JPS6250654A

JPS6250654A - 半導体センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JPS6250654A
Application number: JP19157485A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Sakai; 忠司酒井; Masaki Katsura; 桂　正樹
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-08-30
Filing date: 1985-08-30
Publication date: 1987-03-05

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及びその製造方法に関し、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に
使用されるものである。

〔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遭る。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
接液面を絶縁膜る必要がある。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
ベーションり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５図又は第６図に示すよう
なものである。

第５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ツチング
され、その部分にそれぞれ金属１１１５．６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。

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層である。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。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。

一方、第６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！！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１１１１４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Ｂ！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Ｉ！！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５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
、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、長期間にわたって溶液の
測定を安定して行なえる半導体センサ及びこのような半
導体センサを簡便に製造し得る方法を提供しようとする
ものである。

（発明の概要）本願第１の発明の半導体センサは、第１導−電型の半導
体基板の一部に形成され、その内壁の一部が基板の一方
の表面に対して傾斜面となっている貫通孔と、前記貫通
孔内壁の傾斜面の一部をはさんで分離されるように、貫
通孔内壁の一部を含む基板の両表面に形成された第２導
電型のソース、ドレイン領域と、前記貫通孔内壁を含む
基板表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、貫通孔内壁の傾斜面の一
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、半導体基板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。

このような半導体センサによれば、ソース、ドレイン頭
載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。

また、半導体基板の上下両面にそれぞれ管を接合して測
定系を構成するので、管の厚みについては特に考慮する
必要がない。更に、このような半導体センサは通常使用
している半導体基板の厚みをほとんどそのまま維持でき
るので、強度的な問題も生じない。

また本願第２の発明の半導体センサの製造方法は、第１
導電型の半導体基板の一部に貫通孔を形成する工程と、
基板の両表面及び貫通孔の内壁に沿って第２導電型の拡
散層を形成する工程と、異方性エツチングにより基板の
一方の面の貫通孔周囲をエツチングして傾斜面を形成し
、前記第２導電型の拡散層を分離してソース、ドレイン
領域を形成する工程と、貫通孔内壁を含む基板の表面に
絶縁膜を形成する工程とを具備したことを特徴とするも
のである。

このような方法によれば、本願第１の発明の半導体セン
サを通常の半導体製造プロセスで簡便に製造することが
でき、より大面積のウェハで多数のセンサを製造するこ
とができる。また、電界効果トランジスタの感度はチャ
ネル長とチャネル幅（貫通孔の傾斜面の内周長）との比
に比例するので、上記方法では傾斜面形成時の異方性エ
ツチングを制御することにより容易に所望の特性を有す
る半導体センサを得ることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図（ａ）〜（ｆ）、第２図
及び第３図を参照して説明する。なお、第１図（ａ）〜
（ｆ）は本発明に係る半導体センサを得るための製造方
法を示す断面図、第２図は本発明に係る半導体センサの
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。

まず、表面の面方位（１００）、不純物濃度１Ｘ１０”
ｃＩｉ”のｐ型シリコン基板３）を用意し、その一方の
面の一部のみが露出し、他方の面は完全に覆うようにエ
ツチングのマスクとなる酸化膜３２を形成した。次に、
エツチング液としてＥＰＷ（エチレンジアミン−ピロカ
テコール−水の混合液）を用い、窒素雰囲気中、１１０
℃で基板３）の一部を一方の面から他方の面までエツチ
ングして貫通孔３３を形成した。上記エツチング液を用
いた場合、異方性エツチングが行われ、（１１１）面に
沿ってエツチングが進行し、貫通孔３３の内壁は基板３
）の他方の面に対して約５２度傾いた傾斜面となる。な
お、基板３）の他方の面での貫通孔３３の開口部の形状
は一辺５０ｇの正方形とした（第１図（ａ）図示）。次
に、前記酸化１１１３２を除去した後、チャネルストッ
パーとなる領域を覆うように酸化膜３４を形成し、リン
を熱拡散して基板３）の両表面及び貫通孔３３の内壁に
ｎ＋型広拡散層３５形成した（同図（ｂ）図示）。つづ
いて、前記酸化膜３４を除去した後、ｎ＋型拡敢１３５
上を覆うように酸化膜３６を形成し、ボロンを熱拡散し
てｎ＋型広拡散層３５周辺にチャネルストッパー領域３
７を形成した（同図（Ｃ）図示）。

