(57)【要約】      （修正有）【課題】ＩＳＦＥＴ（イオン感応性電界効果トランジスタ）のオフセット・ドリフトや、複数のＩＳＦＥＴ間の閾値ばらつきを、データ処理の前にデバイス的に低減することができる生体分子計測装置を提供する。【解決手段】生体信号計測装置を、複数のワード線ＷＬと、複数のワード線ＷＬと交差する方向に延伸する複数のデータ線と、複数のワード線ＷＬと複数のデータ線のそれぞれの交点において基板上に設けられ、それぞれがイオン感応膜およびゲート酸化膜を有し、試料のイオン濃度を測定する複数のイオン感応トランジスタ７００と、基板を介して、ゲート酸化膜のそれぞれに、イオン感応トランジスタ７００内に蓄積されたキャリアをイオン感応トランジスタ７００から基板に移動させる電圧である基板電圧ＶＢＢＩを印加する第１ドライバ１１００とを有する構造とする。【選択図】図１０
2014115125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する方向に延伸する複数のデータ線と、
前記複数のワード線と前記複数のデータ線のそれぞれの交点において基板上に設けられ、それぞれがイオン感応膜およびゲート酸化膜を有し、試料のイオン濃度を測定する複数のイオン感応トランジスタと、
前記基板を介して、前記ゲート酸化膜のそれぞれに、前記イオン感応トランジスタ内に蓄積されたキャリアを前記イオン感応トランジスタから前記基板に移動させる電圧である基板電圧を印加する第１ドライバと、を有することを特徴とする生体分子計測装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記複数のデータ線と接続され、前記複数のイオン感応トランジスタに前記キャリアを注入する第２ドライバをさらに有することを特徴とする生体分子計測装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１ドライバを駆動した後に前記第２ドライバを駆動させるコントローラをさらに有することを特徴とする生体分子計測装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記第２ドライバは、スイッチを介して前記複数のデータ線と同時に接続され、前記複数のイオン感応トランジスタに一括して前記キャリアを注入することを特徴とする生体分子計測装置。
【請求項５】
請求項２において、
前記第２ドライバは、スイッチを介して前記複数のデータ線のいずれかと接続され、前記複数のイオン感応トランジスタのいずれかに前記キャリアを注入することを特徴とする生体分子計測装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記イオン感応膜のそれぞれに参照電圧を印加する参照電極をさらに有し、
前記複数のイオン感応トランジスタの間で、前記基板および前記参照電極は共通であり、
前記第１ドライバは、前記基板がｐ型半導体である場合は、前記基板の電位を前記参照電極の電位より高電位とするドライバであり、前記基板がｎ型半導体である場合は、前記基板の電位を前記参照電極の電位より低電位とするドライバであることを特徴とする生体分子計測装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記キャリアは、前記基板がｐ型半導体の場合は電子であり、前記基板がｎ型半導体の場合はホールであることを特徴とする生体分子計測装置。
【請求項８】
請求項１において、
前記複数のイオン感応トランジスタのそれぞれは、前記ゲート絶縁膜上に設けられるゲート電極と、前記ゲート電極上に設けられるフローティングゲートと、をさらに有することを特徴とする生体分子計測装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記イオン感応膜のそれぞれに参照電圧を印加する参照電極をさらに有し、
前記生体分子計測装置は、前記参照電極と、前記イオン感応膜のそれぞれの間に試薬を注入し、前記試薬を注入する度に前記イオン感応トランジスタのそれぞれからの信号を読み出す装置であり、
前記第１ドライバは、前記信号を読み出す度に、前記基板電圧を印加することを特徴とする生体分子計測装置。
【請求項１０】
請求項１において、
前記イオン感応膜のそれぞれに参照電圧を印加する参照電極をさらに有し、
前記生体分子計測装置は、前記参照電極と、前記イオン感応膜のそれぞれの間に複数種類の試薬を１サイクルとして繰り返し注入し、前記試薬のそれぞれを注入する度に前記イオン感応トランジスタのそれぞれからの信号を読み出す装置であり、
前記第１ドライバは、前記１サイクルの試薬を注入してそれぞれの試薬からの信号を読み出す度に、前記基板電圧を印加することを特徴とする生体分子計測装置。
【請求項１１】
複数のワード線と、前記複数のワード線と交差する方向に延伸する複数のデータ線と、前記複数のワード線と前記複数のデータ線の交点において基板上に設けられ、それぞれがイオン感応膜およびゲート酸化膜を有し、試料のイオン濃度を測定する複数のイオン感応トランジスタと、を有するチップに対して制御を行う生体分子計測装置であって、
前記基板を介して、前記ゲート酸化膜のそれぞれに、前記イオン感応トランジスタ内に蓄積されたキャリアを前記イオン感応トランジスタから前記基板に移動させる電圧である基板電圧を印加する第１ドライバを有することを特徴とする生体分子計測装置。
【請求項１２】
複数のワード線と、前記複数のワード線と交差する方向に延伸する複数のデータ線と、前記複数のワード線と前記複数のデータ線の交点において基板上に設けられ、それぞれがイオン感応膜およびゲート酸化膜を有し、試料のイオン濃度を測定する複数のイオン感応トランジスタと、を有するチップを用いた生体分子の計測方法であって、
（ａ）前記基板を介して、前記ゲート酸化膜のそれぞれに、前記イオン感応トランジスタ内に蓄積されたキャリアを前記イオン感応トランジスタから前記基板に移動させる電圧である基板電圧を印加する第１工程と、
（ｂ）前記第１工程の後に、前記複数のイオン感応トランジスタの少なくとも１つに、前記キャリアを注入する第２工程と、
を有することを特徴とする生体分子の計測方法。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記第２工程は、前記複数のイオン感応トランジスタのそれぞれに、一括して前記キャリアを注入する工程であることを特徴とする生体分子の計測方法、
【請求項１４】
請求項１２において、
前記第２工程は、前記複数のイオン感応トランジスタのうちいずれか１つに、前記キャリアを注入する工程であることを特徴とする生体分子の計測方法。
【請求項１５】
請求項１２において、
前記キャリアは、前記基板がｐ型半導体である場合は電子であり、前記基板がｎ型半導体である場合はホールであることを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体分子計測装置および生体分子の計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体技術を用いた生体分子計測装置が注目されている。特許文献１には、半導体技術で作成したｐＨセンサアレイによって、デオキシリボ核酸(ＤＮＡ)の塩基配列を低コスト、高速に決定する新型のＤＮＡシーケンサが記載されている。半導体センサは、対象とする生体物質の反応を電気信号の強弱で定量するため、従来のような高価な蛍光試薬が不要で、コスト面で有利である。また、半導体の微細加工技術によって数百万から数億のセンサを集積可能で、並列に測定できるため、測定のスループットも向上しやすい。
【０００３】
生体分子計測装置の分野で特に良く用いられる半導体センサの一つは、イオン感応性電界効果トランジスタ（Ｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下「ＩＳＦＥＴ」）である。詳細は実施例において後述するが、ＩＳＦＥＴとは、イオン感応膜上に誘起される界面電位を測定するデバイスである。そのため、デバイス中に、測定対象のイオンに由来する以外の電荷が存在すると、測定誤差の要因となる。ところが、半導体プロセスでは、デバイスの製造時にプラズマによる加工やイオン注入を行うため、デバイス中に電荷が蓄積されやすいという課題がある。係る課題に関連して、非特許文献１には、特に、イオン感応膜、保護膜、電極の界面や、フローティング電極、ゲート酸化膜に電荷が蓄積されることが記載されている。非特許文献２には、こうした電荷蓄積により、ＩＳＦＥＴの閾値が±１０Ｖ程度オフセットすることが記載されている。
【０００４】
