JP3867510B2 - Biosensor and manufacturing method thereof - Google Patents
Biosensor and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP3867510B2 JP3867510B2 JP2001101309A JP2001101309A JP3867510B2 JP 3867510 B2 JP3867510 B2 JP 3867510B2 JP 2001101309 A JP2001101309 A JP 2001101309A JP 2001101309 A JP2001101309 A JP 2001101309A JP 3867510 B2 JP3867510 B2 JP 3867510B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- insulating film
- substrate
- semiconductor film
- biosensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 20
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 50
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 38
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 35
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 claims description 35
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 13
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 7
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims description 5
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 3
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 3
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 21
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 12
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 10
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 4
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 4
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 4
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 3
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 3
- 108010015776 Glucose oxidase Proteins 0.000 description 3
- 239000004366 Glucose oxidase Substances 0.000 description 3
- 108010093096 Immobilized Enzymes Proteins 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 229940088598 enzyme Drugs 0.000 description 3
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 3
- 229940116332 glucose oxidase Drugs 0.000 description 3
- 235000019420 glucose oxidase Nutrition 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 108090000854 Oxidoreductases Proteins 0.000 description 2
- 102000004316 Oxidoreductases Human genes 0.000 description 2
- 239000000427 antigen Substances 0.000 description 2
- 102000036639 antigens Human genes 0.000 description 2
- 108091007433 antigens Proteins 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000009027 Albumins Human genes 0.000 description 1
- 108010088751 Albumins Proteins 0.000 description 1
- SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N Glutaraldehyde Chemical compound O=CCCCC=O SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000003100 immobilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 1
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 1
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000005297 pyrex Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Thin Film Transistor (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体電界効果トランジスタを利用したバイオセンサとその使用方法に関する。バイオセンサはイオンセンサ、酵素センサ、DNAセンサ、抗原・抗体センサ、タンパク質センサなどとして、特に医用分野への応用が期待されている。
【0002】
【従来の技術】
