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WO2018101075A1 - 半導体装置、および電位測定装置 - Google Patents

半導体装置、および電位測定装置 Download PDF

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WO2018101075A1
WO2018101075A1 PCT/JP2017/041416 JP2017041416W WO2018101075A1 WO 2018101075 A1 WO2018101075 A1 WO 2018101075A1 JP 2017041416 W JP2017041416 W JP 2017041416W WO 2018101075 A1 WO2018101075 A1 WO 2018101075A1
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WO
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reference potential
electrode
amplifier
semiconductor device
diode
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PCT/JP2017/041416
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佐藤　正啓
真知子 亀谷
純 小木
祐理 加藤
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Sony Semiconductor Solutions Corp
Original Assignee
Sony Semiconductor Solutions Corp
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Priority to EP17875539.3A priority patent/EP3550297A4/en
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    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/4833—Physical analysis of biological material of solid biological material, e.g. tissue samples, cell cultures
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    • G—PHYSICS
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    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
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    • H03F1/52—Circuit arrangements for protecting such amplifiers
    • H—ELECTRICITY
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    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D89/00—Aspects of integrated devices not covered by groups H10D84/00 - H10D88/00
    • H10D89/60—Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD]
    • H10D89/601—Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD] for devices having insulated gate electrodes, e.g. for IGFETs or IGBTs
    • H10D89/611—Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD] for devices having insulated gate electrodes, e.g. for IGFETs or IGBTs using diodes as protective elements

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor device and a potential measuring device, and more particularly, to a semiconductor device and a potential measuring device that can suppress electrostatic breakdown during manufacturing.
  • Patent Literature 1 and 2
  • the measurement potential measured by the electrode is output to an amplifier (amplifier) provided outside the apparatus, and is amplified and output.
  • amplifier amplifier
  • the present disclosure has been made in view of such a situation, and in particular, suppresses electrostatic breakdown during manufacture due to downsizing of an amplifier related to a measured potential in a potential measuring device.
  • a semiconductor device includes a reference potential generation unit and a reference potential electrode that supply a reference potential to a liquid, a read electrode and an amplifier that read a signal from the liquid, and the amplifier that is negatively charged before the amplifier.
  • the reference potential generation unit, the reference potential electrode, the read electrode, the amplifier, and the protection unit are semiconductor devices built in the same substrate.
  • the protection unit receives negative charges generated for the amplifier via wiring connected to the readout electrode and the reference potential electrode. By bypassing, the amplifier can be protected.
  • the amplifier may be an amplification transistor
  • the readout electrode may be connected to a gate of the amplification transistor
  • the protection unit connects the readout electrode and the amplification transistor
  • a protective diode can be provided in which a cathode is connected in front of the gate and an anode is grounded.
  • the cathode of the protection diode is further connected to an anode, and the cathode is connected to a predetermined power source, and further includes an additional protection unit made of an additional diode having the same IV (current voltage) characteristics as the protection diode. be able to.
  • the voltage of the predetermined power source can be higher than the reference potential.
  • the predetermined power source may be a power source of the amplification transistor.
  • the reference potential generating part in the electrode formation process for forming the readout electrode and the reference potential electrode, is connected to the reference potential generating part via a wiring connected to the reference potential electrode and the reference potential generating part.
  • the reference potential generating section can be protected by bypassing the negative charge generated.
  • the other protection unit is another protection diode on the wiring connecting the reference potential electrode and the reference potential generation unit, having a cathode connected in front of the reference potential generation unit and grounding an anode. be able to.
  • another additional protection unit composed of another additional diode having the same IV (current voltage) characteristic as that of the other protection diode, wherein the anode is connected to the cathode of the diode and the cathode is connected to a predetermined power source. Can be included.
  • the voltage of the predetermined power source can be higher than the reference potential.
  • the predetermined power source may be a power source for the amplification transistor.
  • a potential measurement device includes a reference potential generation unit and a reference potential electrode that supply a reference potential to a liquid, a read electrode and an amplifier that read a signal from the liquid, and the amplifier that is negative in the front stage of the amplifier.
  • the reference potential generating unit, the reference potential electrode, the readout electrode, the amplifier, and the protection unit are potential measuring devices built in the same substrate.
  • the reference potential is supplied to the liquid by the reference potential generation unit and the reference potential electrode, the signal is read from the liquid by the readout electrode and the amplifier, and the signal is read from the liquid by the protection unit in the previous stage of the amplifier.
  • the amplifier is protected from negative charges, and the reference potential generation unit, the reference potential electrode, the readout electrode, the amplifier, and the protection unit are built in the same substrate.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the potential measuring device 1
  • the middle part of FIG. 1 is a wiring diagram corresponding to the top view of the petri dish 11 and the electrode substrate 12
  • FIG. 3 is a wiring diagram of a side cross section of the measurement unit 1.
  • the potential measuring device 1 includes a petri dish 11, an electrode substrate 12, and an ADC (Analog Digital Converter) 13.
  • the petri dish 11 is made of a mold resin, filled with a liquid 51 such as physiological saline, and charged with cells to be a specimen.
  • electrodes 31-1 to 31-4 are provided on the bottom of the petri dish 11, and the measured potential is supplied to the amplifier 41- via terminals 32-1 to 32-4, respectively. 1 to 41-4.
  • the amplifiers 42-1 to 42-4 amplify the measurement potential supplied from the electrodes 31-1 to 31-4 and output the amplified potential to the ADC 13.
  • the ADC 13 converts the measured potential of the amplified analog signal supplied from the amplifiers 42-1 to 42-4 into a digital signal and outputs the digital signal to a subsequent apparatus.
