(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に分離層を形成する工程と、
前記分離層上に中間層を形成する工程と、
前記中間層上に半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜をパターニングする工程と、
前記パターニングされた半導体膜を被うように第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上の所定の領域にゲート電極を形成する工程と、
前記パターニングされた半導体膜の所定領域にイオン注入することによりソース／ドレイン領域を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜及び前記ゲート電極上に第２絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体膜の前記ソース／ドレイン領域の一部が露出ように、前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜の一部をエッチングしてコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールに電極を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜上に接着層を形成する工程と、
前記接着層を介して前記第２の絶縁膜に一次転写体を貼り付ける工程と、
前記基板の前記分離層が形成された面とは反対側からレーザを照射することによって前記分離層の内部又は界面において前記基板と前記中間層とを分離する工程と、
前記中間層上の前記分離層を除去する工程と、
前記中間層の一部を除去することにより前記半導体膜のチャネル領域を露出する開口部を形成する工程と、
前記開口部により露出された前記半導体膜及び前記中間層を被う第３の絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体膜のチャネル領域上の前記第３の絶縁膜上にイオン感応膜を形成する工程と、
を備えたバイオセンサの製造方法。
【請求項２】
前記半導体膜を形成する工程は、
前記中間層上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、
前記アモルファスシリコン膜の前記中間層と接する面とは反対側から前記アモルファスシリコン膜にレーザ照射することにより前記アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜へ再結晶化する工程と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサの製造方法。
【請求項３】
前記分離層はアモルファスシリコンからなることを特徴とする請求項１または２に記載のバイオセンサの製造方法。
【請求項４】
前記中間層はシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載のバイオセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体電界効果トランジスタを利用したバイオセンサとその使用方法に関する。バイオセンサはイオンセンサ、酵素センサ、ＤＮＡセンサ、抗原・抗体センサ、タンパク質センサなどとして、特に医用分野への応用が期待されている。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電界効果型のバイオセンサは通常のＭＯＳ  ＦＥＴからゲート電極を除去し、ゲート絶縁膜の上にイオン感応膜を被着した構造であり、ＩＳＦＥＴ（Ｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ＦＥＴ）と呼ばれている。図２４は電界効果型半導体イオンセンサの従来例の説明図である。図２４において、２４１はシリコン（Ｓｉ）基板、２４１Ｓはソース、２４１Ｄはドレイン、２４２は分離絶縁膜、２４３はゲート絶縁膜、２４４はイオン感応膜である。ここで、イオン感応膜に酸化還元酵素、各種タンパク質、ＤＮＡ、抗原や抗体などを固定化することにより、各種バイオセンサとして適用可能となる。
【０００３】
ところで、バルクシリコンを用いたＩＳＦＥＴはセンサチップ断面が電解質中に露出するのを防ぐために、樹脂などで封止する必要があった。小さなＩＳＦＥＴを封止するのは困難であり、封止できたとしても信頼性が低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）型のＩＳＦＥＴや、ガラス基板上にポリシリコン層を半導体層として形成したＩＳＦＥＴなどが提案されている。即ち、これらの構造はトランジスタが絶縁体で囲まれた構造となっているため、リーク電流が発生しにくく、特別な封止作業が不要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
昨今のバイオセンサとしての応用には、センサ素子の保存やメンテナンスを考慮して、１組のセンサ素子による測定を１回限りとする、いわゆる「使い捨て型」（ディスポーザブル）のバイオセンサが開発されている。これらの応用としてポリシリコンＴＦＴなどの薄膜デバイスをＩＳＦＥＴとしてバイオセンサに用いることが考えられるが、これらのデバイスはガラス基板の上に形成されるのが一般的で、センサを使い捨てとするには高価である。また、焼却廃棄する場合にはガラス破片が残り問題となる。
