JP5277746B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置であり、特に、ゲート絶縁膜に分子層を設け、イオンセンシティブ(IS)なMOSトランジスタから構成され、電位を印加した溶液中に浸し、この溶液中の化学物質の検出を行う半導体センサチップに関する。 The present invention is a semiconductor device, and in particular, a molecular layer is provided on a gate insulating film, which is composed of an ion-sensitive (IS) MOS transistor, immersed in a solution to which a potential is applied, and detection of chemical substances in the solution is performed. The present invention relates to a semiconductor sensor chip to be performed.
従来より、DNAチップやDNAマイクロアレイを用いた塩基配列の検出として、蛍光検出方式が多く用いられている。
近年、塩基配列や生体物質などのハイブリダイゼーション及び溶液中の化学物質の検出に、MOSトランジスタを利用した電流検出方式が用いられるようになってきている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載されている半導体センシング用電界効果型トランジスタは、ゲート絶縁膜上に、検出部としての有機単分子膜を形成し、溶液中の化学物質が吸着や生化学反応により、上記有機単分子膜に対して付着することによる、この有機単分子膜の電位変化で、MOSトランジスタに流れる電流を測定することにより、溶液中の化学物質の濃度や、溶液中の有機単分子膜に反応する化学物質の有無の検出等を行う。
Conventionally, a fluorescence detection method is often used as a base sequence detection using a DNA chip or a DNA microarray.
In recent years, a current detection method using a MOS transistor has come to be used for hybridization of a base sequence or a biological substance and detection of a chemical substance in a solution (for example, see Patent Document 1).
The field effect transistor for semiconductor sensing described in Patent Document 1 forms an organic monomolecular film as a detection unit on a gate insulating film, and a chemical substance in a solution is adsorbed or biochemically reacted to form the above organic By measuring the current flowing through the MOS transistor by changing the potential of this organic monomolecular film by attaching to the monomolecular film, it reacts with the concentration of chemical substances in the solution and reacts with the organic monomolecular film in the solution. Detection of the presence or absence of chemical substances to be performed.
また、MOSトランジスタをイオンセンシティブなセンサとして用いた製品としては、ゲート絶縁膜の溶液中に露出される表面層を五酸化タンタル(Ta2O5)膜で形成した構造の溶液測定用半導体センサチップが用いられている。
ところが、溶液のpH測定を行う際、溶液と接するMOSトランジスタのゲート絶縁膜の表面に対し、アミノ酸基などのイオン感応性膜を設けるなければならない。
また、DNAや抗体などのタンパク質を固定するため、ゲート絶縁膜上にAPTES(aminopropyl-triethoxysilane)等の有機単分子膜を形成することが必要となる。
Further, as a product using a MOS transistor as an ion sensitive sensor, a semiconductor sensor chip for solution measurement having a structure in which a surface layer exposed in a solution of a gate insulating film is formed of a tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) film. Is used.
However, when measuring the pH of the solution, an ion-sensitive film such as an amino acid group must be provided on the surface of the gate insulating film of the MOS transistor in contact with the solution.
Further, in order to immobilize proteins such as DNA and antibodies, it is necessary to form an organic monomolecular film such as APTES (aminopropyl-triethoxysilane) on the gate insulating film.
このゲート絶縁膜にアミノ基を有する分子を付着させる際、一般に、半導体基板にシリコンを用いている場合には、ゲート絶縁膜にアミノ基を導入するためには、シランカップリングを用いている。
しかしながら、五酸化タンタルの表面には、均一にヒドロキシ基が形成されないため、上述した溶液測定用半導体センサチップにおいてはシランカップリング反応を用いて、タンパク質を固定する有機単分子膜を簡易に形成することができない。
そのため、溶液測定用半導体センサチップにおけるゲート絶縁膜としては、最表層がシリコン酸化膜(SiO2)にて形成され、有機単分子膜としてのシランカップリング剤により改質できることが必要である。
However, since the hydroxy group is not uniformly formed on the surface of tantalum pentoxide, an organic monomolecular film for immobilizing proteins is easily formed using the silane coupling reaction in the above-described semiconductor sensor chip for solution measurement. I can't.
Therefore, as the gate insulating film in the semiconductor sensor chip for solution measurement, it is necessary that the outermost layer is formed of a silicon oxide film (SiO 2 ) and can be modified by a silane coupling agent as an organic monomolecular film.
しかしながら、電位を印加した溶液中に浸して用いる溶液測定用半導体センサチップにおいて、MOSトランジスタのゲート絶縁膜をシリコン酸化膜で形成した場合、シリコン酸化膜に一定の割合にて存在するピンホールにより、溶液とゲート絶縁膜直下の半導体基板とが接触し、リーク電流が流れて測定に悪影響を与えることになる。
また、電位を印加した溶液中に浸して用いる溶液測定用半導体センサチップにおいて、MOSトランジスタの配線上のパッシベーション膜にホールあるいはクラックが生じることにより、溶液と配線とが接触し、リーク電流が流れることになる。
However, in a semiconductor sensor chip for measuring a solution used by immersing it in a solution to which a potential is applied, when the gate insulating film of a MOS transistor is formed of a silicon oxide film, due to pinholes existing at a certain ratio in the silicon oxide film, The solution and the semiconductor substrate just below the gate insulating film come into contact with each other, and a leakage current flows, which adversely affects the measurement.
In addition, in a semiconductor sensor chip for measuring a solution that is immersed in a solution to which a potential is applied, holes or cracks are generated in the passivation film on the wiring of the MOS transistor, so that the solution and the wiring come into contact with each other, and a leakage current flows. become.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電位を印加した溶液中の化学物質の測定の際、リーク電流が半導体基板に流れない膜厚のシリコン酸化膜にてゲート絶縁膜が形成され、容易にシランカップリングによるアミノ酸基の導入が行え、かつ溶液と配線間に流れるリーク電流を抑える溶液測定用半導体センサチップを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances. When measuring a chemical substance in a solution to which a potential is applied, the gate insulating film is formed of a silicon oxide film having a thickness that prevents leakage current from flowing through the semiconductor substrate. An object of the present invention is to provide a semiconductor sensor chip for solution measurement that is formed, can easily introduce amino acid groups by silane coupling, and suppresses a leakage current flowing between the solution and the wiring.
