JPS6266154A - 化学感応半導体装置 - 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】 本発明は化学感応（ｃｈｅｍｉｃａｌ　５ｅｎｓｉｔｉ
ｖｅ）半導体装置に関し、さらに詳細には、化学感応電
界効果型トランジスタに関する。

例えば血液試料のような水溶液中のカリウム、水素、カ
ルシウムおよびナトリウムイオンを同時に測定するのに
適した化学感応半導体装置が、ビー・ディー・ホエイリ
　（Ｐ　、　　Ｄ　、Ｗｈａｌｌｅｙ）およびエイ・ケ
イ・コビングトン（Ａ、　Ｋ、　Ｃｏｖｔｎｇｔｏｎ）
により、アナリティカ・キミ力・アクタ（Ａｎａｌｙｔ
ｉｃａ　　Ｃｈｉｉｉｃａ　　Ａｃｔａ）、第１５９巻
、１９８５年、第４７〜６２ページに記述されている。

ぞの装置は第１図に示されているものであり、それぞれ
測定されるべき４種のイオンのうちの各１つに応答する
露呈された化学感応電界効果型ゲート領域を有している
４個の化学感応電界効果型トランジスタよりなる集積回
ｌｉｔ具備している。

この集積回路は１６ビンＤＩＬソケツトアダプタ３に取
付けられた適当な基板２上に形成されている。

検体が屈曲ガラス管４に沿ってゲート領域に供給される
。この場合、そのガラス管４は上記基板上に配置されか
つ５で示されているように開孔を形成されており、試料
が４つの化学感応ゲート＋ｉＭ域に接触して集積回路を
横切る方向に流動しうるようになされている。

この種の装置は通常約３０μｌの流れ容積（Ｎｏｗ−ｔ
ｈｒｏｕｇｈ　ｖｏｌｕｍｅ）を有しているが、ある種
の場合（例えば新生児血液検査）には、用いうる試ネー
１の量が非常に少ないので、これでは十分ではないこと
がありうる。さらに　試料がゲーＩ−領域のすぐ上に流
れない層を形成する傾向があり、その場合には、各検査
の終りに、装置を完全に洗い流さなければならず、かつ
ある種の場合には、５００μβもの大きい容積が必要と
されることがありうる。

本発明の目的は、上述した種類の装置における問題点の
うちの少なくとも幾つかを解消する化学感応半導体装置
を提供することである。

本発明によれば、半導体材料の基体と、検査試料がそれ
に沿って移動しうる前記基体の主表面を連結する１１回
路と、この１ｊｌｌの壁に形成された化学感応ゲート領
域を具備した化学感応半導体装置が提供される。

本発明は、上述した種類の構成によって、比較的小さい
流れ容積を有する装置を製作しうる点で特に有益である
。本発明の装置は新生児血液試料の検査時のように比較
的少量の試料しか利用できない場合に有益である。

通路が例えば角錐台状で基部が四角形のピラミッド形の
ように先細にテーパしていれば有利でありうる。このよ
うな形状にすれば、検体と化学感応ゲート領域との間の
接触が改善されることになりかつ検査の終りに容易に洗
い流されうる。さらに、テーパした形状により、化学感
応層および／またはゲート電極の被着が容易となる。

以下図面を参照して本発明の実施例について説明しよう
。

まず第２図を参照すると、図示の装置は、ｐ型結晶性シ
リコンの（１００）ウェーハの形をしたＷ体１１を具備
しており、通常のＶ−ＭＯ３技術で形成された通路１２
がそのウェーハの主表面を連結している。

この実施例の装置は化学感応電界効果型トランジスタを
具備している。これがために、ｎ１型半導体材料のソー
スおよびドレン領域１４．１５が前記通路の両端にそれ
のまわりに形成され、かつその通路の側部１３には、ド
レンおよびソース領域間に、Ｇで示された化学感応ゲー
ト８３域が形成されている。

