JP2004085392A

JP2004085392A - 炭素元素線状構造体を用いた電界効果トランジスタ化学センサー

Info

Publication number: JP2004085392A
Application number: JP2002247446A
Authority: JP
Inventors: Mizuhisa Nihei; 二瓶　瑞久; Tatsuya Usuki; 臼杵　達哉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】ゲート電極の平面的な表面積を増大することなく検出感度が実効的に向上した電界効果トランジスタ利用の化学センサーを提供すること。
【解決手段】半導体基板３１に形成したソース領域３２とドレイン領域３４、ソース領域３２とドレイン領域３４間のチャネル部、及びこのチャネル部からゲート絶縁膜３６により絶縁されたゲート電極５２を有し、且つ、ソース領域３２とドレイン領域３４間に所定電圧を印加する電圧源４６を含み、ゲート電極５２が、上面を有する下方部分３８と、その上面から上方に延び出した、カーボンナノチューブに代表される炭素元素線状構造体５０により構成されている化学センサー３０とする。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブに代表される炭素元素線状構造体を感知部に用いた電界効果トランジスタを利用する化学センサーに関する。より具体的に言えば、本発明は、感知部に炭素元素線状構造体を用い、信号発生部に電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））を用いた電界効果トランジスタ化学センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学センサーは、特定の物質を感知する感知部と、そこで生じる化学量の変化を信号として発生させる信号発生部とを組み合わせた検出装置である。例えば、溶液中の特定のイオンに応答し、その濃度の測定を可能にする装置は、イオンセンサーとして知られる化学センサーであり、イオン感応型電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ（Ｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））センサーと呼ばれる。
【０００３】
ＩＳＦＥＴイオンセンサーは、ＭＯＳＦＥＴの動作原理を利用しており、例えば、ＩＳＦＥＴを用いたｐＨセンサーが既に実用化されている。ＭＯＳＦＥＴでは、ソース・ドレイン電極間のチャネル部分からゲート絶縁膜（ＳｉＯ_２膜等）で絶縁されたゲート電極に印加する電圧によりチャネル電流を静電誘導的に制御する。非常に大きな入力抵抗のため、ソース・ドレイン間電流の制御には大きな入力パワーは必要なく、イオン吸着等による静電的なポテンシャル変化でチャネル電流変化を誘発することが可能である。
【０００４】
図１に従来のＩＳＦＥＴ構造のｐＨセンサー１０を示す。このセンサー１０では、ソース１２とドレイン１４間に電圧源２２により電圧Ｖ_ｄｓを印加し、ソース１２とドレイン１４間の電流を、ソース１２とゲート電極１６間に可変電圧源２４により印加する電圧Ｖ_ｇｓにより所定の電流Ｉ_ｄｓに設定する。このセンサー１０は、参照電極（リファレンス電極）１８とゲート電極１６間の溶液２０中のＨ^＋イオン濃度に依存して変化するＩ_ｄｓの変化を電流計２６で検出することで、センサーとして動作する。
【０００５】
ゲート電極１６の表面にはＨ^＋イオンに選択的に応答する特別な酸化膜（イオン感応膜）２８が形成されている。この膜２８は、例えば、アルミナ膜、または、Ｌｉ_２Ｏ（２８％）−Ｃｓ_２Ｏ（３％）−Ｌａ_２Ｏ_３（４％）−ＳｉＯ_２（６５％）の組成を持つガラス膜でよく、これらはｐＨ＝０〜１４の範囲でほとんどＨ^＋イオンだけに選択的に応答する。センサー１０を溶液中に浸した時、溶液中のＨ^＋イオン濃度に依存して、参照電極１８とゲート電極１６の間でイオンが移動することでゲート電極１６の電位が変化し、それに応じてソース１２とドレイン１４間の電流Ｉ_ｄｓが変化し、その信号によりｐＨを測定することができる。