JPH0894577A - 半導体イオンセンサ及びその使用方法 - Google Patents
半導体イオンセンサ及びその使用方法Info
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- JPH0894577A JPH0894577A JP6227701A JP22770194A JPH0894577A JP H0894577 A JPH0894577 A JP H0894577A JP 6227701 A JP6227701 A JP 6227701A JP 22770194 A JP22770194 A JP 22770194A JP H0894577 A JPH0894577 A JP H0894577A
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- substrate
- channel region
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 測定環境（光及び温度等）による影響を低減
し，イオン感応膜の活性化が容易なISFET を実現し，測
定の信頼度を向上する。 【構成】 １）MOS FET を用いたイオンセンサであっ
て，基板上に第１の絶縁膜を介してソース，チャネル領
域，ドレインが横方向にこの順に形成された半導体層
と，半導体層上に第２の絶縁膜を介して被着されたイオ
ン感応膜と，チャネル領域に対向し且つ該チャネル領域
と離反して第１の絶縁膜内に埋め込まれたゲート電極と
を有する半導体イオンセンサ, ２）半導体層の厚さは 0.1μｍ以下である，３）ゲート
電極に印加する電圧を変化させてチャネル領域の電位を
調整することにより，感度を調節する，４）ゲート電極
に電圧を印加し，チャネル領域をオンにしてドレイン電
流を流してチャネル領域を加熱してイオン感応膜の吸着
イオンを離脱させる。
し，イオン感応膜の活性化が容易なISFET を実現し，測
定の信頼度を向上する。 【構成】 １）MOS FET を用いたイオンセンサであっ
て，基板上に第１の絶縁膜を介してソース，チャネル領
域，ドレインが横方向にこの順に形成された半導体層
と，半導体層上に第２の絶縁膜を介して被着されたイオ
ン感応膜と，チャネル領域に対向し且つ該チャネル領域
と離反して第１の絶縁膜内に埋め込まれたゲート電極と
を有する半導体イオンセンサ, ２）半導体層の厚さは 0.1μｍ以下である，３）ゲート
電極に印加する電圧を変化させてチャネル領域の電位を
調整することにより，感度を調節する，４）ゲート電極
に電圧を印加し，チャネル領域をオンにしてドレイン電
流を流してチャネル領域を加熱してイオン感応膜の吸着
イオンを離脱させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体イオンセンサ及び
その使用方法に関する。半導体イオンセンサは高感度の
ｐＨ計として，特に医用分野への応用が期待されてい
る。
その使用方法に関する。半導体イオンセンサは高感度の
ｐＨ計として，特に医用分野への応用が期待されてい
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の電界効果型半導体イオンセンサは
通常のMOS FET からゲート電極を除去し，ゲート絶縁膜
の上にイオン感応膜を被着した構造であり, ISFET(Ion
SensorFET) と呼ばれている。
通常のMOS FET からゲート電極を除去し，ゲート絶縁膜
の上にイオン感応膜を被着した構造であり, ISFET(Ion
SensorFET) と呼ばれている。
【０００３】図５は電界効果型半導体イオンセンサの従
来例の説明図である。図において，11はシリコン(Si)基
板, 11S はソース, 11D はドレイン, 12は分離絶縁膜,
13はゲート絶縁膜, 14はイオン感応膜である。
来例の説明図である。図において，11はシリコン(Si)基
板, 11S はソース, 11D はドレイン, 12は分離絶縁膜,
13はゲート絶縁膜, 14はイオン感応膜である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の構造では, チャ
ネル領域を制御する電極がないため，測定環境によって
感度差を生じていた。 MOS FET 構造を利用しているた
