JPH0474666B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は化学的感応性半導体センサー、特に電
界効果型の半導体センサーに関するものである。

近年半導体の電界効果を利用した化学的感応性
センサーの研究が活発化している。これは半導体
と溶液の界面に生じる電界の変化に応じて半導体
の表面近くの電導度が変化することを利用したも
のでISFET（Ion Sensitive Field Ettect
Transistor）とよばれている。

しかしながら従来より利用されているISFET
はシリコンの単結晶を素材として製造されてきた
が、シリコン単結晶は機械的にもろいという欠点
を有している。そのためISFETを実際の化学セ
ンサー構造体、例えばカテーテルに収納する場合
には、 (1)まずISFETにリード線をハンダ付けする。

(2)ISFET−リード線をカテーテルに収納し、
感応部以外を電気的に絶縁する。(3)次いでリード
線の他端にコネクターを接続する。など、複雑で
自動化の難かしい工程が必要であつた。

本発明の目的はこのような従来のセンサーの欠
点を解消し、自動化が可能で、かつセンサー構造
体への組立ての容易な半導体センサーを提供する
ことにある。

本発明によれば細長い平面形状をもつた耐熱性
高分子フイルム上の一端部に、Ｐ型のアモルフア
スシリコンからなる基板領域と該基板領域をはさ
んだ一方の側にｎ型のドレイン領域と、該基板領
域をはさんだ他方の側に該基板領域と逆のドーピ
ング極性を有するソース領域と、Ｐ型のアース領
域を形成し、該ドレイン領域の端部にドレイン電
極を設け、該ソース領域とアース領域の端部に両
者を短絡するようにソース電極を設けるととも
に、少くとも該基板領域を化学的選択性感応膜で
被覆し、かつ該ドレイン領域、ソース領域、アー
ス領域およびその他のフイルム表面の一部もしく
は全部を電気絶縁膜で被覆したことを特徴とする
化学的感応性半導体センサーが得られる。

次に本発明の半導体センサーの一実施例を図面
にて説明する。第１図は本発明のISFETの平面
図であり、細長い耐熱性フイルム１上の一端に化
学的選択性感応膜で覆われたセンサー部を構成す
るアモルフアスシリコンからなる基板領域２が形
成され、該基板領域をはさんで一方の側にドレイ
ン領域３が、他方の側にソース領域４および該ソ
ース領域に接し、かつ沿うようにアース領域９が
フイルム１上に延長して設けられている。該ドレ
イン領域の他端はドレイン電極５で覆われソース
領域とアース領域は互いにソース電極６により短
絡されている。該ドレイン電極及びソース電極は
該フイルム上に形成され、かつ該フイルムの他端
まで延長されたリード線７，８とそれぞれ接続さ
れており、該リード線の他端にはワイヤー接続部
１４が設けられている。第２図１〜４はそれぞれ
第１図のａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃ，ｄ−ｄにおけ
る断面である。第２図１はａ−ａの断面図であり
ISFETのゲート部の断面構造を示す。１は細長
い耐熱性高分子フイルム、２は基板部のＰ形アモ
ルフアスシリコン領域、３はｎ型ドレイン領域、
４はｎ型ソース領域、１０，１１はSiO₂膜およ
びSi₃N₄膜からなる電気絶縁膜であり、基板表面
にSiO₂膜またはSi₃N₄膜を有するこのISFETはPH
センサーとして使用することができる。基板領域
に被覆されたSiO₂膜およびSi₃N₄膜からなる電気
絶縁膜の表面に種々の化学物質に感応する化学的
選択性感応膜１２を被覆することができる。この
化学的選択性感応膜としては、特定の化学種との
反応によつて界面電位の変化を生じる膜で基板表
面のSi₃N₄膜上にさらに、SiOxNy，Al₂O₃，
Ta₂O₅、あるいはPH感応性のシリコーンゴム等の
PH感応膜、バリノマイシンを含有するポリ塩化ビ
ニル等のK⁺イオン感応膜、NASガラス等のNa⁺
イオン感応膜、ジデシルリン酸含有ポリ塩化ビニ
ル等のCa²⁺イオン感応膜、酵素固定化高分子等
の特定基質感応膜、免疫物質（例えば抗原、抗
体、ハプテン）を固定化した高分子から成る免疫
物質感応膜等を被覆することができる。第２図２
はｂ−ｂの断面構造であり、耐熱性高分子フイル
ム１上に形成されたドレインとソース領域３と４
及びソース領域に沿つて設けられたＰ形のアース
領域９とその表面に形成されたSiO₂絶縁膜１０
およびSi₃N₄絶縁膜１１より成る。第２図３はボ
ンデイング部ｃ−ｃの断面構造であり、耐熱性高
分子フイルム１上にリード線７と８が密着して形
成され、このリード線の上面にドレイン領域の端
部に設けられたドレイン電極５とアース領域９と
ソース領域４を短絡するソース電極６とが形成さ
れている。それらの表面はｂ−ｂ断面と同様の
SiO₂膜１０とSi₃N₄膜１１によつて覆われてい
る。こうすることによつて、ドレインおよびソー
スの端子とリード線をハンダ付けする必要がなく
なり、センサー構造体の製造工程が著しく簡略化
される。第２図４はリード線部ｄ−ｄの断面構造
であり、耐熱性高分子フイルム１上にリード線部
７と８とが形成されている。

