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    关 键 词:
    生物 传感器 制造 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110035325.X

    申请日:

    2011.02.10

    公开号:

    CN102192939A

    公开日:

    2011.09.21

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G01N 27/414申请公布日:20110921|||公开
    IPC分类号: G01N27/414 主分类号: G01N27/414
    申请人: 三美电机株式会社
    发明人: 菊地洋明; 山林智明; 高桥理
    地址: 日本东京
    优先权: 2010.02.17 JP 2010-032625
    专利代理机构: 北京鸿元知识产权代理有限公司 11327 代理人: 陈英俊
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110035325.X

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2013.10.09|||2011.09.21

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||公开

    摘要

    公开了以高成品率制造具有场效应晶体管的生物传感器的方法。含有场效应晶体管的生物传感器的制造方法包括以下步骤:在硅基板的一面上形成氧化硅膜和多晶硅膜的层积膜;在所述硅基板的另一面上形成氧化硅膜;在形成于所述硅基板的另一面上的氧化硅膜上形成源电极及漏电极和用于连接源电极与漏电极的通道;以及去除所述硅基板的一面上的多晶硅膜。

    权利要求书

    1.一种生物传感器的制造方法,该生物传感器包括:硅基板、形成在所述硅基板的一面上的氧化硅膜、在形成于所述硅基板的一面上的氧化硅膜上配置的反应场及栅电极、形成在所述硅基板的另一面上的氧化硅膜、以及在形成于所述另一面上的氧化硅膜上配置的源电极及漏电极和用于连接源电极与漏电极的通道,所述生物传感器的制造方法包括以下步骤:在硅基板的一面上形成氧化硅膜和多晶硅膜的层积膜;在所述硅基板的另一面上形成氧化硅膜;在形成于所述硅基板的另一面上的氧化硅膜上,形成源电极及漏电极和用于连接源电极与漏电极的通道;去除所述硅基板的一面上的多晶硅膜;以及在所述硅基板的一面上配置栅电极。2.如权利要求1所述的生物传感器的制造方法,所述多晶硅膜的厚度为以上。3.如权利要求1所述的生物传感器的制造方法,形成在所述硅基板的一面上的氧化硅膜的厚度为以上。4.如权利要求1所述的生物传感器的制造方法,在所述反应场中固定被检测物质识别分子。

    说明书

    生物传感器的制造方法

    技术领域

    本发明涉及具有场效应晶体管的生物传感器的制造方法。

    背景技术

    目前,提出了具有场效应晶体管的生物传感器(参照专利文献1~3)。通常,在具有场效应晶体管的生物传感器中在半导体基板的绝缘膜上,形成源电极/漏电极和通道,进而在通道或半导体基板的绝缘膜等上配置反应场的情况较多。在反应场中固定被检测物质识别分子的情况较多。

    使固定在反应场的被检测物质识别分子识别被检测物质,测定此时的源极-漏极电流,由此测定提供给反应场的被检测物质的有无和浓度。

    专利文献

    专利文献1:(日本)特开2004-85392号公报

    专利文献2:(日本)特开2006-201178号公报

    专利文献3:(日本)特开2007-139762号公报

    在具有场效应晶体管的生物传感器的制造中,尽管在同一条件下进行制造,但有时所获得的生物传感器的特性差别较大,从而有时成为使成品率下降的原因。本发明人发现作为使成品率下降的一个原因是由于在制造步骤(特别是在用于制作通道或源/漏电极的半导体制造步骤)中,在应配置反应场的半导体基板的绝缘膜上产生缺陷。另外,发现作为产生缺陷的一个原因是由于在搬送半导体基板时,因半导体基板的绝缘膜与搬送生产线等之间的物理性接触而损伤了半导体基板的绝缘膜。

    发明内容

    本发明的目的在于提供以高成品率制造具有场效应晶体管的生物传感器的方法。

    本发明的特征在于:在具有场效应晶体管的生物传感器的制造中,在制作通道和源/漏电极时,通过多晶硅膜?;こ晌从Τ〉那?,由此抑制反应场的损伤。也就是说,本发明涉及以下所示的生物传感器的制造方法。

