JP2002202303A - 有機分子検出用半導体素子、有機分子検出用半導体装置及びこれを用いた有機分子の測定方法 - Google Patents

有機分子検出用半導体素子、有機分子検出用半導体装置及びこれを用いた有機分子の測定方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高感度で、有機分子プローブの合成処理に対
する耐久性を高くできる有機分子検出用半導体装置を提
供する。 【解決手段】 有機分子検出用半導体装置１００は、シ
リコン基板１０１の表面（第１の主面）１０１Ａに画素
（光電変換部を含む）１１０が配置され、裏面（第２の
主面）１０１ＢにＤＮＡプローブ１６１が固定される凹
部１１２（底部が有機分子プローブ配置領域となる）が
形成されている。有機分子検出用半導体装置１００は、
背面入射のＦＴ方式のＣＣＤ型固体撮像装置を構成す
る。ＤＮＡ等の有機分子の解析時に、ターゲット（特定
構造のＤＮＡ）から生じた光を読み出す光学系を設ける
必要がない。装置全体がコンパクトとなり製造コストも
低減する。又、半導体製造技術による画素１１０と有機
的な化学処理によるＤＮＡプローブ１６１が互いに異な
る面に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特定構造のＤＮ
Ａ、ｍＲＮＡ、たんぱく質等のターゲットを検出する有
機分子検出用半導体素子、有機分子検出用半導体装置及
び有機分子の測定方法に関し、特に、ＤＮＡプローブ、
ｍＲＮＡプローブ、タンパク質プローブが固定された基
板とターゲットを撮像する固体撮像素子又は固体撮像装
置の基板とが共用された有機分子検出用半導体素子及び
有機分子検出用半導体装置及びこれを用いた有機分子の
測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ヒトゲノム計画等で動植物のＤＮ
Ａ構造を解析する技術が開発されている。有機分子を検
出するための有機分子検出用半導体装置のうち、特にＤ
ＮＡ構造を解析するための有機分子検出用半導体装置と
して、ＤＮＡチップが知られている。
【０００３】このＤＮＡチップでは、スライドガラス等
の基板上に、ターゲットとなるＤＮＡの塩基配列に対応
する塩基配列（分子構造）を有するＤＮＡプローブ（有
機分子プローブ）が固定される。そして、この基板に、
ターゲットとなるＤＮＡを含む試料を流し込み、上記し
たＤＮＡプローブと、試料中に含まれるＤＮＡのうち特
定構造（上記した塩基配列）を有するＤＮＡとが相補結
合されて、この結合されたＤＮＡが顕微鏡、固体撮像装
置等によって光学的に検知される。
【０００４】ここで、試料には予め蛍光標識が付与され
る処理が施され、ハイブリダイゼーション処理等によ
り、対応する塩基配列を持つＤＮＡプローブと相補結合
されて基板上に固定化される。そして、この蛍光標識
に、紫外線等の特定の波長を有する励起光（短波長）が
照射されると、この蛍光標識が発光し（蛍光）、この蛍
光が光学的に検出され、どのＤＮＡプローブと結合した
かが解析できる。
【０００５】ところで、基板上にＤＮＡプローブを固定
する手法としては、特定のＤＮＡ塩基配列を化学的に合
成する手法と、基板上に天然のＤＮＡをスポッティング
する手法とがある。前者は、基板（ガラス基板）の表面
に半導体フォトリソグラフィ技術を応用して特定の塩基
配列のＤＮＡプローブを化学的に合成するものである。
又、後者は、基板（スライドガラス、ナイロンシート
等）上に、指標となる天然のＤＮＡから抽出された特定
構造のＤＮＡをスポッティングして、基板に固定化させ
るものである。いずれの手法でも、複数種類のＤＮＡプ
ローブが一つのチップ上の所定の箇所（ＤＮＡプローブ
配置領域）に固定化されるのが一般的である。
【０００６】一方、試料に含まれる特定構造のＤＮＡ
（ターゲット）は、検体から抽出して増殖や蛍光標識等
の処理がなされた後に、ＤＮＡチップの表面に注がれ
る。これによって、試料中に特定構造のＤＮＡ（ターゲ
ット）が存在してれば、これに対応する塩基配列のＤＮ
Ａプローブと相補結合する（ハイブリダイゼーショ
ン）。その後、基板から不要な試料を除去すると、相補
結合したＤＮＡが基板上に残る。このＤＮＡには蛍光標
識が付与されている。
【０００７】このようにハイブリダイゼーションさせた
特定構造のＤＮＡ（ターゲット）は予め蛍光標識が付さ
れているので、紫外線等の励起光を基板に照射すること
で、当該蛍光標識が発光し、これを光学的に測定すれば
よい（例えば、顕微鏡、固体撮像装置等）。特に、ＤＮ
Ａプローブと相補結合した特定構造のＤＮＡを検出する
ために、ＣＣＤ型固体撮像装置を構成する基板（半導体
基板）の表面（入射面）に、特定構造のＤＮＡプローブ
を固定させてこれを検出するのであれば、顕微鏡等の高
価な光学系を用意する必要がなく、ＤＮＡ解析に有用で
ある。
【０００８】ＣＣＤ型固体撮像装置の入射面（半導体基
板の表面）に特定構造のＤＮＡプローブを配置して、特
定構造のＤＮＡを検出可能にしたＤＮＡチップが、例え
