JP2007322270A - 半導体センサ及び同定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確に被検体を同定することができる半導体センサ及びそれを用いた同定方法を提供する。
【解決手段】絶縁基板２にダブルゲート型薄膜トランジスタ３が設けられている。ダブルゲート型薄膜トランジスタ３のボトムゲート電極４が絶縁基板２に形成され、ボトムゲート電極４上に下部絶縁膜５が成膜され、下部絶縁膜５上に半導体層６が形成され、半導体層６の両側に不純物半導体層７，８が形成され、不純物半導体層７，８上にソース電極１１，ドレイン電極１２が形成され、半導体層６上面中央部に上部絶縁層９が形成され、上部絶縁膜９の上面中央部にトップゲート電極１０が形成され、絶縁基板２上に形成された第１プローブ電極４１がボトムゲート電極４に接続されている。第２プローブ電極４２が第１プローブ電極４１に対向し、第１プローブ電極４１と第２プローブ電極４２の間に被検体９９が充填される。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体の同定検査に用いる半導体センサ及びその半導体センサを用いた同定方法に関する。

薄膜トランジスタは、絶縁基板の上に半導体膜、絶縁膜、ゲート電極の順に積層し、半導体膜の両脇に不純物半導体膜を形成し、不純物半導体膜にそれぞれソース電極、ドレイン電極を接続したものである。従来、薄膜トランジスタを用いて、ＤＮＡ等の被検体を同定することが知られている。特許文献１に記載されているように、被検体が２つの電極の間に介在し、被検体がキャパシタの誘電体として機能し、キャパシタの一方の電極が薄膜トランジスタのゲート電極に接続され、キャパシタの他方の電極に電圧が印加され、薄膜トランジスタのゲート電圧がキャパシタの容量によって定まる。キャパシタの容量が被検体の誘電率によって定まるため、薄膜トランジスタのゲート電圧は被検体の誘電率によって定まる。薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極との間に電圧を印加すると、ドレイン電流が流れ、ドレイン電流の大きさはゲート電極の電圧の高さによって定まる。従って、ドレイン電流を測定すれば、ドレイン電流の測定値からゲート電極の電圧、キャパシタの容量及び被検体の誘電率が求まり、誘電率により被検体を同定することができる。
特開２００３−３２２６３３号公報

しかしながら、絶縁基板がフローティング状態であるため、絶縁基板の表面の電圧が安定しない。そのため、半導体層の電位にも影響を与え、ドレイン電流にノイズが生じ、ドレイン電流からゲート電極の電圧を一義的に求めることができず、被検体を正確に同定することができないという問題があった。

