(57)【要約】【課題】ＤＮＡまたはＲＮＡの個々の塩基を正確かつ有効に識別するためのシステムおよび方法を提供することである。【解決手段】  電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）核酸配列決定装置（１０２）は、ソース（１０６）およびドレイン（１０４）領域ならびにゲート酸化物（１３６）を含む。ソース／ドレイン金属接点（１２３、１４２）に接続されたリード線（１１６）を介して電圧源（１１２）によってソースおよびドレインに電位が印加される。核酸鎖（１１１）がゲート電極領域となる開口部（１１８）を通過すると、核酸塩基（アデニン、チミン、グアニン、またはシトシン）を表す電荷が、チャネル（１１９）を介してソース（１０６）およびドレイン（１０４）間を流れる電流をその間の電界を変えることによって変え、電流計（１１４）によって測定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のシリコン層の第１の表面に形成された第２の導電型の第１ドープ領域と、前記第１導電型のシリコン層の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に形成された第２の導電型の第２ドープ領域と、前記第１ドープ領域の前記第１表面から前記第２ドープ領域の前記第２の表面を貫通する開口部と、前記開口部の壁面に沿って垂直方向に延伸するチャネルと、を有し、前記開口部は、１〜１０ｎｍの範囲の直径を有しており、前記第１ドープ領域、前記第２ドープ領域及び前記チャネルは、絶縁体により前記開口部から分離されている、半導体装置を備える、システム。
【請求項２】
前記開口部は、１の前記核酸鎖のみが一度に通過することができる寸法である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記開口部は漏斗形状をなしている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記開口部はＶ字形溝の形状を成している、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記Ｖ字形溝は、１〜２ｎｍのサイズを有している、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記絶縁体は二酸化シリコンを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記半導体装置の第１側において媒体内に位置する第１電極と、
前記半導体装置の第２側において媒体内に位置する第２電極と、をさらに備える、
請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
核酸鎖を検出する方法であって、
第１導電型のシリコン層の第１の表面に形成された第２の導電型の第１ドープ領域と、前記第１導電型のシリコン層の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に形成された第２の導電型の第２ドープ領域と、前記第１ドープ領域の前記第１表面から前記第２ドープ領域の前記第２の表面を貫通する開口部と、前記開口部の壁面に沿って垂直方向に延伸するチャネルと、を有し、前記開口部が、１〜１０ｎｍの範囲の直径を有しており、前記第１ドープ領域、前記第２ドープ領域及び前記チャネルが、絶縁体により前記開口部から分離されている半導体装置を提供するステップと、
前記核酸鎖が前記開口を通過するステップと、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域間において前記検出領域を通過する電流を検出するステップと、
を備える方法。
【請求項９】
前記開口部は、１の前記核酸鎖のみが一度に通過することができる寸法である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記開口部は漏斗形状をなしている、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記開口部はＶ字形溝の形状を成している、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記Ｖ字形溝は、１〜２ｎｍのサイズを有している、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記絶縁体は二酸化シリコンを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記核酸鎖は、前記半導体装置の互いに反対側において媒体内に位置する第１電極及び第２電極間に形成される電界によって前記開口部を通過する、前記請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭水化物、タンパク質のような長鎖ポリマーの個々の構成要素（mers）およびデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）またはリボ核酸（ＲＮＡ）の個々の塩基を識別するための検出領域を有する半導体装置を使用するシステムおよび方法ならびに半導体装置を製作するための方法に関する。特に、本発明は、ＤＮＡ／ＲＮＡ鎖の塩基を識別し、これにより対象となる鎖の配列決定を可能にすることができる電界効果トランジスタ装置と同様の半導体装置を使用するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、「超高速の半導体に基づいた遺伝子配列決定（”Ultra-Fast, Semiconductor-Based Gene Sequencing”）」という名称のジョン  Ｒ．