JP2002296229A - バイオセンサ - Google Patents

バイオセンサ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】しきい値バラツキによるセンサ感度バラツキを
調整可能な半導体電界効果型バイオセンサを提供する。 【解決手段】基板上に形成されたTFTを用いた半導体
電界効果型のバイオセンサにおいて、前記TFTはチャ
ネル領域の上部にゲート絶縁膜18を介してイオン感応
領域19を有し、且つ、前記チャネル領域の下層に絶縁
膜13を介してバックゲート12を有する構成となって
いる。

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】従来の電界効果型半導体バイオセンサは
通常のMOS FET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、特に
イオンを検出するバイオンセンサはISFET(Ion
Sensitive FET)と呼ばれている。図8
はISFETの従来例の説明図である。図において、8
1はシリコン(Si)基板、81Sはソース、81Dは
ドレイン、82は分離絶縁膜、83はゲート絶縁膜、8
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】しかし、バルクシリコンを用いたISFE
T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ISF
ETを封止するのは困難で信頼性が低下するという問題
があった。また、光や熱によるリーク電流が大きくなる
ため、正確な測定が困難であった。
【0004】これら、バルクシリコンを用いたISFE
Tの問題点に対し、シリコンオンインシュレータ(SO
I)構造のISFETが提案されたが、そもそもSOI
基板が高価なためセンサ自体の価格も高くなり、使い捨
てセンサなどの応用には適さなかった。これに対し、ポ
リシリコンTFT構造を用いた半導体層としてガラス基
板上に作製してできるポリシリコンISFETが特公平
5−49187公報で提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来構造のISFET
は素子毎のしきい値電圧Vthの違いや温度特性などに
より、参照電極への印可電圧をその都度調整する必要が
あり、手間がかかるという不具合があった。特にポリシ
リコンTFT構造のISFETは、その他の構造を用い
たISFETに較べ、(1)電解質に半導体層が露出し
ないため、リーク電流が抑えられ、信頼性が高い、
(2)ポリシリコン内ではキャリアライフタイムが短い
ため光照射によるトランジスタ特性への影響が小さい、
(3)ガラス基板を用いているため安価にセンサを製造
できる、など優れた特徴があるが、しきい値電圧のバラ
ツキが一般的に大きい傾向にある。即ち、センサ感度バ
ラツキが大きくなるという問題があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本願請求項1に記載のバイオセンサにおいては、
基板上に形成されたTFTを用いた半導体電界効果型の
バイオセンサにおいて、前記TFTはチャネル領域の上
部にゲート絶縁膜を介してイオン感応領域を有し、且
つ、前記チャネル領域の下層に絶縁膜を介してバックゲ
ートを有することを特徴とする。
【0007】請求項2に記載のバイオセンサにおいて
は、基板上に形成されたTFTを用いた半導体電界効果
型のバイオセンサにおいて、前記TFTのゲート電極上
にはイオン感応領域を有し、且つ、前記チャネル領域の
下層に絶縁膜を介してバックゲートを有することを特徴
とする。
【0008】請求項3に記載のバイオセンサにおいて
は、前記請求項2に記載の発明において、前記バックゲ
ートは前記ゲート電極の下層に絶縁膜を介して配置され
ることを特徴とする。
【0009】請求項4に記載のバイオセンサにおいて
は、前記請求項1乃至3に記載の発明において、前記バ
ックゲートに印可する電圧を変化させて前記チャネル領
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。請求項5に記載のバイオセンサにおいて
は、前記TFTは多結晶シリコンからなることを特徴と
する前記請求項1乃至4に記載のバイオセンサとするこ
とを特徴とする。
【0010】請求項6に記載のバイオセンサにおいて
は、前記TFTはアモルファスシリコンからなることを
特徴とする前記1乃至4に記載のバイオセンサ。
【0011】請求項7に記載のバイオセンサにおいて
は、前記基板は有機高分子材料からなることを特徴とす
る前記請求項1乃至6に記載のバイオセンサ。
【0012】
【発明の実施の形態】(1)第1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。
【0013】この実施例では、グルコースセンサが作製
された場合を例にとってそのセンサの構造について説明
する。図1(a)および図1(b)に示すように、ガラ
ス基板11上にバックゲート12としてのポリシリコン
層もしくはメタル層がパターニングして形成され、その
バックゲート12の上にはゲート絶縁膜としての酸化シ
リコン膜13が形成され、その上に半導体層としてのポ
リシリコン層14が形成されている。さらに、前記ポリ
シリコン層14の両端にはISFETのソース領域とし
