(57)【要約】【課題】反応電極部を構成する対極電極、基準電極、及び作用電極の形成に必要な面積を縮小することができ、さらに電気化学反応測定に必要な物質の量が少なくて済む電気化学反応測定素子を提供する。【解決手段】半導体基板１１上には作用電極ＷＥ１が形成されている。作用電極ＷＥ１上には第１層間絶縁膜１３Ａ、１３Ｂが形成され、第１層間絶縁膜１３Ａ、１３Ｂ上には第２層間絶縁膜１４Ａ、１４Ｂが形成されている。作用電極ＷＥ１上の第１層間絶縁膜、第２層間絶縁膜が除去され、作用電極ＷＥ１が露出した測定穴Ｘ１が形成されている。第１層間絶縁膜１３Ｂと第２層間絶縁膜１４Ｂとの間には、測定穴Ｘ１の側面に露出した対極電極ＣＥ１が形成されている。さらに、第２層間絶縁膜１４Ｂ上には、測定穴Ｘ１の側面に露出した基準電極ＲＥ１が形成されている。【選択図】      図１
2006046956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された第１の作用電極と、
前記第１の作用電極上に形成された第１の層間絶縁膜と、
前記第１の層間絶縁膜上に形成された第２の層間絶縁膜と、
前記第１の作用電極上の前記第１の層間絶縁膜、第２の層間絶縁膜が除去され、前記第１の作用電極が露出した測定穴と、
前記第１の層間絶縁膜と前記第２の層間絶縁膜との間に形成され、前記測定穴の側面に露出した対極電極と、
前記第２の層間絶縁膜上に形成され、前記測定穴の側面に露出した基準電極と、
を具備することを特徴とする電気化学反応測定素子。
【請求項２】
半導体基板上に形成された第１の作用電極と、
前記第１の作用電極の第１領域上に形成された第１の層間絶縁膜と、
前記第１の層間絶縁膜上に形成された第２の層間絶縁膜と、
前記第１の作用電極の前記第１領域から第２領域隔てた第３領域上に形成された第３の層間絶縁膜と、
前記第３の層間絶縁膜上に形成された対極電極と、
前記対極電極上に形成された第４の層間絶縁膜と、
前記第４の層間絶縁膜上に形成された基準電極と、
前記第１の作用電極の前記第２領域上に形成され、その底面に前記第１の作用電極を露出し、その側面に前記対極電極、及び前記基準電極を露出した測定穴と、
を具備することを特徴とする電気化学反応測定素子。
【請求項３】
前記測定穴の一方の側面上に形成され、前記第１の作用電極に接続された第２の作用電極をさらに具備し、
前記測定穴の一方の側面に対向する他方の側面には、前記対極電極、及び前記基準電極が露出していることを特徴とする請求項１に記載の電気化学反応測定素子。
【請求項４】
前記第１の作用電極の第２領域下の前記半導体基板には溝が形成されており、前記第１の作用電極は前記溝の内面上に沿って形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気化学反応測定素子。
【請求項５】
半導体基板上に形成された作用電極と、
前記作用電極上に形成された第１の層間絶縁膜と、
前記第１の層間絶縁膜上に形成された第２の層間絶縁膜と、
前記作用電極上の前記第１の層間絶縁膜、第２の層間絶縁膜が除去され、前記作用電極が露出した測定穴と、
前記第１の層間絶縁膜と前記第２の層間絶縁膜との間に形成され、前記測定穴の側面に露出した対極電極と、
前記第２の層間絶縁膜上に形成され、前記測定穴の側面に露出した基準電極と、
入力された信号に応じて対極電極の電位を制御する制御増幅部と、
前記作用電極によって検出された電流に応じて信号を出力する電流検出部と、
を具備することを特徴とする電気化学反応測定素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流を測定する半導体素子に関するものであり、例えば電気化学反応を測定する素子に使用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
測定対象溶液（以下、測定物質）中に微量に含まれる化学物質を検出するために、電気化学反応測定素子（微小電流測定素子）が用いられている。この電気化学反応測定素子は、測定物質中における電気化学反応により生じた電流を測定することで、測定物質中に含まれる化学物質を検出するものである。
