JP2007040821A - 化学反応チップ - Google Patents
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Abstract
【課題】孤立化学反応系を集積化したコンビナトリアルな化学反応系において、温度設定の独立性を確保した高速・高効率化学反応チップを実現する。
【解決手段】多孔質シリコン層１０に囲まれた１個以上の単結晶または多結晶からなるアイランド２０を有し、該温度センサー素子５０とヒータ６０と伴に、アイランド２０上に孤立化学反応系を構築して集積化し、独立性良く温度制御を行う化学反応チップ。
【選択図】図１
【解決手段】多孔質シリコン層１０に囲まれた１個以上の単結晶または多結晶からなるアイランド２０を有し、該温度センサー素子５０とヒータ６０と伴に、アイランド２０上に孤立化学反応系を構築して集積化し、独立性良く温度制御を行う化学反応チップ。
【選択図】図１
Description
本発明は、生化学反応を含む化学反応チップ、化学反応検出チップ用基板およびその製造方法、化学反応を行うための装置および方法、ならびに記録媒体に関する。
核酸の塩基配列を測定する技術として、予め設計した塩基配列の１本鎖オリゴヌクレオチドプローブを塩基配列の種類毎に領域を分けて固定したポリヌクレオチド検出チップを用いて、測定対象である１本鎖ポリヌクレオチドと１本鎖オリゴヌクレオチドプローブとの相補鎖結合（ハイブリダイゼーション）の有無を検出する方法が知られている。ポリヌクレトチド検出チップの例としては、関心のある特定の変異配列に相補的なＤＮＡを配置した診断用のポリヌクレオチド検出チップ（文献１参照）、測定対象に存在し得る全ての塩基配列に相補鎖結合するオリゴヌクレオチドプローブを準備し、測定対象の塩基配列決定を行うＳＢＨ(sequencing by hybridization)法が知られている（文献２参照）。
特開２００１−２３５４７４号公報
Science Vol.270, 467-470 (1995)
J. DNA Sequencing and Mapping, Vol. 1, 375-388 (1991)
Breslauer K.J.,et.al.:"Predicting DNA duplexstability from the base sequence", Proc.Natl.Acad,Sci.USA83,3746-3750
アデニン(Ａ)とチミン(Ｔ)の結合又はアデニン(Ａ)とウラシル(Ｕ)の結合は、１塩基あたり２カ所の水素結合であるのに対して、グアニン（Ｇ）とシトシン（Ｃ）の結合は１塩基あたり３カ所の水素結合を有する。この事実により、両者の結合力には差異が生じており、Ｇ−Ｃ結合はＡ−Ｔ結合又はＡ−Ｕ結合に比べてより安定である。オリゴヌクレオチドプローブと１本鎖ポリヌクレオチドの相補鎖結合において、Ｇ−Ｃ結合をより多く含む配列は、少なく含む配列に比べて、より高い熱的安定性を有する傾向を持つ。事実、同じ塩基長で熱安定性を比較した場合、Ａ−Ｔ結合又はＡ−Ｕ結合のみが存在する相補鎖結合の熱安定性は最も低く、Ｇ−Ｃ結合のみが存在する相補鎖結合の熱安定性は最も高い。相補鎖結合の熱安定性は、一般に、結合とその解離が５０％ずつ生じる温度(融解温度：Ｔｍ)で示される。８量体のオリゴヌクレオチドＤＮＡプローブを例にとると、すべてがＡ−Ｔ結合からなる２本鎖ＤＮＡのＴｍは１５．２℃であるのに対して、すべてがＧ−Ｃ結合からなる２本鎖ＤＮＡのＴｍは５６．２℃であり、その差は４１．０℃である（％ＧＣ法 （文献３）による計算値）。
このように、オリゴヌクレオチドプローブの相補鎖結合のＴｍ値が大きく変化する場合には、各プローブの最適なＴｍ値の温度でハイブリダイゼーションを行う必要がある。Ｔｍより高温の条件では、１本鎖ポリヌクレオチドはプローブと結合しにくく、十分な反応収率が得られない。一方、Ｔｍより低温の条件では、ミスマッチ結合によるバックグラウンドのノイズが増加し、測定分解能の低下を招く。
また、ポリヌクレオチド検出チップ上に複数種類のプローブを固定した場合、ポリヌクレオチド検出チップ上の温度を一定にして、検査対象の１本鎖ポリヌクレオチド試料とのハイブリダイゼーションを行うと、プローブ毎に熱安定性が異なるため、プローブの相補鎖結合の生成量の差異が、必ずしも、ミスマッチ確率の差異を反映しない可能性が生じる場合がある。
従来の検出チップでは、検出チップ上の全てのプローブについてハイブリダイゼーションを行う温度は一定に設定し、溶媒の塩濃度の調整や検出チップに固定するプローブ密度やプローブ塩基長を種類毎に変化させる手法により、プローブの相補鎖結合生成量の差異が、ミスマッチ確率の差異を直接反映し、プローブ毎の熱安定性の差異が混入するのを防ぐ手立てとしていた。しかし、Ｔｍの差異による影響を十分解消するには至っていない。
この問題を解決する例として、特許文献１は、複数の反応系を基板上に集積化し、各反応系を反応系毎に温度調節して、しかも同時並行して行うための装置および方法を開示する。しかし、特許文献１では、各反応系間の熱絶縁性を確保するためにシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜による薄いメンブレン基板を用いたため、メンブレンが脆弱で、使用中の破損事故が発生する確率が高かった。また、強度に限界が有るため、メンブレンを薄くすることが出来ず、メンブレンを通じた熱伝導を十分抑えられず、各反応系間の熱絶縁性能が不十分だった。このため、反応系の集積度を上げ過ぎると温度制御の独立性が十分得られず、逆に、温度制御の独立性を維持しようとすると、集積度を向上することが出来なかった。さらに、メンブレン作製に関わるコストが他の半導体プロセス工程と比べて高価となり、製品のコスト高要因となって、実用化の妨げに成っていた。
本発明は、オリゴヌクレオチドプローブとポリヌクレオチドとのハイブリダイゼーションをはじめとする化学反応全般の解析において、複数の反応系を基板上に集積化し、各反応系ごとに温度制御を行いながら、同時並行的に反応を進行させることが可能な、化学反応検出装置およびその方法を提供することを目的とする。
このように、オリゴヌクレオチドプローブの相補鎖結合のＴｍ値が大きく変化する場合には、各プローブの最適なＴｍ値の温度でハイブリダイゼーションを行う必要がある。Ｔｍより高温の条件では、１本鎖ポリヌクレオチドはプローブと結合しにくく、十分な反応収率が得られない。一方、Ｔｍより低温の条件では、ミスマッチ結合によるバックグラウンドのノイズが増加し、測定分解能の低下を招く。
また、ポリヌクレオチド検出チップ上に複数種類のプローブを固定した場合、ポリヌクレオチド検出チップ上の温度を一定にして、検査対象の１本鎖ポリヌクレオチド試料とのハイブリダイゼーションを行うと、プローブ毎に熱安定性が異なるため、プローブの相補鎖結合の生成量の差異が、必ずしも、ミスマッチ確率の差異を反映しない可能性が生じる場合がある。
従来の検出チップでは、検出チップ上の全てのプローブについてハイブリダイゼーションを行う温度は一定に設定し、溶媒の塩濃度の調整や検出チップに固定するプローブ密度やプローブ塩基長を種類毎に変化させる手法により、プローブの相補鎖結合生成量の差異が、ミスマッチ確率の差異を直接反映し、プローブ毎の熱安定性の差異が混入するのを防ぐ手立てとしていた。しかし、Ｔｍの差異による影響を十分解消するには至っていない。
この問題を解決する例として、特許文献１は、複数の反応系を基板上に集積化し、各反応系を反応系毎に温度調節して、しかも同時並行して行うための装置および方法を開示する。しかし、特許文献１では、各反応系間の熱絶縁性を確保するためにシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜による薄いメンブレン基板を用いたため、メンブレンが脆弱で、使用中の破損事故が発生する確率が高かった。また、強度に限界が有るため、メンブレンを薄くすることが出来ず、メンブレンを通じた熱伝導を十分抑えられず、各反応系間の熱絶縁性能が不十分だった。このため、反応系の集積度を上げ過ぎると温度制御の独立性が十分得られず、逆に、温度制御の独立性を維持しようとすると、集積度を向上することが出来なかった。さらに、メンブレン作製に関わるコストが他の半導体プロセス工程と比べて高価となり、製品のコスト高要因となって、実用化の妨げに成っていた。
本発明は、オリゴヌクレオチドプローブとポリヌクレオチドとのハイブリダイゼーションをはじめとする化学反応全般の解析において、複数の反応系を基板上に集積化し、各反応系ごとに温度制御を行いながら、同時並行的に反応を進行させることが可能な、化学反応検出装置およびその方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するものとして、本発明の第１様態では多孔質シリコンと、該多孔質シリコンに埋め込まれた１個以上のアイランドとを有することを特徴とする化学反応チップとする。
本発明の第２様態では、本発明の第１様態に加えて、熱シールド領域を有することを特徴とする化学反応チップとする。
本発明の第３様態では、本発明の第１様態及び本発明の第２様態のいずれかに加えて、該アイランド表面を保護する保護層と、該保護層上に形成されたプローブ固定領域と、該プローブ固定領域上に固定されたプローブと、該アイランドを加熱するヒータ素子と、該アイランドの温度を検出する温度検出素子と、該温度検出素子と該ヒータ素子を制御してアイランドの温度を所望の温度に制御する温度制御装置と、該温度検出素子と該温度制御装置を結ぶ電気配線と、該ヒータ素子と該温度制御装置を結ぶ電気配線と、を有することを特徴とする化学反応チップとする。
本発明の第４様態では、本発明の第３様態に加えて、個々の該アイランドの温度を独立に制御することを特徴とする化学反応チップとする。
本発明の第５様態では、本発明の第１様態乃至第４様態のいずれかに加えて、該アイランド及び熱シールド領域は単結晶シリコンであることを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第６様態では、本発明の第１様態乃至第５様態のいずれかに加えて、該アイランド及び熱シールド領域は、ｐ型に不純物ドープされた単結晶シリコンであり、かつ、該アイランド及び熱シールド領域の直下にｎ型に不純物ドープされた埋め込み層を有することを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第７様態では、本発明の第５様態及び本発明の第６様態のいずれかに加えて、補強基板を有することを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第８様態では、本発明の第５様態乃至第７様態のいずれかに加えて、該アイランドの一部、または、該熱シールド領域の一部のいずれかに、少なくとも一つ以上のＭＯＳトランジスタを有することを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第９様態では、本発明の第８様態に加えて、該ＭＯＳトランジスタが該ヒータ素子への電力供給をスイッチすることを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１０様態では、本発明の第８様態及び本発明の第９様態のいずれかに加えて、該ＭＯＳトランジスタが該温度検出素子の出力信号をスイッチすることを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１１様態では、本発明の第１様態乃至第４様態のいずれかに加えて、該アイランド及び該熱シールド領域は、多結晶シリコンであることを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１２様態では、本発明の第１１様態に加えて、該多孔質シリコンとの境界に近い、該アイランド及び熱シールド領域の周縁部は、ｎ型に不純物ドープされた多結晶シリコンであり、かつ、該多孔質シリコンの下地となる電極層を有することを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１３様態では、本発明の第１２様態に加えて、ガラス基板上に該電極層を形成しことを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１４様態では、本発明の第１２様態に加えて、ＢＰＳＧまたはＳＯＧによる埋め込み多層配線構造の上部に、該電極層を形成しことを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１５様態では、本発明の第１２様態乃至第１４様態のいずれかに加えて、該電極層が多結晶シリコンであることを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１６様態では、本発明の第１３様態に加えて、該ガラス基板の上に多結晶シリコン薄膜またはアモルファスシリコン薄膜を用いたＴＦＴトランジスタが少なくとも一つ存在することを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１７様態では、本発明の第１１様態乃至第１６様態のいずれかに加えて、該アイランド上に設けた少なくとも一対のオーミックコンタクト端子を有し、該端子間の電気抵抗を測定する手段を有し、かつ、該電気抵抗を温度センサー素子とすることを特徴とする化学反応チップとする。
本発明の第１８様態では、本発明の第１１様態乃至第１７様態のいずれかに加えて、該アイランド上に設けた少なくとも一対のオーミックコンタクト端子を有し、該端子間に通電する手段を有し、かつ、該アイランド中で発生するジュール損を熱源とする化学反応チップとする。
本発明の第２様態では、本発明の第１様態に加えて、熱シールド領域を有することを特徴とする化学反応チップとする。
本発明の第３様態では、本発明の第１様態及び本発明の第２様態のいずれかに加えて、該アイランド表面を保護する保護層と、該保護層上に形成されたプローブ固定領域と、該プローブ固定領域上に固定されたプローブと、該アイランドを加熱するヒータ素子と、該アイランドの温度を検出する温度検出素子と、該温度検出素子と該ヒータ素子を制御してアイランドの温度を所望の温度に制御する温度制御装置と、該温度検出素子と該温度制御装置を結ぶ電気配線と、該ヒータ素子と該温度制御装置を結ぶ電気配線と、を有することを特徴とする化学反応チップとする。
本発明の第４様態では、本発明の第３様態に加えて、個々の該アイランドの温度を独立に制御することを特徴とする化学反応チップとする。