【０００６】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストを低くでき、且つ、使い捨て型センサに適したバイオセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、基板上に分離層を形成する工程と、前記分離層上に中間層を形成する工程と、前記中間層上に半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜をパターニングする工程と、前記パターニングされた半導体膜を被うように第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上の所定の領域にゲート電極を形成する工程と、前記パターニングされた半導体膜の所定領域にイオン注入することによりソース／ドレイン領域を形成する工程と、前記第１の絶縁膜及び前記ゲート電極上に第２絶縁膜を形成する工程と、前記半導体膜の前記ソース／ドレイン領域の一部が露出ように、前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜の一部をエッチングしてコンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホールに電極を形成する工程と、前記第２の絶縁膜上に接着層を形成する工程と、前記接着層を介して前記第２の絶縁膜に一次転写体を貼り付ける工程と、前記基板の前記分離層が形成された面とは反対側からレーザを照射することによって前記分離層の内部又は界面において前記基板と前記中間層とを分離する工程と、前記中間層上の前記分離層を除去する工程と、前記中間層の一部を除去することにより前記半導体膜のチャネル領域を露出する開口部を形成する工程と、前記開口部により露出された前記半導体膜及び前記中間層を被う第３の絶縁膜を形成する工程と、前記半導体膜のチャネル領域上の前記第３の絶縁膜上にイオン感応膜を形成する工程と、を備える。
【０００８】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、前記半導体膜を形成する工程は、前記中間層上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記アモルファスシリコン膜の前記中間層と接する面とは反対側から前記アモルファスシリコン膜にレーザ照射することにより前記アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜へ再結晶化する工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、前記分離層はアモルファスシリコンからなることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、前記中間層はシリコン酸化膜からなることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（１）第一の実施の形態
次に本発明のＩＳＦＥＴ型バイオセンサを図面を参照して説明する。図１は本願発明の第一の実施の形態を説明するための平面図と断面図である。ここで、図１（ａ）の平面図に記すＡ−Ｂで切断した断面図が図１（ｂ）である。ここでは、グルコースセンサの場合について説明する。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、プラスチック基板１１上には接着層１２が積層され、その上には中間層１３ａ、ＩＳＦＥＴとして機能するポリシリコン層１４が形成されている。ポリシリコン層１４の両端にはドレイン及びソースとしてのＮ型ポリシリコン層１５及び１６が形成されている。そして、前記ポリシリコン層１４及びポリシリコン層１５、１６を被うように保護絶縁膜としてのシリコン酸化膜１３ｂ及び５１が設けられている。さらに、表面保護膜としてのシリコン窒化膜７１（Ｓｉ３Ｎ４）はセンサ表面全体を被っている。尚、前記ポリシリコン層１４のチャネル部、即ち、イオン感応領域部分の前記シリコン酸化膜１３ｂ及び５１は除去されており、前記シリコン窒化膜７１と前記ポリシリコン層１４は直接接している。Ｎ型ポリシリコン層１５及び１６には、シリコン酸化膜１３ｂ及び５１に開口されたコンタクト孔を通してそれぞれの電極に接続されている。グルコースを測定するためのグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）が固定された固定化酵素膜１９が前記シリコン窒化膜上のイオン感応領域に設けられている。本実施例では、ＩＳＦＥＴ全体が前記シリコン窒化膜により被われているため、ピンホールなどが少なく信頼性が高い。また、マルチセンサ構造とした場合でもセンサ間のリーク電流が小さく抑えられる。ここで、シリコン窒化膜７１をゲート絶縁膜として用いたが、タンタルオキサイド膜や、酸化アルミニウム膜でもよい。
【００１５】
このようなプラスチック基板上にＴＦＴを作製する方法として、例えば特開平１０−１２５９３１に開示されている方法に基づいて、第一の実施例で説明したＩＳＦＥＴ型バイオセンサの製造方法を図２〜図１３を用いて説明する。
【００１６】
（工程１）図２に示すように、基板（例えば石英基板）２０上に分離層２１（例えばＬＰＣＶＤ法に形成されたアモルファスシリコン層）と中間層１３ａと（たとえば、ＳｉＯ２）アモルファスシリコン層１４とを積層形成し、続いて、アモルファスシリコン層の全面に上方からレーザ照射し、アニールを施す。これにより、アモルファスシリコンは再結晶化してポリシリコン層１４となる。
【００１７】
（工程２）続いて、図３に示すように、レーザアニールにより得られたポリシリコン層１４をパターニングして、ポリシリコンの島を形成する。
【００１８】
（工程３）図３に示されるように、ポリシリコンのアイランドを被う絶縁膜としてのシリコン酸化膜１３ｂを、例えばＣＶＤ法により形成する。
【００１９】
（工程４）図４に示すように、フォトレジストをマスクとして、リン不純物のイオン注入を行う。これによって、Ｎ型もしくはＰ型のポリシリコン層が形成され、ソース、ドレインとなる。
【００２０】
（工程５）図５に示すように、シリコン酸化膜５１を形成し、選択的にコンタクトホール５２を形成した後、アルミ電極５３を形成する。
【００２１】
（工程６）次に、図６に示すように、イオン感応領域６１だけが露出するように、表面のシリコン酸化膜５１の一部をレジストをマスクとしてエッチングする。その後、図７に示すように、表面全体を被うように、表面保護膜及びＩＳＦＥＴ型バイオセンサのゲート絶縁膜としてのシリコン窒化膜７１を成膜する。このようにして形成されたポリシリコン層１４を含むデバイス層をここでは被転写層５４とよぶ。
【００２２】
（工程７）図８に示すように、前記被転写層５４の表面上に接着層としての水溶性接着剤８１を塗布し、次に、その水溶性接着剤層８１を介して、被転写層５４を一次転写体８２に貼り付ける。続いて、前記水溶性接着剤８１が熱硬化型であれば熱を加えて硬化させ、一次転写体８２と被転写層５４とを接着（接合）する。そして、ガラス基板２０の裏面から、例えば、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ光を照射する。これにより、分離層２１の層内及び／又は界面において剥離を生じせしめる。