め，特に光及び温度による影響を受けていた。
ネル領域を制御する電極がないため，測定環境によって
感度差を生じていた。 MOS FET 構造を利用しているた
め，特に光及び温度による影響を受けていた。
【０００５】また, イオン感応膜に吸着したイオンの離
脱に時間がかかるため，特に, 測定環境が高ｐＨから低
ｐＨへ変化した場合に, センサがこの変化に対応して測
定可能となるための応答速度が遅かった。このように，
測定可能な状態，すなわちイオン感応膜をイオンの吸着
のない状態に復帰させるための活性化が不十分であり，
そのため，残留イオンによる測定誤差を生じていた。
脱に時間がかかるため，特に, 測定環境が高ｐＨから低
ｐＨへ変化した場合に, センサがこの変化に対応して測
定可能となるための応答速度が遅かった。このように，
測定可能な状態，すなわちイオン感応膜をイオンの吸着
のない状態に復帰させるための活性化が不十分であり，
そのため，残留イオンによる測定誤差を生じていた。
【０００６】以上の２つの欠点は，測定の感度を上げる
ためにISFET のチャネル長を短くすると一層顕著とな
る。本発明は，測定環境（光及び温度等）による影響を
低減し，イオン感応膜の活性化が容易なISFET を実現
し，測定の信頼度を向上することを目的とする。
ためにISFET のチャネル長を短くすると一層顕著とな
る。本発明は，測定環境（光及び温度等）による影響を
低減し，イオン感応膜の活性化が容易なISFET を実現
し，測定の信頼度を向上することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決は， １）MOS FET を用いたイオンセンサであって，基板上に
第１の絶縁膜を介してソース，チャネル領域，ドレイン
が横方向にこの順に形成された半導体層と，該半導体層
上に第２の絶縁膜を介して被着されたイオン感応膜と，
該チャネル領域に対向し且つ該チャネル領域と離反して
該第１の絶縁膜内に埋め込まれたゲート電極とを有する
半導体イオンセンサ, あるいは ２）前記半導体層の厚さは 0.1μｍ以下である前記１記
載の半導体イオンセンサ，あるいは ３）前記ゲート電極に印加する電圧を変化させて前記チ
ャネル領域の電位を調整することにより，感度を調節す
る半導体イオンセンサの使用方法，あるいは ４）前記ゲート電極に電圧を印加し，前記チャネル領域
を通電状態にしてドレイン電流を流すことにより，該チ
ャネル領域を加熱して前記イオン感応膜の吸着イオンを
離脱させる半導体イオンセンサの使用方法により達成さ
れる。
第１の絶縁膜を介してソース，チャネル領域，ドレイン
が横方向にこの順に形成された半導体層と，該半導体層
上に第２の絶縁膜を介して被着されたイオン感応膜と，
該チャネル領域に対向し且つ該チャネル領域と離反して
該第１の絶縁膜内に埋め込まれたゲート電極とを有する
半導体イオンセンサ, あるいは ２）前記半導体層の厚さは 0.1μｍ以下である前記１記
載の半導体イオンセンサ，あるいは ３）前記ゲート電極に印加する電圧を変化させて前記チ
ャネル領域の電位を調整することにより，感度を調節す
る半導体イオンセンサの使用方法，あるいは ４）前記ゲート電極に電圧を印加し，前記チャネル領域
を通電状態にしてドレイン電流を流すことにより，該チ
ャネル領域を加熱して前記イオン感応膜の吸着イオンを
離脱させる半導体イオンセンサの使用方法により達成さ
れる。
【０００８】
【作用】図１は本発明の原理説明図である。図におい
て， 1はシリコン基板, 2はシリコン層 (半導体層) ,
3は下部ゲート電極 (ゲート電極), 4 は埋込酸化シリ
コン膜 (第１の絶縁膜) , 5はISFETのゲート絶縁膜
(第２の絶縁膜) , 6はイオン感応膜である。ここで，
括弧内は請求項に記載の名称である。
て， 1はシリコン基板, 2はシリコン層 (半導体層) ,
3は下部ゲート電極 (ゲート電極), 4 は埋込酸化シリ
コン膜 (第１の絶縁膜) , 5はISFETのゲート絶縁膜
(第２の絶縁膜) , 6はイオン感応膜である。ここで，
括弧内は請求項に記載の名称である。
【０００９】シリコン層 2に形成されたソース, ドレイ
ン及びチャネルは基板と絶縁分離され，その厚さは 0.1
μｍ以下である。このイオンセンサを測定環境中に置
き，イオン感応膜に発生した界面電位によりチャネル電
流を変化させてｐＨを測定する。
