(57)【要約】【課題】センサＩＣを簡素に構成する。【解決手段】センサＩＣ（１）は、半導体基板（１８）と、半導体基板（１８）上に形成された、周波数可変の周波数発振器（１１）、位相同期回路（１３）および検知回路（１９）を備える。周波数発振器（１１）はインダクタ（２０）を含む。位相同期回路（１３）は、インダクタ（２０）の近傍に配置されたサンプル（１２）の誘電率または透磁率の変化に応じて変化しようとする周波数発振器（１１）の発振周波数を規定値に制御するように、発振周波数を制御する制御信号を変化させる。検知回路（１９）は制御信号の変化を検知する。【選択図】図１
2016020815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
少なくともインダクタを含む周波数可変の周波数発振器と、
前記インダクタの近傍に配置されたサンプルの誘電率または透磁率の変化に応じて変化しようとする前記周波数発振器の発振周波数が規定値となるように、前記発振周波数を制御する制御信号を変化させる位相同期回路と、
前記制御信号の変化を検知する検知回路とを備え、
前記周波数発振器、前記位相同期回路および前記検知回路が前記半導体基板上に形成されていることを特徴とするセンサＩＣ。
【請求項２】
前記半導体基板上には、複数層のメタル層と、隣接する前記メタル層を絶縁する少なくとも１層の層間絶縁膜とが形成されるとともに、複数層の前記メタル層のうちの最上層の前記メタル層が保護膜で覆われており、
前記インダクタは、前記メタル層のうち、最上層の前記メタル層または当該メタル層の直下の前記メタル層を用いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサＩＣ。
【請求項３】
前記周波数発振器の発振周波数が２０ＧＨｚ以上１８０ＧＨｚ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサＩＣ。
【請求項４】
前記保護膜には、または前記保護膜および当該保護膜下の前記層間絶縁膜には、前記インダクタの近傍に、前記サンプルを充填するための穴が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のセンサＩＣ。
【請求項５】
前記保護膜の表面には、前記サンプルが塗布される領域が形成されていることを特徴とする請求項２または４に記載のセンサＩＣ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板表面に接触したサンプルを検知するセンサＩＣに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各家庭や簡易診断所などで利用される診断ツールには、高速検査、低価格、小型化、簡便性などが要求される。半導体集積回路上に形成されたバイオセンサは、このような要求性能を満たせる可能性がある。非特許文献１〜３には、このようなバイオセンサが開示されている。
【０００３】
例えば、図６（非特許文献３のＦｉｇ．１６．８．３）に示されるバイオセンサは、半導体集積回路上に形成されたインダクタ（Ｌ）と容量（Ｃ）とを含んだＬＣ発振器を備えている。このバイオセンサは、インダクタのレイアウト表面に、サンプルとなるバイオ分子を付着させ、サンプルの透磁率や誘電率の変化から発振器の発振周波数の変動を確認することでセンサＩＣとして活用したものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Hua Wang, Yan Chen, Arjang Hassibi, Axel Scherer and Ali Hajimiri, “A Frequency-Shift CMOS Magnetic Biosensor Array with Single-Bead Sensitivity and No External Magnet”, IEEE International Solid-State Circuits Conference(ISSCC) Dig. Tech. Papers, Feb. 2009, pp.438-439.
【非特許文献２】Hiroyuki Yada, Masaya Nagai and Koichiro Tanaka, “The intermolecular stretching vibration mode in water isotopes investigated with broadband terahertz time-domain spectroscopy”, Chemical Physics Letters 473 (2009) pp.279-283.
