ゲート電極が駆動する電界効果型トランジスタおよびそれを有するセンサデバイス
【課題】 ゲート電極が可動な電界効果型トランジスタを提供する。
【解決手段】 半導体層と、前記半導体層内に少なくとも２つの活性領域と、前記活性領域に接するソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の半導体層の上に絶縁層とゲート電極とを有する電界効果型トランジスタであって、
前記電界効果型トランジスタは前記ゲート電極および前記絶縁層の間に配置される、分子を吸着するための吸着部位を有し、
前記ゲート電極を駆動するための駆動手段を有することを特徴とする電界効果型トランジスタ。
【解決手段】 半導体層と、前記半導体層内に少なくとも２つの活性領域と、前記活性領域に接するソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の半導体層の上に絶縁層とゲート電極とを有する電界効果型トランジスタであって、
前記電界効果型トランジスタは前記ゲート電極および前記絶縁層の間に配置される、分子を吸着するための吸着部位を有し、
前記ゲート電極を駆動するための駆動手段を有することを特徴とする電界効果型トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート電極が駆動する電界効果型トランジスタおよびそれを有するセンサデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサのニーズの多様化に伴い、様々なセンサが提案・実用化に至っている。例えば、酸化物半導体の表面での酸化還元反応による伝導率変化を用いたセンサは、メタン、イソプレン、フロンガス、アルコール等を検出するセンサとして実用化されている。
【０００３】
また、ガスの電解電流を計測する定電位電解式センサでは一酸化炭素、硫化水素、ハロゲン、オゾン、窒素酸化物、塩化水素等が検出可能である。また他の検出技術として、表面電位を検出する方式である半導体デバイスを用いた電界効果トランジスタ型のセンサが提案されている。
【０００４】
電界効果型トランジスタセンサは、応答が早い、認識部位を変更することで検出対象分子を変更可能、集積化が容易等の特徴を持ち、応用範囲の拡大や低コスト化で期待されている。
【０００５】
電界効果型トランジスタセンサは、ゲートの電極もしくは電圧印加部位とチャネル領域との間に、電荷もしくはポテンシャル差が誘起されることによってチャネル内の電荷量が変化する。その変化をチャネルコンダクタンスが変化することによってドレイン電流差を生じさせることを検出原理としている。
【０００６】
よって、ゲートの電極もしくは電圧印加部位とトランジスタチャネル間に検出対象分子がアクセスできる構成であることが好ましい。
【０００７】
分子サイズ等の制限の少ない流体内成分の検出装置として、電界効果型トランジスタのチャネル領域とゲート電極を離間させ、両者の間に空隙を設けることによってアクセシビリティーを確保した例が、特許文献１に記載されている。
【０００８】
この例においては、空隙を自由に検出対象分子が移動できるため検出対象にも制限が少なく、また電解質溶液を用いることなく、気相中に含有されたアルコール成分の測定にも言及している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公平３−２１０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載のセンサは、アクセシビリティーを確保するためにゲート部位に空隙が設けられている。設けられた空隙によってゲート部位の容量が減少し、検出感度が低下する。
【００１１】
そこで、本発明は、電界効果型トランジスタセンサの感度を低減させずに、流体中の分子を検出する電界効果型トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
よって本発明は、
半導体層と、前記半導体層内に少なくとも２つの活性領域と、前記活性領域に接するソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の半導体層の上に絶縁層とゲート電極とを有する電界効果型トランジスタであって、
前記電界効果型トランジスタは前記ゲート電極および前記絶縁層の間に配置される、分子を吸着するための吸着部位を有し、
前記ゲート電極を駆動するための駆動手段を有することを特徴とする電界効果型トランジスタを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電界効果型トランジスタが有するゲート電極が駆動することによって、分子が吸着部位に吸着するのを妨げないため、検出感度が高い電界効果型トランジスタを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る電界効果型トランジスタの構成を示した図である。
【図２】第１の実施形態に係る電界効果型トランジスタデバイスの構成を模式的に示した図である。
【図３】第２の実施形態に係る電界効果型トランジスタデバイスによる検出方法を説明する図である。
【図４】ギャップの有無による電界効果型トランジスタの特性変動のシミュレーション結果である。
【図５】第１の実施例に係る電界効果型トランジスタデバイスの作製工程を説明する図である。
【図６】第２の実施例に係る電界効果型トランジスタデバイスによる検出方法の工程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、半導体層と、前記半導体層内に少なくとも２つの活性領域と、前記活性領域に接するソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の半導体層の上に絶縁層とゲート電極とを有する電界効果型トランジスタであって、
前記電界効果型トランジスタは前記ゲート電極および前記絶縁層の間に配置される、分子を吸着するための吸着部位を有し、
前記ゲート電極を駆動するための駆動手段を有することを特徴とする電界効果型トランジスタである。
【００１６】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタは、ソース電極とドレイン電極の間の半導体層に接する絶縁層を有し、この絶縁層に接する吸着部位を有する電界効果型トランジスタである。
【００１７】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタが有する吸着部位の上にはゲート電極が配置されている。このゲート電極は上下または左右に駆動する構成となっている。
【００１８】
吸着部位に気体中の特定の分子を吸着させる場合には、ゲート電極は吸着部位から離れている。吸着部位に吸着した分子の量を測定する場合には、ゲート電極は吸着部位に接して配置される。
【００１９】
吸着させる場合には、ゲート電極が吸着部位から離れているので、気体と吸着部位とが接する面積が大きい。このため、ゲート電極に阻まれることなく気体と吸着部位とが接することができる。
【００２０】
一方で、吸着した分子の量を測定する場合には、ゲート電極が吸着部位に接するので容量を損なうことなく測定することができる。このため、感度の高い検出が可能である。
【００２１】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタは気体と吸着部位が接する面積が大きく、かつ測定時の容量を損なうことがないので、検出の感度が高い。
