JPH0915198A - 薄膜トランジスタ生／化学センサ - Google Patents

薄膜トランジスタ生／化学センサ

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JPH0915198A
JPH0915198A JP8184231A JP18423196A JPH0915198A JP H0915198 A JPH0915198 A JP H0915198A JP 8184231 A JP8184231 A JP 8184231A JP 18423196 A JP18423196 A JP 18423196A JP H0915198 A JPH0915198 A JP H0915198A
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gate
semiconductor
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chemical sensor
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JP8184231A
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E Ackley Donald
ドナルド・イー・アックリー
Chan-Long Shieh
チャン−ロン・シェー
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Motorola Solutions Inc
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Motorola Inc
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/67—Thin-film transistors [TFT]
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的安価に製造でき、非常に感度が高い生
／化学センサを提供する。 【解決手段】 化学センサ（１０）は、薄膜トランジス
タ（１５）を含み、そのゲート（１６）は一方側に配置
されている。絶縁層（４２）が対向側に配置され、指示
膜（１７）が、絶縁層（４２）上に、ゲート（１６）に
対して全体的に対向する関係で配置されている。生物学
的または化学的種によって発生される、指示膜（１７）
内の誘導電荷が、トランジスタ（１５）内のチャネル電
流を変化させる。更に、ゲート（１６）上の電位を用い
て、得られたチャネル電流の変化を打ち消す。この電流
変化を打ち消すために用いられる電位は、誘導電荷の非
常に高感度な測定値となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、センサに関し、更
に特定すれば、生／化学センサ(bio/chemical sensor)
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】センサ、特に生物的および／または化学
的種を検出可能なセンサに対する需要は、非常に高まっ
ている。目下のところ、かかる機能を実行可能なセンサ
は製造が比較的難しく、結果的に比較的高価なものとな
っている。
【０００３】既知のセンサは殆ど、抵抗のように変化す
る特性を有する物質を利用している。更に、センサは、
この変化する特性を利用する（検出する）ことが可能な
電子回路に組み込まなければならない。例えば、物質膜
をホイートストーン・ブリッジ型装置に組み込んで、液
体または気体状のいずれかの化学物質(chemical)によっ
て生じる抵抗変化を検出することができる。ここで問題
となるのは、センサの感度を実用的、即ち、有用な範囲
に引き上げるには、通常なんらかの形の増幅が必要とな
ることである。
【０００４】したがって、比較的安価に製造でき、非常
に感度が高いセンサを提供することができれば、非常に
有益であろう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、新規
で改良された生／化学センサを提供することである。
【０００６】本発明の他の目的は、比較的安価に製造で
きる、新規で改良された生／化学センサを提供すること
である。
【０００７】本発明の更に他の目的は、非常に感度が高
い、新規で改良された生／化学センサを提供することで
ある。
【０００８】本発明の更に他の目的は、信頼性を高め、
パッケージングの制約を大きく緩和した、新規で改良さ
れた生／化学センサを提供することである。
【０００９】本発明の更にまた他の目的は、検出される
生物的または化学的種を容易に浄化可能な、新規で改良
された生／化学センサを提供することである。
【００１０】本発明の更に別の目的は、多種多様の生物