また、ＩＳＦＥＴには、ドリフトと呼ばれる、測定中に特性がシフトしていく課題も知られている。ドリフトとは、測定中に感応膜と溶液が化学反応を起こすなどして、感応膜に電荷が捕獲されるためにおこる現象である。ドリフト量は、デバイスの製造方法や構造に大きく依存するが、およそ １０ｍＶ／時間程度の割合で閾値がシフトすることが、非特許文献３に記載されている。
【０００５】
以上で述べたような、捕獲電荷による閾値のオフセットやドリフトは、測定誤差の要因となるため、軽減する必要がある。捕獲電荷を取り除く従来技術として、紫外線を照射することで電荷にエネルギーを与えてデバイス外部へと抜き出す方法が、特許文献１に記載されている。また、紫外線の照射は、例えば１０時間など、長時間行う必要があることが、非特許文献４に記載されている。また別の方法として、ホットエレクトロン注入により、捕獲電荷による閾値変化を低減できる旨が、非特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１０−５１３８６９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】”ISFET threshold voltage programming in CMOS using hot-electron injection” Georgiou, et. al, Electronics Lett. Oct. 2009
【非特許文献２】”An Extended CMOS ISFET Model Incorporating the Physical Design Geometry and the Effects on Performance and Offset Variation” Liu, et. al, IEEE Trans. Elec. Dev, Dec, 2011
【非特許文献３】”Design of a Single-Chip pH Sensor Using a Conventional 0.6-_m CMOS Process” Hammond, et. al, IEEE Sensors, Dec. 2004
【非特許文献４】”Matching the Transconductance Characteristics of CMOS ISFET Arrays by Removing Trapped harge” Milgrew, et. Al, IEEE Elec. Dev., Apr. 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１や非特許文献４に記載の、紫外線照射に関する技術は、紫外線によって生体分子を破壊する恐れがあるため、測定中のドリフト低減には使えない。また、紫外線照射により捕獲電荷を取り除く方法は、上述の通り長時間の照射が必要になるという課題もある。
【０００９】
非特許文献１では、捕獲電荷の影響を低減する方法に関し、特に単体ＩＳＦＥＴへのホットエレクトロン注入については検討されている。しかし、特に複数のＩＳＦＥＴセルをアレイ状に配置した生体試料測定装置に好適な方法については何ら検討がなされていない。また、ホットエレクトロン注入では閾値を上げる側にしか働かないという課題もある。
【００１０】
ここで、別の解決手段として、デバイスの特性を較正する手法も取りうるように思われる。例えば、単体ＩＳＦＥＴを用いたｐＨセンサであれば、はじめにｐＨの基準となる標準溶液を用いた較正作業を行い、センサ外の部分で補正をかけることで測定精度を維持することも可能である。しかし、多数のＩＳＦＥＴをアレイ状に配置した半導体センサアレイの場合では、数百万にも及ぶＩＳＦＥＴからのデータの一つ一つに対して較正作業を行う必要があり、現実的でない。
【００１１】
さらに、単体ＩＳＦＥＴを用いたｐＨとは異なり、半導体センサアレイの場合には、各ＩＳＦＥＴ間の閾値のばらつきによる課題もある。以下、図１および図２を用いて、この課題について説明する。図１（ａ）は、ＩＳＦＥＴアレイ１００２の中の３つのＩＳＦＥＴの断面図を模式的に表したものであり、図１（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図である。図１（ｂ）は、ＩＳＦＥＴアレイ１００２の上面図である。なお、各トランジスタへの配線は省略してある。それぞれのＩＳＦＥＴには、チップを製造した段階で構造上に正電荷８００や負電荷８０１がトラップされ、その量はＩＳＦＥＴごとに異なる。トラップされる場所は、主にイオン感応膜１００の表面、イオン感応膜１００と保護膜１０１との界面、フローティングゲート１０２、ゲート酸化膜１０４である。各ＩＳＦＥＴの閾値は、トラップされた電荷の種類と量に依存してオフセットする。ＩＳＦＥＴアレイを用いた生体分子計測装置の課題は、閾値のオフセットによって、測定波形が図２（ａ）のようにＩＳＦＥＴごとに異なる点である。確かに、オフセットは、測定後にデータ処理で軽減する事も可能ではある。例えば、時刻Ｔ１の値は相対的なオフセット量を表しているため、各ＩＳＦＥＴの波形データについて時刻Ｔ１の値を差し引けば、データ処理後は、オフセットの影響を低減することができる。しかしながら、こうしたアプローチをとることで、測定時のデータ量が増大するという別の課題が生じる。次にこの課題について説明する。
【００１２】
まず、水素イオン濃度の変動による理論上の電圧変動は、ネルンストの式から求めることができ、２５℃においてはおおよそ５９ｍＶ／ｐＨである。実際のＩＳＦＥＴにおいては、水素イオン濃度の変動はこれより若干低下するため、図２（ａ）に示す信号強度（ΔＶＴＨ）はｐＨあたり数１０ｍＶ程度となる。一方、先に述べたように、ＩＳＦＥＴの閾値ばらつきに起因して、測定データのオフセットがばらつく。ばらつき量は製造方法やデバイスの構造に大きく依存するが、たとえば±１０Ｖ程度ばらつく。従って、ＩＳＦＥＴから出力される波形のばらつきΔＶＲＤは±１０Ｖのオーダーとなる。
【００１３】
このように、波形のばらつきΔＶＲＤがΔＶＴＨよりも３桁程度大きいものとなるため、波形を読み出すＡ／Ｄコンバータには高いダイナミックレンジが要求され、また出力されるデータ量は膨大になる。たとえば、１ｍＶの精度で測定する場合、±１０Ｖのレンジでばらつく波形データを全て記録するには１４〜１５ビットのＡ／Ｄ変換精度が必要である。ｐＨ変化による波形変動は数秒単位にわたるため、１００Ｈｚのサンプリングレートで５秒測定するとすれば、１セル、１回の測定当たりの出力データ量はおよそ１ｋバイトである。測定を１００回繰り返すとし、ウェル数を１００万とすれば、最終的に出力されるデータ量は１００Ｇバイトであり、複数回の測定データを保存するとなると膨大な量となる事が分かる。これに対し、仮に、ＩＳＦＥＴのオフセットが無い場合、測定すべきデータ範囲はｐＨ１〜ｐＨ１４の変動で５９ｍＶ×１４＝８２６ｍＶと、たかだか１Ｖである。結果、１ｍＶの精度で測定する場合でもＡ／Ｄ変換精度は１０ビットで良く、データ量を３割近く低減可能となる。このように、データ量を考慮すると、ＩＳＦＥＴのオフセット・ドリフトや、複数のＩＳＦＥＴ間の閾値ばらつきは、データ処理の前にデバイス的に低減することが望ましい。
【００１４】
以上を踏まえ、本願発明の目的は、複数のＩＳＦＥＴを用いた生体試料の測定により好適な生体分子計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願における課題を解決するための手段のうち代表的なものを例示すれば、生体分子計測装置であって、複数のワード線と、複数のワード線と交差する方向に延伸する複数のデータ線と、複数のワード線と複数のデータ線のそれぞれの交点において基板上に設けられ、それぞれがイオン感応膜およびゲート酸化膜を有し、試料のイオン濃度を測定する複数のイオン感応トランジスタと、基板を介して、ゲート酸化膜のそれぞれに、イオン感応トランジスタ内に蓄積されたキャリアをイオン感応トランジスタから基板に移動させる電圧である基板電圧を印加する第１ドライバと、を有することを特徴とする。
【００１６】
または、複数のワード線と、複数のワード線と交差する方向に延伸する複数のデータ線と、複数のワード線と複数のデータ線の交点において基板上に設けられ、それぞれがイオン感応膜およびゲート酸化膜を有し、試料のイオン濃度を測定する複数のイオン感応トランジスタと、を有するチップに対して制御を行う生体分子計測装置であって、基板を介して、ゲート酸化膜のそれぞれに、イオン感応トランジスタ内に蓄積されたキャリアをイオン感応トランジスタから基板に移動させる電圧である基板電圧を印加する第１ドライバを有することを特徴とする。
【００１７】
