JPH0452409B2 - - Google Patents
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- JPH0452409B2 JPH0452409B2 JP58015656A JP1565683A JPH0452409B2 JP H0452409 B2 JPH0452409 B2 JP H0452409B2 JP 58015656 A JP58015656 A JP 58015656A JP 1565683 A JP1565683 A JP 1565683A JP H0452409 B2 JPH0452409 B2 JP H0452409B2
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- isfet
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は絶縁ゲートFETを用いたイオンセン
サに関する。
サに関する。
絶縁ゲートFFTのゲート絶縁膜上にイオン感
応膜を形成するといわゆるイオンセンシテイブ電
界効果トランジスタ（Ion Sensitive FET以後
ISFETと呼ぶ）になる事は良く知られている。
その構造を第１図ａ，ｂに示す。ａ図は断面図、
ｂ図は上面図である。同図において１０１はＰ型
半導体基板、１０２はゲート絶縁膜、１０３はソ
ース、１０４はドレイン、１０５はフイールド絶
縁膜、１０６はイオン感応膜、１０７はソース電
極、１０８はドレイン電極、１０９はソースおよ
びドレインに対するコンタクトホールである。
応膜を形成するといわゆるイオンセンシテイブ電
界効果トランジスタ（Ion Sensitive FET以後
ISFETと呼ぶ）になる事は良く知られている。
その構造を第１図ａ，ｂに示す。ａ図は断面図、
ｂ図は上面図である。同図において１０１はＰ型
半導体基板、１０２はゲート絶縁膜、１０３はソ
ース、１０４はドレイン、１０５はフイールド絶
縁膜、１０６はイオン感応膜、１０７はソース電
極、１０８はドレイン電極、１０９はソースおよ
びドレインに対するコンタクトホールである。
第２図はこのようなISFETを使用する場合の
概念図で、ISFETは溶液２０１に浸され、溶液
にはバツテリー２０２と参照電極２０３によつて
基準電位が与えられている。また基板１０１とソ
ース１０３は通常同電位に設定される。このとき
イオン感応膜の表面には電気二重層が形成され、
それによつて発生する電位差は溶液のイオン濃度
によつて変化する。換言すればイオン感応膜の表
面に、イオン濃度によつて起電力が変化する電池
が形成される訳である。従つてイオン濃度の変化
をソース、ドレイン間の電流IDの変化として読み
取る事が出来る。
概念図で、ISFETは溶液２０１に浸され、溶液
にはバツテリー２０２と参照電極２０３によつて
基準電位が与えられている。また基板１０１とソ
ース１０３は通常同電位に設定される。このとき
イオン感応膜の表面には電気二重層が形成され、
それによつて発生する電位差は溶液のイオン濃度
によつて変化する。換言すればイオン感応膜の表
面に、イオン濃度によつて起電力が変化する電池
が形成される訳である。従つてイオン濃度の変化
をソース、ドレイン間の電流IDの変化として読み
取る事が出来る。
しかし実際に第２図の装置で測定を行う場合に
は参照電極、ソース、ドレイン及び基板相互間に
流れる不要電流（雑音電流）を除去するため、イ
オン感応膜以外のすべての溶液に接する部分（配
線部分も含む）は厚い絶縁膜で覆われなければな
らない。この膜はISFET表面に寄生MOSFETを
生じさせない役割もする。通常のシリコンバルク
結晶を用いたISFETではチツプを切り離す時に
どうしても基板表面が露出するので、チツプ化し
たあとイオン感応膜や電極端子だけを残して全面
を厚い絶縁膜で覆う事が必要になる。しかし厚く
てしかも機械的強度も強い絶縁膜を大量生産に適
した方法で歩留りよく作る事は容易ではない。こ
のような欠点を無くするため、サフアイア基板上
にシリコン単結晶薄膜を形成し（Ｓilicon ｏｎ
Ｓaphire、SOS基板と呼ばれる）それに
ISFETを作る方法が提案された。この場合の
ISFETの構造を第３図に示す。同図ａ図は断面
図、ｂ図は上面図である。第３図ａ，ｂにおいて
３０１はサフアイヤ基板、３０２はシリコン単結
晶薄膜である。また第１図と同一構成要素は同一
記号をもつて示している。図より明らかなように
ISFETは島状に分離されたシリコン薄膜上に形
成されるのでチツプ化してもシリコン基板が露出
する事はない。従つて前記の不要電流や寄生
MOSTを防止するためには、配線を含むISFET
の上面だけを覆えば十分である。また製造技術的
にも非常に簡単になり歩留りも向上する。しかし
ながら １ 厚い絶縁膜の形成時の加熱、荷電粒子やＸ線
の衝撃によつてISFETの特性が変化する。ま