ば、ＵＳＰ５，８４６，７０８によって公知となってい
る。従来のＤＮＡチップ（有機分子検出用半導体装置）
１０を図１１に示す。この有機分子検出用半導体装置１
０は、シリコン基板１１に光電変換部１２が形成され、
その上面の酸化シリコン膜１３に凹部１６が形成された
ものである。そして凹部１６に、ＤＮＡプローブ２１が
固定される。
【０００９】このように構成された有機分子検出用半導
体装置１０では、例えば、励起光が入射する面（入射
面）で光電変換された電子を外部回路へ読み出すための
転送方式の１つとして、インターライン（ＩＴ）方式が
採用されている。このインターライン（ＩＴ）方式のＣ
ＣＤ型固体撮像装置では、入射面側に電極１４が配置さ
れた構造となっており、蛍光標識から発せられた蛍光
が、その下方にある光電変換部１２で検出される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、入射面
側にＤＮＡプローブが配置された従来のＩＴ方式のＣＣ
Ｄ型固体撮像装置１０では、シリコン基板１１の電極１
４が形成されている面が入射面となっているため、電極
１４を配置する分、開口率を高くできなかった。特に、
素子サイズの縮小化がさらに進むと、開口率を高めるこ
とがより困難になる。
【００１１】更に、入射面に特定構造のＤＮＡプローブ
を固定する従来の有機分子検出用半導体装置１０では、
以下のような不具合も考えられる。すなわち、上記した
ＤＮＡ塩基配列を基板上に化学的に合成する手法では有
機物質を用いた化学処理が繰り返し行われる。この有機
的な化学処理では、半導体製造において用いることが少
ない薬品が多用される。これらの薬品の純度は、ＤＮＡ
塩基配列を合成するためには十分であるが、一般に、半
導体製造技術において要求される純度（ＥＬ）を満たす
レベルのものではない。
【００１２】このため、１画素を構成する固体撮像素子
が形成されたシリコン基板の表面に、ＤＮＡ塩基配列を
合成するための薬品が用いられると、これら薬品に含ま
れる不純物の影響によって固体撮像素子の性能が低下
し、ターゲットから生じる微弱な蛍光を正確に検出する
ことができなくなる虞がある。本発明は、かかる事情に
鑑みてなされたもので、高感度で、有機分子プローブの
合成処理に対する耐久性を高くできる有機分子検出用半
導体素子、有機分子検出用半導体装置及びこれらを用い
た有機分子の測定方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１の有機分子検出用半導体素子は、半導体基
板の第１の主面に光電変換部が配置され、第２の主面に
有機分子プローブ配置領域が形成されたものである。こ
の構成により、ＤＮＡ等の有機分子の解析時に、ターゲ
ットから生じた光を読み出すための光学系を別途設ける
必要がなくなり、有機分子の解析の装置全体がコンパク
トとなり製造コストも低減される。又、半導体製造技術
によって形成された光電変換部と、有機的な化学処理に
よって形成された有機分子プローブとが、互いに異なる
面に形成されているため、特に、光電変換部に、有機分
子プローブの形成に用いられる薬品の不純物が影響を与
えることがなくなる。
【００１４】又、請求項２の有機分子検出用半導体素子
は、前記第２の主面の少なくとも有機分子プローブ配置
領域に対応する位置に光学フィルタを形成したものであ
る。特定構造の有機分子に蛍光標識を付けて、これに励
起光を照射して、蛍光を発生させる測定方法を行うに当
たって、前記光学フィルタは、励起光を遮断し、発生し
た蛍光のみを透過させるので、励起光を照射させながら
当該蛍光を測定することが可能となり、特定構造の有機
分子の解析処理の時間が短縮できる。
【００１５】又、請求項３の有機分子検出用半導体素子
は、前記半導体基板の前記第２の主面の前記有機分子プ
ローブ配置領域から、前記第１の主面の前記光電変換部
までの厚さを、ＣＣＤのポテンシャル井戸の深さに応じ
て決定したものである。ポテンシャル井戸の形成に必要
な厚さが確保される範囲で、半導体基板を薄くすること
によって、第２の主面側で蛍光によって生じた電子を第
１の主面側の光電変換部で検出できるようになる。
【００１６】又、請求項４の有機分子検出用半導体装置
は、半導体基板の第１の主面に光電変換部が複数配置さ
れ、第２の主面に有機分子プローブ配置領域が少なくと
も前記光電変換部に対応して設けられたものである。こ
の構成により、ＤＮＡ等の有機分子の解析時に、ターゲ
ットから生じた光を読み出すための光学系を別途設ける
必要がなくなり、有機分子解析の装置全体がコンパクト
となり製造コストも低減される。又、半導体製造技術に
よって形成された光電変換部と、有機的な化学処理によ
って形成された有機分子プローブとが、互いに異なる面
に形成されているため、特に、光電変換部に、有機分子
プローブの形成に用いられる薬品の不純物が影響を与え
ることがなくなる。
【００１７】又、請求項５の有機分子検出用半導体装置
は、前記第１の主面に、複数の前記光電変換部が配置さ
