(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛を含む第１の半導体酸化物材料層と、
前記第１の半導体酸化物材料層上に形成された第２の半導体酸化物材料層であって、二次元電子ガスが前記第１および第２の材料間の界面に生成されるように形成された、酸化亜鉛を含む第２の半導体酸化物材料層と、
シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンのいずれかを含む、外面上の保護層と、
を含むセンサ構造を有し、さらに、
ソース接点と、
ドレイン接点と、
を含むことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の半導体デバイスにおいて、
前記第１および第２の層の少なくとも一方が、さらにＭｇＺｎＯ，ＣｄＺｎＯまたはＭｇＣｄＺｎＯの酸化亜鉛合金層を含むことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項３】
請求項１記載の半導体デバイスにおいて、
前記デバイスは、さらに酸化亜鉛で構成される第３の層を含むことを特徴とする半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
半導体デバイスにはトランジスタが含まれている。トランジスタにおいては入力信号に応じてそのトランジスタを流れる電流が変調される。トランジスタの種類の一例として電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）がある。ＦＥＴにおいては入力信号に応じてチャネル特性が変化する。入力信号はキャリア濃度やキャリアタイプなどのチャネル特性に影響を及ぼす。入力信号がチャネル特性に影響を及ぼすことにより、チャネルを流れる電流が変調され、それによりトランジスタを流れる電流が変調される。通常、このようなトランジスタはチャネルに接続されたソースおよびドレインを備えている。チャネルを変調するための入力信号はゲートから受信される。
【０００２】
ヘテロ構造ＦＥＴ（ＨＦＥＴ）とは２種類以上の異種の半導体材料から作製される。したがってこのＦＥＴは同種構造ではなく「異種」構造のＦＥＴである。酸化亜鉛（ＺｎＯ）の使用によりセンサにおいて有力な可能性が拓ける。酸化亜鉛は周囲環境と反応する性質を有している。ＨＦＥＴのチャネルのキャリア濃度を周囲環境により調整することで、酸化亜鉛を「化学ゲート」として機能させることができる。
【０００３】
【非特許文献１】Oliver Schmidt et.al, “Evidence for an electrically conducting layer at the native zinc oxide surface”,Jpn.J.Appl.Phys.Part1, Vol.44,7271-7274 (2005)
【非特許文献２】Oliver Schmidt et.al, “Analysis of a Conducting Channel at the Native Zinc Oxide Surface”, Superlattices and Microstructures, 39 (2006) 8-16
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、剥き出しの酸化亜鉛表面には安定性の問題があり、通常の気体または液体センサの動作環境に耐えることが困難である。さらに、亜鉛が表面から抜け出してバイオセンサを汚染またはバイオセンサに有害な影響を及ぼすことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の半導体デバイスは、第１の半導体酸化物材料層と、前記第１の半導体酸化物材料層上に形成された第２の半導体酸化物材料層であって、二次元電子ガスが前記第１および第２の材料間の界面に生成されるように形成された第２の半導体酸化物材料層と、外面上の保護層と、を含む構造を有し、さらに、ソース接点と、ドレイン接点とを含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１にヘテロ構造電界効果型ＦＥＴ（ＨＦＥＴ）の機能を備えた半導体デバイス１０を示す。本実施形態のＨＦＥＴは２層の半導体酸化物材料で形成された構造を有する。選択される材料によっては、ヘテロ構造を用いることにより２層間の界面に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を生成させることができる。この電子ガスはそれら材料層表面の性質にきわめて敏感であるため、センサの有力な構成体となる。