センサー１０は、ゲート電極１６表面の膜２８の種類に依存して、様々なセンサーになり得る。例えば、上記のガラス膜のＳｉＯ_２の一部をＡｌ_２Ｏ_３で置換すると、Ｎａ^＋イオンセンサーとして使用できる。（松田好晴・岩倉千秋共著「電気化学概論」、丸善）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１を参照して説明した従来の電界効果トランジスタ利用の化学センサー１０では、ゲート電極１６上の酸化膜２８が溶液２０に接している面積（この面積はゲート電極１６の表面積にほぼ等しい）によって検出感度が決まり、このため検出感度を高めるためには平面的なゲート電極面積を単純に大きくする方法がとられている。しかし、ゲート電極面積を大きくすることにはセンサー素子サイズが大きくなる欠点がある。特に、多数のセンサーをアレイ化したイメージングセンサーを作製する場合、個々のセンサーのゲート電極面積を大きくすることは空間分解能を劣化させるため好ましくない。
【０００７】
そこで、本発明は、ゲート電極の平面的な表面積を増大することなく検出感度を実効的に上昇させるのを可能にする電界効果トランジスタ利用の化学センサーの提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、電界効果トランジスタ利用の化学センサーの検出感度をゲート電極の平面的な表面積を増大することなく実効的に上げるための手段として、アスペクト比が非常に大きいナノ材料である、カーボンナノチューブに代表される炭素元素線状構造体を用いる。
【０００９】
従って、本発明の化学センサーは、半導体基板に形成したソース領域とドレイン領域、ソース領域とドレイン領域間のチャネル部、及びこのチャネル部からゲート絶縁膜により絶縁されたゲート電極を有し、且つ、ソース領域とドレイン領域間に所定電圧を印加する電圧源を含む化学センサーであって、ゲート電極が、上面を有する下方部分と、その上面から上方に延び出した炭素元素線状構造体により構成されていることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、炭素元素線状構造体はゲート電極のうちの下方部分の上面の金属シリサイド層からの成長により形成される。金属シリサイドを構成する金属は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅのいずれか、又はこれらの金属の合金であるのが好ましい。
【００１１】
炭素元素線状構造体には、感知しようとする物質（感知対象物質）の感知を選択的に促進する材料を付着させてもよい。そのような材料としては、例えば、感知対象物質を選択的に吸着あるいは透過する物質を使用することができる。
【００１２】
液中にある感知対象物質の感知のために液に浸して使用する場合、本発明のセンサーは、ソース領域とゲート電極間に可変電圧を印加するための可変電圧源及び参照電極を更に含むことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
電界効果トランジスタを利用する本発明の化学センサーでは、その検出感度をゲート電極の平面的な表面積を増大することなく実効的に向上させるための手段として、アスペクト比が非常に大きいナノ材料のカーボンナノチューブ等の炭素元素線状構造体を、ゲート電極のうちの下方部分の表面から上方に延び出した形で用いることにより、ゲート電極のうちの感知対象物質の感知に有効な部分の表面積を実質的に増加させ、それにより検出感度を上昇させている。
【００１４】
炭素元素線状構造体の一例であるカーボンナノチューブは、炭素原子がｓｐ２という最も強い結合で６員環状に組み上げられたグラファイトシートを筒状に丸めた円筒構造を持つ、最小直径が０．４ｎｍの線状のナノ構造体である。カーボンナノチューブには、半導体的性質を示すタイプと金属的性質を示すタイプの両方が存在し、本発明では金属的性質を示すタイプのカーボンナノチューブを使用する方が好ましい。また、単一の円筒体からなる単層チューブと、同心状の複数の円筒体を有する多層チューブが知られており、本発明ではどちらのカーボンナノチューブを使用することも可能である。
【００１５】
