(57)【要約】【課題】半導体センサの検出感度を向上させる。【解決手段】感応膜４は、シリコン基板２上に成膜され、検出対象が付着するセンシング領域６が形成されている。Ｐ+拡散層（Ｐポケット）７は、シリコン基板２内における感応膜４のセンシング領域６の下方に形成されている。Ｎ+拡散層８は、センシング領域６と対向する接合面５０を有するＰ／Ｎ接合を、Ｐポケット７との間で形成する。Ｐ+拡散層９は、Ｎ+拡散層８とともにソース／ドレインを形成する。直流電源１１は、Ｐポケット７とＮ+拡散層８との間に逆バイアス電圧を印加する。直流電源１５は、センシング領域６への検出対象の付着量に応じたドレイン電流を流すために、Ｎ+拡散層８とＰ+拡散層９との間に電圧を印加する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に成膜され、検出対象が付着するセンシング領域が形成された感応膜と、
前記半導体基板内における前記センシング領域の下方に形成された第１の不純物拡散層と、
前記センシング領域と対向する接合面を有するＰ／Ｎ接合を、前記第１の不純物拡散層との間で形成する第２の不純物拡散層と、
前記第２の不純物拡散層とともにソース／ドレインを形成する第３の不純物拡散層と、
前記第２の不純物拡散層と前記第１の不純物拡散層との間に逆バイアス電圧を印加する第１の電圧印加手段と、
前記センシング領域への前記検出対象の付着量に応じたドレイン電流を流すために、前記第２の不純物拡散層と前記第３の不純物拡散層との間に、電圧を印加する第２の電圧印加手段と、
を備える半導体センサ。
【請求項２】
前記感応膜は、
溶液中の水素イオンを付着させるイオン感応膜である、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
【請求項３】
前記感応膜では、
前記検出対象となる抗原を付着させる抗体が、前記センシング領域に固定されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
【請求項４】
前記半導体基板が、Ｐ型であり、
前記第１、第３の不純物拡散層が、Ｐ型であり、
前記第２の不純物拡散層が、Ｎ型である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体センサ。
【請求項５】
前記半導体基板が、Ｎ型であり、
前記第１、第３の不純物拡散層が、Ｎ型であり、
前記第２の不純物拡散層が、Ｐ型である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体センサの製造方法であって、
半導体基板内の所定の領域に、ソースとしての不純物拡散層を形成する第１の工程と、
前記不純物拡散層が形成された領域内に、前記不純物拡散層の深さよりも浅い深さで、前記不純物拡散層との間でＰ／Ｎ接合を形成する不純物拡散層を形成する第２の工程と、
前記第２の工程により形成された不純物拡散層の上に、検出対象を付着させるセンシング領域が形成された感応膜を成膜する第３の工程と、
を含む製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センシング領域に付着する検出対象を検出する半導体センサ及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路等で広く用いられているＭＯＳＦＥＴ等のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）は、溶液中のイオン濃度を検出する電荷センサに応用することができる。ＦＥＴのゲート絶縁膜（以下、ゲートと略称する）をセンシング領域として溶液にさらすと、ゲートに溶液中のイオンが付着する。このイオンの付着量により、ソースとドレインとの間のチャネルの状態が変化し、チャネル内を流れる電流の流れやすさが変わる。ゲートへのイオンの付着量は溶液中のイオン濃度に比例するので、チャネル内を流れる電流を測定すれば、溶液中のイオン濃度を測定することができる。
【０００３】
電荷センサとして用いられるＦＥＴを、ＩＳＦＥＴ（イオン感応性電界効果トランジスタ）ともいう（例えば、特許文献１乃至４参照）。ＩＳＦＥＴは、上述のイオンセンシングの他、近年ではバイオセンシング等にも応用されている。