  • a change in the action potential of a cell as a specimen in the liquid 51 is detected by the electrodes 31-1 to 31-4, and is passed through the terminals 32-1 to 32-4 and the amplifiers 41-1 to 41-4. Are output to the ADC 13 and output as digital signals.
  • the electrodes 31-1 to 31-4, the terminals 32-1 to 32-4, and the amplifiers 41-1 to 41-4 are simply the electrodes 31, the terminals 32, and the amplifier 41 unless it is necessary to distinguish them.
  • the other configurations are also called similarly.
  • the electrodes 31-1, 31-2 are each composed of, for example, plating parts 61-1, 61-2 and terminals 62-1 and 62-2, respectively.
  • the terminals 62-1 and 62-2 are plated and plated portions 61-1 and 61-2 are added, and the plating portion 61-1 and 61-2 are in contact with the liquid 51. It has become.
  • the measurement potential of the electrode 31-2 is read from the terminal 32-2, and the average potential is set as a reference potential (reference potential) Vref.
  • the local potential change in the vicinity of the electrode 31-1 is measured by comparing with the measured potential supplied from the electrode 32-1 via 32-1.
  • the amplifier is an amplification transistor. Then, since it is necessary to reduce the capacity of the amplification transistor itself, electrostatic breakdown is likely to occur during manufacture.
  • the potential measuring device of the present disclosure is designed to suppress electrostatic breakdown of the amplifier during manufacture.
  • FIG. 2 shows the configuration of the substrate 110 of the potential measuring apparatus 101, and shows the configuration corresponding to the top view of the electrode substrate 12 in the middle portion of FIG.
  • the electrodes 111-1 to 111-4 and 111-11 are provided in a petri dish 11 made of mold resin, and among these, the electrodes 111-1 to 111-4 correspond to the electrodes 31-1 to 31-4. To do.
  • the electrodes 111-1 to 111-4 are in contact with the liquid 131 (FIG. 3) in the petri dish 11 made of mold resin, and measure the action potential of the specimen in the liquid 131 and transmit it to the amplifiers 112-1 to 112-4. To do.
  • the electrode 111-11 supplies the reference potential generated by the reference potential generation unit 119 to the liquid 131.
  • the amplifiers 112-1 to 112-4 are provided directly below the same substrate as the electrodes 111-1 to 111-4, amplifying the voltages detected by the electrodes 111-1 to 111-4, respectively, Output to 113-1 to 113-4.
  • the switches 113-1 and 113-2 are controlled to be turned on or off by the transfer control unit 115. When turned on, the outputs from the amplifiers 112-1 and 112-2 are sent via the vertical transfer line 114-1. Output to the output unit 116.
  • the switches 113-3 and 113-4 are controlled to be turned on or off by the transfer control unit 115. When turned on, the outputs from the amplifiers 112-3 and 112-4 are sent via the vertical transfer line 114-2. Output to the output unit 116.
  • the output unit 116 converts the amplified signals supplied from the amplifiers 112-1 to 112-4 via the vertical transfer lines 114-1 and 114-2 into digital signals, and converts the terminals 117-1 to 117-4. Output more.
  • Terminals 118-1 and 118-2 receive electric power supplied from the outside.
  • the reference potential generator 119 generates a reference potential and supplies it to the liquid 131 from the electrode 111-11.
  • the electrodes 111-11 are in contact with the liquid 131 (FIG. 3) in the petri dish 11 made of mold resin, and supply a reference potential to the liquid 131, respectively.
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view of the potential measuring device 101.
  • the electrodes 111-1 and 111-11 are composed of plating portions 151-1 and 151-11 made of platinum or the like, and metal portions 152-1 and 152-11, respectively.
  • the electrode 111 is generally composed only of the metal part 152, but since it is a part that contacts the liquid 131, a plating part 151 is provided to prevent corrosion and the like.
  • the electrode 111-1 is an electrode for reading a signal, and is connected to the gate of the amplifier 112 including an amplification transistor, and transmits the potential of the liquid 131.
  • the amplifier 112 is composed of an amplifying transistor.
  • a power source VDD is connected to the source and drain of the amplifying transistor, and a voltage corresponding to the potential V supplied from the electrode 111-1 to the gate is supplied to the output unit 116. Output.
  • the output unit 116 performs analog-to-digital conversion on the output voltage made up of the analog signal from the amplifier 112 and outputs it from the terminal 117 as a digital signal.
  • the electrode 111-11 is an electrode that applies the reference potential output from the reference potential generating unit 119 to the liquid 131.
  • the diode 171 is in the vicinity of the reference potential generator 119, and has a cathode connected to the electrodes 111-11 and the reference potential generator 119, and an anode connected to the ground.
  • the diode 171 prevents the negative charge during the electrode formation process for forming the electrodes 111-1 and 111-11 from flowing into the reference potential generator 119, so that the reference potential generator 119 can be To be suppressed.
  • the diode 172 is near the amplifier 112, and has a cathode connected to the electrode 111-1 and the gate of the amplification transistor, and an anode connected to the ground.
  • the diode 172 prevents the negative charges during the electrode formation process of the electrodes 111-1 and 111-11 from being discharged to the ground so as not to flow into the gate of the amplification transistor constituting the amplifier 112. Thus, electrostatic breakdown of the amplification transistor constituting the amplifier 112 is suppressed during manufacture.
  • the diodes 171 and 172 are provided in front of the gates of the amplification transistors constituting the reference potential generator 119 and the amplifier 112, respectively, so that the negative charges during the electrode formation process can be reduced from the electrodes 111-1 and 111-11.
