(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核酸鎖の核酸配列を決定するためのシステムであって、
前記核酸鎖が通過可能な開口部を有する少なくとも１つの検出領域を有する少なくとも１つの半導体装置を含み、前記開口部は、１００ｎｍ以下の断面積を有し、前記少なくとも１つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分であり、
前記検出領域が前記開口部における前記構成要素の前記電荷を検出するようになるように、前記検出領域は、前記核酸鎖が前記開口部に入ることを可能にするのに十分な断面を有する、前記半導体装置における開口部を定義する絶縁層を有する前記半導体装置の領域を含む、システム。
【請求項２】
前記絶縁層が酸化物層を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記検出領域の前記領域が、ドーピングされていない半導体層を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記検出領域の前記領域が、前記開口部が形成された酸化物層を含み、前記酸化物層が少なくとも１つのシリコンナノ結晶を含んでいる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記開口部が非円形である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
核酸鎖の核酸配列を決定するための装置を製造するための方法であって、
少なくとも１つの半導体層を含む半導体構造を提供するステップと、
前記半導体構造に前記核酸鎖が通過可能な開口部を有する検出領域を作成するステップと、
前記開口部の前記断面を小さくするために前記開口部を形成する前記半導体層の壁面にドーピングされていない半導体層を形成するステップと、を含み、
前記開口部は、１００ｎｍ以下の断面積を有し、前記少なくとも１つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分である、方法。
【請求項７】
前記検出領域作成ステップが、前記開口部の前記断面を小さくするために前記開口部を形成する前記半導体層の壁面に酸化物層を形成し、前記酸化物層が少なくとも１つのシリコンナノ結晶を含んでいるステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記検出領域作成ステップが、酸化物を含む前記絶縁層を形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
核酸鎖の核酸配列を決定するためのシステムであって、
絶縁層および少なくとも１つの金属層を含む少なくとも１つの構造を含み、前記核酸鎖が通過可能な開口部を有する少なくとも１つの検出領域を形成するよう配置され、前記開口部は、１００ｎｍ以下の断面積を有し、前記少なくとも１つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分である、システム。
【請求項１０】
前記絶縁層が前記金属層に接触する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記構造が２つの金属層を含み、前記絶縁層が前記２つの金属層の間に配置されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記検出領域が前記開口部における前記構成要素の前記電荷を検出するようになるように、前記検出領域が、前記核酸鎖が前記開口部に入ることを可能にするのに十分な断面を有する前記開口部が形成された前記構造の領域を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記開口部を通る前記核酸鎖の動きを容易にするために前記構造において動きを生成するようになっている励起装置をさらに含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記開口部が非円形である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記検出領域が凹部における前記構成要素の電荷を検出するようになるように、前記検出領域が前記構造において前記凹部が形成された前記構造の領域を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの構造が、前記構成要素と結合または前記構成要素と化学反応を起こす前記半導体装置の部分（portion）がなくとも、前記構成要素の前記電荷を受動的に（passively）検出する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの構造が、前記構成要素の単一の（single）前記電荷を受動的に（passively）に検出する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１８】
核酸鎖の核酸配列を決定するための装置を製造するための方法であって、
絶縁層および少なくとも１つの金属層を含む構造を提供するステップと、
前記構造に検出領域を作成するステップと、を含み、
前記検出領域は、前記核酸鎖が通過可能な開口部を有し、前記開口部は、１００ｎｍ以下の断面積を有し、前記少なくとも１つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分である、方法。
【請求項１９】
前記構成要素が核酸鎖の塩基を含み、