【０００４】
一方、動作原理が通常のＦＥＴとは異なるトランジスタが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。このトランジスタの構造上の主な特徴に、縦積みＰ／Ｎ接合がソースに設けられていることがある。縦積みＰ／Ｎ接合は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが、縦方向に積層されたＰ／Ｎ接合である。縦積みＰ／Ｎ接合は、ゲートの直下に形成され、その接合面は、ゲートに対向している。
【０００５】
このトランジスタでは、ゲート側の電位が変わると、縦積みＰ／Ｎ接合のバンドを大きく曲げることで価電子帯と伝導帯との間の距離が短くなる。このため、トンネル効果により、バンド間トンネリング電流が流れる。トンネル効果を利用するこのトランジスタの動作原理は、ゲート下に形成されるチャネル内を流れる横方向電流を制御する通常のＦＥＴとは、全く異なるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２４９８２４号公報
【特許文献２】特開２０００−１８７０１８号公報
【特許文献３】特開２００２−１５６３５７号公報
【特許文献４】特表２００８−５４２７３３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Chenming Hu, Daniel Chou, Pratik Patel, Anupama Bowonder, "Green Transistor-A VDD Scaling Path for Future Low Power ICs", VLSI-TSA2008, P.14
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＩＳＦＥＴでは、検出対象の物質をゲートに付着させてはじめて出力に変化を生ずる。係る点からすると、ゲートの面積を広げ、付着する電荷量を増大させれば、ＩＳＦＥＴの検出感度は、向上するはずである。
【０００９】
しかしながら、この考えは必ずしも正しくない。ＩＳＦＥＴの電流は、ゲート幅（ドレイン電流が流れる方向と垂直な方向の大きさ）には比例するが、ゲート長（電流が流れる方向と平行な方向の大きさ）には反比例する。このため、単純にセンシング領域の面積を広げても（すなわちゲート幅及びゲート長を両方大きくしても）、その面積の拡大により付着する電荷量の増分を、ゲート長の増大による電流減少が相殺してしまうので、検出感度は向上しない。
【００１０】
高度な製造技術を用いて、ゲート長のみを縮小しつつゲート幅を増大させれば、この問題を軽減することはできるが、製造時の歩留まりの低下やコスト高騰など、製造上の新たな問題を抱えることになる。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、検出感度を向上させることができる半導体センサ及び製造方法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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る半導体センサは、
半導体基板上に成膜され、検出対象が付着するセンシング領域が形成された感応膜と、
前記半導体基板内における前記センシング領域の下方に形成された第１の不純物拡散層と、
前記センシング領域と対向する接合面を有するＰ／Ｎ接合を、前記第１の不純物拡散層との間で形成する第２の不純物拡散層と、
前記第２の不純物拡散層とともにソース／ドレインを形成する第３の不純物拡散層と、
前記第２の不純物拡散層と前記第１の不純物拡散層との間に逆バイアス電圧を印加する第１の電圧印加手段と、
前記センシング領域への前記検出対象の付着量に応じたドレイン電流を流すために、前記第２の不純物拡散層と前記第３の不純物拡散層との間に、電圧を印加する第２の電圧印加手段と、
を備える。
【００１３】
この場合、前記感応膜は、
溶液中の水素イオンを付着させるイオン感応膜である、
こととしてもよい。
【００１４】
また、前記感応膜では、
前記検出対象となる抗原を付着させる抗体が、前記センシング領域に固定されている、