ン及びチャネルは基板と絶縁分離され，その厚さは 0.1
μｍ以下である。このイオンセンサを測定環境中に置
き，イオン感応膜に発生した界面電位によりチャネル電
流を変化させてｐＨを測定する。
【００１０】この際，チャネル領域の厚さが 0.1μｍ以
下と極めて薄いため，下部ゲート電極に印加する電圧を
制御することにより, チャネルの電位を制御することが
できる。
下と極めて薄いため，下部ゲート電極に印加する電圧を
制御することにより, チャネルの電位を制御することが
できる。
【００１１】チャネル領域の厚さが 0.1μｍ以上になる
と，チャネルはチャネル領域の上側（ISFET 側) のみに
形成されるため, 下部ゲート電極でチャネルの電位を制
御することはできなくなる。
と，チャネルはチャネル領域の上側（ISFET 側) のみに
形成されるため, 下部ゲート電極でチャネルの電位を制
御することはできなくなる。
【００１２】上記構造のイオンセンサはソース, ドレイ
ン, チャネルが薄膜シリコン層に形成されているため，
温度及び光に対するドレイン電流の変化が著しく低減す
る。この理由は以下の通りである。
ン, チャネルが薄膜シリコン層に形成されているため，
温度及び光に対するドレイン電流の変化が著しく低減す
る。この理由は以下の通りである。
【００１３】温度及び光によってドレイン電流が変化す
るのは，ソース及びドレイン領域周辺の空乏層中の発生
中心による発生電流が変化するためである。本構造では
ソース及びドレイン領域が絶縁膜で囲まれているため空
乏層の体積が著しく減少する。従って，発生中心が低減
することにより，温度及び光に対するドレイン電流の変
化が著しく小さくなる。
るのは，ソース及びドレイン領域周辺の空乏層中の発生
中心による発生電流が変化するためである。本構造では
ソース及びドレイン領域が絶縁膜で囲まれているため空
乏層の体積が著しく減少する。従って，発生中心が低減
することにより，温度及び光に対するドレイン電流の変
化が著しく小さくなる。
【００１４】また，上記のようにシリコン層が極めて薄
いため，下部ゲート電極に電圧を印加することによりチ
ャネル電位を制御することができる。これにより，高ｐ
Ｈから低ｐＨまでの広い範囲の測定が可能となり，ま
た, 光及び温度等の外部環境の変化によるチャネル電位
の変化分を補正することができる。
いため，下部ゲート電極に電圧を印加することによりチ
ャネル電位を制御することができる。これにより，高ｐ
Ｈから低ｐＨまでの広い範囲の測定が可能となり，ま
た, 光及び温度等の外部環境の変化によるチャネル電位
の変化分を補正することができる。
【００１５】
【実施例】実施例の構造を製造工程とともに図２を用い
て説明する。図２(A) 〜(E) は本発明の実施例の説明図
である。
て説明する。図２(A) 〜(E) は本発明の実施例の説明図
である。
【００１６】図２(A) において，シリコン基板 2の上に
通常のプロセスにより MOS FET を作製する。4Aは厚さ
200Åのゲート酸化膜, 4Bは分離酸化膜(LOCOS), 2Sは
ソース, 2Dはドレイン, 2Cはチャネル領域である。
通常のプロセスにより MOS FET を作製する。4Aは厚さ
200Åのゲート酸化膜, 4Bは分離酸化膜(LOCOS), 2Sは
ソース, 2Dはドレイン, 2Cはチャネル領域である。
【００１７】このとき，分離酸化膜4Bの深さを基板表面
より 0.1μｍ以下にしておく。図２(B) において，気相
成長(CVD) 法により, 基板上全面に厚さ 1μｍの酸化シ
リコン(SiO2)膜 4を成長し，その表面を研磨して平坦化
する。図では, ゲート酸化膜4A, 分離酸化膜4Bを含んで
酸化膜全体を 4で表す。
より 0.1μｍ以下にしておく。図２(B) において，気相
成長(CVD) 法により, 基板上全面に厚さ 1μｍの酸化シ
リコン(SiO2)膜 4を成長し，その表面を研磨して平坦化
する。図では, ゲート酸化膜4A, 分離酸化膜4Bを含んで
酸化膜全体を 4で表す。
【００１８】図２(C) において，もう１枚のシリコン基
板 1を, シリコン基板 2の酸化シリコン膜 4上に重ね合
わせ，1000℃に加熱して２枚の基板を接着する。図２
(D) において，MOS FET を作製した方のシリコン基板 2
を分離酸化膜 4の厚さまで研磨して薄膜化する。このと
き, 分離絶縁膜が研磨のストッパとなって, MOS FET が
