JP2002296229A

JP2002296229A - バイオセンサ

Info

Publication number: JP2002296229A
Application number: JP2001101309A
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: JP3867510B2

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、特に
イオンを検出するバイオンセンサはＩＳＦＥＴ(Ｉｏｎ
ＳｅｎｓｉｔｉｖｅＦＥＴ)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

【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。