こととしてもよい。
【００１５】
また、前記半導体基板が、Ｐ型であり、
前記第１、第３の不純物拡散層が、Ｐ型であり、
前記第２の不純物拡散層が、Ｎ型である、
こととしてもよい。
【００１６】
前記半導体基板が、Ｎ型であり、
前記第１、第３の不純物拡散層が、Ｎ型であり、
前記第２の不純物拡散層が、Ｐ型である、
こととしてもよい。
【００１７】
本発明の第２の観点に係る製造方法は、
本発明の半導体センサの製造方法であって、
半導体基板内の所定の領域に、ソースとしての不純物拡散層を形成する第１の工程と、
前記不純物拡散層が形成された領域内に、前記不純物拡散層の深さよりも浅い深さで、前記不純物拡散層との間でＰ／Ｎ接合を形成する不純物拡散層を形成する第２の工程と、
前記第２の工程により形成された不純物拡散層の上に、検出対象を付着させるセンシング領域が形成された感応膜を成膜する第３の工程と、
を含む。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る半導体センサによれば、感応膜のセンシング領域の下方に、第１の不純物拡散層と第２の不純物拡散層とで、センシング領域と対向する接合面を有する縦積みＰ／Ｎ接合が形成されている。この縦積みＰ／Ｎ接合には、逆バイアス電圧が印加されている。
【００１９】
センシング領域に検出対象が付着すると、その電荷に応じて縦積みＰ／Ｎ接合のバンドが変化し、第１、第２の不純物拡散層の価電子帯と伝導帯との間のバンド間距離が短くなる。このため、トンネル効果により、縦積みＰ／Ｎ接合にバンド間トンネリング電流が流れる。第２の不純物拡散層と第３の不純物拡散層との間に印加される電圧により、バンド間トンネリング電流は、ドレイン電流として出力される。
【００２０】
ドレイン電流の大きさは、センシング領域への検出対象の付着量に比例する。この線形性に基づいて、検出対象の付着量を検出することができる。
【００２１】
上記線形性は、センシング領域への検出対象の付着状態が均一でなくても保たれる。したがって、この半導体センサでは、センシング領域を拡げれば拡げるほど、検出対象の付着量が増大し、バンド間トンネリング電流、すなわちドレイン電流も増大する。したがって、センシング領域を拡げれば拡げるほど、検出感度を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明に係る半導体センサによれば、ゲート長を長くしても検出感度が低下しないので、製造の歩留まり低下や製造コスト増大を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体センサを構成するトランジスタの構造を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の半導体センサの全体構成を模式的に示す断面図である。
【図３】検出対象が付着していないときの図１のトランジスタのバンド図である。
【図４】検出対象が付着したときの図１のトランジスタのバンド図である。
【図５】センシング領域に水素イオンが１つ付着した場合に発生するバンド間トンネリング電流を説明するための断面図である。
【図６】センシング領域に水素イオンが複数付着した場合に発生するバンド間トンネリング電流を説明するための断面図である。
【図７】センシング領域のサイズが小さい半導体センサの断面図である。
【図８】センシング領域のサイズが大きい半導体センサの断面図である。
【図９】センシング領域のサイズが小さいＩＳＦＥＴの断面図である。
【図１０】センシング領域のサイズが大きいＩＳＦＥＴの断面図である。
【図１１】図２の半導体センサの製造工程のフローチャートである。
【図１２】半導体センサの製造工程を説明するための断面図（その１）である。
【図１３】半導体センサの製造工程を説明するための断面図（その２）である。
【図１４】半導体センサの製造工程を説明するための断面図（その３）である。
【図１５】半導体センサの製造工程を説明するための断面図（その４）である。
【図１６】半導体センサの製造工程を説明するための断面図（その５）である。
【図１７】半導体センサの製造工程を説明するための断面図（その６）である。
【図１８】半導体センサの製造工程を説明するための断面図（その７）である。
