(57)【要約】【課題】化学的および生物学的な化学種を検出し、かつ放射線の変化を検出する好適なソリッドステート電界効果トランジスタセンサを提供すること。【解決手段】デバイスは、多孔性または構造化されたチャネルの区画を含むことにより、デバイス感度を向上させる。感知された生物学的、化学的または放射線の変化がチャネルのコンダクタンスの指数関数的な変化を引き起こすように、デバイスはフルデプレート型モードにおいて動作する。一実施形態において、チャネルの上に重なる誘電体層と、該誘電体層の上に重なる材料の層とをさらに備え、該材料の層は、放射性、化学的および生物学的な化学種から成るグループから検出される標的化学種と相互作用し、該材料の層は、連続的な層または離散的なアイランドのいずれかである。【選択図】図３
2015127709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、概してソリッドステートセンサに関する。特に、本発明は、構造化された活性領域または多孔性の活性領域を有する電界効果型センサと、該センサを作製する方法および使用する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
ソリッドステートセンサは、多種多様な用途に用いられ得る。例えば、化学的なソリッドステートセンサは、連続的サンプリングモードと離散的サンプリングモードとの両方において、化学的混合物のリアルタイム解析に対して用いられ得る。同様に、生物学的センサは、生物学的作用物質および危険要素を検出するために用いられ得、放射線センサは、放射線の種類および量を検出するために用いられ得る。
【０００３】
センサは、アレイベースのセンサを用いるパターン認識法によって、雰囲気内の有毒分子などの、複雑な混合物内の単一の成分を検出したり、組成物内の複数の成分を分析したり、例えば、匂い、味、香りなどを特徴付けるために用いられるように、複雑な混合物を特徴付け、品質評価を実行したりするために用いられ得る。
【０００４】
典型的なソリッドステートセンサは、概して、検出要素または受容器要素と、信号変換手段とを含む。受容器層は、例えば、物理的吸収または物理的吸着、化学的吸着、マイクロカプセル化などによって、標的化学種（１つ以上）と相互作用する。変換器は、受容器表面における変化を測定可能な電気信号に変換する。受容器と変換器との間の信号の信号変換または結合は、関係において線形、非線形、対数関数的または指数関数的であり得る。２つの要素の間の結合関係は、概してデバイスの感度を決定する。
【０００５】
電位差測定センサ、電流測定センサ、伝導度測定センサ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ベースのセンサ、光学センサ、温度センサ、重力測定センサまたは圧電センサなどの多様な信号変換器要素が開発されている。ＦＥＴデバイスは、特に望ましくあり得る。なぜならば、ＦＥＴデバイスは、比較的高速で、かつ敏感な信号変換を示し、使用が比較的簡単であり、他のセンサ構成要素と統合することが比較的簡単だからである。
【０００６】
ＦＥＴデバイスの場合において、電界効果トランジスタデバイスの金属ゲートは、信号検出要素として作用する感応性薄膜、絶縁体または膜と置き換えられるかまたは被覆される。ＦＥＴデバイスは、デバイス表面の相互作用に起因する局所的な電位のシフトを検出する一般的な原理で作動する。ＦＥＴデバイスは、ドレーン電流の変化をもたらすチャネル領域のコンダクタンスの変化を介して、検出イベントを電気信号に変換する。ＦＥＴデバイスは、一定のゲート電圧によってデバイスをバイアスし、そして電流の変化を測定することか、または一定電流を維持するために必要とされるゲート電圧の変化を検出することによってセンサとして動作し得る。
【０００７】
金属酸化物半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）タイプのセンサは、しばしば反転モードにおいて動作し、反転電流が、ＭＯＳＦＥＴの金属ゲートをバイアスすることによって半導体チャネル内に確立される。これらのデバイスにおいて、感応性薄膜で結合する標的分子または放射レベルの変化は、反転チャネル内の少数電荷キャリア密度を変調する。つまり、バルクのｐ型ＭＯＳＦＥＴにおける反転電流は、デバイス表面への負電荷の付加の際に減少する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そのようなデバイスおよび変換器要素は、一部のセンシング用途に対して作動することが示されてきたが、非ＦＥＴデバイスは、比較的かさばり、かつ高価であり、そしてＦＥＴベースのデバイスは、比較的不安定で、かつ比較的低い感度を示し得る。従って、改善されたセンサおよびセンサを作製し、使用する方法が所望される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の概要）
本発明は、化学的、生物学的および／または放射性の化学種を検出することに適する高感度のセンサを提供する。本発明が従来技術の様々な欠点に取り組む方法が、以下で非常に詳細に論じられる一方で、一般に、本発明は、デバイス感度を改善するための構造化されたチャネルまたは多孔性のチャネルを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を提供する。
【００１０】
本発明の様々な実施形態に従った、センサは、基板と、該基板の上に重なるように形成された絶縁体と、該絶縁体の上に重なるように形成された多孔性または構造化されたチャネルとを含む。これらの実施形態の様々な局面に従って、該チャネル層の上部表面は、化学的、生物学的または放射性の化学種と相互作用する受容器または感応層として作用する。代替の局面に従って、該センサは、該チャネル層の上に重なる感応層をさらに含む。
【００１１】
本発明の追加の実施形態に従った、上記センサは、上記チャネル領域の上に重なる誘電体層をさらに含む。例示的な実施形態の一部の局面に従って、該誘電体層は、化学的、生物学的または放射性の化学種と相互作用する受容器または感応層として作用する。
【００１２】
なおさらなる実施形態に従った、センサは、上記誘電体層の上に重なるように形成された感応層を含む。
【００１３】
様々な追加の局面に従って、チャネルの厚さは、約３オングストローム〜約１０００ｎｍに及ぶ。
【００１４】
さらなる様々な局面に従って、上記センサは、負電荷が上記チャネル、感応層、または上記誘電体層への付加が、ｎチャネルＦＥＴデバイスに対する電子反転チャネルのコンダクタンスの増大を引き起こし、そして該ｎチャネルＦＥＴへの正電荷の付加が、反転チャネルのコンダクタンスを減少させる一方で、ｐチャネルデバイスの該チャネル、感応層、または該誘電体層への負電荷の付加が、電子反転チャネルのコンダクタンスの減少を引き起こし、そして表面への正電荷の付加が、該反転チャネルのコンダクタンスを増大させるように、フルデプレート型モードで動作するように構成される。
【００１５】
なおさらなる実施形態に従った、上記センサは、上記チャネルと上記誘電体層との間に追加の層を含む。
【００１６】
さらなる実施形態に従った、センサは、上記チャネル層とヘテロ構造を形成する追加の材料を含む。追加の材料は、１つ以上の材料の層の１つ以上の層または離散的なアイランドという形態であり得る。
【００１７】
本発明の様々な追加の実施形態に従った、上記センサは、生物学的センサである。
【００１８】
なお追加の実施形態に従った、上記センサは、化学的センサである。
【００１９】
なおさらなる実施形態に従った、上記センサは、放射線センサである。
【００２０】
本発明の追加の実施形態に従った、センサを形成する方法は、基板（例えば、ｐ型ＳＯＩシリコンウェーハ）を提供することと、チャネル領域層を薄くする（例えば、乾燥した酸化膜の種層が後に続く湿式酸化を用いる）ことと、ＳＯＩウェーハの一部分にわたってドーピングマスクを（例えば、乾燥した酸化膜の種層が後に続く該湿式酸化のステップを用いて形成された該酸化膜層の一部分をエッチングすることによって）形成することと、ドーピングされた領域を該チャネル領域内に形成することと、ソース領域およびドレーン領域用のマスクを形成することと、該ソース領域および該ドレーン領域を形成することと、任意の過剰なマスキング材料を必要に応じて除去することと、デバイス分離領域を形成する（例えば、フォトレジストのパターニングおよびプラズマエッチングを用いる）ことと、多孔性または構造化されたチャネル領域を形成することと、該基板内に接触を形成することとを含む。
