JP2016503490A - 遮蔽層を有するナノワイヤセンサを備えた集積回路、センシング装置、測定方法、及び製造方法 - Google Patents

遮蔽層を有するナノワイヤセンサを備えた集積回路、センシング装置、測定方法、及び製造方法 Download PDF

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Abstract

集積回路（１００）は、基板（１１０）と、該基板の上の絶縁層（１２０）と、該絶縁層上の、第１のナノワイヤ素子（１４０ａ）及び該第１のナノワイヤ素子に隣り合う第２のナノワイヤ素子（１４０ｂ）とを有し、前記第１のナノワイヤ素子は、関心ある被分析物を含む媒体に露出されるように構成され、前記第２のナノワイヤ素子は、前記第２のナノワイヤ素子の上の遮蔽層（１５０）によって前記媒体から遮蔽される。このようなＩＣを含んだセンシング装置、このようなＩＣを使用するセンシング方法、及びこのようなＩＣを製造する方法も開示される。

Description

本発明は、基板と、該基板上の絶縁層と、該絶縁層上の、第１のナノワイヤ素子及び該第１のナノワイヤ素子に隣り合う第２のナノワイヤ素子と、を有する集積回路（ＩＣ）に関する。
本発明は更に、そのようなＩＣを含む半導体デバイスに関する。
本発明は更には、そのようなＩＣを用いて媒体内の関心ある被分析物を測定する方法に関する。
本発明は更には、そのようなＩＣを製造する方法に関する。
半導体テクノロジーの継続的な微細化が、例えば集積回路（ＩＣ）などの半導体デバイスに内蔵される機能の顕著な多様化を可能にしており、それは一部の例において、単一デバイス上での略全人的（ニアホリスティック）なソリューションの提供につながっている。例えば、半導体デバイスの微細化は、単一の半導体デバイスへの１つ以上のセンサの集積をもたらしており、そのようなデバイスの配備は、例えば、自動車用途、ヘルスケア用途、産業排煙モニタリングなどといった、広範な異なる技術領域で見ることができる。
例えばＩＣなどの電子デバイス上にセンシング機能を設ける際の主な課題の１つは、経済的に実現可能な手法で半導体デバイスが製造され得ることを確保することである。これは例えば、サブミクロン寸法の素子（例えば、ナノワイヤに基づくトランジスタなどのナノ素子）を半導体デバイスに集積するときに、特に難題である。というのは、半導体デバイス全体の製造プロセスと適合した処理工程を用いてそのようなナノ素子を製造することは、全くもって、簡単でないからである。従って、そのような専用素子の集積は、半導体デバイスの製造プロセスの複雑さのかなりの増大につながり得るものであり、それにより、そのようなデバイスのコストを有意に上昇させてしまい得る。
これに関する１つの特有の問題は、センシング媒体が例えば液体又は気体といった流体であるときに、センサ装置が通常、例えばセンサ表面に汚染物質が徐々に蓄積することによって引き起こされ得るものであるセンサドリフト、すなわち、関心ある被分析物に対するセンサの時変的な応答、を補償するために、基準センサ又は基準電極の存在を必要とすることである。そのような装置の一例が、特許文献１に開示されており、そこでは、半導体ナノワイヤ素子に対する溶液の電位を制御するために、分析すべき流体に接触するように基準電極が配されている。
しかしながら、基準センサ又は基準電極を含めることは、センサ装置の設計を更に複雑化させ得るものであり、それ故に、電子デバイスのコストを更に上昇させてしまい得る。また、基準電極の表面も汚染される傾向があり、その場合、センサ読み取りが信頼できないものになり得る。
米国特許出願公開第２００４／０１３６８６６号明細書
本発明は、別個の基準電極の必要性が回避されるような、以上の段落に従ったＩＣを提供しようとするものである。
本発明は更に、そのようなＩＣを含むセンシング装置を提供しようとするものである。
本発明は更には、そのようなＩＣを用いて関心ある被分析物を測定する方法を提供しようとするものである。
本発明は更には、そのようなＩＣを製造する方法を提供しようとするものである。
本発明の一態様によれば、本発明に規定される集積回路が提供される。
本発明は、以下の洞察に基づき、すなわち、（検知すべき媒体の流れ方向に関して）互いに隣り合う２つのナノワイヤを用意し、且つこれら２つのナノワイヤのうちの一方に、第２のナノワイヤへの例えばイオン又は非帯電分子などの粒子の付着を防止して第２のナノワイヤを実質的に、あるいは更には完全に、媒体に対して不活性すなわち無反応にする例えば疎水性の層又は抗イオンシートなどの遮蔽層を設けることによって、第１のナノワイヤ上に汚染物質が徐々に蓄積することの影響が、これらのナノワイヤを起源とする信号の差分測定によってフィルタリング除去され得る、という洞察に基づく。さらに、これらのナノワイヤがウエハの同じ領域内に、すなわち、互いの隣に位置付けられることにより、サブミクロンプロセス技術において本質的に存在するプロセス不整合の影響を最小化することができる。というのは、そのような不整合の影響は典型的にウエハの異なる領域間で蔓延するものだからである。
