説明

センサ及びその測定方法

【課題】イオン、PH又は生体分子のFET効果を生じる電荷の捕獲量を大きくし、捕獲した電荷量の変化に伴いFETのチャネルに流れる電流の変化率を増大することにより、低パワー、小型で且つ高精度なセンサを提供する。
【解決手段】本発明の一態様は、表面に複数の溝10を有する第1導電型の半導体基板1と、前記半導体基板に形成され、前記複数の溝それぞれの一方側に繋げられた第2導電型のソース領域の不純物層3と、前記半導体基板に形成され、前記複数の溝それぞれの他方側に繋げられた第2導電型のドレイン領域の不純物層2と、前記半導体基板の前記複数の溝の表面上に形成され、イオン又は生体分子を捕獲するための感応膜5と、を具備することを特徴とするセンサである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、センサ及びその測定方法に係わり、特に、液体中のイオン又は生体分子の濃度測定あるいはPHを測定するセンサ及びその測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来技術として特許文献1にはイオンセンサが開示されており、特許文献2には生体分子センサが開示されている。これらのセンサでは、FET(Field Effective Transistor)構造が用いられている。
【0003】
ところで、従来のセンサでは、イオンや生体分子のFET効果を生じる電荷の捕獲量が小さく、また捕獲した電荷量の変化に伴うFETのチャネルに流れる電流の変化率も小さい。このため、従来のセンサでは、イオンや生体分子の検出感度が低く、FETのソース領域とドレイン領域との間に加える電圧の低電圧化が困難であり、その結果、センサの消費電力を低減できないという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2008−215974号公報
【特許文献2】特開2003−329638号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述したように従来のセンサでは、センサの消費電力を低減できず、低パワー、小型で且つ高精度なセンサを実現することが困難である。
【0006】
本発明の一態様は、イオン、PH又は生体分子のFET効果を生じる電荷の捕獲量を大きくし、捕獲した電荷量の変化に伴いFETのチャネルに流れる電流の変化率を増大することにより、低パワー、小型で且つ高精度なセンサ及びその測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様は、表面に複数の溝を有する第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、前記複数の溝それぞれの一方側に繋げられた第2導電型のソース領域の不純物層と、
前記半導体基板に形成され、前記複数の溝それぞれの他方側に繋げられた第2導電型のドレイン領域の不純物層と、
前記半導体基板の前記複数の溝の表面上に形成され、イオン又は生体分子を捕獲するための感応膜と、
を具備することを特徴とするセンサである。
【0008】
上記センサによれば、半導体基板の表面に複数の溝を形成するため、複数の溝によって形成された凹凸の上面、側面及び底面それぞれにチャネルを形成することができる。このため、ソース・ドレイン間に形成される実効チャネルの幅を、凹凸が形成されていないシリコン基板の表面に感応膜を形成した場合に比べて広くすることができる。これと共に、複数の溝によって形成された凹凸の上面、側面及び底面それぞれに感応膜を形成しているため、感応膜にも凹凸を形成することができ、感応膜の実効表面積を大きくすることができる。従って、イオン、PH又は生体分子のFET効果を生じる電荷の捕獲量を大きくすることができる。更に、凸部の半導体層の幅を狭くすることによりFETチャネルを完全空乏化することにより、FETの電流―電圧(I-V)特性におけるサブスレッショルド領域の傾きが大きくなり、捕獲した電荷量の変化に伴うFETチャネルに流れる電流の変化率を増大することができる。それにより、低パワー、小型で且つ高精度なセンサを提供することができる。
【0009】
本発明の一態様は、Si基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、表面に複数の溝を有する第1導電型のSOI層と、
前記SOI層に形成され、前記複数の溝それぞれの一方側に繋げられた第2導電型のソース領域の不純物層と、
前記SOI層に形成され、前記複数の溝それぞれの他方側に繋げられた第2導電型のドレイン領域の不純物層と、
前記SOI層の前記複数の溝の表面上に形成され、イオン又は生体分子を捕獲するための感応膜と、
を具備することを特徴とするセンサである。
【0010】
また、本発明の一態様に係るセンサにおいて、
前記複数の溝それぞれは前記SOI層を貫通する溝であることも可能である。
【0011】