本発明の第５様態では、本発明の第１様態乃至第４様態のいずれかに加えて、該アイランド及び熱シールド領域は単結晶シリコンであることを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第６様態では、本発明の第１様態乃至第５様態のいずれかに加えて、該アイランド及び熱シールド領域は、ｐ型に不純物ドープされた単結晶シリコンであり、かつ、該アイランド及び熱シールド領域の直下にｎ型に不純物ドープされた埋め込み層を有することを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第７様態では、本発明の第５様態及び本発明の第６様態のいずれかに加えて、補強基板を有することを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第８様態では、本発明の第５様態乃至第７様態のいずれかに加えて、該アイランドの一部、または、該熱シールド領域の一部のいずれかに、少なくとも一つ以上のＭＯＳトランジスタを有することを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第９様態では、本発明の第８様態に加えて、該ＭＯＳトランジスタが該ヒータ素子への電力供給をスイッチすることを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１０様態では、本発明の第８様態及び本発明の第９様態のいずれかに加えて、該ＭＯＳトランジスタが該温度検出素子の出力信号をスイッチすることを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１１様態では、本発明の第１様態乃至第４様態のいずれかに加えて、該アイランド及び該熱シールド領域は、多結晶シリコンであることを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１２様態では、本発明の第１１様態に加えて、該多孔質シリコンとの境界に近い、該アイランド及び熱シールド領域の周縁部は、ｎ型に不純物ドープされた多結晶シリコンであり、かつ、該多孔質シリコンの下地となる電極層を有することを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１３様態では、本発明の第１２様態に加えて、ガラス基板上に該電極層を形成しことを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１４様態では、本発明の第１２様態に加えて、ＢＰＳＧまたはＳＯＧによる埋め込み多層配線構造の上部に、該電極層を形成しことを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１５様態では、本発明の第１２様態乃至第１４様態のいずれかに加えて、該電極層が多結晶シリコンであることを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１６様態では、本発明の第１３様態に加えて、該ガラス基板の上に多結晶シリコン薄膜またはアモルファスシリコン薄膜を用いたＴＦＴトランジスタが少なくとも一つ存在することを特徴とする、化学反応チップとする。
本発明の第１７様態では、本発明の第１１様態乃至第１６様態のいずれかに加えて、該アイランド上に設けた少なくとも一対のオーミックコンタクト端子を有し、該端子間の電気抵抗を測定する手段を有し、かつ、該電気抵抗を温度センサー素子とすることを特徴とする化学反応チップとする。
本発明の第１８様態では、本発明の第１１様態乃至第１７様態のいずれかに加えて、該アイランド上に設けた少なくとも一対のオーミックコンタクト端子を有し、該端子間に通電する手段を有し、かつ、該アイランド中で発生するジュール損を熱源とする化学反応チップとする。
本発明の第１様態によれば、限られた領域内に近接して配置された複数の孤立化学反応系でありながら、温度設定の独立性を確保し、互いに異なる温度で反応を進行させることが可能となる、コンビナトリアルな化学反応系を実現することが可能と成った。
本発明の第２様態によれば各孤立化学反応系の温度設定の独立性を向上することが可能と成った。
本発明の第３様態によれば、孤立した化学反応系を各アイランドとすることにより、温度制御可能な化学反応系を実現して、化学反応チップを構築することが可能となった。
本発明の第４様態によれば、化学反応系としての各アイランドの温度設定の独立性が高い化学反応チップを実現することが出来た。
本発明の第５様態によれば、化学反応チップをシリコンの微細加工技術を用いて作製することが可能となった。
本発明の第６様態によれば、各アイランドや熱シールド領域の寸法制御性が向上した。
本発明の第７様態によれば、本化学反応チップの機械的強度が向上した。
本発明の第８様態によれば、大規模集積回路（超ＬＳＩ）に用いられるＭＯＳトランジスタ作製技術を用いて、化学反応チップを実現することが可能となった。
本発明の第９様態によれば、ＭＯＳトランジスタ作製技術を用いた、各アイランドの加熱制御が可能となった。
本発明の第１０様態によれば、ＭＯＳトランジスタ作製技術を用いた、各アイランドの温度計測が可能となった。
本発明の第１１様態によれば、液晶ディスプレイなどに用いられる薄膜トランジスタ（ＴＦＴトランジスタ）作製技術を用いて、化学反応チップを実現することが可能となった。
本発明の第１２様態によれば、多結晶シリコンにより該アイランドを形成した化学反応チップを実現することが可能となった。
本発明の第１３様態によれば、薄膜トランジスタと集積化された化学反応チップを、安価で量産化が容易な化学反応チップとして実現することが可能となった。
本発明の第１４様態によれば、ＭＯＳトランジスタまたは薄膜トランジスタ、等、から成る集積回路と該孤立した化学反応系とを集積化した化学反応チップを、実現することが可能となった。
本発明の第１５様態によれば、本発明の第１４様態による化学反応チップを、より安価で、量産化が容易な化学反応チップとして、実現することが可能となった。
本発明の第１６様態によれば、薄膜トランジスタと集積化された化学反応チップを実現することが可能となった。
本発明の第１７様態によれば、多結晶シリコンにより作製した該アイランドの温度計測が可能な化学反応チップを実現できた。
本発明の第１８様態によれば、多結晶シリコンにより作製した該アイランドの加熱が可能な化学反応チップを実現できた。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施例１に係わる、化学反応チップの概略構成を示した断面図である。図１に示すように、本発明による化学反応チップは、多孔質シリコン層１０と、該多孔質シリコン層１０に埋め込まれた１個以上のアイランド２０とを有する構造を基本とする。
図２は、該アイランド２０、該多孔質シリコン層１０、温度センサー素子５０、ヒータ６０、等の配置を示した平面図である。図中のＡ−Ａ‘線に対応した断面が、図１に対応する。
該アイランド２０が多孔質シリコン層１０に囲まれた構造は、例えば、図３に示した方法によって作製することが出来る。図３（１）に示したように、ｐ型にドープした単結晶シリコン基板２００の表面に、ホウ素などのｐ型不純物を高濃度ドープした領域２０１を形成する。領域２０１に金属配線などを接触させた電気配線を施した後、基板表面全体をフッ酸耐性がある樹脂などで被覆し、基板の裏面のみが露出する状態とする。この試料をフッ酸水溶液に浸し、同時にプラチナ等の対向電極をフッ酸溶液に浸して、該電気配線と該対向電極の間に通電して、電解セルを構成する。この構成では、基板２００の裏面のみフッ酸水溶液に接触していることから、陽極酸化反応が裏面から進行する。より詳しく述べると、電解セルへの通電によって、高濃度ドープ領域２０１を通じてシリコン基板２００内にホールが注入され、該シリコン基板２００中を拡散・ドリフトして、基板２００の裏面に到達する。陽極酸化反応は、フッ酸水溶液と接するシリコン表面に、ホールが供給された時にのみ進行し、この反応によって単結晶シリコンを多孔質シリコンに変える。図３（２）に示すように、反応の初期には、表面側の高濃度ドープ領域２０１から供給されたホールは裏面に均一に到達し、裏面近傍では一様に多孔質化した層（多孔質シリコン層１０）が形成され始める。ところが、多孔質化が進行し、基板表面近傍まで反応が進行すると、図３（３）に示したように、表面側に形成されている高濃度ドープ領域２０１の付近にホール電流が集中し、その部分の反応が他の領域より速く進行するようになる。そのため、多孔質化した領域（多孔質シリコン層１０）と未反応のシリコン領域の境界面が隆起し、不均一性が生じる。この不均一性は、反応の進行と伴により強調されて行き、該高濃度ドープ領域２０１にまで多孔質化反応が到達する時には、図３（４）に示すように、多孔質化されない領域が取り残され、多孔質化された領域（多孔質シリコン層１０）に囲まれた領域として、該アイランド２０が形成される。
図２から明らかなように、各アイランド２０は、隣接する他のアイランドから、多孔質シリコン層１０によって隔てられている。多孔質シリコン層１０は、極めて小さい熱伝導率を持っている。熱伝導率の値は多孔度（porosity）によって変化し、通常、多孔度６０％に対し０．２Wm-1K-1程度の熱伝導率が得られ、シリコン酸化膜の持つ熱伝導率の５分の１程度の大きさとなる。また、多孔度８０％で０．０３Wm-1K-1の値が得られ、シリコン酸化膜の５０分の１程度の大きさとなり、この値は、常温の空気の熱伝導率に匹敵する大きさとなる。
一方、結晶または多結晶シリコンから成る該アイランド２０は、多孔質シリコン層１０とは対照的に、極めて大きい熱伝導率（１６８Wm-1K-1程度）を持つ。このため個々の該アイランド２０が占める領域全体に亘って温度は均一であると考えられる。一方、これらアイランド２０が、熱伝導率が低い多孔質シリコン層１０によって隔てられて複数存在している状況では、隣接アイランド間の温度に差異が生じても、これらの温度の不均一が均一化することは容易ではない。なぜなら、多孔質シリコン層１０を介しての熱の移動が極めて緩慢であるからである。本発明の基本構造である「多孔質シリコン層１０に埋め込まれた１個以上のアイランド２０」という構造の特徴を用い、該アイランドの上に該アイランドと熱的な結合が強い化学反応系を一個ずつ構築すれば、これら化学反応系間の熱の交換が抑圧され、限られた領域内に近接して配置された複数の孤立化学反応系でありながら、温度設定の独立性を確保し、互いに異なる温度で反応を進行させることが可能となる、コンビナトリアルな化学反応系を実現することが可能と成った。
このような状況は、局所的に加熱する機構だけでは実現できず、局所的に発生した熱の流出を抑える処置を施さなければ、実現できない。これまで、局所的な熱発生は可能であったが、熱の交換を抑制する機構を実現する方法は極めて限られており、特に、集積度が高い場合には、隣接した化学反応系の温度設定の独立性を保障することは困難であった。熱的な独立性を保障する、本発明による化学反応チップの特性は、ＤＮＡチップを始めとするコンビナトリアルな化学反応系全般において必要とされる特性であった。しかしながら、微細加工が可能なシリコン材料という、汎用性の高い材料系において、有効な熱絶縁材料が存在しなかったことから、これまで、実現しにくい特性であった。
本発明による化学反応チップによれば、特許文献１に開示された従来例に比べて、隣接するアイランド間の熱的絶縁性が飛躍的に向上し、各アイランドの温度制御の独立性が大幅に向上した。すなわち、従来例では、アイランドが２μｍを超える厚さを有するシリコン酸化膜メンブレイン上に形成されていたため、メンブレインを介した熱伝導のため、十分な熱絶縁性が得られず、アイランド間の距離が５０μｍ以下に小さく成ると、隣のアイランドからの熱流入、または、隣のアイランドへの熱流出により、アイランド間の温度設定の独立性が十分得られなかった。
図１に示したように、多孔質化した基板を、ガラス基板などの補強基板１１に接着して用いることもできる。これにより、多孔質化後の基板の強度を補強することができる。また、十分な多孔質層の厚さを確保すれば、該補強基板１１と該アイランド２０の熱絶縁性は、十分に確保できる。
また、該アイランド２０上には酸化膜２１、及び、シリコン窒化膜から成る保護層３０が積層され、該保護層３０上には、オリゴヌクレオチドプローブなどの、化学反応に関わるプローブを固定するプローブ固定領域４０が形成される。
該アイランド２０中には、該アイランド２０の温度を検出する温度センサー素子５０とヒータ６０が形成される。ここでは、該温度センサー素子５０は、特許文献１に開示されているｐｎ接合の電気特性の温度依存性を用いている。なお、ｐｎ接合の変わりにプラチナなどの金属薄膜の電気抵抗の温度依存性を用いることもできる。
本実施例では、該アイランド２０は、ｐ型にドープした単結晶シリコン基板から作製されたものとする。該温度センサー素子５０は、ｐ型の単結晶シリコンから成る該アイランド２０中に、ｎ型にドープされた領域５６を作製し、その周囲に形成されるｐｎ接合を温度センサーとしている。なお、ｎ型にドープされた該領域５６の内部には、ｎ型に高濃度ドープされた領域５５を形成してｎ型領域へのオーミックコンタクトを実現して、温度センサー素子の一つの端子とする。これに隣接してｐ型の高濃度ドープされた領域５７を作製してｐ型領域へのオーミックコンタクトを実現し、温度センサー素子のもう一つの端子とする。これらの端子間を、ｐｎ接合を順方向バイアスする極性に電流バイアスして、両端子間に発生した電圧を、該温度センサー素子５０の出力信号としている。その際、センサー入出力装置５１は、該出力信号を得るための電流バイアスを温度検出素子に供給する。また、該温度センサー素子５０からの電圧信号は、センサー入出力装置５１を介してヒータ制御装置６１に入力され、ヒータ６０への電力供給量を調節することにより該アイランド２０の加熱を制御し、該アイランド２０の温度が制御される。また、温度センサー素子５０、センサー入出力装置５１、ヒータ６０、ヒータ制御装置６１は、各アイランド２０ごとに設けられているため、各アイランド２０の温度を独立に制御することが出来る。本実施例では、ｐ側の端子に８００ｋΩの内部抵抗を有する定電流源を接続し、ｐｎ接合を１０μAで定電流バイアスした。その際、ｎ側の端子に対してｐ側の端子６６が正と成るような、順方向バイアスを用いた。図４は、このようなバイアス条件下で観測された、両端子間の電位差の温度依存性である。測定した該電位差を図４によって温度に変換すれば、該アイランド２０の温度を精度良く測定出来る。
図２において、ヒータ６０を示す領域は、ｐ型シリコン基板の表面にｎ型不純物をドープした領域に対応し、この領域の両端にオーミックコンタクを取って通電すれば、その電流はこのｎ型不純物をドープした領域に局在して流れ、その際のジュール損によって発熱する。シリコン単結晶は十分な熱伝導性を有するため、該アイランド２０全体を均一に加熱することが出来る。
ところで、本発明における「化学反応に関わるプローブ」とは、特定の物質、部位、状態などを特異的に検出できる物質をいい、その例として、オリゴヌクレオチドDNA・RNAブロープ、抗体等のタンパク質ブロープなどを挙げることができる。オリゴヌクレオチドDNA・RNAブロープの場合、その塩基数は、4〜500n t（ヌクレオチド）であるとよく、好ましくは、8〜200n t（ヌクレオチド）である。オリゴヌクレオチドブロープは1本鎖でも2本鎖でもよいが、ブロープと測定対象との結合効率の点から、1本鎖であることが好ましい。
