离子传感器及离子传感器的制造方法与流程

1.本发明涉及一种离子传感器及离子传感器的制造方法。


背景技术：

2.在非专利文献1中，公开有一种对气味具有灵敏度的离子传感器。在该离子传感器中，采用开口型的像素构造(以下称为“开口型构造”)。具体而言，在各像素中，在半导体基板上的第1电极(icg电极)与第2电极(tg电极)之间设置有开口，在该开口的底部配置有离子感应膜(si3n4)。在该离子感应膜上，成膜有作为包含检测对象的物质(例如气味物质)的介质的聚苯胺感应膜。
3.现有技术文献
4.非专利文献
5.非专利文献1：新名直也、岩田达哉、桥诘贤一、黑木俊一郎、泽田和明(2017)，使用聚苯胺感应膜的电荷传送型传感器阵列的气体分布成像，第64次应用物理学会春季学术演讲会，16p-416-6。


技术实现要素：

6.发明所要解决的问题
7.在如上所述的离子传感器中，为获得充分的灵敏度，而要求充分确保离子感应膜与介质的接触面积。另一方面，在如非专利文献1所记载的开口型构造中，因为成为介质的一部分进入开口内的构造，因而介质与离子感应膜的接触面积依赖于开口尺寸。另外，自像素尺寸及像素间距等要件而言，放大开口尺寸有界限。因此，在上述开口型构造中，有难以确保充分的接触面积的情况。
8.本发明的一方面的目的在于提供一种可使灵敏度有效地提高的离子传感器及离子传感器的制造方法。
9.解决问题的技术手段
10.本发明的一方面的离子传感器具备：基板；及多个像素，其设置于基板的第1面；各像素具有电荷蓄积部、第1电极、第2电极、第3电极、第4电极、及离子感应膜；电荷蓄积部形成于沿基板的第1面的区域，蓄积用于注入至基板中自基板的厚度方向观察时形成于与第3电极重叠的部分的电势阱的电荷；第1电极配置于第1面上，以控制自电荷蓄积部向电势阱的电荷注入量的方式构成；第2电极配置于第1面上，以进行用于自电势阱向外部传送电荷的控制的方式构成；第3电极在第1面上，配置于第1电极与第2电极之间；第4电极与第3电极电连接，隔着第3电极配置于基板的相反侧；离子感应膜设置于第4电极的与基板侧相反侧的面上，相应于与离子感应膜接触的介质的离子浓度的变化而使电位变化；第1电极与第2电极相对的相对方向上的离子感应膜的宽度大于第1电极与第2电极的间隔宽度。
11.上述离子传感器中，在基板的第1面上，在第1电极与第2电极之间配置有第3电极。另外，第3电极与设置有离子感应膜的第4电极电连接。由此，实现作为离子传感器的功能。
具体而言，可使离子感应膜的电位的变化经由第4电极及第3电极传递至基板。由此，可根据离子感应膜的电位的变化使电势阱的深度变化。其结果，可基于通过第1电极及第2电极的控制取出至外部的电荷的量(即，与电势阱的深度相应的量)，检测与离子感应膜接触的介质所接触的检查对象物的离子浓度。
12.此处，假设采用在第1电极与第2电极之间设置开口并在该开口的底部设置离子感应膜的结构(所谓开口型构造)的情况下，离子感应膜的宽度会被开口尺寸限制，无法使离子感应膜的宽度大于第1电极与第2电极的间隔宽度。另一方面，在上述离子传感器中，通过采用经由第3电极及第4电极使离子感应膜的电位变化传递至基板的结构，而实现使离子感应膜的宽度大于第1电极与第2电极的间隔宽度的结构。由此，可充分确保离子感应膜与介质的接触面积，并可使离子传感器的灵敏度有效地提高。
13.第4电极的与基板侧相反侧的面可为平坦面，离子感应膜也可沿相反侧的面平坦状地成膜。根据上述结构，与采用上述开口型构造的情况比较，可使配置于离子感应膜上的介质与离子感应膜充分密接。由此，可使离子传感器的灵敏度进一步有效地提高。
14.第1电极与第3电极可相互隔开，第1电极与第3电极的第1间隔宽度也可设定为不产生阻碍电荷自电荷蓄积部向电势阱注入的势垒的范围。根据上述结构，确保自电荷蓄积部向电势阱的充分的电荷传送效率。
15.第2电极与第3电极可相互隔开，第2电极与第3电极的第2间隔宽度也可设定为不产生阻碍电荷自电势阱向外部传送的势垒的范围。根据上述结构，确保自电势阱向外部的充分的电荷传送效率。
16.相对方向上的第3电极的宽度也可为第1电极与第2电极的间隔宽度的80％以上。根据上述结构，可较佳地抑制产生上述势垒。
17.自厚度方向观察时，第1电极的一部分也可与第3电极重叠。根据上述结构，可减少蓄积于电势阱的电荷量的不均。
18.第1电极的一部分也可隔着第3电极配置于基板的相反侧。根据上述结构，与将第1电极的一部分配置于基板与第3电极之间的情况比较，可降低在基板中与第3电极重叠的区域形成电势阱所需的电压值。
19.第1电极中与第3电极重叠的第1部分的相对方向上的宽度也可小于第1电极中不与第3电极重叠的第2部分的相对方向上的宽度。根据上述结构，可抑制电荷自电势阱向电荷蓄积部的意外漏出。
20.第1部分的宽度也可为第2部分的宽度的25％以下。根据上述结构，可较佳地抑制电荷自电势阱向电荷蓄积部的意外漏出。
21.在自厚度方向观察的情况下，第2电极的一部分也可与第3电极重叠。根据上述结构，可谋求自电势阱向外部的电荷传送效率的提高。
22.第2电极的一部分也可隔着第3电极配置于基板的相反侧。根据上述结构，与将第2电极的一部分配置于基板与第3电极之间的情况比较，可降低在基板中与第3电极重叠的区域形成电势阱所需的电压值。
23.第2电极中与第3电极重叠的第3部分的相对方向上的宽度也可小于第2电极中不与第3电极重叠的第4部分的相对方向上的宽度。根据上述结构，可抑制电荷自电势阱向外部的意外漏出。
