(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面に絶縁膜が形成され、
前記絶縁膜は、有機分子の固定領域を有し、
前記半導体基板は、前記固定領域に対応する前記主面側の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有し、
前記半導体基板の前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成され、
前記電極領域は、前記半導体基板の前記主面またはその近傍から、前記主面とは反対側の主面まで、連続して形成されている
ことを特徴とする有機分子検出素子。
【請求項２】
半導体基板を含む有機分子検出素子において、
当該検出素子の表面に、有機分子の固定領域を有し、
前記半導体基板は、前記固定領域に対応する内部の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有し、
前記半導体基板の前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成され、
前記半導体基板の主面に金属膜が形成され、
前記固定領域は、前記金属膜に配置されている
ことを特徴とする有機分子検出素子。
【請求項３】
半導体基板を含む有機分子検出素子において、
当該検出素子の表面に、有機分子の固定領域を有し、
前記半導体基板は、前記固定領域に対応する内部の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有し、
前記半導体基板の前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成され、
前記半導体基板は、前記所定領域を前記電流経路の幅方向に挟んで対向配置された２つ以上のゲート領域を有する
ことを特徴とする有機分子検出素子。
【請求項４】
半導体基板を含む有機分子検出素子において、
当該検出素子の表面に、有機分子の固定領域を有し、
前記半導体基板は、前記固定領域に対応する内部の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有し、
前記半導体基板の前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成され、
前記電極領域は、前記半導体基板のうち、前記固定領域とは反対側の主面近傍に配置されている
ことを特徴とする有機分子検出素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の有機分子検出素子において、
前記固定領域と前記１対の電極領域と前記所定領域とを含むセルが複数配置されている
ことを特徴とする有機分子検出素子。
【請求項６】
半導体基板の主面に絶縁膜が形成され、
前記絶縁膜は、有機分子の固定領域を有し、
前記半導体基板は、前記固定領域に対応する前記主面側の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有し、
前記半導体基板の前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成される有機分子検出素子であって、
前記固定領域と前記１対の電極領域と前記所定領域とを含むセルが複数配置され、
前記複数のセルは、異なる種類の有機分子を検出する
ことを特徴とする有機分子検出素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の有機分子検出素子と、
前記半導体基板の前記所定領域に形成される前記電流経路の電気特性を測定する測定手段とを備えた
ことを特徴とする有機分子検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の有機分子検出装置において、
前記測定手段は、前記電気特性として、前記電流経路の電流値を測定する
ことを特徴とする有機分子検出装置。
【請求項９】
半導体基板の主面に絶縁膜が形成され、
前記絶縁膜は、有機分子の固定領域を有し、
前記半導体基板は、前記固定領域に対応する前記主面側の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有し、
前記半導体基板の前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成される有機分子検出素子と、
前記半導体基板の前記所定領域に形成される前記電流経路の電気特性を測定する測定手段と
を備えた有機分子検出装置を用いて有機分子を検出する方法であって、
前記有機分子検出素子の前記固定領域に、指標となる有機分子を固定させる固定処理ステップと、
前記指標となる有機分子に、検出対象となる有機分子を結合させる結合処理ステップと、
前記結合処理ステップの後に、前記測定手段によって前記電気特性を測定する測定ステップと、
前記固定処理ステップの後でかつ前記結合処理ステップの前に、前記測定手段によって前記電気特性を測定する第１補助ステップと、
前記第１補助ステップにおける測定結果と前記測定ステップにおける測定結果とを比較する第１比較ステップとを備えた
ことを特徴とした有機分子検出方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の有機分子検出方法において、
前記固定処理ステップの前に、前記測定手段によって前記電気特性を測定する第２補助ステップと、
前記第１補助ステップにおける測定結果と前記第２補助ステップにおける測定結果とを比較する第２比較ステップとを備えた
ことを特徴とした有機分子検出方法。
【請求項１１】
半導体基板の主面に絶縁膜が形成され、
前記絶縁膜は、有機分子の固定領域を有し、
前記半導体基板は、前記固定領域に対応する前記主面側の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有し、
前記半導体基板の前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成される有機分子検出素子と、
前記半導体基板の前記所定領域に形成される前記電流経路の電気特性を測定する測定手段と
を備えた有機分子検出装置を用いて有機分子を検出する方法であって、
前記有機分子検出素子の前記固定領域に、指標となる有機分子を固定させる固定処理ステップと、
前記指標となる有機分子に、検出対象となる有機分子を結合させる結合処理ステップと、
前記結合処理ステップの後に、前記測定手段によって前記電気特性を測定する測定ステップと、
前記結合処理ステップの前に、前記検出対象となる有機分子に標識を付加する標識処理ステップと、
前記結合処理ステップの後に、前記標識の付加状態を測定する標識測定ステップとを備えた
ことを特徴とした有機分子検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々な有機分子（例えば、ＤＮＡやＲＮＡなどの核酸や蛋白質を含めた塩基類）の検出に用いられる有機分子検出用素子、有機分子検出装置、および、有機分子検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＤＮＡの塩基配列や特性を解析するために、ＤＮＡチップを用いたＤＮＡの検出が行われている。ＤＮＡチップは、ガラスプレート表面にプローブ（指標となるＤＮＡ）を固定したものである。ＤＮＡチップのプローブに対して、蛍光物質が付加されたターゲット（検出対象となるＤＮＡ）をハイブリダイズさせて、ＤＮＡの解析が行われる。
【０００３】
ここで、既知の塩基配列や特性を持つＤＮＡがプローブとして固定された場合には、未知の塩基配列や特性を持つＤＮＡがターゲットとしてプローブにハイブリダイズされる。逆に、塩基配列などが未知のＤＮＡをプローブ、既知のＤＮＡをターゲットとして用いることもある。
何れにしても、ハイブリダイゼーション処理の後、ＤＮＡチップは十分に洗浄され、プローブに固着したターゲット以外は除去される。その結果、１つのＤＮＡチップ上には、プローブとターゲットとが固着した箇所が点在することになる。プローブとターゲットとが固着した各々の箇所において、プローブまたはターゲットは、塩基配列などが既知のＤＮＡである。