作製されたシリコン層の厚さは 0.1μｍ以下になる。
板 1を, シリコン基板 2の酸化シリコン膜 4上に重ね合
わせ，1000℃に加熱して２枚の基板を接着する。図２
(D) において，MOS FET を作製した方のシリコン基板 2
を分離酸化膜 4の厚さまで研磨して薄膜化する。このと
き, 分離絶縁膜が研磨のストッパとなって, MOS FET が
作製されたシリコン層の厚さは 0.1μｍ以下になる。
【００１９】図２(E) において，MOS FET が作製された
シリコン層上に厚さ 100Åの熱酸化膜 5を形成し，その
上にイオン感応膜として, 例えば, 厚さ 300Åの窒化シ
リコン(Si3N4) 膜 6を被着する。
シリコン層上に厚さ 100Åの熱酸化膜 5を形成し，その
上にイオン感応膜として, 例えば, 厚さ 300Åの窒化シ
リコン(Si3N4) 膜 6を被着する。
【００２０】以上の工程を経て形成されたイオンセンサ
を用いて，下部電極 3によりチャネル電位を調整して,
センサとしての感度を調整する。また，イオン感応膜上
の吸着イオンを除去するときは, 下部ゲート電極に電圧
を印加してチャネルをオンにしてドレイン電流を流すこ
とにより, チャネル領域を加熱する。
を用いて，下部電極 3によりチャネル電位を調整して,
センサとしての感度を調整する。また，イオン感応膜上
の吸着イオンを除去するときは, 下部ゲート電極に電圧
を印加してチャネルをオンにしてドレイン電流を流すこ
とにより, チャネル領域を加熱する。
【００２１】実施例ではイオン感応膜として窒化シリコ
ン膜を用いたが，この他に酸化タンタルやガラス系の無
機被膜あるいは樹脂系の有機被膜をイオン感応膜として
用いる場合でも本発明は適用可能である。
ン膜を用いたが，この他に酸化タンタルやガラス系の無
機被膜あるいは樹脂系の有機被膜をイオン感応膜として
用いる場合でも本発明は適用可能である。
【００２２】次に, 実施例の効果を示すデータを従来例
と対比して説明する。図３及び図４は本発明の効果を示
す図である。図３はバルク基板上に作成された通常のｎ
チャネルMOS FET と本発明に用いているSOI 基板上のｎ
チャネルMOS FET の温度特性を示す。縦軸はチャネルが
ONしたときのドレイン電流とチャネルがOFF したときの
ドレインリーク電流の比を示す。この比がセンサのダイ
ナミックレンジ及び感度となり，比が大きい程高感度に
なる。横軸は環境温度であり，室温から 300℃まで変化
させている。
と対比して説明する。図３及び図４は本発明の効果を示
す図である。図３はバルク基板上に作成された通常のｎ
チャネルMOS FET と本発明に用いているSOI 基板上のｎ
チャネルMOS FET の温度特性を示す。縦軸はチャネルが
ONしたときのドレイン電流とチャネルがOFF したときの
ドレインリーク電流の比を示す。この比がセンサのダイ
ナミックレンジ及び感度となり，比が大きい程高感度に
なる。横軸は環境温度であり，室温から 300℃まで変化
させている。
【００２３】図示のように, SOI 基板上では温度が上昇
してもリーク電流が増加しにくいため，高温でも大きな
比が得られている。このことから，本発明のセンサは温
度依存性が小さいことがわかる。
してもリーク電流が増加しにくいため，高温でも大きな
比が得られている。このことから，本発明のセンサは温
度依存性が小さいことがわかる。
【００２４】図４はバルク基板上に作成された通常のｎ
チャネルMOS FET と本発明に用いているSOI 基板上のｎ
チャネルMOS FET に光を照射したときのドレイン電流の
変化を比較した結果を示す。バルク基板上では光が照射
されるとリーク電流が激増し，チャネルがONしたときと
OFF したときのドレイン電流比が著しく小さくなり，セ
ンサとしての感度が著しく低下することがわかる。
チャネルMOS FET と本発明に用いているSOI 基板上のｎ
チャネルMOS FET に光を照射したときのドレイン電流の
変化を比較した結果を示す。バルク基板上では光が照射
されるとリーク電流が激増し，チャネルがONしたときと
OFF したときのドレイン電流比が著しく小さくなり，セ
ンサとしての感度が著しく低下することがわかる。
【００２５】これに対して, SOI 基板上ではリーク電流
がほとんど増加しないで, 光を照射してもセンサとして
十分な感度が得られることがわかる。以上の効果は, 前