上記ISFETは例えばドレイン領域、ソース領
域及びアース領域を細長いフイルム上の一端に設
けた基板領域から他端まで延長して設け、該フイ
ルムの他端にドレイン電極とソース電極を設けて
もよい。そして該電極にリード線を絶縁して、そ
の接続部を樹脂で覆うことにより配線することが
できる。

本発明の半導体センサーに用いられる高分子フ
イルムは耐熱性のものであることが必要である。
後述のごとくアモルフアスシリコンの生成には
200ないし400℃の温度を必要とする。従つて高分
子フイルムとしては200ないし400℃で安定なもの
でなければならない。そのような高分子フイルム
としてはポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエ
ステルイミド、ポリアミノビスマレイミド等のポ
リイミド系のものが用いられる。

次に第１図に示す半導体センサーの製造方法を
第３図１〜４にて説明する。まず第３図１に示す
ように細長い耐熱性高分子フイルム１の上に、例
えば実開昭57−105959号に開示された方法などに
よつてドレイン電極５及びソース電極６に接続さ
れるリード線７と８を形成する。リード線の材質
としては銅、アルミニウム、白金、金、銀、ニツ
ケル、モリブデン等の金属その他各種の合金を用
いることができる。次に第３図２に示すようにフ
イルム上にＰ型アモルフアスシリコン部１３をパ
ターン形成する。このアモルフアスシリコンは通
常プラズマ反応によつて形成させる。プラズマ反
応としては誘導結合法、容量結合法いずれの方法
を用いてもかまわない。ガス雰囲気としてはモノ
シラン、水素、それに微量のジボランが用いら
れ、ガスの全圧としては0.01から10mmHg好まし
くは0.1から５mmHgが用いられる。このときの基
板温度（この場合は耐熱性高分子フイルムの温
度）としては200から350℃が望ましい。高周波の
周波数としては通常13.56メガヘルツが用いられ
る。アモルフアスシリコンの形成はアーク放電、
CVD、スパツタリング等他の方法を用いてもよ
い。かかるアモルフアスシリコンの製造法は例え
ば特開昭56−98819号公報、同56−100126号公報
などに記載されている。アモルフアスシリコン層
の厚みとしては0.1ないし3μmが好ましい。こう
して作られたアモルフアスシリコンは非晶性であ
り、シリコンと水素から構成される。この中の水
素の含有率は通常15原子％以下である。アモルフ
アスシリコン形成後、通常のフオトリソグラフイ
により所定のパターンにする。次に第３図３に示
すように、基板部２をフオトレジストでマスクし
てドレイン領域３とソース領域４を形成する領域
に、リンをイオン注入しこの領域をｎ型にし、さ
らに第３図４に示すようにアース領域９を形成す
る領域以外をマスクして、この領域にホウ素をイ
オン注入し、この領域をＰ型にした後、基板部以
外をフオトレジストでマスクし基板部にリンをイ
オン注入しスレシヨールド電圧を調節する。次に
フオトレジストを除去した後、このアモルフアス
シリコン層全体の上に絶縁層SiO₂を形成する。
SiO₂層はアモルフアスシリコンの低温酸化（酸
化温度450℃以下）によつても作成できるが、低
温CVD（SiH₄＋O₂）やSiO₂をターゲツトとした
スパツタリング、もしくはSiO₂の電子線蒸着に
よつても作成することができる。いずれの場合も
基板温度は200ないし450℃が望ましい。SiO₂絶
縁膜の厚みとしては200ないし3000Åが好ましい。
次いでSiO₂層の上にさらにSi₃N₄絶縁膜層を作成
する。このSi₃N₄膜もプラズマCVDやSi₃N₄をタ
ーゲツトとしたスパツタリング、もしくはSi₃N₄
の電子線蒸着によつて作成することができる。こ
の場合も基板温度としては200ないし450℃が好ま
しい。またSi₃N₄絶縁膜の厚みも200ないし3000
Åが好ましい。このようにしてアモルフアスシリ
コン半導体部の表面をSiO₂とSi₃N₄の絶縁膜によ
つて被覆することができる。このISFETはPHセ
ンサーとして使用できる。最後に基板部表面に
Si₃N₄以外のPH感応膜や他の化学感応膜を上記基
板部のSi₃N₄層に被覆する。

