JPS60202347A - 電界効果型半導体センサ - Google Patents
電界効果型半導体センサInfo
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- JPS60202347A JPS60202347A JP59059946A JP5994684A JPS60202347A JP S60202347 A JPS60202347 A JP S60202347A JP 59059946 A JP59059946 A JP 59059946A JP 5994684 A JP5994684 A JP 5994684A JP S60202347 A JPS60202347 A JP S60202347A
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- Japan
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- gate
- semiconductor sensor
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-
- 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
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- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（１）技術分野
本発明は、化学的物質の濃度測定に用いる電界効果型半
導体センサに関する。
導体センサに関する。
（２）背景技術
従来からゲート絶縁型電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦ
ＥＴ）の構造を利用して、電解液中のイオン活量ヤ化の
化学的物質の濃度などを測定する半導体センサは提案さ
れている。これらは、ｌ０ｎＳｅｎｓ１ｔｉｖｅ Ｆｉ
ｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ （ＩＳ
ＦＥＴ）またはＣｈｅｍｉｃａｌ ＦＥＴ （ＣＨＥＭ
ＦＥＴ） と呼ばれ、特公昭５４−２４３１７などにこ
れ等に関する記載がある。
ＥＴ）の構造を利用して、電解液中のイオン活量ヤ化の
化学的物質の濃度などを測定する半導体センサは提案さ
れている。これらは、ｌ０ｎＳｅｎｓ１ｔｉｖｅ Ｆｉ
ｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ （ＩＳ
ＦＥＴ）またはＣｈｅｍｉｃａｌ ＦＥＴ （ＣＨＥＭ
ＦＥＴ） と呼ばれ、特公昭５４−２４３１７などにこ
れ等に関する記載がある。
第１図は、１ＳＦＥＴ のゲート部分を含む断面の基本
構成図である。例えばｐ−型のシリコン単結晶基板（１
）を用いた場合、表面にソース（２）とドレイン（３）
用のｎ十 型の拡散領域をチャンネル部（４）をはさん
で離間して形成され、この基板表面を５ｉ０２ などの
絶縁層（５）で被覆されている。さらにその上に耐雰囲
気性を向上させるために５１ｇＮ４などの絶縁層（６〕
と特定の化学的物質にのみ選択的に感応する層（７）を
各々１００ＯＡ程度の厚さで形成されである。
構成図である。例えばｐ−型のシリコン単結晶基板（１
）を用いた場合、表面にソース（２）とドレイン（３）
用のｎ十 型の拡散領域をチャンネル部（４）をはさん
で離間して形成され、この基板表面を５ｉ０２ などの
絶縁層（５）で被覆されている。さらにその上に耐雰囲
気性を向上させるために５１ｇＮ４などの絶縁層（６〕
と特定の化学的物質にのみ選択的に感応する層（７）を
各々１００ＯＡ程度の厚さで形成されである。
に接するように形成されているリード・コンタクト用金
属層（８ｅｘＡｌ ）を通して取り出す。
属層（８ｅｘＡｌ ）を通して取り出す。