【０００４】
ターゲットには予め蛍光物質が付加されているため、この蛍光物質を標識として、プローブとターゲットがハイブリダイズしたか否かやその固着位置などを検出することができる。
具体的には、ＤＮＡチップを用いたＤＮＡの解析に際して、ハイブリダイズした後のＤＮＡチップには紫外線などの励起光が照射され、この励起光によって励起された蛍光物質からの蛍光が目視や撮像素子により観察され、プローブとターゲットがハイブリダイズしたか否かやその固着位置などが検出される。
【０００５】
そして、プローブとターゲットとの固着位置などの情報が得られると、この情報に基づいてプローブ(またはターゲット)の既知の塩基配列や特性を特定することができ、特定された既知の塩基配列などに基づいてターゲット(またはプローブ)の未知の塩基配列や特性を解析することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のＤＮＡチップやＤＮＡ検出方法では、ガラスプレート表面に固定されたプローブに対してターゲットをハイブリダイズさせる前に、ターゲットに対して予め標識用の蛍光物質を付加しておかなければならないため、作業効率が悪かった。
【０００７】
また、プローブとターゲットがハイブリダイズしたか否かやその固着位置などを検出するためには、ターゲットに付加された蛍光物質を励起する光源や光学系が必要であり、蛍光物質からの蛍光を観察する光学系や撮像素子も必要である。蛍光を観察する光学系には、励起光を遮断して蛍光を透過する光学フィルタや顕微鏡が含まれる。つまり、従来では、検出装置が大きく複雑であるという点も問題であった。
【０００８】
さらに、上記した従来のＤＮＡチップやＤＮＡ検出方法では、検出精度の向上に限界があった。
本発明の目的は、作業効率の向上と検出装置の小型化および簡素化とを実現できる有機分子検出用素子、有機分子検出装置、および、有機分子検出方法を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の別の目的は、検出精度をさらに向上させることができる有機分子検出用素子、有機分子検出装置、および、有機分子検出方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の有機分子検出素子は、半導体基板の主面に絶縁膜が形成され、絶縁膜は有機分子の固定領域を有し、半導体基板は、固定領域に対応する主面側の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有するものであり、半導体基板の所定領域には、少なくとも固定領域に有機分子が固定されたときに、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成される。特に、請求項１の有機分子検出素子は、電極領域を、半導体基板の主面またはその近傍から、この主面とは反対側の主面まで、連続して形成したものである。
【００１１】
なお好ましくは、半導体基板として、不純物濃度の低いＮ型またはＰ型の基板を用い、電極領域として、半導体基板とは逆の導電型で不純物濃度の高いＰ型またはＮ型の領域を用いるものである。
また好ましくは、半導体基板として、不純物濃度の高いＮ型またはＰ型の基板を用い、半導体基板の所定領域に、該半導体基板とは逆の導電型で不純物濃度の低いＰ型またはＮ型のチャネル領域を設け、電極領域として、チャネル領域と同じ導電型で不純物濃度の高いＰ型またはＮ型の領域を用いるものである。
【００１２】
なお好ましくは、絶縁膜が凹部を有すると共に、該凹部の底面に固定領域を配したものである。
【００１３】
請求項２の有機分子検出素子は、半導体基板を含む有機分子検出素子において、当該検出素子の表面に、有機分子の固定領域を有し、前記半導体基板は、前記固定領域に対応する内部の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有し、前記半導体基板の前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成されるものである。特に、請求項２の有機分子検出素子は、前記半導体基板の主面に金属膜が形成され、前記固定領域は、前記金属膜に配置されているものである。
【００１４】
なお好ましくは、前記固定領域は、前記半導体基板の主面に配置されているものである。
【００１５】
また好ましくは、前記半導体基板の主面に絶縁膜が形成され、前記固定領域は、前記絶縁膜に配置されているものである。
なお好ましくは、当該検出素子の表面には凹部が形成され、前記固定領域は、前記凹部の底面に配置されているものである。
【００１６】
また好ましくは、前記固定領域の周囲は窒化物で覆われているものである。
請求項３の有機分子検出素子は、半導体基板を含む有機分子検出素子において、当該検出素子の表面に、有機分子の固定領域を有し、前記半導体基板は、前記固定領域に対応する内部の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有し、前記半導体基板の前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成されるものである。特に、請求項３の有機分子検出素子は、前記半導体基板は、前記所定領域を前記電流経路の幅方向に挟んで対向配置された２つ以上のゲート領域を有するものである。
【００１７】
請求項４の有機分子検出素子は、半導体基板を含む有機分子検出素子において、当該検出素子の表面に、有機分子の固定領域を有し、前記半導体基板は、前記固定領域に対応する内部の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有し、前記半導体基板の前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成されるものである。特に、請求項４の有機分子検出素子は、前記電極領域は、前記半導体基板のうち、前記固定領域とは反対側の主面近傍に配置されているものである。
請求項５の有機分子検出素子は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の有機分子検出素子において、固定領域、１対の電極領域、および所定領域を含むセルが複数配置されたものである。
請求項６の有機分子検出素子は、半導体基板の主面に絶縁膜が形成され、前記絶縁膜は有機分子の固定領域を有し、前記半導体基板は、前記固定領域に対応する前記主面側の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有し、前記半導体基板の前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成される有機分子検出素子である。この請求項６の有機分子検出素子は、前記固定領域と前記１対の電極領域と前記所定領域とを含むセルが複数配置され、前記複数のセルは、異なる種類の有機分子を検出するものである。
【００１８】
請求項７の有機分子検出装置は、請求項１から請求項６の何れか１項に記載の有機分子検出素子と、半導体基板の所定領域に形成される電流経路の電気特性を測定する測定手段とを備えたものである。
【００１９】
請求項８の有機分子検出装置は、請求項７に記載の有機分子検出装置において、測定手段が、電気特性として、電流経路の電流値を測定するものである。
請求項９の有機分子検出方法は、半導体基板の主面に絶縁膜が形成され、絶縁膜は有機分子の固定領域を有し、半導体基板は、固定領域に対応する主面側の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有するものであり、半導体基板の所定領域には、少なくとも固定領域に有機分子が固定されたときに、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成される有機分子検出素子と、半導体基板の所定領域に形成される電流経路の電気特性を測定する測定手段とを備えた有機分子検出装置を用いて有機分子を検出する方法であって、有機分子検出素子の固定領域に指標となる有機分子を固定させる固定処理ステップと、指標となる有機分子に検出対象となる有機分子を結合させる結合処理ステップと、結合処理ステップの後に、測定手段によって電気特性を測定する測定ステップとを備えたものである。