従来の電界効果型半導体バイオセンサは通常のMOS FETからゲート電極を除去し、ゲート絶縁膜の上にイオン感応膜を被着した構造であり、特にイオンを検出するバイオンセンサはISFET(Ion Sensitive FET)と呼ばれている。図8はISFETの従来例の説明図である。図において、81はシリコン(Si)基板、81Sはソース、81Dはドレイン、82は分離絶縁膜、83はゲート絶縁膜、84はイオン感応膜である。ここで、イオン感応膜に酸化還元酵素、各種タンパク質、DNA、抗原抗体などを固定化することにより、各種バイオセンサとして適用可能となる。
【0003】
しかし、バルクシリコンを用いたISFETはセンサチップ断面が電解質中に露出するのを防ぐために、樹脂などで封止する必要があった。小さなISFETを封止するのは困難で信頼性が低下するという問題があった。また、光や熱によるリーク電流が大きくなるため、正確な測定が困難であった。
【0004】
これら、バルクシリコンを用いたISFETの問題点に対し、シリコンオンインシュレータ(SOI)構造のISFETが提案されたが、そもそもSOI基板が高価なためセンサ自体の価格も高くなり、使い捨てセンサなどの応用には適さなかった。これに対し、ポリシリコンTFT構造を用いた半導体層としてガラス基板上に作製してできるポリシリコンISFETが特公平5−49187公報で提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来構造のISFETは素子毎のしきい値電圧Vthの違いや温度特性などにより、参照電極への印可電圧をその都度調整する必要があり、手間がかかるという不具合があった。特にポリシリコンTFT構造のISFETは、その他の構造を用いたISFETに較べ、(1)電解質に半導体層が露出しないため、リーク電流が抑えられ、信頼性が高い、(2)ポリシリコン内ではキャリアライフタイムが短いため光照射によるトランジスタ特性への影響が小さい、(3)ガラス基板を用いているため安価にセンサを製造できる、など優れた特徴があるが、しきい値電圧のバラツキが一般的に大きい傾向にある。即ち、センサ感度バラツキが大きくなるという問題があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一態様に係るバイオセンサによれば、基板と、前記基板上に形成され、ソース領域とドレイン領域とを有する第1の半導体膜と、前記基板上に形成された第2の半導体膜と、前記第1の半導体膜及び前記第2の半導体膜を被う第1の絶縁膜と、前記第1の半導体膜に対応して、前記第1の絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極と、前記第2の半導体膜に対応して、前記第1の絶縁膜上に設けられた第2のゲート電極と、前記第1のゲート電極を覆う第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜に形成された第1のコンタクト孔を介して前記ソース領域と接続されたソース電極と、前記第2の絶縁膜に形成された第2のコンタクト孔を介して前記ドレイン領域と接続されたドレイン電極と、前記第2のゲート電極上に形成されたイオン感応膜と、を備え、前記第2の半導体膜はバックゲートとして用いられる。
【0007】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサによれば、前記半導体膜は不純物をイオン注入されたポリシリコン膜であることを特徴とする。
【0008】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサによれば、前記半導体膜はアモルファスシリコン膜であることを特徴とする。
【0009】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサによれば、前記基板はガラス基板、プラスチ
ック基板または有機高分子材料のいずれかからなることを特徴とする。
【0011】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、基板上の所定の領域にバックゲートを形成する工程と、前記基板及び前記バックゲート上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜上に半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜上に第2の絶縁膜を形成する工程と、前記半導体膜の所定の領域にイオン注入することによりソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記半導体膜のチャネル領域上の前記第2の絶縁膜を除去する工程と、前記半導体膜のチャネル領域上及び前記第2の絶縁膜上に第3の絶縁膜を形成する工程と、前記半導体膜のチャネル領域上の前記第3の絶縁膜上にイオン感応膜を形成する工程と、を備えたバイオセンサの製造方法。
また、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、前記バックゲートを形成する工程は、前記基板上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜をパターニングする工程と、を備え、前記パターニングはウェットエッチングによって行われることを特徴とする。
また、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、基板上に半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜をパターニングして第1の半導体膜領域と第2の半導体膜領域とを形成する工程と、前記第1の半導体膜領域及び第2の半導体膜領域上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の半導体膜領域のチャネル領域上及び第2の半導体膜領域を覆うようにゲート電極を形成する工程と、前記第1の絶縁膜上及び前記ゲート電極上に第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の半導体膜領域上の前記第2の絶縁膜を除去し、前記第2の半導体膜領域上の前記ゲート電極の一部が露出する第1の開口部を形成する工程と、前記第2の絶縁膜及び前記第1の開口部を覆うように第3の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の開口部内の前記第3の絶縁膜を除去し、前記第2の半導体膜領域上の前記ゲート電極の一部が露出する第2の開口部を形成する工程と、前記第2の開口部によって露出する前記第2の半導体膜領域上の前記ゲート電極上にイオン感応膜を形成する工程と、を備える。
また、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、前記基板はガラス基板、プラスチック基板または有機高分子材料のいずれかからなることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