れた光電変換領域を形成し、前記第２の主面を光の入射
面としてＣＣＤ型固体撮像装置を構成したものである。
これによって、例えば、背面入射のフレームトランスフ
ァ方式のＣＣＤ型固体撮像装置が構成可能になるので、
開口率（８０％以上）が向上する。この開口率の向上に
よって、固体撮像装置の感度が向上し、測定時に有機分
子プローブから発生する微弱な蛍光を測定することがで
きる。
【００１８】又、請求項６の有機分子検出用半導体装置
は、前記第２の主面の少なくとも有機分子プローブ配置
領域に対応する位置に光学フィルタが形成されたもので
ある。特定構造の有機分子に蛍光標識を付けて、これに
励起光を照射して、蛍光を発生させる測定方法を行うに
当たって、前記光学フィルタは、励起光を遮断し、発生
した蛍光のみを透過させるので、励起光を照射させなが
ら当該蛍光を測定することが可能となり、特定構造の有
機分子の解析処理の時間を短縮できる。
【００１９】又、請求項７の有機分子検出用半導体装置
は、前記第２の主面の前記有機分子プローブ配置領域に
対応する位置に複数の凹部が設けられたものである。こ
れにより特定構造の有機分子のスポッティングを容易
に、かつ、確実に行うことができる。又、請求項８の有
機分子の測定方法は、請求項４から請求項７の何れか１
項に記載の半導体装置を使用した有機分子の測定方法で
あって、前記第２の主面の有機分子プローブ配置領域に
少なくとも１種の有機分子プローブを固定するステップ
と、蛍光標識された試料を前記第２の主面に流し込んで
該試料に含まれた前記有機分子プローブに対応する分子
構造を有するターゲットを当該有機分子プローブに結合
させるステップと、前記有機分子プローブが固定された
前記第２の主面に励起光を照射するステップと、前記励
起光の照射によって生じた蛍光を前記第１の主面に配置
された前記光電変換部により検知して光信号を出力する
ステップとを含むものである。
【００２０】又、請求項９の測定方法は、前記第２の主
面に複数配置された前記有機分子プローブ配置領域に、
各領域毎に分子構造の異なる有機分子プローブを固定す
るものである。各領域（単位画素に相当）毎に、分子配
列の異なる有機分子プローブが固定されるので、複数種
類のターゲット（ＤＮＡ）を一度の処理で検出すること
が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、本発
明の第１の実施の形態について、図１から図８を用いて
説明する。本実施の形態の有機分子検出用半導体装置１
００は、ＦＴ方式のＣＣＤ型固体撮像装置であり、光電
変換部を有する画素１１０が多数配置される。ここで、
１つの画素１１０が、１つの固体撮像素子に相当する。
【００２２】シリコン基板１０１の裏面（第２の主面）
１０１Ｂには、光電変換部を有する各画素１１０に対応
するように、多数の凹部１１２が形成されている。この
凹部１１２の底部には、光学フィルタ兼ＤＮＡ固定膜１
１４が形成されている。この実施の形態では凹部１１２
の底面が有機分子プローブ（ここでは、ＤＮＡプローブ
１６１）を固定化するための有機分子プローブ配置領域
となる。
【００２３】この凹部１１２の底面までのシリコン基板
１０１の厚さｄ１は１０〜２０μｍ程度である。この厚
さｄ１は、画素１１０のポテンシャル井戸の深さに応じ
て決定されている。凹部１１２の底部に形成された光学
フィルタ兼ＤＮＡ固定膜１１４は、励起光を遮断し、蛍
光を透過させる。又、光学フィルタ兼ＤＮＡ固定膜１１
４は、画素（光電変換部を含む）１１０とＤＮＡプロー
ブ１６１との間に位置することになり、この光学フィル
タ兼ＤＮＡ固定膜１１４によって、ＤＮＡプローブ１６
１と結合した特定構造のＤＮＡ１７２（図５参照）の測
定に際して、励起光（例えば、紫外線）を照射しながら
ＤＮＡプローブからの蛍光を測定することが可能とな
る。
【００２４】この有機分子検出用半導体装置１００は、
図２に示すように、セラミック製のパッケージ１５０に
収容される。このとき有機分子検出用半導体装置１００
の電極１１６が、パッケージ１５０側の電極１５１と、
バンプ１５２によって電気的に接続される。又、有機分
子検出用半導体装置１００とパッケージ１５０との間
は、樹脂製接着剤１５６で水密に接着されている。
【００２５】図３に、有機分子検出用半導体装置１００
の回路構成の概略を示す。この図に示すように、有機分
子検出用半導体装置１００は、背面入射のＦＴ方式のＣ
ＣＤ型固体撮像装置となっており、主面（第２の主面１
０１Ｂ側）が光電変換領域１３１と蓄積部１３２とに分
けられている。この有機分子検出用半導体装置１００で
は、端子１３６からの駆動電流（例えば、４相の駆動電
流）によって、光電変換領域１３１の各画素１１０で得
られた光信号が、蓄積部１３２に転送され、その後、水
平読出部１３３、アンプ１３４を介して、出力端子１３
５より外部に出力される。
【００２６】この背面入射のＦＴ方式のＣＣＤ型固体撮
像装置を構成する有機分子検出用半導体装置１００は、
高い開口率（８０％以上）を得ることができるので、詳
