文部科学省科学技術振興調整費
先端融合領域イノベーション創出拠点の形成

半導体・バイオ融合集積化技術の構築
Interdisprinary Research on Integration ofSemiconductor and Biotechnology
２００８年８月２０日
プロジェクトリーダ

岩田 穆 （広島大学）

実施報告概要
１．目的，3年目の目標 （ミッションステートメント）
２．研究成果と３年目のミッション達成度
・半導体・バイオ融合センサ基盤技術
・飲むバイオセンサプロトタイプ
・テラビットメモリのための基盤技術

３．拠点組織化とシステム改革
４．４～１０年目の研究計画とイノベーションの姿ミッションステートメント
目的
バイオの多様性・特異性と半導体の微細・大規模性を融合し，多項目・高感度バイオセンサシステムを開発し，ユビキタス診断で健康・安全・快適な社会実現というイノベーションをもたらす．

３年目のミッション
１. Siと有機分子との界面の解析・制御技術を確立し，微弱な電荷・光の検出による高感度バイオセンサの基盤技術を開発．
２. テラビットメモリのための新高誘電体材料(εr>60)および記憶原理，セル構造を探索し，実用化の候補を選択．
協働機関とその役割
１．エルピーダメモリ（株）： 大容量・不揮発メモリ，三次元集積の開発と実用化．
２．(株)生体分子計測研究所 : DNAベースのタンパク質固定化技術の開発．
３．(株)サタケ ： 農薬検出技術と検査システムの開発と実用化．

ミッション１-1：

シリコン上へのタンパク質固定化
Antibody2
to D-dimer + CIP

活性サイト

D-dimer：心筋梗塞、静脈血栓症のマーカ

SiO2

Antigen(D-dimer)

従来法

Antibody1
to D-dimer

SiO2
SiO2

Colorimetric A450

SBP-proteinA

SBP(シリコン結合たんぱく質)
1

シリコンバイオ法

ELISA

1

従来法
シリコンバイオ法

0.8

A450

新発見のSi結合タンパク(SBP)を用いて、Si上へ配向性と活性を持ったタンパク質の固定化法を発明．
改良を加え、固定効率を約5倍向上させ，バイオセンサ高感度化の基盤技術として確立．

0.60.40.2
01 10 02 10 0

3 10 04 10 0ELISA：Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assayミッション1-2： 発光による高感度エンドトキシン検出
600000高発光型ルシフェラーゼ（発光酵素）の開発

Mutant Luciferase

高発光型ルシフェラーゼの発光強度は野生型の15倍以上．

エンドトキシン検出の考案

BL intensity (RLU)

500000400000300000200000100000

細菌毒素（エンドトキシン）

リムルス試薬切断

Ala･Ｘ-Ｘ-Ｘ-Ｘ-Arg
ルシフェリン修飾基質

002040

作用N（特願 2007-293491）

Wild type Luciferase

SN

60

80

100120Time (sec)

COOH

4 10 4

S

H2N

反応

発光SNN

ルシフェリン

COOH

S

高発光
ルシフェラーゼ
SBPによる固定化

Siデバイス

・高感度CMOS光センサ
・量子ドット光検出デバイス

Luminescence (rlu)

3 10 4
3 10 42 10 4
2 10 4

従来法より50-100倍の発光強度を達成

1 10 400.001

0.002

0.003

0.004

Endotoxin (EU/ml)

0.005

0.006

ミッション1-3：飲むバイオセンサプロトタイプ
義歯様バイオセンサ（飲むバイオセンサプロトタイプ（飲むバイオセンサプロトタイプ）
試験内容（第１ｽﾃｯﾌﾟ）

検出項目と性能

義歯により口腔内で・咀嚼（かみ砕く）・嚥下（飲み込む）
機能を試験

アクリル樹脂・グルコースセンサー
感度0.1-10mM
再現性 10%以下
・温度センサー
分解能
0.01度
校正精度 0.5度
・無線通信機能 ～1m

グルコースセンサ
バッテリ

エポキシ樹脂VCO+PLL
SignalSignalGenerator

Generator

送受信機

Amp1
Amp1

AD変換器
AD変換器

送信機

メモリ

Amp2
Amp2

温度センサ

アンテナ

制御回路
制御回路

受信機

LSI (0.18umCMOS)

飲むバイオセンサチップブロック構成

テストチップ (0.18um CMOS)

