(57)【要約】【課題】磁性ビーズを用いて検出対象物質を高精度に検出可能な、磁気抵抗効果素子を備える磁気センサ、検出装置及び検出システムを提供する。【解決手段】試料中の検出対象物質を検出するために用いられる磁気センサは、第１面及びそれに対向する第２面を有する基板と、基板の第１面上に設けられ、入力磁界に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子上を被覆する保護層とを備え、磁気抵抗効果素子は、基板の第１面上における第１方向に延在するライン状に構成され、平面視における外周縁に位置する第１領域と、第１領域の囲まれる第２領域とを有し、磁気抵抗効果素子の第１領域上の保護層の上面の高さが、磁気抵抗効果素子の第２領域上の保護層の上面の高さよりも高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料中の検出対象物質を検出するために用いられる磁気センサであって、
第１面及び前記第１面に対向する第２面を有する基板と、
前記基板の前記第１面上に設けられ、入力磁界に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子上を被覆する保護層と
を備え、
前記磁気抵抗効果素子は、前記基板の前記第１面上における第１方向に延在するライン状に構成され、平面視における外周縁に位置する第１領域と、前記第１領域に囲まれる第２領域とを有し、
前記磁気抵抗効果素子の前記第１領域上の前記保護層の上面の高さが、前記磁気抵抗効果素子の前記第２領域上の前記保護層の上面の高さよりも高いことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果素子の前記第１領域における前記磁気抵抗効果素子の上面から前記保護層の上面までの高さが、４０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子の前記第１領域は、前記磁気抵抗効果素子の上面の端辺から当該端辺に直交する内方に向かって４０ｎｍ以上の領域であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子の前記第１領域において、前記磁気抵抗効果素子と前記保護層との間に高さ調整層が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記磁気抵抗効果素子の長手方向の両端部のそれぞれに電気的に接続するリード電極をさらに備え、
前記高さ調整層は、前記磁気抵抗効果素子の長手方向の両端部における前記第１領域に位置する第１高さ調整層と、前記磁気抵抗効果素子の短手方向の両端部における前記第１領域に位置する第２高さ調整層とを含み、
前記第１高さ調整層は、前記リード電極により構成され、
前記第２高さ調整層は、前記リード電極と同一材料により構成されることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記磁気抵抗効果素子の長手方向の両端部のそれぞれに電気的に接続するリード電極をさらに備え、
前記高さ調整層は、前記磁気抵抗効果素子の長手方向の両端部における前記第１領域に位置する第１高さ調整層と、前記磁気抵抗効果素子の短手方向の両端部における前記第１領域に位置する第２高さ調整層とを含み、
前記第１高さ調整層は、前記リード電極により構成され、
前記第２高さ調整層は、絶縁材料により構成されることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記磁気抵抗効果素子の前記第１領域の高さが、前記磁気抵抗効果素子の前記第２領域の高さよりも高いことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記検出対象物質が、生体分子であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の磁気センサと、
前記磁気センサを支持する支持部と
を備えることを特徴とする検出装置。
【請求項１１】
前記保護層の表面に、前記検出対象物質に特異的に結合可能なプローブが存在することを特徴とする請求項１０に記載の検出装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の検出装置と、
磁界発生部と、
前記試料を保持可能な保持部と
を備え、
前記検出装置は、前記保持部に保持される前記試料に前記磁気センサを接触させ得るように設けられており、
前記磁界発生部は、前記保持部に保持される前記試料に接触する前記磁気センサに磁界が印加されるように設けられていることを特徴とする検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサ、検出装置及び検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
