JPH0625745B2 - Semiconductor sensor - Google Patents

Semiconductor sensor

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JPH0625745B2
JPH0625745B2 JP60216593A JP21659385A JPH0625745B2 JP H0625745 B2 JPH0625745 B2 JP H0625745B2 JP 60216593 A JP60216593 A JP 60216593A JP 21659385 A JP21659385 A JP 21659385A JP H0625745 B2 JPH0625745 B2 JP H0625745B2
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semiconductor
semiconductor sensor
insulating film
film
diffusion layer
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正樹 桂
忠司 酒井
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は半導体センサに関し、特に溶液中での成分検出
を目的とする電界効果型化学センサの改良に係る。
Description: TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor sensor, and more particularly to improvement of a field effect type chemical sensor for detecting a component in a solution.

〔発明の技術的背景とその問題点〕[Technical background of the invention and its problems]

半導体センサ、例えばISFETは、シリコン基板表面
にソース、ドレイン領域及び絶縁膜を形成し、そのゲー
ト部を溶液中に浸漬することにより、溶液中の特定成分
のイオン濃度に応じたソース、ドレイン間のコンダクタ
ンス変化を検出するものである。このようにISFET
においては、素子が直接溶液に接するため、少なくとも
接液面を絶縁する必要がある。このためにシリコン窒化
膜、シリコン酸化膜等のゲート絶縁膜と保護膜(パッシ
ベーション膜)を兼ねる絶縁膜が用いられている。ただ
し、ソース、ドレイン拡散層からのリード引出しのため
にこの絶縁膜の一部を選択的にエッチングし、その部分
に蒸着金属膜や金属細線を形成して接続部を設けてい
る。
In a semiconductor sensor such as ISFET, a source region, a drain region, and an insulating film are formed on a surface of a silicon substrate, and a gate portion thereof is immersed in a solution, so that the source and the drain are separated between the source and the drain according to an ion concentration of a specific component in the solution. It detects a change in conductance. Thus ISFET
In the above, since the element directly contacts the solution, it is necessary to insulate at least the liquid contact surface. For this reason, an insulating film that also serves as a gate insulating film such as a silicon nitride film or a silicon oxide film and a protective film (passivation film) is used. However, a part of this insulating film is selectively etched in order to lead out from the source / drain diffusion layer, and a vapor-deposited metal film or a metal thin wire is formed in that part to provide a connection portion.

上記ソース、ドレイン接続部が溶液に接しないようにす
るために、従来はゲート部のみを溶液に接触させるか又
は接続部を樹脂コートしてほぼ全面に溶液を接触させる
ようにした構造のものが用いられている。こうした構造
の半導体センサはそれぞれ第4図又は第5図に示すよう
なものである。
In order to prevent the source / drain connection part from coming into contact with the solution, conventionally, a structure has been adopted in which only the gate part is contacted with the solution or the connection part is resin-coated so that the solution is contacted with almost the entire surface. It is used. The semiconductor sensor having such a structure is as shown in FIG. 4 or FIG. 5, respectively.

第4図において、p型シリコン基板1表面にはn型ソ
ース、ドレイン領域2、3が形成されている。このシリ
コン基板1の全面にはゲート絶縁膜及び保護膜となる図
示しない絶縁膜が形成されている。前記ソース、ドレイ
ン領域2、3の一端側は互いに近接して設けられ、チャ
ネル領域4となっている。これらソース、ドレイン領域
2、3、チャネル領域4及び絶縁膜により電界効果トラ
ンジスタのゲート部が構成される。前記ソース、ドレイ
ン領域2、3の他端側では絶縁膜が選択的にエッチング
され、その部分にそれぞれ金属膜5、6が形成されてい
る。これら金属膜5、6にはそれぞれリード線7、8が
接続されている。こうした構造の半導体センサはゲート
部を溶液9中に浸漬して使用される。
In FIG. 4, n + type source and drain regions 2 and 3 are formed on the surface of the p-type silicon substrate 1. An insulating film (not shown) serving as a gate insulating film and a protective film is formed on the entire surface of the silicon substrate 1. One ends of the source and drain regions 2 and 3 are provided close to each other to form a channel region 4. The source, drain regions 2, 3, channel region 4 and insulating film form a gate portion of the field effect transistor. On the other end side of the source / drain regions 2 and 3, the insulating film is selectively etched, and metal films 5 and 6 are formed on those portions, respectively. Lead wires 7 and 8 are connected to the metal films 5 and 6, respectively. The semiconductor sensor having such a structure is used by immersing the gate portion in the solution 9.