このような電界効果型半導体センサの利点としては、
（１）高入力、低出力インピーダンスのため、化学感応
層に完全な絶縁物が使用可能 （１１）半導体製造技術がそのまま適用できるため、微
小化、多重化、大量生産化可能 （ｉｉｉ）化学感応層が薄いため、反応速度が極めて速
い などが挙げられる。
層に完全な絶縁物が使用可能 （１１）半導体製造技術がそのまま適用できるため、微
小化、多重化、大量生産化可能 （ｉｉｉ）化学感応層が薄いため、反応速度が極めて速
い などが挙げられる。
一方、原理的に化学感応層（７）が捕える測定対象物の
電荷によりトランジスタの閾値電圧ｖｔｈが変化するの
を検出して、被測定物質の濃度をめるものであるためト
ランジスタの特性安定を実現するためには最重要項目で
あるゲート部構造の保護が充分に行なえない構造となっ
ている。即ち、耐雰囲気性を向上させるという役割の大
部分を高々１０００λ程度の膜厚の５ｉＢＮ４などの絶
縁層（６）に負わせている。このため長時間にわたり安
定な測定を行なうことができる電界効果型半導体センサ
は未だ実現されていない。
電荷によりトランジスタの閾値電圧ｖｔｈが変化するの
を検出して、被測定物質の濃度をめるものであるためト
ランジスタの特性安定を実現するためには最重要項目で
あるゲート部構造の保護が充分に行なえない構造となっ
ている。即ち、耐雰囲気性を向上させるという役割の大
部分を高々１０００λ程度の膜厚の５ｉＢＮ４などの絶
縁層（６）に負わせている。このため長時間にわたり安
定な測定を行なうことができる電界効果型半導体センサ
は未だ実現されていない。
（３）発明の目的
本発明は、長時間にわたり安定な測定が行なえ、かつ特
性が均一なものを大量に生産できる電界効果型半導体セ
ンサを提案することを目的とする。
性が均一なものを大量に生産できる電界効果型半導体セ
ンサを提案することを目的とする。
（４）発明の構成
本発明による電界効果型半導体センサは、従来の電界効
果型半導体センサが、トランジスタのゲート部分と化学
感応部が物理的に同一部位であると考えられるような極
めて近い連続的な位置に構成されていたのに対し、少な
くとも平面的もしくは空間的に連続な位置関係にない離
れた位置にゲート部分と化学感応部が形成されているこ
とを最大の特徴とする。
果型半導体センサが、トランジスタのゲート部分と化学
感応部が物理的に同一部位であると考えられるような極
めて近い連続的な位置に構成されていたのに対し、少な
くとも平面的もしくは空間的に連続な位置関係にない離
れた位置にゲート部分と化学感応部が形成されているこ
とを最大の特徴とする。
この構造を実現するためには、特願昭５８−５１１４５
などに記載されているように、トランジスタのゲート酸
化膜とセンサとしての化学感応層の間を、金属などの導
電性層を含む多層構造とすることが必須であり、この導
電性層の存在により、ゲート部分、換言するとゲート酸
化膜と化学感応部即ち化学感応層の物理的な位置関係を
離すことが可能となる。
などに記載されているように、トランジスタのゲート酸
化膜とセンサとしての化学感応層の間を、金属などの導
電性層を含む多層構造とすることが必須であり、この導
電性層の存在により、ゲート部分、換言するとゲート酸
化膜と化学感応部即ち化学感応層の物理的な位置関係を
離すことが可能となる。
以下、本発明を図面にもとすいて説明する。
第２図は、本発明の一実施例としての電界効果型半導体
センサの構造を示す平面図、第８図から第６図は第２図
の１点鎖線ａ −ａ’、ｂ−ｂ’、Ｃ−ｃ’、ｄ−ｄ’
における断面図である。
センサの構造を示す平面図、第８図から第６図は第２図
の１点鎖線ａ −ａ’、ｂ−ｂ’、Ｃ−ｃ’、ｄ−ｄ’
における断面図である。
本発明の電界効果型半導体センサの構成要素として、第
１図に示す従来技術によるセンサと異なるのは、第５図
に特徴的にあられれているようにゲート部における金属
等の導電性物質層（９）の存在と、それにともなう保護
層（１１の存在である。即ち、この部分は完全なゲート