【非特許文献３】Constantine Sideris, Ali Hajimiri, "An Integrated Magnetic Spectrometer for Multiplexed Biosensing",IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) Dig. Tech. Papers, Feb. 2013, PP.300-301.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献３のセンサＩＣは、発振周波数の変化を基準となる周波数と、サンプルとなるバイオ分子を付着させたときに変動する周波数との差を比較するために、発振器の発振周波数を周波数変換器にて周波数変換を行い、基準となる周波数と変動した周波数との差を確認している。このセンサＩＣでは、２つのセンサの周波数差を周波数軸で検出する検出器などを含む信号処理回路を含んでおり、回路規模が大きく、かつ複雑化するという問題がある。
【０００６】
また、非特許文献３のセンサＩＣは、発振器の発振周波数を１ＧＨｚ程度で発振させている。ＬＣ発振器のインダクタは、発振周波数が低周波数になるほどサイズが大きくなるので、１ＧＨｚ程度の周波数発振器に利用するインダクタを半導体基板上で作成すると、通常は１００マイクロメートルから３００マイクロメートルと大きくなる。サンプルとなるバイオ分子のサイズは数マイクロメートルから数１０マイクロメートルと小さいので、解析したいサンプルの、より詳細なデータを必要とするときには、ＬＣ発振器のインダクタのレイアウト表面に付着させる面積を小さくするためには、インダクタのサイズを縮小する必要がある。
【０００７】
さらに、サンプルがバイオ分子の場合には、分子が含む水の状態を評価することでサンプルの活性度を評価することができる。図７（非特許文献２のＦｉｇ．１）に示すように、水の複素誘電率は実部および虚部が共に２０ＧＨｚ〜１８０ＧＨｚ程度の電磁波で大きく変化する。センサＩＣの表面に実装される発振器の発振周波数が１ＧＨｚ程度では、特に実部の誘電率が変化する周波数帯域を外れており、周波数帯域外で想定されるバイオ分子の状態変化を正確に読み取ることができない可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、センサＩＣを簡素に構成することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るセンサＩＣは、半導体基板と、少なくともインダクタを含む周波数可変の周波数発振器と、前記インダクタの近傍に配置されたサンプルの誘電率または透磁率の変化に応じて変化しようとする前記周波数発振器の発振周波数が規定値となるように、前記発振周波数を制御する制御信号を変化させる位相同期回路と、前記制御信号の変化を検知する検知回路とを備え、前記周波数発振器、前記位相同期回路および前記検知回路が前記半導体基板上に形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様によれば、センサＩＣを簡素に構成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１に係るセンサＩＣの構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図２】実施の形態１に係るセンサＩＣにおける位相同期回路からの制御信号の電圧値と当該センサＩＣにおける周波数発振器の発振周波数との関係を示すグラフである。
【図３】（ａ）は本発明の実施の形態２に係るセンサＩＣの構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線矢視断面図である。
【図４】実施の形態２に係るセンサＩＣにおける位相同期回路からの制御信号の電圧値と当該センサＩＣにおける周波数発振器の発振周波数との関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）は本発明の実施の形態３に係るインダクタの構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線矢視断面図である。
【図６】従来のセンサＩＣの構成を示す図である。
【図７】従来の他のセンサＩＣによる周波数と水の複素誘電率の実部および虚部との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有する構成要素については、同一符号を付記し、その繰り返しの説明を省略する。
【００１３】
〔実施の形態１〕
本発明の第１の実施の形態について図１および図２を用いて説明する。
【００１４】
〈センサＩＣ１の構成〉
