JPH0510920A - Semiconductor ion sensor - Google Patents
Semiconductor ion sensorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は半導体イオンセンサに関
し、特に半導体の電界効果を利用するイオン感応性電界
効果トランジスタを用いた半導体イオンセンサの構造に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor ion sensor, and more particularly to the structure of a semiconductor ion sensor using an ion sensitive field effect transistor that utilizes the field effect of a semiconductor.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、溶液中のイオン濃度を測定する半
導体装置にイオン感応性電界効果トランジスタ（Ｉｏｎ
Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔ
ｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以後ＩＳＦＥＴと略称する）があ
る。これは電界効果トランジスタの一種で、たとえばシ
リコンを半導体として用いた場合、このシリコンの表面
が酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）、窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ
4 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化タンタル（Ｔａ2
Ｏ5 ）等の絶縁膜あるいはそれらの組合せからなるイオ
ン感応膜で覆われた構造を持ち、このＩＳＦＥＴが溶液
中に侵された際、この溶液中のイオンによってＩＳＦＥ
Ｔのイオン感応膜表面の電位が変化するという現象を利
用している。2. Description of the Related Art Conventionally, an ion sensitive field effect transistor (Ion) has been used as a semiconductor device for measuring an ion concentration in a solution.
Sensitive Field Effect T
a transistor, hereinafter abbreviated as ISFET). This is a kind of field effect transistor. For example, when silicon is used as a semiconductor, the surface of the silicon is silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 3
4 ), alumina (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2
It has a structure covered with an ion sensitive film consisting of an insulating film such as O 5 ) or a combination thereof, and when this ISFET is attacked by a solution, ISFE is generated by the ions in this solution.
The phenomenon that the potential of the surface of the ion-sensitive film of T changes is used.
【０００３】このようなＩＳＦＥＴは、イオン選択性電
極を用いたイオンセンサに比べ、（１）トランジスタの
集積化技術を用いて製作されるので、微小なイオンセン
サを容易に大量生産でき、（２）イオン感応膜が完全な
絶縁膜でも使用でき、（３）種々の機能膜と組み合わせ
ることにより、センサの多機能化が可能で、（４）出力
インピーダンスが低く、（５）信号処理回路などの周辺
電気回路が一体化できるなどの利点を有している。Such an ISFET is manufactured by using a transistor integration technique as compared with an ion sensor using an ion-selective electrode. Therefore, a minute ion sensor can be easily mass-produced, and (2) ) The ion-sensitive film can be used as a complete insulating film, and (3) by combining with various functional films, the sensor can have multiple functions, (4) low output impedance, (5) signal processing circuit, etc. It has an advantage that peripheral electric circuits can be integrated.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、微小な
ＩＳＦＥＴを製作する場合、ＩＳＦＥＴを溶液から電気
的に絶縁することが不可欠であるが、従来報告されてい
る方法にはそれぞれ欠点があった。例えば、図３に示す
ように、シリコン・オン・サファイヤ（Ｓｉｌｉｃｏｎ
ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ、以下ＳＯＳと略称する）基
板１３を用い、サファイア上の島状シリコン層にＩＳＦ
ＥＴを形成するものである（秋山竜雄他：分析、Ｖｏ
ｌ．３０、ｐ．７５４、１９８１）。ＩＳＦＥＴはソー
ス・ドレインとなるｎ+ 拡散層５とチャネルとなるｐ型
シリコン領域３とゲート絶縁膜となる酸化シリコン膜８
と窒化シリコン膜９の積層膜で構成される。ｐ+ シリコ
ン領域４はチャネルストッパーである。ＳＯＳ基板を用
いた構造は溶液からの絶縁は完全で化学的にも安定であ
るという利点があるが、ＳＯＳ基板が高価であること、
シリコン中の電子の移動度が低いこと等の欠点があっ
た。また、シリコン基板の上に絶縁膜を介して設けられ
たシリコン層を用いるシリコン・オン・インシュレータ
（Ｓｉｌｉｃｏｎｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、以下ＳＯ
Ｉと略す）構造のＩＳＦＥＴ（栗山敏秀、特開昭５８−
１９１５００号公報）も、ＳＯＳウェハー同様価格が高
いと欠点があった。However, in the case of manufacturing a minute ISFET, it is essential to electrically insulate the ISFET from the solution, but each of the conventionally reported methods has its drawbacks. For example, as shown in FIG. 3, Silicon on Sapphire (Silicon
on Sapphire (hereinafter abbreviated as SOS) substrate 13 and ISF is formed on the island-shaped silicon layer on sapphire.
