(57)【要約】  本発明の実施形態は、生物学的または化学的分析のための改善されたバイオセンサーを提供する。本発明の実施形態によれば、裏面照射（ＢＳＩ）相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサーは、サンプルの蛍光または化学発光を効果的に分析および測定するのに使用することができる。この測定された値は、サンプルの同定を助けるのに使用することができる。本発明の実施形態はまた、生物学的または化学的分析のための改善されたバイオセンサーの製造方法、ならびにＤＮＡシーケンシングのシステムおよび方法も提供する。
2020514761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面照射型相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサーであり、
電子回路層；および
該電子回路層上の光感知層
を含み、該光感知層は、
基板層、および
第１の上面と第１の底面とを有する複数のフォトダイオード
を含み、
該第１の底面は、該電子回路層と接触しており、該第１の上面は、光受信面を含む、イメージセンサーと；
該光感知層上の金属層または金属酸化物層であり、該金属層または金属酸化物層は、第２の上面および第２の底面を有し、該金属層または金属酸化物層は、複数のボイドを画定し、該複数のボイドの各ボイドは、複数のフォトダイオードの少なくとも１つのフォトダイオードとアライメントされ、第２の上面は、第１の材料でコーティングされるかまたは処理されて、第１の被覆層を形成する、金属層または金属酸化物層と；
該複数のフォトダイオード上の、第３の上面および第３の底面を有するパッシベーション層と
を含むバイオセンサーであって、
該金属層または金属酸化物層と、該複数のフォトダイオードの該第１の上面または該パッシベーション層の該第３の上面とは、複数のウェルを形成し、各ウェルの壁は、該金属層または金属酸化物層から形成され、各ウェルの底部は、該パッシベーション層の該第３の上面層から形成され、
該各ウェルの底部は、第２の材料でコーティングされるかまたは処理されて、第２の被覆層を形成し、
該第１の材料は、該第２の材料と異なっている、バイオセンサー。
【請求項２】
前記第１の材料が、ホスフェートまたはホスホン酸の少なくとも一方を含む、請求項１に記載のバイオセンサー。
【請求項３】
前記第２の材料が、シランを含む、請求項１に記載のバイオセンサー。
【請求項４】
前記複数のウェルが、高分子を受け入れるように機能化されている、請求項１に記載のバイオセンサー。
【請求項５】
前記高分子が、前記第２の材料より、前記第１の材料に結合しにくい、請求項４に記載のバイオセンサー。
【請求項６】
前記第２の材料が、前記高分子に結合するように設計され、前記第１の材料が、前記高分子に結合しないように設計されている、請求項４に記載のバイオセンサー。
【請求項７】
前記第２の材料が、前記高分子に結合するリガンドを含む、請求項６に記載のバイオセンサー。
【請求項８】
前記高分子が、核酸または抗体であり、前記リガンドが、オリゴヌクレオチドまたは抗体である、請求項７に記載のバイオセンサー。
【請求項９】
前記高分子が、高分子に結合する抗体である、請求項７に記載のバイオセンサー。
【請求項１０】
前記第１の材料が、疎水性である、請求項１に記載のバイオセンサー。
【請求項１１】
前記第２の材料が、親水性である、請求項１に記載のバイオセンサー。
【請求項１２】
少なくとも１つのウェルが、高分子分析物によって占有されている、請求項１に記載のバイオセンサー。
【請求項１３】
前記高分子分析物が、核酸または抗体である、請求項１２に記載のバイオセンサー。
【請求項１４】
裏面照射型相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサーを用意することであり、
電子回路層を用意すること；および
該電子回路層上に光感知層を用意すること
を含み、該光感知層は、
基板層；および
第１の上面と第１の底面とを有する複数のフォトダイオード
を含み、
該第１の底面は、該電子回路層と接触しており、該第１の上面は、光受信面を含む、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーを用意することと；
該光感知層上の金属層または金属酸化物層を形成することであり、該金属層または金属酸化物層は、第２の上面および第２の底面を有し、該金属層または金属酸化物層は、複数のボイドを画定し、該複数のボイドの各ボイドは、複数のフォトダイオードの少なくとも１つのフォトダイオードとアライメントされ、該第２の上面は、第１の材料でコーティングされるかまたは処理されて、第１の被覆層を形成する、金属層または金属酸化物層を形成することと；
該複数のフォトダイオード上の、第３の上面および第３の底面を有するパッシベーション層を形成することと
を含む方法であって、
該金属層または金属酸化物層と、該複数のフォトダイオードの該第１の上面または該パッシベーション層の該第３の上面とは、複数のウェルを形成し、各ウェルの壁は、該金属層から形成され、各ウェルの底部は、該パッシベーション層の該第３の上面層から形成され、
該各ウェルの底部は、第２の材料でコーティングされるかまたは処理されて、第２の被覆層を形成し、
該第１の材料は、該第２の材料と異なっている、方法。
【請求項１５】
前記第１の材料が、ホスフェートまたはホスホン酸の少なくとも一方を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の材料が、シランを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のウェルが、高分子を受け入れるように機能化されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記高分子が、前記第２の材料より、前記第１の材料に結合しにくい、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の材料が、前記高分子に結合し、前記第１の材料が、前記高分子に結合しない、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２の材料が、前記高分子に結合するリガンドを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記高分子が、核酸または抗体であり、前記リガンドが、オリゴヌクレオチドまたは抗体である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記高分子が、高分子に結合する抗体である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の材料が、疎水性である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
前記第２の材料が、親水性である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも１つのウェルが、高分子分析物によって占有されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
前記高分子分析物が、核酸または抗体である、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年３月２０日付けで出願された米国仮特許出願第６２／４７３，９７０号の優先権を主張し、その内容は参照によりその全体が組み入れられる。
【０００２】
分野
