JPH0580026A - 半導体イオンセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガラス電極構造のゲート電位印加電極の必要
性をなくすことによって、メンテナンスフリー化、小型
軽量化および低コスト化が可能な半導体イオンセンサを
実現すること。 【構成】 半導体イオンセンサ１は、第１および第２の
ＩＳＦＥＴ５，６のうち第２のＩＳＦＥＴ６の側のイオ
ン感応層６５は、その被検液接触面６７の表面基密度を
低下させて第２のＩＳＦＥＴ６のイオン感応度を低下さ
せる島状ポリシリコン層１０ａを備える。また、表面側
には、ゲート部５ａ，６ａに対し、ゲート電位を被検液
を介して印加すべき白金電極からなるゲート電位印加電
極９を有し、第１および第２のＩＳＦＥＴ５，６の差動
出力からｐＨが計測される。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、そのイオン感応型ＦＥＴ部の構造技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】被検液中のイオンに感応する最も代表的
なセンサとしては、ガラス電極および比較電極を組み合
わせて、液中の水素イオン活量を測定するガラス電極式
ｐＨメーターがある。その構成は、図６に示すとおり、
容器１１の内部の被検液１２に、塩化カリウム飽和水溶
液などのｐＨ既知の溶液１３が入った比較電極１４およ
びガラス電極１５を浸漬し、それらの電極間に発生する
電位差から被検液１２のｐＨを測定するものである。そ
のｐＨメーターにおいて、比較電極１４の内部電極１４
ａおよびガラス電極１５の内部電極１５ａが、各々、単
極電位ｅ₁ ，ｅ₂ を有する一方、比較電極１４は、その
先端側に液絡部１４ｂ（ジャンクション部）を介して被
検液１２に導通している。従って、これらの比較電極１
４およびガラス電極１５の間には（ｅ₁ ＋Ｅ_pH）−ｅ₂
なる電位が測定される。なお、Ｅ_pHは被検液１２のｐＨ
_x に相当する起電力である。ここで、内部電極１４ａ，
１５ａは同じ塩化カリウム飽和溶液に浸漬しているた
め、ｅ₁ ＝ｅ₂ であり、（ｅ₁ ＋Ｅ_pH）−ｅ₂ ＝Ｅ_pHと
なる。従って、ガラス電極１５および比較電極１４を、
ｐＨ_x の被検液１２に浸漬すると、ガラス電極１５およ
び比較電極１４の間にｐＨ_x に対応する起電力Ｅ_pHが発
生し、それを測定することによってｐＨ_X を求めること
ができる。

【０００３】ここで、起電力Ｅ_pHとｐＨ_j ，ｐＨ_x との
間には下式の関係がある。

【０００４】 Ｅ_pH＝ｋ・（２．３０３ＲＴ／Ｆ）・（ｐＨ_j −ｐＨ_x ）＋Ｅ_a 上式において、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｆはファ
ラデー定数、ｋは勾配係数、Ｅ_a は不斉電位、ｐＨ_j は
ガラス電極の内部液のｐＨ値を表す。なお、勾配係数ｋ
は、通常０．９８〜１．００の値を示し、１．０に近い
程良好な電極であることを示し、特性が劣化する伴って
低下していく。また、不斉電位Ｅ_a は、比較電極１４お
よびガラス電極１５の各内部電極１４ａ，１５ａの電位
差、内部液のｐＨが規定値からずれることに相当する起
電力、電極内外のひずみ等に起因する電位差、比較電極
１４の液絡部の液間電位差などによって発生するもので
あり、定期的なｐＨメーターの較正などによって、Ｅ_a
の補償が行われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、ガラス電
極構造のｐＨメーターにおいては、比較電極１４の内部
に塩化カリウム飽和水溶液などの液体が充填されてお
り、先端側の液絡部１２により塩化カリウム飽和水溶液
を少量ずつ浸出させ、被検液１２との電気的導通状態を
保持する原理になっているため、以下の問題点を有す
る。

【０００６】 塩化カリウム飽和水溶液の浸出量が多
い場合には、液間起電力が小さくなるが、被検液を汚染
してしまう。また、塩化カリウム飽和水溶液の消費量が
多く、比較電極１４の内部への補充頻度が高くなる。

【０００７】 これに対し、塩化カリウム飽和水溶液
の浸出量が少ない場合には、メンテナンスが容易になる
一方、液間起電力が大きくなり、被検液１２の種類、流
速、温度などの影響が大きくなって、測定誤差などの原
因になる。

【０００８】従って、地球環境の監視用、ホームセキュ
リティまたは個人医療などの分野における計測などに対
し、高信頼性化、高感度化に加えて、小型軽量化、低コ
スト化、メンテナンスフリー化などが求められる状況下
にあって、従来のガラス電極式のｐＨメーターも改良さ
れつつあるが、ガラス電極構造の比較電極を用いている
限り、その改良には限界があり、市場の要請には程遠い
のが現状である。