図１の（ａ）は、実施の形態１に係るセンサＩＣ１の構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【００１５】
図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施の形態に係るセンサＩＣ１は、周波数発振器１１と、位相同期回路１３と、検知回路１９とを備えている集積回路である。
【００１６】
周波数発振器１１は、インダクタ１０と、層間絶縁膜１４と、メタル層１５ａ，１５ｂと、保護膜１６と、半導体基板１８と、２つで一組の可変容量素子ＶＣと、トランジスタＴ１１，Ｔ１２とを有している。この周波数発振器１１は、可変容量素子ＶＣに与える電圧を制御することで発振周波数を可変にする周波数可変の発振器である。
【００１７】
半導体基板１８の実装面上には、半導体プロセスによって、層間絶縁膜１４がＳｉＯ２などによって一層形成されており、さらにその上には、複数層（図１の（ｂ）では２層）のメタル層１５ａ，１５ｂが形成されている。隣接するメタル層１５ａ，１５ｂの間には、これらのメタル層１５ａ，１５ｂを絶縁するように層間絶縁膜１４が形成されている。インダクタ１０は、最上層のメタル層１５ａを用いて形成されている。このインダクタ１０は、層間絶縁膜１４と同様にＳｉＯ２などによって形成された保護膜１６で覆われている。
【００１８】
なお、メタル層１５ａ，１５ｂは、上記の例のように２層だけでなく、３層以上形成されていてもよい。また、インダクタ１０は、最上層のメタル層１５ａではなく、当該メタル層１５ａの直下のメタル層１５ｂを用いて形成されていてもよい。
【００１９】
また、インダクタ１０は、二重に巻かれたように形成されている。さらに、インダクタ１０は、第１端部１０ａおよび第２端部１０ｂの間における中央部分に給電点１０ｃを有している。この給電点１０ｃには、電圧ＶＤＤが印加される。
【００２０】
検知対象となるサンプル１２は、保護膜１６の表面におけるインダクタ１０の上面側または内側の配置領域に配置される。サンプル１２の配置については、サンプル１２の態様にもよるが、単に配置領域に置いたり塗布させたりする。あるいは、サンプル１２が抗体であるような場合、配置領域への配置が困難であるので、金（Ａｕ）を蒸着することにより抗体を配置領域に配置することもある。
【００２１】
半導体基板１８の実装面において、インダクタ１０が形成されていない領域には、可変容量素子ＶＣおよびトランジスタＴ１１，Ｔ１２が形成されている。また、上記の領域には、ｎＭＯＳトランジスタによって位相同期回路１３および検知回路１９が形成されている。
【００２２】
可変容量素子ＶＣは、可変容量ダイオードのように、電圧値に応じて容量が可変する容量素子である。ここでは、可変容量素子ＶＣが可変容量ダイオードである場合の例について説明するが、可変容量素子ＶＣは可変容量ダイオードに限定されない。
【００２３】
一方の可変容量素子ＶＣのカソードは、インダクタ１０の第１端部１０ａに接続され、他方の可変容量素子ＶＣのカソードは、インダクタ１０の第２端部１０ｂに接続されている。双方の可変容量素子ＶＣのアノードは互いに接続されている。
【００２４】
トランジスタＴ１１，Ｔ１２は、ｎＭＯＳトランジスタである。トランジスタＴ１１のドレインはインダクタ１０の第１端部１０ａに接続され、トランジスタＴ１１のソースはグランドに接続され、トランジスタＴ１１のゲートはインダクタ１０の第２端部１０ｂに接続されている。一方、トランジスタＴ１２のドレインはインダクタ１０の第２端部１０ｂに接続され、トランジスタＴ１２のソースはグランドに接続され、トランジスタＴ１２のゲートはインダクタ１０の第１端部１０ａに接続されている。
【００２５】
位相同期回路１３は、周波数発振器１１の出力信号の位相に同期した位相を有する信号を出力する回路であり、一般的な位相同期回路と同様、例えば、図示はしないが、位相比較器、ループフィルタ、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）および分周器を有している。位相比較器は、差動入力のための２つの入力端子を有しており、一方の入力端子（ＰＬＬ＿ＩＮ＋）がインダクタ１０の第１端部１０ａに接続され、他方の入力端子（ＰＬＬ＿ＩＮ−）がインダクタ１０の第２端部１０ｂに接続されている。
【００２６】
位相同期回路１３においては、周波数発振器１１からの２つの出力信号の差（差動入力信号）と、ＶＣＯからの出力信号との位相差を位相比較器で検出し、位相比較器の出力信号がループフィルタを通過することにより得られるほぼ直流の電圧がＶＣＯの周波数を制御するための制御電圧として用いられる。また、位相同期回路１３において、ＶＣＯの出力信号を、予め設定された固定の分周比で分周器により分周することで、ＶＣＯから分周比に応じた所望の周波数の出力信号を得ることができる。