本発明は、一般的に、生物学的または化学的分析のためのバイオセンサーに関し、より詳細には、裏面照射型（ＢＳＩ）相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサーを含むバイオセンサーおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサーは、デジタルカメラ、医療用画像装置、レーダーデバイスなどを含む電子画像デバイスでの使用が見出されている。ＣＭＯＳイメージセンサーは、集積回路および一連のフォトダイオードを使用して、光を捕獲し、それを電気シグナルに変換することができる。
【０００４】
ＣＭＯＳイメージセンサーは、典型的には、チップに実装される。チップは、各ピクセルにつき増幅器を有してもよい。チップ中に多くの増幅器を含めると光捕獲のための領域がより小さくなる可能性があるが、他の構成要素をチップ上に統合して、より多くの光をフォトダイオードに向けることができる。例えば、マイクロレンズをフォトダイオードの前に設置して、光をフォトダイオードに向けることができる。フォトダイオードに当たる光の量をさらに増加させるために、裏面照射（ＢＳＩ）を使用することができる。ＢＳＩは、フォトダイオードを、集積回路配線下やその間ではなく光源の近くに効果的に配置することで、有害な干渉を低下させる。またＢＳＩ  ＣＭＯＳセンサーは、他の利点も有する。例えば、ＢＳＩ  ＣＭＯＳセンサーは、低い動作電圧、低い電力消費、高い効率、および低いノイズを有し得る。
【０００５】
ＢＳＩ  ＣＭＯＳイメージセンサーは、典型的には、２つの機能性領域、すなわち光感知領域および電子回路領域を有する。光感知領域は、光強度を検出する金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタに連結された、アレイ中に整列させたフォトダイオードを含む。電子回路領域は、ＭＯＳトランジスタと、外部接続との間の接続、例えばＭＯＳトランジスタからのデータを処理するための他のデバイスへの接続を提供する。
【０００６】
実際には、ＢＳＩ  ＣＭＯＳイメージセンサーは、入射光を異なる波長の光の帯域に分割するフィルターを採用する。光は、基板上のフォトダイオードで受信され、異なる強度の電気シグナルに変換される。例えば、入射ビームは、赤色、緑色、および青色光に分割され、各色につきそれぞれのフォトダイオードで受信することができる。各フォトダイオードは、検出された光強度を電気シグナルに変換する。これは、フォトダイオードが電荷を蓄積することによって達成される。例えば、光強度が高いほど、フォトダイオードに蓄積される電荷もより多くなる。したがって蓄積した電荷は、色および輝度に相関する可能性がある。
【０００７】
上述した使用に加えて、ＣＭＯＳイメージセンサーは、生物学的または化学的分析のために使用することもできる。このような分析の場合、生物学的または化学的サンプルをフォトダイオード上に置くことができ、生物学的または化学的サンプルによって放出された光をフォトダイオードに向けることができる。サンプルの蛍光または化学発光は、フォトダイオードによって検出でき、色および輝度を決定することができる。この色および輝度は、生物学的または化学的サンプルを同定するのに使用することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の実施形態は、改善された生物学的または化学的分析のためのバイオセンサーを提供することによって、以前のアプローチに関連する欠点に対処するものである。本発明の実施形態によれば、ＢＳＩ  ＣＭＯＳイメージセンサーは、サンプルの蛍光または化学発光を効果的に分析および測定するのに使用することができる。この測定された値は、サンプルの同定を助けるのに使用することができる。本発明の実施形態はまた、改善された生物学的または化学的分析のためのバイオセンサーの製造方法も提供する。本明細書で使用される場合、用語「バイオセンサー」は、生体分子中の、またはそれに付着している発光物質、特に、ＤＮＡや分岐状またはそれ以外の方式で誘導体化された核酸によって例示される核酸高分子を決定するための装置を指すのに使用することができる。本明細書で使用される場合、用語「核酸高分子」は、例えば、ＤＮＢまたは一本鎖の実施形態を指す場合もある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一部の実施形態によれば、バイオセンサーが提供される。バイオセンサーは、裏面照射型相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサーを含む。裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーは、電子回路層および電子回路層上の光感知層を含む。光感知層は、基板層、および第１の上面と第１の底面とを有する複数のフォトダイオードを含む。第１の底面は、電子回路層と接触しており、第１の上面は、光受信面を含む。バイオセンサーは、光感知層上の金属層をさらに含む。金属層は、第２の上面および第２の底面を有する。金属層は、複数のボイドを画定する。複数のボイドの各ボイドは、複数のフォトダイオードの少なくとも１つのフォトダイオードとアライメントされる。第２の上面は、第１の材料でコーティングされるかまたは処理されて、第１の被覆層を形成する。バイオセンサーは、複数のフォトダイオード上のパッシベーション層を含んでいてもよい。パッシベーション層は、第３の上面および第３の底面を有する。金属層と、複数のフォトダイオードの第１の上面またはパッシベーション層の第３の上面とは、複数のウェルを形成する。各ウェルの壁は、金属層から形成される。各ウェルの底部は、複数のフォトダイオードの第１の上面から形成されるか、またはパッシベーション層が存在する場合、パッシベーション層の第３の上面から形成される。各ウェルの底部は、第２の材料でコーティングされるかまたは処理されて、第２の被覆層を形成する。第１の材料は、第２の材料と異なっている。
【００１０】
一部の実施形態によれば、方法が提供される。本方法は、裏面照射型相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサーを用意することを含む。裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーを用意することは、電子回路層を用意すること、および電子回路層上に光感知層を用意することを含む。光感知層は、基板層、および第１の上面と第１の底面とを有する複数のフォトダイオードを含む。第１の底面は、電子回路層と接触している。第１の上面は、光受信面を含む。本方法は、光感知層上に金属層を形成することをさらに含む。金属層は、第２の上面および第２の底面を有する。金属層は、複数のボイドを画定する。複数のボイドの各ボイドは、複数のフォトダイオードの少なくとも１つのフォトダイオードとアライメントされる。第２の上面は、第１の材料でコーティングされるかまたは処理されて、第１の被覆層を形成する。本方法は、複数のフォトダイオード上の、第３の上面および第３の底面を有するパッシベーション層を形成することを含んでいてもよい。金属層と、複数のフォトダイオードの第１の上面またはパッシベーション層の第３の上面とは、複数のウェルを形成する。各ウェルの壁は、金属層から形成される。各ウェルの底部は、複数のフォトダイオードの第１の上面から形成されるか、またはパッシベーション層が存在する場合、パッシベーション層の第３の上面から形成される。各ウェルの底部は、第２の材料でコーティングされるかまたは処理されて、第２の被覆層を形成する。第１の材料は、第２の材料と異なっている。
【００１１】