しかし、こうした構造の半導体センサは基板1の一端側
で流体圧を受けるので強度的な問題があること及びシリ
コン層により配線抵抗が上昇することから半導体センサ
の全長を長くすることができず、リード線7、8との接
続部とゲート部との間の距離は通常数mmである。このた
め、管内の溶液の測定を行なうためにゲート部を管内に
突出させるには、管の肉厚をそれ以下に制限しなければ
ならず、管の選択にも問題がでてくる。また、この構造
では、接液面に絶縁膜を形成しようとすると結局基板1
の全周にわたって絶縁膜を形成せざるをえず、そのため
には製造時に予めセンサの外形を加工し、その後絶縁膜
を形成するという工程がとられ、通常のウェハサイズで
のプロセスが不可能である。このため、製造工程中の取
扱いに注意を要し、しかも破損しやすいという欠点があ
る。
However, since the semiconductor sensor having such a structure receives a fluid pressure on one end side of the substrate 1, there is a problem in strength and the wiring resistance is increased by the silicon layer, so that the total length of the semiconductor sensor cannot be increased, and the lead cannot be obtained. The distance between the connection with the lines 7 and 8 and the gate is usually a few mm. Therefore, in order to project the gate portion into the tube in order to measure the solution in the tube, the wall thickness of the tube must be limited to less than that, and there is a problem in selecting the tube. Further, in this structure, when an insulating film is formed on the liquid contact surface, the substrate 1
Inevitably, an insulating film must be formed over the entire circumference of the wafer, and for that purpose, the process of processing the outer shape of the sensor in advance at the time of manufacturing and then forming the insulating film is taken, making it impossible to process with a normal wafer size. is there. For this reason, there are drawbacks in that it requires careful handling during the manufacturing process and is easily damaged.

一方、第5図において、p型シリコン基板11の主面に
はn型ソース、ドレイン領域12、13が形成され、
更に基板11主面にはゲート絶縁膜及び保護膜となるシ
リコン窒化膜、シリコン酸化膜等の絶縁膜14が形成さ
れている。前記ソース、ドレイン領域12、13の間が
チャネル領域15となる。これらソース、ドレイン領域
12、13、チャネル領域15及び絶縁膜14により電
界効果トランジスタのゲート部が構成される。前記絶縁
膜14のソース、ドレイン領域12、13上に対応する
一部は選択的にエッチングされ、ソース、ドレイン領域
12、13と接続された金属膜16、17が蒸着され、
更にこれら金属膜16、17にはリード線18、19が
接続されている。こうした構造の半導体センサでは、測
定用の管20の一部を切欠いて接着用の樹脂21により
前記金属膜16、17とリード線18、19との接続部
を覆った状態で接着し、管20内の溶液にゲート部を浸
漬して測定が行われる。
On the other hand, in FIG. 5, n + type source / drain regions 12 and 13 are formed on the main surface of the p-type silicon substrate 11,
Further, an insulating film 14 such as a silicon nitride film or a silicon oxide film, which will be a gate insulating film and a protective film, is formed on the main surface of the substrate 11. A channel region 15 is formed between the source / drain regions 12 and 13. The source and drain regions 12, 13, the channel region 15 and the insulating film 14 form a gate portion of the field effect transistor. Part of the insulating film 14 corresponding to the source and drain regions 12 and 13 is selectively etched, and metal films 16 and 17 connected to the source and drain regions 12 and 13 are deposited.
Further, lead wires 18 and 19 are connected to the metal films 16 and 17, respectively. In the semiconductor sensor having such a structure, a part of the measuring tube 20 is notched and the resin film 21 for bonding is used to bond the metal films 16 and 17 to the lead wires 18 and 19 in a state of being bonded to each other. Measurement is performed by immersing the gate portion in the solution inside.

このような半導体センサでは第5図に示すように、検出
面(ゲート部のある面)が溶液に接するように管壁に沿
って取付けることができるため、第4図図示の半導体セ
ンサのような問題は生じにくい。しかし、製造時の樹脂
硬化中にリード線18、19が切断したり、金属膜1
6、17から剥離したりするおそれがある。また、使用
時には、検出面と同一の面にある樹脂21が溶液に浸漬
されて膨潤し、絶縁が損われることが多い。また、第5
図図示のように管20に半導体センサを取付ける場合、
実際には管20を縦割りに2分割し、切欠きを設けた一
方の2分割体の内側及び外側から樹脂21により接着し
た後、再び2分割体を貼合わせて管20を形成するとい
う非常に繁雑な作業が必要となる。しかも、このような
構造では大きな流体圧に耐えることができないという欠
点がある。
In such a semiconductor sensor, as shown in FIG. 5, since the detection surface (the surface with the gate portion) can be attached along the pipe wall so as to contact the solution, the semiconductor sensor shown in FIG. Problems are unlikely to occur. However, the lead wires 18 and 19 may be cut during the resin curing during manufacturing, or the metal film 1
There is a risk of peeling from 6 and 17. In addition, during use, the resin 21 on the same surface as the detection surface is often immersed in the solution and swells, thereby damaging the insulation. Also, the fifth
When mounting a semiconductor sensor on the pipe 20 as shown in the figure,
Actually, the pipe 20 is divided into two in a vertical division, and the resin 20 is adhered from the inside and the outside of one of the two divided bodies provided with the notch, and then the two divided bodies are bonded again to form the pipe 20. It requires complicated work. Moreover, there is a drawback that such a structure cannot withstand a large fluid pressure.