【００２７】
なお、位相同期回路１３は、周波数発振器１１からの２つの出力信号から得られた差動入力信号を用いた差動入力式であるが、いずれか一方の出力信号のみを用いてもよい。
【００２８】
センサＩＣ１では、位相同期回路１３において、ループフィルタから出力される電圧を、可変容量素子ＶＣの容量を変化させるための制御信号Ｖｃｎｔとして用いている。このため、位相同期回路１３の制御信号Ｖｃｎｔを出力する出力端子（ＰＬＬ＿ＯＵＴ）と、２つの可変容量素子ＶＣの接続点とが接続されている。
【００２９】
検知回路１９は、サンプル１２の状態の変化に伴う制御信号Ｖｃｎｔの変化（差）を検知する回路である。
【００３０】
〈センサＩＣ１の動作〉
上記のように構成されるセンサＩＣ１の動作について説明する。
【００３１】
図２は、位相同期回路１３からの制御信号Ｖｃｎｔの電圧値と周波数発振器１１の発振周波数との関係を示すグラフである。
【００３２】
センサＩＣ１の配置領域に配置されたサンプル１２は、状態が変わることで誘電率および透磁率が変化する。例えば、誘電率または透磁率を変化させる状態としては、組成比、温度、不純物の有無（水の場合）などが挙げられる。このようにサンプル１２の状態が変化することで、サンプル１２の誘電率または透磁率が変化すると、周波数発振器１１は、この変化の影響を受けて発振周波数を変化しようとするが、位相同期回路１３に入力される信号の位相が変化するので、位相同期回路１３は、その変化した位相に応じて制御信号Ｖｃｎｔの電圧値を変化させ、周波数発振器１１の発振周波数を規定値に維持しようとする。
【００３３】
例えば、位相同期しない状態（未制御の状態）の周波数発振器１１は、図２に示す制御信号Ｖｃｎｔの電圧値と周波数発振器１１の発振周波数との関係を示す。サンプル１２を配置領域に配置した初期状態（状態Ｓ１）では、実線に示す特性を示し、サンプル１２の誘電率または透磁率が変化した状態（状態Ｓ２）では、発振周波数が状態Ｓ１の場合よりも高い側にシフトする破線で示す特性を示すものとする。
【００３４】
図２に示す特性を有する周波数発振器１１を用いる場合、状態Ｓ１で、周波数発振器１１を特定の発振周波数ｆＰＬＬ（規定値）で発振させるために、位相同期回路１３は、与えられた分周比に応じた電圧値を有する制御信号Ｖｃｎｔを出力する。周波数発振器１１は、可変容量素子ＶＣが制御信号Ｖｃｎｔの電圧値を与えられることで容量を変化させることにより、発振周波数ｆＰＬＬで発振する。このときの制御信号Ｖｃｎｔの電圧値は、図２（Ｄ点）に示すように、およそ０．４Ｖである。
【００３５】
次いで、サンプル１２などが塗布されることにより、誘電率が変化すると、位相同期しない状態（未制御の状態）の周波数発振器１１が、状態Ｓ２になりうるが、周波数発振器１１は、図２の破線で示す特性にしたがって発振周波数を上昇させる。このとき、位相同期回路１３が、周波数発振器１１の発振周波数を発振周波数ｆＰＬＬに維持するような制御信号Ｖｃｎｔを出力する。このときの制御信号Ｖｃｎｔの電圧値は、図２（Ｅ点）に示すように、およそ０．５Ｖである。
【００３６】
このようにして、発振周波数ｆＰＬＬを維持するための電圧値の変化を得ることができる。
【００３７】
検知回路１９は、上記の電圧値の変化に基づいて、サンプル１２の状態の変化を検知する。あるいは、例えば、トランジスタＴ１１またはトランジスタＴ１２のバックゲート端子に制御信号Ｖｃｎｔの電圧を印加することでも電圧値の変化を検知することができるので、この方法を用いてもよい。
【００３８】
〈センサＩＣ１の効果〉
以上のように、本実施の形態に係るセンサＩＣ１は、サンプル１２の状態の変化に対して周波数発振器１１の発振周波数を一定に維持するように、位相同期回路１３から出力される制御信号Ｖｃｎｔの電圧値の変化を検知する。これにより、一般的な回路として構成できる位相同期回路１３と、電圧値の差を検知する検知回路１９とを周波数発振器１１に付加することにより、センサＩＣ１を簡素に構成することができる。
【００３９】
また、周波数発振器１１の発振周波数は、特に限定されないが、２０ＧＨｚ以上１８０ＧＨｚ以下であることが好ましい。これにより、水の複素誘電率の実部および虚部が共に大きく変化する２０ＧＨｚ〜１８０ＧＨｚ程度で当該複素誘電率の変化量を検知することができる。
【００４０】
さらに、インダクタ１０が、層間絶縁膜１４の表面に最も近い位置に形成されていているので、サンプル１２が有する透磁率または誘電率を微小な変化量でも読み取ることができる。
【００４１】
〔実施の形態２〕
本発明の第２の実施の形態について図３および図４を用いて説明する。
【００４２】
〈センサＩＣ２の構成〉