そこで、本発明は、正確に被検体を同定することができる半導体センサ及びそれを用いた同定方法を提供すること目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、基板と、前記基板上に形成される第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極上に、絶縁膜を介して形成される半導体層と、前記半導体層上に、絶縁膜を介して形成される第２のゲート電極と、前記半導体層の両側に不純物半導体層を介して形成される電極と、前記第１のゲート電極及び第２のゲート電極の何れか一方に接続されて、前記基板上に形成される第１プローブ電極と、前記第１プローブ電極から離間し、所定の電位に設定される第２プローブ電極と、を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の半導体センサにおいて、前記第２プローブ電極は、前記第１プローブ電極に対し所定間隔で対向して配置され、前記第１プローブ電極と前記第２プローブ電極の間隙に被検体が充填されることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の半導体センサにおいて、前記第１プローブ電極と前記第２プローブ電極との間にスペーサが挟まれていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の半導体センサにおいて、前記第２プローブ電極が前記第１プローブ電極と同一の面上に配置されるとともに前記第２プローブ電極が前記第１プローブ電極との間に所定幅の間隔をおいて配置され、被検体が前記第１プローブ電極から前記第２プローブ電極にかけて前記間隔を跨って滴下されることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、半導体センサを用いた被検体の同定方法であって、前記半導体センサは、基板上に形成される第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極上に、絶縁膜を介して形成される半導体層と、前記半導体層上に、絶縁膜を介して形成される第２のゲート電極と、前記半導体層の両側に不純物半導体層を介して形成されるソース電極及びドレイン電極と、前記第１のゲート電極及び第２のゲート電極の何れか一方に接続されて、前記基板上に形成される第１プローブ電極と、前記第１プローブ電極から離間して形成される第２プローブ電極と、を備え、前記第１プローブ電極と前記第２プローブ電極との間に被検体を介在させ、前記第２プローブ電極に第１の電位を印加し、前記２つのゲート電極のうち前記第１プローブ電極に接続されていないゲート電極に第２の電位を印加し、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に所定の電圧を印加し、ドレイン電流を測定することにより、前記被検体を同定することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の同定方法において、前記第２プローブ電極は、前記第１プローブ電極に対し所定間隔で対向して配置され、前記第１プローブ電極と前記第２プローブ電極の間隙に前記被検体を充填する工程を含むことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項５に記載の同定方法において、前記第２プローブ電極が前記第１プローブ電極と同一の面上に配置されるとともに前記第２プローブ電極が前記第１プローブ電極との間に所定幅の間隔をおいて配置され、被検体を前記第１プローブ電極から前記第２プローブ電極にかけて前記間隔を跨って滴下する工程を含むことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項５から７の何れか一項に記載の同定方法において、前記第１の電位を変化させて、前記ドレイン電流を測定することを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項５から８の何れか一項に記載の同定方法において、前記第２の電位を変化させて、ドレイン電流を測定することを特徴とする。

本発明によれば、半導体センサが、半導体層を挟んで第１のゲート電極及び第２のゲート電極が対向して設けられたダブルゲート構造を有するとともに、第１のゲート電極及び第２のゲート電極の何れか一方に接続される第１プローブ電極と第１プローブ電極から離間して設けられる第２プローブ電極との間に被検体を挿入することができる構成を備える。これにより、第１プローブ電極と第２プローブ電極との間に被検体を挿入すると、第１プローブ電極と第２プローブ電極との間に、被検体の誘電率に応じた容量値の容量素子が形成される。そして、第２プローブ電極に所定の電位を印加すると、第１プローブ電極に接続されたゲート電極が被検体の誘電率に応じた電位になる。ここで、半導体層に対し、第１プローブ電極が接続されていない側にもゲート電極を有しているため、半導体層の電位が安定する。そのため、ソース電極とドレイン電極との間の電圧によって半導体層に流れるドレイン電流が安定し、このドレイン電流の測定値から被検体を正確に同定することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明に係わる半導体センサの第１の実施形態における平面図であり、図２は図１に示されたII−IIに沿った面の矢視断面図であり、図３は図１に示されたIII−IIIに沿った面の矢視断面図である。

図１に示すように、絶縁基板２は電気的に絶縁性を有するものであり、ガラス基板、樹脂基板その他絶縁材を板状に形成したものを絶縁基板２として用いる。この絶縁基板２の所定箇所にダブルゲート型薄膜トランジスタ３が形成されている。

図２に示すように、ダブルゲート型薄膜トランジスタ３は以下のように構成されている。ボトムゲート電極４が絶縁基板２の一方の面にパターニングされて形成されている。ボトムゲート電極４上に下部絶縁膜５が成膜され、ボトムゲート電極４が下部絶縁膜５によって被覆されている。下部絶縁膜５上に半導体層６がパターニングされて形成されている。半導体層６の上面中央部には上部絶縁膜９がパターニングされて形成され、上部絶縁膜９の上面両側及び半導体層６の上面両側には不純物半導体層７，８がパターニングされて形成されている。上部絶縁膜９の上面中央部にはトップゲート電極１０がパターニングされて形成され、トップゲート電極１０が上部絶縁膜９を挟んで半導体層６に相対している。また、不純物半導体層７上にソース電極１１がパターニングされて形成され、不純物半導体層８上にドレイン電極１２がパターニングされている。そして、これら全体が保護絶縁膜１３によって被覆されている。ボトムゲート電極４、トップゲート電極１０、ソース電極１１及びドレイン電極１２は、例えばクロム合金、アルミ、アルミ合金等から選択された導電材料により構成されている。