【００２２】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタが有する吸着部位は気体中の特定の分子を吸着するものであり、有機膜でも無機膜であってもよい。
【００２３】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタは、標的分子が有する電荷を検出しても、または標的分子と吸着部位との結合によって生じる電荷を検出してもよい。
【００２４】
また、標的分子の吸着によって生じる双極子や、標的分子の有する双極子によるポテンシャル変動もそれぞれ検出可能である。更に、吸着によって誘起される空間電荷や、吸着部位の比誘電率変化等も検出可能である。
【００２５】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタが有する吸着部位は、センサへの応用の観点から、標的分子に対して選択性を有することが望ましい。選択性は、化学的な親和性や結合、相互作用に因るものでも良いし、物理的な要素であっても良い。
【００２６】
標的分子を捕捉した場合の変化は、電荷量の変化であっても良いし、ポテンシャルの変化であっても良いし、その両方であっても良い。
【００２７】
本実施形態に係る吸着部位は、抗体、ＤＮＡ、タンパク質、ペプチド、受容体またはそれに対するリガンド、包接化合物、カリックスアレーン、人工合成分子などの特定の分子と選択的に結合する分子あるいは官能基を有することが好ましい。
【００２８】
本実施形態に係る吸着部位は、分子鋳型技術を応用した薄膜であってもよい。その場合は、吸着部位は特定の分子を選択的に吸着する性能に優れるので好ましい。
【００２９】
また、吸着部位は薄膜化することが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００３０】
低分子基板上に固定したり、分子鋳型法により作製した合成高分子層を用いたりすることにより、吸着部位を１０ｎｍ以下の厚さで形成することが可能である。
【００３１】
標的分子の捕捉の観点からは、吸着部位の単位体積当たりの実効表面積が大きいことが好ましい。
【００３２】
微細凹凸形状による表面積増大、細孔を有する構造体等も適用可能である。電界効果型トランジスタとして吸着部位の標的分子の信号が検出されるためには、吸着部位は絶縁層に接していても良いし、ゲート電極に接していても良い。
【００３３】
（第１の実施形態）
本実施形態に係る電界効果型トランジスタについて図１を用いて説明する。
【００３４】
基板１０１については、電界効果トランジスタを形成しうる材料であれば適用可能である。例えばＳｉやＧｅ、Ｃからなる元素半導体、ＳｉＧｅやＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の化合物半導体、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３等の酸化物半導体が挙げられる。
【００３５】
基板には、不純物がドープされていてもよく、その不純物の極性は問わない。
【００３６】
不純物層や絶縁膜の形成について、公知の半導体プロセスを用いて形成可能である。
【００３７】
不純物層１０２１、１０２２ａ、１０２２ｂは、基板１０１をＳｉとした場合、ｎ型不純物であればＰ、Ａｓ、ｐ型不純物であればＢのイオン注入で形成可能である。
【００３８】
これらの不純物の型や濃度については、基板の型や不純物濃度と併せて考慮し、エンハンスメント型／デプレッション型、しきい値調整等の設計指針に基づいて調整すれば良い。
【００３９】
例えばＳｉ基板を用いる場合、通常不純物層１０２１は１×１０１７〜１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３、不純物層１０２２ａ、１０２２ｂは１×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３程度の不純物濃度とする。
【００４０】
１０２２ａと１０２２ｂには、ｎ型チャネル電界効果型トランジスタとする場合ｎ型の不純物を導入し、ｐ型チャネルの場合にはｐ型不純物を導入する。
【００４１】
不純物層１０２１は、基板不純物濃度と合わせて不純物濃度を合わせこむ。１０２２ａと１０２２ｂにｎ型不純物が導入されている場合、不純物層１０２１にｎ型不純物を導入すればデプレッション型となり、ｐ型不純物を導入すればエンハンスメント型となる。
【００４２】
１０２２ａ、１０２２ｂにｐ型不純物が導入されている場合は逆となり、不純物層１０２１にｐ型不純物を導入すればデプレッション型となり、ｎ型不純物を導入すればエンハンスメント型となる。
【００４３】
１０２２ａＳｉ以外の材料を基板１０１に適用した場合、各々ｎ型ｐ型を形成する不純物を導入すれば良い。
【００４４】
不純物導入手法としてはイオン注入法でも不純物拡散法等も適用可能である。
【００４５】
絶縁層１０３は、基板１０１をＳｉとした場合、ＳｉＯ２層やＳｉＮ層、ＳｉＯＮ層が適用可能である。絶縁耐性や化学的安定性からは熱酸化等での形成が望ましいが、ＣＶＤ法で形成される層も適用可能である。その他、電気的な絶縁性が確保されている層であれば適用可能である。化学的物理的に安定な層であればより好適である。
【００４６】
ゲート電極１０５は、チャネルを形成するチャネル不純物層１０２１の型、濃度等に合わせて材料を選択するのが好ましい。
【００４７】
チャネル不純物層１０２１のフェルミレベルと電極材料の仕事関数によってチャネル不純物層１０２１内部のバンドベンディングが影響を受けるためである。
【００４８】
ゲート電極とチャネルを形成する不純物領域１０２１との間の空隙形成についてはいくつかの形成法が適用可能である。例えば吸着部位１０４の形成後、不図示の犠牲層を形成し、その上にゲート電極１０５を形成し、その後犠牲層を選択除去することによって図１のデバイス構成が得られる。
【００４９】
ゲート電極１０５をチャネル不純物層１０２１と近接させたり離間させたりすることが標的分子の測定を行う上で好ましい。
【００５０】
近接させたり離間させたりする駆動力としては、機械的な応力や、磁気的な反発力、吸引力が適用できる。
【００５１】
機械的な応力としては、圧電素子等が適用可能である。
【００５２】
また磁気的な反発力や吸引力を用いるためには、ゲート電極１０５が磁性体であるか、またはゲート電極と連動する駆動部位に磁性構造体を形成しておけばよい。その後外部から適正な磁場を印加することによって近接と離間を調整できる。
【００５３】
ゲート電極材料に多孔質体を用いてゲート電極の下に配置されている吸着部位に気体を触れさせる構成も考えられる。この場合、気体の吸着はやや損なわれ、検出感度に影響を与えると考えられるが、気体と常に接触していられかつ、駆動機構が不要なので小型化が見込める。
【００５４】
ゲート電極１０５と、２つのソースドレイン不純物層１０２２ａ、１０２２ｂに電圧を印加するためにソースドレイン不純物層１０２２ａとソースドレイン不純物層１０２２ｂ間には電圧源９を接続配線７により接続する。
【００５５】
また、ソースドレイン不純物層１０２２ａとゲート電極１０５間にはゲート−ソース間電圧源８を挿入し、接続配線７にて電気的に接続する。
【００５６】
更に、ソースドレイン不純物層１０２２ａは接地する。