【０００９】かかる問題点を解消するため、本願発明者
は、溶液や気体中の各種物質の濃度を検出する化学セン
サの分野のうち、イオン感応型ＦＥＴ（イオン感応型電
界効果型トンジスタ：Ｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆ
ｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；以
下、ＩＳＦＥＴと称する。）、ＣＨＥＭＦＥＴ（Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌｌｙ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ＦＥＴ）などに
代表されるＣＳＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ｓｅｎｓ
ｉｔｉｖｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃ
ｅ）における技術を利用して、高信頼性および高感度を
備えることは勿論のこと、さらに、小型軽量化、低コス
ト化、メンテナンスフリー化を実現可能な半導体イオン
センサをｐＨ検出器などに用いることを提案するもので
ある。ここで、一般的なＩＳＦＥＴを利用したｐＨ検出
器としては、図５（ｂ）に、図５（ａ）に示すガラス電
極構造のｐＨ検出器と比較して示すように、半導体領域
２１の上に、イオン感応部としてのゲート部２２を備え
るＩＳＦＥＴ２３を形成し、このゲート部２２と被検液
２４との間に発生する界面電位差を利用して、被検液２
４のｐＨを測定するものがあり、ガラス電極および高入
力インピーダンスバッファー増幅器とを一体化した構成
になっている。詳細は後述するが、この構成のｐＨ検出
器においては、ＩＳＦＥＴ２３のゲート部２２に対し、
ゲート電位印加電極２５によって、被検液２４を介して
ゲート電位を印加した状態で使用する。

【００１０】このような状態における電位分布を図３に
示す。図３における横軸は、ゲート電位印加電極２５，
被検液２４，ゲート部２２，半導体領域２１の各領域に
対応する。この図に示すように、印加されたゲート電位
Ｖ_g0のうち、ゲート部２２に作用する真のゲート電位Ｖ
_giは、ゲート部２２の表面と被検液との界面で発生する
界面電位差ψ_i よって変化する状態にあり、この界面電
位差ψ_i の変化をソース電極２３ａとドレイン電極２３
ｂとの間に発生する電圧変化または電流変化として検出
する。ここで、界面電位差ψ_i は、図４に実線Ａで示す
ように、被検液２４中の水素イオン活量すなわちｐＨと
一定の相関性を有しており、図５（ａ）に示すようなイ
オン選択膜３１を備えるガラス電極３２を用いることな
く、ｐＨを測定できる。従って、ガラス電極３２に対し
て塩化カリウム飽和水溶液などを補充する必要性がな
い。しかしながら、この構成においても、ゲート電位印
加電極２５を被検液２４の中に浸漬しているため、この
ゲート電位印加電極２５と被検液２４との境界面にも界
面電位差ｅ_i が発生する。従って、この界面電位差ｅ
_ｉ が変化すると、真のゲート電位Ｖ_ｇｉも変化するた
め、ゲート電位印加電極２５としては、既知の界面電位
差ｅ_i を発生させる電極、または、一定の界面電位差ｅ
_i を発生させる電極、たとえば、図５（ａ）に示すよう
なガラス電極構造の比較電極３３、すなわち、内部に塩
化カリウム飽和溶液などを有するものを使用する必要が
ある。従って、従来のガラス電極構造のｐＨ検出器にお
ける問題点を解決するものとして、未だ不十分である。

【００１１】以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、
ゲート電位印加電極と被検液との接触界面における界面
電位差の影響が直接には発現しない測定原理を採用する
ことによって、ガラス電極構造のゲート電位印加電極を
用いる必要性をなくし、メンテナンスフリー化、小型軽
量化および低コスト化を可能とする半導体イオンセンサ
を実現することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体イオンセンサにおいて講じた手段
は、半導体領域の表面側に形成された同一導電型の第１
および第２のイオン感応型ＦＥＴが、被検液を介してゲ
ート電位が印加されるべき各ゲート部に略同等面積の被
検液接触面をもつイオン感応層を有しており、第２のイ
オン感応型ＦＥＴ側のイオン感応層は、その被検液接触
面側の酸解離定数または表面基密度を変えて第１および
第２のイオン感応型ＦＥＴのイオン感応度を不等、すな
わち互いに異なるレベルとすべきイオン感応度規定層を
備えることである。本発明において、イオン感応度と
は、検出すべきイオン活量の変化に対するＩＳＦＥＴか
ら得られるソース−ドレイン間電圧などの出力信号レベ
ルの変化の度合いを意味しており、同じイオン活量を有
する被検液に対し、各ＩＳＦＥＴから異なるレベルの出
力信号が得られることを意味する。従って、イオン感応
度が低いとは、検出すべきイオン活量の変化に対するＩ
ＳＦＥＴから得られる出力信号レベルの変化が小さいこ
とを意味する。

【００１３】ここで、たとえば水素イオンなどに対する
イオン感応度のレベルを全体的に高めておくことなどの
ために、イオン感応層として、ゲート部のゲート酸化膜
上に窒化シリコン層を形成しておくことが好ましい。ま
た、被検液接触面が、半導体領域の表面側に形成された
表面保護層としてのポリシリコン層の非形成領域として
画定されている場合には、イオン感応度規定層として、
この表面保護層と同時に形成されて、第２のイオン感応
型ＦＥＴ側のイオン感応層の被検液接触面を部分的に覆
うポリシリコン層を利用することができ、このポリシリ
コン層によって、第２のイオン感応型ＦＥＴのイオン感
応度を、第１のイオン感応型ＦＥＴのイオン感応度に比
して低くすることが好ましい。