てのN型ポリシリコン層15及びドレイン領域としての
N型ポリシリコン層16が設けられている。
【0014】そして、N型ポリシリコン層15、16を
含むポリシリコン層14を被うように酸化シリコン膜1
7が設けられている。尚、同酸化シリコン膜17の一
部、即ち、イオン感応領域である前記ポリシリコン層1
4のチャネル領域上の酸化シリコン膜17は除去されて
いる。さらに、この酸化シリコン膜7上には保護絶縁膜
としての窒化シリコン膜18が形成されている。前記ポ
リシリコン層14のチャネル領域と直接接する窒化シリ
コン膜18はイオン感応領域として利用される。したが
って、ここではグルコースを測定するため、グルコース
オキシダーゼ(GOD)が固定された酵素固定化膜19
が前記窒化シリコン膜18のイオン感応領域上に形成さ
れている。ISFET全体が前記窒化シリコン膜18で
被われているので、ピンホールなどは少なく信頼性が高
い。また、同一チップ上に複数のセンサを同時に作製す
るマルチセンサ構造とした場合でも、各センサ間のリー
ク電流が小さく抑えられるため、精度の高い測定が可能
となる。
【0015】ここで、前記ポリシリコン層14のチャネ
ル領域上の窒化シリコン膜18はISFETのゲート絶
縁膜として利用されるので、その厚さはISFETとし
ての適切な感度が得られるための適度な厚さとしてい
る。また、窒化シリコン膜のみを用いるのではなく、酸
化シリコン膜を積層して用いてもよい。なお、図示して
いないが、N型ポリシリコン層5及び6には酸化シリコ
ン膜7に開口されたコンタクト孔を通してそれぞれの電
極に接続される。
【0016】ここで示した実施例に用いられたガラス基
板は、パイレックス(登録商標)ガラスまたは石英ガラ
スでもよい。また、半導体層としてポリシリコン層を用
いたが、アモルファスシリコンを用いてもよい。さら
に、保護絶縁膜とゲート絶縁膜としての窒化シリコン膜
は他に、タンタルオキサイド膜や酸化アルミニウム膜な
どでも同様の効果が得られる。
【0017】次に、第一の実施の形態で説明したISF
ET型バイオセンサの製造方法を図2〜図6に基づいて
説明する。図2はISFET型バイオセンサの製造工程
断面図である。図2に示すように、ガラス基板11上に
CVD法を用いて例えばバックゲートとしてのクロム膜
12を、例えば膜厚2000A厚に成膜し、その後パタ
ーニングする。このとき、後の工程でポリシリコン膜を
成膜する時にクロム膜エッジで切れないようにウエット
エッチングを用いて、クロム膜の断面形状が台形状にな
ることが望ましい。もしくは、塗布ガラスを用いて平坦
化してもよい。次に、図3に示すように、前記クロム膜
をバックゲートとして機能させるために、CVD法で例
えば1000A厚の酸化シリコン膜13を成膜する。そ
の後、CVD法でアモルファスシリコン膜14を成膜
し、これをポリシリコン化するために、XeClなどを
含む励起ガスから発生するエキシマレーザ光が基板全面
に照射する。このレーザ照射により前記アモルファスシ
リコン膜14はポリシリコン膜14になる。次に図4に
示すように、保護絶縁膜としての酸化シリコン膜17を
膜厚4000Aで形成し、ソース及びドレイン領域を形
成するために、フォトレジストをマスクとしてリンを含
む不純物イオンを注入する。このようにして、ソース及
びドレインとしてのN型ポリシリコン層15、16が形
成される。その後、前記ポリシリコン層14のチャネル
領域上の酸化シリコン膜をゲート絶縁膜として適切な厚
さになるよう、フォトレジストをマスクとしてエッチン
グする。そして、図示していないが、N型ポリシリコン
層5、6には酸化シリコン膜に開口されたコンタクト孔
を通してそれぞれ電極としてのアルミ膜が形成され、パ
ターニングされる。この次に、図5に示すように、保護
絶縁膜及びゲート絶縁膜としての窒化シリコン膜18を
成膜する。この窒化シリコン膜18はISFETのゲー
ト絶縁膜として使われるので、ISFETとして所望の
感度となるよう適切な膜厚に設定される。
【0018】次に、図6に示すように、ISFETのイ
オン感応領域以外、即ち、チャネル部以外の領域をフォ
トレジストでマスクするようパターニングした後、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
が固化した後、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19がISFETのチ
ャネル領域上に形成される。
【0019】以上のような工程により、バックゲートを
有するポリシリコンTFT構造のISFET型バイオセ
ンサが作製される。
【0020】(2)第2の実施の形態 次に第2の実施の形態について、図7を参照にして説明
する。図7(a)の平面図に記すA−Bで切断した断面
図が図7(b)である。第1の実施例と異なるのは、イ
オン感応領域を半導体層としてのポリシリコン層のチャ
ネル部上部ではなく、ゲート絶縁膜を介したゲート電極
の上部に直接イオン感応領域を設けていることと、バッ
クゲートは前記半導体層の前記チャネル部下部ではな
く、前記ゲート電極の下部に設けたことである。この構
造のISFETの作製工程は第1の実施例の場合とほぼ
同じであるが、第1の実施例で必要であったバックゲー
トを形成する工程が不要となる。即ち、第2の実施例に
おいては、高濃度にイオン注入されたポリシリコン層が
バックゲートとして機能させることが可能である。ま
