(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上にある絶縁層と、
ソース領域とドレイン領域との間において露出された、分析対象を検知するためのチャネル領域を有する、前記絶縁層上の第１のトランジスタと、
検知信号取得期間において前記第１のトランジスタにバイアス電圧を供給すべく、前記半導体基板に導電結合された、交流バイアス電圧波形を生成する電圧波形生成器と、
を有し、
前記交流バイアス電圧波形は、交互に現れる複数の正パルスと複数の負パルスとを有し、前記複数の正パルスの振幅又は前記複数の負パルスの振幅が一定であり、且つ、前記複数の負パルスの振幅又は前記複数の正パルスの振幅が時間とともに増加する、集積回路。
【請求項２】
前記第１のトランジスタに導電結合された信号処理部を更に有し、前記第１のトランジスタが、前記検知信号取得期間において取得された前記検知信号から前記分析対象の測定を実行する、請求項１記載の集積回路。
【請求項３】
前記交流バイアス電圧波形が、時間平均的にゼロ電位を持ち、好適には、ゼロ値付近を行き来する、請求項１又は２に記載の集積回路。
【請求項４】
前記チャネル領域が、ナノワイヤ又はナノチューブを有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の集積回路。
【請求項５】
前記ナノワイヤが、シリコンナノワイヤを有する、又は、シリコンナノワイヤからなる、請求項４記載の集積回路。
【請求項６】
前記ナノチューブが、カーボンナノチューブを有する、又は、カーボンナノチューブからなる、請求項４記載の集積回路。
【請求項７】
前記チャネル領域が、酸化物層によって覆われている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の集積回路。
【請求項８】
前記第１のトランジスタが、前記第１のトランジスタのアレイの一部である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の集積回路。
【請求項９】
サンプル区画と、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の集積回路と、を有し、前記第１のトランジスタが、前記サンプル区画に対して露出されている、センサ装置。
【請求項１０】
前記サンプル区画が、フローチャネルを有する、請求項９記載のセンサ装置。
【請求項１１】
媒体中の目的の分析対象を測定する方法であって、前記方法は、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の集積回路を供給し、
前記第１のトランジスタによって検知されるべき分析対象を潜在的に含んでいる媒体に前記第１のトランジスタを露出させ、
前記第１のトランジスタの検知信号取得期間において前記交流バイアス電圧波形を前記第１のトランジスタに印加し、
前記信号取得期間において取得された前記検知信号から分析対象の測定を実行する、
方法。
【請求項１２】
前記交流バイアス電圧波形が、時間平均的にゼロ電位を有する、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記交流バイアス電圧波形が、ゼロ値付近を行き来する、請求項１１又は１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、半導体基板の上の絶縁層、ソース領域とドレイン領域との間において露出されたチャネル領域を有する絶縁層上の第１のトランジスタ、半導体基板に伝導的に結合された、信号取得期間において第１のトランジスタにバイアス電圧を供給するための電圧波形生成器を具備する集積回路に関する。
【０００２】
また、本発明は、上記ＩＣを含むセンサ装置に関する。
【０００３】
さらに、本発明は、上記ＩＣを用いて、媒体中の目的の分析対象を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
現在も継続中である半導体技術の微細化は、集積回路（ＩＣ）などの半導体機器に組み込まれた機能の優れた多様性を可能にし、ある場合には、単一の機器上で略総合的なソリューションを提供してきた。例えば、半導体機器の微細化は、単一の半導体機器の中に１又は複数のセンサの埋め込みを可能とし、かかる機器の展開は、自動車アプリケーション、ヘルスケアアプリケーション、工業排煙モニタリングなどの広く異なる技術領域において見ることができる。