【００２０】
特に、請求項９の有機分子検出方法は、固定処理ステップの後でかつ結合処理ステップの前に、測定手段によって電気特性を測定する第１補助ステップと、第１補助ステップにおける測定結果と測定ステップにおける測定結果とを比較する第１比較ステップとを備えたものである。
【００２１】
請求項１０の有機分子検出方法は、請求項９に記載の有機分子検出方法において、固定処理ステップの前に、測定手段によって電気特性を測定する第２補助ステップと、第１補助ステップにおける測定結果と第２補助ステップにおける測定結果とを比較する第２比較ステップとを備えたものである。
請求項１１の有機分子検出方法は、半導体基板の主面に絶縁膜が形成され、絶縁膜は有機分子の固定領域を有し、半導体基板は、固定領域に対応する主面側の所定領域を挟んで配された１対の電極領域を有するものであり、半導体基板の所定領域には、少なくとも固定領域に有機分子が固定されたときに、該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成される有機分子検出素子と、半導体基板の所定領域に形成される電流経路の電気特性を測定する測定手段とを備えた有機分子検出装置を用いて有機分子を検出する方法であって、有機分子検出素子の固定領域に指標となる有機分子を固定させる固定処理ステップと、指標となる有機分子に検出対象となる有機分子を結合させる結合処理ステップと、結合処理ステップの後に、測定手段によって電気特性を測定する測定ステップとを備えたものである。特に、請求項１１の有機分子検出方法は、結合処理ステップの前に、検出対象となる有機分子に標識を付加する標識処理ステップと、結合処理ステップの後に、標識の付加状態を測定する標識測定ステップとを備えたものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
(第１実施形態)
ここでは、有機分子の１例であるＤＮＡの検出について説明する。第１実施形態の有機分子検出素子１０は、エンハンスメント(enhancement)型のＭＯＳ−ＦＥＴと同様の動作特性を有し、ＤＮＡがマイナスに帯電していることを利用してＤＮＡを検出する半導体素子である。
【００２３】
さて、第１実施形態の有機分子検出素子１０は、図１(斜視図)および図２(断面図)に示すように、シリコン基板１１の主面に、シリコン酸化膜１２,１３(絶縁膜)と、金属膜１４,１５と、シリコン酸化膜１６とを順に形成したものである。各々の膜(１２〜１６)の形成は、周知の半導体プロセス技術を用いて行われる（詳細は後述する）。第１実施形態において、シリコン基板１１(半導体基板)は、不純物濃度の低いＮ型基板である。
【００２４】
さらに、有機分子検出素子１０には、シリコン酸化膜１２,１３,１６によって凹部１７が形成されている。凹部１７の底面１７ａは、指標となるＤＮＡ１８を固定する領域（以下「ＤＮＡ固定領域１９」という）である。このＤＮＡ固定領域１９からシリコン基板１１の主面までの距離Ｄ（シリコン酸化膜１２の膜厚に相当）は、５００Å程度に薄膜化されている。
【００２５】
また、有機分子検出素子１０において、シリコン基板１１と金属膜１４,１５との間に形成されたシリコン酸化膜１２,１３には、凹部１７を挟んで両側に、貫通孔１４ａ,１５ａが設けられている。貫通孔１４ａ,１５ａは、各々、金属膜１４,１５をシリコン基板１１に電気的に接続するためのコンタクトホールである。
さらに、有機分子検出素子１０のシリコン基板１１には、金属膜１４,１５が貫通孔１４ａ,１５ａを介して接続される箇所に、電極領域２１,２２が形成されている。第１実施形態において、電極領域２１,２２は、不純物濃度の高いＰ型領域である。
【００２６】
ここで、シリコン基板１１の電極領域２１,２２に挟まれた領域１１ａ(所定領域)は、凹部１７の底面１７ａ（ＤＮＡ固定領域１９）に対応している。
また、ＤＮＡ固定領域１９に固定されたＤＮＡ１８とシリコン基板１１の領域１１ａとは、５００Å程度に薄膜化されたシリコン酸化膜１２を介して絶縁されている。
【００２７】
このため、ＤＮＡ固定領域１９にＤＮＡ１８が固定されると、シリコン基板１１の領域１１ａには、ＤＮＡ固定領域１９に固定されたＤＮＡ１８の帯電量に応じて電流経路が形成される。ＤＮＡ１８の帯電量は、固定化されたＤＮＡ１８の数量にほぼ比例している。
また、検出対象となるＤＮＡ(不図示)が指標となるＤＮＡ１８に相補結合されると、シリコン基板１１の領域１１ａには、固定化されたＤＮＡ１８の数量（つまり帯電量）と、相補結合された検出対象となるＤＮＡ(不図示)の数量（つまり帯電量）との総量に応じて、電流経路が形成される。
【００２８】
そして、シリコン基板１１の領域１１ａに形成される電流経路の幅が広いほど、電極領域２１,２２間には、多くの電流が流れる。
したがって、第１実施形態の有機分子検出素子１０によれば、電極領域２１,２２間を流れる電流の量に基づいて、ＤＮＡ固定領域１９にＤＮＡ１８が固定されたか否かや、ＤＮＡ固定領域１９に固定されたＤＮＡ１８に検出対象のＤＮＡが相補結合されたか否かを検出できる。
【００２９】
次に、第１実施形態の有機分子検出素子１０を製造する工程について、図３，図４を用いて具体的に説明する。
まず、図３(ａ)に示すように、不純物濃度の低いＮ型のシリコン基板１１の主面に、シリコン酸化膜１２を薄く形成する（膜厚は例えば５００Å程度）。シリコン酸化膜１２の形成は、熱酸化法などを用いて行われる。
【００３０】
次いで、シリコン酸化膜１２の上にレジストパターン３１を形成し、図３(ｂ)に示すように、レジストパターン３１をマスクとして、Ｐ型不純物３２をイオン注入法により高濃度（例えば１×１０15個/ｃｍ2程度）に導入する。その後、アニール処理を施すことにより、シリコン基板１１には、不純物濃度の高いＰ型の電極領域２１,２２が形成される。
【００３１】
次に、レジストパターン３１を除去して清浄化した後、図３(ｃ)に示すように、シリコン酸化膜１２の上にシリコン酸化膜１３を厚く形成する（膜厚は例えば５０００Å程度）。シリコン酸化膜１３の形成は、ＣＶＤ装置などを用いて行われる。
次いで、シリコン酸化膜１３の上にレジストパターン３３を形成し、図３(ｄ)に示すように、レジストパターン３３をマスクとして、シリコン酸化膜１３の一部３３ａをエッチングする。このエッチングにより、シリコン基板１１の電極領域２１,２２に挟まれた領域１１ａに対応する箇所において、シリコン酸化膜１２が露出することになる。つまり、シリコン酸化膜１２,１３は、シリコン基板１１の領域１１ａに対応する箇所で薄膜化される。
【００３２】
次に、レジストパターン３３を除去して清浄化した後、図４(ａ)に示すように、シリコン酸化膜１２,１３の上に別のレジストパターン３４を形成し、このレジストパターン３４をマスクとして、シリコン酸化膜１２,１３の一部をエッチングする。このエッチングにより、シリコン酸化膜１２,１３には貫通孔１４ａ,１５ａが形成され、シリコン基板１１の電極領域２１,２２が露出することになる。
【００３３】
次いで、レジストパターン３４を除去して清浄化した後、スパッタ装置などを用いて、金属膜(Ａｌ膜やＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ膜など)を全面に形成する。そして、不図示のレジストパターンをマスクとして、金属膜の一部をエッチングし、図４(ｂ)に示す金属膜１４,１５を形成する。金属膜１４,１５は、貫通孔１４ａ,１５ａを介してシリコン基板１１の電極領域２１,２２に電気的に接続されている。
【００３４】
次いで、金属膜１４,１５上のレジストパターン(不図示)の除去と清浄化を行った後、シリコン酸化膜を全面に形成し、不図示のレジストパターンをマスクとして、シリコン酸化膜の一部をエッチングすることにより、図２に示すシリコン酸化膜１６を形成する。その結果、シリコン酸化膜１２,１３,１６には、凹部１７が形成される。凹部１７の底面１７ａは、ＤＮＡ固定領域１９である。
【００３５】
そして最後に、凹部１７の底面１７ａ（ＤＮＡ固定領域１９）に対してプラズマ処理やＫＯＨ溶液処理などを施すことにより、底面１７ａ（ＤＮＡ固定領域１９）をけん化し、ＤＮＡ１８を固定し易い様に加工する。以上の工程により、第１実施形態の有機分子検出素子１０が完成する。
