(57)【要約】      （修正有）【課題】微細化に適したセンサ用トランジスタを提供する。【解決手段】センサ用トランジスタであって、シリコン基板２０と、シリコン基板２０の表面に設けられているゲート絶縁膜３２と、を備えており、シリコン基板２０は、ゲート絶縁膜３２が設けられている範囲の周囲を一巡するように、シリコン基板２０の表面に形成されている角部２８を有しており、角部２８は、ゲート絶縁膜３２が設けられている範囲を含むシリコン基板２０上に滴下される試料溶媒が周囲に移動するのをピン止め効果によって抑えるように構成されている、センサ用トランジスタ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ用トランジスタであって、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面上に設けられているゲート絶縁膜と、を備えており、
前記半導体基板は、前記ゲート絶縁膜が設けられている範囲の周囲を一巡するように、前記表面に形成されている角部を有しており、
前記角部は、前記ゲート絶縁膜が設けられている範囲を含む半導体基板上に滴下される試料溶媒が周囲に移動するのをピン止め効果によって抑えるように構成されている、センサ用トランジスタ。
【請求項２】
前記半導体基板は、中心領域と周辺領域に区画されており、
前記中心領域は、前記ゲート絶縁膜が設けられている範囲を含む領域であり、
前記周辺領域は、前記中心領域の周囲を一巡するとともに前記中心領域よりも厚みが薄い領域であり、
前記中心領域の表面を第１表面とし、前記周辺領域の表面を第２表面とし、前記第１表面と前記第２表面を結ぶ表面を第３表面としたときに、前記第１表面と前記第３表面によって前記角部が構成されている、請求項１に記載のセンサ用トランジスタ。
【請求項３】
前記第１表面と前記第３表面の成す角が鋭角である、請求項２に記載のセンサ用トランジスタ。
【請求項４】
センサ用トランジスタであって、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面上に設けられているゲート絶縁膜と、を備えており、
前記半導体基板は、中心領域と周辺領域に区画されており、
前記中心領域は、前記ゲート絶縁膜が設けられている範囲を含む領域であり、
前記周辺領域は、前記中心領域の周囲を一巡するとともに前記中心領域よりも厚みが薄い領域であり、
前記中心領域の表面を第１表面とし、前記周辺領域の表面を第２表面とし、前記第１表面と前記第２表面を結ぶ表面を第３表面としたときに、前記第１表面と前記第３表面によって角部が構成されている、センサ用トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、センサ用トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象に依存して変化するチャネル抵抗に基づいて電気信号を出力するように構成されているセンサ用トランジスタが開発されている。例えば、特許文献１は、ゲート絶縁膜上に配置された試料溶媒内に含まれるターゲット生分子を検出するセンサ用トランジスタを開示する。このセンサ用トランジスタでは、ターゲット生分子に特異的に結合するプローブ生分子がゲート絶縁膜の表面に固定されている。プローブ生分子にターゲット生分子が結合すると、ターゲット分子の電荷に依存してセンサ用トランジスタのチャネル抵抗が変化する。このセンサ用トランジスタでは、そのチャネル抵抗の変化を測定することで、ターゲット生分子を検出することができる。また、特許文献２は、ゲート絶縁膜上に配置された試料溶媒のｐＨを測定するセンサ用トランジスタを開示する。このセンサ用トランジスタでは、ゲート絶縁膜がイオン感応膜として作用し、試料溶媒のｐＨに依存してセンサ用トランジスタのチャネル抵抗が変化する。このセンサ用トランジスタでは、そのチャネル抵抗の変化を測定することで、試料溶媒のｐＨを測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０４０８９号公報
【特許文献２】特開２０１２−２０２８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらのセンサ用トランジスタでは、ゲート絶縁膜が設けられている範囲を含む半導体基板上に、例えばシリンダが設置され、そのシリンダ内に試料溶媒が満たされる。しかしながら、センサ用トランジスタの微細化を進めるためには、設置されるシリンダも微細化する必要があるが、このようなシリンダを半導体基板上に設置することは困難である。本明細書は、微細化に適したセンサ用トランジスタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示するセンサ用トランジスタは、様々な用途に用いられ、その用途を特に限定するものではない。例えば、センサ用トランジスタは、試料溶媒内の細胞の活動の様子を観察する目的で用いられ得る。また、センサ用トランジスタは、絶縁ゲート部上にプローブ生分子を固定することで、試料溶媒内のターゲット生分子を検出する目的で用いられ得る。