JP5472013B2 - Transistor type sensor - Google Patents
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Description
本発明は、バイオセンサ等として好適に用いることができるトランジスタ型センサに関するものである。 The present invention relates to a transistor type sensor that can be suitably used as a biosensor or the like.
近年、疾患の診断、薬物代謝に関する個人差の検出、または、食品若しくは環境モニタ等の目的で、ＤＮＡ、糖鎖、たんぱく質等の生体関連物質の検査をするための種々の方法が開発されており、特に、電気的な信号によって生体分子（ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）を検出するバイオセンサの研究が進んでいる。最近では、電気的な信号の転換が速く、集積回路とＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の接続が容易であるという観点から、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、「ＦＥＴ」ともいう。）を使用して生物学的な反応を検出するバイオセンサについて多くの研究が為されている。 In recent years, various methods have been developed for testing biologically relevant substances such as DNA, sugar chains, and proteins for the purpose of disease diagnosis, detection of individual differences in drug metabolism, or food or environmental monitoring. In particular, research on biosensors that detect biomolecules using electrical signals is in progress. Recently, a field effect transistor (hereinafter also referred to as “FET”) is used from the viewpoint that electrical signal conversion is fast and the connection between an integrated circuit and a MEMS (Micro Electro Mechanical System) is easy. Much research has been done on biosensors that are used to detect biological responses.
従来、ＦＥＴを用いたバイオセンサは、ＭＯＳＦＥＴからゲート電極を除去し、絶縁膜の上にイオン感応膜を被着した構造を有しており、「ＩＳＦＥＴ（Ｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ＦＥＴ）」と呼ばれている。そして、イオン感応膜に酸化還元酵素、各種タンパク質、ＤＮＡ、抗原または抗体などを配置することによって、各種バイオセンサとして機能するようになっている（例えば、特許文献１）。 Conventionally, a biosensor using an FET has a structure in which a gate electrode is removed from a MOSFET and an ion-sensitive film is deposited on an insulating film, which is called “ISFET (Ion Sensitive FET)”. . And it arrange | positions an oxidoreductase, various proteins, DNA, an antigen, or an antibody etc. to an ion sensitive film | membrane, and functions as various biosensors (for example, patent document 1).
具体的には、バイオセンサに用いられるＦＥＴは、シリコン基板の表面にソース電極、ドレイン電極及びゲート絶縁膜を形成し、ソース電極とドレイン電極間のゲート絶縁物表面に金属電極を有している。この金属電極の表面には、ＤＮＡプローブとアルカンチオールが配置されている。実際に測定を行う場合には、金属電極と、金属電極の表面上に配置されたＤＮＡプローブ及びアルカンチオールと、参照電極とが測定セル内の反応溶液中に配置されるようになっており、参照電極を介して電圧が印加されると、反応溶液中に含まれるターゲットＤＮＡとＤＮＡプローブとの結合の前後で変化する絶縁ゲート電界効果トランジスタの電気特性変化、すなわち、ソースとドレインとの間を流れる電流値の変化を検出することにより、反応溶液中に含まれるターゲットＤＮＡの伸長の有無を検出することができるようになっている。 Specifically, an FET used for a biosensor has a source electrode, a drain electrode, and a gate insulating film formed on the surface of a silicon substrate, and a metal electrode on the surface of the gate insulator between the source electrode and the drain electrode. . A DNA probe and alkanethiol are disposed on the surface of the metal electrode. When actually performing the measurement, the metal electrode, the DNA probe and alkanethiol arranged on the surface of the metal electrode, and the reference electrode are arranged in the reaction solution in the measurement cell, When a voltage is applied through the reference electrode, the electrical characteristics of the insulated gate field effect transistor change before and after the binding between the target DNA and the DNA probe contained in the reaction solution, that is, between the source and the drain. By detecting a change in the value of the flowing current, it is possible to detect the presence or absence of extension of the target DNA contained in the reaction solution.
ところで、上述したバイオセンサ等に用いられるトランジスタ型センサにおいては、トランジスタを構成するゲート電極を除去し、ゲート絶縁膜の上にイオン感応膜を被着した積層構造を有しているのが一般的である。しかしながら、このような積層構造を有するトランジスタ型センサにおいては、イオン感応膜を形成できる領域がトランジスタ上に限られることから、より広い面積のイオン感応膜を形成することができないという問題点があった。また、上記積層構造を有する場合、イオン感応膜上に測定対象となる試料を付与した場合に、当該試料がイオン感応膜直下に配置されているトランジスタに浸透し、当該トランジスタの機能が損なわれるという問題点もあった。このようなことから、上記積層構造を有するトランジスタ型センサにおいては安定的に測定を行うことが困難であるという問題点があった。
さらには、上記積層構造を有するトランジスタ型センサにおいては、製造工程が複雑になってしまうという問題点も指摘されていた。
By the way, in the transistor type sensor used for the above-described biosensor or the like, it is common to have a laminated structure in which the gate electrode constituting the transistor is removed and an ion sensitive film is deposited on the gate insulating film. It is. However, the transistor type sensor having such a laminated structure has a problem that an ion sensitive film having a wider area cannot be formed because the region where the ion sensitive film can be formed is limited on the transistor. . In addition, in the case of having the above laminated structure, when a sample to be measured is provided on the ion sensitive film, the sample penetrates into the transistor arranged immediately below the ion sensitive film, and the function of the transistor is impaired. There was also a problem. For this reason, there is a problem in that it is difficult to perform stable measurement in the transistor type sensor having the laminated structure.
Furthermore, the transistor type sensor having the above laminated structure has also been pointed out that the manufacturing process becomes complicated.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バイオセンサ等として好適に用いられ、安定的に測定を行うことが可能なトランジスタ型センサを提供することを主目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and a main object of the present invention is to provide a transistor type sensor that can be suitably used as a biosensor or the like and can stably measure. .
上記課題を解決するために本発明は、基材と、上記基材上に形成されたゲート電極、上記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁層、上記ゲート絶縁層上に形成された半導体層、上記半導体層と接するように形成されたソース電極およびドレイン電極、を有するトランジスタ部と、上記基材上に形成された検知用電極、および上記検知用電極上に形成され、絶縁性材料からなるイオン感応膜、を有するセンサ部とを有し、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されており、かつ上記トランジスタ部のゲート電極と、上記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることを特徴とするトランジスタ型センサを提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a base material, a gate electrode formed on the base material, a gate insulating layer formed on the gate electrode, a semiconductor layer formed on the gate insulating layer, A transistor portion having a source electrode and a drain electrode formed so as to be in contact with the semiconductor layer, a detection electrode formed on the base material, and an ion formed of an insulating material formed on the detection electrode A sensor part having a sensitive film, wherein the transistor part and the sensor part are arranged in parallel on the same surface side of the base material, and the gate electrode of the transistor part, Provided is a transistor type sensor characterized in that a detection electrode of a sensor unit is formed integrally.
本発明においては、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されていることから、上記センサ部におけるイオン感応膜を形成する面積に制約が少ない。したがって、広い面積でイオン感応膜を形成することができる。
また、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されていることから、イオン感応膜上に測定対象となる試料を付与した場合に、当該試料によってトランジスタ部の機能が劣化してしまうという問題点がない。
さらに、本発明においては、上記トランジスタ部のゲート電極と、上記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることから、製造工程を簡略化することができると共に、トランジスタ型センサ自体の構成も簡略化できるという利点がある。
このようなことから、本発明によれば安定的に測定を行うことが可能なトランジスタ型センサを提供することができる。また、簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができる。
In the present invention, since the transistor part and the sensor part are arranged so as to be arranged in parallel on the same surface side of the base material, there are few restrictions on the area for forming the ion sensitive film in the sensor part. . Therefore, the ion sensitive film can be formed in a wide area.
In addition, since the transistor unit and the sensor unit are arranged in parallel on the same surface side of the base material, when the sample to be measured is applied on the ion sensitive film, the sample Therefore, there is no problem that the function of the transistor portion deteriorates.
