(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材上に形成されたゲート電極、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁層、前記ゲート絶縁層上に形成された半導体層、前記半導体層と接するように形成されたソース電極およびドレイン電極、を有するトランジスタ部と、
前記基材上に形成された検知用電極、および前記検知用電極上に形成され、絶縁性材料からなるイオン感応膜、を有するセンサ部と、
を有し、
前記トランジスタ部と、前記センサ部とが、前記基材の同一面側に並列するように配置されており、かつ前記トランジスタ部のゲート電極と、前記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることを特徴とする、トランジスタ型センサ。
【請求項２】
前記基材が透明性を有するものであり、かつ一体として形成された前記ゲート電極および前記検知用電極が透明性を有するものであり、さらに前記イオン感応膜が透明性を有するものであることを特徴とする、請求項１に記載のトランジスタ型センサ。
【請求項３】
前記トランジスタ部のゲート絶縁層と、前記センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のトランジスタ型センサ。
【請求項４】
前記トランジスタ部上にパッシベーション層が形成されており、かつ前記パッシベーション層と、前記センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のトランジスタ型センサ。
【請求項５】
前記センサ部が、前記検知用電極と、前記イオン感応膜との間に絶縁性材料からなる絶縁層を有し、かつ前記絶縁層が、前記トランジスタ部のゲート絶縁層と一体として形成されていることを特徴とする、請求項４に記載のトランジスタ型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオセンサ等として好適に用いることができるトランジスタ型センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、疾患の診断、薬物代謝に関する個人差の検出、または、食品若しくは環境モニタ等の目的で、ＤＮＡ、糖鎖、たんぱく質等の生体関連物質の検査をするための種々の方法が開発されており、特に、電気的な信号によって生体分子（ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）を検出するバイオセンサの研究が進んでいる。最近では、電気的な信号の転換が速く、集積回路とＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）の接続が容易であるという観点から、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、「ＦＥＴ」ともいう。）を使用して生物学的な反応を検出するバイオセンサについて多くの研究が為されている。
【０００３】
従来、ＦＥＴを用いたバイオセンサは、ＭＯＳＦＥＴからゲート電極を除去し、絶縁膜の上にイオン感応膜を被着した構造を有しており、「ＩＳＦＥＴ（Ｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ＦＥＴ）」と呼ばれている。そして、イオン感応膜に酸化還元酵素、各種タンパク質、ＤＮＡ、抗原または抗体などを配置することによって、各種バイオセンサとして機能するようになっている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
具体的には、バイオセンサに用いられるＦＥＴは、シリコン基板の表面にソース電極、ドレイン電極及びゲート絶縁膜を形成し、ソース電極とドレイン電極間のゲート絶縁物表面に金属電極を有している。この金属電極の表面には、ＤＮＡプローブとアルカンチオールが配置されている。実際に測定を行う場合には、金属電極と、金属電極の表面上に配置されたＤＮＡプローブ及びアルカンチオールと、参照電極とが測定セル内の反応溶液中に配置されるようになっており、参照電極を介して電圧が印加されると、反応溶液中に含まれるターゲットＤＮＡとＤＮＡプローブとの結合の前後で変化する絶縁ゲート電界効果トランジスタの電気特性変化、すなわち、ソースとドレインとの間を流れる電流値の変化を検出することにより、反応溶液中に含まれるターゲットＤＮＡの伸長の有無を検出することができるようになっている。
【０００５】
ところで、上述したバイオセンサ等に用いられるトランジスタ型センサにおいては、トランジスタを構成する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積層構造を有しているのが一般的である。しかしながら、このような積層構造を有するトランジスタ型センサにおいては、イオン感応膜を形成できる領域がトランジスタ上に限られることから、より広い面積のイオン感応膜を形成することができないという問題点があった。また、上記積層構造を有する場合、イオン感応膜上に測定対象となる試料を付与した場合に、当該試料がイオン感応膜直下に配置されているトランジスタに浸透し、当該トランジスタの機能が損なわれるという問題点もあった。このようなことから、上記積層構造を有するトランジスタ型センサにおいては安定的に測定を行うことが困難であるという問題点があった。
