(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センシング領域からの電圧出力を、酸化膜を介して半導体表面のポテンシャルの変化として入力させる手段と、該ポテンシャルの変化を電荷に変換させ、該電荷を、あらかじめリセットされているフローティングディフュージョン領域に、複数回電荷転送を行う手段と、前記フローティングディフュージョン領域の電位変化をＦＥＴのゲートに入力して、該ＦＥＴの電流変化に変換する手段とを具備することを特徴とする累積型化学・物理現象検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の累積型化学・物理現象検出装置において、前記センシング領域の容量と前記フローティングディフュージョン領域の容量を変えて、前記フローティングディフュージョンの電位変化をコントロールする手段と、前記センシング領域の容量より前記フローティングディフュージョンの容量を小さくすることにより、前記フローティングディフュージョンの電位変化を大きくする手段とを具備することを特徴とする累積型化学・物理現象検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、累積型化学・物理現象検出装置に関するものである。
【０００２】
ここで、物理・化学現象とは、濃度・温度・磁気・圧力・加速度・速度・音波・超音波・酸化還元電位・反応速度など様々な現象を指す。特に、本発明はＩＳＦＥＴ（イオン検出電界効果型トランジスタ）に代表されるＦＥＴ型と呼ばれているものの高感度化を目指したものである。
【０００３】
【従来の技術】
現在、化学または物理現象を検出する装置（センサ）では、電界効果トランジスタ型（ＦＥＴ型）と呼ばれるものが広く使われている。この方式による検出の原理は、トランジスタのゲート電極に、化学・物理現象に感応する装置をつなぎ、その化学・物理現象の変化を、トランジスタに流れる電流もしくはトランジスタの閾値の変化などで出力するものであった。
【０００４】
例えば、イオンセンシティブ電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）を例に挙げて説明する。ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のゲート電極に、イオン感応膜の役割をする薄膜（水素イオンであればシリコン窒化膜が一般的である）を堆積した構造を持つＩＳＦＥＴを、適当な防水を施した後に、イオン濃度を知りたい水溶液につける。
【０００５】
その水溶液中には、さらにその水溶液の電位を決めるための参照電極が配置されており、シリコン窒化膜を設けたゲート電極を介して、水素イオン濃度に見合った電位の変化がシリコン基板表面に現れる。水素イオン濃度が変化し、その電位が変化する。このシリコン表面の電位変化をトランジスタの電流の変化、もしくは閾値電圧の変化として外部に取り出すことにより水溶液のイオン濃度を知ることができる。
【０００６】
さらに、その他の例として、人体検出素子として一般的に用いられている焦電型赤外線検出素子を説明する。
【０００７】
図１０は従来の焦電型赤外センサの原理図であり、この図において、１０１は強誘電体素子、１０２は接合型ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）、１０３は赤外線、１０４は抵抗Ｒｓである。
【０００８】
この図に示すように、焦電型赤外線検出素子は強誘電体の自発分極値Ｐｓの温度勾配である焦電係数を利用している。すなわち、図１０（ａ）に示すように、自発分極値Ｐｓはキュリー温度Ｔｃまで次第に減少するが、特に、キュリー温度Ｔｃ近傍で大きな勾配で減少する。強誘電体素子１０１の温度変化によって自発分極値Ｐｓが減少し、その分電荷が余分もしくは過剰となる。この温度による電荷変動分を焦電係数と称するが、この電荷分を外部に信号として取り出すようにしたのが焦電型赤外線センサであり、広く用いられている。
【０００９】
従来は、図１０（ｂ）に示すように、その焦電体素子１０１はＪＦＥＴ１０２のゲート電極につながれており、焦電体素子１０１の両端に発生する電圧により、ＪＦＥＴ１０２に流れる電流を制御して、さらにソースフォロワ回路構成にすることにより、電圧として出力している。因みに、焦電体素子１０１両端に発生する電圧Ｖ０は、焦電体の電荷変動分をＱ０、焦電体の容量をＣ０とすると、Ｑ０／Ｃ０で表すことができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