    [1]制造方法,其是传感器的制造方法,该传感器包括:硅基板、形成在所述硅基板的一面上的氧化硅膜、在形成于所述硅基板的一面上的氧化硅膜上配置的反应场及栅电极、形成在所述硅基板的另一面上的氧化硅膜、以及在形成于所述另一面上的氧化硅膜上配置的源电极及漏电极和用于连接源电极与漏电极的通道,所述制造方法包括以下步骤:在硅基板的一面上形成氧化硅膜和多晶硅膜的层积膜;在所述硅基板的另一面上形成氧化硅膜;在形成于所述硅基板的另一面上的氧化硅膜上,形成源电极及漏电极和用于连接源电极与漏电极的通道;去除所述硅基板的一面上的多晶硅膜;以及在所述硅基板的一面上配置栅电极。

    [2]如[1]所述的制造方法,所述多晶硅膜的厚度为以上。

    [3]如[1]所述的制造方法,形成在所述硅基板的一面上的氧化硅膜的厚度为以上。

    [4]如[1]所述的制造方法,在所述反应场中固定被检测物质识别分子。

    根据本发明,能够以高成品率制造具有场效应晶体管的生物传感器。

    附图说明

    图1是示意地表示本发明的生物传感器的结构的立体图。

    图2是示意地表示本发明的生物传感器的第一例的结构的剖面图。

    图3是示意地表示本发明的生物传感器的第二例的结构的剖面图。

    图4A~4K是本发明的生物传感器的制造流程。

    图5A~5E是形成具有障壁部的反应场的流程。

    标号说明

    10、10-1、10-2:生物传感器

    11:硅基板

    12a、12b:氧化硅膜

    13:栅电极

    14:漏电极

    15:源电极

    16:通道

    16’:多晶硅膜

    17:电流形

    18:层间绝缘膜

    20:反应场

    21:被检测物质识别分子

    30a、30b:多晶硅膜

    43:栅电极

    50:反应场

    51:障壁部

    52:鸟嘴

    60:被检测物质识别分子

    70:氮化硅膜

    具体实施方式

    1、本发明的生物传感器

    本发明的生物传感器包括:硅基板、配置在该硅基板上的场效应晶体管、以及反应场。

    在本发明的生物传感器中,在硅基板的两面上成膜了氧化硅膜。在形成于硅基板的一面上的氧化硅膜上配置反应场和栅电极。在形成于硅基板的另一面的氧化硅膜上配置源电极及漏电极和用于连接源电极与漏电极的通道。

    在反应场上通常结合了能够与检测对象物选择性地结合的被检测物质识别分子。

    基于本发明的生物传感器的检测流程为:向反应场提供可能含有检测对象物的样本;使样本中的检测对象物与固定在反应场的被检测物质识别分子发生反应;以及施加规定的栅极电压,并测定源极-漏极电流,由此判断样本中有无检测对象物以及测定检测对象物的量。

    图1是示意地表示本发明的生物传感器10的结构的立体图。图2是示意地表示本发明的第一形态的生物传感器10-1的结构的剖面图,图3是表示本发明的第二形态的生物传感器10-2的结构的剖面图。

    如图1所示,生物传感器10为在硅基板11的两面上形成有作为绝缘膜的氧化硅膜12a、12b。在形成了氧化硅膜12a的面上形成了栅电极13。栅电极13被施加参考电压Vref。栅电极13、氧化硅膜12a以及硅基板11形成金属(导体)-绝缘体-半导体(Metal-Insulator-Semiconductor,MIS)结构。因此,栅极电压并不是直接施加到硅基板11。但是,栅电极13的材质只要具有导电性,并不特别限定,例如是金、铂、钛、铝等金属或导电性塑料等即可。