本発明の溶液測定用半導体センサチップは、ゲート絶縁膜が露出されたMOSトランジスタからなり、溶液中に浸して当該溶液中の化学物質の検出を、前記MOSトランジスタに流れる電流変化を検出することにより行う溶液測定用半導体センサチップであり、半導体基板と、該半導体基板上に形成された前記MOSトランジスタのゲート絶縁膜上に固定された有機単分子層と、前記MOSトランジスタのソース及びドレインに接続された配線と、前記有機単分子層部分が露出する開口部を有するパッシベーション膜とを有し、前記ゲート絶縁膜の最表層がシリコン酸化膜で形成され、このゲート絶縁膜が30nm以上の厚さにて形成されていることを特徴とする。 The semiconductor sensor chip for measuring a solution of the present invention is composed of a MOS transistor with an exposed gate insulating film, and is immersed in a solution to detect a chemical substance in the solution and to detect a change in current flowing in the MOS transistor. A semiconductor sensor chip for measuring solution, which is connected to a semiconductor substrate, an organic monolayer fixed on the gate insulating film of the MOS transistor formed on the semiconductor substrate, and a source and drain of the MOS transistor And a passivation film having an opening through which the organic monomolecular layer portion is exposed. The outermost layer of the gate insulating film is formed of a silicon oxide film, and the gate insulating film has a thickness of 30 nm or more. It is characterized by being formed.
本発明の溶液測定用半導体センサチップは、前記配線上の前記パッシベーション膜がシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の多層構造にて形成されていることを特徴とする。 The semiconductor sensor chip for measuring a solution according to the present invention is characterized in that the passivation film on the wiring is formed in a multilayer structure of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film.
本発明の溶液測定用半導体センサチップは、前記配線が、溶液中に浸される部分の幅を、溶液中に浸されない部分の幅に比較して細く形成していることを特徴とする。 The semiconductor sensor chip for measuring a solution according to the present invention is characterized in that the wiring is formed so that a width of a portion immersed in the solution is narrower than a width of a portion not immersed in the solution.
本発明の溶液測定用半導体センサチップは、前記溶液に浸される前記開口部における穴の内周面がシリコン酸化膜にて覆われていることを特徴とする。 The semiconductor sensor chip for measuring a solution according to the present invention is characterized in that an inner peripheral surface of a hole in the opening immersed in the solution is covered with a silicon oxide film.
以上説明したように、本発明によれば、ゲート絶縁膜の最表層がシリコン酸化膜にて形成されており、シランカップリングにて有機単分子膜をシリコン酸化膜に容易に結合させることができ、溶液中のpH濃度や溶液内に存在するDNAやタンパク質などの生体試料を検出するための化学材料をこの有機単分子膜に固定することが容易にできる。
また、本発明によれば、上記ゲート絶縁膜が検出感度を保持させるため、溶液に電位を印加することにより発生するリーク電流を抑制する最小の膜厚以上にて形成されているため、上記化学材料に反応して化学物質が付着した場合、この付着によるゲート絶縁膜に印加される電位変化による電流量の変化を大きい数値にて得ることができ、溶液中の化学物質を高感度に検出できる。
As described above, according to the present invention, the outermost layer of the gate insulating film is formed of a silicon oxide film, and the organic monomolecular film can be easily bonded to the silicon oxide film by silane coupling. Further, it is possible to easily fix a chemical material for detecting a biological sample such as DNA or protein existing in the solution or the pH concentration in the solution to the organic monomolecular film.
In addition, according to the present invention, since the gate insulating film maintains detection sensitivity, the gate insulating film is formed with a minimum film thickness that suppresses leakage current generated by applying a potential to the solution. When a chemical substance adheres in response to a material, it is possible to obtain a large change in the amount of current due to a potential change applied to the gate insulating film due to this adhesion, and the chemical substance in the solution can be detected with high sensitivity. .
また、本発明によれば、パッシベーション膜をシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とシリコン酸化膜とを順次積層した3層からなる多層構造にて形成しているため、シリコン酸化膜の圧縮応力に対し、シリコン窒化膜の引張応力を導入することにより、パッシベーション膜全体の応力を低下させて、ピンホール及びクラックの発生を抑制し、パッシベーション膜の耐性を向上させることができる。
また、本発明によれば、溶液に浸される部分の配線の幅を、溶液に浸されない部分の配線の幅に比較して細くしたため、発生するホールやクラックの位置が配線の位置と一致する確率を低下させることができ、ホールやクラックから侵入する溶液と配線との接触する確率を低下させて、リーク電流の発生を抑制することができる。
In addition, according to the present invention, the passivation film is formed in a multilayer structure including three layers in which a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film are sequentially stacked. By introducing the tensile stress of the silicon nitride film, the stress of the entire passivation film can be reduced, the occurrence of pinholes and cracks can be suppressed, and the resistance of the passivation film can be improved.
In addition, according to the present invention, the width of the wiring in the portion immersed in the solution is narrower than the width of the wiring in the portion not immersed in the solution, so that the positions of the generated holes and cracks coincide with the positions of the wiring. Probability can be reduced, and the probability of contact between the solution and the wiring entering from the holes and cracks can be reduced, and the occurrence of leakage current can be suppressed.