定量的なイムノアッセイ（免疫測定法）として、放射免疫測定法（ＲＩＡ（radio immunoassay）、ＩＲＭＡ（immunoradiometric assay））が知られている。この方法においては、放射性核種によって、競合抗原又は抗体を標識し、比放射能の測定結果から抗原を定量的に測定することができる。イムノアッセイは、抗原等の標的物体を標識して間接的に測定を行う方法である。この方法は感度が高いことから、臨床診断において大きな貢献を果たしているが、放射性核種の安全性を確保する必要があり、専用の施設や装置が必要となるという欠点がある。そこで、より扱いやすい方法として、例えば、磁性ビーズ等を標識として用いるバイオセンサを用いる方法が提案されている（特許文献１〜４参照）。
【０００３】
従来のバイオセンサは、基板と、基板上に設けられているＧＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を被覆する保護膜とを備える。試料中の生体分子に親和性を有する磁性ビーズが、生体分子を介して保護層上に捕捉された後に磁界が印加されると、磁性ビーズから浮遊磁場が発生する。この浮遊磁場が磁気抵抗効果素子に入力されることで磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化し、その抵抗値変化に基づいて、生体分子を間接的に検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５１６１４５９号公報
【特許文献２】特許第６０４３３９５号公報
【特許文献３】特許第６１０１２１５号公報
【特許文献４】国際公開第２０１７／８２２２７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記バイオセンサにおける磁気抵抗効果素子は、２つの強磁性膜で非磁性膜を挟む層構成を有する磁気抵抗効果膜を基板上に成膜し、レジストパターンをマスクとして用いて当該磁気抵抗効果膜をパターニングすることで作製される。このようにして作製される磁気抵抗効果素子の外周縁においては、強磁性層（自由層）の磁化が不安定となる。そのため、磁気抵抗効果素子の外周縁を含む所定の領域上の保護層に磁性ビーズが捕捉され、強磁性層（自由層）の磁化が不安定な磁気抵抗効果素子に当該磁性ビーズから発生する浮遊磁場が印加されると、バイオセンサからの出力にノイズが重畳してしまう。その結果、生体分子の検出精度が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
上記課題に鑑みて、本発明は、磁性ビーズを用いて検出対象物質を高精度に検出可能な、磁気抵抗効果素子を備える磁気センサ、検出装置及び検出システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、試料中の検出対象物質を検出するために用いられる磁気センサであって、第１面及び前記第１面に対向する第２面を有する基板と、前記基板の前記第１面上に設けられ、入力磁界に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子上を被覆する保護層とを備え、前記磁気抵抗効果素子は、前記基板の前記第１面上における第１方向に延在するライン状に構成され、平面視における外周縁に位置する第１領域と、前記第１領域に囲まれる第２領域とを有し、前記磁気抵抗効果素子の前記第１領域上の前記保護層の上面の高さが、前記磁気抵抗効果素子の前記第２領域上の前記保護層の上面の高さよりも高いことを特徴とする磁気センサを提供する。
【０００８】
前記磁気抵抗効果素子の前記第１領域における前記磁気抵抗効果素子の上面から前記保護層の上面までの高さが、４０ｎｍ以上であればよく、前記磁気抵抗効果素子の前記第１領域は、前記磁気抵抗効果素子の上面の端辺から当該端辺に直交する内方に向かって４０ｎｍ以上の領域であればよい。
【０００９】
前記磁気抵抗効果素子の前記外周縁領域において、前記磁気抵抗効果素子と前記保護層との間に高さ調整層が設けられていればよく、前記磁気抵抗効果素子の長手方向の両端部のそれぞれに電気的に接続するリード電極をさらに備え、前記高さ調整層は、前記リード電極と同一材料により構成されていてもよいし、絶縁材料により構成されていてもよい。
【００１０】
前記磁気抵抗効果素子の前記外周縁領域の高さが、前記磁気抵抗効果素子の前記内部領域の高さよりも高くてもよく、前記磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ素子を用いることができ、前記検出対象物質が、生体分子であってもよい。
【００１１】
本発明は、上記磁気センサと、前記磁気センサを支持する支持部とを備えることを特徴とする検出装置を提供する。前記保護層の表面に、前記検出対象物質に特異的に結合可能なプローブが存在していてもよい。
【００１２】
