JP2023144935A - Method for manufacturing sensor with protective film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、保護膜付きセンサの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a sensor with a protective film.
生体物質検出用のセンサとして、ランタンジルコニウム酸化物(LaZrO)層を有するトランジスタセンサが知られている(特許文献1)。特許文献1には、ランタンジルコニウム酸化物層の上に、ソース電極、ドレイン電極、参照電極、ソース電極とドレイン電極との間に配置されたチャネル層を有し、チャネル層の表面に、生体物質を捕捉するためのプローブ分子が固定されている構成のトランジスタセンサが開示されている。このような構成のトランジスタセンサでは、次のようにして生体物質を検出する。まず、生体物質を含む試料液をチャネル層に接触させて、測定対象の生体物質をプローブ分子に結合させる。次いで、試料液を洗浄し、チャネル層に緩衝液などの測定液を供給し、測定液を介してチャネル層と参照電極とを接続する。そして、参照電極-ソース電極間の電圧と、ソース電極-ドレイン電極間の電流とを測定して生体物質を検出する。
A transistor sensor having a lanthanum zirconium oxide (LaZrO) layer is known as a sensor for detecting biological substances (Patent Document 1).
特許文献1に開示されたセンサでは、生体物質の検出時において、電極に試料液や測定液が付着して、電極の表面が変質することがある。このため、トランジスタセンサの電極を絶縁膜で被覆する必要がある。しかしながら、ランタンジルコニウム酸化物は加熱によって変質することがある。ランタンジルコニウム酸化物を有するトランジスタセンサは、400℃を超える温度で加熱すると、ランタンジルコニウム酸化物層が変質して、センサの電気的な特性が低下し、生体物質の検出感度が低下するおそれがある。このため、ランタンジルコニウム酸化物を有するトランジスタセンサでは電極の被覆材料として、加熱を必要としない感光性レジストなどの感光性樹脂材料を用いることが考えられる。しかしながら、感光性樹脂材料で形成した保護膜は残留応力によって剥がれやすく、また生体物質の検出時に、測定液中の塩基の電気分解によって生成したイオンと感光性樹脂材料とが化学反応して、保護膜が劣化して繰り返しの使用が困難となることがあった。
In the sensor disclosed in
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、電極から剥がれにくく、生体物質の検出時に劣化しにくく、強靭で高抵抗な保護膜を、センサの感度を低下させずに成膜することができる保護膜付きセンサの製造方法を提供することを目的とする。 This invention was made in view of the above-mentioned circumstances, and it forms a strong, high-resistance protective film that does not peel off from the electrode, does not easily deteriorate when detecting biological substances, and does not reduce the sensitivity of the sensor. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a sensor with a protective film that can be used.
上記課題を解決するために、本発明の保護膜付きセンサの製造方法は、希土類元素とジルコニウムとを含む酸化物層と、前記酸化物層の上に形成されたセンサ部とを有し、前記センサ部が第1電極、第2電極、第3電極、前記第1電極と前記第2電極とを接続する半導体膜を有するセンサを用意する工程と、前記第1電極と前記第2電極の上にチタン膜を3nm以上20nm以下の膜厚で成膜する工程と、前記チタン膜を酸素の存在下で380℃以上400℃以下の温度で加熱して酸化させる工程と、を含む構成とされている。 In order to solve the above problems, a method for manufacturing a sensor with a protective film according to the present invention includes: an oxide layer containing a rare earth element and zirconium; and a sensor section formed on the oxide layer; preparing a sensor in which the sensor portion has a first electrode, a second electrode, a third electrode, and a semiconductor film connecting the first electrode and the second electrode; a step of forming a titanium film with a thickness of 3 nm or more and 20 nm or less; and a step of heating and oxidizing the titanium film at a temperature of 380° C. or more and 400° C. or less in the presence of oxygen. There is.
このような構成とされた本発明の保護膜付きセンサの製造方法によれば、チタン膜の加熱温度が400℃以下とされているので、希土類元素とジルコニウムとを含む酸化物層を変質させずに、酸化したチタン膜からなる保護膜を第1電極および第2電極の表面に成膜することができる。また、本発明の保護膜付きセンサの製造方法では、膜厚が3nm以上20nm以下のチタン膜を、酸素の存在下で380℃以上の温度で加熱するので、チタン膜を確実に酸化させることができる。さらに、その加熱によって得られる保護膜は、チタンの酸化物であり、電極材料との親和性が高く、各種薬品に対する耐食性が高い。よって、この構成の保護膜付きセンサの製造方法によれば、電極から剥がれにくく、生体物質の検出時に劣化しにくく、強靭で高抵抗な保護膜を、センサの感度を低下させずに成膜することができる。 According to the method for manufacturing a sensor with a protective film of the present invention having such a configuration, the heating temperature of the titanium film is set to 400°C or less, so that the oxide layer containing rare earth elements and zirconium is not altered. Additionally, a protective film made of an oxidized titanium film can be formed on the surfaces of the first electrode and the second electrode. Furthermore, in the method for manufacturing a sensor with a protective film of the present invention, a titanium film having a thickness of 3 nm or more and 20 nm or less is heated at a temperature of 380°C or more in the presence of oxygen, so that the titanium film can be reliably oxidized. can. Furthermore, the protective film obtained by heating is made of titanium oxide, has high affinity with electrode materials, and has high corrosion resistance against various chemicals. Therefore, according to the method for manufacturing a sensor with a protective film having this configuration, a strong, high-resistance protective film that does not easily peel off from the electrode, does not easily deteriorate when detecting biological substances, and can be formed without reducing the sensitivity of the sensor. be able to.
