JP2004144630A - Organic molecule detection element and organic molecule detection apparatus - Google Patents

Organic molecule detection element and organic molecule detection apparatus Download PDF

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Inventor
Takeshi Yagi
八木 健
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Nikon Corp
株式会社ニコン
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electro-chemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic molecule detection element and an organic molecule detection apparatus for achieving improvement of working efficiency and miniaturization and simplification of the detection apparatus and improving detection sensitivity. <P>SOLUTION: A pair of electrode regions 21, 22 is provide on a main face of a semiconductor substrate 11, and includes insulative films 12, 13 formed on the main face of the semiconductor substrate, a metal film 17 formed and covering a predetermined region 11a on the main face between the electrode regions through the insulative films and a fixing region 19 of an organic molecule disposed on a surface of the metal film. A current path is formed in the predetermined region 11a based on a charge of the fixed organic molecule when the organic molecule is fixed to the fixing region 19 at least. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】 [0001]
【発明の属する技術分野】 BACKGROUND OF THE INVENTION
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および有機分子検出装置に関する。 The present invention, various organic molecules (e.g., bases including nucleic acid or protein such as DNA or RNA) to an organic molecule detecting element and the organic molecule detecting apparatus used for detecting.
【0002】 [0002]
【従来の技術】 BACKGROUND OF THE INVENTION
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。 Conventionally, in order to analyze the nucleotide sequence and properties of DNA, the detection of DNA using a DNA chip have been made. 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 chip is obtained by fixing a probe (DNA as an index) to the glass plate surface. 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。 The probe of the DNA chip, and the target fluorescent material is added (DNA to be detected) is hybridized, the analysis of DNA is made.
【0003】 [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。 Here, DNA having a known base sequence and characteristics when it is fixed as a probe, DNA of unknown nucleotide sequence and characteristics are hybridized to the probe as a target. 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。 Conversely, there is also possible to use nucleotide sequencing is the unknown DNA probes, a known DNA as a target.
【0004】 [0004]
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。 In any case, after the hybridization treatment, DNA chips are thoroughly washed, except the target fixed to the probe is removed. 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。 As a result, on one DNA chip, so that the place where the probe and target is stuck dotted. 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。 In place of each probe and the target is fixed, the probe or target, such as the base sequence is known of DNA.
【0005】 [0005]
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。 Because the target is pre fluorescent material added to the phosphor as a label, it is possible to probe and target is detected and whether or its fixed position hybridized.
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。 Specifically, upon analysis of the DNA using a DNA chip, hybridization to DNA chips after soybeans is irradiated excitation light such as ultraviolet light, fluorescence visually and the image pickup device from the fluorescent substance excited by the excitation light observed by the probe and the target and whether or its fixed position hybridized is detected.
【0006】 [0006]
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。 When the information such as the fixation position of the probe and the target can be obtained, it is possible to identify a known base sequence and characteristics of the probe (or target) on the basis of this information, and the like specified known base sequence unknown nucleotide sequence and characteristics of the target (or probe) can be analyzed based.
しかし、DNAチップを用いてDNAの検出を行うためには、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。 However, in order to detect the DNA using a DNA chip, before hybridizing the target relative to a fixed probe on the glass plate surface, keep by adding fluorescent substances for pre-labeled for the target because there must be, resulting in poor work efficiency.
【0007】 [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。 Further, in order to probe and target to detect a whether or its secured position hybridized is required source and an optical system for exciting the fluorescent substance added to the target, observing the fluorescence from the fluorescent substance optical system and an imaging device which is also necessary. 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。 The optical system for observing the fluorescence, include an optical filter or a microscope that transmits fluorescence blocks the excitation light. つまり、検出装置が大きく複雑であった。 That is, the detection device was large and complex.
【0008】 [0008]
ところで、トランジスタによるDNAの検出装置も提案されている(例えば特許文献1参照)。 Incidentally, even detector of DNA by the transistor has been proposed (e.g. see Patent Document 1). この検出装置では、MOSトランジスタのゲートにプローブ(指標となるDNA)を固定化し、これにターゲット(検出対象となるDNA)をハイブリダイズさせ、ソース・ドレイン間の電流量の変動を検出することにより、DNAの検出を行う。 In this detection device, by a probe (DNA as an index) immobilized on the gate of the MOS transistor, this is hybridized to the target (DNA to be detected), detecting variations in the current amount between the source and drain , for the detection of DNA.
【0009】 [0009]
このため、ターゲットに対する蛍光処理(標識用の蛍光物質の付加)や特殊な解析装置(励起用,蛍光観察用の光学系など)を必要とせず、簡便にDNAを検出できる。 Therefore, the fluorescence process to the target (the addition of a fluorescent substance for labeling) and special analysis device without the need for (for excitation, an optical system such as for fluorescence observation), can conveniently detect the DNA.
【特許文献1】 [Patent Document 1]
特表2001−511245号公報(第6−7頁,第1図) Kohyo 2001-511245 JP (6-7 pages, Fig. 1)
【0010】 [0010]
【発明が解決しようとする課題】 [Problems that the Invention is to Solve
しかしながら、上記の特許文献1に記載された検査装置では、DNAチップを用いた場合と比較して、DNAの検出感度が低かった。 However, the inspection apparatus described in Patent Document 1 described above, as compared with the case of using a DNA chip, lower the detection sensitivity of DNA. このため、MOSトランジスタのゲート上のプローブやターゲットの数量が少ないと、良好な検出結果を得ることができなかった。 Therefore, when the probe and target quantities on the gate of the MOS transistor is small, it was not possible to obtain a satisfactory detection result.
【0011】 [0011]
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と共に、検出感度を向上させることもできる有機分子検出用素子および有機分子検出装置を提供することにある。 An object of the present invention, it is possible to realize a reduction in size and simplification of improving the detection device for a working efficiency, to provide an organic molecule detecting element and the organic molecule detecting apparatus which can also improve the detection sensitivity.
【0012】 [0012]
【課題を解決するための手段】 In order to solve the problems]
請求項1に記載の有機分子検出素子は、半導体基板の主面に一対の電極領域を設け、前記主面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記電極領域の間の前記主面側の所定領域を覆うように形成された金属膜と、前記金属膜の表面に配置された有機分子の固定領域とを含み、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。 The organic molecule detecting device according to claim 1 is provided with a pair of electrode regions on the main surface of the semiconductor substrate, an insulating film formed on said main surface, said main between the electrode region via said insulating film wherein a metal film formed so as to cover a predetermined region of the surface side, and a fixing region of the organic molecules arranged on the surface of the metal film, the predetermined region, said organic molecules to at least the fixed area fixed when, in which a current path is formed in accordance with the charge amount of the immobilized organic molecules.
【0013】 [0013]
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の有機分子検出素子において、前記金属膜の表面の面積は、前記所定領域の前記主面内での面積より大きいものである。 According to a second aspect of the invention, the organic molecule detecting device according to claim 1, the area of ​​the surface of the metal film is larger than the area in the main surface of the predetermined region.
請求項3に記載の有機分子検出素子は、半導体基板の主面に一対の電極領域を設け、前記主面に形成された金属膜と、前記金属膜の表面に配置された有機分子の固定領域とを含み、前記半導体基板は、前記電極領域の間の前記主面側に制御電極領域を有し、前記金属膜は、前記制御電極領域を覆うように形成され、かつ、前記金属膜の表面の面積が前記制御電極領域の前記主面内での面積より大きく、前記電極領域の間で前記制御電極領域に隣接する所定領域には、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。 The organic molecule detecting device according to claim 3, a pair of electrode regions on the main surface of the semiconductor substrate, and a metal film formed on said main surface, a fixed region of the organic molecules arranged on the surface of the metal film wherein the door, the semiconductor substrate has a control electrode region in the main surface between the electrode regions, the metal film is formed to cover the control electrode region, and the surface of the metal film larger than the area in the main surface area of ​​the control electrode region, a predetermined region adjacent to said control electrode region between the electrode region, when the organic molecules is fixed at least in the fixing region, in which a current path is formed in accordance with the charge amount of the immobilized organic molecules.
【0014】 [0014]
請求項4に記載の有機分子検出素子は、半導体基板の主面に一対の電極領域を設け、前記主面に配置された有機分子の固定領域を含み、前記半導体基板は、前記電極領域の間の前記主面側に制御電極領域を有し、かつ、前記制御電極領域の表面に内部へ向けてV字型の凹部を有し、前記固定領域は、前記V字型の凹部に配置され、前記電極領域の間で前記制御電極領域に隣接する所定領域には、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。 The organic molecule detecting device according to claim 4, a pair of electrode regions on the main surface of the semiconductor substrate includes a fixed area of ​​the arranged organic molecules to said main surface, said semiconductor substrate, between the electrode regions wherein a control electrode region on the main surface side, and of a recess of V-shaped towards the inside surface of said control electrode region, the fixing region is disposed in the V-shaped recess of in a predetermined region adjacent to said control electrode region between the electrode region, when the organic molecules to at least the fixed area is fixed, a current path is formed in accordance with the charge amount of the immobilized organic molecules it is intended.
【0015】 [0015]
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の有機分子検出素子において、前記電極領域は、前記半導体基板のうち、前記制御電極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。 Invention according to claim 5, in the organic molecule detecting device according to claim 4, wherein the electrode area, the one of the semiconductor substrate, which are disposed on the main surface near the side opposite to the control electrode region it is.
請求項6に記載の有機分子検出装置は、請求項1から請求項5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ものである。 The organic molecule detecting apparatus according to claim 6, the electrical characteristics of the current path formed the organic molecule detecting device according to any one of claims 1 to 5, the predetermined region of the semiconductor substrate is obtained by a measuring means for measuring.
【0016】 [0016]
【発明の実施の形態】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態) (First Embodiment)
本発明の第1実施形態は、請求項1,請求項2,請求項6に対応する。 First embodiment of the present invention, according to claim 1, claim 2, corresponding to the claim 6. 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。 Here, description for the detection of DNA is an example of organic molecules. 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。 The organic molecule detecting element 10 of the first embodiment has the same operating characteristics and MOS-FET of the enhancement (enhancement) type, by utilizing the fact that DNA is negatively charged in the semiconductor element for detecting the DNA is there.