本願発明は、MOSトランジスタにより構成されたセンサ(溶液測定用半導体センサチップ)であり、溶液中に浸された状態にて、この溶液と半導体基板(N−SUBあるいはP−SUB)との間に電位を与え、露出したゲート絶縁膜(例えば、ゲート酸化膜)上に有機単分子膜を形成し、この有機単分子膜あるいはこの有機単分子膜に固定された化学材料に対し、塩基配列や生体物質または化学物質が反応して吸着することにより、ゲート絶縁膜に印加される電位の変化により、MOSトランジスタに流れる電流が変化し、塩基配列や生体物質または化学物質の特定を行う。溶液とソースとの間に電圧を印加しているため、MOSトランジスタには常に一定の電流が流れており、有機単分子膜の化学材料に化学物質が結合することによる、ゲート絶縁膜の電位が変化し、この電流の変化量により化学物質を検出する。
すなわち、本発明のMOSトランジスタは、ゲート絶縁膜上に、検出部としての有機単分子膜または有機単分子膜に固定された化学材料を形成し、溶液中の化学物質が吸着や生化学反応により、上記有機単分子膜あるいは固定された化学材料に対して付着することによる、この有機単分子膜の電位変化で、MOSトランジスタに流れる電流を測定することにより、溶液中の化学物質の濃度や、溶液中の有機単分子膜に反応する化学物質の有無の検出等を行う。
The present invention is a sensor (semiconductor sensor chip for solution measurement) configured by a MOS transistor, and is immersed between the solution and the semiconductor substrate (N-SUB or P-SUB). An organic monomolecular film is formed on the exposed gate insulating film (for example, gate oxide film) by applying an electric potential, and the base sequence or biological body is applied to the organic monomolecular film or a chemical material fixed to the organic monomolecular film. When the substance or chemical substance reacts and adsorbs, the current flowing through the MOS transistor changes due to the change in potential applied to the gate insulating film, and the base sequence, biological substance or chemical substance is specified. Since a voltage is applied between the solution and the source, a constant current always flows through the MOS transistor, and the potential of the gate insulating film due to the chemical substance binding to the chemical material of the organic monomolecular film is The chemical substance is detected by the amount of change in the current.
That is, in the MOS transistor of the present invention, an organic monomolecular film as a detection unit or a chemical material fixed to the organic monomolecular film is formed on the gate insulating film, and the chemical substance in the solution is absorbed or biochemically reacted. By measuring the current flowing through the MOS transistor by the potential change of the organic monomolecular film by adhering to the organic monomolecular film or the fixed chemical material, the concentration of the chemical substance in the solution, Detection of the presence or absence of a chemical substance that reacts with the organic monomolecular film in the solution is performed.
<Nチャネル型MOSトランジスタの場合>
以下、本発明の一実施形態による溶液測定用半導体センサチップ(半導体装置)を図面を参照して説明する。図1は同実施形態の構成例の断面構造を示すブロック図である。図1はNチャネル型MOSトランジスタの断面を示している。
図1において、N型の不純物が添加された半導体基板N−SUB表面には、P型の不純物が添加されたウェルPWが形成されている。
上記ウェルPWには、MOSトランジスタN1のソースとしての拡散層102とドレインとしての拡散層103が、チャネル形成領域120を介して対向して形成されており、拡散層102及び103各々はN型の不純物が添加されている。
<N-channel MOS transistor>
Hereinafter, a semiconductor sensor chip for measuring a solution (semiconductor device) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a cross-sectional structure of a configuration example of the embodiment. FIG. 1 shows a cross section of an N-channel MOS transistor.
In FIG. 1, a well PW to which a P-type impurity is added is formed on the surface of a semiconductor substrate N-SUB to which an N-type impurity is added.
In the well PW, a
また、拡散層102の側部において、上記チャネル形成領域120が形成されている一端と異なる他端において、拡散層102と隣接し、ウェルPWのウェルコンタクトであり、P型不純物が添加された拡散層101が形成されている。
チャネル形成領域120、拡散層101、102及び103は、MOSトランジスタN1を形成する領域である。ここで、チャネル形成領域120、拡散層101、102及び103上には、シリコン酸化膜(SiO2)からなるゲート絶縁膜104が形成されている。
MOSトランジスタN1は、上述したチャネル形成領域120、拡散層101、102及び103、ゲート絶縁膜104から構成されている。
また、MOSトランジスタ形成領域の外周部には、設定された幅及び厚さの素子分離膜100が、例えばシリコン酸化膜により形成されている。
Further, in the side portion of the
The
The MOS transistor N1 includes the above-described
In addition, an
素子分離膜100の直下には、素子分離膜100及びウェルPWの界面の反転を抑制するため、ウェルPWより高い濃度のP型の不純物が添加されたチャネルストッパーNFが形成されている。
ゲート絶縁膜104上面において、MOSトランジスタによるセンサの検出領域であるチャネル形成領域120を含むゲート絶縁膜104の露出される露出領域を囲むように、当該露出領域の外周部に多結晶シリコン膜マスク501の設定された幅のパターンが形成されている。上記露出領域は、平面視においてチャネル形成領域120を含む範囲として設定されている。
A channel stopper NF to which a P-type impurity having a higher concentration than the well PW is added is formed immediately below the
On the upper surface of the gate
素子分離膜100及びゲート絶縁膜104の上部を含む全面に、層間絶縁膜106が形成されており、配線108Sと拡散層101及び102とを電気的に接続するコンタクト領域として、層間絶縁膜106及びゲート絶縁膜104とを貫通するコンタクトホール107Sが形成されている。これにより、配線108Sと拡散層101(ウェルコンタクト)及び102(ソース)とが電気的に接続されている。
同様に、配線108Dと拡散層103とを電気的に接続するコンタクト領域として、層間絶縁膜106及びゲート絶縁膜104とを貫通するコンタクトホール107Dが形成されている。これにより、配線108Dと拡散層103(ドレイン)とが電気的に接続されている。
An
Similarly, a
また、層間絶縁膜106と、配線108S及び配線108Dとの上部を含む全面に、MOSトランジスタN1(配線またはコンタクト領域)を保護するパッシベーション膜122が形成されている。
上記パッシベーション膜122は、例えば、本実施形態において、シリコン酸化膜109と、シリコン窒化膜110と、シリコン酸化膜111との3層からなる多層構造にて形成されている。
また、上記層間絶縁膜106及びパッシベーション膜122には、上記露出領域を露出させるため、露出領域上部にゲート絶縁膜104表面まで貫通する開口部121が形成されている。
また、露出領域にて露出されたゲート絶縁膜104上面には有機単分子膜が形成されている。
Further, a
In the present embodiment, for example, the
Further, in the
An organic monomolecular film is formed on the upper surface of the
<Pチャネル型MOSトランジスタの場合>
以下、本発明の一実施形態による溶液測定用半導体センサチップ(半導体装置)を図面を参照して説明する。図1は同実施形態の構成例の断面構造を示すブロック図である。図1はPチャネル型MOSトランジスタP1の断面を示している。
図2において、P型の不純物が添加された半導体基板P−SUB表面には、N型の不純物が添加されたウェルNWが形成されている。
上記ウェルNWには、MOSトランジスタP1のソースとしての拡散層102とドレインとしての拡散層103が、チャネル形成領域120を介して対向して形成されており、拡散層102及び103各々はP型の不純物が添加されている。
<P-channel MOS transistor>
Hereinafter, a semiconductor sensor chip for measuring a solution (semiconductor device) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a cross-sectional structure of a configuration example of the embodiment. FIG. 1 shows a cross section of a P-channel MOS transistor P1.