または、複数のワード線と、複数のワード線と交差する方向に延伸する複数のデータ線と、複数のワード線と複数のデータ線の交点において基板上に設けられ、それぞれがイオン感応膜およびゲート酸化膜を有し、試料のイオン濃度を測定する複数のイオン感応トランジスタと、を有するチップを用いた生体分子の計測方法であって、（ａ）基板を介して、ゲート酸化膜のそれぞれに、イオン感応トランジスタ内に蓄積されたキャリアをイオン感応トランジスタから基板に移動させる電圧である基板電圧を印加する第１工程と、（ｂ）第１工程の後に、複数のイオン感応トランジスタの少なくとも１つに、キャリアを注入する第２工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複数のＩＳＦＥＴを用いた生体試料の測定により好適な生体分子計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）はＩＳＦＥＴアレイの断面図であり、（ｂ）はＩＳＦＥＴアレイの上面図である。
【図２】（ａ）はＩＳＦＥＴの閾値の測定波形であり、（ｂ）はＩＳＦＥＴのドレイン電流−参照電極電圧特性である。
【図３】本願発明に係る生体分子計測装置全体の一構成例を示すブロック図である。
【図４】ＤＮＡの構造と伸長反応を説明する図である。
【図５】本願発明に係る生体分子計測装置によるＤＮＡ配列決定手段を説明するフローチャートである。
【図６】伸長反応の有無による閾値の変化を説明する図である。
【図７】ＩＳＦＥＴアレイチップの構成例を示すブロック図である。
【図８】ＩＳＦＥＴアレイの構成例を示すブロック図である。
【図９】（ａ）はＩＳＦＥＴからのキャリア引き抜きを説明する模式図であり、（ｂ）は引き抜き前後におけるＩＳＦＥＴの閾値分布を示す図である。
【図１０】ＩＳＦＥＴからのキャリア引き抜きに用いるドライバを示す回路図である。
【図１１】選択回路を示す回路図である。
【図１２】アンプを示す回路図である。
【図１３】図１２の回路の動作タイミングを説明するタイミングチャートである。
【図１４】（ａ）はＩＳＦＥＴへのキャリア注入を説明する模式図であり、（ｂ）はキャリア注入前後におけるＩＳＦＥＴの閾値分布を示す図である。
【図１５】ＩＳＦＥＴへのキャリア注入に用いるドライバを示す回路図である。
【図１６】ＩＳＦＥＴへのキャリア注入に用いるドライバを示す回路図である。
【図１７】（ａ）はＩＳＦＥＴに一括してキャリア注入する際のフローチャートであり、（ｂ）はＩＳＦＥＴに個別にキャリア注入する際のフローチャートである。
【図１８】図１７（ａ）に対応するタイミングチャートである。
【図１９】図１７（ｂ）に対応するタイミングチャートである。
【図２０】アンプを示す回路図である。
【図２１】ＩＳＦＥＴに対しキャリアの引き抜きおよび注入を行う際のフローチャートである。
【図２２】ＩＳＦＥＴに対しキャリアの引き抜きおよび注入を行う際の閾値分布を示す図である。
【図２３】ＩＳＦＥＴに対しキャリアの引き抜きおよび注入を行う際のタイミングチャートである。
【図２４】補正タイミングを説明するフローチャートである。
【図２５】補正タイミングを説明するフローチャートである。
【図２６】補正タイミングを説明するフローチャートである。
【図２７】（ａ）および（ｂ）は、補正タイミングを説明するフローチャートである。
【図２８】ＩＳＦＥＴの変形例を説明する断面図である。
【図２９】セル構成の変形例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。実施例の各ブロックを構成するトランジスタは特に制限されないが、公知のＣＭＯＳ(相補型ＭＯＳトランジスタ)等の集積回路技術によって、単結晶シリコンのような１個の半導体基板上に製造される。即ち、ウェルと、素子分離領域と、酸化膜と、を形成する工程と、その後、ゲート電極と、ソース・ドレイン領域となる第１と第２半導体領域と、を形成する工程により製造される。ＭＯＳＦＥＴ(Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)の回路記号は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ（以下ＰＭＯＳとする）にはゲートに丸の記号を付すことで、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（以下ＮＭＯＳとする）と区別することとする。
【００２１】
以下、ＭＯＳＦＥＴを簡略化してＭＯＳあるいはＭＯＳトランジスタと呼ぶことにする。但し本発明に用いられるトランジスタは、金属ゲートと半導体層の間に設けられた酸化膜を含む電界効果トランジスタだけに限定されるわけではなく、絶縁膜を間に含むＭＩＳＦＥＴ(Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)等の一般的なＦＥＴも含む。
【００２２】
図１に、ＩＳＦＥＴアレイ１００２の模式図をしめす。図１（ｂ）は、ＩＳＦＥＴアレイ１００２の上面図であり、図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡＡ’線における断面図である。ＩＳＦＥＴアレイ１００２には、その底部にＩＳＦＥＴのイオン感応膜１００が位置するウェル７０３が２次元状に配置される。ウェル７０３は、半導体プロセスで形成された数１００ｎｍ〜数μｍ程度の大きさの穴である。そして、測定の際には、各ウェル７０３の中に、測定対象となる生体分子７０１が付着したビーズ７０２が装填される。特に生体分子７０１がＤＮＡである場合は、ＤＮＡ７０１をビーズ７０２に付着させる際に、エマルジョンＰＣＲなどの方法で測定対象のＤＮＡを複製し、ビーズ上のＤＮＡ本数を増やしておくと、発生する水素イオン（詳細は図４で後述する）の量が増えて検出が容易になる。
【００２３】
ＩＳＦＥＴは通常、イオン感応膜１００、保護膜１０１、フローティング電極１０２、ゲート電極１０３、ゲート酸化膜１０４、ドレイン１０５、ソース１０６、シリコン基板１０７、基板コンタクト１１０からなる。場合によってはフローティング電極１０２とゲート電極１０３が無く、ゲート酸化膜１０４の上に直接、保護膜１０１とイオン感応膜１００を積層する場合もある。生体分子７０１から発生するイオンを測定する際は、感応膜１００を溶液１０８に接触させ、また、参照電極１０９を溶液１０８中に浸す。この状態で、参照電極に電圧ＶＲＥＦを与えると、イオン感応膜１００、保護膜１０１、ゲート酸化膜１０４での容量性結合を介してドレイン−ソース間にチャネルが誘起され、図２（ｂ）に示すようなドレイン電流―参照電極電圧特性が得られる。この時、溶液１０８中にイオンが存在すると、イオン感応膜１００と溶液１０８の間に界面電位が発生し、ゲート電極にかかる実効的な電圧が変化する。界面電位の大きさはイオンの濃度に依存するため、例えば溶液１０８のイオン濃度がＣ１からＣ２に変化すると、トランジスタの閾値がＶ１からＶ２に変化したように見える。この閾値の変化から、溶液１０８のイオン濃度を測定することが可能である。
【００２４】
図３は、生体分子計測装置全体の一構成例を示すブロック図である。測定対象の生体分子７０１は、ビーズ７０２に付着する形で、ＩＳＦＥＴアレイチップ３００上に装填される。その後、1種または複数種類の試薬が、送液装置３０７によって試薬容器３０１〜３０５から送液され、ＩＳＦＥＴアレイチップ３００上で生体分子７０１と反応する。この反応の生成物であるイオンの濃度変化を、ＩＳＦＥＴアレイチップ３００で検出する。反応後の廃液は、廃液容器３０６で回収される。送液装置３０７の実現方法としては、例えば、一般的な送液ポンプを複数使用しても良いし、またはアルゴンなどの不活性ガスを、試薬容器ごとに用意されたバルブを介して圧力を調整しながら試薬容器３０１〜３０５に注入して、ガスの圧力で容器から試薬を押し出しても良い。コントローラ３０８は、あらかじめプログラムされた実験シーケンスとデータ処理装置３０９で取得したデータに応じて、送液装置３０７の送液ポンプの送液量の調整、ＩＳＦＥＴアレイチップ３００の動作状態の制御、データ処理装置３０９の制御、試薬流路３１０〜３１２上またはＩＳＦＥＴアレイ上に配置された参照電極１０９の電圧を制御する。データ処理装置３０９は、ＩＳＦＥＴアレイチップ３００から出力されたデータを取得、解析するもので、一般的なＡ／Ｄ変換器を搭載したインターフェースボードとコンピュータから構成される。
【００２５】
検出対象のイオンは、図１（ａ）のイオン感応膜１００の材料を選択することで変更する事ができる。イオン感応膜の材料の中で、特に半導体プロセスで成膜しやすい材料としては、酸化シリコンＳｉＯ２、窒化シリコンＳｉ３Ｎ４、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３、酸化タンタルＴａ２Ｏ５などがある。これらの材料は、それぞれイオンごとに検出感度が異なり、例えばＴａ２Ｏ５は上記材料の中で、水素イオンの検出感度が最も高く、一方でナトリウムイオンに関する感度が最も低い。従って、Ｔａ２Ｏ５は、水素イオンを測定する用途、言い換えれば、溶液の水素イオン指数ｐＨを測る用途に好適である。