【０００７】
この２ＤＥＧの高い感度によって、ソースおよびドレイン接点間でのヘテロ構造に形成されるチャネルのキャリア濃度に変化が生じる。このキャリア濃度の変化を検出することで、ＨＦＥＴ表面の性質の変化の高感度な検出が可能になる。例えば、バイオセンサや化学センサによって、ナトリウム、カルシウム、塩素、酸素、二酸化炭素などの所定の分子やイオン、グルコースやコレステロールなどの物質、または所定の酵素等の有無を検出することができる。
【０００８】
センシング用途を目的として窒化物半導体について研究が行われてきた。しかし、窒化物半導体は生体に不適合なものである。窒化物半導体を生体に適合したものにするために表面に酸化物層が成長される。しかしこの酸化物層はセンサの感度を著しく低下させるものとなる。酸化亜鉛などの酸化物系のバンドギャップの大きい半導体は窒化物に対していくつかの利点を有している。酸化亜鉛は細胞を殺す作用のある細胞有毒性のものであることが初期の検討結果によって明らかにされている。これについては、亜鉛が酸化亜鉛層の表面から抜け出し、その亜鉛が細胞破壊を起こす、との説明が有力とされている。したがって、明らかに、剥き出しの酸化亜鉛表面を生体適合性のセンサに用いることは問題がある。
【０００９】
表面保護層を用いることにより、上記制約は解消される。この保護層は十分薄くしてセンサの感度を妨げないようにしなければならない。保護層としてシリコンを用いることによってこの要件が満たされる。微量のシリコンの存在によって表面のエッチング耐性は著しく高められる。酸化亜鉛は通常は湿式エッチングによって迅速にエッチングされるが、表面にシリコンが存在するとそのエッチング速度は著しく低下する。
【００１０】
図１に示したデバイス１０は第１および第２の半導体酸化物材料層で形成された構造を有している。本実施形態において、第１の層１４は基板１２上に成長された酸化亜鉛合金層である。通常、全ての図示の構造の層がＺｎＯ層である必要はなく、種々のＺｎＯ合金の組合せであってもよい。例えば、１層のＣｄＺｎＯ層と１層のＭｇＺｎＯ層によっても電子ガスは生成される。図１ではこれを２層であって、一つはＸと酸化亜鉛との合金層、また一つはＹと酸化亜鉛との合金層である２層として示している。ＸおよびＹはカドミウムまたはマグネシウムを指しているが、当該層が酸化亜鉛のみの層である場合は何も指していない。さらに、Ｘがある材料のある濃度を表し、Ｙが同じ材料の別の濃度を表すものであってもよい。酸化亜鉛ウェハ、シリコン、サファイア、カドミウム、エピタキシャル成長窒化ガリウム、シリコンカーバイド、およびＳｃＡｌＭｇＯ４（ＳＣＡＭ）などの数種の異種基板が使用可能である。
【００１１】
第２の半導体酸化物材料層１６は、第１の層との界面に二次元電子ガスが生成されるように第１の層上に形成される。本実施形態では、第２の層はマグネシウム亜鉛酸化物（ＭｇＺｎＯ）、カドミウム亜鉛酸化物（ＣｄＺｎＯ）、またはマグネシウムカドミウム亜鉛酸化物（ＭｇＣｄＺｎＯ）などの酸化亜鉛合金の層である。これらの材料は単なる一例に過ぎない。この酸化物層は任意のバンドギャップの大きい半導体酸化物の層であってよい。第２の層は、第１の層よりバンドギャップの大きい任意の半導体酸化物合金で形成される。一例では、５％以上のＭｎ含有量のＭｇＺｎＯが形成されている。これにより二次元電子ガスを生成させる上で十分なオフセットが生じる。この材料系においては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓなどの他の材料系とは対照的に、分極場によって電子ガスはドーピングに関わりなく生成される。ガス中のキャリアは表面の状態に対して感度が高い。これらの性状により上記構造はセンサとして望ましいものになっている。
【００１２】
２ＤＥＧは、ソース２０およびドレイン２２を用いることによりトランジスタ式に利用される。保護層１８によって表面からの亜鉛の脱出が防止され、センサが生体に適合したものになると共に、センサの感度が維持される。他の保護層材料として酸化シリコン、窒化シリコン、および酸窒化シリコンなどの絶縁材料がある。
