JPH1068712A - バイオテクノロジー用ｍｏｓトランジスタ - Google Patents

バイオテクノロジー用ｍｏｓトランジスタ

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JPH1068712A JP9166513A JP16651397A JPH1068712A JP H1068712 A JPH1068712 A JP H1068712A JP 9166513 A JP9166513 A JP 9166513A JP 16651397 A JP16651397 A JP 16651397A JP H1068712 A JPH1068712 A JP H1068712A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 バイオテクノロジーの用途に適しておりかつ
特に電気化学的に耐食性のＭＯＳトランジスタを提供す
る。 【解決手段】 ゲート電極９が接触面（パッド）１７と
導電接続されており、接触面１７が電気化学的に耐食性
であり生体細胞と接続可能であるように採寸されてお
り、その表面トポロジが比較的平坦でありかつ接触面１
７を除いてその表面を誘電性不活性化層で保護されてい
るＭＯＳトランジスタを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はバイオテクノロジー
に使用されるＭＯＳトランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】生体の神経細胞の電気的活動及び電気的
刺激を記録することは生体のメカニズム、特に神経パル
スの伝動、神経単位の検出及び神経組織の学習能力を調
査するための前提条件である。この種の認識はニューロ
バイオセンサの将来の構造及びニューロエレクトロニク
ス回路の実現を基礎づけるものである。生体の神経細胞
をＭＯＳトランジスタに電気的に結合することは最近の
研究課題である。細胞膜とＭＯＳトランジスタのゲート
電極間を導電接続することは、ゲートポリシリコン及び
金属化部を持たないトランジスタを使用した場合に可能
である。この種の研究に半導体デバイスを使用する際の
１つの問題は、これらのデバイスに使用される材料の多
くが生体細胞に使用される培養液に対して耐性に欠ける
ことである。これらの培養液は多くの物質を電気化学的
に腐食する電解液を形成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、バイ
オテクノロジーに使用するのに適しており、かつまた特
に電気化学的に耐食性のＭＯＳトランジスタを提供する
ことにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明の請求
項１に記載の特徴により解決される。
【０００５】本発明によるトランジスタは接触面又は接
続端子面（パッド）と導電接続されているゲート電極を
有する。この接触面は当該バイオテクノロジー用に採寸
されている。接触面は例えばトランジスタのゲートと導
電接続される生体細胞の大きさに適合する寸法を有す
る。この接触面は電気化学的に耐食性の物質、即ち細胞
膜によっても培養液又は接触部を形成する接着剤によっ
ても腐食されない材料から製造されている。このトラン
ジスタの残りの表面は、主にこの接触面のみを露出しト
ランジスタがその使用に際して曝される電解質に対して
耐性を示す不活性層で覆われている。この種の不活性カ
バー層には特に薄い窒化物層の析出が問題になる。本発
明によるトランジスタのもう１つの特徴は比較的平坦な
表面、即ち少なくとも接触面の周囲の領域における表面
トポロジが最高でも２００ｎｍの段差を有するに過ぎな
いことである。このことは細胞を接触面に結合すること
を容易にする。
【０００６】本発明によるトランジスタの特に有利な実
施態様ではゲート幅のゲート長に対する比は３：１以上
である。ゲート長はソースからドレイン方向にゲート電
極の寸法であり、ゲート幅はトランジスタの機能にとっ
て重要なチャネルの周囲領域においてゲート長に直角の
ゲート電極の寸法である。この補助的な最適化によりト
ランジスタの特性曲線はできるだけ大きな急峻度を達成
できる。このようにしてこのトランジスタは、検査すべ
き神経細胞の自発的活動（細胞内電位が約４０ｍＶ〜６
０ｍＶの変化）の場合にも４０ｍＶのゲート電位の変化
をμＡ範囲のドレイン電流の変化に変えるのに十分に高
い感度を提供する。
【０００７】もう１つの特に有利な実施態様では、接触
面の面積とゲート電極の面積（平面図におけるゲートウ
ェブの面積、ゲート長×ゲート幅）との比は５：１以上
である。従ってゲート電極が基板に対して接触面上に施
された生体細胞の細胞膜よりも著しく小さい容量を有す
るようにすることができる。更に細胞膜とトランジスタ
の容量は、細胞膜の最大量の電圧変動をトランジスタの