ザウアー（Jon R. Sauer）らの米国特許仮出願、第６０／１９９，１３０号、出願日２０００年４月２４日および「ＤＮＡ配列決定用電荷検知および増幅装置（”Charge Sensing and Amplification Device for DNA Sequencing”）」という名称のバート  ヴァン  ゼーブロック（Bart Van Zeghbroeck）らの米国特許仮出願、第６０／２１７，６８１号、出願日２０００年７月１２日の利益を主張し、米国特許法第１２０条に基づき、「超高速核酸配列決定装置ならびにそれを製作および使用するための方法（”An Ultra-Fast Nucleic Acid Sequencing Device and a Method for Making and Using the Same”）」という名称のジョン  Ｒ．ザウアー（Jon R. Sauer）らの米国特許非仮出願（non-provisional application）、第０９／６５３，５４３号、出願日２００１年８月３１日の利益を主張するものであり、上記仮出願および非仮出願の双方の全内容は参照により本明細書に援用されている。
【０００３】
ＤＮＡは、共通の軸の周りを巻いている２つの非常に長いらせん状のポリヌクレオチド鎖からなる。二重らせんの２つの鎖は反対の向きになっている。２つの鎖は、アデニン（Ａ）、チミン（Ｔ）、グアニン（Ｇ）およびシトシン（Ｃ）からなる対の塩基間の水素結合によってまとめられている。アデニンは常にチミンと対になり、グアニンは常にシトシンと対になる。それゆえ、二重らせんの一方の鎖はもう一方と相補的である。
【０００４】
遺伝情報は、ＤＮＡ鎖に沿った塩基の具体的な配列において暗号化される。通常の細胞においては、遺伝情報はＤＮＡからＲＮＡへ渡される。ＲＮＡ分子の大部分は一本鎖であるが、大部分は、鎖がヘアピン状の構造に折れることから生じる広範囲の二重らせん領域を含む。
【０００５】
ＤＮＡ配列のマッピングは、ヒトゲノム計画によって具体化される新時代の遺伝子に基づく医療の一部を成している。この計画の尽力によって、いつか医者は個人の遺伝子の構成に基づいて治療をその人に合ったものにすることができるであろうし、出生前に遺伝子の欠陥を修正することさえできるかもしれない。しかしながら、この課題を達成するためには各個人のＤＮＡを配列決定することが必要となる。ヒトゲノム配列の差異はおよそ０．１％であるが、この小さな差異が個人の種々の病気に対する素因を理解するのに重要である。近い将来には、医療が「ＤＮＡ的に個人化（DNA personalized）」され、医師は今日のコレステロール検査を手配するのと全く同じくらい容易に、配列情報を手配するようになると考えられる。したがって、このような発展を日常生活において用いられるようにするために、より高速で経済的なＤＮＡ配列決定方法が求められる。
【０００６】
ＤＮＡ配列決定を行う１つの方法は、特許文献１に開示されており、その全内容は参照により本明細書に援用されている。この方法は、半導体基板のような基板上に形成されたテストサイトのモノリシックアレイを使用する。各テストサイトは、所定の標的分子構造と結合するようになっているプローブを含んでいる。テストサイトでのプローブへの分子構造の結合は、テストサイトの電気的、機械的および光学的特性を変化させる。したがって、テストサイトに信号が与えられると、各テストサイトの電気的、機械的および光学的特性を測定して、どのプローブがそれぞれの標的分子構造と結合したのかを決定することができる。しかしながら、テストサイトのアレイは製造するには複雑で、種々のタイプの標的分子構造を検出するための多数のプローブを用いなければならないため、この方法は不利である。
【０００７】
配列決定の別の方法は、ゲル電気泳動として公知である。この技術では、ＤＮＡを分解して１つの鎖にして４つのヌクレオチドのうちの１つ、例えばＡを破壊する化学物質に露出し、これにより、Ａで終わり、反対側の一端で標識されたＤＮＡ断片のランダムな分布を有する鎖を生成する。他の３つの残りの塩基について同じ手続きを繰り返す。ＤＮＡ断片は、ゲル電気泳動によって長さに応じて分けられる。長さは標識された端から既知の塩基への距離を示し、対象範囲にギャップがなければもとのＤＮＡ鎖断片の配列が決定される。
【０００８】
このＤＮＡ配列決定方法は、それと関連する欠点を多く有している。この技術ではおよそ５００の塩基の読取りしかできない。なぜなら、それより多くの塩基を含むＤＮＡ鎖だと「丸まって」しまい、正しく読取ることができないからである。また、鎖の長さが長くなると長さ決定の分解能が急激に低下し、このことも同様に鎖の解析を５００塩基長までに制限する。加えて、ゲル電気泳動は非常に時間がかかり、複雑な有機体のゲノムの配列決定という課題に対しては有効な解決手段ではない。さらに、電気泳動の前の準備および後の解析は、本質的に費用および時間がかかるものである。したがって、より高速で、一定していて、より経済的なＤＮＡ配列決定のための方法が求められている。
【０００９】
ＤＮＡ配列決定への別のアプローチは、特許文献２および特許文献３に記載されており、それらの全内容は参照により本明細書に援用されている。この技術では、２つの液体がアルファヘモリシン（アルファ溶血素）孔（alpha hemolysin pores）を有する生体膜によって分離される。ＤＮＡが膜を通過すると、孔を通るイオン電流が遮断される。実験によって、孔を通るイオン電流が遮断される時間の長さはＤＮＡ断片の長さと比例することが示されている。さらに、遮断の量および速度は、どの塩基が孔の最も狭い部分にあるかに依存する。このため、これらの現象から塩基配列を決定できる可能性がある。
【００１０】