【図１９】半導体センサの製造工程を説明するための断面図（その８）である。
【図２０】抗原検出センサの構成の一例を示す断面図（その１）である。
【図２１】抗原検出センサの構成の一例を示す断面図（その２）である。
【図２２】図１のトランジスタの変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る半導体センサは、溶液中の水素イオン濃度、すなわちｐＨを検出するｐＨセンサである。
【００２５】
まず、半導体センサの基礎となるトランジスタの構造について説明する。図１に示すように、本実施形態に係るトランジスタ１は、半導体基板としてのＰ型のシリコン基板２に形成されている。
【００２６】
シリコン基板２上には、絶縁膜３が成膜されている。絶縁膜３としては、例えば、ＳｉＯ2膜等が用いられる。
【００２７】
絶縁膜３上には、感応膜４が形成されている。感応膜４は、溶液中の水素イオンを付着するイオン感応膜である。感応膜４としては、例えば、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5膜など、水素イオンを付着するものを用いることができる。
【００２８】
感応膜４の上には、層間絶縁膜５が堆積されている。層間絶縁膜５が堆積されず、感応膜４が露出している領域は、ｐＨの測定対象となる溶液に直接接するようになる。以下では、この領域を「センシング領域６」ともいう。このセンシング領域６に水素イオンが付着することにより、溶液のｐＨの検出が行われる。
【００２９】
センシング領域６の下方のシリコン基板２内には、第１の不純物拡散層としてのＰ+拡散層７が形成されている。Ｐ+拡散層７は、センシング領域６のほぼ全体をカバーする。Ｐ+拡散層７には、例えばホウ素（Ｂ）などの不純物が添加されている。以下では、このＰ+拡散層７を、Ｐポケット７とも呼ぶ。
【００３０】
また、シリコン基板２内には、第２の不純物拡散層としてのＮ+拡散層８が形成されている。Ｎ+拡散層８には、例えばリン（Ｐ）などの不純物が添加されている。このＮ+拡散層８がトランジスタ１のソースである。
【００３１】
Ｐポケット７とＮ+拡散層８とで、縦積みＰ／Ｎ接合が形成されている。この縦積みＰ／Ｎ接合は、センシング領域６の下方に形成され、センシング領域６と対向する（実質的に平行な）接合面５０を有する。縦積みＰ／Ｎ接合の接合面５０は、センシング領域６のほぼ全体をカバーしている。
【００３２】
さらに、シリコン基板２内には、第３の不純物拡散層としてのＰ+拡散層９が形成されている。このＰ+拡散層９は、Ｎ+拡散層８と所定の間隔を隔てて形成されている。Ｐ+拡散層９は、Ｎ+拡散層８とともに、トランジスタ１のソース／ドレインを形成する。すなわち、このＰ+拡散層９がトランジスタ１のドレインである。
【００３３】
図２に示すように、本実施形態に係る半導体センサ１００は、図１のトランジスタ１を中心に構成されている。半導体センサ１００は、参照電極１０と、直流電源１１と、溶液漕１２と、直流電源１５と、電流計１６と、をさらに備える。
【００３４】
参照電極１０は、センシング領域６の上方に設置されている。参照電極１０は、直流電源１１の負極側に接続されている。一方、直流電源１１の正極側は、ソースとしてのＮ+拡散層８に接続されている。これにより、Ｎ+拡散層８とＰ+拡散層７とで形成される縦積みＰ／Ｎ接合には、逆バイアス電圧が印加される。この参照電極１０と、直流電源１１とで、第１の電圧印加手段が形成されている。なお、直流電源１１の正極側には、シリコン基板２も接続されている。
【００３５】
感応膜４上には、溶液漕１２が形成されている。この溶液漕１２に検出対象の溶液１３が充填される。溶液１３中には、水素イオン１４が含まれている。水素イオン１４の一部は、センシング領域６に付着する。
【００３６】
直流電源１５の正極側にはＮ+拡散層（ソース）８が接続され、負極側にはＰ+拡散層（ドレイン）９が接続されている。直流電源１５は、Ｎ+拡散層（ソース）８とＰ+拡散層（ドレイン）９との間に、電圧を印加する。この電圧により、水素イオン１４のセンシング領域６への付着量に応じたドレイン電流が流れる。電流計１６は、ドレイン電流を測定する。なお、直流電源１５の正極側には、シリコン基板２も接続されている。
