(57)【要約】【課題】試料溶液が反応場上で拡がる面積を一定とすることができ、また、比較的容易に、反応場の面積を自由に選択して形成できるセンサ製造方法を提供すること。【解決手段】従来、素子分離技術として用いられているＬＯＣＯＳ法を、反応場を囲む障壁部２１を形成するために用いた。これにより、反応場の面積を高精度に規定することができる。また、障壁部の位置は、ＬＯＣＯＳ法による選択酸化によって自由に選択できるので、障壁部によって囲まれる反応場の面積も容易に選択できるようになる。【選択図】図３
2009250631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜に接続された電極とを有し、前記酸化シリコン膜の一部が被検出物の反応場として使用される、ＦＥＴを含むセンサの製造方法であって、
前記反応場を囲みかつ前記反応場よりも厚い障壁部を、ＬＯＣＯＳ法を用いて形成する工程と、
ゲート酸化膜である前記反応場を形成する工程と、
を含むセンサ製造方法。
【請求項２】
前記酸化シリコン膜上における、前記反応場及び前記障壁部とは別の位置に、ドレイン及びソースを形成する工程を、さらに含む、
請求項１に記載のセンサ製造方法。
【請求項３】
前記ドレイン及びソースを形成する工程では、
前記反応場及び前記障壁部が形成された半導体基板面に対して裏面側に、前記ドレイン及びソースを形成する、
請求項２に記載のセンサ製造方法。
【請求項４】
前記ドレイン及びソースを形成する工程では、
前記反応場及び前記障壁部が形成された半導体基板面と同一面側に、前記ドレイン及びソースを形成する、
請求項２に記載のセンサ製造方法。
【請求項５】
前記反応場に、被検出物質認識分子を固定する工程を、さらに含む、
請求項１から請求項４のいずれかに記載のセンサ製造方法。
【請求項６】
半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜に接続された電極とを有し、前記酸化シリコン膜の一部が被検出物の反応場として使用される、ＦＥＴを含むセンサの製造方法であって、
前記反応場を囲みかつ前記反応場よりも厚い障壁部を、フォトリソグラフィ法を用いて形成する工程と、
ゲート酸化膜である前記反応場を形成する工程と、
を含むセンサ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばバイオセンサやｐＨセンサ等に用いられる、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）を含むセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、抗体などの生体分子を被検出物質認識分子として用いてタンパク質や化学物質などの被検出物質を特異的に検出する方法が数多く提案されている。その中の一つに、酸化膜上などの反応場に被検出物質認識分子を固定化し、被検出物質を含む試料溶液を反応場に提供して被検出物質と被検出物質認識分子とを反応させ、被検出物質と被検出物質認識分子との反応による反応場における変化を電気的信号に変換して検出する方法がある。
【０００３】
このような検出方法を実現する装置は、一般にバイオセンサと呼ばれている。バイオセンサの具体的構成として、ＦＥＴを用いたものがある（例えば、特許文献１〜３参照）。ＦＥＴを用いたバイオセンサは、通常、被検出物質認識分子膜の上から作用電極を接触させ、作用電極に電圧を印加して信号変換素子の電気的特性を測定することにより、試料溶液の提供前後の反応場における変化を電気的信号に変換して検出する。
【特許文献１】特開２００４−１０８８１５号公報
【特許文献２】特開２００５−２１８３１０号公報
【特許文献３】特開２００５−２２９０１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、バイオセンサにおいて、検出精度を向上させるためには、被検出物質を含む試料溶液が反応場上で拡がる面積が一定であることが望ましい。つまり、この面積を一定にできれば、生体分子が反応する領域が一定になるので、ＦＥＴ基板にかかるポテンシャルが一定になる。この結果、濃度に対する検量線が安定化され、バイオセンシングの精度を向上させることができる。
