JP2002296228A

JP2002296228A - バイオセンサ

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Publication number: JP2002296228A
Application number: JP2001101310A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Maeda; 浩前田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-09
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP3835195B2

Abstract

(57)【要約】【課題】製造コストが低く、且つ、使い捨てに適したバ
イオセンサを提供する。【解決手段】有機高分子材料からなる基板１１上に形成
されたポリシリコンＴＦＴ１４を用いた電界効果型のバ
イオセンサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体電界効果トラ
ンジスタを利用したバイオセンサとその使用方法に関す
る。バイオセンサはイオンセンサ、酵素センサ、ＤＮＡ
センサ、抗原・抗体センサ、タンパク質センサなどとし
て、特に医用分野への応用が期待されている。

【０００２】

【従来の技術】従来の電界効果型のバイオセンサは通常
のＭＯＳＦＥＴからゲート電極を除去し、ゲート絶縁
膜の上にイオン感応膜を被着した構造であり、ＩＳＦＥ
Ｔ（ＩｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＦＥＴ）と呼ばれて
いる。図２４は電界効果型半導体イオンセンサの従来例
の説明図である。図２４において、２４１はシリコン
（Ｓｉ）基板、２４１Ｓはソース、２４１Ｄはドレイ
ン、２４２は分離絶縁膜、２４３はゲート絶縁膜、２４
４はイオン感応膜である。ここで、イオン感応膜に酸化
還元酵素、各種タンパク質、ＤＮＡ、抗原や抗体などを
固定化することにより、各種バイオセンサとして適用可
能となる。

【０００３】ところで、バルクシリコンを用いたＩＳＦ
ＥＴはセンサチップ断面が電解質中に露出するのを防ぐ
ために、樹脂などで封止する必要があった。小さなＩＳ
ＦＥＴを封止するのは困難であり、封止できたとしても
信頼性が低下するという問題があった。

【０００４】そこで、シリコンオンインシュレータ（Ｓ
ＯＩ）型のＩＳＦＥＴや、ガラス基板上にポリシリコン
層を半導体層として形成したＩＳＦＥＴなどが提案され
ている。即ち、これらの構造はトランジスタが絶縁体で
囲まれた構造となっているため、リーク電流が発生しに
くく、特別な封止作業が不要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】昨今のバイオセンサと
しての応用には、センサ素子の保存やメンテナンスを考
慮して、１組のセンサ素子による測定を１回限りとす
る、いわゆる「使い捨て型」（ディスポーザブル）のバ
イオセンサが開発されている。これらの応用としてポリ
シリコンＴＦＴなどの薄膜デバイスをＩＳＦＥＴとして
バイオセンサに用いることが考えられるが、これらのデ
バイスはガラス基板の上に形成されるのが一般的で、セ
ンサを使い捨てとするには高価である。また、焼却廃棄
する場合にはガラス破片が残り問題となる。

【０００６】本発明は、上記事由に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、製造コストを低くでき、且つ、使
い捨て型センサに適したバイオセンサを提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明においては、有機高分子材
料からなる基板上に形成されたＴＦＴを用いた電界効果
型のバイオセンサとすることを特徴とする。

【０００８】請求項２に記載の発明においては、前記請
求項１に記載のバイオセンサにおいて、前記ＴＦＴのゲ
ート電極はイオン感応領域および対向電極を有すること
を特徴とする。

【０００９】請求項３に記載の発明においては、前記請
求項２に記載の発明において、前記対向電極に印加する
電圧を変化させて前記ゲート電極の電位を調整すること
により、感度を調節することを特徴とする。

【００１０】請求項４に記載の発明においては、有機高
分子材料よりなる基板上に形成したＴＦＴを用いた電界
効果型のバイオセンサにおいて、基板上に第１の絶縁膜
を介して前記ＴＦＴが形成された半導体層と、同半導体
層のチャネル領域に対向し且つ同チャネル領域と離れて
第１の絶縁膜内に埋め込まれたゲート電極と、同半導体
層上に第２の絶縁膜を介してイオン感応領域とを有する
ことを特徴とする。