    另一方面,在形成了氧化硅膜12b的面上形成了漏电极14及源电极15。漏电极14与源电极15在氧化硅膜12b上,经由通道16电连接。

    优选的是,通道16由多晶硅形成。由此,氧化硅膜12b、漏电极14、源电极15以及通道16成为通常的薄膜晶体管(Thin?Film?Transistor,TFT)结构,因此,能够使用与制造TFT时相同的半导体制造步骤形成氧化硅膜12b、漏电极14、源电极15以及通道16。

    另外,由于通道16由多晶硅形成,所以能够在半导体制造步骤中容易地选择通道16的线路宽度W。

    在漏电极14与源电极15之间,经由外部配线而连接了电源Vds及电流表17。由此,通过电源Vds向漏电极14与源电极15之间施加规定的电压,并通过电流表17测定流经通道16的电流。

    漏电极14与源电极15之间的间隔并不特别限定,但通常在0.5μm~10μm左右。为了使由通道16进行的电极间的连接容易,该间隔也可进一步缩短。源电极及漏电极的形状及大小并不特别限定,根据目的而适当设定即可。

    图2所示的生物传感器10-1具有形成在氧化硅膜12a的面上的反应场20。反应场20是指提供测定试样(通常为溶液)的区域。反应场20上固定被检测物质识别分子21。作为被检测物质识别分子的例子,包括抗体或酶、凝集素等蛋白质、核酸、寡糖或者多糖、或者具有这些结构的物质。通过将被检测物质识别分子固定在反应区域内,能够特别地检测出特定的蛋白质或化学物质等。

    反应场20和栅电极13优选配置在氧化硅膜12a、12b中的同一氧化硅膜上,特别优选的是,将反应场20和栅电极13配置在与配置了漏电极14和源电极15的面相反的面的氧化硅膜(图2的情况下为氧化硅膜12a)上。此外,反应场20与栅电极13优选形成在同一氧化硅膜12a上的尽可能近的位置上。例如,可以在反应场20的上侧配置栅电极13,也可以在反应场20的周围形成栅电极13。这样,能够增大对提供给反应场20的被检测物的浓度变化等的、通道16中的电压变化,因此能够提高测定灵敏度。

    在图2中,配置了反应场20的区域的氧化硅膜12a的厚度是恒定的,但配置了反应场20的区域的氧化硅膜的厚度也可以比其周围的氧化硅膜的厚度薄。即,反应场20优选位于凹部的内部。由此,不仅能够将试样溶液高效率地限制在反应场20内,而且也能够使从栅电极13向基板面方向泄漏的电力线(line?ofelectric?force)更高效率地穿过反应场20。另外,即使在氧化硅膜12a上设置包围反应场20的障壁,也能够高效率地将试样溶液限制在反应场20内。

    如图3所示的生物传感器10-2是反应场位于凹部的内部的生物传感器。在图3中,对与图2相同的结构部分,附加相同标号并省略重复部分的说明。

    如图3所示,在形成了氧化硅膜12a的面上形成了与栅电极43相向的反应场(栅极氧化膜)50、及包围反应场50的障壁部51。反应场50具有固定被检测物质识别分子60的功能。本实施方式的情况下,反应场50及障壁部51都由氧化硅形成。

    反应场50的氧化硅膜的厚度设为200nm以下,实际上优选1~200nm左右(例如100nm)。障壁部51的氧化硅膜的厚度比反应场50的厚度厚,且设为数千nm以下,实际上优选200~1000nm左右(例如600nm)。另外,反应场50的上表面与障壁部51的上表面之差(即高度差)优选200~800nm左右(例如500nm)。而且实际上,反应场50的面积为25mm2左右。

    障壁部51优选完全包围反应场50,但也可不完全包围反应场50。总之,只要以能够限制提供给反应场50的试样溶液的流出程度进行包围即可。

    这样,图3所示的传感器10-2通过形成了包围反应场50的障壁部51,从而在反应场50内载置了被检测物质或被检测物质识别分子时,这些物质受到障壁部51的限制,从而能够防止这些物质扩散到反应场50的面积以外。也就是说,能够使试样溶液在反应场50上的扩散面积恒定。