さらには、上記積層構造を有するトランジスタ型センサにおいては、製造工程が複雑になってしまうという問題点も指摘されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１０８１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バイオセンサ等として好適に用いられ、安定的に測定を行うことが可能なトランジスタ型センサを提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明は、基材と、上記基材上に形成されたゲート電極、上記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁層、上記ゲート絶縁層上に形成された半導体層、上記半導体層と接するように形成されたソース電極およびドレイン電極、を有するトランジスタ部と、上記基材上に形成された検知用電極、および上記検知用電極上に形成され、絶縁性材料からなるイオン感応膜、を有するセンサ部とを有し、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されており、かつ上記トランジスタ部のゲート電極と、上記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることを特徴とするトランジスタ型センサを提供する。
【０００９】
本発明においては、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されていることから、上記センサ部におけるイオン感応膜を形成する面積に制約が少ない。したがって、広い面積でイオン感応膜を形成することができる。
また、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されていることから、イオン感応膜上に測定対象となる試料を付与した場合に、当該試料によってトランジスタ部の機能が劣化してしまうという問題点がない。
さらに、本発明においては、上記トランジスタ部のゲート電極と、上記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることから、製造工程を簡略化することができると共に、トランジスタ型センサ自体の構成も簡略化できるという利点がある。
このようなことから、本発明によれば安定的に測定を行うことが可能なトランジスタ型センサを提供することができる。また、簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができる。
【００１０】
本発明においては、上記基材が透明性を有するものであり、かつ一体として形成された上記ゲート電極および上記検知用電極が透明性を有するものであり、さらに上記イオン感応膜が透明性を有するものであることが好ましい。これにより、本発明のトランジスタ型センサを用いて測定を行う際に、電圧変化の測定のみではなく、センサ部のイオン感応膜上に付与された試料を透過光による目視観察を行うことが可能になるからである。また、従来のバイオセンサ等に用いられていたトランジスタ型センサにおいては、イオン感応膜上の試料を透過光で目視観察するには、半導体として透明性を有するものを使用しなければならないという制約があった。しかしながら、本発明においては、トランジスタ部とセンサ部とが基材上の同一面側に並列するように配置されていることから、トランジスタ部に用いられる半導体層の種類に関わらず、目視観察をすることができるという利点がある。
【００１１】
また本発明においては、上記トランジスタ部のゲート絶縁層と、上記センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されていてもよい。これにより、ゲート電極と検知用電極とが一体として形成されていることと相まって、本発明のトランジスタ型センサの構成をより簡略化することができるため、より簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができるからである。
【００１２】
さらに本発明においては、上記トランジスタ部上にパッシベーション層が形成されており、かつ上記パッシベーション層と、上記センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されていてもよい。また、この場合においては、上記センサ部が、上記検知用電極と、上記イオン感応膜との間に絶縁性材料からなる絶縁層を有し、かつ上記絶縁層が、上記トランジスタ部のゲート絶縁層と一体として形成されていてもよい。これらの場合であっても、ゲート電極と検知用電極とが一体として形成されていることと相まって、本発明のトランジスタ型センサの構成をより簡略化することができるため、より簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができるからである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のトランジスタ型センサは、バイオセンサ等として好適に用いられ、安定的に測定を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のトランジスタ型センサの一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明のトランジスタ型センサの他の例を示す概略断面図である。
【図３】本発明のトランジスタ型センサの他の例を示す概略断面図である。
【図４】本発明のトランジスタ型センサの他の例を示す概略断面図である。
【図５】本発明のトランジスタ型センサの評価方法を説明する概略図である。
【図６】トランジスタのしきい値電圧のシフトの一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、トランジスタ型センサに関するものである。以下、本発明のトランジスタ型センサについて詳細に説明する。
【００１６】
