イメージセンサ
【課題】センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供する。
【解決手段】第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域１４およびドレイン領域１６と、ソース領域１４と、ウェル領域１２と、ドレイン領域１６上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に、ドレイン領域１６に隣接して配置されたトランスファゲート電極２０と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９と、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、ソース領域１４、ドレイン領域１６およびトランスファゲート電極２０上に配置されたパッシベーション膜２２とパッシベーション膜２２上に、液体試料２６に接触して配置された擬似参照電極５０とを備えるイメージセンサ４。
【解決手段】第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域１４およびドレイン領域１６と、ソース領域１４と、ウェル領域１２と、ドレイン領域１６上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に、ドレイン領域１６に隣接して配置されたトランスファゲート電極２０と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９と、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、ソース領域１４、ドレイン領域１６およびトランスファゲート電極２０上に配置されたパッシベーション膜２２とパッシベーション膜２２上に、液体試料２６に接触して配置された擬似参照電極５０とを備えるイメージセンサ４。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサに関し、特に、擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のイオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ：Ion Sesitive Field Effect Transistor）からなるイオンセンサとして、バックゲートとソースとの間、およびバックゲートとドレインとの間に発生するバックゲート光電流を取り出すためのゲート電極を備え、このバックゲート光電流を用いて、ＩＳＦＥＴのソースやドレインにおいて発生する光電流を補正する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、上記ＩＳＦＥＴを２次元的に複数個配置し、ｐＨの２次元分布を測定するものとして、水素イオン濃度分布測定装置がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
一方、特許文献２に係るＩＳＦＥＴアレイを改良し、ＩＳＦＥＴアレイセル毎にＩＳＦＥＴの切り替えスイッチ用ＭＯＳＦＥＴを備えるＩＳＦＥＴアレイも開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
また、ＤＮＡなどの生化学計測において、同一場所の複数の情報として、光信号とｐＨイオン信号を検出可能なＣＣＤデバイスにより取得する構成も開示されている（例えば、特許文献４〜６参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１６４３５９号公報
【特許文献２】特開平０５−３３７４５号公報
【特許文献３】特許第４１３７２３９号公報
【特許文献４】特許第４１３３０２８号公報
【特許文献５】特許第４３０８３７４号公報
【特許文献６】特許第４１８３７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に係るＩＳＦＥＴでは、バルクに流れる電流で光読み出しを行うため、ノイズ情報が光読み出し電流に含まれる。また、アレイ化を図る場合、バルクに流れる電流で光読み出しを行うため、ｐウェル領域を互いに隣接セル間で分離する必要があり、構造が複雑となり、アレイ化が難しい。
【０００８】
特許文献２に係るＩＳＦＥＴアレイでは、一回測定して、次に測定するまで、安定化するのに時間を要する。
【０００９】
従来の光マルチモーダルイメージセンサでは、参照電極を半導体チップとは別に溶液に入れる必要があり、測定対象により、参照電極が遮蔽物となり、測定が困難になる場合があった。すなわち、従来技術では、光学イメージや、励起光を照射して蛍光を取得する際に、参照電極が影をつくり、測定系により参照電極が遮蔽物となり、光の情報を取得し難い場合があった。
【００１０】
また、従来技術では、参照電極のため測定対象に大きさの制限があった。
【００１１】
本発明の目的は、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様によれば、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、前記ソース領域と、前記ウェル領域と、前記ドレイン領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記トランスファゲート電極上に配置されたパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、行方向に延伸する複数のワード線と、前記ワード線に直交し、列方向に延伸する複数のビット線と、前記複数のワード線に対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタと、前記複数の垂直選択トランジスタのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路と、前記複数のビット線に対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタと、前記複数の水平トランジスタのそれぞれゲートが接続された水平走査回路と、前記ワード線と前記ビット線の交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルとを備え、前記ＩＳＦＥＴセルは、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、前記ソース領域と、前記ウェル領域と、前記ドレイン領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記トランスファゲート電極上に配置されたパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域、ドレイン領域およびリセット領域と、前記ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に、前記ソース領域に隣接して配置された注入制御ゲート電極と、前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域と前記リセット領域間に配置されたリセットゲート電極と、前記ゲート絶縁膜上に、前記注入制御ゲート電極と前記トランスファゲート電極間に配置されたイオン感応膜と、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記ソース領域、前記ドレイン領域、前記注入制御ゲート電極、前記トランスファゲート電極、前記リセットゲート電極および前記リセット領域上に配置されたパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、前記ソース領域と前記ドレイン領域間に接続される蓄積キャパシタと、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記ソース領域および前記ドレイン領域上に配置されたパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ソース領域と前記ドレイン領域間の前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲートプラグ電極と、前記ドレイン領域上に配置されたドレインプラグ電極と、前記ソース領域と前記前記ドレインプラグ電極間に接続され、積層電極からなる蓄積キャパシタと、前記ゲートプラグ電極上に配置された遮光膜と、前記遮光膜上に配置されたイオン感応膜と、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記イオン感応膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、行方向に延伸する複数のワード線と、前記ワード線に直交し、列方向に延伸する複数のビット線と、前記複数のワード線に対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタと、前記複数の垂直選択トランジスタのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路と、前記複数のビット線に対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタと、前記複数の水平トランジスタのそれぞれゲートが接続された水平走査回路と、前記ワード線と前記ビット線の交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルとを備え、前記ＩＳＦＥＴセルは、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、前記ソース領域と前記ドレイン領域間に接続される蓄積キャパシタと、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記ソース領域および前記ドレイン領域上に配置されたパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施の形態に係るイメージセンサ上に試料セルが搭載された様子を表す模式的鳥瞰構造図。
【図２】図１に対応するイメージセンサを用いて検出したｐＨ分布の様子を表す模式的鳥瞰構造図。
【図３】第１の実施の形態に係るイメージセンサにおいて、周辺回路部を遮光した様子を表す模式的鳥瞰構造図。
【図４】第１の実施の形態に係るイメージセンサにおいて、周辺回路部およびセルアレイ内のイオン検出部以外の領域を擬似参照電極を用いて遮光した様子を表す模式的平面パターン構成図。
【図５】第１の実施の形態に係るイメージセンサの模式的回路ブロック構成図。
【図６】比較例に係るイメージセンサセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図。
【図７】（ａ）第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図、（ｂ）図７（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成図。
【図８】（ａ）第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの原理説明のための模式的断面構造図、（ｂ）図１（ａ）のイオン検出部の拡大された模式的断面構造図。
【図９】第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図。
【図１０】第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルのイオン検出動作を説明する回路構成図。
【図１１】第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの原理説明のための模式的平面パターン構成図。
【図１２】第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの原理説明のための光検出時のエネルギーポテンシャルダイヤグラム。
【図１３】第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの原理説明のためのイオン検出時のエネルギーポテンシャルダイヤグラム。
【図１４】比較例に係るＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造図。
【図１５】（ａ）第２の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造図、（ｂ）図１５（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成図。
【図１６】（ａ）第２の実施の形態に係るイメージセンサの模式的平面パターン構成図、（ｂ）第２の実施の形態に係るイメージセンサのＩＳＦＥＴセルの模式的平面パターン構成図。
【図１７】第２の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的回路ブロック構成図。
【図１８】第３の実施の形態に係るイメージセンサの模式的回路ブロック構成図。
【図１９】第３の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的回路構成図。
【図２０】第３の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図図。
【図２１】比較例に係るＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図。
【図２２】（ａ）第３の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図、（ｂ）図２２（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成図。
【図２３】第４の実施の形態に係るイメージセンサの模式的回路ブロック構成図。
【図２４】図１３の動作モードの説明図。
【図２５】（ａ）第４の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的回路構成図、（ｂ）図２５（ａ）の簡易な回路表示図。
【図２６】（ａ）第４の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルにおいて、選択回路オン状態における動作説明図、（ｂ）第４の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルにおいて、選択回路オフ状態における動作説明図。
【図２７】第４の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造図。
【図２８】（ａ）第５の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造図、（ｂ）図２８（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第５の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２１】
又、以下に示す第１〜第５の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２２】
[第１の実施の形態]
（イメージセンサ）
ＩＳＦＥＴによって構成されたＩＳＦＥＴセルＣijを、半導体基板１０上に、アレイ状に配列した第１の実施の形態に係るイメージセンサ４において、イメージセンサ４上に試料セル１００が搭載された様子を表す模式的鳥瞰構造は、図１に示すように表される。図１に対応するイメージセンサ４を用いて検出したｐＨ分布２００の様子を表す模式的鳥瞰構造は、図２に示すように表される。図１および図２に示すように、各々のＩＳＦＥＴセルＣijに対応して、各々のｐＨ値ｐＨijが検出され、ｐＨイメージが得られる。
【００２３】
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４において、周辺回路部を遮光した様子を表す模式的鳥瞰構造は、図３に示すように表される。ここで、周辺回路部には、垂直走査回路３０、水平走査回路３２および信号処理回路３４などが含まれる。遮光膜としては、アルミニウムの薄膜層、若しくは後述する擬似参照電極と同様の銀塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）、白金（Ｐｔ）などを適用可能である。
【００２４】
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４おいて、周辺回路部（３０、３２、３４）およびセルアレイ領域１内の特定の領域を擬似参照電極５０を用いて遮光した様子を表す模式的平面パターン構成は、図４に示すように表される。図４においては、垂直走査回路３０、水平走査回路３２および信号処理回路３４などの周辺回路部に加えて、セルアレイ領域１内において、所定の方向にストライプ状に擬似参照電極５０が配置された例が示されている。擬似参照電極５０は、参照電極と遮光膜との両方の役割を備える、擬似参照電極５０の配置および構造などについては、後述する。
【００２５】
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４の模式的回路ブロック構成は、図５に示すように、行方向に延伸する複数のワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍと、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに直交し、列方向に延伸する複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎと、複数のワード線線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路３０と、複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎに対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnと、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのそれぞれゲートが接続された水平走査回路３２と、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍとビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎの交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルＣmnとを備える。
【００２６】
ここで、ＩＳＦＥＴセルＣmnは、図５に示すように、イオン検出トランジスタＱmnとトランスファゲートトランジスタＱGとの直列回路からなる。
【００２７】
また、第１の実施の形態に係るイメージセンサ４は、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのソースを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNと、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのドレインを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧ＶDDと、トランスファゲート電極２０を共通化したトランスファゲートラインに接続されたトランスファゲート電圧ＶTGとを備える。
【００２８】
また、第１の実施の形態に係るイメージセンサ４は、イメージセンサ４が配置された半導体基板上に試料セルを配置し、リセット情報、光情報の検出時は、ＩＳＦＥＴセル２のトランスファゲート電極２０の電位をオフ状態のローレベルとし、ｐＨイオン情報の検出時は、オン状態のハイレベルとし、トランスファゲート電極２０の電位よってオン、オフ制御することによって、リセット情報、光情報のイメージ情報と、ｐＨイオン分布情報の両方を検出することができる。
【００２９】
また、第１の実施の形態に係るイメージセンサ４において、ＭＯＳＦＥＴＱVNは、より簡単な構成を実現するためには、抵抗で置換しても良い。
【００３０】
バックゲート（ウェル領域１２）からリセットを読み出す場合は、アレイ化した場合、各ＩＳＦＥＴセルＣijでバックゲート（ウェル領域１２）を互いに分離して、独立させる必要があるが、第１の実施の形態に係るイメージセンサ４においては、図５に示すように、トランスファゲート電極２０を共通化して、トランスファゲート電圧ＶTGを加えることができる。
【００３１】
（ＩＳＦＥＴセル）
比較例に係るイメージセンサセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図は、図６に示すように表される。比較例においては、図６に示すように、参照電極２４はガラス封止されたキャピラリー電極構造を備え、当該キャピラリー電極には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。また、図６に示すように、ソース領域１４、ドレイン領域１６、およびトランスファゲート電極２０上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に配置された遮光膜５０ａを備える。ここで、遮光膜５０ａには、アルミニウムの薄膜層などが適用可能である。その他の構成は、図７と同様である。
【００３２】