【００２１】
これらの実施形態の様々な局面に従って、チャネルの細孔または構造は、上記チャネル領域を（例えば、電子ビームリソグラフィを用いて）パターニングし、該細孔または該構造を形成するために、該領域をエッチングする（例えば、ＲＥＩ装置内のＳＦ６を用いる）ことによって形成される。これらの実施形態のさらなる局面に従って、化学的、生物学的および／または放射線に感応性のある材料が、該チャネル領域の上に重なるように形成される。なおさらなる局面に従って、誘電体層が、チャネル領域の上に重なるように形成される。なおさらなる局面に従って、感応層が、該誘電体層の上に重なるように形成される。そして、本発明のなお追加の局面に従って、１つ以上の追加の材料の層が、該センサ構造に含まれ得る。
【００２２】
本発明の代替の実施形態に従った、シリコンの局所的な酸化（ＬＯＣＯＳ）プロセスは、デバイス分離を達成するために用いられる。これらの実施形態の様々な局面に従って、上記方法は、ＳＯＩウェーハを提供することと、上記デバイスの上記チャネル領域内のシリコンを所定の深さまで選択的にエッチングする（例えば、反応性イオンエッチングを用いる）ことと、該チャネル領域内に細孔または構造を形成することと、拡散マスク層を形成することと、該チャネル領域内のシリコンを消費するために、フィールド酸化膜を形成する（例えば、湿式酸化プロセスを用いる）ことと、該デバイスの一部分をドーピングすることと、基板の接触を形成することとを含む。これらの実施形態のさらなる局面に従って、化学的、生物学的および／または放射線に感応性のある材料が、該チャネル領域の上に重なるように形成される。なおさらなる局面に従って、誘電体層が、該チャネル領域の上に重なるように形成される。なおさらなる局面に従って、感応層が、該誘電体層の上に重なるように形成される。そして、本発明のなお追加の局面に従って、１つ以上の追加の材料の層が、該センサ構造に含まれ得る。
【００２３】
なおさらなる実施形態に従った、上記センサは、可撓性のセンサ技術を用いて形成される。
【００２４】
本発明のなおさらなる実施形態に従った、化学的、生物学的または放射性の化学種は、構造化されているかまたは多孔性のチャネル領域を有する、フルデプレート型の指数関数的結合ＦＥＴを用いて感知される。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサであって、該センサは、
基板と、
該基板の一部分の上に重なるように形成された絶縁体と、
該絶縁体の上に重なるように形成されたチャネルであって、該チャネル表面は、ナノ構造化されているかまたは細孔を含んでいる、チャネルと
を備え、
該センサは、感知された生物学的、化学的または放射性の化学種が、該電界効果型センサのチャネルのコンダクタンスにおける指数関数的な変化を引き起こすように、フルデプレート型モードで動作するように構成されている、
センサ。
（項目２）
前記基板、前記絶縁体および前記チャネルは、シリコンオンインシュレータ基板から形成される、生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目３）
前記チャネルの幅は、約１０オングストローム〜約１０ミリメートルに及んでいる、項目１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目４）
前記チャネルは、複数の構造を備えている、項目１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目５）
前記複数の構造のそれぞれの幅は、約１０オングストローム〜１０ミリメートルに変化する、項目４に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目６）
前記複数の構造は、異なる幅を有している、項目４に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目７）
前記チャネルの上に重なる誘電体材料の層をさらに備え、該誘電体の層は、連続的な層または離散的なアイランドのいずれかである、項目１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目８）
前記誘電体材料は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＯｘ、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＨｆＳｉＯ４、ＨｆＯｘ、ＴｉＯ２、ＴｉＯｘ、ａ−ＬａＡｌＯ３、ＳｒＴｉＯ３、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＳｉＯ４、ＢａＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＴｉＯ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＴｉＮ、ＣｅＯ２、ＢＺＴ、ＢＳＴ、ＰＶＰ−ポリ（４−ビニルフェノール）、ＰＳ−ポリスチレン、ＰＭＭＡ−ポリメチル−メタクリレート、ＰＶＡ−ポリビニルアルコール、ＰＶＣ−ポリ塩化ビニル、ＰＶＤＦ−フッ化ポリビニリデン、ＰαＭＳ−ポリ［α−メチルスチレン］、ＣＹＥＰＬ−シアノ−エチルプルラン、ＢＣＢ−ジビニルテトラメチルジシロキサン−ビス（ベンゾシクロブテン）、ＣＰＶＰ−Ｃｎ、ＣＰＳ−Ｃｎ、ＰＶＰ−ＣＬ、ＰＶＰ−ＣＰ、ポリｎｏｒｂ、ＧＲ、ナノＴｉＯ２、ＯＴＳ、Ｐｈｏ−ＯＴＳ、およびそれらの組み合わせから成るグループから選択された材料を備えている、項目７に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目９）
前記誘電体材料は、ＳｉＯ２を備えている、項目８に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目１０）
抗体センサ、爆発物材料センサ、たんぱく質センサ、生体分子センサ、ＤＮＡセンサ、ＤＮＡ交配センサ、毒ガスセンサ、神経作用物質センサ、マスタードガスセンサ、分子をインプリントされた表面から成るセンサおよびイオンセンサから成るグループから選択された材料を備える層をさらに備えている、項目１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目１１）
前記チャネルの上に重なる誘電体層と、該誘電体層の上に重なる材料の層とをさらに備え、該材料の層は、放射性、化学的および生物学的な化学種から成るグループから検出される標的化学種と相互作用し、該材料の層は、連続的な層または離散的なアイランドのいずれかである、項目１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目１２）
前記チャネルは、ｎチャネル構造であり、該チャネル表面への負電荷の付加は、反転チャネルのコンダクタンスの指数関数的な増大を引き起こす、項目１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目１３）
前記チャネルは、ｎチャネル構造であり、該チャネル表面への正電荷の付加は、反転チャネルのコンダクタンスの指数関数的な減少を引き起こす、項目１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目１４）
前記チャネルは、ｐチャネル構造であり、該チャネル表面への負電荷の付加は、反転チャネルのコンダクタンスの指数関数的な減少を引き起こす、項目１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目１５）
前記チャネルは、ｐチャネル構造であり、該チャネル表面への正電荷の付加は、反転チャネルのコンダクタンスの指数関数的な増大を引き起こす、項目１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目１６）