細は後述する特定構造のＤＮＡ１７２（図５）からの微
弱な蛍光の検出に好適となる。このように構成された有
機分子検出用半導体装置１００は、上記のように背面入
射のＣＣＤ型固体撮像装置であり、又、入射面（裏面
側）で光電変換された電子を読み出すための転送方式と
して、フレームトランスファ（ＦＴ）方式が用いられて
いる。背面入射のＦＴ方式のＣＣＤ型固体撮像装置は、
入射面側に電極等が形成されていないこと、更に、画素
（光電変換部を含む）領域と転送領域が同じことから、
他の固体撮像装置に比べて、開口率を最大にすることが
できる。
【００２７】従って、有機分子検出用半導体装置１００
では、詳細は後述するように、蛍光標識が付されたＤＮ
Ａに紫外線等の短波長の光が照射された際に発生する微
弱な蛍光を検出することができる。又、有機分子検出用
半導体装置１００では、凹部１１２の底部の半導体基板
（シリコン基体）１０１が、厚さ１０μｍ〜２０μｍ程
度に薄膜化されているので、吸収係数の大きな短波長の
光は、その殆どが入射面（背面）近傍で吸収されて電子
に変換され、この電子が画素（光電変換部を含む）に到
達するまでに、基板内で再結合により消失して感度を低
下させたり、入射面の異なる場所に入射した光により生
じた電子同士が混合してその解像度を低下させる可能性
が低い。
【００２８】次に、有機分子検出用半導体装置１００を
用いたＤＮＡ測定方法の概略について、図４、図５を用
いて説明する。上記構成の有機分子検出用半導体装置１
００にあっては、有機分子検出用半導体装置１００の表
面に形成された凹部１１２の底部（有機分子プローブ配
置領域）にＤＮＡプローブ１６１がスポッティングによ
って固定される（図４（ａ）、図５（ａ））。このと
き、凹部１１２は各画素１１０に対応して形成される。
尚、詳細は後述するように、この底部（有機分子プロー
ブ配置領域）には、ＤＮＡライブラリから塩基配列が異
なるＤＮＡプローブが固定される。
【００２９】又、有機分子検出用半導体装置１００で
は、有機分子プローブ配置領域が、凹部１１２の底部で
あるため、スポッティングに好適である。以上の処理に
よって、その特定構造の塩基配列を有するＤＮＡプロー
ブ１６１が、有機分子プローブ配置領域（この実施の形
態では凹部１１２の底部）に固定される。
【００３０】一方で、試料に含まれる特定構造のＤＮＡ
（ターゲット）１７２は、検体から抽出された後、増
殖、蛍光標識等の処理が施される（図５（ｂ））。その
後、特定構造のＤＮＡ（ターゲット）１７２を含む試料
は、有機分子検出用半導体装置１００の入射面側（１０
１Ｂ側）に注がれる（図４（ｂ））。このとき試料中
に、ＤＮＡプローブ１６１に対応する特定構造のＤＮＡ
（ターゲット）１７２が含まれていれば、図５（ｃ）に
示すように、ＤＮＡプローブ１６１と特定構造のＤＮＡ
１７２とが相補結合し、水による洗浄他の処理を施し余
分な試料を洗浄すると、蛍光標識が付加された特定構造
のＤＮＡ１７２が有機分子検出用半導体装置１００の入
射面側（１０１Ｂ側）に残る。
【００３１】この状態で、有機分子検出用半導体装置１
００の入射面側（１０１Ｂ側）から励起光（例えば、紫
外線）を照射しながら各画素１１０からの信号を読み出
す。この場合、有機分子検出用半導体装置１００の入射
面側（１０１Ｂ側）に形成された凹部１１２の底面（有
機分子プローブ配置領域）には、光学フィルタ兼ＤＮＡ
固定膜１１４が設けられているため、遮断可能な光の波
長を選択することで、特定構造のＤＮＡ（ターゲット）
１７２の蛍光を測定する際に、励起光を遮断することが
できる。この結果、励起光を照射しながら、特定構造の
ＤＮＡ（ターゲット）１７２からの蛍光を測定すること
ができ、ＤＮＡ測定処理の時間を短縮できる。
【００３２】次に、有機分子検出用半導体装置１００の
製造方法について、図６、図７を用いて説明する。尚、
ここでは、主として、有機分子検出用半導体装置１００
の主面（第１の主面）１０１Ａ側の画素１１０と、主面
（第２の主面）１０１Ｂ側の凹部１１２の製造方法につ
いて説明する。従って有機分子検出用半導体装置１００
の他の周辺回路、不純物拡散領域、配線間の層間絶縁膜
等の製造方法については、その詳細な説明を省略する。
【００３３】有機分子検出用半導体装置１００を製造す
るに当たっては、先ず、高濃度（１×１０20ｃｍ-3程
度）にｐ型不純物が導入されたシリコン基板１０１の上
面に、エピタキシャル成長装置により、所望の厚さで、
低濃度（１×１０14ｃｍ-3程度）にｐ型不純物が導入さ
れたエピタキシャル層（シリコンエピタキシャル成長
層）１０２が形成される。
【００３４】次いで、エピタキシャル層１０２上に、ゲ
ート酸化膜を構成する酸化シリコン膜１０３、電荷転送
部となるポリシリコンからなる電極（２層構造の転送電
極）１０４が形成される。その上に、ＰＳＧ（リン・シ
リケート・ガラス）、ＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケ
ート・ガラス）等の絶縁性のシリコン酸化膜（パッシベ
