(57)【要約】【課題】電界効果トランジスタを備えたバイオセンサでありながら、測定環境の明るさに係わらずに、精確な検出が実現できるバイオセンサを提供すること。【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に配置された電界効果トランジスタ素子と、前記電界効果トランジスタ素子のチャネル領域を覆う遮光膜と、前記半導体基板面に配置された反応場と、好ましくは、前記絶縁膜に埋め込まれた遮光部材であって、前記電界効果トランジスタ素子のチャネル領域の周囲の少なくとも一部に配置された遮光部材とを具備する、バイオセンサ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に配置された電界効果トランジスタ素子と、前記電界効果トランジスタ素子のチャネル領域を覆う遮光膜と、前記半導体基板面に配置された反応場と、を具備するバイオセンサ。
【請求項２】
前記絶縁膜に埋め込まれた遮光部材であって、前記電界効果トランジスタ素子のチャネル領域の周囲の少なくとも一部に配置された遮光部材をさらに具備する、請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項３】
前記電界効果トランジスタは、前記絶縁膜上に配置された配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、を含む請求項１または２に記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記チャネルは、ポリシリコンチャネルである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタを具備するバイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電界効果トランジスタ素子を備えたバイオセンサが提案されている（特許文献１〜３を参照）。一般に、電界効果トランジスタ素子を備えるバイオセンサでは、半導体基板の絶縁膜上に、ソース電極／ドレイン電極およびチャネルが形成されており、さらにチャネルや、半導体基板の絶縁膜などに反応場が配置されていることが多い。反応場には、被検出物質認識分子が固定されることが多い。
【０００３】
図７Ａおよび図７Ｂには、従来の電界効果トランジスタ素子を備えたバイオセンサの例が示される。図７Ａおよび図７Ｂに示されるバイオセンサ１は、半導体基板２と、絶縁膜３ａおよび絶縁膜３ｂと、絶縁膜３ｂ上に配置されたソース電極４とドレイン電極５とチャネル６と、絶縁膜３ａ上に配置されたゲート電極８と反応場１０とを有する。反応場１０には検出物質を認識することができる被検出物質認識分子９が固定されている。
【０００４】
ソース電極４とドレイン電極５の間には、外部配線を介して電源Ｖds及び電流計７が接続されている。これにより、電源Ｖdsによってソース電極４とドレイン電極５との間に所定の電圧が印加され、電流計７によってチャネル６に流れる電流が測定される。また、ゲート電極８には所定の電圧を印加することができる。
【０００５】
反応場に固定された被検出物質認識分子に被検出物質を認識させ、そのときのソース−ドレイン電流を測定することで、反応場に提供された被検出物質の有無や濃度を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−８５３９２号公報
【特許文献２】特開２００６−２０１１７８号公報
【特許文献３】特開２００７−１３９７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記の通り、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサは、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流に基づいて、被検出物質の有無や濃度を測定する。ところが、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流は、その測定環境の変化によって、ばらつきが大きい。ばらつきの原因となる測定環境の例には、その周囲環境の明るさ（光の量）がある。特に、チャネルがシリコンチャネル（例えばポリシリコンチャネル）である電界効果トランジスタ素子の特性は、光の影響に影響を受けやすいことが見出された。周囲環境の明るさの変化によってソース−ドレイン電流がばらついてしまうと、精確な検出が行えなくなる。
【０００８】
