JP2019002727A - Transistor for sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】微細化に適したセンサ用トランジスタを提供する。
【解決手段】センサ用トランジスタ10であって、シリコン基板20と、シリコン基板20上に設けられているゲート絶縁膜32と、シリコン基板20上に設けられており、ゲート絶縁膜32の周囲を一巡する層間絶縁膜34と、層間絶縁膜34上に設けられており、ゲート絶縁膜32の周囲を一巡する隔壁を有する試料容器52と、試料容器52の隔壁で囲まれた範囲内に露出しており、層間絶縁膜34に配設されている参照電極43Eと、試料容器52の隔壁で囲まれた範囲外に露出しており、層間絶縁膜34に配設されている参照電極端子と、参照電極43Eと参照電極端子の間を伸びており、層間絶縁膜34に配設されている参照電極配線43と、を備える、センサ用トランジスタ。
【選択図】図1A sensor transistor suitable for miniaturization is provided.
A sensor transistor includes a silicon substrate, a gate insulating film provided on the silicon substrate, and a circuit around the gate insulating film. An interlayer insulating film 34 to be formed, and a sample container 52 provided on the interlayer insulating film 34 and having a partition wall that goes around the gate insulating film 32, and exposed within a range surrounded by the partition wall of the sample container 52. A reference electrode 43E disposed in the interlayer insulating film 34, a reference electrode terminal exposed in the interlayer insulating film 34 and exposed outside the range surrounded by the partition wall of the sample container 52, and a reference A sensor transistor comprising: a reference electrode wiring 43 extending between the electrode 43E and the reference electrode terminal and disposed in the interlayer insulating film 34.
[Selection] Figure 1
Description
本明細書が開示する技術は、センサ用トランジスタに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a sensor transistor.
測定対象に依存して変化するチャネル抵抗に基づいて電気信号を出力するように構成されているセンサ用トランジスタが開発されている。例えば、特許文献1は、ゲート絶縁膜上に配置された試料溶媒内に含まれるターゲット生分子を検出するセンサ用トランジスタを開示する。このセンサ用トランジスタでは、ターゲット生分子に特異的に結合するプローブ生分子がゲート絶縁膜の表面に固定されている。プローブ生分子にターゲット生分子が結合すると、ターゲット分子の電荷に依存してセンサ用トランジスタのチャネル抵抗が変化する。このセンサ用トランジスタでは、そのチャネル抵抗の変化を測定することで、ターゲット生分子を検出することができる。また、特許文献2は、ゲート絶縁膜上に配置された試料溶媒のpHを測定するセンサ用トランジスタを開示する。このセンサ用トランジスタでは、ゲート絶縁膜がイオン感応膜として作用し、試料溶媒のpHに依存してセンサ用トランジスタのチャネル抵抗が変化する。このセンサ用トランジスタでは、そのチャネル抵抗の変化を測定することで、試料溶媒のpHを測定することができる。 Sensor transistors have been developed that are configured to output an electrical signal based on channel resistance that varies depending on the measurement object. For example, Patent Document 1 discloses a sensor transistor that detects target biomolecules contained in a sample solvent disposed on a gate insulating film. In this sensor transistor, probe biomolecules that specifically bind to target biomolecules are fixed on the surface of the gate insulating film. When the target biomolecule binds to the probe biomolecule, the channel resistance of the sensor transistor changes depending on the charge of the target molecule. In this sensor transistor, target biomolecules can be detected by measuring the change in channel resistance. Patent Document 2 discloses a sensor transistor for measuring the pH of a sample solvent disposed on a gate insulating film. In this sensor transistor, the gate insulating film acts as an ion sensitive film, and the channel resistance of the sensor transistor changes depending on the pH of the sample solvent. In this sensor transistor, the pH of the sample solvent can be measured by measuring the change in the channel resistance.