たISFETの増巾回路などの周辺回路がチツプ
上に組み込まれているときにはその特性が絶縁
膜の形成時に変化する。
は参照電極、ソース、ドレイン及び基板相互間に
流れる不要電流（雑音電流）を除去するため、イ
オン感応膜以外のすべての溶液に接する部分（配
線部分も含む）は厚い絶縁膜で覆われなければな
らない。この膜はISFET表面に寄生MOSFETを
生じさせない役割もする。通常のシリコンバルク
結晶を用いたISFETではチツプを切り離す時に
どうしても基板表面が露出するので、チツプ化し
たあとイオン感応膜や電極端子だけを残して全面
を厚い絶縁膜で覆う事が必要になる。しかし厚く
てしかも機械的強度も強い絶縁膜を大量生産に適
した方法で歩留りよく作る事は容易ではない。こ
のような欠点を無くするため、サフアイア基板上
にシリコン単結晶薄膜を形成し（Ｓilicon ｏｎ
Ｓaphire、SOS基板と呼ばれる）それに
ISFETを作る方法が提案された。この場合の
ISFETの構造を第３図に示す。同図ａ図は断面
図、ｂ図は上面図である。第３図ａ，ｂにおいて
３０１はサフアイヤ基板、３０２はシリコン単結
晶薄膜である。また第１図と同一構成要素は同一
記号をもつて示している。図より明らかなように
ISFETは島状に分離されたシリコン薄膜上に形
成されるのでチツプ化してもシリコン基板が露出
する事はない。従つて前記の不要電流や寄生
MOSTを防止するためには、配線を含むISFET
の上面だけを覆えば十分である。また製造技術的
にも非常に簡単になり歩留りも向上する。しかし
ながら １ 厚い絶縁膜の形成時の加熱、荷電粒子やＸ線
の衝撃によつてISFETの特性が変化する。ま
たISFETの増巾回路などの周辺回路がチツプ
上に組み込まれているときにはその特性が絶縁
膜の形成時に変化する。
２ ISFET自体を溶液につけるためISFETや周
辺回路を構成するFETのゲート酸化膜の特性
が被測定イオン（Na+、K+など）の影響を受
けて長期安定性が得られない。
辺回路を構成するFETのゲート酸化膜の特性
が被測定イオン（Na+、K+など）の影響を受
けて長期安定性が得られない。
等の欠点があり、これ等の欠点の解決が待たれて
いた。本発明の目的はこれらの欠点を改善したイ
オンセンサを提供することにあり、本発明によれ
ば絶縁基板上に形成された複数個の電界効果トラ
ンジスタのゲート絶縁膜上に金属ゲートを設け、
その一端を前記トランジスタから離れた微小面積
に集めその上に異つた種類のイオン感応膜を形成
してなるイオンセンサが得られる。
いた。本発明の目的はこれらの欠点を改善したイ
オンセンサを提供することにあり、本発明によれ
ば絶縁基板上に形成された複数個の電界効果トラ
ンジスタのゲート絶縁膜上に金属ゲートを設け、
その一端を前記トランジスタから離れた微小面積
に集めその上に異つた種類のイオン感応膜を形成
してなるイオンセンサが得られる。
第４図ａ，ｂ，ｃは本発明の前提となるもので
ａ図はSOS基板を用いたISFETの上面図、第４
図ｂ及びｃはａ図のＡ−A′，Ｂ−B′に沿つたそ
れぞれの断面図である。図において４０１は
ISFETのゲート絶縁膜上に形成され所望の形状
で、所望の位置まで配線された金属電極である。
金属電極としてはAlやポリシリコンの薄膜が用
いられる。イオン感応膜１０６はこれら金属薄膜
上の先端部に形成されている。この構造の
ISFETは感応膜のある部分だけを溶液に浸して
用いることが出来るのでISFET自体やその周辺
回路部に厚い絶縁膜を設ける必要はなく、
ISFETもその周辺回路もNa+、K+などの悪影響
を受けない。
ａ図はSOS基板を用いたISFETの上面図、第４
図ｂ及びｃはａ図のＡ−A′，Ｂ−B′に沿つたそ
れぞれの断面図である。図において４０１は
ISFETのゲート絶縁膜上に形成され所望の形状
で、所望の位置まで配線された金属電極である。
金属電極としてはAlやポリシリコンの薄膜が用
いられる。イオン感応膜１０６はこれら金属薄膜
上の先端部に形成されている。この構造の
ISFETは感応膜のある部分だけを溶液に浸して
用いることが出来るのでISFET自体やその周辺
回路部に厚い絶縁膜を設ける必要はなく、
ISFETもその周辺回路もNa+、K+などの悪影響
を受けない。
第５図は本発明の一実施例である。この図にお
いて５０１〜５０５は各々絶縁膜基板上に形成し
たFETである。５０７は共通ソース、５０８〜
５１２は読み出し端子である。また各FETのゲ
ート配線は微小な面積５０６に集められ、それぞ
れに異つた種類のイオン感応膜が設けられてい
る。このようなイオン感応膜のアレイは絶縁体基
板上の微小面積に作られるので絶縁体の形状を適
切に加工する事によつて生体に直接埋め込んで使
用したり、被検体がきわめて、少量しかない時に
も使用する事が可能である。この構成のデバイス
ではほぼ一点における種々のイオンに関する情報
を同時に収集出来る。このような事は従来から使