【００２３】
（工程９）図９に示すように、基板２０を引き剥がす。
【００２４】
（工程１０）図１０に示すように、分離層２１をエッチングにより除去する。これにより、被転写層５４が一次転写体８２に転写されたことになる。
【００２５】
（工程１１）次に、図１１に示すように、転写された被転写層５４の下面、即ち中間層ａの下面、に接着層１２を介して、二次転写体１１を接着する。二次転写体としては、各種合成樹脂が挙げられる。例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹のいずれでもよく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどでもよい。ここで、接着層１２を構成する接着剤の例としては、反応硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化型接着剤等の光硬化型接着剤、嫌気硬化接着剤等の各種硬化型接着剤が挙げられる。接着剤の組成としては、例えば、エポキシ系、アクリレート系、シリコーン系などいかなるものでもよい。接着層１２の形成は例えば塗布法によりなされる。
【００２６】
（工程１２）前記接着層１２が光硬化型の場合、光透過性の二次転写体１１の外側から光を照射することにより、二次転写体１１と中間層１３ａの下面が接合される。
【００２７】
（工程１３）次に、図１２の示すように、前記水溶性接着層８１と第一転写体５４とが接着している界面を水と接触させる。これにより、水溶性接着剤が溶融し、被転写層５４の上面であるシリコン窒化膜７１と一次転写体８２とが分離する。同シリコン窒化膜７１の表面に付着した水溶性接着剤を除去することにより、プラスチック基板１１上に形成した薄膜デバイスが得られる。
【００２８】
（工程１４）次に、図１３に示すように、イオン感応領域以外、即ち、酵素固定化膜が形成される領域以外の領域がマスクされるようにフォトレジストをパターニングし、グルコースオキシダーゼ、アルブミン水溶液、グルタールアルデヒドの混合液が基板全面に塗布される。前記混合液が固定した後、アセトン中で前記フォトレジストを除去することによって、固定化酵素膜がＩＳＦＥＴのチャネル領域上部、即ち、イオン感応領域に形成される。
以上の工程により、合成樹脂基板上に形成されたＩＳＦＥＴ型のバイオセンサが得られる。
【００２９】
（２）第二の実施の形態
第一の実施の形態では、ポリシリコンＴＦＴ層から構成される被転写層を二度転写するものであったが、第二の実施の形態では同被転写層を一度のみ転写するものである。ここでは、第二の実施の形態のバイオセンサの製造方法について図１４から図２３に基づき説明する。
【００３０】
（工程１）図１４に示すように、基板２０上に分離層２１（例えばＬＰＣＶＤ法に形成されたアモルファスシリコン層）と中間層１３ａ（例えば、ＳｉＯ２膜）及びアモルファスシリコン層１４とを積層形成し、続いて、アモルファスシリコン層の全面に上方からレーザ照射し、アニールを施す。これにより、アモルファスシリコンは再結晶化してポリシリコン層１４となる。
【００３１】
（工程２）続いて、図１５に示すように、レーザアニールにより得られたポリシリコン層１４をパターニングして、ポリシリコンの島を形成する。
【００３２】
（工程３）図１６に示されるように、ポリシリコンの島を被うゲート絶縁膜１３ｂを、例えば、ＣＶＤ法により形成する。次に、ポリシリコンあるいはメタル等からなるゲート電極１６１を形成する。前記ゲート電極１６１をパターニングし、フォトレジスト１６２をマスクとしてリン不純物のイオン注入を行う。これによって、Ｎ型ポリシリコン層が形成され、ソース及びドレインの各領域が形成される。
【００３３】
（工程４）図１７に示すように、層間絶縁膜１７０を形成し、選択的にコンタクトホール１７１を形成した後、アルミ電極１７２を形成する。このようにして形成されたポリシリコン層を含むデバイス層をここでは被転写層１７３とよぶ。
【００３４】
（工程５）図１８に示すように、被転写層１７３の表面に接着層としての水溶性接着剤１８１を塗布し、次に、その水溶性接着剤層１８１を介して、被転写層１７３を一次転写体１８２に貼り付ける。続いて、前記水溶性接着剤が熱硬化であれば熱を加えて硬化させ、前記一次転写体１８２と被転写層１７３を接着（接合）する。
【００３５】
（工程６）図１９に示すように、基板２０の裏面から、例えば、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ光を照射する。これにより、分離層２１の層内及び／又は界面において剥離を生じせしめる。
【００３６】
（工程７）図２０に示すように、基板２０を引き剥がす。
【００３７】
（工程８）図２１のように、前記分離層２１をエッチングにより除去する。これにより、被転写層１７３は一次転写体１８２に転写されたことになる。
【００３８】
（工程９）図２２に示すように、ポリシリコンＴＦＴ層からなる被転写層１７３が接合された一次転写体１８２を反転させ、チャネル領域、即ちイオン感応領域が露出するように中間層１３ａをエッチングする。
【００３９】
（工程１０）その後、図２３に示すように、基板全体を被うように表面保護およびＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜としてのシリコン窒化膜２３１を成膜する。そして、イオン感応領域以外、即ち、酵素固定化膜が形成される領域以外の領域がマスクされるようにフォトレジストをパターニングし、グルコースオキシダーゼ、アルブミン水溶液、グルタールアルデヒドの混合液が基板全面に塗布される。前記混合液が固定した後、アセトン中で前記フォトレジストを除去する。即ち、固定化酵素膜２３２がＩＳＦＥＴのチャネル領域上部、即ち、イオン感応領域に形成される。以上の工程により、図２３に示すような合成樹脂基板上にＩＳＦＥＴ型のバイオセンサが作製される。
【００４０】
第二の実施の形態では、ゲート電極を有する構造のＩＳＦＥＴを説明したが、ゲート電極を有しない構造のＩＳＦＥＴとしてもよい。