本発明は、上記検出装置と、磁界発生部と、前記試料を保持可能な保持部とを備え、前記検出装置は、前記保持部に保持される前記試料に前記磁気センサを接触させ得るように設けられており、前記磁界発生部は、前記保持部に保持される前記試料に接触する前記磁気センサに磁界が印加されるように設けられていることを特徴とする検出システムを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、磁性ビーズを用いて検出対象物質を高精度に検出可能な、磁気抵抗効果素子を備える磁気センサ、検出装置及び検出システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの概略構成を示す切断端面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの概略構成を示す部分拡大切断端面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態における磁気抵抗効果素子の概略構成を示す切断端面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの概略構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサを用いた生体分子の検出方法の概略を説明するための切断端面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態における高さ調整層の別態様（その１）の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態における高さ調整層の別態様（その２）の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態における高さ調整層の別態様（その３）の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの製造工程のうちの一工程を示す切断端面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａに示す工程に続く工程を示す切断端面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ｂに示す工程に続く工程を示す切断端面図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、図９Ｃに示す工程に続く工程を示す切断端面図である。
【図９Ｅ】図９Ｅは、図９Ｄに示す工程に続く工程を示す切断端面図である。
【図９Ｆ】図９Ｆは、図９Ｅに示す工程に続く工程を示す切断端面図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態における検出システムの概略構成を示す切断端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態においては、検出対象物質としての生体分子を検出するために用いられるバイオセンサを磁気センサの一例として挙げて説明するが、この態様に限定されるものではない。磁気センサにより検出され得る検出対象物質としては、生体分子の他に、例えば、汚染水等に含まれる揮発性有機化合物（Volatile Organic Compounds，ＶＯＣｓ）等の種々の有機化合物等が含まれ得る。
【００１６】
図１は、本実施形態に係るバイオセンサの概略構成を示す切断端面図であり、図２は、本実施形態に係るバイオセンサの概略構成を示す部分拡大切断端面図であり、図３は、本実施形態における磁気抵抗効果素子の概略構成を示す切断端面図であり、図４は、本一実施形態に係るバイオセンサの概略構成を示す斜視図である。
【００１７】
本実施形態に係るバイオセンサにおいて、必要に応じ、いくつかの図面中、「Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向」を規定している。ここで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、本実施形態における基板の面内（基板の第１面及び第２面と実質的に平行な平面内）における互いに直交する方向であり、Ｚ軸方向は、基板の厚さ方向（基板の第１面及び第２面に直交する方向）である。
【００１８】
本実施形態に係るバイオセンサ１は、第１面２１及びそれに対向する第２面２２を有する基板２と、基板２の第１面２１上に設けられている磁気抵抗効果素子３と、磁気抵抗効果素子３の外周縁に位置する第１領域３Ａ上に位置する高さ調整層４と、磁気抵抗効果素子３上を被覆する保護層５とを備える。本実施形態に係るバイオセンサ１においては、磁気抵抗効果素子３上の保護層５に捕捉された、試料中の生体分子を集積した磁性ビーズ１０に磁界Ｈを印加することで、当該磁性ビーズ１０からの浮遊磁場ＨＳを磁気抵抗効果素子３にて検出することで、生体分子を検出することができる。
【００１９】
基板２は、磁気抵抗効果素子３を搭載可能な矩形状のものであればよく、例えば、シリコンウェハ等の半導体基板；ＡｌＴｉＣ基板、アルミナ基板等のセラミック基板；樹脂基板；ガラス基板等が挙げられる。基板２の種類に応じ、基板２の第１面２１上、特に基板２の第１面２１と磁気抵抗効果素子３との間にＡｌ２Ｏ３等を含む下地層（図示省略）が設けられていてもよい。基板２の厚さは、基板２の強度、バイオセンサ１の薄型化や軽量化等の観点から適宜設定され得るものであるが、例えば、５〜１００ｎｍ程度であればよい。
【００２０】
