JP2007526466A - バイオコンポーネントを測定するための電解効果トランジスタ - Google Patents

Abstract

生物細胞又は類似のバイオコンポーネントについて測定を実施するための装置であって、電界効果トランジスタ（１）を有しており、その電界効果トランジスタが基板上にソース、ドレイン及びそれらを互いに接続するチャネルエリア（４）を有しており、そのチャネルエリア上にゲート電極（８）が配置されている。ゲート電極（８）は、少なくとも２つの、側方に並べて配置された電極領域（１０）を有しており、それらは、チャネルエリア（４）がソース（３ａ）をドレイン（３ｂ）と接続する方向に対して直角方向に互いに対して隔たって、かつ電気的に互いに対して絶縁されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオコンポーネント、特に生きている細胞について、測定を実施するための装置であって、少なくとも１つの電解効果トランジスタを有し、その電解効果トランジスタが基板上にソース、ドレイン及びこれらを互いに接続するチャネルエリアを有し、そのチャネルエリア上にゲート電極が配置されて、そのゲート電極が薄い絶縁層によってチャネルエリアに対して電気的に絶縁されている装置に関する。

この種の装置は、特許文献１に開示されている。この装置は電解効果トランジスタを有しており、その電解効果トランジスタ内においてゲート電極が導体路を介して、電気的な絶縁体によって囲まれかつ開放された接触面（パッド）と電気的に導通するように接続されており、その接触面は、栄養溶液内の生きている生物細胞と接続するように寸法設計されている。この種の装置によって、接触面に添接された細胞、特に神経細胞又は筋肉細胞の活動電位を細胞外で測定することができる。電解効果トランジスタは、シリコンからなる基板を有しており、その基板内に第１の電荷担体タイプの槽状の半導体層が設けられており、この半導体層内に、ドーピングされたドレイン領域とソース領域が配置されており、それらの間にチャネルエリアが形成されている。チャネルエリア上に、薄い絶縁層が配置され、この上にゲート電極が配置されている。ゲート電極は、ポリシリコンからなり、全チャネルエリアとそれに隣接するドレインとソースの端縁を覆っている。ゲート電極は、等電位面を形成し、その等電位面は印加される電位を、ドレインからソースへ延びる全チャネルの長さにわたって分配するので、チャネルエリア内で自由な電荷担体が、チャネル長さに沿って非対称に片側に分布した場合に、電界効果トランジスタが飽和するとしても、電位はチャネルエリアが最大の感度を有する箇所に達する。しかし、装置は、ゲートと接続された接触面が細胞によって一部だけ覆われ、それによって細胞が配置されている栄養溶液が接触面の残りの領域と接触した場合には、その測定感度が著しく減少する欠点を有している。測定感度の減少は、主に出力電圧の電圧が生物細胞から接触面へ、更にそれに伴ってまたゲート電極へほぼ容量的に結合され、この出力電圧の電圧が、高いソース抵抗を有する等価電圧源に相当することによってもたらされる。栄養溶液はその中に含まれるイオンによってソース抵抗に比較して比較的低オームであるので、等価電圧源が栄養溶液の電気的抵抗によって負荷を受けた場合に、ゲートに印加される測定信号はそれに応じて減少する。その場合に測定すべき細胞信号は、基準電位にある栄養溶液によって実際に短絡され、即ち電圧の圧倒的な部分がゲートに印加されず、等価電圧源のソース抵抗よって降下する。更に好ましくないことに、ゲート電極、導体路及び接触面から形成される配置が、栄養溶液に対して比較的大きい電気的容量を有しており、それによって測定信号が更に弱化される。
ＤＥ１９６２３５１７Ｃ１

従って本発明の課題は、冒頭で挙げた種類の装置であって、ゲート電極が測定すべきバイオコンポーネントを含む栄養溶液と接触することによって、測定信号が左右されるという危険を減少させる装置を提供することである。