半導体層６は真性アモルファスシリコンからなる。不純物半導体層７，８はシリコンに不純物をドープしたものである。下部絶縁膜５、上部絶縁膜９及び保護絶縁膜１３は、例えば窒化シリコン、酸化シリコンといったシリコン化合物からなる。

図１及び図３に示すように、絶縁基板２上には第１プローブ電極４１がパターニングされて形成されている。この第１プローブ電極４１はダブルゲート型薄膜トランジスタ３のボトムゲート電極４に接続されている。第１プローブ電極４１は例えばボトムゲート電極４と同一の材料よりなり、ボトムゲート電極４と同時にパターニングされて形成される。

図１及び図３に示すように、第１プローブ電極４１の上では開口部５１が下部絶縁膜５及び保護絶縁膜１３に形成され、第１プローブ電極４１が露出している。第１プローブ電極４１の上には、例えばスペーサ４３が散布されている。

絶縁基板２には絶縁基板５２が対向して設けられている。絶縁基板５２の一方の面であって絶縁基板２に対向する面には第２プローブ電極４２が成膜されている。第２プローブ電極４２が第１プローブ電極４１に対向し、第１プローブ電極４１と第２プローブ電極４２との間にスペーサ４３が挟まれ、スペーサ４３によって第１プローブ電極４１と第２プローブ電極４２との間の間隔が保たれている。

図１では電極を把握しやすくするために、絶縁基板５２の図示を省略する。また、スペーサ４３は、上述のように第１プローブ電極４１と第２プローブ電極４２との間の間隔を一定に保つためのものであり、図３においては、球状の形状を有するものとしたが、これに限るものではなく、例えば柱状や板状の形状を有するものであってもよい。

なお、ダブルゲート型薄膜トランジスタ３、第１プローブ電極４１、第２プローブ電極４２を一組として、これらの組物をマトリクス状に配列しても良い。

次に、上記のように構成された半導体センサ１を用いて被検体を同定する方法について説明する。ダブルゲート型薄膜トランジスタ３がＮチャネル型であるものとして説明する。

図４は、本実施形態における半導体センサの等価回路図である。また、図５は、各種の材料の電位Ｖ_BGとドレイン電流Ｉ_dとの関係を示したグラフである。図２及び図３に示すように、第１プローブ電極４１と第２プローブ電極４２との間隙に被検体９９を充填する。これにより、第１プローブ電極４１と第２プローブ電極４２との間に被検体９９の誘電率に応じたキャパシタが形成される。次に、図４に示すように、ソース電極１１を接地し、トップゲート電極１０に電位Ｖ_TGを印加する。なお、トップゲート電極１０を接地し、トップゲート電極１０の電位をゼロにしても良い。

そして、第２プローブ電極４２に電位Ｖ_BGを印加する。これにより、ボトムゲート電極４の電位は被検体９９によるキャパシタの分だけ分圧された電位となる。そして、ドレイン電極１２に電位Ｖ_Dを印加すると、ドレイン−ソース間にドレイン電流Ｉ_dが流れる。

そして、ドレイン−ソース間を流れるドレイン電流Ｉ_dを測定することによって、ドレイン電流Ｉ_dの測定値から被検体９９を特定することができる。このとき、電位Ｖ_Dを一定に保って又は電位Ｖ_Dを飽和領域となるように保って_、電位Ｖ_TG、電位Ｖ_BGを変化させてドレイン電流Ｉ_dを測定することによって、電位Ｖ_TGや電位Ｖ_BGとドレイン電流Ｉ_dとの関係から、被検体９９を特定しても良い。