Further, in the present invention, since the gate electrode of the transistor part and the detection electrode of the sensor part are integrally formed, the manufacturing process can be simplified and the configuration of the transistor type sensor itself is provided. Also has the advantage that it can be simplified.
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a transistor type sensor capable of performing stable measurement. In addition, a transistor type sensor that can be manufactured by a simple process can be provided.
本発明においては、上記基材が透明性を有するものであり、かつ一体として形成された上記ゲート電極および上記検知用電極が透明性を有するものであり、さらに上記イオン感応膜が透明性を有するものであることが好ましい。これにより、本発明のトランジスタ型センサを用いて測定を行う際に、電圧変化の測定のみではなく、センサ部のイオン感応膜上に付与された試料を透過光による目視観察を行うことが可能になるからである。また、従来のバイオセンサ等に用いられていたトランジスタ型センサにおいては、イオン感応膜上の試料を透過光で目視観察するには、半導体として透明性を有するものを使用しなければならないという制約があった。しかしながら、本発明においては、トランジスタ部とセンサ部とが基材上の同一面側に並列するように配置されていることから、トランジスタ部に用いられる半導体層の種類に関わらず、目視観察をすることができるという利点がある。 In the present invention, the base material has transparency, the gate electrode and the detection electrode formed integrally have transparency, and the ion-sensitive film has transparency. It is preferable. As a result, when measuring using the transistor type sensor of the present invention, it is possible not only to measure the voltage change, but also to visually observe the sample applied on the ion sensitive film of the sensor unit with transmitted light. Because it becomes. Moreover, in the transistor type sensor used for the conventional biosensor etc., in order to visually observe the sample on the ion sensitive film with transmitted light, there is a restriction that a semiconductor having transparency must be used. there were. However, in the present invention, since the transistor portion and the sensor portion are arranged so as to be arranged in parallel on the same surface on the base material, visual observation is performed regardless of the type of the semiconductor layer used in the transistor portion. There is an advantage that you can.
また本発明においては、上記トランジスタ部のゲート絶縁層と、上記センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されていてもよい。これにより、ゲート電極と検知用電極とが一体として形成されていることと相まって、本発明のトランジスタ型センサの構成をより簡略化することができるため、より簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができるからである。 In the present invention, the gate insulating layer of the transistor part and the ion sensitive film of the sensor part may be integrally formed. Thereby, the configuration of the transistor type sensor of the present invention can be further simplified in combination with the gate electrode and the detection electrode being integrally formed, so that the transistor can be manufactured in a simpler process. This is because a mold sensor can be provided.
さらに本発明においては、上記トランジスタ部上にパッシベーション層が形成されており、かつ上記パッシベーション層と、上記センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されていてもよい。また、この場合においては、上記センサ部が、上記検知用電極と、上記イオン感応膜との間に絶縁性材料からなる絶縁層を有し、かつ上記絶縁層が、上記トランジスタ部のゲート絶縁層と一体として形成されていてもよい。これらの場合であっても、ゲート電極と検知用電極とが一体として形成されていることと相まって、本発明のトランジスタ型センサの構成をより簡略化することができるため、より簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができるからである。 Furthermore, in the present invention, a passivation layer may be formed on the transistor portion, and the passivation layer and the ion sensitive film of the sensor portion may be integrally formed. In this case, the sensor unit has an insulating layer made of an insulating material between the detection electrode and the ion sensitive film, and the insulating layer is a gate insulating layer of the transistor unit. And may be formed integrally. Even in these cases, the configuration of the transistor type sensor of the present invention can be further simplified due to the fact that the gate electrode and the detection electrode are integrally formed. This is because it is possible to provide a transistor type sensor that can be used.
本発明のトランジスタ型センサは、バイオセンサ等として好適に用いられ、安定的に測定を行うことができるという効果を奏する。 The transistor type sensor of the present invention is suitably used as a biosensor or the like, and has an effect that measurement can be stably performed.
本発明は、トランジスタ型センサに関するものである。以下、本発明のトランジスタ型センサについて詳細に説明する。 The present invention relates to a transistor type sensor. Hereinafter, the transistor type sensor of the present invention will be described in detail.
上述したように本発明のトランジスタ型センサは、基材と、上記基材上に形成されたゲート電極、上記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁層、上記ゲート絶縁層上に形成された半導体層、上記半導体層と接するように形成されたソース電極およびドレイン電極、を有するトランジスタ部と、上記基材上に形成された検知用電極、および上記検知用電極上に形成され、絶縁性材料からなるイオン感応膜、を有するセンサ部とを有し、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されており、かつ上記トランジスタ部のゲート電極と、上記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることを特徴とするものである。 As described above, the transistor type sensor of the present invention includes a base material, a gate electrode formed on the base material, a gate insulating layer formed on the gate electrode, and a semiconductor layer formed on the gate insulating layer. A transistor portion having a source electrode and a drain electrode formed so as to be in contact with the semiconductor layer, a detection electrode formed on the base material, and an insulating material formed on the detection electrode A sensor unit having an ion sensitive film, and the transistor unit and the sensor unit are arranged in parallel on the same surface side of the substrate, and the gate electrode of the transistor unit, The detection electrode of the sensor unit is integrally formed.
このような本発明のトランジスタ型センサについて図を参照しながら説明する。図１は本発明のトランジスタ型センサの一例を示す概略断面図である。図１に例示するように本発明のトランジスタ型センサ１は、基材１０と、トランジスタ部２０と、センサ部３０とを有するものである。ここで、上記トランジスタ部２０は、上記基材１０上に形成されたゲート電極２１と、上記ゲート電極２１上に形成されたゲート絶縁層２２と、上記ゲート絶縁層２２上に形成された半導体層２３と、上記半導体層２３と接するように形成されたソース電極２４およびドレイン電極２５とを有するものである。また、上記センサ部３０は、上記基材１０上に形成された検知用電極３１と、および上記検知用電極３１上に形成され、絶縁性材料からなるイオン感応膜３２とを有するものである。このような例において本発明のトランジスタ型センサ１は、上記トランジスタ部２０と、上記センサ部３０とが、上記基材１０の同一面側に並列するように配置されており、かつ上記トランジスタ部２０のゲート電極２１と、上記センサ部３０の検知用電極３１とが一体として形成されていることを特徴とするものである。 Such a transistor type sensor of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a transistor type sensor of the present invention. As illustrated in FIG. 1, the transistor type sensor 1 of the present invention includes a base material 10, a transistor unit 20, and a sensor unit 30. Here, the transistor unit 20 includes a gate electrode 21 formed on the base material 10, a gate insulating layer 22 formed on the gate electrode 21, and a semiconductor layer formed on the gate insulating layer 22. And a source electrode 24 and a drain electrode 25 formed so as to be in contact with the semiconductor layer 23. The sensor unit 30 includes a detection electrode 31 formed on the base material 10 and an ion-sensitive film 32 formed on the detection electrode 31 and made of an insulating material. In such an example, the transistor type sensor 1 of the present invention has the transistor unit 20 and the sensor unit 30 arranged in parallel on the same surface side of the substrate 10, and the transistor unit 20. The gate electrode 21 and the detection electrode 31 of the sensor unit 30 are integrally formed.
本発明においては、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されていることから、上記センサ部におけるイオン感応膜を形成する面積に制約が少ない。したがって、広い面積でイオン感応膜を形成することができる。
また、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが、上記基材の同一面側に並列するように配置されていることから、イオン感応膜上に測定対象となる試料を付与した場合に、当該試料によってトランジスタ部の機能が劣化してしまうという問題点がない。
さらに、本発明においては、上記トランジスタ部のゲート電極と、上記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることから、製造工程を簡略化することができるとともに、トランジスタ型センサ自体の構成も簡略できるという利点がある。
このようなことから、本発明によれば安定的に測定を行うことが可能なトランジスタ型センサを提供することができる。また、簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができる。
In the present invention, since the transistor part and the sensor part are arranged so as to be arranged in parallel on the same surface side of the base material, the area for forming the ion sensitive film in the sensor part is less restricted. . Therefore, the ion sensitive film can be formed in a wide area.