述したように, SOI 基板上のMOS FET ではソース及びド
レイン周辺の空乏層の体積が小さくなることによる。従
って, 空乏層中に存在する発生中心の数が減少するた
め，光や温度によるリーク電流 (発生電流) が激減する
結果による。
がほとんど増加しないで, 光を照射してもセンサとして
十分な感度が得られることがわかる。以上の効果は, 前
述したように, SOI 基板上のMOS FET ではソース及びド
レイン周辺の空乏層の体積が小さくなることによる。従
って, 空乏層中に存在する発生中心の数が減少するた
め，光や温度によるリーク電流 (発生電流) が激減する
結果による。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば，素子領域が薄く且つ絶
縁膜で基板と分離されているため, 光及び温度等の測定
環境条件に対するドレイン電流の変化が著しく低減し,
チャネル電位を下部電極で制御できるため，光や温度等
が変化しても感度を一定に保つことができる。
縁膜で基板と分離されているため, 光及び温度等の測定
環境条件に対するドレイン電流の変化が著しく低減し,
チャネル電位を下部電極で制御できるため，光や温度等
が変化しても感度を一定に保つことができる。
【００２７】また，下部ゲート電極に電圧を印加してチ
ャネルをオンにしてドレイン電流を流すことにより, チ
ャネル領域を加熱でき, 吸着イオンの離脱を促進できる
ため，環境の変化に対する応答性を高めることができ
る。
ャネルをオンにしてドレイン電流を流すことにより, チ
ャネル領域を加熱でき, 吸着イオンの離脱を促進できる
ため，環境の変化に対する応答性を高めることができ
る。
【図１】 本発明の原理説明図
【図２】 本発明の実施例の説明図
【図３】 本発明の効果を示す図(1)
【図４】 本発明の効果を示す図(2)
【図５】 従来例の説明図
1 シリコン基板 2 シリコン層 2S シリコン層に形成されたソース 2D シリコン層に形成されたドレイン 2C シリコン層に形成されたチャネル領域 (チャネルが
形成される領域) 3 下部ゲート電極 4 埋込酸化シリコン膜 5 ゲート絶縁膜 6 イオン感応膜
形成される領域) 3 下部ゲート電極 4 埋込酸化シリコン膜 5 ゲート絶縁膜 6 イオン感応膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/78 ３０１ Ｔ
Claims (4)
- 【請求項１】 MOS FET を用いたイオンセンサであっ
て，基板上に第１の絶縁膜を介してソース，チャネル領
域，ドレインが横方向にこの順に形成された半導体層
と，該半導体層上に第２の絶縁膜を介して被着されたイ
オン感応膜と，該チャネル領域に対向し且つ該チャネル
領域と離反して該第１の絶縁膜内に埋め込まれたゲート
電極とを有することを特徴とする半導体イオンセンサ。 - 【請求項２】 前記半導体層の厚さは 0.1μｍ以下であ
ることを特徴とする請求項１記載の半導体イオンセン
サ。 - 【請求項３】 前記ゲート電極に印加する電圧を変化さ
せて前記チャネル領域の電位を調整することにより，感
度を調節することを特徴とする半導体イオンセンサの使
用方法。 - 【請求項４】 前記ゲート電極に電圧を印加し，前記チ
ャネル領域を通電状態にしてドレイン電流を流すことに
より，該チャネル領域を加熱して前記イオン感応膜の吸
着イオンを離脱させることを特徴とする半導体イオンセ
ンサの使用方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6227701A JPH0894577A (ja) | 1994-09-22 | 1994-09-22 | 半導体イオンセンサ及びその使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6227701A JPH0894577A (ja) | 1994-09-22 | 1994-09-22 | 半導体イオンセンサ及びその使用方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0894577A true JPH0894577A (ja) | 1996-04-12 |
Family
ID=16864998