【０００５】
また、反応場の面積が様々なバイオセンサを製造できれば、ユーザは、その中から実験に適した反応場面積を有するバイオセンサを選択できるようになる。
【０００６】
本発明は、試料溶液が反応場上で拡がる面積を一定とすることができるセンサの製造方法を提供する。また、比較的容易に、反応場の面積を自由に選択して形成できるセンサ製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセンサ製造方法の一つの態様は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜に接続された電極とを有し、前記酸化シリコン膜の一部が被検出物の反応場として使用される、ＦＥＴを含むセンサの製造方法であって、前記反応場を囲みかつ前記反応場よりも厚い障壁部を、ＬＯＣＯＳ法を用いて形成する工程と、ゲート酸化膜である前記反応場を形成する工程と、を含む。
【０００８】
本発明のセンサ製造方法の一つの態様は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜に接続された電極とを有し、前記酸化シリコン膜の一部が被検出物の反応場として使用される、ＦＥＴを含むセンサの製造方法であって、前記反応場を囲みかつ前記反応場よりも厚い障壁部を、フォトリソグラフィにより形成する工程と、ゲート酸化膜である前記反応場を形成する工程と、を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、障壁部を高精度かつ容易に形成することができる。これにより、試料溶液が反応場上で拡がる面積を一定とすることができるセンサを実現できる。また、障壁部の位置は、ＬＯＣＯＳ法による選択酸化又はフォトリソグラフィによる選択現像によって自由に選択できるので、障壁部によって囲まれる反応場の面積も容易に選択できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
（１）バイオセンサの構成
図１に、本実施の形態に係るバイオセンサ１０の模式的斜視図を示す。また、図２に、バイオセンサ１０の模式的断面図を示す。
【００１２】
バイオセンサ１０は、シリコン基板１１の両面に、絶縁膜である酸化シリコン膜１２ａ、１２ｂが形成されている。
【００１３】
酸化シリコン膜１２ａが形成された面に対向する位置には、ゲート電極１３が形成されている。ゲート電極１３には、参照電圧Ｖrefが印加される。ゲート電極１３、酸化シリコン膜１２ａ及びシリコン基板１１は、金属−絶縁体−半導体（Metal-Insulator-Semiconductor：ＭＩＳ）構造を形成する。したがって、ゲート電圧はシリコン基板１１に直接印加されない。ゲート電極１３の材質は、導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば金、白金、チタン、アルミニウムなどの金属や導電性プラスチックなどであればよい。
【００１４】
一方、酸化シリコン膜１２ｂが形成された面には、ドレイン１４及びソース１５が形成されている。ドレイン１４とソース１５は、酸化シリコン膜１２ｂ上で、チャネル１６を介して電気的に接続されている。チャネル１６は、例えばポリシリコンやカーボンナノチューブで形成されている。また、ドレイン１４とソース１５の間には、外部配線を介して電源Ｖds及び電流計１７が接続されている。これにより、電源Ｖdsによってドレイン１４とソース１５との間に所定の電圧が印加され、電流計１７によってシリコン基板１１に流れる電流が測定される。
【００１５】
ドレイン１４とソース１５との間隔は、特に限定されないが、通常は０.５〜１０μｍ程度である。この間隔は、チャネル１６による電極間の接続を容易にするためにさらに縮めてもよい。ソース電極およびドレイン電極の形状および大きさは特に限定されず、目的に応じて適宜設定すればよい。
【００１６】