【００１４】なお、第１および第２のイオン感応型ＦＥ
Ｔの各ゲート部に被検液を介してゲート電位を印加すべ
きゲート電位印加電極を、半導体領域の表面側に白金電
極などとして形成しておくことによって、ゲート電位印
加電極を一体化し、これを別途設ける必要がないように
することが好ましい。

【００１５】

【作用】本発明に係る半導体イオンセンサの作用を説明
するまえに、ＩＳＦＥＴの動作原理を、被検液ｐＨを測
定する場合を例に説明しておく。ＩＳＦＥＴの基本動作
は、ＭＯＳＦＥＴと同様な電気的挙動、および、ＦＥＴ
のゲート部と被検液との界面における電気化学的挙動の
２つの挙動に基づくものとされている。

【００１６】最初に、ＦＥＴとしての電気的挙動につい
て説明する。

【００１７】まず、ＩＳＦＥＴおよびゲート電位印加電
極を被検液中に浸漬し、この状態で、ゲート電位印加電
極を用いて被検液を介してＩＳＦＥＴのゲート部に対し
てゲート電位を印加する。この状態における各領域の物
理化学系のポテンシャルは、図３に模式的に示すとおり
である。

【００１８】この図に示すように、この系においては、
ゲート電位印加電極２５，被検液２４，ゲート部２２お
よび半導体領域２１が存在し、ゲート電位印加電極２５
と半導体領域２１との間にゲート電位Ｖ_g0が印加された
状態にある。この状態で、ゲート電位印加電極２５と被
検液２４との間には界面電位差ｅ_i が存在し、また、被
検液２４とゲート部２２との間にも界面電位差ψ_i が存
在するため、ゲート部２２に印加される電位、すなわ
ち、真のゲート電位はＶ_giは下式で示される。

【００１９】 Ｖ_gi ＝ Ｖ_g0−ｅ_i −ψ_i ・・・ 式（１） 一方、ＩＳＦＥＴにおけるソース・ドレイン電流Ｉ_D ，
真のゲート電位Ｖ_gi、およびソース−ドレイン間電圧Ｖ
_SDとの間には下式の関係がある。

【００２０】０＜Ｖ_SD＜Ｖ_gi−Ｖ_thのとき Ｉ_D ＝ β〔（Ｖ_gi−Ｖ_th）Ｖ_D −（Ｖ_SD ² ／２）〕・・・ 式（２） ０＜Ｖ_gi−Ｖ_th＜Ｖ_SDのとき Ｉ_D ＝ （β／２）（Ｖ_gi−Ｖ_th）² ・・・ 式（３） ただし、 β＝（ε_ox・μ・Ｗ）／（Ｌ・ｔ_ox） 式中、Ｖ_thはＦＥＴの閾値，Ｌはチャネル長，ｔ_oxはゲ
ート酸化膜厚，ε_oxはゲート酸化膜の誘電率，μはチャ
ネルのキャリヤ移動度，Ｗはチャネル幅を示す。すなわ
ち、一般のＭＯＳＦＥＴと同様な構成である。

【００２１】従って、ソース−ドレイン間電圧Ｖ_SDを一
定に保持した場合には、ソース−ドレイン間電流Ｉ_D は
真のゲート電位Ｖ_giに規定される一方、ソース−ドレイ
ン間電流Ｉ_D を一定に保持した場合には、ソース−ドレ
イン間電圧Ｖ_SDは、真のゲート電位Ｖ_giに規定される。
通常、後者のソース−ドレイン間電圧Ｖ_SDが計測対象と
される。ここで、式（１）のとおり、ゲート電位Ｖ_g0が
一定の条件下において、真のゲート電位Ｖ_giは、被検液
の液抵抗を無視するとして、界面電位差ｅ_i および界面
電位差ψ_i によって規定される性質のものであり、界面
電位差ｅ_i が一定であれば、真のゲート電位Ｖ_giは界面
電位差ψ_i のみに規定され、それらの変化はＩＳＦＥＴ
のソース−ドレイン間電圧Ｖ_SDの変化として計測でき
る。

【００２２】ただし、先に説明したＩＳＦＥＴの測定系
のように、界面電位差ｅ_i が変化する場合には、上記の
相関が成立しないため、ゲート電位印加電極２５として
ガラス電極構造の比較電極が用いられる。

【００２３】次に、被検液２４とゲート部２２との界面
における界面電位差ψ_i と、被検液の水素イオン活量ａ
_H+との関係をＩＳＦＥＴのゲート部２２と被検液２４と
の界面における電気化学的挙動として説明する。