(1)第1の実施の形態
次に本発明のISFET型バイオセンサを図面を参照して説明する。図1は本願発明の第一の実施の形態を説明するための平面図と断面図である。ここで、図1(a)の平面図に記すA−Bで切断した断面図が図1(b)である。
【0013】
この実施例では、グルコースセンサが作製された場合を例にとってそのセンサの構造について説明する。図1(a)および図1(b)に示すように、ガラス基板11上にバックゲート12としてのポリシリコン層もしくはメタル層がパターニングして形成され、そのバックゲート12の上にはゲート絶縁膜としての酸化シリコン膜13が形成され、その上に半導体層としてのポリシリコン層14が形成されている。さらに、前記ポリシリコン層14の両端にはISFETのソース領域としてのN型ポリシリコン層15及びドレイン領域としてのN型ポリシリコン層16が設けられている。
【0014】
そして、N型ポリシリコン層15、16を含むポリシリコン層14を被うように酸化シリコン膜17が設けられている。尚、同酸化シリコン膜17の一部、即ち、イオン感応領域である前記ポリシリコン層14のチャネル領域上の酸化シリコン膜17は除去されている。さらに、この酸化シリコン膜17上には保護絶縁膜としての窒化シリコン膜18が形成されている。前記ポリシリコン層14のチャネル領域と直接接する窒化シリコン膜18はイオン感応領域として利用される。
したがって、ここではグルコースを測定するため、グルコースオキシダーゼ(GOD)が固定された酵素固定化膜19が前記窒化シリコン膜18のイオン感応領域上に形成されている。ISFET全体が前記窒化シリコン膜18で被われているので、ピンホールなどは少なく信頼性が高い。また、同一チップ上に複数のセンサを同時に作製するマルチセンサ構造とした場合でも、各センサ間のリーク電流が小さく抑えられるため、精度の高い測定が可能となる。
【0015】
ここで、前記ポリシリコン層14のチャネル領域上の窒化シリコン膜18はISFETのゲート絶縁膜として利用されるので、その厚さはISFETとしての適切な感度が得られるための適度な厚さとしている。また、窒化シリコン膜のみを用いるのではなく、酸化シリコン膜を積層して用いてもよい。なお、図示していないが、N型ポリシリコン層15及び16には酸化シリコン膜17に開口されたコンタクト孔を通してそれぞれの電極に接続される。
【0016】
ここで示した実施例に用いられたガラス基板は、パイレックスガラスまたは石英ガラスでもよい。また、半導体層としてポリシリコン層を用いたが、アモルファスシリコンを用いてもよい。さらに、保護絶縁膜とゲート絶縁膜としての窒化シリコン膜は他に、タンタルオキサイド膜や酸化アルミニウム膜などでも同様の効果が得られる。
【0017】
次に、第一の実施の形態で説明したISFET型バイオセンサの製造方法を図2〜図6に基づいて説明する。図2はISFET型バイオセンサの製造工程断面図である。図2に示すように、ガラス基板11上にCVD法を用いて例えばバックゲートとしてのクロム膜12を、例えば膜厚2000A厚に成膜し、その後パターニングする。このとき、後の工程でポリシリコン膜を成膜する時にクロム膜エッジで切れないようにウエットエッチングを用いて、クロム膜の断面形状が台形状になることが望ましい。もしくは、塗布ガラスを用いて平坦化してもよい。
次に、図3に示すように、前記クロム膜をバックゲートとして機能させるために、CVD法で例えば1000A厚の酸化シリコン膜13を成膜する。その後、CVD法でアモルファスシリコン膜14を成膜し、これをポリシリコン化するために、XeClなどを含む励起ガスから発生するエキシマレーザ光が基板全面に照射する。このレーザ照射により前記アモルファスシリコン膜14はポリシリコン膜14になる。次に図4に示すように、保護絶縁膜としての酸化シリコン膜17を膜厚4000Aで形成し、ソース及びドレイン領域を形成するために、フォトレジストをマスクとしてリンを含む不純物イオンを注入する。このようにして、ソース及びドレインとしてのN型ポリシリコン層15、16が形成される。その後、前記ポリシリコン層14のチャネル領域上の酸化シリコン膜をゲート絶縁膜として適切な厚さになるよう、フォトレジストをマスクとしてエッチングする。
そして、図示していないが、N型ポリシリコン層15、16には酸化シリコン膜に開口されたコンタクト孔を通してそれぞれ電極としてのアルミ膜が形成され、パターニングされる。この次に、図5に示すように、保護絶縁膜及びゲート絶縁膜としての窒化シリコン膜18を成膜する。この窒化シリコン膜18はISFETのゲート絶縁膜として使われるので、ISFETとして所望の感度となるよう適切な膜厚に設定される。
【0018】
次に、図6に示すように、ISFETのイオン感応領域以外、即ち、チャネル部以外の領域をフォトレジストでマスクするようパターニングした後、グルコースオキシダーゼ、アルブミン水溶液、グルタールアルデヒドの混合液が基板全面に塗布される。前記混合液が固化した後、アセトン中で前記フォトレジストを除去することによって、固定化酵素膜19がISFETのチャネル領域上に形成される。
【0019】
以上のような工程により、バックゲートを有するポリシリコンTFT構造のISFET型バイオセンサが作製される。
【0020】
(2)第2の実施の形態
次に第2の実施の形態について、図7を参照にして説明する。図7(a)の平面図に記すA−Bで切断した断面図が図7(b)である。第1の実施例と異なるのは、イオン感応領域を半導体層としてのポリシリコン層のチャネル部上部ではなく、ゲート絶縁膜を介したゲート電極の上部に直接イオン感応領域を設けていることと、バックゲートは前記半導体層の前記チャネル部下部ではなく、前記ゲート電極の下部に設けたことである。この構造のISFETの作製工程は第1の実施例の場合とほぼ同じであるが、第1の実施例で必要であったバックゲートを形成する工程が不要となる。即ち、第2の実施例においては、高濃度にイオン注入されたポリシリコン層がバックゲートとして機能させることが可能である。また、固定化酵素膜の形成方法も第1の実施例と同様の作製方法でよい。
【0021】
本実施例のISFET型バイオセンサを用いて、バックゲートによりチャネル電位を調整して、センサとしての感度を調整する。
【0022】
この実施例による作製方法であれば、工程数がより少なくて済む。また、バックゲート、ゲート、チャネル間の結合容量の設定範囲も拡がるため、ISFETとしての感度設計が容易となり、感度調整範囲が拡がる。
【0023】
以上の実施の形態で説明したバイオセンサは、ポリシリコンTFTを用いたISFETのイオン感応膜に酵素固定化膜を形成した構造のものである。しかし、本発明では、さらに、この構造に限るのではなく、ポリシリコン膜はアモルファスシリコン膜でも同様の効果を得る。
【0024】
また、以上の実施の形態においては、ポリシリコンTFT構造のISFETをガラス基板上に形成しているが、プラスチック基板や他の高分子材料基板上に形成しても同様の効果を得る。