また、本発明の保護膜付きセンサの製造方法は、希土類元素とジルコニウムとを含む酸化物層と、前記酸化物層の上に形成されたセンサ部とを有し、前記センサ部が第1電極、第2電極、第3電極、前記第1電極と前記第2電極とを接続する半導体膜を有するセンサを用意する工程と、前記第1電極と前記第2電極の上にチタン膜を3nm以上10nm以下の膜厚で成膜する工程と、前記チタン膜を酸素の存在下で250℃以上400℃以下の温度で加熱して酸化させる工程と、含む構成とされている。 Further, the method for manufacturing a sensor with a protective film of the present invention includes an oxide layer containing a rare earth element and zirconium, and a sensor section formed on the oxide layer, wherein the sensor section is connected to a first electrode. , preparing a sensor having a second electrode, a third electrode, and a semiconductor film connecting the first electrode and the second electrode; and forming a titanium film with a thickness of 3 nm or more on the first electrode and the second electrode. The structure includes a step of forming a film with a thickness of 10 nm or less, and a step of heating and oxidizing the titanium film at a temperature of 250° C. or higher and 400° C. or lower in the presence of oxygen.
このような構成とされた本発明の保護膜付きセンサの製造方法では、膜厚が3nm以上10nm以下のチタン膜を、酸素の存在下で250℃以上400℃以下の温度で加熱するので、チタン膜を確実に酸化させることができる。よって、この構成の保護膜付きセンサの製造方法によれば、電極から剥がれにくく、生体物質の検出時に劣化しにくく、強靭で高抵抗な保護膜を、センサの感度を低下させずに成膜することができる。 In the method for manufacturing a sensor with a protective film of the present invention having such a configuration, a titanium film having a thickness of 3 nm or more and 10 nm or less is heated at a temperature of 250° C. or more and 400° C. or less in the presence of oxygen. The film can be reliably oxidized. Therefore, according to the method for manufacturing a sensor with a protective film having this configuration, a strong, high-resistance protective film that does not easily peel off from the electrode, does not easily deteriorate when detecting biological substances, and can be formed without reducing the sensitivity of the sensor. be able to.
本発明によれば、電極から剥がれにくく、生体物質の検出時に劣化しにくく、強靭で高抵抗な保護膜を、センサの感度を低下させずに成膜することができる保護膜付きセンサの製造方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, a method for manufacturing a sensor with a protective film can form a strong, high-resistance protective film that does not easily peel off from an electrode, does not easily deteriorate when detecting biological substances, and does not reduce the sensitivity of the sensor. It becomes possible to provide
以下に、本発明の実施形態である保護膜付きセンサの製造方法について説明する。 A method for manufacturing a protective film-equipped sensor according to an embodiment of the present invention will be described below.
図1は、本発明の一実施形態に係る保護膜付きセンサの製造方法によって製造される保護膜付きセンサの一例の平面図であり、図2は、図1のII-II線断面図である。
図1および図2に示す保護膜付きセンサ1は、基板10と、基板10の表面の一部に積層された導電性部材層20と、導電性部材層20を覆うように基板10の表面に積層された希土類元素-ジルコニウム酸化物層30と、希土類元素-ジルコニウム酸化物層30の上に形成されたセンサ部40とを有する。センサ部40は、第1電極41、第2電極42、第1電極41と第2電極42とを接続する半導体膜50、参照電極43、参照電極43と接続する第3電極44とを有する。第1電極41と第2電極42はそれぞれ引出部41a、42aを除く部分が保護膜60で被覆されている。第3電極44は、参照電極43と接続する部分と引出部44aを除く部分が保護膜60で被覆されている。
FIG. 1 is a plan view of an example of a protective film-equipped sensor manufactured by a method for manufacturing a protective film-equipped sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II in FIG. 1. .