なお、金属膜１４,１５上にはシリコン酸化膜１６が形成されているが、後述する測定機器(４１,４２)を金属膜１４,１５間に接続するため、金属膜１４,１５上の一部分には、シリコン酸化膜１６の無い露出部が確保されている。
【００３６】
完成した有機分子検出素子１０のＤＮＡ固定領域１９に指標となるＤＮＡ１８を固定する処理には、天然のＤＮＡをスポッティングする方式や、任意の塩基配列を化学的に合成する方式などがある。そして、ＤＮＡ固定領域１９に指標となるＤＮＡ１８が固定された後、このＤＮＡ１８には検出対象のＤＮＡが相補結合される。ただし、第１実施形態において、検出対象となるＤＮＡには、蛍光物質などの標識が付加されない。
【００３７】
ここで、上記の有機分子検出素子１０を用いて構成される有機分子検出装置４０には、図５に示すように、有機分子検出素子１０の他、電源４１および電流計４２（測定手段）が設けられる。電源４１は、定電圧源である。電源４１,電流計４２は、有機分子検出素子１０の金属膜１４,１５間に接続される。
この有機分子検出装置４０では、電源４１によって、有機分子検出素子１０の金属膜１４,１５間に所定の電圧が印加され、電流計４２によって、有機分子検出素子１０の金属膜１４,１５間を流れる電流量の測定が行われる。
【００３８】
上記したように、有機分子検出素子１０の金属膜１４,１５間、つまり、シリコン基板１１(図２)の電極領域２１,２２間には、有機分子検出素子１０のＤＮＡ固定領域１９に指標となるＤＮＡ１８が固定されたか否かや、ＤＮＡ固定領域１９に固定されたＤＮＡ１８に検出対象のＤＮＡが相補結合されたか否かに応じて、異なる量の電流が流れる。
【００３９】
したがって、有機分子検出装置４０(図５)では、電流計４２によって測定された電流値に基づいて、ＤＮＡ固定領域１９に指標となるＤＮＡ１８が固定されたか否かや、ＤＮＡ１８に検出対象のＤＮＡが相補結合されたか否か検出することができる。
次に、第１実施形態の有機分子検出装置４０を用いてＤＮＡを検出する手順について具体的に説明する。
【００４０】
初めに、有機分子検出素子１０のＤＮＡ固定領域１９に指標となるＤＮＡ１８を固定させる前に、電流計４２の値を読み取る（請求項１０の第２補助ステップ）。得られた電流値Ｄ１は、ＤＮＡ固定領域１９に何も付いていない状態での値（０〜ｎＡ程度）であり、暗電流の値に相当する。つまり、有機分子検出素子１０における基準の電流値を表している。
【００４１】
次に、指標となるＤＮＡ１８をＤＮＡ固定領域１９に固定させた後で、かつ、検出対象となるＤＮＡを指標となるＤＮＡ１８に相補結合させる前に、電流計４２の値を読み取る（請求項９の第１補助ステップ）。得られた電流値Ｄ２（例えば１５ｐＡ）は、上記した基準の電流値Ｄ１に比較して、ＤＮＡ固定領域１９に固定されたＤＮＡ１８の帯電量に応じた分（例えば５ｐＡ）だけ増加している。
【００４２】
したがって、ＤＮＡ固定領域１９に指標となるＤＮＡ１８を固定させる前後の電流値Ｄ１,Ｄ２を比較し（請求項１０の第２比較ステップ）、これらの差(Ｄ２−Ｄ１)に基づいて、ＤＮＡ固定領域１９に適量のＤＮＡ１８が固定されたか否かを確認することができる。
最後に、検出対象となるＤＮＡを指標となるＤＮＡ１８に相補結合させた後に、電流計４２の値を読み取る（請求項９の測定ステップ）。得られた電流値Ｄ３（例えば２０ｐＡ）は、上記した電流値Ｄ２に比較して、指標となるＤＮＡ１８に相補結合された検出対象となるＤＮＡの帯電量に応じた分（例えば５ｐＡ）だけ増加している。
【００４３】
したがって、指標となるＤＮＡ１８に検出対象のＤＮＡを相補結合させる前後の電流値Ｄ２,Ｄ３を比較し（請求項９の第１比較ステップ）、これらの差（Ｄ３−Ｄ２）に基づいて、検出対象のＤＮＡが相補結合されたか否かを検出することができる。
上記したように、第１実施形態によれば、ＤＮＡがマイナスに帯電していることを利用するため、検出対象となるＤＮＡに対して予め標識(蛍光物質など)を付加しなくても、電極領域２１,２２間の電流経路の電流値に基づいて、検出対象となるＤＮＡを容易に検出できる。また、ＤＮＡに標識を付加する工程が省略できるため、作業効率が向上する。
【００４４】
さらに、第１実施形態によれば、蛍光物質を標識としないため、蛍光物質を励起する光源や光学系、および蛍光物質からの蛍光を観察する光学系や撮像素子が不要となり、その代わりに必要となる構成が電流値を測定する手段(４１,４２)であるため、検出装置の小型化および簡素化が実現し、安価に構成できる。
また、第１実施形態によれば、指標となるＤＮＡ１８に検出対象のＤＮＡを相補結合させる前後で電流値を測定し、これらの差に基づいて、検出対象のＤＮＡが相補結合されたか否かを検出するため、より精度の高い検出が行える。
【００４５】
また、第１実施形態によれば、ＤＮＡ固定領域１９からシリコン基板１１の主面までの距離Ｄ（シリコン酸化膜１２の膜厚に相当）を５００Å程度に薄膜化したため、ＤＮＡ固定領域１９上のＤＮＡ１８や検出対象となるＤＮＡの帯電量が微少であっても、その帯電量によって、電極領域２１,２２間の電流経路の幅を効率良く制御でき、高感度な検出が行える。
【００４６】
さらに、上記の距離Ｄ（シリコン酸化膜１２の膜厚に相当）は、５００Åに限らない。距離Ｄを５００Å〜１０００Åの間の適切な値に設定することもできる。この場合にも、同様の効果が得られる。
【００４７】
また、指標となるＤＮＡをＤＮＡ固定領域１９に固定させた後で、かつ、検出対象となるＤＮＡを相補結合させる前に測定した電流値Ｄ２のみに基づいて、ＤＮＡ固定領域１９に固定された指標となるＤＮＡを定量的に確認することもできる。
さらに、第１実施形態では、ＤＮＡ固定領域１９が凹部１７の底部１７ａに位置するため、スポッティング方式を用いた場合でも、指標となるＤＮＡ１８を正確な位置に固定できる。また、ＤＮＡ固定領域１９にけん化処理を予め施すため、指標となるＤＮＡ１８を確実に固定できる。その結果、検出精度が向上する。
【００４８】
また、第１実施形態によれば、有機分子検出素子１０の金属膜１４,１５を保護する目的で、金属膜１４,１５の上にシリコン酸化膜１６を形成したため、測定雰囲気の自由度が広がり、空気中だけでなく液中に浸した場合でも、ＤＮＡの検出が行える。
(第２実施形態)
ここでも、有機分子の１例であるＤＮＡの検出について説明する。
【００４９】
第２実施形態の有機分子検出素子５０は、図６(断面図)に示すように、シリコン基板５１の構成が上記した有機分子検出素子１０(図２)と相違している。シリコン基板５１の主面に形成された各々の膜(１２〜１６)は、上記した有機分子検出素子１０(図２)と同じである。
このため、以下では、シリコン基板５１の構成について詳細に説明する。ただし、シリコン基板５１に形成された電極領域２１,２２の構成は、上記した有機分子検出素子１０(図２)と同じであり、説明を省略する。
【００５０】
さて、有機分子検出素子５０のシリコン基板５１(半導体基板)は、不純物濃度の高いＮ型基板である。このシリコン基板５１には、電極領域２１,２２に挟まれ、凹部１７の底面１７ａ（ＤＮＡ固定領域１９）に対応する所定領域に、薄いチャネル領域５２が形成されている。チャネル領域５２は、不純物濃度の低いＰ型領域である。
【００５１】
ここで、シリコン基板１１のチャネル領域５２とＤＮＡ固定領域１９上のＤＮＡ(不図示)とは、１０００Å程度に薄膜化されたシリコン酸化膜１２を介して絶縁されている。
このように構成された有機分子検出素子５０は、ディプリッション(depletion)型のＭＯＳ−ＦＥＴと同様の動作特性を有し、ＤＮＡがマイナスに帯電していることを利用してＤＮＡを検出する半導体素子である。
【００５２】
次に、第２実施形態の有機分子検出素子５０を製造する工程について、図７を用いて説明する。
まず、図７(ａ)に示すように、不純物濃度の高いＮ型のシリコン基板５１の主面に、シリコン酸化膜１２を薄く形成する（膜厚は例えば１０００Å程度）。シリコン酸化膜１２の形成は、熱酸化法などを用いて行われる。
【００５３】
次いで、シリコン酸化膜１２の上にレジストパターン５３を形成し、このレジストパターン５３をマスクとして、Ｐ型不純物５４をイオン注入法により低濃度（例えば５×１０13個/ｃｍ2程度）に導入する。その後、アニール処理を施すことにより、シリコン基板５１には、不純物濃度の低いＰ型のチャネル領域５２が形成される。
