JPS623656A

JPS623656A - 半導体センサ

Info

Publication number: JPS623656A
Application number: JP60143790A
Authority: JP
Inventors: Masaki Katsura; 桂　正樹; Tadashi Sakai; 忠司酒井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-06-29
Filing date: 1985-06-29
Publication date: 1987-01-09

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】〔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。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

半導体センサ、例えばｌ５ＦＥＴ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−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ｌ５ＦＥＴ
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。そし
て、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ツチングし、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
。

上記ソース、ド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を溶液に接触させるよ
うにした構造のものが用いられていた。こうした構造の
半導体センサはそれぞれ第９図又は第１０図に示すよう
なものである。

第９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［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；［どなる図
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１ｉｉ！２．３の他端側では絶縁膜が選択的にエツ
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ｇ１５．６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中に浸漬させて使用される。

しかし、こうした構造の半導体センサは形状が小さく、
かつ厚さが通常０．３　Ｍ程度と薄いため、取扱い時に
折れ易い。また、管壁から管内に挿入して使用する場合
には、溶液の流れを阻害し、溶液中の固形物を堆積させ
て流路を狭くするうえ、堆積した固形物により受圧する
流体圧が大きくなり折れ易くなる。更に、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配
線抵抗を考慮しなければならない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Ｍである。このた
め、ゲート部を管内に突出させるために、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。

一方、第１０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ｗｔ１２．１３が形成さ
れ、更に基板１１主面にはゲート酸化膜及び保ｆＩ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ｙＡ１４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ツチングされ、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。

前記金属膜１６．１７とリード線１８．１９の一部は樹
脂２０，２１により被覆されている。

このような半導体センサでは検出面（ゲート部のある面
）が溶液に接するように配置するので、例えば管壁に沿
って取付けることができる。このため、第９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１６．１７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２０．２１が
溶液に浸漬されて膨潤し、絶縁が損われることが多い。

更に、このような樹脂２０，２１は大きな流体圧に耐え
ることができず、使用中にリーク電流が発生するおそれ
がある。

（発明の目的）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
、強度が高く、リード線との接続部における絶縁不良等
の問題が生じない半導体センサを提供しようとするもの
である。

〔発明の概要〕

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、貫通孔が設けられ、この貫通孔周辺部が前記第１
の半導体基板と直接接合された、第１の半導体基板より
も面積の大ぎい第１導電型の第２の半導体基板と、この
第２の半導体基板の第１の半導体基板との接合面側に、
それぞれその一端部が貫通孔内壁に達するように形成さ
れた、ソース、ドレイン領域となる第２導電型の拡散層
と、少なくとも前記第２の半導体基板の他方の面、貫通
孔内壁及び前記第１の半導体基板の貫通孔内に露出した
面に形成された絶縁膜とを具備したことを特徴とするも
のである。

このような半導体センサでは、ゲート部は貫通孔の最奥
部に形成され、絶縁膜が形成されている面が検出面とな
る。一方、ソース、ドレイン領域とリード線との接続部
は検出面とは表裏の関係にある面に形成される。したが
って、このような半導体センサは管壁に沿って取付ける
ことができるので、強度的な問題や管内での溶液の流路
を妨げたりする問題は生じない。また、検出面のみを溶
液に浸漬し、ソース、ドレイン接続部を溶液に浸漬する
ことなく測定を行なうことができるので、接続部を樹脂
で覆う必要もない。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図及び第２図を参照して説
明する。なお、第２図は本発明に係る半導体センサの平
面図、第１図は第２図のエーエ＝線に沿う断面図である
。

第１図及び第２図において、２．５　ａｗＸ２．５　ａ
ｍ。

厚さ０．３　ｍのｐ型の第１のシリコン基板３１と４．
５．＠ｘ３．、厚さ２００譚のｐ型の第２のシリコン基
板３２とは直接接合されている。この第２のシリコン基
板３２の中央部には１ｍｘ２０ｇの貫通孔３３が設けら
れており、前記第１のシリコン基板３１と貫通孔３４の
周辺部で接合されている。この第２のシリコン基板３２
の第１のシリコン基板３１との接合面側には、それぞれ
その一端部が前記貫通孔３３まで達し、前記第１のシリ
コン基板３１と接続されたソース、ドレイン領域とな６
ｎ＋型拡散層３４．３５が形成されている。