前記作成ステップが前記核酸鎖の前記塩基を表す前記電荷を検出するようになっている前記検出領域を作成する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記構造に開口部を作成し、前記開口部が前記核酸鎖の一部がそれを通過することを可能にするのに十分な断面を有し、前記検出領域が前記開口部における前記構成要素を表す前記電荷を検出するようになるように前記検出領域に対して位置決めされているステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記開口部が非円形である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記検出領域が凹部における前記構成要素を表す前記電荷を検出するようになるように前記検出領域に対して位置決めされた前記凹部を前記構造に作成するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記検出領域が、前記構成要素と結合または前記構成要素と化学反応を起こす前記半導体装置の部分（portion）がなくとも、前記構成要素の電荷を受動的に（passively）検出する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記検出領域が、前記構成要素の単一の前記電荷を受動的に（passively）に検出する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２５】
核酸鎖の核酸配列を決定するためのシステムであって、
複数の検出装置と、
読取り器と、を含み、
前記検出装置のそれぞれは、前記核酸鎖が通過可能な開口部を有する少なくとも１つの検出領域を有し、前記開口部は、１００ｎｍ以下の断面積を有し、前記少なくとも１つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分あり、
前記読み取り器は、前記検出装置のそれぞれからの読取りを選択的に得るようになっており、それぞれの前記読取りが前記検出装置によって検出された電荷のそれぞれを表す、システム。
【請求項２６】
前記検出装置の少なくとも１つが、前記検出領域に近接する前記核酸鎖の構成要素の電荷を検出するようになっている、前記検出領域を少なくとも１つ有する少なくとも１つの半導体装置を含む、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記検出装置の少なくとも１つが、少なくとも１つの前記検出領域を形成するよう配置された絶縁層および少なくとも１つの金属層を含んだ構造を含み、前記検出領域に近接する前記核酸鎖の構成要素を表す電荷を検出するようになっている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記検出装置それぞれが、前記構成要素と結合または前記構成要素と化学反応を起こす前記半導体装置の部分（portion）がなくとも、前記構成要素の前記電荷を受動的に（passively）検出する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２９】
前記検出装置それぞれが、前記構成要素の単一の前記電荷を受動的に（passively）に検出する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３０】
核酸鎖の核酸配列を決定するためのシステムであって、
前記核酸鎖が通過可能な開口部を有する少なくとも１つの検出領域を有する少なくとも１つの半導体装置を含み、前記開口部は、１００ｎｍ以下の断面積を有し、前記少なくとも１つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分あり、前記検出領域が開口部における前記構成要素の前記電荷を検出するようになるようになっており、前記検出領域の前記領域が、前記開口部が形成された酸化物層を含み、前記酸化物層が少なくとも１つのシリコンナノ結晶を含んでいる、システム。
【請求項３１】
核酸鎖の核酸配列を決定するための装置を製造するための方法であって、
少なくとも１つの半導体層を含む半導体構造を提供するステップと、
前記半導体構造に検出領域を作成するステップを含み、前記検出領域は、前記核酸鎖が通過可能な開口部を有し、前記開口部は、１００ｎｍ以下の断面積を有し、前記少なくとも１つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分あり、
前記開口部作成ステップが、前記開口部の前記断面を小さくするために前記開口部を形成する前記半導体層の壁面に酸化物層を形成し、前記酸化物層が少なくとも１つのシリコンナノ結晶を含んでいる、酸化物層形成ステップを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
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、「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、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"）」という名称のジョン  Ｒ．ザウアー（Jon R. Sauer）らの米国特許仮出願、第６０／２５９，５８４号、出願日２００１年１月４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、本出願はその一部継続出願で、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。
発明の背景
発明の分野
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。
関連技術の説明
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。
【０００１】
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。