図３の（ａ）は、実施の形態２に係るセンサＩＣ１の構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線矢視断面図である。
【００４３】
図３の（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施の形態に係るセンサＩＣ２は、周波数発振器２１と、位相同期回路２３と、検知回路２９とを備えている集積回路である。
【００４４】
周波数発振器２１は、インダクタ２０と、層間絶縁膜２４と、メタル層２５ａ，２５ｂと、保護膜２６と、半導体基板２８と、２つで一組を成すｎ組の可変容量素子ＶＣ２１〜ＶＣ２ｎと、トランジスタＴ２１，Ｔ２２とを有している。この周波数発振器２１は、可変容量素子ＶＣ２１〜ＶＣ２ｎに与える電圧が、デジタル信号の各ビットの値であることで、可変容量素子ＶＣ２１〜ＶＣ２ｎへの電圧の印加の有無により、電圧全体として発振周波数を可変にする周波数可変の発振器である。
【００４５】
半導体基板２８の実装面上には、半導体プロセスによって、層間絶縁膜２４がＳｉＯ２などによって一層形成されており、さらにその上には、複数層（図３の（ｂ）では２層）のメタル層２５ａ，２５ｂが形成されている。隣接するメタル層２５ａ，２５ｂの間には、これらのメタル層２５ａ，２５ｂを絶縁するように層間絶縁膜２４が形成されている。インダクタ２０は、最上層のメタル層２５ａを用いて形成されている。このインダクタ２０は、層間絶縁膜２４と同様にＳｉＯ２などによって形成された保護膜２６で覆われている。
【００４６】
なお、メタル層２５ａ，２５ｂは、上記の例のように２層だけでなく、３層以上形成されていてもよい。また、インダクタ２０は、最上層のメタル層２５ａではなく、当該メタル層２５ａの直下のメタル層２５ｂを用いて形成されていてもよい。
【００４７】
また、インダクタ２０は、二重に巻かれたように形成されている。さらに、インダクタ２０は、第１端部２０ａおよび第２端部２０ｂの間における中央部分に給電点２０ｃを有している。この給電点２０ｃには、電圧ＶＤＤが印加される。
【００４８】
検知対象となるサンプル２２は、保護膜２６の表面におけるインダクタ２０の上面側または内側の配置領域に配置される。サンプル２２の配置については、実施の形態１におけるセンサＩＣ１と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００４９】
半導体基板２８の実装面において、インダクタ２０が形成されていない領域には、ｎ組の可変容量素子ＶＣ２１〜ＶＣ２ｎおよびトランジスタＴ２１，Ｔ２２が形成されている。
【００５０】
各組の可変容量素子ＶＣのカソードは、インダクタ２０の第１端部２０ａに接続され、各組の他方の可変容量素子ＶＣのカソードは、インダクタ２０の第２端部２０ｂに接続されている。双方の可変容量素子ＶＣのアノードは互いに接続されている。
【００５１】
トランジスタＴ２１，Ｔ２２は、ｎＭＯＳトランジスタである。トランジスタＴ２１のドレインはインダクタ２０の第１端部２０ａに接続され、トランジスタＴ２１のソースはグランドに接続され、トランジスタＴ２１のゲートはインダクタ２０の第２端部２０ｂに接続されている。一方、トランジスタＴ２２のドレインはインダクタ２０の第２端部２０ｂに接続され、トランジスタＴ２２のソースはグランドに接続され、トランジスタＴ２２のゲートはインダクタ２０の第１端部２０ａに接続されている。
【００５２】
位相同期回路２３は、周波数発振器２１の出力信号の位相に同期した位相を有する信号を出力するデジタル回路であり、制御信号（前述の制御信号Ｖｃｎｔ）をｎビットのデジタル値（制御コードＣｃｎｔ）で出力する。位相同期回路２３は、ｎ個の出力端子（ＰＬＬ＿ＯＵＴ）を有しており、各出力端子から、それぞれ制御コードＣｃｎｔの各ビットのビット値ＣＯＤＥ１〜ＣＯＤＥｎ（“０”および“１”の２値で表される）を出力する。
【００５３】
センサＩＣ２では、上記の位相同期回路２３内に構成されるデジタルループフィルタから出力される電圧のデジタル値を、可変容量素子ＶＣの容量を変化させるための制御コードＣｃｎｔとして用いている。このため、位相同期回路２３の制御コードＣｃｎｔのビット値ＣＯＤＥ１〜ＣＯＤＥｎを出力する各出力端子（ＰＬＬ＿ＯＵＴ）と、各組の２つの可変容量素子ＶＣ２１〜ＶＣ２ｎの接続点とが接続されている。
【００５４】
検知回路２９は、サンプル１２の状態の変化に伴う制御コードＣｃｎｔの変化（差）を検知する回路である。
【００５５】
〈センサＩＣ２の動作〉
上記のように構成されるセンサＩＣ２の動作について説明する。
【００５６】
図４は、位相同期回路２３からの制御コードと周波数発振器２１の発振周波数との関係を示すグラフである。
【００５７】