上記センサによれば、該溝間隔を100nm以下に狭く設定し、SOI層に感応膜を形成することにより、完全空乏型FETのセンサを形成することが可能となる。これにより、同じイオンの捕獲量であっても完全空乏型でないセンサに比べて検出される電流値を大きくすることができ、イオン捕獲変化による電流の変化率を増大させることができる。その結果、低い電圧でのイオンセンシングが可能になり、低パワー、小型で且つ高精度なセンサを提供することができる。
【0012】
また、本発明の一態様に係るセンサにおいて、
前記SOI層における前記複数の溝の下方に位置するボディ部は、前記複数の溝が形成された領域より不純物濃度が高いことが好ましい。これにより、ボディ部の電位を固定しやすくなり、センサの動作を安定化することができる。
【0013】
また、本発明の一態様に係るセンサにおいて、
前記感応膜と前記SOI層との間に形成された絶縁膜をさらに具備することも可能である。これにより、感応膜とソース・ドレイン間のチャネル領域の表面との干渉を防止することができる。
【0014】
また、本発明の一態様に係るセンサにおいて、
前記絶縁膜と前記感応膜との間に形成された導電膜をさらに具備することも可能である。なお、該導電膜はフローテイング状態に保たれている。
【0015】
本発明の一態様は、上述したセンサによって液体中のイオン又は生体分子の濃度あるいはPHを測定する方法であって、
参照電極及び前記感応膜それぞれを前記液体に接触させ、
前記参照電極と前記ソース領域の不純物層との間に電圧(VRS)を印加し、前記ソース領域の不純物層と前記ドレイン領域の不純物層との間に電圧(Vds)を印加し、前記ソース領域の不純物層と前記ドレイン領域の不純物層との間に形成されたチャネルに流れる電流(Id)を検出することにより、前記液体中のイオン又は生体分子の濃度あるいはPHを測定することを特徴とするセンサの測定方法である。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】第1の実施形態によるセンサの平面図。
【図2】(a)は図1に示すB−B'部を示す断面図、(b)は図1に示すA−A'部を示す断面図。
【図3】(a),(b)は、図2(a),(b)の次の工程を示す断面図。
【図4】図3に示すセンサによって液体中のイオン又は生体分子等の濃度あるいはPHを測定する方法を説明するための模式図。
【図5】図4に示す方法で測定した際の参照電極7とソース領域の不純物層3又はシリコン基板1との間に印加される可変電圧VRSと、チャネルに流れる電流Idとの関係を示す図。
【図6】第2の実施形態によるセンサの平面図。
【図7】(a)は図6に示すb−b'部を示す断面図、(b)は図6に示すa−a'部を示す断面図。
【図8】第3の実施形態によるセンサを示す断面図。
【図9】第4の実施形態によるセンサを示す断面図。
【図10】第5の実施形態によるセンサを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【0018】
(第1の実施形態)
図1〜図3は、第1の実施形態によるセンサの製造方法を示すものである。図1は、センサの平面図である。図2(a)は、図1に示すB−B'部を示す断面図であり、図2(b)は、図1に示すA−A'部を示す断面図である。図3(a),(b)は、図2(a),(b)の次の工程を示す断面図である。
【0019】
まず、図1及び図2(a),(b)に示すように、P型のシリコン基板1上に第1のレジストパターン(図示せず)を形成し、第1のレジストパターンをマスクとしてシリコン基板1をエッチングする。これにより、シリコン基板1の表面には複数の溝10が形成され、これら複数の溝によって図2(a)に示す凹凸が形成される。次いで、第1のレジストパターンを剥離する。
【0020】
次に、シリコン基板1上に第2のレジストパターン(図示せず)を形成し、第2のレジストパターンをマスクとしてイオン注入することにより、シリコン基板1にはN型のソース領域の不純物層3及びN型のドレイン領域の不純物層2が形成される。ソース領域の不純物層3は複数の溝10それぞれの一方側に繋げられており、ドレイン領域の不純物層2は複数の溝10それぞれの他方側に繋げられている。
【0021】
次に、図3(a),(b)に示すように、シリコン基板1の複数の溝10の表面上に第1の絶縁膜4を形成し、第1の絶縁膜4上にイオン又は生体分子等を捕獲するための感応膜5を形成する。第1の絶縁膜4は例えばSiO膜により形成され、感応膜5は検出しようとする物質(イオン又は生体分子等)により自由に選択することができ、特に限定するものではないが、例えば次に示すものを用いることができる。
【0022】
検出するイオンをHとするならば、Si34やTa22を用いることができる。検出するイオンをKとするならば、バリノマイシンを用いることができる。検出するイオンをNaとするならば、ビスクラウンエーテル誘導体を用いることができる。検出するイオンをCa2とするならば、非環状ポリエーテルアミド誘導体を用いることができる。検出するイオンをNH4とするならば、ノナクチンやCl−テトラセチルアンモニア塩を用いることができる。