具体的には、誘電率が異なる種々の材料を第１プローブ電極４１と第２プローブ電極４２との間に充填して、種々の材料について電位Ｖ_BG、電位Ｖ_TGを変化させることで、図５に示すようにドレイン電流Ｉ_dと電位Ｖ_TGや電位Ｖ_BGとの関係をシミュレーション又は実験により予め得ておく。そして、検査段階では、被検体９９を第１プローブ電極４１と第２プローブ電極４２との間に充填して、被検体９９について電位Ｖ_BG、電位Ｖ_TGを変化させることで、ドレイン電流Ｉ_dと電位Ｖ_TGや電位Ｖ_BGとの関係を得る。そして、種々の材料のドレイン電流Ｉ_dと電位Ｖ_TGや電位Ｖ_BGとの関係の中から、被検体９９についてのドレイン電流Ｉ_dと電位Ｖ_TGや電位Ｖ_BGとの関係に一致したものを、被検体９９の材料として特定する。

ここで、電位Ｖ_BG、電位Ｖ_TGが共に正又は共に負である場合、ドレイン電流Ｉ_dは電位Ｖ_BG、電位Ｖ_TGのどちらかがゼロである場合よりも大きくなる。一方、電位Ｖ_BG、電位Ｖ_TGのどちらか一方が正であり他方が負である場合、ドレイン電流Ｉ_dを抑える方向に働き、系全体の閾値電圧Ｖ_tが大きくなり、電位Ｖ_TGの変化により系全体の閾値電圧Ｖ_tが変化する。従って、或る材料Ａにおける閾値電圧Ｖ_t（Ａ）が他の材料Ｂにおける閾値電圧Ｖ_t（Ｂ）よりも高いとしたとき、系全体の閾値電圧Ｖ_tがＶ_t（Ａ）を越えＶ_t（Ｂ）未満となるようにトップゲート電極１０の電位Ｖ_TGを設定しておけば、被検体９９が材料Ａである場合には、ドレイン電極１２に電位Ｖ_Dを印加してもドレイン電流Ｉ_dが流れず、材料Ｂである場合には、ドレイン電極１２に電位Ｖ_Dを印加してもドレイン電流Ｉ_dが流れない。これにより、被検体９９が材料Ａであるか又は材料Ｂであるかということを比較的容易に特定することができる。

なお、上記実施形態においては、第１プローブ電極４１がボトムゲート電極４に接続されているものとして説明したが、第１プローブ電極４１がボトムゲート電極４に接続されず、トップゲート電極１０に接続されるものとしても良い。この場合の同定方法においても、ドレイン電流Ｉ_dの測定値から被検体９９を特定することができ、更に、電位Ｖ_Dを一定に保って_、電位Ｖ_TG、電位Ｖ_BGを変化させてドレイン電流Ｉ_dを測定することによって、電位Ｖ_TGや電位Ｖ_BGとドレイン電流Ｉ_dとの関係から、被検体９９を特定することができる。

以上のように、本実施形態によれば、ボトムゲート電極４及びトップゲート電極１０が、絶縁膜を介して半導体層６を挟んで、対向して設けられている。これにより、第２プローブ電極４２及びトップゲート電極１０に所定の電位を印加すると、半導体層６の電位が安定する。そのため、ソース電極１１とドレイン電極１２との間の電圧によって流れるドレイン電流Ｉ_dが安定し、ドレイン電流Ｉ_dにノイズが発生しない。そのため、ドレイン電流Ｉ_dの測定値から被検体を正確に同定することができる。

また、本実施形態においては、各被検体の誘電率の差が比較的小さい場合であっても、トップゲート電極１０に印加する電位の値を制御することにより、各被検体におけるドレイン電流Ｉ_dの測定値の差が比較的大きくなるようにすることができて、このような被検体の同定を正確に行うことができる。

〔第２の実施の形態〕
図６〜図８を用いて、第２実施形態における半導体センサ１Ａについて説明する。ここで、図６は、本発明に係わる半導体センサの第２の実施形態における平面図であり、図７は図６に示されたVII−VII線に沿った面の矢視断面図であり、図８は図６に示されたVIII−VIII線に沿った面の矢視断面図である。以下の説明において、半導体センサ１Ａにおいて、第１の実施形態における半導体センサ１のいずれかの部分に対応する部分に対しては共通数字に”Ａ”を付す。