そこで本発明は、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサでありながら、測定環境の明るさに係わらずに、精確な検出が実現できるバイオセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電界効果トランジスタを具備するバイオセンサにおいて、電界効果トランジスタ素子のチャネル領域を周囲から遮光して、光が侵入しないようにしていることを特徴とする。
【００１０】
［１］  半導体基板と、前記半導体基板面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に配置された電界効果トランジスタ素子と、前記電界効果トランジスタ素子のチャネル領域を覆う遮光膜と、前記半導体基板面に配置された反応場と、を具備するバイオセンサ。
［２］  前記絶縁膜に埋め込まれた遮光部材であって、前記電界効果トランジスタ素子のチャネル領域の周囲の少なくとも一部に配置された遮光部材をさらに具備する、［１］に記載のバイオセンサ。
［３］  前記電界効果トランジスタ素子は、前記絶縁膜上に配置された配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、を含む［１］または［２］に記載のバイオセンサ。
［４］  前記チャネルは、ポリシリコンチャネルである、［１］〜［３］のいずれかに記載のバイオセンサ。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電界効果トランジスタを具備するバイオセンサによれば、測定環境における周囲の明るさに係わらず、高精度な検出が可能となる。よって、電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサの実用性を高めることができる。
【００１２】
また本発明のバイオセンサによれば、検出装置本体に、バイオセンサに光を侵入させないための遮光部材を設ける必要がないので、検出装置本体を簡便にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のバイオセンサの第一の例を示す図である。
【図２】本発明のバイオセンサの第二の例を示す図である。
【図３】本発明のバイオセンサの第三の例を示す図である。
【図４】光の影響で、電界効果トランジスタの特性が変化することを示すグラフである。
【図５】本発明における、遮光膜と遮光部材を有する電界効果トランジスタの作製プロセスの例を示す図である。
【図６】本発明における、遮光膜と遮光部材を有する電界効果トランジスタの作製プロセスの他の例を示す図である。
【図７】従来の電界効果トランジスタを具備するバイオセンサの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のバイオセンサは、半導体基板と、その表面に形成された絶縁膜と、絶縁膜上に配置された電界効果トランジスタ素子と、電界効果トランジスタのチャネル領域を覆う遮光膜と、反応場と、を有する。
【００１５】
半導体基板は、通常はシリコン基板であるが、特に限定されず、ＳＯＩ基板や化合物半導体基板でもよい。半導体基板の表面に形成された絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、あるいはハフニウム酸化膜などである。絶縁膜の厚さは、５０〜１０００ｎｍの範囲であればよいが、必ずしも限定されない。
【００１６】
電界効果トランジスタ素子は、前記絶縁膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極と、両電極を接続するチャネルと、さらにチャネルを制御可能なゲート電極と、を有する。チャネルは、例えばポリシリコンチャネルやアモルファスシリコンチャネル、またはカーボンナノチューブチャネルなどであるが、特に限定されない。
【００１７】
ポリシリコンチャネルに流れる電流は、周囲環境の明るさによってばらつきの程度が大きいので、本発明の効果がより効果的に発現される。ポリシリコンチャネルである場合には、ＮＰＮ型であっても、ＰＮＰ型であっても、ＮｉＮ型であっても、ＰｉＰ型であってもよい。
【００１８】
ゲート電極は、チャネルに流れる電流を制御可能であるように配置されればよい。ゲート電極は、例えば、１）半導体基板の表面のうち、チャネルが配置される面とは反対の面に配置されていてもよいし（バックゲート型、図１参照）、２）半導体基板の表面のうち、チャネルが配置される面に配置されていてもよいし（サイドゲート型、図２および図３参照）、または３）チャネルの上に、絶縁膜を介して配置されてもよい（トップゲート型）。