好ましくは、第２のナノワイヤ素子は、第１のナノワイヤ素子の直近にある。より好ましくは、第２のナノワイヤ素子は、複数の第２のナノワイヤ素子が互いに隣り合う。場合により、また、それらの長さ方向において平行である。このナノワイヤが被分析物検出ナノワイヤに対して近いほど、２つのナノワイヤによって検知される媒体間の違いが小さくなり、それにより、より良い基準となり得る。
ナノワイヤは各々、例えばナノワイヤ材料の部分的な酸化によって、ゲート酸化膜として作用することが可能な酸化物の表面層を有していてもよく、媒体が、ゲート電位（これは、例えば、媒体内の関心ある被分析物の関数である）を提供するフローティングゲートとして作用するようにされる。
差分測定は、例えば接合パッド又はそれに類するものを介してナノワイヤを外部回路に接続することによって、オフチップで実行され得る。他の例では、集積回路が更に、第１のナノワイヤ素子及び第２のナノワイヤ素子のそれぞれの信号を処理する信号処理回路を有していてもよく、これは、測定を実行するのに外部回路を必要としないという利点を有する。
一実施形態において、信号処理回路は、第１のナノワイヤ素子の信号から第２のナノワイヤ素子の信号を差し引くように構成された差分器を有する。このような差分器、例えばインバータ又は差動増幅器は、故に、その中でセンシング用の第１のナノワイヤから‘不活性な’第２のナノワイヤの信号が推定されたものである出力信号を提供する。これは、センシング用の第１のナノワイヤ上の汚染物質の影響をフィルタリング除去するために後続測定から推定されることが可能な、センシングナノワイヤに関するベース信号を提供する。
好ましくは、ＩＣは更に、第１のナノワイヤ素子を有する第１のトランジスタ（これは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とし得る）と、第２のナノワイヤ素子を有する第２のトランジスタ（これは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とし得る）とを有する。ナノワイヤをトランジスタのチャネルとして含めることは、付着により誘発されるナノワイヤのインピーダンスの変化を測定する単純で高感度な手法の手助けとなる。
一実施形態において、ＩＣはトランジスタのアレイを有し、各トランジスタが、ソース電極とドレイン電極との間に延在するナノワイヤを有し、アレイは第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを含む。これは、例えばセンシングトランジスタの個別の機能化により、多数の異なる関心被分析物の存在をアレイのそれぞれのトランジスタによって同時に測定することができるという利点を有する。アレイ内のそれぞれのトランジスタは、ドレイン電極及びソース電極のうちの一方を共有してもよく、そうすることは、アレイの設計を更に単純化する。
基板は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板とし得る。第１のナノワイヤ素子及び第２のナノワイヤ素子は各々、例えばＳＯＩ基板のシリコン層をパターニングすることによって形成されたナノワイヤといった、シリコンナノワイヤを有し得る。
遮蔽層は好ましくは、例えばＣＭＯＳテクノロジーなどの適用可能なＩＣ製造技術において容易に利用可能な材料から形成される。例えば、遮蔽層は、例えば酸化物若しくは窒化物の層などの誘電体層とすることができ、あるいはそれに代えて、例えばポリイミド若しくはパリレンの層などのポリマー層とすることができる。特に、遮蔽層は、好適なフォトレジスト又はハードマスク材料の一部であってもよく、これらは、このような材料の直ちに利用可能なパターニング技術を用いて第２のナノワイヤ素子の上に形成され得るものである。
遮蔽層は典型的に、第２のナノワイヤ素子によって生成される信号が、（例えば、バックゲートとして動作するように構成された上記基板によって）素子に印加されるバイアスを反映するように、第２のナノワイヤ素子が媒体に反応しないことを確保する厚さを有する。この目的のため、基板は好ましくは半導体基板である。