The
基板10としては、例えば、絶縁性基板および半導体基板を用いることができる。絶縁性基板の例としては、高耐熱ガラス、酸化ケイ素被膜を有するシリコン基板(SiO2/Si基板)、アルミナ(Al2O3)基板、STO(SrTiO)基板、Si基板の表面にSiO2層およびTi層を介してSTO(SrTiO)層を形成したものが挙げられる。半導体基板の例としては、Si基板、SiC基板、Ge基板が挙げられる。基板10の厚みは、例えば、10μm以上1mm以下の範囲内にある。
As the
導電性部材層20は導電性材料を含む導電性材料層である。導電性部材層20は、導電性材料のみから形成されていてもよい。導電性部材層20の材料としては、例えば、白金、金、銀、銅、アルミニウム、モリブデン、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、タングステン、チタンなどの金属、その金属を含む合金等の金属材料、及び、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化ルテニウム(RuO2)などの金属酸化物を用いることができる。導電性部材層20は、1層の導電性材料層からなる単層体であってもよいし、2層の導電性材料層からなる積層体であってよい。導電性部材層20の厚みは、例えば、50nm以上200nm以下の範囲内にある。
The
希土類元素-ジルコニウム酸化物層30は、希土類元素とジルコニウムとを含む酸化物層である。希土類元素としては、例えば、ランタン、イットリウム、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウムおよびルテチウムを用いることができる。希土類元素-ジルコニウム酸化物層30の希土類元素とジルコニウムとの原子数比は、例えば、希土類元素を1としたときにジルコニウムが、0.43以上2.33以下であることが好ましく、1以上2.33以下であることが更に好ましい。希土類元素-ジルコニウム酸化物層30中の炭素(C)の含有率は、0.5atom%以上15atom%以下の範囲内にあることが好ましい。また、希土類元素-ジルコニウム酸化物層30中の水素(H)の含有率は、2atom%以上20atom%以下にあってもよい。希土類元素-ジルコニウム酸化物層30の厚みは、例えば、50nm以上300nm以下の範囲内にある。
The rare earth element-
第1電極41(ソース電極ともいう)は、平面視で、一方の端部が半導体膜50に接続し、他方の端部が半導体膜50の周囲を通って反対側のセンサ部40の縁部に引き回されていて、引出部41aとされている(図1参照)。第1電極41は、引出部41aを除く部分が保護膜60で被覆されている。第2電極42は、(ドレイン電極ともいう)は、平面視で、第1電極41と対向する位置で一方の端部が半導体膜50に接続し、他方の端部が、直線的にセンサ部40の縁部に延びた形状とされていて、引出部42aとされている。第2電極42も第1電極41と同様に引出部42aを除く部分は保護膜60で被覆されている。引出部41a、42aはそれぞれ、外部の装置と接続する部分である。第1電極41および第2電極42の材料としては、金属材料及び金属酸化物を用いることができる。金属材料の例としては、白金などの高融点金属、及びその合金を挙げることができる。金属酸化物の例としては、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化ルテニウム(RuO2)を挙げることができる。第1電極41および第2電極42はそれぞれ、1層の電極層からなる単層体であってもよいし、2層以上複数の電極材料層を積層させた複層体であってもよい。第1電極41および第2電極42の厚みは、例えば、50nm以上1000nm以下の範囲内にある。
In plan view, the first electrode 41 (also referred to as a source electrode) has one end connected to the
参照電極43は、Ag/AgCl電極とされている。参照電極43の下面には第3電極44が接続されている。第3電極44の参照電極43側とは反対側の端部は、第1電極41および第2電極42と同様にセンサ部40の縁部に引き回されていて、引出部44aとされている(図1参照)。第3電極44の材料としては、金属材料及び金属酸化物を用いることができる。金属材料及び金属酸化物の例は、第1電極41および第2電極42の場合と同じである。
The
半導体膜50(チャネル層ともいう)は、半導体を含む膜である。半導体膜50は、半導体のみから形成されていてもよい。半導体は無機半導体であってもよいし、有機半導体であってもよい。半導体膜50は、酸化インジウム膜であることが好ましい。酸化インジウム膜は、錫、亜鉛、ジルコニウム、ガリウムなどの元素を含んでいてもよい。これらの元素は1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。半導体膜50の表面には、検出対象の生体物質を捕捉するためのプローブ分子(不図示)が固定されている。
The semiconductor film 50 (also referred to as a channel layer) is a film containing a semiconductor. The
保護膜60は、チタンの酸化膜からなる。保護膜60は、第1電極41および第2電極の引出部41a、42aを除く部分、第3電極の側面、希土類元素-ジルコニウム酸化物層30の表面の一部を被覆している。保護膜60は、シート抵抗が1×108Ω/□以上であることが好ましい。保護膜60の厚みは、10nm以上75nm以下の範囲内にあることが好ましい。半導体膜50の周囲には、保護膜60で被覆されておらず、かつ生体物質の検出用の液体(試料液、測定液)を触れる非被覆部30aが設けられている。この非被覆部30aには、検出対象の生体物質を捕捉するためのプローブ分子(不図示)が固定されていてもよい。
The
図3は、図1に示す保護膜付きセンサに生体物質を含む試料液を接触させた状態を示す断面図である。
図3において、検出対象の生体物質を含む試料液70は、半導体膜50と、参照電極43と非被覆部30aとに接触するように保護膜付きセンサ1に供給される。これによって、検出対象の生体物質は、半導体膜50の表面に固定されたプローブ分子(不図示)、および非被覆部30aの表面に固定されたプローブ分子(不図示)に捕捉される。捕捉された生体物質は、次のようにして検出できる。試料液70を洗浄した後、半導体膜50と、参照電極43と、非被覆部30aとに接触するように測定液を供給する。測定液は、緩衝液などの酸や塩基を含む導電性の液体である。そして、第3電極44(参照電極43)-第1電極41(ソース電極)間の電圧と、第1電極41(ソース電極)-第2電極(ドレイン電極)間の電流とを測定し、その測定値に基づいて捕捉された生体物質の量を検出する。
FIG. 3 is a sectional view showing a state in which the sensor with a protective film shown in FIG. 1 is brought into contact with a sample liquid containing a biological substance.
In FIG. 3, a
本発明の一実施形態に係る保護膜付きセンサの製造方法は、保護膜成膜対象のセンサを用意する用意工程と、センサの表面にチタン膜を成膜する成膜工程と、チタン膜を酸化させる酸化工程とを含む。 A method for manufacturing a sensor with a protective film according to an embodiment of the present invention includes a preparation step of preparing a sensor on which a protective film is to be formed, a film forming step of forming a titanium film on the surface of the sensor, and an oxidation step of the titanium film. oxidation step.