In addition, since the transistor unit and the sensor unit are arranged in parallel on the same surface side of the base material, when the sample to be measured is applied on the ion sensitive film, the sample Therefore, there is no problem that the function of the transistor portion deteriorates.
Further, in the present invention, since the gate electrode of the transistor part and the detection electrode of the sensor part are integrally formed, the manufacturing process can be simplified and the configuration of the transistor type sensor itself is provided. There is an advantage that can be simplified.
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a transistor type sensor capable of performing stable measurement. In addition, a transistor type sensor that can be manufactured by a simple process can be provided.
本発明のトランジスタ型センサは、少なくとも基材、トランジスタ部、およびセンサ部を有するものであり、必要に応じて他の構成を有してもよいものである。
以下、本発明に用いられる各構成について順に説明する。
The transistor type sensor of the present invention has at least a base material, a transistor portion, and a sensor portion, and may have other configurations as necessary.
Hereafter, each structure used for this invention is demonstrated in order.
１．センサ部
まず、本発明に用いられるセンサ部について説明する。本発明に用いられるセンサ部は、基材上に形成された検知用電極と、上記検知用電極上に形成されたイオン感応膜とを有するものである。
1. Sensor Unit First, the sensor unit used in the present invention will be described. The sensor unit used in the present invention has a detection electrode formed on a substrate and an ion-sensitive film formed on the detection electrode.
（１）イオン感応膜
センサ部に用いられるイオン感応膜としては、絶縁性材料からなり、所望のイオンに対する感応性を有するものであれば特に限定されるものではなく、本発明のトランジスタ型センサの用途や、本発明のトランジスタ型センサを用いて評価したい対象に応じて適宜選択して用いることができる。本発明におけるセンサ部に用いられる絶縁性材料としては、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）、タンタル酸化膜（Ｔａ２Ｏ５）または酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３）等を挙げることができる。本発明においては、これらの絶縁性材料のいずれであっても好適に用いることができる。
(1) Ion-sensitive film The ion-sensitive film used in the sensor part is not particularly limited as long as it is made of an insulating material and has sensitivity to desired ions. It can be appropriately selected and used depending on the application and the object to be evaluated using the transistor type sensor of the present invention. Examples of the insulating material used for the sensor unit in the present invention include a silicon oxide film (SiO 2 ), a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ), or an aluminum oxide film (Al 2 O). 3 ). In the present invention, any of these insulating materials can be suitably used.
本発明のトランジスタ型センサがバイオセンサとして用いられる場合、上記イオン感応膜に用いられる絶縁性材料としては、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を配置可能なものが用いられる。このような絶縁性材料としては、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）シリコン窒化膜（ＳｉＮ４）、タンタル酸化膜（Ｔａ２Ｏ５）または酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３）等を挙げることができる。
なお、本発明のトランジスタ型センサがバイオセンサとして用いられる場合は、必要に応じて、イオン感応膜の表面にＤＮＡタンパク質、糖鎖を固定化する為の表面修飾がなされていてもよい。このような表面修飾の例としては、例えば、金チオール反応やシランカップリング材を使った結合、ＬＢ膜、などの自己組織化単分子膜の形成方法や、静電吸着、物理吸着等を挙げることができる。
When the transistor-type sensor of the present invention is used as a biosensor, as the insulating material used for the ion-sensitive membrane, a material capable of arranging a biological substance such as a cell, DNA, sugar chain, or protein is used. Examples of such an insulating material include a silicon oxide film (SiO 2 ), a silicon nitride film (SiN 4 ), a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ), an aluminum oxide film (Al 2 O 3 ), and the like. it can.
When the transistor-type sensor of the present invention is used as a biosensor, surface modification for immobilizing DNA proteins and sugar chains may be performed on the surface of the ion sensitive membrane as necessary. Examples of such surface modifications include, for example, methods for forming self-assembled monolayers such as gold thiol reaction, bonding using silane coupling materials, LB films, electrostatic adsorption, physical adsorption, and the like. be able to.
上記センサ部においてイオン感応膜が形成されている態様としては、個々のセンサ部毎独立して形成されている態様や、後述するトランジスタ部の構成要素の一部と一体として形成されている態様等を挙げることができる。本発明におけるイオン感応膜は、これらのいずれの態様で形成されているものであってもよいが、トランジスタ部の構成要素の一部と一体として形成されている態様であることが好ましい。イオン感応膜がこのような態様で形成されていることにより、ゲート電極と検知用電極とが一体として形成されていることと相まって、本発明のトランジスタ型センサの構成をより簡略化することができるため、より簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができるからである。イオン感応膜がトランジスタ部の構成要素の一部と一体として形成されている態様の例としては、例えば、ゲート絶縁層と一体として形成されている態様、パッシベーション層と一体として形成されている態様等を挙げることができる。これらの態様の詳細については、後述する「４．トランジスタ型センサの構成」の項において詳述する。
なお、上記「一体として」とは、上記イオン感応膜と、トランジスタ部の構成要素の一部とが両者の機能を兼ねる単一の部材として形成されていることを意味する。
As an aspect in which the ion sensitive film is formed in the sensor part, an aspect in which each sensor part is independently formed, an aspect in which a part of the components of the transistor part described later is formed integrally, or the like Can be mentioned. The ion-sensitive film in the present invention may be formed in any of these embodiments, but is preferably formed in one piece with some of the components of the transistor portion. By forming the ion sensitive film in such a manner, the configuration of the transistor type sensor of the present invention can be further simplified, coupled with the fact that the gate electrode and the detection electrode are integrally formed. Therefore, a transistor type sensor that can be manufactured by a simpler process can be provided. Examples of aspects in which the ion sensitive film is formed integrally with some of the components of the transistor section include, for example, an aspect formed integrally with the gate insulating layer, an aspect formed integrally with the passivation layer, etc. Can be mentioned. Details of these aspects will be described in detail in the section “4. Configuration of Transistor-Type Sensor” described later.
Note that the term “integrally” means that the ion-sensitive film and a part of the constituent elements of the transistor portion are formed as a single member having both functions.
（２）検知用電極
次に、センサ部に用いられる検知用電極について説明する。本発明に用いられる検知用電極は、上記基材上に形成され、かつ後述するトランジスタ部のゲート電極と一体として形成されるものである。ここで、「一体として」とは、上記検知用電極と、上記ゲート電極とが両者の機能を兼ねる単一の部材として形成されていることを意味する。本発明に用いられる検知用電極としては、電極として機能し、かつ上記ゲート電極と一体として形成することができるものであれば特に限定されるものではない。本発明に用いられる検知用電極としては、例えば、Ａｌなどの一般的な金属材料に加え、ＩＴＯなどの透明電極を使用することができる。また本発明に用いられる検知用電極の厚みは、通常、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましい。
(2) Detection Electrode Next, the detection electrode used for the sensor unit will be described. The detection electrode used in the present invention is formed on the base material and is formed integrally with a gate electrode of a transistor section described later. Here, “as an integral body” means that the detection electrode and the gate electrode are formed as a single member having both functions. The detection electrode used in the present invention is not particularly limited as long as it functions as an electrode and can be formed integrally with the gate electrode. As a detection electrode used in the present invention, for example, a transparent electrode such as ITO can be used in addition to a general metal material such as Al. The thickness of the detection electrode used in the present invention is usually preferably in the range of 50 nm to 500 nm.