センサを動作させる方法であって、該方法は、
基板と、
該基板の一部分の上に重なるように形成された絶縁体と、
該絶縁体の上に重なるように形成された、ナノ構造化されているかまたは多孔性のチャネルと
を備えているセンサを提供するステップを包含し、
化学的、生物学的または放射性の化学種を含むことを疑われる雰囲気に該センサを曝露するステップと、
該化学的、生物学的または放射性の化学種の検出の際に、ドレーン電流の指数関数的な変化を測定するステップと
を包含する、方法。
（項目１７）
ソリッドステートセンサを形成する方法であって、該方法は、
基板を提供するステップと、
該基板の上に重なる絶縁体を形成するステップと、
該絶縁体の上に重なる多孔性のチャネル領域を形成するステップと
を包含する、方法。
（項目１８）
前記多孔性のチャネル領域の上に重なる、化学的、生物学的または放射性に感応性のある材料を形成するステップをさらに包含する、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
前記多孔性のチャネル領域の上に重なる誘電体層を形成するステップをさらに包含する、項目１７に記載の方法。
（項目２０）
前記誘電体層の上に重なる、化学的、生物学的または放射性に感応性のある材料を形成するステップをさらに包含する、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサであって、該センサは、
絶縁体と、
該絶縁体の上に重なるように形成されたチャネルであって、該チャネル表面は、ナノ構造化されているかまたは細孔を含んでいる、センサと
を備え、
該センサは、感知された生物学的、化学的または放射性の化学種が、該電界効果型センサのチャネルのコンダクタンスにおける指数関数的な変化を引き起こすように、フルデプレート型モードで動作するように構成され、
該チャネルは、ゲートバイアスを何ら必要とせずにフルデプレートされている、
センサ。
（項目２２）
前記チャネルは、基板材料なしで、ゲートバイアスを何ら必要とせずにフルデプレートされている、項目７に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目２３）
前記センサは、前記チャネルの上に重なる誘電体層をさらに備えている、項目２１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目２４）
前記センサは、前記チャネルの上に重なる誘電体層と、該誘電体層の上に重なる材料の層とをさらに備え、該材料の層は、放射性、化学的および生物学的な化学種から成るグループから検出される標的化学種と相互作用する、項目２１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
（項目２５）
前記基板は、可撓性の材料で作られる、項目１に記載の生物学的、化学的または放射性の化学種を検出するセンサ。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の様々な実施形態に従った、センサを例示する。
【図２】図２は、本発明の追加の実施形態に従った、センサを例示する。
【図３】図３は、本発明のなおさらなる実施形態に従った、センサを例示する。
【図４ａ】図４ａおよび図４ｂは、本発明の様々な実施形態に従った、細孔および構造を有するチャネル領域を例示する。
【図４ｂ】図４ａおよび図４ｂは、本発明の様々な実施形態に従った、細孔および構造を有するチャネル領域を例示する。
【図５】図５〜図６は、図３で例示されたセンサの動作を例示する。
【図６】図５〜図６は、図３で例示されたセンサの動作を例示する。
【図７】図７〜図１５は、本発明の様々な実施形態に従った、センサを形成する方法を例示する。
【図８】図７〜図１５は、本発明の様々な実施形態に従った、センサを形成する方法を例示する。
【図９】図７〜図１５は、本発明の様々な実施形態に従った、センサを形成する方法を例示する。
【図１０】図７〜図１５は、本発明の様々な実施形態に従った、センサを形成する方法を例示する。
【図１１】図７〜図１５は、本発明の様々な実施形態に従った、センサを形成する方法を例示する。
【図１２】図７〜図１５は、本発明の様々な実施形態に従った、センサを形成する方法を例示する。
【図１３】図７〜図１５は、本発明の様々な実施形態に従った、センサを形成する方法を例示する。
【図１４】図７〜図１５は、本発明の様々な実施形態に従った、センサを形成する方法を例示する。
【図１５】図７〜図１５は、本発明の様々な実施形態に従った、センサを形成する方法を例示する。
【００２６】
図内の要素は、単純さおよび明瞭さのために例示され、必ずしも正確な縮尺で図示されていない。図内の要素の一部の寸法は、本発明の実施形態についての理解を促進することに役立つように、他の要素に関して誇張され得る。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（詳細な説明）
本発明は、生物学的および化学的な化学種の検出用、および放射線検出用に改善されたソリッドステートセンサを提供する。特に、本発明は、多孔性または構造化されたチャネル領域を含む電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を提供し、該電界効果トランジスタは、フルデプレート型、指数関数的結合（ＦＤＥＣ）センサとして動作する。以下で非常に詳細に論じられるように、センサのしきい電圧またはチャネルのコンダクタンスは、感知された生物学的、化学的または放射性の化学種が検出されるときに操作され、チャネル電流の指数関数的な変化を引き起こす。
【００２８】
本発明のセンサのチャネル電流の指数関数的な変化は、典型的なＦＥＴセンサの変化に比べて逆方向であり、過剰の電子電荷または負電荷を有する化学種の検出の際に、ｎチャネル型デバイスにおいて増大する。そのような指数関数的な応答は、本発明のセンサを定性分析および定量分析に対してより敏感にする。
【００２９】
図１は、本発明の様々な実施形態に従った、センサ１００を例示する。センサ１００は、ベースまたは基板１０２と、絶縁体層１０４と、チャネル領域１０６と、ソース１０８と、ドレーン１１０と、接触１１２、１１４とを含む。以下でより詳細に論じられるように、本発明の例示的な実施形態の様々な局面に従った、チャネル領域１０６は、多孔性かつ／または構造化される。
【００３０】
動作において、センサ１００は、反転モードで動作し、ゲートまたはベース１０２をバイアスすることによって、反転電流がチャネル領域１０６で確立される。標的分子がセンサ１００の表面に結合するときに、反転しきい電圧は、界面欠陥準位に関係する二次容量性の電荷結合メカニズムによって変調されると考えられ、デバイス応答における指数関数的増大を結果としてもたらす。センサ表面上の標的化学種によって与えられた表面電荷に対する、デバイス応答のこの特有の指数関数的な結合が、フルデプレート型の指数関数的結合（ＦＤＥＣ）センサをもたらす。
【００３１】
本発明とは対照的に、従来技術は、ｎチャネルＦＥＴ表面への負電荷の付加が、反転チャネルのコンダクタンスの減少（すなわち、ドレーン電流の減少）を引き起こし、該表面への正電荷の付加が、反転チャネルのコンダクタンスの増大を引き起こし、そして、ｐチャネルＦＥＴにおいては、デバイス表面への負電荷の付加が、チャネルのコンダクタンスの増大（すなわち、ドレーン電流の増大）を引き起こし、該デバイス表面への正電荷の付加が、チャネルのコンダクタンスの減少を引き起こす態様におけるデバイス構造の変化によって、化学物質の感知に適用される反転ベースのＦＥＴデバイスを教示する。デバイス構造のそのような応答は、本発明のデバイスに対して逆方向である。上記のように、本発明の様々な実施形態に従って、本発明に従ったｎチャネル反転ベースのＦＥＴデバイス表面への負電荷の付加が、反転チャネルのコンダクタンスを増大させ、該表面への正電荷の付加が、反転チャネルのコンダクタンスを減少させる一方で、ｐチャネル反転ベースのデバイス表面への負電荷の付加が、反転チャネルのコンダクタンスを減少させ、該表面への正電荷の付加が、反転チャネルのコンダクタンスを増大させる。
【００３２】