【００３７】
次に、本発明の一実施形態に係る半導体センサ１００の動作について説明する。
【００３８】
まず、半導体センサ１００の動作原理について説明する。図３、図４には、トランジスタ１におけるエネルギ準位のバンド図が示されている。
【００３９】
センシング領域６に、水素イオン１４が付着しておらず、図３に示すように、ゲート側の電位が変化しない場合には、オフ状態となり、トンネル効果は発生せず、縦積みＰ／Ｎ接合の接合面５０に、バンド間トンネリング電流は流れない。
【００４０】
一方、センシング領域６に、水素イオン１４が付着すると、図４に示すように、ゲート側の電位ＶGが変化し、オン状態になり、縦積みＰ／Ｎ接合のバンドが大きく曲がる。このバンドの曲がりにより、Ｐポケット７の価電子帯とＮ+拡散層（ソース）８の伝導帯との間の距離が短くなるので、トンネル効果により、Ｐポケット７からＮ+拡散層（ソース）８へ電子がトンネルし、Ｐ／Ｎ接合の接合面５０をバンド間トンネリング電流が流れるようになる。
【００４１】
このように、半導体センサ１００の動作原理は、ゲート下に形成されるチャネル内を流れる横方向の電流を制御する一般的なＭＯＳＦＥＴとは全く異なるものである。
【００４２】
ここで、図５に示すように、センシング領域６に水素イオン１４が１つ付着した場合について考える。この場合、センシング領域６において水素イオン１４が付着した場所に対応する位置で、トンネル効果により、バンド間トンネリング電流１７が発生する。Ｎ+拡散層（ソース）８とＰ+拡散層（ドレイン）９との間には電圧が印加されているため、発生したトンネリング電流１７は、最終的にドレイン電流１８となって出力される。
【００４３】
さらに、図６に示すように、センシング領域６に水素イオン１４が複数付着した場合について考える。この場合にも、センシング領域６において水素イオン１４がそれぞれ付着した場所に対応する位置で、トンネル効果により、バンド間トンネリング電流１７が複数発生する。各バンド間トンネリング電流１７は、束ねられ、最終的にドレイン電流１８となって出力される。
【００４４】
図５、図６を総合すると分かるように、出力されるドレイン電流１８の大きさは、センシング領域６への水素イオン１４の付着量に応じたものとなる。すなわち、溶液１３中の水素イオン１４の濃度が高ければ高いほど、センシング領域６に付着する水素イオン１４の数が多くなって、ドレイン電流１８が大きくなる。
【００４５】
このように、半導体センサ１００では、溶液１３中の水素イオン１４の濃度とドレイン電流１８との関係は、線形となる。したがって、ドレイン電流１８を測定すれば、溶液１３のｐＨをその測定値から求めることができる。ドレイン電流１８は、電流計１６によって測定されている。その測定値から、溶液１３のｐＨを求めることができる。
【００４６】
ドレイン電流１８は、発生したバンド間トンネリング電流１７を加算したものであるため、溶液１３中の水素イオン１４の濃度とドレイン電流１８との関係は、線形性に優れたものとなる。この点も、ゲート下に形成されるチャネル内を流れる横方向の電流を制御する一般的なＭＯＳＦＥＴとは著しく異なる点である。
【００４７】
半導体センサ１００では、センシング領域６を大きくすればするほど、検出感度を高めることができる。図７に示すように、半導体センサ１００のセンシング領域６が小さく、ゲート長が短い場合には、水素イオン１４の付着量が少なくなるので、発生するドレイン電流１８は小さくなる。
【００４８】
一方、図８に示すように、半導体センサ１００のセンシング領域６が大きく、ゲート長が長い場合には、水素イオン１４の付着量が多くなるので、発生するドレイン電流１８も大きくなる。
【００４９】
これに対し、図９に示すように、ＩＳＦＥＴ２００では、センシング領域６が小さく、ゲート長が短い場合には、水素イオン１４の付着量は少なくなるものの、センシング領域６のゲート長方向に、水素イオン１４が均一に付着する確率は高くなる、このため、水素イオン１４の付着量に応じたドレイン電流１８が流れる。
【００５０】
しかしながら、図１０に示すように、センシング領域６が大きくなって、ゲート長が長くなると、ゲート長方向に渡る水素イオン１４のセンシング領域６への付着状態は、不均一となる。このため、水素イオン１４が付着していない部分のチャネルが狭くなって、ドレイン電流１８が流れにくくなる。