この課題は、ゲート電極が側方に並べて配置された、少なくとも２つの電極領域を有しており、それらが、チャネルエリアによってソースがドレインと接続される方向に対して直角方向に互いに距離を有し、かつ互いに電気的に絶縁されていることによって解決される。

有利な点は、ゲート電極が複数の互いに電気的に絶縁された電極領域に分割されており、これら電極領域は、ソースとドレインを互いに接続した方向でありかつチャネルエリア内の電流方向にほぼ相当するラインに対して直角方向に互いにオフセットされていることである。栄養溶液内にあって、電界効果トランジスタによって測定が実施されるバイオコンポーネントが、ゲート電極を部分的に覆う場合、即ち、ゲート電極の少なくとも第１の電極領域が栄養溶液と直接接触し、かつ少なくとも第２の電極領域がバイオコンポーネントによって完全に覆われて、このバイオコンポーネントによって栄養溶液に対してシールされる場合に、第１と第２の電極領域の間の直接的な電位補償が起きることと、それに伴って第２の電極領域に印加される測定電圧が、第１の電極領域と接触し、基準電位にある栄養溶液の電気的抵抗によって負荷を受けることが回避される。更に、ゲート電極が分割されることによって、一体的なゲート電極を有する装置と異なり、寄生容量による測定信号の容量的負荷が減少される。それによって装置は、バイオコンポーネントがゲート電極を部分的にしか覆わない場合でも、比較的高い測定及び検出感度を可能にする。これが有利な点である。特に有利であるのは、特に飽和領域内で電解効果トランジスタを駆動する場合に、個々の電極領域に印加される電位を、それぞれチャンネルエリアの最大の感度を有する部分領域へ結合されうることである。測定すべきバイオコンポーネントがゲート電極に直接固定できるように装置を設計することが好ましい。この装置はバイオコンポーネントのための高オームの信号検出を可能にする。

装置が、電極領域を少なくとも３つ、通常は少なくとも５つ、好ましくは少なくとも７つを一列に並べて有していると、効果的である。それによって、バイオコンポーネントがゲート電極を部分的にしか覆わない場合、ゲート電極に対するバイオコンポーネントの配置の違いに関して、全体として更に大きい測定感度及び測定安全性を達成することができる。

本発明の好ましい実施形態において、ドレインとソースのチャネルエリアに隣接する端縁は、互いに対してほぼ平行に延びており、その場合に互いに隣接する電極領域の互いに向き合った電極端縁は、ドレイン及び／又はソースの、チャネルエリアに隣接する端縁に対してそれぞれほぼ直角に延びている。その場合に、互いに隣接して、互いに並べて配置された電極領域間の分離線は、大体において、チャネルエリア内で電流が流れる方向に延びている。それによって個々の電極領域へ印加される電位の相互の影響が、更に効果的に回避される。

本発明の好ましい実施形態においては、ドレインとソース上に電気的絶縁体層が配置されており、この電気的絶縁体層は酸化物層であることが好ましく、更にその厚みは絶縁層の厚みより少なくとも１０、場合によっては３０が好ましく、５０のファクターだけ大きいのが更に好ましい。その場合に電極領域は、場合によっては絶縁層も側方においてそれぞれ、絶縁体層のチャネルエリア側の端縁に直接隣接している。この配置によって、測定の際に栄養溶液と接触する装置の表面とこの表面から離れているソース及びドレイン領域との間の更に小さい寄生容量が可能となる。

個々の電極領域がそれぞれチャネルエリア上で覆う面積が、ゲート電極上に固定可能な生物細胞の焦接点が覆う面積より小さいか、それと等しく、更に個々の電極領域がそれぞれチャネルエリア上で覆う面積が主に０．５μｍ^２と５μｍ^２の間にあれば効果的である。それによって異なる寸法を有し、及び／又はゲート電極に対して様々な位置に配置されている生きている細胞について測定信号を得る際に更に大きい測定感度と信頼性が可能となる。