プローブは、公知の方法により、シリコン窒化膜から成る保護層３０上に固定することができる。例えば、シリコン窒化膜をシラン化して、ブロープにアミノ基を設けておけば、シランカップリングでブロープを保護層３０上に固定することができる。その際、リソグラフィー技術を用いて、シランカプリング剤を該プローブ固定領域４０の位置と形状に一致するようにパターン化しておけば、固定するプローブを各アイランド２０の直上に配置することに出来るので、ブロープとアイランドの熱的結合を最も大きく出来る。シランカップリング剤のパターンニングを行う場合には、該プローブ固定領域４０は、該シランカップリング剤が固定された領域と同義となるが、スポッティング等の他の方法によってプローブを固定する領域とその位置を決める場合は、必ずしも同義ではない。
シランカップリング剤として、例えば、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（qlvcldoxyproplltrlmethoxy Sllane）を用いることができる。その際、反応条件として、常温反応３０分、１２０℃でのベーク１時間を用いる。次に、予めアミノ基を末端に導入したオリゴヌクレオチドブロープを、所定のブロープ固定面にスポットする。乾燥を防ぐため、高湿度条件下で５００℃、１５分の反応を行い、シランカップリングによりブロープが該保護層３０上の該プローブ固定領域４０に固定される。次に、過剰のポリリジンをチップに注入し、高湿度条件下で５０℃、１０分の反応を進行させるとブロープと結合していない官能基にリジンを結合できる。この処理は、実際に試料とハイブリダイゼーションを行う際の非特異的吸着によるバックグラウンドの低減に有効である。特に、シランカプリング剤をパターニングしない場合は必要不可欠である。最後に、トリスEmAを用い、DNAチップ表面を洗浄して乾燥保存する。
ところで、図１に示したアイランド２０の平面的な広がりと、プローブ固定領域４０の平面的な広がりは、ほぼ一致させて作製される。この構造において、保護層３０として用いるシリコン窒化膜の厚さは最低２０ｎｍ程度とすることが可能で、アイランド２０とプローブを隔てる距離は、このシリコン窒化膜の厚みと酸化膜２１の厚みの和に等しくなり、１００ｎｍ以下とすることは容易である。一方、特許文献１に開示された実施例では、アイランドとプローブは、２μｍを超えるシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜から形成されるメンブレインによって隔てられており、メンブレンイン強度を確保する必要から、この厚みを薄くすることは不可能である。その結果、アイランドとプローブの熱的結合が、本発明による実施例に比べて著しく弱い。保護層の厚みを薄くすることに成功した本発明により、プローブにおける相補鎖結合反応の温度制御性が著しく向上した。
ブロープの種類は、特に限定されず、1種類でもよいし、複数種でもよい。例えば、１枚の基板に複数種のブロープを固定したチップを用いれば、１つのサンプルで複数個の検出対象物を同時に検出することができる。また、1枚の基板に1種類のブロープを多数固定したチップを用いれば、複数のサンプルにおける1個の検出対象物を同時に検出することができる。
図２は、該アイランド２０、該多孔質シリコン層１０、温度センサー素子５０、ヒータ６０、等の配置を示した平面図である。図中のＡ−Ａ‘線に対応した断面が、図１に対応する。
該アイランド２０が多孔質シリコン層１０に囲まれた構造は、例えば、図３に示した方法によって作製することが出来る。図３（１）に示したように、ｐ型にドープした単結晶シリコン基板２００の表面に、ホウ素などのｐ型不純物を高濃度ドープした領域２０１を形成する。領域２０１に金属配線などを接触させた電気配線を施した後、基板表面全体をフッ酸耐性がある樹脂などで被覆し、基板の裏面のみが露出する状態とする。この試料をフッ酸水溶液に浸し、同時にプラチナ等の対向電極をフッ酸溶液に浸して、該電気配線と該対向電極の間に通電して、電解セルを構成する。この構成では、基板２００の裏面のみフッ酸水溶液に接触していることから、陽極酸化反応が裏面から進行する。より詳しく述べると、電解セルへの通電によって、高濃度ドープ領域２０１を通じてシリコン基板２００内にホールが注入され、該シリコン基板２００中を拡散・ドリフトして、基板２００の裏面に到達する。陽極酸化反応は、フッ酸水溶液と接するシリコン表面に、ホールが供給された時にのみ進行し、この反応によって単結晶シリコンを多孔質シリコンに変える。図３（２）に示すように、反応の初期には、表面側の高濃度ドープ領域２０１から供給されたホールは裏面に均一に到達し、裏面近傍では一様に多孔質化した層（多孔質シリコン層１０）が形成され始める。ところが、多孔質化が進行し、基板表面近傍まで反応が進行すると、図３（３）に示したように、表面側に形成されている高濃度ドープ領域２０１の付近にホール電流が集中し、その部分の反応が他の領域より速く進行するようになる。そのため、多孔質化した領域（多孔質シリコン層１０）と未反応のシリコン領域の境界面が隆起し、不均一性が生じる。この不均一性は、反応の進行と伴により強調されて行き、該高濃度ドープ領域２０１にまで多孔質化反応が到達する時には、図３（４）に示すように、多孔質化されない領域が取り残され、多孔質化された領域（多孔質シリコン層１０）に囲まれた領域として、該アイランド２０が形成される。
図２から明らかなように、各アイランド２０は、隣接する他のアイランドから、多孔質シリコン層１０によって隔てられている。多孔質シリコン層１０は、極めて小さい熱伝導率を持っている。熱伝導率の値は多孔度（porosity）によって変化し、通常、多孔度６０％に対し０．２Wm-1K-1程度の熱伝導率が得られ、シリコン酸化膜の持つ熱伝導率の５分の１程度の大きさとなる。また、多孔度８０％で０．０３Wm-1K-1の値が得られ、シリコン酸化膜の５０分の１程度の大きさとなり、この値は、常温の空気の熱伝導率に匹敵する大きさとなる。
一方、結晶または多結晶シリコンから成る該アイランド２０は、多孔質シリコン層１０とは対照的に、極めて大きい熱伝導率（１６８Wm-1K-1程度）を持つ。このため個々の該アイランド２０が占める領域全体に亘って温度は均一であると考えられる。一方、これらアイランド２０が、熱伝導率が低い多孔質シリコン層１０によって隔てられて複数存在している状況では、隣接アイランド間の温度に差異が生じても、これらの温度の不均一が均一化することは容易ではない。なぜなら、多孔質シリコン層１０を介しての熱の移動が極めて緩慢であるからである。本発明の基本構造である「多孔質シリコン層１０に埋め込まれた１個以上のアイランド２０」という構造の特徴を用い、該アイランドの上に該アイランドと熱的な結合が強い化学反応系を一個ずつ構築すれば、これら化学反応系間の熱の交換が抑圧され、限られた領域内に近接して配置された複数の孤立化学反応系でありながら、温度設定の独立性を確保し、互いに異なる温度で反応を進行させることが可能となる、コンビナトリアルな化学反応系を実現することが可能と成った。
このような状況は、局所的に加熱する機構だけでは実現できず、局所的に発生した熱の流出を抑える処置を施さなければ、実現できない。これまで、局所的な熱発生は可能であったが、熱の交換を抑制する機構を実現する方法は極めて限られており、特に、集積度が高い場合には、隣接した化学反応系の温度設定の独立性を保障することは困難であった。熱的な独立性を保障する、本発明による化学反応チップの特性は、ＤＮＡチップを始めとするコンビナトリアルな化学反応系全般において必要とされる特性であった。しかしながら、微細加工が可能なシリコン材料という、汎用性の高い材料系において、有効な熱絶縁材料が存在しなかったことから、これまで、実現しにくい特性であった。
本発明による化学反応チップによれば、特許文献１に開示された従来例に比べて、隣接するアイランド間の熱的絶縁性が飛躍的に向上し、各アイランドの温度制御の独立性が大幅に向上した。すなわち、従来例では、アイランドが２μｍを超える厚さを有するシリコン酸化膜メンブレイン上に形成されていたため、メンブレインを介した熱伝導のため、十分な熱絶縁性が得られず、アイランド間の距離が５０μｍ以下に小さく成ると、隣のアイランドからの熱流入、または、隣のアイランドへの熱流出により、アイランド間の温度設定の独立性が十分得られなかった。
図１に示したように、多孔質化した基板を、ガラス基板などの補強基板１１に接着して用いることもできる。これにより、多孔質化後の基板の強度を補強することができる。また、十分な多孔質層の厚さを確保すれば、該補強基板１１と該アイランド２０の熱絶縁性は、十分に確保できる。
また、該アイランド２０上には酸化膜２１、及び、シリコン窒化膜から成る保護層３０が積層され、該保護層３０上には、オリゴヌクレオチドプローブなどの、化学反応に関わるプローブを固定するプローブ固定領域４０が形成される。
該アイランド２０中には、該アイランド２０の温度を検出する温度センサー素子５０とヒータ６０が形成される。ここでは、該温度センサー素子５０は、特許文献１に開示されているｐｎ接合の電気特性の温度依存性を用いている。なお、ｐｎ接合の変わりにプラチナなどの金属薄膜の電気抵抗の温度依存性を用いることもできる。
本実施例では、該アイランド２０は、ｐ型にドープした単結晶シリコン基板から作製されたものとする。該温度センサー素子５０は、ｐ型の単結晶シリコンから成る該アイランド２０中に、ｎ型にドープされた領域５６を作製し、その周囲に形成されるｐｎ接合を温度センサーとしている。なお、ｎ型にドープされた該領域５６の内部には、ｎ型に高濃度ドープされた領域５５を形成してｎ型領域へのオーミックコンタクトを実現して、温度センサー素子の一つの端子とする。これに隣接してｐ型の高濃度ドープされた領域５７を作製してｐ型領域へのオーミックコンタクトを実現し、温度センサー素子のもう一つの端子とする。これらの端子間を、ｐｎ接合を順方向バイアスする極性に電流バイアスして、両端子間に発生した電圧を、該温度センサー素子５０の出力信号としている。その際、センサー入出力装置５１は、該出力信号を得るための電流バイアスを温度検出素子に供給する。また、該温度センサー素子５０からの電圧信号は、センサー入出力装置５１を介してヒータ制御装置６１に入力され、ヒータ６０への電力供給量を調節することにより該アイランド２０の加熱を制御し、該アイランド２０の温度が制御される。また、温度センサー素子５０、センサー入出力装置５１、ヒータ６０、ヒータ制御装置６１は、各アイランド２０ごとに設けられているため、各アイランド２０の温度を独立に制御することが出来る。本実施例では、ｐ側の端子に８００ｋΩの内部抵抗を有する定電流源を接続し、ｐｎ接合を１０μAで定電流バイアスした。その際、ｎ側の端子に対してｐ側の端子６６が正と成るような、順方向バイアスを用いた。図４は、このようなバイアス条件下で観測された、両端子間の電位差の温度依存性である。測定した該電位差を図４によって温度に変換すれば、該アイランド２０の温度を精度良く測定出来る。
図２において、ヒータ６０を示す領域は、ｐ型シリコン基板の表面にｎ型不純物をドープした領域に対応し、この領域の両端にオーミックコンタクを取って通電すれば、その電流はこのｎ型不純物をドープした領域に局在して流れ、その際のジュール損によって発熱する。シリコン単結晶は十分な熱伝導性を有するため、該アイランド２０全体を均一に加熱することが出来る。
ところで、本発明における「化学反応に関わるプローブ」とは、特定の物質、部位、状態などを特異的に検出できる物質をいい、その例として、オリゴヌクレオチドDNA・RNAブロープ、抗体等のタンパク質ブロープなどを挙げることができる。オリゴヌクレオチドDNA・RNAブロープの場合、その塩基数は、4〜500n t（ヌクレオチド）であるとよく、好ましくは、8〜200n t（ヌクレオチド）である。オリゴヌクレオチドブロープは1本鎖でも2本鎖でもよいが、ブロープと測定対象との結合効率の点から、1本鎖であることが好ましい。
プローブは、公知の方法により、シリコン窒化膜から成る保護層３０上に固定することができる。例えば、シリコン窒化膜をシラン化して、ブロープにアミノ基を設けておけば、シランカップリングでブロープを保護層３０上に固定することができる。その際、リソグラフィー技術を用いて、シランカプリング剤を該プローブ固定領域４０の位置と形状に一致するようにパターン化しておけば、固定するプローブを各アイランド２０の直上に配置することに出来るので、ブロープとアイランドの熱的結合を最も大きく出来る。シランカップリング剤のパターンニングを行う場合には、該プローブ固定領域４０は、該シランカップリング剤が固定された領域と同義となるが、スポッティング等の他の方法によってプローブを固定する領域とその位置を決める場合は、必ずしも同義ではない。
シランカップリング剤として、例えば、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（qlvcldoxyproplltrlmethoxy Sllane）を用いることができる。その際、反応条件として、常温反応３０分、１２０℃でのベーク１時間を用いる。次に、予めアミノ基を末端に導入したオリゴヌクレオチドブロープを、所定のブロープ固定面にスポットする。乾燥を防ぐため、高湿度条件下で５００℃、１５分の反応を行い、シランカップリングによりブロープが該保護層３０上の該プローブ固定領域４０に固定される。次に、過剰のポリリジンをチップに注入し、高湿度条件下で５０℃、１０分の反応を進行させるとブロープと結合していない官能基にリジンを結合できる。この処理は、実際に試料とハイブリダイゼーションを行う際の非特異的吸着によるバックグラウンドの低減に有効である。特に、シランカプリング剤をパターニングしない場合は必要不可欠である。最後に、トリスEmAを用い、DNAチップ表面を洗浄して乾燥保存する。
ところで、図１に示したアイランド２０の平面的な広がりと、プローブ固定領域４０の平面的な広がりは、ほぼ一致させて作製される。この構造において、保護層３０として用いるシリコン窒化膜の厚さは最低２０ｎｍ程度とすることが可能で、アイランド２０とプローブを隔てる距離は、このシリコン窒化膜の厚みと酸化膜２１の厚みの和に等しくなり、１００ｎｍ以下とすることは容易である。一方、特許文献１に開示された実施例では、アイランドとプローブは、２μｍを超えるシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜から形成されるメンブレインによって隔てられており、メンブレンイン強度を確保する必要から、この厚みを薄くすることは不可能である。その結果、アイランドとプローブの熱的結合が、本発明による実施例に比べて著しく弱い。保護層の厚みを薄くすることに成功した本発明により、プローブにおける相補鎖結合反応の温度制御性が著しく向上した。
ブロープの種類は、特に限定されず、1種類でもよいし、複数種でもよい。例えば、１枚の基板に複数種のブロープを固定したチップを用いれば、１つのサンプルで複数個の検出対象物を同時に検出することができる。また、1枚の基板に1種類のブロープを多数固定したチップを用いれば、複数のサンプルにおける1個の検出対象物を同時に検出することができる。
図５は、実施例２における化学反応チップの、アイランド２０の平面配置を示した図である。図６は、図５におけるＸ−Ｘ‘線に対応した断面構造を示した図である。また、図７は、図５におけるＹ−Ｙ‘線に対応した断面構造を示した図である。図中の番号のうち、実施例１に用いられている番号と同じものは、本実施例２においても、実施例１と同じ意味を持っている。実施例１において、アイランド２０間は多孔質シリコン層１０で隔てられていたが、本実施例２では、アイランド２０間に熱シールド領域７０を設けている。熱シールド領域７０は、アイランド２０と同様、多孔質化されずに残ったｐ型の単結晶の領域である。