センサＩＣ２の配置領域に配置されたサンプル２２も、前述のサンプル１２（図１）と同様、状態が変わることで誘電率および透磁率が変化する。サンプル２２の誘電率または透磁率が変化すると、位相同期しない状態（未制御の状態）の周波数発振器２１は、この変化の影響を受けて発振周波数を変化させる。これにより、位相同期回路２３に入力される信号の位相が変化するので、位相同期回路２３は、その変化した位相に応じて制御コードＣｃｎｔを変化させる。
【００５８】
例えば、周波数発振器２１は、図４に示す制御コードＣｃｎｔ（便宜上１０進数で示す）と周波数発振器２１の発振周波数との関係において、サンプル２２を配置領域に配置した初期状態（状態Ｓ１）では、実線に示す特性を示し、サンプル２２の誘電率または透磁率が変化した状態（状態Ｓ２）では、発振周波数が状態Ｓ１の場合よりも高い側にシフトする破線で示す特性を示すものとする。
【００５９】
図４に示す特性を有する周波数発振器１１を用いる場合、状態Ｓ１で、周波数発振器１１を特定の発振周波数ｆＰＬＬで発振させるために、位相同期回路２３は、前述のセンサＩＣ１と同様、与えられた分周比に応じた制御コードＣｃｎｔを出力する。周波数発振器２１は、可変容量素子ＶＣ２１〜ＶＣ２ｎが制御コードＣｃｎｔのビット値ＣＯＤＥ１〜ＣＯＤＥｎ（“０”または“１”）を与えられることで、可変容量素子ＶＣ２１〜ＶＣ２ｎの総容量を変化させることにより、発振周波数ｆＰＬＬで発振する。このときの制御コードＣｃｎｔの値は、図４（Ｄ点）に示すように、４である。
【００６０】
次いで、状態Ｓ２になったときに、位相同期しない状態（未制御の状態）の周波数発振器２１は、図４の破線で示す特性にしたがって発振周波数を上昇させようとするが、位相同期回路２３により、センサＩＣ１と同様、状態Ｓ１と同じ分周比に応じた制御コードＣｃｎｔを出力することで、周波数発振器２１の発振周波数を発振周波数ｆＰＬＬに維持する。このときの制御コードＣｃｎｔの値は、図４（Ｅ点）に示すように、５である。
【００６１】
このようにして、発振周波数ｆＰＬＬを維持するための制御コードＣｃｎｔの値の変化を得ることができる。
【００６２】
検知回路２９は、上記の制御コードＣｃｎｔの値の変化に基づいて、サンプル２２の状態の変化を検知する。あるいは、例えば、トランジスタＴ２１またはトランジスタＴ２２のバックゲート端子に制御コードＣｃｎｔの値に応じた電圧を印加することでも制御コードＣｃｎｔの値の変化を検知することができるので、この方法を用いてもよい。
【００６３】
〈センサＩＣ２の効果〉
以上のように、本実施の形態に係るセンサＩＣ２は、サンプル２２の状態の変化に対して周波数発振器２１の発振周波数を一定に維持するように、位相同期回路２３から出力される制御コードＣｃｎｔの値の変化を検知する。これにより、一般的な回路として構成できる位相同期回路２３と、制御コードＣｃｎｔの値の差を検知する検知回路２９とを周波数発振器２１に付加することにより、センサＩＣ２を簡素に構成することができる。
【００６４】
また、周波数発振器２１の発振周波数は、前述の周波数発振器１１と同様、特に限定されないが、２０ＧＨｚ以上１８０ＧＨｚ以下であることが好ましい。これにより、水の複素誘電率の実部および虚部が共に大きく変化する２０ＧＨｚ〜１８０ＧＨｚ程度で当該複素誘電率の変化量を検知することができる。
【００６５】
さらに、インダクタ２０が、層間絶縁膜２４の表面に最も近い位置に形成されていているので、サンプル２２が有する透磁率または誘電率を微小な変化量でも読み取ることができる。
【００６６】
〔実施の形態３〕
本発明の第３の実施の形態について図５を用いて説明する。
【００６７】
〈インダクタ３０の構成〉
図５の（ａ）は、実施の形態３に係るインダクタ３０の構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線矢視断面図である。
【００６８】
図５の（ａ）に示すインダクタ３０は、前述のセンサＩＣ１におけるインダクタ１０または前述のセンサＩＣ２におけるインダクタ２０と置き換えて用いられる。
【００６９】
また、図５の（ｂ）に示すように、半導体基板３８の実装面上には、半導体プロセスによって、層間絶縁膜３４がＳｉＯ２などによって一層形成されており、さらにその上には、複数層（図５の（ｂ）では２層）のメタル層３５ａ，３５ｂが形成されている。隣接するメタル層３５ａ，３５ｂの間には、これらのメタル層３５ａ，３５ｂを絶縁するように層間絶縁膜３４が形成されている。インダクタ３０は、最上層のメタル層３５ａを用いて形成されている。このインダクタ３０は、層間絶縁膜３４と同様にＳｉＯ２などによって形成された保護膜３６で覆われている。また、インダクタ３０は、二重に巻かれたように形成されている。