この技術の問題には、これまでのところ個々のヌクレオチドを区別できないということがある。また、個々のヌクレオチドの空間的な向きを見分けることは困難である。さらに、電荷の流れを測定する電極が孔からかなり離れており、このことが測定の精度に悪影響を及ぼす。これは、大部分は、電流検知電極の特有の静電容量と、少量の電流の検知における統計的変動が大きいこととによるものである。さらに、特有のショットノイズなどのノイズ源が信号を歪ませ、さらなる誤差を招く。したがって、塩基がシーケンサを通過するときにそれらを区別する、より感度の高い検出システムが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５，６５３，９３９号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７９５，７８２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０１５，７１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、ＤＮＡまたはＲＮＡの個々の塩基を正確かつ有効に識別するためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、ＤＮＡまたはＲＮＡの個々の塩基を配列決定するための半導体装置を使用するシステムおよび方法を提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、半導体に基づいたＤＮＡまたはＲＮＡ配列決定装置を製造するための方法を提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、正確かつ有効に、炭水化物またはタンパク質のような長鎖ポリマーの個々の構成要素を識別し、かつ長鎖ポリマーの長さを測定するためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、ＤＮＡまたはＲＮＡ分子がシーケンサにおいて開口部を通過する位置で電荷を測定することによってＤＮＡまたはＲＮＡの塩基を正確かつ有効に識別するための、中に開口部を有する半導体に基づいた装置を使用するシステムおよび方法を提供し、これにより、開口部を通るＤＮＡまたはＲＮＡ分子のランダムな動きと関連するショットノイズなどのノイズ源の影響を排除または少なくとも最小化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
第１導電型のシリコン層（ｐ型シリコン層１２６）の第１の表面に形成された第２の導電型の第１ドープ領域（ｎ型ドープ領域１２８）と、前記第１導電型のシリコン層（ｐ型シリコン層１２６）の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に形成された第２の導電型の第２ドープ領域（ｎ型領域１３４）と、前記第１ドープ領域の前記第１表面から前記第２ドープ領域の前記第２の表面を貫通する開口部（開口部１１８）と、前記開口部の壁面に沿って垂直方向に延伸するチャネル（チャネル１１９）と、を有し、前記開口部は、１〜１０ｎｍの範囲の直径を有しており、前記第１ドープ領域、前記第２ドープ領域及び前記チャネルは、絶縁体により前記開口部から分離されている、半導体装置を備える、システムを提供する。
【００１８】
核酸鎖を検出する方法であって、
第１導電型のシリコン層の第１の表面に形成された第２の導電型の第１ドープ領域と、前記第１導電型のシリコン層の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に形成された第２の導電型の第２ドープ領域と、前記第１ドープ領域の前記第１表面から前記第２ドープ領域の前記第２の表面を貫通する開口部と、前記開口部の壁面に沿って垂直方向に延伸するチャネルと、を有し、前記開口部が、１〜１０ｎｍの範囲の直径を有しており、前記第１ドープ領域、前記第２ドープ領域及び前記チャネルが、絶縁体により前記開口部から分離されている半導体装置を提供するステップと、
前記核酸鎖が前記開口を通過するステップと、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域間において前記検出領域を通過する電流を検出するステップと、
を備える方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に従って構成されたＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサを含むＤＮＡまたはＲＮＡ配列決定を行うためのシステムを図示する。
【図２】図１に示すＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサの平面図を示す。
【図３】ＤＮＡまたはＲＮＡ配列のアデニン（Ａ）、チミン（Ｔ）、グアニン（Ｇ）およびシトシン（Ｃ）塩基がＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサを通過するときの、図１に示すシステムの電流検出器によって検出された電流を表す波形の例を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に従って図１に示すようなＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサを作製するシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の断面図を示す。
【図５】シリコン層に形成された浅いｎ型領域および深いｎ型領域ならびに切り欠かれた基板の部分を有する図４に示すＳＯＩ基板の断面図を示す。
【図６】絶縁体の一部が切り欠かれ、別の浅いｎ型領域がシリコン層に形成された図５に示すＳＯＩ基板の断面図を示す。
【図７】エッチングで形成された開口部を有するＳＯＩ基板の断面図を示す。
【図８】図７に示すＳＯＩ基板の平面図を示す。
【図９】シリコン層上およびその中の開口部を形成する壁面上に形成された酸化層を有する図７に示すＳＯＩ基板の断面図を示す。