用されている大きなガラスイオン電極を使用した
り、FETのゲイト絶縁膜上に直接イオン感応膜
を形成したISFETでは不可能であつた。
いて５０１〜５０５は各々絶縁膜基板上に形成し
たFETである。５０７は共通ソース、５０８〜
５１２は読み出し端子である。また各FETのゲ
ート配線は微小な面積５０６に集められ、それぞ
れに異つた種類のイオン感応膜が設けられてい
る。このようなイオン感応膜のアレイは絶縁体基
板上の微小面積に作られるので絶縁体の形状を適
切に加工する事によつて生体に直接埋め込んで使
用したり、被検体がきわめて、少量しかない時に
も使用する事が可能である。この構成のデバイス
ではほぼ一点における種々のイオンに関する情報
を同時に収集出来る。このような事は従来から使
用されている大きなガラスイオン電極を使用した
り、FETのゲイト絶縁膜上に直接イオン感応膜
を形成したISFETでは不可能であつた。
このような事はFETと感応膜を別々の位置に
設けた本発明の構造によつて初めて可能になつた
のである。
設けた本発明の構造によつて初めて可能になつた
のである。
なおゲート電極とイオン感応部を結ぶ配線は電
気的にシールドされている事が望ましい。
気的にシールドされている事が望ましい。
なお第５図においてはすべてのFETがイオン
に感応する例が示されているが第６図はこれに基
準信号を得るための手段としてイオンに感応しな
いFET６０２を設けた例である。図において６
０１は金属配線の上にcdsのようなイオンに感応
しない材料を設けたものである。６０３はFET
６０２の出力端子である。この構成ではイオン感
応膜を有するISFETの出力とFET６０１の出力
の差をとることによつてイオン濃度の絶対値の測
定が可能になる。またFET６０２のゲートに外
部から電圧を印加して基準信号を得る事も出来
る。
に感応する例が示されているが第６図はこれに基
準信号を得るための手段としてイオンに感応しな
いFET６０２を設けた例である。図において６
０１は金属配線の上にcdsのようなイオンに感応
しない材料を設けたものである。６０３はFET
６０２の出力端子である。この構成ではイオン感
応膜を有するISFETの出力とFET６０１の出力
の差をとることによつてイオン濃度の絶対値の測
定が可能になる。またFET６０２のゲートに外
部から電圧を印加して基準信号を得る事も出来
る。
また第５図および第６図の例においては参照電
極はイオン感応膜と共に集積化されていない。そ
のため測定時には液中にこれを配置する必要があ
る。参照電極としては従来からAg−Agcl電極が
用いられている。
極はイオン感応膜と共に集積化されていない。そ
のため測定時には液中にこれを配置する必要があ
る。参照電極としては従来からAg−Agcl電極が
用いられている。
このような参照電極をイオン感応部に設ける事
ができる。第７図はイオン感応部に参照電極を設
けたイオンセンサの構成例である。
ができる。第７図はイオン感応部に参照電極を設
けたイオンセンサの構成例である。
図において７０１が参照電極であり、７０２は
そのリード線であり、７０３は参照電極に電位を
与える端子である。この構成では微小面積の中に
感応膜と参照電極および標準出力信号を得るため
のFETがすべて集積化されているので、第５図、
第６図の構成例より更に測定系全体の小型化、被
検体の小量化更に測定の簡便化に役立つ。
そのリード線であり、７０３は参照電極に電位を
与える端子である。この構成では微小面積の中に
感応膜と参照電極および標準出力信号を得るため
のFETがすべて集積化されているので、第５図、
第６図の構成例より更に測定系全体の小型化、被
検体の小量化更に測定の簡便化に役立つ。
以上感応膜上にNa+、K+、H+などによつて電
気的二重層が形成される場合について説明して来
たが本発明の主旨はこれらに限定される訳ではな
く感応膜上に電荷が形成され、それによつて
FETの電流が制御されるようなすべての反応に
ついて適用出来ることは当然である。
気的二重層が形成される場合について説明して来
たが本発明の主旨はこれらに限定される訳ではな
く感応膜上に電荷が形成され、それによつて
FETの電流が制御されるようなすべての反応に
ついて適用出来ることは当然である。
第１図ａ，ｂはバルク結晶を使つたISFETの
従来例を示し、ａ図は断面図、ｂ図は上面図であ
る。第２図はその使用法、第３図ａ，ｂはSOS基
板を使用したISFETの従来例を示し、ａ図は断
面図、ｂ図は上面図である。第４図ａ，ｂ，ｃは
本発明の前提となるISFETの上面図および断面
図を示す、第５〜７図は本発明の実施例を説明す
るための図である。 図において、１０１はシリコン基板、１０２，
１０３，１０４はそれぞれISFETのソース、ド
レインおよびゲート絶縁膜である。１０５はフイ
ールド酸化膜、１０６はイオン感応膜、１０７，
１０８はそれぞれソース、ドレイン電極である。