該熱シールド領域７０は、チップ全体に亘って連続したメッシュ状の領域を形成し、その領域は、チップの端部にまで伸展している。さらに、該熱シールド領域７０は多孔質化していないシリコンの領域であるため、高い熱伝導性を有する領域であるから、チップの端部をペルチェ素子により冷却すれば、熱シールド領域７０の熱伝導を通じてチップ全体を均一性良く冷却することが出来る。
特許文献１に開示された従来例では、KOHを用いたウェットエッチングにより本実施例と同様な機能を有するメッシュ構造が作製されているが、アイランドと同様、形状が結晶方位で定まるファセットを生じることから、メッシュ構造の寸法に制限が生じている。本発明では、実施例１の場合よりも、よりアイランドに近接した単結晶領域を形成するため、寸法制御性がより優れている図８に示す方法により、該熱シールド領域７０、及び、該アイランド２０を形成した。
ｐ型にドープされた単結晶シリコン基板２００の表面に、ｎ型ドープされた領域から成るストップ領域２５を形成する。ストップ領域領域２５は、アイランドを形成する直下の位置に配置する。その上に、ｐ型ドープされたｐ領域２０５を再成長し、その最表面に、ｐ型に高濃度ドープされた領域、高濃度ドープ領域２０１、を形成し、ホール注入端子とする。こうして作製された基板の構造を図８（１）に示す。該高濃度ドープ領域２０１は、ストップ領域２５の直上ではない領域に形成されていることに注意する。
上述のように準備した基板を、図３に示した方法と同様な方法によって、裏面から陽極酸化する。すなわち、表面側の、高濃度ドープ領域２０１を通じてホールを注入し、該シリコン基板２００の裏面のみで陽極酸化反応が進行する構成を用いる。陽極酸化反応は、フッ酸水溶液と接するシリコン表面に、ホールが供給された時にのみ進行し、この反応によって単結晶シリコンを多孔質シリコンに変える。図８（２）に示すように、反応の初期には、表面側の高濃度ドープ領域２０１から供給されたホールは、ストップ領域２５の間隙を抜けて流れ、裏面に均一に到達し、裏面近傍では一様に多孔質化した層（多孔質シリコン層１０）が形成され始める。ところが、多孔質化が進行し、ストップ領域２５近傍まで反応が進行すると、図８（３）に示したように、ストップ領域２５が存在しない領域にホール電流が集中し、多孔質化反応が局在化し始める。なぜなら、ｐ型基板中に形成されたｎ型のストップ領域２５の周囲には、ｐｎ接合が形成されており、ｐｎ接合の形成による空乏化のためにホールが供給されず、ストップ領域２５とその近傍にはホール電流が流れないからである。さらに反応が進行すると、表面側に形成されている高濃度ドープ領域２０１の存在により、ホール電流は集中し続け、多孔質化反応の局在性を維持したまま、高濃度ドープ領域２０１にまで到達しする。その結果、図８（４）に示すように、該ストップ領域２５の直上に、多孔質化されない領域が生じ、多孔質化された領域（多孔質シリコン層１０）に囲まれた領域として、該アイランド２０が形成される。なお、図６、図７において、該熱シールド領域７０及び該アイランド２０の中には、ストップ領域２５と、同様な役割を果すストップ領域７５の断面構造が示されている。
本実施例においては、ストップ領域２５の存在を除いて、アイランド２０内の構造は、実施例１の場合と等しい。本実施例２において、Ｘ−Ｘ‘断面を示す図６には、温度センサー素子５０の一部を成す、ｎ型にドープされた領域５６及び該領域５６の内部に形成されたｎ型に高濃度ドープされた領域５５の断面が示されている。また、ヒータ６０の断面も描かれている。さらに、実施例１と同様な方法によって、プローブ固定領域４０が形成され、用途に応じたプローブが固定される。
さらに、本実施例では、該熱シールド領域７０を、温度制御装置の一部を設置する場所としても活用している。すなわち、該熱シールド領域７０中及びその表面に、ＭＯＳトランジスタ回路が組み込まれ、これによって温度センサー素子５０、該ヒータ６０、へのバイアス、電力供給などが制御される。図６において、該熱シールド領域７０は、ｐ型の高抵抗領域とし、この表面にShallow Trench Isolation 等と呼ばれる素子分離のための酸化領域７００を形成し、ドレイン５１０、ソース５２０、ゲート５３０、等、から形成されるＭＯＳトランジスタ５００と、ドレイン６１０、ソース６２０、ゲート６３０、から形成されるＭＯＳトランジスタ６００、等から成るＭＯＳトランジスタ６００を作製する。図６において、これらのＭＯＳトランジスタを点線枠で囲ってある。該熱シールド領域７０中の表面に、これらのＭＯＳトランジスタの構成部分を不純物拡散、等、によって作製し、ＣＭＰなどの平坦化技術を用い、ゲートなどを埋め込む層間絶縁層３００を形成する。さらに、コンタクトホールを形成してタングステンコンタクトプラグを形成し、ソース、ドレイン、等のＭＯＳトランジスタの各部に電気的コンタクトを形成するとともに、層間絶縁層３００上に、ゲート５３０にコンタクトして紙面に垂直に伸びる配線５３１、及び、ゲート６３０にコンタクトして紙面に垂直に伸びる配線６３１、が形成される。同時に、ドレイン５１０、ドレイン６１０にコンタクする配線５１１、配線６１１、等も形成される。なお、ソース５２０とソース６２０はメタルで接続され、コンタクを介して、層間絶縁層３２０上の配線４１０に接続されている。なお、この配線４１０は、A−A‘断面とは異なる面内で、グランドプレーン４００に接続される。
層間絶縁層３００上の各配線が形成された後、これらを埋め込んで平坦化される層間絶縁層３１０が形成され、該層間絶縁層３１０上には配線５１２、配線６１２、等が形成される。配線５１２は、ビアプラグを介して配線５１１に接続されるとともに、隣接するアイランド２０上の、温度センサー素子を形成する、高濃度ドープされたｎ型領域、領域５５、に接続される。ＭＯＳトランジスタ素子５００は、温度センサー素子へのバイアス回路のスイッチング素子として動作することとなる。一方、ビアプラグを介してＭＯＳトランジスタ６００のドレイン６１０に接続された配線６１２は、ヒータ素子６０の一方の端子に接続され、これにより、ヒータ素子６０への電力供給のスイッチング素子として使用される。
こらの配線５１２、及び、配線６１２は、層間絶縁層３２０によって埋め込まれ、平坦化を行った後に、グランドプレーン４００を形成する。さらに、グランドプレーン４００は、絶縁層３３０によって埋め込まれ、その上部には、シリコン窒化膜から形成される保護層３０が形成される。これによって、該熱シールド領域７０上に形成した電子回路や配線、等は、試料溶液への暴露から遮蔽され、保護される。また、該保護層３０は、該アイランド２０表面にも連続した保護層として形成され、該アイランド２０の直上には、プローブ固定層４０、などが形成される。
図７は、図５におけるＹ−Ｙ‘線に対応した断面構造を示した図である。この断面では、アイランド２０内のヒータ素子６０の異なる領域の断面が示されており、また、温度センサー素子５０は、この断面に含まれていないことが分かる。また、該熱シールド領域７０の断面内には、ＭＯＳトランジスタ６００の断面のみが示されている。その理由は、より大きい電流をスイッチすることが必要なヒータ素子６０を制御するＭＯＳトランジスタ６００のゲート幅は、より小さい電流をスイッチする温度センサー素子５０の制御に用いるＭＯＳトランジスタ５００のゲート幅より、長いからである。なお、図７は、トランジスタ６００のドレインは、プラグ、配線６１１を介して配線６１２に接続されており、Ｙ−Ｙ’断面内において、ヒータ素子６０の一方の端にオーミックコンタクトを介して接続されていることを表現している。
図９は、アイランド２０の配置と、各配線の配置とを、平面図として模式的に示したものである。図９では、各アイランド２０から出ている配線のうち、縦に隣接するアイランドからの配線を接続する「縦に接続する配線群」と、横に隣接するアイランドからの配線を接続する「横に接続する配線群」、とが存在することが示されている。図７において、紙面に垂直に伸びる配線５３１、６３１、は、図９の平面図内における、「縦に接続する配線群（MOSトランジスタのゲート端子を縦に接続している）」に対応している。一方、各アイランド２０上で、温度センサー素子５０のｐ型高濃度ドープ領域５７へ接続する端子、及び、ヒータ素子６０のMOSトランジスタ６００の端子に接続されなかった残りの端子、が、図９の平面図内における、「横に接続する配線群」によって横に接続されている。なお、図から明らかなように、これらの配線は熱シールド領域７０上に形成される。
各アイランド上の素子への外部回路との接続を示したものが図１０である。図中、点線の四角形で囲んだ領域が、各々、一つのアイランドを表している。温度センサー素子５０をダイオード記号で表現し、ヒータ素子６０を抵抗の記号で表現してある。この図では、４つのアイランドの接続状況のみを示しているが、より多くのアイランドがアレイ状に接続されている場合でも、以下の説明は当てはまる。図１０を用いて、４個のアイランドのうち、左下のアイランドの温度測定動作を説明する。まず、制御装置９００より、データバス９１０を通じて、列デコーダ９１１に対し、左端のアイランド列を選択する列選択信号が送られる。これにより、スイッチ９１３がオンされ、左端の列のアイランド上に有るMOSトランジスタ５００のゲートに接続された配線が、バイアス電圧を供給する電圧源９１２に接続され、左端のアイランド列が選択される。一方、制御装置９００より、データバス９２０を通じて、行デコーダ９２１に対し、下端の行を選択する行選択信号が送られる。これにより、スイッチ９２３がオンされ、下端の行のアイランド上に有る各温度センサー素子５０とこれらをバイアスする電流源９２６が接続され、下端のアイランド行が選択される。この状況では、左下の温度センサー素子５０のみが通電され、他のアイランド上の温度センサー素子には通電されないため、温度測定端子９２４上には、左下の温度センサー素子のセンサー出力（ｐｎ接合の両端の電位差にほぼ等しい）が現れる。このセンサー出力はデータバス９２０を通じて制御装置９００に送られる。制御装置９００は、このセンサー出力を温度に変換し、設定温度との誤差を算出する。この誤差を修正するため、温度制御装置９００は、アイランド上のヒータ素子６０への電力供給を制御する。
上記電力供給の制御は、以下のように行われる。すなわち、データバス９１０を通じて列デコーダ９１１に対し、左端のアイランド列を選択する列選択信号が送られる。これにより、スイッチ９１４がオンされ、左端の列のアイランド上に有るMOSトランジスタ６００のゲートに接続された配線が、バイアス電圧を供給する電圧源９１２に接続され、左端のアイランド列が選択される。一方、制御装置９００より、データバス９２０を通じて、行デコーダ９２１に対し、下端の行を選択する行選択信号が送られる。これにより、スイッチ９２５がオンされ、下端の行のアイランド上に有る各ヒータ素子６０とこれをバイアスする電圧源９２２が接続され、下端のアイランド列が選択されることになる。この状況では、左下のヒータ素子６０のみが通電されるため、バイアス電圧源９２２からの出力を調節することにより、ヒータ素子６０でのジュール損を制御できる。例えば、バイアス電圧源９２２からの出力電圧を繰り返しパルス電圧として、その振幅と、繰り返し周波数、パルスデューティ、等の出力電圧をパラメータとして、ヒータ素子６０への電力供給を制御することも出来る。
上記の温度制御手続きを記述したプログラム、各アイランドの設定温度、及び、温度センサー素子の更正曲線、等は、ストレージ装置９３０上の磁気ディスクや光磁気ディスク等の記録媒体に記録されているものとし、本デバイスが動作する際、制御装置９００を構成するコンピュータ上のメモリに読み込まれ、該プログラムが実行される。また、上記プログラム中の、動作中の各アイランドの温度、等は、制御装置９００に接続されたストレージ装置９３０に転送されて、磁気ディスクや光磁気ディスク、等の記録媒体などに記録される。
次に、共通な塩基長（8塩基長）を有し、かつ、互いに塩基配列の異なる4種類のプローブを固定して作製した、本実施例による化学反応検出チップ（以下ＤＮＡチップと呼ぶ）を用い、17塩基長を有する一種類のDNA断片（以下、サンプルＤＮＡと呼ぶ）を相補鎖結合させる場合の融解温度Ｔｍを、各プローブごとに決定した例について述べる。
次の塩基配列を持ったサンプルDNA
ＴＧＡＣＣＧＧＣＡＧＣＡＡＡＡＴＧ （配列番号１）
を配列番号１とし、以下の４種類の８塩基長のDNA断片、
ＣＣＧＴＣＧＴＴ （配列番号２）
ＧＣＣＧＴＣＧＴ （配列番号３）
ＧＧＣＣＧＴＣＧ （配列番号４）
ＴＧＧＣＣＧＴＣ （配列番号５）
をプローブとし、各々プローブ１〜４とする。ブロープ１（配列番号２）は、サンプル上の6番目から13番目の塩基に相補的な配列となっている。同様に、プローブ２（配列番号３）は5番目から12番目に、ブロープ３（配列番号４）は4番目から11番目に、ブロープ４（配列番号５）は3番目から10番目に、それぞれ相補的な配列となっている。なお、プローブ１〜４の塩基配列に現れるチミン（T）の数を数えてみると、
プローブ１は３個、
プローブ２は２個、
プローブ３は１個、
プローブ４は２個、
となることが分かる。アデニン（A）とチミン（T）の結合の安定性は、グアニン（G）とシトシン（C）の結合の安定性に比べて低いことから、チミン（T）の数が大きいほど、相補鎖結合の強さは減少し、融解温度が低く成ると予想できる。
図１１は、４行９列（＝３６個）のプローブ固定領域４０を形成し、ブロープ１〜４を、これらのプローブ固定領域４０上に、どのように固定するかを示した図である。ここでは、本ＤＮＡチップを上面から観察し、各行の番号（１〜４）と列の名前（ａ〜ｉ）を示してある。１行目の全てのプローブ固定領域は、プローブ１のみを固定する。同様に、２行目の全てのプローブ固定領域は、プローブ２のみを固定し、３行目の全てのプローブ固定領域はプローブ３のみを固定し、４行目の全てのプローブ固定領域はプローブ４のみを固定する。
このＤＮＡチップに、予め蛍光標識されたサンプルＤＮＡを含んだ溶液を注入し、ハイブリダイゼーションを行う。その際、以下のような温度設定プログラムにしたがい、反応を進行させる。すなわち、最初室温にある各プローブ固定領域全てを、対応する各アイランドの温度制御によって、９０℃に上昇させる。続いて、各列ごとに、設定温度にまで冷却する。図４の各列の下部に示した数値は、各列に設定される温度である。図１１において、ａ列の設定温度は10℃であり、隣のｂ列の設定温度は、ａ列より５℃高い１５℃である。図に示したように、一列右にずれる度に５℃づつ設定温度を高くしており、最終列のｉ列では、設定温度は５０℃とする。ａ列の温度が５℃の設定温度に到達した後、十分な反応時間だけ経過したら、DNAチップを洗浄溶液で洗浄し、ハイブリダイゼーションしていないサンプルＤＮＡ等を排除する。ハイブリダイゼーションの評価は、レーザー蛍光共焦点顕微鏡を用いてチップ面上を走査し、各プローブ固定領域内の、サンプルＤＮＡに付与された蛍光標識から発せられる蛍光を観測して行う。