【0017】 [0017]
有機分子検出素子10の構成について説明する。 The structure of the organic molecule detecting device 10 will be described. この有機分子検出素子10は、図1(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と、配線用の金属膜14,15と、シリコン酸化膜16と、DNA固定用の金属薄膜17とを順に形成したものである。 The organic molecule detecting element 10, as shown in FIG. 1 (sectional view), the main surface of the silicon substrate 11, a silicon oxide film 12, the metal films 14 and 15 for wiring, a silicon oxide film 16 it is obtained by forming a metal thin film 17 for DNA fixed in order. そして、金属薄膜17の表面に、指標DNA18を固定する領域(以下「DNA固定領域19」という)が配置される。 Then, on the surface of the metal thin film 17, a region for fixing the indicator DNA18 (hereinafter referred to as "DNA fixed region 19") is arranged. 各膜(12〜17)の形成は、周知の半導体プロセス技術を用いて行われる。 Formation of the film (12 to 17) is carried out using well-known semiconductor processing techniques.
【0018】 [0018]
また、有機分子検出素子10のシリコン基板11(半導体基板)には、その主面側に、一対の電極領域21,22が形成されている。 Further, in the silicon substrate 11 of the organic molecule detecting element 10 (semiconductor substrate), on its main surface, a pair of electrode regions 21 and 22 are formed. 電極領域21,22は、ソース・ドレインに相当する。 Electrode regions 21 and 22 correspond to the source and drain. 電極領域21,22の導電型は、シリコン基板11の導電型とは逆である。 Conductivity type electrode regions 21 and 22, the conductivity type of the silicon substrate 11 is reversed.
シリコン酸化膜12,13(絶縁膜)は、シリコン基板11の電極領域21,22に挟まれた領域の膜厚Dが、10Å〜1000Å程度に薄膜化されている。 Silicon oxide films 12 and 13 (insulating layer), the thickness D of the region sandwiched between the electrode regions 21 and 22 of the silicon substrate 11 has been thinned to approximately 10A~1000A. また、シリコン酸化膜12,13の一部には、貫通孔14a,15aが設けられている。 Further, a portion of the silicon oxide film 12 and 13, through holes 14a, 15a are provided. 貫通孔14a,15aは、各々、配線用の金属膜14,15を電極領域21,22に電気的接続するためのコンタクトホールである。 Through holes 14a, 15a, respectively, a contact hole for electrically connecting the metal films 14 and 15 for wiring to the electrode regions 21 and 22.
【0019】 [0019]
シリコン酸化膜16は、金属膜14,15を覆うように形成されている。 Silicon oxide film 16 is formed so as to cover the metal films 14 and 15. ただし、後述の測定機器(41,42)を電気的に接続するため、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。 However, in order to electrically connect the later measuring instrument (41, 42), a portion of the metal film 14 and 15, the exposed portion is secured without the silicon oxide film 16.
【0020】 [0020]
さらに、DNA固定用の金属薄膜17(金属膜)は、シリコン酸化膜12,13の薄膜化された部分を介して、電極領域21,22の間の主面側の領域11aを覆うように形成されている。 Furthermore, the metal thin film 17 (metal film) for DNA fixation, via a thinned portion of the silicon oxide films 12 and 13, formed so as to cover the main surface of the region 11a between the electrode regions 21 and 22 It is. 金属薄膜17は、MOSのゲート部に相当する。 The metal thin film 17 corresponds to the gate of the MOS. この金属薄膜17とシリコン基板11の領域11aとは、薄膜化されたシリコン酸化膜12,13を介して絶縁されている。 The region 11a of the metal film 17 and the silicon substrate 11 are insulated via the silicon oxide films 12 and 13 which are thinned.
【0021】 [0021]
また、金属薄膜17は、シリコン酸化膜12,13,16による凹部の中だけでなく、この凹部の周囲(シリコン酸化膜16の上)まで延在して形成されている。 Further, the metal thin film 17, not only in the recess by the silicon oxide film 12, 13, 16, are formed extending to the periphery of the recess (on the silicon oxide film 16). このため、金属薄膜17の表面の面積、つまり、DNA固定領域19の面積は、シリコン基板11の領域11aの主面内での面積より大きく確保されたことになる。 Therefore, the area of ​​the surface of the metal thin film 17, i.e., the area of ​​DNA fixed region 19, will have been secured larger than the area in the main surface of the region 11a of the silicon substrate 11. これは、検出感度を確実に向上させるためである。 This is to reliably improve the detection sensitivity.
【0022】 [0022]
金属薄膜17の材料としては、例えば金を用いることが好ましい。 As a material of the metal thin film 17, it is preferable to use, for example, gold. しかし、金の他、耐薬品性の優れた金属であれば何でも用いることができる(例えばPt,W,Al)。 However, other gold, can be used any number as long as the chemical resistance of the good metal (e.g. Pt, W, Al).
上記構成の有機分子検出素子10において、DNA固定領域19に指標DNA18が固定されると、シリコン基板11の領域11aには、指標DNA18の帯電量に応じて電流経路が形成される。 In the organic molecule detecting element 10 of the above construction, when the index DNA18 to DNA fixed region 19 is fixed, the region 11a of the silicon substrate 11, a current path is formed in accordance with the charge amount indicator DNA18. 指標DNA18の帯電量は、固定化された数量にほぼ比例している。 Charge amount indicator DNA18 is approximately proportional to the immobilized quantity.
【0023】 [0023]
また、指標DNA18に検出対象のDNA(不図示)が相補結合されると、シリコン基板11の領域11aには、固定化された指標DNA18の数量(つまり帯電量)と、相補結合された検出対象のDNA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。 Further, the DNA to be detected as an index DNA18 (not shown) is complementary coupling, the detection subject region 11a of the silicon substrate 11, the immobilized quantity indicator DNA18 with (i.e. charge), was complemented coupled depending on the total amount of the quantity (i.e. charge) of the DNA, a current path is formed.
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。 Then, as the width of the current path formed in the region 11a of the silicon substrate 11 is wide, between the electrode region 21, a large amount of current flows. したがって、電極領域21,22間の領域11aを流れる電流の量に基づいて、DNA固定領域19に指標DNA18が固定されたか否かや、指標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。 Therefore, based on the amount of current flowing through the region 11a between the electrode regions 21 and 22, whether Kaya index DNA18 is fixed to the DNA-immobilized region 19, DNA to be detected as an index DNA18 is whether complementarily binding It can be detected.
【0024】 [0024]
さらに、第1実施形態の有機分子検出素子10では、DNA固定領域19の面積(金属薄膜17の表面の面積)をシリコン基板11の領域11aの面積より大きくしたので、DNA固定領域19と領域11aの面積が同程度の場合と比較して、検出感度が確実に向上する。 Further, in the organic molecule detecting element 10 of the first embodiment, the area of ​​DNA fixed area 19 (area of ​​the surface of the metal thin film 17) was greater than the area of ​​the region 11a of the silicon substrate 11, DNA fixed region 19 and the region 11a area is compared with the case of the same degree, the detection sensitivity is reliably improved.
指標DNA18や検出対象のDNAによって生ずる電位変化は、金属薄膜17の表面の面積に比例するため、金属薄膜17の面積を大きく確保することで、指標DNA18や検出対象のDNAによって大きな電位変化を生じさせることができるからである。 Potential change caused by the index DNA18 and detecting target DNA is proportional to the area of ​​the surface of the metal thin film 17, by securing a large area of ​​the metal thin film 17 results in a large potential change by DNA indicators DNA18 and detected This is because it is possible to.
【0025】 [0025]
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2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。 Here, the organic molecule detecting apparatus 40 constructed using an organic molecule detecting device 10 described above, as shown in FIG. 2, other organic molecules detection device 10, power supply 41 and the ammeter 42 (measuring means) It is provided. 電源41は定電圧源である。 Power supply 41 is a constant voltage source. 電源41,電流計42は、有機分子検出素子10の金属膜14,15の間に接続される。 Power supply 41, the ammeter 42 is connected between the metal films 14 and 15 of the organic molecule detecting element 10.
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。 In the organic molecule detecting apparatus 40, the power supply 41, a predetermined voltage is applied between the metal films 14 and 15 of the organic molecule detecting element 10, the ammeter 42, between metal films 14 and 15 of the organic molecule detecting element 10 measurement of the amount of current flowing through takes place. 金属膜14,15間を流れる電流量とは、シリコン基板11(図1)の電極領域21,22間を流れる電流量に対応する。 The amount of current flowing between the metal films 14 and 15, corresponding to the amount of current flowing between electrode regions 21 and 22 of the silicon substrate 11 (FIG. 1).
【0026】 [0026]
したがって、有機分子検出装置40(図2)では、電流計42によって測定された電流値に基づいて、有機分子検出素子10のDNA固定領域19に指標DNA18が固定されたか否かや、指標DNA18に検出対象のDNAが相補結合されたか否かを高感度で検出することができる。 Thus, the organic molecule detecting apparatus 40 (FIG. 2), based on the current value measured by the ammeter 42, whether Kaya index DNA18 is fixed to DNA fixed region 19 of the organic molecule detecting element 10, an index DNA18 DNA to be detected can be detected whether or not a complementary binds with high sensitivity.
上記したように、第1実施形態では、DNAがマイナスに帯電していることを利用するため、検出対象のDNAに対して予め標識(蛍光物質など)を付加しなくても、標識DNA18や検出対象のDNAを容易に検出できる。 As described above, in the first embodiment, to utilize the fact that DNA is negatively charged, even without adding previously labeled (fluorescent substance) to the DNA to be detected, labeled DNA18 and detection the target DNA can be easily detected.
【0027】 [0027]
さらに、第1実施形態では、有機分子検出素子10のDNA固定領域19の面積(金属薄膜17の表面の面積)をシリコン基板11の領域11aの面積より大きくしたため、DNA固定領域19上の指標DNA18や検出対象の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。 Furthermore, in the first embodiment, since the area of ​​the DNA fixed region 19 of the organic molecule detecting element 10 (an area of ​​the surface of the metal thin film 17) was greater than the area of ​​the region 11a of the silicon substrate 11, an index of the DNA fixed area 19 DNA18 even charge amount of DNA and the detection target is small, by the charge amount, the width of the current path between the electrode regions 21 and 22 can be efficiently controlled, enabling highly sensitive detection.