【０００３】
以下に、従来の電気化学反応測定素子の構成とその問題点を述べる。従来の電気化学反応測定素子は、測定物質が載置されて、測定物質に電気化学反応を発生させる反応電極部と、測定物質に与える電圧を制御する制御増幅部と、電気化学反応により生じた電流を検出する電流検出部を備えている。反応電極部内には対極電極、基準電極、及び作用電極が配置されており、対極電極と基準電極に制御増幅部が接続され、作用電極に電流検出部が接続されている。これら対極電極、基準電極、及び作用電極は、ガラス基板などの基板上に平面的に配置されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この対極電極と基準電極と作用電極で構成された反応電極部に測定物質を配置する。次に、制御増幅部の入力電圧を変化させることにより、測定物質に電気化学反応を発生させる。この電気化学反応により生じた電流が電流検出部により測定され、測定物質に含まれる化学物質が検出される。
【０００５】
しかしながら、従来の電気化学反応測定素子では、反応電極部を構成する対極電極、基準電極、及び作用電極が平面的に配置されているため、測定に必要な物質の量が多くなってしまう。また、これら対極電極、基準電極、及び作用電極をレイアウトするのに必要な面積が大きくなるため、微細化に不利である。
【特許文献１】特開２０００−９７８９９号公報（図１ｂ、図２ｉ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、反応電極部を構成する対極電極、基準電極、及び作用電極の形成に必要な面積を縮小することができ、さらに電気化学反応測定に必要な物質の量が少なくて済む電気化学反応測定素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、この発明の一実施形態の電気化学反応測定素子は、半導体基板上に形成された第１の作用電極と、前記第１の作用電極上に形成された第１の層間絶縁膜と、前記第１の層間絶縁膜上に形成された第２の層間絶縁膜と、前記第１の作用電極上の前記第１の層間絶縁膜、第２の層間絶縁膜が除去され、前記第１の作用電極が露出した測定穴と、前記第１の層間絶縁膜と前記第２の層間絶縁膜との間に形成され、前記測定穴の側面に露出した対極電極と、前記第２の層間絶縁膜上に形成され、前記測定穴の側面に露出した基準電極とを具備することを特徴とする。
【０００８】
また、この発明の他の実施形態の電気化学反応測定素子は、半導体基板上に形成された作用電極と、前記作用電極上に形成された第１の層間絶縁膜と、前記第１の層間絶縁膜上に形成された第２の層間絶縁膜と、前記作用電極上の前記第１の層間絶縁膜、第２の層間絶縁膜が除去され、前記作用電極が露出した測定穴と、前記第１の層間絶縁膜と前記第２の層間絶縁膜との間に形成され、前記測定穴の側面に露出した対極電極と、前記第２の層間絶縁膜上に形成され、前記測定穴の側面に露出した基準電極と、入力された信号に応じて対極電極の電位を制御する制御増幅部と、前記作用電極によって検出された電流に応じて信号を出力する電流検出部とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、反応電極部を構成する対極電極、基準電極、及び作用電極の形成に必要な面積を縮小することができ、さらに電気化学反応測定に必要な物質の量が少なくて済む電気化学反応測定素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１１】
［第１の実施形態］
まず、この発明の第１の実施形態の電気化学反応測定素子（ポテンショスタットを含む）について説明する。
【００１２】
図１は、第１の実施形態の電気化学反応測定素子の構成を示す平面図及び回路図である。この電気化学反応測定素子は、反応電極部１、制御増幅部２、及び電流検出部３から構成されている。図１に示す反応電極部１は平面図を表しており、その他は回路図を表している。