【００５１】
このように、半導体センサ１００では、ドレイン電流１８の元となるバンド間トンネリング電流１７がＮ+拡散層（ソース）８とゲート（センシング領域６）の重なり合った部分を縦方向に流れるため、センシング領域６を拡げた場合に、電流駆動力が低下するどころか、むしろ向上する。
【００５２】
すなわち、半導体センサ１００では、センシング領域６の増大、すなわちゲート幅とソース・ゲートの重なり部分の長さの積の増大は、水素イオン１４の付着電荷量の増大と、出力されるドレイン電流１８の増大とに直結する。これに対し、ＩＳＦＥＴ２００では、センシング領域６の増大は、電流駆動力の低下を招く。
【００５３】
すなわち、本実施形態に係る半導体センサ１００では、センシング領域６を大きくすればするほど、大きな電流駆動力が得られ、逆に検出感度を向上させることができるという点がＩＳＦＥＴ２００とは著しく異なる。
【００５４】
次に、半導体センサ１００の製造工程について説明する。
【００５５】
まず、図１１に示すように、Ｐ型のシリコン基板２に対して、素子分離が行われる（ステップＳ１）。より具体的には、例えば図１２に示すように、フィールド酸化膜（ＳｉＯ2）２０が形成される。フィールド酸化膜２０は、その間の活性領域を分離する。フィールド酸化膜２０に囲まれた活性領域に、素子が作り込まれていく。
【００５６】
この素子分離工程は、同じシリコン基板上に形成される複数個の素子同士が寄生効果を及ぼし合わないように、電気的に分離するための工程である。
【００５７】
図１１に戻り、続いて、フィールド酸化膜２０が形成されたシリコン基板２に対して、ソース形成が行われる（ステップＳ２）。より具体的には、例えば図１３に示すように、シリコン基板２上に、フォトレジスト２１が塗布され、露光、現像、エッチングが行われ、ソースに対応する部分のフォトレジスト２１が取り除かれる。続いて、Ｐイオン６０がシリコン基板２に打ち込まれる。
【００５８】
これにより、フォトレジスト２１が塗布されていない領域にのみＰイオン６０が注入される。この結果、Ｎ+拡散層（ソース）８が形成される。Ｐイオン６０注入後、フォトレジスト２１が除去される。
【００５９】
図１１に戻り、続いて、Ｎ+拡散層（ソース）８が形成されたシリコン基板２に対して、ドレイン形成が行われる（ステップＳ３）。より具体的には、例えば図１４に示すように、シリコン基板２上に、フォトレジスト２１が塗布され、露光、現像、エッチングが行われ、ドレインに対応する部分のフォトレジスト２１が取り除かれる。そして、Ｂイオン６１がシリコン基板２に打ち込まれる。
【００６０】
これにより、フォトレジスト２１が塗布されていない領域にのみＢイオン６１が注入される。この結果、Ｐ+拡散層（ドレイン）９が形成される。Ｐ+拡散層（ドレイン）９の深さは、Ｎ+拡散層（ソース）８とほぼ同じ程度である。Ｂイオン６１注入後、フォトレジスト２１は除去される。
【００６１】
なお、ステップＳ２、Ｓ３の順序は、逆であってもよい。
【００６２】
図１１に戻り、続いて、Ｎ+拡散層（ソース）８、Ｐ+拡散層（ドレイン）９が形成されたシリコン基板２に対して、Ｐポケット形成が行われる（ステップＳ４）。より具体的には、例えば図１５に示すように、シリコン基板２上に、フォトレジスト２１が塗布され、露光、現像、エッチングが行われ、Ｐポケット７を形成する領域のフォトレジスト２１だけが取り除かれる。続いて、Ｐイオン６０がシリコン基板２に打ち込まれる。
【００６３】
これにより、フォトレジスト２１が塗布されていない領域にのみ、Ｐイオン６０が注入され、Ｐポケット７が形成される。このＰポケット７の深さは、Ｎ+拡散層（ソース）８よりも浅くなっている。この結果、Ｐポケット７とＮ+拡散層（ソース）８との縦積みＰ／Ｎ接合が形成される。イオン注入後、フォトレジスト２１は除去される。
【００６４】
図１１に戻り、続いて、Ｎ+拡散層（ソース）８、Ｐ+拡散層（ドレイン）９及びＰポケット７が形成されたシリコン基板２に対して、絶縁膜３、感応膜４の成膜が行われる（ステップＳ５）。より具体的には、例えば図１６に示すように、シリコン基板２上に、例えば熱酸化法等を用いて、絶縁膜３が成膜され、その上に、例えば、スパッタ法等を用いて感応膜４が成膜される。感応膜４の種類については、上述した通りであるが、その種類に応じて、成膜方法が適宜選択される。