これらｎ＋型抵拡散層３４３５の不純物濃度は約１０　
”’　／　ａｘ　３テある。これらｎ＋型抵拡散層３４
３５の他端部は第１のシリコン基板３１が存在しない領
域まで延長されて形成されている。また、第２のシリコ
ン基板３２の接合面側と反対側の面、貫通孔３３の内壁
及び第１のシリコン基板３１の貫通孔３３内に露出した
面にはゲート絶縁膜及び保護膜となる絶縁Ｗｊ４３６が
形成されている。また、第１のシリコン基板３１の接合
面にはアース部となるｐ＋型広拡散層３７形成され、こ
れに対応して第２のシリコン基板３２の接合面側にもｐ
＋型型数散層３８形成されており、これら両者は互いに
接続されている。これらｐ＋型広拡散層３７３８の不純
物濃度は約１０１”／α３である。更に、第２のシリコ
ン基板３２表面にはｎ＋型抵拡散層ソース領域）３４及
びｐ＋型型数散層３８接続された金属膜３９並びにｎ＋
型抵拡散層ドレイン領域）３５と接続された金属膜４０
が形成されている。これら金属膜３９．４０にはそれぞ
れリード線４１．４２が接続されている。

このような半導体センサでは、ｎ４′型拡散層３４．３
５間の第１のシリコン基板３１の領域がチャネル領域（
チャネル長２０ｐ！ｔ、チャネル幅１０００　ｐｔｔ　
）となり、その表面に絶縁！１３６が形成され、貫通孔
３３の最奥部に電界効果トランジスタのゲート部が構成
されている。そして、絶縁膜３６が形成されている面が
検出面として用いられ、溶液に浸漬される。一方、ソー
ス、ドレイン領域となるｎ＋型抵拡散層３４３５とリー
ド線４１．４２との接続部は検出面とは表裏の関係にあ
る面に形成される。

このような半導体センサによれば、センサを管壁に沿っ
て取付けることができるので、第９図に示す従来の半導
体センサのように強度的な問題や管内での溶液の流路を
妨げたりする問題は生じない。また、例えばセンサを管
の一部として取付けることにより、検出面のみを溶液に
浸漬し、ソース、ドレイン接続部を溶液に浸漬すること
なく測定を行なうことができるので、第１０図に示す従
来の半導体センサのように接続部を樹脂で覆う必要もな
い。したがって、樹脂の膨潤等に起因する絶縁不良等が
生じないことは勿論である。

なお、このような半導体センサは以下のような方法によ
り製造される。

まず、ｐ型シリコンウェハを切断、鏡面研磨して第１の
シリコン基板３１を用意する。この第１のシリコン基板
３１の接合面に酸化膜を形成し、写真蝕刻法を用いてそ
の一部を選択的に除去した後、不純物拡散を行なうこと
によりアース部となるｐ＋型広拡散層３７形成する。そ
の後、前記酸化膜を除去する。一方、別にｐ型シリコン
ウェハを切断、鏡面研磨して第２のシリコン基板３２を
用意する。この第２のシリコン基板３２についても第１
のシリコン基板３１と同様に、酸化膜形成、写真蝕刻、
不純物拡散という工程を経て、ソース、ドレイン領域と
なるｎ＋型型数散層このｎ＋型型数散層離間して設けて
もよいし、連続的に設けてもよい。）及びアース部とな
るｐ＋型型数散層３８順次形成する。つづいて、第２の
シリコン基板３２の中央部を選択的にエツチング除去し
て貫通孔３３を設ける。この際、ｎ＋型拡敢１３４．３
５の一端部が貫通孔３３の内壁まで達するように形成さ
れる。次いで、これら第１及び第２のシリコン基板３１
．３２の接合面（表面粗さ５００Å以下）を水洗処理等
により親水性にする。つづいて、接合面同士を密着させ
、例えば空気中、１０００℃で２時間加熱することによ
り両者を強固に直接接合させる。なお、この直接接合法
を行なう際には２００℃以上の温度で加熱を行なう。