上記は、他の特徴および実施形態と共に、以下の明細書、特許請求の範囲、および添付の図面を参照することにより明らかになると予想される。
【００１２】
以下の図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態を以下で詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、一部の実施形態による裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーの断面図である。
【図２】図２は、一部の実施形態によるパッシベーション層を有する裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーの断面図である。
【図３】図３は、一部の実施形態による金属層を有する裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーの断面図である。
【図４】図４は、一部の実施形態による金属層上にマスクを有する裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーの断面図である。
【図５】図５は、一部の実施形態によるエッチングされた金属層を有する裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーの断面図である。
【図６】図６は、一部の実施形態によるマスクが除去された裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーの断面図である。
【図７】図７は、一部の実施形態による示差的な面に起因して選択的に適用された第１のコーティングを有する裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーの断面図である。
【図８】図８は、一部の実施形態による示差的な面に起因して選択的に適用された第２のコーティングを有する裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーの断面図である。
【図９】図９は、一部の実施形態による高分子を有する裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサーを使用するバイオセンサーの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜９は、本発明の実施形態によるバイオセンサーの様々な製造段階を記載する。製造および構成の他の実施形態は、この記載から当業者には明白であると予想される。したがって、以下の記載は説明的なものであり、限定するものではないことが意図される。
【００１５】
読みやすくするために、以下の文章はセクションで編成される。しかしながら、１つのセクションにおける主題の記載（例えば、高分子、フィルター、シーケンシング方法などの記載）は、他のセクションにおける主題にも適用できることが理解されると予想される。
【００１６】
本発明の実施形態によるバイオセンサーは、特定の使用に限定されない。一態様において、本発明の実施形態のバイオセンサーは、大規模並列ＤＮＡシーケンシングにおいて特に有用である。ＤＮＡシーケンシング技術は周知であり（例えば、Drmanac et al., 2010, "Human genome sequencing using unchained base reads on self-assembling DNA nanoarrays," Science 327:78-81；Shendure & Ji, (2008, "Next-generation DNA sequencing," Nature Biotechnology 26:1135-45を参照）、したがって、以下のセクションでは単なる一般論として記載される。以下の段落は、後述されるバイオセンサーの特定の特徴をより容易に理解できるように、シーケンシングの簡潔な初期の議論と関連する用語を提供する。
【００１７】
様々なＤＮＡシーケンシング方法が公知である。多くのアプローチにおいて、大きい分子（例えば、ゲノムＤＮＡ）は、それぞれ特徴的なＤＮＡ配列を有する多くのより小さいフラグメントに切断される。アレイベースの技術では、アレイ中の各位置が単一の特徴的な配列を有するＤＮＡフラグメントを含有するように、フラグメントが基板上のアレイの所定位置に分配される。配列情報（「リード」）は、数千、またはより多くの場合、数百万の位置のそれぞれにおけるＤＮＡから同時に得られ、コンピューターでアセンブルされる。ほとんどのシーケンシングアプローチにおいて、フラグメントは、配列決定の前に増幅される。増幅は、各位置でフラグメントの位置決めをする前、各位置でフラグメントの位置決めをした後、または位置決めの前および後の両方で行うことができる。増幅工程は、シーケンシングプロセスにおいて「テンプレート」として役立つ「アンプリコン」を生産する。したがって、例証すれば、増幅は、ＲＣＡを使用して、アレイ上の各位置で一本鎖コンカテマー（例えば、ＤＮＡナノボール）を生産してもよいし、または架橋ＰＣＲを使用して、各位置で同じ配列を有するＤＮＡ分子のクローン集団（またはクラスター）を生産してもよい。
【００１８】
「ＤＮＡ高分子」などへの言及は、ＤＮＡナノボール、分岐状構造、およびクラスター化されたクローン集団（すなわち、単一分子より多く）またはそれらの前駆体を含むことが理解されると予想される。加えて、「ＤＮＡ高分子」などは、プライマー、プライマー伸長または他のプロセスによって生産される成長鎖などの補助的なＤＮＡ分子を含む場合があり、高分子から生じたシグナル生成化合物（例えば、リンカーの切断によって高分子から放出された色素）、または抗体などの結合剤から生じたシグナル生成化合物を含む。多くのシーケンシング技術において、ＤＮＡ高分子は、バイオセンサーのフォトダイオードによって検出される光を放出する検出可能な（例えば、蛍光性または化学発光の）色素を含む（またはそれで「標識された」）補助的なＤＮＡ分子である。一部のアプローチにおいて、化学発光シグナルは、ルシフェラーゼベースのシステム（例えば、パイロシーケンシング；米国特許第８９１６３４７号；Ahmadian et al., 2006, Clinica Chimica Acta 363 (1):83-94を参照）によって生成される。したがって、「高分子から放出された光を検出すること」などの語句は、「高分子から、または補助的な分子（例えば、標識された補助的な分子）から放出された光を検出すること」を含むと理解されると予想される。
【００１９】
本発明のバイオセンサーは、あらゆる光を放出する源からのシグナルを検出するのに使用できることが理解されると予想される。様々な実施形態において、放出された光は、蛍光、化学発光（生物発光など）、またはリン光の結果であってもよい。一部の場合、光源は、白熱光を放出する。本明細書に記載されるデバイスは、励起光源を必要とすることなく生成される化学発光シグナルを検出するのに特によく適している。
【００２０】
アレイベースのシーケンシング方法、および本発明の実施形態のバイオセンサーにおいて、ＤＮＡ高分子は、ウェル中の基板上に、または「スポット」上に配置される。ウェルまたはスポットは、高分子を受け入れて保持することができる。しばしばスポットは、時には「不連続な相隔たる領域」または「パッド」と呼ばれ、核酸高分子を受け入れるように機能化された基板を含み、スポットは、ＤＮＡ高分子がこのような領域に結合しないという意味で「不活性」な領域によって分離されている。例えば、これに限定されないが、上記のDrmanac 2010を参照されたい。「ウェル」は、ＤＮＡ高分子に対する境界またはバリアを形成する壁を含むスポットのタイプである。文脈から明らかな場合を除き、以降の「スポット」への言及は、ウェルを含む場合がある。
