JP2009287989A

JP2009287989A - センサ及びその製造方法

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Publication number: JP2009287989A
Application number: JP2008139045A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Yamabayashi; 智明山林; Osamu Takahashi; 理高橋; Katsunori Kondo; 勝則近藤; Hiroaki Kikuchi; 洋明菊地
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: US20110042673A1; JP5181837B2; WO2009144878A1; US8698210B2; EP2293053A1; CN102027357A

Abstract

【課題】チャネルの形状、反応場の面積及び位置の制約を少なくして、測定感度及びレイアウトの自由度の高いセンサ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】センサ１０は、チャネル１６とは異なる酸化シリコン膜１２ａ上に反応場２０が形成されているので、チャネル１６の形状及び反応場２０の面積をそれぞれ独立に選択できるようになる。この結果、測定感度及びレイアウトの自由度の高めることができる。また、センサ１０は、チャネル１６がポリシリコンで形成されているので、ＴＦＴを製造するのと同様の半導体製造工程を用いて、容易に酸化シリコン膜１２ｂ、ドレイン電極１４、ソース電極１５及びチャネル１６を形成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばバイオセンサやｐＨセンサ等として使用されるセンサ及びその製造方法に関し、特に電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）と呼ぶ）を備えたセンサ及びその製造方法に関する。

従来、バイオセンサやｐＨセンサ等のセンサにおいて、ＦＥＴを用いたものが提案されている（特許文献１〜３参照）。

一般に、この種のセンサでは、ソース電極及びドレイン電極が、絶縁膜上に形成されたチャネルによって電気的に接続されている。チャネル上には、被検出物質の反応場が形成されている。反応場には、被検出物質を固定化するための反応膜が設けられている。そして、通常、反応膜の上から、ゲート電極によってゲート電圧を印加し、そのときのソース−ドレイン電流を測定することにより、反応場に提供されている被検出物質の濃度等を測定する。
特開２００４−８５３９２号公報特開２００６−２０１１７８号公報特開２００７−１３９７６２号公報

ところで、上述したようなセンサにおいては、チャネルが感知部として機能する。従って、チャネルの形状に応じて、ゲート電圧に対するソース−ドレイン電流の変化量（つまり測定感度）が異なる。よって、チャネルの形状は、測定しようとする被検出物の種類等に応じて、自由に選択できることが望ましい。

一方で、反応場の面積も、被検出物質からＦＥＴ基板にかかるポテンシャルに影響を及ぼす。従って、反応場の面積によって測定感度が異なる。よって、反応場の面積も、測定しようとする被検出物の種類等に応じて、自由に選択できることが望ましい。

さらに、反応場の位置は、ユーザの使い勝手や、センサとしてのレイアウト等を考えると、選択の幅が広い方が望ましい。

本発明は、チャネルの形状、反応場の面積及び位置の制約を少なくして、測定感度及びレイアウトの自由度の高いセンサ及びその製造方法を提供する。

本発明のセンサの一つの態様は、酸化シリコン膜を有するシリコン基板と、前記酸化シリコン膜に配置されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、ポリシリコン又はアモルファスシリコンでなり、前記酸化シリコン膜に配置され、前記ソース電極及びドレイン電極に電気的に接続されたチャネルと、前記酸化シリコン膜上に配置された反応場と、を具備する構成を採る。

本発明のセンサ製造方法の一つの態様は、シリコン基板に酸化シリコン膜を形成する工程と、前記酸化シリコン膜に、ポリシリコン膜又はアモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜又はアモルファスシリコン膜に不純物をドーピングする工程と、前記不純物がドーピングされた前記ポリシリコン膜又はアモルファスシリコン膜にソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、前記酸化シリコン膜にゲート電極を形成する工程と、前記酸化シリコン膜に反応場を形成する工程と、を含む。

本発明によれば、反応場がチャネルとは異なる酸化シリコン膜上に配置されるので、チャネルの形状、反応場の面積及び位置の制約が少なくなり、測定感度及びレイアウトの自由度を高くすることができる。また、チャネルがポリシリコン又はアモルファスシリコンで形成されるので、ＴＦＴを製造するのと同様の半導体製造工程を用いて、容易に酸化シリコン膜、ドレイン電極、ソース電極及びチャネルを形成することができ、チャネルの幅及び酸化シリコン膜の厚さも容易に選択できる。この結果、測定感度を容易に変更できるようになる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（１）センサの構成
図１に、本実施の形態に係るセンサ１０の模式的斜視図を示す。また、図２に、センサ１０の模式的断面図を示す。センサ１０は、バイオセンサやｐＨセンサ等として用いられる。