24.第3部分的宽度也可为第4部分的宽度的25％以下。根据上述结构，可较佳地抑制电荷自电势阱向外部的意外漏出。
25.1个像素可包含与互不相同的离子反应的多个离子感应膜，可与多个离子感应膜的各者对应设置多个第4电极，也可与多个第4电极的各者对应设置多个第3电极。根据上述结构，可进一步增加自1个像素获得的信息量。即，可通过1个像素检测多种离子的浓度。
26.本发明的其他方面的离子传感器的制造方法是具有基板与形成于基板上的第1电极、第2电极、及第3电极的离子传感器的制造方法，包含：在基板上形成第1绝缘膜的工序；在第1绝缘膜上，形成第1电极、以与第1电极隔开的方式配置的第2电极、及以在第1电极及第2电极之间与第1电极及第2电极两者隔开的方式配置的第3电极的工序；在基板上，形成覆盖第1电极、第2电极、及第3电极的第2绝缘膜的工序；以第3电极的一部分露出的方式在第2绝缘膜形成开口，在开口内形成与第3电极电连接的金属配线的工序；沿第2绝缘膜的与基板侧相反侧的表面上，形成与金属配线电连接的第4电极的工序；及在第4电极的与基板侧相反侧的面上，形成相应于接触的介质的离子浓度的变化而使电位变化的离子感应膜的工序；在形成离子感应膜的工序中，以第1电极与第2电极相对的相对方向上的离子感应膜的宽度大于第1电极与第2电极的间隔宽度的方式，形成离子感应膜。根据上述离子传感器的制造方法，可获得发挥上述效果的离子传感器。
27.本发明的又一其他方面的离子传感器的制造方法是具有基板与形成于基板上的第1电极、第2电极、及第3电极的离子传感器的制造方法，包含：在基板上形成第1绝缘膜的工序；在第1绝缘膜上，形成第3电极的工序；形成覆盖第3电极的表面的第2绝缘膜的工序；以自基板的厚度方向观察时，第1电极的一部分经由第2绝缘膜与第3电极重叠的方式形成第1电极，且以自基板的厚度方向观察时，第2电极的一部分经由第2绝缘膜与第3电极重叠的方式形成第2电极的工序；在基板上，形成覆盖第1电极、第2电极、及第3电极的第3绝缘膜的工序；以第3电极的一部分露出的方式在第3绝缘膜形成开口，在开口内形成与第3电极电连接的金属配线的工序；沿第3绝缘膜的与基板侧相反侧的表面上，形成与金属配线电连接的第4电极的工序；及在第4电极的与基板侧相反侧的面上，形成相应于接触的介质的离子浓度的变化而使电位变化的离子感应膜的工序；在形成离子感应膜的工序中，以第1电极与第2电极相对的相对方向上的离子感应膜的宽度大于第1电极与第2电极的间隔宽度的方式形成离子感应膜。根据上述离子传感器的制造方法，可获得发挥上述效果的离子传感器。
28.发明的效果
29.根据本发明的一方面，可提供一种可使灵敏度有效地提高的离子传感器及离子传感器的制造方法。
附图说明
30.图1是第1实施方式的离子传感器的概略俯视图。
31.图2是模式性显示检测部(像素)的截面结构的图。
32.图3是显示id驱动方式的检测部的动作例的图。
33.图4是显示icg驱动方式的检测部的动作例的图。
34.图5是显示icg电极-sg电极间及tg电极-sg电极间的势垒的一例的图。
35.图6是显示icg电极、tg电极、及sg电极的配置尺寸的图。
36.图7是显示第1实施方式的离子传感器的制造工序的图。
37.图8是模式性显示第2实施方式的离子传感器的检测部的截面结构的图。
38.图9是显示第2实施方式的离子传感器的检测部的动作例的图。
39.图10是显示第2实施方式的离子传感器的制造工序的图。
40.图11是模式性显示第3实施方式的离子传感器的检测部的截面结构的图。
41.图12是显示离子传感器的第1变形例的图。
42.图13是显示离子传感器的第2变形例的图。
具体实施方式
43.以下，一边参照附图一边详细说明本发明的实施方式。在附图的说明中，对同一或同等的要件使用同一符号，省略重复的说明。
44.[第1实施方式]
[0045]
图1是第1实施方式的离子传感器1的概略俯视图。图1的右部模式性显示在各检测部5共同的布局例。图2是模式性显示沿图1的ii-ii线的检测部5的截面结构的图。如图2所示，离子传感器1是构成为可通过在离子传感器1的表面浸渍水溶液3(介质)，而检测与水溶液3接触的检查对象物(未图示)的离子浓度的传感器装置。检查对象物可为固体状，可为液体状，也可为气体状。
[0046]
离子传感器1是呈二维状排列的多个检测部5形成于基板100上的传感器。离子传感器1是所谓电荷传送型的cmos影像传感器。多个检测部5通过在设置于离子传感器1的芯片上的像素形成区域r(在本实施方式中为设置于芯片中央部的矩形状的区域)以m行n列(例如256行256列)呈二维状排列，而构成像素阵列。m及n为2以上的整数。1个检测部5对应于1个检测单位(像素)。1个检测部5的尺寸(像素尺寸)为例如15μm
×
15μm。
[0047]
水溶液3在测量时下滴至像素形成区域r内所包含的多个检测部5的表面。由此，如图2所示，各检测部5的表面在测量时，由水溶液3覆盖。水溶液3为例如ssc溶液、ph标准液、细胞的培养液等。另外，在测量时，通过未图示的电极，对水溶液3施加参照电压vref。为施加参照电压vref而使用的电极例如可为玻璃电极等外部电极，也可为内置于离子传感器1的电极(例如，埋入至钝化层120内，经由设置于钝化层120的开口与水溶液3电连接的电极)。上述电极只要由可与水溶液3接触而施加电压的材料形成即可。