【００２１】
本発明の実施形態のバイオセンサーにおいて、スポットは、一般的に、均一な寸法を有し、規則的なアレイとして組織化される（すなわち、スポットはランダムな位置にない）。アレイのスポットは、一般的に、直線のパターンで、しばしば列と行で組織化されるが、他の規則的なパターンも使用することができる（例えば、らせん形）。アレイのスポットは、特徴的な寸法、ピッチ、および密度を有してもよい。スポットそれ自体は、円形、正方形、六角形または他の形状であってもよい。以降の議論において、スポットは、全般的に円形と仮定される（すなわち、直径を有するとして記載することができる）。「直径」への言及は、他の形状のスポットの直線寸法（例えば、対角線、長さまたは幅）を指す場合もあることが理解されると予想される。したがって「直線寸法」は、本明細書で使用される場合、円の直径、正方形の幅、対角線などを指す場合がある。本発明の実施形態のバイオセンサーの文脈において、スポットのサイズは、２つの意味で有意義である。第一に、スポットは、単一の標的配列への占有を限定するようにサイズ決定および／または機能化されていてもよい。これは、単一のＤＮＡナノボール（単一の標的配列のコンカテマー）または単一の標的配列を有するクローンクラスターであり得る。例えば、両方ともあらゆる目的のためにそれらの全体が参照により組み入れられる米国特許第８，１３３，７１９号および米国特許出願公開第２０１３／０１１６１５３号を参照されたい。第二に、スポットは一般的に、各フォトダイオードが単一のスポットから放出された光を受信するように、下にあるフォトダイオードに対してサイズ決定され、配置されてもよい。一部の実施形態において、スポットのアレイは、対応するフォトダイオードのアレイ（および／またはフィルター、例えば色フィルター）上に１対１の相関で配置されてもよい。すなわち、個々のスポットで例えばＤＮＡ高分子から放出された光は、下にあるフィルターを通過し、フィルターによってブロックされない光は、フィルターに関連付けられた単一のフォトダイオードによって検出されるか、または個々のスポットで例えばＤＮＡ高分子から放出された光は、複数の下にあるフィルターを通過する。したがって、以下でも論じられる通り、一部の実施形態において、単一のスポットから放出された光は、１個より多くのフォトダイオード（例えば、２、３、４個のフォトダイオードなど）によって検出してもよい。これらの実施形態において、単一のスポットに関連付けられた複数のフォトダイオードのグループは、フォトダイオードの「ユニットセル」と称することもできる。スポットおよびフィルター（例えば、単一のフィルターまたはユニットセル）は、ユニットセル中の各フォトダイオードが同じ単一のスポットから放出された光を受信するようにバイオセンサー中に整列させてもよい。加えて、一部の実施形態において、フォトダイオードの光受信面の面積、または同じスポットに関連付けられた複数のフォトダイオードの光受信面の合わせた面積は、スポット（そこから光が放出される）の面積より小さい。言い換えれば、スポットは、フォトダイオードの光受信面上に投影される場合、スポットの境界が光受信面に含有されるように、下にあるフォトダイオードより小さくてもよい。
【００２２】
周知の通り、核酸シーケンシングは、一般的に、蛍光または化学発光標識を、配列決定されるＤＮＡテンプレート（アンプリコン）と配列中で特異的な方法で関連付ける反復プロセスを含み、その関連が検出され、もはやシグナルを放出しないという意味で標識が除去される。例えば、参照によりそれらの全体が本明細書に組み入れられる、米国特許出願公開第２０１６／０２３７４８８号；米国特許出願公開第２０１２／０２２４０５０号；米国特許第８，１３３，７１９号；７，９１０，３５４号；９，２２２，１３２号；６，２１０，８９１号；６，８２８，１００号、６，８３３，２４６号；および６，９１１，３４５号を参照されたい。したがって、例えば、「核酸高分子を蛍光標識で標識付けること」は、標識された補助的な分子を、スポットに固定されたＤＮＡテンプレートと関連付けることを指す場合もあることが理解されると予想される。
【００２３】
続いて図面をみると、図１は、一部の実施形態による裏面照射（ＢＳＩ）ＣＭＯＳイメージセンサー１００の断面図である。ＢＳＩ  ＣＭＯＳイメージセンサー１００は、誘電性層１１０を含んでいてもよい。誘電性と記載されているが、誘電性層１１０は、あらゆる好適な電気絶縁材料を含んでいてもよいことが予期される。誘電性層１００は、金属配線１１３を含んでいてもよい。金属配線１１３は、集積回路材料および外部接続を含んでいてもよい。誘電性層１００および金属配線１１３はまとめて、本明細書ではＢＳＩ  ＣＭＯＳイメージセンサーの「電子回路層」と集合的に言及される場合がある。
【００２４】
基板層１１５は、誘電性層１１０および金属配線１１３上に設けられていてもよい。基板層１１５は、あらゆる好適な材料で作製されていてもよく、そのような材料としては、例えば、シリコン、ＩＩＩ〜Ｖ族−オン−シリコン、グラフェン−オン−シリコン、シリコン−オン−インシュレーター、それらの組合せなどが挙げられる。基板層１１５は、光を感知する構成要素（例えば、フォトダイオード１１７）を配置できる開口部を含んでいてもよい。本明細書ではフォトダイオード１１７に関して記載されるが、あらゆる好適な光を感知する構成要素を使用できることが予期される。フォトダイオード１１７は、測定された光を電流に変換するように設計されていてもよい。フォトダイオード１１７は、電流を、他のＭＯＳトランジスタなどの他の構成要素に転送できるＭＯＳトランジスタ（示されていない）のソースおよびドレインを含んでいてもよい。他の構成要素としては、リセットトランジスタ、電流ソースフォロワ、または電流をデジタルシグナルなどに変換するための行セレクターを挙げることができる。基板層１１５およびフォトダイオード１１７はまとめて、本明細書では集合的にＢＳＩ  ＣＭＯＳイメージセンサーの「光感知層」と言及される場合がある。
【００２５】
フォトダイオード１１７は、金属配線１１３と接触して、金属配線１１３を介して外部接続にデジタルシグナルを伝達することができる。図１で例示されたＢＳＩ  ＣＭＯＳイメージセンサー１００において、光受信面は、フォトダイオード１１７の上部に（すなわち、電子回路層と接触しておらず、電子回路層と反対側の面上に）配置され、この光受信面で、入射光はフォトダイオード１１７によって受信される。
【００２６】
図２は、一部の実施形態による生物学的または化学的分析のために（例えば、高分子または高分子複合体の化学発光を検出するために）使用できるバイオセンサー２００を例示する。バイオセンサー２００は、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサー１００を含む。裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサー１００は、電子回路層（誘電性層１１０および金属配線１１３で構成される）、および電子回路層上の光感知層（基板層１１５およびフォトダイオード１１７で構成される）を含む。電子シグナルを、フォトダイオード１１７から、電子回路層に、一部の実施形態において外部デバイスに送信できるように、フォトダイオード１１７は、電子回路層と接触していてもよい。光受信面は、電子回路層と反対側のフォトダイオード１１７の面（すなわち、パッシベーション層１２０と接触する面）によって画定される。すなわち、フォトダイオードの光受信面は、光源が配置される位置に最も近い面である。
【００２７】