【0028】 [0028]
また、第1実施形態では、検出対象のDNAに標識を付加する必要がないため、作業効率が向上する。 In the first embodiment, since there is no need to add a label to the DNA to be detected, thereby improving the working efficiency. さらに、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。 Furthermore, since no fluorescent substance-labeled, a light source and an optical system for exciting the fluorescent substance, and an optical system and an imaging device to observe the fluorescence from the fluorescent substance it is not required, measuring the current value configuration required instead since the means (41, 42) which realizes miniaturization and simplification of the detection device can be configured inexpensively.
【0029】 [0029]
なお、上記した第1実施形態では、エンハンスメント型のMOS−FETと同様の動作特性を有する有機分子検出素子10を例に説明したが、本発明は、ディプリッション(depletion)型のMOS−FETと同様の動作特性を有する有機分子検出素子にも適用することができる。 In the first embodiment described above, the organic molecule detecting element 10 having the same operating characteristics and MOS-FET of the enhancement type is described as an example, the present invention is di Puritsu Deployment (depletion) type MOS-FET it can also be applied to an organic molecule detecting device having similar operating characteristics and. この場合、シリコン基板11の電極領域21,22の間の主面側には、シリコン基板11とは逆導電型のチャネル領域が形成される。 In this case, the main surface side between the electrode regions 21 and 22 of the silicon substrate 11, the channel region of the opposite conductivity type is formed in the silicon substrate 11.
【0030】 [0030]
また、上記した第1実施形態では、シリコン基板11の同一主面側にDNA固定領域19と金属膜14,15とを形成したが、DNA固定領域19と金属膜14,15とをシリコン基板11の反対側の主面に形成しても良い。 In the first embodiment described above has formed a DNA fixed area 19 and the metal films 14 and 15 on the same main surface side of the silicon substrate 11, a silicon substrate 11 and a DNA fixed area 19 and the metal films 14 and 15 of it may be formed on the main surface of the opposite side. この場合、電極領域21,22は、DNA固定領域19が形成される側の主面(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。 In this case, the electrode region 21, 22 from the main surface (surface) or near the side where the DNA fixed area 19 is formed to the main surface (back surface) opposite to the continuously deeper. また、領域11aの絶縁膜はシリコン窒化膜などでも良い。 The insulating film in the region 11a may be a silicon nitride film.
【0031】 [0031]
(第2実施形態) (Second Embodiment)
本発明の第2実施形態は、請求項3,請求項6に対応する。 Second embodiment of the present invention, according to claim 3, corresponding to the claim 6. 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。 Again, is described for the detection of DNA is an example of organic molecules. 第2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。 The organic molecule detecting element 70 of the second embodiment has the same operating characteristics and J-FET, a semiconductor element for detecting the DNA is by utilizing the fact that negatively charged DNA.
【0032】 [0032]
有機分子検出素子70の構成について説明する。 Description will be given of a configuration of the organic molecule detecting element 70. この有機分子検出素子70は、図3(断面図)に示すように、シリコン基板71の主面に、図1の有機分子検出素子10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、さらにDNA固定用の金属薄膜72を形成したものである。 The organic molecule detecting element 70, as shown in FIG. 3 (sectional view), the main surface of the silicon substrate 71, the same silicon oxide film 13 and the metal films 14 and 15 and the silicon organic molecule detecting element 10 of FIG. 1 forming an oxidation film 16, in which further forming a metal thin film 72 for DNA fixation.
ここでは各々の膜13〜16の説明を省略する。 Here it will not be described each membrane 13-16. 金属薄膜72の材料についても、上記した金属薄膜17と同様であるため、その説明を省略する。 For even the material of the metal thin film 72 is the same as the metal thin film 17 as described above, description thereof will be omitted. 以下では、シリコン基板71および金属薄膜72について説明する。 The following describes the silicon substrate 71 and the metal thin film 72.
【0033】 [0033]
有機分子検出素子70のシリコン基板71(半導体基板)は、シリコン層74の上に逆導電型のシリコン層75が形成され、このシリコン層75の表面(シリコン基板71の主面側)にソース領域76とドレイン領域77とゲート領域78が形成されたものである。 Silicon substrate 71 of the organic molecule detecting element 70 (semiconductor substrate) is a silicon layer 75 of the opposite conductivity type on the silicon layer 74 is formed, a source region in a surface of the silicon layer 75 (the main surface side of the silicon substrate 71) 76 and drain region 77 and gate region 78 in which is formed. シリコン層75は、エピタキシャル層である。 Silicon layer 75 is an epitaxial layer.
ソース領域76,ドレイン領域77(一対の電極領域)は、シリコン層75と同じ導電型であり、各々、シリコン酸化膜13の貫通孔14a,15aを介して金属膜14,15に接続されている。 Source region 76, drain region 77 (the pair of electrode regions) are the same conductivity type as the silicon layer 75, respectively, are connected through holes 14a of the silicon oxide film 13, through 15a on the metal films 14 and 15 . ゲート領域78(制御電極領域)は、ソース領域76,ドレイン領域77の間に配置され、シリコン層74と同じ導電型であり、不図示の配線用の金属膜に接続されている。 Gate region 78 (control electrode region) is disposed between the source region 76, drain region 77, the same conductivity type as the silicon layer 74, and is connected to the metal film for wiring (not shown).
【0034】 [0034]
また、シリコン層75のソース領域76とドレイン領域77とに挟まれ、かつ、シリコン層75のゲート領域78とシリコン層74とに挟まれた領域71a(所定領域)は、シリコン基板71の内部の領域であり、電流経路(チャネル)の形成領域である。 Furthermore, sandwiched between the source region 76 and drain region 77 of the silicon layer 75, and the region 71a (predetermined region) sandwiched between the gate region 78 and the silicon layer 74 of the silicon layer 75, the inside of the silicon substrate 71 a region, a forming region of the current path (channel).
さらに、シリコン層75のゲート領域78とシリコン層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。 Further, the gate region 78 and the silicon layer 74 of the silicon layer 75 are opposed across the region 71a in the width direction of the current path. ゲート領域78と同様、シリコン層74も不図示の配線用の金属膜に接続されている。 Similarly to the gate region 78, the silicon layer 74 is also connected to the metal film for wiring (not shown). このシリコン層74は、バックゲートとして機能する。 The silicon layer 74 functions as a back gate.
【0035】 [0035]
また、有機分子検出素子70では、上述した有機分子検出素子10のような薄いシリコン酸化膜12が存在していない。 Further, in the organic molecule detecting element 70, a thin silicon oxide film 12, such as an organic molecule detection device 10 described above does not exist. このため、有機分子検出素子70の金属薄膜72は、シリコン基板71のゲート領域78を覆うように形成される。 Therefore, the metal thin film 72 of the organic molecule detecting element 70 is formed to cover the gate regions 78 of the silicon substrate 71. つまり、金属薄膜72とゲート領域78とは電気的に接続される。 That is, the metal thin film 72 and the gate region 78 are electrically connected. そして、金属薄膜72の表面に、指標DNA18を固定する領域(以下「DNA固定領域73」という)が配置される。 Then, on the surface of the metal thin film 72, a region for fixing the indicator DNA18 (hereinafter referred to as "DNA fixed region 73") is arranged.
【0036】 [0036]
さらに、金属薄膜72は、シリコン酸化膜13,16,ゲート領域78による凹部の中だけでなく、この凹部の周囲(シリコン酸化膜16の上)まで延在して形成されている。 Furthermore, the metal thin film 72, the silicon oxide film 13 and 16, not only in the recess by the gate region 78 is formed extending to the periphery of the recess (on the silicon oxide film 16). このため、金属薄膜72の表面の面積、つまり、DNA固定領域73の面積は、シリコン基板71のゲート領域78の主面内での面積より大きく確保されている。 Therefore, the area of ​​the surface of the metal thin film 72, i.e., the area of ​​DNA fixed area 73 is secured greater than the area in the main surface of the gate region 78 of the silicon substrate 71. これは、検出感度を確実に向上させるためである。 This is to reliably improve the detection sensitivity.
【0037】 [0037]
上記構成の有機分子検出素子70において、DNA固定領域73に指標DNA18が固定されると、シリコン基板71のゲート領域78に隣接する領域71aには、指標DNA18の帯電量(∝数量)に応じて電流経路が形成される。 In the organic molecule detecting element 70 of the above construction, when the index DNA18 to DNA fixed region 73 is fixed, in the region 71a adjacent to the gate region 78 of the silicon substrate 71, depending on the charge amount indicator DNA18 (α Quantity) a current path is formed. また、指標DNA18に検出対象のDNAが相補結合されると、領域71aには、指標DNA18と検出対象のDNAとの帯電量(∝数量)の総量に応じて、電流経路が形成される。 Further, the DNA to be detected as an index DNA18 is complementary coupled, in the region 71a, in accordance with the total charge amount of the DNA to be detected as an index DNA18 (α quantity), the current path is formed.
【0038】 [0038]
したがって、ソース領域76,ドレイン領域77の間の領域71aを流れる電流の量に基づいて、DNA固定領域73に指標DNA18が固定されたか否かや、指標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。 Therefore, based on the amount of current flowing through the source region 76, the region 71a between the drain region 77, or whether Kaya index DNA18 is fixed to the DNA-immobilized region 73, DNA to be detected as an index DNA18 was complementary binding can detect whether or not.
さらに、DNA固定領域73の面積(金属薄膜72の表面の面積)をシリコン基板71のゲート領域78の面積より大きくしたので、DNA固定領域73とゲート領域78の面積が同程度の場合と比較して、検出感度が確実に向上する。 Furthermore, since the area of ​​the DNA fixed area 73 (the area of ​​the surface of the metal thin film 72) was greater than the area of ​​the gate region 78 of the silicon substrate 71, the area of ​​DNA fixed region 73 and gate region 78 as compared with the same degree Te, the detection sensitivity is reliably improved.
【0039】 [0039]
有機分子検出素子70を用いてDNAを検出する場合、有機分子検出素子70には、電源41と電流計42(図2)が接続される。 If using the organic molecule detecting element 70 for detecting the DNA, the organic molecule detecting element 70, power supply 41 and ammeter 42 (Fig. 2) is connected. 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、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。 The source region 76 of the organic molecule detecting element 70, a predetermined voltage is applied between the drain region 77, the measurement of the amount of current flowing through the region 71a of the silicon layer 75 is performed using the ammeter 42. このとき、ゲート領域78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)。 At this time, the gate region 78 is maintained in a state of application of voltage is cut off (floating). また、ゲート領域78に対向配置されたシリコン層74には、逆バイアスの電圧(シリコン層75より高い電圧)が印加される。 Further, the silicon layer 74 that is opposed to the gate region 78, a reverse bias voltage (a voltage higher than the silicon layer 75) is applied.