    本发明的生物传感器为,形成有反应场的氧化硅膜(与配置了通道的面相反的面的氧化硅膜)在传感器的制造流程中难以受到损伤,所以当然能够以高成品率制造该生物传感器,但也能够成为具有稳定的检测灵敏度的生物传感器。

    2、本发明的生物传感器的制造方法

    本发明的生物传感器包括以下步骤:在硅基板的一面上形成氧化硅膜和多晶硅膜的层积膜(第1步骤);在所述硅基板的另一面上形成氧化硅膜(第2步骤);在形成于所述硅基板的另一面上的氧化硅膜上,形成源电极及漏电极和用于连接源电极与漏电极的通道(第3步骤);以及去除所述硅基板的一面上的多晶硅膜(第4步骤)。

    这样,在第3步骤中形成源电极及漏电极和通道时,通过多晶硅膜?;す杌宓囊幻娴难趸枘?。第3步骤能够利用通常的半导体制造步骤来进行,为了提高其作业效率,优选将硅基板承载在自动搬送机上来进行。此时,硅基板的背面(与形成源电极及漏电极和通道的面相反的面)有时由于与搬送机的部件接触而受到损伤。由此,以往有时生物传感器的制造成品率下降。

    在本发明中,在第3步骤中,在硅基板的背面成膜出氧化硅膜,并进一步成膜出多晶硅膜,所以硅基板的背面的氧化硅膜难以受到损伤。因此,通过在第3步骤之后去除多晶硅膜而使氧化硅膜露出,从而能够得到正常表面的氧化硅膜。然后,如果在其上形成反应场,则能够制造无缺陷的生物传感器。

    图4A~图4K表示本发明的生物传感器的制造流程。首先,在图4A中,在硅基板11的两面上通过热氧化法形成氧化硅膜12a和12b。氧化硅膜的厚度优选为在氧化硅膜的厚度低于的情况下,有时无法维持其作为绝缘膜的功能。另外,若氧化硅膜的厚度超过则有时作为生物传感器的灵敏度下降。

    在图4B中,在氧化硅膜12a和12b上形成多晶硅膜30a和30b。通过化学气相沉积(CVD)法成膜出多晶硅膜。多晶硅膜30a的厚度优选为多晶硅膜30a的厚度低于时,有时无法抑制由于与搬送部件之间的接触所造成的氧化硅膜12a的损伤。超过也无妨,但会造成制造成本的上升。

    图4C中,去除硅基板11的单面上的氧化硅膜12b和多晶硅膜30b。在图4D中,在去除了氧化硅膜12b和多晶硅膜30b的硅基板11的面上,再次形成氧化硅膜12b。与上述同样,通过热氧化法形成即可。当然,也可以不去除图4B的氧化硅膜12b,而选择地去除多晶硅膜30b,形成图4D的状态。

    在图4E中,在氧化硅膜12b上的规定位置(应形成通道的位置)形成多晶硅膜16’。多晶硅膜16’的形成例如在规定位置沉积非晶硅,对非晶硅照射激光,使其溶解而进行多结晶化即可。

    在图4F中,将杂质埋入多晶硅膜16’,并通过热处理而使杂质扩散而作为通道16。通道16可以是NPN型,可以是PNP型,可以是NiP型,也可以是PiP型。NPN型或PNP型的通道的带隙(band?gap)变大,所以与NiP型或PiP型的通道相比,漏电流容易变小。因此,容易构成降低待机状态下的消耗电流的电路。另一方面,NiN型或PiP型的通道与NPN型或PNP型的通道相比,能够以较少的制造步骤制作。

    在图4G中,形成用于覆盖通道16的层间绝缘膜18。层间绝缘膜18例如为二氧化铪。在图4H中,形成漏电极14及源电极15,并分别经由接触孔与通道16连接。

    接着,在图4I中,去除硅基板11的另一面上的多晶硅膜30a。通过使用干蚀刻气体(dry?etching?gas)进行蚀刻而去除多晶硅膜30a即可。作为干蚀刻气体的例子包含氯化气体、溴化氢等。这是因为通过这些干蚀刻能够选择性地去除多晶硅膜30a而不去除氧化硅膜12a。