【０００５】
ＩＣなどの電子機器上でセンサ機能を供給する際の主な課題の１つは、半導体機器が、経済的に許容可能な態様で製造できることである。これは、例えば、ナノワイヤベースのトランジスタなどのナノ要素のように、サブミクロン単位のセンサ要素が半導体機器に集積化される場合、全体の半導体機器の製造プロセスに準拠した処理ステップを用いて上記ナノ要素を製造することは全く簡単でないため、特別な課題である。従って、上記専用の要素の集積化は、半導体機器の製造プロセスの複雑度を著しく増加させ、上記機器のコストを著しく増加させる。
【０００６】
この点における特別な問題は、センサ対象の媒体が液体又は気体などの流体である場合、センサ配置は、通常、センサドリフト、即ち、例えば、センサ表面上に除々に蓄積される汚染物質によって引き起こされ得る、目的の分析対象に対するセンサの時間的に変化する応答を補償するための基準センサ又は基準電極の存在を必要とするということである。かかる蓄積は、例えば、第１のトランジスタが定電圧でバイアスされる場合に発生し、これにより、媒体と露出されたチャネル領域との間の電位差を引き起こし、これは、センサ表面上に荷電粒子の蓄積を引き起こし、さらに、第１のトランジスタの閾値電圧におけるシフトを引き起こし得る。
【０００７】
かかる配置の一例が、米国特許出願公開第２００４／０１３６８６６号明細書に開示されており、当該文書では、半導体ナノワイヤセンサ素子に対する溶液の電位を制御するために、基準電極が、分析対象である流体と接触するように配置されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、基準センサ又は基準電極を含むことは、センサ配置の設計を複雑にし、電子機器のコストを増加させ、さらには、基準電極自体の表面に付着物がつきやすくなるので、この場合、センサの読み取りが信頼できなくなる可能性がある。
【０００９】
欧州特許出願公開第２３６２２１９号明細書は、センサ表面と、目的の分析対象とバインディングペアを形成するためのセンサ表面に取り付けられた少なくとも１つの補足分子とを有するセンサで測定を行なう方法であって、前記バインディングペアは、柔軟な空間的配向を有し、前記方法は、前記補足分子で分析対象を補足することにより、初期の空間的配向においてバインディングペアを形成するステップと、バインディングペアの空間的配向を変化させるために前記センサ表面に第１の電磁力を付与するステップと、変更された空間的配向におけるバインディングペアでセンサ測定を行なうステップとを有する方法を開示している。この結果、バインディングペアにおけるＥＭＦ誘起による構造変化で変調されたセンサ出力信号が、生成され、一般的にはＥＭＦ誘起による変調に現れない汚染物質からの信号寄与が効果的に除去される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、別個の基準電極の必要性が回避される、上記導入部分に従ったＩＣを供給することを目的としている。
【００１１】
また、本発明は、かかるＩＣを含むセンサ装置を供給することを目的としている。
【００１２】
さらに、本発明は、かかるＩＣを用いて目的の分析対象を測定する方法を供給することを目的としている。
【００１３】
本発明は、独立項によって規定される。従属項は、有利な実施形態を規定している。
【００１４】
本発明の一態様によれば、本発明において定義されるような集積回路が供給される。第１のトランジスタは、目的の分析対象を検知するために特に有用である。当該第１のトランジスタは、分析対象感知用トランジスタであってもよい。
【００１５】
本発明は、特定の目的分析対象に対する親和性を具備する第１のトランジスタを有するＩＣを供給することによって、例えば、トランジスタのチャネル領域が機能化層などで適切に機能化されているので、センサ信号上の汚染物質の悪影響が、イオンなどの汚染物質を周期的に引き寄せるとともに反発するバイアス電圧波形の付与によって、バイアス電圧波形の付与中に取得されたセンサ信号から変調成分を抽出する必要なく、大幅に回避され得るという理解に基づいている。かわりに、第１のトランジスタのバックゲートに付与される、上記波形の少なくとも一部、例えば、正の部分及び／又は負の部分の振幅を周期的に増加させることにより、取得された信号、例えば、傾き及び／又は閾値電圧（Ｖｔｈ）から分析対象の寄与を抽出することで、第１のトランジスタを用いた正確な分析物測定が実行できたことが驚くべきことに発見された。一定のバックバイアス電圧の供給に亘って、上記の電圧波形を用いる更なる利点は、トランジスタのドレイン−ソース電流が、トランジスタに付与されるバイアス電圧に対して鈍感になることである。