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。
【０００２】
ＤＮＡ配列決定を行う１つの方法は、米国特許第５，６５３，９３９号に開示されており、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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
ＤＮＡ配列決定への別のアプローチは、米国特許第５，７９５，７８２号および第６，０１５，７１４号に記載されており、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。
【０００６】
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判別する、より感度の高い検出システムが求められている。
発明の要旨
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。
【０００７】
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。
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。
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。
【０００８】
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。
本発明のこれらおよび他の目的は、核酸鎖の核酸配列を決定するためのシステムを提供することによって、実質的に達成される。このシステムは、検出領域の近くの核酸鎖の構成要素を表す電荷を検出するようになっている少なくとも１つの検出領域を有する少なくとも１つの半導体装置または絶縁および金属層の構成を含む。構成要素は核酸鎖の塩基を含むことができるので、検出領域は核酸鎖の塩基を表す電荷を検出するようになっている。検出領域はさらに、検出された電荷を表す信号を生成するようになっている。また、検出領域は、半導体装置における凹部、または核酸鎖が開口部に入るのを可能にするのに十分な断面を有する半導体装置における開口部が形成された半導体装置の領域を含むことができるので、検出領域は開口部における構成要素の電荷を検出する。さらに、半導体装置は、好ましくは少なくとも２つのドープ領域をさらに含み、検出領域は、検出領域の近くの構成要素の存在に応じて２つのドープ領域間に電流を送ることができる。
【０００９】
本発明の上記および他の目的は、少なくとも１つの半導体装置の検出領域の近くに核酸鎖の一部を位置決めするステップと、検出領域において検出領域の近くの核酸鎖の構成要素を表す電荷を検出するステップとを含む、核酸鎖の核酸配列を決定するための方法を提供することによってもまた実質的に達成される。構成要素は核酸鎖の塩基を含むことができるので、検出ステップは塩基を表す電荷を検出する。方法は、検出された電荷を表す信号を検出領域において生成するステップをさらに含む。検出領域は、半導体装置における凹部、または核酸鎖が開口部に入るのを可能にするのに十分な断面を有する半導体装置における開口部が形成された半導体装置の領域を含むことができるので、検出ステップは、凹部または開口部における構成要素の電荷を検出する。さらに、半導体装置は少なくとも２つのドープ領域をさらに含むことができるので、方法は、検出領域の近くの構成要素の存在に応じて２つのドープ領域間に電流を送るステップをさらに含むことができる。
【００１０】
本発明の上記および他の目的は、少なくとも１つの半導体層を含む半導体構造を提供するステップと、検出領域が検出領域の近くの核酸鎖の構成要素を表す電荷を検出するようになるように半導体構造に検出領域を作成するステップとを含む、核酸鎖の核酸配列を決定するための装置を製造するための方法を提供することによって、さらに実質的に達成される。構成要素は核酸鎖の塩基を含むことができ、核酸鎖の塩基を表す電荷を検出するために検出領域を作成することができる。方法は、検出領域が凹部または開口部における構成要素を表す電荷を検出するようになるように検出領域に対して位置決めされた、半導体構造における凹部を作成、または核酸鎖の一部が通過することを可能にするのに十分な断面を有する半導体構造における開口部を作成するステップをさらに含む。方法は、開口部の断面を小さくするために開口部を有する半導体層の壁面に絶縁層を形成するステップをさらに含むことができる。さらに、方法は、検出領域が検出領域の近くの核酸鎖の構成要素に応じてドープ領域間に電流を送るようになるように検出領域に対して位置決めされた少なくとも２つのドープ領域を半導体層に作成するステップを含むことができる。ドープ領域は、異なるドーピングを有する半導体層の部分によって分離することができ、それぞれが第１のドーピングを有し、第２のドーピングを有する層によって分離されたドープ領域の積み重ねとして作成することができる。ドープ領域は、ｐ型またはｎ型ドーピングのいずれかを含むことができる。
図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の目的、利点ならびに新規な特徴は、添付の図面と一緒に読むと、以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。図面において：
図１は、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は、図１に示すＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサの平面図を示す；