【0040】 [0040]
したがって、有機分子検出素子70によれば、検出対象のDNAに対して予め標識(蛍光物質など)を付加しなくても、電流計42によって測定された電流値に基づいて、上記した指標DNA18や検出対象のDNAを容易に検出することができる。 Therefore, according to the organic molecule detecting element 70, even without additional pre-labeled with (fluorescent substance) to the DNA to be detected, based on the current value measured by the ammeter 42, Ya index DNA18 described above the DNA to be detected can be easily detected.
さらに、有機分子検出素子70のDNA固定領域73の面積(金属薄膜72の表面の面積)をゲート領域78の面積より大きくしたため、DNA固定領域73上の指標DNA18や検出対象のDNAの帯電量が微少であっても、その帯電量によって、ソース領域76,ドレイン領域77の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。 Furthermore, because the area of ​​DNA fixed region 73 of the organic molecule detecting element 70 (an area of ​​the surface of the metal thin film 72) was greater than the area of ​​the gate region 78, the charge amount of the DNA of indicators DNA18 and detected on the DNA fixed area 73 even very small, depending on the charge amount, the source region 76, can be efficiently control the width of the current path between the drain region 77, enabling highly sensitive detection.
【0041】 [0041]
また、有機分子検出素子70では、DNA固定領域73に何も固定されていない場合でも、ソース領域76,ドレイン領域77の間の領域71aに電流経路が形成されるため、この状態で、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。 Further, in the organic molecule detecting element 70, since even if nothing is fixed to the DNA fixed region 73, source region 76, the current path in the region 71a between the drain region 77 is formed, in this state, the organic molecules the variation in time of manufacturing of the detecting element 70 can also be investigated. 指標DNA18をDNA固定領域73に固定させた後で、検出対象のDNAを相補結合させる前に、固定された指標DNA18を定量的に確認することもできる。 The index DNA18 after is fixed to the DNA-immobilized region 73, prior to complementary binding of DNA to be detected, a fixed index DNA18 can be quantitatively confirmed.
【0042】 [0042]
なお、第2実施形態でも、検出対象のDNAに対して予め標識を付加する必要がないため、作業効率が向上する。 Also in the second embodiment, since there is no need to add the pre-labeled to the DNA to be detected, thereby improving the working efficiency. さらに、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。 Further, to realize miniaturization and simplification of the detection device can be configured inexpensively.
さらに、有機分子検出素子70では、DNA固定領域73へ指標DNA18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。 Further, the organic molecule detecting element 70, when fixing the indicator DNA18 to DNA fixed area 73, it is preferable to apply a positive voltage (e.g., 5V) to the gate region 78. これにより、DNA固定領域73に指標DNA18を引き寄せることができ、指標DNA18が微量であっても有効にDNA固定領域73へ固定化できる。 Thus, it is possible to draw the indicator DNA18 to DNA fixed area 73, indicator DNA18 can be immobilized to effectively DNA fixed area 73 be small. このとき、シリコン基板71の電位を調節し、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。 At this time, by adjusting the potential of the silicon substrate 71, it is needless to say that the current does not flow in the forward direction.
【0043】 [0043]
(第3実施形態) (Third Embodiment)
本発明の第3実施形態は、請求項4,請求項6に対応する。 Third embodiment of the present invention, according to claim 4, corresponding to the claim 6. 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。 Again, is described for the detection of DNA is an example of organic molecules. 第3実施形態の有機分子検出素子80は、上述した有機分子検出素子70と同様、J−FETと同様の動作特性を有している。 The organic molecule detecting element 80 of the third embodiment, similarly to the organic molecule detecting device 70 described above has the same operational characteristics as J-FET.
【0044】 [0044]
有機分子検出素子80の構成について説明する。 The structure of the organic molecule detecting element 80 will be described. この有機分子検出素子80は、図4(断面図)に示すように、シリコン基板81の主面に、図3の有機分子検出素子70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、その上にシリコン窒化膜82を形成したものである。 The organic molecule detecting element 80, as shown in FIG. 4 (sectional view), the main surface of the silicon substrate 81, the same silicon oxide film 13 and the metal films 14 and 15 and the silicon organic molecule detecting element 70 in FIG. 3 forming an oxidation film 16 is obtained by forming a silicon nitride film 82 thereon.
また、有機分子検出素子80のシリコン基板81(半導体基板)は、有機分子検出素子70(図3)のシリコン基板71のゲート領域78に代えて、ゲート領域83(制御電極領域)を設け、かつ、このゲート領域83の表面に、内部へ向けてV字型の凹部84を設けたものである。 Further, the silicon substrate 81 of the organic molecule detecting element 80 (semiconductor substrate), instead of the gate region 78 of the silicon substrate 71 of the organic molecule detecting element 70 (FIG. 3), the gate region 83 (control electrode region) is provided, and , the surface of the gate region 83, is provided with a recess 84 of the V-shaped towards the interior.
【0045】 [0045]
そして、V字型の凹部84の表面(シリコン基板81の主面の一部)に、指標DNA18を固定する領域(以下「DNA固定領域85」という)が配置されている。 Then, the surface of the V-shaped recess 84 (a portion of the main surface of the silicon substrate 81), a region for fixing the indicator DNA18 (hereinafter referred to as "DNA fixed region 85") is disposed. このように、ゲート領域83の表面にV字型の凹部84を設け、そこにDNA固定領域85を配置したのは、検出感度を確実に向上させるためである。 Thus, the recess 84 of the V-shaped formed on the surface of the gate region 83, there was arranged a DNA fixed area 85 is to reliably improve the detection sensitivity.
また、シリコン層75のソース領域76とドレイン領域77とに挟まれ、かつ、シリコン層75のゲート領域83とシリコン層74とに挟まれた領域81a(所定領域)は、シリコン基板81の内部の領域であり、電流経路(チャネル)の形成領域である。 Furthermore, sandwiched between the source region 76 and drain region 77 of the silicon layer 75, and the region 81a (predetermined region) sandwiched between the gate region 83 and the silicon layer 74 of the silicon layer 75, the inside of the silicon substrate 81 a region, a forming region of the current path (channel).
【0046】 [0046]
次に、第3実施形態の有機分子検出素子80を製造する工程について、図5〜図7を用いて説明する。 Next, the process of manufacturing the organic molecule detecting element 80 of the third embodiment will be described with reference to FIGS. ここでは、シリコン層74がP型、シリコン層75がN型の例で説明を行う。 Here, the silicon layer 74 is P-type, silicon layer 75 is carried out with the example of N-type.
まず初めに、図5(a)に示すように、単結晶のシリコン層74の上に単結晶のシリコン層75をエピタキシャル成長させて、シリコン基板81を形成する。 First, as shown in FIG. 5 (a), the silicon layer 75 of the single crystal on the silicon layer 74 of the single crystal is epitaxially grown to form a silicon substrate 81. そして、シリコン基板81の主面(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(図5(b))を薄く形成し、その上にレジストパターン102を形成する。 Then, the main surface of the silicon substrate 81 (the surface of the silicon layer 75), by using a thermal oxidation silicon oxide film 101 (FIG. 5 (b)) was formed thinly to form a resist pattern 102 thereon.
【0047】 [0047]
次いで、レジストパターン102をマスクとして、N型不純物103をイオン注入法により高濃度に導入する。 Then, the resist pattern 102 as a mask, the N-type impurity 103 is introduced at a high concentration by ion implantation. その後、レジストパターン102を除去して清浄化し、アニール処理を施すことで、シリコン基板81のシリコン層75には、不純物濃度の高いN型のソース領域76,ドレイン領域77が形成される。 Thereafter, the resist pattern 102 is removed by cleaning, by performing annealing treatment, the silicon layer 75 of the silicon substrate 81, source region 76 of high impurity concentration N-type drain region 77 are formed.
図5(b)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81の主面(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。 As shown in FIG. 5 (b), the order of ion implantation through a thin silicon oxide film 101 to protect the main surface of the silicon substrate 81 (the surface of the silicon layer 75), can be kept highly accurate state. なお、ソース領域76,ドレイン領域77の形成には、厚いシリコン酸化膜をパターニングし、これをマスクとして熱による気相拡散法を用いてもよい。 The source region 76, the formation of the drain region 77 by patterning a thick silicon oxide film, which may be by a vapor diffusion method by heat as a mask.
【0048】 [0048]
さらに、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5(c))、このレジストパターン104をマスクとして、シリコン酸化膜101をエッチングする。 Furthermore, form another resist pattern 104 on the silicon oxide film 101 (FIG. 5 (c)), the resist pattern 104 as a mask, to etch the silicon oxide film 101.
次に、レジストパターン104除去して清浄化した後、シリコン酸化膜101をマスクとして、シリコン基板81の主面(シリコン層75の表面)をエッチングする(図5(d))。 Then, after the resist pattern 104 is removed and then cleaned, the silicon oxide film 101 as a mask, to etch the major surface (the surface of the silicon layer 75) of the silicon substrate 81 (FIG. 5 (d)).
【0049】 [0049]
この場合のエッチングは、TMAH溶液(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド溶液)などの異方性エッチング液を用いて行われる。 The etching of the case is performed using an anisotropic etchant such as TMAH solution (tetramethylammonium hydroxide solution). その結果、シリコン基板81の主面(シリコン層75の表面)には、内部へ向けてV字型の凹部84が形成される。 As a result, the main surface of the silicon substrate 81 (the surface of the silicon layer 75), the recess 84 of V-shaped towards the inside is formed.
【0050】 [0050]
そして次に、シリコン酸化膜101の上に別のレジストパターン105を形成して(図6(a))、このレジストパターン105をマスクとして、P型不純物106をイオン注入法により高濃度に導入する。 And then form another resist pattern 105 on the silicon oxide film 101 (FIG. 6 (a)), the resist pattern 105 as a mask, an P-type impurity 106 at a high concentration by ion implantation . その後のアニール処理により、シリコン基板81のシリコン層75(ソース領域76,ドレイン領域77の間のV字型の凹部84)には、不純物濃度の高いP型のゲート領域83が形成される。 Subsequent annealing, silicon layer 75 of the silicon substrate 81 (the source region 76, the concave portion 84 of the V-shaped between the drain region 77), the gate region 83 of high impurity concentration P-type is formed.