ーション膜）１０５が形成されて、シリコン基板１０１
の表面（第１の主面）１０１Ａに画素（光電変換部を含
む）１１０が形成される。ここまでの工程で得られたデ
バイス構造を図６（ａ）に示す。
【００３５】次いで、前記シリコン酸化膜１０５の表面
に、樹脂系接着剤（例えば、シリコーン系の接着剤）に
よって、ガラス基板１０６が接着されて、張り合わせが
行われる（図６（ｂ））。次いで、シリコン基板１０１
の裏面（第２の主面）１０１Ｂを、所定の膜厚まで研磨
装置を用いてラッピング、ポリッシング（機械研磨）す
る。ここまでの工程で得られたデバイス構造を図７
（ｃ）に示す。
【００３６】次いで、シリコン基板１０１の裏面（第２
の主面）１０１Ｂに、凹部１１２を、例えば、ドライエ
ッチングによって形成する。凹部１１２の形成時には、
裏面（第２の主面）１０１Ｂ側にエッチング用のレジス
ト（図示省略）が塗布されるが、このエッチング用のレ
ジストは、その開口が、表面（第１の主面）１０１Ａ側
の画素１１０と、シリコン基板１０１の表裏で一致する
ように位置合わせされる。これにより、表面（第１の主
面）１０１Ａ側の画素１１０と、裏面（第２の主面）１
０１Ｂ側の凹部１１２の底部（有機分子プローブ配置領
域）が対応する。
【００３７】この凹部１１２を形成するに当たっては、
凹部１１２の底面でのシリコン基板１０１の厚さｄ１が
１０μｍ〜２０μｍ程度となるまで、エッチングが行わ
れる。この厚さｄ１は、十分なポテンシャル井戸が確保
できる値となっている。尚、凹部１１２を形成するに当
たっては、ウェットエッチングを行ってもよい。この場
合には、裏面（第２の主面）１０１Ｂにシリコン窒化膜
を形成しておき、これをパターニングしてマスクすれば
よい。又、ストッパ層を予め形成しておくことで、シリ
コン基板１０１の膜さｄ１の制御が容易になる。
【００３８】次に、少なくとも、凹部１１２の底面（有
機分子プローブ配置領域）に、ボロンが注入されてｐ+
領域１１２Ａが形成される。このｐ+領域１１２Ａは、
電子のトラップを防止して、光を高感度に検出するため
のものである（高感度処理）。尚、高感度処理のための
ボロンの注入は、裏面（第２の主面）１０１Ｂ全面に施
してもよい。又、高感度処理のため、ボロンの打ち込み
に代えて、薄いＰｔ膜（例えば、０．００１〜０．００
２μｍ）を形成してもよい。ここまでの工程で得られた
デバイス構造を図（図７（ｄ））に示す。
【００３９】次に、蛍光を透過して紫外線を遮断する光
学フィルタと、ＤＮＡプローブ１６１を固定可能なガラ
ス基板とを兼用する多層膜１１３が、裏面（第２の主
面）１０１Ｂの全面を覆うように形成される。この多層
膜１１３は、例えば、最上層がシリコン酸化膜、中間層
が酸化アルミニウム膜、最下層が酸化マグネシウム膜の
３層構造となっており、所定の波長の光を遮断するよう
になっている（図示省略）。尚、この多層膜１１３は、
少なくとも最上層がＤＮＡプローブ１６１を固定するこ
とができる膜（例えば、酸化シリコン膜）であれば、そ
の他の膜の材質は限定されない。すなわち、所定の波長
の光を遮断するために、酸化アルミニウム膜、酸化マグ
ネシウム膜、酸化チタン膜等が、適宜積層されてフィル
タとして機能させればよい。又、その膜厚も、遮断する
光の波長に応じて決定される。又、多層膜１１３は、２
層であっても、４層以上であってもよい。ここまでの工
程で得られたデバイス構造を図７（ｅ）に示す。
【００４０】最後に、多層膜１１３が凹部１１２の底部
（有機分子プローブ配置領域）でのみ残るようにパター
ニングして、図１に示す構造の有機分子検出用半導体装
置１００を得る。このように構成された有機分子検出用
半導体装置１００には、特定構造のＤＮＡの測定に当た
って、水酸化ナトリウム等によるケン化処理と、ポリＬ
−リシン等によるコーティング処理が施され、光学フィ
ルタ兼ＤＮＡ固定膜１１４にＤＮＡプローブ１６１が頑
強に固定化される。
【００４１】このとき、シリコン基板１０１の表面（第
１の主面）１０１Ａは、ガラス基板１０６で保護されて
いるので、これらの薬品によって、画素１１０の周辺回
路等が汚染されることはない。
【００４２】又、上記のように光学フィルタ兼ＤＮＡ固
定膜１１４は、凹部１１２の底部（有機分子プローブ配
置領域）にのみ残っているので、他の不要な領域にＤＮ
Ａプローブ１６１が付着することが防止される。尚、Ｄ
ＮＡプローブ１６１（図５参照）のスポッティング処理
の精度が高い場合には、多層膜１１３をパターニングす
ることなく、光学フィルタ兼ＤＮＡ固定膜をシリコン基
板１０１の裏面（第２の主面）１０１Ｂ全面に残しても
よい。
【００４３】図８は、有機分子検出用半導体装置１００
の概略を示す斜視図であり、（ａ）は裏面（第２の主
面）１０１Ｂ、（ｂ）は表面（第１の主面）１０１Ａを
示す。この図に示すように、裏面（第２の主面）１０１
Ｂには、画素１１０を構成する光電変換部（読み出し部
も兼用）を有する画素１１０が多数配置されてＦＴ方式
のＣＣＤ型固体撮像装置（光電変換領域１３１）が形成
されると共に、光電変換領域１３１の各画素１１０から