本発明の他の一態様によれば、流路と、本発明の一実施形態に従った集積回路とを有するセンシング装置が提供され、流路内の媒体の流れ方向に関して第１のナノワイヤ素子及び第２のナノワイヤ素子が互いに隣り合うように、第１のナノワイヤ素子及び第２のナノワイヤ素子が流路内に配置される。これは、先述のように別個の基準電極を必要とせずに、センサドリフト及びその他の覆い隠し効果を取り除くことができるという利点を有する。
本発明の更なる他の一態様によれば、本発明に規定される媒体内の関心被分析物を測定する方法が提供される。これにより、別個の基準電極を必要とすることなく、関心ある被分析物の正確な測定が確保される。
一実施形態において、第１のナノワイヤ素子からの第１ナノワイヤ素子信号と第２のナノワイヤ素子からの第２ナノワイヤ素子信号とを同時に捕捉するステップは、第１のナノワイヤ素子及び第２のナノワイヤ素子を交流電流で駆動することを有し、第２ナノワイヤ素子信号と第１ナノワイヤ素子信号との間の差から被分析物測定結果を取得するステップは、前記交流電流に対する、第１のナノワイヤ素子の複素インピーダンス応答及び第２のナノワイヤ素子の複素インピーダンス応答を測定することを有する。ＡＣ源の使用は、素子の感度を更に高め、そして更には、素子のインピーダンスが粒子の並進又は回転の固有周波数で強く変化するので、周波数スイープを印加することによって特定サイズの粒子の検出を可能にする。
本発明の更なる他の一態様によれば、本発明に規定される集積回路を製造する方法が提供される。この方法は、例えばＣＭＯＳ適合処理工程を用いて実行されることができ、それ故に、比較的低いコストでＩＣを製造することができる。
一実施形態において、第１のナノワイヤ素子及び第２のナノワイヤ素子は各々、ソース領域からドレイン領域まで延在し、当該方法は更に、例えばナノワイヤの部分的な酸化によって、第１のナノワイヤ素子及び第２のナノワイヤ素子の各々を覆って酸化物の膜を形成することを有する。これは、例えば、素子の各々がトランジスタのチャネルを形成する一実施形態において、媒体を素子のフローティングゲートとして使用することができるという利点を有する。
本発明において、トランジスタは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とすることができる。
以下の図を含む添付図面を参照して、非限定的な例として、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の一実施形態によるＩＣの一態様を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態によるＩＣの他の一態様を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態によるＩＣの４つの異なるナノワイヤセンサの電流特性を示す図である。 ＡＣ源によって駆動されるときの本発明の一実施形態によるＩＣ上のナノワイヤセンサの複素インピーダンスを示す図である。 本発明に係るＩＣを製造する方法の一実施形態を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態によるＩＣの更なる一態様を模式的に示す図である。
理解されるべきことには、図面は模式的なものに過ぎず、縮尺通りに描かれていない。また、理解されるべきことには、図面全体を通して、同じ又は同様の部分は、同じ参照符号を用いて指し示す。本明細書においては、ＦＥＴを用いて実施形態を説明する。これらは適宜、他のトランジスタで置き換えられ得る。しかし、ＦＥＴは集積が容易である。
図１は、シリコン基板１１０と、パターニングされた埋込酸化物層１２０と、複数のシリコンナノワイヤとを有するＩＣ１００を模式的に示している。複数のナノワイヤのうち２つのナノワイヤ１４０ａ及び１４０ｂが図示されているが、理解されるべきことには、ＩＣ１００は、遥かに多くの数のこのようなナノワイヤを、好ましくはアレイ状に互いに隣接配置させて有し得る。第１のナノワイヤ１４０ａは、ソース領域１４２ａとドレイン領域１４４との間に延在し、第２のナノワイヤ１４０ｂは、ソース領域１４２ｂとドレイン領域１４４との間に延在している。第１のナノワイヤ１４０ａ及び第２のナノワイヤ１４０ｂは故に、個々のソース領域１４２ａ及び１４２ｂにより個々のナノワイヤを流れる電流の測定を可能にして、これらナノワイヤに共通の駆動電流を供給するドレイン領域を共有する。理解されるべきことには、この構成は単に非限定的な例によるものであり、センシングワイヤがソース領域を共有するとともに個々のドレイン領域を有すること、又は個々のソース領域及びドレイン領域を有すること（これは、これら個々の領域への、より多数のコンタクトを設けなければならないことにより、ＩＣ１００の製造性を複雑化するものではある）も等しく実現可能である。