（３）センサ部
本発明のトランジスタ型センサを用いて測定を行う場合は、センサ部のイオン感応膜上に測定対象となる試料を付与し、これに伴う電圧変化を後述するトランジスタ部で検知することになる。ここで、本発明のトランジスタ型センサの用途によっては、単に電圧変化を評価するのみではなく、イオン感応膜上に付与された測定対象試料の形態変化も同時に行えることが望ましい場合がある。特に、本発明のトランジスタ型センサをバイオセンサとして用いる場合には、生物関連資料を上記イオン感応膜上に付与することになるが、当該生物関連試料の評価に際しては、単に電圧変化を評価することにより、ｐＨ等の変化を測定することのみならず、生物関連試料の経時的な形態変化の評価を同時に行えることが望ましい場合がある。また、このような場合において、イオン感応膜上の生物関連試料の形態を観察する方法としては、生物関連試料は、例えば細胞等のサイズが微小なものである場合が多いことから、顕微鏡観察が行えることがより好ましいといえる。このような観点から、本発明に用いられるセンサ部は、上記検知用電極、およびイオン感応膜が透明性を有するものであることが好ましい。これにより、イオン感応膜上の生物関連試料を、例えば、倒立型の透過型顕微鏡を用いて観察することが可能になるからである。なお、この場合、後述する基材も、透明性を有することが必要となる。
ここで、上述した検知用電極に用いられる材料のうち、透明性を有する検知用電極を形成可能なものとしては、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ等を挙げることができる。また、上述したイオン感応膜に用いられる絶縁性材料のうち、透明性を有するイオン感応膜を形成可能なものとしては、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３等を挙げることができる。
(3) Sensor part When measuring using the transistor type sensor of this invention, the sample used as a measuring object is provided on the ion sensitive film | membrane of a sensor part, and the voltage change accompanying this is detected in the transistor part mentioned later. It will be. Here, depending on the use of the transistor type sensor of the present invention, it may be desirable not only to evaluate voltage change but also to simultaneously change the shape of the sample to be measured provided on the ion sensitive film. In particular, when the transistor-type sensor of the present invention is used as a biosensor, biological materials are provided on the ion-sensitive membrane. When evaluating the biological samples, simply evaluate voltage changes. Thus, it may be desirable not only to measure changes in pH and the like, but also to simultaneously evaluate morphological changes over time of biological samples. In such a case, as a method for observing the form of the biological sample on the ion-sensitive membrane, the biological sample is often small in size, such as a cell. More preferably, it can be done. From such a viewpoint, it is preferable that the sensor part used in the present invention is such that the detection electrode and the ion sensitive film have transparency. This is because the biological sample on the ion sensitive membrane can be observed using, for example, an inverted transmission microscope. In this case, it is necessary that the substrate described later also has transparency.
Here, among the materials used for the detection electrode described above, examples of materials that can form a transparent detection electrode include ITO, IZO, and ZnO. In addition, among the insulating materials used for the ion sensitive film described above, examples of materials that can form a transparent ion sensitive film include, for example, SiO 2 , Si 3 N 4 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3. Etc.
本発明に用いられるセンサ部は、少なくとも上記検知用電極、およびイオン感応膜を有するものであるが、必要に応じて他の構成を有するものであってもよい。上記他の構成としては、センサ部の機能を損なうものでなければ特に限定されるものではなく、所望の機能を備える構成を適宜選択して用いることができる。このような他の構成として、本発明に好適に用いられるものとしては、例えば、上記検知用電極および上記イオン感応膜の間に形成され、絶縁性材料からなる絶縁層を挙げることができる。なお、センサ部に上記絶縁層を形成する場合には、本発明のトランジスタ型センサを簡略化するという観点から、後述するトランジスタ部のゲート絶縁層と一体として形成されていることが好ましい。 The sensor unit used in the present invention includes at least the detection electrode and the ion sensitive film, but may have other configurations as necessary. The other configuration is not particularly limited as long as the function of the sensor unit is not impaired, and a configuration having a desired function can be appropriately selected and used. As such another configuration, an example of a material suitably used in the present invention is an insulating layer formed between the detection electrode and the ion sensitive film and made of an insulating material. In the case where the insulating layer is formed in the sensor portion, it is preferable that the insulating layer is formed integrally with a gate insulating layer of the transistor portion described later from the viewpoint of simplifying the transistor type sensor of the present invention.
２．トランジスタ部
次に、本発明に用いられるトランジスタ部について説明する。本発明に用いられるトランジスタ部は、ボトムゲート型構造を有する薄膜トランジスタからなるものであり、少なくともゲート電極、ゲート絶縁層、半導体層、ソース電極、およびドレイン電極を有するものである。
以下、このようなトランジスタ部について詳細に説明する。
2. Transistor Part Next, the transistor part used in the present invention will be described. The transistor portion used in the present invention includes a thin film transistor having a bottom gate structure, and includes at least a gate electrode, a gate insulating layer, a semiconductor layer, a source electrode, and a drain electrode.
Hereinafter, such a transistor portion will be described in detail.
（１）ゲート電極
まず、本発明に用いられるゲート電極について説明する。本発明に用いられるゲート電極は、基材上に形成され、上述したセンサ部の検知用電極と一体として形成されるものである。ここで、「一体として」とは、上記検知用電極と、上記ゲート電極とが両者の機能を兼ねる単一の部材として形成されていることを意味する。本発明に用いられるゲート電極としては、電極としての機能を有するものであり、上記検知用電極と一体として形成することができるものであれば特に限定されるものではない。このようなゲート電極としては、例えば、Ａｌなどの一般的な金属材料に加え、ＩＴＯなどの透明電極を使用することができる。また本発明に用いられるゲート電極の厚みは、通常、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましい。
(1) Gate electrode First, the gate electrode used in the present invention will be described. The gate electrode used in the present invention is formed on a substrate and is formed integrally with the detection electrode of the sensor unit described above. Here, “as an integral body” means that the detection electrode and the gate electrode are formed as a single member having both functions. The gate electrode used in the present invention is not particularly limited as long as it has a function as an electrode and can be formed integrally with the detection electrode. As such a gate electrode, for example, in addition to a general metal material such as Al, a transparent electrode such as ITO can be used. The thickness of the gate electrode used in the present invention is usually preferably in the range of 50 nm to 500 nm.
（２）ゲート絶縁層
次に、本発明に用いられるゲート絶縁層について説明する。本発明に用いられるゲート絶縁層は、上述したゲート電極上に形成されるものであり、ゲート電極とトランジスタ部に用いられる他の構成要素とを絶縁する機能を有するものである。したがって、本発明に用いられるゲート絶縁層としては、所望の絶縁性を有するものであれば特に限定されるものではない。このようなゲート絶縁層としては、例えば、酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、窒化酸化珪素（ＳｉＯｘＮｙ）などのシリコン酸化物、若しくはシリコン窒化物からなるもの等を挙げることができる。また本発明に用いられるゲート絶縁層の厚みは、通常、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましい。
(2) Gate Insulating Layer Next, the gate insulating layer used in the present invention will be described. The gate insulating layer used in the present invention is formed on the above-described gate electrode and has a function of insulating the gate electrode from other components used in the transistor portion. Therefore, the gate insulating layer used in the present invention is not particularly limited as long as it has a desired insulating property. Examples of such a gate insulating layer include those made of silicon oxide such as silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN x ), silicon nitride oxide (SiO x N y ), or silicon nitride. be able to. The thickness of the gate insulating layer used in the present invention is usually preferably in the range of 50 nm to 1 μm.
本発明に用いられるゲート絶縁層は、上記センサ部のイオン感応膜と一体として形成されていてもよい。すなわち、上述したようにゲート絶縁層は絶縁性材料からなるものが用いられ、かつ上記イオン感応膜としても絶縁性材料からなるものが用いられることから、イオン感応膜として用いられる絶縁性材料は、ゲート絶縁層に用いることも可能な場合がある。したがって、絶縁性材料の種類を選択することにより、上記ゲート絶縁層と上記イオン感応膜とを一体として形成することができる。本発明のトランジスタ型センサにおいてはゲート電極と検知用電極とが一体として形成されているという特徴を有するが、ゲート絶縁層とイオン感応膜とが一体として形成されていることにより、さらに本発明のトランジスタ型センサの構成をより簡略化することができるため、より簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができるという利点がある。ここで、ゲート絶縁層とイオン感応膜とが一体として形成されている態様の詳細については、後述する「４．トランジスタ型センサの構成」の項において詳述する。
なお、上記「一体として」とは、上記ゲート絶縁層と、上記イオン感応膜とが両者の機能を兼ねる単一の部材として形成されていることを意味する。
The gate insulating layer used in the present invention may be formed integrally with the ion sensitive film of the sensor unit. That is, as described above, since the gate insulating layer is made of an insulating material, and the ion sensitive film is also made of an insulating material, the insulating material used as the ion sensitive film is In some cases, the gate insulating layer may be used. Therefore, the gate insulating layer and the ion sensitive film can be integrally formed by selecting the type of insulating material. The transistor type sensor of the present invention has a feature that the gate electrode and the detection electrode are integrally formed. However, since the gate insulating layer and the ion sensitive film are formed integrally, the transistor of the present invention is further improved. Since the configuration of the transistor type sensor can be further simplified, there is an advantage that a transistor type sensor that can be manufactured by a simpler process can be provided. Here, the details of the aspect in which the gate insulating layer and the ion sensitive film are integrally formed will be described in detail in the section of “4. Configuration of transistor type sensor” described later.