次いで、このようにして形成された接合体をフッ酸系の
エツチング液で洗浄して表面に形成されている酸化膜を
除去する。つづいて、接合体の表面に絶縁膜を形成した
後、検出面にのみレジストパターンを形成し、これをマ
スクとしてその他の領域の絶゛縁膜を除去することによ
り第１図に示すように検出面にのみ絶縁膜３６を形成す
る。なお、この絶縁膜３６はシリコン酸化膜のみでもよ
いし、シリコン窒化膜のみでもよいし、シリコン酸化膜
を形成した後、更にシリコン窒化膜を形成したものでも
よい。例えば、ｏ２又はＨ（ｌを含む０２雰囲気中、１
１００℃で膜厚５００人のシリコン酸化膜を形成した後
、減圧ＣＶＤ法により膜厚約１０００人のシリコン窒化
膜を堆積し、絶縁膜を形成する。つづいて、全面にＣｒ
、Ａｕを順次蒸着した後、パターニングして接続部の金
属膜３９．４０を形成する。つづいて、ワイヤボンディ
ング等によりリード１＊４１．４２を接続する。

上記方法以外にｅシリコン基板同士を接合する方法は従
来から種々行われている。例えば、２枚のシリコン基板
を有機接着剤又はガラス系接着剤を用いて接合する方法
が知られているが、このような方法では２枚の基板間に
絶縁層が形成されるため、本発明のような半導体センサ
には使用できない。また、一方の基板表面にＮａなどを
含む５ｉＱｚ層を設け、この層を介して２枚の基板を高
電圧により接合する方法も知られているが、上記と同様
な理由により使用できない。更に、一方の基板にＮａな
どを拡散させておき、他方の基板と重ねて高電圧を印加
する方法も知られているが、この方法ではＮａ＋イオン
の拡散によりソース、ドレイン領域の抵抗値が変動して
しまうため使用できない。

これらの方法に対して上記実施例で用いた直接接合法で
は、上記のような欠点が全く生じない。

しかも、この直接接合法では２枚のシリコン基板の接合
はおよそ１００　ｋｏ／　ｃａｒ２の耐圧性があるため
、加圧溶液の測定にも使用することができる。

実際に、上記実施例の半導体センサを用い、被検液とし
て緩暫溶液を用い、そのｐＨ変化に対する出力特性を測
定した。なお、この測定は参照電極として飽和力□ロメ
ル電極（ＳＥＣ）を用い、ソースフォＯア回路によりソ
ース、ドレイン間電流を一定に保つように参照電極にフ
ィードバックすることにより行われた。この結果、ゲー
ト電位の変化はｐＨ１〜１２において ΔＶａ−５０ｍＶ／ｐＨという良好な出力特性が得られた。

また、上記実施例の半導体センサと第１０図図示の従来
の半導体センサとを管に取付けて同様な試験を行ない、
圧力に対する耐久性及び長期信頼性を比較したところ、
以下のような結果が貝られた。まず、圧力に対する耐久
性については、第１０図図示の半導体センサではゲージ
圧力約１．５ｋＱ／ａＩＩ２でリークが発生して使用不
可能となった。

これに対して上記実施例の半導体センサではゲージ圧力
２〜１０ｋａ／α２で測定を行なってもほとんど素子特
性の変化は認められなかった。また、ｐＨ６，８の溶液
に長時間接した状態で放置した場合、第１０図図示の半
導体センサでは約８００時間後に出力が不安定となって
測定不可能となり、更に９７０時間後には破壊した。こ
れに対して上記実施例の半導体センサは２０００時間を
超えても安定に作動した。

なお、本発明に係る半導体センサの構造は、第１図及び
第２図に示すものに限らず、以下のような種々の変形例
が考えられる。

まず、第３図及び第４図図示の半導体センサは、第１の
シリコン基板３１の接合面に、第２のシリコン基板３２
に形成されたｎ＋＋散層３４．３５とそれぞれ接続され
るｎ＋型抵拡散層４３４４を形成したものである。この
ような構造の半導体センサでは、ソース領域はｎ４″型
拡散層３４とｎ＋＋拡散１ｍ４３とで、またドレイン領
域はｎ＋型型数散層３５ｎ＋型型数散層４４で構成され
る。また、その製造方法に関しては、上記実施例と同様
な製造工程の他に第１のシリコン基板３１表面にｎ＋＋
拡散１１４３．４４を形成する工程が追加される。

このような構造でも上記実施例の半導体センサと同様な
効果を得ることができる。ここで、第１図及び第２図図
示の半導体センサと第３図及び第４図図示の半導体セン
サとの違いは、前者ではチャネル長が貫通孔の大きさに
よって決定されるのに対し、後者ではチャネル長がｎ＋
型抵拡散層４３４４形成時の写真蝕刻法により決定され
ることである。したがって、いずれの構造を採用するか
は両者の製造工程、チャネル長の制御性等を考慮して適
宜選択することができる。