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用可能なＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明は、図７（ａ）に示すように表され、図７（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成は、図７（ｂ）に示すように表される。
【００３３】
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域１２と、第１ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域１４およびドレイン領域１６と、第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に、ドレイン領域１６に隣接して配置されたトランスファゲート電極２０と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９と、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、ソース領域１４、ドレイン領域１６およびトランスファゲート電極２０上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に、液体試料２６に接触して配置された擬似参照電極５０とを備える。なお、第１ウェル領域１２には、第１ウェルコンタクト領域４５が形成され、半導体基板１０には、基板コンタクト領域４３が形成されている。
【００３４】
ここで、イオン検出部６は、図７に示すように、ソース領域１４とドレイン領域１６間のウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９からなる。
【００３５】
ここで、ゲート絶縁膜１８には、例えば、タンタルオキサイド、アルミナ、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。若しくは、シリコン熱酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した構造、シリコン熱酸化膜上にタンタルオキサイドを成膜した構造でも良い。さらに、シリコン熱酸化膜、シリコン窒化膜、タンタルオキサイドの順に積層した構造のゲート絶縁膜（イオン感応膜）はシリコン窒化膜による防水性、タンタルオキサイドの優れた感度、ドリフト特性の面から、尚良い。
【００３６】
イオン感応膜を透過した光を下のＳｉ基板内のｐｎ接合で検知するため、イオン感応膜は、目的の波長領域の光を透過する材料であれば良い。可視光の場合はシリコン窒素化膜、タンタルオキサイドなどが挙げられる。
【００３７】
イオン感応膜１９上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【００３８】
図７において、擬似参照電極５０は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）やＰｔ（白金）などで形成可能である。擬似参照電極５０には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）は、スクリーン印刷などによって、直接形成可能である。また、Ａｇを形成して、ＫＣｌなどの溶液中で電気分解することによるめっき技術によっても形成可能である。
【００３９】
図７において、擬似参照電極５０は、イオン検出部６以外のパッシベーション膜２２上に延在し、液体試料２６中の電位を制御すると共に、遮光膜としても利用される。
【００４０】
パッシベーション膜２２としては、例えば、ＣＶＤＳｉＯ2膜、ＣＶＤ窒化膜、ＴＥＯＳ膜、或いはこれらの多層膜などを適用可能である。
【００４１】
尚、図７に示される構造は、ＣＭＯＳ形成技術を適用して形成可能である。図７において、ＬＯＣＯＳ絶縁膜１７の下部には、チャネルストッパ拡散層が形成されるが、図示を省略している。
【００４２】
（ＩＳＦＥＴセル動作）
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用される基本的なＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造は、図８（ａ）に示すように表され、図８（ａ）のイオン検出部の拡大された模式的断面構造は、図８（ｂ）に示すように表される。
【００４３】
また、第１の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２のイオン検出動作時の構成は、図９に示すように表される。さらに、イオン検出動作を説明する回路構成は、図１０に示すように表される。ここで、図８（ａ）および図９は、後述する図１１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造に相当している。
【００４４】
図８（ａ）の構造は、ＩＳＦＥＴセル動作を説明するために、図７の構造を単純化した構成を示す。したがって、図７と重複する説明は省略する。図８（ａ）においては、イオン感応膜１９は省略されている。ゲート絶縁膜１８に、例えば、タンタルオキサイド、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。ゲート絶縁膜１８上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【００４５】
図８（ａ）の構造を適用したイオン検出動作時の構成は、図９に示すように表される。イオン検出部６のゲート絶縁膜１８には、液体試料２６が接触しており、かつ液体試料２６に接して擬似参照電極５０が配置されている。
【００４６】
ＩＳＦＥＴセル２は、図１０に示すように、イオン検出部６のイオン検出トランジスタＱiと、トランスファゲートＴＧによるトランスファゲートトランジスタＱGの直列回路で構成され、トランスファゲートトランジスタＱGのドレイン領域１６に電源電圧ＶDが接続され、イオン検出トランジスタＱiのソース領域１４には、ＭＯＳＦＥＴＱLNが接続される。
【００４７】
図１０に示すように、ＩＳＦＥＴセル２において、イオン検出トランジスタＱiのゲート上の擬似参照電極ＲＥＦＧには参照電圧ＶREFが印加されている。イオン検出トランジスタＱiのゲート部がイオン検出部６に相当し、液体界面のポテンシャルによる入力イオン信号を受信する。出力信号は、イオン検出トランジスタＱiに直列接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNのドレインから、ソースフォロアの出力電圧Ｖoutとして得る。この結果、ＭＯＳＦＥＴＱLNのドレイン端子より得られるソースフォロアの出力電圧Ｖoutが、入力イオン信号に対して、リニアに応答する。
【００４８】
（イオン検出動作）
ＩＳＦＥＴセル２の模式的平面パターン構成は、図１１に示すように表される。また、ＩＳＦＥＴセル２の光検出時のエネルギーポテンシャルダイヤグラムは、図１２に示すように表され、イオン検出時のエネルギーポテンシャルダイヤグラムは、図１３に示すように表される。
【００４９】
ＩＳＦＥＴセル２において、トランスファゲート電極２０の電位は、リセット情報・光情報の検出時は、オフ状態のローレベル、ｐＨイオン情報の検出時は、オン状態のハイレベルとし、トランスファゲート電極２０の電位よってオン、オフ制御することができる。
【００５０】
―リセット情報・光情報の検出―
リセット取得モードにおいては、図１２に示すように、トランスファゲート電極２０の電位をローレベルにして、トランスファゲートトランジスタＱGをオフ状態にする。このとき、イオン検出部６からドレイン領域１６へのキャリア（電子）の流れは、トランスファゲート電極（ＴＧ）直下のポテンシャルバリアによって、塞き止められる。この状態では、ソース領域１４近傍の電子は半導体基板１０側に流出し、一方、ソース領域１４近傍の正孔は、ソース領域１４に流入する。
【００５１】
―イオン情報の検出―
次に、ＩＳＦＥＴモードにおいては、図１３に示すように、トランスファゲート電極２０の電位をハイレベルにして、トランスファゲートトランジスタＱGをオン状態にする。このとき、トランスファゲート電極（ＴＧ）直下のポテンシャルバリア高さが低下するため、イオン検出部６からドレイン領域１６へのキャリア（電子）流入が引き起こされる。また、この状態では、ソース領域１４近傍の電子は半導体基板１０側に流出する。一方、ソース領域１４近傍の正孔は、ソース領域１４に流入する。
【００５２】
したがって、リセット取得モードにおいて得られたリセット情報・光情報をＩＳＦＥＴモードにおいては、得られたデータから差し引くことによって、正確なイオン情報を検出することができる。
【００５３】
第１の実施の形態に係るイメージセンサによれば、ｐＨ光マルチモーダルイメージセンサにおいて、擬似参照電極をチップ上のセンシングエリア以外の全て、若しくは駆動回路、処理回路などの回路上に形成することにより、遮光を実現する。擬似参照電極がチップ上に形成されるため、光を照射して光学的イメージを取得する際に、擬似参照電極が光学的イメージに影響を及ぼし、影を形成することもない。
【００５４】
第１の実施の形態に係るイメージセンサによれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【００５５】
第１の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極が遮光膜の役割をするため、遮光膜を新たに形成する必要がない。
【００５６】
第１の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極とチップが一体型となるため、測定溶液が少量の場合でも測定が可能となる。
【００５７】
[第２の実施の形態]
比較例に係るＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造は、図１４に示すように表される。比較例においては、図１４に示すように、参照電極２４はガラス封止されたキャピラリー電極構造を備え、当該キャピラリー電極には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。また、図１４に示すように、ソース領域５２、ドレイン領域５４、注入制御ゲート電極５８およびトランスファゲート電極２０、リセットゲート電極６０およびリセット領域５６上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に配置された遮光膜５０ａと、遮光膜５０ａ上に配置されたパッシベーション膜２２ａとを備える。その他の構成は、図１５と同様である。
【００５８】
第２の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造は、図１５（ａ）に示すように表され、図１５（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成は、図１５（ｂ）に示すように表される。第２の実施の形態に係るイメージセンサは、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型、若しくはＣＩＤ（Charge Injection Device）型イメージセンサに相当する。
【００５９】
第２の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用可能なＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造は、図１５（ａ）に示すように、第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域５２、ドレイン領域５４およびリセット領域５６と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に、ソース領域５２に隣接して配置された注入制御ゲート電極５８と、ゲート絶縁膜１８上に、ドレイン領域５４に隣接して配置されたトランスファゲート電極２０と、ゲート絶縁膜１８上に、ドレイン領域５４とリセット領域５６間に配置されたリセットゲート電極６０と、ゲート絶縁膜１８上に、注入制御ゲート電極５８とトランスファゲート電極２０間に配置されたイオン感応膜１９と、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、ソース領域５２、ドレイン領域５４、注入制御ゲート電極５８、トランスファゲート電極２０、リセットゲート電極６０およびリセット領域５６上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に配置された擬似参照電極５０とを備える。
【００６０】
ここで、イオン検出部６は、図１５に示すように、ソース領域５２とドレイン領域５４間のウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９からなる。
【００６１】
ここで、ゲート絶縁膜１８には、例えば、タンタルオキサイド、アルミナ、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。若しくは、シリコン熱酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した構造、シリコン熱酸化膜上にタンタルオキサイドを成膜した構造でも良い。さらに、シリコン熱酸化膜、シリコン窒化膜、タンタルオキサイドの順に積層した構造のゲート絶縁膜（イオン感応膜）はシリコン窒化膜による防水性、タンタルオキサイドの優れた感度、ドリフト特性の面から、尚良い。
【００６２】
イオン感応膜を透過した光を下のＳｉ基板内のｐｎ接合で検知するため、イオン感応膜は、目的の波長領域の光を透過する材料であれば良い。可視光の場合はシリコン窒素化膜、タンタルオキサイドなどが挙げられる。
【００６３】
イオン感応膜１９上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【００６４】
図１５において、擬似参照電極５０は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）やＰｔ（白金）などで形成可能である。擬似参照電極５０には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）は、スクリーン印刷などによって、直接形成可能である。また、Ａｇを形成して、ＫＣｌなどの溶液中で電気分解することによるめっき技術によっても形成可能である。
【００６５】
図１５において、擬似参照電極５０は、イオン検出部６以外のパッシベーション膜２２上に延在し、液体試料２６中の電位を制御すると共に、遮光膜としても利用される。
【００６６】
尚、図１５に示される構造は、ＣＭＯＳ形成技術を適用して形成可能である。図１５において、ＬＯＣＯＳ絶縁膜１７の下部には、チャネルストッパ拡散層が形成されるが、図示を省略している。
【００６７】
ソース領域５２は、電荷注入端子ＩＤに接続され、注入制御ゲート電極５８は、注入制御ゲートＩＣＧに接続され、トランスファゲート電極２０は、トランスファゲートＴＧに接続され、ドレイン領域５４は、フローティングディフュージョンＦＤに接続され、リセットゲート電極６０は、リセットゲートＲＧに接続され、リセット領域５６には、リセット電源ＶＲＥＳに接続されている。
【００６８】
フローティングディフュージョンＦＤは、ＭＯＳＦＥＴＱDのゲートに接続される。ＭＯＳＦＥＴＱDのドレインには電源電圧ＶDが印加され、ＭＯＳＦＥＴＱDのソースと接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNのドレインから出力電圧Ｖoutが得られる。
【００６９】
ソース領域５２とドレイン領域５４間のチャネル領域では、注入制御ゲート電極５８、トランスファゲート電極２０の電位制御によって、ソース領域５２から注入された電荷（電子）が、ドレイン領域５４に転送される。
【００７０】
ドレイン領域５４とリセット領域５６間には、リセットゲート電極６０のゲート電位で制御されるリセット用のＭＯＳＦＥＴが形成される。したがって、ドレイン領域５４の電位は、リセット用のＭＯＳＦＥＴによって制御される。
【００７１】
第２の実施の形態に係るイメージセンサの模式的平面パターン構成は、図１６（ａ）に示すように表される。図１６（ａ）に示すように、セルアレイ領域１を囲む垂直走査回路３０、水平走査回路３２および信号処理回路３４上には、擬似参照電極５０が配置されている。ボンディングパッド３６上に擬似参照電極５０は特に配置されていない。尚、垂直走査回路３０、水平走査回路３２および信号処理回路３４とこれらの上部に配置される擬似参照電極５０との間には、層間絶縁膜、パッシベーション膜２２などが介在され、絶縁されている。擬似参照電極５０は、この場合、遮光膜としての機能を有する。
【００７２】
第２の実施の形態に係るイメージセンサのＩＳＦＥＴセルの模式的平面パターン構成は、図１６（ｂ）に示すように表される。図１６（ｂ）において、ＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造が図１５（ａ）に対応している。図１６（ｂ）においても、図１５（ａ）から明らかなように、イオン検出部６以外の領域は、擬似参照電極５０で覆われている。
【００７３】
また、第２の実施の形態に係るイメージセンサ４のＩＳＦＥＴセル２の模式的回路ブロック構成は、図１７に示すように表される。ＩＳＦＥＴセル２は、図１７に示すように、イオン検出部６のイオン検出トランジスタＱiと、トランスファゲートＴＧによるトランスファゲートトランジスタＱGの直列回路で構成され、トランスファゲートトランジスタＱGのドレイン領域５４にリセット用のＭＯＳＦＥＴが接続され、イオン検出トランジスタＱiのソース領域（イオン検出部６）には、電荷注入用のＭＯＳＦＥＴＱLNが接続される。
【００７４】
第２の実施の形態に係るイメージセンサによれば、ＣＣＤ／ＣＩＤ型のｐＨ光マルチモーダルイメージセンサにおいて、擬似参照電極をチップ上のセンシングエリア以外の全て、若しくは駆動回路、処理回路などの回路上に形成することにより、遮光を実現する。擬似参照電極がチップ上に形成されるため、光を照射して光学的イメージを取得する際に、擬似参照電極が光学的イメージに影響を及ぼし、影を形成することもない。
【００７５】
なお、第２の実施の形態に係るイメージセンサ４の模式的回路ブロック構成は、第１の実施の形態の図５と同様に構成可能である。
【００７６】
第２の実施の形態に係るイメージセンサによれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上したＣＣＤ／ＣＩＤ型の擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【００７７】
第２の実施の形態に係るＣＣＤ／ＣＩＤ型のイメージセンサによれば、擬似参照電極が遮光膜の役割をするため、遮光膜を新たに形成する必要がない。
【００７８】
第２の実施の形態に係るＣＣＤ／ＣＩＤ型のイメージセンサによれば、擬似参照電極とチップが一体型となるため、測定溶液が少量の場合でも測定が可能となる。
【００７９】
[第３の実施の形態]
（イメージセンサ）
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４の模式的回路ブロック構成は、図１８示すように、行方向に延伸する複数のワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍと、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに直交し、列方向に延伸する複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎと、複数のワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路３０と、複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎに対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnと、複数の水平トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのそれぞれゲートが接続された水平走査回路３２と、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍとビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎの交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルＣmnとを備える。
【００８０】
また、第３の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２の模式的回路構成は、図１９に示すように、イオン検出部６のイオン検出トランジスタＱiと、トランスファゲートＴＧによるトランスファゲートトランジスタＱGの直列回路と、トランスファゲートトランジスタＱGのドレインとイオン検出トランジスタＱiのソース間に接続された蓄積キャパシタＣSとの並列回路で構成され、トランスファゲートトランジスタＱGのドレイン領域１６に電源電圧ＶDが接続され、イオン検出トランジスタＱiのソース領域１４には、ＭＯＳＦＥＴＱLNが接続される。