【００１３】
反応電極部１は、測定物質が配置される場所であり、対極電極ＣＥ１、基準電極ＲＥ１、及び作用電極ＷＥ１を含んでいる。半導体基板上に作用電極ＷＥ１が配置され、この作用電極ＷＥ１の上方に重なるように、対極電極ＣＥ１と基準電極ＲＥ１が配置されている。
【００１４】
制御増幅部２は、オペアンプＯＡ１、ＯＡ２、及び抵抗ＲＣ、ＲＲから構成されている。入力端子ＴＩＮは、抵抗ＲＣを介してオペアンプＯＡ１の負(−)入力端に接続されている。オペアンプＯＡ１の正(＋)入力端には共通電位ＣＯＭが供給されている。このオペアンプＯＡ１の出力端は対極電極ＣＥ１に接続されている。また、基準電極ＲＥ１は、オペアンプＯＡ２の正入力端に接続されている。オペアンプＯＡ２の出力端は、このオペアンプＯＡ２の負入力端にフィードバックされると共に、抵抗ＲＲを介して抵抗ＲＣとオペアンプＯＡ１の負入力端との間のノードに接続されている。制御増幅部２では、入力電圧ＯＡＩＮ１を変化させると、この入力電圧ＯＡＩＮ１の変化に応じて対極電極ＣＥ１の電位が変化する。これにより、測定物質に電気化学反応が発生する。
【００１５】
電流検出部３は、オペアンプＯＡ３、及び抵抗ＲＷから構成されている。作用電極ＷＥ１はオペアンプＯＡ３の負入力端に接続されると共に、抵抗ＲＷを介して出力端子ＴＯＵＴに接続されている。オペアンプＯＡ３の正入力端には共通電位ＣＯＭが供給され、オペアンプＯＡ３の出力部は出力端子ＴＯＵＴに接続されている。この電流検出部３では、測定物質に発生した電気化学反応に応じた電流が検出され、その電流量に応じて電流電圧変換された出力電圧ＯＵＴ１が出力される。
【００１６】
図２は、図１に示した反応電極部１におけるＡ１−Ａ２線に沿った断面図である。反応電極部１は、シリコン半導体基板などの基板１１上に形成されており、測定物質Ｍ１が配置される測定穴Ｘ１を有している。この測定穴Ｘ１では、挿入された測定物質Ｍ１が作用電極ＷＥ１、対極電極ＣＥ１、及び基準電極ＲＥ１に接触するように、これらの電極がその底面または側面に露出している。
【００１７】
図２に示すように、半導体基板１１上には、シリコン酸化膜、またはシリコン窒化膜、ＯＮＯ膜などの絶縁膜１２が形成されている。ＯＮＯ膜は、酸化膜、窒化膜、酸化膜の順序で積層された膜である。絶縁膜１２上には、作用電極ＷＥ１が形成されている。この作用電極ＷＥ１の第１領域上及び絶縁膜１２上には、第１層間絶縁膜１３Ａ、第２層間絶縁膜１４Ａ、及びトップパッシベーション膜１５Ａがこの順序で形成されている。
【００１８】
作用電極ＷＥ１の第１領域から第２領域隔てた第３領域上、及び絶縁膜１２上には、第１層間絶縁膜１３Ｂが形成されている。この第１層間絶縁膜１３Ｂ上には、対極電極ＣＥ１が形成されている。対極電極ＣＥ１上には第２層間絶縁膜１４Ｂが形成され、この第２層間絶縁膜１４Ｂ上には基準電極ＲＥ１が形成されている。さらに、基準電極ＲＥ１上及び第２層間絶縁膜１４Ｂ上には、トップパッシベーション膜１５Ｂが形成されている。
【００１９】
作用電極ＷＥ１の第２領域上には、例えば幅２０μｍ程度の測定穴Ｘ１が形成されている。測定穴Ｘ１の底面には作用電極ＷＥ１が露出している。測定穴Ｘ１の一方の側面は、第１層間絶縁膜１３Ａ、第２層間絶縁膜１４Ａ、及びトップパッシベーション膜１５Ａから構成されている。測定穴Ｘ１の一方の側面に対向する他方の側面は、第１層間絶縁膜１３Ｂ、対極電極ＣＥ１、第２層間絶縁膜１４Ｂ、基準電極ＲＥ１、及びトップパッシベーション膜１５Ｂから構成されている。対極電極ＣＥ１は第１層間絶縁膜１３Ｂと第２層間絶縁膜１４Ｂとの間に形成されており、基準電極ＲＥ１は第２層間絶縁膜１４Ｂとトップパッシベーション膜１５Ｂとの間に形成されている。
【００２０】
また、図２に示した構造は、言い換えると以下のように表現することも可能である。
【００２１】