更に、高い測定精度を得るためにはゲート部に固形物が
付着したり、ゲート部近傍で気泡が発生しないことが要
求されるが、第4図及び第5図図示の半導体センサでは
いずれもゲート部近傍で溶液の流れが乱されるため、固
形物の付着や気泡の発生が起り易く、測定精度が悪いと
いう欠点がある。
Furthermore, in order to obtain high measurement accuracy, it is required that solid matter does not adhere to the gate portion and bubbles do not occur near the gate portion. However, in the semiconductor sensor shown in FIG. 4 and FIG. Since the flow of the solution is disturbed in the vicinity of the portion, solid substances are likely to be attached and bubbles are easily generated, resulting in poor measurement accuracy.

〔発明の目的〕[Object of the Invention]

本発明は上記欠点を解消するためになされたものであ
り、管への取付けが容易で、しかもリード線との接続部
でのショートやリークが生じず、長期間にわたって高い
精度で溶液の測定を行なえる半導体センサを提供しよう
とするものである。
The present invention has been made to solve the above-mentioned drawbacks, is easy to attach to a tube, does not cause a short circuit or leak at the connecting portion with a lead wire, and can measure a solution with high accuracy for a long period of time. It is intended to provide a semiconductor sensor that can be performed.

〔発明の概要〕[Outline of Invention]

本発明の半導体センサは、第1導電型の第1の半導体基
板と、該第1の半導体基板の一方の面に形成された第2
導電型の拡散層と、前記第1の半導体基板の第2導電型
の拡散層が形成されている面に直接接合された第1導電
型の第2の半導体基板と、前記第1及び第2の半導体基
板の周縁部全体にわたって形成された第2導電型の拡散
層と、前記第1及び第2の半導体基板の周縁部以外の位
置に第1及び第2導電型の半導体基板を貫通して設けら
れた貫通孔と、該貫通孔の内面を含む第1及び第2の半
導体基板の表面に形成された絶縁膜を具備したことを特
徴とするものである。
A semiconductor sensor of the present invention includes a first conductive type first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate formed on one surface of the first semiconductor substrate.
A conductive type diffusion layer, a first conductive type second semiconductor substrate directly bonded to a surface of the first semiconductor substrate on which the second conductive type diffusion layer is formed, the first and second A second conductive type diffusion layer formed over the entire peripheral portion of the semiconductor substrate, and penetrating the first and second conductive type semiconductor substrates at positions other than the peripheral portions of the first and second semiconductor substrates. It is characterized in that it is provided with a through hole provided and an insulating film formed on the surfaces of the first and second semiconductor substrates including the inner surface of the through hole.

上記半導体センサでは、第1及び第2の半導体基板がソ
ース、ドレイン領域として、両者の間に挟まれた第2導
電型の拡散層がチャネル領域としてそれぞれ機能し、こ
れらの領域の表面に絶縁膜を形成することにより貫通孔
内部がゲート部となる。そして、この半導体センサで溶
液を測定する場合、半導体センサの上下両面にそれぞれ
管を接合し、貫通孔部は管内に位置し、リード線との接
続部は管外に位置するようにして一体化した測定系を構
成する。
In the above semiconductor sensor, the first and second semiconductor substrates function as source and drain regions, and the second conductivity type diffusion layer sandwiched therebetween functions as a channel region, and an insulating film is formed on the surface of these regions. By forming, the inside of the through hole becomes a gate portion. When measuring the solution with this semiconductor sensor, pipes are joined to the upper and lower surfaces of the semiconductor sensor, the through hole is located inside the pipe, and the connection with the lead wire is located outside the pipe. Configure the measurement system.

このような半導体センサによれば、管への取付けは従来
の半導体センサと比べると非常に容易になる。また、ソ
ース、ドレイン領域とリード線との接続部は管外にあ
り、この接続部が溶液に浸漬されることはない。このた
め、接続部を樹脂で被覆する必要はなく、当然樹脂の膨
潤による絶縁不良等も生じることがない。更に、溶液の
流路にもなる貫通孔内部のゲート部近傍では、溶液はな
めらかに流れるので、固形物の付着、気泡の発生が起ら
ず、測定精度を向上することができる。
According to such a semiconductor sensor, attachment to a pipe becomes very easy as compared with a conventional semiconductor sensor. Further, the connection between the source / drain region and the lead wire is outside the tube, and this connection is never immersed in the solution. Therefore, it is not necessary to cover the connecting portion with the resin, and naturally, the insulation failure due to the swelling of the resin does not occur. Furthermore, since the solution smoothly flows in the vicinity of the gate portion inside the through-hole which also serves as a flow path for the solution, solid matter does not adhere and bubbles are not generated, and the measurement accuracy can be improved.