【図１０】図９に示すＳＯＩ基板の平面図を示す。
【図１１】シリコン層上およびその中の開口部を形成する壁面上に形成された酸化層を有する図９に示すＳＯＩ基板の詳細な断面図を示す。
【図１２】図１１に示すＳＯＩ基板の平面図を示す。
【図１３】図７に示すＳＯＩ基板の開口部の構成例の詳細な断面図を示す。
【図１４】図１３に示す開口部の平面図を示す。
【図１５】酸化層にエッチングされた穴および浅いｎ型領域と深いｎ型領域に接触するためにそれぞれ穴の上方に形成された金属コンタクトを有する図９に示すＳＯＩ基板の断面図を示す。
【図１６】図４〜１５に示す製造ステップに従って作製された図１に示すＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサの断面図を示す。；
【図１７】本発明の別の実施形態による複数のｎ型領域によって形成された複数の検出器を有するＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサの平面図を示す。
【図１８】本発明の別の実施形態によるＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサの断面図を示す。
【図１９】本発明のさらなる実施形態によるＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサの断面図を示す。
【図２０】本発明のさらなる実施形態によるＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサの断面図を示す。
【図２１】図２０に示すＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサの平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１および２は、ＤＮＡまたはＲＮＡ、タンパク質または炭水化物のようなポリマー、あるいは石油のような長鎖ポリマーの存在を検出するための、より好ましくはポリマーまたは長鎖ポリマーの個々の構成要素およびポリマーまたは長鎖ポリマーの長さを識別するためのシステム１００を図示する。システム１００は、好ましくは、本発明の実施形態によるＤＮＡまたはＲＮＡ配列決定のような核酸の配列決定を行えるようになっている。したがって、この明細書において、核酸配列決定と関連してシステム１００を説明する。
【００２１】
システム１００は、以下により詳細に説明するように、半導体装置である核酸配列決定装置１０２を含む。特に、核酸配列決定装置１０２は、２つのドープ領域つまりドレイン領域１０４およびソース領域１０６を含む点で、ＭＯＳＦＥＴのような電界効果トランジスタに似ている。しかしながら、ＭＯＳＦＥＴとは異なり、核酸配列決定装置は以下に述べる理由のためにゲート領域を含まない。
【００２２】
核酸配列決定装置１０２は、水、ゲル、ＫＣＬなどの緩衝液、または他のあらゆる適切な溶液などの液体１１０を含む容器１０８の中に配置される。なお、溶液１１０は、油などの絶縁媒体または他のあらゆる適切な絶縁媒体であってもよい。さらに、容器１０８は液体のような媒体を含まなくてもよい。つまり、容器１０８は、核酸配列決定装置１０２が配置される真空をつくるために密封して排気することもできる。また、図１は例として容器１０８の中に１つの核酸配列決定装置１０２しか示していないが、容器は、並行して複数のＤＮＡ配列決定測定を行うための複数の核酸配列決定装置１０２を含むことができる。
【００２３】
容器１０８内の液体１１０などの媒体または真空は、核酸配列決定装置１０２によって配列決定される核酸鎖または核酸鎖の部分１１１を含む。さらに図示するように、直流電圧源のような電圧源１１２が、それぞれドレインおよびソース領域１０４および１０６を介してリード線１１６によって電流計１１４に直列に結合されている。この例では、電圧源１１２の正のリード線はドレイン領域１０４に結合され、電圧源１１２の負のリード線は電流計１１４を介してソース領域１０６に結合されている。
【００２４】
核酸配列決定装置１０２のドレインおよびソース領域１０４および１０６に印加される電位は、例えば約１００ｍＶと小さくてもよく、これは、核酸配列決定装置１０２の開口部１１８に核酸鎖を引き込むためにドレインおよびソース領域１０４および１０６に勾配をつくるのに十分である。つまり、核酸鎖１１１は、局部的な勾配によって開口部１１８を通って移動する。あるいはまたはさらに、液体はイオン溶液を含み得る。この場合、局部的な勾配によって溶液中のイオンが開口部１１８を通って流れ、このことがＤＮＡまたはＲＮＡのような核酸鎖１１１が同様に開口部１１８を通って移動する助けとなる。
【００２５】
媒体１１０内に置かれてさらなる電圧源１１７および１２１に接続されたさらなる電極１１３および１１５があれば、開口部１１８に向かう核酸鎖の移動をさらに容易にする。すなわち、外部電極１１３および１１５は、媒体１１０内に電界を印加するために用いられる。この電界は、核酸鎖１１１などの全ての荷電した粒子が開口部１１８へ向けてか開口部１１８から離れてかのいずれかに流れる原因となる。このため、電極１１３および１１５は、核酸鎖１１１を開口部１１８の中へまたはその外へ向けるための手段として用いられる。電圧源１１２および１１７を核酸シーケンサ１０２に接続するために、金属コンタクト１２３が以下により詳細に説明するｎ型ドープ領域１２８および１３０に結合されている。電極１１３および１１５は、交流電圧源１２５によってＤＣ電圧に重畳される高周波電圧を提供することもでき得る。メガヘルツ範囲（例えば１０ＭＨｚ）のような無線周波数範囲の周波数を有し得るこの高周波電圧によって、核酸鎖１１１およびイオンが振動する。この振動は、塩の粒がシェーカーの開口部を通過できるようにソルトシェーカーを振るのと同様の方法で、核酸鎖１１１がより円滑に開口部１１８を通るようにする。あるいは、音波発生装置のような装置１２７を液体１１０の中または他のあらゆる適切な位置に配置することができ、同様の機械的振とう機能を提供するために装置１０２を介して音波の振動を送るように制御される。