上述したように本発明のトランジスタ型センサは、基材と、上記基材上に形成されたゲート電極、上記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁層、上記ゲート絶縁層上に形成された半導体層、上記半導体層と接するように形成されたソース電極およびドレイン電極、を有するトランジスタ部と、上記基材上に形成された検知用電極、および上記検知用電極上に形成され、絶縁性材料からなるイオン感応膜、を有するセンサ部とを有し、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されており、かつ上記トランジスタ部のゲート電極と、上記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
このような本発明のトランジスタ型センサについて図を参照しながら説明する。図１は本発明のトランジスタ型センサの一例を示す概略断面図である。図１に例示するように本発明のトランジスタ型センサ１は、基材１０と、トランジスタ部２０と、センサ部３０とを有するものである。ここで、上記トランジスタ部２０は、上記基材１０上に形成されたゲート電極２１と、上記ゲート電極２１上に形成されたゲート絶縁層２２と、上記ゲート絶縁層２２上に形成された半導体層２３と、上記半導体層２３と接するように形成されたソース電極２４およびドレイン電極２５とを有するものである。また、上記センサ部３０は、上記基材１０上に形成された検知用電極３１と、および上記検知用電極３１上に形成され、絶縁性材料からなるイオン感応膜３２とを有するものである。このような例において本発明のトランジスタ型センサ１は、上記トランジスタ部２０と、上記センサ部３０とが、上記基材１０の同一面側に並列するように配置されており、かつ上記トランジスタ部２０のゲート電極２１と、上記センサ部３０の検知用電極３１とが一体として形成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明においては、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されていることから、上記センサ部におけるイオン感応膜を形成する面積に制約が少ない。したがって、広い面積でイオン感応膜を形成することができる。
また、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されていることから、イオン感応膜上に測定対象となる試料を付与した場合に、当該試料によってトランジスタ部の機能が劣化してしまうという問題点がない。
さらに、本発明においては、上記トランジスタ部のゲート電極と、上記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることから、製造工程を簡略化することができるとともに、トランジスタ型センサ自体の構成も簡略できるという利点がある。
このようなことから、本発明によれば安定的に測定を行うことが可能なトランジスタ型センサを提供することができる。また、簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができる。
【００１９】
本発明のトランジスタ型センサは、少なくとも基材、トランジスタ部、およびセンサ部を有するものであり、必要に応じて他の構成を有してもよいものである。
以下、本発明に用いられる各構成について順に説明する。
【００２０】
１．センサ部
まず、本発明に用いられるセンサ部について説明する。本発明に用いられるセンサ部は、基材上に形成された検知用電極と、上記検知用電極上に形成されたイオン感応膜とを有するものである。
【００２１】
（１）イオン感応膜
センサ部に用いられるイオン感応膜としては、絶縁性材料からなり、所望のイオンに対する感応性を有するものであれば特に限定されるものではなく、本発明のトランジスタ型センサの用途や、本発明のトランジスタ型センサを用いて評価したい対象に応じて適宜選択して用いることができる。本発明におけるセンサ部に用いられる絶縁性材料としては、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）、タンタル酸化膜（Ｔａ２Ｏ５）または酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３）等を挙げることができる。本発明においては、これらの絶縁性材料のいずれであっても好適に用いることができる。
【００２２】
本発明のトランジスタ型センサがバイオセンサとして用いられる場合、上記イオン感応膜に用いられる絶縁性材料としては、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を配置可能なものが用いられる。このような絶縁性材料としては、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）シリコン窒化膜（ＳｉＮ４）、タンタル酸化膜（Ｔａ２Ｏ５）または酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３）等を挙げることができる。
なお、本発明のトランジスタ型センサがバイオセンサとして用いられる場合は、必要に応じて、イオン感応膜の表面にＤＮＡタンパク質、糖鎖を固定化する為の表面修飾がなされていてもよい。このような表面修飾の例としては、例えば、金チオール反応やシランカップリング材を使った結合、ＬＢ膜、などの自己組織化単分子膜の形成方法や、静電吸着、物理吸着等を挙げることができる。
【００２３】