なお、本発明の半導体センサを製造するにあたり、第1
の半導体基板と第2の半導体基板とを直接接合するに
は、以下のような方法が用いられる。まず、2枚のシリ
コンウェハを用意し、その被接合面を鏡面研磨して表面
粗さ500Å以下とする。この際、シリコンウェハの表
面状態によっては、過酸化水素水+硫酸、フッ酸、希フ
ッ酸による前処理を引続き行ない、脱脂及びシリコンウ
ェハ表面に披着しているステインフィルムの除去を行な
う。次に、このシリコンウェハ鏡面を清浄な水で数分程
度水洗し、室温でスピンナー処理のような脱水処理を実
施する。この処理工程は前記シリコンウェハ鏡面に吸着
していると想定される水分をそのまま残し、過剰な水分
を除去することを目的とするものであるため、この吸着
水分がほとんど揮散する100℃以上の加熱乾燥は避け
る。これらの処理を経たシリコンウェハを例えばクラス
1以下の清浄な大気雰囲気に設置し、その鏡面間に異物
が介在しない状態で相互に密着させて接合する。なお、
このようにして接合したシリコンウェハを200℃以上
好ましくは1000〜1200℃で加熱処理することに
より接合強度を増大することができる。
In manufacturing the semiconductor sensor of the present invention, the first
The following method is used to directly bond the semiconductor substrate of 1 to the second semiconductor substrate. First, two silicon wafers are prepared, and the surfaces to be bonded are mirror-polished to have a surface roughness of 500 Å or less. At this time, depending on the surface state of the silicon wafer, pretreatment with hydrogen peroxide solution + sulfuric acid, hydrofluoric acid, and dilute hydrofluoric acid is continued to degrease and remove the stain film adhering to the surface of the silicon wafer. Next, this silicon wafer mirror surface is washed with clean water for about several minutes, and a dehydration treatment such as a spinner treatment is performed at room temperature. Since this treatment step is intended to leave the water assumed to be adsorbed on the mirror surface of the silicon wafer as it is and remove the excess water, heating at 100 ° C. or higher at which most of the adsorbed water is volatilized. Avoid drying. The silicon wafers that have undergone these treatments are placed in, for example, a clean atmosphere of class 1 or less, and are adhered and bonded to each other in a state where no foreign matter is present between their mirror surfaces. In addition,
The bonding strength can be increased by heating the silicon wafer bonded in this manner at 200 ° C. or higher, preferably at 1000 to 1200 ° C.

本発明の半導体センサは上述した直接接合法を用い、貫
通孔を設ければ、その他の領域は通常の半導体プロセス
を用いて簡便な工程で製造することができ、しかも拡散
層の深さや貫通孔の大きさを適当に設定するだけで感度
の制御ができるという効果も得られる。
The semiconductor sensor of the present invention uses the above-mentioned direct bonding method, and if the through holes are provided, the other regions can be manufactured by a simple process using a normal semiconductor process, and the depth of the diffusion layer and the through holes can be improved. It is also possible to obtain the effect that the sensitivity can be controlled simply by appropriately setting the size of.

〔発明の実施例〕Example of Invention

以下、本発明の実施例を第1図〜第3図を参照して説明
する。なお、第1図は本発明に係る半導体センサの断面
図、第2図は同半導体センサの平面図、第3図は同半導
体センサの使用状態を示す説明図である。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 is a sectional view of the semiconductor sensor according to the present invention, FIG. 2 is a plan view of the semiconductor sensor, and FIG. 3 is an explanatory view showing a usage state of the semiconductor sensor.

第1図において、n型の第1のシリコン基板31の一
方の面にはP型拡散層32が形成されており、第1の
シリコン基板31のp型拡散層32が形成されている
面にはn型の第2のシリコン基板33が直接接合され
ている。また、第1のシリコン基板31及び第2のシリ
コン基板33の周縁部には全体にわたってp型チャネ
ルストッパー領域34、35が形成されている。また、
第1のシリコン基板31の他方の面にはn型拡散層3
6が形成されている。そして、第1のシリコン基板31
及び第2のシリコン基板33の積層体の中央部には第1
のシリコン基板31及び第2のシリコン基板33を貫通
する貫通孔37が形成されている。この貫通孔37の内
面を含む第1のシリコン基板31及び第2のシリコン基
板33の表面にはゲート絶縁膜及び保護膜を兼ねる絶縁
膜38が形成されている。更に、第1のシリコン基板3
1に設けられたn型拡散層36上及び第2のシリコン
基板33とp型チャネルストッパー領域35との境界
上の絶縁膜38の一部は選択的にエッチングされ、その
部分にそれぞれ電極39、40が形成されている。これ
ら電極39、40にはそれぞれリード線41、42が接
続されている。
In FIG. 1, a P type diffusion layer 32 is formed on one surface of an n type first silicon substrate 31, and a p type diffusion layer 32 of the first silicon substrate 31 is formed. The n + -type second silicon substrate 33 is directly bonded to the existing surface. Further, p + type channel stopper regions 34 and 35 are formed over the entire peripheral portions of the first silicon substrate 31 and the second silicon substrate 33. Also,
The n + -type diffusion layer 3 is formed on the other surface of the first silicon substrate 31.
6 is formed. Then, the first silicon substrate 31
And the first portion is provided at the center of the laminated body of the second silicon substrate 33.
Through holes 37 are formed to penetrate the silicon substrate 31 and the second silicon substrate 33. An insulating film 38 serving as a gate insulating film and a protective film is formed on the surfaces of the first silicon substrate 31 and the second silicon substrate 33 including the inner surface of the through hole 37. Further, the first silicon substrate 3
A part of the insulating film 38 on the n + type diffusion layer 36 provided on the first semiconductor layer 1 and on the boundary between the second silicon substrate 33 and the p + type channel stopper region 35 is selectively etched, and electrodes are respectively formed on the part. 39 and 40 are formed. Lead wires 41 and 42 are connected to the electrodes 39 and 40, respectively.