図4は、本発明の一実施形態に係る保護膜付きセンサの製造方法において用いられるセンサ(保護膜形成対象のセンサ)の一例の断面図である。
図4に示すセンサ2は、保護膜60と参照電極43とを有しないこと以外は、図1、2に示す保護膜付きセンサと同様であるため、同一の構成については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
FIG. 4 is a cross-sectional view of an example of a sensor (a sensor on which a protective film is formed) used in the method for manufacturing a sensor with a protective film according to an embodiment of the present invention.
The
センサ2は、例えば、次のようにして作製することができる。
まず、基板10の上に、マスクを配置した状態で、導電性部材層20を成膜する。導電性部材層20は、例えば、スパッタリング法を用いて成膜することができる。
次に、マスクを外して、基板10と導電性部材層20との上に、希土類元素-ジルコニウム酸化物層30を成膜する。希土類元素-ジルコニウム酸化物層30は、塗布法を用いて成膜することができる。例えば、希土類元素-ジルコニウム溶液を、基板10と導電性部材層20との上に塗布し、得られた塗布膜を、酸素含有雰囲気中で、予備焼成を行って乾燥した後、400℃以下の温度で本焼成することによって希土類元素-ジルコニウム酸化物層30を成膜することができる。
The
First, the
Next, the mask is removed, and a rare earth element-
次に、希土類元素-ジルコニウム酸化物層30の上に、半導体膜50を成膜する。半導体膜は、塗布法とエッチング法を用いることによって成膜することができる。例えば、半導体膜の原料溶液を、希土類元素-ジルコニウム酸化物層30の上に塗布し、得られた塗布膜を、酸素含有雰囲気中で、予備焼成を行って乾燥した後、400℃以下の温度で本焼成することによって希土類元素-ジルコニウム酸化物層30の表面全体に半導体膜を成膜することができる。次いで、半導体膜の表面に、フォトリソグラフィを用いて、半導体膜50を形成する部分をフォトレジストで被覆した後、エッチング液を用いてフォトレジストで被覆されていない部分を除去することによって、不要な半導体膜を除去する。
Next, a
次に、第1電極41、第2電極42、第3電極44を形成する。第1電極41、第2電極42、第3電極44は、例えば、スパッタリング法を用いて成形することができる。
以上のようにして、センサ2を用意することができる。
Next, a
The
成膜工程では、用意工程で用意したセンサ2のセンサ部40の第1電極41の引出部41aと、第2電極42の引出部42aと、第3電極44の上面の一部と引出部44aと、半導体膜50の周囲の非被覆部30aを除く部分にチタン膜を成膜する。成膜工程では、例えば、センサ2のセンサ部40の表面全体にチタン膜を成膜し、次いで、不要なチタン膜を除去することによって、上記のパターンのチタン膜を成膜することが好ましい。
In the film forming process, the lead-out
図5は、センサ2にチタン膜60aを成膜した状態を説明する一例の断面図である。
図5に示すように、センサ2のセンサ部40の全面にチタン膜60aを成膜する。チタン膜60aはスパッタリング法により成膜することができる。チタン膜60aの膜厚は3nm以上20nm以下(酸化物換算で10nm以上75nm)の範囲内とする。膜厚が3nm未満であると、最終的に得られるチタン酸化膜の強度が弱くなるおそれがある。一方、膜厚が20nmを超えると400℃以下の温度での焼成でチタンを均一に酸化させることが難しくなるおそれがある。
FIG. 5 is a cross-sectional view of an example of a state in which a
As shown in FIG. 5, a
不要なチタン膜は、エッチング法を用いて除去することができる。具体的には、まず、チタン膜60aの表面に、フォトリソグラフィを用いて、チタン酸化物層を形成する部分をフォトレジストで被覆する。次いで、エッチング液を用いてフォトレジストで被覆されていない部分を除去することによって、不要なチタン膜を除去する。
Unnecessary titanium film can be removed using an etching method. Specifically, first, the surface of the
酸化工程では、チタン膜を酸素の存在下で加熱して酸化させる。加熱時の周囲の酸素濃度は、例えば、20体積%以上である。加熱時の周囲の環境は大気環境であってもよい。 In the oxidation step, the titanium film is heated and oxidized in the presence of oxygen. The ambient oxygen concentration during heating is, for example, 20% by volume or more. The surrounding environment during heating may be an atmospheric environment.