半導体基板１１上には、シリコン酸化膜、またはシリコン窒化膜、ＯＮＯ膜などの絶縁膜１２が形成されている。絶縁膜１２上には、作用電極ＷＥ１が形成されている。この作用電極ＷＥ１上及び絶縁膜１２上には、第１層間絶縁膜１３Ａ、１３Ｂ、第２層間絶縁膜１４Ａ、１４Ｂ、トップパッシベーション膜１５Ａ、１５Ｂが作用電極ＷＥ１側からこの順序で形成されている。
【００２２】
作用電極ＷＥ１上の第１層間絶縁膜１３Ａ、１３Ｂ、第２層間絶縁膜１４Ａ、１４Ｂ、及びトップパッシベーション膜１５Ａ、１５Ｂが除去されて、例えば幅２０μｍ程度の測定穴Ｘ１が形成されている。測定穴Ｘ１の底面には作用電極ＷＥ１が露出している。測定穴Ｘ１の一方の側面は、第１層間絶縁膜１３Ａ、第２層間絶縁膜１４Ａ、及びトップパッシベーション膜１５Ａから構成されている。測定穴Ｘ１の一方の側面に対向する他方の側面は、第１層間絶縁膜１３Ｂ、対極電極ＣＥ１、第２層間絶縁膜１４Ｂ、基準電極ＲＥ１、及びトップパッシベーション膜１５Ｂから構成されている。対極電極ＣＥ１は第１層間絶縁膜１３Ｂと第２層間絶縁膜１４Ｂとの間に形成されており、基準電極ＲＥ１は第２層間絶縁膜１４Ｂとトップパッシベーション膜１５Ｂとの間に形成されている。
【００２３】
図２に示すように、測定穴Ｘ１に挿入された測定物質Ｍ１が作用電極ＷＥ１、対極電極ＣＥ１、及び基準電極ＲＥ１に接触するように、これら作用電極ＷＥ１、対極電極ＣＥ１、及び基準電極ＲＥ１が測定穴Ｘ１の底面または側面に配置されている。
【００２４】
図１及び図２に示した電気化学反応測定素子では、以下のような動作により測定物質の電気化学反応に応じた電流を測定する。
【００２５】
まず、測定物質Ｍ１を作用電極ＷＥ１上に形成された測定穴Ｘ１に挿入する。次に、入力電圧ＯＡＩＮ１を変化させることにより、制御増幅部２によって対極電極ＣＥ１の電圧を変化させ、測定物質Ｍ１に電気化学反応を発生させる。そして、この電気化学反応に応じて生じた電流を作用電極ＷＥ１により検出する。作用電極ＷＥ１により検出された電流は、電流検出部３内の抵抗ＲＷとオペアンプＯＡ３に流れ、出力端子ＴＯＵＴにはその電流量に応じて電流電圧変換された出力電圧ＯＵＴ１が出力される。
【００２６】
前記構成を有する電気化学反応測定素子では、反応電極部１を構成する作用電極ＷＥ１、対極電極ＣＥ１、及び基準電極ＲＥ１が半導体基板１１の表面に対して垂直方向に配置されている。言い換えると、これら電極が半導体基板１１上に縦方向に配置されている。さらに、測定穴Ｘ１がその内面に作用電極ＷＥ１、対極電極ＣＥ１、及び基準電極ＲＥ１を露出するように形成されている。このような構成により、測定物質Ｍ１は例えば幅２０μｍの測定穴Ｘ１に配置されるだけでよいため、測定に必要な測定物質Ｍ１の量を少なくすることができる。さらに、反応電極部をガラス基板の表面に対して平面的に配置する場合よりも、これら電極をレイアウトするのに必要な面積を縮小できるため、反応電極部の微細化が可能である。
【００２７】
また、基板上の平面に測定物質を載置する場合に比べて、この実施形態では測定穴Ｘ１内に測定物質Ｍ１を挿入するため、測定物質Ｍ１を挿入した後に何らかの物理的衝撃が反応電極部に加わっても、測定物質Ｍ１の位置が変動しにくく、測定物質Ｍ１がこぼれるなどの事故の発生を防止できる。
【００２８】
［第２の実施形態］
次に、この発明の第２の実施形態の電気化学反応測定素子について説明する。前記第１の実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付す。この第２の実施形態では、測定穴の一方の側面上に作用電極が形成されている。その他の構造は、前記第１の実施形態と同様である。
【００２９】
図３は、第２の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。この図３は、図１中のＡ１−Ａ２線に沿った断面に相当する。
【００３０】
作用電極ＷＥ１の第１領域上及び絶縁膜１２上には、第１層間絶縁膜１３Ａ、第２層間絶縁膜１４Ａ、及びトップパッシベーション膜１５Ａがこの順序で形成されている。
【００３１】