本発明の状況において、ナノワイヤは、サブミクロン寸法の断面を有するとともに数百ナノメートルから数ミクロンまでの範囲とし得る長さを有した、導電性又は半導電性の構造体である。ナノワイヤは、非中空（ソリッド）構造又は中空構造とすることができ、また、円形断面を有するか、あるいは例えば正方形若しくは長方形といった非円形断面を有するかし得る。非限定的な例として、本願において用語‘ナノワイヤ’は、単層若しくは多層のナノチューブ、及びナノファイバなどを含むことが意図される。好適な一実施形態において、ナノワイヤは、より詳細に後述するように、シリコンナノワイヤであり、好ましくは、酸化された外表面を有する。
基板１１０は、場合により、埋込酸化物層１２０が形成される表面とは反対側の表面に、例えばメタライゼーション層といったバック（背面）ゲート１０２を有し得る。
動作時、バックゲート１０２は、第１のナノワイヤ１４０ａ及び第２のナノワイヤ１４０ｂを含んだ電界効果トランジスタに、これらナノワイヤが導電性の状態に持ち込まれるように、バイアス電圧又はバイアス電圧スイープを供給するために使用され、例えば、ナノワイヤの閾値電圧を（少なくとも部分的に）上回るバイアス電圧又はバイアス電圧スイープを印加することによって、ソース領域１４２ａ及び１４２ｂと、第１及び第２のナノワイヤ１４０ａ及び１４０ｂと、共通ドレイン領域１４４とによって形成されるＦＥＴを横切って印加される駆動電流の関数として、これらナノワイヤを電流が通り抜け始めるようにされる。加えて、第１のナノワイヤ１４０ａは、例えば液体サンプル又は気体流などの流体といった、測定すべき媒体に晒されるので、第１のナノワイヤ１４０ａのインピーダンスは、第１のナノワイヤ１４０ａの該媒体との相互作用の関数である。このことは、矢印によって指し示される４つの異なるナノワイヤの電流特性を示した図３にて例証されている。これらの電流プロファイルの異なる傾きは、例えば異なる捕獲イベント特性といった、媒体との異なる相互作用によって生じている。
図１に戻るに、酸化物の膜で被覆された第１のナノワイヤ１４０ａの場合、この酸化膜は、ゲート酸化膜として作用し、媒体が、例えばイオン含有量といった媒体の組成に依存するフローティングゲート電位を持つゲートとして作用する。第１のナノワイヤ１４０ａは更に、関心ある特定の被分析物と相互作用する機能層（図示せず）を有していてもよく、その場合、該機能層は、その電位が関心被分析物との該機能層の相互作用の量の関数となるので、フローティングゲートとして見られ得る。上述の原理自体は、当然ながら、例えばＩＳＦＥＴ及びＥＮＦＥＴなどの化学的ＦＥＴ（ＣｈｅｍＦＥＴ）から知られており、単に簡潔さの理由で、更に詳細には説明しないこととする。
対照的に、第２のナノワイヤ１４０ｂは、電気絶縁性の遮蔽層部分１５０によって媒体からシールドされており、電気絶縁性遮蔽層部分１５０は、第２のナノワイヤ１４０ｂのインピーダンスが媒体から独立であること、すなわち、媒体に反応しないことを確保する厚さを有する。一実施形態において、電気絶縁性遮蔽層部分１５０は、少なくとも１ミクロンの厚さを有する。他の一実施形態において、電気絶縁性遮蔽層部分１５０は、少なくとも５ミクロンの厚さを有する。更なる他の一実施形態において、電気絶縁性遮蔽層部分１５０は、少なくとも１０ミクロンの厚さを有する。当業者によって理解されるように、電気絶縁性遮蔽層部分１５０の必要厚さは、電気絶縁性遮蔽層部分１５０用に選択される材料に依存することになる。好適な材料には、電気絶縁性の疎水性材料、及び例えば抗イオンシートといった電気絶縁性の抗イオン材料が含まれる。
好ましくは、遮蔽層部分１５０には、例えばＣＭＯＳプロセスといったＩＣ１００を製造するプロセス技術において容易に利用可能であるか、あるいは該プロセス技術に少なくとも適合しているかである材料が使用される。例えば、遮蔽層部分１５０は、例えばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉ３Ｎ４などといった、選択的に堆積あるいはパターニングされた酸化物又は窒化物によって形成され得る。他の例では、遮蔽層部分１５０は、選択的に堆積あるいはパターニングされたレジスト材料によって、あるいは例えばパリレン若しくはポリイミドなどの疎水性ポリマーによって形成されてもよい。当業者にはその他の好適材料も明らかになるであろう。
このような電気絶縁性遮蔽層部分１５０の更なる利点のうちの１つは、例えば、媒体に晒される電気絶縁性遮蔽層部分１５０の表面上に汚染物質が徐々に蓄積することに起因するといった、この材料上の付着物も、第２のナノワイヤ１４０ｂによって検知されることができず、その結果、このナノワイヤが更には、そのような汚染に反応しないことである。