[0048]
如图1及图2所示，各检测部5形成于基板100的一主面100a(第1面)侧。基板100是通过例如硅形成的第1导电类型(作为一例，为p型)的半导体基板。在各检测部5中，在沿基板100的主面100a的区域，分别形成有第2导电类型区域即输入二极管部21(以下为“id部21”)(电荷蓄积部)、浮动扩散部31(以下为“fd部31”)、及重置漏极部41(以下为“rd部41”)。在基板100的id部21与fd部31之间，形成有第1导电类型(作为一例，为p型)的扩散层11。在扩散层11的表面，形成有掺杂为第1导电类型的第1导电类型区域12。
[0049]
在基板100的主面100a上，经由绝缘性的保护膜110，形成(配置)有输入控制栅极电极22(以下为“icg电极22”)(第1电极)、转移栅极电极32(以下为“tg电极32”)(第2电极)、重置栅极电极42(以下为“rg电极42”)、及感测栅极电极51(以下为“sg电极51”)(第3电极)。保护膜110为所谓栅极绝缘膜(栅极氧化膜)。作为保护膜110，可使用例如sio2等。保护膜110是例如厚度为10nm左右的薄膜。另外，在基板100的主面100a上，设置有使与蓄积于fd部
31的电荷量相应的输出信号放大的放大器(信号放大器33)、及输出通过放大器33放大的输出信号的源极随耦电路即输出电路34。
[0050]
sg电极51在主面100a上，以自基板100的厚度方向d1(参照图2)观察时与第1导电类型区域12重叠的方式，配置于icg电极22与tg电极32之间。另外，以覆盖设置于主面100a上的各电极(icg电极22、tg电极32、rg电极42、及sg电极51等)的方式，在主面100a上形成有绝缘性的钝化层120。作为钝化层120，可使用例如sio2。或者，作为钝化层120，也可使用si3n4。
[0051]
在钝化层120的与基板100侧相反侧的表面120a，设置有平板状的电极焊盘52(第4电极)。即，电极焊盘52隔着sg电极51配置于基板100的相反侧。电极焊盘52与sg电极51电连接。在本实施方式中，电极焊盘52经由埋入至形成于钝化层120的开口(接触孔)的金属配线53，与sg电极51电连接。在图2的例子中，电极焊盘52埋入至钝化层120，且电极焊盘52的与基板100侧相反侧的表面52a与钝化层120的表面120a成为同一面。但是，电极焊盘52也可配置于钝化层120上。在该情况下，电极焊盘52的表面52a的高度位置成为较钝化层120的表面120a的高度位置自基板100仅离开电极焊盘52的厚度量的位置。
[0052]
在电极焊盘52的表面52a，设置有薄膜状的离子感应膜13。离子感应膜13具有根据与离子感应膜13接触的介质(在本实施方式中，为浸渍于离子传感器1的表面的水溶液3)的离子浓度的变化使电位(膜电位)变化的性质。作为离子感应膜13，可使用例如si3n4等。离子感应膜13的厚度为例如100nm左右。icg电极22与tg电极32相对的相对方向d2上的离子感应膜13的宽度大于icg电极22与tg电极32的间隔宽度。另外，电极焊盘52的表面52a为平坦面，离子感应膜13沿电极焊盘52的表面52a平坦状地成膜。另外，此处的“平坦面”意味着不设置下述的开口型构造的开口等，而以宏观上观察成为大致平坦的方式形成的面。因此，例如，为谋求电极焊盘52的表面52a与离子感应膜13的接触面积的增大及密接性的提高而设有细微的凹凸构造(例如，高度较测定对象即介质(水溶液3)的厚度充分小的凹凸构造)的表面52a也相当于上述的“平坦面”。另外，如图2所示，离子感应膜13配置至较电极焊盘52更外侧。即，自厚度方向d1观察时，离子感应膜13具有超出至电极焊盘52的外侧的部分。在离子感应膜13中超出至电极焊盘52的外侧的部分虽无助于离子传感器1的灵敏度，但发挥防止电极焊盘52的表面52a露出至外部的作用。由此，例如，可较佳地抑制水溶液3渗入至电极焊盘52的表面52a。
[0053]
接着，对检测部5的功能结构及动作原理进行说明。检测部5具备感测部10、供给部20、移动/蓄积部30、及去除部40。另外，在本实施方式中，电荷为电子。
[0054]
感测部10是基板100中与sg电极51相对的区域。更具体而言，感测部10是在icg电极22与tg电极32之间，sg电极51经由保护膜110与第1导电类型区域12相对的区域。即，感测部10是通过层叠上述扩散层11、第1导电类型区域12、保护膜110及sg电极51而构成的感测区域。若为进行检查对象物的检查(离子浓度测定)，而对水溶液3或检查对象物自身赋予刺激，则水溶液3的离子浓度相应于检查对象物的状态而变化。上述刺激包含例如单纯使水溶液3与检查对象物接触、或在使水溶液3接触到检查对象物的状态下对水溶液3或检查对象物赋予物理、化学或药物的刺激等。于是，在离子感应膜13中，产生与水溶液3的离子浓度的变化相应的电位变化。该离子感应膜13的电位变化经由电极焊盘52、金属配线53、及sg电极51，向第1导电类型区域12传递。其结果，形成于基板100中自厚度方向d1观察的情况下与sg
电极51重叠的部分(感测部10)的电势阱14的深度变化。
[0055]
供给部20通过上述id部21及icg电极22构成。id部21为蓄积用于注入至电势阱14的电荷的部分。icg电极22为控制自id部21向电势阱14的电荷注入量的部分。