  • the example has been described in which the reference potential generator 119 and the amplifier 112 constituting the amplifier 112 are prevented from flowing into the gates of the amplifier transistors, and the electrostatic breakdown of the amplifier transistors constituting the reference potential generator 119 and the amplifier 112 is suppressed.
  • the reference potential generator 119 since the reference potential generator 119 has a small impedance, if the reference potential generator 119 generates a reference potential in order to read out a signal, In the diode 171 which is a circuit, a leak current Ib indicated by a one-dot chain line is generated and flows into the reference potential generation unit 119, and a potential difference from the reference potential is generated by the external resistance r due to the liquid 131. There is a possibility that the input potential to the gate of the first electrode is deviated from the reference potential. As a result, when the leakage current Ib and the external resistance r vary, the input potential to the gate of the amplifier 112 also varies.
  • the cathodes of the diodes 191-1 and 191-2 having the same IV conversion characteristics (current-voltage conversion characteristics) as the diodes 171 and 172 are connected to the reference potential via the terminal 118. Also connect to a higher power source. Then, the anode of the diode 191-1 is connected to the electrode 111-1, the gate of the amplification transistor constituting the amplifier 112, and the cathode of the diode 172. Further, the anode of the diode 191-2 is connected to the electrode 111-11, the reference potential generator 119, and the cathode of the diode 171.
  • diodes 191-1 and 172 having the same characteristics are connected in series, and similarly, diodes 191-2 and 171 having the same characteristics are connected in series.
  • the electrodes 111-1 and 111-11 are substantially equipotential, and the leakage current indicated by the dotted line due to the internal resistance r. Therefore, the input voltage to the gate of the amplification transistor constituting the amplifier 112 can be stabilized.
  • diodes 171 and 172 and the diodes 191-1 and 191-2 are configured to be generated in the same semiconductor process, thereby suppressing an increase in the number of manufacturing steps.
  • the cathodes of the diodes 191-1 and 191-2 are connected to the power supply VDD of the amplifier 112 higher than the reference potential in place of the terminal 118.
  • diodes 191-1 and 172 having the same characteristics are connected in series, and diodes 191-2 and 171 having the same characteristics are also connected in series.
  • the electrodes 111-1 and 111-2 are substantially equipotential, and the leak current indicated by the dotted line does not flow due to the internal resistance r.
  • the input voltage to the gate of the amplification transistor constituting the amplifier 112 can be stabilized.
  • the electrodes 111-1 to 111-4, 111-11, the amplifiers 112-1 to 112-4, and the reference potential generator 119 are formed on the same substrate.
  • the configuration other than the configuration of the electrodes 111-1 to 111-4 having two rows and two columns shown in FIG. For example, an electrode configuration of n rows ⁇ m columns may be used. Further, the number of the electrodes 111-11 for supplying the reference potential may be one or more.
  • an electrode group 111-31 composed of black electrodes of 3 rows ⁇ 3 columns arranged in an array and an amplifier group 112-31 connected to each of them are configured. These may be connected to the multiplexer (Mux) 271 and the multiplexer 271 may output the output signal in a time-sharing manner.
  • an electrode group 111-41 composed of 3 rows ⁇ 3 rows of electrodes arranged in an array is controlled by the transfer control unit 115 in units of 3 rows, and 3 columns.
  • the transfer control unit 115 In units of 3 rows, and 3 columns.
  • each of the three gray electrodes in the upper stage and the lower stage in the figure is controlled to be turned on or off by a switch, but for the three black electrodes in the middle stage, There is no switch and it is in a state of always outputting.
  • the black lower left electrode, upper left electrode, and upper right electrode A total of three electrodes may be connected to each of the amplifier groups 112-51 including three amplifiers.
  • the electrodes constituting the electrode group 111-51 are each provided with a local memory indicated as “m” in the figure.
  • this indication can also take the following structures.
  • a reference potential generator and a reference potential electrode for supplying a reference potential to the liquid;
  • the reference potential generation unit, the reference potential electrode, the readout electrode, the amplifier, and the protection unit are built in the same substrate.
  • the protection unit generates a negative voltage generated with respect to the amplifier via a wiring connected to the read electrode and the reference potential electrode during an electrode formation process for forming the read electrode and the reference potential electrode.
  • the amplifier is an amplification transistor, The readout electrode is connected to the gate of the amplification transistor;
  • An additional protection unit including an additional diode having the same IV (current voltage) characteristic as that of the protection diode, wherein the anode is connected to the cathode of the protection diode and the cathode is connected to a predetermined power source.
  • ⁇ 5> The semiconductor device according to ⁇ 4>, wherein the voltage of the predetermined power supply is higher than the reference potential.
  • ⁇ 6> The semiconductor device according to ⁇ 5>, wherein the predetermined power source is a power source of the amplification transistor.
  • ⁇ 7> The semiconductor device according to any one of ⁇ 3> to ⁇ 6>, further including another protection unit that protects the amplifier from a negative charge before the reference potential generation unit.
  • the other protection unit generates the reference potential via a wiring connected to the reference potential electrode and the reference potential generation unit in an electrode formation process for forming the readout electrode and the reference potential electrode.
  • the other protection unit is on the wiring connecting the reference potential electrode and the reference potential generation unit, and the other protection unit connects the cathode in front of the reference potential generation unit and grounds the anode.
  • the semiconductor device according to ⁇ 8> wherein the semiconductor device is a diode.
  • Other additional protection composed of other additional diodes having the same IV (current voltage) characteristics as the other protection diodes, in which the anode is connected to the cathode of the diode and the cathode is connected to a predetermined power source.