【００２４】まず、ＦＥＴのゲート絶縁物と被検液との
界面においては、以下の解離平衡が成り立っている。

【００２５】 Ｍ−ＯＨ ＝ ＭＯ^- ＋ Ｈ⁺ ・・・ 式（４） ここで、上記の平衡が右方向に進むための自由エネルギ
ー変化Δμ_H は、下式で与えられる。

【００２６】 Δμ_H ＝ ＲＴ ｌｎ Ｋ_a ・・・ 式（５） 式（５）において、Ｋ_a は下式で示す表面基の酸解離定
数を表す。

【００２７】 Ｋ_a ＝ Ｎ_M-O- ・ａ_H+ ／ Ｎ_M-OH ・・・ 式（６） 式（６）において、ａ_H+は被検液中の水素イオン活量、
Ｎ_M-O- はゲート部２２表面のＭ−Ｏ^- 基密度、 Ｎ
_M-OH はゲート部２２表面のＭ−ＯＨ基密度を表す。

【００２８】ここで、表面および液側の水素イオンの電
気化学的ポテンシャルをそれぞれμ_s ，μ_L とすると、
以下の式が成り立つ。

【００２９】 μ_s ＝ μ_M-O- ＋ ＲＴ ｌｎａ_H+ ・・・ 式（７） μ_L ＝ ψ ＋ Δμ_H ＋ μ_M-OH ・・・ 式（８） 式（７），（８）において、μ_M-O-＝ＲＴｌｎ Ｎ_M-O-
、μ_M-OH＝ＲＴｌｎＮ_M-OH である。

【００３０】この系において、式（４）の反応は平衡状
態にあるため、μ_s＝μ_L であり、下式が成り立つ。

【００３１】 −ψ ＝ ＲＴ ｌｎ （ Ｎ_M-OH ／ Ｎ_M-O- ）・（Ｋ_a ／ａ_H+） ・・・ 式（９） 従って、界面電位差ψは被検液中の水素イオン活量ａ_H+
によって規定される。

【００３２】ここで、σ^- _max を完全解離したときの電
荷量σ^- とし、表面基密度をＮとすると、式（６）より
下式が求まる。

【００３３】 σ^- ／ σ^- _max ＝ Ｎ_M-O- ／ Ｎ ＝ Ｎ_M-O- ／（ Ｎ_M-OH ＋ Ｎ_M-O- ） ・・・ 式（１０） よって、式（７）より、下式が成り立つ。

【００３４】 Ｎ_M-OH ／ Ｎ_M-O- ＝ σ^- _max ／σ^- −１ ・・・ 式（１１） ここで、界面における電気二重層容量を平行平板コンデ
ンサと仮定し、その容量をＣ_H で表すと、ここに蓄積さ
れる電荷量σ^- およびσ^- _max は、それぞれ、σ^- ＝Ｃ
_H ψ ，σ^- _max ＝Ｃ_H ψ_max の関係を有するから、式
（１１）は下式で表される。

【００３５】 Ｎ_M-OH ／ Ｎ_M-O- ＝ ψ_max ／ψ −１ ・・・ 式（１２） つぎに、式（９）に式（１２）を代入すると、下式が求
まる。

【００３６】 〔ψ／（ψ_max −ψ）〕ｅｘｐ（−ψ／ＲＴ） ＝ Ｋ_a ／ａ_H+ ・・・ 式（１３） ｐＨ＝ｘ＝−ｌｏｇａ_H+であるから ｘ ＝−ψ／２．３０３ＲＴ＋ｌｏｇ〔ψ／（ψ_max −ψ）〕−ｌｏｇＫ_a ・・・ 式（１４） 以上より、ゲート部２２の被検液接触面の性状、すなわ
ち、その酸解離定数Ｋ_a および表面基密度Ｎが所定の値
に規定されていれば、界面電位差ψは水素イオンの活量
ａ_H+によって規定され、しかも、ｐＨ，酸解離定数
Ｋ_a ，界面電位差ψおよびゲート部２２の表面基が完全
解離したときの界面電位差ψ_max の関係は、式（１４）
に示すような関係式で表される。

【００３７】従って、上記の水素イオン活量ａ_H+と界面
電位差ψとの関係は、ＩＳＦＥＴのゲート部２２の真の
ゲート電位Ｖ_gi、すなわち、ＩＳＦＥＴのチャネル形成
領域の状態を規定する結果、ＩＳＦＥＴからの出力信号
を規定する。ここで、界面電位差ψは、ゲート部２２の
表面基の酸解離定数Ｋ_a または表面基密度Ｎによって規
定されるＩＳＦＥＴ毎の性質に因るものであり、その性
質によって、ＩＳＦＥＴは固有のイオン感応度を示す。
たとえば、図４には、イオン感応度規定層によってゲー
ト部の表面基密度が異なるように構成された２つのＩＳ
ＦＥＴにおけるｐＨと界面電位差ψ_i との関係を示す。
この図において、実線Ａはゲート部２２の表面基密度が
高いＩＳＦＥＴにおけるｐＨと界面電位差ψ_i との関係
を示し、実線Ｂはゲート部２２の表面基密度が低いＩＳ
ＦＥＴにおけるｐＨと界面電位差ψ_i との関係を示す。
いずれのＩＳＦＥＴにおいても、ｐＨと界面電位差ψ_i
との間には所定の関係があるが、表面基密度が低いＩＳ
ＦＥＴ（実線Ｂ）の方が、表面基密度が高いＩＳＦＥＴ
（実線Ａ）に比較して、ｐＨ変化に対する界面電位差ψ
_i の変化が小さい。従って、ｐＨ変化に対するＩＳＦＥ
Ｔの出力信号の変化も、表面基密度が低いＩＳＦＥＴの
方が、表面基密度が高いＩＳＦＥＴに比較して小さなも
のとなる。すなわち、表面基密度が低いＩＳＦＥＴの方
が、表面基密度が高いＩＳＦＥＴに比較してイオン感応
度が低い。しかも、両者の界面電位差ψ_i の差もｐＨ依
存性を有することを示しており、ＩＳＦＥＴの出力信号
の差すなわち差動出力もｐＨ依存性を有することにな
る。