【００５４】
次に、レジストパターン５３を除去して清浄化した後、図７(ｂ)に示すように、シリコン酸化膜１２の上に別のレジストパターン５５を形成し、このレジストパターン５５をマスクとして、Ｐ型不純物５６をイオン注入法により高濃度（例えば１×１０15個/ｃｍ2程度）に導入する。その後、アニール処理を施すことにより、シリコン基板５１には、不純物濃度の高いＰ型の電極領域２１,２２が形成される。
【００５５】
その後、上記した図３(ｃ),(ｄ),図４(ａ),(ｂ)と同じ工程を順に実行することで、シリコン酸化膜１２（図６）上には、シリコン酸化膜１３と、金属膜１４,１５と、シリコン酸化膜１６とが順に形成される。そして最後に、凹部１７の底面１７ａ（ＤＮＡ固定領域１９）に対してプラズマ処理やけん化処理などを施すことにより、第２実施形態の有機分子検出素子５０が完成する。
【００５６】
第２実施形態の有機分子検出素子５０では、シリコン基板５１の電極領域２１,２２間に、不純物濃度の低いＰ型のチャネル領域５２が形成されるため、ディプリッション型の安定した動作特性が得られる。つまり、ＤＮＡ固定領域１９に指標となるＤＮＡが固定されなくても、シリコン基板５１のチャネル領域５２には一定量の電流が流れることになる。
【００５７】
したがって、第２実施形態によれば、ＤＮＡ固定領域１９に何も固定されてない状態で測定した基準の電流値Ｄ１（例えば１０ｐＡ）に基づいて、有機分子検出素子５０の製造時のバラツキを調査できるという効果を奏する。
さらに、指標となるＤＮＡをＤＮＡ固定領域１９に固定させた後で、かつ、検出対象となるＤＮＡを相補結合させる前に測定した電流値Ｄ２のみに基づいて、ＤＮＡ固定領域１９に固定された指標となるＤＮＡを定量的に確認することもできる。
【００５８】
なお、上記した第１実施形態では、ＤＮＡ固定領域１９とこれに対応する領域１１ａと電極領域２１,２２と金属膜１４,１５とを備えたセルが１個だけ配された有機分子検出素子１０（図１,図２）を説明し、上記した第２実施形態では、ＤＮＡ固定領域１９とチャネル領域５２と電極領域２１,２２と金属膜１４,１５とを備えたセルが１個だけ配された有機分子検出素子５０（図６）を説明したが、図８に示す有機分子検出素子６０のように、複数のセル６１を２次元に配置しても良い（請求項５）。
【００５９】
各々のセル６１は、有機分子検出素子１０のセル、または有機分子検出素子５０のセルである。各々のセル６１において、金属膜１４,１５はＬ字状に延在され、先端部分に電極６２,６３が設けられる。なお、電極６２,６３上には、金属膜１４,１５上のシリコン酸化膜１６（図８では図示省略）は形成されない。そして、電極６２,６３間には、測定機器（定電圧源および電流計）が接続される。
【００６０】
この有機分子検出素子６０では、各々のセル６１の電流値を読み出すに当たって、ＭＯＳなどによるｘｙアドレス方式や、ＣＣＤなどによるシフトレジスタ方式を採用することが好ましい。
複数のセル６１を備えた有機分子検出素子６０によれば、同時に複数のＤＮＡを検出することができ、作業時間の短縮やコストの低減が容易に可能となる。この場合、複数のセル６１には、同じ種類のＤＮＡを付けても、異なる種類のＤＮＡを付けても良い（請求項６）。
【００６１】
また、有機分子検出素子６０において、各々のセル６１のＤＮＡ固定領域に何も付けない状態で電流値Ｄ１を測定することにより、各々のセル６１のシリコン酸化膜１２やシリコン基板１１に生じた製造時の欠陥などを調査し、セル６１間の個体差を確認することができる。図８では、金属膜１４,１５をＬ字状に延在させたたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６２】
さらに、上記した実施形態では、シリコン基板１１,５１の同一主面にＤＮＡ固定領域１９と金属膜１４,１５とを形成したが、図９,図１０に示す有機分子検出素子のように、ＤＮＡ固定領域１９と金属膜１４,１５とをシリコン基板１１,５１の反対側の主面に形成しても良い（請求項１）。
この場合、電極領域２１,２２は、ＤＮＡ固定領域１９が形成されるシリコン酸化膜１２側の主面(表面)またはその近傍から反対側の主面(裏面)まで、連続的に深く形成される。このような深い電極領域２１,２２を形成するに当たっては、イオン注入法に代えて、気相拡散や固相拡散などの熱拡散法を用いることが好ましい。
【００６３】
また、上記した実施形態では、Ｎ型のシリコン基板１１,５１を用いる構成を説明したが、シリコン基板の導電型をＰ型にした構成にも本発明は適用できる。この場合の電極領域２１,２２は、シリコン基板とは逆の導電型であるＮ型領域となる。この構成によれば、ＤＮＡ固定領域にＤＮＡが付いていないときに最も電流量が多く、ＤＮＡ固定領域上のＤＮＡの帯電量が増えるほど、電極領域間に流れる電流量が小さくなる。
【００６４】
さらに、上記した実施形態では、シリコン酸化膜１２,１３によって凹部１７を形成し、その底面１７ａにＤＮＡ固定領域１９を形成したが、平面状の箇所にＤＮＡ固定領域を形成しても良い（図９,図１０参照）。
また、上記した実施形態では、ＭＯＳ−ＦＥＴ型の素子構成を例に説明したが、Ｊ−ＦＥＴ型などの素子構成にも、本発明は適用できる。
【００６５】
さらに、上記した実施形態では、金属膜１４,１５を保護するために、金属膜１４,１５の上にシリコン酸化膜１６を形成したが、シリコン酸化膜１６に代えてシリコン窒化膜などの絶縁膜を用いても良い。シリコン酸化膜１２,１３も、シリコン窒化膜などの絶縁膜に代えることができる。また、金属膜１４,１５上のシリコン酸化膜１６は省略しても良い。
【００６６】
(第３実施形態)
ここでも、有機分子の１例であるＤＮＡの検出について説明する。第３実施形態の有機分子検出素子７０は、Ｊ−ＦＥＴと同様の動作特性を有し、ＤＮＡがマイナスに帯電していることを利用してＤＮＡを検出する半導体素子である。
【００６７】
第３実施形態の有機分子検出素子７０は、図１１(断面図)に示すように、シリコン基板７１の主面に、上述した有機分子検出素子１０,５０（図２,図６）と同様のシリコン酸化膜１３と金属膜１４,１５とシリコン酸化膜１６とを形成したものである。ここでは各々の膜(１３〜１６)の説明を省略する。
【００６８】
また、有機分子検出素子７０において、上述した有機分子検出素子１０,５０と同様の薄いシリコン酸化膜１２（図２,図６参照）は存在しない。このため、有機分子検出素子７０では、シリコン基板７１とシリコン酸化膜１３,１６とにより凹部７２が形成され、シリコン基板７１の主面の一部（後述するゲート領域７８の表面）が凹部７２の底面となる。凹部７２の底面はＤＮＡ固定領域７３である。
【００６９】
次に、シリコン基板７１（半導体基板）の構成について詳細に説明する。シリコン基板７１は、Ｎ型シリコン層７４の上にＰ型シリコン層７５が形成され、Ｐ型シリコン層７５にソース領域７６とドレイン領域７７とゲート領域７８とが形成されたものである。
Ｐ型シリコン層７５のソース領域７６およびドレイン領域７７は、Ｐ型シリコン層７５と同じ導電型で不純物濃度の高いＰ+領域である。ソース領域７６は、シリコン酸化膜１３の貫通孔１４ａを介して金属膜１４に接続され、ドレイン領域７７は、貫通孔１５ａを介して金属膜１５に接続されている。ソース領域７６,ドレイン領域７７は、請求項の「１対の電極領域」に対応する。
【００７０】
Ｐ型シリコン層７５のゲート領域７８は、Ｐ型シリコン層７５とは逆の導電型で不純物濃度の高いＮ+領域である。ゲート領域７８の表面は、有機分子検出素子７０の表面の一部を構成すると共に、上記した凹部７２の底面であり、ＤＮＡ固定領域７３として用いられる。このゲート領域７８も、不図示の金属膜に接続されている。
【００７１】
ここで、Ｐ型シリコン層７５のソース領域７６とドレイン領域７７に挟まれ、かつ、Ｐ型シリコン層７５のゲート領域７８とＮ型シリコン層７４に挟まれた領域７１ａ（所定領域）は、Ｐ型シリコン層７５の内部の領域であり、凹部７２の底面（ＤＮＡ固定領域７３）に対応している。
この領域７１ａは、電流経路（チャネル）の形成領域である。なお、Ｐ型シリコン層７５のゲート領域７８とＮ型シリコン層７４とは、領域７１ａを電流経路の幅方向に挟んで対向配置されている。ゲート領域７８と同様、Ｎ型シリコン層７４も、不図示の金属膜に接続されている。Ｎ型シリコン層７４（請求項の「ゲート領域」に対応）は、バックゲートとして機能する。