【００５７】
ここではソースドレイン１０２２ａを接地する構成を一例として説明した。
【００５８】
しかし、原理的にはソースドレイン不純物層１０２２ａとソースドレイン不純物層１０２２ｂの区別は無く、上記でソースドレイン不純物層１０２２ａとソースドレイン不純物層１０２２ｂが入れ替わっても同様に機能する。
【００５９】
第１の実施形態をデバイス化し測定を行う際の構成を図２（ａ）（ｂ）に示す。（ａ）は平面図（ｂ）のＡ−Ａ‘部の断面図である。凹部２０７は基板１０１を加工し形成する。
【００６０】
基板がＳｉである場合、例えば面方位（１００）基板を用いて、ＫＯＨ溶液でエッチングすることで（１１１）面でエッチストップし、テーパー形状の凹部が形成される。
【００６１】
不純物領域２０２１と２０２２ａ、２０２２ｂ、絶縁膜２０３、電極２０５、懸架膜２０６は図１で示した構成と同様の材料、プロセスで形成する。不純物領域２０２２ａと２０２２ｂにはそれぞれ電位を印加できるようにそれぞれ電気的に接続されたソースドレイン配線２０９ａ、２０９ｂを形成する。
【００６２】
ゲート懸架部２０６は、標的分子の吸着ステップでは吸着部位と離れ、測定ステップでは近接もしくは接する程度に可塑性を有する材料が好適である。ダイヤフラム材料として用いられるＳｉＮ等が好適である。その他構成によっては樹脂材料等も適用可能である。
【００６３】
また、電極と不純物層２０２１の離間距離の再現性を保つためには、基板２０１とゲート懸架部２０６が強固に結合されている構成が望ましい。
【００６４】
またその際に外部から標的分子がアクセスすることが容易な様に懸架部２０５上部と下部の空間が隔絶されない様な構成にすることが望ましい。
【００６５】
そのため懸架膜２０６は、図２（ｂ）に示すように凹部２０７が部分的に露出した構成とする。
【００６６】
また、電極２０５に電位を供給するためのゲート配線２０８を設ける。図２（ｂ）に示すように懸架膜表面に配線を形成し、懸架膜２０６に貫通孔を介してゲート配線２０８を接続することもできる。このようにして第１の実施例に記載のデバイスが作製される。
【００６７】
＜検出方法＞
（第２の実施形態）
本発明による第２の実施形態は
流体内の成分検出及び濃度測定のための検出手法であって、
半導体基板と、前記基板の表面の少なくとも二つの拡散層と、前記基板表面の前記拡散層間に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層を前記基板と挟持する位置に設けられた電極と、
前記絶縁層と前記電極間に設けられた検出対象分子を捕捉する吸着部位と
前記電極は、前記基板から空隙を挟むように作製され、
その検出ステップは
前記基板と前記電極との間に生じる空隙に検出対象分子を導入し所定の時間保持する工程
前記電極を前記半導体に近接させる工程
前記拡散層と前記電極に、所定のトランジスタ動作電圧を印加し測定を行う工程
を、この順に順次行うことを特徴とする検出方法である。
【００６８】
図３は、測定手順の概念図である。まず、不純物領域３０２２ａ、３０２２ｂ、ゲート電極３０５を同電位とする様に、スイッチ３１１、３１２をｏｎとする。ゲート電極、ソース、ドレインが同電位になるため、それぞれの間に電流は発生しない。
【００６９】
本実施形態の説明にはスイッチを用いているが、後述のゲート−ソース間電源３０９やソース−ドレイン間電源３１０が電圧可変な電源であれば、スイッチを用いずにその都度電圧を昇降させることも勿論可能である。
【００７０】
その後、ゲート電極３０５をチャネル不純物層３０２１から離間させる。離間距離は、離間や近接に用いる圧電素子の可動範囲や、先行技術（特許文献１）に記載のゲート−不純物領域間隔から判断される具体的な数値範囲として、具体的には１０ｎｍ以上であり、より好適には１００ｎｍ以上である。
【００７１】
この例では、吸着部位３０４は絶縁膜３０３に接する構造としている。この際に、外部空間が標的分子を含む流体で包含されていれば、外部空間に存在する標的分子３１０が拡散等によって吸着部位３０４に到達する。
【００７２】
電極３０５を離間させている時間が制御されていることが、定量的な検出のためには好ましい。露出時間を等しくした状態で複数回計測を行った場合、変動分の差が外部空間の濃度の差に略比例すると考えられるためである。
【００７３】
先行件では、常時ギャップが存在し、吸着部位が露出することで時系列的な変動要因の抑制が困難であったが、本実施形態の系では吸着部位の露出を低減、抑制できるために時系列的な変動を低減できる。
【００７４】
続いて、ゲート電極３０５をチャネル不純物層３０２１に近接させる。
【００７５】
また、ギャップ間隔が小さくなることで、近傍の領域に存在する標的分子及び非標的分子のゲート印加に起因するギャップ間での再付着や再分布を低減、抑制できる。
【００７６】
続いて、スイッチ３１１，３１２をｏｆｆとする。ここで、ゲートソース間電源３０９、ソースドレイン間電源３１０に好適な電圧を印加しておく。具体的には、ソース−ゲート間電圧は０．１〜１５Ｖ程度、ソース−ドレイン間電圧は０．１〜５Ｖ程度が好適である。
【００７７】
スイッチ３１１，３１２のｏｆｆによって所定の電圧がゲート−ソース間、ソース−ドレイン間に印加され、ドレインに電流が流入する。この電流値を電流系３１３で計測する。
【００７８】
この際に、吸着部位３０４に吸着した標的分子３１０の量に応じた変化がドレイン電流変化に反映される。
【００７９】
以上の工程を繰り返すことによって、外部空間に存在する流体中の標的分子を検出することが可能である。
【００８０】
尚、外部空間が標的分子を含まない流体で包含されている状態で長時間保持することによって、吸着分子を再度吸着部位３０４から脱離させることも可能である。
【００８１】
基板温度を上昇させる等で脱離を促進させることが電界効果型トランジスタの測定再現性の改善や繰り返し利用への適用の観点でより好ましい。
【００８２】
ギャップが生じると、電極とチャネル部の距離が広がり、かつ比誘電率の低い材料が電極とチャネル間に挿入されるため、ゲート容量の著しい低下が起こり、結果として電圧に対する電流変化率が大きく減少することを前提としている。
【００８３】
この確認のため、今回想定される電界効果型トランジスタデバイスに近い系を用いてデバイスシミュレーションを行い、ギャップの有無による特性変動を検証した。結果を図４に示す。尚、シミュレーション条件は以下の通りである。
シミュレータ：ＡＴＬＡＳ（Ｓｉｌｖａｃｏ社）
ゲート幅 ： １ｕｍ
ゲート長 ： ０．５ｕｍ
絶縁膜 ： １５ｎｍ
ギャップ ： 無 有 （１０ｎｍ）
【００８４】
図４（ａ）の結果から明らかなように、ギャップが１０ｎｍ存在するだけでＶＧ１．０−２．５Ｖ付近のドレイン電流が３桁程度低下している。（ｂ）からは、電圧に対する電流の変動を示すＳ値の電圧依存性が確認できるが、こちらも２−３桁の差となっており、ギャップが存在することによる感度低下を改めて確認できた。
【００８５】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタは、電圧を印加し、電流特性の変化を取得することでセンシングシステムとして用いることができる。
本実施形態に係るセンシングシステムはセンシング部に電界効果型トランジスタを有する。
【００８６】
電圧を印加する電圧印加手段は、公知の電源が挙げられ、直流でも交流でもよい。
【００８７】