これらのデバイスは、トランジスタのゲートに設けられているセンシング材料（ＩＳＦＥＴではシリコン窒化膜、焦電型赤外線検出素子では焦電体）に発生する電位変化をそのままゲート電極に電気的に接続して、トランジスタに電流を流し、その電流値などを測定している。
【００１１】
しかしながら、トランジスタのゲートに設けられているセンシング材料からの信号が微小な変化分のときは、トランジスタに流れる電流はほとんど変化せずに出力用のトランジスタの雑音などに埋もれてしまい、検出は不可能である。さらに、これらのデバイスは直流で駆動しているため、出力トランジスタの１／ｆ雑音が大きい領域で駆動することになるので、ますます微少信号の検出が難しくなる。
【００１２】
これらの問題を解決するためには、トランジスタのゲート電極に加える、センシング材料からの出力を大きくする必要がある。例えば、ＩＳＦＥＴにおいては、センシング材料であるシリコン窒化膜の膜質の改善等で出力の増加が試みられているが、Ｎｅｒｎｓｔらにより導かれた理論上の限界を超えることは不可能である。焦電型赤外線検出素子においては、センシング材料である焦電体に効率よく赤外線を取り込むために、金ブラックと呼ばれるような特殊な電極を設けているが、赤外線を１００％の効率で取り込んでしまえば、その効果も限界がある。
【００１３】
したがって、ＦＥＴ型のセンサにおいては、センシング材料からの出力以上はゲート電極に加えることはできず、高感度化には限界がある。
【００１４】
さらに、本願発明者の提案である特開平１０−３３２４２３号公報に開示される発明がある。
【００１５】
この先行技術は、物理的または化学的な量の大きさに対応して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸に電荷を注入して、前記物理的または化学的な量をこのポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換するようにしている。換言すれば、電荷を累積するために第２障壁層と電荷蓄積層が必要になる（これは拡散層ではなく電位の井戸層になっている）。これに基づいて、アレイデバイスを作るのに電荷転送手段としてＣＣＤデバイスを用いている。このＣＣＤデバイスの採用はアレイデバイスの作製上技術的に困難を伴うといった問題を有しており、ＭＯＳプロセスの導入が切望されている。
【００１６】
本発明は、上記状況に鑑みて、従来の検出装置の高感度化の限界を凌駕する、更なる高感度化を図ることができる累積型化学・物理現象検出装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕累積型化学・物理現象検出装置において、センシング領域からの電圧出力を、酸化膜を介して半導体表面のポテンシャルの変化として入力させる手段と、このポテンシャルの変化を電荷に変換させ、この電荷を、あらかじめリセットされているフローティングディフュージョン領域に、複数回電荷転送を行う手段と、前記フローティングディフュージョン領域の電位変化をＦＥＴのゲートに入力して、このＦＥＴの電流変化に変換する手段とを具備することを特徴とする。
【００１８】
〔２〕上記〔１〕記載の累積型化学・物理現象検出装置において、前記センシング領域の容量と前記フローティングディフュージョン領域の容量を変えて、前記フローティングディフュージョンの電位変化をコントロールする手段と、前記センシング領域の容量より前記フローティングディフュージョンの容量を小さくすることにより、前記フローティングディフュージョンの電位変化を大きくする手段とを具備することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。
【００２０】
図１〜図５は本発明の第１実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の原理を示す図であり、図１はその状態１、図２はその状態２、図３はその状態３、図４はその状態４、図５はその状態５をそれぞれ示している。また、図６は本発明の累積型化学・物理現象検出装置の構成図、図７はその検出装置の一例のペーハの変換機構を示す部分拡大模式図である。
【００２１】