【００１１】請求項５に記載の発明においては、前記請
求項４に記載のバイオセンサにおいて、前記ゲート電極
に印加する電圧を変化させてチャネル領域の電位を調整
することにより、感度を調節することを特徴とする。

【００１２】請求項６に記載の発明においては、前記Ｔ
ＦＴはポリシリコンよりなることを特徴とする、前記請
求項１乃至５に記載のバイオセンサ。

【００１３】請求項７に記載の発明においては、前記Ｔ
ＦＴはアモルファスシリコンよりなることを特徴とす
る、前記請求項１乃至５に記載のバイオセンサ。

【００１４】

【発明の実施の形態】（１）第一の実施の形態次に本発明のＩＳＦＥＴ型バイオセンサを図面を参照し
て説明する。図１は本願発明の第一の実施の形態を説明
するための平面図と断面図である。ここで、図１（ａ）
の平面図に記すＡ−Ｂで切断した断面図が図１（ｂ）で
ある。ここでは、グルコースセンサの場合について説明
する。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、プラ
スチック基板１１上には接着層１２及び中間層１３が積
層され、その上にはシリコン酸化膜１３ａ、ＩＳＦＥＴ
として機能するポリシリコン層１４が形成されている。
ポリシリコン層１４の両端にはドレイン及びソースとし
てのＮ型ポリシリコン層１５及び１６が形成されてい
る。そして、前記ポリシリコン層１４及びポリシリコン
層１５、１６を被うように保護絶縁膜としてのシリコン
膜１３ｂ及び１７が設けられている。さらに、表面保護
膜としてのシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）はセンサ表面
全体を被っている。尚、前記ポリシリコン層１４のチャ
ネル部、即ち、イオン感応領域部分の前記酸化シリコン
膜１７は除去されており、前記シリコン窒化膜１８と前
記ポリシリコン層１４は直接接している。Ｎ型ポリシリ
コン層１５及び１６には、シリコン酸化膜１３ｂ及び１
７に開口されたコンタクト孔を通してそれぞれの電極に
接続されている。グルコースを測定するためのグルコー
スオキシダーゼ（ＧＯＤ）が固定された固定化酵素膜１
９が前記シリコン窒化膜上のイオン感応領域に設けられ
ている。本実施例では、ＩＳＦＥＴ全体が前記シリコン
窒化膜により被われているため、ピンホールなどが少な
く信頼性が高い。また、マルチセンサ構造とした場合で
もセンサ間のリーク電流が小さく抑えられる。ここで、
シリコン窒化膜１８をゲート絶縁膜として用いたが、タ
ンタルオキサイド膜や、酸化アルミニウム膜でもよい。

【００１５】このようなプラスチック基板上にＴＦＴを
作製する方法として、例えば特開平１０−１２５９３１
に開示されている方法に基づいて、第一の実施例で説明
したＩＳＦＥＴ型バイオセンサの製造方法を図２〜図１
３を用いて説明する。

【００１６】（工程１）図２に示すように、基板（例え
ば石英基板）２０上に分離層２１（例えばＬＰＣＶＤ法
に形成されたアモルファスシリコン層）と中間層１３
（例えば、ＳｉＯ_２膜）アモルファスシリコン層１４と
を積層形成し、続いて、アモルファスシリコン層の全面
に上方からレーザ照射し、アニールを施す。これによ
り、アモルファスシリコンは再結晶化してポリシリコン
層１４となる。

【００１７】（工程２）続いて、図３に示すように、レ
ーザアニールにより得られたポリシリコン層１４をパタ
ーニングして、ポリシリコンの島を形成する。

【００１８】（工程３）図３に示されるように、ポリシ
リコンのアイランドを被う絶縁膜としてのシリコン酸化
膜１３ｂを、例えばＣＶＤ法により形成する。

【００１９】（工程４）図４に示すように、フォトレジ
ストをマスクとして、リン不純物のイオン注入を行う。
これによって、Ｎ型もしくはＰ型のポリシリコン層が形
成され、ソース、ドレインとなる。