図１２は、ハイブリダイゼーション後の、各プローブ固定領域の蛍光強度と設定温度との関係を示したものである。蛍光強度は、ハイブリダイゼーション温度が１０℃の場合の発光量を1として規格化した。図１２から明らかなように、設定温度の上昇とともに、ハイブリダイゼーション量が減少していることがわかる。このプロットを内挿し、縦軸値の０．５における温度を読み取って、融解温度Ｔｍを求めることが出来る。この図から、ブロープ１〜４とサンプルDNAの相補鎖結合における融解温度Ｔｍは、各々２５．０℃、３６．５℃、４１．４℃、３５．０℃であることが分かる。図１３は、特許文献１に開示された方法により、同様な測定を行った結果である。図１２と図１３を比較すると、縦軸値の０．５の水平線を横切る角度が、本実施例においてはより急峻になっており、融解温度測定の精度が向上していることが分かる。
次に、上述のようなＤＮＡチップを用いて、１塩基ミスマッチを検出する方法を述べる。
上述のサンプルＤＮＡにおける８番面の塩基であるシトシン（Ｃ）が、アデニン（Ａ）に変わった多型サンプルＡと、チミン（Ｔ）に変わった多型サンプルＢを用いる：
ＴＧＡＣＣＧＧＡＡＧＣＡＡＡＡＴＧ （配列番号６）
ＴＧＡＣＣＧＧＴＡＧＣＡＡＡＡＴＧ （配列番号７）
ここでは、ミスマッチが無い元のサンプルＤＮＡを、正常サンプルと呼ぶ。これら正常サンプルと一塩基多型のサンプルに対し、上述と同じＤＮＡチップを用い、同様なハイブリダイゼーションの設定温度依存性を評価する。なお、議論を単純化するため、プローブ１のみの結果について議論する。
図１４は、ハイブリダイゼーションの評価結果である。1塩基多型に対しては、本来、ハイブリダイゼーションが生じないことが理想的であるが、実験結果は1塩基多型に対して、ある程度のハイブリダイゼーションが生じることを示している。しかしながら、これら１塩基多型のサンプルにおいては、一箇所だけミスマッチが有るために、正常サンプルに比べて相補鎖結合の安定性が低く、縦軸値の０．５の水平線を横切る温度、すなわち融解温度Ｔｍが低くなっていることが分かる。図１５に示した例では、設定温度３８．０℃では、1塩基多型に対するハイブリダイゼーションが抑制されて殆ど観測されず、一方、正常サンプルの方は９０％程度の高い効率でハイブリダイゼーション出来る条件であることが分かる。この事実から、ハイブリダイゼーション時の設定温度を変えると、正常サンプルから発せられる蛍光強度と１塩基多型のサンプルから発せされる蛍光強度の割合が温度によって変化し、正常サンプルに混入する一塩基多型の割合を評価することが可能と成る。
図１５は、特許文献１に開示された方法により、同様な測定を行った結果である。図１５に示された測定結果では、縦軸値の０．５の水平線を横切る角度が浅く成っており、本実施例による図１４の結果に比べ融解温度測定の精度が劣化していることが分かる。このため、仮に設定温度を３８．０℃としても、多型サンプルＡにおけるハイブリダイゼーションが無視できない効率（２０％以上）で生成されており、一方、正常サンプルのハイブリダイゼーションの効率が７５％以下に落ちていることが分かる。これらの違いは、温度設定の精度の違いによるものと考えられ、正常サンプルに混入する一塩基多型の割合を評価する場合に、大きな障害と成る。
該熱シールド領域７０は、チップ全体に亘って連続したメッシュ状の領域を形成し、その領域は、チップの端部にまで伸展している。さらに、該熱シールド領域７０は多孔質化していないシリコンの領域であるため、高い熱伝導性を有する領域であるから、チップの端部をペルチェ素子により冷却すれば、熱シールド領域７０の熱伝導を通じてチップ全体を均一性良く冷却することが出来る。
特許文献１に開示された従来例では、KOHを用いたウェットエッチングにより本実施例と同様な機能を有するメッシュ構造が作製されているが、アイランドと同様、形状が結晶方位で定まるファセットを生じることから、メッシュ構造の寸法に制限が生じている。本発明では、実施例１の場合よりも、よりアイランドに近接した単結晶領域を形成するため、寸法制御性がより優れている図８に示す方法により、該熱シールド領域７０、及び、該アイランド２０を形成した。
ｐ型にドープされた単結晶シリコン基板２００の表面に、ｎ型ドープされた領域から成るストップ領域２５を形成する。ストップ領域領域２５は、アイランドを形成する直下の位置に配置する。その上に、ｐ型ドープされたｐ領域２０５を再成長し、その最表面に、ｐ型に高濃度ドープされた領域、高濃度ドープ領域２０１、を形成し、ホール注入端子とする。こうして作製された基板の構造を図８（１）に示す。該高濃度ドープ領域２０１は、ストップ領域２５の直上ではない領域に形成されていることに注意する。
上述のように準備した基板を、図３に示した方法と同様な方法によって、裏面から陽極酸化する。すなわち、表面側の、高濃度ドープ領域２０１を通じてホールを注入し、該シリコン基板２００の裏面のみで陽極酸化反応が進行する構成を用いる。陽極酸化反応は、フッ酸水溶液と接するシリコン表面に、ホールが供給された時にのみ進行し、この反応によって単結晶シリコンを多孔質シリコンに変える。図８（２）に示すように、反応の初期には、表面側の高濃度ドープ領域２０１から供給されたホールは、ストップ領域２５の間隙を抜けて流れ、裏面に均一に到達し、裏面近傍では一様に多孔質化した層（多孔質シリコン層１０）が形成され始める。ところが、多孔質化が進行し、ストップ領域２５近傍まで反応が進行すると、図８（３）に示したように、ストップ領域２５が存在しない領域にホール電流が集中し、多孔質化反応が局在化し始める。なぜなら、ｐ型基板中に形成されたｎ型のストップ領域２５の周囲には、ｐｎ接合が形成されており、ｐｎ接合の形成による空乏化のためにホールが供給されず、ストップ領域２５とその近傍にはホール電流が流れないからである。さらに反応が進行すると、表面側に形成されている高濃度ドープ領域２０１の存在により、ホール電流は集中し続け、多孔質化反応の局在性を維持したまま、高濃度ドープ領域２０１にまで到達しする。その結果、図８（４）に示すように、該ストップ領域２５の直上に、多孔質化されない領域が生じ、多孔質化された領域（多孔質シリコン層１０）に囲まれた領域として、該アイランド２０が形成される。なお、図６、図７において、該熱シールド領域７０及び該アイランド２０の中には、ストップ領域２５と、同様な役割を果すストップ領域７５の断面構造が示されている。
本実施例においては、ストップ領域２５の存在を除いて、アイランド２０内の構造は、実施例１の場合と等しい。本実施例２において、Ｘ−Ｘ‘断面を示す図６には、温度センサー素子５０の一部を成す、ｎ型にドープされた領域５６及び該領域５６の内部に形成されたｎ型に高濃度ドープされた領域５５の断面が示されている。また、ヒータ６０の断面も描かれている。さらに、実施例１と同様な方法によって、プローブ固定領域４０が形成され、用途に応じたプローブが固定される。
さらに、本実施例では、該熱シールド領域７０を、温度制御装置の一部を設置する場所としても活用している。すなわち、該熱シールド領域７０中及びその表面に、ＭＯＳトランジスタ回路が組み込まれ、これによって温度センサー素子５０、該ヒータ６０、へのバイアス、電力供給などが制御される。図６において、該熱シールド領域７０は、ｐ型の高抵抗領域とし、この表面にShallow Trench Isolation 等と呼ばれる素子分離のための酸化領域７００を形成し、ドレイン５１０、ソース５２０、ゲート５３０、等、から形成されるＭＯＳトランジスタ５００と、ドレイン６１０、ソース６２０、ゲート６３０、から形成されるＭＯＳトランジスタ６００、等から成るＭＯＳトランジスタ６００を作製する。図６において、これらのＭＯＳトランジスタを点線枠で囲ってある。該熱シールド領域７０中の表面に、これらのＭＯＳトランジスタの構成部分を不純物拡散、等、によって作製し、ＣＭＰなどの平坦化技術を用い、ゲートなどを埋め込む層間絶縁層３００を形成する。さらに、コンタクトホールを形成してタングステンコンタクトプラグを形成し、ソース、ドレイン、等のＭＯＳトランジスタの各部に電気的コンタクトを形成するとともに、層間絶縁層３００上に、ゲート５３０にコンタクトして紙面に垂直に伸びる配線５３１、及び、ゲート６３０にコンタクトして紙面に垂直に伸びる配線６３１、が形成される。同時に、ドレイン５１０、ドレイン６１０にコンタクする配線５１１、配線６１１、等も形成される。なお、ソース５２０とソース６２０はメタルで接続され、コンタクを介して、層間絶縁層３２０上の配線４１０に接続されている。なお、この配線４１０は、A−A‘断面とは異なる面内で、グランドプレーン４００に接続される。
層間絶縁層３００上の各配線が形成された後、これらを埋め込んで平坦化される層間絶縁層３１０が形成され、該層間絶縁層３１０上には配線５１２、配線６１２、等が形成される。配線５１２は、ビアプラグを介して配線５１１に接続されるとともに、隣接するアイランド２０上の、温度センサー素子を形成する、高濃度ドープされたｎ型領域、領域５５、に接続される。ＭＯＳトランジスタ素子５００は、温度センサー素子へのバイアス回路のスイッチング素子として動作することとなる。一方、ビアプラグを介してＭＯＳトランジスタ６００のドレイン６１０に接続された配線６１２は、ヒータ素子６０の一方の端子に接続され、これにより、ヒータ素子６０への電力供給のスイッチング素子として使用される。
こらの配線５１２、及び、配線６１２は、層間絶縁層３２０によって埋め込まれ、平坦化を行った後に、グランドプレーン４００を形成する。さらに、グランドプレーン４００は、絶縁層３３０によって埋め込まれ、その上部には、シリコン窒化膜から形成される保護層３０が形成される。これによって、該熱シールド領域７０上に形成した電子回路や配線、等は、試料溶液への暴露から遮蔽され、保護される。また、該保護層３０は、該アイランド２０表面にも連続した保護層として形成され、該アイランド２０の直上には、プローブ固定層４０、などが形成される。
図７は、図５におけるＹ−Ｙ‘線に対応した断面構造を示した図である。この断面では、アイランド２０内のヒータ素子６０の異なる領域の断面が示されており、また、温度センサー素子５０は、この断面に含まれていないことが分かる。また、該熱シールド領域７０の断面内には、ＭＯＳトランジスタ６００の断面のみが示されている。その理由は、より大きい電流をスイッチすることが必要なヒータ素子６０を制御するＭＯＳトランジスタ６００のゲート幅は、より小さい電流をスイッチする温度センサー素子５０の制御に用いるＭＯＳトランジスタ５００のゲート幅より、長いからである。なお、図７は、トランジスタ６００のドレインは、プラグ、配線６１１を介して配線６１２に接続されており、Ｙ−Ｙ’断面内において、ヒータ素子６０の一方の端にオーミックコンタクトを介して接続されていることを表現している。
図９は、アイランド２０の配置と、各配線の配置とを、平面図として模式的に示したものである。図９では、各アイランド２０から出ている配線のうち、縦に隣接するアイランドからの配線を接続する「縦に接続する配線群」と、横に隣接するアイランドからの配線を接続する「横に接続する配線群」、とが存在することが示されている。図７において、紙面に垂直に伸びる配線５３１、６３１、は、図９の平面図内における、「縦に接続する配線群（MOSトランジスタのゲート端子を縦に接続している）」に対応している。一方、各アイランド２０上で、温度センサー素子５０のｐ型高濃度ドープ領域５７へ接続する端子、及び、ヒータ素子６０のMOSトランジスタ６００の端子に接続されなかった残りの端子、が、図９の平面図内における、「横に接続する配線群」によって横に接続されている。なお、図から明らかなように、これらの配線は熱シールド領域７０上に形成される。
各アイランド上の素子への外部回路との接続を示したものが図１０である。図中、点線の四角形で囲んだ領域が、各々、一つのアイランドを表している。温度センサー素子５０をダイオード記号で表現し、ヒータ素子６０を抵抗の記号で表現してある。この図では、４つのアイランドの接続状況のみを示しているが、より多くのアイランドがアレイ状に接続されている場合でも、以下の説明は当てはまる。図１０を用いて、４個のアイランドのうち、左下のアイランドの温度測定動作を説明する。まず、制御装置９００より、データバス９１０を通じて、列デコーダ９１１に対し、左端のアイランド列を選択する列選択信号が送られる。これにより、スイッチ９１３がオンされ、左端の列のアイランド上に有るMOSトランジスタ５００のゲートに接続された配線が、バイアス電圧を供給する電圧源９１２に接続され、左端のアイランド列が選択される。一方、制御装置９００より、データバス９２０を通じて、行デコーダ９２１に対し、下端の行を選択する行選択信号が送られる。これにより、スイッチ９２３がオンされ、下端の行のアイランド上に有る各温度センサー素子５０とこれらをバイアスする電流源９２６が接続され、下端のアイランド行が選択される。この状況では、左下の温度センサー素子５０のみが通電され、他のアイランド上の温度センサー素子には通電されないため、温度測定端子９２４上には、左下の温度センサー素子のセンサー出力（ｐｎ接合の両端の電位差にほぼ等しい）が現れる。このセンサー出力はデータバス９２０を通じて制御装置９００に送られる。制御装置９００は、このセンサー出力を温度に変換し、設定温度との誤差を算出する。この誤差を修正するため、温度制御装置９００は、アイランド上のヒータ素子６０への電力供給を制御する。
上記電力供給の制御は、以下のように行われる。すなわち、データバス９１０を通じて列デコーダ９１１に対し、左端のアイランド列を選択する列選択信号が送られる。これにより、スイッチ９１４がオンされ、左端の列のアイランド上に有るMOSトランジスタ６００のゲートに接続された配線が、バイアス電圧を供給する電圧源９１２に接続され、左端のアイランド列が選択される。一方、制御装置９００より、データバス９２０を通じて、行デコーダ９２１に対し、下端の行を選択する行選択信号が送られる。これにより、スイッチ９２５がオンされ、下端の行のアイランド上に有る各ヒータ素子６０とこれをバイアスする電圧源９２２が接続され、下端のアイランド列が選択されることになる。この状況では、左下のヒータ素子６０のみが通電されるため、バイアス電圧源９２２からの出力を調節することにより、ヒータ素子６０でのジュール損を制御できる。例えば、バイアス電圧源９２２からの出力電圧を繰り返しパルス電圧として、その振幅と、繰り返し周波数、パルスデューティ、等の出力電圧をパラメータとして、ヒータ素子６０への電力供給を制御することも出来る。
上記の温度制御手続きを記述したプログラム、各アイランドの設定温度、及び、温度センサー素子の更正曲線、等は、ストレージ装置９３０上の磁気ディスクや光磁気ディスク等の記録媒体に記録されているものとし、本デバイスが動作する際、制御装置９００を構成するコンピュータ上のメモリに読み込まれ、該プログラムが実行される。また、上記プログラム中の、動作中の各アイランドの温度、等は、制御装置９００に接続されたストレージ装置９３０に転送されて、磁気ディスクや光磁気ディスク、等の記録媒体などに記録される。
次に、共通な塩基長（8塩基長）を有し、かつ、互いに塩基配列の異なる4種類のプローブを固定して作製した、本実施例による化学反応検出チップ（以下ＤＮＡチップと呼ぶ）を用い、17塩基長を有する一種類のDNA断片（以下、サンプルＤＮＡと呼ぶ）を相補鎖結合させる場合の融解温度Ｔｍを、各プローブごとに決定した例について述べる。