【００２６】
当業者が十分に理解できるように、核酸鎖は、それぞれが特定の大きさおよび極性のイオン電荷を含有する塩基Ａ、Ｃ、ＧおよびＴの異なる組み合わせをそれぞれ含んでいる。このため、ドレインおよびソース領域１０４および１０６間またはそうでなければ開口部１１８の両端の電荷勾配は、荷電した核酸鎖に開口部１１８を通過させる。あるいは、開口部１１８と液体の間に電位差をつくるために別の電圧源（図示せず）を用いることができる。また、ソースおよびドレイン１０６および１０４間に印加される電圧と無関係にＤＮＡの流れを制御するために開口部１１８の両端に圧力差を与えることができる。
【００２７】
また、配列決定装置１０２は、電圧源１１２を基準として媒体１１０に正の電圧を印加することによって核酸鎖を開口部１１８に引き寄せることができる。さらに、ドレインおよびソース領域１０４および１０６の極性をそれぞれ反転することによって、媒体１１０中の核酸鎖を開口部１１８に押し込んだりそこから押し出したりし、複数回解析することもできる。
【００２８】
以下により詳細に説明するように、開口部１１８は、ナノメートルの範囲内、例えば約１ｎｍから約１０ｎｍの範囲内の直径を有するように構成される。したがって、常に１つのＤＮＡ鎖だけしか開口部１１８を通過することができない。ＤＮＡ鎖が開口部１１８を通過すると、塩基の配列は、鏡像電荷を誘起する。この鏡像電荷は、開口部１１８が形成された装置の壁面に沿って垂直方向に延伸するチャネル１１９をドレインおよびソース領域１０４および１０６間に形成する。電圧源１１２によってソース領域１０６およびドレイン領域１０４間に電圧が印加されると、チャネル内のこれらの鏡像電荷はソースからドレインへと流れ、結果として電流計１１４によって検出することができる電流フローとなる。開口部１１８内に電荷がある限り電流がチャネル内に存在するので、電流計１１４によって検出される装置電流は、移動電荷と関連する電流よりもはるかに大きい。例えば、開口部１１８を通過する１つ１つの荷電イオンは、０．１６ｐＡのイオン電流および１６０ｎＡの装置電流の原因となる。
【００２９】
あるいは、塩基は、チャネル１１９内に電荷の変化を誘起し、電流計１１４によって検出されるような電流の＋変化をもたらす。ＤＮＡ鎖の存在による開口部を通るイオンの流れの変化が同様にチャネル１１９内の鏡像電荷の変化の原因となり、結果として電流計１１４によって検出される電流の変化となる。つまり、電流計１１４によって測定される装置電流は、ＤＮＡ鎖１１１が開口部１１８を通過すると、例えば８０μＡから４μＡに減少する。
【００３０】
各タイプの塩基Ａ、Ｃ、ＧおよびＴのそれぞれは、それぞれの塩基のタイプと関連する特定の電荷を表す特定の大きさおよび波形を有する電流を誘起する。すなわち、Ａタイプの塩基は、核酸配列決定装置１０２のドレインおよびソース領域間のチャネル内にＡタイプの塩基であることを示す大きさおよび波形を有する電流を誘起する。同様に、Ｃ、ＴおよびＧ塩基は、それぞれ特定の大きさおよび波形を有する電流を誘起する。
【００３１】
検出された電流の波形の例を図３に示す。この図は、Ａ、Ｃ、ＧおよびＴ塩基の存在によって生成される予想信号の形、大きさおよび時間分解能を象徴的に図示している。電流の大きさは、一般的にマイクロアンペア（μＡ）の範囲にあり、これはピコアンペアの範囲にある開口部１１８を通って流れるイオン電流の１０6倍の大きさである。個々の塩基の静電位の計算は、水素結合をもたらす電荷の相補分布を示す。例えば、Ｔ−ＡおよびＣ−Ｇの対は、外から対にして見ると同様の分布を有するが、対ではない一本鎖ＤＮＡを解析する場合は、水素結合が起こる面が独特である。大きなＡおよびＧ塩基は、水素結合面上でほぼ相補的（正と負が逆）であり、小さなＴおよびＣ塩基についても同様である。
【００３２】
したがって、ＤＮＡ鎖が開口部１１８を通過すると、電流計１１４によって検出された誘起された電流の波形および大きさを解釈することによって、鎖の塩基の配列を検出し、それゆえ確認できる。したがって、システム１００は、非常に正確で効率的な方法でＤＮＡ配列決定を行うことを可能にする。
【００３３】
チャネル１１９内の電子の速度は開口部を通過するイオンの速度よりもはるかに大きいので、ドレイン電流もまた開口部１１８を通るイオン電流よりもはるかに大きい。イオンの速度１ｃｍ／秒および電子の速度１０6ｃｍ／秒の場合、１００万倍の増幅が得られる。
【００３４】
また、ＤＮＡ分子の存在は、開口部１１８を通る電流ＩPを監視することによって検出できる。つまり、開口部を通る電流ＩPは、ＤＮＡ分子が開口部を通過するとき８０ｐＡから４ｐＡに減少する。これは、分子が開口部を通過する際の１マイクロ秒当たり２５の電子の電荷に相当する。
【００３５】
開口部を通る電流ではなく装置電流を測定することには以下の利点がある。装置電流は比較的大きいので測定しやすい。大きな電流は短時間での正確な測定を可能にし、それにより２つのｎ型領域の間に位置する１つのＤＮＡ塩基と関連する電荷の測定を可能にする。これに対して、開口部を通る電流の測定の帯域幅は、開口部１１８を通る電荷のランダムな動きと関連したショットノイズによって制限される。例えば、１０ＭＨｚの帯域幅で１ｐＡの電流を測定すると、１．８ｐＡのノイズ電流が生じる。また、装置電流は、開口部１１８の両側の液体が電気的に絶縁されていなくても測定することができる。つまり、上述のように、配列決定装置１０２は単一の液体の容器に浸されている。このため、複数の電流測定を並行して行えるようにするために複数のシーケンサ１０２を単一の液体の容器に浸すことができる。さらに、以下により詳細に述べるように、ナノメートルサイズの開口部１１８の代わりにＤＮＡ分子を２つのｎ型領域に極めて接近させる他のあらゆる構造または方法を用いることができる。