本発明の実施形態において、絶縁層は酸化シリコン層で、特に二酸化シリコン層で、ゲート電極は貴金属層で、特にパラジウム層で形成されており、ここで絶縁層とゲート電極との間にポリシリコン層が配置されており、前記ポリシリコン層は互いに隣接する電極領域間にある間隙によって隔たっており、かつポリシリコン層と貴金属層との間にこれらを互いに接続する貴金属−シリコン層が配置されている。その場合にゲート電極は、装置を形成する際に、中間層を配置することにより構成され得る。このためには、電解効果トランジスタにおいて、まずドーピングされた半導体層（これは基板又は基板上の槽状の領域によって形成することができる）上にソース及びドレイン領域とチャネルエリアを形成し、それによってその後チャネルエリア上に電気的に絶縁する酸化シリコン層（ゲート電極）を形成することが可能となる。この上に、ポリシリコン層が全面的に設けられ、次にポリシリコン層を、後でゲート電極が配置されるべき箇所にだけ存在するように構成する。

そして、基板上に、導体路を形成するために構成された層が設けられる。導体路層の個々の層の間に、電気的に絶縁する層が配置される。被覆層として、パッシベーション層が塗布される。その後、ポリシリコンがある箇所の上方に凹部がエッチング形成され、その凹部はエッチングストッパとして用いられるポリシリコン層まで延びる。ゲート電極が、凹部の底を部分的にだけ覆うようにする場合には、凹部内にポリシリコン層が構造化される。次に、全面に貴金属からなる金属化が設けられる。後続の熱処理において、シリコンをポリシリコン層から貴金属層内へ拡散させ、貴金属層の、貴金属層表面から隔たった領域内に貴金属−シリコンを形成する。それによって貴金属がポリシリコン層に残りの表面よりも良好に付着するので、機械的に、例えば超音波を用いて、ポリシリコン層の構造に従ってポリシリコン層を構成することができる。この方法により貴金属はポリシリコン層と接触しない箇所においてだけ剥がれる。

本発明に基づく装置は、好ましくは、バイオコンポーネントがチャネルエリア上に配置されているゲート電極と直接接触可能なように、即ちバイオコンポーネントが測定の間、好ましくはゲート電極のチャネルエリアとは反対の側で直接チャネルエリアの上方にあるように形成されている。この配置によって、ゲート電極には小さい寄生容量が生じる。このためには、ゲート電極は、好ましくは測定チャンバに、或いはバイオコンポーネントと場合によってはそれを含む栄養溶液を収容するための槽に隣接する。

また本発明は、個々の電極領域がそれぞれ導体路を介して電気的接触部材と接続されている場合の解決も含んでいる。接触部材はゲート電極から隔たった、バイオコンポーネントのための添接領域内に配置されており、これによりバイオコンポーネントを接触させることができる。この実施形態は、本来の電界効果トランジスタとバイオコンポーネントとの間の空間的な分離が好ましい場合に、効果的である。

本発明の実施形態において、装置は複数の電解効果トランジスタを有しており、その場合にこれら電解効果トランジスタは共通の半導体基板上に好ましくはマトリクス形式で互いに並べて配置されている。この配置により、装置はバイオコンポーネントについて、位置とは独立して測定信号を検出できる。

本発明の好ましい実施形態においては、ゲート電極の少なくとも１つの電極領域及び／又は電極領域に隣接して付加されている。刺激電極が、バイオコンポーネントのための電気的な刺激装置と接続されている。刺激装置は、電圧源を有しており、その電圧源は電気的なスイッチを介して電極領域及び／又は刺激電極と接続可能である。本装置によって、互いにネットワーク化された複数の神経細胞を有する細胞培養において、細胞培養の内部の電気的信号及び／又は信号パターンの伝播を調査することができる。このためには、まず電気的な刺激電位が少なくとも１つの電極領域及び／又は刺激電極に印加され、次に除去されて、それによってその後電極領域を用いて刺激電位への細胞の応答が測定される。