また、以上の説明では、第１図及び第３図に示すように
、絶縁膜３６は半導体センサの検出面にのみ形成したが
、これに限らず絶縁膜の形成については第５図〜第８図
に示すように種々の変形が考えられる。（ここで、第５
図及び第７図は第１のシリコン基板３１に０４′型拡散
層を設けていないもの、第６図及び第８図は第１のシリ
コン基板３１にｎ＋型型数散層設けたものである）。

すなわち、第５図及び第６図図示の半導体センサは、第
１のシリコン基板３１の全面に熱酸化膜４５を形成し、
その後検出面にのみシリコン窒化１ｉＩ４６を形成した
ものである。また、第７図及び第８図図示の半導体セン
サは、第１のシリコン基板３１及び第２のシリコン基板
３２の全面に熱酸化膜４５及びシリコン窒化！１４６を
順次形成したものである。なお、いずれの構造でも接続
部の金属膜３９．４０は金属膜形成予定部に存在する絶
縁膜の一部を選択的にエツチングした後、Ｃｒ、Ａｕ等
を蒸着し、更にパターニングすることにより形成される
。

また、第２図及び第４図に示すように、第１のシリコン
基板３１にはアースコンタクトとしてｐ＋型型数散層３
７形成しているが、本発明に係る半導体センサで第１の
シリコン基板３１と第２のシリコン基板３２とが直接接
合されているので、第１のシリコン基板３１表面のｐ＋
＋拡散１１３７は必ずしも必要ではない。すなわち、第
２のシリコン基板３２にのみ金ｆｉｇ！３９とのオーミ
ックコンタクトを得るためのｐ＋型型数散層３８形成し
、これとｎ＋型拡散ｍ＜ソース領域）３４とを接続する
だけで本発明の効果を十分達成することができる。

更に、上記実施例では溶液中のｐＨ（水素イオン濃度）
の測定のみを行なったが、これに限らず本発明の半導体
センサを他の特定イオンの測定にも応用できることは勿
論である。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く本発明の半導体センサによれば、取扱
いが容易で、長期間にわたって安定して溶液中の特定成
分を検出することができ、しかも加圧溶液のよう叩測定
条件が厳しい場合でも十分に測定可能である等、その工
業的１ｉＩＩｉ値は橿めて大なるものである。

【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図は本発明
の他の実施例における半導体センサの断面図、第４図は
同半導体センサの平面図、第５図〜第８図はそれぞれ本
発明の更に他の実施例に・おける半導体センサの断面図
、第９図は従来の半導体センサの正面図、第１０図は従
来の他の半導体センサの断面図である。３１・・・第１のシリコン基板、３２・・・第２のシリ
コン基板、３３・・・貫通孔、３４．３５・・・ｎ＋型
型数散層３６・・・絶縁膜、３７．３８・・・ｐ＋型型
数散層３９．４０・・・金属膜、４１．４２・・・リー
ド線、４３．４４・・・ｎ＋型型数散層４５・・・熱酸
化膜、４６・・・シリコン窒化膜。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第２図第４Ｗｉ第９図ｇ１１０図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１導電型の第１の半導体基板と、貫通孔が設け
られ、この貫通孔周辺部が前記第１の半導体基板と直接
接合された、第１の半導体基板よりも面積の大きい第１
導電型の第２の半導体基板と、この第２の半導体基板の
第１の半導体基板との接合面側に、それぞれその一端部
が貫通孔内壁に達するように形成された、ソース、ドレ
イン領域となる第２導電型の拡散層と、少なくとも前記
第２の半導体基板の他方の面、貫通孔内壁及び前記第１
の半導体基板の貫通孔内に露出した面に形成された絶縁
膜とを具備したことを特徴とする半導体センサ。
（２）第１の半導体基板の第２の半導体基板との接合面
側に、第２の半導体基板に形成された第２導電型の拡散
層とそれぞれ接続された第２導電型の拡散層を形成した
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。
（３）絶縁膜がシリコン酸化膜であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項又は第２項記載の半導体センサ。
（４）絶縁膜がシリコン窒化膜であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項又は第２項記載の半導体センサ。
（５）絶縁膜がシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜から
なることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項
記載の半導体センサ。