【００１９】
さらに、本発明のバイオセンサは、半導体基板表面の絶縁膜上に配置されたチャネルを覆う遮光膜を有する。遮光膜とは、光を透過しない膜であれば特に制限されない。遮光膜は、例えば金属膜であってもよいし、光非透過性樹脂膜であってもよい。光非透過性樹脂とは、例えば光を透過させないフィラーを添加した樹脂などである。樹脂とは、例えばエポキシ樹脂である。
【００２０】
チャネルを覆う遮光膜は、チャネルに接している必要はなく、例えば、チャネルをパッシベーション絶縁膜で保護して、その上を遮光膜で被覆してもよい。
【００２１】
遮光膜により、周囲の光がチャネルへ侵入することが抑制されるが、必ずしもそれだけでは十分に遮光できないことがある。本発明者は、チャネルを遮光膜で覆っているにも係わらず、周囲の明るさの影響を受けて、電界効果トランジスタの特性がばらついてしまうことがあることを見出し、その原因を検討した。その結果、チャネルが配置される絶縁膜（例えば酸化シリコン膜）が光透過性であるために、周囲の光が絶縁膜を通ってチャネルにまで侵入することが原因の一つであることを見出した。このように、絶縁膜を介して侵入するわずかな光であっても、電界効果トランジスタの特性に大きな影響を与えることがわかった。
【００２２】
図４は、遮光膜でチャネルを被覆した電界効果トランジスタであっても、周囲の光（明るさ）によって素子特性が変化しうることを示すグラフである。図４に示されるように、測定室の室内照明を点灯した環境でのソース-ドレイン電流Ｉｄｓ（グラフ左側「ライトＯＮ」）と、測定室の室内照明を消灯した環境でのソース-ドレイン電流Ｉｄｓ（グラフ右側「ライトＯＦＦ」）を示す。図４に示すように、照明を消灯することでソース-ドレイン電流Ｉｄｓが急激に低下している。このように、電界効果トランジスタの特性は周囲の光の影響を受けて変化しやすい。
【００２３】
そこで本発明のバイオセンサでは、半導体基板表面に形成された絶縁膜の一部に遮光部材を埋め込み、遮光部材によってチャネルの領域の少なくとも一部を囲んでいることが好ましい。遮光部材は、チャネルの領域を完全に囲んでいてもよいが（図１および図２を参照）、一部だけを囲んでいてもよい（図３を参照）。絶縁膜に埋め込む遮光部材とは、例えば金属や遮光用顔料を添加した樹脂（エポキシ樹脂など）などである。
【００２４】
本発明のバイオセンサにおける遮光膜は、光非透過性樹脂（遮光性顔料を含有したエポキシ樹脂等）を、インサート射出成形またはホットメルトモールディングで、チャネルを被覆し、チャネル周囲に形成された溝に埋め込むことで作製することができる。また、遮光膜を金属膜（アルミニウム、金、チタニウム、タングステンや合金等）で形成する場合はスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などによって作製することができる。
【００２５】
本発明における、遮光膜と遮光部材を有する電界効果トランジスタの作製プロセスの例を、図５および図６を参照して説明する。
【００２６】
図５では、半導体基板１５を準備し（図５Ａ）、絶縁膜２０とチャネル２３を形成する（図５Ｂ）。チャネル２３を層間絶縁膜６０で被覆する（図５Ｃ）。層間絶縁膜６０に電極用スルーホール７０と、遮光部材用スルーホール７５とを形成する（図５Ｄ）。図５Ｅに示されるように、電極用スルーホール７０内部にソース電極２１とドレイン電極２２を形成するのと同時に、遮光部材用スルーホール７５に遮光部材４１を形成することができる。この場合には、遮光部材４１の材質は電極部材（例えば金属）でありうる。或いは、電極用スルーホール７０内部に、ソース電極２１とドレイン電極２２を形成する前または形成した後に、遮光部材用スルーホール７５に遮光部材４１を埋め込む。この場合には、遮光部材４１の材質は任意に設定できる。ソース電極２１とドレイン電極２２と遮光部材４１とを覆う表面保護膜８０を形成する（図５Ｆ）。表面保護膜８０の一部を除去して、ソース電極２１とドレイン電極２２の一部を露出させて、ボンディング用窓７７と遮光部材用溝７８を形成する（図５Ｇ）。最後に、遮光膜４０を形成する（図５Ｈ）。遮光部材用溝７８は、遮光膜４０により埋め込まれる。
【００２７】
尚、本実施例では、チャネルへの横からの光の進入を阻止するだけでなく、斜め上からの光の進入も阻止するように、遮光部材用溝７８を形成して（図５Ｇを参照）、遮光部材用溝７８に対応する位置に遮光部材を配置している（図５Ｈを参照）。しかしながら、チャネルへの横からの光の進入を阻止すれば、斜め上からの光の進入があっても、トランジスタ特性の変動が十分に抑えられる場合もある。その場合には、遮光溝部材用溝７８を形成する必要はない。