ここでまた図１を参照すると、ベース１０２は、センサ１００の動作の間、ゲートとして作動する。ベース１０２は、任意の適切な材料から形成され得る。例としては、Ｇｅ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ，Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴａＴｉ、Ｒｕ、ＨｆＮ、ＴｉＮ、などのような金属および金属窒化物か、合金か、ＩＶ族（例えば、シリコン）、ＩＩＩ族−ＩＶ族（例えば、ヒ化ガリウム）およびＩＩ族−ＶＩ族（例えば、セレン化カドミウム）などの半導体か、金属半導体合金か、半金属か、またはＭＯＳＦＥＴゲートとして作動する任意の有機もしくは無機材料を含むが、これらに限定されない。
【００３３】
ベース１０２の厚さは、材料および用途に従って変化し得る。一例に従ったベース１０２は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ内の基板シリコンである。別の例において、ベース１０２は、可撓性の基板、例えば、Ｐｅｎｔａｃｅｎｅなどの有機物である。
【００３４】
絶縁体層１０４は、センサ１００の動作の間、ゲート絶縁体またはゲート誘電体として作用する。層１０４は、任意の適切な有機または無機の絶縁材料などの任意の適切な材料から形成され得る。例としては、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ハフニウム、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、ケイ酸ジルコニウム、酸化カルシウム、酸化タンタル、酸化ランタン、酸化チタン、酸化イットリウム、窒化チタン、などを含むが、これらに限定されない。層１０４に適する１つの例示的な材料は、ＳＯＩウェーハ内に埋め込まれた酸化膜層である。層１０４の厚さは、材料および用途に従って変化し得る。１つの特定の例として、層１０４は、約１ｎｍ〜１００ミクロンの厚さを有する酸化ケイ素であり、他の局面に従った層１０４は、１ｍｍ以上であり得る。
【００３５】
チャネル領域１０６は、典型的なＭＯＳ技術で用いられるような、結晶または非結晶の無機半導体材料などの様々な材料から形成され得る。例としては、シリコン、ゲルマニウム、ダイヤモンド、スズなどの元素半導体と、炭化ケイ素、シリコンゲルマニウム、ダイヤモンド、黒鉛などの化合物半導体と、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、ヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、リン化アルミニウム（ＡｌＰ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、リン化ホウ素（ＢＰ）、ヒ化ホウ素（ＢＡｓ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、塩化第一銅（ＣｕＣｌ）、セレン化鉛（ＰｂＳｅ）、硫化鉛（ＰｂＳ）、テルル化鉛（ＰｂＴｅ）、硫化スズ（ＳｎＳ）、テルル化スズ（ＳｎＴｅ）、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）、リン化カドミウム（Ｃｄ３Ｐ２）、ヒ化カドミウム（Ｃｄ３Ａｓ２）、アンチモン化カドミウム（Ｃｄ３Ｓｂ２）、リン化亜鉛（Ｚｎ３Ｐ２）、ヒ化亜鉛（Ｚｎ３Ａｓ２）、アンチモン化亜鉛（Ｚｎ３Ｓｂ２）などの二元の材料と、ヨウ化鉛（ＩＩ）（ＰｂＩ２）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）、硫化スズ（ＳｎＳ）、硫化ビスマス（Ｂｉ２Ｓ３）、ケイ化白金（ＰｔＳｉ）、ヨウ化ビスマス（ＩＩＩ）（ＢｉＩ３）、ヨウ化水銀（ＩＩ）（ＨｇＩ２）、臭化タリウム（Ｉ）（ＴｌＢｒ）、酸化亜鉛のような半導体酸化物、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化銅（Ｉ）（Ｃｕ２Ｏ）、酸化銅（ＩＩ）（ＣｕＯ）、二酸化ウラン（ＵＯ２）、三酸化ウラン（ＵＯ３）などの他の二元の材料と、ヒ化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ）、ヒ化インジウムアルミニウム（ＡｌＩｎＡｓ）、アンチモン化インジウムアルミニウム（ＡｌＩｎＳｂ）、窒化ガリウムヒ化物（ＧａＡｓＮ）、ガリウムヒ素リン（ＧａＡｓＰ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）、リン化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＰ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、ヒ化インジウムアンチモン化物（ＩｎＡｓＳｂ）、アンチモン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＳｂ）、カドミウムテルル化亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ、ＣＺＴ）、水銀テルル化カドミウム（ＨｇＣｄＴｅ）、水銀テルル化亜鉛（ＨｇＺｎＴｅ）、水銀セレン化亜鉛（ＨｇＺｎＳｅ）、鉛スズテルル化物（ＰｂＳｎＴｅ）、タリウムスズテルル化物（Ｔｌ２ＳｎＴｅ５）、タリウムゲルマニウムテルル化物（Ｔｌ２ＧｅＴｅ５）などの６．１Åの材料または三元の材料と、アルミニウムガリウムインジウムリン（ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＡｌＩｎＧａＰ）、アルミニウムガリウムヒ素リン（ＡｌＧａＡｓＰ）、インジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）、アルミニウムインジウムヒ素リン（ＡｌＩｎＡｓＰ）、窒化ガリウムアルミニウムヒ化物（ＡｌＧａＡｓＮ）、窒化インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓＮ）、窒化インジウムアルミニウムヒ化物（ＩｎＡｌＡｓＮ）、銅のインジウムガリウムセレン化物（ＣＩＧＳ）などの四元の材料と、あるいは窒化ガリウムインジウムヒ化物アンチモン化物（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ）のような五元の材料などを含むが、それらに限定されない。
【００３６】
チャネル領域１０６はまた、有機半導体材料から作られ得る。そのような材料の例としては、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、Ｒｕｂｒｅｎｅ、フタロシアニン、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）、ポリ（３−アルキルチオフェン）、α−ω−ヘキサチオフェン、Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ、α−ω−ジ−ヘキシルヘキサチオフェン、α−ω−ジヘキシルヘキサチオフェン、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）、ビス（ジチエノチオフェン）、α−ω−ジヘキシル−四チオフェン、ジヘキシル−アントラジチオフェン、ｎ−デカペンタフルオロヘプチルメチルナフタレン−１，４，５，８−テトラカルボキシルジイミド、α−ω−ジヘキシル−五チオフェン、Ｎ，Ｎ’−ジオクチル３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボキシル、ＣｕＰｃ、メタノフラーレン、［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）、Ｃ６０，３’，４’−ジブチル−５−５ビス（ジシアノメチレン）−５，５’−ジヒドロ−２，２’：５’，２’’テルチオフェン（ＤＣＭＴ）、ＰＴＣＤＩ−Ｃ５、Ｐ３ＨＴ、ポリ（３，３’’−ジアルキル−テルチオフェン）、Ｃ６０−縮合  Ｎ−メチルピロリジン−メタ−Ｃ１２フェニル（Ｃ６０ＭＣ１２）、チエノ［２，３−ｂ］チオフェン、ＰＶＴ、ＱＭ３Ｔ、ＤＦＨ−ｎＴ、ＤＦＨＣＯ−４ＴＣＯ、ＢＢＢ、ＦＴＴＴＴＦ、ＰＰｙ、ＤＰＩ−ＣＮ、ＮＴＣＤＩ、Ｆ８Ｔ２−ポリ［９，９’ジオクチルフルオレン−コ−バイチオフェン］、ＭＤＭＯ−ＰＰＶ−ポリ［２−メトキシ−５−（３，７−ジメチルオクチルオキシ）］−１，４−フェニレンビニレン、Ｐ３ＨＴ−ｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ  ポリ［３−ヘキシルチオフェン］、ＰＴＡＡ、ポリトリアリールアミン、ＰＶＴ−ポリ−［２，５−チエニレンビニレン］、ＤＨ−５Ｔ−α，ω−ジヘキシル五チオフェン、ＤＨ−６Ｔ−α，ω−ジヘキシル六チオフェン、フタロシアニン、α−６Ｔ−α−六チオフェン、ＮＤＩ、ナフタレンジイミド、Ｆ１６ＣｕＰｃ−ペルフルオロ銅フタロシアニン、ペリレン、ＰＴＣＤＡ−３，４，９，１０−ペリレン−テトラカルボキシルジ無水物およびその誘導体、ＰＤＩ−Ｎ，Ｎ’−ジメチル３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボキシルジイミドなどを含むが、それらに限定されない。