電流特性を測定するための電流測定手段は、市販の微小電流測定装置等を用いることができる。
【００８８】
電圧印加手段と電流測定手段は一体となっていても、それぞれ別となっていてもよいが、一体となっていることが好ましい。
【実施例】
【００８９】
（実施例１）
本実施例では、図５を用いて、ゲート電極が可動性を有する電界効果型トランジスタセンサの作製について説明する。
【００９０】
抵抗率１００Ω・ｃｍのｐ−型（１００）Ｓｉ基板５０１上に不図示のＳｉＯ２を１０ｎｍ熱酸化で形成し、トレンチ部５０１１開口部に相当する部位を通常のリソグラフィによってレジストパターン開口パターニングする。
【００９１】
その後、フッ化アンモニウム溶液ＮＨ４Ｆとフッ酸ＨＦを１０：１で混合した緩衝フッ酸への浸漬３ｍｉｎで開口部のＳｉＯ２を除去しＳｉを露出させる。レジスト除去後、４０％ＫＯＨ溶液に３０ｓｅｃ浸漬する。
【００９２】
その結果、ＳｉＯ２開口部に５００ｎｍの深さでエッチストップした順テーパー形状のトレンチ５０１１が形成される。
【００９３】
マスクに用いたＳｉＯ２はフッ化アンモニウム溶液ＮＨ４Ｆとフッ酸ＨＦを１０：１で混合した緩衝フッ酸への浸漬３ｍｉｎで除去される。５０１１の開口部は、１００ｕｍ平方とする。
【００９４】
続いて、ＬＰＣＶＤでＳｉＯ２を１０ｎｍ製膜する。
【００９５】
その後、Ｐウェル５０２３とチャネル不純物層５０２１を通常のリソグラフィーとイオン注入で形成する。Ｐウェル５０２３はＢイオンを１５０ＫｅＶのエネルギ、２．０×１０１３ｃｍ−２のドーズで、チャネル不純物層５０２１はＢイオンを２０ｋｅＶ、ドーズ量２．０×１０１２ｃｍ−２で形成する。
【００９６】
その後、後述の不純物層５０２２領域が開口するようにレジストでパターニングを行い、Ｐイオンエネルギ２０ｋｅＶ、ドーズ量１．０×１０１３ｃｍ−２で注入することによりソースドレイン不純物層５０２２が形成される。
【００９７】
その後ＬＰＣＶＤを用いてＳｉＮを５０ｎｍ製膜し、絶縁膜５０３を形成する。
【００９８】
続いて、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２＝４：１の硫酸加水に５ｍｉｎ浸漬することで表面を化学酸化する。
【００９９】
その後、ＬＰＣＶＤでポリシリコンを３００ｎｍ成長し第１犠牲層５０４１を形成する。
【０１００】
続いて電極５０５を形成する領域に通常のリソグラフィーを用いてレジスト開口パターンを形成する。
【０１０１】
その後、電子ビーム蒸着を用いて、Ｆｅ２００ｎｍを形成する。その後、レジストを除去し所謂リフトオフ法でゲート電極５０５が形成される。
【０１０２】
レジストを除去後、Ｓｉを蒸着法で５００ｕｍ成長し第２犠牲層５０６を形成する。
【０１０３】
その後、ＣＭＰ（化学機械研磨）法で、絶縁層５０３とゲート電極５０５が露出するようにし第１犠牲層５０４１と第２犠牲層５０６上面を研磨する。研磨時のスラリー等を除去洗浄した後、プラズマ窒化膜を１００ｎｍ製膜しゲート懸架部５０７を形成する。
【０１０４】
その後、ゲート電極５０５と電気的に接続されるようにコンタクトホールを介して接続された配線５０８を形成する。
【０１０５】
これらの工程は通常のリソグラフィーとエッチングで容易に達成可能である。その後、トレンチ５０１領域が露出するように、かつ電極５０５を被覆するようにゲート懸架部５０７をリソグラフィーでパターニング後、反応性イオンエッチングで部分的に窒化膜５０７を除去する。
【０１０６】
続いて、ケミカルドライエッチングで第１犠牲層５０４１と第２犠牲層５０６上面を除去する。ケミカルドライエッチングの適用により犠牲層以外の損傷を低減しながら等方的に犠牲層を除去可能である。図５ｂは犠牲層除去後の断面図を示す。
【０１０７】
その後、（２−Ｂｒ−２−メチル−Ｎ−６−（トリメトキシシリル）ヘキシル）プロパンアミド）トルエン溶液を絶縁膜５０３に１２時間接触させる。
【０１０８】
次に、窒素雰囲気下において、標的分子とメタクリル酸メチル、ピリジンを溶解させたＤＭＦ溶液を接触させ、そこに臭化銅を加えて２４時間反応させる。
【０１０９】
その後、洗浄を行い、標的分子を除去することによって、絶縁膜５０３上に吸着部位５０４を形成することができ、センサデバイスが作製される。
【０１１０】
また、メタクリル酸メチルの官能基を他の官能基に置換することにより、標的物質と吸着部位の結合力を変化させることも可能である。
【０１１１】
＜検出方法＞
（実施例２）
本実施例では、図６を用いて、ゲート電極が可動性を有する電界効果型トランジスタセンサを用いて対象分子を検出する検出方法について説明する。
【０１１２】
図６はセンサデバイスと検出のための回路構成を模式的に示したものである。
【０１１３】
この図６に記載のセンサデバイスは実施例１のプロセスを用いて作製し、吸着部位６０４はポリビニルフェノール膜によって形成する。
【０１１４】
まず、スイッチ６２３、６２４をｏｎすることでゲート電極６０５、ソース不純物層６０２２ａ、ドレイン不純物層６０２２ｂをそれぞれ同電位とする。
【０１１５】
ゲート−ソース間電源６２１には＋５Ｖ、ソース−ドレイン間電源６２２には＋１Ｖを印加しておく。尚、本実施例には電圧スイッチを用いているが、後述のゲート−ソース間電源６２１やソース−ドレイン間電源６２２が電圧可変な電源であれば、スイッチを用いずにその都度電圧を昇降させることも勿論可能である。
【０１１６】
その状態で、対象分子であるエタノール６１０を含むガスを導入し、吸着部位６０４に吸着させる。その後所定の時間を経たのち、勾配を有する磁場６１１を印加してゲート電極６０５を吸着部位６０４チャネル不純物層６０２１に近接させる。
【０１１７】
ゲート懸架部６０７が１００ｎｍ厚でかつ開口部長さが１００ｕｍ幅であることから、２Ｐａ程度の圧力が加われば３００ｎｍ程度のたわみが生じる。
【０１１８】
ゲート電極６０５にＦｅを用いているため、公知のフェライト磁石を近接させることで容易に上記程度の圧力を生じさせることが可能である。
【０１１９】
駆動手段として磁場６１１を印加した状態で、スイッチ６２４、６２５をｏｆｆにする。
【０１２０】
これによってゲート−ソース間にゲートが＋５Ｖ、ソース−ドレイン間にドレインが＋１Ｖとなるように電圧が印加される。
【０１２１】
この後、電流計６２５に流れる電流をモニタする。ガスを導入しない状態での電流値との比較等によってガス中の標的分子であるエタノール６１０の濃度に応じた電流の変化が得られた。
【符号の説明】
【０１２２】
１０１ 基板
１０２１ チャネル不純物層
１０２２ａ ソースドレイン不純物層
１０２２ｂ ソースドレイン不純物層
１０３ 絶縁膜
１０４ 吸着部位
１０５ ゲート電極
１０７ 配線
１０８ ソース−ドレイン間電源
１０９ ソースゲート間電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート電極が駆動する電界効果型トランジスタおよびそれを有するセンサデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサのニーズの多様化に伴い、様々なセンサが提案・実用化に至っている。例えば、酸化物半導体の表面での酸化還元反応による伝導率変化を用いたセンサは、メタン、イソプレン、フロンガス、アルコール等を検出するセンサとして実用化されている。
【０００３】