【００８１】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４は、図１８に示すように、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのドレインを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧ＶDDと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのソースを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNを備える。
【００８２】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４は、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのドレインを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのソースを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧ＶDDとを備えていても良い。
【００８３】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４においては、イメージセンサ４が配置された半導体基板１０上に試料セル１００を配置し、リセット情報・光情報の検出時は、ＩＳＦＥＴセルＣijのトランスファゲート電極２０のトランスファゲート電圧ＶTGをオフ状態のローレベルとし、ｐＨイオン情報の検出時は、オン状態のハイレベルとし、トランスファゲート電極２０のトランスファゲート電圧ＶTGによってオン、オフ制御することによって、リセット情報・光情報のイメージ情報と、ｐＨイオン分布情報の両方を検出することができる。
【００８４】
また、第３の実施の形態に係るイメージセンサ４においては、各画素のイオン検出トランジスタＱmnとトランスファゲートトランジスタＱGの直列回路に対して、蓄積キャパシタＣSを並列接続し、これにより、画素選択時に蓄積キャパシタＣSが充電され、画素選択されていない時に蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、イメージセンサ４のアレイ動作を安定化することができる。すなわち、画素選択されていない時も蓄積キャパシタＣSから電力供給されるため、駆動状態を保持可能であり、安定性が向上する。
【００８５】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２においては、トランスファゲート電極２０に加える電圧を調節することにより、リセット情報、光情報を取得するモードと、ｐＨを取得するモードを切り替えることができるため、正確なイオン情報を検出することができる。
【００８６】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２においては、イオン検出トランジスタＱmnとトランスファゲートトランジスタＱGの直列構成に対して、蓄積キャパシタＣSを並列接続することにより、ドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されたオン状態では蓄積キャパシタＣSが充電され、ドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されないオフ状態では蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、安定性が向上する。
【００８７】
（ＩＳＦＥＴセル）
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図は、図２０に示すように表される。また、比較例に係るイメージセンサセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図は、図２１に示すように表される。
【００８８】
また、第３の実施の形態に係るイメージセンサの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図は、図２２（ａ）に示すように表され、図２２（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成は、図２２（ｂ）に示すように表される。図２２は、図２０の詳細な構造に対応している。
【００８９】
比較例においては、図２１示すように、参照電極２４はガラス封止されたキャピラリー電極構造を備え、当該キャピラリー電極には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。また、図２１に示すように、ソース領域１４、ドレイン領域１６、およびトランスファゲート電極２０上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に配置された遮光膜５０ａを備える。さらに、遮光膜５０ａ上に、パッシベーション膜２２ａを備える。その他の構成は、図２２と同様である。
【００９０】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２は、図２０および図２２（ａ）および図２２（ｂ）に示すように、第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域１２と、第１ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域１４およびドレイン領域１６と、第１ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に、ドレイン領域１６に隣接して配置されたトランスファゲート電極２０と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９と、ソース領域１４とドレイン領域１６間に接続される蓄積キャパシタＣSと、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、ソース領域１４、トランスファゲート電極２０およびドレイン領域１６上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に、液体試料２６に接触して配置された擬似参照電極５０とを備える。なお、図２２（ａ）に示すように、第１ウェル領域１２には、第１ウェルコンタクト領域４５が形成され、半導体基板１０には、基板コンタクト領域４３が形成されている。
【００９１】
また、ＩＳＦＥＴセル２は、半導体基板１０上に配置され、第１導電型を有する第２ウェル領域２３と、第２ウェル領域２３上に配置され、第１導電型を有する第２ウェルコンタクト領域１３と、第２ウェル領域２３上のゲート絶縁膜１８上に配置され、第２ウェル領域２３との間で蓄積キャパシタＣSを形成するキャパシタ電極２１とを備えていても良い。
【００９２】
また、ＩＳＦＥＴセル２において、ドレイン領域１６は、キャパシタ電極２１に接続され、ソース領域１４は、ウェルコンタクト領域１３に接続され、ドレイン領域１６とソース領域１４間に並列に蓄積キャパシタＣSを備えていても良い。
【００９３】
また、ＩＳＦＥＴセル２において、パッシベーション膜２２は、第２ウェル領域２３上にも延在して配置され、かつ擬似参照電極５０は、当該パッシベーション膜２２上にも延在して配置されていても良い。
【００９４】
ここで、イオン検出部６は、図２０および図２２（ａ）に示すように、ソース領域１４とドレイン領域１６間のウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９からなる。
【００９５】
ここで、ゲート絶縁膜１８には、例えば、タンタルオキサイド、アルミナ、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。若しくは、シリコン熱酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した構造、シリコン熱酸化膜上にタンタルオキサイドを成膜した構造でも良い。さらに、シリコン熱酸化膜、シリコン窒化膜、タンタルオキサイドの順に積層した構造のゲート絶縁膜（イオン感応膜）はシリコン窒化膜による防水性、タンタルオキサイドの優れた感度、ドリフト特性の面から、尚良い。
【００９６】
イオン感応膜を透過した光を下のＳｉ基板内のｐｎ接合で検知するため、イオン感応膜は、目的の波長領域の光を透過する材料であれば良い。可視光の場合はシリコン窒素化膜、タンタルオキサイドなどが挙げられる。
【００９７】
イオン感応膜１９上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【００９８】
擬似参照電極５０は、図２２（ａ）および図２２（ｂ）に示すように、イオン検出部６以外のパッシベーション膜２２上に延在し、液体試料２６中の電位を制御すると共に、遮光膜としても利用される。
【００９９】
擬似参照電極５０は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）やＰｔ（白金）などで形成可能である。擬似参照電極５０には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）は、スクリーン印刷などによって、直接形成可能である。また、Ａｇを形成して、ＫＣｌなどの溶液中で電気分解することによるめっき技術によっても形成可能である。
【０１００】
尚、図２０および図２２（ａ）に示される構造は、ＣＭＯＳ形成技術を適用して形成可能である。ＬＯＣＯＳ絶縁膜１７の下部には、チャネルストッパ拡散層が形成されるが、図示を省略している。
【０１０１】
第３の実施の形態に係るイメージセンサによれば、各画素のイオン検出トランジスタに対して、蓄積キャパシタを並列接続し、画素選択時に蓄積キャパシタＣSが充電され、画素選択されていない時に蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、アレイ動作を安定化することができる。すなわち、画素選択されていない時も蓄積キャパシタＣSから電力供給されるため、駆動状態を保持可能であり、安定性が向上する。
【０１０２】
第３の実施の形態に係るイメージセンサによれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【０１０３】
第３の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極が遮光膜の役割をするため、遮光膜を新たに形成する必要がない。
【０１０４】
第３の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極とチップが一体型となるため、測定溶液が少量の場合でも測定が可能となる。
【０１０５】
第１の実施の形態に係るイメージセンサによれば、常時駆動によって安定化可能な擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【０１０６】
[第４の実施の形態]
（イメージセンサ）
第４の実施の形態に係るイメージセンサ４の模式的回路ブロック構成は、図２３に示すように表される。また、図２３において、ＩＳＦＥＴセルＣmnにおける動作モードの説明は、図２４に示すように表される。図２３および図２４から明らかなように、垂直選択トランジスタＱVmと、水平選択トランジスタＱHnによって選択されるＩＳＦＥＴセルＣmnのイオン検出トランジスタＱmnは、垂直選択トランジスタＱVmと、水平選択トランジスタＱHnの両方が同時にＯＮ状態にあるとき、ＯＮ状態となる。垂直選択トランジスタＱVmと、水平選択トランジスタＱHnの両方が同時にＯＦＦ状態、若しくはいずれか一方がＯＦＦ状態にあるとき、ＯＦＦ状態となる。
【０１０７】
第４の実施の形態に係るイメージセンサ４は、図２３に示すように、行方向に延伸する複数のワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍと、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに直交し、列方向に延伸する複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎと、複数のワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路３０と、複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎに対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnと、複数の水平トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのそれぞれゲートが接続された水平走査回路３２と、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍとビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎの交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルＣmnとを備える。
【０１０８】
ここで、ＩＳＦＥＴセルＣ11、Ｃ12、…、Ｃ1n、Ｃ21、Ｃ22、…、Ｃ2n、…、Ｃm1、Ｃm2、…、Ｃmnは、それぞれイオン検出トランジスタＱ11、Ｑ12、…、Ｑ1n、Ｑ21、Ｑ22、…、Ｑ2n、…、Ｑm1、Ｑm2、…、Ｑmnと蓄積キャパシタＣSとの並列回路からなる。
【０１０９】
（ＩＳＦＥＴセル）
第４の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２の模式的回路構成は図２５（ａ）に示すように表され、図２５（ａ）の簡易な回路表示は、図２５（ｂ）に示すように表される。
【０１１０】
第４の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２は、図２５に示すように、イオン検出トランジスタＱmnと蓄積キャパシタＣSとの並列回路からなる。
【０１１１】
イオン検出トランジスタＱmnのドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されたオン状態における動作は、図２６（ａ）に示すように表され、イオン検出トランジスタＱmnが導通状態にあり、かつ蓄積キャパシタＣSが電源電圧で充電された状態にある。イオン検出トランジスタＱmnのドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されていないオフ状態における動作は、図２６（ｂ）に示すように表される。この場合においても、イオン検出トランジスタＱmnは、蓄積キャパシタＣSの蓄積電荷の放電電流によって、導通状態にあり、かつ蓄積キャパシタＣSは、放電状態にある。
【０１１２】
ＩＳＦＥＴセル２においては、イオン検出トランジスタＱmnに対して、蓄積キャパシタＣSを並列接続することにより、ドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されたオン状態では蓄積キャパシタＣSが充電され、ドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されないオフ状態では蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、安定性が向上する。
【０１１３】
第４の実施の形態に係るＩＳＦＥＴをアレイ状に配列したイメージセンサ４は、図２３に示すように、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのドレインを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのソースを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧ＶDDとを備える。
【０１１４】
第２の実施の形態に係るＩＳＦＥＴをアレイ状に配列したイメージセンサ４は、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのドレインを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧ＶDDと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのソースを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNとを備えていても良い。
【０１１５】
第４の実施の形態に係るＩＳＦＥＴをアレイ状に配列したイメージセンサ４においては、各画素のイオン検出トランジスタＱ11、Ｑ12、…、Ｑ1n、Ｑ21、Ｑ22、…、Ｑ2n、…、Ｑm1、Ｑm2、…、Ｑmnに対して、蓄積キャパシタＣSを並列接続し、これにより、画素選択時に蓄積キャパシタＣSが充電され、画素選択されていない時に蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、イメージセンサ４のアレイ動作を安定化することができる。すなわち、画素選択されていない時も蓄積キャパシタＣSから電力供給されるため、駆動状態を保持可能であり、安定性が向上する。
【０１１６】
また、第４の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造は、図２７に示すように表される。
【０１１７】
第４の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２は、図２７に示すように、第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域１２と、第１ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域１４およびドレイン領域１６と、第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９と、ソース領域１４とドレイン領域１６間に接続される蓄積キャパシタＣSと、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、ソース領域１４およびドレイン領域１６上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に、液体試料２６に接触して配置された擬似参照電極５０とを備える。
【０１１８】
また、ＩＳＦＥＴセル２は、半導体基板１０上に配置され、第１導電型を有する第２ウェル領域２３と、第２ウェル領域２３上に配置され、第１導電型を有する第２ウェルコンタクト領域１３と、第２ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜１８上に配置され、第２ウェル領域２３との間で蓄積キャパシタＣSを形成するキャパシタ電極２１とを備えていても良い。
【０１１９】
また、ＩＳＦＥＴセル２において、ドレイン領域１６は、キャパシタ電極２１に接続され、ソース領域１４は、ウェルコンタクト領域１３に接続され、ドレイン領域１６とソース領域１４間に並列に蓄積キャパシタＣSを備えていても良い。
【０１２０】
また、パッシベーション膜２２は、第２ウェル領域２３上にも延在して配置され、かつ擬似参照電極５０は、当該パッシベーション膜２２上にも延在して配置されていても良い。
【０１２１】
ここで、イオン検出部６は、図２７に示すように、ソース領域１４とドレイン領域１６間のウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９からなる。
【０１２２】
ここで、ゲート絶縁膜１８には、例えば、タンタルオキサイド、アルミナ、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。若しくは、シリコン熱酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した構造、シリコン熱酸化膜上にタンタルオキサイドを成膜した構造でも良い。さらに、シリコン熱酸化膜、シリコン窒化膜、タンタルオキサイドの順に積層した構造のゲート絶縁膜（イオン感応膜）はシリコン窒化膜による防水性、タンタルオキサイドの優れた感度、ドリフト特性の面から、尚良い。
【０１２３】
イオン感応膜を透過した光を下のＳｉ基板内のｐｎ接合で検知するため、イオン感応膜は、目的の波長領域の光を透過する材料であれば良い。可視光の場合はシリコン窒素化膜、タンタルオキサイドなどが挙げられる。
【０１２４】
イオン感応膜１９上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【０１２５】
図２７において、擬似参照電極５０は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）やＰｔ（白金）などで形成可能である。擬似参照電極５０には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）は、スクリーン印刷などによって、直接形成可能である。また、Ａｇを形成して、ＫＣｌなどの溶液中で電気分解することによるめっき技術によっても形成可能である。
【０１２６】
図２７において、擬似参照電極５０は、イオン検出部６以外のパッシベーション膜２２上に延在し、液体試料２６中の電位を制御すると共に、遮光膜としても利用される。
【０１２７】
尚、図２７に示される構造は、ＣＭＯＳ形成技術を適用して形成可能である。図２７において、ＬＯＣＯＳ絶縁膜１７の下部には、チャネルストッパ拡散層が形成されるが、図示を省略している。
【０１２８】