図３は、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は、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は、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は、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は、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は、図７に示すＳＯＩ基板の平面図を示す；
図９は、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は、図９に示すＳＯＩ基板の平面図を示す；
図１１は、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は、図１１に示すＳＯＩ基板の平面図を示す；
図１３は、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は、図１３に示す開口部の平面図を示す；
図１５は、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は、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は、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は、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は、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は、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は、図２０に示すＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサの平面図を示す。
【００１１】
図２２は、ＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサのマトリックス配置の例を図示する概念ブロック図である；
図２３は、電子トンネリングを実現するために中間の半導体層の代わりに金属層を有するシーケンサの断面図である；
図２４は、図７に示すＳＯＩ基板の開口部の別の構成例の詳細な断面図を示す；
図２５は、図２４に示す開口部の平面図を示す；
図２６は、別個の液体領域と共に用いられる複数開口部シーケンサの断面図を示す；
図２７Ａおよび２７Ｂは、半導体構造に形成された開口部パターンの写真のイメージである；
図２８Ａおよび２８Ｂは、半導体構造に形成された開口部パターンの写真のイメージである。
好適な実施形態の詳細な説明
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。
【００１２】
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。
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
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、１マイクロ秒に開口部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。
【００１８】
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。
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
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。
【００２１】
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。
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、３．２ｐＡ相当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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
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８００〜１０００℃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、酸化工程中に消費さ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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、適切なサイズの開口部１１８が得られると酸化を中止することができる。
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。配列決定装置１０２は、さらに高い電荷検知能力を有するためにより小さくするのが好ましい。例えば、配列決定装置の幅は１０ｎｍ、長さは１０ｎｍであってもよく、開口部１１８は１ｎｍの直径を有してもよい。
【００３０】
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上に堆積さ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。
【００３１】
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を上記の方法でＤＮＡ鎖１８４の塩基を検出するのに用いることができる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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削減することができる。このサイズの削減によって、単一の電荷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。