The term “integrally” means that the gate insulating layer and the ion sensitive film are formed as a single member having both functions.
ゲート絶縁層がイオン感応膜と一体として形成される場合、当該ゲート絶縁層兼イオン感応膜に用いられる絶縁性材料としては、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３等を挙げることができる。 When the gate insulating layer is formed integrally with the ion sensitive film, examples of the insulating material used for the gate insulating layer / ion sensitive film include SiO 2 , Si 3 N 4 , Ta 2 O 5 , and Al 2 O. 3 etc. can be mentioned.
（３）半導体層
次に、本発明に用いられる半導体層について説明する。本発明に用いられる半導体層は、上記ゲート絶縁層上に形成されるものであり、半導体特性を示すものである。本発明に用いられる半導体層としては、半導体としての機能を有する材料からなるものであれば特に限定されるものではない。
ここで、従来のバイオセンサ等に用いられていた積層構造を有するトランジスタ型センサにおいては、センサ部のイオン感応膜上の試料を透過光で目視観察するには、半導体層として透明性を有するものを使用しなければならないという制約があった。しかしながら、本発明においては、トランジスタ部とセンサ部とが基材上の同一面側に並列するように配置されていることから、トランジスタ部に用いられる半導体層の種類に関わらず、目視観察をすることができるという利点がある。このことを換言すると、本発明のトランジスタ型センサは、その用途等に関わらず、半導体層に用いられる材料に制約がないという利点がある。
(3) Semiconductor Layer Next, the semiconductor layer used in the present invention will be described. The semiconductor layer used in the present invention is formed on the gate insulating layer and exhibits semiconductor characteristics. The semiconductor layer used in the present invention is not particularly limited as long as it is made of a material having a function as a semiconductor.
Here, in a transistor type sensor having a laminated structure used for a conventional biosensor or the like, in order to visually observe the sample on the ion sensitive film of the sensor portion with transmitted light, the semiconductor layer has transparency There was a restriction that must be used. However, in the present invention, since the transistor portion and the sensor portion are arranged so as to be arranged in parallel on the same surface on the base material, visual observation is performed regardless of the type of the semiconductor layer used in the transistor portion. There is an advantage that you can. In other words, the transistor-type sensor of the present invention has an advantage that there is no restriction on the material used for the semiconductor layer regardless of its application.
このように、本発明における半導体層に用いられる材料に関しては特に制約がないことから、半導体層に用いられる材料は透明性を有するものであってもよく、または不透明なものであってもよい。透明性を有する材料としては、例えば、ＩｎＭＺｎＯ（Ｍはガリウム（Ｇａ），アルミニウム（Ａｌ），鉄（Ｆｅ）のうち少なくとも１種）を主成分とするアモルファス酸化物等を挙げることができる。この場合、特に、ＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましい。また、このＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物を用いる場合には、必要に応じて、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎ等を構成元素として加えたものであってもよい。また、上記透明性を有する材料としては、酸化物亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする酸化物半導体を用いることもできる。このＺｎＯを主成分とする材料には、真性の酸化物亜鉛の他に、必要に応じて、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、窒素（Ｎ）及び炭素（Ｃ）等のｐ型ドーパント及びホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のｎ型ドーパントがドーピングされた酸化亜鉛及びマグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などがドーピングされた酸化亜鉛を加えたものであってもよい。さらに、上記透明性を有する材料としては、錫を添加した酸化インジウム（インジウム錫オキサイド：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛オキサイド（ＩＺＯ）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの材料を用いることもできる。
一方、上記不透明な材料の例としては、例えば、アモルファスシリコン、ポリシリコン、有機半導体等を挙げることができる。
Thus, since there is no restriction | limiting in particular regarding the material used for the semiconductor layer in this invention, the material used for a semiconductor layer may have transparency, or may be opaque. As a material having transparency, for example, amorphous oxide mainly containing InMZnO (M is at least one of gallium (Ga), aluminum (Al), and iron (Fe)) can be given. In this case, an InGaZnO-based amorphous oxide in which M is Ga is particularly preferable. Further, when this InGaZnO-based amorphous oxide is used, it may be added Al, Fe, Sn or the like as a constituent element, if necessary. As the material having transparency, an oxide semiconductor containing zinc oxide (ZnO) as a main component can also be used. In addition to the intrinsic zinc oxide, the ZnO-based material may include p-type dopants such as lithium (Li), sodium (Na), nitrogen (N), and carbon (C), if necessary. Added zinc oxide doped with n-type dopants such as boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In) and zinc oxide doped with magnesium (Mg), beryllium (Be), etc. It may be a thing. Furthermore, as the material having transparency, a material such as indium oxide added with tin (indium tin oxide: ITO), indium zinc oxide (IZO), or magnesium oxide (MgO) can be used.
On the other hand, examples of the opaque material include amorphous silicon, polysilicon, and organic semiconductor.
本発明に用いられる半導体層の厚みは、構成材料の種類等に応じて所望の半導体特性を実現できる範囲内であれば特に限定されるものではないが、通常、５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内とされる。 The thickness of the semiconductor layer used in the present invention is not particularly limited as long as desired semiconductor characteristics can be realized according to the type of constituent material, etc., but is usually in the range of 5 nm to 100 nm. The
（４）ソース電極およびドレイン電極
次に、本発明に用いられるソース電極およびドレイン電極について説明する。本発明に用いられるソース電極、およびドレイン電極は、上記半導体層と接するように形成されたものである。本発明に用いられるソース電極、およびドレイン電極は、透明性を有するものであってもよく、または透明性を有さないものであってもよい。透明性を有するソース電極およびドレイン電極としては、例えば、インジウム錫オキサイド（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）等からなるものを挙げることができる。また透明性を有さないソース電極およびドレイン電極としては、例えば、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ等からなるものを挙げることができる。本発明に用いられるソース電極およびドレイン電極の厚みは特に限定されるものではないが、通常、２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内が好ましい。
(4) Source and drain electrodes Next, the source and drain electrodes used in the present invention will be described. The source electrode and the drain electrode used in the present invention are formed so as to be in contact with the semiconductor layer. The source electrode and drain electrode used in the present invention may have transparency or may not have transparency. Examples of the transparent source electrode and drain electrode include those made of indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), and the like. Moreover, as a source electrode and a drain electrode which do not have transparency, what consists of Ti, Mo, Cr, W etc. can be mentioned, for example. The thicknesses of the source electrode and the drain electrode used in the present invention are not particularly limited, but are usually preferably in the range of 20 nm to 200 nm.
本発明に用いられるソース電極およびドレイン電極は、上記半導体層と接するように形成されるものである。上記半導体層と接するように形成される態様としては、上記半導体層上に接するように形成される態様であってもよく、または上記ゲート絶縁層と上記半導体層との間に形成される態様であってもよい。ここで、前者の態様の場合、本発明に用いられるトランジスタ部は、ボトムゲート・トップコンタクト型の薄膜トランジスタとなり、後者の態様の場合は、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタとなる。 The source electrode and the drain electrode used in the present invention are formed so as to be in contact with the semiconductor layer. The aspect formed so as to be in contact with the semiconductor layer may be an aspect formed so as to be in contact with the semiconductor layer, or an aspect formed between the gate insulating layer and the semiconductor layer. There may be. Here, in the case of the former mode, the transistor portion used in the present invention is a bottom gate / top contact type thin film transistor, and in the case of the latter mode, it is a bottom gate / bottom contact type thin film transistor.