炭素原子から構成される同様の線状ナノ構造体として、カーボンナノチューブ以外に、例えばカップスタック型構造体、カーボンファイバーなどと呼ばれるものが知られており、本発明ではカーボンナノチューブと同様にそれらのいずれも使用可能であり、そしてそれらを炭素元素線状構造体と総称することにする。また、このほかに、複数の線状要素が二次元あるいは三次元的に連結して形成され、「網状」あるいは「くもの巣状」などと称される構造体も知られており、ここではそれらも炭素元素線状構造体に含めるものとする。本発明の化学センサーにおいては、カーボンナノチューブ、カップスタック型構造体、カーボンファイバーなどの炭素元素線状構造体は、一般に複数の構造体がゲート電極の一部として用いられるのに対し、複数の線状要素が二次元あるいは三次元的に連結して形成された網状あるいはくもの巣状などと称される炭素元素線状構造体は、単一の構造体のみが用いられることもある。
【００１６】
以下、代表的な炭素元素線状構造体の一つであるカーボンナノチューブを使用する例により、本発明の化学センサーを説明することにする。
図２に、本発明の化学センサー３０を模式的に示す。この化学センサー３０は、半導体基板３１に形成したＭＯＳＦＥＴ構造を含み、このＭＯＳＦＥＴ構造は半導体基板３０中に形成したソース領域３２、ドレイン領域３４、ソース領域３２とドレイン領域３４間のチャネル部の上に形成されたゲート絶縁膜３６、その上のゲート電極下方部分３８を含む。更に、ソース領域３２にはソース電極４０が、またドレイン領域３４にはドレイン電極４２が、それぞれ接続し、そしてゲート電極下方部分３８の頭部を除き、ＭＯＳＦＥＴ構造の全体が絶縁膜４４で覆われている。ソース電極４０とドレイン電極４２は、ソース領域３２とドレイン領域３４間に所定電圧を印加する電圧源４６につながっており、そしてこの回路には、ソース領域３２とドレイン領域３４間を流れる電流Ｉ_ｄｓの測定を可能にする電流計４８が含まれている。
【００１７】
本発明の化学センサー３０の特徴は、ゲート電極下方部分３８の表面から上方に延び出した炭素元素線状構造体としてのカーボンナノチューブ５０を備えている点にある。これらのカーボンナノチューブ５０は、ゲート電極下方部分３８とともに、本発明の化学センサー３０におけるＭＯＳＦＥＴ構造のゲート電極５２を形成する。カーボンナノチューブ５０は、図に模式的に示すように、ゲート電極下方部分３８上に垂直配向させて密に形成することができ、図１に示したゲート電極１６に比べて、実効的な感知面積を増加することが可能である。カーボンナノチューブ５０に代えて、上述のカップスタック型構造体、カーボンファイバー、又は網状構造体あるいはくもの巣状構造体などと呼ばれる炭素元素線状構造体を使用することもできる。
【００１８】
この化学センサー３０で使用する電界効果トランジスタは、周知の電界トランジスタ製造方法で作製することができる。ゲート絶縁膜３６の上にポリシリコンで形成したゲート電極下方部分３８上に、薄い金属シリサイド層（図示せず）を形成し、この金属シリサイド層を構成する金属を触媒として、カーボンナノチューブをゲート電極下方部分３８の表面に対し垂直配向成長させる。触媒となり得る金属のＮｉ、Ｃｏ又はＦｅ、あるいはそれらの合金のシリサイド層上に、プラズマあるいは熱励起の化学気相成長法を用い、成長中に基板に対し垂直に電界を印加することにより、カーボンナノチューブの垂直配向成長が可能である。
【００１９】
ゲート電極下方部分３８とその上に垂直配向成長した一群のカーボンナノチューブ５０から構成されたゲート電極５２を備えた図２の化学センサー３０は、カーボンナノチューブ５０に酸素（Ｏ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）などのガス分子を吸着することにより、これらのガスの検出に利用することができる。カーボンナノチューブ５０がＯ_２を吸着した場合、それがカーボンナノチューブから電子を引き抜くことにより、一方、カーボンナノチューブ５０がＮＨ_３を吸着した場合には、それがカーボンナノチューブから正孔（ホール）を引き抜くことにより、カーボンナノチューブの荷電状態に変化を生じさせることができる。そしてこのカーボンナノチューブ５０の荷電状態の変化、すなわちゲート電極５２の荷電状態の変化に応じて変化するソース・ドレイン間のチャネルのコンダクタンスの変化を、電流計４８で電流Ｉ_ｄｓの変化として検出することにより、化学センサー３０による感知対象ガスの検出が可能となる。ゲート電極下方部分３８上に垂直配向成長した一群のカーボンナノチューブ５０の総表面積は、ゲート電極下方部分３８の上面の表面積に比べて大きく、そのため通常のＭＯＳＦＥＴにおけるゲート電極に相当するゲート電極下方部分３８の平面的な表面積を増大することなしにセンサー３０の検出感度を実効的に上昇させることができる。