【００１６】
さらに、上記ＩＣは、分析のための第１のトランジスタに伝導的に結合された信号処理部を更に有し、第１のトランジスタは、信号取得期間において取得された分析のための第１のトランジスタ信号から分析対象の測定結果を抽出するように構成されている。あるいは、当該信号処理部は、外部（off-chip）に備えられてもよい。
【００１７】
ある実施形態では、バイアス電圧波形は、例えば、ゼロ値付近を（対称的に）振動するバイアス電圧波形を供給することによって、時間平均されたゼロ電位を持つ。時間平均されたバイアス電位は、かかる粒子のための引力を生み出さないため、このことは、イオンなどの荷電粒子が、例えば、チャネル領域上の適切なバインディング層の場合などチャネル領域と特別な親和性を持たない限り、第１のトランジスタのチャネル領域に効率的に付着できない点で有利である。
【００１８】
あるいは、電圧掃引は、複数の交互の正負電圧パルスを有し、正電圧パルス及び負電圧パルスの１つだけが、周期的に増加する振幅を示す。例えば、上記掃引電圧の最大電圧成分（即ち、正の成分）のみが、初期値から最終値まで除々に増加してもよいが、最小又は負の電圧振幅は、これらの各期間において一定値に保たれ、結果、複数の段階で増加し、固定された負電位を行ったり来たりする正電位を生み出す。上記電位が、チャネル領域の表面における荷電された汚染物質の蓄積を回避する一方、同時に、チャネル領域上のバインディング層との更なる安定化により、目的の荷電粒子又は荷電分子の蓄積を可能にするために、特に効果的であることが、驚くべきことに発見された。これは、電圧波形の正の部分が時間的に増加する強度を有するパルス波形として作用する一方、電圧波形の負の部分が、電圧波形が付与される期間における平均電位がゼロのままであることを保証するためである。
【００１９】
好適な実施形態では、チャネル領域は、シリコンナノワイヤ又はカーボンナノチューブなどのナノワイヤ又はナノチューブを有する。上記ナノワイヤ又はナノチューブは、ＣＭＯＳと互換性のある態様及びサブミクロン寸法で製造されることができるため、密に集積されたトランジスタのアレイが、ＣＭＯＳプロセスにおいて低コストで製造されることができる。
【００２０】
チャネル領域は、酸化物膜がゲート酸化物として機能するように、例えば、チャネル領域の部分的な酸化によって、酸化物膜によって覆われていてもよい。さらに、チャネル領域は、例えば、ＤＮＡなどの生体分子、バクテリア又はウイルスなどの生命体、特定のタイプのイオン、特定のタイプの（荷電）分子などの特定の目的分析対象を主に結合するように、バインディング層によって覆われていてもよい。
【００２１】
本発明の他の態様によれば、本発明で定義されるセンサ装置が供給される。かかるセンサ装置は、別個の基準電極の必要なく、例えば、露出された分析のための第１のトランジスタを有するフローセルを通じて流れる流体などの、サンプル区画における目的の分析対象の存在又は濃度の正確且つ信頼性の高い決定から恩恵を受ける。
【００２２】
本発明の他の実施形態によれば、本発明で規定される、媒体中の目的分析対象を測定するための方法が供給される。上述のように、センサ信号に対する汚染物質の悪影響が、イオンなどの上記汚染物質を周期的に引き寄せ、反発するバイアス電圧波形の付与によって、バイアス電圧波形の付与中に取得されたセンサ信号から変調成分を抽出する必要なく、大幅に回避され得る。
【００２３】
上記バイアスステップは、露出されたチャネル領域表面への荷電汚染物質の付着のリスクを最小化するために、分析のための第１のトランジスタを時間平均的にゼロ電位を持つバイアス電圧波形でバイアスするステップを有していてもよい。この目的のために、上記バイアス電圧波形は、ゼロ値付近を（周期的に）行ったり来たりしてもよい。
【００２４】