作用電極ＷＥ１の第１領域から第２領域隔てた第３領域上、及び絶縁膜１２上には、第１層間絶縁膜１３Ｂが形成されている。この第１層間絶縁膜１３Ｂ上には、対極電極ＣＥ１が形成されている。対極電極ＣＥ１上には第２層間絶縁膜１４Ｂが形成され、この第２層間絶縁膜１４Ｂ上には基準電極ＲＥ１が形成されている。さらに、基準電極ＲＥ１上及び第２層間絶縁膜１４Ｂ上には、トップパッシベーション膜１５Ｂが形成されている。
【００３２】
作用電極ＷＥ１の第２領域上には、測定穴Ｘ２が形成されている。測定穴Ｘ２の底面には作用電極ＷＥ１が露出し、測定穴Ｘ２の一方の側面上及び第２層間絶縁膜１４Ａとトップパッシベーション膜１５Ａ間には作用電極ＷＥ１Ａが形成されている。作用電極ＷＥ１Ａは、作用電極ＷＥ１に接触し、電気的に接続されている。測定穴Ｘ２の他方の側面には、対極電極ＣＥ１、基準電極ＲＥ１が露出している。
【００３３】
前記構成を有する電気化学反応測定素子では、測定穴Ｘ２の側面上に作用電極ＷＥ１Ａが形成されており、第１の実施形態と比べて、測定穴Ｘ２の内面に露出した作用電極の表面積が大きくなる。これにより、測定穴Ｘ２に挿入される測定物質Ｍ１に接触する作用電極ＷＥ１、ＷＥ１Ａの表面積が大きくなるため、測定物質Ｍ１の電気化学反応時に作用電極ＷＥ１、ＷＥ１Ａにより検出される電流が大きくなる。この結果、第１の実施形態よりも、測定物質Ｍ１の電気化学反応に応じた電流を感度良く測定することができる。
【００３４】
以上説明したようにこの第２の実施形態によれば、反応電極部を構成する作用電極、対極電極、及び基準電極のレイアウトの微細化を妨げることなく、測定物質が接触する作用電極の表面積を大きくすることができる。これにより、第１の実施形態よりも測定物質の電気化学反応時に作用電極によって検出される電流を増大でき、感度の良い測定が可能になる。
【００３５】
［第３の実施形態］
次に、この発明の第３の実施形態の電気化学反応測定素子について説明する。前記第１の実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付す。前記第１の実施形態では対極電極ＣＥ１上の第２層間絶縁膜１４Ｂ上に基準電極ＲＥ１を配置していたが、この第３の実施形態では、対極電極ＣＥ１から測定穴を隔てた第２層間絶縁膜１４Ａ上に基準電極ＲＥ１を配置している。その他の構造は、前記第１の実施形態と同様である。
【００３６】
図４は、第３の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。この図４は、図１中のＡ１−Ａ２線に沿った断面に相当する。第１層間絶縁膜１３Ｂ上には対極電極ＣＥ１が形成され、この対極電極ＣＥ１から測定穴Ｘ３を隔てた第２層間絶縁膜１４Ａ上には基準電極ＲＥ１が形成されている。
【００３７】
以下に、第３の実施形態の電気化学反応測定素子の断面構造を詳述する。作用電極ＷＥ１の第１領域上及び絶縁膜１２上には、第１層間絶縁膜１３Ａが形成されている。この第１層間絶縁膜１３Ａ上には第２層間絶縁膜１４Ａが形成され、この第２層間絶縁膜１４Ａ上には基準電極ＲＥ１が形成されている。さらに、基準電極ＲＥ１上及び第２層間絶縁膜１４Ａ上には、トップパッシベーション膜１５Ａが形成されている。
【００３８】
作用電極ＷＥ１の第１領域から第２領域隔てた第３領域上、及び絶縁膜１２上には、第１層間絶縁膜１３Ｂが形成されている。第１層間絶縁膜１３Ｂ上には、対極電極ＣＥ１が形成され、この対極電極ＣＥ１上には第２層間絶縁膜１４Ｂが形成されている。さらに、第２層間絶縁膜１４Ｂ上には、トップパッシベーション膜１５Ｂが形成されている。
【００３９】
前記構成を有する電気化学反応測定素子では、作用電極ＷＥ１の上方に重なるように対極電極ＣＥ１が配置され、基準電極ＲＥ１は対極電極ＣＥ１に重ならないように配置されている。これにより、前記第１の実施形態では基準電極ＲＥ１と対極電極ＣＥ１との間に層間容量が発生していたが、この第３の実施形態では基準電極ＲＥ１と対極電極ＣＥ１との間に層間容量が発生しないため、測定物質Ｍ１に電気化学反応が発生したときに得られる電流値の計算が容易になる。