  • ⁇ 11> The semiconductor device according to ⁇ 10>, wherein the voltage of the predetermined power supply is higher than the reference potential.
  • ⁇ 12> The semiconductor device according to ⁇ 11>, wherein the predetermined power source is a power source of the amplification transistor.
  • a reference potential generator and a reference potential electrode for supplying a reference potential to the liquid;
  • a readout electrode and an amplifier for reading a signal from the liquid;
  • In the front stage of the amplifier including a protection unit that protects the amplifier from negative charges,
  • the reference potential generation unit, the reference potential electrode, the readout electrode, the amplifier, and the protection unit are built in the same substrate.
  • 101 potential measuring device 111, 111-1 to 111-5, 111-11 electrode, 112, 112-1 to 112-4 amplifier, 113-1 to 113-4 switch, 114, 114-1 to 114-3 vertical Transfer line, 115 transfer control unit, 116 output unit, 117, 117-1 to 117-4 terminals, 118 terminal, 119 reference potential generation unit, 131 liquid, 151, 151-1, 151-11 plating unit, 152, 152 -1,152-11 Metal part, 171, 171-1, 171-2 diode, 191, 191-1, 191-2 diode, 231, 231-1, 231-2 diode, 251, 251-1, 251- 2 Diode

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Abstract

本開示は、電極と増幅部とを同一基板に設けるとき、電極形成プロセスでの静電破壊を抑制することができるようにする半導体装置、および電位測定装置に関する。 検体を投入する液体に接する電位を読み出す読出電極により読み出された信号を増幅する増幅トランジスタの前段にカソードを接続し、アノードを接地するダイオードを設けるようにする。このような構成により、電極形成プロセスにおいて電極と増幅トランジスタとの間に発生する負電荷をダイオードからバイパスさせて接地方向に排出することで、静電破壊を抑制する。生体電位測定装置に適用することができる。

Description

半導体装置、および電位測定装置
　本開示は、半導体装置、および電位測定装置に関し、特に、製造中の静電破壊を抑制できるようにした半導体装置、および電位測定装置に関する。
　近年、神経細胞の活動電位を測定し、神経活動の医学的研究に寄与する技術が求められており、例えば、神経細胞の活動電位を測定して記録する電極装置が提案されている（特許文献１，２参照）。
特開平０６－０７８８８９号公報 特開２００２－０３１６１７号公報
　上述した特許文献１，２に記載の技術においては、電極により測定された測定電位は、装置外部に設けられた増幅器（アンプリファイア）に出力され、増幅されて出力されている。
　これに対して、近年の装置の小型化の要求により、増幅器（増幅トランジスタ）を小型化して電極と同一基板内に設ける構成とすることで小型化することが検討されている。
　しかしながら、増幅器を小型化すると入力容量も小さくなるので、製造中の静電破壊が懸念される。
　本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、特に、電位測定装置における測定電位に係る増幅器の小型化に起因する製造中の静電破壊を抑制するものである。
　本開示の一側面の半導体装置は、液体に基準電位を供給する基準電位発生部および基準電位電極と、前記液体から信号を読み出す読出電極および増幅器と、前記増幅器の前段において、前記増幅器を負電荷より保護する保護部を含み、前記基準電位発生部および前記基準電位電極、前記読出電極および前記増幅器、並びに、前記保護部は、同一基板に内蔵される半導体装置である。
　前記保護部には、前記読出電極および前記基準電位電極を形成する電極形成プロセス時において、前記読出電極および前記基準電位電極に接続される配線を介して、前記増幅器に対して発生する負電荷をバイパスすることにより、前記増幅器を保護させるようにすることができる。
　前記増幅器には、増幅トランジスタとすることができ、前記読出電極は、前記増幅トランジスタのゲートに接続されるようにすることができ、前記保護部は、前記読出電極と前記増幅トランジスタとを接続する配線上であって、前記ゲートの前段にカソードを接続し、アノードを接地する保護ダイオードとすることができる。