【００１３】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）のバルクおよびエピタキシャルサンプルの電気的性質はサンプル環境によって著しく影響される。ＺｎＯ表面の伝導電子チャネルは所定の条件の下で存在する。各環境下において表面伝導チャネルを維持または該チャネル形成を防ぐために種々の表面保護層および皮膜が研究されている。
【００１４】
自然の電子蓄積層が、（ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯなどの）ＸＺｎＯ／ＹＺｎＯ界面に形成される、人為的な電子ガスに対して干渉することが起り得る。このため、電子蓄積層が生成する状況においては、保護層によってその自然電子蓄積層を消失させるもしくはその生成を防止するように該保護層を設計する必要がある。このことは大気曝露、または適宜保護層を堆積することにより実現される。潜在的に存在する表面の導電性は、保護層の堆積前または堆積中に消失させる必要がある。詳細には、複数の単分子層または薄膜層の絶縁材料を半導体酸化物の堆積と同一箇所に堆積することが有効である。
【００１５】
例えば、上記絶縁材料の堆積は、Ｚｎの大半がＳｉに置き換えられた一層または数層の単分子層によってＺｎＯ層の成長を終了させることによって実現できる。さらに、ポリイミドや、アルキルシロキサンなどの自己組織化単分子層、脂肪酸およびアルカンチオレート等の有機材料が保護皮膜用として優れた材料になり得る。
【００１６】
言うまでも無く他の構造および構成にすることも可能である。例えば、図２に示すデバイス４０では、基板４２上の第１の半導体酸化物材料４４が酸化亜鉛合金ＹＺｎＯであってＹはマグネシウム、カドミウム、またはマグネシウムおよびカドミウムの両方であり、第２の半導体酸化物材料ＸＺｎＯ４６が酸化亜鉛、またはＺｎＯを含む他の材料であって例えば種々のＭｇ濃度のＺｎＯを含む材料である。本例では基板の極性が異なるため、界面にキャリア蓄積部を形成するためには異なる積層順が必要になる。次いで、保護層４８を第２の層上に形成し、この保護層上にソース５０およびドレイン５２を形成する。半導体酸化物層の積層順は所望のデバイスの極性に依存するものである。
【００１７】
別の代替デバイスを図３に６０として示す。基板６２の上に、この場合は酸化亜鉛である、第１の半導体酸化物層（ＸＺｎＯ）６４が形成される。次いで第２の半導体酸化物材料層（ＹＺｎＯ）６６が第１の層上に形成される。本実施形態では、図に示すように第３のきわめて薄い層６８が形成されており、この層は第１の層と同一材料で形成され、ただし当該材料に限定されない層である。この第３の層形成は、より良好なソースおよびドレイン接点を得る上で望ましいが、なおその他の理由によっても望ましいものである。次いで第３の層上に保護層７０を形成し、さらにその上にソース７２およびドレイン７４を形成する。
【００１８】
留意する必要があるのは、ある実施形態では保護層は第２の層上に形成され、別の実施形態では第３の層上に形成されることである。デバイスの構造部を形成する層の数がいくつかということは重大事項ではない。保護層はデバイス構造の外層上に形成されるが、この外層は構造における第２、第３または他の層のいずれであってもよい。同様に、３層以上の構造における積層順において、金属／亜鉛酸化物層は必ずしも酸化亜鉛層間に挟まれているとは限らない。また、図２に関連して述べた積層順は３層以上の構造においては変更されることもあり得る。
【００１９】
同様に、図１，２および３の実施形態にはゲート接点が示されていないが、図４に示すようにゲート接点を構造上に形成してもよい。図４では、デバイス８０は基板８２上に形成された構造を有している。本実施形態では、第１の層８４は酸化亜鉛層であるが、前述した別の積層順をここで適用することも可能である。第２の層８６は金属／亜鉛酸化物の層であり、その外面８８上に保護層が設けられている。ソース接点９０およびドレイン接点９２に加えて、通常金属で形成されたゲート９４も備わっている。ＨＦＥＴの設計において周知のように、このゲートを十分大きくして、ソースおよびドレイン間および２ＤＥＧを通る全ての電流経路がゲート領域に影響されるようにする必要がある。
【００２０】