【００４０】
［第４の実施形態］
次に、この発明の第４の実施形態の電気化学反応測定素子について説明する。前記第１の実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付す。前記第１の実施形態では対極電極ＣＥ１上の第２層間絶縁膜１４Ｂ上に基準電極ＲＥ１を配置していたが、この第４の実施形態では、対極電極ＣＥ１から測定穴を隔てた第１層間絶縁膜１３Ａ上に基準電極ＲＥ１を配置している。さらに、第２層間絶縁膜１４Ａ、１４Ｂを削除している。その他の構造は、前記第１の実施形態と同様である。
【００４１】
図５は、第４の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。この図５は、図１中のＡ１−Ａ２線に沿った断面に相当する。第１層間絶縁膜１３Ｂ上には対極電極ＣＥ１が形成され、この対極電極ＣＥ１から測定穴Ｘ４隔てた第１層間絶縁膜１３Ａ上には基準電極ＲＥ１が形成されている。
【００４２】
以下に、第４の実施形態の電気化学反応測定素子の断面構造を詳述する。作用電極ＷＥ１の第１領域上及び絶縁膜１２上には、第１層間絶縁膜１３Ａが形成されている。この第１層間絶縁膜１３Ａ上には、基準電極ＲＥ１が形成されている。さらに、基準電極ＲＥ１上及び第１層間絶縁膜１３Ａ上には、トップパッシベーション膜１５Ａが形成されている。
【００４３】
作用電極ＷＥ１の第１領域から第２領域隔てた第３領域上、及び絶縁膜１２上には、第１層間絶縁膜１３Ｂが形成されている。第１層間絶縁膜１３Ｂ上には、対極電極ＣＥ１が形成されている。さらに、対極電極ＣＥ１上には、トップパッシベーション膜１５Ｂが形成されている。
【００４４】
前記構成を有する電気化学反応測定素子では、作用電極ＷＥ１の上方に対極電極ＣＥ１が配置され、基準電極ＲＥ１は対極電極ＣＥ１に重ならないように配置されている。これにより、前記第１の実施形態では基準電極ＲＥ１と対極電極ＣＥ１との間に層間容量が発生していたが、この第４の実施形態では基準電極ＲＥ１と対極電極ＣＥ１との間に層間容量が発生しないため、測定物質Ｍ１に電気化学反応が発生したときに得られる電流値の計算が容易になる。さらに、前記第１〜第３の実施形態と比べて、第２層間絶縁膜１４Ａ、１４Ｂが形成されないため、製造工程を簡素化できる。
【００４５】
［第５の実施形態］
次に、この発明の第５の実施形態の電気化学反応測定素子について説明する。前記第３の実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付す。前記第３の実施形態では半導体基板１１の平面上に絶縁膜１２及び作用電極ＷＥ１を配置していたが、この第５の実施形態では、半導体基板１１に形成された溝上に、絶縁膜１２及び作用電極ＷＥ１を配置している。その他の構造は、前記第３の実施形態と同様である。
【００４６】
図６は、第５の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。この図６は、図１中のＡ１−Ａ２線に沿った断面に相当する。半導体基板１１には溝１１Ａが形成されている。半導体基板１１の溝１１Ａ上及び平面上には、絶縁膜１２が形成され、この絶縁膜１２上には作用電極ＷＥ１が形成されている。この作用電極ＷＥ１は、半導体基板１１の溝１１Ａ上に沿うように配置されている。測定穴Ｘ５の底面には、溝１１Ａ上に沿った作用電極ＷＥ１が露出している。
【００４７】
前記構成を有する電気化学反応測定素子では、作用電極ＷＥ１が溝形状を有しているため、測定物質Ｍ１と接触する作用電極ＷＥ１の表面積が大きくなり、レイアウトの微細化を妨げることなく、測定物質Ｍ１の電気化学反応時に作用電極ＷＥ１によって検出される電流を前記第３の実施形態よりも増大でき、感度が良い測定が可能になる。
【００４８】