本実施形態において、磁気抵抗効果素子３としては、スピンバルブ型のＧＭＲ素子等を用いることができる。磁気抵抗効果素子３は、基板２側から順に積層された反強磁性層６１、磁化固定層６２、非磁性層６３及び自由層６４を含むＭＲ積層体６０を有する（図３参照）。反強磁性層６１は、反強磁性材料により構成され、磁化固定層６２との間で交換結合を生じさせることで、磁化固定層６２の磁化の方向を固定する役割を果たす。なお、磁気抵抗効果素子３は、基板２側から順に自由層６４、非磁性層６３、磁化固定層６２及び反強磁性層６４が積層された構成を有していてもよい。また、磁化固定層６２を、強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の積層フェリ構造とし、両強磁性層を反強磁性的に結合させてなる、いわゆるセルフピン止め型の固定層（Synthetic Ferri Pinned層，ＳＦＰ層）とすることで、反強磁性層６１が省略されていてもよい。
【００２１】
磁気抵抗効果素子３としてのＧＭＲ素子においては、非磁性層６３は非磁性導電層である。ＧＭＲ素子において、自由層６４の磁化の方向が磁化固定層６２の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°（互いの磁化方向が平行）のときに抵抗値が最小となり、１８０°（互いの磁化方向が反平行）のときに抵抗値が最大となる。
【００２２】
磁気抵抗効果素子３は、Ｘ軸方向（第１方向）に沿って延在する複数のライン状部３１がＹ軸方向（第２方向）に並列し、隣接するライン状部３１の端部間をリード電極６により連続させることで、ミアンダ状に構成されている（図４参照）。なお、図４において、図面が煩雑になるため、高さ調整層４及び保護層５の図示が省略されている。
【００２３】
磁気抵抗効果素子３としてのＧＭＲ素子は、一般に、相対的に低い素子抵抗値を有するため、バイオセンサ１から所定の強度の信号を出力させるためには、ＧＭＲ素子の線幅を細くし、線長を長くする必要がある。そして、ＧＭＲ素子を上記ミアンダ状に構成することで、基板２の第１面２１上における限られた領域内においてＧＭＲ素子の線幅を細くし、線長を長くすることができる。リード電極６は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｔａ、Ｔｉ等のうちの１種の導電材料又は２種以上の導電材料の複合膜により構成されていればよい。
【００２４】
上記複数のライン状部３１により構成される磁気抵抗効果素子３において、磁化固定層６２の磁化方向は、各ライン状部３１の短手方向と実質的に平行である。本実施形態に係るバイオセンサ１において、磁気抵抗効果素子３上の保護層５に捕捉された磁性ビーズ１０に対し、基板２の第１面２１に直交する方向の磁界Ｈを印加することで磁性ビーズ１０から浮遊磁場ＨＳが発生し、磁気抵抗効果素子３に印加される（図５参照）。この浮遊磁場ＨＳが磁気抵抗効果素子３に印加されることで、自由層６４の磁化の方向が変化し、それにより磁気抵抗効果素子３の抵抗値が変化する。その抵抗値の変化が信号として出力されることで、バイオセンサ１において、試料中の生体分子の存在及び存在量が検知され得る。
【００２５】
ライン状部３１の長手方向の長さは、バイオセンサ１全体の大きさやバイオセンサ１に要求される感度等に応じて適宜設定され得るものであるが、例えば、１０〜５００μｍ程度であればよく、短手方向の長さは、例えば、０．２〜１０μｍ程度であればよい。
【００２６】
本実施形態に係るバイオセンサ１の平面視において、磁気抵抗効果素子３の各ライン状部３１は、当該各ライン状部３１の外周縁に位置する第１領域３Ａと、第１領域３Ａの内部に位置し、第１領域３Ａによって囲まれる第２領域３Ｂとを有する。第１領域３Ａは、各ライン状部３１の上面３２の各端辺から、当該各端辺に直交して内方に向かう所定の幅Ｗ３Ａの領域である。かかる幅Ｗ３Ａは、４０ｎｍ以上であるのが好ましい。後述するように、磁気抵抗効果素子３の第１領域３Ａには高さ調整層４が設けられることで、当該第１領域３Ａにおける保護層５の上面は、第２領域３Ｂにおける保護層５の上面よりも高く構成される。より具体的には、第１領域３Ａにおける保護層５の上面の高さＨ３Ａは４０ｎｍ以上であるのが好ましい。このことは、磁気抵抗効果素子３の上面の端辺から半径４０ｎｍ以内の領域に磁性ビーズ１０が存在すると、バイオセンサ１の出力にノイズが重畳しやすくなることを意味する。そのため、第１領域３Ａの幅Ｗ３Ａが４０ｎｍ未満であると、第２領域３Ｂにおける第１領域３Ａ近傍に捕捉された磁性ビーズ１０からの浮遊磁場ＨＳにより、バイオセンサ１からの出力にノイズが重畳しやすくなるおそれがある。なお、第１領域３Ａの幅Ｗ３Ａの上限値は、磁気抵抗効果素子３の各ライン状部３１の上面の短手方向の幅の１／２未満であればよく、当該短手方向の幅の１０％程度であるのが好ましい。
【００２７】
本実施形態に係るバイオセンサ１において、磁気抵抗効果素子３の第１領域３Ａには、高さ調整層４が設けられている。高さ調整層４が設けられていることで、第１領域３Ａにおける保護層５の上面の高さを、第２領域３Ｂにおける保護層５の上面の高さよりも高くすることができる。なお、磁気抵抗効果素子３を構成する複数のライン状部３１の長手方向両端部は、リード電極６に被覆されるため、高さ調整層４は、複数のライン状部３１の点手方向両端部の第１領域３Ａに設けられればよい。この場合において、各ライン状部３１の長手方向両端部を被覆するリード電極６は、高さ調整層４としての機能をも果たし得る。