【００７２】
次に、第３実施形態の有機分子検出素子７０を製造する工程について、図１２,図１３を用いて説明する。
まず初めに、図１２(ａ)に示すように、単結晶のＮ型シリコン層７４の上に単結晶のＰ型シリコン層７５をエピタキシャル成長させて、シリコン基板７１を形成する。そして、シリコン基板７１の主面（Ｐ型シリコン層７５の表面）に、熱酸化法などを用いてシリコン酸化膜１０１を薄く形成し（図１２(ｂ)）、その上にレジストパターン１０２を形成する。
【００７３】
次いで、レジストパターン１０２をマスクとして、Ｐ型不純物１０３をイオン注入法により高濃度に導入する。その後、アニール処理を施すことで、シリコン基板７１のＰ型シリコン層７５には、不純物濃度の高いＰ型のソース領域７６,ドレイン領域７７が形成される。
さらに、レジストパターン１０２を除去して清浄化した後、シリコン酸化膜１０１の上に別のレジストパターン１０４を形成し（図１２(ｃ)）、このレジストパターン１０４をマスクとして、Ｎ型不純物１０５を高濃度に導入する。その後のアニール処理により、シリコン基板７１のＰ型シリコン層７５（ソース領域７６,ドレイン領域７７の間）には、不純物濃度の高いＮ型のゲート領域７８が形成される。
【００７４】
図１２(ｂ),(ｃ)のように、薄いシリコン酸化膜１０１を介してイオン注入するため、シリコン基板７１の主面（Ｐ型シリコン層７５の表面）を保護し、高精度な状態に保つことができる。なお、ゲート領域７８の形成には、熱による気相拡散法を用いてもよい。
次に、レジストパターン１０４を除去して清浄化した後、熱酸化法などを用いてシリコン酸化膜１０１をさらに成長させ、図１３(ａ)に示すように、厚いシリコン酸化膜１３を形成する。
【００７５】
その後、シリコン酸化膜１３の上にレジストパターン１０６を形成し（図１３(ｂ)）、これをマスクとしてシリコン酸化膜１３の一部をエッチングする。このエッチングにより、シリコン酸化膜１３には貫通孔１４ａ,１５ａが形成され、上記のソース領域７６,ドレイン領域７７が露出することになる。
次いで、レジストパターン１０６を除去して清浄化した後、スパッタ装置などを用いて配線用の金属膜を全面に形成する。そして、不図示のレジストパターンをマスクとして金属膜の一部をエッチングし、図１３(ｃ)に示す金属膜１４,１５を形成する。金属膜１４,１５は、貫通孔１４ａ,１５ａを介してソース領域７６,ドレイン領域７７に電気的に接続されている。
【００７６】
その後、金属膜１４,１５上のレジストパターン(不図示)の除去と清浄化を行った後、シリコン酸化膜１６を全面に形成し（図１３(ｄ)）、その上にレジストパターン１０７を形成し（図１３(ｅ)）、これをマスクとしてシリコン酸化膜１３,１６の一部をエッチングする。シリコン酸化膜１６は、ＰＳＧによる保護膜である。
【００７７】
このエッチングにより、シリコン酸化膜１３,１６には貫通孔１０８が形成され、上記のゲート領域７８が露出することになる。そして、レジストパターン１０７の除去と清浄化を行った後、ゲート領域７８の表面とシリコン酸化膜１３,１６とにより凹部７２（図１１）が形成される。凹部７２の底面は、ＤＮＡ固定領域７３である。
【００７８】
そして最後に、凹部７２の底面（ＤＮＡ固定領域７３）に対してプラズマ処理やけん化処理などを施すことにより、第３実施形態の有機分子検出素子７０が完成する。ちなみに、ＤＮＡ固定領域７３の周囲は、シリコン酸化膜１３,１６で覆われている。
【００７９】
次に、第３実施形態の有機分子検出素子７０を用いたＤＮＡの検出方法について説明する。この場合にも、有機分子検出素子７０には、電源４１と電流計４２（図５）が接続される。そして、有機分子検出素子７０のソース領域７６,ドレイン領域７７の間に所定の電圧が印加され、Ｐ型シリコン層７５の領域７１ａに流れる電流量の測定が電流計４２を用いて行われる。
【００８０】
なお、有機分子検出素子７０のゲート領域７８は、電流計４２による測定時、電圧の印加が遮断された状態に保たれる（フローティング）。また、ゲート領域７８に対向配置されたＮ型シリコン層７４には、逆バイアスの電圧（Ｐ型シリコン層７５より高い電圧）が印加される。
有機分子検出素子７０では、ＤＮＡ固定領域７３に指標のＤＮＡが固定されていなくても、Ｐ型シリコン層７５の領域７１ａに電流経路が形成される。すなわち、ソース領域７６,ドレイン領域７７の間を電流が流れる。電流経路の幅は、ＤＮＡ固定領域７３に何も固定されていないときに最も狭い（数μｍ程度）。
【００８１】
そして、ＤＮＡ固定領域７３に指標のＤＮＡが固定されたり、指標のＤＮＡに検出対象のＤＮＡ（蛍光物質などの標識が付加されていないＤＮＡ）が相補結合されたりすると、それらの数量（つまり帯電量）にほぼ比例して電流経路の幅が広くなる。これは、ＤＮＡの帯電量に応じてゲート領域７８の電位が変化し、ゲート領域７８の周りの空乏層が後退するからである。
【００８２】
このため、有機分子検出素子７０では、ＤＮＡ固定領域７３に指標のＤＮＡを固定させる前後の電流値を比較することにより、ＤＮＡ固定領域７３に適量の指標ＤＮＡが固定されたか否かを確認することができる。
さらに、指標のＤＮＡに検出対象のＤＮＡを相補結合させる前後の電流値を比較することにより、ＤＮＡ固定領域７３に固定された指標のＤＮＡに検出対象のＤＮＡが相補結合されたか否かを検出できる。
【００８３】
また、ＤＮＡ固定領域７３に何も固定されてない状態で測定した基準の電流値に基づいて、有機分子検出素子７０の製造時のバラツキを調査することもできる。さらに、指標のＤＮＡをＤＮＡ固定領域７３に固定させた後で、かつ、検出対象となるＤＮＡを相補結合させる前に測定した電流値のみに基づいて、ＤＮＡ固定領域７３に固定された指標のＤＮＡを定量的に確認することもできる。
【００８４】
さらに、有機分子検出素子７０では、シリコン基板７１のＰ型シリコン層７５の内部（つまりバルク内部）の領域７１ａに電流経路が形成されるため、素子表面の影響などを受けて電流経路にノイズが発生するようなことはない。その結果、上記のＤＮＡ検出を正確に行うことが可能となる。
また、ＤＮＡ固定領域７３（ゲート領域７８の表面）がハイブリダイゼーションなどの薬品処理などにより汚染されても、バルク内部の領域７１ａ（電流経路の形成領域）が変質により劣化する可能性はほとんどなく、常に正確なＤＮＡ検出を行うことができる。
【００８５】
さらに、ＤＮＡ固定領域７３が凹部７２の底面に配置されるため、指標のＤＮＡを正確な位置に固定できる。また、ＤＮＡ固定領域７３に予めシランカップリング剤などの受容体を介してＤＮＡを固定化するため、指標のＤＮＡを確実に固定できる。その結果、検出精度が向上する。
また、有機分子検出素子７０では、ＤＮＡ固定領域７３へ指標ＤＮＡを固定する際、ゲート領域７８に対してプラスの電圧（例えば５Ｖ）を印加しておくことが好ましい。指標のＤＮＡはマイナスに帯電しているため、ＤＮＡ固定領域７３にプラスの電圧を印加することで、ＤＮＡ固定領域７３に指標のＤＮＡを引き寄せることができる。これにより、指標のＤＮＡが微量であっても有効にＤＮＡ固定領域７３へ固定化できる。このとき、基板の電位を下げ、順方向に電流が流れないようにすることは言うまでもない。
【００８６】
さらに、有機分子検出素子７０では、シリコン基板７１の主面に指標のＤＮＡを直接固定する、つまり、上述した有機分子検出素子１０,５０と同様の薄いシリコン酸化膜１２（図２,図６参照）を必要としないため、製造工程における厳密な膜厚制御が不要となり、その分だけ製造し易くなる。また、有機分子検出素子７０の感度のバラツキも小さくなる。
【００８７】
(第４実施形態)
第４実施形態の有機分子検出素子８０は、図１４に示すように、第３実施形態の有機分子検出素子７０（図１１）のシリコン酸化膜１３,１６を覆うように、シリコン窒化膜８１を形成したものである。
【００８８】
ここで、第４実施形態の有機分子検出素子８０の製造工程について簡単に説明する。まず、上記した図１２(ａ)〜(ｃ),図１３(ａ)〜(ｅ)と同じ工程を順に実行し、レジストパターン１０７の除去と清浄化を行った後、シリコン窒化膜８１を全面に形成する（図１５(ａ)）。