【００２６】
以下、生体分子測定装置として、ＤＮＡの伸長反応によって発生する水素イオン濃度の変化を測定する半導体ＤＮＡシーケンサを例に、本発明の詳細な実施方法を説明するが、本発明の適用先はＤＮＡシーケンサに限定されない。ＩＳＦＥＴは前述のようにイオン感応膜を選ぶことで種々のイオンを検出可能であり、ナトリウムイオンやカリウムイオンが変化するような生体分子の測定に適用可能である。
【００２７】
まず、図４を用いて、ＤＮＡの構造と伸長反応について説明する。図４（ａ）は、一本鎖ＤＮＡを模式的に表した図である。実際の一本鎖ＤＮＡは、リン酸とデオキシリボースからなる鎖に４種類の塩基が結合し、複雑な立体構造を形成するが、ここでは簡単のため、リン酸とデオキシリボースからなる鎖を直線４０４で表し、４種類の塩基、すなわちアデニンをＡ（４００）、チミンをＴ（４０１）、シトシンをＣ（４０２）、グアニンをＧ（４０３）のように記号で表す。
【００２８】
図４（ｂ）はＤＮＡの伸長反応を模式的にあらわしたものである。ＡＴＣＧの１本鎖４０５に、ＴＡＧからなるプライマ４０６が結合した状態を示す。この状態で、シトシンを含むデオキシリボヌクレオチド３リン酸（ｄＮＴＰ）の一種（ｄＣＴＰ）４０７とＤＮＡポリメラーゼが存在すると、ｄＣＴＰがＧ末端に結合すると同時に、図４（ｃ）に示すように、２リン酸４０９と水素イオン４０８が離脱する。
【００２９】
水素イオンの検出でＤＮＡ配列を決定する方法は以下のとおりである。まず、配列を決定したい未知の１本鎖ＤＮＡにプライマを結合させる。この状態で、ｄＣＴＰ、ｄＴＴＰ、ｄＡＴＰ、ｄＧＴＰの４種の試薬を順番に注入し、それぞれの試薬を注入した際の水素イオン濃度を測定する。例えばｄＡＴＰを注入した時に水素イオンが発生すれば、元の１本鎖ＤＮＡのうちプライマが結合した部分を除いた先頭が、Ａの相補塩基、すなわちＴであった事が分かる。上記試薬の注入と水素イオン濃度を測定することで、順番にＤＮＡ配列を決定する事ができる。
【００３０】
図３の生体分子計測装置によるＤＮＡ配列決定手順を図５に示す。以下、ＩＳＦＥＴアレイチップ上の１つのＩＳＦＥＴと、その直上に形成された１つのウェルをまとめてセルと呼ぶこととする。ビーズ７０２の装填が終わった段階でＩＳＦＥＴアレイチップ３００を装置にセットし、測定を開始すると、装置はあらかじめ決められた手順で試薬ｄＮＴＰを選択し（６００）、送液装置３０７によって試薬をＩＳＦＥＴアレイチップ３００上のフローセルに注入する（６０１）。この時、各ＩＳＦＥＴの閾値を測定する（６０２）と、どのセルで水素イオンが発生したかがわかる。次に、洗浄液６０３を注入し、反応しなかったｄＮＴＰと、反応生成物である水素イオン、２リン酸を洗い流す（６０４）。洗浄が終わった後、次のｄＮＴＰを選択して（６０５〜６０８）、注入する、というフローを繰り返す。
【００３１】
伸長反応の有無による閾値の変化を、図６を用いて説明する。図６（ａ）は１つのセルを模式的にあらわしたものであり、ＩＳＦＥＴ７００上にＤＮＡ７０１が固定されていることをしめす。ここに、時刻Ｔ１で洗浄液、時刻Ｔ２でｄＮＴＰ、時刻Ｔ３で洗浄液が注入される。各時刻でのＩＳＦＥＴの閾値変化が図６（ｂ）および図６（ｃ）である。伸長反応があるときは、時刻Ｔ２でｄＮＴＰが注入された段階で水素イオンが発生するため、図６（ｂ）のように閾値が変化する。その後、時刻Ｔ３で刻洗浄によって水素イオンが元の濃度に戻るため、閾値も元のレベルに戻る。一方、伸長反応がない場合は水素イオンが発生しないため、図６（ｃ）のように、どの時刻でも閾値は変化しない。
【００３２】
以下、図７以下を用いて、本実施例に係る生体分子計測装置の詳細を説明する。
【００３３】
図７は、ＩＳＦＥＴアレイチップ３００の構成例を示したブロック図である。図７において、電源はアナログ電源電圧ＶＤＤＡ、アナロググラウンド電圧ＶＳＳＡ、デジタル電源電圧ＶＤＤ、デジタルグラウンド電圧ＶＳＳである。デジタル電源電圧はおもにデジタル回路部、すなわち、列デコーダ１００８、列選択ドライバ１００９、レジスタ１００５、列選択スイッチ１００６、出力ドライバ１００７に供給され、それ以外の回路にはアナログ電源電圧が供給される。ＩＳＦＥＴ基板電圧ＶＢＢＩは、オンチップの電源回路１０１３において、アナログ電源電圧ＶＤＤＡとアナロググラウンド電圧ＶＳＳＡから生成される。ＸＡＤＤとＹＡＤＤはそれぞれ行アドレスと列アドレスであり、図４のコントローラ３０８が生成する。行デコーダ１０００は、一般的なｎビットデコーダであり、入力されたｎビットの行アドレスＸＡＤＤに従い、内部の２＾ｎ本の行選択信号ＲＯＷのうちのｊ番目の１本を活性化する。列デコーダ１００８も行デコーダ１０００と同様の回路で、ｍビットの列アドレスＹＡＤＤに基づいて内部の２＾ｍ本の列選択信号ＣＯＬのうち、ｋ番目の１本を活性化する。ｎ、ｍの値は、例えば１０２４セル×１０２４セル＝１００万並列のＩＳＦＥＴアレイの場合、ｎ＝１０、ｍ＝１０である。行選択ドライバ１００１は、行選択信号ＲＯＷと行選択パルスＸＳから、２＾ｎ本の行選択線ＷＬのうち１つを活性化するものであり、例えば２＾ｎ個の単純なＯＲ論理回路で実現できる。列選択ドライバ１００９も行選択ドライバと同様である。
【００３４】
ここで、図７におけるＩＳＦＥＴアレイ１００２は、ＩＳＦＥＴとＩＳＦＥＴを選択するための手段とをワード線ＷＬとデータ線ＤＬＡの交点に２次元状に並べたものである。図８は、ＩＳＦＥＴアレイ１００２の構成例である。各々のセルは、２つの選択トランジスタ１２００、１２０１とＩＳＦＥＴ７００から構成される。各々のセルは、行選択線ＷＬｋ、ソース線ＳＬｋ、データ線ＤＬＡｋ、ＤＬＢｋに接続される。また、ＩＳＦＥＴアレイ内の全てのトランジスタの基板電位は共通で、ＩＳＦＥＴ基板電源ＶＢＢＩ（１２０２）が供給される。先に述べたように、行アドレスＸＡＤＤによってｊ番目のＷＬｊがＨ状態に活性化されると、ＷＬｊに接続される全てのセルにおいて、選択トランジスタが導通状態となり、同一ＷＬｊ上の全てのＩＳＦＥＴが、それぞれ接続されるソース線ＳＬとデータ線ＤＬＡに接続される。図８では、全てのトランジスタがＮＭＯＳである例を示したが、もちろん全てをＰＭＯＳで構成しても良い。この場合、行選択線ＷＬの論理が反転する。
【００３５】
ソース線ＳＬｋ、データ線ＤＬＡｋ、ＤＬＢｋは、読み出し回路１０１１中のアンプ１００３中のｋ番目のアンプ１００３ｋに接続される。図１２にアンプの詳細を示す。本アンプは２つの一般的な定電流源１７００、１７０４、２つのアンプ１７０１、１７０２、および出力用のアンプ１７０３とトランジスタ１７０５からなる。２２０１と２３００はアナログスイッチである。２２０１はコントローラ３０８からの駆動信号φ１に基づき、ソース線ＳＬｋとデータ線ＤＬＡｋとＤＬＡＢｋをそれぞれ定電流源１７００、アンプ１７０１、アンプ１７０２から切り離す。一方、２３００は、コントローラ３０８からの駆動信号φ０に基づき、ソース線ＳＬｋとデータ線ＤＬＡｋとＤＬＡＢｋをプリチャージ電圧ＶＰＣに接続するためのスイッチである。ＤＮＡ配列を測定する場合は２２０１は接続状態、２３００は切断状態である。まず、この時のアンプの動作について説明する。
【００３６】
定電流源１７００と１７０３は片方の端子がアナロググラウンド電圧 ＶＳＳＡに接続され、一定の電流をＶＳＳＡへ引き抜く。１７０１と１７０２は増幅率１倍のボルテージフォロワ構成のアンプであり、一般的な差動増幅回路で実現できる。これらのアンプにより、ＤＬＡｋとＤＬＢｋとの間に、トランジスタ１７０５と、定電流源１７０４に流れる一定電流Ｉｄで決定される一定電圧ＶＡＢを発生させる。かかる構成によれば、ＩＳＦＥＴアレイ中の選択ＩＳＦＥＴのソース・ドレイン電圧はおよそＶＡＢの一定値で固定され、また、ドレイン電流は定電流源１７００で決定される定電流Ｉｄに固定される。ＩＳＦＥＴが線形領域で動作していれば、ドレイン電流Ｉｄとゲートソース間電圧Ｖｇｓ、ソース・ドレイン間電圧Ｖｄｓは以下の式を満たす。
Ｉｄ＝β｛（Ｖｇｓ−Ｖｔｈ）−１／２×Ｖｄｓ｝×Ｖｄｓ      （１）
ここで、βはデバイス特有の定数、Ｖｔｈはデバイスの閾値である。いま、溶液中のイオンにより、ＩＳＦＥＴの閾値が＋ΔＶｔｈだけずれたとすると、アンプ１００３ｋによりドレイン電流Ｉｄ一定、ソース・ドレイン電圧Ｖｄｓが一定という動作条件になっている事を加味すると式は以下のように書ける。
Ｉｄ＝β｛（Ｖｇｓ´−（Ｖｔｈ＋ΔＶｔｈ））−１／２×Ｖｄｓ｝×Ｖｄｓ（２）
Ｉｄは０ではないので（１）式を（２）式で割って整理すると、
Ｖｇｓ´−Ｖｇｓ＝ΔＶｔｈ      （３）