上記センサ部においてイオン感応膜が形成されている態様としては、個々のセンサ部毎独立して形成されている態様や、後述するトランジスタ部の構成要素の一部と一体として形成されている態様等を挙げることができる。本発明におけるイオン感応膜は、これらのいずれの態様で形成されているものであってもよいが、トランジスタ部の構成要素の一部と一体として形成されている態様であることが好ましい。イオン感応膜がこのような態様で形成されていることにより、ゲート電極と検知用電極とが一体として形成されていることと相まって、本発明のトランジスタ型センサの構成をより簡略化することができるため、より簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができるからである。イオン感応膜がトランジスタ部の構成要素の一部と一体として形成されている態様の例としては、例えば、ゲート絶縁層と一体として形成されている態様、パッシベーション層と一体として形成されている態様等を挙げることができる。これらの態様の詳細については、後述する「４．トランジスタ型センサの構成」の項において詳述する。
なお、上記「一体として」とは、上記イオン感応膜と、トランジスタ部の構成要素の一部とが両者の機能を兼ねる単一の部材として形成されていることを意味する。
【００２４】
（２）検知用電極
次に、センサ部に用いられる検知用電極について説明する。本発明に用いられる検知用電極は、上記基材上に形成され、かつ後述するトランジスタ部のゲート電極と一体として形成されるものである。ここで、「一体として」とは、上記検知用電極と、上記ゲート電極とが両者の機能を兼ねる単一の部材として形成されていることを意味する。本発明に用いられる検知用電極としては、電極として機能し、かつ上記ゲート電極と一体として形成することができるものであれば特に限定されるものではない。本発明に用いられる検知用電極としては、例えば、Ａｌなどの一般的な金属材料に加え、ＩＴＯなどの透明電極を使用することができる。また本発明に用いられる検知用電極の厚みは、通常、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００２５】
（３）センサ部
本発明のトランジスタ型センサを用いて測定を行う場合は、センサ部のイオン感応膜上に測定対象となる試料を付与し、これに伴う電圧変化を後述するトランジスタ部で検知することになる。ここで、本発明のトランジスタ型センサの用途によっては、単に電圧変化を評価するのみではなく、イオン感応膜上に付与された測定対象試料の形態変化も同時に行えることが望ましい場合がある。特に、本発明のトランジスタ型センサをバイオセンサとして用いる場合には、生物関連資料を上記イオン感応膜上に付与することになるが、当該生物関連試料の評価に際しては、単に電圧変化を評価することにより、ｐＨ等の変化を測定することのみならず、生物関連試料の経時的な形態変化の評価を同時に行えることが望ましい場合がある。また、このような場合において、イオン感応膜上の生物関連試料の形態を観察する方法としては、生物関連試料は、例えば細胞等のサイズが微小なものである場合が多いことから、顕微鏡観察が行えることがより好ましいといえる。このような観点から、本発明に用いられるセンサ部は、上記検知用電極、およびイオン感応膜が透明性を有するものであることが好ましい。これにより、イオン感応膜上の生物関連試料を、例えば、倒立型の透過型顕微鏡を用いて観察することが可能になるからである。なお、この場合、後述する基材も、透明性を有することが必要となる。
ここで、上述した検知用電極に用いられる材料のうち、透明性を有する検知用電極を形成可能なものとしては、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ等を挙げることができる。また、上述したイオン感応膜に用いられる絶縁性材料のうち、透明性を有するイオン感応膜を形成可能なものとしては、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３等を挙げることができる。
【００２６】
本発明に用いられるセンサ部は、少なくとも上記検知用電極、およびイオン感応膜を有するものであるが、必要に応じて他の構成を有するものであってもよい。上記他の構成としては、センサ部の機能を損なうものでなければ特に限定されるものではなく、所望の機能を備える構成を適宜選択して用いることができる。このような他の構成として、本発明に好適に用いられるものとしては、例えば、上記検知用電極および上記イオン感応膜の間に形成され、絶縁性材料からなる絶縁層を挙げることができる。なお、センサ部に上記絶縁層を形成する場合には、本発明のトランジスタ型センサを簡略化するという観点から、後述するトランジスタ部のゲート絶縁層と一体として形成されていることが好ましい。
【００２７】
２．トランジスタ部
次に、本発明に用いられるトランジスタ部について説明する。本発明に用いられるトランジスタ部は、ボトムゲート型構造を有する薄膜トランジスタからなるものであり、少なくともゲート電極、ゲート絶縁層、半導体層、ソース電極、およびドレイン電極を有するものである。
以下、このようなトランジスタ部について詳細に説明する。
【００２８】
（１）ゲート電極
まず、本発明に用いられるゲート電極について説明する。本発明に用いられるゲート電極は、基材上に形成され、上述したセンサ部の検知用電極と一体として形成されるものである。ここで、「一体として」とは、上記検知用電極と、上記ゲート電極とが両者の機能を兼ねる単一の部材として形成されていることを意味する。本発明に用いられるゲート電極としては、電極としての機能を有するものであり、上記検知用電極と一体として形成することができるものであれば特に限定されるものではない。このようなゲート電極としては、例えば、Ａｌなどの一般的な金属材料に加え、ＩＴＯなどの透明電極を使用することができる。また本発明に用いられるゲート電極の厚みは、通常、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００２９】