絶縁型電界効果トランジスタ（ＭＩ ５ＦＥＴ） とな
っている。これが導電性物質層（９）を介して化学感応
層（７）と電気的に接続されている。本実施例のチップ
は１．ＱＩｕＬＸ ５．Ｑａの太きさであるが、第２図
に示す様にＭＩＳＦＥＴ構造はチップ上の一方の端に集
中的に形成されており、化学感応層（７）は他方の端に
形成され、平面的に約８皿離れた構成となっている。こ
の構成はまさに従来化学的物質の測定に用いられていた
装置を１つのチップ上に実現した形となっている。即ち
、化学感応部がガラス電極などのセンサでＭＩＳＦＥＴ
部がその信号を増幅するＦＥＴそのものである。
１図に示す従来技術によるセンサと異なるのは、第５図
に特徴的にあられれているようにゲート部における金属
等の導電性物質層（９）の存在と、それにともなう保護
層（１１の存在である。即ち、この部分は完全なゲート
絶縁型電界効果トランジスタ（ＭＩ ５ＦＥＴ） とな
っている。これが導電性物質層（９）を介して化学感応
層（７）と電気的に接続されている。本実施例のチップ
は１．ＱＩｕＬＸ ５．Ｑａの太きさであるが、第２図
に示す様にＭＩＳＦＥＴ構造はチップ上の一方の端に集
中的に形成されており、化学感応層（７）は他方の端に
形成され、平面的に約８皿離れた構成となっている。こ
の構成はまさに従来化学的物質の測定に用いられていた
装置を１つのチップ上に実現した形となっている。即ち
、化学感応部がガラス電極などのセンサでＭＩＳＦＥＴ
部がその信号を増幅するＦＥＴそのものである。
上記導電性層（９）としては、ＡＩ！ またはイオン注
入により導電性を持たせたポリシリコンを用いる。
入により導電性を持たせたポリシリコンを用いる。
また保護層としては、プラズマＣＶＤなど低温で形成可
能な５ｉｓＮｉ、 Ａ／ｇＯｓｓ ＳｉＯｘＮｙ、 Ａ
Ｉ！０ｘＮｙ ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−３ｉｌｉｃａ
ｔｅ Ｐｇ０６・５ｉ０２ ） ｒ ＰｂＯ−ＡｌｇＯ
ｓ・５ｔｏｐ （Ｌｅａｄ−Ａｌｕｍｉｎｏ−３ｉｌｉ
ｃａｔｅ ） ＊ ＰｂＣＩＢｇＯｓ・５ｉＯｓ （Ｌ
ｅａｄ−Ｂｏｒｏ−３ｉｌｉｃａｔｅ ） ｗ ＰｂＯ
・ＡＡ’ｇＯｓ・ＢｇＯｓ・Ｓｉｎｇ （Ｌｅａｄ−Ａ
ｌｕｍｉｎｏ−Ｂｏｒｏ−５ｉｌｉｃａｔｅ ）もしく
はポリイミド系樹脂の単層構造またはこれらの組み合せ
による多層構造が考えられ、膜厚としては１μｍ以上が
望ましい。
能な５ｉｓＮｉ、 Ａ／ｇＯｓｓ ＳｉＯｘＮｙ、 Ａ
Ｉ！０ｘＮｙ ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−３ｉｌｉｃａ
ｔｅ Ｐｇ０６・５ｉ０２ ） ｒ ＰｂＯ−ＡｌｇＯ
ｓ・５ｔｏｐ （Ｌｅａｄ−Ａｌｕｍｉｎｏ−３ｉｌｉ
ｃａｔｅ ） ＊ ＰｂＣＩＢｇＯｓ・５ｉＯｓ （Ｌ
ｅａｄ−Ｂｏｒｏ−３ｉｌｉｃａｔｅ ） ｗ ＰｂＯ
・ＡＡ’ｇＯｓ・ＢｇＯｓ・Ｓｉｎｇ （Ｌｅａｄ−Ａ
ｌｕｍｉｎｏ−Ｂｏｒｏ−５ｉｌｉｃａｔｅ ）もしく
はポリイミド系樹脂の単層構造またはこれらの組み合せ
による多層構造が考えられ、膜厚としては１μｍ以上が
望ましい。
化学感応層（７）も第２図では簡単のために単層で示し
であるが、実際には膜と膜の密着性などの問題から化学
感応膜を最外層とした多層構造とすることも多い。
であるが、実際には膜と膜の密着性などの問題から化学
感応膜を最外層とした多層構造とすることも多い。
この感応膜の種類として考えられるものを［〕内に示す
その測定対象物と共に列挙すると、５ｉａＮ４ｔＡｌ
２０８ ＊Ｔａ ２０５（Ｈ＋イオン〕、各種ＮＡＳ
（Ｎａ ｚｋｔ ２０ｓ−５ｉ（ｈ合成）ガラス〔Ｋ＋
イオンＮａ＋＋イオン〕リノマイシン固定膜〔Ｋ＋イオ
ン〕、各種クラウンエーテル固定膜（Ｋ＋イオン、Ａｇ
＋イオン。
その測定対象物と共に列挙すると、５ｉａＮ４ｔＡｌ
２０８ ＊Ｔａ ２０５（Ｈ＋イオン〕、各種ＮＡＳ
（Ｎａ ｚｋｔ ２０ｓ−５ｉ（ｈ合成）ガラス〔Ｋ＋