式(３)より、ゲート電圧すなわち参照電極電圧を固定しておけば、閾値の変動はソース電位の変動として出力される。Ｖｄｓは一定なので、ソース電位の変動はドレイン電位の変動となり、結果としてΔＶｔｈがアンプ出力端子ＡＯｋより出力される。
【００３７】
アナログ信号は２＾ｍ台のアナログデジタル変換器１００４でデジタル信号に変換され、その結果がそれぞれ２＾ｍ台のレジスタ１００５に保持される。先に述べたように、アナログデジタル変換器１００４の精度はオフセットばらつき量とイオン検出時の信号量に依存するが、おおむね１０ビットから１５ビット程度あれば十分である。列選択スイッチ１００６は、レジスタに保存されているアナログデジタル変換結果を、列選択線ＹＬｋによって選択し、出力ドライバ１００７を介して外部に出力する。当然ながら、ＩＳＦＥＴアレイチップ３００のデータ出力ピンＤＡＴＡの本数が許す限りは同時に複数のレジスタの値を出力してもよい。以上、ここまではチップ上でアナログの閾値信号をデジタル信号に変換する構成について説明してきたが、アナログの閾値信号を直接チップ外部に出力し、データ処理装置に搭載されるアナログデジタル変換器で変換しても良い。この場合、図７のアナログデジタルコンバータ１００４は不要である。データ出力ピンＤＡＴＡに余裕がある場合は、全てのアンプからのアナログ出力をＤＡＴＡピンに出力すればよく、こうするとレジスタ１００５、列選択スイッチ１００６、出力ドライバ１００７が不要になり、回路面積を削減する事が可能である。データ出力ピンに余裕がない場合は、レジスタ１００５の代わりにサンプルホールド用のキャパシタを接続し、また、後段の列選択スイッチ１００６を一般的なアナログスイッチで実装し、出力ドライバをアナログのアンプに置き換えて、マルチプレクス動作をさせればよい。
【００３８】
以下、図９以降を用いて、具体的なオフセット・ドリフト低減手法を説明する。図９（ａ）は、ＮＭＯＳ型のＩＳＦＥＴ構造にトラップされた電荷のうち、フローティングゲートに蓄積された電子を引き抜く（ＩＳＦＥＴ７００から基板１０７へ移動させる）様子を模式的に表した図であり、図９（ｂ）は、引き抜き前後の閾値電圧の変化を模式的に表した図である。図９（ａ）のように、フローティングゲート１０２中に電子８０１がトラップされている状況を考える。この時、フローティングゲート中に電子が存在しない状態の閾値をＶＴ０とすると、電子がトラップされた場合は閾値がＶＴ０よりも高くなる。従って、電子がランダムにトラップされているＩＳＦＥＴアレイの閾値分布は図９（ｂ）上段の「引き抜き前」に示す形になる。
【００３９】
この状態で、参照電極電圧ＶＲＥＦを０Ｖとし、ゲート酸化膜電圧ＶＯＸが、通常の動作中の電圧（例えば５Ｖ）より十分高い電圧になるように、ＩＳＦＥＴ基板電圧ＶＢＢＩに例えば３０Ｖの電圧をかける。ＶＢＢＩに３０Ｖを印加した結果、ゲート酸化膜１０４に基板１０７からフローティングゲート１０２にむかう向きに強い電界が発生する。この電界により、基板１０７からフローティングゲート１０２に向かってトンネル電流が流れる。トンネル電流の発生要因は、酸化膜の厚みによってＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネリングかダイレクトトンネリングであり、おおむね酸化膜厚が５ｎｍ以上の場合はＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果が、５ｎｍ未満の場合はダイレクトトンネリングが支配的である。いずれの場合も、トラップ電子８０１が基板方向に引き抜かれ、その結果図９（ｂ）下段の「引き抜き後」に示す通り、ＩＳＦＥＴの閾値分布はＶＴ０以下となり、引き抜き前に比べてばらつきを低減する事ができる。ここで重要な点は、ＩＳＦＥＴアレイチップ３００内の各ＩＳＦＥＴ間で、参照電極１０９の参照電圧ＶＲＥＦと基板１０７の基板電圧ＶＢＢＩが、全て共通な点である。これにより、基板電圧に高電圧を印加することで、全てのＩＳＦＥＴのフローティングゲート中の電子を、一括して引き抜くことが可能となる。従って、一つ一つのＩＳＦＥＴの電子を引き抜くよりも、高速に閾値ばらつきを低減可能である。また、この際に流れる電流は各々のゲート酸化膜に流れるトンネル電流のみであるため、全てのＩＳＦＥＴに対して一括して電子の引き抜き動作をしても、ＩＳＦＥＴアレイチップ３００全体の消費電流は低く抑えられる。
【００４０】
以上の電荷引き抜き動作を実現するための回路構成を、図１０に示す。図１０のＩＳＦＥＴアレイ１００２の回路構成は、図８と同一である。但し、上述の通り各ＩＳＦＥＴ間で参照電圧ＶＲＥＦと基板電圧ＶＢＢＩは全て共通であるので、図１０ではこの点を明示的に図示している。配線１１０２は、各ＩＳＦＥＴの感応膜から、溶液１０８を介して参照電極１０９に至る導通経路を、等価回路的に表現したものである。基板駆動ドライバ１１００は、ゲート酸化膜１０４に、基板１０７からフローティングゲート１０２に向かう向きの電界を印加するためのドライバであり、出力電圧である基板電圧ＶＢＢＩに、例えば３０Ｖを印加するドライバである。これに対し、参照電極駆動ドライバ１１０１は、出力電圧である参照電圧ＶＲＥＦに、例えば０Ｖを印加するドライバである。係る回路構成によって、図９で説明した引き抜き動作が可能となる。
【００４１】
図１１の選択回路１０１０は、図７の行選択ドライバ１００１にＯＲ論理ゲートと行選択線全活性化信号ＣＧＸを加えたものである。ＣＧＸを活性化すると、入力されている行アドレスＸＡＤＤの値や行選択パルスＸＳの状態によらず、全ての行選択線ＷＬｊが活性化される。
【００４２】
図１２は、図８のアンプ１００３のうちｋ番目のものを示す図である。２種類のアナログスイッチ２２０１と２３００のうち、アナログスイッチ２２０１は、ソース線ＳＬｋとデータ線ＤＬＡｋとＤＬＡＢｋをそれぞれ定電流源１７００、アンプ１７０１、アンプ１７０２から切り離すためのスイッチであり、コントローラ３０８からの駆動信号φ１によって制御される。一方、アナログスイッチ２３００は、ソース線ＳＬｋとデータ線ＤＬＡｋとＤＬＡＢｋをプリチャージ電圧ＶＰＣに接続するためのスイッチであり、コントローラ３０８からの駆動信号φ０によって制御される。
【００４３】
図１３を用いて、上記回路の動作について説明する。電子の引き抜き動作を行うためには、まず、スイッチ制御信号φ１を非活性化し、定電流源１７００、アンプ１７０１、１７０２をそれぞれソース線ＳＬｋ、データ線ＤＬＡｋ、ＤＬＢｋから切断すると同時に、行選択線全活性化信号ＣＧＸとスイッチ制御信号φ０を活性化する。すると、全ての行選択線ＷＬ１〜ＷＬｎが活性化されると同時に、全てのソース線ＳＬ、データ線ＤＬＡ、ＤＬＢがプリチャージ電源ＶＰＣに接続される。
【００４４】
次に、ＩＳＦＥＴ基板電圧ＶＢＢＩとプリチャージ電圧ＶＰＣを、アナログ電源電圧ＶＤＤＡより十分高い電圧、例えば３０Ｖに設定する。すると、ＩＳＦＥＴの基板電位が３０Ｖとなる。その結果、全てのＩＳＦＥＴの酸化膜電圧ＶＯＸはイオン感応膜と保護膜、ゲート酸化膜の容量比で決まる電圧、例えば１０Ｖとなり、フローティングゲートにトラップされた電子が基板へと引き抜かれる。このとき、選択線を活性化し、かつプリチャージ電圧ＶＰＣをＶＢＢＩと同じにする理由は、ソース線ＳＬ、データ線ＤＬＡ、ＤＬＢをＶＢＢＩと同じ電圧に充電しておくためである。言い換えれば、もしＳＬ、ＤＬＡ、ＤＬＢをフローティングにすると、ＩＳＦＥＴの基板に高電位ＶＢＢＩを印加した時に、基板-ソース間、基板-ドレイン間が順バイアスされ、基板から、ソース線ＳＬ、データ線ＤＬＡ、ＤＬＢに向かって電流が流れてしまう。その結果、ソース線ＳＬ、データ線ＤＬＡ、ＤＬＢの充電が完了するまで、基板電位ＶＢＢＩが安定せず、電荷の引き抜きに時間がかかる恐れがあるためである。
【００４５】
その後、引き抜きを開始して十分な時間ＴＤＣが経過した後、ＶＢＢＩとＶＰＣを０Ｖに戻し、次に選択線全活性化信号ＣＧＸとスイッチ制御信号φ１を非活性化し、スイッチ制御信号φ０を活性化する事で閾値ばらつき低減手順は完了となる。ＩＳＦＥＴが一般的なＭＯＳ構造をもつと仮定した場合、引き抜きに要する時間はｍｓのオーダーであり、ＴＤＣも同程度の時間で良い。
【００４６】
このように、本願発明に係る生体分子計測装置は、複数のワード線ＷＬと、複数のワード線と交差する方向に延伸する複数のデータ線ＤＬＡと、複数のワード線ＷＬと複数のデータ線ＤＬＡの交点において基板１０７上に設けられ、それぞれがイオン感応膜１００およびゲート酸化膜１０４を有する複数のイオン感応トランジスタ７００と、基板１０７を介して、ゲート酸化膜１０４のそれぞれに、イオン感応トランジスタ７００内に蓄積されたキャリアをイオン感応トランジスタ７００から基板１０７に移動させる電圧である基板電圧ＶＢＢＩを印加する第１ドライバ（基板駆動ドライバ１１００）を有することを特徴とする。係る構成により、本願発明に係る生体分子計測装置は、図１０（ｂ）で説明した通り、ＩＳＦＥＴの閾値ばらつきを低減することが可能となる。
