JPS5870155A - イオンに応答する半導体装置 - 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】 本発明は一般にイオンに応答する半導体装置（デ、？イ
ス）に関し、特に電界効果トランジスタから成る装置に
関する。

液状媒質のイオンのふるまいのような、化学特性を検出
し測定するために既に新しい装置が開発されてきた。こ
れらの公知の装置の中にｌ５ＦＥＴ　）ランジスタ（Ｊ
？オン高感度電界効果トランジスタ）があり、その構造
及び作用は例えば米国特許第４０２０８３０号明細書に
記述されている。ｌ５ＦＥＴ　）ランジスタは、絶縁ゲ
ートを有する電界効果トランジスタで、この電界効果ト
ランジスタのゲートは導電溶液と絶縁層に置き替えられ
、またこのゲートは溶液に含まれる特定のイオンに特定
の方法で反応する。ｌ５ＦＥＴ　トランジスタの応答特
性は従って溶液の性質と濃度に依存する。公知装置の構
造に存在する課題の一つは、溶液と純粋に電子素子、即
ちチャンネル、ソー４並びＫｙレイン領域、及び接続部
分、との間の干渉を回避することである。

現在の密封の技術と材料は、この欠点を完全に除去する
ことができない。さらに、溶液及びチャンネル領域と接
触する応答層は、トランジスタの作用を確実にするため
に、比較的薄く、標準的には０．１μであるべきである
。いま、この応答層は電子デ・々イス（半導体装置）に
向かう溶液中のイオン移動に対する障壁としても働くべ
きであり、この障壁はその厚さが縮小されているので、
あまり効果的でないことは簡単に理解されるであろう。

溶液と、ドレインとソースの接触部分との間の干渉を回
避するための１つの公知の方法は、サブストレートへの
深い拡散を行なわせ、ドレインとソースの接触接続部分
をシリコンチップの裏につ（ることがら成る。この方法
は溶液に接触している表面上のどんな接続領域をも除去
できるという利点を得る。しかしながらサブストレート
へのこの深い拡散の形成は標準的な技術工程と両立せず
、これらの拡散はさらに非常に制御されにくい。

従って本発明の目的はイオンに応答する、電界効果トラ
ンジスタ型の半導体装置で上述の欠点をもたないものを
提供することである。

本発明によると、半導体装置がさらされているイオンに
選択的に応答するよう適合され、応答層を有し、サブス
トレード上に形成されたソース領域、チャンネル領域、
並びにドレイン領域と絶縁層によりソース、チャンネル
並びにドレイン領域から分離されたゲートとにより構成
される電界効果トランジスタを有し、前記ゲートが浮遊
しておりソース、チャンネル並びにドレイン領域から離
れた位置で前記絶縁層と容量結合されている半導体装置
を提供する。

電界効果トランジスタは有利にはサブストレートの第１
表面上に設けられ、一方前記応答層はサブストレートの
第２表面上に形成される。

このようにして装置の電子的部分は、サブストレートが
電解質に接触している側に対して反対のサブストレート
の側止に配される。このようにしてこの電子的部分の絶
縁をすることは容易になる。他の利点は応答層とフロー
ティングゲートとの容量結合により生ずる。イオン移動
の障壁としても役立つ、この結合容量の誘電体は、その
表面を広（できるので、比較的厚くできる。装置の正確
な作用のために重要なのは、実際結合容量の総合値であ
る。

本発明につき以下図を用いて詳しく説明する。

実施例の説明 第１図の断面図は従来技術の装置を図示し、電気化学的
トランスデユーサとして使用される公知のＦＥＴ　）ラ
ンジスタの構造を示す。この構造はＰ−タイプシリコン
でｒ−プされたサブストレートｌＯ、ソースとドレイン
をそれぞれ形成する２つの分離したｎ形の拡散領域１１
，１２、代表的には５ｉ０２　　の絶縁層１３、例えば
Ｓｉ３Ｎ４の保護層１４、及び応答層１５を有する。応
答層１５は基準電極１６が浸されている電解質に接触し
ている。応答層１５は電解質の一定のタイプのイオンに
応答（゛反応）するように構成され、チャンネル領域の
電界を変調する電気化学的な表面電位をつ（る。表面電
位は反応の程度に依存し、反応は電解質の一定のタイプ
のイオンの濃度に依存している。この濃度を変えると電
流計１９により測定される誘導電流の変化力）生じる。

第１図に示すような構造において、ドレイン接触接続領
域、及びソースの接触接続領域（図示されない）は電界
質と同じ側に配されており、この電解質はカプセル封じ
用に使われる材料を考慮すると、鼻期間装置の安定性を
保証することはできない。さらにゲート酸化物１３と保
護層１４の厚さは装置が正確に機能するようにチャンネ
ル領域において十分薄くすべきである。

この厚さが薄いことは、保護層１４の能力を弱める限り
において不利である。

従って本発明によりイオンに応答するＦＥＴトランジス
タ構造が提供される。このＦＥＴ　）ランジスタ構造は
フローティングゲートと共働し、このフローティングゲ
ートに向かいあって応答層が設けられている。本発明に
よる構造は第２図に示される。第２図で第１図の素子に
類似する素子には同一の番号が付けである。ここに示さ
れたＦＥＴトランジスタはシリコンのＰ形すブストレー
トｌＯ内にチャンネルを有し、またソース及びＰレイン
を構成する２つのｎ形拡散領域１１及び１２、並びに５
ｉ０２の絶縁層１３を有し、絶縁層１３の厚さの縮小さ
れた部分１３ａはゲート酸化物を構成する。例えばアル
ミニウムまたはげ一プされた多結晶シリコンから作られ
たゲート２０は浮遊しており、薄い酸化物層１３ｂを通
して応答層１５と容量結合されている。この応答層１５
．はシリコンチップの他方の面に配置されており、この
シリコンチップは薄い酸化物層１３ｂに向かい合うシリ
コンをエツチングにより取り除くために前もって処理さ
れでいる。このように５ｉ０２の絶縁層１３は、電解質
のトランジスタに及ぼす影響を弱めるために、サブスト
レー）１０と応答層１５との間に挿入されている。この
構造はげレインとソースの接触接続領域をも有するが、
断面図の面の外にあるので図示されていない。接触接続
領域は上部表面上即ち電解質と接触している表面と反対
の表面上に配置されている。上部表面はさらにフローテ
ィングゲート２ｏを絶縁する絶縁ゲート２１で覆われて
いる。