このセンサ用トランジスタは、半導体基板及びゲート絶縁膜を備えることができる。ゲート絶縁膜は、半導体基板の表面上に設けられている。半導体基板は、ゲート絶縁膜が設けられている範囲の周囲を一巡するように、表面に形成されている角部を有する。角部は、ゲート絶縁膜が設けられている範囲を含む半導体基板上に滴下される試料溶媒が周囲に移動するのをピン止め効果によって抑えるように構成されている。このセンサ用トランジスタでは、例えば半導体基板上にシリンダが設置されていなくても、半導体基板の表面に形成されている角部によって試料溶媒が周囲に移動することが抑えられる。角部は、半導体基板の表面を加工することで形成することができる。このように、上記のセンサ用トランジスタは、微細化に適した構造を有していると評価することができる。
【０００６】
本願明細書が開示するセンサ用トランジスタでは、半導体基板が、中心領域と周辺領域に区画されていてもよい。中心領域は、ゲート絶縁膜が設けられている範囲を含む領域である。周辺領域は、中心領域の周囲を一巡するとともに中心領域よりも厚みが薄い領域である。この場合、中心領域の表面を第１表面とし、周辺領域の表面を第２表面とし、第１表面と第２表面を結ぶ表面を第３表面としたときに、第１表面と第３表面によって角部が構成されている。このように、角部は、中心領域と周辺領域の段差を利用して構成することができる。
【０００７】
本願明細書が開示するセンサ用トランジスタでは、第１表面と第３表面の成す角が鋭角であってもよい。このセンサ用トランジスタでは、角部におけるピン止め効果が効果的に発揮される。このため、半導体基板上に滴下される試料溶媒は、中心領域に良好に留まることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】センサ用トランジスタの要部断面図の概略を示す。
【図２】センサ用トランジスタの角部近傍の拡大断面図の概略を示す。
【図３Ａ】ピン止め効果を説明するための説明図を示す。
【図３Ｂ】ピン止め効果を説明するための説明図を示す。
【図４Ａ】半導体基板の表面に角部を形成するための一製造工程中の要部断面図の概略を示す。
【図４Ｂ】半導体基板の表面に角部を形成するための一製造工程中の要部断面図の概略を示す。
【図４Ｃ】半導体基板の表面に角部を形成するための一製造工程中の要部断面図の概略を示す。
【図４Ｄ】半導体基板の表面に角部を形成するための一製造工程中の要部断面図の概略を示す。
【図４Ｅ】半導体基板の表面に角部を形成するための一製造工程中の要部断面図の概略を示す。
【図４Ｆ】半導体基板の表面に角部を形成するための一製造工程中の要部断面図の概略を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に、培養液４２内の細胞の活動の様子を観察するためのセンサ用トランジスタ１０を示す。センサ用トランジスタ１０は、シリコン基板２０、ゲート絶縁膜３２及び参照電極３４を備える。
【００１０】
シリコン基板２０は、中心領域２０Ａと周辺領域２０Ｂに区画されている。中心領域２０Ａは、シリコン基板２０の中心側に配置されている領域である。シリコン基板２０を平面視したときに、中心領域２０Ａは、例えば円形状に区画されている。周辺領域２０Ｂは、中心領域２０Ａの周囲を一巡するとともに中心領域２０Ａよりも厚みが薄い領域である。このため、シリコン基板２０の表面には、中心領域２０Ａと周辺領域２０Ｂの間に段差が形成され、その段差によって角部２８が構成されている。後述するように、角部２８は、培養液４２が中心領域２０Ａから周辺領域２０Ｂに移動するのを抑制する役割を果たすことができる。
【００１１】
シリコン基板２０は、ｐ型のドリフト領域２２、ｎ+型のソース領域２４及びｎ+型のドレイン領域２６を有する。ソース領域２４及びドレイン領域２６は、シリコン基板２０の中心領域２０Ａの表層部に設けられており、相互に離れて配置されている。ソース領域２４とドレイン領域２６の間にはドリフト領域２２の一部が配置されており、このドリフト領域２２の一部を特にチャネル領域ＣＨという。
【００１２】
ゲート絶縁膜３２は、シリコン基板２０の中心領域２０Ａの表面上の一部を被覆しており、ソース領域２４、ドレイン領域２６及びチャネル領域ＣＨに接触している。換言すると、ゲート絶縁膜３２は、ソース領域２４とドレイン領域２６とチャネル領域ＣＨを培養液４２から隔てるように、シリコン基板２０の中心領域２０Ａの表面上の一部を被覆している。また、ゲート絶縁膜３２は、中心領域２０Ａの周縁部には形成されていない。このため、シリコン基板２０の表面は、中心領域２０Ａの周縁部において露出している。ゲート絶縁膜３２の厚みは、例えば５〜５０ｎｍである。ゲート絶縁膜３２の材料は、例えばシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜である。このように、シリコン基板２０の中心領域２０Ａには、ｎ型チャネルのＭＯＳＦＥＴが構成されている。
【００１３】