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

生きている生物細胞について細胞外で細胞電位測定を実施する装置であって、半導体チップを有しており、その中に少なくとも１つの電解効果トランジスタ１が統合されており、その電解効果トランジスタは図面には詳しく図示されていない測定増幅器と接続されている。図１に示す実施例において、半導体チップは、第１の電荷担体のドーピングされた半導体層２を有しており、この半導体層は半導体チップの基板によって形成されている。しかし、他の実施例として、半導体層２が槽状のドーピングされた領域（ウェル）として半導体基板に埋め込まれている場合も考えられる。

半導体層２上に、第２の電荷担体タイプのドーピングされた領域が配置されており、トランジスタ測定増幅器に接続された場合に、それらの領域の１つがトランジスタのソース３ａを形成し、他の１つがドレイン３ｂを形成する。図１から明らかなように、ソース３ａとドレイン３ｂは半導体層２の表面へ埋め込まれて、それらの間に位置するチャネルエリア４によって互いに対して側方に隔たっている。チャネルエリア４から離れた側において、ソース３ａがソース接点５ａと接続され、ドレイン３ｂがドレイン接点５ｂと接続されており、これらの接点が測定増幅器に接続されている。図１の右では、ソース接点５ａもまた半導体層２（基板）に接続されていることが示されている。

チャネルエリア４上に、絶縁層６が配置されており、その絶縁層は薄い酸化物層から形成されており、チャネルエリア４及びその両側に隣接する、ソース３ａとドレイン３ｂの端縁領域７ａ、７ｂにわたって連続して延設される。絶縁層６上に、図面には詳しく図示されていないが、構成されたポリシリコン層が塗布されており、そこにゲート電極（その全体を符号８で示す）が配置されており、そのゲート電極はめっきによって形成されている。めっきは、腐食に耐える貴金属、好ましくはパラジウムからなる。ポリシリコン層からゲート電極８へ至る移行領域内に、金属シリサイド層が形成されている。それによってゲート電極８が、ポリシリコン層上に十分に付着し、ないしは更にこの層と堅固に結合されている。

ゲート電極８は、収容空間９に直接隣接し、その収容空間は、栄養溶液１５内にある生物細胞１４を収容するように形成されている。

特に図１に明らかなように、ゲート電極８は側方に並べて配置された複数の電極領域１０を有しており、それらは互いに対して電気的に絶縁されている。更に、互いに半導体チップの広がり平面に対して平行に隔たっており、即ち図１に双方向矢印１１でマークした、チャネルエリア４がソース３ａをドレイン３ｂと接続する方向に対してほぼ直角に互いに隔たっている。個々の電極領域１０は、それぞれほぼ矩形状に形成されており、チャネルエリア４がソース３ａをドレイン３ｂと接続する方向１１に中断なしにチャネルエリア４上全体に延びている。図２に明らかなように、電極領域１０はそれぞれその一方の端部において、チャネルエリア４に隣接するソース３ａの端縁領域７ａを覆い、反対側の他方の端部においてチャネルエリア４に隣接するドレイン３ｂの端縁領域７ｂを覆っている。

互いに隣接する電極領域１０は、細い間隙によって互いに隔てられており、その間隙は、半導体チップの上面図においてそれぞれチャネルエリア４に隣接するソース３ａとドレイン３ｂの端縁に対してほぼ直角に延びている。これらの端縁に対して平行に、電極領域１０が互いに対して直線的にオフセットされているので、全体として、一列に配置された複数の電極領域１０からなる、ほぼ矩形の細長いゲート電極８が形成されている。その寸法に合せて生物細胞の寸法が調整される。図２から明らかなように、ソース３ａとドレイン３ｂはそれぞれ中断なしにゲート電極８の電極領域１０全体にわたって延設される。