【0025】
また、この実施の形態では、固定化酵素膜としてグルタールオキシダーゼを固定化したグルコースセンサについて説明したが、他の酵素についても適用可能である。さらに、本発明の主旨は、イオン感応膜に形成するものとして酵素に限るものでなく、他のタンパク質同士の反応を検出するタンパク質センサとして用いてもよいし、核酸同士の反応を検出するDNAセンサとして用いてもよいし、抗原抗体反応を検出する抗体センサとしても同様の効果を得る。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の一態様に係るバイオセンサによれば、前記バックゲートは前記チャネル領域の下層に位置するため、特別にバックゲートを配置する面積を必要としない。
【0027】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサによれば、前記バックゲートは前記ゲート電極の下部に配置されるため、前記ゲート電極に対する結合容量を任意に設定できる。
【0028】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサによれば、前記バックゲートに印加する電圧を変化させることにより、前記チャネル領域の電位もしくはゲート電極の電位を調整できるので、イオンセンサの感度を調節することができる。
【0029】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサによれば、ポリシリコンTFTのイオン感応領域における僅かな界面電位変化にともなって、ポリシリコンTFTに流れる電流が大きく変化するので、イオンセンサとしての感度向上とダイナミックレンジの拡大が図られる。また、ポリシリコンTFTはトランジスタ特性が高性能であるため、センサ素子だけでなく回路を構成することができ、CPU、メモリ、増幅回路などをセンサチップに同時に作り込んだインテリジェントセンサを作製可能である。
【0030】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサによれば、安価で大量生産に適したバイオセンサを得ることができる。
【0031】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサによれば、焼却廃棄が容易な「使い捨て」に適したバイオセンサを得ることができる。また、柔らかい(フレキシブルな)センサが得られるので、例えばセンサを体内に移植して健康状態をモニターする用途にも適している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施の形態を説明するISFET型バイオセンサの平面図及び断面図である。
【図2】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図3】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図4】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図5】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図6】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図7】本発明の第二の実施の形態を説明するISFET型バイオセンサの平面図及び断面図である。
【図8】従来例の説明図である。
【符号の説明】
11 ガラス基板
12 バックゲート
13 ゲート絶縁膜
14 ポリシリコン層
15 ソース
16 ドレイン
17 酸化シリコン膜
18 窒化シリコン膜
19 イオン感応膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a biosensor using a semiconductor field effect transistor and a method for using the biosensor. Biosensors are particularly expected to be applied to the medical field as ion sensors, enzyme sensors, DNA sensors, antigen / antibody sensors, protein sensors, and the like.
[0002]
[Prior art]
A conventional field-effect semiconductor biosensor has a structure in which a gate electrode is removed from a normal MOS FET and an ion-sensitive film is deposited on the gate insulating film. In particular, the ion sensor detects the ion sensor FET (Ion Sensitive FET). )is called. FIG. 8 is an explanatory diagram of a conventional example of ISFET. In the figure, 81 is a silicon (Si) substrate, 81S is a source, 81D is a drain, 82 is an isolation insulating film, 83 is a gate insulating film, and 84 is an ion sensitive film. Here, by immobilizing an oxidoreductase, various proteins, DNA, an antigen antibody, etc. on an ion sensitive membrane, it becomes applicable as various biosensors.
[0003]
However, the ISFET using bulk silicon needs to be sealed with a resin or the like in order to prevent the cross section of the sensor chip from being exposed in the electrolyte. There is a problem that it is difficult to seal a small ISFET and reliability is lowered. In addition, since the leakage current due to light and heat increases, accurate measurement is difficult.