【００３７】
領域１０６の厚さは、材料および用途に従って変化し得る。１つの特定の例として、領域は、約１０オングストローム〜約１０ミリメートルの厚さを有する。
【００３８】
上記のように、本発明の様々な実施形態に従った、チャネル領域１０６は、デバイス感度を増大させるために、細孔および／または構造を含む。
【００３９】
図４ａおよび図４ｂは、そのような構造および細孔の様々な例を示している。チャネル領域１０６は、領域の厚さ全体にわたって構造または細孔を含み得るか、あるいは構造および／または細孔は、領域１０６の上部表面４０２上に形成され得る。本発明の様々な例に従った、領域１０６の上部表面４０２が、ミクロ細孔、メソ細孔、ナノ細孔またはマクロ細孔４０４を含み、すなわち、細孔の直径のサイズは、約３Å〜１００ミクロン、または約１０Å〜約１０ｍｍに及び得る。本発明の追加の実施形態に従った、チャネル領域１０６は、ナノ構造またはミクロ構造などの構造４０６〜４０８を含み、約３Å〜約１００ミクロンに及ぶ寸法を有する。構造は、例えば、四角形、円形、三角形、六角形、任意の適切な断面のナノスケールまたはミクロスケールの支柱を含み得る。構造はまた、レリーフ（ｒｅｌｉｅｆ）またはリセス（ｒｅｃｅｓｓ）４１０内のナノパターンまたはミクロパターンに重ね合わされたミクロ細孔またはメソ細孔またはナノ細孔の構造を含み得る。
【００４０】
以下でより詳細に論じられるように、細孔および／または構造は、電子ビームリソグラフィ、パターニング、テンプレートベースの選択的エッチング、電気化学エッチング、ステイン（ｓｔａｉｎ）エッチング、シリコンのＣＶＤ堆積、溶融状態インプリンティング（ｉｍｐｒｉｎｔｉｎｇ）、レーザエッチング、イオンエッチング、粒子エッチング、ｅビームエッチング、化学増強型レーザアブレーション、または任意の他の構造化技術などの様々な技術を用いて形成され得ることにより、十字形パターン、線パターン、支柱、任意の他のパターン、あるいは多孔性構造またはこれらのパターンのいずれかに重なり合った多孔性構造を形成し、該多孔性構造は、デバイス表面の正味の表面積を増大させる様態で作用し、領域１０６の材料は、本質的に連続で、かつ結晶性のままであり、従って、界面準位との相互作用を増大させる。
【００４１】
センサ１００の動作の間に、反転チャネル１１６が、ベース１０２で電圧バイアスを制御することによって、チャネル領域１０６／絶縁体層１０４の界面で形成される。あるいは、反転チャネル１１６が、ベース１０２上のバイアスなしにチャネル領域１０６において形成され得、そのことは、チャネル領域１０６のドーピングと、領域１０６の厚さと、他のそのような変数と、チャネル１０６境界における固定の酸化膜電荷密度および界面トラップ準位密度とに依存する。チャネル領域１０６の厚さは、材料とそのドーピング密度とに依存して、約１ｎｍ〜約１０ミクロンであり得る。
【００４２】
チャネル領域１０６において反転チャネルを取得するためにベース１０２をバイアスするときには、チャネル領域１０６の厚さ（ｔ）は、チャネル領域１０６と絶縁体１０４との界面で反転チャネルが形成される前に、チャネル領域１０６の厚さ全体がフルデプレート型であるように、反転におけるデプレション幅に対しては、次の式で例示されるようにあるべきである。
【００４３】
【数１】
2015127709.tif 000003
ここで、
ｋは、半導体の比誘電率であり、
ε０は、自由空間の誘電率であり、
ｑは、電子電荷であり、
ＮＡ／Ｂは、ドナー／アクセプタの密度であり、
ΦＦは、半導体内のフェルミ準位と真性準位との間の電位差である。
【００４４】
１つの場合において、上記の式は、本発明の一例のデバイスにおいて適切であるように、チャネル領域１０６の厚さ（ｔ）を規定し、チャネル領域１０６の厚さ（ｔ）は、所与の半導体材料のフルデプレション幅（ｗ）未満である。
【００４５】
例えば、シリコン薄膜であるチャネル領域１０６の場合において、ドーピング密度が１Ｅ１７である場合には、チャネル領域１０６の厚さは、約２００ｎｍ未満であるべきである。ドーピング密度が１Ｅ１４である場合には、層の厚さは、約４ミクロン未満である。別の様態で述べると、反転層１１６の厚さは、チャネル領域１０６内の所与のドーピング密度に対するデプレション層の幅未満である。
【００４６】
チャネル領域１０６は、ｎチャネルデバイスとｐチャネルデバイスとに対応して、それぞれｐ型またはｎ型にドーピングされ得る。上記の式は、特別なデルタドーピングプロファイルを有しないか、またはチャネル領域のコンダクタンス、反転しきい値などを変調するために用いられる同様な他の特別なステップを有しないチャネル領域１０６の場合に対応している。チャネル領域１０６内でデルタドーピングなどを使用する場合においては、チャネル領域１０６の分析および厚さは、状況に応じて変化する。
【００４７】
１つの例示的なチャネル領域１０６は、１Ｅ１５にドーピングされた、厚さが約１００ｎｍのｐ型シリコン層を含む。反転層は、ベース１０２をバイアスすることによって、このシリコン薄膜内のシリコンと埋め込まれた酸化膜との界面で形成される。
【００４８】
ソースドーピング領域１０８およびドレーンドーピング領域１１０は、公知のドーピング技術を用いてチャネル領域１０６のいずれかの側に形成される。一例に従った、ソースおよびドレーンの領域は、１Ｅ１９でリンをドーピングされたｐ型シリコン内に形成されたＮ＋＋領域である。
【００４９】
図２は、本発明の追加の例示的な実施形態に従った、別のセンサ２００を示している。センサ２００は、センサ２００が追加の誘電体層２０２を含むことを除けば、センサ１００に類似している。誘電体層２０２に適する例示的な材料は、ゲート誘電体材料として作用する無機誘電体材料を含む。例としては、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＯｘ、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＨｆＳｉＯ４、ＨｆＯｘ、ＴｉＯ２、ＴｉＯｘ、ａ−ＬａＡｌＯ３、ＳｒＴｉＯ３、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＳｉＯ４、ＢａＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＴｉＯ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＴｉＮ、ＣｅＯ２、ＢＺＴ、ＢＳＴ、またはこれらの積層または混合された組成物および／またはそのような他のゲート誘電体材料（１つ以上）を含むが、それらに限定されない。
【００５０】
誘電体層２０２は、追加的または代替的に有機ゲート誘電体材料を含み得る。有機材料の例としては、ＰＶＰ−ポリ（４−ビニルフェノール）、ＰＳ−ポリスチレン、ＰＭＭＡ−ポリメチル−メタクリレート、ＰＶＡ−ポリビニルアルコール、ＰＶＣ−ポリ塩化ビニル、ＰＶＤＦ−フッ化ポリビニリデン、ＰαＭＳ−ポリ［α−メチルスチレン］、ＣＹＥＰＬ−シアノ−エチルプルラン、ＢＣＢ−ジビニルテトラメチルジシロキサン−ビス（ベンゾシクロブテン）、ＣＰＶＰ−Ｃｎ、ＣＰＳ−Ｃｎ、ＰＶＰ−ＣＬ、ＰＶＰ−ＣＰ、ポリｎｏｒｂ、ＧＲ、ナノＴｉＯ２、ＯＴＳ、Ｐｈｏ−ＯＴＳ、これらの様々な自己組織集合型の単層または多層、あるいはこれらの積層または混合された組成物、およびそのような他の有機ゲート誘電体材料を含むが、それらに限定されない。
