(57)【要約】【課題】ＥＧＴＦＴから構成される高性能な半導体バイオセンサ装置を提供する。【解決手段】チャネルの上下に独立に動作するゲート電極を有し、さらに半導体薄膜層をチャネルに有する非対称四端子平面型ダブルゲート薄膜トランジスタであって、一方のゲート絶縁膜容量が他方のゲート絶縁膜容量よりも大きい特徴を有し、ゲート絶縁膜容量が大きいゲート電極はセンシング電極に連結され、ゲート絶縁膜容量が小さい電極は薄膜トランジスタのゲート電極として動作する機能を有することを特徴としたＥＧＴＦＴからなる半導体バイオセンサ装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャネルの上下に独立に動作するゲート電極を有することを特徴とし、チャネルが半導体薄膜からなる非対称四端子平面型ダブルゲート薄膜トランジスタであって、一方のゲート絶縁膜容量が他方のゲート絶縁膜容量よりも大きい特徴を有し、ゲート絶縁膜容量が大きい電極はセンシング電極に連結され、ゲート絶縁膜容量の小さい電極は薄膜トランジスタのゲート電極として動作する機能を有することを特徴とした拡張ゲート薄膜トランジスタ (Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ, ＥＧＴＦＴ)  を構成成分とする半導体バイオセンサ装置。
【請求項２】
チャネルの半導体薄膜層は多結晶あるいは非晶質の無機あるいは有機からなる半導体薄膜であることを特徴とした請求項1項。
【請求項３】
上部のゲート電極面積と下部のデート電極面積は概ね等しいことを特徴とする請求項１，２項。
【請求項４】
該半導体デバイスはガラスの上に形成されたことを特徴とする請求項１から３項
【請求項５】
該半導体デバイスは変形可能な基板上に形成されていることを特徴とする請求項１から３項。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チャネルの上下に独立に動作するゲート電極を有する非対称四端子平面型ダブルゲート薄膜トランジスタからなり、ゲート絶縁膜容量の大きいゲート電極をセンシング電極、ゲート絶縁膜容量の小さいゲート電極を薄膜トランジスタのゲート電極とすることを特徴とした拡張ゲート薄膜トランジスタ (Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ, ＥＧＴＦＴ)  から構成された半導体バイオセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時では、健康に関する意識の向上から、いつでもどこでも体調をチェックできるバイオセンサが注目されている。特に半導体デバイスを使ったバイオセンサは、小型・軽量化が可能なことから最近活発に研究が進められている。
【０００３】
従来において、これらの半導体デバイスを使ったバイオセンサは Ｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  （ＩＳＦＥＴ）が主流であった。しかし、このデバイスはＦＥＴのゲート絶縁膜上に形成されたイオン感応膜が直接バイオ溶液に触れる。そのまま使うとデバイスの電極部・配線部も溶液に浸ることになり、電気的な短絡を生じる。これを防止するために、イオン感応膜以外をエポキシ樹脂などで覆い、バイオ溶液に触れないようにする工夫が要求されていた。
【０００４】
上記のＩＳＦＥＴに対して、近年、ＥＧＦＥＴの研究が盛んになっている。このデバイスは、ゲート電極から電気的に結線した外部ゲート電極がセンシング電極を構成し、それを溶液に浸すため、半導体デバイス本体は溶液に触れないという優れた特徴を有する。加えて、センシング部が半導体デバイス部と分離されているため、センシング部の面積を大きく取れるという利点を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＥＧＦＥＴにおいては、通常トランジスタのゲート電極とつながったセンシング電極を外部ゲート電極として電位を感知し、トランジスタの特性が変化する現象を観測するが、ＩＳＦＥＴに比較して感度が劣るという欠点があった。一方、ＥＧＦＥＴは、先に述べたように半導体デバイスをエポキシ樹脂などで覆うこと無しにセンシングが行えるという特徴がある。従って、ＥＧＦＥＴの感度を改善することが出来れば、ＩＳＦＥＴよりも有利な半導体バイオセンシングデバイスを実現できる。
【０００６】
また、ＦＥＴはシリコンウエハ上に形成されるが、ガラス基板やプラスチックなどの基板上にＦＥＴを形成することが出来れば、基板が大面積であることから大量生産が可能になり、安価に製造できるという利点も生じる。ガラスやプラスチック上に形成されたＦＥＴは薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と呼ばれる。ＦＥＴとＴＦＴは製造工程が大きく異なるため、両者は一般的にデバイスの分類としては区別されている。