他の実施形態では、この波形形状は、前述のように、センサ表面から荷電汚染物質を引き離す一方、同時に、目的の荷電分析対象の付着を許容するのに特に適していることが発見されたので、バイアス電圧波形は、複数の交流正負電圧パルスを有し、正の電圧パルス及び負の電圧パルスのうちの１つだけが、周期的に増加する振幅を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明の実施形態が、添付の図面を参照して、非限定的な例により、より詳細に説明される。
【図１】図１は、本発明の一実施形態に従ったＩＣの一態様を概略的に示している。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に従ったＩＣの４つの異なるナノワイヤセンサの電流特性を示している。
【図３】図３は、本発明の例示的な実施形態に従ったバイアス電圧波形を示している。
【図４】図４の上側は、一定のバックゲート電圧バイアスに対するナノワイヤＦＥＴの応答を示しており、図４の下側は、本発明の一実施形態に従ったバックゲートバイアス電圧波形に対するナノワイヤＦＥＴの応答を示している。
【図５】図５の左側は、一定のバイアス電圧でバイアスされたＦＥＴの露出されたチャネル領域における蓄積の振る舞いを示しており、図５の右側は、本発明の一実施形態に従ったバイアス電圧波形でバイアスされたＦＥＴの露出されたチャネル領域における蓄積の振る舞いを示している。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に従ったバックゲートバイアス電圧波形を用いてバイアスされた際の、種々のＮａＣｌ溶液に露出されたシリコンナノワイヤＦＥＴから得られた応答を例示的に示している。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｅ）は、本発明のＩＣを製造する方法の一実施形態を示している。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に従ったＩＣの他の態様を概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図面は、単に概寸であって、原寸通りに描かれていないことが理解されるべきである。また、同一の参照符号が、同一又は同様の部分を示すために、図面を通じて用いられていることも理解されるべきである。
【００２７】
図１のＩＣ１００は、シリコン基板１１０と、パターン化された埋め込み酸化物層１２０と、シリコンナノワイヤ又はカーボンナノチューブなどのナノ構造をチャネル領域として持つ複数のセンサ領域効果トランジスタ１４０とを有している。ナノワイヤ１４０ａ及び１４０ｂを各々具備する２つの第１のトランジスタ１４０が示されているが、ＩＣ１００は、好適には、アレイ状に互いに隣接して配置されたチャネル領域を持つ、より多くのかかるトランジスタを有していてもよいことが理解されるべきである。
【００２８】
図１において、第１のチャネル領域１４６ａは、ソース領域１４２ａとドレイン領域１４４との間に延在しており、一方、第２のチャネル領域１４６ｂは、ソース領域１４２ｂとドレイン領域１４４との間に延在している。このように、第１のチャネル領域１４６ａ及び第２のチャネル領域１４６ｂは、個別のソース領域１４２ａ及び１４２ｂが個別のナノワイヤを通じて誘起される電流を測定可能であるように、共通の駆動電流を有するナノワイヤチャネル領域を供給するために、ドレイン領域を共有している。当該配置が、非限定的な例でしかないことが理解されるべきである。即ち、第１のトランジスタ１４０が、ソース領域を共有し、別個のドレイン領域を有することも容易であり、又は、別個のソース領域及びドレイン領域を有することも容易である。しかしながら、後者の場合、別個の領域に対するより多くの接点が設けられなければならないという事実のために、ＩＣ１００の製造可能性を複雑にする。
【００２９】
本発明の文脈において、ナノワイヤは、サブミクロン寸法の断面を有するとともに、数百ナノメートルから数ミクロンの範囲の長さを有する導電性構造又は半導体構造である。ナノワイヤは、ソリッド構造又は中空構造であってもよく、円形断面、あるいは、正方形断面又は長方形断面などの非円形断面を有していてもよい。本願において「ナノチューブ」なる用語は、単一壁又は複数壁を有するナノチューブを含む意図で用いられる。好適な実施形態では、ナノワイヤは、以下においてより詳細に説明されるように、好適には酸化された外表面を有するシリコンナノワイヤである。