図２によれば、パッシベーション層１２０は、ＢＳＩ  ＣＭＯＳイメージセンサー１００の基板層１１５およびフォトダイオード１１７上に、従来の半導体加工技術（例えば、低温プラズマ化学蒸着法、ＰＥＣＶＤ、スパッタリング、ＡＬＤ、スピンコーティング、浸漬など）によって堆積させることができる。パッシベーション層１２０は、あらゆる好適な保護材料を含んでいてもよい。例えば、パッシベーション層１２０は、例えばシリコン、窒化ケイ素、酸化ケイ素、金属酸化物、それらの組合せなどの材料を含んでいてもよい。パッシベーション層１２０は、本明細書でさらに記載される後続のエッチング工程のためのエッチストップとして作用し得る。代替として、またはそれに加えて、パッシベーション層１２０は、は、能動デバイス（すなわち、裏面照射型ＣＭＯＳセンサー）を保護するように作用し得る。代替として、またはそれに加えて、パッシベーション層１２０は、頻繁な使用によって引き起こされる摩耗からフォトダイオード１１７を保護するように作用し得る。パッシベーション層１２０は、透明であってもよい。一例において、パッシベーション層１２０は、１００ナノメートルまたはそれ未満の厚さを有してもよい。
【００２８】
その上部またはその上に化学的または生物学的サンプルが分析のために配置される第１のパッシベーション層１２０の上またはその中に、スポットまたはウェル（示されていない）を形成することができる。一部の実施形態において、バイオセンサー２００は、対応する生体分子のアレイから光学シグナル（例えば、蛍光または化学発光の放出）を検出するために適合されていてもよく、この場合、１つまたは複数のフォトダイオードが生体分子からの光を受信するように、個々の生体分子が１つまたは複数のフォトダイオード上に（例えば、スポットまたはウェル中に）配置されてもよい。
【００２９】
裏面照射型ＣＭＯＳセンサー１００を使用してバイオセンサーを構築するための様々なさらなる実施形態をここで記載することができる。図３によれば、金属層または金属酸化物層１３３Ａは、バイオセンサー２００のパッシベーション層１２０上に、従来の半導体加工技術によって（例えば、スパッタリング、電子ビーム蒸着、熱蒸着、ＡＬＤなどによって）堆積させることができる。金属層または金属酸化物層１３３Ａは、あらゆる好適な金属材料を含んでいてもよい。例えば、金属層または金属酸化物層１３３Ａは、例えば、タングステン、チタン、窒化チタン、銀、タンタル、ハフニウム、クロム、白金、タングステン、アルミニウム、金、銅、それらの組合せまたは合金、および金属酸化物、例えばＡｌ２Ｏ３、ＣｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ、ＷＯ２、ならびにそれらの組合せなどの材料を含んでいてもよい。金属層または金属酸化物層１３３Ａは、入射光に対して、および／または存在する場合、励起光に対して不透性であってもよい。
【００３０】
図４によれば、マスク１５２は、フォトダイオード１１７上に開口部がアライメントされた金属層または金属酸化物層１３３Ａに適用することができる。マスク１５２は、あらゆる好適な方法、例えばスピンコーティング、浸漬、および／または同種の方法に従って適用することができる。またマスク１５２は、フォトレジストなどのあらゆる好適な材料のマスクであってもよい。一部の実施形態において、マスク１５２は、ハードマスクである。フォトダイオード上に開口部がアライメントされるように予めパターン化されたように示されているが、金属層または金属酸化物層１３３Ａの全体にマスク１５２を適用して、従来の半導体技術に従って開口部でパターン化できることが予期される。
【００３１】
図５によれば、金属層または金属酸化物層１３３Ｂは、それぞれ金属層または金属酸化物層１３３Ａからエッチングされるかまたはパターン化され、それにより金属層または金属酸化物層１３３Ａ中にボイド１６０Ａ〜Ｃを作り出すことができる。一部の実施形態において、ボイド１６０Ａ〜Ｃは、その中心をフォトダイオード１１７の中心と合わせてアライメントすることができる。一部の実施形態において、ボイド１６０Ａ〜Ｃは、１００ナノメートルから１マイクロメートルの範囲の直径を有してもよい。ボイド１６０Ａ〜Ｃは、フォトダイオード１１７より小さい幅または直径を有してもよい。一部の実施形態において、生物学的または化学的サンプルは、本明細書でさらに記載されるように、ボイド中に配置されていてもよく、サンプルから放出された光は、それらの蛍光または化学発光を測定するのに使用してもよい。ボイド１６０Ａ〜Ｃの幅または直径がフォトダイオード１１７より小さい実施形態では、入射光または励起光の遮断が増加し、その結果、サンプルの蛍光または発光の検出におけるノイズがより少なくなる可能性がある。ボイド１６０Ａ〜Ｃの幅または直径は、分析される生物学的または化学的サンプルのサイズにほぼ対応するものでもよい。ボイド１６０Ａ〜Ｃは、マスク１５２、ならびに側面における金属層または金属酸化物層１３３Ｂ、および底部におけるパッシベーション層１２０によって形成されていてもよい。
【００３２】
図６によれば、マスク１５２は、金属層または金属酸化物層１３３Ｂから除去される。したがって、ボイド１６０Ａ〜Ｃは、側面における金属層または金属酸化物層１３３Ｂ、および底部におけるパッシベーション層１２０によって作り出すことができる。マスク１５２は、化学溶媒またはエッチング剤の使用などのあらゆる好適な方法によって除去することができる。ハードマスクの場合、マスク１５２は、金属層または金属酸化物層１３３Ｂから、物理的に、または手動で除去することができる。ボイド１６０Ａ〜Ｃは、本明細書でさらに記載されるように、生物学的または化学的サンプルを配置できるスポットまたはウェルを形成することができる。本明細書ではマスク１５２に関して記載されるが、金属層または金属酸化物層１３３Ａをパターン化するのにあらゆる方法を使用できることが予期される。例えば、他の方法としては、コンタクトプリンティング、ディップペンリソグラフィー、および／または同種の方法を挙げることができる。
【００３３】
一部の実施形態において、第１の被覆層１５０、および第１の被覆層と異なる第２の被覆層１５５は、それぞれ金属層または金属酸化物層１３３Ｂおよびパッシベーション層１２０の示差的な面に基づき選択的に適用することができる。第１および第２の被覆層は、異なる特性を有し、結果として、第１の被覆層を含む領域（例えば１３３Ｂ）によって隔てられた第２の被覆層を含む底面を含むスポットのアレイまたはウェルが生じる。一部の実施形態において、目的の高分子は、第１の被覆層と比較して優先的に、第２の被覆層と関連付けられる。
【００３４】
図７で例示されるように、第１の被覆層１５０は、金属層または金属酸化物層１３３Ｂに、その表面特性に基づき選択的に適用することができる。例えば、第１の被覆層１５０は、金属層または金属酸化物層１３３Ｂに結合するかおよび／または引き付けられ得る材料のものであってもよい。一部の実施形態において、第１の被覆層は、パッシベーション層１２０に結合もしくは接着しないか、またはパッシベーション層１２０によってはじかれ、結果として図７に示される構造が生じる。第１の被覆層１５０は、あらゆる方法または技術（例えば、化学蒸着法、浸漬、スピンコーティング、および／または同種の方法）に従って金属層または金属酸化物層１３３Ｂに適用することができる。例えば、金属層または金属酸化物層１３３Ｂを第１の材料でコーティングまたは処理して、第１の被覆層１５０を形成することができる。第１の被覆層１５０は、従来の半導体加工技術に従って堆積させることができる。用語「被覆層」は、どのような特定の構造または寸法を有することも意図していないことが認識されていると予想される。
【００３５】