【００３６】
核酸配列決定装置１０２を作製する好適な方法を図４〜１６を参照して説明する。図４に示すように、作製工程は、シリコン基板１２２、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）層１２４および薄いｐ型シリコン層１２６を含むシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板のようなウエハ１２０から始まる。この例では、シリコン基板１２２は約３００μｍから約６００μｍの範囲内の厚さを有し、二酸化シリコン層１２４は約２００から６４００ｎｍの範囲内の厚さを有し、ｐ型シリコン層１２６は約１μｍ以下（例えば約１００ｎｍから約１０００ｎｍの範囲内）の厚さを有する。
【００３７】
図５に示すように、ヒ素、リンなどのようなｎ型ドーパントのイオン注入およびアニーリングまたは拡散によってドープｎ型領域１２８がｐ型シリコン層１２６につくられる。図示するように、ｎ型領域１２８は、ｐ型シリコン１２６を完全には貫通しない浅い領域である。図５に示すように深いｎ型領域１３０もまたｐ型シリコン１２６につくられる。深いｎ型領域１３０は、ｐ型シリコン１２６を貫通して二酸化シリコン１２４に至り、ｎ型領域１２８をつくるのに用いられるｎ型物質と同一または同様であり得るｎ型物質の拡散、あるいはイオン注入およびアニーリングのような公知の方法によってつくられる。図５にさらに示すように、シリコン基板１２２は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）中でのエッチングなどのような公知の方法によってその（１１１）平面に沿ってエッチングされる。基板１２２の背面はテフロン（登録商標）ジグ（teflon jig）でエッチングすることもできる。図示するように、エッチング工程によりシリコン基板１２２の中央部分が二酸化シリコン１２４まで切り欠かれて、シリコン基板１２２に開口部１３２がつくられる。
【００３８】
図６に示すように、開口部１３２に露出した二酸化シリコン１２４の部分が、フッ化水素酸中でのエッチング、反応性エッチングなどのような従来のエッチング方法によって切り欠かれる。ｎ型領域１２８および１３０をつくるのに用いられるのと同一または同様のｎ型物質の注入または拡散のような公知の方法によって、開口部１３２で露出したｐ型シリコン１２６の場所に別の浅いｎ型領域１３４がつくられる。
【００３９】
次いで開口部１１８（図１および２参照）が、例えば図７および８に示すようにフレオン（Freon）１４（ＣＦ4）を用いる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、光学リソグラフィー、電子ビームリソグラフィーまたはその他の細線リソグラフィーによって、ｎ型領域１２８、ｐ型シリコン１２６および底部のｎ型領域１３４を貫いて形成され、約１０ｎｍの直径を有する開口部となる。図９に示すように、開口部の直径は、シリコンを酸化することでｐ型シリコン層１２６および開口部１１８を形成する壁面の上に二酸化シリコン層１３６を形成することによってさらに小さくすることができる。この酸化状態は、例えば１０００℃の酸素雰囲気中でのシリコンの熱酸化により形成することができる。図１１および１２に詳細に示すように、結果としての酸化物は、酸化工程中に使われたシリコンよりも大きな体積を有しており、このことが開口部１１８の直径をさらに狭める。開口部１１８の直径が１ｎｍほどの小ささであると望ましい。
【００４０】
例示のために図１、２および３〜９は開口部１１８を円筒形の開口部であるように示しているが、例えば図１３および１４に示すように開口部１１８が漏斗形を有するのが好ましい。この漏斗形の開口部１１８は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いて（１００）ｐ型シリコン層１２６のＶ字形溝エッチングを行うことによってつくられ、ｐ型シリコン１２６の（１１１）平面１３８に沿って形成されたＶ字形の溝となる。図１４に明示するように、Ｖ字形または漏斗形の開口部は、開口部１１８を通るＤＮＡ鎖の動きを容易にし、ＤＮＡ鎖が丸まってしまうために開口部１１８を通過するのが困難になる可能性を最小にする。酸化およびＶ字形溝エッチングを組み合わせてさらに小さい開口部を生み出すことができる。さらに、上記のように、熱酸化の代わりに陽極酸化を用いることができる。陽極酸化は、最適な開口部サイズが得られると工程を中止できるように酸化の際に開口部サイズの監視を可能にするというさらなる利点を有する。
【００４１】
特に、開口部１１８は、１度に１つのＤＮＡ鎖の分子だけを通過させるのに十分に小さくなければならない。電子ビームリソグラフィーでは１０ｎｍほどの小ささの開口部１１８を形成できるが、さらに小さな開口部が必要である。上記のようなシリコンの酸化およびＶ字形溝エッチングは、開口部をさらに小さくして１〜２ｎｍという所望のサイズにするために用いることができる。シリコンの酸化によって酸化の際に消費されたシリコンの約２倍の体積を有する二酸化シリコンが得られることが公知である。小さな開口部１１８の酸化によって開口部サイズが徐々に小さくなり、それにより所望の開口部サイズが提供される。ＫＯＨを用いた（１００）配向シリコンのＶ字形溝エッチングにより、（１１１）平面によって形成されたＶ字形溝が得られる。正方形のＳｉＯ2またはＳｉ3Ｎ4マスクを介してのＫＯＨエッチングにより、正方形の断面を有する漏斗形の開口部が得られる。薄いシリコン層のエッチングにより、極めて小さなサイズの開口部１１８がもう一方の側に得られる。
【００４２】