第1図図示の半導体センサでは、第1のシリコン基板3
1がドレイン領域、第2のシリコン基板33がソース領
域、第1のシリコン基板31に設けられたp型拡散層3
2がチャネル領域としてそれぞれ機能し、これらの領域
の表面に絶縁膜38を形成することにより貫通孔37の
内面がゲート部となる。
In the semiconductor sensor shown in FIG. 1, the first silicon substrate 3
1 is the drain region, the second silicon substrate 33 is the source region, and the p-type diffusion layer 3 provided on the first silicon substrate 31.
2 functions as a channel region, and the inner surface of the through hole 37 serves as a gate portion by forming the insulating film 38 on the surface of these regions.

第1図及び第2図図示の半導体センサは以下のようにし
て製造された。まず、それぞれ直径1インチのn型の
第1のシリコン基板31とn型の第2のシリコン基板
33とを用意し、これらの接合面の凹凸が500Å以下
となるようにそれぞれ鏡面研磨した。次に、第1のシリ
コン基板31の研磨面の全面にホウ素を10μmの深さ
まで拡散し、チャネル領域となるp型拡散層32を形
成した。このp型拡散層32の拡散深さがチャネル長
となるので、所定の拡散深さとなるように拡散条件を制
御する。また、第1のシリコン基板31のp型拡散層
32が形成された面とは反対側の面に周縁部を除いてリ
ンを拡散し、n型拡散層36を形成した。このn
拡散層36は、チャネル領域となるp型拡散層32を
形成するために第1のシリコン基板31としては不純物
濃度の低いものが用いられているので、ドレイン領域と
なる第1のシリコン基板31の低抵抗化及び良好なコン
タクトを得る目的で形成される。
The semiconductor sensor shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows. First, an n -type first silicon substrate 31 and an n + -type second silicon substrate 33, each having a diameter of 1 inch, were prepared and mirror-polished so that the concavities and convexities of these bonding surfaces were 500 Å or less. . Next, boron was diffused over the entire polished surface of the first silicon substrate 31 to a depth of 10 μm to form a p -type diffusion layer 32 that became a channel region. Since the diffusion depth of the p type diffusion layer 32 becomes the channel length, the diffusion conditions are controlled so that the diffusion depth becomes a predetermined value. Further, phosphorus was diffused on the surface of the first silicon substrate 31 opposite to the surface on which the p type diffusion layer 32 was formed, except for the peripheral portion, to form the n + type diffusion layer 36. Since the n + -type diffusion layer 36 has a low impurity concentration as the first silicon substrate 31 for forming the p -type diffusion layer 32 which becomes the channel region, it becomes the first drain region. It is formed for the purpose of lowering the resistance of the silicon substrate 31 and obtaining good contact.

次いで、第1及び第2のシリコン基板31、33の接合
面をそれぞれ有機溶剤、硫酸、フッ酸水溶液等で標準的
な洗浄を行なった後、脱イオン水で表面を処理した。こ
の後、両者の接合すべき面を重ね合わせ、電気炉にて空
気中、1100℃で1時間加熱処理して接合した。
Then, the bonding surfaces of the first and second silicon substrates 31 and 33 were respectively standard-cleaned with an organic solvent, sulfuric acid, an aqueous solution of hydrofluoric acid and the like, and then the surfaces were treated with deionized water. After that, the surfaces to be joined were superposed and joined by heating in an electric furnace at 1100 ° C. for 1 hour in air.

次いで、第1のシリコン基板31及び第2のシリコン基
板33のほぼ中央部を貫通するように機械加工により直
径3mmの貫通孔37を形成した。つづいて、上記のよう
に接合したままの状態では積層体の周縁部でもチャネル
が形成されることになるので、全面に熱酸化膜を形成
し、外周に形成されている部分を選択的にエッチングし
た後、これをマスクとしてホウ素を拡散し、第1及び第
2のシリコン基板31、33の周縁部にp型チャネル
ストッパー領域34、35を形成した。
Then, a through hole 37 having a diameter of 3 mm was formed by machining so as to penetrate substantially the central portions of the first silicon substrate 31 and the second silicon substrate 33. Next, in the state where the layers are bonded as described above, a channel is also formed in the peripheral portion of the laminated body, so a thermal oxide film is formed on the entire surface and the portion formed on the outer periphery is selectively etched. After that, using this as a mask, boron was diffused to form p + type channel stopper regions 34 and 35 at the peripheral portions of the first and second silicon substrates 31 and 33.

次いで、前記熱酸化膜をフッ酸処理で除去した後、新た
に熱酸化を行ない、膜厚500ÅのSiO膜を形成
し、更にCVD法により膜厚1000ÅのSi
を堆積するという工程により貫通孔37内面を含む第1
及び第2のシリコン基板31、32の表面に絶縁膜38
を形成した。
Then, after removing the thermal oxide film by hydrofluoric acid treatment, thermal oxidation is newly performed to form a SiO 2 film having a film thickness of 500 Å, and further a Si 3 N 4 film having a film thickness of 1000 Å is deposited by the CVD method. The first including the inner surface of the through hole 37 depending on the process
And an insulating film 38 on the surfaces of the second silicon substrates 31 and 32.
Was formed.