　前記保護ダイオードのカソードに、アノードを接続し、カソードを所定の電源に接続する、前記保護ダイオードと同一のＩＶ（電流電圧）特性が同一の追加ダイオードからなる追加保護部をさらに含ませるようにすることができる。
　前記所定の電源の電圧は、前記基準電位よりも高電圧とすることができる。
　前記所定の電源は、前記増幅トランジスタの電源であるとすることができる。
　前記基準電位発生部の前段において、前記増幅器を負電荷より保護するその他の保護部をさらに含ませるようにすることができる。
　前記その他の保護部には、前記読出電極および前記基準電位電極を形成する電極形成プロセス時において、前記基準電位電極および前記基準電位発生部に接続される配線を介して、前記基準電位発生部に対して発生する負電荷をバイパスすることにより、前記基準電位発生部を保護させるようにすることができる。
　前記その他の保護部は、前記基準電位電極と前記基準電位発生部とを接続する配線上であって、前記基準電位発生部の前段にカソードを接続し、アノードを接地するその他の保護ダイオードとすることができる。
　前記ダイオードのカソードに、アノードを接続し、カソードを所定の電源に接続する、前記その他の保護ダイオードと同一のＩＶ（電流電圧）特性が同一のその他の追加ダイオードからなるその他の追加保護部をさらに含ませるようにすることができる。
　前記所定の電源の電圧は、前記基準電位よりも高電圧とすることができる。
　前記所定の電源は、前記増幅トランジスタの電源とすることができる。
　本開示の一側面の電位測定装置は、液体に基準電位を供給する基準電位発生部および基準電位電極と、前記液体から信号を読み出す読出電極および増幅器と、前記増幅器の前段において、前記増幅器を負電荷より保護する保護部を含み、前記基準電位発生部および前記基準電位電極、前記読出電極および前記増幅器、並びに、前記保護部は、同一基板に内蔵される電位測定装置である。
　本開示の一側面においては、基準電位発生部および基準電位電極により、液体に基準電位が供給され、読出電極および増幅器により、前記液体から信号が読み出され、保護部により、前記増幅器の前段において、前記増幅器が負電荷より保護され、前記基準電位発生部および前記基準電位電極、前記読出電極および前記増幅器、並びに、前記保護部は、同一基板に内蔵される。
　本開示の一側面によれば、電位測定装置における測定電位の増幅器の小型化に起因する製造中の静電破壊を抑制することが可能となる。
一般的な電位測定装置の構成例を説明する図である。 本開示の電位測定装置の構成例を説明する図である。 図２の電位測定装置の第１の保護回路の構成例を説明する図である。 図２の電位測定装置の第１の保護回路の動作を説明する図である。 図２の電位測定装置の第２の保護回路の構成例を説明する図である。 図２の電位測定装置の第２の保護回路の動作を説明する図である。 図２の電位測定装置の第３の保護回路の構成例を説明する図である。 図２の電位測定装置の第３の保護回路の動作を説明する図である。 本開示の電位測定装置の変形例を説明する図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　＜一般的な電位測定装置の構成例＞
　本開示の電位測定装置を説明するにあたって、まず、図１を参照して、一般的な電位測定装置の構成例について説明する。図１の上段部は、電位測定装置１の概観斜視図であり、図１の中段部は、シャーレ１１および電極基板１２の上面図と対応する配線図であり、図１の下段部は、電位測定部１の側面断面の配線図である。
　図１の上段部で示されるように、電位測定装置１は、シャーレ１１、電極基板１２、およびADC（Analog Digital Converter）１３から構成される。シャーレ１１は、モールド樹脂からなり、生理食塩水などの液体５１に満たされ、検体となる細胞が投入される。図１の中段部で示されるように、シャーレ１１の底面部に電極３１－１乃至３１－４が設けられており、測定電位を、それぞれ端子３２－１乃至３２－４を介して増幅器４１－１乃至４１－４に出力する。増幅器４２－１乃至４２－４は、電極３１－１乃至３１－４より供給される測定電位を増幅してADC１３に出力する。ADC１３は、増幅器４２－１乃至４２－４より供給されてくる増幅されたアナログ信号の測定電位をデジタル信号に変換し、後段の装置に出力する。
　すなわち、液体５１内の検体としての細胞の活動電位の変化が電極３１－１乃至３１－４により検出されて、端子３２－１乃至３２－４、および増幅器４１－１乃至４１－４を介して、ADC１３に出力されて、デジタル信号として出力される。
　尚、電極３１－１乃至３１－４、端子３２－１乃至３２－４、および増幅器４１－１乃至４１－４は、それぞれ特に区別する必要がない場合、単に、電極３１、端子３２および増幅器４１と称するものとし、その他の構成についても同様に称するものとする。
　また、図１の下段部で示されるように、電極３１－１，３１－２は、それぞれ、例えば、メッキ部６１－１，６１－２、および端子６２－１，６２－２から構成され、端子６２－１，６２－２に対して、メッキ処理されて、メッキ部６１－１，６１－２が付加されており、液体５１には、メッキ部６１－１，６１－２が接触した状態となっている。尚、図示しないが電極３１－３，３１－４も同様である。
　すなわち、電極３１－１が設けられた周囲の局所的な電位変化を測定する場合、電極３１－２の測定電位を端子３２－２より読み出し、平均電位を参照電位（基準電位）Vrefとして、端子３２－１を介して電極３２－１より供給される測定電位と比較することで電極３１－１近傍の局所的な電位変化を測定する。
　しかしながら、装置の小型化の要求に応じて電極３１の直下に、すなわち、電極３１と同一の基板内に増幅器を設けることで装置構成を小型化しようとする場合、例えば、増幅器が増幅トランジスタであるとすると、増幅トランジスタの容量そのものを小型化する必要があるので、製造中に静電破壊が発生し易くなる。
　そこで、本開示の電位測定装置は、製造中における増幅器の静電破壊を抑制するようにしたものである。