[0004]
In response to these problems with ISFETs using bulk silicon, silicon-on-insulator (SOI) structure ISFETs have been proposed, but the price of the sensor itself is high because the SOI substrate is expensive in the first place. Was not suitable. On the other hand, Japanese Patent Publication No. 5-49187 proposes a polysilicon ISFET that can be fabricated on a glass substrate as a semiconductor layer using a polysilicon TFT structure.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The ISFET having a conventional structure has a problem in that it is necessary to adjust the voltage applied to the reference electrode each time due to the difference in threshold voltage Vth for each element, temperature characteristics, and the like, which is troublesome. In particular, an ISFET having a polysilicon TFT structure is (1) a semiconductor layer is not exposed to the electrolyte, and therefore, leakage current is suppressed and reliability is high, compared with ISFETs using other structures. (2) Carriers in polysilicon are high. It has excellent characteristics such as a short lifetime that affects the transistor characteristics due to light irradiation, and (3) a glass substrate makes it possible to manufacture a sensor at a low cost. However, variations in threshold voltage are common. It tends to be big. That is, there is a problem that sensor sensitivity variation becomes large.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to a biosensor according to an aspect of the present invention, a substrate, a first semiconductor film formed on the substrate and having a source region and a drain region, and the substrate A first insulating film covering the first semiconductor film and the second semiconductor film, and the first insulating film corresponding to the first semiconductor film. Covering the first gate electrode provided on the film, the second gate electrode provided on the first insulating film corresponding to the second semiconductor film, and the first gate electrode A second insulating film; a source electrode connected to the source region through a first contact hole formed in the second insulating film; and a second contact formed in the second insulating film. A drain electrode connected to the drain region through a hole, and the second gate electrode And a ion-sensitive film formed on said second semiconductor film is used as a back gate.
[0007]
In the biosensor according to one embodiment of the present invention, the semiconductor film is a polysilicon film into which impurities are ion-implanted.
[0008]
The biosensor according to one embodiment of the present invention is characterized in that the semiconductor film is an amorphous silicon film.
[0009]
The biosensor according to one embodiment of the present invention is characterized in that the substrate is made of any one of a glass substrate, a plastic substrate, and an organic polymer material.
[0011]
According to the biosensor manufacturing method of one embodiment of the present invention, a step of forming a back gate in a predetermined region on the substrate, and a step of forming a first insulating film on the substrate and the back gate A step of forming a semiconductor film on the first insulating film; a step of forming a second insulating film on the semiconductor film; and ion implantation into a predetermined region of the semiconductor film to thereby form a source / drain Forming a region, removing the second insulating film on the channel region of the semiconductor film, and forming a third insulating film on the channel region of the semiconductor film and on the second insulating film And a step of forming an ion sensitive film on the third insulating film on the channel region of the semiconductor film.
According to the biosensor manufacturing method of one embodiment of the present invention, the step of forming the back gate includes a step of forming a metal film on the substrate and a step of patterning the metal film. The patterning is performed by wet etching.
In addition, according to the method for manufacturing a biosensor according to one embodiment of the present invention, a step of forming a semiconductor film on a substrate, a patterning of the semiconductor film, and a first semiconductor film region and a second semiconductor film region Forming a first insulating film on the first semiconductor film region and the second semiconductor film region, and on the channel region of the first semiconductor film region and the second semiconductor film Forming a gate electrode so as to cover the region, forming a second insulating film on the first insulating film and on the gate electrode, and the second semiconductor film on the second semiconductor film region. Removing the insulating film to form a first opening exposing a portion of the gate electrode on the second semiconductor film region; and covering the second insulating film and the first opening. Forming a third insulating film in the same manner, and the third in the first opening Removing the insulating film to form a second opening exposing a part of the gate electrode on the second semiconductor film region, and the second semiconductor exposed by the second opening Forming an ion sensitive film on the gate electrode on the film region.
According to the biosensor manufacturing method of one embodiment of the present invention, the substrate is made of any one of a glass substrate, a plastic substrate, and an organic polymer material.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(1) First Embodiment Next, an ISFET type biosensor of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view and a cross-sectional view for explaining a first embodiment of the present invention. Here, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along AB in the plan view of FIG.
[0013]
In this embodiment, the structure of the sensor will be described taking a case where a glucose sensor is manufactured as an example. As shown in FIGS. 1A and 1B, a polysilicon layer or a metal layer as a
[0014]
A
Therefore, here, in order to measure glucose, an enzyme-immobilized
[0015]
Here, since the
[0016]
The glass substrate used in the embodiment shown here may be Pyrex glass or quartz glass. Further, although the polysilicon layer is used as the semiconductor layer, amorphous silicon may be used. Further, the same effect can be obtained by using a tantalum oxide film, an aluminum oxide film, or the like in addition to the protective insulating film and the silicon nitride film as the gate insulating film.