【００４０】
さらに、多数のＤＮＡセンサ（例えば、配列決定装置１０２）を、図２２に示すように電子的にアドレス指定および読み出しされる２次元アレイ３００に構成することができる。アレイは、配列決定装置１０２のドレイン・ソース電流が対応するトランジスタ３０４のソースに流れるように、一方で接地に接続され他方で例えばトランジスタ３０４のソースに接続された配列決定装置１０２を含むセル３０２からなる。トランジスタ３０４のゲートはワード線３０６に接続され、そのワード線３０６がデコーダ３０８に接続される。各セル３０２のトランジスタ３０４のドレインは、センス線３１０に接続される。センス線３１０は、センス増幅器３１２として図示される一連のセンス増幅器に接続される。
【００４１】
アレイ３００は、マイクロプロセッサなどのような制御器（図示せず）からデコーダ３０８へアドレスを供給することによって作動される。そして、デコーダ３０８は、アドレスに対応するワード線３０６に電圧を印加する。センス増幅器３１２は、選択された配列決定装置１０２の列にバイアス電圧を提供する。バイアス電圧によって、選択された配列決定装置において開口部１１８を通るＤＮＡ分子の流れがもたらされる。選択された配列決定装置１０２は、対応するトランジスタ３０４に上記のようにして個々のヌクレオチドの電荷に比例する電流を提供する。センス増幅器は、選択された各配列決定装置１０２の電流を測定する。このようにして、アレイ３００は、単一の配列決定装置１０２と比べて配列決定速度を増加させ、同時に欠陥のある配列決定装置１０２に対する冗長性およびさらなる許容差を提供する、複数の同時測定を可能にする。
【００４２】
さらに、上記のＤＮＡシーケンサ（例えば、配列決定装置１０２）のいずれもが、半導体チャネル（例えば、図１に示す配列決定装置１０２のチャネル１１９）とＤＮＡ分子を含む媒体（例えば、図１に示す液体１１０）との間の障壁（例えば、酸化物層１３６）の代替を含み得る。例えば、酸化物層１３６は取り除くことができ、それでもなお半導体と媒体との間に電位障壁を残す。酸化物層１３６の代わりにドナーおよび／またはアクセプタでドーピングされたバンドギャップが広い半導体を用いることができる。酸化物層１３６の代わりにドーピングされていない、バンドギャップが広い半導体層を用いることもできる。
【００４３】
さらに、酸化物層１３６の代わりに１つ以上のシリコンナノ結晶を含む酸化物を用いることができる。このタイプの障壁を有する配列決定装置１０２の作動は、酸化物層１３６を有する配列決定装置１０２のものと少し違うものである。つまり、半導体チャネル１１９において鏡像電荷を直接につくるのではなく、個々のヌクレオチドの電荷が障壁のナノ結晶を分極する。このナノ結晶の分極が半導体チャネル１１９における鏡像電荷をつくる。電子がヌクレオチドからナノ結晶へトンネルするので、配列決定装置１０２の感度はさらに高められる。ナノ結晶に蓄積された電荷は、配列決定装置１０２のドレインおよびソースの間に短い電圧パルスを印加することによって、測定（例えば、電流計１１４による電流の読取り）の後で取り除くことができる。
【００４４】
上記の配列決定装置（例えば、配列決定装置１０２）はいずれも、半導体を用いずに構築することもできる。この構成では、中間のｐ型半導体１２６（図１参照）の代わりに二酸化シリコンのような絶縁層が用いられ、ｎ型のソース領域１０６およびドレイン領域１０４の代わりに金属電極が用いられる。２つの金属電極の間の酸化物層は、電子が酸化物層をトンネルできるように十分に薄くなければならない（１０ｎｍ未満）。２つの金属電極を分離する酸化物は、トンネリングが開口部でだけ起こるように開口部の周りをより薄くしてもよい。
【００４５】
図２３を参照してこのタイプの配列決定装置１０２−１の作動を以下に説明する。ＤＮＡ分子は、薄い酸化物層のそばを通ると、酸化物の局部的な電位を変化させ、酸化物層を介する電子のトンネリングによる電流の変化をもたらす。分子をチャネル１１９から分離している障壁は非常に薄いので、分子への電子のトンネリングおよび分子からの電子のトンネリングが起こり得る。このトンネリングは、チャネル１１９から分子へ／分子からチャネル１１９へと発生し得る。配列決定装置内での大きな増幅のために、この電流はチャネル１１９内の電流よりもはるかに小さいと考えられる。しかしながら、（代替の障壁材料として上述したような）ナノ結晶へとナノ結晶からのトンネリングは、同様の増幅をもたらす。したがって、このトンネリングは、ＤＮＡ分子に沿った電荷の分布についての有用で測定可能な情報を提供する。
【００４６】
上述のように、配列決定装置の開口部（例えば、配列決定装置１０２の開口部１１８）のサイズは、広範囲にわたって変えることができる。しかしながら、正しい作動のために、開口部１１８は、ＤＮＡが電荷センサの極めて近くにあるように十分小さくなければならず、ＤＮＡが開口部を通過できるように十分大きくなければならない。一本鎖ＤＮＡの直径は約１．５ｎｍに等しいので、最適な検知のために開口部は１ｎｍと３ｎｍの間でなければならない。開口部が大きくなるとＳ／Ｎ（signal to noise）比を低下させるかもしれないが、より大きなイオンが開口部１１８を通るであろう。
【００４７】