In FIG. 2, a well NW to which an N-type impurity is added is formed on the surface of the semiconductor substrate P-SUB to which a P-type impurity is added.
In the well NW, a
また、拡散層202の側部において、上記チャネル形成領域120と逆の側において、拡散層202と隣接し、ウェルNWのウェルコンタクトであり、N型不純物が添加された拡散層201が形成されている。
チャネル形成領域120、拡散層201、202及び203は、MOSトランジスタP1を形成する領域である。ここで、チャネル形成領域120、拡散層201、202及び203上には、シリコン酸化膜(SiO2)からなるゲート絶縁膜104が形成されている。
MOSトランジスタN1は、上述したチャネル形成領域120、拡散層201、202及び203、ゲート絶縁膜104から構成されている。
また、MOSトランジスタ形成領域の外周部には、設定された幅及び厚さの素子分離膜100が、例えばシリコン酸化膜により形成されている。
Further, on the side of the
The
The MOS transistor N1 includes the above-described
In addition, an
素子分離膜100の直下には、素子分離膜100及びウェルNWの界面の反転を抑制するため、ウェルNWより高い濃度のN型の不純物が添加されたチャネルストッパーPFが形成されている。
ゲート絶縁膜104上面において、MOSトランジスタによるセンサの検出領域であるチャネル形成領域120を含むゲート絶縁膜104の露出される露出領域を囲むように、当該露出領域の外周部に多結晶シリコン膜マスク501の設定された幅のパターンが形成されている。上記露出領域は、平面視においてチャネル形成領域120を含む範囲に設定されている。
A channel stopper PF to which an N-type impurity having a higher concentration than the well NW is added is formed immediately below the
On the upper surface of the
素子分離膜100及びゲート絶縁膜104の上部を含む全面に、層間絶縁膜106が形成されており、配線108Sと拡散層201及び202とを電気的に接続するコンタクト領域として、層間絶縁膜106及びゲート絶縁膜104とを貫通するコンタクトホール107Sが形成されている。これにより、配線108Sと拡散層201(ウェルコンタクト)及び202(ソース)とが電気的に接続されている。
同様に、配線108Dと拡散層203とを電気的に接続するコンタクト領域として、層間絶縁膜106及びゲート絶縁膜104とを貫通するコンタクトホール107Dが形成されている。これにより、配線108Dと拡散層203(ドレイン)とが電気的に接続されている。
An interlayer insulating
Similarly, a
また、層間絶縁膜106と、配線108S及び配線108Dとの上部を含む全面に、MOSトランジスタP1を保護するパッシベーション膜122が形成されている。
上記パッシベーション膜122は、Nチャネル型のMOSトランジスタN1と同様に、本実施形態においてシリコン酸化膜109と、シリコン窒化膜110と、シリコン酸化膜111との3層からなる多層構造にて形成されている。
また、上記層間絶縁膜106及びパッシベーション膜122には、上記露出領域を露出させるため、露出領域上部にゲート絶縁膜104表面まで貫通する開口部121が形成されている。
また、露出領域にて露出されたゲート絶縁膜104上面には、MOSトランジスタN1と同様に有機単分子膜が形成されている。
A
In the present embodiment, the
Further, in the
Further, an organic monomolecular film is formed on the upper surface of the
<ゲート絶縁膜104に用いるシリコン酸化膜の厚さの設定>
すでに述べたように、シランカップリングに有機単分子膜を結合させる都合上、MOSトランジスタの場合トランジスタのゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いる必要がある。そのため、上記MOSトランジスタN1及びP1(以下、MOSトランジスタの場合トランジスタ)におけるゲート絶縁膜104の厚さは、薄ければ薄いほどセンシングの感度が上昇するが、一方薄くなることによりピンホールの発生する確率が高くなり、膜厚を薄くして感度を向上させると、上記ピンホールによりリーク電流が発生することになる。
そのため、膜厚を薄くして感度を向上させつつ、リーク電流の基となるピンホールの発生のないゲート絶縁膜104の厚さを設定することにより、高感度で耐性のある溶液中にて用いるセンサとしてのMOSトランジスタを作成することが考えられる。
<Setting of thickness of silicon oxide film used for
As already described, for the purpose of bonding an organic monomolecular film to silane coupling, in the case of a MOS transistor, it is necessary to use a silicon oxide film as a gate insulating film of the transistor. Therefore, as the thickness of the
Therefore, it is used in a highly sensitive and durable solution by setting the thickness of the
また、上述したように、本実施形態の溶液測定用半導体センサチップは、溶液に浸し、この溶液に含まれる化学物質の検出を行うため、広いpH範囲の溶液に浸される可能性がある。したがって、シリコン酸化膜の耐性のpH依存性において、よりリーク電流の発生しやすいpHの溶液にてゲート絶縁膜の膜厚を設定する必要がある。
そのため、リーク電流増加のpH依存の実験として、同一プロセスで同様の厚さの酸化膜を作成し、異なる複数のpHの溶液に浸し、この溶液に印加する電圧を変化させ、図3に示すようにウェハの外周部から中心に向かって、異なる位置の複数の測定ポイントにて、リーク電流が発生する電圧を測定した。ここで、ウェハ面内におけるシリコン酸化膜のバラツキは+5nm及び−5nmの範囲を有し、すなわちウェハ面内におけるシリコン酸化膜の厚さは15nmから25nmである。測定条件としては、測定ポイントのMOSトランジスタ(MOSトランジスタN1を用いた)のにおいてソース(拡散層102)とドレイン(拡散層103)との間に0.1Vの電圧を印加し、溶液とソース(拡散層102)との間には0〜25Vの電圧Vgを順次印加した。
In addition, as described above, since the semiconductor sensor chip for solution measurement according to the present embodiment is immersed in a solution and a chemical substance contained in the solution is detected, it may be immersed in a solution having a wide pH range. Therefore, it is necessary to set the film thickness of the gate insulating film with a solution having a pH at which leakage current is more likely to occur in the pH dependency of the resistance of the silicon oxide film.