２０１は被測定溶液、２０２は電池、２０３は基
準電極、３０１はサフアイヤ基板、３０２はシリ
コン薄膜、４０１は金属薄膜、５０１〜５０５は
ISFET、５０６は感応膜集積部、５０７はソー
ス共通端子、５０８〜５１２は読出し端子、６０
１は金属電極、６０２はFET、６０３は読出し
端子、７０１は参照電極、７０２は電圧を与える
端子である。
従来例を示し、ａ図は断面図、ｂ図は上面図であ
る。第２図はその使用法、第３図ａ，ｂはSOS基
板を使用したISFETの従来例を示し、ａ図は断
面図、ｂ図は上面図である。第４図ａ，ｂ，ｃは
本発明の前提となるISFETの上面図および断面
図を示す、第５〜７図は本発明の実施例を説明す
るための図である。 図において、１０１はシリコン基板、１０２，
１０３，１０４はそれぞれISFETのソース、ド
レインおよびゲート絶縁膜である。１０５はフイ
ールド酸化膜、１０６はイオン感応膜、１０７，
１０８はそれぞれソース、ドレイン電極である。
２０１は被測定溶液、２０２は電池、２０３は基
準電極、３０１はサフアイヤ基板、３０２はシリ
コン薄膜、４０１は金属薄膜、５０１〜５０５は
ISFET、５０６は感応膜集積部、５０７はソー
ス共通端子、５０８〜５１２は読出し端子、６０
１は金属電極、６０２はFET、６０３は読出し
端子、７０１は参照電極、７０２は電圧を与える
端子である。
Claims (1)
- １ 絶縁基板上に形成された複数個の電界効果ト
ランジスタのゲート絶縁膜上に金属ゲートを設
け、その一端を前記トランジスタから離れた微小
面積に集めその上に異つた種類のイオン感応膜を
形成してなることを特徴とするイオンセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58015656A JPS59142452A (ja) | 1983-02-02 | 1983-02-02 | イオンセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58015656A JPS59142452A (ja) | 1983-02-02 | 1983-02-02 | イオンセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59142452A JPS59142452A (ja) | 1984-08-15 |
| JPH0452409B2 true JPH0452409B2 (ja) | 1992-08-21 |
Family
ID=11894767
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58015656A Granted JPS59142452A (ja) | 1983-02-02 | 1983-02-02 | イオンセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59142452A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62144059A (ja) * | 1985-12-18 | 1987-06-27 | Shindengen Electric Mfg Co Ltd | イオンセンサ |
| JPH0740208Y2 (ja) * | 1987-10-13 | 1995-09-13 | 太陽誘電株式会社 | 検体成分検知用センサ |
| JPH01263550A (ja) * | 1988-04-14 | 1989-10-20 | Terumo Corp | イオンセンサ |
| CN108369200B (zh) | 2015-12-16 | 2020-10-27 | 松下知识产权经营株式会社 | 气体传感器以及气体传感系统 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5870155A (ja) * | 1981-07-24 | 1983-04-26 | フオンダシヨン・スイス・プ−ル・ラ・レシエルシユ・アン・ミクロテクニク | イオンに応答する半導体装置 |
-
1983
- 1983-02-02 JP JP58015656A patent/JPS59142452A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5870155A (ja) * | 1981-07-24 | 1983-04-26 | フオンダシヨン・スイス・プ−ル・ラ・レシエルシユ・アン・ミクロテクニク | イオンに応答する半導体装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59142452A (ja) | 1984-08-15 |
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