【００２０】
本発明の化学センサーの炭素元素線状構造体としてのカーボンナノチューブの表面には、感知対象物質の感知を選択的に促進する材料を付着させてもよい。図３に、本発明のこの態様の化学センサーを例示する。
【００２１】
図３に模式的に示した化学センサー６０は、図２に示した化学センサー３０におけるように、半導体基板３１に形成したソース領域３２、ドレイン領域３４、半導体基板３１上に形成したゲート絶縁膜３６、その上のゲート電極下方部分３８と一群のカーボンナノチューブ５０とで形成されたゲート電極５２を有し、且つ、ソース領域３２及びドレイン領域３４にそれぞれ接続するソース電極４０及びドレイン電極４２を含み、そしてゲート電極下方部分３８の頭部を除いて絶縁膜４４で覆われている。ソース電極４０とドレイン電極４２は、ソース領域３２とドレイン領域３４間に所定電圧を印加する電圧源４６につながり、そしてこの回路には、ソース領域３２とドレイン領域３４間を流れる電流Ｉ_ｄｓの測定を可能にする電流計４８が含まれている。
【００２２】
この態様の化学センサー６０における特徴は、ゲート電極５２の一部を構成するカーボンナノチューブ５０の表面を覆う、感知対象物質の感知を選択的に促進する材料の膜６２を備えていることにある。この材料は、感知対象物質を選択的に、例えば吸着あるいは透過することにより、その物質の感知を選択的に促進することができる材料でよい。この膜６２は、個々のカーボンナノチューブ５０の表面を覆う膜でもよく、あるいは一群のカーボンナノチューブ５０の集合体を覆う膜として形成してもよい。感知に有効な表面積の観点からは、膜６２は個別の又は集合体としての炭素元素線状構造体の全体を覆う方が好ましいが、その一部のみを覆う態様も本発明の範囲内に含まれる。また、膜６２に代えて、分子（例えばＣＯＯＨ基等の官能基）を用いてもよい。
【００２３】
本発明においてこのような膜６２を形成するのに使用可能な材料の代表例は、Ｈ^＋イオンを選択的に透過させることによりＨ^＋イオンに選択的に応答することができるアルミナ膜やＬｉ_２Ｏ（２８％）−Ｃｓ_２Ｏ（３％）−Ｌａ_２Ｏ_３（４％）−ＳｉＯ_２（６５％）の組成を持つガラス膜、あるいはＮａ^＋イオンに選択的に応答することができる、上記ガラス膜のＳｉＯ_２の一部をＡｌ_２Ｏ_３で置換したガラス膜などである。
【００２４】
膜６２の材料に例えばアルミナを用いた本発明の化学センサー６０は、溶液中のＨ^＋イオンの検出のために、溶液中に浸漬して使用される。この場合、図３に示したように、ゲート電極５２に対向するように溶液６４中に位置する参照電極６６が設けられ、そしてソース電極４０とゲート電極５２間に可変電圧を印加する可変電圧源６８が設けられる。このセンサー６０は、ゲート電極５２の一部を構成するカーボンナノチューブ５０を覆う膜６２を通してカーボンナノチューブへのイオンの吸着によりゲート電極５２の静電的な電位が変化し、それに応じて変化するソース・ドレイン間の電流の変化を検出することにより動作する。
【００２５】
図２に例示したゲート電極５２のカーボンナノチューブ５０が露出されたセンサー３０は気体のＯ_２やＮＨ_３の検出を例に説明され、一方図３に例示したゲート電極５２のカーボンナノチューブ５０が膜６２で覆われたセンサー６０は溶液中のＨ^＋イオンの検出を例に説明されてはいるが、図２のセンサー３０を溶液中の感知対象物質の検出に用いることも、あるいは図３のセンサー６０を気体の感知対象物質の検出に用いることも可能である。この場合、図２のセンサー３０には、図３のセンサーで用いるような参照電極と可変電圧源を用いるのが好ましく（例えばセンサーの感度の向上のために）、図３のセンサー６０では参照電極６６と可変電圧源６８が省かれる。更に、図２と図３に示した両方のセンサーとも、溶液あるいは気体の分析ばかりでなく、固体の分析への応用が可能であり、あるいは固体、溶液及び気体の任意の混合物の分析への応用も可能である。