次に本発明のISFETの他の実施態様について
第４図にて説明する。第４図はISFETの平面図
であり細長い耐熱性フイルム１の上の一端に化学
的選択性感応膜１２で覆われたセンサー部を構成
するアモルフアスシリコンからなる基板領域２が
形成され該基板領域の両側にのみドレイン領域
３、ソース領域４およびアース領域９が設けられ
ている。該ドレイン領域の上面にはドレイン電極
７が、ソース領域４とアース領域９の上面にはソ
ース電極８が設けられ、この電極は各々フイルム
の他端にまで延長されたリード線７，８と接続さ
れている。該リード線の他端にはワイヤー接続部
１４が設けられている。第５図はそれぞれ第４図
のａ−ａ及びｂ−ｂにおける断面構造を示す。第
５図１は半導体素子のゲート部（化学的感応部）
の断面構造であり、１は耐熱性高分子フイルム、
２は基板部のＰ型アモルフアスシリコン領域、３
と４それぞれｎ型のアモルフアスシリコンのドレ
インとソース領域、９はＰ型のアース領域、７′
と８′はそれぞれドレインとソース電極金属、１
０はSiO₂膜、１１はSi₃N₄膜、１２は化学的選択
性感応膜である。上記アース領域９はソース電極
８′を形成する金属を用いることができる。

第５図２は第４図のｂ−ｂの断面構造である。
この部分は電極リード部であり、耐熱高分子フイ
ルム１の上に形成されたドレイン電極７′とソー
ス電極８′に結接する電極リード部７と８、その
表面に形成されたSiO₂絶縁膜１０、更にその上
に形成されたSi₃N₄絶縁膜１１で構成されてい
る。これら絶縁膜に覆われることによつてドレイ
ンとソース電極のリード部が完全に絶縁される。
本構造は第１図に示すISFETより、更に製造工
程が簡略化される。なおn⁺アモルフアスシリコ
ンからなるドレイン領域３とソース領域４を省
き、基板部のアモルフアスシリコン領域２の表面
に直接、ドレイン電極金属７′とソース電極金属
８′を被覆してもよい。この場合には製造工程は
一層簡略化される。

第５図に示すISFETの製造方法を第６図１〜
３に示す。

まず第６図１に示す様に耐熱性高分子フイルム
１上にプラズマCVDでノンドープ又はジボラン
をドープしたアモルフアスシリコン（ジボランを
ドープした場合Ｐ型）２をパターン形成する。厚
みとしては0.1〜3μmが好ましい。次にホスフイ
ンをドープしたアモルフアスシリコンをアモルフ
アスシリコン２の上に形成し、第６図２に示すよ
うに通常のフオトリソグラフイーによりアース領
域９をマスクしてドレイン領域３とソース領域４
をパターン形成する。なおこのドレイン領域３と
ソース領域４は省略してもよい。次いでドレイン
電極金属７′とドレイン電極リード部７及びソー
ス電極金属８′及びアース領域とソース電極リー
ド部８を同時に蒸着、スパツタリン等通常の方法
で形成し、フオトリソグラフイーにより第６図３
のように所定のパターンにする。電極金属は第１
図のISFETの場合で述べた通りである。以降の
工程は第１図のISFETと同じである。