ここで、図２に示すように、酸化シリコン膜１２ａが形成された面には、ゲート電極１３に対向する反応場（ゲート酸化膜）２０と、反応場２０を取り囲む障壁部２１とが形成されている。反応場２０は、被検出物質認識分子３０を固定する機能を有する。本実施の形態の場合、反応場２０及び障壁部２１は、共に酸化シリコンにより形成されている。
【００１７】
被検出物質認識分子の例には、抗体や酵素、レクチンなどのタンパク質、核酸、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。本発明のセンサをｐＨセンサなどとして使用する場合は、被検出物質を固定化する必要はない。
【００１８】
反応場２０の厚さは２００［ｎｍ］以下とされており、実際には１〜２００ｎｍ程度（例えば、１００ｎｍ）であることが好ましい。障壁部２１の厚さは、反応場２０の厚さよりも厚く、かつ数１０００［ｎｍ］以下とされており、実際には２００〜１０００ｎｍ程度（例えば、６００ｎｍ）であることが好ましい。さらに、反応場２０の上面と障壁部２１の上面との差（つまり段差）は、２００〜８００ｎｍ程度（例えば、５００ｎｍ）であることが好ましい。また実際上、反応場２０の面積は、２５ｍｍ２程度である。
【００１９】
なお、障壁部２１は、反応場２０を完全に取り囲んでいることが好ましいが、完全に取り囲んでいなくてもよい。要は、反応場２０からの試料溶液の流出を規制できる程度に取り囲んでいればよい。
【００２０】
このように、本実施の形態のバイオセンサ１０においては、反応場２０を取り囲む障壁部２１を形成したことにより、反応場２０に被検出物質や被検出物質認識分子を載置した場合に、これらの物質が障壁部２１に規制されて反応場２０の面積よりも拡がることを防止できる。つまり、試料溶液が反応場２０上で拡がる面積を一定とすることができる。
【００２１】
（２）バイオセンサの製造方法
次に、図３を用いて、バイオセンサ１０の製造方法を説明する。本実施の形態におけるバイオセンサの製造方法は、特に、障壁部２１を、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon)法を用いて形成することに特徴があるので、その工程を中心に説明する。
【００２２】
先ず、ｐ形シリコン基板上に、熱酸化法によって酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）を形成する（図３Ａ）。
【００２３】
次に、酸化シリコン酸化膜上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）技術によって窒化シリコン膜（Ｓｉ３Ｎ４）を堆積させる（図３Ｂ）。
【００２４】
次に、リソグラフィックとエッチング技術でＳｉ３Ｎ４膜を除去する（図３Ｃ）。除去した部分は、障壁部２１が形成される部分である。また、Ｓｉ３Ｎ４膜が残っている部分は、反応場２０が形成される部分である。
【００２５】
次に、１０００°Ｃ程度の温度でｗｅｔ  Ｏ２雰囲気中で酸化処理を行う。Ｓｉ３Ｎ４は酸化されないので、Ｓｉ３Ｎ４が除去された部分だけが選択的に酸化される（図３Ｄ）。このとき、厚く形成された酸化膜の一部がＳｉ３Ｎ４膜直下に潜り込む（いわゆるバーズビーク）。このようにして、障壁部２１が形成される。
【００２６】
次に、Ｓｉ３Ｎ４膜を除去した（図３Ｅ）後、熱酸化法又は気相成長法によってゲート酸化膜すなわち反応場２０を形成する（図３Ｆ）。
【００２７】
次に、シリコン基板を反転させ、障壁部２１及び反応場２０を形成した面と反対側の面に、ソース及びドレインを形成し、チャネルを形成し、チャネルを被覆する層間膜を形成し、外部配線処理を行った後に、表面保護膜を形成する。
【００２８】
最後に、反応場２０に、被検出物質認識分子３０を固定する。
【００２９】
このように、本実施の形態のバイオセンサ製造方法においては、従来、素子分離技術として用いられているＬＯＣＯＳ法を、反応場を囲む障壁部２１を形成するために用いたことにより、障壁部２１及び反応場２０を、容易かつ高精度で形成することができる。また、ドレイン及びソースにおける素子分離もＬＯＣＯＳ法を用いて形成すれば、ドレイン１４及びソース１５を形成する工程と、障壁部２１及び反応場２０を製造する工程とを一部共通化できるので、製造工程及び製造装置を簡単化できる。ただし、ドレイン及びソースの素子分離は、必ずしもＬＯＣＯＳ法を用いて形成する必要はなく、要は、反応場２０と障壁部２１が形成された領域以外の半導体基板上に形成すればよい。