[0056]
移动/蓄积部30通过tg电极32及fd部31构成。tg电极32为进行用于将电荷自电势阱14向fd部31(外部)传送的控制的部分。fd部31为蓄积自电势阱14传送的电荷的部分。具体而言，通过使tg电极32的电压变化，可使基板100中与tg电极32相对的区域(以下为“tg区域”)的电位(电势(potential))变化，并将填充于电势阱14的电荷传送及蓄积于fd部31。
[0057]
去除部40通过rg电极42及rd部41构成。去除部40为用于重置(去除)蓄积于fd部31的电荷的部分。具体而言，通过使rg电极42的电压变化，可使基板100中与rg电极42相对的区域(以下为“rg区域”)的电位变化，并将蓄积于fd部31的电荷向rd部41(vdd)排出。
[0058]
接着，对检测部5的动作例进行说明。图3显示通过在将icg电极22的电位设为一定的状态下使id部21的电位变化，而自id部21对电势阱14注入电荷的方式(以下为“id驱动方式”)的动作例。图4显示通过在将id部21的电位设为一定的状态下使icg电极22的电位变化，而自id部21对电势阱注入电荷的方式(以下为“icg驱动方式”)的动作例。
[0059]
(id驱动方式)
[0060]
参照图3，对id驱动方式进行说明。首先，若对水溶液3或检查对象物赋予上述刺激而产生该水溶液3的离子浓度的变化，则产生与该水溶液3接触的离子感应膜13的电位变化，且该离子感应膜13的电位变化经由电极焊盘52、金属配线53、及sg电极51传递至扩散层11(第1导电类型区域12)。由此，如图3的(a)所示，电势阱14的深度相应于上述离子感应膜13的电位变化而变化。
[0061]
接着，如图3的(b)所示，通过id部21的电位下降，而在id部21蓄积电荷。id部21所蓄积的电荷超过基板100中与icg电极22相对的区域(以下为“icg区域”)，向电势阱14注入。此时，tg区域的电位以低于id部21的电位的方式被控制。因此，向电势阱14注入的电荷不会超过tg区域而到达fd部31。
[0062]
接着，如图3的(c)所示，通过id部21的电位返回(提高)至原始值，而自id部21提取电荷。其结果，以预先设定的icg区域的电位的高度消耗的电荷残留于电势阱14。残留于电势阱14的电荷量与电势阱14的深度对应。
[0063]
接着，如图3的(d)所示，通过提高tg电极32的电压，而将残留于电势阱14的电荷传送至fd部31。之后，通过tg电极32的电压返回至原始值，而成为图3的(e)所示的状态。在这样的状态下，与蓄积于fd部31的电荷量相应的输出信号经由放大器33及输出电路34输出至未图示的测定部。由此，在测定部中，基于输出信号自基准电位起的变化量检测检查对象物的离子浓度。接着，如图3的(f)所示，通过提高rg电极42的电压，而将蓄积于fd部31的电荷排出至rd部41。rd部41连接于vdd电源。由此，在rd部41中，吸取被负充电的电荷。
[0064]
另外，也可多次重复上述图3的(b)～(e)的动作。由此，可使蓄积于fd部31的电荷量增大，并以重复次数使输出信号放大。另外，也可通过这样的重复动作使输出信号放大，由此省略放大器33。可通过执行重复图3的(b)～(e)的动作(累积动作)，而谋求分辨率的提高。
[0065]
(icg驱动方式)
[0066]
接着，参照图4，对icg驱动方式进行说明。icg驱动方式将图3的(a)～(c)的动作置
换为图4的(a)～(c)的动作。首先，如图4的(a)所示，id部21的电位被设定为低于电势阱14的电位且高于tg区域的电位的一定的值。另一方面，icg区域的电位低于id部21的电位。接着，如图4的(b)所示，通过使icg区域的电位高于电势阱14的电位，而将电荷自id部21向电势阱14供给。接着，如图4的(c)所示，通过再次使icg区域的电位低于id部21的电位，直至预先设定的id部21的电位的高度为止的电荷残留于电势阱14。通过以上所述，在电势阱14蓄积与id部21同等的电位的电荷。icg驱动方式的之后的动作与图3的(d)～(f)的动作相同。
[0067]
接着，参照图5及图6，对icg电极22、tg电极32、及sg电极51的配置(位置关系)进行说明。icg电极22、tg电极32、及sg电极51需要相互绝缘。因此，如图5所示，icg电极22与sg电极51以相互隔开的方式配置。同样地，tg电极32与sg电极51以相互隔开的方式配置。
[0068]
图5的(a)～(c)对应于图4(icg驱动方式)的(a)～(c)。此处，在icg电极22与sg电极51的间隔宽度大一定以上的情况下，有产生阻碍电荷自id部21向电势阱14注入的势垒61的担忧。即，即使以icg区域的电位高于电势阱14的电位的方式控制icg电极22的电压，也如图5的(b)所示，在icg电极22与sg电极51之间的区域中，可产生仍维持于较电势阱14的电位低的电位的势垒61。在产生势垒61的情况下，自id部21向电势阱14的电荷注入由势垒61阻挡，自id部21向电势阱14的电荷传送效率恶化。
[0069]