【００５１】
誘電体層２０２はまた、真性半導体材料または低度にドーピングされた半導体材料からの材料であり得、低密度の電荷キャリアと低いキャリア移動度とによって、実際は半絶縁である。
【００５２】
本発明の様々な実施形態の例示的な局面に従った、誘電体層２０２の処理および製作は、層２０２とチャネル領域１０６との界面の界面準位密度レベルおよび他のそのような欠陥準位が「最適化される」ように、制御された様態で行われる。例えば、Ｓｉ［１１１］−ＳｉＯ２界面の使用は、Ｓｉ［１００］−ＳｉＯ２界面に比べてより大きな界面準位密度を作り出す。トラップの最適化は、必ずしも界面準位密度レベルの最大化を意味していないが、結果としてもたらされるセンサ信号を操作したり、最大化したりするために、その界面における界面準位密度の用途に特有の制御を意味している。１つの場合において、誘電体層２０２の材料は、同時に誘電体層と化学物質感応層との両方として作用する材料であるように選択される。この例は、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）をゲート誘電体として使用することであり、酸化イットリウムは、硫黄マスタードガスを感知するために用いられ得る。なぜならば、Ｙ２Ｏ３がマスタードガスと反応するからである。
【００５３】
層２０２の厚さは、用途によって変化し得、一般的に、約２オングストロームと１００ｎｍとの間にある。
【００５４】
図３は、本発明の追加の実施形態に従った、別のセンサ３００を例示する。センサ３００は、センサ３００が追加の層３０２を含むことを除けば、センサ２００に類似しており、追加の層３０２は、生物学的物質、化学的物質および／または放射性物質に敏感である。
【００５５】
層３０２は、環境内の、例えば、気相または液相の化学種に対して感応するように設計される。層３０２はまた、放射線に感応するように選択され得、放射線感応性デバイスとして適用される。
【００５６】
層３０２は、実際は、有機材料、無機材料、伝導材料、絶縁材料、半導体材料または金属材料であり得、そして任意の適切な材料を含み得る。層３０２の厚さは、概して、約１オングストローム〜約１０００ナノメートルであり得る。層３０２に対する１つの例示的な材料は、アミン分子、ピペリジンを検出するために用いられ得る亜鉛ポルフィリン分子の単層である。
【００５７】
層３０２は、連続的な層、様々なサイズの粒子、材料の離散的なアイランド、略連続的な層、異なる材料の層の積層、これらの構造の組み合わせ、などの形態であり得、様々な生物学的、化学的および／または放射性の化学種と選択的に相互作用するように作用する。本発明の追加の実施形態に従った、さらなる層は、連続的、略連続的、離散的なアイランド、または粒子であり得、チャネル領域１０６と誘電体層２０２との界面における界面トラップ密度の電荷の容量性結合を増大させ、そして反転層１１６をチャネル領域１０６内に形成するために、層３０２上に追加され得る。
【００５８】
層３０２に適する特定の例示的な材料は以下を含む。
【００５９】
抗体：特定の有機分子または無機分子または生体分子を結合している抗原は、抗体（１つ以上）または抗原（１つ以上）の生体分子で被覆されたデバイスを用いて、高感度かつ選択的に検出され得る。例えば、ビオチン層を含むセンサは、アビジン分子およびストレプトアビジン分子を検出するために用いられ得る。
【００６０】
爆発物センサ：ＴＡＴＰなどの過酸化物の爆発物は、酸性の過酸化物が酸性基の存在で解離する傾向があるので、表面に酸性基仕上げを有するセンサデバイスか、またはＺｎ２＋、Ｉｎ３＋、Ｓｂ３＋、Ｓｃ３＋、Ｔｉ４＋などの金属イオン物質によって被覆されたデバイスを用いて検出され得る。ニトロ化合物ベースの爆発物は、活性化されたニトロ基と選択的に反応する様々な誘電体材料によって被覆されたデバイスを用いて検出され得る。
【００６１】
ＤＮＡセンサ：塩基対の任意の長さの、単一のらせん構造化されたＤＮＡオリゴマーのアレイが、デバイスの表面に付着され、層３０２として用いられ得る。この場合において、デバイス３００は、デバイス表面上のＤＮＡ交配を介して、対応する相補のＤＮＡらせん構造を検出するために用いられ得る。そのようなＤＮＡらせん構造（用途に依存して、単一または二重のらせん構造）のアレイによって被覆されたデバイス３００は、標的ＤＮＡの識別か、あるいは特定のイオンまたは有機分子、生体分子、ウイルスまたはバクテリアなどの検出のために用いられ得る。ＤＮＡオリゴマーの所定のアレイによって仕上げられたデバイスの大型のアレイが、ＤＮＡの配列を決定する用途に用いられ得る。
【００６２】
神経作用物質センサ：ジアゾ基（例えば、３，５−ジクロロフェニルジアゾメタンまたはそのフェニル基誘導体）は、メチルホスホン酸（ＭＰＡ）の存在を検出するために層３０２として用いられ得、メチルホスホン酸は、すべての神経作用物質の大気による加水分解の生成物であり、従って、環境内の神経作用物質の存在を選択的な様態で検出し得る。あるいは、層３０２は、有機分子上のＣｕ＋＋陽イオン仕上げを含み得、センサ３００は、神経作用物質の高感度測定に対して用いられ得る。
【００６３】
メタロポルフィリンアレイセンサ：所定の、特定の有機分子（例えば、メタロポルフィリン）の単層および多層の選択されたアレイはまた、感度および選択性を変えることによって、様々なガス内の有機蒸気または溶液内のイオンを検出するために、層３０２として用いられ得る。
【００６４】
マスタードガスセンサ：層３０２は、グアニンで仕上げられたＤＮＡオリゴマーを含むことにより、硫黄マスタードガスを感知し得る。あるいは、層３０２は、Ｙ２Ｏ３のナノ結晶を含むことにより、マスタードガスを検出し得る。
【００６５】
分子をインプリントされた（ｉｍｐｒｉｎｔｅｄ）表面：層３０２は、「分子をインプリントされた」分子または単層または多層または薄膜またはポリマーマトリックスを含み得、特定の所定の標的分子と結合することにより、高度に選択的なセンサを実現する。縮図（Ｅｐｉｔｏｍｅ）（たんぱく質のような大型の分子の特定の部分）ベースのアプローチを用いることによって、モノマー内のより小さい縮図の分子インプリント−クロスリンカーマトリックスが用いられ、たんぱく質のようなより大きい分子、ＤＮＡおよび他の生体分子が、選択された結合によって縮図の部位で検出される。
【００６６】
イオンセンサ：層３０２は、高選択性および高感度を有する、溶液内のイオンを感知するために用いられ得る特定の有機分子または無機の薄膜を含み得る。例えば、尿素（Ｎ，Ｎ’’−（９，１０−ジヒドロ−９，１０−ジオキソ−１，２−アントラセンジイル）ビス［Ｎ’−フェニル］の薄膜（例えば、最高で約３つまでの単層から成る多層）は、フッ化物イオンを高い選択性をもって検出するために用いられ得る。
【００６７】
領域１０６内の細孔および／または構造を形成することは、センサの活性領域の表面積を増大させるだけでなく、表面４０２上の表面グループ密度または電荷密度に対するチャネル領域１０６−誘電体層２０２界面における界面準位密度の比率を増大させる。この概念は、図５に例示される。層３０２の表面で検体分子Ｍが結合すると、標的化学種Ｍの影響する電位場／電場内に入る界面準位５０２の数は、表面がナノ構造化される場合の方が、表面が平面である場合よりも大きい。これは、感応層３０２表面または誘電体層２０２表面における電荷の変化に対するチャネル領域１０６−誘電体層２０２界面における界面準位の占有および密度の変調を最適化するかまたは最大化するために行われる。
【００６８】
チャネル領域１０６−誘電体層２０２界面の界面準位占有の変調は、次いで、チャネル領域１０６−絶縁体１０４界面でチャネル領域１０６の化学的電位を変化させ、フルデプレートされた半導体チャネルにおいて、チャネル１０６−絶縁体１０４界面でチャネル１０６内に形成された反転チャネルのしきい電圧の変化を引き起こす。チャネル１０６−誘電体２０２界面における界面トラップの占有の変調を引き起こし、次いで、チャネル１０６内に形成された反転チャネルのしきい電圧を変化させる、この化学種Ｍの電場による間接的結合は、フルデプレート型の指数関数的結合（ＦＤＥＣ）効果と呼ばれ、動作原理としてこの効果を用いる任意のセンサは、ＦＤＥＣセンサと呼ばれる。