これらのセンサ用トランジスタでは、試料溶媒を基準電位に固定するために、基準電位に固定された参照電極が試料溶媒に接触するように設置される。参照電極は、例えば支持台に支持された状態で試料溶媒に接触するように設置される。しかしながら、センサ用トランジスタの微細化を進めるためには、参照電極及び支持台も微細化する必要があるが、このような参照電極及び支持台を正確に設置することは困難である。本明細書は、微細化に適したセンサ用トランジスタを提供する。 In these sensor transistors, in order to fix the sample solvent at the reference potential, the reference electrode fixed at the reference potential is placed in contact with the sample solvent. The reference electrode is placed so as to come into contact with the sample solvent, for example, in a state of being supported by a support base. However, in order to advance the miniaturization of the sensor transistor, it is necessary to miniaturize the reference electrode and the support base. However, it is difficult to accurately install the reference electrode and the support base. The present specification provides a sensor transistor suitable for miniaturization.
本明細書が開示するセンサ用トランジスタは、様々な用途に用いられ、その用途を特に限定するものではない。例えば、センサ用トランジスタは、試料溶媒内の細胞の活動の様子を観察する目的で用いられ得る。また、センサ用トランジスタは、ゲート絶縁膜上にプローブ生分子を固定することで、試料溶媒内のターゲット生分子を検出する目的で用いられ得る。このセンサ用トランジスタは、半導体基板、ゲート絶縁膜、層間絶縁膜、試料容器、参照電極、参照電極端子及び参照電極配線を備えることができる。ゲート絶縁膜は、半導体基板上に設けられている。層間絶縁膜は、半導体基板上に設けられており、ゲート絶縁膜の周囲を一巡する。試料容器は、層間絶縁膜上に設けられており、ゲート絶縁膜の周囲を一巡する隔壁を有する。参照電極は、試料容器の隔壁で囲まれた範囲内に露出しており、層間絶縁膜に配設されている。参照電極端子は、試料容器の隔壁で囲まれた範囲外に露出しており、層間絶縁膜に配設されている。参照電極配線は、参照電極と参照電極端子の間を伸びており、層間絶縁膜に配設されている。参照電極配線は、層間絶縁膜内を通って配設されていてもよく、層間絶縁膜の表面上に配設されていてもよい。このセンサ用トランジスタでは、参照電極、参照電極端子及び参照電極配線が層間絶縁膜に配設されている。参照電極、参照電極端子及び参照電極配線は、半導体製造技術を利用して、層間絶縁膜に配設することができる。このように、上記センサ用トランジスタは、微細化に適した構造を有していると評価することができる。 The sensor transistor disclosed in this specification is used in various applications, and the application is not particularly limited. For example, the sensor transistor can be used for the purpose of observing the state of cell activity in the sample solvent. The sensor transistor can be used for the purpose of detecting the target biomolecule in the sample solvent by fixing the probe biomolecule on the gate insulating film. The sensor transistor can include a semiconductor substrate, a gate insulating film, an interlayer insulating film, a sample container, a reference electrode, a reference electrode terminal, and a reference electrode wiring. The gate insulating film is provided on the semiconductor substrate. The interlayer insulating film is provided on the semiconductor substrate and goes around the periphery of the gate insulating film. The sample container is provided on the interlayer insulating film and has a partition wall that goes around the gate insulating film. The reference electrode is exposed in a range surrounded by the partition wall of the sample container, and is disposed on the interlayer insulating film. The reference electrode terminal is exposed outside the range surrounded by the partition walls of the sample container, and is disposed on the interlayer insulating film. The reference electrode wiring extends between the reference electrode and the reference electrode terminal, and is disposed on the interlayer insulating film. The reference electrode wiring may be disposed through the interlayer insulating film, or may be disposed on the surface of the interlayer insulating film. In this sensor transistor, a reference electrode, a reference electrode terminal, and a reference electrode wiring are disposed in an interlayer insulating film. The reference electrode, the reference electrode terminal, and the reference electrode wiring can be disposed in the interlayer insulating film using a semiconductor manufacturing technique. Thus, it can be evaluated that the sensor transistor has a structure suitable for miniaturization.