【００４７】
なお、以上の説明においては、基板１０７をｐ型半導体とし、ＩＳＦＥＴ７００内にトラップされるキャリアを電子として説明した。この場合は、基板駆動ドライバ１１００は、少なくとも基板電圧ＶＢＢＩを参照電圧ＶＲＥＦより高電圧とするドライバである。
【００４８】
これに対し、基板１０７がｎ型半導体の場合は、ＩＳＦＥＴ７００内にトラップされるキャリアはホールとなる。この場合は反対に、基板駆動ドライバ１１００は、少なくとも基板電位ＶＢＢＩを参照電圧ＶＲＥＦより低電圧とするドライバである。
【００４９】
なお、ＩＳＦＥＴアレイ１００２をチップとした単位で、またはＩＳＦＥＴアレイチップ３００の単位で、測定毎に当該部材は交換されることが想定される。その場合、当該ＩＳＦＥＴアレイ１００２またはＩＳＦＥＴアレイチップ３００は生体分子計測装置の外部となるが、このような場合も本願発明の技術的範囲に属するものである。すなわち、複数のワード線ＷＬと、複数のワード線と交差する方向に延伸する複数のデータ線ＤＬＡと、複数のワード線ＷＬと複数のデータ線ＤＬＡの交点において基板１０７上に設けられ、それぞれがイオン感応膜１００およびゲート酸化膜１０４を有し、試料のイオン濃度を測定する複数のイオン感応トランジスタ７００と、を有するチップ（３００または１００２）に対して制御を行う生体分子計測装置であって、基板１０７を介して、ゲート酸化膜１０４のそれぞれに、イオン感応トランジスタ７００内に蓄積されたキャリアをイオン感応トランジスタ７００から基板１０７に移動させる電圧である基板電圧を印加する第１ドライバ１１００を有する装置も、本願発明の技術的範囲に属する。
【００５０】
閾値ばらつきを低減する別の方法を図１４に示す。以下ではホットキャリアを用いた閾値ばらつき低減法を説明するが、その際にホットキャリアの例としてホットエレクトロンを用いて説明する。但し、ホットホールでも同様の議論が可能である。まず、図１４（ａ）に示すように、ＩＳＦＥＴ基板電位ＶＢＢＩを０Ｖ、参照電極の電圧を、通常動作時の電圧（例えば５Ｖ）より十分高い電圧とする。すると、ゲート酸化膜の両端に先ほどとは逆の方向、すなわちフローティングゲートから基板にむかう向きに電界が発生する。この結果、すべてのＩＳＦＥＴにチャネル２１００が形成される。いま、ＩＳＦＥＴのソース・ドレイン間に、高電圧ＶＨＥをかけると、チャネルに高エネルギーをもった電子（ホットエレクトロン）による電流が流れ、ホットエレクトロン注入効果によってフローティングゲートに電子８０１が注入される。
【００５１】
もし、全てのセルに一括でホットエレクトロン注入をした場合は、閾値分布は、図１４（ｂ）の２１０３から２１０４へと、全体的に高閾値側へシフトする。各フローティングゲートへのホットエレクトロンの注入量、すなわち、高閾値側へのシフト量は、ゲートの電位に依存する。すなわち、イオン感応膜や保護膜にトラップされた電荷により、全体的に正の電位を持っている（＝見かけ上の閾値が低い）場合は、より多くの電子が注入されることで、より閾値は高くなり、一方、全体的に負の電位を持っている（＝見かけ上の閾値が高い）場合は電子の注入量は少なくなり、結果的に閾値は少ししか高くならない。その結果、自己整合的に、閾値の分布範囲が狭くなる。より積極的には、各ＩＳＦＥＴの閾値を測定し、閾値によってセル毎にホットエレクトロン注入量を変えることで、図１４（ｂ）の２１０５のように、より閾値ばらつきを少なくすることも可能である。
【００５２】
以上の電荷注入動作を実現するための回路構成を、図１５に示す。図１５は、全てのセルに一括でホットエレクトロン注入をする際の回路構成であり、アンプ１００３ｋに２種類のアナログスイッチ２２０１と２６００を加えたものである。アナログスイッチ２２０１は、ソース線ＳＬｋとデータ線ＤＬＡｋとＤＬＡＢｋをそれぞれ定電流源１７００、アンプ１７０１、アンプ１７０２から切り離すためのスイッチであり、コントローラ３０８からの駆動信号φ１によって制御される。一方、アナログスイッチ２６００は、データ線ＤＬＡｋとＤＬＡＢｋをそれぞれホットエレクトロン注入用電圧ＶＨＥとアナロググラウンド電圧ＶＳＳＡに接続するためのスイッチであり、駆動信号φ２によって制御される。駆動信号φ２は、列選択線全活性化信号ＣＧＹと、コントローラ３０８から入力される補償動作開始信号ＣＰＳのＡＮＤ論理をとって生成される。ホットキャリア注入用ドライバ１６００は、ＩＳＦＥＴのソース・ドレイン間に高電位ＶＨＥをかけ、図１４（ａ）で説明した電子注入動作を行うためのドライバであり、データ線ＤＬＡｋと駆動信号φ２によって接続されている間、データ線ＤＬＡｋに高電位ＶＨＥを印加する。ここで、図１５では、全てのセルに一括でホットキャリア注入を行うため、ホットキャリア注入用ドライバ１６００は、隣接するアンプ１００３ｋ＋１のデータ線ＤＬＡｋ＋１にも同様に高電位ＶＨＥを印加する。
【００５３】
これに対し、各セルに個別にホットエレクトロンを注入する際の回路構成を図１６に示す。図１６に示すアンプは、アンプ１００３ｋに３種類のアナログスイッチ２２０１、２６００と２６０１を加えたものである。アナログスイッチ２２０１は、ソース線ＳＬｋとデータ線ＤＬＡｋとＤＬＡＢｋをそれぞれ定電流源１７００、アンプ１７０１、アンプ１７０２から切り離すためのスイッチであり、コントローラ３０８からの駆動信号φ１によって制御される。一方、アナログスイッチ２６００は、データ線ＤＬＡｋとＤＬＡＢｋをそれぞれホットキャリア注入用電圧ＶＨＥとアナロググラウンド電圧ＶＳＳＡに接続するためのスイッチであり、駆動信号φ３ｋによって制御される。駆動信号φ３ｋは、列選択線ＹＬｋと、コントローラ３０８から入力される補償動作開始信号ＣＰＳのＡＮＤ論理をとって生成される。アナログスイッチ２６０１はデータ線ＤＬＡｋとＤＬＡＢｋをともにアナロググラウンド電圧ＶＳＳＡに接続するためのスイッチであり、駆動信号φ４ｋによって制御される。駆動信号φ４ｋは、φ３ｋの反転信号と、コントローラ３０８から入力される補償動作開始信号ＣＰＳのＡＮＤ論理をとって生成される。
【００５４】
図１７（ａ）は、全てのＩＳＦＥＴのフローティング電極に一括して電荷を書き込む場合の、主な信号の駆動手順を示したフローチャートであり、図１８は、具体的な信号の駆動タイミングを示したタイミングチャートである。補正動作を開始後（２８００）、行選択線全活性化信号ＣＧＸと補償動作開始信号ＣＰＳを活性化すると同時にスイッチ制御信号φ１を非活性化して、ＩＳＦＥＴアレイから定電流源１７００、アンプ１７０１、１７０２を切り離す（２８０１）。すると、全ての行選択線ＷＬが活性化状態となり、全てのＩＳＦＥＴがソース線ＳＬとデータ線ＤＬＡに接続される。次に参照電極電圧を、ＶＤＤＡより高く、先の電荷引き抜きの時よりは低い電圧、例えば１５Ｖに設定すると同時に、列選択線全活性化信号ＣＧＹに幅ＴＣＧの正のパルスを入力する（２８０２）。その結果、スイッチ駆動信号φ３ｋが活性化され、データ線ＤＬＡがホットキャリア注入用電圧ＶＨＥに充電される。一方、データ線ＤＬＢはアナロググラウンド電位０Ｖになるため、全てのＩＳＦＥＴのソース・ドレイン間に電流が流れ、ホットエレクトロンが発生する。発生したホットエレクトロンはＶＲＥＦに印加された正電圧によってフローティングゲートへと引き込まれる。次に、列選択線全活性化信号ＣＧＹが非活性化されると同時に参照電極電圧ＶＲＥＦを５Ｖに戻し、注入を終了する。最後に、行選択線全活性化信号ＣＧＸと補償動作開始信号ＣＰＳを非活性化し（２８０３）、補償動作を完了する（２８０４）。
【００５５】
セル毎に閾値を測定してホットエレクトロン注入量を変える場合は、アンプを図１６に示す構成にし、図１７（ｂ）に示す手順で補正動作を行えばよい。図１７（ｂ）を用いて、ホットエレクトロンをセル毎に注入する手順を説明する。補正動作が開始されると（２８０５）、まずコントローラ３０８によりアドレスがＸＡＤＤ＝０、ＹＡＤＤ＝０、に設定される。また、補償動作開始信号ＣＰＳは非活性化する。駆動信号φ１はＨとし、定電流源１７００、アンプ１７０１、アンプ１７０２がＩＳＦＥＴアレイに接続される（２８０６）。この状態でＸＡＤＤ＝０、ＹＡＤＤ＝０により選択されるＩＳＦＥＴの閾値が測定される（２８０７）。データ処理装置３０９は、閾値の測定結果をコントローラ３０８に転送し、コントローラ３０８は、転送された閾値測定結果が目標値を超えているか否かを判定する（２８０８）。もし、目標値に到達していない場合は、駆動信号φ１をＬとし、定電流源１７００、アンプ１７０１、アンプ１７０２がＩＳＦＥＴアレイから切断し、また、補償動作開始信号ＣＰＳを活性化する（２８０９）。次に、列選択パルスＹＳにあらかじめ決められた幅ＴＰＷを持つ正のパルスを入れると、コントローラ３０８により設定されたアドレスのＩＳＦＥＴに、ＴＰＷに相当する量のホットエレクトロンが注入される（２８１０）。その後、駆動信号φ１をＨとし、定電流源１７００、アンプ１７０１、アンプ１７０２をＩＳＦＥＴアレイに再接続し、補償動作開始信号ＣＰＳは非活性化して（２８１１）、再び閾値測定手順２８０７へと戻る。この手順は２８０８で閾値が目標値を超えたと判断されるまで繰り返し行われる。２８０８にて、閾値が目標値を超えたと判断されると、ＸＡＤＤまたはＹＡＤＤを１増やして次のＩＳＦＥＴが選択され（２８１３）、再び閾値測定とホットエレクトロン注入の手順が実行される。アドレスは、全セルの補正が完了するまでインクリメントされていき、全てのＩＳＦＥＴの閾値が目標閾値を超えた段階で補正動作完了とする（２８１２、２８１４）。