イオンＮａ＋＋イオン〕リノマイシン固定膜〔Ｋ＋イオ
ン〕、各種クラウンエーテル固定膜（Ｋ＋イオン、Ａｇ
＋イオン。
ＴＩ＋イオンｅｔｃ ’：Ｊウレアーゼ固定膜〔尿素〕
、リパーゼ固定膜〔中性脂質〕、ペニシリナーゼ固定膜
〔ペニシリン〕坑アルブミン抗体固定膜〔アルブミン〕
、ア七チルコリンエステラーゼ固定膜〔ア七チルコリン
〕などがある。
、リパーゼ固定膜〔中性脂質〕、ペニシリナーゼ固定膜
〔ペニシリン〕坑アルブミン抗体固定膜〔アルブミン〕
、ア七チルコリンエステラーゼ固定膜〔ア七チルコリン
〕などがある。
（５）発明の効果
本発明による最大の効果はゲート部構造、即ちＳ５１−
３ｉｎ界面の保護が容易になったことである。
３ｉｎ界面の保護が容易になったことである。
これを詳しく述べると次の３点となる。
（１）化学感応膜形成時にゲート部に悪影響を与える危
険性が著しく低下した。
険性が著しく低下した。
（１１）ゲート部を非常に厚い保護層で完全にカバーす
ることが可能となった。
ることが可能となった。
（ｍ）センサ使用時に被測定物質が含む界面特性に劣化
を与えるイオン（ｅｘ血中のＮａ＋・Ｋ＋）との距離を
保つことができる。
を与えるイオン（ｅｘ血中のＮａ＋・Ｋ＋）との距離を
保つことができる。
このことは特性上からみると、次のような利点となる。
（、）安定性の向上
（ｂ）長寿命化
（Ｃ） 各七ンサ間の特性のバラツキの減少さらに製造
面から見ると、化学感応部の形成をほとんどＭＩ ５Ｆ
ＥＴ部の製造と切りはなして考えることができるので、
一般のＭＩＳＦＥＴの製造ラインの条件で製造すること
が可能となり、大量生産化が容易となる。
面から見ると、化学感応部の形成をほとんどＭＩ ５Ｆ
ＥＴ部の製造と切りはなして考えることができるので、
一般のＭＩＳＦＥＴの製造ラインの条件で製造すること
が可能となり、大量生産化が容易となる。
第１図は、従来技術のシリコン単結晶基板を用いた電界
効果型半導体上ンサのゲート部分を含む断面の基本構成
を示す図である。 第２図は、本発明の一実施例としての電界効果型半導体
上ンサの構造を示す平面図、第３図は第２図のａ −ａ
’、第４図は第２図のｂ−ｂ’、第５図は第２図のｃ
−ｃ’、第６図は第２図のｄ −ｄ’、各１点鎖線の断
面図である。 １、 シリコン単結晶基板（ｐ−型） ２、 ソース拡散領域 （ｎ土壁） ３、 ドレイン拡散領域 （ｎ土壁） ４、 チャンネル部 ５、絶縁層（その１．５ｉ０２） ６、 絶縁層（その２． ５ｉａＮ４）７、 化学感応
層 ８、 リードコンタクト用金属層（ＡＩ）９、 金属等
の導電性物質層 １０、保護層 第１図
効果型半導体上ンサのゲート部分を含む断面の基本構成
を示す図である。 第２図は、本発明の一実施例としての電界効果型半導体
上ンサの構造を示す平面図、第３図は第２図のａ −ａ
’、第４図は第２図のｂ−ｂ’、第５図は第２図のｃ
−ｃ’、第６図は第２図のｄ −ｄ’、各１点鎖線の断
面図である。 １、 シリコン単結晶基板（ｐ−型） ２、 ソース拡散領域 （ｎ土壁） ３、 ドレイン拡散領域 （ｎ土壁） ４、 チャンネル部 ５、絶縁層（その１．５ｉ０２） ６、 絶縁層（その２． ５ｉａＮ４）７、 化学感応
層 ８、 リードコンタクト用金属層（ＡＩ）９、 金属等
の導電性物質層 １０、保護層 第１図
Claims (2)
- （１）ゲート絶縁型電界効果トランジスタのゲート部上
に特定の被測定物質にのみ選択的に感応する層を設けた
電界効果型半導体センサにおいて、ゲート絶縁膜上に金
属などの導電性を持った物質の層をゲート部分は完全に
覆い、かつゲート部以外の領域も充分に余裕を持って覆
うように設け、この導電性層上に特定の被測定物質にの
み選択的に感応する層を最上層とする多層構造の膜をゲ
ート部上に掛ることな（形成したことを特徴とする電界
効果型半導体センサ。 - （２）上記ゲート絶縁型電界効果トランジスタを複数個
設け、かつ個々の感応層の組成を変化させ、複数個の物