【００３８】本発明は上記のＩＳＦＥＴの差動出力に基
づいてｐＨを計測するものであり、半導体イオンセンサ
の第１および第２のＩＳＦＥＴのうち、第２のＩＳＦＥ
Ｔ側は、そのイオン感応層の被検液接触面に第１および
第２のイオン感応型ＦＥＴのイオン感応度を不等とすべ
きイオン感応度規定層を備えているため、同じｐＨの被
検液中にセンサを浸漬しても、たとえば、第１のＩＳＦ
ＥＴは、図４における実線Ａで示す界面電位差ψ_i −ｐ
Ｈ特性を示す一方、第２のＩＳＦＥＴは、図４における
実線Ｂで示す界面電位差ψ_i −ｐＨ特性を示す。ここ
で、ゲート電位印加電極と被検液との間における界面電
位差ｅ_i は、その影響をいずれのＩＳＦＥＴに印加され
たゲート電位Ｖ_g0にも及ぼしており、界面電位差ｅ_i の
影響はＩＳＦＥＴ間では相殺、補償された状態にある。
すなわち、これらのＩＳＦＥＴにおける真のゲート電位
Ｖ_giの差は、界面電位差ｅ_i の影響が補償された状態で
変化する。従って、界面電位差ｅ_i の影響を無視できる
状態で、ＩＳＦＥＴにおけるソース−ドレイン間電圧Ｖ
_SDの差などの差動出力に基づいてｐＨを測定することが
できるため、ゲート電位印加電極としては、白金電極な
どの貴な電極で充分であり、塩化カリウム飽和溶液など
を内部に有するガラス電極構造のものを使用する必要が
ない。それ故、液補充などのメンテナンスを必要とせ
ず、しかも、小型化、軽量化を図れる。さらに、ＩＳＦ
ＥＴとゲート電位印加電極とを同じ半導体基板上などに
形成することによって、ゲート電位印加電極を一体化し
た半導体イオンセンサを構成することもできる。

【００３９】

【実施例】次に、本発明の実施例に係る半導体イオンセ
ンサについて、図１および図２を参照して、説明する。

【００４０】図１は本例の半導体イオンセンサの要部を
示す断面図（図２のＩ−Ｉ線における断面図）、図２は
その平面図であり、半導体イオンセンサ１は、シリコン
基板２の表面側にシリコン酸化膜３を介して形成された
ｐ型ポリシリコン層４（半導体領域）を有し、このｐ型
ポリシリコン層４の表面側にｎチャネル型ＦＥＴ構造の
第１のＩＳＦＥＴ５および第２のＩＳＦＥＴ６を有す
る。

【００４１】第１のＩＳＦＥＴ５は、ｐ型ポリシリコン
層４の表面側に形成されたｎ⁺ 型のソース拡散領域５１
およびｎ⁺ 型のドレイン拡散領域５２と、そのチャネル
形成領域５３の表面上に形成されたシリコン酸化膜から
なるゲート酸化膜５４と、このゲート酸化膜５４の表面
上に形成されてチャネル形成領域５３と対峙する窒化シ
リコンからなるイオン感応層５５とを有しており、ゲー
ト酸化膜５４およびイオン感応層５５によってゲート部
５ａが構成されている。ここで、ソース拡散領域５１お
よびドレイン拡散領域５２には、シリコン酸化膜からな
る第１の層間絶縁膜７の接続孔を介して、アルミニウム
合金からなるソース配線層５１ａおよびドレイン配線層
５２ａがそれぞれ導電接続しており、これらのソース配
線層５１ａおよびドレイン配線層５２ａの先端側が、そ
れぞれソース電極部５１ｂおよびドレイン電極部５２ｂ
になっている。