飲むバイオセンサで何ができるか
半導体・バイオセンサは超小型，高機能
体内に入って直接ターゲットを検出

飲むバイオセンサ

VG03523
VG03523

・多項目検出機能

センシング項目・大容量メモリ：（長時間データ）• 温度センサ
深部体温
局部温度 (刺激状態で)・無線通信機能（即時診断データ）• グルコースセンサ
血糖, 出血（体内環境で ）• ナノワイヤ電荷センサ
ピロリ菌
癌バイオマーカ
月

火

水

木

金

土

日

• フォトンセンサ
出血，癌バイオマーカ

個人携帯端末・情報読出・処理・インターネット接続• 磁気センサ
癌バイオマーカ• 加速度センサ
体内での動き飲むバイオセンサーの位置づけ
飲むバイオセンサ技術の位置づけ
利用形態

飲むバイオセンサ
ストレス

意識せずに検査
In‐vitro

無線化

ブレイン・コンピュー
タインタフェース機能（ﾕﾋﾞｷﾀｽ）

睡眠機能嚥下

体内細菌マッピング

食品検査

集積化
その場で検査In‐situ

環境情報マッピング（花粉）（小型・経済化）
カプセル内視鏡ウェルネス携帯

POCT

大容量メモリ（血糖値）
DNA チップ

分析室で検査自動分析装置（血液、免疫など）

単機能

高速スクリーニング

多項目

高速情報処理健康状態モニタリング

多項目×履歴ﾃﾞｰﾀの質と量ミッション２-1： DRAM用高誘電率絶縁薄膜の探索

2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0

TaO

TaO

NbO

NbO

TaO

NbO/TaO/NbO
laminated film

TaO/NbO/TaO
laminated film

mix
NbO/TaO/NbO
TaO/NbO/TaO

20

40 60 80
Ta Content (at%)

100

Leakage Current Density (A/cm2@1V)

EOT (nm)

TaO/NbO
mixed film

NbO

10-7

mix
NbO/TaO/NbO
TaO/NbO/TaO

10-8Voltage (V @ 10-8 A/cm2)

大容量DRAMのキャパシタ絶縁膜には，60以上の誘電率を持ち，実効膜厚(EOT)で表される薄膜性と低リーク電流特性が必要．
種々の三元系絶縁膜の特性をキャパシタを試作して評価．
2.5
2.0AlO/TiO/AlO
TiO/AlO/TiO
AlO/TiO
TiO/AlO
AlTiO

1.5
1.0
0.5
0.0
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

EOT (nm)10-902040 60 80
Ta Content (at%)

100

NbOｙ(4nm)/TaOx(2nm)/NbOｙ(4nm)構造で，
EOT=0.66nm, リーク電流 2.6x10-8 A/cm2@1V を達成.

EOT低減と低リーク電流化を両立にTiO2/Al2O3/TiO2
三層積層構造の有用性を明確化．
TiO2(3.9nm)/Al2O3(0.7nm)/
TiO2(3.9nm)構造でEOT=0.67nmを達成．

ミッション2-2： 大容量メモリセル構造とプロセス技術
テラビットメモリを目指して
4F 2縦型セル構造を提案（F = 最小加工寸法）
１/２に小面積化可能

ピラートランジスタ
ドレインゲート
ソース

ドライエッチングで形成した直径125nmのSiピラー（柱）

キャパシタ

ワード線
ビット線

高誘電率材料とセル構造は30nmDRAMで実用化予定.
不揮発メモリの開発に適用計画.

ピラートランジスタ試作し，十分な電流遮断特性を確認．

UWB電磁波を用いた乳がん検出
測定結果から再構成した画像

研究の目的
UWBパルス電磁波の反射波から誘電率分布を画像化して乳癌検出する技術を開発
Z [mm]

目標: 5mm以下の早期癌検出
小型・安価な検査システム開発
Bow-tie antenna array

実験系
xSiO2SiyZ [mm]60 mmDielectric target
εr= 30 @15 GHz

Dielectric substrate
εr = 7 @15 GHz

10Z (mm)0.630400.4500.26070020406080100120y (mm)0Z [mm]0.82080

1005101520253035ｙ[mm]20アンテナ
アレイ数: 100ターゲット：15x13 mm2-2020406080

100y [mm]10アンテナ
アレイ数: 4ターゲット
：10x10 mm2001605101520253035

異誘電率ターゲットを共焦点画像処理により再構成
04051015202530350SiO2
Si20 mmz20020406080

100 y [mm]0.80-1

最小 3 × 3 mmのターゲット検出に成功

アンテナ
アレイ数: 4ターゲット
：3x3 mm2

拠点組織化とシステム改革
広島大学拠点としてナノデバイス･バイオ融合科学研究所設立 2008年5月1日
研究所の目的予防医学やユビキタス診断を実現するための，半導体・バイオを融合した集積科学技術を開発する産学協働研究拠点の構築