質に対する選択特性を具えたことを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の電界効果型半導体センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59059946A JPS60202347A (ja) | 1984-03-27 | 1984-03-27 | 電界効果型半導体センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59059946A JPS60202347A (ja) | 1984-03-27 | 1984-03-27 | 電界効果型半導体センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60202347A true JPS60202347A (ja) | 1985-10-12 |
Family
ID=13127818
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59059946A Pending JPS60202347A (ja) | 1984-03-27 | 1984-03-27 | 電界効果型半導体センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60202347A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62276452A (ja) * | 1986-02-14 | 1987-12-01 | Terumo Corp | イオン選択性ｆｅｔセンサ |
| FR2698211A1 (fr) * | 1992-11-13 | 1994-05-20 | Lyon Ecole Centrale | Procédé de fabrication avec encapsulation, d'un capteur de type ISFET et capteur en faisant application. |
| WO2005022142A1 (ja) * | 2003-08-29 | 2005-03-10 | National Institute For Materials Science | 生体分子検出素子及びそれを用いた核酸解析方法 |
-
1984
- 1984-03-27 JP JP59059946A patent/JPS60202347A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62276452A (ja) * | 1986-02-14 | 1987-12-01 | Terumo Corp | イオン選択性ｆｅｔセンサ |
| FR2698211A1 (fr) * | 1992-11-13 | 1994-05-20 | Lyon Ecole Centrale | Procédé de fabrication avec encapsulation, d'un capteur de type ISFET et capteur en faisant application. |
| WO1994011729A1 (fr) * | 1992-11-13 | 1994-05-26 | Ecole Centrale De Lyon | Procede de fabrication avec encapsulation, d'un capteur de type isfet et capteur en faisant application |
| WO2005022142A1 (ja) * | 2003-08-29 | 2005-03-10 | National Institute For Materials Science | 生体分子検出素子及びそれを用いた核酸解析方法 |
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