【００４２】第２のＩＳＦＥＴ６も、第１のＩＳＦＥＴ
５と略同一構造を有しており、ｐ型ポリシリコン層４の
表面に形成されたｎ⁺ 型のソース拡散領域６１およびｎ
⁺ 型のドレイン拡散領域６２と、そのチャネル形成領域
６３の表面上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲー
ト酸化膜６４と、このゲート酸化膜６４の表面上に形成
されてチャネル形成領域６３と対峙する窒化シリコンか
らなるイオン感応層６６とを有し、ゲート酸化膜６４お
よびイオン感応層６５によってゲート部６ａが構成され
ている。ここで、ソース拡散領域６１およびドレイン拡
散領域６２には、シリコン酸化膜からなる第１の層間絶
縁膜７の接続孔を介して、アルミニウム合金からなるソ
ース配線層６１ａおよびドレイン配線層６２ａがそれぞ
れ導電接続しており、これらのソース配線層６１ａおよ
びドレイン配線層６２ａの先端側が、それぞれソース電
極部６１ｂおよびドレイン電極部６２ｂになっている。

【００４３】かかる第１および第２のＩＳＦＥＴ５，６
の表面側には、さらに、シリコン酸化膜からなる第２の
層間絶縁膜８が形成されており、この第２の層間絶縁膜
８におけるイオン感応層５５，６５の表面側が窓開けさ
れて、ゲート部５ａ，６ａの被検液接触面５７，６７が
開放状態になっている。また、第２の層間絶縁膜８の表
面側において、第１および第２のＩＳＦＥＴ５，６の形
成領域の中間位置に、白金電極からなるゲート電位印加
電極９が開放状態に形成されており、このゲート電位印
加電極９から延びるゲート配線層９１の先端側が、ゲー
ト電極部９２になっている。さらに、第２の層間絶縁膜
８の表面側には、ポリシリコンからなる表面保護層１０
が形成されており、この表面保護層１０は、ゲート電位
印加電極９およびゲート部５ａ，６ａの被検液接触面５
７，６７が窓開けされた状態にある。それ故、被検液接
触面５７，６７の開口面積は、表面保護層１０の非形成
領域として画定されている。

【００４４】本例においては、イオン感応層６５の表
面、すなわち、被検液接触面６７には、表面保護層１０
の一部が残されてポリシリコンからなる９ヶ所の島状ポ
リシリコン層１０ａ（イオン感応度規定層）が点在する
状態で形成されている。これにより、それらの下面側の
ゲート酸化膜５４，６４の形成面積は同等のままで、イ
オン感応層６５の開放面積はイオン感応層５５の開放面
積に比して小さくなっており、被検液接触面６７におけ
る表面基密度が、被検液接触面５７における表面基密度
に比して低くなっている。従って、図４に実線Ｂで示す
ように、第２のＩＳＦＥＴ６の側のイオン感応層６５近
傍で発生する界面電位差ψ_i のｐＨ依存性が、第１のＩ
ＳＦＥＴ５の側のイオン感応層５５近傍で発生する界面
電位差ψ_i （実線Ａで示す）のｐＨ依存性に比して小さ
く、第２のＩＳＦＥＴ６のイオン感応度が、第１のＩＳ
ＦＥＴ５のイオン感応度に比して低くなっている。な
お、いずれの界面電位差ψ_i も、ｐＨに対し負の依存性
を示している。

【００４５】かかる構造の半導体イオンセンサ１の使用
態様について、説明する。

【００４６】まず、各ドレイン電極部５２ｂ，６２ｂを
介して、各ドレイン拡散領域５２，６２をアース状態と
する一方、各ソース電極部５１ｂ，６１ｂを介して、ソ
ース拡散領域５１，６１に正の電位を印加して、ソース
ホロア回路を構成した状態で、半導体イオンセンサ１の
計測領域１ａの側を被検液に浸漬する。

【００４７】つぎに、被検液と各イオン感応層５５，６
５とが所定の濡れ状態となった状態で、ゲート電位印加
電極９にゲート電位Ｖ_g0を印加し、被検液を介して第１
および第２のＩＳＦＥＴ５，６の各ゲート部５ａ，６ａ
にゲート電位を印加する。

【００４８】つぎに、第１および第２のＩＳＦＥＴ５，
６に対する各ソース−ドレイン間電流Ｉ_D を一定値に保
持した状態で、第１および第２のＩＳＦＥＴ５，６のソ
ース拡散領域５１，６１およびドレイン拡散領域５２，
６２の間の各ソース−ドレイン電圧間Ｖ_SD1 ，Ｖ_SD2 を
それぞれ検出する。