【0051】 [0051]
なお、イオン注入の前に、凹部84の表面に薄いシリコン酸化膜を形成しておくことが好ましい。 Note that before the ion implantation, it is preferable to form a thin silicon oxide film on the surface of the recess 84. 薄いシリコン酸化膜を介してイオン注入すれば、シリコン基板81の主面(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からである。 If ion implantation through a thin silicon oxide film to protect the main surface of the silicon substrate 81 (the surface of the silicon layer 75), it can be kept in highly accurate state. なお、ゲート領域83の形成には、パターニングした厚いシリコン酸化膜をマスクとして熱による気相拡散法を用いてもよい。 Incidentally, the formation of the gate region 83 may be by a vapor diffusion method by heat a thick silicon oxide film is patterned as a mask.
【0052】 [0052]
次に、レジストパターン105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6(b)に示すように、厚いシリコン酸化膜13を形成する。 Next, after cleaning by removing the resist pattern 105, by using a thermal oxidation method further grown silicon oxide film 101, as shown in FIG. 6 (b), to form a thick silicon oxide film 13. このとき、シリコン酸化膜13は、ゲート領域83の表面にも形成される。 At this time, the silicon oxide film 13 is also formed on the surface of the gate region 83.
その後、シリコン酸化膜13の上にレジストパターン107を形成し(図6(c))、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。 Thereafter, the resist pattern 107 is formed on the silicon oxide film 13 (FIG. 6 (c)), partially etching the silicon oxide film 13 as a mask. 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。 By this etching, the through hole 14a in the silicon oxide film 13, 15a is formed, so that the above source region 76, drain region 77 is exposed.
【0053】 [0053]
次いで、レジストパターン107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。 Next, after cleaning by removing the resist pattern 107, the metal film for wiring is formed on the entire surface by using a sputtering apparatus. 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7(a)に示す金属膜14,15を形成する。 Then, a resist pattern (not shown) by etching a part of the metal film as a mask, to form the metal films 14 and 15 shown in Figure 7 (a). 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。 Metal films 14 and 15, the through hole 14a, the source region 76 through 15a, and is electrically connected to the drain region 77.
【0054】 [0054]
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7(b))、その上にシリコン窒化膜82を全面に形成する。 Then, after removing the cleaning of the resist pattern on the metal films 14 and 15 (not shown), a silicon oxide film 16 on the entire surface (FIG. 7 (b)), the silicon nitride film 82 thereon It is formed on the entire surface. そして、シリコン窒化膜82の上にレジストパターン108を形成し(図7(c))、これをマスクとしてシリコン窒化膜82,シリコン酸化膜13,16の一部をエッチングする。 Then, the resist pattern 108 is formed on the silicon nitride film 82 (FIG. 7 (c)), the silicon nitride film 82 as a mask, etching a portion of the silicon oxide film 13 and 16. シリコン酸化膜16は、PSGなどによる保護膜である。 Silicon oxide film 16, PSG is a protective film due.
【0055】 [0055]
このエッチングにより、シリコン窒化膜82,シリコン酸化膜13,16には貫通孔109が形成され、上記のゲート領域83が露出することになる。 By this etching, the silicon nitride film 82, the silicon oxide film 13 and 16 through holes 109 are formed, so that said gate region 83 is exposed. そして、レジストパターン108の除去と清浄化を行った後、ゲート領域83の表面とシリコン窒化膜82とシリコン酸化膜13,16とにより凹部が形成される。 Then, after removing the cleaning of the resist pattern 108, the recess is formed by the surface and the silicon nitride film 82 and silicon oxide film 13 and 16 of gate regions 83. この凹部の底面はV字型であり、DNA固定領域85(図4)となる。 The bottom surface of the recess is V-shaped, a DNA fixed area 85 (FIG. 4).
【0056】 [0056]
そして最後に、V字型の凹部84の表面(DNA固定領域85)に対してプラズマ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80が完成する。 Finally, by performing plasma treatment to the surface of the V-shaped recess 84 (DNA fixed area 85), the organic molecule detecting element 80 of the third embodiment is completed. ちなみに、DNA固定領域85の周囲は、シリコン窒化膜82,シリコン酸化膜13,16で覆われている。 Incidentally, around the DNA-immobilized region 85, the silicon nitride film 82 is covered with the silicon oxide film 13 and 16.
シリコン窒化膜82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。 Silicon nitride film 82, the film structure than silicon oxide film is a dense, hardly captures atom of an alkali metal (e.g. sodium) and excellent chemical resistance, to function reliably as a protective film. このシリコン窒化膜82により、金属膜14,15の劣化を確実に防止できる。 The silicon nitride film 82 can reliably prevent deterioration of the metal films 14 and 15.
【0057】 [0057]
また、シリコン窒化膜82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。 Further, the silicon nitride film 82 has a feature that DNA can not easily adhere than silicon oxide film. したがって、DNA固定領域85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85のみにDNAを効率良く付着させることができる。 Therefore, it is possible to prevent the DNA around the DNA fixed area 85 is wastefully adheres, DNA can be a efficiently attached only to the DNA fixed area 85.
上記構成の有機分子検出素子80において、DNA固定領域85に指標DNAが固定されると、シリコン基板81のゲート領域83に隣接する領域81aには、指標DNAの帯電量(∝数量)に応じて電流経路が形成される。 In the organic molecule detecting element 80 of the above construction, when the indicator DNA to DNA fixed region 85 is fixed, in the region 81a adjacent to the gate region 83 of the silicon substrate 81, depending on the charge amount indicator DNA (alpha quantity) a current path is formed. また、指標DNAに検出対象のDNAが相補結合されると、領域81aには、指標DNAと検出対象のDNAとの帯電量(∝数量)の総量に応じて、電流経路が形成される。 Further, the DNA to be detected as an indicator DNA is complementary coupled, in the region 81a, in accordance with the total charge amount of the DNA to be detected as an indicator DNA (alpha quantity), the current path is formed.
【0058】 [0058]
したがって、ソース領域76,ドレイン領域77の間の領域81aを流れる電流の量に基づいて、DNA固定領域85に指標DNAが固定されたか否かや、指標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。 Therefore, based on the amount of current flowing through the source region 76, the region 81a between the drain region 77, or whether Kaya index DNA is fixed to the DNA-immobilized region 85, DNA to be detected as an indicator DNA is complementary coupling can detect whether or not.
さらに、DNA固定領域85の形状(ゲート領域83の表面の形状)を内部に向けてV字型としたので、DNA固定領域85(ゲート領域83の表面)が平坦形状の場合と比較して、検出感度が確実に向上する。 Furthermore, since the V-shaped toward the shape of the DNA fixed area 85 (the shape of the surface of the gate region 83) therein, DNA fixed area 85 (surface of the gate region 83) is compared with the case of the flat shape, detection sensitivity is reliably improved. 電界の集中により、僅かな電位変化でもゲート領域83のチャネルが変化し、ソース領域76,ドレイン領域77の間の領域81aを流れる電流の量が大きく変化するからである。 The concentration of the electric field, the channel of the gate region 83 is changed even a slight change in potential, because the amount of current flowing through the region 81a between the source region 76, drain region 77 is largely changed.
【0059】 [0059]
有機分子検出素子80を用いてDNAを検出する場合、有機分子検出素子80には、電源41と電流計42(図2)が接続される。 When detecting with an organic molecule detecting element 80 DNA, the organic molecule detecting element 80, power supply 41 and ammeter 42 (Fig. 2) is connected. そして、有機分子検出素子80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、シリコン層75の領域81aに流れる電流量の測定が電流計42を用いて行われる。 The source region 76 of the organic molecule detecting element 80, a predetermined voltage is applied between the drain region 77, the measurement of the amount of current flowing through the region 81a of the silicon layer 75 is performed using the ammeter 42. このとき、ゲート領域83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)。 At this time, the gate region 83 is maintained in a state of application of voltage is cut off (floating). シリコン層74には、逆バイアスの電圧(シリコン層75より低い電圧(シリコン層75がN型でシリコン層74がP型の場合))が印加される。 The silicon layer 74, the reverse bias voltage (a voltage lower than the silicon layer 75 (silicon layer 75 is the case of the silicon layer 74 is P-type in N-type)) is applied.
【0060】 [0060]
したがって、有機分子検出素子80によれば、検出対象のDNAに対して予め標識(蛍光物質など)を付加しなくても、電流計42によって測定された電流値に基づいて、上記した指標DNAや検出対象のDNAを容易に検出することができる。 Therefore, according to the organic molecule detecting element 80, even without additional pre-labeled with (fluorescent substance) to the DNA to be detected, based on the current value measured by the ammeter 42, Ya index DNA described above the DNA to be detected can be easily detected.
さらに、有機分子検出素子80のDNA固定領域85の形状(ゲート領域83の表面の形状)を内部に向けてV字型としたため、DNA固定領域85上の指標DNAや検出対象のDNAの帯電量が微少であっても、その帯電量によって、ソース領域76,ドレイン領域77の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。 Furthermore, because of the V-shape toward the shape of the DNA fixed region 85 of the organic molecule detecting element 80 (the shape of the surface of the gate region 83) therein, the charge amount of DNA indicators DNA and detected on the DNA fixed area 85 even if a minute, depending on the charge amount, the source region 76, can be efficiently control the width of the current path between the drain region 77, enabling highly sensitive detection.
【0061】 [0061]
また、有機分子検出素子80では、DNA固定領域85に何も固定されていない場合でも、ソース領域76,ドレイン領域77の間の領域81aに電流経路が形成されるため、この状態で、有機分子検出素子80の製造時のバラツキを調査できる。 Further, in the organic molecule detecting element 80, since even if nothing is fixed to the DNA fixed region 85, source region 76, the current path in the region 81a between the drain region 77 is formed, in this state, the organic molecules It can investigate the variation in the time of manufacture of the sensing element 80. 指標DNAをDNA固定領域85に固定させた後で、検出対象のDNAを相補結合させる前に、固定された指標DNAの定量的な確認もできる。 An indicator DNA after is fixed to the DNA-immobilized region 85, prior to complementary binding of DNA to be detected, it is also quantitative confirmation of immobilized indicator DNA.