第１の被覆層１５０は、金属または金属酸化物材料１３３Ｂに接着または結合するあらゆる好適な材料を含んでいてもよい。１つのアプローチにおいて、第１の被覆層１５５は、金属または金属酸化物と結合するリン酸化合物、例えば、これらに限定されないが、無機リン酸塩、ホスホン酸、有機リン酸化合物、例えばヘキサメチルホスホルアミド（ｈｅｘａｍｔｈｅｔｈｙｌｐｈｏｓｐｈｏｒａｍｉｄｅ）、四リン酸ヘキサメチル（ｈｅｘｍａｍｅｔｈｙｌ  ｔｅｔｒａｐｈｏｓｐａｔｅ）、それらの組合せなどの適用によって生産される。
【００３６】
一部の実施形態において、第１の被覆層１５０は、目的の生物学的または化学的分析物をはじく材料を含んでいてもよい。例えば、第１の被覆層１５０は、負電荷を有する材料を含んでいてもよく、したがって負電荷を有する生物学的または化学的サンプルをはじく。一部の実施形態において、第１の被覆層１５０は、疎水性であってもよい。当業者は、金属と第１の被覆層との組合せ（例えば、２つ一組の組合せ）を、特定の目的のために選択して最適化できることを認識していると予想される。
【００３７】
図８で例示されるように、第２の被覆層１５５は、パッシベーション層の表面特性に基づき、パッシベーション層１２０に選択的に適用することができる。例えば、第２の被覆層１５５は、パッシベーション層１２０に結合するかおよび／または引き付けられ得るが、金属または金属酸化物１３３Ｂを被覆する第１の被覆層１５０に結合または接着しない材料のものであってもよい。第２の被覆層１５５は、パッシベーション層１２０の露出した部分を第２の材料でコーティングまたは処理することによって適用することができる。１つのアプローチにおいて、第１の被覆層１５０で被覆された露出したパッシベーション層１２０と金属または金属酸化物１３３Ｂの領域の両方は、パッシベーション層上にのみ接着する第２の材料に露出する。第２の被覆層１５５は、従来の半導体加工技術に従って堆積させることができる。
【００３８】
１つのアプローチにおいて、第２の被覆層１５５は、シランまたはシラン化合物、例えば、これらに限定されないが、アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピル−メチルジエトキシシラン、３−アミノプロピルトリ−エトキシシランなどの適用によって生産される。一部の実施形態において、第２の被覆層１５５は、生物学的または化学的サンプルを引き付ける材料を含んでいてもよい。例えば、第２の被覆層１５５は、正電荷を有する材料を含んでいてもよく、したがって負電荷を有する生物学的または化学的サンプルを引き付ける。一部の実施形態において、第２の被覆層１５５は、親水性であってもよい。当業者は、第１の被覆層とパッシベーション層１２０（すなわち、パッシベーション層の表面）との組合せ（例えば、２つ一組の組合せ）を、特定の目的のために選択して最適化できることを認識していると予想される。
【００３９】
用語「被覆層」は、第１および第２の被覆層をいずれの特定の適用方法または構造にも限定することを意図していないことが認識されていると予想される。上述したように、第１および第２の被覆層の異なる特性は、標的高分子、例えばＤＮＡ高分子を示差的に保持するように選択することができる。第１および／または第２の被覆層は、機能化した表面が標的高分子の示差的な保持をもたらす特性を有するように機能化されていてもよいことを認識していると予想される。例示のために、第１および第２の被覆層の適用後、第２の被覆層への親和性を有するが第１の被覆層への親和性を有しないＤＮＡ結合分子（例えば、オリゴヌクレオチド）を、第２の被覆層１５５を被覆するのに適用することができる。一部の実施形態において、第２の被覆層１５５は、その上で単一の核酸分子が増幅される機能化した表面である。
【００４０】
用語「第１の被覆層」は、表面に適用される材料に加えて、表面上に保持される材料を指す場合もあることが認識されていると予想される（例えば、後者は、溶媒の蒸発や表面材料との反応などの点で前者と異なっていてもよい）。
【００４１】
したがって、第１の被覆層１５０Ｂが金属層または金属酸化物層１３３Ｂ上に存在し、第２の被覆層１５５がボイド１６０Ａ〜Ｃ中に存在する構造を作り出すことができる。ボイド１６０Ａ〜Ｃは、第１の被覆層１５０Ｂ、ならびに側面における金属層または金属酸化物層１３３Ｂ、および底部におけるパッシベーション層１２０によって形成されていてもよい。ボイド１６０Ａ〜Ｃは、本明細書でさらに記載されるように、生物学的または化学的サンプルを配置できるスポットまたはウェルを形成することができる。
【００４２】
図９によれば、生物学的または化学的サンプル１７０は、第２の被覆層１５５の上部のボイド中に導入されてもよい。本発明は、いずれの特定の導入方法にも限定されない。一部の実施形態において、生物学的または化学的サンプル１７０は、第２の被覆層１５５に引き付けられるかまたは結合し得るが、第１の被覆層１５０によってはじかれるものであってもよい。これは、生物学的または化学的サンプル１７０が金属層または金属酸化物層１３３Ｂ上の第１の被覆層１５０Ｂに膠着して、フォトダイオード１１７がそれらを感知できなくなることを防ぐことができる。
【００４３】
図６、８および９で例示されるように、一部の実施形態において、金属層または金属酸化物層１３３Ｂ、およびフォトダイオード１１７またはパッシベーション層１２０の上面は、複数のウェルまたはボイド１６０Ａ〜Ｃを形成し、各ウェルの壁は、金属層から形成され、各ウェルの底部は、フォトダイオード１１７表面から、またはその上にあるパッシベーション層１２０から形成される。一部の実施形態において、壁は、ウェル底部から被覆層１５０Ｂの上部に対応するレベルに伸長する高さｈを有してもよく、この場合、底部と壁がボイド１６０Ａ〜Ｃを画定する。一部の実施形態において、ウェル底部の表面積は、下にあるフォトダイオードの表面積より小さい。一部の実施形態において、ボイド１６０Ａ〜Ｃの容量は、１×１０−２４ｍ３〜１×１０−２１ｍ２の範囲であり；および／または壁の高さは、１ｎｍ〜５００ｎｍの範囲であり；および／または底部の面積は、１×１０−１５ｍ２〜１×１０−１４ｍ２の範囲である。一部の実施形態において、壁の高さに対するウェルの幅または直径の比率は、１〜２００の範囲である。
【００４４】
一部の実施形態において、図９で例示されるように、バイオセンサー９００は、裏面照射型相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサー１１１を含んでいてもよい。裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサー１１１は、電子回路層１１２および電子回路層上の光感知層１１４を含んでいてもよい。電子回路層１１２は、誘電性層１１０および金属配線１１３で構成されていてもよい。光感知層１１４は、基板層１１５と、第１の上面１１７Ａおよび第１の底面１１７Ｂを有する複数のフォトダイオード１１７とを含んでいてもよい。第１の底面１１７Ｂは、電子回路層１１３と接触していてもよく（接続は明示的に示されていない）、第１の上面１１７Ａは、光受信面を含む。バイオセンサー９００はまた、光感知層１１４上の金属層または金属酸化物層１３３Ｂを有してもよく、金属層または金属酸化物層１３３Ｂは、第２の上面１３３−１および第２の底面１３３−２を有する。金属層または金属酸化物層１３３Ｂは、複数のボイド１６０を画定し、複数のボイド１６０の各ボイドは、複数のフォトダイオード１１７の少なくとも１つのフォトダイオードとアライメントされていてもよい。第２の上面１３３−１を第１の材料１５０でコーティングまたは処理して、第１の被覆層を形成することができる。バイオセンサー９００はまた、複数のフォトダイオード１１７上にパッシベーション層１２０を有してもよく、パッシベーション層は、第３の上面１２０Ａおよび第３の底面１２０Ｂを有する。金属層または金属酸化物層１３３Ｂおよびパッシベーション層１２０の第３の上面１２０Ａは、複数のウェル１６５を形成する。各ウェルの壁は、金属層または金属酸化物層１３３Ｂから形成され、各ウェルの底部は、パッシベーション層１２０の第３の上面１２０Ａから形成される。各ウェルの底部を第２の材料１５５でコーティングまたは処理して、第２の被覆層を形成することができる。第１の材料１５０は、第２の材料１５５と異なっている。