次いで、シリコン窒化膜８１の上にレジストパターン１０９を形成し（図１５(ｂ)）、これをマスクとしてシリコン窒化膜８１の一部をエッチングする。そして、シリコン酸化膜８１には貫通孔１１０が形成され、上記のゲート領域７８が露出することになる。その後、レジストパターン１０９の除去と清浄化を行い、ゲート領域７８の表面とシリコン窒化膜８１とにより、凹部８２（図１４）が形成される。凹部８２の底面は、ＤＮＡ固定領域８３である。
【００８９】
そして最後に、凹部８２の底面（ＤＮＡ固定領域８３）に対してプラズマ処理などを施すことにより、第４実施形態の有機分子検出素子８０が完成する。この有機分子検出素子８０では、シリコン窒化膜８１により、ＤＮＡ固定領域８３の周囲が窒化物で覆われたことになる。
シリコン窒化膜８１は、シリコン酸化膜に比べて膜構造が密で、アルカリ金属（例えばナトリウム）の原子を取り込み難く、耐薬品性に優れているため、保護膜として確実に機能する。このシリコン窒化膜８１により、金属膜１４,１５の劣化を確実に防止できる。
【００９０】
また、シリコン窒化膜８１には、シリコン酸化膜に比べてＤＮＡが付着し難いという特徴がある。したがって、ＤＮＡ固定領域８３の周囲にＤＮＡが無駄に付着することを防止でき、ＤＮＡ固定領域８３のみにＤＮＡを効率良く付着させることができる。
なお、上記した第４実施形態では、シリコン酸化膜１３,１６を覆うようにシリコン窒化膜８１を形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、シリコン酸化膜１３,１６に代えて、同じ形状のシリコン窒化膜を形成してもよい。この場合には、上記のシリコン窒化膜８１を省略することができる。
【００９１】
ただし、図１２(ｂ),(ｃ)のイオン注入工程ではシリコン基板７１の主面に薄いシリコン酸化膜１２を形成しておくことが好ましいため、イオン注入後にシリコン酸化膜１２を取り除き、改めてシリコン基板７１の主面にシリコン窒化膜を形成する手順が考えられる。また、膜厚制御が複雑化しても構わないのであれば、イオン注入工程の前にシリコン窒化膜を形成してもよい。
【００９２】
第４実施形態の有機分子検出素子８０のシリコン窒化膜８１と同様のシリコン窒化膜を、図２,図６の有機分子検出素子１０,５０のシリコン酸化膜１３,１６を覆うように形成しても、同様の効果を得ることができる。
また、上記した第３実施形態では、シリコン酸化膜１３,１６とゲート領域７８の表面とで凹部７２を形成し、第４実施形態ではシリコン窒化膜８１とゲート領域７８の表面とで凹部８２を形成したが、本発明はこの構成に限定されない。
【００９３】
例えば、シリコン基板７１の主面（Ｐ型シリコン層７５の表面）をエッチングして、Ｐ型シリコン層７５自体に窪みを設けてもよい。この場合、Ｐ型シリコン層７５の窪みの底面がＤＮＡ固定領域となる。Ｐ型シリコン層７５をエッチングして窪みを形成する工程と、Ｐ型シリコン層７５にゲート領域７８を形成する工程とは、どちらが先でも構わない。
【００９４】
(第５実施形態)
第５実施形態の有機分子検出素子９０は、図１６に示すように、シリコン基板７１の主面（ここではＮ型シリコン層７４の表面）側にシリコン窒化膜９１を設け、このシリコン窒化膜９１とＮ型シリコン層７４の表面とにより凹部９２を形成したものである。凹部９２の底面は、Ｎ型シリコン層７４の表面の一部であり、ここがＤＮＡ固定領域９３となる。
【００９５】
このため、第５実施形態の有機分子検出素子９０では、シリコン基板７１のＰ型シリコン層７５に形成されたソース領域７６,ドレイン領域７７,ゲート領域７８（トランジスタ部）が、ＤＮＡ固定領域９３とは反対側の主面近傍に配置されたことになる。
また、有機分子検出素子９０のソース領域７６,ドレイン領域７７,ゲート領域７８に接続された金属膜１４,１５,９５は、何れもシリコン酸化膜１６によって全体的に覆われている。さらに、シリコン酸化膜１６の上には、厚い保護基板９４（例えばシリコンウエハやガラス基板など）が接合されている。
【００９６】
ここで、有機分子検出素子９０を製造する工程について簡単に説明する。上記した図１２(ａ)〜(ｃ),図１３(ａ)〜(ｄ)と同様の工程を順に実行した後、シリコン酸化膜１６の上に保護基板９４を接合し、この状態でシリコン基板７１のＮ型シリコン層７４を研磨して薄くする。
そして次に、研磨後のＮ型シリコン層７４の表面にシリコン窒化膜９１を全面に形成する。さらに、シリコン窒化膜９１の上にレジストパターンを形成し、これをマスクとしてシリコン窒化膜９１の一部をエッチングする。そして、シリコン酸化膜９１には貫通孔が形成され、Ｎ型シリコン層７４の一部が露出することになる。
【００９７】
その後、レジストパターンの除去と清浄化を行い、Ｎ型シリコン層７４の表面とシリコン窒化膜９１とにより、凹部９２が形成される。凹部９２の底面は、ＤＮＡ固定領域９３である。最後に、凹部９２の底面（ＤＮＡ固定領域９３）に対してプラズマ処理などを施すことにより、第５実施形態の有機分子検出素子９０が完成する。ＤＮＡ固定領域９３の周囲は、シリコン窒化膜９１で覆われている。
【００９８】
有機分子検出素子９０の製造工程で、Ｎ型シリコン層７４を研磨により薄くする理由は、ＤＮＡ固定領域９３と領域７１ａ（電流経路の形成領域）との距離を小さくすることにより、ＤＮＡ検出感度を向上させるためである。
この有機分子検出素子９０では、Ｎ型シリコン層７４がゲートとして機能し、ゲート領域７８がバックゲートとして機能することになる。このため、有機分子検出素子９０を用いたＤＮＡ検出時、Ｎ型シリコン層７４は、電圧の印加が遮断された状態に保たれる（フローティング）。ゲート領域７８には、逆バイアスの電圧（Ｐ型シリコン層７５より高い電圧）が印加される。
【００９９】
したがって、有機分子検出素子９０でも、Ｊ−ＦＥＴと同様の動作特性により、ＤＮＡ固定領域９３に適量の指標ＤＮＡが固定されたか否かを確認したり、指標のＤＮＡに検出対象のＤＮＡが相補結合されたか否かを検出することができる。また、ＤＮＡ固定領域９３に何も固定されない状態で、有機分子検出素子９０の製造時のバラツキを調査することもできる。指標のＤＮＡをＤＮＡ固定領域９３に固定させた状態で（検出対象ＤＮＡの相補結合前）、指標ＤＮＡを定量的に確認することもできる。
【０１００】
さらに、有機分子検出素子９０でも、シリコン基板７１のＰ型シリコン層７５の内部（つまりバルク内部）の領域７１ａに電流経路が形成されるため、素子表面の影響などを受けて電流経路にノイズが発生するようなことはなく、上記のＤＮＡ検出を正確に行うことができる。また、ＤＮＡ固定領域９３（Ｎ型シリコン層７４の表面）がハイブリダイゼーションなどの薬品処理などにより汚染されても、バルク内部の領域７１ａ（電流経路の形成領域）が変質により劣化することはなく、常に正確なＤＮＡ検出を行うことができる。
【０１０１】
さらに、有機分子検出素子９０のトランジスタ部(７６〜７８)側の主面が保護基板９４で封止され、ハイブリダイゼーションなどの薬品処理によって汚染されることはない。したがって、有機分子検出素子９０の薬品に対する耐久性が格段に向上する。
また、ＤＮＡ固定領域９３が凹部９２の底面に配置されるため、指標のＤＮＡを正確な位置に固定できる。また、ＤＮＡ固定領域９３に予めプラズマ処理を施すため、指標のＤＮＡを確実に固定できる。その結果、検出精度が向上する。
【０１０２】
さらに、有機分子検出素子９０では、ＤＮＡ固定領域９３へ指標ＤＮＡを固定する際、Ｎ型シリコン層７４に対してプラスの電圧（例えば５Ｖ）を印加しておくことが好ましい。これにより、ＤＮＡ固定領域９３に指標のＤＮＡを引き寄せることができ、指標のＤＮＡが微量であっても有効にＤＮＡ固定領域９３へ固定化できる。このとき、先に述べたように、順方向に電流が流れないように注意することは言うまでもない。
【０１０３】
また、ＤＮＡ固定領域９３の周囲にシリコン窒化膜９１を形成したため、ＤＮＡ固定領域９３の周囲にＤＮＡが無駄に付着することを防止でき、ＤＮＡ固定領域９３のみにＤＮＡを効率良く付着させることができる。
なお、保護基板９４に代えて、トランジスタ部(７６〜７８)側の主面を樹脂で覆ってもよい。
【０１０４】
また、上記した第４実施形態と第５実施形態ではシリコン窒化膜を用いたが、シリコン窒化膜の他に、ＤＮＡをはじくような性質の膜（ＤＮＡ分離膜）があれば、このＤＮＡ分離膜をシリコン窒化膜の代わりに形成しても、同様の効果を得ることができる。