酸化およびＶ字形溝エッチングを組み合わせてさらに小さな開口部１１８を形成することもできる。熱酸化の代わりに、酸化の際の開口部１１８のサイズの監視を可能にするというさらなる利点を有する陽極酸化を用いることができ、適切のサイズの開口部１１８が得られると酸化を中止することができる。
【００４３】
ここで図１５を参照すると、ｎ型領域１２８およびｎ型領域１３０を露出させるために二酸化シリコン１３６に穴１４０がエッチングされる。次いで、各ｎ型領域１２８および１３０に接触するために、金属コンタクト１４２が二酸化シリコン層１３６上および穴１４０内に堆積される。その後、図１６に示すように金属コンタクト１４２の上に絶縁体１４４が堆積され、このようにして図１に示す装置１０２が得られる。
【００４４】
図１にさらに示すように、リード線１１６がｎ型領域１２８および１３０に接触できるように絶縁体１４４の一部を取り除くことができ、このことによりこれらの領域はそれぞれドレイン領域１０４およびソース領域１０６を形成する。リード線１１６がｎ型領域１２８および１３０に接触するために延伸して通る開口部を密閉するために、さらなる絶縁体１４６が絶縁体１４４の上に堆積される。その結果、上述のようなＤＮＡ配列決定を行うために完成した装置１０２を作動させることができる。
【００４５】
ＤＮＡ分子の塩基を識別するためには、単一の電子の電荷を測定するのが望ましい。配列決定装置１０２が０．１×０．１μｍの長さおよび幅を有すように製作され、二酸化シリコン層の厚さが開口部１１８の壁面に沿って０．１μｍであると、０．３５ｆＦの静電容量、０．４５ｍＶの電圧の変化、１ｍＳの装置の相互コンダクタンスおよび０．５ｎＡの電流の変化が実現される。したがって、これらの寸法および特徴を有する配列決定装置１０２は、単一の電子の電荷を検出するのに用いることができる。配列決定装置１０２は、異なるヌクレオチドを区別するのに十分な特別の分解能を得るためにさらにサイズを小さくすることができる。
【００４６】
装置１０２のさらなる実施形態もまた作製することができる。例えば、図１７は、本発明の別の実施形態による核酸配列決定装置の平面図を示す。この実施形態では、最終的にドレインおよびソース領域を形成するｎ型領域を形成するために、図３から１６に関して上述したステップが実行される。しかしながら、この実施形態では、例えば図５に示すｎ型領域１２８は、４つの別個のｎ型領域１５０として上記のｐ型シリコン層１２６と同様のｐ型シリコン層に形成される。二酸化シリコン層１５４は、中にｎ型領域１５０がつくられたｐ型シリコン層を覆っている。穴１５６は、二酸化シリコン層１５４上に置かれた金属コンタクト１５８がｎ型領域１５０に接触できるように、二酸化シリコン層１５４においてエッチングされる。ｎ型領域１５０によって形成された４つのドレイン領域およびソース領域（図示せず）間を流れる電流を検出することによって、開口部１５２を通過するＤＮＡ鎖の塩基の空間的な向きを検出することができる。
【００４７】
図１８は、本発明の別の実施形態による核酸配列決定装置１６０の断面である。核酸配列決定装置１０２と同様に、核酸配列決定装置１６０は、シリコン基板１６２、二酸化シリコン層１６４、ｐ型シリコン１６８に注入されたｎ型領域１６６およびｐ型シリコン１６８に注入された第２のｎ型領域１７０を含む。核酸配列決定装置１６０は、それを貫通する開口部１７２をさらに有する。開口部は円筒形でもよいし、上記のようなＶ字形または漏斗形の開口部でもよい。二酸化シリコン層１７４は、図示するようにｐ型シリコン層１６８、ｎ型領域１７０およびｎ型領域１６６を覆っており、上記のようにして開口部１７２の直径を減少させる。リード線１７６をｎ型領域１７０に接合させるために二酸化シリコン層１７４に開口部がエッチングされている。別のリード線１７６もまたｎ型領域１６６の露出部分に接合されているので、電圧源１７８はｎ型領域１７０によって形成されたドレイン領域１８０およびｎ型領域１６６によって形成されたソース領域１８２の間に電位を印加することができる。このようにして、核酸配列決定装置１６０は、上記の方法でＤＮＡ鎖１８４の塩基を検出するのに用いることができる。
【００４８】
図１９は、本発明の別の実施形態によるＤＮＡ配列決定システム１８６を示す。システム１８６は、この例では互いの上部に積み重ねられた３つのＭＯＳＦＥＴ型装置を含む多層核酸配列決定装置１８８を含む。つまり、装置１８８は、上記のシリコン基板１２２と同様のシリコン基板１９０を含む。二酸化シリコン層１９２はシリコン基板１９０の上にある。装置１８８は、ｎ型ドープシリコン領域１９４、ｐ型二酸化シリコン領域１９６、ｎ型ドープシリコン領域１９８、ｐ型二酸化シリコン領域２００、ｎ型ドープシリコン領域２０２、ｐ型二酸化シリコン領域２０４およびｎ型ドープシリコン領域２０６をさらに含む。領域１９４から２０６は、図１９に明示するように互いの上部に積み重ねられている。しかしながら、当業者は十分に理解できるように、この実施形態および本明細書に記載のその他の全ての実施形態について層の極性を反転させることができる。つまり、装置１８８は、ｐ型ドープシリコン領域１９４、ｎ型二酸化シリコン領域１９６、ｐ型ドープシリコン領域１９８などを含んでもよい。
【００４９】
さらに、薄い二酸化シリコン層２０８が図示するように層の上に形成され、開口部１１８に関して上述した方法で開口部２１０の直径を減少させるために開口部２１０を形成する壁面上にも形成される。また、開口部２１０は、上記のように円筒形でもＶ字型の溝または漏斗形の溝でもあり得る。以下に説明するように電圧源２１４、２１６および２１８ならびに電流計２２０、２２２および２２４を装置１８８に結合するためにリード線２１２を領域１９４、１９８、２０２および２０６に接合できるように、二酸化シリコン層２０８に穴が形成される。上記のように、電圧源２１４、２１６および２１８ならびに電流計２２０、２２２および２２４は、それぞれ電圧源１１２および電流計１１４と同様である。
【００５０】