【００４９】この状態における各領域における物理化学
系のポテンシャルは、図３に模式的に示すとおりであ
り、このうち、界面電位差ψ_i は（第１のＩＳＦＥＴ５
の側の界面電位差ψ_i=1 ）＜（第２のＩＳＦＥＴ６の側
の界面電位差ψ_i=2 ）になっている。ここで、Ｖ_gi＝Ｖ
_g0−ｅ_i −ψ_i であるため、真のゲート電位Ｖ_giは（第
１のＩＳＦＥＴ５の側の真のゲート電位Ｖ_gi=1）＞（第
２のＩＳＦＥＴ６の側に真のゲート電位Ｖ_gi=2）とな
る。ここで、界面電位差ｅ_i は、第１および第２のＩＳ
ＦＥＴ５，６のいずれの界面電位差ψ_i=1 ，ψ_i=2 およ
び真のゲート電位Ｖ_gi=1，Ｖ_gi=2に対しても等しく影響
しているため、真のゲート電位Ｖ_giの差Ｖ_{gi =1}〜Ｖ_gi=2
は、界面電位差ｅ_i が補償された状態のものとして扱う
ことができる。従って、真のゲート電位Ｖ_giの差Ｖ_gi=1
〜Ｖ_gi=2に基づいて得られる第１および第２のＩＳＦＥ
Ｔ５，６の出力信号、すなわち、ソース−ドレイン間電
圧Ｖ_{SD 1} ，Ｖ_SD2 の差からｐＨを計測すると、その計測
結果に界面電位差ｅ_i が影響を及ぼさないものとなる。
本例において、真のゲート電位Ｖ_giは（第１のＩＳＦＥ
Ｔ５の側の真のゲート電位Ｖ_gi=1）＞（第２のＩＳＦＥ
Ｔ６の側の真のゲート電位Ｖ_gi=2）であるため、ソース
−ドレイン電流間Ｉ_D を一定に保持した状態において、
ソース−ドレイン間電圧Ｖ_SDは（第１のＩＳＦＥＴ５の
側のソース−ドレイン間電圧Ｖ_SD1 ）＜（第２のＩＳＦ
ＥＴ６の側のソース−ドレイン間電圧Ｖ_{SD 2} ）となる。
そこで、ソース−ドレイン間電圧Ｖ_SDの差Ｖ_SD1 〜Ｖ
_SD2 、すなわち、差動出力からｐＨを測定する。

【００５０】以上のとおり、本例においては、第１およ
び第２のＩＳＦＥＴ５，６のイオン感応層５５，６５と
被検液との界面で発生する界面電位差ψ_i の差ψ_i=1 〜
ψ_{i= 2} に起因する真のゲート電位Ｖ_giの差Ｖ_gi=1〜Ｖ
_gi=2に対応して得られるソース−ドレイン間電圧Ｖ_SDの
差Ｖ_SD1 〜Ｖ_SD2 によって、ｐＨを計測しているため、
ゲート電位印加電極９２と被検液との界面で発生する界
面電位差ｅ_i の影響を無視できるので、ゲート電位印加
電極９２として、白金電極を用いても精度の高い計測が
可能である。よって、ガラス電極構造のものを利用しな
いため、ガラス電極内部への液補充などの必要がなく、
メンテナンスフリー化、小型軽量化および低コスト化を
実現できる。また、被検液の振動や温度などの影響も補
償され、計測精度が向上する。さらに、ゲート電位印加
電極９２を白金電極として、半導体基板２の表面側に形
成して、第１および第２のＩＳＦＥＴ５，６と一体化し
て形成しているため、極限まで小型化、軽量化を実現し
ている。そして、イオン感応度規定層としての島状ポリ
シリコン層１０ａは、別工程を追加して形成したもので
はなく、表面保護層としての表面保護層１０の形成工程
を利用して形成したものであるため、工程数の増大もな
く、低コスト化が実現されている。さらに、イオン感応
層５５，５６として窒化シリコン層を利用しているた
め、全体的にイオン感応度が高いレベルにあることに加
えて、ゲート部５ａ，６ａの内部にイオンが侵入するこ
ともないので、測定結果の信頼性が高い。

【００５１】しかも、ＩＳＦＥＴという入力電流を必要
としない能動素子を利用しているため、高入力インピー
ダンスかつ低出力インピーダンスのセンサを容易に実現
できること、ＩＳＦＥＴの製造は半導体製造プロセスを
そのまま適用することができるので、それらの微細化お
よび多重化も容易であること、イオン感応層５５，６５
は極めて薄いものでよいため、応答速度が高く、被検液
の置換速度のみで規定されるレベルにまで向上可能であ
ることなど、ＩＳＦＥＴの利点をそのまま保持してい
る。

【００５２】なお、本例においては、第１および第２の
ＩＳＦＥＴ５，６から得られる信号の処理として、ソー
ス−ドレイン間電流Ｉ_D を一定に保持した状態における
ソース−ドレイン間電圧の差Ｖ_SD1 〜Ｖ_SD2 からｐＨを
計測するものを示したが、これに限らず、第１および第
２のＩＳＦＥＴ５，６のソース−ドレイン間電流Ｉ_D お
よびソース−ドレイン間電圧Ｖ_SD1 ，Ｖ_SD2 を一定に保
持するように、ゲート電位Ｖ_g0を制御し、そのゲート電
位差を差動出力として利用してもよい。

【００５３】なお、第１および第２のＩＳＦＥＴ５，６
が、それぞれ異なるレベルのイオン感応度を有し、その
差動出力を利用できる構成のものであれば、第１および
第２のＩＳＦＥＴ５，６のいずれの側にイオン感応度規
定層を設けてもよいものであり、そのイオン感応度の規
定作用は、その表面基密度を変えるもの、酸解離定数を
変えるものなど制限がなく、その種類などは、半導体イ
オンセンサの被検出イオン種、各部位の用いた材質など
に応じて最適な条件に設定されるべき性質のものであ
る。