次いで、n型拡散層36上及び第2のシリコン基板3
3とp型チャネルストッパー領域35との境界上の絶
縁膜38の一部を選択的にエッチングしてコンタクトホ
ールを開孔した。つづいて、全面に金属膜を蒸着した
後、パターニングして電極39、40を形成した。つづ
いて、これら電極39、40にリード線41、42を接
続し、第1図及び第2図図示の半導体センサを製造し
た。
Next, on the n + type diffusion layer 36 and the second silicon substrate 3
A part of the insulating film 38 on the boundary between 3 and the p + type channel stopper region 35 was selectively etched to open a contact hole. Then, after depositing a metal film on the entire surface, patterning was performed to form electrodes 39 and 40. Subsequently, lead wires 41 and 42 were connected to these electrodes 39 and 40 to manufacture the semiconductor sensor shown in FIGS. 1 and 2.

上記のような半導体センサは第3図に示すようにして使
用される。まず、リード線41、42が接続された半導
体センサ51の上下両面に、貫通孔部分が管内に位置
し、接続部が管外に位置するように、例えば内径500
μmの測定管52、53を接着剤等により接合したもの
を用意する。この測定管52、53の接合は被検液が外
部へもれないようにすることを考慮するだけでよい。次
に、容器54内に収容された被検液55に測定管52の
一端を浸漬するとともに、参照電極56を浸漬する、そ
して、測定は被検液55を測定管52、53内に吸引
し、ソースフォロア回路により半導体センサ51のソー
ス、ドレイン間電流を一定に保つように参照電極56に
フィードバックすることにより行なわれる。
The semiconductor sensor as described above is used as shown in FIG. First, on the upper and lower surfaces of the semiconductor sensor 51 to which the lead wires 41 and 42 are connected, the through hole portion is located inside the pipe, and the connecting portion is located outside the pipe, for example, the inner diameter 500.
A tube in which the measuring tubes 52 and 53 of μm are joined by an adhesive or the like is prepared. The joining of the measuring tubes 52 and 53 need only be considered so as to prevent the test liquid from leaking to the outside. Next, one end of the measurement tube 52 is immersed in the test liquid 55 contained in the container 54, and the reference electrode 56 is immersed, and the measurement liquid 55 is sucked into the measurement tubes 52, 53 for measurement. The source follower circuit feeds back the current between the source and drain of the semiconductor sensor 51 to the reference electrode 56 so as to keep the current constant.

実際に、第3図図示の測定系で参照電極56として飽和
カロメル電極を用い、pHの異なる緩衝溶液について順
次ゲート電位を調べたところ、55mV/pHという良
好な感度を示した。
Actually, when a saturated calomel electrode was used as the reference electrode 56 in the measurement system shown in FIG. 3 and the gate potential was sequentially examined for buffer solutions having different pHs, a good sensitivity of 55 mV / pH was shown.

このような半導体センサによれば、第3図に示すように
測定管52、53への取付けは従来の半導体センサと比
べると非常に容易になる。また、ソース、ドレイン領域
とリード線との接続部は測定管52、53の外部に配置
されるので、この接続部が溶液に浸漬されることはな
い。このため、接続部を樹脂で被覆する必要はなく、当
然樹脂の膨潤による絶縁不良等も生じることがない。更
に、被検液55の流路にもなる貫通孔37内部のゲート
部近傍では、被検液55はなめらかに流れるので、固形
物の付着、気泡の発生が起らず、測定精度を向上するこ
とができる。
According to such a semiconductor sensor, as shown in FIG. 3, attachment to the measuring tubes 52 and 53 becomes very easy as compared with the conventional semiconductor sensor. Further, since the connecting portion between the source / drain regions and the lead wire is arranged outside the measuring tubes 52 and 53, the connecting portion is not immersed in the solution. Therefore, it is not necessary to cover the connecting portion with the resin, and naturally, the insulation failure due to the swelling of the resin does not occur. Further, since the test liquid 55 smoothly flows in the vicinity of the gate portion inside the through-hole 37 which also serves as the flow path of the test liquid 55, solid matters do not adhere and bubbles are not generated, thereby improving the measurement accuracy. be able to.