Therefore, as an experiment on the pH dependence of the increase in leakage current, an oxide film having the same thickness is prepared by the same process, immersed in solutions having a plurality of different pHs, and the voltage applied to this solution is changed, as shown in FIG. In addition, the voltage at which a leak current was generated was measured at a plurality of measurement points at different positions from the outer periphery of the wafer toward the center. Here, the variation of the silicon oxide film in the wafer surface has a range of +5 nm and −5 nm, that is, the thickness of the silicon oxide film in the wafer surface is 15 nm to 25 nm. As measurement conditions, a voltage of 0.1 V was applied between the source (diffusion layer 102) and the drain (diffusion layer 103) in the MOS transistor at the measurement point (using the MOS transistor N1), and the solution and source ( A voltage Vg of 0 to 25 V was sequentially applied to the diffusion layer 102).
上記実験の結果としては、図4(溶液がpH4)、図5(溶液がpH7)及び図6(溶液がpH9)に示す結果となった。図4、図5及び図6は、横軸が上記電圧Vgの電圧値を示し、縦軸が溶液とソースとの間に流れるリーク電流の電流値を示している。
上記結果より、溶液のpHが高くなるに従い、低い電圧値の電圧Vgによりリーク電流が発生していることが分かる。
pH4の溶液においては、電圧Vgが15V程度にてリーク電流の増加が確認され、pH9にては電圧Vgが10V程度にてリーク電流の増加が確認されたことにより、pHが高いほどリーク電流の発生する電圧Vgの電圧値が低下することが分かる。
As a result of the above experiment, the results shown in FIG. 4 (solution is pH 4), FIG. 5 (solution is pH 7) and FIG. 6 (solution is pH 9) were obtained. 4, 5, and 6, the horizontal axis indicates the voltage value of the voltage Vg, and the vertical axis indicates the current value of the leakage current that flows between the solution and the source.
From the above results, it can be seen that the leakage current is generated by the voltage Vg having a low voltage value as the pH of the solution increases.
In the pH 4 solution, an increase in leakage current was confirmed at a voltage Vg of about 15 V, and an increase in leakage current was confirmed at pH 9 at a voltage Vg of about 10 V. It can be seen that the voltage value of the generated voltage Vg decreases.
ほとんどの測定に用いる溶液のpHがpH9以下であるため、シリコン酸化膜の膜厚の設定をこのpH9において設定することとした。pH9において、シリコン酸化膜の膜厚を複数とり、図4〜図6と同様の試験を行った。図7はシリコン酸化膜(ゲート絶縁膜104)の膜厚を35nm(すなわち、ウェル内の面内バラツキが5nmであるため、実質的には30〜40nmの範囲)とし、図8はシリコン酸化膜(ゲート絶縁膜104)の膜厚を55nm(すなわち、ウェル内の面内バラツキとしては5nmであるため、実質的には50〜60nmの範囲)とした。図4及び図5の場合と同様に、図3の用にウェル内における複数の測定ポイントにて、測定ポイントのMOSトランジスタ(MOSトランジスタN1を用いた)のソース(拡散層102)とドレイン(拡散層103)との間に0.1Vの電圧を印加し、溶液とソース(拡散層102)との間には0〜35Vの電圧Vgを順次印加した。 Since the pH of the solution used for most measurements is pH 9 or less, the film thickness of the silicon oxide film is set at this pH 9. At pH 9, a plurality of silicon oxide film thicknesses were taken, and tests similar to those shown in FIGS. 7 shows that the thickness of the silicon oxide film (gate insulating film 104) is 35 nm (ie, the in-plane variation in the well is 5 nm, so that the range is substantially 30 to 40 nm), and FIG. 8 shows the silicon oxide film. The film thickness of the (gate insulating film 104) was 55 nm (that is, the in-plane variation in the well is 5 nm, so that it is substantially in the range of 50 to 60 nm). 4 and 5, the source (diffusion layer 102) and drain (diffusion layer) of the MOS transistor (using the MOS transistor N1) at the measurement point at a plurality of measurement points in the well as in FIG. A voltage of 0.1 V was applied between the layer 103) and a voltage Vg of 0 to 35 V was sequentially applied between the solution and the source (diffusion layer 102).