【００３０】
上記基板１０は、オプションで、埋め込み酸化物層１２０が形成された表面とは反対側の表面における金属化層などのバックゲート１０２を有していてもよい。
【００３１】
動作中、バックゲート１０２は、ナノワイヤが導電状態となり、ソース領域１４２ａ及び１４２ｂ、第１及び第２のナノワイヤチャネル領域１４６ａ，１４６ｂ、並びに、共通のドレイン領域１４４によって形成されたＦＥＴに付与された駆動電流の関数として、電流がナノワイヤを通じて流れ始めるように、例えば、（少なくとも一部が）ナノワイヤの閾値電圧を超えるバイアス電圧波形を付与することによって、第１のナノワイヤチャネル領域１４６ａ及び第２のナノワイヤチャネル領域１４６ｂを含む電界効果トランジスタ１４０にバイアス電圧波形を供給するために用いられる。第１のナノワイヤチャネル領域１４６ａ及び第２のナノワイヤチャネル領域１４６ｂが、例えば、液体サンプル又は気体流などの流体である測定されるべき媒体に対して露出されているため、これらのチャネル領域のインピーダンスは、当該チャネル領域と上記媒体との相互作用の関数である。このことは、矢印によって示されるような４つの異なるナノワイヤチャネル領域の電流特性が示される図２において証明されている。電流プロファイルの異なる傾きは、異なる補足事象特性などの、媒体との異なる相互作用によって引き起こされる。
【００３２】
この時点で、ＦＥＴのアレイの共用ドレイン１４４に対して付与される駆動電流は、直流電流又は交流電流などの、任意の適切な形式を有していてもよいことに留意すべきである。交流電流を付与する場合、ナノワイヤのインピーダンスは、複素形式を有する、即ち、実部と虚部とを有する。このことは、センサＦＥＴ１４０の選択性を更に高め、交流電流が粒子の並進モード又は回転モードの共鳴周波数又は固有振動数と整合している場合に、インピーダンスが大きな変位を示すという事実のために、特定のサイズの物質又は粒子の検出可能性を容易にする。
【００３３】
図１に戻り、ナノワイヤチャネル領域１４６ａ及び１４６ｂが酸化膜で被覆されている場合、当該酸化膜は、イオン量などの媒体中の組成に依存するフローティングゲート電位を持つゲートとして作用する媒体を具備するゲート酸化物として機能する。ナノワイヤチャネル領域１４６ａ及び１４６ｂは、同一又は異なる特定の目的分析対象と相互作用するための同一又は異なる機能層（図示省略）を更に有していてもよく、当該機能層がフローティングゲートとして見られる場合、その電位は、目的分析対象との機能層の相互作用量の関数となる。かかる関数又はバインディング層自体は既知であるので、簡潔さのために、より詳細には議論しない。また、上記原理自体は、勿論、ＩＳＦＥＴ及びＥＮＦＥＴなどのＣｈｅｍＦＥＴから既知であるので、簡潔さのみの理由のため、より詳細には説明しない。
【００３４】
ＩＣ１００は、交互の正負の値の複数の電圧パルスを有するバイアス電圧波形を生成するためのバックゲート端子１０２と伝導的に結合された電圧波形生成器１５０を更に有する。電圧波形生成器１５０によって生成されたバイアス電圧波形は、一般的に、交流波形であり、好適には、ゼロ値付近である必要はなく、正の振幅及び負の振幅の少なくとも１つが周期的に増加される。結果、チャネル領域１４６が露出される媒体中の荷電粒子は、荷電粒子に作用する効果的な引力がないように、ゼロ又はゼロに近いバイアス電圧誘起された時間平均的な電位を検知するので、当該荷電粒子によるセンサ表面の段階的な汚染を回避できる。位相の１つにおいてパルス波形として作用する波形の付与が、実質的にセンサドリフトを低下させ、センサの安定度を劇的に増加させるが、連続した又は連続的に増加するＤＣ電圧がバイアス電圧として付与される場合、効果は観測されない。さらに、かかるパルス波形は、センサのＩ−Ｖ特性の決定を許容することが驚くべきことに発見された。
【００３５】
この目的のため、周期的なバイアス電圧波形は、引力がある半周期の符号とは反対側の電荷の粒子に対して与えられている間、荷電粒子が波形の当該半周期に対して遅すぎて応答できないほど十分高い周波数を有していてもよい。あるいは、より低い周波数において、荷電粒子は、付与されたバイアス電圧波形によって生成された電位と共鳴している並進パターンを示してもよい。
【００３６】