また、第1図図示のような構造を有する半導体センサ
は、上記実施例で用いたのとは異なる方法によっても製
造し得る可能性はある。例えば、p型シリコン基板の両
面からn型不純物を拡散して中央部に薄いp型層を残し
た後、チャネルストッパー領域、貫通孔、絶縁膜、電極
を順次形成し、最後にリード線を接続するという工程が
考えられる。しかし、シリコン基板は通常300μm程
度の厚さを有するため、上記のような方法を用いる場
合、中央部に薄いP型層を残そうとすると、n型不純物
の拡散時間が例えば2日間というように非常に長くなっ
てしまう。しかも、不純物の拡散は温度と時間で制御さ
れるが、シリコン基板の中央部に残すp型層の厚さが両
側のn型拡散層の厚さと比べて極めて薄い場合、その制
御は困難であり、上下のn型拡散層が接触したり、p型
層の厚さが不均一となるおそれが大きい。
Further, the semiconductor sensor having the structure shown in FIG. 1 may possibly be manufactured by a method different from that used in the above embodiment. For example, after diffusing n-type impurities from both sides of a p-type silicon substrate to leave a thin p-type layer in the center, a channel stopper region, a through hole, an insulating film, and an electrode are sequentially formed, and finally a lead wire is connected. The process of doing is possible. However, since the silicon substrate usually has a thickness of about 300 μm, if a thin P-type layer is left in the central portion when the above method is used, the diffusion time of the n-type impurities is, for example, 2 days. It will be very long. Moreover, the diffusion of impurities is controlled by temperature and time, but if the thickness of the p-type layer left in the central portion of the silicon substrate is extremely smaller than the thickness of the n-type diffusion layers on both sides, it is difficult to control. The upper and lower n-type diffusion layers may come into contact with each other and the p-type layer may have a non-uniform thickness.

このように上記実施例で用いた以外の方法では拡散時間
が長く、しかもp型層の厚みの制御が困難であることか
ら実用性が低いのに対し、上記実施例のように2つのシ
リコン基板同士の直接接合を利用するという方法を用い
た場合にはp型拡散層32形成のための拡散時間は1
〜2時間ですみ、しかもその厚みの制御も容易である。
As described above, according to the method other than the method used in the above-mentioned embodiment, the diffusion time is long and the p-type layer thickness is difficult to control. In the case of using the method of utilizing the direct bonding of the two, the diffusion time for forming the p type diffusion layer 32 is 1
It only takes ~ 2 hours, and its thickness is easy to control.

また、第1図図示のような電解効果型トランジスタを用
いた半導体センサの感度は種々の因子により支配される
が、最も端的にはゲート長lとゲート幅wで表現でき
る。すなわち、入力電圧感度はw/lに比例した量とな
る。ここで、ゲート長lはp型拡散層32の厚みに、
ゲート幅Wは貫通孔37の内周長にそれぞれ相当する。
Further, the sensitivity of the semiconductor sensor using the field effect transistor as shown in FIG. 1 is governed by various factors, but it can be most simply expressed by the gate length 1 and the gate width w. That is, the input voltage sensitivity is an amount proportional to w / l. Here, the gate length 1 is the thickness of the p type diffusion layer 32,
The gate width W corresponds to the inner peripheral length of the through hole 37, respectively.

上述したような実施例で用いた以外の方法では制御可能
なp型層の厚みはせいぜい50μm程度であるのに対
し、実施例で用いた方法では5〜10μm程度でも十分
制御可能である。したがって、貫通孔37の直径を同一
とした場合、5〜10倍良好な感度が期待できる。
The thickness of the p-type layer which can be controlled by the method other than the method used in the above-mentioned embodiment is about 50 μm at the most, whereas the method used in the embodiment can sufficiently control the thickness of 5-10 μm. Therefore, when the diameters of the through holes 37 are the same, it is possible to expect good sensitivity 5 to 10 times.

なお、本発明の半導体センサは、ゲート部を種々の修飾
材で覆うことにより上記実施例で測定した水素イオン
(pH)だけでなく、その他のイオンに対しても選択性
をもたせることができる。例えば、樹脂とバリノマイシ
ン膜を用いてKセンサとしたり、樹脂とクラウンエー
テル類を用いてNaセンサとすることができる。これ
らの修飾材を用いた場合、樹脂が膨潤するため、第4図
又は第5図図示の従来の半導体センサに適用した場合、
水中で剥離や破損が生じていた。これに対して本発明の
半導体センサでは樹脂が膨潤しても貫通孔を拡げる方向
に作用するので、樹脂の付着強度が高く、容易に剥離し
ないため、寿命が従来の2〜3倍となった。
In the semiconductor sensor of the present invention, by covering the gate portion with various modifiers, not only the hydrogen ions (pH) measured in the above-mentioned examples but also other ions can be made selective. For example, a resin and a valinomycin film can be used as a K + sensor, or a resin and crown ethers can be used as a Na + sensor. When these modifiers are used, the resin swells, and when applied to the conventional semiconductor sensor shown in FIG. 4 or 5,
Peeling or breakage occurred in water. On the other hand, in the semiconductor sensor of the present invention, even if the resin swells, it acts in the direction of expanding the through-hole, so that the resin has high adhesion strength and does not easily peel off, so that the life is two to three times that of the conventional one. .

また、上記のような手法で得られる機能の異なる複数の
半導体センサを貫通孔の位置を一致させるようにして水
密構造で積層した後、第3図と同様に測定系を構成すれ
ば、多機能のセンサ集合体とすることができる。
Further, if a plurality of semiconductor sensors having different functions obtained by the above method are laminated in a watertight structure so that the positions of the through holes are made to coincide with each other and then the measurement system is configured in the same manner as in FIG. Sensor assembly.