上記実験の結果としては、図7の膜厚が30〜40nmの場合、電圧Vgの電圧値が17V〜24Vの範囲において、リーク電流が発生している。このリーク電流のバラツキは膜厚のバラツキに依存すると考えられ、膜厚の最も薄い測定ポイントにおいて、最も低いリーク電流の発生する電圧Vgの電圧値であると考えられる。したがって、電圧Vgが電圧値17Vでリーク電流が発生している測定ポイントのMOSトランジスタのゲート絶縁膜104の膜厚はほぼ30nmであり、電圧Vgが電圧値24Vでリーク電流が発生している測定ポイントのMOSトランジスタにおけるゲート絶縁膜104の膜厚はほぼ40nmであると推定することができる。
As a result of the above experiment, when the film thickness of FIG. 7 is 30 to 40 nm, a leakage current is generated in the voltage value range of 17V to 24V. This variation in leakage current is considered to depend on the variation in film thickness, and is considered to be the voltage value of the voltage Vg at which the lowest leakage current occurs at the thinnest measurement point. Therefore, the thickness of the
また、図8の膜厚が50〜60nmの場合、電圧Vgの電圧値が30V〜36Vの範囲において、リーク電流が発生している。上述した図7の場合と同様に、膜厚の最も薄い測定ポイントにおいて、最も低いリーク電流の発生する電圧Vgの電圧値であると考えられる。したがって、電圧Vgが電圧値30Vでリーク電流が発生している測定ポイントのMOSトランジスタのゲート絶縁膜104の膜厚はほぼ50nmであり、電圧Vgが電圧値36Vでリーク電流が発生している測定ポイントのMOSトランジスタのゲート絶縁膜104の膜厚はほぼ60nmであると推定することができる。
In addition, when the film thickness in FIG. 8 is 50 to 60 nm, a leakage current is generated in the range where the voltage value of the voltage Vg is 30 V to 36 V. As in the case of FIG. 7 described above, it is considered that the voltage value of the voltage Vg at which the lowest leakage current is generated at the measurement point where the film thickness is the thinnest. Therefore, the thickness of the
また、すでに述べた図6において、シリコン絶縁膜104の膜厚が15〜25nmの場合、電圧Vgの電圧値が9V〜11Vの範囲において、リーク電流が発生している。上述した図7の場合と同様に、膜厚の最も薄い測定ポイントにおいて、最も低いリーク電流の発生する電圧Vgの電圧値であると考えられる。したがって、電圧Vgが電圧値9Vでリーク電流が発生している測定ポイントのMOSトランジスタのゲート絶縁膜104の膜厚はほぼ15nmであり、電圧Vgが電圧値11Vでリーク電流が発生している測定ポイントのMOSトランジスタのゲート絶縁膜104の膜厚はほぼ25nmであると推定することができる。
In FIG. 6 described above, when the thickness of the
上記測定結果から、pH9の溶液に浸した測定において、ゲート絶縁膜104の膜厚が15nmの場合、リーク電流の発生する電圧Vgの電圧値が9Vであり、ゲート絶縁膜104の膜厚が25nmの場合、リーク電流の発生する電圧Vgの電圧値が11Vであり、ゲート絶縁膜104の膜厚が30nmの場合、リーク電流の発生する電圧Vgの電圧値が17Vであり、ゲート絶縁膜104の膜厚が40nmの場合、リーク電流の発生する電圧Vgの電圧値が24Vであり、ゲート絶縁膜104の膜厚が50nmの場合、リーク電流の発生する電圧Vgの電圧値が30Vであり、ゲート絶縁膜104の膜厚が60nmの場合、リーク電流の発生する電圧Vgの電圧値が36Vであることが分かる。
したがって、本実施形態の溶液測定用半導体センサチップは、電圧Vgの電圧値を通常15V以下にて使用するため、センシングの感度が最大で、ゲート絶縁膜104にリーク電流が流れない膜厚としてほぼ30nm程度の厚さが下限値であることが上記実験により分かる。膜厚の上限値としてはより溶液に印加する電圧を上昇させた場合、または感度が低くとも良い場合など、適時設定すれば良い。
また、最表層がシリコン酸化膜であれば良いため、中央にシリコン窒化膜を挟んだ3層構造でも、また半導体基板N−SUBの表面上に形成したシリコン窒化膜の表面部分のみを酸化膜化した構造をゲート絶縁膜104として用いてもよい。
From the above measurement results, in the measurement immersed in a pH 9 solution, when the thickness of the
Therefore, since the semiconductor sensor chip for measuring a solution according to the present embodiment uses the voltage value of the voltage Vg normally at 15 V or less, the sensitivity of the sensing is maximum, and the film thickness is such that the leakage current does not flow through the
Further, since the outermost layer only needs to be a silicon oxide film, even in a three-layer structure with a silicon nitride film sandwiched in the center, only the surface portion of the silicon nitride film formed on the surface of the semiconductor substrate N-SUB is formed into an oxide film. Such a structure may be used as the
また、パッシベーション膜122をシリコン酸化膜109とシリコン窒化膜110とシリコン酸化膜111とを順次積層した3層構造としたため、シリコン酸化物109及び111間にシリコン窒化膜110を介在させ、シリコン酸化膜109及び111の圧縮応力に対し、シリコン窒化膜110の引張応力を導入し、シリコン酸化膜109及び111の圧縮応力をシリコン窒化膜110の引張応力で相殺することで、パッシベーション膜122の全体の応力を低下させて、クラックの発生を抑制し、パッシベーション膜122の信頼性を向上させている。また、シリコン酸化膜109/シリコン窒化膜110/シリコン酸化膜111の3層を重ねることにより、ピンホールの発生の確率を分散させ、パッシベーション膜122の信頼性をさらに向上させている。
また、溶液に浸される領域の配線108D及び108Sの配線幅を、溶液に浸されない領域の配線108D及び108Sの配線幅に比較して細くすることにより、溶液に浸される領域におけるパッシベーション膜122に発生したクラックやピンホールが配線108D及び108Sの直上に存在する確率を低下させることができ、発生したクラックやピンホールから溶液が配線108D及び108Sに到達して、リーク電流の発生の確率を低下させることができ、溶液測定用半導体センサチップの信頼性を向上させることができる。
Further, since the
Further, the wiring width of the
<Nチャネル型MOSトランジスタN1の製造プロセス>
上述したMOSトランジスタの製造プロセスを、Nチャネル型のMOSトランジスタN1の製造過程を例とし、図9から図15の図を用いて説明する。図9から図15は、図1のMOSトランジスタN1の製造過程の断面構造に対応している。図2に示すPチャネル型のMOSトランジスタP1についても、不純物の導電型が逆、すなわちP型がN型に、あるいはN型がP型となるのみであり、Nチャネル型及びPチャネル型のMOSトランジスタの製造過程は同様である。
<Manufacturing Process of N-Channel MOS Transistor N1>
The manufacturing process of the MOS transistor described above will be described with reference to FIGS. 9 to 15 by taking the manufacturing process of the N-channel type MOS transistor N1 as an example. 9 to 15 correspond to the cross-sectional structure of the manufacturing process of the MOS transistor N1 of FIG. Also in the P-channel MOS transistor P1 shown in FIG. 2, the conductivity type of the impurity is reversed, that is, the P-type is only N-type or the N-type is only P-type. The manufacturing process of the transistor is the same.