学的および化学的種、光、または運動を検出するように
容易に適応可能な、新規で改良された生／化学センサを
提供することである。
【００１１】本発明の更にまた別の目的は、種々の補償
技法を容易に組み込んで、センサ内の自然な変化を考慮
可能とする、新規で改良された生／化学センサを提供す
ることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上述の問題の少なくとも
部分的な解決、および上述の目的の実現は、本発明の化
学センサによって達成される。この化学センサは薄膜ト
ランジスタを含み、そのゲートが一方側に配置され、指
示膜(indicator film)が、全体的にゲートと対向する関
係で、対向側の絶縁膜上に配置されている。生物的また
は化学的種によって起こされた、指示膜内の誘導電荷(i
nduced charge)または電荷の変位(charge displacemen
t)が、トランジスタ内のチャネル電流を変化させる。次
に、ゲート上の電位を用いて、結果的に生じるチャネル
電流の変化を打ち消す。電流変化を打ち消すために使用
された電位は、誘導電荷の非常に高感度な測定値とな
る。
【００１３】他の実施例では、指示膜は感光膜であり、
光が電荷を誘導または変位させる。また、光信号に対し
て差動的な応答を有する、生物的物質のバクテリオロド
プシン(bacteriorhodopsin)を指示膜に用いることによ
り、運動センサが提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】ここで図面を参照する。図１は、
本発明による生／化学センサ１０の一実施例の簡略断面
図である。センサ１０は薄膜トランジスタ１５を含み、
その絶縁ゲート１６がトランジスタ１５の一方側に位置
付けられている。指示膜１７が、全体的にゲート１６に
対向する関係で、トランジスタ１５の対向側に配置され
ている。ソース端子１８およびドレイン端子１９は、ト
ランジスタ１５の一部として、ゲート１６の対向側に形
成され、半導体層２０がそれらの間に電流チャネル２５
を形成する。また、ゲート１６と指示膜１７は、半導体
層２０の対向側に配置されている。
【００１５】図１に示す実施例では、支持基板２６が用
意され、この支持基板２６の表面２７上で導電性物質層
をパターニングすることによって、ゲート１６を規定す
る。支持基板２６はいずれかの好都合な物質とすること
ができ、本実施例ではガラス板である。通常、ゲート１
６には、以下に述べる目的のために、外部接続部を有す
るが、便宜上かかる外部接続部は図１には示されていな
いことは理解されよう。この外部接続部は、ゲート１６
をパターニングする際に同時に形成し、通常支持基板２
６の到達可能領域まで達することができる。
【００１６】ゲート１６上に絶縁膜２８を堆積する。絶
縁膜は、窒化シリコン(SiNx)等のような、いずれかの好
都合な物質とすることができる。絶縁層２８上の離間さ
れた２つの領域３２，３３に、導電性物質３１を堆積す
る。離間領域３２，３３は、ゲート１６から横方向に、
かつ対向する両側に隔てられており、ソース端子１８お
よびドレイン端子１９の位置を規定する。半導体物質３
５を導電性物質３１上の領域３２，３３に堆積し、更に
半導体層２０を半導体物質３５と絶縁層２８とを覆うよ
うに堆積し、電流チャネル２５を形成する。導電性物質
３１および半導体物質３５は、ソース端子１８およびド
レイン端子１９の各々において、半導体層２０と共にオ
ーミック・コンタクトを形成するように選択される。
【００１７】通常、薄膜トランジスタ１５は、水素化ア
モルファス・シリコン(a-Si:H)、アモルファス・シリコ
ン(a-Si)、多結晶シリコン、セレン化カドミウム(CaS
e)、有機半導体等のような、多くの既知の物質系のいず
れかで形成することができる。具体例では、半導体層２
０は、水素化アモルファス・シリコンで形成され、半導
体物質３５も水素化アモルファス・シリコンで形成さ
れ、ドーピングによって良好なＮ＋型導電性が与えられ
ている。絶縁層２８は、いずれかの適合性のある物質、
この具体例では、窒化シリコン(SiNx)で形成されてい
る。導電性物質３１およびゲート１６は、いずれかの好
都合な金属またはその他の好都合な導電性物質とするこ
とができる。
【００１８】半導体層２０上には、被覆面４０が規定さ
れており、全体的にゲート１６を覆っている。表面４０
は、半導体層２０の上面に、やや窪んだ領域として図示
されているが、この上面は具体的実施例によっては平面
状でもよいことは理解されよう。通常、表面４０と絶縁
層２８との間の距離は、トランジスタ１５に適正な動作
を可能とするように選択されるが、このことは当業者に
は理解されよう。半導体層２０が共形的に堆積される場
合、表面４０と絶縁層２８との間の距離は、半導体層２
０の厚さによって決定され、上面は通常図１に示すよう