従来技術と同様に、二酸化ケイ素および必要に応じて窒
化ケイ素の絶縁層１６がウェーハの主表面上に設けられ
、かつ前記通路の側部に、ゲート絶縁を形成する比較的
薄い石１７が設けられている。さらに、漏洩電流を阻止
するために、ソース領域１４のまわりには絶縁保護層（
図示せず）が埋設されうる。

電柵１８．２０および２２はそれぞれ酸化物層上の適当
な開口１９．２０を通してソース領域、バルク領域およ
びドレン領域に対する電気的接続を形成する。各電極は
適当なリード線を接続しうるボンドバンド（例えば２４
．２５）を有している。化学感応ゲーｔ４Ｍ域Ｇと露呈
された状態にあるポンドバンドを除いて、装置全体がポ
リミド材料の薄い保護膜（図示せず）で被覆されている
。

この装置を使用する場合には、検査されるべき検体が前
記通路を通されて化学感応ゲート領域に親密に接触され
る。後でさらに詳細に説明するが、ゲート領域は所望の
用途に適合するように作成されうるちのであり、これが
ために、酸化物層１７上に、通路の側部を被って、適当
な化学感応層および／またはゲート電極が被着されうる
。使用される材料の例については後述する。

この実施例では、通路１２は、図示のように、テーパを
つけられておりかつ一般的に角錐台状で基部が四角形の
ピラミッド形状をなしている。この形状は、この通路を
通る検体が化学感応ゲート領域とより親密な接触をなし
かつ検査が終った時点でより容易に洗い流されうる点で
特に有益であることが認められた。さらに、このテーパ
した形状では、化学感応層および／またはゲート電極の
被着を容易になしうる。

従来のＶ−ＭＯＳエツチング技術を用いて、エッチャン
トに触れる領域を制限することにより、通路の寸法が精
確に制御されうる０通常用いられるエッチャントは水酸
化カリウムであり、これは（１００）面を選択的にエツ
チングし、（１１１）面はエツチングしない、この場合
、通路の側部は（１１１）面で形成され、角錐台状で基
部が四角形のピラミッド形状が得られる。

典型的には、取り入れ側が１〜２平方１程度で、取り出
し側が０．４〜１．４平方■、深さが０．４鶴のｊＩＩ
ｌ路が形成されるが、他の寸法も可能である。取り入れ
側が１．２平方鶴、取り出し側が０．６平方１１１１、
深さが０．３７５＋ｎの通路の場合には、流れ容積は約
０．３２μρとなる。この容積は、前述した公知の設計
を用いて得られた通常３０μρの容積と比較して非常に
小さいものであることがわかるであろう。実際に、従来
の設計による場合には通常５００μρもの大きい試料容
積がａ・要とされていたが、それに比較して、本発明の
装置によれば、２μｐ程度の非常に小さい試料容積を用
いて検査を成功させることができるのである。従って、
本発明は、例えば新生児血液試料を検査するに際し、は
んの少量の試料しか利用できない場合に特に有益である
ことがわかるであろう。

通路１２は上述のように角錐台状で基部が四角形のピラ
ミッド形状を有することはかならずしも必要ではない。

フッ化水素酸と硝酸の混合物のような非選択性の適当な
エッチャントを用いて形成されるような円錐状の穴が形
成されてもよい。

前記基体はｎ゛型半導体材料よりなり、ドレンおよびソ
ース領域はｐ型材料よりなるものであってもよいことも
理解されるであろう。

第３図は他の実施例を示しており、この実施例では、従
来のエピタキシャル層技術を用いてＦＥＴが形成される
。この場合には、ｎ゛型基体がドレン領域１５を形成し
、かつ主表面が（１００）面となるように配向された結
晶性ケイ素よりなる。