【００５６】
係る手順を実現するための、図１７（ｂ）の２８０６から２８１１までの手順1回分に相当する信号の具体的な駆動タイミングを示したのが図１９である。まず、選択するＩＳＦＥＴに相当するアドレスＸＡＤＤとＹＡＤＤがコントローラ３０８により設定される。また、参照電極電圧は、５Ｖに設定される。次に、行選択パルスＸＳ及び列選択パルスＹＳ、駆動信号φ１が活性化され、選択セルの行選択信号ＷＬｊおよび列選択信号ＹＬｋが活性化される。これにより、選択セルのＩＳＦＥＴの閾値に応じた信号が、データ線ＤＬＡｋとＤＬＢｋの間に読み出される。このとき、非選択のデータ線にも信号が発生するが、列選択スイッチ１００６によりデータ出力線に出力されるのは、選択したＩＳＦＥＴの閾値のみである。次に、読み出された閾値が目標値に達しているかをコントローラ３０８が確認し、未達の場合は補償動作開始信号ＣＰＳが活性化されると同時に、参照電極電圧ＶＲＥＦが高電圧１５Ｖ、ホットキャリア注入用電圧ＶＨＥが１０Ｖに設定される。その後、再び行選択パルスＸＳ及び列選択パルスＹＳに正のパルスが印加されると、選択セルの行選択線ＷＬｊと、選択セルに対応するアンプ１００３ｋ内の駆動信号φ３ｋが活性化される。すると、選択セルに対応するデータ線ＤＬＡｋ、ＤＬＢｋの間にホットキャリア注入用電圧が印加される。一方、非選択のセルに対応するデータ線ＤＬＡ、ＤＬＢには、選択信号φ４ｋが活性化されることにより、アナロググラウンド電圧ＶＳＳＡが印加される。その結果、選択セルのＩＳＦＥＴのチャネルにのみ電流が流れ、選択セルのフローティングゲートへ電子が注入される。なお、以上のフローにおいて、ＩＳＦＥＴ基板電圧ＶＢＢＩは、０Ｖに固定される。
【００５７】
このように、本願発明に係る生体分子計測装置は、イオン感応トランジスタ７００にキャリアを注入する第２ドライバ（ホットキャリア注入用ドライバ１６００）を有することを特徴とする。係る特徴によって、図１４（ｂ）で説明した通り、ＩＳＦＥＴの閾値ばらつきを低減することが可能となる。
【００５８】
ホットキャリア注入用ドライバ１６００は、図１５のようにイオン感応トランジスタ７００のそれぞれに一括してキャリアを注入するドライバでも良く、図１６のように各イオン感応トランジスタ７００に個別にキャリアを注入するドライバでも良い。
【００５９】
以上、ここまではフローティング電極内の電荷を引き抜く手法と、フローティング電極内に電荷を注入する方法を個別に説明してきたが、もちろん電荷の引き抜きと注入の両方を実施しても良い。電荷の引き抜きと注入の両方に対応したアンプ回路を図２０に示し、その時の回路の動作フローを図２１に示す。図２０と２１はそれぞれ、既に上記で説明した回路、フローを足し合わせたものであり、詳細な説明は割愛する。
【００６０】
電荷を引き抜く手法と、フローティング電極内に電荷を注入する方法の両者を実施する効果を、図２２を用いて説明する。電荷を引き抜く手法のみを採用すると、電子がトラップされて閾値が＋側にシフトしたＩＳＦＥＴの閾値を−側へと戻すことはできるが、ホールがトラップされたＩＳＦＥＴの閾値を制御することはできない。従って、電荷の一括引き抜きの前後で、ＩＳＦＥＴの閾値分布は図２２（ａ）から（ｂ）のように変化する。これだけでも、ＩＳＦＥＴ全体の閾値分布ばらつきを低減できたと言えるが、さらに個別に電荷を注入することで、閾値が−側に大きくシフトした（ホールがトラップされた）ＩＳＦＥＴの閾値を、＋側に戻すことも可能となる。その結果、閾値分布は図２２（ｃ）のようになり、ＩＳＦＥＴの閾値分布ばらつきを大きく低減することが可能となる。
【００６１】
この場合の駆動タイミングのチャートを図２３に示す。図２３は図１３で説明した一括電荷引き抜き時の信号駆動手順と、図１９で説明した個別電荷注入時の信号駆動手順を足し合わせたものであり、詳細な説明は割愛する。ここで、電荷の引き抜きと注入とは、図２３に示した通り、電荷を引き抜き、その後注入する順序で行わなくてはいけないことに留意されたい。反対に、先に電荷を注入し、その後電荷を引き抜いたとすると、最初の工程でせっかく注入された電荷が、次の電荷引き抜きの工程で一緒に引き抜かれてしまい、結果として電荷注入による閾値ばらつき低減の効果が失われるためである。
【００６２】
従って、コントローラ３０８は、第１ドライバ１１００を駆動した後に第２ドライバ１６００を駆動する制御を行う。また、この点を計測方法に着目した形で表現すると、（ａ）基板１０７を介して、ゲート酸化膜１０４のそれぞれに、イオン感応トランジスタ７００内に蓄積されたキャリアをイオン感応トランジスタ７００から基板１０７に移動させる電圧である基板電圧ＶＢＢＩを印加する工程（第１ドライバ１１００の駆動）の後に、（ｂ）イオン感応トランジスタ７００の少なくとも１つに、キャリアを注入する工程（第２ドライバ１６００の駆動）を行う。
【００６３】
以上で説明した閾値補正は、ＵＶ照射等の生体分子を破壊する工程を含まないため、ＤＮＡのシーケンス前、シーケンス中、シーケンス後のいかなるタイミングでも実行可能である。従って、チップ製造時に発生する初期オフセットの解消のみならず、シーケンス中に発生するドリフトの解消にも適用可能である。一方、従来の閾値補償手法であるＵＶ照射はシーケンス中には適用できず、従って、ドリフトの解消には使えない。この理由は、ＩＳＦＥＴアレイチップ上に配置されたＤＮＡがＵＶ照射によって分解されてしまうためである。
【００６４】
本発明手法による補正タイミングの例として、シーケンス前、シーケンス中の毎測定後に実行する場合のフローチャートをそれぞれ図２４と図２５に示す。
【００６５】
シーケンス中に補正動作をする場合、かならずしも毎測定後に補償動作を実行する必要はない。例えば、測定があらかじめ決められた回数Ｎｔｈ回終わった時点で補正動作をしたり（図２６）、もしくは、ドリフトによる閾値シフト量があらかじめ決められた基準値を超えた時点で初めて補正を実行したりしても良い。この、閾値シフト量が基準値を超えたかどうかの判定は、４種の試薬ｄＡＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＴＴＰのそれぞれを注入し測定した後に行っても良いし（図２７（ａ））、これら４種の試薬をまとめて１サイクルとして、１サイクルの測定が終了した後に行っても良い（図２７（ｂ））。こうすることで、実験途中の補正動作回数を低減する事ができ、毎測定後に補正動作をする場合と比べてシーケンス時間を高速化することが可能である。また、補正回数を意図的に減らすことで、測定精度を犠牲にして、シーケンス時間を高速化する事も可能である。この場合、測定精度を計算する際に補正回数をパラメータに加えることで、測定精度計算をより正確に実施できる。
【００６６】
本実施例は、１種類のサンプルから抽出したＤＮＡ断片を１つのＩＳＦＥＴアレイチップで測定する事を想定している。すなわち、１サンプル分のＤＮＡ測定が終われば、ＩＳＦＥＴアレイチップは廃棄し、次のサンプルを測定する際は新しいＩＳＦＥＴアレイチップを用いる。このようにチップを使い捨てとすることで、サンプル間のコンタミネーションを防止する事ができる。
【００６７】
一方、コンタミネーションをある程度許す場合は、チップを使いまわしても良い。すなわち、１つ目のサンプルの測定が終わった時点で、サンプルを洗い流し、次のサンプルを導入して測定する。この場合、サンプルを入れ替えるタイミングでオフセット補償動作を実行する事で、前サンプルの測定に起因するドリフトの影響をキャンセルでき、２つ目のサンプルの測定精度を向上する事が可能である。
【００６８】