この半導体センサ１Ａも第１実施形態の半導体センサ１と同様に、絶縁基板２Ａ上にダブルゲート型薄膜トランジスタ３Ａが形成され、ダブルゲート型薄膜トランジスタ３Ａのボトムゲート電極４Ａに第１プローブ電極４１Ａが接続され、第１プローブ電極４１Ａが開口部５１Ａにおいて露出している。ダブルゲート型薄膜トランジスタ３Ａ及び第１プローブ電極４１Ａは第１実施形態の場合と同様に構成されているので、これらの詳細な説明は省略する。

開口部５１Ａは第１実施形態の場合よりも開口面積が大きくなっている。第１実施形態においては第２プローブ電極４２が第１プローブ電極４１に対向して配置されていたが、第２実施形態においては第２プローブ電極４２Ａが第１プローブ電極４１Ａと同一の面上に形成されている。つまり、第２プローブ電極４２Ａは開口部５１Ａ内において絶縁基板２Ａ上に形成され、第２プローブ電極４２Ａが開口部５１Ａ内において露出している。第１プローブ電極４１Ａ及び第２プローブ電極４２Ａは例えば矩形状を有し、第１プローブ電極４１Ａの一辺と第２プローブ電極４２Ａの一辺とが対向して、所定幅の間隙を有して配置されている。

以上のように構成された半導体センサ１Ａを用いて被検体を同定する方法について説明する。
図６及び図８に示すように、開口部５１Ａ内の第１プローブ電極４１Ａと第２プローブ電極４２Ａとの間の間隙を含んで、第１プローブ電極４１Ａと第２プローブ電極４２Ａに跨るように被検体９９Ａを滴下すると、第１プローブ電極４１と第２プローブ電極４２との間に被検体９９Ａが介在し、第１プローブ電極４１Ａと第２プローブ電極４２Ａとの間に被検体９９Ａの誘電率に応じたキャパシタが形成される。次に、ソース電極１１Ａを接地し、トップゲート電極１０Ａに電位Ｖ_TGを印加し、又はトップゲート電極１０Ａを接地する。第２プローブ電極４２Ａに電位Ｖ_BGを印加すると、ボトムゲート電極４Ａの電位は被検体９９Ａによるキャパシタの分だけ分圧された電位となる。そして、ドレイン電極１２Ａに電位Ｖ_Dを印加すると、ドレイン−ソース間にドレイン電流Ｉ_dが流れる。そして、ドレイン−ソース間を流れるドレイン電流Ｉ_dを測定することによって、ドレイン電流Ｉ_dの測定値から被検体９９Ａを特定することができる。このとき、電位Ｖ_Dを一定に保って_、電位Ｖ_TG、電位Ｖ_BGを変化させてドレイン電流Ｉ_dを測定することによって、電位Ｖ_TGや電位Ｖ_BGとドレイン電流Ｉ_dとの関係から、被検体９９Ａを特定しても良い。

なお、第１プローブ電極４１Ａがボトムゲート電極４Ａに接続されず、トップゲート電極１０Ａに接続されるものとしても良い。この場合の同定方法においても、ドレイン電流Ｉ_dの測定値から被検体９９Ａを特定することができ、更に、電位Ｖ_Dを一定に保って_、電位Ｖ_TG、電位Ｖ_BGを変化させてドレイン電流Ｉ_dを測定することによって、電位Ｖ_TGや電位Ｖ_BGとドレイン電流Ｉ_dとの関係から、被検体９９Ａを特定することができる。
また、ダブルゲート型薄膜トランジスタ３Ａ、第１プローブ電極４１Ａ、第２プローブ電極４２Ａを一組として、これらの組物をマトリクス状に配列しても良い。