    在图4J中,在去除多晶硅膜30a而露出的氧化硅膜12a上形成反应场20。此时,抑制在去除多晶硅膜30a而露出的氧化硅膜12a上产生缺陷,所以能够形成合适的反应场20。在反应场20上固定被检测物质识别分子21。

    在图4K中,在反应场20的附近配置栅电极13,由此获得本发明的生物传感器。栅电极13配置在反应场20的附近即可,也可以配置为包围反应场20。栅电极20的材料除了可以是金、铂、钛、铝等金属以外,也可以是导电性塑料等。栅电极配置在氧化硅膜12a上。因此,栅极电压并不是直接施加到硅基板11。

    另外,如图3所示,本发明的生物传感器也可以具有由障壁部51包围的反应场50。使用图5A~5E说明由障壁部51包围的反应场的形成方法。障壁部51可以通过区域硅氧化(LOCOS)法形成。

    在图5A中,通过CVD法将氮化硅膜70沉积在去除多晶硅膜而露出的氧化硅膜12a(参照图4I)上。在图5B中,通过微影技术和蚀刻技术,对氮化硅膜70进行图案化。在去除氮化硅膜的区域形成障壁部。另一方面,在残存氮化硅膜的区域形成反应场。

    在图5C中进行氧化处理,将去除了氮化硅膜70的区域选择性地氧化,氧化硅膜变厚,形成障壁部51。另一方面,不氧化残留了氮化硅膜70的区域。此时,变厚后的氧化硅膜的一部分潜入氮化硅膜正下方,形成鸟嘴(bird’sbeak)52。氧化处理在湿润氧环境下,通过高温(例如1000℃)条件进行即可。

    在图5D中,去除氮化硅膜70而获得成为反应场50的区域。使被检测物质识别分子60与反应场50结合。进而,在反应场50的附近配置栅电极,由此获得本发明的生物传感器。

    [参考例1]

    通过热氧化法,在硅晶片(silicon?wafer)的两面上形成的氧化硅膜。进而,通过化学蒸镀法,在两面上成膜出的多晶硅膜。使硅晶片反转并将其承载在搬送生成线上进行了搬送。蚀刻去除与搬送生产线的搬送部件接触了的硅晶片面的多晶硅膜。蚀刻去除为使用氯化气体进行干蚀刻。

    在经由多晶硅膜的蚀刻而露出的氧化硅膜上,通过蒸镀而成膜出铝膜。对铝膜进行抗蚀图案化(基于形成树脂抗蚀膜、抗蚀膜的图案化、铝膜的图案化、去除抗蚀膜的步骤),而形成了120个的铝电极。

    通过面研磨而去除与形成铝电极的面相反的硅晶片面上的多晶硅膜和氧化硅膜,使硅面露出。接着,将露出的硅面和各个铝电极电连接。对铝电极施加0V~-40V的电压,测定了硅基板和铝电极间的电流。此时,分别求取未流过电流的元件(正常元件)的个数和流过电流的元件(缺陷元件)的个数。

    [参考例2]

    在硅晶片的两面上通过热氧化法形成了的氧化硅膜。进而,在两面上形成了的多晶硅膜。其后,与参考例1同样,进行了下述作业,即搬送晶片、蚀刻去除多晶硅膜、形成120个的铝电极、进行面研磨而露出硅面、以及连接硅面和铝电极。

    进而与参考例1同样,对铝电极施加0V~-40V的电压,测定了硅基板和铝电极间的电流。此时,分别求取未流过电流的元件(正常元件)的个数和流过电流的元件(缺陷元件)的个数。

    [参考例3]