ここまでは、図１に示すＩＳＦＥＴを仮定し、そのフローティング電極１０２の電荷量を制御する手法について述べてきたが、ＩＳＦＥＴの変形例として、図２８に示すように、ゲート酸化膜１０４とフローティング電極１０２の間に、補正電荷を注入する専用の注入層３７０１を設けても良い。補正電荷の注入層３７０１は、例えば窒化シリコンＳｉ３Ｎ４からなる。さらにこの上に酸化膜３７００を設けることで、いわゆるＭＯＮＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｎｉｔｒｉｄｅ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造を構成する。ＭＯＮＯＳ構造は、不揮発メモリの電荷保持にも使われる構造であり、電荷の保持を意図しないＩＳＦＥＴのフローティング電極と比べて、高い信頼性で電荷を保持する事が期待できる。
【００６９】
本発明は、電子の引き抜きと注入の際、ＩＳＦＥＴ基板電圧ＶＢＢＩとホットキャリア注入用電圧ＶＨＥとプリチャージ電圧ＶＰＣに、アナログ電源電圧ＶＤＤＡより高い電圧を必要とする。これらの電圧は、電源回路１０１３の代わりに、昇圧機能を持った電源回路１０１２をチップ上に実装して生成する。昇圧機能は典型的なスイッチトキャパシタ回路などで実装すればよい。もちろん、これらの電圧をチップの外部から直接入力しても良い。このようにすることで、キャパシタなどの素子を必要とする昇圧回路が不要になり、チップ面積を削減する事ができる。
【００７０】
本実施例は、図８に示すＩＳＦＥＴアレイ構成のように、１つのセルが３つのトランジスタからなる構成を仮定した例であるが、本発明の適用先は３トランジスタ構成のセルに限定されるものではなく、図２９に示すように、一つのセルが２つのトランジスタ（図２９（ａ））、および１つのトランジスタ（図２９（ｂ））からなるＩＳＦＥＴアレイについても同様に適用可能である。このように、セルを構成するトランジスタ数を減らすことで、チップ面積を軽減する事ができる。
【符号の説明】
【００７１】
１００    イオン感応膜
１０１    保護膜
１０２    フローティング電極
１０３    ゲート電極
１０４    ゲート酸化膜
１０５    ドレイン端子
１０６    ソース端子
１０７    シリコン基板
１０８    溶液
１０９    参照電極
１１０    基板端子
３００    ＩＳＦＥＴアレイチップ
３０１、３０２、３０３、３０４、３０５    試薬容器
３０６    廃液容器
３０７    送液装置
３０８    コントローラ
３０９    データ処理装置
３１０、３１１、３１２    試薬流路
４００    アデニン
４０１    チミン
４０２    シトシン
４０３    グアニン
４０４、４０５、４０６    リン酸とデオキシリボースからなる鎖
４０７    ｄＣＴＰ
４０８    水素イオン
４０９    ２リン酸
６００〜６０８  ＤＮＡの塩基配列決定手順を示すチャート
７００    イオン感応トランジスタ
７０１    生体分子
７０２    ビーズ
７０３    ウェル
８００    トラップ正電荷
８０１    トラップ負電荷
１０００    行デコーダ
１００１    行選択ドライバ
１００２    ＩＳＦＥＴアレイ
１００３    アンプ
１００４    Ａ／Ｄコンバータ
１００５    レジスタ
１００６    列選択スイッチ
１００７    出力ドライバ
１００８    列デコーダ
１００９    列選択ドライバ
１０１０    選択回路
１０１１    読み出し回路
１０１２    昇圧回路
１０１３    電源回路
１１００    基板駆動ドライバ
１１０１    参照電極駆動ドライバ
１１０２    ＩＳＦＥＴの感応膜から溶液を介して参照電極に至る導通経路を等価的に表した配線
１２００、１２０１、１３００    選択トランジスタ
１２０２    ＩＳＦＥＴアレイ基板
１６００    ホットキャリア注入用ドライバ
１７００、１７０４    定電流源
１７０１、１７０２、１７０３    アンプ
１７０５    トランジスタ
２１００    チャネル
２１０１    選択セル
２１０２    非選択セル
２１０３、２１０４、２１０５    閾値分布
２３００    アナログスイッチ
２３０２    読み出しアンプ及び電流源
２４００、２４０１、２４０２    閾値分布
２６００、２６０１    アナログスイッチ
２８００〜２８１４    閾値補正動作手順を示すチャート
３２００〜３２１２    閾値補正動作手順を示すチャート
３３００〜３３０３    閾値補正動作手順を示すチャート
３４００〜３４０４    閾値補正動作手順を示すチャート
３５００〜３５０８    閾値補正動作手順を示すチャート
３８００〜３８２５    閾値補正動作手順を示すチャート
ＡＯ    アナログ出力
ＣＧＸ    行選択線全活性化信号
ＣＧＹ    列選択線全活性化信号
ＣＬＫ１、ＣＬＫ２、ＣＬＫ    クロック入力
ＣＯＬ、ＣＯＬｋ    列選択信号
ＣＰＳ    補正動作開始信号
ＤＡＴＡ    データ出力
ＤＬＡ、ＤＬＡｋ、ＤＬＡ１、ＤＬＡｍ、ＤＬＢ、ＤＬＢｋ、ＤＬＢ１、ＤＬＢｍ    データ線
ｄＮＴＰ、ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＴＴＰ、ｄＧＴＰ    デオキシリボヌクレオチド３リン酸
Ｈ＋    水素イオン
ＩＮ    アンプ入力端子
ＩＳＦＥＴ    イオン感応トランジスタ
Ｎｆｌｏｗ    試薬フロー回数
Ｎｔｈ    補正動作上限界数
ＯＵＴ    アンプ出力端子
ＰＰｉ    ２リン酸
ＲＯＷ、ＲＯＷｊ    行選択信号
ＲＳＴ    リセット入力
ＳＬ、ＳＬｋ    ソース線
ＴＤＣ、ＴＣＧ、ＴＰＷ    パルス幅
ＶＡＢ    データ線間電圧
ＶＢＢＩ    ＩＳＦＥＴ基板電圧
ＶＢＩＡＳ    バイアス電圧
ＶＤＤ    デジタル電源電圧
ＶＤＤＡ    アナログ電源電圧
ＶＨＥ    ホットキャリア注入用電圧
ＶＨ１、ＶＨ２、ＶＨ３、ＶＬ１、ＶＬ２    電圧
ＶＯＸ    酸化膜電圧
ＶＰＣ    プリチャージ電圧
ＶＲＥＦ    参照電極電圧
ＶＳＳ    デジタルグラウンド電圧
ＶＳＳＡ    アナロググラウンド電圧
ＶＴ０    フローティングゲート中に電子が存在しない状態の閾値
ＷＬ、ＷＬｊ、ＷＬ１、ＷＬｎ    行選択線
ＸＡＤＤ    行アドレス
ＸＳ    行選択パルス
ＹＡＤＤ    列アドレス
ＹＬ、ＹＬｋ、ＹＬ１、ＹＬｍ    列選択線
ＹＳ    列選択パルス
ΔＶＲＤ    読み出し回路の入力電圧範囲
ΔＶＴＨ    イオンの濃度変化に起因する閾値変動量
φ０、φ１、φ２、φ３、φ４、φ３ｋ、φ４ｋ    アナログスイッチ駆動信号。
【図２】
2014115125.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014115125.tif 000006
【図７】
2014115125.tif 000007
【図８】
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【図１０】
2014115125.tif 000009
【図１１】
2014115125.tif 000010
【図１２】
2014115125.tif 000011
【図１３】
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【図１５】
2014115125.tif 000013
【図１６】
2014115125.tif 000014
【図１７】
2014115125.tif 000015
【図１８】
2014115125.tif 000016
【図１９】
2014115125.tif 000017
【図２０】
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【図２１】
2014115125.tif 000019
【図２２】
2014115125.tif 000020
【図２３】
2014115125.tif 000021
【図２４】
2014115125.tif 000022
【図２５】
2014115125.tif 000023
【図２６】
2014115125.tif 000024
【図２７】
2014115125.tif 000025
【図２９】
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【図１】
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【図６】
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【図９】
2014115125.tif 000029
【図１４】
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【図２８】
2014115125.tif 000031