第４の実施の形態に係るイメージセンサによれば、各画素のイオン検出トランジスタに対して、蓄積キャパシタを並列接続し、画素選択時に蓄積キャパシタＣSが充電され、画素選択されていない時に蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、アレイ動作を安定化することができる。すなわち、画素選択されていない時も蓄積キャパシタＣSから電力供給されるため、駆動状態を保持可能であり、安定性が向上する。
【０１２９】
第４の実施の形態に係るイメージセンサによれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【０１３０】
第４の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極が遮光膜の役割をするため、遮光膜を新たに形成する必要がない。
【０１３１】
第４の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極とチップが一体型となるため、測定溶液が少量の場合でも測定が可能となる。
【０１３２】
[第５の実施の形態]
第５の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用可能なＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造は、図２８（ａ）に示すように表され、図２８（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成は、図２８（ｂ）に示すように表される。第５の実施の形態に係るイメージセンサ４の模式的回路ブロック構成は、図２３と同様であるため、重複説明は省略する。
【０１３３】
第５の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用可能なＩＳＦＥＴセル２は、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域１２と、第１ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域１４およびドレイン領域１６と、第１ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ソース領域１４とドレイン領域１６間のゲート絶縁膜１８上に配置されたゲートプラグ電極４０と、ドレイン領域１６上に配置されたドレインプラグ電極４４と、ソース領域１４とドレインプラグ電極４４間に接続され、積層電極４６・４８からなる蓄積キャパシタＣSと、ゲートプラグ電極４０上に配置された透明電極膜４２と、透明電極膜４２上に配置されたイオン感応膜１９と、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、イオン感応膜１９上に、液体試料２６に接触して配置された擬似参照電極５０とを備える。なお、第１ウェル領域１２には、第１ウェルコンタクト領域４５が形成され、半導体基板１０には、基板コンタクト領域４３が形成されている。
【０１３４】
また、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、第１ウェル領域１２および半導体基板１０上のゲート絶縁膜１８上に配置されたパッシベーション膜２２を備える。パッシベーション膜２２上には、透明電極膜４２およびイオン感応膜１９が延在している。
【０１３５】
ここで、イオン検出部６は、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、ソース領域１４とドレイン領域１６間のウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたゲートプラグ電極４０と、ゲートプラグ電極４０上に配置された透明電極膜４２と、透明電極膜４２上に配置されたイオン感応膜１９からなる。ゲートプラグ電極４０と透明電極膜４２は、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＴＯ、ＳｎＯ2などで形成可能である。
【０１３６】
ここで、ゲート絶縁膜１８には、例えば、タンタルオキサイド、アルミナ、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。若しくは、シリコン熱酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した構造、シリコン熱酸化膜上にタンタルオキサイドを成膜した構造でも良い。さらに、シリコン熱酸化膜、シリコン窒化膜、タンタルオキサイドの順に積層した構造のゲート絶縁膜（イオン感応膜）はシリコン窒化膜による防水性、タンタルオキサイドの優れた感度、ドリフト特性の面から、尚良い。
【０１３７】
イオン感応膜を透過した光を下のＳｉ基板内のｐｎ接合で検知するため、イオン感応膜は、目的の波長領域の光を透過する材料であれば良い。可視光の場合はシリコン窒素化膜、タンタルオキサイドなどが挙げられる。
【０１３８】
イオン感応膜１９上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【０１３９】
擬似参照電極５０は、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、ＩＳＦＥＴセル領域を取り囲むように配置されている。
【０１４０】
擬似参照電極５０は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）やＰｔ（白金）などで形成可能である。擬似参照電極５０には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）は、スクリーン印刷などによって、直接形成可能である。また、Ａｇを形成して、ＫＣｌなどの溶液中で電気分解することによるめっき技術によっても形成可能である。
【０１４１】
図２８において、擬似参照電極５０は、イオン検出部６以外のパッシベーション膜２２上に延在し、液体試料２６中の電位を制御すると共に、遮光膜としても利用される。
【０１４２】
尚、図２８に示される構造は、ＣＭＯＳ形成技術を適用して形成可能である。図２８において、ＬＯＣＯＳ絶縁膜１７の下部には、チャネルストッパ拡散層が形成されるが、図示を省略している。
【０１４３】
第４の実施の形態に係るイメージセンサによれば、各画素のイオン検出トランジスタに対して、蓄積キャパシタを並列接続し、画素選択時に蓄積キャパシタＣSが充電され、画素選択されていない時に蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、アレイ動作を安定化することができる。すなわち、画素選択されていない時も蓄積キャパシタＣSから電力供給されるため、駆動状態を保持可能であり、安定性が向上する。
【０１４４】
第５の実施の形態に係るイメージセンサによれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【０１４５】
第５の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極が遮光膜の役割をするため、遮光膜を新たに形成する必要がない。
【０１４６】
第５の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極とチップが一体型となるため、測定溶液が少量の場合でも測定が可能となる。
【０１４７】
また、第５の実施の形態に係るイメージセンサによれば、蓄積キャパシタＣSを積層構造により形成できるため、集積度を向上することができる。
【０１４８】
また、第５の実施の形態に係るイメージセンサによれば、イオン検出部を素子領域の全面に形成できるため、イオン情報の検出感度を向上することができる。
【０１４９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供する。
【０１５０】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第５の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０１５１】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
本発明の擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサは、細胞のｐＨセンサ、ｐＨイオンの分布測定、水質調査、水質管理、環境測定、美容分野、電気化学分野、医療計測分野などに適用可能である。
【符号の説明】
【０１５３】
１…セルアレイ領域
２…ＩＳＦＥＴセル
４…イメージセンサ
６…イオン検出部
１０…半導体基板
１２…ｐウェル層
１３…ｎウェルコンタクト領域
１４、５２…ソース領域
１６、５４…ドレイン領域
１７…ＬＯＣＯＳ絶縁膜
１８…ゲート絶縁膜
１９…イオン感応膜
２０…トランスファゲート電極（ＴＧ）
２１、４６、４８…キャパシタ電極
２２…パッシベーション膜
２３…ｎウェル層
２４…参照電極
２６…液体試料
３０…垂直走査回路
３２…水平走査回路
３４…信号処理回路
４０…ゲートプラグ電極
４２…透明電極膜
４３…基板コンタクト領域
４４…ドレインプラグ電極
４５…ｐウェルコンタクト領域
５０ａ…遮光膜
５０…擬似参照電極
５６…リセット領域
５８…注入制御ゲート電極
６０…リセットゲート電極
１００…試料セル
２００…ｐＨ分布
ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍ…ワード線（垂直走査線）
ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎ…ビット線（水平走査線）
ＱV1，ＱV2，…，ＱVm…垂直選択トランジスタ
ＱH1，ＱH2，…，ＱHn…水平選択トランジスタ
ＱLN…ＭＯＳＦＥＴ
Ｑi、Ｑ11、Ｑ12、…、Ｑ1n、Ｑ21、Ｑ22、…、Ｑ2n、…、Ｑm1、Ｑm2、…、Ｑmn…イオン検出トランジスタ
ＱG…トランスファゲートトランジスタ
Ｃ11、Ｃ12、…、Ｃ1n、Ｃ21、Ｃ22、…、Ｃ2n、…、Ｃm1、Ｃm2、…、Ｃmn…ＩＳＦＥＴセル
ＣS…蓄積キャパシタ
ＶREF…参照電圧
ＶD，ＶDD…電源電圧
Ｖout…出力電圧
ＶLN、ＶTG…ゲート電圧
ＶTG…トランスファゲート電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサに関し、特に、擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のイオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ：Ion Sesitive Field Effect Transistor）からなるイオンセンサとして、バックゲートとソースとの間、およびバックゲートとドレインとの間に発生するバックゲート光電流を取り出すためのゲート電極を備え、このバックゲート光電流を用いて、ＩＳＦＥＴのソースやドレインにおいて発生する光電流を補正する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、上記ＩＳＦＥＴを２次元的に複数個配置し、ｐＨの２次元分布を測定するものとして、水素イオン濃度分布測定装置がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
一方、特許文献２に係るＩＳＦＥＴアレイを改良し、ＩＳＦＥＴアレイセル毎にＩＳＦＥＴの切り替えスイッチ用ＭＯＳＦＥＴを備えるＩＳＦＥＴアレイも開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
また、ＤＮＡなどの生化学計測において、同一場所の複数の情報として、光信号とｐＨイオン信号を検出可能なＣＣＤデバイスにより取得する構成も開示されている（例えば、特許文献４〜６参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１６４３５９号公報
【特許文献２】特開平０５−３３７４５号公報
【特許文献３】特許第４１３７２３９号公報
【特許文献４】特許第４１３３０２８号公報
【特許文献５】特許第４３０８３７４号公報
【特許文献６】特許第４１８３７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に係るＩＳＦＥＴでは、バルクに流れる電流で光読み出しを行うため、ノイズ情報が光読み出し電流に含まれる。また、アレイ化を図る場合、バルクに流れる電流で光読み出しを行うため、ｐウェル領域を互いに隣接セル間で分離する必要があり、構造が複雑となり、アレイ化が難しい。
【０００８】
特許文献２に係るＩＳＦＥＴアレイでは、一回測定して、次に測定するまで、安定化するのに時間を要する。
【０００９】
従来の光マルチモーダルイメージセンサでは、参照電極を半導体チップとは別に溶液に入れる必要があり、測定対象により、参照電極が遮蔽物となり、測定が困難になる場合があった。すなわち、従来技術では、光学イメージや、励起光を照射して蛍光を取得する際に、参照電極が影をつくり、測定系により参照電極が遮蔽物となり、光の情報を取得し難い場合があった。
【００１０】
また、従来技術では、参照電極のため測定対象に大きさの制限があった。
【００１１】
本発明の目的は、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様によれば、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、前記ソース領域と、前記ウェル領域と、前記ドレイン領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記トランスファゲート電極上に配置されたパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、行方向に延伸する複数のワード線と、前記ワード線に直交し、列方向に延伸する複数のビット線と、前記複数のワード線に対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタと、前記複数の垂直選択トランジスタのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路と、前記複数のビット線に対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタと、前記複数の水平トランジスタのそれぞれゲートが接続された水平走査回路と、前記ワード線と前記ビット線の交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルとを備え、前記ＩＳＦＥＴセルは、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、前記ソース領域と、前記ウェル領域と、前記ドレイン領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記トランスファゲート電極上に配置されたパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域、ドレイン領域およびリセット領域と、前記ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に、前記ソース領域に隣接して配置された注入制御ゲート電極と、前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域と前記リセット領域間に配置されたリセットゲート電極と、前記ゲート絶縁膜上に、前記注入制御ゲート電極と前記トランスファゲート電極間に配置されたイオン感応膜と、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記ソース領域、前記ドレイン領域、前記注入制御ゲート電極、前記トランスファゲート電極、前記リセットゲート電極および前記リセット領域上に配置されたパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、前記ソース領域と前記ドレイン領域間に接続される蓄積キャパシタと、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記ソース領域および前記ドレイン領域上に配置されたパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ソース領域と前記ドレイン領域間の前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲートプラグ電極と、前記ドレイン領域上に配置されたドレインプラグ電極と、前記ソース領域と前記前記ドレインプラグ電極間に接続され、積層電極からなる蓄積キャパシタと、前記ゲートプラグ電極上に配置された遮光膜と、前記遮光膜上に配置されたイオン感応膜と、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記イオン感応膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、行方向に延伸する複数のワード線と、前記ワード線に直交し、列方向に延伸する複数のビット線と、前記複数のワード線に対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタと、前記複数の垂直選択トランジスタのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路と、前記複数のビット線に対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタと、前記複数の水平トランジスタのそれぞれゲートが接続された水平走査回路と、前記ワード線と前記ビット線の交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルとを備え、前記ＩＳＦＥＴセルは、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、前記ソース領域と前記ドレイン領域間に接続される蓄積キャパシタと、前記イオン感応膜に接触する液体試料と、前記ソース領域および前記ドレイン領域上に配置されたパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極とを備えるイメージセンサが提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施の形態に係るイメージセンサ上に試料セルが搭載された様子を表す模式的鳥瞰構造図。
【図２】図１に対応するイメージセンサを用いて検出したｐＨ分布の様子を表す模式的鳥瞰構造図。
【図３】第１の実施の形態に係るイメージセンサにおいて、周辺回路部を遮光した様子を表す模式的鳥瞰構造図。
【図４】第１の実施の形態に係るイメージセンサにおいて、周辺回路部およびセルアレイ内のイオン検出部以外の領域を擬似参照電極を用いて遮光した様子を表す模式的平面パターン構成図。
【図５】第１の実施の形態に係るイメージセンサの模式的回路ブロック構成図。
【図６】比較例に係るイメージセンサセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図。
【図７】（ａ）第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図、（ｂ）図７（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成図。
【図８】（ａ）第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの原理説明のための模式的断面構造図、（ｂ）図１（ａ）のイオン検出部の拡大された模式的断面構造図。
【図９】第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図。
【図１０】第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルのイオン検出動作を説明する回路構成図。
【図１１】第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの原理説明のための模式的平面パターン構成図。
【図１２】第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの原理説明のための光検出時のエネルギーポテンシャルダイヤグラム。
【図１３】第１の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの原理説明のためのイオン検出時のエネルギーポテンシャルダイヤグラム。
【図１４】比較例に係るＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造図。
【図１５】（ａ）第２の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造図、（ｂ）図１５（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成図。
【図１６】（ａ）第２の実施の形態に係るイメージセンサの模式的平面パターン構成図、（ｂ）第２の実施の形態に係るイメージセンサのＩＳＦＥＴセルの模式的平面パターン構成図。
【図１７】第２の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的回路ブロック構成図。
【図１８】第３の実施の形態に係るイメージセンサの模式的回路ブロック構成図。
【図１９】第３の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的回路構成図。