図１〜図５において、１は電荷供給部、２は電荷注入調節部、３はセンシング部、４は障壁部、５はフローティングディフュージョン部（フローティングディフュージョン領域）、６はリセットゲート部、７はリセットドレイン部、８はすりきられた電荷である。
【００２２】
また、図６において、１１はｐ- 型半導体基板、１２，１３はｎ+ 型拡散層、１４はセンシング部分、１５，１６はゲート金属電極、１７はＪＦＥＴ、１８は抵抗Ｒｓである。
【００２３】
さらに、図７において、２１はｐ- 型半導体基板、２２はシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 膜）、２３は窒化シリコン膜（Ｓｉ3 Ｎ4 膜）、２４はサンプル（水溶液）、２５はＨ+ （Ｈイオン）、２６は参照電極である。
【００２４】
これらの図において、センシング部３はイオン信号が入るような構造となっており、一般的にはＭＯＳ構造の金属電極の代わりにＳｉ3 Ｎ4 膜２３がＳｉＯ2 膜２２上に堆積されており、その表面がイオン感応部として働く。さらに、水溶液２４中には参照電極２６が挿入され、水溶液２４の電位は一定に保たれている。電荷供給部１、障壁部４、リセットゲート部６にはパルス電圧が印加され、その他のフローティングディフュージョン部５以外の電極には直流電圧が印加されている。電荷供給部１、フローティングディフュージョン部５とリセットドレイン部７は拡散層で作られており、その他の部分はＭＯＳ構造となっている。
【００２５】
次に、その電圧値について説明する。
【００２６】
図６に示すように、通常ｐ- 型半導体基板１１を用いたＭＯＳ構造においては、ゲート金属電極に＋の電圧を加えることによって絶縁膜と半導体の界面からその電圧に応じて空乏層が広がる。この現象を用いて、図１〜図５に示すような半導体絶縁膜界面近傍での電位状態を作る。
【００２７】
（１）状態１では、図１に示すような電位に設定されており、センシング部３に電荷は注入されていない。センシング部３はイオン量により電位が変化して、電荷注入調節部２の電位差が変化する。
【００２８】
（２）状態２では、図２に示すように、電荷供給部１の電位を下げることによってセンシング部３に電荷を注入する。
【００２９】
（３）状態３では、図３に示すように、電荷供給部１の電位を上げることによって、すりきられた電荷８がセンシング部３に残る。つまり、センシング部３の電位の変化が電荷量に変換できたことになる。
【００３０】
（４）状態４では、図４に示すように、障壁部４の電位を上げることによって、センシング部３にあるすりきられた電荷８をフローティングディフュージョン部５に転送する。
【００３１】
（５）状態５では、図５に示すように、センシング部３にあったすりきられた電荷８がすべてフローティングディフュージョン部５に転送されてから、障壁部４を閉じる。
【００３２】
次に、再び状態２（図２）のように、電荷注入調節部２から電荷を注入してセンシング部３に電荷を蓄積し、状態３〜５（図３〜図５）を繰り返す。この転送回数を増やすことで、フローティングディフュージョン部５の電位の変化が大きくなる。つまり、センシング部３の電位変化をフローティングディフュージョン部５に蓄積して、この電位を別に設置したＭＯＳトランジスタのゲート部に入力し、そのトランジスタのドレイン電流を測定する（図６を参照）。
【００３３】
この構造で、フローティングディフュージョン部５の電位変化がＩＳＦＥＴのゲート電位変化に相当し、トランジスタがＩＳＦＥＴのトランジスタ部に相当する。
【００３４】
フローティングディフュージョン部５の電位を読み取った後、リセットゲート部６をオンし、リセットドレイン部７の電位にリセットする。
【００３５】
以上のように、電荷転送動作を複数回行うことでＦＥＴに入力されるセンシング出力を大きくすることはできるが、転送を行う時間分だけ時間的分解能は低下する。
【００３６】
この原型で製作した、センサの平面図を図８に示す。
【００３７】
図８において、３１は入力ダイオード、３２は入力ゲート、３３はセンシング部（１００μｍ×８０μｍ）、３４は出力ゲート、３５はフローティング拡散層、３６はリセット部、３７は出力ｎＭＯＳ、３８は出力端子である。
【００３８】
また、図９に、５回、転送動作を行ったときの信号出力を１回の時と比較して示す。
【００３９】
このような蓄積動作を行うことで、ｎ回の転送を行うと、センシング出力の信号対雑音比は√ｎ倍で上昇する。一般的に信号はｎ回転送されれば、信号量はｎ倍される。一方雑音は√ｎ倍されるため、信号対雑音比は、√ｎ倍上昇する。