（２）ゲート絶縁層
次に、本発明に用いられるゲート絶縁層について説明する。本発明に用いられるゲート絶縁層は、上述したゲート電極上に形成されるものであり、ゲート電極とトランジスタ部に用いられる他の構成要素とを絶縁する機能を有するものである。したがって、本発明に用いられるゲート絶縁層としては、所望の絶縁性を有するものであれば特に限定されるものではない。このようなゲート絶縁層としては、例えば、酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、窒化酸化珪素（ＳｉＯｘＮｙ）などのシリコン酸化物、若しくはシリコン窒化物からなるもの等を挙げることができる。また本発明に用いられるゲート絶縁層の厚みは、通常、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましい。
【００３０】
本発明に用いられるゲート絶縁層は、上記センサ部のイオン感応膜と一体として形成されていてもよい。すなわち、上述したようにゲート絶縁層は絶縁性材料からなるものが用いられ、かつ上記イオン感応膜としても絶縁性材料からなるものが用いられることから、イオン感応膜として用いられる絶縁性材料は、ゲート絶縁層に用いることも可能な場合がある。したがって、絶縁性材料の種類を選択することにより、上記ゲート絶縁層と上記イオン感応膜とを一体として形成することができる。本発明のトランジスタ型センサにおいてはゲート電極と検知用電極とが一体として形成されているという特徴を有するが、ゲート絶縁層とイオン感応膜とが一体として形成されていることにより、さらに本発明のトランジスタ型センサの構成をより簡略化することができるため、より簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができるという利点がある。ここで、ゲート絶縁層とイオン感応膜とが一体として形成されている態様の詳細については、後述する「４．トランジスタ型センサの構成」の項において詳述する。
なお、上記「一体として」とは、上記ゲート絶縁層と、上記イオン感応膜とが両者の機能を兼ねる単一の部材として形成されていることを意味する。
【００３１】
ゲート絶縁層がイオン感応膜と一体として形成される場合、当該ゲート絶縁層兼イオン感応膜に用いられる絶縁性材料としては、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３等を挙げることができる。
【００３２】
（３）半導体層
次に、本発明に用いられる半導体層について説明する。本発明に用いられる半導体層は、上記ゲート絶縁層上に形成されるものであり、半導体特性を示すものである。本発明に用いられる半導体層としては、半導体としての機能を有する材料からなるものであれば特に限定されるものではない。
ここで、従来のバイオセンサ等に用いられていた積層構造を有するトランジスタ型センサにおいては、センサ部のイオン感応膜上の試料を透過光で目視観察するには、半導体層として透明性を有するものを使用しなければならないという制約があった。しかしながら、本発明においては、トランジスタ部とセンサ部とが基材上の同一面側に並列するように配置されていることから、トランジスタ部に用いられる半導体層の種類に関わらず、目視観察をすることができるという利点がある。このことを換言すると、本発明のトランジスタ型センサは、その用途等に関わらず、半導体層に用いられる材料に制約がないという利点がある。
【００３３】
このように、本発明における半導体層に用いられる材料に関しては特に制約がないことから、半導体層に用いられる材料は透明性を有するものであってもよく、または不透明なものであってもよい。透明性を有する材料としては、例えば、ＩｎＭＺｎＯ（Ｍはガリウム（Ｇａ），アルミニウム（Ａｌ），鉄（Ｆｅ）のうち少なくとも１種）を主成分とするアモルファス酸化物等を挙げることができる。この場合、特に、ＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましい。また、このＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物を用いる場合には、必要に応じて、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎ等を構成元素として加えたものであってもよい。また、上記透明性を有する材料としては、酸化物亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする酸化物半導体を用いることもできる。このＺｎＯを主成分とする材料には、真性の酸化物亜鉛の他に、必要に応じて、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、窒素（Ｎ）及び炭素（Ｃ）等のｐ型ドーパント及びホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のｎ型ドーパントがドーピングされた酸化亜鉛及びマグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などがドーピングされた酸化亜鉛を加えたものであってもよい。さらに、上記透明性を有する材料としては、錫を添加した酸化インジウム（インジウム錫オキサイド：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛オキサイド（ＩＺＯ）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの材料を用いることもできる。