【００５４】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に係る半導体イオ
ンセンサにおいては、第１および第２のＩＳＦＥＴのう
ち、第２のＩＳＦＥＴ側のイオン感応層は、その被検液
接触面側の酸解離定数または表面基密度を変えて第１お
よび第２のＩＳＦＥＴのイオン感応度を不等とすべきイ
オン感応度規定層を備えることに特徴を有するため、以
下の効果を奏する。

【００５５】 イオン感応度が異なる第１および第２
のイオン感応型ＦＥＴを有しているため、それらの差動
出力を利用してｐＨを計測することができる。この差動
出力には、ゲート電位印加電極側の界面電位差が影響を
及ぼしにくいため、ゲート電位印加電極として、白金電
極などを使用でき、ガラス電極構造のものを使用する必
要がない。従って、ゲート電位印加電極に対するメンテ
ナンスが極めて容易になり、従来のＩＳＦＥＴの利点を
活かしたままで、半導体イオンセンサの小型軽量化，低
コスト化およびメンテナンスフリー化を実現できる。し
かも、被検液の振動や温度などの影響も補償されるた
め、測定結果の信頼性も高い。

【００５６】 イオン感応層に窒化シリコン層を用い
た場合には、水素イオンなどに対して高い感度を発揮す
るため、差動出力信号のレベルが高いので、計測精度の
高い半導体イオンセンサを実現できる。

【００５７】 イオン感応度規定層として、表面保護
層と同時に形成されたポリシリコン層を利用した場合に
は、他のプロセスを援用して、イオン感応度の異なるＩ
ＳＥＦＥＴを容易に形成できる。

【００５８】 白金電極などのゲート電位印加電極を
半導体領域の表面側に形成した場合には、ＩＳＦＥＴと
ゲート電位印加電極とを一体化した半導体イオンセンサ
を形成できるので、その小型軽量化および低コスト化を
より改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る半導体イオンセンサの要
部の断面図（図２のＩ−Ｉ線における断面図）である。

【図２】図１に示す半導体イオンセンサの平面図であ
る。

【図３】ＩＳＦＥＴの測定原理を示す各半導体領域の物
理化学系のポテンシャルを模式的に示すグラフ図であ
る。

【図４】本発明の実施例に係る半導体イオンセンサの測
定原理を示す界面電位差のｐＨ依存性を示すグラフ図で
ある。

【図５】（ａ）は従来のガラス電極を用いた測定系の概
略構成図、（ｂ）はＩＳＦＥＴの測定系の概略構成図で
ある。

【図６】従来のガラス電極構造のｐＨメーターの概略構
成図である。

【符号の説明】

１・・・半導体イオンセンサ ４・・・ｐ型ポリシリコン層（半導体領域） ５・・第１のＩＳＦＥＴ ５ａ，６ａ・・・ゲート部 ６・・第２のＩＳＦＥＴ ９・・・ゲート電位印加電極 １０・・・表面保護層 １０ａ・・・島状ポリシリコン層（イオン感応度規定
層） ５１，６１・・・ソース拡散領域 ５２，６２・・・ドレイン拡散領域 ５４，６４・・・ゲート酸化膜 ５５，６５・・・イオン感応層 ５７，６７・・・被検液接触面

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体領域の表面側に形成された同一導
   電型の第１および第２のイオン感応型ＦＥＴが、被検液
   を介してゲート電位が印加されるべき各ゲート部に略同
   等面積の被検液接触面をもつイオン感応層を有してお
   り、前記第２のイオン感応型ＦＥＴ側のイオン感応層
   は、その被検液接触面側の酸解離定数または表面基密度
   を変えて、前記第１および第２のイオン感応型ＦＥＴの
   イオン感応度を不等とすべきイオン感応度規定層を備え
   ることを特徴とする半導体イオンセンサ。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記イオン感応層
   は、前記ゲート部のゲート酸化膜上に形成された窒化シ
   リコン層であることを特徴とする半導体イオンセンサ。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記イオン感応層の
   各被検液接触面は、前記半導体領域の表面側に形成され
   た表面保護層としてのポリシリコン層の非形成領域とし
   て画定されており、前記イオン感応度規定層は、この表
   面保護層と同時に形成されて、前記第２のイオン感応型
   ＦＥＴ側のイオン感応層の被検液接触面を部分的に覆う
   ポリシリコン層であって、このポリシリコン層によっ
   て、前記第２のイオン感応型ＦＥＴのイオン感応度が、
   前記第１のイオン感応型ＦＥＴのイオン感応度に比して
   低いことを特徴とする半導体イオンセンサ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれかの項
   において、前記第１および第２のイオン感応型ＦＥＴの
   各ゲート部に被検液を介してゲート電位を印加すべきゲ
   ート電位印加電極が、前記半導体領域の表面側に形成さ
   れていることを特徴とする半導体イオンセンサ。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれかの項
   において、前記ゲート電位印加電極は、白金電極である
   ことを特徴とする半導体イオンセンサ。