JPH0349388B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体電界効果型イオンセンサの表面
に酵素固定化膜が設けられてなる集積化された半
導体バイオセンサにおける酵素固定化膜の膜厚制
御法に関するものである。

（従来の技術） 従来、溶液中の特定の有機物の濃度を測定する
半導体バイオセンサの一種に半導体電界効果型イ
オンセンサ（以下「ISFET」という）の表面に
酵素を固定化した膜が設けられたものが知られて
いる。このバイオセンサは、溶液中の特定の有機
物が酵素固定化膜中で酵素の触媒作用により化学
反応をした時に生じる水素イオン濃度の変化を
ISFETで検出することにより、特定の有機物の
濃度を測定するものである。この選択性をもつ酵
素固定化膜の例として、尿素検出用としてウレア
ーゼ固定化膜、グルコース検出用としてグルコー
スオキシダーゼ膜などが知られている（センサー
ズ・アンド・アクチユエイターズ（Sensors and
Actuators）第７巻１頁〜10頁（1985））。また、
サフアイア基板上に設けられた島状シリコンを用
いて酵素固定化膜が設けられたISFETと失活し
た酵素固定化膜が設けられたISFETを同一チツ
プ上に形成し、裏面に参照電極として金属極を設
けることにより、ワンチツプ化されたバイオセン
サも開発されている（第16回、1984インタナシヨ
ナル・カンフアレンス・オン・ソリツド・ステー
ト・デバイシズ・アンド・マテリアルズ・レイ
ト・ニユーズ・アブストラクツ（1984
International Conference on Solid State
Devices and Materials、Late News
Abstracts）66頁〜67頁（1984））。

この様なバイオセンサを製造するにあたり、所
定のISFET上に酵素固定化膜を形成する必要が
ある。酵素固定化膜の形成法にはいくつかの方法
が知られているが、ウエハの段階で酵素固定化膜
を形成でき、バイオセンサの大量生産を可能なら
しめるものとしては、三酢酸セルロースを担体と
した酵素固定化膜をウエハ全面に形成した後、ホ
トマスクを介して紫外線を照射、所定のISFET
上以外の酵素固定化膜中の酵素を失活させるとい
う方法がある（第16回、1984インタナシヨナル・
カンフアレンス・オン・ソリツド・ステート・デ
バイシズ・アンド・マテリアルズ・レイト・ニユ
ーズ・アブストラクツ（1984 International
Conference on Solid State Devices and
Materials、Late News Abstracts）66頁〜67頁
（1984））。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、上記の方法は酵素固定化膜を形成する
のに１日以上を要する上、酵素固定化膜の性状、
例えば厚さ、酵素含有量などバイオセンサの出力
に重大な影響を及ぼす要因の変更が難しいという
問題点を有していた。これに対し、短時間で酵素
固定化膜を得られ酵素固定化膜中の酵素含有量の
変更も容易であるリフトオフ法が提案されている
（特願昭59−209165）。

しかし、このリフトオフ法によつて得られる酵
素固定化膜の厚さはスピン塗布する蛋白質溶液の
組成やスピンナーの回転数を変えても均一な膜と
しては最大0.5μｍ程度あり、より厚い酵素固定化
膜が必要とされる場合にはリフトオフ法を採用す
ることができなかつた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は１つのチツプ上に１つまたは２つ以上
の半導体電界効果型イオンセンサが集積化され、
そのうちの少なくとも１つの半導体電界効果型イ
オンセンサの表面に酵素固定化膜が設けられてな
る半導体バイオセンサの製造方法において、半導
体電界効果型イオンセンサが形成された半導体ウ
エハ上に有機溶剤に可溶なフオトレジストを塗布
した後、フオトリソグラフイー法により酵素固定
化膜が設けられるべき所定の半導体電界効果型イ
オンセンサの表面のフオトレジストを除く工程と
前記半導体ウエハ表面に、親水性プライマ溶液を
スピン塗布し、前記所定の半導体電界効果型イオ
ンセンサの表面を親水性プライマ処理する工程と
前記工程を経た半導体ウエハ表面に酵素と架橋剤
を含む蛋白質溶液をスピン塗布して前記半導体ウ
エハ表面上に酵素固定化膜を形成する工程と、さ
らに前記工程を経た半導体ウエハを前記フオトレ
ジストを溶解する有機溶剤で処理して前記フオト
レジストを溶解し、前記所定の半導体電界効果型
イオンセンサの表面以外に存在する酵素固定化膜
をリフトオフにより除去する工程とを備え、前記
酵素と架橋剤を含む蛋白溶液のスピン塗布を、架
橋剤の架橋反応に必要な時間をおいて繰り返し、
所望の厚さの酵素固定化膜を前記所定の半導体電
界効果型イオンセンサの表面に形成することを特
徴とする半導体バイオセンサ酵素固定化膜の形成
方法である。