さらに、上記した第３〜第５実施形態では、シリコン基板７１の主面にＤＮＡ固定領域７３,８３,９３を配置したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、シリコン基板７１の主面（ゲート領域７８の表面）に薄い絶縁膜を形成し、この絶縁膜にＤＮＡ固定領域を配置することが考えられる。絶縁膜の材料としては、シリコン酸化膜などを用いることができる。
【０１０５】
また、シリコン基板７１の主面（ゲート領域７８の表面）に薄い金属膜を形成し、この金属膜にＤＮＡ固定領域を配置することが考えられる（請求項２）。この場合、ゲート領域７８の耐久性が格段に向上するので好ましい。金属膜の材料としては、耐薬品性の良いものであれば何でも構わない（例えばＡｕ,Ｐｔ,Ｗ,Ａｌ）が、ゲート領域７８とオーミック接合するものが好ましい。
【０１０６】
さらに、上記した第３〜第５実施形態では、ＤＮＡ固定領域(７３,８３,９３の何れか)とこれに対応する領域７１ａとトランジスタ部(７６〜７８)と金属膜(１４,１５など)を備えたセルが１個だけ配された有機分子検出素子７０,８０,９０を例に説明したが、複数のセルを２次元的にマトリクス配置してもよい（図８参照）。
【０１０７】
ただし、この場合には、シリコン基板７１のＮ型シリコン層７４を個々のセルごとに電気的に分離させるため、図１７に示すように、誘電体分離層９７をシリコン基板７１の内部に設けることが好ましい。誘電体分離層９７は熱酸化膜などである。図１７の基本的な構成は、上記の有機分子検出素子９０（図１６）と同じである。
【０１０８】
また図１７には、電気的に分離された各セルのＮ型シリコン層７４に対して個別に電圧を印加するための不純物層９８と電極層９９とが示されている。不純物層９８は、Ｎ型シリコン層７４と同じ導電型の不純物を注入した領域である。電極層９８は、トランジスタ部(７６〜７８)に接続された金属膜１４,１５,９５と同様の金属材料からなる。
【０１０９】
図示省略したが、基本的な構成が上記の有機分子検出素子７０,８０（図１１,図１４）と同じ場合にも、シリコン基板７１の内部に、同様の誘電体分離層を設けることが好ましい。
複数のセルを備えた有機分子検出素子によれば、同時に複数のＤＮＡを検出することができ、作業時間の短縮やコストの低減を図ることができる。この場合、複数のセルには、同じ種類のＤＮＡを付けても、異なる種類のＤＮＡを付けてもよい。
【０１１０】
異なる種類のＤＮＡを複数のセルに付ける場合には、１種類ずつ順に付けていくことになるため、ある種類のＤＮＡを付けたい特定セルのＤＮＡ固定領域（Ｎ型シリコン層７４またはゲート領域７８）に対してプラスの電圧を印加すると共に、その他のセルのＤＮＡ固定領域にはマイナスの電圧を印加しておくことが好ましい。これにより、プラスの電圧が印加されたＤＮＡ固定領域のみにＤＮＡを引き寄せることができ、微量のＤＮＡを特定セルに選択的に固定化できる。
【０１１１】
また、複数のセルを備えた有機分子検出素子において、各々のセルのＤＮＡ固定領域に何も付けない状態で領域７１ａを流れる電流量を測定することにより、セル間の個体差（バラツキ）を確認することができる。
そして、バックゲートとして機能する領域（ゲート領域７８またはＮ型シリコン層７４）に対し、セル間の個体差を考慮した所望の電圧をそれぞれ印加することにより、その個体差を補正することもできる。この補正により、領域７１ａに形成される電流経路の幅を予め適切に（例えば均一に）制御することができる。なお、セル間の個体差を考慮して適切なバックゲートへの印加電圧値（例えば平均値）を求め、これを全体的に印加するようにしてもよい。
【０１１２】
また、上記した第３〜第５実施形態では、Ｐ型シリコン層７５の領域７１ａに電流経路を形成し、Ｎ型のゲート領域（Ｎ型シリコン層７４またはゲート領域７８）の表面にＤＮＡ固定領域７３,８３,９３を形成したが、各々の導電型を逆にしても構わない。この場合、ソース領域７６,ドレイン領域７７は、ゲート領域７とは逆の導電型となる。この構成によれば、ＤＮＡ固定領域にＤＮＡが付いていないときに最も電流量が小さく、ＤＮＡ固定領域上のＤＮＡの帯電量が増えるほど、電流量が減少する。
【０１１３】
さらに、上記した第３〜第５実施形態では、Ｎ型シリコン層７４とゲート領域７８によって、Ｐ型シリコン層７５の領域７１ａを電流経路の幅方向に挟むような構成（２つのゲート領域）を例に説明したが、３つ以上のゲート領域を同様に対向配置させてもよい。また、ゲート領域を筒状に構成してもよい。
また、上記した第１〜第５実施形態では、シリコン基板を用いた素子を説明したが、シリコン基板に代えて各種の半導体基板を用いることができる（例えばＧａＡｓ）。
【０１１４】
さらに、検出対象のＤＮＡを指標となるＤＮＡ１８に相補結合させる前に、検出対象のＤＮＡに対して何らかの標識(蛍光物質や放射性同位体など)を付加すると、上記した電気的測定と同時または別のタイミングで、他の装置(蛍光顕微鏡,蛍光計測装置や放射性同位体検出装置など)を用い、標識の付加状態を光学的に測定することができ、ＤＮＡの検出精度が向上する（請求項１１）。
【０１１５】
また、上記した第１〜第５実施形態では、電源４１,電流計４２を用いて測定を行ったが、電源４１（定電圧源）に代えて定電流源を用いると共に、電流計４２に代えて電圧計を用い、金属膜１４,１５間の電圧を測定した場合でも、同様の解析を行うことができる。
さらに、上記した第１〜第５実施形態では、ＤＮＡを検出する例を説明したが、その他のＲＮＡやたんぱく質や核酸や塩基類などの帯電している有機分子について、同様の検査を行える。
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１から請求項１０のいずれかの発明によれば、作業効率の向上と検出装置の小型化および簡素化とを実現できるため、ＤＮＡの塩基配列や特性の解析に有用な装置を安価に構成できる。
また、請求項１１の発明によれば、電気的測定と光学的測定との双方を実行できるため、検出精度をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の有機分子検出素子１０の外観斜視図である。
【図２】有機分子検出素子１０のＡ−Ａ断面図である。
【図３】有機分子検出素子１０の製造工程を示す断面図である。
【図４】有機分子検出素子１０の製造工程を示す断面図である。
【図５】第１実施形態の有機分子検出装置４０の構成を示す図である。
【図６】第２実施形態の有機分子検出素子５０の断面図である。
【図７】有機分子検出素子５０の製造工程を示す断面図である。
【図８】有機分子検出素子６０の外観斜視図である。
【図９】有機分子検出素子の変形例を示す断面図である。
【図１０】有機分子検出素子の変形例を示す断面図である。
【図１１】有機分子検出素子７０の断面図である。
【図１２】有機分子検出素子７０の製造工程を示す断面図である。
【図１３】有機分子検出素子７０の製造工程を示す断面図である。
【図１４】有機分子検出素子８０の断面図である。
【図１５】有機分子検出素子８０の製造工程を示す断面図である。
【図１６】有機分子検出素子９０の断面図である。
【図１７】有機分子検出素子の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０，５０，６０，７０，８０，９０  有機分子検出素子
１１，５１，７１  シリコン基板
１２，１３，１６  シリコン酸化膜
１４，１５，９５  金属膜
１７，７２，８２，９２  凹部
１８  指標となるＤＮＡ
１９，７３，８３，９３  ＤＮＡ固定領域
２１，２２  電極領域
４０  有機分子検出装置
４１  電源
４２  電流計
５２  チャネル領域
６１  セル
７４  Ｎ型シリコン層
７５  Ｐ型シリコン層
７６  ソース領域
７７  ドレイン領域
７８  ゲート領域
８１，９１  シリコン窒化膜
９４  保護基板
９７  誘電体分離層
９８  不純物層
９９  電極層
【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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