【００４５】
バイオセンサー９００の一部の実施形態において、第１の材料は、ホスフェートまたはホスホン酸の少なくとも一方を含んでいてもよい。第２の材料は、シランを含んでいてもよい。一部の実施形態において、複数のウェルは、高分子を受け入れるように機能化されている。一部の実施形態において、高分子は、第２の材料より、第１の材料に結合しにくい。一部の実施形態において、第２の材料は、高分子に結合するように設計され、第１の材料は、高分子に結合しないように設計されている。一部の実施形態において、第２の材料は、高分子に結合するリガンドを含んでいてもよい。これらに限定されないが、高分子は、核酸、タンパク質（例えば、抗原）、または抗体であってもよく、リガンドは、オリゴヌクレオチド、ＤＮＡ結合タンパク質、抗原、または抗体であってもよい。高分子は、ＤＮＡ高分子に結合する抗体であってもよい。一部の実施形態において、第１の材料は、疎水性であり、第２の材料は、親水性である。少なくとも１つのウェルは、高分子分析物によって占有されていてもよい。高分子分析物は、核酸または抗体であってもよい。
【００４６】
生物学的または化学的サンプルは、多数の構成要素のいずれを含んでいてもよい。例えば、サンプルは、核酸高分子（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡなど）、タンパク質などを含有してもよい。サンプルは、遺伝子配列、ＤＮＡ−ＤＮＡハイブリダイゼーション、単一ヌクレオチド多型、タンパク質相互作用、ペプチド相互作用、抗原−抗体相互作用、グルコースのモニター、コレステロールのモニターなどを決定するために分析することができる。
【００４７】
上記で論じられたように、一部の実施形態において、生体分子は、核酸、例えばＤＮＡである。ＤＮＡ生体分子は、これらに限定されないが、標識されたプローブ（例えば、ライゲーションまたはｃＰＡＬ方法によるＤＮＢシーケンシングにおいて）もしくは相補的な成長鎖（例えば、合成方法によるＤＮＢシーケンシングにおいて）もしくはその両方；または単一のＤＮＡ分子（例えば、単一分子シーケンシングにおいて）；またはＤＮＡ分子のクローン集団、例えば架橋ＰＣＲベースのシーケンシングで作り出されたものなどにハイブリダイズした、ＤＮＡナノボール（一本鎖コンカテマー）であり得る。したがって、「生体分子」、「ＤＮＡ高分子」または「核酸高分子」への言及は、１つより多くの分子（例えば、複数の相補的な成長鎖に関連付けられたＤＮＢ、または数百または数千ものＤＮＡ分子のクローン集団を含むＤＮＡクラスター）を含む場合がある。例えば、参照によりそれらの全体が本明細書に組み入れられる、米国特許第８，１３３，７１９号；米国特許出願公開第２０１３／０１１６１５３号、米国特許出願公開第２０１６／０２３７４８８号；米国特許出願公開第２０１２／０２２４０５０号；米国特許第８，１３３，７１９号；７，９１０，３５４号；９，２２２，１３２号；６，２１０，８９１号；６，８２８，１００号、６，８３３，２４６号；および６，９１１，３４５号を参照されたい。
【００４８】
一部の実施形態において、核酸高分子は、ゲノムＤＮＡフラグメントのアンプリコンまたはｃＤＮＡライブラリーであってもよい。「アンプリコン」は、本明細書で使用される場合、核酸分子の増幅の生成物、典型的には、ゲノムＤＮＡのフラグメントまたはｃＤＮＡライブラリーであってもよい。増幅方法としては、これらに限定されないが、例えば米国特許第８，４４５，１９４号（参照によりその全体が本明細書に組み入れられる）で記載されるローリングサークル増幅、または例えば参照によりその全体が本明細書に組み入れられる米国特許第７，９７２，８２０号で記載される架橋ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が挙げられる。増幅は、例えば参照によりその全体が本明細書に組み入れられる米国特許第７，９１０，３５４号で記載されるように、核酸をバイオセンサーと接触させる前に、またはインサイチュ（ｉｎ  ｓｉｔｕ）で実行することができる。
【００４９】
例えば、蛍光性または化学発光色素に関連付けられた生物学的サンプル、例えばＤＮＡ高分子、オリゴヌクレオチド、またはヌクレオチドは、フォトダイオード１１７の上に配置されていてもよい。蛍光の場合、色素に、励起光源からの励起光を照射することができる。励起光は、あらゆる好適なタイプまたは強度の光、例えば、可視光、赤外線（ＩＲ）、紫外線（ＵＶ）などに対応するものであってもよい。また励起光は、あらゆる好適な源、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、ランプ、レーザー、それらの組合せなどから生じるものであってもよい。色素に特定の波長で励起光が照射されると、生物学的サンプルは、光を吸収し、次いで異なる波長の光を放出することができる。例えば、生物学的サンプルは、４５０ｎｍの波長を有する励起光を吸収できるが、５５０ｎｍの波長を有する光を放出することができる。言い換えれば、色素に特徴的な異なる波長の光（すなわち、励起光源）が照射されると、特徴的な波長の蛍光が放出され得る。しかしながら、励起光は、蛍光を測定するのに使用されるため、フォトダイオード１１７で正確な測定値を取るためにはそれをフィルターで除去しなければならない。
【００５０】
化学発光の場合、励起光源は、フォトダイオード１１７が放出された光を検出するのに必要ではない。その代わりに、化学結合の破壊または形成により光を放出させる、生物学的サンプルと化学発光色素（または他の溶液）との間で起こり得る化学反応または酵素反応によって、生物学的サンプルは、光を放出することができる。
【００５１】
蛍光と化学発光の両方について、フォトダイオード１１７は、放出された光の強度を検出し、それを光の強度に基づき電子シグナルに変換することができ、電子シグナルは、金属配線１１３を介して外部デバイスに提供することができる。外部デバイスは、電子シグナルを、電子シグナルに基づき特定の波長および輝度に相関させることができる。
【００５２】
一部の実施形態において、バイオセンサーの表面上の活性なスポットまたはウェルおよび核酸高分子は、各スポットが１つのみの核酸高分子と結合するように互いに設計することができる。これは、例えば、表面を、サイズの点で活性なスポットに対応するアンプリコン（例えば、活性なスポットの直径と事実上同じ大きさかまたはそれより大きい直径を有するアンプリコン）と接触させることによって達成することができる。参照によりその全体が本明細書に組み入れられる米国特許第８，４４５，１９４号を参照されたい。代替として、活性なスポットは、単一のＤＮＡフラグメントに結合するように化学的に適合させることができ、次いでこれを増幅して、元の結合部位とその周辺でより大きい領域を満たすことができる。
【００５３】