【００２８】
図６では、半導体基板１５を準備し（図６Ａ）、絶縁膜２０とチャネル２３を形成する（図６Ｂ）。チャネル２３を層間絶縁膜６０で被覆する（図６Ｃ）。層間絶縁膜６０に電極用スルーホール７０を形成し、チャネル２３の一部を露出させる。電極用スルーホール７０に、ソース電極２１とドレイン電極２２を形成する（図６Ｅ）。ソース電極２１とドレイン電極２２とを覆う表面保護膜８０を形成する（図６Ｆ）。表面保護膜８０に遮光部材用スルーホール７５と、ボンディング用窓７７とを形成する（図６Ｇ）。次に、遮光膜４０或いは遮光部材４１を形成する（図６Ｈ）。
【００２９】
さらに、本発明のバイオセンサは、検出対象である被検出物質を含むサンプルが提供される反応場を有する。反応場は、被検出物質認識分子が固定されているか、または被検出物質認識分子を固定することができるように表面処理されている。被検出物質認識分子の例には、抗体、酵素、レクチンなどのタンパク質、拡散、オリゴ糖または多糖、あるいはそれらの構造を有する物質が含まれる。被検出物質認識分子を反応場に固定することで、特定のタンパク質や化学物質などを特異的に検出することができる。
【００３０】
特に制限されるわけではないが、反応場の近傍にゲート電極を配置することが好ましい。ゲート電極を反応場の近傍に配置することで、バイオセンサの検出感度を高めることができる。また、ゲート電極２５で反応場２４を囲んでもよい（図１〜３を参照）。ゲート電極２５で反応場２４を囲むことで、検出フローにおいて反応場２４に提供された試料（通常は溶液である）を反応場２４にとどめることができる。
【００３１】
図１Ａおよび図１Ｂには、本発明のバイオセンサの第一の例が示される。図１Ａは、バイオセンサ１００のチャネル配置面の上面図であり；図１Ｂは、バイオセンサ１００のＡ−Ａ’断面図である。
【００３２】
図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、バイオセンサ１００は、半導体基板１５（図１Ｂ参照）の表面に形成された絶縁膜２０と、その上に配置されたソース電極２１と、ドレイン電極２２と、チャネル２３と、を有する。さらに、絶縁膜２０上の点線で囲まれる領域には、ソース電極２１とドレイン電極２２とチャネル２３とを覆う遮光膜４０が配置されている。遮光膜４０は、少なくともチャネル２３の領域を覆っていればよいが、図１Ａに示されるようにソース電極２１とドレイン電極２２をも覆っていることが好ましい。チャネル２３への光の侵入をより確実に防ぐためである。
【００３３】
さらに、遮光膜４０で覆われた領域の絶縁膜２０の一部には、ソース電極２１とドレイン電極２２とチャネル２３とを囲む遮光部材４１が埋め込まれている。絶縁膜２０を通過しての光のチャネルへの侵入を防ぐためである。
【００３４】
また、図１Ｂに示されるように、バイオセンサ１００の半導体基板１５の、チャネル２３が配置された面とは反対の面にも、絶縁膜２７が形成されている。絶縁膜２７は、絶縁膜２０と同一の材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。絶縁膜２７の厚みも、絶縁膜２０と同程度であればよい。絶縁膜２７上には、反応場２４と、反応場２４を囲むゲート電極２５と、反応場２４に配置された被検出物質認識分子２６とが配置される。
【００３５】
バイオセンサ１００のゲート電極２５は、いわゆるバックゲート型のゲート電極である。ゲート電極２５、絶縁膜２７、半導体基板１５は、金属−絶縁体−半導体（Metal-Insulator-Semiconductor:ＭＩＳ）構造を有しており、ゲート電圧は半導体基板１５に直接印加されない。このように、ゲート電極２５を反応場２４の近傍に配置することで、バイオセンサ１０の検出感度を高めることができる。また、ゲート電極２５を反応場２４で囲むことで、検出フローにおいて反応場２４に提供した試料（通常は溶液である）を、反応場２４にとどめることができる。
【００３６】
図２Ａおよび図２Ｂには、本発明のバイオセンサの第二の例が示される。図２Ａは、バイオセンサ１００’のチャネル配置面の上面図であり；図２Ｂは、バイオセンサ１００’のＡ−Ａ’断面図である。
【００３７】
図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、バイオセンサ１００’は、半導体基板１５（図２Ｂ参照）の表面に形成された絶縁膜２０と、その上に配置されたソース電極２１と、ドレイン電極２２と、チャネル２３と、を有する。さらに、バイオセンサ１００’は、絶縁膜２０上に配置された反応場２４と、反応場２４を囲むゲート電極２５と、反応場２４に配置された被検出物質認識分子２６とを有する。バイオセンサ１００’のゲート電極２５は、いわゆるサイドゲート型のゲート電極である。