また、ガスの電解電流を計測する定電位電解式センサでは一酸化炭素、硫化水素、ハロゲン、オゾン、窒素酸化物、塩化水素等が検出可能である。また他の検出技術として、表面電位を検出する方式である半導体デバイスを用いた電界効果トランジスタ型のセンサが提案されている。
【０００４】
電界効果型トランジスタセンサは、応答が早い、認識部位を変更することで検出対象分子を変更可能、集積化が容易等の特徴を持ち、応用範囲の拡大や低コスト化で期待されている。
【０００５】
電界効果型トランジスタセンサは、ゲートの電極もしくは電圧印加部位とチャネル領域との間に、電荷もしくはポテンシャル差が誘起されることによってチャネル内の電荷量が変化する。その変化をチャネルコンダクタンスが変化することによってドレイン電流差を生じさせることを検出原理としている。
【０００６】
よって、ゲートの電極もしくは電圧印加部位とトランジスタチャネル間に検出対象分子がアクセスできる構成であることが好ましい。
【０００７】
分子サイズ等の制限の少ない流体内成分の検出装置として、電界効果型トランジスタのチャネル領域とゲート電極を離間させ、両者の間に空隙を設けることによってアクセシビリティーを確保した例が、特許文献１に記載されている。
【０００８】
この例においては、空隙を自由に検出対象分子が移動できるため検出対象にも制限が少なく、また電解質溶液を用いることなく、気相中に含有されたアルコール成分の測定にも言及している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公平３−２１０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載のセンサは、アクセシビリティーを確保するためにゲート部位に空隙が設けられている。設けられた空隙によってゲート部位の容量が減少し、検出感度が低下する。
【００１１】
そこで、本発明は、電界効果型トランジスタセンサの感度を低減させずに、流体中の分子を検出する電界効果型トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
よって本発明は、
半導体層と、前記半導体層内に少なくとも２つの活性領域と、前記活性領域に接するソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の半導体層の上に絶縁層とゲート電極とを有する電界効果型トランジスタであって、
前記電界効果型トランジスタは前記ゲート電極および前記絶縁層の間に配置される、分子を吸着するための吸着部位を有し、
前記ゲート電極を駆動するための駆動手段を有することを特徴とする電界効果型トランジスタを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電界効果型トランジスタが有するゲート電極が駆動することによって、分子が吸着部位に吸着するのを妨げないため、検出感度が高い電界効果型トランジスタを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る電界効果型トランジスタの構成を示した図である。
【図２】第１の実施形態に係る電界効果型トランジスタデバイスの構成を模式的に示した図である。
【図３】第２の実施形態に係る電界効果型トランジスタデバイスによる検出方法を説明する図である。
【図４】ギャップの有無による電界効果型トランジスタの特性変動のシミュレーション結果である。
【図５】第１の実施例に係る電界効果型トランジスタデバイスの作製工程を説明する図である。
【図６】第２の実施例に係る電界効果型トランジスタデバイスによる検出方法の工程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、半導体層と、前記半導体層内に少なくとも２つの活性領域と、前記活性領域に接するソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の半導体層の上に絶縁層とゲート電極とを有する電界効果型トランジスタであって、
前記電界効果型トランジスタは前記ゲート電極および前記絶縁層の間に配置される、分子を吸着するための吸着部位を有し、
前記ゲート電極を駆動するための駆動手段を有することを特徴とする電界効果型トランジスタである。
【００１６】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタは、ソース電極とドレイン電極の間の半導体層に接する絶縁層を有し、この絶縁層に接する吸着部位を有する電界効果型トランジスタである。
【００１７】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタが有する吸着部位の上にはゲート電極が配置されている。このゲート電極は上下または左右に駆動する構成となっている。
【００１８】
吸着部位に気体中の特定の分子を吸着させる場合には、ゲート電極は吸着部位から離れている。吸着部位に吸着した分子の量を測定する場合には、ゲート電極は吸着部位に接して配置される。
【００１９】
吸着させる場合には、ゲート電極が吸着部位から離れているので、気体と吸着部位とが接する面積が大きい。このため、ゲート電極に阻まれることなく気体と吸着部位とが接することができる。
【００２０】
一方で、吸着した分子の量を測定する場合には、ゲート電極が吸着部位に接するので容量を損なうことなく測定することができる。このため、感度の高い検出が可能である。
【００２１】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタは気体と吸着部位が接する面積が大きく、かつ測定時の容量を損なうことがないので、検出の感度が高い。
【００２２】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタが有する吸着部位は気体中の特定の分子を吸着するものであり、有機膜でも無機膜であってもよい。
【００２３】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタは、標的分子が有する電荷を検出しても、または標的分子と吸着部位との結合によって生じる電荷を検出してもよい。
【００２４】
また、標的分子の吸着によって生じる双極子や、標的分子の有する双極子によるポテンシャル変動もそれぞれ検出可能である。更に、吸着によって誘起される空間電荷や、吸着部位の比誘電率変化等も検出可能である。
【００２５】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタが有する吸着部位は、センサへの応用の観点から、標的分子に対して選択性を有することが望ましい。選択性は、化学的な親和性や結合、相互作用に因るものでも良いし、物理的な要素であっても良い。
【００２６】
標的分子を捕捉した場合の変化は、電荷量の変化であっても良いし、ポテンシャルの変化であっても良いし、その両方であっても良い。
【００２７】
本実施形態に係る吸着部位は、抗体、ＤＮＡ、タンパク質、ペプチド、受容体またはそれに対するリガンド、包接化合物、カリックスアレーン、人工合成分子などの特定の分子と選択的に結合する分子あるいは官能基を有することが好ましい。
【００２８】
本実施形態に係る吸着部位は、分子鋳型技術を応用した薄膜であってもよい。その場合は、吸着部位は特定の分子を選択的に吸着する性能に優れるので好ましい。
【００２９】
また、吸着部位は薄膜化することが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００３０】