同样地，在tg电极32与sg电极51的间隔宽度大一定以上的情况下，有产生阻碍电荷自电势阱14向fd部31传送的势垒62的担忧。即，如图3的(d)所示即使以tg区域的电位高于电势阱14的电位的方式控制tg电极32的电压，也可在tg电极32与sg电极51之间的区域中，产生仍维持于较电势阱14的电位低的电位的势垒62。在产生势垒62的情况下，自电势阱14向fd部31的电荷注入由势垒62阻挡，自电势阱14向fd部31的电荷传送效率恶化。
[0070]
因此，在离子传感器1中，以不产生势垒61的方式设定icg电极22与sg电极51的间隔宽度d2(第1间隔宽度)(参照图6)。此处，用于不产生阻碍电荷自id部21向电势阱14注入的程度的势垒61的间隔宽度d2的条件(上限值)依赖于施加于icg电极22的电压的大小、保护膜110的厚度、及第1导电类型区域12的杂质浓度等。更具体而言，施加于icg电极22的电压越大，则间隔宽度d2的上限值越大。另外，保护膜110的厚度越大，则间隔宽度d2的上限值越大。但是，在该情况下，需以增大保护膜110的厚度的量增大施加于icg电极22的电压。另外，第1导电类型区域12的杂质浓度越大(越浓)，则间隔宽度d2的上限值越小。通过将例如这样的对icg电极22的施加电压、保护膜110的厚度、及第1导电类型区域12的杂质浓度等作为参数进行实验及模拟等，算出间隔宽度d2的上限值。在离子传感器1中，基于对icg电极22的施加电压、保护膜110的厚度、及第1导电类型区域12的杂质浓度，算出用于不产生势垒61的间隔宽度d2的上限值，并在不超过算出的上限值的范围设定间隔宽度d2。由此，确保自id部21向电势阱14的充分的电荷传送效率。
[0071]
同样地，以不产生势垒62的方式设定tg电极32与sg电极51的间隔宽度d3(第2间隔宽度)(参照图6)。此处，用于不产生阻碍电荷自电势阱14向fd部31传送的程度的势垒62的间隔宽度d3的条件(上限值)依赖于施加于tg电极32的电压的大小、保护膜110的厚度、及第1导电类型区域12的杂质浓度等。更具体而言，施加于tg电极32的电压越大，则间隔宽度d2的上限值越大。另外，保护膜110的厚度越大，则间隔宽度d3的上限值越大。但是，在该情况下，需以增大保护膜110的厚度的量增大施加于tg电极32的电压。另外，第1导电类型区域12的杂质浓度越大(越浓)，则间隔宽度d3的上限值越小。通过将例如这样的对tg电极32的施
加电压、保护膜110的厚度、及第1导电类型区域12的杂质浓度等作为参数进行实验及模拟等，算出间隔宽度d2的上限值。在离子传感器1中，基于对tg电极32的施加电压、保护膜110的厚度、及第1导电类型区域12的杂质浓度，算出用于不产生势垒62的间隔宽度d3的上限值，并在不超过算出的上限值的范围设定间隔宽度d3。由此，确保自电势阱14向fd部31的充分的电荷传送效率。
[0072]
作为一例，相对方向d2上的sg电极51的宽度w(参照图6)为icg电极22与tg电极32的间隔宽度d1(参照图6)的80％以上。即，将icg电极22与sg电极51的间隔宽度d2及tg电极32与sg电极51的间隔宽度d3的各者设定为icg电极22与tg电极32的间隔宽度d1的10％以下左右。这样，通过设定icg电极22、tg电极32、及sg电极51的配置及尺寸，而在与对上述icg电极22及tg电极32的施加电压、保护膜110的厚度、以及第1导电类型区域12的杂质浓度等相关的一般条件下，可较佳地抑制产生上述势垒61、62。
[0073]
接着，参照图7，对离子传感器1的制造方法的一例进行说明。此处，着眼于与各像素(各检测部5)的icg电极22、tg电极32、及sg电极51关联的部分的制造工序进行说明。
[0074]
首先，如图7的(a)所示，准备基板100，在基板100的主面100a上，形成作为栅极氧化膜的保护膜110(第1绝缘膜)。保护膜110在id部21与fd部31之间，形成于至少配置有icg电极22、tg电极32、及sg电极51的预定的区域。
[0075]
接着，如图7的(b)所示，在保护膜110上，形成icg电极22、tg电极32、及sg电极51。icg电极22、tg电极32、及sg电极51通过例如多晶硅等形成。tg电极32以与icg电极22隔开的方式配置。另外，sg电极51以在icg电极22及tg电极32之间与icg电极22及tg电极32的两者隔开的方式配置。
[0076]
接着，如图7的(c)所示，在基板100的主面100a上，形成覆盖icg电极22、tg电极32、及sg电极51的钝化层120(第2绝缘膜)。接着，如图7的(d)所示，以sg电极51的一部分露出的方式在钝化层120形成开口(接触孔)，在该开口内形成与sg电极51电连接的金属配线53(埋入)。
[0077]
接着，如图7的(e)所示，沿钝化层120的表面120a上，平板状地形成与金属配线53电连接的电极焊盘52。接着，如图7的(f)所示，在电极焊盘52的表面52a上，形成离子感应膜13。此处，离子感应膜13以相对方向d2上的离子感应膜13的宽度大于icg电极22与tg电极32的间隔宽度的方式形成。通过以上，获得上述像素构造(检测部5)。另外，在图7的(f)中，仅图示检测部5的一部分，因此，离子感应膜13的宽度与电极焊盘52的宽度一致，但离子感应膜13也可形成至较电极焊盘52更靠外侧。更具体而言，在上述制造方法中，在钝化层120上形成电极焊盘52的时点，电极焊盘52的表面52a及侧面露出至外部。因此，也可以覆盖电极焊盘52的表面52a及侧面、以及钝化层120的较电极焊盘52更靠外侧的部分的方式，形成离子感应膜13。根据这样形成的离子感应膜13，可防止电极焊盘52的表面52a及侧面露出至外部，并可较佳地抑制水溶液3向电极焊盘52的表面52a渗入。