送られてくる信号電荷を蓄積するための蓄積部１３２が
形成されている。
【００４４】この蓄積部１３２には、水平読出部１３
３、アンプ１３４が接続されている。光電変換領域１３
１、蓄積部１３２の周囲には、駆動電流を入力したり光
信号を外部に出力するための多数のパッド１３８が配置
される。ここで、裏面（第２の主面）１０１Ｂの凹部１
１２が配置される部分の、表面（第１の主面）１０１Ａ
側が光電変換領域１３１に対応する。このとき蓄積部１
３２に対応する部分には凹部１１２が配置されていない
ので、この部分に各種回路と電気的に接続された信号処
理回路１８０が配置される。
【００４５】尚、信号処理回路１８０は、表面（第１の
主面）１０１Ａ側に配置してもよい。又、上記した多数
のパッド１３８を裏面（第２の主面）１０１Ｂ側に配置
してよい。ところで、上記した信号処理回路１８０は、
光の入射によって余分な箇所で光電変換が起こらないよ
うに遮光する必要がある。この信号処理回路１８０を遮
光するに当たっては、例えば、シリコン基板１０１の表
面（第１の主面）１０１Ａに信号処理回路１８０の部分
を覆うように遮光膜を形成しておいてもよいし、パッケ
ージ１５０（図２参照）によって信号処理回路１８０の
部分を覆うようにしてもよい。
【００４６】尚、上記した第１の実施の形態では、凹部
１１２の底部（有機分子プローブ配置領域）にスポッテ
ィングによってＤＮＡプローブを固定化する例をあげて
説明したが、この有機分子プローブ配置領域に、半導体
リソグラフィ技術を用いてＤＮＡプローブを合成しても
よい。又、上記した第１の実施形態では、１つの凹部１
１２を１つの画素１１０に対応して設けた例をあげて説
明したが、複数の画素１１０に対応するように１つの凹
部１１２を設けてもよい。
【００４７】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態の有機分子検出用半導体装置２００につい
て、図９、図１０を用いて説明する。この第２の実施の
形態の有機分子検出用半導体装置２００は、図９に示す
ように、シリコン基板２０１の入射面（第２の主面）２
０１Ｂに、ＤＮＡプローブを化学合成するタイプの有機
分子検出用半導体装置であり、従って、上記した第１の
実施の形態の有機分子検出用半導体装置１００との差異
は、裏面（第２の主面）２０１Ｂにスポッティング用の
凹部が設けられていない点である。尚、他の構造は、上
記第１の実施の形態の有機分子検出用半導体装置１００
と同じであり、その詳細な説明は省略する。
【００４８】この第２の実施の形態の有機分子検出用半
導体装置２００も、フレームトランスファ（ＦＴ）方式
のＣＣＤ型固体撮像装置である（図３参照）。これによ
り有機分子検出用半導体装置２００でも、蛍光標識が付
されたＤＮＡに紫外線等の短波長の光を照射した際に生
じる蛍光の検出感度が向上する。
【００４９】この有機分子検出用半導体装置２００で
は、半導体基板（シリコン基体）２０１は、厚さ１０μ
ｍ〜２０μｍ程度に薄膜化されて、入射面（背面）近傍
で発生した電子がその表面の受光素子（拡散層、電極
等）に到達することが容易になっている。ここで、ＤＮ
Ａプローブ１６１は、図９に示すように、裏面（第２の
主面）２０１Ｂの所定の領域（表面２０１Ａの画素２１
０に対応する箇所）に合成して固定される。この場合、
固定されるＤＮＡプローブ１６１は、図に示すように、
画素２１０に対応する領域毎に異ならせることができる
（１６１ａ〜１６１ｄ）。
【００５０】又、入射面となる裏面（第２の主面）２０
１Ｂの全面には、光学フィルタ兼ＤＮＡ固定膜２１４が
形成されている。この光学フィルタ兼ＤＮＡ固定膜２１
４により、特定構造のＤＮＡ１７２（１７２ａ〜１７２
ｄ）の測定に際して、励起光（例えば、紫外線）を照射
しながら各ＤＮＡプローブ１６１ａ〜１６１ｄからの蛍
光を測定することが可能となる。
【００５１】このように第２の実施の形態の有機分子検
出用半導体装置２００によれば、特定構造のＤＮＡ（タ
ーゲット）１７２からの蛍光を読み出すための光学系は
不要となり、特定構造のＤＮＡの測定に必要な装置全体
のコンパクト化が図られる。次に有機分子検出用半導体
装置２００の製造方法について、図１０を用いて説明す
る。
【００５２】図１０（ａ）は、第１の実施の形態の製造
工程（図７（ｃ））に続いて行われる工程である。有機
分子検出用半導体装置２００は、主にＤＮＡプローブ１
６１を化学的に合成するＤＮＡ測定方法に適用されるの
で、裏面（第２の主面）２０１Ｂが平坦であり、シリコ
ン基板２０１の厚さｄ２が１０μｍ〜２０μｍまでエッ
チングされる。
【００５３】次に、蛍光を透過して紫外線を遮断する光
学フィルタと、ＤＮＡプローブ１６１を表面に固定可能
な膜とを兼用する多層膜（光学フィルタ兼ＤＮＡ固定膜
２１４）が、裏面（第２の主面）２０１Ｂの全面を覆う
ように形成される。この光学フィルタ兼ＤＮＡ固定膜２
１４も、第１の実施の形態と同じ構造である。ここまで
の工程で得られたデバイス構造を図１０（ｂ）に示す。