また、本発明の半導体センサを得るための工程は適宜変
更することができる。例えば、第1及び第2のシリコン
基板はn型に限らずp型のものを用いてもよい。また、
直接接合時の処理温度は400〜1200℃の範囲で選
択することができる。また、貫通孔は機械加工に限ら
ず、エッチングにより形成してもよい。また、絶縁膜と
しては、SiO膜単独又はSi膜単独でもよ
い。更に、各工程の順序は適宜いれかえることができ
る。
Further, the steps for obtaining the semiconductor sensor of the present invention can be changed as appropriate. For example, the first and second silicon substrates are not limited to n-type and p-type may be used. Also,
The processing temperature at the time of direct bonding can be selected in the range of 400 to 1200 ° C. The through holes may be formed not only by machining but also by etching. The insulating film may be a SiO 2 film alone or a Si 3 N 4 film alone. Furthermore, the order of each step can be changed as appropriate.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上詳述した如く本発明の半導体センサによれば、管へ
の取付けが容易で、接続部の信頼性が高く、しかも測定
精度を向上することができる等、工業上極めて大きな価
値を有するものである。
As described in detail above, according to the semiconductor sensor of the present invention, it has an extremely great industrial value such that it can be easily attached to a pipe, the connection portion is highly reliable, and the measurement accuracy can be improved. is there.

【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の実施例における半導体センサの断面
図、第2図は同半導体センサの平面図、第3図は同半導
体センサの使用状態を示す説明図、第4図は従来の半導
体センサの正面図、第5図は従来の他の半導体センサの
使用状態を示す断面図である。 31……第1のシリコン基板、32……p型拡散層、
33……第2のシリコン基板、34、35……p型チ
ャネルストッパー領域、36……n型拡散層、37…
…貫通孔、38……絶縁膜、39、40……電極、4
1、42……リード線、51……半導体センサ、52、
53……測定管、54……容器、55……被検液、56
……参照電極。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of the semiconductor sensor, and FIG. 3 is an explanatory view showing a usage state of the semiconductor sensor. FIG. 4 is a front view of a conventional semiconductor sensor, and FIG. 5 is a sectional view showing a usage state of another conventional semiconductor sensor. 31: first silicon substrate, 32: p - type diffusion layer,
33 ... Second silicon substrate, 34, 35 ... P + type channel stopper region, 36 ... N + type diffusion layer, 37 ...
... through holes, 38 ... insulating film, 39, 40 ... electrodes, 4
1, 42 ... Lead wire, 51 ... Semiconductor sensor, 52,
53 ... Measuring tube, 54 ... Container, 55 ... Test liquid, 56
...... Reference electrode.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1導電型の第1の半導体基板と、該第1
の半導体基板の一方の面に形成された第2導電型の拡散
層と、前記第1の半導体基板の第2導電型の拡散層が形
成されている面に直接接合された第1導電型の第2の半
導体基板と、前記第1及び第2の半導体基板の周縁部全
体にわたって形成された第2導電型の拡散層と、前記第
1及び第2の半導体基板の周縁部以外の位置に第1及び
第2の半導体基板を貫通して設けられた貫通孔と、該貫
通孔の内面を含む第1及び第2の半導体基板の表面に形
成された絶縁膜を具備したことを特徴とする半導体セン
サ。
1. A first semiconductor substrate of a first conductivity type, and the first semiconductor substrate.
Second conductivity type diffusion layer formed on one surface of the first semiconductor substrate and a first conductivity type diffusion layer directly bonded to the surface of the first semiconductor substrate on which the second conductivity type diffusion layer is formed. A second semiconductor substrate, a diffusion layer of the second conductivity type formed over the entire peripheral portions of the first and second semiconductor substrates, and a second semiconductor substrate at a position other than the peripheral portions of the first and second semiconductor substrates. A semiconductor comprising: a through hole provided through the first and second semiconductor substrates, and an insulating film formed on the surfaces of the first and second semiconductor substrates including the inner surfaces of the through hole. Sensor.
【請求項2】第1の半導体基板として不純物濃度の低い
ものを用い、第1の半導体基板の他方の面に第1導電型
の高濃度拡散層を形成したことを特徴とする特許請求の
範囲第1項記載の半導体センサ。
2. A first semiconductor substrate having a low impurity concentration is used, and a first-conductivity-type high-concentration diffusion layer is formed on the other surface of the first semiconductor substrate. The semiconductor sensor according to item 1.
【請求項3】絶縁膜がSiO膜であることを特徴とす
る特許請求の範囲第1項記載の半導体センサ。
3. The semiconductor sensor according to claim 1, wherein the insulating film is a SiO 2 film.
【請求項4】絶縁膜がSi膜であることを特徴と
する特許請求の範囲第1項記載の半導体センサ。
4. The semiconductor sensor according to claim 1, wherein the insulating film is a Si 3 N 4 film.
【請求項5】絶縁膜がSiO膜及びSi膜を順
次積層したものであることを特徴とする特許請求の範囲
第1項記載の半導体センサ。
5. The semiconductor sensor according to claim 1, wherein the insulating film is formed by sequentially laminating a SiO 2 film and a Si 3 N 4 film.
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