図9に示すように、P型の不純物が添加された半導体基板P−SUBに対し、酸化膜500を熱酸化などにより形成した後、設定された深さにて全面にP型の導電型の不純物、例えばBF2+イオンをイオン注入し、ウェルPWを形成するためのP型の不純物層を形成する。
また、後の工程において素子分離膜100を形成する領域にチャネルストッパーのP型不純物層であるチャネルストッパーNFを形成するため、フォトリソグラフィにより、素子分離膜100形成する部分のみ開口されたレジストパターンを形成し、このレジストパターンをイオン注入のマスクとし、ウェルPWを形成する際の不純物濃度より高い濃度のBF2+イオンをイオン注入する。上記レジストパターンを除去する。
As shown in FIG. 9, after an
Further, in order to form a channel stopper NF that is a P-type impurity layer of a channel stopper in a region where the
次に、図10において示すように、P型不純物層であるチャネルストッパーNFの直上に、MOSトランジスタ形成領域を電気的に分離する素子分離膜100を熱酸化、あるいは溝を形成して溝内に絶縁材料(絶縁体)を堆積させるなどして形成する。
Next, as shown in FIG. 10, an
そして、図11において、素子分離膜100が形成されていないウェルPWの領域(トランジスタ形成領域)において、MOSトランジスタN1を形成するため、フォトリソグラフィによりソース及びドレインとなる領域が開口されたレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして、N型の不純物としてP+(燐イオン)をプロセス設計上の深さに、かつ設定された濃度によりイオン注入し、拡散層102及び103を形成する。上記レジストパターンを除去する。
そして、ソースの拡散層102側面において、MOSトランジスタN1のチャネル形成領域120(ソース及びドレインが対向した間のチャネルが形成される領域)と逆の位置にて隣接する領域にウェルPWに電位を与える拡散層で形成されたウェルコンタクト101を、フォトリソグラフィによりウェルコンタクトとなる領域が開口されたレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして、P型の不純物としてBF2+をプロセス設計上の深さに設定された濃度によりイオン注入して形成する。上記レジストパターンを除去し、上記酸化膜500を除去する。
In FIG. 11, in order to form the MOS transistor N1 in the region of the well PW where the
Then, on the side surface of the
また、素子分離膜100が形成されていないウェルPWの表面に対し、熱酸化によりゲート絶縁膜104を形成する。
ここで、30nm以上の厚さに、酸素(O2)雰囲気中にて950℃に加熱した熱酸化によりゲート絶縁膜104を形成する。ここで、半導体基板N−SUBの不純物(P:リン)の濃度は1×1017/cm3であり、ウェルPWの不純物(B:ボロン)の濃度は5×1018/cm3である。
A
Here, the
次に、図12に示すように、全面に多結晶シリコン膜を堆積させ、後の工程にてセンス領域として露出する部分を平面視にて覆うマスク部分のみ残すため、このマスク部分以外が開口されたレジストパターンをフォトリソグラフィにより形成し、このレジストパターンをマスクとし、多結晶シリコン膜をエッチング(ドライエッチング、必要であれば異方性エッチング)を行い、多結晶シリコン膜マスク501を形成する。上記レジストパターンを除去する。
Next, as shown in FIG. 12, a polycrystalline silicon film is deposited on the entire surface, and only the mask portion that covers a portion exposed as a sense region in a later process is left in plan view. The resist pattern is formed by photolithography, and using this resist pattern as a mask, the polycrystalline silicon film is etched (dry etching, anisotropic etching if necessary) to form a polycrystalline
そして、図13に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)等により、全面に対して酸化膜を層間絶縁膜106として堆積させる。
次に、後に形成する導電体の配線とコンタクトを形成するため、拡散層102、103、101の表面を設定された面積にて露出させる工程として、フォトリソグラフィによりコンタクトホール107D及び107Sを形成する部分のみ開口されたレジストパターンの形成を行う。このレジストパターンをマスクとしてドライエッチングを行い、コンタクトホール形成部分の層間絶縁膜106及びゲート絶縁膜104を除去し、拡散層103に対するコンタクトホール107Dと、拡散層101及び102に対するコンタクトホール107Sを形成する。上記レジストパターンを除去する。
Then, as shown in FIG. 13, an oxide film is deposited as an
Next, as a step of exposing the surfaces of the diffusion layers 102, 103, and 101 in a set area in order to form a conductor wiring and a contact to be formed later, a portion where contact holes 107D and 107S are formed by photolithography Only a resist pattern having an opening is formed. Using this resist pattern as a mask, dry etching is performed to remove the
そして、導電体膜(例えば、Al−Cu−Siの多層膜)をスパッタにより設定された厚さに堆積させる。このとき、コンタクトホール107D及び107Sの穴内にも堆積されて、導電体膜と各拡散層との間が電気的に接触してコンタクトが形成される。ここで、拡散層102及び拡散層101は、上記導電体膜の配線パターン(配線108S)のコンタクト部分により電気的に接続されている。
配線パターンとして、配線108S及び108Dを形成するため、フォトリソグラフィにより配線108S及び108Dを形成する部分以外が開口されたレジストパターンを形成する。そして、このレジストパターンをマスクとしてエッチングを行い、配線108S及び108Dを形成する。上記レジストパターンを除去する。
ここで、配線108S及び108Dは、溶液に浸されない領域の配線幅(例えば、1000μm)に比較し、溶液に浸される領域の配線幅(例えば、50μm)を細くした配線パターンとなっている。配線108S及び108Dの配線の位置と、後述するパッシベーション膜122に発生するピンホールやクラックの位置とが一致する確率を低下させることにより、溶液に浸される溶液測定用半導体センサチップの耐性を向上させる。
Then, a conductor film (for example, an Al—Cu—Si multilayer film) is deposited to a thickness set by sputtering. At this time, it is also deposited in the contact holes 107D and 107S, and a contact is formed by electrical contact between the conductor film and each diffusion layer. Here, the
In order to form the
Here, the
次に、図14に示すように、全面にTEOS(正珪酸四エチル:Si(OC2H5)4)を塗布し、シリコン酸化膜109を200nmの厚さに成膜する。
また、プラズマCVD法などにより、上記シリコン酸化膜109の全面にシリコン窒化膜110を1200nmの厚さに形成する。
そして、上記シリコン窒化膜110全面に、TEOSを塗布し、シリコン酸化膜111を200nmの厚さに成膜する。
Next, as shown in FIG. 14, TEOS (normal tetraethyl silicate: Si (OC 2 H 5 ) 4 ) is applied to the entire surface, and a