【００３０】
（３）他の実施の形態
なお、上述した実施の形態では、ゲート電極１３を、反応場２０に対向する位置に設けた場合について述べたが、ゲート電極１３の形成位置はこれに限らない。例えば、図４に示すように、ゲート電極１３を反応場２０に対向する位置には形成せずに、障壁部２１の表面に固定して取り付けてもよい。この場合、例えば障壁部２１の上面が反応場２０を囲む四角の枠形状である場合には、ゲート電極１３もそれに合わせて四角の枠形状として、障壁部２１の上面全体に接触させるようにすれば、反応場２０を通過する電界を強めることができる。また、図２のようにゲート電極１３を反応場２０に対向する位置に設けた場合と比較して、ゲート電極１３と、障壁部２１や試料溶液との接触に起因する帯電を防ぐことができる。
【００３１】
また、上述した実施の形態では、いわゆるバックゲート型と呼ばれるバイオセンサ１０の構成について説明した。つまり、反応場２０及び障壁部２１が形成されたシリコン基板面に対して裏面側に、ドレイン１４及びソース１５を形成した場合について説明した。本発明の製造方法は、このようなバックゲート型に限らず、図５に示すサイドゲート型のバイオセンサにも適用可能である。つまり、反応場２０及び障壁部２１が形成されたシリコン基板面と同一面側に、ドレイン１４及びソース１５を形成する場合にも適用できる。
【００３２】
また、上述した実施の形態では、障壁部２１をＬＯＣＯＳ法を用いて形成し、反応場２０を気相成長法を用いて形成した場合について述べたが、これらをフォトリソグラフィによって形成してもよい。
【００３３】
図６に、その一例を示す。先ず、シリコン基板上に、熱酸化法によって酸化シリコン膜を形成する（図６Ａ）。ここで、酸化シリコン膜の厚みは、障壁部２１の厚みから反応場２０の厚みを引いた値となるようにする。次に、酸化シリコンの全面にレジストを塗布し、反応場２０に相当する領域を露光する（図６Ｂ）。次に、露光されたレジストを現像処理により除去する（図６Ｃ）。次に、フッ酸によってレジストが除去された部分の酸化シリコンを除去する（図６Ｄ）。次に、レジストを除去した後、熱酸化法又は気相成長法によって反応場２０の厚みの酸化シリコン膜を形成する（図６Ｅ）。これにより、反応場２０と、反応場２０よりも厚い障壁部２１とを形成することができる。
【００３４】
さらに、上述した実施の形態では、本発明をバイオセンサの製造方法に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ＦＥＴを含むセンサの製造方法に広く適用可能である。なお、本発明を、バイオセンサ以外のＦＥＴを含むセンサの製造方法に適用する場合には、上述した、反応場２０に被検出物質認識分子３０を固定する工程が省略される。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、ＦＥＴを含んだセンサの製造方法に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係るバイオセンサの模式的斜視図
【図２】バイオセンサの模式的断面図
【図３】ＬＯＣＯＳ法を用いた障壁部及び反応場の製造工程を示す図
【図４】バイオセンサの他の構成例を示す模式的断面図
【図５】バイオセンサの他の構成例を示す模式的断面図
【図６】フォトリソグラフィによる障壁部及び反応場の製造工程を示す図
【符号の説明】
【００３７】
１０  バイオセンサ
１１  シリコン基板
１２ａ、１２ｂ  酸化シリコン膜
１３  ゲート電極
１４  ドレイン
１５  ソース
１６  チャネル
２０  反応場
２１  障壁部
３０  被検出物質認識分子
【図１】
2009250631.tif 000003
【図２】
2009250631.tif 000004
【図３】
2009250631.tif 000005
【図４】
2009250631.tif 000006
【図５】
2009250631.tif 000007
【図６】
2009250631.tif 000008