次いで、前記酸化膜３６を除去した後、基板３）の一方
の面と貫通孔３３の内壁の一部及び基板４１の他方の面
の貫通孔３３の開口部周辺以外を覆うようにエツチング
のマスクとなる酸化膜３８を形成した。つづいて、エツ
チング液どしてＥＰＷを用い、基板３）の他方の面の貫
通孔３３の開口部の周辺をエツチングした。この場合も
エツチングは（１１１）面に沿って進行し、傾斜面が形
成される。この結果、ｎ＋型抵拡散層３５２つの領域に
分離され、ソース、ドレイン領域３９．４０が形成され
た。そして、傾斜面のソース、ドレイン領域３９．４０
間の領域がチャネル領域４１となる。このチャネル領域
４１はチャネル長２０ＩｉＩＩＬ１チャネル幅３００譚
であった（同図（ｄ）図示）。つづいて、貫通孔３３の
内壁を含む基板３）の表面に例えば膜厚６００ｕ！ＩＬ
の酸化［１４２及び膜厚８００ｍのシリコン窒化１Ｉ１
１４３を形成した（同図（ｅ）図示）。つづいて、ソー
ス領域３９とこれに隣接するチャネルストッパ領域３７
上及びドレイン領域４０上のシリコン窒化膜４３及び酸
化膜４２の一部を選択的にエツチングしてコンタクトホ
ールを開孔した。つづいて、４００℃で全面にＣｒを蒸
着してオーミックコンタクトを確保し、更に常温でＣｒ
−Ｃｕ及びＡＵを順次蒸着した後、パターニングしてコ
ンタクトパッド４４．４５を形成した（同図（ｆ）図示
）。

以上のようにして素子が形成されたウェハをダイサーに
より切断分割した後、マイクロソルダリングペーストに
てコンタクトパッド４４．４５にリード線を接続し、半
導体センサを製造した。第２図はこの半導体センサをド
レイン領域４０側の面から見た平面図である。

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４６．４７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５００Ａ
Ｉ１１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
外部に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われる。

このような半導体センサによれば、測定時にソース、ド
レイン領域３９．４０とリード［１４６，４７との接続
部は測定管５２．５３の外部にあり、この接続部が溶液
に浸漬されることはない。このため、第６図図示の従来
の半導体センサと異なり、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。一方、接続部でリード線４６．４７の断線が生
じても、何回でも湛復が可能である。また、センサ５１
の上下両面にそれぞれ測定管５２．５３を接合して測定
系を構成するので、第５図図示の従来の半導体センサと
異なり、測定管５２．３の厚みについては特に考慮する
必要はない。更に、貫通孔３３を設けても基板３）の厚
みはほとんど変わらず当初の厚みを維持できるので、強
度的な問題もない。

また、本発明に係る半導体センサでは、基板３）の側面
には絶縁膜を形成する必要がない。このため、第５図図
示の従来の半導体センサを製造する場合と異なり、全面
にわたって絶縁膜を形成するために予めセンサの外形を
加工しておくような工程は不要となり、第１図（ａ）〜
（ｆ）に示すような通常の半導体製造プロセスで製造す
ることができる。したがって、取扱い時の破損等に特別
の注意を払うことなく、より大面積のウェハで多数のセ
ンサを製造することができる。更に、このような方法に
よれば、傾斜面形成時の異方性エツチングの副葬で容易
に電界効果トランジスタのチャネル長とチャネル幅との
比を大きくすることができ、良好な感度を有する半導体
センサを製造することができる。