[0078]
在以上所述的离子传感器1中，在基板100的主面100a上，在icg电极22与tg电极32之间配置有sg电极51。另外，sg电极51与设置有离子感应膜13的电极焊盘52电连接。由此，实现作为离子传感器1的功能。具体而言，可将离子感应膜13的电位的变化经由电极焊盘52及sg电极51，传递至基板100(具体而言，沿基板100的主面100a的区域中自厚度方向d1观察的情况下与sg电极51重叠的区域)。由此，可相应于离子感应膜13的电位的变化使电势阱14
的深度变化。其结果，可基于通过icg电极22及tg电极32的控制(电压的控制)取出至外部(fd部31)的电荷的量(即，与电势阱14的深度相应的量)，检测与离子感应膜13接触的介质(在本实施方式中为水溶液3)所接触的检查对象物的离子浓度。
[0079]
此处，假设采用在icg电极22与tg电极32之间设置开口(未形成有钝化层的凹部)并在该开口的底部设置离子感应膜的结构(开口型构造)的情况下，离子感应膜的宽度会被开口尺寸限制，无法使离子感应膜的宽度大于icg电极22与tg电极32的间隔宽度。另一方面，在离子传感器1中，通过采用经由上述sg电极51及电极焊盘52使离子感应膜13的电位变化传递至基板100的结构，而实现使离子感应膜13的宽度大于icg电极22与tg电极32的间隔宽度的结构。由此，可充分确保离子感应膜13与水溶液3的接触面积，并可使离子传感器1的灵敏度有效地提高。
[0080]
另外，在离子传感器1中，实现通过在基板100的正上方仅经由极薄(在本实施方式中为10nm)的保护膜110配置sg电极51，而容易自sg电极51的底面(保护膜110侧的面)向基板100传递电场的构造(容易形成通道的构造)。由此，可将上述开口型构造中需要的用于容易在基板100形成通道的耗尽的注入(即，第1导电类型区域12的形成)设为不需要。即，在离子传感器1中，也可省略第1导电类型区域12。伴随于此，也可将耗尽的注入所需的负电压(即，用于将基板100的icg电极22、tg电极32、及rg电极42的正下方的区域的通道设为关断(off)的负电压)设为不需要。
[0081]
另外，电极焊盘52的表面52a为平坦面，离子感应膜13沿表面52a平坦状地成膜。根据上述结构，与采用上述开口型构造的情况比较，可使配置于离子感应膜13上的介质(水溶液3)与离子感应膜13充分密接。由此，可使离子传感器1的灵敏度进一步有效地提高。
[0082]
[第2实施方式]
[0083]
图8是模式性显示第2实施方式的离子传感器1a的检测部5a的截面结构的图。离子传感器1在代替检测部5(参照图2)具有检测部5a作为像素构造的方面与离子传感器1不同，针对离子传感器1a的其他结构，与离子传感器1相同。检测部5a在主要代替icg电极22及tg电极32，具有icg电极22a及tg电极32a的方面，与检测部5不同。
[0084]
如图8所示，在自厚度方向d1观察的情况下，icg电极22a的一部分与sg电极51重叠。本实施方式中，为使icg电极22a与sg电极51绝缘，形成有覆盖sg电极51的上表面(与保护膜110侧相反侧的面)及侧面的保护膜130。即，icg电极22a的一部分经由保护膜130与sg电极51接触。保护膜130可通过例如与保护膜110同一材料(例如sio2)形成。保护膜130的厚度为例如50nm左右。
[0085]
icg电极22a中与sg电极51重叠的部分(第1部分)的相对方向d2上的宽度w11小于icg电极22a中不与sg电极51重叠的部分(第2部分)的相对方向d2上的宽度w12。这依据以下理由。即，若第2部分的宽度w12不充分，则icg区域无法作为控制id部21与电势阱14之间的电荷流通的栅极区域发挥功能，而可能产生自电势阱14向id部21的电荷漏出。因此，icg电极22a以成为“w11《w12”的方式，与sg电极51重叠。更优选，icg电极22a以第1部分的宽度w11成为第2部分的宽度w12的25％以下的方式(即，以“w11≦0.25
×
w12”成立的方式)，与sg电极51重叠。根据上述结构，可较佳地抑制电荷自电势阱14向id部21的意外漏出。
[0086]
另外，自厚度方向d1观察时，tg电极32a的一部分与sg电极51重叠。本实施方式中，tg电极32a的一部分经由上述保护膜130与sg电极51接触。tg电极32a中与sg电极51重叠的
部分(第3部分)的相对方向d2上的宽度w21小于tg电极32a中不与sg电极51重叠的部分(第4部分)的相对方向d2上的宽度w22。这依据以下理由。即，若第4部分的宽度w22不充分，则tg区域无法作为控制电势阱14与fd部31之间的电荷流通的栅极区域发挥功能，而可能产生自电势阱14向fd部31的电荷漏出。因此，tg电极32a以成为“w21《w22”的方式，与sg电极51重叠。更优选，tg电极32a以第3部分的宽度w21成为第4部分的宽度w22的25％以下的方式(即，以“w21≦0.25
×
w22”成立的方式)，与sg电极51重叠。根据上述结构，可较佳地抑制电荷自电势阱14向fd部31的意外漏出。
[0087]