It forms ET (Tatsuo Akiyama et al .: Analysis, Vo
l. 30, p. 754, 1981). The ISFET includes an n + diffusion layer 5 serving as a source / drain, a p-type silicon region 3 serving as a channel, and a silicon oxide film 8 serving as a gate insulating film.
And a silicon nitride film 9 are laminated. The p + silicon region 4 is a channel stopper. The structure using the SOS substrate has the advantage that it is completely insulated from the solution and is chemically stable, but the SOS substrate is expensive.
There are drawbacks such as low electron mobility in silicon. In addition, a silicon-on-insulator (hereinafter referred to as SO) using a silicon layer provided on a silicon substrate via an insulating film.
ISFET having a structure (abbreviated as I) (Toshihide Kuriyama, JP-A-58-
No. 191500) also has a drawback when the price is high like the SOS wafer.
【０００５】また、ｐｎ接合を用いる方法が、Ｄ．Ｈａ
ｒａｍｅ他、インターナショナルエレクトロン デバイ
ス ミーティング予稿集（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏ
ｆＩＥＤＭ ８１，ｐ．４６７）、伊藤善孝、第４６回
秋季応用物理学会講演予稿集、ｐ．７７６、１９８５及
びＹ．Ｉｔｏｈ他：第３回化学センサ国際会議予稿集
（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｉｒｄ
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ、ｐ．６２、１９
９０）により報告されている。これは図４に示すよう
に、ｐ型シリコン基板１にｎ型シリコン領域２を形成
し、その中にｐ型シリコン領域３を形成して周囲の基板
とｐｎ接合で絶縁し、このｐ型シリコン領域３内にＩＳ
ＦＥＴを形成するものである。しかしこの構造では、セ
ンサに光が照射されるとｐｎ接合を電流が流れ、絶縁が
不完全になるという欠点があり、図４中に示すように遮
光のためポリシリコン１４をさらに表面に設けることが
必要であった。さらにこのｐｎ接合を用いる方法では、
横方向の絶縁分離領域が不純物の拡散のために広くなる
ため、複数のＩＳＦＥＴを集積化する場合センサの微小
化が困難になるという問題があった。A method using a pn junction is described in D. Ha
Rame et al., International Electron Device Meeting Proceedings (Proceedings o
fIEDM 81, p. 467), Yoshitaka Ito, Proc. Of the 46th Autumn Meeting of Japan Society of Applied Physics, p. 776, 1985 and Y. Itoh et al .: Proceedings of the Third
International Meeting on
Chemical Sensors, p. 62, 19
90). As shown in FIG. 4, an n-type silicon region 2 is formed in a p-type silicon substrate 1, and a p-type silicon region 3 is formed therein to insulate the surrounding substrate from a pn junction. IS in area 3
The FET is formed. However, this structure has a drawback that a current flows through the pn junction when the sensor is irradiated with light, resulting in incomplete insulation. Therefore, as shown in FIG. Was needed. Furthermore, in the method using the pn junction,
Since the lateral isolation region is widened due to the diffusion of impurities, there is a problem that miniaturization of the sensor becomes difficult when integrating a plurality of ISFETs.
【０００６】本発明の目的は、これらの欠点をなくし、
ＩＳＦＥＴの溶液からの絶縁が完全で容易に製造でき、
キャリアの移動度も低下せず、低価格で、しかも集積化
する際の微小化が容易な半導体イオンセンサを提供する
ことにある。The object of the present invention is to eliminate these drawbacks,
Insulation from ISFET solution is complete and easy to manufacture,
An object of the present invention is to provide a semiconductor ion sensor that does not reduce carrier mobility, is low in price, and can be easily miniaturized when integrated.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、第１導
電型シリコン基板の表面に第２導電型シリコン層及び第
１導電型シリコン層が形成されるとともに、表面からシ
リコン基板に到達する内壁が絶縁物で覆われた溝が設け
られ、この溝で囲まれた領域内にイオン感応性電界効果
トランジスタが形成されていることを特徴とする半導体
イオンセンサを得ることができる。According to the present invention, a second conductivity type silicon layer and a first conductivity type silicon layer are formed on the surface of a first conductivity type silicon substrate and reach the silicon substrate from the surface. It is possible to obtain a semiconductor ion sensor characterized in that a groove whose inner wall is covered with an insulator is provided, and an ion-sensitive field effect transistor is formed in a region surrounded by the groove.