次の塩基配列を持ったサンプルDNA
ＴＧＡＣＣＧＧＣＡＧＣＡＡＡＡＴＧ （配列番号１）
を配列番号１とし、以下の４種類の８塩基長のDNA断片、
ＣＣＧＴＣＧＴＴ （配列番号２）
ＧＣＣＧＴＣＧＴ （配列番号３）
ＧＧＣＣＧＴＣＧ （配列番号４）
ＴＧＧＣＣＧＴＣ （配列番号５）
をプローブとし、各々プローブ１〜４とする。ブロープ１（配列番号２）は、サンプル上の6番目から13番目の塩基に相補的な配列となっている。同様に、プローブ２（配列番号３）は5番目から12番目に、ブロープ３（配列番号４）は4番目から11番目に、ブロープ４（配列番号５）は3番目から10番目に、それぞれ相補的な配列となっている。なお、プローブ１〜４の塩基配列に現れるチミン（T）の数を数えてみると、
プローブ１は３個、
プローブ２は２個、
プローブ３は１個、
プローブ４は２個、
となることが分かる。アデニン（A）とチミン（T）の結合の安定性は、グアニン（G）とシトシン（C）の結合の安定性に比べて低いことから、チミン（T）の数が大きいほど、相補鎖結合の強さは減少し、融解温度が低く成ると予想できる。
図１１は、４行９列（＝３６個）のプローブ固定領域４０を形成し、ブロープ１〜４を、これらのプローブ固定領域４０上に、どのように固定するかを示した図である。ここでは、本ＤＮＡチップを上面から観察し、各行の番号（１〜４）と列の名前（ａ〜ｉ）を示してある。１行目の全てのプローブ固定領域は、プローブ１のみを固定する。同様に、２行目の全てのプローブ固定領域は、プローブ２のみを固定し、３行目の全てのプローブ固定領域はプローブ３のみを固定し、４行目の全てのプローブ固定領域はプローブ４のみを固定する。
このＤＮＡチップに、予め蛍光標識されたサンプルＤＮＡを含んだ溶液を注入し、ハイブリダイゼーションを行う。その際、以下のような温度設定プログラムにしたがい、反応を進行させる。すなわち、最初室温にある各プローブ固定領域全てを、対応する各アイランドの温度制御によって、９０℃に上昇させる。続いて、各列ごとに、設定温度にまで冷却する。図４の各列の下部に示した数値は、各列に設定される温度である。図１１において、ａ列の設定温度は10℃であり、隣のｂ列の設定温度は、ａ列より５℃高い１５℃である。図に示したように、一列右にずれる度に５℃づつ設定温度を高くしており、最終列のｉ列では、設定温度は５０℃とする。ａ列の温度が５℃の設定温度に到達した後、十分な反応時間だけ経過したら、DNAチップを洗浄溶液で洗浄し、ハイブリダイゼーションしていないサンプルＤＮＡ等を排除する。ハイブリダイゼーションの評価は、レーザー蛍光共焦点顕微鏡を用いてチップ面上を走査し、各プローブ固定領域内の、サンプルＤＮＡに付与された蛍光標識から発せられる蛍光を観測して行う。
図１２は、ハイブリダイゼーション後の、各プローブ固定領域の蛍光強度と設定温度との関係を示したものである。蛍光強度は、ハイブリダイゼーション温度が１０℃の場合の発光量を1として規格化した。図１２から明らかなように、設定温度の上昇とともに、ハイブリダイゼーション量が減少していることがわかる。このプロットを内挿し、縦軸値の０．５における温度を読み取って、融解温度Ｔｍを求めることが出来る。この図から、ブロープ１〜４とサンプルDNAの相補鎖結合における融解温度Ｔｍは、各々２５．０℃、３６．５℃、４１．４℃、３５．０℃であることが分かる。図１３は、特許文献１に開示された方法により、同様な測定を行った結果である。図１２と図１３を比較すると、縦軸値の０．５の水平線を横切る角度が、本実施例においてはより急峻になっており、融解温度測定の精度が向上していることが分かる。
次に、上述のようなＤＮＡチップを用いて、１塩基ミスマッチを検出する方法を述べる。
上述のサンプルＤＮＡにおける８番面の塩基であるシトシン（Ｃ）が、アデニン（Ａ）に変わった多型サンプルＡと、チミン（Ｔ）に変わった多型サンプルＢを用いる：
ＴＧＡＣＣＧＧＡＡＧＣＡＡＡＡＴＧ （配列番号６）
ＴＧＡＣＣＧＧＴＡＧＣＡＡＡＡＴＧ （配列番号７）
ここでは、ミスマッチが無い元のサンプルＤＮＡを、正常サンプルと呼ぶ。これら正常サンプルと一塩基多型のサンプルに対し、上述と同じＤＮＡチップを用い、同様なハイブリダイゼーションの設定温度依存性を評価する。なお、議論を単純化するため、プローブ１のみの結果について議論する。
図１４は、ハイブリダイゼーションの評価結果である。1塩基多型に対しては、本来、ハイブリダイゼーションが生じないことが理想的であるが、実験結果は1塩基多型に対して、ある程度のハイブリダイゼーションが生じることを示している。しかしながら、これら１塩基多型のサンプルにおいては、一箇所だけミスマッチが有るために、正常サンプルに比べて相補鎖結合の安定性が低く、縦軸値の０．５の水平線を横切る温度、すなわち融解温度Ｔｍが低くなっていることが分かる。図１５に示した例では、設定温度３８．０℃では、1塩基多型に対するハイブリダイゼーションが抑制されて殆ど観測されず、一方、正常サンプルの方は９０％程度の高い効率でハイブリダイゼーション出来る条件であることが分かる。この事実から、ハイブリダイゼーション時の設定温度を変えると、正常サンプルから発せられる蛍光強度と１塩基多型のサンプルから発せされる蛍光強度の割合が温度によって変化し、正常サンプルに混入する一塩基多型の割合を評価することが可能と成る。
図１５は、特許文献１に開示された方法により、同様な測定を行った結果である。図１５に示された測定結果では、縦軸値の０．５の水平線を横切る角度が浅く成っており、本実施例による図１４の結果に比べ融解温度測定の精度が劣化していることが分かる。このため、仮に設定温度を３８．０℃としても、多型サンプルＡにおけるハイブリダイゼーションが無視できない効率（２０％以上）で生成されており、一方、正常サンプルのハイブリダイゼーションの効率が７５％以下に落ちていることが分かる。これらの違いは、温度設定の精度の違いによるものと考えられ、正常サンプルに混入する一塩基多型の割合を評価する場合に、大きな障害と成る。
図１６は、実施例３における化学反応チップの、アイランド２０の平面配置を示した図である。図１７は、図１６におけるＺ−Ｚ‘線に対応した断面構造、及び、Ｗ−Ｗ‘線に対応した断面構造を示した図である。図中の番号のうち、実施例１及び実施例２に用いられている番号と同じものは、本実施例３においても、同じ意味を持っている。
本実施例におけるアイランド２０は、図１８に示す方法によって作製された。図１８（１）に示すように、ガラス基板などの単結晶ではない基板１５上に、ｐ型に高濃度ドープされた多結晶シリコンからなる、電極層４５０を形成しする。該電極層４５０を下地として、その上にｐ型にドープされた多結晶シリコン層２５０を積層し、さらに、アイランドを形成する領域にｎ型の不純物ドープを施し、ｎ型ドープ領域２１０を作る。
多結晶シリコン層２５０及びｎ型ドープ領域２１０の表面がフッ酸水溶液に浸されるセル構造を用い、陽極酸化する。その際、該電極層４５０に電気的コンタクトを設け、該電極層４５０を通じてホールを注入し、陽極酸化反応に伴う多孔質シリコン化反応が、多結晶シリコン層２５０及びｎ型ドープ領域２１０の表面から始まるようにする。フッ酸水溶液中の対向電極と該電極層４５０の間のバイアス条件を適当に選ぶと、該電極層４５０から注入されたホールは、ｐ型にドープされた多結晶シリコン層２５０とフッ酸水溶液との界面に到達し多孔質シリコン化する反応を起こす。しかし、ｎ型ドープ領域２１０には到達せず、この領域とフッ酸水溶液との界面にはホールの供給が行われないため、該多孔質シリコン化反応が起こらない。したがって、多結晶シリコン層２５０のみで多孔質化反応が進行し、ｎ型ドープ領域２１０は多結晶シリコンの状態のまま取り残される。そのため、図１８（２）に示すように、多孔質シリコン化反応は、ｎ型ドープ領域２１０の背後に回りこんで進行して行く。さらに反応が進行して多孔質化された領域と未反応の領域の界面が深化すると、図１８（３）に示すように、表面の不純物ドープの不均一性が影響しなくなり、均一な反応界面となって該電極層４５０に到達する。その結果、該ｎ型ドープ領域２１０は完全に多孔質シリコン層１０に囲まれて、アイランドを形成する。
上記のような方法によって、図１６に示すように、アイランド領域２０及び熱シールド領域７０を形成し、これらの間を、多孔質シリコン層１０によって熱的に絶縁した構造を作製する。多結晶によるアイランドを用いる本実施例の場合には、アイランド中に実施例２と同様なｐｎ接合を作製することは困難であるため、アイランド中のヒータ素子作製、及び、温度センサー素子、の機能を、アイランド自体に通電することによって充足させる。すなわち、図１６に示すように、高濃度ドープによって形成された端子５８及び端子５９間をバイアスすると、ｎ型にドープされたアイランドは抵抗素子６５となり、アイランド内に電子電流が流れ、これによってジュール損を発生させてアイランドを加熱することができる。抵抗素子６５の特性は、アイランド２０を構成する多結晶シリコンのグレインサイズ、厚み、及び、不純物ドープ濃度によって大きく変化する。特に、その温度特性は、不純物ドープ濃度に対して敏感に変化する。図１９は、該抵抗素子６５の温度特性を、異なる不純物ドープ濃度に対して測定した結果である。図では、温度変化を１６０℃における比抵抗に対する比で表わしている。図１９から明らかなように、不純物ドープ濃度が５ｘ１０18ｃｍ-3以下の場合には、十分な温度係数を有していることが明らかであり、実施例２と同様、該抵抗素子６５を電流バイアスして、該端子間に発生する電位差を計測し、図１９のデータによって温度に変換すれば、精度良くアイランドの温度を計測出来る。
図１７には、該アイランド２０と熱シールド領域７０、等の断面構造が示されている。アイランド上の該オーミックコンタクト端子５８及び端子５９示は、各々Ｚ−Ｚ‘線に対応した断面構造、及び、Ｗ−Ｗ‘線に対応した断面構造、として描かれている。また、保護層３０によって覆われたアイランド領域上には、実施例１と同様な方法によって、プローブ固定領域４０が形成され、用途に応じたプローブが固定される。また、基板と各アイランドとの熱的絶縁性を十分確保するため、多孔質シリコン層１０の厚みは、少なくとも１μｍ程度以上の値に形成される。なお、本実施例では、電極層４５０は、ガラス基板などの単結晶ではない基板１５上に作製されている。
図１７には、該熱シールド領域７０の断面構造も示され、実施例２と同様、温度制御装置の一部を構成する状況が示されている。本実施例よる該熱シールド領域７０は、多結晶シリコンで構成されているため、実施例２のようなＭＯＳトランジスタを作製することは困難である。そのため、本実施例では、これらスイッチング素子の代用として、多結晶シリコンによるＴＦＴトランジスタ５５０及びＴＦＴトランジスタ６５０を用いている。
ＴＦＴトランジスタ５５０は、ドレイン５６０、ソース５７０、ゲート５８０、等により構成されている。該ドレイン５６０は、コンタクトプラグを通して配線５６１に接続され、さらに、配線５８５に接続されている。一方、ＴＦＴトランジスタ６５０は、、ドレイン６６０、ソース６７０、ゲート６８０、等により構成される。該ドレイン６６０は、コンタクトプラグを通して配線６６１に接続され、さらに、ＴＦＴトランジスタ５５０のドレイン５６０が接続されている、配線５８５に接続されている。また、該ゲート５８０、ゲート６８０は、コンタクトプラグを介して、各々、紙面に垂直に伸展する配線５８１、配線６８１に接続される。両ＴＦＴトランジスタのドレインが接続された配線５８５は、Ｚ−Ｚ‘線に対応した断面に有るアイランド上のオーミックコンタクト端子５８に接続される。なお、Ｗ−Ｗ‘線に対応した断面に有るアイランド上の端子５９は、該アイランド２０の左側に描かれた熱シールド領域７０上に形成されているグランドプレイン４００に接続されている。該グランドプレイン４００は、該アイランド２０の右側に描かれているグランドプレイン４００と接続されている。なお、これらの配線は、実施例２と同様な方法によって作製される。
図２０は、本実施例におけるアイランド２０の配置と、各配線の配置とを、平面図として模式的に示したものである。実施例２と同様、各アイランド２０から出ている配線のうち、縦に隣接するアイランドからの配線を接続する「縦に接続する配線群」と、横に隣接するアイランドからの配線を接続する「横に接続する配線群」、とが存在することが示されている。例えば、図１７における紙面に垂直に伸びる配線５８１、６８１、は、図２０の平面図内における、「縦に接続する配線群（ＴＦＴトランジスタのゲート端子を縦に接続している）」に対応している。一方、各ＴＦＴトランジスタの一方の端子は、アイランド上の抵抗素子６５の端子５８に接続され、他方の端子は、各々、「横に接続する配線群」に、独立に接続されている。また、図２０からも明らかなように、これらの縦と横の配線は、熱シールド領域７０上に形成される。なお、抵抗素子６５の他方の端子５９は、熱シールド領域７０内に連続して形成されるグランドプレイン４００に接続されている。
本実施例における、各アイランドと外部回路との接続を示したものが図２１である。実施例１におけるＭＯＳトランジスタ６００とヒータ素子６０の組み合わせは、本実施例においては、ＴＦＴトランジスタ６５０と抵抗素子６５によるヒータ素子の組み合わせと同等な動作を行うことは自明である。また、実施例２における、温度計測を電流バイアス下のｐｎ接合ダイオードの両端の電圧変化で測定する方法は、本実施例３では、電流バイアス下の多結晶シリコン薄膜による抵抗素子の両端の電圧変化で測定する方法に置き換わっているだけで、両者の外部回路は、電流バイアス回路と電圧検出回路を用いる点で、全く同等なものである。これらの同等性から、本実施例３による化学反応チップは、実施例２と全く同等な動作を実現することが分かる。
本実施例による化学反応チップを用いて、実施例２と同様なＤＮＡのハイブリダイゼーションを伴う実験を行ったところ、実施例２と同等な結果が得られ、特許文献１に対し、解析精度の改善が見られた。
一方、本実施例では、薄い多結晶シリコンをガラス基板上に堆積する方法を用いているため、多孔質シリコン化するシリコン層の厚みは１０μｍ程度で良い。この多孔質化を必要とするシリコン層の厚みは、単結晶シリコン基板（〜数百μｍ程度）を裏面から殆ど全て多孔質化することが必要と成る実施例１に比べ、遥かに薄い。このため、多孔質化反応のためのフッ酸の消費量が大幅に軽減されると同時に、作製時間も短縮され、より安価な装置が提供できるというメリットがある。
本実施例におけるアイランド２０は、図１８に示す方法によって作製された。図１８（１）に示すように、ガラス基板などの単結晶ではない基板１５上に、ｐ型に高濃度ドープされた多結晶シリコンからなる、電極層４５０を形成しする。該電極層４５０を下地として、その上にｐ型にドープされた多結晶シリコン層２５０を積層し、さらに、アイランドを形成する領域にｎ型の不純物ドープを施し、ｎ型ドープ領域２１０を作る。