教育システムの改革
広島大学先端物質科学研究科に半導体バイオ融合教育プログラム（2007年～） 融合領域科目新設

拠点体制増強・特任教員，年俸能力給採用
・特任助教増員
重点化テーマ担当
クリーンルーム安全管理・知財専門職採用

協働機関と協力した拠点整備
・研究打ち合わせ定期開催
・企業での設備導入，研究グループ構築

Research Institute for Nanodevice and Bio Systems所長
所長

教授 吉川公麿

ナノ集積科学研究部門
ナノ集積科学研究部門
教授 吉川公麿
教授 宮崎誠一*
准教授 芝原健太郎
准教授 江崎達也*
助教 村上秀樹*

Nanointegration Research Division

教授 横山 新(副所長） 教授 三浦道子*
教授 角南英夫†
准教授 東清一郎*
准教授 中島安理
准教授 石川智弘†
助教 田部井哲夫†
助教 奥山 清†集積システム科学研究部門
集積システム科学研究部門 Integrated Systems Research Division
教授 マタウシュ ハンスユルゲン(副所長）
准教授 佐々木守*准教授 小出哲士
助教 吉田 毅*

教授 岩田 穆*准教授 亀田成司†

分子生命情報科学研究部門
分子生命情報科学研究部門

Molecular Bioinformation Research Division

教授 三宅 亮教授 小埜和久*
教授 山田 隆*教授 黒田章夫*
教授 宮原裕二‡((独)物質・材料研究機構生体材料センター長）
准教授 河本正次* 准教授 野田健一† 准教授 村上裕二†
助教 池田 丈†集積医科学研究部門
集積医科学研究部門

Nanomedicine Research Division

教授 茶山一彰**
教授 秀 道広**
准教授 津賀一弘**

協働機関
協働機関 客員部門
客員部門

教授 二川浩樹**（教授，研究員）（教授，研究員）

4～10年目の研究計画とイノベーションの姿
半導体・バイオ融合集積化技術ロードマップ
I (2006-2008)
ナノバイオ融合機能デバイスとモデリング・ナノワイヤ・量子ドット
100nm

・Ｓｉとバイオの界面制御技術確立
・高感度発光バイオ
バイオセンサ
／診断システム センサ開発
・無線義歯センサ
試作・動作確認

三次元集積ワイヤ 電磁波乳癌検査の原理検証
レス信号処理センサ・メモリ
集積ブレインブレインの要素技術既開発

・テラビットメモリのテラビットメモリ 高Ｋ材料探索・絞込
材料・デバイス ・４Ｆ２セル構造提案，動作実証

II (2009-2012)

ｾﾝｻ/MEMS
集積化技術

III (2013-2015)10-15年後のイノベーション

MEMSとバイオセンサ
集積小型分析システム

バイオセンサデバイス企業体内で病原菌やアレルギー，などの多項目
データ取得，診断

医療の革新

高感度エンドトキシン
検出システムエンドトキシン検出システム実用化

義歯様検査システム

飲むバイオセンサ
試作，データ取得

多項目・高速診断システム

残留農薬検出システム実用化

小型農薬検出システム

環境や食品の有害物質の高速の検出

電磁波乳癌検査ｼｽﾃﾑ

携帯乳癌検査ｼｽﾃﾑ

小型安価早期乳癌検査ｼｽﾃﾑ

安全な環境

ブレイン･コンピュータ･
インタフェース試作

三次元集積バイオ・ブレイン

バイオセンサシステム企業

超高速三次元集積ｼｽﾃﾑ技術

三次元高機能集積ｼｽﾃﾑ技術

脳情報通信と学習機能によるロボット・自動車の制御

自動車
ロボット企業

不揮発メモリの材料，セル構造開発

新技術不揮発メモリ開発

DRAM 実用化技術

DRAM低コスト化

人間情報の検出・分析・認識技術
複合集積三次元集積実用化はエルピーダメモリ

高速・不揮発・テラビットメモリ
低電力・高速情報処理システム（株）生体分子計測（株）サタケ安全快適
人間・ﾏｼﾝ
共存環境
エルピーダ
メモリ（株）