【００２０】（工程５）図５に示すように、層間絶縁膜
１７を形成し、選択的にコンタクトホール５２を形成し
た後、アルミ電極５３を形成する。

【００２１】（工程６）次に、図６に示すように、イオ
ン感応領域６１だけが露出するように、表面のシリコン
酸化膜１７の一部をレジストをマスクとしてエッチング
する。その後、表面全体を被うように、表面保護膜及び
ＩＳＦＥＴ型バイオセンサのゲート絶縁膜としてのシリ
コン窒化膜１８を成膜する。このようにして形成された
ポリシリコン層１４を含むデバイス層をここでは被転写
層５４とよぶ。

【００２２】（工程７）図８に示すように、前記被転写
層５４の表面上に接着層としての水溶性接着剤８１を塗
布し、次に、その水溶性接着剤層８１を介して、被転写
層５４を一次転写体８２に貼り付ける。続いて、前記水
溶性接着剤８１が熱硬化であれば熱を加えて硬化させ、
前記一次転写体８２と被転写層５４とを接着（接合）す
る。そして、ガラス基板２０の裏面から、例えば、Ｘｅ
−Ｃｌエキシマレーザ光を照射する。これにより、分離
層２１の層内及び／又は界面において剥離を生じせしめ
る。

【００２３】（工程９）図９に示すように、基板２０を
引き剥がす。

【００２４】（工程１０）分離層２１をエッチングによ
り除去する。これにより、被転写層５４が一次転写体８
２に転写されたことになる。

【００２５】（工程１１）次に、図１１に示すように、
転写された被転写層５４の下面、即ち中間層１３ａの下
面、に接着層１２を介して、二次転写体１１を接着す
る。二次転写体としては、各種合成樹脂が挙げられる。
例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹のいずれでもよく、
例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどでもよい。
ここで、接着層を構成する接着剤の例としては、反応硬
化型接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化型接着剤等の
光硬化型接着剤、嫌気硬化接着剤等の各種硬化型接着剤
が挙げられる。接着剤の組成としては、例えば、エポキ
シ系、アクリレート系、シリコーン系などいかなるもの
でもよい。同接着層の形成は例えば塗布法によりなされ
る。

【００２６】（工程１２）前記接着層１１１が光硬化型
の場合、光透過性の二次転写体の外側から光を照射する
ことにより、二次転写体と薄膜デバイス層の下面が接合
される。

【００２７】（工程１３）次に、図１２の示すように、
前記水溶性接着層８１と第一転写体５４とが接着してい
る界面を水と接触させる。これにより、水溶性接着剤が
溶融し、被転写層５４の上面であるシリコン窒化膜１８
と一次転写体とが分離する。同シリコン窒化膜１８の表
面に付着した水溶性接着剤を除去することにより、合成
樹脂基板１１上に形成した薄膜デバイスが得られる。

【００２８】（工程１４）次に、図１３に示すように、
イオン感応領域以外、即ち、酵素固定化膜が形成される
領域以外の領域がマスクされるようにフォトレジストを
パターニングし、グルコースオキシダーゼ、アルブミン
水溶液、グルタールアルデヒドの混合液が基板全面に塗
布される。前記混合液が固定した後、アセトン中で前記
フォトレジストを除去することによって、固定化酵素膜
１１３がＩＳＦＥＴのチャネル領域上部、即ち、イオン
感応領域６１に形成される。以上の工程により、合成樹
脂基板上に形成されたＩＳＦＥＴ型のバイオセンサが得
られる。

【００２９】（２）第二の実施の形態第一の実施の形態では、ポリシリコンＴＦＴ層から構成
される被転写層を二度転写するものであったが、第二の
実施の形態では同被転写層を一度のみ転写するものであ
る。ここでは、第二の実施の形態のバイオセンサの製造
方法について図１４から図２３に基づき説明する。