さらに、作用電極ＷＥ１の上方に重なるように対極電極ＣＥ１が配置され、基準電極ＲＥ１は対極電極ＣＥ１に重ならないように配置されている。これにより、前記第１の実施形態では基準電極ＲＥ１と対極電極ＣＥ１との間に層間容量が発生していたが、この第５の実施形態では基準電極ＲＥ１と対極電極ＣＥ１との間に層間容量が発生しないため、測定物質Ｍ１に電気化学反応が発生したときに得られる電流値の計算が容易になる。
【００４９】
［第６の実施形態］
次に、この発明の第６の実施形態の電気化学反応測定素子について説明する。前記第４の実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付す。前記第４の実施形態では半導体基板１１の平面上に絶縁膜１２及び作用電極ＷＥ１を配置していたが、この第６の実施形態では、半導体基板１１に形成された溝上に、絶縁膜１２及び作用電極ＷＥ１を配置している。その他の構造は、前記第４の実施形態と同様である。
【００５０】
図７は、第６の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。この図７は、図１中のＡ１−Ａ２線に沿った断面に相当する。半導体基板１１には溝１１Ａが形成されている。半導体基板１１の溝１１Ａ上及び平面上には、絶縁膜１２が形成され、この絶縁膜１２上には作用電極ＷＥ１が形成されている。この作用電極ＷＥ１は、半導体基板１１の溝１１Ａ上に沿うように配置されている。測定穴Ｘ６の底面には、溝１１Ａ上に沿った作用電極ＷＥ１が露出している。
【００５１】
前記構成を有する電気化学反応測定素子では、作用電極ＷＥ１が溝形状を有しているため、測定物質Ｍ１と接触する作用電極ＷＥ１の表面積が大きくなり、レイアウトの微細化を妨げることなく、測定物質Ｍ１の電気化学反応時に作用電極ＷＥ１によって検出される電流を前記第４の実施形態よりも増大でき、感度が良い測定が可能になる。
【００５２】
さらに、作用電極ＷＥ１の上方に対極電極ＣＥ１が配置され、基準電極ＲＥ１は対極電極ＣＥ１に重ならないように配置されている。これにより、前記第１の実施形態では基準電極ＲＥ１と対極電極ＣＥ１との間に層間容量が発生していたが、この第６の実施形態では基準電極ＲＥ１と対極電極ＣＥ１との間に層間容量が発生しないため、測定物質Ｍ１に電気化学反応が発生したときに得られる電流値の計算が容易になる。
【００５３】
［第７の実施形態］
次に、この発明の第７の実施形態の電気化学反応測定素子について説明する。前記実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付す。前記第１〜第６の実施形態では作用電極ＷＥ１、対極電極ＣＥ１、及び基準電極ＲＥ１が半導体基板１１の表面に対して垂直方向に配置されていたが、この第７の実施形態では、半導体基板１１の表面に対して平行な方向に作用電極、対極電極、及び基準電極が配置される。
【００５４】
図８は、第７の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。半導体基板１１には溝１１Ｂが形成されている。半導体基板１１の溝１１Ｂ上及び平面上には、絶縁膜１２が形成されている。溝１１Ｂの底面上の絶縁膜１２上には、基準電極ＲＥ２、作用電極ＷＥ２、及び対極電極ＣＥ２が離隔して形成されている。さらに、溝１１Ｂを取り囲むように隣接する半導体基板１１上には、絶縁膜１２を介してトップパッシベーション膜１５Ａ、１５Ｂが形成されている。図８に示すように、溝１１Ｂ内の作用電極ＷＥ２、対極電極ＣＥ２、及び基準電極ＲＥ２上には測定物質Ｍ２が載置される。
【００５５】
前記構成を有する電気化学反応測定素子では、半導体基板１１に形成された溝１１Ｂ内に測定物質Ｍ２が載置されるため、測定物質Ｍ２を載置した後に何らかの物理的衝撃が反応電極部に加わっても、測定物質Ｍ２の位置が変動しにくく、溝１１Ｂから測定物質Ｍ２がこぼれるなどの不具合の発生を防止できる。
【００５６】
［第８の実施形態］