【０００７】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、一方のゲート絶縁膜容量が他方のゲート絶縁膜容量よりも大きい特徴を有し、ゲート絶縁膜容量の大きいゲート電極はセンシング電極に連結され、ゲート絶縁膜容量の小さいゲート電極は薄膜トランジスタのゲート電極として動作する機能を有することを特徴とした非対称四端子平面型ダブルゲート薄膜トランジスタからなる拡張ゲート薄膜トランジスタ (Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ, ＥＧＴＦＴ)  を構成部品とした安価な半導体バイオセンサ装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【０００９】
図１は本発明の実施形態による半導体バイオセンサ装置の特徴を示す概略図である。ここで、薄膜トランジスタは上下に独立のゲート電極を有しており、上部ゲート電極のゲート絶縁膜容量は下部ゲート電極のゲート絶縁膜容量よりも大きい非対称構造である特徴を有し、上部ゲート電極はセンシング電極と電気的に結線されている。一方、下部ゲート電極は薄膜トランジスタのゲート電極として使用される。なお、上部のゲート絶縁膜容量が大きく、下部のゲート絶縁膜容量が小さいことは必ずしも必要とされるわけではなく、この逆であってもよい。
【００１０】
さらに、半導体薄膜層は多結晶あるいは非晶質の無機あるいは有機の半導体薄膜層からなる特徴を有し、本発明にかかわるＥＧＴＦＴはガラス基板あるいはプラスチック基板上に形成される特徴を有する。
【００１１】
加えて、図１において上部のゲート電極面積は下部ゲート電極面積と概略同じであるが、ゲート絶縁膜容量は上下のゲートで異なる非対称構造からなるという特徴を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ゲート絶縁膜容量の大きいゲート電極のわずかな電位変化は、ゲート絶縁膜容量の小さいゲート電極によって動作させた薄膜トランジスタの閾値電圧の増幅された変化として感知することが可能である。結果として、ゲート絶縁膜容量の小さいゲート電極で動作される薄膜トランジスタを一定のゲート電圧・ソースドレイン（ＳＤ）間電圧のもとで動作させた場合、ＳＤ間に流れる電流値を大きな変化として観測することが可能であり、これはセンシング電極の微妙な電位変化を高感度に感知できることを意味する。
【００１３】
さらに、安価なガラス基板あるはプラスチック基板上に高性能なＥＧＴＦＴを実現することを可能にすることから半導体バイオセンサ装置の低価格化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施例について示す。ここでは、基板として石英ガラスを例にとり、該ガラス基板上に半導体薄膜層として多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）薄膜を利用した非対称四端子平面型メタルダブルゲートｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜トランジスタをＥＧＴＦＴとした半導体バイオセンサの実施形態を示す。
【００１５】
作製する半導体デバイスの構造を図2に示す。また、作製プロセスのキープロセスの図面を図3に示す。なお、本実施例では、上部ゲート電極がゲート絶縁膜容量の大きい電極、下部ゲート電極がゲート絶縁膜容量の小さい電極となっている。なお、上部のゲート絶縁膜容量が大きく、下部のゲート絶縁膜容量が小さいことは必ずしも必要とされるわけではなく、この逆であってもよい。
【００１６】
ガラス基板上に下部ゲート電極を形成するためのトレンチを形成した後（図３(a)）、タングステン膜を３２５℃でスパッタリングにより堆積する（図３（ｂ））。さらに、化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いて埋め込み下部ゲート電極を形成する（図３（ｃ））。その後、厚さ１５０ ｎｍのボトムゲート酸化膜、引き続いて厚さ７５ ｎｍのノンドープのアモルファスＳｉ(ａ−Ｓｉ)層をプラズマ化学気相成長法(ＰＥＣＶＤ)を用いて３２５℃で堆積する（図３（ｄ））。
【００１７】
５００℃６０分間でＮ２ガス中において脱水素化アニールした後、ａ−Ｓｉ層をレーザ結晶化法を用いてｐｏｌｙ−Ｓｉ膜に変質させる（図３（ｅ））。ここでは大粒径のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成するために連続波レーザラテラル結晶化技術を利用した。基板を均一なラテラル結晶ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜で被膜するために、ＳＤ方向に沿ったオーバーラップスキャニングを用いた。次に、フォトリソグラフィとドライエッチングプロセスを用いて、トランジスタアイランドを形成する（図３（ｆ））。その後、厚さ７５ ｎｍの上部ゲート酸化膜を３２５℃にてＰＥＣＶＤを用いて堆積させる（図３（ｇ））。
【００１８】
次に、厚さ４０ｎｍのタングステンをスパッタリングした後（図３（ｈ））、ポジ型レジストを塗布した。埋め込み下部ゲート電極をマスクとして背面からg線で露光を行う自己整合プロセスによって上部ゲート電極を形成した。なお、この技術は、無アルカリガラスにも適用可能であることが確認されている。そして、レジストをマスクとして不要なタングステン膜をドライエッチングにより除去した（図３（ｉ））。