参照图9，对通过离子传感器1a的像素构造(检测部5a)发挥的效果进一步进行说明。图9的(a)～(f)显示icg驱动方式的检测部5a的动作的各步骤。如上所述，在检测部5a，形成有icg电极22a与sg电极51重叠的部分。由此，在基板100中icg电极22a与sg电极51重叠的部分，形成具有icg区域的电位与电势阱14的电位之间的大小的电位的区域63。通过形成这样的区域63，而发挥以下的效果。假设在未形成区域63的情况下(即，在icg区域的电位为平坦状的情况下)，在icg区域的电位低于id部21的电位时(即，自图9的(b)的状态向图9的(c)的状态迁移时)，不确定icg区域的电荷移动至id部21还是移动至电势阱14侧。因此，针对icg区域的电荷中移动至电势阱14侧的电荷量(即，蓄积于电势阱14的电荷量)，可能产生偏差(噪声)。另一方面，在形成区域63的情况下，在icg区域的电位低于id部21的电位时，可自id部21向电势阱14阶段状(大致倾斜状)地产生电位差，因而可使icg区域的电荷平滑地向电势阱14侧移动。由此，可减少蓄积于电势阱14的电荷量的偏差。
[0088]
另外，icg电极22a的一部分(第1部分)隔着sg电极51配置于基板100的相反侧。即，在icg电极22a与基板100之间，配置有sg电极51的缘部。根据上述结构，与将icg电极22a的一部分配置于基板100与sg电极51之间的情况(下述的第3实施方式的离子传感器1b)比较，可降低在基板100中与sg电极51重叠的区域形成电势阱14所需的电压值。具体而言，在下述的离子传感器1b(参照图11)中，在sg电极151与基板100之间形成有保护膜110及保护膜130，与此相对，在离子传感器1a中，在sg电极51与基板100之间仅形成有保护膜110。即，在离子传感器1a中，相较于离子传感器1b，sg电极51与基板100的距离小保护膜130的厚度量。由此，发挥上述的效果(减少必要的电压值)。
[0089]
另外，在检测部5a中，形成有tg电极32a与sg电极51重叠的部分。由此，在基板100中tg电极32a与sg电极51重叠的部分，形成具有tg区域的电位与电势阱14的电位之间的大小的电位的区域64。通过形成这样的区域64，而可在自电势阱14向fd部31的电荷传送时(参照图9的(d))，使电荷传送效率提高。即，因为通过区域64，而可自电势阱14向fd部31阶段状(大致倾斜状)地产生电位差，因而可自电势阱14向fd部31顺利传送电荷。
[0090]
另外，tg电极32a的一部分(第3部分)隔着sg电极51配置于基板100的相反侧。即，在tg电极32a与基板100之间，配置有sg电极51的缘部。根据上述结构，由于与上述理由同样的理由，与将tg电极32a的一部分配置于基板100与sg电极51之间的情况(下述的第3实施方式的离子传感器1b)比较，可降低在基板100中与sg电极51重叠的区域形成电势阱14所需的电压值。
[0091]
接着，参照图10，对离子传感器1a的制造方法的一例进行说明。此处，着眼于与各像素(各检测部5a)的icg电极22a、tg电极32a、及sg电极51关联的部分的制造工序进行说明。
[0092]
首先，如图10的(a)所示，准备基板100，在基板100的主面100a上，形成作为栅极氧化膜的保护膜110(第1绝缘膜)。保护膜110在id部21与fd部31之间，形成于至少配置有icg电极22a、tg电极32a、及sg电极51的预定的区域。接着，在保护膜110上，形成sg电极51。
[0093]
接着，如图10的(b)所示，形成覆盖sg电极51的表面(至少与icg电极22a及tg电极32a接触的部分的表面)的保护膜130(第2绝缘膜)。接着，如图10的(c)所示，在自厚度方向d1观察的情况下，以icg电极22a的一部分经由保护膜130与sg电极51重叠的方式，形成icg电极22a。另外，在自厚度方向d1观察的情况下，以tg电极32a的一部分经由保护膜130与sg电极51重叠的方式，形成tg电极32a。
[0094]
接着，实施与上述离子传感器1的制造方法同样的工序(与图7的(c)～(f)对应的工序)。即，在基板100的主面100a上，形成覆盖icg电极22a、tg电极32a、及sg电极51的钝化层120(第3绝缘膜)。接着，以sg电极51的一部分露出的方式在钝化层120形成开口(接触孔)，在该开口内形成与sg电极51电连接的金属配线53。另外，在本实施方式中，保护膜130以覆盖sg电极51的上表面整体的方式形成，因而在上述钝化层120设置开口的工序中，在保护膜130也形成开口(参照图8)。接着，沿钝化层120的表面120a上，平板状地形成与金属配线53电连接的电极焊盘52。接着，在电极焊盘52的表面52a上，形成离子感应膜13。此处，离子感应膜13以相对方向d2上的离子感应膜13的宽度大于icg电极22a与tg电极32a的间隔宽度的方式形成。通过以上，获得上述像素构造(检测部5a)。
[0095]
根据以上所述的离子传感器1a，可可靠地防止在隔开配置icg电极及tg电极与sg电极的情况下可能产生的势垒61、62的产生，且如上所述，可使自id部21向电势阱14的电荷传送及自电势阱14向fd部31的电荷传送的效率提高。
[0096]
[第3实施方式]
[0097]