【００２８】
高さ調整層４は、例えば、リード電極６と同一材料により構成されていてもよいし、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＡｌＮ等の絶縁材料により構成されていてもよい。
【００２９】
高さ調整層４の厚さＴ４は、磁気抵抗効果素子３の第１領域３Ａ上の保護層５に捕捉される磁性ビーズ１０の浮遊磁場ＨＳによって、バイオセンサ１からの出力にノイズが重畳しない程度に適宜設定され得るものである。後述するように、第１領域３Ａにおける保護層５の上面の高さＨ３Ａが４０ｎｍ以上であれば、バイオセンサ１からの出力にノイズが重畳し難くなり、磁性ビーズ１０を用いて生体分子を高精度に検出することができる。そのため、例えば、保護層５の厚みＴ５が３０ｎｍ程度である場合には、高さ調整層４の厚さＴ４は、１０ｎｍ以上であればよい。
【００３０】
高さ調整層４の形状は、磁気抵抗効果素子３の第１領域３Ａにおける保護層５の上面の高さを第２領域３Ｂにおける保護層５の上面の高さよりも高くすることができる限り、特に限定されるものではない。例えば、高さ調整層４は、磁気抵抗効果素子３の第１領域３Ａから基板２の第１面２１に至るように設けられていてもよいし（図１参照）、第１領域３Ａにおける磁気抵抗効果素子３の上面から上方に立設する基部４１と、基部４１から面内方向に沿って磁気抵抗効果素子３の外側に向かって延在する延在部４２とを有し、延在部４２と磁気抵抗効果素子３との間に絶縁層７が設けられていてもよいし（図６参照）、第１領域３Ａにおける磁気抵抗効果素子３の上面にのみ設けられていてもよい（図７参照）。また、高さ調整層４は、磁気抵抗効果素子３と同一材料により構成されていてもよい（図８参照）。図８に示す態様において、高さ調整層４は、バイオセンサ１の製造過程におけるＭＲ膜７０のミリング処理において、ミリングされたＭＲ膜７０の構成材料を第１領域３Ａにおける磁気抵抗効果素子３の上面に再付着させることによって形成されたものであればよい。
【００３１】
本実施形態において、基板２の第１面２１、磁気抵抗効果素子３及び高さ調整層４の全体を被覆する保護層５は、磁性ビーズ１０に集積された生体分子が捕捉され得る層である。磁性ビーズ１０に集積された生体分子は、保護層５との間の、例えば、静電相互作用、水素結合相互作用等により保護層５に捕捉される。そのため、保護層５は、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＡｌＮ等の生体分子との間で静電相互作用、水素結合相互作用等を発揮し得る材料により構成されていればよい。なお、保護層５の表面、特に磁気抵抗効果素子３の第２領域３Ｂ上の保護層５の表面には、生体分子を容易に捕捉可能とするために、検出対象である生体分子と特異的に結合可能な親和性物質を備えていてもよい。
【００３２】
保護層５の厚さＴ５は、第２領域３Ｂにおける保護層５の上面に捕捉された生体分子に結合する磁性ビーズ１０から発生する浮遊磁場ＨＳが磁気抵抗効果素子３に印加され得る程度であればよく、第１領域３Ａにおける保護層５の上面の高さＨ３Ａ（磁気抵抗効果素子３の上面からの高さ）が４０ｎｍ以上となり、かつ第２領域３Ｂにおける保護層５の上面の高さＨ３Ｂ（磁気抵抗効果素子３の上面からの高さ）が３０ｎｍ程度となるように、高さ調整層４の厚さＴ４に応じて適宜設定され得る。例えば、高さ調整層４の厚さＴ４が１０ｎｍ程度である場合、保護層５の厚さＴ５は、例えば、３０ｎｍ程度に設定され得る。
【００３３】
上述した構成を有するバイオセンサ１を、検出対象の生体分子１１を含む試料と接触させることで、当該生体分子１１を保護層５の表面に捕捉させることができる。そして、保護層５の表面に捕捉された生体分子１１と磁性ビーズ１０とを結合させた後、傾斜磁場又は洗浄等により磁気抵抗効果素子３の第１領域３Ａ上の保護層５の表面に捕捉された生体分子１１及び磁性ビーズ１０を選択的に除去する。本実施形態においては、磁気抵抗効果素子３の第１領域３Ａ上の保護層５の表面の高さが、第２領域３Ｂ上の保護層５の表面の高さよりも高いことで、洗浄液の表面流速が第２領域３Ｂにおける保護層５上よりも大きく、洗浄が促されやすかったり、傾斜磁場等で脱離した磁性ビーズ１０が衝突しすくなったりする。その結果、傾斜磁場又は洗浄等により磁気抵抗効果素子３の第１領域３Ａ上の保護層５の表面に捕捉された生体分子１１及び磁性ビーズ１０を容易に選択的に除去することができる。
【００３４】
上記のようにして磁気抵抗効果素子３の第２領域３Ｂ上の保護層５の表面に生体分子１１及び磁性ビーズ１０を残存させた後、基板２の第１面２１に対する直交方向に沿って磁界Ｈを印加することで、磁性ビーズ１０が磁性を帯び、磁性ビーズ１０から浮遊磁場ＨＳが発生する（図５参照）。この浮遊磁場ＨＳが磁気抵抗効果素子３に印加されることで、自由層６４の磁化方向が変化し、その結果として磁気抵抗効果素子３の抵抗値が変化する。この抵抗値変化は、保護層５の表面に捕捉された生体分子１１に結合した磁性ビーズ１０の数との間で相関性（線形相関）を有するため、この抵抗値変化が信号としてバイオセンサ１から出力されることで、試料中における検出対象の生体分子の存在及び存在量を検出することができる。