【００６９】
デバイス構造の別の場合においては、同じ反転チャネルのコンダクタンスの変調が、界面準位占有の変調によってではなく、デバイス表面での化学成分の結合に起因する絶縁体２０２内またはチャネル１０６内のトラップ電荷または不純物ドーピングの変調と、同様な他の電荷中心の変調とによって達成され得る。
【００７０】
図６は、デバイスの応答を例示しており、化学種（ピペリジン分子）が層３０２（例えば、亜鉛ポルフィリン分子の単層）に提供する電子の付加は、誘電体層２０２（例えば、自然の酸化ケイ素）の表面で電子電荷の増大を引き起こし、次いで、電子反転チャネル１１６のしきい電圧の減少に起因して、チャネル１０６（例えば、シリコン）内の電子反転チャネルのコンダクタンスを増大させる（すなわち、ドレーン電流が増大する）。例示された例においては、ｎチャネルデバイスが、０．６ＰＰＢのピペリジン分子に曝露される場合の５００ｎｍデバイスのデバイスドレーン電流の増大（線６０２）は、単に不活性ガスが導入された対照実験（線６０４）と比較して、デバイスを高感度のセンサとして確立する。
【００７１】
ここでまた図２〜図３を参照すると、本発明の様々な追加の実施形態に従って、１つ以上の層が、チャネル領域１０６と誘電体層２０２との間に導入され得る。これらの層の性質は、絶縁性、半絶縁性、半伝導性または半金属性であり得る。これの一例としては、チャネル領域１０６と誘電体層２０２との間、または代替として、チャネル領域１０６−誘電体層２０２界面と絶縁体１０４−チャネル領域１０６界面との間にはさまれた、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さを有するゲルマニウムの薄い層を用いることである。この例における積層は、Ｓｉ（チャネル領域１０６）、Ｇｅ（特別な層）および酸化膜（誘電体層２０２）、またはＳｉ（チャネル領域１０６）、Ｇｅ（特別な層）、Ｓｉ（別の特別な層）および酸化膜（誘電体層２０２）であり得る。同一の様態において、異なる材料の層の積層が、チャネル領域１０６と誘電体層２０２との間に用いられ得る。これらの特別な層は、センサ信号の効率を増大させることか、または特定のセンサ用途に対して所望され得る。積層構造のこれらの例のすべてにおいて、上記の５層構造（図３に例示される）と同様に、ｎチャネル反転ベースのＦＥＴデバイス（電子が反転チャネル内のキャリアである）表面への負電荷の付加が、反転チャネルのコンダクタンスを増大させ、該表面への正電荷の付加が、反転チャネルのコンダクタンスを減少させる一方で、ｐチャネル反転ベースのデバイス（ホールが反転チャネル内のキャリアである）表面への負電荷の付加が、反転チャネルのコンダクタンスを減少させ、該表面への正電荷の付加が、反転チャネルのコンダクタンスを増大させる。
【００７２】
特定の例の製作：
本発明の一実施形態に従った、デバイスの製作が、図７〜図１４に例示される。例示されたプロセスは、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）の反転モードＦＥＴデバイスを用いる、図３に例示されたデバイス３００を形成するために用いられ得、ここで、ベース１０２は、ＳＯＩウェーハの基板シリコンであり、絶縁体１０４は、ＳＯＩウェーハの埋め込み酸化膜層であり、チャネル領域１０６は、絶縁体層の上の多孔性または構造化されたシリコンであり、誘電体層２０２は、自然の酸化膜層であり、そして感応層３０２は、環境内の特定の標的分子を結合させる化学物質感応層（ここでは、亜鉛ポルフィリン分子の単層）である。例示的なプロセスの流れは、標準のｎＭＯＳプロセス技術を用いる、ｎチャネル、ｐ型バルク、シリコンオンインシュレータのウェーハ用である。製作は、様々なデバイス層に対して選択された材料、センサデバイスを実現するために選択されたプロセス技術のステップなどに依存して、様々な様態で行われ得ることが認識されるであろう。
【００７３】
図７は、デバイス３００の製作に適するスタート材料の構造７００を例示する。構造７００は、ホウ素をドーピング（１０１５ｃｍ３）した抵抗率が約２０オームセンチメートルのｐ型ＳＯＩウェーハであり、注入酸素による分離（ＳＩＭＯＸ）プロセスを用いて作り出される。例示的なウェーハは、ＩＢＩＳ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから取得され得る。上部のシリコン薄膜層７０２の最初の厚さは、約１００ｎｍ超であり、イオンを注入した、厚さが約４００ｎｍの埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）層７０４が下にある。上部のシリコン薄膜７０２は、拡散炉で約４５分間、約１０５０℃の湿式酸化を用いて約１００ｎｍまで薄くされ、その結果として、少数キャリア電子のデバイ長未満である（図８に例示された層８０２）。プラズマ増強型の化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）が、酸化膜（層８０４）厚さを増大させるためにさらに実行される。以下で論じられるように、酸化膜層８０４はまた、その後の処理におけるＮ＋リンのドーピングに対する効果的なマスクとして用いられる。次いで、ポジ型フォトレジストＯＣＧ８２５が、約４０００ｒｐｍで約３０秒間スピンコートされて、約１０００Åの厚さを有するフォトレジスト層を作り出す。レジストは、約８０℃で約１５分間ソフトベークされる。ＵＶマスクアライナが、リンのドーピング用のソース、ドレーンウィンドウを開けるように設計されたｎ井戸マスクを通して約２０秒間レジストを露光するために用いられる。露光されたウェーハは、約３０秒間ＯＣＧ９４５現像剤で現像され、その後、ＤＩ水リンスが続く。レジストは次いで、約１１５℃で約１５分間ハードベークされる。ハードベークされたレジストは、約３０分間の長さであり得る、バッファード酸化膜エッチング（ＢＯＥ）溶解の間に基板を保護する。バッファード酸化膜エッチング（ＢＯＥ）は、約１０分間、上部の酸化膜をエッチングするために用いられて、図９で例示されるように、酸化膜９０６が残る状態で、ソースのドーピングウィンドウ９０２、ドレーンのドーピングウィンドウ９０４を開ける。フォトレジストは次いで、Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ２０００ストリッパー溶液を約１００℃で約２０分間、用いて取り除かれる。シリコン上の曝露された井戸領域のリンドーピングが、固体ソース（ｓｏｌｉｄ  ｓｏｕｒｃｅ）拡散炉において約９５０℃で約３０分間、実行される。約９５０℃で約３０分間の拡散は、約１０１９ｃｍ−３のリンのドーピング密度と、約０．０１オームセンチメートルの抵抗率とを有する１ミクロンオーダーのＮ＋接合深さをもたらす。次いで、マスキング酸化膜が、ウェーハを約１５分間ＢＯＥに浸すことによって除去され、図１０に例示されるドーピング領域１００２、１００４と、シリコン領域１００６とを有する構造１０００が結果としてもたらされる。
【００７４】
このプロセスの流れにおいて、デバイス分離は、プラズマエッチングによってデバイスの物理的分離によって達成される。一方では、ＬＯＣＯＳまたは他の適切なプロセスが、デバイス分離に対して代わりに用いられ得る。
【００７５】
ここで図１１を参照すると、シリコンの選択的エッチングは、ＳＦ６のエッチング化学作用を用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）システムで実行される。ウェーハまたは基板は、ＯＣＧ８２５フォトレジストによってスピンコートされ、ソフトベークされる。ウェーハは、整列マークをガイドとして用いて、反応性マスクによってパターン化され、その後、ＯＣＧ９４５現像剤内のフォトレジスト現像が続く。パターン化されたフォトレジストは、シリコンのプラズマエッチングに対してはハードベークされない。シリコンは、５０ワットのＲＦパワーを約１分間印加する状態で、ＳＦ６ベースのガスの化学作用（２０ミリバールの圧力の４ｓｃｃｍのＳＦ６ガスフロー）を用いて選択的にエッチングされる。これらの条件下のシリコンのエッチング速度は、１分あたり約２０００Åである。フォトレジストは次いで、Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ２０００ストリッパー溶液を用いて取り除かれる。これは、構造１１００を結果としてもたらし、構造１１００は、ソース領域１００２およびドレーン領域１００４をいずれかの側に有する、埋め込み酸化膜７０４上の分離されたシリコンのメサ１１０２を含んでいる。