一方、上記不透明な材料の例としては、例えば、アモルファスシリコン、ポリシリコン、有機半導体等を挙げることができる。
【００３４】
本発明に用いられる半導体層の厚みは、構成材料の種類等に応じて所望の半導体特性を実現できる範囲内であれば特に限定されるものではないが、通常、５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内とされる。
【００３５】
（４）ソース電極およびドレイン電極
次に、本発明に用いられるソース電極およびドレイン電極について説明する。本発明に用いられるソース電極、およびドレイン電極は、上記半導体層と接するように形成されたものである。本発明に用いられるソース電極、およびドレイン電極は、透明性を有するものであってもよく、または透明性を有さないものであってもよい。透明性を有するソース電極およびドレイン電極としては、例えば、インジウム錫オキサイド（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）等からなるものを挙げることができる。また透明性を有さないソース電極およびドレイン電極としては、例えば、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ等からなるものを挙げることができる。本発明に用いられるソース電極およびドレイン電極の厚みは特に限定されるものではないが、通常、２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内が好ましい。
【００３６】
本発明に用いられるソース電極およびドレイン電極は、上記半導体層と接するように形成されるものである。上記半導体層と接するように形成される態様としては、上記半導体層上に接するように形成される態様であってもよく、または上記ゲート絶縁層と上記半導体層との間に形成される態様であってもよい。ここで、前者の態様の場合、本発明に用いられるトランジスタ部は、ボトムゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタとなり、後者の態様の場合は、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタとなる。
【００３７】
（５）トランジスタ部
本発明に用いられるトランジスタ部は、少なくとも上記ゲート電極、ゲート絶縁層、半導体層、ソース電極およびドレイン電極を有するものであるが、必要に応じて他の構成を有してもよいものである。上記他の構成としては、トランジスタ部の機能を損なうものでなければ特に限定されるものではなく、所望の機能を備える構成を適宜選択して用いることができる。このような他の構成として、本発明に好適に用いられるものとしては、例えば、トランジスタ部の最上部に形成されるパッシベーション層を挙げることができる。当該パッシベーション層が用いられることにより、トランジスタ部の経時劣化を防止できるという利点がある
【００３８】
パッシベーション層が形成されたトランジスタ部について図を参照しながら説明する。図２は、本発明に用いられるトランジスタ部に上記パッシベーション層が形成されている場合の一例を示す概略断面図である。図２に例示するように、本発明に用いられるトランジスタ部２０は、最上部にパッシベーション層２６が形成されたものであってもよい。
【００３９】
本発明に用いられるパッシベーション層としては、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３等からなるものを挙げることができる。また、本発明に用いられるパッシベーション層の厚みは特に限定されるものではないが、通常、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内とされる。
【００４０】
上記トランジスタ部にパッシベーション層が形成されている態様としては、個々のトランジスタ部毎に独立して形成されている態様（図２参照）や、上述したセンサ部のイオン感応膜と一体として形成されている態様を挙げることができる。本発明におけるパッシベーション層は、これらのいずれの態様で形成されているものであってもよいが、センサ部のイオン感応膜と一体として形成されている態様であることが好ましい。パッシベーション層がこのような態様で形成されていることにより、本発明のトランジスタ型センサの構成をより簡略化することができるため、より簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができるからである。
なお、上記「一体として」とは、上記パッシベーション層と、上記イオン感応膜とが両者の機能を兼ねる単一の部材として形成されていることを意味する。
【００４１】
ここで、上記パッシベーション層がセンサ部のイオン感応膜と一体として形成されている場合、当該パッシベーション層は、イオン感応膜としても機能する材料からなるものであること要するが、このようなパッシベーション層としては、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３等からなるものを挙げることができる。
【００４２】
なお、上記パッシベーション層がセンサ部のイオン感応膜と一体として形成されている態様については、後述する「４．トランジスタ型センサの構成」の項において詳述する。
【００４３】
３．基材