能動領域内のゲートに伝えることを可能にする最適化さ
れた容量分圧器を形成する。この特性は基板に対してゲ
ート電極の容量をできるだけ小さくするために、ゲート
電極の面積（ゲート幅×ゲート長）を最小化することに
より助成される。小さな寸法の細胞膜に対しては接触面
を同様に小さくしてもよい。
【０００８】ゲート電極、接触面及びそれらの間の導電
接続部をＣＭＯＳプロセスの枠内でポリシリコンから製
造すると有利である。この種のプロセスでは、本発明に
よるトランジスタと共に測定信号を評価するための別の
回路構成部材を基板上に集積することが可能となる。こ
のポリシリコンには例えば金属ケイ化部が設けられる。
ポリシリコン上に金属を施す場合この金属は一部がシリ
コンに合金化され、特殊な化合物をシリコンと形成す
る。他のデバイスでも形成されるようにこの種の基本的
に既に公知のケイ化物は本発明によるトランジスタの場
合チタンで形成されると有利である。チタンの他に例え
ばタンタル、タングステン、コバルト、モリブデン、プ
ラチナ又はパラジウムのような同様に十分に耐食性でか
つ生体組織との結合に適している他のケイ化可能の金属
も使用することができる。
【０００９】この種のケイ化物の代わりに又はこれを補
完して完全な（例えば多層の）金属化部が設けられても
よい。それには特に接触面の表面、ゲート電極に対する
導電接続部及びゲート電極の金属化部用の金属としてタ
ングステンが使用される。この種の金属化部により特に
エレクトロニクス集積回路の構成部材への導電接続も実
現可能である。この種の金属化部では導通抵抗はケイ化
物の場合よりも著しく小さい。タングステンの他にこれ
らの金属化物にはチタン、タンタル、コバルト、モリブ
デン、プラチナ、イリジウム、パラジウム及びＴｉＮ又
はこれらの物質の組み合せも使用することができる。
【００１０】接触面を除いてトランジスタの上側を覆う
不活性カバー層としては、ＣＶＤ法により少なくとも５
０ｎｍから最高で２５０ｎｍの厚さで施される薄い窒化
物層（例えばＳｉＮ）が有利である。このようにして接
触面の領域では接点の深さと直径との比が小さくされ
る。このいわゆる接点のアスペクト比は細胞膜とトラン
ジスタ間の結合強度を決定する重要な値である。
【００１１】サブμｍ範囲のゲート幅及びゲートからゲ
ートへの間隔が１０μｍ以下の場合には、本発明による
トランジスタのアレーはスペース上の問題を高度に解決
することができ、その結果より高度に進化した生物の比
較的大きな神経細胞を検査するのにも使用することがで
きる。
【００１２】現在の製造技術での本発明によるトランジ
スタの一般的寸法は例えばゲート長が約０．８μｍ及び
ゲート幅が５．０μｍである。接触面は例えば１０μｍ
×１０μｍの大きさであってもよい。しかし直径１μｍ
の細胞膜に対して最適化されている接触面も実現可能で
ある。
【００１３】
【実施例】本発明を実施例及び図面に基づき以下に詳述
する。
【００１４】図１には本発明によるトランジスタの一実
施例が示されている。例えばシリコンから成る基板１内
にはｎウェル及び／又はｐウェル２、３があり、その中
でドープ領域４、５、６、７がＭＯＳＦＥＴのソース及
びドレイン領域として設けられている。図１の左側に示
されている本発明によるトランジスタ用に例えばｎウェ
ル２が設けられている。これを補うもう１つのＭＯＳＦ
ＥＴは例えばｐウェル３内に形成されている。更に本発
明によるトランジスタのソース４及びドレイン５の領域
はｐ導電性であり、その相補性トランジスタのソース６
及びドレイン７の領域はｎ導電性である。図示されてい
るトランジスタは単に一例と理解すべきである。基板１
上にはＣＭＯＳ法の枠内で形成可能のＭＯＳＦＥＴを基
本的に無制限に集積することができる。
【００１５】これらのトランジスタ間には例えば熱酸化
（ＬＯＣＯＳ）法により形成される絶縁領域８がある。
ゲート電極９は本発明によるトランジスタのチャネル領
域内のゲート酸化物上に施されている。破線で輪郭が示
されているように、ゲート電極９は接触孔充填物のよう
なブロック又は柱状物１８が載せられている比較的大き
な接続端子面１７の側方に通じている。ゲート電極９は
ポリシリコンから成ると有利である。これに対し例えば
予め備えられている金属化面１３を介して基板１上の集
積回路と接続可能であるゲート電極１０は別のＭＯＳＦ
ＥＴ用に備えられている。第１の誘電体層内には例えば
接触孔充填物として接続すべきソース及びドレイン領域
上に縦型の導電接続部１１、１２が形成されている。こ
の第１の誘電体層は通常のようにホウ素燐ケイ酸ガラス
（ＢＰＳＧ）から成ると有利である。端子接触部又は導
体路に構造化されている金属化面１３上には１つ又は複
数の誘電体層（中間酸化物、ＩＭＯＸ）を設けることが
できる。この誘電体層中には別の縦型の導電接続部１４
が形成されている。図示されている接続部１４は耐食性
の金属化部１６で覆われている上側の端子接触部１５に