ゲートを使用することにより、センサは他の方法では検出不能な別種の物質にも反応できるようになる。例えば、Ｈ２などのガスは他の実施形態における表面には影響を及ぼさず、したがって検出不能である。ゲートの金属を入念に選択すれば、ゲートを触媒として作用させてＨ２の解離をひき起こし、Ｈ２を検出することができるようになる。別種の金属を用いて別種のガスを検出することもできる。
【００２１】
種々の実施形態を、多数の可能な組合せおよび二次組合せと共に示した。次にそれらデバイスの製造方法について述べる。図５に製造フローの一実施形態をフローチャート形式で示す。
【００２２】
１００で基板が供給される。前述のように、基板としてサファイア、酸化亜鉛、カドミウム、シリコンカーバイド、ＳＣＡＭ、および窒化ガリウム等がある。１０２で第１の半導体酸化物材料層の成長が行われる。前述のように、第１の層としてＺｎＯなどのバンドギャップの大きい酸化物の層、またはＭｇＺｎＯなどのバンドギャップの大きい任意の半導体酸化物合金の層がある。
【００２３】
１０４で、第２の半導体酸化物材料層が、第１の層との界面に二次元電子ガスが生成されるように第１の層上に成長される。前述のように、この層成長は各層の合金混合比によって制御することができる。
【００２４】
１０６で、保護層が、蒸着や化学的気相成長法などの、多くの利用しやすい方法により形成される。酸素とシリコンとの強い結合によって、シリコンの保護面は容易に得られると考えられる。これも前述したように、保護層は窒化シリコンで形成してもよい。通常、窒化シリコンの形成は蒸着または窒素の存在下でシリコン層を堆積することを伴う。また、保護層は同様のプロセスによって酸窒化シリコンで形成することもできる。詳細には、半導体酸化物の成長後その場で複数の単分子層または薄膜層の絶縁材料を堆積することが有効である。例えば、この保護膜形成は、Ｚｎの大半がＳｉに置き換えられた、一層または数層の単分子層によってＺｎＯ層の成長を終了させることによって実現することができる。保護層は、少なくとも第１および第２の層から形成された構造の外面に形成される。１０５で、オプションとして第３の層を形成する工程を実行する場合は、第３の層の外面が上記外面になる。
【００２５】
構造に保護処理が施された後、１０８でソースおよびドレイン接点を堆積することによりデバイスが形成される。保護層はきわめて薄い層になると想定されたとしても、そのことは前記接点が存在すると想定される領域において保護層を除去する上では有利である。保護層の除去はリソグラフィおよびエッチングなどの半導体処理工程を用いて実施することができる。ゲートが所望される場合は、１０９で金属ゲートの堆積および形成が行われ、金属の選択は、センサによって検出可能となる、所望のガス解離によって調整することができる。
【００２６】
このようにして、種々の環境で安定であって感度を失うことのない、生体に適合したセンサデバイスが形成される。また、このセンサは利用しやすい半導体プロセスを用いて実現することができる。
【００２７】
以上開示した、およびその他の様々な本センサの特徴および機能、または代替は、所望により多くの他の異なるシステムや用途に組み込むことが可能であることは言うまでもない。さらに、現在予期されない本センサの種々の代替、修正、変更、または改良が当業者によって実施可能であり、それらもまた以下の特許請求の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】化学ゲートを備えたヘテロ構造電界効果型トランジスタの一実施形態を示す図である。
【図２】化学ゲートを備えたヘテロ構造電界効果型トランジスタの別の実施形態を示す図である。
【図３】化学ゲートを備えたヘテロ構造電界効果型トランジスタの別の実施形態を示す図である。
【図４】化学ゲートを備えたヘテロ構造電界効果型トランジスタの別の実施形態を示す図である。
【図５】化学ゲート式ヘテロ構造電界効果型トランジスタの製造方法の一実施形態のフローチャートである。
【符号の説明】
【００２９】
１２，４２，６２，８２  基板、１４，４４，６４，８４  第１の半導体材料層、１６，４６，６６，８６  第２の半導体材料層、６８  第３の半導体材料層、２０，５０，７２，９０  ソース接点、２２，５２，７４，９２  ドレイン接点、９４  ゲート接点。
【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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