従って、第２のナノワイヤ１４０ｂによって作り出される信号はバック（背面）バイアスにのみ感度を有し、それ故に、第１のナノワイヤ１４０ａの信号から第２のナノワイヤ１４０ｂの信号を差し引くことによって、第１のナノワイヤ１４０ａの応答信号から、第１のナノワイヤ１４０ａの信号挙動に対するバックバイアスの影響をフィルタリング除去することができる。
図２は、この目的での回路構成の一例を示している。この構成において、第１のナノワイヤ１４０ａ及び第２のナノワイヤ１４０ｂが、流路１６０内で、互いに隣り合って配置されている。動作時、実線の黒い矢印によって指し示す方向に、媒体が流路１６０を流れ抜ける。この流れ方向から、観察し得ることには、第１のナノワイヤ１４０ａ及び第２のナノワイヤ１４０ｂは、それらが本質的に同じ流れ特性に晒されるように配置される。これは、ナノワイヤ間で、例えば温度差や応力若しくは屈曲などの流れ関連の影響といった、異なる条件となる恐れが最小化されるという利点を有する。また、第１のナノワイヤ１４０ａ及び第２のナノワイヤ１４０ｂを互いの直近に設けることにより、単一のウエハの異なる領域間で本質的に発生するものであるプロセス不整合の影響を大いに排除することができる。故に、第１のナノワイヤ１４０ａ及び第２のナノワイヤ１４０ｂの本質的なインピーダンス挙動が、可能な限り同じに近くなることが確保され、それ故に、第１のナノワイヤ１４０ａ及び第２のナノワイヤ１４０ｂのインピーダンス特性における差は、媒体誘起のものである。
この目的のため、第１のソース領域１４２ａ及び第２のソース領域１４２ｂは、それぞれの導電体２０２及び２０４を介して差動回路２００に接続され得る。差動回路又は差分器２００は、例えば第１のナノワイヤ１４０ａからの信号から第２のナノワイヤ１４０ｂからの信号を差し引くことによって、その出力２０６に、第１のナノワイヤ１４０ａからの信号と第２のナノワイヤ１４０ｂからの信号との間の差分を作り出すように構成される。このような回路それ自体は既知であり、例えば差動増幅器又はインバータといった、このような差分器２００の如何なる好適な実装が選択されてもよい。典型的に、被分析物捕獲イベントの前の一度と後の一度との二度の差分測定が実行されることになり、その結果、例えば測定された第１のナノワイヤ１４０ａのインピーダンスの相違といった、これら二度の測定間での相違を解釈することで、第１のナノワイヤ１４０ａ上に沈着した材料の種類及び／又は量を特徴付けることができる。
一実施形態において、差動回路２００はＩＣ１００の外部に位置付けられ、その場合、導電体２０２及び２０４はＩＣ１００のそれぞれの接合パッドに接続されることができ、各接合パッドが、ソース領域１４２ａ及び１４２ｂのうちの１つへの導電接続を提供する。他の一実施形態において、差動回路２００はＩＣ１００の一部を形成し、その場合、導電体２０２及び２０４は例えば、ＩＣのメタライゼーションスタック内に位置付けられ得る。当業者には直ちに、数多くのその他の好適構成が明らかになるであろう。
上述の差分測定はまた、第１のナノワイヤ１４０ａの露出表面の汚染のレベルを確証するために使用され、あるいは少なくとも、第１のナノワイヤ１４０ａを較正するために使用され得る。この目的のため、第１の較正差分測定が実行されることができ、その間、第１のナノワイヤ１４０ａ及び第２のナノワイヤ１４０ｂを含むナノワイヤのアレイ上を、例えば較正流体といった、既知の組成を有する流体が流される。その差分信号が、較正のプロセスにおいて一般的であるように、既知の組成と結び付けられ得る。関心ある被分析物が既知の組成内に存在しない場合、差分信号Ｄ１は、第１のナノワイヤ１４０ａの露出表面に築き上げられた汚染のレベルを指し示し得る。
後続の、ナノワイヤアレイのサンプル流の差分測定Ｄ２が、例えば、Ｄ１が第１のナノワイヤ１４０ａの露出表面の汚染のレベルを指し示す場合にＤ２からＤ１を差し引くことによって、好適な手法で較正差分測定Ｄ１と相関付けられ得る。この目的のため、差動回路２００の出力２０６に、上述の相関付けを実行するように適応された信号プロセッサ（図示せず）が結合され得る。信号プロセッサは典型的に、少なくとも、Ｄ１の最新値を保管するように適応され、この目的のため、信号プロセッサはデータメモリを含むか、それへのアクセスを有するかし得る。信号Ｄ１はデジタル形式で保管されることができ、その場合、信号プロセッサは、アナログ−デジタル変換器（図示せず）を介して出力２０６に結合され得る。信号プロセッサは典型的に相関結果を提供する出力を有し、それにより、ＩＣ１００のユーザ又はＩＣ１００を含んだセンシング装置はこの相関結果を解釈することができる。信号プロセッサは、ＩＣ１００の外部であってもよいし、ＩＣ１００の一部を形成してもよい。