【００６５】
図１１に戻り、続いて、絶縁膜３、感応膜４が形成されたシリコン基板２に対して、層間絶縁膜５の堆積及びコンタクトホールの形成が行われる（ステップＳ６）。より具体的には、図１７に示すように、感応膜４上に、例えば化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法等を用いて、層間絶縁膜５を堆積させる。この堆積後、ソース、ドレインに各々１箇所ずつコンタクトホールが形成される。
【００６６】
図１１に戻り、続いて、Ａｌ電極が形成される（ステップＳ７）。より具体的には、図１８に示すように、形成されたコンタクトホール内を通ってソース、ドレインに接続されるＡｌ電極２２が、スパッタ法等を用いて形成される。このＡｌ電極２２に、直流電源１１、１５、電流計１６等が接続される。
【００６７】
図１１に戻り、最後に、センシング領域６が形成される（ステップＳ８）。より具体的には、図１９に示すように、センシング領域６の形成は、ＳｉＯ2エッチングにより層間絶縁膜５をエッチングすることにより行われる。センシング領域６は、Ｐポケット７の上に形成される。
【００６８】
本実施形態に係る半導体センサ１００は、このようにして製造される。製造する半導体センサ１００のサイズに特に制限はなく、センシング領域６の大きさは、検出対象に応じて適宜決定することができる。
【００６９】
以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、感応膜４のセンシング領域６の下方に、Ｐポケット７と、Ｎ+拡散層（ソース）８とで、センシング領域６に対向する接合面５０を有する縦積みＰ／Ｎ接合が形成されている。この縦積みＰ／Ｎ接合には、逆バイアス電圧が印加されている。
【００７０】
センシング領域６に水素イオン１４が付着すると、付着した水素イオン１４による電荷に応じて縦積みＰ／Ｎ接合のバンドが変化し、Ｐポケット７の価電子帯とＮ+拡散層（ソース）８の伝導帯との間の距離が短くなる。このため、トンネル効果により、Ｐ／Ｎ接合の接合面５０にバンド間トンネリング電流１７が流れる。Ｎ+拡散層（ソース）８とＰ+拡散層（ドレイン）９との間に印加される電圧により、バンド間トンネリング電流１７は、ドレイン電流１８となって出力される。
【００７１】
ドレイン電流１８の大きさは、センシング領域６への水素イオン１４の付着量（すなわち水素イオン１４の濃度）に比例する。この線形性に基づいて、ｐＨを検出することができる。原理上、この線形性は広い範囲で保たれるので、線形性に優れ、ダイナミックレンジの広い高精度なセンシングが可能となる。
【００７２】
また、上記線形性は、センシング領域への水素イオン１４の付着状態が均一でなくても保たれる。したがって、半導体センサ１００では、センシング領域６を拡げれば拡げるほど、水素イオン１４の付着量が増大し、バンド間トンネリング電流１７、すなわちドレイン電流１８も増大する。この性質により、半導体センサ１００は、センシング領域１４を拡げれば拡げるほど、その検出感度を高めることができる。
【００７３】
すなわち、本実施形態に係る半導体センサ１００によれば、素子サイズを大きくすることで、容易に検出感度を向上させられる。集積回路は、従来型のＭＯＳＦＥＴの微細化により性能と集積度を向上させられるという、いわゆるスケーリング則に基づいて性能を向上させてきた。これに対して、本実施形態に係る半導体センサ１００は、逆に、センシング領域６の面積を増大することにより性能を改善することができる。すなわち、この半導体センサ１００は、逆スケーリングともいう特徴を有するものであるといえる。
【００７４】
逆スケーリング特性は、簡便な製造技術で製造可能であることにつながる。この結果、製造の歩留まり低下や製造コスト増大を防止することができる。
【００７５】
また、センシング領域６の面積を大きくすれば、小さなゲート電圧（直流電源１１の電圧）で大きな電流駆動力が得られる。この特徴も、更なる検出感度の向上に寄与する。
【００７６】