酸化物層１３ｂは、一方でフローティングゲート・２旬
゛によりまた他方で応答層１５により形成される静電容
゛量の誘電体として働き、その表面を大きくしてその層
は厚くできる。というのは結合静電容量の総合値こそが
重要だからである。従ってフローティングゲートに向か
う電解質のイオン移動をはばむ効果的な障壁をつくるこ
とができる。

シリコンサブストレート１０は、電解質に達することの
できるすべての光からトランジスタちに達成されるもの
である。

第３図の断面図はサファイアのような絶縁サブストレー
ト上につくられる本発明のもう１つの実施例を示す。サ
ファイアのサブストレート３０の上には、従来のＳＯＳ
　（シリコンオンサファイア）技術により、交互に異な
る極性をもちそれぞれトランジスタのソース、チャンネ
ル、ｒレインを構成する３つの領域３１・３２・３３が
設ηられている。フローティングゲート４０は有利には
ｒ−ゾされた多結晶シリコンで作られている。５ｉｏ２
の絶縁層３４はソース、チャンネル、ドレイ゛ｙ領域な
らびにフローティングケ−ト４０を被覆する。サファイ
アサブストレー４の下部表面は例えば超音波エネルイー
により、フローティングゲートに相対して約１０μの厚
さのダイアフラム４１が形成されるように局部的にエツ
チングされている。このダイアフラム４１は同時に応答
層、イオン移動に対する障壁及び応答層とフローティン
グゲートとの間の結合容量の誘電体として働く。このよ
うな装置はサファイアがＨ＋イオンに選択的に応答する
ｐＨセンサとして使用す４ることかできる。不透明層４
２はトランジスタ、、如あたる光の作用を抑制するため
に下部表面上に設けることができる。

絶縁サブストレート上に設けられ、またサブストレート
の材料とは異なる材料から成る応答層１５を有している
装置の場合、この応答層を電子的部分と同じ側に設ける
ことが可能である。

この応答層はしかしながらトランジスタゾーンから離れ
た領域においてトランジスタのフローティングゲートに
常に容量結合される。

上述した２つの構造の実施例は単に例として示されたに
すぎず、これらの実施例に本発明は制限されないことは
明らかである。前述した材料以外の材料が本発明による
装置構成に用いられることもまた明らかである。そのよ
うな材料はその電気化学的特性故に公知であり既に応答
素子として使用されている。例えば、アルミニウム或（
・はメンタルの酸化物、ガラス、またはポリ塩化ビニル
或いはフォトレジストのマトリックスにおけるイオン交
換体について言及することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオンに応答する公知のＦＥＴトランジスタ構
造を示す図、第２図は本発明によるイオンに応答する装
置の第１実施例を示す図、及び第３図は本発明によるイ
オンに応答する装置の第２実施例を示す図を示す。 １０．３０・・・サブストレート、１１．３１・・・ソ
ース、１２．３２・・・Ｐレイン、１３．２１　。 ３４・・・絶縁層、１３ａ・・・ゲート酸化物、１３ｂ
・・・酸化物層、１４・・・保護層、１５・・・応答層
、−６・・・基準電極、１９・・・電流計、２０．４０
・・・）し−ティングゲート、４１・・・ダイアフラム
、４２・・・不透明層、３２・・・チャンネル。 Ｆ／Ｇ、Ｉ ＦＩ６．２ ＦＩ６．３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　装置がさらされている溶液のイオンに選択的に応
   答するように構成されており、応答層を有し、サブスト
   レート上に形成されたソース領域、チャンネル領域並び
   にドレイン領域と、絶縁層によりソース、チャンネル並
   びにドレイン領域から分離されたゲートとにより構成さ
   れる電界効果トランジスタを有する半導体装置において
   、前記ゲートは浮遊しているように構成され且、ソース
   、チャンネル並びにドレイン領域から離れた位置で前記
   応答層と容量結合していることを特徴とする半導体装置
   。 ２、応答層がトランジスタの設けられている表面と反対
   のサブストレートの表面に形成されている特許請求の範
   囲第１項記載の半導体装置０ ３、　容量結合が絶縁材の薄いダイアフラムを介して得
   られる特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。 ４、　サブストレートが半導体材であり、絶縁材がサブ
   ストレート上に被着されてで・る特許請求の範囲第１項
   記載の半導体装置。 ５　トランジスタのダイアフラム及びゲート酸化物領域
   がトランジスタのソース、チャンネル並びにドレイン領
   域に亘ってサブストレートの上に被着された絶縁層の間
   隔をおかれた薄くされた部分により形成される特許請求
   の範囲第１項記載の半導体装置。 ６、　サブストレートが絶縁材である特許請求の範囲第
   １項記載の半導体装置。 ７、　ダイアフラムがサブストレートの薄くされた部分
   である特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。 ８　サブストレートの薄（された部分がまた応答層を特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。