【００５４】このように構成された有機分子検出用半導
体装置２００にあっては、図９に示すように有機分子検
出用半導体装置２００が、セラミック製のパッケージ１
５０に収容される。尚、この第２の実施の形態では、裏
面（第２の主面）２０１ＢにＤＮＡ塩基配列を化学的に
合成してＤＮＡプローブを形成する例をあげて説明した
が、裏面（第２の主面）２０１Ｂ上に天然のＤＮＡをス
ポッティングしてもよい。この場合、第１の実施の形態
の有機分子検出用半導体装置１００のような凹部１１２
が形成されていないので、画素２１０に対応する部分に
のみ、光学フィルタ兼ＤＮＡ固定膜２１４を形成してお
けば、スポッティング時に、この部分にのみＤＮＡプロ
ーブ１６１を固定することができる。この場合、光学フ
ィルタ兼ＤＮＡ固定膜２１４のパターニング時に、表面
（第１の主面）２０１Ａ側の画素２１０とのアライメン
トを正確に行えばよい。
【００５５】以上説明したように、第１、第２の実施の
形態の有機分子検出用半導体装置１００、２００は、背
面入射型のフレームトランスファ方式のＣＣＤ型固体撮
像装置であるため、ＤＮＡプローブが配置された領域
と、信号処理部が形成された領域とを完全に分離するこ
とができる。これにより、有機分子検出用半導体装置１
００、２００のＤＮＡプローブが固定された裏面（第２
の主面）は、特定構造のＤＮＡの検出が終了する毎に、
化学的な処理（剥離用の薬品による処理）によって当該
ＤＮＡプローブを除去して、他のＤＮＡプローブを固定
し直して、この有機分子検出用半導体装置１００、２０
０を繰り返し用いた特定構造のＤＮＡの測定が可能にな
る。
【００５６】又、上記した第１、第２の実施の形態で
は、特定構造のＤＮＡを検出するために、有機分子検出
用半導体装置１００、２００の裏面（第２の主面）１０
１Ｂ、２０１ＢにＤＮＡプローブ１６１を固定する例を
あげて説明したが、ｍＲＮＡプローブ、たんぱく質プロ
ーブ等の他の有機分子プローブを固定して、これら特定
構造のｍＲＮＡ、たんぱく質等の測定に有機分子検出用
半導体装置１００、２００を用いてもよい。
【００５７】又、上記した実施の形態では、有機分子検
出用半導体装置１００、２００として、フレームトラン
スファ方式のＣＣＤ型固体撮像装置を用いた例をあげて
説明したが、背面入射型の固体撮像装置であれば、ＣＭ
ＯＳ型固体撮像装置等にも、本発明は適用できる。尚、
フレームトランスファ方式の固体撮像装置には、所謂フ
ルフレームトランスファ方式の固体撮像装置が含まれる
のは、勿論である。
【００５８】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１又は請求
項４の発明によれば、ＤＮＡ等の有機分子の解析時に、
ターゲットから生じた光を読み出すための光学系を別途
設ける必要がなくなり、有機分子の解析の装置全体がコ
ンパクトとなり製造コストも低減される。又、半導体製
造技術によって形成された光電変換部と、有機的な化学
処理によって形成された有機分子プローブとが、互いに
異なる面に形成されているため、特に、光電変換部に、
有機分子プローブの形成に用いられる薬品の不純物が影
響を与えることがなくなる。
【００５９】又、請求項２又は請求項６の発明によれ
ば、励起光を照射させながら当該蛍光を測定することが
可能となり、特定構造の有機分子（ＤＮＡ等）の解析処
理の時間を短縮できる。又、請求項３の発明によれば、
電荷転送のためにＣＣＤを用いた場合に、ポテンシャル
井戸の形成に必要な厚さを確保しつつ、入射面で生じた
電子を第１の主面側の光電変換部で高感度で検出でき
る。
【００６０】又、請求項５の発明によれば、背面入射の
フレームトランスファ方式のＣＣＤ型固体撮像装置が構
成されるので、開口率（８０％以上）が向上し、測定時
に有機分子プローブから発生する微弱な蛍光を感度よく
測定することができる。又、請求項７の発明によれば、
スポッティングを容易に、かつ、確実に行うことができ
る。
【００６１】又、請求項８の発明によれば、特定構造の
有機分子の解析を高精度で、かつ、短時間で行うことが
できる。又、請求項９の発明によれば、分子配列の異な
る有機分子プローブが固定されるので、複数種類のター
ゲット（ＤＮＡ）を一度の処理で検出することが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の有機分子検出用半導体装置１
００の断面図である。
【図２】第１の実施形態の有機分子検出用半導体装置１
００がパッケージ１５０に収容された状態を示す図であ
る。
【図３】第１の実施形態の有機分子検出用半導体装置１
００の構成の概略を示すブロック図である。
【図４】第１の実施形態の有機分子検出用半導体装置１
００を用いてＤＮＡの解析をする様子を示す図である。
【図５】第１の実施形態の有機分子検出用半導体装置１
００のを用いてＤＮＡの解析をする様子を示す拡大図で
ある。
【図６】第１の実施形態の有機分子検出用半導体装置１
００の各製造工程を示す断面図である。
【図７】第１の実施形態の有機分子検出用半導体装置１
００の各製造工程を示す断面図である。
【図８】第１の実施の形態の有機分子検出用半導体装置
１００の概略を示す斜視図である。
【図９】第２の実施形態の有機分子検出用半導体装置２
００がパッケージ１５０に収容された状態を示す図であ
る。
【図１０】第２の実施形態の有機分子検出用半導体装置
２００の各製造工程を示す断面図である。
【図１１】従来の有機分子検出用半導体装置１０の断面
図である。
【符号の説明】
１００，２００ 有機分子検出用半導体装置 １０１，２０１ シリコン基板（半導体基板） １０１Ａ，２０１Ａ 第１の主面（表面） １０１Ｂ，２０１Ｂ 第２の主面（裏面） １１０，２１０ 画素 １１２ 凹部 １１４，２１４ 光学フィルタ兼ＤＮＡ固定膜 １６１ ＤＮＡプローブ（有機分子プローブ） １７２ ＤＮＡ（ターゲット）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 21/64 Ｇ０１Ｎ 33/566 33/566 37/00 １０２ 37/00 １０２ Ｃ１２Ｎ 15/00 Ｆ Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｋ Ｆターム(参考） 2G043 AA03 BA16 CA03 DA02 DA06 EA01 GA07 GB01 JA02 KA03 LA01 4B024 AA11 AA19 BA80 CA01 CA09 CA12 HA14 4B029 AA07 BB15 BB20 CC03 CC08 FA15 4B063 QA01 QA18 QQ42 QQ52 QQ79 QR32 QR36 QR48 QR55 QR84 QS03 QS10 QS14 QS25 QS34 QS36 QS39 QX02 4M118 AA10 AB01 BA12 CA40 FA06

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板の第１の主面に光電変換部が
    配置され、 第２の主面に有機分子プローブ配置領域が形成されてい
    ることを特徴とする有機分子検出用半導体素子。
  2. 【請求項２】 前記第２の主面には、少なくとも有機分
    子プローブ配置領域に対応する位置に光学フィルタが形
    成されていることを特徴とする請求項１に記載の有機分
    子検出用半導体素子。
  3. 【請求項３】 前記半導体基板は、前記第２の主面の前
    記有機分子プローブ配置領域から、前記第１の主面の前
    記光電変換部までの厚さが、ＣＣＤのポテンシャル井戸
    の深さに応じて決定されていることを特徴とする請求項
    １又は請求項２に記載の有機分子検出用半導体素子。
  4. 【請求項４】 半導体基板の第１の主面に光電変換部が
    複数配置され、 第２の主面に有機分子プローブ配置領域が、少なくとも
    前記光電変換部に対応して設けられていることを特徴と
    する有機分子検出用半導体装置。
  5. 【請求項５】 前記第１の主面に、複数の前記光電変換
    部が配置された光電変換領域が形成され、前記第２の主
    面が光の入射面となってＣＣＤ型固体撮像装置が構成さ
    れていることを特徴とする請求項４に記載の有機分子検
    出用半導体装置。
  6. 【請求項６】 前記第２の主面には、少なくとも有機分
    子プローブ配置領域に光学フィルタが形成されているこ
    とを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の有機分子
    検出用半導体装置。
  7. 【請求項７】 前記第２の主面には、前記有機分子プロ
    ーブ配置領域に対応する複数の凹部が設けられているこ
    とを特徴とする請求項４から請求項６の何れか１項に記
    載の有機分子検出用半導体装置。
  8. 【請求項８】 請求項４から請求項７の何れか１項に記
    載の半導体装置を利用した有機分子の測定方法であっ
    て、 前記第２の主面の有機分子プローブ配置領域に、少なく
    とも１種の有機分子プローブを固定するステップと、 蛍光標識された試料を前記第２の主面に流し込んで、該
    試料に含まれた前記有機分子プローブに対応する分子構
    造を有するターゲットを当該有機分子プローブに結合さ
    せるステップと、 前記有機分子プローブが固定された前記第２の主面に励
    起光を照射するステップと、 前記励起光の照射によって生じた蛍光を、前記第１の主
    面に配置された前記光電変換部により検知して光信号を
    出力するステップとを含むことを特徴とする有機分子の
    測定方法。
  9. 【請求項９】 前記第２の主面に複数配置された前記有
    機分子プローブ配置領域には、各領域毎に分子構造の異
    なる有機分子プローブが固定されることを特徴とする請
    求項８に記載の有機分子の測定方法。
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