　＜本開示の電位測定装置の上面の構成例＞
　図２を参照して、本開示の半導体装置である電位測定装置の構成例について説明する。尚、図２は、電位測定装置１０１の基板１１０の構成を示したものであり、図１の中段部における電極基板１２の上面図に対応する構成を示している。
　図２の電位測定装置１０１は、電極１１１－１乃至１１１－４，１１１－１１、増幅器１１２－１乃至１１２－４、スイッチ１１３－１乃至１１３－４、垂直転送線１１４－１，１１４－２、転送制御部１１５、出力部１１６、端子１１７－１乃至１１７－４、端子１１８－１，１１８－２、および基準電位発生部１１９を備えている。
　電極１１１－１乃至１１１－４，１１１－１１は、モールド樹脂からなるシャーレ１１内に設けられており、このうち、電極１１１－１乃至１１１－４は、電極３１－１乃至３１－４に対応するものである。電極１１１－１乃至１１１－４は、モールド樹脂からなるシャーレ１１内の液体１３１（図３）に接触し、それぞれ液体１３１における検体の活動電位を測定して増幅器１１２－１乃至１１２－４に伝達する。また、電極１１１－１１は、基準電位発生部１１９により発生される基準電位を液体１３１に供給する。
　増幅器１１２－１乃至１１２－４は、電極１１１－１乃至１１１－４と同一基板内の直下に設けられており、それぞれ電極１１１－１乃至１１１－４により検出される電圧を増幅して、スイッチ１１３－１乃至１１３－４に出力する。
　スイッチ１１３－１，１１３－２は、転送制御部１１５によりオンまたはオフに制御され、オンにされたとき、増幅器１１２－１，１１２－２からの出力を、垂直転送線１１４－１を介して出力部１１６に出力する。スイッチ１１３－３，１１３－４は、転送制御部１１５によりオンまたはオフに制御され、オンにされたとき、増幅器１１２－３，１１２－４からの出力を、垂直転送線１１４－２を介して出力部１１６に出力する。
　出力部１１６は、垂直転送線１１４－１，１１４－２を介して増幅器１１２－１乃至１１２－４より供給されてくる増幅された信号をデジタル信号に変換して端子１１７－１乃至１１７－４より出力する。
　端子１１８－１，１１８－２は、外部より供給されてくる電力等を受け付ける。
　基準電位発生部１１９は、基準電位を発生し、電極１１１－１１より液体１３１に供給する。電極１１１－１１は、モールド樹脂からなるシャーレ１１内の液体１３１（図３）に接触し、それぞれ液体１３１に基準電位を供給する。
　＜電位測定装置における第１の保護回路＞
　次に、図３を参照して、電位測定装置１０１における増幅器１１２の保護回路の構成例について説明する。図３は、電位測定装置１０１の側面断面である。
　電極１１１－１，１１１－１１は、それぞれ白金等によるメッキ部１５１－１，１５１－１１、および金属部１５２－１，１５２－１１より構成されている。電極１１１は、金属部１５２のみで構成されることが一般的であるが、液体１３１に接触する部位であるため、腐食等の対策のためメッキ部１５１が設けられている。
　電極１１１－１は、信号を読み出す電極であり、増幅トランジスタからなる増幅器１１２のゲートに接続されており、液体１３１の電位を伝達する。増幅器１１２は、増幅トランジスタより構成されており、増幅トランジスタのソース-ドレインには、電源ＶＤＤが接続されており、電極１１１－１からゲートに供給される電位Ｖに応じた電圧を出力部１１６に出力する。
　出力部１１６は、増幅器１１２からのアナログ信号からなる出力電圧をアナログデジタル変換してデジタル信号として端子１１７より出力する。
　また、電極１１１－１１は、基準電位発生部１１９より出力される基準電位を液体１３１に印加する電極である。
　ダイオード１７１は、基準電位発生部１１９の近傍であって、カソードが電極１１１－１１および基準電位発生部１１９に接続され、アノードが接地されて接続されている。
　ダイオード１７１は、電極１１１－１，１１１－１１を形成する電極形成プロセス時の負電荷を基準電位発生部１１９に流れ込まないようにさせることで、製造時において、基準電位発生部１１９が静電破壊されることを抑制する。
　ダイオード１７２は、増幅器１１２の近傍であって、カソードが電極１１１－１および増幅トランジスタのゲートに接続され、アノードが接地されて接続されている。
　ダイオード１７２は、電極１１１－１，１１１－１１の電極形成プロセス時の負電荷をグランドにバイパスして排出させるようにすることで、増幅器１１２を構成する増幅トランジスタのゲートに流れ込まないようにさせることで、製造時において、増幅器１１２を構成する増幅トランジスタが静電破壊されることを抑制する。
　結果として、ダイオード１７１，１７２により、電極形成プロセス時の負電荷がグランドにバイパスされることで、増幅器１１２を構成する増幅トランジスタ、および基準電位発生部１１９が、静電破壊されるのを抑制することが可能となる。
　＜電位測定装置における第２の保護回路＞
　以上においては、ダイオード１７１，１７２を、それぞれ基準電位発生部１１９および増幅器１１２を構成する増幅トランジスタのゲートの前段に設けることで、電極１１１－１，１１１－１１から電極形成プロセス時の負電荷が、基準電位発生部１１９および増幅器１１２を構成する増幅トランジスタのゲートに流れ込まないようにし、基準電位発生部１１９および増幅器１１２を構成する増幅トランジスタの静電破壊を抑制する例について説明してきた。
　しかしながら、図３の構成の場合、図４で示されるように、基準電位発生部１１９はインピーダンスが小さいので、信号を読み出すために、基準電位発生部１１９が基準電位を発生すると、負電荷保護用回路であるダイオード１７１において、一点鎖線で示されるリーク電流Ｉｂが発生し、基準電位発生部１１９へと流れ込み、液体１３１による外部抵抗ｒによって基準電位からの電位差が生じ、増幅器１１２を構成する増幅トランジスタのゲートへの入力電位が基準電位に対してずれてしまう恐れがある。これにより、リーク電流Ｉｂや外部抵抗ｒがばらつくと、増幅器１１２のゲートへの入力電位もばらつくことになる。