【０００８】[0008]
【作用】本発明によればＩＳＦＥＴが形成される単結晶
シリコン領域は、平面方向が内壁が絶縁物で覆われた溝
により絶縁分離され、深さ方向がｐｎｐ又はｎｐｎ構造
を持つｐｎ接合で絶縁分離されているため、溶液から完
全に絶縁される。また、この単結晶シリコンの中のキャ
リアの移動度は通常のシリコンの値を持ち、ＳＯＳウェ
ハーの場合問題になった電子の移動度の低下は起こらな
い。ＩＳＦＥＴを形成するウェハーは、単結晶シリコン
にエピタキシャル成長したものやイオン注入したものが
使用できＳＯＳウェハーに比べ低価格になる。さらに、
平面方向が内壁が絶縁膜で覆われた溝により絶縁分離さ
れているため、従来のｐｎ接合で平面方向の絶縁分離す
る場合に問題であった光の照射によるリークや広い絶縁
領域が必要であるという欠点が解決された。したがっ
て、複数のＩＳＦＥＴを集積化したりセンサを微小化す
ることも容易である。According to the present invention, the single crystal silicon region where the ISFET is formed is isolated in the plane direction by the groove whose inner wall is covered with the insulator, and is insulated in the depth direction by the pn junction having the pnp or npn structure. Being separated, it is completely insulated from the solution. Further, the mobility of carriers in this single crystal silicon has a value of ordinary silicon, and the decrease in electron mobility, which is a problem in the case of an SOS wafer, does not occur. As the wafer for forming the ISFET, a wafer obtained by epitaxially growing single crystal silicon or an ion-implanted wafer can be used, and the cost is lower than that of the SOS wafer. further,
Since the inner surface is insulated and separated by the groove whose inner wall is covered with the insulating film in the plane direction, it is necessary to have a leak due to light irradiation and a large insulation region, which are problems when the conventional pn junction is used for the insulation separation in the plane direction. That shortcoming has been resolved. Therefore, it is easy to integrate a plurality of ISFETs and miniaturize the sensor.
【０００９】[0009]
【実施例】以下本発明の一実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すｎチ
ャンネル形の半導体イオンセンサの概略平面図で、二重
破線で囲まれた領域は、内壁が絶縁膜で覆われた溝によ
って囲まれた領域であり、その中にＩＳＦＥＴ１２が形
成される。ＩＳＦＥＴのソース領域およびドレイン領域
はそれぞれ絶縁膜で覆われたポリシリコンソース電極７
およびポリシリコンドレイン電極６を介して延長され、
センサ領域から離れた位置にある金属電極１１と結合さ
れている。図２は、図１のａ−ａ’線における縦断面図
である。ｐ型シリコン基板１表面にイオン注入によりｎ
型シリコン層２２を厚さ約２μｍ形成する。その上に厚
さ約２μｍのｐ型シリコン層２３をエピタキシャル成長
する。次いで異方性性エッチングにより幅２μｍ以下の
溝を基板１に到達するように形成する。そのあと溝表面
を酸化し、ポリシリコン１０を堆積して溝を埋める。ポ
リシリコン１０は不純物ドープにしてもよいし、ノンド
ープでもよい。溝で仕切られた領域内のｐ型シリコン層
２３に従来と同じようにＩＳＦＥＴを作製する。イオン
注入でｎ+ 拡散層を形成してソース・ドレインとし、ソ
ース・ドレイン間のｐ型シリコン層表面を熱酸化して厚
さ１０００Ａの酸化シリコン膜２８を形成する。フィー
ルド領域での酸化シリコン膜８の厚さは５０００Ａとす
る。ソース・ドレインと金属電極１１を接続するためポ
リシリコンソース電極７とポリシリコンドレイン電極６
を形成する。全面に窒化シリコン膜９を厚さ１０００Ａ
堆積する。ｐ+ シリコン領域４は従来と同様のチャネル
ストッパーである。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic plan view of an n-channel type semiconductor ion sensor showing an embodiment of the present invention. A region surrounded by double broken lines is a region whose inner wall is surrounded by a groove covered with an insulating film. , The ISFET 12 is formed therein. The source region and the drain region of the ISFET are each covered with an insulating film.