【００３０】（工程１）図１４に示すように、基板２０
上に分離層２１（例えばＬＰＣＶＤ法に形成されたアモ
ルファスシリコン層）と中間層１３ａ（例えば、ＳｉＯ
_２膜）及びアモルファスシリコン層１４とを積層形成
し、続いて、アモルファスシリコン層の全面に上方から
レーザ照射し、アニールを施す。これにより、アモルフ
ァスシリコンは再結晶化してポリシリコン層１４とな
る。

【００３１】（工程２）続いて、図１５に示すように、
レーザアニールにより得られたポリシリコン層１４をパ
ターニングして、ポリシリコンの島を形成する。

【００３２】（工程３）図１６に示されるように、ポリ
シリコンの島を被うゲート絶縁膜１３ｂを、例えば、Ｃ
ＶＤ法により形成する。次に、ポリシリコンあるいはメ
タル等からなるゲート電極１６１を形成する。前記ゲー
ト電極１６１をパターニングし、フォトレジスト１６２
をマスクとしてリン不純物のイオン注入を行う。これに
よって、Ｎ型ポリシリコン層が形成され、ソース及びド
レインの各領域が形成される。

【００３３】（工程４）図１７に示すように、層間絶縁
膜１７０を形成し、選択的にコンタクトホール１７１を
形成した後、アルミ電極１７２を形成する。このように
して形成されたポリシリコン層を含むデバイス層をここ
では被転写層１７３とよぶ。

【００３４】（工程５）図１８に示すように、被転写層
１７３の表面に接着層としての水溶性接着剤１８１を塗
布し、次に、その水溶性接着剤層１８１を介して、被転
写層１７３を一次転写体１８２に貼り付ける。続いて、
前記水溶性接着剤が熱硬化であれば熱を加えて硬化さ
せ、前記一次転写体１８２と被転写層１７３を接着（接
合）する。

【００３５】（工程６）図１９に示すように、基板２０
の裏面から、例えば、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ光を照
射する。これにより、分離層２１の層内及び／又は界面
において剥離を生じせしめる。

【００３６】（工程７）図２０に示すように、基板２０
を引き剥がす。

【００３７】（工程８）図２１のように、前記分離層２
１をエッチングにより除去する。これにより、被転写層
１７３は一次転写体１８２に転写されたことになる。

【００３８】（工程９）図２２に示すように、ポリシリ
コンＴＦＴ層からなる被転写層１７３が接合された一次
転写体１８２を反転させ、チャネル領域、即ちイオン感
応領域が露出するようにシリコン酸化膜１３ａをエッチ
ングする。

【００３９】（工程１０）その後、図２３に示すよう
に、基板全体を被うように表面保護およびＩＳＦＥＴの
ゲート絶縁膜としてのシリコン窒化膜２３１を成膜す
る。そして、イオン感応領域以外、即ち、酵素固定化膜
が形成される領域以外の領域がマスクされるようにフォ
トレジストをパターニングし、グルコースオキシダー
ゼ、アルブミン水溶液、グルタールアルデヒドの混合液
が基板全面に塗布される。前記混合液が固定した後、ア
セトン中で前記フォトレジストを除去する。即ち、固定
化酵素膜２３２がＩＳＦＥＴのチャネル領域上部、即
ち、イオン感応領域に形成される。以上の工程により、
図２３に示すような合成樹脂基板上にＩＳＦＥＴ型のバ
イオセンサが作製される。