本発明に係わる半導体センサの第１の実施形態における平面図である。 図１に示されたII−II線に沿った面の矢視断面図である。 図１に示されたIII−III線に沿った面の矢視断面図である。 第１の実施形態における半導体センサの等価回路図である。 各種の材料の電位Ｖ_BGとドレイン電流Ｉ_dとの関係を示したグラフである。 本発明に係わる半導体センサの第２の実施形態における平面図である。 図６に示されたVII−VII線に沿った面の矢視断面図である。 図６に示されたVIII−VIII線に沿った面の矢視断面図である。

符号の説明

１、１Ａ 半導体センサ
２、２Ａ 絶縁基板
３、３Ａ ダブルゲート型薄膜トランジスタ
４、４Ａ ボトムゲート電極
５、５Ａ 下部絶縁膜
６、６Ａ 半導体層
７、７Ａ 不純物半導体層
８、８Ａ 不純物半導体層
９、９Ａ 上部絶縁膜
１０、１０Ａ トップゲート電極
１１、１１Ａ ソース電極
１２、１２Ａ ドレイン電極
４１、４１Ａ 第１プローブ電極
４２、４２Ａ 第２プローブ電極

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板上に形成される第１のゲート電極と、
   前記第１のゲート電極上に、絶縁膜を介して形成される半導体層と、
   前記半導体層上に、絶縁膜を介して形成される第２のゲート電極と、
   前記半導体層の両側に不純物半導体層を介して形成される電極と、
   前記第１のゲート電極及び第２のゲート電極の何れか一方に接続されて、前記基板上に形成される第１プローブ電極と、
   前記第１プローブ電極から離間し、所定の電位に設定される第２プローブ電極と、を備えることを特徴とする半導体センサ。
2. 前記第２プローブ電極は、前記第１プローブ電極に対し所定間隔で対向して配置され、前記第１プローブ電極と前記第２プローブ電極の間隙に被検体が充填されることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
3. 前記第１プローブ電極と前記第２プローブ電極との間にスペーサが挟まれていることを特徴とする請求項２に記載の半導体センサ。
4. 前記第２プローブ電極が前記第１プローブ電極と同一の面上に配置されるとともに前記第２プローブ電極が前記第１プローブ電極との間に所定幅の間隔をおいて配置され、被検体が前記第１プローブ電極から前記第２プローブ電極にかけて前記間隔を跨って滴下されることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
5. 半導体センサを用いた被検体の同定方法であって、
   前記半導体センサは、基板上に形成される第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極上に、絶縁膜を介して形成される半導体層と、前記半導体層上に、絶縁膜を介して形成される第２のゲート電極と、前記半導体層の両側に不純物半導体層を介して形成されるソース電極及びドレイン電極と、前記第１のゲート電極及び第２のゲート電極の何れか一方に接続されて、前記基板上に形成される第１プローブ電極と、前記第１プローブ電極から離間して形成される第２プローブ電極と、を備え、
   前記第１プローブ電極と前記第２プローブ電極との間に被検体を介在させ、
   前記第２プローブ電極に第１の電位を印加し、前記２つのゲート電極のうち前記第１プローブ電極に接続されていないゲート電極に第２の電位を印加し、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に所定の電圧を印加し、ドレイン電流を測定することにより、前記被検体を同定することを特徴とする同定方法。
6. 前記第２プローブ電極は、前記第１プローブ電極に対し所定間隔で対向して配置され、
   前記第１プローブ電極と前記第２プローブ電極の間隙に前記被検体を充填する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の同定方法。
7. 前記第２プローブ電極が前記第１プローブ電極と同一の面上に配置されるとともに前記第２プローブ電極が前記第１プローブ電極との間に所定幅の間隔をおいて配置され、
   被検体を前記第１プローブ電極から前記第２プローブ電極にかけて前記間隔を跨って滴下する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の同定方法。
8. 前記第１の電位を変化させて、前記ドレイン電流を測定することを特徴とする請求項５から７の何れか一項に記載の同定方法。
9. 前記第２の電位を変化させて、ドレイン電流を測定することを特徴とする請求項５から８の何れか一項に記載の同定方法。

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