And extended through the polysilicon drain electrode 6,
It is coupled to the metal electrode 11 which is located away from the sensor area. FIG. 2 is a vertical sectional view taken along the line aa ′ in FIG. n is formed by ion implantation on the surface of the p-type silicon substrate 1.
The type silicon layer 22 is formed to a thickness of about 2 μm. A p-type silicon layer 23 having a thickness of about 2 μm is epitaxially grown thereon. Next, a groove having a width of 2 μm or less is formed so as to reach the substrate 1 by anisotropic etching. After that, the groove surface is oxidized and polysilicon 10 is deposited to fill the groove. The polysilicon 10 may be impurity-doped or non-doped. An ISFET is formed in the p-type silicon layer 23 in the region partitioned by the groove in the same manner as the conventional one. An n + diffusion layer is formed by ion implantation to form a source / drain, and the surface of the p-type silicon layer between the source / drain is thermally oxidized to form a silicon oxide film 28 having a thickness of 1000A. The thickness of the silicon oxide film 8 in the field region is 5000A. A polysilicon source electrode 7 and a polysilicon drain electrode 6 for connecting the source / drain and the metal electrode 11
To form. A silicon nitride film 9 is formed on the entire surface to a thickness of 1000A.
accumulate. The p + silicon region 4 is a conventional channel stopper.
【００１０】このようにして作製したＩＳＦＥＴは平面
方向には内壁が絶縁膜で覆われた溝により絶縁分離さ
れ、深さ方向にはｐｎ接合で絶縁分離されている。ま
た、表面は酸化シリコン膜８，２８および窒化シリコン
膜９で覆われた構造となっている。このため溶液からの
絶縁が完全で、かつ、光の照射によるリークが起こるこ
ともない。また、金属電極１１もセンサ部分から離れた
部分に設けることができるので、溶液からの絶縁が容易
である。さらに、一つのセンサに複数のＩＳＦＥＴを狭
い領域により互いに電気的に絶縁して形成することがで
き、これらのＩＳＦＥＴのセンサ部には同一の機能膜を
設けることもできるが、それぞれ別の機能膜、例えばナ
トリウムイオン感応膜、カリウムイオン感応膜などのイ
オン感応膜や酵素固定化膜を設けることにより、種々の
センサができ、それらを組み合わせることにより多機能
センサを形成することも可能である。なお本実施例では
溝の中にポリシリコン１０を埋めこんだが、すべて酸化
シリコンで埋めこんでもよい。The ISFET thus manufactured is insulated and isolated in the plane direction by a groove whose inner wall is covered with an insulating film, and in the depth direction by a pn junction. The surface is covered with the silicon oxide films 8 and 28 and the silicon nitride film 9. Therefore, the insulation from the solution is perfect, and the leakage due to the light irradiation does not occur. Further, since the metal electrode 11 can also be provided in a portion apart from the sensor portion, insulation from the solution is easy. Further, a plurality of ISFETs can be formed in a single sensor so as to be electrically insulated from each other by a narrow area. The sensor portions of these ISFETs can be provided with the same functional film, but different functional films are provided. For example, various sensors can be prepared by providing an ion-sensitive film such as a sodium-ion-sensitive film and a potassium-ion-sensitive film or an enzyme-immobilized film, and a multifunction sensor can be formed by combining them. In this embodiment, the polysilicon 10 is buried in the groove, but it may be entirely buried in silicon oxide.