低分子基板上に固定したり、分子鋳型法により作製した合成高分子層を用いたりすることにより、吸着部位を１０ｎｍ以下の厚さで形成することが可能である。
【００３１】
標的分子の捕捉の観点からは、吸着部位の単位体積当たりの実効表面積が大きいことが好ましい。
【００３２】
微細凹凸形状による表面積増大、細孔を有する構造体等も適用可能である。電界効果型トランジスタとして吸着部位の標的分子の信号が検出されるためには、吸着部位は絶縁層に接していても良いし、ゲート電極に接していても良い。
【００３３】
（第１の実施形態）
本実施形態に係る電界効果型トランジスタについて図１を用いて説明する。
【００３４】
基板１０１については、電界効果トランジスタを形成しうる材料であれば適用可能である。例えばＳｉやＧｅ、Ｃからなる元素半導体、ＳｉＧｅやＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の化合物半導体、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３等の酸化物半導体が挙げられる。
【００３５】
基板には、不純物がドープされていてもよく、その不純物の極性は問わない。
【００３６】
不純物層や絶縁膜の形成について、公知の半導体プロセスを用いて形成可能である。
【００３７】
不純物層１０２１、１０２２ａ、１０２２ｂは、基板１０１をＳｉとした場合、ｎ型不純物であればＰ、Ａｓ、ｐ型不純物であればＢのイオン注入で形成可能である。
【００３８】
これらの不純物の型や濃度については、基板の型や不純物濃度と併せて考慮し、エンハンスメント型／デプレッション型、しきい値調整等の設計指針に基づいて調整すれば良い。
【００３９】
例えばＳｉ基板を用いる場合、通常不純物層１０２１は１×１０１７〜１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３、不純物層１０２２ａ、１０２２ｂは１×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３程度の不純物濃度とする。
【００４０】
１０２２ａと１０２２ｂには、ｎ型チャネル電界効果型トランジスタとする場合ｎ型の不純物を導入し、ｐ型チャネルの場合にはｐ型不純物を導入する。
【００４１】
不純物層１０２１は、基板不純物濃度と合わせて不純物濃度を合わせこむ。１０２２ａと１０２２ｂにｎ型不純物が導入されている場合、不純物層１０２１にｎ型不純物を導入すればデプレッション型となり、ｐ型不純物を導入すればエンハンスメント型となる。
【００４２】
１０２２ａ、１０２２ｂにｐ型不純物が導入されている場合は逆となり、不純物層１０２１にｐ型不純物を導入すればデプレッション型となり、ｎ型不純物を導入すればエンハンスメント型となる。
【００４３】
１０２２ａＳｉ以外の材料を基板１０１に適用した場合、各々ｎ型ｐ型を形成する不純物を導入すれば良い。
【００４４】
不純物導入手法としてはイオン注入法でも不純物拡散法等も適用可能である。
【００４５】
絶縁層１０３は、基板１０１をＳｉとした場合、ＳｉＯ２層やＳｉＮ層、ＳｉＯＮ層が適用可能である。絶縁耐性や化学的安定性からは熱酸化等での形成が望ましいが、ＣＶＤ法で形成される層も適用可能である。その他、電気的な絶縁性が確保されている層であれば適用可能である。化学的物理的に安定な層であればより好適である。
【００４６】
ゲート電極１０５は、チャネルを形成するチャネル不純物層１０２１の型、濃度等に合わせて材料を選択するのが好ましい。
【００４７】
チャネル不純物層１０２１のフェルミレベルと電極材料の仕事関数によってチャネル不純物層１０２１内部のバンドベンディングが影響を受けるためである。
【００４８】
ゲート電極とチャネルを形成する不純物領域１０２１との間の空隙形成についてはいくつかの形成法が適用可能である。例えば吸着部位１０４の形成後、不図示の犠牲層を形成し、その上にゲート電極１０５を形成し、その後犠牲層を選択除去することによって図１のデバイス構成が得られる。
【００４９】
ゲート電極１０５をチャネル不純物層１０２１と近接させたり離間させたりすることが標的分子の測定を行う上で好ましい。
【００５０】
近接させたり離間させたりする駆動力としては、機械的な応力や、磁気的な反発力、吸引力が適用できる。
【００５１】
機械的な応力としては、圧電素子等が適用可能である。
【００５２】
また磁気的な反発力や吸引力を用いるためには、ゲート電極１０５が磁性体であるか、またはゲート電極と連動する駆動部位に磁性構造体を形成しておけばよい。その後外部から適正な磁場を印加することによって近接と離間を調整できる。
【００５３】
ゲート電極材料に多孔質体を用いてゲート電極の下に配置されている吸着部位に気体を触れさせる構成も考えられる。この場合、気体の吸着はやや損なわれ、検出感度に影響を与えると考えられるが、気体と常に接触していられかつ、駆動機構が不要なので小型化が見込める。
【００５４】
ゲート電極１０５と、２つのソースドレイン不純物層１０２２ａ、１０２２ｂに電圧を印加するためにソースドレイン不純物層１０２２ａとソースドレイン不純物層１０２２ｂ間には電圧源９を接続配線７により接続する。
【００５５】
また、ソースドレイン不純物層１０２２ａとゲート電極１０５間にはゲート−ソース間電圧源８を挿入し、接続配線７にて電気的に接続する。
【００５６】
更に、ソースドレイン不純物層１０２２ａは接地する。
【００５７】
ここではソースドレイン１０２２ａを接地する構成を一例として説明した。
【００５８】
しかし、原理的にはソースドレイン不純物層１０２２ａとソースドレイン不純物層１０２２ｂの区別は無く、上記でソースドレイン不純物層１０２２ａとソースドレイン不純物層１０２２ｂが入れ替わっても同様に機能する。
【００５９】
第１の実施形態をデバイス化し測定を行う際の構成を図２（ａ）（ｂ）に示す。（ａ）は平面図（ｂ）のＡ−Ａ‘部の断面図である。凹部２０７は基板１０１を加工し形成する。
【００６０】
基板がＳｉである場合、例えば面方位（１００）基板を用いて、ＫＯＨ溶液でエッチングすることで（１１１）面でエッチストップし、テーパー形状の凹部が形成される。
【００６１】
不純物領域２０２１と２０２２ａ、２０２２ｂ、絶縁膜２０３、電極２０５、懸架膜２０６は図１で示した構成と同様の材料、プロセスで形成する。不純物領域２０２２ａと２０２２ｂにはそれぞれ電位を印加できるようにそれぞれ電気的に接続されたソースドレイン配線２０９ａ、２０９ｂを形成する。
【００６２】
ゲート懸架部２０６は、標的分子の吸着ステップでは吸着部位と離れ、測定ステップでは近接もしくは接する程度に可塑性を有する材料が好適である。ダイヤフラム材料として用いられるＳｉＮ等が好適である。その他構成によっては樹脂材料等も適用可能である。
【００６３】
また、電極と不純物層２０２１の離間距離の再現性を保つためには、基板２０１とゲート懸架部２０６が強固に結合されている構成が望ましい。
【００６４】
またその際に外部から標的分子がアクセスすることが容易な様に懸架部２０５上部と下部の空間が隔絶されない様な構成にすることが望ましい。
【００６５】
そのため懸架膜２０６は、図２（ｂ）に示すように凹部２０７が部分的に露出した構成とする。
【００６６】