加熱温度は、400℃以下である。加熱温度が400℃よりも高いと、希土類元素-ジルコニウム酸化物層30が変質して、保護膜付きセンサ1の電気的な特性が低下し、生体物質の検出感度が低下するおそれがある。加熱温度や加熱時間は、チタン膜の膜厚によって異なる。例えば、加熱温度が380℃以上400℃以下の範囲内にある場合、膜厚が3nm以上10nm以下の範囲内、特に3nm以上7nm以下の範囲にあるときの加熱時間は10分以下であってもよい。膜厚が10nmを超えるとき、特に15nm以上のときの加熱時間は20分以上であることが好ましく、膜厚が18nm以上20nm以下の範囲内にあるときの加熱時間は30分以上であることが好ましい。また、チタン膜の膜厚が3nm以上10nm以下の範囲内にある場合、特に3nm以上7nm以下の範囲内にある場合は、加熱温度は250℃以上400℃以下の範囲内であってもよい。膜厚が3nm以上10nm以下の範囲内にあって、加熱温度が250℃のときの加熱時間は40分以上が好ましく、加熱温度が300℃のときの加熱時間は30分以上が好ましく、加熱温度が350℃以上400℃以下のときの加熱温度は10分以上であることが好ましい。
The heating temperature is 400°C or less. If the heating temperature is higher than 400° C., the rare earth element-
以上のようにして保護層が成膜されたら、第3電極44の上面に参照電極43(Ag/AgCl)を形成する。
After the protective layer is formed as described above, a reference electrode 43 (Ag/AgCl) is formed on the upper surface of the
以上のような構成とされた本実施形態の保護膜付きセンサの製造方法によれば、チタン膜を酸化させるときの加熱温度が400℃以下とされているので、希土類元素-ジルコニウム酸化物層30を変質させずに、第1電極41の引出部41aを除く部分と、第2電極42の引出部42aを除く部分と、第3電極44の側面のそれぞれに保護膜60を成膜することができる。また、膜厚が3nm以上20nm以下のチタン膜を、酸素の存在下で380℃以上の温度で加熱するので、チタン膜を確実に酸化させることができる。さらに、その加熱によって得られる保護膜は、チタン酸化物であり、電極材料との親和性が高く、各種薬品に対する耐食性が高い。よって、本実施形態の保護膜付きセンサの製造方法によれば、電極から剥がれにくく、生体物質の検出時に劣化しにくく、強靭で高抵抗な保護膜を、センサの感度を低下させずに成膜することができる。
According to the method for manufacturing a sensor with a protective film of the present embodiment configured as described above, since the heating temperature when oxidizing the titanium film is set to 400° C. or lower, the rare earth element-
また、本実施形態の保護膜付きセンサの製造方法によれば、膜厚が3nm以上10nm以下のチタン膜を、酸素の存在下で250℃以上400℃以下の温度で加熱することによっても、チタン膜を確実に酸化させることができる。よって、この本実施形態の保護膜付きセンサの製造方法によれば、電極から剥がれにくく、生体物質の検出時に劣化しにくく、強靭で高抵抗な保護膜を、センサの感度を低下させずに成膜することができる。 Further, according to the method for manufacturing a sensor with a protective film of the present embodiment, titanium film can also be produced by heating a titanium film having a thickness of 3 nm or more and 10 nm or less at a temperature of 250° C. or more and 400° C. or less in the presence of oxygen. The film can be reliably oxidized. Therefore, according to the method for manufacturing a sensor with a protective film according to this embodiment, a strong and high-resistance protective film that is difficult to peel off from electrodes, does not easily deteriorate when detecting biological substances, and can be produced without reducing the sensitivity of the sensor. It can be membraned.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto and can be modified as appropriate without departing from the technical idea of the invention.
[実験例1]
図4に示す保護膜なしのセンサ2を用意した。各部分の材料および作製方法は、下記のとおりである。
基板10:厚さ500nmの酸化ケイ素被膜を有するシリコン基板(SiO2/Si基板)。
導電性部材層20:チタン層(厚さ:10nm)の上に、白金層(厚さ:100nm)を積層したPt/Ti層。チタン層および白金層はスパッタリング法により成膜した。
希土類元素-ジルコニウム酸化物層30:厚さ120nmのLaZrO層。LaZrO層は、La0.5Zr0.5O溶液をスピンコーティング法により塗布し、得られた塗布層を酸素含有雰囲気で、250℃で予備焼成した後、400℃で本焼成して成膜した。La0.5Zr0.5O溶液は、酢酸ランタン1.5水和物とジルコニウムブトキシドとを1:1(モル比)の割合で混合し、得られた混合物をLa0.5Zr0.5O濃度に換算して0.2mol/kgとなるようにプロピオン酸に溶解させ、得られた混合溶液を110℃で30分間還流することによって調製した。
第1電極41、第2電極42、第3電極44:ITO層(厚さ:50nm)の上に、白金層(厚さ:100nm)を積層したPt/ITO電極。ITO層及び白金層はスパッタリング法により成膜した。
半導体膜50:厚さ20nmのIn2O3層。In2O3層は、In2O3溶液をスピンコーティング法により塗布し、得られた塗布層を酸素含有雰囲気で、250℃で予備焼成した後、300℃で本焼成して成膜した。In2O3溶液は、硝酸インジウム3水和物を、In2O3濃度に換算して0.2mol/kgとなるように2-メトキシエタノールに溶解させ、得られた溶液を110℃で30分間還流することによって調製した。
[Experiment example 1]
A
Substrate 10: a silicon substrate (SiO 2 /Si substrate) having a silicon oxide film with a thickness of 500 nm.
Conductive member layer 20: A Pt/Ti layer in which a platinum layer (thickness: 100 nm) is laminated on a titanium layer (thickness: 10 nm). The titanium layer and platinum layer were formed by sputtering.
Rare earth element-zirconium oxide layer 30: LaZrO layer with a thickness of 120 nm. The LaZrO layer is formed by applying a La 0.5 Zr 0.5 O solution by spin coating, preliminarily baking the resulting coating layer at 250°C in an oxygen-containing atmosphere, and then main baking it at 400°C. did. The La 0.5 Zr 0.5 O solution is prepared by mixing lanthanum acetate hemihydrate and zirconium butoxide at a ratio of 1:1 (molar ratio), and adding the resulting mixture to the La 0.5 Zr 0.5 O solution . It was prepared by dissolving it in propionic acid to a concentration of 0.2 mol/kg in terms of 5 O concentration, and refluxing the resulting mixed solution at 110° C. for 30 minutes.