【0062】 [0062]
なお、第3実施形態でも、検出対象のDNAに対して予め標識を付加する必要がないため、作業効率が向上する。 Also in the third embodiment, there is no need to add a pre-labeled to the DNA to be detected, thereby improving the working efficiency. さらに、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。 Further, to realize miniaturization and simplification of the detection device can be configured inexpensively.
さらに、有機分子検出素子80では、DNA固定領域85へ指標DNAを固定する際、ゲート領域83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。 Further, the organic molecule detecting element 80, when fixing the indicator DNA to DNA fixed area 85, it is preferable to apply a positive voltage (e.g., 5V) to the gate region 83. これにより、DNA固定領域85に指標DNAを引き寄せることができ、指標DNAが微量であっても有効にDNA固定領域85へ固定化できる。 Thus, it is possible to draw the indicator DNA to DNA fixed area 85, indicator DNA can be immobilized to the DNA fixed region 85 also enable a small amount. このとき、シリコン基板81の電位を調節し、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。 At this time, by adjusting the potential of the silicon substrate 81, it is needless to say that the current does not flow in the forward direction.
【0063】 [0063]
また、有機分子検出素子80では、シリコン基板81の内部(つまりバルク内部)の領域81a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。 Further, in the organic molecule detecting element 80, since the current path region 81a of the internal (i.e. within the bulk) of the silicon substrate 81 is formed, things like noise is generated in the current path receives the influence of the element surface Absent. その結果、上記のDNA検出を正確に行うことが可能となる。 As a result, it is possible to perform exactly the above DNA detection.
さらに、DNA固定領域85(ゲート領域83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81a(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。 In addition, DNA fixed area 85 (surface of the gate region 83) is also contaminated with such chemical treatment, such as hybridization, possibly within the bulk region 81a (formation region of the current path) is deteriorated due to deterioration is little, it can always be accurate DNA detection.
【0064】 [0064]
なお、上記した第3実施形態では、図5(d),図6(a)に示すように、シリコン層75をエッチングしてV字型の凹部84を形成した後で、その凹部84にゲート領域83を形成したが、この手順は逆でも構わない。 In the third embodiment described above, as shown in FIG. 5 (d), FIG. 6 (a), in after the recesses 84 of the V-shaped silicon layer 75 is etched, the gate in the recess 84 to form the region 83, but this procedure may be reversed.
【0065】 [0065]
また、上述した第2実施形態の有機分子検出素子70と同様、DNA固定領域85の上にDNA固定用の金属薄膜を形成しても良い。 Further, similarly to the organic molecule detecting element 70 of the second embodiment described above, it may be formed a metal thin film for DNA fixed on the DNA fixed area 85. この場合、DNA固定領域85は金属薄膜の表面に配置される。 In this case, DNA fixed area 85 is disposed on the surface of the metal thin film. その結果、検出感度がさらに向上する。 As a result, the detection sensitivity is further improved. (第4実施形態) (Fourth Embodiment)
本発明の第4実施形態は、請求項4〜請求項6に対応する。 Fourth embodiment of the present invention corresponds to claim 4 claim 6. 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。 Again, is described for the detection of DNA is an example of organic molecules. 第4実施形態の有機分子検出素子90は、上述した有機分子検出素子70,80と同様、J−FETと同様の動作特性を有している。 The organic molecule detecting element 90 of the fourth embodiment, similarly to the organic molecule detecting elements 70, 80 described above has the same operational characteristics as J-FET.
【0066】 [0066]
有機分子検出素子90の構成について説明する。 Description will be given of a configuration of the organic molecule detecting element 90. 有機分子検出素子90は、図8(断面図)に示すように、シリコン基板91の主面(ここではシリコン層74の表面)に、図4の有機分子検出素子80の凹部84と同様の凹部92を設け、かつ、この主面とは反対側に、図3の有機分子検出素子70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。 The organic molecule detecting element 90, as shown in FIG. 8 (sectional view), the main surface of the silicon substrate 91 (the surface of the silicon layer 74 in this case), a similar recess and the recess 84 of the organic molecule detecting element 80 in FIG. 4 92 is provided, and, from this main surface to the opposite side, it is obtained by forming the same silicon oxide and organic molecule detecting element 70 film 13 and the metal films 14 and 15 and the silicon oxide film 16 of FIG.
【0067】 [0067]
シリコン層74(制御電極領域)の表面のうち、凹部92の位置は、シリコン層75のゲート領域78と対向する位置である。 Of the surface of the silicon layer 74 (control electrode region), the position of the recess 92 is a position opposed to the gate region 78 of the silicon layer 75. 有機分子検出素子90の凹部92も、内部へ向けてV字型となっている。 Recess 92 of the organic molecule detecting element 90 also has a V-shape towards the inside. そして、シリコン層74の表面(V字型の凹部92の表面も含む)に、指標DNAを固定する領域(以下「DNA固定領域93」という)が配置される。 Then, on the surface (including the surface of the V-shaped recess 92) of the silicon layer 74, a region for fixing the indicator DNA (hereinafter referred to as "DNA fixed region 93") is arranged.
【0068】 [0068]
このため、第4実施形態の有機分子検出素子90では、シリコン基板91のシリコン層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。 Thus, the organic molecule detecting element 90 of the fourth embodiment, the source region 76 formed in the silicon layer 75 of the silicon substrate 91, a drain region 77, gate region 78 (the transistor section) is, contrary to the DNA fixed area 93 It will have been placed on the main surface near the rear.
また、シリコン基板91の主面(シリコン層74の表面)のうちゲート領域78と対向する位置にV字型の凹部92を設け、この凹部92の表面を含むシリコン層74の表面にDNA固定領域93を配置したのは、検出感度を確実に向上させるためである。 Further, the recess 92 of the V-shaped provided at a position opposite to the gate region 78 of the main surface of the silicon substrate 91 (the surface of the silicon layer 74), DNA fixed area on the surface of the silicon layer 74 including the surface of the recess 92 was arranged 93 is to reliably improve the detection sensitivity.
【0069】 [0069]
さらに、シリコン基板91の主面(シリコン層74の表面)のうち、DNA固定領域93の周囲には、シリコン酸化膜94とシリコン窒化膜95とが形成され、広いDNA固定領域93が確保されている。 Moreover, among the main surface of the silicon substrate 91 (the surface of the silicon layer 74), around the DNA fixed area 93, and the silicon oxide film 94 and the silicon nitride film 95 is formed, it is secured wide DNA fixed area 93 there.
シリコン層75のソース領域76とドレイン領域77とに挟まれ、かつ、シリコン層75のゲート領域78とシリコン層74とに挟まれた領域91a(所定領域)は、シリコン基板91の内部の領域であり、電流経路(チャネル)の形成領域である。 Sandwiched between the source region 76 and drain region 77 of the silicon layer 75 and region 91a sandwiched between gate region 78 and the silicon layer 74 of the silicon layer 75 (a predetermined region), within the region of the silicon substrate 91 There is a forming region of the current path (channel).
【0070】 [0070]
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に接続された配線用の金属膜14,15,96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。 The source region 76 of the organic molecule detecting element 90, the drain region 77, the metal film 14,15,96 for wiring connected to the gate region 78, both are entirely covered with a silicon oxide film 16 also. さらに、シリコン酸化膜16の上には、不図示の厚い保護基板(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。 Further, on the silicon oxide film 16 is thick protective substrate of not shown (for example, a silicon wafer or a glass substrate, etc.) is bonded. さらに、有機分子検出素子90のシリコン基板91の内部には、DNA固定領域93側の主面(表面)から反対側の主面(裏面)まで連続的に、誘電体分離層97が形成されている。 Furthermore, inside the silicon substrate 91 of the organic molecule detecting element 90, continuously from DNA fixed region 93 side of the main surface (surface) to the main surface (back surface) opposite to the dielectric isolation layer 97 is formed there. この誘電体分離層97は、熱酸化膜などであり、シリコン層91(74と75)(制御電極領域)を電気的に分離させるための層である。 The dielectric isolation layer 97 is a thermal oxide film, a layer for electrically separating the silicon layer 91 (and 74 75) (control electrode region).
【0071】 [0071]
ここで、第4実施形態の有機分子検出素子90を製造する工程について、簡単に説明する。 Here, the process of manufacturing the organic molecule detecting element 90 of the fourth embodiment will be briefly described. ここでも、シリコン層74がP型、シリコン層75がN型の例で説明を行う。 Again, the silicon layer 74 is P-type, silicon layer 75 is carried out with the example of N-type.
(1) 通常のJ−FETを形成した後の状態(つまり、シリコン基板91にソース領域76,ドレイン領域77,ゲート領域78,誘電体分離層97を形成し、さらに、シリコン酸化膜13と金属膜14,15とシリコン酸化膜16とを形成した後の状態)で、シリコン酸化膜16の上に保護基板(不図示)を接合し、この状態でシリコン基板81のシリコン層74を研磨して薄くする。 (1) Normal J-FET and after forming condition (i.e., the source region 76 in the silicon substrate 91, a drain region 77, gate region 78, to form a dielectric isolation layer 97, further, the silicon oxide film 13 and the metal state) after forming the films 14 and 15 and the silicon oxide film 16, bonding the protection substrate (not shown) on the silicon oxide film 16, by polishing the silicon layer 74 of the silicon substrate 81 in this state make it thin.
【0072】 [0072]
(2) そして次に、研磨後のシリコン層74の表面にシリコン酸化膜94を全面に形成し、その上にシリコン窒化膜95を全面に形成する。 (2) and then, the silicon oxide film 94 is formed on the entire surface on the surface of the silicon layer 74 after polishing, a silicon nitride film 95 on the entire surface thereon. さらに、シリコン窒化膜95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酸化膜94とシリコン窒化膜95の一部をエッチングする。 Furthermore, a resist pattern is formed on the silicon nitride film 95, etching a portion of the silicon oxide film 94 and the silicon nitride film 95 as a mask.
その結果、シリコン酸化膜94とシリコン窒化膜95には小さな貫通孔が形成され、シリコン層74の一部が露出することになる。 As a result, a small through hole is formed in the silicon oxide film 94 and the silicon nitride film 95, so that the exposed part of the silicon layer 74. このときの露出部分は、シリコン層75のゲート領域78のみと対向するような狭い領域であり、V字型の凹部92の形成に用いられる。 The exposed portion of this time is the narrow region such as to face only the gate region 78 of the silicon layer 75, used to form the recess 92 of the V-shape.