[0017]
Next, the manufacturing method of the ISFET type biosensor described in the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a manufacturing process cross-sectional view of an ISFET type biosensor. As shown in FIG. 2, a
Next, as shown in FIG. 3, in order to make the chromium film function as a back gate, a
Although not shown, an aluminum film as an electrode is formed on the N-type polysilicon layers 15 and 16 through contact holes opened in the silicon oxide film and patterned. Next, as shown in FIG. 5, a
[0018]
Next, as shown in FIG. 6, after patterning so as to mask the region other than the ion sensitive region of the ISFET, that is, the region other than the channel portion with a photoresist, a mixed solution of glucose oxidase, albumin aqueous solution, and glutaraldehyde is applied to the entire surface of the substrate. To be applied. After the mixed solution is solidified, the immobilized
[0019]
Through the steps as described above, an ISFET type biosensor having a polysilicon TFT structure having a back gate is manufactured.
[0020]
(2) Second Embodiment Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7B is a cross-sectional view taken along AB in the plan view of FIG. The difference from the first embodiment is that the ion sensitive region is provided directly on the gate electrode via the gate insulating film, not on the channel portion of the polysilicon layer as the semiconductor layer, The back gate is provided not under the channel portion of the semiconductor layer but under the gate electrode. The manufacturing process of the ISFET having this structure is almost the same as that of the first embodiment, but the process of forming the back gate which is necessary in the first embodiment is not required. That is, in the second embodiment, the polysilicon layer ion-implanted at a high concentration can function as a back gate. The method for forming the immobilized enzyme membrane may be the same production method as in the first embodiment.
[0021]
Using the ISFET biosensor of this example, the channel potential is adjusted by the back gate to adjust the sensitivity as a sensor.
[0022]
The manufacturing method according to this embodiment requires fewer steps. In addition, since the setting range of the coupling capacitance between the back gate, gate, and channel is expanded, the sensitivity design as an ISFET is facilitated, and the sensitivity adjustment range is expanded.
[0023]
The biosensor described in the above embodiment has a structure in which an enzyme-immobilized film is formed on an ion sensitive film of ISFET using a polysilicon TFT. However, the present invention is not limited to this structure, and the same effect can be obtained even when the polysilicon film is an amorphous silicon film.
[0024]
In the above embodiment, the ISFET having the polysilicon TFT structure is formed on the glass substrate. However, the same effect can be obtained even if it is formed on a plastic substrate or another polymer material substrate.
[0025]
In this embodiment, the glucose sensor in which glutar oxidase is immobilized as the immobilized enzyme membrane has been described. However, the present invention can also be applied to other enzymes. Further, the gist of the present invention is not limited to an enzyme as an ion-sensitive membrane, but may be used as a protein sensor for detecting a reaction between other proteins, or a DNA sensor for detecting a reaction between nucleic acids. The same effect can be obtained as an antibody sensor for detecting an antigen-antibody reaction.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the biosensor of one embodiment of the present invention, the back gate is located in the lower layer of the channel region, and thus does not require a special area for arranging the back gate.
[0027]
According to the biosensor of one embodiment of the present invention, since the back gate is disposed below the gate electrode, a coupling capacitance with respect to the gate electrode can be arbitrarily set.
[0028]
According to the biosensor of one embodiment of the present invention, the sensitivity of the ion sensor is adjusted because the potential of the channel region or the potential of the gate electrode can be adjusted by changing the voltage applied to the back gate. be able to.
[0029]
In addition, according to the biosensor of one embodiment of the present invention, the current flowing through the polysilicon TFT greatly changes with a slight change in the interface potential in the ion sensitive region of the polysilicon TFT. And the dynamic range is expanded. Polysilicon TFTs have high-performance transistor characteristics, so that not only sensor elements but also circuits can be configured, and intelligent sensors can be fabricated that have a CPU, memory, amplifier circuit, etc. built into the sensor chip at the same time. .
[0030]
In addition, according to the biosensor of one embodiment of the present invention, a biosensor that is inexpensive and suitable for mass production can be obtained.
[0031]
In addition, according to the biosensor of one embodiment of the present invention, a biosensor suitable for “disposable” that can be easily discarded by incineration can be obtained. Moreover, since a soft (flexible) sensor is obtained, it is suitable for the use which monitors a health condition, for example by implanting a sensor in a body.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view of an ISFET type biosensor illustrating a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
FIGS. 7A and 7B are a plan view and a cross-sectional view of an ISFET type biosensor illustrating a second embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a conventional example.