さらに、配列決定装置の開口部を非対称的にすることによっていくつかの利点が達成される。例えば、上記の関連した記述としての図１３および１４に対応する図２４および２５に示すように、Ｖ字形溝エッチング前の最初のパターンを非対称的にすることによって、最終的な開口部１１８もまた非対称的、例えば正方形や円とはならず、長円形または長方形となる。そうすると、非対称的であるヌクレオチドは開口部１１８を通過するときに好ましい向きを有する。このことは、ヌクレオチドの特性の識別におけるそれらの骨格軸の周りの回転による不明瞭さを取り去り、センサ信号の解析を非常に簡単にする。さらに、開口部１１８の長軸に沿って電界をかけ、ヌクレオチドの塩基固有の双極子モーメントを電界にそろえることができる。例えば、シトシンの双極子モーメントは６．４４デバイであり、チミンの双極子モーメントは４．５０デバイであり、アデニンの双極子モーメントは２．６６デバイであり、グアニンの双極子モーメントは６．８８デバイである。電界が十分に強ければ双極子モーメントに沿って塩基（ヌクレオチド）を伸ばすことができ、これにより塩基の電荷をセンサに近づけて感度を高めることができる。したがって、これらの技術は、データを非常に解釈しやすくし、塩基を判別するために用いられる信号を増加させる。
【００４８】
さらに、図２６に示すように、上記の配列決定装置（例えば、配列決定装置１０２）のアレイ３００は、槽４００内の液体が２つの領域すなわちソース領域４０２および１つ以上の収集領域４０４に分けられた構成において用いることができる。ソース領域４０２は、上記のイオン、水、ゲルまたはその他のタイプの液体などの流動体、ならびにＤＮＡ鎖のような数種類の核酸鎖４０６−１および４０６−２を含む。
図示するように、収集領域４０４は収集槽４０８によって形成できる。収集槽４０８は、収集領域４０４の液体をソース領域４０２の流動体から隔離することができ、この場合、ソース領域４０２の流動体は収集領域４０４の流動体と同じであっても違っていてもよい。あるいは、収集槽４０８は、核酸鎖４０６−１および４０６−２に対して不浸透性であってそれゆえ核酸鎖４０６−１および４０６−２がソース領域４０２から収集領域４０４におよびその逆に収集槽４０８を通り抜けるのを妨げながら、収集領域４０４の流動体がソース領域４０２におよびその逆に流れるのを可能にするために多孔性であり得る。
【００４９】
ソース領域は、多くの無関係なＤＮＡ鎖および多くの既知または部分的に既知の基準配列を有する特定のタイプのＤＮＡ（タイプＸ）の鎖を含むかもしれない。そうすると、ＤＮＡ鎖をアレイ３００において作動するＮ個の配列決定装置１０２の開口部（例えば、開口部１１８）を介して引き寄せるために、アレイ３００を上記のように制御することができる。ここで、Ｎは１よりもはるかに大きな数（例えば、１００以上）である。ＤＮＡ鎖が開口部１１８を通過して、配列決定されると、無関係な鎖はソース領域に後退させられる。ソース領域は、この鎖が出たばかりの開口部１１８の近傍から取り除かれ、かつ別の開口部に入る可能性が無視できるものであるように操作される。
【００５０】
例えば、基準配列を有するタイプＸの鎖は、計数されるが、同時に拒絶されてソース領域へ返される。しかしながら、ナノ開口部ｊ（ｊ＝１からＮ）によって検出された塩基配列に１つまたはいくつかの差異を有するタイプＸの鎖は、開口部１１８を通過させられ、流動体の収集領域を含む容器に捕捉される。そして、そのように捕捉された一番目の鎖と同一のタイプＸの鎖はいずれも、同様に計数されて適切な収集容器へ送られる。異なった（または偶然に同じである）非基準配列のＸ鎖は、各開口部１１８で収集される。配列決定が終わると、基準のＸ鎖に対するそれぞれのタイプの非基準のＸ鎖の比率がわかり、変異タイプのそれぞれの１００％純粋な試料が個々の収集槽４０８に収集されている。そして、これらの純粋な試料をＰＣＲによって複製し、個別に研究することができる。上記の方法は、例えば、個人のＤＮＡにおける突然変異および／または不正確な複製の率ならびにそれゆえに老化の研究に用いることができる。
【００５１】
上記の装置の全ては他の方法でも変形させることができる。例えば、ＳｉＯ2酸化物層をアルカリ溶液中で用いる亜酸化窒素（ＮＯ）雰囲気中のＳｉ3Ｎ4に交換することができる。さらに、ＤＮＡ分子１１１は負に荷電しているので、装置のソースを基準として正の電圧を液体１１０に印加するために電極１１３および１１５のような電極を用いることによって分子１１１を開口部１１８に引き寄せることができる。
上述のように、ＤＮＡ分子を含むのに液体１１０の代わりにゲルを用いることができる。ゲルを用いるとイオンの動きを遅くし、Ｓ／Ｎ比をさらに改善する。さらに、ソースおよびドレイン間に印加される電圧とは無関係に流れを制御するために開口部の両端に圧力差をかけることができる。
【００５２】
二本鎖ＤＮＡも同様に解析することができる。二本鎖ＤＮＡが中性分子であっても、分子は電荷を含有するので、電荷検知によってヌクレオチドを識別することができる。さらに、分子の剛性を高めて／変えてそれによりナノメートルサイズの開口部への分子の挿入を容易にするために、ヘキストダイ（Hoechst dye）のような蛍光色素などの他の分子を一本鎖ＤＮＡに付着させることができる。さらに、上記の装置は、一般にいかなるタイプの個々のポリマーをも解析するのに用いることができるので、いくつか例を挙げると石油産業、製薬産業および合成繊維産業などのポリマーを扱う産業において用いることができる。
【００５３】
さらに、単一の分子（例えば、図１に示すような核酸鎖１１１）の電荷の測定を容易にするために、大きなサイズの粒子を単一の分子に付着させることができる。例えば、金のナノ粒子を一本鎖ＤＮＡ６に付着させることができる。金のナノ粒子の目的は、ＤＮＡ分子に固体のアンカーを提供することである。金の粒子は容易に荷電および放電させられる。結果として、電界をかけることによって金の粒子および付着されたＤＮＡ分子を操作することができる。
そして、一本鎖ＤＮＡに付着させられた金のナノ粒子を、図１に示す構成において液体１１０として用いることができる合成油などの絶縁液体中に置くことができる。この液体の目的は、ＤＮＡ鎖と一緒になった粒子が自由に動くのを可能にすることである。液体は、導電液体中にあるイオンによる電荷遮蔽を回避するために絶縁していなければならない。合成油は、抵抗性が高く、一本鎖ＤＮＡとの化学結合を形成しないので、良い候補として認められている。