このようにして作製したセンサーは第７図に示
す回路に組んで測定液中の化学物質量を測定する
ことができる。この回路はソースフオロワー回路
であり、比較電極４０は接地されている。センサ
ーのドレイン４１には一定電圧V_Dが加えられ、
ドレイン４１とソース４２間には定電流回路４３
により一定の電流が流れている。半導体センサー
４４と比較電極４５を測定液体、例えば血管内に
挿入されると、該センサーの基板領域に被覆され
た、例えばSi₃N₄膜は、測定液体中の水素イオン
と相互作用して半導体センサーの基板領域の界面
電位を変化させる。この界面電位の変化に伴つて
ソース電位Vsが変化する。したがつて出力端子
４７と比較電極４５間の電位を測定することによ
り測定液中の水素イオン濃度を測定することがで
きる。

第８図は同一の耐熱性高分子フイルム１上に複
数のセンサー２０，２１，２２，２３を形成した
マルチセンサーを示す。各センサーの基板領域の
表面にはそれぞれ異なる化学物質に選択的に感応
する膜２４，２５，２６，２７が被覆されてい
る。このように複数の基板領域を単一のフイルム
上に設けることによつて溶液中の異なる化学物質
量を一つの素子で独立で同時的に測定することが
できる。第９図は化学的感応性センサー３０と溶
液中の化学的活量には応答せず電解液電位にのみ
応答する特性を有する比較電極３１と導電性バイ
アス用の擬似基準電極３２を単一の耐熱性高分子
フイルム１上に設けた複合センサーの例であり、
比較電極は例えば特開昭54−81897号に記載され
ているように基板領域にテトラフルオロエチレン
などの非多孔質の疎水性有機高分子膜を被覆した
センサーを用いることができる。また擬似基準電
極としては高分子フイルム上に蒸着した金属を用
いることができる。このような複合センサーは極
めて小型化できるため特に生体内に挿入して用い
るセンサーに用いることができる。

以上のように本発明の半導体センサーは耐熱性
高分子フイルム上に可撓性のアモルフアスシリコ
ンを形成したためセンサー構造体の作製が容易
で、かつ細い部位、例えば生体内に挿入して用い
る場合にはセンサーが可撓性を有しているため生
体内への挿入が容易で実用上極めて有用である。
さらにセンサーを大量に生産する場合には広い面
積の耐熱性高分子フイルム上に上述の方法で多数
のセンサーを配列して、最後に個々のセンサーに
切り離すことにより極めて安価にセンサーを製造
することができるなどの優れた効果を有してい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体センサーの平面図であ
り、第２図はその断面図であり、第３図は第１図
に示すセンサーの製造方法を説明する各工程にお
ける平面図である。第４図は本発明の半導体セン
サーの他の実施態様を示す平面図であり、第５図
はその断面図であり、第６図は第４図に示すセン
サーの製造方法を説明する各工程における平面図
である。第７図は本発明のセンサーを使用する測
定回路図であり、第８図及び第９図は複合センサ
ーを示す断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 細長い平面形状をもつた耐熱性高分子フイル
   ム上の端部に、Ｐ型のアモルフアスシリコンから
   なる基板領域と、該基板領域をはさんだ一方の側
   にｎ型のドレイン領域と、該基板領域をはさんだ
   他の側にｎ型のソース領域およびＰ型のアース領
   域を形成し、該ドレイン領域の端部にドレイン電
   極をもうけ、該ソース領域とアース領域の端部に
   両者を短絡するようにソース電極を設けるととも
   に、少なくとも該基板領域を化学的選択性感応膜
   で被覆し、かつ該ドレイン領域、ソース領域、ア
   ース領域およびその他のフイルム表面の一部もし
   くは全部を電気絶縁膜で被覆したことを特徴とす
   る化学的感応性半導体センサー。 ２ 耐熱性高分子フイルム上の端部に複数の基板
   領域が設けられ、複数の基板領域の表面に各々異
   なる化学的選択性感応膜を被覆したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の化学的感応性半
   導体センサー。 ３ 耐熱性高分子フイルムがポリイミド系フイル
   ムである特許請求の範囲第１項記載の化学的感応
   性半導体センサー。 ４ 電気絶縁膜が酸化シリコン及び窒化シリコン
   から構成される二層構造の膜である特許請求の範
   囲第１項記載の化学的感応性半導体センサー。