多結晶シリコン層２５０及びｎ型ドープ領域２１０の表面がフッ酸水溶液に浸されるセル構造を用い、陽極酸化する。その際、該電極層４５０に電気的コンタクトを設け、該電極層４５０を通じてホールを注入し、陽極酸化反応に伴う多孔質シリコン化反応が、多結晶シリコン層２５０及びｎ型ドープ領域２１０の表面から始まるようにする。フッ酸水溶液中の対向電極と該電極層４５０の間のバイアス条件を適当に選ぶと、該電極層４５０から注入されたホールは、ｐ型にドープされた多結晶シリコン層２５０とフッ酸水溶液との界面に到達し多孔質シリコン化する反応を起こす。しかし、ｎ型ドープ領域２１０には到達せず、この領域とフッ酸水溶液との界面にはホールの供給が行われないため、該多孔質シリコン化反応が起こらない。したがって、多結晶シリコン層２５０のみで多孔質化反応が進行し、ｎ型ドープ領域２１０は多結晶シリコンの状態のまま取り残される。そのため、図１８（２）に示すように、多孔質シリコン化反応は、ｎ型ドープ領域２１０の背後に回りこんで進行して行く。さらに反応が進行して多孔質化された領域と未反応の領域の界面が深化すると、図１８（３）に示すように、表面の不純物ドープの不均一性が影響しなくなり、均一な反応界面となって該電極層４５０に到達する。その結果、該ｎ型ドープ領域２１０は完全に多孔質シリコン層１０に囲まれて、アイランドを形成する。
上記のような方法によって、図１６に示すように、アイランド領域２０及び熱シールド領域７０を形成し、これらの間を、多孔質シリコン層１０によって熱的に絶縁した構造を作製する。多結晶によるアイランドを用いる本実施例の場合には、アイランド中に実施例２と同様なｐｎ接合を作製することは困難であるため、アイランド中のヒータ素子作製、及び、温度センサー素子、の機能を、アイランド自体に通電することによって充足させる。すなわち、図１６に示すように、高濃度ドープによって形成された端子５８及び端子５９間をバイアスすると、ｎ型にドープされたアイランドは抵抗素子６５となり、アイランド内に電子電流が流れ、これによってジュール損を発生させてアイランドを加熱することができる。抵抗素子６５の特性は、アイランド２０を構成する多結晶シリコンのグレインサイズ、厚み、及び、不純物ドープ濃度によって大きく変化する。特に、その温度特性は、不純物ドープ濃度に対して敏感に変化する。図１９は、該抵抗素子６５の温度特性を、異なる不純物ドープ濃度に対して測定した結果である。図では、温度変化を１６０℃における比抵抗に対する比で表わしている。図１９から明らかなように、不純物ドープ濃度が５ｘ１０18ｃｍ-3以下の場合には、十分な温度係数を有していることが明らかであり、実施例２と同様、該抵抗素子６５を電流バイアスして、該端子間に発生する電位差を計測し、図１９のデータによって温度に変換すれば、精度良くアイランドの温度を計測出来る。
図１７には、該アイランド２０と熱シールド領域７０、等の断面構造が示されている。アイランド上の該オーミックコンタクト端子５８及び端子５９示は、各々Ｚ−Ｚ‘線に対応した断面構造、及び、Ｗ−Ｗ‘線に対応した断面構造、として描かれている。また、保護層３０によって覆われたアイランド領域上には、実施例１と同様な方法によって、プローブ固定領域４０が形成され、用途に応じたプローブが固定される。また、基板と各アイランドとの熱的絶縁性を十分確保するため、多孔質シリコン層１０の厚みは、少なくとも１μｍ程度以上の値に形成される。なお、本実施例では、電極層４５０は、ガラス基板などの単結晶ではない基板１５上に作製されている。
図１７には、該熱シールド領域７０の断面構造も示され、実施例２と同様、温度制御装置の一部を構成する状況が示されている。本実施例よる該熱シールド領域７０は、多結晶シリコンで構成されているため、実施例２のようなＭＯＳトランジスタを作製することは困難である。そのため、本実施例では、これらスイッチング素子の代用として、多結晶シリコンによるＴＦＴトランジスタ５５０及びＴＦＴトランジスタ６５０を用いている。
ＴＦＴトランジスタ５５０は、ドレイン５６０、ソース５７０、ゲート５８０、等により構成されている。該ドレイン５６０は、コンタクトプラグを通して配線５６１に接続され、さらに、配線５８５に接続されている。一方、ＴＦＴトランジスタ６５０は、、ドレイン６６０、ソース６７０、ゲート６８０、等により構成される。該ドレイン６６０は、コンタクトプラグを通して配線６６１に接続され、さらに、ＴＦＴトランジスタ５５０のドレイン５６０が接続されている、配線５８５に接続されている。また、該ゲート５８０、ゲート６８０は、コンタクトプラグを介して、各々、紙面に垂直に伸展する配線５８１、配線６８１に接続される。両ＴＦＴトランジスタのドレインが接続された配線５８５は、Ｚ−Ｚ‘線に対応した断面に有るアイランド上のオーミックコンタクト端子５８に接続される。なお、Ｗ−Ｗ‘線に対応した断面に有るアイランド上の端子５９は、該アイランド２０の左側に描かれた熱シールド領域７０上に形成されているグランドプレイン４００に接続されている。該グランドプレイン４００は、該アイランド２０の右側に描かれているグランドプレイン４００と接続されている。なお、これらの配線は、実施例２と同様な方法によって作製される。
図２０は、本実施例におけるアイランド２０の配置と、各配線の配置とを、平面図として模式的に示したものである。実施例２と同様、各アイランド２０から出ている配線のうち、縦に隣接するアイランドからの配線を接続する「縦に接続する配線群」と、横に隣接するアイランドからの配線を接続する「横に接続する配線群」、とが存在することが示されている。例えば、図１７における紙面に垂直に伸びる配線５８１、６８１、は、図２０の平面図内における、「縦に接続する配線群（ＴＦＴトランジスタのゲート端子を縦に接続している）」に対応している。一方、各ＴＦＴトランジスタの一方の端子は、アイランド上の抵抗素子６５の端子５８に接続され、他方の端子は、各々、「横に接続する配線群」に、独立に接続されている。また、図２０からも明らかなように、これらの縦と横の配線は、熱シールド領域７０上に形成される。なお、抵抗素子６５の他方の端子５９は、熱シールド領域７０内に連続して形成されるグランドプレイン４００に接続されている。
本実施例における、各アイランドと外部回路との接続を示したものが図２１である。実施例１におけるＭＯＳトランジスタ６００とヒータ素子６０の組み合わせは、本実施例においては、ＴＦＴトランジスタ６５０と抵抗素子６５によるヒータ素子の組み合わせと同等な動作を行うことは自明である。また、実施例２における、温度計測を電流バイアス下のｐｎ接合ダイオードの両端の電圧変化で測定する方法は、本実施例３では、電流バイアス下の多結晶シリコン薄膜による抵抗素子の両端の電圧変化で測定する方法に置き換わっているだけで、両者の外部回路は、電流バイアス回路と電圧検出回路を用いる点で、全く同等なものである。これらの同等性から、本実施例３による化学反応チップは、実施例２と全く同等な動作を実現することが分かる。
本実施例による化学反応チップを用いて、実施例２と同様なＤＮＡのハイブリダイゼーションを伴う実験を行ったところ、実施例２と同等な結果が得られ、特許文献１に対し、解析精度の改善が見られた。
一方、本実施例では、薄い多結晶シリコンをガラス基板上に堆積する方法を用いているため、多孔質シリコン化するシリコン層の厚みは１０μｍ程度で良い。この多孔質化を必要とするシリコン層の厚みは、単結晶シリコン基板（〜数百μｍ程度）を裏面から殆ど全て多孔質化することが必要と成る実施例１に比べ、遥かに薄い。このため、多孔質化反応のためのフッ酸の消費量が大幅に軽減されると同時に、作製時間も短縮され、より安価な装置が提供できるというメリットがある。
図２２は、実施例４における化学反応チップの、アイランド２０の平面配置を示した図である。図２３は、図２２におけるＺ−Ｚ‘線に対応した断面構造を、図２４は、図２２におけるＷ−Ｗ‘線に対応した断面構造を示した図である。図中の番号のうち、実施例１乃至実施例３に用いられている番号と同じものは、本実施例４においても、同じ機能や役割を持っている。
図２２から明らかなように、実施例２または実施例３とは異なり、本実施例では、スイッチングに用いるトランジスタを熱シールド領域７０上に作製せず、各アイランド２０の直下に作製している。その結果、熱シールド領域７０を極端に小さくすることができ、結果として、アイランド２０の集積度を上げることができる。
図２３に示したように、単結晶シリコン基板８０上に、本実施例のデバイスが形成される。該基板８０は高抵抗基板であり、ここではｐ型の基板を使っている。この基板上にShallow Trench Isolation 等と呼ばれる素子分離のための酸化領域７００を形成し、ドレイン５１０、ソース５２０、ゲート５３０、から形成されるＭＯＳトランジスタ５００と、ドレイン６１０、ソース６２０、ゲート６３０、から形成されるＭＯＳトランジスタ６００と、を作製する。これらのＭＯＳトランジスタは、実施例２における単結晶の熱シールド領域７０上に作製されたＭＯＳトランジスタと同等なものである。
次に、ＣＭＰなどの平坦化技術を用い、ゲートなどを埋め込む層間絶縁層３００を形成した後、コンタクトホールを形成してタングステンコンタクトプラグを形成する。層間絶縁層３００上には、ゲート５３０にコンタクトして紙面に垂直に伸びる配線５３１、及び、ゲート６３０にコンタクトして紙面に垂直に伸びる配線６３１、が形成される。同時に、ドレイン５１０、ドレイン６１０にコンタクする配線５１１、配線６１１、等も形成される。なお、ソース５２０とソース６２０はメタルで接続され、コンタクを介して、層間絶縁層３００上の配線４１０に接続されている。なお、この配線４１０は、Ｚ−Ｚ‘断面とは異なる面内で、グランドプレーン４５５に接続される。
層間絶縁層３００上の各配線が形成された後、平坦化された層間絶縁層３１０が形成され各配線を埋め込む。層間絶縁層３１０上には配線５１２が形成され、配線５１１と配線６１１をビアプラグを介して接続する。さらに、これらの配線は平坦化された層間絶縁層３２０によって埋め込まれ、層間絶縁層３２０上には、ｎ型の高濃度ドープされた多結晶シリコン層からなる、グランドプレーン４５５が形成される。グランドプレーン４５５は、グランドプレーンとして使用されるが、同時に、多孔質シリコン層１０を形成する際に、陽極酸化用の電極としても用いられる。この意味で、グランドプレーン４５５は、実施例３における電極層４５０としての役割を担っている。また、グランドプレーン４５５は、ＢＰＳＧやＳＯＧなどの塗布ガラス層等からなる相関絶縁層３２０の上に形成されることから、一種の非結晶基板上に作製されるものと考えられ、この点でも、実施例３と同様である。
多孔質シリコン層１０を可能な限り均一に形成するためには、このグランドプレーン４５５を出来るだけ途切れることなく、大きい面積で形成するとよい。この目的のために、グランドプレーン４５５の下層から来る配線は、出来るだけ小さい貫通孔を通して配線すると良い。図では、配線５１２から伸びるプラグ５１５が、該グランドプレーン４５５に設けた貫通孔を通して、アイランド２０へ達している。アイランド２０は、該グランドプレーン４５５を形成した後、ｐ型の多結晶シリコン層を形成し、グランドプレーン４５５を実施例２における電極層４５０（図１７参照）として用いることにより、図１８に示した方法を適用して形成される。ｎ型にドープされた多結晶シリコンから形成されるアイランド２０上には、ｎ型に高濃度ドープされたオーミックコンタクト領域５８が形成され、ドライエッチング技術による深穴を形成してプラグ５１５を作製し、アイランド２０上のオーミックコンタクト領域５８と配線５１２を接続し、結果として、ＭＯＳトランジスタ５００及び６００の両ドレイン５１０、及び、６１０を、アイランド２０上の温度センサー兼ヒータ素子へ接続する。すなわち、本実施例においても、実施例３と同様に、多結晶シリコンによるアイランドを電気抵抗素子と考え、この素子のジュール損を利用してアイランドの加熱をはかり、同時にその温度特性を利用して、アイランドの温度を測定しようとするものである。
図２４は、図２２におけるＷ−Ｗ‘線に対応した断面構造を表す。この断面上には、アイランド上のオーミックコンタクト端子５９が描かれており、図２３におけるビアプラグ５１５と同様、多孔質シリコン層１０を貫く深穴に沿ったビアプラグ５５５によって、該端子５９と、グランドプレイン４５５が接続されている。なお、実施例２と同様、ヒータ素子をスイッチングするＭＯＳトランジスタ６００は、温度センサーとしてアイランド２０への通電をスイッチングするＭＯＳトランジスタ５００よりもゲート長が長いことを前提として、この断面が描かれているため、図２４中には、ＭＯＳトランジスタ５００のソース及びドレインなどが描かれていない。
本実施例によるデバイスの、外部回路への接続方法は、図２１に示した、実施例３のものと同等なものが使用できる。ただし、図２１中に示したトランジスタ５５０、６５０などは、ＴＦＴトランジスタを意味しているが、本実施例では、これらをＭＯＳトランジスタ５００及び６００で置き換えて考えるものとする。
図２２において、アイランド２０の平面形状は正方形に近いのものとしているが、形状に関する制限は無く、アイランドの密度に応じて三角形、六角形などの細密充填配置とすることも出来る。形状を正方形とした時、アイランド２０の一辺の長さは、１μｍ以下とすることも可能である。特許文献１に開示された従来例では、KOHを用いたウェットエッチングにより形成したシリコン製のアイランドが例示されており、アイランド形状が結晶方位で定まるファセットを生じることから、アイランド形状に一定の制限が有った。特に、エッチング前の基板の厚みと、アイランドサイズを独立に定めることが出来ず、アイランドサイズを一定のサイズ以下に作製することが困難で、アイランドサイズは１０μｍ以上とされていた。本発明により、アイランドサイズを１０分の１以下にすることが可能となった為、大幅な集積度向上を実現できた。
本実施例において、温度検出素子及びヒータ素子を外部回路に接続する配線群が、アイランド直下に形成されている。この構造は、アイランドの集積度が高くなるに連れて重要になる。何故なら、配線を施すアイランド間のスペースが少なくなること、また、配線によってアイランド間の熱的絶縁が劣化すること、等を防ぐことが出来るからである。一方、特許文献１に開示された実施例では、アイランド間に配線が施されているため、本発明が可能にした集積度に到達することは出来ない。
本発明によって作製された化学反応チップは、実施例２及び３と同等なＤＮＡ解析の精度を持ちながら、さらに集積度が向上し、従来に無い、より大規模な解析が可能と成った。
図２２から明らかなように、実施例２または実施例３とは異なり、本実施例では、スイッチングに用いるトランジスタを熱シールド領域７０上に作製せず、各アイランド２０の直下に作製している。その結果、熱シールド領域７０を極端に小さくすることができ、結果として、アイランド２０の集積度を上げることができる。
図２３に示したように、単結晶シリコン基板８０上に、本実施例のデバイスが形成される。該基板８０は高抵抗基板であり、ここではｐ型の基板を使っている。この基板上にShallow Trench Isolation 等と呼ばれる素子分離のための酸化領域７００を形成し、ドレイン５１０、ソース５２０、ゲート５３０、から形成されるＭＯＳトランジスタ５００と、ドレイン６１０、ソース６２０、ゲート６３０、から形成されるＭＯＳトランジスタ６００と、を作製する。これらのＭＯＳトランジスタは、実施例２における単結晶の熱シールド領域７０上に作製されたＭＯＳトランジスタと同等なものである。