（作用） リフトオフ法による半導体バイオセンサの製造
法によれば、半導体ウエハ上に有機溶剤に可溶な
フオトレジストを塗布した後、フオトリソグラフ
イー法により酵素固定化膜が設けられるべき所定
のISFETの表面のフオトレジストを除き、その
上から親水性プライマをスピン塗布する。

フオトレジストが除かれたISFETの表面はこ
の工程により親水性プライマ処理され、後に形成
される酵素固定化膜がISFETの表面より剥離す
ることを防止する。この上に酵素と架橋剤を含む
蛋白質溶液を塗布するわけであるが、フオトリソ
グラフイー法によつてフオトレジストが除かれた
ISFETの表面にはこれと接して酵素固定化膜が
形成され、それ以外の部分ではウエハ表面と形成
された酵素固定化膜との間にフオトレジスト層が
存在するわけである。架橋剤による架橋反応が終
了すれば、さらにこの上から蛋白質溶液をスピン
塗布することができる。本発明の半導体バイオセ
ンサ酵素固定化膜の膜厚制御法によれば蛋白質溶
液のスピン塗布を繰り返すことにより所望の厚さ
の酵素固定化膜を形成することができる。以上の
工程を経た半導体ウエハを有機溶剤で処理すると
フオトレジストは有機溶剤に溶解し、その際フオ
トレジスト上に形成された酵素固定化膜も剥離す
る。その結果ISFET表面上に形成された所望の
厚さの酵素固定化膜のみが残る。

（実施例） 以下本発明の実施例について図面を参照して説
明する。

第１図は本発明による半導体バイオセンサ酵素
固定化膜の形成方法の一実施例の工程説明図で、
サフアイア基板上に形成された２つ１組の
ISFETの一方にのみ酵素固定化膜を形成する場
合について示してある。

第１図ａ〜ｅにおいて、１はサフアイア基板、
２は高不純物濃度ｎ形シリコン領域、３はＰ形シ
リコン領域、４は酸化シリコン膜、５は窒化シリ
コン膜、６は有機溶剤可溶性のフオトレジスト膜
７は金電極である。次に製造工程を順を追つて説
明する。サフアイア基板表面の島状シリコン層を
用いてISFETを形成し、サフアイア基板裏面に
金を蒸着したウエハの表面にフオトレジスト膜、
例えばシツプレー社製マイクロポジツト1300−27
をスピン塗布する（第１図ａ）。このフオトレジ
ストはアセトン可溶性である。次に、フオトマス
クを用い露光、現像により酵素固定化膜が設けら
れるISFETの表面のフオトレジスト膜を除去す
る（第１図ｂ）。