センサ１０は、シリコン基板１１の両面に、絶縁膜である酸化シリコン膜１２ａ、１２ｂが形成されている。

酸化シリコン膜１２ａが形成された面には、ゲート電極１３が形成されている。ゲート電極１３には、参照電圧Ｖrefが印加される。ゲート電極１３、酸化シリコン膜１２ａ及びシリコン基板１１は、金属−絶縁体−半導体（Metal-Insulator-Semiconductor：ＭＩＳ）構造となっている。したがって、ゲート電圧はシリコン基板１１に直接印加されない。ゲート電極１３の材質は、導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば金、白金、チタン、アルミニウムなどの金属や導電性プラスチックなどであればよい。

一方、酸化シリコン膜１２ｂが形成された面には、ドレイン電極１４及びソース電極１５が形成されている。ドレイン電極１４とソース電極１５は、酸化シリコン膜１２ｂ上で、チャネル１６を介して電気的に接続されている。

本実施の形態の場合、チャネル１６は、ポリシリコンで形成されている。これにより、酸化シリコン膜１２ｂ、ドレイン電極１４、ソース電極１５及びチャネル１６は、一般的なＴＦＴ（Thin Film Transistor）構造とされているので、ＴＦＴを製造するのと同様の半導体製造工程を用いて、容易に酸化シリコン膜１２ｂ、ドレイン電極１４、ソース電極１５及びチャネル１６を形成することができる。

また、チャネル１６はポリシリコンで形成されているので、チャネル１６をカーボンナノチューブ等によって形成する場合と比較して、チャネル１６の線路幅Ｗを、半導体製造工程のなかで、容易に選択できるようになる。

ドレイン電極１４とソース電極１５の間には、外部配線を介して電源Ｖds及び電流計１７が接続されている。これにより、電源Ｖdsによってドレイン電極１４とソース電極１５との間に所定の電圧が印加され、電流計１７によってシリコン基板１１に流れる電流が測定される。

ドレイン電極１４とソース電極１５との間隔は、特に限定されないが、通常は０.５〜１０［μｍ］程度である。この間隔は、チャネル１６による電極間の接続を容易にするためにさらに縮めてもよい。ソース電極及びドレイン電極の形状及び大きさは特に限定されず、目的に応じて適宜設定すればよい。

ここで、図２に示すように、酸化シリコン膜１２ａが形成された面には、反応場２０が形成されている。反応場２０とは、試料溶液を提供する領域を意味する。

反応場２０とゲート電極１３は、酸化シリコン膜１２ａ、１２ｂのうち、同一の面の酸化シリコン膜（図２の場合、酸化シリコン膜１２ａ）に配置されることが好ましい。また、反応場２０とゲート電極１３は、同一の酸化シリコン膜１２ａ上のできるだけ近い位置に形成されることが好ましい。例えば、反応場２０の上側にゲート電極１３を配置してもよく、反応場２０の周囲にゲート電極１３を形成してもよい。このようにすることで、反応場２０に提供された被検出物の濃度変化等に対するチャネル１６での電圧変化を大きくできるので、測定感度を高めることができる。

反応場２０の位置の酸化シリコン膜１２ａの厚さは、その周囲の酸化シリコン膜１２ａの厚さよりも薄いことが好ましい。すなわち、反応場２０は凹部であることが好ましい。これにより、試料溶液を反応場２０に効率的に留めることができるだけでなく、ゲート電極１３から基板面方向に漏れ出た電気力線をより効率的に反応場２０を通過させることができる。また、酸化シリコン膜１２ａ上に、反応場２０を取り囲む障壁を設けても、試料溶液を反応場２０に効率的に留めることができる。

センサ１０をバイオセンサとして使用する場合、反応場２０に、抗体や酵素、レクチンなどのタンパク質、核酸、オリゴ糖または多糖、あるいはそれらの構造を有する物質である被検出物質認識分子２１を固定化するとよい。被検出物質認識分子を反応領域に固定化することで、特定のタンパク質や化学物質などを特異的に検出することができる。なお、センサ１０をｐＨセンサ等として使用する場合には、反応場２０に、被検出物質認識分子２１を固定する必要はない。

以上説明したように、本実施の形態のセンサ１０においては、チャネル１６とは異なる酸化シリコン膜上に反応場２０を形成したことにより、チャネル１６の形状及び反応場２０の面積をそれぞれ独立に選択できるようになる。この結果、測定感度及びレイアウトの自由度の高いセンサ１０を実現できる。