【００２６】
図２及び図３を参照して説明した化学センサーは、それぞれ、カーボンナノチューブへの気体分子の吸着によるカーボンナノチューブの電荷状態の変化、及びカーボンナノチューブを覆う膜を通したカーボンナノチューブへのイオン吸着によるゲート電極の静電的な電位変化を基に、感知対象物質の感知を行う。本発明は、このようなゲート電極の電気的状態の変化を利用して感知するセンサーばかりでなく、ゲート電極の一部を構成するカーボンナノチューブに接続した生物学的な検出素子（例えば抗体）と感知対象物質の有機高分子化合物（例えば蛋白質）との相互作用によってチャネル電流変化を誘発するようなバイオセンサーにも応用可能である。
【００２７】
図４に、そのようなバイオセンサーの一例を示す。この図のセンサー７０は、やはり図２に示した化学センサー３０におけるように、半導体基板３１に形成したソース領域３２、ドレイン領域３４、半導体基板３１上に形成したゲート絶縁膜３６、その上のゲート電極下方部分３８と一群のカーボンナノチューブ５０とで形成されたゲート電極５２を有し、且つ、ソース領域３２及びドレイン領域３４にそれぞれ接続するソース電極４０及びドレイン電極４２を含み、そしてゲート電極下方部分３８の頭部を除いて絶縁膜４４で覆われている。ソース電極４０とドレイン電極４２は、ソース領域３２とドレイン領域３４間に所定電圧を印加する電圧源４６につながり、そしてこの回路には、ソース領域３２とドレイン領域３４間を流れる電流Ｉ_ｄｓの測定を可能にする電流計４８が含まれている。
【００２８】
この化学センサー（バイオセンサー）７０におけるカーボンナノチューブ５０の先端には、溶液８０中の特定の感知対象蛋白質７２に特異的に結合する抗体７４が配置されれており、蛋白質７２が抗体７４に結合することにより誘起されるチャネル電流変化を検出することによって、蛋白質７２の分析が可能である。
【００２９】
次に、図３に例示した本発明の化学センサーの製造例を説明することにする。図５（ａ）に示したように、シリコン基板１０２上にゲート酸化膜となるＳｉＯ_２膜１０４、ゲート電極下方部分となるポリシリコン膜１０６を順次形成する。ＳｉＯ_２膜１０４の形成にはシリコン基板１０２の熱酸化法を用い、ポリシリコン膜１０６の形成にはプラズマＣＶＤ法を用いる。
【００３０】
次に、ポリシリコン膜１０６上にレジスト膜（図示せず）を形成し、パターニングによりゲート電極領域に残したレジスト膜をマスクに、ゲート電極領域以外のポリシリコン膜１０６とＳｉＯ_２膜１０４をフッ素系エッチング剤でのドライエッチングにより除去する（図５（ｂ））。
【００３１】
続いて、図５（ｃ）に示したように、ゲート、ソース、ドレインの各領域にＣｏシリサイド膜１０８を、次のようにして形成する。スパッタ法によりＣｏ膜（図示せず）を形成し、アニール処理により下地のシリコンとＣｏの一部を反応させ、未反応Ｃｏ膜を除去する。例えば、８００℃、３０秒のアニール処理により低抵抗なＣｏシリサイドのＣｏＳｉ_２が形成される。未反応Ｃｏは、例えば硝酸水溶液によるウェットエッチングで除去する。
【００３２】
次いで、スパッタ法により全面にＡｌ膜を形成後、ソース、ドレイン領域にパターニングによりレジスト膜（図示せず）を形成し、それをマスクにＡｌ膜を塩素系エッチング剤でドライエッチングして、ソース電極１１４、ドレイン電極１１６を形成する（図５（ｄ））。Ａｌ膜と下地シリサイド層１０８との反応を防ぐために、それらの間にＴｉＷ膜等のバリア材を挿入する場合もある。
【００３３】
次に、全面に封止材料による封止膜１１８を形成する。封止材料としては、例えば、エポキシ樹脂、あるいはプラズマＣＶＤ法によるＳｉ系絶縁膜を使用する。その後、ゲート電極領域に開口を持つようパターニングしたレジスト膜（図示せず）をマスクに、封止膜１１８をゲート電極下方部分１０６上のシリサイド層１０８が露出するまで、フッ素系エッチング剤でドライエッチングする（図６（ａ））。