な形状となる。
【００１９】半導体層２０の上面上、特に表面４０上
に、絶縁層４２を堆積する。絶縁層４２は、半導体層２
０の表面上に成長させた二酸化シリコン層とすることが
でき、あるいは絶縁層２０と同一物質、または他の好都
合な絶縁物質のいずれかで形成することもできる。本明
細書では、「堆積(deposited)」という用語は、ある物
質層を他の物質層上に設ける既知の方法を全て含むもの
とする。次に、指示膜１７を絶縁層４２の表面４０上に
堆積する。指示膜１７は、例えば、生／化学物質であ
り、例えばローディウム(rhodium)を基にした物質、ま
たは生物的種に非常に敏感な種々の抗体層のような、有
機金属複合体(organometallic complex)とすることがで
きる。また、他の構造では、絶縁膜１７は、有機または
無機フォトダイオード物質を含む感光層とすることもで
きる。更に、光信号に対して時間微分応答(time deriva
tive response)を有する、好塩性細菌バクテリオロドプ
シン(halobacteria bacteriorhodopsin)を用いることに
よって、運動検出器も容易に製造することができる。
【００２０】センサ１０の用途によっては、検出対象物
質または種は、吸着、電気的引力(electrical attracti
on)、化学結合、またはその他の現象（膜１７および検
出される物質によって異なる）によって、指示膜１７に
付着し、電荷または電荷の変位を指示膜１７内に誘発す
る。センサ１０がフォトトランジスタとして用いられる
場合、指示膜１７は、その上に入射する光の発生に感応
し、その中に電荷を誘発する。指示膜１７はチャネル２
５と並んで配置されているので、トランジスタ１５に対
してゲート、即ち、制御端子と同様に動作する。したが
って、指示膜１７内で誘発された電荷または電荷の変位
は、チャネル２５を通過する電流変化を発生させる。次
に、ゲート１６上に電位を印加して、チャネル２５を通
過する電流変化を打ち消す。ゲート１６上の電位は較正
可能であり、あるいは検出対象の物質、種または現象の
非常に高感度な指示、即ち、測定値として用いることが
できる。
【００２１】ゲート１７を測定または指示プロセスに用
いることに加えて、ゲート１７は、センサ１０のベース
ライン(baseline)の安定化も可能とする。通常、薄膜ト
ランジスタは、スレシホルド電圧のずれの影響を受けや
すく（このずれは、「良好な」素子で１ないし２ボルト
程度となり得る）、このためにベースラインにずれが生
じる。センサ１０は、いくつかの方法でこれらベースラ
インのずれを克服するように、容易に適合可能である。
例えば、指示膜１７を周期的に「清浄な環境」に露出さ
せることができ、またゲート１７上の電位を調節してチ
ャネル電流を全てゼロにすることもできる。他の例で
は、１対のセンサ１０を差動構成とし、これらセンサ１
０の一方の指示膜１７にパシベーションを施す。双方の
センサ１０においてベースラインのドリフトはほぼ同一
であるので、基準センサ１０（パシベーションを施され
た指示膜１７）を利用して、他方のセンサ１０における
あらゆる変化に対して補償を行うことも可能である。
【００２２】用途によっては（通常、検出対象物質およ
び指示膜１７によって異なる）、比較的大きな電位をゲ
ート１６に印加することによって、センサ１０を浄化あ
るいは再生することができる。この大きな電位は、検出
対象物質上の全正味電荷と同一の電荷でなければなら
ず、通常指示膜１７から検出物質を追い払うように、正
味電荷に対して大きなものとなる。例えば、生イオンが
検出されている場合、正味電荷は各イオン上の電荷であ
る。センサ１０を浄化、即ち、再生するこの新規な方法
は、センサ１０が取り付けられた状態でも実施可能であ
り、追加作業が不要なため、非常に有利である。
【００２３】次に図２に移ると、本発明による生／化学
センサ１０’の実施例の簡略断面図が示されている。こ
の実施例では、同様の素子を同様の番号で示し、全ての
番号にはダッシュ（’）を加えることによって、異なる
実施例であることを示すこととした。センサ１０’は薄
膜トランジスタ１５’を含み、そのゲート１６’がトラ
ンジスタ１５’の一方側に位置付けられている。絶縁指
示膜１７’が、全体的にゲート１６’と対向する関係
で、トランジスタ１５’の対向側に配置されている。ソ
ース端子１８’とドレイン端子１９’が、ゲート１６’
の対向側に、トランジスタ１５’の一部として形成さ
れ、半導体層２０’がそれらの間に電流チャネル２５’
を形成する。また、ゲート１６’および指示膜１７’
は、半導体層２０’の対向側に配置されている。
【００２４】図２に示す実施例では、支持基板２６’が
用意され、導電生物質層を支持基板２６’の表面２７’
上でパターニングすることにより、ゲート１６’を規定
する。支持基板２６’はいずれかの好都合な物質とする