Semiconductor film 50: In 2 O three layers with a thickness of 20 nm. The In 2 O 3 layer was formed by applying an In 2 O 3 solution by spin coating, preliminarily baking the obtained coating layer at 250° C. in an oxygen-containing atmosphere, and then main baking at 300° C. The In 2 O 3 solution was prepared by dissolving indium nitrate trihydrate in 2-methoxyethanol to give an In 2 O 3 concentration of 0.2 mol/kg, and the resulting solution was heated at 110°C for 30 min. Prepared by refluxing for minutes.
用意したセンサ2のセンサ部40の表面全体に、Tiターゲットを用いたスパッタリング法を用いて、チタン膜を成膜した。チタン膜の成膜条件は、以下のとおりとした。
電力:300W
チャンバー内の圧力:0.1Pa
T/S距離(センサ2とターゲットとの距離):100mm、
膜厚:7nm(酸化物換算膜厚:25nm)、15nm(酸化物換算膜厚:54nm)、20nm(酸化物換算膜厚:72nm)
A titanium film was formed on the entire surface of the
Power: 300W
Pressure inside the chamber: 0.1Pa
T/S distance (distance between
Film thickness: 7 nm (oxide equivalent film thickness: 25 nm), 15 nm (oxide equivalent film thickness: 54 nm), 20 nm (oxide equivalent film thickness: 72 nm)
次に、チタン膜を成膜したセンサ2の表面に、レジスト膜用の密着向上剤(OAP、東京応化工業株式会社製)を2000rpmで35秒間、次に、レジスト液(TSMR8900、東京応化工業株式会社製)を3000rpmで35秒間の順にスピンコートにて塗布した。その後、110℃のホットプレート上で1分30秒間加熱し、レジスト液を固化させた。次に、レジスト膜の上に、マスクアライナー(SUSS社製)を用いてポジ型用のフォトマスクを取り付け、ソフトコンタクトにて積算照射量を80mJ/cm2で露光して、パターニングした。露光したセンサ2を現像液(NMD-W、東京応化工業株式会社製)に2分間浸漬し、不要な部分のレジストを除去した。リンス洗浄として超純水が入ったトレイを3つ用意し、順に揺動させながら洗浄した。エアブローで水分を除去後、150℃のホットプレート上で5分間加熱(ポストベーク)した。次にNaOHとH2O2を1:1(質量比)で含むエッチング液に、ポストベークしたセンサ2を常温で28秒間浸漬して、パターニングした部分をエッチングした。エッチングしたセンサ2を剥離液(104、東京応化工業株式会社製)に浸漬させ、ホットプレートを用いて80℃で15分間加熱した後、超音波洗浄機で試料を2分間洗浄した。洗浄後のセンサ2を、洗浄液(ストリップリンス-4、東京応化工業株式会社製)で洗浄して剥離液を除去し、次いでIPAと超純水にてリンス洗浄を行った。
こうして、センサ部40の第1電極41の引出部41aと、第2電極42の引出部42a、第3電極44の上面の一部と引出部44aと、半導体膜50の周囲の非被覆部30aを除く部分にチタン膜を成膜した試料を複数個作製した。
Next, a resist film adhesion improver (OAP, manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was applied to the surface of the
In this way, the lead-out
作製した試料を、加熱温度が250℃、300℃、350℃、400℃の各温度で、加熱時間が30分間の条件で加熱して、チタン膜を酸化させた。加熱後の試料のチタン酸化膜のシート抵抗を抵抗率計(Hiresta-UR(MCR-HT450)、株式会社三菱化学アナリテック社製)を用いて測定した。その結果を、下記の表1に示す。 The prepared sample was heated at a heating temperature of 250° C., 300° C., 350° C., and 400° C. for a heating time of 30 minutes to oxidize the titanium film. The sheet resistance of the titanium oxide film of the sample after heating was measured using a resistivity meter (Hiresta-UR (MCR-HT450), manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.). The results are shown in Table 1 below.
表1の結果から、チタンの膜厚が7nmの試料は加熱温度が250℃であってもシート抵抗が高く、チタンが酸化していることがわかる。一方、チタンの膜厚が20nmの試料は加熱温度が250℃のときのシート抵抗と比較して、加熱温度が350℃のときのシート抵抗が訳2.6倍上昇し、アニール温度が400℃となるとシート抵抗が急激に上昇することがわかる。 From the results in Table 1, it can be seen that the sample with a titanium film thickness of 7 nm has a high sheet resistance even at a heating temperature of 250° C., indicating that titanium is oxidized. On the other hand, for a sample with a titanium film thickness of 20 nm, the sheet resistance when the heating temperature was 350°C increased by 2.6 times compared to the sheet resistance when the heating temperature was 250°C, and the annealing temperature was 400°C. It can be seen that the sheet resistance increases rapidly.