【図２０】第３の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図図。
【図２１】比較例に係るＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図。
【図２２】（ａ）第３の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図、（ｂ）図２２（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成図。
【図２３】第４の実施の形態に係るイメージセンサの模式的回路ブロック構成図。
【図２４】図１３の動作モードの説明図。
【図２５】（ａ）第４の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的回路構成図、（ｂ）図２５（ａ）の簡易な回路表示図。
【図２６】（ａ）第４の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルにおいて、選択回路オン状態における動作説明図、（ｂ）第４の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルにおいて、選択回路オフ状態における動作説明図。
【図２７】第４の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造図。
【図２８】（ａ）第５の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造図、（ｂ）図２８（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第５の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２１】
又、以下に示す第１〜第５の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２２】
[第１の実施の形態]
（イメージセンサ）
ＩＳＦＥＴによって構成されたＩＳＦＥＴセルＣijを、半導体基板１０上に、アレイ状に配列した第１の実施の形態に係るイメージセンサ４において、イメージセンサ４上に試料セル１００が搭載された様子を表す模式的鳥瞰構造は、図１に示すように表される。図１に対応するイメージセンサ４を用いて検出したｐＨ分布２００の様子を表す模式的鳥瞰構造は、図２に示すように表される。図１および図２に示すように、各々のＩＳＦＥＴセルＣijに対応して、各々のｐＨ値ｐＨijが検出され、ｐＨイメージが得られる。
【００２３】
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４において、周辺回路部を遮光した様子を表す模式的鳥瞰構造は、図３に示すように表される。ここで、周辺回路部には、垂直走査回路３０、水平走査回路３２および信号処理回路３４などが含まれる。遮光膜としては、アルミニウムの薄膜層、若しくは後述する擬似参照電極と同様の銀塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）、白金（Ｐｔ）などを適用可能である。
【００２４】
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４おいて、周辺回路部（３０、３２、３４）およびセルアレイ領域１内の特定の領域を擬似参照電極５０を用いて遮光した様子を表す模式的平面パターン構成は、図４に示すように表される。図４においては、垂直走査回路３０、水平走査回路３２および信号処理回路３４などの周辺回路部に加えて、セルアレイ領域１内において、所定の方向にストライプ状に擬似参照電極５０が配置された例が示されている。擬似参照電極５０は、参照電極と遮光膜との両方の役割を備える、擬似参照電極５０の配置および構造などについては、後述する。
【００２５】
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４の模式的回路ブロック構成は、図５に示すように、行方向に延伸する複数のワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍと、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに直交し、列方向に延伸する複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎと、複数のワード線線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路３０と、複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎに対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnと、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのそれぞれゲートが接続された水平走査回路３２と、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍとビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎの交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルＣmnとを備える。
【００２６】
ここで、ＩＳＦＥＴセルＣmnは、図５に示すように、イオン検出トランジスタＱmnとトランスファゲートトランジスタＱGとの直列回路からなる。
【００２７】
また、第１の実施の形態に係るイメージセンサ４は、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのソースを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNと、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのドレインを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧ＶDDと、トランスファゲート電極２０を共通化したトランスファゲートラインに接続されたトランスファゲート電圧ＶTGとを備える。
【００２８】
また、第１の実施の形態に係るイメージセンサ４は、イメージセンサ４が配置された半導体基板上に試料セルを配置し、リセット情報、光情報の検出時は、ＩＳＦＥＴセル２のトランスファゲート電極２０の電位をオフ状態のローレベルとし、ｐＨイオン情報の検出時は、オン状態のハイレベルとし、トランスファゲート電極２０の電位よってオン、オフ制御することによって、リセット情報、光情報のイメージ情報と、ｐＨイオン分布情報の両方を検出することができる。
【００２９】
また、第１の実施の形態に係るイメージセンサ４において、ＭＯＳＦＥＴＱVNは、より簡単な構成を実現するためには、抵抗で置換しても良い。
【００３０】
バックゲート（ウェル領域１２）からリセットを読み出す場合は、アレイ化した場合、各ＩＳＦＥＴセルＣijでバックゲート（ウェル領域１２）を互いに分離して、独立させる必要があるが、第１の実施の形態に係るイメージセンサ４においては、図５に示すように、トランスファゲート電極２０を共通化して、トランスファゲート電圧ＶTGを加えることができる。
【００３１】
（ＩＳＦＥＴセル）
比較例に係るイメージセンサセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図は、図６に示すように表される。比較例においては、図６に示すように、参照電極２４はガラス封止されたキャピラリー電極構造を備え、当該キャピラリー電極には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。また、図６に示すように、ソース領域１４、ドレイン領域１６、およびトランスファゲート電極２０上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に配置された遮光膜５０ａを備える。ここで、遮光膜５０ａには、アルミニウムの薄膜層などが適用可能である。その他の構成は、図７と同様である。
【００３２】
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用可能なＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明は、図７（ａ）に示すように表され、図７（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成は、図７（ｂ）に示すように表される。
【００３３】
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域１２と、第１ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域１４およびドレイン領域１６と、第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に、ドレイン領域１６に隣接して配置されたトランスファゲート電極２０と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９と、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、ソース領域１４、ドレイン領域１６およびトランスファゲート電極２０上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に、液体試料２６に接触して配置された擬似参照電極５０とを備える。なお、第１ウェル領域１２には、第１ウェルコンタクト領域４５が形成され、半導体基板１０には、基板コンタクト領域４３が形成されている。
【００３４】
ここで、イオン検出部６は、図７に示すように、ソース領域１４とドレイン領域１６間のウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９からなる。
【００３５】
ここで、ゲート絶縁膜１８には、例えば、タンタルオキサイド、アルミナ、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。若しくは、シリコン熱酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した構造、シリコン熱酸化膜上にタンタルオキサイドを成膜した構造でも良い。さらに、シリコン熱酸化膜、シリコン窒化膜、タンタルオキサイドの順に積層した構造のゲート絶縁膜（イオン感応膜）はシリコン窒化膜による防水性、タンタルオキサイドの優れた感度、ドリフト特性の面から、尚良い。
【００３６】
イオン感応膜を透過した光を下のＳｉ基板内のｐｎ接合で検知するため、イオン感応膜は、目的の波長領域の光を透過する材料であれば良い。可視光の場合はシリコン窒素化膜、タンタルオキサイドなどが挙げられる。
【００３７】
イオン感応膜１９上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【００３８】
図７において、擬似参照電極５０は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）やＰｔ（白金）などで形成可能である。擬似参照電極５０には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）は、スクリーン印刷などによって、直接形成可能である。また、Ａｇを形成して、ＫＣｌなどの溶液中で電気分解することによるめっき技術によっても形成可能である。
【００３９】
図７において、擬似参照電極５０は、イオン検出部６以外のパッシベーション膜２２上に延在し、液体試料２６中の電位を制御すると共に、遮光膜としても利用される。
【００４０】
パッシベーション膜２２としては、例えば、ＣＶＤＳｉＯ2膜、ＣＶＤ窒化膜、ＴＥＯＳ膜、或いはこれらの多層膜などを適用可能である。
【００４１】
尚、図７に示される構造は、ＣＭＯＳ形成技術を適用して形成可能である。図７において、ＬＯＣＯＳ絶縁膜１７の下部には、チャネルストッパ拡散層が形成されるが、図示を省略している。
【００４２】
（ＩＳＦＥＴセル動作）
第１の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用される基本的なＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造は、図８（ａ）に示すように表され、図８（ａ）のイオン検出部の拡大された模式的断面構造は、図８（ｂ）に示すように表される。
【００４３】
また、第１の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２のイオン検出動作時の構成は、図９に示すように表される。さらに、イオン検出動作を説明する回路構成は、図１０に示すように表される。ここで、図８（ａ）および図９は、後述する図１１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造に相当している。
【００４４】
図８（ａ）の構造は、ＩＳＦＥＴセル動作を説明するために、図７の構造を単純化した構成を示す。したがって、図７と重複する説明は省略する。図８（ａ）においては、イオン感応膜１９は省略されている。ゲート絶縁膜１８に、例えば、タンタルオキサイド、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。ゲート絶縁膜１８上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【００４５】
図８（ａ）の構造を適用したイオン検出動作時の構成は、図９に示すように表される。イオン検出部６のゲート絶縁膜１８には、液体試料２６が接触しており、かつ液体試料２６に接して擬似参照電極５０が配置されている。
【００４６】
ＩＳＦＥＴセル２は、図１０に示すように、イオン検出部６のイオン検出トランジスタＱiと、トランスファゲートＴＧによるトランスファゲートトランジスタＱGの直列回路で構成され、トランスファゲートトランジスタＱGのドレイン領域１６に電源電圧ＶDが接続され、イオン検出トランジスタＱiのソース領域１４には、ＭＯＳＦＥＴＱLNが接続される。
【００４７】
図１０に示すように、ＩＳＦＥＴセル２において、イオン検出トランジスタＱiのゲート上の擬似参照電極ＲＥＦＧには参照電圧ＶREFが印加されている。イオン検出トランジスタＱiのゲート部がイオン検出部６に相当し、液体界面のポテンシャルによる入力イオン信号を受信する。出力信号は、イオン検出トランジスタＱiに直列接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNのドレインから、ソースフォロアの出力電圧Ｖoutとして得る。この結果、ＭＯＳＦＥＴＱLNのドレイン端子より得られるソースフォロアの出力電圧Ｖoutが、入力イオン信号に対して、リニアに応答する。
【００４８】
（イオン検出動作）
ＩＳＦＥＴセル２の模式的平面パターン構成は、図１１に示すように表される。また、ＩＳＦＥＴセル２の光検出時のエネルギーポテンシャルダイヤグラムは、図１２に示すように表され、イオン検出時のエネルギーポテンシャルダイヤグラムは、図１３に示すように表される。
【００４９】
ＩＳＦＥＴセル２において、トランスファゲート電極２０の電位は、リセット情報・光情報の検出時は、オフ状態のローレベル、ｐＨイオン情報の検出時は、オン状態のハイレベルとし、トランスファゲート電極２０の電位よってオン、オフ制御することができる。
【００５０】
―リセット情報・光情報の検出―
リセット取得モードにおいては、図１２に示すように、トランスファゲート電極２０の電位をローレベルにして、トランスファゲートトランジスタＱGをオフ状態にする。このとき、イオン検出部６からドレイン領域１６へのキャリア（電子）の流れは、トランスファゲート電極（ＴＧ）直下のポテンシャルバリアによって、塞き止められる。この状態では、ソース領域１４近傍の電子は半導体基板１０側に流出し、一方、ソース領域１４近傍の正孔は、ソース領域１４に流入する。
【００５１】
―イオン情報の検出―
次に、ＩＳＦＥＴモードにおいては、図１３に示すように、トランスファゲート電極２０の電位をハイレベルにして、トランスファゲートトランジスタＱGをオン状態にする。このとき、トランスファゲート電極（ＴＧ）直下のポテンシャルバリア高さが低下するため、イオン検出部６からドレイン領域１６へのキャリア（電子）流入が引き起こされる。また、この状態では、ソース領域１４近傍の電子は半導体基板１０側に流出する。一方、ソース領域１４近傍の正孔は、ソース領域１４に流入する。
【００５２】
したがって、リセット取得モードにおいて得られたリセット情報・光情報をＩＳＦＥＴモードにおいては、得られたデータから差し引くことによって、正確なイオン情報を検出することができる。
【００５３】
第１の実施の形態に係るイメージセンサによれば、ｐＨ光マルチモーダルイメージセンサにおいて、擬似参照電極をチップ上のセンシングエリア以外の全て、若しくは駆動回路、処理回路などの回路上に形成することにより、遮光を実現する。擬似参照電極がチップ上に形成されるため、光を照射して光学的イメージを取得する際に、擬似参照電極が光学的イメージに影響を及ぼし、影を形成することもない。
【００５４】
第１の実施の形態に係るイメージセンサによれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【００５５】
第１の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極が遮光膜の役割をするため、遮光膜を新たに形成する必要がない。
【００５６】
第１の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極とチップが一体型となるため、測定溶液が少量の場合でも測定が可能となる。
【００５７】
[第２の実施の形態]
比較例に係るＩＳＦＥＴセルの模式的断面構造は、図１４に示すように表される。比較例においては、図１４に示すように、参照電極２４はガラス封止されたキャピラリー電極構造を備え、当該キャピラリー電極には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。また、図１４に示すように、ソース領域５２、ドレイン領域５４、注入制御ゲート電極５８およびトランスファゲート電極２０、リセットゲート電極６０およびリセット領域５６上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に配置された遮光膜５０ａと、遮光膜５０ａ上に配置されたパッシベーション膜２２ａとを備える。その他の構成は、図１５と同様である。
【００５８】
第２の実施の形態に係るイメージセンサに適用可能なＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造は、図１５（ａ）に示すように表され、図１５（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成は、図１５（ｂ）に示すように表される。第２の実施の形態に係るイメージセンサは、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型、若しくはＣＩＤ（Charge Injection Device）型イメージセンサに相当する。
【００５９】
第２の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用可能なＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造は、図１５（ａ）に示すように、第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域５２、ドレイン領域５４およびリセット領域５６と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に、ソース領域５２に隣接して配置された注入制御ゲート電極５８と、ゲート絶縁膜１８上に、ドレイン領域５４に隣接して配置されたトランスファゲート電極２０と、ゲート絶縁膜１８上に、ドレイン領域５４とリセット領域５６間に配置されたリセットゲート電極６０と、ゲート絶縁膜１８上に、注入制御ゲート電極５８とトランスファゲート電極２０間に配置されたイオン感応膜１９と、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、ソース領域５２、ドレイン領域５４、注入制御ゲート電極５８、トランスファゲート電極２０、リセットゲート電極６０およびリセット領域５６上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に配置された擬似参照電極５０とを備える。
【００６０】
ここで、イオン検出部６は、図１５に示すように、ソース領域５２とドレイン領域５４間のウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９からなる。
【００６１】
ここで、ゲート絶縁膜１８には、例えば、タンタルオキサイド、アルミナ、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。若しくは、シリコン熱酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した構造、シリコン熱酸化膜上にタンタルオキサイドを成膜した構造でも良い。さらに、シリコン熱酸化膜、シリコン窒化膜、タンタルオキサイドの順に積層した構造のゲート絶縁膜（イオン感応膜）はシリコン窒化膜による防水性、タンタルオキサイドの優れた感度、ドリフト特性の面から、尚良い。