次に、ＣＭＰなどの平坦化技術を用い、ゲートなどを埋め込む層間絶縁層３００を形成した後、コンタクトホールを形成してタングステンコンタクトプラグを形成する。層間絶縁層３００上には、ゲート５３０にコンタクトして紙面に垂直に伸びる配線５３１、及び、ゲート６３０にコンタクトして紙面に垂直に伸びる配線６３１、が形成される。同時に、ドレイン５１０、ドレイン６１０にコンタクする配線５１１、配線６１１、等も形成される。なお、ソース５２０とソース６２０はメタルで接続され、コンタクを介して、層間絶縁層３００上の配線４１０に接続されている。なお、この配線４１０は、Ｚ−Ｚ‘断面とは異なる面内で、グランドプレーン４５５に接続される。
層間絶縁層３００上の各配線が形成された後、平坦化された層間絶縁層３１０が形成され各配線を埋め込む。層間絶縁層３１０上には配線５１２が形成され、配線５１１と配線６１１をビアプラグを介して接続する。さらに、これらの配線は平坦化された層間絶縁層３２０によって埋め込まれ、層間絶縁層３２０上には、ｎ型の高濃度ドープされた多結晶シリコン層からなる、グランドプレーン４５５が形成される。グランドプレーン４５５は、グランドプレーンとして使用されるが、同時に、多孔質シリコン層１０を形成する際に、陽極酸化用の電極としても用いられる。この意味で、グランドプレーン４５５は、実施例３における電極層４５０としての役割を担っている。また、グランドプレーン４５５は、ＢＰＳＧやＳＯＧなどの塗布ガラス層等からなる相関絶縁層３２０の上に形成されることから、一種の非結晶基板上に作製されるものと考えられ、この点でも、実施例３と同様である。
多孔質シリコン層１０を可能な限り均一に形成するためには、このグランドプレーン４５５を出来るだけ途切れることなく、大きい面積で形成するとよい。この目的のために、グランドプレーン４５５の下層から来る配線は、出来るだけ小さい貫通孔を通して配線すると良い。図では、配線５１２から伸びるプラグ５１５が、該グランドプレーン４５５に設けた貫通孔を通して、アイランド２０へ達している。アイランド２０は、該グランドプレーン４５５を形成した後、ｐ型の多結晶シリコン層を形成し、グランドプレーン４５５を実施例２における電極層４５０（図１７参照）として用いることにより、図１８に示した方法を適用して形成される。ｎ型にドープされた多結晶シリコンから形成されるアイランド２０上には、ｎ型に高濃度ドープされたオーミックコンタクト領域５８が形成され、ドライエッチング技術による深穴を形成してプラグ５１５を作製し、アイランド２０上のオーミックコンタクト領域５８と配線５１２を接続し、結果として、ＭＯＳトランジスタ５００及び６００の両ドレイン５１０、及び、６１０を、アイランド２０上の温度センサー兼ヒータ素子へ接続する。すなわち、本実施例においても、実施例３と同様に、多結晶シリコンによるアイランドを電気抵抗素子と考え、この素子のジュール損を利用してアイランドの加熱をはかり、同時にその温度特性を利用して、アイランドの温度を測定しようとするものである。
図２４は、図２２におけるＷ−Ｗ‘線に対応した断面構造を表す。この断面上には、アイランド上のオーミックコンタクト端子５９が描かれており、図２３におけるビアプラグ５１５と同様、多孔質シリコン層１０を貫く深穴に沿ったビアプラグ５５５によって、該端子５９と、グランドプレイン４５５が接続されている。なお、実施例２と同様、ヒータ素子をスイッチングするＭＯＳトランジスタ６００は、温度センサーとしてアイランド２０への通電をスイッチングするＭＯＳトランジスタ５００よりもゲート長が長いことを前提として、この断面が描かれているため、図２４中には、ＭＯＳトランジスタ５００のソース及びドレインなどが描かれていない。
本実施例によるデバイスの、外部回路への接続方法は、図２１に示した、実施例３のものと同等なものが使用できる。ただし、図２１中に示したトランジスタ５５０、６５０などは、ＴＦＴトランジスタを意味しているが、本実施例では、これらをＭＯＳトランジスタ５００及び６００で置き換えて考えるものとする。
図２２において、アイランド２０の平面形状は正方形に近いのものとしているが、形状に関する制限は無く、アイランドの密度に応じて三角形、六角形などの細密充填配置とすることも出来る。形状を正方形とした時、アイランド２０の一辺の長さは、１μｍ以下とすることも可能である。特許文献１に開示された従来例では、KOHを用いたウェットエッチングにより形成したシリコン製のアイランドが例示されており、アイランド形状が結晶方位で定まるファセットを生じることから、アイランド形状に一定の制限が有った。特に、エッチング前の基板の厚みと、アイランドサイズを独立に定めることが出来ず、アイランドサイズを一定のサイズ以下に作製することが困難で、アイランドサイズは１０μｍ以上とされていた。本発明により、アイランドサイズを１０分の１以下にすることが可能となった為、大幅な集積度向上を実現できた。
本実施例において、温度検出素子及びヒータ素子を外部回路に接続する配線群が、アイランド直下に形成されている。この構造は、アイランドの集積度が高くなるに連れて重要になる。何故なら、配線を施すアイランド間のスペースが少なくなること、また、配線によってアイランド間の熱的絶縁が劣化すること、等を防ぐことが出来るからである。一方、特許文献１に開示された実施例では、アイランド間に配線が施されているため、本発明が可能にした集積度に到達することは出来ない。
本発明によって作製された化学反応チップは、実施例２及び３と同等なＤＮＡ解析の精度を持ちながら、さらに集積度が向上し、従来に無い、より大規模な解析が可能と成った。
配列番号１，６及び７は、１７塩基長の合成ＤＮＡ断片のヌクレオチド配列である。配列番号２〜５は、８塩基長のプローブのヌクレオチド配列である。
１０ 多孔質シリコン層
１１ 補強基板
１５ 基板
２０ アイランド
２１ 酸化膜
２５ ストップ領域
３０ 保護層
４０ プローブ固定領域
５０ 温度センサー素子
５１ センサー入出力装置
５５ ｎ型に高濃度ドープされた領域
５６ ｎ型にドープされた領域
５７ ｐ型高濃度ドープ領域
５８ 端子
５９ 端子
６０ ヒータ
６１ ヒータ制御装置
６５ 抵抗素子
７０ 熱シールド領域
８０ 単結晶シリコン基板
２００ 単結晶シリコン基板
２０１ ｐ型高濃度ドープ領域
２０５ ｐ型ドープ領域
２１０ ｎ型ドープ領域
２５０ 多結晶シリコン層
３００ 層間絶縁層
３１０ 層間絶縁層
３２０ 層間絶縁層
３３０ 絶縁層
４００ グランドプレーン
４１０ 配線
４５０ 電極層
４５５ グランドプレーン
５００ ＭＯＳトランジスタ
５１０ ドレイン
５１１ 配線
５１２ 配線
５２０ ソース
５３０ ゲート
５３１ 配線
５５０ ＴＦＴトランジスタ
５５５ ビアプラグ
５６０ ドレイン
５６１ 配線
５７０ ソース
５８０ ゲート
５８１ 配線
５８５ 配線
５８５ 配線
６００ ＭＯＳトランジスタ
６１０ ドレイン
６１１ 配線
６１２ 配線
６２０ ソース
６３０ ゲート
６３１ 配線
６５０ ＴＦＴトランジスタ
６６０ ドレイン
６６１ 配線
６７０ ソース
６８０ ゲート
６８１ 配線
７００ 酸化領域
９００ 制御装置
９１０ データバス
９１１ 列デコーダ
９１２ 電圧源
９１３ スイッチ
９１４ スイッチ
９２０ データバス
９２１ 行デコーダ
９２２ 電圧源
９２３ スイッチ
９２４ 温度測定端子
９２５ スイッチ
９２６ 電流源
９３０ ストレージ装置
１１ 補強基板
１５ 基板
２０ アイランド
２１ 酸化膜
２５ ストップ領域
３０ 保護層
４０ プローブ固定領域
５０ 温度センサー素子
５１ センサー入出力装置
５５ ｎ型に高濃度ドープされた領域
５６ ｎ型にドープされた領域
５７ ｐ型高濃度ドープ領域
５８ 端子
５９ 端子
６０ ヒータ
６１ ヒータ制御装置
６５ 抵抗素子
７０ 熱シールド領域
８０ 単結晶シリコン基板
２００ 単結晶シリコン基板
２０１ ｐ型高濃度ドープ領域
２０５ ｐ型ドープ領域
２１０ ｎ型ドープ領域
２５０ 多結晶シリコン層
３００ 層間絶縁層
３１０ 層間絶縁層
３２０ 層間絶縁層
３３０ 絶縁層
４００ グランドプレーン
４１０ 配線
４５０ 電極層
４５５ グランドプレーン
５００ ＭＯＳトランジスタ
５１０ ドレイン
５１１ 配線
５１２ 配線
５２０ ソース
５３０ ゲート
５３１ 配線
５５０ ＴＦＴトランジスタ
５５５ ビアプラグ
５６０ ドレイン
５６１ 配線
５７０ ソース
５８０ ゲート
５８１ 配線
５８５ 配線
５８５ 配線
６００ ＭＯＳトランジスタ
６１０ ドレイン
６１１ 配線
６１２ 配線
６２０ ソース
６３０ ゲート
６３１ 配線
６５０ ＴＦＴトランジスタ
６６０ ドレイン
６６１ 配線
６７０ ソース
６８０ ゲート
６８１ 配線
７００ 酸化領域
９００ 制御装置
９１０ データバス
９１１ 列デコーダ
９１２ 電圧源
９１３ スイッチ
９１４ スイッチ
９２０ データバス
９２１ 行デコーダ
９２２ 電圧源
９２３ スイッチ
９２４ 温度測定端子
９２５ スイッチ
９２６ 電流源
９３０ ストレージ装置
Claims (18)
- 多孔質シリコンと、
該多孔質シリコンに埋め込まれた１個以上のアイランドとを有することを特徴とする化学反応チップ。 - 該アイランドに隣接して、熱シールド領域を配置することを特徴とする、請求項１に記載の化学反応チップ。
- 該アイランド表面を保護する保護層と、
該保護層上に形成されたプローブ固定領域と、
該プローブ固定領域上に固定されたプローブと、
該アイランドを加熱するヒータ素子と、
該アイランドの温度を検出する温度検出素子と、
該温度検出素子と該ヒータ素子を制御してアイランドの温度を所望の温度に制御する温度制御装置と、
該温度検出素子と該温度制御装置を結ぶ電気配線と、
該ヒータ素子と該温度制御装置を結ぶ電気配線と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の化学反応チップ。 - 個々の該アイランドの温度を独立に制御することを特徴とする、請求項３に記載の化学反応チップ。
- 該アイランド及び熱シールド領域は、単結晶シリコンであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の化学反応チップ。
- 該アイランド及び熱シールド領域は、ｐ型に不純物ドープされた単結晶シリコンであり、かつ、該アイランド及び熱シールド領域の直下にｎ型に不純物ドープされた埋め込み層を有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の化学反応チップ。
- 該多孔質シリコン層が、補強基板の上に形成されていることを特徴とする、請求項５または６に記載の化学反応チップ。
- 該アイランドの一部、または、該熱シールド領域の一部のいずれかに、少なくとも一つ以上のＭＯＳトランジスタを有することを特徴とする、請求項５乃至７のいずれかに記載の化学反応チップ。
- 該ＭＯＳトランジスタが該ヒータ素子への電力供給をスイッチすることを特徴とする、請求項８に記載の化学反応チップ。
- 該ＭＯＳトランジスタが該温度検出素子の出力信号をスイッチすることを特徴とする、請求項８または請求項９に記載の化学反応チップ。
- 該アイランド及び該熱シールド領域は、多結晶シリコンであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の化学反応チップ。
- 該多孔質シリコンとの境界に近い、該アイランド及び熱シールド領域の周縁部は、ｎ型に不純物ドープされた多結晶シリコンであり、かつ、該多孔質シリコンの下地となる電極層を有することを特徴とする、請求項１１に記載の化学反応チップ。
- ガラス基板上に該電極層を有することを特徴とする、請求項１２に記載の化学反応チップ。
- ＢＰＳＧまたはＳＯＧによる埋め込み多層配線構造の上部に、該電極層を有することを特徴とする、請求項１２に記載の化学反応チップ。
- 該電極層が多結晶シリコンであることを特徴とする、請求項１２乃至１４のいずれかに記載の化学反応チップ。
- 該ガラス基板の上に多結晶シリコン薄膜またはアモルファスシリコン薄膜を用いたＴＦＴトランジスタが少なくとも一つ存在することを特徴とする、請求項１３に記載の化学反応チップ。
- 該アイランド上に設けた少なくとも一対のオーミックコンタクト端子を有し、該端子間の電気抵抗を測定する手段を有し、かつ、該電気抵抗を温度センサー素子とすることを特徴とする、請求項１１乃至１６のいずれかに記載の化学反応チップ。
- 該アイランド上に設けた少なくとも一対のオーミックコンタクト端子を有し、該端子間に通電する手段を有し、かつ、該アイランド中で発生するジュール損を熱源とする請求項１１乃至１７のいずれかに記載の化学反応チップ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005225116A JP2007040821A (ja) | 2005-08-03 | 2005-08-03 | 化学反応チップ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005225116A JP2007040821A (ja) | 2005-08-03 | 2005-08-03 | 化学反応チップ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2007040821A true JP2007040821A (ja) | 2007-02-15 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005225116A Pending JP2007040821A (ja) | 2005-08-03 | 2005-08-03 | 化学反応チップ |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2007040821A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009278956A (ja) * | 2008-05-26 | 2009-12-03 | Sony Corp | 核酸増幅装置及び核酸増幅方法 |
| JP2010104385A (ja) * | 2007-02-27 | 2010-05-13 | Sony Corp | 核酸増幅装置 |
| US9475051B2 (en) | 2007-02-27 | 2016-10-25 | Sony Corporation | Nucleic acid amplifier |
-
2005
- 2005-08-03 JP JP2005225116A patent/JP2007040821A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010104385A (ja) * | 2007-02-27 | 2010-05-13 | Sony Corp | 核酸増幅装置 |
| US9475051B2 (en) | 2007-02-27 | 2016-10-25 | Sony Corporation | Nucleic acid amplifier |
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