[Explanation of symbols]
11
Claims (7)
前記基板上に形成され、ソース領域とドレイン領域とを有する第1の半導体膜と、
前記基板上に形成された第2の半導体膜と、
前記第1の半導体膜及び前記第2の半導体膜を被う第1の絶縁膜と、
前記第1の半導体膜に対応して、前記第1の絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極と、
前記第2の半導体膜に対応して、前記第1の絶縁膜上に設けられた第2のゲート電極と、
前記第1のゲート電極を覆う第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜に形成された第1のコンタクト孔を介して前記ソース領域と接続されたソース電極と、
前記第2の絶縁膜に形成された第2のコンタクト孔を介して前記ドレイン領域と接続されたドレイン電極と、
前記第2のゲート電極上に形成されたイオン感応膜と、
を備え、
前記第2の半導体膜はバックゲートとして用いられるバイオセンサ。A substrate,
A first semiconductor film formed on the substrate and having a source region and a drain region;
A second semiconductor film formed on the substrate;
A first insulating film covering the first semiconductor film and the second semiconductor film;
A first gate electrode provided on the first insulating film corresponding to the first semiconductor film;
A second gate electrode provided on the first insulating film corresponding to the second semiconductor film;
A second insulating film covering the first gate electrode;
A source electrode connected to the source region through a first contact hole formed in the second insulating film;
A drain electrode connected to the drain region through a second contact hole formed in the second insulating film;
An ion sensitive film formed on the second gate electrode;
With
The second semiconductor film is a biosensor used as a back gate.
前記基板及び前記バックゲート上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜上に半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体膜の所定の領域にイオン注入することによりソース/ドレイン領域を形成する工程と、
前記半導体膜のチャネル領域上の前記第2の絶縁膜を除去する工程と、
前記半導体膜のチャネル領域上及び前記第2の絶縁膜上に第3の絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体膜のチャネル領域上の前記第3の絶縁膜上にイオン感応膜を形成する工程と、
を備えたバイオセンサの製造方法。Forming a back gate in a predetermined region on the substrate;
Forming a first insulating film on the substrate and the back gate;
Forming a semiconductor film on the first insulating film;
Forming a second insulating film on the semiconductor film;
Forming a source / drain region by ion implantation into a predetermined region of the semiconductor film;
Removing the second insulating film on the channel region of the semiconductor film;
Forming a third insulating film on the channel region of the semiconductor film and on the second insulating film;
Forming an ion sensitive film on the third insulating film on the channel region of the semiconductor film;
A method for manufacturing a biosensor comprising:
前記基板上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜をパターニングする工程と、
を備え、
前記パターニングはウェットエッチングによって行われることを特徴とする請求項5に記載のバイオセンサの製造方法。The step of forming the back gate includes:
Forming a metal film on the substrate;
Patterning the metal film;
With
The biosensor manufacturing method according to claim 5, wherein the patterning is performed by wet etching.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001101309A JP3867510B2 (en) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | Biosensor and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001101309A JP3867510B2 (en) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | Biosensor and manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002296229A JP2002296229A (en) | 2002-10-09 |
JP3867510B2 true JP3867510B2 (en) | 2007-01-10 |
Family
ID=18954646
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001101309A Expired - Fee Related JP3867510B2 (en) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | Biosensor and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3867510B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20100122534A (en) * | 2009-05-13 | 2010-11-23 | 한국과학기술원 | Flexible biosensor, method for manufacturing and using the same |
CN108258034A (en) * | 2015-12-28 | 2018-07-06 | 林致廷 | Biosensor device |
Families Citing this family (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TWI253174B (en) * | 2003-05-09 | 2006-04-11 | Au Optronics Corp | Ion sensitive field effect transistor and fabrication method of the same |
KR100746867B1 (en) * | 2003-08-29 | 2007-08-07 | 도쿠리쓰교세이호징 가가쿠 기주쓰 신코 기코 | Field effect transistors and single electron transistors |
JP4669213B2 (en) | 2003-08-29 | 2011-04-13 | 独立行政法人科学技術振興機構 | Field effect transistor, single electron transistor and sensor using the same |
WO2006134942A1 (en) * | 2005-06-14 | 2006-12-21 | Mitsumi Electric Co., Ltd. | Field effect transistor, biosensor provided with it, and detecting method |
JP4933944B2 (en) * | 2006-04-28 | 2012-05-16 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Biological information detection sensor device |
JP5076364B2 (en) * | 2006-06-01 | 2012-11-21 | カシオ計算機株式会社 | Semiconductor sensor and identification method |
JP4777159B2 (en) * | 2006-06-26 | 2011-09-21 | キヤノン株式会社 | Dual gate type sensor |
JP4791342B2 (en) * | 2006-12-27 | 2011-10-12 | 株式会社堀場製作所 | Ion sensor and analyzer using the same |