ソース３ａ及びドレイン３ｂ上に、チャネルエリア４から離して、それぞれ電気的絶縁体層１２ａ、１２ｂが配置されており、それらは厚い酸化物層（Feldoxid層）から形成されており、絶縁層６よりも大きい厚みを有している。電極領域１０と絶縁層６は、側方においてそれぞれ一方の端部が、ソース３ａ上にある絶縁体層１２ａに隣接し、他方の端部がドレイン３ｂ上にある絶縁体層１２ｂに隣接している。絶縁体層１２ａ、１２ｂ上に、被覆層としてパッシベーション層１３が配置されており、その端はゲート層に接近できるようにゲート電極８から離れている。

図３は、使用位置における装置の上面図を示している。図から明らかなように、半導体チップの表面に生物細胞１４が固定されており、その生物細胞は栄養溶液１５（図４）内に配置されており、それが図面には詳しく図示されていないが、基準電極を介して電気的基準電位、例えばソース接点５ａに印加される電位にある。細胞１４は、ゲート電極８に対して、電極領域１０の幾つかを完全に覆うように、位置決めされている。このようにすることで細胞が、これらの電極領域１０と、電極領域１０に対して電気的に絶縁された半導体チップの隣接する表面領域とに付着し、その結果、細胞１４がこれらの電極領域１０を栄養溶液１５に対してシールする。残りの電極領域１０は、少なくとも部分的に栄養溶液１５に対して接触し、従って栄養溶液１５に印加されている基準電位にある。ゲート電極８は複数の電極領域１０に分割されているので、細胞１４から細胞膜を介して、細胞１４によって栄養溶液１５に対してシールされた電極領域１０内へ結合された細胞電位が、比較的低オームの基準電位へ引かれることが回避される。従ってこの装置により、ゲート電極８が細胞１４によって部分的にしか覆われていない場合でも、細胞電位変化の正確な測定を可能となる。

図４には、細胞１４により覆われた領域内に、装置によって形成された電気的容量が、電気的等価回路図の形式で図式的に記入されている。図から明らかなように、絶縁体層１２ａ、１２ｂによって形成される電気的容量のための等価コンデンサＣ_Ｆｏｘのコンデンサプレートと、細胞１４によって覆われたパッシベーション層１３の領域によって形成される電気的容量のための等価コンデンサＣ_Ｐａｓｓのコンデンサプレートが、ゲート電極８によって形成される電気的容量のための等価コンデンサＣ_ｏｘのそれぞれのコンデンサプレートよりも、ずっと広く互いに対して隔たっている。従って容量Ｃ_ＦｏｘとＣ_Ｐａｓｓは、ゲート電極８の全容量よりもずっと小さい。このゲート電極は、半導体チップ上で電気的に互いに絶縁された複数の電極領域に分割されているので、容量Ｃ_ｏｘによって測定信号に作用する容量的負荷も比較的小さい。従ってこの装置により、全体として、高い測定精度と広帯域のほとんど歪みのない測定信号獲得を可能になる。

図４には、更に、シール抵抗を模造する、オームの等価抵抗Ｒ_Ｓｅａｌが示されている。前記シール抵抗を介し、細胞の載置領域の内部に配置されて、載置領域の端縁から隔たっている細胞膜の領域が電気的容量と接続されている。この電気的容量は、パッシベーション層１３の細胞の載置領域の外部にある領域と半導体層２との間に形成される。細胞１４は、それがパッシベーション層１３の表面に添接された場合に、それに対して分離される。図４においては、見やすくする理由から、細胞膜とパッシベーション層１３の間の距離が著しく拡大して示されている。

バイオコンポーネントについて測定を実施するための、電解効果トランジスタを有する装置の三次元の部分図であって、装置は電解効果トランジスタの領域で断面にて示されている。 図１に示す装置の電解効果トランジスタの領域を示す上面図であって、構造化されたゲートコーティングが認識可能である。 装置を使用位置において示す部分上面図である。 装置の断面図であって、寄生容量が図式的に示されている。