图11是模式性显示第3实施方式的离子传感器1b的检测部5b的截面结构的图。离子传感器1b在代替检测部5(参照图2)具有检测部5b作为像素构造的方面与离子传感器1不同，针对离子传感器1b的其他结构，与离子传感器1相同。检测部5b在主要代替sg电极51，具有sg电极151的方面，与检测部5不同。
[0098]
检测部5b在自厚度方向d1观察的情况下，在icg电极22的一部分与sg电极151重叠且tg电极32的一部分与sg电极151重叠的方面，具有与检测部5a同样的特征。但是，在检测部5a中，icg电极22a的一部分及tg电极32a的一部分位于较sg电极51更靠上侧(相对于sg电极51与基板100侧相反侧)，与此相对，在检测部5b中，icg电极22的一部分及tg电极32的一部分位于较sg电极151更靠下侧(相对于sg电极51为基板100侧)。
[0099]
可例如如以下那样制造检测部5b。首先，icg电极22及tg电极32形成于保护膜110上。接着，形成至少覆盖icg电极22的表面(上表面及内侧(tg电极32侧)的侧面)及tg电极32的表面(上表面及内侧(icg电极22侧)的侧面)的保护膜130。接着，在自厚度方向d1观察的情况下，以sg电极151的一部分经由保护膜130与icg电极22的一部分重叠且sg电极151的其他一部分经由保护膜130与tg电极32的一部分重叠的方式，将sg电极151形成于保护膜130上。
[0100]
通过以上所述的离子传感器1b，也与上述离子传感器1a相同，可可靠地防止势垒61、62的产生。
[0101]
[变形例]
[0102]
以上，对本发明的优选的实施方式进行了详细说明，但本发明不限定于上述实施方式。例如，在离子传感器1、1a、1b中，多个检测部5、5a、5b也可一维状地排列。另外，基板100未必为半导体基板，也可为例如在表面形成有半导体区域(例如半导体膜等)的半导体以外的基板。另外，形成于各电极构件与基板100之间的保护膜110也可连续形成。即，也可在基板100的主面100a上的整体形成有保护膜110。
[0103]
另外，配置于离子感应膜13上的介质也可为水溶液3以外的物质(例如，具有于吸附气味物质的情况下使电特性变化的性质的物质吸附膜等)。此处，气味物质为成为气味的原因的化学物质(例如，特定的分子单体或分子群以特定的浓度集合而成的物质)。作为物质吸附膜的例子，可列举例如对氨等具有灵敏度的聚苯胺感应膜等。在该情况下，离子传感器1作为检测气味的气味传感器发挥功能。另外，即使在设置不限于吸附气味物质的固体状的物质吸附膜作为介质的情况下，也如图2所示，优选将离子感应膜13形成至较电极焊盘52更靠外侧。在该情况下，在将物质吸附膜成膜于离子感应膜13上的过程中，可较佳地抑制成膜所使用的溶剂等渗入至电极焊盘52的表面52a。
[0104]
另外，在上述第2实施方式及第3实施方式中，sg电极也可以仅与icg电极及tg电极中的一者重叠，且与icg电极及tg电极中的另一者隔开的方式配置。
[0105]
另外，如图12所示，1个检测部5、5a、5b(像素)可包含与互不相同的离子反应的多个(此处作为一例为4个)离子感应膜13a、13b、13c、13d。另外，可与多个离子感应膜13a、13b、13c、13d的各者对应设置多个电极焊盘52。即，设置有离子感应膜13a的电极焊盘52、设置有离子感应膜13b的电极焊盘52、设置有离子感应膜13c的电极焊盘52、及设置有离子感应膜13d的电极焊盘52可相互独立(分离)设置。于是，可以与如上所述的多个电极焊盘52的各者对应的方式，将多个sg电极51a、51b、51c、51d相互独立(分离)设置。根据上述结构，可使自1个像素获得的信息量更多。即，可通过1个像素检测多种离子的浓度。具体而言，可通过1个像素，检测多种离子的浓度的合计值。例如，考虑分别通过具有相应于第1～第4离子的离子浓度使电位变化的性质的材料形成离子感应膜13a～13d的情况。根据上述结构，例如在水质检查等中，在不包含第1～第4离子的情况下判定为通过(ok)的情况(即，在包含第1～第4离子中的至少1个的情况下判定为不通过(ng)的情况)下，可仅通过自1个像素获得的信息进行上述判定。
[0106]
另外，在上述实施方式中，如图1所示，在自厚度方向d1观察的情况下，icg电极22与tg电极32以大致相同大小的矩形状形成，且配置于它们之间的sg电极51以矩形状形成，但各电极的形状及尺寸不限于此。例如，为谋求自id部21向fd部31的电荷传送效率的提高，而如图13所示，在自厚度方向d1观察的情况下，也可使icg电极22以小于tg电极32的矩形状形成，且使sg电极51形成为随着自icg电极22侧朝向tg电极32侧成为宽幅的梯形状。
[0107]
符号的说明
[0108]
1、1a、1b
…
离子传感器、3
…
水溶液(介质)、5、5a、5b
…
检测部(像素)、13
…
离子感应膜、14
…
电势阱、21
…
id部(电荷蓄积部)、22、22a
…
icg电极(第1电极)、31
…
fd部(外部)、32、32a
…
tg电极(第2电极)、51、51a、51b、51c、51d、151
…
sg电极(第3电极)、52
…
电极焊盘(第4电极)、53
…
金属配线、61、62
…
势垒、100
…
基板、100a
…
主面(第1面)、110
…
保护膜(第1绝缘膜)、120
…
钝化层(第2绝缘膜、第3绝缘膜)、130
…
保护膜(第2绝缘膜)。