JP4927785B2 (en) * | 2008-06-02 | 2012-05-09 | 日本電信電話株式会社 | Field effect sensor |
WO2010125717A1 (en) * | 2009-04-27 | 2010-11-04 | シャープ株式会社 | Chemical sensor |
JP5263073B2 (en) * | 2009-08-21 | 2013-08-14 | 株式会社リコー | Electrochemical sensor element |
JPWO2011152209A1 (en) * | 2010-06-03 | 2013-07-25 | シャープ株式会社 | Ion sensor and display device |
JP5426766B2 (en) * | 2010-06-03 | 2014-02-26 | シャープ株式会社 | Ion sensor, display device, ion sensor driving method, and ion concentration calculating method |
JP5330600B2 (en) * | 2010-06-03 | 2013-10-30 | シャープ株式会社 | Ion sensor and display device |
JP5488372B2 (en) * | 2010-09-28 | 2014-05-14 | 大日本印刷株式会社 | Biosensor |
JP5472013B2 (en) * | 2010-09-30 | 2014-04-16 | 大日本印刷株式会社 | Transistor type sensor |
JP5640704B2 (en) * | 2010-12-06 | 2014-12-17 | 大日本印刷株式会社 | Biosensor |
JP5903872B2 (en) * | 2011-12-19 | 2016-04-13 | 大日本印刷株式会社 | Transistor type sensor and method for manufacturing transistor type sensor |
DE112013000972T5 (en) * | 2013-02-26 | 2014-11-06 | Hitachi, Ltd. | FET array substrate, analysis system and analysis method |
CN107238648A (en) * | 2017-06-13 | 2017-10-10 | 复旦大学 | The method of low temperature preparation two-dimension flexible ion sensing fet |
CN115702343A (en) * | 2020-07-03 | 2023-02-14 | 株式会社村田制作所 | semiconductor sensor |
-
2001
- 2001-03-30 JP JP2001101309A patent/JP3867510B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20100122534A (en) * | 2009-05-13 | 2010-11-23 | 한국과학기술원 | Flexible biosensor, method for manufacturing and using the same |
KR101699072B1 (en) | 2009-05-13 | 2017-01-23 | 한국과학기술원 | flexible biosensor, method for manufacturing and using the same |
CN108258034A (en) * | 2015-12-28 | 2018-07-06 | 林致廷 | Biosensor device |
CN108258034B (en) * | 2015-12-28 | 2020-11-03 | 林致廷 | biosensor device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002296229A (en) | 2002-10-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3867510B2 (en) | Biosensor and manufacturing method thereof | |
WO2009144878A1 (en) | Sensor and method for manufacturing the same | |
Dzyadevych et al. | Enzyme biosensors based on ion-selective field-effect transistors | |
US5445920A (en) | Fabrication process of biosensor | |
JP2610294B2 (en) | Chemical sensor | |
US20060035400A1 (en) | Apparatus of ion sensitive thin film transistor and method of manufacturing of the same | |
Kim et al. | Multiplex electrical detection of avian influenza and human immunodeficiency virus with an underlap-embedded silicon nanowire field-effect transistor | |
KR860003661A (en) | Manufacturing method of semiconductor integrated circuit and apparatus manufactured using the same | |
US6387724B1 (en) | Method of fabricating silicon-on-insulator sensor having silicon oxide sensing surface | |
EP0181206A2 (en) | Semiconductor devices | |
KR101921627B1 (en) | Field effect transistor, biosensor comprising the same, method for manufacturing Field effect transistor, and method for manufacturing biosensor | |
Poghossian | Method of fabrication of ISFET-based biosensors on an Si–SiO2–Si structure | |
Kim et al. | Multiplexed silicon nanowire tunnel FET-based biosensors with optimized multi-sensing currents | |
KR101059562B1 (en) | Sensitivity Bio FET | |
KR100902517B1 (en) | The dielectric-modulated field efect transistor and the method of fabricating the same | |
JP3835195B2 (en) | Biosensor manufacturing method | |
JP2633281B2 (en) | Electrochemical sensor and manufacturing method thereof | |
JPH0548418B2 (en) | ||
JPS63208753A (en) | Immune sensor and immune detection | |
JPS61153537A (en) | semiconductor pressure sensor | |
JPH08313478A (en) | Semiconductor field-effect biosensor and production thereof | |
JPS60252253A (en) | Fet sensor | |
WO2008068692A1 (en) | Method of manufacturing a semiconductor sensor device and semiconductor sensor device obtained with such method | |
JPH0646190B2 (en) | Semiconductor multi-biosensor | |
JPH02249962A (en) | Fet sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040322 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050428 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050524 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050721 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060627 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060822 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060919 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20061002 |
|
R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101020 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101020 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111020 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121020 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121020 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131020 Year of fee payment: 7 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |