(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットの分子やそれらの分子の相互作用を検出するためのものであって、リソグラフィー法に基づくサブミクロンのシリコン（Ｓｉ）加工技術によってシリコン−オン−インシュレータ基板から加工された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備え、かつ該ＦＥＴが、バルクＳｉ上に順に形成された埋め込みＳｉＯ２層及びトップＳｉ層を有していて、埋め込みＳｉＯ２層によってバルクＳｉから分離されたトップＳｉ層内の表面近傍導電性薄膜に導電性が限定されており、前記ＦＥＴが感応性表面によって被覆されており、かつ前記ＦＥＴにおいてゲートコンタクト部が表出されていることを特徴とする半導体バイオセンサ。
【請求項２】
前記感応性表面が固定化分子からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体バイオセンサ。
【請求項３】
前記トップＳｉ層の内部において、可動キャリアとしての電子又は正孔を不純物のドーピングによって発生せしめることができるかもしくは当該デバイスの背面を規定するＳｉ基板から静電気的に誘導することができ、よって、当該デバイスが反転モードのＦＥＴで動作可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体バイオセンサ。
【請求項４】
前記固定化分子が生体分子であり、かつ前記ＦＥＴの表面に感応性を付与するため、シリコンの薄い自然酸化物のトップ層もしくは非特異な相互作用を抑制するその他の固定化有機分子層が用いられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
【請求項５】
前記生体分子が、ＤＮＡ、抗体、タンパク質又はその組み合わせであることを特徴とする請求項４に記載の半導体バイオセンサ。
【請求項６】
内部に分子が組み込まれた膜質二重膜を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
【請求項７】
特異的結合プロセスをリアルタイムで観察できることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
【請求項８】
少なくとも２個のセンサー単位がアレイの形に配列されており、その際、アナライト内の分子の全体をパラレルにアドレスするため、それぞれのセンサー単位が個々のレセプター分子で感応化されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
【請求項９】
前記トップＳｉ層の膜厚が２０〜１５０ｎｍの範囲であり、埋め込みＳｉＯ２層の膜厚が５０〜５００ｎｍの範囲であり、そして前記バルクＳｉ基板のウエハの一般的な厚さが３００〜８００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体バイオセンサに関し、さらに詳しく述べると、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）技術に基づいて構成されていることを特徴とする半導体バイオセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゲノム解析及びプロテオミクスにおける最近の進歩によって莫大な数の異なる生体分子を精製することが可能となっているけれども、これらの種類やそれらの相互作用を検出し、分析しかつ定量するためには、非常に僅かな技法のみが有効であるに過ぎない。現在のバイオメディカル分野において、その研究の進歩は、生体分子間の特異的相互作用を高度に並列性がありかつ高度に感度のある方法で同定することを可能ならしめる新しくて万能性のあるツールの発達に依存している。
【０００３】
タンパク質の検出、分析、そして定量を行うために現在用いられている技法は、例えば、質量分析法と組み合わさった二次元ゲル電気泳動法、蛍光読み出しを伴う微細毛細管式電子動力学的分離技術、ＤＮＡチップ技術に類似のマイクロアレイ技術、そして、例えばプラズモン共鳴又は水晶発振子マイクロバランスのようなその他の技術を包含する。現行のマイクロアレイのアプローチについてみてみると、下地を構成する「チップ」は、概して、何らの固有の機能を有することがない表面を官能化した平面ガラス基板からなり、また、したがって、マイクロアレイを使用した検出の場合、もっぱら蛍光標識（ラベリング）に依存しているだけである。
【０００４】
生体分子の相互作用を検出するためのものであってシリコン構造体を使用した一般的なアプローチは、キャパシタンスの測定を使用したものである（非特許文献１）。しかし、これらのアプローチの場合、高度に絶縁性の有機層が必要であるため、その使用可能性が妨げられている。また、一つの企画であるけれども、光アドレス可能な電位差センサー（ＬＡＰ）もまた提案されている（非特許文献２）。しかし、これらのアプローチの場合、感度と万能性に欠けるのが一般的である。また、バイオセンサで使用するための標準的なＦＥＴ（電界効果トランジスタ）構造体も提案されているけれども、上記と同様に必要な感度をもたらすことができない（非特許文献３）。別のアプローチは、機械的歪によって検出を行う方法であり、ＤＮＡ分子のハイブリダイゼーションを検出するために使用されている（非特許文献４）。もう１つの表面感応性技術は、例えばＢｉｏｃｏｒｅ社によってすでに実現されている表面プラズモン共鳴の検出である（非特許文献５）。
【０００５】
電解質環境中でセンサとして作動する例えばイオン感応性ＦＥＴ（ＩＳＦＥＴ）のような半導体デバイスは、主として標準的なシリコン（Ｓｉ）基板から作られるものであるが、ＳＯＩからも作られている（例えば、特許文献１）。抗体固定化の分野では、固体の基板上でタンパク質の認識を行うための種々の技法が報告されている（例えば、特許文献２）。ＤＮＡチップに類似の初めてのプロテインチップは、最近実現されている（非特許文献６）。また、モデルプロテインの検出のための機能を付与したナノ構造体もまた報告されている（非特許文献７）。しかし、このナノ構造体の場合、複雑な化学蒸着法によってナノワイヤを作製しなければならない。
【０００６】
付言すると、本発明者らの知る限りにおいて、ＳＯＩに基づく感応性ナノ構造デバイスの電気的応答を使用して、タンパク質あるいはその他の生体分子の選択的な認識や検出を直接的に行う技術は、未だ知られていない。
【０００７】
【非特許文献１】
C. Berggren et al., Electroanalysis, 2001, 13, No.3, 173-180
【非特許文献２】
M. George et al., Sensors and Actuators, 86(2000), 187-196
【非特許文献３】
M.J. Schoening and H. Lueth, phys. stat. sol. (a)185, No.1, 6
5-77(2001)
【非特許文献４】
Fritz et al., Science, 2001
【非特許文献５】
ビアコア社ホームページhttp://www.biacore.co.jp
【非特許文献６】
G. MacBeath and S.L. Schreiber, Science, Vol.289 Sep. 8, 2000,
1760-1763
【非特許文献７】
Y. Cui et al., Science, Vol.293 Aug. 17, 2001, 1289-1292
【特許文献１】
国際出願公開公報、ＷＯ００／５１１８０
【特許文献２】
ドイツ特許出願公開公報、ＤＥ１０００６７６０Ａ１
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来使用されている技術の場合、大半のものが光学的検出を使用する必要性を抱えている。商業化されているＤＮＡチップの場合、蛍光標識がむしろ発達した技術である。しかし、この場合には、追加の生化学的処理工程を導入することが必要であり、測定対象とする物質の著量が損なわれるという欠点がある。特にタンパク質の標識を行う場合には、非特異的な標識手法のために、機能を有するタンパク質の大略５０％が不活性化せしめられる。このことは、これらのアプローチにおける主たる欠点である。それというのも、特に診断目的の場合、非常に少量のアナライトのみを使用可能であるからである。
【０００９】
また、シリコンデバイスに基づく上記した技術はすべて、タンパク質コンセントレートの濃度が低い場合、検出限界が存在する。例えばある種の腫瘍マーカーのような最も重要なタンパク質は、別の非常に発達した二次元電気泳動法を使用したとしても、検出することが非常に困難である。
【００１０】
本発明の目的は、これらの問題点を有しない半導体バイオセンサを提供することにある。
【００１１】
また、本発明の目的は、感応性ナノ構造デバイスの電気的応答を使用して、タンパク質あるいはその他の生体分子の選択的な認識や検出を直接的に行うことのできる半導体バイオセンサを提供することにある。
【００１２】
本発明のこれらの目的やその他の目的は、以下の詳細な説明から容易に理解することができるであろう。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、ターゲット（検出対象）の分子やそれらの分子の相互作用を検出するためのものであって、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）技術に基づいて構成されていることを特徴とする半導体バイオセンサにある。
【００１４】
本発明の半導体バイオセンサは、リソグラフィー法に基づくサブミクロン（sub-μm）のシリコン（Ｓｉ）加工技術によってシリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）基板から加工された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えるとともに、前記トランジスタの構造体において、埋め込みＳｉＯ２（ＢＯＸ）層によってバルクＳｉから分離されたトップＳｉ層内の表面近傍導電性薄膜に導電性が限定されており、かつ前記ＦＥＴが感応性表面によって被覆されていることを特徴とする半導体バイオセンサにある。Ｓｉ加工技術は、標準的な手法及び進歩した（アドバンスド）手法を包含する。また、ＦＥＴは、好ましくは、金属ゲート・レスの、すなわち、ゲートコンタクト部が表出されたＦＥＴである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明による半導体バイオセンサは、いろいろな形態で有利に実施することができる。以下、本発明の半導体バイオセンサをその好ましい実施形態について説明するが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
【００１６】
本発明は、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）技術に基づいた、生体分子の特異的な相互作用を検出するための半導体デバイスを包含する。コアとなるデバイスは、好ましくは金属ゲート・レスの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備え、また、このトランジスタは、リソグラフィー法に基づく標準的な及び（又は）進歩したサブミクロンのシリコン（Ｓｉ）加工技術によってシリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）基板から作り出される。また、このトランジスタの構造体における導電性は、埋め込みＳｉＯ２（ＢＯＸ）層によってバルクＳｉから分離されかつその分離がその表面から通常ほんの数十ｎｍであるトップＳｉ層内の薄膜導電性シートに限定されている。トップＳｉ層の内部では、不純物のドーピング（エピタキシャル過多成長、拡散又は注入）によって可動キャリア（電子又は正孔）を発生せしめることができるかもしくは当該デバイスの背面（Ｓｉ基板）から静電気的に誘導することができ、よって、当該デバイスを反転モードのＦＥＴで動作させることができる。なお、ここで「反転モード」とは、標準的なＦＥＴを使用する際に、正負が反転するモードを指している。しかし、標準的なＦＥＴ技術とは対照的に、このＦＥＴの表面は金属ゲートによって被覆されておらず、その代わりに生体感応性表面を備えている。生体感応性表面は、基板の最上層にあり、例えば、固定化分子、例えば一本鎖のＤＮＡ、抗体、タンパク質又は膜質二重膜中に組み込まれる分子であることができる。ＦＥＴの表面に感応性を付与するため、シリコンの薄い自然な酸化物のトップ層もしくは非特異な相互作用を抑制するその他の固定化有機分子層が用いられるであろう。固体担持の膜質二重膜中には膜タンパク質を組み込むことができる。
【００１７】
上述の生体感応性部位に対するアナライトの結合の結果、下記の３つの主たる寄与ファクター：
１）分子のイオン性電荷、
２）分子の双極子モーメント又は結合によって誘導される双極子、及び
３）表面状態のエネルギー分布及び（又は）密度の変化、
のいずれかによってデバイスの表面電位を変化させることができる。さらには、この表面電位の任意の変化によってバンド構造の変化及びしたがって半導体材料における電荷分布の変化を導き、ＳＯＩ層の横方向導電性を直接的に変動させることができる。この効果は、導電性層がＦＥＴ表面に密着した位置に存在しているため、表面電位における極く僅かな変動に対しても非常に敏感である。感度を高めかつ同時にデバイスの活性領域を小型化するため、ＳＯＩのサブミクロン（μｍ）ないしナノ−ｎｍサイズのワイヤを特定のリソグラフィー技術、例えば電子ビームリソグラフィー又は直接集束レーザービーム（ＦＬＢ）酸化によって形成することができ、また、これによって、平面ゲート（ＩＰＧ）トランジスタ構造体を形成することができる（M.Huber et al., Applied Surface Science, 168(2000), 204-207を参照されたい）。このようなＩＰＧの場合、電気的に分離された複数の平面ＳＯＩ領域（ゲート）に対して電圧を一緒に適用することによって、電気的ワイヤの有効幅及びその平均キャリヤ濃度を静電気的にチューニングすることができ、よって、デバイスの性能を調整することができる。また、このような（ＩＰＧ−）ＦＥＴユニットの複数個をアレイの全体に組み合わせ、かつそれらのユニットをリソグラフィー法を使用して個々のレセプター分子で感応化することによって、アナライト内の分子の集まり全体をパラレルに検出することができる。可能と考えられる用途の重要な例としては、捕捉レセプターとして抗体を使用することによってタンパク質発現パターンを検出すること、固定化された一本鎖のＤＮＡ分子からなる遺伝子アレイによって遺伝子発現パターンを検出すること、固定化タンパク質からなるタンパク質とタンパク質の間の相互作用を検出すること、そして膜タンパク質の結合とクラスター形成を挙げることができる。診断目的の用途の場合、その結果は多岐に及び、また、創薬研究の分野でもこのバイオセンサの適用によって高度のパラレル検出が可能となる。
【００１８】
上記したような本発明のＳＯＩバイオセンサデバイスを使用すると、生体分子の選択的な結合をラベルフリー（標識の不使用）で、高感度で、局所的かつリアルタイムにセンシングすることが可能となる。個々に感応性を付与せしめられたトランジスタのアレイからなるＳＯＩチップは、例えば１つの試料中に含まれる何千種類ものタンパク質をパラレルに検出し、同定し、定量することを取り扱うことができる。このチップは、標準的なＳｉ集積回路プロセス技術を用いて一体化することができ、したがって、コスト的に効率のよい工業的大量生産に適っている。この新規な技術は、診断や新薬の開発研究の分野において用途を有している。その他のより一般的な用途としては、例えばイオン感応性ＦＥＴ（ＩＳＦＥＴ、ｐＨメータ）の操作のような化学的センシングや、例えば食物及び環境コントロール目的のためのガス分子センシングを挙げることができる。
【００１９】
本発明による半導体バイオセンサは新規なものであり、その新規性を裏付ける主たるものとして、バイオチップ用途のために（サブミクロンサイズの）電子的に活性な半導体の「高機能（ｓｍａｒｔ）」基板を直接的に適用できることを挙げることができる。従来一般的に使用されている受動的な、例えばガラス製の基板とは対照的に、本発明のバイオセンサは、ＳＯＩ基板を有する高感度の半導体トランジスタデバイスであり、そのＳＯＩ構造内で表面の極近傍に配置された導電性の細溝（チャンネル）を含み、よって、まったくの電気的読み取り操作によって生体分子やそれらの分子の相互作用を直接的に検出することができる。本発明のバイオセンサの主たる利点としては、
（１）ラベルフリーで検出が可能であること、
（２）多量の処理量をパラレルに検出できるとともに、それを小型化できること、
（３）高感度であり、チューニング可能であること、
（４）現在商業化されている半導体プロセス技術に統合できること、
などを挙げることができる。アナライトの、固定化レセプター（例えば、一本鎖ＤＮＡ、抗体、タンパク質等）に対する選択的結合反応を検出することができる。
【００２０】
次いで、本発明の半導体バイオセンサを添付の図面を参照してさらに説明する。
【００２１】
図１は、本発明による半導体バイオセンサの好ましい１実施形態である平面ゲートタイプの金属ゲート不含電界効果トランジスタ（ＩＰＧ−ＦＥＴ）を示した平面図であり、また、図２は、図１のバイオセンサの層構成を説明するために図１に示したバイオセンサを線分II−IIにそって切断した時の断面図である。
【００２２】
図示のバイオセンサでは、基板としてＳＯＩ基板を使用している。ＳＯＩ基板は、図２から理解されるように、バルクＳｉの基板１と、その基板１から埋め込みＳｉＯ２（ＢＯＸ）層２によって分離された、導電性のトップＳｉ層（ＳＯＩ）３と、ここでは図示しないが、薄い自然酸化膜（ＳｉＯ２）とを有している。トップＳｉ層３の内部には、導電性の薄膜（シート）３´が形成されている。すなわち、図示のバイオセンサの場合、表面近傍の導電性薄膜３´に導電性が限定されており、かつ感応性表面によって被覆されている。
【００２３】
図示のバイオセンサは、試料として用意した電解質の溶液２０に含まれるアナライト（タンパク質）２１を固定化レセプター１５で捕捉して検出するように設計されたものである。このバイオセンサの金属ゲート不含ＦＥＴでは、図１に示されるように、デバイスの表面にソース領域１１及びドレイン領域（オーミックコンタクト）１２ならびに平面ゲート（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｇａｔｅ；ＩＰＧ）１４及びゲートコンタクト１３を備えている。電流は、ソース領域１１からトップＳｉ層３内の導電性薄膜３´を介してドレイン領域１２に流れるようになっている。よって、ＳＯＩ基板の表面に固定されたレセプター１５に対する帯電分子（タンパク質）２１の特異的結合によって、導電性薄膜３´の導電性が変化可能である。
【００２４】
また、デバイスの表面には、例えば集束レーザービーム（ＦＬＢ）の直接書き込みによって導電性チャンネルとして同一平面に形成された２つの平面ゲート１４があり、また、これらの平面ゲート１４は、絶縁性の活性細溝（チャンネル）７によって電気的に分離されている。活性チャンネル７は、例えばＦＬＢ酸化によって形成することができる。これらのゲートと導電性チャンネルの間にはあるレベルの電圧が発生するので、そのような電圧に由来する電界でチャンネルの有効幅が変化せしめられ、したがって、予め設定されたソース−ドレイン電圧でもって電流が通過可能である。よって、デバイス表面に結合した分子による導電性の変化に対する感度を最大化することができる。
【００２５】
図３は、本発明の半導体バイオセンサにおける表面官能化の方法を模式的に示した断面図である。上記したように、一部を拡大して示すＳＯＩ基板の導電性のトップＳｉ層（ＳＯＩ）３の上には薄い自然酸化膜（ＳｉＯ２）４が形成されており、さらにその表面に官能化処理が施されている。図示のＳＯＩ基板の場合、以下に図４を参照して説明するように、ＳｉＯ２膜４に対してシラン層（オルガノシラン官能性界面層）５を結合させることによって官能化処理を行っている。また、シラン層５には生体有機分子、例えばレセプター（抗体）１５が常用の方法によって固定されており、これでアナライトの分子（例えば、タンパク質）２１を受容し、検出可能である。
【００２６】
検出のメカニズムについてさらに説明すると、タンパク質２１が抗体１５に結合すると、表面電位の変化によってこれを検出することができる。具体的には、アナライトのイオン性電荷、結合後における双極子モーメントの変化、表面状態におけるエネルギー分布及び（又は）密度の変化などによって表面電位の変化を検出することができる。表面電位の変化の結果、半導体のバンド構造が変化し、したがって電荷キャリアの濃度が変動する。この濃度の変動は、ＳＯＩ層の導電性から直接的に測定することができる。
【００２７】
図４を参照すると、ＳｉＯ２膜４の表面における結合部位が模式的に示されている。ＳｉＯ２膜４の表面に位置するＳｉ原子の４個の結合手の１つにシラン（Ｓｉ末端基を有するアルカン連鎖、長さはまちまち）が結合してシラン層（オルガノシラン官能性界面層）５を形成している。また、シランは、表面変性を行う前、その他端のところで図中Ｘで表される感応性末端基によって変性されている。感応性末端基は、特定のレセプター分子、例えば抗体などであることができる。
【００２８】
図５は、本発明によるＳＯＩ基板を備えたナノ構造の半導体バイオセンサを示した斜視図であり、また、図６は、図５のバイオセンサで用いられるＳＯＩ基板の断面図である。すでに図１及び図２を参照して説明したように、バイオセンサの表面に固定されたレセプター１５によってアナライト（図示せず）を検出可能である。ＳＯＩ基板１０は、例えば、
約５００μｍ厚のバルクＳｉウエハ１、
約１００〜４００ｎｍ厚の埋め込みＳｉＯ２（ＢＯＸ）層２、
約３０〜１００ｎｍ厚のＳｉ（ＳＯＩ）層３、そして
約１〜２ｎｍ厚の自然酸化膜（ＳｉＯ２）４
から構成することができる。Ｓｉ（ＳＯＩ）層３には、例えばＦＬＢによる書き込み酸化によって約２００ｎｍ以下の膜厚で形成された絶縁性チャンネル７が含まれ、２つの平面ゲート１４を電気的に分離している。絶縁性チャンネル７は、電子ビームリソグラフィーやその他の技法でも形成できる。
【００２９】
図７は、本発明による半導体バイオセンサのもう１つの実施形態を模式的に示した断面図である。ＳＯＩ基板には、図示のように多数のＳｉナノワイヤ１６が平行に配設されている。Ｓｉナノワイヤ１６は、例えば、ＦＬＢを利用した酸化によって形成することができる。また、ＳＯＩ基板の表面には、膜間タンパク質２２が組み込まれた膜質二重膜２１が形成されている。半導体バイオセンサがこのような構成を採用しているので、デバイスの表面に電解質の溶液２０に含まれるターゲットの生体分子（例えばタンパク質）が存在した場合、生体分子の存在を高い空間解像度で検出することができ、多くの相互反応をパラレルに読み取ることが可能となる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明をその実施例を参照して説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって限定されるものでないことは言うまでもない。
【００３１】
第１の実験として、バイオセンサのプロトタイプを作製した。ここで作製したプロトタイプの場合、６５０μｍ厚のシリコンウエハを基板として使用し、それを２００ｎｍ厚のＳｉＯ２ＢＯＸ層で被覆し、さらにセンシング用の単結晶ＳＯＩ層を被覆した。ＳＯＩ層は、純粋で未ドーピングの３０ｎｍ厚のＳｉ層から構成するか、さもなければ、同一のＳｉ層で、但しＳｉ層を分子ビームエピタキシャル成長によって追加的に過多成長させたものから構成した。追加のＳｉ層は、５０ｎｍ厚の高度にｐ型ドープしたシリコン層（ボロン、１０１９ｃｍ−３）であった。得られた構造体の全体を１〜２ｎｍ厚の自然酸化膜で被覆した。
【００３２】
基板を標準的なフォトリソグラフィー技術（ＳＯＩメサウエットエッチング、ＡｌＡｕのオーミックコンタクト、ＨＶ蒸着及び合金化）によってパターニングし、引き続いて標準的な４端子横方向抵抗測定で特性試験した。最初の実験で、電解質の水性緩衝溶液中におけるイオン強度の変化に基づいてデバイスの電気的応答を測定した。
【００３３】
これらの予備的な実験から、本発明のデバイスは電解質の溶液における変動に対して高感度であるということが立証された。結果は、表面電位の変化を考慮したモデルで説明することができる。
【００３４】
さらに、プロトタイプのチップをアミノプロピルトリエトキシシランで感応化してｐＨ感応性デバイスを作製した。生体活性分子の共有結合をシロキサン結合を通じて達成した。感応化のためのもう１つのアプローチとして、ポリマー層、例えば官能化分子（牛血清アルブミン）の物理吸着を採用した。今までに判明しているところによると、デバイスにおいてすでに感応化を実施した場合、ＳＯＩ層の導電性を劇的に低下させることができ、また、このことは、表面状態の形状において変化が予期されることをもって説明することができる。異なる溶液のｐＨによって感応化表面の表面電位の変化を検出する実験も行った。
【００３５】
以上、本発明を特にその実施の形態について説明した。最後のまとめとして、本発明の構成及びそのバリエーションを以下に付記として列挙する。
（付記１）ターゲットの分子やそれらの分子の相互作用を検出するためのものであって、リソグラフィー法に基づくサブミクロンのシリコン（Ｓｉ）加工技術によってシリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）基板から加工された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えるとともに、前記トランジスタの構造体において、埋め込みＳｉＯ２（ＢＯＸ）層によってバルクＳｉから分離されたトップＳｉ層内の表面近傍導電性薄膜に導電性が限定されており、かつ前記ＦＥＴが感応性表面によって被覆されていることを特徴とする半導体バイオセンサ。
（付記２）前記ＦＥＴにおいてゲートコンタクト部が表出されていることを特徴とする付記１に記載の半導体バイオセンサ。
（付記３）前記感応性表面が固定化分子からなることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体バイオセンサ。
（付記４）前記トップＳｉ層の内部において、可動キャリアとしての電子又は正孔を不純物のドーピングによって発生せしめることができるかもしくは当該デバイスの背面を規定するＳｉ基板から静電気的に誘導することができ、よって、当該デバイスが反転モードのＦＥＴで動作可能であることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
（付記５）前記不純物のドーピングが、エピタキシャル過多成長法、拡散法又は注入法によることを特徴とする付記４に記載の半導体バイオセンサ。
（付記６）感度が向上せしめられており、かつ特定のリソグラフィー技術を使用してサブミクロンのワイヤの形で検出領域が規定され、平面ゲート（ＩＰＧ）トランジスタ構造体が形成されていることを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
（付記７）前記特定のリソグラフィー技術が、電子ビームリソグラフィーであることを特徴とする付記６に記載の半導体バイオセンサ。
（付記８）前記特定のリソグラフィー技術が、直接集束レーザービーム（ＦＬＢ）酸化であることを特徴とする付記６に記載の半導体バイオセンサ。
（付記９）前記固定化分子が生体分子であり、かつ前記ＦＥＴの表面に感応性を付与するため、シリコンの薄い自然酸化物のトップ層もしくは非特異な相互作用を抑制するその他の固定化有機分子層が用いられていることを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
（付記１０）前記生体分子が、ＤＮＡ、抗体、タンパク質又はその組み合わせであることを特徴とする付記９に記載の半導体バイオセンサ。
（付記１１）内部に分子が組み込まれた膜質二重膜を有していることを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