次に、本発明に用いられる基材について説明する。本発明に用いられる基材としては、上述したトランジスタ部、およびセンサ部を支持できるものであれば特に限定されるものではない。このような基材としては、例えば、ガラス等の無機材料、ＰＥＮまたはＰＥＴなどのプラスチック（ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ナイロン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、メチルペンテン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂）で代表される有機材料を挙げることができる。また、本発明に用いられる基材の形状も限定されるものではなく、例えば、平板、平膜、フィルム、多孔質膜等の平坦な形状や、シリンダ、スタンプ、マルチウェルプレート、マイクロ流路等の立体的な形状が挙げられる。フィルムを使用する場合、その厚さは特に制限されないが、通常、１μｍ〜１ｍｍの範囲内とされる。
【００４４】
なお、本発明に用いられる基材は、透明性を有するものであってもよく、または不透明なものであってもよい。もっとも、本発明のトランジスタ型センサの用途等に応じて、上記センサ部において電圧変化のみならず、試料の形態変化も評価する場合には、上記基材も透明性を有するものを用いることを要する。
【００４５】
４．トランジスタ型センサの構成
次に、本発明のトランジスタ型センサの構成について説明する。本発明のトランジスタ型センサは、上記基材、トランジスタ部、およびセンサ部を有し、上記基材の同一面側に上記トランジスタ部と、上記センサ部とが並列するように配置されており、かつ上記トランジスタ部のゲート電極と、上記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることを特徴とするものである。そして、本発明のトランジスタ型センサは、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが並列するように配置されていることから、上記ゲート電極と検知用電極以外にも、トランジスタ部に用いられる一部の構成要素と、センサ部に用いられる一部の構成要素とを、一体として形成することができるという利点がある。本発明のトランジスタ型センサは、ゲート電極と検知用電極とが一体として形成されていることにより、構成を簡略化できるという利点を有するが、その他にもトランジスタ部に用いられる一部の構成要素と、センサ部に用いられる一部の構成要素とを、一体として形成することにより、さらにトランジスタ型センサ自体の構成を簡略化し、簡易な工程で製造可能になるという利点がある。
【００４６】
本発明のトランジスタ型センサにおいて、トランジスタ部に用いられる一部の構成と、センサ部に用いられる一部の構成とが一体として形成されている態様としては、例えば、
（ア）トランジスタ部のゲート絶縁層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている態様、（イ）トランジスタ部のパッシベーション層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている態様を挙げることができる。また、上記（イ）の態様においては、さらにトランジスタ部のゲート絶縁層と、センサ部の絶縁層とが一体として形成されている態様を挙げることができる。
【００４７】
上述した各態様について図を参照しながら説明する。図３は、本発明のトランジスタ型センサにおいて、トランジスタ部のゲート絶縁層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている態様の一例を示す概略断面図である。図３に例示するように、本発明のトランジスタ型センサ１においては、トランジスタ部２０ゲート絶縁層２２と、センサ部のイオン感応膜３２とが一体として形成されていてもよい。
【００４８】
また、図４は、本発明のトランジスタ型センサにおいて、トランジスタ部のパッシベーション層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている態様の一例を示す概略断面図である。ここで、図４（ａ）は、トランジスタ部のパッシベーション層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている代表例を示すものであり、図４（ｂ）は、さらにトランジスタ部のゲート絶縁層と、センサ部の絶縁層とが一体として形成されている態様の一例を示すものである。図４（ａ）に示すように、本発明のトランジスタ型センサ１においては、トランジスタ部２０のパッシベーション層２６と、センサ部３０のイオン感応膜３２とが一体として形成されていてもよいものであり、さらに、図４（ｂ）に例示するように、トランジスタ部２０のゲート絶縁層２２と、センサ部３０の絶縁層３３とが一体として形成されていてもよいものである。
【００４９】
５．トランジスタ型センサの用途
本発明のトランジスタ型センサは、トランジスタ部のソース電極−ドレイン電極間に易一定の電圧を印加しつつ、センサ部のイオン感応膜上に試料を付与し、当該試料内に挿入した参照電極を介して可変電圧（参照電圧）を試料に印加すると、イオン感応膜に生ずる電位（以下、「膜電位」ともいう。）の変化に応じて、半導体層に形成されるチャネル領域が変化し、ドレイン電流の変化を検出することができるものである。この結果、参照電圧に基づくドレイン電流の変化、すなわち、トランジスタとしての電流−電圧特性を、予め測定した標準試料における電流−電圧特性と比較することによって試料に含まれるサンプルの種別を特定することができるようになっている。
【００５０】
また、本発明のトランジスタ型センサは、上記基材、検知用電極、およびイオン感応膜として透明性を有するものを用いることにより、イオン感応膜上の形態観察も行うことが可能になる。すなわち、イオン感応膜上に付与された試料に対して、上部から光を照射し、その透過光を利用して、基材側から顕微鏡その他の光学観察機器によって観察することができる。また、必要に応じて明視野観察の他に位相差顕微鏡、微分干渉顕微鏡等を用いることも可能である。