図1〜図3に、細胞の活動の様子を観察するためのセンサ用トランジスタ10を示す。センサ用トランジスタ10は、シリコン基板20、ゲート絶縁膜32、層間絶縁膜34、各種電極43E,44E,46E,48E、各種電極配線43,44,46,48、各種電極端子43T,44T,46T,48T、及び、試料容器52を備える。
1 to 3 show a
図1に示されるように、シリコン基板20は、p型のドリフト領域22、n+型のソース領域24、n+型のドレイン領域26及びp+型のベース領域28を有する。ソース領域24、ドレイン領域26及びベース領域28は、シリコン基板20の表層部に設けられており、相互に離れて配置されている。ソース領域24とドレイン領域26は隣り合う位置関係で配置されており、それらの間にはドリフト領域22の一部が配置されている。ソース領域24とドレイン領域26の間に配置されるドリフト領域22の一部を特にチャネル領域CHという。
As shown in FIG. 1, the
ソース領域24は、ソース電極44Eに接触しており、そのソース電極44Eはソース電極配線44に接続されている。図3に示されるように、ソース電極配線44は、層間絶縁膜34内を通って配設されており、ソース電極44Eとソース電極端子44Tの間を伸びて両者を電気的に接続するように構成されている。同様に、ドレイン領域26は、ドレイン電極46Eに接触しており、そのドレイン電極46Eはドレイン電極配線46に接続されている。ドレイン電極配線46は、層間絶縁膜34内を通って配設されており、ドレイン電極46Eとドレイン電極端子46Tの間を伸びて両者を電気的に接続するように構成されている。ベース領域28も、ベース電極48Eに接触しており、そのベース電極48Eはベース電極配線48に接続されている。ベース電極配線48は、層間絶縁膜34内を通って配設されており、ベース電極48Eとベース電極端子48Tの間を伸びて両者を電気的に接続するように構成されている。
The
図2に示されるように、参照電極配線43は、一端が参照電極43Eに接続されており、他端が参照電極端子43Tに接続されている。参照電極43Eは、試料容器52の隔壁で囲まれた範囲内に露出して培養液54に接触しており、層間絶縁膜34の表面上に配設されている。参照電極端子43Tは、試料容器52の隔壁で囲まれた範囲外に露出しており、層間絶縁膜34の表面上に配設されている。参照電極配線43は、層間絶縁膜34内を通って配設されており、参照電極43Eと参照電極端子43Tの間を伸びて両者を電気的に接続するように構成されている。なお、この例に代えて、参照電極配線43は、層間絶縁膜34の表面上に配設され、層間絶縁膜34と試料容器52の隔壁の間を通過するように設けられていてもよい。参照電極43Eの材料は、化学的に安定な不活性材料であり、例えば銀又は白金が用いられている。
2, the
図1に示されるように、ゲート絶縁膜32は、シリコン基板20の表面上の一部を被覆しており、ソース領域24とドレイン領域26の間に配置されており、チャネル領域CHに接触している。ゲート絶縁膜32の厚みは、例えば5〜50nmである。ゲート絶縁膜32の材料は、例えばシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜である。このように、シリコン基板20には、n型チャネルのMOSFETが構成されている。
As shown in FIG. 1, the
図1及び図3に示されるように、層間絶縁膜34は、シリコン基板20の表面上に設けられており、ゲート絶縁膜32の周囲を一巡するように構成されている。換言すると、層間絶縁膜34の一部に開口が形成されており、その開口内にゲート絶縁膜32が設けられている。上記したように、層間絶縁膜34には、各種電極、各種電極配線及び各種電極端子が配設されている。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
図1及び図3に示されるように、試料容器52は、ゲート絶縁膜32の周囲を一巡するように層間絶縁膜34上に設けられている隔壁を有する。試料容器52の隔壁は、筒状の形態を有する。試料容器52は、その一端が層間絶縁膜34の表面に固定されており、滴下された培養液54を留めて置くための空間を画定する。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
センサ用トランジスタ10では、ゲート絶縁膜32の表面32aに細胞が接着している。ゲート絶縁膜32の表面32aに接着している細胞が特定の刺激を受けて活性化すると、細胞の生体膜のイオンチャネルが開いて培養液54に含まれるイオンが細胞内に流入し、細胞の膜電位が変化する。これにより、チャネル領域CHのチャネル抵抗が変化する。センサ用トランジスタ10では、このチャネル抵抗の変化が出力電圧の変化として測定される。このようにして、センサ用トランジスタ10は、細胞の活動の様子を観察することができる。
In the
センサ用トランジスタ10は、参照電極43E、参照電極配線43及び参照電極端子43Tが、層間絶縁膜34に配設されていることを特徴とする。参照電極43E、参照電極配線43及び参照電極端子43Tは、半導体製造技術を利用して層間絶縁膜34にパターニングして形成することができる。背景技術で説明したように、従来のセンサ用トランジスタは、支持台に支持された棒状の参照電極が試料溶媒に接触するように設置されていた。このような従来のセンサ用トランジスタに比して、上記のセンサ用トランジスタ10は、微細化に適した構造を有していると評価することができる。
The
