合ウェハを用いること
により、相互に分離された複数のｌ５ＦＥＴの集積化が
容易である。各素子の分離は確実であるから、感応部８
．，８２にそれぞれ異なる感応膜を用いて、相互に影響
を与えないマルチタイプの化学センサが得られる。実際
二つのｌ５ＦＥＴに、硝酸検出用のニトロン硝酸塩を含
む感応膜とアンモニア検出用の第４級アンモニウム塩を
含む感応膜を用いて、銀塩化銀電極を参照電極として測
定を行ったところ、各ｌ５ＦＥＴの出力は単独素子の場
合とよく一致した。

第５図は、他の実施例のｌ５ＦＥＴである。この実施例
では、第１図と異なりソース、ドレイン電極取出し用の
開口４を共通にしている。この実施例でも第１図と同様
の効果が得られることは明らかである。

第６図は、更に他の実施例である。この実施例は、第１
図の実施例に対して、温度補償用のダイオードを一体的
に形成したものである。即ち第１の基板１には、ソース
層５１との間でｐ＋ｎ＋接合を構成するｐ十型層９を形
成して、この接合を温度補償用ダイオードとしている。

本発明はその他、種々変形して実施することができる。

例えば、同一ウェハ上に温度補償用ダイオードのような
簡単な素子の他、マルチプレクサや演算回路等を集積す
ることもできる。

［発明の効果コ以上述べたように本発明によれば、直接接合ウェハを用
い、かつ感応部を一方の基板の表面に形成し、他方の基
板に開口を設けてソース、ドレイン電極取出しを行うよ
うにすることにより、感応部のゲート絶縁膜の膜厚等の
制御性に優れ、溶液の滞留が生じることもない、優れた
化学センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のｌ５ＦＥＴを示す図、第２
図（ａ）〜（ｅ）はその製造工程を示す図、第３図はそ
のｌ５ＦＥＴを管壁に取付けた状態を示す図、第４図は
二つのｌ５ＦＥＴを集積化した実施例を示す図、第５図
は、第１図を変形した実施例を示す図、第６図は温度補
償用ダイオードを一体に集積化した実施例を示す図、第
７図は従来のｌ５ＦＥＴを示す図である。］・・・第１のシリコン基板、２・・・第２のシリコン
基板、３・・・シリコン酸化膜、４１．４２・・・開口
、５０，５□・・・ソース、ドレインｉ、６−・・シリ
コン窒化膜（イオン感応膜）、７．．７□・・・ソース
。ドレイン電極、８・・・感応部（ゲート部）。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図ｒｔ；）　　　　　　　　　　　　　　Ｄ　　　　　　
　　　　　　　ｕ−ノ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　−ノ　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　−Ｉ℃　　　　　　　　　　　　Φ 遇５１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１、第２の半導体基板を間に絶縁膜を介在させ
て直接接合して得られる半導体ウェハを用いて、第１の
半導体基板側にイオン感応ＦＥＴが形成された化学セン
サにおいて、前記イオン感応ＦＥＴは、第１の半導体基
板にその表面から裏面に達する深さに形成されたソース
、ドレイン層と、これらソース、ドレイン拡散層間の基
板表面に形成されたゲート絶縁膜および溶液成分に感応
する感応膜と、前記第２の半導体基板に設けられた開口
を通して前記第１の半導体基板の裏面側から前記ソース
、ドレイン層に接続されたソース、ドレイン電極とを有
することを特徴とする化学センサ。
（２）前記第１の半導体基板は、接合後島状に加工され
て、ここにイオン感応ＦＥＴが形成される請求項１記載
の化学センサ。