ことができ、本実施例ではガラス板である。先に説明し
たように、通常ゲート１６’は外部接続部を有するが、
図２ではこの外部接続部は便宜上図示されていない。こ
の外部接続部は、ゲート１６’をパターニングする際に
同時に形成し、通常支持基板２６’の到達可能領域に達
することができる。
【００２５】絶縁層２８’は、窒化シリコン(SiNx)等の
ようないずれかの好都合な物質とすることができ、これ
を支持基板２６’上およびゲート１６’を覆うように堆
積する。半導体層２０’を絶縁層２８’上に堆積し、半
導体物質３５’を、半導体層２０’の表面上の離間領域
３２’，３３’内に堆積する。離間領域３２’，３３’
は、ゲート１６’から横方向に、かつ対向する両側に隔
てられており、ソース端子１８’およびドレイン端子１
９’の位置を規定する。また、本実施例では、化学的エ
ッチングまたは当技術では既知の他の手段によって、ゲ
ート１６’と全体的に対向関係に位置する領域におい
て、半導体物質３５’（および、用途によっては、半導
体層２０’の一部）を除去する。図２の実施例では、半
導体層２０’内のエッチングによって、表面４０’を規
定する。
【００２６】金属またはその他の良好な導電性物質３
１’を、半導体物質３５’の表面上の領域３２’，３
３’上に堆積し、それぞれソース端子１８’およびドレ
イン端子１９’の電気接点を形成する。絶縁層４２’を
半導体層２０’の表面４０’上および半導体物質３５’
上に堆積し、指示膜１７’をソース端子１８’およびド
レイン端子１９’から絶縁する。次いで、表面４０’に
対して上に位置する関係で、指示膜１７’を絶縁層４
２’上に堆積し、ゲート端子１６’に対して全体的に対
向する関係となる。
【００２７】上述のように、指示膜１７’は、検出対象
の物質、種、または現象に晒らされ、これら物質、種、
または現象が、指示膜１７’内に電荷または電荷の変位
を誘発する。指示膜１７’はチャネル２５’と並んで配
置されているので、トランジスタ１５’に対するゲー
ト、即ち、制御端子と同様に動作する。したがって、指
示膜１７’内で誘発された電荷または電荷の変位は、チ
ャネル２５’を通過する電流変化を発生させる。次に、
ゲート１６’上に電位を印加して、チャネル２５’を通
過する電流変化を打ち消す。ゲート１６’上の電位は較
正され、あるいは検出対象の物質、種または現象の非常
に高感度な指示、即ち、測定値として用いられる。
【００２８】以上のように、製造が比較的安価で、大型
のセンサ・アレイに拡大可能であり、しかも非常に高感
度な生／化学センサが開示された。更に、この新規で改
良された生／化学センサは、検出された生物学的または
化学的種を容易に浄化することができ、しかも多種多様
の生物学的および化学的種、光、または運動（現象）
に、容易に適合可能である。また、この新規で改良され
たセンサを、種々の補償技術を容易に組み込んで、セン
サにおける自然な変化を考慮することができる。この新
規で改良されたセンサは、信頼性および生産性を向上さ
せ、しかもパッケージングにおける制約を大幅に緩和す
ることができる。パッケージングにおける改善が実現さ
れる一例は、電気接点が全て半導体層（例えば、層２
０）の下に配置されるときに見られる。この場合、これ
ら接点は、支持基板内のビアを通じてアドレスすればよ
い。かかる構成では、周囲の（有害な）環境に露出され
る唯一の表面を指示膜とすれば、信頼性が向上し、しか
もパッケージングにおける制約が大幅に緩和される。
【００２９】以上本発明の具体的実施例について示しか
つ説明してきたが、それ以外の変更や改良も当業者には
想起されよう。したがって、本発明は、図示した特定形
状に限定されるものではないことが理解されることを望
み、特許請求の範囲は、本発明の精神および範囲から逸
脱しない全ての変更を包含することを意図するものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による生／化学センサの実施例の簡略断
面図。
【図２】本発明による生／化学センサの他の実施例の簡
略断面図。
【符号の説明】
１０ 生／化学センサ １５ 薄膜トランジスタ １６ ゲート １７ 指示膜 １８ ソース端子 １９ ドレイン端子 ２０ 半導体層 ２５ 電流チャネル ２６ 支持基板 ２８ 絶縁膜 ３１ 導電性物質 ３２，３３ 離間領域 ３５ 半導体物質 ４０ 被覆面 １０’ 生／化学センサ １５’ 薄膜トランジスタ １６’ ゲート １７’ 絶縁指示膜 １８’ ソース端子 １９’ ドレイン端子 ２０’ 半導体層 ２５’ 電流チャネル ２６’ 支持基板 ２８’ 絶縁層 ３２’，３３’ 離間領域 ３５’ 半導体物質 ４２’ 絶縁層

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】化学センサであって：第１および第２対向
    側を有し、該第１側にゲート（１６）が配置された薄膜