【００３４】
続いて、図６（ｂ）に示したように、露出したＣｏシリサイド層１０８上に、例えばＣＨ_４ガスを原料としたプラズマあるいは熱ＣＶＤ法によってカーボンナノチューブ１２０を成長させる。カーボンナノチューブ１２０は、Ｃｏシリサイド層１０８に存在するＣｏを触媒として成長する。このとき、シリサイド層１０８の上に、新たに触媒金属を配置してもかまわない。ＣＶＤ成長時にゲート電極下方部分１０６の表面に対し垂直方向へ電界印加することにより、カーボンナノチューブ１２０の垂直配向成長が可能となる。
【００３５】
カーボンナノチューブ成長は高周波（ＲＦ）プラズマＣＶＤ法を用いて行う。成長条件は次の通り。例えば、反応ガスとしてメタンと水素の混合ガスをそれぞれ４０ｓｃｃｍ、６０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ内に導入し、圧力２００Ｐａ、２．４５ＧＨｚマイクロ波パワー２ｋＷ、基板温度４００℃とする。垂直配向させるために、チャンバ（接地）に対して基板にマイナス４００Ｖの直流（ＤＣ）電界を印加する。反応ガスは炭素を含むガスであれば限定せず、アセチレン等のガスを使用することも可能である。
【００３６】
また、プラズマＣＶＤ法に限らず、直流（ＤＣ）プラズマと熱フィラメントを組み合わせたＤＣプラズマ熱フィラメントＣＶＤ法を用いてもよい。その場合、例えば、反応ガスとしてアセチレンと水素の混合ガスをそれぞれ８０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ内に導入し、圧力１０００Ｐａ、基板温度６００℃、熱フィラメント温度１８００℃とする。垂直配向させるために、チャンバ（接地）に対して基板にマイナス４００Ｖの直流（ＤＣ）電界を印加する（これがＤＣプラズマの意味）。
【００３７】
従来の熱ＣＶＤ法や熱フィラメントＣＶＤ法を用いてもカーボンナノチューブ成長は可能であるが、直流（ＤＣ）電界を印加する機構を持たない場合にはカーボンナノチューブは配向せずにくもの巣状になる。
【００３８】
次いで、図６（ｃ）に示したように、カーボンナノチューブ１２０を覆うようにイオン感応膜としてのアルミナ膜１２２を、例えばスパッタ法により形成する。
【００３９】
このようにして、カーボンナノチューブ１２０によりゲート電極の感知対象物質に接する実効的な表面積が増大し、検出感度が向上した化学センサーを得ることができる。ここで説明した例においては、電圧源、電流計や、参照電極について言及していないが、それらとしては通常の電界効果トランジスタセンサーで使用されているものを使用することができる。
【００４０】
本発明は、以上説明したとおりであるが、その特徴を種々の態様ととも付記すれば、次のとおりである。
（付記１）半導体基板に形成したソース領域とドレイン領域、ソース領域とドレイン領域間のチャネル部、及びこのチャネル部からゲート絶縁膜により絶縁されたゲート電極を有し、且つ、ソース領域とドレイン領域間に所定電圧を印加する電圧源を含む化学センサーであって、ゲート電極が、上面を有する下方部分と、その上面から上方に延び出した炭素元素線状構造体により構成されていることを特徴とする化学センサー。
（付記２）前記炭素元素線状構造体が、前記ゲート電極の下方部分の上面から垂直配向して形成されている、付記１記載の化学センサー。
（付記３）前記炭素元素線状構造体が、前記ゲート電極の下方部分の上面に位置する金属シリサイド層の上に配置されている、付記１又は２記載の化学センサー。
（付記４）前記金属シリサイド層における当該金属が、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅのいずれか、又はこれらの金属の合金である、付記３記載の化学センサー。
（付記５）当該センサーで感知しようとする物質の感知を選択的に促進する材料が前記炭素元素線状構造体に付着している、付記１から４までのいずれか一つに記載の化学センサー。
（付記６）複数の個別の炭素元素線状構造体が用いられ、前記材料が個々の炭素元素線状構造体を覆う膜を形成している、付記５記載の化学センサー。
（付記７）複数の個別の炭素元素線状構造体が用いられ、前記材料が炭素元素線状構造体の集合体を覆っている、付記５記載の化学センサー。