また、従来のセンサ用トランジスタでは、参照電極の設置位置が安定せず、これにより、培養液の電位が安定せず、出力のバラツキが増加するという問題があった。一方、センサ用トランジスタ10では、試料容器52内における参照電極43Eの位置が固定である。これにより、センサ用トランジスタ10では、培養液54の電位が安定し、出力のバラツキが抑えられる。
In addition, the conventional sensor transistor has a problem that the position of the reference electrode is not stable, and thus the potential of the culture solution is not stable, and output variation increases. On the other hand, in the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
10:センサ用トランジスタ、 20:シリコン基板、 22:ドリフト領域、 24:ソース領域、 26:ドレイン領域、 28:ベース領域、 32:ゲート絶縁膜、 34:層間絶縁膜、 43:参照電極配線、 43E:参照電極、 43T:参照電極端子、 44:ソース電極配線、 44E:ソース電極、 44T:ソース電極端子、 46:ドレイン電極配線、 46E:ドレイン電極、 46T:ドレイン電極端子、 48:ベース電極配線、 48E:ベース電極、 48T:ベース電極端子、 52:試料容器、 54:培養液 10: sensor transistor, 20: silicon substrate, 22: drift region, 24: source region, 26: drain region, 28: base region, 32: gate insulating film, 34: interlayer insulating film, 43: reference electrode wiring, 43E : Reference electrode, 43T: reference electrode terminal, 44: source electrode wiring, 44E: source electrode, 44T: source electrode terminal, 46: drain electrode wiring, 46E: drain electrode, 46T: drain electrode terminal, 48: base electrode wiring, 48E: Base electrode, 48T: Base electrode terminal, 52: Sample container, 54: Culture solution
Claims (2)
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられているゲート絶縁膜と、
前記半導体基板上に設けられており、前記ゲート絶縁膜の周囲を一巡する層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に設けられており、前記ゲート絶縁膜の周囲を一巡する隔壁を有する試料容器と、
前記試料容器の前記隔壁で囲まれた範囲内に露出しており、前記層間絶縁膜に配設されている参照電極と、
前記試料容器の前記隔壁で囲まれた範囲外に露出しており、前記層間絶縁膜に配設されている参照電極端子と、
前記参照電極と前記参照電極端子の間を伸びており、前記層間絶縁膜に配設されている参照電極配線と、を備える、センサ用トランジスタ。 A sensor transistor,
A semiconductor substrate;
A gate insulating film provided on the semiconductor substrate;
An interlayer insulating film provided on the semiconductor substrate and circulating around the gate insulating film;
A sample container provided on the interlayer insulating film and having a partition wall that goes around the gate insulating film;
A reference electrode that is exposed in a range surrounded by the partition wall of the sample container and is disposed in the interlayer insulating film;
A reference electrode terminal that is exposed outside the range surrounded by the partition wall of the sample container and is disposed in the interlayer insulating film;
A sensor transistor comprising: a reference electrode wiring extending between the reference electrode and the reference electrode terminal and disposed in the interlayer insulating film.
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