【0073】 [0073]
(3) その後、レジストパターンの除去と清浄化を行い、シリコン窒化膜95をマスクとして、シリコン基板91の主面(シリコン層74の表面)をエッチングする。 (3) Thereafter, the removal and cleaning of the resist pattern, the silicon nitride film 95 as a mask, to etch the major surface (the surface of the silicon layer 74) of the silicon substrate 91. この場合のエッチングは、TMAH溶液などの異方性エッチング液を用いて行われる。 Etching in this case is performed using an anisotropic etchant such as TMAH solution. その結果、シリコン基板91の主面(シリコン層74の表面)には、内部へ向けてV字型の凹部92が形成される。 As a result, the main surface of the silicon substrate 91 (the surface of the silicon layer 74), the recess 92 of V-shaped towards the inside is formed.
【0074】 [0074]
(4) 次いで、凹部92の表面に薄いシリコン酸化膜を形成し、シリコン窒化膜95の上に別のレジストパターンを形成し、これをマスクとして、P型不純物をイオン注入法により高濃度に導入する。 (4) Then, a thin silicon oxide film on the surface of the recess 92, forms another resist pattern on the silicon nitride film 95, as a mask, introducing a high concentration by ion implantation of P-type impurity to. その後のアニール処理により、シリコン基板91のシリコン層74の凹部92には、不純物濃度の高いP型の領域が形成される。 Subsequent annealing in a recess 92 of the silicon layer 74 of the silicon substrate 91 is higher P-type region impurity concentration is formed.
【0075】 [0075]
(5) その後、イオン注入時のレジストパターンの除去と清浄化を行い、シリコン窒化膜95の上に別のレジストパターンを形成して、これをマスクとしてシリコン酸化膜94とシリコン窒化膜95の一部をエッチングする。 (5) Thereafter, the cleaning and removal of the resist pattern during ion implantation, and forming another resist pattern on the silicon nitride film 95, the silicon oxide film 94 and the silicon nitride film 95 as a mask one the part is etched.
その結果、シリコン酸化膜94とシリコン窒化膜95には大きな貫通孔が形成され、シリコン層74の一部がさらに露出することになる。 As a result, a large through-hole is formed in the silicon oxide film 94 and the silicon nitride film 95, a part of the silicon layer 74 is further exposed. そして、レジストパターンの除去と清浄化を行った後、シリコン層74の表面とシリコン酸化膜94とシリコン窒化膜95とにより凹部が形成される。 Then, after removing the cleaning of the resist pattern, the recess is formed by the surface and the silicon oxide film 94 and the silicon nitride film 95 of the silicon layer 74. この凹部の底面にはV字型の凹部92も含まれ、このときの露出部分の全体がDNA固定領域93として利用される。 This is the bottom surface of the recess includes recesses 92 of V-shaped, the entire of the exposed portion of this time is used as a DNA fixed area 93.
【0076】 [0076]
(6) そして最後に、DNA固定領域93(V字型の凹部92の表面を含むシリコン層74の表面)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90が完成する。 (6) Finally, by performing plasma treatment to the DNA fixed area 93 (the surface of the silicon layer 74 including the surface of the V-shaped recess 92), is an organic molecule detecting element 90 of the fourth embodiment Complete. ちなみに、DNA固定領域93の周囲は、シリコン窒化膜95,シリコン酸化膜94で覆われている。 Incidentally, around the DNA-immobilized region 93, the silicon nitride film 95 is covered with the silicon oxide film 94.
有機分子検出素子90の製造工程で、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91a(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。 In the manufacturing process of the organic molecule detecting element 90, the reason for thinning by polishing the silicon layer 74, by reducing the distance between the DNA fixed region 93 and the region 91a (formation region of the current path), improving the DNA detection sensitivity This is because.
【0077】 [0077]
この有機分子検出素子90では、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。 In the organic molecule detecting element 90, the silicon layer 74 functions as a gate, the gate region 78 will function as a back gate. このため、有機分子検出素子90を用いたDNA検出時、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)。 Thus, when DNA detection using the organic molecule detecting element 90, the silicon layer 74 is kept in a state of application of voltage is cut off (floating). ゲート領域78には、逆バイアスの電圧(シリコン層75より低い電圧)が印加される。 The gate region 78, a reverse bias voltage (a voltage lower than the silicon layer 75) is applied.
【0078】 [0078]
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、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。 Therefore, even the organic molecule detecting element 90, by the same operation characteristics as J-FET, or checks whether an appropriate amount of index DNA is fixed to the DNA-immobilized region 93, DNA to be detected is whether or not a complementary binding it is possible to detect the.
さらに、DNA固定領域93のうちゲート領域78と対向する部分の形状(シリコン層74の表面の形状)を内部に向けてV字型としたので、DNA固定領域93(シリコン層74の表面)が平坦形状の場合と比較して、検出感度が確実に向上する。 Furthermore, since the V-shaped towards the shape of a portion facing the gate region 78 of the DNA fixed area 93 (the shape of the surface of the silicon layer 74) therein, DNA fixed area 93 (the surface of the silicon layer 74) as compared with the case of the flat shape, the detection sensitivity is reliably improved.
【0079】 [0079]
すなわち、DNA固定領域93上の指標DNAや検出対象のDNAの帯電量が微少であっても、電界の集中によって、ソース領域76,ドレイン領域77間(領域91a)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。 That is, even very small charging amount of the DNA of indicators DNA and detected on the DNA fixed region 93, the concentration of an electric field, the source region 76, efficiently width of the current path between the drain region 77 (region 91a) control can, enabling highly sensitive detection.
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。 Further, in a state where nothing is fixed to the DNA fixed area 93, it is also possible to investigate the variation in time of manufacturing the organic molecule detecting element 90. 指標DNAをDNA固定領域93に固定させた状態で(検出対象の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。 Indicators DNA (pre complementary binding of the detection target DNA) in a state of being fixed to the DNA fixed area 93, it is also possible to check the indicator DNA quantitatively.
【0080】 [0080]
なお、第4実施形態でも、検出対象のDNAに対して予め標識を付加する必要がないため、作業効率が向上する。 Also in the fourth embodiment, there is no need to add a pre-labeled to the DNA to be detected, thereby improving the working efficiency. さらに、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。 Further, to realize miniaturization and simplification of the detection device can be configured inexpensively.
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、不図示の配線回路を用いて、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。 Further, the organic molecule detecting element 90, when fixing the indicator DNA to DNA fixed area 93, by using the wiring circuit (not shown), be kept by applying a positive voltage (e.g., 5V) to the silicon layer 74 preferable. これにより、DNA固定領域93に指標DNAを引き寄せることができ、指標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。 Thus, it is possible to draw the indicator DNA to DNA fixed area 93, indicator DNA can be immobilized to the DNA fixed region 93 also enable a small amount. このとき、順方向に電流が流れないように、シリコン層75に印加するバイアス電圧に注意することは言うまでもない。 At this time, as no current flows in the forward direction, it is needless to say that attention to the bias voltage applied to the silicon layer 75.
【0081】 [0081]
また、有機分子検出素子90でも、シリコン基板91の内部(つまりバルク内部)の領域91a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。 Moreover, even the organic molecule detecting element 90, since the current path region 91a of the internal (i.e. within the bulk) of the silicon substrate 91 is formed, things like noise is generated in the current path receives the influence of the element surface no, it is possible to accurately perform the above DNA detection.
さらに、DNA固定領域93(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91a(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。 Furthermore, even DNA fixed region 93 (the surface of the silicon layer 74) is contaminated by such chemical treatment, such as hybridization, never inside the bulk region 91a (formation region of the current path) is deteriorated due to alteration, always accurate it is possible to perform a DNA detection.
【0082】 [0082]
また、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(不図示)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。 Further, the main surface of the transistor section (76 to 78) of the organic molecule detecting element 90 is sealed with a protective substrate (not shown) and will not be contaminated by chemical treatment, such as hybridization. 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。 Therefore, the durability against chemicals organic molecule detecting element 90 is remarkably improved.
さらに、DNA固定領域93の周囲にシリコン窒化膜95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。 Furthermore, since the formation of the silicon nitride film 95 around the DNA fixed area 93, it is possible to prevent the DNA around the DNA fixed area 93 is wastefully adheres, it can be efficiently attached to DNA only in the DNA fixed area 93 .
【0083】 [0083]
なお、配線用の金属膜14,15,96および保護基板の接合剤としては、有機分子検出素子90の製造工程のうち、アニールや酸化などの高温工程にも耐え得るような高融点の材料を選択することが好ましい。 As the bonding agent of the metal film 14,15,96 and the protective substrate for wiring, in the manufacturing process of the organic molecule detecting element 90, a refractory material, such as can withstand high temperature processes such as annealing or oxidation it is preferable to select. 例えば、金属膜14,15,96には、Ti(チタン)やW(タングステン)などを用い、接合剤には、無機系の接着剤を用いることが好ましい。 For example, the metal film 14,15,96 are using a Ti (titanium) or W (tungsten), the bonding agent, it is preferable to use an inorganic adhesive. また、保護基板の接合は、陽極接合法を用いて行ってもよい。 The joining of the protective substrate may be performed using the anodic bonding method. さらに、保護基板に代えて、トランジスタ部(76〜78)側の主面を熱工程後に樹脂で覆ってもよい。 Further, instead of the protective substrate, the main surface of the transistor section (76 to 78) side may be covered with resin after the heat step.
【0084】 [0084]
また、上記した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。 Further, a silicon nitride film is used in the embodiment described above, in addition to the silicon nitride film, if the film properties such as repelling DNA (DNA separation film), the DNA separation membrane in place of the silicon nitride film be formed, it is possible to obtain the same effect.
さらに、上述した有機分子検出素子70と同様、DNA固定領域93の上にDNA固定用の金属薄膜を形成しても良い。 Further, similarly to the organic molecule detecting device 70 described above, it may be formed a metal thin film for DNA fixed on the DNA fixed area 93. この場合、DNA固定領域93は金属薄膜の表面に配置される。 In this case, DNA fixed area 93 is disposed on the surface of the metal thin film. その結果、検出感度がさらに向上する。 As a result, the detection sensitivity is further improved.