【００３５】
本実施形態に係るバイオセンサ１を用いて検出可能な生体分子１１としては、例えば、ＤＮＡ、ｍＲＮＡ、ｍｉＲＮＡ、ｓｉＲＮＡ、人工核酸（例えば、ＬＮＡ（Locked Nucleic Acid）、ＢＮＡ（Bridged Nucleic Acid）等）等の核酸（天然由来であってもよいし、化学合成されたものであってもよい。）；リガンド、サイトカイン、ホルモン等のペプチド；受容体、酵素、抗原、抗体等のタンパク質；細胞、ウイルス、細菌、真菌等が挙げられる。
【００３６】
また、検出対象の生体分子１１を含む試料としては、例えば、血液、血清、血漿、尿、パフィーコート、唾液、精液、胸部滲出液、脳脊髄液、涙液、痰、粘液、リンパ液、腹水、胸水、羊水、膀胱洗浄液、気管支肺胞洗浄液、細胞抽出液、細胞培養上清等が挙げられる。
【００３７】
磁性ビーズ１０は、磁性を帯びることが可能な粒子であればよく、例えば、金、酸化鉄等により構成される粒子等であればよい。磁性ビーズ１０の平均粒子径は、例えば、５〜２５０ｎｍ程度であればよく、２０〜１５０μｍ程度であるのが好ましい。なお、磁性ビーズ１０の平均粒子径は、例えば、レーザ回折式粒子径分布測定装置（製品名：ＳＡＬＤ−２３００，島津製作所社製）を用いて計測され得る。
【００３８】
磁性ビーズ１０の表面は、ストレプトアビジン等のタンパク質が固定されていてもよく、生体分子と特異的に結合可能な親和性物質をさらに備えていてもよい。生体分子１１としてのリガンドを捕捉するために用いられる場合には、磁性ビーズ１０は親水性表面を有するのが好ましく、生体分子１１としての抗体を捕捉するために用いられる場合には、磁性ビーズ１０は疎水性表面を有するのが好ましい。
【００３９】
上述した構成を有するバイオセンサ１によれば、磁気抵抗効果素子３の第１領域３Ａに高さ調整層４を設けることで、当該第１領域３Ａ上に磁性ビーズ１０を捕捉させ難くすることができ、又は当該第１領域３Ａ上に捕捉された磁性ビーズ１０からの浮遊磁場ＨＳが磁気抵抗効果素子３の抵抗値変化に影響を与え難くすることができる。そのため、バイオセンサ１からの出力信号にノイズを重畳させることなく、磁性ビーズ１０を用いて高精度に生体分子を検出することができる。
【００４０】
上述した構成を有するバイオセンサ１は、例えば、以下のようにして作製することができる。図９Ａ〜９Ｆは、本実施形態に係るバイオセンサ１の製造方法の各工程を切断端面にて示す工程フロー図である。
【００４１】
シリコンウェハ等の半導体基板；ＡｌＴｉＣ基板、アルミナ基板等のセラミック基板；樹脂基板；ガラス基板等の基板２の第１面２１上における磁気抵抗効果素子３を形成する予定の領域にＡｌ２Ｏ３等を含む下地層（図示省略）を形成し、当該基板２の第１面２１上にＭＲ膜７０（反強磁性膜、強磁性膜、非磁性膜及び強磁性膜をこの順で積層した積層膜）をスパッタリング等により形成する（図９Ａ参照）。
【００４２】
次に、ＭＲ膜７０を覆う第１レジスト層８０及び第２レジスト層８１をこの順で積層形成し（図９Ｂ参照）、露光・現像処理により、磁気抵抗効果素子３に対応する、第１レジストパターン８２及び第２レジストパターン８３の積層構造を有するレジストパターン８４を形成する（図９Ｃ参照）。
【００４３】
第１レジスト層８０及び第２レジスト層８１を構成するレジスト材料としては、ポジ型又はネガ型のいずれのタイプであってもよいが、第１レジスト層８０を構成するレジスト材料（例えば、シクロペンタノン系）が、第２レジスト層８１を構成するレジスト材料（例えば、ノボラック樹脂系）よりも現像液（例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等の有機アルカリ現像液）に対する耐性の低いものであるのが好ましい。これにより、第１レジスト層８０及び第２レジスト層８１を同時に現像したときに、第１レジストパターン８２の側面が浸食され、ＭＲ膜７０、第１レジストパターン８２の側面及び第２レジストパターン８３の底面により囲まれる空間ＳＰを形成することができる。このようにして形成される空間ＳＰにより、後述する高さ調整層４の形成される領域、すなわち第１領域３Ａを規定することができる。なお、第１レジスト層８０の面内方向における浸食量により第１領域３Ａの幅Ｗ３Ａが制御されるが、この浸食量は、例えば、露光条件等を適宜設定することにより制御され得る。
【００４４】
次に、レジストパターン８４をマスクとしてＭＲ膜７０にミリング処理を施した後、所定のアニール処理を施しながら磁場を印加することで、基板２の第１面上に磁気抵抗効果素子３の複数のライン状部３１を形成する（図９Ｄ参照）。印加される磁場は、磁気抵抗効果素子３の各層の構成材料、各層の膜厚、寸法、形状、磁化固定層６２の垂直磁気異方性エネルギーＫｕと形状異方性エネルギーＫｄとから与えられる実効的な垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆ等に応じ、反強磁性層６１と磁化固定層６２との間に所定の交換磁気異方性を誘導させるように適宜設定され得る。