なお、上記実施形態に係る半導体センサ１００は、溶液のｐＨを検出するセンサであった。しかしながら、センシング領域６に付着させるイオンは、水素イオン１４以外であってもよい。この場合、半導体センサ１００は、ｐＨセンサではなく、特定のイオンの含有量を検出するイオンセンサとして動作させることができる。
【００７７】
また、本発明は、抗原を検出する抗原検出センサにも適用可能である。
【００７８】
図２０には、抗原検出センサとしての半導体センサ１０１の断面図が示されている。図２０に示すように、感応膜４では、抗体３０が、センシング領域６のほぼ全面に固定されている。
【００７９】
溶液３５中には、種類の異なる抗原４０、４１、４２が混在している。抗体３０は、抗原４０〜４２のうち、抗原４０だけを付着する。
【００８０】
半導体センサ１０１には、上記実施形態に係る半導体センサ１００と同様に、抗原４０の抗体３０への付着量に応じたドレイン電流が流れる。したがって、このドレイン電流を測定すれば、溶液３５中の抗原４０の量を計測することができる。
【００８１】
図２１には、抗原検出センサとしての半導体センサ１０２の断面図が示されている。図２１に示すように、半導体センサ１０２では、感応膜４に、抗体３０ではなく、抗体３１が固定されている点が、図２０の半導体センサ１０１と異なっている。抗体３１は、抗原４０〜４２のうち、抗原４１だけを付着する。したがって、半導体センサ１０２では、溶液中の抗原４１の量を計測することができる。
【００８２】
このように、感応膜３の抗体を変更（抗体３０→抗体３１）するだけで、検出対象の抗原を変更（抗原４０→抗原４１）することができる。
【００８３】
上述のように、本発明は、バイオセンシングにも適用することができる。電気的極性を有する有機体であれば、本発明を適用することができる。
【００８４】
また、上記実施形態では、シリコン基板２をＰ型とし、第１、第３の不純物拡散層を、それぞれＰ型とし、第２の不純物拡散層をＮ型とした。しかしながら、本発明はこれには限られない。図２２に示すように、シリコン基板２を、Ｎ型とし、第１、第３の不純物拡散層をそれぞれＮ型とし、第２の不純物拡散層をＰ型としてもよい。いずれのタイプを選択するかは、検出対象などを考慮して適宜決定することができる。
【００８５】
なお、上記実施形態では、縦積みＰ／Ｎ接合の接合面５０は、センシング領域６のほぼ全体をカバーするように形成されているが、センシング領域６の大部分をカバーしていればよい。しかしながら、縦積みＰ／Ｎ接合の接合面５０が、センシング領域６全体をカバーしているのが最も望ましい。
【００８６】
水素イオン１４や抗原４０、４１などの他、センシング領域６に付着される検出対象としては、特定の気体や有機体など、様々なものを設定することができる。それ自体は電荷を帯びていなくても、電荷を帯びた物質と結合させることにより、検出が可能である場合もある。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、イオンなどの電気的極性を有する物質の検出に好適である。特に、本発明は、溶液のｐＨの測定、抗体の検出、特定のガスの検出等に好適である。また、検出対象の物質自体が、電気的極性を有しなくても、その物質に電荷を帯びた物質を付着させて、検出することも可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１  トランジスタ
２  シリコン基板
３  絶縁膜
４  感応膜
５  層間絶縁膜
６  センシング領域
７  Ｐ+拡散層（Ｐポケット）
８  Ｎ+拡散層（ソース）
９  Ｐ+拡散層（ドレイン）
１０  参照電極
１１  直流電源
１２  溶液漕
１３  溶液
１４  水素イオン
１５  直流電源
１６  電流計
１７  バンド間トンネリング電流
１８  ドレイン電流
２０  フィールド酸化膜
２１  フォトレジスト
２２  Ａｌ電極
３０、３１  抗体
３５  溶液
４０、４１、４２  抗原
５０  接合面
６０  Ｐイオン
６１  Ｂイオン
１００、１０１、１０２  半導体センサ
２００  ＩＳＦＥＴ
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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