【0085】 [0085]
(変形例) (Modification)
上記した実施形態では、DNA固定領域(例えば19)と、これに対応する電流経路の形成領域(例えば11a)と、トランジスタ部(例えば21,22)と、配線用の金属膜(例えば14,15)を備えたセルが、1個だけ配された有機分子検出素子(例えば10)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良い。 In the embodiment described above, a DNA fixed area (for example 19), forming regions of the current path corresponding thereto (for example 11a), the transistor section (e.g. 21, 22), a metal film for wiring (for example, 14, 15 ) cell having a, only one arranged organic molecules detecting element (for example 10) is described as an example, it may be a plurality of cells 2-dimensionally arranged in matrix.
【0086】 [0086]
ただし、この場合には、シリコン基板上で個々のセルを電気的に分離させるため、シリコン基板の内部に熱酸化膜などなど誘電体分離層(例えば図8の97参照)を設けることが好ましい。 However, in this case, in order to electrically isolate the individual cells on a silicon substrate, is preferably provided within the silicon substrate thermally oxidized film dielectric isolation layer etc. (for example 97 see FIG. 8).
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。 According to the organic molecule detecting element having a plurality of cells, at the same time a plurality of DNA can be detected, it is possible to reduce the shortening and cost of the working time. 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。 In this case, the plurality of cells, even with the same kind of DNA, may be given different types of DNA.
【0087】 [0087]
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。 When attaching different types of DNA in a plurality of cells, since that would go with one by one, and we apply a positive voltage to the DNA fixed area of ​​a particular cell to attach some kind of DNA, it is preferable to apply a negative voltage to the DNA fixed area of ​​other cells. 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。 Thus, only the positive DNA fixed area a voltage is applied to the can attract DNA, it can be selectively immobilized traces of DNA to a specific cell.
【0088】 [0088]
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、電流経路の形成領域(例えば11a)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。 In the organic molecule detecting element having a plurality of cells, with no attached anything DNA fixed area of ​​each cell, by measuring the amount of current flowing through the forming region of the current path (e.g. 11a), between cells it is possible to check the individual difference (variation). そして、バックゲートとして機能する領域に対し、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。 Then, for a region that functions as a back gate, by applying a desired voltage in consideration of individual differences between cells respectively, it is also possible to correct the individual difference. この補正により、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。 By this correction, it is possible to advance properly (for example uniform) control the width of the current path. 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。 In consideration of the individual differences between cells determined the appropriate value of the voltage applied to the back gate (eg, average value), which may be generally applied.
【0089】 [0089]
さらに、上記した第2〜第4実施形態では、電流経路の形成領域を挟んで、2つのゲート領域(例えばシリコン層74,ゲート領域78)を対向配置させたが、3つ以上のゲート領域を同様に対向配置させてもよい。 Furthermore, in the second to fourth embodiments described above, across a forming region of the current path, the two gate regions (for example, a silicon layer 74, gate region 78), but were allowed to face each, three or more gate regions Similarly it may be opposed. また、ゲート領域を筒状に構成してもよい。 It is also possible to constitute a gate region into a cylindrical shape.
また、上記した全ての実施形態では、シリコン基板を用いた有機分子検出素子を説明したが、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)。 Further, in all embodiments described above, has been described an organic molecule detecting element using a silicon substrate, it is possible to use various semiconductor substrate instead of a silicon substrate (e.g., GaAs).
【0090】 [0090]
さらに、検出対象のDNAを指標DNA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。 Furthermore, prior to complementary binding of DNA to be detected as an index DNA, the addition of some labels (such as a fluorescent substance or a radioactive isotope) to the DNA to be detected, in electrical measurements simultaneously with or different timing as described above , using other devices (fluorescence microscope, such as a fluorescent measuring device or radioisotope detection device), it is possible to measure the additional states of the label optically, to improve the detection accuracy of the DNA.
【0091】 [0091]
また、上記した全ての実施形態では、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、配線用の金属膜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。 Further, in all embodiments described above, the power source 41 has been measured by using an ammeter 42, a constant current source with used instead of the power supply 41 (constant voltage source), a voltmeter instead of the ammeter 42 the use, even when the voltage between the metal films 14 and 15 for wiring was measured, it is possible to perform the same analysis.
さらに、上記した全ての実施形態では、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。 Furthermore, in all embodiments described above, an example has been described for detecting the DNA, for charging to that organic molecules, such as other RNA and proteins and nucleic acids, bases, perform the same checks.
【0092】 [0092]
【発明の効果】 【Effect of the invention】
以上説明したように、本発明によれば、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と共に、検出感度を向上させることもできる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a reduction in size and simplification of improving the detection device for a working efficiency, it is also possible to improve detection sensitivity.
【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
【図1】有機分子検出素子10の断面図である。 1 is a cross-sectional view of an organic molecule detecting element 10.
【図2】有機分子検出装置40の構成を示す図である。 2 is a diagram showing a structure of an organic molecule detecting apparatus 40.
【図3】有機分子検出素子70の断面図である。 3 is a cross-sectional view of an organic molecule detecting element 70.
【図4】有機分子検出素子80の断面図である。 4 is a cross-sectional view of an organic molecule detecting element 80.
【図5】有機分子検出素子80の製造工程を示す断面図である。 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the organic molecule detecting element 80.
【図6】有機分子検出素子80の製造工程を示す断面図である。 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the organic molecule detecting element 80.
【図7】有機分子検出素子80の製造工程を示す断面図である。 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the organic molecule detecting element 80.
【図8】有機分子検出素子90の断面図である。 8 is a cross-sectional view of an organic molecule detecting element 90.
【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS
10,70,80,90 有機分子検出素子11,71,81,91 シリコン基板11a,71a,81a,91a 領域(電流経路の形成領域) 10,70,80,90 organic molecule detecting element 11,71,81,91 silicon substrate 11a, 71a, 81a, 91a region (formation region of the current path)
12,13,16,94 シリコン酸化膜14,15,96 配線用の金属膜17,72 DNA固定用の金属薄膜18 指標DNA 12,13,16,94 silicon oxide film 14,15,96 metal thin film 18 indicators DNA of the metal film 17,72 DNA fixation of wire
19,73,85,93 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74,75 シリコン層76 ソース領域77 ドレイン領域78,83 ゲート領域82,95 シリコン窒化膜84,92 V字型の凹部97 誘電体分離層 19,73,85,93 DNA fixed regions 21 and 22 electrode region 40 organic molecule detecting apparatus 41 supply 42 ammeter 74, 75 silicon layer 76 source region 77 drain regions 78,83 gate region 82,95 silicon nitride film 84 and 92 V-shaped recess 97 dielectric isolation layer

Claims (6)

  1. 半導体基板の主面に一対の電極領域を設け、 A pair of electrode regions on the main surface of the semiconductor substrate,
    前記主面に形成された絶縁膜と、 An insulating film formed on the main surface,
    前記絶縁膜を介して前記電極領域の間の前記主面側の所定領域を覆うように形成された金属膜と、 And a metal film formed so as insulating film over the cover a predetermined area of ​​the main surface between the electrode regions,
    前記金属膜の表面に配置された有機分子の固定領域とを含み、 And a fixing region of the deployed organic molecules on the surface of the metal film,
    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ことを特徴とする有機分子検出素子。 Wherein the predetermined area, when the organic molecules fixed to at least the fixing regions, the organic molecule detecting element and a current path is formed in accordance with the charge amount of the immobilized organic molecules.
  2. 請求項1に記載の有機分子検出素子において、 In the organic molecule detecting device according to claim 1,
    前記金属膜の表面の面積は、前記所定領域の前記主面内での面積より大きいことを特徴とする有機分子検出素子。 The area of ​​the surface of the metal film, the organic molecule detecting element being greater than the area in the main surface of the predetermined region.
  3. 半導体基板の主面に一対の電極領域を設け、 A pair of electrode regions on the main surface of the semiconductor substrate,
    前記主面に形成された金属膜と、 A metal film formed on the main surface,
    前記金属膜の表面に配置された有機分子の固定領域とを含み、 And a fixing region of the deployed organic molecules on the surface of the metal film,
    前記半導体基板は、前記電極領域の間の前記主面側に制御電極領域を有し、 The semiconductor substrate has a control electrode region in the main surface between the electrode regions,
    前記金属膜は、前記制御電極領域を覆うように形成され、かつ、前記金属膜の表面の面積が前記制御電極領域の前記主面内での面積より大きく、 The metal film, the formed so as to cover the control electrode region, and the area of ​​the surface of the metal film is larger than the area within the primary surface of the control electrode region,
    前記電極領域の間で前記制御電極領域に隣接する所定領域には、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ことを特徴とする有機分子検出素子。 In a predetermined region adjacent to said control electrode region between the electrode region, when the organic molecules to at least the fixed area is fixed, a current path is formed in accordance with the charge amount of the immobilized organic molecules the organic molecule detecting device characterized by.
  4. 半導体基板の主面に一対の電極領域を設け、 A pair of electrode regions on the main surface of the semiconductor substrate,
    前記主面に配置された有機分子の固定領域を含み、 It includes fixed area of ​​the organic molecules arranged on the main surface,
    前記半導体基板は、前記電極領域の間の前記主面側に制御電極領域を有し、かつ、前記制御電極領域の表面に内部へ向けてV字型の凹部を有し、 The semiconductor substrate has a control electrode region in the main surface between the electrode regions, and has a recess of V-shaped towards the inside surface of said control electrode region,
    前記固定領域は、前記V字型の凹部に配置され、 The fixing region is disposed in the V-shaped recess of
    前記電極領域の間で前記制御電極領域に隣接する所定領域には、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ことを特徴とする有機分子検出素子。 In a predetermined region adjacent to said control electrode region between the electrode region, when the organic molecules to at least the fixed area is fixed, a current path is formed in accordance with the charge amount of the immobilized organic molecules the organic molecule detecting device characterized by.
  5. 請求項4に記載の有機分子検出素子において、 In the organic molecule detecting device according to claim 4,
    前記電極領域は、前記半導体基板のうち、前記制御電極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。 The electrode regions, said of the semiconductor substrate, the organic molecule detecting device and the control electrode region, characterized in that it is arranged on the main surface near the opposite side.
  6. 請求項1から請求項5の何れか1項に記載の有機分子検出素子と、 And the organic molecule detecting device as claimed in any one of claims 5,
    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。 The organic molecule detecting apparatus characterized by comprising a measuring means for measuring the electrical characteristics of the current path formed in the predetermined region of the semiconductor substrate.
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