第１のナノワイヤ１４０ａ及び第２のナノワイヤ１４０ｂを含むナノワイヤのアレイの共有ドレイン１４４に導電体２１２を介して印加される駆動電流は、例えば直流電流又は交流電流といった、如何なる好適な形態を有していてもよい。交流電流の印加の場合、ナノワイヤのインピーダンスは、複素形態を持つことになり、すなわち、実部と虚部とを持つことになる。これは、例えば第１のナノワイヤ１４０ａなどのセンシングナノワイヤの選択性を更に高めるとともに、交流電流が粒子の並進モード又は回転モードの共振周波数又は固有周波数と一致するときにインピーダンスが大きな変化を呈するという事実により、特定の大きさの材料又は粒子の検出可能性を更に支援する。実数成分４１０と虚数成分４２０とを含んだ、交流電流で駆動されるナノワイヤの分解した複素インピーダンス特性の一例を、図４に示す。
このようなＩＣ１００を製造する方法の一例を、図５に模式的に示す。ステップ（ａ）にて、電気絶縁層１２０と半導体材料層１３０とを担持する基板１１０が提供される。好ましくは、この構成は、層１１０及び１３０が埋込酸化物層１２０によって離隔されたシリコン層であるシリコン・オン・インシュレータ基板として提供されが、理解されるべきことには、ステップ（ａ）に示されるレイヤスタック（積層体）は、如何なる好適な材料を用いて如何なる好適な手法で提供されてもよい。基板１１０をバックゲートとして用いることができるように基板１１０にバックゲートコンタクトを提供するため、この方法の何らかの好適な時点で、金属コンタクト１０２（図５には示さず）も存在あるいは形成され得る。
次のステップ（ｂ）にて、シリコン層１３０の上に、不純物を注入すべき領域を規定するパターニングされたマスク５１０が形成され、その後、例えばナノワイヤ１４０を形成すべき領域の不純物５２０（例えば、Ｎ−型不純物）並びにソース領域１４２及びドレイン領域１４４の不純物５３０（例えば、Ｎ＋＋型不純物）などの不純物がシリコン層１３０に注入される。このようなマスクの形成及びこのような注入工程は当業者にとっての日常業務であるので、単に簡潔さの目的で、更に詳細には説明しないこととする。
続いて、マスク５１０がシリコン層１３０から除去され、その後、シリコン層１３０が、ステップ（ｃ）に示すように、ナノワイヤ１４０とソース領域１４２及びドレイン領域１４４とを形成するようにパターニングされる。なお、ステップ（ｃ）に示すＩＣ１００の断面は、ステップ（ａ）及び（ｂ）に示した断面に対して９０°回転された、図１中の破線によって指し示される断面であり、それ故に、形成されるソース領域１４２及びドレイン領域１４４はステップ（ｃ）の断面には示されていない。シリコン層１３０のパターニングは、如何なる好適手法で達成されてもよい。特に好適なのは、電子ビームリソグラフィを用いてナノワイヤ１４０を形成するものであり、これが、ソース領域１４２及びドレイン領域１４４を形成するためのドライエッチングと組み合わされ得る。
ステップ（ｄ）は、オプションのステップであるが、ナノワイヤ１４０が晒される媒体が、ナノワイヤ１４０によって画成される電界効果トランジスタのチャネル領域上の、フローティングゲートとして作用することを確保するために好ましいものである。ステップ（ｄ）にて、ナノワイヤに酸化物層５４０が設けられる。シリコンナノワイヤ１４０の場合、これは、例えば、或る時間にわたって例えば３００℃以上といった昇温下でシリコンナノワイヤ１４０を酸素リッチ環境に晒すことなどによる、シリコンの部分酸化によって好ましく達成される。この酸化物層５４０は、故に、ナノワイヤ１４０が媒体と接触させられるときにゲート酸化膜として作用する。
次に、先述のように、選択されたナノワイヤ１４０が、それらを測定対象の媒体への露出からシールドするように、遮蔽層部分１５０にて覆われる。この１つ以上の遮蔽層部分は、如何なる好適な手法で形成されてもよく、例えば、全てのナノワイヤ１４０を覆う遮蔽層の堆積と、センシングナノワイヤとして使用されることになるナノワイヤからの遮蔽層材料の選択的な除去とによって形成され、あるいはそれに代えて、測定される媒体からシールドされるべきナノワイヤ１４０のみを覆う遮蔽層の選択的な堆積によって形成され得る。ナノワイヤ１４０間の間隔は単一のナノワイヤ１４０の断面積又は厚さより何倍も大きいという事実により、このような選択的な堆積は、当業者にとって普通に利用可能な技術を用いて達成されることができる。
図６は、ソースコンタクト６４２、ドレインコンタクト６４４、ソースコンタクト６４２と導電接触した金属６５２（ドレインコンタクトと接触した金属は明瞭さのために省略している）、及びナノワイヤ１４０を含んだ、単一のＦＥＴの上面図を模式的に示している。これは、ナノワイヤ１４０を覆う遮蔽層１５０の選択的な堆積のための十分な余地が存在することを明瞭に例証している。