これらのシナリオの各々において、露出されたチャネル領域と追加的な親和性を持つ粒子のみが、例えば、チャネル領域１４６に対する機能層又はバインディング層による特定のバインディング事象による追加的な安定化のために、ＦＥＴ１４０のセンサ表面に対して効果的に付着するであろう。目的の荷電された分析対象をセンサ表面に付着させる場合、低周波数の周期的なバイアス電圧波形を付与する際、反発ポテンシャルエネルギーは、目的の荷電された分析対象の不要な反発が回避されるように、チャネル領域１４６のバインディング層に対する目的の荷電された分析対象の特定のバインディングエネルギーを超えないことに注意しなければならない。高効率の周期的なバイアス電圧波形にとって、周波数が、目的の荷電分析対象が時間平均された（近）ゼロ電位を単純に感知するように、目的の荷電分析対象が応答できないほど高過ぎるため、このことは問題ではない。明らかに、電荷中性の目的分析対象のため、付与される周期的なバイアス電圧波形の周波数は、ほとんど無関係である。
【００３７】
ＩＣ１００は、ＦＥＴ１４０によって生成される信号を処理するための信号処理部１６０を更に有していてもよい。図１において、信号処理部１６０は、非限定的な一例のみの態様による目的で、ＦＥＴ１４０の個別のソース領域１４２ａ，１４２ｂに結合されているが、ＦＥＴ１４０と信号処理部１６０との間の任意の適切な伝導的な結合が与えられてもよいことは、当業者によって容易に理解されるであろう。信号処理部１６０は、上記信号取得期間、即ち、１又は複数のＦＥＴ１４０がバイアス電圧生成器１５０によって可能にされた期間において取得された分析対象のための第１のトランジスタ信号から分析対象の測定を抽出するように構成されている。取得された信号の解釈自体はよく知られているので、簡潔さのみの目的で、ここではこれ以上詳細に説明されない。代替的な実施形態では、信号処理部１６０は、ＩＣ１００から省略されてもよく、この場合、例えば、ソース領域１４２ａ，１４２ｂが、ＦＥＴ１４０のセンサ信号のオフチップ評価を可能にする外部的にアクセス可能な接着パッドに伝導的に結合されてもよい。
【００３８】
図３は、正の振幅が周期的に増加する一方、負の振幅が一定に保たれる周期的なバイアス電圧波形３００の例示的な実施形態を示している。上記波形の正の振幅は、上記波形の負の振幅よりも小さい値から始まり、負の振幅よりも大きい値まで周期的に増加する（例えば、単調に増加する）ため、媒体中の荷電粒子によって経験される時間平均された電位は、（近）ゼロ電位のままであり、このため、付与されるバイアス電圧電位によって、センサ表面に対する荷電粒子の誘引が回避され、ＦＥＴ１４０のセンサ表面における任意のバインディング事象が、センサ表面に対する目的の分析対象の親和性によって引き起こされることに留意すべきである。
【００３９】
図３における電圧波形３００は、非限定的な例でしかなく、他の波形、例えば、正の振幅が一定のままであり、負の振幅が周期的に増加するような波形も、媒体中の荷電粒子によって感知される時間平均された電位ができるだけ、又は、必要に応じてゼロに近い限り、等しく容易であることが理解されるべきである。また、バイアス電圧波形３００中のパルスは、正弦波形状であるが、例えば、ブロック形状、鋸刃形状など、他のパルス形状も等しく容易であることが理解されるべきである。好ましい実施形態では、各電圧パルスの持続期間、即ち、各半周期は、０．１乃至１００ミリ秒の範囲から選択される。
【００４０】
センサＦＥＴ１４０をバイアスするために、図１に示されるように、本発明のバイアス電圧波形を使用することによる更なる利点が、図４で実証されている。図４の上側は、連続的に増加している電圧電位に対するセンサＦＥＴの応答を示している。図４の上側から分かるように、かかる直接のバイアス電圧のスキャニングウインドウの端点は、ＦＥＴ１４０が導電状態となるゲート電圧が変化するという事実によって実証されるように、ＦＥＴ１４０のソース−ドレイン電流特性及び閾値電圧Ｖｔｈに影響している。対照的に、本発明の電圧波形を付与する場合、図４の下側において実証されるように、ＦＥＴ１４０のオン特性は、付与されるスキャニングウインドウの寸法とはほとんど独立しており、従って、ＦＥＴ１４０の正確性及びロバスト性を改善している。
【００４１】