【００６２】
イオン感応膜を透過した光を下のＳｉ基板内のｐｎ接合で検知するため、イオン感応膜は、目的の波長領域の光を透過する材料であれば良い。可視光の場合はシリコン窒素化膜、タンタルオキサイドなどが挙げられる。
【００６３】
イオン感応膜１９上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【００６４】
図１５において、擬似参照電極５０は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）やＰｔ（白金）などで形成可能である。擬似参照電極５０には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）は、スクリーン印刷などによって、直接形成可能である。また、Ａｇを形成して、ＫＣｌなどの溶液中で電気分解することによるめっき技術によっても形成可能である。
【００６５】
図１５において、擬似参照電極５０は、イオン検出部６以外のパッシベーション膜２２上に延在し、液体試料２６中の電位を制御すると共に、遮光膜としても利用される。
【００６６】
尚、図１５に示される構造は、ＣＭＯＳ形成技術を適用して形成可能である。図１５において、ＬＯＣＯＳ絶縁膜１７の下部には、チャネルストッパ拡散層が形成されるが、図示を省略している。
【００６７】
ソース領域５２は、電荷注入端子ＩＤに接続され、注入制御ゲート電極５８は、注入制御ゲートＩＣＧに接続され、トランスファゲート電極２０は、トランスファゲートＴＧに接続され、ドレイン領域５４は、フローティングディフュージョンＦＤに接続され、リセットゲート電極６０は、リセットゲートＲＧに接続され、リセット領域５６には、リセット電源ＶＲＥＳに接続されている。
【００６８】
フローティングディフュージョンＦＤは、ＭＯＳＦＥＴＱDのゲートに接続される。ＭＯＳＦＥＴＱDのドレインには電源電圧ＶDが印加され、ＭＯＳＦＥＴＱDのソースと接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNのドレインから出力電圧Ｖoutが得られる。
【００６９】
ソース領域５２とドレイン領域５４間のチャネル領域では、注入制御ゲート電極５８、トランスファゲート電極２０の電位制御によって、ソース領域５２から注入された電荷（電子）が、ドレイン領域５４に転送される。
【００７０】
ドレイン領域５４とリセット領域５６間には、リセットゲート電極６０のゲート電位で制御されるリセット用のＭＯＳＦＥＴが形成される。したがって、ドレイン領域５４の電位は、リセット用のＭＯＳＦＥＴによって制御される。
【００７１】
第２の実施の形態に係るイメージセンサの模式的平面パターン構成は、図１６（ａ）に示すように表される。図１６（ａ）に示すように、セルアレイ領域１を囲む垂直走査回路３０、水平走査回路３２および信号処理回路３４上には、擬似参照電極５０が配置されている。ボンディングパッド３６上に擬似参照電極５０は特に配置されていない。尚、垂直走査回路３０、水平走査回路３２および信号処理回路３４とこれらの上部に配置される擬似参照電極５０との間には、層間絶縁膜、パッシベーション膜２２などが介在され、絶縁されている。擬似参照電極５０は、この場合、遮光膜としての機能を有する。
【００７２】
第２の実施の形態に係るイメージセンサのＩＳＦＥＴセルの模式的平面パターン構成は、図１６（ｂ）に示すように表される。図１６（ｂ）において、ＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造が図１５（ａ）に対応している。図１６（ｂ）においても、図１５（ａ）から明らかなように、イオン検出部６以外の領域は、擬似参照電極５０で覆われている。
【００７３】
また、第２の実施の形態に係るイメージセンサ４のＩＳＦＥＴセル２の模式的回路ブロック構成は、図１７に示すように表される。ＩＳＦＥＴセル２は、図１７に示すように、イオン検出部６のイオン検出トランジスタＱiと、トランスファゲートＴＧによるトランスファゲートトランジスタＱGの直列回路で構成され、トランスファゲートトランジスタＱGのドレイン領域５４にリセット用のＭＯＳＦＥＴが接続され、イオン検出トランジスタＱiのソース領域（イオン検出部６）には、電荷注入用のＭＯＳＦＥＴＱLNが接続される。
【００７４】
第２の実施の形態に係るイメージセンサによれば、ＣＣＤ／ＣＩＤ型のｐＨ光マルチモーダルイメージセンサにおいて、擬似参照電極をチップ上のセンシングエリア以外の全て、若しくは駆動回路、処理回路などの回路上に形成することにより、遮光を実現する。擬似参照電極がチップ上に形成されるため、光を照射して光学的イメージを取得する際に、擬似参照電極が光学的イメージに影響を及ぼし、影を形成することもない。
【００７５】
なお、第２の実施の形態に係るイメージセンサ４の模式的回路ブロック構成は、第１の実施の形態の図５と同様に構成可能である。
【００７６】
第２の実施の形態に係るイメージセンサによれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上したＣＣＤ／ＣＩＤ型の擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【００７７】
第２の実施の形態に係るＣＣＤ／ＣＩＤ型のイメージセンサによれば、擬似参照電極が遮光膜の役割をするため、遮光膜を新たに形成する必要がない。
【００７８】
第２の実施の形態に係るＣＣＤ／ＣＩＤ型のイメージセンサによれば、擬似参照電極とチップが一体型となるため、測定溶液が少量の場合でも測定が可能となる。
【００７９】
[第３の実施の形態]
（イメージセンサ）
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４の模式的回路ブロック構成は、図１８示すように、行方向に延伸する複数のワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍと、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに直交し、列方向に延伸する複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎと、複数のワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路３０と、複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎに対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnと、複数の水平トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのそれぞれゲートが接続された水平走査回路３２と、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍとビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎの交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルＣmnとを備える。
【００８０】
また、第３の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２の模式的回路構成は、図１９に示すように、イオン検出部６のイオン検出トランジスタＱiと、トランスファゲートＴＧによるトランスファゲートトランジスタＱGの直列回路と、トランスファゲートトランジスタＱGのドレインとイオン検出トランジスタＱiのソース間に接続された蓄積キャパシタＣSとの並列回路で構成され、トランスファゲートトランジスタＱGのドレイン領域１６に電源電圧ＶDが接続され、イオン検出トランジスタＱiのソース領域１４には、ＭＯＳＦＥＴＱLNが接続される。
【００８１】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４は、図１８に示すように、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのドレインを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧ＶDDと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのソースを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNを備える。
【００８２】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４は、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのドレインを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのソースを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧ＶDDとを備えていても良い。
【００８３】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４においては、イメージセンサ４が配置された半導体基板１０上に試料セル１００を配置し、リセット情報・光情報の検出時は、ＩＳＦＥＴセルＣijのトランスファゲート電極２０のトランスファゲート電圧ＶTGをオフ状態のローレベルとし、ｐＨイオン情報の検出時は、オン状態のハイレベルとし、トランスファゲート電極２０のトランスファゲート電圧ＶTGによってオン、オフ制御することによって、リセット情報・光情報のイメージ情報と、ｐＨイオン分布情報の両方を検出することができる。
【００８４】
また、第３の実施の形態に係るイメージセンサ４においては、各画素のイオン検出トランジスタＱmnとトランスファゲートトランジスタＱGの直列回路に対して、蓄積キャパシタＣSを並列接続し、これにより、画素選択時に蓄積キャパシタＣSが充電され、画素選択されていない時に蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、イメージセンサ４のアレイ動作を安定化することができる。すなわち、画素選択されていない時も蓄積キャパシタＣSから電力供給されるため、駆動状態を保持可能であり、安定性が向上する。
【００８５】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２においては、トランスファゲート電極２０に加える電圧を調節することにより、リセット情報、光情報を取得するモードと、ｐＨを取得するモードを切り替えることができるため、正確なイオン情報を検出することができる。
【００８６】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２においては、イオン検出トランジスタＱmnとトランスファゲートトランジスタＱGの直列構成に対して、蓄積キャパシタＣSを並列接続することにより、ドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されたオン状態では蓄積キャパシタＣSが充電され、ドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されないオフ状態では蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、安定性が向上する。
【００８７】
（ＩＳＦＥＴセル）
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図は、図２０に示すように表される。また、比較例に係るイメージセンサセルの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図は、図２１に示すように表される。
【００８８】
また、第３の実施の形態に係るイメージセンサの模式的断面構造であって、イオン検出動作の模式的説明図は、図２２（ａ）に示すように表され、図２２（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成は、図２２（ｂ）に示すように表される。図２２は、図２０の詳細な構造に対応している。
【００８９】
比較例においては、図２１示すように、参照電極２４はガラス封止されたキャピラリー電極構造を備え、当該キャピラリー電極には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。また、図２１に示すように、ソース領域１４、ドレイン領域１６、およびトランスファゲート電極２０上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に配置された遮光膜５０ａを備える。さらに、遮光膜５０ａ上に、パッシベーション膜２２ａを備える。その他の構成は、図２２と同様である。
【００９０】
第３の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２は、図２０および図２２（ａ）および図２２（ｂ）に示すように、第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域１２と、第１ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域１４およびドレイン領域１６と、第１ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に、ドレイン領域１６に隣接して配置されたトランスファゲート電極２０と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９と、ソース領域１４とドレイン領域１６間に接続される蓄積キャパシタＣSと、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、ソース領域１４、トランスファゲート電極２０およびドレイン領域１６上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に、液体試料２６に接触して配置された擬似参照電極５０とを備える。なお、図２２（ａ）に示すように、第１ウェル領域１２には、第１ウェルコンタクト領域４５が形成され、半導体基板１０には、基板コンタクト領域４３が形成されている。
【００９１】
また、ＩＳＦＥＴセル２は、半導体基板１０上に配置され、第１導電型を有する第２ウェル領域２３と、第２ウェル領域２３上に配置され、第１導電型を有する第２ウェルコンタクト領域１３と、第２ウェル領域２３上のゲート絶縁膜１８上に配置され、第２ウェル領域２３との間で蓄積キャパシタＣSを形成するキャパシタ電極２１とを備えていても良い。
【００９２】
また、ＩＳＦＥＴセル２において、ドレイン領域１６は、キャパシタ電極２１に接続され、ソース領域１４は、ウェルコンタクト領域１３に接続され、ドレイン領域１６とソース領域１４間に並列に蓄積キャパシタＣSを備えていても良い。
【００９３】
また、ＩＳＦＥＴセル２において、パッシベーション膜２２は、第２ウェル領域２３上にも延在して配置され、かつ擬似参照電極５０は、当該パッシベーション膜２２上にも延在して配置されていても良い。
【００９４】
ここで、イオン検出部６は、図２０および図２２（ａ）に示すように、ソース領域１４とドレイン領域１６間のウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９からなる。
【００９５】
ここで、ゲート絶縁膜１８には、例えば、タンタルオキサイド、アルミナ、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。若しくは、シリコン熱酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した構造、シリコン熱酸化膜上にタンタルオキサイドを成膜した構造でも良い。さらに、シリコン熱酸化膜、シリコン窒化膜、タンタルオキサイドの順に積層した構造のゲート絶縁膜（イオン感応膜）はシリコン窒化膜による防水性、タンタルオキサイドの優れた感度、ドリフト特性の面から、尚良い。
【００９６】
イオン感応膜を透過した光を下のＳｉ基板内のｐｎ接合で検知するため、イオン感応膜は、目的の波長領域の光を透過する材料であれば良い。可視光の場合はシリコン窒素化膜、タンタルオキサイドなどが挙げられる。
【００９７】
イオン感応膜１９上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【００９８】
擬似参照電極５０は、図２２（ａ）および図２２（ｂ）に示すように、イオン検出部６以外のパッシベーション膜２２上に延在し、液体試料２６中の電位を制御すると共に、遮光膜としても利用される。
【００９９】
擬似参照電極５０は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）やＰｔ（白金）などで形成可能である。擬似参照電極５０には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）は、スクリーン印刷などによって、直接形成可能である。また、Ａｇを形成して、ＫＣｌなどの溶液中で電気分解することによるめっき技術によっても形成可能である。
【０１００】
尚、図２０および図２２（ａ）に示される構造は、ＣＭＯＳ形成技術を適用して形成可能である。ＬＯＣＯＳ絶縁膜１７の下部には、チャネルストッパ拡散層が形成されるが、図示を省略している。
【０１０１】
第３の実施の形態に係るイメージセンサによれば、各画素のイオン検出トランジスタに対して、蓄積キャパシタを並列接続し、画素選択時に蓄積キャパシタＣSが充電され、画素選択されていない時に蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、アレイ動作を安定化することができる。すなわち、画素選択されていない時も蓄積キャパシタＣSから電力供給されるため、駆動状態を保持可能であり、安定性が向上する。
【０１０２】
第３の実施の形態に係るイメージセンサによれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【０１０３】
第３の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極が遮光膜の役割をするため、遮光膜を新たに形成する必要がない。
【０１０４】
第３の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極とチップが一体型となるため、測定溶液が少量の場合でも測定が可能となる。
【０１０５】
第１の実施の形態に係るイメージセンサによれば、常時駆動によって安定化可能な擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【０１０６】
[第４の実施の形態]
（イメージセンサ）
第４の実施の形態に係るイメージセンサ４の模式的回路ブロック構成は、図２３に示すように表される。また、図２３において、ＩＳＦＥＴセルＣmnにおける動作モードの説明は、図２４に示すように表される。図２３および図２４から明らかなように、垂直選択トランジスタＱVmと、水平選択トランジスタＱHnによって選択されるＩＳＦＥＴセルＣmnのイオン検出トランジスタＱmnは、垂直選択トランジスタＱVmと、水平選択トランジスタＱHnの両方が同時にＯＮ状態にあるとき、ＯＮ状態となる。垂直選択トランジスタＱVmと、水平選択トランジスタＱHnの両方が同時にＯＦＦ状態、若しくはいずれか一方がＯＦＦ状態にあるとき、ＯＦＦ状態となる。
【０１０７】
第４の実施の形態に係るイメージセンサ４は、図２３に示すように、行方向に延伸する複数のワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍと、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに直交し、列方向に延伸する複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎと、複数のワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍに対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路３０と、複数のビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎに対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnと、複数の水平トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのそれぞれゲートが接続された水平走査回路３２と、ワード線ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍとビット線ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎの交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルＣmnとを備える。
【０１０８】
ここで、ＩＳＦＥＴセルＣ11、Ｃ12、…、Ｃ1n、Ｃ21、Ｃ22、…、Ｃ2n、…、Ｃm1、Ｃm2、…、Ｃmnは、それぞれイオン検出トランジスタＱ11、Ｑ12、…、Ｑ1n、Ｑ21、Ｑ22、…、Ｑ2n、…、Ｑm1、Ｑm2、…、Ｑmnと蓄積キャパシタＣSとの並列回路からなる。