次に、この発明の第８の実施形態の電気化学反応測定素子について説明する。前記第７の実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付す。前記第７の実施形態では作用電極ＷＥ２、対極電極ＣＥ２、及び基準電極ＲＥ２が溝１１Ｂの底面上に形成されていたが、この第８の実施形態では、溝１１Ｂの側面上、及び溝を取り囲む半導体基板の上面上に、絶縁膜１２を介して作用電極ＷＥ２、対極電極ＣＥ２、及び基準電極ＲＥ２が形成されている。
【００５７】
図９は、第８の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。半導体基板１１に形成された溝１１Ｂの一方の側面上及びこの側面に隣接する半導体基板１１の上面上には、絶縁膜１２を介して基準電極ＲＥ２が形成されている。さらに、溝１１Ｂの他方の側面上及びこの側面に隣接する半導体基板１１の上面上には、絶縁膜１２を介して対極電極ＣＥ２が形成されている。その他の構造は、前記第７の実施形態と同様である。
【００５８】
前記構成を有する電気化学反応測定素子では、半導体基板１１に形成された溝１１Ｂ内に測定物質Ｍ２が載置されるため、測定物質Ｍ２を載置した後に何らかの物理的衝撃が反応電極部に加わっても、測定物質Ｍ２の位置が変動しにくく、溝１１Ｂから測定物質Ｍ２がこぼれるなどの不具合の発生を防止できる。
【００５９】
さらに、測定物質Ｍ２と接触する対極電極ＣＥ２及び基準電極ＲＥ２の表面積が大きくなるため、第７の実施形態よりも測定物質Ｍ２の電気化学反応によって生じる電流が増大する。これにより、作用電極ＷＥ２によって検出される電流を増大でき、感度が良い測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】この発明の第１の実施形態の電気化学反応測定素子の構成を示す平面図及び回路図である。
【図２】前記第１の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部のＡ１−Ａ２線に沿った断面図である。
【図３】この発明の第２の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。
【図４】この発明の第３の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。
【図５】この発明の第４の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。
【図６】この発明の第５の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。
【図７】この発明の第６の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。
【図８】この発明の第７の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。
【図９】この発明の第８の実施形態の電気化学反応測定素子における反応電極部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１…反応電極部、２…制御増幅部、３…電流検出部、１１…基板、１１Ａ、１１Ｂ…溝、１２…絶縁膜、１３Ａ、１３Ｂ…第１層間絶縁膜、１４Ａ、１４Ｂ…第２層間絶縁膜、１５Ａ、１５Ｂ…トップパッシベーション膜、ＷＥ１、ＷＥ１Ａ、ＷＥ２…作用電極、ＣＥ１、ＣＥ２…対極電極、ＲＥ１、ＲＥ２…基準電極、Ｍ１、Ｍ２…測定対象溶液（測定物質）、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、Ｘ５、Ｘ６…測定穴。
【図１】
2006046956.tif 000003
【図２】
2006046956.tif 000004
【図３】
2006046956.tif 000005
【図４】
2006046956.tif 000006
【図５】
2006046956.tif 000007
【図６】
2006046956.tif 000008
【図７】
2006046956.tif 000009
【図８】
2006046956.tif 000010
【図９】
2006046956.tif 000011