【００１９】
続いて、上部ゲートメタルをマスクとしてＳＤ領域の上に堆積されているトップゲート酸化膜層をドライエッチングにより除去した。この工程により、トップゲート酸化膜はセンサゲート電極の直下のみに存在し、他の領域からはエッチングにより除去される。引き続いてＳＤ領域を形成する。ＳＤ領域は、イオン注入によりリンをドープして形成した（図３（ｊ））。使用された加速エネルギーとイオン照射量は、それぞれ１０ ＫｅＶと４×１０１５ ｃｍ−２である。
【００２０】
電極と下部ゲート電極を接続するためのスペースを確保するために、上部ゲートメタルの端の領域を除去する（図３（ｋ））。シリコン酸化膜からなる層間絶縁層を３２５℃でＰＥＣＶＤを用いて形成し、次に５５０℃のＮ２雰囲気中で６時間の活性化を行った（図３（ｌ））。これがデバイス作製プロセスの最高温度である。
【００２１】
測定用のＭｏ電極と下部ゲート電極を接続するコンタクトホールを形成後（図３（ｍ））、測定用Ｍｏ電極と上部ゲート電極とＳＤを接続するためのコンタクトホールを形成した（図３（ｎ））。さらに、スパッタリングで測定用Ｍｏ電極を成膜し（図３（ｏ））、電極形状に加工後、４００℃で水素化を行った（図３（ｐ））。
【００２２】
本トランジスタの電流電圧特性を図４（ａ）（ｂ）に示す。なお、図４（ａ）ではトップゲートをドライブゲート、下部ゲートは制御ゲートにした場合と、その逆に図４（ｂ）では、ボトムゲートをドライブゲート、上部ゲートは制御ゲートにした場合のトランジスタの伝達特性を示している。制御ゲートの電圧は０．５（Ｖ）ステップで−３．０（Ｖ）から＋３．０（Ｖ）まで変化させている。
【００２３】
図５の（ａ）（ｂ）は、図４（ａ）（ｂ）の動作時のトランジスタ特性の閾値電圧の変化を示している。横軸は制御ゲートの電圧であり、縦軸はドライブゲートの閾値電圧である。図５の（ａ）（ｂ）を比較すると、（ｂ）の条件では、上部の制御ゲートの僅かな電圧変化が下部ゲートで動作させた薄膜トランジスタの閾値電圧の変化に強く影響することを示している。すなわち、上部ゲート電極（即ちゲート容量の大きいゲート電極）の電圧の僅かな変化が、下部ゲート電極（即ちゲート容量の小さい方のゲート電極）で動作させた薄膜トランジスタの閾値電圧に増強されて影響を与えたことを意味している。
【００２４】
この性質を利用し、図１の装置を作成することによりｐＨセンサを構成した。なお、トップゲートに連結されるセンシング電極は、本実験では通常のガラス電極、参照電極はＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極を利用した。
【００２５】
結果を図６に示す。この図は、ｐＨ２−ｐＨ１２の間の各種ｐＨ溶液に上部ゲート電極に連結したセンサ電極（ガラス電極）を浸した時の下部ゲート電圧で動作させた薄膜トランジスタの閾値電圧の変化を示したものである。参照電極とガラス電極の電位差は５６ｍＶ／ｐＨであることが知られている。しかし、本実験で観測された薄膜トランジスタの閾値電圧の変化は９０ｍＶ/ｐＨを示している。これは、ｐＨを変えた際の上部ゲート電極の電圧変化を下部ゲート電圧で動作させた薄膜トランジスタが増幅して検知したことを示している。
【００２６】
以上のごとく、上部ゲート電極のわずかな電位変化を下部ゲート電極によって動作させた薄膜トランジスタの閾値の大きな変化として感知することが可能である。
【００２７】
結果として、ゲート絶縁膜容量の大きい電極をセンシング電極、ゲート絶縁膜容量の小さい電極をトランジスタのゲート電極とすることにより、センシング電極の電位変化を高感度に薄膜トランジスタの閾値電圧の変化として感知することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態による半導体バイオセンサを示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に関わるＥＧＴＦＴの構造である。
【図３】本実施かかわるＥＧＴＦＴのデバイス作製プロセスに関わる概略図を各工程ごとに記載した概略図である。
【図４】本実施かかわるＥＧＴＦＴのデバイス特性を示す特性図である。
【図５】本実施かかわるＥＧＴＦＴのデバイス特性を閾値電圧の観点からまとめた特性図である。
【図６】本発明にかかわる半導体バイオセンサの測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  ガラスおよびプラスチック基板
２  トランジスタゲート
３  ボトムゲート酸化膜
４  多結晶シリコンチャネル
５  ソース
６  ドレイン
７  トップゲート酸化膜
８  センサゲート
９  センサ膜
１０  バイオ溶液
１１  測定機ソース
１２  測定機ドレイン
１３  測定機ゲート
１４  測定機
１５  参照電極
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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