【００３８】
図１に示されるバイオセンサ１００と同様に、バイオセンサ１００’の絶縁膜２０上の点線で囲まれる領域には、ソース電極２１とドレイン電極２２とチャネル２３とを覆う遮光膜４０が配置されている。遮光膜４０は、少なくともチャネル２３の領域を覆っていればよいが、ソース電極２１とドレイン電極２２をも覆っていることが好ましく、さらに好ましくは、図２Ａに示されるように反応場２４との境界まで覆っている。チャネル２３への光の侵入をより確実に防ぐためである。
【００３９】
さらに、図１に示されるバイオセンサ１００と同様に、遮光膜４０で覆われた領域の絶縁膜２０の一部には、ソース電極２１とドレイン電極２２とチャネル２３とを囲む遮光部材４１が埋め込まれている。
【００４０】
図３Ａおよび図３Ｂには、本発明のバイオセンサの第三の例が示される。図３Ａは、バイオセンサ１００”のチャネル配置面の上面図であり；図３Ｂは、バイオセンサ１００”のＡ−Ａ’断面図である。
【００４１】
図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、バイオセンサ１００”の基本構成は、図２に示されるバイオセンサ１００’と同様であるが；実装基板５０を有し、かつ遮光膜４０や遮光部材４１の配置態様が異なる。
【００４２】
バイオセンサ１００”は実装基板５０を有し、実装基板５０の上にシリコン基板１５が実装されている。実装基板５０には、図示されないが、ソース電極やドレイン電極、ゲート電極からの引き出し配線や、検出装置本体へ装着するための外部端子などが配置されうる。
【００４３】
バイオセンサ１００”の遮光膜４０は、実装基板５０にまではみ出していることが好ましい。絶縁膜２０は、光を透過させる恐れがあるので、絶縁膜２０の端部２０αをも遮光膜４０で被覆すると、より確実に遮光できるからである。一方、バイオセンサ１００”の遮光部材４１は、チャネルを完全に囲むことなく、一部にだけ、より具体的には、反応場２４とチャネル２３の領域とを区切るように配置されている。バイオセンサ１００”の遮光膜４０によっても、反応場２４とチャネル２３との間の絶縁膜２０から、チャネル２３に光が侵入する恐れがあるので、遮光部材４１によりその光を遮っている。
【００４４】
本発明のバイオセンサを用いた検出フロー
本発明のバイオセンサを用いて被検出物質を検出フローの例を記載する。まず、バイオセンサの反応場に被検出物質を含みうるサンプル（通常は溶液）を提供する。それによりサンプル中の被検出物質と、反応場に固定された被検出物質認識分子とを反応させる。その後、必要に応じて反応場から、サンプル中の溶媒などを除去する。
【００４５】
バイオセンサの電界効果トランジスタ素子のゲート電極に、所定のゲート電圧を印加する。そのときの電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電流を測定する。測定された電流値に基づいて、サンプル中の被検出物質の有無またはその濃度を求める。このとき、本発明のバイオセンサでは、測定環境における周囲の光がチャネルに侵入しないので、測定環境の明るさに係わらず、一定の検出結果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のバイオセンサによれば、電界効果トランジスタの特性を活かして高感度な検出を実現することができるとともに、光の影響による電界効果トランジスタの特性のばらつきも抑制されるので、高精度な検出が実現される。
【符号の説明】
【００４７】
１  バイオセンサ
２  半導体基板
３ａ，３ｂ  絶縁膜
４  ソース電極
５  ドレイン電極
６  チャネル
７  電流計
８  ゲート電極
９  被検出物質認識分子
１０  反応場
１５  半導体基板
２０  絶縁膜
２０α  絶縁膜の端部
２１  ソース電極
２２  ドレイン電極
２３  チャネル
２４  反応場
２５  ゲート電極
２６  被検出物質認識分子
２７  絶縁膜
４０  遮光膜
４１  遮光部材
５０  実装基板
６０  層間絶縁膜
７０  電極用スルーホール
７５  遮光部材用スルーホール
７７  ボンディング用窓
７８  遮光部材用溝
８０  表面保護膜
１００，１００’，１００”  バイオセンサ
【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】
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