【００４５】
続いて、隣接するライン状部３１の長手方向端部間を連続するリード電極６を導電材料のスパッタリング等により形成するとともに、各ライン状部３１の第１領域３Ａに高さ調整層４を形成する（図９Ｅ参照）。上述したように、ライン状部３１の上面には第１レジストパターン８２及び第２レジストパターン８３の積層構造を有するレジストパターン８４が形成されており、ライン状部３１の上面の端辺から内方に向かう所定の領域上に空間ＳＰが形成されている（図９Ｃ参照）。このような空間ＳＰがあることで、導電材料のスパッタリング等により高さ調整層４の形成される領域（第１領域３Ａ）を規定することができる。すなわち、第１領域３Ａの幅Ｗ３Ａと第１領域３Ａに形成される高さ調整層４の厚みＴ４を、上記空間ＳＰの大きさにより制御することができる。具体的には、第１レジストパターン８２の厚み及び幅（浸食量）を調整することで、上記空間ＳＰの大きさを調整し、それにより、第１領域３Ａの幅Ｗ３Ａと第１領域３Ａに形成される高さ調整層４の厚みＴ４を制御することができる。
【００４６】
高さ調整層４がリード電極６と同一の導電材料により構成される場合、当該高さ調整層４は、リード電極６を形成するのと同時に各ライン状部３１の第１領域３Ａにも導電材料をスパッタリングすることで形成される。一方、高さ調整層４が絶縁材料により構成される場合、当該高さ調整層４は、リード電極６の形成前又は形成後に各ライン状部３１の第１領域３Ａに絶縁材料を成膜することで形成され得る。
【００４７】
最後に、レジストパターン８４を剥離除去した後、基板２の第１面２１、磁気抵抗効果素子３及び高さ調整層４を被覆する保護層５を形成する（図９Ｆ参照）。これにより、本実施形態に係るバイオセンサ１が製造され得る。
【００４８】
上述した構成を有するバイオセンサ１を用いた検出装置及び当該検出装置を備える検出システムについて説明する。図１０は、本実施形態における検出システムの概略構成を示す切断端面図である。
【００４９】
本実施形態における検出システム１００は、バイオセンサ１及び当該バイオセンサ１を支持する支持部１１０を有する検出装置と、磁界発生部１２０と、生体分子を含有する試料２００を収容する複数のリザーバ１４０を有するプレート１３０とを備える。
【００５０】
バイオセンサ１の保護層５の表面には、試料２００中の生体分子に特異的に結合可能なプローブ（例えば、リガンド等）が設けられていてもよい。もちろん、バイオセンサ１の保護層５の表面に当該プローブが設けられておらず、バイオセンサ１の保護層５の表面は、例えば、静電相互作用、水素結合相互作用等により、生体分子が保護層５に捕捉されるように構成されていてもよい。試料２００中の生体分子は、磁性ビーズ１０（図５参照）に集積されていればよい。バイオセンサ１を支持する支持部１１０は、各リザーバ１４０に挿入可能な大きさの複数の短冊状部を有する。各短冊状部の先端には、当該短冊状部の先端をリザーバ１４０に挿入したときに、各リザーバ１４０に収容される試料２００にバイオセンサ１を接触させ得るように、当該バイオセンサ１が取り付けられている。支持部１１０は、昇降可能に設けられており、これにより、各短冊状部を各リザーバ１４０に挿入したり、各リザーバ１４０から抜いたりすることができる。
【００５１】
磁界発生部１２０は、例えば、バイオセンサ１の基板２の第１面２１に対する直交する方向の磁界を発生させ得るコイル等により構成されており、各リザーバ１４０に収容される試料２００にバイオセンサ１を接触させているときに、当該バイオセンサ１に磁界が印加され得るように設けられている。
【００５２】
このような構成を有する検出システム１００において、各リザーバ１４０に収容されている試料２００にバイオセンサ１を接触させると、磁性ビーズ１０（図５参照）に集積されている生体分子が、バイオセンサ１の保護層５に捕捉される。その状態において、磁界発生部１２０から、基板２の第１面２１に対する直交方向に沿った磁界を発生させると、磁性ビーズ１０が磁性を帯び、磁性ビーズ１０から浮遊磁場ＨＳ（図５参照）が発生する。この浮遊磁場ＨＳが磁気抵抗効果素子３に印加されることで、自由層６４の磁化方向が変化し、その結果として磁気抵抗効果素子３の抵抗値が変化し、バイオセンサ１から信号が出力される。この磁気抵抗効果素子３の抵抗値変化は、保護層５の表面に捕捉された生体分子１１に結合した磁性ビーズ１０の数との間で相関性（線形相関）を有するため、検出システム１００においては、バイオセンサ１から出力される信号に基づいて、試料中の生体分子の存在及び存在量を検出することができる。
【００５３】