Claims (11)

1. 少なくとも１つの電解効果トランジスタ(1)を有し、その電解効果トランジスタが基板上にソース、ドレイン及びこれらを互いに接続するチャネルエリア(4)を有し、そのチャネルエリア上にゲート電極(8)が配置されて、そのゲート電極が薄い絶縁層(6)によってチャネルエリア(4)に対して電気的に絶縁されている、バイオコンポーネント、特に生きている細胞について測定を実施するための装置において、
   ゲート電極(8)が、少なくとも２つの側方に並べて配置された電極領域(10)を有しており、前記電極領域が、チャネルエリア(4)がソース(3a)をドレイン(3b)と接続する方向に対して直角方向に互いに対して隔たって、かつ互いに対して電気的に絶縁されていることを特徴とする、バイオコンポーネントにおける測定を実施するための装置。
2. 電極領域(10)の少なくとも３つ、通常は少なくとも５つ、そして好ましくは少なくとも７つが、一列に並べて配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. ドレイン(3a)とソース(3b)のチャネル領域(4)に隣接する端縁が、互いに対してほぼ平行に延びており、かつ
   互いに隣接する電極領域(10)の互いに向き合った電極端縁が、それぞれ、ドレイン(3a)及び／又はソース(3b)のチャネルエリア(4)に隣接する端縁に対してほぼ直角に延びていることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. ドレイン(3a)及びソース(3b)上に、それぞれ好ましくは酸化物層で形成された電気的絶縁体層(12a,12b)が配置されており、前記絶縁体層の厚みが、絶縁層(6)の厚みより少なくとも１０、場合によっては３０、そして好ましくは５０のファクターだけ大きく、かつ
   電極領域(10)と場合によっては絶縁層(6)が、側方においてそれぞれ、絶縁体層(12a,12b)のチャネルエリア(4)側の端縁に直接隣接していることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載の装置。
5. 個々の電極領域(10)がそれぞれチャネルエリア(4)上で覆う面積が、ゲート電極上に固定された生物細胞(14)の焦接点が覆う面積よりも小さく、或いはそれと等しく、かつ好ましくは０．５μｍ^２と５μｍ^２の間にあることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項に記載の装置。
6. 絶縁層(6)が、酸化シリコン層、特に二酸化シリコン層で形成され、ゲート電極(8)が貴金属層、特にパラジウム層で形成されており、
   絶縁層(6)とゲート電極(8)の間にポリシリコン層(8)が配置されており、前記ポリシリコン層が、互いに隣接する電極領域(10)の間にある間隙によってそれぞれ中断されており、かつ
   ポリシリコン層(8)と貴金属層の間に、これらを互いに接続する貴金属−シリコン層が配置されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項に記載の装置。
7. ゲート電極が、測定チャンバに直接隣接しているか、又は１つ或いは複数のバイオコンポーネントと、場合によってはそれを含む栄養溶液を収容するための槽とに直接隣接していることを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項に記載の装置。
8. 個々の電極領域(10)が、それぞれ導体路を介して電気的接触部材と接続されており、前記接触部材がバイオコンポーネントを接触させるために、ゲート電極(8)から離れた、バイオコンポーネントのための添接領域内に配置されていることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項に記載の装置。
9. 装置が、電解効果トランジスタ(1)の複数を有し、かつ
   これら電解効果トランジスタ(1)が、共通の半導体基板上に好ましくはマトリクス形式で互いに並べて配置されていることを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項に記載の装置。
10. 少なくとも１つの電極領域(10)、ゲート電極(8)及び／又は、電極領域に隣接して付加されている刺激電極が、バイオコンポーネントのための刺激装置と接続されていることを特徴とする請求項１ないし９いずれか１項に記載の装置。
11. 生物細胞における信号、特に細胞電位変化を細胞外で測定するための請求項１ないし１０いずれか１項に記載の装置の使用。

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