図５は、ＦＥＴ１４０の表面における荷電された汚染物質の蓄積に対する、センサ信号の取得期間において一定のバイアス電圧を付与することの効果（図５の左側）、及び、センサ信号の取得期間においてＦＥＴ１４０に対してバイアス電圧波形３００を付与することの効果（図５の右側）を概略的に示している。図１に示されるように、ＳＯＩなどの基板１１０上に形成されたＦＥＴ１４０のために、正符号の一定のバイアス電圧は、負に荷電された粒子５２０が、露出されたセンサ表面に引き寄せられるとともに、目的の分析対象５１０に引き寄せられるように、ＦＥＴ１４０の露出されたセンサ表面と露出されたセンサ表面の上の媒体との間に正の電位差を発生させる。正に荷電された粒子５３０は、露出されたセンサ表面から除去される。対照的に、バイアス電圧波形３００がＦＥＴ１４０のバックゲートとして機能する基板１１０に付与された場合、荷電粒子５２０，５３０は、図５の右側において実証されているように、露出されたセンサ表面における荷電粒子の蓄積が回避されるように、時間平均されたゼロ電位を経験する。
【００４２】
図６は、非限定的な一例として、silicon-on-insulator（ＳＯＩ）基板に形成されるとともに、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）フィルムでシリコンナノワイヤ１４６を被覆することによってｐＨセンサとして機能化させた、シリコンナノワイヤＦＥＴ１４０を露出させることによって得られた測定結果である。他の機能化フィルムが、勿論、目的の分析対象の性質に応じて選択されてもよい。上記センサは、各々、溶解したＮａ＋イオン及びＣｌ−イオンを有する異なるｐＨの複数の水性サンプルに露出される。各ｐＨ測定のため、バイアス電圧波形３００が、センサ信号取得フェーズの間、基板１１０に付与された。各々の場合において、ｐＨは、センサ応答から正確に取得されることができ、結果、溶液中のＮａ＋イオン及びＣｌ−イオンの存在がｐＨ測定に干渉しないことが明確に実証された。
【００４３】
ＩＣ１００を製造する方法の一例が、図７に概略的に示されている。ステップ（ａ）において、基板１１０が、電気的絶縁層１２０及び半導体材料層１３０を指示するように供給される。好ましくは、当該配置は、層１１０及び１３０が、埋め込まれた酸化物層１２０によって分離されたシリコン層である絶縁基板上のシリコンとして供給されるが、ステップ（ａ）に示されるような層スタックが、任意の適切な材料を用いて任意の適切な態様で供給されてもよいことが理解されるべきである。また、金属コンタクト１０２（図示省略）が、基板１１０がバックゲートとして用いられるように、バックゲートコンタクトを具備する基板１１０を供給するための方法において、任意の適切な点において、存在又は形成されてもよい。
【００４４】
次のステップ（ｂ）では、パターン化されたマスク７１０が、不純物が埋め込まれる領域を規定するシリコン層１３０上に形成され、その後、例えば、Ｎ型不純物などの不純物７２０が、ナノワイヤチャネル領域１４６が形成される領域に埋め込まれ、Ｎ＋＋−型不純物などの不純物７３０が、ソース領域１４２及びドレイン領域１４４に埋め込まれるように、かかる不純物がシリコン層１３０の中に埋め込まれる。上記マスクの形成及び上記埋め込みステップは、当業者にとって通常の実装であるため、簡潔さのみの目的でより詳細には説明されない。
【００４５】
次いで、上記マスク７１０が、シリコン層１３０から除去され、これにより、ステップ（ｃ）に示されるように、ナノワイヤ１４６と、ソース領域１４２及びドレイン領域１４４とを形成するようにパターン化される。ステップ（ｃ）に示されるＩＣ１００の断面は、形成されたソース領域１４２及びドレイン領域１４４がステップ（ｃ）の断面において示されていないように、ステップ（ａ）及び（ｂ）に示される断面に比して９０°回転されていることに留意すべきである。シリコン層１３０のパターニングは、任意の適切な態様において行なわれてもよい。特に好ましいのは、ソース領域１４２及びドレイン領域１４４を形成するためにドライエッチと組み合わせられてもよい、ナノワイヤ１４６を形成する電子ビームリソグラフィの使用である。
【００４６】
ステップ（ｄ）は、オプションのステップであるが、ナノワイヤ１４６が露出される媒体が、ナノワイヤチャネル領域１４６を含むＦＥＴ１４０のチャネル領域上のフローティングゲートとして機能することを保証するためには好適である。ステップ（ｄ）において、ナノワイヤ１４６は、酸化物層７４０を備えられる。シリコンナノワイヤ１４６の場合、これは、好適には、シリコンの部分的な酸化によって、例えば、シリコンナノワイヤ１４６を、ある期間、例えば３００℃以上の昇温の、酸化物に富んだ環境に露出することによって、達成される。このため、この酸化物層７４０は、ナノワイヤ１４６が媒体と接触した場合に、ゲート酸化物として機能する。