【００７０】
なお、メタル層３５ａ，３５ｂは、上記の例のように２層だけでなく、３層以上形成されていてもよい。また、インダクタ３０は、最上層のメタル層３５ａではなく、当該メタル層３５ａの直下のメタル層３５ｂを用いて形成されていてもよい。
【００７１】
検知対象となるサンプル３２は、保護膜３６およびその下の層間絶縁膜３４（少なくとも１層の層間絶縁膜３４）におけるインダクタ３０の内側に形成された穴３３に充填されることで配置される。図５の（ｂ）に示す例では、保護膜３６の直下の層間絶縁膜３４にまで穴３３が達している。あるいは、穴３３は、保護膜３６にのみ形成されていてもよい。穴３３は、その底面がインダクタ３０を形成する最上層のメタル層３５ａの底部（保護膜３６の底面）と同じ深さか、またはその位置よりも深く（当該位置よりも半導体基板３８に近くなるような深さに）形成されている。このように、穴３３の深さは、保護膜３６から層間絶縁膜３４に達する深さに限定されず、インダクタ３０を形成するメタル層３５ａの底部の位置よりも浅くてもよい。
【００７２】
なお、インダクタ３０をセンサＩＣ１に適用する場合は、半導体基板１８および層間絶縁膜１４が、それぞれ半導体基板３８および層間絶縁膜３４に置き換えられる。また、インダクタ３０をセンサＩＣ２に適用する場合は、半導体基板２８および層間絶縁膜２４が、それぞれ半導体基板３８および層間絶縁膜３４に置き換えられる。
【００７３】
〈インダクタ３０の効果〉
以上のように、本実施の形態に係るインダクタ３０が形成される層間絶縁膜３４側には、インダクタ３０の近傍（好ましくは内側）に穴３３が形成されている。これにより、サンプル３２がインダクタ３０により近づくので、インダクタ３０を備える周波数発振器１１または周波数発振器２１が発振周波数を変化させる感度が向上する。また、穴３３は、インダクタ３０が形成される位置と同じ深さか、またはその位置よりも深く形成されることが好ましい。これにより、サンプル３２がインダクタ３０に最も近づくので、周波数発振器１１または周波数発振器２１が発振周波数を変化させる感度を向上させる効果をより高めることができる。したがって、サンプル３２が有する誘電率または透磁率の微小な変化量でも読み取ることができる。
【００７４】
なお、穴３３から穴３３の周囲に溢れ出たサンプル３２についても、透磁率または誘電率を検知することができる。これは、穴３３の周囲が実施の形態１における配置領域に相当するからである。
【００７５】
〔付記事項〕
前述の各実施の形態では、トランジスタＴ１１，Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ３１，Ｔ３２および位相同期回路１３，２３および検知回路１９，２９がｎＭＯＳトランジスタで形成されることを前提に説明した。しかしながら、これらのトランジスタは、バイポーラトランジスタなど、ギガヘルツ帯で利用できるようなトランジスタであればよく、ＣＭＯＳプロセスによって形成されるトランジスタに限定されるものではない 。
【００７６】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るセンサＩＣは、半導体基板１８，２８，３８と、少なくともインダクタ１０，２０，３０を含む周波数可変の周波数発振器１１，２１と、前記インダクタ１０，２０，３０の近傍に配置されたサンプル１２，２２，３２の誘電率または透磁率の変化に応じて変化しようとする前記周波数発振器１１，２１の発振周波数が規定値となるように、前記発振周波数を制御する制御信号を変化させる前記半導体基板１８，２８，３８上に形成された位相同期回路１３，２３と、前記制御信号の変化を検知する検知回路１９，２９とを備え、前記周波数発振器１１，２１、前記位相同期回路１３，２３および前記検知回路１９，２９が前記半導体基板１８，２８，３８上に形成されている。
【００７７】
上記の構成によれば、サンプル１２，２２，３２の誘電率または透磁率の変化に応じて変化する周波数発振器１１，２１の発振周波数が規定値に制御されるとき、発振周波数を制御する制御信号の値が変更される。この制御信号の変化を検知回路１９，２９が検知することで、サンプルの状態の変化を読み取ることができる。位相同期回路１３，２３による発振周波数を制御する制御信号が一般に直流電圧であることから、直流電圧の差を検知するような簡易な構成で同等の変化を読み取ることができる。したがって、サンプルの状態変化に伴って誘電率が変化する様子を発振周波数差そのもので確認する背景技術と比べて、センサＩＣを簡素に構成することができる。
【００７８】