（付記８）単一の炭素元素線状構造体が用いられ、前記材料がこの炭素元素線状構造体の全体を覆っている、付記５記載の化学センサー。
（付記９）前記材料が、当該センサーが感知しようとする物質を選択的に吸着あるいは透過する材料である、付記５から８までのいずれか一つに記載の化学センサー。
（付記１０）前記材料が、アルミナ、Ｌｉ_２Ｏ（２８％）−Ｃｓ_２Ｏ（３％）−Ｌａ_２Ｏ_３（４％）−ＳｉＯ_２（６５％）の組成を持つガラス材料、又はこのガラス材料のＳｉＯ_２の一部をＡｌ_２Ｏ_３で置換したガラス材料である、付記９記載の化学センサー。
（付記１１）前記ソース領域と前記ゲート電極間に可変電圧を印加するための可変電圧源及び参照電極を更に含む、付記１から１０までのいずれか一つに記載の化学センサー。
（付記１２）前記炭素元素線状構造体がカーボンナノチューブである、付記１から１１までのいずれか一つに記載の化学センサー。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ゲート電極の平面的な表面積を増大することなく検出感度が実効的に上昇した電界効果トランジスタ利用の化学センサーを提供することができる。本発明の化学センサーは、多数のセンサーをアレイ化したイメージングセンサーとして利用する場合に、空間分解能の低下を招くことがなく、特に有利に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電界効果トランジスタを利用する従来の化学センサーの例を説明する図である。
【図２】本発明の一態様の化学センサーを説明する図である。
【図３】本発明のもう一つの態様の化学センサーを説明する図である。
【図４】本発明の更に別の態様の化学センサーを示す図である。
【図５】図３に示した化学センサーを製造する前半の工程を説明する図である。
【図６】図３に示した化学センサーを製造する後半の工程を説明する図である。
【符号の説明】
３０、６０、７０…化学センサー
３１…半導体基板
３２…ソース領域
３４…ドレイン領域
３６…ゲート絶縁膜
３８…ゲート電極下方部分
４６…電圧源
４８…電流計
５０…カーボンナノチューブ
５２…ゲート電極
６２…感知対象物質の選択感知を可能にする材料膜
６６…参照電極
６８…可変電圧源
７２…蛋白質
７４…抗体

Claims

半導体基板に形成したソース領域とドレイン領域、ソース領域とドレイン領域間のチャネル部、及びこのチャネル部からゲート絶縁膜により絶縁されたゲート電極を有し、且つ、ソース領域とドレイン領域間に所定電圧を印加する電圧源を含む化学センサーであって、ゲート電極が、上面を有する下方部分と、その上面から上方に延び出した炭素元素線状構造体により構成されていることを特徴とする化学センサー。
前記炭素元素線状構造体が、前記ゲート電極の下方部分の上面から垂直配向して形成されている、請求項１記載の化学センサー。
前記炭素元素線状構造体が、前記ゲート電極の下方部分の上面に位置する金属シリサイド層の上に配置されている、請求項１又は２記載の化学センサー。
前記金属シリサイド層における当該金属が、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅのいずれか、又はこれらの金属の合金である、請求項３記載の化学センサー。
当該センサーで感知しようとする物質の感知を選択的に促進する材料が前記炭素元素線状構造体に付着している、請求項１から４までのいずれか一つに記載の化学センサー。
前記材料が、当該センサーが感知しようとする物質を選択的に吸着あるいは透過する材料である、請求項５記載の化学センサー。
前記材料が、アルミナ、Ｌｉ_２Ｏ（２８％）−Ｃｓ_２Ｏ（３％）−Ｌａ_２Ｏ_３（４％）−ＳｉＯ_２（６５％）の組成を持つガラス材料、又はこのガラス材料のＳｉＯ_２の一部をＡｌ_２Ｏ_３で置換したガラス材料である、請求項６記載の化学センサー。
前記ソース領域と前記ゲート電極間に可変電圧を印加するための可変電圧源及び参照電極を更に含む、請求項１から７までのいずれか一つに記載の化学センサー。
前記炭素元素線状構造体がカーボンナノチューブである、請求項１から８までのいずれか一つに記載の化学センサー。