JPS6254155A - 半導体バイオセンサ酵素固定化膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体電界効果型イオンセンサの表面に酵素固
定化膜が設けられてなる集積化された半導体バイオセン
サにおける酵素固定化膜の膜厚制御法に関するものであ
る。

（従来の技術） 従来、溶液中の特定の有機物の濃度を測定する半導体バ
イオセンサの一種に半導体電界効果型イオンセンサ（以
下「ＬＳＦＥＴＪという）の表面に酵素を固定化した膜
が設けられたものが知られている。このバイオセンサは
、溶液甲の特定の有機物が酵素固定化膜中で酵素の触媒
作用により化学反応をした時に生じる水素イオン濃度ｍ
ヒをｌ５ｌＩ’ＥＴで検出することにより、特定の有機
物の濃度を測定するものである。この選択性をもつ酵素
固定化膜の例として、尿素検出用としてウレアーセ固定
化膜、グルコース検出用としてグルコースオキシダーゼ
膜などが知られている（センサーズ・アンド・アクチュ
エイターズ（Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕ−ａｔ
ｏｒｓ）第７巻１頁〜ｌＯ頁（１９８５）　）。また、
サファイア基板上に設けられた島状シリコンを用いて酵
素固定化膜が設けられたＩｎｋ″ＥＴと失活した酵素固
定化膜が設けられたＩ８Ｉ”ＥＴを同一チップ上に形成
し、裏面に参照電極として金電極を設けることにより、
ワンチップ化されたバイオセンサも開発されている（第
１６回、１９８４インタナシヨナル・カンファレンス・
オン・ソリッド・ステート・デバイシズ・アンド・マテ
リアルズ・レイト・ニュース・アブストラクッ（１９８
４ＩｎＬ−ｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃ
ｅ　ｏｎ　５ｏｌｉｄ　５ｌａｔｅＤｅｖｉｃｅｓ　ａ
ｎｄ　＆１ａｔｅｒｉａｌｓ、Ｌａｔｅ　Ｎｅｗｓ　Ａ
ｂｓＬｒ−ａｃｔｓ）６６頁〜６７頁（１９８４））。

この様なバイオセンサを製造するにあたり、所定のｌ８
１＝’ＥＴ上１こ酵素固定化膜を形成する必要がある。

酵素固定化膜の形成法にはいくつかの方法が知られてい
るが、ウェハの段階で酵素固定化膜を形成でき、バイオ
センサの大量生産を可能ならしめるものとしては、三酢
酸セルロースを担体とした酵素固定化膜をウェハ全面に
形成した後、ホトマスクを介して紫゛外線を照射、所定
のｌ５ＦＥＴ上以外の酵素固定化膜中の酵素を失活させ
るという方法がある（第１６回、１９８４インタナシヨ
ナル・カンファレンス・オン・ソリッド・ステートデバ
イシズ・アンド・マテリアルズ・レイト・ニュース・ア
ブストラクツ（１９８４１ｎｔｅｒｎａｔｉｏ　−ｎａ
ｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　５ｏｌｉｄ　５ｔａ
ｌｅ　Ｌ）ｅｖｉｃｅｓａｎｄ　Ｍａｒｅｒｉａｌｓ、
Ｌａｔｅ　Ｎｅｗｓ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ　）５５頁〜
６７頁（１９８４））。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、上記の方法は酵素固定化膜を形成するのに１日
以上を要する上、酵素固定化膜の性状、例えば厚さ、酵
素含有量などバイオセンサの出力に重大な影響を及ぼす
要因の変更が難しいという問題点を有していた。これに
対し、短時間で酵素固定化膜を得られ酵素固定化膜中の
酵素含有量の変更も容易であ仝ｘＩＪフトオフ法が提案
されているＣ特願昭５９−２０９１６５）。