また、検出するイオンをFとするならば、LaF3を用いることができる。検出するイオンをAgやPb2とするならば、カリックスアレンなどを用いることができる。また、感応膜5を液膜型イオンセンサ溶媒とすることもでき、その場合は、ニトロベンゼンやニトロフェニルオチルエーテルなどを用いることができる。
また、種々のたんぱく質やDNAなどの生体分子検出では、シリコン半導体層上の自然酸化膜(SiO2)の表面を感応化処理した膜を用いることができる。
【0023】
なお、第1の絶縁膜4は、感応膜5とソース・ドレイン間のチャネル領域の表面との干渉を防止する保護膜として機能するが、第1の絶縁膜4を設けない構成としても良い。その場合、感応膜5にSiO膜を用いても良い。また、感応膜5としては上記のものの他にTiO膜、SiN膜、SiNO膜を用いても良い。
【0024】
次いで、感応膜5上に保護膜6を成膜し、この保護膜6上に第3のレジストパターン(図示せず)を形成し、第3のレジストパターンをマスクとして保護膜6をエッチングする。これにより、保護膜6にはソース・ドレイン間のチャネル領域上に位置する開口部6aが形成される。保護膜6はチャネル領域以外を覆っている。
【0025】
なお、本実施形態では、感応膜5を形成した後に保護膜6を形成しているが、保護膜6を形成した後に感応膜5を形成しても良い。詳細には、第1の絶縁膜4上に保護膜6を成膜し、この保護膜6に開孔部6aを形成した後に、この開口部6a内に感応膜5を形成しても良い。
【0026】
以下に、本実施形態によるセンサの測定方法について図4及び図5を参照しつつ説明する。
図4は、図3に示すセンサによって液体中のイオン又は生体分子等の濃度あるいはPHを測定する方法を説明するための模式図である。
図5は、図4に示す方法で測定した際の参照電極7とソース領域の不純物層3又はシリコン基板1との間に印加される可変電圧VRSと、ソース領域の不純物層3とドレイン領域の不純物層2との間に形成されたチャネルに流れる電流Idとの関係を示す図である。
【0027】
図4に示すように、ソース領域の不純物層3及びシリコン基板1それぞれとドレイン領域の不純物層2との間に一定電圧(Vds)を印加するように電源8を配置し、参照電極7とソース領域の不純物層3又はシリコン基板1との間に可変電圧VRSを印加するように可変電源9を配置する。
【0028】
そして、参照電極7及び感応膜5それぞれを測定対象である液体(図示せず)に接触させ、参照電極7とソース領域の不純物層3又はシリコン基板1との間に可変電源9によって可変電圧VRSを印加し、ソース領域の不純物層3とドレイン領域の不純物層2との間に電源8によって一定電圧Vdsを印加し、ソース領域の不純物層3とドレイン領域の不純物層2との間に形成されたチャネルに流れる電流Idを図示せぬ電流検出器によって検出する。これにより、例えば図5に示す凹凸有りのような電流値Idが検出され、前記液体中のイオン又は生体分子等の濃度あるいはPHを測定することが可能となる。
【0029】
詳細には、感応膜5が液体中の物質(イオン又は生体分子等)との反応(例えば酸化反応又は還元反応等)により帯電イオン化し、そのイオン電荷により第1の絶縁膜4下のチャネル部分のシリコン基板1の表面に電荷が蓄積され、導電路であるチャネルが形成される。図4に示すセンサは、その感応膜5に液体中のイオンが到来したあと、ドレイン領域の不純物層2とソース領域の不純物層3との間に電源8によって一定電圧を印加することで、形成されたチャネルに見合った電流が流れる。この電流の変化を電流検出器によって検出することにより、液体中のイオン又は生体分子等の濃度あるいはPHを測定することが可能となる。
【0030】
図5に示す凹凸無しは、従来技術のようなシリコン基板の凹凸の無い表面上に感応膜を設けたセンサによって測定した場合の可変電圧VRSと電流Idとの関係を示しており、凹凸有りの場合に比べて検出される電流値Idが小さいことを示している。
【0031】
なお、上記の測定方法は、本発明の一態様に係るセンサの測定方法であり、上記の測定方法とは異なる測定方法を用いることも可能である。
【0032】
例えば、測定対象である電解質液体において、感応膜5として1nm程度の薄い自然酸化膜(SiO2)にオルガノシラン感応性界面層を結合し、レセプターを固定した場合には、液体中のアラナイト分子を検出することができる。
【0033】