ＩＣ１００上のナノワイヤ１４０のアレイには、如何なる好適数の遮蔽されたナノワイヤ１４０ｂが存在してもよい。例えば、ａ及びｂがそれぞれセンシングナノワイヤ１４０ａ及び遮蔽ナノワイヤ１４０ｂを表し、且つｎは正の整数であるとして、アレイが［ａｂ］ｎパターンを有するように、各センシングナノワイヤ１４０ａがそれ自身の遮蔽ナノワイヤ１４０ｂを有していてもよい。ｎ＝１の場合、アレイは第１のナノワイヤ１４０ａと第２のナノワイヤ１４０ｂである２つのナノワイヤ１４０のみを有するが、理解されるべきことには、ｎは、例えばｎ＝５０及びｎ＝５００などといった遥かに大きい値を採用し得る。他の一実施形態において、遮蔽ナノワイヤ１４０ｂは、アレイがパターン［ａｂａ］ｎを呈するように、当該遮蔽ナノワイヤ１４０ｂのそれぞれの側の２つのセンシングナノワイヤ１４０ａによって共有され、これは、アレイ内のいっそう高い割合のナノワイヤ１４０がセンシングナノワイヤであるという利点を有する。遮蔽ナノワイヤ１４０ｂは、如何なる数のセンシングナノワイヤ１４０ａによって共有されてもよく、それ故に、アレイは、如何なる好適な繰り返しパターンを呈してもよいし、あるいは全くパターンを呈さなくてもよいが、好ましくは、既に上述した理由により、センシングナノワイヤ１４０ａは自身の遮蔽ナノワイヤ１４０ｂの近傍に配置される。
ＩＣ１００は、何らかの好適なセンシング装置に統合され得る。そのようなセンシング装置は典型的に、図２に示したような流路１６０を有し、流路１６０は何らかの好適な寸法を有し得る。ＩＣ１００は典型的に、図２に示したような流路内で第１のセンシングナノワイヤ１４０ａ及び遮蔽ナノワイヤ１４０ｂが晒されるように配置され、すなわち、双方のナノワイヤが本質的に同じ流れ特性に晒されることを確保することによって、流れによって誘発されるナノワイヤ挙動の相違のリスクを最小化するように配置される。このようなセンシング装置は、例えば、ヘルスケア用途で使用されるマイクロ流体工学ベースのセンシング装置若しくはアッセイベースのセンシング装置、及び、産業用途若しくは自動車用途で使用される排出ガスセンシング装置などとし得る。このようなセンシング装置の数多くの他の好適応用分野が、当業者には明らかになるであろう。
なお、上述の実施形態は、本発明を限定するものではなく、本発明を例示するものであり、当業者は、添付の請求項の範囲を逸脱することなく、数多くの他の実施形態を設計することができるであろう。請求項において、括弧内に置かれた何れの参照符号も、請求項を限定するものとして解されるべきでない。用語“有する”は、請求項内に列挙されたもの以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素を冠する用語“ａ”又は“ａｎ”は、その要素が複数存在することを排除するものではない。本発明は、複数の区別可能な要素を有するハードウェアによって実装されることができる。複数の手段を列挙するデバイスクレームにおいて、それらの手段のうちの幾つかが同一のハードウェア品目によって具現化されてもよい。特定の複数の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。
これに関する１つの特有の問題は、センシング媒体が例えば液体又は気体といった流体であるときに、センサ装置が通常、例えばセンサ表面に汚染物質が徐々に蓄積することによって引き起こされ得るものであるセンサドリフト、すなわち、関心ある被分析物に対するセンサの時変的な応答、を補償するために、基準センサ又は基準電極の存在を必要とすることである。そのような装置の一例が、特許文献１に開示されており、そこでは、半導体ナノワイヤ素子に対する溶液の電位を制御するために、分析すべき流体に接触するように基準電極が配されている。
気体の存在を検出あるいは決定するための同様の構成が、米国特許出願公開第２０１１／０１４７８０２号、米国特許出願公開第２００６／０２６３２５５号、米国特許出願公開第２００６／０２７００５３号、米国特許出願公開第２００６／００７８４６８号、国際公開第２０１０／１２０２９７号、及びＭｏｈ Ｔ．Ｓ．Ｙ．等の“Ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅ ＦＥＴ Ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｅｌｌｓ”（２０１２年）に見い出され得る。

Claims (15)

  1. 基板と、