    在硅晶片的两面上通过热氧化法形成的氧化硅膜。进而,在两面上形成了的多晶硅膜。其后,与参考例1同样,进行了下述作业,即搬送晶片作业、蚀刻去除多晶硅膜、形成120个的铝电极、进行面研磨而露出硅面、以及连接硅面和铝电极。

    进而与参考例1同样,对铝电极施加0V~-40V的电压,测定了硅基板和铝电极间的电流。此时,分别求取未流过电流的元件(正常元件)的个数和流过电流的元件(缺陷元件)的个数。

    [参考例4]

    在硅晶片的两面上通过热氧化法形成的氧化硅膜。进而,在两面上形成了的多晶硅膜。其后,与参考例1同样,进行了下述作业,即搬送晶片、蚀刻去除多晶硅膜、形成120个的铝电极、进行面研磨而露出硅面、连接硅面和铝电极。

    进而与参考例1同样,对铝电极施加0V~-40V的电压,测定了硅基板和铝电极间的电流。此时,分别求取未流过电流的元件(正常元件)的个数和流过电流的元件(缺陷元件)的个数。

    [比较参考例1]

    在硅晶片的两面上通过热氧化法形成的氧化硅膜。其后,不进行晶片搬送,不使搬送部件与硅晶片的背面的氧化硅膜接触。直接进行了下述作业,即形成120个的铝电极、进行面研磨而露出硅面、以及连接硅面和铝电极。

    进而与参考例1同样,对铝电极施加0V~-40V的电压,测定了硅基板和铝电极间的电流。此时,分别求取未流过电流的元件(正常元件)的个数和流过电流的元件(缺陷元件)的个数。

    [参考比较例2]

    在硅晶片的两面上通过热氧化法形成的氧化硅膜。然后,没有形成多晶硅膜,并与参考例1同样,进行了下述作业,即搬送晶片、形成120个的铝电极、进行面研磨而露出硅面、以及连接硅面和铝电极。

    进而与参考例1同样,对铝电极施加0V~-40V的电压,测定了硅基板和铝电极间的电流。此时,分别求取未流过电流的元件(正常元件)的个数和流过电流的元件(缺陷元件)的个数。

    [参考比较例3]

    在硅晶片的两面上通过热氧化法形成的氧化硅膜。然后,没有形成多晶硅膜,并与参考例1同样,进行了下述作业,即搬送晶片、形成120个的铝电极、进行面研磨而露出硅面、以及连接硅面和铝电极。

    进而与参考例1同样,对铝电极施加0V~-40V的电压,测定了硅基板和铝电极间的电流。此时,分别求取未流过电流的元件(正常元件)的个数和流过电流的元件(缺陷元件)的个数。

    以下的表1表示各个参考例、比较参考例中的、相对于全部元件数(120个)的缺陷元件的个数。

    【表1】

    如表1所示可知,元件制作步骤中不包含搬送步骤时,即使不通过多晶硅膜?;ぱ趸枘な?比较参考例1),也没有缺陷元件,而且成品率高。然而,在元件的制作步骤中包含搬送步骤时,在没有通过多晶硅膜?;ぱ趸枘さ那榭鱿?参照比较参考例2及3),产生了缺陷元件。

    与此相对,可知:在通过多晶硅膜?;ち搜趸枘な?,即使有搬送步骤,也能够降低缺陷元件的产生(参照比较参考例1和参考例1~2)。进而,可知:多晶硅膜和氧化硅膜的厚度越厚,越能够抑制缺陷元件的产生(参照参考例1~4)。

    根据以上结果,在制作生物传感器元件时,在包含搬送硅晶片的步骤的情况下,通过预先?;ば纬稍诠杈砻娴木的?,能够抑制元件缺陷的产生。特别是,如果通过多晶硅膜?;ぷ魑趸枘さ木的?,则能够在通常的半导体步骤中进行作业,并能够选择性地仅?;ぱ趸枘?,所以优选该?;?。

    工业实用性

    根据本发明,能够以高成品率制造具有场效应晶体管的生物传感器。因此,对具有了场效应晶体管的生物传感器的实用化作出贡献。

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