実際に、第３図図示の測定系で緩衝溶液の測定を行なっ
たとろ、ゲート電位は約５５ｍＶ／ｐＨという良好なｐ
Ｈ応答性を示し、長時間使用しても絶縁破壊は生じなか
った。

なお、上記実施例では第１図（ａ）図示の工程で貫通孔
３３を形成する際に、異方性エツチングを用いたが、こ
れに限らず等方性エツチングを用いてもよい。この貫通
孔３３を形成する場合−１基板３）の一方の面からだけ
でなく、両方の面からエツチングを行なってもよい。ま
た、貫通孔３３の形状は正方形に限らずいかなる形状で
もよい。

更に、本発明の半導体センサは通常の半導体製造プロセ
スを用いることができるので、１つのチップ上に複数の
センサを形成することができる。

このような半導体センサの平面図を第４図に示す。

第４図においては基板とソース領域とが共通であり、基
板の中未部に４つの貫通孔３３、・・・が形成されてい
る。これら貫通孔３３、・・・の周囲にはドレイン領域
４０．・・・が形成され、これらドレイン領域４０、・
・・はチャネルストッパ領域３７、・・・により分離さ
れている。そして、各ドレイン領域４０、・・・にはそ
れぞれコンタクトパッド４５、・・・が形成されている
。このような半導体センサでは、各センサを例えばＨ＋
イオン用、Ｎａ＋イオン用、Ｋ”イオン用等として用い
ることができ、複数成分の同時測定が可能となる。

また、複数成分の同時測定を行なうためには、第３図の
構成において、単体のセンサを貫通孔方向に積層するよ
うにして測定管を接合してもよい。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く本発明によれば、絶縁不１．鼻を招く
ことなく長時間にわたって安定して溶液５中ニの特定成
分を検出することができる半導体センサ及びこのような
半導体センサを簡便に゛製造り得源方法を提供できるも
のである。　　　　　　　　：４

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明の実施例における半導体
センサを得るための製造工程を示す断面図、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図は本発明の他の実施例におけ
る半導体センサの平面図、第５図は従来の半導体センサ
の正面図、第６図は従来の他の半導体センサの断面図で
ある。３）・・・ρ型シリコン基板、３２・・・駿化脇、３３
・・・貫通孔、３４・・・酸化膜、３５・・・ｎ１型拡
散層、３６・・・酸化膜、３７・・・チャネルストッパ
領域、３８・・・酸化膜、３９．４０・・・ソース、ド
レイン領域、４１チヤネル領域、４２・・・酸化膜、４
３・・・シリコン窒化膜、４４．４５・・・コンタクト
パッド、４６．４７・・・リード線、５１・・・半導体
センサ、５２．５３・・・測定管、５４・・・容器、５
５・・・被検液、５６・・・参照電極。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図第１図第２図第３図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１導電型の半導体基板の一部に形成され、その
内壁の一部が基板の一方の表面に対して傾斜面となって
いる貫通孔と、前記貫通孔内壁の傾斜面の一部をはさん
で分離されるように、貫通孔内壁の一部を含む基板の両
表面に形成された第２導電型のソース、ドレイン領域と
、前記貫通孔内壁を含む基板表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）半導体基板の両面に管を接合して貫通孔部を管内
に配置し、貫通孔内を被検液が流通するようにしたこと
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）第１導電型の半導体基板の一部に貫通孔を形成す
る工程と、基板の両表面及び貫通孔の内壁に沿って第２
導電型の拡散層を形成する工程と、異方性エッチングに
より基板の一方の面の貫通孔周囲をエッチングして傾斜
面を形成し、前記第２導電型の拡散層を分離してソース
、ドレイン領域を形成する工程と、貫通孔内壁を含む基
板の表面に絶縁膜を形成する工程とを具備したことを特
徴とする半導体センサの製造方法。
（４）半導体基板の一部を等方性エッチング又は異方性
エッチングによりエッチングして貫通孔を形成すること
を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の半導体センサ
の製造方法。