通じている。ゲート電極９の接続端子面１７上にあるブ
ロック又は柱状物１８の上面１９は同様に耐食性材料か
ら成っている。柱状物１８は全体として耐食性材料から
成っていてもよく、更に例えば接触孔充填物として形成
可能である。しかし基本的には外側に露出している上面
１９が電気化学的に耐食性であることで十分である。こ
れらの柱状物１８の上面１９は、培養液に入れられた神
経細胞がその上に施されるようにされており、従ってそ
れに相応して採寸されている。同様に電気化学的に耐食
性の金属化部１６を有する接続端子面１５は例えば測定
（測定パッド）用の端子接触部として設けられている。
この装置の上面２０は薄い窒化物層（ＣＶＤ窒化物）で
あると有利である不活性化カバー層により形成されてお
り、このカバー層は上述のように神経細胞が載せられる
上面１９を若干突出している。
【００１６】ゲート電極９、接続端子面１７及びそれら
の間に配設されている接続部の上面全体に金属化部が施
されてもよい。この金属化部として神経細胞の培養液に
対して耐性の材料が使用される場合には、柱状物１８を
省略することができ、相応して不活性化部を省略して神
経細胞を接続端子面１７を覆うこの金属化部上に直接施
すことができる。これらの柱状部１８は図１に記載して
いるよりも小さい側方寸法を有するようにすることもで
きる。神経細胞の大きさに十分な面積を有しかつ耐食性
の表面を有する接触面があれば十分である。更に神経細
胞の被着用に備えられる上面１９は例えば端子接触部上
に施されていてもよく、それらは図１の左側の測定用端
子接触部１５に相当し、左側の接続部１４に相応して比
較的薄い接触孔充填物を介して接続端子面１７と接続さ
れる。柱状物１８は金属の代わりにシリコン（ポリシリ
コン又は非晶質シリコン）から形成されてもよい。見易
くするために図１には示されていない本発明のトランジ
スタの他の細部は主としてＣＭＯＳ法の枠内で製造され
るトランジスタから公知の細部に相応するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるトランジスタの一実施例の切断斜
視図。
【符号の説明】
１ 基板 ２ ｎウェル ３ ｐウェル ４、６ ソース ５、７ ドレイン ８ 絶縁領域 ９、１０ ゲート電極 １１、１２、１４ 縦型導電接続部 １３ 金属化面 １５ 端子接触部 １６ 耐食性金属化部 １７ 接続端子面 １８ ブロック又は柱状物 １９ 上面 ２０ 装置の上面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マルチン ケルバー ドイツ連邦共和国 81827 ミユンヘン フローラシユトラーセ 42

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ゲート電極（９）とこのゲート電極
    （９）に導電接続されている接触面（１７）とを有する
    ＭＯＳトランジスタにおいて、この接触面（１７）が電
    気化学的に耐食性であり、この接触面（１７）を囲む外
    側の表面よりもこの接触面（１７）が最高でも２００ｎ
    ｍ高いか又は深いところに配設されており、この接触面
    （１７）を囲む表面に不活性化カバー層が備えられてい
    ることを特徴とするＭＯＳトランジスタ。
  2. 【請求項２】 ゲート幅とゲート長の比が３：１以上で
    あることを特徴とする請求項１記載のＭＯＳトランジス
    タ。
  3. 【請求項３】 接触面（１７）の面積とゲート電極
    （９）の面積（ゲート幅×ゲート長）の比が５：１以上
    であることを特徴とする請求項１又は２記載のＭＯＳト
    ランジスタ。
  4. 【請求項４】 ゲート電極（９）、接触面（１７）及び
    それらの間にある導電接続部がチタン、タンタル、タン
    グステン、コバルト、モリブデン、プラチナ及びパラジ
    ウムのグループからの金属とのポリケイ化物から成るこ
    とを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のＭＯＳト
    ランジスタ。
  5. 【請求項５】 ゲート電極（９）、接触面（１７）及び
    それらの間にある導電接続部がタングステン、チタン、
    タンタル、コバルト、モリブデン、プラチナ、イリジウ
    ム、パラジウム及びＴｉＮのグループの少なくとも１つ
    を含んでいる金属化部を備えていることを特徴とする請
    求項１乃至４の１つに記載のＭＯＳトランジスタ。
  6. 【請求項６】 カバー層が窒化物から成り、少なくとも
    ５０ｎｍから最高で２５０ｎｍの厚さを有することを特
    徴とする請求項１乃至５の１つに記載のＭＯＳトランジ
    スタ。
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