（５）トランジスタ部
本発明に用いられるトランジスタ部は、少なくとも上記ゲート電極、ゲート絶縁層、半導体層、ソース電極およびドレイン電極を有するものであるが、必要に応じて他の構成を有してもよいものである。上記他の構成としては、トランジスタ部の機能を損なうものでなければ特に限定されるものではなく、所望の機能を備える構成を適宜選択して用いることができる。このような他の構成として、本発明に好適に用いられるものとしては、例えば、トランジスタ部の最上部に形成されるパッシベーション層を挙げることができる。当該パッシベーション層が用いられることにより、トランジスタ部の経時劣化を防止できるという利点がある
(5) Transistor portion The transistor portion used in the present invention includes at least the gate electrode, the gate insulating layer, the semiconductor layer, the source electrode, and the drain electrode, but may have other configurations as necessary. It ’s good. The other configuration is not particularly limited as long as the function of the transistor portion is not impaired, and a configuration having a desired function can be appropriately selected and used. As such another configuration, as a material suitably used in the present invention, for example, a passivation layer formed on the uppermost portion of the transistor portion can be cited. By using the passivation layer, there is an advantage that deterioration of the transistor portion with time can be prevented.
パッシベーション層が形成されたトランジスタ部について図を参照しながら説明する。図２は、本発明に用いられるトランジスタ部に上記パッシベーション層が形成されている場合の一例を示す概略断面図である。図２に例示するように、本発明に用いられるトランジスタ部２０は、最上部にパッシベーション層２６が形成されたものであってもよい。 The transistor portion in which the passivation layer is formed will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a schematic sectional view showing an example in which the passivation layer is formed in the transistor portion used in the present invention. As illustrated in FIG. 2, the transistor unit 20 used in the present invention may have a passivation layer 26 formed on the top.
本発明に用いられるパッシベーション層としては、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３等からなるものを挙げることができる。また、本発明に用いられるパッシベーション層の厚みは特に限定されるものではないが、通常、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内とされる。 The passivation layer used in the present invention, for example, may include those made of SiO 2, Si 3 N 4, Ta 2 O 5, Al 2 O 3 or the like. The thickness of the passivation layer used in the present invention is not particularly limited, but is usually in the range of 50 nm to 1 μm.
上記トランジスタ部にパッシベーション層が形成されている態様としては、個々のトランジスタ部毎に独立して形成されている態様（図２参照）や、上述したセンサ部のイオン感応膜と一体として形成されている態様を挙げることができる。本発明におけるパッシベーション層は、これらのいずれの態様で形成されているものであってもよいが、センサ部のイオン感応膜と一体として形成されている態様であることが好ましい。パッシベーション層がこのような態様で形成されていることにより、本発明のトランジスタ型センサの構成をより簡略化することができるため、より簡易な工程で製造することができるトランジスタ型センサを提供することができるからである。
なお、上記「一体として」とは、上記パッシベーション層と、上記イオン感応膜とが両者の機能を兼ねる単一の部材として形成されていることを意味する。
As a mode in which the passivation layer is formed in the transistor part, a mode in which each transistor part is formed independently (see FIG. 2) or the ion-sensitive film of the sensor unit described above is formed integrally. Can be mentioned. The passivation layer in the present invention may be formed in any one of these modes, but is preferably formed in one piece with the ion-sensitive film of the sensor unit. Since the passivation layer is formed in such a manner, the configuration of the transistor type sensor of the present invention can be further simplified, and therefore a transistor type sensor that can be manufactured by a simpler process is provided. Because you can.
Note that the term “integrally” means that the passivation layer and the ion-sensitive film are formed as a single member having both functions.
ここで、上記パッシベーション層がセンサ部のイオン感応膜と一体として形成されている場合、当該パッシベーション層は、イオン感応膜としても機能する材料からなるものであること要するが、このようなパッシベーション層としては、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３等からなるものを挙げることができる。 Here, when the passivation layer is formed integrally with the ion-sensitive film of the sensor unit, the passivation layer is required to be made of a material that also functions as an ion-sensitive film. However, as such a passivation layer, Examples thereof include those composed of SiO 2 , Si 3 N 4 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 and the like.
なお、上記パッシベーション層がセンサ部のイオン感応膜と一体として形成されている態様については、後述する「４．トランジスタ型センサの構成」の項において詳述する。 The aspect in which the passivation layer is formed integrally with the ion sensitive film of the sensor part will be described in detail in the section of “4. Configuration of transistor type sensor” described later.
３．基材
次に、本発明に用いられる基材について説明する。本発明に用いられる基材としては、上述したトランジスタ部、およびセンサ部を支持できるものであれば特に限定されるものではない。このような基材としては、例えば、ガラス等の無機材料、ＰＥＮまたはＰＥＴなどのプラスチック（ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ナイロン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、メチルペンテン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂）で代表される有機材料を挙げることができる。また、本発明に用いられる基材の形状も限定されるものではなく、例えば、平板、平膜、フィルム、多孔質膜等の平坦な形状や、シリンダ、スタンプ、マルチウェルプレート、マイクロ流路等の立体的な形状が挙げられる。フィルムを使用する場合、その厚さは特に制限されないが、通常、１μｍ〜１ｍｍの範囲内とされる。
3. Next, the substrate used in the present invention will be described. The base material used in the present invention is not particularly limited as long as it can support the above-described transistor portion and sensor portion. Examples of such a base material include inorganic materials such as glass, plastics such as PEN or PET (polyester resin, polyethylene resin, polypropylene resin, ABS resin, nylon, acrylic resin, fluororesin, polycarbonate resin, polyurethane resin, methyl resin, and the like. Organic materials represented by pentene resin, phenol resin, melamine resin, epoxy resin, vinyl chloride resin). In addition, the shape of the substrate used in the present invention is not limited, for example, flat shapes such as flat plates, flat membranes, films, porous membranes, cylinders, stamps, multiwell plates, microchannels, etc. These three-dimensional shapes are mentioned. When using a film, the thickness is not particularly limited, but is usually in the range of 1 μm to 1 mm.
なお、本発明に用いられる基材は、透明性を有するものであってもよく、または不透明なものであってもよい。もっとも、本発明のトランジスタ型センサの用途等に応じて、上記センサ部において電圧変化のみならず、試料の形態変化も評価する場合には、上記基材も透明性を有するものを用いることを要する。 In addition, the base material used for this invention may have transparency, or may be opaque. However, when evaluating not only the voltage change but also the shape change of the sample in the sensor section according to the application of the transistor type sensor of the present invention, it is necessary to use the substrate having transparency as well. .
４．トランジスタ型センサの構成
次に、本発明のトランジスタ型センサの構成について説明する。本発明のトランジスタ型センサは、上記基材、トランジスタ部、およびセンサ部を有し、上記基材の同一面側に上記トランジスタ部と、上記センサ部とが並列するように配置されており、かつ上記トランジスタ部のゲート電極と、上記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることを特徴とするものである。そして、本発明のトランジスタ型センサは、上記トランジスタ部と、上記センサ部とが並列するように配置されていることから、上記ゲート電極と検知用電極以外にも、トランジスタ部に用いられる一部の構成要素と、センサ部に用いられる一部の構成要素とを、一体として形成することができるという利点がある。本発明のトランジスタ型センサは、ゲート電極と検知用電極とが一体として形成されていることにより、構成を簡略化できるという利点を有するが、その他にもトランジスタ部に用いられる一部の構成要素と、センサ部に用いられる一部の構成要素とを、一体として形成することにより、さらにトランジスタ型センサ自体の構成を簡略化し、簡易な工程で製造可能になるという利点がある。
4). Next, the configuration of the transistor type sensor of the present invention will be described. The transistor-type sensor of the present invention has the base material, the transistor portion, and the sensor portion, and is arranged so that the transistor portion and the sensor portion are arranged in parallel on the same surface side of the base material, and The gate electrode of the transistor portion and the detection electrode of the sensor portion are integrally formed. In the transistor type sensor of the present invention, since the transistor portion and the sensor portion are arranged in parallel, in addition to the gate electrode and the detection electrode, a part of the transistor type sensor used for the transistor portion There exists an advantage that a component and the one part component used for a sensor part can be integrally formed. The transistor-type sensor of the present invention has an advantage that the configuration can be simplified by integrally forming the gate electrode and the detection electrode, but in addition to some of the components used in the transistor portion, By forming a part of the constituent elements used in the sensor unit as one body, there is an advantage that the configuration of the transistor type sensor itself can be further simplified and can be manufactured by a simple process.