【００４７】
次に、選択されたナノワイヤ１４６は、ステップ（ｅ）に示されるように、機能化層又はバインディング層７５０で機能化されてもよい。１又は複数のバインディング層部分７５０は、例えば、全ナノワイヤ１４６の上にバインディング層を堆積させ、バインディング層７５０と親和性を有する分析対象のためのセンサナノワイヤとして用いられないナノワイヤ１４６からバインディング層材料の選択的な除去を行なうことによって、又は、バインディング層７５０と親和性を有する目的の分析対象に対して敏感であるナノワイヤ１４６のみの上にバインディング層７５０を選択的に堆積させることによって、任意の適切な態様で形成されてもよい。様々なナノワイヤ１４６が、当業者にとって明らかであるように、様々なバインディング層７５０で機能化されてもよい。かかるバインディング層材料自体はよく知られているので、任意の適切なバインディング材料が使用され得ることに言及するだけで十分である。
【００４８】
ナノワイヤ１４０間の間隔が、単一のナノワイヤ１４０の断面又は厚みよりも大きい多くの要因であるという事実のために、かかる選択的な堆積が、当業者にとって通常利用可能な技術を用いて達成され得る。図８は、ソースコンタクト８４２、ドレインコンタクト８４４、並びに、ソースコンタクト８４２及びナノワイヤ１４６と伝導的に接触している金属８５２を含む単一のＦＥＴ１４０の上面図を概略的に示している（明確さのために、ドレインコンタクトと接触している金属は省略されている）。これは、ナノワイヤ１４６の上にバインディング層７５０を選択的に堆積させるための十分な余裕があることを明確に実証している。
【００４９】
ＩＣ１００は、任意の適切なセンサ装置に埋め込まれてもよい。かかるセンサ装置は、一般的に、流体サンプルの固定されたサンプルを受けるためのサンプル区画を有し、この場合、サンプル区画は、任意の適切な寸法を有する流体チャネルを有していてもよい。ＩＣ１００は、一般的に、第１のトランジスタ１４０がサンプル区画において露出されるように、配置される。上記センサ装置は、例えば、マイクロ流体工学ベースのセンサ装置、又は、ヘルスケアアプリケーションにおいて用いられる検定ベースのセンサ装置、家庭用、工業用、又は、自動車アプリケーションなどにおいて用いられる排出ガスセンサ装置であってもよい。上記センサ装置のための多くの他の適切なアプリケーション領域が、当業者にとって明確である。
【００５０】
上述した実施形態は、本発明を限定するというよりも例示的なものであって、当該技術分野における当業者は、添付の請求項の範囲から逸脱しない範囲で、多くの代替的な実施形態を設計可能であることに留意すべきである。請求項中、括弧内の任意の参照符号は、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「有する」なる用語は、請求項に規定されたもの以外の要素又はステップの存在を除外しない。単数形は、複数の要素の存在を除外しない。本発明は、幾つかの個別の要素を有するハードウェアにより実装されることができる。幾つかの手段を列挙している装置クレームにおいて、これらの手段の幾つかは、全く同一のハードウェアによって実現されることができる。特定の手段が、相互に異なる従属項において言及されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが好適に用いられないということを示すものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図７（ｃ）】
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【図７（ｄ）】
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【図７（ｅ）】
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【図８】
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