【０１０９】
（ＩＳＦＥＴセル）
第４の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２の模式的回路構成は図２５（ａ）に示すように表され、図２５（ａ）の簡易な回路表示は、図２５（ｂ）に示すように表される。
【０１１０】
第４の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２は、図２５に示すように、イオン検出トランジスタＱmnと蓄積キャパシタＣSとの並列回路からなる。
【０１１１】
イオン検出トランジスタＱmnのドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されたオン状態における動作は、図２６（ａ）に示すように表され、イオン検出トランジスタＱmnが導通状態にあり、かつ蓄積キャパシタＣSが電源電圧で充電された状態にある。イオン検出トランジスタＱmnのドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されていないオフ状態における動作は、図２６（ｂ）に示すように表される。この場合においても、イオン検出トランジスタＱmnは、蓄積キャパシタＣSの蓄積電荷の放電電流によって、導通状態にあり、かつ蓄積キャパシタＣSは、放電状態にある。
【０１１２】
ＩＳＦＥＴセル２においては、イオン検出トランジスタＱmnに対して、蓄積キャパシタＣSを並列接続することにより、ドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されたオン状態では蓄積キャパシタＣSが充電され、ドレインＤとソースＳ間に電源電圧が印加されないオフ状態では蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、安定性が向上する。
【０１１３】
第４の実施の形態に係るＩＳＦＥＴをアレイ状に配列したイメージセンサ４は、図２３に示すように、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのドレインを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのソースを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧ＶDDとを備える。
【０１１４】
第２の実施の形態に係るＩＳＦＥＴをアレイ状に配列したイメージセンサ４は、複数の水平選択トランジスタＱH1，ＱH2，…，ＱHnのドレインを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧ＶDDと、複数の垂直選択トランジスタＱV1，ＱV2，…，ＱVmのソースを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴＱLNとを備えていても良い。
【０１１５】
第４の実施の形態に係るＩＳＦＥＴをアレイ状に配列したイメージセンサ４においては、各画素のイオン検出トランジスタＱ11、Ｑ12、…、Ｑ1n、Ｑ21、Ｑ22、…、Ｑ2n、…、Ｑm1、Ｑm2、…、Ｑmnに対して、蓄積キャパシタＣSを並列接続し、これにより、画素選択時に蓄積キャパシタＣSが充電され、画素選択されていない時に蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、イメージセンサ４のアレイ動作を安定化することができる。すなわち、画素選択されていない時も蓄積キャパシタＣSから電力供給されるため、駆動状態を保持可能であり、安定性が向上する。
【０１１６】
また、第４の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造は、図２７に示すように表される。
【０１１７】
第４の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用されるＩＳＦＥＴセル２は、図２７に示すように、第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域１２と、第１ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域１４およびドレイン領域１６と、第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９と、ソース領域１４とドレイン領域１６間に接続される蓄積キャパシタＣSと、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、ソース領域１４およびドレイン領域１６上に配置されたパッシベーション膜２２と、パッシベーション膜２２上に、液体試料２６に接触して配置された擬似参照電極５０とを備える。
【０１１８】
また、ＩＳＦＥＴセル２は、半導体基板１０上に配置され、第１導電型を有する第２ウェル領域２３と、第２ウェル領域２３上に配置され、第１導電型を有する第２ウェルコンタクト領域１３と、第２ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜１８上に配置され、第２ウェル領域２３との間で蓄積キャパシタＣSを形成するキャパシタ電極２１とを備えていても良い。
【０１１９】
また、ＩＳＦＥＴセル２において、ドレイン領域１６は、キャパシタ電極２１に接続され、ソース領域１４は、ウェルコンタクト領域１３に接続され、ドレイン領域１６とソース領域１４間に並列に蓄積キャパシタＣSを備えていても良い。
【０１２０】
また、パッシベーション膜２２は、第２ウェル領域２３上にも延在して配置され、かつ擬似参照電極５０は、当該パッシベーション膜２２上にも延在して配置されていても良い。
【０１２１】
ここで、イオン検出部６は、図２７に示すように、ソース領域１４とドレイン領域１６間のウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたイオン感応膜１９からなる。
【０１２２】
ここで、ゲート絶縁膜１８には、例えば、タンタルオキサイド、アルミナ、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。若しくは、シリコン熱酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した構造、シリコン熱酸化膜上にタンタルオキサイドを成膜した構造でも良い。さらに、シリコン熱酸化膜、シリコン窒化膜、タンタルオキサイドの順に積層した構造のゲート絶縁膜（イオン感応膜）はシリコン窒化膜による防水性、タンタルオキサイドの優れた感度、ドリフト特性の面から、尚良い。
【０１２３】
イオン感応膜を透過した光を下のＳｉ基板内のｐｎ接合で検知するため、イオン感応膜は、目的の波長領域の光を透過する材料であれば良い。可視光の場合はシリコン窒素化膜、タンタルオキサイドなどが挙げられる。
【０１２４】
イオン感応膜１９上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【０１２５】
図２７において、擬似参照電極５０は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）やＰｔ（白金）などで形成可能である。擬似参照電極５０には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）は、スクリーン印刷などによって、直接形成可能である。また、Ａｇを形成して、ＫＣｌなどの溶液中で電気分解することによるめっき技術によっても形成可能である。
【０１２６】
図２７において、擬似参照電極５０は、イオン検出部６以外のパッシベーション膜２２上に延在し、液体試料２６中の電位を制御すると共に、遮光膜としても利用される。
【０１２７】
尚、図２７に示される構造は、ＣＭＯＳ形成技術を適用して形成可能である。図２７において、ＬＯＣＯＳ絶縁膜１７の下部には、チャネルストッパ拡散層が形成されるが、図示を省略している。
【０１２８】
第４の実施の形態に係るイメージセンサによれば、各画素のイオン検出トランジスタに対して、蓄積キャパシタを並列接続し、画素選択時に蓄積キャパシタＣSが充電され、画素選択されていない時に蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、アレイ動作を安定化することができる。すなわち、画素選択されていない時も蓄積キャパシタＣSから電力供給されるため、駆動状態を保持可能であり、安定性が向上する。
【０１２９】
第４の実施の形態に係るイメージセンサによれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【０１３０】
第４の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極が遮光膜の役割をするため、遮光膜を新たに形成する必要がない。
【０１３１】
第４の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極とチップが一体型となるため、測定溶液が少量の場合でも測定が可能となる。
【０１３２】
[第５の実施の形態]
第５の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用可能なＩＳＦＥＴセル２の模式的断面構造は、図２８（ａ）に示すように表され、図２８（ａ）のセンサエリアの模式的平面パターン構成は、図２８（ｂ）に示すように表される。第５の実施の形態に係るイメージセンサ４の模式的回路ブロック構成は、図２３と同様であるため、重複説明は省略する。
【０１３３】
第５の実施の形態に係るイメージセンサ４に適用可能なＩＳＦＥＴセル２は、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、第１導電型を有する半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域１２と、第１ウェル領域１２上に配置され、第１導電型を有するソース領域１４およびドレイン領域１６と、第１ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ソース領域１４とドレイン領域１６間のゲート絶縁膜１８上に配置されたゲートプラグ電極４０と、ドレイン領域１６上に配置されたドレインプラグ電極４４と、ソース領域１４とドレインプラグ電極４４間に接続され、積層電極４６・４８からなる蓄積キャパシタＣSと、ゲートプラグ電極４０上に配置された透明電極膜４２と、透明電極膜４２上に配置されたイオン感応膜１９と、イオン感応膜１９に接触する液体試料２６と、イオン感応膜１９上に、液体試料２６に接触して配置された擬似参照電極５０とを備える。なお、第１ウェル領域１２には、第１ウェルコンタクト領域４５が形成され、半導体基板１０には、基板コンタクト領域４３が形成されている。
【０１３４】
また、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、第１ウェル領域１２および半導体基板１０上のゲート絶縁膜１８上に配置されたパッシベーション膜２２を備える。パッシベーション膜２２上には、透明電極膜４２およびイオン感応膜１９が延在している。
【０１３５】
ここで、イオン検出部６は、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、ソース領域１４とドレイン領域１６間のウェル領域１２と、ウェル領域１２上に配置されたゲート絶縁膜１８と、ゲート絶縁膜１８上に配置されたゲートプラグ電極４０と、ゲートプラグ電極４０上に配置された透明電極膜４２と、透明電極膜４２上に配置されたイオン感応膜１９からなる。ゲートプラグ電極４０と透明電極膜４２は、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＴＯ、ＳｎＯ2などで形成可能である。
【０１３６】
ここで、ゲート絶縁膜１８には、例えば、タンタルオキサイド、アルミナ、若しくはシリコン窒化膜を適用することができる。若しくは、シリコン熱酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した構造、シリコン熱酸化膜上にタンタルオキサイドを成膜した構造でも良い。さらに、シリコン熱酸化膜、シリコン窒化膜、タンタルオキサイドの順に積層した構造のゲート絶縁膜（イオン感応膜）はシリコン窒化膜による防水性、タンタルオキサイドの優れた感度、ドリフト特性の面から、尚良い。
【０１３７】
イオン感応膜を透過した光を下のＳｉ基板内のｐｎ接合で検知するため、イオン感応膜は、目的の波長領域の光を透過する材料であれば良い。可視光の場合はシリコン窒素化膜、タンタルオキサイドなどが挙げられる。
【０１３８】
イオン感応膜１９上に付着した、例えば、Ｈ+イオンなどによって、ゲート絶縁膜１８下のウェル領域１２に形成されるチャネル領域の電位が変化する。この結果、ソース領域１４とドレイン領域１６間の電流導通状態が変調され、この電流値を検出することによって、例えば、ｐＨ値などを検出することができる。
【０１３９】
擬似参照電極５０は、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、ＩＳＦＥＴセル領域を取り囲むように配置されている。
【０１４０】
擬似参照電極５０は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）やＰｔ（白金）などで形成可能である。擬似参照電極５０には、一定の参照電圧ＶREFが供給されている。Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）は、スクリーン印刷などによって、直接形成可能である。また、Ａｇを形成して、ＫＣｌなどの溶液中で電気分解することによるめっき技術によっても形成可能である。
【０１４１】
図２８において、擬似参照電極５０は、イオン検出部６以外のパッシベーション膜２２上に延在し、液体試料２６中の電位を制御すると共に、遮光膜としても利用される。
【０１４２】
尚、図２８に示される構造は、ＣＭＯＳ形成技術を適用して形成可能である。図２８において、ＬＯＣＯＳ絶縁膜１７の下部には、チャネルストッパ拡散層が形成されるが、図示を省略している。
【０１４３】
第４の実施の形態に係るイメージセンサによれば、各画素のイオン検出トランジスタに対して、蓄積キャパシタを並列接続し、画素選択時に蓄積キャパシタＣSが充電され、画素選択されていない時に蓄積キャパシタＣSが放電することにより、常に駆動状態を保持することができ、アレイ動作を安定化することができる。すなわち、画素選択されていない時も蓄積キャパシタＣSから電力供給されるため、駆動状態を保持可能であり、安定性が向上する。
【０１４４】
第５の実施の形態に係るイメージセンサによれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供することができる。
【０１４５】
第５の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極が遮光膜の役割をするため、遮光膜を新たに形成する必要がない。
【０１４６】
第５の実施の形態に係るイメージセンサによれば、擬似参照電極とチップが一体型となるため、測定溶液が少量の場合でも測定が可能となる。
【０１４７】
また、第５の実施の形態に係るイメージセンサによれば、蓄積キャパシタＣSを積層構造により形成できるため、集積度を向上することができる。
【０１４８】
また、第５の実施の形態に係るイメージセンサによれば、イオン検出部を素子領域の全面に形成できるため、イオン情報の検出感度を向上することができる。
【０１４９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、駆動部分や処理部分の回路上に、擬似参照電極を形成することにより、遮光電極と参照電極を新たに設置する必要が無くなり、センサ感度を向上した擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサを提供する。
【０１５０】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第５の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０１５１】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
本発明の擬似参照電極一体型光ｐＨイメージセンサは、細胞のｐＨセンサ、ｐＨイオンの分布測定、水質調査、水質管理、環境測定、美容分野、電気化学分野、医療計測分野などに適用可能である。
【符号の説明】
【０１５３】
１…セルアレイ領域
２…ＩＳＦＥＴセル
４…イメージセンサ
６…イオン検出部
１０…半導体基板
１２…ｐウェル層
１３…ｎウェルコンタクト領域
１４、５２…ソース領域
１６、５４…ドレイン領域
１７…ＬＯＣＯＳ絶縁膜
１８…ゲート絶縁膜
１９…イオン感応膜
２０…トランスファゲート電極（ＴＧ）
２１、４６、４８…キャパシタ電極
２２…パッシベーション膜
２３…ｎウェル層
２４…参照電極
２６…液体試料
３０…垂直走査回路
３２…水平走査回路
３４…信号処理回路
４０…ゲートプラグ電極
４２…透明電極膜
４３…基板コンタクト領域
４４…ドレインプラグ電極
４５…ｐウェルコンタクト領域
５０ａ…遮光膜
５０…擬似参照電極
５６…リセット領域
５８…注入制御ゲート電極
６０…リセットゲート電極
１００…試料セル
２００…ｐＨ分布
ＷＬ１，ＷＬ２，…，ＷＬｍ…ワード線（垂直走査線）
ＢＬ１，ＢＬ２，…，ＢＬｎ…ビット線（水平走査線）
ＱV1，ＱV2，…，ＱVm…垂直選択トランジスタ
ＱH1，ＱH2，…，ＱHn…水平選択トランジスタ
ＱLN…ＭＯＳＦＥＴ
Ｑi、Ｑ11、Ｑ12、…、Ｑ1n、Ｑ21、Ｑ22、…、Ｑ2n、…、Ｑm1、Ｑm2、…、Ｑmn…イオン検出トランジスタ
ＱG…トランスファゲートトランジスタ
Ｃ11、Ｃ12、…、Ｃ1n、Ｃ21、Ｃ22、…、Ｃ2n、…、Ｃm1、Ｃm2、…、Ｃmn…ＩＳＦＥＴセル
ＣS…蓄積キャパシタ
ＶREF…参照電圧
ＶD，ＶDD…電源電圧
Ｖout…出力電圧
ＶLN、ＶTG…ゲート電圧
ＶTG…トランスファゲート電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、
前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域と、前記ウェル領域と、前記ドレイン領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記トランスファゲート電極上に配置されたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記擬似参照電極は、銀塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）若しくは白金（Ｐｔ）で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記トランスファゲート電極の電位は、リセット情報、光情報の検出時は、オフ状態のローレベル、ｐＨイオン情報の検出時は、オン状態のハイレベルとし、前記トランスファゲート電極の電位よってオン、オフ制御することを特徴とする請求項１または２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記ドレイン領域に接続された電源電圧と、
前記ソース領域に接続されたＭＯＳＦＥＴと
を備え、全体が前記液体試料の液体界面のポテンシャルによる入力信号に対するソースフォロア回路となり、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子より得られる出力が、前記入力信号に対して、リニアに出力応答することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
行方向に延伸する複数のワード線と、
前記ワード線に直交し、列方向に延伸する複数のビット線と、
前記複数のワード線に対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタと、
前記複数の垂直選択トランジスタのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路と、
前記複数のビット線に対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタと、
前記複数の水平トランジスタのそれぞれゲートが接続された水平走査回路と、
前記ワード線と前記ビット線の交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルと
を備え、
前記ＩＳＦＥＴセルは、
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、
前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域と、前記ウェル領域と、前記ドレイン領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記トランスファゲート電極上に配置されたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上に配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項６】
前記複数の垂直選択トランジスタのソースを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴと、