また、チャネル１６をポリシリコンで形成したことにより、ＴＦＴを製造するのと同様の半導体製造工程を用いて、容易に酸化シリコン膜１２ｂ、ドレイン電極１４、ソース電極１５及びチャネル１６を形成することができる。また、チャネル１６をカーボンナノチューブ等によって形成する場合と比較して、チャネル１６の線路幅Ｗを、半導体製造工程のなかで、容易かつ高精度で選択できるので、測定感度を容易かつ高精度で選択できる。

図３に、チャネル１６をポリシリコンで形成した場合における、チャネル１６の線路幅Ｗと、ゲート電圧に対するソース−ドレイン電流との関係を示す。図から、チャネル１６の線路幅Ｗが広くなるほど、ゲート電圧の変化に対するソース−ドレイン電流の変化量が大きいこと、すなわち線路幅Ｗを広くするほど測定感度を高くできることが分かる。また、図から、測定感度の点で、チャネル１６の線路幅Ｗは、５０［μｍ］〜２００［μｍ］程度であることが好ましいことが分かる。

さらに、半導体製造工程のなかで、酸化シリコン膜１２ｂの厚さ選択することで、測定感度を調整することもできる。

図４に、酸化シリコン膜１２ｂの厚さと、ゲート電圧に対するソース−ドレイン電流との関係を示す。図から、酸化シリコン膜１２ｂが薄くなるほど、ゲート電圧の変化に対するソース−ドレイン電流の変化量が大きいこと、すなわち酸化シリコン膜１２ｂを薄くするほど測定感度を高くできることが分かる。また、図から、測定感度の点で、酸化シリコン膜１２ｂの厚さは、２７［ｎｍ］〜１００［ｎｍ］程度であることが好ましいことが分かる。

（２）センサの製造方法
本実施の形態におけるセンサ１０は、図５に示す半導体製造工程により製造することができる。

先ず、シリコン基板上に、熱酸化法によって酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）を形成する（図５Ａ）。

次に、酸化シリコン膜上の所定位置（チャネル１６の位置）にポリシリコン膜を形成する（図５Ｂ）。この場合、例えば、先ず酸化シリコン膜にアモルファスシリコンを堆積させ、このアモルファスシリコンにレーザービームを照射することによりポリシリコンを形成すればよい。

次に、ポリシリコン膜に不純物を埋め込み、熱処理によりこの不純物を拡散することにより、ＮＰＮ型のチャネル１６を形成する（図５Ｃ）。図には、一例として、ポリシリコン膜をＮＰＮ型にすることでチャネル１６を形成した場合が示されているが、ポリシリコン膜をＰＮＰ型とすることでチャネル１６を形成してもよい。また、ポリシリコン膜をＮｉＰ型又はＰｉＰ型とすることでチャネル１６を形成してもよい。チャネル１６をＮＰＮ型又はＰＮＰ型とした場合には、バンドギャップが大きくなるので、ＮｉＰ型やＰｉＰ型に比べリーク電流が小さい。このため、待機状態の消費電流を少なくすることが求められる回路を構成する場合に有効である。一方、ＮｉＮ型やＰｉＰ型は、製造工程数がＮＰＮ型やＰＮＰ型と比べて１〜２工程少ない。このため、原価を低減することが可能であり、待機状態の消費電流を少なくすることへの要求が厳しくない回路を構成する場合に有効である。このようにして、ポリシリコンでなるチャネル１６が形成される。

次に、チャネル１６を被覆する層間絶縁膜１８を形成する（図５Ｄ）。なお、図２では、図を簡単化するために、層間絶縁膜１８は省略して示されている。

次に、ドレイン電極１４及びソース電極１５を形成する（図５Ｅ）。なお、ドレイン電極１４及びソース電極１５は、コンタクトホールを通してチャネル１６に電気的に接続される。

次に、図２に示すように、ドレイン電極１４とソース電極１５とを電流計１７を介して接続する処理（外部配線処理）を行う。

次に、図２に示すように、酸化シリコン膜１２ａ上にゲート電極１３を形成した後、反応場２０を形成する。

このように、ＴＦＴを製造するのと同様の半導体製造工程を用いて、酸化シリコン膜１２ｂ、ドレイン電極１４、ソース電極１５及びチャネル１６を容易に形成することができる。また、ゲート電極１３及び反応場２０をチャネル１６とは異なる位置に形成するので、ゲート電極１３及び反応場２０の製造も容易となり、かつ反応場２０の面積等も自由に選択できるようになる。