た、固定化酵素膜の形成方法も第1の実施例と同様の作
製方法でよい。
【0021】本実施例のISFET型バイオセンサを用
いて、バックゲートによりチャネル電位を調整して、セ
ンサとしての感度を調整する。
【0022】この実施例による作製方法であれば、工程
数がより少なくて済む。また、バックゲート、ゲート、
チャネル間の結合容量の設定範囲も拡がるため、ISF
ETとしての感度設計が容易となり、感度調整範囲が拡
がる。
【0023】以上の実施の形態で説明したバイオセンサ
は、ポリシリコンTFTを用いたISFETのイオン感
応膜に酵素固定化膜を形成した構造のものである。しか
し、本発明では、さらに、この構造に限るのではなく、
ポリシリコン膜はアモルファスシリコン膜でも同様の効
果を得る。
【0024】また、以上の実施の形態においては、ポリ
シリコンTFT構造のISFETをガラス基板上に形成
しているが、プラスチック基板や他の高分子材料基板上
に形成しても同様の効果を得る。
【0025】また、この実施の形態では、固定化酵素膜
としてグルタールオキシダーゼを固定化したグルコース
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、イオン感応膜に形
成するものとして酵素に限るものでなく、他のタンパク
質同士の反応を検出するタンパク質センサとして用いて
もよいし、核酸同士の反応を検出するDNAセンサとし
て用いてもよいし、抗原抗体反応を検出する抗体センサ
としても同様の効果を得る。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1に記載の
発明によれば、前記バックゲートは前記チャネル領域の
下層に位置するため、特別にバックゲートを配置する面
積を必要としない。
【0027】また、請求項2に記載の発明によれば、前
記バックゲートは前記ゲート電極の下部に配置されるた
め、前記ゲート電極に対する結合容量を任意に設定でき
る。
【0028】請求項1乃至4に記載の発明によれば、前
記バックゲートに印加する電圧を変化させることによ
り、前記チャネル領域の電位もしくはゲート電極の電位
を調整できるので、イオンセンサの感度を調節すること
ができる。
【0029】また、請求項5に記載の発明によれば、ポ
リシリコンTFTのイオン感応領域における僅かな界面
電位変化にともなって、ポリシリコンTFTに流れる電
流が大きく変化するので、イオンセンサとしての感度向
上とダイナミックレンジの拡大が図られる。また、ポリ
シリコンTFTはトランジスタ特性が高性能であるた
め、センサ素子だけでなく回路を構成することができ、
CPU、メモリ、増幅回路などをセンサチップに同時に
作り込んだインテリジェントセンサを作製可能である。
【0030】請求項1乃至6に記載の発明によれば、安
価で大量生産に適したバイオセンサを得ることができ
る。
【0031】また、請求項7に記載の発明によれば、焼
却廃棄が容易な「使い捨て」に適したバイオセンサを得
ることができる。また、柔らかい(フレキシブルな)セ
ンサが得られるので、例えばセンサを体内に移植して健
康状態をモニターする用途にも適している。
【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】本発明の第二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8】従来例の説明図である。
【符号の説明】
11 ガラス基板 12 バックゲート 13 ゲート絶縁膜 14 ポリシリコン層 15 ソース 16 ドレイン 17 酸化シリコン膜 18 窒化シリコン膜 19 イオン感応膜

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に形成されたTFTを用いた半導体
    電界効果型のバイオセンサにおいて、前記TFTはチャ
    ネル領域の上部にゲート絶縁膜を介してイオン感応領域
    を有し、且つ、前記チャネル領域の下層に絶縁膜を介し
    てバックゲートを有することを特徴とするバイオセン
    サ。
  2. 【請求項2】基板上に形成されたTFTを用いた半導体
    電界効果型のバイオセンサにおいて、前記TFTのゲー
    ト電極上にはイオン感応領域を有し、且つ、前記チャネ
    ル領域の下層に絶縁膜を介してバックゲートを有するこ
    とを特徴とするバイオセンサ。
  3. 【請求項3】前記請求項2に記載の発明において、前記
    バックゲートは前記ゲート電極の下層に絶縁膜を介して
    配置されることを特徴とするバイオセンサ。
  4. 【請求項4】前記請求項1乃至3に記載の発明におい
    て、前記バックゲートに印可する電圧を変化させて前記
    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。
  5. 【請求項5】前記TFTは多結晶シリコンからなること
    を特徴とする前記請求項1乃至4に記載のバイオセン
    サ。
  6. 【請求項6】前記TFTはアモルファスシリコンからな
    ることを特徴とする前記1乃至4に記載のバイオセン
    サ。
  7. 【請求項7】前記基板は有機高分子材料からなることを
    特徴とする前記請求項1乃至6に記載のバイオセンサ。
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