Further, a
Then, TEOS is applied on the entire surface of the
これにより、シリコン酸化膜111/シリコン窒化膜110/シリコン酸化膜109からなるパッシベーション膜122を形成する。
次に、センサーにおける検出部となるMOSトランジスタN1のチャネル形成部のゲート絶縁膜104を露出するための開口部(SE開口)121を形成する。すなわち、フォトリソグラフィにより、この開口部121の部分のみ開口したレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとし、かつ多結晶シリコン膜マスク501をエッチングのストッパーとし、酸化膜に対する選択的なエッチングを行い、開口部121の形成を行い、上記レジストパターンを除去する。
As a result, a
Next, an opening (SE opening) 121 is formed for exposing the
次に、図15に示すように、上記レジストパターンを用いて、多結晶シリコンに対する選択的なエッチングを行い、開口した開口部121から露出した多結晶シリコン膜マスク501を除去し、MOSトランジスタN1のチャネル領域を含むゲート絶縁膜104表面を開口部121により露出させ、上記レジストパターンを除去する。
そして、再度、TEOSを全面に塗布して酸化膜を形成し、全面に対してTEOSにより形成した酸化膜のエッチングを行うことにより、酸化膜スペーサ112を形成する。これにより、溶液に浸される開口部121における穴の内周面がシリコン酸化膜としての酸化膜スペーサ112にて覆われているため、直接にパッシベーション膜122の端面が溶液に触れることがないため、パッシベーション膜122の耐性を向上させることができる。
最後に、このゲート絶縁膜104表面に対して単分子層膜を形成することにより、MOSトランジスタN1からなる、溶液中における化学物質を電流検出方式により検出するセンサーが形成される。
Next, as shown in FIG. 15, the polycrystalline silicon is selectively etched using the resist pattern to remove the polycrystalline
Then, again, TEOS is applied to the entire surface to form an oxide film, and the oxide film formed by TEOS is etched on the entire surface, whereby the
Finally, by forming a monomolecular layer film on the surface of the
すなわち、本実施形態の溶液測定用半導体センサチップは、ゲート絶縁膜104上に、検出部としての有機単分子膜を形成することで、MOSトランジスタ(露出されている有機単分子膜が形成されたゲート絶縁膜104)が浸された溶液中の化学物質が吸着や生化学反応によって、上記有機単分子膜に対して化学物質が付着することにより、ゲート絶縁膜104上の有機単分子膜の電位変化が起こり、この電位変化によるMOSトランジスタに流れる電流の変化を測定することにより、溶液中の化学物質の濃度や、溶液中の有機単分子膜に反応する化学物質の有無の検出等を行うことができる。
That is, the semiconductor sensor chip for solution measurement according to the present embodiment forms a MOS transistor (an exposed organic monomolecular film is formed on the
上述したように、本実施形態の溶液測定用半導体センサチップは、ゲート絶縁膜104の最表層がシリコン酸化膜にて形成されており、溶液中のpH濃度や溶液内に存在するDNAやタンパク質などの生体試料を検出するための化学材料を、ゲート絶縁膜104にシランカップリングにて有機単分子膜として形成し、この有機単分子膜に溶液中の化学物質を検出する化学材料を固定することが容易にできる。
また、本実施形態の溶液測定用半導体センサチップは、上記ゲート絶縁膜104が検出感度を保持させるため、上述した実験において抽出された「溶液とソースとの間に電圧Vgを15V(測定に必要な範囲)として印加した際のリーク電流の発生を抑制する最小の膜厚」、あるいはこの膜厚以上において、化学物質の検出に必要な感度に対応した厚さにて形成されているため高感度に溶液中の化学物質を検出できる。
As described above, in the semiconductor sensor chip for solution measurement of this embodiment, the outermost layer of the
Further, in the semiconductor sensor chip for solution measurement according to the present embodiment, since the
100…素子分離膜
101,102,103,201,202,203…拡散層
104…ゲート絶縁膜
106…層間絶縁膜
107D,107S…コンタクトホール
108D,108S…配線
109,111…シリコン酸化膜
110…シリコン窒化膜
112…酸化膜スペーサ
120…チャネル形成領域
121…開口部
501…多結晶シリコン膜マスク
N1,P1…MOSトランジスタ
NF,PF…チャネルストッパー
N−SUB,P−SUB…半導体基板
NW,PW…ウェル
DESCRIPTION OF
Claims (3)
半導体基板と、
該半導体基板上に形成された前記MOSトランジスタのゲート絶縁膜上に固定された有機単分子層と、
前記MOSトランジスタのソース及びドレインに接続された配線と、
前記有機単分子層部分が露出する開口部を有するパッシベーション膜と
を有し、
前記ゲート絶縁膜の最表層がシリコン酸化膜で形成され、このゲート絶縁膜が30nm以上の厚さにて形成され、前記溶液測定用半導体センサチップにおける前記溶液中に浸される領域に配線された前記配線の幅を、当該溶液測定用半導体センサチップにおける前記溶液中に浸されない領域に配線された前記配線の幅に比較して細く形成している
ことを特徴とする溶液測定用半導体センサチップ。 A semiconductor sensor for solution measurement, comprising a MOS transistor with an exposed gate insulating film, and detecting a chemical substance in the solution by immersing it in a solution to which a potential is applied, by detecting a change in current flowing in the MOS transistor Chip,
A semiconductor substrate;
An organic monomolecular layer fixed on the gate insulating film of the MOS transistor formed on the semiconductor substrate;
Wiring connected to the source and drain of the MOS transistor;
A passivation film having an opening through which the organic monomolecular layer portion is exposed,
The outermost layer of the gate insulating film is formed of a silicon oxide film, the gate insulating film is formed with a thickness of 30 nm or more, and is wired in a region immersed in the solution in the solution measuring semiconductor sensor chip. The semiconductor sensor chip for solution measurement, wherein the width of the wiring is formed narrower than the width of the wiring wired in a region not immersed in the solution in the semiconductor sensor chip for solution measurement.
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