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6227701A Withdrawn JPH0894577A (ja) | 1994-09-22 | 1994-09-22 | 半導体イオンセンサ及びその使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0894577A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002296228A (ja) * | 2001-03-30 | 2002-10-09 | Seiko Epson Corp | バイオセンサ |
| WO2005022134A1 (ja) * | 2003-08-29 | 2005-03-10 | Japan Science And Technology Agency | 電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタ並びにそれを用いたセンサ |
| KR100746867B1 (ko) * | 2003-08-29 | 2007-08-07 | 도쿠리쓰교세이호징 가가쿠 기주쓰 신코 기코 | 전계 효과 트랜지스터 및 단일 전자 트랜지스터 |
| JP2008542733A (ja) * | 2005-05-30 | 2008-11-27 | メトラー−トレド アクチェンゲゼルシャフト | 電気化学センサ |
-
1994
- 1994-09-22 JP JP6227701A patent/JPH0894577A/ja not_active Withdrawn
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2005022134A1 (ja) * | 2003-08-29 | 2005-03-10 | Japan Science And Technology Agency | 電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタ並びにそれを用いたセンサ |
| KR100746863B1 (ko) * | 2003-08-29 | 2007-08-07 | 도쿠리쓰교세이호징 가가쿠 기주쓰 신코 기코 | 전계 효과 트랜지스터 및 단일 전자 트랜지스터 그리고그것을 사용한 센서 |
| KR100746867B1 (ko) * | 2003-08-29 | 2007-08-07 | 도쿠리쓰교세이호징 가가쿠 기주쓰 신코 기코 | 전계 효과 트랜지스터 및 단일 전자 트랜지스터 |
| US8502277B2 (en) | 2003-08-29 | 2013-08-06 | Japan Science And Technology Agency | Field-effect transistor, single-electron transistor and sensor using the same |
| US8766326B2 (en) | 2003-08-29 | 2014-07-01 | Japan Science And Technology Agency | Field-effect transistor, single-electron transistor and sensor |
| US8772099B2 (en) | 2003-08-29 | 2014-07-08 | Japan Science And Technology Agency | Method of use of a field-effect transistor, single-electron transistor and sensor |
| US9506892B2 (en) | 2003-08-29 | 2016-11-29 | Japan Science And Technology Agency | Field-effect transistor, single-electron transistor and sensor using the same |
| JP2008542733A (ja) * | 2005-05-30 | 2008-11-27 | メトラー−トレド アクチェンゲゼルシャフト | 電気化学センサ |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20020115 |