【００５４】
次に、浮動ゲートを含む図１に示す装置１０２または図２１に示すようなゲート電極のない装置２２６のような半導体に基づいた電荷センサを用いて金のナノ粒子の電荷を測定することができる。荷電した粒子が装置に近づくと、上記のようにしてシリコン／酸化物界面に鏡像電荷が形成される。いかなる鏡像電荷に対しても最も感度が高くなる閾値の範囲内の状態で作動するように、装置（例えば、装置１０２）に適切なバイアスが印加される。そして、誘起された鏡像電荷は、装置のさらに高い導電性をもたらし、増加した電流の形で読み出される。例として、それぞれ電子電荷の３分の１を持つ１００の塩基をそれぞれ含む１００のＤＮＡ分子が１０ｎｍの厚さの酸化物を有する１μｍ×１μｍのＭＯＳＦＥＴの閾値電圧を１５０ｍＶずらすことを容易に計算できる。このずれは、（例えば、図１に示す電流計１１４によって測定できるように）装置のドレイン電流の変化を測定することによって測定できる。測定された電荷は、ＤＮＡの水素殻における電荷遮蔽陽イオンおよび遊離イオンの有無による影響を受けると考えられる。また、大きなＤＮＡ分子から小さなイオンを分離するために電界を用いることができる。
【００５５】
さらに、図１に示す装置１０２の開口部１１８などの上記のナノメートルサイズの開口部のタイプは、図２７Ａおよび２７Ｂに示すような明確な正方形の穴として製作することができる。これらの穴を形成するために、適切な幅および間隔を有する一連の線をパターンに規定し、そのパターンをＳｉＯ2のようなマスキング材料に転写する。次いで、９０°回転させた同じ線のパターンを規定し、２組の線の間の重なり合う領域によって規定される領域だけがエッチングの際に取り除かれるように下にあるマスキング材料に転写する。この工程により、開口部４５２を有する図２７Ａに示すパターン４５０から理解できるように、単一のリソグラフィーステップで穴を規定するのに比べて、穴の縁の明確さが非常に良くなる。図２７Ａおよび２７Ｂに示すパターンは、３μｍ幅および３μｍ間隔の線のパターンを用いて上記の技術で製作されたものである。そして、結果として得られたエッチングマスクを、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いてシリコンにピットをエッチングするのに用いた。
【００５６】
線の幅のさらなる削減は、電子ビームリソグラフィーを用いて達成することができる。例えば、フィリップス（Phillips）の５１５走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた電子ビームリソグラフィーによって１００ｎｍ幅の線のパターンを作ることができる。開口部４６２を有する図２８Ａおよび２８Ｂに示すパターン４６０を達成するためにポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を電子レジストとして用いることができ、メチルイソブチルケトン／イソプロピルアルコール（ＭＩＢＫ／ＩＰＡ）で現像することができる。図示するように、線は明確に規定され、電子ビームリソグラフィーで用いられるビームのスポットサイズによって制限される。ガウシアンビームでの１回の露光が用いられたので、各線の始まりは丸くなっている。この丸みは、図２７Ａおよび２７Ｂに関して記載した交差線リソグラフィー技術を用いることによってなくすことができる。ＰＭＭＡは、図示するような薄いＳｉＯ2層にパターンをうまく転写するためにエッチングマスクとして用いることもできる。
【００５７】
したがって、最先端の電子ビームリソグラフィーを上述した２つの周知のサイズ削減技術と組み合わせることによって、開口部１１８を（１００）シリコン簿膜上に作製することができる。ＰＭＭＡに１０ｎｍの線を規定するために、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いることができる。交差線はＳｉＯ2マスクに１０ｎｍ平方の穴をつくるのに用いられる。シリコン簿膜のもう一方の側に２〜４ｎｍの開口部を設けるＶ字形のピットをエッチングするためにＫＯＨエッチングを用いることができる。シリコンの熱酸化は、酸化されたシリコンの約２倍の体積を有する酸化物を生じさせるので、それによって開口部のサイズはさらに削減される。この酸化もまた上述のようにゲート酸化物をもたらす。
【００５８】
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、本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。
【図面の簡単な説明】
【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９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７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。
【図２２】  ＤＮＡまたはＲＮＡシーケンサのマトリックス配置の例を図示する概念ブロック図である。
【図２３】  電子トンネリングを実現するために中間の半導体層の代わりに金属層を有するシーケンサの断面図である。
【図２４】  図７に示すＳＯＩ基板の開口部の別の構成例の詳細な断面図を示す。
【図２５】  図２４に示す開口部の平面図を示す。
【図２６】  別個の液体領域と共に用いられる複数開口部シーケンサの断面図を示す。
【図２７】  図２７Ａおよび２７Ｂは、半導体構造に形成された開口部パターンの写真のイメージである。
【図２８】  図２８Ａおよび２８Ｂは、半導体構造に形成された開口部パターンの写真のイメージである。
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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