　そこで、図５で示されるように、ダイオード１７１，１７２と同一のＩＶ変換特性（電流電圧変換特性）を備えたダイオード１９１－１，１９１－２のカソードを、端子１１８を介して、基準電位よりも高い電源に接続する。そして、ダイオード１９１－１のアノードを電極１１１－１、増幅器１１２を構成する増幅トランジスタのゲート、およびダイオード１７２のカソードに接続する。また、ダイオード１９１－２のアノードを電極１１１－１１、基準電位発生部１１９、およびダイオード１７１のカソードに接続する。
　このような構成により、特性が等しいダイオード１９１－１，１７２が直列に接続され、同様に、特性が等しいダイオード１９１－２，１７１が直列に接続されることになる。結果として、図６で示されるように、一点鎖線で示されるリーク電流Ｉａ，Ｉｂが等しいと、電極１１１－１，１１１－１１がそれぞれ略等電位となり、内部抵抗ｒにより点線で示されるリーク電流が流れない状態となるので、増幅器１１２を構成する増幅トランジスタのゲートへの入力電圧を安定させることが可能となる。
　尚、ダイオード１７１，１７２と、ダイオード１９１－１，１９１－２とは、同一の半導体プロセスにおいて生成される構成とすることで、製造に係る工程数の増加を抑制させることが可能となる。
　＜電位測定装置における第３の保護回路＞
　以上においては、ダイオード１９１－１，１９１－２のカソードを、端子１１８を介して、基準電位よりも高い電源に接続される構成とする例について説明してきたが、同様の電圧からなる回路内部の増幅器１１２の電源VDDに接続することで、外部電源を使用しないようにしてもよい。
　すなわち、図７で示されるように、ダイオード１９１－１，１９１－２のカソードは、端子１１８に代えて、基準電位よりも高い増幅器１１２の電源VDDに接続されている。
　このような構成においても同様に、特性が等しいダイオード１９１－１，１７２が直列に接続され、やはり、特性が等しいダイオード１９１－２，１７１が直列に接続されることになるので、図８で示されるように、一点鎖線で示されるリーク電流Ｉａ，Ｉｂが等しいとき、電極１１１－１，１１１－２がそれぞれ略等電位となり、内部抵抗ｒにより点線で示されるリーク電流が流れない状態となるので、増幅器１１２を構成する増幅トランジスタのゲートへの入力電圧を安定させることが可能となる。
　＜変形例＞
　以上においては、図２で示されるように、同一基板に電極１１１－１乃至１１１－４，１１１－１１、および増幅器１１２－１乃至１１２－４、並びに、基準電位発生部１１９が形成される例について説明してきたが、電極１１１、増幅器１１２、および基準電位１１９が同一基板内に構成されれば、図２で示された２行×２列からなる電極１１１－１乃至１１１－４の構成以外の構成でもよく、例えば、ｎ行×ｍ列の電極構成とするようにしてもよい。また、基準電位を供給するための電極１１１－１１についても、１個以上であってもよい。
　また、図９の上部で示されるように、アレイ状に構成された３行×３列の黒色の電極からなる電極群１１１－３１と、それぞれに接続された増幅器群１１２－３１とが構成され、これらがマルチプレクサ（Ｍｕｘ）２７１に接続されるようにし、マルチプレクサ２７１により出力信号を時分割出力する構成としてもよい。
　さらに、図９の中央部で示されるように、アレイ状に構成された３行×３行の電極からなる電極群１１１－４１が転送制御部１１５により３行の行単位で制御され、３列の垂直転送線１１４－１１乃至１１４－１３に転送されて、垂直転送線１１４－１１乃至１１４－１３のそれぞれに設けられた増幅器からなる増幅器群１１２－４１において増幅されて、出力部１１６に出力されるような構成としてもよい。ただし、図９の中央部においては、図中の上段および下段のそれぞれの灰色の３個の電極については、スイッチによりオンまたはオフに制御されるが、中段の黒色の３個の電極については、スイッチがなく常時出力する状態とされている。
　また、図９の下部で示されるように、アレイ状に構成された３行×２列の電極からなる電極群１１１－５１のうち黒色の左下の電極、左上の電極、および、右上の電極の合計３個の電極がそれぞれ３個の増幅器からなる増幅器群１１２－５１のそれぞれに接続される構成としてもよい。尚、図９の下部においては、電極群１１１－５１を構成する電極には、図中において「ｍ」と表記されていたローカルメモリをそれぞれ備えた構成とされている。
　尚、本開示は、以下のような構成も取ることができる。
＜１＞　液体に基準電位を供給する基準電位発生部および基準電位電極と、
　前記液体から信号を読み出す読出電極および増幅器と、
　前記増幅器の前段において、前記増幅器を負電荷より保護する保護部を含み、
　前記基準電位発生部および前記基準電位電極、前記読出電極および前記増幅器、並びに、前記保護部は、同一基板に内蔵される
　半導体装置。
＜２＞　前記保護部は、前記読出電極および前記基準電位電極を形成する電極形成プロセス時において、前記読出電極および前記基準電位電極に接続される配線を介して、前記増幅器に対して発生する負電荷をバイパスすることにより、前記増幅器を保護する
　＜１＞に記載の半導体装置。
＜３＞　前記増幅器は、増幅トランジスタであり、
　前記読出電極は、前記増幅トランジスタのゲートに接続されており、
　前記保護部は、前記読出電極と前記増幅トランジスタとを接続する配線上であって、前記ゲートの前段にカソードを接続し、アノードを接地する保護ダイオードである
　＜２＞に記載の半導体装置。
＜４＞　前記保護ダイオードのカソードに、アノードを接続し、カソードを所定の電源に接続する、前記保護ダイオードと同一のＩＶ（電流電圧）特性が同一の追加ダイオードからなる追加保護部をさらに含む
　＜３＞に記載の半導体装置。
＜５＞　前記所定の電源の電圧は、前記基準電位よりも高電圧である
　＜４＞に記載の半導体装置。
＜６＞　前記所定の電源は、前記増幅トランジスタの電源である
　＜５＞に記載の半導体装置。