参照電極３４は、シリコン基板２０の中心領域２０Ａ上に滴下されている培養液４２に接触するように、支持台（図示省略）に支持されている。参照電極３４の材料は、化学的に安定な不活性材料であり、例えば銀又は白金が用いられている。
【００１４】
図２に、シリコン基板２０の表面に形成されている角部２８の近傍の拡大断面図を示す。シリコン基板２０の表面のうちの中心領域２０Ａに対応する範囲の表面が第１表面Ｓ１であり、シリコン基板２０の表面のうちの周辺領域２０Ｂに対応する範囲の表面が第２表面Ｓ２である。第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２は平行である。第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２を結ぶ表面が第３表面Ｓ３である。第１表面Ｓ１と第３表面Ｓ３の成す角βが鋭角であり、第１表面Ｓ１と第３表面Ｓ３によって角部２８が構成されている。
【００１５】
ここで、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、角部２８が有するピン止め効果について説明する。図３Ａに示されるように、基板２上に試料溶媒４が滴下されており、その試料溶媒４の平衡接触角をθとする。基板２には、外角αの角部が形成されている。この場合、図３Ｂに示されるように、試料溶媒４は、接触角がθ＋αを超えるまで角部を超えて移動することができない。即ち、角部の外角αが大きいほど、基板２の角部のピン止め効果が高くなる。角部の外角αが９０°を超えて角部の内角が鋭角になると、基板２の角部のピン止め効果は極めて高くなる。
【００１６】
図２に示されるように、センサ用トランジスタ１０では、角部２８の内角βが鋭角であり、角部２８のピン止め効果が極めて高い。これにより、シリコン基板２０の中心領域２０Ａ上に滴下された培養液４２は、角部２８を超えて周辺領域２０Ｂに移動することが抑えられ、中心領域２０Ａ上に良好に留まることができる。
【００１７】
センサ用トランジスタ１０では、ゲート絶縁膜３２の表面３２ａに細胞が接着している。ゲート絶縁膜３２の表面３２ａに接着している細胞が特定の刺激を受けて活性化すると、細胞の生体膜のイオンチャネルが開いて培養液４２に含まれるイオンが細胞内に流入し、細胞の膜電位が変化する。これにより、チャネル領域ＣＨのチャネル抵抗が変化する。センサ用トランジスタ１０では、このチャネル抵抗の変化が出力電圧の変化として測定される。このようにして、センサ用トランジスタ１０は、細胞の活動の様子を観察することができる。
【００１８】
次に、鋭角な内角を有する角部をシリコン基板の表面に形成する製造技術の一例を説明する。まず、図４Ａに示されるように、シリコン基板１２２の表面にシリコン窒化膜５２を蒸着し、そのシリコン窒化膜５２の一部をエッチング技術を利用して除去し、シリコン基板１２２の表面の一部を露出させる。
【００１９】
次に、図４Ｂに示されるように、露出するシリコン基板１２２の表面を熱酸化し、フィールド酸化膜５４を形成する。
【００２０】
次に、図４Ｃに示されるように、熱リン酸を用いてシリコン基板１２２の表面を被覆するシリコン窒化膜５２を除去する。
【００２１】
次に、図４Ｄに示されるように、シリコン基板１２２の表面及びフィールド酸化膜５４の表面にシリコン層１２４をエピタキシャル成長させる。
【００２２】
次に、図４Ｅに示されるように、エッチング技術又はＣＭＰ技術を利用して、フィールド酸化膜５４が露出するまでシリコン層１２４を平坦化する。
【００２３】
次に、図４Ｆに示されるように、フッ酸を用いてフィールド酸化膜５４を除去する。これにより、フィールド酸化膜５４の端部のバーズビークの形態がシリコン層１２４の端部に反映し、シリコン層１２４の端部に内角が鋭角となる角部１２８が形成される。このような製造技術を利用することで、図１及び図２に示されるセンサ用トランジスタ１０の角部２８をシリコン基板２０の表面に形成することができる。
【００２４】
このようにセンサ用トランジスタ１０は、シリンダ等を別個に設置することなく、シリコン基板２０の表面を加工して形成した角部２８のピン止め効果を利用して、培養液４２を中心領域２０Ａ上に留めることができる。このため、センサ用トランジスタ１０は、微細化に適した構造を有していると評価することができる。
【００２５】
上記の製造技術に代えて、シリコン基板の表面にレジストをパターニングした後に、シリコン基板の表面を等方性エッチングし、レジストの下方のシリコン基板をオーバーハングさせることでも、シリコン基板の表面に内角が鋭角となる角部を形成することができる。
【００２６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２７】
１０：センサ用トランジスタ
２０：シリコン基板
２０Ａ：中心領域
２０Ｂ：周辺領域
２２：ドリフト領域
２４：ソース領域
２６：ドレイン領域
２８：角部
３２：ゲート絶縁膜
３４：参照電極
４２：培養液
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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