    前記基板の上の絶縁層と、
    前記絶縁層上の第１のナノワイヤ素子及び第２のナノワイヤ素子と
    を有し、
    前記第１のナノワイヤ素子は、被分析物を潜在的に含む媒体に露出されるように構成され、前記第２のナノワイヤ素子は、前記第２のナノワイヤ素子の上の遮蔽層によって前記媒体から遮蔽されるように構成される、
    集積回路。
  2. 前記第１のナノワイヤ素子及び前記第２のナノワイヤ素子の各々が、酸化物の膜によって覆われており、前記遮蔽層は前記酸化物の膜の上に配置されている、請求項１に記載の集積回路。
  3. 前記第１のナノワイヤ素子及び前記第２のナノワイヤ素子のそれぞれの信号を処理する信号処理回路、を更に有する請求項１又は２に記載の集積回路。
  4. 前記信号処理回路は、前記第１のナノワイヤ素子の信号から前記第２のナノワイヤ素子の信号を差し引くように構成された差分器を有する、請求項３に記載の集積回路。
  5. 前記第１のナノワイヤ素子を有する第１のトランジスタと、前記第２のナノワイヤ素子を有する第２のトランジスタとを更に有する請求項１乃至４の何れかに記載の集積回路。
  6. 当該集積回路は更にトランジスタのアレイを有し、各トランジスタが、ソース電極とドレイン電極との間に延在するナノワイヤを有し、前記アレイは前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタを含む、請求項５に記載の集積回路。
  7. 前記基板は、前記第１のナノワイヤ素子及び前記第２のナノワイヤ素子にバイアス電圧を供給するように構成された半導体基板である、請求項１乃至６の何れかに記載の集積回路。
  8. 前記第１のナノワイヤ素子及び前記第２のナノワイヤ素子は各々、シリコンナノワイヤを有し、あるいはシリコンナノワイヤで構成されている、請求項１乃至７の何れかに記載の集積回路。
  9. 前記遮蔽層は、前記第２のナノワイヤ素子が前記媒体に反応しないことを確保する厚さを有する、請求項１乃至８の何れかに記載の集積回路。
  10. 前記遮蔽層は、酸化物層若しくは窒化物層などの誘電体層、又はポリイミド層若しくはパリレン層などのポリマー層を有する、請求項１乃至９の何れかに記載の集積回路。
  11. 流路と、請求項１乃至１０の何れかに記載の集積回路とを有し、
    前記流路内の媒体の流れ方向に関して前記第１のナノワイヤ素子及び前記第２のナノワイヤ素子が互いに隣り合うように、前記第１のナノワイヤ素子及び前記第２のナノワイヤ素子が前記流路内に配置される、
    センシング装置。
  12. 媒体内の関心ある被分析物を測定する方法であって、
    請求項１乃至１０の何れかに記載の集積回路を用意し、
    前記第１のナノワイヤ素子及び第２のナノワイヤ素子の上に、流れ方向に関して前記第１のナノワイヤ素子及び前記第２のナノワイヤ素子が互いに隣り合うことになる方向に前記媒体を流し、
    前記第１のナノワイヤ素子からの第１ナノワイヤ素子信号と前記第２のナノワイヤ素子からの第２ナノワイヤ素子信号とを同時に捕捉し、且つ
    前記第２ナノワイヤ素子信号と前記第１ナノワイヤ素子信号との間の差から被分析物測定結果を取得する、
    ことを有する方法。
  13. 前記第１のナノワイヤ素子からの第１ナノワイヤ素子信号と前記第２のナノワイヤ素子からの第２ナノワイヤ素子信号とを同時に捕捉するステップは、前記第１のナノワイヤ素子及び前記第２のナノワイヤ素子を交流電流で駆動することを有し、
    前記第２ナノワイヤ素子信号と前記第１ナノワイヤ素子信号との間の差から被分析物測定結果を取得するステップは、前記交流電流に対する、前記第１のナノワイヤ素子の複素インピーダンス応答及び前記第２のナノワイヤ素子の複素インピーダンス応答を測定することを有する、
    請求項１２に記載の方法。
  14. 集積回路を製造する方法であって、
    基板と、該基板の上の絶縁層と、該絶縁層の上の半導体層とを用意し、
    前記半導体層をパターニングして、第１のナノワイヤ素子と、該第１のナノワイヤ素子に隣り合う第２のナノワイヤ素子とを、前記絶縁層の上に形成し、且つ
    前記第２のナノワイヤ素子のみを覆って遮蔽層を堆積する、
    ことを有する方法。
  15. 前記第１のナノワイヤ素子及び前記第２のナノワイヤ素子は各々、ソース領域からドレイン領域まで延在し、当該方法は更に、前記遮蔽層を堆積することに先立って、前記第１のナノワイヤ素子及び前記第２のナノワイヤ素子の各々を覆って酸化物の膜を形成することを有する、請求項１４に記載の方法。
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