（付記１２）前記膜質二重膜中に組み込まれた分子が膜タンパク質であることを特徴とする付記１１に記載の半導体バイオセンサ。
（付記１３）生体感応性部位に対するアナライトの結合で、下記の３つの主たる寄与ファクター：
１）分子のイオン性電荷、
２）分子の双極子モーメント又は結合によって誘導される双極子、及び
３）表面状態のエネルギー分布及び（又は）密度の変化、
のいずれかによってデバイスの表面電位を変化させること、及び
前記表面電位の任意の変化によってさらにバンド構造及びしたがって半導体材料における電荷分布の変化を導き、よってＳＯＩ層の横方向導電性を直接的に変動させること
を特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
（付記１４）アナライトのターゲット分子が生体分子であることを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
（付記１５）前記生体分子が、ＤＮＡ又はタンパク質であることを特徴とする付記１４に記載の半導体バイオセンサ。
（付記１６）アナライトのターゲット種が電解質溶液中のイオンであることを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
（付記１７）前記電解質溶液が、ｐＨセンサの電解質溶液であることを特徴とする付記１６に記載の半導体バイオセンサ。
（付記１８）アナライトのターゲット種がガス分子であることを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
（付記１９）アナライトのターゲット分子が標識を必要としないことを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
（付記２０）特異的結合プロセスをリアルタイムで観察できることを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
（付記２１）少なくとも２個のセンサー単位がアレイの形に配列されており、その際、アナライト内の分子の全体をパラレルにアドレスするため、それぞれのセンサー単位が個々のレセプター分子で感応化されていることを特徴とする付記１〜２０のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
（付記２２）前記トップＳｉ層の膜厚が２０〜１５０ｎｍの範囲であり、埋め込みＳｉＯ２（ＢＯＸ）層の膜厚が５０〜５００ｎｍの範囲であり、そして前記バルクＳｉ基板のウエハの一般的な厚さが３００〜８００ｎｍの範囲であることを特徴とする付記１〜２１のいずれか１項に記載の半導体バイオセンサ。
【００３６】
【発明の効果】
以上に詳細に説明したように、本発明によれば、まったくの電気的読み取り操作によって生体分子やそれらの分子の相互作用を直接的に検出することができる半導体バイオセンサを提供でき、よって、
（１）ラベルフリーで検出が可能であること、
（２）多量の処理量をパラレルに検出できるとともに、それを小型化できること、
（３）高感度であり、チューニング可能であること、
（４）現在商業化されている半導体プロセス技術に統合できること、
などの顕著な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体バイオセンサの好ましい１実施形態を示した平面図である。
【図２】図１に示したバイオセンサの線分II−IIにそった断面図である。
【図３】本発明の半導体バイオセンサにおける表面官能化の方法を模式的に示した断面図である。
【図４】図３のバイオセンサにおけるシラン層の形成を模式的に示した断面図である。
【図５】本発明によるＳＯＩ基板を備えた半導体バイオセンサにおけるセンシング機能を示した斜視図である。
【図６】図５のバイオセンサで用いられるＳＯＩ基板の断面図である。
【図７】本発明による半導体バイオセンサの１使用例を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１…バルクＳｉ
２…埋め込みＳｉＯ２（ＢＯＸ）層
３…トップＳｉ層
３´…導電性層
４…自然酸化膜（ＳｉＯ２）
５…シラン層
７…絶縁層
１０…ＳＯＩ基板
１１…ソース領域
１２…ドレイン領域
１３…ゲートコンタクト
１４…平面ゲート（ＩＰＧ）
１５…レセプター
１６…Ｓｉナノワイヤ
１９…バックコンタクト
２０…電解質
２１…アナライト
【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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