本発明のトランジスタ型センサにおいて、トランジスタ部に用いられる一部の構成と、センサ部に用いられる一部の構成とが一体として形成されている態様としては、例えば、
（ア）トランジスタ部のゲート絶縁層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている態様、（イ）トランジスタ部のパッシベーション層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている態様を挙げることができる。また、上記（イ）の態様においては、さらにトランジスタ部のゲート絶縁層と、センサ部の絶縁層とが一体として形成されている態様を挙げることができる。
In the transistor type sensor of the present invention, as an aspect in which a part of the configuration used in the transistor unit and a part of the configuration used in the sensor unit are integrally formed, for example,
(A) A mode in which the gate insulating layer of the transistor part and the ion sensitive film of the sensor part are integrally formed, and (a) the passivation layer of the transistor part and the ion sensitive film of the sensor part are integrally formed. Can be mentioned. In addition, in the above-described aspect (a), an aspect in which the gate insulating layer of the transistor portion and the insulating layer of the sensor portion are formed integrally can be exemplified.
上述した各態様について図を参照しながら説明する。図３は、本発明のトランジスタ型センサにおいて、トランジスタ部のゲート絶縁層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている態様の一例を示す概略断面図である。図３に例示するように、本発明のトランジスタ型センサ１においては、トランジスタ部２０ゲート絶縁層２２と、センサ部のイオン感応膜３２とが一体として形成されていてもよい。 Each aspect mentioned above is demonstrated referring a figure. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a mode in which the gate insulating layer of the transistor part and the ion sensitive film of the sensor part are integrally formed in the transistor type sensor of the present invention. As illustrated in FIG. 3, in the transistor type sensor 1 of the present invention, the transistor part 20 gate insulating layer 22 and the ion sensitive film 32 of the sensor part may be integrally formed.
また、図４は、本発明のトランジスタ型センサにおいて、トランジスタ部のパッシベーション層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている態様の一例を示す概略断面図である。ここで、図４（ａ）は、トランジスタ部のパッシベーション層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている代表例を示すものであり、図４（ｂ）は、さらにトランジスタ部のゲート絶縁層と、センサ部の絶縁層とが一体として形成されている態様の一例を示すものである。図４（ａ）に示すように、本発明のトランジスタ型センサ１においては、トランジスタ部２０のパッシベーション層２６と、センサ部３０のイオン感応膜３２とが一体として形成されていてもよいものであり、さらに、図４（ｂ）に例示するように、トランジスタ部２０のゲート絶縁層２２と、センサ部３０の絶縁層３３とが一体として形成されていてもよいものである。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a mode in which the passivation layer of the transistor part and the ion sensitive film of the sensor part are integrally formed in the transistor type sensor of the present invention. Here, FIG. 4A shows a representative example in which the passivation layer of the transistor portion and the ion sensitive film of the sensor portion are integrally formed, and FIG. 4B further shows the transistor portion. An example in which the gate insulating layer and the insulating layer of the sensor portion are integrally formed is shown. As shown in FIG. 4 (a), in the transistor type sensor 1 of the present invention, the passivation layer 26 of the transistor unit 20 and the ion sensitive film 32 of the sensor unit 30 may be integrally formed. Furthermore, as illustrated in FIG. 4B, the gate insulating layer 22 of the transistor unit 20 and the insulating layer 33 of the sensor unit 30 may be integrally formed.
５．トランジスタ型センサの用途
本発明のトランジスタ型センサは、トランジスタ部のソース電極−ドレイン電極間に易一定の電圧を印加しつつ、センサ部のイオン感応膜上に試料を付与し、当該試料内に挿入した参照電極を介して可変電圧（参照電圧）を試料に印加すると、イオン感応膜に生ずる電位（以下、「膜電位」ともいう。）の変化に応じて、半導体層に形成されるチャネル領域が変化し、ドレイン電流の変化を検出することができるものである。この結果、参照電圧に基づくドレイン電流の変化、すなわち、トランジスタとしての電流−電圧特性を、予め測定した標準試料における電流−電圧特性と比較することによって試料に含まれるサンプルの種別を特定することができるようになっている。
5. Applications of the transistor type sensor The transistor type sensor of the present invention applies a sample to the ion sensitive film of the sensor unit while applying a constant voltage between the source electrode and the drain electrode of the transistor unit, and inserts the sample into the sample. When a variable voltage (reference voltage) is applied to the sample via the reference electrode, the channel region formed in the semiconductor layer is changed according to the change in potential (hereinafter also referred to as “membrane potential”) generated in the ion sensitive film. Change, and a change in drain current can be detected. As a result, it is possible to specify the type of sample included in the sample by comparing the change in drain current based on the reference voltage, that is, the current-voltage characteristic as a transistor, with the current-voltage characteristic in a standard sample measured in advance. It can be done.
また、本発明のトランジスタ型センサは、上記基材、検知用電極、およびイオン感応膜として透明性を有するものを用いることにより、イオン感応膜上の形態観察も行うことが可能になる。すなわち、イオン感応膜上に付与された試料に対して、上部から光を照射し、その透過光を利用して、基材側から顕微鏡その他の光学観察機器によって観察することができる。また、必要に応じて明視野観察の他に位相差顕微鏡、微分干渉顕微鏡等を用いることも可能である。 Moreover, the transistor type sensor of this invention can also perform the form observation on an ion sensitive film | membrane by using what has transparency as said base material, a detection electrode, and an ion sensitive film | membrane. That is, the sample provided on the ion-sensitive film can be observed with a microscope or other optical observation equipment from the substrate side by irradiating light from above and using the transmitted light. In addition to bright field observation, a phase contrast microscope, a differential interference microscope, or the like can be used as necessary.
本発明のトランジスタ型センサは、このようにして動作するものであることから、あらゆる資料の評価に用いることが可能なものであるが、特に細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質等の生物関連物質を評価対象とする、バイオセンサとして好適に用いることができる。 Since the transistor-type sensor of the present invention operates in this way, it can be used for the evaluation of all materials. In particular, biological-related substances such as cells, DNA, sugar chains, and proteins can be used. It can be suitably used as a biosensor to be evaluated.
６．トランジスタ型センサの製造方法
次に、本発明のトランジスタ型センサの製造方法について説明する。本発明のトランジスタ型センサは、例えば、次のような方法によって形成することができる。すなわち、まず、スパッタ法等により基材上に金属膜を形成した後、フォトリソグラフィー等によって当該金属膜をパターニングすることによりゲート電極兼検知用電極を形成する。次に、そのゲート電極兼検知用電極を覆うようにゲート絶縁層兼イオン感応膜を基材上の全面に形成する。次に、スパッタ法等により、ゲート絶縁膜兼イオン感応膜を覆うように、基材上の全面に半導体膜を形成し、当該半導体膜をフォトリソグラフィー法等によってパターニングすることにより、半導体層を形成する。次に、上記半導体層上の全面に、スパッタ法等により、金属膜を形成し、当該金属膜をフォトリソグラフィー法等によってパターニングすることによって、ソース電極およびドレイン電極を形成する。このような方法によれば、トランジスタ部のゲート絶縁層と、センサ部のイオン感応膜とが一体として形成されている態様のトランジスタ型センサを製造することができる。
6). Next, a method for manufacturing a transistor type sensor according to the present invention will be described. The transistor type sensor of the present invention can be formed by the following method, for example. That is, first, after forming a metal film on a substrate by sputtering or the like, the metal film is patterned by photolithography or the like to form a gate electrode / detecting electrode. Next, a gate insulating layer / ion sensitive film is formed on the entire surface of the substrate so as to cover the gate electrode / detection electrode. Next, a semiconductor film is formed on the entire surface of the substrate so as to cover the gate insulating film / ion-sensitive film by sputtering or the like, and the semiconductor film is patterned by photolithography or the like to form a semiconductor layer. To do. Next, a metal film is formed on the entire surface of the semiconductor layer by sputtering or the like, and the metal film is patterned by photolithography or the like to form a source electrode and a drain electrode. According to such a method, it is possible to manufacture a transistor type sensor in which the gate insulating layer of the transistor part and the ion sensitive film of the sensor part are integrally formed.