また、電極２０５に電位を供給するためのゲート配線２０８を設ける。図２（ｂ）に示すように懸架膜表面に配線を形成し、懸架膜２０６に貫通孔を介してゲート配線２０８を接続することもできる。このようにして第１の実施例に記載のデバイスが作製される。
【００６７】
＜検出方法＞
（第２の実施形態）
本発明による第２の実施形態は
流体内の成分検出及び濃度測定のための検出手法であって、
半導体基板と、前記基板の表面の少なくとも二つの拡散層と、前記基板表面の前記拡散層間に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層を前記基板と挟持する位置に設けられた電極と、
前記絶縁層と前記電極間に設けられた検出対象分子を捕捉する吸着部位と
前記電極は、前記基板から空隙を挟むように作製され、
その検出ステップは
前記基板と前記電極との間に生じる空隙に検出対象分子を導入し所定の時間保持する工程
前記電極を前記半導体に近接させる工程
前記拡散層と前記電極に、所定のトランジスタ動作電圧を印加し測定を行う工程
を、この順に順次行うことを特徴とする検出方法である。
【００６８】
図３は、測定手順の概念図である。まず、不純物領域３０２２ａ、３０２２ｂ、ゲート電極３０５を同電位とする様に、スイッチ３１１、３１２をｏｎとする。ゲート電極、ソース、ドレインが同電位になるため、それぞれの間に電流は発生しない。
【００６９】
本実施形態の説明にはスイッチを用いているが、後述のゲート−ソース間電源３０９やソース−ドレイン間電源３１０が電圧可変な電源であれば、スイッチを用いずにその都度電圧を昇降させることも勿論可能である。
【００７０】
その後、ゲート電極３０５をチャネル不純物層３０２１から離間させる。離間距離は、離間や近接に用いる圧電素子の可動範囲や、先行技術（特許文献１）に記載のゲート−不純物領域間隔から判断される具体的な数値範囲として、具体的には１０ｎｍ以上であり、より好適には１００ｎｍ以上である。
【００７１】
この例では、吸着部位３０４は絶縁膜３０３に接する構造としている。この際に、外部空間が標的分子を含む流体で包含されていれば、外部空間に存在する標的分子３１０が拡散等によって吸着部位３０４に到達する。
【００７２】
電極３０５を離間させている時間が制御されていることが、定量的な検出のためには好ましい。露出時間を等しくした状態で複数回計測を行った場合、変動分の差が外部空間の濃度の差に略比例すると考えられるためである。
【００７３】
先行件では、常時ギャップが存在し、吸着部位が露出することで時系列的な変動要因の抑制が困難であったが、本実施形態の系では吸着部位の露出を低減、抑制できるために時系列的な変動を低減できる。
【００７４】
続いて、ゲート電極３０５をチャネル不純物層３０２１に近接させる。
【００７５】
また、ギャップ間隔が小さくなることで、近傍の領域に存在する標的分子及び非標的分子のゲート印加に起因するギャップ間での再付着や再分布を低減、抑制できる。
【００７６】
続いて、スイッチ３１１，３１２をｏｆｆとする。ここで、ゲートソース間電源３０９、ソースドレイン間電源３１０に好適な電圧を印加しておく。具体的には、ソース−ゲート間電圧は０．１〜１５Ｖ程度、ソース−ドレイン間電圧は０．１〜５Ｖ程度が好適である。
【００７７】
スイッチ３１１，３１２のｏｆｆによって所定の電圧がゲート−ソース間、ソース−ドレイン間に印加され、ドレインに電流が流入する。この電流値を電流系３１３で計測する。
【００７８】
この際に、吸着部位３０４に吸着した標的分子３１０の量に応じた変化がドレイン電流変化に反映される。
【００７９】
以上の工程を繰り返すことによって、外部空間に存在する流体中の標的分子を検出することが可能である。
【００８０】
尚、外部空間が標的分子を含まない流体で包含されている状態で長時間保持することによって、吸着分子を再度吸着部位３０４から脱離させることも可能である。
【００８１】
基板温度を上昇させる等で脱離を促進させることが電界効果型トランジスタの測定再現性の改善や繰り返し利用への適用の観点でより好ましい。
【００８２】
ギャップが生じると、電極とチャネル部の距離が広がり、かつ比誘電率の低い材料が電極とチャネル間に挿入されるため、ゲート容量の著しい低下が起こり、結果として電圧に対する電流変化率が大きく減少することを前提としている。
【００８３】
この確認のため、今回想定される電界効果型トランジスタデバイスに近い系を用いてデバイスシミュレーションを行い、ギャップの有無による特性変動を検証した。結果を図４に示す。尚、シミュレーション条件は以下の通りである。
シミュレータ：ＡＴＬＡＳ（Ｓｉｌｖａｃｏ社）
ゲート幅 ： １ｕｍ
ゲート長 ： ０．５ｕｍ
絶縁膜 ： １５ｎｍ
ギャップ ： 無 有 （１０ｎｍ）
【００８４】
図４（ａ）の結果から明らかなように、ギャップが１０ｎｍ存在するだけでＶＧ１．０−２．５Ｖ付近のドレイン電流が３桁程度低下している。（ｂ）からは、電圧に対する電流の変動を示すＳ値の電圧依存性が確認できるが、こちらも２−３桁の差となっており、ギャップが存在することによる感度低下を改めて確認できた。
【００８５】
本実施形態に係る電界効果型トランジスタは、電圧を印加し、電流特性の変化を取得することでセンシングシステムとして用いることができる。
本実施形態に係るセンシングシステムはセンシング部に電界効果型トランジスタを有する。
【００８６】
電圧を印加する電圧印加手段は、公知の電源が挙げられ、直流でも交流でもよい。
【００８７】
電流特性を測定するための電流測定手段は、市販の微小電流測定装置等を用いることができる。
【００８８】
電圧印加手段と電流測定手段は一体となっていても、それぞれ別となっていてもよいが、一体となっていることが好ましい。
【実施例】
【００８９】
（実施例１）
本実施例では、図５を用いて、ゲート電極が可動性を有する電界効果型トランジスタセンサの作製について説明する。
【００９０】
抵抗率１００Ω・ｃｍのｐ−型（１００）Ｓｉ基板５０１上に不図示のＳｉＯ２を１０ｎｍ熱酸化で形成し、トレンチ部５０１１開口部に相当する部位を通常のリソグラフィによってレジストパターン開口パターニングする。
【００９１】
その後、フッ化アンモニウム溶液ＮＨ４Ｆとフッ酸ＨＦを１０：１で混合した緩衝フッ酸への浸漬３ｍｉｎで開口部のＳｉＯ２を除去しＳｉを露出させる。レジスト除去後、４０％ＫＯＨ溶液に３０ｓｅｃ浸漬する。
【００９２】
その結果、ＳｉＯ２開口部に５００ｎｍの深さでエッチストップした順テーパー形状のトレンチ５０１１が形成される。
【００９３】
マスクに用いたＳｉＯ２はフッ化アンモニウム溶液ＮＨ４Ｆとフッ酸ＨＦを１０：１で混合した緩衝フッ酸への浸漬３ｍｉｎで除去される。５０１１の開口部は、１００ｕｍ平方とする。
【００９４】
続いて、ＬＰＣＶＤでＳｉＯ２を１０ｎｍ製膜する。
【００９５】
その後、Ｐウェル５０２３とチャネル不純物層５０２１を通常のリソグラフィーとイオン注入で形成する。Ｐウェル５０２３はＢイオンを１５０ＫｅＶのエネルギ、２．０×１０１３ｃｍ−２のドーズで、チャネル不純物層５０２１はＢイオンを２０ｋｅＶ、ドーズ量２．０×１０１２ｃｍ−２で形成する。
【００９６】
その後、後述の不純物層５０２２領域が開口するようにレジストでパターニングを行い、Ｐイオンエネルギ２０ｋｅＶ、ドーズ量１．０×１０１３ｃｍ−２で注入することによりソースドレイン不純物層５０２２が形成される。
【００９７】
その後ＬＰＣＶＤを用いてＳｉＮを５０ｎｍ製膜し、絶縁膜５０３を形成する。
【００９８】