    トランジスタ（１５）；前記第２側に配置された絶縁層
    （４２）；および全体的に前記ゲート（１６）に対して
    対向する関係で、前記絶縁膜（４２）上に配置された指
    示膜（１７）；から成ることを特徴とする化学センサ。
  2. 【請求項２】化学センサであって：半導体層（２０）
    と、離間した関係で前記半導体層（２０）と係合され、
    前記半導体層（２０）内に電流チャネル（２５）を規定
    する、ソースおよびドレイン端子（１８，１９）と、前
    記半導体層（２０）の第１側に前記電流チャネル（２
    ５）と並んで係合されたゲート端子（１６）とを含み、
    前記ソース、ドレインおよびゲート端子（１８，１９，
    １６）が活性化されたときに、前記ソースおよびドレイ
    ン端子（１８，１９）間の前記電流チャネル（２５）を
    通過する電流の流れを制御する、薄膜トランジスタ（１
    ５）；および前記半導体層（２０）の第２側に隣接し、
    前記電流チャネル（２５）と並んで配置され、前記ソー
    スおよびドレイン端子（１８，１９）が活性化されたと
    き、前記ソースおよびドレイン端子（１８，１９）間の
    前記電流チャネル（２５）を通過する電流の流れを制御
    する、指示膜（１７）；から成ることを特徴とする化学
    センサ。
  3. 【請求項３】化学センサであって：第１および第２表面
    を有する半導体層（２０）；半導体物質層（３５）上に
    配置された電気接点（３１）を含むソース端子（１８）
    と、半導体物質層（３５）上に配置された電気接点（３
    １）を含むドレイン端子（１９）であって、前記ソース
    端子（１８）の半導体物質層（３５）は前記半導体層
    （２０）の第１および第２面の一方と係合されており、
    前記ドレイン端子（１９）の半導体物質層（３５）は、
    前記ソース端子（１８）の半導体物質層（３５）から離
    間された関係で前記半導体層（２０）の第１および第２
    表面の一方と係合されて、前記半導体層（２０）内に電
    流チャネル（２５）を規定する、前記ソース端子（１
    ８）および前記ドレイン端子（１９）；絶縁層（２８）
    上に配置された電気接点を含むゲート端子（１６）であ
    って、前記ゲート端子（１６）の絶縁層（２８）は、前
    記半導体層（２０）の第１表面上に、前記電流チャネル
    （２５）と並んで配置され、薄膜トランジスタ（１５）
    を規定し、前記ソース、ドレインおよびゲート端子（１
    ８，１９，１６）が活性化されたときに、前記電流チャ
    ネル（２５）を通過する、前記ソースおよびドレイン端
    子（１８，１９）間の電流の流れを制御する、前記ゲー
    ト端子（１６）；前記半導体層（２０）の第２表面上に
    配置された絶縁膜（４２）；および前記絶縁膜（４２）
    上に、前記電流チャネル（２５）と並んで配置され、前
    記ソースおよびドレイン端子（１８，１９）が活性化さ
    れたとき、前記電流チャネル（２５）を通過する、前記
    ソースおよびドレイン端子（１８，１９）間の電流の流
    れを制御する指示膜（１７）；から成ることを特徴とす
    る化学センサ。
  4. 【請求項４】化学センサの製造方法であって：第１およ
    び第２対向側を有する薄膜トランジスタと、前記第１側
    に配置されたゲートとを形成する段階；前記第２側に絶
    縁膜を堆積する段階；および前記絶縁層上に、前記ゲー
    トと全体的に対向する関係で、指示膜を堆積する段階；
    から成ることを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】化学センサの製造方法であって：平面を有
    する支持基板を用意する段階；前記支持基板の表面上に
    導電性物質層を堆積し、トランジスタ・ゲートを規定す
    る段階；前記導電層上に絶縁物質層を堆積する段階；前
    記絶縁層上の離間した２領域に導電性物質を堆積する段
    階であって、前記離間領域を、前記導電層から横方向
    に、かつ対向側に離間する段階；前記導電物質上で、前
    記２つの離間領域の各々に、半導体物質を堆積する段
    階；前記半導体物質上で前記２つの離間領域の各々、お
    よびそれらの間の前記絶縁層上に半導体物質層を堆積
    し、前記２つの離間領域間の薄膜トランジスタに、前記
    導電層に対して上に位置する関係で、被覆面と電流チャ
    ネルとを規定する段階；前記半導体物質層の被覆面上に
    絶縁物質層を堆積する段階；および前記絶縁層上に指示
    膜を堆積する段階；から成ることを特徴とする方法。
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