本発明の一部の実施形態は、異なる光の波長に対応する異なる標識を決定するのに使用することができる。標識は、例えば蛍光性、化学発光または生物発光標識であってもよい。例えば、遺伝子シーケンシング（またはＤＮＡシーケンシング）において、本発明の実施形態は、核酸高分子内のヌクレオチド塩基（例えば、ＤＮＡ鎖）の正確な順番を決定するのに使用することができる。ヌクレオチド塩基は、特異的な蛍光標識（例えば、アデニン（Ａ）、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）、またはチミン（Ｔ））で標識することができる。代替として、例えば１色、２色、または３色のシーケンシング方法を使用することができる。
【００５４】
蛍光に関して、ヌクレオチド塩基のそれぞれは、連続的に核酸高分子を励起光で励起させることによって順番に決定することができる。核酸高分子は、本明細書に記載されるように、励起光を吸収し、バイオセンサー上に異なる波長の放出された光を伝達することができる。バイオセンサーは、放出された光の波長およびフォトダイオードが受信した強度を測定することができる。各ヌクレオチド（例えば、蛍光標識したヌクレオチド）は、特定の波長および／または強度の励起光によって励起されると、フォトダイオードに特定の波長および／または強度の光を放出することができ、核酸高分子中の特定の位置における特定のヌクレオチド塩基の存在の同定が可能になる。その特定のヌクレオチド塩基が決定されたら、類似のプロセスに従って次の連続したヌクレオチド塩基を決定できるように核酸高分子からそれを除去することができる。
【００５５】
核酸高分子は、あらゆる目的のためにバイオセンサーに付着させる前またはその後に、１つまたは複数の異なる蛍光、化学発光、または生物発光標識で標識することができる。例えば、核酸高分子は、標識されたオリゴヌクレオチドプローブまたは増幅プライマーとハイブリダイズさせてもよい。代替として、核酸高分子は、標識されていないオリゴヌクレオチドとハイブリダイズさせてもよく、次いでこれを標識されたプローブにライゲートしてもよいし、または標識されたヌクレオチド類似体を使用して伸長させてもよい。例証として、標識付けは、核酸高分子を特徴付ける目的で（例えば、疾患と関連する単一ヌクレオチド多型（ＳＮＰ）の存在）、または上述したように核酸高分子の全てまたは一部の核酸シーケンシングのために行うことができる。プローブハイブリダイゼーションによるＤＮＡシーケンシングは、例えば参照によりその全体が本明細書に組み入れられる米国特許第８，１０５，７７１号に記載されている。アンカープローブライゲーションによるシーケンシングは、例えば参照によりその全体が本明細書に組み入れられる米国特許第８，５９２，１５０号に記載されている。合成によるシーケンシングは、例えば参照によりその全体が本明細書に組み入れられる米国特許第７，８８３，８６９号に記載されている。
【００５６】
一部の実施形態において、バイオセンサーは、フローセル（示されていない）に可逆的に連結されていてもよい。フローセル中でバイオセンサーを液体サンプルと接触させることによって、核酸高分子をバイオセンサーに付着させてもよい。フローセルは、反応部位（例えば、ボイド）と流体連通する１つまたは複数のフローチャネルを含んでいてもよい。一例において、バイオセンサーは、バイオアッセイシステムに流体的および電気的に連結されていてもよい。バイオアッセイシステムは、予め決定されたプロトコールに従って反応部位に試薬を送達し、イメージ化イベントを実行することができる。例えば、バイオアッセイシステムは、反応部位に沿って溶液が流動するように方向付けることができる。溶液は、同一または異なる蛍光標識を有する４つのタイプのヌクレオチドを含んでいてもよい。一部の実施形態において、次いでバイオアッセイシステムは、励起光源を使用して反応部位を照射することができる。励起光は、予め決定された波長または波長を有してもよい。励起された蛍光標識は、フォトダイオード１１７によって検出可能な放出シグナルを提供することができる。
【００５７】
使用者は、核酸高分子が活性なスポットまたはウェルと結合しそこに保持されるように、バイオセンサーを、記載された実施形態に従って核酸アンプリコンと、またはその後増幅される核酸と接触させることによってシーケンシングの準備をすることができ、過量の核酸高分子は、洗浄で除去することができる。核酸高分子は、事前に、またはインサイチュで、標識された試薬と接触させてもよい。次いでバイオセンサーを本明細書に記載される通りに操作して、アレイ上の核酸高分子上でまたはその周辺で放出された光を決定することができる。光は、定量化することもでき、または表面上の核酸高分子のどれが特定の波長で発光する標識で標識されたかを二進法で決定するのに十分な程度であってもよい。例えば、配列中の特定の位置の異なる塩基を決定したり、または複数の配置をシーケンシングしたりするために、異なる波長で光を放出する標識を有する異なるプローブまたは異なる核酸類似体を同時に使用することができる。
【００５８】
本明細書では裏面照射型ＣＭＯＳセンサーに関して記載したが、本発明の実施形態は、表面照射型ＣＭＯＳセンサーにも同様に適用できることが予期される。さらに、本発明の実施形態は、あらゆる好適なバイオセンサー、例えば参照によりその全体が本明細書に組み入れられる２０１６年１１月３日付けで出願された米国仮出願第６２／４１６，８１３号に記載されるバイオセンサーにも同様に適用できることが予期される。
【００５９】
本明細書に記載されるプロセスを、特定の順番で実行される特定の数の工程に関して記載したが、明示的に示されていないおよび／または記載されていない追加の工程が含まれてもよいことが予期される。さらに、記載された実施形態の範囲から逸脱することなく、示されたおよび記載された工程より少ない工程が含まれてもよいことが予期される（すなわち、記載された工程のうち１つまたは一部が任意であってもよい）。加えて、本明細書に記載される工程は、記載された順番と異なる順番で実行してもよいことが予期される。
【００６０】
前述の記載において、本出願の態様をそれらの具体的な実施形態を参照しながら記載したが、当業者は、本発明はそれらに限定されないことを認識していると予想される。したがって、本明細書において本出願の例示的な実施形態を詳細に説明したが、発明概念は、それ以外の方法で様々に具体化され採用することができることが理解されると予想され、添付の特許請求の範囲は、先行技術によって限定される場合を除き、このようなバリエーションを含むように解釈されることが意図される。上述した発明の様々な特徴および態様は、個々にまたは一緒に使用することができる。さらに、実施形態は、本明細書のより広範な意図および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載されるものを超える様々な環境および用途で利用することができる。したがって、明細書および図面は、限定ではなく例示的とみなされるものとする。例示の目的で、方法を特定の順番で記載した。代替の実施形態において、本方法は、記載されたものと異なる順番で実行できることが理解されるものとする。
【００６１】
他のバリエーションは、本発明の開示の意図の範囲内である。したがって、開示された技術は、様々な改変および代替の構造を受け入れることが可能であるが、その特定の例示された実施形態を図面に示し、上記で詳述した。しかしながら、本開示を開示された特定の１つまたは複数の形態に限定する意図はなく、それとは逆に、添付の特許請求の範囲で定義した通り、本開示の意図および範囲に含まれる全ての改変、代替の構造および均等物を網羅することを意図することが理解されるものとする。
【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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【国際調査報告】
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