前記複数の水平選択トランジスタのドレインを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧と、
前記トランスファゲート電極を共通化したトランスファゲートラインに接続されたトランスファゲート電圧と
を備えることを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサ。
【請求項７】
前記イメージセンサが配置された半導体基板上に試料セルを配置し、リセット情報、光情報の検出時は、前記ＩＳＦＥＴセルの前記トランスファゲート電極の電位をオフ状態のローレベルとし、ｐＨイオン情報の検出時は、オン状態のハイレベルとし、前記トランスファゲート電極の電位よってオン、オフ制御することによって、リセット情報、光情報のイメージ情報と、ｐＨイオン分布情報の両方を検出することを特徴とする請求項５または６に記載のイメージセンサ。
【請求項８】
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、
前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域、ドレイン領域およびリセット領域と、
前記ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記ソース領域に隣接して配置された注入制御ゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域と前記リセット領域間に配置されたリセットゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記注入制御ゲート電極と前記トランスファゲート電極間に配置されたイオン感応膜と、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記ソース領域、前記ドレイン領域、前記注入制御ゲート電極、前記トランスファゲート電極、前記リセットゲート電極および前記リセット領域上に配置されたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上に配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項９】
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、
前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、
前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域間に接続される蓄積キャパシタと、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記ソース領域および前記ドレイン領域上に配置されたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項１０】
前記半導体基板上に配置され、第１導電型を有する第２ウェル領域と、
前記第２ウェル領域上に配置され、第１導電型を有する第２ウェルコンタクト領域と、
前記第２ウェル領域上の前記ゲート絶縁膜上に配置され、前記第２ウェル領域との間で前記蓄積キャパシタを形成するキャパシタ電極と
を備えることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
前記ドレイン領域は、前記キャパシタ電極に接続され、前記ソース領域は、前記ウェルコンタクト領域に接続され、前記ドレイン領域と前記ソース領域間に並列に前記蓄積キャパシタを備えることを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサ。
【請求項１２】
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極を備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載のイメージセンサ。
【請求項１３】
前記パッシベーション膜は、前記第２ウェル領域上にも延在して配置され、かつ前記擬似参照電極は、当該パッシベーション膜上にも延在して配置されたことを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項１４】
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、
前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、
前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域間の前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲートプラグ電極と、
前記ドレイン領域上に配置されたドレインプラグ電極と、
前記ソース領域と前記前記ドレインプラグ電極間に接続され、積層電極からなる蓄積キャパシタと、
前記ゲートプラグ電極上に配置された遮光膜と、
前記遮光膜上に配置されたイオン感応膜と、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記イオン感応膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項１５】
行方向に延伸する複数のワード線と、
前記ワード線に直交し、列方向に延伸する複数のビット線と、
前記複数のワード線に対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタと、
前記複数の垂直選択トランジスタのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路と、
前記複数のビット線に対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタと、
前記複数の水平トランジスタのそれぞれゲートが接続された水平走査回路と、
前記ワード線と前記ビット線の交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルと
を備え、
前記ＩＳＦＥＴセルは、
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、
前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、
前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域間に接続される蓄積キャパシタと、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記ソース領域および前記ドレイン領域上に配置されたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項１６】
前記ＩＳＦＥＴセルは、さらに
前記半導体基板上に配置され、第１導電型を有する第２ウェル領域と、
前記第２ウェル領域上に配置され、第１導電型を有する第２ウェルコンタクト領域と、
前記第２ウェル領域上の前記ゲート絶縁膜上に配置され、前記第２ウェル領域との間で前記蓄積キャパシタを形成するキャパシタ電極と
を備えることを特徴とする請求項１５に記載のイメージセンサ。
【請求項１７】
前記ドレイン領域は、前記キャパシタ電極に接続され、前記ソース領域は、前記ウェルコンタクト領域に接続され、前記ドレイン領域と前記ソース領域間に並列に前記蓄積キャパシタを備えることを特徴とする請求項１６に記載のイメージセンサ。
【請求項１８】
前記ＩＳＦＥＴセルは、さらに
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極を備えることを特徴とする請求項１６または１７に記載のイメージセンサ。
【請求項１９】
前記複数の水平選択トランジスタのドレインを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧と、
前記複数の垂直選択トランジスタのソースを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴを備えることを特徴とする請求項１５〜１８いずれか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項２０】
前記複数の水平選択トランジスタのドレインを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴと、
前記複数の垂直選択トランジスタのソースを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧とを備えることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項１】
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、
前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域と、前記ウェル領域と、前記ドレイン領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記トランスファゲート電極上に配置されたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記擬似参照電極は、銀塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）若しくは白金（Ｐｔ）で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記トランスファゲート電極の電位は、リセット情報、光情報の検出時は、オフ状態のローレベル、ｐＨイオン情報の検出時は、オン状態のハイレベルとし、前記トランスファゲート電極の電位よってオン、オフ制御することを特徴とする請求項１または２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記ドレイン領域に接続された電源電圧と、
前記ソース領域に接続されたＭＯＳＦＥＴと
を備え、全体が前記液体試料の液体界面のポテンシャルによる入力信号に対するソースフォロア回路となり、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子より得られる出力が、前記入力信号に対して、リニアに出力応答することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
行方向に延伸する複数のワード線と、
前記ワード線に直交し、列方向に延伸する複数のビット線と、
前記複数のワード線に対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタと、
前記複数の垂直選択トランジスタのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路と、
前記複数のビット線に対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタと、
前記複数の水平トランジスタのそれぞれゲートが接続された水平走査回路と、
前記ワード線と前記ビット線の交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルと
を備え、
前記ＩＳＦＥＴセルは、
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、
前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域と、前記ウェル領域と、前記ドレイン領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記ソース領域、前記ドレイン領域および前記トランスファゲート電極上に配置されたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上に配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項６】
前記複数の垂直選択トランジスタのソースを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴと、
前記複数の水平選択トランジスタのドレインを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧と、
前記トランスファゲート電極を共通化したトランスファゲートラインに接続されたトランスファゲート電圧と
を備えることを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサ。
【請求項７】
前記イメージセンサが配置された半導体基板上に試料セルを配置し、リセット情報、光情報の検出時は、前記ＩＳＦＥＴセルの前記トランスファゲート電極の電位をオフ状態のローレベルとし、ｐＨイオン情報の検出時は、オン状態のハイレベルとし、前記トランスファゲート電極の電位よってオン、オフ制御することによって、リセット情報、光情報のイメージ情報と、ｐＨイオン分布情報の両方を検出することを特徴とする請求項５または６に記載のイメージセンサ。
【請求項８】
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有するウェル領域と、
前記ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域、ドレイン領域およびリセット領域と、
前記ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記ソース領域に隣接して配置された注入制御ゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域と前記リセット領域間に配置されたリセットゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記注入制御ゲート電極と前記トランスファゲート電極間に配置されたイオン感応膜と、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記ソース領域、前記ドレイン領域、前記注入制御ゲート電極、前記トランスファゲート電極、前記リセットゲート電極および前記リセット領域上に配置されたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上に配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項９】
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、
前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、
前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域間に接続される蓄積キャパシタと、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記ソース領域および前記ドレイン領域上に配置されたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項１０】
前記半導体基板上に配置され、第１導電型を有する第２ウェル領域と、
前記第２ウェル領域上に配置され、第１導電型を有する第２ウェルコンタクト領域と、
前記第２ウェル領域上の前記ゲート絶縁膜上に配置され、前記第２ウェル領域との間で前記蓄積キャパシタを形成するキャパシタ電極と
を備えることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
前記ドレイン領域は、前記キャパシタ電極に接続され、前記ソース領域は、前記ウェルコンタクト領域に接続され、前記ドレイン領域と前記ソース領域間に並列に前記蓄積キャパシタを備えることを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサ。
【請求項１２】
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極を備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載のイメージセンサ。
【請求項１３】
前記パッシベーション膜は、前記第２ウェル領域上にも延在して配置され、かつ前記擬似参照電極は、当該パッシベーション膜上にも延在して配置されたことを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項１４】
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、
前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、
前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域間の前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲートプラグ電極と、
前記ドレイン領域上に配置されたドレインプラグ電極と、
前記ソース領域と前記前記ドレインプラグ電極間に接続され、積層電極からなる蓄積キャパシタと、
前記ゲートプラグ電極上に配置された遮光膜と、
前記遮光膜上に配置されたイオン感応膜と、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記イオン感応膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項１５】
行方向に延伸する複数のワード線と、
前記ワード線に直交し、列方向に延伸する複数のビット線と、
前記複数のワード線に対してそれぞれドレインが接続された複数の垂直選択トランジスタと、
前記複数の垂直選択トランジスタのそれぞれゲートが接続された垂直走査回路と、
前記複数のビット線に対して、それぞれソースが接続された水平選択トランジスタと、
前記複数の水平トランジスタのそれぞれゲートが接続された水平走査回路と、
前記ワード線と前記ビット線の交差部に配置されたＩＳＦＥＴセルと
を備え、
前記ＩＳＦＥＴセルは、
第１導電型を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１導電型と反対導電型の第２導電型を有する第１ウェル領域と、
前記第１ウェル領域上に配置され、第１導電型を有するソース領域およびドレイン領域と、
前記第１ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたイオン感応膜と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域間に接続される蓄積キャパシタと、
前記イオン感応膜に接触する液体試料と、
前記ソース領域および前記ドレイン領域上に配置されたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上に、前記液体試料に接触して配置された擬似参照電極と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項１６】
前記ＩＳＦＥＴセルは、さらに
前記半導体基板上に配置され、第１導電型を有する第２ウェル領域と、
前記第２ウェル領域上に配置され、第１導電型を有する第２ウェルコンタクト領域と、
前記第２ウェル領域上の前記ゲート絶縁膜上に配置され、前記第２ウェル領域との間で前記蓄積キャパシタを形成するキャパシタ電極と
を備えることを特徴とする請求項１５に記載のイメージセンサ。
【請求項１７】
前記ドレイン領域は、前記キャパシタ電極に接続され、前記ソース領域は、前記ウェルコンタクト領域に接続され、前記ドレイン領域と前記ソース領域間に並列に前記蓄積キャパシタを備えることを特徴とする請求項１６に記載のイメージセンサ。
【請求項１８】
前記ＩＳＦＥＴセルは、さらに
前記ゲート絶縁膜上に、前記ドレイン領域に隣接して配置されたトランスファゲート電極を備えることを特徴とする請求項１６または１７に記載のイメージセンサ。
【請求項１９】
前記複数の水平選択トランジスタのドレインを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧と、
前記複数の垂直選択トランジスタのソースを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴを備えることを特徴とする請求項１５〜１８いずれか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項２０】
前記複数の水平選択トランジスタのドレインを共通接続して得られた出力端子と接地電位間に接続されたＭＯＳＦＥＴと、
前記複数の垂直選択トランジスタのソースを共通接続して得られた電源ラインに接続された電源電圧とを備えることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２０１２−２０７９９１（Ｐ２０１２−２０７９９１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７３１５１（Ｐ２０１１−７３１５１）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
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