[実験例2]
実験例1と同様にして作製した試料を、加熱温度が400℃で、加熱時間が10分間、20分間、30分間の条件で加熱して、チタン膜を酸化させた。加熱後の試料のチタン酸化膜のシート抵抗を実験例1と同様にして測定した。その結果を、下記の表2に示す。
[Experiment example 2]
A sample prepared in the same manner as in Experimental Example 1 was heated at a heating temperature of 400° C. and a heating time of 10 minutes, 20 minutes, and 30 minutes to oxidize the titanium film. The sheet resistance of the titanium oxide film of the sample after heating was measured in the same manner as in Experimental Example 1. The results are shown in Table 2 below.
表2の結果から、チタンの膜厚が15nm、20nmの試料についても、アニール時間を長くすることによって、シート抵抗が上昇することがわかる。 From the results in Table 2, it can be seen that the sheet resistance of the samples with titanium film thicknesses of 15 nm and 20 nm also increases by increasing the annealing time.
以上のことから、チタン膜の膜厚が3nm以上20nm以下の範囲内にあるときは、加熱温度が380℃以上であればチタンを十分に酸化させることが可能となることがわかる。特にチタン膜の膜厚が3nm以上10nm以下の範囲内にあるとアニール温度が250℃以上であればチタンを十分に酸化させることが可能となることがわかる。 From the above, it can be seen that when the thickness of the titanium film is within the range of 3 nm or more and 20 nm or less, titanium can be sufficiently oxidized if the heating temperature is 380° C. or higher. In particular, it can be seen that when the thickness of the titanium film is within the range of 3 nm or more and 10 nm or less, titanium can be sufficiently oxidized if the annealing temperature is 250° C. or higher.
[本発明例1]
実験例1と同様にして作製したセンサ部40の第1電極41の引出部41aと、第2電極42の引出部42a、第3電極44の上面の一部と引出部44aと、半導体膜50の周囲の非被覆部30aを除く部分に、厚さ7nmのチタン膜を形成した試料を、400℃で30分間の加熱処理を行ってチタン膜を酸化させた。次いで、第3電極44の上面に参照電極43(Ag/AgCl)を形成して、保護膜付きセンサを得た。
[Example 1 of the present invention]
The lead-out
[本発明例2]
実験例1と同様にして作製したセンサ部40の第1電極41の引出部41aと、第2電極42の引出部42a、第3電極44の上面の一部と引出部44aと、半導体膜50の周囲の非被覆部30aを除く部分に、厚さ20nmのチタン膜を形成した試料を、400℃で30分間の加熱処理を行ってチタン膜を酸化させた。次いで、第3電極44の上面に参照電極43(Ag/AgCl)を形成して、保護膜付きセンサを得た。
[Example 2 of the present invention]
The lead-out
[比較例1]
実験例1で用意した保護膜なしセンサの第3電極44の上面に参照電極(Ag/AgCl)を形成して、センサを得た。
[Comparative example 1]
A reference electrode (Ag/AgCl) was formed on the upper surface of the
[比較例2]
実験例1で用意した保護膜なしセンサのセンサ部40の第1電極41の引出部41aと、第2電極42の引出部42a、第3電極44の上面の一部と引出部44aと、半導体膜50の周囲の非被覆部30aを除く部分に、感光性レジストを用いて保護膜を成膜した。次いで、第3電極44の上面に参照電極43(Ag/AgCl)を形成して、保護膜付きセンサを得た。
[Comparative example 2]
The lead-out
[評価]
本発明例1~2および比較例1~2のセンサについて、ON電流とリーク電流を下記の方法により測定した。なお、その結果を、図6~9に示す。なお、本発明例1~2で得られた保護膜付きセンサについては、ON電流とリーク電流をそれぞれ4回繰り返して測定した。
[evaluation]
The ON current and leakage current of the sensors of Inventive Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by the following methods. The results are shown in FIGS. 6 to 9. For the sensors with protective films obtained in Examples 1 and 2 of the present invention, ON current and leakage current were each measured repeatedly four times.
(ON電流およびリーク電流の測定方法)
ON電流とリーク電流は、半導体パラメータを用いて測定した。濃度1mMのPbS(リン酸緩衝生理食塩水、pH:7.4)200μLを、半導体膜50と、参照電極43と、非被覆部30aとに接触するように滴下した。第1電極41と第2電極の間の電圧VDSを0.2Vとし、参照電極43に電圧VTGを0V~1.2V(5mV/Step)の条件で印加したときに半導体膜50に流れる電流量Idを測定することによって、印加電圧に対するOn電流値とリーク電流値を得た。
(Measurement method of ON current and leakage current)
ON current and leakage current were measured using semiconductor parameters. 200 μL of PbS (phosphate buffered saline, pH: 7.4) having a concentration of 1 mM was dropped so as to contact the
図6は、本発明例1で得られた保護膜付きセンサの評価結果であり、(a)は、On電流の測定結果であり、(b)はリーク電流値の測定結果である。
図6の結果から、On電流とリーク電流ともに4回の測定結果が同等であり、繰り返しの使用が可能であることがわかる。また、On電流値に対するリーク電流値が10%以下と低いことから、この保護膜付きセンサを用いることによって生体物質を高い感度で検出することが可能となることかわかる。
FIG. 6 shows the evaluation results of the protective film-equipped sensor obtained in Inventive Example 1, in which (a) is the measurement result of the ON current, and (b) is the measurement result of the leakage current value.