この場合にも、４つの（１１１）配向された面１３を有
する角錐台形のピラミッド状通路１２を形成するために
１つの領域がエツチングされる。バルク領域１１はｎ゛
型基体の一側上に沈積されたエピタキシャル層技術より
なる。ソース領域は通路１２のまわりにおけるエピタキ
シャルｐ型層上に形成されたｎ′領域１４よりなる。ソ
ース領域１４のまわりにおける薄い埋設絶縁層、酸化物
／窒化物層１６および１７、導体１８．２０および２２
、接触領域１９．２１および２３、およびボンドバッド
２４および２５は第２図の実施例に関して前述したもの
と同様のものである。

第４図は本発明による他の実施例を示している。

この構造は、電界効果型トランジスタに代えてゲート制
御ダイオードを具備している点以外は第２図の構造と同
様である。この実施例では、コネクタ２０はこの装置の
陽極となり、コネクタ１８は陰極となり、第２図におい
て２２で示されたコネクタと１５で示されたドレン領域
は省略されている。イオン感応ゲート・コンドロールド
・ダイオードの動作の詳細については、チェノ（Ｃｈｅ
ｎ）およびゼメル（Ｚ　ｅｍａｌ）による「イオン濃度
測定のためのゲート・コンドロールド・ダイオード」と
いう論文（Ｉ　ＥＥ　Ｅ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
　ｏｎＥ　Ｉｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ＋　　Ｖｏ
ｌ　　Ｅ　Ｄ　−２６、Ｎｏ、１２゜１９７９年１２月
　第１９４５〜１９５１ページ）に記載されている。

英国特許出願第２０９６８２４Ａ号に記載されているよ
うに、化学感応ＦＥＴのゲートを延長することにより化
学感応領域をそのＦＥＴから離れたところに配置するこ
とができ、その結果、被覆が簡単になるとともに、長期
的な電気的安定性が改善される。延長ゲート型ＦＥＴを
具備した本発明の実施例が第５図に示されている。第２
図と比較して、このＦＥＴは通路１２から離れたところ
に配置され、ソースおよびドレン領域１４および１５は
ｐ型基体１１の同じ側で互いに近接している。ソースお
よびドレン導体は第５図では１８および２２で示されて
いる。領域１４および１５間には、比較的薄いケイ素酸
化物／窒化物１１２６が設けられており、これはゲート
絶縁体となり、その上にゲート電極２７が形成されてい
る。通路１２の側部１３には導体層２日が形成されてい
る。ゲート導体２７と導体Ｎ２８は、ＦＥＴから遠隔の
延長されたゲートを形成するための被着された導体スト
リップ２９によって接続されている。この実施例では、
化学感応層３０は導体層２８を完全に被うように被着さ
れている。

ある種の場合には、化学感応装置の感度に対する温度と
光の影響を補償することが望ましい。このような補償を
与えるための好都合な方法は、一方の装置は化学的に感
応しかつ検体流体に露呈されるようになされ、他方の装
置はそれと同じ幾何学的形状を有するが検査中の検体に
は感応しないものであるこれら一対の互いに整合した装
置を用いることである。

本発明による１つの実施例が第６図（ａｌに示されてお
り、この実施例では、Ｓで示されている１つの装置は検
体に感応しかつ第２図に関して述べたように構成され、
■で示されている他の装置は検体には不感応でありかつ
通路１２の側部１３上に被着された電極３１を有してい
る。電極３１に対する接続は被着された導体３２を通じ
て行なわれる。第６図（１））は、上述した互いに整合
した装置に対する電気的接続と、装置８に対する基準電
極３８を示している。通路１２を通じて検体流体を供給
するための機構が第７図に示されている。化学感応ゲー
ト制御半導体装１．３５の両側にチューブ３３および３
４が装着され、これらのチューブによって形成された穴
内に通路１２が配置されている。

矢印３６で示されているように、検体流体は通路がより
小さくなる方向に流れるようになされている。これによ
って、通路の側部１３に形成されたゲート絶縁体１７上
に被着された化学感応層３７との良好な接触が確保され
る。