【００５１】
本発明のトランジスタ型センサは、このようにして動作するものであることから、あらゆる資料の評価に用いることが可能なものであるが、特に細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質等の生物関連物質を評価対象とする、バイオセンサとして好適に用いることができる。
【００５２】
６．トランジスタ型センサの製造方法
次に、本発明のトランジスタ型センサの製造方法について説明する。本発明のトランジスタ型センサは、例えば、次のような方法によって形成することができる。すなわち、まず、スパッタ法等により基材上に金属膜を形成した後、フォトリソグラフィー等によって当該金属膜をパターニングすることによりゲート電極兼検知用電極を形成する。次に、そのゲート電極兼検知用電極を覆うようにゲート絶縁層兼イオン感応膜を基材上の全面に形成する。次に、スパッタ法等により、ゲート絶縁膜兼イオン感応膜を覆うように、基材上の全面に半導体膜を形成し、当該半導体膜をフォトリソグラフィー法等によってパターニングすることにより、半導体層を形成する。次に、上記半導体層上の全面に、スパッタ法等により、金属膜を形成し、当該金属膜をフォトリソグラフィー法等によってパターニングすることによって、ソース電極およびドレイン電極を形成する。このような方法によれば、トランジスタ部のゲート絶縁層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている態様のトランジスタ型センサを製造することができる。
【００５３】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５４】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
【００５５】
本実施例では、ボトムゲート・トップコンタクト構造のトランジスタ型センサをガラス基板上に作製した。先ず、全面に厚さ１００ｎｍのゲート電極膜をスパッタ成膜した後、レジストパターンをフォトリソグラフィーで形成した後にエッチングし、ゲート電極膜を所定パターンにパターニングしてゲート電極を形成した。次に、そのゲート電極を覆うように厚さ３００ｎｍの酸化ケイ素をゲート絶縁膜として全面に形成した。このゲート絶縁膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、８インチのＳｉＯ２ターゲットに投入電力：２．０ｋＷ（＝６Ｗ／ｃｍ２）、圧力：０．３Ｐａ、Ｏ２とＡｒの混合ガスにて形成した。この後、ドライエッチングによりコンタクトホールを形成した。
【００５６】
次に、ゲート絶縁膜を覆うように、全面に、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎが１：１：１のＩｎＧａＺｎＯ系ＩＧＺＯ半導体膜（ＩｎＧａＺｎＯ４）を厚さ２５ｎｍとなるように形成した。ＩＧＺＯ半導体膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、室温（２５℃）、Ａｒ：Ｏ２を３０：５０とした条件下で、４インチのＩｎＧａＺｎＯ（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）ターゲットを用いて形成した。次に、このＩＧＺＯ半導体膜上にレジストパターンをフォトリソグラフィーで形成した後、シュウ酸溶液でウェットエッチングし、そのＩＧＺＯ半導体膜をパターニングし、所定パターンからなるＩＧＺＯ半導体膜を形成した。
【００５７】
次に、ＩＧＺＯ半導体膜上の全面に厚さ２００ｎｍのチタニウム膜をソース電極及びドレイン電極とするためにスパッタ成膜した後、レジストパターンをフォトリソグラフィーで形成した後に過酸化水素水とアンモニアの混合溶液でウェットエッチングし、チタニウム膜を所定パターンにパターニングしてソース電極及びドレイン電極を形成した。このとき、ソース電極及びドレイン電極は、ＩＧＺＯ半導体膜上であってＩＧＺＯ半導体膜の中央部直上以外に離間したパターンとなるように形成した。
【００５８】
次に、ソース電極、ドレイン電極及びＩＧＺＯ半導体膜の全てを覆うように、厚さ１００ｎｍの酸化ケイ素をパッシベーション層としてＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成し、ドライエッチングによりコンタクトホールを形成した。その後３００℃・６０分間の熱処理を大気雰囲気下で行った。こうしてトランジスタ型センサを作製した。
【００５９】
評価の為、図５に示すようにセンサ部表面上にガラス筒を接着させ、ｐＨが１０のアルカリ溶液を筒内へ入れた。図６に溶液投入前後のトランジスタのトランスファー特性をそれぞれ示した。図６は溶液を投入することによってセンサ部で発生した帯電現象が横方向に走るゲート電極を伝わって、トランジスタのしきい値電圧のシフトとして観測された一例である。
【符号の説明】
【００６０】
１  …  トランジスタ型センサ
１０  …  基材
２０  …  トランジスタ部
２１  …  ゲート電極
２２  …  ゲート絶縁層
２３  …  半導体層
２４  …  ソース電極
２５  …  ドレイン電極
２６  …  パッシベーション層
３０  …  センサ部
３１  …  検知用電極
３２  …  イオン感応膜
３３  …  絶縁層
【図１】
0005472013.tif 000002
【図２】
0005472013.tif 000003
【図３】
0005472013.tif 000004
【図４】
0005472013.tif 000005
【図５】
0005472013.tif 000006
【図６】
0005472013.tif 000007