しかし、このリフトオフ法によって得られる酵素固定化
膜の厚さはスピン塗布する蛋白質溶液の組成やスピンナ
ーの回転数を変えても均一な膜としては最大０．５μｍ
程度あり、より厚い酵素固定化膜が必要とされる場合に
はりフトオフ法を採用することができなかった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は１つのチップ上に１つ才たけ２つ以上の半導体
電界効果型イオンセンサが集積化され、そのうちの少な
くとも１つの半導体電界効果型イオンセンサの表面に酵
素固定化膜が設けられてなる半導体バイオセンサの製造
方法において、半導体電界効果型イオンセンサか形成さ
れた半導体ウェハ上に有機溶剤に可溶なフォトレジスト
を塗布した後、フォトリソグラフィー法により酵素固定
化膜が設けられるべき所定の半導体電界効果型イオンセ
ンサの表面のフォトレジストを除く工程と前記半導体ウ
ェハ表面に、親水性プライマ溶液をスピン塗布し、前記
所定の半導体電界効果型イオンセンサの表面を親水性プ
ライマ処理する工程と前記工程を経た半導体ウェハ表面
に酵素と架橋剤を含む蛋白質溶液をスピン塗布して前記
半導体ウェハ表面上に酵素固定化膜を形成する工程と、
さらに前記工程を経た半導体ウェハを前ム己フォトレジ
ストを溶解する有機溶剤で処理して前記フォトレジスト
を溶解し、前記所定の半導体電界効果型イオンセンサの
表面以外に存在する酵素固定化膜をリフトオフにより除
去する工程とを備え、前記酵素と架橋剤を含む蛋白溶液
のスピン塗布を、架橋剤の架橋反応１こ必要な時間をお
いて繰り返し、所望の厚さの＃素固定化膜を前記所定の
半導体電界効果型イオンセンサの表面に形成することを
特徴とする半導体バイオセンサ＃索固定化膜の形成方法
である。

（作用） リフトオフ法による半導体バイオセンサの製造法によれ
ば、半導体ウェハ上に有機溶剤に可溶なフォトレジスト
を塗布した後、フォトリソグラフィー法により酵素固定
化膜が設けられるべき所定のｌ５ＦＥＴの表面のフォト
レジストを除き、その上から親水性プライマをスピン塗
布する。

フォトレジストが除かれた１８ＦＥＴの表面はこの工程
−こより親水性プライマ処理され、後ｌこ形成される酵
素固定化膜がｌ５ＦＥＴの表面より剥離することを防止
する。この上に酵素と架橋剤を含む蛋白質溶液を塗布す
るわけであるが、フオｌ−ＩＪソグラ十−法によってフ
ォトレジストが除かれたｌ５ＦＥＴの表面にはこれと接
して酵素固定化膜が形成され、それ以外の部分ではウェ
ハ表面と形成された酵素同定化膜との間にフォトレジス
ト層が存在するわけである。架橋剤による架橋反応が終
了すれ・ば、さらにこの上から蛋白質溶液をスピン塗布
することができる。本発明の半導体バイオセンサ酵素固
定化膜の膜厚制御法によれば蛋白質溶液のスピン塗布を
繰り返すことにより所望の厚さの酵素固定化膜を形成す
ることができる。以上の工程を経た半導体ウェハを有機
溶剤で処理するとフォトレジストは有機溶剤に溶解し、
その際フォトレジスト上に形成された酵素固定化膜も剥
離する。その結果ｌ５ＦＥＴ表面上に形成された所望の
厚さの酵素固定化膜のるが残る。

（実施例） 以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明による半導体バイオセンサ酵素固定化膜
の形成方法の一実施例の工程説明図で、サファイア基板
上に形成された２つ１組のｌｓ、）ＥＴの一方にのみ酵
素固定化膜を形成する場合について示しである。

第１図（ａ）〜（ｅ）において、ｌはサファイア基板、
２は高不純物濃度ｎ形シリコン領域、３はＰ形シリコン
領域、４は酸化シリコン膜、５は窒化シリコン膜、６は
有機溶剤可溶性のフォトレジスト膜７は金電極である。

次に製造工程を順を追って説明する。サファイア基板表
面の島状シリコン層を用いてｌ８ＦＥＴを形成し、サフ
ァイア基板裏面に金を蒸着したウェハの表面にフォトレ
ジスト膜、例えばシラプレー社製マイクロポジット１３
００−２７をスピン塗布する（第１図（ａＪ　）。この
フォトレジストはアセトン可溶性である。次に、フォト
マスクを用い露光、現像により酵素固定化膜が設けられ
るｌ５ＦＥＴの表面のフォトレジスト膜を除去する（第
１図（ｂ））。

その後、親水性プライマ例えばｒ−アミノプロピルトリ
エトキシシランの１％水溶液をウェハ上にスピン塗布し
、１１０℃で５分間熱処理を行ない酵素固定化膜か設け
られる１８ＦＥＴの表面にｒ　−アミノプロピルトリエ
トキシシランを結合させる。