上記実施形態によれば、シリコン基板1の表面に複数の溝10を形成するため、複数の溝10によって形成された凹凸の上面、側面及び底面それぞれにチャネルを形成することができる。このため、ソース・ドレイン間に形成される実効チャネルの幅を、凹凸が形成されていないシリコン基板の表面に感応膜を形成した場合に比べて広くすることができる。これと共に、複数の溝10によって形成された凹凸の上面、側面及び底面それぞれに感応膜5を形成しているため、感応膜5にも凹凸11を形成することができ、感応膜5の表面積を大きくすることができる。従って、感応膜5に捕獲する物質(イオン又は生体分子等)の量を多くすることができ、その結果、イオン、PH又は生体分子等のFET効果を生じる電荷の捕獲量を大きくすることができる。更に、凸部の半導体層の幅を狭くすることによりFETチャネルを完全空乏化することにより、FETの電流―電圧(Id-VRS)特性におけるサブスレッショルド領域の傾きが大きくなり、捕獲した電荷量の変化に伴うFETのチャネルに流れる電流の変化率を増大させることができ、検出されるドレイン電流Id及びその変化率を大きくすることができる。よって、FETの小型化や低い電圧(VdsとVRS)でのセンシングが可能になり、センサの消費電力を低減することができ、低パワー、小型で且つ高精度なセンサを実現することが可能となる。
【0034】
なお、上記実施形態では、液体中のイオン又は生体分子等の濃度あるいはPHを測定するセンサについて説明しているが、本発明の他の態様としては、水分センサ、コンクリート中のPH又は水分を測定するセンサに用いることも可能である。
【0035】
(第2の実施形態)
図6及び図7は、第2の実施形態によるセンサを示すものである。図6は、センサの平面図である。図7(a)は、図6に示すb−b'部を示す断面図であり、図7(b)は、図6に示すa−a'部を示す断面図である。
【0036】
図6及び図7(a),(b)に示すように、Si基板1、絶縁層(BOX)15、P型のSOI(silicon on insulator)層16が下から順に積層されたSOI基板を用意し、SOI層16上に第1のレジストパターン(図示せず)を形成し、第1のレジストパターンをマスクとしてSOI層16をエッチングする。これにより、SOI層16には複数の溝10が形成され、これら複数の溝によって図7(a)に示す凹凸が形成される。次いで、第1のレジストパターンを剥離する。なお、複数の溝10それぞれはSOI層16を貫通する溝である。
【0037】
次に、SOI層16上に第2のレジストパターン(図示せず)を形成し、第2のレジストパターンをマスクとしてイオン注入することにより、SOI層16にはN型のソース領域の不純物層3及びN型のドレイン領域の不純物層2が形成される。ソース領域の不純物層3は複数の溝10それぞれの一方側に繋げられており、ドレイン領域の不純物層2は複数の溝10それぞれの他方側に繋げられている。
【0038】
次に、図7(a),(b)に示すように、SOI層16の複数の溝10の表面上に第1の絶縁膜4を形成し、第1の絶縁膜4上にイオン又は生体分子等を捕獲するための感応膜5を形成する。第1の絶縁膜4及び感応膜5それぞれは第1の実施形態と同様のものを用いることができる。
【0039】
なお、第1の絶縁膜4は、感応膜5とソース・ドレイン間のチャネル領域の表面との干渉を防止する保護膜として機能するが、第1の絶縁膜4を設けない構成としても良い。その場合、感応膜5にSiO膜を用いても良い。
【0040】
次いで、感応膜5上に保護膜6を成膜し、この保護膜6上に第3のレジストパターン(図示せず)を形成し、第3のレジストパターンをマスクとして保護膜6をエッチングする。これにより、保護膜6にはソース・ドレイン間のチャネル領域上に位置する開口部6aが形成される。保護膜6はチャネル領域以外を覆っている。
【0041】
なお、本実施形態においても第1の実施形態と同様に、感応膜5と保護膜6の形成順序を変更しても良い。また、本実施形態によるセンサの測定方法は、第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【0042】
上記実施形態においても第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、該溝間隔を100nm以下に狭く設定し、SOI層16に感応膜5を形成することにより、完全空乏型FETのセンサを形成することが可能となる。完全空乏型とすることにより、同じイオンの捕獲量であっても完全空乏型でないセンサに比べて検出される電流値Idを大きくすることができ、イオン捕獲変化による電流の変化率を増大させることができる。その結果、低い電圧でのイオンセンシングが可能になり、センサの消費電力をより低減でき、より低パワー、小型で且つ高精度なセンサを実現することが可能となる。
【0043】
(第3の実施形態)
図8は、第3の実施形態によるセンサを示す断面図であり、図7(a)と同一部分には同一符合を付し、異なる部分についてのみ説明する。
【0044】
SOI層16の表面には複数の溝10が形成されるが、複数の溝10それぞれはSOI層16を貫通しない溝である。
【0045】
本実施形態においても第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0046】
(第4の実施形態)