（３）他の実施の形態
なお、上述した実施の形態では、チャネル１６をポリシリコンによって形成した場合について説明したが、チャネル１６はアモルファスシリコンによって形成してもよい。この場合でも、ＴＦＴを製造するのと同様の半導体製造工程を用いて、容易に酸化シリコン膜１２ｂ、ドレイン電極１４、ソース電極１５及びチャネル１６を形成することができる。

また、上述した実施の形態では、図５Ｅに示すように、層間絶縁膜１８を形成し、コンタクトホールを通してドレイン電極１４及びソース電極１５をチャネル１６に電気的に接続した場合について述べたが、層間絶縁膜１８を省略してもよい。その場合、例えば、チャネル１６のＰ型領域を被膜するレジストを形成し、このレジストによって電気的に分離されたドレイン電極１４及びソース電極１５を酸化シリコン膜１２ｂ上に直接形成すればよい。

さらに、上述した実施の形態では、ドレイン電極１４、ソース電極１５及びチャネル１６が形成された酸化シリコン膜１２ｂに対して裏面側の酸化シリコン膜１２ａ上にゲート電極１３及び反応場２０を形成した場合について説明したが、図６に示すように、ドレイン電極１４、ソース電極１５及びチャネル１６が形成された酸化シリコン膜１２ｂと同一の酸化シリコン膜１２ｂにゲート電極１３及び反応場２０を形成することで、センサ３０を構成してもよい。なお、図６のように構成するよりも図２のように構成する方が、センシング部であるドレイン電極１４、ソース電極１５及びチャネル１６が被検出物（試料溶液）の飛散によって損傷を受ける可能性を低くできる。また、図６のようにした場合、酸化シリコン膜１２ａは省略してもよい。

本発明は、ＦＥＴを備えたセンサの製造方法に広く適用可能である。

本発明の実施の形態に係るセンサの模式的斜視図実施の形態のセンサの模式的断面図チャネルの線路幅と測定感度との関係を示す図酸化シリコン膜１２ｂの厚さと測定感度との関係を示す図センサの製造工程を示す図他のセンサの構成例を示す模式的断面図

符号の説明

１０、３０センサ
１１シリコン基板
１２ａ、１２ｂ酸化シリコン膜
１３ゲート電極
１４ドレイン電極
１５ソース電極
１６チャネル
２０反応場
２１被検出物質認識分子

Claims

酸化シリコン膜を有するシリコン基板と、
前記酸化シリコン膜に配置されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、
ポリシリコン又はアモルファスシリコンでなり、前記酸化シリコン膜に配置され、前記ソース電極及びドレイン電極に電気的に接続されたチャネルと、
前記酸化シリコン膜上に配置された反応場と、
を具備するセンサ。
前記チャネルは、ＮＰＮ型である、
請求項１に記載のセンサ。
前記チャネルは、ＰＮＰ型である、
請求項１に記載のセンサ。
前記チャネルは、ＮｉＮ型である、
請求項１に記載のセンサ。
前記チャネルは、ＰｉＰ型である、
請求項１に記載のセンサ。
前記シリコン基板は、両面に前記酸化シリコン膜を有し、
前記ゲート電極は、前記ソース電極、ドレイン電極及びチャネルが配置された酸化シリ膜と反対の面の酸化シリコン膜に配置される、
請求項１に記載のセンサ。
前記シリコン基板は、両面又は片面に酸化シリコン膜を有し、
前記ゲート電極は、前記ソース電極、ドレイン電極及びチャネルが配置された酸化シリコン膜と同一の面の酸化シリコン膜に配置される、
請求項１に記載のセンサ。
前記シリコン基板は、両面に前記酸化シリコン膜を有し、
前記ゲート電極と前記反応場は、前記酸化シリコン膜の両面のうち、同一の面の酸化シリコン膜に配置される、
請求項１に記載のセンサ。
シリコン基板に酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記酸化シリコン膜に、ポリシリコン膜又はアモルファスシリコン膜を形成する工程と、
前記ポリシリコン膜又はアモルファスシリコン膜に不純物をドーピングする工程と、
前記不純物がドーピングされた前記ポリシリコン膜又はアモルファスシリコン膜にソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記酸化シリコン膜にゲート電極を形成する工程と、
前記酸化シリコン膜に反応場を形成する工程と、
を含むセンサ製造方法。