多孔質プラグ３９を有する基準電極３８は出口チューブ
３４に都合よく挿入されることができ、検体と接触され
る。

前記通路の壁の異なる領域に異なる化学感応層を形成し
かつ各異なる化学感応層に対して独立の半導体装置を設
けることによって、多重感知が実現されうるそれに代え
であるいはそれに加えて、テーパした穴を有する１つ以
上の装置に検体を流すようにしてもよい。

通路１２の側部に被着される化学感応層および／または
ゲート電極を適当に選択することによって、本発明によ
る広範な異なる化学感応装置を製造することができる。

使用しうる異なる材料の例として、基準電極（例えば第
７図における・電極３８）に対して用いられかつＨ゛イ
オン対して感応するＳｌ：ｌＮ４、Ａｌ、Ｏｓ、ＺｒＯ
２またはＴ　ａ　ｚ　Ｏｓのような無機酸化物または窒
化物が含まれる。

酸化物層１７上にプラチナおよび／またはパラジウムを
金属化して形成されたゲート電極はＨ２または水素を含
有するガス（例えばＮ　Ｈｓ、Ｈｔ　ｓ　）に感応する
。

基準電極に関連して用いられる層１７上に被着されたガ
ラスは特定の陽イオン（例えばＨ３、Ｎａ”、Ｋ”）に
感応する。

酸化物層１７上にゲート電極として被着された多孔質パ
ラジウムはｃｏに感応する。

さらに、化学感応層はソルベント・キャスティングによ
って酸化物層上に形成されてもよい。化学感応層は可塑
化されたポリマ、シリコーンゴムまたは公知の同様の不
活性支持マトリクスに溶解またはＱｉされる。適当な可
塑化されたポリマはセバシン酸ジオクチルを添加したテ
トラヒドロパフランに溶解された塩化ビニル（ＰＶＣ）
粉末よりなる。粘性溶液が化学感応層を形成するために
ゲート絶縁体１７上に被着されるか、あるいは第８図に
示されているようにチューブ３３．３４の表面上の沈積
物３８と一緒にゲート絶縁体１７上に沈積物３７を形成
するために出口チューブ３３、通路１２そして出口チュ
ーブ３４を通過される。

沈積物が通路の表面に対してよりもチューブに対してよ
り良好に付着すれば特に有益である。

適当な化学感応材料の例としては、 例えばＣａ”イオンに感応するリン酸ジオクチルフェニ
ル中のリン酸ジアルキルカルシウムのような陰イオン交
換体； 例えばＦ−イオンに感応するＬａＦ３のようなほんのわ
ずかしか溶解しない非多孔質の塩粒子；それぞれＣ１２
／　Ｂ　ｒ　／　［イオンに感応するＡｇＣ１／ＡｇＢ
　ｒ／Ａｇ　Ｉ　； 例えばベリシニンに感応するベリシリナーゼのような、
ゲルに固定化されかつＨ゛感応ゲート（例えば窒化ケイ
素）に被着された酵素基質；グルコースに感応するグル
コースデヒドロゲナーゼ がある。

化学感応層の他の例は親水性ゲルと一緒にゲート絶縁体
１７を被着しそして次に多孔質金膜の形にゲート電極を
スパツクすることによって形成される。この構成によれ
ば、水蒸気が検知されうる。