特に、リード線２１２は、電圧源２１４および電流計２２０をｎ型ドープシリコン領域２０２およびｎ型ドープシリコン領域２０６に直列に結合する。したがって、電圧源２１４は、ｐ型二酸化シリコン領域２０４によって分離された領域２０２および２０６の間に電圧を印加する。リード線２１２はまた、図示するように電圧源２１６および電流計２２２をｎ型ドープシリコン領域１９８およびｎ型ドープシリコン領域２０２に結合する。さらに、リード線２１２は、図示するように電圧源２１８および電流計２２４をｎ型ドープシリコン領域１９４およびｎ型ドープシリコン領域２０２に結合する。その結果、図１９から十分に理解できるように、ｎ型ドープシリコン領域１９８およびｎ型ドープシリコン領域１９４はそれぞれ第１のＭＯＳＦＥＴのドレインおよびソース領域として作用し、ｎ型ドープシリコン領域２０２およびｎ型ドープシリコン領域１９８はそれぞれ第２のＭＯＳＦＥＴのドレインおよびソース領域として作用し、ｎ型ドープシリコン領域２０６およびｎ型ドープシリコン領域２０２はそれぞれ第３のＭＯＳＦＥＴのドレインおよびソース領域として作用する。これらの３つのＭＯＳＦＥＴ型装置は、開口部２１０を通過するＤＮＡ鎖の塩基によって誘起された電流を測定することができ、これにより、精度を高めるためにこれらの塩基の複数の測定を行うことができる。
【００５１】
また、図２０および２１に示すように、上記の核酸配列決定装置は、ＤＮＡ鎖が装置の開口部を通過することを必要とすることなく核酸鎖の塩基を検知するように構成することができる。つまり、上記の技術を用いて、図１に示す核酸配列決定装置１０２と同様の、表面に近接してドレインおよびソース領域を有する核酸配列決定装置２２６を作製することができる。なお、図１、２０および２１に示す同様の構成要素は、同様の参照番号で識別されている。しかしながら、開口部１１８の代わりに、ドレイン領域からソース領域へと延伸する表面に１つ以上の溝（groove）２２８を任意に形成することができる。あるいは、表面に溝は形成されないが、核酸鎖１１１を検出するための検出領域がドレインおよびソース領域間にある。電圧源１１７および１２１による電位の印加ならびに容器１０８内の圧力差の生成のような、上述したものと同様の技術は、核酸鎖１１１を装置の表面に沿って溝２２８の上を水平方向に移動させるために用いることができる。核酸鎖の塩基は、電流がドレインおよびソース領域間を流れられるようにする鏡像電荷チャネル２３０をドレインおよびソース領域間につくる。塩基によって核酸配列決定装置内に誘起された電流は、上記のものと同様の方法で測定することができる。
【００５２】
さらに、装置２２６は、鏡像電荷を含むチャネル２３０が垂直ではなく水平である点で、図１、１７および１９に表すその他の実施形態と異なる。この構造は図１、１７および１９に示す装置１０２におけるような開口部１１８を含まないが、この実施形態は、チャネル２３０のすぐ上方に電荷検知領域を含む。図１と同様に、核酸鎖１１１を電荷検知領域の方へまたはそれから離れるように向ける電界を与えるために外部電極１１３および１１５が用いられる。つまり、核酸鎖１１１の動きは、ドープ領域１３０に印加される電圧を基準として外部電極１１３および１１５に電圧を印加することによって制御される。核酸鎖１１１を図２０に示す平面に垂直に動かすために、さらなる電極（図示せず）を加えることもできる。
【００５３】
装置の電荷検知領域は、チャネル２３０のすぐ上方かつ２つのドープ領域１３０の間に位置している。個々の塩基の識別には、２つのドープ領域間の距離が１つの塩基程度であり、各塩基が連続して電荷検知領域の上方にあるように核酸鎖１１１が動くことが必要である。この水平構成は、さらに並行的かつ連続的な核酸鎖１１１の解析を可能にし、小さな開口部の作製を必要としない。このアプローチをさらに高めるために、核酸鎖１１１を導く上述のような溝２２８の形成などのさらなる表面処理を用いることができる。
【００５４】
図１９および２０に示す水平の実施形態はまた、多数の核酸鎖１１１の存在を検出するためにも有利である。例えば、媒体として電気泳動ゲルを用いて、種々の長さの核酸鎖１１１を電極１１３および１１５間に置くことから始める。ドープ領域１３０を基準として負の電圧を電極１１３および１１５に印加する。そうすると、核酸鎖１１１は電荷検知領域へ向けて移動する。小さな鎖は速く移動し、大きな鎖はゆっくり移動する。したがって、小さな鎖がまず電荷検知領域に到着し、その後に大きなものが続く。したがって、電荷検知領域に蓄積された電荷は、およびそれゆえにチャネル２３０の鏡像電荷もまた、時間とともに「階段状に」増加する。この結果として、電流計１１４によって測定される電流が階段状に増加または減少する。
【００５５】
この処理は、１つのＤＮＡ／ＲＮＡ鎖の個々の塩基の識別とはならないが、電気泳動測定によって行われるのと同等の鎖の長さの測定を提供する。標準の電気泳動に対する利点は、ＤＮＡ／ＲＮＡ鎖の位置のリアルタイムの測定が行われることである。また、標準の電気泳動がｃｍサイズではないとしてもｍｍサイズの泳動領域を用いるのに対して、ミクロンサイズの装置を容易に製作できるので寸法を大幅に低減することができる。このサイズの低減によって、単一の電荷の検知装置の費用も削減しながら、必要なＤＮＡ／ＲＮＡ鎖がより少ない高速の測定がもたらされる。
【００５６】
本発明のいくつかの実施例だけを上記に詳細に説明したが、当業者には、この発明の新規な教示および利点から著しく逸脱することなく、実施例において多くの変形が可能であることが容易に理解される。したがって、このような変形の全ては、以下の請求の範囲において規定されるような本発明の範囲内に含まれるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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