本発明の態様２に係るセンサＩＣは、上記態様１において、前記半導体基板１８，２８，３８上には、複数層のメタル層１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂと、隣接する前記メタル層１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂを絶縁する少なくとも１層の層間絶縁膜１４，２４，３４とが形成されるとともに、複数層の前記メタル層１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂのうちの最上層の前記メタル層１５ａ，２５ａ，３５ａが保護膜１６，２６，３６で覆われており、前記インダクタ１０，２０，３０が、前記メタル層１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂのうち、最上層の前記メタル層１５ａ，２５ａ，３５ａまたは当該メタル層１５ａ，２５ａ，３５ａの直下の前記メタル層１５ｂ，２５ｂ，３５ｂを用いて形成されていてもよい。
【００７９】
上記の構成によれば、サンプル１２，２２，３２が有する透磁率または誘電率を微小な変化量でも読み取ることができる。
【００８０】
本発明の態様３に係るセンサＩＣは、上記態様１または２において、前記周波数発振器１１，２１の発振周波数が２０ＧＨｚ以上１８０ＧＨｚ以下であってもよい。
【００８１】
上記の構成によれば、水の複素誘電率の実部および虚部が共に大きく変化する２０ＧＨｚ〜１８０ＧＨｚ程度で当該複素誘電率の変化量を検知することができる。したがって、サンプルが有する誘電率を微小な変化量でも読み取ることができる。
【００８２】
本発明の態様４に係るセンサＩＣは、上記態様２において、前記保護膜３６には、または前記保護膜３６および当該保護膜３６下の前記層間絶縁膜３４には、前記インダクタ３０の近傍に、前記サンプル３２を充填するための穴３３が形成されていてもよい。
【００８３】
上記の構成によれば、サンプル３２がインダクタ１０に、より近づけることができる。したがって、サンプル３２が有する誘電率または透磁率の微小な変化量でも読み取ることができる。
【００８４】
本発明の態様５に係るセンサＩＣは、上記態様２または４において、前記保護膜１６，２６，３６の表面には、前記サンプル１２，２２，３２が塗布される領域が形成されていてもよい。
【００８５】
上記の構成によれば、サンプル１２，２２，３２が有する透磁率または誘電率の微小な変化量でも読み取ることができる。
【００８６】
本発明の態様６に係るセンサＩＣは、上記態様１から５において、前記周波数発振器１１，２１が、前記制御信号が電圧として与えられることによって周波数を制御する発振器であってもよい。
【００８７】
上記の構成によれば、周波数発振器の出信号の周波数を検出するよりも、簡易な構成で、サンプルが有する誘電率または透磁率の変化を検知することを、制御信号の電圧を読むことで同様に行うことができる。
【００８８】
本発明の態様７に係るセンサＩＣは、上記態様１から５において、前記周波数発振器１１，２１が、前記制御信号がデジタル信号として与えられることによって周波数を制御する発振器であってもよい。
【００８９】
上記の構成によれば、周波数発振器１１，２１の出力信号の周波数を検出するよりも、簡易な構成で、サンプル１２，２２，３２が有する誘電率または透磁率の変化を検知することを、デジタル化された制御信号（制御コード）を読むことで同様に行うことができる。
【００９０】
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明を利用することにより、各家庭や簡易診断所などで利用される診断ツールとして、高速検査、低価格、小型化、簡便性に優れたセンサＩＣを提供することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１  センサＩＣ
２  センサＩＣ
１０  インダクタ
１１  周波数発振器
１２  サンプル
１３  位相同期回路
１４  層間絶縁膜
１５ａ  メタル層
１５ｂ  メタル層
１６  保護膜
１８  半導体基板
１９  検知回路
２０  インダクタ
２１  周波数発振器
２２  サンプル
２４  層間絶縁膜
２５ａ  メタル層
２５ｂ  メタル層
２６  保護膜
３０  インダクタ
３２  サンプル
３３  穴
３４  層間絶縁膜
３５ａ  メタル層
３５ｂ  メタル層
３８  半導体基板
Ｃｃｎｔ  制御コード（制御信号）
Ｖｃｎｔ  制御信号
【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７】
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【図６】
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