液、例えば尿素を検出する場合には３００ｍｆ／ｍｔ牛
血清アルブミンを含む０．１　Ｍピペラジン−Ｎ、Ｎｌ
−ビス（２−エタンスルフォン酸）−水酸化ナトリウム
（Ｐ）１６．８）　　２体積部に５Ｑｍｆ／ｍｔのウレ
アーゼ（マイルスラボラトリーズ製５３Ｕ／ｍｙ）水溶
液１体積部を加え、さらに２ｗｔ　％グルタルアルデヒ
ド水溶′ｔＬ１体積部を加えた後よく混合した溶液９０
０μｔをスピン塗布する。３０分間常温で放置してグル
タルアルデヒドによる架橋反応を完了させて第１の＃素
固定化膜８を形成する（第１図（Ｃ））。

次に先の蛋白質溶液と同じ組成をもつ蛋白質溶液をスピ
ン塗布し、第２の酵素固定化膜９を第１の酵母固定化膜
８の上に形成する。このようにして二層の酵素固定化膜
が形成されたウェハ（第１図（ｄ））をアセトン中に浸
漬し超音波洗浄器を用いて２分間超音波処理を行なうと
、フォトレジスト膜はアセトン甲に溶出し、それととも
にフォトレジスト膜上に形成された酵素固定化膜も剥離
する。

その結果、あらかじめフオトレジス＋−ｉが除去されて
あったｌ５ＦＥＴ上に形成された酵素固定化膜１０のみ
がウェハ上に残る（第１図（ｅ））。この酵素固定化膜
の厚さは１μｍであった。以上の工程により所定のｌ５
ＦＥＴの表面にだけ１μｍの厚さの酵素固定化膜を形成
することができた。

次にフォトＬ／シストをシラプレー社製マイクロポジッ
ト１３００−３７にかえ、酵素と架橋剤を含む蛋白質溶
液のスピン塗布の回数を４回に増すほかは、先の例と同
じ工程を経ることにより、厚さ２μｍの酵素固定化膜が
所定の■δＦＥ’ｌ’上に形成された。

（発明の効果） 本発明の方法によれば形成される酵素固定化膜の厚さは
酵素と架橋剤を含む蛋白質溶液のスピン塗布の回数によ
って調節することができる。蛋白質溶液の組成は酵素固
定化膜の形成が妨げられない範囲で変更することが可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の方法をリフトオフ法に
よる半導体バイオセンサの製造工程に適用した際の工程
説明図。 図において、１はサファイア基板、２は高不純物濃度ｎ
形シリコン領域、３はＰ形シリコン領域４は酸化シリコ
ン膜、５は窒化シリコン膜、６はフォトレジスト膜、７
は金電極、８は第１の酵素固定化膜、９は第２の＃素固
定化膜、１０は酵素固定化膜。 代即入弁理士　内　原　　　晋 第１図 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １つのチップ上に１つまたは２つ以上の半導体電界効果
   型イオンセンサが集積化され、そのうちの少なくとも１
   つの半導体電界効果型イオンセンサの表面に酵素固定化
   膜が設けられてなる半導体バイオセンサの製造方法にお
   いて、 （ａ）半導体電界効果型イオンセンサが形成された半導
   体ウェハ上に有機溶剤に可溶なフォトレジストを塗布し
   た後、フォトリソグラフィー法により酵素固定化膜が設
   けられるべき所定の半導体電界効果型イオンセンサの表
   面のフォトレジストを除く工程と、 （ｂ）前記半導体ウェハ表面に、親水性プライマ溶液を
   スピン塗布し、前記所定の半導体電界効果型イオンセン
   サの表面を親水性プライマ処理する工程と、 （ｃ）前記工程を経た半導体ウェハ表面に酵素と架橋剤
   を含む蛋白質溶液をスピン塗布して前記半導体ウェハ表
   面上に酵素固定化膜を形成する工程と、（ｄ）さらに前
   記工程を経た半導体ウェハを前記フォトレジストを溶解
   する有機溶剤で処理して前記フォトレジストを溶解し、
   前記所定の半導体電界効果型イオンセンサの表面以外に
   存在する酵素固定化膜をリフトオフにより除去する工程
   とを備え、前記酵素と架橋剤を含む蛋白溶液のスピン塗
   布を架橋剤の架橋反応に必要な時間をおいて繰り返し所
   望の厚さの酵素固定化膜を前記所定の半導体電界効果型
   イオンセンサの表面に形成することを特徴とする半導体
   バイオセンサ酵素固定化膜の形成方法。