適当な親水性ゲルは重合された塩化ポリビニル・アルコ
ール（ＰＶＡ）であり、これは前述した可塑化された疎
水性ｐｖｃと同じ方法で作成されうる。

本発明は比較的少量の流体試料を検査するのに適した化
学感応半導体装置を提供するものであることが理解され
るであろう。本発明の装置は、広範なガス、蒸気および
溶液中のイオンを検知しかつ／またはそれらの濃度を測
定するために製作されうろことが当業者には理解される
であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の化学感応半導体装置の一例を示す概略図
、第２図＋ａ＋は本発明による化学感応電界効果型トラ
ンジスタの斜視図、第２（ｂ）は第２図（ａ）に示され
た装置の線Ａ−Ａ上でみた断面図、第３図（ａｌおよび
（ｂｌは本発明による化学感応電界効果型トランジスタ
の他の例を示す同様の斜視図および断面図、第４図ｆａ
＋は本発明による化学感応ゲート制御ダイオードの斜視
図、第４図（ｂｌは第４図（ａｌに示された装置の線Ｂ
−Ｂ上でみた断面図、第５図は延長されたゲート電極を
設けられた本発明による化学感応電界効果型トランジス
タの断面図、第６図は二重ＦＥＴ装宣の断面図、第７図
は本発明による装置に形成された通路を通じて検体を供
給するための機構を示す図、第８図は延長された化学感
応層を示す図である。 図面において、１１はウェーハ、１２は通路、１４はソ
ース領域、１５はドレン領域、１６は絶縁層、１７は酸
化物層、工８はソース導体、２２はドレン導体、２６は
ゲート絶縁体、２７はゲート電極、２８は導体層、２９
は導体ストリップ、３０は化学感応層、３１は電極、３
３．３４はチュープ、３５はゲート制御半導体装置、３
７は化学感応層、３８は基準電極、３９は多孔質プラグ
をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体材料の基体と、検査試料がそれに沿って通過
   しうる前記基体の主表面を連結する通路と、この通路の
   １つの壁上に形成された化学感応ゲート領域を具備する
   化学感応半導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記通
   路がテーパしている前記装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記通
   路が角錐台状で基部が四角形のピラミッド形状をなして
   いる前記装置。 ４、特許請求の範囲第１〜３項記載の装置において、化
   学感応電界効果型トランジスタとして構成された前記装
   置。 ５、特許請求の範囲第４項記載の装置において、前記ト
   ランジスタのドレンおよびソース領域が前記通路の各端
   部に設けられている前記装置。 ６、特許請求の範囲第４項記載の装置において、前記ト
   ランジスタのドレンおよびソース領域が１つの極性型式
   を有し、かつ前記ドレンおよびソース領域のうちの１つ
   が反対の極性型式を有するエピタキシャル層に形成され
   ている前記装置。 ７、特許請求の範囲第４項記載の装置において、前記ト
   ランジスタのドレンおよびソース領域が化学感応ゲート
   領域から離れており、かつそのゲート領域に延長された
   ゲート導体によって接続されている前記装置。 ８、特許請求の範囲第１項記載の装置において、第１の
   化学感応ゲート領域を設けられた第１の通路を有する第
   １の電界効果型トランジスタと、第２の化学感応ゲート
   領域を設けられた第２の通路を有する第２の電界効果型
   トランジスタよりなり、前記第１および第２の化学感応
   ゲート領域のうちの１つだけが特定の検体に感応し、か
   つ前記２つのゲート領域は両方とも、光および温度の影
   響に対して実質的に同一の感度を有しており、前記第１
   および第２の電界効果型トランジスタは、前記特定の検
   体だけを表わす出力信号を発生しうるように互いに接続
   されている前記装置。 ９、特許請求の範囲第１〜３項記載の装置において、化
   学感応ゲート制御ダイオードとして構成された前記装置
   。 １０、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記
   通路におよびその通路から検体を移送するようになされ
   たダクトを有している前記装置。 １１、特許請求の範囲第４〜８項および第１０項記載の
   装置において、前記ダクトの１つの壁に取付けられた基
   準電極を具備している前記装置。 １２、特許請求の範囲第１０または１１項記載の装置に
   おいて、前記化学感応ゲート領域が化学感応材料よりな
   る層を具備しており、かつその材料は前記ダクトの内表
   面上にも被着されている前記装置。