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
本実施例では、ボトムゲート・トップコンタクト構造のトランジスタ型センサをガラス基板上に作製した。先ず、全面に厚さ１００ｎｍのゲート電極膜をスパッタ成膜した後、レジストパターンをフォトリソグラフィーで形成した後にエッチングし、ゲート電極膜を所定パターンにパターニングしてゲート電極を形成した。次に、そのゲート電極を覆うように厚さ３００ｎｍの酸化ケイ素をゲート絶縁膜として全面に形成した。このゲート絶縁膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、８インチのＳｉＯ２ターゲットに投入電力：２．０ｋＷ（＝６Ｗ／ｃｍ２）、圧力：０．３Ｐａ、Ｏ２とＡｒの混合ガスにて形成した。この後、ドライエッチングによりコンタクトホールを形成した。 In this example, a transistor type sensor having a bottom gate / top contact structure was formed on a glass substrate. First, a gate electrode film having a thickness of 100 nm was formed on the entire surface by sputtering, then a resist pattern was formed by photolithography and then etched, and the gate electrode film was patterned into a predetermined pattern to form a gate electrode. Next, silicon oxide having a thickness of 300 nm was formed as a gate insulating film on the entire surface so as to cover the gate electrode. This gate insulating film is formed using an RF magnetron sputtering apparatus with an input power of 2.0 kW (= 6 W / cm 2 ), a pressure of 0.3 Pa, and a mixed gas of O 2 and Ar using an 8-inch SiO 2 target. did. Thereafter, contact holes were formed by dry etching.
次に、ゲート絶縁膜を覆うように、全面に、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎが１：１：１のＩｎＧａＺｎＯ系ＩＧＺＯ半導体膜（ＩｎＧａＺｎＯ４）を厚さ２５ｎｍとなるように形成した。ＩＧＺＯ半導体膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、室温（２５℃）、Ａｒ：Ｏ２を３０：５０とした条件下で、４インチのＩｎＧａＺｎＯ（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）ターゲットを用いて形成した。次に、このＩＧＺＯ半導体膜上にレジストパターンをフォトリソグラフィーで形成した後、シュウ酸溶液でウェットエッチングし、そのＩＧＺＯ半導体膜をパターニングし、所定パターンからなるＩＧＺＯ半導体膜を形成した。 Next, an InGaZnO-based IGZO semiconductor film (InGaZnO 4 ) with an In: Ga: Zn ratio of 1: 1: 1 was formed on the entire surface so as to cover the gate insulating film so as to have a thickness of 25 nm. The IGZO semiconductor film is a 4-inch InGaZnO (In: Ga: Zn = 1: 1: 1) target using an RF magnetron sputtering apparatus under conditions of room temperature (25 ° C.) and Ar: O 2 of 30:50. Formed using. Next, after forming a resist pattern on the IGZO semiconductor film by photolithography, wet etching was performed with an oxalic acid solution, and the IGZO semiconductor film was patterned to form an IGZO semiconductor film having a predetermined pattern.
次に、ＩＧＺＯ半導体膜上の全面に厚さ２００ｎｍのチタニウム膜をソース電極及びドレイン電極とするためにスパッタ成膜した後、レジストパターンをフォトリソグラフィーで形成した後に過酸化水素水とアンモニアの混合溶液でウェットエッチングし、チタニウム膜を所定パターンにパターニングしてソース電極及びドレイン電極を形成した。このとき、ソース電極及びドレイン電極は、ＩＧＺＯ半導体膜上であってＩＧＺＯ半導体膜の中央部直上以外に離間したパターンとなるように形成した。 Next, after forming a 200 nm-thick titanium film on the entire surface of the IGZO semiconductor film by sputtering to form a source electrode and a drain electrode, a resist pattern is formed by photolithography, and then a mixed solution of hydrogen peroxide and ammonia Wet etching was performed, and the titanium film was patterned into a predetermined pattern to form a source electrode and a drain electrode. At this time, the source electrode and the drain electrode were formed on the IGZO semiconductor film so as to have a pattern apart from other than just above the central portion of the IGZO semiconductor film.
次に、ソース電極、ドレイン電極及びＩＧＺＯ半導体膜の全てを覆うように、厚さ１００ｎｍの酸化ケイ素をパッシベーション層としてＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成し、ドライエッチングによりコンタクトホールを形成した。その後３００℃・６０分間の熱処理を大気雰囲気下で行った。こうしてトランジスタ型センサを作製した。 Next, 100 nm thick silicon oxide was formed as a passivation layer by RF magnetron sputtering so as to cover all of the source electrode, drain electrode, and IGZO semiconductor film, and contact holes were formed by dry etching. Thereafter, heat treatment at 300 ° C. for 60 minutes was performed in an air atmosphere. Thus, a transistor type sensor was produced.
評価の為、図５に示すようにセンサ部表面上にガラス筒を接着させ、ｐＨが１０のアルカリ溶液を筒内へ入れた。図６に溶液投入前後のトランジスタのトランスファー特性をそれぞれ示した。図６は溶液を投入することによってセンサ部で発生した帯電現象が横方向に走るゲート電極を伝わって、トランジスタのしきい値電圧のシフトとして観測された一例である。 For evaluation, a glass tube was adhered on the surface of the sensor unit as shown in FIG. 5, and an alkaline solution having a pH of 10 was put into the tube. FIG. 6 shows the transfer characteristics of the transistor before and after the addition of the solution. FIG. 6 shows an example in which the charging phenomenon generated in the sensor unit by introducing the solution is transmitted through the gate electrode running in the lateral direction and observed as a shift in the threshold voltage of the transistor.
１ … トランジスタ型センサ
１０ … 基材
２０ … トランジスタ部
２１ … ゲート電極
２２ … ゲート絶縁層
２３ … 半導体層
２４ … ソース電極
２５ … ドレイン電極
２６ … パッシベーション層
３０ … センサ部
３１ … 検知用電極
３２ … イオン感応膜
３３ … 絶縁層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transistor type sensor 10 ... Base material 20 ... Transistor part 21 ... Gate electrode 22 ... Gate insulating layer 23 ... Semiconductor layer 24 ... Source electrode 25 ... Drain electrode 26 ... Passivation layer 30 ... Sensor part 31 ... Detection electrode 32 ... Ion Sensitive film 33 ... Insulating layer
Claims (5)
前記基材上に形成されたゲート電極、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁層、前記ゲート絶縁層上に形成された半導体層、前記半導体層と接するように形成されたソース電極およびドレイン電極、を有するトランジスタ部と、
前記基材上に形成された検知用電極、および前記検知用電極上に形成され、絶縁性材料からなるイオン感応膜、を有するセンサ部と、
を有し、
前記トランジスタ部と、前記センサ部とが、前記基材の同一面側に並列するように配置されており、かつ前記トランジスタ部のゲート電極と、前記センサ部の検知用電極とが一体として形成されていることを特徴とする、トランジスタ型センサ。 A substrate;
A gate electrode formed on the substrate; a gate insulating layer formed on the gate electrode; a semiconductor layer formed on the gate insulating layer; and a source electrode and a drain electrode formed so as to be in contact with the semiconductor layer A transistor portion having
A sensor unit having a detection electrode formed on the substrate and an ion sensitive film formed on the detection electrode and made of an insulating material;
Have
The transistor part and the sensor part are arranged in parallel on the same surface side of the substrate, and the gate electrode of the transistor part and the detection electrode of the sensor part are integrally formed. A transistor type sensor characterized by comprising:
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