【００４０】
上記したように、本発明は、ＩＳＦＥＴの検出部分にリセット及び出力ゲートを設け、センシング部のポテンシャル変化分の電荷を入力ダイオードより注入し、ＦＤＡ（浮動拡散増幅器）を用いて出力する構造とする。
【００４１】
そして、入力ダイオードからの電荷の注入を任意の回数行い、時間積分することにより、ＦＥＴのゲート入力もその分増幅されることになる。積分回数をｎ回とすれば、信号はｎ倍、ノイズは√ｎ倍になるため、Ｓ／Ｎ比は√ｎ倍向上する。
【００４２】
以上の構造をとることにより、出力増幅とＳ／Ｎ比の向上を図ることができ、化学・物理現象の検出装置が可能となる。
【００４３】
また、第２実施例として、第１実施例のイオンセンシング部に、赤外光センシング材料を設ける場合を挙げることができる。例えば、赤外光線センシング材料としては、ＰＺＴ薄板の両面に電極を設け、一方をセンシング部に配線などで電気的に接続し、片方を設置した構造である。
【００４４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４６】
（Ａ）累積型化学・物理現象検出装置（ＦＥＴ型センサ）の高感度化を図ることができる。
【００４７】
（Ｂ）入力ダイオードからの電荷の注入を任意の回数行い、時間積分することにより、ＦＥＴのゲート入力もその分増幅されることになる。積分回数をｎ回とすれば、信号はｎ倍、ノイズは√ｎ倍になるため、Ｓ／Ｎ比は√ｎ倍に向上させることができる。
【００４８】
以上の構造をとることにより、出力増幅とＳ／Ｎ比の向上を図ることができる、化学・物理現象の検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の第１の状態を示す図である。
【図２】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の第２の状態を示す図である。
【図３】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の第３の状態を示す図である。
【図４】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の第４の状態を示す図である。
【図５】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の第５の状態を示す図である。
【図６】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の構成図である。
【図７】本発明の累積型化学・物理現象検出装置の一例のペーハの変換機構を示す部分拡大模式図である。
【図８】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の平面図である。
【図９】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の５回の転送動作を行ったときの信号出力を１回の転送動作時と比較した図である。
【図１０】従来の焦電型赤外センサの原理図である。
【符号の説明】
１    電荷供給部
２    電荷注入調節部
３，３３    センシング部
４    障壁部
５    フローティングディフュージョン部（フローティングディフュージョン領域）
６    リセットゲート部
７    リセットドレイン部
８    すりきられた電荷
１１，２１    ｐ- 型半導体基板
１２，１３    ｎ+ 型拡散層
１４    センシング部分
１５，１６    ゲート金属電極
１７    ＪＦＥＴ
１８    抵抗Ｒｓ
２２    ＳｉＯ2 膜
２３    Ｓｉ3 Ｎ4 膜
２４    サンプル（水溶液）
２５    Ｈ+ （Ｈイオン）
２６    参照電極
３１    入力ダイオード
３２    入力ゲート
３４    出力ゲート
３５    フローティング拡散層
３６    リセット部
３７    出力ｎＭＯＳ
３８    出力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003623728.tif 000009
【図９】
0003623728.tif 000010
【図１０】
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