【００４１】
以上の実施の形態の説明では、固定化酵素膜としてグルタールオキシダーゼを固定したグルコースセンサについて説明したが、他の酵素についても適用可能である。さらに、本発明の主旨はイオン感応膜上に形成するものとして酵素に限るものではなく、タンパク質同士の反応を検出するタンパク質センサ、核酸同士の反応を検出する核酸センサ、抗原抗体反応を検出する抗体センサなどへ適用しても同様の効果を得る。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、前記一次転写体は有機高分子材料よりなるため、廃棄する場合は容易に焼却可能なバイオセンサが得られる。すなわち、ディスポーザブルなバイオセンサとして利用できる。また、フレキシブル且つ割れにくい材料であるため、例えば体内にバイオセンサを移植して使用する場合でも、体内に設置し易く、安全に利用できる。
【００４３】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、性能の高いポリシリコンＴＦＴから構成された回路を同一基板上のＩＳＦＥＴ以外の場所に同時に作製可能なので、センサ、周辺回路、ＣＰＵなどを含む信号処理回路をセンサチップに作り込む事ができる。また、ＩＳＦＥＴセンサ自体を小さく作れるので、多数のセンサを同一チップ内に作製する応用にも適している。
【００４４】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、バックゲートに印加する電圧を変化させることにより、ポリシリコンＴＦＴ素子自体のしきい値電圧バラツキによるＩＳＦＥＴの感度バラツキが調整可能となる。
【００４５】
また、本発明の一態様に係るバイオセンサの製造方法によれば、安価で大量生産に向いたバイオセンサを得ることができる。
【００４６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態を説明するＩＳＦＥＴ型バイオセンサの平面図及び断面図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図４】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図５】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図６】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図７】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図８】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図９】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図１０】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図１１】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図１２】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図１３】本発明の第一の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図１４】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図１５】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図１６】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図１７】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図１８】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図１９】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図２０】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図２１】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図２２】本発明の第二の実施の形態の製造工程を説明する断面図である。
【図２３】本発明の第二の実施の形態を説明するＩＳＦＥＴ型バイオセンサの断面図である。
【図２４】従来例の説明図である。
【符号の説明】
１１    プラスチック基板
１２    接着層
１３ａ  シリコン酸化膜
１４    ポリシリコン層
１５    ソース
１６    ドレイン
１９    イオン感応膜
５１            シリコン酸化膜
７１            シリコン窒化膜
【図１】
0003835195.tif 000002
【図２】
0003835195.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003835195.tif 000006
【図６】
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【図７】
0003835195.tif 000008
【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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【図１６】
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【図１７】
0003835195.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
0003835195.tif 000022
【図２２】
0003835195.tif 000023
【図２３】
0003835195.tif 000024
【図２４】
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