なお、上記検出システム１００において、磁界発生部１２０は、磁性ビーズ１０を磁化させるための磁界を発生させるとともに、磁化された磁性ビーズ１０に集積されている生体分子がバイオセンサ１の保護層５に捕捉されている状態において、磁気抵抗効果素子３の面内方向（ＸＹ平面の面内方向）の交流磁界を発生させるものであってもよい。この態様の検出システム１００において、まず、各リザーバ１４０に収容されている試料２００にバイオセンサ１を接触させ、磁界発生部１２０から発生させた磁界によって磁性ビーズ１０が磁化されるとともに、磁化された磁性ビーズ１０に集積されている生体分子がバイオセンサ１の保護層５に捕捉される。その状態において、磁界発生部１２０から上記交流磁界を発生させると、磁性ビーズ１０から浮遊磁場が発生する。この浮遊磁場が磁気抵抗効果素子３に印加されることで、自由層６４の磁化方向が変化し、その結果として磁気抵抗効果素子３の抵抗値が変化し、バイオセンサ１から信号が出力される。
【００５４】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００５５】
上記実施形態において、高さ調整層４を構成する導電材料（リード電極６と同一材料）又は絶縁材料を全面に成膜し、磁気抵抗効果素子３の第１領域３Ａに相当する領域にレジストパターンを形成した後、当該レジストパターンをマスクとしたエッチング処理により高さ調整層４を形成してもよい。また、レジストパターン８４をマスクとしたＭＲ膜７０のミリング処理においてイオンビームの照射角度を調整することで、磁気抵抗効果素子３の第１領域３Ａに相当する領域にＭＲ膜７０の構成材料を再付着させ、それにより高さ調整層４を形成してもよい。この場合において、高さ調整層４の高さ、すなわちＭＲ膜７０の構成材料の再付着量は、第１レジストパターン８２の厚み及び幅（浸食量）により規定される空間ＳＰの大きさと、イオンビームの照射角度とにより調整され得る。
【実施例】
【００５６】
以下、実施例等を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例等に何ら限定されるものではない。
【００５７】
〔試験例１〕
図１に示す構成を有するバイオセンサ１の第２領域３Ｂにおける保護層５の上面の高さＨ３Ｂを３０ｎｍとし、第１領域３Ａにおける保護層５の上面の高さＨ３Ａが表１に示すように異なる各サンプル（サンプル１〜４）について、第１領域３Ａ及び第２領域３Ｂに磁性ビーズ１０が捕捉された状態における磁気抵抗効果素子３の抵抗変化率（磁性ビーズ１０の捕捉前（ゼロ磁場）における磁気抵抗効果素子３の抵抗値を基準とした変化率）をシミュレーションにより求めた。結果を表１に示す。なお、サンプル４は、図１に示す構成のバイオセンサ１において高さ調整層４を有しない態様のもの、すなわち第１領域３Ａにおける保護層５の上面の高さＨ３Ａと第２領域３Ｂにおける保護層５の上面の高さＨ３Ｂとが同一のものである。また、各サンプルの抵抗変化率は、バイオセンサ１に要求される出力を得るための磁気抵抗効果素子３の抵抗変化率の設計値を１としたときの相対値である。
【００５８】
【表１】
2020161803.tif 000003
【００５９】
表１に示す結果から明白なように、バイオセンサ１が高さ調整層４を有さず、第１領域３Ａにおける保護層５の上面の高さＨ３Ａと第２領域３Ｂにおける保護層５の上面の高さＨ３Ｂとが同一であると（サンプル４）、磁気抵抗効果素子３の抵抗変化率が理想値から乖離し、バイオセンサ１の出力にノイズが重畳してしまう。その点、サンプル１〜３のように、第１領域３Ａにおける保護層５の上面の高さＨ３Ａを第２領域３Ｂにおける保護層５の上面の高さＨ３Ｂよりも高くすることで、磁気抵抗効果素子３の抵抗変化率を理想値に近付けることができる。そして、第１領域３Ａにおける保護層５の上面の高さＨ３Ａを４０ｎｍ以上とすることで、バイオセンサ１の出力に与えるノイズの影響を小さくすることができるため、磁性ビーズ１０を用いて試料中の生体分子１１を高精度に検出可能であることが確認された。
【００６０】
また、表１に示す結果から、断面視で磁気抵抗効果素子３の端辺を中心とする半径４０ｎｍ以内に磁性ビーズ１０が存在すると、バイオセンサ１の出力にノイズが重畳しやすくなるということができる。そのため、第１領域３Ａの幅Ｗ３Ａが、磁気抵抗効果素子３の端辺から４０ｎｍ以上であれば、磁性ビーズ１０を用いて試料中の生体分子１１を高精度に検出可能であるということができる。
【符号の説明】
【００６１】
１…バイオセンサ
２…基板
２１…第１面
２２…第２面
３…磁気抵抗効果素子
３１…ライン状部
３Ａ…第１領域
３Ｂ…第２領域
４…高さ調整層
５…保護層
【図１】
2020161803.tif 000004
【図２】
2020161803.tif 000005
【図３】
2020161803.tif 000006
【図４】
2020161803.tif 000007
【図５】
2020161803.tif 000008
【図６】
2020161803.tif 000009
【図７】
2020161803.tif 000010
【図８】
2020161803.tif 000011
【図９Ａ】
2020161803.tif 000012
【図９Ｂ】
2020161803.tif 000013
【図９Ｃ】
2020161803.tif 000014
【図９Ｄ】
2020161803.tif 000015
【図９Ｅ】
2020161803.tif 000016
【図９Ｆ】
2020161803.tif 000017
【図１０】
2020161803.tif 000018