＜７＞　前記基準電位発生部の前段において、前記増幅器を負電荷より保護するその他の保護部をさらに含む
　＜３＞乃至＜６＞のいずれかに記載の半導体装置。
＜８＞　前記その他の保護部は、前記読出電極および前記基準電位電極を形成する電極形成プロセス時において、前記基準電位電極および前記基準電位発生部に接続される配線を介して、前記基準電位発生部に対して発生する負電荷をバイパスすることにより、前記基準電位発生部を保護する
　＜７＞に記載の半導体装置。
＜９＞　前記その他の保護部は、前記基準電位電極と前記基準電位発生部とを接続する配線上であって、前記基準電位発生部の前段にカソードを接続し、アノードを接地するその他の保護ダイオードである
　＜８＞に記載の半導体装置。
＜１０＞　前記ダイオードのカソードに、アノードを接続し、カソードを所定の電源に接続する、前記その他の保護ダイオードと同一のＩＶ（電流電圧）特性が同一のその他の追加ダイオードからなるその他の追加保護部をさらに含む
　＜９＞に記載の半導体装置。
＜１１＞　前記所定の電源の電圧は、前記基準電位よりも高電圧である
　＜１０＞に記載の半導体装置。
＜１２＞　前記所定の電源は、前記増幅トランジスタの電源である
　＜１１＞に記載の半導体装置。
＜１３＞　液体に基準電位を供給する基準電位発生部および基準電位電極と、
　前記液体から信号を読み出す読出電極および増幅器と、
　前記増幅器の前段において、前記増幅器を負電荷より保護する保護部を含み、
　前記基準電位発生部および前記基準電位電極、前記読出電極および前記増幅器、並びに、前記保護部は、同一基板に内蔵される
　電位測定装置。
　１０１　電位測定装置，　１１１，１１１－１乃至１１１－５，１１１－１１　電極，　１１２，１１２－１乃至１１２－４　増幅器，　１１３－１乃至１１３－４　スイッチ，　１１４，１１４－１乃至１１４－３　垂直転送線，　１１５　転送制御部，　１１６　出力部，　１１７，１１７－１乃至１１７－４　端子，　１１８　端子，　１１９　基準電位発生部，　１３１　液体，　１５１，１５１－１，１５１－１１　メッキ部，　１５２，１５２－１，１５２－１１　金属部，　１７１，１７１－１，１７１－２　ダイオード，　１９１，１９１－１，１９１－２　ダイオード，　２３１，２３１－１，２３１－２　ダイオード，　２５１，２５１－１，２５１－２　ダイオード

Claims (13)

  1. 　液体に基準電位を供給する基準電位発生部および基準電位電極と、
    　前記液体から信号を読み出す読出電極および増幅器と、
    　前記増幅器の前段において、前記増幅器を負電荷より保護する保護部を含み、
    　前記基準電位発生部および前記基準電位電極、前記読出電極および前記増幅器、並びに、前記保護部は、同一基板に内蔵される
    　半導体装置。
  2. 　前記保護部は、前記読出電極および前記基準電位電極を形成する電極形成プロセス時において、前記読出電極および前記基準電位電極に接続される配線を介して、前記増幅器に対して発生する負電荷をバイパスすることにより、前記増幅器を保護する
    　請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記増幅器は、増幅トランジスタであり、
    　前記読出電極は、前記増幅トランジスタのゲートに接続されており、
    　前記保護部は、前記読出電極と前記増幅トランジスタとを接続する配線上であって、前記ゲートの前段にカソードを接続し、アノードを接地する保護ダイオードである
    　請求項２に記載の半導体装置。
  4. 　前記保護ダイオードのカソードに、アノードを接続し、カソードを所定の電源に接続する、前記保護ダイオードと同一のＩＶ（電流電圧）特性が同一の追加ダイオードからなる追加保護部をさらに含む
    　請求項３に記載の半導体装置。
  5. 　前記所定の電源の電圧は、前記基準電位よりも高電圧である
    　請求項４に記載の半導体装置。
  6. 　前記所定の電源は、前記増幅トランジスタの電源である
    　請求項５に記載の半導体装置。
  7. 　前記基準電位発生部の前段において、前記増幅器を負電荷より保護するその他の保護部をさらに含む
    　請求項３に記載の半導体装置。
  8. 　前記その他の保護部は、前記読出電極および前記基準電位電極を形成する電極形成プロセス時において、前記基準電位電極および前記基準電位発生部に接続される配線を介して、前記基準電位発生部に対して発生する負電荷をバイパスすることにより、前記基準電位発生部を保護する
    　請求項７に記載の半導体装置。
  9. 　前記その他の保護部は、前記基準電位電極と前記基準電位発生部とを接続する配線上であって、前記基準電位発生部の前段にカソードを接続し、アノードを接地するその他の保護ダイオードである
    　請求項８に記載の半導体装置。
  10. 　前記ダイオードのカソードに、アノードを接続し、カソードを所定の電源に接続する、前記その他の保護ダイオードと同一のＩＶ（電流電圧）特性が同一のその他の追加ダイオードからなるその他の追加保護部をさらに含む
    　請求項９に記載の半導体装置。
  11. 　前記所定の電源の電圧は、前記基準電位よりも高電圧である
    　請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 　前記所定の電源は、前記増幅トランジスタの電源である
    　請求項１１に記載の半導体装置。
  13. 　液体に基準電位を供給する基準電位発生部および基準電位電極と、
    　前記液体から信号を読み出す読出電極および増幅器と、
    　前記増幅器の前段において、前記増幅器を負電荷より保護する保護部を含み、
    　前記基準電位発生部および前記基準電位電極、前記読出電極および前記増幅器、並びに、前記保護部は、同一基板に内蔵される
    　電位測定装置。
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