その後、親水性プライマ例えばγ−アミノプロ
ピルトリエトキシシランの１％水溶液をウエハ上
にスピン塗布し、110℃で５分間熱処理を行ない
酵素固定化膜が設けられるISFETの表面にγ−
アミノプロピルトリエトキシシランを結合させ
る。このウエハを５％グルタルアルデヒド水溶液
に15分間浸漬し、次に酵素と架橋剤を含む蛋白質
溶液、例えば尿素を検出する場合には300mg／ml
牛血清アルブミンを含む0.1Mピペラジン−Ｎ，
N′−ビス（２−エタンスルフオン酸）−水酸化ナ
トリウム（PH6.8）２体積部に50mg／mlのウレア
ーゼ（マイルスラボラトリーズ製53U／mg）水溶
液１体積部を加え、さらに2Wt％グルタルアルデ
ヒド水溶液１体積部を加えた後よく混合した溶液
900μをスピン塗布する。30分間常温で放置し
てグルタルアルデヒドによる架橋反応を完了させ
て第１の酵素固定化膜８を形成する（第１図ｃ）。
次に先の蛋白質溶液と同じ組成をもつ蛋白質溶液
をスピン塗布し、第２の酵素固定化膜９を第１の
酵母固定化膜８の上に形成する。このようにして
二層の酵素固定化膜が形成されたウエハ（第１図
ｄ）をアセトン中に浸漬し超音波洗浄器を用いて
２分間超音波処理を行なうと、フオトレジスト膜
はアセトン中に溶出し、それとともにフオトレジ
スト膜上に形成された酵素固定化膜も剥離する。
その結果、あらかじめフオトレジスト膜が除去さ
れてあつたISFET上に形成された酵素固定化膜
１０のみがウエハ上に残る（第１図ｅ）。この酵
素固定化膜の厚さは1μｍであつた。以上の工程
により所定のISFETの表面にだけ1μｍの厚さの
酵素固定化膜を形成することができた。

次にフオトレジストをシツプレー社製マイクロ
ポジツト1300−37にかえ、酵素と架橋剤を含む蛋
白質溶液のスピン塗布の回数を４回に増すほか
は、先の例と同じ工程を経ることにより、厚さ
2μｍの酵素固定化膜が所定のISFET上に形成さ
れた。

（発明の効果） 本発明の方法によれば形成される酵素固定化膜
の厚さは酵素と架橋剤を含む蛋白質溶液のスピン
塗布の回数によつて調節することができる。蛋白
質溶液の組成は酵素固定化膜の形成が妨げられな
い範囲で変更することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｅは本発明の方法をリフトオフ法に
よる半導体バイオセンサの製造工程に適用した際
の工程説明図。 図において、１はサフアイア基板、２は高不純
物濃度ｎ形シリコン領域、３はＰ形シリコン領
域、４は酸化シリコン膜、５は窒化シリコン膜、
６はフオトレジスト膜、７は金電極、８は第１の
酵素固定化膜、９は第２の酵素固定化膜、１０は
酵素固定化膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １つのチツプ上に１つまたは２つ以上の半導
   体電界効果型イオンセンサが集積化され、そのう
   ちの少なくとも１つの半導体電界効果型イオンセ
   ンサの表面に酵素固定化膜が設けられてなる半導
   体バイオセンサの製造方法において、 (a) 半導体電界効果型イオンセンサが形成された
   半導体ウエハ上に有機溶剤に可溶なフオトレジ
   ストを塗布した後、フオトリソグラフイー法に
   より酵素固定化膜が設けられるべき所定の半導
   体電界効果型イオンセンサの表面のフオトレジ
   ストを除く工程と、 (b) 前記半導体ウエハ表面に、親水性プライマ溶
   液をスピン塗布し、前記所定の半導体電界効果
   型イオンセンサの表面を親水性プライマ処理す
   る工程と、 (c) 前記工程を経た半導体ウエハ表面に酵素と架
   橋剤を含む蛋白質溶液をスピン塗布して前記半
   導体ウエハ表面上に酵素固定化膜を形成する工
   程と、 (d) さらに前記工程を経た半導体ウエハを前記フ
   オトレジストを溶解する有機溶剤で処理して前
   記フオトレジストを溶解し、前記所定の半導体
   電界効果型イオンセンサの表面以外に存在する
   酵素固定化膜をリフトオフにより除去する工程
   とを備え、前記酵素と架橋剤を含む蛋白溶液の
   スピン塗布を架橋剤の架橋反応に必要な時間を
   おいて繰り返し所望の厚さの酵素固定化膜を前
   記所定の半導体電界効果型イオンセンサの表面
   に形成することを特徴とする半導体バイオセン
   サ酵素固定化膜の形成方法。