【００４０】第二の実施の形態では、ゲート電極を有す
る構造のＩＳＦＥＴを説明したが、ゲート電極を有しな
い構造のＩＳＦＥＴとしてもよい。

【００４１】以上の実施の形態の説明では、固定化酵素
膜としてグルタールオキシダーゼを固定したグルコース
センサについて説明したが、他の酵素についても適用可
能である。さらに、本発明の主旨はイオン感応膜上に形
成するものとして酵素に限るものではなく、タンパク質
同士の反応を検出するタンパク質センサ、核酸同士の反
応を検出する核酸センサ、抗原抗体反応を検出する抗体
センサなどへ適用しても同様の効果を得る。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１乃至７に
記載のバイオセンサによれば、前記基板は有機高分子材
料よりなるため、廃棄する場合は容易に焼却可能なバイ
オセンサが得られる。すなわち、ディスポーザブルなバ
イオセンサとして利用できる。また、フレキシブル且つ
割れにくい材料であるため、例えば体内にバイオセンサ
を移植して使用する場合でも、体内に設置し易く、安全
に利用できる。

【００４３】また、請求項６に記載のバイオセンサによ
れば、性能の高いポリシリコンＴＦＴから構成された回
路を同一基板上のＩＳＦＥＴ以外の場所に同時に作製可
能なので、センサ、周辺回路、ＣＰＵなどを含む信号処
理回路をセンサチップに作り込む事ができる。また、Ｉ
ＳＦＥＴセンサ自体を小さく作れるので、多数のセンサ
を同一チップ内に作製する応用にも適している。

【００４４】また、請求項３及び５に記載のバイオセン
サによれば、バックゲートに印加する電圧を変化させる
ことにより、ポリシリコンＴＦＴ素子自体のしきい値電
圧バラツキによるＩＳＦＥＴの感度バラツキが調整可能
となる。

【００４５】また、請求項７に記載のバイオセンサによ
れば、安価で大量生産に向いたバイオセンサを得ること
ができる。

【００４６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態を説明するＩＳＦＥ
Ｔ型バイオセンサの平面図及び断面図である。

【図２】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明す
る断面図である。

【図３】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明す
る断面図である。

【図４】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明す
る断面図である。

【図５】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明す
る断面図である。

【図６】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明す
る断面図である。

【図７】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明す
る断面図である。

【図８】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明す
る断面図である。

【図９】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明す
る断面図である。

【図１０】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図１１】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図１２】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図１３】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図１４】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図１５】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図１６】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図１７】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図１８】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図１９】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図２０】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図２１】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図２２】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明
する断面図である。

【図２３】本発明の第二の実施の形態を説明するＩＳＦ
ＥＴ型バイオセンサの断面図である。

【図２４】従来例の説明図である。

【符号の説明】

１１プラスチック基板１２接着層１３ａシリコン酸化膜１４ポリシリコン層１５ソース１６ドレイン１７シリコン酸化膜１８シリコン窒化膜１９イオン感応膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有機高分子材料からなる基板上に形成され
たＴＦＴを用いた電界効果型のバイオセンサ。
【請求項２】前記請求項１に記載のバイオセンサにおい
て、前記ＴＦＴのゲート電極はイオン感応領域および対
向電極を有することを特徴とするバイオセンサ。
【請求項３】前記請求項２に記載の発明において、前記
対向電極に印加する電圧を変化させて前記ゲート電極の
電位を調整することにより、感度を調節することを特徴
とするバイオセンサ。
【請求項４】有機高分子材料よりなる基板上に形成した
ＴＦＴを用いた電界効果型のバイオセンサにおいて、基
板上に第１の絶縁膜を介して前記ＴＦＴが形成された半
導体層と、同半導体層のチャネル領域に対向し且つ同チ
ャネル領域と離れて第１の絶縁膜内に埋め込まれたゲー
ト電極と、同半導体層上に第２の絶縁膜を介してイオン
感応領域とを有することを特徴とするバイオセンサ。
【請求項５】前記請求項４に記載のバイオセンサにおい
て、前記ゲート電極に印加する電圧を変化させてチャネ
ル領域の電位を調整することにより、感度を調節するこ
とを特徴とするバイオセンサ。
【請求項６】前記ＴＦＴはポリシリコンよりなることを
特徴とする、前記請求項１乃至５に記載のバイオセン
サ。
【請求項７】前記ＴＦＴはアモルファスシリコンよりな
ることを特徴とする、前記請求項１乃至５に記載のバイ
オセンサ。