図9は、第4の実施形態によるセンサを示す断面図であり、図8と同一部分には同一符合を付し、異なる部分についてのみ説明する。
【0047】
SOI層16における複数の溝10の下方に位置するP型のボディ部16aは、複数の溝10が形成された領域より不純物濃度が高く形成されている。つまり、ボディ部16aには濃い拡散層(低抵抗層)が形成されている。
【0048】
本実施形態においても第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、ボディ部16に低抵抗層を形成することにより、ボディ部16の電位を固定しやすくなり、センサの動作を安定化することができる。
なお、ボディ部の電位の取出口は図示していない。
【0049】
(第5の実施形態)
図10は、第5の実施形態によるセンサを示す断面図であり、図3(a)と同一部分には同一符合を付し、異なる部分についてのみ説明する。
【0050】
第1の絶縁膜4と感応膜5との間には導電膜17が形成されている。この導電膜17は、例えばポリシリコン膜によって形成されている。
また、導電膜17は、フローテイング状態を保っている。本実施形態では感応膜5を形成した後に保護膜6を形成しているが、保護膜6を形成した後に感応膜5を形成しても良い。FETチャネル領域の第一の絶縁膜上に導電膜17を形成し、保護膜6で覆った後、チャネル領域に保護膜6の開口部を形成し、この開口部に感応膜5を形成する。この製造方法では、導電膜17は、保護膜6の開口部形成時のエッチングストッパーとしても機能する。
【0051】
本実施形態においても第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、第1の絶縁膜4と感応膜5との間に導電膜16を形成する構成は、第2乃至第4の実施形態それぞれに適用することも可能である。
【符号の説明】
【0052】
1…シリコン基板、2…ドレイン領域の不純物層、3…ソース領域の不純物層、4…第1の絶縁膜、5…感応膜、6…保護膜、6a…開口部、7…参照電極、8…電源、9…可変電源、10…溝、11…凹凸、15…絶縁層、16…SOI層、16a…P型のボディ部、17…導電膜


【特許請求の範囲】
【請求項1】
Si基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、表面に複数の溝を有する第1導電型のSOI層と、
前記SOI層に形成され、前記複数の溝それぞれの一方側に繋げられた第2導電型のソース領域の不純物層と、
前記SOI層に形成され、前記複数の溝それぞれの他方側に繋げられた第2導電型のドレイン領域の不純物層と、
前記SOI層の前記複数の溝の表面上に形成され、イオン又は生体分子を捕獲するための感応膜と、
を具備することを特徴とするセンサ。
【請求項2】
請求項1において、
前記複数の溝それぞれは前記SOI層を貫通する溝であることを特徴とするセンサ。
【請求項3】
請求項1において、
前記SOI層における前記複数の溝の下方に位置するボディ部は、前記複数の溝が形成された領域より不純物濃度が高いことを特徴とするセンサ。
【請求項4】
請求項1乃至3のいずれか一項において、
前記感応膜と前記SOI層との間に形成された絶縁膜をさらに具備することを特徴とするセンサ。
【請求項5】
請求項4において、
前記絶縁膜と前記感応膜との間に形成された導電膜をさらに具備することを特徴とするセンサ。
【請求項6】
表面に複数の溝を有する第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、前記複数の溝それぞれの一方側に繋げられた第2導電型のソース領域の不純物層と、
前記半導体基板に形成され、前記複数の溝それぞれの他方側に繋げられた第2導電型のドレイン領域の不純物層と、
前記半導体基板の前記複数の溝の表面上に形成され、イオン又は生体分子を捕獲するための感応膜と、
を具備することを特徴とするセンサ。
【請求項7】
請求項1乃至6のいずれか一項に記載のセンサによって液体中のイオン又は生体分子の濃度あるいはPHを測定する方法であって、
参照電極及び前記感応膜それぞれを前記液体に接触させ、
前記参照電極と前記ソース領域の不純物層との間に電圧を印加し、前記ソース領域の不純物層と前記ドレイン領域の不純物層との間に電圧を印加し、前記ソース領域の不純物層と前記ドレイン領域の不純物層との間に形成されたチャネルに流れる電流を検出することにより、前記液体中のイオン又は生体分子の濃度あるいはPHを測定することを特徴とするセンサの測定方法。

【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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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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