【００７６】
シリコンメサ１１０２の表面は、次いで、ＰＭＭＡ  ｅビームレジストで被覆され、図１２に例示するように、デバイス表面のアクティブな領域上の構造１２０２〜１２０６を含む構造１２００を取得するために、ｅビームリソグラフィによってパターン化される。ソース−ドレーン領域は、状況に応じてパターニングからは除外され得る。なぜならば、それは、オーム性接触がソースおよびドレーンとともに形成されさえすれば必要ないからである。あるいは、ソース−ドレーン領域は、選択されたプロセスのステップに依存して、金属接触によってマスキングされ得る。露光されるパターンは、１０ｎｍと同じほどに小さい寸法を有する（１００ｎｍ以上と同じほどに大きくあり得る）連続的なフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅ）が、例えば、十字形、直線、支柱パターン、または任意の他の所望のパターンで取得されるようにデザインされる。パターン化されたシリコン構造のＲＩＥエッチングが次いで、数十ナノメートルの深さ（数百ナノメートルまでに及び得る）を取得するために実行されて、任意の所望のデザインの三次元で、構造化された（例えば、ナノ構造化）パターンを実現する。この表面は、用途の要件に依存して、さらに処理され得ることにより、数十ナノメートル〜数ナノメートル未満の範囲の直径で、かつ数十ナノメートルまたは数百ナノメートルまでの深さの重ね合わされた細孔（例えば、ナノ細孔）を取得する。同じことはまた、マクロ多孔性構造にミクロおよびメソの細孔構造を重ね合わせることによって達成される。
【００７７】
本発明の様々な実施形態に従った、デバイス３００の活性領域１０６（ソース−ドレーン領域を除外する）の表面が、多孔性にされるかまたは構造化される一方で、処理の後でさえもシリコンチャネルのすべてにわたってシリコンの結晶性を維持する。これは、標的分子結合あたりの界面トラップ密度を増大させるように作用し、従って、上部の界面における電荷の変調、そして反転しきい電圧のより大きな変調を結果としてもたらす。多種多様なオキシダントベースの湿式エッチング条件（例えば、水性および有機溶媒のＨＦ溶液を用いる技術）は、その一部が照明技術とともに用いられ得る。有孔率、細孔寸法、製作方法、陽極処理用の電気的接触形成の方法などは、センサの特定の用途によって決定される。上部のシリコン活性領域（電気的接触形成の後）の陽極処理（エタノール内の５０％ＨＦ溶液による、１平方センチメートルあたり数十ミリアンペアで、数分〜数十分間の期間）は、ホウ素ドーピングしたシリコン上のメソ多孔性の構造を作り出す。同様に、エッチングの条件を変えることなどによって、センサの用途に応じて、ミクロ多孔性、ナノ多孔性およびマクロ多孔性のシリコンデバイス表面が達成され得る。細孔および／または構造を実現する他の公知の技術（例えば、テンプレートベースの選択的エッチング、電気化学エッチング、シリコンのＣＶＤ堆積、溶融状態インプリンティング、レーザエッチング、イオンエッチング、粒子エッチング、ｅビームエッチングまたは化学増強型レーザアブレーション）が、代わりに用いられ得る。
【００７８】
本発明の一実施形態に従った、シリコンチャネル１１０２は、埋め込み酸化膜に至るまで完全にエッチングされない。これは、多孔性／構造化チャネル−埋め込み酸化膜界面でよりよい電気的特性および機械的特性を提供し、かつ電界効果型センサのよりよいターンオン特性を取得するために行われる。この例においては、埋め込み酸化膜がイオン注入によって形成されるので、シリコン−埋め込み酸化膜接合は、機械的に強くないことがあり得る。シリコンチャネルのオーバーエッチングは、ナノワイヤのアンダーカットをもたらし得る。従って、シリコンの非常に薄い層（例えば、約２５ｎｍ〜約３０ｎｍ）が、望ましくは絶縁体の上に重なったままの状態であり得る。
【００７９】
基板７０６への接触が、埋め込み酸化膜層７０４を貫く十分なエッチングを用いて形成されることにより、基板７０６との電気的接触を可能にする。この基板接触は、ボンディングおよびプロービングを容易にすることを可能にする。接触を形成するために、ウェーハは、ＯＣＧ８２５レジストによってスピンコートされ、接触ホールを開けるために、光学アライナによってパターン化される。レジストは現像され、約１１５℃で約１５分間ハードベークされる。ＢＯＥ内の埋め込み酸化膜のエッチング速度は、１分あたり約６００Åである。４０００Åの埋め込み酸化膜は、わずかなオーバーエッチングを考慮して、１５分間ＢＯＥでエッチングされる。Ｓｉ／ＳｉＯ２界面が、鋭利ではなくなだらかなので、オーバーエッチングが実行され、基板との良好な電気的接触を作るために、構造は、１分間ＣＦ４プラズマを用いてＲＩＥにおいてさらにエッチングされる。ＣＦ４は、ＳｉとＳｉＯ２との両方をエッチングし、従って、シリコン基板との金属の良好な接触を可能にする。用いられたＲＩＥプロセス処方は、５０ワットの印加されたＲＦパワーとともに５０ミリバールの圧力で５０ｓｃｃｍのＣＦ４である。フォトレジストは次いで、Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ２０００溶液で取り除かれ、トレンチ１３０２を含む構造１３００が結果としてもたらされる。
【００８０】
金属接触を形成するために、ウェーハは、ＯＣＧ８２５レジストによってスピンコートされ、８０℃でソフトベークされる。ウェーハは、光学アライナを用いて金属マスクによってパターン化され、現像される。２５００Åの金が、曝露されたウィンドウ上で堆積されて、ソース領域１４０２、ドレーン領域１４０４とのオーム性接触と、基板７０６への接触１４０６とを作る。より厚い金の金属層を取得するために、ＡＺ４３３０レジストが用いられる。金の堆積の後に、ｅビームまたは熱的蒸発ツールを用いて、除去が、３０分間５０℃のアセトンで実行される。デバイス表面は次いで、１５秒間バッファード酸化膜エッチング（ＢＯＥ）で処理され、厚さ２ｎｍの新しい酸化膜が、過酸化水素溶液に３０分間浸すことによって、シリコン表面上に成長させられる。これはまた、ＰＥＣＶＤ酸化膜の堆積または特定の条件における湿式酸化膜の成長によって達成され得る。
【００８１】
最後に、デバイスの表面は、特定の標的分子を感知するようにあらかじめ決定されている化学物質感応層（例えば、図１５に例示された層１５０２）で被覆される。化学物質感応層の表面被覆は、任意のプロセス技術によって達成され得る。これの例としては、正に帯電した中心金属原子でアミン分子の結合に感応性がある金属ポルフィリン単層（Ｌａｎｇｍｕｉｒ  Ｂｌｏｄｇｅｔｔあるいは共有結合または接触インプリントまたは同様な技術による）を有するデバイス表面の被覆である。
【００８２】
本発明は、添付された図面の関連において本明細書中に記載されたが、本発明が、示された特定の形態に限定されないことは認識されるべきである。例えば、センサデバイスの構造は、シリコン基板に関連して便宜的に上記されたが、一方で本発明はそれに限定されない。本発明の構造は、代わりの基板上で追加的または代替的に形成され得る。さらに、デバイスの一部だけが特定の層とともに例示されたが、本発明のデバイスおよび構造は、例示されない追加の層を含み得る。本明細書中に記載された方法および装置の設計および配置における様々な他の修正、変更および改良が、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の精神および範囲から逸脱することなく行われ得る。
【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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