From the results shown in FIG. 6, it can be seen that the four measurement results are the same for both the On current and the leakage current, and that repeated use is possible. Furthermore, since the leakage current value with respect to the ON current value is as low as 10% or less, it can be seen that biological substances can be detected with high sensitivity by using this sensor with a protective film.
図7は、本発明例2で得られた保護膜付きセンサの評価結果であり、(a)は、On電流の測定結果であり、(b)はリーク電流値の測定結果である。
図7の結果から、On電流とリーク電流ともに4回の測定結果が同等であり、繰り返しの使用が可能であることがわかる。また、On電流値に対するリーク電流値が10%以下と低いことから、この保護膜付きセンサを用いることによって生体物質を高い感度で検出することが可能となることかわかる。
FIG. 7 shows the evaluation results of the protective film-equipped sensor obtained in Inventive Example 2, in which (a) is the measurement result of the ON current, and (b) is the measurement result of the leakage current value.
From the results in FIG. 7, it can be seen that the four measurement results for both the on current and the leakage current are equivalent, and that repeated use is possible. Furthermore, since the leakage current value with respect to the ON current value is as low as 10% or less, it can be seen that biological substances can be detected with high sensitivity by using this sensor with a protective film.
図8はそれぞれ、比較例1のセンサ(保護膜なし)の評価結果であり、(a)は、On電流の測定結果であり、(b)はリーク電流値の測定結果である。
図8の結果から、比較例1のセンサは、リーク電流値がOn電流値と同等もしくは10%以上であり、本発明例1および本発明例2の保護膜付きセンサと比較して高いことから、感度が低下することがわかる。これは、第1電極および第2電極が測定液と直接接触することによって、電極表面の特性が変化したためであると考えられる。
FIG. 8 shows the evaluation results of the sensor of Comparative Example 1 (without a protective film), where (a) is the measurement result of the On current, and (b) is the measurement result of the leakage current value.
From the results in FIG. 8, it can be seen that the leakage current value of the sensor of Comparative Example 1 is equal to or 10% or more of the On current value, which is higher than that of the sensor with a protective film of Invention Example 1 and Invention Example 2. , it can be seen that the sensitivity decreases. This is considered to be because the properties of the electrode surfaces changed due to direct contact between the first electrode and the second electrode with the measurement liquid.
図9はそれぞれ、比較例2で得られた保護膜付きセンサの評価結果であり、(a)は、On電流の測定結果であり、(b)はリーク電流値の測定結果である。
図9の結果から、比較例2の保護膜付きセンサは、リーク電流値がOn電流値と同等もしくは10%以上であり、本発明例1および本発明例2の保護膜付きセンサと比較して高いことから、感度が低下することがわかる。これは、第1電極と第2電極の保護膜が測定液と接触することによって剥離して、第1電極および第2電極が測定液と直接接触したためであると考えられる。
FIG. 9 shows the evaluation results of the protective film-equipped sensor obtained in Comparative Example 2, in which (a) is the measurement result of the ON current, and (b) is the measurement result of the leakage current value.
From the results in FIG. 9, it can be seen that the leakage current value of the protective film-equipped sensor of Comparative Example 2 is equal to or 10% or more than the On-current value, and compared to the protective film-equipped sensor of Inventive Example 1 and Inventive Example 2. It can be seen that the sensitivity decreases because it is high. This is considered to be because the protective films of the first and second electrodes were peeled off when they came into contact with the measurement liquid, and the first and second electrodes came into direct contact with the measurement liquid.
1 保護膜付きセンサ
2 センサ
10 基板
20 導電性部材層
30 希土類元素-ジルコニウム酸化物層
30a 非被覆部
40 センサ部
41 第1電極
41a 引出部
42 第2電極
42a 引出部
43 参照電極
44 第3電極
44a 引出部
50 半導体膜
60 保護膜
60a チタン膜
70 試料液
1 Sensor with
Claims (2)
前記第1電極と前記第2電極の上にチタン膜を3nm以上20nm以下の膜厚で成膜する工程と、
前記チタン膜を酸素の存在下で380℃以上400℃以下の温度で加熱して酸化させる工程と、を含む保護膜付きセンサの製造方法。 It has an oxide layer containing a rare earth element and zirconium, and a sensor section formed on the oxide layer, and the sensor section includes a first electrode, a second electrode, a third electrode, and the first electrode. preparing a sensor having a semiconductor film connected to the second electrode;
forming a titanium film on the first electrode and the second electrode with a thickness of 3 nm or more and 20 nm or less;
A method for manufacturing a sensor with a protective film, comprising the step of heating the titanium film at a temperature of 380° C. or higher and 400° C. or lower in the presence of oxygen to oxidize the titanium film.
前記第1電極と前記第2電極の上にチタン膜を3nm以上10nm以下の膜厚で成膜する工程と、
前記チタン膜を酸素の存在下で250℃以上400℃以下の温度で加熱して酸化させる工程と、を含む保護膜付きセンサの製造方法。 It has an oxide layer containing a rare earth element and zirconium, and a sensor section formed on the oxide layer, and the sensor section includes a first electrode, a second electrode, a third electrode, and the first electrode. preparing a sensor having a semiconductor film connected to the second electrode;
forming a titanium film on the first electrode and the second electrode with a thickness of 3 nm or more and 10 nm or less;
A method for manufacturing a sensor with a protective film, comprising the step of heating the titanium film at a temperature of 250° C. or higher and 400° C. or lower in the presence of oxygen to oxidize the titanium film.
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