続いて、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２＝４：１の硫酸加水に５ｍｉｎ浸漬することで表面を化学酸化する。
【００９９】
その後、ＬＰＣＶＤでポリシリコンを３００ｎｍ成長し第１犠牲層５０４１を形成する。
【０１００】
続いて電極５０５を形成する領域に通常のリソグラフィーを用いてレジスト開口パターンを形成する。
【０１０１】
その後、電子ビーム蒸着を用いて、Ｆｅ２００ｎｍを形成する。その後、レジストを除去し所謂リフトオフ法でゲート電極５０５が形成される。
【０１０２】
レジストを除去後、Ｓｉを蒸着法で５００ｕｍ成長し第２犠牲層５０６を形成する。
【０１０３】
その後、ＣＭＰ（化学機械研磨）法で、絶縁層５０３とゲート電極５０５が露出するようにし第１犠牲層５０４１と第２犠牲層５０６上面を研磨する。研磨時のスラリー等を除去洗浄した後、プラズマ窒化膜を１００ｎｍ製膜しゲート懸架部５０７を形成する。
【０１０４】
その後、ゲート電極５０５と電気的に接続されるようにコンタクトホールを介して接続された配線５０８を形成する。
【０１０５】
これらの工程は通常のリソグラフィーとエッチングで容易に達成可能である。その後、トレンチ５０１領域が露出するように、かつ電極５０５を被覆するようにゲート懸架部５０７をリソグラフィーでパターニング後、反応性イオンエッチングで部分的に窒化膜５０７を除去する。
【０１０６】
続いて、ケミカルドライエッチングで第１犠牲層５０４１と第２犠牲層５０６上面を除去する。ケミカルドライエッチングの適用により犠牲層以外の損傷を低減しながら等方的に犠牲層を除去可能である。図５ｂは犠牲層除去後の断面図を示す。
【０１０７】
その後、（２−Ｂｒ−２−メチル−Ｎ−６−（トリメトキシシリル）ヘキシル）プロパンアミド）トルエン溶液を絶縁膜５０３に１２時間接触させる。
【０１０８】
次に、窒素雰囲気下において、標的分子とメタクリル酸メチル、ピリジンを溶解させたＤＭＦ溶液を接触させ、そこに臭化銅を加えて２４時間反応させる。
【０１０９】
その後、洗浄を行い、標的分子を除去することによって、絶縁膜５０３上に吸着部位５０４を形成することができ、センサデバイスが作製される。
【０１１０】
また、メタクリル酸メチルの官能基を他の官能基に置換することにより、標的物質と吸着部位の結合力を変化させることも可能である。
【０１１１】
＜検出方法＞
（実施例２）
本実施例では、図６を用いて、ゲート電極が可動性を有する電界効果型トランジスタセンサを用いて対象分子を検出する検出方法について説明する。
【０１１２】
図６はセンサデバイスと検出のための回路構成を模式的に示したものである。
【０１１３】
この図６に記載のセンサデバイスは実施例１のプロセスを用いて作製し、吸着部位６０４はポリビニルフェノール膜によって形成する。
【０１１４】
まず、スイッチ６２３、６２４をｏｎすることでゲート電極６０５、ソース不純物層６０２２ａ、ドレイン不純物層６０２２ｂをそれぞれ同電位とする。
【０１１５】
ゲート−ソース間電源６２１には＋５Ｖ、ソース−ドレイン間電源６２２には＋１Ｖを印加しておく。尚、本実施例には電圧スイッチを用いているが、後述のゲート−ソース間電源６２１やソース−ドレイン間電源６２２が電圧可変な電源であれば、スイッチを用いずにその都度電圧を昇降させることも勿論可能である。
【０１１６】
その状態で、対象分子であるエタノール６１０を含むガスを導入し、吸着部位６０４に吸着させる。その後所定の時間を経たのち、勾配を有する磁場６１１を印加してゲート電極６０５を吸着部位６０４チャネル不純物層６０２１に近接させる。
【０１１７】
ゲート懸架部６０７が１００ｎｍ厚でかつ開口部長さが１００ｕｍ幅であることから、２Ｐａ程度の圧力が加われば３００ｎｍ程度のたわみが生じる。
【０１１８】
ゲート電極６０５にＦｅを用いているため、公知のフェライト磁石を近接させることで容易に上記程度の圧力を生じさせることが可能である。
【０１１９】
駆動手段として磁場６１１を印加した状態で、スイッチ６２４、６２５をｏｆｆにする。
【０１２０】
これによってゲート−ソース間にゲートが＋５Ｖ、ソース−ドレイン間にドレインが＋１Ｖとなるように電圧が印加される。
【０１２１】
この後、電流計６２５に流れる電流をモニタする。ガスを導入しない状態での電流値との比較等によってガス中の標的分子であるエタノール６１０の濃度に応じた電流の変化が得られた。
【符号の説明】
【０１２２】
１０１ 基板
１０２１ チャネル不純物層
１０２２ａ ソースドレイン不純物層
１０２２ｂ ソースドレイン不純物層
１０３ 絶縁膜
１０４ 吸着部位
１０５ ゲート電極
１０７ 配線
１０８ ソース−ドレイン間電源
１０９ ソースゲート間電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、前記半導体層内に少なくとも２つの活性領域と、前記活性領域に接するソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の半導体層の上に絶縁層とゲート電極とを有する電界効果型トランジスタであって、
前記電界効果型トランジスタは前記ゲート電極および前記絶縁層の間に配置される、分子を吸着するための吸着部位を有し、
前記ゲート電極を駆動するための駆動手段を有することを特徴とする電界効果型トランジスタ。
【請求項２】
前記吸着部位は、前記ゲート電極または前記絶縁層と一体となっていることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項３】
電圧印加手段と電流測定手段とセンシング部とを有するセンシングシステムであって、
前記センシング部は、請求項１または２に記載の電界効果型トランジスタを有することを特徴とするセンシングシステム。
【請求項１】
半導体層と、前記半導体層内に少なくとも２つの活性領域と、前記活性領域に接するソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の半導体層の上に絶縁層とゲート電極とを有する電界効果型トランジスタであって、
前記電界効果型トランジスタは前記ゲート電極および前記絶縁層の間に配置される、分子を吸着するための吸着部位を有し、
前記ゲート電極を駆動するための駆動手段を有することを特徴とする電界効果型トランジスタ。
【請求項２】
前記吸着部位は、前記ゲート電極または前記絶縁層と一体となっていることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項３】
電圧印加手段と電流測定手段とセンシング部とを有するセンシングシステムであって、
前記センシング部は、請求項１または２に記載の電界効果型トランジスタを有することを特徴とするセンシングシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２４２１７２（Ｐ２０１２−２４２１７２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１０５８９（Ｐ２０１１−１１０５８９）
【出願日】平成２３年５月１７日（２０１１．５．１７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１７日（２０１１．５．１７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]