【００１１】[0011]
【発明の効果】以上説明したように、本発明による半導
体イオンセンサは、ＩＳＦＥＴが平面方向は内壁に絶縁
物が設けられた溝により絶縁分離され、深さ方向はｐｎ
接合により絶縁分離され、さらに絶縁膜で表面が覆われ
ているため、溶液との電気絶縁は完全であり、光の照射
によるリークも起こらない。また、通常のシリコンを使
用しているため、キャリアの移動度の低下がなく、低価
格で製造できるという利点を有している。さらに、複数
のＩＳＦＥＴを同一チップ上に集積化することが可能
で、この場合にも各々のＩＳＦＥＴは互いに絶縁分離さ
れている。As described above, in the semiconductor ion sensor according to the present invention, the ISFET is insulated and separated in the plane direction by the groove provided with the insulator on the inner wall, and the pn in the depth direction.
Since it is insulated and separated by joining and the surface is covered with an insulating film, it is completely electrically insulated from the solution, and leakage due to light irradiation does not occur. Further, since ordinary silicon is used, there is an advantage that the mobility of carriers does not decrease and the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, it is possible to integrate a plurality of ISFETs on the same chip, and in this case as well, each ISFET is isolated from each other.
【図１】本発明による半導体イオンセンサの一実施例の
平面図である。FIG. 1 is a plan view of an embodiment of a semiconductor ion sensor according to the present invention.
【図２】図１のセンサ部のａ−ａ’位置における断面図
である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the sensor unit of FIG. 1 taken along the line aa ′.
【図３】従来の半導体イオンセンサの例で、ＳＯＳウェ
ハーを用いて作られたＩＳＦＥＴのセンサ部の位置にお
ける断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of an example of a conventional semiconductor ion sensor at a position of a sensor unit of an ISFET manufactured by using an SOS wafer.
【図４】従来の半導体イオンセンサの例で、ｐｎ接合に
より絶縁分離されたＩＳＦＥＴのセンサ部の位置におけ
る断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor ion sensor at a position of a sensor portion of an ISFET that is insulated and separated by a pn junction.
１ ｐ型シリコン基板 ２ ｎ型シリコン領域 ３ ｐ型シリコン領域 ４ ｐ+ シリコン領域 ５ ｎ+ シリコン拡散層 ６ ポリシリコンドレイン電極 ７ ポリシリコンドレイン電極 ８，２８ 酸化シリコン膜 ９ 窒化シリコン膜 １０，１４ ポリシリコン １１ 金属電極 １２ ＩＳＦＥＴ １３ サファイア ２２ ｎ型シリコン層 ２３ ｐ型シリコン層1 p-type silicon substrate 2 n-type silicon region 3 p-type silicon region 4 p + silicon region 5 n + silicon diffusion layer 6 polysilicon drain electrode 7 polysilicon drain electrode 8, 28 silicon oxide film 9 silicon nitride film 10, 14 poly Silicon 11 Metal electrode 12 ISFET 13 Sapphire 22 n-type silicon layer 23 p-type silicon layer
Claims (1)
電型シリコン層及び第１導電型シリコン層が順次形成さ
れ、表面からシリコン基板に到達し内壁が絶縁物で覆わ
れた溝が設けられ、この溝で囲まれた領域内にイオン感
応性電界効果トランジスタが形成されていることを特徴
とする半導体イオンセンサ。Claim: What is claimed is: 1. A second conductivity type silicon layer and a first conductivity type silicon layer are sequentially formed on a surface of a first conductivity type silicon substrate, and the inner wall is made of an insulator and reaches the silicon substrate from the surface. A semiconductor ion sensor characterized in that a covered groove is provided, and an ion-sensitive field effect transistor is formed in a region surrounded by the groove.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3163060A JP2988020B2 (en) | 1991-07-03 | 1991-07-03 | Semiconductor ion sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3163060A JP2988020B2 (en) | 1991-07-03 | 1991-07-03 | Semiconductor ion sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0510920A true JPH0510920A (en) | 1993-01-19 |
| JP2988020B2 JP2988020B2 (en) | 1999-12-06 |
Family
ID=15766416
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3163060A Expired - Lifetime JP2988020B2 (en) | 1991-07-03 | 1991-07-03 | Semiconductor ion sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2988020B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010511888A (en) * | 2006-12-04 | 2010-04-15 | 韓國電子通信研究院 | Biosensor and manufacturing method thereof |
-
1991
- 1991-07-03 JP JP3163060A patent/JP2988020B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010511888A (en) * | 2006-12-04 | 2010-04-15 | 韓國電子通信研究院 | Biosensor and manufacturing method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2988020B2 (en) | 1999-12-06 |
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